JP3878775B2 - 固体撮像装置とこれを用いたカメラおよび固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオムービーカメラ等のカメラと、これに用いられる固体撮像装置に関し、特に、高速度撮影が可能な固体撮像装置とこのような固体撮像装置を備えたカメラ、およびこの固体撮像装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像装置を利用したビデオムービーカメラが普及し、さらなる高付加価値化が要望されている。特に、３倍速や６倍速等の高速度撮影や、ズーム（拡大）、手振れ防止など、固体撮像装置の駆動タイミングによる特殊効果が求められている。なお、高速度撮影とは、例えば４倍速の場合であれば、光電変換素子から読み出した信号電荷を画像信号として固体撮像装置から出力する動作を、１フィールド期間に４サイクル行うことをいう。
【０００３】
ここで、高速度撮影が可能な従来の固体撮像装置の構成と、その構成における高速度撮影の方法について説明する。
【０００４】
図５に、従来の固体撮像装置の構成の一例を示す。この固体撮像装置は、デジタルビデオカメラ用途に用いられているものであり、６６０行、９６０列の行列状に配置された画素を有する。画素の各々には、光電変換素子としてのフォトダイオード１が設けられており光電変換部を構成している。この光電変換部には、遮光された光学的黒信号部であるＯＢ部１ａを６行備え、ＯＢ部１ａを除く光電変換部は６５４行である。
【０００５】
また、上記従来の固体撮像装置は、フォトダイオード１に蓄積される信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部２と、垂直転送部２から転送される信号電荷を水平方向に転送する水平転送部３と、水平転送部３からの信号電荷を信号電圧または信号電流に変換して出力する信号電荷検出部４とを備えている。
【０００６】
説明を分かりやすくするために、図５において、第ｎ行第ｍ列の画素に対応するフォトダイオード１を示す矩形の中に（ｎ，ｍ）のように記載すると共に、以下の説明では、フォトダイオード１（ｎ，ｍ）のように表記する。
【０００７】
垂直転送部２は、０Ｖと約−９Ｖの二値の転送パルスが３相以上印加される垂直転送電極を備えている。この垂直転送電極の１つ、または複数の垂直転送電極に約１５Ｖの電圧を印加することにより、フォトダイオード１に蓄積された電荷が垂直転送部２に転送される。図５に示した構成では、垂直転送部２は、３相の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ３を備え、Ｖ１に１５Ｖの電圧を印加することにより、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷を垂直転送部２の垂直転送電極Ｖ１下へ転送するように構成されている。
【０００８】
図６に、上記固体撮像装置の高速度撮影モードにおける、従来の駆動信号のタイミングチャートを示す。ＨＤは水平同期信号、ＶＤは垂直同期信号であり、またφＶ１〜φＶ３のそれぞれは、図５に示した垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ３のそれぞれに印加される垂直転送パルスである。
【０００９】
ここで、通常は１水平走査期間中に出力される信号は１ラインであるが、図６に示すタイミングチャートでは、１水平走査期間に４ラインの信号を出力するように描かれている。これは例えば、水平転送部３の転送周波数を通常の４倍にするか、もしくは水平転送部３の転送周波数を通常の２倍にし、更に水平方向の信号出力を１／２以下、すなわち９６０／２＝４８０列と制限することにより実現可能である。このことは本発明の本質に関わる重要な事項ではないので、単に１水平走査期間に４ラインの信号出力をするものとする。
【００１０】
なお、垂直同期信号ＶＤの周波数は、ＮＴＳＣ方式における垂直同期信号の６０Ｈｚであり、水平同期信号ＨＤの周波数は、１５．７ＫＨｚである。１フィールド期間の水平走査線の数は２６２．５本であり、１フレーム期間の水平走査線の数は５２５本である。
【００１１】
図６では、水平同期信号ＨＤにおいて各水平走査線に対応するパルスに、ｈ１〜ｈ２６３の符号を付して示す。
【００１２】
次に、図５および図６に基づいて、４倍の高速度撮影時の動作を説明する。４倍の高速度撮影とは、フォトダイオード１から垂直転送部２へ信号電荷を読み出し、水平転送部３及び信号電荷検出部４より信号出力する処理を１サイクルとした場合に、１フィールド期間に４サイクルの処理を行うことをいう。この場合、図５に示す６６０行、９６０列のフォトダイオード１のうち、垂直方向における中央の１８０行分、すなわち第２４４行〜第４２３行のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷のみを出力させる。
【００１３】
まず、φＶ１に１５Ｖの電圧を印加することにより、すべてのフォトダイオード１から、蓄積された信号電荷を垂直転送部２の垂直転送電極Ｖ１下へ読み出す。
