JP3013838B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はＣＣＤ（charge c
oupled device)の様な固体撮像素子の実効的な蓄積時間
を可変して長時間露光の電子シャッタを得る様に成した
もので、例えば人間が視覚することを前提としない映像
処理装置等に用いて好適なＣＣＤカメラ等の固体撮像装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、メカニカルシャッタを用いずに電
気的に露光時間の制御を行い得る固体撮像装置として特
願昭６１−２５２３７５号が提案されている。

【０００３】このような固体撮像装置に用いる電子シャ
ッタは電荷が固体撮像素子（以下ＣＣＤと記す）のセン
サに蓄積される時間を変化して行うもので、蓄積した電
荷はセンサゲートパルスが入ることで、センサから垂直
レジスタに転送される。つまり、シャッタパルスが止ま
ってから次にセンサゲートパルスが入るまでの時間がシ
ャッタの露光時間で、この露光時間を変えるようにして
いる。

【０００４】図７は上述の関係のタイミングチャートを
示すもので、図７Ｃのセンサゲートパルスは図７Ａの垂
直同期信号（ＶＤ）に同期して出力される。蓄積した電
荷はこのセンサゲートパルスが入ることでセンサから垂
直レジスタに転送される。図７Ｄ及びＥのシャッタパル
スは図７Ｂの水平同期信号（ＨＤ）毎に入力され、この
シャッタパルスが入力することによりセンサの電荷はＣ
ＣＤのＯＦＤ（オーバーフロードレイン）に捨てられ
る。

【０００５】そして蓄積時間ではこのシャッタパルスの
発生を止めている。従って、１／５００秒の方が１／１
０００秒よりシャッタパルスの発生は長く止まってい
る。

【０００６】ここで、図７において、１／５００秒と１
／１０００秒のシャッタ速度を見ると蓄積時間の終りが
一定で蓄積時間の開始タイミングを変化してシャッタ速
度を変えていることがわかる。

【０００７】又、ＣＣＤカメラ等の露光時間は通常はフ
レーム蓄積で１／３０ｓｅｃ、フィールド蓄積で１／６
０ｓｅｃであり、電子シャッタとしては１／１００〜１
／１００００ｓｅｃが用いられ、これらはテレビジョン
の規格（ＥＩＡ）に準拠している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如き従来の固体
撮像装置の場合、蓄積時間の終りが一定で蓄積開始の時
間を変えるようにしているので、例えばマシンビジョン
等では、高速撮影時に蓄積が始まったとき被写体が存在
しないと云う問題等が生じて好ましくなく、スチルカメ
ラ等では露光の終りを変化してシャッタ速度を決めるよ
うにしており、このような点からもシャッタとしては蓄
積時間が決まっていて終る時間が変化する方が自然で、
特にマシンビジョン関係ではこれが所望されている。

【０００９】又、マシンビジョンなどでは、システムを
組み替えることがあるため、蓄積開始時間を一定とす
る、即ち、トリガ信号が供給されたタイミングから蓄積
を開始した上で、蓄積時間の終りまでの時間、即ち、有
効蓄積時間を外部から制御できると便利である。

【００１０】この様な、蓄積時間の終りを可変するやり
方としてインタライン転送方式とフレーム転送方式の中
間を行くフレームインタライン転送方式のＣＣＤを用い
て実現することも考えられるが、これだと非常に高価と
なる欠点がある。

【００１１】更に、マシンビジョン等では１／３０ｓｅ
ｃ以上の長時間露光を必要とする要求がしばしばある
が、従来のシャッタ速度では１／３０ｓｅｃより長い露
光がない為に、この様な要求に答えられない問題があっ
た。

【００１２】この発明は斯る点に鑑みてなされたもの
で、蓄積時間の開始を一定にし、蓄積時間の終りを変化
してシャッタ速度を変えることができると共に長時間露
光が可能なインタライン転送方式或はフレーム転送方式
等のどの様な方式にも適用可能なＣＣＤカメラを提供す
るものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置は
固体撮像素子と、１垂直同期信号間隔以上のパルス幅を
有する外部トリガ信号を入力するトリガ入力手段と、外
部トリガ信号を反転して、トリガ信号のパルス幅内の垂
直同期信号をマスクする垂直同期信号除去手段と、トリ
ガ信号のパルスの前端に基づくタイミングで固体撮像素
子の有効電荷の蓄積を開始し、トリガ信号のパルスの後
端に基づくタイミングで固体撮像素子の有効電荷の蓄積
を終了し、トリガ信号のパルス幅が有効蓄積期間となる
よう固体撮像素子を駆動する固体撮像素子駆動手段とを
具備してなるものである。

