(57)【要約】【課題】電荷蓄積時間を長期化することなく、入射光量が少ない状況下においてもオートフォーカス制御により適した撮像信号を得ることが可能な固体撮像素子の駆動方法、及び撮像装置を提供する。【解決手段】オートフォーカス制御時には、固体撮像素子を、画像信号を読み出す水平ラインの数を間引くとともに、画像信号の読み出し対象として設定した複数の水平ラインの各画素の電荷を、６ライン毎に、垂直方向に加算し１ライン分の画像信号として読み出す駆動モードで駆動し、固体撮像素子から読み出す１ライン分の画像信号に含まれる輝度情報のダイナミックレンジを広げる。また、画素加算するライン数を、被写体輝度が所定の輝度レベルに達していれば２ラインとするとともに、所定の輝度レベル以下であれば６ラインとすることにより、より広い範囲の被写体輝度への対応を可能とする。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オートフォーカス制御時における固体撮像素子の駆動方法であって、
固体撮像素子を、画像信号を読み出す水平ラインの数を間引くとともに、画像信号の読み出し対象である水平ラインの各画素の電荷を、所定のライン数毎に、垂直方向に加算し１ライン分の画像信号として読み出す駆動モードで駆動し、かつ前記所定のライン数を、固体撮像素子から読み出した画像信号に基づき判断される被写体の明るさに基づき変化させることを特徴とする固定撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
前記オートフォーカス制御は、画像内の垂直方向の所定エリアのみの輝度情報に基づく制御であるとともに、固体撮像素子から読み出した画像信号に基づき判断される被写体の明るさが所定以下であるとき、画像信号の読み出し対象である水平ラインの数を前記所定のライン数に制御することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
前記固定撮像素子の各水平ラインに複数のチャンネルを割り当て、読み出し対象の水平ラインを、所定のチャンネルが割り当てられた水平ラインとすることを特徴とする請求項１又は２記載の固定撮像素子の駆動方法。
【請求項４】
複数画素が水平及び垂直方向に配置された固定撮像素子を有するとともにオートフォーカス機能を備えた撮像装置において、
前記固定撮像素子を駆動して撮像信号を出力させる駆動手段と、
オートフォーカス制御に際し、前記駆動手段による前記固定撮像素子の駆動モードを、画像信号を読み出す水平ラインの数を間引くとともに、画像信号の読み出し対象である水平ラインの各画素の電荷を、所定のライン数毎に、垂直方向に加算し１ライン分の画像信号として読み出す駆動モードに設定し、かつ前記所定のライン数を固体撮像素子から読み出した画像信号に基づき判断される被写体の明るさに基づき制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＦ機能を備えたデジタルカメラに用いて好適な固体撮像素子の駆動方法、及び撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＣＤやＭＯＳ型の固体撮像素子を用いて被写体を撮像し、それを画像データに変換するデジタルカメラにおいて行われるオートフォーカス（ＡＦ）制御としてはコントラスト検出方式によるものがある。かかる方式のＡＦ制御は、周知のように、フォーカスレンズを駆動しながら固体撮像素子の出力信号に含まれる高周波数成分を検出し、それがピークとなるレンズ位置を合焦位置として判定する方法である。なお、かかる方式のＡＦ制御は、ＣＣＤ等を被写体の各種情報を取得するためのセンサとして使用する銀塩カメラにも用いられる。
【０００３】
また、高画質化の要求に応じ、デジタルカメラに搭載される固体撮像素子が２００万画素、３００万画素、４００万画素というように多画素化してくると、前述したＡＦ制御を行う際、その全画素の信号を読み出していたのでは信号処理時間が実用的な時間を超えてしまう。したがって、ＡＦ制御時には、固体撮像素子からの垂直方向の画素信号の読み出しを１／２〜１／４程度に間引いて行う、すなわちｍ行×ｎ列に２次元配置された画素の信号読み出しを例えば数行おきに飛び越すことが行われている。また、１面中における垂直方向の中央エリアのみをＡＦ評価範囲とし、その範囲内の画素信号について高周波数成分を検出することにより、信号処理時間を短縮することも行われている。以上の技術については、例えば下記の特許文献１において公知である。
