JP4736173B2

JP4736173B2 - 撮像装置

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Publication number: JP4736173B2
Application number: JP2000328092A
Authority: JP
Inventors: 洋介日下
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2020-10-27
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イメージセンサを用いて画像を撮像する撮像装置に関し、特に手ブレ等によって生ずる画像ブレを防止する撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来イメージセンサの露光中の手ブレ等によって生ずる画像ブレを防止する技術として、手ブレなどに応じて撮影光学系の一部を光軸と垂直な面内でシフトさせることにより画像ブレを防止する光学的な防振方式が知られている。しかしながら上記光学的な防振方式は、レンズ等をシフトさせるための機械的な機構が必要なため装置が大型化したり、レンズ等の重量物をシフトするためエネルギー消費が大きいという欠点があった。また上記光学的な防振方式の欠点を解決する防振方式として、手ブレなどに応じてイメージセンサを光軸と垂直な面内でシフトさせることにより画像ブレを防止する防振方式が、特開平８−２２３４７１号公報等で知られている。この防振方式は、レンズ等と比較してサイズや重量が小さいイメージセンサをシフトするために、光学的な防振方式と比較して、防振機構を小型化できまた防振動作のためのエネルギー消費も少なくできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のイメージセンサをシフトする防振方式においても、イメージセンサをシフトするための機械的な機構とそれを駆動するためのエネルギーが依然として必要であった。特にデジタルカメラなどで防振を行うためには、携帯性や電池寿命の観点から、さらなる小型化、省エネが求められている。
【０００４】
そこで本発明は、画像ブレ防止のために機械的機構およびそれを駆動するためのエネルギーを必要としない新しい防振方式を採用した撮像装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明による撮像装置では、撮影光学系により形成された被写体像の像面に配置され光電変換により生成した電気信号を出力する複数の光電変換素子を有する光電変換素子群と、
前記複数の光電変換素子のうち選択された前記光電変換素子から出力された前記電気信号を蓄積する蓄積部と、
前記被写体像のブレを検出しブレ信号を生成するブレ検出部と、
露光時間内に、前記ブレ信号に基づいて前記複数の光電変換素子から前記光電変換素子を選択し、前記ブレ信号に応じて選択される前記光電変換素子を切替えることにより、前記蓄積部に複数の前記電気信号が蓄積されるように前記蓄積部を制御するとともに、露光時間後に、前記蓄積部が蓄積された前記電気信号を出力するように前記蓄積部を制御する制御部とを含むことを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明の撮像装置では、請求項１に記載の撮像装置において、前記光電変換素子はフォトダイオードであり、前記蓄積部はフローティングディフュージョン部であり、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部の間には、ＭＯＳトランジスタの電荷転送経路が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明の撮像装置では、請求項１に記載の撮像装置において、前記光電変換素子はフォトダイオードであり、前記蓄積部はフローティングディフュージョン部であり、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部の間には、ＣＣＤシフトレジスタの電荷転送経路が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明の撮像装置では、請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の撮像装置であって、前記蓄積部は、露光時間内に前記電気信号を出力しないことを特徴とする。請求項５に記載の発明の撮像装置では、請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の撮像装置であって、前記蓄積部は、前記被写体像の像面に２次元状に複数備えられていることを特徴とする。請求項６に記載の発明の撮像装置では、請求項５に記載の撮像装置であって、前記制御部は、露光時間内に、前記複数の蓄積部に対して同一の制御信号を供給することを特徴とする。