JP2000224491A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明の発光周期が撮像素子の撮像周期に一致
していないとき、再生画面上のフリッカの発生を防止す
る。 【解決手段】 垂直タイミング発生回路１８は、１／３
００secの位相差を有する３種類の予備タイミング信号
ｆｔ１〜ｆｔ３を生成する。３進カウンタ１９の出力に
応答して切り換えられるセレクタ２０ａによって、予備
タイミング信号ｆｔ１〜ｆｔ３の１つ選択して取り出
し、フレーム転送タイミング信号ＦＴを生成する。フレ
ーム転送タイミング信号ＦＴは、フレーム転送のタイミ
ングを、第１の期間Ｖ１で１／３００sec早め、第２の
期間Ｖ２で２／３００sec早める。これにより、第１及
び第２の期間Ｖ１、Ｖ２が、照明の発光周期Ｔ１の３倍
に一致し、第３の期間Ｖ３が、照明の発光周期Ｔ１の４
倍に一致する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、周期発光する光源
の下で撮像動作を繰り返す固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子を用いた撮像装置において
は、固体撮像素子の露光状態を最適に保つように露光制
御手段が設けられる。この露光制御手段としては、固体
撮像素子に入射する光量を被写体の輝度に応じて制御す
る機械的な絞り機構や、固体撮像素子の電荷の蓄積時間
を被写体の輝度に応じて制御する、いわゆる電子シャッ
タなどが知られている。

【０００３】図４は、固体撮像素子とその駆動回路との
構成を示すブロック図であり、図５は、電子シャッタ動
作を説明するタイミング図である。この図においては、
フレーム転送方式の固体撮像素子を例示している。

【０００４】フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子１
は、受光部１ａ、蓄積部１ｂ、水平転送部１ｃ及び出力
部１ｄより構成される。受光部１ａは、垂直方向に連続
して互いに平行に配列される複数のシフトレジスタから
なり、これらのシフトレジスタの各ビットが複数の受光
画素を形成する。そして、各受光画素には、被写体映像
に対応して発生する情報電荷がそれぞれ蓄積される。蓄
積部１ｂは、受光部１ａの各シフトレジスタに連続する
複数のシフトレジスタからなり、各シフトレジスタのビ
ット数が受光部１ａのシフトレジスタのビット数に合わ
せて設定され、受光部１ａから転送出力される１画面分
の情報電荷を一時的に蓄積する。水平転送部１ｃは、蓄
積部１ｂの複数のシフトレジスタの各出力がそれぞれ各
ビットに接続される単一のシフトレジスタからなり、蓄
積部１ｂに蓄積される１画面分の情報電荷を１行単位で
受け取り順次転送出力する。そして、出力部１ｄは、電
気的に独立した容量及びその容量の電位変化を取り出す
アンプからなり、水平転送部１ｃからシリアルに出力さ
れる情報電荷を１画素単位で容量に受けて電圧値に変換
し、画像信号Ｙとして出力する。

