CN1213484C - 摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能降低HCCD的电荷移位时钟频率，并且能拍摄良好画质影像的摄像装置。积蓄在光电转换元件21中的电荷通过VCCD 22、斜向CCD 23，被传送到HCCD 13a或HCCD 13b。HCCD 13a和HCCD 13b的输出单元配置在相对的位置上，在每个输出单元一侧分别设置有电荷注入装置14a、14b，在电荷的开头部分注入基准信号。根据该基准信号进行各信道之间的CCD信号的电平调整，由此可以进行良好画质的拍摄。

Description

摄像装置

技术领域

本发明涉及一种用于能拍摄运动图像和静止图像的照相机中的摄像装置。

背景技术

固体摄像元件是将入射的光信息转换为电信号并输出的元件，用于摄像机或数码静物照相机等中。在使用该固体摄像元件拍摄图像的情况下，如果增加像素数量，则可以获得更高的析像度的图像。近年来希望摄像机同数码静物照相机一样拍摄高析像度的静止图像的呼声越来越高，因此安装在摄像机中的固体摄像元件的像素数量逐年增加。

图6是表示现有的固体摄像元件的一部分的示意图，31是将入射光转换为电信号的光电转换元件，32是使从光电转换元件31输出的电荷在垂直方向上移位的垂直传送CCD(以下记为VCCD)，33是使从VCCD32传送来的电荷在水平方向上移位的水平转移CCD(以下记为HCCD)，34是将从HCCD33传送来的电荷进行放大并输出的放大器。

以下对现有的固体摄像元件的动作进行简单说明。首先，通过设置在外部的定时脉冲发生器在电视信号的1VD期间生成一个读出脉冲，在该读出脉冲的定时内，积蓄在各光电转换元件31内的电荷全部向相邻的VCCD32移位。

然后，VCCD32使来自各光电转换元件31的电荷一段一段地依次向HCCD32移位，VCCD32每移位一段电荷，HCCD33就通过放大器34将传送来的电荷全部输出。因此，HCCD33中的电荷移位速度应设定为，VCCD32每传送一段电荷，通过放大器34能将这些电荷全部输出的速度。

如上所述，积蓄在各光电转换元件31中的电荷一旦被传送到VCCD32，从VCCD32传送到HCCD33的电荷进一步在水平方向上移位，然后通过放大器34输出。其中，当光电转换元件31的水平方向和垂直方向的像素数量增加时，VCCD32和HCCD33的电荷移位的段数也增加。因此，如果增加光电转换元件31的像素数量，就必须相应地提高电荷移位所必需的时钟频率。

但是众所周知，当时钟频率升高时，会引起消耗功率增大和发热、信号的S/N劣化等问题。其中，作为使影响特别大的HCCD的电荷移位的时钟频率下降的固体摄像元件，如图7所示方式的固体摄像元件被提出。

在图7中，41是在水平方向和垂直方向上排列光电转换元件同时设置VCCD的像素区，42和43是使从像素区41传送来的电荷在水平方向上移位的HCCD，44和45是在从HCCD42和43输出的电荷的前面注入规定电平的基准信号的电荷注入装置，46和47将从电荷注入装置44和45输出的基准信号和电荷放大并输出的放大器。利用基准信号对在混合各信道的电荷前其间各信道的特性偏移进行补偿。

在如图7所示的固体摄像元件中，从像素区41的VCCD传送来的电荷被分散到HCCD42和HCCD43，通过各HCCD42和43在水平方向上移位，因此各HCCD42和43的电荷移位所必需的时钟与使用一个HCCD时相比，可以降低一半的速度。

但是，在如图7所示方式的固体摄像元件的情况下，一般随着固体摄像元件的像素数量增加，像素尺寸变小，当像素尺寸变小时，会出现电荷的传送效率恶化，对画质造成恶劣的影响的问题。

