(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変換部で蓄積した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷転送部と、前記光電変換部に入射する露光量を制御する素子シャッタとを備えた撮像素子と、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を読み出すのに先立ち、前記電荷転送部を一定期間通常より高速に駆動する駆動手段と、
前記素子シャッタを制御して露光量を制御する露光量制御手段と、
前記撮像素子から出力された不要電荷を含む画像信号を増幅する増幅手段と、
前記素子シャッタにより制御される露光量が小さいほど前記駆動手段の駆動速度を高速に設定する駆動速度制御手段と、
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、撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子撮像装置は広く普及するに至っており、特に静止画撮影に使用されるデジタルカメラは銀塩カメラに匹敵する存在に近付きつつある。なお、本明細書では、特記しない限りデジタル化された電子スチルカメラをデジタルカメラと称する。本発明の技術はアナログ電子スチルカメラにも共通するが、これらを代表するものとして以下ではデジタルカメラについて論ずる。
【０００３】
静止画カメラとしての機能要求は多岐に渡るが、撮像に際しての露光制御は特に重視されており、銀塩カメラにおいて達成された各種露光機能はほぼ同様に可能ならしめられており、さらに銀塩カメラでは成し得ない機能の実現が図られている。
【０００４】
例えば、ＣＣＤ撮像素子において電荷蓄積を制御することによって実現されるいわゆる電子シャッタは、通常の銀塩カメラのメカシャッタでは実現不可能な高速シャッタが実現可能なものであり、これを有効活用するためにプログレッシブスキャン（順次走査）型のＣＣＤ撮像素子も使用されている。一方で、撮像素子に起因する様々な不具合（例えば画質劣化要因）も存在しており、デジタルカメラにおいてはこれらが顕在化しないように様々な工夫を施すことによって実用に供せられている。
【０００５】
このような不具合の代表的なものが、強烈な光が入射した時に発生するスミア現象である。より正確には、スミア及びブルーミングによって総合的に生じる現象であるが、本明細書においては当業者における慣用にならってこれを単に「スミア」と称している。即ち、本来の電荷蓄積領域に捕捉されなかった電荷がポテンシャル障壁を乗り越えて垂直転送路に漏れ込んだり、入射光の回折成分や多重反射成分が遮光膜下の垂直転送路に漏れ込んで電荷発生することなどにより生じるものである。通常の定常的な光に起因する場合は、これが垂直転送期間に亘って発生するため、例えばスポット光の場合はその上下に伸びる縦筋が生じ、画質を著しく損ねていた。これを低減する方法としては、信号の補正を行うものや光学シャッタを用いるものなどいくつかの提案があるが、前者の信号補正は後処理であるから根本的な解決策にはならない。
【０００６】
これに対して後者のシャッタを用いるものとしては従来、図４のような駆動方式を採用するものが知られている。これは、順次走査型で縦形オーバーフロードレイン構造のＣＣＤ撮像素子を用いたタイミングチャートの一例であって、上段から順にメカシャッタの開閉動作、電荷蓄積領域から垂直転送路への移送パルスＴＧ、電荷蓄積領域の電荷を半導体基板（サブストレート＝縦形オーバーフロードレインＶＯＦＤ）に強制排出するための基板印加高電圧パルスＶＳＵＢ、垂直転送路ＶＣＣＤの駆動の様子を表わすＶＣＣＤの各信号が示されている。
【０００７】
この方式では、図示しない撮像指令を受けて、ＶＳＵＢの駆動とＶＣＣＤの高速駆動が始まる。ＶＳＵＢは蓄積領域の電荷排出のためのものであるから、タイミング的には当該露光に関する最終出力パルスだけが有意であるが、十分な電荷排出と素子内のポテンシャル安定化との兼ね合いから周知のＨレート駆動（毎回の水平ブランキング期間に所定幅の短時間パルスを出力するもの）が行われている。そして、図４では太線で示した最終ＶＳＵＢパルスが出力された時点ｔ１が露光開始時点となる。
【０００８】
露光開始以前の適時から、ＶＣＣＤは転送路内の不要電荷排出のための高速駆動を連続的に行っている。これは、各画素信号を個別に読み出す通常駆動（毎回の水平ブランキング期間に1単位＝１水平画素相当の垂直駆動パルスを出力するもの）とは異なり、通常駆動の数倍〜数十倍の転送速度でＶＣＣＤを連続的に駆動することで、撮像面に光が当たり続けていることによって生じているスミアなどの不要電荷を高速に排出するものである。これは、後に引き続く露光終了のタイミングであるｔ２の直前まで続けられる。なお、通常駆動に対する高速駆動時の駆動倍数（１画面の転送に要する時間の逆比として定義される）がＸである時に、この高速駆動期間は最低１フレーム期間の１／Ｘは必要である。
【０００９】
