JP2005130054A - 撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コントラストが高い被写体を撮像する際に、合成された画像上で物体が複数に分かれることなく、飽和や黒つぶれを防いで高ダイナミックレンジの撮像画像を得る。
【解決手段】 メカシャッター部２による光路解放後、電子シャッターパルスＢが印加されたときから、メカシャッター部２によりＰＤ１１１への光入射が遮蔽されるまでの電荷蓄積期間Ｃに、読み出しパルスＦ１を撮像素子１に印加させることにより、長い信号電荷蓄積期間Ｃで蓄積された信号電荷量Ｅと、短い信号電荷蓄積期間Ｃ３で蓄積された信号電荷量Ｇ１を電気信号Ｈ，Ｉ１として撮像素子１から出力させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばデジタルスチルカメラなどに用いられ、光強度のダイナミックレンジが高い自然界の被写体を撮像する撮像装置およびその駆動方法に関する。

従来、例えばデジタルスチルカメラなどの撮像装置として、受光部に照射された光を光電変換させて信号電荷として蓄積させ、この信号電荷を電気信号として出力させるＣＣＤ（電荷結合素子）型の固体撮像装置およびＣＭＯＳ型の固体撮像装置が知られている。以下に、このＣＣＤ型の固体撮像装置を例にとって詳細に説明する。

図４は、従来のＣＣＤ型固体撮像装置における撮像素子の概略構成図である。

図４において、撮像素子１０は、被写体光を撮像する撮像部１１と、撮像部１１で撮像された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部１２（以下、水平ＣＣＤという）と、水平方向に転送された信号電荷を出力する出力部１３とを有している。

撮像部１１は、光電効果により信号電荷を生成する受光部１１１（以下、ＰＤ１１１という）と、信号電荷を垂直方向に転送させる垂直転送部１１２（以下、垂直ＣＣＤという）とを有している。

上記構成により、ＰＤ１１１に被写体光が入射されると、光電変換が行われて信号電荷として蓄積される。このとき、ＰＤ１１１にて光電効果により電気信号（電荷）に変換された電荷量は光の強度に比例している。ＰＤ１１１により一定期間（電荷蓄積期間）に蓄積された信号電荷は、読み出し信号（読み出しパルス）が印加されることにより垂直ＣＣＤ１１２に転送される。垂直ＣＣＤ１１２に転送された信号電荷は、その後、垂直転送クロックφＶに同期して、垂直ＣＣＤ１１２の内部で図４の下方向（垂直方向）に順次転送される。

全ての垂直ＣＣＤ１１２の出力端は水平ＣＣＤ１２に接しており、水平ＣＣＤ１２には、垂直転送クロックφＶに同期して、垂直ＣＣＤ１１２から１ライン分の信号電荷が順次に取り込まれる。水平ＣＣＤ１２に取り込まれた信号電荷は、水平転送クロックφＨに同期して、水平ＣＣＤ１２の内部で図４の右方向から左方向に順次転送される。水平ＣＣＤ１２の出力端に到達した信号電荷は、この水平ＣＣＤ１２の出力端に設けられた出力部１３において電気信号に変換され、ＣＣＤ出力信号として外部に出力される。

この従来の撮像素子１０において、電荷蓄積時間は、ＯＦＤ電圧をＰＤ１１１に印加することによりＰＤ１１１に蓄積された信号電荷を基板側へ掃き出させてリセットする電子シャッターと、撮像素子１０への入射光路を遮蔽または開放自在な機械シャッター（メカシャッター）とによって制御されている。

ここで、従来の撮像装置における読み出しタイミングと電荷蓄積時間との関係について、図５を用いて説明する。図５では、上から、メカシャッターの制御タイミング、電子シャッターパルスＢの印加タイミング、奇数フレームに対する読み出しパルスＤの印加タイミングおよび蓄積電荷量Ｅ、偶数フレームに対する読み出しパルスＦの印加タイミングおよび蓄積電荷量Ｇ、出力信号Ｈ，Ｉが横方向を時間軸として示されている。

