JP4642580B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子シャッタ機能を持つ撮像素子を有する撮像装置に関する。

近年、ＣＣＤ等の固体撮像素子から得られる映像信号を電子的に記録する固体撮像装置、例えばデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラが多く用いられる様になっている。特に静止画撮影に使用されるデジタルスチルカメラにおいては、撮像素子の高画素化、カメラの多機能化が進んでいる。多機能化の一つとして静止画撮影時のシャッタスピード高速化、すなわち露光時間の短縮化がある。

図１は、従来行われていたＣＣＤ等の固体撮像素子の電荷を半導体基板に排出する電子シャッター機能とメカシャッターを併用して露光を行い、露光中に固体撮像素子の基板バイアス電圧を可変し静止画撮影を行う際の撮像シーケンスである。

各信号の説明をすると、ＶＤは垂直同期信号で、１フレーム毎に出力される。Ｖ１は、高い電圧を加えることによりフォトダイオード部の蓄積電荷を垂直ＣＣＤへ読み出す読み出しパルスと、中間電圧と低い電圧を繰り返すことにより垂直転送を行う垂直転送パルスで、図１では複数あるＶ信号のうち１信号のみを記載している。Ｖｓｕｂは基板バイアス電圧で、高い電圧を加えることにより、フォトダイオード部の蓄積電荷を半導体基板に排出させる働きがあり（以降電子シャッターと称する）、メカシャッターを使用しない場合、最後の電子シャッター１パルスからＶ１読み出しパルスまでの期間が露光期間となる。図１では（１）と（２）がその期間にあたる。また、電子シャッターとメカシャッターを併用した静止画撮影を行う場合、最後の電子シャッター１パルスからメカシャッターが閉じきった期間が露光期間となる。図１では（３）がその期間にあたる。またＶｓｕｂ信号のＤＣ電圧はフォトダイオード部の飽和信号電圧、耐ブルーミング性能、分光感度特性を決定する。ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号は、ＶｓｕｂのＤＣ電圧を制御する制御信号で、必要に応じてＶｓｕｂ ＤＣ電圧を切り替える。

従来、ＣＣＤ等の固体撮像素子の電荷を半導体基板に排出する電子シャッター機能とメカシャッターを併用して静止画撮影を行う場合、デジタルスチルカメラのカラー液晶あるいは電子カラービューファインダー等に、最後の電子シャッターパルスと読み出しパルスＶ１の期間で露光された（１）のフレームのライブビュー画像を表示し、シャッターボタンが押されたと同時にＶｓｕｂＣｏｎｔによりＶｓｕｂ ＤＣ電圧を静止画撮影用のＤＣ電圧に変更し、ＤＣ電圧が安定してから、電子シャッターとメカシャッターを併用して（３）の露光を行い静止画撮影を行っていた（背景技術１）。

また、電子シャッター機能とメカシャッターを併用して静止画撮影を行う他の駆動シーケンスとして、図２の様にシャッターボタンが押されたと同時にＶｓｕｂＣｏｎｔによりＶｓｕｂ ＤＣ電圧を静止画撮影用のＤＣ電圧に変更し、ＤＣ電圧が安定するのを待たずに（３）’の蓄積を行い静止画撮影を行っていた。（背景技術２）。
特開２００２−３４０４８号公報

固体撮像素子の基板バイアス電圧を高い電圧から低い電圧に可変し撮影を行う場合、次の二つの問題が発生することがある。一つ目の課題は、背景技術１の駆動シーケンスの（２）の露光後電子シャッターパルスの様に、基板バイアス電圧が静止画撮影用の低いＤＣ電圧の状態で電荷を半導体基板に排出する電子シャッター機能を行うことによって発生する電荷掃き捨て不良である。これは電荷を半導体基板に排出するために必要な電圧が不足することによって発生する現象で結果的にノイズの悪化として現れることがある。図１では、（２）と（３）の蓄積時間に電荷掃き捨て不良が発生する可能性がある。

