JP5975658B2 - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＸＹアドレス方式で各画素信号を読み出すＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子を備えた撮像装置に関する。

近年、撮像素子としてＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサを用いて画像を取得するデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置が普及している。ＣＭＯＳイメージセンサは、画素信号のランダムアクセスが可能であり、ＣＣＤイメージセンサと比較して読み出しが高速で、高感度かつ低消費電力であるという利点がある。

また、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、画像（被写体像）の歪みを防止するために全画素の露光タイミングを等しくしたＣＭＯＳイメージセンサがある。このようなＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードをある時点で全画素を同時リセットし、所定の露光時間経過後に全画素におけるフォトダイオードの電荷を同時にフローティングディフュージョン（ＦＤ）に転送する。そして、ＦＤの信号を一行ずつ順に出力する。

特許文献１には、画像の歪みを防止するためにフォトダイオードのリセットとＦＤへの転送を全行画素に対して同時に行うＣＭＯＳイメージセンサが開示されている。しかしながら、特許文献１の構成では、ＦＤの信号を出力するまでの間に光がＦＤに漏れ込み、その光漏れ量が先の出力行と後の出力行との間で異なる。このため、光漏れ量の上下差が発生して画像が劣化する。

一方、特許文献２には、ＣＭＯＳイメージセンサの行単位の読み出し方向とメカニカルシャッタの遮光方向を同一に設定し、メカニカルシャッタの遮光動作に合うようにフォトダイオードのリセットとＦＤへの転送を制御する撮像装置が開示されている。特許文献２の構成によれば、ＦＤへの転送からメカニカルシャッタで遮光するまでの時間を全行等しくすることができるため、光漏れの上下差は解消する。

特開２００６−１９１２３６号公報 特開２００５−１７６１０５号公報

しかしながら、特許文献２の構成では、フォトダイオードのリセットおよびＦＤへの転送は全画素に対して同時に行われるものではない。このため、画像が歪む場合がある。このように、画像の歪みを防止するためにフォトダイオードのリセットとＦＤへの転送を全行画素に対して同時に行った場合、ＦＤへの光漏れの上下差が発生して画像が劣化してしまう。一方、光漏れの上下差を解消するため、メカニカルシャッタの遮光動作に合うようにフォトダイオードのリセットとＦＤへの転送を制御した場合、画像が歪んでしまう。

そこで本発明は、画像の歪みを防止しつつ、光の漏れによる画像劣化を低減した撮像装置および撮像装置の制御方法を提供する。

本発明の一側面としての撮像装置は、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部および該信号電荷を蓄積する複数の蓄積部をそれぞれ二次元状に配列し、該信号電荷に応じた電圧値を読み出す制御回路を備えた撮像素子と、遮光部材を第１の方向に移動させることで前記複数の光電変換部への前記入射光を遮断するメカニカルシャッタとを有し、前記制御回路は、前記複数の蓄積部に蓄積された信号電荷の同時リセット後、露光により前記複数の光電変換部で生成された信号電荷を該複数の蓄積部のそれぞれに同時転送し、該複数の蓄積部に転送された該信号電荷に応じた電圧値を一行ごとに前記第１の方向および該第１の方向とは逆の第２の方向に交互に読み出す。

本発明の他の側面としての撮像装置の制御方法は、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部および該信号電荷を蓄積する複数の蓄積部をそれぞれ二次元状に配列した撮像素子を有する撮像装置の制御方法であって、前記複数の蓄積部に蓄積された信号電荷の同時リセットするステップと、前記同時リセットの後、露光により前記複数の光電変換部で生成された信号電荷を前記複数の蓄積部のそれぞれに同時転送するステップと、前記同時転送の後、メカニカルシャッタの遮光部材を第１の方向に移動させて入射光を遮断しながら、前記複数の蓄積部に転送された前記信号電荷に応じた電圧値を一行ごとに前記第１の方向および該第１の方向とは逆の第２の方向に交互に読み出すステップとを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、画像の歪みを防止しつつ、光の漏れによる画像劣化を低減した撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することができる。

