JPWO2011058660A1 - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

ＸＹ読み出し方式の撮像素子による撮像画像の歪みが防止されるとともに、画素回路内への光の漏れ込みに起因する撮像画像の劣化が抑制された撮像装置を提供する。全行の転送トランジスタと全行のリセットトランジスタをオンにして、フォトダイオードとＦＤとをリセットし、フォトダイオードへの露光を開始し、所定の露光時間の経過後に全行の転送トランジスタをオンにして、全画素のフォトダイオードの信号電荷をＦＤに転送することで露光を終了させる。そして、メカニカルシャッタを閉じて光漏れを遮光し、フォトダイオードから転送された信号電荷に応じた電圧をＦＤから行毎に順次読み出す。

Description

本発明は、撮像素子を用いて画像を撮像する撮像装置およびその制御方法に関し、特に、ＸＹアドレス方式で各画素信号を読み出すＣＭＯＳ型イメージセンサなどの撮像素子を用いて撮像する撮像装置およびその制御方法に関する。

近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなど、撮像素子を用いて撮像し、撮像画像をデジタルデータとして保存することができる撮像装置が広く普及している。このような撮像装置に用いる撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型イメージセンサが最も一般的であったが、近年では、撮像素子の一層の多画素化が進むのに従って、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサが注目されている。ＣＭＯＳ型イメージセンサは、画素信号のランダムアクセスが可能である点や、ＣＣＤ型イメージセンサと比較して読み出しが高速で、高感度、低消費電力といった特徴がある。

ところで、撮像装置において、露光時間を制御するためにメカニカルシャッタを用いた場合には、組み立て時に発生する位置精度のバラツキ誤差やシャッタ羽根の動作精度のバラツキ誤差により、露光時間のバラツキを発生させることがある。特に、高速シャッタ時においては露光時間に占める誤差の割合が大きくなってしまう。

これに対して、多くの撮像素子は、電子シャッタ機能を備えている。電子シャッタ機能は、撮像素子の画素をリセットすることにより露光を開始し、撮像素子の画素の信号を読み出すことにより露光を終了させる。このように、撮像素子の機能だけで、露光の開始と終了を制御するので、低速シャッタから高速シャッタまで、正確な露光時間の制御を実現することが可能である。

しかしながら、ＣＭＯＳ型イメージセンサにおける電子シャッタ機能は、ＣＣＤ型イメージセンサと異なり、２次元配列された多数の画素を画素行毎に順次走査して信号読み出しを行うため、行毎に露光期間がずれてしまう（例えば、特許文献１の図９参照）。そのため、特許文献１の図９（Ｂ）のように、上下方向に直線状の被写体Ｓが左右方向に移動している場合に、この被写体Ｓを撮像した静止画像では、被写体Ｓが傾いた状態で写ってしまうという問題がある。このようなＣＭＯＳ型イメージセンサの電子シャッタ機能は、ローリングシャッタ、あるいはフォーカルプレインシャッタと呼ばれている。

これに対して、全行に対して同時にシャッタを切り、露光期間を一致させるようにしたＣＭＯＳ型イメージセンサもある（例えば、特許文献１の図１１参照）。このＣＭＯＳ型イメージセンサでは、フォトダイオードをある時点で全行同時にリセットし、所定の露光時間の経過後に、フォトダイオードの電荷を全行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に転送された信号を１行ずつ順に出力する。このようにすれば、特許文献１の図１１（Ｂ）のように、上下方向に直線状の被写体Ｓが左右方向に移動している場合においても、この被写体Ｓを撮像した静止画像では、被写体が傾くことがない。

特開２００６−１９１２３６号公報 特開２００５−１７６１０５号公報

しかしながら、特許文献１の図１１を実現するＣＭＯＳ型イメージセンサの画素（特許文献１の図１０）においては、フォトダイオード以外を完全に遮光することが難しい。すなわち、ＦＤの信号を出力するまでの間に、ＦＤに対して光が漏れ込み、先に信号を出力する行と後で出力する行との間で光の漏れ込み量が異なる。そのために光漏れの上下差が発生し、撮像画像を劣化させてしまうという問題がある。

このような光漏れの上下差を解消するために、ＣＭＯＳ型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とを同じにして、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撮像装置がある（例えば、特許文献２参照）。このようにすれば、特許文献２の図３のように、ＦＤへの信号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ので、光漏れの上下差は解消する。

しかしながら、特許文献２の図３でわかるとおり、フォトダイオードのリセットとＦＤへの信号の転送は全行同時に行われていないため、移動する被写体が傾いた状態になってしまうという問題が発生する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ＸＹ読み出し方式の撮像素子による撮像画像の歪みが防止されるとともに、画素内への光の漏れ込みに起因する撮像画像の劣化が抑制された撮像装置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、光電変換により入射光量に応じた電荷を生成する光電変換手段と、前記光電変換手段により生成された電荷を蓄積する蓄積手段と、前記光電変換手段から前記蓄積手段に電荷を転送する転送手段と、前記蓄積手段をリセットするリセット手段とを各々が有する複数の画素が２次元状に配置された撮像素子と、少なくともひとつのレンズからなる第１のレンズユニットと、前記第１のレンズユニットと同じ光軸を有する少なくともひとつのレンズからなり、前記第１のレンズユニットと前記撮像素子の間に位置する第２のレンズユニットと、前記第２のレンズユニットの近傍に位置し、前記撮像素子への入射光を遮断する遮光手段とを有し、被写体像を前記撮像素子上に結像させるための光学鏡筒と、前記撮像素子の全行において前記リセット手段および前記転送手段をオンさせることで前記光電変換手段および前記蓄積手段を全行で同時にリセットした後で、前記転送手段をオフさせることで前記光電変換手段による光電変換を開始し、設定された露光時間経過後に前記転送手段を全行同時にオンさせることで光電変換手段から蓄積手段へ電荷を転送した後で、前記遮光手段を動作させて前記光電変換手段を遮光し、その後、前記前記蓄積部に蓄積された電荷に応じた電圧を行毎に順次読み出すように制御する制御手段と、
を有することを特徴とする。

また、本発明の撮像装置の制御方法は、光電変換により入射光量に応じた電荷を生成する光電変換手段と、前記光電変換手段により生成された電荷を蓄積する蓄積手段と、前記光電変換手段から前記蓄積手段に電荷を転送する転送手段と、前記蓄積手段をリセットするリセット手段とを各々が有する複数の画素が２次元状に配置された撮像素子と、少なくともひとつのレンズからなる第１のレンズユニットと、前記第１のレンズユニットと同じ光軸を有する少なくともひとつのレンズからなり、前記第１のレンズユニットと前記撮像素子の間に位置する第２のレンズユニットと、前記第２のレンズユニットの近傍に位置し、前記撮像素子への入射光を遮断する遮光手段とを有し、被写体像を前記撮像素子上に結像させるための光学鏡筒と、を有する撮像装置の制御方法であって、前記撮像素子の全行において前記リセット手段および前記転送手段をオンさせることで前記光電変換手段および前記蓄積手段を全行で同時にリセットした後で、前記転送手段をオフさせることで前記光電変換手段による光電変換を開始し、設定された露光時間経過後に前記転送手段を全行同時にオンさせることで光電変換手段から蓄積手段へ電荷を転送した後で、前記遮光手段を動作させて前記光電変換手段を遮光し、その後、前記前記蓄積部に蓄積された電荷に応じた電圧を行毎に順次読み出すように制御することを特徴とする。

