CN101123694A - 摄像装置及使用它的内窥镜装置 - Google Patents

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CN101123694A CNA2007101437114A CN200710143711A CN101123694A CN 101123694 A CN101123694 A CN 101123694A CN A2007101437114 A CNA2007101437114 A CN A2007101437114A CN 200710143711 A CN200710143711 A CN 200710143711A CN 101123694 A CN101123694 A CN 101123694A
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Abstract

本发明提供一种摄像装置，能够拍摄运动图像及静止图像，具备CCD(1)、将被摄体照明的照明光源(3)、和控制CCD(1)及照明光源(3)的控制装置(10)，CCD(1)具备以矩阵状排列的多个光电变换部、和读取积蓄在各光电变换部中的电荷的垂直电荷传送部，在运动图像的拍摄时，控制装置(10)在使照明光源(3)点亮的状态下，使垂直电荷传送部进行电荷的读取，当被指示了静止图像的拍摄时，在用于得到静止图像的曝光结束后使照明光源(3)熄灭，在照明光源(3)熄灭的期间，使垂直电荷传送部分为多个半帧进行全部电荷的读取，合成按每个半帧分别读取的电荷来生成一个静止图像。

Description

摄像装置及使用它的内窥镜装置
技术领域
本发明涉及具备CCD(charge coupled device电荷耦合器件)型摄像元件及MOS型摄像元件等的固体摄像元件的摄像装置，特别涉及为了在不能得到足够的亮度的环境下能够进行摄像而具备辅助光源的摄像装置。
背景技术
CCD型摄像元件及MOS型摄像元件等的固体摄像元件并不限于数字静像摄像机及便携摄像机，也可以作为内窥镜装置的摄像元件使用。通常，由于内窥镜装置用于人类的体内及配管的内部那样的、环境光难以到达的场所的摄像，所以具备对被摄体进行照明的照明光源。
此外，使用内窥镜的场所较窄的情况较多，所以为了实现内窥镜的小径化，除了固体摄像元件自身的小型化以外，还要求包括照明光源及透镜系统的摄像装置整体的小型化。进而，在近年来，除了以往以来的管型的内窥镜装置以外，还开发了在人体的内部单独移动的同时进行摄影的胶囊型的内窥镜装置，摄像装置整体的小型化的要求今后有变得更强的趋势。
这里，利用图19对在内窥镜装置中使用的摄像装置(以往例1)的结构进行说明。图19是概略地表示以往以来的具备照明光源的摄像装置的结构的结构图。在图19的例子中，作为固体摄像元件而使用CCD型摄像元件(以下单称作“CCD”)101。
如图19所示，以往例1的摄像装置具备CCD101、控制装置100、将被摄体的像成像在CCD101的受光面上的摄像透镜系统102、对被摄体进行照明的照明光源103、和显示摄像图像的显示装置109。104是对照明光源103供电的电源。
控制装置100是用于控制CCD101的动作的装置，主要具备CCD驱动电路105、模拟电路106、信号处理电路107、以及系统控制器108。CCD驱动电路105根据系统控制器108的指示，生成用来驱动设在CCD101中的垂直电荷传送部及水平电荷传送部(参照图20)的各种脉冲，将其供给CCD101。通过从CCD驱动电路105供给的脉冲，在CCD101中进行摄像及电荷传送。此外，从CCD101的水平电荷传送部输出的图像信号被输入模拟电路106。
模拟电路106具备相关双采样电路(CDS电路)、及自动增益调节电路(AGC电路)等。从CCD101输出的信号在CDS电路的噪音除去、AGC电路的输出调节等之后，向信号处理电路107输出。信号处理电路107对于来自模拟电路106的输出信号进行亮度信号处理、颜色信号处理、轮廓修正处理、编码处理等。系统控制器108对CCD驱动电路105、模拟电路106、及信号处理电路107分别输出控制信号，由此来控制它们的动作定时。
接着，利用图20说明在以往例1中使用的CCD101的结构。图20是表示图19所示的CCD的概略结构的俯视图。如图20所示，CCD101采用隔行传送。CCD101具备对应于入射光的强度而积蓄电荷的光电变换部110、垂直电荷传送部111、水平电荷传送部113、和电荷电压变换部(输出放大器)114。
光电变换部110是设在半导体基板116上的光敏二极管，设有多个(参照图21)。此外，光电变换部110以矩阵状配置。垂直电荷传送部111设置在光电变换部110的垂直方向的每个列，读取积蓄在各光电变换部110中的电荷，将其沿垂直方向传送。水平电荷传送部113将由垂直电荷传送部111传送来的信号电荷沿水平方向传送。
具体而言，虽然在图20中没有表示，但垂直电荷传送部111由沿着光电变换部110的垂直方向的列设在半导体基板116上的沟道区域、和设在该沟道区域的上层的多个传送电极(垂直传送电极)构成(参照图21)。多个垂直传送电极横截沟道区域而形成，或者沿着垂直方向排列。
此外，在以往例1中，对一个光电变换部110设有两条垂直传送电极。在以往例1中，由一个光电变换部110、与其对应的两条垂直传送电极、和该两条垂直传送电极的正下方的沟道区域的一部分构成一个像素112。形成有像素112的区域整体成为摄像区域115。此外，多个垂直传送电极的每一个经由设在摄像区域115的周围的总线布线(未图示)与驱动端子φV1～φV4中的任一个连接。具体地，各垂直传送电极从图中上方以驱动端子φV1、φV2、V3、φV4的顺序连接。
由此，如果CCD驱动电路105(参照图19)对驱动端子φV1及φV3施加H电平的读取脉冲，则积蓄在光电变换部110的信号电荷被读取到垂直电荷传送部。接着，CCD驱动电路105若向驱动端子φV1～φV4施加M电平及L电平的传送脉冲，被读取的信号电荷通过垂直电荷传送部111沿垂直方向传送。
此外，水平电荷传送部113由沿着水平方向设置在半导体基板116上的沟道区域、和沿着水平方向排列的多个传送电极(水平传送电极)构成(参照图21)。各水平传送电极与驱动端子φH1及φH2中的任一个连接。由此，CCD驱动电路105(参照图19)向驱动端子φH1、φH2交替施加H电平及L电平的传送脉冲，若进行两相驱动，则信号电荷沿水平方向被传送。结果，从垂直电荷传送部111传送到水平电荷传送部113的电荷到达电荷电压变换部114。
电荷电压变换部114将由水平电荷传送部113传送来的电荷变换为电压，输出得到的电压信号。该电压信号被上述的模拟电路106(参照图19)及信号处理电路107(参照图19)处理，得到摄像图像。
此外，如图20所示，CCD101具备用来控制基板电压的SUB端子。这是为了将在光电变换部110中过剩地产生的电荷排出。对于这一点，利用图21(a)及图21(b)进行说明。图21(a)是表示图19及图20所示的CCD的像素的结构的剖视图，图21(b)是表示图21(a)中所示的线Z-Z′方向的电势分布的图。
如图21(a)所示，CCD具备N型半导体基板(硅基板)116。此外，在半导体基板116的表层侧形成有P阱123。进而，在半导体基板116的形成有P阱123的区域内，设有构成光电变换部110的N型的扩散层121。光电变换部110是由该N型的扩散层121、P阱123、和N型的半导体基板116构成的NPN构造的光敏二极管。在扩散层121的表层，为了抑制光电变换部110的表面处的暗电流的产生而形成有P+型的表面反转层122。
垂直电荷传送部111具备形成在半导体基板116的表层上的N型的沟道区域(扩散层)126、和传送电极127。传送电极127经由绝缘膜128设在半导体基板116上的与沟道区域126重合的位置上。此外，垂直电荷传送部111及光电变换部110的表面由覆盖CCD的整面的层间绝缘膜129覆盖。在层间绝缘膜129的上层还形成有在与光电变换部110重合的部分设有开口的遮光膜130。
