JP4416812B2

JP4416812B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4416812B2
Application number: JP2007197170A
Authority: JP
Inventors: 和也小田; 淳彦石原
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: JP2007295628A

Description

この発明は，撮像装置（ディジタル・スチル・カメラ，ディジタル・ムービ・カメラ，携帯型電子機器にカメラの機能を持たせたものを含む）に関する。

ＣＣＤのような固体電子撮像素子を用いたディジタル・スチル・カメラにおいては，機械的なシャッタを設けずに固体電子撮像素子に蓄積された不要信号電荷の掃き出しおよび信号電荷の読み出しを制御することによりシャッタ動作を行う，いわゆる電子シャッタ動作ができる。

固体電子撮像素子の感度を向上させると，スミアの発生原因となるスミア信号電荷（スミアを発生させる原因となる信号電荷をスミア信号電荷ということにする）の蓄積量が多くなってしまう。また，固体電子撮像素子の画素数が多くなると，固体電子撮像素子からの信号電荷の読み出し時間が長くかかるため，スミア信号電荷の蓄積が多くなる。このようなことから，電子シャッタ動作が可能なディジタル・スチル・カメラにおいても機械的なシャッタを設けているものがある。

しかしながら，機械的シャッタを用いて固体電子撮像素子への露光時間を制御すると次の問題が生じる。

第１に，機械的シャッタの開閉などの動作時間が必要なので電子シャッタの場合に比べて連写間隔を短くすることができない。第２に，機械的シャッタを動作するので，耐久性の低下，消費電力の増加などの問題が生じる。

この発明は，機械的シャッタを備えた撮像装置の上記問題を解決することを目的とする。

この発明は，受光面上に照射された光の受光量に応じた信号電荷を蓄積し，蓄積された信号電荷を読み出して映像信号（画像データを含む）を出力する固体電子撮像素子を備えた撮像装置において，上記固体電子撮像素子に蓄積された信号電荷の読み出しおよび不要信号電荷の掃き出しを制御する駆動手段，上記固体電子撮像素子の受光面上への光の照射時間を制限する機械的シャッタ，上記固体電子撮像素子に蓄積されたスミア信号電荷の量にもとづいて上記機械的シャッタによる機械的シャッタ動作を行うか上記駆動手段による電子シャッタ動作を行うかを判定する判定手段，ならびに上記判定手段による判定結果に応じて電子シャッタ動作および機械的シャッタ動作の少なくとも一方を行うように上記駆動手段および上記機械的シャッタの少なくとも一方を制御するシャッタ制御手段を備えていることを特徴とする。

この発明は，上記撮像装置に適した動作制御方法も提供している。すなわち，この方法は，受光面上に照射された光の受光量に応じた信号電荷を蓄積し，蓄積された信号電荷を読み出して映像信号を出力する固体電子撮像素子を備えた撮像装置において，上記固体電子撮像素子に蓄積された信号電荷の読み出しおよび不要信号電荷の掃き出しを制御する駆動手段および上記固体電子撮像素子の受光面上への光の照射時間を制限する機械的シャッタをそれぞれ設け，上記固体電子撮像素子に蓄積されたスミア信号電荷の量にもとづいて上記機械的シャッタによる機械的シャッタ動作を行うか上記駆動手段による電子シャッタ動作を行うかを判定し，判定結果に応じて電子シャッタ動作および機械的シャッタ動作の少なくとも一方を行うように上記駆動手段および上記機械的シャッタの少なくとも一方を制御することを特徴とする。

この発明によると，スミア信号電荷の量（スミア信号電荷の量を検出するスミア信号電荷検出手段）に応じて機械的シャッタ動作が行われるか電子シャッタ動作が行われるかが判定される。スミア信号電荷の量が少なければ，スミア現象（画像にスミア信号電荷にもとづく輝点などが生じること）が目立たないので電子シャッタ動作が行われる。スミア信号電荷の量が多ければ，スミア現象が目立つので機械的シャッタ動作が行われる。