本発明によれば、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、その後、光学鏡筒内の遮光手段を動作させて画素の回路内部への光漏れを遮断することで、撮像画像の歪みが生じなくなるとともに、光漏れの上下差の発生を避けることができる。

実施例に係る撮像装置の構成を示す図である。 光学鏡筒の機能を表した概念図である。 光学鏡筒の断面を示した図である。 光学鏡筒に配置された絞りを示す図である。 光学鏡筒に配置されたメカニカルシャッタを示す図である。 撮像素子と周辺アナログ回路の概略構成を示す図である。 撮像素子の画素の回路構成を示す図である。 ローリングシャッタ動作の撮影タイミングを示す図である。 グローバルシャッタ動作の撮影タイミングを示す図である。 変形例の光学鏡筒の断面を示した図である。 変形例の光学鏡筒の断面を示した図である。 変形例の光学鏡筒の断面を示した図である。 変形例の光学鏡筒の断面を示した図である。 撮像素子の画素の回路構成を示す図である。

以下に、添付図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１から図９を参照して、本発明の実施例１について説明する。図１は、本実施例に係る撮像装置の構成を示す図である。本実施例の撮像装置は、動画機能付き電子スチルカメラやビデオカメラなどに応用可能である。

図１に示す撮像装置は、光学鏡筒１０１、撮像素子１０２、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、レンズ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、絞り機構などを備えている。これらのうちの可動部は、同期制御部１０６からの制御信号に基づいて駆動される。

撮像素子１０２は、ＸＹ読み出し方式のＣＭＯＳ型イメージセンサなどであり、同期制御部１０６（制御手段）からの制御信号に応じて、露光や信号読み出し、リセットなどのタイミングが制御される。前処理部１０３は、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路、ＡＧＣ（Auto Gain Control）回路、ＡＤコンバータ回路などからなり、同期制御部１０６の制御の下で動作する。ＣＤＳ回路は、撮像素子１０２の出力信号に対して、ＣＤＳ処理により、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。また、ＡＧＣ回路はＡＧＣ処理により利得を制御し、ＡＤコンバータ回路は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路からの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の制御の下で、前処理部１０３によりデジタル化された画像信号に対して、ホワイトバランス調整処理や色補正処理、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の制御の下で動作し、信号処理部１０４からの画像信号に対して、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で圧縮符号化処理を行う。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を伸張復号化処理する。さらに、圧縮伸張部１０５が、ＭＰＥＧ（Moving Picture Experts Group）方式などにより動画像の圧縮符号化／伸張復号化処理を実行可能にしてもよい。

同期制御部１０６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムを実行することにより、この撮像装置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やレバー、ダイヤルなどから構成され、ユーザによる入力操作に応じた制御信号を同期制御部１０６に出力する。画像表示部１０８は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示デバイスや、これに対するインタフェース回路などからなる。画像表示部１０８は、同期制御部１０６から供給された画像信号を表示用の映像信号に変換して表示デバイスに供給し、画像を表示させる。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から受け取り、例えば、可搬型の半導体メモリや、光ディスク、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、磁気テープなどに記録する。また、同期制御部１０６からの制御信号を基に指定されたデータをこれらの記録媒体から読み出し、同期制御部１０６に出力する。

ここで、このような撮像装置における基本的な動作について説明する。撮像素子１０２から出力された画像信号が前処理部１０３に順次供給され、ＣＤＳ処理、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。画像表示部１０８はカメラスルー画像を表示し、ユーザは表示された画像を見て画角合わせなどを行うことが可能となる。

静止画像を撮像して記録する場合には、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の制御により、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。そして、画像記録部１０９において、撮像された静止画像のデータファイルが記録媒体に記録される。

静止画像を再生する場合には、操作部１０７からの操作入力に応じて、同期制御部１０６は、選択されたデータファイルを画像記録部１０９の記録媒体から読み込み、圧縮伸張部１０５に供給して伸張復号化処理を実行させる。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、動画像を撮像して記録する場合には、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の制御により、撮像素子１０２からの連続した複数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、取り込んだ複数フレーム分の画像信号を順次処理して、圧縮伸張部１０５に供給する。圧縮伸張部１０５は、供給された画像信号に圧縮符号化処理を施して動画像の符号化データを生成し、順次画像記録部１０９に転送する。

動画像を再生する場合には、操作部１０７からの操作入力に応じて、同期制御部１０６は、選択されたデータファイルを画像記録部１０９の記録媒体から読み込み、圧縮伸張部１０５に供給して伸張復号化処理を実行させる。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。

図２は、レンズが３群構成の光学鏡筒１０１の機能を表した概念図である。光軸４００に対して、位置Ｐ１１に被写体４０１、位置Ｐ１２に第１レンズ群４０２（第１のレンズユニット）、位置Ｐ１３に第２レンズ群４０３（第２のレンズユニット）、位置Ｐ１４に第３レンズ群４０４（第３のレンズユニット）という配置になっている。そして、位置Ｐ１５の結像面に被写体像４０５が結像する。ここで、第１レンズ群４０２、第２レンズ群４０３、第３レンズ群４０４は、少なくともひとつのレンズからなるものとする。レンズ群が複数のレンズで構成されている場合、同じレンズ群内のレンズの位置関係は固定されているが、レンズ群同士の相対的な位置関係は、ズームや合焦を行うために移動することになる。

また、撮像素子１０２の撮像領域は、結像面Ｐ１５の位置に配置される。

実線４３２および実線４３３で挟まれた領域は、第１レンズ群４０２に対して、被写体上端４３１の光束が入射する範囲を示し、実線４４２および実線４４３で挟まれた領域は、第１レンズ群４０２に対して、被写体中心４４１の光束が入射する範囲を示す。また、実線４５２および実線４５３で挟まれた領域は、第１レンズ群４０２に対して、被写体下端４５１の光束が入射する範囲を示す。

実線４３５および実線４３６で挟まれた領域は、第２レンズ群４０３を通過して、被写体像上端４３４に結像する光束の範囲を示し、実線４４５および実線４４６で挟まれた領域は、第２レンズ群４０３を通過して、被写体像中心４４４に結像する光束の範囲を示す。また、実線４５５および実線４５６で挟まれた領域は、第２レンズ群４０３を通過して、被写体像下端４５４に結像する光束の範囲を示す。

