JP4675204B2 - 撮像素子の駆動方法および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子の不要電荷を確実に除去して高画質化を図るとともに、撮影レスポンス高めることができる撮像素子の制御方法および撮像装置に関するものである。

電荷結合素子（以下「ＣＣＤ」という）などを用いたエリア型固体撮像素子として、電気的に露光期間を調整する電子シャッタ機能を有するＣＣＤ固体撮像素子が広く採用されている。この種のＣＣＤ固体撮像素子は、水平同期信号にほぼ同期して一定周期の電子シャッタパルスを印加することで、フォトセンサに蓄積された不要の信号電荷を基板側へ掃き捨て、その後の信号電荷の蓄積期間すなわち露光期間を制御することにより、適正な露光量で被写体像を撮像するようにしている。

図１５は、固体撮像素子に蓄積された信号電荷を電子シャッタ機能によって掃き捨て、この掃き捨て回数を制御することによる露光時間制御の一例を示す。露光開始までの間、水平同期信号ＨＤと同じ周期で固体撮像素子の基板に電子シャッタパルスを印加し、固体撮像素子に蓄積される信号電荷の掃き捨てを繰り返し行っている。電子シャッタパルスが印加されるごとに蓄積電荷がほぼ０になり、一連の電子シャッタパルスのうち最後のパルスが出たあとに電荷が蓄積される。固体撮像素子を構成する各画素には、それぞれの画素に対応する被写体像の輝度に対応した電荷が蓄積される。垂直同期信号ＶＤの周期を一定にした場合、露光時間Ｔｅｘは電子シャッタパルスのパルス数で決定される。垂直同期信号ＶＤは１／３０秒周期すなわち約３３ｍｓ周期で出力され、露光時間Ｔｅｘが３３ｍｓより短いとすれば、レリーズ・オンの後の最初の垂直同期信号ＶＤが出ることによってシャッタパルスが出力され、その後、次の垂直同期信号ＶＤが出るまでの露光時間Ｔｅｘの間露光され、固体撮像素子に適正レベルの電荷が蓄積される。被写体輝度が低い場合は露光前のシャッタパルスの数が少なくなって露光時間Ｔｅｘが長くなり、被写体輝度が高い場合は露光前のシャッタパルスの数が多くなって露光時間Ｔｅｘが短くなり、固体撮像素子に適正レベルの電荷が蓄積される。露光時間Ｔｅｘが３３ｍｓより長くなる場合は、垂直同期信号ＶＤの複数周期にまたがって露光が行われ、適正な蓄積電荷レベルとするための制御は、同様に露光前のシャッタパルス数の制御によって行われる。

本発明に関連のある先行技術として、露光時間が所定以上に長い場合に、シャッタトリガが入力されてから所定期間電子シャッタを作動させることにより、露光開始までの間に電子シャッタの作動回数を増加させ、固体撮像素子内の不要電荷を完全に掃き捨てるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１にも記載されているように、近年のＣＣＤ固体撮像素子の縮小化、多画素化に伴い、１回の電子シャッタパルスの掃き捨て動作では十分な掃き捨て効果を得ることが困難になっている。つまり、固体撮像素子の縮小化、多画素化に伴い、これを構成するフォトセンサ領域が縮小するため、飽和信号量が低下するという問題がある。飽和信号量の低下を抑制するために、フォトセンサ領域下のポテンシャル井戸を深くして多くの電荷を蓄積できるようにしている。このフォトセンサ領域下のポテンシャル井戸の深長化と、電子シャッタ時に潰すべきオーバーフローバリアの電位の上昇で、１回の電子シャッタパルスによる１回の電荷掃き捨てでは、フォトセンサ領域内の信号電荷を確実に掃き捨てることが困難になってきている。

また、図１５の説明から推測できるように、露光時間Ｔｅｘが垂直同期信号ＨＤの周期の整数倍に近い時間になると問題が発生する。すなわち、垂直同期信号ＨＤの周期が３３ｍｓの場合、その整数倍よりも少し短い露光時間、例えば１／１５ｓ（＝６６ｍｓ）である場合、電子シャッタパルス数が少なくなってしまい、それまでに蓄積された不要電荷を完全に掃き捨てることが困難となる。この理由は後でさらに詳細に説明する。固体撮像素子に残った電荷は、露光時間Ｔｅｘで蓄積された電荷に重畳されて信号電荷として出力され、再生画像に悪影響を与える。

さらに、静止画撮影に先立ち、一部の水平ラインを間引き読み出しして表示を行う電子ファインダ機能を有する撮像装置では、電子ファインダ時に読み出している画素と、静止画撮影時のみで読み出す画素との間で不要電荷の蓄積量が違う。そのため、露光開始前に不要電荷を完全に取り除かないと、ライン間の不要電荷残量が異なるため、周期的な明暗の横筋が発生し、画面不良となる問題がある。この理由についても後で詳細に説明する。

特許公報類に記載されている先行技術のうち、前記特許文献１記載の発明が本願発明に最も近いものといえる。特許文献１記載の発明は、露光時間が所定以上の場合に所定回数以上のシャッタパルスを印加するものである。したがって、露光前に所定回数以上のシャッタパルスを印加する分、シャッタボタンが押されてから露光までにタイムラグを生じることになる。そこで、特許文献１記載の発明は、必要にして最低限の数のシャッタパルスを印加するようになっている。とはいえ、露光前に所定回数以上のシャッタパルスを印加する分、露光開始までの時間が長くなることに変わりはない。

これに対して本願発明は、露光時間の長短によって所定数のシャッタパルスを印加するという着想ではなく、露光期間が一定の条件となったときにシャッタパルスを所定回数以上印加するものである点で特許文献１記載の発明と異なる。また、特許文献１記載の発明は、露光前に所定回数以上のシャッタパルスを印加することによって露光開始までの時間が長くなることに対する対策は考慮されていない。これに対して、本願発明は露光開始までの時間にも注目し、撮影レスポンスを向上させることができる技術思想を備えている点でも特許文献１記載の発明と異なる。