【０００５】駆動回路２は、垂直クロック発生部２ａ、
蓄積クロック発生部２ｂ、水平クロック発生部２ｃ及び
基板クロック発生部２ｄより構成され、それぞれ単一の
発信源からの基準クロックによって動作する。垂直クロ
ック発生部２ａは、フレーム転送タイミング信号ＦＴに
応答し、垂直走査のブランキング期間内に受光部１ａの
情報電荷を素早く蓄積部１ｂへ転送するフレーム転送ク
ロックφfを受光部１ａに供給する。ここで、フレーム
転送タイミング信号ＦＴは、垂直同期信号ＶＤに同期す
るようにして生成されるものであり、固体撮像素子１の
撮像周期に一致する。蓄積クロック発生部２ｂは、フレ
ーム転送クロックφfによって転送される情報電荷を蓄
積部１ｂに取り込むと共に、取り込んだ１画面分の情報
電荷を水平同期信号ＨＤに従うタイミングで１行ずつ水
平転送部１ｃへ転送する蓄積クロックφSを蓄積部１ｂ
に供給する。水平クロック発生部２ｃは、１行毎に取り
込まれる情報電荷を、蓄積クロックφsと同様、水平同
期信号ＨＤに従うタイミングで順次出力部１ｄ側へ転送
する水平クロックφhを水平転送部１ｃに供給する。そ
して、基板クロック発生部２ｄは、シャッタタイミング
信号ＳＴに応答して垂直走査期間の途中で立ち上げられ
る基板クロックφbを固体撮像素子１のドレイン領域に
供給する。このドレイン領域は、通常、受光部１ａでオ
ーバーフローした電荷を吸収するものであるが、基板ク
ロックφbの作用によって、受光部１ａに蓄積された全
ての情報電荷を吸収することが可能である。これによ
り、基板クロックφbによる情報電荷の排出動作が完了
してからフレーム転送クロックφfによる情報電荷の転
送動作が開始されるまでの期間Ｌが情報電荷の蓄積時間
となる。シャッタタイミング信号ＳＴは、画像信号Ｙの
平均レベルを適正範囲に納めるようにして生成される。
即ち、画像信号Ｙの平均レベルが、適正範囲を超えたと
き、立ち下げのタイミングを遅らせて情報電荷の蓄積期
間Ｌを短くし、逆に、適正範囲に達しなかったとき、立
ち下げのタイミングを早めて蓄積時間Ｌを長くするよう
にしてシャッタタイミング信号ＳＴを生成するようにし
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】周期発光する光源の下
で撮像を行う場合、光源の発光周期と垂直走査周期との
ずれによってフリッカが発生する場合がある。例えば、
５０Ｈｚの交流電源によって発光する蛍光灯で照明され
た被写体を３０ｆｐｓのレートで撮像する場合、図５に
示すように、光源の発光周期Ｔ１が１／１００secとな
るのに対して垂直走査周期Ｔ２が１／３０secとなる。
画像信号Ｙのレベルは、光源の発光強度の積分値に比例
するため、光源の発光周期と垂直走査周期とのずれは、
画像信号Ｙのレベルが垂直走査期間単位でばらつくフリ
ッカの原因となる。このようなフリッカは、情報電荷の
蓄積期間Ｌが短いほど目立ちやすくなる。

【０００７】そこで本発明は、垂直走査周期、即ち、フ
レームレートが光源の発光周期に一致していない場合で
も、フリッカを発生させることなく固体撮像素子を連続
動作させることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するために成されたもので、その特徴とするところ
は、複数の受光画素が行列配置され、受光画素の各列に
対応して複数の垂直転送レジスタが配置されると共に、
複数の垂直転送レジスタの出力側に水平転送レジスタが
配置される固体撮像素子と、上記複数の受光画素に蓄積
される情報電荷を上記複数の垂直転送レジスタへ転送す
ると共に、上記複数の垂直転送レジスタから上記水平転
送レジスタを介して転送出力する駆動回路と、上記駆動
回路の各動作タイミングを設定する制御回路と、を備
え、周期発光する光源の下で撮像動作を繰り返して画像
信号を得る固体撮像装置であって、上記制御回路は、上
記光源の発光周期と上記画像信号の垂直走査周期との公
倍数周期の間に、上記受光画素から上記垂直転送レジス
タへの情報電荷の転送タイミングを上記光源の発光周期
の整数倍のタイミングに設定すると共に、上記垂直転送
レジスタから上記水平転送レジスタへの情報電荷の転送
開始のタイミングを上記画像信号の垂直走査周期の整数
倍のタイミングに設定することにある。

【０００９】本発明によれば、制御回路が、光源の発光
周期と画像信号の垂直走査周期との公倍数周期の間に、
情報電荷の読み出しのタイミングをずらして光源の発光
周期に合わせて撮像動作を繰り返すようにしたことで、
情報電荷の蓄積期間中の光源の発光状態が全ての期間で
統一される。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体撮像装置の
第１の実施形態を示すブロック図であり、図２は、その
動作を説明するタイミング図である。この図において
は、垂直走査周期を１／３０secとし、光源の発光周期
を１／１００secとした場合を例示している。このと
き、垂直走査周期と光源の発光周期との最小公倍数周期
は１／１０secであり、固体撮像素子の動作タイミング
は、その最小公倍数周期毎、即ち、第１〜第３の期間Ｖ
１〜Ｖ３からなる３周期単位で設定される。