【００１４】本発明によれば外部からのトリガ信号に同
期して電荷の蓄積を開始し、シャッタ速度設定信号によ
って設定された期間だけ電荷を蓄積する。これにより蓄
積時間（露光時間）の終りをシャッタ速度に応じて変え
ることができ、ＣＣＤカメラ外部から供給されるトリガ
信号のパルス幅によって有効蓄積期間制御ができる。従
って、マシンビジョンなどにおいて、このＣＣＤカメラ
の使用者が外部トリガ信号のパルス幅を設定するだけで
容易に有効蓄積時間を制御できる。更に、シャッタ時間
を１／３０ｓｅｃ以上の長時間露光が可能なＣＣＤカメ
ラ（固体撮像装置）を得ることが出来る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態例を
図１乃至図６に基づいて詳しく説明する。図１は本発明
の全体の構成を示す系統図である。

【００１６】同図において、１はＣＣＤの如き固体撮像
素子、２はＣＣＤ１からの撮像信号を信号処理するプロ
セッサ、３は出力端子、４はトリガ信号が印加される入
力端子、５はシンクジェネレータ、６はタイミング回路
である。

【００１７】シンクジェネレータ５はプロセッサ２に対
して複合同期信号を発生し、タイミング回路６に垂直同
期信号及び水平同期信号を発生する。タイミング回路６
はプロセッサ２に対してクランプパルスやサンプリング
パルスを発生し、ＣＣＤ６に対して駆動パルス、センサ
ゲートパルス及びシャッタパルスを発生する。

【００１８】本発明では後で詳述されるようにトリガ信
号が入るとこれに同期して垂直同期信号ＶＤを発生する
リスタートリセットモードと、露光時間（蓄積時間）の
始まりは一定でその終りを可変することができるリアル
シャッタモードと、長時間の露光が可能な長時間露光モ
ードを選択可能である。

【００１９】リスタートリセットモードでは入力端子４
から図２Ａに示すようなトリガ信号が印加されるとこれ
に同期してシンクジェネレータ５により図２Ｂに示すよ
うな垂直同期信号（ＶＤ）が発生される。

【００２０】又、リアルシャッタモードでは図３Ａに示
すようなトリガ信号が入力端子４よりシンクジェネレー
タ５及びタイミング回路６に供給されると、タイミング
回路６よりＣＣＤ１に対して図３Ｄ及びＧに示すような
幅狭のシャッタパルスがトリガ信号に同期して発生され
る。

【００２１】この幅狭のシャッタパルスは蓄積時間（露
光時間）の開始を表わす。また、シンクジェネレータ５
からはトリガ信号より所定時間遅延して図３Ｂおよび
Ｅに示すように垂直同期信号（ＶＤ）がタイミング回路
６に対して発生される。

【００２２】すると、タイミング回路６からは垂直同期
信号に同期して図３Ｃ及びＦに示すようなセンサゲート
パルスがＣＣＤ１に対して発生される。このセンサゲー
トパルスの発生は蓄積時間（露光時間）の終りを表わ
す。

【００２３】上述のリスタートリセットモードではトリ
ガ信号が入るとこれに同期して即座に垂直同期信号が発
生されたが、このリアルシャッタモードでは垂直同期信
号を所定時間遅延することで蓄積時間（露光時間）の終
りを変化している。これによってトリガ信号が入ってか
ら露光開始し、露光時間の終りまでを変化することによ
ってシャッタ速度を変える電子シャッタを得ることがで
きる。

【００２４】また、長時間露光モードでは入力端子４に
印加される図４Ａに示すようなトリガ信号の立下り、立
上りに同期して垂直同期信号を発生するも、その間に挿
入される垂直同期信号を図４Ｂに示すようにマスクす
る。これにより、実質的に露光時間はトリガ信号の立下
りから立上りまでの時間となり長時間の露光が可能とな
る。

【００２５】図５はシンクジェネレータ５の具体的回路
構成の一例を示すもので、同図において、１０は例えば
ＮＴＳＣ方式の場合、１４．３１８１８ＭＨｚ（４
ｆ_SC）のクロック信号が供給される入力端子、１１は入
力端子１０からのクロック信号を４５５カウントして出
力するカウンタであって、カウンタ１１の出力側には２
倍のＨレート３１．４７ｋＨｚの信号（２ｆ_H ）が得ら
れる。

【００２６】なお、カウンタ１１は４５５カウントする
とその出力信号によりリセットがかかるようになされ
る。１２は１／２分周器であって、カウンタ１１の出力
を１／２分周し、その出力側にＨレート１５．７３ｋＨ
ｚの信号（ｆ_H ）を得る。

【００２７】このようにして得られた信号は波形整形回
路１３に供給されて波形整形され、出力端子１４に水平
同期信号として導出される。そのＨレートは約６．７μ
ｓｅｃである。

