JP2001008113A - 固体撮像素子の駆動方法および固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フレーム間引きを必要とすることなく、しか
も画質劣化を招くこともなく、映像信号のフレームレー
トを所望の値に低下させる。 【解決手段】 固体撮像素子から得られる所定単位の映
像信号の出力開始から出力終了までに、走査期間と帰線
期間とに加えて前記固体撮像素子からの映像信号を出力
しない空映像信号期間を追加するように前記固体撮像素
子に駆動信号を与え、その空映像信号期間の分だけフレ
ームレートを低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子の駆
動方法および固体撮像装置に関し、特に電荷転送型撮像
素子やＸ−Ｙアドレス型撮像素子などの固体撮像素子の
駆動方法およびその方法を用いた固体撮像装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ（Charge Coupled Device)イメー
ジセンサに代表される電荷転送型撮像素子やＣＭＯＳ
（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)イメージ
センサに代表されるＸ−Ｙアドレス型撮像素子などの固
体撮像素子の駆動に際しては、垂直転送パルスや水平転
送パルスなどの各種の駆動信号が用いられる。これらの
駆動信号は、固体撮像素子を駆動するための駆動タイミ
ング発生器において生成される。

【０００３】したがって、例えば固体撮像素子を用いて
撮像デバイスとして機能する固体撮像装置を構成する場
合には、図３に示すように、その固体撮像装置に、固体
撮像素子１１、被写体からの入射光を取り込んでその固
体撮像素子１１の撮像面上に結像させる光学レンズ１２
および固体撮像素子１１の出力信号に所定の信号処理を
行う信号処理回路１３の他、固体撮像素子１１に駆動信
号を与える駆動タイミング発生器１４を搭載する必要が
ある。

【０００４】このような固体撮像装置に用いられる駆動
タイミング発生器１４は、一般に、ＮＴＳＣ（National
Television System Committee）やＰＡＬ（Phase Alte
rnating by Line)といった放送方式の信号フォーマット
を満たすように、固体撮像素子１１を駆動する。

【０００５】詳しくは、例えば図４に示すように、各画
素の情報が映像情報として導出される有効画素領域２１
と、この有効画素領域２１の上下左右に受光面が遮光さ
れた状態で配されたオプティカルブラック（光学的黒）
領域２２とを有した画素構成の固体撮像素子１１を駆動
する場合に、駆動タイミング発生器１４は、図５に示す
ようなタイミングで各種の駆動信号を発生させ、これら
を順次固体撮像素子１１に与える。すなわち、例えば水
平転送パルスφＨ１，φＨ２であれば７８０ｆＨ（約１
２．２７ＭＨｚ）の駆動周波数で発生させ、また予め定
められたクロックカウント（例えば７８０）およびライ
ンカウント（例えば５２５）で水平同期パルスＨＤおよ
び垂直同期パルスＶＤを終了する。これにより、駆動タ
イミング発生器１４は、固体撮像素子１１から３０フレ
ーム／秒（Frame Per Sec.；以下「ＦＰＳ」と略す）の
映像信号が得られるようにする。なお、駆動信号として
は、水平転送パルスφＨ１，φＨ２、水平同期パルスＨ
Ｄ、垂直同期パルスＶＤの他に、図例のように、垂直転
送パルスφＶ１〜φＶ３や読出転送パルスＸＳＧなども
挙げられる。

【０００６】このような駆動タイミング発生器１４によ
る駆動によって、固体撮像素子１１から得られる映像信
号は、放送方式の信号フォーマットに準拠したもの、す
なわち図６に示すように、１フレーム内の信号が、有効
な映像信号が出力される走査期間（有効映像信号期間）
３１と、垂直同期期間３２および水平同期期間３３から
なる帰線期間（画像には現れない期間）とに分割された
ものとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、固体
撮像装置には、例えばパーソナルコンピュータ等の情報
処理装置に接続された状態で利用されるカメラ（以下
「ＰＣカメラ」と称す）に搭載されたもののように、放
送方式の信号フォーマットに捕らわれず、フリーな信号
フォーマットに対応するものがある。したがって、この
ようなＰＣカメラ等においては、放送方式の信号フォー
マットよりもフレームレートを低下させることによっ
て、撮像感度の向上を図ることができるようになる。

