JP2020155844A

JP2020155844A - カラー２次元ｃｃｄ撮像装置

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Publication number: JP2020155844A
Application number: JP2019050535A
Authority: JP
Inventors: 惣平森; Sohei Mori
Original assignee: Diiway Space Corp
Current assignee: Diiway Space Corp
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-24

Abstract

【課題】ＳＮ比が高く詳細なカラー画像を取得するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の提供。【解決手段】マトリクス状に配置される複数の受光部、受光部から信号電荷を取得し、受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、受光部から垂直転送ＣＣＤに信号電荷を転送するタイミング、垂直転送ＣＣＤにおいて信号電荷を垂直転送するタイミング、水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、受光部に対して配置されるカラーフィルタ、を有するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置であって、垂直水平転送制御部は、受光部から垂直転送ＣＣＤに信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に読み出しパルスを送信する前に、受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを、カラーフィルタの水平方向の色配列が同じとなるまで垂直転送ＣＣＤに送信する。【選択図】図１

Description

本発明は、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置に関し、特に、カラーＣＣＤにおいて、ＳＮ比が高い画像を取得しにくい撮像状況であっても、ＳＮ比が高く詳細な画像を取得するものに関する。

従来の２次元ＣＣＤ撮像装置の動作について、図１４に示すモノクロ仕様の２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を用いて説明する。図１４に示すように、２次元ＣＣＤ撮像装置は、垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数のフォトダイオード、フォトダイオードによって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、フォトダイオードの垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、フォトダイオードから垂直転送ＣＣＤに信号電荷を転送するタイミング、及び、垂直転送ＣＣＤにおいて信号電荷を垂直転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、を有する２次元ＣＣＤ撮像装置であって、垂直水平転送制御部は、フォトダイオードから垂直転送ＣＣＤに信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、フォトダイオードの信号電荷を垂直転送する垂直転送パルスを垂直転送ＣＣＤに送信する重複画像処理を実行する（以上、特許文献１参照）。

特開２０１７−１０３５７５号公報

前述のモノクロ仕様の２次元ＣＣＤ撮像装置には、以下に示すような改善すべき点がある。モノクロ仕様の２次元ＣＣＤ撮像装置では、隣接する行同士の信号電荷が加算される。一方、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置は、カラーフィルタを有している。一般的に、カラーフィルタは、隣接する行の間で、同じ色配列を有していない（図２、図１３参照）。このため、隣接する行同士の信号電荷を加算したとしても、隣接する行同士は異なる色配列を有しているため、同一の領域を撮像したカラー画像を重複撮像することによって得られる、ＳＮ比が高いカラー画像を取得しにくく、詳細な画カラー像を取得できない、という改善すべき点がある。

そこで、本発明は、カラーＣＣＤにおいて、ＳＮ比が高いカラー画像を取得しにくい撮像状況であっても、ＳＮ比が高く詳細なカラー画像を取得できるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置を提供することを目的とする。

本発明における課題を解決するための手段及び発明の効果を以下に示す。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置は、垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送するタイミング、前記垂直転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を垂直転送するタイミング、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、前記受光部に対して配置されるカラーフィルタ、を有するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置であって、前記垂直水平転送制御部は、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを、前記カラーフィルタの水平方向の色配列が同じとなるまで、前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複撮像処理を実行すること、を特徴とする。

これにより、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置であっても、受光部を介して取得した信号電荷を増幅できるので、ＳＮ比が高いカラー画像を取得でき、ひいては、詳細なカラー画像を取得できる。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置では、前記垂直水平転送制御部は、前記重複撮像処理を、複数回実行すること、を特徴とする。

これにより、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置であっても、受光部を介して取得した信号電荷を増幅していくことができるので、ＳＮ比が高いカラー画像を取得でき、ひいては、詳細なカラー画像を取得できる。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置では、前記垂直水平転送制御部は、さらに、前記カラーフィルタの水平方向の前記色配列が同じとなるまでに、前記受光部が有する前記信号電荷をリフレッシュすること、を特徴とする。

これにより、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置において、同一の領域を撮像した信号電荷を加算することができる。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置では、前記垂直水平転送制御部は、さらに、前記読み出しパルスを送信する間隔である垂直転送間隔時間を、前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とすること、を特徴とする。

