JP4704719B2

JP4704719B2 - 撮像装置

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Publication number: JP4704719B2
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Inventors: 広伊藤
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Priority date: 2004-10-05
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Publication date: 2011-06-22
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Description

本発明は、アスペクト比を可変することができる撮像装置に関するもので、特に、画角を変化させずに、複数のアスペクト比の領域を同時に読み出せるようにしたものに関する。

ディジタルカメラやビデオカメラの横縦アスペクト比は、（１６：９）や（４：３）、（３：２）等、様々なものがある。例えば、ＨＤ(High Definition)用のテレビカメラではアスペクト比が（１６：９）となっており、ＳＤ(Standard Definition )用のテレビカメラではアスペクト比が（４：３）となっている。

また、同じカメラでこれら複数のアスペクト比に対応できるテレビカメラが存在している。通常、アスペクト比を変化させた場合には、アスペクト比に応じて、撮像素子の有効領域が切り換えられる。例えば、図１３（Ａ）に示すように、（１６：９）のアスペクト比の撮像素子があるとすると、この撮像素子の有効領域一杯に被写体を撮像すれば、（１６：９）のアスペクト比になる。この撮像素子の撮像画面の中に、（４：３）の有効領域ＡＲ１１２を設定すると、図１３（Ｂ）に示すように、（４：３）のアスペクト比になる。

ところが、このように、有効領域を切り換えてアスペクト比を変えると、画角が変わり、撮像できる領域が変化してしまうという問題が生じる。

つまり、図１４(Ａ)はイメージサークルＣＲ１０１に内接する横縦比（１６：９）のアスペクト比の撮像素子で、有効領域一杯に、被写体１０１を撮像している。アスペクト比を（１６：９）から（４：３）の画面に切り換える場合には、図１４（Ｂ）に示すように、同一の撮像素子に有効領域ＡＲ１１２が設定される。このように、（１６：９）の撮像素子の画面から、（４：３）の部分の有効領域を設定してアスペクト比を変更した場合には、内側の円ＣＲ１０２が実質的に有効なイメージサークルとなり、被写体１０１の両側部分（魚の頭と尾の部分）が撮像領域から外れて撮像できなくなってしまう。

そこで、このように撮像領域を変化させることができる撮像装置において、画角が変化しないようにした撮像装置として、特許文献１に示すようなものが提案されている。この特許文献１に示されているものは、ズーム機構を有するレンズを用い、焦点距離を変化させることで、撮影画角が変わることがないようにしたものである。

つまり、カメラの画角Ａは、図１５に示すように、撮像素子が撮像する有効領域の対角長Ｄと、焦点距離ｆにより、以下で表せる。
Ａ＝２tan^-1（Ｄ／２ｆ） …（１）
よって、画角Ａを不変とするためには、Ｄ／２ｆの値を一定値Ｃに保てば良いことになる。

図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示したように、アスペクト比（１６：９）の撮像素子の画面から、（４：３）の有効領域を設定してアスペクト比を変更すると、有効領域の対角線の長さＤが、Ｄ１１からＤ１２に変化することになる。（１）式より、画角Ａを一定にしたまま、アスペクト比を変えるためには、
ｆ＝Ｄ／２Ｃ …（２）
の関係を保つように、Ｄの変化に対応してｆを変化させれば良い。

特許文献１では、アスペクト比の変更時、これによって切り替わるDの値に応じ、ズームレンズを自動制御することにより、焦点距離fを（２）式に従って変化させ、画角を一定に保つものである。

また、特許文献２にも、同様の手法により、撮影画角が変わることがないようにしたものが開示されている。
特開平８−２５１４７１号公報特許第３５１６０７１号公報

ところが、特許文献１に示される例では、アスペクト比の変換をするために、ズームレンズを制御して、焦点距離を変化させる必要がある。このため、ズームレンズを有していない小型のカメラでは実現できないと共に、メカニカル制御によるため、応答速度が長くなり、電力消費が増大になるという問題がある。

また、画角を一定にするために、電子ズームを使用することが考えられる。ところが、電子ズームは、画面を拡大補間するものであり、電子ズームを使うと、画像の像度度が低下するという問題が生じる。