此外，在图21(a)的例子中，图示了两个垂直电荷传送部111，但其中，图中左侧的垂直电荷传送部111读取积蓄在光电变换部110中的电荷。图中右侧的垂直电荷传送部111读取未图示的另一个光电变换部的电荷。因此，在光电变换部110的图中左侧，为了读取信号电荷而形成有P-型的读取部124。另一方面，在光电变换部110的周围的没有形成读取部124的部位上，为了对每个像素112分离电荷而形成有P+型的元件分离部125。
此外，还如图20所示，在半导体基板116上具备SUB端子。进而，摄像装置具备电压供给电路117。电压供给电路117经由该SUB端子，对半导体基板116的没有设置P阱123的区域和P阱123之间施加逆偏置电压。通过该逆偏置电压的施加，使光电变换部110的下层侧的P阱123耗尽。并且，在各像素112中，从光电变换部110的下表面到P阱123的下表面之间构成溢出势垒(OFB)。
由此，如果强光进入构成光电变换部110的扩散层121中，则由该部分光电变换后的信号电荷被积蓄，扩散层121的电位下降。并且，如图21(b)所示，超过溢出势垒的电势高度的过剩电荷经由NPN的路径被向基板侧丢弃。结果，抑制了过量的信号电荷溢出到垂直电荷传送部111中而在图像上形成垂直的条纹的图像模糊。
接着，利用图22及图23，对CCD101(参照图20)的动作进行说明。图22是表示驱动图19及图20所示的CCD的脉冲的定时图。图23是概念性地表示由图22所示的脉冲驱动的CCD的动作的说明图，图23(a)表示运动图像摄影时，图23(b)表示静止图像摄影时。另外，在以下的说明中，适当参考图19及图20。
在图22、图23(a)及图23(b)所示的例子中，照明光源103(参照图19)在进行摄像的期间总是点亮。此外，如图22所示，CCD驱动电路105(参照图19)在每1半帧期间(例如1/60秒)中对驱动端子φV1及φV3施加H电平的读取脉冲。因此，在每一半帧期间中，积蓄在各光电变换部110(参照图20)中的电荷被读取到垂直电荷传送部(VCCD)111(参照图20)中。
接着，如图23(a)所示，在垂直电荷传送部111中，将在垂直方向上相邻的两个像素的信号电荷相加。该垂直两像素的信号电荷的相加的组合在奇数半帧(第1半帧)和偶数半帧(第2半帧)中变化，由此实现隔行扫描。这样的读取方式作为半帧读取方式被公知。此外，在半帧读取方式中，通过将垂直两像素的信号电荷相加能够输出运动分辨率良好的连续图像。一般，半帧读取方式在运动图像的摄像中较多使用。
此外，如果在任一个半帧期间中快门按钮被按下、快门触发信号被输入(接通)，则该半帧期间成为用于拍摄静止图像的曝光期间(1/60秒)。接着，如图23(b)所示，通过接下来的读取脉冲的施加而被读取的奇数半帧或偶数半帧(单半帧)的图像被作为静止图像输出。
这样，在以往例1中，快门触发信号被接通的半帧期间(曝光期间)和进行静止图像的输出的下个半帧期间成为静止图像摄像期间。除此以外的半帧期间成为运动图像摄像期间，改变电荷加法运算的组合而连续输出图像。此外，在运动图像摄像期间及静止图像摄像期间的任一个中，施加在CCD101的SUB端子上的反偏置电压(SUB电压)都被固定为M电平。由此，在光电变换部110中过剩地产生的信号电荷经由OFB被排出到半导体基板。
这样，如果通过半帧读取方式使CCD101动作，则能够拍摄运动图像与静止图像两者，还能够在运动图像的摄像中切换为静止图像摄像。但是，在上述的摄像装置中，如图23(b)所示，静止图像也是将垂直两像素的信号电荷相加而得到的单半帧的图像。因此，在上述的摄像装置中，只能得到垂直分辨率为像素数的一半的静止图像，有难以得到高精细的静止图像的问题。
为了解决这样的问题，日本特许第3440722号公报及日本特开2004-328681号公报提出了具备机械快门等的遮光机构、通过利用遮光机构的帧读取来进行静止图像的摄像的摄像装置。利用图24～图26以下对具备遮光机构的摄像装置(以往例2)进行说明。
图24是概略地表示以往以来的具备机械快门的摄像装置的结构的结构图。图25是表示用来驱动图24所示的CCD的脉冲的定时图。图26是概念性地表示由图25所示的脉冲驱动的CCD的动作的说明图，图26(a)表示运动图像摄影时，图26(b)表示静止图像摄影时。
如图24所示，以往例2的摄像装置在摄像镜头系统102与CCD101之间，除了具备机械快门140这一点以外，与以往例1的摄像装置同样地构成。此外，在以往例2中，也是快门触发信号被接通的半帧期间(曝光期间)和下个半帧期间成为静止图像摄像期间，除此以外的期间为运动图像摄像期间。进而，如图25所示，机械快门140在运动图像摄像期间中总是打开，在运动图像摄像期间中，机械快门140不会截断向CCD101的入射光。
由此，如图25及图26(a)所示，在以往例2的摄像装置中，在运动图像摄像期间中也与以往例1的摄像装置同样，通过半帧读取方式输出连续图像。
此外，如图25所示，机械快门140根据系统控制器108的指示，在曝光期间的下个半帧期间中被关闭。在该半帧期间中，通过了摄像透镜系统102的光不能入射到CCD101的受光面，成为没有被光电变换的状态。
进而，如图25所示，在曝光期间的下个半帧期间的开始时，即与机械快门140被关闭同时，仅对驱动端子φV1施加H电平的读取脉冲。接着，进行被读取的电荷向垂直方向的传送。此外，在该传送结束后，这一次仅对驱动端子φV3施加H电平的读取脉冲，也进行被读取的电荷向垂直方向的传送。
因此，如图26(b)所示，在第1半帧中，积蓄在奇数行的像素列中的电荷不被混合而被读取，接着，在第2半帧中，将积蓄在偶数行的像素列中的信号电荷不被混合而被读取。然后，将这样得到的两个半帧的图像通过信号处理电路(参照图19及图24)107合成，成为一张帧图像。另外，这样的读取方式作为帧读取方式被公知。
这样，在以往例2的静止图像摄像期间中，积蓄在像素中的电荷被分为两个半帧被读取，然后，两个半帧的图像被合成为帧图像。此外，此时沿垂直方向相邻的两个像素的信号电荷不被相加。由此，根据以往例2，与以往例1相比能够提高静止图像的垂直分辨率。
此外，在以往例2中，在曝光期间的经过后，通过机械快门140，将CCD101遮光。由此，在位于奇数行的像素列中的光电变换部与位于偶数行的像素列中的光电变换部中，在相同的定时进行相同时间的光电变换。因此，即使在是摄像运动的被摄体的情况下，在第1半帧的图像与第2半帧的图像之间也不会发生被摄体的位置偏差或时间偏差，能够得到半帧间阶差较小的静止图像。
如上所述，如果搭载机械快门、通过帧读取方式拍摄静止图像，则能够得到摄像分辨率较高的静止图像。但是，为了搭载机械快门，需要其自身及驱动它的驱动装置的搭载空间。
因此，在将以往例2的摄像装置应用到内窥镜中的情况下，会发生内窥镜大型化的问题，难以对应小型化的要求。机械快门的搭载在与数字静像照相机及便携摄像机等的比内窥镜尺寸大的装置中是比较容易的，但在内窥镜装置中比较困难。
此外，机械快门具备机械机构，构造上容易发生故障，特别在体内使用的医疗用的内窥镜装置中，为了确保可靠性而要求尽可能不易发生故障。
发明内容
本发明的目的是消除上述问题、提供一种不具备机械快门等的遮光机构、能够实现静止图像的分辨率的提高的摄像装置、使用它的内窥镜装置。
为了达到上述目的，本发明的摄像装置是能够拍摄运动图像及静止图像的摄像装置，其特征在于，具备固体摄像元件、对被摄体进行照明的照明光源、和控制上述固体摄像元件及上述照明光源的控制装置；上述固体摄像元件具备以矩阵状排列的多个光电变换部、和将积蓄在各光电变换部中的电荷读取的读取部；在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置在上述照明光源点亮的状态下，使上述读取部进行上述电荷的读取；当被指示上述静止图像的拍摄时，在用于得到上述静止图像的曝光结束后，使上述照明光源熄灭，在上述照明光源熄灭的期间，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取，合成按每个半帧分别读取的上述电荷，来生成一个静止图像。
