JP3712701B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷転送素子（以下、ＣＣＤと略称する）を用いて、高速に画像を転送するイメージセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
画像情報を処理することで物体の位置などを計測する画像処理技術は、ＦＡ（factry automation)分野などで広く用いられている。これらの画像処理の高速化はＦＡ装置の高速化や新たな用途の開発のために切望されており、画像データの処理速度は年々高速化している。このため、画像処理システムをより高速化するには、システムに画像を入力するためのイメージセンサでの処理速度を向上させることが不可欠である。このようなイメージセンサを得るためには、１フレームの画像をより高速に転送することが考えられる。
【０００３】
一般に、ＣＣＤにより２次元のイメージを転送する場合には、ＣＣＤで得られる画像全体を順次転送する。この場合の手順を図３６に示す。まず、光電変換受光素子１に光が照射され、得られた光量に応じて電荷が発生する。電荷転送信号線１０に入力される電荷転送信号に制御されて、その電荷は一斉に垂直ＣＣＤ２に転送される。転送された電荷は、垂直ＣＣＤ駆動信号線１１に入力される垂直ＣＣＤ駆動信号に制御されて、最下部から水平１ライン分が水平ＣＣＤ１５に転送される。水平ＣＣＤ１５に転送された電荷は１画素分ずつ出力信号線１６から出力される。以降、水平ＣＣＤ１５が１ライン分転送し終わる毎に垂直ＣＣＤ２から１ライン分の転送が行われ、全ての電荷が転送されることで、１画面分の情報が出力される。
【０００４】
しかしながら、例えば画面が横６４０画素×縦４８０画素で構成されているとすると、画面の画素数は６４０×４８０＝３０７，２００個であり、１秒間に６０フレームの画像を転送する場合では、３０７，２００個×６０＝１８，４３２，０００個もの画素を水平ＣＣＤ１５は転送していることになる。１フレームの画像をより高速に転送するためには、これ以上の速度で水平ＣＣＤ１５を動作させる必要がある。しかし、これ以上動作速度を高速にすることは、水平ＣＣＤ１５などの発熱が大きくなるなどの問題があるため困難とされている。
【０００５】
そこで、特許文献１に、スロー再生に使用できるほどの高速なフレーム転送速度が可能なＣＣＤカメラを実現するための技術が開示されている。上記公報では、水平ＣＣＤを複数のエリアに分けることによって、水平ＣＣＤ内で得られる水平１ライン分の画像を複数に分割している。そして、各エリアからの出力を同じタイミングで読み出す並列動作を行って１画面全ての画像を得ることによって、画像を高速に転送させている。
【０００６】
しかし、画像処理においては、画像の全画面の情報を処理する必要がある場合より、一部分の画像の情報を処理するだけでよい場合が非常に多いため、全ての画像情報を高速に転送するより、必要な情報のみを転送することでフレーム転送速度を速くする方が効果的である。
【０００７】
例えば、図３７に示すように、全画像領域１００の範囲内に円形の物体１０１があり、この物体１０１が領域１０２の範囲にしか存在しないとわかっている場合には、物体１０１の位置計測に必要な画像領域は領域１０２の範囲のみであり、その他は必要ない。したがって、このような場合では、領域１０２以外の領域を転送する動作は無駄である。
【０００８】
そこで、必要な画像の転送周期を速めるために、無駄な転送をなくし、領域１０２のみを転送する技術が提案されている。
【０００９】
例えば、特許文献２には、図３８に示すように、水平ＣＣＤ１５に転送された画像が必要でない場合には、水平１ライン分を転送せず、掃き捨てることで画像を高速に転送するイメージセンサが開示されている。つまり、このイメージセンサは、複数のオーバーフローゲート１０３が水平ＣＣＤ１５に接続され、各オーバーフローゲート１０３には掃出選択信号線１０６および掃出信号線１０５が接続された構成である。これにより、転送の必要がないラインが水平ＣＣＤ１５に入力されると、掃出選択信号線１０６を介して掃出信号が同時に各オーバーフローゲート１０３に入力され、それによって、１ライン分の画像が掃出信号線１０５から排出される。
【００１０】
また、特許文献３には、図３９に示すように、水平ＣＣＤ１５に転送する水平１ライン分を任意に選択することで、必要な水平ラインのみを転送して高速化するイメージセンサが開示されている。つまり、このイメージセンサは、一方の電極を光電変換受光素子１に接続し、他方の電極を垂直ＣＣＤ１０８に接続したスイッチ素子１０７を有する構成である。このとき、上記他方の電極は列方向で共通して１つの垂直ＣＣＤ１０８に接続されている。これにより、スイッチ素子１０７にて行単位で光電変換受光素子１が選択され、必要なラインのみが垂直ＣＣＤ１０８に転送される。そして、水平ＣＣＤ１５の出力信号線１６から１ライン分の画素が出力される。
【００１１】
【特許文献１】
特開平３−１２４１７６号公報（公開日１９９１年５月２７日）
【００１２】
【特許文献２】
特開平２−９７１８０号公報（公開日１９９０年４月９日）
【００１３】
【特許文献３】
特開平２−２９５２８３号公報（公開日１９９０年１２月６日）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のイメージセンサでは、その処理速度を高速化することができないという問題を有している。
【００１５】
すなわち、上述のような水平ライン単位での間引きの手法では、図４０の横幅１１１・縦幅１１２で示される領域１１０のように縦幅１１２が長い画像領域の場合は、間引くことのできる水平ラインは少なく、全ての画像を転送する場合とほとんど同程度の時間が必要となる。また、他の領域例として、図４１に示す領域１１３や、図４２に示すように目的の領域１１０が２つある場合、図４３に示す不定型領域１１４などに対しても同様に高速な転送ができない。
【００１６】
高速転送を行うために、領域１１０だけを撮像する画素数の少ないイメージセンサを用いることが考えられる。しかし、この場合には高速に１フレームの転送が可能であるが、全体を把握することができないこと、撮像範囲が固定されており変更できないことなどの問題が発生する。
【００１７】
ところで、全体を把握しながら特定領域のみを高速に転送しようとした場合、領域１１０だけを撮像する画素数の少ないイメージセンサと、領域全体を撮像する図３６に示すような通常のイメージセンサとの２つのイメージセンサを設けることが考えられる。この場合、全体を把握する場合は通常のイメージセンサを用いて通常のフレーム転送速度で撮影し、領域１１０のみが必要な場合は画素数の少ないイメージセンサを用いて速いフレーム転送速度で撮影することで、全体および部分の両方の撮影が行える。
【００１８】
しかし、このように複数のイメージセンサを用いるために複数の光学系を用いると、イメージセンサ毎に画像をとらえる角度や拡大率が違うので、別々のイメージセンサ間の画素の対応をとるための調整や画素間の対応を計算するためのソフトウェアが必要になる。そして、このような調整を要するため、イメージセンサ全体としての処理速度の低下を招くことになる。また、２台のイメージセンサが必要なため、高コストになること、２台のイメージセンサを設置するための空間がたくさん必要となることなどの問題も生じる。
【００１９】
上記のように２台のイメージセンサを用いずに、１台のイメージセンサで全体を把握しながら特定領域のみを高速に転送しようとした場合、図３８や図３９に示すイメージセンサを用いた部分転送による高速転送と、全体画像の通常速度での転送とをスイッチなどを用いて切り換える構成が考えられる。しかし、高速な部分転送を行っている間には全体画像は転送できないため、部分転送による高速画像処理を行いながら、同時に全画像領域を用いた黙視などによる全体検査などを行うには、結局２台のイメージセンサを並行して用いるしかなく、問題を解決することはできない。
【００２０】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、処理速度を低下させることなく、複数の出力系から並列して画像を出力することができる並列読み出しのイメージセンサを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のイメージセンサは、マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出すことが可能な垂直電荷転送手段と、該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を水平ライン単位で転送する複数の水平電荷転送手段と、該水平電荷転送手段の個数と同数またはそれより１つ少ない個数で、垂直電荷転送手段から送出される信号電荷を一時的に記憶した後、上記水平電荷転送手段に信号電荷を転送する電荷記憶転送手段（例えば、垂直ＣＣＤ）と、垂直電荷転送手段からの信号電荷を上記電荷記憶転送手段に順次記憶させた後、垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態となるように制御する制御手段とを備えることを特徴としている。
【００２２】
上記構成によれば、光電変換部にて生成された信号電荷は垂直電荷転送手段を介して１つの電荷記憶転送手段に転送され、一時的に信号電荷が保持される。この間、他の電荷記憶転送手段がある場合には光電変換部に蓄積された新たな信号電荷が上記同様に他の電荷記憶転送手段に順次転送され一時的に保持される。すべての電荷記憶転送手段に信号電荷が記憶された後、制御手段によって垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態となるように制御される。
【００２３】
ここで、信号電荷が保持されている各電荷記憶転送手段には水平電荷転送手段がそれぞれ接続されているので、すべての水平電荷転送手段がそれぞれ独立の動作を行うことが可能となる。これにより、複数の水平電荷転送手段から並行して信号電荷を転送することができるので、１つのイメージセンサで複数の画像を同時に出力することが可能となる。
【００２４】
この結果、領域ごとに光学系やイメージセンサを用意する必要がないので、コストおよび設置を行うための作業を低減することができる。また、それらを設置するための空間を要することもない。さらに、複数の光学系やイメージセンサを配置した場合に比べて、画素同士の対応をとるための複雑な処理や調整を行わなくてよいので、全体としての装置の処理速度を向上させることができる。
【００２５】
また、各々の水平電荷転送手段の大きさなどを変更することで、各水平電荷転送手段の転送速度や転送範囲に相違を持たせ、複数の異なった特性の画像を並行して出力することもできる。これにより、通常の速度で全体画像を転送しながら高速に部分画像を転送することなどが可能となる。
【００２６】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の一方の端部に出力端を有する単方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段が第１の水平電荷転送手段が接続された電荷記憶転送手段と第２の水平電荷転送手段とのどちらを単方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段であることを特徴としている。
【００２７】
上記構成によれば、単方向垂直電荷転送手段の出力端には切換手段が接続されることになる。このとき、まず、切換手段によって、単方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とを接続しておく。電荷記憶転送手段に信号電荷が保持されると、第２の水平電荷転送手段と単方向垂直電荷転送手段とが接続される。これにより、容易に２つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となる。
【００２８】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が、各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段が、第１の水平電荷転送手段が接続された第１の電荷記憶転送手段と双方向垂直電荷転送手段とを接続する接続手段と、第２の水平電荷転送手段が接続された第２の電荷記憶転送手段と第３の水平電荷転送手段とのどちらを双方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段とを備え、上記接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第１の電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して切換手段に信号電荷を転送するように制御することを特徴としている。
【００２９】
上記構成によれば、双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端には接続手段が、他方の出力端には切換手段が接続されることになる。このとき、接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが導通状態のときには、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷は駆動信号に制御されて第１の電荷記憶転送手段に入力される。一方、接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷は駆動信号に制御されて切換手段に入力される。そして、切換手段によって、第２の電荷記憶転送手段に信号電荷が保持された後に第３の水平電荷転送手段に双方向垂直電荷転送手段が接続される。これにより、容易に３つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となる。
【００３０】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記水平電荷転送手段の内の少なくとも１つを、垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段に置き換えることを特徴としている。
【００３１】
上記構成によれば、選択転送手段は水平１ライン中の画素を任意に選択できるので、本発明のイメージセンサは、上記の効果に加えて、固定範囲の画像を得る動作と任意の領域画像を高速に得る動作とを並行して行うことができる。
【００３２】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記選択転送手段が、出力選択信号に基づいて開閉を行うことにより各垂直電荷転送部から同時に送出された信号電荷を任意に選択する複数の選択用スイッチング素子と、掃出選択信号に基づいて開閉を行うことにより上記選択用スイッチング素子に選択されなかった信号電荷を掃き捨てる複数の掃出用スイッチング素子とからなることを特徴としている。
【００３３】
上記構成によれば、選択転送手段に転送された信号電荷は、選択用スイッチング素子によって必要な信号電荷が選択される一方、掃出用スイッチング素子によって不要な信号電荷が掃き捨てられる。これにより、選択転送手段は複数のスイッチング素子のみで構成されているので、容易な構成で選択転送手段を構成することが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
〔参考形態１〕
本発明の参考形態１について図１ないし図２０に基づくとともに、図３６および図３８を参照して説明すれば、以下の通りである。
【００３５】
本参考形態にかかるイメージセンサは、図１に示すように、光電変換受光素子１、垂直ＣＣＤ２、バッファ３、選択用スイッチング素子４、および掃出用スイッチング素子６を有する。
【００３６】
光電変換受光素子（光電変換部）１は、縦ｎ個×横ｍ個のマトリクス状に配置され受光部を形成している。光電変換受光素子１は、入射光量に応じて信号電荷を蓄積し、あるタイミングで垂直ＣＣＤ２にそれを転送する。なお、本参考形態では、説明を簡単にするために、ｎ＝６およびｍ＝８として縦６画素×横８画素＝全４８画素で構成される受光部を例にして説明を行う。ただし、この数値は本参考形態を限定するものではない。
【００３７】
垂直ＣＣＤ（垂直電荷転送手段）２は、光電変換受光素子１の横の個数と同数個（ここでは、８個）の垂直ＣＣＤ部（垂直電荷転送部）からなり、各垂直ＣＣＤ部は光電変換受光素子１の各縦１列に隣接して垂直方向に配置される。垂直ＣＣＤ２は、図中左隣の光電変換受光素子１から転送された上記電荷を、一方の端部に設けられた出力端からその電荷を１画素ずつ順次送り出す。つまり、８個の垂直ＣＣＤ部から同時に電荷が送出されることによって、１行単位でバッファ３に電荷が転送される。
【００３８】
また、図２に示すように、垂直ＣＣＤ２には、光電変換受光素子１で生成された電荷を垂直ＣＣＤ２内に転送させるための電荷転送信号Ｃ10を入力する電荷転送信号線１０が接続されている。さらに、垂直ＣＣＤ２には、垂直ＣＣＤ２を駆動して、電荷を下方向へ移動させるための垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11を入力する垂直ＣＣＤ駆動信号線１１が接続されている。
【００３９】
バッファ３は、図１に示すように、垂直ＣＣＤ２の出力端に接続され、垂直ＣＣＤ２からの電荷を一時的に保持する。また、バッファ３の利得を調整することで、垂直転送路ごとの感度の違いを調整することができる。
【００４０】
選択用スイッチング素子４は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor)などからなり、そのドレインがバッファ３に接続され、ソースが出力信号線８に接続され、ゲートが出力選択信号線５に接続される。この選択用スイッチング素子４は、出力選択信号線５に入力される出力選択信号に基づいて、バッファ３内の必要な電荷のみを選択して出力信号線８に導く。
【００４１】
掃出用スイッチング素子６は、例えばＦＥＴなどからなり、そのドレインがバッファ３に接続され、ソースが掃出信号線９に接続され、ゲートが掃出選択信号線７に接続される。上記掃出信号線９は接地されている。この掃出用スイッチング素子６は、選択用スイッチング素子４で選択されなかった電荷を、掃出選択信号線７に入力される掃出選択信号に基づいて選択して掃出信号線９に導く。
【００４２】
なお、選択転送手段は、バッファ３、選択用スイッチング素子４、出力選択信号線５、掃出用スイッチング素子６、掃出選択信号線７、出力信号線８、および掃出信号線９に対応している。
【００４３】
上記構成によるイメージセンサの動作を、図２に示すように、全４８画素のうち中央部の縦３画素×横３画素の９画素で形成される有効領域１２のみを出力する場合を例にあげて説明する。この動作を行う場合には、図３に示すような駆動クロックを発生させる。
【００４４】
なお、この説明に際して上記選択用スイッチング素子４を図中右から４ａないし４ｈとし、掃出用スイッチング素子６を６ａないし６ｈとして説明する。また、図３におけるＣ4aないしＣ4hは選択用スイッチング素子４ａないし４ｈに印加される出力選択信号を表し、Ｃ6aないしＣ6hは掃出用スイッチング素子６ａないし６ｈに印加される掃出選択信号を表している。また、Ｃ8 は出力信号線８から出力される信号を示している。
【００４５】
照射された光量に応じた電荷が光電変換受光素子１にて生成され（図５参照）、図３に示す電荷転送信号Ｃ10がＨレベルになると全４８画素の電荷が垂直ＣＣＤ２に転送される（図６参照）。転送された電荷は垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11がＨレベルになると、最下部の１行分からバッファ３に転送される。そして、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11を一旦Ｌレベルにすると同時に掃出用スイッチング素子６ａないし６ｈをＯＮとする。つまり、最も下の１行目には必要な画素が存在しないため、選択用スイッチング素子４ａないし４ｈは全てＯＦＦとし、掃出用スイッチング素子６ａないし６ｈを同時にＯＮとして全ての電荷を一度に掃き出す（図７参照）。次の１行も同様に行う（図８参照）。
【００４６】
下から３行目から５行目の画素には必要とする画素が３画素ずつ存在する。したがって、この場合、掃出用スイッチング素子６ａ・６ｂ、６ｆないし６ｈをＯＮにして計５画素を掃き捨て、選択用スイッチング素子４ｃないし４ｅを順次１つずつＯＮにして３つの画素を順に１つずつ出力する（図９〜図１１参照）。最後の行は、最初の行と同様に全て画素を掃き出す（図１２参照）。
【００４７】
このようにして、転送すべき電荷は選択用スイッチング素子４ａないし４ｈに選択され出力信号線８より順次出力される一方、不要な画素の電荷は掃出用スイッチング素子６ａないし６ｈにより掃出信号線９へ出力される。
【００４８】
なお、図７や図１２のように、全ての電荷を一度に放出する場合には掃出信号線９に流れる電流が大きくなる場合があるため、まず、掃出用スイッチング素子６ａないし６ｄのみをＯＮとして半分を掃き出し（図１３（ａ）参照）、その後、掃出用スイッチング素子６ｅないし６ｈをＯＮとして残りの半分を掃き出す構成としてもよい（図１３（ｂ）参照）。この場合の駆動クロックは、図４に示す通りである。
【００４９】
上記図３に示すような駆動クロックを発生させる手法としては、図１６に示すアルゴリズムを用いれば容易に行うことができる。まず、比較のために、従来のイメージセンサの動作を説明する。
【００５０】
図３６に示す従来のＣＣＤイメージセンサで、縦６画素×横８画素の画像を転送する場合のフローチャートは、図１４に示すようになる。
【００５１】
ステップ（以下Ｓと略称する）１０１では、光電変換受光素子１に受光された光量に応じた電荷が発生する。これを垂直ＣＣＤ２に転送し、下からの行数をカウントする縦カウンタの変数Ｉに１を代入する（Ｓ１０２）。その後、垂直ＣＣＤ２を駆動し、下からＩライン目の画素を表す電荷を水平ＣＣＤ１５に転送し（Ｓ１０３）、右からの列数をカウントする横カウンタの変数Ｊに１を代入する（Ｓ１０４）。そして、水平ＣＣＤ１５を駆動し、出力信号線１６から１画素分の情報が出力される（Ｓ１０５）。変数Ｊに１を加え（Ｓ１０６）、Ｓ１０７で変数Ｊが８を越えていなければＳ１０５へ戻り処理を繰り返し、変数Ｊが８を越えていればＳ１０８へ進む。すなわち、水平ＣＣＤ１５に転送された水平１ライン分（８画素）の画像情報を全て出力するまで出力を繰り返す。
【００５２】
Ｓ１０８では、変数Ｉに１を加え、Ｓ１０９で変数Ｉが６を越えていなければＳ１０３へ戻り、変数Ｉが６を越えていれば処理を終了する。すなわち、垂直ライン分だけＳ１０３〜Ｓ１０９の処理を繰り返すことで全ての画素を出力する。結局、必要とする画素数に関係なく、横の画素数×縦の画素数回（この場合は８×６＝４８回）の出力を行う。
【００５３】
次に、図３８に示す従来のイメージセンサで、縦６画素×横８画素の画像を水平１ライン単位で間引いて部分転送を行う場合のフローチャートは、図１５に示すようになる。
【００５４】
Ｓ２０１〜Ｓ２０３は、上記Ｓ１０１〜Ｓ１０３と同様に、発生した電荷を垂直ＣＣＤ２に転送し、縦のカウント数を表す変数Ｉに１を代入すると、垂直ＣＣＤ２が動作し、下からＩライン目の画素を表す電荷が水平ＣＣＤ１５に転送される。ここで、変数Ｉは下から何番目の水平ラインの画素が水平ＣＣＤ１５に転送されたかを示しているため、Ｓ２０４では、変数Ｉが３から５の範囲（２＜Ｉ＜６）である場合にはＳ２０５へ、それ以外の場合にはＳ２１１の処理へと分岐する。
【００５５】
Ｓ２１１では、掃出信号がＯＮとなり、掃出信号線１０５より水平ＣＣＤ１５に転送された１ライン全ての電荷が一括して掃き捨てられる。このとき、掃き捨てが十分な時間以上この状態を保持したまま、掃出信号をＯＦＦとし、Ｓ２０９の処理に移行する。
【００５６】
一方、Ｓ２０４で変数Ｉが３から５の範囲である場合にはＳ２０５〜Ｓ２０８の処理を行うが、これは上述のＳ１０４〜Ｓ１０７の処理と同じである。すなわち、水平ＣＣＤ１５に転送された水平１ライン分（８画素）の画像情報を全て出力するまで出力を繰り返す。
【００５７】
Ｓ２０９では、変数Ｉに１を加え、Ｓ２１０で変数Ｉが６を越えていなければＳ２０３へ戻り、変数Ｉが６を越えていれば処理を終了する。すなわち、垂直ライン分だけＳ２０３〜Ｓ２１０の処理を繰り返すことで必要な画素が存在する水平ラインのみを出力する。結局、必要とする画素数が存在する下から３・４・５番目の３つの水平ラインの全ての画素を出力するため、３×８（横画素数）＝２４回の出力を行う。なお、出力範囲を変更する場合には、Ｓ２０４での変数Ｉとの比較に用いた数値を変更する。例えば、有効な画素が下から２〜４ライン目に含まれているならば、Ｓ２０４の比較式を「１＜Ｉ＜５」に変更すればよい。