これにより、ある撮像タイミングにおけるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の第Ｘ行の行撮像領域で撮像できる領域を、次の撮像タイミングにおいて第Ｘ＋１行の行撮像領域で撮像できる領域に合わせることができる。つまり、同一の領域を、複数の撮像タイミングで、異なる行撮像領域で撮像できる。よって、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置において、各撮像タイミングで取得した受光部の信号電荷を、カラーフィルタの水平方向の色配列が同じとなるまで、垂直方向にずらしながら加算することによって、同一の領域に対する信号電荷を増幅していくことができるので、ＳＮ比が高いカラー画像を取得でき、ひいては、詳細なカラー画像を取得できる。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法は、垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、前記受光部に対して配置されるカラーフィルタ、を有するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を制御するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法であって、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを、前記カラーフィルタの水平方向の色配列が同じとなるまで、前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複撮像処理を実行すること、を特徴とする。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法では、さらに、前記重複撮像処理を、複数回実行すること、を特徴とする。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法では、さらに、前記カラーフィルタの水平方向の前記色配列が同じとなるまでに、前記受光部が有する前記信号電荷をリフレッシュすること、を特徴とする。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法では、さらに、前記読み出しパルスを送信する間隔である垂直転送間隔時間を、前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とすること、を特徴とする。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムは、垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送するタイミング、前記垂直転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を垂直転送するタイミング、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、前記受光部に対して配置されるカラーフィルタ、を有するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を制御するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムであって、前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムは、前記垂直水平転送制御部を、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを、前記カラーフィルタの水平方向の色配列が同じとなるまで、前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複撮像処理を実行すること、を特徴とする。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の一実施例であるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００のハードウェア構成を示す図である。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００のカラーフィルタ１１１を示す図である。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の撮像領域と、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００を搭載する装置搭載移動物体の移動との関係を示す図であり、Ａは、ある撮像タイミングを示し、Ｂは、次の撮像タイミングを示す。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートである。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートである。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００における信号電荷の移動を示す図である。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートである。本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の一実施例であるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置２００の垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートである。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置２００の垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートである。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００におけるカラー重複撮像処理の動作を説明する図である。本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の一実施例であるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置３００の垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートである。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置３００の垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートである。本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置のその他の実施例を示す図である。従来のカラー２次元ＣＣＤ撮像装置を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明していく。

本発明に係る２次元ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｖｉｃｅ）撮像装置について、図１に示すカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００を例に説明する。

第１ハードウェア構成
カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００のハードウェア構成の概略について図１を用いて説明する。カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００は、フォトダイオード１０１、読み出しゲート１０２、垂直転送ＣＣＤ１０３（以下、ＶＣＣＤ１０３）、水平転送ＣＣＤ１０５（以下、ＨＣＣＤ１０５）、垂直水平転送制御部１０７、駆動電源部１０９、及び、カラーフィルタ１１１（図示せず）を有している。なお、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００は、いわゆるインターライン型のＣＣＤ撮像装置と同様の構造を有している。

フォトダイオード１０１は、受光面から入射した入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する。フォトダイオード１０１は、所定の基板上において、垂直方向にＭ個、水平方向にＮ個、つまり、垂直Ｍ画素、水平Ｎ画素の２次元マトリクス状に配置される。なお、マトリクス状に配置されたフォトダイオード１０１については、ＨＣＣＤ１０５から最も遠くに位置する行を第１行、ＨＣＣＤ１０５に隣接する行を第Ｍ行とする。

読み出しゲート１０２は、フォトダイオード１０１とＶＣＣＤ１０３との間に、各フォトダイオード１０１に対応して配置される。読み出しゲート１０２は、所定の読み出しパルスを取得すると、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷をＶＣＣＤ１０３に転送する。なお、読み出しパルスは、垂直水平転送制御部１０７から所定のタイミングで提供される。

ＶＣＣＤ１０３は、ＭＯＳ構造の半導体素子の一種であり、垂直方向に直列状に配置される複数の電極を有し、各電極に対応して形成される半導体素子１１３（以下、ＶＣＣＤ素子１１３）を有している。ＶＣＣＤ１０３は、各電極に供給する電圧を制御することによって、各ＶＣＣＤ素子１１３に蓄積した電荷を隣接するＶＣＣＤ素子１１３に、順次、転送する。ＶＣＣＤ１０３は、マトリクス状に配置されたフォトダイオード１０１において垂直方向に沿って形成される列に沿って、各列に対応して配置される。ＶＣＣＤ１０３は、各電極に供給される所定の垂直転送パルスに応じて転送駆動され、フォトダイオード１０１から取得した信号電荷を垂直方向に転送する。なお、ＶＣＣＤ１０３は、４相駆動に対応する複数の垂直転送電極を有している。

なお、１つのフォトダイオード１０１、そのフォトダイオード１０１に対応する読み出しゲート１０２及びＶＣＣＤ素子１１３によって、１画素を構成するものとする。また、第Ｘ行、第Ｙ列のフォトダイオード１０１に対応する１画素を画素Ｐ（Ｘ，Ｙ）とする。

