(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間的に近接した２枚の静止画像を取得する撮像装置であり、
マトリクス状に配列される複数の光電変換素子に蓄積される電荷を電気信号として出力する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に入来する光の量を絞り値Ｆに応じて調整し、かつ前記固体撮像素子に入来する光を開閉自在に遮蔽する遮蔽手段と、
前記固体撮像素子の光電変換素子における電荷の蓄積開始タイミング及び電荷の読み出しタイミングを制御すると共に、前記遮蔽手段の遮蔽及び絞り動作を制御する制御部とを備え、
第１の静止画像を取得する際は、前記制御部が前記固体撮像素子における電荷の蓄積開始タイミング及び電荷の読み出しタイミングを制御すると共に、前記遮蔽手段を前記絞り値Ｆに応じた開状態として前記固体撮像素子に入来する光の量を一定に保つことで第１の静止画像を取得し、
前記第１の静止画像の取得後に第２の静止画像を取得する際は、前記制御部が前記固体撮像素子における電荷の蓄積開始タイミング及び電荷の読み出しタイミングを制御すると共に、前記電荷の読み出しタイミングに先立って、前記絞り値Ｆに応じた開状態の前記遮蔽手段を遮蔽した閉状態とするまでの期間を前記絞り値Ｆに応じて設定制御することにより、前記第１の静止画像の電荷蓄積量と同一の電荷蓄積量を有する前記第２の静止画像を取得することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第１の静止画像の取得時と、前記第２の静止画像の取得時とでは、前記光電変換素子の画素位置が異なっており、前記第１の静止画像と前記第２の静止画像から１枚の高解像度静止画像を生成する画像合成部を備えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１の静止画像の電荷蓄積期間と前記第２の静止画像の電荷蓄積期間が等しくなるよう前記遮蔽手段を制御することを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記第１の静止画像の取得と前記第２の静止画像の取得との間に、前記光電変換素子の画素位置を異ならしめるための時間間隔を設けることを特徴とする請求項２又は３記載の撮像装置。
【請求項５】
前記固体撮像素子は、時間的に近接した２枚の静止画像のみならず、テレビジョン信号におけるフィールドパルスに同期した静止画像を連続的に出力する動画像信号を出力可能であり、前記電荷の読み出しタイミングは、前記フィールドパルスに同期して設定されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子を用いた撮像装置に関し、特に、時間的に近接した２枚の静止画像を取得するのに好適な撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子スチルカメラの機能を搭載したビデオカメラが増加しつつある。図４は、ビデオカメラに搭載される固体撮像素子の一部を示す図であり、１は入来する光を電気信号に変換して出力する光電変換素子、２は光電変換素子１から出力される電荷を垂直方向に転送する垂直転送ＣＣＤ（以下、ＶＣＣＤと記す）、３はＶＣＣＤ２から転送された電荷を水平方向に転送する水平転送ＣＣＤ（以下、ＨＣＣＤと記す）である。
【０００３】
光電変換素子１は、例えば図５に示す如く、水平方向に９６０画素、垂直方向に６４０画素、マトリクス状に配列されており、テレビジョン信号を出力する際には、領域Ｂで示す４８０ライン分の信号を出力し、静止画像を出力する際には、領域Ａ及びＢで示す全てのライン分の信号を出力する。
【０００４】
このように、４８０ライン分の信号を出力する動画像信号の出力時と６４０ライン分の信号を出力する静止画像信号の出力時とでは、出力ライン数が異なっている。ここで、ＨＣＣＤ３の駆動パルスの周波数をこのライン数の比に応じて設定すれば、いずれの信号出力時でも同一期間に１画面分、つまり、動画像信号の際は４８０ライン分で、静止画像信号の場合は６４０ライン分の信号を出力することが可能となるが、このようにした場合、静止画像信号出力時にＨＣＣＤ３の駆動パルスの周波数が高くなり、固体撮像素子の発熱によるＳ／Ｎ劣化や、消費電力の増大等の問題を引き起こす。