【００５８】
これら従来例に対する本参考形態における図２のイメージセンサの部分転送の動作は、図１６のフローチャートに示す通りである。
【００５９】
光電変換受光素子１には受光された光量に応じた電荷が発生する。これを垂直ＣＣＤ２に転送し（Ｓ１）、下からの行数をカウントする縦カウンタの変数Ｉに１を代入する（Ｓ２）。その後、垂直ＣＣＤ２が駆動し、下からＩライン目の画素を表す電荷をバッファ３に転送する（Ｓ３）。
【００６０】
上記変数Ｉは、下から何番目の水平ラインの画素がバッファ３に転送されたかを示しているので、Ｓ４では変数Ｉが３から５の範囲である場合にはＳ５へ進み、それ以外の場合にはＳ１３の処理へ分岐する。Ｓ１３では、掃出用スイッチング素子６を全てＯＮにすることにより、掃出信号線９から電荷を掃き出す。このとき、掃き捨てに十分な時間以上この状態を保持したまま、掃出用スイッチング素子６を全てＯＦＦとし、Ｓ１１の処理に移行する。
【００６１】
一方、Ｓ５では、まず、掃き捨てるべき画素である右から１・２・６・７・８番目の５画素に対応する、掃出用スイッチング素子６ａ、６ｂ、６ｆ、６ｇ、および６ｈのみをＯＮとし、それ以外の掃出用スイッチング素子６ｃないし６ｅはＯＦＦのままとする（図９参照）。次に、右からの列数をカウントする横カウンタの変数Ｊに３を代入し（Ｓ６）、選択用スイッチング素子４のうち右からＪ番目のみをＯＮとし、出力信号線８より出力を行う（Ｓ７）。一定期間後この選択用スイッチング素子４をＯＦＦとしＳ７を終了する。横カウンタの変数Ｊの値に１を加え（Ｓ８）、Ｓ９で変数Ｊが５を越えていなければＳ７・Ｓ８を繰り返し、変数Ｊが５を越えていればＳ１０へ進む。Ｓ１０では、掃出用スイッチング素子６の全てをＯＦＦとする。すなわち、Ｓ５〜Ｓ１０の処理によって、水平１ライン分のうち有効な画素である右から３・４・５番目の画素のみの出力を行うことになる。
【００６２】
このように、水平１ライン分のうち必要な部分のみ出力を行うので、３画素を出力するためには３回のみ出力を行えばよい。これは、図１５のアルゴリズムを用いた従来例の場合のように、有効画素が含まれているラインは全て出力する場合（水平１ラインで８回の出力）に対し少ない回数しか出力しないため、従来と比較してさらに高速な動作が可能となっている。
【００６３】
Ｓ１０あるいはＳ１３の処理の後、縦カウンタの変数Ｉに１を加え（Ｓ１１）、Ｓ１２で変数Ｉが６を越えていなければＳ３へ戻り、変数Ｉが６を越えていれば処理を終了する。
【００６４】
以上の処理により、撮像した画素のうち、有効な画素が含まれている垂直ラインの数だけＳ４〜Ｓ１１の処理を繰り返し、かつその中で有効な画素に対してのみＳ７〜Ｓ９の処理を行うことで、必要な画素のみ出力している。この場合は、必要な画素である縦３画素×横３画素＝９画素のみ出力している。これは上記従来例の出力である４８画素や２４画素よりはるかに少なく、高速化されていることがわかる。
【００６５】
なお、出力範囲を変更する場合は、Ｓ４やＳ９での変数Ｉ・Ｊとの比較に用いた数値、Ｓ５の掃き捨てる画素の指定、およびＳ６の変数Ｊに代入する値を変更すればよい。例えば、有効な画素が下から２〜４ライン目で右から２・３番目に含まれているならば、Ｓ４の比較式を「１＜Ｉ＜５」に、Ｓ９の比較式を「Ｊ＞３」に、Ｓ５の掃出用スイッチング素子６を「６ａ・６ｄ・６ｅ・６ｆ・６ｇ・６ｈ」に、Ｓ６の変数Ｊに代入する値を「２」に変更すればよい。
【００６６】
また、動作に必要な時間を垂直ＣＣＤ２が駆動している時間までで考えると、図５〜図１２より、１フレーム分の画像を出力する場合に必要なクロック数は１９クロックである。しかしながら、従来の全ての画素を出力する場合には、掃き捨てた残り４８−９＝３９画素も転送しなければならないので、さらに３９クロック分も必要となる。このとき、本参考形態のように水平３ラインを掃き捨てる３クロック分は必要ないので、結局、１９＋３９−３＝５５クロック必要となる。また、水平ライン単位で掃き捨てを行う場合でも、下から３〜５ラインの画像は全て転送するため、１ライン当たり５画素分余分に転送することになり、１９＋３×５＝３４クロック必要である。実際のイメージセンサの画素数は遙に多いので、必要な部分の画素数と全体の画素数との差が大きいほど、全体を出力する場合に比べ部分出力時の速度は速くなる。
【００６７】
また、上記参考形態では、有効領域１２が長方形もしくは正方形の領域の場合について述べたが、以下の掃き出しデータ表および出力データ表に示すデータテーブルと図１７に示すアルゴリズムを用いることにより、あらゆる形状の領域の出力が可能となる。
【００６８】
表１は掃き出しデータを示すものであり、その行番号は下からの水平ライン番号を示すものである。表１では行番号が１・２・６番の値は全て「１」であり、全ての画素を掃き出すことを示す。行番号が３・４・５番の値は右から３・４・５番目が「０」であるので画素を掃き出さず、残りは掃き出すことを示す。この「０」の領域は図２で示した有効領域１２の範囲を示す。
【００６９】
【表１】
【００７０】
表２は、出力すべきデータを示す。その行番号は表１の行番号に対応している。列番号は出力する位置を順に示したものであり、行番号が１・２・６番の値は全て「０」であり、全ての画素を出力しないことを示す。また、行番号が３・４・５番目の値は左から「３・４・５」の値となっているが、これは図２における下から３・４・５番目の水平ラインの各右から３・４・５番目の画素をこの順に出力することを示す。つまり、「０」以外の数値は図２の有効領域１２の範囲を出力する順も合わせて示している。
【００７１】
【表２】
【００７２】
図１７は、この表１および表２を用いて、任意の領域を出力する場合のアルゴリズムを示している。
【００７３】
Ｓ２１ないしＳ２３では、上述のＳ１ないしＳ３と同様に、光電変換受光素子１で発生した電荷を垂直ＣＣＤ２に転送し、変数Ｉに１を代入する。その後、垂直ＣＣＤ２が動作し、下からＩライン目の画素を表す電荷をバッファ３に転送する。
【００７４】
次に、表１の掃き出しデータ表の行番号がＩ番目のデータを変数Ｂに入力する（Ｓ２４）。変数Ｂに入力したデータを掃出選択信号線７に出力し掃出用スイッチング素子６を駆動する（Ｓ２５）。出力を保持する時間をカンウトする第１タイマをセットし（Ｓ２６）、横カウンタの変数Ｊに１を代入し（Ｓ２７）、表２の出力表の列番号がＪ番目のデータを変数Ｃに代入する（Ｓ２８）。つまり、変数Ｃには、出力表のＩ行Ｊ列のデータが代入されることになる。Ｓ２９で、この変数Ｃに代入した値が０ならばＳ３０へ移行し、変数Ｃの値が０でないならばＳ３４へ移行する。つまり、変数Ｃの値が０の場合は次の行に移行する。したがって、表２の「０」の右にある数値は参照されないので無効である。
【００７５】
ここで、変数Ｃの値が０でない場合は出力すべき画素があるということであるので、選択用スイッチング素子４の右からＣ番目の出力のみをＯＮにし（Ｓ３４）、出力を保持する時間をカンウトする第２タイマをセットし（Ｓ３５）、第２タイマが経過するのを待つ（Ｓ３６）。第２タイマ経過後、ＯＮにしていた選択用スイッチング素子４の選択出力をＯＦＦにし（Ｓ３７）、横カウンタの変数Ｊに１を加え（Ｓ３８）、この値が８を越えていればＳ３０に移行し、越えていなければＳ２８へ戻り処理を繰り返す。
【００７６】
Ｓ３０では、第１タイマが経過するのを待ち、掃き出すべきデータを十分に掃き出し、その後掃出用スイッチング素子６の掃出出力を全てＯＦＦにする（Ｓ３１）。縦カウンタの変数Ｉに１を加えて（Ｓ３２）、Ｓ３３で変数Ｉが６を越えていなければＳ２３へ戻り、変数Ｉが６を越えていれば水平６ライン全ての処理が終了する。
【００７７】
なお、上記第１・第２タイマは、データを十分に掃き出すための時間をカウントするためのものである。第１タイマは、独立に時間をカウントしており、設定した時間が経過したかどうかを判断する機能を持つものとする。なお、このようなタイマ機能は一般的なものであるため詳細な説明は行わない。
【００７８】
以上の動作により、必要な画素のみを出力する高速駆動が可能となる。上記有効領域１２に対して表１・表２のデータおよび図１７のアルゴリズムを用いると、電荷は図５〜図１２で示したように移動し、図１６のアルゴリズムの実行と同じ結果を生む。しかしながら、図１７のアルゴリズムは、図１６のアルゴリズムのような単純な長方形の領域に対してだけでなく、あらゆる形状の領域の出力を高速に実行することができる。
【００７９】
例えば、図１８に示される色の濃い部分で示されるような画像領域のみの情報が必要な場合でも、表３で示される掃き出しデータと表４で示される出力データとを用いて、図１７のアルゴリズムを実行させれば、高速に部分出力が可能である。なお、図１５で示される水平ライン単位の選択による高速化手法では、図１８のように全ての水平ラインに必要な画素が含まれている場合には全く高速化できない。
【００８０】
【表３】
【００８１】
【表４】
【００８２】
この場合の動作を考えると、図１８の領域は下の水平ラインからそれぞれ〔２・３〕、〔３・４〕、〔４・５〕、〔５・６〕、〔６・７〕、〔７・８〕の２画素ずつの情報が必要である。それぞれ必要な部分以外を掃き出すのであるから、表３の掃き出しデータは、必要な部分が「０」、それ以外は「１」となり、「１１１１１００１、１１１１００１１、１１１００１１１、１１００１１１１、１００１１１１１、００１１１１１１」となる。また、表４の出力データは、必要な画素をそのまま並べればよく、それぞれ「２・３、３・４、４・５、５・６、６・７、７・８」となる。
【００８３】
これらのデータに対して図１７のアルゴリズムを用いると、＜掃き出し（１１１１１００１）、出力（２）、出力（３）、掃き出し（１１１１００１１）、出力（３）、出力（４）、掃き出し（１１１００１１１）、出力（４）、出力（５）、掃き出し（１１００１１１１）、出力（５）、出力（６）、掃き出し（１００１１１１１）、出力（６）、出力（７）、掃き出し（００１１１１１１）、出力（７）、出力（８）＞の順に動作を行う。この場合の出力回数も、必要な画素数である１２回のみである。以上により、図１８で示されるような全水平ラインに必要な画素が含まれている場合でも必要な画素のみの出力を行うことができることがわかる。
【００８４】
次に、図１９で示されるような場合を考える。これは縦２画素×横２画素の領域をそれぞれ１つの画素で代表させた出力を行う場合の出力画素を示しており、画素の代表により１／２に縮小された画像を出力することを意味する。このような場合でも、表５に示される掃き出しデータと表６で示される出力データとを用いて、図１７のアルゴリズムを実行させれば、高速に部分出力を行うことが可能である。
【００８５】
【表５】
【００８６】
【表６】
【００８７】
この場合の動作を考えると、図１９の領域は下の水平ラインからそれぞれ〔なし〕、〔２・４・６・８〕、〔なし〕、〔２・４・６・８〕、〔なし〕、〔２・４・６・８〕の情報が必要であるから、表５の掃き出しデータは、「１１１１１１１１、１０１０１０１０、１１１１１１１１、１０１０１０１０、１１１１１１１１、１０１０１０１０」となる。また、表６の出力データは、「なし、２・４・６・８、なし、２・４・６・８、なし、２・４・６・８」となる。
【００８８】
これらのデータに対して図１７のアルゴリズムを用いると、＜掃き出し（１１１１１１１１）、掃き出し（１０１０１０１０）、出力（２）、出力（４）、出力（６）、出力（８）、掃き出し（１１１１１１１１）、掃き出し（１０１０１０１０）、出力（２）、出力（４）、出力（６）、出力（８）、掃き出し（１１１１１１１１）、掃き出し（１０１０１０１０）、出力（２）、出力（４）、出力（６）、出力（８）＞の順に動作を行う。この場合の出力回数も、必要な画素数である１２回のみである。以上より図１９で示されるような画素が連続していない場合でも必要な画素のみの出力を行うことができることがわかる。
【００８９】
次に、図２０で示されるような場合を考える。これは中央部の縦６画素×横４画素の領域を出力するだけである。この場合、表７に示される掃き出しデータと表８で示される出力データとを用いて、図１７のアルゴリズムを実行させれば、左右に反転した画像を高速に出力が可能である。
【００９０】
【表７】
【００９１】
【表８】
【００９２】
この場合の動作を考えると、図２０の領域は全て〔３・４・５・６〕の情報が必要であるから、表７の掃き出しデータは全て「１１００００１１」となる。また、表８の出力データは、全て「３・４・５・６」とするはずであるが、左右反転させるために全て逆順の「６・５・４・３」とする。
【００９３】
これらのデータに対して図１７のアルゴリズムを用いると、＜掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）＞の順に動作を行う。ここで水平画素の出力順序が３・４・５・６ではなく、逆の６・５・４・３になっているので、左右反転画像が出力されていることがわかる。また、この場合の出力回数も、必要な画素数である２４回のみである。これにより、水平ライン内で左右反転など出力順序を変更した場合でも、必要な画素のみの出力を行うことができることがわかる。
【００９４】
以上のように、本参考形態にかかるイメージセンサは、水平１ライン分の画素のうち必要な画素だけを選択して部分画像を出力することができるので、不要画素を転送する時間分だけ高速転送が可能となる。この結果、イメージセンサの処理速度を向上させることが可能となる。
【００９５】
また、本イメージセンサは画素単位で間引きを行うため、水平ライン単位で出力する部分が違う不定型な領域がある場合や目的の領域が複数ある場合でも、全画像情報を出力するより十分に高速な転送が可能となる。また、ライン単位の間引きを行っていた従来のイメージセンサと比較しても、特に目的領域の画素数が少ない場合には目的領域の形にかかわらず、高速に出力することができる。
【００９６】
さらに、選択転送手段での画素の選択を１つおきにして転送する画素数を１／２個とすることで１／２に縮小した画像を出力することも可能となる。また、複数を同時に選択して平均の値を出力する、すなわち、隣接した画素ｎ個を同時に選択することで横方向に１／ｎに圧縮した画像を取り出すことも可能となる。
【００９７】
以上のように、本参考形態のイメージセンサは、マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部（例えば、光電変換受光素子）と、該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出す垂直電荷転送手段（例えば、垂直ＣＣＤ）と、該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段とを備えることを特徴としている。
【００９８】
上記構成によれば、光電変換部によって、照射された光量に応じた信号電荷が生成される。信号電荷は、光電変換部の各列に隣接した各垂直電荷転送部によって引き込まれ、それぞれ同時に１画素ずつ選択転送手段へ送り出される。つまり、垂直電荷転送手段から送出された信号電荷は水平１ライン分の画素として選択転送手段に入力される。選択転送手段では必要な信号電荷のみを選択して転送すると共に、不要な信号電荷を外部へ排出する。各水平ライン毎に同様に選択転送を行うことによって１フレーム分の画像が転送されることになる。
【００９９】
このとき、水平１ライン分の画素のうち必要な画素だけを選択して部分画像を出力することができるので、不要画素を転送する時間分だけ高速転送が可能となる。また、本発明のイメージセンサは、従来のような水平ライン単位の掃き捨てではなく、画素単位で間引きを行うため、いかなる形状の領域でも効率よく高速に出力することができる。さらに、選択転送手段での画素の選択の仕方を変えることによって、１／２に縮小した画像や、横方向に圧縮した画像を取り出すことも可能となる。
【０１００】
〔参考形態２〕
本発明の参考形態２について図２１および図２２に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１０１】
本参考形態のイメージセンサは、図２１に示すように、参考形態１の垂直ＣＣＤ２の代わりに双方向垂直ＣＣＤ１３を備えるとともに、水平ＣＣＤ１５および垂直ＣＣＤ駆動信号線１４を加えており、その他の構成については参考形態１と同じである。
【０１０２】
双方向垂直ＣＣＤ（双方向垂直電荷転送手段）１３は上下双方向に電荷を移動することができるＣＣＤであり、光電変換受光素子１の横の個数と同数個（ここでは、８個）の垂直ＣＣＤ部からなる。各垂直ＣＣＤ部は光電変換受光素子１の各縦１列に隣接して垂直方向に配置される。また、各垂直ＣＣＤ部は、長手方向の両端部に出力端を有し、図において、双方向垂直ＣＣＤ１３の下部の出力端には水平ＣＣＤ１５が接続され、上部の出力端には選択転送手段が接続される。
【０１０３】
なお、選択転送手段は、バッファ３、選択用スイッチング素子４、出力選択信号線５、掃出用スイッチング素子６、掃出選択信号線７、および出力信号線８からなっている。また、選択転送手段と水平ＣＣＤ１５とは上下が逆になってもよいことは言うまでもない。
【０１０４】
上記双方向垂直ＣＣＤ１３には、光電変換受光素子１で生成された電荷を双方向垂直ＣＣＤ１３内に転送させる電荷転送信号Ｃ10を入力するための電荷転送信号線１０が接続される。さらに、双方向垂直ＣＣＤ１３には、電荷を上方向に転送するように制御する垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14を入力するための垂直ＣＣＤ駆動信号線１４が接続されるとともに、電荷を下方向に転送するように制御する垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11を入力するための垂直ＣＣＤ駆動信号１１が接続されている。
【０１０５】
水平ＣＣＤ（水平電荷転送手段）１５は、入力された１ライン分の電荷を１画素ずつ順に出力信号線１６から出力する。水平ＣＣＤ１５が１ライン分の電荷を出力信号線１６から出力し終わる毎に双方向垂直ＣＣＤ１３から１ライン分の転送が行われ、全ての電荷が転送されることで１画面分の情報が出力される。なお、水平ＣＣＤ１５は、水平ＣＣＤ駆動信号線２１に入力される水平ＣＣＤ駆動信号Ｃ21により駆動される。
【０１０６】
なお、駆動信号は、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11および垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14に対応している。
【０１０７】
上記構成によれば、光電変換受光素子１によって生成された電荷は、隣接する垂直ＣＣＤ部に転送される。双方向垂直ＣＣＤ１３では、下へ転送する垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11により水平ＣＣＤ１５に１行単位で電荷が転送されるか、あるいは上へ転送する垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14により選択転送手段へ１行単位で電荷が転送される。
【０１０８】
すなわち、本参考形態のイメージセンサは、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４を用いずに、双方向垂直ＣＣＤ１３、垂直ＣＣＤ駆動信号線１１、および水平ＣＣＤ１５にて出力信号線１６より通常の全画面の出力を通常の速度で得る場合と、垂直ＣＣＤ駆動信号線１１を用いずに、双方向垂直ＣＣＤ１３、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４、および選択転送手段にて出力信号線８より任意の領域の出力を高速に得る場合との２種類の出力系を持つイメージセンサとなる。
【０１０９】
したがって、どちらの出力系に送られる情報も同一の受光面により得られたものであるため、双方の出力間の画素のずれや拡大率（１画素が表現する面積）の違いは基本的に存在しない。このため、どちらの出力系から得た画像であっても、画像処理などにより面積などの計測を行っても全く同じ結果が得られる。
【０１１０】
これにより、別の光学系やイメージセンサを用意した場合と比べて、２つの光学系やイメージセンサ間の複雑な調整や、２つの画像出力間の相関関係を求めるための複雑な計算を行う必要はない。また、温度や振動による調整後の両者のずれも全く気にする必要がなくなる。つまり、異なるアスペクト比や転送周期を持つ画像を容易かつ高精度に得ることができる。さらに、イメージセンサは１台でよいので、コスト、設置する空間、および設置にかかる作業を低減することができる。
【０１１１】
また、上部の選択転送手段により全領域を選択出力する場合と、下部の水平ＣＣＤ１５で全領域を転送する場合とでは転送する領域は同じになるが、それぞれの出力系から転送される画素の順序が異なるなどの違いがある。しかし、それ以上に２つの出力系を別々に持つということは以下の大きな特徴がある。
【０１１２】
すなわち、水平ＣＣＤ１５から出力を得ることは、通常のＣＣＤ撮像素子で映像を得ることと全く同じであるため、従来同様ＮＴＳＣ（National Television System Committee) などの規格に合致したタイミングで信号を出力することに特化させることができる。一方、選択転送手段を用いた部分読み出し動作による任意の範囲の画像出力は、ＮＴＳＣなどの決まった形態で転送せずに、接続される画像処理装置に転送するのに都合のよいタイミングや速度に特化させる構成や、高速化のために特化させた構成など、自由に設計することができる。
【０１１３】
このように自由に設計しても、２つの出力の各々の性能を落とすことがないので、各々の目的に合わせて自由に選択して使用する多機能化が可能となる。なお、本参考形態では、高速化が目的である双方向垂直ＣＣＤ１３、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４、および選択転送手段を用いた部分読み出しの高速動作に何ら影響を与えることなく通常の画面を得ることができる。
【０１１４】
なお、図２１では、２つの出力系は全ての画素をその対象としていたが、これに限られることはない。例えば、図２２に示すように、受光部の画素数（光電変換受光素子数）を縦６画素×横１６画素として、双方向垂直ＣＣＤ１３の上部に接続され受光部の全ての画素を対象とした幅１６画素分の水平ＣＣＤ２６と、双方向垂直ＣＣＤ１３の下部に接続され高速部分読出部として中央の縦６画素×横８画素を対象とした選択転送手段と、左右の縦６画素×横４画素の２つの部分それぞれから電荷を掃き出す電荷掃出部２９・３０とを備える構成としてもよい。なお、水平ＣＣＤ２６は、水平ＣＣＤ駆動信号線２８に入力される水平ＣＣＤ駆動信号Ｃ28により駆動される。このようなイメージセンサは、高速な部分転送を行うべき領域が中央部に限定しているような場合に用いることができる。
【０１１５】
これによれば、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14によって双方向垂直ＣＣＤ１３内の電荷を上方向に移動させ、水平ＣＣＤ２６に入力させると、水平ＣＣＤ２６の出力信号線２７から全ての電荷が出力される。一方、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11によって双方向垂直ＣＣＤ１３内の電荷を下方向へ移動させ、選択転送手段および電荷掃出部２９・３０に入力させる。すると、選択転送手段に入力された中央の縦６画素×横８画素分の電荷は出力信号線８から必要な電荷のみが選択出力されるとともに、電荷掃出部２９・３０に入力された左右の縦６画素×横４画素分の電荷は掃き捨てられる。
【０１１６】
これにより、図２１の構成のイメージセンサと同様に、通常速度の転送と高速の転送との２種類の出力系を持つイメージセンサとすることができる。この場合、下部の選択転送手段の高速部分読出部が対象とする横方向の画素数を限定することで、横方向すべての画素に対応するように高速読出部の回路構成をする場合に比べて、回路が簡略化され、コスト的にも有利になる。
【０１１７】
なお、本参考形態では、双方向垂直ＣＣＤ１３に水平ＣＣＤ１５あるいは水平ＣＣＤ２６が接続されているが、双方向垂直ＣＣＤ１３の最端部の電荷がこれら水平ＣＣＤに流れ出たり、逆に流れ込んだりすることはない。
【０１１８】
また、本参考形態では、双方向垂直ＣＣＤ１３を用いて２つの出力系に電荷を移動させているが、単方向の垂直ＣＣＤとスイッチ回路を用いて、２つの出力系の切り換えを行う構成とすることも可能である。しかしながら、この場合、スイッチ回路を設けるため構成が複雑になるので、双方向垂直ＣＣＤ１３を用いる構成の方が望ましい。