【０００４】
なお、前述したような飛び越し走査による画素数を間引いた撮像信号の読み出し方法については、ＡＦ制御時のみらなず、撮影待機時において逐次撮像した被写体画像を、固体撮像素子よりも表示画素数が少ない液晶表示装置等にスルー画像として表示する際にも用いられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３５５６６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような撮像信号に基づくＡＦにおいては、撮像信号に基づき合焦点をサーチするため、入射光量が少ない低輝度被写体を撮影する場合、固体撮像素子の電荷蓄積時間を長くして露光量を多くする必要があるが、手ブレや、被写体の動きを考慮すると露光時間は短いほどよい側面がある。しかし、画像のブレを抑えるために露光時間を制限すると、低輝度被写体から得られる輝度のダイナミックレンジが狭くなり、その結果、ＡＦ精度が低下したり、合焦までの時間が長期化したりするという問題があった。なお、かかる問題はＡＦ制御時に撮影補助光を用いればある程度は解消できるが、例えば被写体までの距離が撮影補助光の有効範囲を越えている場合には対応できない。
【０００７】
本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、電荷蓄積時間を長期化することなく、入射光量が少ない状況下においてもオートフォーカス制御により適した撮像信号を得ることが可能な固体撮像素子の駆動方法、及び撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために請求項１の発明にあっては、オートフォーカス制御時における固体撮像素子の駆動方法であって、固体撮像素子を、画像信号を読み出す水平ラインの数を間引くとともに、画像信号の読み出し対象である水平ラインの各画素の電荷を、所定のライン数毎に、垂直方向に加算し１ライン分の画像信号として読み出す駆動モードで駆動し、かつ前記所定のライン数を、固体撮像素子から読み出した画像信号に基づき判断される被写体の明るさに基づき変化させる方法とした。
【０００９】
かかる方法によれば、露光時間を長期化せずに、固定撮像素子から読み出す撮像信号の輝度情報を増大させることができ、しかも増大させる度合を被写体の明るさに適したものとすることができる。
【００１０】
また、請求項２の発明にあっては、前記オートフォーカス制御は、画像内の垂直方向の所定エリアのみの輝度情報に基づく制御であるとともに、固体撮像素子から読み出した画像信号に基づき判断される被写体の明るさが所定以下であるとき、画像信号の読み出し対象である水平ラインの数を前記所定のライン数に制御するようにした。
【００１１】
かかる方法においては、画像内の垂直方向の所定エリアのみの輝度情報に基づくオートフォーカス制御に際して、被写体が所定以上暗い場合、撮像信号の輝度情報を増大させる度合を最大とすることができる。
【００１２】
また、請求項３の発明にあっては、前記固定撮像素子の各水平ラインに複数のチャンネルを割り当て、読み出し対象の水平ラインを、所定のチャンネルが割り当てられた水平ラインとするようにした。
【００１３】
かかる方法によれば、撮像信号の輝度情報を増大させる度合を簡単に設定、又は変更することができる。
【００１４】
また、請求項４の発明にあっては、複数画素が水平及び垂直方向に配置された固定撮像素子を有するとともにオートフォーカス機能を備えた撮像装置において、前記固定撮像素子を駆動して撮像信号を出力させる駆動手段と、オートフォーカス制御に際し、前記駆動手段による前記固定撮像素子の駆動モードを、画像信号を読み出す水平ラインの数を間引くとともに、画像信号の読み出し対象である水平ラインの各画素の電荷を、所定のライン数毎に、垂直方向に加算し１ライン分の画像信号として読み出す駆動モードに設定し、かつ前記所定のライン数を固体撮像素子から読み出した画像信号に基づき判断される被写体の明るさに基づき制御する制御手段とを備えたものとした。
【００１５】