図５に示すように、まず、期間Ａ（ＯＰＥＮ）において、メカシャッターが開けられて光が各ＰＤ１１１に入射することにより、各ＰＤ１１１にて光電変換が行われて信号電荷としてそれぞれ蓄積される。期間Ａ内に、電子シャッターパルスＢをＰＤ１１１に印加することにより、各ＰＤ１１１にそれぞれ蓄積された信号電荷は全て基板側へと掃き出されてリセット状態とされる。

このときの信号電荷の蓄積時間は、電子シャッターパルスＢが印加された時点から始まり、メカシャッターが閉じられて入射光が遮蔽されるまでの期間Ｃとなる。この露光時間内に、ＰＤ１１１に蓄積された信号電荷は、信号電荷蓄積期間Ｃに比例して増加する。メカシャッターが閉じられて光の入射が遮蔽された後、順次読み出しパルスＤ，Ｉが印加されることにより、各フレームの信号電荷がそれぞれ読み出されて出力される。

図５では、読み出しパルスＤを印加することにより、奇数フレームに蓄積された信号電荷ＥがＰＤ１１１から垂直ＣＣＤ１１２に転送され、奇数フレームの出力信号Ｈとして出力される。

その後、読み出しパルスＦを印加することにより、偶数フレームに蓄積された信号電荷Ｇが垂直ＣＣＤ１１２に転送され、偶数フレームの出力信号Ｉとして出力される。

したがって、全てのフレームにおいて、電荷蓄積期間Ｃは電子シャッターパルスＢが印加されてからメカシャッターが閉じられるまでの時間となっおり、一定である。

しかしながら、近年、装置の小型化および画素数増加が要望されており、受光部サイズの小型化が進んでいる。そのため、一つのＰＤ１１１が取り扱うことができる信号電荷蓄積量は減少している。

ここで、信号電荷蓄積期間ＣとＰＤ１１１の信号電荷蓄積量との関係について、図６を用いて説明する。図６では、横軸に信号電荷蓄積期間Ｃが示され、縦軸にＰＤ１１１の信号電荷蓄積量（以下、ＰＤ容量という）が示されている。

図６に示すように、信号電荷蓄積期間Ｃが長いほど、ＰＤ容量は電荷蓄積期間Ｃに比例して増加し、入射される光の強度が強いほど、図６中のグラフＪ１からＪ４のように傾きが急になる。

例えば、強度が基準値よりも強い光がＰＤ１１１に入射された場合、電荷蓄積期間Ｃが長い方のＣａに設定されていると、グラフＪ１，Ｊ２に示すように入射される光の強度が弱い場合には、ＰＤ１１１に蓄積される信号電荷蓄積量ＫがＫ１，Ｋ２に示すようになって、光の強度差を検出することができる。また、グラフＪ３，Ｊ４のように入射される光の強度が強い場合には、信号電荷蓄積量ＫがＰＤ１１１のＰＤ容量を越えてしまい、ＰＤ１１１のＰＤ容量以上の信号電荷を蓄積させることができない。このため、図６のグラフＪ３，Ｊ４の各平坦部分に示すように各信号電荷が飽和状態となり、グラフＪ３，Ｊ４に示すように入射光強度が異なる場合でも、同じ信号電荷蓄積量Ｋ３（Ｋ４）がＰＤ１１１に蓄積され、光の強度差を検出することができなくなる。

そこで、信号電荷蓄積期間ＣをＣａよりも短くしてＣｂに設定すると、強度が基準値よりも強い光が入射された場合にＰＤ１１１に蓄積された信号電荷が飽和しにくくなる。このため、グラフＪ３，Ｊ４に示すように入射される光の強度が強い場合には、信号電荷蓄積量ＫがＫ３’，Ｋ４’に示すようになって、光の強度差を検出することができる。しかしながら、グラフＪ１，Ｊ２に示すように入射される光の強度が弱い場合には、ＰＤ１１１に蓄積される信号電荷蓄積量Ｋ１’，Ｋ２’となって、それらの差が少なくその差を検出しにくくなって、黒つぶれの画像が表示されやすくなる。

このように、従来の撮像装置では、一つのＰＤ１１１において取り扱うことが可能な信号電荷量が減少するほど、ダイナミックレンジが不足するという問題がある。

このようなダイナミックレンジの不足を補う手法として、例えば特許文献１に開示されているように、信号電荷蓄積期間Ｃが異なる信号電荷を生成する方法がある。この従来の撮像方法について、図７を用いて簡単に説明する。図７では、上から、信号電荷蓄積期間Ｃ１，Ｃ２、信号読み出しパルスＤ１，Ｃ２、信号電荷高速転送期間および信号出力期間Ｈ１，Ｈ２が時間軸ｔに沿って示されている。

