JP2003032550A

JP2003032550A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2003032550A
Application number: JP2001220001A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yoshida; 英明吉田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】プログレッシブ読出し時における画像の飽和レ
ベル低下という不具合を生じることなく、インターレー
ス読み出し時にはＳ／Ｎの向上した高画質な撮像を実現
する。【解決手段】ＣＣＤドライバ１０６によるＣＣＤカラー
撮像素子１０５の駆動制御により、１フレームに対応す
る全画素の電荷を個別に且つ同時に転送可能なプログレ
ッシブ読み出しと、１フレームに対応する全画素の電荷
を複数のフィールドに分割して垂直転送路によって転送
することで１フレームに対応する全画素情報をフィール
ド順次で読み出すインターレース読み出しの双方が実行
される。この走査の切換えに対応して、撮像素子１０５
の出力に対するゲインが可変制御され、インターレース
読み出しの場合には小さいゲイン（低感度）に、プログ
レッシブ読み出しの場合は大きいゲイン（高感度）に設
定される。

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を用い
た撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像素子を用いた撮像装置が
種々開発されている。撮像装置で使用される撮像素子と
しては、従来ではムービーを中心に、全画素を奇遇のフ
ィールドに分けて読み出すインターレース走査対応型Ｃ
ＣＤ撮像素子が多く使用されていたが、静止画撮影を目
的としたディジタルスチルカメラの登場に伴い、最近で
は全画素プログレッシブ走査に対応した垂直転送路を持
つプログレッシブ走査対応型ＣＣＤ撮像素子が主流とな
っている。

【０００３】プログレッシブ走査対応型ＣＣＤ撮像素子
では１フレームの全画素の読み出しを個別且つ同時に行
うことができる。よって、フィールド間の時差の問題を
招くことなく１フレーム分の高解像度の静止画を純電子
シャッタによって得ることができ、メカシャッタ等の光
学シャッタでは不可能な超高速シャッタを実現すること
が可能である。しかしプログレッシブ走査対応型ＣＣＤ
撮像素子は、インターレース走査対応型ＣＣＤ撮像素子
に比べ２倍の垂直転送段数が必要となるため、１転送電
極当たりの面積の低下が余儀なくされ、同サイズ・同解
像度のインターレース走査対応型ＣＣＤ撮像素子と比較
すると、転送電荷量が小さくなるという問題を有してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者ら
は、先に、全画素プログレッシブ走査に対応した垂直転
送路を持つプログレッシブ走査対応型ＣＣＤ撮像素子を
用いてインターレース走査も行ない得るように構成した
撮像装置を提案している。（特願２００１−１３３４３
３号明細書）この走査切換え技術を用いれば、例えば「メカシャッタ
等の光学シャッタによる露光時間制御が有効である場合
には、インターレース読出しを選択することにより、転
送電荷量を多くした広いダイナミックレンジでの撮影を
行うことができ、光学シャッタによる露光時間制御が有
効でない場合であっても、プログレッシブ読出しを選択
することにより、少なくとも純電子シャッタによる高精
度な超高速シャッタによる撮影を行なうことができるも
のであり、その際いずれの場合も全画素の情報が個別に
読み出されるから、解像度の劣化を生じることが無い」
カメラを実現することができる。

【０００５】しかし、撮像素子自体のダイナミックレン
ジは広くなっても、後段の画像処理系におけるゲイン
（撮像感度）設定が一定のままだと、以下のいずれかの
不具合が生じて画質の向上を図ることができないという
問題があった。

【０００６】（１）プログレッシブ読み出しの飽和レベ
ルを基準にゲインを固定した場合には、インターレース
読み出しにおいても得られる画質はプログレッシブ読出
しの場合と同じものとなる。（厳密にはむしろ暗電流の
増加による劣化も伴う。）つまりインターレース読み出し時には撮像素子の飽和レ
ベルは高くなるが、プログレッシブ読み出しの場合の低
い飽和レベルを基準に規定したゲインをそのまま適用す
ると、プログレッシブ読み出しの飽和レベル以上の素子
出力成分は結局利用されなくなる。

【０００７】（２）インターレース読み出しの飽和レベ
ルを基準にゲインを固定した場合には、プログレッシブ
読み出しの場合には最終的な画像の飽和レベルが低下し
て、いわゆる白つぶれを生じるため画質が劣化してしま
う。プログレッシブ読み出しの場合はインターレース読
み出しの飽和レベルまでの素子出力をもたないため、最
終的な画像信号の再現域のうちの低中域までしか利用さ
れなくなり、これにより最終的な画像の飽和レベルが低
下するのである。

【０００８】本発明は上述の事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、プログレッシブ読出し
時における画像の飽和レベル低下という不具合を生じる
ことなく、インターレース読み出し時にはＳ／Ｎの向上
した高画質な撮像が可能な撮像装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明は、１フレームに対応する全画素の電荷を個
別に且つ同時に転送可能な垂直転送路を有する撮像素子
と、前記撮像素子を駆動して、１フレームに対応する全
画素の電荷を個別に且つ同時に転送可能なプログレッシ
ブ読み出し、および、１フレームに対応する全画素の電
荷を複数のフィールドに分割して前記垂直転送路によっ
て転送することで１フレームに対応する全画素情報をフ
ィールド順次で読み出すインターレース読み出しを実行
可能な駆動手段と、前記撮像素子による撮像に際して前
記インターレース読み出し又は前記プログレッシブ読み
出しのいずれかを選択的に実行する読み出し制御手段
と、前記撮像素子の出力信号に基づいて最終的な画像信
号を生成する過程における画像信号増幅率を制御するゲ
イン制御手段とを具備し、前記ゲイン制御手段は、前記
読み出し制御手段が実行する読み出しが前記プログレッ
シブ読み出しである場合と前記インターレース読み出し
である場合とで前記画像信号増幅率を異なる設定値に制
御することを特徴とする。