二つ目の課題は、背景技術２の駆動シーケンスで発生する、露光時間が短い時、すなわち高速シャッター撮影時に発生する分光感度の変化である。基本的に基板バイアス電圧を高い電圧から低い電圧に変更する制御においては、図８のように高い基板バイアス電圧時（Ｖｓｕｂ１）の分光感度、低い基板バイアス電圧時（Ｖｓｕｂ２）の分光感度、の２種類の分光感度が存在してしまうため、撮影画像を信号処理する場合、通常２種類の分光感度をあらかじめ設定し処理を行っている。しかし高速シャッター撮影時は、基板バイアス電圧可変開始時から基板バイアス電圧可変後の電圧が安定するまでの時間が無視できなくなる、すなわち露光時間に対して基板バイアス電圧の可変に要する時間の占める割合が大きくなるため、露光時間によってアナログ的に分光感度が変化してしまう現象が発生する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光電変換素子を備え、被写体像を撮像して電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子の基板に対して印加する基板バイアス電圧を第１の電圧から前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に変更している変更期間内における前記変更期間の開始時点から前記変更期間の終了時点より手前までの所定期間内に前記光電変換素子の蓄積電荷を前記基板に排出させる電子シャッター機能を継続して動作させるように制御するとともに、前記変更期間内における前記所定期間以外の期間には電子シャッター機能を動作させないように制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、分光感度変化による画質への影響を抑制することが可能となる。

（実施例１）
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図３は本実施例の撮像装置（デジタルスチルカメラ）の構成を示すブロック図である。

まず、図１の各部の機能を説明する。１０は撮像装置であり、内部の機能を詳述すると、１３は光を電気信号へ変換する固体撮像素子（本実施例ではＣＣＤ）、１１は被写体からの光をＣＣＤ１３へ集光するレンズ、１２はレンズ１１から集光された光を遮光するメカシャッター、１４はＣＣＤ１３から出力されるアナログ映像信号をデジタル映像信号へ変換する画像処理回路、１５はＣＣＤ１３を駆動させるパルスを発生するタイミングジェネレータ、１６は撮影データ、画像データ、を記憶する記憶回路（本実施例ではＲＡＭ）である。１７は調整データを記憶する記憶回路（本実施例ではＲＯＭ）であり、１８はデジタルスチルカメラ１０から取り外し可能な撮影画像記録媒体、ここではコンパクトフラッシュ（登録商標）カードでＲＡＭ１６に一時的に記録された画像データが最終的に記録される。また、１９はデジタルスチルカメラ全機能を制御する制御回路（ＣＰＵ）、２０はライブビュー画像またはレックビュー画像等表示する液晶、２１は液晶２０を駆動する液晶ドライバー、２２は静止画撮影時のトリガー信号となるシャッターボタンから構成される。

次に、本実施例の固体撮像素子制御方法、図１中では１２メカシャッタ−、タイミングジェネレータ１５とＣＰＵ１９によるＣＣＤ１３の制御方法の一実施形態を図４を使って説明する。図４は、デジタルスチルカメラのライブビューモードからメカシャッターを使用した静止画撮影を行い、撮影後ライブビューモードに遷移する際の、ＶＤ、Ｖ１、Ｖｓｕｂ、ＶｓｕｂＣｏｎｔ、メカシャッターの５つの信号のタイミングチャートである。

各信号の説明をすると、ＶＤは垂直同期信号で、１フレーム毎に出力される。Ｖ１は、高い電圧を加えることによりフォトダイオード部の蓄積電荷を垂直ＣＣＤへ読み出す、読み出しパルスと、中間電圧と低い電圧を繰り返すことにより垂直転送を行う垂直転送パルスで、図１では複数あるうちの１信号のみを記載している。

