JPH0965213A

JPH0965213A - 撮像装置

Info

Publication number: JPH0965213A
Application number: JP7221480A
Authority: JP
Inventors: Masaki Higure; 正樹日暮; Yasuhiro Komiya; 康宏小宮
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】露光時間の細かな時間制御が可能で、空間的な
解像度に優れ、小型、低コストな撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換部と電荷転送部とが共用される撮
像素子３を用いた撮像装置にシャッタ機構９，１０を設
け、シャッタ機構の動作タイミングと不要電荷の高速掃
き出し動作のタイミングとを関連づけて露光を行わせる
システムコントローラ１２から構成される撮像装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＣＤ等の固体撮
像素子を用いた撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いた
撮像装置である電子カメラが普及しつつある。図９は、
従来の典型的な撮像装置の構成を示す概略図である。こ
の撮像装置は、被写体を撮影するための光学系１、カラ
ー信号を得るため被写体像を色分解する（例えばＲ，
Ｇ，Ｂの３色）カラーフィルタアレイ２、ＣＣＤ等の撮
像素子３、撮像素子３の出力を増幅するためのプリアン
プ４、γ補正やホワイトバランス補正などを行う信号処
理部５、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ
変換器６、メモリカードなどの記録媒体にデータを記録
する画像記録部７、撮像素子３の駆動制御を行うための
駆動回路８、及び、システム全体の制御を行うシステム
コントローラ１２によって構成されている。

【０００３】撮像素子３としては、小型化と低コスト化
を図るためにフルフレーム型ＣＣＤ撮像素子（図１０に
示す）が一般に知られている。感光転送部１３、シフト
レジスタ１４及びダンプドレイン１５から構成されるフ
ルフレーム型ＣＣＤ撮像素子は、別名ライントランスフ
ァ（ＬＴ）型の撮像素子とも呼ばれ（例えば、オーム
社，『固体撮像デバイスの基礎』，５１ｐ）、光電変換
部と電荷転送部とが共用されてなる感光転送部１３を持
つことを特徴とする。このためチップサイズが小さくな
り、歩留まりが向上し、コストダウンが可能である。

【０００４】次に、フルフレーム型撮像素子における露
光及び信号読み出しの流れを図１１及び図１２（ａ）〜
（ｄ）を参照して説明する。図１１は従来の撮像装置に
おけるフルフレーム型撮像素子に対する露光タイミング
を示す図、図１２（ａ）〜（ｃ）は信号読み出しの流れ
を説明するための図、図１２（ｄ）は信号電荷転送及び
読み出しのための印加パルスφｔ及びφｓ（図９の駆動
回路８からの駆動信号）の印加タイミングを示す図であ
る。

【０００５】図１１に示すように、まず、Ｔ_11,1〜Ｔ
_11,2で感光転送部１３に蓄積されている不要な電荷をダ
ンプドレイン１５に転送し、高速掃き出しを行う。この
高速掃き出しとは、撮像素子全体に電圧をかけ、一度に
全ての電荷をダンプドレイン１５に転送して掃き出す動
作である。次に、Ｔ_11,2〜Ｔ_11,3で露光を行って感光転
送部１３に電荷を蓄積し、続いてＴ_11,3からＴ_11,4の間
に、出力転送部としてのシフトレジスタ１４にて信号の
読み出しが行われる。

【０００６】シフトレジスタ１４における信号読み出し
の様子を、図１２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
上述のＴ_11,2からＴ_11,3にかけての露光で図１２（ａ）
に示すように、感光転送部１３に被写体像に基づく電荷
が蓄積される。まず、ｔ_1,1（図１２（ｄ））の印加パ
ルスφｔにより、感光転送部１３全体の電荷が１段だけ
下方に転送され、最下段にあった電荷がシフトレジスタ
１４に転送される（図１２（ｂ））。続いてｔ_2,1，ｔ
_2,2，…の印加パルスφｓに従って、シフトレジスタ１
４上の信号電荷全体を右側に１画素分づつ転送していく
ことで、最下段にあった１行分の信号を出力する。この
後、ｔ_1,2の印加パルスφｔにより電荷全体をもう１段
下方に転送し、次の段の信号読み出しを行う。この動作
を繰り返すことにより、Ｔ_11,2〜Ｔ_11,3の露光によって
感光転送部１３に蓄積された信号電荷が全て読み出され
る。