実施例１における撮像装置のブロック図である。 実施例１における撮像素子の概略構成図である。 実施例１における撮像素子の各画素の回路構成図である。 実施例１におけるローリングシャッタ動作のタイミングチャートである。 実施例１におけるグローバルシャッタ動作のタイミングチャートである。 実施例２におけるグローバルシャッタ動作のタイミングチャートである。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における撮像装置の構成について説明する。図１は、本実施例における撮像装置１００のブロック図である。撮像装置１００は、例えば、動画機能付き電子スチルカメラやビデオカメラとして適用可能である。

図１に示されるように、撮像装置１００は、光学鏡筒１０１、光学鏡筒１０１に設けられたメカニカルシャッタ１０１−１、および、撮像素子１０２を備える。また撮像装置１００は、前処理部１０３、信号処理部１０４、圧縮伸張部１０５、同期制御部１０６、操作部１０７、画像表示部１０８、および、画像記録部１０９を備える。

光学鏡筒１０１は、被写体からの光を撮像素子１０２に集光するためのレンズユニット、このレンズユニットを移動させてズームや合焦を行うための駆動機構、メカニカルシャッタ機構、および、絞り機構などを備えて構成される。各駆動機構（可動部）は、同期制御部１０６からの制御信号に基づいて駆動される。メカニカルシャッタ１０１−１は、遮光部材を第１の方向に移動させることで撮像素子１０２の複数の光電変換部への入射光を遮断する（遮光動作）。

撮像素子１０２は、例えばＸＹ読み出し方式のＣＭＯＳ型イメージセンサである。撮像素子１０２は、後述のように、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部および信号電荷を蓄積する複数の蓄積部をそれぞれ二次元状に配列し、信号電荷に応じた電圧値を読み出す制御回路（垂直走査回路２４０、水平走査回路２５０）を備える。撮像素子１０２の制御回路の動作、すなわち撮像素子１０２における露光、信号読み出し、および、リセットなどのタイミングは、同期制御部１０６からの制御信号に基づいて制御される。

前処理部１０３は、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路、ＡＤコンバータなどを備えて構成され、同期制御部１０６の制御に基づいて動作するフロントエンド回路である。ＣＤＳ回路は、撮像素子１０２の出力信号に対してＣＤＳ処理を行うことにより、画素回路内のトランジスタのしきい値のばらつきに起因する固定パターンノイズを除去して、Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比を良好に保つようにサンプルホールドを行う。ＡＧＣ回路は、ＡＧＣ処理を行うことにより利得を制御する。ＡＤコンバータは、ＣＤＳ回路およびＡＧＣ回路を経て得られたアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換する。信号処理部１０４は、同期制御部１０６の制御に基づいて、前処理部１０３でデジタル化された画像信号に対し、ホワイトバランス調整処理、色補正処理、ＡＦ（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）処理、ＡＥ（Ａｕｔｏ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）処理などの信号処理を施す。

圧縮伸張部１０５は、同期制御部１０６の制御に基づいて、信号処理部１０４からの画像信号に対し、圧縮符号化処理を行う。この圧縮符号化処理は、ＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｃｏｄｉｎｇ Ｅｘｐｅｒｔｓ Ｇｒｏｕｐ）方式などの所定の静止画像データフォーマットを用いて行われる。また圧縮伸張部１０５は、同期制御部１０６から供給された静止画像の符号化データに対して伸張復号化処理を行う。また圧縮伸張部１０５は、ＭＰＥＧ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｔｓ Ｇｒｏｕｐ）方式などを用いた動画像の圧縮符号化／伸張復号化処理を実行可能に構成してもよい。

同期制御部１０６は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などを備えて構成されるマイクロコンピュータである。同期制御部１０６は、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムを実行することにより、撮像装置１００の各部を統括的に制御する。操作部１０７は、例えばシャッタレリーズボタンなどの各種操作キー、レバー、または、ダイヤルなどを備えて構成される。ユーザが操作部１０７で入力操作を行うことにより、入力操作に応じた操作信号が操作部１０７から同期制御部１０６に出力される。

画像表示部１０８は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）などの表示デバイス、および、表示デバイスに対応するインタフェース回路などを備えて構成される。画像表示部１０８は、同期制御部１０６から供給された画像信号から表示デバイスに表示させるための画像表示信号（画像）を生成する。画像記録部１０９は、例えば、可搬型の半導体メモリ、光ディスク、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、または、磁気テープである。画像記録部１０９は、圧縮伸張部１０５により符号化された画像データファイルを同期制御部１０６から受け取って記憶する。また、同期制御部１０６からの制御信号に基づいて指定されたデータを読み出し、同期制御部１０６に出力する。