【０００５】
従って、通常、ＨＣＣＤ３の駆動パルスの周波数は、いずれの信号を出力する際も、テレビジョン信号における１フィールド期間（以下、１ＶＤ期間と記す）に４８０ライン分の信号が出力できる周波数に設定されている。つまり、１ＶＤ期間にテレビジョン信号における１画面分（１フレーム分）の信号が出力できる周波数に設定されている。
【０００６】
以上の理由から、静止画像信号を出力する際には、１ＶＤ期間に６４０ライン分の信号を全て出力することはできない。図６は、静止画像信号を出力する際の固体撮像素子の動作を説明するための図であり、同図（ａ）は、ＮＴＳＣ方式のテレビジョン信号におけるフィールドパルス、つまり１ＶＤ期間を示し、同図（ｂ）は、固体撮像素子への電荷の蓄積期間を示している。
【０００７】
光電変換素子１に蓄積される電荷は、同図（ｂ）の蓄積開始タイミングで一旦吐き出され、このタイミングから新たに電荷の蓄積が行われる。そして、読み出しタイミングまで電荷を蓄積すると、全ての光電変換素子１に蓄積されている電荷が夫々隣接するＶＣＣＤ２に転送される。なお、ここで電荷の蓄積開始から読み出しまでの期間ｔ１は、被写体の
明るさ、あるいはその他の条件により適宜設定される。
【０００８】
そして、ＶＣＣＤ２は、これらの電荷をＨＣＣＤ３に転送し、これら１画面分の信号が出力される。ＶＣＣＤ２及びＨＣＣＤ３は、光電変換素子１から電荷の読み出しが行われると同時に、電荷の転送を開始するが、前述の如く、１ＶＤ期間に６４０ライン分の信号を全て出力することはできない。つまり、電荷の蓄積を行った次の１ＶＤ期間中には、ＶＣＣＤ２及びＨＣＣＤ３による電荷の転送は完了しておらず、この時点で次の画像の電荷を光電変換素子１に蓄積することはできない。従って、図６（ｂ）の如く２ＶＤ期間に一度電荷を蓄積し、これを出力することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、最近では、ビデオカメラで撮像した静止画像の高解像度化が望まれており、固体撮像素子における画素数を超えた静止画像を取得する方法として、時間的に近接した２枚の静止画像から１枚の高解像度静止画像を取得する方法が知られている。
【００１０】
これは、１枚目の静止画像を取得した後に、固体撮像素子の画素位置を水平及び垂直方向、あるいはその一方に１／２画素分ずらして２枚目の静止画像を取得し、これら１枚目の静止画像と２枚目の静止画像とを合成して高解像度静止画像を得るものであるが、撮像した被写体に動きがないことと、撮像中にビデオカメラを動かさないことが条件となる。
【００１１】
しかしながら、ビデオカメラを固定せずに撮像を行った場合、手ぶれの影響を受けるため、図６で示した如く、１／３０秒の間隔を空けて静止画像を取得しても、２枚の静止画像間には、本来のずれ量とは異なる画素ずれが生じており、良好な高解像度静止画像を得ることができないという問題があった。
【００１２】
本発明は、以上の問題に鑑みて、時間的に近接した２枚の静止画像を取得するのに好適な撮像装置を提供することを目的とする。また、このようにして取得した静止画像から１枚の高解像度静止画像を取得することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本発明は、下記の構成になる撮像装置を提供する。
（1）  時間的に近接した２枚の静止画像を取得する撮像装置であり、
マトリクス状に配列される複数の光電変換素子に蓄積される電荷を電気信号として出力する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に入来する光の量を絞り値Ｆに応じて調整し、かつ前記固体撮像素子に入来する光を開閉自在に遮蔽する遮蔽手段と、
前記固体撮像素子の光電変換素子における電荷の蓄積開始タイミング及び電荷の読み出しタイミングを制御すると共に、前記遮蔽手段の遮蔽及び絞り動作を制御する制御部とを備え、
第１の静止画像を取得する際は、前記制御部が前記固体撮像素子における電荷の蓄積開始タイミング及び電荷の読み出しタイミングを制御すると共に、前記遮蔽手段を前記絞り値Ｆに応じた開状態として前記固体撮像素子に入来する光の量を一定に保つことで第１の静止画像を取得し、