此外，为了达到上述目的，本发明的内窥镜装置是具备能够拍摄运动图像及静止图像的摄像装置的内窥镜装置，其特征在于，上述摄像装置具备固体摄像元件、将被摄体照明的照明光源、和控制上述固体摄像元件及上述照明光源的控制装置；上述固体摄像元件具备以矩阵状排列的多个光电变换部、和将积蓄在各光电变换部中的电荷读取的读取部；在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置在上述照明光源点亮的状态下，使上述读取部进行上述电荷的读取；当被指示上述静止图像的拍摄时，在用于得到上述静止图像的曝光结束后，使上述照明光源熄灭，在上述照明光源熄灭的期间，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取，合成按每个半帧分别读取的上述电荷，来生成一个静止图像。
由上所述，在本发明中，在用于得到静止图像的曝光结束之后。将照明光源熄灭，抑制光向固体摄像元件的入射。因此，根据本发明的摄像装置及具备它的内窥镜，能够不装备机械快门等的遮光机构而执行帧读取，结果能够实现静止图像的分辨率的提高。
附图说明
图1是概略地表示本发明的实施方式1的摄像装置的结构的结构图。
图2是表示驱动设置在图1所示的摄像装置中的CCD的脉冲的定时图。
图3是表示在本发明的实施方式1中，在固体摄像元件中设有滤色片的情况下的信号排列的图，图3(a)表示运动图像摄像时，图3(b)表示静止图像摄像时。
图4是概略地表示本发明的实施方式1的内窥镜装置的结构的结构图。
图5是概念性地表示构成本发明的实施方式2的摄像装置的固体摄像元件的动作的说明图，图5(a)表示运动图像摄像时，图5(b)表示静止图像摄像时。
图6是表示在本发明的实施方式2中，在固体摄像元件中设有滤色片的情况下的信号排列的图，图6(a)表示运动图像摄像时，图6(b)表示静止图像摄像时。
图7是概念性地表示构成本发明的实施方式3的摄像装置的固体摄像元件的动作的说明图，图7(a)表示运动图像摄像时，图7(b)表示静止图像摄像时。
图8是表示在本发明的实施方式3中，在固体摄像元件中设有滤色片的情况下的信号排列的图，图8(a)表示运动图像摄像时，图8(b)表示静止图像摄像时。
图9是表示用于对本发明的实施方式4中使用的固体摄像元件进行驱动的脉冲的定时图。
图10是表示在本发明的实施方式4中使用的固体摄像元件的厚度方向的电势分布的图。
图11是表示用于对本发明的实施方式5中使用的固体摄像元件进行驱动的脉冲的定时图。
图12是表示在本发明的实施方式5中使用的固体摄像元件的厚度方向的电势分布的图。
图13是将最大积蓄电荷量与电势分布一起表示的图。
图14是表示用于驱动在本发明的实施方式6中使用的固体摄像元件的脉冲的定时图。
图15是表示在本发明的实施方式6中使用的固体摄像元件的厚度方向的电势分布的图，图15(a)表示在静止图像的读取时将反偏置电压设定为一定的情况，图15(b)表示在静止图像的读取时调制反偏置电压的情况。
图16是表示用于驱动在本发明的实施方式7中使用的固体摄像元件的脉冲的定时图。
图17是表示对垂直电荷传送部施加高速清除脉冲的状态的说明图，图17(a)～图17(c)表示主要的一系列的过程。
图18是表示对垂直电荷传送部施加高速清除脉冲的状态的说明图，图18(d)～图18(f)表示接着图17(c)的主要的一系列的过程。
图19是概略地表示以往以来的具备照明光源的摄像装置的结构的结构图。
图20是表示图19所示的CCD的概略结构的俯视图。
图21(a)是表示图19及图20所示的CCD的像素的结构的剖视图，图21(b)是表示图21(a)中所示的线Z-Z′方向的电势分布的图。
图22是表示驱动图19及图20所示的CCD的脉冲的定时图。
图23是概念性地表示由图22所示的脉冲驱动的CCD的动作的说明图，图23(a)表示运动图像摄影时，图23(b)表示静止图像摄影时。
图24是概略地表示以往以来的具备机械快门的摄像装置的结构的结构图。
图25是表示用于驱动图24所示的CCD的脉冲的定时图。
图26是概念性地表示由图25所示的脉冲驱动的CCD的动作的说明图，图26(a)表示运动图像摄影时，图26(b)表示静止图像摄影时。
具体实施方式
本发明的摄像装置是能够拍摄运动图像及静止图像的摄像装置，其特征在于，具备固体摄像元件、对被摄体进行照明的照明光源、和控制上述固体摄像元件及上述照明光源的控制装置；上述固体摄像元件具备以矩阵状排列的多个光电变换部、和读取积蓄在各光电变换部中的电荷的读取部；在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置在上述照明光源点亮的状态下，使上述读取部进行上述电荷的读取；当被指示上述静止图像的拍摄时，在用于得到上述静止图像的曝光结束后使上述照明光源熄灭，在上述照明光源熄灭的期间，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取，合成按每个半帧分别读取的上述电荷，来生成一个静止图像。
此外，本发明的内窥镜装置是具备能够拍摄运动图像及静止图像的摄像装置的内窥镜装置，其特征在于，上述摄像装置具备固体摄像元件、将被摄体照明的照明光源、和控制上述固体摄像元件及上述照明光源的控制装置；上述固体摄像元件具备以矩阵状排列的多个光电变换部、和读取积蓄在各光电变换部中的电荷的读取部；在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置在上述照明光源点亮的状态下，使上述读取部进行上述电荷的读取；当被指示上述静止图像的拍摄时，在用于得到上述静止图像的曝光结束后使上述照明光源熄灭，在上述照明光源熄灭的期间，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取，合成按每个半帧分别读取的上述电荷，来生成一个静止图像。
在上述本发明的摄像装置及内窥镜装置中，上述控制装置可以在上述运动图像的拍摄时，使上述读取部进行将沿垂直方向排列的两个以上的上述光电变换部的上述电荷相加的半帧读取。在此情况下，能够得到平滑的运动图像输出。
此外，在上述本发明的摄像装置及内窥镜装置中，上述控制装置还可以在上述运动图像的拍摄时，使上述读取部仅读取上述多个光电变换部中的一部分光电变换部积蓄的电荷。在此情况下，对于摄像对象的运动较快的情况有效。
在上述本发明的摄像装置及内窥镜装置中，优选为如下的形态：上述光电变换部形成在半导体基板上；上述固体摄像元件具备用来调节积蓄在上述光电变换部中的电荷量的溢出势垒。根据该形态，通过调节溢出势垒的电势高度，能够调节积蓄在光电变换部中的电荷量。
此外，在上述形态中，优选在被指示上述静止图像的摄像后，上述控制装置对上述半导体基板施加排出上述电荷的电子快门脉冲，由此，调节用于得到上述静止图像的曝光的时间的长度。在此情况下，能够简单地调节用来得到静止图像的曝光期间的长度，能够进行高精度的曝光时间的设定。
进而，在上述形态中，优选在从被指示上述静止图像的摄像后到上述每个半帧的上述电荷的读取结束的期间，上述控制装置使上述溢出势垒的电势高度比上述运动图像摄像时高。在此情况下，能够实现静止图像摄影时的灵敏度的提高。
