JP2010021745A - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】感度や解像度を低下させず、また、駆動周波数を高速化することなくフレームレートを高速化することを目的とする。
【解決手段】被写体像を固体撮像素子の受光面に結像するための1個の撮像レンズを有し、前記撮像レンズと前記固体撮像素子の結像面の間に、入射光を3分割する手段を設けて、3個の被写体像に分割し、前記分離された被写体像を3個の固体撮像素子により撮像する手段を有し、前記固体撮像素子は、水平方向に隣接する3画素を混合して画像を出力する手段を有し、3個の前記固体撮像素子から得られる画素信号の画素重心が、互いに水平方向に1画素ピッチずつずれるように、前記固体撮像素子それぞれに異なる駆動パルスを入力することにより、感度や解像度を低下させず、また、駆動周波数を高速化することなくフレームレートを高速化することができる。
【選択図】図4
【解決手段】被写体像を固体撮像素子の受光面に結像するための1個の撮像レンズを有し、前記撮像レンズと前記固体撮像素子の結像面の間に、入射光を3分割する手段を設けて、3個の被写体像に分割し、前記分離された被写体像を3個の固体撮像素子により撮像する手段を有し、前記固体撮像素子は、水平方向に隣接する3画素を混合して画像を出力する手段を有し、3個の前記固体撮像素子から得られる画素信号の画素重心が、互いに水平方向に1画素ピッチずつずれるように、前記固体撮像素子それぞれに異なる駆動パルスを入力することにより、感度や解像度を低下させず、また、駆動周波数を高速化することなくフレームレートを高速化することができる。
【選択図】図4
Description
本発明は、固体撮像素子を用いた固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法に関する。
スポーツ番組放送等で馴染みの深いスローモーションは、テレビジョン固体撮像装置のフレームレートを高速化させて被写体の素早い動きを短い蓄積時間で記録し、後でスロー再生するものである。映画制作などでも、フレームレートを高速で撮影し、編集時にフレーム間引きや合成等により映像にメリハリを与える手法が使われている。また、現行のHDTVで主流となっている方式は、走査線1125本、60Hzインターレース(フレームレート30Hz)方式であるが、60Hzノンインターレース方式はフレームレートが2倍に向上するため、フリッカが少なく動きに対してより滑らかな違和感の少ない高精細な映像を得ることができるため、今後のTV方式として注目されている。このようにフレームレートの高速化は映像の高画質化に有用であることから、より高速なフレームレートで撮影できる固体撮像装置が求められている。
固体撮像装置のフレームレートをn倍(nは2以上の整数)に高速化する手段としては、固体撮像装置に搭載される固体撮像素子に入力される駆動周波数をn倍にすることにより画像信号のデータレートをn倍に高速化することは容易に考えられる。しかしながら、CCD等の固体撮像素子の駆動周波数を単純にn倍して、半導体内部の電荷転送速度や出力アンプの周波数帯域の限界を超えて高速化すると、転送効率の低下および出力波形の鈍りが生じて画像が水平または垂直方向にぼやけてしまい、著しく画質が低下する問題がある。また、これらの問題を解決するためには多大な開発投資を必要とする場合が多く、また、前述の課題を克服しても、消費電力が増大しバッテリーによる連続駆動時間の減少や固体撮像素子の発熱により暗電流が増大し信号のSNが低下するといった問題がある。
これらの問題を解決する手段として、固体撮像素子の駆動周波数は変えずにフレームレートを向上させる各種提案がなされている。
以下、従来の固体撮像素子について図12〜図16を用いて説明する。
以下、従来の固体撮像素子について図12〜図16を用いて説明する。
図12は従来のフレームレートを高速化できる固体撮像装置の構造を示すブロック図、図13は従来のフレームレートを高速化できる固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。図14は従来の固体撮像素子の電極構成を例示する図、図15は従来の固体撮像装置における電荷転送動作を説明する図、図16は従来の固体撮像装置における3段目までの電荷を転送した状態を説明する図である。
従来の固体撮像素子は、図12、図13に示すように、青、緑、赤色分解プリズム光学系を用いたカラー固体撮像装置において、色毎に入射光を3分割する振幅分割プリズム等を用いた3個の分割光学系250を設け、3分割された光路上それぞれに3個の固体撮像素子255を設置する。それぞれの固体撮像素子255は通常のフレームレート即ち1倍速で駆動させ、電子シャッタで蓄積時間を通常の1/3とし、3個の固体撮像素子255の画像信号の出力タイミングの位相を1/3ずつずらして1フレーム分の画像信号を3個の固体撮像素子255で出力し、別々のフレームメモリーに記録する。その後、3個のフレームメモリーから画像信号を読み出す際に、1/3期間ずつ位相をずらして3倍速で順番に出力することにより、3倍のフレームレートの映像信号を得ることができる(例えば、特許文献1参照)。
また、入射光を2分割する振幅分割プリズム等を用いた分割光学系を設けて、2個の2:1インターレース動作が可能なCCD型固体撮像素子を設置し、垂直走査線の奇数ラインの信号を一方の固体撮像素子から出力し、偶数ラインの信号をもう一方の固体撮像素子から出力させて別々にラインメモリー等に記録し、それぞれの1ライン分の信号を2倍速で交互に読み出すことにより、2倍のフレームレートのノンインターレースの映像信号を得ることもできる。なお、上述の構成は2:1インターレース動作が可能なCCDを用いて実現する例であるが、n:1インターレース動作が可能なCCDを用いた場合、n倍速のフレームレートが得られることは容易に想像できる(例えば、特許文献2参照)。
さらに、2次元配列された光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直転送した後、水平転送して画像処理を行う固体撮像装置において、垂直転送部の最終段を各列ごとに転送可能なように独立した電極と接続し、最終段の垂直転送をn列毎に行い、n列分の画素を混合することにより、水平画素を1/nにすることができる。