【０００８】しかしながら、従来の一般的な固体撮像素
子１１は、放送方式の信号フォーマットに準拠した撮像
条件で最良の特性が実現できるように構成されているた
め、撮像感度向上を図るべくフレームレートを低下しよ
うとすると、以下に述べるような難点が生じてしまうお
それがある。

【０００９】例えば、映像信号のフレームレートを低下
させる方法としては、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Acces
s Memory）等の記憶装置でフィールドメモリを構成し
て、固体撮像素子で得られた映像信号に対しフレーム間
引きを行うことが考えられるが、この場合にはＤＲＡＭ
等の記憶装置を追加して搭載する必要があるため、これ
に伴って装置構成が複雑化してしまうとともに、その記
憶装置を制御するための処理（または制御装置）も必要
になってしまう。

【００１０】また、これとは別に、固体撮像素子１１か
らの出力信号の一部を信号処理回路１３で処理しないよ
うにすることで、フレーム間引きと同等の効果を得るこ
とも考えられるが、このように信号処理にてフレーム間
引きを実現する場合には、特殊な信号処理が必要になっ
てしまうため、信号処理回路１３がそのまま使用できな
くなってしまう。

【００１１】さらには、固体撮像素子１１の駆動周波数
を低下させることによって、その固体撮像素子１１から
得られる映像信号のフレームレートを低下させることも
考えられるが、固体撮像素子１１の駆動周波数を低下さ
せてしまうと、その固体撮像素子１１に溜まる暗電流が
ノイズの要因となってしまい、結果として映像信号の画
質劣化を招いてしまうおそれがある。

【００１２】そこで、本発明は、上述した事情を鑑み
て、フレーム間引きを必要とすることなく、しかも画質
劣化を招くこともなく、所望の映像信号のフレームレー
トを得ることのできる固体撮像素子の駆動方法および固
体撮像装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために案出された方法で、固体撮像素子から得ら
れる所定単位の映像信号がその出力開始から出力終了ま
でに走査期間と帰線期間とを含むように当該固体撮像素
子に駆動信号を与える固体撮像素子の駆動方法におい
て、前記所定単位毎に前記固体撮像素子の水平方向と垂
直方向との両方または少なくとも一方について前記固体
撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を
追加することを特徴とする。

【００１４】また、本発明は、上記目的を達成するため
に案出されたもので、固体撮像素子と、その固体撮像素
子の駆動回路とを備えるとともに、前記固体撮像素子か
ら得られる所定単位の映像信号がその出力開始から出力
終了までに走査期間と帰線期間とを含むように前記駆動
回路が前記固体撮像素子に駆動信号を与える固体撮像装
置において、前記所定単位毎に前記固体撮像素子の水平
方向と垂直方向との両方または少なくとも一方について
前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信
号期間を追加した駆動信号を生成する信号生成手段を備
えることを特徴とする。

【００１５】上記手順の駆動方法または上記構成の固体
撮像装置によれば、固体撮像素子から得られる映像信号
には、その所定単位毎に、走査期間と帰線期間とに加え
て、空映像信号期間が追加される。このときの所定単位
としては、例えば映像信号の１フレーム分が考えられ
る。したがって、例えば１フレーム分の映像信号の出力
開始から出力終了までの間は、空映像信号期間が追加さ
れた分だけ、その期間が長くなることになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明に係る
固体撮像素子の駆動方法および固体撮像装置について説
明する。図１は、本実施の形態における固体撮像素子の
各種の駆動信号を示すタイミングチャートであり、図２
は、本実施の形態における１フレーム分の映像信号の分
割状態を示す概念図である。

【００１７】ここで、本実施の形態における駆動方法お
よび固体撮像装置の説明に先立ち、その駆動方法駆動さ
れる固体撮像素子、すなわちその固体撮像装置が備える
固体撮像素子について説明する。なお、ここでは、固体
撮像素子としてＶＧＡ（Video Graphics Array）画素撮
像用ＣＣＤイメージセンサを駆動する場合を例に挙げて
説明する。