本発明は、上述の従来の課題を鑑み、画角を変えることなく、アスペクト比の異なる複数の映像信号を同時に得ることができるようにした撮像装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、被写体の像を結像面に結像する結像光学系と、少なくとも２つの異なるアスペクト比の有効撮像領域を複数有し、この複数の有効撮像領域から同時に画素信号を読み出すための複数の水平走査回路を具備した撮像素子とを有する撮像装置において、異なるアスペクト比毎に、有効撮像領域の４つの頂点が、撮像素子のイメージサークルに略内接させるように有効撮像領域を設定し、当該有効撮像領域について、少なくとも２つ以上の異なる水平画素数および垂直画素数からなる複数の領域に分割した分割画素領域を設定する撮像領域設定手段を有し、複数の水平走査回路は、複数の分割画素領域に対応して独立して設けられ、該独立した複数の水平走査回路により、複数の分割画素領域からの画素信号を同時に出力する、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、撮像素子から読み出した複数の分割画素領域のそれぞれの画素信号を同時に処理して複数の画像信号を同時に出力する信号処理部と、信号処理部からの複数の画像信号を受信し、撮像領域設定手段によって変更されたアスペクト比に基づいて、受信した複数の画像信号を同時に処理して、異なるアスペクト比のそれぞれに対応した映像信号に分離する信号分離部と、信号分離部によって分離された映像信号を受信し、異なるアスペクト比毎の複数の映像信号を同時に出力する複数の信号出力手段を有する信号出力部とをさらに設けたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、撮像素子から読み出した複数の有効最像領域のそれぞれの画素信号を同時に処理して複数の画像信号を同時に出力する信号処理部と、信号処理部からの複数の画像信号を受信し、撮像領域設定手段によって変更されたアスペクト比に基づいて、受信した複数の画像信号を同時に処理して、異なるアスペクト比のそれぞれに対応した映像信号に分離する信号分離部と、信号分離部によって分離された映像信号を受信し、異なるアスペクト比毎の複数の映像信号を同時に記録する複数の記録手段を有する信号記録部とをさらに設けたことを特徴とする。

本発明によれば、独立して動作する複数の水平走査回路を用いることで、アスペクト比の異なる撮像情報を同時に読み出すことができる。そして、イメージサークルより大きい有効撮像領域を設け、有効撮像領域の４つの頂点を、イメージサークルに略内接させることで、画角を変えずに、アスペクト比の異なる撮像情報を読み出すことができる。

また、本発明によれば、アスペクト比の異なる撮像情報を同時に読み出し、アスペクト比が異なる２つの撮像信号を同時に出力することができる。また、アスペクト比の異なる撮像情報を同時に読み出し、アスペクト比が異なる２つの撮像信号を同時に記録することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明は、画角を変えることなく、複数のアスペクト比の領域の映像信号を同時に得ることができるようにしたものである。本発明の実施形態を説明するに先立ち、画角を変えることなく、アスペクト比を変更するための基本原理について説明する。

図１は、画角を変えることなくアスペクト比を変更するための基本構成を示すものである。図１において、撮像素子１の前面に、レンズ２が配置される。レンズ２により集光された被写体像光が撮像素子１の受光面に結像され、撮像素子１により、被写体像光が光電変換される。撮像素子１の撮像領域は、撮像領域変更部４により設定可能とされている。撮像素子１の出力信号は、信号処理部３に送られ、信号処理が行われる。

図１において、レンズ２により集光された被写体像光が撮像素子１の受光面に結像されると、撮像素子１の受光面には、図２に示すように、イメージサークルＣＲ１が生じる。図２は、本発明が適用されたディジタルカメラにおける受光領域ＡＲ１とイメージサークルＣＲ１との関係を示すものである。なお、ここで、受光領域ＡＲ１は、撮像素子１の受光面のうち、光電変換を行うことのできる画素の集合体である。

画角を変えることなくアスペクト比を変更可能とするためには、図２に示すように、レンズ２により生じるイメージサークルＣＲ１の内側の全てが受光領域ＡＲ１となるように、レンズ２に対して撮像素子１が配置される。すなわち、図２の例では、撮像素子１として、その受光領域ＡＲ１の大きさがイメージサークルＣＲ１よりも大きいものが用いられる。そして、受光領域ＡＲ１がイメージサークルＣＲ１に外接するように、撮像素子１が配置される。

このように、レンズ２により生じるイメージサークルＣＲ１の少なくとも内側全てが撮像素子１の受光領域ＡＲ１となるようにすると、撮像領域変更部４により、図３（Ａ）及び図３（Ｃ）に示すように、４つの頂点がイメージサークルＣＲ１内に内接するように有効領域を設定することで、画角を変更させずに、アスペクト比が自由に設定できる。

図３（Ａ）は、アスペクト比を（１６：９）に設定したときの例を示すものである。アスペクト比を（１６：９）に設定する場合には、図３（Ａ）に示すように、横と縦の比が（１６：９）となるように、イメージサークルＣＲ１に内接する４つの頂点ａ１、ａ２，ａ３、ａ４が決められ、頂点ａ１〜ａ４で囲まれる領域が有効領域ＡＲ１１とされる。受光領域ＡＲ１内の撮像画面から、有効領域AＲ１１内の画面を撮像画面として取り出すと、図３（Ｂ）に示すように、アスペクト比（１６：９）の撮像画面を得ることができる。

アスペクト比を（４：３）に設定する場合には、図３（Ｃ）に示すように、横と縦の比が（４：３）となるように、イメージサークルＣＲ１に内接する４つの頂点ａ１１、ａ１２，ａ１３、ａ１４が決められ、頂点ａ１１〜ａ１４で囲まれる領域が有効領域ＡＲ１２とされる。受光領域ＡＲ１内の撮像画面から、有効領域ＡＲ１２内の画面を撮像画面として取り出すと、図３（Ｄ）に示すように、アスペクト比（４：３）の撮像画面を得ることができる。