請求項７に記載の発明の撮像装置では、請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の撮像装置において、前記画像信号は、静止画に対応する信号であることを特徴とする。請求項８に記載の発明の撮像装置では、請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の撮像装置において、前記複数の光電変換素子は、前記蓄積部を囲むように隣接して備えられていることを特徴とする。請求項９に記載の発明の撮像装置では、請求項１から請求項８までの何れか１項に記載の撮像装置であって、前記光電変換素子は、矩形であり、前記蓄積部は、前記光電変換素子の角に対応する部分に備えられていることを特徴とする。請求項１０に記載の発明の撮像装置では、被写体像を形成する撮影光学系と、前記被写体像を撮像するために２次元状に配置された光電変換素子群と、該光電変換素子群のうちで互いに隣接する複数の光電変換素子とそれぞれ異なる電荷転送経路を介し接続され、前記複数の光電変換素子のうち選択された前記光電変換素子で発生する電荷を蓄積する電荷蓄積素子群と、該電荷蓄積素子群に蓄積された電荷量に応じた静止画の画像信号を出力する出力回路を備えたイメージセンサと、前記被写体像のブレを検出し、ブレ信号を生成するブレ検出部と、露光時間内に、前記ブレ信号に基づいて前記複数の光電変換素子から前記光電変換素子を選択し、前記ブレ信号に応じて選択される光電変換素子を切替えることにより、前記電荷蓄積素子群を構成する電荷蓄積素子のそれぞれに複数の前記電荷量が蓄積されるように前記電荷蓄積素子群を制御するとともに、露光時間後に、前記電荷蓄積素子群が蓄積された前記電荷量を出力するように前記電荷蓄積素子群を制御する制御部とを含むことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
従来の防振方式では、露光中のブレに応じてイメージセンサを光軸と垂直な面内でシフトすることにより、イメージセンサ上で被写体像を固定して露光を行っていた。
【００１０】
図１８は従来方式の概念を説明するための斜視図である。イメージセンサ２００は光電変換素子および電荷蓄積素子の組からなる複数の画素から構成されている。そのうちの１つの画素２０１に着目すると、露光中に画素２０１上の点像Ｐがブレにより位置Ｐ１から位置Ｐ２に移動した場合、イメージセンサ２００全体を点像Ｐと同じ移動量と移動方向に移動させることにより、ブレによらず画素２０１が点像Ｐを捕らえ続ける。このため露光期間全体で画素２０１において蓄積された電荷量は、露光中にブレが生じなかったと仮定した場合に画素２０１において蓄積される電荷量と等しくなり、画像ブレが解消されることになる。
【００１１】
これに対して本発明の防振方式では光電変換素子と電荷蓄積素子の組を固定せず、露光中のブレに応じて光電変換素子で発生した電荷をどの電荷蓄積素子に蓄積するかを切り換えることにより、結果としてブレのない画像を得るようにしたものである。
【００１２】
図１９は本発明の防振方式の概念を説明するための斜視図である。イメージセンサ２０２は光電変換素子群２０３および電荷蓄積素子群２０４から構成されている。そのうちの１つの光電変換素子２０５に着目すると、通常ブレの無いときにこの光電変換素子で発生する電荷は電荷蓄積素子２０７に蓄積される。露光中に光電変換素子２０５上の点像Ｐがブレにより位置Ｐ１から位置Ｐ２に移動した場合、位置Ｐ２にて光電変換素子２０６が点像Ｐを捕らえる。この時光電変換素子２０６で発生した電荷を電荷蓄積素子２０７に蓄積する。従って点像Ｐにより発生する電荷は露光中のブレによらず電荷蓄積素子２０７に蓄積され続ける。このため露光期間全体で電荷蓄積素子２０７において蓄積された電荷量は、露光中にブレが生じなかったと仮定した場合に電荷蓄積素子２０７において蓄積される電荷量と等しくなり、画像ブレが解消されることになる。
【００１３】
上記防振方式によれば、ブレに応じてイメージセンサを機械的にシフトする必要はなく、ブレに応じて光電変換素子から電荷蓄積素子への電荷転送経路を電気的に変更するのみで画像ブレの防止が可能になる。
【００１４】
なお本発明の防振方式と類似な考え方として、露光中にブレが所定量変化する毎に全画素の画像信号を読み出してメモリしておき、露光終了後ブレに応じて画像信号をシフトさせて合成することにより、画像ブレを防止する方式も考えられるが、以下の欠点を有するため実用的ではない。即ち画像信号の読み出し時間がかかるため連続的な露光が困難である。また画像信号を記憶するため膨大なメモリを必要とする。また画像合成のための画像処理時間を必要とする。
【００１５】
上記の方式に対し本発明の方式は、露光中のブレに応じて光電変換素子から電荷蓄積素子への電荷転送経路を電気的に切り換えるだけなので、通常の露光と同等な連続的な露光が可能であり、また追加するメモリや画像処理も不要である。
