JP4887935B2 - 撮像装置および露光時間制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子の露光時間制御方法に関するものであり、特にＸＹアドレス型撮像素子の電子シャッタ露光時間制御に関するものである。

ＸＹアドレス型撮像素子の１つであるＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサと比べて消費電力が小さいこと、低電圧の単一電源で駆動できること、周辺回路をオンチップに集積できること、などの特長により、近年、その使用範囲を広げている。

図６は、ＸＹアドレス型撮像素子の概略図である。複数の画素６０１が行列状に配置されて、撮像領域６０２を構成している。行アドレス選択手段６０３は、初期化または読み出しを行う行を選択する。ここで、初期化とは、画素６０１の電位をリセットすることであり、読み出しとは、画素６０１の電位を読み出すことである。

撮像領域６０２を構成するすべての画素６０１には、同一の露光時間を与える。従って、初期化を行った後、一定の時間が経過した行から順次読み出しを行う。読み出された電位は、列アドレス選択部６０４から出力バッファ６０５を経由して、順次、画素データ出力端子６０６に出力される。

なお、屋外から屋内に移動した場合のように、環境光源の照度が変化した時には、露光時間、すなわち、初期化を行ってから読み出しを行うまでの時間を変更して、得られる画像の明るさが極端に変化しないように制御する。このような制御は電子的に行われるため、電子シャッタと呼ばれるが、特に、撮像中、常に初期化と読み出しを繰り返す方式をローリングシャッタと呼ぶ。

撮像素子がデジタルスチルカメラなどの撮像装置に組み込まれた場合、撮像光学系のイメージサークルの大きさや歪曲収差、周辺光量落ちなどとの関係で、撮像素子のすべての画素を画像の生成に使用するわけではない。撮像領域６０２のうち、画像の生成に使用される領域を有効画素領域６０７、画像の生成に使用されない領域を無効画素領域と呼ぶ。無効画素領域は、黒レベルを規定するために画素上を遮蔽したＯＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ）領域を含むことがある。

図７は、撮像領域６０２の第ｍ行第ｎ列に配置された画素６０１の構成を示す回路図である。フォトダイオード７０４は、受光した光量に応じて電位が変化する。ＭＯＳトランジスタ７０２は、読み出し時に電流の増幅を行う。ＭＯＳトランジスタ７０１は、行アドレス選択部６０３に接続された初期化信号線Ｉｍが高電位になると導通して、フォトダイオード７０４の電位をリセットする。ＭＯＳトランジスタ７０３は、行アドレス選択部６０３に接続された読み出し信号線Ｒｍが高電位になると導通して、フォトダイオード７０４の電位が、出力信号線Ｃｎを経由して列アドレス選択部６０４に読み出される。なお、Ｖｄｄは撮像素子の電源線であり、Ｖｓｓは撮像素子の接地線である。

図８は、初期化と読み出しのタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は行番号である。点線は初期化８０１の進行を示し、実線は読み出し８０２の進行を示す。初期化８０１は、時刻ｔ０から開始され、時刻ｔ２で終了する。読み出し８０２は、時刻ｔ１から開始され、時刻ｔ３で終了する。従って、時刻ｔ１と時刻ｔ２の間は、初期化８０１と読み出し８０２が並行して行われている。また、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間は、垂直帰線消去期間であり、初期化８０１も読み出し８０２も行われていない。

図８から分かるように、ＸＹアドレス型撮像素子の駆動中には、初期化８０１のみが行われている期間（時刻ｔ０と時刻ｔ１の間）、初期化８０１と読み出し８０２が並行して行われている期間（時刻ｔ１と時刻ｔ２の間）、読み出し８０２のみが行われている期間（時刻ｔ２と時刻ｔ３の間）、初期化８０１も読み出し８０２も行われていない期間（時刻ｔ３と時刻ｔ４の間）が存在する。

すると、初期化８０１と読み出し８０２が並行して行われている期間では、初期化８０１と読み出し８０２のどちらかのみが行われている期間や初期化８０１も読み出し８０２も行われていない期間と比較して、電源に対する負荷が大きくなる。そのため、電源の電位が低下して、初期化８０１と読み出し８０２が並行して行われている期間のみ、得られた画像に帯状のいわゆる電子シャッタノイズが発生することが知られている。