続いて、撮像装置１００の基本的な動作について説明する。静止画像の撮像前には、撮像素子１０２から出力された画像信号（アナログ画像信号）が前処理部１０３に順次供給される。このアナログ画像信号は、ＣＤＳ処理およびＡＧＣ処理が施された後、ＡＤコンバータにおいてデジタル画像信号に変換される。信号処理部１０４は、前処理部１０３からのデジタル画像信号に対して画質補正処理を施し、カメラスルー画像の信号として、同期制御部１０６を介して画像表示部１０８に供給する。これにより、カメラスルー画像が画像表示部１０８に表示され、ユーザは表示画像（カメラスルー画像）を見て画角合わせを行うことが可能となる。

この状態で、操作部１０７のシャッタレリーズボタンが押下されると、同期制御部１０６の制御に応じて、撮像素子１０２からの１フレーム分の撮像信号が、前処理部１０３を介して信号処理部１０４に取り込まれる。信号処理部１０４は、取り込んだ１フレーム分の画像信号に画質補正処理を施し、処理後の画像信号を圧縮伸張部１０５に供給する。圧縮伸張部１０５は、入力された画像信号を圧縮符号化し、生成した符号化データを、同期制御部１０６を介して画像記録部１０９に供給する。これにより、撮像された静止画像のデータファイルが画像記録部１０９に記録される。

画像記録部１０９に記録された静止画像のデータファイルを再生する場合、同期制御部１０６は、操作部１０７からの操作入力に応じて、選択された画像データファイルを画像記録部１０９から読み込み、圧縮伸張部１０５に供給する。圧縮伸張部１０５は、この画像データファイルに対して伸張復号化処理を実行する。圧縮伸張部１０５で復号化された画像信号は、同期制御部１０６を介して画像表示部１０８に供給され、静止画像が再生（表示）される。

また、画像記録部１０９に動画像（動画像のデータファイル）を記録する場合、撮像素子１０２から出力された画像信号は、同期制御部１０６の制御に基づいて、前処理部１０３を介して信号処理部１０４に取り込まれる。圧縮伸張部１０５は、信号処理部１０４で順次処理された画像信号に対して圧縮符号化処理を施す。同期制御部１０６は、順次、生成された動画像の符号化データを画像記録部１０９に転送し、画像記録部１０９はこれらの符号化データ（動画像）を記録する。

画像記録部１０９に記録された動画像のデータファイルを再生する場合、同期制御部１０６は、操作部１０７からの操作入力に応じて、選択された画像データファイルを画像記録部１０９から読み込み、圧縮伸張部１０５に供給する。圧縮伸張部１０５は、供給された画像データファイルに対して伸張復号化処理を実行する。圧縮伸張部１０５で復号化された画像信号は、同期制御部１０６を介して画像表示部１０８に供給され、動画像が再生（表示）される。

次に、図２を参照して、撮像素子１０２（画素部およびその周辺のアナログ回路）の構成について説明する。図２は、撮像素子１０２の概略構成図である。本実施例において、撮像素子１０２はＸＹアドレス方式のＣＭＯＳイメージセンサである。図２に示されるように、撮像素子１０２には、画素部２１０（撮像領域）、定電流部２２０、列信号処理部２３０、および、垂直走査回路２４０（制御回路）が設けられている。更に撮像素子１０２には、行選択信号線２４１（１）〜２４１（ｎ）、転送信号線２４２（１）〜２４２（ｎ）、リセット信号線２４３（１）〜２４３（ｎ）、水平走査回路２５０、水平信号線２６０、および、出力処理部２７０が設けられている。撮像素子１０２のこれらの要素は、半導体基板２００の上に形成されている。