【００１１】フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子１
１は、図４に示す固体撮像素子１と同様に、受光部１１
ａ、蓄積部１１ｂ、水平転送部１１ｃ及び出力部１１ｄ
より構成される。このＣＣＤ１１においては、複数の受
光画素が行列配置される受光部１１ａに蓄積される情報
電荷が１画面単位で蓄積部１１ｂへ転送された後、蓄積
部１１ｂから水平転送部１１ｃを介して１行単位で転送
出力される。このとき、水平転送部１１ｃの出力側に配
置される出力部１ｄにおいて、情報電荷が１画素単位で
電圧値に変換され、画像信号Ｙとして出力される。

【００１２】駆動回路１２は、垂直クロック発生部１２
ａ、蓄積クロック発生部１２ｂ、水平クロック発生部１
２ｃ及び基板クロック発生部１２ｄより構成される。垂
直クロック発生部１２ａは、フレーム転送タイミング信
号ＦＴに応答して、受光部１１ａの情報電荷を素早く蓄
積部１１ｂへ転送するフレーム転送クロックφfを発生
する。蓄積クロック発生部１２ｂは、フレーム転送クロ
ックφfによって転送される情報電荷を蓄積部１１ｂに
取り込むと共に、取り込んだ１画面分の情報電荷を水平
同期信号ＨＤに従うタイミングで１行ずつ水平転送部１
１ｃへ転送する蓄積クロックφSを発生する。水平クロ
ック発生部１２ｃは、１行毎に取り込まれる情報電荷
を、蓄積クロックφsと同様、水平同期信号ＨＤに従う
タイミングで順次出力部１１ｄ側へ転送する水平クロッ
クφhを発生する。そして、基板クロック発生部１２ｄ
は、シャッタタイミング信号ＳＴに応答して垂直走査期
間の途中で立ち上げられる基板クロックφbを発生す
る。この駆動回路１２において生成されるフレーム転送
クロックφf、蓄積クロックφS及び水平クロックφh
は、ＣＣＤ１の各部に供給され、基板クロックφbは、
ＣＣＤ１のドレイン領域に供給される。

【００１３】露光判定回路１３は、ＣＣＤ１１から出力
される画像信号Ｙを垂直走査期間単位で積分し、その積
分値を、適正露光範囲に対応して設定される基準値と比
較することにより、ＣＣＤ１１の露光状態を判定する。
例えば、画像信号Ｙの垂直走査期間毎の積分値が、適正
露光範囲の上限値を越えていると、ＣＣＤ１１が過剰露
光状態にあると判定し、下限値に達していないと、ＣＣ
Ｄ１１が露光不足の状態にあると判定する。シャッタタ
イミングレジスタ１４は、シャッタタイミング信号ＳＴ
の立ち上がりのタイミングを数値的に記憶するものであ
り、その数値が露光判定回路１３の判定結果に応答して
増減される。比較器１５は、シャッタタイミングレジス
タ１４に保持された値と、後述するカウンタ１６のカウ
ント値とを比較し、それらの値が一致するタイミングで
シャッタタイミング信号ＳＴを立ち上げる。カウンタ１
６は、セレクタ２０ａから供給されるリセット信号ＣＲ
に応答してリセットされ、水平同期信号ＨＤをカウント
する。即ち、カウンタ１６は、各垂直走査期間におい
て、リセット信号ＣＲの立ち上がりを基準として、水平
走査線番号をカウントする。これにより、シャッタタイ
ミング信号ＳＴは、露光判定回路１３による判定結果に
応じて増減されるシャッタタイミングレジスタ１４の値
に、水平走査期間毎にインクリメントされるカウンタ１
６のカウント値が一致したときに立ち上げられる。

