(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像部と蓄積部および水平転送部からなる電荷蓄積型の２次元の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の電荷蓄積時間を任意の時間に制御する制御手段と、前記蓄積部から任意の複数ラインを水平転送部へ垂直転送した後に水平転送を行うための固体撮像素子駆動制御手段とを有し、入射光輝度に応じて電荷蓄積時間及びまたは水平転送部へ連続垂直転送するライン数を制御することにより、固体撮像素子からの出力信号量を制御する測光システムにおいて、
電荷蓄積時間が５０ミリ秒より短くなるときは、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚ両方の蛍光灯のフリッカー誤差の最大値が極小となる電荷蓄積時間に固定し、水平転送部へ連続垂直転送するライン数を制御することにより、固体撮像素子からの出力信号量を制御することを特徴とする測光システム。
【請求項２】
撮像部と蓄積部および水平転送部からなる電荷蓄積型の２次元の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の電荷蓄積時間を任意の時間に制御する制御手段と、前記蓄積部から任意の複数ラインを水平転送部へ垂直転送した後に水平転送を行うための固体撮像素子駆動制御手段とを有し、入射光輝度に応じて電荷蓄積時間及びまたは水平転送部へ連続垂直転送するライン数を制御することにより、固体撮像素子からの出力信号量を制御する測光システムにおいて、
電荷蓄積時間が、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚ両方の蛍光灯のフリッカー誤差の最大値が極小となる最短時間で、かつ水平転送部へ連続垂直転送するライン数が１ラインであって、出力信号量が飽和状態もしくはあるレベル以上になるときは、電荷蓄積時間を更に短くするように制御することを特徴とする測光システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷蓄積型の固体撮像素子を用いた測光システムに関し、蛍光灯のフリッカーによる測光値の誤差を抑え、かつ高速で測光が可能な測光システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子を用いた測光システムでは、固体撮像素子からの出力信号が飽和状態にならないように電荷蓄積時間を制御し、出力信号量と電荷蓄積時間から測光値を演算する方法がとられる。このような電荷蓄積型の固体撮像素子を用いた測光システムを用いて蛍光灯下で測光を行う場合には、蓄積を開始するタイミングによって測光値がばらつくという問題がある。
【０００３】
この現象を図１を用いて説明する。例えば、５０Ｈｚの蛍光灯は図１のように１０ミリ秒周期で点滅を繰り返している。このような状況下で電荷蓄積時間を１ミリ秒として蓄積を行った場合、光量がピークの時に蓄積開始したときと、光量が０の時に蓄積開始したときとでは、同じ蓄積時間であっても蓄積電荷量は大きく異なる。図１においてそれぞれの蓄積開始タイミングによる蓄積電荷量は斜線部で示した面積に比例する。測光値はこの蓄積電荷量をもとに演算されるので測光値がばらつくことになる。
【０００４】
しかしながら、電荷蓄積時間を１０ミリ秒にした場合には、どのタイミングで蓄積を開始しても蓄積電荷量は一定でありばらつきがなくなる。さらに蓄積時間は１０ミリ秒の整数倍であれば同様にばらつきはなくなる。これはフリッカーの周期が１０ミリ秒であるためである。しかしながら６０Ｈｚの蛍光灯はフリッカーの周期が（５０／６）ミリ秒≒８．３３ミリ秒であるため、ばらつきをなくすためには８．３３ミリ秒の整数倍にしなくてはならない。
【０００５】
したがって、両者のフリッカー誤差が同時に零になる最小蓄積時間である５０ミリ秒をとり（図５参照）、蓄積時間をこの５０ミリ秒の整数倍に設定することによって蛍光灯のフリッカー誤差を除去する方法（特開昭58-38080）が提案されている。また、そのほかにもフリッカー誤差を抑えるために複数回の蓄積における蓄積時間の平均値を用いて測光値を求める方法（特開昭62-259022 ）なども提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蓄積時間を５０ミリ秒の整数倍にした場合、理論上フリッカー誤差は完全に除去できるが、最短蓄積時間である５０ミリ秒で固体撮像素子の出力が飽和してしまうような輝度に対しては適用できない。
