JP4684934B2 - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置において、メカニカルシャッターおよび電子シャッターを併用して撮像動作を行なう技術に関するものである。

従来、一眼レフレックスタイプのデジタルカメラでは、撮像素子の被写体側にフォーカルプレーンシャッター（以下、メカニカルシャッターと呼ぶ）が設けられているのが一般的である。メカニカルシャッターには、シャッターを開閉するための先幕と後幕が設けられており、これらの先幕および後幕は一般的にバネ力で駆動され、先幕及び後幕の走行開始位置における保持は電磁石による吸着力を用いて行なわれる。

ところで、従来より、一眼レフレックスタイプのデジタルカメラにおいて、上記のメカニカルシャッターと撮像素子の電子シャッターを併用して撮像動作を行なう技術が知られている（特許文献１参照）。具体的には、撮像素子の露光開始タイミングを電子シャッターによるライン毎のリセット動作により決定し（以下、電子先幕と呼ぶ）、露光終了タイミングをメカニカルシャッターの後幕を用いて決定する（以下、メカ後幕と呼ぶ）方法である。
特開平１１−４１５２３号公報

このように、電子先幕とメカ後幕を用いて露光動作を行う場合においては、撮影画面の全領域における露光量を一定とするためには、メカ後幕の走行開始の時間及び走行曲線の変化に応じて電子先幕の駆動タイミングを制御する必要がある。

しかしながら、特許文献１では、電子シャッターの駆動パターンをメカニカルシャッターの後幕の走行パターンに略合致させる具体的な方法は開示されていなかった。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、メカシャッターと電子シャッターを併用して撮像動作を行なう場合に、電子シャッターの駆動パターンとメカシャッターの後幕の走行パターンを略合致させるようにすることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる撮像装置は、複数の画素ラインを有する撮像素子と、前記撮像素子への光路を開放するための先幕と前記光路を遮蔽するための後幕とを有するシャッターと、前記先幕と後幕の走行特性を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された前記先幕及び後幕の走行特性の時間差分を記憶する記憶手段と、前記各画素ラインに対して、前記先幕により光路が開放されてから前記記憶手段に記憶されている前記時間差分だけ遅れてリセットを行うリセット手段と、前記各画素ラインに対して、リセットされてから設定された露光時間だけ遅れて前記後幕により光路を遮蔽させる後幕駆動手段と、を具備することを特徴とする。

また、本発明に係わる撮像装置の制御方法は、複数の画素ラインを有する撮像素子と、前記撮像素子への光路を開放するための先幕と前記光路を遮蔽するための後幕とを有するシャッターと、前記先幕と後幕の走行特性を検出する検出手段とを備える撮像装置の制御方法であって、前記検出手段により検出された前記先幕及び後幕の走行特性の時間差分を記憶する記憶工程と、前記各画素ラインに対して、前記先幕により光路が開放されてから前記記憶工程において記憶された前記時間差分だけ遅れてリセットを行うリセット工程と、前記各画素ラインに対して、リセットされてから設定された露光時間だけ遅れて前記後幕により光路を遮蔽させる後幕駆動工程と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、メカシャッターと電子シャッターを併用して撮像動作を行なう場合に、電子シャッターの駆動パターンとメカシャッターの後幕の走行パターンを略合致させることが可能となる。

以下、本発明の好適な一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の撮像装置の一実施形態である一眼レフレックスタイプのデジタルカメラの構成を示すブロック図である。

図１において、デジタルカメラは、カメラ本体１００と、カメラ本体１００に装着される交換レンズ２０１とを備えている。

まず、交換レンズ２０１内の構成について説明する。

撮影レンズ２０１ａは、後述する撮像素子１０４上に被写体像を結像させるために光軸Ｌ方向に移動可能となっている。ここで、図１では、１つのレンズだけを示しているが、撮影レンズ２０１ａは複数のレンズユニットで構成されるのが一般的である。レンズＣＰＵ２０１ｂは、レンズ駆動回路２０１ｃを介して、撮影レンズ２０１ａの駆動を制御する。また、レンズＣＰＵ２０１ｂは、交換レンズ２０１側の通信接点２０１ｄおよびカメラ本体１００側の通信接点１１０を介して、カメラ本体１００内のカメラＣＰＵ１０１と通信可能である。

