JP4718196B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置において、手ぶれ補正機能を有する撮像装置に関する。

従来のビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置において、各種方式の手ぶれ補正機能が提案され、実用化されている。補正方式は、光学的補正方式と電子的補正方式とに分類される。光学的補正方式は、手ぶれによってカメラがどれだけ動いたかを加速度センサ等により検出し、検出したぶれ量だけ光学系補正レンズを光軸に垂直な面内で移動させる。そして、撮像素子（ＣＣＤやＭＯＳなどの固体イメージセンサ）上の結像位置のずれを打ち消すように補正するものである。なお、光学系レンズを移動する代わりに、撮像素子を光軸に垂直な面内で移動する方式（撮像素子シフト方式）もある（例えば、特許文献１参照）。

これに対し電子的補正方式は、撮像素子にて撮影した時間的に前後する２つの画像信号を比較し、被写体の位置ずれからぶれ量を検出し、検出したぶれ量だけ撮像素子内の読み出し位置（画像切り出し位置）をずらすことで、被写体が読み出し画面内の同位置にとどまるように補正するものである（例えば、特許文献２参照）。

また、上記光学的補正方式と電子的補正方式とを組み合わせ、手ぶれ量を画像信号の変化から求め、これに応じて光学系レンズを機械的に移動する方法なども提案されている。

特開２００２−２９６６３３号公報 特開平２−２３１８７３号公報

上記光学的補正方式は、補正用レンズを２軸方向に駆動するアクチュエータが必要であり、複雑な構造のため大型で高価なものになってしまう。これは、上記特許文献１に記載の撮像素子シフト方式についても同様のことが言える。

これに対し上記特許文献２などに記載の電子的補正方式は、アクチュエータが不要のため装置の小型化と省電力化に有利である。しかし、撮像素子の画素センサの範囲内で、有効とする画素領域を縮小調整するので、画素センサの占める受光面積全体を有効な画像出力範囲として使えないというデメリットがある。つまり、せっかく高画素化した撮像素子を採用しても、その恩恵が得られないことになる。そして、手ぶれ補正時の補正量を拡大するほど、画素センサの利用効率は低下し、画面の有効サイズが縮小する。

本発明の目的は、上記課題を解決し、手ぶれ補正機能を実現する際に、装置の小型化と省電力化を維持しつつ、画素センサの利用効率を低下させない撮像装置を提供することにある。

本発明は、２次元状に配列した光電変換素子と光電変換素子にて変換された電荷を転送する転送路を有する撮像素子を用いる撮像装置において、露光時間内に露光時間より短い間隔にてタイミングパルスを発生する時間管理回路と、タイミングパルスの間隔で当該装置の動きを検出する動き検出部と、光電変換素子から電荷を転送路に読み出すとともに転送路上の電荷を転送するための駆動信号を生成する駆動回路と、時間管理回路と動き検出部からの出力信号に基づき駆動回路を制御する制御回路を備える。そして、タイミングパルスの間隔で検出した動きの方向と大きさに応じて、転送路上に読み出した以前の電荷を所定方向に所定距離だけ転送し、転送された以前の電荷に光電変換素子にてタイミングパルスの間隔で変換された新たな電荷を読み出し加算する。

好ましくは、前記転送路は垂直方向転送路である。また前記タイミングパルスは、前記露光時間を１／Ｎに等分割したものである。

さらに本発明の撮像装置は、前記動き検出部の検出した動き量がしきい値以上である場合、前記制御回路は前記駆動回路に対し、電荷を転送する距離を所定の値以内に制限するよう制御する。

本発明によれば、手ぶれ補正機能を実現する際に、有効画面サイズの縮小がなく、小型の撮像装置を提供できる。

以下本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明による撮像装置の一実施例を示すブロック図、図２は本実施例における撮像素子の内部構成を示す図、図３は撮像素子の駆動方法を説明する図である。

図１において、撮影レンズ１０１から入射した被写体像は、ＣＣＤなどの光電変換素子からなる撮像素子１０２に結像し、電荷信号に変換される。駆動回路１０３は、撮像素子１０２に蓄積された電荷信号を転送するための駆動信号を発生する。撮像素子１０２から読み出された電荷信号は、信号処理回路１０４で所定の信号処理を施し、映像信号となる。動き検出部１０５は、手ぶれ等による撮像装置の動きを角速度、あるいは加速度等の形で検出するもので、例えば振動ジャイロセンサを用いる。時間管理回路１０６は、露光時間等を計測しタイミング信号を発生する。制御回路１０７は動き検出部１０５からの動き信号と時間管理回路１０６からのタイミング信号を受け、駆動回路１０３に制御信号を送る。