【０００７】
さらに、電荷蓄積型の固体撮像素子を用いた測光システムの場合、測光値を得るまでの所要時間は、電荷蓄積時間のほかにも蓄積した電荷を電圧に変換して転送出力する時間、測光値演算時間を必要とするが、これらを無視した場合でも蓄積時間だけで最低５０ミリ秒を必要とするため、カメラなど測光値を高速で演算する必要のある測光システムなどには不適である。
【０００８】
また、複数回の蓄積から測光値を求める方法も、複数回の蓄積および転送動作を必要とすることから測光値を高速で得るという点においては問題が残る。
【０００９】
本発明の目的は、電荷蓄積型の固体撮像素子を用いた測光システムにおいて、高速に測光値を得ることができ、かつ蛍光灯によるフリッカー誤差を最小限に抑えることのできる測光システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、撮像部と蓄積部および水平転送部からなる電荷蓄積型の２次元の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の電荷蓄積時間を任意の時間に制御する制御手段と、前記蓄積部から任意の複数ラインを水平転送部へ垂直転送した後に水平転送を行うための固体撮像素子駆動制御手段とを有し、入射光輝度に応じて電荷蓄積時間及びまたは水平転送部へ連続垂直転送するライン数を制御することにより、固体撮像素子からの出力信号量を制御する測光システムにおいて、
電荷蓄積時間が５０ミリ秒より短くなるときは、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚ両方の蛍光灯のフリッカー誤差の最大値が極小となる電荷蓄積時間に固定し、水平転送部へ連続垂直転送するライン数を制御することにより、固体撮像素子からの出力信号量を制御することを特徴とする測光システムを提供する。
【００１１】
また、撮像部と蓄積部および水平転送部からなる電荷蓄積型の２次元の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の電荷蓄積時間を任意の時間に制御する制御手段と、前記蓄積部から任意の複数ラインを水平転送部へ垂直転送した後に水平転送を行うための固体撮像素子駆動制御手段とを有し、入射光輝度に応じて電荷蓄積時間及びまたは水平転送部へ連続垂直転送するライン数を制御することにより、固体撮像素子からの出力信号量を制御する測光システムにおいて、
電荷蓄積時間が、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚ両方の蛍光灯のフリッカー誤差の最大値が極小となる最短時間で、かつ水平転送部へ連続垂直転送するライン数が１ラインであって、出力信号量が飽和状態もしくはあるレベル以上になるときは、電荷蓄積時間を更に短くするように制御することを特徴とする測光システムを提供する。
【００１２】
上記方法によれば、電荷蓄積時間を高速でかつ蛍光灯のフリッカー誤差が少なくなる９ミリ秒に固定し、９ミリ秒の電荷蓄積の結果信号量が足りない場合は、水平転送部への連続垂直転送ライン数を増やすことによって信号量を確保し、それでも信号量が不足するときのみ電荷蓄積時間を５０Ｈｚ，６０Ｈｚ両方の蛍光灯のフリッカー誤差の最大値が極小となる、１８ミリ秒、３１ミリ秒、４１ミリ秒と断続的に変化させることによって、フリッカー誤差を抑えると同時に高速で測光値を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図２は、本発明における測光システムの実施例の構成を示すブロック図である。ＣＰＵ１はＣＣＤ制御回路２に蓄積時間と垂直方向の連続加算ライン数のデータを送信する。ＣＣＤ３の駆動はＣＣＤ制御回路２が行うが、ＣＣＤ制御回路２はＣＰＵ１から受信した蓄積時間および加算ライン数のデータに基づいてＣＣＤ３に駆動パルスを与え、指定された蓄積時間で蓄積動作をさせ、垂直方向複数ライン電荷加算動作および転送出力動作まで行う。転送出力動作によって出力されたＣＣＤ信号電圧は、ＣＤＳ４によってサンプリングされ、クランプ回路５を経て、Ａ／Ｄ変換回路６に入力する。信号電圧はここでディジタルデータに変換され記憶装置７に保存される。ＣＰＵ１はこのディジタルデータを読み込み、このデータを用いて、測光値を演算する。