このようなレンズの関係においては、第１レンズ群４０２および第２レンズ群４０３でズーム機能を実現することが多い。例えば、第１レンズ群４０２が変倍機能を受け持ち、第２レンズ群４０３が結像位置の補正機能を受け持つように構成してもよい。そして、第３レンズ群４０４は、結像面の最も近くに位置し、一般にレンズの口径が小さく軽いことが多いので、位置精度と移動速度を要求される合焦機能を持たせることが多い。また、絞り（撮像素子への入射光量を調整する光量調整手段）については、第１レンズ群４０２と第２レンズ群４０３の間に配置することが望ましいが、図２では図示していない。

次に、光軸４００に対する位置Ｐ２１からＰ２７に、それぞれメカニカルシャッタ（撮像素子への入射光を遮断する遮光手段）を配置した場合について考察する。なお、ここで説明するメカニカルシャッタは、シャッタ羽根が周辺から光軸に向かって閉じていくレンズシャッタを想定している。メカニカルシャッタの位置がＰ２７にある場合、閉じ始めにおいて被写体上端と下端の光束の一部を遮光するが、中心の光束は遮光していない。このため、周辺と中心の露光時間の差が大きくなり、被写体像に露光ムラを発生させてしまう。

メカニカルシャッタの位置がＰ２４からＰ２６のいずれかにある場合、位置Ｐ２７程ではないが、周辺と中心の露光時間の差が発生する。露光ムラの程度は、位置Ｐ２４からＰ２６になるほど悪くなり、シャッタ羽根の速度にもよるが、合焦レンズより結像面側となる位置Ｐ２６は適当ではないことが多い。

メカニカルシャッタの位置がＰ２２およびＰ２３にある場合、ズームレンズを構成する第１レンズ群４０２と第２レンズ群４０３の間になる。この位置は、瞳面（フーリエ変換面）に相当し、被写体からの光が空間周波数に変換されているため、被写体からの光束を同時に絞ることができる。そのため、絞りはこの位置に置かれている。被写体像に露光ムラを発生させることなく遮光するためには、メカニカルシャッタもこの位置に置くことが望ましい。

メカニカルシャッタの位置がＰ２１にある場合、やはり被写体像周辺と中心の露光時間の差が発生する。さらに、被写体に最も近いレンズは、一般にレンズの口径が一番大きくなることが多いので、そのような位置にメカニカルシャッタを置くのは適当ではない。ここで、位置Ｐ２１からＰ２６は、それぞれのレンズ群の前後にある位置となっている。これは、各レンズ群がズームや合焦をおこなうために移動するため、そのレンズ群と一緒に移動することを想定したためである。さらに、レンズ群が複数のレンズで構成されている場合には、メカニカルシャッタをレンズ群内のレンズ間に置いても構わない。

以上の考察に基づき、本実施形態の光学鏡筒１０１について説明する。図３は、本実施例の光学鏡筒１０１の断面を示した図である。なお、光学鏡筒１０１を除いた撮像装置本体５００について、ここでは詳細には図示していない。光学鏡筒１０１は、図３に示すように、撮像装置５００に固定されている固定鏡筒５０１、第１レンズ群５１０と第１レンズ群が配置される第１鏡筒５１１、第２レンズ群５２０と第２レンズ群が配置される第２鏡筒５２１、少なくともひとつのレンズからなる第３レンズ群５３０と第３レンズ群が配置される第３鏡筒５３１から構成されている。また、第２鏡筒５２１は、絞り５２５（光量調整手段）およびメカニカルシャッタ５２６（遮光手段）を備えている。

ここで、第１鏡筒５１１は、第２鏡筒５２１に対して、光軸方向に移動可能となっている。また、第２鏡筒５２１は、固定鏡筒５０１に対して、光軸方向に移動可能となっている。さらに、第３鏡筒５３１も、固定鏡筒５０１に対して、光軸方向に移動可能となっている。例えば、第２鏡筒５２１内側に螺旋状の溝を設け、その溝に対するガイドピンを第１鏡筒５１１外側に設ける。

そして、第１鏡筒５１１が、撮像装置本体５００から延びる駆動シャフト５１３とギアから構成される駆動変換部５１４により回転することで、第１鏡筒５１１のガイドピンが第２鏡筒５２１内側の溝に沿って移動し、その結果、第１鏡筒５１１は、第２鏡筒５２１に対して、光軸方向に移動することができる。同様に、第２鏡筒５２１が、撮像装置本体５００から延びる駆動シャフト５２３とギアから構成される駆動変換部５２４により回転することで、第２鏡筒５２１は、固定鏡筒５０１に対して、光軸方向に移動することができる。さらに同様に、第３鏡筒５３１が、撮像装置本体５００から延びる駆動シャフト５３３とギアから構成される駆動変換部５３４により回転することで、第３鏡筒５３１は、固定鏡筒５０１に対して、光軸方向に移動することができる。

ここで、第１鏡筒５１１、第２鏡筒５２１および第３鏡筒５３１の回転方法として、駆動シャフトの代わりに同期制御部１０６からの制御線を用い、駆動変換部にモーターを用いても同様な動作が可能である。以上のように、各レンズ群が移動可能となっているので、図２と同様に、第１レンズ群５１０および第２レンズ群５２０でズーム機能を実現し、第３レンズ群５３０で合焦機能を実現している。

図４は、図３における絞り５２５を示す図である。絞り５２５は、絞り羽根８０１、８０２、８０３を組み合わせて、連続的に開口８０４の径が変えられる虹彩絞りとなっている。このため、連続的に光量を調整することができる。開口８０４の形状は円形が理想であるが、通常、用いた絞り羽根の枚数に応じた数の角を持ってしまう。本実施形態では、絞り羽根が３枚の場合で説明するが、必要に応じて絞り羽根を増やした絞りを使ってもよい。

図５は、図３におけるメカニカルシャッタ５２６を示す図である。メカニカルシャッタ５２６は、シャッタ羽根９１１および９２１を用いて、結像面を遮光することができる。図５において、シャッタ羽根９１１および９２１は、それぞれ回転軸９１２および９２２を軸として回転可能となっている。また、シャッタ羽根９１１および９２１には、それぞれガイド孔９１３および９２３が設けられ、上下に移動可能な駆動ピン９３１が両方のガイド孔を貫いて配置されている。ガイド孔９１３および９２３は、対応するシャッタ羽根の回転軸９１２および９２２からの距離が下に行くに従って遠くなっており、駆動ピン９３１を上に移動させた場合は、開口部９４１が閉じて遮光し、下に移動させた場合は開口部９４１を開放するように動作する。