【０００７】こうして読み出された信号（シフトレジス
タ１４の出力）は、例えば、図９に示すような構成の下
で、システムコントローラ１２の制御により以下のよう
に処理される。まず、プリアンプ４で増幅された後に、
信号処理部５でγ補正やホワイトバランス補正等が施さ
れる。そして、アナログ信号である信号処理部５の出力
は、Ａ／Ｄ変換器６でデジタル信号に変換され、画像記
録部７で記録される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
フルフレーム型ＣＣＤ撮像素子では、信号電荷を１段づ
つ順次転送しながら読み出すため、最下段の信号が読み
出されてから最上段の信号が読み出されるまでに時間差
が生じてしまう。このことは、電荷の蓄積部でもある光
電変換部が電荷転送部も兼ねているので、各信号が順次
下方に転送されながら読み出しを行っている間に更に感
光してしまうことを意味する。

【０００９】従って、図１１の露光タイミングにおい
て、最下段の信号ではＴ_11,2〜Ｔ_11,3が露光時間、最上
段の信号ではＴ_11,2〜Ｔ_11,4が露光時間となっているよ
うに、撮像素子３の各段の露光時間に違いが生じてしま
い、露光時間について高精度な制御が不可能となってし
まう。また、各信号電荷がシフトレジスタ１４に向かっ
て１段ずつ転送されながら読み出しを行っている間に多
重露光されてしまい、空間的な解像度が低下するという
問題点や、各色の信号が混合するのを防ぐためのカラー
フィルタアレイ２としてストライプ状のもの（図５
（ａ）に示す）しか利用できない、といった問題点があ
る。

【００１０】さらに、信号を読み出す際には、各段の信
号を水平転送する出力転送部（シフトレジスタ１４）が
１つしかないため、信号を高速に読み出すことに限界が
ある。したがって本発明は、露光時間を正確に制御で
き、空間的な解像度の優れた撮像装置を小型、低コスト
で提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る撮像装置は、光学系からの被写体像に
対応した光束を電荷として生成蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部において蓄積された電荷を出力する出力
転送部に向けて転送する電荷転送部とが共用される撮像
素子と、前記光学系から前記撮像素子へ入射する光束を
物理的に変化させる物理的光束可変手段と、前記物理的
光束可変手段の動作タイミングと、上記撮像素子におけ
る不要電荷排出のための高速掃き出しの動作タイミング
とを関連づけた露光動作を行わせて、撮像の露光時間を
制御する露光制御手段とを備えたことを特徴としてい
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（本発明の第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形
態について説明する。図１は第１の実施形態に係る撮像
装置の概略構成図、図２は第１の実施形態に係る露光タ
イミングを示す図、図５（ｂ）はモザイク状カラーフィ
ルタアレイ１１の構成を示す図である。

【００１３】第１の実施の形態に係る撮像装置の構成を
図１に示す。図９に示した従来の撮像装置と同じ構成箇
所には同じ番号を付し、説明を省略する。従来の撮像装
置と異なる所は、カラーフィルタアレイ２としてモザイ
ク状カラーフィルタアレイ１１を用いることができる点
と、撮像素子の撮像面に入射する光束を制限するシャッ
タ機構（シャッタ９及びその開閉動作を制御するメカシ
ャッタ制御部１０からなる）を設けた点である。本実施
の形態ではＧ，Ｃｙ，Ｍｇ，Ｙｅからなる補色型のフィ
ルタ配列をもって示してあるが、これ以外に、例えば
Ｒ，Ｇ，Ｂからなるフィルタ配列を用いることも可能で
ある。

