(57)【要約】【課題】  一括電子シャッタ動作のための回路を付加する事なく読み出し走査にかかる時間による画像のゆがみのない高速電子シャッタを行う。【解決手段】  受光量に応じて光電荷を発生し蓄積する受光部と受光部の光電荷を一時的に蓄える蓄積部を有する撮像素子および、前記撮像素子の電荷蓄積開始走査を行う第１の走査手段と、受光部の光電荷を蓄積部に転送する事で前記撮像素子の蓄積終了走査を行う第２の走査手段と、前記蓄積部の信号を読み出す第３の走査手段を有し、第１の走査手段により蓄積開始し、第２の走査手段により転送終了した後、第３の走査手段により読み出しを行う装置において第１の走査手段および第２の走査手段は、ノンリニアに走査する。【選択図】  図９
2006203775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光量に応じて光電荷を発生し蓄積する受光部と受光部の光電荷を一時的に蓄える蓄積部を有する撮像素子および、前記撮像素子の電荷蓄積開始走査を行う第１の走査手段と、
受光部の光電荷を蓄積部に転送する事で前記撮像素子の蓄積終了走査を行う第２の走査手段と、
前記蓄積部の信号を読み出す第３の走査手段を有し、
第１の走査手段により蓄積開始し、第２の走査手段により転送終了した後、第３の走査手段により読み出しを行う装置において
第１の走査手段および第２の走査手段は、ノンリニアに走査することを特徴とする。
【請求項２】
請求項１の撮像装置において、前記第１の走査手段および第２の走査手段は複数行または複数列を同時に走査することが可能である事を特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１の撮像装置において、第２の走査手段と同じ方向に走査するメカニカルシャッタを有する事を特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項２の撮像装置において、第１の走査手段および第２の走査手段のノンリニア走査は、パルスが相互に干渉しないように制御することを特徴とする。
【請求項５】
請求項２において、同時走査のラインが多いときにはパルスの幅を調整することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子を用いた撮像装置およびシステムで、正確で高速なシャッタ動作を実現するための固体撮像素子の構成、駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮像装置においては機械的な遮光部材であるシャッタを用いて撮像素子の露光時間を制御していた。この場合、短秒時の露光では、シャッタを非常に高速に動作させる必要があり、機械的な精度、制御が難しくなる。一部の撮像素装置においては、制御精度を向上させたフォーカルプレーンシャッタを用いている物もあるが、複雑な機構と、精度が要求され、コストが高くなってしまう。また、機械的なシャッタでは限界があり、さらなる高速シャッタを実現するためには、電子的なシャッタ動作が必要不可欠である。
【０００３】
以下、従来のＸＹアドレス型の走査方法を採る撮像素子を用いた電子シャッタ動作について説明する。
【０００４】
まず、画素毎に又はライン毎に画素に蓄積された不要電荷を除去する走査すなわちリセット走査を実行し、その後、一画素又はライン毎に、それぞれ所定の時間を経過してから信号電荷を読み出す走査を行う事で実現出来る事が知られている。このような電子シャッタを以下ローリング電子シャッタとよぶ。
【０００５】
図１、図３を用いて従来の撮像素子の構造と駆動方法について述べ、ローリング電子シャッタ動作を説明する。
【０００６】
図１はＸＹアドレス型の走査方法を採る撮像素子の構成を表したものである。１０１は単位画素である。１０２は光を電荷に変換するフォトダイオード（以下ＰＤと表す）である。１０３は転送パルスφＴＸによってＰＤで発生した電荷を後述するＦＤに転送する転送スイッチである。１０４は電荷を一時的に蓄積しておく領域（以下ＦＤと表す）  であり、１０５はソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプである。１０６は選択パルスφＳＥＬによって画素を選択する選択スイッチであり、１０７はリセットパルスφＲＥＳによってＦＤに蓄積された電荷を除去するリセットスイッチである。ＦＤ１０４、増幅ＭＯＳアンプ１０５、及び後述する定電流源１０９でフローティングディフュージョンアンプが構成され、選択スイッチ１０６で選択された画素の信号電荷が電圧に変換され信号出力線１０８を経て読み出し回路１１３に出力される。１０９は増幅ＭＯＳアンプ１０５の負荷となる定電流源である。
