JP3376193B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータに接
続されるデジタルカメラ等の撮像装置、特に自動露光量
制御の改善を図った撮像装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年、コンピュータで画像を扱う用途が
飛躍的に増大してきており、コンピュータに画像を取り
込むためのデジタルカメラの製品化も活発になってきて
いる。このようなデジタルカメラに使用する撮像素子
は、ビデオ信号に規制されないことから、自由な構成に
することが可能なわけであるが、入手の手軽さから、あ
るいは製品価格を低くするために、ビデオカメラ用の撮
像素子が使用されている。 【０００３】また、上記撮像素子の駆動のためのタイミ
ングジェネレータ（ＴＧ）用ＩＣもビデオ用のものが流
用されている。更に、ＣＤＳ／ＡＧＣや、信号処理用の
ＩＣ、同期信号発生（ＳＳＧ）用ＩＣも、またビデオ用
のものが使用され、したがって、これらにより構成され
たカメラは、結局ビデオレートで駆動されている。 【０００４】図２は従来のデジタルカメラの構成を示す
ブロック図である。同図において、１は被写体からの反
射光を結像するための光学レンズ、２は光学レンズ１を
通して入射する光学像の入射光量を制御する光学絞り、
３は光学レンズ１により結像された被写体像を電気信号
に変換する撮像素子で、例えばムービービデオで一般に
用いられている補色市松色差順次方式のインターライン
型ＣＣＤが使用される。 【０００５】４は撮像素子３を動作させるために必要な
タイミング信号を発生するタイミング信号発生回路（以
下ＴＧという）、５はＴＧ４からの信号を撮像素子３の
駆動に可能なレベルに増幅する撮像素子駆動回路、６は
撮像素子３の出力ノイズ除去のために設けられたＣＤＳ
回路、７はＣＤＳ回路６の出力信号を増幅する増幅回
路、８は増幅された信号のゼロ（黒）レベルを固定する
ためのクランプ回路である。 【０００６】９は上述の前置処理回路より出力されたア
ナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１
０はデジタル化された信号を処理する撮像信号処理回
路、１１はその信号処理に必要なパルスあるいはビデオ
信号の同期信号を発生する同期信号発生回路（以下ＳＳ
Ｇという）、１２は撮像信号処理回路１０で処理された
信号をコンピュータあるいは記録媒体に送出するための
インターフェース回路、１３は撮像信号処理回路１０で
生成された輝度信号の特定領域の積分値の情報を出力す
る輝度レベル検知回路、１４はカメラ全体をコントロー
ルするシステムコントロール回路（以下シスコンとい
う）、１５は全体の基準となる基本クロックを発生する
発振器、１６は光学絞り２の開口面積を変化させるべく
絞りを駆動させる絞り駆動回路である。 【０００７】このようなカメラの露出制御について説明
する。 【０００８】露出の制御は、撮像素子３に照射する光量
を絞り２の開口面積を制御することで、撮像素子受光面
の照度（像面照度）を一定量に保つことである。この撮
像素子３への入射光量は、撮像素子３の出力信号を撮像
信号処理回路１０で輝度信号としたものから、撮像素子
受光エリアの特定領域の積分値として検知することがで
きる。そして、輝度レベル検知回路１３は輝度レベルの
情報をシスコン１４に伝える。 【０００９】上記シスコン１４は、得られた輝度レベル
と基準輝度レベルを比較し、もし得られた輝度レベルが
基準輝度レベルより高いレベルであれば、光学絞り２の
開口面積を開くよう絞り駆動回路１６に命令して絞り２
を駆動する。逆に、もし得られた輝度レベルが基準輝度
レベルより低いレベルであれば、光学絞り２の開口面積
を開くよう絞り駆動回路１６に命令して絞り２を駆動す
る。 【００１０】このようなフィードバック動作により、露
光量は適正量に保たれる。なお、絞り２の駆動部は通常
コイルと磁石とよりなるメーターやステッピングモータ
などで構成されている。また、絞り２の開口径を最大に
しても入射光量が足りない場合には、増幅回路７のゲイ
ンを増す方法がとられる。 【００１１】ここで、デジタルカメラの一つの動向とし
て、低価格、低消費電力化がある。これを実現するカメ
ラとして、絞りをなくしたカメラ、あるいは一つ以上の
固定絞りを用意し、これをマニュアルで切り換えるよう
にしたカメラが存在する。これらのカメラの露出制御
は、撮像素子の電子シャッタを制御することでなされ
る。次にこの方法について説明する。 【００１２】図３はムービービデオ用として一般化した
