撮像装置及び撮像装置の制御方法
【課題】 垂直転送レジスタの電荷の掃き出し駆動を行う際に発生する、撮像素子のポテンシャル電位の揺れ量を軽減し、撮像素子の信号電荷の飽和容量が減少することを抑制する。
【解決手段】 ダイナミックレンジを必要とするときには、垂直ＣＣＤ２３に存在する偽信号電荷を排出するための垂直ＣＣＤ２３の駆動周波数が、ダイナミックレンジを必要としないときを下回り、且つ、信号電荷を転送するときよりも高くなるようにする。
【解決手段】 ダイナミックレンジを必要とするときには、垂直ＣＣＤ２３に存在する偽信号電荷を排出するための垂直ＣＣＤ２３の駆動周波数が、ダイナミックレンジを必要としないときを下回り、且つ、信号電荷を転送するときよりも高くなるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及び撮像装置の制御方法に関し、特に、オーバーフロードレイン構造を有する固体撮像素子を備えた撮像装置に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話等の、画像を撮影して記録する電子機器が普及している。このような電子機器に対する高解像度化の要求に伴い、固体撮像素子の微細化・高密度化が進んでいる。
【０００３】
図２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像素子の構成の一例を示す図である。
図２に示すように、ＣＣＤ型固体撮像素子では、オーバーフローバリアのポテンシャルの深さにより飽和電荷容量が制御される複数のフォトダイオード２２が２次元マトリックス状に配置される。また、ＣＣＤ型固体撮像素子には、同一の列に配置された各フォトダイオード２２からの信号電荷を垂直方向に転送するＣＣＤ素子を用いた垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）が、フォトダイオード２２の垂直列のそれぞれに対して設けられる。更に、ＣＣＤ型固体撮像素子には、各垂直転送レジスタにより転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ（水平ＣＣＤ２５）が設けられる。尚、図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子の詳細については後述する。
【０００４】
このようなＣＣＤ型固体撮像素子を用いた撮像装置の多くでは、静止画像を得るために、フレーム読み出し駆動方法が用いられている。フレーム読み出し駆動方法では、１枚の画像にあたる１フレームを複数のフィールドで読み出す。よって、１回の露光で１枚の画像を得る場合には、複数のフィールド間で画像を変化させないようにする必要がある。そのために、露光完了後にメカニカルシャッタ等の遮光手段を用いて遮光し、信号電荷が変化しないようにする必要がある。
【０００５】
図６は、読み出しゲート部２１、フォトダイオード２２、垂直ＣＣＤ２３周辺の基板の深さ方向の構造の一例を示す断面図である。図７は、図６に示すＸ−Ｘ´−Ｙ方向におけるポテンシャル分布の一例を示す図である。
図６には、Ｎウェル６１と、Ｐウェル６２と、Ｎ型信号電荷蓄積領域６３と、Ｐ＋型正孔蓄積領域６４と、Ｎ型信号電荷転送領域６５と、Ｐ＋型チャネルストッパ領域６６と、Ｐ＋型不純物拡散領域６７と、垂直転送電極６８とが示されている。
図６に示すようなオーバーフロードレイン構造を持つ撮像素子では、露光が完了した後に遮光されると、蓄積されている信号電荷のフェルミ準位とオーバーフローバリアのポテンシャルとの差が時間の経過とともに増加する。そして、蓄積されている信号電荷の一部は、そのフェルミ順位が一定値になるまでオーバーフローバリアを越えて基板側であるオーバーフロードレインへ放出される。
【０００６】
このため、メカニカルシャッタを閉じてから信号電荷を読み出すまでの間に、時間の経過と共に、フォトダイオード２２の飽和電荷容量が減少し、後のフィールドほどフォトダイオード２２の飽和電荷容量が減る現象が発生する。これにより、複数のフィールド間で、フォトダイオード２２の飽和電荷信号量の段差が発生する。このようなフォトダイオード２２の飽和電荷容量の減少は、Ｓ／Ｎ比やダイナミックレンジの特性を悪化させるため好ましくない。
【０００７】
そこで、特許文献１では、露光時と遮光時とで基板バイアス電圧を可変することにより、遮光時に、オーバーフローバリアによる障壁を高くするようにしている。このようにすることにより、信号電荷のオーバーフロー現象を抑えることができる。
一方、実際のデジタルカメラでは、特許文献２に記載されているように、フォトダイオード２２に蓄積された信号電荷を垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）に読み出す前に、垂直転送レジスタの掃き出し駆動を実施している。これにより、フォトダイオード２２に蓄積された信号電荷を垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）に読み出す前に、垂直転送レジスタ内に存在するスミア成分や余剰電荷等の偽信号電荷を排出することができる。よって、ノイズの少ない画像を得ることができる。
【０００８】
垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）で偽信号電荷の掃き出し駆動を実施する際には、全体としてのフレームレートを速くするために、信号電荷を転送する時よりも高い周波数で垂直転送レジスタを駆動する。これにより、垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）内に存在する偽信号電荷を高速に掃き出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−１５０１８３号公報
【特許文献２】特開２００１−１４５０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このように垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）から偽信号電荷を高速に掃き出すように垂直転送レジスタを駆動すると、これと同時に基板ポテンシャル（基板電位）を揺することとなる。これにより、オーバーフローバリアの電位も揺れる結果となる（図７に示す「電位の揺れ」の部分を参照）。このため、図７に示すように、フォトダイオード２２で蓄積された信号電荷の一部が、オーバーフロードレインにこぼれる（図７に示す黒丸で示す部分を参照）。
【００１１】
また、垂直転送電極６８を高周波で駆動すると、より顕著にポテンシャル電位が揺れる。図６に示すＰウェル６２に存在する空乏層が容量を持っているため、垂直転送電極６８の電位が切り替わるたびに充放電を繰り返すことになるからである。すなわち、周波数が高くなるほど短時間で充放電が行われることによって、Ｐウェル６２の電位の揺れが大きくなる。
【００１２】
以上の理由により、垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）から偽信号電荷を高速に掃き捨てる際に、オーバーフローバリアの電位が揺れることにより、フォトダイオード２２で蓄積された信号電荷が、オーバーフロードレイン側に漏れ出る。このため、フォトダイオード２２の電荷飽和容量の低下を招いている。
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、垂直転送レジスタの電荷の掃き出し駆動を行う際に発生する、撮像素子のポテンシャル電位の揺れ量を軽減し、撮像素子の信号電荷の飽和容量が減少することを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の撮像装置は、それぞれがオーバーフロードレイン構造を持つ複数の光電変換素子であって、２次元マトリックス状に配置された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子のうち、同一の列に配置された光電変換素子から読み出された信号電荷を転送する垂直電荷転送部と、を有する固体撮像素子と、前記垂直電荷転送部における電荷の転送動作を制御する制御手段と、前記撮像素子を遮光状態または非遮光状態にするシャッタと、を有し、前記垂直電荷転送部は、前記制御手段により設定された駆動周波数で電荷を転送し、前記制御手段は、前記撮像素子から信号電荷を読み出す前に前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて、垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を変更するようにした。よって、光電変換部で蓄積した信号電荷の飽和容量の低下を抑制したいときに、信号電荷のオーバーフロードレイン側への漏れを抑制することができ、ダイナミックレンジの拡大を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】固体撮像装置の概略構成の第１の例を示す図である。