このように、４つの頂点がイメージサークルＣＲ１内に内接するように有効領域を設定することで、アスペクト比を自由に変えることができる。この場合、アスペクト比を変化させても、画角が変わらない。このことについて説明する。

前述したように、画角は下式で表される。
Ａ＝２tan^-1（Ｄ／２ｆ）
上式より、アスペクト比を変更しても対角長Ｄが変わらなければ、フォーカスｆを一定にしたまま、画角を一定に保つことができる。

４つの頂点がイメージサークルＣＲ１内に内接するように有効領域を設定して、アスペクト比を変更すると、イメージサークルＣＲ１の直径をＲとすると、図３（Ｂ）に示すように、アスペクト比を（１６：９）に設定したときの撮像画面の対角長Ｄ１は、（Ｄ１＝Ｒ）となる。また、図３（Ｄ）に示すように、アスペクト比を（４：３）に設定したときの撮像画面の対角長Ｄ２も、（Ｄ２＝Ｒ）となる。このように、４つの頂点がイメージサークルＣＲ１内に内接するように有効領域を設定してアスペクト比を変更させたときには、画面の対角長は常に一定になる。このことから、アスペクト比を変更しても、画角を常に一定に保つことができる。

このように、撮像素子としてその受光領域の大きさがイメージサークルよりも大きいものを用い、イメージサークルに内接する頂点を決めて有効領域を設定すれば、画角を変えずに、アスペクト比を変更することができる。本発明は、このような原理に基づき、画角を変えることなく、複数のアスペクト比の領域の映像信号を同時に得ることができるようにしたものである。

つまり、図４（Ａ）は、このように、撮像素子としてその受光領域の大きさがイメージサークルよりも大きいものを用い、イメージサークルに内接する４つの頂点を決めて、アスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領域ＡＲ３１と、アスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領域ＡＲ３２とを切り出したときの状態を示すものである。アスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領域ＡＲ３１と、アスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領域ＡＲ３２とを合成すると、図４（Ｂ）に示すような形状の有効領域ＡＲ３５となる。本発明が適用された撮像素子では、このように、アスペクト比が異なる複数の領域を合成した有効領域ＡＲ３５を読み出せるようにし、アスペクト比の異なる有効領域ＡＲ３１とＡＲ３２の映像信号を同時に読み出すことができるようにしている。

図５は、本発明の第１実施形態の撮像素子の構成を示すものである。なお、ここでは簡単のため、ＸＹアドレス型撮像素子において、縦横（４画素：２画素）領域の画面と、（２画素：４画素）領域の画面とを合成するものとしている。

図５に示すように、本発明の第１実施形態の撮像素子には、撮像部１０に複数の画素Ｐｉｊが配置される。なお、画素Ｐｉｊにおいて、ｉは行番号、ｊは列番号（ｉ≧１、ｊ≧１：双方整数）を表している。縦横（４画素：２画素）領域の画面と（２画素：４画素）領域の画面とを合成するようにした場合には、図５に示すように、１行目に画素Ｐ１２、Ｐ１３が配置され、２行目に画素Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４が配置され、３行目に画素Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４が配置され、４行目に画素Ｐ４２、Ｐ４３が配置される。そして、画素Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ４２、Ｐ４３により、縦横（４画素：２画素）の有効領域が構成され、画素Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４、Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４により、縦横（２画素：４画素）の有効領域が構成される。

図６は、図５における画素Ｐｉｊの内部構造を簡易的に示したものである。図６に示すように、各画素Ｐｉｊは、フォトダイオードＰＤと、５つのＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタＴＲ１〜ＴＲ５で構成される。

ＭＯＳトランジスタＴＲ１は、フォトダイオードＰＤに蓄積された光電変換電荷をリセット（掃き捨てる）スイッチである。ＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲートには、パルスφＥＳｎが供給される。パルスφＥＳｎがＨレベルになると、ＭＯＳトランジスタＴＲ１がオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた光電変換電荷がリセットされる。

ＭＯＳトランジスタＴＲ２は、フォトダイオードＰＤに蓄積された光電変換電荷をトランジスタＴＲ４のゲートに転送するスイッチである。ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲートには、パルスφＴＲｎが供給される。このパルスφＴＲｎがＨレベルになると、ＭＯＳトランジスタＴＲ２がオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた光電変換電荷がトランジスタＴＲ４のゲートに転送される。

ＭＯＳトランジスタＴＲ３は、ＭＯＳトランジスタＴＲ４のゲートに蓄積された電荷をリセットする（掃き捨てる）スイッチである。ＭＯＳトランジスタＴＲ３のゲートには、パルスφＲＳｎが供給される。このパルスφＲＳｎがＨレベルになると、ＭＯＳトランジスタＴＲ３がオンし、ＭＯＳトランジスタＴＲ４のゲートに蓄積されていた電荷がリセットされる。

