JP2607550B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体撮像装置に係り、特に高速度撮像に好適
な固体撮像装置に関する。

〔従来の技術〕

撮像部に固体撮像素子を用いた固体撮像装置は、VTR
と一体化したいわゆるVTR一体形ビデオカメラとして、
近年急速に開発、製品化が進んでいる。このような固体
撮像装置の動作原理は、撮像素子の受光部に蓄積した信
号電荷を走査回路で読み出し、ガンマ処理などの信号処
理を施してモニタに出力したり、VTRに記録するもので
ある。撮像素子に関しては宮沢他により「TSL固体撮像
素子」と題して1986年テレビジョン学会全国大会に報告
されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の固体撮像装置では、高速度の被写体を
撮像したときに、再生画像がボケてしまう、動きが滑ら
かでなくなる、という問題点があった。この内、再生画
像がボケてしまうのは、撮像素子の受光部においてテレ
ビジョン方式で定められた１フィード期間にわたって信
号を蓄積することが原因である。この問題は、伊沢他に
より「可変電子シャッタ付TSL撮像素子」としてテレビ
ジョン学会技術報告1987年２月号に延べられている、シ
ャッタ機能を付加した固体撮像装置を用いることで解決
できる。このようなシャッタ機能を備えた固体撮像装置
によって被写体のボケを低減させることはできるが、信
号電荷のサンプリングをフィールド周期で行なうことに
ついては変わりないため、１フィールド内の動きに関す
る画像情報を得ることはできず、高速度の被写体を撮像
したときの再生画像の動きが滑らかでなくなるという問
題点は、この従来技術では解決することができない。

本発明の目的は、前述した高速度の被写体を撮像した
ときに動きが滑らかでなくなるという従来技術の欠点を
なくし、１フィールド内の被写体の動き情報を含む滑ら
かな画像を出力できる固体撮像装置を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する受
光部と、受光部に蓄積した信号電荷を読み出すための第
１の走査回路部と、受光部に蓄積した信号電荷をリセッ
トするための第２の走査回路部とからなる撮像手段、こ
の撮像手段を１フィールド期間にＮ回（Ｎは正の整数）
のＮ−１行おきの垂直飛び越し走査することによって信
号電荷を読み出す手段、この信号電荷を読み出す手段と
同じ順序でかつ一定時間先行して、上記撮像手段を１フ
ィールド期間にＮ回のＮ−１行おきの垂直飛び越し走査
することによって信号電荷をリセットする手段、上記撮
像手段から読み出した１フィールド分の画像信号を蓄積
する記憶手段、及び、この記憶手段に蓄積したＮ回の走
査毎の各画像信号を、一行ずつ順次読み出す手段を設け
た固体撮像装置とすることによって達成できる。

〔作用〕

受光部に蓄積した信号電荷は、第１の走査回路部によ
って読み出され、第２の走査回路部によってリセットさ
れることによって、シャッター速度が制御される。そし
て、撮像手段を１フィールド期間にＮ回のＮ−１行飛び
越し走査によって読み出すと、1/Nフィールド期間ずつ
時間のずれたＮ枚の画像を得ることになる。このように
して読み出した映像信号をそのまま記憶手段に蓄積して
モニタに出力すると、垂直方向に1/Nに圧縮された画像
が一画面にＮ個並んだようになってしまう。そこで、各
々の信号が撮像素子で受光したときの受光位置を正しく
再現するように、一旦１フィールド分の画像信号を記憶
手段に蓄積し、記憶手段に蓄積された1/Nフィールド期
間ずつ時間のずれたＮ回の走査毎の各画像信号を、一行
ずつ交互に順次読み出す。このようにすれば、静止画に
ついては、通常の撮像による場合と全く変わりのない映
像が得られ、高速度で動く被写体については、あたかも
１フィールド内にＮ回のサンプリングしたかのような画
像を得ることができる。このため１フィールド期間内の
動き情報を含む滑らかなボケのない画像を得ることがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について説明する。第１図
は、一実施例の構成を示すブロック図であり、撮像素子
１とその駆動回路６、撮像素子出力をA/D変換するA/D変
換回路２、フィールドメモリ５、D/A変換回路３、そし
てフィールドメモリ５を制御する制御回路８、信号処理
回路４、同期信号発生回路７によって構成されている。