図６は、撮像素子１０２とその周辺のアナログ回路の概略構成を示す図である。本実施例の撮像素子１０２（ＣＭＯＳ型イメージセンサ）は、半導体基板２００上に次の各構成要素が設けられている。すなわち、画素部（撮像領域）２１０、定電流部２２０、列信号処理部２３０、垂直選択部２４０、水平選択部２５０、水平信号線２６０、出力処理部２７０およびＴＧ（Timing Generator）２８０が設けられている。画素部２１０は、多数の画素を２次元マトリクス状に配置したものであり、各画素には図７で後述するような画素回路が設けられている。

この画素部２１０からの画素信号は、画素列毎に後述する垂直信号線を通して列信号処理部２３０に出力される。定電流部２２０には、各画素にバイアス電流を供給するための定電流源が画素列毎に配置されている。垂直選択部２４０は、画素部２１０の各画素を１行ずつ選択し、各画素のリセット動作や読み出し動作を駆動制御する。列信号処理部２３０は、各画素の信号を垂直信号線を通じて１行分ずつ受け取り、列毎に所定の信号処理を行って、その信号を一時保持する。例えばＣＤＳ処理、ＡＧＣ処理、ＡＤ変換処理などを適宜行うものとする。

水平選択部２５０は、列信号処理部２３０の信号を１つずつ選択し、水平信号線２６０に供給する。出力処理部２７０は、水平信号線２６０からの信号に所定の処理を行い、外部に出力するものであり、例えばゲインコントロール回路や色処理回路を有している。なお、列信号処理部２３０でＡＤ変換を行う代わりに、出力処理部２７０で行うようにしてもよい。ＴＧ２８０は、同期制御部１０６の制御の下で、各部の動作に必要な各種のパルス信号などを出力する。

図７は、撮像素子１０２の画素部２１０における各画素３１０の回路構成を示す図である。図７に示すように、画素３１０には、フォトダイオードＰＤ１１、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。なおここでは、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、それぞれ行選択信号線２１１、転送信号線２１２、リセット信号線２１３が接続されている。これらの信号線は水平方向に延在して、同一行に含まれる画素を同時に駆動するようになっており、これ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になっている。さらに、選択トランジスタＭ１４のソースには垂直信号線２１４が接続され、垂直信号線２１４の一方の端部は、定電流源２１５を介して接地されている。

フォトダイオードＰＤ１１（光電変換手段）は、光電変換により電荷を生成して蓄積するものであり、そのＰ側が接地され、Ｎ側が転送トランジスタＭ１２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１２（転送手段）がＯＮすると、フォトダイオードＰＤ１１の電荷がＦＤ２１６（蓄積手段）に転送されるが、ＦＤ２１６には寄生容量Ｃ１６があるので、この部分に電荷が蓄積される。増幅トランジスタＭ１３のドレインは電源電圧Ｖｄｄとされ、ゲートはＦＤ２１６に接続されている。この増幅トランジスタＭ１３は、ＦＤ２１６の電圧を電気信号に変換する。

選択トランジスタＭ１４は、信号を読み出す画素を行単位で選択するためのものであり、そのドレインは増幅トランジスタＭ１３のソースに、ソースは垂直信号線２１４に接続されている。この選択トランジスタＭ１４がＯＮしたときには、増幅トランジスタＭ１３と定電流源２１５とがソースフォロアを構成するので、ＦＤ２１６の電圧に対応する電圧が垂直信号線２１４に出力される。リセットトランジスタＭ１５のドレインは電源電圧Ｖｄｄとされ、ソースはＦＤ２１６に接続されている。このリセットトランジスタＭ１５（リセット手段）がＯＮすると、ＦＤ２１６の電圧を電源電圧Ｖｄｄにリセットする。

以下、この画素部２１０の基本的な動作例について説明する。この回路では、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を行うことが可能となっている。

＜ローリングシャッタ動作の制御＞
まず、メカニカルシャッタ５２６が閉じている場合は開放にする。次に、設定したい露光時間からリセット時間を計算する。計算されたリセット時間になったら、画素部２１０の読み出し開始行の画素に対して、リセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮし、次に、転送信号線２１２を高電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＮする。これにより、ＦＤ２１６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２１２を低電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＦＦすることで、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２１３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、開始行のリセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮすることで、ＦＤ２１６を電源電圧Ｖｄｄにセットする。この状態で、開始行の行選択信号線２１１を高電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＮした後、リセット信号線２１３を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦすることで、この時のＦＤ２１６の電圧に対応するリセット電圧を垂直信号線２１４に出力する。

次に、転送信号線２１２を高電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＮすることで、フォトダイオードＰＤ１１に生じた信号電荷がＦＤ２１６に転送される。そして、転送信号線２１２を低電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＦＦすることで、露光が終了し、ＦＤ２１６に転送された信号電荷が加わった電圧に比例した信号電荷電圧が垂直信号線２１４に出力される。
ここで、垂直信号線２１４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り、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処理によって抽出される。そして、各列が水平選択部２５０により順次選択されて、開始行の１行分の画素信号が出力される。

この後、開始行の行選択信号線２１１を低電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＦＦした後、計算されたリセット時間になったら、リセットトランジスタＭ１５および転送トランジスタＭ１２をＯＮし、これらをＯＦＦ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８は、このローリングシャッタ動作の撮影タイミングを示したものである。ローリングシャッタ動作は、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５２６が閉じている場合は開放にする。また、絞り５２５の開口量は、撮影条件にあわせてあらかじめ設定しておく。

図８において、上が読み出し開始行、下が読み出し終了行となっていて、Ｖｒｅａｄが読み出し方向を示している。まず、設定したい露光時間をもとに、リセット開始時間ｔ１１を計算する。そして、タイミングｔ１１から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、上述した画素のリセット動作が１行毎に実施される（図８の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、上述した画素の読み出し動作が開始される。そして、タイミングｔ１３から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行毎に画素信号が出力される（図８の４１）。

さらに、次のリセット開始時間ｔ１５から次のリセット動作期間が始まり（図８の１３）、次の読み出し開始時間ｔ１６から次の読み出し動作期間が始まる（図８の４３）。また、タイミングｔ１０までは、一つ前の読み出し動作期間となっている（図８の４２）。

このように、タイミングｔ１３から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を実現している。

＜グローバルシャッタ動作の制御＞
まず、メカニカルシャッタ５２６が閉じている場合は開放にする。次に、設定したい露光時間からリセット時間を計算する。計算されたリセット時間になったら、画素部２１０の全行において、リセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮし、次に、転送信号線２１２を高電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＮする。これにより、全画素（全行）のＦＤ２１６およびフォトダイオードＰＤ１１が同時にリセットされる。続いて、全行の転送信号線２１２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２１３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２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮすることで、全画素のＦＤ２１６を電源電圧Ｖｄｄにセットする。次に、全行のリセット信号線２１３を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦする。続いて、全行の転送信号線２１２を同時に高電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＮすることで、全画素のフォトダイオードＰＤ１１に生じた信号電荷がＦＤ２１６に転送される。そして、全行の転送信号線２１２を低電位にして転送トランジスタＭ１２をＯＦＦすることで、露光が終了し、全画素のＦＤ２１６は、転送された信号電荷が蓄積した状態になる。この状態の時に、メカニカルシャッタ５２６（遮光手段）を遮光動作させて、全画素を遮光する。そして、遮光完了後に、画素からの読み出し動作を開始する。