Ｖｓｕｂは基板バイアス電圧で、高い電圧を加えることにより、フォトダイオード部の蓄積電荷を半導体基板に排出させる働きがあり（以降電子シャッターと称する）、メカシャッターを使用しない場合、最後の電子シャッター１パルスからＶ１読み出しパルスまでの期間が蓄積時間となる。

図４ではａとｂがその期間にあたる。また、電子シャッターとメカシャッターを併用した静止画撮影を行う場合、最後の電子シャッター１パルスからメカシャッターが閉じきった期間が蓄積時間となる。図４ではｃがその期間にあたる。またＶｓｕｂ信号のＤＣ電圧はフォトダイオード部の飽和信号電圧、耐ブルーミング性能、分光感度特性を決定する。ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号は、ＶｓｕｂのＤＣ電圧を制御する制御信号で、必要に応じて Ｖｓｕｂ ＤＣ電圧を切り替える。

次に同様に図４を用いて本実施例の駆動シーケンスを説明する。デジタルスチルカメラで電子シャッター機能とメカシャッターを併用して露光を行い静止画撮影を行う場合、図４のモード遷移に書かれているように、まず制御手段ＣＰＵがＶｓｕｂＣｏｎｔ信号をＬｏｗにし、Ｖｓｕｂ ＤＣ電圧をライブビューモードに適した電圧に設定し、デジタルスチルカメラのカラー液晶あるいは電子カラービューファインダー、図３中では液晶２０に、最後の電子シャッターパルスと読み出しパルスＶ１の期間で露光されたａフレームのライブビュー画像を表示、同様に次に露光されたｂフレームを表示、という動作を繰り返し行う。

この時のＶｓｕｂ電圧をＶｓｕｂ１とする。Ｖｓｕｂ１は、飽和電圧、ブルーミング特性、分光感度特性などによって決定される。次にライブビューモード状態から、デジタルスチルカメラのシャッターボタン、図３中では２２、が押された場合、制御手段ＣＰＵ１９が検知し、ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号をＨにし、Ｖｓｕｂ ＤＣ電圧を静止画撮影モードに適した電圧に設定する。この時のＶｓｕｂ電圧をＶｓｕｂ２とする。

Ｖｓｕｂ２は、Ｖｓｕｂ１同様に飽和電圧、ブルーミング特性、分光感度特性などによって決定されるが、通常飽和電圧を高く設定するためにＤＣ電圧としてはＶｓｕｂ１より低く設定される。ＶｓｕｂＣｏｎｔ信号をＨにすることにより、Ｖｓｕｂ電圧はＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に変化するが、Ｖｓｕｂ２に電圧が安定するまでには時間を要するため、安定までの時間に露光を行ってしまった場合、露光が短くなればなる程この安定期間が撮影画像の色バランスに影響を与えてしまう。

その理由として、図８はＶｓｕｂ電圧がＶｓｕｂ１とＶｓｕｂ２の時の分光感度特性をあらわしているが、Ｖｓｕｂ１とＶｓｕｂ２の分光特性が異なるため、露光時間が短くなればなるほど分光特性がＶｓｕｂ２分光特性からＶｓｕｂ１特性に近づいてしまう。

本実施例はこれらの現象を改善するために、図５に示されるようにＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に電圧が安定する期間をｔ_０とした場合、ｔ_０の期間電子シャッター機能を継続して行い、露光開始をＶｓｕｂ２に安定した状態から行い、被写体に適切な露光時間でメカシャッターをクローズする。メカシャッタークローズ後は、蓄積された各画素の電荷の垂直転送・水平転送を行い画像を読み出し、読み出し完了後メカシャッター１２をオープンし、再びライブビューモードへと遷移する。

以上のＣＣＤ制御方法は、露光時間に関わらず同制御を行って構わないが、分光感度変化の発生しやすい短い露光時間のみ本実施例の制御を行っても構わない。例えば図９のように露光時間１／１０００ｓより分光感度の変化が大きくなる場合、１／１０００ｓより長い露光時間では背景技術２の制御方法で、１／１０００ｓより短い露光時間では実施例１の制御方法で、というように制御方法を露光時間により切り替えても構わない。

