JPS598478A - 撮像素子の露光制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シャッター機能を持つ撮像素子の露光量（財
）装置に関する。

撮（２）素子を用いて電子スチルカメラを実現しようと
するときメカニカルシャッターを用いない場合には、撮
像素子自体に箪１子的なシャッター機能がなければなら
ない。ここで、電子的なシャッター機能としては、次の
機能を満たすことが要求される。

（１）露光開始までに受光部や転送部に蓄積される不要
電荷を高速で排除できること。

（２）全画素に対して露光時間が同一であること。

１３）近接する画素の間では露光開始及び終了時刻が大
きく異ならないこと。即ち、近接画素間ではタイミング
の大きなずれがないこと。

（４）露光が完了した信号電荷を読み出し期間中、たと
え光が当たり１ことしても、保持できること。

このような機能を満１こすものとして、オーバーフロー
ドレインヲ持つインターライントランスファーＣＣＩ）
ヤ表面チャンネルフレームトランスフにＣＣＤが知られ
ている。

これらの電子的なシャッター機能を持つ撮像素子は、例
えばテレビジョンに於ける映像信号のフォーマットに適
合した１コマの静止画像を得る場合や、一定周期で記録
が可能となる例えばビデオディスクレコーダ等の記録装
置を用いて１コマの静止画像を得る場合、ある繰り返し
周期げ同期して撮像動作全実行することになる。例えば
、テレビジョンでは１フイールド１／６０秒、　　ｉフ
レーム１Ａ口秒が繰り返し周期に相当する。ところで、
上述の如き電子的なシャッター機能を持つ撮像素子に高
速シャッター動作を行なわせる際の従来の駆動方法を図
面に基づいて説明する。

第１図はオーバーフロードレイン及びそのコントロール
ゲートを持つインターライントランスファーＣＣＩ）の
一部を示す説明図であり、第２図はそのシャッター動作
におけるタイミングチャートである。

第１図におい℃、１は受光部、２１光遮へ（・された垂
直転送部であり、６は受光部から垂直転送ｇ　ヘ信！　
電荷を移すためのトランスファーケートである。まに、
受光部１に泊って不要信号電荷を排出するためのオーバ
ーフロードレイン４が設ケラしてオリ、受光部１とオー
バーフロードレイン４との間には、そのポテンシャル障
壁の高さを制僧１する目的でオーバーフローコントロー
ルゲート５ｈ″−Ｂ　ケＬ）　ｈ−ｃいる。このオーパ
フローコントロールゲーｈ５＜は、正常露光中に強光線
金受けた受光部１で発生する過剰電荷によるプルーミン
グを防止するようなポテンシャル障壁の高さを与える電
圧が印加されており、ＣＣＤｗシャッター動作を行なわ
せる場合には、受光部１の信号電荷を全てオーバーフロ
ードレイン４Ｖｃ排出できる雷、王が印加される。

第２図において、何１は垂直同期信号を示し、その周Ｊ
ｔＪ］’Ｊ’ｆは１７６０秒である。（口１はオーバー
フロードレインゲート信号を示し、この信号がハイレベ
ルのとき、即ち時間’［、’ｏ　ｉｆ受光部１の不要電
荷はｔｉＣＣ１’）外部ｆ排出され、ローレベルの時は
通常のオーバーフロードレインとしての動作を行なう。

Ｐｌはトランスファーゲート′信号を示し、この信号ｈ
；ハイレベルの時、それまでに受光部１ｒｃ蓄Ｍされた
信号雷、荷を垂直転送部２に転送する。

従来のＣＣＤ自体のシャッター機能を用いる場合のタイ
ミングでは、垂直転送部２における信号電荷の記憶保持
時間を極力短くして、記憶保持中の暗電流による劣化を
防ぐ１こめ、第２図（口１のように、露光時間Ｔｅ　ｆ
映像信号読み出し時間ＴＲの直前に設定していた。この
ような露光時間の設定は、前述の工５に暗電流による信
号劣化になくなる／ｌ−１次のような欠点がある。

第１には、時々刻々明るさの変化する被写体を撮影しよ
うとする際Ｖｒ必要となる露光開始（不要電荷排出動作
終了）後に、測光を始めて適正露光量に達した時点で、
信号電荷を垂直転送部へ転送するという動作ができなか
った。即ち、銀塩スチルカメラでいうダイレクト測光ｈ
″−できｆＬ力）つｔこ。