かかる構成においては、オートフォーカス制御時には、固体撮像素子の露光時間を長期化せずに、固定撮像素子から読み出す撮像信号の輝度情報を被写体の明るさに応じて増大させ、かつ増大させた撮像信号に基づくフォーカス調整が行われる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図にしたがって説明する。図１は、本発明の一実施の形態を示すデジタルカメラ１のブロック図である。デジタルカメラ１はコントラスト検出方式によるＡＦ機能を備えたものであり、フォーカスレンズを含む光学系２と、モータドライバ３から送られる駆動信号により駆動され、光学系２を光軸方向に移動させるレンズモータ４を備えている。
【００１７】
光学系２に入った撮影光は、固体撮像素子であるＣＣＤ５の受光面で被写体像として結像される。ＣＣＤ５は、ＴＧ（Ｔｉｍｉｎｇ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）６が発する所定周波数のタイミング信号によって走査駆動され、被写体像（光像）の明るさに応じた撮像信号をＣＤＳ／ＡＤブロック７へ出力する。
【００１８】
図２に、本実施の形態におけるＣＣＤ５の概略構成を示す。なお、ここでは便宜上、画素数を水平４画素×垂直１２画素の４８画素とした場合を示す。本実施の形態のＣＣＤ５は、ベイヤー配列の原色フィルタを備えるとともにインターレース方式により駆動されるものであり、フォトダイオードからなる各画素５１と、２画素毎に設けられた各垂直転送ＣＣＤ５２と、水平転送ＣＣＤ５３と、出力回路５４とから構成されている。
【００１９】
また、画素が並んだ各行（以下、水平ラインという。）には、図示したようにＣＨ１〜ＣＨ４の読み出しチャンネルが予め割り当てられ、チャンネル毎（水平ライン毎）の電荷の転送がオンオフ制御可能に構成されており、読み出しチャンネルの設定（選択）と、ＴＧ５から供給する垂直転送パルス及び水平転送パルスの組み合わせにより複数のモードでの駆動が可能となっている。なお、本実施の形態においてはＴＧ５が本発明の駆動手段として機能する。そして、通常の駆動モードでは、奇数フィールドの取得時には読み出しチャンネルに奇数チャンネル（ＣＨ１，ＣＨ３）が設定され、偶数フィールドの取得時には読み出しチャンネルに偶数チャンネル（ＣＨ２，ＣＨ４）が設定されることにより、全画素の電荷が垂直方向に１つおきに（１水平ラインおきに）読み出されるよう駆動される。
【００２０】
一方、前記ＣＤＳ／ＡＤブロック７は、ＣＣＤ５からの出力信号を相関二重サンプリングして保持するＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤ）からなり、撮像信号のノイズ除去とデジタル信号への変換を行う。なお、ＣＤＳ／ＡＤブロック７には、アナログ状態の撮像信号を増幅するゲイン調整アンプ（ＡＧＣ）も含まれる。
【００２１】
ＣＣＤデータ前処理ブロック８は、デジタル信号に変換された撮像信号に対し輝度信号処理等のデータ処理を行う。色処理（ＣＰ）ブロック９は、輝度信号処理等が行われた画像信号に対して色分離等の色処理を行い、Ｙ，Ｃｂ，Ｃｒの画像データを生成する。ＤＲＡＭ１０は、色処理後のＹ，Ｃｂ，Ｃｒの画像データを逐次記憶する。
【００２２】
画像表示部１１は、カラーＬＣＤと、その駆動回路等からなり、撮影モードが設定された状態でシャッターキーが押されていない間（撮影待機状態）には、ＣＣＤ５から取り込まれＤＲＡＭ１０に蓄積された２フィールド分、つまり１画面分の画像データに基づくスルー画像を表示する。また再生モードでは記録画像等を表示する。
【００２３】
ＪＰＥＧ符号化器１２は、シャッターキーが押された画像記録時には色処理（ＣＰ）ブロック９から入力した画像データをＪＰＥＧ方式で符号化し、再生モードの設定時には、符号化された画像データを復号する。画像記録時にＪＰＥＧ符号化器１２により符号化された画像データはＣＰＵ１３に送られ、最終的にはカード・インターフェイス１４を介して、着脱自在なメモリカード１５に画像ファイルとして記録される。そして、記録された画像データは、再生モードにあるとき必要に応じてＣＰＵ１３に読み出された後、ＪＰＥＧ符号化器１２により復号化され、画像表示部１１において再生される。
【００２４】