インターライン型ＣＣＤの構成図である。図中、２０は
特定の波長域の光を透過させて入射させた光を電荷に変
換する光電変換部であり、複数のホトダイオード（Ｐ
Ｄ）からなる。２１は各々の画素に蓄えられた電荷を垂
直方向に転送するための垂直転送部、２２は垂直転送部
２１より転送されてきた電荷を水平ライン毎に転送する
水平転送部、２３は水平転送部２２より転送されてきた
電荷を電圧信号に変換して出力するフローティングディ
ヒュージョンアンプである。 【００１３】図４は画素部の詳細を示したもので、
（ａ）は画素部の断面構造、（ｂ）はポテンシャルプロ
フィールを示している。 【００１４】図示のように、アンチブルーミング及び電
子シャッタの機構として縦形オーバーフロードレインが
採用されている。また基板電位は、通常適当な飽和電荷
量で、かつ適度にアンチブルーミングが機能する電位Ｖ
ｓｕｂ（ＤＣ）に調整されている。そして、さらにΔＶ
ｓｕｂのパルスが加えられると、すでにＰＤに蓄積され
ている信号電荷を捨てることができる。 【００１５】図５は上記ＰＤからＶＣＣＤへの電荷読み
出し直前から、次のＰＤからＶＣＣＤへの電荷読み出し
の直後までの垂直転送パルスΦＶ１〜ΦＶ４と電子シャ
ッタパルスΦＶｓｕｂのタイミング図であり、電子シャ
ッタパルスは、通常水平帰線消去期間に加えられる。 【００１６】ＰＤからＶＣＣＤへの電荷読み出しから次
のＰＤからＶＣＣＤへの電荷読み出しパルスへの期間
（１Ｖまたは１フィールド）の最後の電子シャッタパル
スから次のＰＤからＶＣＣＤへの電荷読み出しパルスま
での時間ｔｅが蓄積時間（露光時間またはシャッタスピ
ード）となる。 【００１７】したがって、通常、電子シャッタによる露
出制御を行う場合、ＰＤからＶＣＣＤへの電荷読み出し
パルスからどこまでの電子シャッタパルスを出すかを制
御する。つまり、輝度検知回路１２からの輝度レベルの
情報と基準輝度レベルを比較し、もし得られた輝度レベ
ルが基準輝度レベルより高いレベルであれば露光時間を
短くするようＴＧ４に命令して電子シャッタパルスの数
を増す（ＰＤからＶＣＣＤへの電荷読み出しパルスの数
でこれが増えれば露光時間は短くなる）。逆に、もし得
られた輝度レベルが基準輝度レベルより低いレベルであ
れば露光時間を長くするようＴＧ４に命令して電子シャ
ッタパルスの数を減らす。このようなフィードバック動
作により、露光量は適正量に保たれる。 【００１８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の撮像装置にあっては、特に露出制御におい
て次のような問題点があった。 【００１９】（１）メカニカルな絞りメーター、あるい
はモータを搭載すると、カメラの体積、重量が大きくな
り、かつ消費電力が増大する。このことは、コンピュー
タから電源を供給されるようなタイプのデジタルカメラ
では致命的である。 【００２０】（２）ビデオレートの制約があるので、露
光時間は最大１／６０ｓｅｃ、最小１／５０００ｓｅｃ
程度となり、露光時間の制御のみで露光を調節するので
は実使用に耐えることはできない。固定絞りを２、３個
用意して切り換え可能にすれば露光調節範囲を増すこと
ができるが、充分とはいいがたい。特に低輝度側につい
ては、１／６０ｓｅｃ露光までしか露光時間を増やすこ
とができないのではカメラとしての最低被写体照度が高
くなり、室内での撮影が困難になるという意味で致命的
ともいえる。 【００２１】（３）そこで、低輝度時側では撮像素子の
出力信号を増幅する増幅器のゲインを６ｄＢ〜１８ｄＢ
程度アップすることもなされるが、これによってＳ／Ｎ
比が増大し、劣悪な画像となってしまう。 【００２２】（４）電子シャッタによる露光量の調節の
場合、短秒時側（高輝度側）では電子シャッタパルス１
発の増減による出力変化の比率が高くなり、調節量が荒
くなる（電子シャッタパルスは画像信号にノイズを加え
ないように水平同期期間に出すので１水平期間毎にパル
スが加えられ、短秒時側では全露光時間に対する１水平
期間の比が高くなる）。 【００２３】本発明は、上記のような問題点に着目して
なされたもので、撮影可能な輝度範囲が広く、絞り調節
が不要で、消費電力の小さな撮像装置を得ることを目的
としている。 【００２４】 【課題を解決するための手段】本発明に係る撮像装置
は、次のように構成したものである。 【００２５】（１）被写体の光学像を電気信号に変換す
る撮像素子と、前記撮像素子の出力信号を処理して所定
の画像信号を生成する信号処理回路と、前記撮像素子及