画素部２１０は、多数の画素３１０を二次元マトリクス状に配置して構成されており、各画素３１０には図３を参照して後述するような画素回路が設けられている。画素部２１０における各画素３１０の信号は、画素列ごとに垂直信号線３１４を通して列信号処理部２３０に出力される。定電流部２２０には、各画素３１０にバイアス電流を供給するための定電流源が画素列ごとに配置されている。垂直走査回路２４０は、各画素３１０に対し、行選択信号線２４１（１）〜２４１（ｎ）、転送信号線２４２（１）〜２４２（ｎ）、および、リセット信号線２４３（１）〜２４３（ｎ）を走査して行選択し、各画素３１０のリセット動作や読み出し動作を制御する。

列信号処理部２３０は、各画素３１０の信号を垂直信号線３１４で１行分ずつ受け取り、列毎に所定の信号処理を行い、処理後の信号を一時的に保持する。列信号処理部２３０は、例えば、ＣＤＳ処理、ＡＧＣ処理、および、ＡＤ変換処理などを行う。水平走査回路２５０は、列信号処理部２３０の信号を１つずつ選択し、選択した信号を水平信号線２６０に供給する。出力処理部２７０は、水平信号線２６０から得られた信号に所定の処理を行い、撮像素子１０２の外部に出力する。出力処理部２７０は、例えばゲインコントロール回路や色処理回路を備える。なお本実施例において、ＡＤ変換を列信号処理部２３０で行う代わりに、出力処理部２７０で行うように構成してもよい。

次に、図３を参照して、撮像素子１０２における各画素３１０の回路構成について説明する。図３は、各画素３１０の回路構成図である。図３に示されるように、画素３１０には、フォトダイオードＰＤ１１（光電変換部）、転送トランジスタＭ１２、増幅トランジスタＭ１３、選択トランジスタＭ１４、および、リセットトランジスタＭ１５が設けられている。なお本実施例において、各トランジスタはｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

また、転送トランジスタＭ１２、選択トランジスタＭ１４、および、リセットトランジスタＭ１５の各ゲートには、転送信号線２４２、行選択信号線２４１、および、リセット信号線２４３がそれぞれ接続されている。これらの信号線は、水平方向に延在し、同一行に含まれる複数の画素３１０を同時に駆動できるように構成されている。このような構成により、ライン順次動作型のローリングシャッタや、全行同時動作型のグローバルシャッタの動作を制御することが可能である。選択トランジスタＭ１４のソースには、垂直信号線３１４が接続されている。また、垂直信号線３１４の一方の端部は、定電流源３１５を介して接地されている。

フォトダイオードＰＤ１１は、入射光を光電変換することにより生成された信号電荷を蓄積する。フォトダイオードＰＤ１１のＰ側（政局側）は接地され、そのＮ側（負極側）は転送トランジスタＭ１２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１２がオンすると、フォトダイオードＰＤ１１の電荷が蓄積部であるＦＤ３１６（フローティングディフュージョン）に転送される。このとき、ＦＤ３１６には寄生容量Ｃ１６が存在するため、ＦＤ３１６に電荷が蓄積される。

増幅トランジスタＭ１３のドレインには電源電圧Ｖｄｄが印加されている。また、増幅トランジスタＭ１３のゲートは、ＦＤ３１６に接続されている。増幅トランジスタＭ１３は、ＦＤ３１６の電圧値を電気信号に変換する。選択トランジスタＭ１４は、信号電荷を読み出す画素を行単位で選択する、すなわち信号電荷の読み出し行を選択する。選択トランジスタＭ１４のドレインは増幅トランジスタＭ１３のソースに接続され、選択トランジスタＭ１４のソースは垂直信号線３１４に接続されている。選択トランジスタＭ１４がオンした場合、増幅トランジスタＭ１３および定電流源３１５によりソースフォロアが構成される。このため、ＦＤ３１６に蓄積された信号電荷に応じた電圧値が垂直信号線３１４に出力される。リセットトランジスタＭ１５のドレインには、電源電圧Ｖｄｄが印加されている。またリセットトランジスタＭ１５のソースは、ＦＤ３１６に接続されている。リセットトランジスタＭ１５は、ＦＤ３１６に蓄積された信号電荷（電圧値）を電源電圧Ｖｄｄにリセットする。

