JP2004140479A - 固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＭＯＳ型固体撮像素子のフォーカルプレインシャッタによる画像の変形を減少する。また、ＡＦ制御専用の撮像手段を用いることなく、撮像動作中に測距フレームを取得して効率的にＡＦ制御を行う。
【解決手段】所定の動画規格に基づいて完成された画像データのフレームレートよりも高速レートで固体撮像素子１０２におけるシャッタ動作や読み出し動作を行い、この高速で読み出した画像データを記憶装置１０５に一時格納する。そして、この記憶装置１０５の画像データをフレームレートに速度を遅くして読み出し、これを後段に出力することにより、動きのある被写体に対して画像の変形を減少する。また、シャッタ動作や読み出し動作を高速に行った場合のブランク期間を利用してＡＦ制御に用いる測距用画像の読み出しを行い、撮像動作を止めることなく、ＡＦ制御を行う。
【選択図】 図１
【解決手段】所定の動画規格に基づいて完成された画像データのフレームレートよりも高速レートで固体撮像素子１０２におけるシャッタ動作や読み出し動作を行い、この高速で読み出した画像データを記憶装置１０５に一時格納する。そして、この記憶装置１０５の画像データをフレームレートに速度を遅くして読み出し、これを後段に出力することにより、動きのある被写体に対して画像の変形を減少する。また、シャッタ動作や読み出し動作を高速に行った場合のブランク期間を利用してＡＦ制御に用いる測距用画像の読み出しを行い、撮像動作を止めることなく、ＡＦ制御を行う。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元画素アレイの順次走査によって各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行うＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像装置、並びにその固体撮像装置を用いたカメラ装置、及びそれらの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＣＭＯＳ型イメージセンサの撮像動作は、いわゆるローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）により２次元画素アレイを画像行（または画素列）単位で走査して各画素のシャッタ動作を行い、その後、一定の露光時間を経て再度２次元画素アレイを画像行（または画素列）単位で走査し、各画素の信号を読み出すような動作となる（たとえば特許文献１）。
また、動画の撮像時においては、このようなシャッタ動作と読み出し動作を１フレーム周期（通常は１／３０秒）毎に行う。なお、１フレーム期間とは、完成された映像の１フレームが出力されるためにかかる期間をいう。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−４１４９３号公報
【０００４】
図１３は、このような従来の動画撮像動作を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。そして、斜めの破線４０２がシャッタ行の走査位置、斜めの実線４０１が読み出し行の走査位置を示している。また、破線４０２と実線４０１の間の間隔４０３が露光時間である。
シャッタ行で各画素のシャッタ動作を行い、各画素信号をリセットした後、露光時間４０３を経て読み出し動作を行うことにより、各画素信号を読み出すようになっている。
そして、画素行０から画素行Ｎまでの１回の走査で、ちょうど１フレーム期間４０４が経過するような同期速度で走査を行い、所定のフレームレートによって各画素信号の出力動作を行う。
なお、このような動作で２次元画素アレイから読み出された画素信号は、ノイズ除去、利得制御、Ａ／Ｄ変換等の処理を経て、後段の信号処理回路（ＤＳＰ等）に入力され、カラー信号処理、利得調整、ホワイトバランス等の処理を施された後、画像出力機器に出力される。
図１４は、図１３に示す動作によって読み出される１つの画素（例えば固体撮像素子の中央に位置する画素）の信号波形を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は信号レベルを示している。
図中のシャッタ行タイミング５０３で、それまでの蓄積電荷（廃棄電荷５０２）が廃棄され、ここから信号として用いる電荷の蓄積が開始される。そして、読み出し行タイミング５０４において、それまでの露光時間５０５の間に蓄積された信号電荷（読み出し電荷５０１）が読み出される。この後、シャッタ行タイミング５０３までが廃棄電荷５０２の蓄積動作となる。
このようにして、１フレーム期間５０６の間に１回の読み出し動作が実行される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）を用いたシステムでは、先頭の画素行を撮像するタイミングと最後の画素行を撮像するタイミングとが、１フレーム分の時間差を有することになるため、動いている被写体に対し、画像が変形するという欠点がある。
【０００６】
また、上述のようなシステムにおいて、コントラスト検出方式による自動焦点調節（オートフォーカス；ＡＦ）機能を設けたものが知られている。これは、実際に測距フレーム用の画像を撮像し、隣接画素間のばらつき（差分）から画像のコントラストを検出してＡＦに利用するようにしたものである。
しかしながら、このコントラスト検出方式を採用した場合、単体の撮像装置を用いている場合には、映像を途切らすことなしに高速なＡＦが実現できないという問題があった。
これは、有効画像から測距フレームに相当する部分を切り出してＡＦのコントラスト検出に使用する方式であるため、図１３及び図１４に示した従来例の動作では、有効画像のフレームレートと同じフレームレートの測距フレーム画像を得る必要があり、この動作に時間がかかるためである。
例えば、通常のビデオカメラでは映像のフレームレートは６０ｆｐｓ であり、固体撮像素子の出力も、ほぼ６０ｆｐｓ であり、測距フレームのデータも同様に１秒間に６０枚程度しか得られない。
【０００７】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体撮像素子のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）による画像の変形を減少することが可能な固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、出力用の画像の撮像動作中に測距用の画像を効率的に取得でき、迅速なＡＦ制御を行うことが可能な固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子と、前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を蓄積する画像記憶手段と、前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力する出力制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子と、前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を蓄積する画像記憶手段と、前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力する出力制御手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子を有する固体撮像装置及びカメラ装置の制御方法であって、前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を画像記憶手段に蓄積し、さらに前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子を有する固体撮像装置及びカメラ装置の制御方法であって、前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を画像記憶手段に蓄積するとともに、前記固体撮像素子における１フレーム周期の前記シャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行い、さらに前記測距用画像から前記固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法では、固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によってシャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を一旦画像蓄積手段に蓄積し、その後、この画像記録手段に蓄積された画像信号をフレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力するようにしたことから、フレームレートに拘束されることなく固体撮像素子のシャッタ動作及び読み出し動作を高速化することができ、固体撮像素子のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）による画像の変形を減少することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法では、固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって画像出力用のシャッタ動作及び読み出し動作を行い、それを画像記憶手段に蓄積するとともに、上述した画像出力用のシャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行い、この測距用画像から固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行うようにしたことから、測距専用の撮像手段を用いることなく、出力用の画像の撮像動作中に動作を止めずに測距用の画像を効率的に取得でき、迅速なＡＦ制御を行うことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法の実施の形態例について説明する。