【００１４】水平タイミング発生回路１７は、一定周期
の基準クロックＣＫを分周することにより、ＣＣＤ１１
の水平走査周期を決定する水平同期信号ＨＤを生成す
る。この水平タイミング発生回路１７においては、第１
〜第３の期間Ｖ１〜Ｖ３に関係なく常に同じタイミング
で動作する。垂直タイミング発生回路１８は、基準クロ
ックＣＫまたは水平同期信号ＨＤを分周することによ
り、ＣＣＤ１１の垂直走査周期、即ち、撮像周期を決定
する垂直同期信号ＶＤを生成する。さらに、垂直タイミ
ング発生回路１７は、フレーム転送タイミング信号ＦＴ
を生成するための３種類の予備タイミング信号ｆｔ１〜
ｆｔ３及びカウンタ１６をリセットするリセット信号Ｃ
Ｒを生成するための予備タイミング信号ｃｒ１〜ｃｒ３
を生成する。ここで、第１の予備タイミング信号ｆｔ１
は、その立ち下がりのタイミングが、垂直同期信号ＶＤ
の立ち下がりのタイミングに一致しており、第２及び第
３の予備タイミング信号ｆｔ２、ｆｔ３は、その立ち下
がりのタイミングが、垂直走査信号ＶＤの立ち下がりに
対してそれぞれ１／３００sec及び２／３００secだけ早
く設定される。そして、第１の予備タイミング信号ｆｔ
１の立ち下がりのタイミングを、第１の期間Ｖ１で光源
が最も暗くなるタイミングに一致させた場合、第２及び
第３の予備タイミング信号ｆｔ２、ｆｔ３の立ち下がり
のタイミングは、第２及び第３の期間Ｖ２、Ｖ３で光源
が最も暗くなるタイミングにそれぞれ一致するようにな
る。そして、予備タイミング信号ｃｒ１〜ｃｒ３は、予
備タイミング信号ｆｔ１〜ｆｔ３に対して、それぞれ一
定の位相差を維持する。

【００１５】３進カウンタ１９は、垂直同期信号ＶＤを
カウントし、３カウント毎にリセットされて、第１〜第
３の期間Ｖ１〜Ｖ３を設定する。第１のセレクタ２０ａ
は、予備タイミング信号ｆｔ１〜ｆｔ３を取り込み、３
進カウンタ１９の出力に応答して、垂直走査期間毎に予
備タイミング信号ｆｔ１〜ｆｔ３を順次切り換えて取り
出し、フレーム転送タイミング信号ＦＴを生成する。即
ち、３進カウンタ１９が「１」を示している間は第１の
予備タイミング信号ｆｔ１を選択し、「２」及び「３」
を示している間は第２及び第３のタイミング信号ｆｔ
２、ｆｔ３を選択することで、第１〜第３の期間Ｖ１〜
Ｖ３でそれぞれ固有のタイミングを有するフレーム転送
タイミング信号ＦＴが生成される。第２のセレクタ２０
ｂは、予備タイミング信号ｃｒ１〜ｃｒ３を取り込み、
第１のセレクタ２０ａと同様に、３進カウンタ１９の出
力に応答して予備タイミング信号ｃｒ１〜ｃｒ３を順次
切り換えて取り出すことにより、リセット信号ＣＲを生
成する。

【００１６】以上の固体撮像装置は、第１〜第３の期間
Ｖ１〜Ｖ３において、以下のような動作を示す。第１の
期間Ｖ１では、垂直走査信号ＶＤと同じタイミングでフ
レーム転送トリガＦＴが立ち下げられ、フレーム転送ク
ロックφfが起動される。そして、フレーム転送トリガ
ＦＴの次の立ち上げのタイミングが、垂直走査信号ＶＤ
の立ち下がりに対して１／３００sec早められているた
め、フレーム転送トリガＦＴの周期（１／３０−１／３
００＝３／１００sec）が発光周期Ｔ１の３倍（３／１
００sec）に一致することになる。第２の期間Ｖ２で
は、垂直走査信号ＶＤに対して１／３００secだけ早い
タイミングでフレーム転送トリガＦＴが立ち下げられ、
フレーム転送クロックφfが起動される。そして、フレ
ーム転送トリガＦＴの次の立ち上げのタイミングが垂直
走査信号ＶＤの立ち下がりに対して２／３００sec早め
られているため、第１の期間Ｖ１と同様に、フレーム転
送トリガＦＴの周期が発光周期Ｔ１の３倍に一致するよ
うになる。第３の期間Ｖ３では、垂直走査信号ＶＤに対
して２／３００secだけ早いタイミングでフレーム転送
トリガＦＴが立ち下げられ、フレーム転送クロックφf
を起動させる。そして、フレーム転送トリガＦＴの次の
立ち上げのタイミングを垂直走査信号ＶＤの立ち下がり
に一致しており、フレーム転送トリガＦＴの周期（１／
３０＋２／３００＝４／１００sec）が発光周期Ｔ１の
４倍（４／１００sec）に一致することになる。