【０１１９】
以上のように、本参考形態のイメージセンサは、マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出すことが可能な垂直電荷転送手段と、該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段と、上記垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を水平ライン単位で転送する水平電荷転送手段（例えば、水平ＣＣＤ）と、上記垂直電荷転送手段からの信号電荷が選択転送手段と水平電荷転送手段とのどちらか一方に入力するように制御する制御手段とを備えることを特徴としている。
【０１２０】
上記構成によれば、光電変換部によって生成された信号電荷は、垂直電荷転送手段に引き込まれる。この信号電荷が選択転送手段に入力されるように制御手段にて制御されていると、水平１ライン分の画素が選択転送手段に入力される。選択転送手段では必要な信号電荷のみを選択して転送すると共に、不要な信号電荷を外部へ排出する。一方、垂直電荷転送手段からの信号電荷が水平電荷転送手段に入力されるように制御手段にて制御されていると、水平１ライン分の画素が水平電荷転送手段に入力される。水平電荷転送手段ではその信号電荷を全て１画素ずつ転送して出力する。
【０１２１】
したがって、選択転送手段によって部分画像を高速に転送するか、水平電荷転送手段によって全画像を通常の速度で転送するかを選択して出力することができる。これにより、１つのイメージセンサで２つの異なる転送速度で画像を出力するマルチ読み出しが可能となる。
【０１２２】
この結果、領域ごとに光学系やイメージセンサを用意する必要がないので、コストおよび設置を行うための作業を低減することができる。また、それらを設置するための空間を要することもない。さらに、複数の光学系やイメージセンサを配置した場合に比べて、画素同士の対応をとるための複雑な処理や調整を行わなくてよいので、全体としての装置の処理速度を向上させることができる。
【０１２３】
また、本参考形態のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段（例えば、双方向垂直ＣＣＤ）であり、上記選択転送手段が双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端に接続されると共に、水平電荷転送手段が他方の出力端に接続され、上記制御手段が双方向垂直電荷転送手段を駆動して２つの出力端のどちらに信号電荷を転送するかを制御する駆動信号であることを特徴としている。
【０１２４】
上記構成によれば、双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端には選択転送手段が、他方の出力端には水平電荷転送手段が接続されることになる。このとき、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷が駆動信号に制御されて選択転送手段に入力された場合には部分画像が出力される。一方、駆動信号により水平電荷転送手段に入力された場合には全画像が出力される。
【０１２５】
これにより、複雑な回路などを設けない容易な構成で、選択的に２つの異なる転送速度で画像を出力するマルチ読み出しのイメージセンサを実現することができる。
【０１２６】
なお、上記参考形態１および２では、垂直ＣＣＤ２あるいは双方向垂直ＣＣＤ１３の出力をバッファ３を介して転送しているが、垂直ＣＣＤ２の出力を選択用スイッチング素子４および掃出用スイッチング素子６に直接接続してもよい。
【０１２７】
〔参考形態３〕
本発明の参考形態３について図２３ないし図２５に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１２８】
本参考形態のイメージセンサは、図２３に示すように、受光部の画素数を縦６画素×横１６画素とする。したがって、双方向垂直ＣＣＤ１３における垂直ＣＣＤ部の数は１６個となる。双方向垂直ＣＣＤ１３の上部には接続手段２３を介して垂直ＣＣＤ（電荷記憶転送手段）２４が接続され、垂直ＣＣＤ２４にはさらに水平ＣＣＤ２６が接続される。双方向垂直ＣＣＤ１３の下部には、中央８個の垂直ＣＣＤ部に水平ＣＣＤ１５が接続されるとともに、左右４個の垂直ＣＣＤ部にそれぞれ電荷掃出部２９・３０が接続される。
【０１２９】
垂直ＣＣＤ２４には、垂直ＣＣＤ２４を駆動して、電荷を固体内で上方向に移動させるための垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25を入力する垂直ＣＣＤ駆動信号線２５が接続される。そして、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25がＯＦＦ状態のときには電荷は移動せずに固体内で保持され、ＯＮ状態となると移動を開始する。すなわち、垂直ＣＣＤ２４は、画像情報を一時的に記憶するものである。
【０１３０】
水平ＣＣＤ２６は、受光部の全ての画素を対象とした幅１６画素分に対応しており、垂直ＣＣＤ２４からの１ライン分の電荷を１画素ずつ順次出力信号線２７から出力する。この水平ＣＣＤ２６は、水平ＣＣＤ駆動信号線２８に入力される水平ＣＣＤ駆動信号Ｃ28により駆動される。
【０１３１】
接続手段２３は、垂直ＣＣＤ２４に電荷が記憶されている間は双方向垂直ＣＣＤ１３からの出力を垂直ＣＣＤ２４に入力し、垂直ＣＣＤ２４に電荷が記憶された後には双方向垂直ＣＣＤ１３からの出力が水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に入力するように接続制御を行う。
【０１３２】
この接続手段２３は、ＦＥＴなどのスイッチング素子で構成すればよい。なお、垂直ＣＣＤ２４自身にこの接続手段２３の機能を持たせることもできる。これは、ＣＣＤが素子の電位の変化によって電荷を移動させる素子であるため、ある一点を常時高いポテンシャルにしておくことでその点以降への電荷の移動を阻止することができるからである。
【０１３３】
さらに、上記イメージセンサには、光電変換受光素子１に照射される光量を制御するシャッター３１が設けられる。このシャッター３１は、それに接続されたシャッター駆動信号線３２にシャッター駆動信号Ｃ32を入力することにより、その動作が制御される。
【０１３４】
なお、駆動信号は、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11・Ｃ14・Ｃ25に対応している。
【０１３５】
上記構成によれば、双方向垂直ＣＣＤ１３に転送された電荷は、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14で上部へ行単位で転送されるが、このとき、これと同期して垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25も動作させることで垂直ＣＣＤ２４に電荷を転送する。この処理を縦の画素数だけ行うことにより、双方向垂直ＣＣＤ１３の電荷を全て垂直ＣＣＤ２４に転送する。
【０１３６】
この後、上下の垂直ＣＣＤを結んでいる接続手段２３を電気的もしくは機械的な手段などで切断すると、接続手段２３より上の部分と下の部分とでは全く独立の動作となる。このとき、接続手段２３より上部はイメージセンサから光電変換受光素子１を取り除いた構造であるが、すでに電荷が転送され記憶されているため、通常のイメージセンサが１フレームの画像を転送する場合と同等の動作で出力信号線２７から１フレームの画像が出力することができる。
【０１３７】
一方、接続手段２３より下部は、光電変換受光素子１を含む１つのイメージセンサとなる。そして、新たに受光した画像を垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11で下部へ行単位で転送し、電荷掃出部２９・３０にて電荷を掃き捨てるとともに、水平ＣＣＤ１５にて通常のイメージセンサと同等の動作を行い出力信号線１６より１フレームの画像を出力する。
【０１３８】
図２４のタイミングチャートに基づいて、上記並列イメージセンサの動作を説明する。なお、各垂直ＣＣＤの動作クロックは、各水平ＣＣＤの動作より遅くしてある。これは、水平ＣＣＤは１つのＣＣＤが単独で動作するため比較的高い周波数での動作が容易であるが、垂直ＣＣＤは複数の垂直ＣＣＤ部を互いに同期させて動作させなければならないので水平ＣＣＤほどの高速駆動が困難だからである。
【０１３９】
シャッター駆動信号Ｃ32がＨレベルになるとシャッター３１が１回目の動作を行い、光電変換受光素子１に光が当てられる。変換された電荷は電荷転送信号Ｃ10の制御により双方向垂直ＣＣＤ１３に転送されると、接続手段２３がＯＮ状態になる（図２４ではＣ23で示される）。このとき、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４と垂直ＣＣＤ駆動信号線２５とに互いに同期した垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14および垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25を与えることにより、全ての電荷を垂直ＣＣＤ２４に転送する。この間並行してシャッター３１が２回目の動作を行って、光電変換受光素子１に新たな電荷が生成される。
【０１４０】
２回目のシャッター駆動信号Ｃ32がＬレベルとなるのと同期して接続手段２３はＯＦＦ状態になり、接続手段２３より下に配置された構成要素とは独立した動作が可能となる。よって、垂直ＣＣＤ２４に転送された電荷は水平ＣＣＤ２６と連動して、縦６画素×横１６画素で構成される１フレーム分の画像を独立して出力信号線２７から出力信号Ｃ27として順次転送することができる。この間、新たに生成された電荷は、双方向垂直ＣＣＤ１３に転送され、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11によって受光部の下部にある水平ＣＣＤ１５と電荷掃出部２９・３０とに順次転送される。この水平ＣＣＤ１５と双方向垂直ＣＣＤ１３との連動により、中央の縦６画素×横８画素で構成される１フレームの画像が出力信号Ｃ16として転送される。
【０１４１】
さらに、シャッター３１が３回目の動作を行って光電変換受光素子１にて電荷が生成され、同様に水平ＣＣＤ１５と双方向垂直ＣＣＤ１３との連動により、中央の縦６画素×横８画素で構成されるもう１フレームの画像が出力信号線１６より出力される。
【０１４２】
出力信号線１６から出力信号Ｃ16が出力されている間に、再びシャッター３１が連動して、上部の垂直ＣＣＤ２４へ次に転送する電荷が生成され、以上の動作が繰り返される。
【０１４３】
図２５は、図２４のタイミングチャートのうち、シャッター駆動信号Ｃ32、電荷転送信号Ｃ10、出力信号Ｃ16、および出力信号Ｃ27のみを時間軸を拡大して表したものである。これにより、出力信号線１６には周期Ｔ、出力信号線２７には周期２×Ｔ（＝２Ｔ）で画像が出力されていることがわかる。
【０１４４】
以上のように、本参考形態にかかるイメージセンサは、電荷を一時的に保持することができる垂直ＣＣＤ２４を用いることによって、２つの水平ＣＣＤ１５・２６から並列して画像を出力することができる。
【０１４５】
したがって、並行して出力される画像は共通の受光部より撮影された画像であるため、出力間で共通の画素に関しては全くずれることなく出力する。よって、ここで得られる各出力を別々の画像処理装置を用いて処理しても面積や位置のずれは全くないので、２台のイメージセンサを用いる場合のようにカメラの位置合わせや倍率などの物理的調整や、複雑な相関関係の計算などの処理が不要となる。すなわち、扱う画素数の異なった複数の画像処理装置での並列処理においても、１台のイメージセンサで位置ずれや面積の相違のない正確でかつ効率のよい並列画像を出力することができる。これにより、２台のイメージセンサを用いた場合に比べて、調整などによる処理が必要ないので、高速な処理を行うことができる。
【０１４６】
また、本イメージセンサにおける２つの水平ＣＣＤからは、領域の異なる周期的な画像を出力することができる。このとき、本参考形態以外のアスペクト比の水平ＣＣＤを用いたり、縦横の画素比や画素数などを変えたりすることにより、各種の周期で出力が可能である。
【０１４７】
また、一方の水平ＣＣＤの動作をもう他方の水平ＣＣＤの動作に支障を与えない範囲で、非同期の動作を行うことなどの動作が実現できる。例えば、上記参考形態では中央の縦６画素×横８画素の部分転送は短時間で行えるので、受光領域全体の転送を妨げることなく、全体転送の倍の周期で行っている。しかし、特に部分転送を周期的に行う必要はなく、部分転送は全体転送を妨げないタイミングであれば自由に動作させることができる。
【０１４８】
これにより、全体転送を周期的に行いながら、部分転送を必要な場合のみ動作させることで、少ない待ち時間で部分転送を１フレームずつ行うことも可能となる。すなわち、通常の画像転送を行いながら、部分転送を高速に行うことができる。この結果、大きい領域を一度に見る必要があるような画像処理を遅い周期で行いながら、小さい画像の転送を短い周期で行うことで速い周期での高速な部分画像処理を並行して行うことができる。
【０１４９】
以上のように、本参考形態のイメージセンサは、垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、第１の水平電荷転送手段が電荷記憶転送手段を介して双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端に接続されると共に、第２の水平電荷転送手段が他方の出力端に直接接続され、制御手段が、双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とを接続する接続手段を備え、該接続手段により双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第２の水平電荷転送手段に信号電荷を転送するように制御することを特徴としている。
【０１５０】
上記構成によれば、双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端には電荷記憶転送手段が、他方の出力端には第２の水平電荷転送手段が接続されることになる。このとき、接続手段により双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが導通状態のときには、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷は駆動信号に制御されて電荷記憶転送手段に入力される。一方、接続手段により双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷は駆動信号に制御されて第２の水平電荷転送手段に入力される。これにより、容易に２つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となる。
【０１５１】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の形態１について図２６ないし図２９に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１５２】
本実施の形態のイメージセンサは、参考形態３の双方向垂直ＣＣＤ１３を垂直ＣＣＤ２に代えて、参考形態３と同様に２つの出力系を持つイメージセンサを提供する構成である。
【０１５３】
図２６に示すように、垂直ＣＣＤ（単方向垂直電荷転送手段）２の下部には切換手段３５のａ側を介して垂直ＣＣＤ３７が接続され、垂直ＣＣＤ３７にはさらに水平ＣＣＤ３８が接続される。また、切換手段３５のｂ側を介して中央の縦６画素×横８画素に対応させて水平ＣＣＤ１５が接続されるとともに、左右の縦６画素×横４画素に対応させて電荷掃出部２９・３０が接続される。
【０１５４】
切換手段３５は、垂直ＣＣＤ２の出力を垂直ＣＣＤ３７に転送するか、水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に転送するかを制御する。
【０１５５】
垂直ＣＣＤ３７は、前記参考形態３の垂直ＣＣＤ２４と同様に、撮像された１フレーム分の情報が保持可能であり、垂直ＣＣＤ駆動信号線３６に入力される垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ36により水平ＣＣＤ３８へ電荷を転送する。
【０１５６】
水平ＣＣＤ３８は、水平ＣＣＤ駆動信号線４０に入力される水平ＣＣＤ駆動信号Ｃ40により制御されて出力信号線３９より電荷を転送する。
【０１５７】
図２７のタイミングチャートに基づいて、上記イメージセンサの動作を説明する。
【０１５８】
シャッター駆動信号Ｃ32がＨレベルになるとシャッター３１が動作し、光電変換受光素子１に光が当てられる。変換された電荷は電荷転送信号Ｃ10により垂直ＣＣＤ２に転送されると、切換手段３５がａ側になって垂直ＣＣＤ２は垂直ＣＣＤ３７に接続される（図２７ではＣ35で示される）。垂直ＣＣＤ駆動信号線１１と垂直ＣＣＤ駆動信号線３６とに互いに同期した垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11および垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ36を与えることにより、全ての電荷を垂直ＣＣＤ３７に転送する。この間並行してシャッター３１が動作して、光電変換受光素子１に新たな電荷が生成される。
【０１５９】
２回目のシャッター駆動信号Ｃ32がＬレベルとなるのと同期して切換手段３５がｂ側になって、垂直ＣＣＤ２は水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に接続される。一方、切換手段３５により切断された垂直ＣＣＤ３７側の構成要素は単独動作が可能な状態となる。よって、先に垂直ＣＣＤ３７に転送された電荷は、水平ＣＣＤ３８と連動して、縦６画素×横１６画素で構成される１フレーム分の画像を出力信号線３９から出力信号Ｃ39として順次転送される。この間、新たに生成された電荷は、垂直ＣＣＤ２に転送され、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11によって水平ＣＣＤ１５と電荷掃出部２９・３０とに順次転送される。この水平ＣＣＤ１５と垂直ＣＣＤ２との連動により、中央の縦６画素×横８画素で構成される１フレームの画像が出力信号線１６より出力される。
【０１６０】
さらに、もう一度シャッター３１が動作して、光電変換受光素子１にて電荷が生成され、同様に中央でのもう１フレームの画像が出力信号線１６より出力される。
【０１６１】
出力信号線１６から出力信号Ｃ16が出力されている間に、再びシャッター３１が連動して、垂直ＣＣＤ３７へ次に転送する電荷が生成され、以上の動作を繰り返す。
【０１６２】
図２８は、図２７のタイミングチャートのうち、シャッター駆動信号Ｃ32、電荷転送信号Ｃ10、出力信号Ｃ16、および出力信号Ｃ39のみを時間軸を拡大して表したものである。出力信号線１６には周期Ｔ、出力信号線３９には周期２Ｔで画像が出力されていることがわかる。
【０１６３】
以上により、本実施の形態にかかるイメージセンサは、電荷を一時的に保持することができる垂直ＣＣＤ３７を用いることによって、参考形態３と同様に２つの水平ＣＣＤ１５・３８から並列して画像を出力することができる。
【０１６４】
参考形態３との相違点は次の点にある。参考形態３では、垂直ＣＣＤ２４および水平ＣＣＤ２６から得られる画像の出力は受光部の上部のラインから順に転送されるとともに、双方向垂直ＣＣＤ１３および水平ＣＣＤ１５から得られる画像の出力は下部のラインから順に転送されるので、各々の出力においてラインの転送順序が逆になっている。これに対し、本実施の形態では２つの出力は共に下部のラインより転送される。
【０１６５】
また、本実施の形態では、切換手段３５により垂直ＣＣＤ３７か水平ＣＣＤ１５かに転送先を切り換えるので、この切換手段３５を含めた比較的複雑な配線を必要とする。これに対して、参考形態３では、双方向垂直ＣＣＤ１３の上部に接続するかしないかだけの単純なスイッチで構成できる接続手段２３を設けるだけでよいので、参考形態３の構成の方が好ましい。
【０１６６】
なお、本実施の形態のイメージセンサは、図２９に示す構成とすることも可能である。これは、垂直ＣＣＤ２に、水平ＣＣＤ４５、垂直ＣＣＤ３７、および水平ＣＣＤ３８をこの順に直列に接続する構成である。水平ＣＣＤ４５は、水平ＣＣＤ駆動信号線４６に入力される水平ＣＣＤ駆動信号によってその駆動を制御される。つまり、上記水平ＣＣＤ駆動信号は、垂直ＣＣＤ２からの電荷を出力信号線４７から出力するか垂直ＣＣＤ３７へ転送するかの制御を行っている。
【０１６７】
この構成によると、垂直ＣＣＤ２からの電荷はまず水平ＣＣＤ４５に転送される。転送された電荷は、水平ＣＣＤ駆動信号がＯＦＦ状態のときには下部の垂直ＣＣＤ３７に転送される。垂直ＣＣＤ３７で一時的に保持された電荷は水平ＣＣＤ３８に転送され、出力信号線３９から出力される。一方、水平ＣＣＤ駆動信号がＯＮ状態のときには、垂直ＣＣＤ２から転送された電荷は、垂直ＣＣＤ３７へは転送されずに水平ＣＣＤ４５の出力信号線４７から出力される。
【０１６８】
この場合も図２６のイメージセンサと同様に、垂直ＣＣＤ３７および水平ＣＣＤ３８により出力中に、垂直ＣＣＤ２および水平ＣＣＤ４５により並列して出力可能である。
【０１６９】
しかしながら、以下の理由により、図２９の構成より図２６の構成のイメージセンサの方が望ましい。すなわち、図２６の構成の場合には切換手段３５により電荷の転送方向切り換えているため、垂直ＣＣＤ２の電荷を垂直ＣＣＤ３７に転送する間において水平ＣＣＤ１５は自由に動作させることができるが、図２９の構成の場合には水平ＣＣＤ４５を通して垂直ＣＣＤ３７へ転送するため、この間は水平ＣＣＤ４５は出力動作を行うことができない。したがって、図２９の構成より図２６の構成のイメージセンサの方が並列動作をより高速に行うことができる。
【０１７０】
また、図２９の構成では、下部へも転送可能な水平ＣＣＤ４５が切換手段３５の代わりをしているため、基本的に垂直ＣＣＤ２と水平ＣＣＤ４５と垂直ＣＣＤ３７との３つのＣＣＤの横の画素数は一致する必要があるが、図２６の構成では切換手段３５と電荷掃出部２９・３０を設けることにより、それぞれ自由に横方向の画素数を決定することができる。
【０１７１】
〔実施の形態２〕
本発明の実施の形態２について図３０ないし図３２に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態または実施の形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１７２】
本実施の形態のイメージセンサは、参考形態３の構成に実施の形態１の構成を適用している。すなわち、図３０に示すように、双方向垂直ＣＣＤ１３の上部には接続手段２３を介して垂直ＣＣＤ２４および水平ＣＣＤ２６がこの順に接続される。一方、双方向垂直ＣＣＤ１３の下部には切換手段３５のａ側を介して垂直ＣＣＤ３７および水平ＣＣＤ３８がこの順に接続され、ｂ側を介して水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０が接続される。これによって、本イメージセンサは、出力が出力信号線１６・２７・３９から出力する３並列イメージセンサとして動作することになる。
【０１７３】
図３１のタイミングチャートに基づいて、上記イメージセンサの動作を説明する。
【０１７４】
シャッター駆動信号Ｃ32がＨレベルになるとシャッター３１が動作し、光電変換受光素子１に光が当てられる。変換された電荷は電荷転送信号Ｃ10により双方向垂直ＣＣＤ１３に転送されると、切換手段３５がａ・ｂ側のどちらにも非接続なＯＦＦ状態となり、双方向垂直ＣＣＤ１３より下の部分は独立した状態となる一方、接続手段２３がＯＮ状態となって上部の垂直ＣＣＤ２４と双方向垂直ＣＣＤ１３とが導通状態となる。そして、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４と垂直ＣＣＤ駆動信号線２５とに互いに同期した垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14および垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25を与えることにより、全ての電荷を垂直ＣＣＤ２４に転送する。この間並行してシャッター３１が動作して、光電変換受光素子１に新たな電荷が生成される。
【０１７５】