続いて、画素部２１０の基本的動作について説明する。本実施例の撮像装置１００では、ローリングシャッタおよびグローバルシャッタの２種類の電子シャッタ動作が可能である。
＜ローリングシャッタ動作＞
以下、ローリングシャッタ動作について説明する。まず、メカニカルシャッタ１０１−１の開閉を判定し、メカニカルシャッタ１０１−１が閉じている場合には開放する。続いて、設定する露光時間に基づいてリセット時間を計算する。計算されたリセット時間になると、画素部２１０の読み出し開始行の画素３１０に対して、リセット信号線２４３を高電位に設定してリセットトランジスタＭ１５をオンする。次に、転送信号線２４２を高電位に設定して転送トランジスタＭ１２をオンする。これにより、ＦＤ３１６およびフォトダイオードＰＤ１１がリセットされる。続いて、転送信号線２４２を低電位に設定して転送トランジスタＭ１２をオフする。これにより、フォトダイオードＰＤ１１の露光が開始される。次に、リセット信号線２４３を低電位に設定してリセットトランジスタＭ１５をオフする。

その後、露光の終了直前に、開始行のリセット信号線２４３を高電位に設定してリセットトランジスタＭ１５をオンすることで、ＦＤ３１６に電源電圧Ｖｄｄを印加する。この状態で、開始行の行選択信号線２４１を高電位に設定して選択トランジスタＭ１４をオンする。その後、リセット信号線２４３を低電位に設定してリセットトランジスタＭ１５をオフすることで、ＦＤ３１６の電圧値に対応するリセット電圧を垂直信号線３１４に出力する。

次に、転送信号線２４２を高電位に設定して転送トランジスタＭ１２をオンすることで、フォトダイオードＰＤ１１に生じた信号電荷がＦＤ３１６に転送される。そして、転送信号線２４２を低電位に設定して転送トランジスタＭ１２をオフすることで、露光が終了する。このとき、ＦＤ３１６に転送された信号電荷が加えられて得られた電圧に比例した信号電荷電圧が垂直信号線３１４に出力される。ここで、垂直信号線３１４に出力された信号電荷電圧からリセット電圧を引いた差が信号電圧となる。この信号電圧は、例えば対応する列の列信号処理部２３０のＣＤＳ処理により抽出される。そして、各列が水平走査回路２５０により順次選択され、開始行の１行分の画素信号が出力される。

続いて、開始行の行選択信号線２４１を低電位に設定して選択トランジスタＭ１４をオフする。その後、計算されたリセット時間になった場合、リセットトランジスタＭ１５および転送トランジスタＭ１２をオンし、これらのトランジスタをオフした後に次の露光が開始される。以上の動作が、水平同期信号に同期して開始行から１行ずつ遅延して行われ、各行の画素信号が順次出力される。従って、各行の露光期間が１行毎にずれていくことになる。

図４は、ローリングシャッタ動作における読み出し位置のタイミングチャートである。ローリングシャッタ動作は、例えば、モニタリング時の画像表示や動画記録に用いられる。メカニカルシャッタ１０１−１が閉じている場合、メカニカルシャッタ１０１−１は開放に設定される。図４において、横軸は時間、縦軸Ｖｒｅａｄは読み出し位置をそれぞれ示し、最上部が読み出し開始行、最下部が読み出し終了行である。

まず、設定される露光時間に基づいて、リセット開始時間（タイミングｔ１１）を計算する。そして、タイミングｔ１１からタイミングｔ１２までのリセット動作期間において、画素部２１０の読み出し開始行から読み出し終了行まで、上述した画素３１０のリセット動作が１行ごとに実施される（図４中の直線１１）。次に、読み出し開始行のリセットから露光期間が過ぎたタイミングｔ１３において、上述した画素３１０の読み出し動作が開始される。そして、タイミングｔ１３からタイミングｔ１４までの読み出し動作期間において、画素部２１０の読み出し開始行から読み出し終了行まで１行ごとに画素信号が出力される（図４中の直線４１）。