本願発明に関連のある他の先行技術として、撮像素子内の蓄積電荷を基板側に掃き捨てるためにシャッタパルス列を印加する構成とした固体撮像装置において、シャッタパルス列の少なくともその最終パルスを含む１つ以上のパルスからなる後側パルス列と、これ以外の１つ以上のパルスからなる前側パルスとで、パルス振幅が異なっており、前側パルス列の振幅が後側パルス列の振幅より小さくなっている固体撮像装置が知られている（特許文献２参照）。この特許文献２記載の発明は、消費電力を考慮してシャッタパルスの振幅を変更するもので、シャッタパルスを通常モードと異なるものに切り換えるものの１例である。本願発明は、露光開始前の電子シャッタパルス印加によって固体撮像素子の蓄積電化を確実に掃き捨てることができるとともに、この蓄積電荷を掃き捨てるのに要する時間を短縮することができるように工夫したものであり、特許文献２記載の発明との対比において、目的、目的を達成するための構成および効果が異なる。

また、本出願人は、モニタリング期間でのシャッタパルス数と本露光期間でのシャッタパルス数を同じにすることにより、高度な補正手段を備えなくても、本露光期間における露光量を適正なものにすることができ、かつ、駆動パルス・タイミング発生装置の簡略化が可能な撮像装置および駆動パルス・タイミング発生装置を提案した（特許文献３参照）。しかし、特許文献３記載の発明は、本願発明とは、目的、目的を達成するための構成および効果が異なる。

特開２００２−３４４８１８号公報 特許第３１６９３２７号公報 特開２００４−２３２０８号公報

本発明は、全画素を読み出す静止画用の露光を開始する前に、必ず所定数以上の電子シャッタパルスを印加することで、固体撮像素子の不要電荷を十分に除去することができるともに、露光開始前の電子シャッタパルスの出力方法を工夫することによって、所定以上の電子シャッタパルス数を確保しても、撮影レスポンスの低下を少なくすることが可能な撮像素子の駆動方法および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、シャッタパルスを印加することにより、フォトセンサからなる電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を半導体基板側に掃き捨てて露光期間の制御を行う固体撮像素子の駆動方法または撮像装置において、露光を開始する前に印加するシャッタパルスを２回以上の所定回数以上とし、固体撮像素子を駆動するためのクロックを切り換えることが可能な駆動クロック切り換え工程または切り換え手段を備え、露光開始前の所定回数以上のシャッタパルス出力期間では通常の露光期間よりも周期の短い駆動クロックに同期してシャッタパルスを出力することを最も主要な特徴とする。

また、本発明は、シャッタパルスを印加することにより、フォトセンサからなる電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を半導体基板側に掃き捨てて露光期間の制御を行う固体撮像素子の駆動方法または撮像装置において、露光を開始する前に印加するシャッタパルスを２回以上の所定回数以上とし、シャッタパルスは水平同期信号に同期して出力され、固体撮像素子を駆動するための水平同期信号の出力周期を切り換え可能な水平同期周期切り換え工程又は切り換え手段を備え、露光開始前の所定回数以上のシャッタパルス出力期間では通常の露光期間よりも短い周期の水平同期周期を用いることを特徴とする。

また、本発明は、固体撮像素子を駆動するための垂直同期信号の出力周期を切り換え可能な垂直同期周期切り換え工程又は切り換え手段を備え、露光開始前に露光時よりも短い周期の垂直同期信号出力期間を設け、その間に所定回数以上のシャッタパルスを出力するようにするとよい。

本発明によれば、高画質化を達成しながら、レスポンスの低下を実質的になくすことができる。各請求項に記載された発明の作用効果は以下のとおりである。
本発明によれば、静止画用の露光を開始する前に最低限必要な電子シャッタパルス数を定義し、そのパルス数以下になるような露光時間になっても、電子シャッタパルスを出力するフレームを追加することで、残留する不要な電荷を確実に掃き捨て、残留電荷による画質の劣化を回避することができ、画質向上の効果に加え、電子シャッタパルスを出しつづけるフレームでは駆動クロックを早くすることで、レスポンスの低下を小さくすることができる。

本発明によれば、画質向上の効果に加え、電子シャッタパルスを出しつづけるフレームの垂直周期を通常よりも短くすることで、１フレームの時間が短くなり、レスポンス低下を小さくすることができる。また、無意味な電子シャッタパルスを出さなくすることができるため、電力の浪費を避けることができる。

本発明によれば、画質向上の効果に加え、電子シャッタパルスを出しつづけるフレームの垂直周期を通常よりも短くすることで、１フレームの時間が短くなり、レスポンス低下を小さくすることができる。

以下、本発明にかかる撮像素子の駆動方法および撮像装置の実施例について図面を参照しながら説明する。本発明は、デジタルカメラをはじめとして、カメラ付きの携帯電話、スチルカメラ機能を備えたビデオカメラなどにも適用可能であるが、デジタルカメラに適用した例について説明する。

本発明を適用したデジタルカメラの制御系統の例を示す図１において、レンズユニット１０内には、フォーカスレンズおよびズーム用のレンズが収納され、これらのレンズはモータドライバ２９によって駆動され、合焦およびズーミングが行われるようになっている。モータドライバ２９は、信号処理ＩＣ１９に含まれるマイクロコンピュータ２１（以下「ＣＰＵ２１」という）によって制御される。レンズユニット１０と撮像部１２の間には、上記モータドライバ２９によって駆動されるメカニズムシャッタ（以下「メカシャッタ」という）１１が配置されている。

撮像部１２は、固体撮像素子としてのＣＣＤ１３、ＣＣＤ１３を駆動するタイミング信号発生器（以下「ＴＧ」という）１８、ＣＣＤ１３の出力データから画像信号をサンプリングするＣＤＳ１５、アナログゲインコントローラ（以下「ＡＧＣ」という）１６、ＣＣＤ１３から出力されるアナログ画像データ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１７から構成されている。ここで、ＣＤＳ１５とＡＧＣ１６とＡ／Ｄ変換器１７からなる構成部分をアナログフロントエンド（以下「ＡＦＥ」という）１４とする。撮像部１２のＡ／Ｄ変換器１７から出力されるデジタル画像信号は信号処理ＩＣ１９に入力される。