【００１４】
次に、垂直転送を１行分行うために、φＶ１・φＶ２・φＶ３へ、０Ｖあるいは−９Ｖの垂直転送パルスを１回印加する。それにより、第１行のフォトダイオード１、すなわちＯＢ部１ａにおけるフォトダイオード１（１，１）〜フォトダイオード１（１，９６０）から読み出された信号電荷が、水平転送部３へ転送される。その後、水平転送部３により、上記の１行分の信号電荷が、信号電荷検出部４へ出力される。第１行の信号電荷を水平転送部３へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスφＶ１〜φＶ３の波形を拡大し、図７に示す。
【００１５】
水平転送部３から信号電荷検出部４への水平転送は、図５に示す端子Ｈ１およびＨ２から印加される２相の水平転送パルスによって制御されるが、この水平転送パルスは周知であるので、図６では記載を省略する。
【００１６】
上述のように、１行分の信号電荷の出力が完了した後、再び０Ｖあるいは−９Ｖの垂直転送パルスをφＶ１・φＶ２・φＶ３に印加することにより、第２行のフォトダイオード１、すなわちＯＢ部１ａにおけるフォトダイオード１（２，１）〜フォトダイオード１（２，９６０）から読み出された信号電荷を、水平転送部３に転送し、第１行と同様に信号電荷検出部４へ出力する。
【００１７】
これを同様に繰り返し、第６行のＯＢ部１ａにおけるフォトダイオード１（６，１）〜フォトダイオード１（６，９６０）から読み出された信号電荷を出力した後、次に、垂直転送部２において、第７行〜第２４３行の２３７行分のフォトダイオード１から読み出された信号電荷の高速転送を行う。高速転送とは、垂直転送部２から水平転送部３へ信号電荷が転送された後、水平転送部３から信号電荷検出部４への転送終了を待たずに、垂直転送部２から水平転送部３への信号電荷の転送を連続して行うことをいう。このため、高速転送期間中の信号電荷検出部４からの信号出力は、映像信号としては使用できず、不要電荷として排出される。
【００１８】
なお、垂直転送部２の高速転送周波数は、最大約５００ｋＨｚが一般的とされている。ここで４５０ＫＨｚとすれば、１水平走査期間（６３．５μｓ）に２８行分の信号電荷を垂直方向に転送することが可能である。よって第７行〜第２４３行の２３７行分のフォトダイオード１から読み出された信号電荷の高速転送に要する期間は約９水平走査期間となる。
【００１９】
上記の高速転送によって第２４３行の信号電荷の転送が終了した後、通常の周波数で、第２４４行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷の垂直転送を行う。さらに、水平転送部３から、この１行分の信号電荷を、信号電荷検出部４を介して出力する。
【００２０】
同様に、通常の周波数で、第２４５行以降の信号電荷を順次信号出力させ、第４２３行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷を出力した後、再び高速転送を開始し、６６０行の内の残りの２３７行分すなわち第４２４行〜第６６０行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷を不要電荷として排出する。
【００２１】
以上の処理が１サイクルであり、この１サイクルの期間は、約６５水平走査期間に相当する。すなわち、２６２．５水平走査期間の１フィールドに対し、４サイクルの実現が可能となる。言い換えれば、１フィールド期間（１／６０秒）に１８０行分の映像信号を４回出力することにより、４倍の高速度撮影を行うことができる。
【００２２】
１サイクルあたり約６５水平走査期間の内訳は、フォトダイオード１から、蓄積された信号電荷を垂直転送部２の垂直転送電極Ｖ１下へ読み出し、ＯＢ部６行分の転送に要する２水平走査期間と、垂直方向に中央部の１８０行分の信号電荷の転送に要する４５水平走査期間と、前述したように１水平走査期間毎に２８回の不要電荷排出を行う高速転送に要する約１８水平走査期間の和である。
【００２３】
ここでＯＢ部１ａに蓄積される光学的黒信号を出力する目的について説明する。通常、固体撮像装置を用いて高輝度の被写体を撮影した場合、スミアと呼ばれる縦方向の光の線が現れ、画質の低下をまねいている。ＯＢ部は素子構成において遮光されているため、本来一定した黒レベルの信号を出力するはずであるが、スミアが発生した場合はこのＯＢ部にもスミア信号が加算されることになる。よって映像信号とＯＢ部の信号との差分をとることによりスミア成分が除去され、縦方向の光の線を消去することが可能であり、信号処理では一般的な手法である。ＯＢ部については加算平均等の演算を行うため複数行必要とする。ここでは６行としている。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
このように固体撮像装置を用いて高速度撮影を行う場合、従来例で説明の通り、光電変換部の垂直方向の一部分の信号電荷を映像信号として出力し、その他の信号電荷は不要電荷として排出することによって実現している。このため、より高速度な撮影すなわち１フィールドにおける出力画面数を増やす程、映像信号として出力されるフォトダイオードの行数は減少することになる。