（第１の実施の形態例）
まず、本発明の第１の実施の形態例は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）による画像の変形を減少するためのカメラシステムを提供するものである。
すなわち、本発明の第１の実施の形態例では、所定の動画規格に基づいて完成された画像データのフレームレートよりも高速レートで固体撮像素子から画素データを読み出し、この高速で読み出した画像データを記憶装置（画像記憶手段；画像メモリ）に一時格納する。そして、この記憶装置から上述した完成された画像データのフレームレートに速度を遅くして読み出し、これを後段に出力することにより、動きのある被写体に対して画像の変形を減少する。
【００１５】
例えば、カメラシステムの出力フレームレートが１０ｆｐｓ （ｆｒａｍｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ ）の場合、固体撮像素子の出力を１０倍に高速化して読み出し、１００ｆｐｓ （１画面を１／１００秒）で出力する。
これにより、出力される画像が１０ｆｐｓ であるにも関わらず、動きのある被写体に対しては１００ｆｐｓ 相当の画像となり、乱れのない画像を得ることが可能となる。
なお、上述のように固体撮像素子からの画像データは高速で出力され、データの間隔は短くなるが、画素の露光時間は従来と同等に確保できる。
例えば、カメラシステムの出力が１０ｆｐｓ の場合、露光期間は１フレームあたり約１／１０秒が最大であり、１００ｆｐｓ のカメラシステムでは１フレームあたり約１／１００秒が最大である。
しかし、本例のカメラシステムでは、出力のフレームレートに応じて１フレームあたりの最大露光時間を決定できるため、固体撮像素子の出力を１０倍にし、画像の乱れを少なくしても、カメラシステムの出力が１０ｆｐｓ であれば、１フレームあたりの最大露光時間の約１／１０秒が確保される。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施の形態例によるカメラシステムの第１の構成例を示すブロック図である。
このカメラシステムは、撮像レンズ系１０１、固体撮像素子１０２、アナログ回路１０３、Ａ／Ｄコンバータ１０４、画像メモリ１０５、カメラ信号処理回路１０６、圧縮伸長回路１０７、及び記憶媒体１０８を有している。
まず、撮像レンズ系１０１から入射した光線は、固体撮像素子１０２の２次元画素アレイに結像する。固体撮像素子１０２はＣＭＯＳ型イメージセンサなどのローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）を有する半導体素子であり、２次元画素アレイを順次走査し、画素列（または画素行）単位でシャッタ動作と読み出し動作を行い、画像信号をアナログ回路１０３に出力する。
【００１７】
アナログ回路１０３では、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）やＡＧＣ（オートゲインコントロール）などの処理を行う。そして、このアナログ回路１０３で処理された画像信号は、Ａ／Ｄコンバータ１０４によりアナログデータからデジタルデータに変換され、画像メモリ１０５に出力される。
画像メモリ１０５は、半導体メモリなどの記憶装置であり、Ａ／Ｄコンバータ１０４からの画像データを格納し、そのレートを出力される映像のフレームレートに変換して出力するものである。この画像メモリ１０５からの画像データは、カメラ信号処理回路１０６に出力される。
カメラ信号処理回路１０６では、固体撮像素子１０２の出力データから映像信号へ変換するための色信号処理、ゲイン制御処理、ホワイトバランス処理等の信号処理を行う回路である。
圧縮伸長回路１０７は、カメラ信号処理回路１０６で処理された画像データの圧縮もしくは伸長を行い、画像を記憶媒体１０８に記憶できるフォーマットに変換する回路である。記憶媒体１０８は、画像データを出力させる画像出力手段の一例であるが、画像出力手段としては例えば表示パネルや各種ネットワーク等であってもよい。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施の形態例によるカメラシステムの第２の構成例を示すブロック図である。なお、図１と共通の要素については同一符号を付してある。
この構成例は、図１に示すカメラ信号処理回路１０６を画像メモリ１０５の前段に設けたものであり、カメラ信号処理回路１０６によるカメラ信号処理を行なってから画像メモリ１０５に格納するものである。なお、その他は、図１の例と同様であるので説明は省略する。
【００１９】
図３は、固体撮像素子１０２のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）露光制御動作を説明する図であり、２次元画素アレイの構造を模式的に示したものである。
図中の領域３０１は固体撮像素子１０２の撮像領域（２次元画素アレイ）であり、画素セルが２次元マトリクス状に分布している。なお、便宜的に縦方向に０行からＮ行とし、横方向に０列からＭ列としている。
また、画素行３０２は「シャッタ行」と呼ばれる画素行であり、画素行３０３は「読み出し行」と呼ばれる画素行である。各画素行は０行目からＮ行目の方向に走査される。ただし、映像の上下を反転する場合には逆方向の走査となる。
【００２０】
図４は、本実施の形態例における露光制御方式において走査される画素行の時間的変化を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。
そして、斜めの破線６０２がシャッタ行の走査位置、斜めの実線６０１が読み出し行の走査位置を示している。また、破線６０２と実線６０１の間の間隔６０３が露光時間である。
図示のように、露光時間６０３だけ、シャッタ行６０２が読み出し行６０１より先行しており、シャッタ行６０２では画素に蓄積された不要な電荷が排出され、読み出し行６０１では画素に蓄積された電荷を読み取る。また、シャッタ行６０２で電荷を排出してから読み出し行６０１で読み取られるまでが映像の露光時間６０３となる。
【００２１】
また、図中の１フレーム期間６０４は、完成された映像の１フレームが出力されるためにかかる期間を示す。
そして、本例のカメラシステムでは、固体撮像素子１０２のシャッタ行６０２と読み出し行６０１の走査速度をフレームレートの例えば１０倍としたものである。
これにより、図４では、シャッタ行の走査位置を示す破線６０２と読み出し行の走査位置を示す実線６０１の角度が図１３に従来例に比較して大きく表されており、１フレーム分の撮像動作は、１フレーム期間６０４に対して短い時間で終了することになる。
【００２２】
図５は、図４に示す動作によって読み出される１つの画素（例えば固体撮像素子の中央に位置する画素）の信号波形を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は信号レベルを示している。
図中のシャッタ行タイミング７０３で、それまでの蓄積電荷（廃棄電荷７０２）が廃棄され、ここから信号として用いる電荷の蓄積が開始される。そして、読み出し行タイミング７０４において、それまでの露光時間７０５の間に蓄積された信号電荷（読み出し電荷７０１）が読み出される。この後、シャッタ行タイミング７０３までが廃棄電荷７０２の蓄積動作となる。このようにして、１フレーム期間７０６毎に１回の読み出し動作が実行される。
【００２３】
上述した図１３及び図１４に示す従来例と図４及び図５に示す本実施の形態例とを比較すると、本実施の形態例の場合ではシャッタ行と読み出し行の走査速度が１０倍になっているため、隣り合う行が読み出される時間の差は従来例に比して１／１０になる。
これにより、動く被写体に対して画像が乱れる程度が１０分の１に改善される（換言すれば、本実施の形態例を適用した場合、画像が従来例と同程度に乱れるには、従来例に比べて被写体が１０倍の速度で動く必要がある）。
また、シャッタ行と読み出し行の走査速度が速くなっても、２つの行の間隔は従来どおりに設定されるため、露光時間は従来と同等に設定可能である。
この結果、本発明の第１の実施の形態例では、ローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ、順次読み出し）特有の動きのある被写体に対する画像が乱れを改善でき、画質の向上を図ることができる利点がある。
また、本実施の形態例を適用しても、従来と同じように露光時間を設定することができるという利点がある。
【００２４】
（第２の実施の形態例）