【図２】固体撮像素子の構成を示す図である。
【図３】垂直転送パルスのタイミングチャートである。
【図４】撮影モードと、駆動モードとの対応関係を表すテーブルの一例を示す図である。
【図５】固体撮像装置の概略構成の第２の例を示す図である。
【図６】読み出しゲート部、フォトダイオード、垂直ＣＣＤ周辺の構造を示す図である。
【図７】図６に示すＸ−Ｘ´−Ｙ方向におけるポテンシャル分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。本実施形態では、撮像装置がデジタルスチルカメラである場合を例に挙げて説明する。
図１に示すように、撮像装置は、光学系１１、固体撮像素子１２、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）１３、デジタル信号処理回路１４、及びカメラ制御部１５を有する。更に、撮像装置は、ヒューマンＩ／Ｆ（インターフェース）制御部１６、ユーザインターフェース１７、タイミングジェネレータ１８、及び光学系駆動回路１９を有する。
【００１７】
光学系１１は、被写体（図示せず）からの入射光を固体撮像素子１２の撮像面上に結像するレンズ１１ａと、撮像素子１２の撮像エリアへの入射光を制御して固体撮像素子１２を遮光状態または非遮光状態にするメカニカルシャッタ１１ｂとを有する。固体撮像素子１２は、光学系１１を通して入射した光を光電変換して電気信号として出力する。
ＡＦＥ１３は、アナログ信号処理回路である。ＡＦＥ１３は、撮像素子１２から出力されるアナログ信号に対して、Ｓ／Ｈ（サンプル／ホールド）やＡＧＣ（自動利得制御）等の信号処理を行う。その後、ＡＦＥ１３は、信号処理を行ったアナログ信号をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換する。デジタル信号処理回路１４は、ＡＦＥ１３から供給されるデジタル信号に対して、カメラ制御部１５からの指示に従って各種の信号処理を行う。
【００１８】
デジタル信号処理回路１４内で行われる各種の信号処理とは、例えば、ホワイトバランス処理・ガンマ処理・色差処理等の所謂カメラ信号処理や、カメラ制御用の検波データ（明るさ・コントラスト・色合い等の画面内の情報を示すデータ）の計算処理を指す。
カメラ制御部１５は、例えばマイクロコンピュータによって構成される。カメラ制御部１５は、デジタル信号処理回路１４から送られてきた検波データ等を基に、現在の入力画像の状態を判定し、判定した結果に基づいて、ヒューマンＩ／Ｆ制御部１６を経由して送られてくる各種設定モードに応じたカメラ制御を行う。例えば、カメラ制御部１５は、カメラ画制御用データをデジタル信号処理回路１４に送信する。また、カメラ制御部１５は、レンズ制御データやメカニカルシャッタ制御データを光学系駆動回路１９に送信する。また、カメラ制御部１５は、タイミング制御データをタイミングジェネレータ１８に送信する。また、カメラ制御部１５は、ゲイン制御データをＡＦＥ１３に送信する。
【００１９】
デジタル信号処理回路１４、光学系駆動回路１９、タイミングジェネレータ１８及びＡＦＥ１３は、カメラ制御部１５から送られてきた制御値に応じた処理を行う。デジタル信号処理回路１４は、デジタル信号処理を行い、光学系駆動回路１９は、光学系１１の駆動処理を行い、タイミングジェネレータ１８は、タイミング発生処理を行い、ＡＦＥ１３は、ゲイン処理を行う。固体撮像素子１２は、タイミングジェネレータ１８が発生する各種のタイミング信号に基づいて、画素アレイ部から任意の領域の信号を順次取り出してＡＦＥ１３へ出力する。
【００２０】
ユーザによって行われるメニュー操作等は、ユーザインターフェース１７を介してヒューマンＩ／Ｆ制御部１６で制御される。ヒューマンＩ／Ｆ制御部１６は、例えばマイクロコンピュータによって構成される。ヒューマンＩ／Ｆ制御部１６は、ユーザが現在どのような撮影モードを選択しているのか、或いはどのような制御を望んでいるのか等を検知し、カメラ制御部１５に対してユーザ指示情報を送信する。
【００２１】
カメラ制御部１５は、被写体距離・Ｆ値・シャッタースピード・倍率等のカメラ制御情報を、ヒューマンＩ／Ｆ制御部１６に送信することにより、ユーザインターフェース１７を介して、現在のカメラの情報をユーザに知らせる。このとき、ユーザは、ユーザインターフェース１７を用いることによって、固体撮像素子１２の感度をはじめとする撮影時の設定をすることができる。
【００２２】
図２は、撮像素子１２の構成の一例を示す図である。
図２において、複数のフォトダイオード２２は、２次元マトリックス状に配列されて、撮像エリア２４を形成する。各フォトダイオード２２は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換（光電変換）して蓄積する光電変換素子である。各フォトダイオード２２は、例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなり、それぞれがオーバーフロードレイン構造を有する。読み出しゲート部２１に読み出しパルスが印加されることにより、垂直列をなす複数のフォトダイオード２２に蓄積された信号電荷は、それら複数のフォトダイオード２２に対応して配置された垂直ＣＣＤ２３（垂直転送レジスタ）に読み出される。
【００２３】
垂直ＣＣＤ２３は、垂直電荷転送部の一例であり、フォトダイオード２２の垂直列毎に設けられる。垂直ＣＣＤ２３は、自身に対応する同一の列に配置された各フォトダイオード２２から読み出しゲート部２１を介して読み出された信号電荷を垂直方向に転送して水平ＣＣＤ２５に出力する。インターライン・トランスファー（ＩＴ）方式の固体撮像素子の場合、各垂直ＣＣＤ２３には、例えば４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって信号電荷を転送するための垂直転送ゲート電極が繰り返し配置される。フォトダイオード２２から読み出された信号電荷は、順に垂直方向に転送される。これにより、水平ブランキング期間において、１走査線（１ライン）分の信号電荷が、複数の垂直ＣＣＤ２３から水平ＣＣＤ２５に出力される。
【００２４】
４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４のうち、２相目と４相目の垂直転送クロックφＶ２、φＶ４は、信号電荷を垂直方向へ転送するためのローレベルとミドルレベルの２値をとり得る。これに対して、１相目と３相目に対応する垂直転送ゲート電極は、読み出しゲート部２１の読み出しゲート電極も兼用している。よって、１相目と３相目の垂直転送クロックφＶ１、φＶ３は、ローレベル、ミドルレベル、及びハイレベルの３値をとり得る。この３値目のハイレベルのパルスは、読み出しゲート部２１に与えられる読み出しパルスとなる。
【００２５】
水平ＣＣＤ２５は、水平ブランキング期間において複数の垂直ＣＣＤ２３から転送された１ライン分の信号電荷を１水平走査期間内で順次水平方向に転送し、出力アンプ２６を介して出力する。この水平ＣＣＤ２５は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１、φＨ２によって駆動され、複数本の垂直ＣＣＤ２３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。
出力アンプ２６は、水平ＣＣＤ２５によって水平方向に転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。
【００２６】
基板バイアス電圧制御部２９は、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生し、トランジスタＱ１を介して基板２７に印加する。この基板バイアスＶｓｕｂは、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号の制御の下で、トランジスタＱ２がオフのときには第１のバイアス電圧に、トランジスタＱ２がオンのときには、第１のバイアス電圧よりも低電圧の第２のバイアス電圧に設定される。
【００２７】
固体撮像素子１２は、半導体基板（以下の説明では「基板」と呼ぶ）２７上に形成される。基板２７には、フォトダイオード２２に蓄積された信号電荷を基板２７へ掃き出すための基板シャッターパルスφＳＵＢ等の各種のタイミング信号が印加される。尚、基板シャッターパルスφＳＵＢによる基板シャッタ機能は電子シャッタとも呼ばれる。