この方法では、１フィールド期間の間に信号読み出しパルスＤ１，Ｄ２を印加することにより、信号電荷蓄積期間Ｃが異なる複数の信号電荷を得ることができる。例えば入射光強度が強くて信号レベルが高い場合には、信号電荷蓄積期間Ｃを短くして蓄積した信号電荷には大きな重み付けを与えることにより、信号電荷が飽和することを防ぐことができる。また、入射光強度が弱くて信号レベルが低い場合には、信号電荷蓄積期間Ｃを長くして蓄積した信号電荷には小さな重み付けを与えることにより、黒つぶれの画像を防ぐことができる。
特開平６−１４１２２９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている従来の撮像装置の駆動方法では、１フィールド期間の間に複数の読み出しパルスＤ１，Ｄ２を印加して信号電荷蓄積期間Ｃ１，Ｃ２が異なる複数の信号電荷を得ているため、信号電荷蓄積期間Ｃ１，Ｃ２の終了時刻が同時刻ではない。このため、速く動く被写体を撮像した場合などには、合成された画像上で物体が複数に分かれるという問題が生じる。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、コントラストが高い被写体を撮像する際に、速く動く被写体を撮像する場合にも合成された画像上で物体が複数に分かれることなく、信号電荷の飽和や黒つぶれを防いで高ダイナミックレンジの撮像画像を得ることができる撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、それぞれ受光部を有する複数の画素部が基板上に２次元状に配置され、各受光部に入射された光がそれぞれ光電変換されて信号電荷としてそれぞれ蓄積され、蓄積された信号電荷を電気信号として出力可能とする撮像素子と、該撮像素子の各受光部への入射光路を遮蔽または開放自在なメカシャッター手段と、該撮像素子の各受光部に信号電圧を印加して該受光部に蓄積された信号電荷をリセットする電子シャッター手段と、該撮像素子の各受光部に読み出し信号を出力して該受光部に蓄積された信号電荷を該各受光部から出力させる読み出し信号発生手段とを備えた撮像装置において、該メカシャッター手段の光路開放後の該信号電圧の印加時から該メカシャッター手段による光路遮蔽時までの信号電荷蓄積期間と、該信号電圧印加後に、該読み出し信号発生手段を制御して読み出し信号を該撮像素子に印加してから該メカシャッター手段による光路遮蔽時までの信号電荷蓄積期間との信号電荷蓄積期間が異なる複数の信号電荷を電気信号として該撮像素子からそれぞれ出力制御する制御手段を有しており、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の撮像装置において、隣接する二つの画素部のうち一方の画素部は、前記信号電圧印加時から前記メカシャッター手段による光路遮蔽時までの信号電荷蓄積期間に信号電荷が蓄積され、他方の画素部は、前記読み出し信号印加時から該メカシャッター手段による光路遮蔽時までの信号電荷蓄積期間に信号電荷が蓄積される。

さらに、好ましくは、本発明の撮像装置において、信号電荷蓄積期間が異なる複数の電気信号に対して、電気信号レベルに応じて重み付けを行って信号合成する信号処理手段を更に有する。

さらに、好ましくは、本発明の撮像装置において、信号電荷蓄積期間が異なる複数の電気信号に対して、該信号電荷蓄積期間に応じて重み付けを行って信号合成する信号処理手段を更に有する。

さらに、好ましくは、本発明の撮像装置における信号処理手段は、強度が基準値よりも強い光が入射されたときには前記信号電荷蓄積期間が短い場合の電気信号を選択して当該電気信号に応じた重み付けを採用し、強度が該基準値よりも弱い光が入射されたときには該電荷蓄積期間が長い場合の電気信号を選択して当該電気信号に応じた重み付けを採用する。

さらに、好ましくは、本発明の撮像装置における撮像素子は、前記各受光部がマトリクス状に配置され、該各受光部で光電変換された信号電荷をそれぞれ垂直方向に順次転送させる垂直転送部を有する撮像部と、該撮像部から供給された１ライン毎の信号電荷を水平方向に順次転送させる水平転送部と、該水平転送部からそれぞれ供給された信号電荷を前記電気信号に変換する出力部とを有する。