また、次のリセット開始時間（タイミングｔ１５）から次のリセット動作期間が始まる（図４中の直線１３）。更に、次の読み出し開始時間（タイミングｔ１６）から次の読み出し動作期間が始まる（図４中の直線４３）。また、図４中のタイミングｔ１０までが、一つ前の読み出し動作期間である（図４中の直線４２）。このような動作により、タイミングｔ１３からタイミングｔ１６までを１周期とした同期制御を行うことで、モニタリング時の画像表示や動画記録が実現可能となる。
＜グローバルシャッタ動作＞
次に、ローリングシャッタ動作について説明する。メカニカルシャッタ１０１−１が閉じている場合、メカニカルシャッタ１０１−１を開放する。続いて、設定される露光時間に基づいてリセット時間を計算する。計算されたリセット時間になると、画素部２１０において、全行のリセット信号線２４３（１）〜２４３（ｎ）を高電位に設定してリセットトランジスタＭ１５をオンする。次に、全行の転送信号線２４２（１）〜２４２（ｎ）を高電位にして転送トランジスタＭ１２をオンする。このような動作により、全画素３１０のＦＤ３１６およびフォトダイオードＰＤ１１がリセットされる。

続いて、全行の転送信号線２４２（１）〜２４２（ｎ）を低電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＦＦすることで、全画素のフォトダイオードＰＤ１１の露光が開始される。次に、全行のリセット信号線２４３（１）〜２４３（ｎ）を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦする。その後、露光の終了直前に、全行のリセット信号線２４３（１）〜２４３（ｎ）を高電位に設定してリセットトランジスタＭ１５をオンする。これにより、全画素３１０のＦＤ３１６に対して電源電圧Ｖｄｄが印加される。

次に、全行のリセット信号線２４３（１）〜２４３（ｎ）を低電位に設定してリセットトランジスタＭ１５をオフする。続いて、全行の転送信号線２４２（１）〜２４２（ｎ）を高電位に設定して転送トランジスタＭ１２をオンする。これにより、全画素３１０のフォトダイオードＰＤ１１に生じた信号電荷がＦＤ３１６に転送される。そして、全行の転送信号線２４２（１）〜２４２（ｎ）を低電位に設定して転送トランジスタＭ１２をオフする。これにより露光は終了し、全画素３１０のＦＤ３１６には、転送された信号電荷が蓄積した状態になる。その後、メカニカルシャッタ１０１−１の遮光動作を開始させて全画素３１０を遮光し、ＦＤ３１６などの各要素への光漏れを防ぐ。

ただし、メカニカルシャッタ１０１−１が遮光動作を開始してから終了するまでには時間差があり、光漏れに対して上下差が発生する。このため、メカニカルシャッタ１０１−１が遮光してから信号読み出しを行うと、光漏れ量の上下差をそのまま読み出すことになり、露光ムラが顕著となる。そこで、本実施例では、この露光ムラの上下差を低減するため、メカニカルシャッタ１０１−１が閉じる方向とは逆方向から行選択を行う。以下、本実施例のメカニカルシャッタ１０１−１は、画素部２１０の上側（行選択信号線２４１（１）側）から下側へ遮光動作を行うものとして説明する。

図５は、本実施例におけるグローバルシャッタ動作のタイミングチャートである。図５（ａ）は、行選択信号線２４１、転送信号線２４２、および、リセット信号線２４３のＯＮ／ＯＦＦタイミング、および、メカニカルシャッタ１０１−１（遮光部材）の開閉タイミングを示す。図５（ｂ）は、画素３１０（電圧値）の読み出しタイミングを示し、横軸は時間、縦軸Ｖｒｅａｄは読み出し位置を示している。図５（ｂ）中の上側が画素部２１０の上側（行選択信号線２４１（１）側）、図５（ｂ）中の下側が画素部２１０の下側（行選択信号線２４１（ｎ）側）にそれぞれ対応する。

まず、設定すべき露光時間に基づいて、リセット時間（タイミングｔ１）を計算する。そして、タイミングｔ１において、上述した全行同時リセット動作を実施する（図５（ｂ）中の直線１０）。次に、リセット時間であるタイミングｔ１から露光期間が経過したタイミングｔ２において、上述した全行同時転送を行う（図５（ｂ）中の直線２０）。全行同時転送を行った後、行選択信号線２４１（１）〜２４１（ｎ）を順次走査して行単位で信号の読み出しを実施する。このとき、ＦＤ３１６への光漏れは継続しているため、タイミングｔ３において、メカニカルシャッタ１０１−１（遮光部材）は遮光動作を開始する（図５（ａ）、（ｂ）中の直線３０）。メカニカルシャッタ１０１−１は、タイミングｔ３からタイミングｔ４まで、画素部２１０の上側から下側の方向（第１の方向）に閉じるように遮光動作を行う。また、メカニカルシャッタ１０１−１は、画素３１０（電圧値）の読み出し開始後（タイミングｔ５の後）に遮光部材の移動を開始する。