【００２８】
次に、本実施形態の特徴の一つであるタイミングジェネレータ１８で生成される垂直転送パルスのタイミングチャートの詳細を説明する。
図３は、タイミングジェネレータ１８で生成される垂直転送パルスのタイミングチャートである。具体的に図３（Ａ）は、タイミングジェネレータ１８により従来から通常なされる固体撮像素子１２の駆動タイミングの一例を説明するタイミングチャートである。図３（Ｂ）は、低感度や高画質等のダイナミックレンジを必要とする場合にタイミングジェネレータ１８によりなされる固体撮像素子１２の駆動タイミングの一例を説明するタイミングチャートである。
【００２９】
図３（Ａ）において、カメラ制御部１５は、シャッタが閉じて露光期間が終了した後、垂直ＣＣＤ２３に存在する余剰電荷やスミア電荷等の偽信号電荷を排出するため、垂直ＣＣＤ２３における電荷の転送動作のタイミングをタイミングジェネレータ１８に指示する。すなわち、カメラ制御部１５は、信号電荷を垂直ＣＣＤ２３に読み出す前に、信号電荷を転送するときよりも高周波で垂直転送パルスを駆動することをタイミングジェネレータ１８に指示する。その後、垂直転送パルスとして読み出しパルスを与えると、フォトダイオード２２に蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤ２３に順次転送される。
【００３０】
図３（Ｂ）においても、カメラ制御部１５は、シャッタが閉じて露光期間が終了した後、垂直ＣＣＤ２３に存在する偽信号電荷を排出するため、垂直ＣＣＤ２３における電荷の転送動作のタイミングをタイミングジェネレータ１８に指示する。すなわち、カメラ制御部１５は、信号電荷を垂直ＣＣＤ２３に読み出す前に、信号電荷を転送するときよりも高周波で垂直転送パルスを駆動することをタイミングジェネレータ１８に指示する。ただし、このときの垂直転送パルスの垂直転送周波数（第２の周波数）を、図３（Ａ）における垂直転送パルスの垂直転送周波数（第１の周波数）を下回る（低くなる）ようにする（図３（Ａ）の時間ｔ１＜図３（Ｂ）の時間ｔ２）。このようにすることにより、信号電荷がオーバーフロードレイン側へこぼれることを軽減することができる。
【００３１】
本実施形態では、ダイナミックレンジを必要とするときには、垂直ＣＣＤ２３に存在する偽信号電荷を排出するための垂直ＣＣＤ２３の駆動周波数が、ダイナミックレンジを必要としないときを下回り、且つ、信号電荷を転送するときよりも高くなるようにした。このようにすることにより、フォトダイオード２２に蓄積した信号電荷が、基板２７側へこぼれることを抑制することができる。よって、画像のダイナミックレンジの拡大を図ることができ、高画質な画像を得る撮像装置を実現することができる。
尚、以下の説明では、図３（Ａ）に示すタイミングで垂直ＣＣＤ２３を駆動する駆動モードをＡモードと称し、図３（Ｂ）に示すタイミングで垂直ＣＣＤ２３を駆動する駆動モードをＢモードと称する。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態では、撮像装置における撮影時の設定（撮像モード）に応じて、Ａモード及びＢモードの何れで垂直ＣＣＤ２３を駆動するのかを、予めテーブルに記憶しておく。そして、撮影時の設定を検出すると、その撮影時の設定に対応する垂直ＣＣＤ２３の駆動モードをテーブルから読み出し、読み出した駆動モードで垂直ＣＣＤ２３を駆動する。このように本実施形態と第１の実施形態とは、Ａモード及びＢモードの何れかを採用する際の処理の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した部分と同一の部分については、図１〜図３に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
【００３３】
図４は、ユーザインターフェース１７で設定される撮影モードと、固体撮像素子１２の駆動モードとの対応関係を表すテーブルの一例を示す図である。
ユーザが撮影モードを切り替えた際、カメラ制御部１５は、撮影モードを判定し、図４に示すテーブルに記憶されている内容に従い、固体撮像素子１２（垂直ＣＣＤ２３）の駆動モードとして、Ａモード及びＢモードの何れかを選択する。
【００３４】
高感度の撮影やフレームレートを重視する撮影等が撮影モードとして選択された場合には、固体撮像素子１２における信号電荷の飽和容量として、それほど大きな容量を必要としない。よって、垂直ＣＣＤ２３から相対的に高速で電荷を掃き出すＡモードが選択されるようにテーブルを構成する（図４に示す高感度撮影モードとフレームレート重視モードの欄を参照）。Ａモードで固体撮像素子１２を駆動すると、オーバーフローバリアの電位が揺れるため、電荷は、基板２７側に漏れやすくなる。しかしながら、これらの撮影モードのときには、フレームレートを高速にすることを重視する。よって、これらの撮影モードのときには、Ａモードにて固体撮像素子１２を駆動する。
【００３５】
一方、低感度の撮影や高画質での撮影等が撮影モードとして選択された場合には、画像のダイナミックレンジとして大きなダイナミックレンジを必要とする。このため、垂直ＣＣＤ２３から相対的に低速で電荷を掃き出すＢモードが選択されるようにテーブルを構成する（図４に示す低感度撮影モードと高画質モードの欄を参照）。Ｂモードで固体撮像素子１２を駆動すると、垂直ＣＣＤ２３での電荷の掃き出し駆動によって、基板２７側へ電荷がこぼれることを低減することができるので、画像のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３６】
以上のように本実施形態では、ＩＳＯ感度等の撮影の感度の設定が所定の設定値よりも高感度の設定であるとき、及びフレームレートの設定が所定の設定値よりも高フレームレートの設定であるときには、Ａモードで固体撮像素子１２（垂直ＣＣＤ２３）を駆動する。一方、撮影の感度の設定が所定の設定値を下回る低感度の設定であるとき、及び画像の画質の設定が所定の設定値よりも高画質の設定であるときには、Ｂモードで固体撮像素子１２（垂直ＣＣＤ２３）を駆動する。よって、撮像装置に設定された撮像条件に適したモードで固体撮像素子１２（垂直ＣＣＤ２３）を駆動することができる。
【００３７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態では、固体撮像素子１２の温度に応じて、Ａモード及びＢモードの何れで垂直ＣＣＤ２３を駆動するのかを、予めテーブルに記憶しておく。そして、固体撮像素子１２の温度を検出すると、その温度に対応する垂直ＣＣＤ２３の駆動モードをテーブルから読み出し、読み出した駆動モードで垂直ＣＣＤ２３を駆動する。このように本実施形態と第１、第２の実施形態とは、Ａモード及びＢモードの何れかを採用する際の処理の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第１、第２の実施形態で説明した部分と同一の部分については、図１〜図４に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
【００３８】
図５は、固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。
図５に示すように、本実施形態の撮像装置は、図１に示した第１の実施形態の撮像装置に対して、撮像素子１２の温度をモニターする温度センサ５０が追加されたものである。カメラ制御部１５は、温度センサ５０により測定された温度の情報を入力し、その温度に応じて撮像素子１２の駆動方法を切り替えている。
【００３９】
固体撮像素子１２の信号電荷の飽和容量には温度依存性があり、固体撮像素子１２の温度の変化により、フォトダイオード２２における信号電荷の飽和容量の低下が著しくなる。このため、温度テーブルを予め用意して撮像装置に記憶させておく。例えば、固体撮像素子１２の温度が所定値より高い場合に、Ｂモードで固体撮像素子１２が駆動し、そうでない場合にＡモードで固体撮像素子１２が駆動するように温度テーブルを構成する。このようにすることにより、固体撮像素子１２の温度が相対的に高い場合には、画像のダイナミックレンジを拡大させることができる。一方、固体撮像素子１２の温度が相対的に低い場合には、フレームレートを高速にすることができる。このように、撮像装置の動作環境の一例である固体撮像素子１２の温度に応じて、固体撮像素子１２の駆動モードを変更することができる。尚、固体撮像素子１２の温度を反映する、撮像装置の内部の温度を測定していれば、必ずしも固体撮像素子１２の温度そのものを測定する必要はない。