ＭＯＳトランジスタＴＲ４は、そのゲートに光電変換による電荷を蓄積し、蓄積された電荷を電圧に変換するトランジスタである。

ＭＯＳトランジスタＴＲ５は、フォトダイオードＰＤの光電変換電荷に基づく画素信号を垂直信号読み出し線Ｖｍへ開放するスイッチである。ＭＯＳトランジスタＴＲ５のゲートには、行読み出し選択パルスφＶｎが供給される。行読み出し選択パルスφＶｎがＨレベルになると、ＭＯＳトランジスタＴＲ５がオンし、画素信号が垂直信号読み出し線Ｖｍへ開放される。

このような構成において、パルスφＥＳｎをＨレベルにすると、フォトダイオードＰＤにそれまで蓄積されていた電荷がリセットされる。フォトダイオードＰＤには、その受光光量に応じた電荷が蓄積される。パルスＴＲｎをＨレベルにすると、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷がＭＯＳトランジスタＴＲ４のゲートに転送される。したがって、このような構成では、パルスφＥＳｎがＨレベルになるタイミングが画素内電子シャッターのスタートタイミングとなり、パルスφＴＲｎがＨレベルになるタイミングが画素内電子シャッターのエンドタイミングとなる。パルスφＥＳｎがＨレベルになるタイミングから、パルスφＴＲｎがＨレベルになるタイミングまでの時間が１フレームの蓄積時間となる。

図５において、本発明の第１実施形態の撮像素子では、撮像部１０を４つの領域Ａ〜Ｄに分けて処理が行われる。そして、４つの水平走査回路１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、２つの水平走査制御回路１２ａ、１２ｂと、垂直走査回路１３と、垂直走査制御回路１４とが設けられる。水平走査回路１１ａ及び１１ｂは、水平走査制御回路１２ａにより制御される。水平走査回路１１ｃ及び１１ｄは、水平走査制御回路１２ｂにより制御される。垂直走査回路１３は、垂直走査制御回路１４により制御される。

水平走査回路１１ａ〜１１ｄからは、列毎に、垂直信号読み出し線Ｖｍ（ｍ≧１：整数＝列番号）が導出される。この垂直信号読み出し線Ｖｍに、各画素Ｐｉｊが連結される。垂直走査回路１３からは、行毎に、読み出し制御線Ｒｎ及び蓄積時間制御線ＶＣｎ（ｎ≧１：整数＝行番号）が導出される。この読み出し制御線Ｒｎ及び蓄積時間制御線ＶＣｎに、各画素Ｐｉｊが連結される。

水平走査回路１１ａ〜１１ｄは、垂直信号読み出し線Ｖｍを介して送られてきた各行の画素信号を取り込み、この画素信号を順次読み出すものである。この水平走査回路１１ａ〜１１ｄの読み出し開始位置及び読み出し終了位置は、読み出しスタートパルスφＨＳＴＡ〜φＨＳＴＤ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＡ〜φＲＨＳＴＤにより制御される。

すなわち、水平走査回路１１ａ〜１１ｄへの読み出しスタートパルスφＨＳＴＡ〜φＨＳＴＤを一旦Ｈレベルにすることで、該当列から順次列単位で画素からの信号が読み出されるように、水平走査回路１１ａ〜１１ｄの走査が制御される。また、この読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＡ〜φＨＲＳＴＤを一旦Ｈレベルにすることで、該当列の１列前で列単位で画素からの信号の読み出しが終了するように、水平走査回路１１ａ〜１１ｄの走査が制御される。なお、読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＡ〜φＨＲＳＴＤが送出されないと、その行の最後まで読み出しが継続される。

水平走査回路１１ａには、水平走査制御回路１２ａから読み出しスタートパルスφＨＳＴＡ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＡが供給される。この読み出しスタートパルスφＨＳＴＡ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＡにより、水平走査回路１１ａの列方向の読み出し位置が制御される。この読み出しスタートパルスφＨＳＴＡ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＡを領域Ａの画素の位置に対応させることで、水平走査回路１１ａからは、領域Ａの画素信号が出力される。

水平走査回路１１ｂには、水平走査制御回路１２ａから読み出しスタートパルスφＨＳＴＢ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＢが供給される。この読み出しスタートパルスφＨＳＴＢ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＢにより、水平走査回路１１ｂの列方向の読み出し位置が制御される。この読み出しスタートパルスφＨＳＴＢ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＢを領域Ｂの画素の位置に対応させることで、水平走査回路１１ｂからは、領域Ｂの画素信号が出力される。

水平走査回路１１ｃには、水平走査制御回路１２ｂから読み出しスタートパルスφＨＳＴＣが供給される。この読み出しスタートパルスφＨＳＴＣにより、水平走査回路１１ｃの列方向の読み出し位置が制御される。この読み出しスタートパルスφＨＳＴＣを領域Ｃの画素の位置に対応させることで、水平走査回路１１ｃからは、領域Ｃの画素信号が出力される。

水平走査回路１１ｄには、水平走査制御回路１２ｂから読み出しスタートパルスφＨＳＴＤ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＤが供給される。この読み出しスタートパルスφＨＳＴＤ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＤにより、水平走査回路１１ｄの列方向の読み出し位置が制御される。この読み出しスタートパルスφＨＳＴＤ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＤを領域Ｄの画素の位置に対応させることで、水平走査回路１１ｄからは、領域Ｄの画素信号が出力される。