例えば、図14に示すように、垂直転送電極に入力するゲート電極としてφV1,φV2,φV3,φV4,φV5,φV6を設け、さらに、最終段の垂直転送電極に入力するゲート電極として、列毎に入力するφV3A,φV3B,φV3C,φV5A,φV5B,φV5Cを設ける構成とする。
このような構成の電荷転送部において、電荷転送動作の例を図15,図16を用いて説明する。
ここでは、図15(a)に示すように、最終段第1列にデータ”11”、最終段第2列にデータ”12”、最終段第3列にデータ”13”、・・・、最終段から2段目の第1列にデータ”21”、最終段から2段目の第2列にデータ”22”、最終段から2段目の第3列にデータ”23”、・・・が格納された電荷を転送する場合を想定する。
ここでは、図15(a)に示すように、最終段第1列にデータ”11”、最終段第2列にデータ”12”、最終段第3列にデータ”13”、・・・、最終段から2段目の第1列にデータ”21”、最終段から2段目の第2列にデータ”22”、最終段から2段目の第3列にデータ”23”、・・・が格納された電荷を転送する場合を想定する。
まず、第3列,第6列等2列おきの垂直最終段データを水平転送部に転送する(図15(b))。次に、1列水平転送した後(図15(c))、第2列,第5列等2列おきの垂直最終段データを水平転送部に転送する(図15(d))。次に、1列水平転送した後(図15(e))、第1列,第4列等2列おきの垂直最終段データを水平転送部に転送する(図15(f))。この動作により、最終段の第1列,第2列,第3列等、3列毎のデータが1画素に混合される。以上の動作を続けることにより、3列毎のデータを混合して水平画素を1/3にしたデータを生成する。ここで、図16は上記動作を3段分行った状態を示す(例えば、特許文献3参照)。
特開平4−192782号公報
特開平3−018186号公報
特開2004−180284号公報
しかしながら、これらの方法を採用した場合、入射光をn分割する振幅分割プリズム等を用いることにより、1つの固体撮像素子に入射する光量が1/nに減少し、感度が1/nに低下する課題が存在する。
また、CCD型固体撮像素子では、垂直方向に隣接するn個の画素の信号を水平CCD内で加算することができるため、入射する光量の低下に伴う感度の低下を補うことが可能であるが、垂直画素数が1/nになるため、nを増やしていくと垂直解像度が極端に低下してしまう課題を有する。
本発明の固体撮像装置は、感度や解像度を低下させず、また、駆動周波数を高速化することなくフレームレートを高速化することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、被写体像を集光する撮像レンズと、複数の振幅分割膜およびプリズムで構成されて前記撮像レンズで集光された前記被写体像をn分光(nは2以上の整数)する振幅分割プリズム群と、n分光された前記被写体像それぞれを撮像するn個の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の電荷転送を制御する駆動パルスを生成する駆動パルス発生器と、前記n個の固体撮像素子から出力する画像信号を再配置して出力画像を出力する信号処理回路とを有し、前記固体撮像素子が垂直電荷転送時に任意のm列毎(mは2以上の整数)の画素を混合して出力することにより画素数を1/mにでき、前記n個の固体撮像素子に入力される前記駆動パルスを制御することにより、前記各固体撮像素子で混合された前記画像信号の画素重心を分散させることを特徴とする。
また、被写体像を集光する撮像レンズと、複数の振幅分割膜およびプリズムで構成されて前記撮像レンズで集光された前記被写体像をn分光(nは2以上の整数)する振幅分割プリズム群と、n分光された前記被写体像それぞれを撮像するn個の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の電荷転送を制御する駆動パルスを生成する駆動パルス発生器と、前記n個の固体撮像素子から出力する画像信号を再配置して出力画像を出力する信号処理回路とを有し、前記固体撮像素子が垂直電荷転送および水平電荷転送時にそれぞれ任意のm列毎(mは2以上の整数)の画素を混合して出力することにより画素数を1/(m×m)にでき、前記n個の固体撮像素子に入力される前記駆動パルスを制御することにより、前記各固体撮像素子で混合された前記画像信号の画素重心を分散させることを特徴とする。
また、被写体像を集光する撮像レンズと、複数の振幅分割膜およびプリズムで構成されて前記撮像レンズで集光された前記被写体像を青色光,赤色光および2つの緑色光に4分光する振幅分割プリズム群と、4分光された前記被写体像それぞれを撮像する4個の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の電荷転送を制御する駆動パルスを生成する駆動パルス発生器と、前記4個の固体撮像素子から出力する画像信号を再配置して出力画像を出力する信号処理回路とを有し、前記固体撮像素子が垂直電荷転送時に2列毎の画素を混合して出力することにより画素数を1/2にでき、前記固体撮像素子に前記駆動パルスを制御することにより、前記青色光の画素と前記赤色光の画素とを画素重心が1画素ずれるように混合し、前記2つの緑色光の画素を画素重心が1画素ずれるように混合し、前記信号処理回路にて、混合された前記青色光の画像信号と前記赤色光の画像信号とを画素重心をずらせた状態で再配置し、混合された2つの緑色光の画像信号を画素重心をずらせた状態で再配置することを特徴とする。
また、被写体像を集光する撮像レンズと、複数の振幅分割膜およびプリズムで構成されて前記撮像レンズで集光された前記被写体像を青色光,赤色光および2つの緑色光に4分光する振幅分割プリズム群と、4分光された前記被写体像それぞれを撮像する4個の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の電荷転送を制御する駆動パルスを生成する駆動パルス発生器と、前記4個の固体撮像素子から出力する画像信号を再配置して出力画像を出力する信号処理回路とを有し、前記固体撮像素子が垂直電荷転送および水平電荷転送時にそれぞれ2列毎の画素を混合して出力することにより画素数を1/4にでき、前記固体撮像素子に前記駆動パルスを制御することにより、前記青色光の画素と前記赤色光の画素とを画素重心が1画素ずれるように混合し、前記2つの緑色光の画素を画素重心が1画素ずれるように混合し、前記信号処理回路にて、混合された前記青色光の画像信号と前記赤色光の画像信号とを画素重心をずらせた状態で再配置し、混合された2つの緑色光の画像信号を画素重心をずらせた状態で再配置することを特徴とする。
