JP2007019706A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像モードや被写体の条件に関わらず最適な撮像が行えるとともに、速やかに次の撮像状態に移行することが可能な撮像装置を提供すること。
【解決手段】 撮像モードや被写体の条件によって撮像素子の駆動方式を適切に切り換え、かつ、撮像素子の駆動方式が切り換えられた場合に、撮像素子を初期化することで速やかに次の撮像状態に移行する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に、複数の駆動方式での駆動が可能な撮像素子を備えた撮像装置に関する。

近年、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）型撮像素子の進歩が目覚ましく、一眼レフタイプのデジタルカメラでも、従来のＣＣＤ（電荷結合素子）型撮像素子だけでなく、ＣＭＯＳ型撮像素子も用いられつつある。従来のＣＭＯＳ型撮像素子では、その駆動方式は線順次読み出し方式（いわゆるローリングシャッタ方式）がメインであったが、最近ではＣＣＤ型撮像素子と同様なグローバルシャッタ方式や、メカニカルシャッタと組み合わせたグローバルリセット方式といった他の駆動方式にも切換可能なＣＭＯＳ型撮像素子が開発されている。上述した各方式については、図９以降の説明で詳述する。

これらのＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方式には、それぞれ特長があり（特長についても、図９以降の説明で詳述する）、その特長を生かした撮像方法が提案されている。

例えば、特許文献１によれば、被写体が暗い場合は、メカニカルシャッタを併用して、グローバルリセット方式で撮像することで、被写体が暗くてもリセットノイズ（いわゆるｋＴＣノイズ）の無い高画質の画像を得ることができ、被写体が明るい場合は、メカニカルシャッタを全開にして、グローバルシャッタ方式の電子シャッタを用いることで、メカニカルシャッタでは実現できないような高速のシャッタ速度が実現できる。グローバルシャッタの場合はリセットノイズが残るが、被写体が明るくてフォトダイオードからの光出力が十分大きい場合は無視できる、と記載されている。
特開２００２−３２０１４１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、被写体の明るさのみによって撮像素子の駆動方式を決定しているため、その他の被写体条件、例えば被写体が高速で移動する物体である場合に、被写体像が歪まないようにするために、たとえ被写体が暗くてもグローバルシャッタ方式で撮像を行うことができない。また、動画撮像の場合はメカニカルシャッタが使用できないため、特許文献１の方法では、動画撮像は常にグローバルシャッタ方式としないと、被写体が暗い場合は動画撮像が行えないことになり、特に被写体像の暗い部分でのリセットノイズの問題が解決されない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、撮像モードや被写体の条件によって撮像素子の駆動方式を適切に切り換えることで最適な撮像が行える撮像装置を提供することを目的とする。また、撮像素子の駆動方式が切り換えられた場合に、撮像素子を初期化することで速やかに次の撮像状態に移行することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

（請求項１）
少なくとも、光電変換部を含む複数の画素と、垂直走査回路と、水平走査回路とからなり、複数の駆動方式での駆動が可能であり、被写体像を撮像して画像データを出力する撮像素子を備えた撮像装置において、
複数の撮像モードの中から前記撮像装置の撮像モードを設定する撮像モード設定手段と、
前記撮像装置の撮像条件を設定する撮像条件設定手段と、
前記撮像モード設定手段により設定される撮像モードと、前記撮像条件設定手段により設定される撮像条件を基に、前記複数の駆動方式の中から前記撮像素子の駆動方式を選択する駆動方式選択手段とを有し、
前記撮像素子の駆動方式を、前記駆動方式選択手段によって選択された駆動方式に切り換える駆動方式切換手段を備えたことを特徴とする撮像装置。

（請求項２）
前記複数の撮像モードは、少なくとも静止画撮像モードと動画撮像モードとを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

（請求項３）
前記撮像条件は、少なくとも被写体が動体か否かの判断を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。

（請求項４）
前記複数の駆動方式は、少なくともグローバルシャッタ方式と、ローリングシャッタ方式と、グローバルリセット方式とを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮像装置。

（請求項５）
前記撮像モード設定手段により動画撮像モードが設定された場合、前記撮像条件設定手段により設定される撮像条件を基に、前記駆動方式選択手段は、前記撮像素子の駆動方式としてグローバルシャッタ方式またはローリングシャッタ方式の何れか一方を選択することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。

（請求項６）
前記撮像モード設定手段により静止画撮像モードが設定された場合、前記撮像条件設定手段により設定される撮像条件を基に、前記駆動方式選択手段は、前記撮像素子の駆動方式としてグローバルシャッタ方式、ローリングシャッタ方式またはグローバルリセット方式の何れかの方式を選択することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。

（請求項７）
前記撮像素子の動作を制御する撮像素子制御手段を有し、
前記撮像素子制御手段は、前記駆動方式切換手段によって前記撮像素子の駆動方式が切り換えられた場合に、少なくとも前記撮像素子の光電変換部、垂直走査回路および水平走査回路を初期化することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。

（請求項８）
前記撮像素子制御手段は、前記撮像モード設定手段により撮像モードが動画撮像モードから静止画撮像モードに切り換えられた場合、前記撮像モード設定手段より撮像モード設定信号が出力された直後に前記撮像素子の光電変換部、垂直走査回路および水平走査回路を初期化することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。

（請求項９）
前記撮像素子制御手段は、前記撮像モード設定手段により撮像モードが静止画撮像モードから動画撮像モードに切り換えられた場合、前記撮像素子の画像データの出力完了後に前記撮像素子の光電変換部、垂直走査回路および水平走査回路を初期化することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。

請求項１に記載の発明によれば、撮像モードと撮像条件を基に、撮像素子の駆動方式を選択して切り換えることで、最適な撮像が行える撮像装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、静止画撮像と動画撮像とで撮像素子の駆動方式を選択して切り換えることで、静止画および動画のいずれの場合にも最適な撮像が行える撮像装置を提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、被写体が動体か否かによって撮像素子の駆動方式を選択して切り換えることで、被写体が動体であるか否かに関わらず、最適な撮像が行える撮像装置を提供することができる。