垂直走査回路１３は、各画素へ、行読み出し選択パルスφＶｎを送出し、該当行画素の画素信号を垂直信号読み出し線Ｖｍへ開放する。すなわち、垂直走査回路１３に、行単位の垂直走査スタートパルスφＶＳＴが送られると、この垂直走査スタートパルスφＶＳＴにより、垂直走査回路１３内の所定のシフトレジスタが指定され、この垂直走査スタートパルスφＶＳＴを一旦Ｈレベルにすることで、該当行から順次列単位で画素からの信号が読み出されるように、垂直走査回路１３の走査が制御される。

また、垂直走査回路１３からは、電子シャッターを制御するための蓄積時間制御パルスφＶＣｎが送出される。この蓄積時間制御パルスφＶＣｎにより、各領域の全画素で、同一の蓄積タイミング及び蓄積時間となるように、光電変換の蓄積が制御される。この蓄積時間制御パルスは、具体的には、図６におけるパルスφＥＳｎ、（φＲＳｎ）、φＴＲｎである。

図７は、本発明の第１実施形態のタイミングチャートである。図７において、垂直走査制御回路１４から、図７（Ａ）に示すようなタイミングで、垂直走査スタートパルスφＶＳＴが供給される。この垂直走査スタートパルスφＶＳＴにより、図７（Ｂ）に示すように、時刻Ｔ１で行読み出し選択パルスφＶ１がＨレベルになる。

また、図７（Ｎ）に示すタイミングでパルスφＥＳｎがＨレベルになり、図７（Ｍ）に示すタイミングでパルスφＴＲｎがＨレベルになると、その間が１フレームの画像の蓄積時間となる。

時刻Ｔ１で行読み出し選択パルスφＶ１がＨレベルになると（図７（Ｂ））、１行目の画素Ｐ１２、Ｐ１３の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ２、Ｖ３に開放され、１行目の画素Ｐ１２、Ｐ１３からの画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ２、Ｖ３を介して出力される。そして、水平走査制御回路１２ａから水平走査回路１１ａには、図７（Ｆ）及び図７（Ｇ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＡ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＡが送られる。これにより、水平走査回路１１ａからは、図７（Ｏ）に示すように、画素Ｐ１２、Ｐ１３の画素信号（領域Ａの画素信号）が読み出される。

次に、時刻Ｔ２で行読み出し選択パルスφＶ２がＨレベルになる（図７（Ｃ））。行読み出し選択パルスφＶ２がＨレベルになると、２行目の画素Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４に開放され、２行目の画素Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４から垂直信号読み出し線Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を介して画素信号が出力される。そして、水平走査制御回路１２ａから水平走査回路１１ｂには、図７（Ｈ）及び図７（Ｉ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＢ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＢが送られる。また、水平走査制御回路１２ｂからは、図７（Ｊ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＣが送られる。これにより、水平走査回路１１ｂからは、図７（Ｐ）に示すように、画素Ｐ２１、Ｐ２２の画素信号（領域Ｂの画素信号）が読み出される。また、水平走査回路１１ｃからは、図７（Ｑ）に示すように、画素Ｐ２３、Ｐ２４の画素信号（領域Ｃの画素信号）が読み出される。

次に、時刻Ｔ３で行読み出し選択パルスφＶ３がＨレベルになる（図７（Ｄ））。行読み出し選択パルスφＶ３がＨレベルになると、３行目の画素Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４に開放され、３行目の画素Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４から垂直信号読み出し線Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を介して画素信号が出力される。そして、水平走査制御回路１２ａから水平走査回路１１ｂには、図７（Ｈ）及び図７（Ｉ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＢ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＢが送られる。また、水平走査制御回路１２ｂからは、図７（Ｊ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＣが送られる。これにより、水平走査回路１１ｂからは、図７（Ｐ）に示すように、画素Ｐ３１、Ｐ３２の画素信号（領域Ｂの画素信号）が読み出される。また、水平走査回路１１ｃからは、図７（Ｑ）に示すように、画素Ｐ３３、Ｐ３４の画素信号（領域Ｃの画素信号）が読み出される。

次に、時刻Ｔ４で行読み出し選択パルスφＶ４がＨレベルになる（図７（Ｅ））。時刻Ｔ４で行読み出し選択パルスφＶ４がＨレベルになると、４行目の画素Ｐ４２、Ｐ４３の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ２、Ｖ３に開放され、４行目の画素Ｐ４２、Ｐ４３からの画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ２、Ｖ３を介して出力される。そして、水平走査制御回路１２ｂから水平走査回路１１ｄには、図７（Ｋ）及び図７（Ｌ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＤ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＤ送られる。これにより、水平走査回路１１ｄからは、図７（Ｒ）に示すように、画素Ｐ４２、Ｐ４３の画素信号（領域Ｄの画素信号）が読み出される。時刻Ｔ１から時刻Ｔ５で、１フレームの画素信号の読み出しが完了する。