本発明の撮像装置の駆動方法は、請求項１に記載の撮像装置を駆動する撮像装置の駆動方法であって、前記電子シャッター手段による信号電圧が印加時から、前記メカシャッター手段による光路遮蔽時までの間に、ぜ該読み出し信号発生手段による読み出し信号を用いて、信号電荷蓄積期間が異なる複数の信号電荷を電気信号として前記撮像素子から出力させており、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の撮像装置の駆動方法において、隣接する二つの画素部のうち一方の画素部には、前記電子シャッター手段により信号電圧が印加されたときから該メカシャッター手段により該各受光部への光入射が遮蔽されるまでの信号電荷蓄積期間に信号電荷を蓄積させ、他方の画素部には、前記読み出し信号発生手段により読み出し信号を印加したときから該メカシャッター手段により該各受光部への光入射が遮蔽されるまでの信号電荷蓄積期間に信号電荷を蓄積させる。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

本発明にあっては、メカシャッター手段による光路開放後、電子シャッター手段により信号電圧（ＯＦＤ電圧）が印加されたときから、メカシャッター手段により各受光部への光入射が遮蔽されるまでの間に、読み出し信号発生手段により読み出し信号を撮像素子に印加することにより、信号電荷蓄積期間が異なる場合の各複数の信号電荷を電気信号として撮像素子から出力させる。これにより、信号電荷蓄積期間が異なり、かつ、信号電荷蓄積期間の終了時間が同じである２枚以上のフレーム画像を得ることができる。

例えば、隣接する二つの画素部において、一方の画素部には電子シャッター手段によりＯＦＤ電圧が印加されたときからメカシャッター手段により各受光部への光入射が遮蔽されるまでの信号電荷蓄積期間に信号電荷を蓄積させ、他方の画素部には読み出し信号発生手段により読み出し信号が撮像素子に印加されたときからメカシャッター手段により各受光部への光入射が遮蔽されるまでの信号電荷蓄積期間に信号電荷を蓄積させることにより、信号電荷蓄積期間が互いに異なり、かつ、信号電荷蓄積期間の終了時間が同じである２枚のフレーム画像を得ることができる。

この信号電荷蓄積期間が異なる複数の電気信号に対して、信号処理手段によって電気信号レベルや信号電荷蓄積期間に応じて重み付けを行って信号合成することにより、高ダイナミックレンジで撮像を行うことができる。例えば、強度が強い光が入射されたときには信号電荷蓄積期間が短い場合の電気信号に大きな重み付けをし、強度が弱い光が入射されたときには信号電荷蓄積期間が長い場合の電気信号に大きな重み付けをする。

本発明では、信号電荷蓄積期間の終了時間が同じであるため、特許文献１に開示されている従来技術のように、速く動く被写体を撮像した場合に信号合成された画像上で物体が複数に分かれて見えるという問題を防ぐことができて、ダイナミックレンジを拡大させることができる。

本発明によれば、信号電荷蓄積期間中に読み出し信号を撮像素子に印加することによって、ダイナミックレンジを拡大させた画像を得ることができる。また、複数の信号電荷蓄積期間の終了時間を同時刻とすることによって、速く動く被写体に対して、撮像画像上で物体が分離されないようにすることができる。したがって、民生用に最も普及しているメカシャッターを用いたスチルカメラ用ＣＣＤなどの撮像装置において、読み出し信号の出力タイミングを変更することによって、その性能上、最も要望されているダイナミックレンジの大幅な改善を実現することができる。

以下に、本発明の撮像装置およびその駆動方法の実施形態を、ＣＣＤ型固体撮像装置に適用した場合について説明する。

図１は、本発明のＣＣＤ型固体撮像装置の一実施形態における概略構成を示すブロック図である。

図１において、撮像装置１０Ａは、撮像素子１と、メカシャッター手段としてのメカシャッター部２と、電子シャッター手段としての電子シャッター部３と、読み出し信号発生手段としての読み出し信号発生部４（読み出しパルス発生部４）と、これらを制御する制御手段としての制御部５と、撮像素子１からの信号電荷を信号処理する信号処理手段としての信号処理部６とを備えている。

