JP2809937B2 - Ｃｃｄ撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像装置に関し、特に
多数の画素を行列状に配置し、画像信号をＣＣＤで転送
するＣＣＤ撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置として、ＣＣＤ転送方式の
ものが知られており、電子カメラ、複写機、その他の映
像機器に利用されている。多数のホトダイオードを垂
直、水平方向に配列し、画素行列を形成する。さらに、
各ホトダイオード列に隣接して垂直電荷転送路（ＶＣＣ
Ｄ）を形成し、各ＶＣＣＤの終端に隣接して水平電荷転
送路（ＨＣＣＤ）を形成する。

【０００３】このような固体撮像装置を用いた電子スチ
ルカメラ等において、全ホトダイオード（ＰＤ）を同時
に露光し、独立に信号を読みだしたいという要求があ
る。ホトダイオードに蓄積した電荷を同時に読み出し、
転送するためには、通常１画素または１行につき３相以
上の転送パルスが必要である。１画素当たり３相以上の
転送パルスを実現するには、１画素当たり３電極以上が
必要であり、微細化の面から不利な条件となる。

【０００４】１電極の下にウェル部とバリア部とを形成
し、２相駆動を行なうことも考えられるが、ウェル部と
バリア部とを形成するプロセス工程においてセルフアラ
インが使用できない等の問題も生じる。

【０００５】これらの欠点を持たない転送方式として、
アコーディオン転送方式が提案されている（ＰＨＩＬＩ
ＰＳ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＶＯＬ．４
３，Ｎｏ．１／２，１９８６， Ａ．Ｊ．Ｐ．Ｔｈｅｕ
ｗｉｓｓｅｎおよびＣ．Ｈ．Ｌ．Ｗｅｉｊｔｅｎｓ）。

【０００６】アコーディオン転送方式においては、１画
素ないしは１行当たり２電極というＩＴ（インターライ
ントランスファ）ＣＣＤ、ＦＴ（フレームトランスフ
ァ）ＣＣＤ、ＦＩＴ（フレームインターライントランス
ファ）ＣＣＤ等と同じ電極数で、かつ全画素同時読み出
しが可能であり、基板抜き等の電子シャッターを用いて
同時刻露光の電子シャッターが可能である。

【０００７】図３に、アコーディオン転送方式を示す。
図３（Ａ）は、時間の経過と共に転送路の電極下のポテ
ンシャルがどのように変化するかを示すポテンシャルダ
イヤグラムである。図３（Ｂ）は、アコーディオン転送
方式により、電荷がどのように移動するかを示す概念的
平面図である。

【０００８】図３（Ａ）において、転送路の電極は、奇
数番めの電極Ｏｄと偶数番めの電極Ｅｖに分類される。
これら各電極の下に電荷転送路のウェルまたはバリアが
形成される。電荷転送路内の電子エネルギを実線の折線
で模式的に示す。高さが電子エネルギを示す。

【０００９】まず、奇数番めの電極の下の電子エネルギ
が下げられ、電位井戸が形成され、電荷ｑａ、ｑｂ、ｑ
ｃが蓄積される。この状態のままで、電位井戸と電位井
戸との間に配置される電位障壁を低くすると、電荷混合
が生じてしまう。

【００１０】そこで、まず最も右側の偶数番めの電極の
下の電子エネルギを下げ、電位井戸を２電極分に引き延
ばす。すると、電荷ｑａは右側に１電極分広がって分布
する。次に電荷ｑａを蓄積した電位井戸の左側部分の電
子エネルギを上げ、同時に右側の電位障壁部分の電子エ
ネルギを下げると電荷ｑａは２電極分に分布したまま右
側に１電極分移動する。

【００１１】すると、電荷ｑａとｑｂの間に２電極分の
電位障壁が形成される。その後順次電荷ｑａの左側部分
の電子エネルギを上げ、右側部分の電子エネルギを下げ
ることによって順次電荷ｑａは右側に転送される。

【００１２】また、電荷ｑａとｑｂの間に２電極分の電
位障壁が生じたとき、次に電荷ｑｂの右側の電位障壁の
電子エネルギを下げると、電荷ｑｂは２電極分に広がっ
て分布するようになる。この時、電荷ｑａとｑｂの間に
は少なくとも１電極分、通常２電極分の電位障壁が存在
するため、電荷混合は生じない。このようにして、１電
極おきに蓄積された電荷を２倍のピッチに引き延ばして
分布させることにより、電荷転送が可能となる。

【００１３】図３（Ｂ）は、このようにして転送される
電荷分布を概略的に示す。図中、横軸は時間変化を示
し、縦軸は転送路の電極を示す。最も左側の状態におい
ては、転送路の上半分に１電極おきに電荷ｑａ、ｑｂ、
ｑｃ、ｑｄが蓄積されている。これらの電荷のうち、下
側に配置された電荷から順次２電極長の電位井戸と２電
極長の電位障壁を形成しながら電荷を下方に転送する。