信号処理ＩＣ１９は、ＣＣＤインターフェース（以下「ＣＣＤＩ／Ｆ」という）部２０、画像処理部２２、表示Ｉ／Ｆ部２５、ＪＰＥＧコーデック部２６、リサイズ・フィルタ部２３、カードコントローラ部２７、通信Ｉ／Ｆ部２８、システム制御を行うＣＰＵ２１、メモリコントローラ２４を具備してなる。信号処理ＩＣ１９は、メモリコントローラ２４を介してＲＯＭ（読み出し専用メモリ）３７およびＳＤＲＡＭ（保持動作が必要な随時書き込み読み出しが可能なメモリ）３２とつながっている。ＳＤＲＡＭ３２は、プログラムメモリ３３、ＲＡＷ−ＲＧＢメモリ３４、ＹＵＶメモリ３５、ＪＰＥＧメモリ３６に区分されている。上記表示Ｉ／Ｆ部２５はカメラに組み込まれているＬＣＤモニタ又はテレビなどのモニタからなる表示装置３８につながれている。上記カードコントローラ部２７は、外部から装填されるメモリカード３９との間でデータの授受を制御する。上記通信Ｉ／Ｆ部２８はＵＳＢ端子に接続される各種ＵＳＢ周辺機器４０とＣＰＵ２１とを仲介する。ＣＰＵ２１にはカメラの操作部４１がつながっていて、操作部４１の操作に応じた信号がＣＰＵ２１に入力されるようになっている。

信号処理ＩＣ１９に入力された上記デジタル画像信号は、ＣＣＤＩ／Ｆ部２０に取り込まれる。ＣＣＤＩ／Ｆ部２０は、画面水平同期信号（以下「ＨＤ」ともいう）と画面垂直同期信号（以下「ＶＤ」ともいう）を出力し、その同期信号とピクセルクロックに合わせてＡ／Ｄ変換器１７から入力されるデジタルＲＧＢ信号を取り込む。上記ピクセルクロックは、発信器３０で生成される一定周期（一定周波数）のクロック信号を分周器３１により分周することによって生成される。分周器３１からはまた、信号処理ＩＣ１９にシステムクロックが供給される。

モニタリング動作（電子ファインダ動作）時は、ＣＣＤＩ／Ｆ部２０が上記ＲＧＢデータを画像処理部２２に送り、画像処理部２２では、ＲＧＢデータをＹＵＶデータに変換し、さらにリサイズ・フィルタ部２３で表示に適したサイズに変換した結果がＳＤＲＡＭに出力される。静止画撮影時は、ＣＣＤ１３の全画素を複数回に分けて転送されるため、各フィールドデータは、これをメモリコントローラ２４経由でＳＤＲＡＭ３２に送り、ＲＧＢデータをＲＡＷ−ＲＧＢメモリ３４に書き込む。

図１に示す例では、垂直同期信号ＶＤと水平同期信号ＨＤは信号処理ＩＣ１９から出力される形式をとっているが、図３に示す例のように、ＴＧ１８から上記ＶＤとＨＤが出力される形式として、ＶＤとＨＤで同期をとるシステムとしてもよい。

ＣＣＤ１３およびＡＦＥ１４の動作モードの切り換えが行われると、ＣＰＵ２１からシリアルインターフェースの通信によってＴＧ１８に対して制御データが送られ、ＴＧ１８によってＣＣＤ１３およびＡＦＥ１４の動作モードが設定される。また露光時間の制御も同様に、ＣＰＵ２１からＴＧ１８を経て電子シャッタパルス数および読み出し停止回数が設定されることによって行われる。この設定されたパラメータは、次のフレーム以降で有効になる。具体的には垂直同期信号（ＶＤ）の前側エッジ（立下りエッジ）で有効になる。例えば図５において、「記録用露光時間設定」や「静止画転送モード設定」は、一つのＶＤと次のＶＤの中間で設定されているが、この設定が有効になるのは、次のＶＤが出力された後になっている。つまり、ＣＣＤ１３を含む撮像部１２と信号処理ＩＣ１９のＣＣＤＩ／Ｆ２０はＶＤの立下りエッジを基準にして動作するようになっており、フレームの途中での動作モード切り換えや電子シャッタパルス数の切り換えをすることはできない。

ＣＣＤ１３を含む撮像部１２と信号処理ＩＣ１９のＣＣＤＩ／Ｆ２０が同期して動作するクロックは、分周期３１によって制御される。ＣＰＵ２１は分周期３１の分周率を設定し、その設定によって出力されたクロックにしたがって動作する。

信号処理ＩＣ１９に含まれる画像処理部２２は、ＣＰＵ２１からなるシステム制御部によって設定された画像処理パラメータに基づき、ＣＣＤＩ／Ｆ２０から送られてきたＲＧＢデータ、またはＳＤＲＡＭ３２に一時保管されたＲＧＢデータをＹＵＶデータに変換処理して出力する。

リサイズ・フィルタ部２３は、ＹＵＶデータとＲＧＢデータを入力とし、記録するために必要なサイズへの変換、サムネイル画像へのサイズ変換、表示に適したサイズへの変換などを行う。このリサイズ・フィルタ部２３を構成するモジュールは、空間フィルタ処理機能も有している。画面を拡大しあるいは縮小した時に発生するギザギザ感やモザイクなどの画質劣化を軽減するために、線形補間、バイキュービック補間などの複数の補間方式の中から適宜選択することができ、必要な画質や速度に応じて、フィルタ処理が行われる。かかるリサイズ・フィルタ部２３の動作は、ＣＰＵ２１からの指令によって決まる。また、リサイズ・フィルタ部２３は、リサイズ倍率を１倍に設定することで、フィルタ機能だけを有効にすることができる。

表示Ｉ／Ｆ部２５は、ＳＤＲＡＭ３２に書き込まれた表示用データを表示装置３８に送り、撮影画像を表示する。表示装置３８は、カメラが内蔵しているＬＣＤであってもよいし、ＴＶビデオ信号として出力すればテレビであってもよい。