び信号処理回路の動作に必要なタイミング信号を発生す
るタイミング信号発生回路と、前記タイミング信号発生
回路の基準となる入力クロックの周波数を変えることに
より前記撮像素子に入射する光学像の光量を制御する制
御手段とを備え、且つ前記撮像素子は基板に所定の電位
のパルスを印加することで前記撮像素子に含まれる画素
の信号電荷を除去する方式の電子シャッタ機能を有し、
前記電子シャッタ機能により、被写体の輝度レベルが高
い場合、電子シャッタパルスの数を多くすることによ
り、前記画素における信号電荷の蓄積時間を短くし、被
写体の輝度レベルが低い場合には、前記電子シャッタパ
ルスの数を少なくすることにより、前記画素における信
号電荷の蓄積時間を長くし、さらに、前記制御手段は、
前記撮像素子の電子シャッタパルスが所定数以下であっ
て、前記画素における露光量が適正レベル以下の場合
に、前記タイミング信号発生回路の基準となる入力クロ
ックの周波数を低くし、さらに、前記撮像素子の電子シ
ャッタパルスが所定数以上であって、前記画素における
露光量が適正レベル以上の場合に、前記タイミング信号
発生回路の基準となる入力クロックの周波数を高くする
ようにした。 【００２６】 【００２７】 【００２８】 【００２９】 【００３０】 【００３１】 【００３２】 【００３３】 【００３４】 【００３５】 【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例の構成を
示すブロック図であり、コンピュータと接続されるデジ
タルカメラの内部構成を示し、図２と同一符号は同一構
成要素を示している。 【００３６】図１において、１は被写体の光学像を結像
させるための光学レンズ、２は光学絞りで、固定絞りと
なっている。３は被写体の光学像を電気信号に変換する
撮像素子、４は撮像素子３などの動作に必要なタイミン
グ信号を発生するＴＧで、撮像信号処理回路１０はここ
ではデジタル処理回路となっている。 【００３７】５は撮像素子駆動回路、６はノイズ除去用
のＣＤＳ回路、８は黒レベル固定用のクランプ回路、９
はアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換
器、１０は撮像素子３の出力信号を処理して所定の画像
信号を生成する撮像信号処理回路、１１はこの撮像信号
処理回路１０の動作に必要なタイミング信号（同期信
号）を発生するＳＳＧ（タイミング信号発生回路）、１
２はインターフェース（Ｉ／Ｆ）回路、１３は輝度レベ
ル検知回路、１４は全体をコントロールするシスコン、
１５は基本クロックを発生する発振器、１７は発振器１
５からの基本クロックをシスコン１４の命令によって任
意の周波数の基準クロックに変更する分周器である。 【００３８】ここで、上記シスコン１４と分周器１７
は、ＴＧ４及びＳＳＧ１１の基準となる入力クロックの
周波数を任意に可変制御する制御手段を構成しており、
その入力クロックの周波数を変えることにより撮像素子
３に入射する光学像の照度（光量）を制御する。その
際、撮像素子３に入射する光学像の照度が低い（光量が
小さい）ときはＴＧ４及びＳＳＧ１１の基準となる入力
クロックの周波数を低くし、撮像素子３に入射する光学
像の照度が高い（光量が大きい）ときはＴＧ４及びＳＳ
Ｇ１１の基準となる入力クロックの周波数を高くする。 【００３９】また、撮像素子３が電子シャッタ機能を有
している場合は、上述の制御手段はＴＧ４及びＳＳＧ１
１の基準となる入力クロックの周波数を変えることによ
り上記撮像素子３の電子シャッタ機能を制御する。その
際、被写体の輝度が所定値より低い（撮像素子３に入射
する光学像の照度の制御ができなくなる）ときはＴＧ４
及びＳＳＧ１１の基準となる入力クロックの周波数を低
くし、被写体の輝度が所定値より高い（撮像素子３に入
射する光学像の照度の制御ができなくなる）ときはＴＧ
４及びＳＳＧ１１の基準となる入力クロックの周波数を
高くする。 【００４０】また、撮像素子３が基板に高電位のパルス
を印加することで画素の信号電荷を除去する方式の電子
シャッタ機能を有している場合は、上述の制御手段は上
記と同様ＴＧ４及びＳＳＧ１１の基準となる入力クロッ
クの周波数を変えることにより撮像素子３の電子シャッ
タ機能を制御するが、その際、撮像素子３の電子シャッ
タパルスが任意の所定数以下になるとＴＧ４及びＳＳＧ
１１の基準となる入力クロックの周波数を低くし、撮像
素子３の電子シャッタパルスが任意の所定数以上になる
とＴＧ４及びＳＳＧ１１の基準となる入力クロックの周
波数を高くする。 【００４１】次に、本実施例における露光量の調節方法
