JP2005260411A - 高感度撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の電荷蓄積時間を長くして感度を向上させた場合、その電荷蓄積時間周期で撮像信号を出力させるため、出力映像信号の滑らかさが無くなると共に各種制御機能の応答が遅くなるという課題を有していた。
【解決手段】固体撮像素子からそれぞれ２ｎフィールド期間（ｎ：１以上の整数）蓄積された奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号をｎフィールド間隔でフレーム蓄積読出し、その撮像信号をメモリに記憶させメモリから読み出し処理することにより電荷蓄積時間の半分の周期で応答する映像信号を出力させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子を用いて高感度撮像を行う高感度撮像装置に関するものである。

家庭用ビデオカメラなどの撮像装置で使用される固体撮像素子としては、例えばインターライン型ＣＣＤ撮像素子などがあり、撮像素子内部で縦横に配列した電荷蓄積部から垂直方向の２画素単位で加算し、またフィールド毎に垂直方向の２画素の組み合わせを換えて読み出す、所謂フィールド蓄積読み出しモードで動作させるのが一般的である。

このような固体撮像素子を用いた撮像装置において感度を向上させる手法としては、電荷蓄積時間を１フィールド期間より長くして電荷蓄積量を増加させる方法が広く知られており、例えば特許文献１に記載されたテレビカメラ装置にも開示されている。ここでこの従来の手法を用いた高感度撮像装置の一例について以下に説明する。図６は従来の高感度撮像装置のブロック図であり、図７は固体撮像素子の内部構成を示すブロック図である。

図６において、１１は固体撮像素子であり、例えば図７に示すように縦横に配列された電荷蓄積部２１と、これらの電荷蓄積部２１より入力端子に印加される電荷読み出し駆動パルスによって制御されるスイッチ素子２２を介してそれぞれの電荷蓄積部２１に蓄積された電荷を読み出し、垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）２３及び、水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）２４に順次転送し、電荷出力端子より撮像信号を出力させるものである。１２はこの固体撮像素子１１を駆動させるための駆動パルス発生回路であり、１３はフィールド周期に同期した同期基準信号を出力する同期信号発生回路であり、１４は同期信号発生回路１３からの切り替え信号によって固体撮像素子１１への電荷読み出し駆動パルスを切り替え制御する切り替え制御回路であり、１７は固体撮像素子１１から出力された撮像信号と同期信号発生回路１３から出力された同期信号より映像信号を出力させる映像信号処理回路であり、１５は映像信号処理回路１７からの信号を記録するメモリであり、１６はメモリ１５を制御するメモリ制御回路である。

上記構成からなる従来の高感度撮像装置の動作について図６、図７及び、図８を用いて説明する。図８は各回路ブロック毎の出力信号を示した出力波形図である。

同期信号発生回路１３から出力されたフィールド同期基準信号ａより駆動パルス発生回路１２からフィールド周期で同期した駆動信号ｃ及び駆動パルスｉが出力される。駆動パルス発生回路１２から出力された駆動パルスｉは、切り替え制御回路１４を介して固体撮像素子１１に電荷読み出し駆動パルスｋとして入力される。この電荷読み出し駆動パルスｋは、図７に示す固体撮像素子１１の電荷読み出し駆動用入力端子に入力され、電荷蓄積部２１に接続されたスイッチ素子２２を制御し蓄積電荷信号をＶＣＣＤ２３及びＨＣＣＤ２４に転送させる。転送された蓄積電荷信号は、電荷出力端子より撮像信号ｄとして出力される。次に切り替え制御回路１４では同期信号発生回路１３からの制御信号によって駆動パルス発生回路１２からの駆動パルスｉの出力を制御するもので、通常のフィールド蓄積動作時は、フィールド周期で電荷読み出し駆動パルスｋ（１）を出力させ固体撮像素子１１からフィールド読み出しし、高感度蓄積時は、蓄積周期に合わせた同期信号発生回路１３からの抑圧信号ｊによって駆動パルスｉを抑圧制御させた電荷読み出し駆動パルスｋ（２）によって、電荷蓄積時間周期のフィールド読み出しをするものである。