【００１８】このＣＣＤイメージセンサは、既に説明し
た場合と同様に、図４のような画素構成を持つ。すなわ
ち、有効画素領域２１の上下左右にオプティカルブラッ
ク領域２２を有し、さらにその左側および上側にダミー
ビット領域（ただし不図示）を有している。有効画素領
域２１は、その有効画素が６５９（Ｈ）×４９４（Ｖ）
となっている。また、オプティカルブラック領域２２
は、水平方向が前２画素、後３１画素、垂直方向が前８
画素、後２画素となっている。さらに、ダミービット領
域は、前側のオプティカルブラックの前に水平方向が１
６画素、垂直方向が前５画素となっている。このうち、
オプティカルブラック領域２２では各画素の受光面が遮
光されていることから、当該領域２２の各画素の情報が
黒レベルとして導出され、この黒レベルが後段の信号処
理系で固体撮像素子の出力信号を処理する際の基準とな
る。

【００１９】なお、固体撮像素子は、ＶＧＡ画素撮像用
ＣＣＤイメージセンサに限定されるものではなく、他の
固体撮像素子、例えばＸ−Ｙアドレス型のＣＭＯＳイメ
ージセンサ等であってもよいことは勿論である。

【００２０】このような画素構成のＣＣＤイメージセン
サ（固体撮像素子）の撮像面上には、既に説明した従来
の場合と同様（図３参照）に、レンズ等を含む光学系を
通して被写体からの入射光（像光）が結像される。そし
て、ＣＣＤイメージセンサがその入射光を電気的な出力
信号に変換すると、その出力信号は、後段の信号処理回
路でＣＤＳ（相関二重サンプリング）、ダミークラン
プ、オプティカルブラッククランプなどの種々の信号処
理が施され、その処理を経て映像信号として出力され
る。

【００２１】このときに、ＣＣＤイメージセンサは、駆
動タイミング発生器で発生される水平転送パルスや垂直
転送パルス等の各種の駆動信号によって駆動されるが、
この駆動タイミング発生器が発生する駆動信号が、既に
説明した従来の場合とは異なっている。つまり、本実施
の形態における駆動タイミング発生器は、ＣＣＤイメー
ジセンサに与える駆動信号に特徴がある。なお、駆動タ
イミング発生器が発生する各種の駆動信号は、後段の信
号処理回路が信号処理を行う際の同期信号としても用い
られる。

【００２２】ここで、本実施の形態の駆動タイミング発
生器が発生する駆動信号について、図１に示す各種の駆
動信号のうち、２相の水平転送パルスφＨ１，φＨ２を
例に挙げて説明する。

【００２３】水平転送パルスφＨ１，φＨ２は、図４の
画素構成において、垂直および水平の両方向共に、ダミ
ービット領域、オプティカルブラック領域２２および有
効画素領域２１の各画素の電荷を転送する必要があるこ
とから、これらの期間で発生する必要がある駆動信号で
ある。これら水平転送パルスφＨ１，φＨ２の駆動周波
数は、既に説明した従来の場合と同様に（図５参照）、
ＣＣＤイメージセンサが放送方式の信号フォーマットに
準拠することを考慮して、７８０ｆＨ（約１２．２７Ｍ
Ｈｚ）であるものとする。ただし、この駆動周波数は、
従来と厳密に一致する必要はなく、ＣＣＤイメージセン
サの特性を十分に引き出せるものならば、どのような周
波数でも構わない。

【００２４】このような水平転送パルスφＨ１，φＨ２
を発生させるのにあたり、駆動タイミング発生器は、例
えば水平方向であれば、クロックカウントの０カウント
位置（１フレーム開始点）から水平ブランキング期間カ
ウント数が過ぎると（例えば０〜１００）、水平転送パ
ルスφＨ１，φＨ２の発生を開始する。

