WO2011058660A1 - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents

撮像装置およびその制御方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2011058660A1
WO2011058660A1 PCT/JP2009/069456 JP2009069456W WO2011058660A1 WO 2011058660 A1 WO2011058660 A1 WO 2011058660A1 JP 2009069456 W JP2009069456 W JP 2009069456W WO 2011058660 A1 WO2011058660 A1 WO 2011058660A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
transfer
photoelectric conversion
lens
reset
image
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/069456
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
敏和 柳井
Original Assignee
キヤノン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by キヤノン株式会社 filed Critical キヤノン株式会社
Priority to CN200980162468.8A priority Critical patent/CN102612834B/zh
Priority to PCT/JP2009/069456 priority patent/WO2011058660A1/ja
Priority to KR1020127014400A priority patent/KR101375830B1/ko
Priority to JP2011540380A priority patent/JP5665760B2/ja
Priority to US12/943,873 priority patent/US8436922B2/en
Publication of WO2011058660A1 publication Critical patent/WO2011058660A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B7/00—Control of exposure by setting shutters, diaphragms or filters, separately or conjointly
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/53—Control of the integration time
    • H04N25/531—Control of the integration time by controlling rolling shutters in CMOS SSIS
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B17/00—Details of cameras or camera bodies; Accessories therefor
    • G03B17/02—Bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components

Definitions

  • the present invention relates to an image pickup apparatus that picks up an image using an image pickup element and a control method thereof, and more particularly, to an image pickup apparatus that picks up an image using an image pickup element such as a CMOS image sensor that reads out each pixel signal by an XY address method and its control Regarding the method.
  • an image pickup apparatus that picks up an image using an image pickup element such as a CMOS image sensor that reads out each pixel signal by an XY address method and its control Regarding the method.
  • CMOS Complementary Metal Oxide
  • the exposure time varies due to the positional accuracy variation error and the shutter blade operation accuracy variation error that occur during assembly. There is. In particular, at the time of high-speed shutter, the ratio of error to the exposure time becomes large.
  • image sensors have an electronic shutter function.
  • the electronic shutter function starts exposure by resetting the pixels of the image sensor, and ends the exposure by reading signals of the pixels of the image sensor.
  • the start and end of exposure are controlled only by the function of the image sensor, accurate exposure time control from a low-speed shutter to a high-speed shutter can be realized.
  • the electronic shutter function in the CMOS type image sensor scans a number of pixels arranged two-dimensionally sequentially for each pixel row and reads out the signal, so that the exposure period is shifted for each row.
  • FIG. 9B of Patent Document 1 when a straight subject S is moving in the vertical direction, the subject S is tilted in a still image obtained by capturing the subject S. There is a problem that it is reflected in.
  • Such an electronic shutter function of the CMOS image sensor is called a rolling shutter or a focal plane shutter.
  • CMOS type image sensor in which the shutters are simultaneously turned off for all rows so that the exposure periods are matched (for example, see FIG. 11 of Patent Document 1).
  • the photodiodes are simultaneously reset at a certain point in time, and the charges of the photodiodes are transferred to the floating diffusion (FD) at the same time after a predetermined exposure time. Then, the signals transferred to the FD are sequentially output line by line. In this way, as shown in FIG. 11B of Patent Document 1, even when the linear subject S moves in the vertical direction, the still image obtained by capturing the subject S does not Will not tilt.
  • the readout direction of the CMOS image sensor in units of rows and the light shielding direction of the mechanical shutter are made the same, and the photodiode is reset so as to match the light shielding operation of the mechanical shutter.
  • an imaging device that controls transfer to the FD see, for example, Patent Document 2.
  • the time from the transfer of the signal to the FD until the light is shielded by the mechanical shutter can be made equal for all rows, so that the vertical difference in light leakage is eliminated.
  • the present invention has been made in view of the above points, and prevents distortion of a captured image caused by an XY readout image sensor, and suppresses deterioration of a captured image caused by light leakage into a pixel.
  • An object of the present invention is to provide an image pickup apparatus.
  • an imaging apparatus includes a photoelectric conversion unit that generates a charge according to an incident light amount by photoelectric conversion, a storage unit that stores a charge generated by the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit.
  • An imaging device comprising a plurality of pixels each having a two-dimensional arrangement and a transfer means for transferring charge from the conversion means to the storage means and a reset means for resetting the storage means, and at least one lens.
  • the photoelectric conversion means and the storage means are simultaneously reset in all rows by turning on the reset means and the transfer means in all rows of the cylinder and the image pickup device, and then the photoelectric conversion means is turned off by turning off the transfer means.
  • the photoelectric conversion by the conversion means is started, and after the set exposure time has elapsed, the transfer means is turned on at the same time for all rows to transfer charges from the photoelectric conversion means to the storage means.
  • control method of the imaging apparatus includes a photoelectric conversion unit that generates a charge corresponding to the amount of incident light by photoelectric conversion, a storage unit that stores the charge generated by the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit.
  • a first lens comprising an image pickup device in which a plurality of pixels each having a transfer means for transferring charge to the storage means and a reset means for resetting the storage means are arranged two-dimensionally, and at least one lens
  • a second lens unit that is located between the first lens unit and the image pickup device, and the second lens unit includes a unit and at least one lens having the same optical axis as the first lens unit.
  • a method for controlling an image pickup apparatus comprising: resetting the photoelectric conversion means and the storage means simultaneously in all rows by turning on the reset means and the transfer means in all rows of the image pickup device; The photoelectric conversion by the photoelectric conversion means is started by turning off, and after the set exposure time has passed, the transfer means is turned on simultaneously to transfer charges from the photoelectric conversion means to the storage means, and then the light shielding The photoelectric conversion means is shielded from light by operating the means, and thereafter, the voltage corresponding to the electric charge accumulated in the accumulation unit is controlled so as to be sequentially read out for each row.
  • the exposure period of all rows is made to coincide with each other by simultaneous reset and all row transfer of the image sensor, and then the light shielding means in the optical barrel is operated to leak light into the pixel circuit.
  • the captured image is no longer distorted and the occurrence of a light leak top-bottom difference can be avoided.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the imaging apparatus according to the present embodiment.
  • the image pickup apparatus of this embodiment can be applied to an electronic still camera with a moving image function, a video camera, or the like.
  • An imaging apparatus shown in FIG. 1 includes an optical barrel 101, an imaging element 102, a preprocessing unit 103, a signal processing unit 104, a compression / decompression unit 105, a synchronization control unit 106, an operation unit 107, an image display unit 108, and an image recording unit 109.