（実施例２）
実施例１では、図５のようにＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に電圧が安定する期間をｔ_０とした場合、ｔ_０の期間電子シャッター機能を継続して行う例を示したが、図６のように、分光感度に影響を与えない範囲でｔ_０期間中の一定期間ｔｎのみ電子シャッター機能を継続しても問題ない。

その分光感度に影響を与えないｔｎを決定するための方法を、図７のフローチャートを用いて説明する。ｔｎを決定するタイミングは、デジタルスチルカメラを設計する段階、量産工場にて調整を行う時、でもどちらでも良い。まず、デジタルスチルカメラの撮影時の最も短い露光時間、本実施例では１／２０００ｓと、ｔｎ＝ｔ_０すなわちＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に電圧が安定する全期間ｔ_０を撮影条件として設定する（Ｓ１０２）。次に輝度が均一で色温度が均一な光源、ここでは輝度箱を、被写体としてＳ１０２の撮影条件で撮影を行う。

この時撮影されたＲＡＷ画像をＲＡＷ画像０とする（Ｓ１０３）。同様にＳ１０４とＳ１０５で、蓄積時間１／２０００ｓと、ｔｎ＝ｔ_１すなわち図６に示してあるように電子シャッター継続期間を一定期間短くした時間、ここでは電子シャッター１本分短くした時間を撮影条件とし同様に撮影を行う。

このとき撮影されたＲＡＷ画像をＲＡＷ画像１とする。次にＳ１０３で撮影したＲＡＷ画像０とＳ１０５で撮影したＲＡＷ画像１の分光感度の変化を算出するために、ＲＡＷ画像０のＲ／ＧとＲＡＷ画像１のＲ／Ｇの差分、ＲＡＷ画像０のＢ／ＧとＲＡＷ画像１のＢ／Ｇの差分を算出する。なお、本実施例で使用しているＣＣＤは、原色ベイヤー配列とする。ＲＡＷ画像０の画像中心部、ここでは縦横比率で１０％領域のＲの平均値をＲ_０ａｖｅ、Ｂの平均値をＢ_０ａｖｅ、Ｇｒの平均値をＧｒ_０ａｖｅ、Ｇｂの平均値をＧｂ_０ａｖｅとし、同様にＲＡＷ画像１の画像中心部、１０％領域のＲの平均値をＲ_１ａｖｅ、Ｂの平均値をＢ_１ａｖｅ、Ｇｒの平均値をＧｒ_１ａｖｅ、Ｇｂの平均値をＧｂ_１ａｖｅとし、ＲＡＷ画像０のＲ／ＧをＲｇ_０、Ｂ／ＧをＢｇ_０、ＲＡＷ画像１のＲ／ＧをＲｇ_１、Ｂ／ＧをＢｇ_１、とすると、Ｒｇ_０、Ｂｇ_０、Ｒｇ_１、Ｂｇ_１は、
Ｒｇ_０＝２×Ｒ_０ａｖｅ／（Ｇｒ_０ａｖｅ＋Ｇｂ_０ａｖｅ）
Ｂｇ_０＝２×Ｂ_０ａｖｅ／（Ｇｒ_０ａｖｅ＋Ｇｂ_０ａｖｅ）
Ｒｇ_１＝２×Ｒ_１ａｖｅ／（Ｇｒ_１ａｖｅ＋Ｇｂ_１ａｖｅ）
Ｂｇ_１＝２×Ｂ_１ａｖｅ／（Ｇｒ_１ａｖｅ＋Ｇｂ_１ａｖｅ）
と表現できる。

これから、ＲＡＷ画像０のＲ／ＧとＲＡＷ画像１のＲ／Ｇの差分、ＲＡＷ画像０のＢ／ＧとＲＡＷ画像１のＢ／Ｇの差分はそれぞれ、
｜Ｒｇ_０−Ｒｇ_１｜
｜Ｂｇ_０−Ｂｇ_１｜
となる（Ｓ１０６）。