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明による撮像装置の概念を示すブロック構成図である。図１において撮像装置１は、撮影光学系３、イメージセンサ４、センサ制御部５、ブレ検出部６から構成される。撮影光学系３は、イメージセンサ４上に被写体２の像を形成する。イメージセンサ４は、２次元状に配置された光電変換素子群と、該光電変換素子群で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積素子群と、該電荷蓄積素子群に蓄積された電荷量に応じて画像信号を出力する出力回路から構成されており、光電変換素子群と電荷蓄積素子群はそれぞれ電荷転送経路を介し多対多の関係で結合されている。即ち位置的に隣接する複数の光電変換素子は１つの電荷蓄積素子に結合しており、また１つの光電変換素子は位置的に隣接する複数の電荷蓄積素子に結合している。光電変換素子群は被写体像の明るさに応じて露光時間（電荷蓄積時間）が制御され、被写体像に対応した画像信号が出力回路から出力される。
【００１７】
ブレ検出部５は、イメージセンサ４の光電変換素子群の露光（撮像）期間中に被写体像のブレを検出し、時間的に変化するブレ信号を発生する手段であって、角速度センサ等から構成される。
【００１８】
センサ制御部６は、イメージセンサ４の動作を制御する手段であって、ブレ信号に応じて露光中に光電変換素子と電荷蓄積素子の間の電荷転送経路をリアルタイムに制御し、被写体像の同じ部分によって生成される電荷が同一の電荷蓄積素子に蓄積されるように制御信号をイメージセンサ４に出力する。これによりイメージセンサ４は、露光終了後に画像ブレのない画像信号を出力する。
【００１９】
図２は電荷転送経路切り換え機能を備えたイメージセンサの一例を示す構成であって、イメージセンサ４０はＮ×Ｍに配置された光電変換素子Ｅ（ｉ，ｊ）と電荷蓄積素子Ｉ（ｉ，ｊ）からなっており、隣接する光電変換素子Ｅ（ｎ，ｍ）、Ｅ（ｎ＋１，ｍ）、Ｅ（ｎ，ｍ＋１）、Ｅ（ｎ＋１，ｍ＋１）は、１つの電荷蓄積素子Ｉ（ｎ，ｍ）と、電荷転送ゲートＧ（ｎ，ｍ，１）、Ｇ（ｎ，ｍ，２）、Ｇ（ｎ，ｍ，３）、Ｇ（ｎ，ｍ，４）を介して結合している。また１つの光電変換素子Ｅ（ｎ＋１，ｍ＋１）は、隣接する電荷蓄積素子Ｉ（ｎ，ｍ）、Ｉ（ｎ＋１，ｍ）、Ｉ（ｎ，ｍ＋１）、Ｉ（ｎ＋１，ｍ＋１）と、電荷転送ゲートＧ（ｎ，ｍ，４）、Ｇ（ｎ，ｍ＋１，３）、Ｇ（ｎ＋１，ｍ＋１，２）、Ｇ（ｎ＋１，ｍ，４）を介して結合している。
【００２０】
図３は図２のＡＢ断面図であって、４１はｐ型ウェル、４２、４２’はｎ層、４３はｎ＋フローティングディフュージョン部（ＦＤ）、４４はゲート酸化膜、４５、４５’は転送スイッチＭＯＳトランジスタを形成するポリＳｉ、４６はリセット用ＭＯＳトランジスタ、４７はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、４８は垂直選択スイッチＭＯＳトランジスタ、４９はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタである。
【００２１】
この図においてｎ層４２、４２’とｐ型ウェルによりフォトダイオードが形成され、入射光量に応じた電荷（黒丸）を発生する。転送スイッチＭＯＳトランジスタ４５が転送制御信号φＴＧ２によりＯＮされているので、ｎ層４２で発生した電荷はＦＤ部４３に流れ込む。一方ｎ層４２’で発生した電荷は、転送スイッチＭＯＳトランジスタ４５’が転送制御信号φＴＧ４によりＯＦＦされているため、ＦＤ部４３に流れ込むことができない。転送制御信号のＯＮ／ＯＦＦをブレに応じて制御してやれば、隣接するフォトダイオードのうち同一の被写体部分から発生した電荷をＦＤ部４３に選択的に蓄積することができる。
【００２２】
なお転送制御信号φＴＧ１は全ての電荷転送ゲートＧ（ｉ，ｊ，１）に接続され、転送制御信号φＴＧ２は全ての電荷転送ゲートＧ（ｉ，ｊ，２）に接続され、転送制御信号φＴＧ３は全ての電荷転送ゲートＧ（ｉ，ｊ，３）に接続され、転送制御信号φＴＧ４は全ての電荷転送ゲートＧ（ｉ，ｊ，４）に接続される。
【００２３】
露光開始時には一旦全ての転送スイッチＭＯＳトランジスタをＯＮにして、フォトダイオードに蓄積された電荷をＦＤ部４３に流し込む。ＦＤ部４３の電荷はリセット用ＭＯＳトランジスタ４６をリセット信号φＲによりＯＮにしてリセットする。また制御パルスφLにより信号出力ラインをリセットする。
【００２４】
そして１つの転送スイッチＭＯＳトランジスタをＯＮにしたまま、それ以外の転送スイッチＭＯＳトランジスタはＯＦＦされる。露光中はブレに応じていずれかの１つの転送スイッチＭＯＳトランジスタのみがＯＮするように制御される。露光が終了すると全ての転送スイッチＭＯＳトランジスタがＯＦＦされ、ＦＤ部４３に蓄積された電荷が、垂直選択スイッチＭＯＳトランジスタ４８を水平選択信号φＳによりＯＮにした時、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ４７、ソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタ４９により、電圧信号Ｖｏｕｔとして出力される。
