JP4334957B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＸＹアドレス型イメージセンサを用いた撮像装置において、静止画像を高速で取り込むための技術に関する。

図５は、ＸＹアドレス型イメージセンサの全体回路構成を示す図である。

このＭＯＳ型イメージセンサは、画素部１、垂直走査回路２、マルチプレクサ４、ノイズ抑圧回路５、水平走査回路６、出力アンプ７、画素セルの電源ライン８、画素セルの負荷９及び画素セルの負荷パルスライン１０で構成されている。

画素部１には、光電変換セルである画素セル（ＰＩＸ１１、ＰＩＸ１２、…）がアレイ状に配置されている。垂直走査回路２は、読み出す画素セルの行を選択するための信号ライン（φＶ１、φＶ２、…）を有する。マルチプレクサ４は、リセットパルスライン１１、ＴＲパルスライン１２からの外部タイミングパルス信号を受けるとともに、画素セルの蓄積電荷を読み出すための読出しパルス信号ライン（φＴＲ１、φＴＲ２、…）及び不要電荷を掃き出すためのリセットパルス信号ライン（φＲＳＴ１、φＲＳＴ２、…）を有する。

ノイズ抑圧回路５は、読み出された画素セルの信号を入力ライン（Ｖ１、Ｖ２、…）を介して受け取り、当該信号のばらつきを補正するとともにノイズを除去する。水平走査回路６は、画素セル信号の列を選択するための信号ライン（φＨ１、φＨ２、…）を有し、水平選択スイッチ（Ｍ１０１、Ｍ１０２、…）を制御して画素セルの信号を出力アンプ７に順次送り出す。

画素セルの電源ライン８は、画素セルに電源電圧（ＶＤＤＣＥＬ）を供給する。画素セルの負荷９は、画素セルの負荷パルスライン１０からの信号を受けて画素セルの負荷を制御する。

次に、ローリング読出し動作の概要について説明する。

図６は、ローリング読出し動作の信号タイミングチャートを示す図である。図６には、電源電圧（ＶＤＤＣＥＬ）、画素セル負荷パルスライン（ＬＧＣＥＬ）、リセットパルスライン（ＲＳＴ）、読出しパルスライン（ＴＲ）、走査回路出力取り込みパルスライン（ＶＤＤＲＳ）、リセットパルス信号ライン（φＲＳＴ１、φＲＳＴ２、…）及び読出しパルス信号ライン（φＴＲ１、φＴＲ２、…）についての信号を示している。

電源電圧（ＶＤＤＣＥＬ）を「高レベル」とした後、リセットパルスライン（ＲＳＴ）にパルス信号を入力し、リセットパルス信号ラインφＲＳＴ１にリセットパルス信号ｒ１１を付加して不要電荷を掃き出す。次に、読出しパルスライン（ＴＲ）にパルス信号を入力し、読出しパルス信号ライン（φＴＲ１）に読出しパルス信号ｔ１を付加して、画素セル（ＰＩＸ１１、ＰＩＸ２１、ＰＩＸ３１）に蓄積された電荷を読み出し、ノイズ抑圧回路５の入力ライン（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）に送り出す。

次に、電源電圧（ＶＤＤＣＥＬ）を「低レベル」とした後、リセットパルスライン（ＲＳＴ）にパルス信号を入力し、リセットパルス信号ラインφＲＳＴ１にリセットパルス信号ｒ１２を付加すると、画素セル（ＰＩＸ１１、ＰＩＸ２１、ＰＩＸ３１）からの読出し動作は、次のパルス信号（ｒ２１、ｔ２、ｒ２２）が入力されるまで禁止される。

この結果、画素セルＰＩＸ１１、ＰＩＸ２１、ＰＩＸ３１には次のパルス信号が入力されるまで電荷が蓄積される。即ち、読出しパルス信号ｔ１〜ｔ２間隔が露光時間となって、電荷が蓄積されることになる。