まず、画素部２１０の読み出し開始行の画素に対して、行選択信号線２１１を高電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＮすることで、ＦＤ２１６に転送された信号電荷が加わった電圧に比例した信号電荷電圧が垂直信号線２１４に出力される。次に、開始行のリセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮすることで、ＦＤ２１６を電源電圧Ｖｄｄにセットする。この状態で、開始行のリセット信号線２１３を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦすることで、この時のＦＤ２１６の電圧に対応するリセット電圧を垂直信号線２１４に出力する。この後、開始行の行選択信号線２１１を低電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＦＦする。ここで、垂直信号線２１４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り、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処理によって抽出される。そして、各列が水平選択部２５０により順次選択されて、開始行の１行分の画素信号が出力される。

以上のような読み出し動作が、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、各行の読み出し期間が１行毎にずれていくことになる。

図９は、このグローバルシャッタ動作のタイミングを示したものである。グローバルシャッタ動作は、静止画記録に用いられる。メカニカルシャッタ５２６が閉じている場合は開放にする。また、絞り５２５の開口量は、撮影条件にあわせてあらかじめ設定しておく。

図９において、上が読み出し開始行、下が読み出し終了行となっていて、Ｖｒｅａｄが読み出し方向を示している。まず、設定された露光時間をもとに、リセット時間ｔ１を計算する。そして、リセット時間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９の１０）。

次に、リセット時間ｔ１から設定された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９の２０）。全行同時転送動作を実施した後もＦＤ２１６への光漏れは続いているので、タイミングｔ３において、メカニカルシャッタ５２６を遮光動作させる（図９の３１）。図９の網掛け部９１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。ここで、図３の光学鏡筒１０１においては、メカニカルシャッタ５２６が、ズームレンズを構成する第１レンズ群５１０および第２レンズ群５２０の間に位置するため、全画素を同時に一斉に遮光することが可能となっている。そのため、タイミングｔ３で、全画素に対する光漏れをなくすことができる。

そして、遮光完了後、上述した画素の読み出し動作が開始される。タイミングｔ５からｔ６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行毎に画素信号が出力される（図９の４０）。

以上のように、本実施形態においては、全行同時リセットおよび全行同時転送によるグローバルシャッタ動作により、移動する被写体が傾いた状態で撮像されてしまうという課題を解決することができる。また、ズームレンズ内にメカニカルシャッタを配置する構成を用いることで、光漏れが全画素にわたって同じレベルに抑えられることにより、光漏れのムラを解消することができる。本実施形態においては、メカニカルシャッタ５２６は、第２鏡筒５２１に置かれているが、第１レンズ群５１０と第２レンズ群５２０の間にあればよいので、図２の位置Ｐ２２に対応する第１鏡筒５１１に置いてもよい。

なお、静止画像の撮像時において、露光時間が例えば０．１秒以上のように比較的長い場合には、移動する被写体を撮像するとその像はぶれてしまう。このような場合には、ローリングシャッタ方式による電子シャッタ動作を行っても、その電子シャッタ動作に起因する撮像画像の歪みは画質に対して大きく影響しない。そこで、シャッタレリーズボタンが押下されたときに、信号処理部１０４あるいは同期制御部１０６によって演算された露光時間が一定値以下の場合にのみ、図９に示したようなグローバルシャッタ動作とメカニカルシャッタとを併用する撮影制御を行うようにしてもよい。また、それ以外の場合では、図８に示したようなローリングシャッタ動作を用いて撮影制御するようにしてもよい。これにより、メカニカルシャッタの余分な動作が抑えられ、消費電力を低減することができるという効果がある。

次に、本実施形態の変形例について説明する。図１０は、本実施形態における光学鏡筒１０１の変形例を示す図である。図３とは、第２鏡筒５２１の構成が異なっており、第２鏡筒５２１以外の構成は図３と同じである。図１０では、メカニカルシャッタ５２７が、第２レンズ群５２０と第３レンズ群５３０の間にある。すなわち、第２レンズ群５２０を間に挟んで第１レンズ群５１０の反対側に配置されている。

ここで、メカニカルシャッタ５２７の位置は、図２のＰ２４に対応する位置になる。この位置は、図２の考察によると、位置Ｐ２７程ではないが、周辺と中心の露光時間の差が発生する。

しかしながら、本実施形態においては、メカニカルシャッタの遮光動作３１は、グローバルシャッタ動作の全行同時転送動作２０の完了後になるので、被写体の遮光ではなく光漏れの遮光となる。そのため、被写体像の露光ムラは発生せず、若干の光漏れのムラを発生するだけなので、画像への影響は少なくて済む。また、図１０においては、メカニカルシャッタ５２７は、第２鏡筒５２１に置かれているが、メカニカルシャッタが、露光に比べてはるかに少ない光漏れの遮光に用いられているだけなので、図２の位置Ｐ２５に対応する第３鏡筒５３１に置いてもよい。

図１１は、本実施形態における光学鏡筒１０１の別の変形例を示す図である。図１１に示すように、光学鏡筒１０１は、撮像装置本体６００に取り付けられ、第１レンズ群６１０が配置される第１鏡筒６１１、第２レンズ群６２０が配置される第２鏡筒６２１、第３レンズ群６３０が配置される第３鏡筒６３１から構成されている。第２鏡筒６２１は、撮像装置６００に固定されている。

また、第２鏡筒６２１は、光量調整手段としての絞り６２５および遮光手段としてのメカニカルシャッタ６２６を備えている。ここで、第１鏡筒６１１は、駆動シャフト６１３とギアから構成される駆動変換部６１４により、第２鏡筒６２１に対して光軸方向に移動可能となっている。また、第３鏡筒６３１は、駆動シャフト６３３とギアから構成される駆動変換部６３４により、第２鏡筒６２１に対して光軸方向に移動可能となっている。

図１１に示す光学鏡筒１０１は、沈胴構造を持つ単焦点レンズとして用いられる構成であり、撮像装置の電源が入っていない時は、第１鏡筒６１１が第２鏡筒６２１内に収納され、撮像装置全体の厚みを低減する構造になっている。