この発明によると，スミア現象が目立たない場合には，機械的シャッタ動作が行われないので，連写間隔を短くすることができる。また，耐久性の低下，消費電力の増加などの未然に防止できる。スミア現象が目立つ場合には，機械的シャッタ動作が行われるので，固体電子撮像素子を遮光してスミア信号電荷を掃き出すことによりスミア現象を抑えることができる。

上記固体電子撮像素子の受光面への照射光量を制限する絞り，および上記絞りの絞り値およびシャッタ速度を算出する算出手段をさらに備えてもよい。この場合，上記判定手段は，上記算出手段により算出された絞り値およびシャッタ速度の少なくとも一方を，上記スミア信号電荷の量とみなして上記判定処理を行うことができる。

上記判定手段により上記電子シャッタ動作を行うと判定されたことに応じて，上記電子シャッタ動作による上記固体電子撮像素子の受光面への光の照射時間と上記固体電子撮像素子からの映像信号の読み出し時間とが重複するように上記シャッタ制御手段および上記駆動手段を制御する手段をさらに備えることが好ましい。

光の照射時間（露光時間）と映像信号の読み出し時間とが重複するので，露光時間間隔を短くすることができる。特に連写モードにおいては連写間隔を短くできるようになる。

図１は，この発明の実施例を示すもので，ディジタル・スチル・カメラの電気的構成を示すブロック図である。

ディジタル・スチル・カメラの全体の動作は，ＣＰＵ３によって統括される。

ディジタル・スチル・カメラには，シャッタ・レリーズ・ボタン１が設けられている。シャッタ・レリーズ・ボタン１は，二段ストローク・タイプのもので第１段階の押下にもとづいて自動露光制御，自動焦点制御などが行われ，第２段階の押下にもとづいて記録用の撮像が行われる。シャッタ・レリーズ・ボタン１の第１段階の押下，第２段階の押下を示す信号は，ＣＰＵ３に入力する。また，ディジタル・スチル・カメラには，連写モード・スイッチ２などのスイッチ類も設けられている。連写モード・スイッチ２などのスイッチ類からの出力信号も，ＣＰＵ３に入力する。

さらに，ディジタル・スチル・カメラには，各種タイミング・パルス等を出力するタイミング・パルス発生回路４が含まれている。

ディジタル・スチル・カメラには，ＣＣＤ12への光量を制限する絞り９およびＣＣＤ12の受光面上に被写体像を結像するためのズーム・レンズ10が設けられている。絞り９の開口の程度およびズーム・レンズ10の位置決めは駆動回路５によって制御される。また，ディジタル・スチル・カメラには，駆動回路６により駆動される機械的シャッタ11が設けられている。

ＣＣＤ12は，被写体を撮像し，被写体像を表す映像信号を出力するものである。ＣＣＤ12は，いわゆる電子シャッタ機能をもつものでドライバ７から与えられるフィールド・シフト・パルス（ＦＳパルス）にもとづいて露光時間が規定される。また，ＣＣＤ12を構成する垂直転送路および水平転送路（いずれも図示略）には，ドライバ８から垂直転送パルスφＶおよび水平転送パルスφＨが与えられる。ＣＣＤ12に蓄積された信号電荷が，垂直転送パルスφＶおよび水平転送パルスφＨにしたがって映像信号として出力される。

この実施例においては，ＣＣＤ12に蓄積されるスミア信号電荷が多いと判断されるときには，機械的シャッタ11が利用され，ＣＣＤ12に蓄積されるスミア信号電荷が少ないと判断されるときには，電子シャッタが利用される。

ＣＣＤ12から出力された映像信号は，ＣＤＳ／ＧＣＡ（correlated double sampling／gain controlled amplifier ）回路13において相関二重サンプリング処理および映像信号の増幅処理が行われる。ＣＤＳ／ＧＣＡ回路13から出力された映像信号は，アナログ／ディジタル変換回路14においてディジタル画像データに変換される。変換されたディジタル画像データは，信号処理回路15において，色バランス調整，ガンマ補正などの所定の信号処理が行われる。