撮像素子１は、ＣＣＤ素子であり、上記図４に示す撮像素子１０の場合と同様に、２次元状（例えばマトリックス状）に複数配置されて各画素部を構成する受光部であるＰＤ１１１および、このＰＤ１１１で光電変換された信号電荷を垂直方向に順次転送させる垂直ＣＣＤ１１２を有する撮像部１１と、撮像部１１から供給された１ライン分の信号電荷を水平方向に順次転送させる水平ＣＣＤ１２と、水平ＣＣＤ１２から供給される信号電荷を電気信号に変換する出力部１３とを備え、ＰＤ１１１に入射された光が光電変換されて信号電荷として蓄積され、蓄積された信号電荷が垂直ＣＣＤ１１２から水平ＣＣＤ１２に順次転送されて電気信号として撮像素子１から出力される。

メカシャッター部２は、撮像素子１への入射光路を機械的な開閉部によって遮蔽または開放自在に構成されている。

電子シャッター部３は、撮像素子１に信号電圧（ＯＦＤ電圧；後述する電子シャッターパルスＢ）を印加することによりＰＤ１１１に蓄積された信号電荷を基板側に掃き出させてリセット動作を行わせるものである。

読み出しパルス発生部４は、撮像素子１の各ＰＤ１１１に読み出し信号（読み出しパルス）を出力することにより、ＰＤ１１１に蓄積された信号電荷をＰＤ１１１から出力させる。

制御部５は、メカシャッター部２による入射光路の開閉動作、電子シャッター部３によるリセット動作および読み出しパルス発生部４による読み出しパルスの出力など各部の動作タイミングを制御する。これにより、撮像素子１における電荷蓄積期間Ｃは、メカシャッター２部、電子シャッター部３および読み出しパルス発生部４によって制御される。即ち、制御部５は、メカシャッター部２の光路開放後のＯＦＤ電圧の印加時からメカシャッター部２による光路遮蔽時までの期間と、ＯＦＤ電圧印加後に、読み出しパルス発生部４を制御して読み出しパルスを撮像素子１に印加してからメカシャッター部２による光路遮蔽時までの期間との各信号電荷蓄積期間が互いに異なる場合の各複数の信号電荷を電気信号として撮像素子１からそれぞれ出力制御するようになっている。

信号処理部６は、撮像素子１から出力される信号電荷蓄積期間Ｃが異なる複数の電気信号に対して、電気信号の基準電圧レベル（または信号電荷蓄積期間Ｃの長さ）に応じて重み付けを行って信号合成した画像信号を出力させる。例えば、信号処理部６は、光強度が基準値よりも強い光が入射されたときには信号電荷蓄積期間が短い場合の電気信号に応じた重み付けを採用し、光強度が基準値よりも弱い光が入射されたときには電荷蓄積期間が長い場合の電気信号に応じた重み付けを採用することができる。

ここで、本実施形態の撮像装置１０Ａにおける読み出しタイミングと電荷蓄積期間Ｃとの関係について、図２を用いて説明する。なお、図２では、上から、メカシャッターの制御タイミング、電子シャッターパルスＢの印加タイミング、読み出しパルスＤ，Ｆの各印加タイミングおよび蓄積電荷量Ｅ，Ｇ１、出力信号電荷Ｈ，Ｉ１が横方向を時間軸ｔとして示している。

図２に示すように、まず、メカシャッター部２による開閉部の開放期間Ａにおいて、メカシャッター部２が開けられて光が入射される。これにより、ＰＤ１１１にて光電変換が行われて信号電荷として蓄積される。ここで、電子シャッターパルスＢ（ＯＦＤ電圧）を撮像素子１に印加することにより、ＰＤ１１１に蓄積した信号電荷が基板側へと掃き出されてＰＤ１１１の電荷が空にされてリセットされる。これによって、信号電荷の蓄積が開始される。