【００１０】この撮像装置においては、走査の切換えに
対応して撮像素子の出力に対するゲイン（画像信号増幅
率）の設定値を可変制御しているので、インターレース
読み出しの場合には小さいゲイン（低感度）に、プログ
レッシブ読み出しの場合は大きいゲイン（高感度）に設
定することができ、インターレース／プログレッシブそ
れぞれにおける素子出力の飽和レベルに対応した最適な
ゲイン設定が可能となる。よって、プログレッシブ読出
し時における飽和レベル低下を生じることなく、インタ
ーレース読み出し時にはＳ／Ｎの向上した高画質な撮像
を行なうことが可能となる。

【００１１】また、読み出し制御手段が実行する読み出
しが前記プログレッシブ読み出しである場合と前記イン
ターレース読み出しである場合とで露出制御目標値をそ
れぞれ異なる値に設定する露出制御目標値制御手段をさ
らに設けることにより、ゲインの可変設定による撮像装
置全体の感度設定の変化を考慮した最適な露出制御を実
現できる。

【００１２】また、前記インターレース読み出しの実行
時の垂直転送路の駆動には、インターレース比率Ｎ（Ｎ
は２以上の整数）に対応するＮ個の隣接する垂直転送電
極を単位相として、前記プログレッシブ読み出しにおけ
る垂直転送路駆動相数Ｍ（Ｍは３以上の整数）と同じ相
数の駆動を行なうようにしたＮ倍電極Ｍ相駆動を使用
し、前記プログレッシブ読み出し時の画像信号増幅率が
前記インターレース読み出しのそれのほぼＮ倍となるよ
うに前記画像信号増幅率を可変制御することが好適であ
る。これにより、プログレッシブ読み出し対応型の撮像
素子で一般的に用いられている例えば４相駆動方式など
の駆動タイミングをそのまま利用しつつ、インターレー
ス読み出し時には、電荷保持に使用される垂直電極数を
プログレッシブ読み出し時のＮ倍に容易に拡張すること
ができる。この場合、垂直転送路の垂直転送路の飽和レ
ベルもＮ倍になるので、ゲイン設定値もそれに合わせて
制御（プログレッシブ読み出し時のゲインはインターレ
ース読み出し時のＮ倍）することで最適なゲイン制御を
実現することが出来る。

【００１３】また、この場合、露出制御目標値について
も、インターレース読み出し時の露出制御目標値が前記
プログレッシブ読み出しのそれのほぼＮ倍となるように
制御することが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。図１には、本発明の一実施形態に係
わる撮像装置の構成が示されている。ここでは、ディジ
タルスチルカメラとして実現した場合を例示して説明す
ることにする。

【００１５】図中１０１は各種レンズからなるレンズ
系、１０２はレンズ系１０１を駆動するためのレンズ駆
動機構、１０３はレンズ系１０１の絞りを制御するため
の露出制御機構、１０４はメカニカルシャッタ１０４、
１０５はＣＣＤカラー撮像素子、１０６は撮像素子１０
５を駆動するためのＣＣＤドライバ、１０７はゲインコ
ントロールアンプ（ＧＣＡ）１０７ａ，Ａ／Ｄ変換器１
０７ｂ等を含むプリプロセス回路、１０８は色信号生成
処理，マトリックス変換処理，その他各種のデジタル処
理を行うためのデジタルプロセス回路、１０９はカード
インターフェース、１１０はメモリカード、１１１はＬ
ＣＤ画像表示系を示している。

【００１６】また、図中の１１２は各部を統括的に制御
するためのシステムコントローラ（ＣＰＵ）、１１３は
各種操作ボタンからなる操作スイッチ系、１１４は操作
状態及びモード状態等を表示するための操作表示系、１
１５は発光手段としてのストロボ、１１６はレンズ駆動
機構１０２を制御するためのレンズドライバ、１１７は
ストロボ１１５および露出制御機構１０３を制御するた
めの露出制御ドライバ、１１８は各種設定情報等を記憶
するための不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）を示してい
る。

【００１７】本実施形態のカメラにおいては、システム
コントローラ１１２が全ての制御を統括的に行ってお
り、ＣＣＤドライバ１０６によりＣＣＤ撮像素子１０５
の駆動を制御して露光（電荷蓄積）及び信号の読み出し
を行い、それをプリプロセス回路１０７を介してデジタ
ルプロセス回路１０８に取込んで、各種信号処理を施し
た後にカードインターフェース１０９を介して着脱可能
なメモリカード１１０に記録するようになっている。

【００１８】ＣＣＤカラー撮像素子１０５は１フレーム
に対応する全画素の電荷を個別に且つ同時に転送可能な
プログレッシブ走査(PL)対応型ＣＣＤ撮像素子（ＰＳ−
ＣＣＤ）であり、例えば縦型オーバーフロードレイン構
造を用いたインターライン型のものなどが用いられる。
この撮像素子１０５はマトリクス配置された電荷蓄積部
（光電変換部）と、水平および垂直にそれぞれ配置され
たＣＣＤ転送路（垂直転送路、水平電荷転送路）とを備
えている。垂直転送路は全画素プログレッシブ走査（P
S）に対応した垂直転送段数を持つ。ＣＣＤ撮像素子１
０５の駆動制御は、ＣＣＤドライバ１０６から出力され
る各種駆動信号（電荷移送パルスＴＧ、垂直駆動パル
ス、水平駆動パルス、さらには基板バイアス電圧ＶＳＵ
Ｂ等）を用いて行われる。

【００１９】ＣＣＤドライバ１０６によるＣＣＤカラー
撮像素子１０５の駆動制御により、１フレームに対応す
る全画素の電荷を個別に且つ同時に転送可能なプログレ
ッシブ読み出しと、１フレームに対応する全画素の電荷
を複数のフィールドに分割して垂直転送路によって転送
することで１フレームに対応する全画素情報をフィール
ド順次で読み出すインターレース読み出しの双方を実行
することが出来る。