２回目のシャッター駆動信号Ｃ32がＬレベルとなるのと同期して接続手段２３はＯＦＦ状態となり、垂直ＣＣＤ２４から上の構成要素は双方向垂直ＣＣＤ１３とは独立する。垂直ＣＣＤ２４で一時的に保持された電荷は、水平ＣＣＤ２６の出力信号線２７により、縦６画素×横１６画素で構成される１フレーム分の画像として転送される。
【０１７６】
出力信号線２７より画像が出力されている間に、新しく生成された電荷は、双方向垂直ＣＣＤ１３に転送される。切換手段３５は接続手段２３がＯＦＦ状態となるのと同期してｂ側になって、双方向垂直ＣＣＤ１３は水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に接続される。そして、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11により水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に電荷が転送され、出力信号線１６から中央の縦６画素×横８画素で構成される１フレームの画像が出力される。
【０１７７】
この間にもシャッター３１が動作して、光電変換受光素子１にて電荷が生成される。そして、切換手段３５をａ側とし、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11・Ｃ36が互いに同期して動作することにより、新たに生成された電荷は垂直ＣＣＤ３７に１フレーム分の画像として転送される。この間にもまた、シャッター３１が操作して光電変換受光素子１にて電荷が生成される。
【０１７８】
垂直ＣＣＤ３７へ転送終了後は、切換手段３５は再びｂ側になり、水平ＣＣＤ１５の出力信号線１６より、中央の縦６画素×横８画素で構成されるもう１フレームの画像が出力される。さらに、この間もまたシャッター３１が動作して、垂直ＣＣＤ２４へ転送すべき電荷が生成され、以上の動作を繰り返す。
【０１７９】
図３２は、図３１のタイミングチャートのうち、シャッター駆動信号Ｃ32、電荷転送信号Ｃ10、出力信号Ｃ16、出力信号Ｃ27、および出力信号Ｃ39のみを時間軸を拡大して表したものである。出力信号線１６には周期Ｔ、出力信号線２７・３９には周期２Ｔで画像が出力されていることがわかる。
【０１８０】
以上により、本実施の形態にかかるイメージセンサは、１台のイメージセンサで、並列して異なる周期的な３種以上の画像出力が可能となる。このとき、本実施の形態以外のアスペクト比の水平ＣＣＤを用いたり、縦横の画素比、画素数などにより、各種の周期で出力が可能となる。
【０１８１】
また、一方の動作を他方の動作に支障を与えない範囲で、非同期の動作を行うことなどの動作が実現できる。例えば、常時周期的に全画像を出力しながら、必要な場合のみ１フレーム単位で特定の部分の画像を出力させる動作を行うこともできる。図３１・図３２のタイミングチャートに示した例では、縦６画素×横１６画素の周期２Ｔで画像が出力されている出力信号線２７・３９は周期Ｔだけずれて動作している。よって、この出力信号線２７・３９の出力を交互に出力することで、縦６画素×横１６画素の画像、および縦６画素×横８画素の画像とも周期Ｔで出力可能となる。これは、１つの受光面から、縦横比の違う画像を同じ周期でも撮影可能であることを示す。この結果、参考形態３、実施の形態２の構成による効果に加えて、１台のイメージセンサで、ハイビジョン用の画像と通常の画像とを両方同時に得ることができる。
【０１８２】
〔実施の形態３〕
本発明の実施の形態３について図３３ないし図３５に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態または実施の形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１８３】
本実施の形態のイメージセンサは、図３３に示すように、実施の形態２の水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０の代わりに、選択転送手段を配置した構成である。すなわち、選択転送手段は、切換手段３５のｂ側を介して双方向垂直ＣＣＤ１３と接続される。なお、選択転送手段には縦６画素×横１６画素分の画素が転送される。
【０１８４】
また、切換手段３５を通して得られる電荷は、出力選択信号により制御される選択用スイッチング素子４によって選択されて出力信号線８から出力されるか、あるいは掃出選択信号により制御される掃出用スイッチング素子６によって選択されて掃出信号線９に掃き捨てられる。このとき、出力信号線８を通過する出力信号Ｃ8 は、さらに、信号通過フィルタ４１・４３によって必要な部分の信号だけが選択され、それぞれ出力信号線４２・４４から出力される。これは、２つの領域を完全に同時に別の出力に転送するためのものである。
【０１８５】
図３４・図３５のタイミングチャートに基づいて、上記イメージセンサの実施の形態２と動作の異なる部分のみの動作を説明する。
【０１８６】
図３４は、選択転送手段による出力が行われずに、水平ＣＣＤ２６および水平ＣＣＤ３８の出力信号線２７および出力信号線３９から周期的に画像出力が行われている場合のタイミングを示している。２つの出力信号線２７・３９からは実施の形態２と同様の動作により、同様の範囲の画像が同様の周期で出力される。
【０１８７】
この図において、シャッター駆動信号Ｃ32と垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11のＦで示される時間帯は、これら２つの出力の動作に関係なく動作可能な時間帯を示している。すなわち、これらの時間帯Ｆでは、選択転送手段を用いる出力信号線８・４２・４４からの出力を得るために、自由にシャッター３１や双方向垂直ＣＣＤ１３などを使用することができる。
【０１８８】
図３５は、図３４と同じ条件下で、シャッター３１や双方向垂直ＣＣＤ１３を利用して、比較的小さな２つの任意の範囲の画像を同時に出力する場合のタイミングを示している。２つの出力信号線４２・４４からは周期Ｔにて別々の出力信号Ｃ42・Ｃ44が出力されており、周期２ＴのＣＣＤ全体の出力信号Ｃ27・Ｃ39と併せて周期的な計４つの出力を同じ受光部から得ていることがわかる。
【０１８９】
これにより、本実施の形態にかかるイメージセンサは、実施の形態２と同様に、共通の受光部より撮影された画像を並行して出力することが可能である。これに加えて、選択転送手段を設けているので、出力する画像の領域を任意に選択することできる。したがって、画素数の少ない画像は高速に出力することができるので、リアルタイムの視覚処理を行う入力システムに用いることができる。さらに信号通過フィルタ４１・４３を設けることによって、各種別の処理が必要とする違った大きさの領域の画像も同時に出力することができるため、１台のイメージセンサで複数の画像処理を並列して行う並列画像処理システムの入力装置を実現できる。
【０１９０】
なお、図３５において、出力信号Ｃ42・Ｃ44は一定周期で小領域の画像を周期的に出力していることを示しているが、転送すべき領域の面積が同等であれば、毎回転送領域を変更しても周期的な動作は可能である。
【０１９１】
また、図３４に示すように、周期的な画像を出力信号線２７・３９から出力している場合でも、時間帯Ｆは自由に使用できるため、この時間帯内であれば任意のタイミングで必要な任意の領域の画像を１フレーム毎に変更して得ることも可能である。
【０１９２】
さらに、出力信号線２７・３９からの出力の周期を長くしたり、可変とするなどの自由度を持たせれば、全体としてより複雑なタイミングでより複雑なパターンの画像を得ることができる。
【０１９３】
次に、本実施の形態のイメージセンサをハイビジョン撮影用装置に応用する場合を考える。ハイビジョン映像はこれまでの通常のＴＶ映像の２０万〜４０万画素に比べて遙に多い約２００万画素を持つため、同じ領域を撮影した場合、非常に高精細の画像を出力できるような仕様である。逆に同じ解像度であれば、通常のカメラを用いた場合に比べて遙に広い領域（約５〜１０倍）を撮影することができる。つまり、ハイビジョン用のカメラをＦＡなどの工業分野で使用することで、一度により多くのものを対象とした画像処理応用システムを作ることが可能となる。
【０１９４】
しかしその反面、画素の多い分ハイビジョン画像を全て画像処理するには当然時間がかかることになる。また、ハイビジョン用のカメラの出力する１画面分の画素量が多い分、１画面分の画像の出力にかかる時間を短縮することは通常のこれまでのカメラより遙に困難である。つまり、単にハイビジョンカメラとその画素数を対象とした画像処理装置を組み合わせて画像応用装置を実現しても、その処理速度は現在ＦＡ装置などで求められてきている高速化に対応することは不可能であり、結果としてハイビジョンシステムを用いるメリットはあまりないと言える。
【０１９５】
また、先にも記したように、画像処理を必要とする部分は全体ではなく、局所的な場合が多いが、この局所的な部分を転送するためにハイビジョン用カメラの映し出す全ての領域を転送するのは、これまでのカメラシステムを用いた場合よりさらに無駄な動作であると言える。ただし、ハイビジョンシステムの応用は、１度に非常に多くの領域を撮影できるメリットがあることも事実である。
【０１９６】
ここで、本実施の形態の全体領域の転送を行いながら、高速な部分転送を実現できるイメージセンサを適用すれば、例えば、次のような動作を行うことができる。
【０１９７】
全体の領域（ハイビジョン全領域）を一定の決められた周期で転送し、その画像を黙視用画像表示装置や全体処理用の画像処理へ転送する。このとき、本実施の形態では全体画像を平行して出力可能なため、ハイビジョン画像をより速い周期で転送することが可能である。この全体処理用の画像処理装置では、目標のものがどこにあるかを判定するなどの処理を比較的遅い周期もしくは必要時のみ行う。そして並行して目標領域のみの部分画像の転送を早い周期で転送し、少ない画素ならではの高速な画像処理を実行して部分的な高速画像フィードバック制御を行う。本実施の形態では、部分転送できる範囲は任意であるため、目標物がずれた場合にはその部分転送範囲を目標に合わせて変更することで目標物が移動する場合にも使用可能となる。特に、ハイビジョンカメラを用いた場合には全体が広いため、カメラを移動させることなくこれまで以上に広く物体を追従することが可能である。
【０１９８】
このように、全画素でハイビジョン映像を撮影し、同時に部分転送をすることで、ハイビジョンの広範囲の画像と、無駄のない必要部分の高速周期の画像を同時に得ることが可能となっている。例えば、工場のラインの広範囲の部分を全体画像にて認識し、何がどこにあるかなどの認識を行い、同じカメラから得られる部分画像により視覚を用いた高速なフィードバックによる組み立てや調整作業を行うことが可能となる。しかも、部分転送領域を自由に変更できることにより、調整部分や組み立て部にバラツキがあっても対応できること、調整部分や組み立て部が複数あっても対応できることなどの特徴さえ持ち合わせる。
【０１９９】
また、この広範囲の画像を撮影できることは、これまで複数台のカメラを使用して初めて実現していたことを１台のカメラで行えることを意味する。したがって、前記実施の形態に述べたように、カメラの設置面積などが少なくなる効果に加えて、複数のカメラで行う場合のカメラ間の座標調整やカメラの物理的配置などの煩雑な作業を削除することが可能となる。
【０２００】
なお、本実施の形態では、２つの領域を同時に出力するために、選択転送手段に２つの信号通過フィルタ４１・４３を接続してるがこれに限られることはない。すなわち、出力したい領域が１つであればフィルタは必要なく、また、出力したい領域が複数あれば、その数に応じてフィルタの数を変えればよい。これは、上記参考形態１、２における選択転送手段に対しても同様のことが言える。
【０２０１】
また、上記実施の形態１ないし３では、受光時間を制限するためにシャッター３１およびそれを制御するためのシャッター駆動信号線３２を用いているが、これらの手段の有無は本発明を限定するものではない。つまり、周期的な動作を行う場合などはこれらの手段を用いる必要がない場合もある。
【０２０２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のイメージセンサは、マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出すことが可能な垂直電荷転送手段と、該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を水平ライン単位で転送する複数の水平電荷転送手段と、該水平電荷転送手段の個数と同数またはそれより１つ少ない個数で、垂直電荷転送手段から送出される信号電荷を一時的に記憶した後、上記水平電荷転送手段に信号電荷を転送する電荷記憶転送手段と、垂直電荷転送手段からの信号電荷を上記電荷記憶転送手段に順次記憶させた後、垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態となるように制御する制御手段とを備える構成である。
【０２０３】
これにより、すべての水平電荷転送手段がそれぞれ独立の動作を行うことが可能となるので、１つのイメージセンサで複数の画像を同時に出力することが可能となる。この結果、複数のイメージセンサを用いた場合に比べて、画像処理システムの処理速度を向上させることが可能となる。また、各水平電荷転送手段の転送速度や転送範囲に相違を持たせ、複数の異なった特性の画像を並行して出力することもできるという効果を奏する。
【０２０４】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、第１の水平電荷転送手段が電荷記憶転送手段を介して双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端に接続されると共に、第２の水平電荷転送手段が他方の出力端に直接接続され、上記制御手段が、上記双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とを接続する接続手段と、該接続手段により双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第２の水平電荷転送手段に信号電荷を転送するように制御する駆動信号とからなる構成である。
【０２０５】
これにより、容易に２つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となるという効果を奏する。
【０２０６】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の一方の端部に出力端を有する単方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段が第１の水平電荷転送手段が接続された電荷記憶転送手段と第２の水平電荷転送手段とのどちらを単方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段である構成である。
【０２０７】
これにより、容易に２つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となるという効果を奏する。
【０２０８】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が、各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段が、第１の水平電荷転送手段が接続された第１の電荷記憶転送手段と双方向垂直電荷転送手段とを接続する接続手段と、第２の水平電荷転送手段が接続された第２の電荷記憶転送手段と第３の水平電荷転送手段とのどちらを双方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段と、上記接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第１の電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して切換手段に信号電荷を転送するように制御する駆動信号とからなる構成である。
【０２０９】
これにより、容易に３つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となるという効果を奏する。
【０２１０】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記水平電荷転送手段の内の少なくとも１つを、垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段に置き換える構成である。
【０２１１】
これにより、選択転送手段は水平１ライン中の画素を任意に選択できるので、上記の効果に加えて、固定範囲の画像を得る動作と任意の領域画像を高速に得る動作とを並行して行うことができるという効果を奏する。
【０２１２】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記選択転送手段が、出力選択信号に基づいて開閉を行うことにより各垂直電荷転送部から同時に送出された信号電荷を任意に選択する複数の選択用スイッチング素子と、掃出選択信号に基づいて開閉を行うことにより上記選択用スイッチング素子に選択されなかった信号電荷を掃き捨てる複数の掃出用スイッチング素子とからなる構成である。
【０２１３】
これにより、選択転送手段は複数のスイッチング素子のみで構成されているので、容易な構成で選択転送手段を構成することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考形態１にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図２】 上記イメージセンサの有効画素領域を示す説明図である。
【図３】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図４】 上記イメージセンサの他の駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図５】 光電変換受光素子に電荷が蓄積された状態を示す説明図である。
【図６】 垂直ＣＣＤへ電荷が転送された状態を示す説明図である。
【図７】 最下位ラインの電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図８】 下から２ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図９】 下から３ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図１０】 下から４ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図１１】 下から５ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図１２】 下から６ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図１３】 最下位ラインの電荷がバッファに転送されたときの他の処理状態を示す説明図であり、（ａ）は前半の処理、（ｂ）は後半の処理である。
【図１４】 図３６の従来のイメージセンサによる動作を示すフローチャートである。
【図１５】 図３８の他の従来のイメージセンサによる動作を示すフローチャートである。
【図１６】 図１のイメージセンサによって、方形領域の部分転送を行う場合の動作を示すフローチャートである。
【図１７】 図１のイメージセンサによって、任意の形状の領域の部分転送を行う場合の動作を示すフローチャートである。
【図１８】 転送領域の例を示す説明図である。
【図１９】 転送領域の他の例を示す説明図である。
【図２０】 転送領域のその他の例を示す説明図である。
【図２１】 参考形態２にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図２２】 上記イメージセンサの他の構成を示す構成図である。
【図２３】 参考形態３にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図２４】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図２５】 上記駆動クロックの周期的動作を示すタイミングチャートである。
【図２６】 本発明の実施の形態１にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図２７】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図２８】 上記駆動クロックの周期的動作を示すタイミングチャートである。
【図２９】 上記イメージセンサの他の構成を示す構成図である。
【図３０】 本発明の実施の形態２にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図３１】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図３２】 上記駆動クロックの周期的動作を示すタイミングチャートである。
【図３３】 本発明の実施の形態３にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図３４】 上記イメージセンサの動作の動作可能時間帯を示すタイミングチャートである。
【図３５】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図３６】 従来のイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図３７】 撮像領域を示す説明図である。
【図３８】 従来の水平ライン単位で間引きを行うイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図３９】 従来の水平ライン単位で間引きを行う他のイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図４０】 図３８、図３９のイメージセンサでは高速に転送することができない撮像領域の例を示す説明図である。
【図４１】 撮像領域の他の例を示す説明図である。
【図４２】 撮像領域のその他の例を示す説明図である。
【図４３】 撮像領域のその他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 光電変換受光素子（光電変換部）
２ 垂直ＣＣＤ（垂直電荷転送手段・単方向垂直電荷転送手段）
３ バッファ
４ 選択用スイッチング素子
６ 掃出用スイッチング素子
１３ 双方向垂直ＣＣＤ（双方向垂直電荷転送手段）
１５・２６・３８・４５ 水平ＣＣＤ（水平電荷転送手段）
２３ 接続手段
２４・３７ 垂直ＣＣＤ（電荷記憶転送手段）
２９・３０ 電荷掃出部
３５ 切換手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷転送素子（以下、ＣＣＤと略称する）を用いて、高速に画像を転送するイメージセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
画像情報を処理することで物体の位置などを計測する画像処理技術は、ＦＡ（factry automation)分野などで広く用いられている。これらの画像処理の高速化はＦＡ装置の高速化や新たな用途の開発のために切望されており、画像データの処理速度は年々高速化している。このため、画像処理システムをより高速化するには、システムに画像を入力するためのイメージセンサでの処理速度を向上させることが不可欠である。このようなイメージセンサを得るためには、１フレームの画像をより高速に転送することが考えられる。
【０００３】
一般に、ＣＣＤにより２次元のイメージを転送する場合には、ＣＣＤで得られる画像全体を順次転送する。この場合の手順を図３６に示す。まず、光電変換受光素子１に光が照射され、得られた光量に応じて電荷が発生する。電荷転送信号線１０に入力される電荷転送信号に制御されて、その電荷は一斉に垂直ＣＣＤ２に転送される。転送された電荷は、垂直ＣＣＤ駆動信号線１１に入力される垂直ＣＣＤ駆動信号に制御されて、最下部から水平１ライン分が水平ＣＣＤ１５に転送される。水平ＣＣＤ１５に転送された電荷は１画素分ずつ出力信号線１６から出力される。以降、水平ＣＣＤ１５が１ライン分転送し終わる毎に垂直ＣＣＤ２から１ライン分の転送が行われ、全ての電荷が転送されることで、１画面分の情報が出力される。
【０００４】
