JP2600793B2

JP2600793B2 - 固体カメラ用電子シヤツター装置

Info

Publication number: JP2600793B2
Application number: JP63101540A
Authority: JP
Inventors: 雅明鶴田; 稔森尾; 勉新村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1988-04-25
Publication date: 1997-04-16
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: JPH01272383A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は電荷蓄積時間を1/60秒間よりも短い任意の流
さに設定可能な固体カメラ用電子シャッター装置に関す
る。

〔発明の概要〕

固体撮像素子の電荷蓄積開始タイミング及び電荷蓄積
時間の双方を夫々カメラの垂直同期とは無関係に設定し
得るようにし、撮像素子の読出し出力と垂直同期信号と
の位相差を画像メモリの書込み又は読出しアドレスの調
整により修正して、表示画面上で上部と下部との逆転が
生じない瞬間画面が得られるようにした固体カメラ用電
子シャッター装置である。

〔従来の技術〕

インターライン方式の固体撮像素子（CCD等）におい
ては、センサによって光電変換された映像電荷を通常は
1/60秒間ごとにＶレジスタに移送する。そしてＶレジス
タに移送した映像電荷を垂直クロックによって1H（H:水
平期間）ごとにＨレジスタに転送すると共に、Ｈレジス
タに転送した映像電荷を水平クロックによって高速で導
出し、モニタ画面における１ライン分の信号を出力す
る。

Ｖレジスタへ移送する間隔である1/60秒間にわたって
映像電荷を蓄積すると、被写体の動きが早い場合は画像
振れが発生する。これを防止するために、電荷蓄積時間
（露光時間）を1/60秒よりも短く設定する電子シャッタ
ー装置が従来より用いられている。

第６図は従来の電子シャッター装置を用いた場合の撮
像タイミングを示す各部の電圧波形図である。第6A図は
システム動作の基準となる垂直同期信号V_D、第6B図は垂
直同期信号V_Dに同期して固体撮像素子の転送ゲートに与
えられるゲートパルスP_fである。このゲートパルスP_fが
与えられるごとに転送ゲートが開いて映像電荷の転送読
出しが開始される。

映像電荷の蓄積時間を、ゲートパルスP_fが与えられる
間隔よりも短くするために、1H周期の電荷掃捨てパルス
P_cを与えて映像電荷を回路基板等に掃捨てる。そして、
ゲートパルスP_fが与えられる時期の直前において、電荷
掃捨てパルスP_cを与えないことによって映像電荷を蓄積
する。即ち、映像電荷の蓄積終了時（露光終了時）をゲ
ートパルスP_fが与えられる時期とし、電荷蓄積を開始す
る時期を可変することにより、第6C図に示す電荷蓄積時
間T_aを設定していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の電子シャッターは電荷蓄積終了時が読出しタイ
ミングである垂直同期信号の時点に固定されているの
で、電荷積層時間を或る長さに設定するとそれによって
電荷蓄積開始時期、即ち撮像タイミングが決定されてし
まう。このため電子シャッターを使用すると、見たい瞬
間を撮像できないことがあった。即ち、電子シャッター
を使用して電荷蓄積時間を1/60秒よりも短く設定した場
合、1/60秒内において被写体を撮像できない期間が発生
する。しかも撮像できない期間は、動きの早い被写体を
撮像するために電荷蓄積時間を短くすればする程長くな
る。例えば第７図の振り子の動作図に示すように、振り
子ＧがＡ点、Ｂ点及びＣ点と移動する場合、振り子Ｇが
Ｂ点を通過する瞬間を撮像しようとしても、従来の電子
シャッター装置は撮像タイミングが固定なのでその瞬間
をうまく撮像することができないことがあった。