キーブロック１６は、撮影モードと再生モードとの動作切り替えに使用される切替キーや、シャッターキー等の各種の操作キーを含み、キー操作に応じた操作信号をＣＰＵ１３へ送る。ＲＯＭ１７には、ＣＰＵ１３によるデジタルカメラ１の制御に必要なプログラムと、その実行に際して使用される各種データが格納されている。ＣＰＵ１３は、キーブロック１６からの操作信号と前記プログラムに従いＲＡＭ１８を作業用メモリとして動作し装置全体を制御する。すなわちＡＦ制御、ＡＥ制御、ＡＷＢ制御等を行うとともに、本発明の制御手段として機能する。
【００２５】
なお、上記プログラム等は、必ずしもＲＯＭ１７に格納されている必要はなく、例えば前記メモリカード１５の所定領域に格納された構成であってもよい。また、前記メモリカード１５以外にもＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリを備えた構成であれば、上記プログラムがそれらのメモリに他の装置から通信等の任意の方法で供給される構成としてもよい。
【００２６】
次に、以上の構成からなるデジタルカメラ１におけるＡＦ動作について説明する。前述したようにデジタルカメラ１のＡＦ方式はコントラスト検出方式であるとともに、図３に示したように、全撮像領域１００のうちの垂直方向の中央部分（全水平ライン数の約１／６のライン数の領域）のみをＡＦ評価領域１０１とし、ＣＣＤ５から画像信号を取り出すとき、ＡＦ評価領域１０１の上下の水平ラインの画素の電荷を高速に掃き出し、ＡＦ評価領域１０１のみの出力信号から輝度成分を抽出する。そして、抽出した輝度成分の空間周波数とレンズ位置との関係からフォーカス調整を行う。つまり信号処理時間の短縮化しフォーカス調整を高速に行う。
【００２７】
一方、図４は、上記ＡＦ動作を行う間に、ＣＰＵ１３が実行するＣＣＤ５の駆動モード設定処理を示したフローチャートである。すなわちＣＰＵ１３は、ＡＦ動作の開始直後及びその動作中には、ＣＣＤ５から出力された撮像信号に基づき被写体の輝度レベルを演算する（ステップＳ１）。なお、輝度レベルを算出するための撮像信号は、前述したＡＦ評価領域１０１に対応する撮像信号である。
【００２８】
そして、被写体が明るく、輝度レベルが所定の閾値を超えている場合には（ステップＳ２でＹＥＳ）、ＣＣＤ５の駆動モードを、前述した読み出しチャンネルにＣＨ３とＣＨ４を設定し、かつ水平転送タイミングを垂直転送６回につき１回とする第１のＡＦ用駆動モードに切り換える（ステップＳ３）。これに伴いＣＣＤ５においては、図５に示したように、まずＣＨ３が割り当てられている２ラインの各画素の電荷が垂直転送ＣＣＤ５２に転送され、それらが水平転送ＣＣＤ５３において（垂直方向に）加算された後、１ライン分の撮像信号として読み出され、引き続きＣＨ４が割り当てられている２ラインについても同様の画素加算、及び読み出しが行われる。これにより、６ライン中の２ライン分の輝度情報を含む画像信号、すなわち通常の駆動モードが設定されているときよりも輝度情報が増大した（ダイナミックレンジが広い）画像信号に基づきＡＦ制御が行われる。
【００２９】
なお、このとき、本実施の形態においてはＣＨ３とＣＨ４が同一色のフィルタ配列を有するラインに割り当てられているため、色情報が損なわれることなく輝度情報が増大した撮像信号が読み出されることとなる。
【００３０】
また、ステップＳ２の判別結果がＮＯであって、被写体が暗く、輝度レベルが所定の閾値以下の場合には、ＣＣＤ５の駆動モードを第２のＡＦ用駆動モードに切り換える（ステップＳ４）。これに伴いＣＣＤ５においては、図６に示したように、６ライン毎に、全てのラインの各画素の電荷が垂直転送ＣＣＤ５２に転送され、それらが水平転送ＣＣＤ５３において（垂直方向に）加算された後、それが１ライン分の撮像信号として読み出される。したがって、６ライン分の全輝度情報を含む、通常の駆動モードが設定されているときよりも輝度情報が増大し、かつその度合が第１のＡＦ用駆動モードの設定時よりも更に大きな画像信号に基づいたＡＦ制御が行われる。
【００３１】
以上のように、本実施の形態デジタルカメラ１においては、ＡＦ動作時には、ＣＣＤ５の駆動モードを第１又は第２のＡＦ用駆動モードに切り換えることにより、ＣＣＤ５の電荷蓄積時間（露光時間）を長期化せずに撮像信号の輝度情報を増大させ、それに基づきフォーカス調整を行うことにより、低輝度被写体を撮影する場合においても高いＡＦ精度を得ることができる。さらに、単に全撮像領域１００の垂直方向の中央部分をＡＦ評価領域１０１とする場合に比べ、より一層短時間でフォーカス位置をサーチすることができる。