【００１４】すなわち、転送されているときの電荷は２
電極分に分布し、転送中の電荷と電荷の間には２電極分
の電位障壁が形成されている。このようにして、電荷混
合を防止しつつ、１電極おきに蓄積された電荷を転送す
ることができる。転送が完了した最も右側の状態におい
ては、電荷ｑａ、ｑｂ、ｑｃ、ｑｄは再び１電極おきに
分布している。

【００１５】転送時の電位井戸と電位障壁の発生の様子
が、楽器のアコーディオンの蛇腹部を次第に広げてから
再び閉じていく時の様子に類似しているので、この電荷
転送方式はアコーディオン転送方式と呼ばれる。この方
式では、ホトダイオード１行につき１つの信号を転送で
きる。

【００１６】本出願人は、ホトダイオード行列と垂直電
荷転送路と水平電荷転送路を含む固体撮像装置におい
て、同様の電荷転送を行なうドミノ型転送方式を提案し
た。駆動信号もインターライン型ＣＣＤに類似した４相
駆動によって転送していた。この方式においても、ホト
ダイオード１行につき１つの信号を転送できる。

【００１７】ところで、ＣＣＤ撮像装置は、一般に図４
（Ａ）に示すような構成を有する。すなわち、撮像用レ
ンズ５１により被写体５０の倒立実像をＣＣＤチップ５
２の上に結像させる。したがって、ＣＣＤチップ５２上
の像は右側の５２ａに示すようなものとなる。なお、Ｃ
ＣＤチップ５２の画面の下側および左右のいずれかの側
には光を遮蔽して標準黒信号を取るためのオプティカル
ブラック（ＯＢ）部が形成されている。

【００１８】このＣＣＤチップ５２上の画像情報を下側
（画像としては空等の上側）から順次読み出し、モニタ
５３の上側から画像情報として表示する。ＣＣＤチップ
５２上の倒立実像は、モニタ５３画面上では５３ａに示
すように正立像となる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】アコーディオン転送方
式等の２電極当たり１つの画像情報を蓄積するＣＣＤか
らの画像情報読み出しは、転送領域を下側（垂直ＣＣＤ
の水平ＣＣＤに近い側）から順次広げて行なっている。
したがって、上側に蓄積された画像情報ほど同一位置に
保持される時間が長くなる。

【００２０】半導体中においては、光が入射しなくても
ノイズ的に暗電荷が発生する。このノイズ成分は、温度
の関数として平均的に表れるシェーディング成分と、不
規則に表れる白キズ成分とを含む。

【００２１】信号電荷がＣＣＤに保持されると、シェー
ディング成分および白キズ成分は時間の関数として増加
する。アコーディオン転送方式において、これらのノイ
ズ成分がどのように変化するかを、図４（Ｂ）を参照し
て説明する。

【００２２】図４（Ｂ）において、垂直駆動信号ＶＤ
は、各垂直走査期間毎に立ち上がるパルス信号である。
ＣＣＤからの出力信号ＯＵＴは、垂直同期信号によって
立ち下がり、次に画面内の黒成分を表すオプチカルブラ
ックＯＢの信号レベルを示し、その後１画面分の画像信
号を１連の水平走査線群として表す。この画像情報は、
モニタ５３の上方から順次表示されるため、ＣＣＤチッ
プ５２においては下方から順次読みだされる。

【００２３】ホトダイオード等の光電変換素子から読み
だされて、直ちにＣＣＤを転送される信号は、シェーデ
ィング成分、白キズ成分共に低いレベルにある。しかし
ながら、ＣＣＤチップ５２の上方に配置された画素の画
像情報は、相対的に長い時間垂直ＣＣＤの同一位置に保
持された後、転送され、読みだされる。このため、図４
（Ｂ）に示すように、垂直走査期間内での時間が遅くな
るほど、画像情報に伴うシェーディング成分、白キズ成
分は共に大きくなる。

【００２４】これらのノイズ成分のうち、特に問題とな
るのは発生を予測することのできない白キズ成分であ
る。白キズ成分は、画面上においては、白い斑点状に表
示される。１画面の読み出しにおいて、後から読みださ
れる画像情報ほど多くの白キズ成分を含むため、モニタ
画面状での画像は、図４（Ｃ）に示すように画面下方ほ
ど白キズ成分が多くなる。

【００２５】また、ＣＣＤ画面側方にＯＢ部を配置して
もシェーディング成分を完全に補償することは難しい。
Ａｌ膜等で画素を遮蔽すると、撮影用の画素と容量が異
なるため、蓄積される暗電荷も異なるものとなってしま
うからである。一般にシェーディング成分も時間経過と
共に増大する。