本発明は上述の問題点にかんがみ電荷蓄積開始タイミ
ング及び電荷蓄積時間の双方を夫々任意に設定できるよ
うにして、撮像したい瞬間を確実に撮像できるようにす
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の固体カメラ用電子シャッター装置は、第１図
に示すように、固体撮像素子１を電荷掃捨てから電荷蓄
積に切換えるタイミングを決定するタイミング手段27
（光検出センサなど）と、固体撮像素子１の電荷蓄積時
間T_aを電荷蓄積の開始タイミングからの任意の電荷蓄積
時間巾に設定する電荷蓄積時間設定回路29と、垂直走査
周期よりも十分に短い周期の電荷掃捨てパルス列P_aを固
体撮像素子１に供給すると共に、上記電荷蓄積時間巾Ta
において上記電荷掃捨てパルス列P_aを抑止して固体撮像
素子１を電荷蓄積状態にする蓄積制御回路（アンド回路
12）と、上記電荷蓄積時間巾の終了直後から固体撮像素
子の電荷の転送読出しを開始させる読出し回路36と、固
体撮像素子１の出力画像を記憶する画像メモリ22とを備
える。画像メモリ22の制御回路35により、固体撮像素子
１の電荷の転送読出しに伴って画像メモリ22に書込みア
ドレス信号を供給し、固体撮像素子１の読出しの垂直ブ
ランキング期間V_BLKにおいて書込みアドレス信号の供給
を中断し、垂直ブランキング期間の終了後に書込みアド
レス信号の供給を再開すると共に、上記電荷蓄積の開始
タイミング位置に相当する上記画像データの先頭位置が
カメラの垂直走査期間の開始と一致するように画像メモ
リ22から画像データを読み出すための読出しアドレス信
号を供給する。

〔作用〕

電荷蓄積時間設定回路30で電荷蓄積時間T_aを任意の長
さに設定すると共に、タイミング手段27がシステムの垂
直同期に拘束されない任意のタイミングで電荷蓄積を開
始させる。従って電荷蓄積時間終了時期とシステムの垂
直同期V_Dとが一致しなくなるが、電荷の蓄積を終了した
直後に読出し回路31で転送読出しを開始させて、電荷蓄
積時間T_a中に蓄積した映像電荷を固体撮像素子１から読
出す。

固体撮像素子１から読出した出力を、メモリ制御回路
35によって制御される画像メモリ22に書込み／読出しす
ることにより、読出し出力の先頭Ｓと垂直同期信号V_Dと
の位相差nHを修正する。

固体撮像素子１の読出しの垂直ブランキング期間V_BLK
において書込みアドレス信号の供給を中断するので、電
荷蓄積の終了後にカメラの垂直ブランキング期間に跨が
って電荷の読出しが行なわれることを許容しても、メモ
リ上で水直ブランキング部分が除去されると共に、前フ
ィールドの画像終端と後フィールドの画像始端とがメモ
リ上で結合され、メモリの読出しデータに基づく１画面
により、画面上で上部と下部の画像の位置の逆転が生じ
ない正常な瞬時静止画が得られる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す固体カメラ用電子シ
ャッター装置のブロック図である。第１図において、CC
D撮像素子１は、インターライン方式であって、光を電
荷に変換する感光部（センサ）２と、感光部２で蓄積し
た電荷を垂直方向３に転送する垂直転送部４と、垂直転
送部４で転送された電荷を水平方向５に転送して外部に
出力する水平転送部６とで構成されている。

感光部２と垂直転送部４との間に転送ゲート７が設け
られていると共に、転送ゲート７が設けられている側の
反対側には、第２図のポテンシャル図に示すようにポテ
ンシャル障壁10が設けられている。このポテンシャル障
壁10の高さは外部から与えられるDCバイアスによって決
定される。即ち小さなDCバイアスV₁が与えられるとポテ
ンシャル障壁10が高くなり、大きなDCバイアスV₃が与え
られると低くなる。なお光が強過ぎると蓄積電荷量が多
くなり、感光部２の電位の井戸2aからあふれてしまう。
あふれた映像電荷が垂直転送部４に流れ込むと、白線と
なって画質を大きく劣化させるので、ポテンシャル障壁
10の高さが転送ゲート７よりも低くなるようなDCバイア
スV₂を常時与え、ポテンシャル障壁10で電荷をオーバー
フローさせる。即ちDCバイアスＶを変えてポテンシャル
障壁10の高さを制御することによって、感光部２の飽和
電荷量Q₂を決定する。従って大きなDCバイアスV₃を与え
てポテンシャル障壁10の高さを零にすると、光電変換さ
れた電荷の全量がオーバーフローするので感光部２の蓄
積電荷は零となる。