次に本実施例の動作について説明する。撮像素子１
は、同期信号発生回路７と同期して動作する駆動回路６
によって、１フィールド間にＮ回のＮ−１行飛び越し走
査を行う。ここでＮは整数であるが、Ｎ＝２〜４が適当
である。この飛び越し走査の様子を第５図（ａ）に示
す。同図は撮像素子の受光面に結像した映像と、飛び越
し走査の順序を表す模式図であり、画面情報よりに対
応するラインを順々に走査し、次に、最後にに対応
するラインを走査する。同図は飛び越し走査回数ＮをＮ
＝３に設定した場合である。このように飛び越し走査を
行なって読み出した信号はA/D変換された後、フィール
ドメモリ５に蓄積される。フィールドメモリ５への書き
込み、読み出しは同時進行し、メモリから読み出した後
の空き番地に順次データを書き込む。

一方、フィールド読み出しメモリ５に蓄積されている
信号は、撮像素子１で受光したときの受光位置が正しく
再現されるような順序で読み出す。つまり、撮像素子１
から信号を読み出すときに、Ｎ回のＮ−１行飛び越し走
査を行ったので、メモリを用いて撮像素子１で受光した
ときの受光位置が正しく再現されるような順序に並び変
えるわけである。仮に、この並び換えを行なわず、撮像
素子１の出力をそのままモニタ上に再生すると、第５図
（ｂ）に示すような画像を得る。このように、同図
（ａ）の走査に対応する、３枚の縦方向に圧縮し
たような画像となってしまう。第１図において、フィー
ルドメモリ５から出力された信号はD/A変換回路３でア
ナログ信号に変換され、信号処理回路４によってガンマ
処理、クランプ、エンコード等の処理を行なった後、ビ
デオ信号として出力される。

このようにして撮像素子から信号を読み出す際、１フ
ィールドの期間にＮ回のＮ−１行飛び越し走査すること
は、１フィールドの期間に1/Nフィールド周期でＮ枚の
画像を得ることに相当する。こうして得た信号を通常の
走査によって得る信号と同じ順序で出力されるようにフ
ィールドメモリを用いて信号の並び換えを行なうと、１
フィールド間に動きのあるような動画像を撮像した場合
に、モニタで再生画像をみると、１フィールド間にＮ回
ストロボをたき、瞬時、瞬時の画像を重ねあわせたよう
なマルチストロボ効果を得ることができる。第５図
（ｃ）に、再生画像の模式図を示す。このように撮像し
た画像をVTRに録画して、スチール再生、コマ送り等で
再生することにより、本実施例の効果は一層明らかにな
る。

次に、第１図に示した本実施例における個々のブロッ
クに関して、さらに詳しく動作を説明する。

第２図は、第１図における撮像素子１の一例を示す構
成図であり、ホトダイオード11、垂直スイッチ12、水平
スイッチ13からなる絵素の行列と、各絵素の信号を順次
読み出すための垂直シフトレジスタ９、水平シフトレジ
スタ10によって構成される、水平転送方式のMOS形撮像
素子である。簡単のため４×４絵素のみを示している。

次にこの撮像素子の一般的な駆動方法について説明す
る。第３図は、駆動パルス波形の一例であり、Φ_VS、Φ
_V1、Φ_V2は各々垂直シフトレジスタ９（第２図）を駆動
するためのスタートパルス、及び２相のクロックパルス
である。１フィールド期間の始まりにおいてスタートパ
ルスΦ_VSがハイレベルになると、シフトレジスタの動作
が始まり、垂直スイッチのゲートパルスΨ_V1、Ψ_V2…Ψ
_Vm…が順々に走査期間中ハイレベルとなり、信号読み出
しの行選択が行なわれる。このとき水平シフトレジスタ
10（第２図）も同様にしてスタートパルスΦ_HS、及び２
相のクロックパルスΦ_H1、Φ_H2によって一水平走査期間
（1H）の間に順次水平列の選択を行なう。垂直行、水平
列が同時に選択された絵素の信号が読み出されることに
なる。