垂直転送部２は遮光されては（・るｈ″−１長時間信号
電荷を保持していると、受光部１に強（・光ｈ″−当１
こつ１こりすると垂直転送部２へも影響したり、Ｂ１電
流ｆよる画質劣化も生じる。このため、従来のインター
ラインＣＣＤのタイミングによれば、垂直同期信号（１
／６０秒毎）と露光完了のタイミングを合わせるため、
被写体輝度情報を露光動作ｆ先立って入力し、その入力
に基づいて露光時間を演算してシャッタータイムを求め
、１／６０秒からそのシャッタータイムだけ差し引いた
時間が、ある垂直同期信号から経過した時点から露光を
開始し、次の垂直同期信号で露光を終了する、という動
作をせざるを得ないため、上述の１５Ｋ、いわゆるダイ
レクト測光ができなかった。

第２には、露光時間を短かく、即ちシャッタータイムを
短かくして撮影を行なう場合には、上述のように不要電
荷排出動作終了時期を厳密に制■して引続き一定のタイ
ミングで生じる垂直同期信号に同期して発生させるトラ
ンスファーゲート信号までの時間、つまりシャッタータ
イムの制御を行ｌ工わなければならず、このために精度
の高い計測回路ｈ″−−必要り、回路が複雑になるとい
う欠点をもってい１こ。

例えば、１／１［１００秒のシャッタータイムを制御す
ることを考えると一上述の方式だと、上記のシャッター
タイム（Ｔｅ）を得ることは、（１／６０−１　／１０
００　）秒、即ちＴｅキ１５Ａ（ｍａｅｃ’）を計測す
ることになる。

ここで、計測誤差を士Ｑ、１（ｍｓｅｃ）とすると、そ
の開側精度は±０．６４％の高精度が必要となる。

本発明は、これらの欠点を解決し、撮像素子自体のシャ
ッター機能を用いて撮像し、且つ、一定の繰抄返し周期
を持つ同期信号に同期して撮像素子からステルの映像信
号を出力する如く構成し１こ電子カメラにおい℃、露光
中の被写体の輝度変化に対応可能、即ちダイレクト測光
が可能で、しカ・も高速シャッターでも回路を簡単に構
成できるようにした撮像素子の露光側（財）装置を提供
するものである。

本発明においては、かかる目的を達成するためｆ、撮像
素子の露光制闘装置ＫＡ工、固体撮ｆ象素子測光素子、
測光演算回路及びタイミング市１ｊ御回路を備えている
。ここで、固体撮像素子（工、不要信号電荷の排出機能
を持って（・る。測光素子を丁、固回路は、測光素子の
出力から適正露光時間であるシャッタータイムの演算を
する。そしてタイミング制（財）回路は、測光演算回路
の出力に基づいて固体撮像素子の電子的なシャッター機
能全制量する。

固体撮像素子の霜、予約なシャッター機能は次のようＫ
して制御される。

固体撮１象素子の露光は、該固体撮像素子を駆動するプ
こめπ用いられる垂直同期信号と同期して始まり、測光
演算回路により算出された適正露光時間経過によ・つて
終り、且つ露光終了後は露光により得られた信号電荷を
固体撮像素子の光速へいされ１０転送電極下に記憶し、
続いて発生する最初の垂直同期信号に同期して読み出さ
れる１５にタイミング制１ｉ１１される。

以下、本発明の実施例全図面に基づいて説明する。

第６図は本発明の一実施例に係る電子スチルカメラのブ
ロック図である。絞り３１を内蔵した撮影レンズ３２を
通り、更ｆｉ・−フミラー弱で光路分割されＴこ主光束
は、ＣＣＤ　３４　ｖｒ結像される。ノ・−フミラー３
３で分割されＴこ他の光束は、別のノ＼−フミラ−３５
Ｖｒ入射し、測光素子３６と図示しないビューファイン
ダーに更に分割される。