【００１４】次に、本実施形態における露光タイミング
について図１及び図２を参照して説明する。以下の動作
はシステムコントローラ１２の制御の下に行われる。ま
ず、メカシャッタ制御部１０を制御してシャッタ９を開
状態にする（Ｔ_2,1）。この開動作に同期して、駆動回
路８の制御により撮像素子３において感光転送部１３の
不要電荷の高速掃き出しを行う（Ｔ_2,1〜Ｔ_2,2）。こ
こで、高速掃き出しをシャッタ９の開動作と同期して行
わせるのは、シャッタ９が閉状態で撮像面に光が入射し
ない場合にも、撮像素子３には暗電流が蓄積されてしま
うからである。この暗電流の影響は、信号電荷の量に関
係なく生じ、特に信号電荷が小さい場合にはその影響が
大きくなってしまうので、上述のように同期させること
で暗電流の影響を抑えることができる。

【００１５】続いて、シャッタ９を閉じ（Ｔ_2,3）、従
来の撮像装置の場合と同様に信号の読み出しを行う（Ｔ
_2,4〜Ｔ_2,5）。このように、本実施の形態において
は、シャッタ９とメカシャッタ制御部１０を設けて上述
の如く制御しており、Ｔ_2,4〜Ｔ_2,5で信号を読み出す
際に感光転送部１３がシャッタ９で遮光されているた
め、高速掃き出しからシャッタ９を閉じるまでのＴ_2,2
〜Ｔ_2,3が全画素共通の露光時間となり、各画素での露
光時間の違いを解消することができる。このとき、高速
掃き出しに要する時間だけ露光時間は異なるが、非常に
短い時間であり無視することができる。

【００１６】ここで、高速掃き出しにかかる時間につい
て説明する。通常信号読み出しの際の電荷転送では、各
画素の電荷を区別するため上述したように１段づつ電荷
を移動させる。これに対し高速掃き出しでは、各画素の
電荷を区別する必要がないため、一度に電荷をまとめて
転送して掃き出せば良い。したがって、ほぼ１段分の信
号電荷を読み出すのと同じ程度の時間で、高速掃き出し
を行うことができる。

【００１７】具体的には、通常の電荷転送では、まず光
照射による信号電荷の蓄積を一定の時間（例えば１／６
０（Ｓ））で行い、その信号電荷を数ＭＨｚ〜十数ＭＨ
ｚの速度で１段づつ出力転送部へと転送し、これに同期
させ１段づつ出力転送部から信号電荷を出力する。そし
て、高速掃き出しは、およそその信号電荷移動速度の数
倍程度（数百ｎｓ〜数μｓ）の短時間で行うことができ
る。

【００１８】本実施の形態においては、上述のように、
信号電荷がシフトレジスタ１４へ転送される際に従来の
撮像装置で見られた多重露光を防ぐことができるので、
図５（ｂ）に示すモザイク状カラーフィルタアレイ１１
を用いた撮像装置を実現でき、空間的な解像度を上げる
ことができる。この方式はインターライン型の撮像素子
と類似しているが、遮光された転送部を持たず、光電変
換部と電荷転送部とを共用しているので、同じ大きさの
インターライン型に比べて受光面積を広くとることがで
き、光の集積効率を向上させることができる。また、素
子自体の小型化、低コスト化が可能になる。

【００１９】また、シャッタ９の開動作に同期して高速
掃き出しを行い、暗電流の蓄積を防止しているので、Ｓ
／Ｎ比の良い信号を得ることができる。（本発明の第２の実施の形態）図３は、第２の実施の形
態に係る露光タイミングを示す図である。構成は第１の
実施形態と同じであるが、第１の実施形態においては、
メカニカルなシャッタ機構を採用しているため、例えば
１万分の１秒程度の短時間露光を行いたい場合にシャッ
タの開閉時間を正確に制御するのは困難である。そこ
で、第２の実施形態では、短時間露光を行うために図３
に示すタイミングで露光を行う。