請求項４に記載の発明によれば、撮像モードと撮像条件を基に、グローバルシャッタ方式と、ローリングシャッタ方式と、グローバルリセット方式の何れかの撮像素子の駆動方式を選択して切り換えることで、少なくとも画質および被写体の適合性のバランスのとれた、最適な撮像が行える撮像装置を提供することができる。

請求項５に記載の発明によれば、動画撮像モード時に、撮像条件を基に、グローバルシャッタ方式とローリングシャッタ方式のどちらかの撮像素子の駆動方式を選択して切り換えることで、動体を良好に撮像でき、また、ユーザの意図に合った最適な撮像が行える撮像装置を提供することができる。

請求項６に記載の発明によれば、静止画撮像モード時に、撮像条件を基に、グローバルシャッタ方式と、ローリングシャッタ方式と、グローバルリセット方式の何れかの撮像素子の駆動方式を選択して切り換えることで、ユーザの意図に合った、また、画質に優れた最適な撮像が行える撮像装置を提供することができる。

請求項７に記載の発明によれば、撮像素子の駆動方式が切り換えられた場合に、少なくとも撮像素子の光電変換部と垂直および水平走査回路を初期化することで、速やかに次の撮像状態に移行することが可能な撮像装置を提供することができる。

請求項８に記載の発明によれば、撮像モードが動画撮像モードから静止画撮像モードに切り換えられた場合に、直ちに撮像素子の光電変換部と垂直および水平走査回路を初期化することで、速やかに次の撮像状態に移行することが可能な撮像装置を提供することができる。

請求項９に記載の発明によれば、撮像モードが静止画撮像モードから動画撮像モードに切り換えられた場合に、画像データの出力完了後に撮像素子の光電変換部と垂直および水平走査回路を初期化することで、速やかに次の撮像状態に移行することが可能な撮像装置を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

まず最初に、背景技術で簡単に述べた撮像素子の３つの駆動方式について、図９乃至図１３を用いて説明する。

図９は、撮像素子１６２を構成する各構成要素の配置の一例を示す模式図である。

撮像素子１６２は、撮像面１６２ａ上に、水平と垂直に配列された複数の画素１６２ｂと、垂直走査回路１６２ｃ、サンプルホールド回路１６２ｄ、出力回路１６２ｅ、出力アンプ１６２ｇ、水平走査回路１６２ｆ、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１６２ｈ等の構成要素を備え、画素１６２ｂの各水平行毎の並びと垂直走査回路１６２ｃとは行選択線１６２ｉで結ばれ、画素１６２ｂの各垂直列毎の並びとサンプルホールド回路１６２ｄとは垂直信号線１６２ｊで結ばれている。

撮像素子１６２の撮像動作は、撮像制御部１６１からの制御に従って、タイミングジェネレータ１６２ｈによって制御され、撮像素子１６２の出力である画像データ１６２ｋは、アンプ１６３に入力される。

図１０は、撮像素子１６２を構成する画素１６２ｂの回路の一例を示す回路図である。

画素１６２ｂは、埋め込み型フォトダイオードＰＤ（以下、ＰＤ部という）、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ：以下、トランジスタという）Ｑ１乃至Ｑ４から構成されている。トランジスタＱ１のドレインとＱ２のソースの接続部は、フローティングディフュージョンＦＤ（以下、ＦＤ部という）で構成されている。φＲＳＢ、φＲＳＴ、φＴＸ、φＶは、各トランジスタに対する信号（電位）を示し、ＶＤＤは電源、ＧＮＤは接地を示している。

ＰＤ部は光電変換部であり、被写体からの入射光量に応じた光電流ＩＰＤを発生する。ＰＤ部は、光電変換された光電流ＩＰＤを直接取り出せないため、光電流ＩＰＤがＰＤ部の寄生容量ＣＰＤに電荷ＱＰＤとして蓄積され、蓄積された信号電荷ＱＰＤが転送ゲートと呼ばれるトランジスタＱ１によってＦＤ部に完全転送されることで出力される。転送された信号電荷ＱＰＤは、ＦＤ部の寄生容量ＣＦＤに蓄積される。

トランジスタＱ２はリセットゲートと呼ばれ、オンすることによってＦＤ部を既定の電位（φＲＳＢ）にリセットする。このリセット動作の際に、リセットノイズと呼ばれる、リセット動作を行う度毎にＦＤ部の電位がφＲＳＢに対してばらつくノイズが発生することがある。

トランジスタＱ３は、ソースフォロワ増幅回路を構成するものであり、ＦＤ部の電位ＶＦＤに対する電流増幅を行うことで、出力インピーダンスを下げる働きをする。

トランジスタＱ４は、信号読み出し用のトランジスタであり、ゲートは、上述した行選択線１６２ｉに接続されており、垂直走査回路１６２ｃによって印加される信号φＶに応じてオン、オフされるスイッチとして動作する。トランジスタＱ４のソースは、垂直信号線１６２ｊに接続されており、トランジスタＱ４がオンされると、ＦＤ部の電位ＶＦＤがトランジスタＱ３で低インピーダンス化されて、画素出力ＶＯＵＴとして、垂直信号線１６２ｊへ導出される。

図１１は、撮像素子の３つの駆動方式のひとつであるグローバルリセット方式の動作を示すタイミングチャートであり、図１１（ａ）は、全画素同時に行われる撮像動作のタイミングチャート、図１１（ｂ）は、水平各行毎に順次行われる画像データとノイズデータの垂直転送および水平転送の動作のタイミングチャートである。グローバルリセット方式では、撮像素子の露光量制御はメカニカルシャッタで行われる。