タイミングｔ５からタイミングｔ６までの読み出し期間において、画素部２１０の最下行（行選択信号線２４１（ｎ））から画素３１０の電圧値の読み出しを開始する。そして、画素部２１０の最上行（行選択信号線２４１（１））である読み出し終了行まで１行ごとに画素信号が順次出力される（図５（ａ）、（ｂ）中の直線４０）。すなわち画素部２１０の画素３１０は、メカニカルシャッタ１０１−１が閉じる方向と逆方向である、画素部２１０の下側から上側の方向（第２の方向）に読み出される。図５（ｂ）中の領域９０は、全行同時転送動作後の全画素（全行）に対する光漏れの状態を示している。本実施例の構成によれば、タイミングｔ７において直線３０と直線４０とが交差するため、領域９０（光漏れ量）を小さくすることができる。

このように本実施例では、垂直走査回路２４０は、複数のＦＤ３１６に蓄積された信号電荷の同時リセット後、露光により複数のフォトダイオードＰＤ１１で生成された信号電荷を複数のＦＤ３１６のそれぞれに同時転送する。そして垂直走査回路２４０は、複数のＦＤ３１６に転送された信号電荷に応じた電圧値を一行ごとに第１の方向とは逆の第２の方向に読み出す。

以上のように、グローバルシャッタ動作を行う撮像装置において、メカニカルシャッタを設け、かつ、メカニカルシャッタが閉じる方向と逆方向から画素信号を読み出すため、光漏れによる露光ムラを低減することができる。

次に、図６を参照して、本発明の実施例２における撮像装置について説明する。本実施例において、撮像装置および撮像素子の基本構成は実施例１と同様であるため、これらの説明は省略する。

図６は、本実施例におけるグローバルシャッタ動作のタイミングチャートである。図６（ａ）は、行選択信号線２４１、転送信号線２４２、および、リセット信号線２４３のＯＮ／ＯＦＦタイミング、および、メカニカルシャッタ１０１−１の開閉タイミングを示す。図６（ｂ）は、画素３１０の読み出しタイミングを示し、横軸は時間、縦軸Ｖｒｅａｄは読み出し位置を示している。図６（ｂ）中の上側が画素部２１０の上側（行選択信号線２４１（１）側）、図６（ｂ）中の下側が画素部２１０の下側（行選択信号線２４１（ｎ）側）にそれぞれ対応する。

まず、設定すべき露光時間に基づいて、リセット時間（タイミングｔ１）を計算する。そして、リセット時間（タイミングｔ１）において、上述した全行同時リセット動作を実施する（図６（ｂ）中の直線１０）。次に、リセット時間（タイミングｔ１）から露光期間が経過したタイミングｔ２において、上述した全行同時転送動作を実施する（図６（ｂ）中の直線２０）。全行同時転送動作を実施した後、所定の行（図６（ａ）中の行選択信号線２４１（ｋ））を開始行として、行選択信号線２４１（ｋ）の上側（２４１（ｋ−１）、２４１（ｋ−２）、…）と下側（２４１（ｋ＋１）、２４１（ｋ＋２）、…）の行を交互に読み出す。すなわち、行選択信号線２４１（ｋ）、２４１（ｋ＋１）、２４１（ｋ−１）、２４１（ｋ＋２）、２４１（ｋ−２）、…のように順番に読み出す（図６（ａ）、（ｂ）中の直線４３、４４）。直線４３は、最下の行選択信号線２４１（ｎ）まで延びる。

行選択信号線２４１（ｋ）については、以下のように算出される。まず、第２の方向に読み出される行（直線４４）とメカニカルシャッタ１０１−１が遮光方向（第１の方向）に移動して入射光が遮断される行（直線３０）とが交差する（重なる）タイミングｔ７を算出する。タイミングｔ７は、例えば、光漏れ量９１、９２の最大値がそれぞれ同程度となるように事前調整される。そして、タイミングｔ７における読み出し行ｉ（行選択信号線２４１（ｉ））を求める。読み出し開始行ｋ（行選択信号線２４１（ｋ））は、読み出し行ｉを用いて、以下の式（１）により算出される。