【００２５】この水平転送パルスφＨ１，φＨ２発生開
始までの期間は、図２に示すように、水平方向の帰線
（ブランキング）期間、すなわち映像信号１フレーム分
の中の水平同期期間１に相当する。

【００２６】その後、駆動タイミング発生器は、図１に
示すように、水平ダミービット数（例えば１６画素
分）、水平フロントオプティカルブラック画素数（例え
ば２画素分）、水平有効画素数（例えば６５９画素分）
および水平リアオプティカルブラック画素数（例えば３
１画素分）が過ぎるまで、水平転送パルスφＨ１，φＨ
２を発生し続ける。

【００２７】この水平ダミービット開始からオプティカ
ルブラック終了までの期間は、図２に示すように、水平
方向の走査期間、すなわち映像信号１フレーム分の中の
有効映像信号期間２に相当する。したがって、この期間
内にＣＣＤイメージセンサから得られた出力信号は、そ
の後段の信号処理回路にて処理が行われた後に、映像信
号として固体撮像装置の外部へ出力される。

【００２８】有効映像信号期間２が終了すると、従来
（放送方式の信号フォーマットに対応する場合）は、水
平転送パルスφＨ１，φＨ２の発生を終了している（図
５，６参照）。ところが、本実施の形態の駆動タイミン
グ発生器は、図１に示すように、水平同期パルスＨＤが
立ち下がり（図中のＡ点）まで、水平転送パルスφＨ
１，φＨ２を発生し続ける。

【００２９】ただし、この間は、水平転送パルスφＨ
１，φＨ２を発生し続けても、ＣＣＤイメージセンサの
垂直ＣＣＤレジスタから転送されてくる電荷がないの
で、後段の信号処理回路への出力信号の出力も無いこと
になる。つまり、水平同期パルスＨＤが立ち下がり（Ａ
点）までの期間は、図２に示すように、水平方向の映像
信号が出力されない期間、すなわち映像信号１フレーム
分の中の水平空映像信号期間３に相当する。

【００３０】しかも、水平同期パルスＨＤは、その終了
点が従来（放送方式の信号フォーマットに対応する場
合）と異なっている。水平同期パルスＨＤが立ち下がる
点は、そのカウント数（位置）が例えば駆動タイミング
発生器内のレジスタに予め設定されているが、その値が
少なくとも放送方式の信号フォーマットに対応する場合
（例えば７８０）以上に設定されている。

【００３１】そして、水平同期パルスＨＤが立ち下がる
と、駆動タイミング発生器は、水平転送パルスφＨ１，
φＨ２の発生を終了した後、再び次のラインについて上
述と同様の駆動信号を生成する。

【００３２】これは、垂直方向についても同様である。
すなわち、駆動タイミング発生器は、ラインカウントの
０カウント位置から垂直ブランキング期間カウント数が
過ぎるまでの帰線期間（垂直同期期間４に相当）の後
を、水平転送パルスφＨ１，φＨ２を発生させる走査期
間（有効映像信号期間２に相当）とする。そして、有効
映像信号期間２の終了後から垂直同期パルスＶＤの立ち
下がり（図１中のＢ点）までの期間を、垂直方向の映像
信号が出力されない期間、すなわち垂直空映像信号期間
５とする。しかも、その垂直同期パルスＶＤの終了点
（Ｂ点）は、その値が少なくとも放送方式の信号フォー
マットに対応する場合（例えば５２５）以上に設定され
ている。

【００３３】駆動タイミング発生器は、以上のようなＣ
ＣＤイメージセンサの駆動を、映像信号の１フレーム毎
に繰り返す。

【００３４】つまり、駆動タイミング発生器からＣＣＤ
イメージセンサに与えられる駆動信号は、垂水平同期パ
ルスＨＤの終了点（Ａ点）および垂直同期パルスＶＤの
終了点（Ｂ点）が従来（放送方式の信号フォーマットに
対応する場合）と異なっており、それぞれが少なくとも
従来より遅い時点にある。これにより、ＣＣＤイメージ
センサから得られる映像信号には、その１フレーム毎
に、水平同期期間１、有効映像信号期間２および垂直同
期期間４に加えて、水平空映像信号期間３および垂直空
映像信号期間５が追加されることになる。よって、１フ
レーム分の映像信号の出力開始から出力終了までの間
は、水平空映像信号期間３および垂直空映像信号期間５
が追加された分だけ、その期間が長くなる。