ＨＣＣＤ１０５は、ＭＯＳ構造の半導体素子の一種であり、水平方向に直列状に配置される複数の電極を有し、各電極に対応して形成される半導体素子１１５（以下、ＨＣＣＤ素子１１５）を有している。ＨＣＣＤ１０５は、各電極に供給する電圧を制御することによって、各ＨＣＣＤ素子１１５に蓄積した電荷を隣接するＨＣＣＤ素子１１５に、順次、転送する。ＨＣＣＤ１０５は、垂直方向に並列に配置されている複数のＶＣＣＤ１０３の垂直方向側の端部に接続するように配置される。ＨＣＣＤ１０５は、各電極に供給される所定の水平転送パルスに応じて転送駆動され、ＶＣＣＤ１０３から取得した信号電荷を水平方向に転送する。なお、ＨＣＣＤ１０５は、２相駆動に対応する複数の水平転送電極を有している。

ＨＣＣＤ１０５の一端部には、電荷電圧変換部ＱＶＣが配置される。電荷電圧変換部ＱＶＣとしては、例えば、フローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）が用いられる。電荷電圧変換部ＱＶＣは、ＨＣＣＤ１０５によって水平転送されてきた信号電荷を、順次、電圧信号に変換して出力する。なお、電荷電圧変換部ＱＶＣによって生成された電圧信号は、フォトダイオード１０１への光の入射量に応じたＣＣＤ出力に対応する。

垂直水平転送制御部１０７は、水平同期信号（ＶＤ）や垂直同期信号（ＶＤ）に基づいて、読み出しゲート１０２を動作させるための読み出しパルス、ＶＣＣＤ１０３を動作させるための垂直転送パルス、ＨＣＣＤ１０５を動作させるための水平転送パルス等、種々のパルスを、所定のタイミングで、生成する。垂直水平転送制御部１０７が送信する各パルスについては後述する。

また、垂直水平転送制御部１０７は、垂直転送間隔時間Δｔ、および、重複撮像回数Ｋを所定のメモリに記憶保持している。垂直転送間隔時間Δｔは、フォトダイオード１０１において蓄積した信号電荷を移送してから、次に移送するまでの間隔を示し、フォトダイオード１０１が外部からの光を受光する露光時間に対応する（図５参照）。重複撮像回数Ｋは、ある画素において撮像される画像について、同一の画像を他の画素において撮像する回数を示す。なお、垂直転送間隔時間Δｔ、および、重複撮像回数Ｋについては、無線回線、有線回線を介した外部のコントローラからの指示によって、適宜、書き換えることができる。

駆動電源部１０９は、他の素子を駆動するための所定の電圧を各素子に供給する。

カラーフィルタ１１１は、各フォトダイオード１０１に対応して配置される。図２に示すように、カラーフィルタ１１１は、いわゆるベイヤ配列（Ｂａｙｅｒａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の色配列を有している。

図２に示すように、ベイヤ配列では、２×２の４画素で１単位Ｕ１１１を構成している。ベイヤ配列の１単位Ｕ１１１では、１の対角線上の画素のそれぞれに対応して緑のフィルタが配置され、また、もう一方の対角線上の画素のそれぞれに対応して赤、青のフィルタが配置される。

ベイヤ配列では、緑が２画素、赤、青、それぞれが１画素で構成される１単位Ｕ１１１が、左右方向、上下方向に、繰り返し配置される。このため、ベイヤ配列のカラーフィルタ１１１においては、行方向に同一の色配列が、１行おきに配置される。つまり、ベイヤ配列のカラーフィルタ１１１では、奇数行同士、偶数行同士において、同一の色配列となる。

第２カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の動作
１．動作の概要
カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００は、移動しながら撮像する物体（以下、装置搭載移動物体とする）に搭載される。装置搭載移動物体としては、例えば、高速で移動しながら地表を撮像する人工衛星がある。

装置搭載移動物体が移動するため、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の撮像領域も、装置搭載移動物体の移動にともなって移動する。図３Ａに示すように、ある撮像タイミングにおける第Ｘ行の画素Ｐ（Ｘ，１）〜画素Ｐ（Ｘ，Ｎ）の行撮像領域Ｒ１００は、次の撮像タイミングでは、図３Ｂに示すように、装置搭載移動物体の移動方向Ａ１００に沿って移動し、行撮像領域Ｒ’１００となる。