なおポテンシャル障壁10をオーバーフローした電荷
は、例えばCCDチップの縦方向（深さ方向）に設けられ
ているオーバー・フロー・ドレイン（OFD）と呼ばれる
チャンネル（半導体基板）に捨てられる。

第３図の動作波形を参照しながら第１図の電子シャッ
ター装置の構成と動作を説明する。まず第３図の時点to
において撮像モードを電子シャッターモードに設定する
と、電子シャッター装置全体の動作を制御しているマス
タークロック発生装置11からアンド回路（蓄積制御回
路）12に電荷掃捨て信号Paが導出される。この電荷掃捨
て信号Paは第３図Ａに示すように正のパルス信号であ
り、1H周期で導出される。

アンド回路12の他方の入力端子には第１のモノマルチ
13の出力Pbが与えられている。出力Pbは第３図Ｂに
示すように常時は高レベルとなっているので、電荷掃捨
て信号Paはアンド回路12から出力されてドライブ回路14
に与えられる。

ドライブ回路14は電荷掃捨て信号Paが与えられるごと
に、ポテンシャル障壁10の高さを零にする振幅（DC電圧
値）を有する電荷掃捨てパルスPcをCCD撮像素子１に導
出する。従って感光部２の電位の井戸2aに蓄積される電
荷は、電荷掃捨てパルスPcが与えられるごとにオーバー
・フロードレインに捨てられるので、蓄積電荷は1Hごと
に零になる。

電子シャッターモードにおいても、水平同期信号H_D、
垂直同期信号V_D及び4fscのクロック信号がマスタークロ
ック発生装置11からCCD撮像素子１に与えられている。
従ってCCD撮像素子１はノーマルモードで動作している
場合と同様に動作し、1/60秒（１垂直期間）ごとの転送
動作を行っている。即ち、垂直転送部４は感光部２から
移送される映像電荷を垂直クロックで垂直方向３に転送
し、水平周期ごとに水平転送部６に移送する。水平転送
部６は垂直転送部４から移送される電荷を水平クロック
で水平方向５に高速で転送し、１ライン分の信号として
出力端6aから外部に出力する。

出力端6aから導出される撮像素子出力は、バッファー
アンプ15、サンプルホールド回路16及びローパスフィル
タ17を経てA/D変換器20に与えられる。A/D変換器20には
転送クロック信号4fscの２倍の周波数のクロック信号8f
scが与えられていて、撮像素子出力はA/D変換器20でデ
ィジタルの画像データに変換される。

ディジタル信号に変換された撮像素子出力は、バッフ
ァーアンプ21を通してフレームメモリ22に与えられる。
フレームメモリ22には4fscのクロック信号が与えられて
いて、撮像素子出力（画像データ）はフレームメモリ22
に書込まれると共に、書込まれた順番で読出される。即
ち、フレームメモリ22は１フレーム分（２フィールド
分）の画像データを常に記憶している。

フレームメモリ22から読出された画像データはバッフ
ァーアンプ23を通してD/A変換器24に与えられてアナロ
グ信号に変換される。そして信号処理回路25でホワイト
バランスの調整等の必要な処理をされてから出力端子26
に与えられる。なおこの場合、映像電荷が掃捨てられて
いて読出されないので、出力端子26に与えられる映像信
号は黒レベルの信号となっている。