この課題を解決するために、撮像素子に撮像領域とは別にダミー領域を設けて、例えば、初期化のみが行われている期間にはダミー領域の読み出しを並行して行うようにして、電源の負荷を均一化した撮像装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−８１０９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された撮像装置では、撮像装置が環境光源の照度の変化を検知して露光時間を変更すると、得られた画像に輝度段差が生じる場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ローリングシャッタ時に露光時間が変更されても、得られた画像に輝度段差を生じることのない撮像装置および露光時間制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、行アドレスと列アドレスで指定される複数の画素を有し、有効画素領域と無効画素領域を含む撮像素子と、前記有効画素領域および前記無効画素領域において、前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化手段と、少なくとも前記有効画素領域において、前記初期化手段で初期化してから露光時間が経過した時点で、前記初期化後の行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し手段と、露光時間の切り換え制御を行う切換手段と、を備え、前記切換手段は、前記初期化手段が前記有効画素領域内において初期化動作を行っている期間中は、露光時間の切り換え制御をしない一方、前記初期化手段が前記無効画素領域内において初期化動作を行っている期間中において、露光時間の切り換え制御が可能である。

本発明によれば、初期化手段が無効画素領域を走査している期間に露光時間の変更を行うので、得られた画像に露光時間の変更による輝度段差が生じることのない撮像装置および露光時間制御方法を提供することができる。

（１．構成）
（１．１ デジタルスチルカメラの構成）
本発明の実施の形態について、デジタルスチルカメラを例に説明する。図２は、本発明の実施例であるデジタルスチルカメラのブロック図である。レンズ２０１で集められた光は、ＣＭＯＳイメージセンサ駆動回路２０３によって駆動されるＣＭＯＳイメージセンサ２０２に入射する。ＣＭＯＳイメージセンサ２０２は、入射した光量に応じた電気信号を生成する。ＣＭＯＳイメージセンサ２０２で生成された電気信号は、Ａ／Ｄ変換回路２０４によって、デジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換回路２０４によって変換されたデジタル信号は、ＳＤＲＡＭ２０５に格納される。

使用者が、撮影準備のために被写体の画像をＬＣＤ２０８に表示している時には、以下の処理が行われている。すなわち、画像信号処理部２０６は、ＳＤＲＡＭ２０５に格納されたデジタル信号から、ＬＣＤ２０８に表示するための表示画像データを生成して、ＬＣＤ２０８に出力する。ＣＭＯＳイメージセンサ２０２による電気信号の生成と、ＬＣＤ２０８による表示画像データの表示は、３０ｆｐｓ（毎秒３０フレーム）の周期で連続的に行われている。

露出計２１１は、被写体の照度を測定する。露出計２１１で測定された被写体の照度は、ＣＰＵ２０７に入力される。ＣＰＵ２０７は、露出計２１１で測定された被写体の照度に従って、ＣＭＯＳイメージセンサ駆動回路２０３の露光時間制御手段２０３ａに露光時間の変更を指示する。露光時間制御手段２０３ａは、初期化手段２０３ｂが初期化を行ってから、読み出し手段２０３ｃが読み出しを行うまでの時間を変更する。

使用者がシャッタ釦２０９を押下すると、ＣＰＵ２０７が検知して、ＣＭＯＳイメージセンサ駆動回路２０３に撮影動作を指示する。画像信号処理部２０６は、撮影動作によってＳＤＲＡＭ２０５に格納されたデジタル信号から、記録のための記録画像データを生成して、メモリカード２１０に記録する。
（１．２ ＣＭＯＳイメージセンサの構成）
図１は、ＣＭＯＳイメージセンサ２０２の概略図である。図６と同じ構成要素については、図６と同じ符号を付して説明を省略する。本ＣＭＯＳイメージセンサ２０２では、説明が煩雑になるのを避けるため、撮像領域６０２の下部に無効画素領域１０１が存するものとする。行アドレス選択部６０３から初期化信号線と読み出し信号線が接続されている。列アドレス選択部６０４には出力信号線が接続されている。

なお、撮像領域６０２は、６行５列、すなわち３０画素で構成されているが、これは図が煩雑になるのを避けるためであり、実際には、数十万から一千万程度の画素を有する撮像素子が実用化されている。また、無効画素領域１０１は、ＯＢ領域を含んでいてもよい。
（２．動作）
（２．１ 輝度段差の発生）
図３（ａ）は、輝度段差が発生する場合の初期化と読み出しのタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は行番号である。点線は初期化の進行を示し、実線は読み出しの進行を示す。図３（ｂ）は、垂直同期信号ＶＤの波形図である。Ｂ１からＢ４は、垂直帰線消去期間である。Ｆ１からＦ４の４フレーム期間を示している。図３（ｃ）は、均一の環境光源下で、反射率１８％のグレーカードを撮影し、ＬＣＤ２０８に表示した時の画面イメージである。