特别是在近年的摄像机中，包含光学系统的装置逐渐小型化，固体摄像元件也小型化到只有1/3英寸或1/4英寸。但是，如果在这样的小型固体摄像元件中配置多个光电转换元件，在当从像素区41的VCCD向HCCD43传送电荷时，电荷的传送效率恶化，对画质造成恶劣的影响。

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种摄像装置，即使对于超过100万像素的多像素固体摄像元件，也可以降低电荷传送时钟，并且可以进行良好画质的摄像。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的摄像装置，将在水平方向和垂直方向上呈矩阵状排列的多个光电转换元件中储存的光信号转换为电信号并输出，其特征在于，包括：

多个垂直CCD22，使从上述多个光电转换元件读出的电荷在垂直方向上移位；

多个斜向CCD23，使从上述多个垂直CCD传送来的电荷在倾斜方向上移位；以及

第一水平CCD，使从上述多个斜向CCD中的第一组多个斜向CCD传送来的电荷在第一水平方向上移位，通过第一输出单元输出；

第二水平CCD，使从上述多个斜向CCD中的第二组多个斜向CCD传送来的电荷在第二水平方向上移位，通过第二输出单元输出；

上述第一水平CCD的第一输出单元和上述第二水平CCD的第二输出单元设置在相对的位置上。

此外，本发明上述摄像装置进一步的特征在于，包括第一电荷注入装置，在从上述第一水平CCD的第一输出单元输出的第一输出信号的开头注入预定电平的基准电荷；以及，第二电荷注入装置，在从上述第二水平CCD的第二输出单元输出的第二输出信号的开头注入与上述预定电平相同电平的基准电荷。

此外，本发明的摄像装置其特征在于，还包括：

第一放大装置15a、2a，将通过上述第一电荷注入装置被注入基准电荷的上述第一输出信号进行放大；

第二放大装置15b、2b，将通过上述第二电荷注入装置被注入基准电荷的上述第二输出信号进行放大；以及

输出电平调整装置4，将上述第一放大装置输出的基准电荷和上述第二放大装置输出的基准电荷的电荷电平进行比较，将上述第一放大装置或上述第二放大装置中至少一个输出的信号电平进行放大或衰减，以使两个基准电荷的电荷电平相等，

将通过上述输出电平调整装置而进行电平调整的上述第一和第二输出信号进行合成，生成一个行信号。

此外，本发明的摄像装置其特征在于，上述第一和第二放大装置2a、2b使通过上述第一和第二电荷注入装置被输入基准电荷的上述第一和第二输出信号的基准电荷部分以固定的增益放大或衰减，另一方面，根据信号电平的可变增益，使上述基准电荷以外的部分放大或衰减。

附图说明

图1是用于说明本发明的摄像装置的示意图。

图2是表示固体摄像元件1的构成的简图。

图3是表示HCCD的电荷输出单元的示意图。

图4是表示CCD信号和基准信号的一个例子的示意图。

图5是表示比较调整装置4的一个构成例的示意图。

图6是表示现有的固体摄像元件的局部视图。

图7是表示现有的固体摄像元件的另一例的图。

具体实施方式

图1是用于说明本发明的摄像装置的示意图。1是固体摄像元件；2a和2b是CDS/AGC，用于对由固体摄像元件1输出的各信道的CCD信号进行除去噪声以及电平调整的处理；3a和3b是A/D转换器，用于将从CDS/AGC2a和2b输出的各信道的CCD信号转换为数字信号形态的CCD信号。

此外，4是比较调整装置，对从A/D转换器3a和3b输出的各信道的CCD信号进行比较，根据其结果进行电平调整；5是行转换装置，使从比较调整装置4输出的各CCD信号成为画面同一方向的CCD信号并输出；6是Y/C处理装置，对行转换装置5输出的CCD信号进行γ修正，并且进行孔径控制等的信号处理；7是定时脉冲发生器(TG)，向固体摄像元件1输出驱动脉冲；8是控制装置，控制如图1所示的各装置。