図１１（ａ）で、Ｖブランク期間に、メカニカルシャッタ１４５が閉じられた状態で、φＲＳＢが既定の電位（ＶＲＳＢＨ）に設定され、タイミングＴ１でφＲＳＴが高電位にされることでトランジスタＱ２がオンされ、ＦＤ部の電位ＶＦＤがＶＲＳＢＨにリセット（初期化）される。タイミングＴ１に包含されるタイミングＴ２で、φＴＸが高電位にされることでトランジスタＱ１がオンされ、ＰＤ部の寄生容量ＣＰＤに蓄積された電荷がＦＤ部に完全転送されてＰＤ部がリセットされる。これによって、ＰＤ部とＦＤ部が共にリセットされる。

タイミングＴ３の初めでメカニカルシャッタ１４５が開かれて、被写体からの光がＰＤ部で光電変換されて寄生容量ＣＰＤに信号電荷ＱＰＤとして蓄積開始され、タイミングＴ３の終わりでメカニカルシャッタ１４５が閉じられるまで蓄積される（ＶＰＤ）。以上が全画素同時に行われる撮像動作である。

図１１（ｂ）で、Ｈブランク期間に、タイミングＴ４で水平ｎ行目のφＲＳＴ（φＲＳＴｎ）が高電位にされることで、水平ｎ行目の全画素１６２ｂのトランジスタＱ２がオンされ、水平ｎ行目のφＲＳＢ（φＲＳＢｎ）が既定の電位（ＶＲＳＢＨ）に設定されることで、ＦＤ部の電位ＶＦＤが再度ＶＲＳＢＨにリセットされる。この時、上述したように、ＦＤ部の電位ＶＦＤにはリセット動作に伴うリセットノイズＶＦＤｎｏｉｓｅが残ることがある。

タイミングＴ５で水平ｎ行目の行選択線１６２ｉの電位φＶ（φＶｎ）が高電位にされることでトランジスタＱ４がオンされ、ＦＤ部の電位ＶＦＤ（ここではリセットノイズＶＦＤｎｏｉｓｅ）が画素１６２ｂの画素出力ＶＯＵＴとして垂直信号線１６２ｊに導出され、水平ｎ行目の全画素の画素出力ＶＯＵＴがサンプルホールド回路１６２ｄに保持され、タイミングＴ６と並行して、水平転送信号φＨに従って、出力回路１６２ｅ、出力アンプ１６２ｇを介して画像データ１６２ｋ（ここでは水平ｎ行目のリセットノイズデータＮＯＩＳＥｎ）としてアンプ１６３に向けて順次転送される。

タイミングＴ６で、水平ｎ行目のφＴＸ（φＴＸｎ）が高電位にされることで、トランジスタＱ１がオンされてＰＤ部の寄生容量ＣＰＤに蓄積された信号電荷ＱＰＤがＦＤ部に完全転送される。この時、ＦＤ部にはリセットノイズＶＦＤｎｏｉｓｅが残ったままであるので、ＦＤ部の電位ＶＦＤは、信号電荷ＱＰＤによる信号出力ＶＦＤｓｉｇｎａｌにリセットノイズＶＦＤｎｏｉｓｅが重畳されたものとなる。

つまり、ＶＦＤ＝ＶＦＤｓｉｇｎａｌ＋ＶＦＤｎｏｉｓｅ（式１）である。

タイミングＴ７で、タイミングＴ５と同様に水平ｎ行目の行選択線１６２ｉの電位φＶ（φＶｎ）が高電位にされることでトランジスタＱ４がオンされ、ＦＤ部の電位ＶＦＤ（ここではＶＦＤｓｉｇｎａｌ＋ＶＦＤｎｏｉｓｅ）が画素１６２ｂの画素出力ＶＯＵＴとして垂直信号線１６２ｊに導出され、水平ｎ行目の全画素の画素出力ＶＯＵＴがサンプルホールド回路１６２ｄに保持され、水平転送信号φＨに従って、出力回路１６２ｅ、出力アンプ１６２ｇを介して画像データ１６２ｋ（ここでは水平ｎ行目の（信号＋ノイズ）データＳ／Ｎｎ）としてアンプ１６３に出力される。

アンプ１６３に出力されたリセットノイズデータＮＯＩＳＥｎと（信号＋ノイズ）データＳ／Ｎｎは、例えばＡ／Ｄ変換回路１６４でデジタル化された後に差分がとられることでノイズ除去が行われ、本来の水平ｎ行目の画像データＳＩＧＮＡＬｎとなる。

つまり、ＳＩＧＮＡＬｎ＝Ｓ／Ｎｎ−ＮＯＩＳＥｎ（式２）である。

もちろん、デジタル化された後に差分をとることに限るわけではなく、アナログ的に差分をとってもよい。

以上に述べたように、グローバルリセット方式では、リセットノイズが完全に除去されるために、高画質の画像が得られるという特長がある。ただし、メカニカルシャッタを用いる必要があるために、メカニカルシャッタのシャッタ速度範囲を超えた撮像は行えないし、動画撮像も行えないという制約がある。また、メカニカルシャッタとして一眼レフカメラで一般的に用いられるフォーカルプレーンシャッタを用いると、後述するローリングシャッタと同様に、高速で移動する被写体を撮像すると被写体の形状が歪んで撮像される。

次に、図１２は、グローバルシャッタ方式の動作を示すタイミングチャートであり、図１２（ａ）は、全画素同時に行われる撮像動作のタイミングチャート、図１２（ｂ）は、水平各行毎に順次行われる画像データとノイズデータの垂直および水平転送の動作のタイミングチャートである。グローバルシャッタ方式では、メカニカルシャッタ１４５は常に全開されている。

図１２（ａ）で、Ｖブランク期間に、タイミングＴ１１でφＴＸが高電位にされることでＰＤ部の寄生容量ＣＰＤに残っている電荷ＱＰＤがＦＤ部に完全転送されてリセットされ、タイミングＴ１２（撮像のタイミング）で、被写体からの光がＰＤ部で光電変換されて寄生容量ＣＰＤに信号電荷ＱＰＤとして蓄積される（ＶＰＤ）。これと並行してタイミングＴ１３でφＲＳＴが高電位にされることでＦＤ部がＶＲＳＢＨにリセットされ（この時、リセットノイズが残る）、タイミングＴ１４でφＴＸが高電位にされることで、ＰＤ部の寄生容量ＣＰＤに信号電荷ＱＰＤとして蓄積された電荷がＦＤ部に完全転送される（信号とノイズが重畳される）。以上が全画素同時に行われる撮像動作であり、撮像素子１６２の電子シャッタ動作のみで撮像が行われる。