以上の動作を、リセットパルス信号ライン（φＲＳＴ２、φＲＳＴ３）、読出しパルス信号ライン（φＴＲ２、φＴＲ３）について順次実行することで画素セルの行毎に電荷の蓄積と読出しを行うことができる。この画素セルの行毎に電荷蓄積と読出しを繰り返すローリング読出し動作を採用することにより高速にスルー画像を取り込むことができる。

しかしながら、上述の技術は、画素セルの行毎に電荷蓄積と読出しを繰り返すためスルー画像の取込には適しているが、例えば、連写モードでの連続撮影時に高速で静止画を取り込むには不適である。そこで、ローリング動作に係る駆動方式を採用し、その基本となる構造を大きく変えることなく静止画を連続して高速で取り込む技術が求められる。

本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであって、ＸＹアドレス型イメージセンサを用いてローリング読出し方式を採用した撮像装置において、高速に連続静止画を取り込むことを目的とする。

本発明に係る請求項１に記載の撮像装置は、独立に走行する先幕及び後幕を有するフォーカルプレーンシャッタと、光電荷を電荷蓄積し信号出力する複数の画素からなる受光画素領域を有し、フォーカルプレーンシャッタの露光時先幕および後幕の走行方向と同一方向の順で時系列的に、各画素の光電荷の電荷蓄積の開始走査、および蓄積された光電荷の信号出力走査を行う撮像素子と、受光画素領域の全領域の光電荷蓄積開始の完了タイミングに対してフォーカルプレーンシャッタの先幕の走行時間に相当する時間だけ早いタイミングで先幕の走行を開始させる第１の制御手段と、受光画素領域の全領域の光電荷蓄積開始の完了タイミングと後幕の走行開始タイミングのいずれか遅いタイミングに同期して、撮像素子の蓄積された光電荷信号の順次出力を開始させる第２の制御手段とを具備する。

また本発明に係る請求項２に記載の撮像装置は、上記記載の発明である撮像装置において、上記撮像素子の全受光画素領域の画素の光電荷の電荷蓄積の開始走査、および蓄積された光電荷の信号出力走査に要する時間よりも、フォーカルプレーンシャッタの先幕および後幕の走行時間が短い。

また本発明に係る請求項３に記載の撮像装置は、上記記載の発明である撮像装置において、上記第１の制御手段は、上記受光画素領域の光電荷蓄積走査が開始された後に先幕をスタートさせる。

また本発明に係る請求項４に記載の撮像装置は、上記記載の発明である撮像装置において、上記撮像素子の各画素は、蓄積された光電荷の信号出力と同時に蓄積された光電荷がリセットされ、次の光電荷の蓄積動作に入ることが可能である。

また本発明に係る請求項５に記載の撮像装置は、上記記載の発明である撮像装置において、連続撮影を行う連写モードを選択するモード選択手段を具備し、上記第１の制御手段および上記第２の制御手段は、上記モード選択手段により連写モードが選択された場合に上記制御を行う。

また本発明に係る請求項６に記載の撮像装置は、上記記載の発明である撮像装置において、先幕走行開始から所定の時間経過後に後幕を走行開始させる露出制御手段を更に備え、上記所定の時間は、測光手段での測光値またはシャッタスピードの設定入力値に基づいて定められる。

本発明の撮像装置によれば、ＸＹアドレス型イメージセンサを用いてローリング読出し方式を採用した撮像装置において、高速に連続静止画を取り込むことができる。

図１は、本発明に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。

本撮像装置は、ズームレンズ、フォーカスレンズ等のレンズ群２０、メカニカルシャッタ２１、駆動回路２２、イメージセンサ２３、タイミング制御手段２４、画像処理回路２５、表示手段２６及びメディア記録手段２７を備えている。