さて、本発明では、１フィールドの間にＮ回のＮ−１
行飛び越し走査を行なうが、この走査方法について説明
する。第４図は、撮像素子の受光部を簡略化した図であ
り、飛び越し走査の方法を示している。同図においては
Ｎ＝３の場合を例にあげている。垂直方向の絵素数は仮
に3Lとする。

ある１フィールドの走査において、１回目の走査とし
て第１行、第４行、…第3L−２行、というように走査し
次に第２行、第５行、…第3L−１行と走査し、最後に第
３行、第６行、…第3L行と３回にわたって２行飛び越し
走査を繰り返す。

第２図に示した撮像素子においてこのような走査を行
なう方法について説明する。

第６図は第２図に示した垂直シフトレジスタ９の構成
をさらに詳しく示した図で、通常は垂直シフトレジスタ
９′の出力はMOSスイッチ15のゲートに加えられおり、
垂直ゲート線に印加されるパルスΨ′_V3l-2、Ψ′_V3l-1
…はΦ_V3パルスをMOSスイッチ15を用いて垂直シフトレ
ジスタ出力で抜き取るような構成となっている。

第７図、第８図に１フィールド間に３回の２行飛び越
し走査を行なう場合の駆動パルス例を示す。第７図は１
フィールドのうちの始めの1/3、第８図は２番目の1/3フ
ィールド期間におけるパルス波形を示しており、Φ′_VS
は垂直シフトレジスタのスタートパルス、Φ′_V1、Φ′
_V2は２相のクロックパルスを示している。１フィールド
間に３回の走査を行なうにはスタートパルスΦ′_VSを垂
直シフトレジスタ９′に３回入れてやれば良く、またク
ロックパルスΦ′_V1、Φ′_V2を水平ブランキング期間中
に２つずつ垂直シフトレジスタ９′に供給することによ
り、垂直ゲート線は水平ブランキング期間に２つハイレ
ベルになる。したがって、次の水平走査期間には３つ先
の垂直ゲート線がハイレベルになる。このようにして飛
び越し走査が可能となる。３回の２行飛び越し走査の方
法について説明したが、Ｎ回のＮ−１行飛び越し走査の
場合は、垂直シフトレジスタにブランキング中にＮ−１
個のクロックパルスを供給し、スタートパルスをＮ回入
れてやれば良い。

以上の説明においては、インターレースに関して触れ
ていないが、インターレース走査を行なう場合も以上説
明した方法を適用すれば良い。通常、固体撮像素子でイ
ンターレース読み出しを行なうには、隣接する２行を同
時に選択して読み出し、フィールド毎に同時に読みだす
行のペアを入れ換える。この場合、第４図に示した１行
に対して、撮像素子に２行を割り当てて考えれば良い。

第９図は、２行同時読み出しを行なうように構成した
撮像素子のシフトレジスタの構成図であって、インター
レース回路16が設けられている。インターレース回路16
にはフィールド毎に互いに極性の異なるフィールド判別
パルスΦ_FA、Φ_FBを入力することにより、フィールド毎
に同時に読み出す行の組合せを切り換える。

他の実施例について説明する。本実施例では、第１図
に示した実施例と同様の構成であるが、撮像手段として
シャッタ機能付きセンサを用いる。シャッタ機能付きセ
ンサの構成を第10図に示す。詳細な動作は、前述の文献
に延べられている。第10図において、17、20は各々垂直
走査回路１、垂直走査回路２である。18は受光部であ
る。

走査回路１は、受光部18に蓄積した信号を順次読み出
すための走査回路であり、一方走査回路２は、受光部18
に蓄積した信号をリセットするための走査回路である。
走査回路１は第７図、第８図に示した駆動パルスによっ
て駆動し、走査回路２も走査回路１の駆動パルスと同様
とパルス（シャッタ速度に相当する位相差を持つパル
ス）によって駆動する。