図１２（ｂ）で、Ｈブランク期間に、タイミングＴ１５でφＶｎが高電位にされることで水平ｎ行目の全画素の画素出力ＶＯＵＴがサンプルホールド回路１６２ｄに保持され、水平転送信号φＨに従って画像データ１６２ｋ（ここでは水平ｎ行目の（信号＋ノイズ）データＳ／Ｎｎ）としてアンプ１６３に出力される。タイミングＴ１６で水平ｎ行目のφＲＳＴが高電位にされることで水平ｎ行目のＦＤ部がＶＲＳＢＨにリセットされ、タイミングＴ１７で水平ｎ行目のφＶが高電位にされることで水平ｎ行目の全画素の画素出力ＶＯＵＴがサンプルホールド回路１６２ｄに転送されて保持され、水平転送信号φＨに従って画像データ１６２ｋ（ここでは水平ｎ行目のタイミングＴ１６でのリセットノイズデータＮｏｉｓｅｎ）としてアンプ１６３に出力される。

図１１で述べたと同様に、上述の（信号＋ノイズ）データＳ／ＮｎとリセットノイズデータＮｏｉｓｅｎの差分をとることでリセットノイズを完全に除去できるように思えるが、（信号＋ノイズ）データＳ／Ｎｎに含まれるリセットノイズはタイミングＴ１３で発生したリセットノイズで、タイミングＴ１６で発生したリセットノイズデータＮｏｉｓｅｎとは異なるタイミングで発生したリセットノイズであるため、実際には同一のノイズにはならず、リセットノイズの繰り返しによるバラツキ分の誤差が生じる。

従って、グローバルシャッタ方式ではリセットノイズを完全に除去することはできず、グローバルリセット方式や後述するローリングシャッタ方式に比べて画質的に若干劣る。ただし、上述したように、グローバルシャッタ方式では撮像素子１６２の電子シャッタ動作のみで撮像が行われるため、メカニカルシャッタのシャッタ速度による制約が無く、超高速シャッタでの撮像が可能である。また、動画撮像も可能である。

続いて、図１３を用いてローリングシャッタ方式について説明する。図１３（ａ）は、ローリングシャッタ方式の動作を示すタイミングチャートであり、図１３（ｂ）および（ｃ）は、ローリングシャッタ方式で動体を撮像したときの、画像の歪みを示す模式図である。ローリングシャッタ方式では、全画素同時の動作はなく、水平各行が順次タイミングをずらしながら撮像と画像データの転送を繰り返す。また、メカニカルシャッタは、撮像中は常に全開されている。

図１３（ａ）で、Ｈブランク期間に、タイミングＴ２１で、水平ｎ行目のφＲＳＴが高電位にされることによりＦＤ部がＶＲＳＢＨにリセットされ（この時、リセットノイズが残る）、タイミングＴ２２で、水平ｎ行目のφＶが高電位にされることでＦＤ部に残ったリセットノイズがサンプルホールド回路１６２ｄに転送されて保持され、水平転送信号φＨに従って画像データ１６２ｋ（ここでは水平ｎ行目のリセットノイズデータＮｏｉｓｅｎ）としてアンプ１６３に出力される。

タイミングＴ２３で、水平ｎ行目のφＴＸが高電位にされることで、水平ｎ行目のＰＤ部の寄生容量ＣＰＤに蓄積された信号電荷が、水平ｎ行目のＦＤ部に完全転送される（信号とノイズが重畳される）とともに、ＰＤ部の寄生容量ＣＰＤがリセットされる。

タイミングＴ２４で水平ｎ行目のφＶが高電位にされることで、水平ｎ行目の全画素の画素出力ＶＯＵＴがサンプルホールド回路１６２ｄに転送されて保持され、水平転送信号φＨに従って画像データ１６２ｋ（ここでは水平ｎ行目の（信号＋ノイズ）データＳ／Ｎｎ）としてアンプ１６３に出力される。

従って、ローリングシャッタ方式では、グローバルリセット方式で述べた（式２）と同様に、後段での差分処理でリセットノイズを完全に除去することができる。

ローリングシャッタ方式では、ＰＤ部は、タイミングＴ２３以外は常時、光電変換動作（撮像）を行っている。つまり、ある水平行がタイミングＴ２３であっても、他の水平行は光電変換動作を行っているため、グローバルシャッタ方式と同じシャッタ速度（撮像時間）であっても、グローバルシャッタ方式のように、全画素同時の撮像動作と水平各行毎の垂直および水平転送動作を順次行う必要がなく、フレームレートを高くすることができる。

一方、上述のように、ローリングシャッタ方式では、光電変換動作（撮像）が各水平行毎に順次ずれたタイミングで行われている。そのため、動体を撮像すると、画像が歪んで写ってしまう場合がある。これを、模式的な図である図１３（ｂ）および（ｃ）を用いて説明する。

図１３（ｂ）で、図の左方向から右方向（矢印９０２の方向）に自動車９０１が進んでいるとした場合、グローバルシャッタ方式で撮像した場合は、全画素同時に撮像が行われるために、水平ｍ行目から水平ｍ＋４行目に写っている自動車９０１の画像は本来の自動車の像となっている。しかし、ローリングシャッタ方式の場合は、水平各行毎に撮像のタイミングがずれているために水平ｍ行目、ｍ＋１行目と自動車９０１の進行方向にずれた画像となり、図１３（ｃ）のように元の自動車の形状とは異なった画像となる。これは、グローバルリセット方式でフォーカルプレーンシャッタを用いた場合も同じである。

