JP2005184411A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成でフレーム周波数を容易に変更することが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 複数個の光電変換素子21が２次元アレイ状に配列され映像信号を生成する固体撮像素子11と、第１のフレーム周波数で固体撮像素子を駆動する駆動回路12と、第１のフレーム周波数の約数となる相異なる複数の約数フレーム周波数の群に含まれる第２のフレーム周波数に対応する映像信号を抽出するように制御するコントロール回路17と、抽出された映像信号の時間軸を第２のフレーム周波数に対応する時間軸に変換する信号処理回路15とで固体撮像装置を構成する。
【選択図】 図 １

Description

この発明は、固体撮像装置に係わり、特にフレーム周波数の異なる映像信号を出力することが可能な撮像装置に関する。

近年の固体撮像素子の多画素化・高感度化及びＬＳＩにおける高速デジタル処理により、デジタル画像が広く扱われるようになってきた。その一例として、デジタルシネマがあげられる。デジタルシネマは、従来のフィルムによる映画撮影に替わって、ハイビジョンカメラをベースにしたデジタルシネマ専用のカメラにて撮影し、編集、配信、上映までフルデジタルにて行うものである。デジタルシネマの登場は、編集作業の簡素化、コストの低減等、映画をとりまくあらゆる分野に様々な影響を与えている。

一方、我々の身の回りには、テレビに代表されるように、映画とは異なる映像メディアが存在しており、異なる映像メディア間において容易にフォーマットが変換されれば、互いの映像メディアを容易に扱い得ることが可能となり、より多くの映像を楽しむことが可能となる。

このような状況に鑑みて、例えば特開２００３−２３５６９号公報では、固体撮像素子のフレーム周波数を、異なる映像メディア間の最小公倍数にして、固体撮像素子を駆動することが提案されている。異なる映像メディア間の最小公倍数のフレーム周波数で固体撮像素子を駆動するため、両方の映像メディアのフレーム周波数に対応することが可能である。

また、特開２００２−１０１２９号公報では、複数の駆動パルス発生回路を搭載した駆動パルス切り替え回路を備え、モードによってフレーム周波数を変化させるようにしたＶＴＲ一体型撮像装置が提案されている。
特開２００３−２３５６９号公報 特開２００２−１０１２９号公報

しかしながら、映画の撮影においては、必ずしも24Ｐ（フレーム／秒）のみにて撮影するとは限らず、シーンによっては20Ｐとか15Ｐにて撮影を行う必要がある。上記特開２００３−２３５６９号公報の提案は、異なる２つの映像メディアのフォーマットに対応するために、２つの映像信号のフレーム周波数の最小公倍数のフレーム周波数にて固体撮像素子を駆動している。しかしながら、例えば、撮影中に２つの映像フォーマットの内、どちらか一方が変化した場合の対応については、考慮がなされていない。

また、特開２００２−１０１２９号公報開示の提案では、フレーム周波数の変更に対応するために、駆動パルス発生回路をフレーム周波数毎に別途搭載しているが、対応すべき全てのフレーム周波数の変更に対応する場合についは、考慮がなされていない。

本発明は、かかる点を鑑み、簡単な構成にてフレーム周波数を容易に変更することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、複数個の光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、映像信号を生成する固体撮像素子と、第１のフレーム周波数で前記固体撮像素子を駆動する駆動回路と、前記第１のフレーム周波数の約数となる相異なる複数の約数フレーム周波数の群に含まれる第２のフレーム周波数に対応する映像信号を抽出する信号抽出手段と、該信号抽出手段で抽出された映像信号の時間軸を前記第２のフレーム周波数に対応する時間軸に変換する手段とで固体撮像装置を構成するものであり、その実施例には実施例１が対応する。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記固体撮像素子は、一定の周期にてリセットが行われることを特徴とするものであり、その実施例には実施例１が対応する。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る固体撮像装置において、前記固体撮像素子は、映像信号を非破壊で読み出し可能な素子であり、映像信号の非破壊読み出しが行われた後、リセット動作を伴う映像信号の読み出しが行われることを特徴とするものであり、その実施例には実施例２が対応する。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る固体撮像装置において、前記固体撮像素子の蓄積時間の異なる２つ以上の映像信号を加算処理する手段を更に備えたことを特徴とするものであり、その実施例には実施例２が対応する。