次に、カメラ本体１００内の構成について説明する。

カメラが非撮影状態（図１に示す状態）にある場合において、撮影レンズ２０１ａを通過した被写体光束のうちの一部の光束は、撮影光路内に位置するミラー部材１０２で反射されてファインダ光学系１０３に導かれる。これにより、撮影者は、ファインダ光学系１０３を介して被写体像を観察することができる。

カメラが非撮影状態から撮影状態に移行すると、ミラー部材１０２が撮影光路から退避することで、撮影レンズ２０１ａからの被写体光束は、ＣＭＯＳセンサからなる撮像素子１０４側に向かう。ここで、撮像素子１０４の被写体に近い側には、フォーカルプレンシャッター（以下、メカニカルシャッター）１０５が配置されており、メカニカルシャッター１０５が閉じた状態から開いた状態に移行することで、被写体光束は撮像素子１０４に到達する。

メカニカルシャッター１０５は、複数の遮光羽根でそれぞれ構成されるメカ先幕およびメカ後幕を有しており、メカ先幕及びメカ後幕の走行特性をシャッター幕走行検出部１１３によりそれぞれ検出し、その時間差分をカメラＣＰＵ１０１が記憶する。このメカ先幕及びメカ後幕の走行特性の時間差分の検出については後に詳述する。

ここで、カメラＣＰＵ１０１は、シャッター駆動回路１０６を介してメカニカルシャッター１０５の駆動を制御する。また、撮像素子１０４には、パルス発生回路１０７から走査クロックや所定の制御パルスが供給される。パルス発生回路１０７で発生した走査クロックのうち垂直走査用のクロックは、垂直駆動変調回路１０８によって所定の周波数に変調されて、撮像素子１０４に入力される。そして、撮像素子１０４は、その受光面に入射する光量に応じて発生する電荷を蓄積する蓄積モード、蓄積された電荷を排出するリセットモード、及び蓄積された電荷を読み出す読み出しモードなどで制御される。これらのモードにおける撮像素子１０４の駆動制御はＣＰＵ１０１によって行われる。また、パルス発生回路１０７は、信号処理回路１０９にもクロック信号を出力する。

信号処理回路１０９は、撮像素子１０４から読み出された信号に対して所定の処理（色処理やガンマ補正等）を施すことにより画像データを生成する。生成された画像データは、映像表示回路１１０に出力されて撮影画像として表示されたり、画像記録回路１１１に記録されたりする。

スイッチユニット１１２は、撮影条件等を設定するために操作されるスイッチや、撮影準備動作および撮影動作を開始させるために操作されるスイッチを含む。そして、カメラＣＰＵ１０１は、スイッチユニット１１２の操作に応じた動作を行う。

本実施形態のデジタルカメラでは、後述するように、メカ先幕に代えて電子シャッターによる撮像素子１４の１ライン毎のリセット動作（電子先幕）を用いるとともに、メカ後幕を用いて、本撮影（静止画像を得るための撮影）を行うことができる。

ここで、電子先幕とメカ後幕を用いて撮影を行う場合でも、メカ先幕が必要である理由について、以下に説明する。

撮像素子としてプログレッシブスキャンタイプのＣＣＤ（ＰＳ−ＣＣＤ）を用いた場合、機能面ではメカニカルシャッターを配置する必要がないように考えられるが、実際にはスミア対策のためにメカニカルシャッターを配置する必要がある。