图2是表示固体摄像元件1的构成的简图。11a和11b是像素区，光电转换元件在水平方向和垂直方向上呈矩阵状排列，同时设置有VCCD；12a和12b是斜向移位区，使从像素区11a和11b的VCCD传送来的电荷在倾斜方向上移位；13a和13b是HCCD，使从斜向移位区12a和12b传送来的电荷在水平方向上移位；14a和14b是电荷注入装置，在刚好从HCCD13a和13b输出的电荷之前注入规定电平的基准信号；15a和15b是放大器，对从电荷注入装置14a和14b输出的基准信号和电荷进行放大并输出。

电荷注入装置14a和14b各自的构成，如图2所示，但也可以只设置一个基准信号发生器，同时在HCCD13a和放大器14a之间设置第一加法器、在HCCD13b和放大器14b之间设置第二加法器，使同一基准信号发生器所发生的基准信号一方面通过第一加法器输入，另一方面通过第二加法器输入，从而将输入到两个信道的基准信号的电平差抑制到最小限度。此外，在上述过程中，设置基准信号发生器，使从基准信号发生器到第一加法器的距离与从基准信号发生器到第二加法器的距离大致相等，由此可以将输入两个相等的基准信号的电位差抑制到最小限度。

图3是仅表示固体摄像元件1的HCCD13a和13b的电荷输出单元外围部分的示意图。在该图中，21是光电转换元件，将入射光转换为电信号并输出；22是VCCD，将从光电转换元件21输出的电荷在垂直方向上移位；23是斜向CCD，将从VCCD22传送来的电荷在倾斜方向上移位。如图3所示的光电转换元件21和VCCD22设置在如图2所示的像素区11a和11b内，如图3所示的斜向CCD23设置在如图2所示的斜向移位区12a和12b内。

此外，此处所示的摄像装置可以是能在电视信号的1VD期间输出一帧信号的所谓的逐行扫描方式的固体摄像元件，也可以是能在1VD期间输出半帧信号的所谓的隔行方式的固体摄像元件。此外，本说明书所称的1VD期间或1HD期间分别指NTSC方式的电视信号的半帧期间或水平扫描信号的一个水平扫描期间。

以下对本发明的摄像装置的动作进行说明。本发明的摄像装置可以拍摄静止图像和运动图像，以下对拍摄运动图像时的动作进行说明。

首先，如图1所示的控制装置7控制定时脉冲发生器7，定时脉冲发生器7向固体摄像元件1输出驱动脉冲。在该驱动脉冲中包含来自光电转换元件21的电荷读出脉冲、VCCD22的垂直传送脉冲、HCCD13a、13b的水平传送脉冲等。

当定时脉冲发生器7向固体摄像元件1输出读出脉冲时，积蓄在所有光电转换元件21中的电荷一齐被传送到相邻的VCCD22内，然后根据来自定时脉冲发生器7的垂直传送脉冲的定时，积蓄的电荷在HCCD13a和13b方向上被移位。

然后，从如图2所示的像素区11a内的VCCD22的输出单元输出的电荷被传送到斜向移位区12a内的斜向CCD23的输入段，从如图2所示的像素区11b内的VCCD22的输出单元输出单元电荷被传送到斜向移位区12b内的斜向CCD23的输入段。

此外，与HCCD22相同的垂直传送脉冲也被提供给斜向CCD23，从而根据垂直传送脉冲的定时，已传送到斜向CCD23的输入段的电荷在倾斜方向上被移位。然后，从斜向移位区12a内的斜向CCD23的输出单元输出的电荷被传送到HCCD13a，从斜向移位区12b内的斜向CCD23的输出单元输出的电荷被传送到HCCD13b。

这样，来自像素区11a的各光电转换元件21的电荷通过VCCD22、斜向CCD23被传送到HCCD13a，来自像素区11b的各光电转换元件21的电荷通过VCCD22、斜向CCD23被传送到HCCD13b。