しかしながら、例えば画面が横６４０画素×縦４８０画素で構成されているとすると、画面の画素数は６４０×４８０＝３０７，２００個であり、１秒間に６０フレームの画像を転送する場合では、３０７，２００個×６０＝１８，４３２，０００個もの画素を水平ＣＣＤ１５は転送していることになる。１フレームの画像をより高速に転送するためには、これ以上の速度で水平ＣＣＤ１５を動作させる必要がある。しかし、これ以上動作速度を高速にすることは、水平ＣＣＤ１５などの発熱が大きくなるなどの問題があるため困難とされている。
【０００５】
そこで、特許文献１に、スロー再生に使用できるほどの高速なフレーム転送速度が可能なＣＣＤカメラを実現するための技術が開示されている。上記公報では、水平ＣＣＤを複数のエリアに分けることによって、水平ＣＣＤ内で得られる水平１ライン分の画像を複数に分割している。そして、各エリアからの出力を同じタイミングで読み出す並列動作を行って１画面全ての画像を得ることによって、画像を高速に転送させている。
【０００６】
しかし、画像処理においては、画像の全画面の情報を処理する必要がある場合より、一部分の画像の情報を処理するだけでよい場合が非常に多いため、全ての画像情報を高速に転送するより、必要な情報のみを転送することでフレーム転送速度を速くする方が効果的である。
【０００７】
例えば、図３７に示すように、全画像領域１００の範囲内に円形の物体１０１があり、この物体１０１が領域１０２の範囲にしか存在しないとわかっている場合には、物体１０１の位置計測に必要な画像領域は領域１０２の範囲のみであり、その他は必要ない。したがって、このような場合では、領域１０２以外の領域を転送する動作は無駄である。
【０００８】
そこで、必要な画像の転送周期を速めるために、無駄な転送をなくし、領域１０２のみを転送する技術が提案されている。
【０００９】
例えば、特許文献２には、図３８に示すように、水平ＣＣＤ１５に転送された画像が必要でない場合には、水平１ライン分を転送せず、掃き捨てることで画像を高速に転送するイメージセンサが開示されている。つまり、このイメージセンサは、複数のオーバーフローゲート１０３が水平ＣＣＤ１５に接続され、各オーバーフローゲート１０３には掃出選択信号線１０６および掃出信号線１０５が接続された構成である。これにより、転送の必要がないラインが水平ＣＣＤ１５に入力されると、掃出選択信号線１０６を介して掃出信号が同時に各オーバーフローゲート１０３に入力され、それによって、１ライン分の画像が掃出信号線１０５から排出される。
【００１０】
また、特許文献３には、図３９に示すように、水平ＣＣＤ１５に転送する水平１ライン分を任意に選択することで、必要な水平ラインのみを転送して高速化するイメージセンサが開示されている。つまり、このイメージセンサは、一方の電極を光電変換受光素子１に接続し、他方の電極を垂直ＣＣＤ１０８に接続したスイッチ素子１０７を有する構成である。このとき、上記他方の電極は列方向で共通して１つの垂直ＣＣＤ１０８に接続されている。これにより、スイッチ素子１０７にて行単位で光電変換受光素子１が選択され、必要なラインのみが垂直ＣＣＤ１０８に転送される。そして、水平ＣＣＤ１５の出力信号線１６から１ライン分の画素が出力される。
【００１１】
【特許文献１】
特開平３−１２４１７６号公報（公開日１９９１年５月２７日）
【００１２】
【特許文献２】
特開平２−９７１８０号公報（公開日１９９０年４月９日）
【００１３】
【特許文献３】
特開平２−２９５２８３号公報（公開日１９９０年１２月６日）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のイメージセンサでは、その処理速度を高速化することができないという問題を有している。
【００１５】
すなわち、上述のような水平ライン単位での間引きの手法では、図４０の横幅１１１・縦幅１１２で示される領域１１０のように縦幅１１２が長い画像領域の場合は、間引くことのできる水平ラインは少なく、全ての画像を転送する場合とほとんど同程度の時間が必要となる。また、他の領域例として、図４１に示す領域１１３や、図４２に示すように目的の領域１１０が２つある場合、図４３に示す不定型領域１１４などに対しても同様に高速な転送ができない。
【００１６】
高速転送を行うために、領域１１０だけを撮像する画素数の少ないイメージセンサを用いることが考えられる。しかし、この場合には高速に１フレームの転送が可能であるが、全体を把握することができないこと、撮像範囲が固定されており変更できないことなどの問題が発生する。
【００１７】
ところで、全体を把握しながら特定領域のみを高速に転送しようとした場合、領域１１０だけを撮像する画素数の少ないイメージセンサと、領域全体を撮像する図３６に示すような通常のイメージセンサとの２つのイメージセンサを設けることが考えられる。この場合、全体を把握する場合は通常のイメージセンサを用いて通常のフレーム転送速度で撮影し、領域１１０のみが必要な場合は画素数の少ないイメージセンサを用いて速いフレーム転送速度で撮影することで、全体および部分の両方の撮影が行える。
【００１８】
しかし、このように複数のイメージセンサを用いるために複数の光学系を用いると、イメージセンサ毎に画像をとらえる角度や拡大率が違うので、別々のイメージセンサ間の画素の対応をとるための調整や画素間の対応を計算するためのソフトウェアが必要になる。そして、このような調整を要するため、イメージセンサ全体としての処理速度の低下を招くことになる。また、２台のイメージセンサが必要なため、高コストになること、２台のイメージセンサを設置するための空間がたくさん必要となることなどの問題も生じる。
【００１９】
上記のように２台のイメージセンサを用いずに、１台のイメージセンサで全体を把握しながら特定領域のみを高速に転送しようとした場合、図３８や図３９に示すイメージセンサを用いた部分転送による高速転送と、全体画像の通常速度での転送とをスイッチなどを用いて切り換える構成が考えられる。しかし、高速な部分転送を行っている間には全体画像は転送できないため、部分転送による高速画像処理を行いながら、同時に全画像領域を用いた黙視などによる全体検査などを行うには、結局２台のイメージセンサを並行して用いるしかなく、問題を解決することはできない。
【００２０】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、処理速度を低下させることなく、複数の出力系から並列して画像を出力することができる並列読み出しのイメージセンサを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のイメージセンサは、マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出すことが可能な垂直電荷転送手段と、該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を水平ライン単位で転送する複数の水平電荷転送手段と、該水平電荷転送手段の個数と同数またはそれより１つ少ない個数で、垂直電荷転送手段から送出される信号電荷を一時的に記憶した後、上記水平電荷転送手段に信号電荷を転送する電荷記憶転送手段（例えば、垂直ＣＣＤ）と、垂直電荷転送手段からの信号電荷を上記電荷記憶転送手段に順次記憶させた後、垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態となるように制御する制御手段とを備えることを特徴としている。
【００２２】
上記構成によれば、光電変換部にて生成された信号電荷は垂直電荷転送手段を介して１つの電荷記憶転送手段に転送され、一時的に信号電荷が保持される。この間、他の電荷記憶転送手段がある場合には光電変換部に蓄積された新たな信号電荷が上記同様に他の電荷記憶転送手段に順次転送され一時的に保持される。すべての電荷記憶転送手段に信号電荷が記憶された後、制御手段によって垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態となるように制御される。
【００２３】
ここで、信号電荷が保持されている各電荷記憶転送手段には水平電荷転送手段がそれぞれ接続されているので、すべての水平電荷転送手段がそれぞれ独立の動作を行うことが可能となる。これにより、複数の水平電荷転送手段から並行して信号電荷を転送することができるので、１つのイメージセンサで複数の画像を同時に出力することが可能となる。
【００２４】
この結果、領域ごとに光学系やイメージセンサを用意する必要がないので、コストおよび設置を行うための作業を低減することができる。また、それらを設置するための空間を要することもない。さらに、複数の光学系やイメージセンサを配置した場合に比べて、画素同士の対応をとるための複雑な処理や調整を行わなくてよいので、全体としての装置の処理速度を向上させることができる。
【００２５】
また、各々の水平電荷転送手段の大きさなどを変更することで、各水平電荷転送手段の転送速度や転送範囲に相違を持たせ、複数の異なった特性の画像を並行して出力することもできる。これにより、通常の速度で全体画像を転送しながら高速に部分画像を転送することなどが可能となる。
【００２６】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の一方の端部に出力端を有する単方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段が第１の水平電荷転送手段が接続された電荷記憶転送手段と第２の水平電荷転送手段とのどちらを単方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段であることを特徴としている。
【００２７】
上記構成によれば、単方向垂直電荷転送手段の出力端には切換手段が接続されることになる。このとき、まず、切換手段によって、単方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とを接続しておく。電荷記憶転送手段に信号電荷が保持されると、第２の水平電荷転送手段と単方向垂直電荷転送手段とが接続される。これにより、容易に２つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となる。
【００２８】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が、各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段が、第１の水平電荷転送手段が接続された第１の電荷記憶転送手段と双方向垂直電荷転送手段とを接続する接続手段と、第２の水平電荷転送手段が接続された第２の電荷記憶転送手段と第３の水平電荷転送手段とのどちらを双方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段とを備え、上記接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第１の電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して切換手段に信号電荷を転送するように制御することを特徴としている。
【００２９】
上記構成によれば、双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端には接続手段が、他方の出力端には切換手段が接続されることになる。このとき、接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが導通状態のときには、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷は駆動信号に制御されて第１の電荷記憶転送手段に入力される。一方、接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷は駆動信号に制御されて切換手段に入力される。そして、切換手段によって、第２の電荷記憶転送手段に信号電荷が保持された後に第３の水平電荷転送手段に双方向垂直電荷転送手段が接続される。これにより、容易に３つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となる。
【００３０】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記水平電荷転送手段の内の少なくとも１つを、垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段に置き換えることを特徴としている。
【００３１】
上記構成によれば、選択転送手段は水平１ライン中の画素を任意に選択できるので、本発明のイメージセンサは、上記の効果に加えて、固定範囲の画像を得る動作と任意の領域画像を高速に得る動作とを並行して行うことができる。
【００３２】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記選択転送手段が、出力選択信号に基づいて開閉を行うことにより各垂直電荷転送部から同時に送出された信号電荷を任意に選択する複数の選択用スイッチング素子と、掃出選択信号に基づいて開閉を行うことにより上記選択用スイッチング素子に選択されなかった信号電荷を掃き捨てる複数の掃出用スイッチング素子とからなることを特徴としている。
【００３３】
上記構成によれば、選択転送手段に転送された信号電荷は、選択用スイッチング素子によって必要な信号電荷が選択される一方、掃出用スイッチング素子によって不要な信号電荷が掃き捨てられる。これにより、選択転送手段は複数のスイッチング素子のみで構成されているので、容易な構成で選択転送手段を構成することが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
〔参考形態１〕
本発明の参考形態１について図１ないし図２０に基づくとともに、図３６および図３８を参照して説明すれば、以下の通りである。
【００３５】
本参考形態にかかるイメージセンサは、図１に示すように、光電変換受光素子１、垂直ＣＣＤ２、バッファ３、選択用スイッチング素子４、および掃出用スイッチング素子６を有する。
【００３６】
光電変換受光素子（光電変換部）１は、縦ｎ個×横ｍ個のマトリクス状に配置され受光部を形成している。光電変換受光素子１は、入射光量に応じて信号電荷を蓄積し、あるタイミングで垂直ＣＣＤ２にそれを転送する。なお、本参考形態では、説明を簡単にするために、ｎ＝６およびｍ＝８として縦６画素×横８画素＝全４８画素で構成される受光部を例にして説明を行う。ただし、この数値は本参考形態を限定するものではない。
【００３７】
垂直ＣＣＤ（垂直電荷転送手段）２は、光電変換受光素子１の横の個数と同数個（ここでは、８個）の垂直ＣＣＤ部（垂直電荷転送部）からなり、各垂直ＣＣＤ部は光電変換受光素子１の各縦１列に隣接して垂直方向に配置される。垂直ＣＣＤ２は、図中左隣の光電変換受光素子１から転送された上記電荷を、一方の端部に設けられた出力端からその電荷を１画素ずつ順次送り出す。つまり、８個の垂直ＣＣＤ部から同時に電荷が送出されることによって、１行単位でバッファ３に電荷が転送される。
【００３８】
また、図２に示すように、垂直ＣＣＤ２には、光電変換受光素子１で生成された電荷を垂直ＣＣＤ２内に転送させるための電荷転送信号Ｃ10を入力する電荷転送信号線１０が接続されている。さらに、垂直ＣＣＤ２には、垂直ＣＣＤ２を駆動して、電荷を下方向へ移動させるための垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11を入力する垂直ＣＣＤ駆動信号線１１が接続されている。
【００３９】
バッファ３は、図１に示すように、垂直ＣＣＤ２の出力端に接続され、垂直ＣＣＤ２からの電荷を一時的に保持する。また、バッファ３の利得を調整することで、垂直転送路ごとの感度の違いを調整することができる。
【００４０】
選択用スイッチング素子４は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor)などからなり、そのドレインがバッファ３に接続され、ソースが出力信号線８に接続され、ゲートが出力選択信号線５に接続される。この選択用スイッチング素子４は、出力選択信号線５に入力される出力選択信号に基づいて、バッファ３内の必要な電荷のみを選択して出力信号線８に導く。
【００４１】
掃出用スイッチング素子６は、例えばＦＥＴなどからなり、そのドレインがバッファ３に接続され、ソースが掃出信号線９に接続され、ゲートが掃出選択信号線７に接続される。上記掃出信号線９は接地されている。この掃出用スイッチング素子６は、選択用スイッチング素子４で選択されなかった電荷を、掃出選択信号線７に入力される掃出選択信号に基づいて選択して掃出信号線９に導く。
【００４２】
なお、選択転送手段は、バッファ３、選択用スイッチング素子４、出力選択信号線５、掃出用スイッチング素子６、掃出選択信号線７、出力信号線８、および掃出信号線９に対応している。
【００４３】
上記構成によるイメージセンサの動作を、図２に示すように、全４８画素のうち中央部の縦３画素×横３画素の９画素で形成される有効領域１２のみを出力する場合を例にあげて説明する。この動作を行う場合には、図３に示すような駆動クロックを発生させる。
【００４４】
なお、この説明に際して上記選択用スイッチング素子４を図中右から４ａないし４ｈとし、掃出用スイッチング素子６を６ａないし６ｈとして説明する。また、図３におけるＣ4aないしＣ4hは選択用スイッチング素子４ａないし４ｈに印加される出力選択信号を表し、Ｃ6aないしＣ6hは掃出用スイッチング素子６ａないし６ｈに印加される掃出選択信号を表している。また、Ｃ8 は出力信号線８から出力される信号を示している。
【００４５】
照射された光量に応じた電荷が光電変換受光素子１にて生成され（図５参照）、図３に示す電荷転送信号Ｃ10がＨレベルになると全４８画素の電荷が垂直ＣＣＤ２に転送される（図６参照）。転送された電荷は垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11がＨレベルになると、最下部の１行分からバッファ３に転送される。そして、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11を一旦Ｌレベルにすると同時に掃出用スイッチング素子６ａないし６ｈをＯＮとする。つまり、最も下の１行目には必要な画素が存在しないため、選択用スイッチング素子４ａないし４ｈは全てＯＦＦとし、掃出用スイッチング素子６ａないし６ｈを同時にＯＮとして全ての電荷を一度に掃き出す（図７参照）。次の１行も同様に行う（図８参照）。
【００４６】
下から３行目から５行目の画素には必要とする画素が３画素ずつ存在する。したがって、この場合、掃出用スイッチング素子６ａ・６ｂ、６ｆないし６ｈをＯＮにして計５画素を掃き捨て、選択用スイッチング素子４ｃないし４ｅを順次１つずつＯＮにして３つの画素を順に１つずつ出力する（図９〜図１１参照）。最後の行は、最初の行と同様に全て画素を掃き出す（図１２参照）。
【００４７】
このようにして、転送すべき電荷は選択用スイッチング素子４ａないし４ｈに選択され出力信号線８より順次出力される一方、不要な画素の電荷は掃出用スイッチング素子６ａないし６ｈにより掃出信号線９へ出力される。
【００４８】
なお、図７や図１２のように、全ての電荷を一度に放出する場合には掃出信号線９に流れる電流が大きくなる場合があるため、まず、掃出用スイッチング素子６ａないし６ｄのみをＯＮとして半分を掃き出し（図１３（ａ）参照）、その後、掃出用スイッチング素子６ｅないし６ｈをＯＮとして残りの半分を掃き出す構成としてもよい（図１３（ｂ）参照）。この場合の駆動クロックは、図４に示す通りである。
【００４９】
上記図３に示すような駆動クロックを発生させる手法としては、図１６に示すアルゴリズムを用いれば容易に行うことができる。まず、比較のために、従来のイメージセンサの動作を説明する。
【００５０】
図３６に示す従来のＣＣＤイメージセンサで、縦６画素×横８画素の画像を転送する場合のフローチャートは、図１４に示すようになる。
【００５１】
ステップ（以下Ｓと略称する）１０１では、光電変換受光素子１に受光された光量に応じた電荷が発生する。これを垂直ＣＣＤ２に転送し、下からの行数をカウントする縦カウンタの変数Ｉに１を代入する（Ｓ１０２）。その後、垂直ＣＣＤ２を駆動し、下からＩライン目の画素を表す電荷を水平ＣＣＤ１５に転送し（Ｓ１０３）、右からの列数をカウントする横カウンタの変数Ｊに１を代入する（Ｓ１０４）。そして、水平ＣＣＤ１５を駆動し、出力信号線１６から１画素分の情報が出力される（Ｓ１０５）。変数Ｊに１を加え（Ｓ１０６）、Ｓ１０７で変数Ｊが８を越えていなければＳ１０５へ戻り処理を繰り返し、変数Ｊが８を越えていればＳ１０８へ進む。すなわち、水平ＣＣＤ１５に転送された水平１ライン分（８画素）の画像情報を全て出力するまで出力を繰り返す。
【００５２】
Ｓ１０８では、変数Ｉに１を加え、Ｓ１０９で変数Ｉが６を越えていなければＳ１０３へ戻り、変数Ｉが６を越えていれば処理を終了する。すなわち、垂直ライン分だけＳ１０３〜Ｓ１０９の処理を繰り返すことで全ての画素を出力する。結局、必要とする画素数に関係なく、横の画素数×縦の画素数回（この場合は８×６＝４８回）の出力を行う。
【００５３】
次に、図３８に示す従来のイメージセンサで、縦６画素×横８画素の画像を水平１ライン単位で間引いて部分転送を行う場合のフローチャートは、図１５に示すようになる。
【００５４】
Ｓ２０１〜Ｓ２０３は、上記Ｓ１０１〜Ｓ１０３と同様に、発生した電荷を垂直ＣＣＤ２に転送し、縦のカウント数を表す変数Ｉに１を代入すると、垂直ＣＣＤ２が動作し、下からＩライン目の画素を表す電荷が水平ＣＣＤ１５に転送される。ここで、変数Ｉは下から何番目の水平ラインの画素が水平ＣＣＤ１５に転送されたかを示しているため、Ｓ２０４では、変数Ｉが３から５の範囲（２＜Ｉ＜６）である場合にはＳ２０５へ、それ以外の場合にはＳ２１１の処理へと分岐する。
【００５５】
Ｓ２１１では、掃出信号がＯＮとなり、掃出信号線１０５より水平ＣＣＤ１５に転送された１ライン全ての電荷が一括して掃き捨てられる。このとき、掃き捨てが十分な時間以上この状態を保持したまま、掃出信号をＯＦＦとし、Ｓ２０９の処理に移行する。
【００５６】
一方、Ｓ２０４で変数Ｉが３から５の範囲である場合にはＳ２０５〜Ｓ２０８の処理を行うが、これは上述のＳ１０４〜Ｓ１０７の処理と同じである。すなわち、水平ＣＣＤ１５に転送された水平１ライン分（８画素）の画像情報を全て出力するまで出力を繰り返す。
【００５７】
Ｓ２０９では、変数Ｉに１を加え、Ｓ２１０で変数Ｉが６を越えていなければＳ２０３へ戻り、変数Ｉが６を越えていれば処理を終了する。すなわち、垂直ライン分だけＳ２０３〜Ｓ２１０の処理を繰り返すことで必要な画素が存在する水平ラインのみを出力する。結局、必要とする画素数が存在する下から３・４・５番目の３つの水平ラインの全ての画素を出力するため、３×８（横画素数）＝２４回の出力を行う。なお、出力範囲を変更する場合には、Ｓ２０４での変数Ｉとの比較に用いた数値を変更する。例えば、有効な画素が下から２〜４ライン目に含まれているならば、Ｓ２０４の比較式を「１＜Ｉ＜５」に変更すればよい。
【００５８】
これら従来例に対する本参考形態における図２のイメージセンサの部分転送の動作は、図１６のフローチャートに示す通りである。
【００５９】
光電変換受光素子１には受光された光量に応じた電荷が発生する。これを垂直ＣＣＤ２に転送し（Ｓ１）、下からの行数をカウントする縦カウンタの変数Ｉに１を代入する（Ｓ２）。その後、垂直ＣＣＤ２が駆動し、下からＩライン目の画素を表す電荷をバッファ３に転送する（Ｓ３）。
【００６０】
上記変数Ｉは、下から何番目の水平ラインの画素がバッファ３に転送されたかを示しているので、Ｓ４では変数Ｉが３から５の範囲である場合にはＳ５へ進み、それ以外の場合にはＳ１３の処理へ分岐する。Ｓ１３では、掃出用スイッチング素子６を全てＯＮにすることにより、掃出信号線９から電荷を掃き出す。このとき、掃き捨てに十分な時間以上この状態を保持したまま、掃出用スイッチング素子６を全てＯＦＦとし、Ｓ１１の処理に移行する。
【００６１】
一方、Ｓ５では、まず、掃き捨てるべき画素である右から１・２・６・７・８番目の５画素に対応する、掃出用スイッチング素子６ａ、６ｂ、６ｆ、６ｇ、および６ｈのみをＯＮとし、それ以外の掃出用スイッチング素子６ｃないし６ｅはＯＦＦのままとする（図９参照）。次に、右からの列数をカウントする横カウンタの変数Ｊに３を代入し（Ｓ６）、選択用スイッチング素子４のうち右からＪ番目のみをＯＮとし、出力信号線８より出力を行う（Ｓ７）。一定期間後この選択用スイッチング素子４をＯＦＦとしＳ７を終了する。横カウンタの変数Ｊの値に１を加え（Ｓ８）、Ｓ９で変数Ｊが５を越えていなければＳ７・Ｓ８を繰り返し、変数Ｊが５を越えていればＳ１０へ進む。Ｓ１０では、掃出用スイッチング素子６の全てをＯＦＦとする。すなわち、Ｓ５〜Ｓ１０の処理によって、水平１ライン分のうち有効な画素である右から３・４・５番目の画素のみの出力を行うことになる。