撮像装置の動作時は、第１鏡筒６１１が第２鏡筒６２１から繰り出し、第１レンズ群６１０および第２レンズ群６２０で結像レンズを構成し、第３レンズ群６３０が合焦レンズとなる。図１１に示す光学鏡筒１０１においても、第１レンズ群６１０および第２レンズ群６２０の間にある瞳面に、メカニカルシャッタ６２６を置くことで、光漏れのムラを解消することができる。また、メカニカルシャッタ６２６の位置は、図２の位置Ｐ２２に対応する第１鏡筒６１１に置いてもよい。さらに、メカニカルシャッタ６２６が光漏れの遮光に用いられていることを考慮すると、図２の位置Ｐ２４に対応する第２鏡筒６２１に置いてもよいし、図２の位置Ｐ２５に対応する第３鏡筒３３１に置いてもよい。

図１２は、本実施形態における光学鏡筒１０１のさらに別の変形例を示す図である。図１２に示すように、光学鏡筒１０１は、第１鏡筒７１１、第２鏡筒７２１、第３鏡筒７４１から構成されている。第１鏡筒７１１には、第１レンズ群７１０と第３レンズ群７３０が配置され、第２鏡筒７２１には、第２レンズ群７２０と第２レンズ群が配置され、第３鏡筒７４１には、第４レンズ群７４０と第４レンズ群が配置される。第１鏡筒７１１は、撮像装置本体７００に固定されている。

また、第２鏡筒７２１は、光量調整手段としての絞り７２５を備え、第１鏡筒７１１は、遮光手段としてのメカニカルシャッタ７３６を備えている。なお、メカニカルシャッタ７３６は、第２鏡筒７２１に配置された第２レンズ群７２０と、第１鏡筒７１１に配置された第３レンズ群７３０の間に位置する。ここで、第２鏡筒７２１は、駆動シャフト７２３とギアから構成される駆動変換部７２４により、第１鏡筒７１１に対して光軸方向に移動可能となっている。また、第３鏡筒７４１は、駆動シャフト７４３とギアから構成される駆動変換部７４４により、第１鏡筒７１１に対して光軸方向に移動可能となっている。

図１２に示す光学鏡筒１０１は、４群構成のズームレンズとして用いられる構成であり、第１レンズ群７１０、第２レンズ群７２０および第３レンズ群７３０がズームレンズを構成し、第４レンズ群７４０が合焦レンズとなる。変倍レンズとして機能する第２レンズ群７２０が、凹レンズになっているのが特徴である。図１２に示す光学鏡筒１０１においても、第２レンズ群７２０および第３レンズ群７３０の間にある瞳面に、メカニカルシャッタ７３６を置くことで、光漏れのムラを解消することができる。

また、メカニカルシャッタ７３６の位置は、第１レンズ群７１０と第２レンズ群７２０の間の第１鏡筒７１１あるいは第２鏡筒７２１に置いてもよく、第２レンズ群７２０と第３レンズ群７３０の間の第２鏡筒７２１あるいは第１鏡筒７１１に置いてもよい。さらに、メカニカルシャッタ７３６が光漏れの遮光に用いられていることを考慮すると、第３レンズ群７３０と第４レンズ群７４０の間の第１鏡筒７１１あるいは第３鏡筒７４１に置いてもよい。

次に、図１から図９、図１１および図１２に加えて、図１３を参照して、本発明の実施例２である撮像装置について説明する。なお、本実施例では、撮像装置の基本的な構成と動作及び撮像素子の基本的な構成と動作は、上記実施例１と同様であるので、図および符号を流用して説明する。図１３は、本実施例における光学鏡筒１０１を示す図である。ここでは、第２鏡筒５２１が絞り兼用シャッタ５２８を備えていること以外は、図３と同じ構成になっている。

次に、図４を用いて、絞り兼用シャッタ５２８を実現する方法を説明する。図４では、３枚の絞り羽根８０１、８０２、８０３を組み合わせて虹彩絞りを構成している。これらの絞り羽根が閉じる方向にバネ等の弾性体を組み込み、開く方向をモーターなどで制御し、シャッタ動作に連動して高速に閉じる機能を持たせることができる。あるいは、絞り羽根の一枚が他と独立して高速に閉じる機能を持っていても構わない。

さらに、図５を用いて、別の方式による絞り兼用シャッタ５２８を実現する方法を説明する。図５は、シャッタ羽根９１１および９２１を用いてメカニカルシャッタを構成しているが、駆動ピン９３１を開閉位置だけでなく、その途中の位置にも停止するように制御することで、シャッタ開口９４１を絞りの開口として機能させることができる。すなわち、撮像素子への入射光量を調整する機能を備える。

図１３の鏡筒１０１に対して、図４あるいは図５で説明した絞り兼用シャッタ５２８を用いた場合においても、図７および図９を用いて説明したグローバルシャッタ動作が可能であることは明らかである。

以上のように、本実施例においては、全行同時リセットおよび全行同時転送によるグローバルシャッタ動作により、移動する被写体が傾いた状態で写ってしまうという課題を解決する。また、それとともに、ズームレンズ内に絞り兼用シャッタを配置する構成を用いることで、光漏れが全画素にわたって同じレベルに抑えられることにより、光漏れのムラを解消することができる。

また、実施例１においては、図３に示すように、第１レンズ群５１０と第２レンズ群５２０の間に、絞り５２５とメカニカルシャッタ５２６の両方を配置するような構成になっているため、第１レンズ群５１０と第２レンズ群５２０の移動範囲に制限がかかってしまう。これに対し本実施例においては、絞りとメカニカルシャッタを兼用するので、レンズ群の移動範囲に制限がかかるという問題を解消するとともに、撮像装置の小型化と簡略化を実現できるという効果もある。

さらに、本実施例において説明した絞り兼用シャッタ５２８は、第２鏡筒５２１に置かれているが、第１レンズ群５１０と第２レンズ群５２０の間にあればよいので、図２の位置Ｐ２２に対応する第１鏡筒５１１に置いてもよい。また、本実施例において説明した絞り兼用シャッタ５２８は、図３、図１１および図１２に対しても適応することができる。

次に、図１から図１３に加えて、図１４を参照して、本発明の実施例３である撮像装置について説明する。なお、本実施例では、撮像装置の基本的な構成と動作及び撮像素子の基本的な構成と動作は、上記実施例１および２と同様であるので、図および符号を流用して説明する。

図１４は、本実施形態における図６の画素部２１０に配列される各画素３２０の回路構成を示す図である。転送トランジスタＭ１２および転送信号線２１２の代わりに、電荷転送素子Ｍ１７と電荷転送素子Ｍ１７の転送制御を行う画素転送信号線２１７、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９を備えていること以外は、図７と同じ構成になっている。