次に、本発明の第２の実施の形態例は、上述した第１の実施の形態例で説明したように固体撮像素子の走査を高速（本例では３倍）で行う構成を用いて、各フレーム毎のシャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を利用して測距用の画像を読み出してＡＦ制御に用いることにより、出力用の画像の撮像動作中に映像を途切らすことなく、測距用の画像を効率的に取得でき、迅速なＡＦ制御を行うことが可能なカメラシステムを提供するものである。
【００２５】
すなわち、本発明の第２の実施の形態例では、所定の動画規格に基づいて完成された画像データのフレームレートよりも高速レートで固体撮像素子から画素データを読み出し、この高速で読み出した画像データを記憶装置（画像記憶手段；画像メモリ）に一時格納し、この記憶装置から上述した完成された画像データのフレームレートに速度を遅くして読み出し、これを後段に出力する構成により、ＡＦ用の測距フレームを出力する期間を確保する。
そして、この確保した期間（本例ではブランク期間という）内に、有効映像の露光期間と重ならないように測距フレームの露光と読み出し動作を数回にわたって行い、この測距フレームによって固体撮像素子の撮像レンズ系を駆動制御し、コントラスト検出方式による自動焦点調整動作を行う。なお、測距フレームの位置は、画像フレーム中の任意の位置に自在に設定できるようにする。
【００２６】
図６は、本発明の第２の実施の形態例によるカメラシステムの構成例を示すブロック図である。
このカメラシステムは、撮像レンズ系１１０１、固体撮像素子１１０２、カメラ信号処理回路１１０３、画像メモリ１１０４、圧縮伸長回路１１０５、記憶媒体１１０６、フォーカスモータ駆動回路１１０７、及びフォーカスモータ１１０８を有している。
このうち、カメラ信号処理回路１１０３、フォーカスモータ駆動回路１１０７、及びフォーカスモータ１１０８が上述した第１の実施の形態例と異なる部分であるので、以下はこれらを中心に説明する。なお、図６では省略しているが、本例においても図１及び図２に示したアナログ回路やＡ／Ｄコンバータが設けられているものとする。
【００２７】
カメラ信号処理回路１１０３は固体撮像素子１１０２から出力された信号を映像信号に変換するための信号処理を行うものであり、基本的には、図１及び図２のカメラ信号処理回路１０６と同様であるが、特に本例ではコントラスト検出方式によるＡＦ制御機能を有しており、上述した画像出力用の撮像動作のブランク期間に得られる測距フレームからフォーカスモータ駆動回路１１０７のＡＦ制御信号を生成するものである。
フォーカスモータ駆動回路１１０７は、カメラ信号処理回路１１０３から出力されるＡＦ制御信号に基づいてフォーカスモータ１１０８を駆動し、撮像レンズ系１１０１のフォーカス制御を行うものである。
【００２８】
図７は、固体撮像素子１１０２のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）露光制御動作を説明する図であり、２次元画素アレイの構造を模式的に示したものである。
基本的には図３で示すものと同様であり、図中の領域１５０１は固体撮像素子１１０２の撮像領域（２次元画素アレイ）で、画素行１５０２は「シャッタ行」、画素行１５０３は「読み出し行」である。
そして、撮像領域１５０１の中央部には、測距フレーム１５０４が設定されている。
【００２９】
図８は、本実施の形態例における露光制御方式において走査する画素行の時間的変化を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。
そして、斜めの破線１６０２がシャッタ行の走査位置、斜めの実線１６０１が読み出し行の走査位置を示している。また、破線１６０２と実線１６０１の間の間隔１６０３が露光時間である。
本例では、シャッタ行１６０２と読み出し行１６０１の走査速度を３倍とし、フレーム周期の約３分の１の時間で出力用画像の撮像動作を行い、残りの約３分の２の時間をブランク期間として用い、ＡＦ用の測距フレーム（Ｎ／１０行×Ｍ／１０列、すなわち完成された画像フレームの１００分の１のフレーム）を１０フレーム分読み出し、この測距フレームによってＡＦ制御を行う。
【００３０】
なお、測距フレームとして使用する領域は、固体撮像素子１１０２の水平スキャナ及び垂直スキャナの動作によって選択することが可能である。
例えば、本例の場合、２次元画素アレイを垂直スキャナによって画素行単位で巣直（縦）方向に走査する構成であり、各画素列毎に信号電荷を読み出し、各画素列毎に設けられたＣＤＳ・ＡＧＣ回路等によってノイズ除去や利得制御等を行う。したがって、垂直スキャナによって読み出す画素行を選択し、水平スキャナによって読み出す画素列を選択することにより、２次元画素アレイの特定領域を測距フレームとして読み出すことが可能である。
このような領域選択は、例えば設定キー等によって垂直スキャナ及び水平スキャナへのアドレス設定によって適宜行うことが可能であるものとする。
【００３１】
また、図８では、具体的なシャッタ行１６０１と読み出し行１６０２の走査方法を示している。
すなわち、図８において、読み出し行１６０１がＮ行目まで走査した後、測距フレームの行を走査する（測距フレーム読み出し行１６０３）。そして、この測距フレームの行を１１回走査する（これは、１回目の走査の露光時間が長目の画像となるので、２回目以降のデータを用いるためである）。
この際、測距フレームの水平方向はＭ／１０行であるため、水平方向の走査に要する時間は１／１０になる。
また、走査の回数や走査をする時間的間隔は撮影対象に合わせて任意に調整可能であるものとし、設定キー等によって選択できるものとする。
【００３２】
図９は、図８に示す動作によって読み出される１つの画素（例えば固体撮像素子の中央に位置する画素）の信号波形を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は信号レベルを示している。
図中のシャッタ行タイミング１７０４で、それまでの蓄積電荷（廃棄電荷１７０２）が廃棄され、ここから映像用の信号として用いる電荷の蓄積が開始される。そして、読み出し行タイミング１７０５において、それまでの露光時間７０７の間に蓄積された信号電荷（読み出し電荷１７０１）が読み出される。
この後、一定の露光時間の経過によって廃棄電荷１７０２が蓄積された後、測距フレーム用のシャッタ動作に移行し、その最初のシャッダ動作で廃棄電荷１７０２が廃棄された後、細かいシャッタ動作を繰り返すことにより、測距フレーム用読み出し電荷１７０３が読み出される。
この後、再度一定の露光時間の経過によって廃棄電荷１７０２が蓄積された後、映像用の信号電荷の蓄積、読み出し動作を行う。
このようにして、１フレーム期間１７０８毎に、映像用信号の１回の読み出し動作と、測距フレーム用の複数回（本例では１１回）の読み出し動作が実行される。
【００３３】
なお、以上の図７〜図９に示す例では、２次元画素アレイの中央部に測距用フレームを設定した例を説明したが、上述のように測距用フレームとして読み出す領域は、水平方向、垂直方向に自在に選択が可能である。
図１０は、測距用フレームを画素領域中で任意に移動できる様子を示す説明図である。なお、図７と共通の符号を用いている。上述した垂直スキャナ及び水平スキャナへのアドレス設定等の操作により、中央の測距用フレーム１５０４を上下、左右に移動（移動ａ〜移動ｅ）できる。
また、図１１は、図１０において測距用フレームの位置を移動した場合の画素行の時間的変化を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。なお、図８と共通の符号を用いている。
図示のように、映像出力用のシャッタ行及び読み出し行に重ならない範囲（すなわち、本例ではブランク期間という）内で、測距用フレームの読み出し動作タイミングを変更し、測距用フレームに用いる画像領域を移動する。
ただし、この図１１では、図１０に示す画素行方向に移動（すなわち、移動ａ、移動ｂ）した読み出し動作だけが表れており、画素列方向については、読み出し動作の各走査毎に読み出す画素列のアドレス（読み出し開始位置、終了位置）を指定することにより行うことになる。
【００３４】
また、図１２は、測距用フレームの読み出し行の期間を大きくした例を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。なお、図８と共通の符号を用いている。
図示のように、映像出力用のシャッタ行及び読み出し行に重ならない範囲（すなわち、本例ではブランク期間という）内で、測距用フレームの読み出し周期、読み出し回数を変更し、ＡＦ制御に用いる画像の枚数等を適宜変更することが可能である。
【００３５】
さらに、図示は省略するが、有効映像の露光時間（シャッタ行１６０１から読み出し行１６０２までの期間）、１フレーム期間に出力される測距フレームのフレーム数、測距フレームの露光時間（測距フレーム読み出し行１６０３の間隔）、測距フレームの大きさ等は、カメラのアプリケーションや使用環境に合わせて調整可能であるものとする。
以上のような本発明の第２の実施の形態例では、単一の固体撮像素子で映像を途切らすことなく、高速なＡＦを実現できるという利点がある。また、測距フレームの位置を自在に設定できるという利点がある。
【００３６】