図２は撮像素子１０２の内部構成を示し、複数個の光電変換素子（フォトダイオード、以下「画素」とも呼ぶ）２０１をＪ行×Ｋ列のマトリクス状に配列する。そして、各画素２０１から読み出した列単位の電荷信号を垂直方向に転送するＫ本の垂直方向転送路２０２と、各垂直方向転送路２０２で転送された電荷信号を水平方向に転送する水平方向転送路２０３を有する。垂直方向転送路２０２の段数Ｌは、垂直方向の画素数Ｊよりも大きく、図では隣接画素間に３段を設けた場合を示す（すなわち、Ｌ≒３Ｊ）。また、水平方向転送路２０３の段数Ｍは、隣接画素間に２段を設けた場合を示す（すなわち、Ｍ≒２Ｋ）。画素間の段数はこれに限らず、適宜設定すれば良い。

図３は撮像素子の駆動方法を説明するもので、（ａ）は通常読み出しモード（手ぶれ補正なし）の場合、（ｂ）は本発明による手ぶれ補正モードの場合を示す。ここでは簡単のため、プログレッシブ駆動の白黒信号を出力する撮像素子を用いた静止画撮影例にて説明する。

通常読み出しモード（ａ）の場合、適正露光時間Ｔ（例えば１フィールド）の期間中に各画素２０１に蓄積された電荷は、駆動回路１０３が発生するＰ→Ｖ転送パルス３０１により、各垂直方向転送路２０２へ読み出し転送される。

次にＶ転送パルス３０２により、垂直方向転送路２０２上の電荷を水平方向転送路２０３に向けて（順方向）、１水平ライン毎に水平方向転送路２０３に到達するまで転送する。図２の場合には、垂直方向の画素間隔が３段なので、１ラインごとの電荷を転送するには垂直方向転送路２０２を順方向に３段進ませることになる。すなわち、１ライン転送に要するＶ転送パルス３０２ａは３個の連続パルスとなる。

次にＨ転送パルス３０３により、水平方向転送路２０３上に転送された１ライン分の電荷を水平方向に転送し、水平方向転送路２０３の端部（例えば２０３ａ）からこれに接続する信号処理回路１０４へ掃き出す。１水平ライン分の画素数Ｋ全ての電荷を転送するために要するＨ転送パルス３０３ａは、水平方向転送路２０３の段数Ｍ個の連続パルスとなる。

１ライン分の水平方向転送が終了すると、次のＶ転送パルス３０２ｂにより次のラインの垂直方向転送が行われる。そして、次のＨ転送パルス３０３ｂにより次のラインの水平方向転送が行われる。

以下これを繰り返し、画面全体の画素の電荷を転送すると（垂直方向にＬ段転送）、１フィールドの電荷をすべて転送し終わる。以上の動作により、適正露光の時間内に各画素２０１に蓄えられた電荷を、撮像素子１０２から読み出すことができる。

次に手ぶれ補正モード（ｂ）の場合には、手ぶれの大きさに合わせて転送路上の電荷の位置を調整するようにした。ここでは適正露光時間Ｔ内に、撮像素子の垂直方向に手ぶれが繰り返されて発生する場合を例に説明する。

時間管理回路１０６は、適正露光時間Ｔ（例えば１フィールド時間）をＮ分割したＴ／Ｎ時間ごとにタイミングパルス３０４（Ｔ_０，Ｔ_１，・・・，Ｔ_Ｎ）を生成し、制御回路１０７に出力する。

動き検出部１０５は、タイミングパルス３０４ごとに各Ｔ／Ｎ時間内での手ぶれによる動きを検出し、動き検出信号３０５を制御回路１０７に送る。図では動き検出信号３０５を、画面上方向の加速度を正、下方向の加速度を負で表す。すなわち、タイミングＴ_０からＴ_１の期間は上方向の加速度、Ｔ_１からＴ_２の期間は下方向の加速度を受けた場合を示す。