【００３２】
また、ＡＦ動作時には、ＣＣＤ５の駆動モードを被写体輝度に応じて第１ＡＦ用モードと第２のＡＦ用駆動モードとに切り換えることによって撮像信号における輝度情報の増大度合を変更するため、より広い範囲の被写体輝度に対応することができる。つまり従来であればＣＣＤ５の電荷蓄積時間を延ばす必要がある状況下においても、それを行うことなくフォーカス位置をサーチすることができる。しかも、ＣＣＤ５の前述した読み出しチャンネルを変更するだけで輝度情報の増大度合を簡単に設定、又は変更することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、ＡＦ動作時におけるＣＣＤ５の駆動モードを第１又は第２のＡＦ用駆動モードに切り換え、画素加算するライン数を２ライン又は６ラインとしたが次のようにしてもよい。例えば、画素加算するライン数を被写体の輝度レベルに応じて２ラインから６ラインの間で段階的に変化させるようにしてもよい。
【００３４】
また、本実施の形態においては、全撮像領域１００のＡＦ評価領域１０１のみの輝度情報に基づきフォーカス位置をサーチするオートフォーカス制御を行う場合について説明したが、例えばＣＣＤ５の画素数が１００万画素以下のように少なく、全撮像領域１００の全ての輝度情報に基づいたオートフォーカス制御を行う場合についても、前述した画素加算を行わせるようにＣＣＤ５を駆動させれば、ＣＣＤ５から読み出す画像信号における輝度情報のダイナミックレンジを広げることができるため、ＣＣＤ５の電荷蓄積時間を長期化することなく、ＡＦ精度の向上とＡＦ制御の高速化を図ることができる。
【００３５】
また、本実施の形態では、ＣＣＤ５により記録画像を撮像するデジタルカメラ１に本発明を適用した場合について説明したが、これ以外にも、例えばＡＦ機能を有するとともにＣＣＤをＡＦセンサとして使用する銀塩カメラにおいても本発明は適用可能である。さらに、本発明の駆動方法は、ＣＣＤに限らずＭＯＳ型の固体撮像素子にも適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の方法においては、露光時間を長期化せずに、固定撮像素子から読み出す撮像信号の輝度情報を増大させることができ、しかも増大させる度合を被写体の明るさに適したものとすることができるようにした。よって、電荷蓄積時間を長期化することなく、入射光量が少ない状況下においてもオートフォーカス制御により適した撮像信号を得ることが可能となる。また、撮像信号の輝度情報を増大させる度合を簡単に設定、又は変更することができる。
【００３７】
また、本発明の撮像装置においては、オートフォーカス制御時には、固体撮像素子の露光時間を長期化せずに、固定撮像素子から読み出す撮像信号の輝度情報を被写体の明るさに応じて増大させ、かつ増大させた撮像信号に基づくフォーカス調整を行うことができ、低輝度被写体を撮影する場合におけるＡＦ精度の向上、及び合焦までの時間の短縮化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すデジタルカメラの電気的構成を示すブロック図である。
【図２】ＣＣＤの概略構成を示す模式図である。
【図３】オートフォーカス制御時のＡＦ評価領域を示す図である。
【図４】ＣＰＵによるＣＣＤの駆動モード設定処理を示すフローチャートである。
【図５】第１のＡＦ用駆動モードによるＣＣＤの駆動方法を示す模式図である。
【図６】第２のＡＦ用駆動モードによるＣＣＤの駆動方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１    デジタルカメラ
２    光学系
３    モータドライバ
４    レンズモータ
５    ＣＣＤ
５１    画素
５２    垂直転送ＣＣＤ
５３    水平転送ＣＣＤ
５４    出力回路
６    ＴＧ
１３    ＣＰＵ
１７    ＲＯＭ
１８    ＲＡＭ
１０１    ＡＦ評価領域
【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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