請求項１に係る発明によれば、固体撮像素子の駆動周波数を変更することなく、任意のフレーム周波数を選択することができ、例えば、映画等においてフレーム周波数を変更する際にも容易に変更することができる。また請求項２に係る発明によれば、一定の周期にてリセット動作を行うことにより、通常の読み出し動作（例えば 30fps）と同様な読み出し動作が可能となる。また請求項３に係る発明によれば、常に一定のフレーム周波数にて処理回路を駆動すればよく、映像信号のあるなしによる電源電圧の変動を少なくすることができる。また請求項４に係る発明によれば、蓄積時間が異なる２つ以上の映像信号を加算処理することにより、より広いダイナミックレンジの映像信号を得ることができる。

次に、発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を示す概略ブロック図である。図１において、11は光を電気信号に変換するための固体撮像素子であり、固体撮像素子11の後段には固体撮像素子11からの信号を処理するための信号処理回路15が設けられており、信号処理回路15は固体撮像素子11からの映像信号を一時記録するための第１のメモリ13と第２のメモリ14を備えている。また、17はＣＰＵなどからなるコントロール回路で、撮像装置全体をコントロールするための回路であり、固体撮像素子11を駆動するための第１のフレーム周波数の選択、第１のフレーム周波数の約数のフレーム周波数群の中から、最終的に撮像装置として映像を出力するための第２のフレーム周波数の選択及び撮像装置の同期信号の変更を行う。また、12は固体撮像素子11を駆動するための駆動回路であり、固体撮像素子11を駆動するためのクロックを供給している。また、16は同期信号発生回路であり、撮像装置全体の基準となる同期信号を発生させる。また、同期信号発生回路16は、信号処理を行うためのクロックも信号処理回路15に供給している。また、18は信号処理回路15で処理された信号を出力する出力回路である。

前記固体撮像素子11は、例えば図２に示すように、複数個の光電変換素子21が２次元アレイ状に配列された、非破壊読み出しが可能なＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子であり、垂直走査回路22，水平走査回路23を備えており、垂直走査回路22には読み出しを制御するための垂直読み出しパルス及びリセットパルスを制御するための非破壊読み出し選択パルスを入力するようになっており、また水平走査回路23には読み出しを制御するための水平読み出しパルスを入力するようになっている。そして、非破壊読み出し選択パルスにより、非破壊読み出し又はリセットを伴う通常の読み出し動作を選択できるような構成となっている。また、信号読み出し線26には水平走査回路23に対応して各水平選択スイッチ25が設けられており、各水平選択スイッチ25が順次ＯＮすることにより、順次信号を読み出すようになっている。また、信号を増幅するためのアンプ24等も搭載されている。

次に、このように構成されている実施例１に係る固体撮像装置の動作について説明する。図３は、実施例１に係る固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングの概要を示す図である。本実施例においては、固体撮像素子11はある一定のフレーム周波数にて常に駆動することとする。説明を簡略化するために、ここでは例えば、120fps（１秒間に 120フレームの映像信号が出力される）を例として、固体撮像素子の駆動動作について説明する。

ここで、 120は次のように素因数分解できる。
120＝２×２×２×３×５
したがって、120fpsにて固体撮像素子を駆動すれば、以下の約数のフレーム周波数は容易に選択できることになる。
（１） １ （２） ２ （３） ３ （４） ４ （５） ５
（６） ６ （７） ８ （８） 10 （９） 12 （10） 15
（11） 20 （12） 24 （13） 30 （14） 40 （15） 60
（16） 120

例えば、１／40ｓの蓄積時間の画像を撮影したい場合には、120fpsにて駆動しているフレーム周波数の３フレーム分の蓄積時間の信号に相当する。また、１／30ｓの蓄積時間の画像を撮影したい場合には、120fpsにて駆動しているフレーム周波数の４フレーム分の蓄積時間の信号に相当する。次に、具体的に、図３に示したタイミングチャート（１）を用いて動作を説明する。図３に示した実施例１におけるタイミングチャート（１）は、固体撮像素子11のフレーム周波数が120fpsの場合において、蓄積時間が１／30ｓの画像を撮影する場合の動作を示している。

