JP2006340065A - Image data capturing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルカメラやスキャナ等の画像データ取込装置に係り、特に、搭載する固体撮像素子の各フォトダイオード(光電変換素子)が夫々主画素領域と副画素領域とに領域分割されている画像データ取込装置に関する。 The present invention relates to an image data capturing device such as a digital camera or a scanner, and in particular, each photodiode (photoelectric conversion element) of a solid-state imaging device to be mounted is divided into a main pixel region and a sub-pixel region. The present invention relates to an image data capturing device.
デジタルカメラやスキャナ等の画像データ取込装置に搭載されるCCD型やCMOS型等の固体撮像素子は、入射光を光電変換するフォトダイオードを多数備えており、また、下記特許文献1は、各フォトダイオードを、主画素領域と副画素領域とに領域分割した固体撮像素子を開示している。 A solid-state image sensor such as a CCD type or a CMOS type mounted on an image data capturing device such as a digital camera or a scanner includes a large number of photodiodes that photoelectrically convert incident light. A solid-state imaging device is disclosed in which a photodiode is divided into a main pixel region and a sub-pixel region.
図7は、各フォトダイオードを、主画素領域と副画素領域とに領域分割した固体撮像素子の表面模式図である。図示する固体撮像素子はCCD型であり、偶数行の各フォトダイオード1に対して奇数行の各フォトダイオード1が水平方向に1/2ピッチずらして配置され、各フォトダイオード1から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路(図示せず)が、垂直方向の各フォトダイオード1を避けるように蛇行配置される構成をとっている。
FIG. 7 is a schematic diagram of the surface of a solid-state imaging device in which each photodiode is divided into a main pixel region and a sub-pixel region. The solid-state imaging device shown in the figure is a CCD type, and the
各フォトダイオード1は、図示する例では、フォトダイオード1の面積の約4/5を占める主画素(高感度画素ともいう。)2と、残りの約1/5を占める副画素(低感度画素ともいう。)3とに領域分割されており、主画素2に蓄積された電荷と副画素3に蓄積された電荷とを別々に上記の垂直転送路に読み出し転送することができるようになっている。尚、図中のR,G,Bは、各フォトダイオード1に積層されたカラーフィルタ赤(R),緑(G),青(B)を示している。
In the illustrated example, each
主画素2と副画素3とに領域分割されたフォトダイオードを画素として持つ固体撮像素子で画像データを撮像した場合、主画素2で撮像した画像データ(主画素データ)と、副画素3で撮像した画像データ(副画素データ)とを区別して固体撮像素子から読み出す必要がある。
When image data is imaged with a solid-state imaging device having a photodiode divided into a
図8は、デジタルカメラに上記の固体撮像素子を搭載したときの画像データの読み出しシーケンスを示す図である。デジタルカメラのメカニカルシャッタが開いている間(主/副露光期間)に主画素2と副画素3とに夫々信号電荷が蓄積され、メカニカルシャッタが閉じたとき露光が終了する。
FIG. 8 is a diagram showing a read sequence of image data when the above-described solid-state imaging device is mounted on a digital camera. While the mechanical shutter of the digital camera is open (main / sub-exposure period), signal charges are accumulated in the
信号電荷の読出前に、垂直転送路を掃き出し駆動して垂直転送路上の不要電荷を排出し、その後、主画素2の信号電荷(主画素データ)を垂直転送路に読み出して水平転送路(図示せず)まで転送し、水平転送路を転送して固体撮像素子から出力する。次に、副画素3の信号電荷(副画素データ)を垂直転送路に読み出し、同様にして固体撮像素子から出力する。
Before the signal charge is read, the vertical transfer path is swept out and unnecessary charges on the vertical transfer path are discharged, and then the signal charge (main pixel data) of the
固体撮像素子の主画素2から読み出された主画素データは、主画素データ用の画像メモリに蓄積され、副画素3から読み出された副画素データは、副画素データ用の画像メモリに蓄積される。そして、各画像メモリのデータを用いて信号処理が施され、撮像画像が再生される。
The main pixel data read from the
固体撮像素子の各画素(フォトダイオード)が主画素と副画素とに領域分割されていることで、高解像度の画像が撮像でき、また、広ダイナミックレンジの画像が撮像できるが、上述した様に、主画素データのデータ数と副画素データのデータ数とは同数であるため、領域分割していない固体撮像素子に比較して画像データの読み出しに2倍の時間がかかり、また、画像メモリ容量も2倍必要になってしまうという問題がある。 As each pixel (photodiode) of the solid-state image sensor is divided into a main pixel and a sub-pixel, a high-resolution image can be captured, and a wide dynamic range image can be captured. Since the number of main pixel data and the number of sub-pixel data are the same, it takes twice as long to read image data compared to a solid-state image sensor that is not divided into regions, and the image memory capacity However, there is a problem that twice as much is required.