  • the optical barrel 101 includes a lens for condensing light from a subject on the image sensor 102, a drive mechanism for moving the lens to perform zooming and focusing, a mechanical shutter mechanism, an aperture mechanism, and the like.
  • the movable unit is driven based on a control signal from the synchronization control unit 106.
  • the image sensor 102 is an XY readout type CMOS image sensor or the like, and the timing of exposure, signal readout, reset, and the like is controlled in accordance with a control signal from the synchronization control unit 106 (control means).
  • the pre-processing unit 103 includes a CDS (Correlated Double Sampling) circuit, an AGC (Auto Gain Control) circuit, an AD converter circuit, and the like, and operates under the control of the synchronization control unit 106.
  • the CDS circuit removes fixed pattern noise caused by variations in the threshold values of the transistors in the pixel circuit by performing CDS processing on the output signal of the image sensor 102, and increases the S / N (Signal / Noise) ratio. Sample and hold to keep it good.
  • the AGC circuit controls the gain by AGC processing, and the AD converter circuit converts the analog image signal from the CDS / AGC circuit into a digital image signal.
  • the signal processing unit 104 performs white balance adjustment processing, color correction processing, AF (Auto-Focus) processing, AE (Auto) on the image signal digitized by the preprocessing unit 103 under the control of the synchronization control unit 106. Perform signal processing such as exposure processing.
  • the compression / decompression unit 105 operates under the control of the synchronization control unit 106, and compresses the image signal from the signal processing unit 104 in a predetermined still image data format such as JPEG (Joint Photographic Coding Experts Group) method. Process. Further, the compression / decompression unit 105 performs decompression decoding processing on the encoded data of the still image supplied from the synchronization control unit 106. Further, the compression / decompression unit 105 may be able to execute a compression encoding / decompression decoding process of a moving image by an MPEG (Moving / Picture / Experts / Group) method or the like.
  • MPEG Motion Picture / Experts /
  • the synchronization control unit 106 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like, and by executing a program stored in the ROM or the like, Control all parts centrally.
  • the operation unit 107 includes, for example, various operation keys such as a shutter release button, a lever, and a dial, and outputs a control signal according to an input operation by the user to the synchronization control unit 106.
  • the image display unit 108 includes a display device such as an LCD (Liquid Crystal Display) and an interface circuit for the display device.
  • the image display unit 108 converts the image signal supplied from the synchronization control unit 106 into a video signal for display and supplies it to the display device to display an image.
  • the image recording unit 109 receives the image data file encoded by the compression / decompression unit 105 from the synchronization control unit 106, and records it on, for example, a portable semiconductor memory, an optical disk, a HDD (Hard Disk Drive), a magnetic tape, or the like. . Further, data designated based on a control signal from the synchronization control unit 106 is read from these recording media and output to the synchronization control unit 106.
  • Image signals output from the image sensor 102 are sequentially supplied to the preprocessing unit 103, subjected to CDS processing and AGC processing, and then converted into digital image signals by an AD converter.
  • the signal processing unit 104 performs image quality correction processing on the digital image signal from the preprocessing unit 103 and supplies the digital image signal to the image display unit 108 via the synchronization control unit 106 as a camera-through image signal.
  • the image display unit 108 displays a camera-through image, and the user can adjust the angle of view by looking at the displayed image.
  • an image signal for one frame from the image sensor 102 is controlled by the synchronization control unit 106 and the pre-processing unit 103. Is taken in by the signal processing unit 104.
  • the signal processing unit 104 performs image quality correction processing on the captured image signal for one frame, and supplies the processed image signal to the compression / decompression unit 105.
  • the compression / decompression unit 105 compresses and encodes the input image signal, and supplies the generated encoded data to the image recording unit 109 via the synchronization control unit 106. Then, the image recording unit 109 records the captured still image data file on a recording medium.
  • the synchronization control unit 106 When reproducing a still image, the synchronization control unit 106 reads the selected data file from the recording medium of the image recording unit 109 and supplies it to the compression / decompression unit 105 in response to an operation input from the operation unit 107. The decompression decoding process is executed. The decoded image signal is supplied to the image display unit 108 via the synchronization control unit 106, and a still image is reproduced and displayed.
  • the image signal for a plurality of continuous frames from the image sensor 102 is controlled by the synchronization control unit 106. It is taken into the signal processing unit 104 via the preprocessing unit 103.
  • the signal processing unit 104 sequentially processes the captured image signals for a plurality of frames and supplies them to the compression / decompression unit 105.
  • the compression / decompression unit 105 performs compression encoding processing on the supplied image signal to generate moving image encoded data, and sequentially transfers the encoded data to the image recording unit 109.
  • the synchronization control unit 106 When playing back a moving image, the synchronization control unit 106 reads the selected data file from the recording medium of the image recording unit 109 and supplies the selected data file to the compression / decompression unit 105 in response to an operation input from the operation unit 107. The decompression decoding process is executed. The decoded image signal is supplied to the image display unit 108 via the synchronization control unit 106, and a moving image is reproduced and displayed.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the function of the optical barrel 101 having three groups of lenses.
  • the subject 401 at position P11, the first lens group 402 (first lens unit) at position P12, the second lens group 403 (second lens unit) at position P13, and the third at position P14.
  • the arrangement is a lens group 404 (third lens unit).
  • the subject image 405 is formed on the image forming surface at the position P15.
  • the first lens group 402, the second lens group 403, and the third lens group 404 are composed of at least one lens.
  • the lens group is composed of a plurality of lenses, the positional relationship between the lenses in the same lens group is fixed, but the relative positional relationship between the lens groups moves to perform zooming and focusing. It will be.
  • the imaging area of the imaging element 102 is arranged at the position of the imaging plane P15.
  • a region sandwiched between the solid line 432 and the solid line 433 indicates a range in which the light flux of the subject upper end 431 is incident on the first lens group 402, and a region sandwiched between the solid line 442 and the solid line 443 is the first lens group 402.
  • the range in which the luminous flux of the subject center 441 enters is shown.
  • a region sandwiched between the solid line 452 and the solid line 453 indicates a range in which the luminous flux of the subject lower end 451 is incident on the first lens group 402.
  • the region sandwiched between the solid line 435 and the solid line 436 indicates the range of the light flux that passes through the second lens group 403 and forms an image on the upper end 434 of the subject image.
  • the region sandwiched between the solid line 445 and the solid line 446 is the second region.
  • a range of a light beam that passes through the lens group 403 and forms an image on the subject image center 444 is shown.