【００２５】
Ｎ倍速の高速度撮影時に映像信号として出力されるフォトダイオードの行数をｋとすると、Ｎとｋとの関係は、概略的には次式で表すことができる。なお、厳密には、フォトダイオード１から垂直転送部２への読み出しに必要な時間等の考慮が必要である。
【００２６】
（６６０−ｋ）／２８＋ｋ／４＋２≦２６２．５／Ｎ
例えば５倍速の場合、ｋ≦１２５．７となり映像信号として出力されるフォトダイオードの行数は１２５行となり４倍速の１８０行にくらべて５５行減少する。これはすなわち垂直解像度の低下につながるため、各Ｎ倍速において、できる限り映像信号として出力されるフォトダイオードの行数を増やさなければならない。
【００２７】
この問題に対する解決手段の一つとして、固体撮像装置の駆動周波数を高速化することが必要である。しかし、駆動周波数の高速化は、転送効率等の特性の悪化を伴うため、容易ではないという問題がある。
【００２８】
本発明は、上記の問題を解決するために、駆動周波数を高速化することなく、光電変換素子から読み出した電荷の垂直転送を改善することにより、転送効率等の特性の悪化を伴うことなく高速度撮影が可能な固体撮像装置、これを用いたカメラと、及びこの固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【００２９】
【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、本発明の固体撮像装置は、ｎ行ｍ列（ｎ、ｍは各々２以上の整数とする）の行列状に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、光電変換部から読み出された信号電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、水平転送部から転送された信号電荷を受け取り映像信号に変換して出力する電荷検出部と、光電変換部からの信号電荷の読み出しと垂直転送部及び水平転送部による信号電荷の転送を制御する信号制御手段とを備え、光電変換部における上下端部の少なくとも一方に位置するｒ行分（ｒは２以上の整数とする）の光電変換素子を、遮光された光学的黒信号部（以下ＯＢ部と称する）として構成した固体撮像装置を前提とし、以下の構成を特徴とする。
【００３０】
すなわち、信号制御手段は、光電変換部の垂直方向中央部におけるｋ行分（ｋはｎよりも小さい整数とする）の光電変換素子から読み出した信号を１画面相当分として、１フィールド期間に複数画面に相当する映像信号を出力する高速度撮影のための制御が可能なように構成される。高速度撮影において光電変換部から垂直転送部に読み出した信号電荷を転送する際に、信号制御手段は、次のように制御を行う。複数画面から選択されたいずれか１つの画面の場合は、ｒ行分のＯＢ部とｋ行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、残りの（ｎ−ｒ−ｋ）行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が水平転送部により完全に出力される以前に垂直転送部から前記水平転送部へ転送する。他の画面の場合は、ｋ行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、ｒ行分のＯＢ部と残り（ｎ−ｒ−ｋ）行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が水平転送部により完全に出力される以前に垂直転送部から水平転送部へ転送するように制御する。なお、上記の転送についての記載は、転送の順序について限定するものではない。
【００３１】
この構成によれば、高速度撮影での選択された画面以外においては、ｒ行分のＯＢ部から得た信号を一行ずつ出力しないため、ＯＢ部から得た信号を転送するための時間を短縮することができる。その短縮された時間を、映像信号として用いるｋ行分の信号電荷を通常転送するための時間に割り当てることにより、駆動周波数の高速化を伴わずに、１画面分の映像信号として出力される光電変換素子の行数を増加させることが可能となる。
【００３２】
上記の構成において、ＯＢ部を、水平転送部側である最下端部、または最上端部のいずれか一方にｒ行分配置した構成とすることができる。
【００３３】