【００２５】
図４は、図２および図３の構造を持つイメージセンサの全体構成を示す図であって、波線部５０は電荷蓄積素子を構成するＦＤ部、５１は垂直走査回路、５２は垂直走査線、５３は垂直選択スイッチ、５４は水平走査回路および出力増幅回路である。このような構成において、垂直走査回路５１、水平走査回路および出力増幅回路５４を同期して走査することにより、ＦＤ部５０に蓄積された電荷量に応じた画像信号が順次外部に出力される。
【００２６】
図５は、図２、図３、図４に示したイメージセンサをデジタルスチルカメラ１０に適用した本発明の実施例のブロック構成図である。撮影レンズ１１により形成された被写体像は、イメージセンサ１２により光電変換され、画像信号が出力される。画像信号はＡＤ変換手段１８によりデジタル画像信号に変換され、ＲＡＭ等の揮発性のメモリ１９に格納される。メモリ１９に格納された画像信号は、液晶表示手段２０により画像表示されるとともに、コンパクトフラッシュメモリ等の不揮発性の記録媒体２１に記録される。ＣＰＵ（中央処理制御手段）１７は上述の撮像動作、格納動作、表示動作、記録動作の制御を行う。
【００２７】
角速度センサＶ１３と角速度センサＨ１４は、デジタルスチルカメラ１０の手ブレを検出するためのブレ検出センサであり、撮影レンズ１１の光軸と直交し、かつ互いに直交する２つの軸回りのデジタルスチルカメラ１０の角速度をリアルタイムに検出し、検出出力を角速度信号としてＣＰＵ１７へ送る。ここで図２０に示すようにイメージセンサ１２の光電変換素子の配置方向をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とした場合に、角速度センサＶ１３と角速度センサＨ１４は、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りの角速度を検出するように配置される。
【００２８】
撮影情報入力手段１５は被写体輝度、撮影レンズの絞り値、設定感度等の撮影に関する情報をＣＰＵ１７に入力し、ＣＰＵ１７はこれらの情報に基づき、イメージセンサ１２の電荷蓄積時間（露光時間）を決定する。レリーズボタン１６は、撮影時に撮影者により操作される部材であって、操作に応じてレリーズ信号を発生する。なお上記デジタルスチルカメラ１０には不図示の光学ファインダが備えられており、これにより撮影者は被写体を観察できる。
【００２９】
以上のような構成において、ＣＰＵ１７は、レリーズ信号が発生すると、イメージセンサ１２の露光を開始させるとともに、角速度センサＶ１３と角速度センサＨ１４からの角速度信号に基づき、露光期間中の撮影レンズ１１のブレを検出し、被写体像のブレを表すブレ信号を生成する。該ブレ信号により、被写体像のブレ方向およびブレ量を検知し、検知結果に応じてイメージセンサ１２に対し電荷転送経路切り換えの制御信号（即ち転送スイッチＭＯＳトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ）を出力する。イメージセンサ１２では、該制御信号に従い、露光中に光電変換素子群と電荷蓄積素子群とをつなぐ電荷転送経路を切り換える。ＣＰＵ１７は露光時間が終了すると、イメージセンサ１２に対し露光終了の制御信号を出力する。イメージセンサ１２では、該制御信号に従い、露光を終了し、電荷蓄積素子群を走査して画像信号を出力する。
【００３０】
図６は、図５に示したＣＰＵ１７とその周辺の構成をより詳細に示したブロック図である。図５を用いて、ブレに応じたイメージセンサの電荷転送経路の制御について詳細に説明する。
【００３１】
図６において、角速度センサＶ１３、角速度センサＨ１４からは、デジタルスチルカメラ１０に加わる手ブレなどに応じ、角速度信号が生成される。図７に、手ブレとしてサイン波が加わった場合の１次元の角速度信号を示す。この角速度信号は、所定のサンプリング間隔でＡＤ変換され、デジタルデータに変換される。デジタルデータに変換された角速度信号は、積分演算部３１によって積分され相対角度信号（積分定数を除いた相対的な角度変位を表す）に変換され、像ブレ演算部３２に送られる。図８は、図６の相対角速度信号を積分した場合の相対角度信号を示す。
【００３２】
像ブレ演算部３２では、相対角度信号をイメージセンサ上での像ブレ量を示すブレ信号に変換する。ブレ信号への変換は、例えば数式１のように行われる。
【００３３】
【数１】

ここでＸはＸ軸方向の像ブレ量、ＹはＹ軸方向の像ブレ量、Ｋは定数、Ｆは撮影情報入力部１７から入力される撮影レンズの焦点距離、θｘはＸ軸回りの相対角度信号の値、θｙはＹ軸回りの相対角度信号の値である。数式１において撮影レンズの焦点距離を用いるのは、像ブレ量が焦点距離に比例するためである。図９にこのようにして得られるブレ信号（１次元）を示す。
【００３４】