前記第１の静止画像の取得後に第２の静止画像を取得する際は、前記制御部が前記固体撮像素子における電荷の蓄積開始タイミング及び電荷の読み出しタイミングを制御すると共に、前記電荷の読み出しタイミングに先立って、前記絞り値Ｆに応じた開状態の前記遮蔽手段を遮蔽した閉状態とするまでの期間を前記絞り値Ｆに応じて設定制御することにより、前記第１の静止画像の電荷蓄積量と同一の電荷蓄積量を有する前記第２の静止画像を取得することを特徴とする撮像装置。
（2）  前記第１の静止画像の取得時と、前記第２の静止画像の取得時とでは、前記光電変換素子の画素位置が異なっており、前記第１の静止画像と前記第２の静止画像から１枚の高解像度静止画像を生成する画像合成部を備えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
（3）  前記制御部は、前記第１の静止画像の電荷蓄積期間と前記第２の静止画像の電荷蓄積期間が等しくなるよう前記遮蔽手段を制御することを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
（4）  前記制御部は、前記第１の静止画像の取得と前記第２の静止画像の取得との間に、前記光電変換素子の画素位置を異ならしめるための時間間隔を設けることを特徴とする請求項２又は３記載の撮像装置。
（5）  前記固体撮像素子は、時間的に近接した２枚の静止画像のみならず、テレビジョン信号におけるフィールドパルスに同期した静止画像を連続的に出力する動画像信号を出力可能であり、前記電荷の読み出しタイミングは、前記フィールドパルスに同期して設定されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項記載の撮像装置。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例に係る撮像装置を説明するためのブロック図であり、１１は入来する光を遮蔽するメカニカルシャッタ、１２はメカニカルシャッタ１１を介して入来した光を電気信号に変換して出力する固体撮像素子（ＣＣＤ）、１３はメカニカルシャッタ１１及び固体撮像素子１２の動作を制御するタイミングジェネレータ（ＴＧ）である。
【００２０】
また、１４は固体撮像素子１２の出力する信号をデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部、１５はＡ／Ｄ変換部１４の出力するデジタル信号から輝度信号Ｙ及び色信号Ｃを生成して出力するＹ／Ｃ処理部、１６はＹ／Ｃ処理部１５の出力する映像信号を１フレーム分蓄えるフレームメモリ、１７はＹ／Ｃ処理部１５の出力する映像信号とフレームメモリ１６からの映像信号とに基づき、高解像度静止画像を生成する合成部である。
【００２１】
なお、ここでは、メカニカルシャッタ１１は、固体撮像素子１２に入来する光の量を調整する絞り機構と併用するものとして説明するが、絞り機構と、メカニカルシャッタとを別の構成として設けても構わない。また、固体撮像素子１２の構成に関しては、図４及び図５に示した通りである。
【００２２】
また、図２は、本発明に係る撮像装置の動作を説明するための図であり、同図（ａ）は、ＮＴＳＣ方式のテレビジョン信号におけるフィールドパルス、つまり１ＶＤ期間を示し、同図（ｂ）は、タイミングジェネレータ１３がメカニカルシャッタ１１に出力する開閉切換信号、同図（ｃ）は、メカニカルシャッタ１１の開閉状態、同図（ｄ）は、固体撮像素子１２への電荷の蓄積状態を夫々示している。
【００２３】
なお、本発明に係る撮像装置は、図２（ａ）で示すフィールドパルスに同期した静止画像を連続的に出力する動画撮像モードと、時間的に近接した２枚の静止画像を取得する静止画撮像モードとを有するが、ここでは、本願の特有の撮像モードである静止画撮像モードについて以下に説明する。
【００２４】
タイミングジェネレータ１３が固体撮像素子１２に吐き出しパルスを出力すると、光電変換素子１に蓄積される電荷が全て吐き出され、このタイミングから新たに電荷の蓄積が開始される。なお、図２（ｃ）に示す如く、この時メカニカルシャッタ１１は開いた状態となっている。そして、図２（ａ）で示すフィールドパルスのタイミングで全ての光電変換素子１に蓄積されている電荷が隣接するＶＣＣＤ２に転送される。
