JP2008306616A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スミア電荷の影響による画質の低下を軽減でき、かつ撮像素子駆動回路の省電力化を可能とする固体撮像装置を提供する。
【解決手段】ＴＧ制御部６１とＴＧ７０とからなる制御手段は、光電変換素子２１で生成された画素データを垂直転送レジスタ２３で転送している期間である有効画素転送期間と、有効画素転送期間の終了後、光電変換素子で生成された画素データが垂直転送レジスタ２３内に存在しない状態で、垂直転送レジスタ２３を転送駆動している期間である空転送期間と、を有するように、ＣＣＤ２０を制御する。そして、ＴＧ制御部６１とＴＧ７０とからなる制御手段は、有効画素転送期間において、水平転送レジスタ２４を転送駆動するようＣＣＤ２０を制御する一方、空転送期間の一部又は全部において、水平転送レジスタ２４の転送駆動を停止する期間を設けるようＣＣＤ２０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直転送レジスタと水平転送レジスタとを有する撮像素子を備える撮像装置に関する。特に、撮像素子の駆動電力の削減に関する。

従来技術を図５から図７に示す。図５は一般的な固体撮像素子であるインターライン転送方式のＣＣＤ２０を示す。この方式のＣＣＤ２０は光学的信号を受光して電気的信号に変換し、画素データを生成する光電変換素子２１と、前記生成された画素データを取り込んで垂直方向に転送する垂直転送レジスタ２２が縦方向に転送ゲート２３を挟んで交互に配置されている。垂直転送レジスタ２２の末端には前記転送された画素データを水平方向に転送する水平転送レジスタ２４が隣接して形成される。垂直転送レジスタ２２の末端の信号電荷は、垂直転送パルスによって水平転送レジスタ２４に転送されるような構造になっている。

光電変換素子２１は、光電変換機能を有する素子で、素子上に入射する光学的信号を受光して電気的信号に変換し、後述する読み出し信号が垂直転送レジスタ２２に印加されるまで電気的信号を蓄積する。ＣＣＤ２０では光電変換素子２１を水平方向、垂直方向の２次元的に配列させて感光部(撮像面)を構成する。各垂直ライン状の感光部には転送ゲート２３を介して垂直ライン状の垂直転送レジスタ２２がインターライン状に形成されている。

光電変換素子２１に蓄積されていた電気的信号は転送ゲート２３を介して垂直転送レジスタ２２に転送される。転送のタイミングは読み出し信号で決定され、読み出し信号が出力されている間、光電変換素子２１から垂直転送レジスタ２２へ電気的信号の転送が行われる。

垂直転送レジスタ２２は電気的信号を蓄積すると共に、転送する機能を備えた信号蓄積素子を垂直方向に複数配列することにより構成される。垂直転送レジスタ２２に垂直転送パルスを印加することにより、光電変換素子２１から転送された電気的信号を、垂直方向、水平転送レジスタがある向きに１段分転送する。垂直転送レジスタ２２の末端まで転送された電気的信号は、末端の垂直転送レジスタ２２に垂直転送パルスを印加することで水平転送レジスタ２４に転送される。

水平転送レジスタ２４は電気的信号を蓄積すると共に、転送する機能を備えた信号蓄積素子を水平方向に複数配列することにより構成される。水平転送レジスタ２４に水平転送パルスを印加することにより、水平転送レジスタ２４の一方の端部の出力端から電気的信号が順次外部に出力される。

図６は１フィールド期間での駆動信号を示している。垂直同期信号に同期して１フィールドに１回読み出し信号で電気的信号が垂直転送レジスタ２２に転送される。垂直転送パルスが１回出力される毎に水平転送パルスが水平方向の画素数分のパルス列が出力される。その後、次の水平期間で垂直転送パルスが１回出力され、かつ水平転送パルスが水平方向の画素数分のパルス列が出力されることが繰り返される。これを１フィールド期間内に垂直方向の画素数分の回数以上分繰り返し、ＣＣＤ２０上の全ての光電変換素子２１の電気的信号を水平転送レジスタ２４の出力端から出力し、画像データを形成する。

フィールド開始から垂直方向の画素数分の水平周期を有効画素転送期間という。また有効画素転送期間以後、次のフィールドが開始されるまでを空転送期間という。空転送期間中に水平転送レジスタ２４から出力される電気的信号には光電変換素子２１で発生した電気的信号は含まれず、ノイズ成分のみが含まれる。ノイズ成分には例えば、垂直転送レジスタ２２、水平転送レジスタ２４で発生する暗電流によるノイズ電荷、熱雑音、垂直転送レジスタ２２での光電変換により発生するスミア電荷などがある。スミア電荷はＣＣＤ２０に入射する光学的信号が強いほど発生しやすい。

特公平５−２３１４５において空転送期間中、ＣＣＤ２０の駆動を停止する駆動方法が開示されている。この第１の従来例での駆動信号を示すと、その動作は図６のようになる。図６は１フィールド期間を示している。空転送期間では垂直転送パルス、水平転送パルスを停止し、光電変換素子２１で発生した電気的信号が含まる水平期間でのみＣＣＤ２０を駆動している。

また特開昭５５−１６３９６２号公報の第２の従来例では、空転送期間中、駆動を止めたことでＣＣＤ２０の暗電流によるノイズが増加するのを防ぐために、空転送期間中も駆動を止めないで、有効画素転送期間と同じ駆動を行う駆動方法が開示されている。その動作は図７のようになる。図７は１フィールド期間を示している。空転送期間においても有効画素転送期間同様に垂直転送パルス、水平転送パルスを出力し、垂直転送レジスタ２２と水平転送レジスタ２４を空転送している。
特公平５−２３１４５号公報 特開昭５５−１６３９６２号公報

しかしながら第１の従来例のようにＣＣＤ２０の駆動を空転送期間で停止してしまうと、ＣＣＤ２０に高輝度物体からの光学的信号が入射した際に垂直転送レジスタ２２で発生するスミア電荷が空転送期間中、スミア電荷が発生する垂直転送レジスタ２２に集中的に蓄積され、次フィールドで光電変換素子２１の電気的信号が垂直転送レジスタ２２に転送された時にノイズとして加算されてしまう。

また第２の従来例のようにＣＣＤ２０の駆動を空転送期間で有効画素期間同様に行うと、第１の従来例と異なり特定の垂直転送レジスタ２２でスミアが蓄積されることはないが、ＣＣＤ２０を駆動する水平転送パルスは約１０ＭＨｚ以上の高周波であり、ＣＣＤ駆動回路の特にＴＧ７０はかなりの電力を消費してしまう。

本発明は上記問題点を鑑みて、スミア電荷の影響による画質の低下を軽減でき、かつ撮像素子駆動回路の省電力化を可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するために、本発明の撮像装置は、光学的信号を受光して電気的信号に変換し、画素データを生成する光電変換素子と、生成された画素データを取り込んで垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、転送された画素データを水平方向に転送する水平転送レジスタと、を備える撮像素子と、光電変換素子で生成された画素データを垂直転送レジスタで転送している期間である有効画素転送期間と、有効画素転送期間の終了後、光電変換素子で生成された画素データが垂直転送レジスタ内に存在しない状態で、垂直転送レジスタを転送駆動している期間である空転送期間と、を有するように、撮像素子を制御する制御手段と、を備える撮像装置であって、制御手段は、有効画素転送期間において、水平転送レジスタを転送駆動するよう撮像素子を制御する一方、空転送期間の一部又は全部において、水平転送レジスタの転送駆動を停止する期間を設けるよう撮像素子を制御する。

本発明により、前期空転送期間に蓄積されるスミア電荷による画質の低下を軽減し、かつ撮像素子駆動回路の省電力化をすることが可能となる。

（実施の形態１）
１ 構成
１−１ デジタルカメラの構成
図１は、本発明の実施の形態１に係るデジタルカメラ１の構成を示すブロック図である。

図１に示すようにデジタルカメラ１は光学系１０と、ＣＣＤ２０と、ＣＣＤ２０の出力信号をデジタル値に変換するＡＦＥ３０と、ＡＦＥ３０からの出力信号に対する処理を行う画像処理部４０と、バッファメモリ５０と、ＣＣＤ２０を駆動する駆動パルスを出力するタイミングジェネレーター７０（以下、ＴＧ７０という）と、タイミングジェネレーター７０を制御するＴＧ制御部６１を有するコントローラー６０と、コントローラー６０から出力される映像信号を表示する液晶モニタ８０とから構成される。

光学系１０は、光を集光して、ＣＣＤ２０上に被写体像を形成する。ＣＣＤ２０は、光学系１０によって形成された被写体像を撮像して、画像データを生成する。ＣＣＤ２０は図２と同様な構造である。

画像処理部４０は、ＡＦＥ３０からの画像データに対して各種の処理を施す。例えば、ガンマ補正、ホワイトバランス補正、ＹＣ変換処理、電子ズーム処理、圧縮処理などを行う。また、入力された圧縮データに対して伸張処理などを行うこともできる。但し、これらの処理は例示であって、全ての処理を行う必要はない。

画像処理部４０およびコントローラー６０は、バッファメモリ５０をワークメモリとして使用する。バッファメモリ５０は、例えば、ＤＲＡＭで実現可能である。

コントローラー６０は、デジタルカメラ１全体を制御する。コントローラー６０は、例えば、マイコンで実現可能である。また、コントローラー６０は、ＤＳＰで実現してもよい。

コントローラー６０は、ＴＧ制御部６１を含む。ＴＧ制御部６１は、デジタルカメラ１の動作モードに応じて、タイミングジェネレーター７０を制御する。ＴＧ７０は、ＴＧ制御部６１からの制御により、ＣＣＤ２０に対して、制御信号を出力する。ＴＧ７０がＣＣＤ２０に対して出力する制御信号は、例えば、垂直同期信号（ＶＤ信号）、読み出しパルス（ＶＳＧ信号）、垂直転送パルス（φＶ）、水平転送パルス（φＨ）がある。これらの制御信号については、ＣＣＤ２０の構成とともに、後述する。

液晶モニタ８０は、ＣＣＤ２０で撮像され、画像処理部４０で所定の処理が施された画像を表示可能である。撮像モードにおいて、処理後の画像を常時液晶モニタ８０に表示することによって、使用者は、記録用画像の構図を容易に決定できる。

１−２ ＣＣＤイメージセンサーの構成
このＣＣＤ２０はインターライン転送型のＣＣＤであり、図５と同様な構造である。この方式のＣＣＤ２０は光学的信号を受光して電気的信号に変換し、画素データを生成する光電変換素子２１と、前記生成された画素データを取り込んで垂直方向に転送する垂直転送レジスタ２２が縦方向に転送ゲート２３を挟んで交互に配置されている。垂直転送レジスタ２２の末端には前記転送された画素データを水平方向に転送する水平転送レジスタ２４が隣接して形成される。垂直転送レジスタ２２の末端の信号電荷は、垂直転送パルスによって水平転送レジスタ２４に転送される。

光電変換素子２１は、光電変換機能を有する素子で、素子上に入射する光学的信号を受光して電気的信号に変換し、読み出し信号が垂直転送レジスタ２２に印加されるまで電気的信号を蓄積する。ＣＣＤ２０では光電変換素子２１を水平方向、垂直方向の２次元的に配列させて感光部(撮像面)を構成する。各垂直ライン状の感光部には転送ゲート２３を介して垂直ライン状の垂直転送レジスタ２２がインターライン状に形成されている。

光電変換素子２１に蓄積されていた電気的信号は転送ゲート２３を介して垂直転送レジスタ２２に転送される。転送のタイミングは読み出し信号で決定され、読み出し信号が出力されている間、光電変換素子２１から垂直転送レジスタ２２へ電気的信号の転送が行われる。

垂直転送レジスタ２２は電気的信号を蓄積すると共に、転送する機能を備えた信号蓄積素子を垂直方向に複数配列することにより構成される。垂直転送レジスタ２２に垂直転送パルスを印加することにより、光電変換素子２１から転送された電気的信号を、垂直方向、水平転送レジスタがある向きに１段分転送する。垂直転送レジスタ２２の末端まで転送された電気的信号は、末端の垂直転送レジスタ２２に垂直転送パルスを印加することで水平転送レジスタ２４に転送される。

水平転送レジスタ２４は電気的信号を蓄積すると共に、転送する機能を備えた信号蓄積素子を水平方向に複数配列することにより構成され、水平転送レジスタ２４に水平転送パルスを印加することにより、水平転送レジスタ２４の一方の端部の出力端から電気的信号が順次外部に出力される。

１−３ 本発明との対応
なお、ＣＣＤイメージセンサー２０は、本発明の撮像素子の一例である。ＴＧ制御部６１及びＴＧ７０からなる構成は、本発明の制御手段の一例である。デジタルカメラ１は、本発明の撮像装置の一例である。

２ デジタルカメラの動作
２−１ 有効画素転送期間内の動作
次にこの実施の形態での有効画素転送期間内の動作を図２を参照して説明する。図２はデジタルカメラ１において画像を常時液晶モニタ８０に表示するモード時の１フィールド期間での駆動信号を示している。図２に示すように垂直同期信号がＴＧ７０より１フィールドの開始時刻に出力される。

垂直同期信号に同期して１フィールドに１回読み出しパルスで電気的信号が垂直転送レジスタに転送され、かつ垂直転送パルスが１回出力され、水平転送パルスが水平方向の画素数分のパルス列が出力される。

その後、次の水平期間で垂直転送パルスが１回出力され、かつ水平転送パルスが水平方向の画素数分のパルス列が出力されることが繰り返される。これを垂直方向の画素数分の回数分の水平期間で繰り返し、ＣＣＤ２０上の全ての光電変換素子２１の電気的信号を水平転送レジスタ２４の出力端から出力する。

図２は１フィールド期間の駆動パルスの説明であり、有効画素転送期間における水平期間での動作の詳細は図３のようになる。水平同期信号は水平周期に同期した信号で、垂直転送パルス、水平転送パルスの基準となる信号である。各水平周期において、水平同期信号が出力されてから一定時間Ｔｈが経過した後に、垂直転送パルスが出力される。垂直転送パルスの出力が停止した後に水平転送パルスが水平方向の画素数分のパルス列が出力される。

ＴＧ制御部６１は垂直同期信号から水平同期信号を係数し、水平同期信号の出力回数が垂直方向の画素数分の回数に到達すると、１フィールド内の有効画素転送期間が終了したとみなし、ＴＧ７０の出力を空転送期間の動作に遷移させる。

２−２ 空転送期間内の動作
空転送期間中、垂直転送パルスは有効画素転送期間より継続して出力される。水平転送パルスは有効画素転送期間以後、次のフィールドが開始されるまでの一部、または全体で停止される。水平転送パルスを停止している間、水平転送レジスタ２４には垂直転送レジスタ２２から転送されてくる前記ノイズ成分が蓄積される。

図４は空転送期間の水平期間での動作の詳細である。各水平周期において、水平同期信号が出力されてから一定時間Ｔｈが経過した後に、垂直転送パルスが出力され、水平転送パルスは水平周期全体にわたって出力されない。

空転送期間全体で水平転送パルスを停止した場合、水平転送レジスタ２４に蓄積されたノイズ成分は、次フィールドの有効画素転送期間の最初の水平転送期間で垂直転送パルスにより光電変換素子２１の電気的信号と加算され、水平転送パルスにより出力端から順次出力される。したがって有効画素転送期間の最初の１水平期間の出力信号は、光電変換素子２１の出力信号にノイズ成分が足されたＳ/Ｎの低いデータとなる。

そこで次フィールドの有効画素転送期間が開始されるより数水平期間前、少なくとも1水平期間前より水平転送パルスの出力を再開し、空転送期間中に水平転送レジスタに蓄積されたノイズによる電気的信号を掃出すことが望ましい。

３ まとめ
このようにして１フィールド期間でのＣＣＤ２０の駆動が終了し、次の垂直同期信号が出力されると、上述と同様に有効画素転送期間、空転送期間の動作を行う。つまり、１フィールド期間の有効画素転送期間が終了し、それ以降の空転送期間に水平転送パルスが停止されている間は、水平転送レジスタに垂直転送レジスタ２２から転送されてきたスミア電荷が蓄積されるので、次のフィールドの有効画素開始前に、垂直同期信号に先行して水平転送パルスの出力を再開し、スミア電荷の掃出しを行なう。

このため、ＣＣＤ２０の光電変換素子２１の信号を水平転送レジスタ２３に転送し、水平転送レジスタ２３を経てＣＣＤ２０から読み出した光電変換素子２１の信号のうち、特定の画素の信号にスミア電荷が集中して加算されることによる画質の低下を軽減でき、空転送期間中に垂直転送パルスと水平転送パルスを停止させる第１の従来例と比較して画質のよい映像信号を生成できる。

また１フィールド期間フィールド内に、ＣＣＤ２０に供給する水平転送パルスを停止する水平期間を設ける事で、その停止期間中ＴＧ７０の消費電力は停止しない期間の消費電力よりも低く抑えることができるので、デジタルカメラ１の消費電力は、空転送期間中に水平転送パルスを印加し続ける第２の従来例より低く抑えることができる。