このとき、装置搭載移動物体に搭載されるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の垂直転送間隔時間Δｔを、装置搭載移動物体の移動速度でカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間に合わせることによって、ある撮像タイミングにおいて第Ｘ行の行撮像領域Ｒ１００を、垂直転送間隔時間Δｔ経過後において第Ｘ＋１行の行撮像領域Ｒ２００に合わせることができる。

同様に、図３Ｃに示すように、ある撮像タイミングにおいて第Ｘ行の行撮像領域Ｒ１００を、垂直転送間隔時間Δｔ×２＝２Δｔ経過後において第Ｘ＋２行の行撮像領域Ｒ３００に合わせることができる。

ここで、ベイヤ配列のカラーフィルタ１１１を有する２次元ＣＣＤ装置１００では、第Ｘ行の色配列と第Ｘ＋１行の色配列とが異なる（図２参照）。一方、第Ｘ行と第Ｘ＋２行の色配列は同一となる（図２参照）。よって、２次元ＣＣＤ装置１００においては、同一のカラー画像を、垂直方向２行分の移動時間に対応する時間毎に、つまり、垂直転送間隔時間Δｔ×２＝２Δｔ毎に取得できる。つまり、同一の領域をカラー撮像した画像を、複数、取得することができる。

カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００では、所定の撮像タイミングで各行領域において取得したフォトダイオード１０１の信号電荷を、垂直方向に２行ずつずらしながら加算することによって、同一のカラー画像に対する信号電荷を増幅していくことができる。

２．動作タイミング
カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の動作について、図４〜図６を用いて説明する。図４は、垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートを示し、図５は、各パルスにともなう信号電荷の移動を示し、図６は、垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートを示す図である。

カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００では、同一のカラー画像に対して複数回の撮像を行うカラー重複撮像処理、及び、従来のＣＣＤの動作によって、重複カラー撮像処理によって得られた画像を取得するカラーＣＣＤ画像取得処理を実行する。

なお、垂直水平転送制御部１０７には、予めカラー重複撮像する回数を、設定重複撮像回数として設定しておく。また、カラーフィルタ１１１において行方向に同じ色配列となるまでに要する垂直転送の回数を、設定垂直転送回数として設定しておく。ベイヤ配列のカラーフィルタ１１１では、設定垂直転送回数は「２」となる（図２参照）。

図４に示すように、垂直水平転送制御部１０７は、重複撮像回数、垂直転送回数を初期化する（Ｓ３０１）。垂直水平転送制御部１０７は、所定のタイミングで、現在、フォトダイオード１０１に蓄積している信号電荷をリフレッシュするリフレッシュパルスを送信する（Ｓ３０３）。これにより、フォトダイオード１０１に残存する電荷をはき出し、フォトダイオード１０１をリセットできる。なお、リフレッシュ後、フォトダイオード１０１は、電荷の蓄積を開始する。

垂直水平転送制御部１０７は、所定の時間の経過後（Ｓ３０５）、読み出しパルスを読み出しゲート１０２へ送信し、重複撮像回数に１を加算する（Ｓ３０７）。これにより、図５に示すように、例えば、第Ｘ行に対応する画素Ｐ（Ｘ，１）〜画素Ｐ（Ｘ，Ｎ）の各フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷は、画素Ｐ（Ｘ，１）〜画素Ｐ（Ｘ，Ｎ）のそれぞれに対応するＶＣＣＤ素子１１３の電極を介して、ＶＣＣＤ１０３に転送される（矢印（１））。なお、垂直水平転送制御部１０７は、読み出しパルスを、同時に、全ての読み出しゲート１０２に送信する。また、読み出しパルスの送信後、フォトダイオード１０１の電荷がＶＣＣＤ１０３へ転送された後から、新たにフォトダイオード１０１に電荷が蓄積される。

図３に戻って、垂直水平転送制御部１０７は、読み出しパルスを送信後、所定時間経過後に、ＶＣＣＤ素子１１３に対して、垂直転送パルスを送信し、垂直転送回数に１を加算する（Ｓ３０９）。これにより、図４に示すように、例えば、第Ｌ行に対応する画素Ｐ（Ｘ，１）〜画素Ｐ（Ｘ，Ｎ）のＶＣＣＤ素子１１３が保持している信号電荷を、垂直方向に隣接する次の画素Ｐ（Ｘ＋１，１）〜画素Ｐ（Ｘ＋１，Ｎ）のそれぞれに対応するＶＣＣＤ素子１１３に転送する（矢印（２））。つまり、第Ｘ行の行撮像領域に対応するＶＣＣＤ素子１１３が保持していた信号電荷は、第Ｘ＋１行の行撮像領域に対応するＶＣＣＤ素子１１３に転送される。