以上、図９から図１３の説明で述べた３種類の駆動方式の特長を、表１にまとめた。

以降、撮像モードや被写体の条件を基に、表１にまとめた特長を生かすように撮像素子の駆動方式を切り換えることによって最適の撮像が行えるような本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラ１の外観模式図で、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は背面図である。

図１（ａ）で、ボディ１０の正面には、交換レンズ２０が取り付けられている。ボディ１０の上面には、撮像のための操作部材であるレリーズボタン１０１が設置されており、ボディ１０の内部でレリーズボタン１０１の下部には、レリーズボタン１０１の押し込みの１段目で動作するＡＦスイッチ１０１ａと、レリーズボタンの押し込みの２段目で動作するレリーズスイッチ１０１ｂを構成する２段スイッチが配置されている。また、ホディ１０の上部には、フラッシュ１０２が内蔵され、デジタルカメラ１の動作モードを設定するモード設定ダイアル１１２が配置されている。

図１（ｂ）で、ボディ１０の背面には、デジタルカメラ１の電源をオン／オフするための電源スイッチ１１１、カメラの各種設定条件を変更する変更ダイアル１１３、上下左右と中央の５つのスイッチからなり、デジタルカメラ１の各動作モードでの各種設定を行うためのジョグダイアル１１５、ファインダ接眼レンズ１２１ａ、記録された画像や各種情報等を表示するための画像表示部１３１が配置されている。

本発明においては、ジョグダイアル１１５が撮像モード設定手段として、変更ダイアル１１３が撮像条件設定手段としてそれぞれ機能するとして説明するが、もちろんそれに限るわけではない。

図２は、図１に示したデジタルカメラ１の回路の一例を示すブロック図である。図中、図１と同じ部分には同じ番号を付与した。

デジタルカメラ１の制御部であるカメラ制御部１５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）１５１、ワークメモリ１５２、記憶部１５３等から構成され、記憶部１５３に記憶されているプログラムをワークメモリ１５２に読み出し、当該プログラムに従ってデジタルカメラ１の各部を集中制御する。

また、カメラ制御部１５０は、電源スイッチ１１１、モード設定ダイアル１１２、変更ダイアル１１３、ジョグダイアル１１５、ＡＦスイッチ１０１ａ、レリーズスイッチ１０１ｂ等からの入力を受信し、光学ファインダ１２１上の測光モジュール１２２と交信することで測光動作を制御し、ＡＦモジュール１４４と交信することでＡＦ動作を制御し、ミラー駆動部１４３を介してレフレックスミラー１４１及びサブミラー１４２を駆動し、シャッタ駆動部１４６を介してシャッタ１４５を制御し、フラッシュ１０２を制御し、撮像制御部１６１と交信することで撮像動作を制御すると共に、撮像された画像データや各種情報を画像表示部１３１に表示し、インファインダ表示部１３２に各種情報を表示する。

さらに、カメラ制御部１５０は、ボディ１０と交換レンズ２０の間の交信部として機能する。マウント（ボディ側）１７１上に設けられたＢＬ交信部（ボディ側）１７２と、マウント（レンズ側）２７１上に設けられたＢＬ交信部（レンズ側）２７２を介して、交換レンズ２０のレンズインターフェース２５１経由で、レンズ２１１のフォーカスとズームを制御するレンズ制御部２４１、絞り２２１の制御を行う絞り制御部２２２、交換レンズ２０の固有情報を格納しているレンズ情報記憶部２３１と交信を行うことで、交換レンズ２０全体を制御する。

交換レンズ２０のレンズ２１１によって結像される画像は、撮像素子１６２で光電変換された後、アンプ１６３で増幅され、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６４でデジタルデータに変換され、画像処理部１６５で既定の画像処理を施したデジタル画像データに変換され、一旦画像メモリ１８１に記録された後、最終的にはメモリカード１８２に記録される。これらの動作は、カメラ制御部１５０の制御下で、撮像制御部１６１によって制御される。撮像制御部１６１、アンプ１６３、Ａ／Ｄ変換器１６４および画像処理部１６５は、撮像回路１６０を構成する。

続いて、撮像素子１６２の駆動方式の選択方法について、図３乃至図８を用いて説明する。図３乃至図６は、撮像素子１６２の駆動方式の選択方法の一例の動作の流れを示すフローチャートで、図３はそのメインルーチン、図４乃至図６はそのサブルーチンである。図７は、図３の中で許容される割込処理（撮像モード切替処理）サブルーチンの動作の流れを示すフローチャートである。図８は、図６の中で実行される垂直及び水平走査回路の初期化回路の一例を示す回路ブロック図とタイミングチャートである。

図３で、ステップＳ１０１で電源スイッチ１１１が操作されてデジタルカメラ１の電源がオンされると、ステップＳ１０２でデジタルカメラ１の起動時の動作モードが確認される。ここでは、モード設定ダイアル１１２でカメラモードに設定されているとして、カメラモードで起動される。カメラモード以外の動作モード（例えば、再生モード等）に設定されている場合には、設定された各モードの制御に移行する。説明は省略する。

ステップＳ１１１で、図７で後述する撮像モードが変更された場合に行われる割込処理（撮像モード切替処理）が許可される。ステップＳ１１２で、撮像モードが静止画撮像モードに設定されているか否かが確認される。撮像モードは、ユーザーが、例えばジョグダイアル１１５等を操作して設定する。

静止画撮像モードに設定されている場合は（ステップＳ１１２；ＹＥＳ）、ステップＳ２００に進んで「静止画撮像サブルーチン」が実行される。静止画撮像モードでない場合、つまり動画撮像モードに設定されている場合は（ステップＳ１１２；ＮＯ）ステップＳ３００に進んで「動画撮像サブルーチン」が実行される。このようにして、静止画と動画のいずれの場合にも最適な撮像が行える。