进而，在上述的情况下，优选上述固体摄像元件是隔行传送型的固体摄像元件；上述读取部具备设置在上述多个光电变换部的垂直方向的每个列、且将读取的电荷沿垂直方向传送的多个电荷传送装置；在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置使上述多个电荷传送装置分别进行将沿垂直方向排列的N个上述光电变换部的上述电荷相加的半帧读取；在上述多个电荷传送装置的每一个的最大传送电荷量是SVCCD时，上述运动图像摄像时的上述溢出势垒的电势高度被设定为，运动图像摄像时的上述多个光电变换部的每一个的最大积蓄电荷量Smotion满足下述式(1)；从被指示了上述静止图像的摄像后到上述每个半帧的上述电荷的读取结束的期间的、上述溢出势垒的电势高度被设定为，静止图像摄像时的上述多个光电变换部的每一个的最大积蓄电荷量Sstill满足下述式(2)。由此，抑制了图像模糊的产生。
(数学式5)
SVCCD≥N×Smotion    ……(1)
(数学式6)
SVCCD≥Sstill    ……(2)
此外，在上述的情况下，优选上述控制装置在上述照明光源熄灭后，使上述溢出势垒的电势高度比上述运动图像摄像时高，然后，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取即可。由此，能够抑制在最初的半帧的电荷的读取过程中，由后面的半帧读取的电荷被排出，能够防止在半帧间产生输出信号阶差。
在上述本发明的摄像装置及内窥镜装置中，优选上述固体摄像元件是隔行传送型的固体摄像元件；上述读取部具备设置在上述多个光电变换部的垂直方向的每个列、且将读取的电荷沿垂直方向传送的多个电荷传送装置；在上述照明光源熄灭后，上述控制装置对上述多个电荷传送装置分别施加将积蓄在其中的电荷排除的清除脉冲，然后，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取。在此情况下，能够将不需要的电荷除去而仅抽取信号电荷，能够提高输出信号的S/N比，实现摄像图像的画质的提高。此外，还抑制了因半帧间的不需要的电荷的发生量的差异而在输出信号的半帧间产生阶差。
(实施方式1)
以下，参照图1～图4说明本发明的实施方式1的摄像装置及内窥镜装置。首先，利用图1对本实施方式1的摄像装置的结构进行说明。图1是概略地表示本发明的实施方式1的摄像装置的结构的结构图。
本实施方式1的摄像装置与在背景技术中图19所示的以往例1的摄像装置同样，构成内窥镜装置(参照图4)的一部分，在外光难以到达的黑暗部分拍摄运动图像及静止图像。此外，在本实施方式1中也与以往例1同样，作为固体摄像元件而使用隔行传送型的CCD型摄像元件(CCD)1。
具体而言，如图1所示，本实施方式1的摄像装置与以往例1的摄像装置同样，具备CCD1、控制装置10、摄像透镜系统2、照明光源3、和显示装置9。控制装置10具备CCD驱动电路5、模拟电路6、信号处理电路7、以及系统控制器8。4是对照明光源供电的电源。另外，11表示经由摄像透镜系统2入射到CCD1中的入射光，12表示照明光源3射出的照明光。
此外，CCD1与在背景技术中图20所示的CCD101同样。在图1中虽然没有图示，但CCD1与以往的CCD101同样，具备以矩阵状排列的多个光电变换部、垂直电荷传送部、和水平电荷传送部。垂直电荷传送部由沿着光电变换部的垂直方向的列设置在半导体基板上的沟道区域、和多个传送电极(垂直传送电极)构成(参照图21)。水平电荷传送部由沿着水平方向设在半导体基板上的沟道区域、和多个传送电极(水平传送电极)构成(参照图21)。
此外，各垂直传送电极经由设在摄像区域的周围的总线布线(未图示)连接在驱动端子φV1～φV4中的任一个上。当对驱动端子φV1及φV3施加H(high)电平的读取脉冲时，垂直电荷传送部具有读取积蓄在光电变换部中的信号电荷的读取部的功能。进而，当对驱动端子φV1～φV4施加M(middle)电平及L(low)电平的传送脉冲时，垂直电荷传送部沿垂直方向传送读取的信号电荷。此外，各水平传送电极连接在驱动端子φH1及φH2中的任一个上。当对驱动端子φH1及φH2交替地施加H(high)电平及L(low)电平的传送脉冲时，水平电荷传送部沿水平方向传送信号电荷。
此外，CCD1的光电变换部与以往的CCD101的光电变换部同样地构成(参照图21)。即，构成CCD1的半导体基板是N型的硅基板。此外，在半导体基板的表层侧形成有P阱，在半导体基板的形成有P阱的区域内设有N型的扩散层。光电变换部是由N型的扩散层、P阱、和N型的半导体基板构成的NPN构造的光敏二极管。
进而，在本实施方式1中，CCD1与以往的CCD101同样，在半导体基板的没有形成P阱的区域与P阱之间具备用来施加反偏置电压的SUB端子(参照图21)。反偏置电压的施加是基于系统控制器8的指示、通过电压供给电路(参照图21(a))进行的。
这样，本实施方式1的摄像装置具备与以往例1的摄像装置同样的结构。此外，在本实施方式1中，也与以往例1及以往例2同样，控制装置10使垂直电荷传送部进行将沿垂直方向排列的两个以上的光电变换部的电荷相加的半帧读取，由此进行运动图像摄像。
但是，在通过系统控制器8控制照明光源3的点亮及熄灭定时的方面，本实施方式1的摄像装置与以往例1的摄像装置不同。此外，虽然本实施方式1的摄像装置如以往例2那样不具备机械快门，也能够通过帧读取方式拍摄静止图像。以下，利用图2具体地说明这一点。图2是表示对设置在图1所示的摄像装置中的CCD进行驱动的脉冲的定时图。
如图2所示，在本实施方式1中，也与以往例1及以往例2同样，在运动图像摄像期间中将照明光源3点亮(接通)。并且，CCD驱动电路5(参照图1)在每1半帧期间(例如1/60秒)中对驱动端子φV1及φV3施加H电平的读取脉冲，使垂直电荷传送部读取积蓄在各光电变换部中的电荷。此外，垂直电荷传送部将沿垂直方向相邻的两个像素的信号电荷相加(参照图23(a))。加法的组合在奇数半帧(第1半帧)和偶数半帧(第2半帧)中改变。
另一方面，如果快门触发信号被输入(接通)，则与以往例1及以往例2同样，半帧期间成为曝光期间(例如1/30秒)，但在本实施方式1中，在曝光期间的结束后通过系统控制器8将照明光源3熄灭(关闭)。此外，本实施方式1的摄像装置构成内窥镜装置的一部分，在黑暗部的摄像中使用。由此，通过照明光源3的熄灭，成为入射光11难以经由摄像透镜系统2入射到CCD1中的状况。进而，该状况与以往例2中机械快门被关闭的状况大致相同。
并且，如图2所示，系统控制器8在照明光源3熄灭的期间中使垂直电荷传送部分为多个半帧(在本实施方式1中分为两个半帧)进行积蓄在光电变换部中的全部电荷的读取。进而，系统控制器8使信号处理电路7合成按每个半帧得到的图像，来制作1张帧图像。
具体而言，与照明光源3的熄灭同时，根据系统控制器8的指示，CCD驱动电路5对驱动端子φV1施加H电平的读取脉冲。接着，CCD驱动电路5对驱动端子φV1～φV4施加M电平及L电平的传送脉冲，将读取的电荷沿垂直方向传送。此外，在该传送结束后，CCD驱动电路5再对驱动端子φV3施加H电平的读取脉冲。接着，CCD驱动电路5将此时读取的电荷也沿垂直方向传送。
结果，在本实施方式1中，也与以往例2同样，积蓄在奇数行的像素列中的电荷与积蓄在偶数行的像素列中的电荷不被混合而被读取(参照图26(b))，帧读取方式的静止图像的摄像完成。这样，在本实施方式1中，与以往例2不同，通过将照明光源3熄灭来实现帧读取方式的静止图像的摄像。此外，由于不需要使用机械快门等的遮光机构，所以能够同时实现摄像装置的小型化和静止图像的高分辨率化两者。
另外，在本实施方式1中，与以往例1及以往例2同样，在运动图像摄像期间及静止图像摄像期间的任一个中，对CCD1的SUB端子施加的反偏置电压(基板电压)都被固定为M电平，超过一定量的电荷经由OFB区域向半导体基板排出。
此外，从实现静止图像的画质的提高的方面来看，摄像装置的使用环境优选为使将照明光源熄灭时的亮度约为10勒克司以下的环境。具体而言，可以举出人体、其他动物的身体内部、配管的内部等。