【０００７】
１１０は読み出し回路１１３から出力信号を選択する選択スイッチであり、水平走査回路１１４によって駆動される。また、１１２はスイッチ１０３、１０６、１０７を選択するための垂直走査回路である。
【０００８】
φＴＸ、φＲＥＳ、φＳＥＬそれぞれにおいて垂直走査回路１１２によって走査選択されたｎ番目の走査ラインをφＴＸｎ、φＲＥＳｎ、φＳＥＬｎとする。
【０００９】
図３はローリング電子シャッタ動作における駆動パルスと動作シーケンスを表したものである。なお図３では垂直走査回路１１２によって走査選択されたｎラインからｎ＋３ラインに関して記述している。
【００１０】
ローリング電子シャッタ動作では、ｎラインにおいて、まず時刻ｔ３１からｔ３２の間、φＲＥＳｎとφＴＸｎにパルスを印加され転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０７をオンにし、ｎライン目のＰＤ１０２とＦＤ１０４に蓄積されている不用電荷を除去するリセット動作を行う。時刻ｔ３２で転送スイッチ１０３がオフになり、ＰＤに発生した光電荷が蓄積される蓄積動作が始まる。次に時刻ｔ３４においてφＴＸｎにパルスを印加され転送スイッチ１０３をオンにし、ＰＤ１０２に蓄積された光電荷をＦＤ１０４に転送する転送動作を行う。なお、リセットスイッチ１０７は、転送動作に先んじてオフする必要があり、本図では、時刻ｔ３２で転送スイッチ１０３と同時にオフとなる。ここで、時刻ｔ３２から時刻ｔ３５までが蓄積時間となる。ｎライン目の転送動作終了後φＳＥＬｎにパルスが印加され選択スイッチ１０６がオンする事により、ＦＤ１０４で保持した電荷が電圧に変換され、読み出し回路１１３に出力される。読み出し回路１１３で一時的に保持された信号が水平走査回路１１２によって時刻ｔ３６より順次出力される。時刻ｔ３４の転送開始から時刻ｔ３７の読み出し終了までをＴ３ｒｅａｄとし、時刻ｔ３１から時刻ｔ３３までの時間をＴ３ｗａｉｔとする。他のラインにおいても同様に、転送開始から読み出し終了までの時間がＴ３ｒｅａｄとなり、あるラインのリセット開始から次のラインのリセット開始までの間の時間がＴ３ｗａｉｔとなる。
【００１１】
図３の上段のシーケンスよりローリング電子シャッタは画面の上部と下部で蓄積時刻が画面の走査に要した時間だけずれるという問題がある。これは、あるラインのリセットおよび転送走査から次のラインのリセットおよび転送走査の時間Ｔ３ｗａｉｔがＴ３ｒｅａｄ以上の時間を設定しないといけないためである。このＴ３ｗａｉｔ時間がＴ３ｒｅａｄ時間より短いと読み出し動作が完了していない画素の情報が次のラインの情報が読み出し回路に入り欠落してしまうためである。従って、高速に信号出力の読み出し走査ができないと、特に画素数が多い場合、このずれが大きくなってしまう。
【００１２】
また、特開２００３−１７６７７に記載されていているような、リセット動作および読み出し動作を一括で行うＭＯＳ型撮像素子も存在する。このような動作における各ラインのシーケンスを図４に示す。図４において、時刻ｔ４１から時刻ｔ４２にすべてのラインのリセット動作が同時に行われる。時刻ｔ４３から時刻ｔ４４までの転送動作も同時に行われる。このような電子シャッタを以下一括電子シャッタとよぶ。一括電子シャッタを行うと蓄積時間は全ラインでｔ４２からｔ４４までとなり、蓄積時刻が画面の上下でずれない電子シャッタが得られる。しかしながら、リセット動作、転送動作は一括で選択が行われ、読み出し動作は行毎に走査が行われるため、一括選択動作を実現するための回路が新たに必要となるので、チップ面積の増大にともないコストの上昇を招いてしまう。