図３において、ＶＤ−120 はフレーム周波数120fps時における同期信号であり、いわゆるＶＤに相当する同期信号である。また、ＶＤ−30は、フレーム周波数が30fps のときの同期信号である。本実施例では、通常のフレーム周波数30fps の４倍のスピードにて駆動しているので、同期信号ＶＤ−120 も４倍周期にて同期信号ＶＤ−30に同期して駆動している。非破壊読み出し選択パルスは、常に“Ｌow”に固定とし、本実施例１における読み出し動作は、信号を読み出した後にリセット動作を行うものとする。

図３の実施例１におけるタイミングチャート（１）に示すように、時刻Ｔ１において固体撮像素子11の垂直走査回路22には垂直読み出しパルスとして“Ｈigh"が入力される。また同期して図３には図示していないが、水平走査回路23にも水平読み出しパルスが入力される。入力された各読み出しパルスに従い、垂直走査回路22及び水平走査回路23が走査を開始し、２次元アレイ状に配列された光電変換素子21から順次信号を読み出す。固体撮像素子11は、ＶＤ−30の４倍の120fpsにて駆動しているので、固体撮像素子11から読み出される信号の有効期間は、ＶＤ−30の１／４に相当するＴ１〜Ｔ２の期間になる。

固体撮像素子11から読み出された映像信号は、信号処理回路15に接続された第１のメモリ13及び第２のメモリ14に一時格納される。第１のメモリ13及び第２のメモリ14は、ＦＩＦＯ動作を行い、１／120sに読み出された映像信号は、時間軸方向に対して拡大するように変換され、ＶＤ−30の有効期間に相当するＴ１〜Ｔ３の期間に順次出力される。したがって、固体撮像装置からの最終出力における有効期間はＴ１〜Ｔ３となる。

時刻Ｔ１において垂直読み出しパルスが入力されてから１／30s 後の時刻Ｔ４において、再び垂直読み出しパルスとして“Ｈigh"が入力され、固体撮像素子11からは同様にＴ４〜Ｔ５の期間に順次映像信号が読み出されてくる。時刻Ｔ１において垂直読み出しパルスが入力されてから、時刻Ｔ４において再び垂直読み出しパルスが入力されるまでの間が蓄積時間に相当し、本実施例におけるタイミングチャート（１）では、１／30s となる。

次に、実施例１における他の動作態様を図４に示すタイミングチャート（２）に基づいて説明する。図４に示すタイミングチャート（２）では、フレーム周波数120fpsのまま、蓄積時間が１／24s の画像を撮影する場合の動作態様を示している。時刻Ｔ１において、垂直読み出しパルスを入力する。固体撮像素子11は120fpsにて駆動しているので、固体撮像素子11からの信号は、１／120sに相当する時刻Ｔ１〜Ｔ２の期間に読み出される。固体撮像素子11からの信号は、信号処理回路15及び第１のメモリ13及び第２のメモリ14により、時間軸方向に対して拡大するように変換され、ＶＤ−24の有効期間に相当するＴ１〜Ｔ３の期間に読み出される。

同様に時刻Ｔ４において、垂直読み出しパルスを入力することにより、Ｔ４〜Ｔ５の期間において信号が順次読み出されてくる。その後、信号処理回路15及び第１のメモリ13及び第２のメモリ14により、時間軸変換され、Ｔ４〜Ｔ６の期間にかけて読み出されてくる。

図４の実施例１におけるタイミングチャート（２）に示すように、図３に示したタイミングチャート（１）と同様に120fpsにて駆動した状態のまま、同期信号ＶＤ−24に同期して垂直読み出しパルスを入力することにより、蓄積時間が１／24s の信号が読み出される。

図５は、実施例１において、蓄積時間を１／60s とした場合における動作態様を示すタイミングチャート（３）である。上記実施例１に係る固体撮像装置においては、図３〜図５のタイミングチャート（１）〜（３）に示したように、固体撮像素子11のフレーム周波数を120fpsに固定したまま、垂直読み出しパルスを120fpsの同期信号ＶＤ−120 に同期して所望の蓄積時間のタイミングにて入力することにより、蓄積時間が異なる映像信号を得ることができる。

なお、本実施例では、説明のために固体撮像素子としての駆動フレーム周波数を120fpsとしたものを例に取り上げたが、必ずしも駆動フレーム周波数を120fpsに限定する必要はなく、150fpsでも80fps でも同様な駆動態様が可能であることは明白である。