図１０はブレ信号のデータの２次元的な状態を示したものであり、露光期間中に所定時間間隔でサンプリングされたブレ信号のデータ値が黒丸で示されている。ここで露光期間中ｋ回目のブレ信号のサンプリング値を（Ｘｋ、Ｙｋ）とする。また露光開始時１回目のブレ信号のサンプリング値が基準（０、０）となるように調整される。このようにして得られたブレ信号は撮像制御部３５に送られる。
【００３５】
レリーズボタン１６からは撮影者の操作に応じたレリーズ信号が、撮像制御部３５に送られる。また撮像制御部３５では、撮影情報入力手段１５から得られる被写体輝度、イメージセンサ１２の感度、撮影レンズ１１の絞り値よりイメージセンサ１２の露光時間（電荷蓄積時間）を演算するとともに、レリーズ信号の発生に応じて電荷蓄積を開始させる制御信号をイメージセンサ１２に出力する。撮像制御部３５では、露光中のブレ信号の値に応じて前記電荷転送経路を制御する信号をイメージセンサ１２に出力するとともに、電荷蓄積時間が予め演算した露光時間に達すると、電荷蓄積を終了させ、画像信号を出力させる制御信号をイメージセンサ１２に出力する。
【００３６】
図１１は上記撮像制御部３５の動作を示す信号波形図である。時刻ｔ０にレリーズ信号が発生すると、ブレ信号Ｘｋ、Ｙｋのサンプリングが始まる。なおブレ信号はレリーズ信号発生時の位置を基準にするとともに、図１１では連続波形で示してある。また露光制御信号がＯＮになり、イメージセンサのフォトダイオード、ＦＤ部がリセットされ、電荷蓄積が開始される。
【００３７】
時刻ｔ０からｔ１までは、ブレ信号Ｘｋが正、ブレ信号Ｙｋが正で、ブレ像は第１象限（右上方向）にあるため、転送制御信号φＴＧ１がＯＮになり、電荷は左下方向に転送される。時刻ｔ１からｔ２までは、ブレ信号Ｘｋが負、ブレ信号Ｙｋが正で、ブレ像は第２象限（左上方向）にあるため、転送制御信号φＴＧ２がＯＮになり、電荷は右下方向に転送される。時刻ｔ２からｔ３までは、ブレ信号Ｘｋが負、ブレ信号Ｙｋが負で、ブレ像は第３象限（左下方向）にあるため、転送制御信号φＴＧ３がＯＮになり、電荷は右上方向に転送される。時刻ｔ３からｔ４までは、ブレ信号Ｘｋが正、ブレ信号Ｙｋが負で、ブレ像は第４象限（右下方向）にあるため、転送制御信号φＴＧ４がＯＮになり、電荷は左上方向に転送される。時刻ｔ４からｔ５までは、ブレ信号Ｘｋが正、ブレ信号Ｙｋが正で、ブレ像は第１象限（右上方向）にあるため、転送制御信号φＴＧ１がＯＮになり、電荷は左下方向に転送される。
【００３８】
時刻ｔ５に露光時間が終了すると、全ての転送制御信号φＴＧ１、φＴＧ２、φＴＧ３、φＴＧ４はＯＦＦされ、露光制御信号がＯＦＦになり、出力制御信号がＯＮとなり、ＦＤ部に蓄積された電荷が走査され、画像信号の出力が開始される。時刻ｔ６に全てのＦＤ部の走査が終了し、出力制御信号がＯＦＦとなり、画像信号の出力が完了する。
【００３９】
図１２から図１４は、図５で説明したＣＰＵ１７の動作プログラムを示したフローチャート図である。図１２はＣＰＵ１７のメインプログラムであり、図１３は所定時間間隔で角速度信号をＡＤ変換するためのタイマ割込みプログラム、図１４はレリーズ信号により起動するレリーズ割込みプログラムである。ここで図１２のメインプログラム実行中に、図１３、図１４のタイマ割込みおよびレリーズ割込みの処理プログラムが適宜割り込んで実行される構成となっている。
【００４０】
図１２においてデジタルスチルカメラ１０の電源オンによりＣＰＵ１７の動作がスタートする。Ｓ１０１では、イメージセンサの動作リセット、タイマ類のリセットが行われ、その後タイマ割込み、レリーズ割込み割込が許可される。Ｓ１０２では、露光時間の決定に必要な情報（被写体輝度、画素感度、絞り値等）に応じて、イメージセンサの電荷蓄積時間（露光時間）を演算する。以降Ｓ１０２を繰り返す。
【００４１】
図１３はタイマ割込のプログラムのフローチャートであって、Ｓ２０１では、角速度信号をＡＤ変換してメモリに格納する。Ｓ２０２では、メモリに格納されている角速度信号を最新データまで積分して相対角度信号を演算する。２０３では数式１を用いて相対角度信号からブレ信号を演算し、Ｓ２０４では演算したブレ信号をメモリに格納し、リターンする。
【００４２】
図１４はレリーズ割込のプログラムのフローチャートであって、Ｓ３０１では露光制御信号をＯＮにして、イメージセンサをリセットし露光を開始させる。Ｓ３０２では露光時間の計時を開始する。Ｓ３０３では、ブレ信号を基準値（０，０）にリセットする。
【００４３】
Ｓ３０４ではＹ軸方向のブレ信号Ｙｉが正か否かチェックし、正の場合はＳ３０５に進む。Ｓ３０５ではＸ軸方向のブレ信号Ｘｉが正か否かチェックし、正の場合はＳ３０６に進み、転送制御信号φＴＧ１をＯＮにし、それ以外の転送制御信号をＯＦＦし、Ｓ３１１に進む。Ｓ３０５で負の場合はＳ３０７に進み、転送制御信号φＴＧ２をＯＮにし、それ以外の転送制御信号をＯＦＦし、Ｓ３１１に進む。
【００４４】
一方Ｓ３０４で負の場合はＳ３０８に進む。Ｓ３０８ではＸ軸方向のブレ信号Ｘｉが正か否かチェックし、正の場合はＳ３０９に進み、転送制御信号φＴＧ４をＯＮにし、それ以外の転送制御信号をＯＦＦし、Ｓ３１１に進む。Ｓ３０８で負の場合はＳ３１０に進み、転送制御信号φＴＧ３をＯＮにし、それ以外の転送制御信号をＯＦＦし、Ｓ３１１に進む。