【特許文献１】特開２００３−１７６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで電子シャッタで静止画を撮影する場合、電子シャッタでの蓄積終了後にメカニカルシャッタで遮光後に読み出しを行う場合が多い。これは、撮像素子で電子シャッタ動作を行った後も撮像素子面には光が当たっているため、その撮像素子にＣＣＤを用いている場合、ＣＣＤのうち特にフレームトランスファー型ＣＣＤやインターラインの２フィールド読出し型のＣＣＤを用いた場合、電荷の読出しは光を遮断した状態で行う必要があったからである。また、その他のＣＣＤでもスミア（ＣＣＤ画素からあふれた電荷が転送部に流れ込み、画面の上下方向に光が筋を引くように現れる現象）を積極的に防止して高画質化を追求するには、同様にＣＣＤへの光を遮断して読出しを行う必要がある。
【００１４】
また、ＭＯＳ型の撮像素子を用いる場合は、ＦＤに光が漏れこむような撮像素子があると、ＦＤにおいて光電子が発生してしまうので、転送後はメカニカルシャッタにより遮光しなければならない。
【００１５】
ここで、メカニカルなフォーカルプレーンシャッタを用いて一括電子シャッタを用いる場合にシャッタの走査時間がメカニカルシャッタと一括電子シャッタで異なるのでメカニカルシャッタの走査方向に蓄積部での露光むらが発生してしまう。
【００１６】
そこで本発明では、一括電子シャッタ動作のための回路を付加する事なく読み出し走査にかかる時間による画像のゆがみのない高速電子シャッタを行うことを課題とする。
【００１７】
メカニカルシャッタは本来リニアに動くことが理想であるが、どうしても動き始めは遅く、徐々に早くなるという性質を持っている。
【００１８】
この動きと同様なセンサー駆動を行うと、ラインによってパルスが重なったり重ならなかったりすることで、ラインごとに信号のオフセットが変化したりすることで、帯状のノイズになることとなる。
【００１９】
周期性があれば、すべてのラインで同様なオフセットが発生するため、画像としては問題が発生しない。
【００２０】
パルスの周期性がなくなるために、パルスのオーバーラップ量が変化し固定パターンの発生要因となる。
【００２１】
また、同時に駆動するラインの本数が異なると、多い時には駆動能力が足りなくなり固定パターンノイズの発生の可能性が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明は、受光量に応じて光電荷を発生し蓄積する受光部と受光部の光電荷を一時的に蓄える蓄積部を有する撮像素子および、前記撮像素子の電荷蓄積開始走査を行う第１の走査手段と、受光部の光電荷を蓄積部に転送する事で前記撮像素子の蓄積終了走査を行う第２の走査手段と、前記蓄積部の信号を読み出す第３の走査手段を有する撮像装置において、第１の走査手段により行または列を順次蓄積開始し、第２の走査手段により転送終了した行または列より順次、第３の走査手段により読み出しを行う事を特徴とする。
【００２３】
また、上記撮像装置において、前記第１の走査手段および第２の走査手段は複数行または複数列を同時に走査することが可能である事を特徴とする。
【００２４】
また、上記撮像装置において、読み出し終了後にメカニカルシャッタを第１の走査手段および第２の走査手段と同じ方向に走査するメカニカルシャッタを有する事を特徴とする撮像装置。
【００２５】
また、上記撮像装置において、前記第１の走査手段および第２の走査手段の走査時間とメカニカルシャッタの走査時間を合わせてある事を特徴とする撮像装置
ノンリニアの場合、パルスの周期性がなくなった場合であっても、パルスのオーバーラップがないようにすることで、固定パターンの発生要因となることを排除している。
【００２６】
また、同時駆動のライン数に応じてパルスの幅を調整することで、ドライブ能力による特性のばらつきを改善している。
【発明の効果】
【００２７】
チップ面積増大が伴わない高速電子シャッタ動作を実現し、転送後にメカニカルシャッタで遮光することで、より精度の高い露出を得ている。
【００２８】
このとき、ノンリニアなメカニカルシャッタにおいても、第１の走査手段および第２の走査手段のタイミングをノンリニアに合わせることで転送後の露出むらのない静止画撮影が可能とし、このとき各パルスがオーバーラップしないようにすることで、帯状のノイズ発生しないようにしている。