【００２８】１５はカウンタ１１からの出力信号を５２
５カウントするカウンタであって、その出力側にインタ
レースされた実質的に垂直同期信号を得る。そしてその
Ｖレートは約５７２μｓｅｃのパルス幅となる。なお、
このカウンタ１５も５２５カウントするとその出力信号
によりリセットがかかるようになされている。

【００２９】１８はトリガ信号が印加される入力端子で
あって、入力端子１８はトリガ信号の立下りと立上りで
微分パルスを発生する微分回路１９を介してスイッチ回
路２０の接点ａに接続されると共に直接スイッチ回路２
０の接点ｂに接続され、更にシャッタ速度設定信号によ
りその遅延量が決定される可変遅延回路２１を介してス
イッチ回路２０の接点ｃに接続される。スイッチ回路２
０の共通端子（出力端子）はアンド回路２２及び２３の
一方の入力端に接続される。

【００３０】また入力端子１８はインバータ回路２４を
介してスイッチ回路２５の接点ａに接続され、スイッチ
回路２５の接点ｂ及びｃは共通接続されて接地される。
スイッチ回路２５の共通端子（出力端子）はオア回路２
６の一方の入力端子に接続され、このオア回路２６とア
ンド回路２２の各他方の入力端はカウンタ１５の出力側
に接続される。

【００３１】またオア回路２６の出力端はアンド回路２
３の他方の入力端に接続され、アンド回路２３の出力端
は波形整形回路１６を介して出力端子１７に接続され
る。

【００３２】スイッチ回路２０及び２５はモード切換信
号により切換えられ、長時間露光モードのときは接点ａ
側、リスタートリセットモードのときは接点ｂ側、リア
ルシャッタモードのときは接点ｃ側に夫々切換えられ
る。

【００３３】リスタートリセットモードのときはスイッ
チ回路２５の共通端子は接点ｂ側を介して接地され、ス
イッチ回路２０の共通端子は接点ｂ側に接続される。入
力端子１８よりトリガ信号（図２Ａ）が供給されると、
このトリガ信号はスイッチ回路２０の接点ｂ側を通り、
アンド回路２３を通って波形整形回路１６で波形整形さ
れて図２Ｂの如き垂直同期信号として出力される。

【００３４】またスイッチ回路２０の接点ｂ側を通って
トリガ信号はアンド回路２２を介してリセット信号とし
てカウンタ１５をリセットする。カウンタ１５はリセッ
トされた時点より再びカウンタ１１の出力信号をカウン
トし始め、５２５カウントした時点で出力を発生してオ
ア回路２６及びアンド回路２３を介して波形整形回路１
６に供給し、出力端子１７に垂直同期信号として発生し
た垂直同期信号より所定間隔で順次所望の垂直同期信号
が取り出される。

【００３５】リアルシャッタモードのときはスイッチ回
路２５の共通端子は接点ｃ側を介して同じく接地され、
スイッチ回路２０の共通端子は接点ｃ側に接続される。
入力端子１８よりトリガ信号（図３Ａ）が印加される
と、このトリガ信号は可変遅延回路２１に供給され、こ
こでシャッタ速度に応じて所定量遅延され、後は上述同
様アンド回路２３を通って出力端子１７に垂直同期信号
として取り出されると共にアンド回路２２を介してリセ
ット信号としてカウンタ１５に供給されてこれをリセッ
トする。

【００３６】図３Ｂ及びＥは夫々シャッタ速度が１／２
５０秒、１／５００秒のときトリガ信号より垂直同期信
号が遅延されて出力されている状態を示している。これ
により蓄積時間の始まりは一定で、終りを可変できるこ
とがわかる。

【００３７】長時間露出モードのときはスイッチ回路２
０及び２５の共通端子は接点ａ側に接続される。入力端
子１８よりのトリガ信号（図４Ａ）が印加されると、こ
のトリガ信号は微分回路１９に供給され、ここでトリガ
信号の立下り及び立上りに同期して微分パルス（図示せ
ず）が発生され、これが上述同様アンド回路２３を通っ
て波形整形回路１６で波形整形されて図４Ｂの如き垂直
同期信号として出力される。

【００３８】また入力端子１８よりのトリガ信号はイン
バータ回路２４で反転され、スイッチ回路２５の接点ａ
側を通ってオア回路２６の一方の入力端に供給される。

【００３９】このときオア回路２６の一方の入力端のレ
ベルはハイレベル（Ｈ）にあるので、オア回路２６の他
方の入力端に供給されるカウンタ１５からの出力信号は
無効とされ、実質的にマスクされた状態となる。