さらに、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、複数に分光された被写体像から撮像画像を生成する固体撮像装置の駆動方法であって、前記分光された被写体像毎に光電変換する工程と、前記分光された被写体像毎に画素重心をずらせながら前記各分光された被写体像の画素を混合する工程と、前記画素重心をずらせた分光された被写体像を再配置して前記撮像画像を生成する工程とを有することを特徴とする。
また、前記分光された被写体像毎の混合を垂直電荷転送時に任意の列毎に行うことを特徴とする。
また、前記分光された被写体像毎の混合を、さらに、水平方向においても任意の画素毎に行うことを特徴とする。
また、前記分光された被写体像毎の混合を、さらに、水平方向においても任意の画素毎に行うことを特徴とする。
また、前記被写体像の分光を、青色光,赤色光および2つの緑色光の4つに分光し、前記被写体像の画素を混合する工程において、前記青色光と前記赤色光を互いに画素重心がずれるように2画素ずつ混合し、前記2つの緑色光を互いに画素重心がずれるように2画素ずつ混合し、前記撮像画像を生成する工程において、混合された前記青色光と前記赤色光を再配置し、混合された前記2つの緑色光を再配置することを特徴とする。
以上により、感度や解像度を低下させず、また、駆動周波数を高速化することなくフレームレートを高速化することができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について、n=3を例にとり図1〜図4を参照して説明する。
図1は第1の実施形態に係る固体撮像装置(カメラ)の光学系を示す概略図である。図2は第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図、図3は第1の実施形態に係る固体撮像装置の電荷転送の様子を示す図であり、図3(a)は垂直最終段の電荷転送模式図、図3(b)はタイミングチャートである。図4は第1の実施形態に係る固体撮像素子の画素信号を再配置した場合の画素重心を説明する図である。
本発明の第1の実施形態について、n=3を例にとり図1〜図4を参照して説明する。
図1は第1の実施形態に係る固体撮像装置(カメラ)の光学系を示す概略図である。図2は第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図、図3は第1の実施形態に係る固体撮像装置の電荷転送の様子を示す図であり、図3(a)は垂直最終段の電荷転送模式図、図3(b)はタイミングチャートである。図4は第1の実施形態に係る固体撮像素子の画素信号を再配置した場合の画素重心を説明する図である。
図1において、1は被写体、2は撮像レンズ、3は光束を約1/3ずつの振幅の光束に分割するための振幅分割プリズム群、7、10、11は固体撮像素子である。振幅分割プリズム群3は、第1のプリズム4と、第2のプリズム5と、第3のプリズム8と、第1の振幅分割膜6および第2の振幅分割膜9により構成される。
被写体1からの被写体像は撮像レンズ2により集光され、振幅分割プリズム群3に入射される。前記、振幅分割プリズム群3に入射した光束は、第1のプリズム4と第2のプリズム5間に形成された第1の振幅分割膜6により、光束の約1/3が反射して第1のプリズム4の入射面にて全反射し、第1の固体撮像素子7に結像される。振幅分割プリズム群3の第1の振幅分割膜6を透過した残りの光束は、第2のプリズム5と第3のプリズム8間に形成された第2の振幅分割膜9により、残りの光束の約1/2は反射して第2のプリズム5の入射面にて全反射し、第2の固体撮像素子10に結像され、振幅分割膜9を透過した光束は、第3の固体撮像素子11に結像される。即ち、前記被写体像が1/3ずつに3分割され、固体撮像素子7、10、11それぞれに結像し、電気信号に変換される。
前記固体撮像素子7、10、11は、垂直最終段が水平方向に隣接する3列単位の繰り返しで構成され、前記各垂直最終段は各画素の信号電荷を水平転送路へ各列独立に転送できる構造を有する。
これにより、隣接する3列単位の垂直最終段の内、まず水平転送最終段から最も遠い第3列目の垂直最終段の信号電荷を水平転送路に転送し、1画素分水平方向転送し、次に水平転送最終段から2番目に遠い第2列目の垂直最終段の信号電荷を水平転送路に転送して前記第3列目の垂直最終段の信号電荷と水平転送路内で混合し、さらに1画素分水平方向転送し、最後に残りの第1列目の垂直最終段の信号電荷を水平転送路に転送して前記第3列目および第2列目の垂直最終段の信号電荷と水平転送路内で混合することができる。この動作を繰り返すことにより、図15,図16に示すように、水平方向に隣接する3画素を混合することができる。このため、水平転送路によって転送すべき混合後の画素数が、水平混合しない場合の固体撮像素子の画素数1/3になり、水平混合しない場合に比べて駆動周波数を変えることなくフレームレートを3倍にできる。さらに、画素混合を行うため感度を1/3に低下させることがない。
なお、このときの垂直転送部の電極は6相(図14におけるφV1,φV2,φV3,φV4,φV5,φV6に相当)であるが、3相、4相などでも可能である。また、垂直最終段が各画素の信号電荷を水平転送路へ各列独立に転送できる構造の例としては、図14と同様に、φV3A、φV3B、φV3C、φV5A、φV5B、φV5Cが独立電極であればよい。
図2において、12は固体撮像装置制御部、13は駆動パルス発生器、141は第1の固体撮像素子7を駆動する駆動回路、142は第2の固体撮像素子10を駆動する駆動回路、143は第3の固体撮像素子11を駆動する駆動回路、151は第1の固体撮像素子7のAFE(アナログフロントエンド)回路、152は第2の固体撮像素子10のAFE、153は第3の固体撮像素子11のAFE、16は信号処理回路、17は画像出力である。信号処理回路16はメモリーおよびメモリー制御回路から構成されている。