図３に戻って、垂直水平転送制御部１０７は、垂直転送パルスを送信後、垂直転送間隔時間Δｔが経過すると（Ｓ３１１）、垂直転送回数が設定垂直転送回数であるか否かを判断する（Ｓ３１３）。垂直水平転送制御部１０７は、垂直転送回数が設定垂直転送回数でないと判断すると、ステップＳ３０９〜Ｓ３１３の処理を繰り返し、設定垂直転送回数の垂直転送パルスを送信する。

ベイヤ配列のカラーフィルタ１１１を有するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００では、図４に示すように、第Ｘ行に対応する画素Ｐ（Ｘ，１）〜画素Ｐ（Ｘ，Ｎ）から次の行の画素Ｐ（Ｘ＋１，１）〜画素Ｐ（Ｘ＋１，Ｎ）に信号電荷を垂直転送した後、さらに、その次の行の画素Ｐ（Ｘ＋２，１）〜画素Ｐ（Ｘ＋２，Ｎ）に転送する（矢印（３））。つまり、垂直転送回数、２回によって、第Ｘ行の行撮像領域に対応するＶＣＣＤ素子１１３が保持していた信号電荷を、第Ｘ＋２行の行撮像領域に対応するＶＣＣＤ素子１１３に転送する。

図３に戻って、垂直水平転送制御部１０７は、ステップＳ３１３において、垂直転送回数が設定垂直転送回数であると判断すると、垂直転送回数を初期化する（Ｓ３１５）。そして、垂直水平転送制御部１０７は、重複撮像回数が設定重複撮像回数（ここでは、Ｋ回とする）であるか否かを判断する（Ｓ３１７）。垂直水平転送制御部１０７は、重複撮像回数が設定重複撮像回数でないと判断すると、ステップＳ３０７?Ｓ３１７の処理を、設定重複撮像回数、繰り返す。

垂直水平転送制御部１０７は、ステップＳ３１７において、重複撮像回数設定重複撮像回数であると判断すると、カラーＣＣＤ画像取得処理（図５参照）を実行する。

なお、第Ｘ行に対応する画素Ｐ（Ｘ，１）〜画素Ｐ（Ｘ，Ｎ）から画素Ｐ（Ｘ＋２，１）〜画素Ｐ（Ｘ＋２，Ｎ）のそれぞれのＶＣＣＤ素子１１３に転送された信号電荷には、次の読み出しパルスの送信により、図６に示すように、第Ｘ＋２行に対応する画素Ｐ（Ｘ＋２，１）〜画素Ｐ（Ｘ＋２，Ｎ）の各フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が加算される（矢印（４））。このように、カラーフィルタ１１１において、行方向に同じ色配列を有する行まで電荷を垂直転送し、行方向に同じ色配列を有する行に到達した後、つまり、複数の垂直転送間隔時間Δｔ経過の後、その行に位置するフォトダイオード１０１の電荷を加算することによって、カラー画像におけるカラー重複撮像を可能とする。

このように、図７に示すように、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００においては、リフレッシュパルス送信後、設定重複撮像回数であるＫ回、読み出しパルスを送信し、各読み出しパルスの送信に対応して設定垂直転送回数である２回、垂直転送しながら、フォトダイオード１０１に蓄積した信号電荷を重複加算していく。

図５に示すように、垂直水平転送制御部１０７は、ステップＳ３１７において、重複撮像回数が設定重複撮像回数であると判断すると（図４参照）、以下のカラーＣＣＤ画像取得処理を実行する。垂直水平転送制御部１０７は、垂直転送パルスを送信し（Ｓ３２１）、垂直方向にＨＣＣＤ素子１１５に隣接する行のＶＣＣＤ素子１１３に蓄積されている電荷を、ＨＣＣＤ素子１１５へ転送する。垂直水平転送制御部１０７は、その後、ＨＣＣＤ素子１１５に対して、水平転送パルスを送信し（Ｓ３２３）、各ＨＣＣＤ素子１１５が有する信号電荷を電荷電圧変換部ＱＶＣへ出力する。

図５に示すように、ＨＣＣＤ素子１１５に到達した信号電荷を、水平方向に隣接する次のＨＣＣＤ素子１１５へと、順次、転送し、最終的に、全ての信号電荷を電荷電圧変換部ＱＶＣへ出力する（矢印（ａ））。なお、水平転送パルスについては、垂直転送パルスを送信後、所定時間経過後に、送信され、そのときにＨＣＣＤ素子１１５が保持している信号電荷を、順次、水平転送する。