以上述べたように、上記実施例１に係る固体撮像装置によれば、固体撮像素子11のフレーム周波数を変更することなく、垂直読み出しパルスの入力のタイミングを変更するだけで蓄積時間の異なる映像信号を得ることができる。

次に、実施例２について説明する。実施例２に係る固体撮像装置の基本構成は、図１及び図２に示した実施例１に係る固体撮像装置と同じであるので、その図示説明を省略する。次に、実施例２に係る固体撮像装置の動作態様を図６に示すタイミングチャート（１）に基づいて説明する。本実施例においても、説明を簡略化するために固体撮像素子11の駆動フレーム周波数は120fpsとする。図６に示した実施例２におけるタイミングチャート（１）は、固体撮像素子の駆動フレーム周波数が120fpsの場合において、蓄積時間が１／30s の画像を撮影する場合の動作を示している。

図６において、ＶＤ−120 は駆動フレーム周波数120fps時における同期信号であり、いわゆるＶＤに相当する同期信号である。また、ＶＤ−30は、フレーム周波数が30fps のときの同期信号である。本実施例では、通常のフレーム周波数30fps の４倍のスピードにて駆動しているので、同期信号ＶＤ−120 も４倍周期にて同期信号ＶＤ−30に同期して駆動している。

垂直読み出しパルスは、駆動フレーム周波数が120fps時の同期信号ＶＤ−120 に同期して入力する。すなわち、固体撮像素子11からの信号は、常に120fpsにて読み出されることになる。非破壊読み出し選択パルスはＴ１〜Ｔ３の期間のみ“Ｌow”に固定とし、Ｔ３〜Ｔ９の期間は“Ｈigh"とする。このようなタイミングにすることにより、Ｔ１〜Ｔ２の期間における読み出し動作は、リセットを伴う読み出し動作となり、Ｔ３〜Ｔ４、Ｔ５〜Ｔ６、Ｔ７〜Ｔ８の期間における読み出し動作は、リセットを伴わない非破壊読み出しとなる。

時刻Ｔ１において、固体撮像素子11の垂直走査回路22には、垂直読み出しパルスとして“Ｈigh"が入力される。また同期して図６には図示していないが、水平走査回路23にも水平読み出しパルスとして“Ｈigh"が入力される。入力された各読み出しパルスに従い、垂直走査回路22及び水平走査回路23が走査を開始し、２次元アレイ状に配列された光電変換素子21から順次信号を読み出されてくる。固体撮像素子は、ＶＤ−30の４倍の120fpsにて駆動しているので、固体撮像素子から読み出される信号の有効期間は、ＶＤ−30の１／４に相当するＴ１〜Ｔ２の期間になる。また、Ｔ１〜Ｔ２の期間に読み出される映像信号は、蓄積時間が４／120s＝１／30s となる映像信号である。これは、時刻Ｔ１以前は４／120sの期間に亘って非破壊読み出しとなっているからである。

時刻Ｔ３において、再び垂直読み出しパルスが入力される。Ｔ１〜Ｔ２の期間と同様にＴ３〜Ｔ４の期間に順次信号が読み出されてくる。ここで、Ｔ１〜Ｔ２の期間における読み出し動作は、リセットを伴う読み出し動作なので、Ｔ３〜Ｔ４の期間において読み出される信号は、蓄積時間が１／120sの映像信号となる。

同様に時刻Ｔ５において、再び垂直読み出しパルスが入力される。そして、Ｔ３〜Ｔ４の期間と同様にＴ５〜Ｔ６の期間に順次信号が読み出されてくる。ここで、Ｔ１〜Ｔ２の期間における読み出し動作は、リセットを伴う読み出し動作であったが、Ｔ３〜Ｔ４の期間における読み出し動作は、リセットを伴わない非破壊読み出しであるので、Ｔ５〜Ｔ６の期間に読み出されてくる映像信号の蓄積時間は２／120sの映像信号となる。

同様に時刻Ｔ７において、再び垂直読み出しパルスを入力することにより、Ｔ７〜Ｔ８の期間に蓄積時間が３／120sの信号が順次読み出されてくる。このようにＴ１〜Ｔ８の期間において、蓄積時間が４／120s，１／120s，２／120s，３／120sと異なる４つの映像信号が順次読み出されてくる。