本実施例では、絞り６１は、モーフ及びマグネットを含
む絞り開閉機構６７に、Ｊ：りその絞り損が制御され、
且つ絞り量は絞り値検出素子３８により検知され、その
情報６″−測光演算回路６９に伝達されるように構成さ
れている。（、ＩＣＤ　３４はシャッター機能に有する
撮像素子であるが、ここではビデオカメラにも用いるこ
とのできる素子であるとして説明する。

本実施例の電子スチルカメラにおける動作タイミングの
制御は、連続発振する水晶振動子を持つ同期信号発生回
路３１ＤＫ全て同期しており、ＣＣＤヌの出力映像信号
もビデオカメラ同様ｆプリアンプ３１１、プロセス回路
３１２及び同期信号相加回路３１３を経て、同じく同期
信号発生回路ろｉｏｉ同期して動作する記録回路３１４
に記録される。カメラ全体のタイミング制Ｅ４は、同期
信号発生回路３１０の出力同期信号を受けて所要の各（
重パルスを発生するカメラタイミング制量回路３１５が
行なう。スチル撮影の場合は、ＣＵＤ　３４からの出力
映像信号のうち有効期間外のみ記録回路３１４に記録さ
れるが、この有効期間を示す信号も、カメラタイミング
制御回路ろ１５から記録回路６１４に伝達され記録に用
いられる。

カメラタイミング制御回路３１５は、撮影の際の絞り開
閉のタイミング信号を出力し、絞り駆動回路′５１６を
制御すると同時に、ＣＣＩ）３４の駆動ノくルス発生回
路゛３１７ＶＣ必要な信号を供給している。撮影のスタ
ートは、シャツタレリーズ釦に連動する・ンヤツタトリ
ガスイッチ３１８　Ｋ　Ｊ、り行なわれる。

以下、本実施例の動作を第４図に示したタイミングチャ
ートを用いて説明する。

第４図りＪは、第２図イ１と同じく垂直同期信号を示し
ており、同期信号発生回路３１０からカメラタイミング
制量回路６１５に加えられる信号の１つである。

今、この垂直同期信号とは全く関連のなし・タイミンク
でシャツタレリーズ釦が押され、シャッタトリガスイッ
チ６１８が閉成されれば、第４−（口ＩＫ示したシ・ヤ
ツタトリガ信号が発生ずる。このシャッタトリガ信号が
発生した後、最初の垂直同期信号のタイミングでカメラ
の撮像ｆｉｌ１作が開始する。

この場合、それまで開放し明るい視野をビューファイン
ｆ−ｗ与えていた絞シ３１が、シャッターレリーズ前に
予め設定され１こ絞シ位置まで絞シ込まれる。それと同
時に、ＣＣＤ　３４の不要電荷排出信号である第４図ｃ
′！に示したオーバーフローコントロール信号が、絞り
込みが完了した後の垂直同期信号に同期して、時間Ｔｏ
だけハイレベルとなって受光部の不要電荷を排出する。

第４図（ハ）に示したこのオーバーフローコントロール
信号が、ローレベルに復帰した時点かう、ＣＣＤ舗の有
効な露光が開始される。それと同時に作動する測光演算
回路３９から露光完了信号が得られるまでの時間Ｔｅの
間露光される。

露光完了信号は、カメラタイミング制闘回路６１５を経
て駆動パルス発生器３１７　Ｋ　伝達され、撮影開始後
中断されていた第４図に）に示すトランスファーゲート
信号を同図のタイミングで発生させる。

この後ＣＣＤ　３４の垂直転送部に移された信号雷、荷
は、次の垂直同期信号に同期しｆこタイミングで読み出
される。第４図に）に示した時間Ｔｓは、露光完了から
外部への読み出しまでの記憶時間であり、最長で１７６
０秒であるからその劣化は問題にならない。読み出され
たスチル１コマの映像信号は、本実施例の場合はテレビ
の１フイ一ルド画像であり、時間１′Ｒの間に記録装置
３１４Ｖｃ記録される。

本実施例のような構成をとれば、測光素子を含む測光演
算回路は、垂直同期信号に同期し℃測光を開始し、ＣＣ
Ｉ）　Ｖｔ対する適正露光量に達した時点で露光完了信
号を出力するという（いわゆるダイレクト測光）非常に
簡単な演算動作で良く、しかも、高速シャッタータイム
も精度のそれほど高くない回路で得られるという利点を
持つ。