【００４０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。第３の実施形態では、固体撮像素子１２の温度をモニターし、その温度に基づいて、固体撮像素子１２の駆動モードを切り替える場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、撮像装置で得られるプレビュー画像に基づいて、固体撮像素子１２の駆動モードを切り替えるようにする。このように、本実施形態と第１〜第３の実施形態とでは、Ａモード及びＢモードの何れかを採用する際の処理の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第１〜第３の実施形態で説明した部分と同一の部分については、図１〜図５に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
【００４１】
カメラ制御部１５は、プレビュー画像のデータにおいて、被写体の中の飽和している領域、又は飽和に近いレベルの領域が、所定の範囲よりも広い場合に、画像のダイナミックレンジを拡大するＢモードで本撮影する。一方、プレビュー画像のデータにおいて、被写体の中の飽和している領域、又は飽和に近いレベルの領域が、所定の範囲を下回り狭い場合、カメラ制御部１５は、Ａモードで本撮影する。このようにすることにより、ダイナミックレンジが広いことが望まれる画像を本撮影する際に、ダイナミックレンジが向上するように固体撮像素子１２を駆動することで、ダイナミックレンジの高い画像が得られる。このように、本実施形態では、プレビュー画像で飽和していると見なせる領域の面積に応じて、固体撮像素子１２の駆動モードを変更することができる。
【００４２】
尚、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００４３】
（その他の実施例）
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、まず、以上の実施形態の機能を実現するソフトウェア（コンピュータプログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）が当該コンピュータプログラムを読み出して実行する。
【符号の説明】
【００４４】
１２ 撮像素子、２２ フォトダイオード、２３ 垂直ＣＣＤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及び撮像装置の制御方法に関し、特に、オーバーフロードレイン構造を有する固体撮像素子を備えた撮像装置に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話等の、画像を撮影して記録する電子機器が普及している。このような電子機器に対する高解像度化の要求に伴い、固体撮像素子の微細化・高密度化が進んでいる。
【０００３】
図２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像素子の構成の一例を示す図である。
図２に示すように、ＣＣＤ型固体撮像素子では、オーバーフローバリアのポテンシャルの深さにより飽和電荷容量が制御される複数のフォトダイオード２２が２次元マトリックス状に配置される。また、ＣＣＤ型固体撮像素子には、同一の列に配置された各フォトダイオード２２からの信号電荷を垂直方向に転送するＣＣＤ素子を用いた垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）が、フォトダイオード２２の垂直列のそれぞれに対して設けられる。更に、ＣＣＤ型固体撮像素子には、各垂直転送レジスタにより転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ（水平ＣＣＤ２５）が設けられる。尚、図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子の詳細については後述する。
【０００４】
このようなＣＣＤ型固体撮像素子を用いた撮像装置の多くでは、静止画像を得るために、フレーム読み出し駆動方法が用いられている。フレーム読み出し駆動方法では、１枚の画像にあたる１フレームを複数のフィールドで読み出す。よって、１回の露光で１枚の画像を得る場合には、複数のフィールド間で画像を変化させないようにする必要がある。そのために、露光完了後にメカニカルシャッタ等の遮光手段を用いて遮光し、信号電荷が変化しないようにする必要がある。
【０００５】
図６は、読み出しゲート部２１、フォトダイオード２２、垂直ＣＣＤ２３周辺の基板の深さ方向の構造の一例を示す断面図である。図７は、図６に示すＸ−Ｘ´−Ｙ方向におけるポテンシャル分布の一例を示す図である。
図６には、Ｎウェル６１と、Ｐウェル６２と、Ｎ型信号電荷蓄積領域６３と、Ｐ＋型正孔蓄積領域６４と、Ｎ型信号電荷転送領域６５と、Ｐ＋型チャネルストッパ領域６６と、Ｐ＋型不純物拡散領域６７と、垂直転送電極６８とが示されている。
図６に示すようなオーバーフロードレイン構造を持つ撮像素子では、露光が完了した後に遮光されると、蓄積されている信号電荷のフェルミ準位とオーバーフローバリアのポテンシャルとの差が時間の経過とともに増加する。そして、蓄積されている信号電荷の一部は、そのフェルミ順位が一定値になるまでオーバーフローバリアを越えて基板側であるオーバーフロードレインへ放出される。
【０００６】
このため、メカニカルシャッタを閉じてから信号電荷を読み出すまでの間に、時間の経過と共に、フォトダイオード２２の飽和電荷容量が減少し、後のフィールドほどフォトダイオード２２の飽和電荷容量が減る現象が発生する。これにより、複数のフィールド間で、フォトダイオード２２の飽和電荷信号量の段差が発生する。このようなフォトダイオード２２の飽和電荷容量の減少は、Ｓ／Ｎ比やダイナミックレンジの特性を悪化させるため好ましくない。
【０００７】
そこで、特許文献１では、露光時と遮光時とで基板バイアス電圧を可変することにより、遮光時に、オーバーフローバリアによる障壁を高くするようにしている。このようにすることにより、信号電荷のオーバーフロー現象を抑えることができる。
一方、実際のデジタルカメラでは、特許文献２に記載されているように、フォトダイオード２２に蓄積された信号電荷を垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）に読み出す前に、垂直転送レジスタの掃き出し駆動を実施している。これにより、フォトダイオード２２に蓄積された信号電荷を垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）に読み出す前に、垂直転送レジスタ内に存在するスミア成分や余剰電荷等の偽信号電荷を排出することができる。よって、ノイズの少ない画像を得ることができる。
【０００８】
垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）で偽信号電荷の掃き出し駆動を実施する際には、全体としてのフレームレートを速くするために、信号電荷を転送する時よりも高い周波数で垂直転送レジスタを駆動する。これにより、垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）内に存在する偽信号電荷を高速に掃き出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−１５０１８３号公報
【特許文献２】特開２００１−１４５０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このように垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）から偽信号電荷を高速に掃き出すように垂直転送レジスタを駆動すると、これと同時に基板ポテンシャル（基板電位）を揺することとなる。これにより、オーバーフローバリアの電位も揺れる結果となる（図７に示す「電位の揺れ」の部分を参照）。このため、図７に示すように、フォトダイオード２２で蓄積された信号電荷の一部が、オーバーフロードレインにこぼれる（図７に示す黒丸で示す部分を参照）。
【００１１】
また、垂直転送電極６８を高周波で駆動すると、より顕著にポテンシャル電位が揺れる。図６に示すＰウェル６２に存在する空乏層が容量を持っているため、垂直転送電極６８の電位が切り替わるたびに充放電を繰り返すことになるからである。すなわち、周波数が高くなるほど短時間で充放電が行われることによって、Ｐウェル６２の電位の揺れが大きくなる。
【００１２】