【００２０】例えばプログレッシブ読み出し時には、１
フレームに対応する全画素からの信号電荷が垂直転送路
に同時に移送され、そして通常の４相駆動方式等を用い
た垂直転送により、それら信号電荷がライン単位で順次
垂直転送される。垂直転送は１水平ブランキング期間に
１回の割合で定期的に行われ、各信号電荷は隣接する２
つの垂直転送電極で蓄積・保持されながらシフトされ
る。

【００２１】一方、インターレース読み出し時には、例
えば奇遇の２つのフィールドの内の一方に対応する画素
からの信号電荷のみが垂直転送路に同時に移送され、そ
して隣接する２つの垂直転送電極のペアを単位相とした
４相駆動方式（後述の２倍電極４相駆動）が実行され
る。この場合、各信号電荷は隣接する４つの垂直転送電
極で蓄積・保持されながらシフトされることになる。２
倍電極４相駆動の具体例については図４以降で後述す
る。

【００２２】基板バイアス電圧ＶＳＵＢは撮像素子１０
５の光電変換部の飽和レベルを規定するために用いられ
る。また、このＶＳＵＢに大きな値のパルス（ＶＳＵＢ
パルス）を重畳することにより各光電変換部の電荷を基
板に排出してリセットすることができる。

【００２３】ここで、光電変換部の飽和レベルとは換言
すればその電荷蓄積部のオーバーフローレベルであっ
て、これを超える光電荷が発生してもオーバーフロード
レインに排出されてしまい蓄積されない。そして同時
に、電荷蓄積部のオーバーフローレベルは転送路の転送
容量（飽和レベル）を越えてはならない。水平転送路の
容量は充分余裕があるものとすれば、これは垂直転送路
の容量で決まる。この撮像素子１０５を通常のプログレ
ッシブ読み出しのタイミングで駆動制御した場合の垂直
転送路の容量（飽和レベル）をＳａｔＰＳ、インターレ
ース読み出しのタイミングで駆動制御した場合のそれを
ＳａｔＩＬと書けば、インターレース読み出し時に上述
の２倍電極４相駆動を使用する場合にはＳａｔＩＬ ≒ ２×ＳａｔＰＳである。

【００２４】また電荷蓄積部のオーバーフローレベルの
設定は、転送容量（飽和レベル）に等しく設定されてい
るとする。従って上記ＳａｔＰＳ、ＳａｔＩＬがそのま
ま撮像素子の最大出力レベル（飽和レベル）となる。

【００２５】本実施形態のカメラに於いては、以下に説
明するプログレッシブ／インターレース読み出しの切換
え動作およびこれに伴う撮像素子出力に対するゲインお
よびこれに対応した露出制御の可変設定制御に関する動
作を除けば、通常のデジタルカメラと同様の動作および
制御が行われるものである。

【００２６】システムコントローラ１１２には、本実施
形態の特徴とする機能を実現するための機能要素とし
て、読み出し制御部１１２ａおよびゲイン制御部１１２
ｂが設けられている。

【００２７】読み出し制御部１１２ａは、ＣＣＤドライ
バ１０６を制御して、撮像素子１０５による撮像に際し
てインターレース読み出し又はプログレッシブ読み出し
のいずれかを選択的に実行する。例えば、通常はインタ
ーレース読み出しが実行されるが、メカシャッタ１０４
の利用が困難な高速シャッタ撮影時または連写撮影時に
はプログレッシブ読み出しへの走査方式の切り換えが行
われる。

【００２８】ゲイン制御部１１２ｂは、撮像素子１０５
の出力信号に基づいて最終的な画像信号を生成する過程
における画像信号増幅率すなわちゲインを制御するため
のものであり、プログレッシブ読み出し時とインターレ
ース読み出し時とでゲインを異なる値に設定する制御を
行う。このゲイン可変制御は、例えばゲインコントロー
ルアンプＧＣＡ１０７ａを用いて行うことが出来る。ま
たデジタルプロセス回路１０８によるディジタル演算処
理でゲインの可変制御を行うようにしてもよい。

【００２９】次に、図２を参照して、本実施形態におけ
るゲイン制御動作について説明する。図２は、入力光量
対撮像素子出力との関係と、撮像素子出力対最終撮像出
力との関係を示している。

【００３０】入力光量対撮像素子出力との関係を示すグ
ラフにおいて、ＰＳはプログレッシブ読み出し時の特性
を示し、またＩＬはインターレース読み出し時の特性を
示している。プログレッシブ／インターレースのどちら
においても電荷蓄積部の面積は同じであるので、入力光
量に対する撮像素子出力の値で定義される素子感度自体
は同じである。異なるのは、撮像素子出力の飽和レベル
である。すなわち、上述したようにインターレース読み
出しに２倍電極４相駆動を使用した場合には、インター
レース読み出し時の撮像素子出力の飽和レベルＳａｔＩ
Ｌは、プログレッシブ読み出し時の撮像素子出力の飽和
レベルＳａｔＰＳの約２倍となる。このため、インター
レース読み出し時にはプログレッシブ読み出し時の２倍
の素子出力まで得られ、プログレッシブ読み出し時には
インターレース読み出し時の約半分の素子出力で飽和す
ることになる。

【００３１】撮像素子出力対最終撮像出力との関係は、
簡単のためにリニア領域で示されてている。すなわち、
実際には撮像素子出力に対してガンマ（γ）変換が施さ
れて最終的な撮像出力信号が得られるものであるが、こ
こではγの階調変換特性については考慮せずに、言い換
えれば、デガンマ後の最終撮像出力換算で、撮像素子出
力対最終撮像出力との関係を示している。

【００３２】有効な最終撮像出力の最大レベル、つまり
カメラ最大出力レベルをＥｍａｘとすると、プログレッ
シブ読み出し時のゲイン（ＧＰＳ）は、飽和レベルＳａ
ｔＰＳに対応する素子出力がＥｍａｘとなるように、ＧＰＳ＝Ｅｍａｘ／ＳａｔＰＳに設定される。