【００４５】
Ｓ３１１では計時時間が露光時間に達したか否かをチェックし、達していない場合にはＳ３０４に戻り、達した場合はＳ３１２で転送制御信号をＯＦＦする。Ｓ３１３では露光制御信号をＯＦＦ、出力制御信号をＯＮにし、イメージセンサのＦＤ部に蓄積された電荷の走査を行い、画像信号の読み出しを開始し、Ｓ３１４で画像信号をＡＤ変換し、Ｓ３１５でＡＤ変換された画像信号をメモリに格納する。Ｓ３１６で画像信号の出力、ＡＤ変換、メモリ格納が終了すると、出力制御信号をＯＦＦし、メモリに格納された画像信号を記録媒体に記録するとともに表示手段に表示し、Ｓ１０２に戻る。
【００４６】
以上のようにして、ブレに応じてイメージセンサの光電変換素子群から電荷蓄積素子群への電荷転送経路を制御することにより、像ブレのない画像信号を得ることができる。
【００４７】
（変形形態の説明）
本発明は以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能である。
【００４８】
図５に示した実施例では、図１５に示すように隣接する４個の光電変換素子を１個の電荷蓄積素子に結合すると同時に隣接する４個の電荷蓄積素子を１個の光電変換素子に結合する構成（図１５では電荷蓄積素子Ｂ５が光電変換素子Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６と結合し、光電変換素子Ａ５は電荷蓄積素子Ｂ４、Ｂ５、Ｂ７、Ｂ８と結合する）となっていたが、図１６に示すように隣接する９個の光電変換素子を１個の電荷蓄積素子に結合すると同時に隣接する９個の電荷蓄積素子を１個の光電変換素子に結合する構成（図１６では電荷蓄積素子Ｂ５が光電変換素子Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ８、Ａ９と結合し、光電変換素子Ａ５は電荷蓄積素子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７、Ｂ８、Ｂ９と結合する）としてもよい。
【００４９】
このような実施例では、ブレの方向およびブレの量に応じて９個の電荷転送経路を切り換えることになる。例えばＤを正の定数として、Ｘ軸方向のブレ信号ＸｋをＸｋ＞Ｄ、Ｄ≧Ｘｋ＞−Ｄ、−Ｄ≧Ｘｋの３段階、Ｙ軸方向のブレ信号ＹｋをＹｋ＞Ｄ、Ｄ≧Ｙｋ＞−Ｄ、−Ｄ≧Ｙｋの３段階に判定することにより、９個の電荷転送経路の中から１個の電荷転送経路を選択することが可能になる。電荷転送経路は図３のようなＭＯＳゲートにより構成してもよいし、アルミ配線とＭＯＳスイッチを組み合わせて構成してもよい。このように電荷転送経路を増加すれば、大きなブレに対しての像ブレ防止効果の向上が期待できる。
【００５０】
また図２の実施例では電荷転送経路としてＭＯＳゲートを用いていたが、ＣＣＤのような電荷転送が可能なシフトレジスタを用いてもよい。図１７は光電変換素子群層６０、Ｙ方向ＣＣＤシフトレジスタ層６１、Ｘ方向ＣＣＤシフトレジスタ層６２、電荷蓄積素子群層６３を３次元集積回路技術により積層半導体としてイメージセンサを構成した場合の構成図である。ここで、Ｙ方向ＣＣＤシフトレジスタ層６１、Ｘ方向ＣＣＤシフトレジスタ層６２は転送クロックの位相を制御することにより、＋−両方向に電荷を転送することができる。
【００５１】
このような構成において露光中にブレが発生すると光電変換素子群層６０で発生した電荷は、まずＹ方向ＣＣＤ転送シフトレジスタ層６１にパラレルに転送され、ブレ信号のＹ方向成分に応じた量だけＹ方向ＣＣＤ転送シフトレジスタにて転送される。次にＹ方向に転送された電荷は、Ｙ方向ＣＣＤ転送シフトレジスタ層６１からＸ方向ＣＣＤ転送シフトレジスタ層６２にパラレルに転送され、ブレ信号のＸ方向成分に応じた量だけＸ方向ＣＣＤ転送シフトレジスタにて転送される。次にＸ方向に転送された電荷は、Ｘ方向ＣＣＤ転送シフトレジスタ層６２から電荷蓄積素子群層６３にパラレルに転送され、蓄積される。露光中にブレ信号が光電変換素子のサイズを単位として変化する度に上記の動作が行われ、露光が終了すると電荷蓄積素子群層６３が走査され、画像信号が出力される。
【００５２】
例として露光開始時に光電変換素子Ｅａ上にあった像が露光中のブレにより光電変換素子Ｅｂに移動した場合の電荷転送動作について説明する。光電変換素子Ｅｂは光電変換素子Ｅａに対しＸ方向で−２素子、Ｙ方向で＋２素子離れている。まず光電変換素子Ｅｂにおいて発生した電荷は、Ｙ方向ＣＣＤシフトレジスタ層６１に送られ、Ｙ方向に−２素子分シフトされる。次にその電荷はＸ方向ＣＣＤシフトレジスタ層６２に送られ、Ｘ方向に＋２素子分シフトされる。次にその電荷は電荷蓄積素子層６３に送られ、電荷蓄積素子Ｈａに蓄積される。
【００５３】
このようにすれば、像ブレ量に応じてＣＣＤシフトレジスタのシフト量を変えることにより電荷の転送経路を変更することができるので、像ブレが大きい場合でも確実に像ブレのない画像信号を得ることが可能になる。