  • a region sandwiched between the solid line 455 and the solid line 456 indicates a range of light flux that passes through the second lens group 403 and forms an image on the lower end 454 of the subject image.
  • the first lens group 402 and the second lens group 403 often implement a zoom function.
  • the first lens group 402 may be configured to have a magnification function
  • the second lens group 403 may be configured to have a function of correcting an imaging position.
  • the third lens group 404 is located closest to the image plane and generally has a small lens aperture and is often light, so that it often has a focusing function that requires positional accuracy and moving speed.
  • the diaphragm a light amount adjusting means for adjusting the amount of light incident on the image sensor
  • the diaphragm is disposed between the first lens group 402 and the second lens group 403, but is not shown in FIG.
  • the position of the mechanical shutter is P22 and P23, it is between the first lens group 402 and the second lens group 403 constituting the zoom lens.
  • This position corresponds to the pupil plane (Fourier transform plane), and light from the subject is converted into a spatial frequency, so that the light flux from the subject can be simultaneously reduced. Therefore, the diaphragm is placed at this position. In order to shield the subject image without causing uneven exposure, it is desirable to place the mechanical shutter at this position.
  • the positions P21 to P26 are positions before and after each lens group. This is because it is assumed that each lens group moves together with the lens group to move in order to perform zooming and focusing. Further, when the lens group is composed of a plurality of lenses, a mechanical shutter may be placed between the lenses in the lens group.
  • FIG. 3 is a view showing a cross section of the optical barrel 101 of the present embodiment.
  • the optical barrel 101 includes a fixed barrel 501 fixed to the imaging device 500, a first barrel 511 in which a first lens group 510 and a first lens group are arranged, and a second lens group.
  • the second lens barrel 521 includes a diaphragm 525 (light amount adjusting means) and a mechanical shutter 526 (light shielding means).
  • the first lens barrel 511 is movable with respect to the second lens barrel 521 in the optical axis direction.
  • the second lens barrel 521 is movable in the optical axis direction with respect to the fixed lens barrel 501.
  • the third lens barrel 531 is also movable in the optical axis direction with respect to the fixed lens barrel 501.
  • a spiral groove is provided inside the second lens barrel 521, and a guide pin for the groove is provided outside the first lens barrel 511.
  • the first lens barrel 511 is rotated by a drive conversion unit 514 including a drive shaft 513 extending from the imaging device main body 500 and a gear, so that the guide pin of the first lens barrel 511 is located inside the second lens barrel 521.
  • the first lens barrel 511 can move in the optical axis direction with respect to the second lens barrel 521.
  • the second lens barrel 521 is rotated with respect to the fixed lens barrel 501 by the rotation of the second lens barrel 521 by a drive conversion unit 524 including a drive shaft 523 extending from the imaging device main body 500 and a gear. It can move in the optical axis direction.
  • the third lens barrel 531 is rotated with respect to the fixed lens barrel 501 by the rotation of the third lens barrel 531 by a drive conversion unit 534 including a drive shaft 533 extending from the imaging device main body 500 and a gear. Can move in the direction of the optical axis.
  • a control line from the synchronization control unit 106 may be used instead of the drive shaft, and a motor may be used as the drive conversion unit. Similar operations are possible.
  • the zoom function is realized by the first lens group 510 and the second lens group 520, and the focusing function is realized by the third lens group 530, as in FIG. Is realized.
  • FIG. 4 is a diagram showing the diaphragm 525 in FIG.
  • the diaphragm 525 is an iris diaphragm in which the diameter of the opening 804 is continuously changed by combining the diaphragm blades 801, 802, and 803. For this reason, the amount of light can be adjusted continuously.
  • the shape of the opening 804 is ideally circular, but usually has a number of corners corresponding to the number of aperture blades used. In the present embodiment, the case where there are three aperture blades will be described, but an aperture having more aperture blades may be used as necessary.
  • FIG. 5 is a diagram showing the mechanical shutter 526 in FIG.
  • the mechanical shutter 526 can shield the imaging surface by using the shutter blades 911 and 921.
  • shutter blades 911 and 921 are rotatable about rotation shafts 912 and 922, respectively.
  • the shutter blades 911 and 921 are provided with guide holes 913 and 923, respectively, and a drive pin 931 that can be moved up and down is disposed through both guide holes.
  • the guide holes 913 and 923 become wider as the distance from the rotation shafts 912 and 922 of the corresponding shutter blades goes downward, and when the drive pin 931 is moved upward, the opening 941 is closed and shielded from light. When it is moved downward, it operates to open the opening 941.
  • FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of the image sensor 102 and its surrounding analog circuits.
  • the image pickup element 102 (CMOS type image sensor) of the present embodiment is provided with the following components on a semiconductor substrate 200. That is, a pixel unit (imaging region) 210, a constant current unit 220, a column signal processing unit 230, a vertical selection unit 240, a horizontal selection unit 250, a horizontal signal line 260, an output processing unit 270, and a TG (Timing Generator) 280 are provided. ing.
  • the pixel unit 210 has a large number of pixels arranged in a two-dimensional matrix, and each pixel is provided with a pixel circuit as will be described later with reference to FIG.
  • the pixel signal from the pixel unit 210 is output to the column signal processing unit 230 through a vertical signal line described later for each pixel column.
  • a constant current source for supplying a bias current to each pixel is arranged for each pixel column.
  • the vertical selection unit 240 selects each pixel of the pixel unit 210 one row at a time, and drives and controls the reset operation and readout operation of each pixel.
  • the column signal processing unit 230 receives the signal of each pixel for each row through the vertical signal line, performs predetermined signal processing for each column, and temporarily holds the signal. For example, CDS processing, AGC processing, AD conversion processing, and the like are appropriately performed.
  • the horizontal selection unit 250 selects the signals of the column signal processing unit 230 one by one and supplies them to the horizontal signal line 260.
  • the output processing unit 270 performs predetermined processing on the signal from the horizontal signal line 260 and outputs the signal to the outside, and includes, for example, a gain control circuit and a color processing circuit. Instead of performing AD conversion by the column signal processing unit 230, it may be performed by the output processing unit 270.
  • the TG 280 outputs various pulse signals necessary for the operation of each unit under the control of the synchronization control unit 106.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a circuit configuration of each pixel 310 in the pixel unit 210 of the image sensor 102.
  • the pixel 310 includes a photodiode PD11, a transfer transistor M12, an amplification transistor M13, a selection transistor M14, and a reset transistor M15.
  • each transistor is an n-channel MOSFET (MOS Field-Effect Transistor).