【００２６】ところで一般に、撮影された画面内におい
て上方には空や照明等の明るい対象が移されており、画
面下方には比較的暗い対象が写されている。暗い画面内
に白い斑点が存在すると、それらの白い斑点は顕著に目
立ち、画質を劣化させてしまう。

【００２７】本発明の目的は、ＣＣＤ内の垂直位置に依
存した保持時間を有するＣＣＤ撮像装置において、白キ
ズの影響を低減することのできるＣＣＤ撮像装置を提供
することである。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明のＣＣＤ撮像装置
は、多数の画素を行列状に配置し、画像の下方に相当す
る行から順次上方に画像信号を読み出す半導体ＣＣＤ撮
像手段と、前記半導体ＣＣＤ撮像手段に接続され、最初
に書き込んだ画像信号を最後に読み出すメモリ手段とを
有する。

【００２９】

【作用】白キズは、ＣＣＤチップから後に読みだされた
画像情報ほど多くなるが、これらの高い白キズ成分は暗
いシーンが多い画面下方に配置されることによって特に
目立つ。

【００３０】画像の下方に相当する行から順次上方に画
像信号を読み出すと、白キズは画像の上方に相当する部
分に多くなる。画像の上方は一般的に明るいシーンが多
いため、白キズは相対的に目立たなくなる。

【００３１】最初に書き込んだ画像信号を最後に読み出
す形式のメモリ手段を用いることにより、ＣＣＤ撮像手
段から読み出した画像信号の前後を反転し、テレビジョ
ン走査システムと適合させることができる。

【００３２】

【実施例】図１は、本発明の実施例によるＣＣＤ撮像装
置を概略的に示す。図１（Ａ）は構成を示し、図１
（Ｂ）はそのノイズ成分の時間的変化を示し、図１
（Ｃ）は画面内の白キズの例を示す。

【００３３】図１（Ａ）において、被写体１は、撮影用
のレンズ２によって撮像され、その倒立実像をＣＣＤチ
ップ３の面上に結像する。したがって、ＣＣＤチップ３
上の画像は、画面３ａに示すようなものとなる。

【００３４】ＣＣＤチップ３からは、その上側に配置さ
れた行から順次画像情報が読みだされ、最初に書き込ん
だ情報を最後に読み出す型のファーストイン、ラースト
アウトＦＩＬＯメモリ４に書き込まれる。ＦＩＬＯメモ
リ４に書き込まれた情報は、画面４ａに示すように、倒
立実像と考えることができる。

【００３５】しかしながら、読み出し時には書込み時と
逆の順序で画像情報が読みだされるため、画面４ａの下
側から上側に向かって（画像の下方から上方に向かっ
て）読み出しが行なわれる。

【００３６】このＦＩＬＯメモリ４から読みだされた画
像情報が、通常のモニタ５に供給され、画面上方から順
次表示される。したがって、モニタ５の画面上には５ａ
に示すような画像が表示される。

【００３７】ＣＣＤチップ３の上方から倒立画像情報の
読み出しを始めるため、ノイズ成分は画像の下方で少な
く、上方で多くなる。図１（Ｂ）は、このノイズ成分の
時間変化を示すグラフである。垂直駆動信号ＶＤおよび
ＣＣＤ出力ＯＵＴの信号波形は、図４（Ｂ）に示した従
来の技術と同様であるが、ＯＢに続く画像情報が画面上
方から下方に向かうのではなく、画面下方から上方に向
かうように反転している。

【００３８】この画像情報がＦＩＬＯメモリ４で反転さ
れてからモニタ画面に表示されるため、モニタ画面内の
画像は正立画像となる。画面に正立画像を表示しなが
ら、画面内の白キズは読み出しの順序にしたがって画面
下方で少なく、上方で多くなる。したがって、図１
（Ｃ）に示すように、一般に暗いシーンが多い画面下方
には白キズが少なく、白キズが目立たない画面上方で白
キズが多くなる。

【００３９】たとえば、画面内の照度の変化が３％以内
であればその差は観察者にはほとんど判らないと考える
ことができる。黒い画面の照度が０％とすると、黒い画
面内では約１％までの白キズしか許容できない。

【００４０】ところで、白に近い明るい画面内では約６
％の白キズまで許容できる。このように、明るいシーン
か暗いシーンかによって許容できる白キズは約６倍に変
化する。白キズが画面上方で増加するように配置するこ
とにより、実質的な画質を向上させることができる。

【００４１】なお、白キズのみについて説明したが、シ
ェーディング成分についても同様の効果がある。シェー
ディング成分を完全に補正できない場合に画面上方でシ
ェーディング成分が増加するようにすることにより、実
質的に画質を向上することができる。