【００３３】一方、インターレース読み出し時のゲイン
（ＧＩＬ）は、飽和レベルＳａｔＩＬに対応する素子出
力がＥｍａｘとなるように、ＧＩＬ＝Ｅｍａｘ／ＳａｔＩＬに設定される。

【００３４】すなわち、ＳａｔＩＬ ≒２× ＳａｔＰ
Ｓであるので、ＧＰＳ ≒２× ＧＩＬとなる。

【００３５】このようなゲイン可変制御によりトータル
の階調特性はインターレース読み出しとプログレッシブ
読み出しとで全く同じになるが、インターレースの方が
ゲインが低い分Ｓ／Ｎの良い高画質画像が得られること
になる。

【００３６】また、本実施形態のカメラにおいては、プ
ログレッシブ／インターレースの走査切り替えに応じ
て、露出制御目標値も異なる値に設定される。つまり、
カメラ全体の感度はゲインに比例するから、露出目標値
もこれに対応して変えるようにする。（インターレース
の場合は目標値を２倍に設定する。）すなわち、本実施
形態のカメラにおいては、システムコントローラ１１２
の制御の下、被写体光の測光値が露出制御目標値に一致
するような自動露出制御ＡＥが行われるが、その場合の
露出制御目標値の設定値は、インターレース読み出しの
場合とプログレッシブ読み出しの場合とで異なる値に設
定されることになる。この露出制御動作は以下のように
行われる。

【００３７】まず、予備トリガー（２段トリガースイッ
チの１段目）によって測光情報の取得およびそれに基づ
く露出制御が行われる。この場合測光は例えば平均測光
（中央重点平均測光を含む）により行われ、測光値（撮
像素子出力の信号レベル平均値）が露出制御目標値に等
しくなるように、露出制御される。露出制御では、測光
値と露出目標値とに基づいて最適な露出パラメータ（シ
ャッタ値、絞り値等）を算出する演算処理、または測光
値と露出目標値との差分に対応する信号によって露出パ
ラメータを増減させるフィードバック制御が用いられ
る。

【００３８】この場合、プログレッシブ読み出し時には
そのときの露出制御目標値は０．１８×ＳａｔＰＳに設
定され、またインターレース読み出し時には露出制御目
標値は０．１８×ＳａｔＩＬに設定される。ここで、
０．１８は被写体標準反射係数（約１８％）に対応する
値である。ＳａｔＩＬがＳａｔＰＳの２倍の場合、ゲイ
ンＧＰＳはゲインＧＩＬの２倍となるので、上述のよう
な露出制御目標値の可変制御により、プログレッシブ／
インターレースのどちらの場合でも主要被写体の輝度レ
ンジは０．１８×Ｅmaxを中心とした最適な分布とな
る。

【００３９】次に、プログレッシブ／インターレース読
み出しの切換え動作について説明する。

【００４０】図３はＣＣＤ１０５の基本的な構成例を模
式的に示した図である。通常のＣＣＤイメージャと同
様、光電変換素子を有する複数の画素部（電荷蓄積部）
１１が２次元配列され、各画素部１１では入射光量に応
じて電荷が発生し蓄積される。各画素部１１にはトラン
スファゲート１２を介して垂直転送路（垂直ＣＣＤ）１
３が接続されており、各画素部１１に蓄積された電荷が
垂直転送路１３に読み出されて垂直方向に転送される。
各垂直転送路１３には水平転送路（水平ＣＣＤ）１４が
接続されており、垂直転送路１３から転送された電荷が
水平転送路１４によって水平方向に転送される。水平転
送路１４には出力バッファ１５が接続され、水平転送路
１４を転送された電荷は、出力バッファ１５を介して順
次出力されるようになっている。

【００４１】図４は、図３に示した撮像素子１０５の要
部を模式的に示した図である。すでに述べたように、各
画素部１１（Ｐ１、Ｐ２、……）には読み出しゲート
（トランスファゲート）１２（Ｇ１、Ｇ２、……）を介
して垂直転送路１３が接続されており、また、垂直転送
路１３には１画素あたり４個の垂直転送電極１６（Ｅａ
〜Ｅｄ、Ｅｅ〜Ｅｈ）が設けられている。垂直転送電極
１６には配線１７（Ｗａ〜Ｗｈ）が接続されており、各
垂直転送電極Ｅａ〜Ｅｈは、対応する配線Ｗａ〜Ｗｈに
よってそれぞれ独立して駆動することが可能である。す
なわち、垂直転送電極８個分を繰り返し周期として、各
配線Ｗａ〜Ｗｈが共通接続されている。言い換えると、
垂直方向で隣接する２画素分を繰り返し周期として、各
配線Ｗａ〜Ｗｈが共通接続されている。従来のプログレ
ッシブ型ＣＣＤイメージャ（４相駆動の場合）では、１
画素分を繰り返し周期として、すなわち垂直転送電極４
個分を繰り返し周期として各配線を共通接続しており、
本実施形態のＣＣＤイメージャは、各配線の繰り返し周
期の点で従来のＣＣＤイメージャとは基本的に異なった
構成となっている。

【００４２】上述したような構成を用い、各配線Ｗａ〜
Ｗｈに供給する信号、すなわち各垂直転送電極Ｅａ〜Ｅ
ｈに供給する信号を切り換えることにより、本撮像素子
は、プログレッシブ駆動（プログレッシブ読み出し）と
インターレース駆動（インターレース読み出し）とを切
り換えて用いることが可能である。

【００４３】（撮像素子の動作）次に、撮像素子１０５
の駆動動作について、タイミングチャートを参照して説
明する。

【００４４】図５は、本撮像素子を用いてプログレッシ
ブ読み出しを行う場合の垂直転送駆動タイミングを示す
タイミングチャートである。同図（ａ）〜（ｈ）はそれ
ぞれ、各配線Ｗａ〜Ｗｈから各垂直転送電極Ｅａ〜Ｅｈ
に供給される制御信号（駆動信号）を示している。