  • a row selection signal line 211, a transfer signal line 212, and a reset signal line 213 are connected to the gates of the transfer transistor M12, the selection transistor M14, and the reset transistor M15, respectively. These signal lines extend in the horizontal direction and drive pixels in the same row at the same time.
  • a vertical signal line 214 is connected to the source of the selection transistor M14, and one end of the vertical signal line 214 is grounded via a constant current source 215.
  • the photodiode PD11 (photoelectric conversion means) generates and accumulates charges by photoelectric conversion, and the P side is grounded and the N side is connected to the source of the transfer transistor M12.
  • the transfer transistor M12 transfer means
  • the charge of the photodiode PD11 is transferred to the FD 216 (storage means). Since the FD 216 has a parasitic capacitance C16, the charge is stored in this portion.
  • the drain of the amplification transistor M13 is set to the power supply voltage Vdd, and the gate is connected to the FD 216.
  • the amplification transistor M13 converts the voltage of the FD 216 into an electric signal.
  • the selection transistor M14 is for selecting a pixel from which a signal is read out in units of rows, and its drain is connected to the source of the amplification transistor M13 and its source is connected to the vertical signal line 214.
  • the amplification transistor M13 and the constant current source 215 form a source follower, so that a voltage corresponding to the voltage of the FD 216 is output to the vertical signal line 214.
  • the drain of the reset transistor M15 is set to the power supply voltage Vdd, and the source is connected to the FD 216.
  • the reset transistor M15 reset means
  • the voltage of the FD 216 is reset to the power supply voltage Vdd.
  • This circuit can perform two types of electronic shutter operations, a rolling shutter and a global shutter.
  • the reset signal line 213 in the start row is set to a high potential to turn on the reset transistor M15, thereby setting the FD 216 to the power supply voltage Vdd.
  • the row selection signal line 211 of the start row is set to a high potential and the selection transistor M14 is turned on.
  • the reset signal line 213 is set to a low potential and the reset transistor M15 is turned off, so that the voltage of the FD 216 at this time is obtained.
  • a corresponding reset voltage is output to the vertical signal line 214.
  • the signal charge generated in the photodiode PD11 is transferred to the FD 216 by setting the transfer signal line 212 to a high potential and turning on the transfer transistor M12. Then, the transfer signal line 212 is set to a low potential, and the transfer transistor M12 is turned off to complete the exposure, and a signal charge voltage proportional to the voltage to which the signal charge transferred to the FD 216 is added is output to the vertical signal line 214.
  • a difference obtained by subtracting the reset voltage from the signal charge voltage output to the vertical signal line 214 becomes a signal voltage, and this signal voltage is extracted by, for example, the CDS processing of the column signal processing unit 230 of the corresponding column. Then, each column is sequentially selected by the horizontal selection unit 250, and a pixel signal for one row of the start row is output.
  • the reset transistor M15 and the transfer transistor M12 are turned on.
  • the exposure is started.
  • the above operation is performed with a delay of one row from the start row in synchronization with the horizontal synchronization signal, and the pixel signals of each row are sequentially output. Therefore, the exposure period of each row is shifted for each row.
  • FIG. 8 shows the shooting timing of this rolling shutter operation.
  • the rolling shutter operation is used for image display and moving image recording during monitoring.
  • the mechanical shutter 526 is closed, it is opened. Further, the opening amount of the diaphragm 525 is set in advance according to the photographing conditions.
  • the top is the read start line
  • the bottom is the read end line
  • Vread indicates the read direction.
  • the reset start time t11 is calculated based on the exposure time to be set.
  • the reset operation period from timing t11 to t12 the pixel reset operation described above is performed for each row from the readout start row to the readout end row of the pixel portion 210 (11 in FIG. 8).
  • the pixel readout operation described above is started. Then, during the readout operation period from timing t13 to t14, pixel signals are output for each row from the readout start row to the readout end row of the pixel portion 210 (41 in FIG. 8).
  • next reset operation period starts from the next reset start time t15 (13 in FIG. 8), and the next read operation period starts from the next read start time t16 (43 in FIG. 8). Also, until the timing t10, it is the previous read operation period (42 in FIG. 8).
  • the reset signal lines 213 of all rows are set to a high potential to turn on the reset transistors M15, thereby setting the FDs 216 of all the pixels to the power supply voltage Vdd.
  • the reset signal lines 213 of all rows are set to a low potential, and the reset transistors M15 are turned off.
  • the transfer signal lines 212 of all rows are simultaneously set to a high potential to turn on the transfer transistors M12, whereby the signal charges generated in the photodiodes PD11 of all the pixels are transferred to the FD 216.
  • the transfer signal line 212 of all rows is set to a low potential and the transfer transistor M12 is turned OFF to complete the exposure, and the FD 216 of all the pixels is in a state where the transferred signal charges are accumulated.
  • the mechanical shutter 526 (light shielding means) is operated to shield all pixels from light. Then, after the light shielding is completed, the reading operation from the pixel is started.
  • the signal charge proportional to the voltage to which the signal charge transferred to the FD 216 is added by turning on the selection transistor M14 by setting the row selection signal line 211 to a high potential for the pixel in the readout start row of the pixel unit 210.
  • the voltage is output to the vertical signal line 214.
  • the reset signal line 213 in the starting row is set to a high potential to turn on the reset transistor M15, thereby setting the FD 216 to the power supply voltage Vdd.
  • the reset signal line 213 in the starting row is set to a low potential to turn off the reset transistor M15, so that a reset voltage corresponding to the voltage of the FD 216 at this time is output to the vertical signal line 214.
  • the row selection signal line 211 of the start row is set to a low potential, and the selection transistor M14 is turned off.
  • a difference obtained by subtracting the reset voltage from the signal charge voltage output to the vertical signal line 214 becomes a signal voltage, and this signal voltage is extracted by, for example, the CDS processing of the column signal processing unit 230 of the corresponding column.
  • each column is sequentially selected by the horizontal selection unit 250, and a pixel signal for one row of the start row is output.
  • the readout operation as described above is performed one by one from the start row in synchronization with the horizontal synchronization signal, and the pixel signals of each row are sequentially output. Therefore, the readout period of each row is shifted for each row.
  • FIG. 9 shows the timing of this global shutter operation.
  • the global shutter operation is used for still image recording.
  • the mechanical shutter 526 is closed, it is opened. Further, the opening amount of the diaphragm 525 is set in advance according to the photographing conditions.
  • the top is a read start line
  • the bottom is a read end line
  • Vread indicates the read direction.