なお、以上の実施の形態例は、本発明をカメラ装置として説明したが、本発明の特徴となる構成は固体撮像装置単体としての構成においても実現できるものであり、本発明の範囲に含まれるものとする。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法によれば、固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によってシャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を一旦画像蓄積手段に蓄積し、その後、この画像記録手段に蓄積された画像信号をフレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力するようにしたことから、フレームレートに拘束されることなく固体撮像素子のシャッタ動作及び読み出し動作を高速化することができ、固体撮像素子のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）による画像の変形を減少することが可能となり、動く被写体の乱れの少ない画像を出力できる効果がある。
【００３８】
また、本発明の固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法によれば、固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって画像出力用のシャッタ動作及び読み出し動作を行い、それを画像記憶手段に蓄積するとともに、上述した画像出力用のシャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行い、この測距用画像から固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行うようにしたことから、測距専用の撮像手段を用いることなく、出力用の画像の撮像動作中に動作を止めずに測距用の画像を効率的に取得でき、迅速なＡＦ制御を行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例によるカメラシステムの第１の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例によるカメラシステムの第２の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態例における固体撮像素子の露光制御動作を説明する２次元画素アレイの正面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態例における露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図５】図４に示す動作によって読み出される１つの画素の信号波形を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態例によるカメラシステムの構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態例における固体撮像素子の露光制御動作を説明する２次元画素アレイの正面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態例における露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図９】図８に示す動作によって読み出される１つの画素の信号波形を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態例の第１の変形例における固体撮像素子の露光制御動作を説明する２次元画素アレイの正面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態例の第２の変形例における露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態例の第３の変形例における露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図１３】従来のカメラシステムにおける露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図１４】図１３に示す動作によって読み出される１つの画素の信号波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１、１１０１……撮像レンズ系、１０２、１１０２……固体撮像素子、１０３……アナログ回路、１０４……Ａ／Ｄコンバータ、１０５、１１０４……画像メモリ、１０６、１１０３……カメラ信号処理回路、１０７、１１０５……圧縮伸長回路、１０８、１１０６……記憶媒体、１１０７……フォーカスモータ駆動回路、１１０８……フォーカスモータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元画素アレイの順次走査によって各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行うＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像装置、並びにその固体撮像装置を用いたカメラ装置、及びそれらの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＣＭＯＳ型イメージセンサの撮像動作は、いわゆるローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）により２次元画素アレイを画像行（または画素列）単位で走査して各画素のシャッタ動作を行い、その後、一定の露光時間を経て再度２次元画素アレイを画像行（または画素列）単位で走査し、各画素の信号を読み出すような動作となる（たとえば特許文献１）。
また、動画の撮像時においては、このようなシャッタ動作と読み出し動作を１フレーム周期（通常は１／３０秒）毎に行う。なお、１フレーム期間とは、完成された映像の１フレームが出力されるためにかかる期間をいう。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−４１４９３号公報
【０００４】
図１３は、このような従来の動画撮像動作を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。そして、斜めの破線４０２がシャッタ行の走査位置、斜めの実線４０１が読み出し行の走査位置を示している。また、破線４０２と実線４０１の間の間隔４０３が露光時間である。
シャッタ行で各画素のシャッタ動作を行い、各画素信号をリセットした後、露光時間４０３を経て読み出し動作を行うことにより、各画素信号を読み出すようになっている。
そして、画素行０から画素行Ｎまでの１回の走査で、ちょうど１フレーム期間４０４が経過するような同期速度で走査を行い、所定のフレームレートによって各画素信号の出力動作を行う。
なお、このような動作で２次元画素アレイから読み出された画素信号は、ノイズ除去、利得制御、Ａ／Ｄ変換等の処理を経て、後段の信号処理回路（ＤＳＰ等）に入力され、カラー信号処理、利得調整、ホワイトバランス等の処理を施された後、画像出力機器に出力される。
図１４は、図１３に示す動作によって読み出される１つの画素（例えば固体撮像素子の中央に位置する画素）の信号波形を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は信号レベルを示している。
図中のシャッタ行タイミング５０３で、それまでの蓄積電荷（廃棄電荷５０２）が廃棄され、ここから信号として用いる電荷の蓄積が開始される。そして、読み出し行タイミング５０４において、それまでの露光時間５０５の間に蓄積された信号電荷（読み出し電荷５０１）が読み出される。この後、シャッタ行タイミング５０３までが廃棄電荷５０２の蓄積動作となる。
このようにして、１フレーム期間５０６の間に１回の読み出し動作が実行される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）を用いたシステムでは、先頭の画素行を撮像するタイミングと最後の画素行を撮像するタイミングとが、１フレーム分の時間差を有することになるため、動いている被写体に対し、画像が変形するという欠点がある。
【０００６】
また、上述のようなシステムにおいて、コントラスト検出方式による自動焦点調節（オートフォーカス；ＡＦ）機能を設けたものが知られている。これは、実際に測距フレーム用の画像を撮像し、隣接画素間のばらつき（差分）から画像のコントラストを検出してＡＦに利用するようにしたものである。
しかしながら、このコントラスト検出方式を採用した場合、単体の撮像装置を用いている場合には、映像を途切らすことなしに高速なＡＦが実現できないという問題があった。
これは、有効画像から測距フレームに相当する部分を切り出してＡＦのコントラスト検出に使用する方式であるため、図１３及び図１４に示した従来例の動作では、有効画像のフレームレートと同じフレームレートの測距フレーム画像を得る必要があり、この動作に時間がかかるためである。
例えば、通常のビデオカメラでは映像のフレームレートは６０ｆｐｓ であり、固体撮像素子の出力も、ほぼ６０ｆｐｓ であり、測距フレームのデータも同様に１秒間に６０枚程度しか得られない。