【００４５】プログレッシブ読み出しを行う場合には、
１フレーム分の全画素１１に蓄積された各電荷をトラン
スファゲート１２を介して個別に且つ同時に垂直転送路
１３に読み出し、各垂直転送電極Ｅａ〜Ｅｈに所定の駆
動信号（駆動電圧）を印加することで、各画素から読み
出された電荷が垂直転送路１３を転送される。具体的に
は、トランスファゲート１２のうち第１フィールドに属
するＧ１、Ｇ３、Ｇ５、・・・と兼用されている垂直転
送電極Ｅａに対するゲート励起用のパルスであるトラン
スファーゲートパルスＴＧＰ１と、同じく第２フィール
ドに属するＧ２、Ｇ４、・・・と兼用されている垂直転
送電極Ｅｅに対するＴＧＰ２の、これら２つのＴＧＰを
同時に印加することによって全電荷の垂直転送路１３へ
の同時読み出しを行ない、その後に垂直転送電極Ｅａと
Ｅｅ、ＥｂとＥｆ、ＥｃとＥｇ、ＥｄとＥｈに、それぞ
れ同一の駆動信号を供給することで、４相駆動によって
電荷が垂直転送路１３内を転送される。以下では、駆動
信号がロウレベルの時に該当する垂直転送電極下にポテ
ンシャル井戸が形成される場合を例示して説明する。

【００４６】まず、期間ｔ１では、垂直転送電極Ｅａ、
Ｅｂ、Ｅｅ、Ｅｆにロウ（Ｌ）レベルの駆動信号、垂直
転送電極Ｅｃ、Ｅｄ、Ｅｇ、Ｅｈにハイ（Ｈ）レベルの
駆動信号が印加され、垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｅ、
Ｅｆに対応する領域がポテンシャル井戸、垂直転送電極
Ｅｃ、Ｅｄ、Ｅｇ、Ｅｈに対応する領域がポテンシャル
障壁として機能する。その結果、第１フィールドに対応
する各画素からの信号電荷は垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ対
応する領域に保持され、第２フィールドに対応する各画
素からの信号電荷は垂直転送電極Ｅｅ、Ｅｆに対応する
領域にそれぞれ保持される。

【００４７】期間ｔ２では、垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ、
Ｅｅ、Ｅｆの他、垂直転送電極Ｅｃ及びＥｇにもＬレベ
ルの駆動信号が印加され、電荷転送の過渡状態へと移行
する。つまり、期間ｔ２では、電荷保持のためのポテン
シャル井戸は３つの垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃと、
Ｅｅ、Ｅｆ、Ｅｇにそれぞれ一時的に広げられる。

【００４８】期間ｔ３では、垂直転送電極Ｅａ、Ｅｅへ
の駆動信号がＨレベルに変化し、垂直転送電極Ｅａ、Ｅ
ｅがそれぞれ新たにポテンシャル障壁となるため、第１
フィールドに対応する各画素からの信号電荷は垂直転送
電極Ｅａ、Ｅｂから垂直転送電極Ｅｂ、Ｅｃにシフトさ
れ、また第２フィールドに対応する各画素からの信号電
荷も垂直転送電極Ｅｅ、Ｅｆから垂直転送電極Ｅｆ、Ｅ
ｇにシフトされる。

【００４９】以後、同様にして、Ｌレベル及びＨレベル
の駆動信号が印加される部分が順次シフトし、垂直転送
路１３内を電荷が転送される。

【００５０】このように、プログレッシブ読み出しで
は、従来公知の４相駆動と等価な駆動が用いられ、連続
（隣接）した２つの垂直転送電極によって電荷を保持し
ながら、言い換えると連続した２つの相を励起状態にし
ながら、順次電荷が転送される。

【００５１】図６は、本撮像素子を用いてインターレー
ス読み出しを行う場合の垂直転送駆動のタイミングを示
すタイミングチャートである。同図（ａ）〜（ｈ）はそ
れぞれ、各配線Ｗａ〜Ｗｈから各垂直転送電極Ｅａ〜Ｅ
ｈに供給される制御信号（駆動信号）を示している。

【００５２】インターレース読み出しを行う場合には、
１フレーム分の全画素１１に蓄積された各電荷を複数の
フィールドに分割してフィールド順次で垂直転送路１３
に読み出し、各垂直転送電極Ｅａ〜Ｅｈに所定の駆動信
号（駆動電圧）を印加することで、各画素から読み出さ
れた電荷が垂直転送路１３を転送される。具体的には、
まずトランスファゲート１２のうち第１フィールドに属
するＧ１、Ｇ３、Ｇ５、・・・と兼用されている垂直転
送電極Ｅａに対するゲート励起用のパルスであるトラン
スファーゲートパルスＴＧＰ１を印加することによって
第１フィールドの画素電荷の垂直転送路１３への読み出
しを行ない、その後に２倍電極４相駆動によってこの第
１フィールドの画素電荷を転送により順次読み出す。次
に第２フィールドに属するＧ２、Ｇ４、・・・と兼用さ
れている垂直転送電極Ｅｅに対するＴＧＰ２を印加する
ことによって第２フィールドの画素電荷の垂直転送路１
３への読み出しを行ない、その後に同じく２倍電極４相
駆動によってこの第２フィールドの画素電荷を転送によ
り順次読み出す。

【００５３】ここで２倍電極４相駆動について説明すれ
ば、連続（隣接）する２電極ずつを単位相として、すな
わち垂直転送電極ＥａとＥｂ、ＥｃとＥｄ、ＥｅとＥ
ｆ、ＥｇとＥｈに、それぞれ同一の駆動信号を供給する
ことで、実質的に４相駆動によって電荷が垂直転送路１
３内を転送される。