  • the above-described simultaneous transfer operation for all rows is performed (20 in FIG. 9). Since light leakage to the FD 216 continues after the all-row simultaneous transfer operation is performed, the mechanical shutter 526 is operated to block light at timing t3 (31 in FIG. 9). A shaded portion 91 in FIG. 9 indicates a state of light leakage with respect to all pixels (all rows) after the simultaneous transfer operation for all rows.
  • the mechanical shutter 526 since the mechanical shutter 526 is located between the first lens group 510 and the second lens group 520 constituting the zoom lens, all the pixels are simultaneously shielded simultaneously. Is possible. Therefore, light leakage to all pixels can be eliminated at timing t3.
  • a pixel signal is output for each row from the readout start row to the readout end row of the pixel portion 210 (40 in FIG. 9).
  • the mechanical shutter 526 is placed on the second lens barrel 521, but may be located between the first lens group 510 and the second lens group 520, and thus corresponds to the position P22 in FIG. It may be placed on the first lens barrel 511.
  • the exposure time is relatively long, for example, 0.1 seconds or longer, the image is blurred when the moving subject is imaged.
  • the distortion of the captured image due to the electronic shutter operation does not significantly affect the image quality. Therefore, only when the exposure time calculated by the signal processing unit 104 or the synchronization control unit 106 is a predetermined value or less when the shutter release button is pressed, the global shutter operation and the mechanical shutter as shown in FIG. You may make it perform imaging
  • FIG. 10 is a diagram showing a modification of the optical barrel 101 in the present embodiment.
  • the configuration of the second lens barrel 521 is different from that of FIG. 3, and the configuration other than the second lens barrel 521 is the same as that of FIG.
  • the mechanical shutter 527 is between the second lens group 520 and the third lens group 530. That is, the second lens group 520 is disposed on the opposite side of the first lens group 510 with the second lens group 520 interposed therebetween.
  • the position of the mechanical shutter 527 is a position corresponding to P24 in FIG. According to the consideration in FIG. 2, this position is not as large as the position P27, but a difference in exposure time between the periphery and the center occurs.
  • the light shielding operation 31 of the mechanical shutter is performed after the completion of the all-row simultaneous transfer operation 20 of the global shutter operation. Therefore, the exposure unevenness of the subject image does not occur, and only slight light leakage unevenness occurs, so that the influence on the image can be reduced.
  • the mechanical shutter 527 is placed on the second lens barrel 521. However, since the mechanical shutter is only used to block light leakage that is much less than exposure, the mechanical shutter 527 of FIG. It may be placed on the third lens barrel 531 corresponding to the position P25.
  • FIG. 11 is a diagram showing another modification of the optical barrel 101 in the present embodiment.
  • the optical barrel 101 is attached to the imaging apparatus main body 600, and the first barrel 611 in which the first lens group 610 is disposed and the second barrel 621 in which the second lens group 620 is disposed.
  • the third lens group 631 is provided with the third lens group 630.
  • the second lens barrel 621 is fixed to the imaging device 600.
  • the second lens barrel 621 includes a diaphragm 625 as a light amount adjusting unit and a mechanical shutter 626 as a light shielding unit.
  • the first lens barrel 611 is movable in the optical axis direction with respect to the second lens barrel 621 by a drive conversion unit 614 including a drive shaft 613 and gears.
  • the third lens barrel 631 is movable in the optical axis direction with respect to the second lens barrel 621 by a drive conversion unit 634 including a drive shaft 633 and gears.
  • An optical barrel 101 shown in FIG. 11 is configured as a single focus lens having a retractable structure, and the first barrel 611 is housed in the second barrel 621 when the power of the imaging device is not turned on. In this structure, the thickness of the entire imaging device is reduced.
  • the first lens barrel 611 extends from the second lens barrel 621, the first lens group 610 and the second lens group 620 form an imaging lens, and the third lens group 630 is a focusing lens.
  • unevenness in light leakage can be eliminated by placing the mechanical shutter 626 on the pupil plane between the first lens group 610 and the second lens group 620.
  • the position of the mechanical shutter 626 may be placed on the first lens barrel 611 corresponding to the position P22 in FIG.
  • the mechanical shutter 626 may be placed on the second lens barrel 621 corresponding to the position P24 in FIG. 2, or the third corresponding to the position P25 in FIG. It may be placed on the lens barrel 331.
  • FIG. 12 is a view showing still another modified example of the optical barrel 101 in the present embodiment.
  • the optical barrel 101 includes a first barrel 711, a second barrel 721, and a third barrel 741.
  • a first lens group 710 and a third lens group 730 are arranged in the first lens barrel 711
  • a second lens group 720 and a second lens group are arranged in the second lens barrel 721
  • a third lens barrel 741 is arranged.
  • the fourth lens group 740 and the fourth lens group are arranged.
  • the first lens barrel 711 is fixed to the imaging device main body 700.
  • the second lens barrel 721 is provided with a diaphragm 725 as a light amount adjusting means
  • the first lens barrel 711 is provided with a mechanical shutter 736 as a light shielding means.
  • the mechanical shutter 736 is located between the second lens group 720 disposed in the second lens barrel 721 and the third lens group 730 disposed in the first lens barrel 711.
  • the second lens barrel 721 is movable in the optical axis direction with respect to the first lens barrel 711 by a drive conversion unit 724 including a drive shaft 723 and gears.
  • the third lens barrel 741 is movable in the optical axis direction with respect to the first lens barrel 711 by a drive conversion unit 744 including a drive shaft 743 and a gear.
  • the optical barrel 101 shown in FIG. 12 is configured as a four-group zoom lens, and the first lens group 710, the second lens group 720, and the third lens group 730 constitute a zoom lens, and the fourth lens.
  • the group 740 is a focusing lens.
  • the second lens group 720 that functions as a variable magnification lens is a concave lens. Also in the optical barrel 101 shown in FIG. 12, the unevenness of light leakage can be eliminated by placing the mechanical shutter 736 on the pupil plane between the second lens group 720 and the third lens group 730.
  • the position of the mechanical shutter 736 may be placed in the first lens barrel 711 or the second lens barrel 721 between the first lens group 710 and the second lens group 720, and the second lens group 720 and the third lens group. It may be placed in the second lens barrel 721 or the first lens barrel 711 between 730. Further, considering that the mechanical shutter 736 is used to block light leakage, the mechanical shutter 736 may be placed in the first lens barrel 711 or the third lens barrel 741 between the third lens group 730 and the fourth lens group 740. .