【０００７】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体撮像素子のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）による画像の変形を減少することが可能な固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、出力用の画像の撮像動作中に測距用の画像を効率的に取得でき、迅速なＡＦ制御を行うことが可能な固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子と、前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を蓄積する画像記憶手段と、前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力する出力制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子と、前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を蓄積する画像記憶手段と、前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力する出力制御手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子を有する固体撮像装置及びカメラ装置の制御方法であって、前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を画像記憶手段に蓄積し、さらに前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子を有する固体撮像装置及びカメラ装置の制御方法であって、前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を画像記憶手段に蓄積するとともに、前記固体撮像素子における１フレーム周期の前記シャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行い、さらに前記測距用画像から前記固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法では、固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によってシャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を一旦画像蓄積手段に蓄積し、その後、この画像記録手段に蓄積された画像信号をフレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力するようにしたことから、フレームレートに拘束されることなく固体撮像素子のシャッタ動作及び読み出し動作を高速化することができ、固体撮像素子のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）による画像の変形を減少することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法では、固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって画像出力用のシャッタ動作及び読み出し動作を行い、それを画像記憶手段に蓄積するとともに、上述した画像出力用のシャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行い、この測距用画像から固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行うようにしたことから、測距専用の撮像手段を用いることなく、出力用の画像の撮像動作中に動作を止めずに測距用の画像を効率的に取得でき、迅速なＡＦ制御を行うことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法の実施の形態例について説明する。
（第１の実施の形態例）
まず、本発明の第１の実施の形態例は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）による画像の変形を減少するためのカメラシステムを提供するものである。
すなわち、本発明の第１の実施の形態例では、所定の動画規格に基づいて完成された画像データのフレームレートよりも高速レートで固体撮像素子から画素データを読み出し、この高速で読み出した画像データを記憶装置（画像記憶手段；画像メモリ）に一時格納する。そして、この記憶装置から上述した完成された画像データのフレームレートに速度を遅くして読み出し、これを後段に出力することにより、動きのある被写体に対して画像の変形を減少する。
【００１５】
例えば、カメラシステムの出力フレームレートが１０ｆｐｓ （ｆｒａｍｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ ）の場合、固体撮像素子の出力を１０倍に高速化して読み出し、１００ｆｐｓ （１画面を１／１００秒）で出力する。
これにより、出力される画像が１０ｆｐｓ であるにも関わらず、動きのある被写体に対しては１００ｆｐｓ 相当の画像となり、乱れのない画像を得ることが可能となる。
なお、上述のように固体撮像素子からの画像データは高速で出力され、データの間隔は短くなるが、画素の露光時間は従来と同等に確保できる。
例えば、カメラシステムの出力が１０ｆｐｓ の場合、露光期間は１フレームあたり約１／１０秒が最大であり、１００ｆｐｓ のカメラシステムでは１フレームあたり約１／１００秒が最大である。
しかし、本例のカメラシステムでは、出力のフレームレートに応じて１フレームあたりの最大露光時間を決定できるため、固体撮像素子の出力を１０倍にし、画像の乱れを少なくしても、カメラシステムの出力が１０ｆｐｓ であれば、１フレームあたりの最大露光時間の約１／１０秒が確保される。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施の形態例によるカメラシステムの第１の構成例を示すブロック図である。
このカメラシステムは、撮像レンズ系１０１、固体撮像素子１０２、アナログ回路１０３、Ａ／Ｄコンバータ１０４、画像メモリ１０５、カメラ信号処理回路１０６、圧縮伸長回路１０７、及び記憶媒体１０８を有している。
まず、撮像レンズ系１０１から入射した光線は、固体撮像素子１０２の２次元画素アレイに結像する。固体撮像素子１０２はＣＭＯＳ型イメージセンサなどのローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）を有する半導体素子であり、２次元画素アレイを順次走査し、画素列（または画素行）単位でシャッタ動作と読み出し動作を行い、画像信号をアナログ回路１０３に出力する。
【００１７】
アナログ回路１０３では、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）やＡＧＣ（オートゲインコントロール）などの処理を行う。そして、このアナログ回路１０３で処理された画像信号は、Ａ／Ｄコンバータ１０４によりアナログデータからデジタルデータに変換され、画像メモリ１０５に出力される。
画像メモリ１０５は、半導体メモリなどの記憶装置であり、Ａ／Ｄコンバータ１０４からの画像データを格納し、そのレートを出力される映像のフレームレートに変換して出力するものである。この画像メモリ１０５からの画像データは、カメラ信号処理回路１０６に出力される。
カメラ信号処理回路１０６では、固体撮像素子１０２の出力データから映像信号へ変換するための色信号処理、ゲイン制御処理、ホワイトバランス処理等の信号処理を行う回路である。
圧縮伸長回路１０７は、カメラ信号処理回路１０６で処理された画像データの圧縮もしくは伸長を行い、画像を記憶媒体１０８に記憶できるフォーマットに変換する回路である。記憶媒体１０８は、画像データを出力させる画像出力手段の一例であるが、画像出力手段としては例えば表示パネルや各種ネットワーク等であってもよい。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施の形態例によるカメラシステムの第２の構成例を示すブロック図である。なお、図１と共通の要素については同一符号を付してある。
この構成例は、図１に示すカメラ信号処理回路１０６を画像メモリ１０５の前段に設けたものであり、カメラ信号処理回路１０６によるカメラ信号処理を行なってから画像メモリ１０５に格納するものである。なお、その他は、図１の例と同様であるので説明は省略する。
【００１９】
図３は、固体撮像素子１０２のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）露光制御動作を説明する図であり、２次元画素アレイの構造を模式的に示したものである。
図中の領域３０１は固体撮像素子１０２の撮像領域（２次元画素アレイ）であり、画素セルが２次元マトリクス状に分布している。なお、便宜的に縦方向に０行からＮ行とし、横方向に０列からＭ列としている。
また、画素行３０２は「シャッタ行」と呼ばれる画素行であり、画素行３０３は「読み出し行」と呼ばれる画素行である。各画素行は０行目からＮ行目の方向に走査される。ただし、映像の上下を反転する場合には逆方向の走査となる。
【００２０】
図４は、本実施の形態例における露光制御方式において走査される画素行の時間的変化を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。
