(57)【要約】      （修正有）【課題】電子的一括シャッタを使用しない機械式のフォーカルプレーンシャッタを有するカメラにおいて短い露光時間を実現することで、浮動拡散ダーク電流、非対応ダブルサンプリング、光反応（photoresponse）の非一次性等の欠点や、画素毎の浮動拡散の必要性等を克服する。【解決手段】測光要素の列を有する画像センサ９０と、所定の方向に所定の速度で移動して光が画像センサ９０に達するのを妨げる機械式シャッタ１６０と、測光要素を公称状態にリセットするリセット機構とを有し、リセット機構は第１の時間に動作を開始して、機械式シャッタ１６０と同じ所定の方向に実質的に同じ所定の速度で要素の列を追加的に(incrementally)リセットして測光処理を開始し、機械式シャッタ１６０は第２の時間に移動して、光が画像センサ９０に達することを妨げることで、測光処理を効果的に停止する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カメラであって、
（ａ）測光要素の列を有する画像センサと、
（ｂ）所定の方向に所定の速度で移動して光が前記画像センサに達するのを妨げるシャッタカーテンと、
（ｃ）測光要素を公称状態にリセットするリセット機構と、
を有し、
前記リセット機構は第１の時間に動作を開始して、前記シャッタカーテンと同じ所定の方向に実質的に同じ所定の速度で前記要素の列を追加的に(incrementally)リセットして測光処理を開始し、
前記シャッタカーテンは第２の時間に移動して、光が前記画像センサに達するのを妨げることで、測光処理を効果的に停止する、カメラ。
【請求項２】
請求項１に記載のカメラであって、
前記リセット機構の追加的な動作は、前記リセット機構の追加的な動作同士の間での時間遅延を提供するタイマによって制御されることを特徴とするカメラ。
【請求項３】
カメラであって、
（ａ）列に配置された複数の測光要素を有する画像センサであって、測光要素の各々は出力構成を参照電圧にリセットするリセット機構を有する画像センサと、
（ｂ）前記リセット機構の少なくとも一部と電気的に接続する複数のリセットラインと、
（ｃ）先端プレーンと後端プレーンとを有するフォーカルプレーンシャッタであって、先端プレーンおよび後端プレーンの双方は互いの間に距離をあけた関係のまま、測光要素の列に沿って移動することで露光窓を形成するフォーカルプレーンシャッタと、
を有し、
前記露光窓が測光要素の列に沿って移動する際に、前記リセットラインが前記露光窓と同期して動作し、前記露光窓と所定の空間的関係にある前記リセット機構の各々をリセットし、測光要素に対する露光時間を形成する、カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像センサの分野に関し、特に、リセットを機械式シャッタと同期して行うことで露出を制御する画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラ等の機械式シャッタを使用する電子画像形成システムにおいて、機械式シャッタを用いて実現できる最短露出時間より短い露光時間は、いわゆる電子式シャッタを用いて実現できる。例えば、特許文献１のインターラインＣＣＤ画像センサでは、大きな正電位をセンサ基板に印加して全てのフォトダイオードを一度にリセットすることで露光を開始し、全てのフォトダイオードを遮光された垂直ＣＣＤに一度に転送することで露光を終了できる。このような電子露光方法を用いれば、非常に短い露光時間を実現できる。この電子露光の手順を、画像センサをリセットする前に機械式シャッタを開け、画像を垂直ＣＣＤに転送した直後に閉じる処理と一括して行うことによって、画像を暗部で画像センサから読み出すことができ、これによって、読出し中に明光が垂直ＣＣＤに漏れて好ましくない効果が生じることを回避できる。これを、当業では「一括転送」と呼ぶ。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，３４１，００７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＣＭＯＳ画像センサでは、同様の電子露光装置を実現するために、画像センサの全てのフォトダイオードを一括または迅速に列毎にリセットすることで露光を開始する。