また好ましくは、ＯＢ部を、水平転送部側である最下端部にｒ行分配置し、高速度撮影において、光電変換部から垂直転送部に読み出した信号電荷を次のように転送する。最初の画面の場合は、先ずｒ行分のＯＢ部の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、次の（ｎ−ｒ−ｋ）／２行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が水平転送部により完全に出力される以前に垂直転送部から水平転送部へ転送し、次のｋ行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、残りの（ｎ−ｒ−ｋ）／２行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が水平転送部により完全に出力される以前に垂直転送部から水平転送部へ転送する。２番目以降の画面の場合は、先ずｒ行分のＯＢ部と次の（ｎ−ｒ−ｋ）／２行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が水平転送部により完全に出力される以前に垂直転送部から水平転送部へ転送し、次にｋ行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、残りの（ｎ−ｒ−ｋ）／２行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が水平転送部により完全に出力される以前に垂直転送部から水平転送部へ転送する。
【００３４】
ＯＢ部を、水平転送部側である最下端部と最上端部に分配してｒ行分配置した構成としてもよい。
【００３５】
本発明のカメラは、上記構成の固体撮像装置と、その固体撮像装置の光電変換部に光を導く光学系と、固体撮像装置から出力される映像信号を記録し処理する映像信号処理手段とを備える。映像信号処理手段は、第１画面で出力するｒ行分のＯＢ部信号を記録し、その記録されたＯＢ部信号を用いて複数画面に相当する映像信号に対するスミア成分除去の処理を行うように構成する。
【００３６】
この構成によれば、選択された画面以外の画面においてＯＢ信号が出力されなくても、選択された画面について出力されたｒ行分のＯＢ信号を用いてスミア成分の除去が可能である。
【００３７】
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、ｎ行ｍ列（ｎ、ｍは各々２以上の整数とする）の行列状に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、光電変換部から読み出された信号電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、水平転送部から転送された信号電荷を受け取り映像信号に変換して出力する電荷検出部とを備え、光電変換部における上下端部の少なくとも一方に位置するｒ行分（ｒは２以上の整数とする）の光電変換素子を遮光された光学的黒信号部（以下ＯＢ部と称する）として構成した固体撮像装置を前提とした駆動方法であり、その特徴は以下のとおりである。
【００３８】
光電変換部の垂直方向中央部におけるｋ行分（ｋはｎよりも小さい整数とする）の光電変換素子から読み出した信号を１画面相当分として、１フィールド期間に複数画面に相当する映像信号を出力する高速度撮影モードを備え、高速度撮影モードにおいて光電変換部から垂直転送部に読み出した前記信号電荷を転送する際に、次のように制御する。すなわち、複数画面から選択されたいずれか１つの画面の場合は、ｒ行分のＯＢ部とｋ行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、残りの（ｎ−ｒ−ｋ）行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が水平転送部により完全に出力される以前に垂直転送部から水平転送部へ転送する。他の画面の場合は、ｋ行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、ｒ行分のＯＢ部と残り（ｎ−ｒ−ｋ）行分の光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が水平転送部により完全に出力される以前に垂直転送部から水平転送部へ転送する。
【００３９】
この方法によれば、高速度撮影における、選択された以外の画面について、ｒ行分のＯＢ部から得た信号を一行ずつを出力しないため、ＯＢ信号を転送するための時間を短縮することができる。その短縮された時間を映像信号として用いるｋ行分の信号電荷を通常転送するための時間に割り当てることにより、駆動周波数の高速化を伴わずに、１画面分の映像信号として出力される光電変換素子の行数を増加させることが可能となる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４１】
本実施形態の固体撮像装置は、図１に示すように、複数の画素（図示省略）が配置された光電変換部１０と、信号制御部５とを備え、信号制御部５による制御の下で、この光電変換部１０から読み出された電荷を電荷検出部４へ転送し、映像信号に変換して出力する構成である。
【００４２】
本固体撮像装置は、図２に示すように、水平方向に９６０個（列）、垂直方向に６６０個（行）の行列状に配置された光電変換素子１から構成される光電変換部を備えている。なお、光電変換素子１としては、フォトダイオードを用いることができる。この光電変換部１には、遮光された光学的黒信号部であるＯＢ部１ａを６行備えている。
【００４３】