今、時刻ｔ５で、露光時間をＥ１からＥ３に変更する指示が、ＣＰＵ２０７から露光時間制御手段２０３ａに与えられたとする。ただし、環境光源の照度は、変化していないものとする。

露光時間制御手段２０３ａは、初期化手段２０３ｂに、初期化の中止を指示する。フレームＦ３を全領域表示するために、読み出し手段２０３ｃは、読み出しを継続する。その結果、ＣＭＯＳイメージセンサ２０２の有効画素領域６０７がｍ２行で構成されるとすると、第１行から第ｍ１行までのｘ行は、露光時間Ｅ１で露光され、第（ｍ１＋１）行から第ｍ２行までのｙ行は、露光時間Ｅ２で露光される。

フレームＦ４からは、垂直同期信号ＶＤの垂直帰線消去期間Ｂ３の立ち上がりに対して、初期化手段２０３ｂによる初期化が、フレームＦ１からＦ３よりも早く開始され、ＣＭＯＳイメージセンサ２０２のすべての行は、露光時間Ｅ３で露光される。

ここで、図３（ｃ）に示したＬＣＤ２０８の画面イメージに注目すると、フレームＦ１、Ｆ２では、露光時間Ｅ１に対応して、画面全体にやや暗い画像が表示される。フレームＦ２では、画面の上部ｘ行は、フレームＦ１、Ｆ２と同様にやや暗い画像が表示されるが、画面の下部ｙ行は、露光時間Ｅ２に対応して、非常に明るい画像が表示される。そして、フレームＦ４では、露光時間Ｅ３に対応して、画面全体にやや明るい画像が表示される。なお、露光時間Ｅ１からＥ３には、Ｅ１＜Ｅ３＜＜Ｅ２なる関係が存在する。

そこで、フレームＦ３では、やや暗い画面の上部ｘ行と、非常に明るい画面の下部ｙ行の境界に、輝度段差が確認されることとなる。この輝度段差は、画面が３０ｆｐｓで更新されている場合、１／３０秒しか表示されないが、画面の一部の輝度が非常に高くなるため目立ちやすく、表示画像の品位を大きく損なうものである。
（２．２ 輝度段差の解消）
図４（ａ）は、本発明の撮像装置または露光時間制御方法によって、輝度段差が解消した場合の初期化と読み出しのタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は行番号である。点線は初期化の進行を示し、実線は読み出しの進行を示す。図４（ｂ）は、垂直同期信号ＶＤの波形図である。Ｂ１からＢ４は、垂直帰線消去期間である。Ｆ１からＦ４の４フレーム期間を示している。図４（ｃ）は、均一の環境光源下で、反射率１８％のグレーカードを撮影し、ＬＣＤ２０８に表示した時の画面イメージである。

今、時刻ｔ５で、露光時間をＥ１からＥ３に変更する指示が、ＣＰＵ２０７から露光時間制御手段２０３ａに与えられたとする。ただし、環境光源の照度は、変化していないものとする。

図５は、ＣＰＵ２０７から露光時間制御手段２０３ａに、露光時間を変更する指示が与えられた時の、露光時間制御手段２０３ａの処理を示すフローチャートである。露光時間制御手段２０３ａは、初期化手段２０３ｂが、現在、初期化中の行番号ｍ１を取得する（Ｓ５０１）。図４（ａ）を参照すると、ｍ１は有効画素領域６０７の最大行であるｍ２よりも小さいので（Ｓ５０２）、再度、Ｓ５０１に戻って、現在、初期化中の行番号を取得する。

初期化手段２０３ｂによる初期化が進行し、図４（ａ）の時刻ｔ６で、初期化中の行番号が有効画素領域６０７の最大行であるｍ２より大きくなると（Ｓ５０２）、露光時間制御手段２０３ａは、初期化手段２０３ｂに初期化の中止を指示する（Ｓ５０３）。読み出し手段２０３ｃは、時刻ｔ６以降も読み出しを継続し、時刻ｔ７で有効画素領域６０７の読み出しを完了し、時刻ｔ８でｚ行相当の無効画素領域１０１の読み出しを完了する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ２０２は、ｍ２行の有効画素領域６０７とｚ行の無効画素領域１０１を有するものとする。

次に、露光時間制御手段２０３ａは、変更後の露光時間Ｅ３に対応する初期化開始時刻を算出する（Ｓ５０４）。そして、算出した初期化開始時刻になると、初期化手段２０３ｂに初期化の開始を指示する（Ｓ５０５）。