以上の理由により、垂直転送レジスタ（垂直ＣＣＤ２３）から偽信号電荷を高速に掃き捨てる際に、オーバーフローバリアの電位が揺れることにより、フォトダイオード２２で蓄積された信号電荷が、オーバーフロードレイン側に漏れ出る。このため、フォトダイオード２２の電荷飽和容量の低下を招いている。
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、垂直転送レジスタの電荷の掃き出し駆動を行う際に発生する、撮像素子のポテンシャル電位の揺れ量を軽減し、撮像素子の信号電荷の飽和容量が減少することを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の撮像装置は、それぞれがオーバーフロードレイン構造を持つ複数の光電変換素子であって、２次元マトリックス状に配置された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子のうち、同一の列に配置された光電変換素子から読み出された信号電荷を転送する垂直電荷転送部と、を有する固体撮像素子と、前記垂直電荷転送部における電荷の転送動作を制御する制御手段と、前記撮像素子を遮光状態または非遮光状態にするシャッタと、を有し、前記垂直電荷転送部は、前記制御手段により設定された駆動周波数で電荷を転送し、前記制御手段は、前記撮像素子から信号電荷を読み出す前に前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて、垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を変更するようにした。よって、光電変換部で蓄積した信号電荷の飽和容量の低下を抑制したいときに、信号電荷のオーバーフロードレイン側への漏れを抑制することができ、ダイナミックレンジの拡大を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】固体撮像装置の概略構成の第１の例を示す図である。
【図２】固体撮像素子の構成を示す図である。
【図３】垂直転送パルスのタイミングチャートである。
【図４】撮影モードと、駆動モードとの対応関係を表すテーブルの一例を示す図である。
【図５】固体撮像装置の概略構成の第２の例を示す図である。
【図６】読み出しゲート部、フォトダイオード、垂直ＣＣＤ周辺の構造を示す図である。
【図７】図６に示すＸ−Ｘ´−Ｙ方向におけるポテンシャル分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。本実施形態では、撮像装置がデジタルスチルカメラである場合を例に挙げて説明する。
図１に示すように、撮像装置は、光学系１１、固体撮像素子１２、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）１３、デジタル信号処理回路１４、及びカメラ制御部１５を有する。更に、撮像装置は、ヒューマンＩ／Ｆ（インターフェース）制御部１６、ユーザインターフェース１７、タイミングジェネレータ１８、及び光学系駆動回路１９を有する。
【００１７】
光学系１１は、被写体（図示せず）からの入射光を固体撮像素子１２の撮像面上に結像するレンズ１１ａと、撮像素子１２の撮像エリアへの入射光を制御して固体撮像素子１２を遮光状態または非遮光状態にするメカニカルシャッタ１１ｂとを有する。固体撮像素子１２は、光学系１１を通して入射した光を光電変換して電気信号として出力する。
ＡＦＥ１３は、アナログ信号処理回路である。ＡＦＥ１３は、撮像素子１２から出力されるアナログ信号に対して、Ｓ／Ｈ（サンプル／ホールド）やＡＧＣ（自動利得制御）等の信号処理を行う。その後、ＡＦＥ１３は、信号処理を行ったアナログ信号をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換する。デジタル信号処理回路１４は、ＡＦＥ１３から供給されるデジタル信号に対して、カメラ制御部１５からの指示に従って各種の信号処理を行う。
【００１８】
デジタル信号処理回路１４内で行われる各種の信号処理とは、例えば、ホワイトバランス処理・ガンマ処理・色差処理等の所謂カメラ信号処理や、カメラ制御用の検波データ（明るさ・コントラスト・色合い等の画面内の情報を示すデータ）の計算処理を指す。
カメラ制御部１５は、例えばマイクロコンピュータによって構成される。カメラ制御部１５は、デジタル信号処理回路１４から送られてきた検波データ等を基に、現在の入力画像の状態を判定し、判定した結果に基づいて、ヒューマンＩ／Ｆ制御部１６を経由して送られてくる各種設定モードに応じたカメラ制御を行う。例えば、カメラ制御部１５は、カメラ画制御用データをデジタル信号処理回路１４に送信する。また、カメラ制御部１５は、レンズ制御データやメカニカルシャッタ制御データを光学系駆動回路１９に送信する。また、カメラ制御部１５は、タイミング制御データをタイミングジェネレータ１８に送信する。また、カメラ制御部１５は、ゲイン制御データをＡＦＥ１３に送信する。
【００１９】
デジタル信号処理回路１４、光学系駆動回路１９、タイミングジェネレータ１８及びＡＦＥ１３は、カメラ制御部１５から送られてきた制御値に応じた処理を行う。デジタル信号処理回路１４は、デジタル信号処理を行い、光学系駆動回路１９は、光学系１１の駆動処理を行い、タイミングジェネレータ１８は、タイミング発生処理を行い、ＡＦＥ１３は、ゲイン処理を行う。固体撮像素子１２は、タイミングジェネレータ１８が発生する各種のタイミング信号に基づいて、画素アレイ部から任意の領域の信号を順次取り出してＡＦＥ１３へ出力する。
【００２０】
ユーザによって行われるメニュー操作等は、ユーザインターフェース１７を介してヒューマンＩ／Ｆ制御部１６で制御される。ヒューマンＩ／Ｆ制御部１６は、例えばマイクロコンピュータによって構成される。ヒューマンＩ／Ｆ制御部１６は、ユーザが現在どのような撮影モードを選択しているのか、或いはどのような制御を望んでいるのか等を検知し、カメラ制御部１５に対してユーザ指示情報を送信する。
【００２１】
カメラ制御部１５は、被写体距離・Ｆ値・シャッタースピード・倍率等のカメラ制御情報を、ヒューマンＩ／Ｆ制御部１６に送信することにより、ユーザインターフェース１７を介して、現在のカメラの情報をユーザに知らせる。このとき、ユーザは、ユーザインターフェース１７を用いることによって、固体撮像素子１２の感度をはじめとする撮影時の設定をすることができる。
【００２２】
図２は、撮像素子１２の構成の一例を示す図である。
図２において、複数のフォトダイオード２２は、２次元マトリックス状に配列されて、撮像エリア２４を形成する。各フォトダイオード２２は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換（光電変換）して蓄積する光電変換素子である。各フォトダイオード２２は、例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなり、それぞれがオーバーフロードレイン構造を有する。読み出しゲート部２１に読み出しパルスが印加されることにより、垂直列をなす複数のフォトダイオード２２に蓄積された信号電荷は、それら複数のフォトダイオード２２に対応して配置された垂直ＣＣＤ２３（垂直転送レジスタ）に読み出される。
【００２３】
垂直ＣＣＤ２３は、垂直電荷転送部の一例であり、フォトダイオード２２の垂直列毎に設けられる。垂直ＣＣＤ２３は、自身に対応する同一の列に配置された各フォトダイオード２２から読み出しゲート部２１を介して読み出された信号電荷を垂直方向に転送して水平ＣＣＤ２５に出力する。インターライン・トランスファー（ＩＴ）方式の固体撮像素子の場合、各垂直ＣＣＤ２３には、例えば４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって信号電荷を転送するための垂直転送ゲート電極が繰り返し配置される。フォトダイオード２２から読み出された信号電荷は、順に垂直方向に転送される。これにより、水平ブランキング期間において、１走査線（１ライン）分の信号電荷が、複数の垂直ＣＣＤ２３から水平ＣＣＤ２５に出力される。
【００２４】
４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４のうち、２相目と４相目の垂直転送クロックφＶ２、φＶ４は、信号電荷を垂直方向へ転送するためのローレベルとミドルレベルの２値をとり得る。これに対して、１相目と３相目に対応する垂直転送ゲート電極は、読み出しゲート部２１の読み出しゲート電極も兼用している。よって、１相目と３相目の垂直転送クロックφＶ１、φＶ３は、ローレベル、ミドルレベル、及びハイレベルの３値をとり得る。この３値目のハイレベルのパルスは、読み出しゲート部２１に与えられる読み出しパルスとなる。
【００２５】