駆動パルス発生器13により発生した、3つの駆動パルスは、それぞれ駆動回路141、142、143に入力され、固体撮像素子7、10、11を所定の電圧振幅で駆動し、前記1/3ずつに3分割された被写体像が、3つの電気信号に変換される。前記3つの電気信号は、AFE回路151、152、153に入力され、雑音除去やレベル調整等のアナログ信号処理後に内蔵のAD変換器によりデジタル信号に変換される。さらに前記デジタル信号は信号処理回路16に伝送されて一旦メモリーに記録され、後述のように固体撮像装置制御部12による制御により3分割された被写体画像の各画素が再配置されて出力される。
図3は、図13に示す構造の固体撮像素子を駆動する場合の駆動パルスのタイミングチャートと電荷転送模式図である。前述した背景技術との相違点は、背景技術では水平転送電極(φH1,φH2)のパルス数を2として水平方向の移動を2列としているのに対し、水平転送電極(φH1,φH2)のパルス数を1として水平方向に隣接する3画素を混合する点である。図3において、ゲート電極(V1、V2,V3A,V3B,V3C、V4、V5A,V5B,V5C,V6)それぞれに与えられる駆動パルスが高レベルの場合に、当該電極はストレージ部となる。また、駆動パルスが低レベルの場合に、当該電極はバリア部となる。
このタイミングチャートに示すように、固体撮像素子7、10、11の独立電極(V3A,V3B,V3C、V5A,V5B,V5C)にそれぞれに異なるパルスを入力することにより、固体撮像素子7の水平方向の画素混合を、3列目、2列目、1列目の順番に水平転送路内で行い、固体撮像素子10の水平方向の画素混合を、2列目、1列目、3列目の順番に水平転送路内で行い、固体撮像素子11の水平方向の画素混合を、1列目、3列目、2列目の順番に水平転送路内で行う。このように、固体撮像素子毎に水平方向に隣接する3列の混合画素群を1画素ずつずらして混合するため、混合後の画素重心を各固体撮像素子間で1画素ずつずらすことができる。
図4は、図3に示すタイミングチャートに従って各固体撮像素子を駆動し、図2における信号処理回路16により混合後の画素重心を3個の固体撮像素子間で互いに補完して再配置した場合の画素重心の説明図である。図中の×は固体撮像素子の列方向および行方向に2次元配列された画素中心を示し、○,◇,□はそれぞれ固体撮像素子7、10、11の画素混合後の画素重心を示し、18は混合画素群を示す。図4に示すように、異なる駆動パルスを入力することで、固体撮像素子毎に水平方向に隣接する3画素の混合画素群を1画素ずつ水平方向にずらして混合した後、3つの固体撮像素子の混合した画素データを画素重心位置に再配置することにより、3つの固体撮像素子の画素を混合した後の画素重心が分散されて水平方向に1画素ずつずれる。そのため、信号処理回路16により、混合後の画素重心を3個の固体撮像素子間で互いに補完し、再配置した画像の画素数が1つの固体撮像素子の画素数と同じになるように制御することができるため、3倍速のフレームレートが得られるとともに、感度の低下と水平方向の空間解像度の劣化を抑制することができる。また、駆動周波数を高速化することなくフレームレートを高速化できるため、消費電力の増大や暗電流が増大して信号のSNが低下することを抑制することができる。
なお、画素重心を1画素ずつずらすために、本実施形態では各固体撮像素子に異なる駆動パルスを入力する構成としたが、独立電極が異なる3つの固体撮像素子を用意し、すべての固体撮像素子に同一の駆動パルスを加えても、本実施の形態と同じの出力画像を得ることができる。しかし、本実施の形態のように異なる駆動パルスを入力する場合は、駆動パルス発生器のソフトウェア的な書き換えもしくは、プリント配線基板の変更で対応が可能であるため、より低コストに実現できるメリットがある。
また、本実施の形態では、各固体撮像素子に入力する駆動パルスを固体撮像装置制御部12により切り替えることが可能なため、水平方向に画素混合しない通常のフレームレートの駆動パルスを入力して、ほぼ同一の3つ電気信号を信号処理回路16に入力することができるため、得られた3つの電気信号を加算して被写体像を合成することにより、信号のダイナミックレンジを1つの固体撮像素子を使用した場合と比較して概3倍に拡大することができる。
以上、n=3を例に取り説明したが、nが2または4以上であっても、振幅分割膜を有する振幅分割プリズムの数を増減させ、それに対応して駆動回路および信号処理回路を適宜変更することにより、n倍速のフレームレートが得られるとともに、感度の低下と水平方向の空間解像度の劣化を抑制することができる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態について、n=3を例にとり図1〜図3,図5を参照して説明する。第2の実施形態に係る固体撮像装置の光学系は、第1の実施形態の固体撮像装置の光学系の概略図、図1と同一である。
本発明の第2の実施形態について、n=3を例にとり図1〜図3,図5を参照して説明する。第2の実施形態に係る固体撮像装置の光学系は、第1の実施形態の固体撮像装置の光学系の概略図、図1と同一である。
図5は第2の実施形態に係る固体撮像素子の画素信号を再配置した場合の画素重心を説明する図である。
第2の実施形態に係る固体撮像素子7、10、11は、第1の実施形態の固体撮像素子と同様に、垂直最終段が水平方向に隣接する3列単位の繰り返しで構成され、前記各垂直最終段は各画素の信号電荷を水平転送路へ各列独立に転送できる構造を有する。さらに、前記固体撮像素子は、垂直方向に隣接する3画素を混合することができる構造を有する。この構造は、例えば、垂直転送段を3画素単位の繰り返しとし、各画素から独立に垂直転送路へ読み出しできる構成にすることで、容易に垂直方向に隣接する3画素を混合することができる。即ち、このような構成により、画素に蓄積された信号電荷を垂直転送路に読み出す際に、垂直方向に隣接する3画素の信号電荷を同じ垂直転送段に読み出すことができるため、垂直方向に隣接する3画素を混合することができる。
第2の実施形態に係る固体撮像素子7、10、11は、第1の実施形態の固体撮像素子と同様に、垂直最終段が水平方向に隣接する3列単位の繰り返しで構成され、前記各垂直最終段は各画素の信号電荷を水平転送路へ各列独立に転送できる構造を有する。さらに、前記固体撮像素子は、垂直方向に隣接する3画素を混合することができる構造を有する。この構造は、例えば、垂直転送段を3画素単位の繰り返しとし、各画素から独立に垂直転送路へ読み出しできる構成にすることで、容易に垂直方向に隣接する3画素を混合することができる。即ち、このような構成により、画素に蓄積された信号電荷を垂直転送路に読み出す際に、垂直方向に隣接する3画素の信号電荷を同じ垂直転送段に読み出すことができるため、垂直方向に隣接する3画素を混合することができる。