【００２９】
また、同時駆動のライン数が異なることで駆動負荷が異なりパルスの実際のゲートででの波形に差が生じることになるが、パルスの幅を調整することで、特性のばらつき、固定パターンノイズを排除可能にしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００３１】
図１は撮像素子を示したものである。１０１は単位画素を表す。１０２は光を電荷に変換するフォトダイオード（以下ＰＤと表す）である。１０４は電荷を一時的に蓄積しておく蓄積領域（以下ＦＤと表す）であり、１０３はＰＤで発生した電荷を転送パルスφＴＸによってＦＤに転送する転送スイッチである。１０５はソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプである。１０７はリセットパルスφＲＥＳによってＦＤをリセットするリセットスイッチである。１０６は選択パルスφＳＥＬによって画素を選択する選択スイッチであり、選択された画素信号が信号出力線１０８にて読み出し回路１１３に転送される。読み出し回路１１３では転送された画素信号を保持する機能を持つ。１０９は負荷電流源である。１１０は読み出し回路で保持された出力信号を選択する選択スイッチであり、水平走査回路１１４によって順次選択される。また、１１２はスイッチ１０３、１０６、１０７を選択するための垂直走査回路である。水平走査回路１１４によって選択された画素信号は出力アンプ１１１で増幅され出力される。φＴＸ、φＲＥＳ、φＳＥＬそれぞれにおいてｎ番目の走査ラインをφＴＸｎ、φＲＥＳｎ、φＳＥＬｎとする。ここでは、簡単のため単位画素が行４×列４で構成された撮像素子を示しているが、画素数を行４×４に限ることではない。
【００３２】
図５は本発明の実施の形態における駆動方法と動作シーケンスを示したものである。まず時刻ｔ５１からｔ５２までφＲＥＳｎとφＴＸｎにパルスを印加することによって、スイッチ１０７と１０３をオンにし、ｎライン目のＰＤ１０２とＦＤ１０４をリセットするリセット動作を行う。時刻ｔ５２よりｎライン目のＰＤに光電荷が発生する蓄積動作が始まりｔ５３に最終ラインまでのリセット動作が完了する。時刻ｔ５４からｔ５５においてφＴＸｎにパルスを印加してスイッチ１０３をオンにし、ＰＤ１０２で溜まった光電荷をＦＤ１０４に転送する転送動作を行う。時刻ｔ５２から時刻ｔ５４までがｎライン目の蓄積時間となる。Ｎ＋１ライン目以降の転送動作についてはｔ５５以降の時刻に順次行われ、時刻ｔ５７ですべてのラインの転送が完了する。ここで、Ｎライン目の転送動作終了後、時刻ｔ５６にφＳＥＬｎにパルスが印加されスイッチ１０６がオンする事により、１０４で保持した電荷が１０５によって電圧に変換され、読み出し回路１１３に読み出される。読み出し回路１１３で一時的に保持された信号が水平走査回路１１２によって時刻１５より順次出力される。ｎ＋１ライン目の読み出しは時刻ｔ５８以降に行われる。
【００３３】
なお、図４において時刻ｔ５３とｔ５４の前後関係とｔ５６とｔ５７の前後関係は逆であってもよい。
【００３４】
上記駆動方法によってあるラインの走査開始から次のラインの走査開始までの時間が読み出し時間に依存せず決定できるため、ローリング電子シャッタによる画像の歪みを低減することができる。
【００３５】
図２に基づいて、上記で説明した実施の撮像素子の駆動方法を撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。
【００３６】
図２において、２０１は被写体の光学像を撮像素子２０３に結像させるレンズ部で、レンズ駆動装置２０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などがおこなわれる。２０３はシャッタでいわゆる一眼レフカメラに使用されるフォーカルプレーン型のシャッタの後幕に相当するシャッタ幕を有するシャッタ手段であり、シャッタ制御手段２０４によって制御される。