具体的には、メカニカルシャッターが無かった場合には、電子シャッターによる蓄積動作を終了させるために各画素からの電荷読み出しを開始すると、この電荷の読み出し開始から読み出し終了までの僅かな間にも、各画素には電荷が蓄積されてしまう。この読み出し時間の間に蓄積される電荷がスミアの原因となり、スミアを完全に除去することができない。これを避けるために、メカニカルシャッターが必要となる。

また、近年、大判のＣＭＯＳセンサの技術開発が進み、大型の撮像素子が必要とされる一眼レフレックスカメラでは、ＣＣＤよりもＣＭＯＳセンサを用いるほうが好ましくなってきている。この場合、ＣＭＯＳセンサは、ＰＳ−ＣＣＤのように全ての画素において一括して電子シャッターにて蓄積動作を終了させる機能を有していない。そのため、ＣＣＤではなくＣＭＯＳセンサを用いる場合でも、メカニカルシャッターの先幕及び後幕がともに必要となる。

図２は、本実施形態における固体撮像素子１０４とメカニカルシャッター１０５、さらにはシャッター幕走行検出部１１３を交換レンズ２０１側から見た正面図である。

図２において、シャッター幕走行検出部１１３は、シャッター幕の走行方向（矢印２０の方向）に配置された複数の発光部７−１，７−２，…７−ｎと、これらの発光部７−１〜７−ｎに対向する位置にそれぞれ配置されている不図示の複数の受光部とを備える。これらの発光部と受光部の組み合わせにより複数のフォトインタラプタ７Ａ−１，７Ａ−２，…７Ａ−ｎを構成している。フォトインタラプタ７Ａ−１〜７Ａ−ｎは撮像素子１０４のＮライン（Ｎは自然数）に１つの割合で設けられ、発光部７−１〜７−ｎと受光部の間を先幕２及び後幕３が通過するように配置される。

図２から分かるように、先幕２と後幕３のスリット部分にあるフォトインタラプタ７Ａ−ｉ（ｉは１〜ｎのいずれか）の受光部が発光部７−ｉからの光を受光することができる。そのため、先幕２または後幕３により発光部７−１〜７−ｎの光が遮られているときは、受光部からの出力は低くなり、発光部７−１〜７−ｎと受光部との間に先幕２及び後幕３が無いときには、受光部からの出力は高くなる。その出力差で先幕２及び後幕３の走行を順次検出することができる。

言い換えると、例えば、発光部７−１に対応する受光部の出力が低い状態から高い状態に変化する瞬間に、先幕２の先端がフォトインタラプタ７Ａ−１の位置を通り過ぎたことを検出することができる。同様に、発光部７−１に対応する受光部の出力が高い状態から低い状態に変化する瞬間に後幕３の先端がフォトインタラプタ７Ａ−１の位置を通り過ぎたことを検出することができる。

次に、メカニカルシャッター１０５の先幕２と後幕３の走行特性の差分を求める方法について説明する。図３は、先幕２及び後幕３の走行特性を示す図である。

まず、カメラの製造工程において、メカニカルシャッター１０５を駆動して、先幕２と後幕３を走行させ、先幕２の走行特性曲線２１と後幕３の走行特性曲線２２の差分を求める。このとき、先幕２及び後幕３は、従来と同様にバネ力により走行するものとする。また、先幕２は後幕３よりも走行速度を遅くして、先幕駆動部の機械的構成を容易にするものとする。この場合、先幕２と後幕３を同時に走行開始させると後幕３が先幕２を追い越してしまうこととなるので、後幕３が先幕２を追い越さない余裕をとった時間ΔＴだけ後幕３の走行開始タイミングを遅らせて走行させる。