以上をまとめると、本実施の形態に係るデジタルカメラ１は次のようなものである。すなわち、デジタルカメラ１は、ＣＣＤ２０とＴＧ制御部６１とＴＧ７０とを備える。ＣＣＤ２０は、光学的信号を受光して電気的信号に変換し、画素データを生成する光電変換素子２１と、生成された画素データを取り込んで垂直方向に転送する垂直転送レジスタ２３と、転送された画素データを水平方向に転送する水平転送レジスタ２４と、を備える。ＴＧ制御部６１とＴＧ７０とからなる制御手段は、光電変換素子２１で生成された画素データを垂直転送レジスタ２３で転送している期間である有効画素転送期間と、有効画素転送期間の終了後、光電変換素子で生成された画素データが垂直転送レジスタ２３内に存在しない状態で、垂直転送レジスタ２３を転送駆動している期間である空転送期間と、を有するように、ＣＣＤ２０を制御する。そして、ＴＧ制御部６１とＴＧ７０とからなる制御手段は、有効画素転送期間において、水平転送レジスタ２４を転送駆動するようＣＣＤ２０を制御する一方、空転送期間の一部又は全部において、水平転送レジスタ２４の転送駆動を停止する期間を設けるようＣＣＤ２０を制御する。

（他の実施の形態）
なお、上述の実施例において、ＣＣＤ２０は例えば２相の垂直転送レジスタ２２で構成され、連続する２フィールド期間の前半のフィールドで光電変換素子２１の半分の画素の電気的信号が、上述した駆動により一方の垂直転送レジスタ２２に転送された後、ＣＣＤ外部へ出力され、次のフィールドで光電変換素子２１の残りの半分の画素の電気的信号が、同様の駆動でもう一方の垂直転送レジスタ２２に転送された後、ＣＣＤ外部へ出力されるものとしている。

しかし1フィールド期間の間に、まず読み出し信号により光電変換素子２１の半分の画素の電気的信号を一方の垂直転送レジスタ２２に転送した後、垂直転送パルスにより１相分の垂直転送を行い、そしてもう一度読み出し信号により光電変換素子２１の残り半分の画素の電気的信号を、垂直転送レジスタ２２に転送することで、２つの光電変換素子の電気的信号を加算し、その後上述した駆動により水平転送レジスタへ転送し、ＣＣＤ外部へ出力する場合においても実施の形態１の場合と同様な効果が得られる。

なお、２相の垂直転送レジスタ２２に限定されるものではなく、任意の相からなる垂直転送レジスタとしてもよい。そして、垂直転送レジスタ、水平転送レジスタ上で任意の数の画素を加算するようにしてもよい。この場合、実施の形態１の場合と同様な効果が得られる。

本発明は、ＣＣＤなどの撮像素子を含む電子機器に適用可能である。例えば、デジタルカメラやムービー、カメラ機能付き携帯電話端末などに適用できる。

本発明の実施の形態１に係るデジタルカメラの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１の動作説明用のタイミングチャート 本発明の実施の形態１の動作説明用のタイミングチャート 本発明の実施の形態１の動作説明用のタイミングチャート ＣＣＤイメージセンサーの概略構成図 第１の従来例の動作説明用のタイミングチャート 第２の従来例の動作説明用のタイミングチャート

符号の説明

１ デジタルカメラ
１０ 光学系
２０ ＣＣＤイメージセンサー
３０ ＡＦＥ
４０ 画像処理部
５０ バッファメモリ
６０ コントローラー
６１ ＴＧ制御部
７０ タイミングジェネレーター
８０ 液晶モニタ

Claims (1)

1. 光学的信号を受光して電気的信号に変換し、画素データを生成する光電変換素子と、前記生成された画素データを取り込んで垂直方向に転送する垂直転送レジスタと、前記転送された画素データを水平方向に転送する水平転送レジスタと、を備える撮像素子と、
   前記光電変換素子で生成された画素データを前記垂直転送レジスタで転送している期間である有効画素転送期間と、前記有効画素転送期間の終了後、前記光電変換素子で生成された画素データが前記垂直転送レジスタ内に存在しない状態で、前記垂直転送レジスタを転送駆動している期間である空転送期間と、を有するように、前記撮像素子を制御する制御手段と、
   を備える撮像装置であって、
   前記制御手段は、
   前記有効画素転送期間において、前記水平転送レジスタを転送駆動するよう前記撮像素子を制御する一方、
   前記空転送期間の一部又は全部において、前記水平転送レジスタの転送駆動を停止する期間を設けるよう前記撮像素子を制御する、
   撮像装置。

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