本固体撮像装置は、光電変換素子１に蓄積される信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する垂直転送部２と、垂直転送部２から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部３と、水平転送部３から転送された信号電荷を信号電圧または信号電流に変換して出力する信号電荷検出部４とを備えている。
【００４４】
説明を分かりやすくするために、図２において、第ｎ行第ｍ列の画素に対応する光電変換素子１を表す矩形の中に（ｎ，ｍ）のように記載すると共に、以下の説明では必要に応じて、光電変換素子１（ｎ，ｍ）のように表記する。なお、図２において、水平転送部３に最も近い行を第１行とし、信号電荷検出部４に最も近い列を第１列とする。
【００４５】
光電変換素子１の各行には、３相の電極が接続されている。図２に示した構成は基本的に図５に示した従来例と同じであり、垂直転送部２は、３相の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ３を備え、Ｖ１に１５Ｖの電圧を印加することにより、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷を垂直転送部２の垂直転送電極Ｖ１下へ転送するように構成されている。
【００４６】
次に図３を参照して、高速度撮影モードにおける本固体撮像装置の動作を説明する。ＶＤは垂直同期信号、ＨＤは水平同期信号であり、φＶ１〜φＶ３のそれぞれは、図２に示した垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ３のそれぞれに印加されるパルスである。通常は１水平走査期間中に出力される信号は１ラインであるが、図３に示すタイミングチャートでは、１水平走査期間に４ラインの信号を出力している。
【００４７】
なお、垂直同期信号ＶＤの周波数は、ＮＴＳＣ方式における垂直同期信号の６０Ｈｚであり、水平同期信号ＨＤの周波数は、１５．７ＫＨｚである。１フィールド期間の水平走査線の数は２６２．５本であり１フレーム期間の水平走査線の数は５２５本である。
【００４８】
図３では、水平同期信号ＨＤにおいて各水平走査線に対応するパルスに、ｈ１〜ｈ２６３の符号を付して示す。
【００４９】
次に、図２および図３を参照して、４倍の高速度撮影時の動作を説明する。４倍の高速度撮影とは、フォトダイオード１から垂直転送部２へ信号電荷を読み出し、水平転送部３及び信号電荷検出部４より信号出力する処理を１サイクルとした場合、１フィールド期間に４サイクルの処理を行うことをいう。
【００５０】
本実施の形態の場合、図２に示す６６０行、９６０列のフォトダイオード１の内、垂直方向における中央の１８８行分、すなわち第２４０行〜第４２７行のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷のみを出力させる。
【００５１】
まず第１画面について、φＶ１に１５Ｖの電圧を印加することにより、すべてのフォトダイオード１から、蓄積された信号電荷を垂直転送部２の垂直転送電極Ｖ１下へ読み出す。
【００５２】
次に、垂直転送を１行分行うために、φＶ１・φＶ２・φＶ３へ、０Ｖあるいは−９Ｖの垂直転送パルスを１回印加し、第１行のフォトダイオード１、すなわちＯＢ部１ａにおけるフォトダイオード１（１，１）〜フォトダイオード１（１，９６０）から読み出された信号電荷を、水平転送部３へ転送する。その後、水平転送部３により、上記の１行分の信号電荷が、信号電荷検出部４へ出力される。第１行の信号電荷を水平転送部３へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形は、図７に示す従来例と同様である。
【００５３】
水平転送部３から信号電荷検出部４への水平転送は、図２に示す端子Ｈ１およびＨ２から印加される２相の水平転送パルスによって制御されるが、この水平転送パルスは周知であるので、図２および図３では記載を省略する。
【００５４】
上述のように、１行分の信号電荷の出力が完了した後、再び０Ｖあるいは−９Ｖの垂直転送パルスをφＶ１・φＶ２・φＶ３に印加することにより、第２行のフォトダイオード１、すなわちＯＢ部１ａにおけるフォトダイオード１（２，１）〜フォトダイオード１（２，９６０）から読み出された信号電荷を水平転送部３に転送し、第１行と同様に信号電荷検出部４へ出力する。
【００５５】
これを同様に繰り返し、第６行のＯＢ部１ａにおけるフォトダイオード１（６，１）〜フォトダイオード１（６，９６０）から読み出された信号電荷を出力する。
【００５６】
次に、垂直転送部２において、第７行〜第２３９行の２３３行分のフォトダイオード１から読み出された信号電荷の高速転送を行う。高速転送とは、上記従来例と同様、垂直転送部２から水平転送部３へ信号電荷が転送された後、水平転送部３から信号電荷検出部４への転送終了を待たずに、垂直転送部２から水平転送部３への信号電荷の転送を連続して行うことをいう。このため、高速転送期間中の信号電荷検出部４からの信号出力は、映像信号としては使用できず、不要電荷として排出される。