本実施例のようにシャッタ機能付きセンサを用いる
と、１フィールド期間内の動き情報を含む滑らかな画像
を得られるだけでなく、画像のボケも解消することがで
きる。つまり、第１図に示した実施例では、Ｎ回の走査
に対応する画像は1/Nフィールドずつ蓄積時間のずれは
あるものの、１画素あたりの信号蓄積時間は１フィール
ドであるために多少のボケが生じるのだが、本実施例の
場合、信号蓄積時間を１水平期間単位で自由に短く設定
できるため、１フィールド期間内の動き情報を含む滑ら
かな画像を得られるだけでなく、画像のボケも解消する
ことができる。

以上、撮像した映像を直接モニタに映した場合につい
ての実施例を説明した。

次に一度VTRに記録し、その信号を再生した場合につ
いて説明する。第11図は、VTR22を用いて記録再生する
ときの構成を示す図である。同図において、撮像部21
は、第１図に示した実施例と同一の構造を有している。

VTR22は、撮像部21で撮影した映像信号を忠実に記録
再生するものである。よって本システムにおいて、VTR2
2から再生される映像信号は、撮像部21で１フィールド
期間にＮ回のＮ−１行飛び越し走査し、1/Nフィールド
期間ずつ時間のずれたＮ枚の画像が重なり合い、あたか
も１フィールド間にＮ回ストロボをたいたかのようなマ
ルチストロボ画像信号である。よって、この信号をその
ままモニタに出力し、スチール再生、コマ送り再生して
も、１フィールド期間内の動き情報を含む滑らかな画像
を得られる。

VTR22のスチール再生機能及びコマ送り再生機能とメ
モリを用いると、さらに分解写真、なめらかなスロー再
生が行なえる。

VTR22で再生される映像信号は、1/Nフィールドずつず
れたＮ枚の画像が重なり合ったものである。これを、メ
モリを用い、並び換えることで、分解写真として再生で
きる。

また、1/Nフィールドずつずれた画像を１フィールド
毎に順番にモニタに出力することで、従来の1/60秒毎の
スロー再生のＮ倍なめらかなスロー再生が実現できる。

また、上記２つの機能を組合せ、分解写真をスローで
動かしていくことも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、テレビジョン方式の１フィールド期
間内の被写体の動きを含むなめらかな動画像を出力する
固体撮像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一実施例のブロック図、第２図は、撮像素子
の構成図、第３図、第７図、第８図は、駆動パルス波形
図、第４図は、受光部を簡略化した説明図である。第５
図は、再生画像の模式図、第６図は、シフトレジスタの
構成図、第９図は、インターレース回路の構成図、第10
図は、シャッタ機能付きセンサの構成図、第11図は、一
実施例の構成図である。 符号の説明 １……撮像素子、５……フィールドメモリ、８……制御
回路、11……ホトダイオード、12……垂直スイッチ、13
……水平スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 衣笠 敏郎 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所家電研究所内 (72)発明者 加藤 実 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所家電研究所内

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光量に応じた信号電荷を蓄積する受光
   部と、前記受光部に蓄積した信号電荷を読み出すための
   第１の走査回路部と、前記受光部に蓄積した信号電荷を
   リセットするための第２の走査回路部とからなる撮像手
   段、 前記撮像手段を１フィールド期間にＮ回（Ｎは正の整
   数）のＮ−１行おきの垂直飛び越し走査することによっ
   て信号電荷を読み出す手段、 前記信号電荷を読み出す手段と同じ順序でかつ一定時間
   先行して、前記撮像手段を１フィールド期間にＮ回のＮ
   −１行おきの垂直飛び越し走査することによって信号電
   荷をリセットする手段、 前記撮像手段から読み出した１フィールド分の画像信号
   を蓄積する記憶手段、及び 前記記憶手段に蓄積した前記Ｎ回の走査毎の各画像信号
   を、一行ずつ順次読み出す手段 を設けたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置
   において、前記撮像手段が前記受光部に蓄積した信号電
   荷をリセットする第２の走査回路部を有し、信号電荷の
   蓄積時間を可変することを特徴とする固体撮像装置。