２０５はレンズ部２０１で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像素子、２０６は固体撮像素子２０４より出力される画像信号の増幅や、アナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換、Ａ／Ｄ変換後の画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する撮像信号処理回路である。２０７は固体撮像素子２０５、撮像信号処理回路２０６に、各種タイミング信号を出力する駆動手段であるタイミング発生回路、２０９は各種演算と撮像装置全体を制御する制御回路、２０８は画像データを一時的に記憶する為のメモリ、２１０は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース、２１１は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、２１２は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェースである。
【００３７】
次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。
【００３８】
メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路２０４などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００３９】
それから、図示しないレリーズボタンが押されると、露光量を制御する為に、制御回路２０６は測光装置２１３で測光を行って明るさを判断し、その結果に応じてレンズ駆動装置は光学系の絞りを制御する。
【００４０】
次に、測距装置２１４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を制御回路２０６で行う。その後、レンズ駆動装置２０２によりレンズ部を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部を駆動し測距を行う。
【００４１】
そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。
【００４２】
撮影動作のシーケンスを図６に基づいて説明する。まず撮像素子のリセット開始が行われる。リセット開始されると、リセット動作の走査が撮像素子のライン方向に順次行われる。その後、一定の蓄積時間Ｔ６１後に転送開始が行われる。転送開始が行われると電荷の転送動作が撮像素子のライン方向に順次行われる。その後、電荷の読み出しが開始されるが、電荷の読み出し中に撮像素子が露光するのを防ぐためにメカニカルなシャッタを走査する。メカニカルシャッタの走査方向は撮像素子の走査方向と同じとすることで、蓄積後露光時間Ｔ６２の撮像素子上の差を低減できる。このメカニカルシャッタは蓄積時間を規定するために設けられるのではなく、蓄積時間は撮像素子で規定される。リセット走査と転送動作は撮像素子での電子シャッタなので、時間Ｔ６１は撮像素子の上下で大きく異なることなく、精度の高いシャッタ動作が可能となる。電荷転送後に撮像素子の遮光を行うために用いられるので、通常の一眼レフカメラタイプのいわゆる先幕と後幕の２枚羽根タイプのものでもよいが、後幕のみの１枚羽根タイプのものでもよい。１枚羽根タイプのものでは、従来の２枚羽根タイプのフォーカルプレーンシャッタに比べてシャッタユニットの厚さを薄くすることが可能となり、スペース的に有利となる。
【００４３】
さらに、メカニカルシャッタは撮像素子上を走査するときに、その走査時間にばらつきがあるのでメカニカルシャッタの走査時間と撮像素子の走査時間をほぼ同じにすることで、この差はより低減できる。
【００４４】
撮影動作が終了すると、固体撮像素子２０４から出力された画像信号は撮影信号処理回路２０６で増幅、Ａ／Ｄ変換などの処理をされ、制御回路２０９によりメモリに書き込まれる。
【００４５】
その後、メモリ２０８に蓄積されたデータは、制御回路２０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１０を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体２１１に記録される。
【００４６】