进而，在本实施方式1中，为了得到彩色的运动图像及静止图像，可以做成在CCD1中设有滤色片的形态。图3是表示在本发明的实施方式1中在固体摄像元件中设有滤色片的情况下的信号排列的图，图3(a)表示运动图像摄像时，图3(b)表示静止图像摄像时。
如图3所示，在本实施方式1中，黄色(Ye)、青色(Cy)、品红(Mg)、以及绿(G)的补色滤色片形成为色差顺序排列状。由此，如图3(a)所示，在运动图像摄像时，通过半帧读取方式将垂直两像素的互补色信号相加而读取，所以可得到每秒60半帧的运动图像。此外，如图3(b)所示，在静止图像摄像时，通过帧读取方式独立地读取所有像素的互补色信号，可得到分辨率较高的静止图像。
另外，在本实施方式中，使用补色滤色片的理由如下。即，在使用原色滤色片的情况下，如果将垂直两像素的信号相加(例如R+G或B+G)，则在后段的信号处理中不会回到原来的原色信号。因此，在使用原色滤色片的情况下，通常进行所有像素独立读取。另一方面，在补色滤色片中，即使将垂直两像素的信号相加读取，在后段通过进行以下的色差信号处理也能够近似地导出原色信号。
即，如果将亮度信号Y如下述式(3)那样近似，则将色差信号(R-Y)及(B-Y)如式(4)及式(5)那样近似。
Y＝{(G+Cy)+(Mg+Ye)}×1/2     ……(3)
R-Y＝{(Mg+Ye)-(G+Cy)}＝2R-G  ……(4)
B-Y＝{(Mg+Cy)-(G+Ye)}＝2B-G  ……(5)
根据这些式(3)～式(5)，通过以下的式(6)～式(8)近似原色信号R、G、B。另外，下述的n、m、p、q是系数。
G＝Y-(R-Y)-(B-Y)        ……(6)
R＝n(R-Y)+m{Y-(B-Y)}    ……(7)
B＝p(B-Y)+q{Y-(R-Y)}    ……(8)
这样，即使将垂直两像素的电荷相加也不会失去颜色信息的补色滤色片由于能够通过信号相加使灵敏度成为2倍，所以与原色滤色片相比对于黑暗场所中的运动图像摄影是有利的，适合于在便携摄像机及内窥镜等中使用。但是，在使用补色滤色片的结构中，由于通过运算互补色信号而近似地导出原色信号，所以与通过原色滤色片独立地读取所有像素的情况相比，有颜色再现性较差的缺点。因而，在需要重视颜色再现性胜于灵敏度的情况下，一般使用具备原色滤色片的CCD。
接着，利用图4说明本实施方式1的内窥镜装置。图4是概略地表示本发明的实施方式1的内窥镜装置的结构的结构图。如图4所示，本实施方式1的内窥镜装置是管型的内窥镜装置。内窥镜装置由用来摄影影像的照相机单元23、进行照相机单元23的控制及各种信号处理的控制器单元24、和显示装置9构成。
照相机单元23具备插入人体内部及配管内部等中的插入部21、和操作部22。插入部21呈管状，在其前端具备构成摄像装置的CCD1、摄像透镜系统2及照明光源3。此外，插入部21的前端可弯曲地构成，构成弯曲部25。具体而言，在插入部21的内部，搭载有用来传递弯曲动力的金属线、及产生弯曲动力的驱动器等(未图示)。
此外，在操作部22中，设有用来拉伸金属线的拨盘、及用来使驱动器动作的按钮等，操作者通过操作部22控制插入部21的弯曲。此外，在插入部21的前端有时搭载有其它用来进行治疗或取得组织的钳子、或用来喷出药剂或空气的喷嘴等。在此情况下，它们的操作也通过操作部22进行。
此外，在控制单元24搭载有摄像装置的剩余的一部分、即信号处理电路7、照明光源3的电源4、以及系统控制器8。由此，由照相机单元23摄影、由控制单元24信号处理后的影像(运动图像及静止图像)被显示在显示装置9上。
这样，本实施方式1的内窥镜装置在内部具备本实施方式1的摄像装置。因此，可以不具备机械快门等，而通过帧读取方式拍摄静止图像。因而，根据本实施方式1的内窥镜装置，能够在抑制装置的大型化的同时、通过静止图像的高分辨率化来提高疾病及故障等的发现率。
(实施方式2)
接着，参照图5及图6对本发明的实施方式2的摄像装置及内窥镜装置进行说明。图5是概念性地表示构成本发明的实施方式2的摄像装置的固体摄像元件的动作的说明图，图5(a)表示运动图像摄像时，图5(b)表示静止图像摄像时。
本实施方式2的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置不同点在于，在运动图像摄像时装置内部进行的处理。在除此以外，本实施方式2的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置同样。此外，本实施方式2的内窥镜装置具备与图4所示的实施方式1的内窥镜装置同样的结构。以下对实施方式1的不同点进行说明。
如图5(a)所示，在本实施方式2中，控制装置在运动图像的拍摄时，使垂直电荷传送部111仅读取多个光电变换部110中的一部分光电变换部110所积蓄的电荷。即，系统控制器(参照图1)在1半帧期间(例如1/60秒钟)的光电变换后，对CCD驱动电路(参照图1)给予指示，使垂直电荷传送部111进行剔除一部分像素行的读取。
具体而言，CCD驱动电路根据系统控制器的指示，例如以4像素行为1组，仅对从上数第1个像素行和第4个像素行施加读取脉冲。由此，仅将积蓄在处于第1个像素行和第4个像素行中的光电变换部110中的电荷读取到各垂直电荷传送部110中。
因而，根据本实施方式2，在每4个像素行中仅读取两个像素行，其余的两个像素行被剔除，所以运动图像中的垂直方向的分辨率减半。但是，由此能够以例如60帧/秒的帧速度输出运动图像(在实施方式1中是30帧/秒)，运动图像的帧速率提高。本实施方式2的摄像装置在摄像对象的运动较快的情况以及想要以高速取入运动图像时是有用的。
此外，本实施方式2的摄像装置也可以做成仅在不要求垂直分辨率的情况下进行上述的剔除像素行的运动图像摄影、在除此以外的情况下进行与实施方式1的摄像装置同样的运动图像摄像的形态。作为不要求垂直分辨率的情况，可以举出例如摄像装置以取景器模式或液晶显示器模式动作的情况、进行自动对焦的调焦的情况、进行曝光及白平衡调节的情况等。另外，如图5(b)所示，在本实施方式2中，也与实施方式1同样，摄像装置通过照明光源的熄灭的帧读取来拍摄静止图像。
在本实施方式2中，也可以为了得到彩色的运动图像及静止图像，可以做成在CCD中设有滤色片的形态。图6是表示在本发明的实施方式2中在固体摄像元件中设有滤色片的情况下的信号排列的图，图6(a)表示运动图像摄像时，图6(b)表示静止图像摄像时。
如图6所示，在本实施方式2中，绿(G)、红(R)、以及蓝(B)的原色滤色片以拜尔(Bayer)排列状形成。由此，如图6(a)所示，通过像素行剔除读取来进行运动图像摄像，但读取的像素分别单独地呈现原色，所以与使用补色滤色片的情况相比，可以实现提高色再现性。此外，如图6(b)所示，在静止图像中，读取全部像素，各像素分别呈现原色，与实施方式1相比颜色再现性提高(在静止图像中，在实施方式1中，也独立地读取所有像素，所以分辨率在实施方式2与实施方式1中是相同的电平)。
另外，在本实施方式2中，作为一例，对每4个像素行中仅读取两个像素行的情况进行了说明，但读取像素行的周期和读取的像素行只要对应于需要的垂直分辨率及帧速率设定就可以。例如在每6个像素行中仅读取2个像素行的情况下，虽然垂直分辨率减少至1/3，但能够将帧速率提高到90帧/秒。
(实施方式3)
接着，参照图7及图8对本发明的实施方式3的摄像装置及内窥镜装置进行说明。图7是概念性地表示构成本发明的实施方式3的摄像装置的固体摄像元件的动作的说明图，图7(a)表示运动图像摄像时，图7(b)表示静止图像摄像时。
本实施方式3的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置不同点也在于，当运动图像摄像时在装置内部进行的处理。在除此以外，本实施方式3的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置同样。此外，本实施方式3的内窥镜装置也具备与图4所示的实施方式1的内窥镜装置同样的结构。以下对实施方式1的不同点进行说明。