そして、斜めの破線６０２がシャッタ行の走査位置、斜めの実線６０１が読み出し行の走査位置を示している。また、破線６０２と実線６０１の間の間隔６０３が露光時間である。
図示のように、露光時間６０３だけ、シャッタ行６０２が読み出し行６０１より先行しており、シャッタ行６０２では画素に蓄積された不要な電荷が排出され、読み出し行６０１では画素に蓄積された電荷を読み取る。また、シャッタ行６０２で電荷を排出してから読み出し行６０１で読み取られるまでが映像の露光時間６０３となる。
【００２１】
また、図中の１フレーム期間６０４は、完成された映像の１フレームが出力されるためにかかる期間を示す。
そして、本例のカメラシステムでは、固体撮像素子１０２のシャッタ行６０２と読み出し行６０１の走査速度をフレームレートの例えば１０倍としたものである。
これにより、図４では、シャッタ行の走査位置を示す破線６０２と読み出し行の走査位置を示す実線６０１の角度が図１３に従来例に比較して大きく表されており、１フレーム分の撮像動作は、１フレーム期間６０４に対して短い時間で終了することになる。
【００２２】
図５は、図４に示す動作によって読み出される１つの画素（例えば固体撮像素子の中央に位置する画素）の信号波形を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は信号レベルを示している。
図中のシャッタ行タイミング７０３で、それまでの蓄積電荷（廃棄電荷７０２）が廃棄され、ここから信号として用いる電荷の蓄積が開始される。そして、読み出し行タイミング７０４において、それまでの露光時間７０５の間に蓄積された信号電荷（読み出し電荷７０１）が読み出される。この後、シャッタ行タイミング７０３までが廃棄電荷７０２の蓄積動作となる。このようにして、１フレーム期間７０６毎に１回の読み出し動作が実行される。
【００２３】
上述した図１３及び図１４に示す従来例と図４及び図５に示す本実施の形態例とを比較すると、本実施の形態例の場合ではシャッタ行と読み出し行の走査速度が１０倍になっているため、隣り合う行が読み出される時間の差は従来例に比して１／１０になる。
これにより、動く被写体に対して画像が乱れる程度が１０分の１に改善される（換言すれば、本実施の形態例を適用した場合、画像が従来例と同程度に乱れるには、従来例に比べて被写体が１０倍の速度で動く必要がある）。
また、シャッタ行と読み出し行の走査速度が速くなっても、２つの行の間隔は従来どおりに設定されるため、露光時間は従来と同等に設定可能である。
この結果、本発明の第１の実施の形態例では、ローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ、順次読み出し）特有の動きのある被写体に対する画像が乱れを改善でき、画質の向上を図ることができる利点がある。
また、本実施の形態例を適用しても、従来と同じように露光時間を設定することができるという利点がある。
【００２４】
（第２の実施の形態例）
次に、本発明の第２の実施の形態例は、上述した第１の実施の形態例で説明したように固体撮像素子の走査を高速（本例では３倍）で行う構成を用いて、各フレーム毎のシャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を利用して測距用の画像を読み出してＡＦ制御に用いることにより、出力用の画像の撮像動作中に映像を途切らすことなく、測距用の画像を効率的に取得でき、迅速なＡＦ制御を行うことが可能なカメラシステムを提供するものである。
【００２５】
すなわち、本発明の第２の実施の形態例では、所定の動画規格に基づいて完成された画像データのフレームレートよりも高速レートで固体撮像素子から画素データを読み出し、この高速で読み出した画像データを記憶装置（画像記憶手段；画像メモリ）に一時格納し、この記憶装置から上述した完成された画像データのフレームレートに速度を遅くして読み出し、これを後段に出力する構成により、ＡＦ用の測距フレームを出力する期間を確保する。
そして、この確保した期間（本例ではブランク期間という）内に、有効映像の露光期間と重ならないように測距フレームの露光と読み出し動作を数回にわたって行い、この測距フレームによって固体撮像素子の撮像レンズ系を駆動制御し、コントラスト検出方式による自動焦点調整動作を行う。なお、測距フレームの位置は、画像フレーム中の任意の位置に自在に設定できるようにする。
【００２６】
図６は、本発明の第２の実施の形態例によるカメラシステムの構成例を示すブロック図である。
このカメラシステムは、撮像レンズ系１１０１、固体撮像素子１１０２、カメラ信号処理回路１１０３、画像メモリ１１０４、圧縮伸長回路１１０５、記憶媒体１１０６、フォーカスモータ駆動回路１１０７、及びフォーカスモータ１１０８を有している。
このうち、カメラ信号処理回路１１０３、フォーカスモータ駆動回路１１０７、及びフォーカスモータ１１０８が上述した第１の実施の形態例と異なる部分であるので、以下はこれらを中心に説明する。なお、図６では省略しているが、本例においても図１及び図２に示したアナログ回路やＡ／Ｄコンバータが設けられているものとする。
【００２７】
カメラ信号処理回路１１０３は固体撮像素子１１０２から出力された信号を映像信号に変換するための信号処理を行うものであり、基本的には、図１及び図２のカメラ信号処理回路１０６と同様であるが、特に本例ではコントラスト検出方式によるＡＦ制御機能を有しており、上述した画像出力用の撮像動作のブランク期間に得られる測距フレームからフォーカスモータ駆動回路１１０７のＡＦ制御信号を生成するものである。
フォーカスモータ駆動回路１１０７は、カメラ信号処理回路１１０３から出力されるＡＦ制御信号に基づいてフォーカスモータ１１０８を駆動し、撮像レンズ系１１０１のフォーカス制御を行うものである。
【００２８】
図７は、固体撮像素子１１０２のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）露光制御動作を説明する図であり、２次元画素アレイの構造を模式的に示したものである。
基本的には図３で示すものと同様であり、図中の領域１５０１は固体撮像素子１１０２の撮像領域（２次元画素アレイ）で、画素行１５０２は「シャッタ行」、画素行１５０３は「読み出し行」である。
そして、撮像領域１５０１の中央部には、測距フレーム１５０４が設定されている。
【００２９】
図８は、本実施の形態例における露光制御方式において走査する画素行の時間的変化を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。
そして、斜めの破線１６０２がシャッタ行の走査位置、斜めの実線１６０１が読み出し行の走査位置を示している。また、破線１６０２と実線１６０１の間の間隔１６０３が露光時間である。
本例では、シャッタ行１６０２と読み出し行１６０１の走査速度を３倍とし、フレーム周期の約３分の１の時間で出力用画像の撮像動作を行い、残りの約３分の２の時間をブランク期間として用い、ＡＦ用の測距フレーム（Ｎ／１０行×Ｍ／１０列、すなわち完成された画像フレームの１００分の１のフレーム）を１０フレーム分読み出し、この測距フレームによってＡＦ制御を行う。
【００３０】
なお、測距フレームとして使用する領域は、固体撮像素子１１０２の水平スキャナ及び垂直スキャナの動作によって選択することが可能である。
例えば、本例の場合、２次元画素アレイを垂直スキャナによって画素行単位で巣直（縦）方向に走査する構成であり、各画素列毎に信号電荷を読み出し、各画素列毎に設けられたＣＤＳ・ＡＧＣ回路等によってノイズ除去や利得制御等を行う。したがって、垂直スキャナによって読み出す画素行を選択し、水平スキャナによって読み出す画素列を選択することにより、２次元画素アレイの特定領域を測距フレームとして読み出すことが可能である。
このような領域選択は、例えば設定キー等によって垂直スキャナ及び水平スキャナへのアドレス設定によって適宜行うことが可能であるものとする。
【００３１】
また、図８では、具体的なシャッタ行１６０１と読み出し行１６０２の走査方法を示している。
すなわち、図８において、読み出し行１６０１がＮ行目まで走査した後、測距フレームの行を走査する（測距フレーム読み出し行１６０３）。そして、この測距フレームの行を１１回走査する（これは、１回目の走査の露光時間が長目の画像となるので、２回目以降のデータを用いるためである）。
この際、測距フレームの水平方向はＭ／１０行であるため、水平方向の走査に要する時間は１／１０になる。
また、走査の回数や走査をする時間的間隔は撮影対象に合わせて任意に調整可能であるものとし、設定キー等によって選択できるものとする。
【００３２】
図９は、図８に示す動作によって読み出される１つの画素（例えば固体撮像素子の中央に位置する画素）の信号波形を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は信号レベルを示している。
図中のシャッタ行タイミング１７０４で、それまでの蓄積電荷（廃棄電荷１７０２）が廃棄され、ここから映像用の信号として用いる電荷の蓄積が開始される。そして、読み出し行タイミング１７０５において、それまでの露光時間７０７の間に蓄積された信号電荷（読み出し電荷１７０１）が読み出される。
この後、一定の露光時間の経過によって廃棄電荷１７０２が蓄積された後、測距フレーム用のシャッタ動作に移行し、その最初のシャッダ動作で廃棄電荷１７０２が廃棄された後、細かいシャッタ動作を繰り返すことにより、測距フレーム用読み出し電荷１７０３が読み出される。