制御回路１０７は、タイミングパルス３０４と動き検出信号３０５を受け、駆動回路１０３を制御しＰ→Ｖ転送パルス３０６とＶ転送パルス３０７を発生させる。

手ぶれ補正時のＰ→Ｖ転送パルス３０６（Ｖ_０，Ｖ_１，・・・，Ｖ_Ｎ）は、タイミングパルス３０４の間隔Ｔ／Ｎで、画素２０１に蓄積された電荷を垂直方向転送路２０２へ転送する。この際転送路２０２には１フィールドごとの垂直転送が完了していない以前の電荷が残留しており、この残留電荷に画素２０１に蓄積された新しい電荷が読み出し加算されることになる。

また、手ぶれ補正時のＶ転送パルス３０７は、タイミングパルス３０４の間隔Ｔ／Ｎに生じた動き検出信号３０５に応じて、垂直方向転送路２０２上の電荷を画面上方向（順方向）あるいは下方向（逆方向）に補正のため転送させる。図３中のＦは順方向転送、Ｒは逆方向転送、カッコ内は転送段数を表し、動き検出信号３０５の方向と大きさに対応させている。すなわち、上方向の動きに対しては電荷を逆方向に転送し、下方向の動きに対しては電荷を順方向に転送する。その転送段数は、手ぶれによる撮像素子内の結像位置の移動量に相当する段数とする。

電荷の補正転送と加算の順序は、例えばタイミングＴ_０からＴ_１の期間内で動いた分の補正として、電荷を逆方向にＡ_１段転送した後に、Ｖ_１のタイミングで画素２０１の新しい電荷を垂直方向転送路２０２へ加算する。同様に、Ｔ_１からＴ_２の期間内で動いた分の補正として、電荷を順方向にＡ_２段転送し、Ｖ_２のタイミングで画素２０１の電荷を垂直方向転送路２０２へ加算する。

このようにしてＮ回の補正転送と加算を行った時点で適正露光時間Ｔとなり、１フィールド期間の電荷加算を完了する。その後垂直方向転送路２０２に加算蓄積した電荷の読み出し転送を行う。そのときに用いるＶ転送パルス３０７とＨ転送パルス３０８は、前記通常読み出しモード（ａ）におけるＶ転送パルス３０２とＨ転送パルス３０３と同様であり、その動作説明は省略する。

以上の動作により、手ぶれにより結像する画素２０１の位置が移動しても、その期間に蓄積された電荷を、垂直方向転送路２０２上の本来加算されるべき位置の電荷に加算されるので、ぶれのない良好な画像を出力することができる。その効果は露光時間Ｔの分割数Ｎに依存し、ぶれの影響をほぼ１／Ｎに低減することができる。

本実施例では手ぶれの補正を撮像素子１０２内で電子的に行っているので、機械的アクチュエータが不要で、撮像装置の小型化と省電力化を図ることができる。また、本方式では、撮像素子１０２内の全ての画素２０１からの信号を映像信号として利用することができるので、手ぶれ補正機能を付加することにより有効画素領域が減少（画面サイズが縮小）することはない。また補正量を大きくとっても、その有効画素領域が変化することはない。

本実施例では、時間管理回路１０６により適正露光時間Ｔを１／Ｎに等分割して手ぶれ補正処理を行う場合を説明したが、適正露光時間Ｔを不等間隔に分割して補正処理を行う場合でも同様の効果がある。

上記実施例では、簡単のため、プログレッシブ駆動の白黒信号を出力する撮像素子を用いた例について説明したが、本発明は、インターレース駆動の撮像素子、あるいは色フィルタを配置したカラー信号出力用撮像素子についても同様の効果がある。さらに本発明は、静止画モニターリング、動画撮影はもちろん長時間露光を要する静止画撮影にも有効である。

本発明による撮像装置の他の実施例を説明する。図４は、本実施例における撮像素子の他の内部構成を示す図である。図２の撮像素子の構成と比較し、垂直方向転送路２０２の両端の段数を増加したことに特徴がある。すなわち、画素２０１の占める垂直方向領域（２０１ａから２０１ｂの範囲）の外側に、各々Ｓ段の増設部２０２Ｓ，２０２Ｓ’を設けたものである。本実施例における手ぶれ補正の基本動作は、前記実施例１と同様であり説明は省略する。この増設部２０２Ｓ，２０２Ｓ’を設けることにより、画面上下端部（２０１ａや２０１ｂ位置）の電荷を順方向及び逆方向に補正のために転送する動作を、画面中央部と同様に支障なく行うことができる。そのときの段数Ｓは、手ぶれの大きさに応じて適宜決定すればよい。この構成により、大きな手ぶれが発生しても画面全体に渡り良好な手ぶれ補正を実現できる効果がある。