ＪＰＥＧコーデック部２６は、記録時はＳＤＲＡＭ３２に書き込まれたＹＵＶデータを圧縮してＪＰＥＧ符号化されたデータを出力し、再生時はカードより読み出したＪＰＥＧ符号化データをＹＵＶデータに伸張して出力する。

カードコントローラ部２７は、ＣＰＵ２１からの指示により、メモリカード３９内のデータのＳＤＲＡＭ３２への読み出しと、ＳＤＲＡＭ３２内のデータのメモリカード３９への書き込みを行う。

システム制御部であるＣＰＵ２１は、起動時に書き換え可能なＲＯＭに格納されたプログラムおよび制御データをＳＤＲＡＭ３２にロードし、そのプログラムコードに基づいて全体を制御する。ＣＰＵ２１は、操作部のボタン等による指示、あるいは図示しないリモコン等の外部動作指示、あるいはパーソナルコンピュータ等の外部端末からの通信による通信動作指示に従い、撮像動作制御、画像処理装置における画像処理パラメータの設定、メモリコントロール、表示制御を行う。

通信Ｉ／Ｆ部２８は、上記のようにカメラの制御をするだけでなく、パーソナルコンピュータやプリンタなどとの通信によって、画像ファイルの送受信を行う。またＣＰＵの制御プログラムのバージョンアップも、パーソナルコンピュータからプログラムを受信することで実現している。

操作部４１は、図２に示すカメラの各種ボタンやスイッチに相当し、撮影者が撮像装置の動作指示を行うためのものであり、撮影を指示するレリーズキー、光学ズーム及び電子ズーム倍率を設定するズームボタン、露光モード選択や記録サイズ選択やその他の各種設定を外部から行うための入力手段を備えている。そこで次に、本発明を適用することができるカメラの例について概略的に説明する。

図２において、カメラの正面側の略中央部には撮影レンズ１０が組み込まれ、正面の上側中央部には光学ファインダ４３の前面があり、正面の上側の側部にはストロボ発光器などのフラッシュ装置４７が配置されている。カメラの上面にはレリーズボタン４４、電源スイッチの操作ボタン４５、撮影／再生切り換えダイヤル４６が配置されている。カメラの背面側には光学ファインダ４３の接眼部、ＬＣＤモニタ３８が配置され、その他、ズーミングボタン、メニュー切り換えボタンなどの操作ボタンが配置されている。

次に、５００万画素のＣＣＤを有するデジタルカメラを例として、撮影動作について説明する。図２に示す撮影／再生切り替えダイヤル４６を「撮影」に設定し、電源スイッチの操作ボタン４５によってカメラを起動すると、レンズが撮影可能位置に移動し、表示装置３８には電子ファインダ機能であるモニタリング映像が表示される。起動状態から、ズーム望遠釦を押すことで、ズームレンズが望遠側へ移動する。ズーム広角釦を押すと、ズームレンズが広角側に移動する。

このときのＣＣＤの駆動形式は、図６に示す画素加算１／４ライン読み出しである。５００万画素のＣＣＤは記録画素が２５６０×１９２０ピクセルであり、画素加算１／４ライン読み出しを行うことによって、水平画素数は半分、垂直画素数は１／８になるため、１２８０×２４０画素が出力されることになる。図６において太線が読み出しを示しており、水平方向では一つ飛びに画素が読み出され、垂直方向には８個ごとに１個の画素が読み出されるようになっている。この画素読み出しや加算転送の制御信号を出しているのが前記ＴＧ１８である。ＴＧ１８は信号処理ＩＣ１９からのＶＤとＴＤを動作の起点としてＣＣＤ１３へ制御信号を出力している。ＡＦＥ１４もＴＧ１８からのタイミング信号に同期して、ＣＣＤ出力画像データのサンプリングおよび増幅とＡ／Ｄ変換を行い、１２ｂｉｔのＲＧＢデータとして出力する。ＣＣＤＩ／Ｆ２０もＴＧ１８から出力される画像転送クロックに同期して、ＲＧＢの画像データを信号処理ＩＣ１９に取り込む。

信号処理ＩＣ１９では、最初にＣＣＤＩ／Ｆ２０で黒レベル調整やホワイトバランス調整を行ったのちに、ガンマ変換を行って８ｂｉｔのＲＧＢデータとして画像処理部２２へデータを出力する。画像処理部２２では、ＲＧＢデータをＹＵＶデータに変換するＹＵＶ変換処理やエッジ強調処理を行い、リサイズ・フィルタ部２３へ出力する。リサイズ・フィルタ部２３は、画像処理部２２よりＣＣＤ１３の駆動にほぼ同期して順次送られてくる１２８０×２４０画素のＹＵＶデータに対して、線形補間を行った後にリサンプリングすることで、表示用の６４０×４８０画素にリサイズし、リサイズしたデータを、メモリコントローラ２４を介してＳＤＲＡＭ３２に向けて出力する。この動作は、ＣＣＤ１３の読み出し周期である６０フレーム／秒の周期で繰り返される。

表示Ｉ／Ｆ部２５は、上記リサイズされた６４０×４８０画素のＹＵＶデータに、テレビやＬＣＤパネルで表示するのに必要な制御信号を付加したのちにテレビやＬＣＤパネルに出力する。

次に、オート露光量制御（以下「ＡＥ」という）とオートホワイトバランス（以下「ＡＷＢ」という）制御について説明する。ＣＣＤＩ／Ｆ２０では、図４に示すように分割した画面それぞれにおいて、ＡＥとＡＷＢを制御するための評価値であるＲＧＢ毎の積算値（ＲＧＢ積算値）を出すことができる。この特徴データを用いて、ＡＷＢは制御値すなわちＲゲイン、Ｂゲインを決定し、次のフレームのＲＧＢデータに対して、ＣＣＤＩ／Ｆ２０内でＲ画素出力にはＲゲインを、Ｂ画素出力にはＢゲインを乗算することでホワイトバランスを合わせる。ＡＥは、評価値から求めた平均輝度と適正輝度とのずれ量と、現在の露光時間（Ｔｖ値）とＡＧＣ増幅度（ＩＳＯ感度：Ｓｖ値に相当）とレンズ絞り値（Ａｖ値）から適正露光値となるためのＴｖ値、Ａｖ値、ＡＧＣ増幅度を算出する。その結果はシリアル通信により、ＴＧ１８に対してＴｖ値から決定された電子シャッタパルスのパルス数を設定し、ＡＦＥ１４に対してＡＧＣ増幅度を設定する。さらにモータドライバ２９を介してレンズユニット１０内にある絞りの開口を制御する。このＡＥ制御をモニタリングで繰り返し実行することで、適正露光値に収束させることができる。