水平ＣＣＤ２５は、水平ブランキング期間において複数の垂直ＣＣＤ２３から転送された１ライン分の信号電荷を１水平走査期間内で順次水平方向に転送し、出力アンプ２６を介して出力する。この水平ＣＣＤ２５は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１、φＨ２によって駆動され、複数本の垂直ＣＣＤ２３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。
出力アンプ２６は、水平ＣＣＤ２５によって水平方向に転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。
【００２６】
基板バイアス電圧制御部２９は、基板バイアス電圧Ｖｓｕｂを発生し、トランジスタＱ１を介して基板２７に印加する。この基板バイアスＶｓｕｂは、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号の制御の下で、トランジスタＱ２がオフのときには第１のバイアス電圧に、トランジスタＱ２がオンのときには、第１のバイアス電圧よりも低電圧の第２のバイアス電圧に設定される。
【００２７】
固体撮像素子１２は、半導体基板（以下の説明では「基板」と呼ぶ）２７上に形成される。基板２７には、フォトダイオード２２に蓄積された信号電荷を基板２７へ掃き出すための基板シャッターパルスφＳＵＢ等の各種のタイミング信号が印加される。尚、基板シャッターパルスφＳＵＢによる基板シャッタ機能は電子シャッタとも呼ばれる。
【００２８】
次に、本実施形態の特徴の一つであるタイミングジェネレータ１８で生成される垂直転送パルスのタイミングチャートの詳細を説明する。
図３は、タイミングジェネレータ１８で生成される垂直転送パルスのタイミングチャートである。具体的に図３（Ａ）は、タイミングジェネレータ１８により従来から通常なされる固体撮像素子１２の駆動タイミングの一例を説明するタイミングチャートである。図３（Ｂ）は、低感度や高画質等のダイナミックレンジを必要とする場合にタイミングジェネレータ１８によりなされる固体撮像素子１２の駆動タイミングの一例を説明するタイミングチャートである。
【００２９】
図３（Ａ）において、カメラ制御部１５は、シャッタが閉じて露光期間が終了した後、垂直ＣＣＤ２３に存在する余剰電荷やスミア電荷等の偽信号電荷を排出するため、垂直ＣＣＤ２３における電荷の転送動作のタイミングをタイミングジェネレータ１８に指示する。すなわち、カメラ制御部１５は、信号電荷を垂直ＣＣＤ２３に読み出す前に、信号電荷を転送するときよりも高周波で垂直転送パルスを駆動することをタイミングジェネレータ１８に指示する。その後、垂直転送パルスとして読み出しパルスを与えると、フォトダイオード２２に蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤ２３に順次転送される。
【００３０】
図３（Ｂ）においても、カメラ制御部１５は、シャッタが閉じて露光期間が終了した後、垂直ＣＣＤ２３に存在する偽信号電荷を排出するため、垂直ＣＣＤ２３における電荷の転送動作のタイミングをタイミングジェネレータ１８に指示する。すなわち、カメラ制御部１５は、信号電荷を垂直ＣＣＤ２３に読み出す前に、信号電荷を転送するときよりも高周波で垂直転送パルスを駆動することをタイミングジェネレータ１８に指示する。ただし、このときの垂直転送パルスの垂直転送周波数（第２の周波数）を、図３（Ａ）における垂直転送パルスの垂直転送周波数（第１の周波数）を下回る（低くなる）ようにする（図３（Ａ）の時間ｔ１＜図３（Ｂ）の時間ｔ２）。このようにすることにより、信号電荷がオーバーフロードレイン側へこぼれることを軽減することができる。
【００３１】
本実施形態では、ダイナミックレンジを必要とするときには、垂直ＣＣＤ２３に存在する偽信号電荷を排出するための垂直ＣＣＤ２３の駆動周波数が、ダイナミックレンジを必要としないときを下回り、且つ、信号電荷を転送するときよりも高くなるようにした。このようにすることにより、フォトダイオード２２に蓄積した信号電荷が、基板２７側へこぼれることを抑制することができる。よって、画像のダイナミックレンジの拡大を図ることができ、高画質な画像を得る撮像装置を実現することができる。
尚、以下の説明では、図３（Ａ）に示すタイミングで垂直ＣＣＤ２３を駆動する駆動モードをＡモードと称し、図３（Ｂ）に示すタイミングで垂直ＣＣＤ２３を駆動する駆動モードをＢモードと称する。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態では、撮像装置における撮影時の設定（撮像モード）に応じて、Ａモード及びＢモードの何れで垂直ＣＣＤ２３を駆動するのかを、予めテーブルに記憶しておく。そして、撮影時の設定を検出すると、その撮影時の設定に対応する垂直ＣＣＤ２３の駆動モードをテーブルから読み出し、読み出した駆動モードで垂直ＣＣＤ２３を駆動する。このように本実施形態と第１の実施形態とは、Ａモード及びＢモードの何れかを採用する際の処理の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した部分と同一の部分については、図１〜図３に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
【００３３】
図４は、ユーザインターフェース１７で設定される撮影モードと、固体撮像素子１２の駆動モードとの対応関係を表すテーブルの一例を示す図である。
ユーザが撮影モードを切り替えた際、カメラ制御部１５は、撮影モードを判定し、図４に示すテーブルに記憶されている内容に従い、固体撮像素子１２（垂直ＣＣＤ２３）の駆動モードとして、Ａモード及びＢモードの何れかを選択する。
【００３４】
高感度の撮影やフレームレートを重視する撮影等が撮影モードとして選択された場合には、固体撮像素子１２における信号電荷の飽和容量として、それほど大きな容量を必要としない。よって、垂直ＣＣＤ２３から相対的に高速で電荷を掃き出すＡモードが選択されるようにテーブルを構成する（図４に示す高感度撮影モードとフレームレート重視モードの欄を参照）。Ａモードで固体撮像素子１２を駆動すると、オーバーフローバリアの電位が揺れるため、電荷は、基板２７側に漏れやすくなる。しかしながら、これらの撮影モードのときには、フレームレートを高速にすることを重視する。よって、これらの撮影モードのときには、Ａモードにて固体撮像素子１２を駆動する。
【００３５】
一方、低感度の撮影や高画質での撮影等が撮影モードとして選択された場合には、画像のダイナミックレンジとして大きなダイナミックレンジを必要とする。このため、垂直ＣＣＤ２３から相対的に低速で電荷を掃き出すＢモードが選択されるようにテーブルを構成する（図４に示す低感度撮影モードと高画質モードの欄を参照）。Ｂモードで固体撮像素子１２を駆動すると、垂直ＣＣＤ２３での電荷の掃き出し駆動によって、基板２７側へ電荷がこぼれることを低減することができるので、画像のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３６】
以上のように本実施形態では、ＩＳＯ感度等の撮影の感度の設定が所定の設定値よりも高感度の設定であるとき、及びフレームレートの設定が所定の設定値よりも高フレームレートの設定であるときには、Ａモードで固体撮像素子１２（垂直ＣＣＤ２３）を駆動する。一方、撮影の感度の設定が所定の設定値を下回る低感度の設定であるとき、及び画像の画質の設定が所定の設定値よりも高画質の設定であるときには、Ｂモードで固体撮像素子１２（垂直ＣＣＤ２３）を駆動する。よって、撮像装置に設定された撮像条件に適したモードで固体撮像素子１２（垂直ＣＣＤ２３）を駆動することができる。
【００３７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態では、固体撮像素子１２の温度に応じて、Ａモード及びＢモードの何れで垂直ＣＣＤ２３を駆動するのかを、予めテーブルに記憶しておく。そして、固体撮像素子１２の温度を検出すると、その温度に対応する垂直ＣＣＤ２３の駆動モードをテーブルから読み出し、読み出した駆動モードで垂直ＣＣＤ２３を駆動する。このように本実施形態と第１、第２の実施形態とは、Ａモード及びＢモードの何れかを採用する際の処理の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第１、第２の実施形態で説明した部分と同一の部分については、図１〜図４に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
【００３８】
図５は、固体撮像装置の概略構成の一例を示す図である。