メカニカルシャッタ２１は、フォーカルプレーンシャッタであり、先幕２１ａと後幕２１ｂを備え、駆動回路２２がこの先幕２１ａと後幕２１ｂを駆動する。

イメージセンサ２３には、画素部２３ａ、垂直走査回路２３ｂ及び水平走査回路２３ｃが設けられ、タイミング制御手段２４が垂直走査回路２３ｂ及び水平走査回路２３ｃにタイミング信号を与える。

更に本撮像装置は、制御部３０、測光部３１、シャッタ速設定部３２及び操作ＳＷ３３を備えている。制御部３０は、撮像装置の各部を統括的に制御すると共に、測光部３１での測光値に基づいて自動でシャッタスピードを決定し、あるいはシャッタ速設定部３２から撮影者が設定入力した設定シャッタスピード値に従って、駆動回路２２及びタイミング制御手段２４の動作を制御する。また、操作ＳＷ３３には、単写、連写の撮影モードを設定するためのモードスイッチが設けられている。

次に、撮影者が連写モードで撮影をする場合の撮像装置の動作について説明する。

図２は、本発明に係る実施の形態のメカニカルシャッタ２１の動作をローリング読出し動作と対応して説明する図である。

被写体の光像は、レンズ群２０によって画素部２３ａ上に形成される。この光像によって画素セルに蓄積された電荷は、上述のローリング読出し動作により図２中の矢印で示す垂直走査方向に行毎に読み出される。

一方、メカニカルシャッタ２１はフォーカルプレーンシャッタであり、先ず先幕２１ａが図２中の矢印で示す走行方向に移動しつつ光像を画素部２３ａ上に形成する。続いて後幕２１ｂが図２中の走行方向に動作してシャッタを閉じる。従って、先幕２１ａと後幕２１ｂの時間差がそれぞれの画素セルの露光時間となる。

本実施の形態では、メカニカルシャッタ２１のフォーカルプレーンの走行方向と画素部２３ａの垂直走査方向とが同一方向となるように配置している点に特徴を有している。

次に、この構成に係る撮像装置による静止画像取り込み動作について説明する。

図３は、シャッタ速度が比較的遅い場合の、静止画取り込み動作を示すタイムチャートである。

図３のＡ部では、制御部３０がタイミング制御手段２４を制御して、ローリング読出しを行っている状態を表わしている。即ち、読出しパルス（ＴＲ１、ＴＲ２、…、ＴＲｎ）を付加させることにより、画素部２３ａの行毎に撮像信号が読出される。

従って、メカニカルシャッタ２１が開放されている場合は、読出しパルスが付加される時間間隔が露光期間となる。即ち、画素部２３ａでは、蓄積された光電荷の信号出力と同時に蓄積された光電荷がリセットされ、次の光電荷の蓄積動作に入ることが可能となる。図３のＢ部は、縦軸に画素部２３ａの行を採って表わした露光期間のイメージ図である。

図３のＣ部は、制御部３０が駆動回路２２を制御して、メカニカルシャッタの開閉動作を行っている状態を表わしている。制御部３０は、最終段の読出しパルスＴＲｎの動作タイミングを予測して、そのタイミングから所定時間Ｔ２だけ遡ったタイミングで先幕２１ａの動作開始を制御する。即ち、制御部３０は、画素部２３ａの全領域の光電荷蓄積開始の完了タイミングである最終段の読出しパルスＴＲｎの動作タイミングに対して、フォーカルプレーンシャッタの先幕２１ａの走行時間Ｔ２に相当する時間だけ早いタイミングで先幕２１ａの走行を開始させるように駆動回路２２を制御する。

次に、制御部３０は、先幕２１ａが開動作を開始したタイミングから露光時間Ｔ１だけ経過したタイミングで後幕２１ｂの閉動作を開始するように駆動回路２２を制御する。ここで、露光時間Ｔ１は、測光部３２での測光値に基づいて算出しても良く、あるいはシャッタ速設定部３２から撮影者が設定入力した設定値に基づいて算出しても良い。図３のＤ部は、縦軸に画素部２３ａの行を採ってメカニカルシャッタ２１による露光時間を表わしたイメージ図である。