【００５７】
なお、垂直転送部２の高速転送周波数は、最大約５００ｋＨｚが一般的とされている。ここでは４５０ＫＨｚとし、１水平走査期間（６３．５μｓ）に２８行分の信号電荷を垂直方向に転送することが可能である。よって第７行〜第２３９行の２３３行分のフォトダイオード１から読み出された信号電荷の高速転送に要する期間は約９水平走査期間となる。
【００５８】
上記の高速転送によって第２３９行の信号電荷の転送が終了した後、通常の周波数で、第２４０行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷の垂直転送を行う。さらに、水平転送部３から、この１行分の信号電荷を、信号電荷検出部４を介して出力する。
【００５９】
同様に、通常の周波数で、第２４１行以降の信号電荷を順次信号出力させ、第４２７行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷を出力した後、再び高速転送を開始し、６６０行の内の残りの２３３行分、すなわち第４２８行〜第６６０行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷を不要電荷として排出する。
【００６０】
以上の処理が第１画面における１サイクルであり、この１サイクルの期間は、約６７水平走査期間に相当する。
【００６１】
第１画面における１サイクルあたり約６７水平走査期間の内訳は、フォトダイオード１から、蓄積された信号電荷を垂直転送部２の垂直転送電極Ｖ１下へ読み出し、ＯＢ部６行分の転送に要する２水平走査期間と、垂直方向に中央部の１８８行分の信号電荷の転送に要する４７水平走査期間と、前述したように１水平走査期間毎に２８回の不要電荷排出を行う高速転送に要する約１８水平走査期間との和である。
【００６２】
次に第２画面すなわち２サイクル目の信号電荷の読み出しを行うために、再び、電極Ｖ１へ１５Ｖの読み出しパルスを印加する。
【００６３】
φＶ１に１５Ｖの電圧を印加することにより、すべてのフォトダイオード１から、蓄積された信号電荷を垂直転送部２の垂直転送電極Ｖ１下へ読み出す。次に、第１画面ではＯＢ部１ａにおける第１行〜第６行のフォトダイオードから読み出した信号電荷を１行毎に出力していたが、第２画面以降は第１行〜２３９行の２３９行分のフォトダイオード１から読み出された信号電荷を高速転送し、不要電荷として排出する。
【００６４】
上記の高速転送によって第２３９行の信号電荷の転送が終了した後、通常の周波数で、第２４０行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷の垂直転送を行う。さらに、水平転送部３から、この１行分の信号電荷を、信号電荷検出部４を介して出力する。
【００６５】
同様に、通常の周波数で、第２４１行以降の信号電荷を順次信号出力させ、第４２７行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷を出力した後、再び高速転送を開始し、６６０行の内の残りの２３３行分、すなわち第４２８行〜第６６０行のフォトダイオード１から読み出された信号電荷を不要電荷として排出する。
【００６６】
以上の処理が第２画面以降における１サイクルであり、この１サイクルの期間は、約６５水平走査期間に相当する。
【００６７】
第２画面以降における１サイクルあたり約６５水平走査期間の内訳は、垂直方向に中央部の１８８行分の信号電荷の転送に要する４７水平走査期間と、１水平走査期間毎に２８回の不要電荷排出を行う高速転送に要する約１８水平走査期間の和である。すなわち第１画面の出力には６７水平走査期間を必要とし、第２〜４画面は６５水平走査期間を必要とする。結果として、４画面分の信号出力を得るために要する期間は２６２水平走査期となり、１フィールド期間に４画面の出力が可能となる。
【００６８】
また、上記の通り、映像信号として出力されるフォトダイオードの行数は１８８行となり、従来例に比べて８行多く出力することが可能である。
【００６９】
以上のように本実施形態の固体撮像装置においては、第２〜４画面について、従来に比べＯＢ部６行分の転送に要する時間が不要となり、その時間で映像信号として出力されるフォトダイオードの行数を増やすことができる。従って本実施形態の構成では、高速度撮影時において従来方式よりも多くの信号出力行数を得ることが可能である。
【００７０】
Ｎ倍速において、従来に比べて増加した映像信号として出力されるフォトダイオードの行数Ａは、ＯＢ部を出力する水平走査期間をＨとすれば、
Ａ≧４＊（Ｎ−１）＊Ｈ
となる。ここで、数字の４は、通常速度の垂直転送が、１Ｈ期間に４本のラインを出力する速度で行われる場合を前提としたものである。また、（Ｎ−１）は、ＯＢ部の信号を、１サイクル分のみ使用することを意味する。この式から明らかなように、高速度であるほど従来に比べて映像信号として出力されるフォトダイオード行数は増加し、垂直解像度の向上が可能となる。
【００７１】