さらに、本発明による撮像装置の他の実施例を説明する。本実施例の装置の構成は前記図１と同様であるが、手ぶれ補正量を制限する機能を備えるものである。図５は、本実施例における動き検出量と補正量の関係を示す図である。すなわち、動き検出部１０５が検出した動き量がしきい値Ｘ_０以上の場合、制御回路１０７は駆動回路１０３に対して、補正量（すなわちＶ転送パルスの数）を上限値Ｙ_０以内に制限するように制御する。この上限値Ｙ_０は、撮像素子１０２内の垂直方向転送路２０２の補正可能な転送段数から設定し、特に前記実施例２では、図２に示す増設部２０２Ｓ，２０２Ｓ’の段数Ｓを基に設定するのが良い。

このように補正量の制限を設けることで、しきい値を超える過剰な補正による電荷加算時の誤動作を防止することができる。また、撮像素子１０２の垂直方向転送路２０２の転送段数を最小限に抑えることができ、回路規模縮小の効果がある。

補正量の制限機能は、制御回路１０７の代わりに、動き検出部１０５で行うこともできる。すなわち、動き検出部１０５は検出した動き量が過剰な場合、制御回路１０７に対する検出信号の出力を図５のしきい値Ｘ_０を超えないレベルに制限すればよい。

上記各実施例で述べた撮像素子内の画素配列、転送路の配置は一例であり、本発明はその他の配列構成の撮像素子を用いた撮像装置に対しても適用できることは言うまでもない。

本発明による撮像装置の一実施例を示すブロック図。 本実施例における撮像素子の内部構成を示す図。 本実施例における撮像素子の駆動方法を説明する図。 本実施例における撮像素子の他の内部構成を示す図。 本実施例における動き検出量と補正量の関係を示す図。

符号の説明

１０１…撮影レンズ、１０２…撮像素子、１０３…駆動回路、１０４…信号処理回路、１０５…動き検出部、１０６…時間管理回路、１０７…制御回路、２０１…光電変換素子（フォトダイオード）、２０２…垂直方向転送路、２０２Ｓ，２０２Ｓ’…転送路の増設部、２０３…水平方向転送路、３０４…タイミングパルス、３０５…動き検出信号、３０６…Ｐ→Ｖ転送パルス、３０７…Ｖ転送パルス、３０８…Ｈ転送パルス。

Claims (3)

1. ２次元状に配列した光電変換素子と該光電変換素子にて変換された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直方向転送路と水平方向に転送する水平方向転送路を有する撮像素子を用いる撮像装置において、
   露光時間内に該露光時間より短い間隔にて分割したタイミングパルスを発生する時間管理回路と、
   上記タイミングパルスの間隔で当該装置の動きを検出する動き検出部と、
   上記光電変換素子から電荷を上記垂直方向転送路に読み出すとともに、上記垂直方向転送路上の電荷を転送するための駆動信号を生成する駆動回路と、
   上記時間管理回路と上記動き検出部からの出力信号に基づき上記駆動回路を制御する制御回路を備え、
   上記タイミングパルスの間隔で上記動き検出部が検出した垂直方向の動きの方向と大きさに応じて、上記駆動回路が、上記垂直方向転送路上に読み出した以前の電荷を垂直上方向または下方向に所定距離だけ転送し、該転送された以前の電荷に上記光電変換素子にて上記タイミングパルスの間隔で変換された新たな電荷を読み出し加算すると共に、
   上記垂直方向転送路は、上記光電変換素子の占める垂直方向領域の両外側に転送路の増設部を設け、上記垂直方向の動きに基づき、該増設部に渡って上記垂直方向転送路における電荷の転送を行うことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置において、
   前記動き検出部の検出した動き量がしきい値以上である場合、前記制御回路は前記駆動回路に対し、電荷を転送する距離を所定の値以内に制限するよう制御することを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１記載の撮像装置において、
   前記動き検出部の検出した動き量がしきい値以上である場合、該動き検出部は前記制御回路に対し、該しきい値を超えないレベルの検出信号を出力することを特徴とする撮像装置。

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