以上説明したように、この実施形態では、撮像領域を領域Ａ〜Ｄの４つに分け、各領域に対して、独立した水平走査回路１１ａ〜１１ｄを設けるようにしている。そして、電子シャッターにより１フレームの蓄積タイミング及び蓄積時間を各領域で等しくして、独立した水平走査回路１１ａ〜１１ｄにより、各領域Ａ〜Ｄから、画素信号を読み出すようにしている。これにより、縦横（４画素：２画素）の有効領域と、（２画素：４画素）の有効領域と同時に読み出すことができる。

図８は、本発明の第２実施形態の撮像素子の構成を示すものである。前述の第１実施形態では、１つの垂直走査回路１３で垂直走査を行っている。これに対して、この実施形態では、領域Ａ、領域Ｂ−Ｃ、領域Ｄに対して、垂直走査回路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び垂直走査制御回路１４ａ、１４ｂ、１４ｃをそれぞれ設けた構成としている。また、２列目、３列目にそれぞれ垂直読出し線を１本ずつ（Ｖ２−１、Ｖ２−２、Ｖ３−１、Ｖ３−２）追加している。水平走査については、前述の第１実施例と同様であり、その説明は省略し、ここでは垂直走査についてのみ説明する。

図８において、各垂直走査制御回路１４ａ〜１４ｃは、個別に垂直走査スタートパルスφＶＳＴＡ〜φＶＳＴＣを発生する。この垂直走査スタートパルスφＶＳＴＡ〜φＶＳＴＣに応じて、垂直走査回路１４ａ〜１４ｃが所定の行から順次読み出しを開始する。領域Ｂ−Ｃについては、２行目、３行目を繰り返し読むよう走査する。なお、全撮像領域の蓄積時間を一致させるため、領域Ａ及び領域Ｄでは読み出す画素数が少ない分、領城Ｂ−Ｃ中の画素が全て読み出されるまで待った後、各領域Ａ〜Ｄで読み出す先頭画素のタイミングを一致させるような周期で画素信号の読み出しを実施する。

図９は、本発明の第２実施形態のタイミングチャートを示すものである。図９において、垂直走査制御回路１４ａ〜１４ｃから垂直走査回路１３ａ〜１３ｃに、同時に、図９（Ａ）に示すように、垂直走査スタートパルスφＶＳＴＡ、φＶＳＴＢ、φＶＳＴＣが供給される（図９（Ａ））。

垂直走査回路１３ａに垂直スタートパルスφＶＳＴＡが供給されると、時刻Ｔ１で行読み出し選択パルスφＶ１がＨレベルになる（図９（Ｂ））。また、垂直走査回路１３ｂに垂直スタートパルスφＶＳＴＢが供給されると、時刻Ｔ１で行読み出し選択パルスφＶ２がＨレベルになる（図９（Ｃ））。また、垂直走査回路１３ｃに垂直スタートパルスφＶＳＴＣが供給されると、時刻Ｔ１で行読み出し選択パルスφＶ４がＨレベルになる（図９（Ｅ））。このように、垂直走査回路１３ａ〜１３ｃに、同時に垂直走査スタートパルスφＶＳＴＡ、φＶＳＴＢ、φＶＳＴＣが供給されると、時刻Ｔ１で行読み出し選択パルスφＶ１、行読み出し選択パルスφＶ２、行読み出し選択パルスφＶ４が同時にＨレベルになる。

時刻Ｔ１で行読み出し選択パルスφＶ１がＨレベルになると（図９（Ｂ））、１行目の画素Ｐ１２、Ｐ１３の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ２−１、Ｖ３−１に開放され、１行目の画素Ｐ１２、Ｐ１３からの画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ２−１、Ｖ３−１を介して出力される。そして、水平走査制御回路１２ａから水平走査回路１１ａには、図９（Ｆ）及び図９（Ｇ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＡ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＡ送られる。これにより、水平走査回路１１ａからは、図９（Ｏ）に示すように、画素Ｐ１２、Ｐ１３の画素信号（領域Ａの画素信号）が読み出される。

また、時刻Ｔ１で行読み出し選択パルスφＶ２がＨレベルになると（図９（Ｃ））、２行目の画素Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ１、Ｖ２−１、Ｖ３−１、Ｖ４に開放され、２行目の画素Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４から垂直信号読み出し線Ｖ１、Ｖ２−１、Ｖ３−１、Ｖ４を介して画素信号が出力される。そして、水平走査制御回路１２ａから水平走査回路１１ｂには、図９（Ｈ）及び図９（Ｉ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＢ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＢが送られる。また、水平走査制御回路１２ｂからは、図９（Ｊ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＣが送られる。これにより、水平走査回路１１ｂからは、図９（Ｐ）に示すように、画素Ｐ２１、Ｐ２２の画素信号（領域Ｂの画素信号）が読み出される。また、水平走査回路１１ｃからは、図９（Ｑ）に示すように、画素Ｐ２３、Ｐ２４の画素信号（領域Ｃの画素信号）が読み出される。