図４に戻って、垂直水平転送制御部１０７は、ステップＳ３２１における垂直転送パルスの送信、及び、ステップＳ３２３における水平転送パルスの送信を、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００の垂直方向の行数分（Ｍ回）、繰り返す（Ｓ３２５）。これにより、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００を用いることによって、所定の画素において重複撮像回数だけカラー重複撮像したカラー画像を取得することができる。垂直水平転送制御部１０７は、動作が終了するまで、ステップＳ３０１〜Ｓ３１５の処理を繰り返す（Ｓ３１７）。垂直水平転送制御部１０７におけるステップＳ３２１〜Ｓ３２５の処理は、カラーＣＣＤ画像取得処理に対応し、従来のＣＣＤにおける動作と同様である。

ここで、スタート時、行方向、下から設定垂直転送回数分の行（Ｋ行分）、つまり、ＨＣＣＤ素子１０５に近い設定垂直転送回数分の行のＶＣＣＤ１０３に蓄積された電荷については、カラー重複撮像処理において、順次、ＨＣＣＤ素子１０５へ転送されるが、予め定められた重複撮像回数の電荷を蓄積できていないため、ＨＣＣＤ素子１０５へ転送された後、適宜、処理される。例えば、カラーＣＣＤ画像取得処理が開始される前に、ＨＣＣＤ１０５に転送された信号電荷については、順次、電荷電圧変換部ＱＶＣに転送され、破棄されるようにすればよい。また、カラーＣＣＤ画像取得処理によって信号電荷であっても、ＨＣＣＤ１０５に最後に垂直転送された行の信号電荷から設定垂直転送回数分前までの行のＶＣＣＤ１０３に蓄積された電荷については、カラー重複撮像回数が十分でなく、信号電荷が十分に蓄積されていない可能性があるため、破棄する。

このように、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００においては、行方向、つまり水平方向に同じ色配列を有するＶＣＣＤ１０３における垂直転送を繰り返し、同じ色配列に到達した時に、ＶＣＣＤ１０３の信号電荷を加算することによって、複数回のカラー重複撮像ができる。つまり、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００であっても、カラー重複撮像したカラー画像を取得できるので、高いＳＮ比を有するカラー画像を取得することができる。したがって、高速に移動する物体からカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００を用いてカラー画像を取得する場合であっても、より鮮明なカラー画像を取得することができる。

前述のカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００においては、垂直水平転送制御部１０７は、図７に示すように、読み出しパルスを送信した後、読み出しパルスとは明確に異なる垂直転送パルスを送信することとした。一方、本実施例おけるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置２００では、読み出しパルスと垂直転送パルスとが一体となった読み出しパルスを送信するものである。

第１ハードウェア構成
カラー２次元ＣＣＤ撮像装置２００のハードウェア構成については、前述のカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様である（図１参照）。ただし、垂直水平転送制御部１０７の動作が、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００とは異なる。以下において、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置２００における垂直水平転送制御部１０７の動作を説明する。

第２カラー２次元ＣＣＤ撮像装置２００の動作
カラー２次元ＣＣＤ撮像装置２００の動作について、図６、図７を用いて説明する。図６は、垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートを示し、図６は、垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートを示す図である。なお、実施例１におけるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様の動作については、同じ符号を付し、詳細な記述を省略する。

垂直水平転送制御部１０７は、リフレッシュパルスを送信し（Ｓ３０３）、所定の時間の経過後（Ｓ３０５）、複合パルスを読み出しゲート１０２、及び、ＶＣＣＤ１０３へ送信し、重複撮像回数に１を加算する（Ｓ８０７）。このときに送信する複合パルスは、図９に示すように、フォトダイオード１０１が有する信号電荷を読み出す読み出しパルスと、読み出しパルスに対応してＶＣＣＤ１０３が有する信号電荷を垂直転送する垂直転送パルスとが一体となったものである。

これにより、第Ｘ行に対応する画素Ｐ（Ｘ，１）〜画素Ｐ（Ｘ，Ｎ）の各フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷は、対応する各ＶＣＣＤ素子１１３の電極を介して、ＶＣＣＤ１０３に転送された後（図４：矢印（１）参照）、各ＶＣＣＤ１０３に転送された信号電荷は、垂直方向に隣接する次の画素Ｐ（Ｘ＋１，１）〜画素Ｐ（Ｘ＋１，Ｎ）のそれぞれに対応するＶＣＣＤ１０３に転送される（図４：矢印（２）参照）。このように、第Ｘ行のフォトダイオード１０１のそれぞれが保持していた信号電荷は、第Ｘ＋１行の各ＶＣＣＤ１０３に移動する。なお、フォトダイオード１０１からＶＣＣＤ１０３へ信号電荷が転送された際に、ＶＣＣＤ１０３に信号電荷が存在していた場合には、ＶＣＣＤ１０３において信号電荷が加算される。また、垂直水平転送制御部１０７は、複合パルスを、同時に、全ての読み出しゲート１０２、及び、ＶＣＣＤ１０３に送信する。