上記の実施の形態において、垂直転送部２は３相の垂直転送パルスにより転送が制御されるが、４相以上としてもよい。また固体撮像装置の構成上の制約は特に無く、上記実施形態では第１行から複数行をＯＢ部としたが、第６６０行すなわち第ｎ行から水平転送部方向に複数行のＯＢ部を設けてもよい。また第１行から複数行のＯＢ部と、さらに第ｎ行から水平転送部方向に複数行のＯＢ部を設けてもよい。その場合、スミア検出の手段により必要とされる任意のＯＢ部を、第１〜Ｎ画面のいずれか１画面出力すればよい。さらに画素数及び水平・垂直同期信号の周波数についても、上記した例に限定されるものではない。
【００７２】
（実施の形態２）
この実施の形態は、上記の実施形態における固体撮像装置を用いたカメラに関する。図４に、本発明にかかるカメラの概略構成を示す。このカメラは、上記実施の形態で説明した固体撮像装置を撮像部３０として用いる。この撮像部３０に光を導くレンズ等の光学系３１と、撮像部３０で得られた映像信号、すなわち固体撮像装置の電荷検出部４から出力される映像信号を処理する映像信号処理回路３２とを有する。さらにこの映像信号処理３２では、第１画面で出力する第１行〜第６行のＯＢ信号を記録させるための記憶装置を有し、第２画面〜第Ｎ画面の出力の際ＯＢ信号が出力されなくても、第１画面のｎ（ＯＢ）行分のＯＢ信号を用いたスミア成分の除去が可能となり、画質の低下を防ぐことができる。
【００７３】
ただし、スミアの発生要因である高輝度の被写体の動きが速く、第１画面とそれ以降の画面とでスミア発生箇所が異なる場合は何らかの方法により動き検出をし、第２画面以降についてスミア成分の除去の信号処理を停止するなどの対策が必要である。
【００７４】
これにより、駆動周波数を高速化させる高速転送を必要とせずに、転送効率を劣化させることなく高速度撮影が可能なビデオムービーカメラを実現できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、駆動周波数を高速化することなく高速度撮影が可能な固体撮像装置およびこれを用いたカメラを提供することが可能となる。また、同じ高速度倍率で比較した場合、従来よりも信号出力行数が多く垂直解像度の高い固体撮像装置およびカメラを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図
【図２】 図１の固体撮像装置の構成をより詳細に示すブロック図
【図３】 図１の固体撮像装置における信号制御部が出力する各信号のタイミングチャート
【図４】 本発明の他の実施形態におけるカメラの構成を示すブロック図
【図５】 従来の固体撮像装置の一構成例を示すブロック図
【図６】 図５の固体撮像装置における各駆動信号のタイミングチャート
【図７】 図３及び図６の波形の一部を拡大して示すタイミングチャート
【符号の説明】
１ 光電変換素子
１ａ ＯＢ部
２ 垂直転送部
３ 水平転送部
４ 信号電荷検出部
５ 信号制御部
１０ 光電変換部
３０ 撮像部
３１ 光学系
３２ 映像信号処理回路

Claims (6)

1. ｎ行ｍ列（ｎ、ｍは各々２以上の整数とする）の行列状に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、前記光電変換部から読み出された信号電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送された前記信号電荷を受け取り映像信号に変換して出力する電荷検出部と、前記光電変換部からの信号電荷の読み出しと垂直転送部及び水平転送部による信号電荷の転送を制御する信号制御手段とを備え、前記光電変換部における上下端部の少なくとも一方に位置するｒ行分（ｒは２以上の整数とする）の光電変換素子を、遮光された光学的黒信号部（以下ＯＢ部と称する）として構成した固体撮像装置であって、
   前記信号制御手段は、前記光電変換部の垂直方向中央部におけるｋ行分（ｋはｎよりも小さい整数とする）の前記光電変換素子から読み出した信号を１画面相当分として、１フィールド期間に複数画面に相当する映像信号を出力する高速度撮影のための制御が可能なように構成され、前記高速度撮影において前記光電変換部から前記垂直転送部に読み出した前記信号電荷を転送する際に、
   前記複数画面から選択されたいずれか１つの画面の場合は、前記ｒ行分のＯＢ部と前記ｋ行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、残りの（ｎ−ｒ−ｋ）行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が前記水平転送部により完全に出力される以前に前記垂直転送部から前記水平転送部へ転送し、
