JP2840952B2

JP2840952B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP2840952B2
Application number: JP63269476A
Authority: JP
Inventors: 栄夫小倉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: JPH02117278A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は電子スチルカメラ、特に、固体撮像素子を用
いた電子スチルカメラ等の撮像装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

近年、CCD（電荷結合素子）,MOS（金属酸化膜半導
体）等の固体撮像素子を用いた電子スチルカメラが実用
化されつつある。以下、図面に基づいて従来のこの種の
電子スチルカメラの一例について説明する。

第６図に、従来の電子スチルカメラの露出機構の一例
の概略図を示す。１はCCD、31は絞りシャッタで、不図
示のステップモータ等により開閉し、撮影前後は完全に
閉鎖されている。32は測光素子であり、この測光素子32
で測光して、絞りシャッタ31の開閉タイミングを決定す
る。第７図は、上記露出機構で撮影した時、CCD1上にお
ける露光量Ｂの時間的変化を表わした特性図の一例であ
る。

絞りシャッタ31が遮光されている閉鎖状態から図示ａ
点で開き始め、ｂ点に至ると一転して閉じ始め、ｃ点で
閉じ終る。直線ａ−ｂの傾きをｍ、直線ｂ−ｃの傾きを
ｎとすると、各傾きm,nは絞りシャッタ51の開閉速度
（シャッタスピード）に対応しており、例えば開閉速度
が速くなると、傾きはｍ′,n′になり、逆に開閉スピー
ドが遅くなると傾きはｍ″,n″となって、CCD1への露出
量Ｂが変化することになる。さらに、各点a,b,cの位置
は、一般的に機械的，電気的要因により、時間軸Ｔ方向
へばらつく傾向があり、これらがすべて誤差要因となっ
て、露出精度を悪化させていた。

そこで、CCD1による出し直し測光を行うことによっ
て、露出精度を向上させることが試みられている。第８
図に、この種のCCD出し直し測光を含んだ従来の電子ス
チルカメラの露光動作シーケンスフローチャートの一例
を示す。

すなわち、ステップS11において、撮影者がレリーズ
１をオンすると、外部測光素子32によって外部測光を行
う（ステップS12）。この外部測光により得られた情報
で絞りシャッタの開閉のタイミングを決定し、ステップ
S13てのレリーズ２をオンで絞りシャッタ31を開閉し、
ステップS14でCCD1に露光させる（“露光1"）。つぎ
に、ステップS15でCCD1から読出された情報を基に、絞
りシャッタ31開閉のタイミングを演算／補正し、ステッ
プS16で再び絞りシャッタ31を開閉させ（本露光，“露
光2"）、ステップS17で露光を終了して、その映像情報
をステップS18で、フロッピーディスク等に記録するよ
うにしたものである。

つぎに、以上の従来例の撮影シーケンスのタイミング
チャートの一例を第９図に示す。

（１）は垂直同期パルスV_Pで、次のパルスV_Pまでを1V期
間と称し、1/60秒とする。

（２）は、この垂直同期パルスV_Pに同期している垂直転
送パルスPSであり、（３）は、第７図に示したCCD1の露
光量Ｂを表わす。（４）は、CCD1から読出された信号で
ある。CCD1で露光されて蓄積した電荷は、露光直後の垂
直同期パルスV_Pに同期して、“フィールド撮影”の場
合、次の1V期間に読出される。1V期間は1/60秒であるた
め、“フレーム撮影”の場合は、1/60×２＝1/30秒の間
に２フィールド分読出される。

（５），（６）は、記録ゲート1,2（以下、RG1,RG2と
略称する）であって、フィールド撮影の場合、垂直同期
パルスV_Pに同期して立上がり、１フィールド分の映像情
報が記録される。フレーム撮影の場合は、RG1とRG2の両
方が順次立上がり、２フィールド分の映像情報が記録さ
れる。（７）は、レリーズ２のオン，オフを表わす。