について説明する。この調節方法は、従来例で示した電
子シャッタのパルス数を変えることによる蓄積時間の制
御の方法がとられる。 【００４２】図１の分周器１７からの出力クロックの周
波数は、標準的に使われるｆｓ〔Ｈｚ〕とされる。ただ
し、コンピュータ用のデジタルカメラはビデオ信号規格
の制約を受けないことから、必ずしもビデオ信号規格を
満足するためのタイミングを作るために必要となる基準
クロック周波数ｆｖ〔Ｈｚ〕とはされない。したがっ
て、ｆｓはカメラの使用目的、仕様等によって任意に決
定される。 【００４３】上記周波数ｆｓによってＴＧ４及びＳＳＧ
１１が駆動される条件の撮影で、撮像素子３の電子シャ
ッタが最大露光時間（電子シャッタパルスがない）にさ
れても適正露光量以下の露光量しか得られない場合、つ
まり輝度検知回路１２からの輝度レベルの情報が基準輝
度レベルよりも低い場合、シスコン１４は分周器１７に
出力周波数を１／２にするように命令し、分周器１７は
ｆｓ／２〔Ｈｚ〕のパルスを出力する（ここで、いうま
でもないことだが、ＴＧ４、ＳＳＧ１１の出力はすべて
周期が２倍となり、したがってＨＤ、ＶＤも、また電子
シャッタパルスΦＶｓｕｂの間隔も２倍になる）。 【００４４】そして、上記のクロックでＴＧ４、ＳＳＧ
１１が駆動する条件で再び電子シャッタの制御による露
光量の調節がなされる。このとき、もしｆｓ／２〔Ｈ
ｚ〕で最大露光時間となるようにしても適正露光量以下
の露光量しか得られなければ、さらに分周器１７の出力
周波数を１／２のｆｓ／４〔Ｈｚ〕にするようにシスコ
ン１４は分周器１７に命令する。 【００４５】このように制御することにより、アナログ
的に露光量を調節するためのメカニカル絞りを設けるこ
となく、撮影可能な被写体輝度範囲の広いカメラが実現
できる。また、増幅回路のゲインを増すこともしないの
で、低輝度被写体の撮影画像のＳ／Ｎを劣化させること
もなく、低輝度時の増幅のための増幅回路も無用とな
る。 【００４６】ここで、上記の方法では、分周器１７の出
力クロックの切り替わり近辺となる輝度の被写体の場合
は、絶えずクロックが切り換わるようなことが想定され
る。そこで、電子シャッタが最大露光時間にされても適
正露光量以下の露光量しか得られない場合にクロック周
波数を変えるのではなく、電子シャッタパルスがｎ発以
下になるとクロック周波数が切り替わるようにすること
で、クロック周波数の切り替わり輝度近辺での露出制御
をなめらかにすることができる。 【００４７】次に、高輝度側の露光制御について説明す
る。上述の周波数ｆｓによってＴＧ４、ＳＳＧ１１が駆
動される条件の撮影で、電子シャッタが最小露光時間
（電子シャッタパルス数が最大）にされても適正露光量
以上の露光量しか得られない場合、つまり輝度検知回路
１２からの輝度レベルの情報が基準輝度レベルよりも高
い場合、シスコン１４は分周器１７に出力周波数を倍に
するように命令し、分周器１７は２・ｆｓ〔Ｈｚ〕のパ
ルスを出力する。 【００４８】そして、このクロックでＴＧ４、ＳＳＧ１
１が駆動する条件で再び電子シャッタの制御による露光
量の調節がなされる。このとき、２・ｆｓ〔Ｈｚ〕でも
まだ適正露光量以上の露光量しか得られなければ、さら
に２倍の４・ｆｓ〔Ｈｚ〕とする。 【００４９】このように制御することで、撮影可能な被
写体照度範囲のさらに広いカメラが実現できる。また、
クロック周波数が高くなったことから電子シャッタパル
スの間隔も短くなり、電子シャッタパルス１発の増減に
よる露光量の変化量も小さくなり、高輝度被写体に対す
る露光量の制御の精度を高くすることができる。 【００５０】ここで、高輝度側の露光制御においては電
子シャッタパルス数が最大となる近辺で、電子シャッタ
パルス数１発の増減での露光量の変化量が大きくなり、
露光量の調節が困難となる。そこで、出力クロック周波
数の切り換わりを電子シャッタパルスがｍ発以上となっ
た場合に行うようにすれば、露光調節の荒い輝度帯をな
くすことができる。 【００５１】このように、ＴＧ４、ＳＳＧ１１の基本ク
ロックを変えることを自動露出制御（ＡＥ）の手段とし
て加えることにより、撮影可能輝度範囲の広い、無絞り
（あるいは固定絞り）のデジタルカメラを実現すること
ができる。 【００５２】なお、上述のクロック周波数の切り換えは
正数倍の場合で述べてきたが、周波数の切り換えをさら
に細かくすることで精度の高い露光量の制御をすること
も可能であり、電子シャッタパルスとクロック周波数の
双方を制御する露光制御も可能である。 【００５３】また、クロック周波数の切り換えの間隔を