このため、水平方向の画素数が1/3、垂直方向の画素数も1/3になり、全体の画素数が1/9になる。従って、画素混合をしない場合に比べて駆動周波数を変えることなくフレームレートを9倍にできる。さらに画素混合を行うため感度を低下させることがない。
第2の実施形態に係る固体撮像装置のブロック図は、第1の実施形態に係る固体撮像装置のブロック図、図2と同一である。さらに、前記固体撮像素子を駆動する場合の駆動パルスのタイミングチャートと電荷転送模式図は図3と同一である。なお、図示しないが、前述のように垂直転送段を3画素単位の繰り返しとし、各画素から独立に垂直転送路へ読み出しできる構成にすることで、容易に垂直方向に隣接する3画素を混合することができるため、垂直最終段に電荷が転送された時点で垂直画素数は1/3になっている。
このタイミングチャートに示すように、固体撮像素子7、10、11の独立電極V3A,V3B,V3C、V5A,V5B,V5C)にそれぞれに異なるパルスが入力されるため、混合後の画素重心を、第1の実施形態と同様に各固体撮像素子間で1画素ずつずらすことができる。
図5は、図3に示すタイミングチャートに従って各固体撮像素子を駆動し、図2における信号処理回路16により混合後の画素重心を3個の固体撮像素子間で互いに補完して再配置した場合の画素重心の説明図である。図中の×は画素混合しない場合の画素中心を示し、○,◇,□は固体撮像素子7、10、11の画素混合後の画素重心を示す。
図5に示すように、3つの固体撮像素子の画素混合後の画素重心が水平方向に1画素ずつずれるように転送・混合を行うため、固体撮像素子7の水平方向の画素重心は2列目と同一位置にあり、固体撮像素子10の水平方向の画素重心は3列目と同一位置にあり、固体撮像素子11の水平方向の画素重心は1列目と同一位置にある。さらに、垂直方向に隣接する3画素の組み合わせを、フレーム毎に変更し、3フレーム周期で動作を繰り返すことにより、各固体撮像素子の垂直方向の画素重心が1フレーム毎に異なるように制御することにより、第1フレームでは垂直方向の画素重心を2行目と同一位置に(図5(a))、第2フレームでは垂直方向の画素重心を3行目と同一位置に(図5(b))、第3フレームでは垂直方向の画素重心を1行目と同一位置に(図5(c))することができる。そのため、信号処理回路16により、図5(d)のように、混合後の画素重心を3個の固体撮像素子間で互いに補完し、3フレーム分の画素重心を再配置した画像の画素数が1つの固体撮像素子の画素数と同じになるように制御することができるため、9倍速のフレームレートが得られるとともに、重心をずらした画像を再配置するため、感度の低下と水平および垂直方向の空間解像度の劣化を抑制することができる。
なお、図5では各固体撮像素子の垂直駆動パルスが各フレーム内で同一の場合を例示したが、各フレーム内で各固体撮像素子に異なる駆動パルスを印加し、垂直方向に混合される画素群を各フレーム内で異なるように駆動しても良い。この場合も、前述のように3フレーム分の画素重心を再配置した画像の画素数が1つの固体撮像素子の画素数と同じになるように制御することができる。
また、本実施の形態では、各固体撮像素子に入力する駆動パルスを固体撮像装置制御部12により切り替えることが可能なため、水平方向に画素混合しない通常のフレームレートの駆動パルスを入力して、ほぼ同一の3つ電気信号を信号処理回路16に入力することができるため、得られた3つの電気信号を加算して被写体像を合成することにより、信号のダイナミックレンジを1つの固体撮像素子を使用した場合と比較して概3倍に拡大することができる。
以上、n=3を例に取り説明したが、nが2または4以上であっても、振幅分割膜を有する振幅分割プリズムの数を増減させ、それに対応して駆動回路および信号処理回路を適宜変更することにより、n×n倍速のフレームレートが得られるとともに、感度の低下と空間解像度の劣化を抑制することができることができる。
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態について、図6〜図11を参照して説明する。
図6は第3の実施形態に係る固体撮像装置の光学系を示す概略図である。図7は第3の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図、図8は第3の実施形態に係る固体撮像素子の電極構成を例示する図である。図9は第3の実施形態に係る固体撮像装置の電荷転送の様子を示す図であり、図9(a)は緑色光用固体撮像素子の垂直最終段の電荷転送模式図、図9(b)は緑色光用固体撮像素子のタイミングチャート、図9(c)は青および赤色光用固体撮像素子の垂直最終段の電荷転送模式図、図9(d)は青および赤色光用固体撮像素子のタイミングチャートである。図10は第3の実施形態に係る固体撮像素子の画素信号を再配置した場合の画素重心を説明する図であり、図10(a)は各個体撮像素子における画素重心を示す図、図10(b)は再配置後の画素重心を示す図である。図11は第3の実施形態に係る固体撮像素子の画素信号を垂直水平両方向に再配置した場合の画素重心を説明する図であり、図11(a)は第1フレームにおける画素重心を示す図、図11(b)は第2フレームにおける画素重心を示す図である。
本発明の第3の実施形態について、図6〜図11を参照して説明する。
図6は第3の実施形態に係る固体撮像装置の光学系を示す概略図である。図7は第3の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図、図8は第3の実施形態に係る固体撮像素子の電極構成を例示する図である。図9は第3の実施形態に係る固体撮像装置の電荷転送の様子を示す図であり、図9(a)は緑色光用固体撮像素子の垂直最終段の電荷転送模式図、図9(b)は緑色光用固体撮像素子のタイミングチャート、図9(c)は青および赤色光用固体撮像素子の垂直最終段の電荷転送模式図、図9(d)は青および赤色光用固体撮像素子のタイミングチャートである。図10は第3の実施形態に係る固体撮像素子の画素信号を再配置した場合の画素重心を説明する図であり、図10(a)は各個体撮像素子における画素重心を示す図、図10(b)は再配置後の画素重心を示す図である。図11は第3の実施形態に係る固体撮像素子の画素信号を垂直水平両方向に再配置した場合の画素重心を説明する図であり、図11(a)は第1フレームにおける画素重心を示す図、図11(b)は第2フレームにおける画素重心を示す図である。