図５は通常の動作モードにおける静止画記録の動作を示すタイミングチャートである。レリーズ釦が押されると、ＣＰＵ２１の指令によってフォーカスレンズが移動し、例えば山登りＡＦを原理にしたＣＣＤ−ＡＦなどの合焦動作が行われる。続いてＴＧ１８への露光時間設定などの撮影準備処理が行われ、ＶＤを起点として記録露光処理が行われる。露光時間が経過するとメカシャッタ１１が閉じた後に、ＣＣＤ１３の全画素分のＲＧＢデータが、図７に示すように５フィールドに分解されてＣＣＤ１３より読み出され、一度ＳＤＲＡＭ３２に取り込まれる。モニタリングでは、垂直方向が１／８に間引かれて読み出される。これに対して静止画転送は垂直方向１／５ずつを５回に分けて転送する。

ＳＤＲＡＭ３２に取り込まれたＲＧＢ（ＲＡＷ）データは、信号処理ＩＣ１９の画像処理部２２に送られＹＵＶデータに変換される。このＹＵＶデータはリサイズ部２３で記録画素数に合わせたサイズに変換された後に、ＪＰＥＧ圧縮処理を行い、ヘッダ情報を付加してＪＰＥＧファイルとしてメモリカード３９に保存される。

次に、固体撮像素子であるＣＣＤ１３に残存する不要電荷によって発生する横縞について説明する。図６はモニタリング時の読み出し画素を示す。垂直方向では４／１６ラインが読み出されている。つまり１２／１６ラインは読み出しが行われない。読み出しが行われる画素においては、蓄積された電荷が全て転送ラインに読み出されるが、それ以外の画素については、電子シャッタパルスのみで蓄積された電荷の掃き捨てを行っている。ところが、電子シャッタパルスのパルス数が少なくなると十分な掃き捨てができず、画素に不要電荷が残ってしまう。このまま静止画用の露光を行うと、残留している不要電荷に、露光した電荷がプラスされるため、モニタリング時に読み出されない画素に対応するラインの出力が大きくなってしまい、撮影画像に周期的な縞模様が発生してしまう。

ここで、電子シャッタパルスは、水平同期信号ＨＤに同期して出力される。本実施例では、垂直同期信号（ＶＤ）１周期内の水平同期信号ＨＤのパルス数は２５６パルス（本）であり、垂直同期（ＶＤ）１周期内の電子シャッタパルス数は、１〜２５６パルスの出力が可能であるとする。そして、垂直同期（ＶＤ）の周期は１／３０秒（１垂直同期期間は約３３．３ｍｓｅｃ）であるとする。
また、電子シャッタパルスは、ＣＣＤに蓄積された電荷を排出するので、結果として、電子シャッタパルスを出力している期間は、露光されていないことと同じとなる。つまり、垂直同期信号（ＶＤ）の出力期間から電子シャッタパルスの出力期間を減算した時間が露光時間となる。本実施例では、電子シャッタパルスの間隔は、垂直同期信号の出力感覚約３３．３ｍｓｅｃを、電子シャッタパルスの最大出力可能パルス数２５６パルスで割り算した０．１３ｍｓｅｃとなる。

図８は、縞模様が発生してしまう条件のときと、縞模様が発生しない条件のときを比較して示すタイミングチャートである。図８（ａ）は、露光時間が垂直同期信号の周期と同じ１／３０秒（約３３．３ｍｓｅｃ）となったときの例である。電子シャッタパルスは１パルスだけ出力されている。図８（ｃ）は露光時間が１／１５秒（約６６．６ｍｓｅｃ）となったときの例である。電子シャッタパルスは１パルスで読み出し停止回数が１回に設定された状態である。このように露光時間が垂直同期信号周期（１／３０秒）の整数倍よりもわずかに小さい値になったときに電子シャッタパルスのパルス数が少なくなり、ＣＣＤ１３の各画素に蓄積された電荷の掃き捨てが十分でなく電荷が残存し、その結果、撮影画像に縞模様が発生してしまう。

図８（ｂ）は、露光時間が１／６０秒（約１６．６ｍｓｅｃ）、図８（ｄ）は、露光時間が１／１７秒となったとき、すなわち露光時間が垂直同期信号周期（１／３０秒）の整数倍からかけ離れている場合の例を示す。図８（ｂ）に示す露光時間１／６０秒（１６．６ｍｓｅｃ）の場合、垂直同期信号の１周期（１／３０秒）内に１２８パルスの電子シャッタパルスを出力することができ（電子シャッタパルス出力時間は、３３．３ｍｓｅｃ−１６．６ｍｓｅｃ＝１６．７ｍｓｅｃとなり、電子シャッタパルス出力時間を電子シャッタパルス１パルスの出力時間で割り算すると、１６．７ｍｓｅｃ÷０．１３ｍｓｅｃ＝１２８となり、電子シャッタパルス出力時間に出力可能な電子シャッタパルスを求めることが出来る）、図８（ｄ）に示す露光時間１／１７秒（５８．８ｍｓｅｃ）の場合、垂直同期信号の２周期にまたがることによって６０パルスの電子シャッタパルスを出力することができる。すなわち、垂直同期信号の２周期期間は、６６．６ｍｓｅｃであり、（６６．６ｍｓｅｃ−５８．８ｍｓｅｃ）÷０．１３ｍｓｅｃ＝６０となる。したがって、ＣＣＤ１３の各画素に蓄積された電荷の掃き捨てが十分に行われて残留電荷は完全に排出され、撮影画像に縞模様が発生することはない。