【００６２】
このように、水平１ライン分のうち必要な部分のみ出力を行うので、３画素を出力するためには３回のみ出力を行えばよい。これは、図１５のアルゴリズムを用いた従来例の場合のように、有効画素が含まれているラインは全て出力する場合（水平１ラインで８回の出力）に対し少ない回数しか出力しないため、従来と比較してさらに高速な動作が可能となっている。
【００６３】
Ｓ１０あるいはＳ１３の処理の後、縦カウンタの変数Ｉに１を加え（Ｓ１１）、Ｓ１２で変数Ｉが６を越えていなければＳ３へ戻り、変数Ｉが６を越えていれば処理を終了する。
【００６４】
以上の処理により、撮像した画素のうち、有効な画素が含まれている垂直ラインの数だけＳ４〜Ｓ１１の処理を繰り返し、かつその中で有効な画素に対してのみＳ７〜Ｓ９の処理を行うことで、必要な画素のみ出力している。この場合は、必要な画素である縦３画素×横３画素＝９画素のみ出力している。これは上記従来例の出力である４８画素や２４画素よりはるかに少なく、高速化されていることがわかる。
【００６５】
なお、出力範囲を変更する場合は、Ｓ４やＳ９での変数Ｉ・Ｊとの比較に用いた数値、Ｓ５の掃き捨てる画素の指定、およびＳ６の変数Ｊに代入する値を変更すればよい。例えば、有効な画素が下から２〜４ライン目で右から２・３番目に含まれているならば、Ｓ４の比較式を「１＜Ｉ＜５」に、Ｓ９の比較式を「Ｊ＞３」に、Ｓ５の掃出用スイッチング素子６を「６ａ・６ｄ・６ｅ・６ｆ・６ｇ・６ｈ」に、Ｓ６の変数Ｊに代入する値を「２」に変更すればよい。
【００６６】
また、動作に必要な時間を垂直ＣＣＤ２が駆動している時間までで考えると、図５〜図１２より、１フレーム分の画像を出力する場合に必要なクロック数は１９クロックである。しかしながら、従来の全ての画素を出力する場合には、掃き捨てた残り４８−９＝３９画素も転送しなければならないので、さらに３９クロック分も必要となる。このとき、本参考形態のように水平３ラインを掃き捨てる３クロック分は必要ないので、結局、１９＋３９−３＝５５クロック必要となる。また、水平ライン単位で掃き捨てを行う場合でも、下から３〜５ラインの画像は全て転送するため、１ライン当たり５画素分余分に転送することになり、１９＋３×５＝３４クロック必要である。実際のイメージセンサの画素数は遙に多いので、必要な部分の画素数と全体の画素数との差が大きいほど、全体を出力する場合に比べ部分出力時の速度は速くなる。
【００６７】
また、上記参考形態では、有効領域１２が長方形もしくは正方形の領域の場合について述べたが、以下の掃き出しデータ表および出力データ表に示すデータテーブルと図１７に示すアルゴリズムを用いることにより、あらゆる形状の領域の出力が可能となる。
【００６８】
表１は掃き出しデータを示すものであり、その行番号は下からの水平ライン番号を示すものである。表１では行番号が１・２・６番の値は全て「１」であり、全ての画素を掃き出すことを示す。行番号が３・４・５番の値は右から３・４・５番目が「０」であるので画素を掃き出さず、残りは掃き出すことを示す。この「０」の領域は図２で示した有効領域１２の範囲を示す。
【００６９】
【表１】
表２は、出力すべきデータを示す。その行番号は表１の行番号に対応している。列番号は出力する位置を順に示したものであり、行番号が１・２・６番の値は全て「０」であり、全ての画素を出力しないことを示す。また、行番号が３・４・５番目の値は左から「３・４・５」の値となっているが、これは図２における下から３・４・５番目の水平ラインの各右から３・４・５番目の画素をこの順に出力することを示す。つまり、「０」以外の数値は図２の有効領域１２の範囲を出力する順も合わせて示している。
【００７１】
【表２】
図１７は、この表１および表２を用いて、任意の領域を出力する場合のアルゴリズムを示している。
【００７３】
Ｓ２１ないしＳ２３では、上述のＳ１ないしＳ３と同様に、光電変換受光素子１で発生した電荷を垂直ＣＣＤ２に転送し、変数Ｉに１を代入する。その後、垂直ＣＣＤ２が動作し、下からＩライン目の画素を表す電荷をバッファ３に転送する。
【００７４】
次に、表１の掃き出しデータ表の行番号がＩ番目のデータを変数Ｂに入力する（Ｓ２４）。変数Ｂに入力したデータを掃出選択信号線７に出力し掃出用スイッチング素子６を駆動する（Ｓ２５）。出力を保持する時間をカンウトする第１タイマをセットし（Ｓ２６）、横カウンタの変数Ｊに１を代入し（Ｓ２７）、表２の出力表の列番号がＪ番目のデータを変数Ｃに代入する（Ｓ２８）。つまり、変数Ｃには、出力表のＩ行Ｊ列のデータが代入されることになる。Ｓ２９で、この変数Ｃに代入した値が０ならばＳ３０へ移行し、変数Ｃの値が０でないならばＳ３４へ移行する。つまり、変数Ｃの値が０の場合は次の行に移行する。したがって、表２の「０」の右にある数値は参照されないので無効である。
【００７５】
ここで、変数Ｃの値が０でない場合は出力すべき画素があるということであるので、選択用スイッチング素子４の右からＣ番目の出力のみをＯＮにし（Ｓ３４）、出力を保持する時間をカンウトする第２タイマをセットし（Ｓ３５）、第２タイマが経過するのを待つ（Ｓ３６）。第２タイマ経過後、ＯＮにしていた選択用スイッチング素子４の選択出力をＯＦＦにし（Ｓ３７）、横カウンタの変数Ｊに１を加え（Ｓ３８）、この値が８を越えていればＳ３０に移行し、越えていなければＳ２８へ戻り処理を繰り返す。
【００７６】
Ｓ３０では、第１タイマが経過するのを待ち、掃き出すべきデータを十分に掃き出し、その後掃出用スイッチング素子６の掃出出力を全てＯＦＦにする（Ｓ３１）。縦カウンタの変数Ｉに１を加えて（Ｓ３２）、Ｓ３３で変数Ｉが６を越えていなければＳ２３へ戻り、変数Ｉが６を越えていれば水平６ライン全ての処理が終了する。
【００７７】
なお、上記第１・第２タイマは、データを十分に掃き出すための時間をカウントするためのものである。第１タイマは、独立に時間をカウントしており、設定した時間が経過したかどうかを判断する機能を持つものとする。なお、このようなタイマ機能は一般的なものであるため詳細な説明は行わない。
【００７８】
以上の動作により、必要な画素のみを出力する高速駆動が可能となる。上記有効領域１２に対して表１・表２のデータおよび図１７のアルゴリズムを用いると、電荷は図５〜図１２で示したように移動し、図１６のアルゴリズムの実行と同じ結果を生む。しかしながら、図１７のアルゴリズムは、図１６のアルゴリズムのような単純な長方形の領域に対してだけでなく、あらゆる形状の領域の出力を高速に実行することができる。
【００７９】
例えば、図１８に示される色の濃い部分で示されるような画像領域のみの情報が必要な場合でも、表３で示される掃き出しデータと表４で示される出力データとを用いて、図１７のアルゴリズムを実行させれば、高速に部分出力が可能である。なお、図１５で示される水平ライン単位の選択による高速化手法では、図１８のように全ての水平ラインに必要な画素が含まれている場合には全く高速化できない。
【００８０】
【表３】
【表４】
この場合の動作を考えると、図１８の領域は下の水平ラインからそれぞれ〔２・３〕、〔３・４〕、〔４・５〕、〔５・６〕、〔６・７〕、〔７・８〕の２画素ずつの情報が必要である。それぞれ必要な部分以外を掃き出すのであるから、表３の掃き出しデータは、必要な部分が「０」、それ以外は「１」となり、「１１１１１００１、１１１１００１１、１１１００１１１、１１００１１１１、１００１１１１１、００１１１１１１」となる。また、表４の出力データは、必要な画素をそのまま並べればよく、それぞれ「２・３、３・４、４・５、５・６、６・７、７・８」となる。
【００８３】
これらのデータに対して図１７のアルゴリズムを用いると、＜掃き出し（１１１１１００１）、出力（２）、出力（３）、掃き出し（１１１１００１１）、出力（３）、出力（４）、掃き出し（１１１００１１１）、出力（４）、出力（５）、掃き出し（１１００１１１１）、出力（５）、出力（６）、掃き出し（１００１１１１１）、出力（６）、出力（７）、掃き出し（００１１１１１１）、出力（７）、出力（８）＞の順に動作を行う。この場合の出力回数も、必要な画素数である１２回のみである。以上により、図１８で示されるような全水平ラインに必要な画素が含まれている場合でも必要な画素のみの出力を行うことができることがわかる。
【００８４】
次に、図１９で示されるような場合を考える。これは縦２画素×横２画素の領域をそれぞれ１つの画素で代表させた出力を行う場合の出力画素を示しており、画素の代表により１／２に縮小された画像を出力することを意味する。このような場合でも、表５に示される掃き出しデータと表６で示される出力データとを用いて、図１７のアルゴリズムを実行させれば、高速に部分出力を行うことが可能である。
【００８５】
【表５】
【表６】
この場合の動作を考えると、図１９の領域は下の水平ラインからそれぞれ〔なし〕、〔２・４・６・８〕、〔なし〕、〔２・４・６・８〕、〔なし〕、〔２・４・６・８〕の情報が必要であるから、表５の掃き出しデータは、「１１１１１１１１、１０１０１０１０、１１１１１１１１、１０１０１０１０、１１１１１１１１、１０１０１０１０」となる。また、表６の出力データは、「なし、２・４・６・８、なし、２・４・６・８、なし、２・４・６・８」となる。
【００８８】
これらのデータに対して図１７のアルゴリズムを用いると、＜掃き出し（１１１１１１１１）、掃き出し（１０１０１０１０）、出力（２）、出力（４）、出力（６）、出力（８）、掃き出し（１１１１１１１１）、掃き出し（１０１０１０１０）、出力（２）、出力（４）、出力（６）、出力（８）、掃き出し（１１１１１１１１）、掃き出し（１０１０１０１０）、出力（２）、出力（４）、出力（６）、出力（８）＞の順に動作を行う。この場合の出力回数も、必要な画素数である１２回のみである。以上より図１９で示されるような画素が連続していない場合でも必要な画素のみの出力を行うことができることがわかる。
【００８９】
次に、図２０で示されるような場合を考える。これは中央部の縦６画素×横４画素の領域を出力するだけである。この場合、表７に示される掃き出しデータと表８で示される出力データとを用いて、図１７のアルゴリズムを実行させれば、左右に反転した画像を高速に出力が可能である。
【００９０】
【表７】
【表８】
この場合の動作を考えると、図２０の領域は全て〔３・４・５・６〕の情報が必要であるから、表７の掃き出しデータは全て「１１００００１１」となる。また、表８の出力データは、全て「３・４・５・６」とするはずであるが、左右反転させるために全て逆順の「６・５・４・３」とする。
【００９３】
これらのデータに対して図１７のアルゴリズムを用いると、＜掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）、掃き出し（１１００００１１）、出力（６）、出力（５）、出力（４）、出力（３）＞の順に動作を行う。ここで水平画素の出力順序が３・４・５・６ではなく、逆の６・５・４・３になっているので、左右反転画像が出力されていることがわかる。また、この場合の出力回数も、必要な画素数である２４回のみである。これにより、水平ライン内で左右反転など出力順序を変更した場合でも、必要な画素のみの出力を行うことができることがわかる。
【００９４】
以上のように、本参考形態にかかるイメージセンサは、水平１ライン分の画素のうち必要な画素だけを選択して部分画像を出力することができるので、不要画素を転送する時間分だけ高速転送が可能となる。この結果、イメージセンサの処理速度を向上させることが可能となる。
【００９５】
また、本イメージセンサは画素単位で間引きを行うため、水平ライン単位で出力する部分が違う不定型な領域がある場合や目的の領域が複数ある場合でも、全画像情報を出力するより十分に高速な転送が可能となる。また、ライン単位の間引きを行っていた従来のイメージセンサと比較しても、特に目的領域の画素数が少ない場合には目的領域の形にかかわらず、高速に出力することができる。
【００９６】
さらに、選択転送手段での画素の選択を１つおきにして転送する画素数を１／２個とすることで１／２に縮小した画像を出力することも可能となる。また、複数を同時に選択して平均の値を出力する、すなわち、隣接した画素ｎ個を同時に選択することで横方向に１／ｎに圧縮した画像を取り出すことも可能となる。
【００９７】
以上のように、本参考形態のイメージセンサは、マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部（例えば、光電変換受光素子）と、該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出す垂直電荷転送手段（例えば、垂直ＣＣＤ）と、該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段とを備えることを特徴としている。
【００９８】
上記構成によれば、光電変換部によって、照射された光量に応じた信号電荷が生成される。信号電荷は、光電変換部の各列に隣接した各垂直電荷転送部によって引き込まれ、それぞれ同時に１画素ずつ選択転送手段へ送り出される。つまり、垂直電荷転送手段から送出された信号電荷は水平１ライン分の画素として選択転送手段に入力される。選択転送手段では必要な信号電荷のみを選択して転送すると共に、不要な信号電荷を外部へ排出する。各水平ライン毎に同様に選択転送を行うことによって１フレーム分の画像が転送されることになる。
【００９９】
このとき、水平１ライン分の画素のうち必要な画素だけを選択して部分画像を出力することができるので、不要画素を転送する時間分だけ高速転送が可能となる。また、本発明のイメージセンサは、従来のような水平ライン単位の掃き捨てではなく、画素単位で間引きを行うため、いかなる形状の領域でも効率よく高速に出力することができる。さらに、選択転送手段での画素の選択の仕方を変えることによって、１／２に縮小した画像や、横方向に圧縮した画像を取り出すことも可能となる。
【０１００】
〔参考形態２〕
本発明の参考形態２について図２１および図２２に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１０１】
本参考形態のイメージセンサは、図２１に示すように、参考形態１の垂直ＣＣＤ２の代わりに双方向垂直ＣＣＤ１３を備えるとともに、水平ＣＣＤ１５および垂直ＣＣＤ駆動信号線１４を加えており、その他の構成については参考形態１と同じである。
【０１０２】
双方向垂直ＣＣＤ（双方向垂直電荷転送手段）１３は上下双方向に電荷を移動することができるＣＣＤであり、光電変換受光素子１の横の個数と同数個（ここでは、８個）の垂直ＣＣＤ部からなる。各垂直ＣＣＤ部は光電変換受光素子１の各縦１列に隣接して垂直方向に配置される。また、各垂直ＣＣＤ部は、長手方向の両端部に出力端を有し、図において、双方向垂直ＣＣＤ１３の下部の出力端には水平ＣＣＤ１５が接続され、上部の出力端には選択転送手段が接続される。
【０１０３】
なお、選択転送手段は、バッファ３、選択用スイッチング素子４、出力選択信号線５、掃出用スイッチング素子６、掃出選択信号線７、および出力信号線８からなっている。また、選択転送手段と水平ＣＣＤ１５とは上下が逆になってもよいことは言うまでもない。
【０１０４】
上記双方向垂直ＣＣＤ１３には、光電変換受光素子１で生成された電荷を双方向垂直ＣＣＤ１３内に転送させる電荷転送信号Ｃ10を入力するための電荷転送信号線１０が接続される。さらに、双方向垂直ＣＣＤ１３には、電荷を上方向に転送するように制御する垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14を入力するための垂直ＣＣＤ駆動信号線１４が接続されるとともに、電荷を下方向に転送するように制御する垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11を入力するための垂直ＣＣＤ駆動信号１１が接続されている。
【０１０５】
水平ＣＣＤ（水平電荷転送手段）１５は、入力された１ライン分の電荷を１画素ずつ順に出力信号線１６から出力する。水平ＣＣＤ１５が１ライン分の電荷を出力信号線１６から出力し終わる毎に双方向垂直ＣＣＤ１３から１ライン分の転送が行われ、全ての電荷が転送されることで１画面分の情報が出力される。なお、水平ＣＣＤ１５は、水平ＣＣＤ駆動信号線２１に入力される水平ＣＣＤ駆動信号Ｃ21により駆動される。
【０１０６】
なお、駆動信号は、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11および垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14に対応している。
【０１０７】
上記構成によれば、光電変換受光素子１によって生成された電荷は、隣接する垂直ＣＣＤ部に転送される。双方向垂直ＣＣＤ１３では、下へ転送する垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11により水平ＣＣＤ１５に１行単位で電荷が転送されるか、あるいは上へ転送する垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14により選択転送手段へ１行単位で電荷が転送される。
【０１０８】
すなわち、本参考形態のイメージセンサは、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４を用いずに、双方向垂直ＣＣＤ１３、垂直ＣＣＤ駆動信号線１１、および水平ＣＣＤ１５にて出力信号線１６より通常の全画面の出力を通常の速度で得る場合と、垂直ＣＣＤ駆動信号線１１を用いずに、双方向垂直ＣＣＤ１３、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４、および選択転送手段にて出力信号線８より任意の領域の出力を高速に得る場合との２種類の出力系を持つイメージセンサとなる。
【０１０９】
したがって、どちらの出力系に送られる情報も同一の受光面により得られたものであるため、双方の出力間の画素のずれや拡大率（１画素が表現する面積）の違いは基本的に存在しない。このため、どちらの出力系から得た画像であっても、画像処理などにより面積などの計測を行っても全く同じ結果が得られる。
【０１１０】
これにより、別の光学系やイメージセンサを用意した場合と比べて、２つの光学系やイメージセンサ間の複雑な調整や、２つの画像出力間の相関関係を求めるための複雑な計算を行う必要はない。また、温度や振動による調整後の両者のずれも全く気にする必要がなくなる。つまり、異なるアスペクト比や転送周期を持つ画像を容易かつ高精度に得ることができる。さらに、イメージセンサは１台でよいので、コスト、設置する空間、および設置にかかる作業を低減することができる。
【０１１１】
また、上部の選択転送手段により全領域を選択出力する場合と、下部の水平ＣＣＤ１５で全領域を転送する場合とでは転送する領域は同じになるが、それぞれの出力系から転送される画素の順序が異なるなどの違いがある。しかし、それ以上に２つの出力系を別々に持つということは以下の大きな特徴がある。
【０１１２】
すなわち、水平ＣＣＤ１５から出力を得ることは、通常のＣＣＤ撮像素子で映像を得ることと全く同じであるため、従来同様ＮＴＳＣ（National Television System Committee) などの規格に合致したタイミングで信号を出力することに特化させることができる。一方、選択転送手段を用いた部分読み出し動作による任意の範囲の画像出力は、ＮＴＳＣなどの決まった形態で転送せずに、接続される画像処理装置に転送するのに都合のよいタイミングや速度に特化させる構成や、高速化のために特化させた構成など、自由に設計することができる。
【０１１３】
このように自由に設計しても、２つの出力の各々の性能を落とすことがないので、各々の目的に合わせて自由に選択して使用する多機能化が可能となる。なお、本参考形態では、高速化が目的である双方向垂直ＣＣＤ１３、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４、および選択転送手段を用いた部分読み出しの高速動作に何ら影響を与えることなく通常の画面を得ることができる。
【０１１４】
なお、図２１では、２つの出力系は全ての画素をその対象としていたが、これに限られることはない。例えば、図２２に示すように、受光部の画素数（光電変換受光素子数）を縦６画素×横１６画素として、双方向垂直ＣＣＤ１３の上部に接続され受光部の全ての画素を対象とした幅１６画素分の水平ＣＣＤ２６と、双方向垂直ＣＣＤ１３の下部に接続され高速部分読出部として中央の縦６画素×横８画素を対象とした選択転送手段と、左右の縦６画素×横４画素の２つの部分それぞれから電荷を掃き出す電荷掃出部２９・３０とを備える構成としてもよい。なお、水平ＣＣＤ２６は、水平ＣＣＤ駆動信号線２８に入力される水平ＣＣＤ駆動信号Ｃ28により駆動される。このようなイメージセンサは、高速な部分転送を行うべき領域が中央部に限定しているような場合に用いることができる。
【０１１５】
これによれば、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14によって双方向垂直ＣＣＤ１３内の電荷を上方向に移動させ、水平ＣＣＤ２６に入力させると、水平ＣＣＤ２６の出力信号線２７から全ての電荷が出力される。一方、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11によって双方向垂直ＣＣＤ１３内の電荷を下方向へ移動させ、選択転送手段および電荷掃出部２９・３０に入力させる。すると、選択転送手段に入力された中央の縦６画素×横８画素分の電荷は出力信号線８から必要な電荷のみが選択出力されるとともに、電荷掃出部２９・３０に入力された左右の縦６画素×横４画素分の電荷は掃き捨てられる。
【０１１６】
これにより、図２１の構成のイメージセンサと同様に、通常速度の転送と高速の転送との２種類の出力系を持つイメージセンサとすることができる。この場合、下部の選択転送手段の高速部分読出部が対象とする横方向の画素数を限定することで、横方向すべての画素に対応するように高速読出部の回路構成をする場合に比べて、回路が簡略化され、コスト的にも有利になる。
【０１１７】
なお、本参考形態では、双方向垂直ＣＣＤ１３に水平ＣＣＤ１５あるいは水平ＣＣＤ２６が接続されているが、双方向垂直ＣＣＤ１３の最端部の電荷がこれら水平ＣＣＤに流れ出たり、逆に流れ込んだりすることはない。
【０１１８】
また、本参考形態では、双方向垂直ＣＣＤ１３を用いて２つの出力系に電荷を移動させているが、単方向の垂直ＣＣＤとスイッチ回路を用いて、２つの出力系の切り換えを行う構成とすることも可能である。しかしながら、この場合、スイッチ回路を設けるため構成が複雑になるので、双方向垂直ＣＣＤ１３を用いる構成の方が望ましい。
【０１１９】
以上のように、本参考形態のイメージセンサは、マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出すことが可能な垂直電荷転送手段と、該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段と、上記垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を水平ライン単位で転送する水平電荷転送手段（例えば、水平ＣＣＤ）と、上記垂直電荷転送手段からの信号電荷が選択転送手段と水平電荷転送手段とのどちらか一方に入力するように制御する制御手段とを備えることを特徴としている。
【０１２０】
上記構成によれば、光電変換部によって生成された信号電荷は、垂直電荷転送手段に引き込まれる。この信号電荷が選択転送手段に入力されるように制御手段にて制御されていると、水平１ライン分の画素が選択転送手段に入力される。選択転送手段では必要な信号電荷のみを選択して転送すると共に、不要な信号電荷を外部へ排出する。一方、垂直電荷転送手段からの信号電荷が水平電荷転送手段に入力されるように制御手段にて制御されていると、水平１ライン分の画素が水平電荷転送手段に入力される。水平電荷転送手段ではその信号電荷を全て１画素ずつ転送して出力する。
【０１２１】
したがって、選択転送手段によって部分画像を高速に転送するか、水平電荷転送手段によって全画像を通常の速度で転送するかを選択して出力することができる。これにより、１つのイメージセンサで２つの異なる転送速度で画像を出力するマルチ読み出しが可能となる。
【０１２２】