このように、電子シャッター部３からＯＦＤ電圧が印加されたときから、メカシャッター部２によりＰＤ１１１への光入射が遮蔽されるまでの電荷蓄積期間Ｃ中に、読み出しパルス発生部４から一部のＰＤ１１１に対して読み出しパルスＦ１が印加される。この読み出しパルスＦ１が印加された一部のＰＤ１１１に蓄積された信号電荷は垂直ＣＣＤ１１２に転送され、ＰＤ１１１の電荷が空にされてリセットされる。一方、読み出しパルスＦ１が印加されなかったＰＤ１１１では、蓄積された信号電荷が垂直ＣＣＤ１１２に転送されず、継続して信号電荷が蓄積され続ける。例えば、隣接する二つの画素部の一方に読み出しパルスＦ１が印加され、他方の画素部に読み出しパルスＦ１が印加されないようにする。

これにより、読み出しパルスＦ１が印加されたＰＤ１１１では、読み出しパルスＦ１が印加された後から信号電荷の蓄積が開始されて短い電荷蓄積期間Ｃ３で信号電荷が蓄積される。また、読み出しパルスＦ１が印加されなかったＰＤ１１１では、長い電荷蓄積期間Ｃで信号電荷が蓄積される。全てのＰＤ１１１において、電荷蓄積期間Ｃ、Ｃ３は、メカシャッターが閉じられると同時に終了する。

この結果、ＰＤ１１１は、長い電荷蓄積期間Ｃで信号電荷Ｅが蓄積されたＰＤ１１１と、短い電荷蓄積期間Ｃ３で信号電荷Ｇ１が蓄積されたＰＤ１１１とに分かれる。ここで、読み出しパルスＦ１の印加タイミングを変えることにより、電荷蓄積期間Ｃ３を制御することができる。

メカシャッター部が閉じられて光の入射が遮蔽された後、読み出しパルスＤによって電荷蓄積期間Ｃを長くして蓄積した信号電荷Ｈが垂直ＣＣＤ１１２に転送されて出力する。その後、読み出しパルスＦによって電荷蓄積期間Ｃ３を短くして蓄積した信号電荷Ｋが垂直ＣＣＤ１１２に転送されて出力される。

次に、電荷蓄積期間ＣとＰＤ１１１の信号電荷蓄積量との関係について、図３を用いて説明する。なお、図３では、横軸に電荷蓄積期間Ｃが示され、縦軸にＰＤ１１１の信号電荷蓄積量が示されている。

図３に示すように、電荷蓄積期間Ｃが長いほど、信号電荷蓄積量は電荷蓄積期間Ｃに比例して増加し、入射される光の強度が強いほど、図３中のグラフＪ５からグラフＪ６のように傾きが急になる。

本実施形態の撮像装置１０Ａでは、１回の撮像によって、図３のＣａおよびＣｂという異なった電荷蓄積期間Ｃで蓄積された信号電荷を得ることができる。したがって、グラフＪ６に示すようにＰＤ容量を越えるような光強度が強い光が入射された場合には、電荷蓄積期間ＣがＣａと長く、ＰＤ１１１が飽和状態となっている信号電荷蓄積量Ｋ６に比べて、電荷蓄積期間ＣがＣｂと短く、ＰＤ１１１が飽和状態になっていない信号電荷蓄積量Ｋ６’に重みを付けて信号処理を行うことにより、飽和状態となることなく光強度が強い信号を得ることができる。

また、光強度が弱い光が入射された場合には、電荷蓄積期間ＣがＣｂと短い信号電荷蓄積量Ｋ５’に比べて、電荷蓄積期間ＣがＣａと長い信号電荷蓄積量Ｋ５に重みを付けて信号処理を行うことにより、黒潰れを起こすことなく適度な信号を得ることができる。ここで、電荷蓄積期間Ｃが長い信号電荷と電荷蓄積期間Ｃが短い信号電荷との重み付け処理は、光強度が強い光が入射された場合に飽和状態となることなく、光強度が弱い光が入射されたときに黒潰れが生じないように、信号処理部６によって適宜調整することができる。

このように、本実施形態によれば、撮像素子１（ＣＣＤ素子）の構造を大きく変更することなく、ＰＤ１１１の信号電荷蓄積期間Ｃ中に読み出しパルスを印加することによって、信号電荷蓄積期間Ｃが異なる信号を得ることができ、ダイナミックレンジの広い撮像装置１０Ａを得ることができる。