図３において、先幕２と後幕３を走行させて先幕２の先端がフォトインタラプタ７Ａ−１の位置を通り過ぎた瞬間の時刻をＴＦ１、後幕３の先端がフォトインタラプタ７Ａ−１の位置を通り過ぎた瞬間の時刻をＴＳ１とする。そうすれば、ＴＳ１−ＴＦ１により、フォトインタラプタ７Ａ−１の位置を通過する先幕２と後幕３の時間差ΔＴ１を求めることができる。同様に、先幕２の先端がフォトインタラプタ７Ａ−２の位置を通り過ぎた瞬間の時刻をＴＦ２、後幕３の先端がフォトインタラプタ７Ａ−２の位置を通り過ぎた瞬間の時刻をＴＳ２とする。そうすれば、ＴＳ２−ＴＦ２により、フォトインタラプタ７Ａ−２の位置を通過する先幕２と後幕３の時間差ΔＴ２を求めることができる。

このようにして、図３に示すような先幕２と後幕３の走行特性の時間差ΔＴ１〜ΔＴｎが得られる。そして、ＣＰＵ１０１は、カメラの製造工程において、これらの先幕２と後幕３の各フォトインタラプタ７Ａ−１〜７Ａ−ｎを通過する時間差ΔＴ１，ΔＴ２，…ΔＴｎの値を記憶しておく。また、各フォトインタラプタの間の位置における先幕２と後幕３の通過時間差は、ΔＴ１，ΔＴ２，…ΔＴｎの値から適当な関数を用いて補間する。

次に、図２及び図４を参照して、実際の撮影時の電子シャッターとメカニカルシャッターの動作について説明する。

図２において、４は撮像面で先幕２が走行開始後、フォトインタラプタ７Ａ−１〜７Ａ−ｎで先幕２が通過する瞬間を検出する。そして、先幕の通過検出からカメラＣＰＵ１０１が記憶した先幕２及び後幕３の走行特性の時間差分（図３のΔＴ１〜ΔＴｎ）遅れて撮像素子１０４の各ラインのリセット(電子先幕)を行い露光を開始(５のライン)する。撮像素子１０４のフォトインタラプタ７Ａ−１に対応する位置のラインのリセット後、設定されたシャッター秒時６（図４のｔ）となるよう後幕３が走行を開始し、撮像素子４を覆いメカ的に露光を終了させる。

図４は先幕２及び後幕３の走行特性を示す図で、１１はメカ先幕走行特性、１３はメカ後幕走行特性である。１４はカメラＣＰＵ１０１が記憶している先幕２と後幕３との走行特性の時間差分（ΔＴ１〜ΔＴｎ）であり、１２は撮像素子１０４のリセット走行特性(電子先幕走行特性)でメカ後幕走行特性１３とほぼ同等の走行特性となる。そして、設定されたシャッター秒時ｔ後に後幕３を走行させることで露出精度の良いシャッターとなる。

また、先幕走行特性１１は後幕走行特性１３より速度(幕速)が遅く設定されているので先幕駆動部の機械的構成が容易になる。

また、本実施形態では複数の検出部（フォトインタラプタ７Ａ−１〜７Ａ−ｎ）でそれぞれの時間差を検出し記憶している。しかし、シャッターの先幕及び後幕の走行特性(距離ｙと時間ｘの関係)は、ｙ=ａｘ²の二次関数と近似できるので、走行開始、中央、走行完直前の最低３箇所を検出し、係数ａが異なる２つの二次関数として記憶しても同様の効果がある。このことにより検出部の数を減らして、検出部の小型化及びローコスト化が可能となる。

図５は本実施形態における撮影動作を示すフローチャートである。

図５において、カメラの撮影動作を開始すると、ステップＳ１１においてミラーアップを行いステップＳ１２に進みメカ先幕２を走行させる。ステップＳ１３ではメカ先幕の走行をシャッター幕走行検出部１１３により検出し、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４ではカメラＣＰＵ１０１に記憶したメカ先幕２とメカ後幕３との時間差分後に撮像素子１０４の各ラインのリセット(電子先幕走行)を開始し、露光を開始する。なお、メカ先幕２とメカ後幕３との時間差分は、カメラの製造工程で既にカメラＣＰＵ１０１に記憶されている値を用いる。ステップＳ１５では設定されたシャッター秒時後にメカ後幕３を走行させ露光を終了する。ステップＳ１６ではシャッター幕走行検出部１１３により検出したメカ先幕２とメカ後幕３の走行特性の時間差分をカメラＣＰＵ１０１に記憶し、ステップＳ１７へと進む。このとき、シャッター幕走行検出部１１３により検出したメカ先幕２とメカ後幕３の走行特性の時間差分は、製造時に検出した時間差分には上書きせずに、製造時に検出した時間差分とは別に新たに記憶する。ステップＳ１７では、不図示のチャージモーターを作動させ、ミラーダウン及びシャッターチャージを行い撮影を完了する。