図6において、1は被写体、2は撮像レンズ、203は光束を約1/3ずつの振幅の光束に分割するための振幅分割プリズム群、207、210、211、214は固体撮像素子である。プリズム群203は、第1のプリズム204と、第2のプリズム205と、第3のプリズム208と、第4のプリズム212と、第1の色分割膜206および第2の色分割膜209、第1の振幅分割膜213により構成される。
被写体1からの被写体像は撮像レンズ2により集光され、色分割プリズム群203に入射する。色分割プリズム群203に入射した光束は、第1のプリズム204と第2のプリズム205間に形成された第1の色分割膜206により、光束の青色光は反射して第1のプリズム204の入射面にて全反射し、青色光用の固体撮像素子207に結像される。色分割プリズム群203の第1の色分割膜206を透過した光束は、第2のプリズム205と第3のプリズム208間に形成された第2の色分割膜209により、光束の赤色光は反射して第2のプリズム205の入射面にて全反射し、赤色光用の固体撮像素子210に結像される。第2の色分割膜209を透過した光束は、第3のプリズム208と第4のプリズム212間に形成された第1の振幅分割膜213により、光束の約1/2は反射して第1の緑色光用の固体撮像素子214に結像される。振幅分割膜213を透過した光束は、第2の緑色光用の固体撮像素子211に結像される。即ち、前記被写体像が青、赤、緑に色分解され、さらに緑色は振幅が1/2に2分割され、固体撮像素子207、210、211、214それぞれに結像し、電気信号に変換される。
図7は、第3の実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。222は固体撮像装置制御部、223は駆動パルス発生器、241は第1の固体撮像素子207を駆動する駆動回路、242は第2の固体撮像素子210を駆動する駆動回路、243は第3の固体撮像素子211を駆動する駆動回路、244は第4の固体撮像素子214を駆動する駆動回路、251は第1の固体撮像素子207のAFE(アナログフロントエンド)、252は第2の固体撮像素子210のAFE、253は第3の固体撮像素子211のAFE、254は第4の固体撮像素子214のAFE、216は信号処理回路、217は画像出力である。信号処理回路216はメモリーおよびメモリー制御回路から構成されている。
駆動パルス発生器223により発生した異なる駆動パルスは、駆動回路241〜244に入力され、固体撮像素子207、210、211、214を所定の電圧振幅で駆動し、固体撮像素子207によって青色光の被写体像が、固体撮像素子210によって赤色光の被写体像が、固体撮像素子211および214によって緑色光の被写体像が、4つの電気信号に変換される。前記4つの電気信号は、AFE回路251〜254に入力され、雑音除去やレベル調整等のアナログ信号処理後に内蔵のAD変換器によりデジタル信号に変換される。さらに、前記デジタル信号は信号処理回路216に伝送されて一旦メモリーに記録され、固体撮像装置制御部222による制御により被写体画像の各画素が再配置され、青、赤、緑のカラー化画像が出力される。
図8は、前記固体撮像素子207、209、210、214の電極構成図である。垂直最終段が水平方向に隣接する2列単位の繰り返しで構成され、前記各垂直最終段は各画素の信号電荷を水平転送路へ各列独立に転送するための独立電極を少なくとも2つ有する。
これにより、前記、隣接する2列単位の垂直最終段の内、まず水平転送最終段から最も遠い第2列目の垂直最終段の信号電荷を水平転送路に転送し、1画素分水平方向転送し、次に水平転送最終段から2番目に遠い第1列目の垂直最終段の信号電荷を水平転送路に転送して前記第1列目の垂直最終段の信号電荷と水平転送路内で混合することができる。この動作を繰り返すことにより、水平方向に隣接する2画素を混合することができる。このため、水平転送路によって転送すべき混合後の画素数が、水平混合しない場合の固体撮像素子の画素数が1/2になり、水平混合しない場合に比べて駆動周波数を変えることなくフレームレートを2倍にできる。さらに画素混合を行うため感度を低下させることがない。
なお、固体撮像素子の構成は図8の構成に限定されることはなく、各列の垂直最終段は他の列とは独立なストレージ電極とバリア電極を少なくとも1つずつ有する構成であれば良い。
図9は、図8に示す構成の固体撮像素子を駆動する場合の駆動パルスのタイミングチャートと電荷転送模式図の一例である。図9において、ゲート電極(V1A,V1B,V2、V3A、V3B、V4)それぞれに与えられる駆動パルスが高レベルの場合に、当該電極はストレージ部となる。また、駆動パルスが低レベルの場合に、当該電極はバリア部となる。
このタイミングチャートに示すように、青色用の固体撮像素子207と赤色用の固体撮像素子210の独立電極(V1A,V1B,V3A、V3B)にそれぞれに異なるパルスを入力することにより、混合される画素重心を青色光の被写体像と赤色光の被写体像間で1画素ずつずらすことができる。また、第1の緑色用の固体撮像素子214と第2の緑色用の固体撮像素子211の独立電極(V1A,V1B,V3A、V3B)にそれぞれに異なるパルスを入力することにより、混合される画素重心を2つの緑色光の被写体像間で1画素ずつずらすことができる。
なお、青および赤色用の固体撮像素子の駆動については、最初の1行分の水平混合が完了した後、図9(d)の囲み部分の水平転送パルスにより水平転送路を1段分水平転送し、同じく囲み部分の垂直最終段のV1AとV1Bおよび、V3AとV3Bに入力する駆動パルスを入れ替えることにより、青および赤色用の固体撮像素子の水平混合後の画素重心を1行毎に入れ替えることができる。
図10(b)は、図9(b),図9(d)に示すタイミングチャートに従って各固体撮像素子を駆動し、図7における信号処理回路216により混合後の画素重心を2個の固体撮像素子間で互いに補完して再配置した場合の画素重心の説明図である。図中の×は画素混合しない場合の画素中心を示し、○(青),◇(赤),□(第1の緑),△(第2の緑)は固体撮像素子207、210、214、211の画素混合後の画素重心を示す。