以上の説明ｆおいて、露光に先だつ不要電荷の　　□排
出はオーバーフロードレインに対して行なうと説明した
が、これに限られるものでは無く、トランスファーゲー
ト及び垂直転送ＣＣＩ）　ｉ介して不要電荷を排出する
こともできる。

第５図は、本発明の測光演算回路に関する一実施例のブ
ロック図を示したものである。第５図の５６は、第３図
の測光素子３６と同じ測光素子である。

同図に破線で示した５９は、第３図の測光演算回路６９
と同効の測光演算回路であり、それには、対数圧縮回路
５１０、サンプルアンドホールド回路５１１及び電Ｅ／
時間変換器５１２が含まれる。

本構成九よれば、開放測光絞り込み撮影が可能となる。

即ち、絞りが開放状態でレリーズが押され、機械的に絞
りが作動する直前の被写体の明るさを、測光素子反及び
対数圧縮回路５１０を介してサンプルアンドホールド回
路５１１に入力して記憶することで開放測光を行ない、
、ＣＣＵの不要電荷排出完了と同時に、電圧／時間変換
回路５１２はその電圧を時間に変換する演算を開始し、
所定時間経過後に、露光完了パルスをカメラタイミング
制御回路５１５に、ｆｆｉ達してトランスファーゲート
信号を発生させ、露光“時間を制御する。

第５図ｆおいてカメラタイミング制御回路５１５からサ
ンプルアンドホールド回路５１１Ｆ与えられる信号（ａ
ｌは、ザ／プル状態即ち測光状態と、ボールド状態即ち
記憶状態とを指定する信号である。

また、信号化）及び（ｃｌは、それぞれ重圧／時間変換
演算のスタート及び完了信号である。

第６図は、本発明の測光演算回路に関する他の実施例の
ブロック図を示したものであり、この回路ではｍ、　Ｅ
　／時間変換回路がデジタル回路で構成されている。同
図中、６６は測光素子、６１ｏは対数…網回路、６１１
１工サンブルアンドホールド回路であり、ここまでは第
５図の実施９１］と伺ら変わるところはない。６１２に
ん生変換器であり、アナログの測光情報電圧をディジタ
ルｉｗ−変換し、これをレジスタ６１６πｎ己１．意す
る。ヅンブルアンドホールド回路６１１．Ａ７′Ｄ変換
器６１２及びレジスタ６１６には、これらの動作を制御
するための測光／配憶指令信号（ｋ＋が、カメラタイミ
ング制■回路６１４がら与えられ℃おり、撮影に際して
測光からＡ／Ｔｌｌ質換、記憶までが行なわれる。

レジスタ６１６の出力は、測光π応じたディジタルデー
タであり、これからシャッタータイムの制御を行なうの
に、本実施例では、露光開始の時刻（タイミング）情報
と、シャッタータイム即ち適正露光時間情報とを必要と
する。この両者は、測光値が決まれば一意に決められる
１こめ、これを演Ｊｌｉｔｃｌり求めるのではなく、ル
ック・アップ・テーブル（ＬＯＯＫ　ＵＰ　ＴＡｆ３Ｌ
Ｅ）の形で読み出し専用メモＩＪ　（ＩＩ□□□Ｉ）　
Ｋ記憶させておくと簡単１なる。ここで、図中６１５が
そのＲＯＭであり、レジスタ６１３の出力はｌｌ０Ｍ　
６１５のアドレス入力端子に接続される。ｎｏＭ６１５
の出力のうち、（ａｔで示し１このが適正露光時間情報
、（ｂｌで示したのが露光開始時刻情報である。