  • FIG. 13 is a diagram showing the optical barrel 101 in the present embodiment.
  • the second lens barrel 521 has the same configuration as that of FIG. 3 except that the second lens barrel 521 includes a diaphragm / shutter 528.
  • an iris diaphragm is configured by combining three diaphragm blades 801, 802, and 803.
  • An elastic body such as a spring is incorporated in the closing direction of these diaphragm blades, the opening direction is controlled by a motor or the like, and a function of closing at high speed in conjunction with the shutter operation can be provided.
  • one aperture blade may have a function of closing at high speed independently of the others.
  • a mechanical shutter is configured using the shutter blades 911 and 921, but the shutter opening 941 is controlled by controlling the drive pin 931 to stop not only at the open / close position but also at a midway position. It can function as an aperture of a diaphragm. That is, it has a function of adjusting the amount of light incident on the image sensor.
  • this embodiment solves the problem that the moving subject appears in an inclined state by the global shutter operation by the simultaneous reset of all rows and the simultaneous transfer of all rows.
  • this embodiment solves the problem that the moving subject appears in an inclined state by the global shutter operation by the simultaneous reset of all rows and the simultaneous transfer of all rows.
  • a diaphragm / shutter is disposed in the zoom lens, light leakage can be suppressed to the same level over all pixels, so that unevenness in light leakage can be eliminated.
  • both the diaphragm 525 and the mechanical shutter 526 are arranged between the first lens group 510 and the second lens group 520.
  • the movement range of the first lens group 510 and the second lens group 520 is limited.
  • the diaphragm and the mechanical shutter are used together, the problem that the movement range of the lens group is restricted is solved, and the downsizing and simplification of the imaging apparatus can be realized.
  • the diaphragm / shutter 528 described in the present embodiment is placed in the second lens barrel 521, but may be located between the first lens group 510 and the second lens group 520, and therefore the position P ⁇ b> 22 in FIG. 2. May be placed on the first lens barrel 511 corresponding to.
  • the diaphragm / shutter 528 described in the present embodiment can also be applied to FIGS. 3, 11, and 12.
  • an image pickup apparatus that is Embodiment 3 of the present invention will be described.
  • the basic configuration and operation of the image pickup apparatus and the basic configuration and operation of the image pickup element are the same as those in the first and second embodiments.
  • FIG. 14 is a diagram showing a circuit configuration of each pixel 320 arranged in the pixel unit 210 of FIG. 6 in the present embodiment.
  • a pixel transfer signal line 217, a pixel accumulation signal line 218, and an FD transfer signal line 219 for controlling transfer between the charge transfer element M17 and the charge transfer element M17 are provided.
  • the configuration is the same as in FIG.
  • the charge transfer element M17 includes transfer gates G1, G2, and G3, and the charge accumulation state and the barrier state (non-accumulation state) of the corresponding transfer channel are controlled by the transfer gates G1, G2, and G3, respectively.
  • a typical charge transfer device is a CCD.
  • the transfer gates G1, G2, and G3 when the corresponding pixel transfer signal line 217, pixel accumulation signal line 218, and FD transfer signal line 219 are at a high potential, a charge accumulation state corresponding to ON of the transistor is obtained. Further, when the potential is low, a barrier state (non-accumulation state) corresponding to turning off of the transistor is entered.
  • the transfer channels corresponding to the transfer gates G1, G2, and G3 transfer the signal charges from the photodiode PD11 toward the FD216 by taking the accumulation state and the barrier state (non-accumulation state) in a predetermined order. can do.
  • the transfer channel corresponding to the transfer gates G1 and G3 is set in the barrier state (non-accumulation state), and the transfer channel corresponding to the transfer gate G2 is set in the accumulation state. It is possible to accumulate in the state.
  • the shooting timing when the rolling shutter operation is performed using the pixel 320 of FIG. 14 will be described with reference to FIG. First, the reset start time t11 is calculated based on the exposure time to be set.
  • the pixel reset operation is performed for each row from the readout start row to the readout end row of the pixel portion 210 (11 in FIG. 8).
  • the pixel reset operation for each row is executed as follows. First, the reset signal line 213 is set to a high potential to turn on the reset transistor M15. Next, the pixel transfer signal line 217, the pixel accumulation signal line 218 and the FD transfer signal line 219 are set to a high potential to transfer the transfer channel of the charge transfer element M17. Are all stored. Since all the transfer channels of the charge transfer element M17 are ON, the charge of the photodiode PD11 is transferred to the FD 216, and the photodiode PD11 is reset.
  • the pixel transfer signal line 217, the pixel accumulation signal line 218, and the FD transfer signal line 219 are set to a low potential in this order, and all the transfer channels of the charge transfer element M17 are set in a barrier state (non-accumulation state). Thereby, the exposure of the photodiode PD11 is started.
  • the reason why the pixel transfer signal line 217, the pixel accumulation signal line 218, and the FD transfer signal line 219 are set to the low potential in this order is to reliably transfer the charge remaining in the transfer channel of the charge transfer element M17 to the FD 216. Because.
  • the reset signal line 213 is set to a low potential to turn off the reset transistor M15. The above is the pixel reset operation.
  • the pixel readout operation is started at timing t13 when the exposure period has passed from the reset of the readout start row. Then, during the readout operation period from timing t13 to t14, pixel signals are output for each row from the readout start row to the readout end row of the pixel portion 210 (41 in FIG. 8).
  • the pixel readout operation for each row is executed as follows. First, immediately before the end of exposure, the reset signal line 213 is set to a high potential to turn on the reset transistor M15, thereby setting the FD 216 to the power supply voltage Vdd.
  • the row selection signal line 211 is set to a high potential to turn on the selection transistor M14, and then the reset signal line 213 is set to a low potential to turn off the reset transistor M15, thereby resetting corresponding to the voltage of the FD 216 at this time.
  • the voltage is output to the vertical signal line 214.
  • the pixel transfer signal line 217, the pixel accumulation signal line 218, and the FD transfer signal line 219 are set to a high potential so that all transfer channels of the charge transfer element M17 are in an accumulation state, whereby the signal charge generated in the photodiode PD11 is reduced. It is transferred to the FD 216. Subsequently, the pixel transfer signal line 217, the pixel accumulation signal line 218, and the FD transfer signal line 219 are set to a low potential in this order, and all the transfer channels of the charge transfer element M17 are set in a barrier state (non-accumulation state). After the exposure is completed, a signal charge voltage proportional to the voltage to which the signal charge transferred to the FD 216 is added is output to the vertical signal line 214.