【００４２】図２は、図１に示すシステムを実現するた
めのより詳細な構成を示す。光学ユニット１１は、レン
ズ１３と絞り１５を有する。外界から入射する光は、レ
ンズ１３を通り、ＣＣＤチップ２１の表面上に倒立実像
となって結像する。絞り１５は、その開口面積を変化さ
せることにより、ＣＣＤチップ２１に入射する光量を調
整する。なお、レンズ１３および絞り１５はモータ１７
および１９によって駆動される。

【００４３】ＣＣＤチップ２１は、画面下方に対応する
チップ上方から行単位で画像情報を読み出す。ＣＣＤ駆
動ユニット２３は、ＣＣＤドライバ２５およびタイミン
グ発生器２７を含み、ＣＣＤチップ２１の上側から画像
情報を読み出すＣＣＤ駆動を行なう。これは、たとえば
従来と同様のＣＣＤチップを上下逆に取り付けることに
よって実効することができる。

【００４４】ＣＣＤチップ２１の上側から読みだされた
画像信号は、アナログ信号処理回路３１に供給される。
アナログ信号処理回路３１は、感度設定アンプ３３を含
み、露光量に応じた感度設定を行なってその出力をアナ
ログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３４に供給する。

【００４５】Ａ／Ｄ変換器３４の出力するデジタル信号
は、ＦＩＬＯメモリ３８、数値演算プロセッサ３９を含
むデジタル信号処理回路４０に供給される。ＦＩＬＯメ
モリ３８は、供給されたデジタル画像信号を１フレーム
毎その前後の順序を逆転して供給する。

【００４６】したがって、デジタル信号処理回路４０
は、入力した信号の前後を反転して出力する。この出力
信号は、モニタ用のディスプレイ５２に供給される他、
メモリカード５１に記録される。

【００４７】ＣＣＤカメラ全体の動作は、中央処理ユニ
ットＣＰＵ３７によって制御される。ＣＰＵ３７から
は、レンズ１３を駆動するモータ１７および絞り１５を
駆動するモータ１９を駆動する駆動信号、感度設定アン
プ３７のゲインを設定する信号、シャッタ速度に応じて
ＣＣＤ駆動ユニット２３のタイミング発生回路２７を制
御する信号等が供給される。

【００４８】また、自動露光、自動焦合動作の時にはア
ナログ信号処理回路３１からの出力信号をＣＰＵ３７が
受けて処理を行い、自動露光、自動焦合動作を実行す
る。また、ストロボ撮像の際にはＣＰＵ３７からストロ
ボユニット４１へストロボ発光量、発光タイミング等の
制御信号が供給される。ストロボユニット４１は、光源
４３、光源４３を駆動するモジュール４５、被写体から
反射された光を受光するホトダイオード４７等を含む。
このようなストロボユニットを用いてストロボ撮影を行
なう構成は、従来公知のものを用いることができる。

【００４９】このような構成により、撮像した画像情報
をＣＣＤ内にその垂直位置に応じて異なる時間保持し、
読み出すＣＣＤ撮像装置において、白キズ等のノイズ成
分を見かけ上低減することができる。

【００５０】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＣＣＤ内の位置に依存した保持時間を経過した後、画像
情報を読み出すＣＣＤ撮像装置において、白キズ等のノ
イズ成分の影響を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す。図１（Ａ）は構成を示
す概略図、図１（Ｂ）はノイズ成分の時間変化を示すグ
ラフ、図１（Ｃ）は画面内の白キズの分布を示す概念図
である。

【図２】図１の実施例を実現するより具体的な構成例を
示すブロック図である。

【図３】従来の技術によるアコーディオン転送方式を説
明するための概念図である。

【図４】従来の技術によるＣＣＤ撮像装置を説明するた
めの図である。図４（Ａ）は構成を示す概略図、図４
（Ｂ）はノイズ成分の時間変化を示すグラフ、図４
（Ｃ）は画面内の白キズの分布を示す概念図である。

【符号の説明】

１ 被写体 ２ レンズ ３ ＣＣＤチップ ４ ＦＩＬＯメモリ ５ モニタ １３ レンズ １５ 絞り １７、１９ モータ ２１ ＣＣＤチップ ２３ ＣＣＤ駆動ユニット ２５ ＣＣＤドライバ ２７ タイミング発生回路 ３３ 感度設定アンプ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の画素を行列状に配置し、画像の下
   方に相当する行から順次上方に画像信号を読み出す半導
   体ＣＣＤ撮像手段と、 前記半導体ＣＣＤ撮像手段に接続され、最初に書き込ん
   だ画像信号を最後に読み出すメモリ手段とを有するＣＣ
   Ｄ撮像装置。
2. 【請求項２】 さらに、前記メモリ手段に接続され、供
   給される画像信号を順次上から下へ表示するディスプレ
   イを有する請求項１記載のＣＣＤ撮像装置。