つぎに、これらのタイミングチャートに沿って（７）
のレリーズ２オン後の各パルスのタイミングを説明す
る。（３）における41は、レリーズ１で外部測光された
結果、決定したタイミングで絞りシャッタ31が開閉され
て得られた露光（露光１）である。露光１が終了した
後、（１）において、次の垂直同期パルスV_P1から、そ
の次の垂直同期パルスV_P1′の間に、（４）でCCD1から
読出される。この読出された信号を基に演算された結
果、絞りシャッタ51開閉のタイミングが補正され、
（３）における42、すなわち露光２が行われ、フィール
ド撮影の場合は、次の垂直同期パルスV_P2からその次の
パルスV_P2′との間に読出され、かつ、同じタイミング
で（５）の記録ゲート１ RG1が立上がって、1/60秒の
間に記録する。また、フレーム撮影の場合は、奇数・偶
数のフィールドの片フィールドの信号が（１）の垂直同
期パルスV_P2−V_P2′間に読出し、記録された後、パルス
V_P2′から次のパルスV_P2″までの間に他の片フィールド
分の信号が読出し記録される。

つぎに、第10図にCCDをインタラインCCDとした構成の
一例の概要図を示す。

51は、光電変換素子としての各フォトダイオード、52
は、各垂直転送レジスタ、53は、信号読出しゲート、54
は各水平レジスタ、55は電荷検出部であり、転送されて
きた信号電荷を信号電圧に変換する。56は信号出力端
子、また、57は各クリーニングドレインであり、信号電
荷以外の不要の電荷を捨てるために使用される。

つぎに動作を説明する。

フォトダイオード51は、被写体からの入射光を光電変
換し信号電荷を得る。この信号電荷は、信号読出しゲー
ト53を介して図中右方向、垂直転送レジスタ52に移った
後、水平レジスタ54へ順次転送され、電荷検出部55で電
圧に変換され、信号出力端子56から点順次信号として得
られる。その点順次信号は、信号処理によってテレビジ
ョン信号となる。

さらにまた、既述のような露出精度及びコスト的問題
を解決する目的で、機械的シャッタを用いず、CCDから
読出す電荷の蓄積時間を電気的に制御する電子シャッタ
によって露出を制御する手段が提案されている（例え
ば、特開昭62−166661号公報など）。

第11図に、この種の電子シャッタのタイミングチャー
トの一例を示す。

（１）の垂直同期パルスV_P3から蓄積された電荷は、
（３）のクリアパルスESによって第10図のクリーニング
ドレイン57に捨てられ、第11図の斜線を施した部分で示
したCCD上に電荷61がクリアされる。その後、CCDに蓄積
された電荷62（第11図の交差斜線部分）は垂直同期パル
スV_P3の次の垂直同期パルスV_P3′に同期した垂直転送パ
ルスPS₃によって垂直レジスタに転送されてから、次の1
V期間内に読出される。したがって、クリアパルスESか
ら垂直転送パルスPS₃までがシャッタ秒時T_Vとなり、ク
リアパルスESの位置を制御することによって、シャッタ
秒時T_Vを変化させることができるようにしたものであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記最初の従来例で示した機械的な絞
りシャッタによって露出制御を行った場合、あるいは、
上記の電子シャッタによって露出制御を行った場合にお
いても、いずれも下記のような問題点を生じている。す
なわち：（１）機械的な絞りシャッタを用いた場合 CCDの要求する露出精度が非常に高いため、絞りシャ
ッタ各部材間の遊び（ガタ）及び摩擦によって１ショッ
ト毎の露出量が変化する。いわゆる“切りむら”が発生
する。

また、前述のように出し直し測光することにより、測
光精度は改善されるが、機械的な動作精度は改善されな
い。

（２）電子シャッタを用いた場合 CCD上には常に光像が照射されているため、CCDに蓄積
された電荷を読出す動作中、すなわち垂直転送レジスタ
52上を転送中、フォトダイオード51に蓄積され始めた電
荷が回り込み、特に明るい像の上下に白く糸を引く“ス
ミア”と称する現象が起こり、著しく画像を劣化させ
る。

この問題を解決するために、例えば特願昭62−298282
号等に示すように、電子シャッタ動作の期間以外の殆ど
全ての期間、CCDの撮像部を遮光するための遮光手段を
備えるという提案がなされている。しかしながら、遮光
手段としての液晶シャッタやPLZT（ジルコン酸チタン酸
鉛ランタン）などでは、遮光性，応答性，コスト等の問
題によって、未だ実用化されておらず、また、機械的シ
ャッタにおいては、機械的なばらつきがあるため、遮光
を開始するまでの時間的おくれをある程度見込まざるを
得ないことと、遮光を開始してから完全に遮光するまで
時間が必要であることとにより、電荷転送中にフォトダ
イオード51上に電荷は蓄積されており、このため、前記
スミア発生の問題は十分に解決されていない。