【００１４】
ここで、本発明において用いられる、固体撮像素子の任意の複数ラインを水平転送部へ垂直転送した後に水平転送を行う駆動制御について簡単に述べる。
２次元の固体撮像素子の構成の一例を図３に示す。このように、通常２次元の固体撮像素子３は光が入射し電荷を発生させる撮像部３ａと発生した電荷を一時的に保存する蓄積部３ｂ、蓄積部３ｂに蓄積された電荷を１ラインずつ転送する水平転送部３ｃとからなる。
【００１５】
このような固体撮像素子３では蓄積された電荷を電圧変換して出力する際、図４（ａ）のように垂直方向転送パルスによって１ライン分の電荷を水平転送部に転送し、水平方向転送パルスによってこの水平転送部上の電荷を水平方向に転送することでこの１ライン分の画素信号が固体撮像装置から出力される。これら一連の動作を交互に行うことによって全画素の信号を出力している。つまり、１ライン垂直方向転送に対して１ライン水平転送を行う。
【００１６】
これに対し、図４（ｂ）のように水平転送駆動の前に垂直転送パルスを複数回発生させることによって、複数ライン分の電荷が水平転送部上で加算蓄積される。こうして水平転送部に複数ライン分の電荷が加算蓄積された状態で水平方向転送を行うと、この加算蓄積された電荷量に従って信号電圧が出力されるため、複数ラインの信号が垂直方向にアナログ的に加算された信号が得られる。このような駆動をすることによって、各画素に蓄積された電荷量はわずかであっても水平転送部上で複数ラインの電荷量を加算することにより、大きな電圧出力が得られる。
【００１７】
また、例えば、ライン加算動作をせずに所定の出力電圧を得るために５０ミリ秒の蓄積時間を必要とするような入射光量に対して、加算ライン数を５０ラインとして加算動作をさせると、同じ入射光量に対して同じ出力電圧を得るために必要な電荷蓄積時間は、加算ライン数に反比例するため、１ミリ秒となる。このようにこのライン加算動作を行うことによって、電荷蓄積時間を短縮し、測光時間の高速化も可能となる。このライン加算方法は、既存の２次元の固体撮像素子を使用して見かけ上の感度を向上する手段として特開昭５７−７６７８で提案されている。画像取り込み装置等にこの方法を使用した場合、加算ライン数を多くするほど垂直方向の解像度が犠牲となりあまり実用的ではないが、測光システムにおいてはエリア内の画素出力の平均値を使用するため、この方法における垂直方向の解像度の低下は問題とならず、有効である。
【００１８】
以下、この固体撮像素子の任意の複数ラインを水平転送部で加算する方法を縦段数積分、水平転送部における加算ライン数を積分段数とよぶ。
前述したように、電荷蓄積型の固体撮像素子を用いた測光システムでは、固体撮像素子からの出力信号が飽和状態にならないように電荷蓄積時間を制御し、出力信号量と電荷蓄積時間から測光値を演算する方法がとられるが、本発明における測光システムでは、電荷蓄積時間とこの積分段数の両方を任意の値で制御することによりＣＣＤの蓄積電荷量を制御し、出力信号量と電荷蓄積時間と積分段数から測光値を演算する。
【００１９】
次に、本発明における電荷蓄積時間について説明する。
図５は、電荷蓄積型の固体撮像素子を用いた測光システムにおける電荷蓄積時間と測光値の蛍光灯のフリッカーによる最大誤差の関係を示したもので、５０Ｈｚのときと６０Ｈｚのときのそれぞれについて示した。前述したように５０Ｈｚのときは１０ミリ秒の整数倍の電荷蓄積時間では誤差が０となり、また６０Ｈｚのときは約８．３３ミリ秒の整数倍の電荷蓄積時間で誤差が０となる。電荷蓄積時間が５０ミリ秒のときには５０Ｈｚ、６０Ｈｚともに誤差は０となる。このように蛍光灯のフリッカー誤差に対しては電荷蓄積時間を５０ミリ秒の整数倍にすることが理想となるが、測光システムの用途によっては高速で測光値を得ることを優先させるために電荷蓄積時間を５０ミリ秒より短くすることが要求される場合がある。
【００２０】