後段の信号処理回路15には、常に１／120s毎に映像信号が入力されることになり、信号処理回路15は常に動作させていればよい。後段の信号処理回路15では、これら４つの映像信号の中から蓄積時間が４／120sの映像信号のみを時間軸方向に変換することにより、最終出力を得ることができる。

また、蓄積時間が異なる４つの映像信号を得られるので、シーンに応じて４つの蓄積時間の映像信号の中から任意の蓄積時間の信号を選択することができる。

次に、実施例２における他の動作態様を図７に示すタイミングチャート（２）に基づいて説明する。図７に示すタイミングチャート（２）では、駆動フレーム周波数は120fpsにおいて、蓄積時間が１／24s 時の信号を読み出す場合の動作態様を示している。図６に示した動作態様と同様に、非破壊読み出しによる読み出しを４回繰り返した後に、通常の読み出し動作を行うことにより、蓄積時間の異なる複数の信号を得ることができる。

図８は、実施例２の更に他の動作態様を示すタイミングチャート（３）である。この図８に示す動作態様は、蓄積時間の異なる信号を処理することにより、広ダイナミックレンジ化を図ることができるようにするものである。処理方式としては、例えば特開平５−１４５８５７号において提案されているような手段を信号処理回路15に用いることにより、容易にダイナミックレンジの拡大を図ることができる。図８に示したタイミングチャート（３）では、映像信号１−４と映像信号１−１というように前フレームの蓄積時間が１／30s の信号とリセット後の蓄積時間が１／120sの信号を加算処理している例を図示しているが、このような組み合わせの処理に限られず、他の組み合わせの信号処理も可能なことは明白である。また、２つの映像信号を組み合わせ処理するだけでなく、蓄積時間が異なる３つの映像信号を処理することが可能なことは明白である。

このような蓄積時間の異なる複数の映像信号を加算処理することにより、広ダイナミックレンジの映像信号を得ることができる。

上記実施例２に係る固体撮像装置においては、固体撮像素子11からは常に一定のフレーム周波数にて、映像信号が出力されるため、信号処理回路15は常に一定のフレーム周波数にて駆動すればよく、映像信号のあるなしによる電源電圧の変動を抑えることができ、電源電圧の変動による信号の劣化を抑えることができる。また、非破壊読み出しを利用することにより、広ダイナミックレンジ化を図ることも可能である。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を示す概略ブロック構成図である。 図１に示した実施例１における固体撮像素子の構成を示す概略図である。 実施例１に係る固体撮像装置の動作態様を説明するためのタイミングチャート（１）を示す図である。 実施例１に係る固体撮像装置の他の動作態様を説明するためのタイミングチャート（２）を示す図である。 実施例１に係る固体撮像装置の更に他の動作態様を説明するためのタイミングチャート（３）を示す図である。 実施例２に係る固体撮像装置の動作態様を説明するためのタイミングチャート（１）を示す図である。 実施例２に係る固体撮像装置の他の動作態様を説明するためのタイミングチャート（２）を示す図である。 実施例２に係る固体撮像装置の更に他の動作態様を説明するためのタイミングチャート（３）を示す図である。

符号の説明

11 固体撮像素子
12 駆動回路
13 第１のメモリ
14 第２のメモリ
15 信号処理回路
16 同期信号発生回路
17 コントロール回路
18 出力回路
21 光電変換素子
22 垂直走査回路
23 水平走査回路
24 アンプ
25 水平選択スイッチ
26 信号読み出し線

Claims (4)

1. 複数個の光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、映像信号を生成する固体撮像素子と、第１のフレーム周波数で前記固体撮像素子を駆動する駆動回路と、前記第１のフレーム周波数の約数となる相異なる複数の約数フレーム周波数の群に含まれる第２のフレーム周波数に対応する映像信号を抽出する信号抽出手段と、該信号抽出手段で抽出された映像信号の時間軸を前記第２のフレーム周波数に対応する時間軸に変換する手段とを有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記固体撮像素子は、一定の周期にてリセットが行われることを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
3. 前記固体撮像素子は、映像信号を非破壊で読み出し可能な素子であり、映像信号の非破壊読み出しが行われた後、リセット動作を伴う映像信号の読み出しが行われることを特徴とする請求項１又は２に係る固体撮像装置。
4. 前記固体撮像素子の蓄積時間の異なる２つ以上の映像信号を加算処理する手段を更に備えたことを特徴とする請求項３に係る固体撮像装置。

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