   他の画面の場合は、前記ｋ行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、前記ｒ行分のＯＢ部と残り（ｎ−ｒ−ｋ）行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が前記水平転送部により完全に出力される以前に前記垂直転送部から前記水平転送部へ転送するように制御することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ＯＢ部を、前記水平転送部側である最下端部、または最上端部のいずれか一方にｒ行分配置したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記ＯＢ部を、前記水平転送部側である最下端部にｒ行分配置し、前記高速度撮影において前記光電変換部から前記垂直転送部に読み出した信号電荷を転送する際に、
   最初の画面の場合は、先ず前記ｒ行分のＯＢ部の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、次の（ｎ−ｒ−ｋ）／２行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が前記水平転送部により完全に出力される以前に前記垂直転送部から前記水平転送部へ転送し、次の前記ｋ行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、残りの（ｎ−ｒ−ｋ）／２行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が前記水平転送部により完全に出力される以前に前記垂直転送部から前記水平転送部へ転送し、
   ２番目以降の画面の場合は、先ず前記ｒ行分のＯＢ部と次の（ｎ−ｒ−ｋ）／２行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が前記水平転送部により完全に出力される以前に前記垂直転送部から前記水平転送部へ転送し、次に前記ｋ行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、残りの（ｎ−ｒ−ｋ）／２行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が前記水平転送部により完全に出力される以前に前記垂直転送部から前記水平転送部へ転送するように制御することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記ＯＢ部を、前記水平転送部側である最下端部と最上端部に分配してｒ行分配置したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 請求項１記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置の前記光電変換部に光を導く光学系と、前記固体撮像装置から出力される前記映像信号を記録し処理する映像信号処理手段とを備えたカメラであって、
   前記映像信号処理手段は、前記選択された画面で出力する前記ｒ行分のＯＢ部信号を記録し、その記録されたＯＢ部信号を用いて前記複数画面に相当する映像信号に対するスミア成分除去の処理を行うことを特徴とするカメラ。
6. ｎ行ｍ列（ｎ、ｍは各々２以上の整数とする）の行列状に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、前記光電変換部から読み出された信号電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送された前記信号電荷を受け取り映像信号に変換して出力する電荷検出部とを備え、前記光電変換部における上下端部の少なくとも一方に位置するｒ行分（ｒは２以上の整数とする）の光電変換素子を遮光された光学的黒信号部（以下ＯＢ部と称する）として構成した固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記光電変換部の垂直方向中央部におけるｋ行分（ｋはｎよりも小さい整数とする）の前記光電変換素子から読み出した信号を１画面相当分として、１フィールド期間に複数画面に相当する映像信号を出力する高速度撮影モードを備え、前記高速度撮影モードにおいて前記光電変換部から前記垂直転送部に読み出した前記信号電荷を転送する際に、
   前記複数画面から選択されたいずれか１つの画面の場合は、前記ｒ行分のＯＢ部と前記ｋ行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、残りの（ｎ−ｒ−ｋ）行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が前記水平転送部により完全に出力される以前に前記垂直転送部から前記水平転送部へ転送し、
   他の画面の場合は、前記ｋ行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行毎に順次出力されるように転送し、前記ｒ行分のＯＢ部と残り（ｎ−ｒ−ｋ）行分の前記光電変換素子から得られる信号電荷については、１行分の信号電荷が前記水平転送部により完全に出力される以前に前記垂直転送部から前記水平転送部へ転送するように制御することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

Images