図８の説明からわかるように、表示画面の縞模様を無くすためには、静止画用の露光の前に印加する電子シャッタパルス数をできるだけ多くするのが有効である。図９は、静止画用露光前に印加する電子シャッタパルス数を最低３２パルス、垂直同期（ＶＤ）周期を２５６×水平同期信号（ＨＤ）周期とした例を示す。これは露光時間が３３ｍｓｅｃのときのタイミングチャートであり、１ＶＤ期間（３３ｍｓｅｃ期間）は電子シャッタパルスが出つづけるようになっている。これによって、所望の露光時間が垂直同期信号周期と同じ１／３０秒でありながら、不要電荷の掃き出し不良がなくなり、表示画面の高画質化を実現することができる。

図９に示す例は、一定の条件が成立する場合の一例であって、露光時間が特定の時間以上になったときに限らず、以下のような関係式（１）の条件が成立するときに、図９のような電子シャッタパルスが出続ける１ＶＤ（１垂直同期）期間だけ追加して露光制御することが必要となる。
露光時間／（１／３０）＝ｎ＋α 式（１）
ｎ：整数
α＞（１／３０）×｛（２５６−３２）／２５６｝≒２９．２（ｍｓｅｃ）
これは、図９の例のような３３ｍｓｅｃの露光時間の場合、本来なら静止画用露光の前に電子シャッタパルスが１パルスだけ出るところ、最低限の３２パルスの電子シャッタパルスを出すためには、静止画用露光開始タイミングである垂直同期信号ＶＤ１の直前に３１パルスの電子シャッタパルスを出す必要があるためである。

前記のように、電子シャッタパルス数（露光時間）の設定は、フレームが開始されるＶＤの前までに設定された値が次のフレームで有効になり、フレームの途中で設定を変更しても設定直後に状態変化はしない。そのため露光前のフレームの全ＨＤ（水平同期信号周期２５６）に同期して電子シャッタパルスを出力する１ＶＤ期間が必要になる。

以上の動作により、固体撮像素子に不要な電荷が残存することによる画質の劣化を低減させることができる。しかし、上記の例のように、露光開始前に必ず３２パルスの電子シャッタパルスを出すものとすると、露光時間によっては３０ｍｓｅｃ以上の電子シャッタパルス出力期間が発生し、動作レスポンスが鈍くなってしまうという問題がある。

そこで、電子シャッタパルス出力期間を短くして、動作レスポンスを高速化した各種制御方法の実施例について以下に説明する。

高速化制御方法の第１の例は、撮像部を駆動しているピクセルクロックを通常よりも早いクロックにするものである。図１および図３に示す発振器３０は、例えば５４ＭＨｚのクロックを出力している。それを１倍のシステムクロックとして信号処理ＩＣ１９に供給している。通常動作時、分周器３１は上記５４ＭＨｚのクロックを１／２に分周し、これをピクセルクロックとして、ＴＧ１８、ＡＦＥ１４、ＣＣＤＩ／Ｆ２０に供給している。この１／２分周を行わず、１倍のシステムクロックとして信号処理ＩＣ１９に供給する。いま、前記式（１）を満たすような露光時間となり、１ＶＤ期間の電子シャッタパルスが必要になった場合、ＣＰＵ２１は分周器３１に対しピクセルクロックの分周率を１／２から１／１に切り換え、５４ＭＨｚのピクセルクロックとする。この動作を行ったときのタイミングチャートを図１０に示す。図９に示す例のようにピクセルクロックの分周率を変えないときは３３ｍｓｅｃであった電子シャッタパルス出力期間が、図１０に示す例では約１／２の１７ｍｓｅｃに短縮されている。これによって、シャッタボタンが押された後のレスポンスの低下を小さくすることができる。露光に先立ち行われる電子シャッタパルス出力期間の出力信号および蓄積電荷は、その後一切使用しないため、画質への悪影響はない。ここでは、電子シャッタパルスが所定回数以上出力されることが重要である。以上のような制御により、画質の劣化防止と、レスポンスの低下を小さくすることができる。

高速化制御方法の第２の例は、水平同期信号ＨＤの周期を通常よりも短くするものである。図１に示す例では、水平同期信号ＨＤを信号処理ＩＣ１９のＣＣＤＩ／Ｆ２０から出力している。水平同期信号ＨＤの周期は可変であり、ＣＰＵ２１がＣＣＤ１３の仕様や動作モードにあわせて設定している。この周期の設定は、ピクセルクロック数をＣＣＤＩ／Ｆ２０のレジスタに設定することで行う。つまりピクセルクロックが設定の基準となる。通常水平同期信号ＨＤの周期は、ピクセルクロック数が３０００で設定されている。ＣＣＤ１３を駆動しているＴＧ１８は、水平同期信号（ＨＤ）の立下りエッジを基準に電子シャッタパルスの出力期間を制御している。具体的には、水平同期信号ＨＤの立下りから、ピクセルクロック数のカウントを開始し、何クロック目で電子シャッタパルスの出力を開始し、何クロック目で電子シャッタパルスの出力を停止するのかが、ＴＧ１８に予めプログラムされている。

図１に示す例におけるＣＣＤ１３およびＴＧ１８では、ピクセルクロックのカウント値が５０になったら電子シャッタパルスの出力を開始し、ピクセルクロックのカウント値が１００になったら電子シャッタパルスの出力を停止している。すなわち、水平同期信号ＨＤの周期をピクセルクロック数１０１とすれば、電子シャッタパルスの出力が停止した直後に、次の水平同期信号ＨＤの立下りエッジが発生するので、電子シャッタパルスの出力間隔（出力周期）を短くすることが出来、結果として、電子シャッタパルス出力期間を短くすることが可能となる。