垂直水平転送制御部１０７は、複合パルスを送信した後、垂直転送回数に１を加算する（Ｓ８０９）。

垂直水平転送制御部１０７は、複合パルスを送信っした後、垂直転送間隔時間Δｔが経過すると（Ｓ３１１）、垂直転送回数が設定垂直転送回数であるか否かを判断する（Ｓ３１３）。垂直水平転送制御部１０７は、垂直転送回数が設定垂直転送回数でないと判断すると、垂直転送パルスをＶＣＣＤ１０３へ送信する（Ｓ８１２）。つまり、設定垂直転送回数だけ、ＶＣＣＤ１０３間の垂直転送を繰り返し、同一の色配置を有する行まで、信号電荷を転送する。

その他の処理については、実施例１におけるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様である。

前述のカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００においては、ある行に位置する各フォトダイオード１０１（以下、元フォトダイオード１０１）に蓄積された信号電荷は、複数回の垂直転送の後、複数行先の行の対応するフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷に加算される。例えば、図１０Ａに示すように、ある時点で、第Ｘ行の領域Ｒ１に位置する画素Ｐ１のフォトダイオード１０１（図示せず）に蓄積された信号電荷は、同一の色配列となる第Ｘ＋２行の領域Ｒ２に位置する画素Ｐ２のフォトダイオード１０１に蓄積される信号電荷と、垂直転送間隔時間Δｔ後の図１０Ｂの状態を経由して、さらに垂直転送間隔時間Δｔ後の図１０Ｃの状態で、加算されることになる。

このとき、ある時間において領域Ｒ２に位置する画素Ｐ２は、垂直転送間隔時間Δｔ後には、領域Ｒ３に移動し、さらに、直転送間隔時間Δｔ後には、領域Ｒ１に移動する。このため、２つの信号電荷を加算するまでに、画素Ｐ２は、領域Ｒ２〜領域Ｒ３〜領域Ｒ１へと移動し、その移動の間に領域Ｒ２〜領域Ｒ３〜領域Ｒ１の信号電荷を蓄積する。つまり、２つの信号電荷が加算される時までに画素Ｐ２が撮像してきた領域Ｒ２〜領域Ｒ３〜領域Ｒ１と、画素Ｐ１が撮像していた領域Ｒ１とは、画素Ｐ２が撮像した領域Ｒ２〜領域Ｒ３〜領域Ｒ１には画素Ｐ１が撮像した領域Ｒ１が含まれているものの、厳密には異なっている。一方、本実施例おけるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置３００では、同一の領域を撮像した信号電荷を加算するものである。

第１ハードウェア構成
カラー２次元ＣＣＤ撮像装置３００のハードウェア構成については、前述のカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様である（図１参照）。ただし、垂直水平転送制御部１０７の動作が、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００とは異なる。以下において、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置３００における垂直水平転送制御部１０７の動作を説明する。

第２カラー２次元ＣＣＤ撮像装置３００の動作
カラー２次元ＣＣＤ撮像装置３００の動作について、図１１、図１２を用いて説明する。図１１は、垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートを示し、図１２は、垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートを示す図である。なお、実施例１におけるカラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様の動作については、同じ符号を付し、詳細な記述を省略する。

図１１に示すように、垂直水平転送制御部１０７は、読み出しパルスを読み出しゲート１０２へ送信し、重複撮像回数に１を加算した後（Ｓ３０７）、所定時間経過後に、ＶＣＣＤ素子１１３に対して、垂直転送パルスを送信し、垂直転送回数に１を加算する（Ｓ３０９）。垂直水平転送制御部１０７は、垂直転送パルスを送信後、垂直転送間隔時間Δｔが経過すると（Ｓ３１１）、垂直転送回数が「設定垂直転送回数−１」であるか否かを判断する（Ｓ１０１２）。

垂直水平転送制御部１０７は、垂直転送回数が「設定垂直転送回数−１」であると判断すると、リフレッシュパルスを送信する（Ｓ１０１４）。これにより、図１１に示すように、ＶＣＣＤ１０３において加算元ＶＣＣＤ素子１１３の信号電荷に、加算先ＶＣＣＤ素子１１３の信号電荷を加算する垂直転送間隔時間Δｔ前に、加算先ＶＣＣＤ素子１１３に対応するフォトダイオード１０１をリフレッシュすることができる。これにより、加算先フォトダイオード１０３には、垂直転送間隔時間Δｔ前から、信号電荷が蓄積されはじめ、垂直転送間隔時間Δｔに対応する信号電荷が蓄積される。つまり、必要な撮像領域において必要な時間分だけの信号電荷を蓄積し、加算できる。