本発明の目的は、主画素と副画素とに領域分割されたフォトダイオードを持つ固体撮像素子を搭載した画像データ取込装置の画像データの読み出しに要する時間の短縮を図り、また、必要となる画像メモリの容量の削減を図ることを目的とする。 An object of the present invention is to reduce the time required to read out image data of an image data capturing device equipped with a solid-state imaging device having photodiodes divided into main pixels and sub-pixels, and is required. The object is to reduce the capacity of the image memory.
本発明の画像データ取込装置は、1つ1つの光電変換素子が大面積の主画素と残りの小面積の副画素とに領域分割されている固体撮像素子と、該固体撮像素子から前記主画素に蓄積された画像データを読み出すと共に前記副画素に蓄積された画像データを読み出して両画像データを加算合成する信号処理部とを備える画像データ取込装置において、前記主画素の読み出しデータ数より、前記副画素の読み出しデータ数を少なく読み出す制御手段を備えることを特徴とする。 An image data capturing device according to the present invention includes a solid-state image sensor in which each photoelectric conversion element is divided into a main pixel having a large area and a remaining sub-pixel having a small area, and the main image is obtained from the solid-state image sensor. In an image data capturing device including a signal processing unit that reads out image data stored in a pixel and reads out image data stored in the sub-pixel and adds and synthesizes both image data. And a control means for reading out a small amount of read data of the sub-pixel.
本発明の画像データ取込装置の前記制御手段は、前記副画素の画像データを読み出すとき画素間引き読み出しすることを特徴とする。 The control means of the image data capturing device according to the present invention is characterized in that when the image data of the sub-pixel is read out, pixel thinning-out reading is performed.
本発明の画像データ取込装置の前記制御手段は、前記副画素の画像データを読み出すとき画素混合して読み出すことを特徴とする。 The control means of the image data capturing device of the present invention is characterized in that when the image data of the sub-pixel is read out, the pixel mixture is read out.
本発明によれば、主画素と副画素とに領域分割されたフォトダイオードを持つ固体撮像素子を搭載した画像データ取込装置の画像データの読み出しに要する時間の短縮を図り、また、必要となる画像メモリの容量の削減を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to shorten the time required for reading image data of an image data capturing device equipped with a solid-state imaging device having photodiodes divided into main pixels and sub-pixels. The capacity of the image memory can be reduced.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の画像データ取込装置の一例であるデジタルスチルカメラのブロック構成図である。撮影レンズ10,光学ローパスフィルタ11,図示しないメカニカルシャッタの背面部に固体撮像素子(この例ではCCD)12が配置される。CCD12の各フォトダイオードは、図7に示す様に、主画素2と副画素3とに領域分割されている。
FIG. 1 is a block diagram of a digital still camera which is an example of an image data capturing device of the present invention. A solid-state imaging device (CCD in this example) 12 is disposed on the back surface of the photographing
図2は、CCD12の主画素2と副画素3の光電変換特性を示すグラフである。主画素2の出力は、特性線Iに示す様に、被写体輝度(横軸)が低輝度のとき輝度に応じてリニアに上昇し、ある輝度以上で飽和する。これに対し、副画素3の出力は、特性線IIに示す様に、飽和輝度が主画素2に対して4倍に設定され、飽和出力は、主画素2の飽和出力の1/4に設定される。この違いは、主画素2と副画素3の面積比によるものであり、主画素2に対して副画素3の感度は1/16となる。
FIG. 2 is a graph showing the photoelectric conversion characteristics of the
CCD12の出力はアナログ処理回路(相関二重サンプリング回路CDSやゲインコントロールアンプGCA)13で処理された後、AD変換器14でデジタルデータに変換され、信号処理部15で信号処理される。
The output of the
デジタルスチルカメラ全体を統括制御するCPU16は、タイミング発生器17を制御し、タイミング発生器17から出力される電子シャッタ信号等の各種タイミング信号がドライバ18を介してCCD12に与えられ、CCD12が駆動制御される。同様に、タイミング発生器17から出力される各種タイミング信号により、アナログ処理回路13や、AD変換器14や、信号処理回路15が制御される。
The
信号処理回路15は、CPU16との間で信号を授受しながら画像処理を行い、再生した画像データの縮小画像を表示部19に表示したり、JPEGデータ等に圧縮した画像データを記録メディア20に格納する。尚、符号21は、CPU16に対してユーザ指示を入力する操作キーである。
The
図3は、信号処理回路15の詳細機能ブロック図である。本実施形態の信号処理回路15には、CCD12の主画素2から読み出した主画素データを格納する画像メモリ23と、CCD12の副画素3から読み出した副画素データを格納する画像メモリ24とを備える。この画像メモリ24は、後述する理由により画像メモリ23の半分の容量となっている。
FIG. 3 is a detailed functional block diagram of the
信号処理回路15は更に、主画素データのホワイトバランスをとるWBゲイン部25と、副画素データのホワイトバランスをとるWBゲイン部26と、主画素データのガンマ変換を行うγ変換部27と、副画素データのガンマ変換を行うγ変換部28と、主画素データと副画素データとを後述の様に加算する画像加算部29と、加算された画像データを同時化処理する同時化処理部30と、同時化処理した画像データに対してノイズを除去する等の各種補正を行う各種補正部31と、各種補正後の画像データに対してJPEG圧縮を施すJPEG圧縮部32と、JPEG画像データを表示部19に表示できる画像データに縮小する画像縮小部33とを備える。