信号処理回路15から出力されたディジタル画像データは，表示装置16に与えられ，被写体像が表示画面上に表示されることとなる。

シャッタ・レリーズ・ボタン１の第１段階の押下があると，上述のようにしてアナログ／ディジタル変換回路14から出力された画像データは，信号処理回路15を介してＣＰＵ３に入力する。入力した画像データにもとづいて，ＣＰＵ３において測光値が算出される。算出された測光値から絞り値およびシャッタ速度が決定される。決定した絞り値となるように，駆動回路５により絞り９が制御される。また，決定したシャッタ速度となるように，機械的シャッタ11が駆動回路６により制御される，またはＣＣＤ12による電子シャッタが制御される。同様に，駆動回路５によりズーム・レンズ10が位置決めされる。

また，この実施例におけるディジタル・スチル・カメラにおいては，シャッタ・レリーズ・ボタン１の第１段階の押下があると，ＣＣＤ12に蓄積されるスミア量も算出される。ＣＣＤ12の有効画素領域の周辺にあるオプティカル・ブラック領域から得られる信号電荷にもとづいてスミア量を算出することができる。もっとも，決定されたシャッタ速度または絞り値をスミア量とみなすこともできる。決定されたシャッタ速度が速いほど明るい環境下で撮像が行われると考えられるからスミア量が多いと考えられる。また，絞り９の開口が大きいほどＣＣＤ12の遮光領域に入り込む光成分が多いからスミア量も多いと考えられる。

たとえば，単写の場合は，シャッタ速度が１／500 秒以上であれば，スミア量が多いと考え，機械シャッタ11を利用し，シャッタ速度が１／500 秒以下であればスミア量が少ないと考え電子シャッタを利用する。機械シャッタ11によりＣＣＤ12が遮光されるのでスミア量を少なくできる。また，連写であれば，シャッタ速度が１／1000秒以上か否かにより機械シャッタ11と電子シャッタとを切り換える。さらに，絞り９がＦ４とＦ８の二段階の絞りの場合には，たとえば，Ｆ４のときは機械シャッタ11を用い，Ｆ８のときは電子シャッタを用いる。

シャッタ・レリーズ・ボタン１の第２段階の押下があると，そのタイミングで被写体が撮像され，ＣＣＤ12から被写体像を表す映像信号が出力される。上述のようにＣＤＳ／ＧＣＡ回路13およびアナログ／ディジタル変換回路14を介して信号処理回路15に入力する。信号処理回路15において上述した色バランス調整，ガンマ補正などの信号処理が行われるほか輝度データ，色差データの生成処理，データ圧縮処理などが行われる。圧縮された画像データが記録制御回路17に与えられ，メモリ・カード18に記録される。

連写モード・スイッチ２により連写モードが設定されているときには，連写駒数分だけ（または，シャッタ・レリーズ・ボタン１が押されている間）上述した記録処理が繰り返されるのはいうまでもない。

図２（Ａ）および（Ｂ）は，連写モードが設定されたときのディジタル・スチル・カメラの動作を示すタイム・チャートである。（Ａ）は，機械シャッタ11が動作する場合を示し，（Ｂ）は，機械シャッタ11が動作しない場合を示している。

連写は，連写モード・スイッチ２により連写モードが設定され，かつシャッタ・レリーズ・ボタン１が押される（第２段階の押下）ことにより開始する。

（Ａ）を参照して，機械シャッタ11を用いると判断された場合（機械シャッタ・モード）についてまず説明する。機械シャッタ・モードにおいては，ＣＣＤ12は，間引き読み出し駆動とスミア電荷読み出し駆動と全画素読み出し駆動とが繰り返される。

時刻ｔ11においてシャッタ・レリーズ・ボタン１の第２段階の押下があると，ＣＣＤ12は，間引き読み出し期間（約41.2ms）となる。間引き読み出しモードとなることにより，ＣＣＤ12からはＣＣＤ12の有効画素領域のすべてに蓄積された信号電荷が読み出される（全画素読み出し）のではなく，有効画素領域の一部に蓄積された信号電荷が間引いて読み出される。このようにして読み出された映像信号によって表される画像が表示装置16の表示画面に表示されることとなる。