【００２０】まず、シャッタ９を開き（Ｔ_3,1）、その
後、露光時間を考慮して高速掃き出しを行い（Ｔ_3,2〜
Ｔ_3,3）、続いてシャッタ９を閉じた（Ｔ_3,4）後に、
信号の読み出し（Ｔ_3,5〜Ｔ_3,6）を行う。この場合、
Ｔ_3,3〜Ｔ_3,4が露光時間となるが、メカニカルシャッ
タ機構の駆動で露光時間の制御を行っているのではな
く、シャッタ９を閉じる時刻Ｔ_3,4より露光時間分だけ
前に高速掃き出し（Ｔ_3, ₂〜Ｔ_3,3）を行うことで、電
気信号による露光時間の制御を行っているので、正確に
短時間露光（Ｔ_3,3〜Ｔ_3,4）を制御することができ
る。なお、本実施形態においては、シャッタ９を開いた
後に高速掃き出しを行っているので、第１の実施の形態
と同様に暗電流の蓄積を防止することができ、Ｓ／Ｎ比
の良い信号を得ることができる。

【００２１】（本発明の第３の実施の形態）図４は、第
３の実施の形態に係る露光タイミングを示す図である。
本実施形態の構成は、第１の実施形態と同じであるが、
本実施形態では、シャッタ９の開時間を常に一定として
いる。このようにしても、高速掃き出しのタイミングで
露光時間の制御をすることができる。この場合、シャッ
タ機構に設定した開時間より長い露光時間が必要な場合
には、図４に示すようにシャッタ９の開閉を複数回（Ｔ
_4,1とＴ_4,5）行うことで、より長い露光も可能とな
る。この場合の露光時間は、（Ｔ_4,3〜Ｔ_4,4）＋（Ｔ
_4,5〜Ｔ_4,6）となる。

【００２２】このように、本実施形態によればシャッタ
９の開時間が一定（例えばＴ_4,1〜Ｔ_4,4＝Ｔ_4,5〜Ｔ
_4,6）でよいので、メカニカルなシャッタを用いる場合
など機構を簡単化できる。（本発明の第４の実施の形態）本実施形態の構成の特徴
は、図１に示す第１の実施形態の構成において、撮像素
子３のシフトレジスタ１４を１本から２本に増やした点
である。本実施形態に係る撮像素子３の構成を図６に示
す。図７（ａ）〜（ｃ）は、第４の実施形態における撮
像素子３での信号読み出しの流れを説明するための図、
図７（ｄ）は、第４の実施形態における信号電荷転送及
び読み出しのための印加パルスφｔ及びφｓの印加タイ
ミングを示す図である。

【００２３】図７（ａ）〜（ｄ）を参照して、本実施形
態の信号読み出しの流れを説明する。まず、露光により
図７（ａ）に示すように、被写体像に基づく電荷が感光
転送部１３に蓄積される。次に、φｔの印加パルスを２
回印加（ｔ_1,1，ｔ_1,2）することで、感光転送部１３
の信号電荷を下方へ２段分転送し、２段分の信号を２本
のシフトレジスタ１４へ移動させる（図７（ｂ））。続
いてｔ_2,1，ｔ_2,2…の印加パルスφｓに従って、２本
のシフトレジスタ１４から同時に２段分の信号を出力す
る（図７（ｃ））。この動作を繰り返すことで、２段ず
つ信号を読み出していく。

【００２４】このように本実施形態によれば、２段づつ
信号を読み出していくので、信号の読み出しを高速化す
ることができる。なお、本実施形態ではシフトレジスタ
１４を２本としているが、３本以上の複数本としても良
いのは当然である。上述の第１〜第４実施形態では、高
速掃き出しを撮像素子３の下部に設けたダンプドレイン
１５を用いて行っているが、ダンプドレイン１５を撮像
素子３の上部に設けても良いし（図９（ａ））、ダンプ
ドレインの代わりに、不要電荷を各画素の下部に排出す
る、いわゆる縦抜き型（図９（ｂ））を用いても良い。