ステップＳ２００またはステップＳ３００のサブルーチンから戻ると、ステップＳ１２１で、ステップＳ１１１で許可された撮像モード切替処理が禁止され、ステップＳ２００あるいはステップＳ３００内で撮像されて画像メモリ１８１に一旦記憶されている画像データを、静止画または動画を示すフラグとともにメモリカード１８２に記憶し、ステップＳ１２３で撮像を終了するか否かが確認され、終了する場合は（ステップＳ１２３；ＹＥＳ）そのまま終了し、終了しない場合は（ステップＳ１２３；ＮＯ）、ステップＳ１０２に戻り、以降、上述の動作を繰り返す。

図４は、図３のステップＳ２００の「静止画撮像サブルーチン」のフローチャートである。ステップＳ２０１で、メカニカルシャッタが使用可能か否かが判断される。判断方法としては、例えば測光モジュール１２２の測光結果から露出演算でシャッタ速度を求め、その結果がメカニカルシャッタで実現可能なシャッタ速度（例えば、１／１０，０００秒以下）か否かで自動的に判断することも考えられるし、例えばユーザーが変更ダイアル１１３を操作して、撮像モードをシャッタ速度優先モードに設定した場合に、設定されたシャッタ速度が、メカニカルシャッタで実現可能なシャッタ速度（例えば、１／１０，０００秒以下）か否かで自動的に判断することも考えられる。

メカニカルシャッタが使用可能な場合は（ステップＳ２０１；ＹＥＳ）、ステップＳ２１１で撮像素子１６２の駆動方式が、前述したようにリセットノイズのない高画質な静止画像が得られるグローバルリセット方式に設定される。

メカニカルシャッタが使用できないような高速シャッタが必要な場合は（ステップＳ２０１；ＮＯ）、ステップＳ２２１で、被写体が動体か否かが判断される。ここで言う動体とは、メカニカルシャッタでは対応できないような高速のシャッタ速度（例えば、１／１０，０００秒以上）で撮像しても画像が歪むような高速で移動する物体のことである。

判断方法としては、例えばユーザーが変更ダイアル１１３等を操作して設定することも考えられるし、例えば動体検知システムを搭載しているデジタルカメラの場合に、その検知出力から自動的に判断する方法や、例えばＡＦモジュール１４４の出力から動体検知を行って自動的に判断する方法、あるいは、例えば手ブレ検知用にジャイロ等を搭載している場合に、ジャイロの出力からユーザーが流し撮りを行っていることを検知して自動的に判断する方法も考えられる。

被写体が動体と判断された場合は（ステップＳ２２１；ＹＥＳ）、ステップＳ２３１で撮像素子１６２の駆動方式が、動体でも画像歪みのないグローバルシャッタ方式に設され、被写体が動体でない場合は（ステップＳ２２１；ＮＯ）、ステップＳ２４１で撮像素子１６２の駆動方式が、リセットノイズのない高画質な静止画像が得られるローリングシャッタ方式に設定される。これによって、被写体が動体であるか否かに関わらず、最適な撮像が行え、また、ユーザの意図に合った撮像が行える。

上述のように、撮像モードと撮像条件を基に、撮像素子１６２の３種類の駆動方法を適宜選択することで、画質および被写体の適合性のバランスのとれた最適な撮像を行うことができる。

いずれの場合も、ステップＳ２５１に進み、撮像が継続している場合に、撮像素子１６２の駆動方式が前回の撮像時から変更になったか否かが判断される。変更になっている場合は（ステップＳ２５１；ＹＥＳ）、図６で後述するステップＳ４００「初期化サブルーチン」が実行される。これによって、速やかに次フレームの撮像状態に移行できる。変更になっていない場合は（ステップＳ２５１；ＮＯ）、ステップＳ４００をパスして、そのままステップＳ２６１に進む。

ステップＳ２６１で、レリーズスイッチ１０１ｂがオンされたら、ステップＳ２１１、ステップＳ２３１またはステップＳ２４１の何れかで設定された撮像素子１６２の駆動方式に従って１フレームの静止画撮像が行われ、ステップＳ２６２で、ステップＳ２６１で撮像された画像データを撮像素子１６２から後段の撮像回路１６０に転送し、ステップＳ２６３で、撮像回路１６０で画像処理を施された画像データを、静止画を示すフラグとともに画像メモリ１８１に一旦記録し、メインルーチンに戻る。

図５は、図３のステップＳ３００の「動画撮像サブルーチン」のフローチャートである。動画撮像の場合はメカニカルシャッタが使用できないため、選択できるのはグローバルシャッタ方式かローリングシャッタ方式の何れかである。

ステップＳ３０１で、被写体が動体か否かが判断される。ここで言う動体とは、図４のステップＳ２２１とは異なり、動画のフレームレート（例えば３０フレーム／秒）程度のシャッタ速度で撮像しても画像が歪むような移動する物体も含まれる。

動体の場合は（ステップＳ３０１；ＹＥＳ）、ステップＳ３２１で、被写体が暗い場合等でフレームレートが低下することが許容されるか否かが確認される。確認方法としては、例えば図３のステップＳ１１２で、ユーザーが撮像モードを動画モードに設定したときに同時に可否を設定しておくことも考えられるし、例えば測光モジュール１２２の出力から、被写体が暗くてフレームレートが低下する可能性がある場合に、画像表示部１３１に警告と設定のための画面を出して、ユーザーに選択を促してもよい。

フレームレートの低下が許容される場合は（ステップＳ３２１；ＹＥＳ）、ステップＳ３３１で撮像素子１６２の駆動方式が、動体でも画像歪みのないグローバルシャッタ方式に設定される。フレームレートの低下が許容されない場合（ステップＳ３２１；ＮＯ）および被写体が動体でない場合は（ステップＳ３０１；ＮＯ）、ステップＳ３１１で撮像素子１６２の駆動方式が、リセットノイズのない高画質な動画像が得られ、グローバルシャッタ方式に比べて高フレームレートで撮像できるローリングシャッタ方式に設定される。これによって、被写体が動体であるか否かに関わらず、最適な撮像が行え、また、ユーザの意図に合った撮像が可能となる。