The
図4は、上述した構成のデジタルスチルカメラの動作手順を示すフローチャートである。デジタルスチルカメラの電源がオンされると、CPU16は、2段レリーズボタンのスイッチS1がオン状態になるのを待機する(ステップF1)。スイッチS1がオンになると、本撮影の準備のために、撮影レンズ10の焦点位置合わせや測光を行う(ステップF2)。
FIG. 4 is a flowchart showing an operation procedure of the digital still camera configured as described above. When the power of the digital still camera is turned on, the
CPU16は、次に、測光データに基づいて、被写体輝度の輝度分布評価値を算出してダイナミックレンジがどの程度必要であるかを求め(ステップF3)、スイッチS2の投入を待機する(ステップF4)。スイッチS2が投入された場合には、次に、ステップF3で求めた輝度分布評価値に基づき、被写体輝度が主画素の通常の再現域であるか否かを判定する(ステップF5)。即ち、被写体輝度が、図2の特性線Iのリニアに変化する範囲内であるか、飽和域の範囲内であるかを判定する。
Next, the
被写体輝度が特性線Iのリニアに変化する範囲内であれば、主画素から読み出した信号電荷だけで被写体画像を良好に再生できるため、図8で説明した画像データの読み出しシーケンスのうち、副画素読み出しは行わずに主画素データのみ読み出す(ステップF6)。そして、CCD12から読み出した主画素データに通常の信号処理を施し(ステップF7:「通常」とは、主画素と副画素とに領域分割していない固体撮像素子における信号処理と同じという意味)、JPEG画像データを記録メディア20に保存し(ステップF8)、今回の撮影処理を終了する。 If the subject luminance is within the range in which the characteristic line I changes linearly, the subject image can be satisfactorily reproduced only by the signal charge read from the main pixel. Therefore, in the image data reading sequence described with reference to FIG. Only main pixel data is read without reading (step F6). Then, normal signal processing is performed on the main pixel data read from the CCD 12 (step F7: “normal” means the same as signal processing in a solid-state imaging device that is not divided into main pixels and sub-pixels). The JPEG image data is stored in the recording medium 20 (step F8), and the current shooting process is terminated.
ステップF5の判定処理で、被写体輝度が特性線Iの飽和領域に入っていると判定された場合には、ステップF5からステップF9に進み、ステップF3で求めた輝度分布評価値に基づき、どの程度の副画素信号量が必要となるかを予測し、後述のステップF12における副画素データ読み出し駆動モードを決定する。 If it is determined in step F5 that the subject brightness falls within the saturation region of the characteristic line I, the process proceeds from step F5 to step F9, and to what extent based on the brightness distribution evaluation value obtained in step F3. This sub-pixel signal amount is predicted, and a sub-pixel data read drive mode in step F12 to be described later is determined.
そして、以下の主画素/副画素独立読み出しを実行する。即ち、図5に示す様に、先ず、主画素データを読み出し(ステップF10)、この主画素データを図3の画像メモリ23に書き込み(F11)、次に、副画素データを読み出し(ステップF12)、この副画素データを図3の画像メモリ24に書き込む(ステップF13)。
Then, the following main pixel / subpixel independent readout is executed. That is, as shown in FIG. 5, first, main pixel data is read (step F10), this main pixel data is written to the image memory 23 of FIG. 3 (F11), and then subpixel data is read (step F12). The subpixel data is written into the
本実施形態では、副画素の画像データ読み出し駆動モードとして、
(1)画素間引き読み出しモード
(2)画素混合読み出しモード
の2つが用意されている。画素間引き読み出しモードとは、垂直方向に並ぶ副画素を1画素置きに読み出すモードであり、画素混合読み出しモードとは、垂直転送路上(または垂直転送路上)で2つの副画素データを画素混合して読み出すモードである。画素混合を行う場合には、同色の副画素データである必要があるため、図7に示す固体撮像素子では、垂直方向に1/2間引き読み出ししてから、画素混合を行う必要がある。どの様な混合ができるかは、固体撮像素子に設けられているカラーフィルタの配置に依存するため、採用されているカラーフィルタ配置に従って、副画素の画像データ読み出し駆動モードを用意することになる。
In this embodiment, as the sub-pixel image data read drive mode,
Two modes are prepared: (1) pixel thinning readout mode and (2) pixel mixture readout mode. The pixel decimation readout mode is a mode in which subpixels arranged in the vertical direction are read every other pixel, and the pixel mixture readout mode is a mode in which two subpixel data are mixed on the vertical transfer path (or on the vertical transfer path). This is a read mode. When pixel mixing is performed, sub-pixel data of the same color is required. Therefore, in the solid-state imaging device illustrated in FIG. 7, it is necessary to perform pixel mixing after performing half-thinning readout in the vertical direction. How mixing can be performed depends on the arrangement of color filters provided in the solid-state imaging device, and therefore, a sub-pixel image data read drive mode is prepared in accordance with the adopted color filter arrangement.