待ち時間の間に露光を行い、続いて、フォトダイオードからの光電子を収集し、遮光された浮動拡散に転送することで露光処理を終了する。この結果得られた信号を読み出してさらに処理する。インターラインＣＣＤの場合と同様、この電子式露光は機械式露光と一括して行い、画像センサを暗所で読み出すことができる。このような、いわゆる「一括シャッタ」電子式露光装置はフォトダイオード毎に浮動拡散が必要であり、さもなければフォトダイオードの専用であり得る、各画素における領域を消費しなければならない（一括シャッタが必要でない場合、複数のフォトダイオードで浮動拡散を共有できる）。更に、浮動拡散は望ましくない特性（例えば、高ダーク電流）を有するかもしれないし、画像電荷は、読み出し処理中にかなり長い時間、浮動拡散中に留まらなければならないので、この方法で撮影した画像は劣化されているかもしれない。
【０００５】
ＣＭＯＳ画像センサの中には、フォトダイオード毎の浮動拡散を有さないものもある。例えば、上記の共有（shared）浮動拡散である。また、浮動拡散を全く使用しないＣＭＯＳ画像センサもある。例えば、周知である３トランジスタＣＭＯＳ画素である。これらのＣＭＯＳ画像センサは「一括シャッタ」機能を有さない。このような画像センサを用いて静止画を撮影するためには、機械式シャッタを閉じて光が画像センサに届かないようにした際に画像センサをリセットし、機械式シャッタをあけて露光を開始し、少し時間がたってから機械式シャッタを閉じて露光を終了し、画像を暗所で画像センサから読み出す。この場合、最短露光時間は機械式シャッタの速度によって制御される。この場合、機械式シャッタによって実現できる最短露光時間より短い露光時間を有することが望ましいかもしれない。あるいは、コストの安い機械式シャッタを用いてもよいが、このようなシャッタの速度は通常遅く、最短露光時間も長い。
【０００６】
したがって、上記の欠点を解決する必要がある。例えば、電子式の一括シャッタを用いない機械式のフォーカルプレーンシャッタを有するカメラにおいて短い露光時間を実現することで、一括シャッタの欠点を回避する必要がある。
【０００７】
本発明は、上記の１以上の問題を克服することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のカメラは、（ａ）測光要素の列を有する画像センサと、（ｂ）所定の方向に所定の速度で移動して光が前記画像センサに達するのを妨げるシャッタカーテンと、（ｃ）測光要素を公称状態にリセットするリセット機構とを有し、前記リセット機構は第１の時間に動作を開始して、前記シャッタカーテンと同じ所定の方向に実質的に同じ所定の速度で前記要素の列を追加的に(incrementally)リセットして測光処理を開始し、前記シャッタカーテンは第２の時間に移動して、光が前記画像センサに達するのを妨げることで、測光処理を効果的に停止する。
【０００９】
また、本発明の他の態様では、前記リセット機構の追加的な動作は、前記リセット機構の追加的な動作同士の間での時間遅延を提供するタイマによって制御される。
【００１０】
また、本発明のカメラは、（ａ）列に配置された複数の測光要素を有する画像センサであって、測光要素の各々は出力構成を参照電圧にリセットするリセット機構を有する画像センサと、（ｂ）前記リセット機構の少なくとも一部と電気的に接続する複数のリセットラインと、（ｃ）先端プレーンと後端プレーンとを有するフォーカルプレーンシャッタであって、先端プレーンおよび後端プレーンの双方は互いの間に距離をあけた関係のまま、測光要素の列に沿って移動することで露光窓を形成するフォーカルプレーンシャッタと、を有し、前記露光窓が測光要素の列に沿って移動する際に、前記リセットラインが前記露光窓と同期して動作し、前記露光窓と所定の空間的関係にある前記リセット機構の各々をリセットし、測光要素に対する露光時間を形成する。
【００１１】