【００３５】１フレーム分の映像信号の出力開始から出
力終了までの間が長くなれば、映像信号のフレームレー
トは、当然に低下する。したがって、本実施の形態の駆
動タイミング発生器を用いてＣＣＤイメージセンサを駆
動すれば、垂水平同期パルスＨＤの終了点（Ａ点）およ
び垂直同期パルスＶＤの終了点（Ｂ点）の設定に応じ
て、そのＣＣＤイメージセンサからの映像信号のフレー
ムレートを所望の値に低下させることができる。その一
例として、ＣＣＤイメージセンサから１５ＦＰＳの映像
信号を得るためには、例えばＡ点を７８０とし、Ｂ点を
１０３０とすればよい。

【００３６】このように、本実施の形態の駆動タイミン
グ発生器が発生させる駆動信号によれば、映像信号のフ
レームレートを低下させるのにあたって、フレーム間引
きを行うためにＤＲＡＭ等の記憶装置を追加して搭載し
たり、フレーム間引きと同等の効果を得るために特殊な
信号処理を行ったり、ＣＣＤイメージセンサの駆動周波
数を低下させたりする必要がない。そのため、装置構成
が複雑化したり、既存の信号処理を変更したり、駆動周
波数の低下に伴う画質劣化を招いてしまうことなく、容
易に映像信号のフレームレートを低下させることができ
る。

【００３７】このことから、本実施の形態の駆動タイミ
ング発生器は、放送方式の信号フォーマットに捕らわれ
ない固体撮像装置、例えばＰＣカメラに搭載する固体撮
像装置に用いれば、そのような固体撮像装置において、
映像信号のフレームレートの低下により撮像感度の向上
を図ることができる。

【００３８】さらに、本実施の形態の駆動タイミング発
生器が発生させる駆動信号によれば、水平空映像信号期
間３および垂直空映像信号期間５の追加によって映像信
号のフレームレートを低下させているので、後段の信号
処理回路がその水平空映像信号期間３または垂直空映像
信号期間５、すなわち映像信号が出力されない期間を利
用して、信号処理を行い得るようになる。例えば、ＰＣ
カメラに用いた場合には、後段の信号処理回路にて映像
信号のデータ量を削減する圧縮処理を行うことが考えら
れるが、このような比較的処理負荷の大きい圧縮処理を
水平空映像信号期間３または垂直空映像信号期間５に行
うことによって、固体撮像装置全体の信号処理の効率を
向上させることも可能となる。

【００３９】また、本実施の形態の駆動タイミング発生
器が発生させる駆動信号は、水平空映像信号期間３の間
も、ＣＣＤイメージセンサの水平ＣＣＤレジスタが電荷
の転送を行うための水平転送パルスφＨ１，φＨ２を与
え続けている。これは、水平空映像信号期間３が長くな
った時に水平ＣＣＤレジスタの駆動を止めてしまうと、
その水平ＣＣＤレジスタ内で電荷の再結合により暗電流
が発生し、映像信号にノイズが重畳してしまうからであ
る。すなわち、水平空映像信号期間３で転送する有効映
像信号がない場合でも、水平ＣＣＤレジスタを動作させ
て、映像信号の伝送路となる水平ＣＣＤレジスタ内にノ
イズの原因になるものを蓄積させないようにしている。
これにより、水平空映像信号期間３の追加により映像信
号のフレームレートを低下させた場合であっても、その
映像信号の画質が劣化してしまうのを防止している。

【００４０】このことは、垂直空映像信号期間５および
ＣＣＤイメージセンサの垂直ＣＣＤレジスタ（すなわち
垂直転送パルスφＶ１〜φＶ３）についても、全く同様
である。