【００１７】尚、第１〜第３の期間Ｖ１〜Ｖ３におい
て、シャッタトリガＳＴは、リセット信号ＣＲの立ち下
がりのタイミングから次のフレーム転送の直前までの期
間Ｌの間でそれぞれ立ち上げのタイミングが設定され
る。また、第１〜第３の期間Ｖ１〜Ｖ３の水平転送につ
いては、垂直走査信号ＶＤの立ち下がりのタイミングに
従って映像成分の出力を開始し、次のフレーム転送トリ
ガＦＴの立ち下がりよりも前に１画面分の出力を完了さ
せるようにタイミングが設定される。これにより、画像
信号Ｙの映像成分は、各期間Ｖ１〜Ｖ２内で１画面分が
表されることになる。

【００１８】従って、照明の発光周期と撮像素子の撮像
周期（垂直走査周期）とが一致していないときでも、シ
ャッタトリガＳＴの可変期間を照明の発光周期Ｔ１の３
倍とすることができる。同時に、全ての期間において、
フレーム転送トリガＦＴの立ち下がりのタイミングにお
ける照明の発光輝度が常に一定となるため、シャッタト
リガＳＴの立ち上がりからフレーム転送トリガＦＴの立
ち下がりまでの期間が一致している限り、同じ照明条件
で撮像が行われる。

【００１９】図３は、本発明の固体撮像装置の第２の実
施形態を示すブロック図である。この図において、ＣＣ
Ｄ１１、駆動回路１２及び露光判定回路１３からカウン
タ１６までの構成は、図１と同一であり、説明は省略す
る。

【００２０】水平タイミング発生回路２１は、一定周期
の基準クロックＣＫを分周し、ＣＣＤ１１の水平走査周
期を決定する水平同期信号ＨＤを生成する。この水平タ
イミング発生回路２１は、１水平走査期間単位で動作す
る。垂直タイミング発生回路２２は、基準クロックＣＫ
または水平同期信号ＨＤを分周し、ＣＣＤ１１の垂直走
査周期を決定する垂直同期信号ＶＤを生成する。この垂
直タイミング発生回路２２は、垂直走査周期の３倍の周
期で動作し、均等な間隔で立ち下がりが設定される垂直
同期信号ＶＤと共に、立ち下がりのタイミングが１／３
００secずつ早められるフレーム転送タイミング信号Ｆ
Ｔ及びリセット信号ＣＲを生成する。即ち、図２に示す
ように、第１の期間Ｖ１に垂直同期信号ＶＤに一致し、
第２及び第３の期間Ｖ２、Ｖ３に、それぞれ１／３００
sec及び２／３００secだけタイミングが早められたフレ
ーム転送タイミング信号ＦＴが生成される。そして、フ
レーム転送タイミング信号ＦＴに対して一定の位相差を
維持するリセット信号ＣＲが生成される。

【００２１】この第２の実施形態においても、第１の実
施形態と同様に、照明の発光周期と垂直走査周期とが一
致していないときでも、フレーム転送トリガＦＴの立ち
下がりのタイミングにおける光源の発光状態が常に均一
になる。従って、露光時間Ｌが一定であれば、全ての垂
直走査期間において、同じ照明条件で撮像が行われる。