以上により、本実施形態によれば、図２に示すように、電子シャッターパルスＢが印加されたときから、メカシャッター部２によりＰＤ１１１への光入射が遮蔽されるまでの電荷蓄積期間Ｃに、信号読み出しパルスＦ１を印加させることにより、長い電荷蓄積期間Ｃで蓄積された信号電荷量Ｅと、短い電荷蓄積期間Ｃ３で蓄積された信号電荷量Ｇ１を電気信号Ｈ，Ｉ１として撮像素子１から出力させる。これによって、コントラストが高い被写体を撮像する際に、合成された画像上で物体が複数に分かれることなく、飽和や黒つぶれを防いで高ダイナミックレンジの撮像画像を得ることができる。

なお、上記実施形態では、説明の簡略化のために白黒の撮像素子１（ＣＣＤ素子）について説明したが、本発明は、カラーフィルタを用いたＣＣＤ素子についても適用可能である。また、上記実施形態のように２回に分けて全画素部の信号電荷を読み出す撮像素子１（ＣＣＤ素子）に限られず、さらに多くの回数に分けて全画素部の信号電荷を読み出す撮像素子（ＣＣＤ素子）についても本発明は適用可能である。この場合にも、フレーム間で信号電荷蓄積期間Ｃ中に印加される信号読み出しパルスのタイミングをずらすことによって、信号電荷蓄積期間Ｃが異なる信号電荷を得ることが可能となり、ダイナミックレンジを改善することができる。

また、上記実施形態では、信号処理部６は、光強度が基準値よりも強い光が入射されたときには信号電荷蓄積期間が短い場合の電気信号に応じた重み付けを採用し、光強度が基準値よりも弱い光が入射されたときには電荷蓄積期間が長い場合の電気信号に応じた重み付けを採用する。即ち、信号処理部６として、光強度が基準値よりも強い光が入射されたときには信号電荷蓄積期間が短い場合の電気信号を選択してこの選択した電気信号に応じた重み付けを採用し、光強度が基準値よりも弱い光が入射されたときには電荷蓄積期間が長い場合の電気信号を選択してこの選択した電気信号に応じた重み付けを採用して信号合成した画像信号を出力させるように構成する。この場合、例えば、光強度が基準値よりも強い光が入射されたとき、フレームの異なる信号電荷蓄積期間が長い場合の電気信号に対しては、選択しないようにしてもよいし、信号電荷蓄積期間が短い場合の電気信号に応じた重み付けを採用し、この採用した電気信号に置き換えてもよい。これに限らず、撮像素子１から出力される信号電荷蓄積期間が異なる各複数の電気信号に対して、単に、電気信号の基準電圧レベルまたは信号電荷蓄積期間の長さに応じて重み付けを行って信号合成した画像信号を出力させることもできる。

さらに、上記実施形態では、撮像素子１としてＣＣＤ素子について説明したが、ＣＣＤ素子の他に、ＣＭＯＳ型固体撮像素子にも適用可能である。

なお、以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、光強度のダイナミックレンジが高い自然界の被写体を撮像する撮像装置およびその駆動方法の分野において、信号電荷蓄積期間Ｃが異なり、かつ信号電荷蓄積期間Ｃの終了時間が同じ２枚以上の画像を得ることができる。このため、速く動く被写体を撮像しても、合成された画像上で物体が複数に分かれることなく、高ダイナミックレンジの撮像画像を得ることができる。これによって、本発明は、民生用に最も普及しているメカシャッターを用いたスチルカメラ用ＣＣＤにおいて、読み出しパルスのタイミングの変更をすることにより、その性能上、最も要求されているダイナミックレンジの大幅な改善を実現することができる。したがって、このようなＣＣＤを用いたデジタルスチルカメラの普及に大いに貢献することができる。