本発明の上記およびそれ以外の態様、目的、特徴、効果は以下の好適な実施形態の詳細な説明や添付の請求項を図面を参照しなから検討することで、より明確に理解されるであろう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、電子的一括シャッタを使用しない機械式のフォーカルプレーンシャッタを有するカメラにおいて短い露光時間を実現することで、浮動拡散ダーク電流、非対応ダブルサンプリング、光反応（photoresponse）の非一次性等の欠点や、画素毎の浮動拡散の必要性等を克服する効果がある。更に、本発明の代替的な実施形態では、ライブプレビュー／ＴＴＬ露光事前検出および焦点合わせから最終的な画像撮影へモードを切り替えることができ、この時、ライブプレビュー動作と撮影動作との間でシャッタを閉じる必要がなく、一括シャッタ撮影も必要としない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る画像センサの代表的な画素１０を示す。フォトダイオード２０は、入射光を受光し、これを電荷に変換する。転送ゲート３０は、フォトダイオード２０と浮動拡散４０とを電気的に接続している。転送デート３０を作動させてフォトダイオード２０から浮動拡散４０へ電荷を転送する。続いて、電荷を出力トランジスタ５０に送る。出力トランジスタ５０は電圧ＶＤＤによってバイアスされているので、送られた電荷は電圧または信号に変換される。この信号を行選択トランジスタ６０に送る。行選択トランジスタ６０を選択的に作動させて、信号を共通列ラインまたはバス７０に送る。共通列ラインまたはバス７０は、更なる処理を行うために、画素からのこの信号を通過させる。フォトダイオード２０をリセットするために、リセットゲート８０を作動させて浮動拡散４０を基準電圧に設定し、ほぼ同時に転送ゲート３０を作動させてフォトダイオード２０を浮動拡散４０を介してこの基準電圧に設定する。
【００１５】
図２は、本発明に係る画素１０を複数個示し、リセット動作を更に図示する。これらの画素１０は画素センサの一部を形成する。画像センサ９０は、各画像行に対するリセットゲート８０を作動するリセットライン１００と、同様に各画素行に対する転送ゲート３０を作動する転送ライン１１０とを有する。容易に分かるように、リセットライン１００および転送ライン１１０は特定の行の全ての画素１０と電気的に接続している。２個の画素しか図示していないが、画像センサ９０は標準的な画像センサにおいて、このような画素を数百万個有している。任意の特定の画素１０列をリセットするためには、その画素１０列の特定のリセットライン１００を作動させることによってリセットゲート８０を作動させ、その画素１０の列の特定の転送ライン１１０を作動させることによって転送ゲート３０を作動させることで、上述のように、浮動拡散４０およびフォトダイオード２０を基準電圧（ＶＤＤ）にリセットする。これによって、この特定の行における全ての画素１０をリセットすることに注目することは有益である。第１の画素１０の行をリセットした後、この処理を順番に繰り返して、全ての列の画素１０をリセットする。良く理解するために、読み出しは、特定の行に対する行選択ライン１２０を作動させることによってその特定行の行選択トランジスタ６０を作動して全ての画素１０をリセットした後に行う。全ての行の画素１０はリセットライン１００と、転送ライン１１０と、行選択ライン１２０とを含むが、図には一部のみを示す。複数の異なるカラーフィルタ１３０をフォトダイオードを覆うように配置して、フォトダイオードにおいて色を生み出す。これは当業において周知である。
【００１６】
図３は、本発明に係るカメラ１４０の構成物の一部を示す。カメラ１４０は、機械式シャッタ１６０の動作および上述のリセット動作を指示するプロセッサ１５０を有する。具体的に、プロセッサ１５０は第１の時間（ｔ０）にリセット動作を開始し、続いて第２の時間（ｔ１）に、機械式シャッタアクチュエータ１７０を介して画素１０の行にシャッタを走らせる動作を開始して、これらの画素に対する露光時間を形成する。
【００１７】