図１１は、電子シャッタパルス出力時に垂直同期信号ＶＤの１周期を１／３に短縮することによって、電子シャッタパルス出力期間を通常よりも１／３に短縮したものである。通常の水平同期信号ＨＤの周期は、ピクセルクロック数が３０００クロックであるのに対して、電子シャッタパルス出力時は、水平同期信号ＨＤの周期をピクセルクロック数１０００クロックに設定する。かかる設定にしておけば、ピクセルクロック周期は変更しなくても、電子シャッタパルス出力時の水平同期信号ＨＤの周期が１／３になっており、垂直同期信号ＶＤの１周期内における水平同期信号ＨＤのパルス数は変わらないので、電子シャッタパルス出力時間も１／３（１１ｍｓｅｃ）に短縮することができる。この方法も、露光に先立って行われる電子シャッタパルスによって不要蓄積電荷の掃き出しが十分に行われる。さらに、この電子シャッタパルス出力期間は、ＣＣＤからの画像信号出力およびＣＣＤにおける蓄積電荷動作は、一切行われないため、画質への悪影響はない。以上のような制御により、画質の劣化がなく、かつレスポンスの低下を小さくすることが可能になる。

図３に示す例では、ＴＧ１８が水平同期信号ＨＤを出力している。水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤの周期は、ＣＰＵ２１からＴＧ１８へシリアル通信を行うことで設定することが可能である。図１の例と図３の例とでは、上記信号ＨＤおよびＶＤの設定元が違うだけである。図３に示すシステムにおいては、同じ周期の水平同期信号ＨＤの周期を、ＴＧ１８に対して１０００周期と３０００周期に設定可能とし、電子シャッタパルス出力時は１０００周期に設定することで、図１１に示すタイミングチャートの動作を実現することができる。

高速化制御方法の第３の例は、垂直同期信号ＶＤの周期を通常よりも短くするものである。図１の例では、ＶＤ信号を信号処理ＩＣ１９のＣＣＤＩ／Ｆ２０より出力している。このＶＤ信号の周期は可変であり、ＣＰＵ２１がＣＣＤ１３の種類や動作モードに合わせてＣＣＤＩ／Ｆ２０のレジスタに周期を設定している。このＶＤ周期の設定は、水平同期信号ＨＤのパルス数を、ＣＣＤＩ／Ｆ２０のレジスタに設定することで行う。つまり、水平同期信号ＨＤのパルス数が設定の基準となる。

ＣＣＤ１３を駆動しているＴＧ１８は、ＶＤ信号の立下りエッジを基準に、電子シャッタパルスの出力パルス数を制御している。具体的には、ＶＤ信号の立下りから、水平同期信号ＨＤを何パルス出力するまで電子シャッタパルスを出力し、それ以降は電子シャッタパルスを出力しないのかを制御する。電子シャッタパルスのパルス数設定は、ＣＰＵ２１からＴＧに設定する。残留電荷を排出し撮影画像に縞模様が発生しないようにするためには、前記したように３１パルスの電子シャッタパルスを出力しようとすればよいので、残留電荷を排出するための垂直同期期間は、３１パルスの電子シャッタパルスを出力する時間だけあれば良い。

かかる着想のもとに本発明の目的を達成した例を図１２に示す。図１２に示す例では、電子シャッタパルス出力時に、水平同期信号ＨＤが３１パルス出力されると次の垂直同期信号（ＶＤ）が出力されるようにして、電子シャッタパルス出力時の垂直同期信号（ＶＤ）の１周期を短縮している。電子シャッタパルスの数は上記水平同期信号ＨＤのパルス数と同じ３１となる。この例によれば、クロックは変更しなくても、電子シャッタパルス出力時の垂直同期信号（ＶＤ）の周期が水平同期信号ＨＤの３１パルス分（３１水平ライン分）になっているので、電子シャッタパルス出力時間が約４ｍｓｅｃ（３１パルス×０．１３ｍｓｅｃ＝４．０３ｍｓｅｃ）に短縮される。この方法も、露光に先立って行われる電子シャッタパルスによって不要な蓄積電荷の掃き捨てが十分に行われる。この電子シャッタパルス出力期間は、ＣＣＤからの画像信号出力およびＣＣＤにおける電荷蓄積動作は、一切行われないため、画質への悪影響はない。よって、画質の劣化がなく、かつ、撮影レスポンスの遅れを極めて小さくすることができる。

図１２に示す例のような動作を、図３に示す例でも同様に行わせることができる。すでに説明したように、図３に示す例はＴＧ１９がＶＤ信号を出力している。ＨＤおよびＶＤの周期はＣＰＵ２１からシリアル通信によってその周期を設定することで可能であるから、ＴＧ１８に水平同期信号３１パルス分のＶＤ周期を設定することによって、図１２に示すタイミングチャートの例と同様の動作を実現することができる。

高速化制御方法の第４の例は、水平同期信号ＨＤの１周期（１Ｈ）に２パルス（本）の電子シャッタパルスを出すことによって電子シャッタパルス出力時間を短縮化する方法である。図１および３に示す例におけるＴＧ１８は、ＣＰＵ２１からの設定により１Ｈ中に複数の電子シャッタパルスを出力することができる。そこで、図１３に示す例では、１Ｈに２パルスの電子シャッタパルスを出力するモードと、上記第３の方法を組み合わせたものである。１Ｈに２パルスの電子シャッタパルスが出力されるため、３２パルスの電子シャッタパルスを出すためには、１フレームを水平同期信号ＨＤの１６周期（１６Ｈ）とすればよいから、電子シャッタパルス出力時間を約２ｍｓｅｃ（１６パルス×０．１３ｍｓｅｃ＝２．０８ｍｓｅｃ）に短縮することができる。

このように、図１３に示す例によれば、電子シャッタパルス出力時間をさらに短縮化することができ、撮影レスポンスの遅れがないに等しいほどにレスポンスを高めることができる。もちろん、静止画用の露光の前に十分な数の電子シャッタパルスを出力することによって撮像素子の残留電荷を確実に掃き出すことができ、画質の劣化もない。

また、静止画露光前に最低限必要な電子シャッタパルス数が４パルスであるとすれば、ＴＧ１８が水平同期信号の１周期（１Ｈ）に４パルスの電子シャッタパルス出力が可能なシステムであればよく、最初に１Ｈに４パルスの電子シャッタパルスを出すことで、電子シャッタパルス出力用の１フレームを不要にすることができる。