【００５４】図６の垂直転送は第１フィールドの読出し
に対応した２倍電極４相駆動であって、まず、期間ｔ１
では、垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ及びＥｄにロウ
（Ｌ）レベルの駆動信号、垂直転送電極Ｅｅ、Ｅｆ、Ｅ
ｇ及びＥｈにハイ（Ｈ）レベルの駆動信号が印加され、
垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ及びＥｄに対応する領域
がポテンシャル井戸、垂直転送電極Ｅｅ、Ｅｆ、Ｅｇ及
びＥｈに対応する領域がポテンシャル障壁として機能す
る。その結果、垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ及びＥｄ
に対応する領域に電荷が保持される。

【００５５】期間ｔ２では、垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ、
Ｅｃ及びＥｄの他、垂直転送電極Ｅｅ及びＥｆにもＬレ
ベルの駆動信号が印加され、電荷転送の過渡状態へと移
行する。

【００５６】期間ｔ３では、垂直転送電極Ｅｃ、Ｅｄ、
Ｅｅ及びＥｆにＬレベルの駆動信号、垂直転送電極Ｅ
ａ、Ｅｂ、Ｅｇ及びＥｈにＨレベルの駆動信号が印加さ
れ、垂直転送電極Ｅｃ、Ｅｄ、Ｅｅ及びＥｆに対応する
領域がポテンシャル井戸、垂直転送電極Ｅａ、Ｅｂ、Ｅ
ｇ及びＥｈに対応する領域がポテンシャル障壁として機
能する。その結果、垂直転送電極Ｅｃ、Ｅｄ、Ｅｅ及び
Ｅｆに対応する領域に、転送された電荷が保持される。

【００５７】以後、同様にして、Ｌレベル及びＨレベル
の駆動信号が印加される部分が順次シフトし、垂直転送
路１３内を電荷が転送される。

【００５８】なお、第２フィールドの垂直転送について
も基本的には同様に行われるが、この場合は上記したと
おり画素部の電荷はトランスファーゲートパルスＴＧＰ
２によって垂直転送電極Ｅｅの位置に読み出されるか
ら、この位置にポテンシャル井戸が形成されている状態
を待機位相として垂直転送を実行する。すなわち第２フ
ィールドの場合は図６において例えば期間ｔ５を転送の
初期状態として上記転送読出しが行なわれる。

【００５９】このように、インターレース読み出しで
は、連続する２電極ずつを単位相として用いる２倍電極
４相駆動が適用され、連続した４つの垂直転送電極によ
って電荷を保持しながら、言い換えると連続した４つの
相（２電極単位で見れば２相）を励起状態にしながら、
順次電荷が転送される。

【００６０】以上のように、本実施形態では、垂直方向
で隣接する２画素分を繰り返し周期として、各配線Ｗａ
〜Ｗｈすなわち各垂直転送電極Ｅａ〜Ｅｈを共通接続
し、プログレッシブ読み出しとインターレース読み出し
とで、各垂直転送電極Ｅａ〜Ｅｈに供給する信号を切り
換えるようにしている。また、併せて、プログレッシブ
読み出しとインターレース読み出しとの切り替えに応じ
てゲインの設定値を可変制御することにより、プログレ
ッシブ読出し時における画像の飽和レベルの低下を生じ
ることなく、インターレース読み出し時にはＳ／Ｎの向
上した高画質な撮像を行なうことが可能となる。

【００６１】図７は、本撮像素子を用いてインターレー
ス読み出しを行う場合の動作例についてその変更例を示
したタイミングチャートである。同図（ａ）〜（ｈ）は
それぞれ、各配線Ｗａ〜Ｗｈから各垂直転送電極Ｅａ〜
Ｅｈに供給される制御信号（駆動信号）を示している。
なお、プログレッシブ読み出しについては、図５に示し
た例と同様である。

【００６２】本変更例によってインターレース読み出し
を行う場合にも、１フレーム分の全画素１１に蓄積され
た各電荷を複数のフィールドに分割してフィールド順次
で垂直転送路１３に読み出し、各垂直転送電極Ｅａ〜Ｅ
ｈに所定の駆動信号（駆動電圧）を印加することで、各
画素から読み出された電荷が垂直転送路１３を転送され
る。ただし、本例では、垂直転送電極Ｅａ〜Ｅｈにそれ
ぞれ異なる駆動信号を供給することで、８相駆動によっ
て電荷が垂直転送路１３内を転送される。

【００６３】まず、期間ｔ１では、垂直転送電極Ｅａ〜
Ｅｆにロウ（Ｌ）レベルの駆動信号、垂直転送電極Ｅｇ
及びＥｈにハイ（Ｈ）レベルの駆動信号が印加され、垂
直転送電極Ｅａ〜Ｅｆに対応する領域がポテンシャル井
戸、垂直転送電極Ｅｇ及びＥｈに対応する領域がポテン
シャル障壁として機能する。その結果、垂直転送電極Ｅ
ａ〜Ｅｆに対応する領域に電荷が保持される。

【００６４】期間ｔ２では、垂直転送電極Ｅａ〜Ｅｆの
他、垂直転送電極ＥｇにもＬレベルの駆動信号が印加さ
れ、電荷転送の過渡状態へと移行する。

【００６５】期間ｔ３では、垂直転送電極Ｅｂ〜Ｅｇに
Ｌレベルの駆動信号、垂直転送電極Ｅａ及びＥｈにＨレ
ベルの駆動信号が印加され、垂直転送電極Ｅｂ〜Ｅｇに
対応する領域がポテンシャル井戸、垂直転送電極Ｅａ及
びＥｈに対応する領域がポテンシャル障壁として機能す
る。その結果、垂直転送電極Ｅｂ〜Ｅｇに対応する領域
に、転送された電荷が保持される。

【００６６】以後、同様にして、Ｌレベル及びＨレベル
の駆動信号が印加される部分が順次シフトし、垂直転送
路１３内を電荷が転送される。

【００６７】このように、本変更例のインターレース読
み出しでは、連続した６つの垂直転送電極によって電荷
を保持しながら、言い換えると連続した６つの相を励起
状態にしながら、順次電荷が転送される。