【００２２】以上の実施形態においては、照明の発光周
期を１／１００sec、撮像素子の撮像周期を１／３０sec
とする場合を例示したが、これ以外の周期においても適
用可能である。例えば、照明の発光周期が１／１２０se
cで、撮像素子の撮像周期が１／２５となる場合、その
最小公倍数となる１／５secの間に、撮像素子の駆動タ
イミングを垂直走査信号の各タイミングに対して１／１
５０secずつずらすようにして５周期毎に設定すればよ
い。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、撮像素子の撮像周期と
照明の発光周期とがずれている場合であっても、全ての
期間の撮像動作において、照明の発光状態を均一にする
ことができる。従って、光源の点滅に起因する画像信号
のレベルのばらつきをなくすことができ、再生画面上で
フリッカの発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像装置の第１の実施形態を示す
ブロック図である。

【図２】本発明の固体撮像装置の動作を説明するタイミ
ング図である。

【図３】本発明の固体撮像装置の第２の実施形態を示す
ブロック図である。

【図４】従来の固体撮像装置の構成を示すブロック図で
ある。

【図５】従来の固体撮像装置の動作を説明するタイミン
グ図である。

【符号の説明】

１、１１ ＣＣＤ固体撮像素子 １ａ、１１ａ 受光部 １ｂ、１１ｂ 蓄積部 １ｃ、１１ｃ 水平転送部 １ｄ、１１ｄ 出力部 ２、１２ クロック発生回路 ２ａ、１２ａ 垂直クロック発生部 ２ｂ、１２ｂ 蓄積クロック発生部 ２ｃ、１２ｃ 水平クロック発生部 ２ｄ、１２ｄ 基板クロック発生部 １３ 露光判定回路 １４ シャッタタイミングレジスタ １５ 比較器 １６ カウンタ １７、２１ 水平タイミング発生回路 １８、２２ 垂直タイミング発生回路 １９ ３進カウンタ ２０ａ、２０ｂ セレクタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の受光画素が行列配置され、受光画
   素の各列に対応して複数の垂直転送レジスタが配置され
   ると共に、複数の垂直転送レジスタの出力側に水平転送
   レジスタが配置される固体撮像素子と、上記複数の受光
   画素に蓄積される情報電荷を上記複数の垂直転送レジス
   タへ転送すると共に、上記複数の垂直転送レジスタから
   上記水平転送レジスタを介して転送出力する駆動回路
   と、上記駆動回路の各動作タイミングを設定する制御回
   路と、を備え、周期発光する光源の下で撮像動作を繰り
   返して画像信号を得る固体撮像装置であって、上記制御
   回路は、上記光源の発光周期と上記画像信号の垂直走査
   周期との公倍数周期の間に、上記受光画素から上記垂直
   転送レジスタへの情報電荷の転送タイミングを上記光源
   の発光周期の整数倍のタイミングに設定すると共に、上
   記垂直転送レジスタから上記水平転送レジスタへの情報
   電荷の転送開始のタイミングを上記画像信号の垂直走査
   周期の整数倍のタイミングに設定することを特徴とする
   固体撮像装置。
2. 【請求項２】 上記制御回路は、上記光源の発光周期と
   上記画像信号の垂直走査周期との公倍数周期の間に、上
   記画像信号の垂直走査周期でカウント動作を繰り返すカ
   ウンタと、一定周期のクロックを分周して水平走査周期
   のタイミング信号を生成する水平タイミング発生部と、
   上記一定周期のクロックまたは上記水平タイミング信号
   を分周して複数の垂直走査周期のタイミング信号を発生
   する垂直タイミング発生部と、上記カウンタのカウント
   値に応答して上記複数の垂直タイミング信号の内の１つ
   を選択して上記駆動回路に与えるセレクタと、を含むこ
   とを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 上記制御回路は、一定周期のクロックを
   分周して水平走査周期のタイミング信号を生成する水平
   タイミング発生部と、上記光源の発光周期と上記画像信
   号の垂直走査周期との公倍数周期で動作し、上記一定周
   期のクロックまたは上記水平タイミング信号を分周して
   上記公倍数周期の間に複数の垂直走査タイミングを設定
   するタイミング信号を発生する垂直タイミング発生部
   と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像
   装置。