回路はこの他［２つのディジタルコンパレータ（一致検
出回路）６１６・６１７及び２つのカウンタ６１８・６
１９を備えている。

以下、本実施例の動作を第７図に示し１こタイミングチ
ャートを用いて説明する。

レリーズ釦が押し下げられ、絞り開放状態での測光値が
記憶されると直ちに絞りは機械的π設定絞り値まで絞り
込まれる。

第７図何１・（口１は、第４図（イ）・（口・と同じく
、それぞれ垂直同期信号及びシャッタトリガ信号である
。シャッタトリガ信号に続く垂直同期信号に同期して、
第７　図ＨＫ　示１．１こオーバーフローコントロール
ゲート信号がハイレベルとなり、Ｃ（：Ｄの不要電荷の
排出が開始され、ま１こ同時に絞りの絞り込みも行なわ
れる。機械的な絞り込み動作が完了Ｌ　Ｔこ後、最初の
垂直回期信号に対してどれだけ遅らせてＣＣＤへの露光
電荷蓄積を開始するかを決める１こめの演■が、カウン
タ６１９及びディジクルコンパレータ６１７を用いてな
される。即ち、カウンタ６１９は、上記最初の垂直同期
信号に同期してそれまでリセットモードになっていＴこ
リセットパルス（ｃｌをやめて、カウント可能とし、ク
ロックパルスｆｄｌをカウントする。クロックパルス（
ｄ）は、水平同期信号周波数九＝　１５．７５　ＫＨ３
或いはこれを分周した周　　　　□波数を用いるのが、
カウンタ６１９、ディジタルコンパレータ６１７及び１
１０Ｍ６１５のビット数を低減させる上で好適である。

Ｉ？ＯＭ　６１５の出力信号（ｂｌは、前述のよ’）Ｋ
、ＣＣＤへの信号層、荷蓄積開始べ−ｎ報でル・す、カ
ウンタ６１９のカウントモードんでそのカウント値ｔｅ
ｌが信号（ｂｌと一致した時、ディジタルコンパレータ
６１７は一致信号げ）を出力し、これをカメラタイミン
グ制（財）回路６１４ニ与えてカウンタ６１９を再びリ
セットすると共に、第７図１’１に示し１こオーバーフ
ローコントロール信号ヲローレベルとし、信号電荷の蓄
積を開始する。従って、露光開始時刻情報は、第７図１
’１した時間ＴＯ′をクロックツくルス（ｄｉの１周期
で除算し１こ値の２進情報となる。

ＣＣＤへの電荷蓄積が始まると同時に、カメラタイミン
グ制御回路６１４は、それまでカウンタ６１８をリセッ
トしていた信号層を変化させてカウンタ６１８をカウン
トモードとし、カウンタ６１８は、最高速シャッタータ
イムに応じて定められた高し・周波数のクロックパルス
（社）をカウントする。カウンタ６１８のカウント出力
（１１は、ディジタルデータくレータ６１６に入力され
、他方の入力である適正露光時間情報（ａｌと一致した
時、コンノくレータ６１６カ・ら一致信号り）ｂ″−得
られ、同時にリセットパルス鷺）を工１ｑびリセットモ
ードに復帰する。（二１）〕Ｋは同時にトランスファー
ゲート信号ｈ１、第７図に）のようｆ−Ｉうえられ、信
号電荷は石面転送部げ転送され場影が完了する。

このような本実施例の構成によれば、露光開始時刻設定
に少ないビット数の回路を用いるのみで良く、七つ露光
時間判例を正確−行なえ、同時に垂直転送電極での蓄積
時間も短くできるという利点がある。

以上の実施例の説明では、固体撮像素子として、オーバ
ーフローコントロールゲート付キのインターライントラ
ンスファー（ＩＩ）を９１　Ｋ　、Ｇ＋げて説明してき
たが、本発明（工特にこれに限定されるものではなく、
シャッター機能を、例えば、高速読み出しを用いて不要
電荷を排出することで実現する様なインターライントラ
ンスファーＣＣＤや、シャッター機能を有する蓄積部付
きのＣＰｌ）　（（−ｈａｖｇｅ　ＰｒｉｎｌｉｎｇＪ
）ｅｖｉｃｅ　）や光導矩、膜積層型固体操像素子等シ
ャッター機能を有する各種撮像装置に適用Ｉ〜得るもの
である。

また、本発明で述べた絞り優先の電子スチルカメラを、
シャッタータイム優先或いはプログラムＡｂＫ変えるの
は、従来技術を用いて容易にできる。

なお、上記実施例では保持時間′［Ｓが最大約１フイー
ルド分（１／６０秒）であるが、この程度の時間の暗電
流の影響は、同様な保持時間をもつビデオカメラ等で問
題になっていないようπ、大きな影響ではなく、実用上
−向に差しつがえない程度のものである。さらに前述の
実施例π於いては１コマを１フイールドとした例を示し
１こが、勿論１コ−ｒ　ｆ　１７　Ｌ／−ムとしても良
い。