【００４０】この状態を図４Ｂに破線で示している。こ
れによりリアルシャッタモードの場合等には最大１フィ
ールド１／６０秒の露光時間（蓄積時間）であったが、
それ以上の露光時間が可能となる。

【００４１】図６はタイミング回路６においてシャッタ
パルスの発生の仕方の構成の一例を示すもので、３０は
トリガ信号（図３Ａ）が供給される入力端子であって、
このトリガ信号は微分回路３１に供給され、これより幅
狭例えば図３Ｈに示すように１μｓｅｃのシャッタパル
スが形成される。

【００４２】このシャッタパルス（の立下り）より蓄積
すなわち露光開始がなされる。このように微分回路３１
で形成された幅狭のシャッタパルスは加算回路３２の一
方の入力側に供給される。

【００４３】又、３３は垂直同期信号（ＶＤ）が供給さ
れる入力端子であって、この入力端子３３に供給される
垂直同期信号はスイッチ３４を介してインバータ回路３
５で反転され、垂直同期信号に同期した通常のシャッタ
パルスとして加算回路３２に供給され、もって加算回路
３２の出力側には図３Ｄ及びＧに示すようなシャッタパ
ルスが得られる。

【００４４】このシャッタパルスはスイッチ３６の接点
ｂ側を通ってＣＣＤ１（図１）のＮ型シリコン基板に供
給され、センサの電荷がＯＦＤに捨てられる。

【００４５】このときトリガ信号より所定時間遅延して
発生された垂直同期信号に同期しシャッタパルスを発生
してはまずいので、可変遅延回路３７を設け、この回路
３７に入力端子３０からのトリガ信号を印加して所定幅
の遅延信号を形成し、この遅延信号をオフ信号としてス
イッチ３４に供給し、トリガ信号より所定時間遅延して
発生した垂直同期信号を通さないようにスイッチ３４を
オフ状態とする。

【００４６】なお、この可変遅延回路３７で形成される
遅延信号（オフ信号）もシャッタの速度に応じて可変す
るようにシャッタ速度設定信号を可変遅延回路３７に供
給するようにする。

【００４７】３８は蓄積時間の始めを可変して終りを一
定とする従来のシャッタＩＣでその出力はスイッチ３６
の接点ａを介してＣＣＤのＮ型シリコン基板に供給され
る。

【００４８】このようにしてリアルシャッタモードでは
狭幅のシャッタパルスで蓄積時間を決定し、垂直同期信
号で蓄積時間の終りを決定し、垂直同期信号はシャッタ
の速度に応じて変えることができるので、結果として蓄
積時間の終りをシャッタ速度に応じて可変することがで
きる。

【００４９】

【発明の効果】上述の如くこの発明によれば、外部から
のトリガ信号に同期して蓄積を開始し、シャッタ速度設
定信号によって設定された期間だけ電荷を蓄積するよう
にしたので、蓄積時間（露光時間）の終りを可変するこ
とができ、ＣＣＤカメラ外部から供給されるトリガ信号
のパルス幅によって有効蓄積期間制御できる。従って、
マシンビジョンなどにおいて、このＣＣＤカメラの使用
者が外部トリガ信号のパルス幅を設定するだけで容易に
有効蓄積時間を制御できて、特にマシンビジョンの如き
人間が視覚することを前提としない映像処理装置等に好
適な長時間露光可能なＣＣＤカメラを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示す系統図である。

【図２】本発明の説明に供するリスタートリセットのタ
イミングチャートである。

【図３】本発明の説明に供するリアルシャッタのタイミ
ングチャートである。

【図４】本発明の説明に供する長時間露光のタイミング
チャートである。

【図５】本発明に用いられるシンクジェネレータの要部
の構成を示す系統図である。

【図６】本発明に用いるタイミング回路の要部の構成を
示す系統図である。

【図７】従来の電気シャッタの説明に供するタイミング
チャートである。

【符号の説明】 １‥‥ＣＣＤ、５‥‥シンクジェネレータ、６‥‥タイ
ミング回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/30 - 5/335 H04N 5/225 H04N 5/235 - 5/243

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体撮像素子と、１垂直同期信号間隔以上のパルス幅を有する外部トリガ
   信号を 入力するトリガ入力手段と、上記外部トリガ信号を反転して、該トリガ信号のパルス
   幅内の垂直同期信号をマスクする垂直同期信号除去手段
   と、 上記トリガ信号のパルスの前端に基づくタイミングで上
   記固体撮像素子の有効電荷の蓄積を開始し、該トリガ信
   号のパルスの後端に基づくタイミングで該固体撮像素子
   の有効電荷の蓄積を終了し、該トリガ信号のパルス幅が
   有効蓄積期間となるよう該固体撮像素子を駆動する固体
   撮像素子駆動手段とを具備したことを特徴とする固体撮
   像装置。