この結果、領域ごとに光学系やイメージセンサを用意する必要がないので、コストおよび設置を行うための作業を低減することができる。また、それらを設置するための空間を要することもない。さらに、複数の光学系やイメージセンサを配置した場合に比べて、画素同士の対応をとるための複雑な処理や調整を行わなくてよいので、全体としての装置の処理速度を向上させることができる。
【０１２３】
また、本参考形態のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段（例えば、双方向垂直ＣＣＤ）であり、上記選択転送手段が双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端に接続されると共に、水平電荷転送手段が他方の出力端に接続され、上記制御手段が双方向垂直電荷転送手段を駆動して２つの出力端のどちらに信号電荷を転送するかを制御する駆動信号であることを特徴としている。
【０１２４】
上記構成によれば、双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端には選択転送手段が、他方の出力端には水平電荷転送手段が接続されることになる。このとき、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷が駆動信号に制御されて選択転送手段に入力された場合には部分画像が出力される。一方、駆動信号により水平電荷転送手段に入力された場合には全画像が出力される。
【０１２５】
これにより、複雑な回路などを設けない容易な構成で、選択的に２つの異なる転送速度で画像を出力するマルチ読み出しのイメージセンサを実現することができる。
【０１２６】
なお、上記参考形態１および２では、垂直ＣＣＤ２あるいは双方向垂直ＣＣＤ１３の出力をバッファ３を介して転送しているが、垂直ＣＣＤ２の出力を選択用スイッチング素子４および掃出用スイッチング素子６に直接接続してもよい。
【０１２７】
〔参考形態３〕
本発明の参考形態３について図２３ないし図２５に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１２８】
本参考形態のイメージセンサは、図２３に示すように、受光部の画素数を縦６画素×横１６画素とする。したがって、双方向垂直ＣＣＤ１３における垂直ＣＣＤ部の数は１６個となる。双方向垂直ＣＣＤ１３の上部には接続手段２３を介して垂直ＣＣＤ（電荷記憶転送手段）２４が接続され、垂直ＣＣＤ２４にはさらに水平ＣＣＤ２６が接続される。双方向垂直ＣＣＤ１３の下部には、中央８個の垂直ＣＣＤ部に水平ＣＣＤ１５が接続されるとともに、左右４個の垂直ＣＣＤ部にそれぞれ電荷掃出部２９・３０が接続される。
【０１２９】
垂直ＣＣＤ２４には、垂直ＣＣＤ２４を駆動して、電荷を固体内で上方向に移動させるための垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25を入力する垂直ＣＣＤ駆動信号線２５が接続される。そして、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25がＯＦＦ状態のときには電荷は移動せずに固体内で保持され、ＯＮ状態となると移動を開始する。すなわち、垂直ＣＣＤ２４は、画像情報を一時的に記憶するものである。
【０１３０】
水平ＣＣＤ２６は、受光部の全ての画素を対象とした幅１６画素分に対応しており、垂直ＣＣＤ２４からの１ライン分の電荷を１画素ずつ順次出力信号線２７から出力する。この水平ＣＣＤ２６は、水平ＣＣＤ駆動信号線２８に入力される水平ＣＣＤ駆動信号Ｃ28により駆動される。
【０１３１】
接続手段２３は、垂直ＣＣＤ２４に電荷が記憶されている間は双方向垂直ＣＣＤ１３からの出力を垂直ＣＣＤ２４に入力し、垂直ＣＣＤ２４に電荷が記憶された後には双方向垂直ＣＣＤ１３からの出力が水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に入力するように接続制御を行う。
【０１３２】
この接続手段２３は、ＦＥＴなどのスイッチング素子で構成すればよい。なお、垂直ＣＣＤ２４自身にこの接続手段２３の機能を持たせることもできる。これは、ＣＣＤが素子の電位の変化によって電荷を移動させる素子であるため、ある一点を常時高いポテンシャルにしておくことでその点以降への電荷の移動を阻止することができるからである。
【０１３３】
さらに、上記イメージセンサには、光電変換受光素子１に照射される光量を制御するシャッター３１が設けられる。このシャッター３１は、それに接続されたシャッター駆動信号線３２にシャッター駆動信号Ｃ32を入力することにより、その動作が制御される。
【０１３４】
なお、駆動信号は、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11・Ｃ14・Ｃ25に対応している。
【０１３５】
上記構成によれば、双方向垂直ＣＣＤ１３に転送された電荷は、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14で上部へ行単位で転送されるが、このとき、これと同期して垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25も動作させることで垂直ＣＣＤ２４に電荷を転送する。この処理を縦の画素数だけ行うことにより、双方向垂直ＣＣＤ１３の電荷を全て垂直ＣＣＤ２４に転送する。
【０１３６】
この後、上下の垂直ＣＣＤを結んでいる接続手段２３を電気的もしくは機械的な手段などで切断すると、接続手段２３より上の部分と下の部分とでは全く独立の動作となる。このとき、接続手段２３より上部はイメージセンサから光電変換受光素子１を取り除いた構造であるが、すでに電荷が転送され記憶されているため、通常のイメージセンサが１フレームの画像を転送する場合と同等の動作で出力信号線２７から１フレームの画像が出力することができる。
【０１３７】
一方、接続手段２３より下部は、光電変換受光素子１を含む１つのイメージセンサとなる。そして、新たに受光した画像を垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11で下部へ行単位で転送し、電荷掃出部２９・３０にて電荷を掃き捨てるとともに、水平ＣＣＤ１５にて通常のイメージセンサと同等の動作を行い出力信号線１６より１フレームの画像を出力する。
【０１３８】
図２４のタイミングチャートに基づいて、上記並列イメージセンサの動作を説明する。なお、各垂直ＣＣＤの動作クロックは、各水平ＣＣＤの動作より遅くしてある。これは、水平ＣＣＤは１つのＣＣＤが単独で動作するため比較的高い周波数での動作が容易であるが、垂直ＣＣＤは複数の垂直ＣＣＤ部を互いに同期させて動作させなければならないので水平ＣＣＤほどの高速駆動が困難だからである。
【０１３９】
シャッター駆動信号Ｃ32がＨレベルになるとシャッター３１が１回目の動作を行い、光電変換受光素子１に光が当てられる。変換された電荷は電荷転送信号Ｃ10の制御により双方向垂直ＣＣＤ１３に転送されると、接続手段２３がＯＮ状態になる（図２４ではＣ23で示される）。このとき、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４と垂直ＣＣＤ駆動信号線２５とに互いに同期した垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14および垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25を与えることにより、全ての電荷を垂直ＣＣＤ２４に転送する。この間並行してシャッター３１が２回目の動作を行って、光電変換受光素子１に新たな電荷が生成される。
【０１４０】
２回目のシャッター駆動信号Ｃ32がＬレベルとなるのと同期して接続手段２３はＯＦＦ状態になり、接続手段２３より下に配置された構成要素とは独立した動作が可能となる。よって、垂直ＣＣＤ２４に転送された電荷は水平ＣＣＤ２６と連動して、縦６画素×横１６画素で構成される１フレーム分の画像を独立して出力信号線２７から出力信号Ｃ27として順次転送することができる。この間、新たに生成された電荷は、双方向垂直ＣＣＤ１３に転送され、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11によって受光部の下部にある水平ＣＣＤ１５と電荷掃出部２９・３０とに順次転送される。この水平ＣＣＤ１５と双方向垂直ＣＣＤ１３との連動により、中央の縦６画素×横８画素で構成される１フレームの画像が出力信号Ｃ16として転送される。
【０１４１】
さらに、シャッター３１が３回目の動作を行って光電変換受光素子１にて電荷が生成され、同様に水平ＣＣＤ１５と双方向垂直ＣＣＤ１３との連動により、中央の縦６画素×横８画素で構成されるもう１フレームの画像が出力信号線１６より出力される。
【０１４２】
出力信号線１６から出力信号Ｃ16が出力されている間に、再びシャッター３１が連動して、上部の垂直ＣＣＤ２４へ次に転送する電荷が生成され、以上の動作が繰り返される。
【０１４３】
図２５は、図２４のタイミングチャートのうち、シャッター駆動信号Ｃ32、電荷転送信号Ｃ10、出力信号Ｃ16、および出力信号Ｃ27のみを時間軸を拡大して表したものである。これにより、出力信号線１６には周期Ｔ、出力信号線２７には周期２×Ｔ（＝２Ｔ）で画像が出力されていることがわかる。
【０１４４】
以上のように、本参考形態にかかるイメージセンサは、電荷を一時的に保持することができる垂直ＣＣＤ２４を用いることによって、２つの水平ＣＣＤ１５・２６から並列して画像を出力することができる。
【０１４５】
したがって、並行して出力される画像は共通の受光部より撮影された画像であるため、出力間で共通の画素に関しては全くずれることなく出力する。よって、ここで得られる各出力を別々の画像処理装置を用いて処理しても面積や位置のずれは全くないので、２台のイメージセンサを用いる場合のようにカメラの位置合わせや倍率などの物理的調整や、複雑な相関関係の計算などの処理が不要となる。すなわち、扱う画素数の異なった複数の画像処理装置での並列処理においても、１台のイメージセンサで位置ずれや面積の相違のない正確でかつ効率のよい並列画像を出力することができる。これにより、２台のイメージセンサを用いた場合に比べて、調整などによる処理が必要ないので、高速な処理を行うことができる。
【０１４６】
また、本イメージセンサにおける２つの水平ＣＣＤからは、領域の異なる周期的な画像を出力することができる。このとき、本参考形態以外のアスペクト比の水平ＣＣＤを用いたり、縦横の画素比や画素数などを変えたりすることにより、各種の周期で出力が可能である。
【０１４７】
また、一方の水平ＣＣＤの動作をもう他方の水平ＣＣＤの動作に支障を与えない範囲で、非同期の動作を行うことなどの動作が実現できる。例えば、上記参考形態では中央の縦６画素×横８画素の部分転送は短時間で行えるので、受光領域全体の転送を妨げることなく、全体転送の倍の周期で行っている。しかし、特に部分転送を周期的に行う必要はなく、部分転送は全体転送を妨げないタイミングであれば自由に動作させることができる。
【０１４８】
これにより、全体転送を周期的に行いながら、部分転送を必要な場合のみ動作させることで、少ない待ち時間で部分転送を１フレームずつ行うことも可能となる。すなわち、通常の画像転送を行いながら、部分転送を高速に行うことができる。この結果、大きい領域を一度に見る必要があるような画像処理を遅い周期で行いながら、小さい画像の転送を短い周期で行うことで速い周期での高速な部分画像処理を並行して行うことができる。
【０１４９】
以上のように、本参考形態のイメージセンサは、垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、第１の水平電荷転送手段が電荷記憶転送手段を介して双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端に接続されると共に、第２の水平電荷転送手段が他方の出力端に直接接続され、制御手段が、双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とを接続する接続手段を備え、該接続手段により双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第２の水平電荷転送手段に信号電荷を転送するように制御することを特徴としている。
【０１５０】
上記構成によれば、双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端には電荷記憶転送手段が、他方の出力端には第２の水平電荷転送手段が接続されることになる。このとき、接続手段により双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが導通状態のときには、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷は駆動信号に制御されて電荷記憶転送手段に入力される。一方、接続手段により双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには、双方向垂直電荷転送手段に転送された信号電荷は駆動信号に制御されて第２の水平電荷転送手段に入力される。これにより、容易に２つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となる。
【０１５１】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の形態１について図２６ないし図２９に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１５２】
本実施の形態のイメージセンサは、参考形態３の双方向垂直ＣＣＤ１３を垂直ＣＣＤ２に代えて、参考形態３と同様に２つの出力系を持つイメージセンサを提供する構成である。
【０１５３】
図２６に示すように、垂直ＣＣＤ（単方向垂直電荷転送手段）２の下部には切換手段３５のａ側を介して垂直ＣＣＤ３７が接続され、垂直ＣＣＤ３７にはさらに水平ＣＣＤ３８が接続される。また、切換手段３５のｂ側を介して中央の縦６画素×横８画素に対応させて水平ＣＣＤ１５が接続されるとともに、左右の縦６画素×横４画素に対応させて電荷掃出部２９・３０が接続される。
【０１５４】
切換手段３５は、垂直ＣＣＤ２の出力を垂直ＣＣＤ３７に転送するか、水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に転送するかを制御する。
【０１５５】
垂直ＣＣＤ３７は、前記参考形態３の垂直ＣＣＤ２４と同様に、撮像された１フレーム分の情報が保持可能であり、垂直ＣＣＤ駆動信号線３６に入力される垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ36により水平ＣＣＤ３８へ電荷を転送する。
【０１５６】
水平ＣＣＤ３８は、水平ＣＣＤ駆動信号線４０に入力される水平ＣＣＤ駆動信号Ｃ40により制御されて出力信号線３９より電荷を転送する。
【０１５７】
図２７のタイミングチャートに基づいて、上記イメージセンサの動作を説明する。
【０１５８】
シャッター駆動信号Ｃ32がＨレベルになるとシャッター３１が動作し、光電変換受光素子１に光が当てられる。変換された電荷は電荷転送信号Ｃ10により垂直ＣＣＤ２に転送されると、切換手段３５がａ側になって垂直ＣＣＤ２は垂直ＣＣＤ３７に接続される（図２７ではＣ35で示される）。垂直ＣＣＤ駆動信号線１１と垂直ＣＣＤ駆動信号線３６とに互いに同期した垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11および垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ36を与えることにより、全ての電荷を垂直ＣＣＤ３７に転送する。この間並行してシャッター３１が動作して、光電変換受光素子１に新たな電荷が生成される。
【０１５９】
２回目のシャッター駆動信号Ｃ32がＬレベルとなるのと同期して切換手段３５がｂ側になって、垂直ＣＣＤ２は水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に接続される。一方、切換手段３５により切断された垂直ＣＣＤ３７側の構成要素は単独動作が可能な状態となる。よって、先に垂直ＣＣＤ３７に転送された電荷は、水平ＣＣＤ３８と連動して、縦６画素×横１６画素で構成される１フレーム分の画像を出力信号線３９から出力信号Ｃ39として順次転送される。この間、新たに生成された電荷は、垂直ＣＣＤ２に転送され、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11によって水平ＣＣＤ１５と電荷掃出部２９・３０とに順次転送される。この水平ＣＣＤ１５と垂直ＣＣＤ２との連動により、中央の縦６画素×横８画素で構成される１フレームの画像が出力信号線１６より出力される。
【０１６０】
さらに、もう一度シャッター３１が動作して、光電変換受光素子１にて電荷が生成され、同様に中央でのもう１フレームの画像が出力信号線１６より出力される。
【０１６１】
出力信号線１６から出力信号Ｃ16が出力されている間に、再びシャッター３１が連動して、垂直ＣＣＤ３７へ次に転送する電荷が生成され、以上の動作を繰り返す。
【０１６２】
図２８は、図２７のタイミングチャートのうち、シャッター駆動信号Ｃ32、電荷転送信号Ｃ10、出力信号Ｃ16、および出力信号Ｃ39のみを時間軸を拡大して表したものである。出力信号線１６には周期Ｔ、出力信号線３９には周期２Ｔで画像が出力されていることがわかる。
【０１６３】
以上により、本実施の形態にかかるイメージセンサは、電荷を一時的に保持することができる垂直ＣＣＤ３７を用いることによって、参考形態３と同様に２つの水平ＣＣＤ１５・３８から並列して画像を出力することができる。
【０１６４】
参考形態３との相違点は次の点にある。参考形態３では、垂直ＣＣＤ２４および水平ＣＣＤ２６から得られる画像の出力は受光部の上部のラインから順に転送されるとともに、双方向垂直ＣＣＤ１３および水平ＣＣＤ１５から得られる画像の出力は下部のラインから順に転送されるので、各々の出力においてラインの転送順序が逆になっている。これに対し、本実施の形態では２つの出力は共に下部のラインより転送される。
【０１６５】
また、本実施の形態では、切換手段３５により垂直ＣＣＤ３７か水平ＣＣＤ１５かに転送先を切り換えるので、この切換手段３５を含めた比較的複雑な配線を必要とする。これに対して、参考形態３では、双方向垂直ＣＣＤ１３の上部に接続するかしないかだけの単純なスイッチで構成できる接続手段２３を設けるだけでよいので、参考形態３の構成の方が好ましい。
【０１６６】
なお、本実施の形態のイメージセンサは、図２９に示す構成とすることも可能である。これは、垂直ＣＣＤ２に、水平ＣＣＤ４５、垂直ＣＣＤ３７、および水平ＣＣＤ３８をこの順に直列に接続する構成である。水平ＣＣＤ４５は、水平ＣＣＤ駆動信号線４６に入力される水平ＣＣＤ駆動信号によってその駆動を制御される。つまり、上記水平ＣＣＤ駆動信号は、垂直ＣＣＤ２からの電荷を出力信号線４７から出力するか垂直ＣＣＤ３７へ転送するかの制御を行っている。
【０１６７】
この構成によると、垂直ＣＣＤ２からの電荷はまず水平ＣＣＤ４５に転送される。転送された電荷は、水平ＣＣＤ駆動信号がＯＦＦ状態のときには下部の垂直ＣＣＤ３７に転送される。垂直ＣＣＤ３７で一時的に保持された電荷は水平ＣＣＤ３８に転送され、出力信号線３９から出力される。一方、水平ＣＣＤ駆動信号がＯＮ状態のときには、垂直ＣＣＤ２から転送された電荷は、垂直ＣＣＤ３７へは転送されずに水平ＣＣＤ４５の出力信号線４７から出力される。
【０１６８】
この場合も図２６のイメージセンサと同様に、垂直ＣＣＤ３７および水平ＣＣＤ３８により出力中に、垂直ＣＣＤ２および水平ＣＣＤ４５により並列して出力可能である。
【０１６９】
しかしながら、以下の理由により、図２９の構成より図２６の構成のイメージセンサの方が望ましい。すなわち、図２６の構成の場合には切換手段３５により電荷の転送方向切り換えているため、垂直ＣＣＤ２の電荷を垂直ＣＣＤ３７に転送する間において水平ＣＣＤ１５は自由に動作させることができるが、図２９の構成の場合には水平ＣＣＤ４５を通して垂直ＣＣＤ３７へ転送するため、この間は水平ＣＣＤ４５は出力動作を行うことができない。したがって、図２９の構成より図２６の構成のイメージセンサの方が並列動作をより高速に行うことができる。
【０１７０】
また、図２９の構成では、下部へも転送可能な水平ＣＣＤ４５が切換手段３５の代わりをしているため、基本的に垂直ＣＣＤ２と水平ＣＣＤ４５と垂直ＣＣＤ３７との３つのＣＣＤの横の画素数は一致する必要があるが、図２６の構成では切換手段３５と電荷掃出部２９・３０を設けることにより、それぞれ自由に横方向の画素数を決定することができる。
【０１７１】
〔実施の形態２〕
本発明の実施の形態２について図３０ないし図３２に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態または実施の形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１７２】
本実施の形態のイメージセンサは、参考形態３の構成に実施の形態１の構成を適用している。すなわち、図３０に示すように、双方向垂直ＣＣＤ１３の上部には接続手段２３を介して垂直ＣＣＤ２４および水平ＣＣＤ２６がこの順に接続される。一方、双方向垂直ＣＣＤ１３の下部には切換手段３５のａ側を介して垂直ＣＣＤ３７および水平ＣＣＤ３８がこの順に接続され、ｂ側を介して水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０が接続される。これによって、本イメージセンサは、出力が出力信号線１６・２７・３９から出力する３並列イメージセンサとして動作することになる。
【０１７３】
図３１のタイミングチャートに基づいて、上記イメージセンサの動作を説明する。
【０１７４】
シャッター駆動信号Ｃ32がＨレベルになるとシャッター３１が動作し、光電変換受光素子１に光が当てられる。変換された電荷は電荷転送信号Ｃ10により双方向垂直ＣＣＤ１３に転送されると、切換手段３５がａ・ｂ側のどちらにも非接続なＯＦＦ状態となり、双方向垂直ＣＣＤ１３より下の部分は独立した状態となる一方、接続手段２３がＯＮ状態となって上部の垂直ＣＣＤ２４と双方向垂直ＣＣＤ１３とが導通状態となる。そして、垂直ＣＣＤ駆動信号線１４と垂直ＣＣＤ駆動信号線２５とに互いに同期した垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ14および垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ25を与えることにより、全ての電荷を垂直ＣＣＤ２４に転送する。この間並行してシャッター３１が動作して、光電変換受光素子１に新たな電荷が生成される。
【０１７５】
２回目のシャッター駆動信号Ｃ32がＬレベルとなるのと同期して接続手段２３はＯＦＦ状態となり、垂直ＣＣＤ２４から上の構成要素は双方向垂直ＣＣＤ１３とは独立する。垂直ＣＣＤ２４で一時的に保持された電荷は、水平ＣＣＤ２６の出力信号線２７により、縦６画素×横１６画素で構成される１フレーム分の画像として転送される。
【０１７６】
出力信号線２７より画像が出力されている間に、新しく生成された電荷は、双方向垂直ＣＣＤ１３に転送される。切換手段３５は接続手段２３がＯＦＦ状態となるのと同期してｂ側になって、双方向垂直ＣＣＤ１３は水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に接続される。そして、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11により水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０に電荷が転送され、出力信号線１６から中央の縦６画素×横８画素で構成される１フレームの画像が出力される。
【０１７７】
この間にもシャッター３１が動作して、光電変換受光素子１にて電荷が生成される。そして、切換手段３５をａ側とし、垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11・Ｃ36が互いに同期して動作することにより、新たに生成された電荷は垂直ＣＣＤ３７に１フレーム分の画像として転送される。この間にもまた、シャッター３１が操作して光電変換受光素子１にて電荷が生成される。
【０１７８】
垂直ＣＣＤ３７へ転送終了後は、切換手段３５は再びｂ側になり、水平ＣＣＤ１５の出力信号線１６より、中央の縦６画素×横８画素で構成されるもう１フレームの画像が出力される。さらに、この間もまたシャッター３１が動作して、垂直ＣＣＤ２４へ転送すべき電荷が生成され、以上の動作を繰り返す。