この後、再度一定の露光時間の経過によって廃棄電荷１７０２が蓄積された後、映像用の信号電荷の蓄積、読み出し動作を行う。
このようにして、１フレーム期間１７０８毎に、映像用信号の１回の読み出し動作と、測距フレーム用の複数回（本例では１１回）の読み出し動作が実行される。
【００３３】
なお、以上の図７〜図９に示す例では、２次元画素アレイの中央部に測距用フレームを設定した例を説明したが、上述のように測距用フレームとして読み出す領域は、水平方向、垂直方向に自在に選択が可能である。
図１０は、測距用フレームを画素領域中で任意に移動できる様子を示す説明図である。なお、図７と共通の符号を用いている。上述した垂直スキャナ及び水平スキャナへのアドレス設定等の操作により、中央の測距用フレーム１５０４を上下、左右に移動（移動ａ〜移動ｅ）できる。
また、図１１は、図１０において測距用フレームの位置を移動した場合の画素行の時間的変化を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。なお、図８と共通の符号を用いている。
図示のように、映像出力用のシャッタ行及び読み出し行に重ならない範囲（すなわち、本例ではブランク期間という）内で、測距用フレームの読み出し動作タイミングを変更し、測距用フレームに用いる画像領域を移動する。
ただし、この図１１では、図１０に示す画素行方向に移動（すなわち、移動ａ、移動ｂ）した読み出し動作だけが表れており、画素列方向については、読み出し動作の各走査毎に読み出す画素列のアドレス（読み出し開始位置、終了位置）を指定することにより行うことになる。
【００３４】
また、図１２は、測距用フレームの読み出し行の期間を大きくした例を示す説明図であり、横軸は時間、縦軸は０からＮまでの画素行を示している。なお、図８と共通の符号を用いている。
図示のように、映像出力用のシャッタ行及び読み出し行に重ならない範囲（すなわち、本例ではブランク期間という）内で、測距用フレームの読み出し周期、読み出し回数を変更し、ＡＦ制御に用いる画像の枚数等を適宜変更することが可能である。
【００３５】
さらに、図示は省略するが、有効映像の露光時間（シャッタ行１６０１から読み出し行１６０２までの期間）、１フレーム期間に出力される測距フレームのフレーム数、測距フレームの露光時間（測距フレーム読み出し行１６０３の間隔）、測距フレームの大きさ等は、カメラのアプリケーションや使用環境に合わせて調整可能であるものとする。
以上のような本発明の第２の実施の形態例では、単一の固体撮像素子で映像を途切らすことなく、高速なＡＦを実現できるという利点がある。また、測距フレームの位置を自在に設定できるという利点がある。
【００３６】
なお、以上の実施の形態例は、本発明をカメラ装置として説明したが、本発明の特徴となる構成は固体撮像装置単体としての構成においても実現できるものであり、本発明の範囲に含まれるものとする。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法によれば、固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によってシャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を一旦画像蓄積手段に蓄積し、その後、この画像記録手段に蓄積された画像信号をフレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力するようにしたことから、フレームレートに拘束されることなく固体撮像素子のシャッタ動作及び読み出し動作を高速化することができ、固体撮像素子のローリングシャッタ（フォーカルプレインシャッタ）による画像の変形を減少することが可能となり、動く被写体の乱れの少ない画像を出力できる効果がある。
【００３８】
また、本発明の固体撮像装置、カメラ装置、及びその制御方法によれば、固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって画像出力用のシャッタ動作及び読み出し動作を行い、それを画像記憶手段に蓄積するとともに、上述した画像出力用のシャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行い、この測距用画像から固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行うようにしたことから、測距専用の撮像手段を用いることなく、出力用の画像の撮像動作中に動作を止めずに測距用の画像を効率的に取得でき、迅速なＡＦ制御を行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例によるカメラシステムの第１の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例によるカメラシステムの第２の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態例における固体撮像素子の露光制御動作を説明する２次元画素アレイの正面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態例における露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図５】図４に示す動作によって読み出される１つの画素の信号波形を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態例によるカメラシステムの構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態例における固体撮像素子の露光制御動作を説明する２次元画素アレイの正面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態例における露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図９】図８に示す動作によって読み出される１つの画素の信号波形を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態例の第１の変形例における固体撮像素子の露光制御動作を説明する２次元画素アレイの正面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態例の第２の変形例における露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態例の第３の変形例における露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図１３】従来のカメラシステムにおける露光制御方式の画素行の時間的変化を示す説明図である。
【図１４】図１３に示す動作によって読み出される１つの画素の信号波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１、１１０１……撮像レンズ系、１０２、１１０２……固体撮像素子、１０３……アナログ回路、１０４……Ａ／Ｄコンバータ、１０５、１１０４……画像メモリ、１０６、１１０３……カメラ信号処理回路、１０７、１１０５……圧縮伸長回路、１０８、１１０６……記憶媒体、１１０７……フォーカスモータ駆動回路、１１０８……フォーカスモータ。
Claims (36)
- ２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子と、
前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を蓄積する画像記憶手段と、
前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力する出力制御手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記固体撮像素子より出力された画像信号にＡ／Ｄ変換を施して前記画像記憶手段に出力するＡ／Ｄ変換手段を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号に画像出力用の所定の信号処理を行う信号処理手段を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号を前記信号処理手段で信号処理した後に前記画像記憶手段に蓄積することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号を前記信号記憶手段に蓄積し、その後、前記信号処理手段で信号処理することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- ２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子と、
前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を蓄積する画像記憶手段と、
前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力する出力制御手段と、