連写の一駒目の撮影時においては，機械シャッタ11は開放されている。このために，時刻ｔ12の時点においてＣＣＤ12のフィールド・シフト・パルスが与えられ，蓄積されている信号電荷が掃き出される（ＣＣＤ12リセット）。時刻ｔ13となると，ＣＣＤ12の露光（露光時間：約11.2ms）が終了し（時刻ｔ12から時刻ｔ13が露光時間），機械シャッタ11の閉じられる。時刻ｔ14となると，機械シャッタ11が完全に閉じられる（機械シャッタ11が完全に閉じるまでの時間：約15ms）。

時刻ｔ14となり機械シャッタ11が完全に閉まると，スミア電荷掃き出し期間（約４ms）となりＣＣＤ12に蓄積されているスミア電荷が掃き出される。機械シャッタ11によりＣＣＤ12を遮光でき，遮光している間にスミア電荷を掃き出すことができるので，スミアを低下させることができる。

時刻ｔ15となりスミア電荷が掃き出されると，ＣＣＤ12にフィールド・シフト・パルスが与えられ，露光時間に蓄積された信号電荷がＣＣＤ12の垂直転送路（図示略）にシフトされる。全画素読み出し期間（約 196ms）となり，露光時間中に蓄積された信号電荷がＣＣＤ12から映像信号として出力される。

時刻ｔ16となると，全画素読み出し期間が終了する。全画素読み出し期間において読み出された信号電荷は，映像信号として出力され，上述のように画像データに変換されてメモリ・カード18に記録される。

時刻ｔ16から２駒目のための間引き期間が開始される。時刻ｔ16から機械シャッタ11が開放され始める。以下，上述したのと同様に間引き期間が終了すると，スミア電荷掃き出し期間となり，全画素読み出し期間に移行する。

時刻ｔ17において，約１秒で５駒分の連写が終了する（連写速度ほぼ５駒／秒）。

（Ｂ）を参照して，機械シャッタ11を用いないと判断された場合（機械シャッタ・モード・オフ）には，連写の一駒目については間引き期間となり，その後，全画素読み出し期間が繰り返される。

時刻ｔ31においてシャッタ・レリーズ・ボタン１の第２段階の押下があると，間引き読み出し期間となる。時刻ｔ31において，ＣＣＤ12にフィールド・シフト・パルスが与えられ，ＣＣＤ12に蓄積されている不要電荷が掃き出され，露光が開始する（露光時間：約11.2ms）。時刻ｔ33となると，ＣＣＤ12に再びフィールド・シフト・パルスが与えられ，露光により蓄積された信号電荷が垂直転送路にシフトされ露光が終了する（電子シャッタ）。

時刻ｔ33から一駒目の画像の全画素読み出し期間となり，露光により蓄積された一駒目の画像を表す信号電荷が映像信号として出力される。２駒目の全画素読み出し期間内における時刻ｔ34にＣＣＤ12に再びフィールド・シフト・パルスが与えられ，不要電荷が掃き出され，２駒目の画像のための露光が開始される。時刻ｔ35においてＣＣＤ12にフィールド・シフト・パルスが与えられ，露光が終了する。２駒目の全画素読み出し期間が開始され，蓄積された信号電荷が出力される。以下，同様にして撮像が繰り返される。

機械シャッタ11を用いない場合には，間引き読み出し期間は一駒目だけであり，２駒目以降は間引き読み出し期間は発生しない（スミア電荷読み出し期間も発生しない）。したがって，撮像周期は，全画素読み出し期間の周期となり連写速度を向上させることができる。この実施例においては，連写速度は，ほぼ６駒／秒となる。

スミアが目立つときには，機械シャッタ11を用いて被写体を撮像しているので，スミアを低下させることができ，スミアが目立たないときには，機械シャッタ11を用いないで撮像しているので，機械シャッタ11の駆動による消費電力の増加などを未然に防止できる。

上述の実施例においては，機械シャッタ11を用いる場合と用いない場合とで連写速度が変わっているが連写速度を同じとしてもよいのはいうまでもない。

図３は，単写のときの処理手順を示すフローチャートである。

上述したように連写だけでなく，単写にもこの実施例によるディジタル・スチル・カメラの動作を適用することができる。

シャッタ・レリーズ・ボタン１の第１段階の押下があると（ステップ41でＹＥＳ），上述したように予備測光が行われシャッタ速度および絞り値が決定される（ステップ42）。オプティカル・ブラック領域から得られた信号電荷にもとづいてスミア量が算出される（ステップ43）。