更に、時刻Ｔ１で、行読み出し選択パルスφＶ４がＨレベルになると（図９（Ｅ））、４行目の画素Ｐ４２、Ｐ４３の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ２−２、Ｖ３−２に開放され、４行目の画素Ｐ４２、Ｐ４３からの画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ２−２、Ｖ３−２を介して出力される。そして、水平走査制御回路１２ｂから水平走査回路１１ｄには、図９（Ｋ）及び図９（Ｌ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＤ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＤ送られる。これにより、水平走査回路１１ｄからは、図９（Ｒ）に示すように、画素Ｐ４２、Ｐ４３の画素信号（領域Ｄの画素信号）が読み出される。

次に、時刻Ｔ２で行読み出し選択パルスφＶ３がＨレベルになると（図９（Ｄ））、３行目の画素Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４に開放され、３行目の画素Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４から垂直信号読み出し線Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を介して画素信号が出力される。そして、水平走査制御回路１２ａから水平走査回路１１ｂには、図９（Ｈ）及び図９（Ｉ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＢ及び読み出しエンドパルスφＨＲＳＴＢが送られる。また、水平走査制御回路１２ｂからは、図９（Ｊ）に示すように、読み出しスタートパルスφＨＳＴＣが送られる。これにより、水平走査回路１１ｂからは、図９（Ｐ）に示すように、画素Ｐ３１、Ｐ３２の画素信号（領域Ｂの画素信号）が読み出される。また、水平走査回路１１ｃからは、図９（Ｑ）に示すように、画素Ｐ３３、Ｐ３４の画素信号（領域Ｃの画素信号）が読み出される。時刻Ｔ１〜時刻Ｔ３で、１フレーム分の画素信号の読み出しが完了する。

以上により、この実施形態では、各領域毎同時に各領域毎の先頭行から画素信号を出力することが可能で、時刻Ｔ１の時に各領域に一斉に先頭画素の読み出しを開始する。このため、第１実施形態では（Ｔ５−Ｔ１）期間かかっていた１フレーム期間が（Ｔ３−Ｔ１）期間に短縮される。

本実施例では、２列目と３列目において、同タイミングで同一列の画素を水平走査回路に送出する必要性から、簡単のために、垂直読出し線を同一列に複数用意したが、
同一水平ブランキング内でパルスタイミングが合致しないよう、パルス幅分ずらして読み出せば単一の垂直信号読み出し線での対応が可能であり、撮像素子の構造上、そのようにすれば、配線バランスや開口率が向上するため、より高い性能を引き出すことが可能となる。

なお、本実施形態の読み出し手法は、画素内の一括シャッタを活用すれば、いかなる分割方式の多線同時読み出しにおいても、複数の異なるアスペクト比あるいは撮像領域の映像信号を高い自由度で読み出すことができる。また、図９におけるＰ１２−１のように画素につけた−１などの付番は、フレーム番号を示している。すなわち、同一付番の画素で１フレームの映像を形成する。

図１０は、本発明の第３実施形態を示すものである。この実施形態では、上述のように構成された撮像素子を用いて、アスペクト比が異なる複数の有効領域を同時に読み出し、アスペクト比の異なる複数の映像信号を出力するようにしたものである。

図１０において、撮像素子５１は、複数のアスペクト比の有効領域を合成した領域を読み出すことができるもので、図５又は図８に示すようにして構成されている。

撮像素子５１の前面に、レンズ５２が配置される。レンズ５２により集光された被写体像光が撮像素子５１の受光面に結像され、撮像素子５１により、被写体像光が光電変換される。撮像素子５１の撮像領域は、撮像領域変更部５４により設定可能とされている。また、撮像領域変更部５４の出力信号は、出力制御部５７に供給される。撮像素子５１の出力信号は、信号処理部５３に送られ、信号処理部５３で信号処理が行われる。

この撮像素子５１からの映像信号は、アスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領城の画素信号と、アスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領城の画素信号とを合成した信号である。信号処理部５３の出力信号は、信号分離部５５に送られる。信号分離部５５で、アスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領城の画素信号と、アスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領城の画素信号とが分離される。

信号分離部５５の出力信号は、信号出力部５６ａ及び５６ｂに供給される。信号出力部５６ａからは、例えばアスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領城の画素信号が出力され、信号出力部５６ｂからは、例えばアスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領城の画素信号が出力される。

信号分離部５５は、例えば、図１１に示すようにして構成される。図１１において、入力端子７３には、信号処理部５３からの画素信号が供給される。この信号がメモリ７１ａ及び７１ｂに送られる。

また、入力端子７４には、出力制御部５７から、画素の読み出し情報が供給される。メモリ制御部７２で、この出力制御部５７からの読み出し情報に基づいて、入力画素がどの領域のものかが判断される。そして、メモリ７１ａ及び７１ｂには、メモリ制御部７２により、各撮像領域の画素信号が個別に記憶される。すなわち、出力制御部５７からの読み出し情報を参照して、メモリ７１ａには、アスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領城の画素信号が記憶され、メモリ７１ｂにはアスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領城の画素信号が記憶される。メモリ７１ａからは、アスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領城の画素信号が読み出され、このアスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領城の画素信号が出力端子７５ａから出力される。メモリ７１ｂからは、アスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領城の画素信号が読み出され、このアスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領城の画素信号が出力端子７５ｂから出力される。