CCD撮像素子１の電荷蓄積を開始させる光センサのよ
うなタイミング手段27が設けられている。この光検出セ
ンサは、発光部27aから検出光を放射して受光部27bで受
光する構成になっていて、検出光が遮断されたときに第
３図Ｄに示す電荷蓄積開始パルスPdを導出する。従っ
て、例えばゴルフスイングでインパクトの瞬間を撮像し
たい場合は、ゴルフボールに当たる直前にゴルフクラブ
が検出光を遮断するように発光部27a及び受光部27bを配
設しておく。これによりゴルフクラブが検出光を遮断す
るとタイミング手段27から電荷蓄積開始パルスPdが導出
され、これがバッファーアンプ28を通して第１のモノマ
ルチ13に与えられる。

第１のモノマルチ13は、電荷蓄積時間設定回路29を構
成し、その出力時間巾を調整するための可変抵抗V_Rとコ
ンデンサＣとから成る時定数回路30を備える。電荷蓄積
開始パルスPdがモノマルチ13に与えられると、時定数回
路30で設定した時間だけ出力Pbが低レベルに反転され
ると共に、Ｑ出力Pe（第３図Ｅ）が高レベルに反転され
る。即ち、第３図Ｄに示すように、時点t₂において電荷
蓄積開始パルスPdが第１のモノマルチ13に与えられる
と、第３図Ｂに示すように出力Pbが時点t₂からt₃迄の
期間Ｔだけ低レベルになる。従って第３図Ｃに示すよう
に、出力Pbの低レベル期間Ｔにおいては電荷掃捨てパ
ルスP_Cがアンド回路12から出力されなくなる。このため
出力の低レベル期間Ｔにおいては、光電変換された映
像電荷が感光部２の電位の井戸2aに蓄積される。

第１のモノマルチ13のＱ出力Peが第２のモノマルチ31
に与えられている。第２のモノマルチ31は映像電荷の転
送読出しを開始させる読出し回路36を構成し、第３図Ｅ
に示すように第１のモノマルチのＱ出力Peが時点t₃にお
いて低レベルに立下がるときに、第３図Ｆに示す電荷読
出し用のゲートパルスPfをCCD撮像素子１に導出する。
このゲートパルスPfが与えられることにより転送ゲート
７が開き、出力の低レベル期間Ｔにおいて感光部２の
電位の井戸2a内に蓄積された映像電荷が垂直転送部４に
移送される。即ち、出力の低レベル期間ＴがCCD撮像
素子１の電荷蓄積時間Taとなる。

このように垂直同期信号V_Dに同期させずに転送ゲート
７を開いて、電荷蓄積時間Taで蓄積した映像電荷の転送
を開始する。従って電荷の転送／読出しを説明する第４
図Ａに示すように、１フィールド分の映像を構成する電
荷32a（画像データ）が或るフィード転送期間F₁、F₂の
２フィールド分に跨がって転送される。このためモニタ
画面の２フィールドにわたって１フィールド分の画像が
上部と下部で逆転して表示される。即ち、例えば第５図
の画像説明図Ａに示す１フィールド分の画像32が、第５
図Ｂ及びＣに示すように、２つのフィールド画面F₁、F₂
に分かれて表示されてしまう。

このような不都合を防止するためにアドレスカウンタ
33及びゲート回路34より成るメモリ制御回路35を設け、
固体撮像素子１から出力される１フィールド分の電荷、
即ち１フィールド分の画像データ32aの先頭Ｓと垂直同
期信号V_Dとの位相差を修正するように、フレームメモリ
22の書き込み又は読出しのアドレスを制御している。

即ち第１図に示すように、マスタークロック発生装置
11からクロック信号4fsc及び垂直同期信号V_Dがアドレス
カウンタ33に与えられている。またゲート回路34には水
平同期信号H_D及び垂直ブランキング信号V_BLKが与えられ
て、ゲート回路34は垂直ブランキング信号V_BLKの期間を
除いてアドレスカウンタ33のクロック入力端子33aに水
平同期信号H_Dを導出する。またアドレスカウンタ33のプ
リセット入力端子33bにはプリセット入力としてゲート
パルスPfが入力され、ロード入力端子33cには１番目
（奇数フィールドの場合）又は263番目（偶数フィール
ドの場合）のラインアドレスを指定するロード信号L₀が
入力される。