本発明は、以上のような従来例の問題点を解決するた
めになされたもので、露出精度が高く、スミア現象等を
伴わないスチル画像を得ることのできるこの種の撮像装
置の提供を目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

このため、本発明においては、光学像を電気信号に変
換する撮像手段と、該撮像手段への光入射を遮断するた
めのシャッタと、該シャッタを閉状態から開状態に変化
させた後前記撮像手段において、絞り値を変化させずに
電子シャッタによって第1,第２の撮像を行い、前記第１
の撮像後の撮像手段からの信号出力に基づき前記第２の
撮像時の終端における前記シャッタを開状態から閉状態
に変化させるタイミングを制御することによって適正な
露出の画像をスミアなく得られるよう制御する制御手段
と、を有することを特徴とする撮像装置を提供すること
により、前記目的を達成するものである。

〔作用〕

以上のような構成による撮影動作により、極めて高い
露出精度で、かつスミア現象を伴わないスチル画像を撮
影することができる。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例に基づいて説明する。第１図〜
第４図に、本発明による電子スチルカメラの一実施例の
説明図を示す。

（構成）第１図は、その露出機構の説明斜視図である。直線ｌ
は光軸、１は撮像素子であるCCD、２はステップモー
タ、３は、ステップモータ２の軸上に取付けられたピニ
オンギヤ2aと噛合って図示矢印3a方向に可動し得るラッ
クギヤ、4aは、ラックギヤ３に固着してあり、後述の５
及び６の各部材を連結している棒、4bは、同様に５及び
７の各部材を連結している棒、５は、光軸ｌを中心に回
動可能のリング、6,7は、それぞれ各棒4a,4bと嵌合し、
それぞれ絞りのための各アパーチャ（開口）6a,7aを有
する絞り部材、８はフォトリフレクタで、絞り部材７上
の縞模様7cのコントラストを読取るための部材である。

（動作）つぎに、上記構成における動作を説明する。

システムを制御するための不図示のマイクロコンピュ
ータ（以下、マイコンと略称する）からの露光命令によ
ってステップモータ２が回転を開始するとラックギヤ３
は矢印3a方向に移動し、棒4aで連結された絞り部材６は
矢印6bの方向に移動する。また、棒4aの動きによってリ
ング５が矢印5a方向に回動するため、リング５と絞り部
材７とを連結している棒4bによって、絞り部材７が矢印
7b方向に移動し、アパーチャ6a/7a部は大きく開いてい
く。絞り部材７の移動によって、絞り部材７上の縞模様
7cも同時に矢印7b方向に移動するため、それを読取るフ
ォトリレフクタ８の出力が変化し、検出したパルスの数
及びパルス間隔によって前記マイコンは、絞り部材６及
び７の現在位置と移動速度とを読取ることができる。

上記と逆にアパーチャ6a/7aを閉じる時は、ステップ
モータ２を逆回転させればよい。

（露光動作）第２図に、本実施例の露光動作のタイミングチャート
の一例を示す。（１）は垂直同期パルスV_P、（２）は垂
直転送パルスPSで、このパルスによって蓄積された信号
電荷が読出される。（３）は、第１図におけるステップ
モータ２の動作を制御するためのパルスPS、（４）は、
各絞り部材6,7の開閉によるシャッタの開き状態を示
す。（５）は、フォトリフレクタ８の出力パルスPR、
（６）は、電子シャッタの露光開始のトリガとなるCCD
のクリアパルスES、（７）は、CCD1に蓄積された露光量
Ｂ、（８）は、CCD1から読出された信号である。

第２図のタイムチャートを、第１図の露出機構及び第
３図に示す露光動作シーケンスフローチャートに基づい
て説明する。

ステップS1において、操作者によりカメラのレリーズ
１が押されると、ステップS2で、不図示の測光素子によ
って外部測光が行われる。その結果、露光１での絞りの
大きさとシャッタスピードT_V1（第２図（７））とが決
定され、第１図のステップモータ２に所定のパルスSPが
与えられる。最初のパルスが出た時刻をt₀（第２図
（３））とすると、時刻t₀から、各絞り部材６及び７が
それぞれ6b及び7b方向に動き出すまで機械的なタイムラ
グが必要である。