【００２５】
そして、このタイミングでＶＣＣＤ２及びＨＣＣＤ３は、光電変換素子１からの電荷の転送を開始するが、これと同時に、光電変換素子１では新たな電荷の蓄積が開始される。ここで、図２（ｄ）で示す期間ｔ１で蓄積された電荷による１枚目の静止画像と、その後の期間ｔ２で蓄積する電荷による２枚目の静止画像とでは、両静止画像間で明るさを同一する必要がある。従って、両静止画像間では、電荷蓄積を終えた時点での電荷蓄積量を同一にしておくことが望ましい。
【００２６】
ここで、２枚目の静止画像について考えると、１枚目の静止画像を成す電荷の転送には、前述の如く１ＶＤ期間以上の時間が必要となるため、２枚目の静止画像の読み出しタイミングは、図示の如く、１枚目の静止画像の読み出しタイミングの２ＶＤ期間後になる。
【００２７】
従って、両静止画像間の電荷蓄積量を同一にするためには、２枚目の静止画像の電荷の読み出しタイミングに先立ち、メカニカルシャッタ１１を閉じる必要がある。ここで、１枚目の静止画像の電荷蓄積時におけるメカニカルシャッタ１１の絞り値をＦとすると、１枚目の静止画像の電荷蓄積量Ｐ１は、Ｐ１＝Ｆ×ｔ１で表すことができる。
【００２８】
一方、２枚目の静止画像については、メカニカルシャッタ１１が閉じ始めてから、閉じ終わるまでの期間をｔ３とすると、２枚目の静止画像の電荷蓄積量Ｐ２は、Ｐ２＝Ｆ×（ｔ２−ｔ３）＋Ｆ×ｔ３×１／２である。従って、１枚目の静止画像の電荷蓄積量Ｐ１と２枚目の静止画像の電荷蓄積量Ｐ２が等しいという条件より、ｔ２−ｔ３＝ｔ１−ｔ３×１／２となる。
【００２９】
ここで、期間ｔ３は期間ｔ１における絞り値Ｆにより変化する値であり、絞り値Ｆが開放状態に近ければ、ｔ３は大きな値となり、絞り値Ｆが閉鎖状態に近ければ、ｔ３は小さな値となる。例えば、期間ｔ１を１０ｍｓ、期間ｔ３を２ｍｓとした場合、ｔ２−ｔ３＝９ｍｓとなり、この場合は、２枚目の静止画像の電荷蓄積を開始してから９ｍｓ後に、図２（ｂ）で示すメカニカルシャッタ１１を閉鎖するための信号がタイミングジェネレータ１３からメカニカルシャッタ１１に出力され、更に２ｍｓ後に、図２（ｃ）で示す如く、メカニカルシャッタ１１が完全に閉じた状態となる。
【００３０】
そして、１枚目の静止画像の読み出しから２ＶＤ期間後に２枚目の静止画像の読み出しが行われる。なお、１枚目の静止画像及び２枚目の静止画像は、共にＡ／Ｄ変換部１４において、デジタル信号に変換された後に、Ｙ／Ｃ処理部１５において、輝度信号Ｙ及び色信号Ｃの信号形態とされるが、１枚目の静止画像については、フレームメモリ１６に一旦蓄積される。そして、Ｙ／Ｃ処理部１５から２枚目の静止画像が出力されるタイミングで、フレームメモリ１６から１枚目の静止画像が読み出され、合成部１７にて１枚の高解像度静止画像が生成される。
【００３１】
以上のように、本発明に係る撮像装置では、２枚目の静止画像を取得する際に、メカニカルシャッタ１１を２枚目の静止画像の読み出しに先立ち閉鎖させ、その閉鎖のタイミングをＦ値に応じて適宜設定したため、非常に短い時間間隔で１枚目の静止画像と２枚目の静止画像を取得することができ、良好な高解像度静止画像を得ることができる。
【００３２】
また、以上の説明では、１枚目の静止画像を成す電荷の読み出しタイミングと、２枚目の静止画像を成す電荷の蓄積開始タイミングとを同一にした例を示したが、これに限らず、１枚目の静止画像を成す電荷の読み出しタイミングの後に２枚目の静止画像の電荷蓄積を開始しても良い。例えば、１枚目の静止画像を取得した後に、固体撮像素子１２の物理的な位置を移動させ、その後２枚目の静止画像を取得する場合には、固体撮像素子１２の移動完了後に、２枚目の静止画像の電荷蓄積を開始するのが望ましい。
【００３３】
図３は、このように、１枚目の静止画像を成す電荷の読み出しタイミングの後に、２枚目の静止画像を成す電荷の蓄積を開始した場合の一例を示す図である。図３において、１枚目の静止画像の出力に関しては、図２による説明と同一であるが、１枚目の静止画像の読み出し後に光電変換素子１に蓄積される電荷が全て吐き出され、このタイミングから２枚目の静止画像の電荷蓄積が開始される。