なお、１回の撮影毎に記憶したメカ先幕２とメカ後幕３の走行特性の時間差分は、所定の回数の撮影毎（例えば１００回毎）に平均し、その平均値で製造時に検出した時間差分を更新する。そして、上記の所定の回数の撮影を終了する毎にメカ先幕２とメカ後幕３の走行特性の時間差分を更新していく。このようにすれば、メカニカルシャッターの経時変化によるメカ先幕２とメカ後幕３の走行特性の経時変化を補正することができる。

以上説明した通り本実施形態によれば、メカ先幕及びメカ後幕の走行を検出し、メカ先幕及びメカ後幕の走行特性の時間差分を記憶する。また、実際の撮影時には、メカ先幕の走行を検出し、記憶された時間差分後に電子先幕を走行させるようにしている。そのため、電子先幕の駆動パターンとメカシャッターの後幕の走行パターンを略合致させることが可能となる。さらに、メカ先幕の速度を遅く設定しているのでメカ先幕機構が簡素化できチャージ力の低減、シャッターの小型化が可能となり、安価で更に高速なシャッターを実現することができる。

本発明の撮像装置の一実施形態である一眼レフレックスタイプのデジタルカメラの構成を示すブロック図である。 一実施形態における固体撮像素子とメカニカルシャッター、さらにはシャッター幕走行検出部を交換レンズ側から見た正面図である。 メカニカルシャッターの先幕及び後幕の走行特性を示す図である。 メカニカルシャッターの先幕及び後幕の走行特性を示す図である。 一実施形態における撮影動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１ カメラＣＰＵ
１０４ 撮像素子
１０５ フォーカルプレンシャッター（メカニカルシャッター）
１１３ シャッター幕走行検出部

Claims (4)

1. 複数の画素ラインを有する撮像素子と、
   前記撮像素子への光路を開放するための先幕と前記光路を遮蔽するための後幕とを有するシャッターと、
   前記先幕と後幕の走行特性を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記先幕及び後幕の走行特性の時間差分を記憶する記憶手段と、
   前記各画素ラインに対して、前記先幕により光路が開放されてから前記記憶手段に記憶されている前記時間差分だけ遅れてリセットを行うリセット手段と、
   前記各画素ラインに対して、リセットされてから設定された露光時間だけ遅れて前記後幕により光路を遮蔽させる後幕駆動手段と、
   を具備することを特徴とする撮像装置。
2. 前記先幕の走行速度は、前記後幕の走行速度より遅いことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 複数の画素ラインを有する撮像素子と、前記撮像素子への光路を開放するための先幕と前記光路を遮蔽するための後幕とを有するシャッターと、前記先幕と後幕の走行特性を検出する検出手段とを備える撮像装置の制御方法であって、
   前記検出手段により検出された前記先幕及び後幕の走行特性の時間差分を記憶する記憶工程と、
   前記各画素ラインに対して、前記先幕により光路が開放されてから前記記憶工程において記憶された前記時間差分だけ遅れてリセットを行うリセット工程と、
   前記各画素ラインに対して、リセットされてから設定された露光時間だけ遅れて前記後幕により光路を遮蔽させる後幕駆動工程と、
   を具備することを特徴とする撮像装置の制御方法。
4. 前記先幕の走行速度は、前記後幕の走行速度より遅いことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置の制御方法。

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