【００２５】また、メカニカルシャッタ機構の代わり
に、音響光学素子（ＡＯＭ），液晶シャッタ等のように
開閉を電気的に比較的容易に制御できる非機械的なシャ
ッタ機構を用いても良い。このような非機械的なシャッ
タ機構を用いれば、露光時間中に一時信号電荷の蓄積を
中断することができ、露光中にカメラの前を予期せぬ物
体が通過する場合や、周期的に邪魔な物体が入ってしま
う場合などにも、正しく撮像を行うことができる。ま
た、通常の銀塩写真のように複数回の撮影を１枚の画像
上に表現することも容易となる。

【００２６】以上実施の形態に基づいて本発明を説明し
たが、本発明は上述した実施の形態に限定されるもので
はなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可
能である。ここで本発明の要旨をまとめると以下のよう
になる。（１）（構成）被写体像を撮影するための光学系を有する撮像
装置において、前記光学系からの被写体像に対応した光
束を電荷として生成蓄積する光電変換部と、前記光電変
換部において蓄積された電荷を出力する出力転送部に向
けて転送する電荷転送部とが共用される撮像素子と、前
記光学系から前記撮像素子へ入射する光束を物理的に変
化させる物理的光束可変手段と、前記物理的光束可変手
段の動作タイミングと、上記撮像素子における不要電荷
排出のための高速掃き出しの動作タイミングとを関連づ
けた露光動作を行わせて、撮像の露光時間を制御する露
光制御手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。（作用効果）物理的光束可変手段の動作タイミングと高
速掃き出しの動作タイミングとを関連づけて制御するこ
とにより、露光時間について高精度な制御が可能とな
る。また、光電変換部と電荷転送部とが共用される撮像
素子を用いているので、撮像装置の小型化、低コスト化
につながる。（対応する実施の形態）第１〜３の実施の形態（２）（構成）前記露光制御手段は、前記高速掃き出し動作
を、前記物理的光束可変手段の開動作に同期又は所定の
時間遅らせて行うことで露光動作を開始し、前記物理的
光束可変手段の閉動作により露光動作を終了するよう制
御することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。（作用効果）高速掃き出し動作から物理的光束可変手段
の閉動作までが露光時間となり、正確に露光時間を制御
することができ、暗電流の蓄積を防止することができ
る。また、信号電荷の出力転送部への転送は物理的光束
可変手段を閉じた状態で行われるので、多重露光を防ぎ
空間解像度を上げることができる。（対応する実施の形態）第１〜２の実施の形態（３）（構成）前記露光制御手段は、前記高速掃き出し動作
を、前記物理的光束可変手段の開時間内において、前記
物理的光束可変手段の閉動作から所定の時間前に行うこ
とで露光時間を制御していることを特徴とする請求項１
または請求項２記載の撮像装置。（作用効果）メカ的な制御ではなく、電気的制御で露光
時間の制御を行っているので、短時間露光でも正確に露
光時間制御を行うことができる。（対応する実施の形態）第２の実施の形態（４）（構成）前記露光制御手段は、前記物理的光束可変手段
の開時間を一定に設定することを特徴とする請求項１か
ら請求項３のうちいずれか１項記載の撮像装置。（作用効果）高速掃き出しのタイミングで露光時間の制
御を行い、物理的光束可変手段の開時間は一定で良いの
で、撮像装置の構成を小型化、低コスト化できる。（対応する実施の形態）第３の実施の形態（５）（構成）前記電荷転送部より転送された電荷を並列に出
力するように、前記出力転送部を複数個備えたことを特
徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項記載
の撮像装置。（作用効果）複数段づつ並列に信号電荷を読み出してい
くので、信号の読み出しを高速化することができる。（対応する実施の形態）第４の実施の形態（６）（構成）前記物理的光束可変手段はメカニカルシャッタ
機構であることを特徴とする請求項１から請求項５のう
ちいずれか１項記載の撮像装置。（作用効果）物理的光束可変手段を簡単なメカニカルシ
ャッタ機構で構成するので、撮像装置の構成を簡素化で
きる。（対応する実施の形態）第１〜４の実施の形態（７）（構成）前記物理的光束可変手段は音響光学素子又は液
晶シャッタであることを特徴とする請求項１から請求項
５のうちいずれか１項記載の撮像装置。（作用効果）音響光学素子や液晶シャッタは、開閉を比
較的容易に制御できるので、露光時間中に一時的に信号
電荷の蓄積を中断することができる。（対応する実施の形態）第１〜４の実施の形態