従って、高感度撮像時にはこの蓄積時間に比例した高感度撮像信号ｄを固体撮像素子１１より出力させることができるものである。この固体撮像素子１１より電荷蓄積時間周期で出力された高感度撮像信号ｄは、映像信号処理回路１７で映像信号ｍに変換処理され、メモリ制御回路１６からの書込み制御信号ｆによりメモリ１５に書き込まれる。メモリ１５に書き込まれた映像信号ｍは電荷蓄積時間周期の離散信号のため、メモリ１５からは直前に書き込まれた映像信号ｍと同一信号を次の映像信号が書き込まれるまで毎フィールド読み出すことにより、高感度撮像された映像信号pを出力させるものである。またこの場合、例えば固体撮像素子１１で撮像される被写体が、図８のｙの時点で変化した場合、出力される映像信号ｐは、最大２ｎフィールド後に被写体の変化を検知することができるものである。
特開昭６４−７８０８１号公報

しかしながら、上記従来の高感度撮像装置では、その電荷蓄積時間と同じ周期で固体撮像素子から撮像信号を出力させるため、蓄積時間の長い高感度撮像を行う場合、撮像信号の変化速度が遅く、出力する映像信号の滑らかさが無くなると共に、映像信号から自動補正を行うオートホワイトバランス（ＡＷＢ）やオートアイリス制御（ＡＬＣ）、オートフォーカス（ＡＦ）等の制御機能の応答も非常に遅くなるという課題を有していた。

本発明は、上記課題を鑑み、電荷蓄積時間の半分の周期で高感度撮像信号を応答させることができる高感度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に本発明の高感度撮像装置は、２ｎフィールド期間周期（ｎ：１以上の整数）で高感度蓄積させた固体撮像素子から奇数ラインフィールドと偶数ラインフィールドの撮像信号をそれぞれｎフィールド間隔でフレーム蓄積読出しさせてメモリに書込み、直前に書き込まれた奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号を毎フィールド、メモリから読み出し、その読み出した撮像信号を変換処理し映像信号を出力させることにより、電荷蓄積時間の半分の周期で高感度撮像信号を応答させることができることを最も主要な特徴とするものである。

本発明は、２ｎフィールド期間の電荷蓄積時間で高感度撮像を行い、その半分のｎフィールド期間周期で映像信号の出力を変化させることができ、高感度の映像信号をより滑らかに出力すると共に、オートホワイトバランスやオートアイリス制御、オートフォーカス等の制御機能の応答速度を早くすることができるという利点があるものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、固体撮像素子より２ｎフィールド期間（ｎ：１以上の整数）蓄積された撮像信号をｎフィールド間隔で奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドをそれぞれ独立にフレーム蓄積読出しさせる駆動手段と、前記固体撮像素子から読み出された奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号を記憶する画像記憶手段と、前記画像記憶手段からそれぞれ直前に書き込まれた奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号を毎フィールド読み出させる読み出し手段と、前記読み出し手段から読み出された奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号より高感度映像信号を出力させる信号処理手段からなるものである。

請求項２に記載の発明は、画像記憶手段は２つのフィールドメモリ領域を有し、前記固体撮像素子から読み出された奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号をそれぞれ独立して記憶するものである。

請求項３に記載の発明は、読み出し手段は、前記画像記憶手段から隣接する２ラインの信号をフィールド毎に組み合わせを変えて順次読み出すものである。

請求項４に記載の発明は、信号処理手段は、読み出し手段より読み出された隣接する２ラインの信号を加算処理して映像信号を出力させるものである。

請求項５に記載の発明は、読み出し手段は、前記画像記憶手段から直前に書き込まれた奇数ラインフィールドあるいは偶数ラインフィールドの撮像信号のみをｎフィールド期間の周期で毎フィールド読み出し、前記読み出し手段から読み出された奇数ラインフィールドあるいは偶数ラインフィールドの撮像信号より高感度映像信号を出力させる信号処理手段からなるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明装置の実施の形態１を示すブロック図であり、図２は、固体撮像素子の内部構成を示すブロック図である。