また、外部Ｉ／Ｆ部２１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００４７】
また、上記撮像素子で時間Ｔ６２でＰＤが飽和するような被写体からの光量が多い場合には、ＰＤで発生した電荷がＦＤにもれこんでしまうが、これは特開２０００−２６０９７１のような余った電荷をはき捨てる機能のある撮像素子を使用することで防ぐことが可能である。
【００４８】
また、上記撮像素子では垂直走査回路は図７のタイミングチャートに示す一段ずつシフトする垂直走査回路を用いたが、図８のタイミングチャートに示す走査動作をブロック分割で行える走査回路を用いることで、さらに高速で歪みの少ない電子シャッタを実現してもよい。
【００４９】
図９はノンリニアで作動するメカニカルシャッタに対応した、垂直走回路のタイミングチャートを示している。
【００５０】
図１０は、ノンリニアなメカニカルシャッタを使ったときの撮影シーケンスを示しており、図６の動作と同様である。
【００５１】
図９において、図８と異なるのは同時に駆動されるライン数が一定ではなく徐々に増えている点である。
【００５２】
ここで、駆動する本数が異なっても、ライン間でパルスは一致しているか、オーバーラップしていないことが重要である。オーバーラップすると走査中に他の走査パルスがノイズとして入ってくる可能性がある。リニアに駆動されているときは全てのラインに同様なノイズが乗ってキャンセルされるが、ノンリニアの場合はキャンセルされずに残ることとなる。
【００５３】
また、同時に駆動する本数が異なっているために、ドライブ能力不足から負荷の差による固定パターンの発生を抑えるためにパルスの時間を長くして余裕を持たせてある。
【００５４】
図９では、一律パルスの時間を長くしているが、同時に駆動する本数に応じて時間を可変させてもよい。
【００５５】
また、これまで第一と第二の走査手段各々について説明をしてきたが、第一と第二が時間的にオーバーラップする場合においては、第一と第二のパルスがオーバーラップしないようにすることは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態の撮像装置に用いられる撮像素子。
【図２】本発明の実施の形態の撮像装置。
【図３】従来の駆動方法のタイミングチャート。
【図４】従来の駆動方法のタイミングチャート。
【図５】駆動方法のタイミングチャート。
【図６】撮影動作のタイミングチャート。
【図７】順次走査の走査回路のタイミングチャート。
【図８】ブロック分割の走査回路のタイミングチャート。
【図９】ノンリニアな走査回路のタイミングチャート。
【図１０】ノンリニアな撮影動作のタイミングチャート。
【符号の説明】
【００５７】
１０１  単位画素
１０２  フォトダイオード
１０３  転送スイッチ
１０４  蓄積領域
１０５  増幅ＭＯＳアンプ
１０６  選択スイッチ
１０７  リセットスイッチ
１０８  信号出力線
１０９  負荷電流源
１１０  水平選択スイッチ
１１１  出力アンプ
１１２  垂直走査回路
１１３  読み出し回路
１１４  水平走査回路
２０１  レンズ部
２０２  レンズ駆動装置
２０３  シャッタ
２０４  シャッタ駆動装置
２０５  撮像素子
２０６  撮像信号処理回路
２０７  タイミング発生部
２０８  メモリ部
２０９  全体制御・演算部
２１０  記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
２１１  記録媒体
２１２  外部Ｉ／Ｆ部
２１３  測光装置
２１４  測距装置
【図１】
2006203775.tif 000003
【図２】
2006203775.tif 000004
【図３】
2006203775.tif 000005
【図４】
2006203775.tif 000006
【図５】
2006203775.tif 000007
【図６】
2006203775.tif 000008
【図７】
2006203775.tif 000009
【図８】
2006203775.tif 000010
【図９】
2006203775.tif 000011
【図１０】
2006203775.tif 000012