さて、時刻ｔ２においてＴＧパルスが出力されると、蓄積された光電荷が遮光された垂直転送路に移送されるので、この時点で露光が終了する。そして、直ちにスミア防止のためのメカシャッタが閉じられる。但し、メカシャッタが閉じるためには数百μ秒〜数ミリ秒程度の遅延時間ｄｔを要するため、その期間はまだＶＣＣＤ通常駆動による信号読み出しは開始できない。メカシャッタが閉となった時点で、実際にはばらつき要素等も考慮したマージンも含めた時刻ｔ３から通常駆動による画像信号の読み出しが開始される。そして、少なくとも１フレーム期間後に読み出しが完了するまではメカシャッタは閉に保たれる。
【００１０】
このように信号を読み出す時には撮像素子に光が当たっていないからスミアは発生しないし、電荷蓄積時間は完全に電子的に制御されるからメカシャッタのばらつき等の影響を受けることがなく、メカではほぼ実現不可能な超高速シャッタが実現できる。このような技術の一例は、例えば特開平１０−１９１１７０号公報にも記載されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、転送路を高速駆動すると消費電力が大きくなり、電池の消耗を早めたり、ストロボ回路やモータ回路にも同時に電流を流している状態でこのような高速駆動を行うと回路が誤動作するおそれがあった。
【００１２】
一方、スミアは、撮像素子の受ける光量（以下「露光量」という。）が多いほど大きくなるものであり、この露光量に応じた量のスミアを除去できれば、撮像素子の出力信号として必要なＳ／Ｎ比は確保できるものである。また、撮像素子自体の受ける露光量とは異なり、撮像素子を構成する各画素自体に入射する露光量を制御する素子シャッタの速度が高速になるほど画素に蓄積される電荷の量は少なくなり、相対的にスミアなどの不要電荷の成分が大きくなるので、上記素子シャッタが高速になるほど上記転送路を高速に駆動することにより、撮像素子の出力信号として必要なＳ／Ｎ比は確保できる。
【００１３】
そこで、本発明は、上記露光量や素子シャッタの速度に応じて転送路の駆動速度を変え必要十分な駆動速度で転送路を駆動することにより、無駄な電力の消費を防止し、スミアなどの不要電荷の効率的な低減を図ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じた。
【００１５】
本発明に係る撮像装置は、光変換部で蓄積した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷転送部と、前記光電変換部に入射する露光量を制御する素子シャッタとを備えた撮像素子と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷を読み出すのに先立ち、前記電荷転送部を一定期間通常より高速に駆動する駆動手段と、前記素子シャッタを制御して露光量を制御する露光量制御手段と、
前記撮像素子から出力された不要電荷を含む画像信号を増幅する増幅手段と、前記素子シャッタにより制御される露光量が小さいほど前記駆動手段の駆動速度を高速に設定する駆動速度制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。図１は、本発明の一実施形態に係わるデジタルカメラの回路構成を示すブロック図である。
【００１８】
図中１０１は各種レンズからなるレンズ系、１０２はレンズ系１０１を駆動するためのレンズ駆動機構、１０３はレンズ系１０１の絞りを制御するための露出制御機構、１０４はメカシャッタ、１０５は色フィルタを内蔵したＣＣＤカラー撮像素子（以下、［ＣＣＤ撮像素子］と称する）、１０６はＣＣＤ撮像素子１０５を駆動するためのＣＣＤドライバ、１０７はＡ／Ｄ変換器等を含むプリプロセス回路、１０８は色信号生成処理，マトリックス変換処理，その他各種のデジタル処理を行うためのデジタルプロセス回路、１０９はカードインターフェース、１１０はＣＦ等のメモリカード、１１１はＬＣＤ画像表示系を示している。
【００１９】
また、図中の１１２は各部を統括的に制御するためのシステムコントローラ（ＣＰＵ）、１１３は各種ＳＷからなる操作スイッチ系、１１４は操作状態及びモード状態等を表示するための操作表示系、１１５はレンズ駆動機構１０２を制御するためのレンズドライバ、１１６は発光手段としてのストロボ、１１７はストロボ１１６を制御するための露出制御ドライバ、１１８は各種設定情報等を記憶するための不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）を示している。
【００２０】
本実施形態のデジタルカメラにおいては、システムコントローラ１１２が全ての制御を統括的に行っており、特に露出制御機構１０３に含まれるシャッタ装置と、ＣＣＤドライバ１０６によるＣＣＤ撮像素子１０５の駆動を制御して露光（電荷蓄積）及び信号の読み出しを行い、それをプリプロセス回路１０７を介してデジタルプロセス回路１０８に取込んで、各種信号処理を施した後にカードインターフェース１０９を介してメモリカード１１０に記録するようになっている。なお、ＣＣＤ撮像素子１０５は、従来例と同一のものであり、例えば縦型オーバーフロードレイン構造のインターライン型である。
【００２１】