【００４１】また、ここでは、ノイズの原因になるもの
として電荷の再結合による暗電流を代表的な例として挙
げたが、水平転送パルスφＨ１，φＨ２または垂直転送
パルスφＶ１〜φＶ３を与え続けることは、これ以外の
低フレームレートでＣＣＤイメージセンサのＣＣＤレジ
スタ内に蓄積されるノイズの除外にも有効であることは
いうまでもない。

【００４２】なお、本実施の形態では、映像信号の１フ
レーム毎に、水平空映像信号期間３と垂直空映像信号期
間５との両方を追加する場合を例に挙げて説明したが、
本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、低
下させるフレームレートに応じて、水平空映像信号期間
３と垂直空映像信号期間５との少なくとも一方を追加す
るようにすれば、上述した場合と同様に、フレーム間引
きを必要とすることなく、しかも画質劣化を招くことも
なく、容易に映像信号のフレームレートを低下させるこ
とが可能となる。

【００４３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明に係る固
体撮像素子の駆動方法または固体撮像装置によれば、固
体撮像素子から得られる映像信号の所定単位毎（例えば
１フレーム毎）に、走査期間と帰線期間とに加えて、空
映像信号期間が追加されるようになっている。これによ
り、所定単位の映像信号の出力開始から出力終了までの
間は、空映像信号期間が追加された分だけその期間が長
くなるので、その映像信号のフレームレートも当然に低
下する。したがって、映像信号のフレームレートを低下
させるのにあたって、フレーム間引きを行うためにＤＲ
ＡＭ等の記憶装置を追加して搭載したり、フレーム間引
きと同等の効果を得るために特殊な信号処理を行った
り、ＣＣＤイメージセンサの駆動周波数を低下させたり
する必要がないので、装置構成が複雑化したり、既存の
信号処理を変更したり、駆動周波数の低下に伴う画質劣
化を招いてしまうことなく、容易に映像信号のフレーム
レートを低下させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置における固体撮像素
子の駆動信号の一例を示すタイミングチャートである。

【図２】本発明によって駆動される固体撮像素子からの
１フレーム分の映像信号の分割状態の一例を示す概念図
である。

【図３】一般的な固体撮像装置の概略構成の一例を示す
ブロック図である。

【図４】固体撮像素子の画素構成の一例を示す説明図で
ある。

【図５】従来の固体撮像装置における固体撮像素子の駆
動信号の一例を示すタイミングチャートである。

【図６】従来の固体撮像素子からの１フレーム分の映像
信号の分割状態の一例を示す概念図である。

【符号の説明】

１…水平同期期間、２…有効映像信号期間、３…水平空
映像信号期間、４…垂直同期期間、５…垂直空映像信号
期間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体撮像素子から得られる所定単位の映
   像信号がその出力開始から出力終了までに走査期間と帰
   線期間とを含むように当該固体撮像素子に駆動信号を与
   える固体撮像素子の駆動方法において、 前記所定単位毎に前記固体撮像素子の水平方向と垂直方
   向との両方または少なくとも一方について前記固体撮像
   素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を追加
   することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
2. 【請求項２】 前記空映像信号期間には、前記固体撮像
   素子に対して該固体撮像素子が電荷の転送を行うための
   転送パルスを与え続けることを特徴とする請求項１記載
   の固体撮像素子の駆動方法。
3. 【請求項３】 固体撮像素子と、該固体撮像素子の駆動
   回路とを備えるとともに、前記固体撮像素子から得られ
   る所定単位の映像信号がその出力開始から出力終了まで
   に走査期間と帰線期間とを含むように前記駆動回路が前
   記固体撮像素子に駆動信号を与える固体撮像装置におい
   て、 前記所定単位毎に固体撮像素子の水平方向と垂直方向と
   の両方または少なくとも一方について前記固体撮像素子
   からの映像信号を出力しない空映像信号期間を追加した
   駆動信号を生成する信号生成手段を備えることを特徴と
   する固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記信号生成手段が生成する駆動信号に
   は、前記空映像信号期間に前記固体撮像素子が電荷の転
   送を行うための転送パルスが含まれることを特徴とする
   請求項３記載の固体撮像装置。