虽然水平传送脉冲被分别提供给HCCD13a和HCCD13b，但这两个水平传送脉冲的相位是互不相同的。通过上述水平传送脉冲，HCCD13a内的电荷被向右侧移位，HCCD13b内的电荷被向左侧移位，但由于电荷注入装置14a和14b在一行电荷的前面输入规定电平的基准信号，所以放大器15a和15b输出的CCD信号成为如图4所示的波形。其中，通过电荷注入装置14a注入的基准信号和通过电荷注入装置14b注入的基准信号的信号电平被设为同一电平。

图4(a)是放大器15a输出的CCD信号的波形，图4(b)是放大器15b输出的CCD信号的波形，各波形的开头部分是基准信号。其中，像素区11b的电荷按照从画面左侧的像素向右侧的像素的顺序输出，而像素区11a的电荷按照从画面右侧的像素向左侧的像素的顺序输出。

因此，在像素区11a和像素区11b中电荷的读出顺序是不同的，但如图2所示，画面从中央被分为像素区11a和11b，而且从靠近画面中央一侧开始按照顺序读出电荷，所以像素区11a和像素区11b之间边界部分的水平方向的电荷传送段数是相同的。

即，由于靠近像素区11a的画面中央一侧的像素和靠近像素区11b的画面中央一侧的像素的电荷水平移动段数是相同的，所以可以防止由于画面中央的边界部分的电荷移动段数不同而造成的影像的不连续性。

放大器15a和15b输出的CCD信号，通过CDS/AGC2a和2b进行噪声除去和电平调整处理，然后模拟信号形态的CCD信号通过AD转换器3a和3b被转换为数字信号形态，然后被提供给比较调整装置4。

比较调整装置4对从A/D转换器3a和3b输出的CCD信号进行比较，然后调整CCD信号的电平，使两个信道的CCD信号的基准信号电平相等。具体地说，首先固定预定的一个信道的基准信号，然后调整CCD信号的电平，使另一个信道的基准信号与前一信道的相等。但不限定于此，当然也可以调整CCD信号的电平，使两个信道的基准信号等于预定的电平。

当通过比较调整装置4调整各信道的CCD信号的电平之后，CCD把信号提供给行转换装置5，与从像素区11a输出的CCD信号相关联，在行方向上左右反转。然后把如图4(c)所示的合成了各信道的CCD信号的CCD信号提供给Y/C处理装置6，进行γ处理或孔径控制等的处理。

在本发明的摄像装置中，如上所述，通过电荷注入装置14a和14b注入相同电平的电荷，然后通过比较调整装置4对其进行比较，由此可以抵消放大器15a和15b的特性偏移、CDS/AGC2a和2b之间的特性偏移、以及A/D转换器3a和3b之间的特性偏移。

但是，在CDS/AGC2a和2b的增益可以设定为从0dB(1倍)到+30dB(约32倍)，A/D转换器3a和3b的动态范围为1V的情况下，只要不把电荷注入装置14a和14b的电荷注入电平设定得，使从放大器15a和15b输出的基准信号的电平为1/32≈31.25mV以下，则可以有效地进行比较调整装置4的电平调整。

例如，当左右各个信道的A/D转换器的输入都超过1V时，各A/D转换器的输出都为1V，而与各信道的特性偏移无关，因此无法根据该信号进行各信道的电平调整。

另一方面，如果把电荷注入装置14a和14b的电荷注入电平设定得，使从放大器15a和15b输出的基准信号的电平为31.25mV以下，则虽然可以调整各信道的特性偏移，但是由于电荷输入电平微弱，所以容易受噪声等的影响，很可能无法在各信道之间正确地进行电平调整。