固体撮像素子214、211に互いに別の駆動パルスを印加して、水平方向に隣接する2画素の混合画素群を、互いに水平方向に1画素ずつずらして混合することにより、2つの緑色光用の固体撮像素子の画素混合後の画素重心を水平方向に1画素ずつずらすことができる。そのため、信号処理回路216により、混合後の画素重心を2個の固体撮像素子間で互いに補完し、再配置した画像の画素数が1つの固体撮像素子の画素数と同じになるように制御することができるため、2倍速のフレームレートが得られるとともに、感度の低下と水平方向の空間解像度の劣化を抑制することができる。
なお、緑色光用の固体撮像素子の水平方向の画素重心は1行毎に1画素分ずらすことも可能である。この場合、空間解像度は変らないが、固体撮像素子の転送効率の個体差が目立たないようにする効果が期待できる。
また、同様に、固体撮像素子207、210に互いに別の駆動パルスを印加し、水平方向に隣接する2画素の混合画素群を、互いに1画素ずつ水平方向にずらして混合することにより、青色光用の固体撮像素子207と赤色光用の固体撮像素子210の画素混合後の画素重心を水平方向に1画素ずつずらすことができる。そのため、信号処理回路216により、混合後の画素重心を青色光用の固体撮像素子と青色光用の固体撮像素子間で交互に出力することができるため、2倍速のフレームレートが得られるとともに、感度の低下を抑制することができる。
以上の動作により得られる出力画像は、緑色の画素数は混合しない場合の固体撮像素子の画素数と同じであるが、青色および赤色の水平方向の画素数が1/2である。
ところで、現在放送局内で使用されているHDTVの伝送方式は、伝送周波数の上限があるために、人間の視覚特性を利用して1走査線当たりのサンプリング数を、緑画素に対し青および赤画素を1/2に制限し、かつ、青と赤の解像度低下を抑えるために1走査線毎に青と赤のサンプルポイントを入れ替える、いわゆるオフセットサンプリング方式が主流である。
ところで、現在放送局内で使用されているHDTVの伝送方式は、伝送周波数の上限があるために、人間の視覚特性を利用して1走査線当たりのサンプリング数を、緑画素に対し青および赤画素を1/2に制限し、かつ、青と赤の解像度低下を抑えるために1走査線毎に青と赤のサンプルポイントを入れ替える、いわゆるオフセットサンプリング方式が主流である。
図10に示す再配置後の各色の画素配置は、青および赤画素の画素数が緑画素の1/2であり、かつ、青および赤画素の画素重心も1行毎に入れ替えているため、前述のオフセットサンプリング方式と同じである。そのため、出力画像をオフセットサンプリング方式で伝送する場合は、青色および赤色の大きな解像度の劣化は生じない。
また、本実施の形態では、各固体撮像素子に入力する駆動パルスを固体撮像装置制御部222により切り替えることが可能なため、水平方向に画素混合しない通常のフレームレートの駆動パルスを入力して、ほぼ同一の3つ電気信号を信号処理回路216に入力することができるため、得られた3つの電気信号を加算して被写体像を合成することにより、信号のダイナミックレンジを1つの固体撮像素子を使用した場合と比較して概3倍に拡大することができる。
図11は、第3の実施形態の変形例における固体撮像素子の画素信号を再配置した場合の画素重心の説明図である。図10と異なる点は、垂直方向に隣接する2フレームも混合する点と、2フレーム内の画素重心が互いの画素を補完するように再配置している点である。即ち、緑色光用の2つの固体撮像素子に関しては、1フレーム目と2フレーム目で互いに水平および垂直方向に画素重心が入れ替わる様に駆動し、青および赤色光用の2つの固体撮像素子に関しては、垂直方向の画素重心が互いに1画素ずつずれ、かつ1フレーム目と2フレーム目で水平方向に画素重心が入れ替わる様に駆動する点である。
なお、青および赤色光用の2つの固体撮像素子に関しては、水平方向の画素重心が互いに1画素ずつずれ、かつ1フレーム目と2フレーム目で垂直方向に画素重心が入れ替わる様に駆動しても良い。
このように、水平および垂直方向に4画素混合するため、1フレーム当たりの1つの固体撮像素子の出力画素数が1/4に減少し、4倍のフレームレートが得られると共に、感度の低下を抑制することができる。
さらに、各フレームにおける再配置後の画素重心は破線で示すように緑2個、青1個、赤1個の2×2画素単位の配列となり、この画素配列は単板式のデジタルスチル固体撮像装置のカラーフィルタの画素配列として主流の方式であるベイヤー方式と同じであるため、欠落している画素情報を隣接画素により補完した場合のモワレや偽色等の画像劣化を抑制することが期待できる。
本発明は、感度や解像度を低下させず、また、駆動周波数を高速化することなくフレームレートを高速化することができ、固体撮像素子を用いた固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法等に有用である。
1 被写体
2 撮像レンズ
3 振幅分割プリズム群
4 第1のプリズム
5 第2のプリズム
6 第1の振幅分割膜
8 第3のプリズム
9 第2の振幅分割膜
7、10、11 固体撮像素子
12 固体撮像装置制御部
13 駆動パルス発生器
16 信号処理回路
17 画像出力
18 混合画素群
141〜143 駆動回路
151〜153 AFE
203 プリズム群
204 第1のプリズム
205 第2のプリズム
206 第1の色分割膜
207、210、211、214 固体撮像素子
208 第3のプリズム
209 第2の色分割膜
212 第4のプリズム
213 第1の振幅分割膜
216 信号処理回路
217 画像出力
222 固体撮像装置制御部
223 駆動パルス発生器
241〜244 駆動回路
250 分割光学系
251〜254 AFE
255 固体撮像素子
2 撮像レンズ
3 振幅分割プリズム群
4 第1のプリズム
5 第2のプリズム
6 第1の振幅分割膜
8 第3のプリズム
9 第2の振幅分割膜
7、10、11 固体撮像素子
12 固体撮像装置制御部
13 駆動パルス発生器
16 信号処理回路
17 画像出力
18 混合画素群
141〜143 駆動回路
151〜153 AFE
203 プリズム群
204 第1のプリズム
205 第2のプリズム
206 第1の色分割膜
207、210、211、214 固体撮像素子
208 第3のプリズム
209 第2の色分割膜