図４はカメラ１４０の光学構成を示す斜視図であって、実質的に画像センサ９０のフォーカルプレーンにある機械式シャッタの動作を図示する。この点において、入射された光はレンズ１６５によって画像センサ９０に振り向けられて、被写体１６８を画像センサ９０上に合焦する。機械式シャッタ１６０を用いて、入射光が画像センサ９０によって受光されることを妨げたり、可能にしたりする。理解を明確にするために、図４は、機械式シャッタ１６０が一部閉じている状態を示す。最初に全ての画素を露光するために、シャッタは同じ面に配置するが、上方に、焦点軸を外して配置することに注意する。機械式シャッタ１６０は、この面において、プロセッサ１５０の必要に応じて上下に移動できることにも注意する。
【００１８】
図５の（ａ）〜（ｄ）は、機械式シャッタ１６０とリセット動作との同期処理を示す。図５（ａ）は、画像を撮影する前の、機械式シャッタ１６０の最初の位置を示す。画像撮影を始めるために、画素１８０の最初の行を時間ｔ０においてリセットし、これに続いて他の行もリセットする。例えば、図５（ｂ）では、時間ｔ１において、機械式シャッタ１６０が画像センサ９０の第１の画素１８０の行の光学パス中に侵入することで、画素１８０による光測定処理を効果的に停止する。このような同期処理によって、機械式シャッタ１６０の先端１９５と、最後の行の画素（例えば、画素行１９０）との間に露光窓が形成される。この窓の中の各画素行はリセットにより測光処理を行うことができるようになる。これは、機械式シャッタと所定の空間的な関係を有する各画素行をリセットすることによって行う。これにより、画像の露光時間を効果的に形成する。露光時間はｔ１からｔ０であることに注意する。
【００１９】
図５（ｃ）において、時間ｔ０の後の時間、例えばｔ２において、リセット処理が最後の行の画素２００まで達し、機械式シャッタ１６０も所定の空間的な関係を有する最後の行の画素２００に近づく。図５（ｄ）では、機械式シャッタ１６０が全ての行の画素を覆っている状態が示されており、全ての画素の露光が完了してことを示す。
【００２０】
リセット処理を機械式シャッタの動きに同期させることは多様な方法で実現できる。例えば、画像センサに設けられたトリガピンを操作して第１の画素行をリセットすることもできるし、画像センサにおけるプログラム可能な遅延によって行毎のリセット時間を制御し、リセット処理の進行を、機械式シャッタが画像面を走る動作と一致させることもできる。更に、プログラム可能な遅延をトリガピンによって開始し、その遅延の最後に機械式シャッタを作動させることができる。別の実施形態では、画像センサに設けられたピンを作動して次の行に進め、これをリセットすることができる。このピンに適切な時間に信号を送って行のリセット処理を機械式のシャッタの動作と一致させることは、幾分、外的要因による。
【００２１】
図６は本発明のカメラ１４０を示し、本発明の好適な実施形態を図示する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る１個の画素を概略的に示す図である。
【図２】本発明に係るセンサにおける画素の部分を示し、共通の画素間接続を説明する図である。
【図３】図２の画像を用いた、本発明に係るカメラを示すブロック図である。
【図４】図３のカメラの光学パスを示す斜視図である。
【図５】本発明に係る、リセットと機械式シャッタとの同期処理の手順を示す図である。
【図６】本発明に係るカメラを示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  画素、２０ フォトダイオード、３０  転送ゲート、４０  浮動拡散、５０  出力トランジスタ、６０ 行選択トランジスタ、７０  共通列ライン、８０ リセットゲート、９０ 画像センサ、１００ リセットライン、  １１０  転送ライン、１２０  行選択ライン、１３０  カラーフィルタ、１４０  カメラ、１５０  プロセッサ、１６０  機械式シャッタ、１６５  レンズ、１６８  被写体、１７０  機械式シャッタアクチュエータ、１８０  第１の画素行、１９０  リセットされた最後の画素行、１９５  先端、２００  最後の画素行。
【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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