次に、｜Ｒｇ_０−Ｒｇ_１｜と｜Ｂｇ_０−Ｂ Ｂｇ_１｜の両方が、所定値よりも小さいかどうかを確認する（Ｓ１０７）。所定値は、デジタルスチルカメラの静止画撮影画像として分光感度変化が許容できる比率とし、ここでは３％とする。３％よりも小さい場合、分光感度変化がさらに許容できると判断し、ｔ＝ｔ_２すなわち電子シャッター継続期間をさらに一定期間短くした時間で、Ｓ１０４からＳ１０７を繰り返す。最終的にＳ１０７で｜Ｒｇ_０−Ｒｇ_１｜と｜Ｂｇ_０−Ｂｇ_１｜どちらかが、３％を超えた場合、越えた時点のｔｎから１設定前の設定値ｔ_ｎ−１を本実施例の電子シャッター継続期間とし、実施例１と同様なシーケンスで静止画撮影を行う。なお、実施例１と同様に、露光時間により背景技術２の制御方法と実施例２の制御方法を切り替えても構わない。

以上説明した通り実施例１によれば、ＣＣＤ等の固体撮像素子の電荷を半導体基板に排出する電子シャッター機能とメカシャッターを併用して露光を行い、露光中に固体撮像素子の基板バイアス電圧を可変し撮影を行う撮像装置において、高速シャッター撮影時、すなわち短い露光時間の撮影時に分光感度変化の影響を最小限に抑える事が可能となる。

また実施例２によれば、分光感度変化の影響を最小限に抑え、かつ基板バイアス電圧が静止画撮影用の低いＤＣ電圧の状態で電荷を半導体基板に排出する電子シャッター機能を行うことによって発生する電荷掃き捨て不良、すなわちＳＮ悪化を最小限に抑えることが可能となる。

背景技術１の固体撮像素子制御方法を示すタイミングチャートである。 背景技術２の固体撮像素子制御方法を示すタイミングチャートである。 実施例１、２の形態に係るデジタルスチルカメラの機能ブロック図である。 本発明の固体撮像素子制御方法を示すタイミングチャートである。 実施例１の露光期間を示すタイミングチャートである。 実施例２の露光期間を示すタイミングチャートである。 実施例２の実施形態を示すフローチャートである。 基板バイアス電圧Ｖｓｕｂ１、Ｖｓｕｂ２時の分光感度である。 露光期間を変化させたときの分光感度である。

符号の説明

１０ デジタルスチルカメラ
１１ レンズ
１２ メカシャッター
１３ 固体撮像素子
１４ 画像処理回路
１５ タイミングジェネレータ
１６ ＲＡＭ
１７ ＲＯＭ
１８ 記録媒体
１９ ＣＰＵ
２０ 液晶
２１ 液晶ドライバー
２２ シャッターボタン

Claims (3)

1. 光電変換素子を備え、被写体像を撮像して電気信号に変換する撮像素子と、
   前記撮像素子の基板に対して印加する基板バイアス電圧を第１の電圧から前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に変更している変更期間内における前記変更期間の開始時点から前記変更期間の終了時点より手前までの所定期間内に前記光電変換素子の蓄積電荷を前記基板に排出させる電子シャッター機能を継続して動作させるように制御するとともに、前記変更期間内における前記所定期間以外の期間には電子シャッター機能を動作させないように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、露光時間が所定時間以上である場合には、前記変更期間内に、電子シャッター機能を動作させないように制御し、露光時間が所定時間未満である場合には、前記変更期間内における前記所定期間内に、電子シャッター機能を継続して動作させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、静止画撮影を行うことが指示された場合に、前記基板バイアス電圧を前記第１の電圧から前記第２の電圧に変更するように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。

Images