如图7(a)所示，在本实施方式3中，控制装置在运动图像的拍摄时，将处于隔一个像素行的位置的两个光电变换部110各自的电荷相加。具体而言，在1半帧期间(例如1/60秒钟)的光电变换后，CCD驱动电路根据系统控制器的指示，以4像素行为1组，仅对从上数第1个像素行和第2个像素行施加读取脉冲。由此，仅将积蓄在处于第1个像素行和第2个像素行中的光电变换部110中的电荷读取到各垂直电荷传送部111中。然后，CCD驱动电路通过施加传送脉冲，将读取的第1个及第2个像素行的电荷分别传送到第3个或第4个像素行。
接着，CCD驱动电路根据系统控制器的指示，仅对从上数第3个像素行与第4个像素行施加读取脉冲，结果，将已经被读取并传送来的第1个像素行的像素与被读取的第3个像素行的像素相加。同样，将已经被读取并传送来的第2个像素行的像素与被读取的第4个像素行的像素相加。
这样，在本实施方式3中，不进行剔除而将两个像素行的信号相加，所以与实施方式2相比运动图像摄像时的灵敏度提高为2倍。此外，在本实施方式3中垂直方向的行数减半，所以与实施方式2同样，能够以例如60帧/秒的帧速度输出运动图像，在CCD中设有原色滤色片的情况下的运动图像摄影中是特别有用。对于这一点利用图8进行说明。另外，如图7(b)所示，在本实施方式3中，也与实施方式1同样，摄像装置通过照明光源的熄灭的帧读取来拍摄静止图像。
图8是表示在本发明的实施方式3中在固体摄像元件中设有滤色片的情况下的信号排列的图，图8(a)表示运动图像摄像时，图8(b)表示静止图像摄像时。
如图8所示，在本实施方式3中，也与实施方式2同样，将绿(G)、红(R)、以及蓝(B)的原色滤色片以拜尔排列状形成。此时，如图8(b)所示，在垂直方向上处于隔一个像素行的位置的两个滤色片成为同色。因而，如图8(a)所示，在运动图像摄像时，将同色的电荷彼此相加。由此，根据本实施方式3，能够以高灵敏度得到颜色再现性较高的运动图像。
另外，在本实施方式3中，对将4个像素行为1个周期而将从上数第1个和第3个像素行、第2个和第4个像素行分别读取而相加的情况进行了说明，但像素行的周期只要对应于需要的垂直分辨率及帧速率设定就可以。例如，也可以以6个像素行为1个周期，将1像素行+3像素行+5像素行、2像素行+4像素行+6像素行分别读取并相加。在此情况下，虽然垂直分辨率减少至1/3，但能够将帧速率提高到90帧/秒。
(实施方式4)
接着，参照图9及图10对本发明的实施方式4的摄像装置及内窥镜装置进行说明。图9是表示用对在本发明的实施方式4中使用的固体摄像元件进行驱动的脉冲的定时图。图10是表示在本发明的实施方式4中使用的固体摄像元件的厚度方向的电势分布的图。
本实施方式4的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置不同点在于具备电子快门。除此以外，本实施方式4的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置同样。此外，本实施方式4的内窥镜装置也具备与图4所示的实施方式1的内窥镜装置同样的结构。以下对实施方式1的不同点进行说明。
如图9所示，在本实施方式4中，摄像装置的控制装置具备施加将积蓄在光电变换部中的电荷消除的电子快门脉冲的功能。控制装置通过电子快门脉冲的施加，来调节用于得到静止图像的曝光时间的长度。
这里，对电子快门脉冲进行说明。在本实施方式4中，也在构成CCD的半导体基板上，为了向没有形成P阱的区域和P阱之间施加反偏置电压(SUB电压)，具备SUB端子(参照图21(a))。由此，如图10所示，通过使反偏置电压的电平变动，能够调节溢出势垒的电势高度。例如，如果提高反偏置电压的电平，则溢出势垒的电势高度与其对应而降低，积蓄的电荷被排出到半导体基板。
如图9所示，在本实施方式4中，当CCD驱动电路根据系统控制器的指示被输入(接通)快门触发信号时，在一定的期间对该SUB端子作为电子快门脉冲而施加H电平的反偏置电压。结果，由光电变换部产生的信号电荷被基板吸取，在光电变换部中不积蓄信号电荷(参照图10)。
此外，如果电子快门脉冲的施加结束，则在光电变换部中开始电荷的积蓄。在本实施方式4中，从结束施加电子快门脉冲到开始读取积蓄在光电变换部中的电荷的期间成为曝光期间。
另外，用来得到静止图像的电荷读取及传送与实施方式1同样地进行。在本实施方式4中，也通过半帧读取进行运动图像的摄像。此外，在没有施加电子快门脉冲时，在本实施方式4中，也与实施方式1同样，反偏置电压的电平被保持为M电平。
这样，在本实施方式4中，控制装置通过改变电子快门脉冲的供给时间及条数，能够决定曝光的开始时期，能够简单地调节用来得到静止图像的曝光期间的长度。因此，根据本实施方式4，与实施方式1～3比较能够进行高精度的曝光时间的设定。此外，例如还能够简单地将曝光时间设定为很短的时间(例如1/1000秒以下)，所以还能够摄像高速移动的物体的静止图像。
(实施方式5)
接着，参照图11及图12对本发明的实施方式5的摄像装置及内窥镜装置进行说明。图11是表示用来驱动在本发明的实施方式5中使用的固体摄像元件的脉冲的定时图。图12是表示在本发明的实施方式5中使用的固体摄像元件的厚度方向的电势分布的图。
本实施方式5的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置不同点在于，具备电子快门、及对施加在构成CCD的半导体基板的反偏置电压(SUB电压)进行调制。除此以外，本实施方式5的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置同样。此外，本实施方式5的内窥镜装置也具备与图4所示的实施方式1的内窥镜装置同样的结构。以下对与实施方式1不同的点进行说明。另外，在本实施方式5中使用的电子快门与在实施方式4中使用的电子快门同样。由此，在以下的说明中，以反偏置电压的调制为中心进行说明。
如图11所示，在本实施方式5中，摄像装置被输入快门触发信号之后到基于帧读取的电荷读取及传送结束的期间，使反偏置电压的电平比运动图像摄像时低。具体而言，CCD驱动电路根据系统控制器的指示，在从电子快门脉冲的施加结束后的曝光期间中，使反偏置电压的电平从之前的M电平降低到L电平。
结果，如图12所示，在曝光期间中，溢出势垒的电势高度变得比之前高，同时在光电变换部中，可积蓄电荷的区域(光电变换区域)沿半导体基板的深度方向扩大。并且，由于入射到光电变换部中的光在基板的深部也被光电变换，所以实现了静止图像的拍摄时的灵敏度的提高。
但是，如果溢出势垒的电势高度变得过高，则积蓄在光电变换区域中的电荷的量变得过多，在读取时有可能从垂直电荷传送部溢出。因此，在本实施方式5中，优选地如下这样设定反偏置电压的电平。
设垂直电荷传送部各自的最大传送电荷量为SVCCD、运动图像摄像时的各光电变换部的最大积蓄电荷量为Smotion、在运动图像摄像时相加的像素数为N(在本实施方式5中N＝2)。在此情况下，在运动图像摄影时，为了使电荷不会在垂直电荷传送部中溢出，需要满足下述式(1)。
(数学式7)
SVCCD≥N×Smotion    ……(1)
此外，如果设静止图像摄像时的各光电变换部的最大积蓄电荷量为Sstill，则为了在静止图像摄像时使电荷不在垂直电荷传送部中溢出，需要满足下述式(2)。
(数学式8)
SVCCD≥Sstill    ……(2)
如果将上述式(1)及上述式(2)表示为图，则为图13所示那样。图13是将最大积蓄电荷量与电势分布一起表示的图。如图13所示，在本实施方式5中，也为了通过帧读取方式拍摄静止图像，静止摄像时的最大积蓄电荷量Sstill为比运动图像摄像时的最大积蓄电荷量Smotion大的值。