第２図（４）において、各絞り部材6,7がそれぞれ6b
及び7b方向に動き始めてCCD1に露光が開始される時刻を
t₁、所定の絞り値まで開いた時刻をt₂とすると、時間
（t₀〜t₁）が機械的なタイムラグであり、時間（t₁〜
t₂）が各絞り部材6,7が動作している時間である。した
がって、時間（t₁〜t₂）では、フォトリフレクタ８の出
力パルスPRが変化する。

外部測光により決定されたシャッタスピードT_V1＝（t
₄−t₃）となるように、電子シャッタのトリガとなるク
リアパルスESを時刻t₃に立ち上げる。すると、第２図
（７）のCCD1に蓄積された斜線を施した21の部分の電荷
は、クリーニングドレインを通ってクリアされる。そし
て、時刻t₂の次に表われる垂直同期パルスV_P0（第２図
（５））に同期して垂直転送パルスPSを時刻t₄に立上げ
ることで、時間（t₃〜t₄）の間に蓄積された交差斜線22
の部分の電荷が転送、読出される。カメラのマイコン
は、この読出された情報を基に再び測光を行い、絞りシ
ャッタを閉じる方向に、ステップモータ２の制御パルス
SPを発生するタイミングt₆を決定する（第２図
（３））。

つぎに、露光２、すなわち本露光時、CCDは時刻t₅に
おいて蓄積していた電荷をクリアして再び蓄積を開始す
る。この時、絞りシャッタは、開いたままである。そし
て時刻t₆でステップモータに閉じ方向のパルスが与えら
れ、時間（t₇〜t₈）の間で、各絞り部材６及び７が、そ
れぞれ6b及び7bとは逆方向に移動し、絞りシャッタは閉
鎖される。したがって、各絞り部材６及び７という機械
的な部材が光像を遮閉することによって、CCD1の露光が
終了するため、以後CCD1上へ光像は照射されず、既述の
ようなスミア現象は発生しない。

露光終了後の垂直同期パルスV_P0′（第２図（１））
に同期して出された垂直転送パルスPSによって、露光２
の際、蓄積された電荷23（交差斜線部）が読出される
（第２図（７））。

（絞りシャッタの動作速度の制御）なお、ここで第２図及び第３図において、露光１（第
３図ステップS5）で測光／演算された結果、ステップモ
ータ２へのパルス出しのタイミングt₆（第２図（３））
が決定し、タイムラグを持った後、時間（t₇〜t₈）の間
に各絞り部材6,7が移動し、シャッタが閉鎖するわけで
あるが、絞りシャッタ各部材間の遊び及び摩擦によっ
て、各絞り部材6,7の動き出す時刻t₇（第２図（４））
が１ショット毎に変化するため、１ショット毎に露光量
がばらつくという問題が発生する。

以下に、この露光量を補償するための絞りシャッタ速
度制御について説明する。

第１図の絞りシャッタにおいて、ステップモータへの
パルスPSとCCDへの露光量とのタイミングチャートを第
４図に示す。

（１）PS及び（２）SP′は、第２図における（３）S
P、すなわち、ステップモータ２駆動のためのパルス列
を表わし、（３）露光量Ｂは、第２図（４）と同様でCC
Dの露光量特性線図を表わす。

時刻t₆にステップモータ２へパルスSPが送られ、各絞
り部材6,7が動き始めると、同時に絞り部材７上の縞模
様7cのコントラストの移動によって、フォトリフレクタ
８の出力PRが変化し、カメラのマイコンは、各絞り部材
6,7の動作開始の時刻t₇′を検知する。時刻t₇′がマイ
コンにあらかじめ登録してあった設定値t₇と合致してい
れば、第４図（１）に示すように、同一のパルスレート
にてステップモータ２を動作させ、（３）の露光線図
は、Ａ−Ｂを経由してシャッタが閉鎖していく。

また、各絞り部材6,7の動作開始が、時刻t₇より遅れ
て、点Ａになると、その時刻t₇′を検知したマイコン
は、第４図（２）に示すように途中でステップモータ２
へのパルスレートを上げて、各絞り部材6,7の動作速度
を速め、（３）の露光線図は、図のＡ′−Ｂ′を経由す
るようにして、全露光量を前記Ａ−Ｂを経由した場合と
実質的に等しくすることができる。各絞り部材6,7の動
作開始が、時刻t₇より速い場合には、ステップモータ２
へのパルスレートを下げることにより、同様の効果を得
ることができるのは明らかである。