そして、制御部３０は、後幕２１ｂが走行を開始したタイミングに同期して、タイミング制御手段２４を制御して次回の読出しパルス（ＴＲ１、ＴＲ２、…、ＴＲｎ）を付加する。即ち、画素部２３ａに蓄積された光電荷信号の順次出力を開始する。以降、上述の動作を繰り返すことで、静止画像の取り込みが行われる。

尚、本実施の形態の動作が成立するためには、画素部２３ａの画素の光電荷の電荷蓄積の開始走査、および蓄積された光電荷の信号出力走査に要する時間よりも、フォーカルプレーンシャッタの先幕２１ａおよび後幕２１ｂの走行時間が短いことが必要な条件とされる。

図４は、シャッタ速度が比較的速い場合の、静止画取り込み動作を示すタイムチャートである。

図４のＡ部では、制御部３０がタイミング制御手段２４を制御して、ローリング読出しを行っている状態を表わしている。即ち、読出しパルス（ＴＲ１、ＴＲ２、…、ＴＲｎ）を付加させることにより、画素部２３ａの行毎に撮像信号が読出される。

従って、メカニカルシャッタ２１が開放されている場合は、読出しパルスが付加される時間間隔が露光期間となる。即ち、画素部２３ａでは、蓄積された光電荷の信号出力と同時に蓄積された光電荷がリセットされ、次の光電荷の蓄積動作に入ることが可能となる。図４のＢ部は、縦軸に画素部２３ａの行を採って表わした露光期間のイメージ図である。

図４のＣ部は、制御部３０が駆動回路２２を制御して、メカニカルシャッタの開閉動作を行っている状態を表わしている。制御部３０は、最終段の読出しパルスＴＲｎの動作タイミングを予測して、そのタイミングから所定時間Ｔ２だけ遡ったタイミングで先幕２１ａの動作開始を制御する。即ち、制御部３０は、画素部２３ａの全領域の光電荷蓄積開始の完了タイミングである最終段の読出しパルスＴＲｎの動作タイミングに対して、フォーカルプレーンシャッタの先幕２１ａの走行時間Ｔ２に相当する時間だけ早いタイミングで先幕２１ａの走行を開始させるように駆動回路２２を制御する。

次に、制御部３０は、先幕２１ａが開動作を開始したタイミングから露光時間Ｔ１だけ経過したタイミングで後幕２１ｂの閉動作を開始するように駆動回路２２を制御する。ここで、露光時間Ｔ１は、測光部３２での測光値に基づいて算出しても良く、あるいはシャッタ速設定部３２から撮影者が設定入力した設定値に基づいて算出しても良い。図４のＤ部は、縦軸に画素部２３ａの行を採ってメカニカルシャッタ２１による露光時間を表わしたイメージ図である。

そして、制御部３０は、画素部２３ａの全領域の光電荷蓄積開始の完了タイミングに同期して、タイミング制御手段２４を制御して次回の読出しパルス（ＴＲ１、ＴＲ２、…、ＴＲｎ）を付加する。即ち、画素部２３ａに蓄積された光電荷信号の順次出力を開始する。以降、上述の動作を繰り返すことで、静止画像の取り込みが行われる。

尚、本実施の形態の動作が成立するためには、画素部２３ａの画素の光電荷の電荷蓄積の開始走査、および蓄積された光電荷の信号出力走査に要する時間よりも、フォーカルプレーンシャッタの先幕２１ａおよび後幕２１ｂの走行時間が短いことが必要な条件とされる。

尚、図３あるいは図４に示すいずれのタイムチャートに従って静止画像を取り込むかは、制御部３０が露光時間Ｔ１と先幕走行時間に対応した所定時間Ｔ２とを比較して決定する。