図１において、１は電荷蓄積型の固体撮像素子（ＣＣＤ）であり、２は固体撮像素子１を駆動させるための駆動手段である駆動パルス発生回路であり、３は駆動パルス発生回路２への同期基準信号を発生させる同期信号発生回路であり、４は固体撮像素子１からの撮像信号をサンプルホールドし、ゲイン調整した後AD変換処理して出力させる前処理回路であり、５は前処理回路４からのデジタル撮像信号を記録する画像記憶手段であるメモリであり、６はメモリ５を制御する読み出し手段であるメモリ制御回路であり、７はメモリ５から読み出されたデジタル撮像信号をテレビ信号などの映像信号に変換させる信号処理手段である映像信号処理回路である。

固体撮像素子1は、例えば図２に示すようなインターライン型ＣＣＤ撮像素子であり、各画素に対応する電荷蓄積部２１と、その電荷蓄積部２１の奇数ライン画素及び偶数ライン画素をそれぞれ独立に制御できる各入力端子と、駆動信号に多重された電荷読み出し駆動パルスによって制御されるスイッチ素子２２ａ及び２２ｂと、そのスイッチ素子２２ａ及び２２ｂを介して電荷蓄積部２１に蓄積された電荷を順次取り込み転送する垂直転送ＣＣＤ（以下ＶＣＣＤと記す）２３と、ＶＣＣＤ２３からの電荷を水平方向に転送し出力させる水平転送ＣＣＤ（以下ＨＣＣＤと記す）２４とからなるものである。

以上のように構成された本実施の形態の高感度撮像装置の動作について、図１、図２及び、図３を用いて説明する。

なお図３は各回路ブロック毎の出力信号を示した出力波形図で、ａは同期信号発生回路３から出力されるフィールド同期基準信号、ｂ−１及びｂ−２は駆動パルス発生回路２から固体撮像素子１に出力される電荷読み出し駆動パルス、ｄ（１）及びｄ（２）は固体撮像素子１から前処理回路４に出力される奇数フィールド及び偶数フィールドの撮像信号、ｅ（１）及びｅ（２）は前処理回路４からメモリ５に出力される奇数フィールド及び偶数フィールドのデジタル撮像信号、ｆはメモリ制御回路６からメモリ５に出力されるメモリ制御信号、ｇ−１及びｇ−２はメモリ５から映像信号処理回路７に出力されるデジタル映像信号、ｈは映像信号処理回路７から外部に出力される映像信号である。

例えば、２ｎフィールドの蓄積周期（ｎ：１以上の整数）で高感度撮像を行う場合、電荷蓄積を行う固体撮像素子１に対して、同期信号発生回路３からのフィールド同期基準信号ａにより駆動パルス発生回路２は、電荷読み出し駆動パルスｂ−１、ｂ−２及び駆動信号ｃを出力し、固体撮像素子１をフレーム蓄積読み出しモードで動作させる。即ち、図２に示す第１の電荷読み出し駆動用入力端子から入力された電荷読み出し駆動パルスｂ−１によって第１のスイッチ素子２２ａをオンさせることにより、電荷蓄積部２１に直前の２ｎフィールド期間蓄積された奇数ラインフィールドの電荷をＶＣＣＤ２３、ＨＣＣＤ２４に順次転送して読み出す。

更にｎフィールド後に第２の電荷読み出し駆動用入力端子から入力された電荷読み出し駆動パルスｂ−２によって第２のスイッチ素子２２ｂをオンさせることにより、電荷蓄積部２１に直前の２ｎフィールド期間蓄積された偶数ラインフィールドの電荷をＶＣＣＤ２３、ＨＣＣＤ２４に順次転送して読み出すことにより、ｎフィールド周期毎に２ｎフィールド期間電荷蓄積された奇数ラインフィールドの撮像信号ｄ（１）及び偶数ラインフィールドの撮像信号ｄ（２）を交互に読み出すことができるものである。

このように固体撮像素子１からｎフィールド毎に読み出された撮像信号ｄ（１）及びｄ（２）は、駆動パルス発生回路４からのサンプルパルスによって前処理回路４でサンプルホールドされ、更にゲイン調整、Ａ／Ｄ変換処理（アナログデジタル変換処理）された奇数ラインフィールドのデジタル撮像信号ｅ（１）及び偶数ラインフィールドのデジタル撮像信号ｅ（２）としてメモリ５に入力される。メモリ５に入力されたデジタル撮像信号ｅ（１）及びｅ（２）は、同期信号発生回路３からの同期信号を基準にメモリ制御回路６からの制御信号ｆでメモリ５に書き込まれる。この場合メモリ５では奇数ラインフィールドのデジタル撮像信号ｅ（１）及び偶数ラインフィールドのデジタル撮像信号ｅ（２）を独立して書き込むものである。