【００５４】
図５に示した実施例では、撮影光学系の角度ブレにより像ブレが発生するものとして説明したが、近接撮影においては撮影光学系の平行ブレ（光軸が平行にシフトするブレ）の影響も大きくなる。このような場合には、平行ブレ検出用の加速度センサを用いてこの平行ブレ信号を検出し、ブレ信号を求めるようにしてもよい。
【００５５】
また図５の実施例においては、ブレ検出センサとして角速度センサを用いたが、これに限定されるものではなく、加速度センサや画像センサ（像の時間的な動きにより像ブレを検出）でも構わない。
【００５６】
また図５の実施例においては、レリーズ信号に応じて常時画像ブレ防止のためのイメージセンサ制御動作が行われていたが、画像ブレが生じやすい状況に限定してブレ防止動作を行っても良い。例えばデジタルスチルカメラの動作設定モード（接写に適したカメラ動作を行う近接撮影モード、画像を記録する時の圧縮率が低い高精細記録モード）や撮影光学系の設定距離が所定距離より近距離側に設定された場合に、画像ブレ防止のためのイメージセンサ制御動作を行うようにしてもよい。このようにすれば、画像ブレが生じやすい状況でのみブレ防止動作が自動的に行われるので、イメージセンサ制御動作に伴う撮影のレスポンス低下等の不具合をさけることができる。
【００５７】
また図５の実施例においては、本発明をデジタルスチルカメラに適用しているが、これに限らず電荷蓄積型のイメージセンサを用いて撮像を行う装置に広く適用が可能である。
【００５８】
また上記実施例においては、イメージセンサを光電変換素子群と電荷蓄積素子群を複数の電荷転送経路で接続する構成とし、このイメージセンサを撮像装置に適用し、像ブレに応じて電荷転送経路を適宜選択することにより画像ブレの防止を可能としているが、本発明によるイメージセンサはブレの防止以外の目的にも適用が可能である。例えば従来イメージセンサから画像データを読み込んだ後にソフトウェアにより行われていた画像処理（デジタルフィルタリング等）や特開平１１−２２５２８４号公報に開示されているような画像の高解像度化を目的としたイメージセンサの相対的位置シフトの代わりに、本発明によるイメージセンサを適用することが可能である。
【００５９】
デジタルフィルタリングに適用する場合には、デジタルフィルタの係数の大きさに応じた時間の長さにより、光電変換素子と電荷蓄積素子を接続する複数の電荷転送経路を選択的に接続すればよい。また画像の高解像度化に適用する場合には、光電変換素子への露光中に光電変換素子と電荷蓄積素子を接続する複数の電荷転送経路を間欠的に切り換えればよい。
【００６０】
また上記実施例においては、図１５に示すように１つの電荷蓄積素子を複数の光電変換素子と電荷転送経路で接続する構成とし、複数の光電変換素子で１つの電荷蓄積素子を共有する構成となっているが、図２１に示すように個々の光電変換素子に対し異なる電荷転送経路を介し複数の独立した電荷蓄積素子に接続し、像ブレに応じて電荷転送経路を適宜選択することにより、異なる像ブレ状態で発生した電荷を別々の電荷蓄積素子に蓄積し、露光終了後に電荷蓄積素子から読み出した信号を合成することにより像ブレのない画像信号を生成することも可能である。図２１においては例えば光電変換素子Ａ５は９つの独立した電荷蓄積素子Ｂ５１、Ｂ５２、Ｂ５３、Ｂ５４、Ｂ５５、Ｂ５６、Ｂ５７、Ｂ５８、Ｂ５９と電荷転送経路を介して結合されている。
【００６１】
このように本発明によるイメージセンサでは、光電変換素子群と電荷蓄積素子群を複数の電荷転送経路により多対多の関係で接続し、隣接する複数の光電変換素子で発生する電荷を１つの共通の電荷蓄積素子に転送できるとともに、１つの共通の光電変換素子で発生する電荷を隣接する複数の電荷蓄積素子に転送することができる構成としているため、従来機械的なイメージセンサの変位やソフトウェアの後処理で行っていた種々の機能を、光電変換素子への露光中に複数の電荷転送経路を電気的に切り換えるだけで瞬時に達成することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による撮像装置のイメージセンサにおいては、従来１対１に対応していた光電変換素子と電荷蓄積素子の構成を、複数の電荷転送経路を設けることにより多対多の関係になる構成とし、ブレに応じて電気的に電荷転送経路を切り換えることで、画像ブレを撮像期間中にキャンセルしているため、機械的な防振機構のないコンパクトで電力消費の少ない防振機能付き撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】イメージセンサの光電変換素子と電荷蓄積素子の配置図である。
【図３】イメージセンサの断面構造図である。
【図４】イメージセンサの全体構成図である。
【図５】本発明を適用したデジタルカメラの構成を示すブロック図である。
【図６】ＣＰＵとその周辺の構成を示すブロック図である。
【図７】角速度信号の波形を示す図である。
【図８】相対角度信号の波形を示す図である。