即ち、制御部３０は、測光部３１での測光値あるいはシャッタ速設定部３２からの設定入力値に基づいてシャッタスピードを決定して露光時間Ｔ１を得、更に先幕２１ａの動作時間から予め所定時間Ｔ２を得ている。

そして、Ｔ１＞Ｔ２のときは、制御部３０は、図３に示すタイムチャートに従って静止画像を取り込み、Ｔ１≦Ｔ２のときは、制御部３０は、図４に示すタイムチャートに従って静止画像を取り込む。

以上説明した各実施の形態によれば、フォーカルプレーンシャッタの走行方向とイメージセンサの垂直走査方向とを同一方向として駆動シーケンスを構成し、フォーカルプレーンシャッタの動作と信号読出し動作とをオーバラップさせることで静止画像の取り込み時間を短縮することが可能となる。

更に、各実施の形態では従来のローリング読出し動作に係る駆動方式を変更することなく採用しているため、従来の基本的な駆動方式を大きく変えることなく静止画を連続して高速で取り込むことができる。

また、本実施の形態は、操作ＳＷ３３から連写モードが選択されたときに動作するように構成することができるが、連写モード以外の撮影モードにおいても適用できることはいうまでもない。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明に係る撮像装置の構成を示すブロック図。 メカニカルシャッタの動作をローリング読出し動作と対応して説明する図。 シャッタ速度が比較的遅い場合の、静止画取り込み動作を示すタイムチャート。 シャッタ速度が比較的速い場合の、静止画取り込み動作を示すタイムチャート ＸＹアドレス型イメージセンサの全体回路構成を示す図。 ローリング読出しの駆動タイミングチャートを示す図。

符号の説明

２１…メカニカルシャッタ、２１ａ…先幕、２１ｂ…後幕、２２…駆動回路、２３…イメージセンサ、２３ａ…画素部、２３ｂ…垂直走査回路、２３ｃ…水平走査回路、２４…タイミング制御手段、３０…制御部。

Claims (6)

1. 独立に走行する先幕及び後幕を有するフォーカルプレーンシャッタと、
   光電荷を電荷蓄積し信号出力する複数の画素からなる受光画素領域を有し、フォーカルプレーンシャッタの露光時先幕および後幕の走行方向と同一方向の順で時系列的に、各画素の光電荷の電荷蓄積の開始走査、および蓄積された光電荷の信号出力走査を行う撮像素子と、
   受光画素領域の全領域の光電荷蓄積開始の完了タイミングに対してフォーカルプレーンシャッタの先幕の走行時間に相当する時間だけ早いタイミングで先幕の走行を開始させる第１の制御手段と、
   受光画素領域の全領域の光電荷蓄積開始の完了タイミングと後幕の走行開始タイミングのいずれか遅いタイミングに同期して、撮像素子の蓄積された光電荷信号の順次出力を開始させる第２の制御手段と
   を具備することを特徴とする撮像装置。
2. 上記撮像素子の全受光画素領域の画素の光電荷の電荷蓄積の開始走査、および蓄積された光電荷の信号出力走査に要する時間よりも、フォーカルプレーンシャッタの先幕および後幕の走行時間が短いことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 上記第１の制御手段は、上記受光画素領域の光電荷蓄積走査が開始された後に先幕をスタートさせることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 上記撮像素子の各画素は、蓄積された光電荷の信号出力と同時に蓄積された光電荷がリセットされ、次の光電荷の蓄積動作に入ることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 連続撮影を行う連写モードを選択するモード選択手段を具備し、
   上記第１の制御手段および上記第２の制御手段は、上記モード選択手段により連写モードが選択された場合に上記制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 先幕走行開始から所定の時間経過後に後幕を走行開始させる露出制御手段を更に備え、
   上記所定の時間は、測光手段での測光値またはシャッタスピードの設定入力値に基づいて定められることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

Images