【００６８】本変更例においても、先に示した例と同様
の作用効果を得ることができる他、連続した６つの垂直
転送電極によって電荷を保持しながら転送を行うため、
より多くの電荷を転送することができる。逆に言えば、
垂直転送路に割り当てる面積を削減しても一定量以上の
電荷を転送することが可能であり、その分画素領域の面
積を増加させることができるため、画素領域の面積増加
によって受光感度を増加させることも可能である。

【００６９】また、期間ｔ１においては、第１・第２の
各フィールドでそれぞれ電荷が読み出される垂直転送電
極Ｅａ・Ｅｅの両位置を含んだポテンシャル井戸が形成
されているから、例えばこの期間ｔ１をフィールドによ
らない共通の待機位相（転送の初期状態）とすることが
でき、駆動方法の単純化を図ることができる。

【００７０】なお、図４に示した例では、１画素あたり
の垂直転送電極の個数（１水平画素行あたりの垂直転送
電極の個数）Ｍを４、インターレース比率Ｎを２とし、
垂直転送電極８個分（４×２個分）を繰り返し周期とし
て各配線（各垂直転送電極）を共通接続したが、Ｍ及び
Ｎの数は適宜変更可能であり、この場合、垂直転送電極
の繰り返し周期は一般的にはＭ×Ｎ（Ｍは３以上の整
数、Ｎは２以上の整数）となる。

【００７１】また、この一般化に倣えば、上記２倍電極
４相駆動はＮ倍電極Ｍ相駆動に、上記８相駆動はＭ×Ｎ
相駆動にそれぞれ一般化されるものである。例えばＮ倍
電極Ｍ相駆動によりインターレース読み出しを行う場合
には、インターレース読み出し時のゲインがプログレッ
シブ読み出し時のＮ倍になるように制御すれば良い。

【００７２】図８は、インターレース読み出しを利用す
る場合の撮像シーケンスを示すタイミングチャートであ
る。同図（ａ）はレリーズ操作のタイミング、同図
（ｂ）は電荷排出パルス（画素１１に蓄積された電荷を
半導体基板に排出するためのＶＳＵＢパルス）のタイミ
ング、同図（ｃ）は第１フィールドのトランスファゲー
トパルスＴＧＰ１のタイミング、同図（ｄ）は第２フィ
ールドのトランスファゲートパルスＴＧＰ２のタイミン
グ、同図（ｅ）は電荷転送のタイミング、同図（ｆ）は
メカシャッタの開閉タイミングを、それぞれ示してい
る。

【００７３】インターレース読み出しが選択されている
場合には、ＣＣＤ１０５による露光の終了はフィールド
間の露光時間差の問題を避けるためにメカシャッタ閉に
よって行う。すなわち、レリーズ操作の後、電荷排出パ
ルスによる電荷排出動作が終了した時点から露光期間が
開始され、メカシャッタ１０４が開状態から閉状態に移
行した時点で実質的な露光期間が終了する。

【００７４】露光終了後、第１のトランスファゲート
（図４のトランスファゲートＧ１、Ｇ３、……）を開い
て当該トランスファゲートに接続された画素（画素Ｐ
１、Ｐ３、……）に蓄積された電荷のみを垂直転送路に
読み出し、垂直転送路に読み出された電荷を順次転送す
ることで、図３に示した出力バッファ１５から１フィー
ルド目の画素情報が得られる。その後、第２のトランス
ファゲート（Ｇ２、Ｇ４、……）を開いて当該トランス
ファゲートに接続された画素（画素Ｐ２、Ｐ４、……）
に蓄積された電荷のみを垂直転送路に読み出し、垂直転
送路に読み出された電荷を順次転送することで、出力バ
ッファ１５から２フィールド目の画素情報が得られる。
このインターレース読出しの場合の各フィールドにおけ
る垂直転送は上記した２倍電極４相駆動または８相駆動
のいずれかが用いられる。

【００７５】図９は、プログレッシブ読み出しを利用す
る場合の撮像シーケンスを示すタイミングチャートであ
る。図９（ａ）〜（ｆ）の各タイミングの意味について
は、図８（ａ）〜（ｆ）に示したものと同様である。

【００７６】プログレッシブ読み出しが選択されている
場合には、ＣＣＤ１０５での露光は、純電子シャッタ
（素子シャッタ）によって行われる。すなわち、レリー
ズ操作の後、電荷排出パルスによる電荷排出動作が終了
した時点から露光期間が開始され、メカシャッタの閉動
作を開始する前にトランスファーゲートパルスＴＧＰ
１，ＴＧＰ２が同時に出力されることによって実質的な
露光期間が終了する。すなわちプログレッシブ読み出し
では、各トランスファゲート（図４のＧ１、Ｇ２、Ｇ
３、Ｇ４、……）は全て同時に駆動され、各画素（Ｐ
１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４……）に蓄積された電荷が全て同
時に垂直転送路に読み出される。その後、垂直転送路に
読み出された電荷を順次転送することで、図３に示した
出力バッファ１５から全画素情報が単一フィールド（＝
フレーム）内で得られる。このプログレッシブ読出しの
場合の垂直転送は上記従来公知の４相駆動と等価な駆動
が用いられる。

【００７７】なお、このときメカシャッタ１０４は垂直
転送時に光が入射することに起因するスミアの発生を回
避する目的で用いられており、上記電荷転送読出しはメ
カシャッタ１０４を閉じた後に実行されるようになって
いる。