  • the difference obtained by subtracting the reset voltage from the signal charge voltage output to the vertical signal line 214 becomes the signal voltage, and this signal voltage is extracted by, for example, the CDS processing of the column signal processing unit 230 of the corresponding column. Then, each column is sequentially selected by the horizontal selection unit 250, and pixel signals for one row are output. Finally, the row selection signal line 211 is set to a low potential to turn off the selection transistor M14. The above is the pixel reading operation.
  • next reset operation period starts from the next reset start time t15 (13 in FIG. 8), and the next read operation period starts from the next read start time t16 (43 in FIG. 8). Further, until the timing t10 is the previous read operation period (42 in FIG. 8). Thereby, by performing synchronous control with one period from timing t13 to t16, image display and moving image recording at the time of monitoring are realized.
  • the reset time t1 is calculated based on the exposure time to be set. Then, at the reset time t1, all rows are simultaneously reset (10 in FIG. 9).
  • the all row simultaneous reset operation is executed as follows. First, reset signal lines 213 in all rows are set to a high potential to turn on reset transistors M15. Next, pixel transfer signal lines 217 in all rows, pixel accumulation signal lines 218 in all rows, and FD transfer signal lines 219 in all rows. Is set to a high potential, and all the transfer channels of the charge transfer element M17 are stored. Since all the transfer channels of the charge transfer element M17 are ON, the charge of the photodiode PD11 is transferred to the FD 216, and the photodiode PD11 of all the pixels is reset.
  • the pixel transfer signal lines 217 of all rows, the pixel accumulation signal lines 218 of all rows, and the FD transfer signal lines 219 of all rows are sequentially set to a low potential in this order so that all transfer channels of the charge transfer elements M17 are in a barrier state ( Non-accumulating state).
  • the reason why the pixel transfer signal line 217, the pixel accumulation signal line 218, and the FD transfer signal line 219 are set to the low potential in this order is to reliably transfer the charge remaining in the transfer channel of the charge transfer element M17 to the FD 216. Because.
  • the reset signal line 213 is set to a low potential to turn off the reset transistor M15. The above is the simultaneous reset operation for all rows.
  • the simultaneous transfer operation for all rows is performed (20 in FIG. 9).
  • the all-line simultaneous transfer operation is executed as follows. First, the transfer channels corresponding to the transfer gates G1 and G2 of the charge transfer element M17 are brought into an accumulation state by setting the pixel transfer signal lines 217 and the pixel accumulation signal lines 218 of all the rows to a high potential. Here, since the FD transfer signal lines 219 of all rows remain at a low potential, the transfer channel corresponding to the transfer gate G3 of the charge transfer element M17 is in a barrier state (non-accumulating state). Thereby, the signal charges generated in the photodiodes PD11 of all the pixels are transferred to the transfer channels corresponding to the transfer gates G1 and G2.
  • the transfer channel corresponding to the transfer gate G1 of the charge transfer element M17 is brought into a barrier state (non-accumulating state).
  • the exposure is completed, and the signal charge in the transfer channel corresponding to the transfer gate G1 is transferred to the transfer channel corresponding to the transfer gate G2, so that the signal charge generated in the photodiode PD11 of all the pixels is In this state, all the pixels are stored in the transfer channel corresponding to the transfer gate G2.
  • the mechanical shutter 526 is operated to block light at timing t3 (31 in FIG. 9).
  • a shaded portion 91 in FIG. 9 indicates a state of light leakage with respect to all pixels (all rows) after the simultaneous transfer operation for all rows.
  • the mechanical shutter 526 since the mechanical shutter 526 is located between the first lens group 510 and the second lens group 520 constituting the zoom lens, all the pixels are simultaneously shielded simultaneously. Is possible. Therefore, light leakage to all pixels can be eliminated at timing t3.
  • the pixel reading operation is started.
  • a pixel signal is output for each row from the readout start row to the readout end row of the pixel portion 210 (40 in FIG. 9).
  • the pixel readout operation for each row is executed as follows. First, the reset signal line 213 is set to a high potential to turn on the reset transistor M15, thereby setting the FD 216 to the power supply voltage Vdd.
  • the row selection signal line 211 is set to a high potential to turn on the selection transistor M14, and then the reset signal line 213 is set to a low potential to turn off the reset transistor M15, thereby resetting corresponding to the voltage of the FD 216 at this time.
  • the voltage is output to the vertical signal line 214.
  • the FD transfer signal line 219 is set to a high potential, and the transfer channel corresponding to the transfer gate G3 of the charge transfer element M17 is set in the accumulation state, whereby the signal charge accumulated in the transfer channel corresponding to the transfer gate G2 is stored. Is transferred to the FD 216. Subsequently, the pixel accumulation signal line 218 and the FD transfer signal line 219 are set to a low potential in this order, and all the transfer channels of the charge transfer element M17 are set in a barrier state (non-accumulation state). As a result, a signal charge voltage proportional to the voltage to which the signal charge transferred to the FD 216 is added is output to the vertical signal line 214.
  • a difference obtained by subtracting the reset voltage from the signal charge voltage output to the vertical signal line 214 becomes a signal voltage, and this signal voltage is extracted by, for example, the CDS processing of the column signal processing unit 230 of the corresponding column. Then, each column is sequentially selected by the horizontal selection unit 250, and pixel signals for one row are output. Finally, the row selection signal line 211 is set to a low potential to turn off the selection transistor M14. The above is the pixel reading operation.
  • the global shutter operation by simultaneous reset of all rows and simultaneous transfer of all rows solves the problem that a moving subject appears in an inclined state, and a mechanical shutter is included in the zoom lens.
  • the light leakage is suppressed to the same level over all the pixels, so that the unevenness of the light leakage can be eliminated.
  • the readout order of the reset voltage and the signal charge voltage from the pixel 310 in FIG. 7 during the global shutter operation is different from the readout order during the rolling shutter operation.
  • the signal charge is added while the reset voltage is output to the vertical signal line 214, and the signal charge voltage is output to the vertical signal line 214.
  • the reset voltage at the time of reading can be subtracted.
  • the FD 216 is reset and then the reset voltage is output to the vertical signal line 214.
  • the reset voltage may be different from the reset voltage before reading the signal charge voltage due to the influence of noise of the power supply voltage Vdd at the time of resetting. In that case, the reset voltage is subtracted from the signal charge voltage. Noise will be added to the signal voltage.
  • a charge transfer element capable of temporarily storing signal charges is provided between the photodiode of the pixel 320 and the FD.