以上のように、フレームＦ３では、初期化手段２０３ｂによる初期化が、有効画素領域６０７を構成するすべての行について行われるので、すべての行の露光時間はＥ１となり、図３（ｃ）に示すような輝度段差は現れない。そして、フレームＦ４以降は、露光時間Ｅ３に対応したやや明るい画像が表示される。

なお、Ｓ５０３において、初期化手段２０３ｂに初期化の中止を指示するのではなく、初期化が無効画素領域１０１の最大行である第ｍ３行に達したら、再度、無効画素領域１０１の最初の行である第（ｍ２＋１）行から初期化を継続するようにしてもよい。これによって、初期化と読み出しが並行して行われるので、電源の負荷変動が少なくなる。

また、撮像領域６０２とは別に、ダミー領域が設けられていてもよい。無効画素領域１０１が少ない場合には、自由な大きさで設けられるダミー領域を使用することができる。ダミー領域は、撮像領域６０２と同様に画素６０１が設けられていてもよいし、画素６０１と同程度の負荷を有するダミー負荷で構成されていてもよい。

本発明によれば、ローリングシャッタ時に露光時間が変更されても、得られた画像に輝度段差を生じることのない撮像装置および露光時間制御方法を提供することができるので、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話などの撮像装置とその露光時間制御方法として好適である。

ＣＭＯＳイメージセンサの概略図 デジタルスチルカメラのブロック図 輝度段差が発生する場合の初期化と読み出しの説明図 輝度段差が解消した場合の初期化と読み出しの説明図 露光時間制御手段の処理を示すフローチャート ＸＹアドレス型撮像素子の概略図 画素の構成を示す回路図 初期化と読み出しのタイミングチャート

符号の説明

１０１ 無効画素領域
６０１ 画素
６０２ 撮像領域
６０３ 行アドレス選択部
６０４ 列アドレス選択部
６０５ 出力バッファ
６０６ 画素データ出力端子
６０７ 有効画素領域

Claims (10)

1. 行アドレスと列アドレスで指定される複数の画素を有し、有効画素領域と無効画素領域を含む撮像素子と、
   前記有効画素領域および前記無効画素領域において、前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化手段と、
   少なくとも前記有効画素領域において、前記初期化手段で初期化してから露光時間が経過した時点で、前記初期化後の行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し手段と、
   露光時間の切り換え制御を行う切換手段と、を備え、
   前記切換手段は、
   前記初期化手段が前記有効画素領域内において初期化動作を行っている期間中は、露光時間の切り換え制御をしない一方、
   前記初期化手段が前記無効画素領域内において初期化動作を行っている期間中において、露光時間の切り換え制御が可能である、
   撮像装置。
2. 前記無効画素領域は、ＯＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ）領域を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記初期化手段は、１フレームの読み出し期間中に前記無効画素領域に属する画素を複数回初期化する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 行アドレスと列アドレスで指定される複数の画素を有し、撮像領域とダミー領域を含む撮像素子と、
   前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化手段と、
   前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し手段と、
   前記初期化手段が画素の初期化を行ってから前記読み出し手段が画素を読み出すまでの露光時間の切り換えを、前記初期化手段が前記ダミー領域を走査している期間に行うように制御する露光時間制御手段と、を有する撮像装置。
5. 前記初期化手段は、１フレームの読み出し期間中に前記ダミー領域に属する画素を複数回初期化する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 行アドレスと列アドレスで指定される複数の画素を有し、有効画素領域と無効画素領域を含む撮像素子の、
   前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化工程と、
   前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し工程と、
   前記初期化工程が画素の初期化を行ってから前記読み出し工程が画素を読み出すまでの露光時間の切り換えを、前記初期化工程が前記無効画素領域を走査している期間に行うように制御する露光時間制御方法。
7. 前記無効画素領域は、ＯＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ）領域を含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載の露光時間制御方法。
8. 前記初期化工程は、１フレームの読み出し期間中に前記無効画素領域に属する画素を複数回初期化する、
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の露光時間制御方法。
9. 行アドレスと列アドレスで指定される複数の画素を有し、撮像領域とダミー領域を含む撮像素子の、
   前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化工程と、
   前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し工程と、
   前記初期化工程が画素の初期化を行ってから前記読み出し工程が画素を読み出すまでの露光時間の切り換えを、前記初期化工程が前記ダミー領域を走査している期間に行うように制御する露光時間制御方法。
10. 前記初期化工程は、１フレームの読み出し期間中に前記ダミー領域に属する画素を複数回初期化する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の露光時間制御方法。

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