【００２７】

【発明の効果】上述した様に本発明によれば、撮像素子
と物理的光束可変手段とを組み合わせて露光動作を制御
しているため、露光時間を正確に制御すること、空間的
な解像度を向上させることが可能となる。また、電荷を
生成蓄積する光電変換部分と電荷転送部分とが共用され
る撮像素子を用いているので、小型、低コストの撮像素
子で良好な撮像装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１〜４の実施の形態に係る撮像装置
の概略構成図。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置の露
光タイミングを示す図。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置の露
光タイミングを示す図。

【図４】本発明の第３の実施の形態に係る撮像装置の露
光タイミングを示す図。

【図５】（ａ）ストライプ状カラーフィルタアレイの
画素配列を示す図。（ｂ）モザイク状カラーフィルタアレイの画素配列を
示す図。

【図６】本発明の第４の実施の形態に係る撮像素子３の
構成図。

【図７】（ａ）〜（ｃ）本発明の第４の実施の形態に
係る撮像装置における信号読み出しの流れを説明するた
めの図。（ｄ）本発明の第４の実施の形態に係る撮像装置にお
ける印加パルスφｔ及びφｓの印加タイミングを示す
図。

【図８】（ａ），（ｂ）不要電荷の高速掃き出しに関
する撮像素子３の構成を示す図。

【図９】従来の撮像装置の概略構成図。

【図１０】フルフレーム型ＣＣＤ撮像素子の構成を示す
図。

【図１１】従来の撮像装置の露光タイミングを示す図。

【図１２】（ａ）〜（ｃ）従来の撮像装置における信
号読み出しの流れを説明するための図。（ｄ）従来の撮像装置における印加パルスφｔ及びφ
ｓの印加タイミングを示す図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体像を撮影するための光学系を有する
撮像装置において、前記光学系からの被写体像に対応した光束を電荷として
生成蓄積する光電変換部と、前記光電変換部において蓄
積された電荷を出力転送部に向けて転送する電荷転送部
とが共用される撮像素子と、前記光学系から前記撮像素子へ入射する光束を物理的に
変化させる物理的光束可変手段と、前記物理的光束可変手段の動作タイミングと、上記撮像
素子における不要電荷排出のための高速掃き出しの動作
タイミングとを関連づけた露光動作を行わせて、撮像の
露光時間を制御する露光制御手段とを備えたことを特徴
とする撮像装置。
【請求項２】前記露光制御手段は、前記高速掃き出し動作を、前記物理的光束可変手段の開
動作に同期又は所定の時間遅らせて行うことで露光動作
を開始し、前記物理的光束可変手段の閉動作により露光動作を終了
するよう制御することを特徴とする請求項１記載の撮像
装置。
【請求項３】前記露光制御手段は、前記高速掃き出し動作を、前記物理的光束可変手段の開
時間内において、前記物理的光束可変手段の閉動作から
所定の時間前に行うことで露光時間を制御していること
を特徴とする請求項１または請求項２記載の撮像装置。
【請求項４】前記露光制御手段は、前記物理的光束可変
手段の開時間を一定に設定することを特徴とする請求項
１から請求項３のうちいずれか１項記載の撮像装置。
【請求項５】前記電荷転送部より転送された電荷を並列
に出力するように、前記出力転送部を複数個備えたこと
を特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項
記載の撮像装置。
【請求項６】前記物理的光束可変手段はメカニカルシャ
ッタ機構であることを特徴とする請求項１から請求項５
のうちいずれか１項記載の撮像装置。
【請求項７】前記物理的光束可変手段は音響光学素子又
は液晶シャッタであることを特徴とする請求項１から請
求項５のうちいずれか１項記載の撮像装置。