アドレスカウンタ33はこれらの入力信号に基いてフレ
ームメモリ22で書込みアドレスを制御して、任意のタイ
ミングでCCD撮像素子１から読出させる１フィールド分
の画像データ32aの先頭Ｓを、１番目または263番目のラ
イン番号のアドレスから書込んで行く。例えば第４図Ａ
の時点toで転送読出しを開始すると、画像データの先頭
Ｓと垂直同期信号V_D2との間にnHの位相差が生じる。こ
の位相差nHを吸収するために、実施例では転送読出しを
開始したときに、第２のモノマルチ31からアドレスカウ
ンタ33のプリセット入力端子32bにゲートパルスPfを与
えることにより、フレームメモリ22の書込みアドレスを
１番目（263番目）のラインアドレスにする。従って第
４図Ｂに示すように、奇数フィールドの場合は画像デー
タの先頭Ｓが垂直同期信号V_Dの直後のラインアドレスで
あるLA₁から書込まれるので、フレームメモリ22に書込
まれた時点で先頭Ｓと垂直同期信号V_Dとの位相差nHが吸
収される。

上記したように画像データ32aは転送システムの２フ
ィールドF₁、F₂に跨って転送される。このように転送さ
れる場合、第４図Ａに示すようにフィールドF₁とフィー
ルドF₂との間の垂直ブランキング期間V_BLKにおいては画
像データ32aが無くなる。従って垂直ブランキング期間V
_BLKに書込みを行うとCCDのオプティカルブラック領域に
対応する無信号が書込まれてしまうので、モニタ画面に
おいてこの部分が黒い線として表示されてしまう。実施
例では上記したように、垂直ブランキング期間V_BLKにお
いてはゲート回路34からクロック信号（水平同期信号
H_D）をアドレスカウンタ33に導出しないことにより、書
込みアドレスLAを停止させて、ブランキング期間の画像
データをフィールドメモリ22に書込まないようにしてい
る。

即ちフィールドF₁の期間に転送される画像データ32a
−１を第４図Ｂに示すようにラインアドレスLAn番目迄
書込んだら、次のフィールドF₂の期間に転送される画像
データ32a−２の先頭を、ラインアドレスLA_n+1番目から
書込んで行く。これにより、フィールド転送期間F₁で転
送された画像データ32a−１とフィールド転送期間F₂で
転送された画像データ32a−２とをフレームメモリ22に
つなぎ目が目立たないように書込むことができる。

このように、フィールドメモリ22への書込み時に位相
差nHを修正すると共につなぎ目の無い書込みを行なうの
で、読出すときには垂直同期信号V_D、水平同期信号H_Dに
同期させて、ラインアドレスLA₁から順番に読出せばよ
い。この読出しは書込みと並行して行なわれ、第４図Ｃ
に示すように書込みを開始してから最初に与えられる垂
直同期信号V_D2に同期して読出しが開始される。

読出された画像データ32aは上記したようにバッファ
ーアンプ23を通してD/A変換器24に与えられ、アナログ
信号に変換される。そして信号処理回路25で必要な信号
処理が行われた後に出力端子26に導出される。従って出
力端子26からは第５図Ａに示すように、画像データの先
頭Ｓがフィールド画面の最上部から表示される画像信号
が得られる。この画像信号を例えばVTRで録画し、スチ
ル再生すると画像振れのない瞬間画像が得られる。

なお画像データの先頭Ｓと垂直同期信号V_Dとの位相差
を修正するために、フレームメモリ22の読出しアドレス
を制御してもよい。この場合、垂直同期信号V_Dを基点に
してライン数を数えておき、ゲートパルスPfが与えられ
たときのラインアドレスから書込みを開始すると共に、
書込みを開始したときのラインアドレスを記憶する。そ
して読出すときは、記憶したラインアドレスから垂直同
期信号V_Dに同期して読出して行く。