本発明の撮像装置の一実施形態における要部構成を示すブロック図である。 図１の撮像装置における信号読み出しパルスの出力タイミングとＰＤに蓄積された信号電荷との関係を示す図である。 図１の撮像装置における信号電荷蓄積期間とＰＤの信号電荷蓄積量との関係を示すグラフである。 従来のＣＣＤ型固体撮像装置における撮像素子の概略構成図である。 図４の撮像装置における信号読み出しパルスの出力タイミングとＰＤに蓄積された信号電荷との関係を示す図である。 図４の撮像装置における電荷蓄積時間とＰＤの信号電荷蓄積量との関係を示すグラフである。 特許文献１に開示されている従来の信号電荷蓄積時間が異なる信号を得る方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 撮像素子
２ メカシャッター部
３ 電子シャッター部
４ 読み出しパルス発生部
５ 制御部
６ 信号処理部
１０Ａ 撮像装置
１１ 撮像部
１１１ 受光部（ＰＤ）
１１２ 垂直転送部（垂直ＣＣＤ）
１２ 水平転送部（水平ＣＣＤ）
１３ 出力部

Claims (8)

1. それぞれ受光部を有する複数の画素部が基板上に２次元状に配置され、各受光部に入射された光がそれぞれ光電変換されて信号電荷としてそれぞれ蓄積され、蓄積された信号電荷を電気信号として出力可能とする撮像素子と、
   該撮像素子の各受光部への入射光路を遮蔽または開放自在なメカシャッター手段と、
   該撮像素子の各受光部に信号電圧を印加して該受光部に蓄積された信号電荷をリセットする電子シャッター手段と、
   該撮像素子の各受光部に読み出し信号を出力して該受光部に蓄積された信号電荷を該各受光部から出力させる読み出し信号発生手段とを備えた撮像装置において、
   該メカシャッター手段の光路開放後の該信号電圧の印加時から該メカシャッター手段による光路遮蔽時までの信号電荷蓄積期間と、該信号電圧印加後に、該読み出し信号発生手段を制御して読み出し信号を該撮像素子に印加してから該メカシャッター手段による光路遮蔽時までの信号電荷蓄積期間との信号電荷蓄積期間が異なる複数の信号電荷を電気信号として該撮像素子からそれぞれ出力制御する制御手段を有する撮像装置。
2. 隣接する二つの画素部のうち一方の画素部は、前記信号電圧印加時から前記メカシャッター手段による光路遮蔽時までの信号電荷蓄積期間に信号電荷が蓄積され、
   他方の画素部は、前記読み出し信号印加時から該メカシャッター手段による光路遮蔽時までの信号電荷蓄積期間に信号電荷が蓄積される請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記信号電荷蓄積期間が異なる複数の電気信号に対して、電気信号レベルに応じて重み付けを行って信号合成する信号処理手段を更に有する請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記信号電荷蓄積期間が異なる複数の電気信号に対して、該信号電荷蓄積期間に応じて重み付けを行って信号合成する信号処理手段を更に有する請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記信号処理手段は、強度が基準値よりも強い光が入射されたときには前記信号電荷蓄積期間が短い場合の電気信号を選択して当該電気信号に応じた重み付けを採用し、強度が該基準値よりも弱い光が入射されたときには該電荷蓄積期間が長い場合の電気信号を選択して当該電気信号に応じた重み付けを採用する請求項３または４に記載の撮像装置。
6. 前記撮像素子は、前記各受光部がマトリクス状に配置され、該各受光部で光電変換された信号電荷をそれぞれ垂直方向に順次転送させる垂直転送部を有する撮像部と、
   該撮像部から供給された１ライン毎の信号電荷を水平方向に順次転送させる水平転送部と、
   該水平転送部からそれぞれ供給された信号電荷を前記電気信号に変換する出力部とを有する請求項１に記載の撮像装置。
7. 請求項１に記載の撮像装置を駆動する撮像装置の駆動方法であって、
   前記電子シャッター手段による信号電圧が印加時から、前記メカシャッター手段による光路遮蔽時までの間に、ぜ該読み出し信号発生手段による読み出し信号を用いて、信号電荷蓄積期間が異なる複数の信号電荷を電気信号として前記撮像素子から出力させる撮像装置の駆動方法。
8. 隣接する二つの画素部のうち一方の画素部には、前記電子シャッター手段により信号電圧が印加されたときから該メカシャッター手段により該各受光部への光入射が遮蔽されるまでの信号電荷蓄積期間に信号電荷を蓄積させ、
   他方の画素部には、前記読み出し信号発生手段により読み出し信号を印加したときから該メカシャッター手段により該各受光部への光入射が遮蔽されるまでの信号電荷蓄積期間に信号電荷を蓄積させる請求項７に記載の撮像装置の駆動方法。
   

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