図５に示すように、本実施形態の撮像装置は、図１に示した第１の実施形態の撮像装置に対して、撮像素子１２の温度をモニターする温度センサ５０が追加されたものである。カメラ制御部１５は、温度センサ５０により測定された温度の情報を入力し、その温度に応じて撮像素子１２の駆動方法を切り替えている。
【００３９】
固体撮像素子１２の信号電荷の飽和容量には温度依存性があり、固体撮像素子１２の温度の変化により、フォトダイオード２２における信号電荷の飽和容量の低下が著しくなる。このため、温度テーブルを予め用意して撮像装置に記憶させておく。例えば、固体撮像素子１２の温度が所定値より高い場合に、Ｂモードで固体撮像素子１２が駆動し、そうでない場合にＡモードで固体撮像素子１２が駆動するように温度テーブルを構成する。このようにすることにより、固体撮像素子１２の温度が相対的に高い場合には、画像のダイナミックレンジを拡大させることができる。一方、固体撮像素子１２の温度が相対的に低い場合には、フレームレートを高速にすることができる。このように、撮像装置の動作環境の一例である固体撮像素子１２の温度に応じて、固体撮像素子１２の駆動モードを変更することができる。尚、固体撮像素子１２の温度を反映する、撮像装置の内部の温度を測定していれば、必ずしも固体撮像素子１２の温度そのものを測定する必要はない。
【００４０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。第３の実施形態では、固体撮像素子１２の温度をモニターし、その温度に基づいて、固体撮像素子１２の駆動モードを切り替える場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、撮像装置で得られるプレビュー画像に基づいて、固体撮像素子１２の駆動モードを切り替えるようにする。このように、本実施形態と第１〜第３の実施形態とでは、Ａモード及びＢモードの何れかを採用する際の処理の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第１〜第３の実施形態で説明した部分と同一の部分については、図１〜図５に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
【００４１】
カメラ制御部１５は、プレビュー画像のデータにおいて、被写体の中の飽和している領域、又は飽和に近いレベルの領域が、所定の範囲よりも広い場合に、画像のダイナミックレンジを拡大するＢモードで本撮影する。一方、プレビュー画像のデータにおいて、被写体の中の飽和している領域、又は飽和に近いレベルの領域が、所定の範囲を下回り狭い場合、カメラ制御部１５は、Ａモードで本撮影する。このようにすることにより、ダイナミックレンジが広いことが望まれる画像を本撮影する際に、ダイナミックレンジが向上するように固体撮像素子１２を駆動することで、ダイナミックレンジの高い画像が得られる。このように、本実施形態では、プレビュー画像で飽和していると見なせる領域の面積に応じて、固体撮像素子１２の駆動モードを変更することができる。
【００４２】
尚、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００４３】
（その他の実施例）
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、まず、以上の実施形態の機能を実現するソフトウェア（コンピュータプログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）が当該コンピュータプログラムを読み出して実行する。
【符号の説明】
【００４４】
１２ 撮像素子、２２ フォトダイオード、２３ 垂直ＣＣＤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがオーバーフロードレイン構造を持つ複数の光電変換素子であって、２次元マトリックス状に配置された複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子のうち、同一の列に配置された光電変換素子から読み出された信号電荷を転送する垂直電荷転送部と、を有する固体撮像素子と、
前記垂直電荷転送部における電荷の転送動作を制御する制御手段と、
前記撮像素子を遮光状態または非遮光状態にするシャッタと、を有し、
前記垂直電荷転送部は、前記制御手段により設定された駆動周波数で電荷を転送し、
前記制御手段は、前記撮像素子から信号電荷を読み出す前に前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて変更することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記制御手段は、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて、前記固体撮像素子における信号電荷の飽和容量を拡大する必要がある場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を相対的に低くし、そうでない場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を相対的に高く設定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記固体撮像素子の感度の設定が所定の設定値よりも高感度の設定である場合、又は、フレームレートの設定が所定の設定値よりも高フレームレートの設定である場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
前記固体撮像素子の感度の設定が所定の設定値を下回る低感度の設定である場合、又は、撮影された画像の画質の設定が所定の設定値よりも高画質の設定である場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数を下回る第２の周波数に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記固体撮像素子の温度が所定値を下回る場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
前記固体撮像素子の温度が所定値よりも高い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数を下回る第２の周波数に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御手段は、プレビュー画像において飽和していると見なせる領域が所定値を下回り狭い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
プレビュー画像において飽和していると見なせる領域が所定値よりも広い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項６】
それぞれがオーバーフロードレイン構造を持つ複数の光電変換素子であって、２次元マトリックス状に配置された複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子のうち、同一の列に配置された光電変換素子から読み出された信号電荷を転送する垂直電荷転送部と、を有する固体撮像素子と、
前記撮像素子を遮光状態または非遮光状態にするシャッタと、
を有する撮像装置の制御方法であって、
前記垂直電荷転送部における電荷の転送動作を制御する制御工程を有し、
前記垂直電荷転送部は、前記制御工程により設定された駆動周波数で電荷を転送し、
前記制御工程は、前記撮像素子から信号電荷を読み出す前に前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて変更することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項７】
前記制御工程は、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて、前記固体撮像素子における信号電荷の飽和容量を拡大する必要がある場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を相対的に低くし、そうでない場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を相対的に高く設定することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項８】