【図９】ブレ信号の波形を示す図である。
【図１０】ブレ信号を説明する図である。
【図１１】イメージセンサの制御信号のタイミングチャートである。
【図１２】ＣＰＵ動作処理を示すフローチャート図である。
【図１３】ＣＰＵ動作処理を示すフローチャート図である。
【図１４】ＣＰＵ動作処理を示すフローチャート図である。
【図１５】電荷転送経路を説明する図である。
【図１６】電荷転送経路を説明する図である。
【図１７】本発明の別実施例のイメージセンサの構成図である。
【図１８】従来技術の技術概念を説明する図である。
【図１９】本発明の技術概念を説明する図である。
【図２０】イメージセンサ上の座標を説明する図である。
【図２１】電荷転送経路を説明する図である。
【符号の説明】
１撮像装置
３撮影光学系
４、１２、４０イメージセンサ
５ブレ検出部
６センサ制御部
１１撮影レンズ
１３角速度センサＶ
１４角速度センサＨ
１５撮影情報入力手段
１６レリーズボタン
１７ＣＰＵ
１９メモリ
２１記録媒体

Claims

撮影光学系により形成された被写体像の像面に配置され光電変換により生成した電気信号を出力する複数の光電変換素子を有する光電変換素子群と、
前記複数の光電変換素子のうち選択された前記光電変換素子から出力された前記電気信号を蓄積する蓄積部と、
前記被写体像のブレを検出しブレ信号を生成するブレ検出部と、
露光時間内に、前記ブレ信号に基づいて前記複数の光電変換素子から前記光電変換素子を選択し、前記ブレ信号に応じて選択される前記光電変換素子を切替えることにより、前記蓄積部に複数の前記電気信号が蓄積されるように前記蓄積部を制御するとともに、露光時間後に、前記蓄積部が蓄積された前記電気信号を出力するように前記蓄積部を制御する制御部とを含むことを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記光電変換素子はフォトダイオードであり、
前記蓄積部はフローティングディフュージョン部であり、
前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部の間には、ＭＯＳトランジスタの電荷転送経路が形成されていることを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記光電変換素子はフォトダイオードであり、
前記蓄積部はフローティングディフュージョン部であり、
前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン部の間には、ＣＣＤシフトレジスタの電荷転送経路が形成されていることを特徴とする撮像装置。
請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の撮像装置であって、
前記蓄積部は、露光時間内に前記電気信号を出力しないことを特徴とする撮像装置。
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の撮像装置であって、
前記蓄積部は、前記被写体像の像面に２次元状に複数備えられていることを特徴とする撮像装置。
請求項５に記載の撮像装置であって、
前記制御部は、露光時間内に、前記複数の蓄積部に対して同一の制御信号を供給することを特徴とする撮像装置。
請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の撮像装置において、
前記画像信号は、静止画に対応する信号であることを特徴とする撮像装置。
請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の撮像装置において、
前記複数の光電変換素子は、前記蓄積部を囲むように隣接して備えられていることを特徴とする撮像装置。
請求項１から請求項８までの何れか１項に記載の撮像装置であって、
前記光電変換素子は、矩形であり、
前記蓄積部は、前記光電変換素子の角に対応する部分に備えられていることを特徴とする撮像装置。
被写体像を形成する撮影光学系と、
前記被写体像を撮像するために２次元状に配置された光電変換素子群と、
該光電変換素子群のうちで互いに隣接する複数の光電変換素子とそれぞれ異なる電荷転送経路を介し接続され、前記複数の光電変換素子のうち選択された前記光電変換素子で発生する電荷を蓄積する電荷蓄積素子群と、該電荷蓄積素子群に蓄積された電荷量に応じた静止画の画像信号を出力する出力回路を備えたイメージセンサと、
前記被写体像のブレを検出し、ブレ信号を生成するブレ検出部と、
露光時間内に、前記ブレ信号に基づいて前記複数の光電変換素子から前記光電変換素子を選択し、前記ブレ信号に応じて選択される光電変換素子を切替えることにより、前記電荷蓄積素子群を構成する電荷蓄積素子のそれぞれに複数の前記電荷量が蓄積されるように前記電荷蓄積素子群を制御するとともに、露光時間後に、前記電荷蓄積素子群が蓄積された前記電荷量を出力するように前記電荷蓄積素子群を制御する制御部とを含むことを特徴とする撮像装置。