  • the readout order of the reset voltage and the signal charge voltage during the global shutter operation can be made the same as the readout order during the rolling shutter operation, so that the accurate signal voltage can be obtained even when the reset voltage is subtracted from the signal charge voltage.
  • the pixel having the charge transfer element of the present embodiment can be applied not only to the optical barrel shown in FIG. 3 but also to the optical barrel shown in FIGS.

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

撮像装置およびその制御方法
　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。
PCT/JP2009/069456 2009-11-16 2009-11-16 撮像装置およびその制御方法 WO2011058660A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200980162468.8A CN102612834B (zh) 2009-11-16 2009-11-16 摄像设备及其控制方法
PCT/JP2009/069456 WO2011058660A1 (ja) 2009-11-16 2009-11-16 撮像装置およびその制御方法
KR1020127014400A KR101375830B1 (ko) 2009-11-16 2009-11-16 촬상장치 및 그 제어방법
JP2011540380A JP5665760B2 (ja) 2009-11-16 2009-11-16 撮像装置およびその制御方法
US12/943,873 US8436922B2 (en) 2009-11-16 2010-11-10 Image pickup apparatus and method for controlling the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2009/069456 WO2011058660A1 (ja) 2009-11-16 2009-11-16 撮像装置およびその制御方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011058660A1 true WO2011058660A1 (ja) 2011-05-19

Family

ID=43991339

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/069456 WO2011058660A1 (ja) 2009-11-16 2009-11-16 撮像装置およびその制御方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8436922B2 (ja)
JP (1) JP5665760B2 (ja)
KR (1) KR101375830B1 (ja)
CN (1) CN102612834B (ja)
WO (1) WO2011058660A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013162150A (ja) * 2012-02-01 2013-08-19 Canon Inc 撮像装置およびその制御方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102316283B (zh) * 2011-09-15 2013-07-03 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 空间行间转移面阵ccd相机漏光现象实时消除装置
JP2014049727A (ja) * 2012-09-04 2014-03-17 Canon Inc 固体撮像装置
TWI556647B (zh) * 2014-08-08 2016-11-01 恆景科技股份有限公司 影像感測器的可調適降低功率消耗的方法
CN105357452B (zh) * 2014-08-21 2018-04-06 恒景科技股份有限公司 影像传感器的可调适降低功率消耗的方法
JP6605255B2 (ja) * 2015-08-20 2019-11-13 日本電産コパル株式会社 レンズユニット、カメラ、電子機器、レンズユニット組立方法、カメラの製造方法および電子機器の製造方法
WO2019078319A1 (ja) * 2017-10-19 2019-04-25 ソニー株式会社 情報処理装置と情報処理方法および撮像装置とプログラム
CN112308783A (zh) * 2019-07-24 2021-02-02 株式会社理光 一种卷帘效应校正方法、装置及计算机可读存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004317943A (ja) * 2003-04-18 2004-11-11 Fuji Photo Optical Co Ltd デジタルカメラ
JP2005176105A (ja) * 2003-12-12 2005-06-30 Canon Inc 撮像装置、及び撮像装置の駆動方法
JP2006191236A (ja) * 2005-01-04 2006-07-20 Sony Corp 撮像装置および撮像方法
JP2007028167A (ja) * 2005-07-15 2007-02-01 Konica Minolta Holdings Inc 撮像装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2541503Y2 (ja) * 1991-09-17 1997-07-16 旭光学工業株式会社 カメラ
US7224395B2 (en) * 2001-03-01 2007-05-29 Olympus Optical Co., Ltd. Camera having a shutter to cut reverse-incident light from the eyepiece lens
JP2004260797A (ja) * 2003-02-07 2004-09-16 Ricoh Co Ltd 撮像装置、撮像方法および記録媒体
US20040212723A1 (en) * 2003-04-22 2004-10-28 Malcolm Lin Image pickup apparatus and operating method
JP2008233611A (ja) * 2007-03-22 2008-10-02 Konica Minolta Opto Inc 変倍光学系、撮像装置及びデジタル機器
JP2009044367A (ja) * 2007-08-08 2009-02-26 Fujifilm Corp 撮影方法及び撮影装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004317943A (ja) * 2003-04-18 2004-11-11 Fuji Photo Optical Co Ltd デジタルカメラ
JP2005176105A (ja) * 2003-12-12 2005-06-30 Canon Inc 撮像装置、及び撮像装置の駆動方法
JP2006191236A (ja) * 2005-01-04 2006-07-20 Sony Corp 撮像装置および撮像方法
JP2007028167A (ja) * 2005-07-15 2007-02-01 Konica Minolta Holdings Inc 撮像装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013162150A (ja) * 2012-02-01 2013-08-19 Canon Inc 撮像装置およびその制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102612834A (zh) 2012-07-25
KR101375830B1 (ko) 2014-03-17
US8436922B2 (en) 2013-05-07
KR20120078748A (ko) 2012-07-10
US20110115956A1 (en) 2011-05-19
JPWO2011058660A1 (ja) 2013-03-28
CN102612834B (zh) 2015-09-30
JP5665760B2 (ja) 2015-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4325557B2 (ja) 撮像装置および撮像方法
JP5665760B2 (ja) 撮像装置およびその制御方法
JP5247007B2 (ja) 撮像装置及び撮像システム
JP4874668B2 (ja) オートフォーカスユニット及びカメラ
JP6414718B2 (ja) 撮像装置
JP3814609B2 (ja) 撮像装置、及び撮像装置の駆動方法
US10812704B2 (en) Focus detection device, method and storage medium, for controlling image sensor operations
US7349015B2 (en) Image capture apparatus for correcting noise components contained in image signals output from pixels
JP2007208885A (ja) 撮像ユニットおよび撮像装置
JP4025836B2 (ja) 撮像装置及び携帯通信機器
JP5627728B2 (ja) 撮像装置及び撮像システム
JP4745677B2 (ja) 撮像装置
JP2007143067A (ja) 撮像装置及び撮像システム
JP2007013895A (ja) 撮像装置
JP5975658B2 (ja) 撮像装置およびその制御方法
WO2015182021A1 (ja) 撮像制御装置、撮像装置および撮像制御方法
JP4569342B2 (ja) 撮像装置
US20150085172A1 (en) Image capturing apparatus and control method thereof
JP2013055553A (ja) 撮像装置およびその制御方法
JP5047907B2 (ja) 撮像装置及び撮像方法
JP2005303708A (ja) デジタルカメラ

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200980162468.8

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09851290

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011540380

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20127014400

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09851290

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1