図５から電荷蓄積時間に対する最大誤差は、周期的に極大・極小を繰り返しながら電荷蓄積時間が短くなるにつれて大きくなっていくのがわかる。逆に電荷蓄積時間が長くなるほど最大誤差は小さくなるが、単純減少しているわけではないので、例えば６０Ｈｚの蛍光灯において電荷蓄積時間が１０ミリ秒のときよりも１２．５ミリ秒の方が最大誤差は大きくなってしまうという逆転現象も起きる。５０Ｈｚと６０Ｈｚの両方を考えた場合、電荷蓄積時間を９ミリ秒、１８ミリ秒など両者の交点付近では最大誤差をほぼ±０．１ＥＶ以内に抑えることができる。また電荷蓄積時間を９ミリ秒以下に設定すると最大誤差は非常に大きくなってしまう。
【００２１】
以上のことを鑑みて、本発明における測光システムでは、測光所要時間を短く、かつ蛍光灯のフリッカー誤差を最小限に抑えるために電荷蓄積時間を９ミリ秒に設定し、出力電圧が充分得られない低輝度時のみ１８ミリ秒、２２ミリ秒とフリッカー誤差の少ない断続的な値を用いて電荷蓄積時間を長くしていく。
【００２２】
図６は、本発明による測光システムの実施例における、被写体の輝度に対する電荷蓄積時間と積分段数の制御の一例を示す。被写体輝度のＬＶ値とはカメラの露出演算で輝度を表す値で、ルクス値とは指数関数的な関係にあり、ルクス値が２倍になる毎にＬＶ値が１増えるという値である。被写体輝度がＬＶ値で１増えたときは電荷蓄積時間を半分にすることによって理論的には同じ大きさのＣＣＤ出力値が得られる。また、電荷蓄積時間をそのままにし、積分段数を半分にすることによっても同様に同じ大きさのＣＣＤ出力値が得られる。
【００２３】
図６のように、電荷蓄積時間を、蛍光灯のフリッカー誤差を±０．１ＥＶ程度に抑えられる９ミリ秒にし、積分段数を１段から１２８段まで制御することにより、ＬＶ値で７という範囲を高速かつ精度良く測光することができる。
【００２４】
積分段数１２８段、電荷蓄積時間９ミリ秒で信号量が足りない場合は、電荷蓄積時間を１８ミリ秒、２２ミリ秒、３１ミリ秒、５０ミリ秒とすることにより、測光所要時間は長くなるが、さらに低輝度までフリッカー誤差を抑えた測光が可能となる。逆に、積分段数１段、電荷蓄積時間９ミリ秒で信号量が大きい場合には、フリッカー誤差は大きくなるが電荷蓄積時間を短くしていくことにより、高輝度側の測光が可能となる。この高輝度側でフリッカー誤差を問題とする場合は、電荷蓄積時間が短く、一回の測光に要する時間が短いため、前述した先願発明（特開昭62-259022 ）のように複数回の蓄積の平均値を用いるなどの方法によりフリッカー誤差を抑えることも有効である。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、撮像部と蓄積部および水平転送部からなる電荷蓄積型の固体撮像素子と、固体撮像素子の電荷蓄積時間を任意の時間に制御する制御手段と、固体撮像素子の蓄積部から任意の複数ラインを水平転送部へ垂直転送した後に水平転送を行うための固体撮像素子の駆動制御手段とを有し、入射光輝度に応じて電荷蓄積時間または水平転送部へ連続垂直転送するライン数（積分段数）を制御することにより、固体撮像素子からの出力信号量を制御する測光システムにおいて、電荷蓄積時間を９ミリ秒とし、積分段数によって信号量を制御し、積分段数を最大限に多くしても信号量が足りないときのみ電荷蓄積時間を１８ミリ秒、３１ミリ秒、４１ミリ秒、５０ミリ秒と断続的に切り換える制御を行うことにより、蛍光灯のフリッカー誤差を抑えかつ短い測光所要時間で測光値を得ることができる。
【００２６】
また、積分段数１段、電荷蓄積時間９ミリ秒で信号量が大きい場合のみ電荷蓄積時間を短くする制御を行うことにより、フリッカー誤差は大きくなるが、この測光システムの測光範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】蛍光灯のフリッカー誤差を説明する図
【図２】本発明における測光システムの実施例の構成を示すブロック図
【図３】２次元の固体撮像素子の構成の一例を説明する図
【図４】縦段数積分の駆動制御を説明する図
【図５】電荷蓄積時間と蛍光灯のフリッカー誤差の最大値との関係を示す図。
【図６】本発明による測光システムの実施例における、被写体の輝度に対する電荷蓄積時間と積分段数の制御の一例を示す図
【符号の説明】
１  ＣＰＵ
２  ＣＣＤ駆動回路
３  ＣＣＤ
４  ＣＤＳ
５  クランプ回路
６  Ａ／Ｄ変換器
７  メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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