以上の実施例の他に、タイミング手段として、音セン
サ、電圧センサ及びフォトリフレクタ等種々のものが使
用できる。また例えば回転体のような被写体にマークを
付けてそれを検出したときに撮像を開始させれば、回転
に同期したタイミングごとに撮像できる。

また電荷蓄積開始パルスPdをカメラの内部で発生させ
るようなタイミング手段を設けてもよい。この場合、例
えば垂直同期信号V_Dをモノマルチで遅延させて電荷蓄積
開始パルスPdを発生させればよく、遅延時間の調整つま
みをカメラ本体に設けておけば任意の時間ごとに被写体
を撮像することができる。

〔発明の効果〕

本発明によると、固体撮像素子の電荷蓄積開始タイミ
ング及び電荷蓄積時間巾の双方をカメラの垂直同期と無
関係に設定することができ、しかもこのように設定した
ために電荷蓄積の終了後にカメラの垂直ブランキング期
間に跨がって電荷の読出しが行われても、固体撮像素子
の読出しの垂直ブランキング期間において書込みアドレ
ス信号の供給を中断することと、メモリに記憶したの画
像データの先頭位置がカメラの垂直走査期間の開始と一
致するように読出しアドレス信号を供給することによ
り、メモリ上で垂直ブランキング部分が除去されると共
に、前フィールドの画像終端と後フィールドの画像始端
とがメモリ上で結合され、画面で上部と下部の画像の位
置の逆転が生じない正常な瞬間画面が得られる。従って
任意のシャッタータイミング及び任意のシャッター時間
巾にて静止画を取込むことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す電子シャッター装置の
ブロック図、第２図は映像電荷の掃捨て動作を説明する
ためのポテンシャル図、第３図は各部の動作波形図、第
４図は電荷の転送／書込み動作を説明するための線図、
第５図はシステムの垂直同期にロックしていないカメラ
出力によるモニタ画面の一例を示す映像図、第６図は従
来の撮像タイミングを説明するための動作波形図、第７
図は撮像タイミングを説明するための振り子の動作図で
ある。なお図面に用いられた符号において、１……CCD撮像素子 13……第１のモノマルチ 22……フレームメモリ 27……タイミング手段（光検出センサ） 29……電荷蓄積時間設定回路 35……メモリ制御回路 36……読出し回路 Ta……電荷蓄積時間である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固体撮像素子を電荷掃捨てから電荷蓄積に
切換えるタイミングを決定するタイミング手段と、上記固体撮像素子の電荷蓄積時間を上記電荷蓄積の開始
タイミングから任意の電荷蓄積時間巾に設定する電荷蓄
積時間設定回路と、垂直走査周期よりも十分に短い周期の電荷掃捨てパルス
列を上記固体撮像素子に供給すると共に、上記電荷蓄積
時間巾において上記電荷掃捨てパルス列を抑止して固体
撮像素子を電荷蓄積状態にする蓄積制御回路と、上記電荷蓄積時間巾の終了直後から固体撮像素子の電荷
の転送読出しを開始させる読出し回路と、上記固体撮像素子の出力画像を記憶する画像メモリと、固体撮像素子の電荷の転送読出しに伴って上記画像メモ
リに書込みアドレス信号を供給し、上記固体撮像素子の
読出しの垂直ブランキング期間において書込みアドレス
信号の供給を中断し、垂直ブランキング期間の終了後に
書込みアドレス信号の供給を再開すると共に、上記電荷
蓄積の開始タイミング位置に相当する上記画像データの
先頭位置がカメラの垂直走査期間の開始と一致するよう
に上記画像メモリから画像データを読み出すための読出
しアドレス信号を供給するメモリ制御回路とを具備する
固体カメラ用電子シャッター装置。