以上説明した高速化制御方法の第１、第２、第３、第４の例はそれぞれ独立して設定することができるため、図１３に示す例のように、複数の方法を組み合わせて動作させることも可能である。例えば、図１４に示す例は、前記第２の制御方法と第３の制御方法を組み合わせたもののタイミングチャートである。すなわち、電子シャッタパルス出力時の垂直同期信号１周期における水平同期信号のパルス数を通常の１／３の１０００として電子シャッタパルス期間を１／３に短縮し、加えて、電子シャッタパルス出力時の垂直同期信号周期を３１／２５６にしている。このような構成にすることで、電子シャッタパルスを出すための１フレームが２ｍｓｅｃ以下に短縮され、実質的にレスポンス低下がないのと同等のレスポンスを得ることができる。

本発明にかかる撮像素子駆動方法および撮像装置を適用可能なデジタルカメラの制御系統の例を示すブロック図である。 本発明を適用可能なカメラの例を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は背面図である。 本発明にかかる撮像素子駆動方法および撮像装置を適用可能なデジタルカメラの制御系統の別の例を示すブロック図である。 カメラにおける分割した特徴抽出エリアの例を示すファインダ視野図である。 本発明における通常モードでの静止画記録の動作例を示すタイミングチャートである。 デジタルカメラにおける間引き転送読み出しの例を示す固体撮像素子の画素のイメージ図である。 デジタルカメラにおける全画素フィールド転送読み出しの例を示す固体撮像素子の画素のイメージ図である。 デジタルカメラにおける露光時間と電子シャッタパルス数の関係の例を示すもので、（ａ）は露光時間１／３０秒、（ｂ）は１／６０秒、（ｃ）は１／１５秒、（ｄ）は１／２４秒の例を示すタイミングチャートである。 デジタルカメラにおけるモニタ表示の縞模様発生とその防止策を説明するためのタイミングチャートである。 本発明にかかる撮影レスポンス高速化の例を示すタイミングチャートである。 本発明にかかる撮影レスポンス高速化の別の例を示すタイミングチャートである。 本発明にかかる撮影レスポンス高速化のさらに別の例を示すタイミングチャートである。 本発明にかかる撮影レスポンス高速化のさらに別の例を示すタイミングチャートである。 本発明にかかる撮影レスポンス高速化のさらに別の例を示すタイミングチャートである。 従来一般のデジタルカメラの電子シャッタによる露光量制御の例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０ レンズユニット
１２ 撮像部
１３ 固体撮像素子としてのＣＣＤ
１９ 信号処理ＩＣ
２０ ＣＣＤＩ／Ｆ
２１ ＣＰＵ
２２ 画像処理部
２５ 表示Ｉ／Ｆ
２９ モータドライバ
３０ 発振器
３１ 分周器

Claims (6)

1. シャッタパルスを印加することにより、フォトセンサからなる電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を半導体基板側に掃き捨てて露光期間の制御を行う固体撮像素子の駆動方法において、
   露光を開始する前に印加するシャッタパルスを２回以上の所定回数以上とし、固体撮像素子を駆動するためのクロックを切り換えることが可能な駆動クロック切り換え工程を備え、露光開始前の所定回数以上のシャッタパルス出力期間では通常の露光期間よりも周期の短い駆動クロックに同期してシャッタパルスを出力することを特徴とする撮像素子駆動方法。
2. シャッタパルスを印加することにより、フォトセンサからなる電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を半導体基板側に掃き捨てて露光期間の制御を行う固体撮像素子の駆動方法において、
   露光を開始する前に印加するシャッタパルスを２回以上の所定回数以上とし、
   シャッタパルスは、水平同期信号に同期して出力され、
   固体撮像素子を駆動するための水平同期信号の出力周期を切り換え可能な水平同期周期切り換え工程を備え、露光開始前の所定回数以上のシャッタパルス出力期間では通常の露光期間よりも短い周期の水平同期周期を用いることを特徴とする撮像素子駆動方法。
3. 固体撮像素子を駆動するための垂直同期信号の出力周期を切り換え可能な垂直同期周期切り換え工程を備え、露光開始前に露光時よりも短い周期の垂直同期信号出力期間を設け、その間に所定回数以上のシャッタパルスを出力することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子駆動方法。
4. シャッタパルスを印加することによりフォトセンサからなる電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を半導体基板側に掃き捨てて露光期間の制御を行う固体撮像素子と、シャッタパルスを出力するシャッタパルス発生手段と、シャッタパルス出力数を変更するシャッタパルス数変更手段と、を備えた撮像装置において、
   シャッタパルス発生手段は、静止画記録用の露光開始前に印加するシャッタパルスを２回以上の所定回数以上発生させ、
   固体撮像素子を駆動するためのクロックを切り換えることが可能な駆動クロック切り換え手段を備え、所定回数以上のシャッタパルス出力期間では通常の露光期間よりも短い周期の駆動クロックに同期してシャッタパルスを出力することを特徴とする撮像装置。
5. シャッタパルスを印加することによりフォトセンサからなる電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を半導体基板側に掃き捨てて露光期間の制御を行う固体撮像素子と、シャッタパルスを水平同期信号に同期して出力するシャッタパルス発生手段と、シャッタパルス出力数を変更するシャッタパルス数変更手段と、を備えた撮像装置において、
   シャッタパルス発生手段は、静止画記録用の露光開始前に印加するシャッタパルスを２回以上の所定回数以上発生させ、
   固体撮像素子を駆動するための出力周期を切り換え可能な水平同期信号を出力する水平同期信号出力手段を備え、
   水平同期信号出力手段は、所定回数以上のシャッタパルス出力期間では通常の露光期間よりも短い周期の水平同期信号を出力することを特徴とする撮像装置。
6. 固体撮像素子を駆動するための出力周期を切り換え可能な垂直同期信号を出力する垂直同期信号出力手段を備え、垂直同期信号出力手段は、所定回数以上のシャッタパルス出力期間では通常の露光期間よりも短い周期の垂直同期信号を出力することを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置。

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