上記の場合よりも荒くしたほうが有効な場合もあるが、
カメラの使用目的、撮像素子３の特性、その他の回路系
の特性を考慮して適切なクロック周波数切り換え幅、最
大クロック周波数、最低クロック周波数を適切に設定す
れば、絞りなしのカメラでありながら、幅広い被写体輝
度の撮影の可能なカメラが実現できる。 【００５４】また、実施例では固定絞りとして説明した
が、固定絞りを複数個（２、３個）用意し、これを切り
換えるようにすれば、さらに撮影可能被写体輝度幅を広
くすることができる。 【００５５】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
撮像素子及び信号処理回路の動作に必要なタイミング信
号を発生するタイミング信号発生回路の基準となる入力
クロックの周波数を可変制御する制御手段を備えたた
め、その入力クロック周波数を変えることにより撮像素
子の入射光量を制御することができ、撮影可能な輝度範
囲が広くなり、絞り調節が不要で、また消費電力が小さ
いという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の一実施例の構成を示すブロック図 【図２】 従来例の構成を示すブロック図 【図３】 撮像素子の構成を示す説明図 【図４】 撮像素子の画素部の詳細を示す説明図 【図５】 撮像素子の駆動タイミング図 【符号の説明】 １ 光学レンズ ２ 光学絞り ３ 撮像素子 ４ タイミング信号発生回路 ５ 撮像素子駆動回路 ９ Ａ／Ｄ変換器 １０ 撮像信号処理回路 １１ 同期信号発生回路（タイミング信号発生回路） １４ システムコントロール回路（制御手段） １５ 発振器 １７ 分周器（制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 岳 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 関根 正慶 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 小出 裕司 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−200076（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−75976（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−29260（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−255431（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−32854（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/335 H04N 5/235

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 被写体の光学像を電気信号に変換する撮
   像素子と、前記撮像素子の出力信号を処理して所定の画
   像信号を生成する信号処理回路と、前記撮像素子及び信
   号処理回路の動作に必要なタイミング信号を発生するタ
   イミング信号発生回路と、前記タイミング信号発生回路
   の基準となる入力クロックの周波数を変えることにより
   前記撮像素子に入射する光学像の光量を制御する制御手
   段とを備え、且つ前記撮像素子は基板に所定の電位のパ
   ルスを印加することで前記撮像素子に含まれる画素の信
   号電荷を除去する方式の電子シャッタ機能を有し、前記
   電子シャッタ機能により、被写体の輝度レベルが高い場
   合、電子シャッタパルスの数を多くすることにより、前
   記画素における信号電荷の蓄積時間を短くし、被写体の
   輝度レベルが低い場合には、前記電子シャッタパルスの
   数を少なくすることにより、前記画素における信号電荷
   の蓄積時間を長くし、さらに、前記制御手段は、前記撮
   像素子の電子シャッタパルスが所定数以下であって、前
   記画素における露光量が適正レベル以下の場合に、前記
   タイミング信号発生回路の基準となる入力クロックの周
   波数を低くし、さらに、前記撮像素子の電子シャッタパ
   ルスが所定数以上であって、前記画素における露光量が
   適正レベル以上の場合に、前記タイミング信号発生回路
   の基準となる入力クロックの周波数を高くすることを特
   徴とする撮像装置。