垂直水平転送制御部１０７は、ステップＳ１０１２において、垂直転送回数が「設定垂直転送回数−１」でないと判断すると、ステップＳ３１３以降の処理を実行する。

［その他の実施形態］
（１）設定重複撮像回数、設定垂直転送回数、垂直転送間隔時間Δｔ：前述の実施例１においては、垂直水平転送制御部１０７が有する重複撮像回数、設定垂直転送回数、垂直転送間隔時間Δｔは、外部から変更できるとしたが、変更できず、予め定められた設定重複撮像回数、設定垂直転送回数、垂直転送間隔時間Δｔのみを用いるようにしてもよい。その他の実施例についても、同様である。

（２）装置搭載移動物体：前述の実施例１においては、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００を高速で移動する人工衛星に搭載するとしたが、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００が取得する画像の対象物に対して、相対的に移動する場合であれば、例示のものに限定されない。例えば、カラー２次元ＣＣＤ撮像装置１００が固定され、画像の対象物が移動する場合であってもよい。その他の実施例についても同様である。

（３）カラーフィルタ：前述の実施例１においては、カラーフィルタ１１１はベイヤ配列を有するとしたが、行方向（水平方向）において、同一の色配列が周期的に配置されるものであれば、その他のカラー配列を有するものであってもよい。例えば、図１３に示すように、ＳｐａｒｓｅＣｏｌｏｒＰａｔｔｅｒｎであってもよい。なお、図１３においては、「Ｇ」は緑、「Ｒ」は赤、「Ｂ」は青、「Ｐ」はパンクロマチック（モノクローム）を表す。その他の実施例についても同様である。

本発明に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置は、例えば、人工衛星からの地表撮像に使用できる。

１００カラー２次元ＣＣＤ撮像装置
２００カラー２次元ＣＣＤ撮像装置
３００カラー２次元ＣＣＤ撮像装置
１０１フォトダイオード
１０２読み出しゲート
１０３垂直転送ＣＣＤ
１１３ＶＣＣＤ素子
１０５水平転送ＣＣＤ
１１５ＨＣＣＤ素子
１０７垂直水平転送制御部
１０９駆動電源部
１１１カラーフィルタ
Ｒ１００行撮像領域
Ｒ’１００行撮像領域
Ｒ２００行撮像領域
Ｒ”１００行撮像領域
Ｒ３００行撮像領域

Claims

垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、
前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、
前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、
前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送するタイミング、前記垂直転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を垂直転送するタイミング、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、
前記受光部に対して配置されるカラーフィルタ、
を有するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置であって、
前記垂直水平転送制御部は、
前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを、前記カラーフィルタの水平方向の色配列が同じとなるまで、前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複撮像処理を実行すること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置。
請求項１に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置において、
前記垂直水平転送制御部は、
前記重複撮像処理を、複数回実行すること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置。
請求項１または請求項２に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置において、
前記垂直水平転送制御部は、さらに、
前記カラーフィルタの水平方向の前記色配列が同じとなるまでに、前記受光部が有する前記信号電荷をリフレッシュすること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置。
請求項１〜請求項３のいずれかに係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置において、
前記垂直水平転送制御部は、さらに、
前記読み出しパルスを送信する間隔である垂直転送間隔時間を、前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とすること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置。
垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、
前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、
前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、
前記受光部に対して配置されるカラーフィルタ、
を有するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を制御するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法であって、
前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを、前記カラーフィルタの水平方向の色配列が同じとなるまで、前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複撮像処理を実行すること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法。
請求項４に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法において、
前記重複撮像処理を、複数回実行すること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法。
請求項５〜は請求項５に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法において、さらに、
前記カラーフィルタの水平方向の前記色配列が同じとなるまでに、前記受光部が有する前記信号電荷をリフレッシュすること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法。
請求項６〜は請求項８に係るカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法において、さらに、
前記読み出しパルスを送信する間隔である垂直転送間隔時間を、前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とすること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法。
垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、
前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、
前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、
前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送するタイミング、前記垂直転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を垂直転送するタイミング、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、
前記受光部に対して配置されるカラーフィルタ、
を有するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を制御するカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムであって、
前記カラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムは、
前記垂直水平転送制御部を、
前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを、前記カラーフィルタの水平方向の色配列が同じとなるまで、前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複撮像処理を実行すること、
を特徴とするカラー２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラム。