JP2009130731A - 撮像装置及び撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水平ブランキング期間が長くなることを回避し、撮像駆動時の高速処理が可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】
固体撮像素子から画像信号を１ラインごとに出力する水平転送期間と、画像信号の出力を停止するデータ転送停止期間とを有し、アナログフロントエンド回路部が水平転送期間同士の間の水平ブランキング期間を除く、データ転送停止期間中にオーバーフロードレイン信号を入力することで、信号電荷の掃き出しを実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像装置及び撮像装置の駆動方法に関する。

従来、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices:電荷結合素子）型の撮像装置は、半導体基板上に垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）と水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）とを備え、半導体基板表面部に二次元アレイ状に配列形成されたフォトダイオード（光電変換素子）から垂直電荷転送路に読み出された信号電荷を垂直電荷転送路に沿って水平電荷転送路まで転送させ、次にこの信号電荷を水平電荷転送路に沿って電荷検出部及び出力アンプまで転送させ、電荷検出部まで転送されてきた信号電荷の各々の電荷量に応じた電圧値信号を出力アンプが出力する構成である。

従来の読み出し方法では、水平転送期間（出力期間）に水平転送路を駆動し、水平電荷転送路の駆動を停止している水平ブランキング期間に垂直電荷転送路
及びラインメモリの駆動と信号電荷の掃き出し駆動とを行う処理が行われていた。掃き出し駆動時には、水平ブランキング期間に、アナログフロントエンド回路で生成したオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）信号を半導体基板に入力し、信号電荷の掃き出し動作が実行される。
なお、従来の固体撮像装置において、水平転送動作又は垂直転送動作の際にブランキング期間を設けたものとしては、例えば、下記特許文献に示すものがある。

特開昭６３−１０５５７９号公報 特開２００３−９２７０８号公報 特許第２６６４５７８号公報

しかし、水平ブランキング期間に掃き出し動作を行う場合には、ＯＦＤ信号を入力する期間を確保するぶんだけ水平ブランキング期間を長く設定する必要があるため、画像信号の１フレームの転送期間が長くなってしまうことが避けられないという欠点があった。特に、ＣＣＤ撮像素子では、近年、転送速度をより高速にすることが望まれており、画像信号の転送期間が長くなることを防止したいという要望がった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、水平ブランキング期間が長くなることを回避し、撮像駆動時の高速処理が可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、各垂直電荷転送路から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路とが形成された固体撮像素子と、
前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送期間中に前記垂直電荷転送路に垂直駆動パルスを入力して信号電荷の垂直転送を行う垂直転送駆動部と、
前記固体撮像素子で生成された画像信号をアナログからデジタルに変換して出力するアナログフロントエンド回路部と、
前記アナログフロントエンド回路部から画像信号が入力される画像処理部とを備え、
前記固体撮像素子から画像信号を１ラインごとに出力する水平転送期間と、画像信号の出力を停止するデータ転送停止期間とを有し、前記アナログフロントエンド回路部が前記水平転送期間同士の間の水平ブランキング期間を除く、前記データ転送停止期間中にオーバーフロードレイン信号を入力することで、信号電荷の掃き出しを実行することを特徴とする撮像装置。
（２）光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、各垂直電荷転送路から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路とが形成された固体撮像素子と、
前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送期間中に前記垂直電荷転送路に垂直駆動パルスを入力して信号電荷の垂直転送を行う垂直転送駆動部と、
前記固体撮像素子で生成された画像信号をアナログからデジタルに変換して出力するアナログフロントエンド回路部と、
前記アナログフロントエンド回路部から画像信号が入力される画像処理部とを備えた撮像装置の駆動方法であって、
前記固体撮像素子から画像信号を１ラインごとに出力する水平転送期間と、画像信号の出力を停止するデータ転送停止期間とを有し、前記アナログフロントエンド回路部が前記水平転送期間同士の間の水平ブランキング期間を除く、前記データ転送停止期間中にオーバーフロードレイン信号を入力することで、信号電荷の掃き出しを実行することを特徴とする撮像装置の駆動方法。

本発明にかかる撮像装置は、撮像駆動時に垂直電荷転送路を垂直転送させて、光電変換部から読み出した信号電荷を水平電荷転送部に転送させ、水平電荷転送部から画像信号を水平転送期間において１ラインごとに出力し、その後、画像処理部において１フレームの画像として生成する。動画モードで撮像する場合には、固体撮像素子で生成される画像データ量に対して出力する画像データ量の方が多くなるため、画像処理部において所定のリサイズ率に基づいて固体撮像素子から画像信号が出力される間隔をデータ転送停止期間によって調整している。ここで、本発明では、アナログフロントエンド回路部が水平転送期間同士の間の水平ブランキング期間を除く、データ転送停止期間中にＯＦＤ信号を入力している。こうすれば、従来の撮像装置の駆動手段のように、水平ブランキング期間にＯＦＤ信号を入力する期間を確保する必要がなく、水平ブランキング期間が長くなることを回避することができる。このため、画像信号の１フレームの転送期間を短縮することができ、撮像装置の転送速度の向上を図ることができる。

本発明によれば、水平ブランキング期間が長くなることを回避し、撮像駆動時の高速処理が可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる撮像装置及び固体撮像素子の概略的な構成を示す図である。図２は、撮像装置の構成を示すブロック図である。

固体撮像素子１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１上に二次元アレイ状に配列形成された複数のフォトダイオードＰＤと、各フォトダイオード列に隣り合って形成された垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１２とを備えている。本実施形態では、複数のフォトダイオードＰＤが、各フォトダイオード列が隣り合う列のフォトダイオードＰＤの間隔に対して約１／２ピッチずつ列の方向にずれた位置に配置された、所謂、ハニカム配置となるように形成されている。しかし、フォトダイオードＰＤの配置はこれに限定されず、例えば、半導体基板１１上の二次元平面において正方格子状に配置されていてもよい。また、図１では、各フォトダイオードＰＤに色画素の配列を示すＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）を示しているが、色画素の配列はこれに限定されない。

各フォトダイオードＰＤと垂直電荷転送路１２との間には、撮像駆動時にフォトダイオードＰＤで生成された信号電荷を垂直電荷転送路１２に読み出すための図示しない読出ゲートが設けられている。

本実施形態の固体撮像素子１０は、一例として、１つのフォトダイオードＰＤ当たり８個の垂直転送電極設けられ、８個の垂直転送電極にφＶ１〜８の垂直転送パルスが印加されることで垂直電荷転送を行う構成（所謂、８相駆動）である。なお、垂直転送電極の駆動方式は８相駆動に限定されず、例えば４相駆動とすることができる。

固体撮像素子１０は、半導体基板１１上に、各垂直電荷転送路１２の延設された方向に対して垂直な方向（図１に対して左右の方向）に延設された水平電荷転送路１４を備えている。水平電荷転送路１４の端部には、フローティングディフュージョンを有する電荷検出部１６と、該電荷検出部１６で検出された信号を出力する出力アンプ１７とが設けられている。

水平電荷転送路１４は、転送方向に沿って第１の水平転送電極と第２の水平転送電極とが繰り返し配置され、第１の水平転送電極に水平転送パルスφＨ１が印加され、第２の水平転送電極に水平転送パルスφＨ２が印加されることで水平電荷転送を行う構成（所謂、２相駆動）である。水平転送パルスφＨ１と水平転送パルスφＨ２とは互いに位相が反転したパルスであり、水平転送時には、水平転送パルスφＨ１と水平転送パルスφＨ２とを反転させることで、信号電荷を隣接する水平転送電極へ１段分だけ転送することができる。

各垂直電荷転送路１２の端部と水平電荷転送路１４との間に、各垂直電荷転送路１２によって転送されてきた信号電荷を一時的に蓄積し、垂直電荷転送路１２の駆動タイミングとは独立した所定のタイミングで駆動されるバッファとして機能するラインメモリ１３が設けられている。

固体撮像素子１０は、後述するアナログフロントエンド回路部２１から、半導体基板１１にオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）電圧を印加することで、全てのフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を半導体基板１１に掃き出すことができる。

撮像装置１は、駆動時に固体撮像素子１０に垂直転送パルスφＶ１〜８を印加する駆動部２４を備えている。本実施形態では、駆動部２４が垂直転送パルスφＶ１〜８を印加するＶＣＣＤ駆動部として機能しているが、水平電荷転送路１４に水平転送パルスφＨ１，２を印加するＨＣＣＤ駆動部としての機能も有していてよい。また、駆動部２４からＯＦＤ電圧に重畳させる掃き出しパルスφＯＦＤを半導体基板１１に印加する機能を有していてもよい。

撮像装置１の撮像駆動時には、各フォトダイオードＰＤが被写体からの入射光の光量に応じて生成された信号電荷を蓄積し、読み出しパルスが駆動部２４から印加されることで、フォトダイオードＰＤから信号電荷が読出ゲートを介して垂直電荷転送路１２に読み出される。垂直電荷転送路１２に駆動部２４から垂直転送パルスφＶ１〜８が印加されると、信号電荷が各垂直電荷転送路１２に沿って転送され、ラインメモリ１３に一時的に蓄積される。このとき、ラインメモリ１３に蓄積される信号電荷は、撮像領域における横一行分（１ラインとする。）の画素に相当する。そして、ラインメモリ１３に駆動パルスファイＬＭが印加されると、ラインメモリ１３から信号電荷が水平電荷転送路１４に移される。ラインメモリ１３を制御することで、水平電荷転送路１２において信号電荷同士を加算することができる。

水平電荷転送路１４に水平転送パルスφＨ１，Ｈ２が印加されると、水平電荷転送路１４に沿って信号電荷が出力端側に転送され、電荷検出部１６に移された信号電荷の電荷量に応じた電圧信号が出力アンプ１７にから出力され、次の水平電荷転送路１４から転送された信号電荷が電荷検出部１６に移される。このように、水平電荷転送部１４から電荷検出部１６に信号電荷が移され、出力アンプ１７から１ライン分の画像信号を出力する動作を繰り返す期間を水平転送期間とする。この水平転送期間の間に出力された信号が、実際の画像を生成するデータとなるため、ここでは、水平転送期間をデータ出力期間ともいう。水平転送期間が終了し、次の水平転送期間が始まるまでの間、つまり、水平転送期間同士の間の期間を水平ブランキング期間とする。

図２に示すように、撮像装置１は、固体撮像素子１０から出力されたアナログ画像信号が入力されるアナログフロントエンド（ＡＦＥ）回路部２１を備えている。ＡＦＥ回路部２１には、アナログ画像信号をデジタル画像信号に変換するアナログデジタル変換器が形成されている。

また、撮像装置１は、固体撮像素子１０を駆動させるための垂直駆動パルスφＶ１〜８と水平駆動パルスφＨ１，２を生成するタイミングジェネレータ２３を備えている。タイミングジェネレータ２３は、所定の駆動パターンが内蔵のメモリに予め記憶され、該駆動パターンに応じて垂直駆動パルスφＶ１〜８と水平駆動パルスφＨ１，２を出力する。また、本実施形態のタイミングジェネレータは、垂直駆動パルスφＶ１〜８と水平駆動パルスφＨ１，２を送信するクロック信号をカウントすることができる。

ＡＦＥ回路部２１から出力されたデジタル画像信号は、集積回路（ＬＳＩ）等から構成された画像処理部２６に入力される。画像処理部２６において、ホワイトバランス等の補正処理が実行され、補正後のデジタル画像信号が出力される。

図３は、本実施形態の撮像装置における駆動時の状態を示すタイミングチャートである。
垂直転送駆動時の垂直（Ｖ）ブランキング期間と、水平転送駆動時の水平（Ｈ）ブランキング期間は、ブランキング情報としてＡＦＥ回路部２１から画像処理部２６に入力される。

本実施形態の撮像装置は、ハニカム状に画素配列された固体撮像素子を備えており、このような構成で動画モードで撮像を行う場合には、図３に示すように、固体撮像素子からの入力データに対して倍ライン化した映像データが得られる。具体的には、本実施形態では、固体撮像素子からの１ライン分の入力データに対して、２倍の２ラインの映像データを生成している。このとき、固体撮像素子から画像信号を転送する際に、１ラインごとにデータ転送停止期間を行う必要がある。本実施形態では、画像処理部２６からＡＦＥ回路部２１に、データ転送停止期間を開始するため、転送を停止するウエイト信号を入力している。ＡＦＥ回路部２１は、ウエイト信号に基づいて、データ転送停止期間を設定し、固体撮像素子からの画像信号の入力を停止する。また、ＡＦＥ回路部２１は、データ転送停止期間中に、ＯＦＤ信号を所定のタイミングで固体撮像素子１０に入力する。

ＯＦＤ信号を入力するタイミングは、画像処理部２６側で所定のリサイズ率（図３では、２倍とした。）によって、予め決定することができる。ここで、リサイズ率とは、固体撮像素子からの入力データに対する映像出力データの比率を意味し、本実施形態では一例として２倍としている。しかし、リサイズ率は、動画モード時のように固体撮像素子からの入力データに対して映像出力データが大きい場合に適宜に決定されるものであり、特に限定されない。

ＡＦＥ回路部２１は、駆動時に、リアルタイムでリサイズ率に基づいてＯＦＤ信号を生成する。撮像装置１０は、ＡＦＥ回路部２１が水平転送期間同士の間の水平ブランキング期間を除く、データ転送停止期間中にＯＦＤ信号を入力することで、半導体基板１１に蓄積したままの信号電荷の掃き出しを実行する。

撮像装置１は、撮像駆動時に垂直電荷転送路１２を垂直転送させて、光電変換部ＰＤから読み出した信号電荷を水平電荷転送部１４に転送させ、水平電荷転送部１４から画像信号を水平転送期間において１ラインごとに出力し、その後、画像処理部２６において１フレームの画像として生成する。動画モードで撮像する場合には、固体撮像素子１０で生成される画像データ量に対して出力する画像データ量の方が多くなるため、画像処理部２６において所定のリサイズ率に基づいて固体撮像素子１０から画像信号が出力される間隔をデータ転送停止期間によって調整している。ここで、本発明では、ＡＦＥ回路部２１が水平転送期間同士の間の水平ブランキング期間を除く、データ転送停止期間中にＯＦＤ信号を入力している。こうすれば、従来の撮像装置の駆動手段のように、水平ブランキング期間にＯＦＤ信号を入力するための長い期間を確保する必要がなく、水平ブランキング期間が長くなることを回避することができる。このため、撮像装置１によれば、画像信号の１フレームの転送期間を短縮することができ、転送速度の向上を図ることができる。

本発明にかかる撮像装置及び固体撮像素子の概略的な構成を示す図である。 撮像装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態の撮像装置における駆動時の状態を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 撮像装置
１０ 固体撮像素子
１１ 半導体基板
１２ 垂直電荷転送路
１４ 水平電荷転送路
２１ アナログフロントエンド回路部
２６ 画像処理部
ＰＤ 光電変換部

Claims (2)

1. 光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、各垂直電荷転送路から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路とが形成された固体撮像素子と、
   前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送期間中に前記垂直電荷転送路に垂直駆動パルスを入力して信号電荷の垂直転送を行う垂直転送駆動部と、
   前記固体撮像素子で生成された画像信号をアナログからデジタルに変換して出力するアナログフロントエンド回路部と、
   前記アナログフロントエンド回路部から画像信号が入力される画像処理部とを備え、
   前記固体撮像素子から画像信号を１ラインごとに出力する水平転送期間と、画像信号の出力を停止するデータ転送停止期間とを有し、前記アナログフロントエンド回路部が前記水平転送期間同士の間の水平ブランキング期間を除く、前記データ転送停止期間中にオーバーフロードレイン信号を入力することで、信号電荷の掃き出しを実行することを特徴とする撮像装置。
2. 光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、各垂直電荷転送路から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路とが形成された固体撮像素子と、
   前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送期間中に前記垂直電荷転送路に垂直駆動パルスを入力して信号電荷の垂直転送を行う垂直転送駆動部と、
   前記固体撮像素子で生成された画像信号をアナログからデジタルに変換して出力するアナログフロントエンド回路部と、
   前記アナログフロントエンド回路部から画像信号が入力される画像処理部とを備えた撮像装置の駆動方法であって、
   前記固体撮像素子から画像信号を１ラインごとに出力する水平転送期間と、画像信号の出力を停止するデータ転送停止期間とを有し、前記アナログフロントエンド回路部が前記水平転送期間同士の間の水平ブランキング期間を除く、前記データ転送停止期間中にオーバーフロードレイン信号を入力することで、信号電荷の掃き出しを実行することを特徴とする撮像装置の駆動方法。

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