メモリ５に書き込まれたデジタル撮像信号ｅ（１）及びｅ（２）は、メモリ制御回路６からの制御信号により直前に書き込まれたデジタル撮像信号を毎フィールド同時に読み出したデジタル撮像信号ｇ−１及びｇ−２として映像信号処理回路７に入力される。すなわちフレーム蓄積読み出しモードで書き込まれた撮像信号ｄ（１）及びｄ（２）は、フィールド蓄積読み出しモードで読み出されるデータに対して感度が半分になるため、メモリ５より直前に書き込まれたデジタル撮像信号ｇ−１及びｇ−２を映像信号処理回路７内部で加算処理し、フィールド蓄積読み出しモードと同じ高感度な映像信号を出力させる。

このように、例えば固体撮像素子１で撮像される被写体が、図３のｘの時点で変化した場合においても、出力される映像信号ｈは、最大でもｎフィールド後に被写体の変化が検知できるものである。

従って、２ｎフィールド期間電荷蓄積された高感度映像信号を電荷蓄積時間の半分のｎフィールド周期でより滑らかに出力させることができると共に、オートホワイトバランスやオートアイリス制御、オートフォーカス等の制御機能の応答速度を早くさせることができる。

また色モザイクフィルタと組み合わせた固体撮像素子を用いる単板式高感度撮像装置においても、直前に書き込まれた奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドのデジタル撮像信号を同時にメモリから読み出し加算処理することにより、色信号を含む高感度撮像した映像信号を出力させることができるものである。

また更に、加算する奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドのデジタル信号をフィールド毎に組み合わせを換えて出力させることにより最終映像信号の垂直解像度を改善させるとともに空間位置を合わせて出力させることもできるものである。

尚、本実施の形態において電荷読み出し駆動パルスｂ−１、ｂ−２及び駆動信号ｃを独立して記載しているが、駆動パルスを駆動信号に多重する構成でも良い。

（実施の形態２）
次に常時フレーム蓄積読み出しモードを行う白黒カメラあるいは複数の固体撮像素子を用いる多板式カメラで高感度撮像を行う高感度撮像装置について、図４及び図５を用いて説明する。

図４は、本発明装置の実施の形態２を示すブロック図であり、図１と共通の部分については共通番号を付与しており説明は省略する。

フレーム蓄積読み出しモードを行う白黒カメラあるいは画素加算をせずに色信号処理が可能な多板式カメラ等において、２ｎフィールドの蓄積周期（ｎ：１以上の整数）で高感度撮像を行う場合、電荷蓄積を行う固体撮像素子１に対して、同期信号発生回路３からのフィールド同期基準信号ａにより駆動パルス発生回路２は、電荷読み出し駆動パルスｂ−１、ｂ−２及び駆動信号ｃを出力し、固体撮像素子１をフレーム蓄積読み出しモードで動作させる。即ち、図２に示す第１の電荷読み出し駆動用入力端子から入力された電荷読み出し駆動パルスｂ−１によって第１のスイッチ素子２２ａをオンさせることにより、電荷蓄積部２１に直前の２ｎフィールド期間蓄積された奇数ラインフィールドの電荷をＶＣＣＤ２３、ＨＣＣＤ２４に順次転送して読み出す。

更にｎフィールド後に第２の電荷読み出し駆動用入力端子から入力された電荷読み出し駆動パルスｂ−２によって第２のスイッチ素子２２ｂをオンさせることにより、電荷蓄積部２１に直前の２ｎフィールド期間蓄積された偶数ラインフィールドの電荷をＶＣＣＤ２３、ＨＣＣＤ２４に順次転送して読み出すことにより、ｎフィールド周期毎に２ｎフィールド期間電荷蓄積された奇数ラインフィールドの撮像信号ｄ（１）及び偶数ラインフィールドの撮像信号ｄ（２）を交互に読み出すことができるものである。