【００３４】
そして、タイミングジェネレータ１３は、２枚目の静止画像の電荷蓄積を開始してから期間（ｔ２−ｔ３）経過後に、メカニカルシャッタ１１を閉鎖するための開閉切換信号をメカニカルシャッタ１１に出力する。そして、２枚目の静止画像の電荷蓄積を開始してから期間ｔ２後に、メカニカルシャッタ１１が完全に閉じた状態となり、電荷蓄積が完了する。そして、１枚目の静止画像の読み出しタイミングから２ＶＤ期間後に２枚目の静止画像の読み出しが行われる。
【００３５】
以上のように、図３で示した例では、１枚目の静止画像の取得後、直ちに２枚目の静止画像の取得を開始しないため、この期間に固体撮像素子１２の物理的な位置を移動させることができる。
【００３６】
なお、以上の説明では、第１の静止画像と第２の静止画像との間で電荷蓄積量が同一となるようメカニカルシャッタ１１を制御した例を示したが、例えば、図２あるいは図３で示す期間ｔ１と期間ｔ２とが等しくなるようメカニカルシャッタ１１を制御しても構わない。
【００３７】
このように、期間ｔ１と期間ｔ２とが等しくなるようメカニカルシャッタ１１を制御した場合、第１の静止画像と第２の静止画像との間で電荷蓄積量が異なってしまうが、合成部１７にて両静止画像の明るさを同一にする調整機構を設ければ、良好な高解像度静止画像を得ることができる。
【００３８】
また、このように、期間ｔ１と期間ｔ２とが等しくなるようメカニカルシャッタ１１を制御した場合、被写体にわずかな動きが生じている場合でも比較的良好な高解像度静止画像を得ることができる。つまり、期間ｔ１と期間ｔ２とが等しい場合には、期間ｔ１における被写体の動き量と期間ｔ２における被写体の動き量とがほぼ等しくなるため、画像合成する際の精度が向上し、２枚の静止画像から高解像度静止画像を得る際に良好な静止画像を得やすくなる。
【００３９】
また、以上の説明では、タイミングジェネレータ１３がメカニカルシャッタ１１及び固体撮像素子１２を制御した例を示したが、メカニカルシャッタ１１を制御する制御手段と、固体撮像素子１２を制御する制御手段とを別々の構成としても良いことは言うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、第２の静止画像を取得する際に、電荷の読み出しタイミング以前に入来光が遮断されて電荷蓄積が完了するため、時間的に近接した２枚の静止画像を得ることができる。
【００４１】
また、本発明によれば、第１の静止画像の取得時と第２の静止画像の取得時で、光電変換素子の画素位置が異なっているため、第１の静止画像と第２の静止画像とを合成することにより良好な高解像度静止画像を得ることが可能となる。
【００４２】
また、本発明によれば、静止画像を取得する際の電荷の読み出しタイミングがテレビジョン信号におけるフィールドパルスに同期して設定されるため、動画像信号を出力可能な固体撮像素子を用いて、静止画像の出力が容易に行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る撮像装置を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明の実施例に係る撮像装置の動作を説明するための図である。
【図３】静止画像取得タイミングを変化させた場合の動作を示す図である。
【図４】ビデオカメラに搭載される固体撮像素子の一部を示す図である。
【図５】光電変換素子の配列を示す図である。
【図６】従来の撮像装置における動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１…光電変換素子
２…垂直転送ＣＣＤ
３…水平転送ＣＣＤ
１１…メカニカルシャッタ
１２…固体撮像素子
１３…タイミングジェネレータ（制御部）
１４…Ａ／Ｄ変換部
１５…Ｙ／Ｃ処理部..
１６…フレームメモリ
１７…合成部
【図１】
0003745601.tif 000002
【図２】
0003745601.tif 000003
【図３】
0003745601.tif 000004
【図４】
0003745601.tif 000005
【図５】
0003745601.tif 000006
【図６】
0003745601.tif 000007