【００７８】なお、ＣＣＤ１０５をプログレッシブ駆動
するかインターレース駆動するかの選択判断は、以下の
ようにして行われる。すなわち、撮影の際に適用する露
出時間Ｔ（シャッタスピード等）が所定時間Ｔ０よりも
短い場合（Ｔ＜Ｔ０）にはプログレッシブ駆動を選択
し、撮影の際に適用する露出時間Ｔが所定時間Ｔ０以上
の場合（Ｔ≧Ｔ０）にはインターレース駆動を選択す
る。所定時間Ｔ０は、メカシャッタ等の動作スピード等
によって決まる値である。また、操作スイッチ部１１３
の撮影モード選択スイッチによって連写モードが選択さ
れている場合には、メカシャッタ１０４の動作スピード
が連写のスピードに追いつかないことが多いことから、
プログレッシブ駆動を選択する。連写モードでない場合
（単写モード）には、Ｔ≧Ｔ０を条件としてインターレ
ース駆動を選択する。

【００７９】以上のように、全画素プログレッシブ走査
に対応した垂直転送路を有したＣＣＤ撮像素子を用いて
インターレース走査も行ない得るように構成すると共
に、走査の切り替えに応じてゲイン、さらには露出制御
目標値を可変制御することにより、インターレース読み
出しの転送容量を充分生かした広ダイナミックレンジ撮
像を可能としつつ、プログレッシブ読み出し時にも画質
低下を招かずに、インターレース読み出し時の高画質化
を図ることが出来る。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プログレッシブ読出し時における画像の飽和レベル低下
という不具合を生じることなく、インターレース読み出
し時にはＳ／Ｎの向上した高画質な撮像を行うことが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わるデジタルカメラの
構成を示すブロック図。

【図２】同実施形態で用いられるゲイン切り換えを説明
するための図。

【図３】同実施形態で用いられる撮像素子の構成例を模
式的に示した図。

【図４】図３に示した撮像素子の要部を模式的に示した
図。

【図５】同実施形態におけるプログレッシブ読み出し時
の駆動タイミングを示すタイミングチャート。

【図６】同実施形態におけるインターレース読み出し時
の駆動タイミングを示すタイミングチャート。

【図７】同実施形態におけるインターレース読み出し時
の駆動タイミングの他の例を示すタイミングチャート。

【図８】同実施形態におけるインターレース読み出し時
の撮像シーケンスを示すタイミングチャート。

【図９】同実施形態におけるプログレッシブ読み出し時
の撮像シーケンスを示すタイミングチャート。

【符号の説明】

１０１…レンズ系１０２…レンズ駆動機構１０３…露出制御機構１０４…メカシャッタ１０５…ＣＣＤカラー撮像素子１０６…ＣＣＤドライバ１０７…プリプロセス回路１０８…ディジタルプロセス回路１０９…カードインターフェース１１０…メモリカード１１１…ＬＣＤ画像表示系１１２…システムコントローラ（ＣＰＵ）１１２ａ…読み出し制御部１１２ｂ…ゲイン制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１フレームに対応する全画素の電荷を個別
に且つ同時に転送可能な垂直転送路を有する撮像素子
と、前記撮像素子を駆動して、１フレームに対応する全画素
の電荷を個別に且つ同時に転送可能なプログレッシブ読
み出し、および、１フレームに対応する全画素の電荷を
複数のフィールドに分割して前記垂直転送路によって転
送することで１フレームに対応する全画素情報をフィー
ルド順次で読み出すインターレース読み出しを実行可能
な駆動手段と、前記撮像素子による撮像に際して前記インターレース読
み出し又は前記プログレッシブ読み出しのいずれかを選
択的に実行する読み出し制御手段と、前記撮像素子の出力信号に基づいて最終的な画像信号を
生成する過程における画像信号増幅率を制御するゲイン
制御手段とを具備し、前記ゲイン制御手段は、前記読み出し制御手段が実行す
る読み出しが前記プログレッシブ読み出しである場合と
前記インターレース読み出しである場合とで前記画像信
号増幅率を異なる設定値に制御することを特徴とする撮
像装置。
【請求項２】被写体入力光の測光値が所定の露出制御目
標値に一致するように前記撮像素子における露出を制御
する露出制御手段と、前記読み出し制御手段が実行する読み出しが前記プログ
レッシブ読み出しである場合と前記インターレース読み
出しである場合とで前記露出制御手段の露出制御目標値
をそれぞれ異なる値に設定する露出制御目標値制御手段
とをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の撮
像装置。
【請求項３】前記インターレース読み出しの実行時の垂
直転送路の駆動は、インターレース比率Ｎ（Ｎは２以上
の整数）に対応するＮ個の隣接する垂直転送電極を単位
相として、前記プログレッシブ読み出しにおける垂直転
送路駆動相数Ｍ（Ｍは３以上の整数）と同じ相数の駆動
を行なうようにしたＮ倍電極Ｍ相駆動であって、前記ゲイン制御手段は、前記プログレッシブ読み出し時
の画像信号増幅率が前記インターレース読み出しのそれ
のほぼＮ倍となるように前記画像信号増幅率を可変制御
することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項４】前記露出制御目標値制御手段は、前記イン
ターレース読み出し時の露出制御目標値が前記プログレ
ッシブ読み出しのそれのほぼＮ倍となるように前記露出
制御目標値を可変制御することを特徴とする請求項３記
載の撮像装置。
【請求項５】撮像素子と、前記撮像素子の電荷蓄積部から垂直転送路に移送された
信号電荷を前記垂直転送路内の隣接する垂直転送電極で
蓄積・保持しながら水平転送路に垂直転送する駆動手段
であって、前記垂直転送に際して前記信号電荷の蓄積・
保持に使用される垂直転送電極数の個数が互いに異なる
第１および第２の垂直転送駆動を実行可能な駆動手段
と、前記撮像素子による撮像に際して前記第１および第２の
垂直転送駆動の一方を選択する手段と、前記撮像素子の出力信号に基づいて最終的な画像信号を
生成する過程における画像信号増幅率を制御するゲイン
制御手段とを具備し、前記ゲイン制御手段は、前記第１および第２のいずれの
垂直転送駆動が選択されたかに応じて前記画像信号増幅
率を異なる設定値に制御することを特徴とする撮像装
置。