因此，在本发明的摄像装置中，对于固体摄像元件1输出的CCD信号的基准信号部分，将CDS/AGC2a和2b的增益固定为0dB(1倍)或3dB(约1.4倍)等较低的倍率，对于基准信号以外的部分，根据CCD信号的电平，比如在1VD期间内设定增益，由此可以高精度地调整两个信道之间的电路特性偏移。

图5是表示比较调整装置4的构成的一个例子的示意图。9a是放大器，用于放大从A/D转换器3a输出的CCD信号；9b是放大器，用于放大从A/D转换器3b输出的CCD信号；10a是取样保持装置(S/H)，用于保持通过放大器9a放大的CCD信号的值，并且将其输出；10b取样保持装置(S/H)，用于保持通过放大器9b放大的CCD信号的值，并且将其输出。

其中，取样保持装置10a和10b保持在CCD信号开头插入的基准信号部分的取样值，然后将其输出到控制装置8。然后，控制装置8调整放大器9a和9b的增益，使取样保持装置10a输出的取样值和取样保持装置10b输出的取样值相等。

如上所述，当使两个信道的CCD信号的电平变化时，需要设置放大器9a和放大器9b，但当例如固定了从A/D转换器3a输出的CCD信号的电平，而仅使从A/D转换器3b输出的CCD信号的电平变化时，就不必一定要设置放大器9a。

根据本发明的摄像装置，由于具有第一水平CCD和第二水平CCD，而且第一水平CCD的输出单元和第二水平CCD的输出单元设置在相对的位置上，所以不仅可以将用于水平CCD的电荷移位的时钟控制在低频，而且可以容易地向从各水平CCD输出的CCD信号中注入基准信号，调整从各水平CCD输出的CCD信号的电平。

此外，当放大从各水平CCD输出的CCD信号时，由于固定了基准信号部分的增益，而使基准信号以外的部分的增益可变，所以具有可以使注入的基准信号的信号电平相对较高，高精度地进行各信道之间的电平调整的效果。

Claims (4)

1.一种摄像装置，用于将在水平方向和垂直方向上呈矩阵状排列的多个光电转换元件中储存的光信号转换为电信号并输出，

其特征在于，包括：

多个垂直CCD，使从上述多个光电转换元件读出的电荷在垂直方向上移位；

多个斜向CCD，使从上述多个垂直CCD传送来的电荷在倾斜方向上移位；以及

第一水平CCD，使从上述多个斜向CCD中的第一组多个斜向CCD传送来的电荷在第一水平方向上移位，通过第一输出单元输出；

第二水平CCD，使从上述多个斜向CCD中的第二组多个斜向CCD传送来的电荷在第二水平方向上移位，通过第二输出单元输出；

上述第一水平CCD的第一输出单元和上述第二水平CCD的第二输出单元设置在相对的位置上。

2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，包括：

第一电荷注入装置，在从上述第一水平CCD的第一输出单元输出的第一输出信号的开头注入预定电平的基准电荷；以及

第二电荷注入装置，在从上述第二水平CCD的第二输出单元输出的第二输出信号的开头注入与上述预定电平相同电平的基准电荷。

3.根据权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，还包括：

第一放大装置，将通过上述第一电荷注入装置被注入基准电荷的上述第一输出信号进行放大；

第二放大装置，将通过上述第二电荷注入装置被注入基准电荷的上述第二输出信号进行放大；以及

输出电平调整装置，将上述第一放大装置输出的基准电荷和上述第二放大装置输出的基准电荷的电荷电平进行比较，将上述第一放大装置或上述第二放大装置中至少一个输出的信号电平进行放大或衰减，以使两个基准电荷的电荷电平相等，

将通过上述输出电平调整装置而进行电平调整的上述第一和第二输出信号进行合成，生成一个行信号。

4.根据权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，上述第一和第二放大装置使通过上述第一和第二电荷注入装置被输入基准电荷的上述第一和第二输出信号的基准电荷部分以固定的增益放大或衰减，另一方面，根据信号电平的可变增益，使上述基准电荷以外的部分放大或衰减。

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