212 第4のプリズム
213 第1の振幅分割膜
216 信号処理回路
217 画像出力
222 固体撮像装置制御部
223 駆動パルス発生器
241〜244 駆動回路
250 分割光学系
251〜254 AFE
255 固体撮像素子
Claims (8)
- 被写体像を集光する撮像レンズと、
複数の振幅分割膜およびプリズムで構成されて前記撮像レンズで集光された前記被写体像をn分光(nは2以上の整数)する振幅分割プリズム群と、
n分光された前記被写体像それぞれを撮像するn個の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の電荷転送を制御する駆動パルスを生成する駆動パルス発生器と、
前記n個の固体撮像素子から出力する画像信号を再配置して出力画像を出力する信号処理回路と
を有し、前記固体撮像素子が垂直電荷転送時に任意のm列毎(mは2以上の整数)の画素を混合して出力することにより画素数を1/mにでき、前記n個の固体撮像素子に入力される前記駆動パルスを制御することにより、前記各固体撮像素子で混合された前記画像信号の画素重心を分散させることを特徴とする固体撮像装置。 - 被写体像を集光する撮像レンズと、
複数の振幅分割膜およびプリズムで構成されて前記撮像レンズで集光された前記被写体像をn分光(nは2以上の整数)する振幅分割プリズム群と、
n分光された前記被写体像それぞれを撮像するn個の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の電荷転送を制御する駆動パルスを生成する駆動パルス発生器と、
前記n個の固体撮像素子から出力する画像信号を再配置して出力画像を出力する信号処理回路と
を有し、前記固体撮像素子が垂直電荷転送および水平電荷転送時にそれぞれ任意のm列毎(mは2以上の整数)の画素を混合して出力することにより画素数を1/(m×m)にでき、前記n個の固体撮像素子に入力される前記駆動パルスを制御することにより、前記各固体撮像素子で混合された前記画像信号の画素重心を分散させることを特徴とする固体撮像装置。 - 被写体像を集光する撮像レンズと、
複数の振幅分割膜およびプリズムで構成されて前記撮像レンズで集光された前記被写体像を青色光,赤色光および2つの緑色光に4分光する振幅分割プリズム群と、
4分光された前記被写体像それぞれを撮像する4個の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の電荷転送を制御する駆動パルスを生成する駆動パルス発生器と、
前記4個の固体撮像素子から出力する画像信号を再配置して出力画像を出力する信号処理回路と
を有し、前記固体撮像素子が垂直電荷転送時に2列毎の画素を混合して出力することにより画素数を1/2にでき、前記固体撮像素子に前記駆動パルスを制御することにより、前記青色光の画素と前記赤色光の画素とを画素重心が1画素ずれるように混合し、前記2つの緑色光の画素を画素重心が1画素ずれるように混合し、前記信号処理回路にて、混合された前記青色光の画像信号と前記赤色光の画像信号とを画素重心をずらせた状態で再配置し、混合された2つの緑色光の画像信号を画素重心をずらせた状態で再配置することを特徴とする固体撮像装置。 - 被写体像を集光する撮像レンズと、
複数の振幅分割膜およびプリズムで構成されて前記撮像レンズで集光された前記被写体像を青色光,赤色光および2つの緑色光に4分光する振幅分割プリズム群と、
4分光された前記被写体像それぞれを撮像する4個の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の電荷転送を制御する駆動パルスを生成する駆動パルス発生器と、
前記4個の固体撮像素子から出力する画像信号を再配置して出力画像を出力する信号処理回路と
を有し、前記固体撮像素子が垂直電荷転送および水平電荷転送時にそれぞれ2列毎の画素を混合して出力することにより画素数を1/4にでき、前記固体撮像素子に前記駆動パルスを制御することにより、前記青色光の画素と前記赤色光の画素とを画素重心が1画素ずれるように混合し、前記2つの緑色光の画素を画素重心が1画素ずれるように混合し、前記信号処理回路にて、混合された前記青色光の画像信号と前記赤色光の画像信号とを画素重心をずらせた状態で再配置し、混合された2つの緑色光の画像信号を画素重心をずらせた状態で再配置することを特徴とする固体撮像装置。 - 複数に分光された被写体像から撮像画像を生成する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記分光された被写体像毎に光電変換する工程と、
前記分光された被写体像毎に画素重心をずらせながら前記各分光された被写体像の画素を混合する工程と、
前記画素重心をずらせた分光された被写体像を再配置して前記撮像画像を生成する工程と
を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 前記分光された被写体像毎の混合を垂直電荷転送時に任意の列毎に行うことを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 前記分光された被写体像毎の混合を、さらに、水平方向においても任意の画素毎に行うことを特徴とする請求項6記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 前記被写体像の分光を、青色光,赤色光および2つの緑色光の4つに分光し、
前記被写体像の画素を混合する工程において、前記青色光と前記赤色光を互いに画素重心がずれるように2画素ずつ混合し、前記2つの緑色光を互いに画素重心がずれるように2画素ずつ混合し、
前記撮像画像を生成する工程において、混合された前記青色光と前記赤色光を再配置し、混合された前記2つの緑色光を再配置することを特徴とする請求項5〜請求項7のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
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-
2008
- 2008-07-10 JP JP2008179655A patent/JP2010021745A/ja active Pending
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