ｋ＝ｉ＋（ｎ−ｉ）／２ … （１）
タイミングｔ５において、直線４３、４４で示される方向に行読み出しを開始した後、ＦＤ３１６への光漏れを防ぐためにタイミングｔ３においてメカニカルシャッタ１０１−１による遮光動作を開始する。第１の方向に電圧値を読み出す際、最終行ｎの電圧値まで読み出される（直線４３）。タイミングｔ７に達したとき、信号が読み出されていない行はタイミングｔ７における読み出し行ｉよりも上側の行のみである。このため、読み出し行ｉ−１から１の方向に順次画素を読み出す（図６（ａ）、（ｂ）中の直線４５）。

このように本実施例では、垂直走査回路２４０は、複数のＦＤ３１６に蓄積された信号電荷の同時リセット後、露光により複数のフォトダイオードＰＤ１１で生成された信号電荷を複数のＦＤ３１６のそれぞれに同時転送する。そして垂直走査回路２４０は、複数のＦＤ３１６に転送された信号電荷に応じた電圧値を一行ごとに第１の方向および第１の方向とは逆の第２の方向に読み出す。

上記各実施例によれば、撮像素子の全行同時リセットと全行同時転送により、全行の露光期間を一致させる。その後、レンズ内のメカニカルシャッタ（遮光部材）を閉じて画素の回路内部への光漏れを遮断し、メカニカルシャッタが閉じる方向とは逆の方向から信号を読み出す。これにより、画像の歪みを防止しつつ、光の漏れによる画像劣化を低減した撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００ 撮像装置
１０１−１ メカニカルシャッタ
１０２ 撮像素子
２４０ 垂直走査回路
３１６ ＦＤ（フローティングディフュージョン）
ＰＤ１１ フォトダイオード

Claims (6)

1. 入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部および該信号電荷を蓄積する複数の蓄積部をそれぞれ二次元状に配列し、該信号電荷に応じた電圧値を読み出す制御回路を備えた撮像素子と、
   遮光部材を第１の方向に移動させることで前記複数の光電変換部への前記入射光を遮断するメカニカルシャッタと、を有し、
   前記制御回路は、前記複数の蓄積部に蓄積された信号電荷の同時リセット後、露光により前記複数の光電変換部で生成された信号電荷を該複数の蓄積部のそれぞれに同時転送し、該複数の蓄積部に転送された該信号電荷に応じた電圧値を一行ごとに前記第１の方向および該第１の方向とは逆の第２の方向に交互に読み出す、ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記信号電荷に応じた前記電圧値の読み出し開始行は、該電圧値が前記第２の方向に読み出される行と前記遮光部材が前記第１の方向に移動して前記入射光が遮断される行とのタイミングが重なる行に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御回路は、前記第１の方向に前記信号電荷に応じた前記電圧値を読み出す際、最終行の電圧値まで読み出す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. 前記撮像素子は、
   前記複数の蓄積部に蓄積された前記信号電荷をリセットする複数のリセットトランジスタと、
   前記複数の光電変換部から前記複数の蓄積部のそれぞれに前記信号電荷を転送する複数の転送トランジスタと、
   前記複数の蓄積部に転送された前記信号電荷の読み出し行を選択する選択トランジスタと、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記メカニカルシャッタは、前記信号電荷に応じた前記電圧値の読み出し開始後に前記遮光部材の移動を開始することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部および該信号電荷を蓄積する複数の蓄積部をそれぞれ二次元状に配列した撮像素子を有する撮像装置の制御方法であって、
   前記複数の蓄積部に蓄積された信号電荷の同時リセットするステップと、
   前記同時リセットの後、露光により前記複数の光電変換部で生成された信号電荷を前記複数の蓄積部のそれぞれに同時転送するステップと、
   前記同時転送の後、メカニカルシャッタの遮光部材を第１の方向に移動させて入射光を遮断しながら、前記複数の蓄積部に転送された前記信号電荷に応じた電圧値を一行ごとに前記第１の方向および該第１の方向とは逆の第２の方向に交互に読み出すステップと、を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。