図１２は、本発明の第４実施形態を示すものである。図１０に示した実施形態では、アスペクト比が異なる複数の有効領域を同時に読み出して出力するようにしている。これに対して、この実施形態では、上述のように構成された撮像素子を用いて、アスペクト比が異なる複数の有効領域を同時に読み出し、アスペクト比の異なる複数の映像信号を記録するようにしたものである。

図１２において、図９と同様な部分については、同一符号を付して、その説明を省略する。この実施形態では、撮像素子５１の出力信号は、信号処理部５３に送られ、信号処理が行われた後に、信号分離部５５に送られ、信号分離部５５で、アスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領城の画素信号と、アスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領城の画素信号とに分離される。そして、信号分離部５５の出力信号は、信号記録部５８ａ及び５８ｂに供給される。信号記録部５８ａでは、例えばアスペクト比が（ｘ：ｙ）の有効領城の画素信号が記録され、信号記録部５８ｂでは、例えばアスペクト比が（ａ：ｂ）の有効領城の画素信号が記録される。

以上のように、本発明では、アスペクト比が異なる複数の有効領域を同時に読み出し、アスペクト比の異なる複数の映像信号を出力することができる。また、アスペクト比が異なる複数の有効領域を同時に読み出し、アスペクト比の異なる複数の映像信号を記録することができる。例えば、一方のアスペクト比をＨＤのアスペクト比（１６：９）とし、他方のアスペクト比をＳＤのアスペクト比（４：３）とすることで、１つの撮像素子で、ＨＤＴＶの画面の映像信号と、ＳＤの画面の映像信号とを同時に出力したり、同時に記録したりすることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

本発明は、ビデオカメラ、スチルカメラ等に利用可能であり、特に、複数のアスペクト比を設定するものに用いて好適である。

本発明の基本構成の説明に用いるブロック図である。アスペクト比の変更の説明図である。アスペクト比の変更の説明図である。アスペクト比の異なる画面を合成した画面の説明図である。本発明の第１実施形態の撮像素子を示すブロック図である。本発明の第１実施形態の撮像素子における画素の構成を示す回路図である。本発明の第１実施形態の撮像素子の説明に用いるタイミング図である。本発明の第２実施形態の撮像素子を示すブロック図である。本発明の第２実施形態の撮像素子の説明に用いるタイミング図である。本発明の第３実施形態のブロック図である。本発明の第３実施形態における信号分離部の一例のブロック図である。本発明の第４実施形態のブロック図である。従来の撮像装置のアスペクト比の切り換えの説明図である。従来の撮像装置のアスペクト比の切り換えの説明図である。対角長や焦点距離と画角との関係の説明図である。

符号の説明

１１ａ〜１１ｄ水平走査回路
１２ａ、１２ｂ水平走査制御回路
１３垂直走査回路
１４垂直走査制御回路

Claims

被写体の像を結像面に結像する結像光学系と、
少なくとも２つの異なるアスペクト比の有効撮像領域を複数有し、この複数の有効撮像領域から同時に画素信号を読み出すための複数の水平走査回路を具備した撮像素子とを有する撮像装置において、
前記異なるアスペクト比毎に、有効撮像領域の４つの頂点が、前記撮像素子のイメージサークルに略内接させるように有効撮像領域を設定し、当該有効撮像領域について、少なくとも２つ以上の異なる水平画素数および垂直画素数からなる複数の領域に分割した分割画素領域を設定する撮像領域設定手段を有し、
前記複数の水平走査回路は、
前記複数の分割画素領域に対応して独立して設けられ、
該独立した複数の水平走査回路により、前記複数の分割画素領域からの画素信号を同時に出力する、
ことを特徴とする撮像装置。
前記撮像素子から読み出した前記複数の分割画素領域のそれぞれの画素信号を同時に処理して複数の画像信号を同時に出力する信号処理部と、
前記信号処理部からの複数の前記画像信号を受信し、前記撮像領域設定手段によって変更されたアスペクト比に基づいて、受信した複数の前記画像信号を同時に処理して、前記異なるアスペクト比のそれぞれに対応した映像信号に分離する信号分離部と、
前記信号分離部によって分離された映像信号を受信し、前記異なるアスペクト比毎の複数の映像信号を同時に出力する複数の信号出力手段を有する信号出力部とをさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記撮像素子から読み出した前記複数の有効最像領域のそれぞれの画素信号を同時に処理して複数の画像信号を同時に出力する信号処理部と、
前記信号処理部からの複数の前記画像信号を受信し、前記撮像領域設定手段によって変更されたアスペクト比に基づいて、受信した複数の前記画像信号を同時に処理して、前記異なるアスペクト比のそれぞれに対応した映像信号に分離する信号分離部と、
前記信号分離部によって分離された映像信号を受信し、前記異なるアスペクト比毎の複数の映像信号を同時に記録する複数の記録手段を有する信号記録部とをさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。