を有することを特徴とするカメラ装置。 - 前記固体撮像素子より出力された画像信号にＡ／Ｄ変換を施して前記画像記憶手段に出力するＡ／Ｄ変換手段を有することを特徴とする請求項６記載のカメラ装置。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号に画像出力用の所定の信号処理を行う信号処理手段を有することを特徴とする請求項６記載のカメラ装置。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号を前記信号処理手段で信号処理した後に前記画像記憶手段に蓄積することを特徴とする請求項６記載のカメラ装置。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号を前記信号記憶手段に蓄積し、その後、前記信号処理手段で信号処理することを特徴とする請求項６記載のカメラ装置。
- ２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子と、
前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を蓄積する画像記憶手段と、
前記固体撮像素子における１フレーム周期の前記シャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行う測距用画像読み出し手段と、
前記測距用画像読み出し手段によって読み出された測距用画像から前記固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行う自動焦点制御手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記測距用画像読み出し手段は、前記画像記憶手段の前段で前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行うことを特徴とする請求項１１記載の固体撮像装置。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号にＡ／Ｄ変換を施して前記画像記憶手段及び前記測距用画像読み出し手段に出力するＡ／Ｄ変換手段を有することを特徴とする請求項１１記載の固体撮像装置。
- 前記測距用画像読み出し手段は、前記測距用画像を読み出す画像フレーム中の領域を選択する選択手段を有することを特徴とする請求項１１記載の固体撮像装置。
- ２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子と、
前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を蓄積する画像記憶手段と、
前記固体撮像素子における１フレーム周期の前記シャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行う測距用画像読み出し手段と、
前記測距用画像読み出し手段によって読み出された測距用画像から前記固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行う自動焦点制御手段と、
を有することを特徴とするカメラ装置。 - 前記測距用画像読み出し手段は、前記画像記憶手段の前段で前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行うことを特徴とする請求項１５記載のカメラ装置。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号にＡ／Ｄ変換を施して前記画像記憶手段及び前記測距用画像読み出し手段に出力するＡ／Ｄ変換手段を有することを特徴とする請求項１５記載のカメラ装置。
- 前記測距用画像読み出し手段は、前記測距用画像を読み出す画像フレーム中の領域を選択する選択手段を有することを特徴とする請求項１５記載のカメラ装置。
- ２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子を有する固体撮像装置の制御方法であって、
前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を画像記憶手段に蓄積し、さらに前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力する、
ことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。 - 前記固体撮像素子より出力された画像信号にＡ／Ｄ変換を施して前記画像記憶手段に蓄積することを特徴とする請求項１９記載の固体撮像装置の制御方法。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号に画像出力用の所定の信号処理を行うことを特徴とする請求項１９記載の固体撮像装置の制御方法。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号を前記信号処理した後に前記画像記憶手段に蓄積することを特徴とする請求項１９記載の固体撮像装置の制御方法。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号を前記信号記憶手段に蓄積し、その後、前記信号処理することを特徴とする請求項１９記載の固体撮像装置の制御方法。
- ２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子を有するカメラ装置の制御方法であって、
前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を画像記憶手段に蓄積し、さらに前記画像記録手段に蓄積された画像信号を前記フレーム周期に対応するフレームレートで読み出し出力する、
ことを特徴とするカメラ装置の制御方法。 - 前記固体撮像素子より出力された画像信号にＡ／Ｄ変換を施して前記画像記憶手段に蓄積することを特徴とする請求項２４記載のカメラ装置の制御方法。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号に画像出力用の所定の信号処理を行うことを特徴とする請求項２４記載のカメラ装置の制御方法。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号を前記信号処理した後に前記画像記憶手段に蓄積することを特徴とする請求項２４記載のカメラ装置の制御方法。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号を前記信号記憶手段に蓄積し、その後、前記信号処理することを特徴とする請求項２４記載のカメラ装置の制御方法。
- ２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子を有する固体撮像装置の制御方法であって、
前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を画像記憶手段に蓄積するとともに、前記固体撮像素子における１フレーム周期の前記シャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行い、さらに前記測距用画像から前記固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行う、
ことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。 - 前記画像記憶手段の前段で前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行うことを特徴とする請求項２９記載の固体撮像装置の制御方法。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号にＡ／Ｄ変換を施して画像記憶手段に蓄積するとともに、前記Ａ／Ｄ変換された測距用画像から自動焦点調節制御を行うことを特徴とする請求項２９記載の固体撮像装置の制御方法。
- 前記測距用画像を読み出す画像フレーム中の領域を選択して読み出すことを特徴とする請求項２９記載の固体撮像装置の制御方法。
- ２次元配列の画素アレイ部を有し、前記画素アレイ部を画素列単位または画素行単位で走査して各画素のシャッタ動作及び読み出し動作を行う固体撮像素子を有するカメラ装置の制御方法であって、
前記固体撮像素子で１フレーム周期毎に高速走査によって前記シャッタ動作及び読み出し動作を行い、その画像信号を画像記憶手段に蓄積するとともに、前記固体撮像素子における１フレーム周期の前記シャッタ動作及び読み出し動作のブランク期間を用いて前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行い、さらに前記測距用画像から前記固体撮像素子の光学系を制御して自動焦点調節制御を行う、
ことを特徴とするカメラ装置の制御方法。 - 前記画像記憶手段の前段で前記固体撮像素子から測距用画像の読み出し動作を行うことを特徴とする請求項３３記載のカメラ装置の制御方法。
- 前記固体撮像素子より出力された画像信号にＡ／Ｄ変換を施して画像記憶手段に蓄積するとともに、前記Ａ／Ｄ変換された測距用画像から自動焦点調節制御を行うことを特徴とする請求項３３記載のカメラ装置の制御方法。
- 前記測距用画像を読み出す画像フレーム中の領域を選択して読み出すことを特徴とする請求項３３記載のカメラ装置の制御方法。
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