次に、電荷転送素子Ｍ１７の動作について説明する。電荷転送素子Ｍ１７は、転送ゲートＧ１、Ｇ２およびＧ３を備え、転送ゲートＧ１、Ｇ２およびＧ３により、それぞれ対応する転送チャネルの電荷の蓄積状態と障壁状態（非蓄積状態）が制御される。代表的な電荷転送素子としてはＣＣＤがあげられる。転送ゲートＧ１、Ｇ２およびＧ３による制御では、それぞれ対応する画素転送信号線２１７、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９が高電位の時に、トランジスタのＯＮに相当する電荷の蓄積状態となる。また、低電位の時に、トランジスタのＯＦＦに相当する障壁状態（非蓄積状態）となる。

そして、転送ゲートＧ１、Ｇ２およびＧ３に対応する転送チャネルが、あらかじめ決められた順番で蓄積状態と障壁状態（非蓄積状態）を取ることで、フォトダイオードＰＤ１１からＦＤ２１６に向かって、信号電荷を転送することができる。また、転送ゲートＧ１およびＧ３に対応する転送チャネルを障壁状態（非蓄積状態）とし、転送ゲートＧ２に対応する転送チャネルを蓄積状態とすることで、転送ゲートＧ２の転送チャネルに、電荷を独立した状態で蓄積することが可能となっている。

ここで、図１４の画素３２０を用いてローリングシャッタ動作を実施した場合の撮影タイミングについて、図８を用いて説明する。まず、設定したい露光時間をもとに、リセット開始時間ｔ１１を計算する。

そして、タイミングｔ１１から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、画素のリセット動作が１行毎に実施される（図８の１１）。１行毎の画素のリセット動作は、以下のように実行される。はじめに、リセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮし、次に、画素転送信号線２１７、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９を高電位にして電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルをすべて蓄積状態にする。電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルがすべてＯＮになっているため、フォトダイオードＰＤ１１の電荷がＦＤ２１６に転送されて、フォトダイオードＰＤ１１がリセットされる。

続いて、画素転送信号線２１７、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９をこの順番に低電位にして、電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルをすべて障壁状態（非蓄積状態）にする。これにより、フォトダイオードＰＤ１１の露光が開始される。ここで、画素転送信号線２１７、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９をこの順番で低電位にしたのは、電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルに残っている電荷を確実にＦＤ２１６に転送するためである。最後に、リセット信号線２１３を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦする。以上が、画素のリセット動作である。

その後、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、画素の読み出し動作が開始される。そして、タイミングｔ１３から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行毎に画素信号が出力される（図８の４１）。１行毎の画素の読み出し動作は、以下のように実行される。はじめに、露光の終了直前に、リセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮすることで、ＦＤ２１６を電源電圧Ｖｄｄにセットする。この状態で、行選択信号線２１１を高電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＮした後、リセット信号線２１３を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦすることで、この時のＦＤ２１６の電圧に対応するリセット電圧を垂直信号線２１４に出力する。

次に、画素転送信号線２１７、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９を高電位にして電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルをすべて蓄積状態にすることで、フォトダイオードＰＤ１１に生じた信号電荷がＦＤ２１６に転送される。続いて、画素転送信号線２１７、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９をこの順番に低電位にして、電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルをすべて障壁状態（非蓄積状態）にすることで、露光が終了し、ＦＤ２１６に転送された信号電荷が加わった電圧に比例した信号電荷電圧が垂直信号線２１４に出力される。

ここで、垂直信号線２１４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り、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処理によって抽出される。そして、各列が水平選択部２５０により順次選択されて、１行分の画素信号が出力される。最後に、行選択信号線２１１を低電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＦＦする。以上が、画素の読み出し動作である。

さらに、次のリセット開始時間ｔ１５から次のリセット動作期間が始まり（図８の１３）、次の読み出し開始時間ｔ１６から次の読み出し動作期間が始まる（図８の４３）。また、タイミングｔ１０までが、一つ前の読み出し動作期間となっている（図８の４２）。これにより、タイミングｔ１３から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を実現している。

次に、図１４の画素３２０を用いてグローバルシャッタ動作を実施した場合の撮影タイミングについて、図９を用いて説明する。まず、設定したい露光時間をもとに、リセット時間ｔ１を計算する。そして、リセット時間ｔ１において、全行同時リセット動作を実施する（図９の１０）。全行同時リセット動作は、以下のように実行される。はじめに、全行のリセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮし、次に、全行の画素転送信号線２１７、全行の画素蓄積信号線２１８および全行のＦＤ転送信号線２１９を高電位にして電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルをすべて蓄積状態にする。電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルがすべてＯＮになっているため、フォトダイオードＰＤ１１の電荷がＦＤ２１６に転送されて、全画素のフォトダイオードＰＤ１１がリセットされる。

続いて、全行の画素転送信号線２１７、全行の画素蓄積信号線２１８および全行のＦＤ転送信号線２１９をこの順番に低電位にして、電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルをすべて障壁状態（非蓄積状態）にする。これにより、全画素のフォトダイオードＰＤ１１の露光が開始される。ここで、画素転送信号線２１７、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９をこの順番で低電位にしたのは、電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルに残っている電荷を確実にＦＤ２１６に転送するためである。最後に、リセット信号線２１３を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦする。以上が、全行同時リセット動作である。

その後、リセット時間ｔ１から露光期間が過ぎたタイミングｔ２において、全行同時転送動作を実施する（図９の２０）。全行同時転送動作は、以下のように実行される。はじめに、全行の画素転送信号線２１７および全行の画素蓄積信号線２１８を高電位にすることで、電荷転送素子Ｍ１７の転送ゲートＧ１およびＧ２に対応する転送チャネルを蓄積状態にする。ここで、全行のＦＤ転送信号線２１９は低電位のままなので、電荷転送素子Ｍ１７の転送ゲートＧ３に対応する転送チャネルは障壁状態（非蓄積状態）である。これにより、全画素のフォトダイオードＰＤ１１に生じた信号電荷が転送ゲートＧ１およびＧ２に対応する転送チャネルに転送される。

次に、全行の画素転送信号線２１７を低電位にすることで、電荷転送素子Ｍ１７の転送ゲートＧ１に対応する転送チャネルを障壁状態（非蓄積状態）にする。これにより、露光が終了し、転送ゲートＧ１に対応する転送チャネルにあった信号電荷が、転送ゲートＧ２に対応する転送チャネルに転送されることで、全画素のフォトダイオードＰＤ１１に生じた信号電荷が、全画素の転送ゲートＧ２に対応する転送チャネルに蓄積された状態となる。以上が、全行同時転送動作である。

全行同時転送動作を実施した後もＦＤ２１６への光漏れは続いているので、タイミングｔ３において、メカニカルシャッタ５２６を遮光動作させる（図９の３１）。図９の網掛け部９１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。ここで、図３の光学鏡筒１０１においては、メカニカルシャッタ５２６が、ズームレンズを構成する第１レンズ群５１０および第２レンズ群５２０の間に位置するため、全画素を同時に一斉に遮光することが可能となっている。そのため、タイミングｔ３で、全画素に対する光漏れをなくすことができる。