ここまでの基本構成及び動作は従来例と実質的に同じであるが、本発明では、絞り値（Ｆ値）等に応じて、ＶＣＣＤの駆動速度を可変にしたことを特徴とする。以下、具体的な実施形態について、説明する。なお、下記の説明において、メカシャッタは、開状態であるものとして説明する。
【００２２】
図２は、本発明の撮像装置に関連する第１の参照例に係る動作を示す図である。図２において、時刻ｔ１において、トリガがオンになると、所定時間Ｔｓの経過の後にＴＧパルスを発生して、時刻ｔ２で露光が終了する。ＶＣＣＤの高速駆動は、トリガがオンになる前に開始し、露光中は垂直転送路内の電荷が排出される。ここで、本参照例によれば、図２（ａ）に示すように、絞りが開放の場合には、ＶＣＣＤを高速駆動する。また、絞りを絞るほど、図２（ｂ）に示すように、ＶＣＣＤの駆動速度を低速にしている。
【００２３】
すなわち、本参照例では、Ｆ値が小さい場合（絞りを開放する）ほど、スミアの発生が多くなることを考慮して、垂直転送路の電荷の排出速度を可変として、Ｆ値が小さくなるほど、垂直転送路の電荷の排出速度を高速にして、スミアを除去するようにしている。従って、残留スミア量と消費電力を適切にあわせることが可能になる。同様に、フレームレート及び残留スミア量と消費電力を適切に組み合わせることができる。なお、露光量は機械的シャッタのシャッタ速度によって制御されるので、シャッタ速度に応じて電荷転送部の駆動速度を制御することが好ましい。
【００２４】
上記のように、スミアなどの不要電荷の量は、露光量（すなわち、絞りや機械的シャッタのシャッタ速度）に応じて変化する。従って、絞り値又は機械的シャッタのシャッタ速度によって決まる露光量に基づいて電荷転送部の駆動速度を制御すれば必要最小限の駆動速度で所望の不要電荷の排出が可能となり、不必要に消費電力を増大させることがない。
【００２５】
図３を参照して、第１の実施の形態を説明する。第１の実施形態は、素子シャッタの速度に応じて垂直転送路ＶＣＣＤの駆動速度を変える実施形態である。素子シャッタの速度を変えることにより、絞りが同一であれば、露光量が変化する。例えば、被写体が動いている場合などの高速撮影のために、素子シャッタの速度を短くすると、露光量が減少する。従って、高速撮影の場合には、得られた画像信号を増幅することになるので、スミア等の不要電荷もそのまま増幅することになり、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。従って、本実施形態においては、図３(ａ)に示すように、素子シャッタが高速の場合には（すなわち、露光時間が例えばＴｓ′の場合には）、垂直転送路ＶＣＣＤの駆動速度を高速にする。また、素子シャッタが低速の場合には（すなわち、露光時間が例えばＴｓ″の場合には）、垂直転送路ＶＣＣＤの駆動速度を低速にする。そして、垂直転送路ＶＣＣＤの駆動は、露光の終了時ｔ２′(或いはｔ２″)の直前に停止する。このように、本実施形態においては、素子シャッタの速度が速いほど、垂直転送路の駆動速度を高速にしている、従って、素子シャッタの速度が速いほど、垂直転送路を高速に駆動してスミアなどの不要電荷を少なくしているので、Ｓ／Ｎ比が低下することがない。
【００２６】
前述した通り、スミアなどの不要電荷の量は、絞りや機械的シャッタのシャッタ速度で決まる。従って、素子シャッタを用いた場合の光電変換部の露光量が小さいほど、スミアなどの不要電荷対有用な信号電荷の比は大きくなり、その結果、撮像素子出力信号のＳ／Ｎ比が悪くなる。従って、素子シャッタにより制御される露光量が小さいほど前記駆動手段の駆動速度を高速にすることにより、不必要に消費電力を増大させることなく、Ｓ／Ｎ比を効率的に改善することができる。
【００２７】
また、上記の参照例や実施形態に示したように、露光量や素子シャッタの速度に応じて垂直転送路の駆動速度を制御するようにしたので、常に最大の速度で高速動作を行う必要がなくなるので、無駄な電力の消費を防止できる。
【００２８】
本発明は、上記の発明の実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、不必要に駆動速度を上昇させて消費電力を増大させることなく、スミアなどの不要電荷を効果的に除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像装置に関連する第１の参照例に係わるデジタルカメラの回路構成を示すブロック図。
【図２】本発明の撮像装置に関連する第１の参照例における露出制御動作時の各信号のタイミングを示す図。
【図３】第１の実施形態における露出制御動作時の各信号のタイミングを示す図。
【図４】従来装置における露出制御動作時の各信号のタイミングを示す図。
【符号の説明】
１０１…レンズ系
１０２…レンズ駆動機構
１０３…露出制御機構
１０５…撮像素子
１０５…ＣＣＤ撮像素子
１０６…ＣＣＤドライバ
１０７…プリプロセス回路
１０８…デジタルプロセス回路
１０９…カードインターフェース
１１０…メモリカード
１１２…システムコントローラ
１１６…ストロボ
【図１】
0004175794.tif 000002
【図２】
0004175794.tif 000003
【図３】
0004175794.tif 000004
【図４】
0004175794.tif 000005