上述のように、撮像モードと撮像条件を基に、撮像素子１６２の２種類の駆動方法を適宜選択することで、画質および被写体の適合性のバランスのとれた最適な撮像を行うことができる。

いずれの方式に設定された場合も、ステップＳ３３２で、図４のステップＳ２５１と同様に、撮像が継続している場合に、撮像素子１６２の駆動方式が前回の撮像時から変更になったか否かが判断される。変更になっている場合は（ステップＳ３３２；ＹＥＳ）、図４と同様に、図６で後述するステップＳ４００「初期化サブルーチン」が実行されて、ステップＳ３４１に進む。変更になっていない場合は（ステップＳ３３２；ＮＯ）、ステップＳ４００をパスしてステップＳ３４１に進む。

ステップＳ３４１で、レリーズスイッチ１０１ｂがオンされたら、ステップＳ３３１またはステップＳ３１１で設定された撮像素子１６２の駆動方式に従って１フレームの動画撮像が行われ、ステップＳ３４２で、ステップＳ３４１で撮像された画像データを後段の撮像回路１６０に転送し、ステップＳ３４３で、撮像回路１６０で画像処理を施された画像データを、動画を示すフラグとともに画像メモリ１８１に一旦記録する。

ステップＳ３４４で、レリーズスイッチ１０１ｂがオフされたか否かによって、動画撮像を終了するか否かが決定される。終了する場合は（ステップＳ３４４；ＹＥＳ）そのままメインルーチンに戻り、動画撮像を継続する場合は（ステップＳ３４４；ＮＯ）ステップＳ３４１に戻って、以降、上述の動作を繰り返す。

図６は、図４、図５および図７で用いられるステップＳ４００「初期化サブルーチン」のフローチャートである。

まず、ステップＳ４０１で、撮像素子１６２の画素１６２ｂの光電変換部であるＰＤ部を、例えば図１１のタイミングＴ２の説明で述べたような方法を用いてＰＤ部の残存電荷をＦＤ部に完全転送することで、初期化する。次に、ステップＳ４０２で、例えば図８で後述する回路とシーケンスを用いて垂直走査回路１６２ｃを初期化し、続いてステップＳ４０３で、同様に、例えば図８で後述する回路とシーケンスを用いて水平走査回路１６２ｆを初期化して、各サブルーチンに戻る。もちろん、初期化の方法はここに述べた方法に限るものではなく、初期化の目的を達する方法であれば、どのような方法であってもよい。

図７は、図３のステップＳ１１１からステップＳ１２１の間で許容される「撮像モード切替処理サブルーチン」のフローチャートである。ここでは、撮像モード切替処理は、割込動作で行われるとする。

図３のステップＳ１１１からステップＳ１２１の間の何れかのタイミングで、ユーザーが、ジョグダイアル１１５を操作して撮像モードを変更したとする。ジョグダイアル１１５の信号は、カメラ制御部１５０のＣＰＵ１５１の割込端子に接続されており、ステップＳ５０１で、カメラ制御部１５０のＣＰＵ１５１に撮像モード切替信号が受信されて、割り込み処理に入る。

ステップＳ５０２で、撮像モードが動画撮像モードから静止画撮像モードに切り換えられたか、その反対かが確認される。動画撮像モードから静止画撮像モードに切り換えられた場合は（ステップＳ５０２；ＹＥＳ）、ステップＳ５１１で撮像モードを静止画撮像モードに設定し、続いて、直ちに静止画撮像が可能な状態とするために、ステップＳ４００の「初期化サブルーチン」が実行され、図３のステップＳ２００「静止画撮像サブルーチン」に進む。従って、もし動画撮像中に静止画撮像モードに変更された場合は、動画像の最後の１フレームを保存するよりも次の静止画撮像の準備を優先するために、撮像中の動画像は初期化される。

撮像モードが静止画撮像モードから動画撮像モードに切り換えられた場合（ステップＳ５０２；ＮＯ）、もし図４のステップＳ２６２（画像データの転送ステップ）の動作中に割込が行われた場合には、ステップＳ５２１で転送中の静止画像データの転送が完了するまで待機し、ステップＳ５２２で、静止画像データを、静止画を示すフラグとともに画像メモリ１８１に一旦記録し、ステップＳ５２３で撮像モードを動画撮像モードに設定し、続いてステップＳ４００の「初期化サブルーチン」が直ちに実行され、図３のステップＳ３００「動画撮像サブルーチン」に進む。静止画の場合は画像が１枚しかないので、画像の保存を優先し、撮像モード変更直前の静止画像を保存してから次の動画像の撮像準備が行われる。

ここでは、静止画は最後の１フレームの保存を優先し、動画は撮像モードの変更を優先するとして説明したが、もちろん、どちらも画像の保存を優先してもよいし、どちらも撮像モードの変更を優先してもよい。

図８は、図６の「初期化サブルーチン」で用いられる、垂直及び水平走査回路の初期化のための回路の一例で、図８（ａ）は、垂直走査回路１６２ｃの一例を示す回路ブロック図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の回路の動作を示すタイミングチャートである。

図８（ａ）で、フリップフロップＦＦｎ（ｎは撮像素子１６２の水平行の行番号を示す。以下、同じ。）の入力には、前段のフリップフロップＦＦｎ−１の出力が接続されており、スタートパルスφＤＳが入力されると、駆動パルスφＤ１およびφＤ２によって垂直走査回路１６２ｃの行選択線１６２ｉの各行に順次出力Ｖｎが転送されていく構成となっている。初期化スイッチＲＳｎは、片側が全て接地されて、他方が行選択線１６２ｉの各行に接続されており、図６の「初期化サブルーチン」のステップＳ４０２で発せられる初期化信号φＲＳによって全スイッチが同時にオンされることで、全ての行選択線が同時に初期化される構成となっている。