シャッタ・レリーズ・ボタン１の第２段階の押下があると（ステップ44でＹＥＳ），算出されたスミア量が所定のしきい値以上かどうかが判断される（ステップ45）。

所定のしきい値未満であれば（ステップ45でＮＯ），機械シャッタ・モードがオフされ（ステップ46：機械シャッタ・モードを示す所定のフラグがオフに設定されることとなろう），連写において説明したように電子シャッタ動作によりＣＣＤ12が露光される（ステップ47）。ＣＣＤ12にフィールド・シフト・パルスが与えられることにより露光が終了する（ステップ48）。

ＣＣＤ12に蓄積された信号電荷が読み出され，映像信号として出力される。出力された映像信号について所定の信号処理が行われる（ステップ53）。信号処理により得られたディジタル画像データはメモリ・カード18に記録される（ステップ54）。

スミア・レベルがしきい値以上であれば（ステップ45でＹＥＳ），機械シャッタ・モードがオンされる（ステップ49）。機械シャッタ11を用いる場合でも露光開始は，電子シャッタにもとづいて行われる（ＣＣＤ12にフィールド・シフト・パルスが与えられることにより露光が開始する）。露光開始タイミングが比較的正確となるからである。もっとも，露光開始タイミングも機械シャッタ11により規定してもよいのはいうまでもない。決定されたシャッタ速度により定まる露光時間が経過すると，機械シャッタ11が閉じられ露光が終了する（ステップ51）。

機械シャッタ11が閉じた状態で，ＣＣＤ12に蓄積されているスミア電荷が掃き出される（ステップ52）。スミア電荷の掃き出しが終わると，蓄積された信号電荷が映像信号と出力される（ステップ53）。得られた画像データがメモリ・カード18に記録されるのは機械シャッタ・モードがオフされたときと同様である。

予備測光において得られた測光値にもとづいてスミア・レベルを算出しているが，スミア・レベルを算出しなくとも上述したように決定されたシャッタ速度，絞り値などにもとづいて機械シャッタ・モードとするかどうかを判定してもよい。

ディジタル・スチル・カメラの電気的構成を示すブロック図である。ディジタル・スチル・カメラの動作処理を示すタイム・チャートである。ディジタル・スチル・カメラの処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１シャッタ・レリーズ・ボタン
２連写モード・スイッチ
３ＣＰＵ
４タイミング・パルス発生回路
５，６駆動回路
７，８ドライバ
９絞り
11 機械シャッタ
12 ＣＣＤ

Claims

受光面上に照射された光の受光量に応じた信号電荷を蓄積し，蓄積された信号電荷を読み出して映像信号を出力する固体電子撮像素子を備えた撮像装置において，
上記固体電子撮像素子に蓄積された信号電荷の読み出しおよび不要信号電荷の掃き出しを行う駆動手段，
上記固体電子撮像素子の受光面上への光の照射時間を制限する機械的シャッタ，
予備測光にもとづいて得られるスミア・レベルが所定しきい値以上かどうかを判定する判定手段，ならびに
上記判定手段によってスミア・レベルが所定しきい値未満と判定された場合に，上記駆動手段による電子シャッタ動作により露光を行い，露光終了後に上記固体電子撮像素子に蓄積された信号電荷を読み出して映像信号として出力するように上記駆動手段を制御するとともに，上記判定手段によってスミア・レベルが所定しきい値以上と判定された場合に，露光時間が経過したときに上記機械的シャッタを閉じて露光を終了させるように上記機械的シャッタの駆動を制御し，かつ上記機械的シャッタの閉鎖後上記固体電子撮像素子におけるスミア電荷を掃き出し，スミア電荷の掃き出し終了後に上記固体電子撮像素子に蓄積された信号電荷を読み出して映像信号として出力するように上記駆動手段を制御する制御手段，
を備えた撮像装置。