そして、遮光完了後、画素の読み出し動作が開始される。タイミングｔ５からｔ６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行毎に画素信号が出力される（図９の４０）。１行毎の画素の読み出し動作は、以下のように実行される。はじめに、リセット信号線２１３を高電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＮすることで、ＦＤ２１６を電源電圧Ｖｄｄにセットする。この状態で、行選択信号線２１１を高電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＮした後、リセット信号線２１３を低電位にしてリセットトランジスタＭ１５をＯＦＦすることで、この時のＦＤ２１６の電圧に対応するリセット電圧を垂直信号線２１４に出力する。

次に、ＦＤ転送信号線２１９を高電位にして、電荷転送素子Ｍ１７の転送ゲートＧ３に対応する転送チャネルを蓄積状態にすることで、転送ゲートＧ２に対応する転送チャネルに蓄積されている信号電荷がＦＤ２１６に転送される。続いて、画素蓄積信号線２１８およびＦＤ転送信号線２１９をこの順番に低電位にして、電荷転送素子Ｍ１７の転送チャネルをすべて障壁状態（非蓄積状態）にする。これにより、ＦＤ２１６に転送された信号電荷が加わった電圧に比例した信号電荷電圧が垂直信号線２１４に出力される。

ここで、垂直信号線２１４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り、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処理によって抽出される。そして、各列が水平選択部２５０により順次選択されて、１行分の画素信号が出力される。最後に、行選択信号線２１１を低電位にして選択トランジスタＭ１４をＯＦＦする。
以上が、画素の読み出し動作である。

以上のように、本実施例においては、全行同時リセットおよび全行同時転送によるグローバルシャッタ動作により、移動する被写体が傾いた状態で写ってしまうという課題を解決するとともに、ズームレンズ内にメカニカルシャッタを配置する構成を用いることで、光漏れが全画素にわたって同じレベルに抑えられることにより、光漏れのムラを解消することができる。

また、実施例１においては、グローバルシャッタ動作時の図７の画素３１０からのリセット電圧と信号電荷電圧の読み出し順が、ローリングシャッタ動作時の読み出し順と異なっている。ローリングシャッタ動作時の画素の読み出しでは、リセット電圧を垂直信号線２１４に出力した状態のまま信号電荷を加算して、信号電荷電圧を垂直信号線２１４に出力することになるので、信号電荷電圧を読み出した時のリセット電圧を差し引くことができる。しかし、実施例１におけるグローバルシャッタ動作時の画素３１０からの読み出しでは、信号電荷電圧を垂直信号線２１４に出力した後に、ＦＤ２１６をリセットしてからリセット電圧を垂直信号線２１４に出力する。このため、リセット時の電源電圧Ｖｄｄのノイズの影響などにより、信号電荷電圧を読み出す前のリセット電圧とは異なる電圧になってしまうことがあり、その場合は、信号電荷電圧からリセット電圧を引いた信号電圧にノイズがのってしまうことになる。

そこで、本実施例においては、画素３２０のフォトダイオードとＦＤの間に信号電荷を一時的に蓄積できる電荷転送素子を設けた構成になっている。これにより、グローバルシャッタ動作時のリセット電圧と信号電荷電圧の読み出し順を、ローリングシャッタ動作時の読み出し順と同じにすることができるので、信号電荷電圧からリセット電圧を差し引いた時にも正確な信号電圧を得ることができるという効果もある。さらに、本実施例の電荷転送素子を備えた画素においては、図３の光学鏡筒だけではなく、図１０から図１３の光学鏡筒にも適用できることは明らかである。

１０１ 光学鏡筒
１０２ 撮像素子
１０６ 同期制御部
５１０ 第１レンズ群
５２０ 第２レンズ群
５２５ 絞り
５２６ メカニカルシャッタ

Claims (6)

1. 光電変換により入射光量に応じた電荷を生成する光電変換手段と、前記光電変換手段により生成された電荷を蓄積する蓄積手段と、前記光電変換手段から前記蓄積手段に電荷を転送する転送手段と、前記蓄積手段をリセットするリセット手段とを各々が有する複数の画素が２次元状に配置された撮像素子と、
   少なくともひとつのレンズからなる第１のレンズユニットと、前記第１のレンズユニットと同じ光軸を有する少なくともひとつのレンズからなり、前記第１のレンズユニットと前記撮像素子の間に位置する第２のレンズユニットと、前記第２のレンズユニットの近傍に位置し、前記撮像素子への入射光を遮断する遮光手段とを有し、被写体像を前記撮像素子上に結像させるための光学鏡筒と、
   前記撮像素子の全行において前記リセット手段および前記転送手段をオンさせることで前記光電変換手段および前記蓄積手段を全行で同時にリセットした後で、前記転送手段をオフさせることで前記光電変換手段による光電変換を開始し、設定された露光時間経過後に前記転送手段を全行同時にオンさせることで光電変換手段から蓄積手段へ電荷を転送した後で、前記遮光手段を動作させて前記光電変換手段を遮光し、その後、前記前記蓄積部に蓄積された電荷に応じた電圧を行毎に順次読み出すように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記遮光手段は、前記第１のレンズユニットと前記第２のレンズユニットの間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記遮光手段は、前記第２のレンズユニットを間に挟んで前記第１のレンズユニットの反対側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. さらに、前記撮像素子への入射光量を調整する光量調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記遮光手段は、前記撮像素子への入射光量を調整する機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 光電変換により入射光量に応じた電荷を生成する光電変換手段と、前記光電変換手段により生成された電荷を蓄積する蓄積手段と、前記光電変換手段から前記蓄積手段に電荷を転送する転送手段と、前記蓄積手段をリセットするリセット手段とを各々が有する複数の画素が２次元状に配置された撮像素子と、
   少なくともひとつのレンズからなる第１のレンズユニットと、前記第１のレンズユニットと同じ光軸を有する少なくともひとつのレンズからなり、前記第１のレンズユニットと前記撮像素子の間に位置する第２のレンズユニットと、前記第２のレンズユニットの近傍に位置し、前記撮像素子への入射光を遮断する遮光手段とを有し、被写体像を前記撮像素子上に結像させるための光学鏡筒と、を有する撮像装置の制御方法であって、
   前記撮像素子の全行において前記リセット手段および前記転送手段をオンさせることで前記光電変換手段および前記蓄積手段を全行で同時にリセットした後で、前記転送手段をオフさせることで前記光電変換手段による光電変換を開始し、設定された露光時間経過後に前記転送手段を全行同時にオンさせることで光電変換手段から蓄積手段へ電荷を転送した後で、前記遮光手段を動作させて前記光電変換手段を遮光し、その後、前記前記蓄積部に蓄積された電荷に応じた電圧を行毎に順次読み出すように制御することを特徴とする撮像装置の制御方法。