此外，设运动图像摄像时的最适合的反偏置电压的电平为M′电平时，M′电平只要设定为使上述式(1)成立，即，设定为溢出势垒的电势高度成为图13所示的运动图像摄像时的电势高度就可以。进而，如果设静止图像摄像时的调制后的反偏置电压的电平为L′电平，则L′电平只要设定为使上述式(2)成立，即设定为溢出势垒的电势高度成为图13所示的静止图像摄像时的电势高度就可以。
这样，只要如上述那样设定运动图像摄像时及静止图像摄像时各自的反偏置电压的电平(溢出势垒的电势高度)，就能够抑制电荷在垂直电荷传送部中溢出，并且，可以尽可能提高积蓄在光电变换部中的电荷量。
(实施方式6)
接着，参照图14及图15对本发明的实施方式6的摄像装置及内窥镜装置进行说明。图14是表示用来驱动在本发明的实施方式6中使用的固体摄像元件的脉冲的定时图。
本实施方式6的摄像装置与实施方式5的摄像装置的不同点在于，反偏置电压(SUB电压)的调制时期是曝光期间的结束之后。除此以外，本实施方式6的摄像装置与实施方式5的摄像装置同样。以下，对与实施方式5的不同点进行说明。另外，本实施方式6的内窥镜装置也具备与图4所示的实施方式1的内窥镜装置同样的结构。
如图14所示，在本实施方式6中，根据系统控制器的指示，在用来得到静止图像的曝光期间的结束后(照明光源的熄灭后)，CCD驱动电路使反偏置电压的电平从之前的M电平降低到L电平。这里，利用图15对本实施方式6的效果进行说明。
图15是表示在本发明的实施方式6中使用的固体摄像元件的厚度方向的电势分布的图，图15(a)表示在静止图像的读取时将反偏置电压设定为一定的情况，图15(b)表示在静止图像的读取时调制反偏置电压的情况。
与本实施方式6不同，考虑在进行静止图像的读取及传送的期间中总是将反偏置电压设定为M电平的情况(参照图2及图9)。在此情况下，如图15(a)所示，在读取积蓄在奇数行的像素列中的电荷CFLD1的期间中，有时积蓄在偶数行的像素列中的电荷CFLD2的一部分会由于其自身所具有的热能而越过溢出势垒而排出到半导体基板。
在此情况下，积蓄在奇数行的像素列中的电荷CFLD1的电荷量SFLD1有可能变得比积蓄在偶数行的像素列中的电荷CFLD2的电荷量SFLD2大(SFLD1＞SFLD2)。进而，如果SFLD1＞SFLD2，则在第1半帧的图像与第2半帧的图像之间会产生因饱和输出的不同带来的半帧阶差。
相对于此，在本实施方式6中，在曝光期间的结束后(照明光源的熄灭后)的奇数行的电荷CFLD1的读取中，将反偏置电压的电平从M电平调制为L电平。并且，由此，如图15(b)所示，溢出势垒的电势高度变高，所以抑制了偶数行的电荷CFLD2的一部分被排出。进而，结果为SFLD1＝SFLD2，抑制了因饱和输出的不同带来的半帧阶差的发生。
(实施方式7)
参照图16～图18对本发明的实施方式7的摄像装置及内窥镜装置进行说明。图16是表示用来驱动在本发明的实施方式7中使用的固体摄像元件的脉冲的定时图。
本实施方式7的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置不同点在于，具备电子快门、及在静止图像的读取前对垂直电荷传送部施加高速清除脉冲。除此以外，本实施方式7的摄像装置与图1所示的实施方式1的摄像装置同样。此外，本实施方式7的内窥镜装置也具备与图4所示的实施方式1的内窥镜装置同样的结构。以下，对与实施方式1的不同点进行说明。另外，在本实施方式7中使用的电子快门与在实施方式4中使用的电子快门同样。由此，在以下的说明中，以高速清除脉冲的施加为中心进行说明。
如图16所示，在本实施方式7中，CCD驱动电路根据系统控制器的指示，在照明光源的熄灭后，分别在奇数行的像素列的电荷的读取(第1半帧的读取)及偶数行的像素列的电荷的读取(第2半帧的读取)之前，对各垂直电荷传送部施加清除电压。结果，在排除积蓄在各垂直电荷传送部中的电荷后，读取积蓄在光电变换部中的电荷。
这里，利用图17及图18对高速清除脉冲进行说明。图17及图18是表示对垂直电荷传送部施加高速清除脉冲的状态的说明图，图17(a)～图18(f)表示主要的一系列的过程。
如图17(a)所示，当进行用来得到静止图像的曝光(曝光期间中)时，有时会在垂直电荷传送部111中产生不需要的电荷。作为该不需要的电荷，可以举出因热而产生的成为暗电流的原因的电荷、从光电变换部溢出而漏入垂直电荷传送部中的电荷(作为图像模糊的原因的电荷)、因光的泄漏而在垂直电荷传送部中光电变换而产生的电荷(作为污迹的原因)等。在这样的不需要的电荷存在于垂直电荷传送部中的情况下，如果从光电变换部读取电荷，则在读取的电荷中混入不需要的电荷，有可能使S/N比恶化。
相对于此，在本实施方式7中，如图17(b)所示，在照明光源熄灭，不再产生作为污点及图像模糊等的原因的不需要的电荷时，CCD驱动电路对垂直电荷传送部施加高速清除脉冲(参照图16)。然后，如图17(c)所示，CCD驱动电路根据系统控制器的指示，进行奇数行的像素列的电荷的读取(第1半帧的读取)。
此外，在图17(c)所示的工序结束后，如图18(d)所示，有时会因热而在垂直电荷传送部中产生作为暗电流的原因的不需要的电荷。由此，如图18(e)所示，CCD驱动电路对垂直电荷传送部再次施加高速清除脉冲。然后，如图18(f)所示，CCD驱动电路根据系统控制器的指示，进行偶数行的像素列的电荷的读取(第2半帧的读取)。
这样，在本实施方式7中，对垂直电荷传送部施加高速清除脉冲后进行第1半帧及第2半帧的电荷的读取。因此，除去了不需要的电荷，而仅提取信号电荷，所以提高输出信号的S/N比。进而，由此实现了摄像图像的画质的提高。此外，还抑制了因第1半帧与第2半帧的不需要电荷的产生量的差异而带来的输出信号的半帧间的阶差。
此外，在图16～图18所示的例子中，每当半帧的读取时进行高速清除脉冲的施加，但本实施方式7并不限于此。在本实施方式7中，例如也可以是仅在不需要电荷量较大的照明光源的熄灭之后进行高速清除脉冲的施加的形态(参照图16及图17(b))。在该形态中，认为也充分地实现了S/N比的提高。此外，根据该形态，由于省略了第2半帧的读取前的高速清除脉冲的施加(参照图16及图18(e)，所以能够相应地缩短静止图像摄像期间，结果在连拍拍摄静止图像等的情况下是有用的。
以上，在实施方式1～实施方式7中，对固体摄像元件是隔行传送型的CCD摄像元件的情况进行了说明，但本发明并不限于此。在本发明中，固体摄像元件也可以是帧隔行传送型的CCD摄像元件、MOS型摄像元件。
此外，在实施方式1～实施方式7中，溢出势垒是纵型的溢出势垒(溢出泄漏构造)，形成在构成光电变换部的N型的扩散层的最下面到P阱的最下面的区域。但是，本发明并不限于此，溢出势垒也可以是横型的溢出势垒(溢出泄漏构造)。
具体而言，在采用横型的溢出势垒的情况下，与构成光电变换部的N型扩散层并列地形成N+型的第2扩散层，它们之间成为溢出势垒区域。此外，在它们之间形成有门电极，通过调节对其施加的电压的电平，来调节溢出势垒的电势高度。
此外，在实施方式1～实施方式7中，都以4像素行为1周期进行处理，但并不限于此。在本发明中，也可以以3像素行为1周期进行处理。此外，在运动图像摄像时，也可以是将3像素以上的电荷相加的形态。进而，在静止图像摄像时，也可以是分为3个半帧以上的半帧读取像素的形态。
进而，本实施方式的内窥镜装置并不限于管型的内窥镜装置，在本发明中，也可以是胶囊型的内窥镜装置。胶囊型的内窥镜装置由于能够独立在人体内部中航行，所以能够大大地减轻患者的负担。
以上说明的实施方式只不过是为了使本发明的技术内容变得清楚，本发明并不限于这样的具体例，能够在本发明的主旨和权利要求书中记载的范围内进行各种变更来实施，应该广义地解释本发明。
本发明的摄像装置特别对于内窥镜装置的小型化及内窥镜装置的静止图像的高分辨率化有用。由此，本发明的摄像装置及内窥镜装置具有工业上的实用性。

Claims (18)

1.一种摄像装置，能够拍摄运动图像及静止图像，其特征在于，