図８（ｂ）で、駆動パルスφＤ１とφＤ２は、例えば１／４デューティで位相が半位相ずれた同一周波数のパルスとなっている。タイミングＴ８１で、スタートパルスφＤＳが駆動パルスφＤ１の１パルスを包含するように入力されると、駆動パルスφＤ１とφＤ２によって、行選択線１６２ｉの各行には、図のφＶ１からφＶｎのような、駆動パルスφＤ２の立ち上がりから次のφＤ２の立ち上がりまでの長さで、１行ごとにタイミングのずれた信号が出力され、これによって撮像素子１６２の各水平行が１行ずつ順に選択される。

ここで、φＶｎ＋１にハイ信号が出力されて水平（ｎ＋１）行目が選択されている時に、タイミングＴ８２で初期化信号φＲＳが入力されたとすると、初期化スイッチＲＳｎが全て同時にオンし、全ての行選択線１６２ｉがローに初期化される。φＶｎ＋１もハイ信号がロー信号に初期化される。その後、スタートパルスφＤＳが入力されると、再度φＶ１から順に各水平行が選択されていく。

同様のやり方で、水平走査回路も初期化を行うことができる。

以上に述べたように、本発明によれば、撮像モードや被写体の条件によって撮像素子の駆動方式を適切に切り換えることで最適な撮像が行える。また、撮像素子の駆動方式が切り換えられた場合に、撮像素子を初期化することで速やかに次の撮像状態に移行することが可能な撮像装置を提供することができる。

尚、本発明に係る撮像装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラの外観模式図である。 図１に示したデジタルカメラの回路の一例を示すブロック図である。 撮像素子の駆動方式の選択方法の一例の動作の流れを示すフローチャートのメインルーチンである。 図３に示したフローチャートのサブルーチン（１／３）である。 図３に示したフローチャートのサブルーチン（２／３）である。 図３に示したフローチャートのサブルーチン（３／３）である。 図３の中で許容される割込処理（撮像モード切替処理）サブルーチンの動作の流れを示すフローチャートである。 垂直及び水平走査回路の初期化回路の一例を示す回路ブロック図とタイミングチャートである。 撮像素子を構成する各構成要素の配置の一例を示す模式図である。 撮像素子を構成する画素の回路の一例を示す回路図である。 グローバルリセット方式の動作を示すタイミングチャートである。 グローバルシャッタ方式の動作を示すタイミングチャートである。 ローリングシャッタ方式の動作を示すタイミングチャートと、ローリングシャッタ方式で動体を撮像したときの、画像の歪みを示す模式図である。

符号の説明

１ デジタルカメラ
１０ ボディ
１０１ レリーズボタン
１０１ａ ＡＦスイッチ
１０１ｂ レリーズスイッチ
１１１ 電源スイッチ
１１２ モード設定ダイアル
１１３ 変更ダイアル
１１５ ジョグダイアル
１２１ ファインダ
１２２ 測光モジュール
１３１ 画像表示部
１４４ ＡＦモジュール
１４５ シャッタ
１５０ カメラ制御部
１５１ ＣＰＵ（中央処理装置）
１６０ 撮像回路
１６１ 撮像制御部
１６２ 撮像素子
１６２ｂ 画素
１６２ｃ 垂直走査回路
１６２ｆ 水平走査回路
１６２ｉ 行選択線
１６２ｋ 画像データ
１６３ アンプ
１６４ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
１６５ 画像処理部
１８１ 画像メモリ
１８２ メモリカード
２０ 交換レンズ
２１１ レンズ

Claims (9)

1. 少なくとも、光電変換部を含む複数の画素と、垂直走査回路と、水平走査回路とからなり、複数の駆動方式での駆動が可能であり、被写体像を撮像して画像データを出力する撮像素子を備えた撮像装置において、
   複数の撮像モードの中から前記撮像装置の撮像モードを設定する撮像モード設定手段と、
   前記撮像装置の撮像条件を設定する撮像条件設定手段と、
   前記撮像モード設定手段により設定される撮像モードと、前記撮像条件設定手段により設定される撮像条件を基に、前記複数の駆動方式の中から前記撮像素子の駆動方式を選択する駆動方式選択手段とを有し、
   前記撮像素子の駆動方式を、前記駆動方式選択手段によって選択された駆動方式に切り換える駆動方式切換手段を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の撮像モードは、少なくとも静止画撮像モードと動画撮像モードとを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像条件は、少なくとも被写体が動体か否かの判断を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記複数の駆動方式は、少なくともグローバルシャッタ方式と、ローリングシャッタ方式と、グローバルリセット方式とを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮像装置。
5. 前記撮像モード設定手段により動画撮像モードが設定された場合、前記撮像条件設定手段により設定される撮像条件を基に、前記駆動方式選択手段は、前記撮像素子の駆動方式としてグローバルシャッタ方式またはローリングシャッタ方式の何れか一方を選択することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
6. 前記撮像モード設定手段により静止画撮像モードが設定された場合、前記撮像条件設定手段により設定される撮像条件を基に、前記駆動方式選択手段は、前記撮像素子の駆動方式としてグローバルシャッタ方式、ローリングシャッタ方式またはグローバルリセット方式の何れかの方式を選択することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像素子の動作を制御する撮像素子制御手段を有し、
   前記撮像素子制御手段は、前記駆動方式切換手段によって前記撮像素子の駆動方式が切り換えられた場合に、少なくとも前記撮像素子の光電変換部、垂直走査回路および水平走査回路を初期化することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
8. 前記撮像素子制御手段は、前記撮像モード設定手段により撮像モードが動画撮像モードから静止画撮像モードに切り換えられた場合、前記撮像モード設定手段より撮像モード設定信号が出力された直後に前記撮像素子の光電変換部、垂直走査回路および水平走査回路を初期化することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。
9. 前記撮像素子制御手段は、前記撮像モード設定手段により撮像モードが静止画撮像モードから動画撮像モードに切り換えられた場合、前記撮像素子の画像データの出力完了後に前記撮像素子の光電変換部、垂直走査回路および水平走査回路を初期化することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。

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