以上の説明から明らかなようＶＣ１本発明によれば、一
定の周期信号に同期して撮１象素子から映像信号を読み
出し、これを記録しようとする撮像素子の露光制御装置
において、露光完了時点全上記同期信号ｆ一致させるた
めの演）３の必要ｈ；ないので、露光開始を厳密ｆ設定
する６要？〕１なくなり、従って、その分シャッタータ
イム制御回路が簡単化され、特に高速シャッターでの短
いシャッタータイムを正確に出そうとする時その効果は
太きい。

例えば、従来技術で説明したのと同様π、Ｉ　Ａ　００
０秒のシャッタータイムを制！Ｉ］することヲ゛考える
と、′Ｊ″６＝　１　（ｍｓｅｃ　）となり、制御Ｆｔ
４差を±［１，１（ｍｓｐｃ　）であるとすると、その
制量精度は１１１０％の精度で足り、従来技術の１０．
６４−に化べてをよるかに色１１ル精度り一緩和されて
いる。

ま１こ、Ｓ像素子の電子的なシャッター機能を利用すれ
ば、その全画素一括の露光が行なえるので、拐月戒的な
シャッターを用い１こ場合のよ５に、動く被写体ｈス有
限幕速の１こめに歪むとい５こともなくなる。

更Ｋ、映像信号の読み出し開始時点からシャッタータイ
ム分だけさかのぼって露光を始めるので（工／、【い１
こめ、Ｃ（ΣＤへ露）Ｙ：　Ｌ、っつ測光素子で同時に
測光し、霧光完了時点を定めるような構成、即ちタイレ
フト測光も可能になるという利点を持つ。

【図面の簡単な説明】

ｉＩ図はオーバーフロードレイン及びそのコントロール
ゲートヲ持つインターライントラ／スファ−ＣＣ１）の
一部を示す説明図、第２図は従来のシャッタータイム制
御のタイミング説明図、第６図は本発明の一実施例に係
る電子カメラのブロック図、第４図はその動作を示すタ
イミング説明図、第５図に本発明の測光演算回路の一実
施例のブロック図、第６図は前記測光演算回路の他の実
施例のブロック図、第７図はその動作を示すタイミン゛
　グ説明図である。 １・・・受光部、２・・・垂直転送部、６・・・トラン
スファーゲート、４・・・オーバーフロードレイン、５
°′オーバーフローコントロールゲート、３１・・絞す
、３２・・撮影レンズ、３６・・・ノーーフミラー、６
４・・ＣＣＤ、６５・・・ハーフミラ−１３６・・・測
光素子、６７・・・絞り開閉機構、３８・・・−＃！２
シ値検出素子、３９・・・測光演算回路、ろ１０・・・
同期信号発生回路、３１１・・・プリアンプ、３１２・
・・プロセス回路、６１３・・・同期信号付加回路、ろ
１４・・・記録回路、６１５・・・駆動パルス発生回路
、６１６・・・絞シ駆動回路、５６・・・測光素子、５
９・・・測光演算回路、５１０・・・対数圧縮回路、５
１１・・・サンプルアンドホールド回路、５１２・・・
電圧／時間変換器、５１５・・・カメラタイミング側倒
回路。 矛４図 ；ｉ−５図 オ○図 オ背図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 不要信号電荷の排出機能を持つ同体撮イ象素子と、固体
   撮像素子に対する露光量を検出する１こめの測光素子及
   び測光素子の出力から適正露光時間であるシャッタータ
   イムを演算するための測光演算回路と、測光演算回路の
   出力により固体撮像素子の電子的なシャッター機能を制
   御する１こめのタイミング制陣回路とを備え、 前記固体撮像素子の露光は、該固体撮像素子を駆動する
   のに用いられ、かつ、１コマの信号電荷の読出し時間を
   周期とする同期信号と同期して始まり、前記測光演算回
   路により算出された適正露光時間経過後に終了し、且つ
   露光終了後は、露光ｆより得られた信号電荷を固体撮像
   素子の光遮蔽された転送電極下に記憶し、続いて発生す
   る最初の前記同期信号に同期して読み出されるようにし
   たことを特徴とする撮像素子の露光制御装置。