図5に示す例は、副画素から1/2画素間引き読み出しを行っている例を示し、副画素データの読み出し時間が、主画素データの読み出し時間に比較して、1/2に短縮されている。また、副画素データのデータ数も主画素データに比較して1/2であるため、主画素データ用の画像メモリ23に対して副画素データ用の画像メモリ24は、容量が1/2で済む。
The example shown in FIG. 5 shows an example in which half-pixel thinning readout is performed from the sub-pixel, and the sub-pixel data readout time is shortened to ½ compared to the main pixel data readout time. Yes. Further, since the number of subpixel data is also ½ compared to the main pixel data, the subpixel
主画素データと副画素データとが読み出され画像メモリに書き込まれた後は、広ダイナミックレンジ信号処理を施し(ステップF14)、得られた画像データを保存して(ステップF8)、今回の撮影処理を終了する。 After the main pixel data and subpixel data are read and written in the image memory, wide dynamic range signal processing is performed (step F14), and the obtained image data is saved (step F8). End the process.
広ダイナミックレンジ信号処理とは、図3に示す画像加算部29において、ホワイトバランス補正及びガンマ変換後の主画素データに、ホワイトバランス補正及びガンマ変換後の副画像データを加算して画像データを得る信号処理である。
In the wide dynamic range signal processing, the
これは、図6に示す様に、主画素2のリニアに変化する部分の光電変換特性Iに対して、主画素2が飽和点に達した以後、副画素3の光電変換特性IIのうちリニアに変化する部分II’を加算することに相当し、ダイナミックレンジの広い画像データを再生することが可能となる。
This is because, as shown in FIG. 6, after the
本実施形態では、副画像データを間引き、或いは混合しているため、副画素データの解像度は、主画像データの解像度に比較して低下している。しかし、副画素は出力値が小さくγ変換により更に小さくなっているため、この解像度の低下は目立たず、副画素データの間引き読み出し,混合読み出しによって得られる利点すなわち読み出し時間の短縮化,メモリ容量の削減の利点の方が大きく、広ダイナミックレンジの動画像の撮像も容易となる。また、画素混合して読み出す場合には、信号量が増えるため、S/Nが向上する利点もある。 In this embodiment, since the sub image data is thinned out or mixed, the resolution of the sub pixel data is lower than the resolution of the main image data. However, since the output value of the subpixel is small and further reduced by the γ conversion, this reduction in resolution is not conspicuous, and the advantages obtained by thinning out reading and mixed reading of the subpixel data, that is, shortening of the reading time, memory capacity The advantage of reduction is greater, and it becomes easier to capture moving images with a wide dynamic range. In addition, in the case of reading out by mixing pixels, the amount of signal increases, so there is an advantage that S / N is improved.
本発明によれば、広ダイナミックレンジの画像データを高速に得ることができまた必要メモリ容量の削減も可能なため、動画などを撮影するデジタルカメラやスキャナ等の画像データ取込装置として有用である。 According to the present invention, image data with a wide dynamic range can be obtained at a high speed and the required memory capacity can be reduced. Therefore, the present invention is useful as an image data capturing device such as a digital camera or a scanner for capturing moving images. .
1 フォトダイオード(光電変換素子)
2 主画素(高感度画素)
3 副画素(低感度画素)
12 CCD
15 信号処理回路
23 主画素データ用の画像メモリ
24 副画素データ用の画像メモリ
29 画像加算部
1 Photodiode (photoelectric conversion element)
2 Main pixels (high sensitivity pixels)
3 Sub-pixel (low sensitivity pixel)
12 CCD
15 Signal processing circuit 23
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2005
- 2005-06-02 JP JP2005162591A patent/JP2006340065A/en active Pending
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