具备固体摄像元件、对被摄体进行照明的照明光源、和控制上述固体摄像元件及上述照明光源的控制装置；
上述固体摄像元件具备以矩阵状排列的多个光电变换部、和读取积蓄在各光电变换部中的电荷的读取部；
在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置在使上述照明光源点亮的状态下使上述读取部进行上述电荷的读取；
当被指示上述静止图像的拍摄时，在用于得到上述静止图像的曝光结束之后，上述控制装置使上述照明光源熄灭，在上述照明光源熄灭的期间，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取，合成按每个半帧分别读取的上述电荷，来生成一个静止图像。
2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置使上述读取部进行将沿垂直方向排列的两个以上的上述光电变换部的上述电荷相加的半帧读取。
3.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置使上述读取部仅读取上述多个光电变换部中的一部分光电变换部积蓄的电荷。
4.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
上述光电变换部形成在半导体基板上；
上述固体摄像元件具备用于调节积蓄在上述光电变换部中的电荷量的溢出势垒。
5.如权利要求4所述的摄像装置，其特征在于，在被指示了上述静止图像的摄像后，上述控制装置对上述半导体基板施加排出上述电荷的电子快门脉冲，由此，调节用于得到上述静止图像的曝光时间的长度。
6.如权利要求4所述的摄像装置，其特征在于，从被指示了上述静止图像的摄像后到上述每个半帧的上述电荷读取结束的期间，上述控制装置使上述溢出势垒的电势高度比上述运动图像摄像时高。
7.如权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像元件是隔行传送型的固体摄像元件；
上述读取部具备多个电荷传送装置，上述多个电荷传送装置设置在上述多个光电变换部的垂直方向的每个列、且将读取的电荷沿垂直方向传送；
在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置使上述多个电荷传送装置分别进行将沿垂直方向排列的N个上述光电变换部的上述电荷相加的半帧读取；
在上述多个电荷传送装置各自的最大传送电荷量是SVCCD时，
上述运动图像摄像时的上述溢出势垒的电势高度被设定为，运动图像摄像时的上述多个光电变换部的每一个的最大积蓄电荷量Smotion满足数学式1；
从被指示了上述静止图像的摄像后到上述每个半帧的上述电荷读取结束的期间的、上述溢出势垒的电势高度被设定为，静止图像摄像时的上述多个光电变换部的每一个的最大积蓄电荷量Sstill满足数学式2：
其中，数学式1为
SVCCD≥N×Smotion，
数学式2为
SVCCD≥Sstill。
8.如权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，上述控制装置使上述照明光源熄灭后，使上述溢出势垒的电势高度比上述运动图像摄像时高，然后，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取。
9.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像元件是隔行传送型的固体摄像元件；
上述读取部具备多个电荷传送装置，上述多个电荷传送装置设置在上述多个光电变换部的垂直方向的每个列、且将读取的电荷沿垂直方向传送；
上述控制装置在使上述照明光源熄灭后，对上述多个电荷传送装置的每一个施加将积蓄在其中的电荷排除的清除脉冲，然后，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取。
10.一种内窥镜装置，具备能够拍摄运动图像及静止图像的摄像装置，其特征在于，
上述摄像装置具备固体摄像元件、对被摄体进行照明的照明光源、和控制上述固体摄像元件及上述照明光源的控制装置；
上述固体摄像元件具备以矩阵状排列的多个光电变换部、和读取积蓄在各光电变换部中的电荷的读取部；
在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置在上述照明光源点亮的状态下，使上述读取部进行上述电荷的读取；
当被指示了上述静止图像的拍摄时，上述控制装置在用于得到上述静止图像的曝光结束后，使上述照明光源熄灭，在上述照明光源熄灭的期间，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取，合成按每个半帧分别读取的上述电荷，来生成一个静止图像。
11.如权利要求10所述的内窥镜装置，其特征在于，在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置使上述读取部进行将沿垂直方向排列的两个以上的上述光电变换部的上述电荷相加的半帧读取。
12.如权利要求10所述的内窥镜装置，其特征在于，在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置使上述读取部仅读取上述多个光电变换部中的一部分光电变换部所积蓄的电荷。
13.如权利要求10所述的内窥镜装置，其特征在于，
上述光电变换部形成在半导体基板上；
上述固体摄像元件具备用于调节积蓄在上述光电变换部中的电荷量的溢出势垒。
14.如权利要求13所述的内窥镜装置，其特征在于，在被指示了上述静止图像的摄像后，上述控制装置对上述半导体基板施加排出上述电荷的电子快门脉冲，由此，调节用于得到上述静止图像的曝光时间的长度。
15.如权利要求13所述的内窥镜装置，其特征在于，在被指示了上述静止图像的摄像后到上述每个半帧的上述电荷的读取结束的期间，上述控制装置使上述溢出势垒的电势高度比上述运动图像摄像时高。
16.如权利要求15所述的内窥镜装置，其特征在于，
上述固体摄像元件是隔行传送型的固体摄像元件；
上述读取部具备多个电荷传送装置，上述多个电荷传送装置设置在上述多个光电变换部的垂直方向的每个列、且将读取的电荷沿垂直方向传送；
在上述运动图像的拍摄时，上述控制装置使上述多个电荷传送装置分别进行将沿垂直方向排列的N个上述光电变换部的上述电荷相加的半帧读取；
在上述多个电荷传送装置的每一个的最大传送电荷量是SVCCD时，
上述运动图像摄像时的上述溢出势垒的电势高度被设定为，运动图像摄像时的上述多个光电变换部的每一个的最大积蓄电荷量Smotion满足数学式1；
从被指示了上述静止图像的摄像后到上述每个半帧的上述电荷读取结束的期间的、上述溢出势垒的电势高度被设定为，静止图像摄像时的上述多个光电变换部的每一个的最大积蓄电荷量Sstill满足数学式2：
数学式1为
SVCCD≥N×Smotion，
数学式2为
SVCCD≥Sstill。
17.如权利要求15所述的内窥镜装置，其特征在于，上述控制装置在上述照明光源熄灭后，使上述溢出势垒的电势高度比上述运动图像摄像时高，然后，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取。
18.如权利要求10所述的内窥镜装置，其特征在于，
上述固体摄像元件是隔行传送型的固体摄像元件；
上述读取部具备多个电荷传送装置，上述多个电荷传送装置设置在上述多个光电变换部的垂直方向的每个列、且将读取的电荷沿垂直方向传送；
上述控制装置在上述照明光源熄灭后，对上述多个电荷传送装置的每一个施加将积蓄在其中的电荷排除的清除脉冲，然后，使上述读取部分为多个半帧进行上述全部电荷的读取。
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