前記制御工程は、前記固体撮像素子の感度の設定が所定の設定値よりも高感度の設定である場合、又は、フレームレートの設定が所定の設定値よりも高フレームレートの設定である場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
前記固体撮像素子の感度の設定が所定の設定値を下回る低感度の設定である場合、又は、撮影された画像の画質の設定が所定の設定値よりも高画質の設定である場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数を下回る第２の周波数に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項９】
前記制御工程は、前記固体撮像素子の温度が所定値を下回る場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
前記固体撮像素子の温度が所定値よりも高い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数を下回る第２の周波数に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項１０】
前記制御工程は、プレビュー画像において飽和していると見なせる領域が所定値を下回り狭い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
プレビュー画像において飽和していると見なせる領域が所定値よりも広い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項１】
それぞれがオーバーフロードレイン構造を持つ複数の光電変換素子であって、２次元マトリックス状に配置された複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子のうち、同一の列に配置された光電変換素子から読み出された信号電荷を転送する垂直電荷転送部と、を有する固体撮像素子と、
前記垂直電荷転送部における電荷の転送動作を制御する制御手段と、
前記撮像素子を遮光状態または非遮光状態にするシャッタと、を有し、
前記垂直電荷転送部は、前記制御手段により設定された駆動周波数で電荷を転送し、
前記制御手段は、前記撮像素子から信号電荷を読み出す前に前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて変更することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記制御手段は、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて、前記固体撮像素子における信号電荷の飽和容量を拡大する必要がある場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を相対的に低くし、そうでない場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を相対的に高く設定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記固体撮像素子の感度の設定が所定の設定値よりも高感度の設定である場合、又は、フレームレートの設定が所定の設定値よりも高フレームレートの設定である場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
前記固体撮像素子の感度の設定が所定の設定値を下回る低感度の設定である場合、又は、撮影された画像の画質の設定が所定の設定値よりも高画質の設定である場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数を下回る第２の周波数に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記固体撮像素子の温度が所定値を下回る場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
前記固体撮像素子の温度が所定値よりも高い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数を下回る第２の周波数に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御手段は、プレビュー画像において飽和していると見なせる領域が所定値を下回り狭い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
プレビュー画像において飽和していると見なせる領域が所定値よりも広い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項６】
それぞれがオーバーフロードレイン構造を持つ複数の光電変換素子であって、２次元マトリックス状に配置された複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子のうち、同一の列に配置された光電変換素子から読み出された信号電荷を転送する垂直電荷転送部と、を有する固体撮像素子と、
前記撮像素子を遮光状態または非遮光状態にするシャッタと、
を有する撮像装置の制御方法であって、
前記垂直電荷転送部における電荷の転送動作を制御する制御工程を有し、
前記垂直電荷転送部は、前記制御工程により設定された駆動周波数で電荷を転送し、
前記制御工程は、前記撮像素子から信号電荷を読み出す前に前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて変更することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項７】
前記制御工程は、撮像装置における撮影時の設定、撮像装置の動作環境、またはプレビュー画像の情報に応じて、前記固体撮像素子における信号電荷の飽和容量を拡大する必要がある場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を相対的に低くし、そうでない場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を相対的に高く設定することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項８】
前記制御工程は、前記固体撮像素子の感度の設定が所定の設定値よりも高感度の設定である場合、又は、フレームレートの設定が所定の設定値よりも高フレームレートの設定である場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
前記固体撮像素子の感度の設定が所定の設定値を下回る低感度の設定である場合、又は、撮影された画像の画質の設定が所定の設定値よりも高画質の設定である場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数を下回る第２の周波数に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項９】
前記制御工程は、前記固体撮像素子の温度が所定値を下回る場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
前記固体撮像素子の温度が所定値よりも高い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数を下回る第２の周波数に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項１０】
前記制御工程は、プレビュー画像において飽和していると見なせる領域が所定値を下回り狭い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高い第１の周波数に設定し、
プレビュー画像において飽和していると見なせる領域が所定値よりも広い場合には、前記垂直電荷転送部に存在する偽信号電荷を排出する際の当該垂直電荷転送部の駆動周波数を、前記信号電荷を排出する際の周波数よりも高く、且つ、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０６２９９（Ｐ２０１３−１０６２９９Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０６０７（Ｐ２０１１−２５０６０７）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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