【０１７９】
図３２は、図３１のタイミングチャートのうち、シャッター駆動信号Ｃ32、電荷転送信号Ｃ10、出力信号Ｃ16、出力信号Ｃ27、および出力信号Ｃ39のみを時間軸を拡大して表したものである。出力信号線１６には周期Ｔ、出力信号線２７・３９には周期２Ｔで画像が出力されていることがわかる。
【０１８０】
以上により、本実施の形態にかかるイメージセンサは、１台のイメージセンサで、並列して異なる周期的な３種以上の画像出力が可能となる。このとき、本実施の形態以外のアスペクト比の水平ＣＣＤを用いたり、縦横の画素比、画素数などにより、各種の周期で出力が可能となる。
【０１８１】
また、一方の動作を他方の動作に支障を与えない範囲で、非同期の動作を行うことなどの動作が実現できる。例えば、常時周期的に全画像を出力しながら、必要な場合のみ１フレーム単位で特定の部分の画像を出力させる動作を行うこともできる。図３１・図３２のタイミングチャートに示した例では、縦６画素×横１６画素の周期２Ｔで画像が出力されている出力信号線２７・３９は周期Ｔだけずれて動作している。よって、この出力信号線２７・３９の出力を交互に出力することで、縦６画素×横１６画素の画像、および縦６画素×横８画素の画像とも周期Ｔで出力可能となる。これは、１つの受光面から、縦横比の違う画像を同じ周期でも撮影可能であることを示す。この結果、参考形態３、実施の形態２の構成による効果に加えて、１台のイメージセンサで、ハイビジョン用の画像と通常の画像とを両方同時に得ることができる。
【０１８２】
〔実施の形態３〕
本発明の実施の形態３について図３３ないし図３５に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記の参考形態または実施の形態の図面に示した部材と同一の部材には同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【０１８３】
本実施の形態のイメージセンサは、図３３に示すように、実施の形態２の水平ＣＣＤ１５および電荷掃出部２９・３０の代わりに、選択転送手段を配置した構成である。すなわち、選択転送手段は、切換手段３５のｂ側を介して双方向垂直ＣＣＤ１３と接続される。なお、選択転送手段には縦６画素×横１６画素分の画素が転送される。
【０１８４】
また、切換手段３５を通して得られる電荷は、出力選択信号により制御される選択用スイッチング素子４によって選択されて出力信号線８から出力されるか、あるいは掃出選択信号により制御される掃出用スイッチング素子６によって選択されて掃出信号線９に掃き捨てられる。このとき、出力信号線８を通過する出力信号Ｃ8 は、さらに、信号通過フィルタ４１・４３によって必要な部分の信号だけが選択され、それぞれ出力信号線４２・４４から出力される。これは、２つの領域を完全に同時に別の出力に転送するためのものである。
【０１８５】
図３４・図３５のタイミングチャートに基づいて、上記イメージセンサの実施の形態２と動作の異なる部分のみの動作を説明する。
【０１８６】
図３４は、選択転送手段による出力が行われずに、水平ＣＣＤ２６および水平ＣＣＤ３８の出力信号線２７および出力信号線３９から周期的に画像出力が行われている場合のタイミングを示している。２つの出力信号線２７・３９からは実施の形態２と同様の動作により、同様の範囲の画像が同様の周期で出力される。
【０１８７】
この図において、シャッター駆動信号Ｃ32と垂直ＣＣＤ駆動信号Ｃ11のＦで示される時間帯は、これら２つの出力の動作に関係なく動作可能な時間帯を示している。すなわち、これらの時間帯Ｆでは、選択転送手段を用いる出力信号線８・４２・４４からの出力を得るために、自由にシャッター３１や双方向垂直ＣＣＤ１３などを使用することができる。
【０１８８】
図３５は、図３４と同じ条件下で、シャッター３１や双方向垂直ＣＣＤ１３を利用して、比較的小さな２つの任意の範囲の画像を同時に出力する場合のタイミングを示している。２つの出力信号線４２・４４からは周期Ｔにて別々の出力信号Ｃ42・Ｃ44が出力されており、周期２ＴのＣＣＤ全体の出力信号Ｃ27・Ｃ39と併せて周期的な計４つの出力を同じ受光部から得ていることがわかる。
【０１８９】
これにより、本実施の形態にかかるイメージセンサは、実施の形態２と同様に、共通の受光部より撮影された画像を並行して出力することが可能である。これに加えて、選択転送手段を設けているので、出力する画像の領域を任意に選択することできる。したがって、画素数の少ない画像は高速に出力することができるので、リアルタイムの視覚処理を行う入力システムに用いることができる。さらに信号通過フィルタ４１・４３を設けることによって、各種別の処理が必要とする違った大きさの領域の画像も同時に出力することができるため、１台のイメージセンサで複数の画像処理を並列して行う並列画像処理システムの入力装置を実現できる。
【０１９０】
なお、図３５において、出力信号Ｃ42・Ｃ44は一定周期で小領域の画像を周期的に出力していることを示しているが、転送すべき領域の面積が同等であれば、毎回転送領域を変更しても周期的な動作は可能である。
【０１９１】
また、図３４に示すように、周期的な画像を出力信号線２７・３９から出力している場合でも、時間帯Ｆは自由に使用できるため、この時間帯内であれば任意のタイミングで必要な任意の領域の画像を１フレーム毎に変更して得ることも可能である。
【０１９２】
さらに、出力信号線２７・３９からの出力の周期を長くしたり、可変とするなどの自由度を持たせれば、全体としてより複雑なタイミングでより複雑なパターンの画像を得ることができる。
【０１９３】
次に、本実施の形態のイメージセンサをハイビジョン撮影用装置に応用する場合を考える。ハイビジョン映像はこれまでの通常のＴＶ映像の２０万〜４０万画素に比べて遙に多い約２００万画素を持つため、同じ領域を撮影した場合、非常に高精細の画像を出力できるような仕様である。逆に同じ解像度であれば、通常のカメラを用いた場合に比べて遙に広い領域（約５〜１０倍）を撮影することができる。つまり、ハイビジョン用のカメラをＦＡなどの工業分野で使用することで、一度により多くのものを対象とした画像処理応用システムを作ることが可能となる。
【０１９４】
しかしその反面、画素の多い分ハイビジョン画像を全て画像処理するには当然時間がかかることになる。また、ハイビジョン用のカメラの出力する１画面分の画素量が多い分、１画面分の画像の出力にかかる時間を短縮することは通常のこれまでのカメラより遙に困難である。つまり、単にハイビジョンカメラとその画素数を対象とした画像処理装置を組み合わせて画像応用装置を実現しても、その処理速度は現在ＦＡ装置などで求められてきている高速化に対応することは不可能であり、結果としてハイビジョンシステムを用いるメリットはあまりないと言える。
【０１９５】
また、先にも記したように、画像処理を必要とする部分は全体ではなく、局所的な場合が多いが、この局所的な部分を転送するためにハイビジョン用カメラの映し出す全ての領域を転送するのは、これまでのカメラシステムを用いた場合よりさらに無駄な動作であると言える。ただし、ハイビジョンシステムの応用は、１度に非常に多くの領域を撮影できるメリットがあることも事実である。
【０１９６】
ここで、本実施の形態の全体領域の転送を行いながら、高速な部分転送を実現できるイメージセンサを適用すれば、例えば、次のような動作を行うことができる。
【０１９７】
全体の領域（ハイビジョン全領域）を一定の決められた周期で転送し、その画像を黙視用画像表示装置や全体処理用の画像処理へ転送する。このとき、本実施の形態では全体画像を平行して出力可能なため、ハイビジョン画像をより速い周期で転送することが可能である。この全体処理用の画像処理装置では、目標のものがどこにあるかを判定するなどの処理を比較的遅い周期もしくは必要時のみ行う。そして並行して目標領域のみの部分画像の転送を早い周期で転送し、少ない画素ならではの高速な画像処理を実行して部分的な高速画像フィードバック制御を行う。本実施の形態では、部分転送できる範囲は任意であるため、目標物がずれた場合にはその部分転送範囲を目標に合わせて変更することで目標物が移動する場合にも使用可能となる。特に、ハイビジョンカメラを用いた場合には全体が広いため、カメラを移動させることなくこれまで以上に広く物体を追従することが可能である。
【０１９８】
このように、全画素でハイビジョン映像を撮影し、同時に部分転送をすることで、ハイビジョンの広範囲の画像と、無駄のない必要部分の高速周期の画像を同時に得ることが可能となっている。例えば、工場のラインの広範囲の部分を全体画像にて認識し、何がどこにあるかなどの認識を行い、同じカメラから得られる部分画像により視覚を用いた高速なフィードバックによる組み立てや調整作業を行うことが可能となる。しかも、部分転送領域を自由に変更できることにより、調整部分や組み立て部にバラツキがあっても対応できること、調整部分や組み立て部が複数あっても対応できることなどの特徴さえ持ち合わせる。
【０１９９】
また、この広範囲の画像を撮影できることは、これまで複数台のカメラを使用して初めて実現していたことを１台のカメラで行えることを意味する。したがって、前記実施の形態に述べたように、カメラの設置面積などが少なくなる効果に加えて、複数のカメラで行う場合のカメラ間の座標調整やカメラの物理的配置などの煩雑な作業を削除することが可能となる。
【０２００】
なお、本実施の形態では、２つの領域を同時に出力するために、選択転送手段に２つの信号通過フィルタ４１・４３を接続してるがこれに限られることはない。すなわち、出力したい領域が１つであればフィルタは必要なく、また、出力したい領域が複数あれば、その数に応じてフィルタの数を変えればよい。これは、上記参考形態１、２における選択転送手段に対しても同様のことが言える。
【０２０１】
また、上記実施の形態１ないし３では、受光時間を制限するためにシャッター３１およびそれを制御するためのシャッター駆動信号線３２を用いているが、これらの手段の有無は本発明を限定するものではない。つまり、周期的な動作を行う場合などはこれらの手段を用いる必要がない場合もある。
【０２０２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のイメージセンサは、マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出すことが可能な垂直電荷転送手段と、該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を水平ライン単位で転送する複数の水平電荷転送手段と、該水平電荷転送手段の個数と同数またはそれより１つ少ない個数で、垂直電荷転送手段から送出される信号電荷を一時的に記憶した後、上記水平電荷転送手段に信号電荷を転送する電荷記憶転送手段と、垂直電荷転送手段からの信号電荷を上記電荷記憶転送手段に順次記憶させた後、垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態となるように制御する制御手段とを備える構成である。
【０２０３】
これにより、すべての水平電荷転送手段がそれぞれ独立の動作を行うことが可能となるので、１つのイメージセンサで複数の画像を同時に出力することが可能となる。この結果、複数のイメージセンサを用いた場合に比べて、画像処理システムの処理速度を向上させることが可能となる。また、各水平電荷転送手段の転送速度や転送範囲に相違を持たせ、複数の異なった特性の画像を並行して出力することもできるという効果を奏する。
【０２０４】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、第１の水平電荷転送手段が電荷記憶転送手段を介して双方向垂直電荷転送手段の一方の出力端に接続されると共に、第２の水平電荷転送手段が他方の出力端に直接接続され、上記制御手段が、上記双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とを接続する接続手段と、該接続手段により双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第２の水平電荷転送手段に信号電荷を転送するように制御する駆動信号とからなる構成である。
【０２０５】
これにより、容易に２つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となるという効果を奏する。
【０２０６】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が各垂直電荷転送部の長手方向の一方の端部に出力端を有する単方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段が第１の水平電荷転送手段が接続された電荷記憶転送手段と第２の水平電荷転送手段とのどちらを単方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段である構成である。
【０２０７】
これにより、容易に２つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となるという効果を奏する。
【０２０８】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記垂直電荷転送手段が、各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段が、第１の水平電荷転送手段が接続された第１の電荷記憶転送手段と双方向垂直電荷転送手段とを接続する接続手段と、第２の水平電荷転送手段が接続された第２の電荷記憶転送手段と第３の水平電荷転送手段とのどちらを双方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段と、上記接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第１の電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して切換手段に信号電荷を転送するように制御する駆動信号とからなる構成である。
【０２０９】
これにより、容易に３つの水平電荷転送手段から並列して画像を出力することが可能となるという効果を奏する。
【０２１０】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記水平電荷転送手段の内の少なくとも１つを、垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段に置き換える構成である。
【０２１１】
これにより、選択転送手段は水平１ライン中の画素を任意に選択できるので、上記の効果に加えて、固定範囲の画像を得る動作と任意の領域画像を高速に得る動作とを並行して行うことができるという効果を奏する。
【０２１２】
本発明のイメージセンサは、上記の構成に加えて、上記選択転送手段が、出力選択信号に基づいて開閉を行うことにより各垂直電荷転送部から同時に送出された信号電荷を任意に選択する複数の選択用スイッチング素子と、掃出選択信号に基づいて開閉を行うことにより上記選択用スイッチング素子に選択されなかった信号電荷を掃き捨てる複数の掃出用スイッチング素子とからなる構成である。
【０２１３】
これにより、選択転送手段は複数のスイッチング素子のみで構成されているので、容易な構成で選択転送手段を構成することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考形態１にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図２】 上記イメージセンサの有効画素領域を示す説明図である。
【図３】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図４】 上記イメージセンサの他の駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図５】 光電変換受光素子に電荷が蓄積された状態を示す説明図である。
【図６】 垂直ＣＣＤへ電荷が転送された状態を示す説明図である。
【図７】 最下位ラインの電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図８】 下から２ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図９】 下から３ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図１０】 下から４ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図１１】 下から５ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図１２】 下から６ライン目の電荷がバッファに転送されたときの処理状態を示す説明図である。
【図１３】 最下位ラインの電荷がバッファに転送されたときの他の処理状態を示す説明図であり、（ａ）は前半の処理、（ｂ）は後半の処理である。
【図１４】 図３６の従来のイメージセンサによる動作を示すフローチャートである。
【図１５】 図３８の他の従来のイメージセンサによる動作を示すフローチャートである。
【図１６】 図１のイメージセンサによって、方形領域の部分転送を行う場合の動作を示すフローチャートである。
【図１７】 図１のイメージセンサによって、任意の形状の領域の部分転送を行う場合の動作を示すフローチャートである。
【図１８】 転送領域の例を示す説明図である。
【図１９】 転送領域の他の例を示す説明図である。
【図２０】 転送領域のその他の例を示す説明図である。
【図２１】 参考形態２にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図２２】 上記イメージセンサの他の構成を示す構成図である。
【図２３】 参考形態３にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図２４】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図２５】 上記駆動クロックの周期的動作を示すタイミングチャートである。
【図２６】 本発明の実施の形態１にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図２７】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図２８】 上記駆動クロックの周期的動作を示すタイミングチャートである。
【図２９】 上記イメージセンサの他の構成を示す構成図である。
【図３０】 本発明の実施の形態２にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図３１】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図３２】 上記駆動クロックの周期的動作を示すタイミングチャートである。
【図３３】 本発明の実施の形態３にかかるイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図３４】 上記イメージセンサの動作の動作可能時間帯を示すタイミングチャートである。
【図３５】 上記イメージセンサの駆動クロックを示すタイミングチャートである。
【図３６】 従来のイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図３７】 撮像領域を示す説明図である。
【図３８】 従来の水平ライン単位で間引きを行うイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図３９】 従来の水平ライン単位で間引きを行う他のイメージセンサの構成を示す構成図である。
【図４０】 図３８、図３９のイメージセンサでは高速に転送することができない撮像領域の例を示す説明図である。
【図４１】 撮像領域の他の例を示す説明図である。
【図４２】 撮像領域のその他の例を示す説明図である。
【図４３】 撮像領域のその他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 光電変換受光素子（光電変換部）
２ 垂直ＣＣＤ（垂直電荷転送手段・単方向垂直電荷転送手段）
３ バッファ
４ 選択用スイッチング素子
６ 掃出用スイッチング素子
１３ 双方向垂直ＣＣＤ（双方向垂直電荷転送手段）
１５・２６・３８・４５ 水平ＣＣＤ（水平電荷転送手段）
２３ 接続手段
２４・３７ 垂直ＣＣＤ（電荷記憶転送手段）
２９・３０ 電荷掃出部
３５ 切換手段
Claims (4)
- マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、
該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出すことが可能な垂直電荷転送手段と、
該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を水平ライン単位で転送する複数の水平電荷転送手段と、
該水平電荷転送手段の個数と同数またはそれより１つ少ない個数で、垂直電荷転送手段から送出される信号電荷を一時的に記憶した後、上記水平電荷転送手段に信号電荷を転送する電荷記憶転送手段と、
垂直電荷転送手段からの信号電荷を上記電荷記憶転送手段に順次記憶させた後、垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態となるように制御する制御手段とを備え、
上記垂直電荷転送手段は各垂直電荷転送部の長手方向の一方の端部に出力端を有する単方向垂直電荷転送手段であり、上記制御手段は第１の水平電荷転送手段が接続された電荷記憶転送手段と第２の水平電荷転送手段とのどちらを単方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段であることを特徴とするイメージセンサ。 - マトリクス状に配置され、入射光量に応じて信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、
該光電変換部の各列に沿って配置された複数の垂直電荷転送部からなり、光電変換部から取り込んだ信号電荷を各垂直電荷転送部から同時に１画素ずつ順次送り出すことが可能な垂直電荷転送手段と、
該垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を水平ライン単位で転送する複数の水平電荷転送手段と、
該水平電荷転送手段の個数と同数またはそれより１つ少ない個数で、垂直電荷転送手段から送出される信号電荷を一時的に記憶した後、上記水平電荷転送手段に信号電荷を転送する電荷記憶転送手段と、
垂直電荷転送手段からの信号電荷を上記電荷記憶転送手段に順次記憶させた後、垂直電荷転送手段と電荷記憶転送手段とが非導通状態となるように制御する制御手段とを備え、
上記垂直電荷転送手段は、各垂直電荷転送部の長手方向の両端部に出力端を有し、２つの出力端にそれぞれ信号電荷を転送することが可能な双方向垂直電荷転送手段であり、
上記制御手段は、第１の水平電荷転送手段が接続された第１の電荷記憶転送手段と双方向垂直電荷転送手段とを接続する接続手段と、第２の水平電荷転送手段が接続された第２の電荷記憶転送手段と第３の水平電荷転送手段とのどちらを双方向垂直電荷転送手段に接続するかを切り換える切換手段とを備え、上記接続手段により双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して第１の電荷記憶転送手段に信号電荷を転送する一方、双方向垂直電荷転送手段と第１の電荷記憶転送手段とが非導通状態のときには双方向垂直電荷転送手段を駆動して切換手段に信号電荷を転送するように制御することを特徴とするイメージセンサ。 - 上記水平電荷転送手段の内の少なくとも１つを、垂直電荷転送手段から送出された信号電荷を画素単位で任意に選択して転送する選択転送手段に置き換えることを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサ。
- 上記選択転送手段は、出力選択信号に基づいて開閉を行うことにより各垂直電荷転送部から同時に送出された信号電荷を任意に選択する複数の選択用スイッチング素子と、掃出選択信号に基づいて開閉を行うことにより上記選択用スイッチング素子に選択されなかった信号電荷を掃き捨てる複数の掃出用スイッチング素子とからなることを特徴とする請求 項３に記載のイメージセンサ。
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