さらに、絞りシャッタの開閉が露光を行う場合では、
各絞り部材6,7の開き開始時刻によって開き速度を変化
させることによって、絞りシャッタの開く側において
も、また露出精度を向上させることができることは自明
である。

（他の実施例）なお、本実施例においては、“フィールド画”の場合
について説明したが、“フレーム画”の場合でもまった
く同様である。

また、第２図（７）において、時刻t₅より本露光のた
めのCCD1蓄積を開始しているため、シャッタ秒時が短い
場合、次の垂直転送パルスまでの時間が長くなり、CCD1
に暗電流ノイズが混入して画質を劣化させる場合があ
る。そこで、CCD1の蓄積時間を次の垂直転送パルスPSに
ぎりぎりまで近寄せれば、上記暗電流の影響を軽減する
ことができる。その方法を実施した例を、第５図のタイ
ミングチャートで説明する。（１）は垂直同期パルス
V_P、（２）はCCDクリアパルスES、（３）は、CCD1の蓄
積された露光量Ｂ、（４）は、CCD1から読出された信号
である。

ここにおいて、前記実施例第２図（７）の23で表わし
た露光量を得られれば、本撮影について適正露光となる
ので、まず、絞りシャッタ閉じ完が信号読出しの直前と
なるようにステップモータ２へパルスを出す。その後、
露光量が23の面積となるようにCCDのクリアパルスESを
時刻t₉に立上げることにより、時刻t₉にて蓄積が始ま
り、絞りシャッタにて信号読出しの直前に露光が終了す
るため、暗電流の影響が少なく、スミア現象を伴わない
撮影が可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の撮像装置によれば、（１）“露光1"、すなわち、出し直し測光時の露光は、
電子シャッタで行うことにより、測光精度を向上させ、（２）“露光2"、すなわち、本露光時は、撮像素子の垂
直転送ドレインへの電荷転送または電荷クリアを電荷蓄
積の開始とし、機械的なシャッタ開閉部材でシャッタを
閉じ、露光を終了するよう構成することにより、スミア
のないスチル画が撮影できる。

（３）さらに、上記機械的なシャッタ開閉部材の速度を
シャッタ開閉部材の動作開始時刻との関係で変化させる
よう構成したため、１ショット毎の露出量のばらつきを
減少させることができる。

すなわち、以上のような本発明の露出制御によって、
従来のローコスト露出機構並みのコストで、高露出精度
でスミア現象のないスチル画像を撮影することができる
ようになった。

（４）さらにまた、出し直し測光及び本露光と、１回の
撮影に２回の露光を行っているにもかかわらず、絞りシ
ャッタの開閉は１回だけで済むため、耐久撮影数の面か
らも極めて有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による電子スチルカメラの一実施例の
露出機構の斜視図、第２図は、第１図の露光タイミング
チャートの一例、第３図は、同上露光動作シーケンスフ
ローチャートの一例、第４図は、第２図のステップモー
タへのパルスとCCDへの露光状態のタイミングチャート
の一例、第５図は、本露光時のタイミングチャートの他
の一実施例、第６図は、従来の電子スチルカメラの露出
機構の一例の概略図、第７図は、従来の露光量の時間的
変化特性図の一例、第８図は、従来の電子スチルカメラ
の露光動作シーケンスフローチャートの一例、第９図
は、同上露光タイミングチャートの一例、第10図は、イ
ンダラインCCDの構成図の一例、第11図は、電子シャッ
タの動作タイミングチャートの一例である。１はCCD、２はステップモータ、６及び７は各絞り部
材、８はフォトリフレクタである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学像を電気信号に変換する撮像手段と、撮像手段への光入射を遮断するためのシャッタと、シャッタを閉状態から開状態に変化させた後前記撮像手
段において、絞り値を変化させずに電子シャッタによっ
て第1,第２の撮像を行い、前記第１の撮像後の撮像手段
からの信号出力に基づき前記第２の撮像時の終端におけ
る前記シャッタを開状態から閉状態に変化させるタイミ
ングを制御することによって適正な露出の画像をスミア
なく得られるよう制御する制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置。