こうして固体撮像素子１からｎフィールド毎に奇数ラインフィールド、偶数ラインフィールドを切り替え読み出された撮像信号ｄは、駆動パルス発生回路４からのサンプルパルスによって前処理回路４でサンプルホールドされ、更にゲイン調整、ＡＤ変換処理された奇数ラインフィールドのデジタル撮像信号ｅとして順次メモリ５に入力される。メモリ５に入力されたデジタル撮像信号ｅは、同期信号発生回路３からの同期信号を基準にメモリ制御回路６からの制御信号ｆでメモリ５に書き込まれる。

メモリ５に書き込まれたデジタル撮像信号ｅは、メモリ制御回路６からの制御信号により直前に書き込まれたデジタル撮像信号を毎フィールド読み出したデジタル撮像信号ｇとして映像信号処理回路７に出力し、高感度化された映像信号ｈを出力させる。従って、例えば固体撮像素子１で撮像される被写体が、図５のｘの時点で変化した場合においても、出力される映像信号ｈは、最大でもｎフィールド後に被写体の変化が検知できるものであり、更にそれぞれｎフィールド間隔で読み出される奇数ラインフィールドあるいは偶数ラインフィールドの撮像信号のみから映像信号を処理するためより応答変化の早い処理が行えるものである。

このように、フレーム蓄積読み出しモードを行う白黒カメラあるいは多板式カメラ等においても、２ｎフィールド期間電荷蓄積された高感度映像信号を電荷蓄積時間の半分のｎフィールド周期でより滑らかに出力させることができると共に、オートホワイトバランスやオートアイリス制御、オートフォーカス等の制御機能の応答速度を早くさせることができる。

尚、本実施の形態においてメモリ５書込み読み出し後、映像信号処理回路７で信号処理を行う構成にしているが、逆に映像処理処理回路７で信号処理後、メモリ書込み読み出しする構成であっても良い。

本発明にかかる高感度撮像装置は、固体撮像素子を使用し、２フィールド期間以上の電荷蓄積時間で高感度撮像を行う映像カメラ機器において、その電荷蓄積時間より短い周期で映像を出力させる必要のある用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１に於ける高感度撮像装置のブロック図 同実施の形態１に於ける固体撮像素子のブロック図 同実施の形態１に於ける高感度撮像装置の動作波形図 本発明の実施の形態２に於ける高感度撮像装置のブロック図 同実施の形態２に於ける高感度撮像装置の動作波形図 従来の高感度撮像装置の一例を示したブロック図 従来の固体撮像素子の一例を示したブロック図 従来の高感度撮像装置の動作説明のための入出力波形図

符号の説明

１ 固体撮像素子
２ 駆動パルス発生回路
３ 同期信号発生回路
４ 前処理回路
５ メモリ
６ メモリ制御回路
７ 映像信号処理回路

Claims (5)

1. 固体撮像素子より２ｎフィールド期間（ｎ：１以上の整数）蓄積された撮像信号をｎフィールド間隔で奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドをそれぞれ独立にフレーム蓄積読出しさせる駆動手段と、前記固体撮像素子から読み出された奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号を記憶する画像記憶手段と、前記画像記憶手段からそれぞれ直前に書き込まれた奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号を毎フィールド読み出させる読み出し手段と、前記読み出し手段から読み出された奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号より高感度映像信号を出力させる信号処理手段からなることを特徴とする高感度撮像装置。
2. 画像記憶手段は２つのフィールドメモリ領域を有し、前記固体撮像素子から読み出された奇数ラインフィールド及び偶数ラインフィールドの撮像信号をそれぞれ独立して記憶することを特徴とする請求項１記載の高感度撮像装置。
3. 読み出し手段は、前記画像記憶手段から隣接する２ラインの信号をフィールド毎に組み合わせを変えて順次読み出すことを特徴とする請求項１記載の高感度撮像装置。
4. 信号処理手段は、読み出し手段より読み出された隣接する２ラインの信号を加算処理して映像信号を出力させることを特徴とする請求項１記載の高感度撮像装置。
5. 読み出し手段は、前記画像記憶手段から直前に書き込まれた奇数ラインフィールドあるいは偶数ラインフィールドの撮像信号のみをｎフィールド期間の周期で毎フィールド読み出し、前記読み出し手段から読み出された奇数ラインフィールドあるいは偶数ラインフィールドの撮像信号より高感度映像信号を出力させる信号処理手段からなることを特徴とする請求項１記載の高感度撮像装置。

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