JP3948042B2 - カメラシステム、撮像装置および撮像方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばディジタル記録の電子スチルカメラに使用して好適なカメラシステム、撮像装置および撮像方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、電子スチルカメラが普及しつつある。電子スチルカメラに使用して好適な固体撮像素子例えばＣＣＤとして、正方格子、全画素読出しのものが提案されている。正方格子は、隣接する画素の縦方向の間隔と横方向の間隔とを等しくするもので、撮像信号をパソコン用モニタに合わせるために採用される。従来のビデオカメラ等に使用されるＣＣＤは、インターレース方式の出力信号を発生するために、図１８に示すように、１／６０秒（１フィールド）蓄積して、隣接する上下２ラインの画素の電荷を読出し、垂直転送用のＣＣＤにおいて読出した２画素の電荷を混合し、また、混合する２つの画素の上下方向の組合せを奇数フィールドおよび偶数フィールドでずらすことによって、インターレース走査を実現していた。
【０００３】
かかるＣＣＤは、１／６０秒の蓄積時間のために、１／３０秒の蓄積時間のフレーム蓄積方式と比較して、動画像の撮像を良好に行うことができるが、垂直解像度が低い不利がある。従って、電子スチルカメラの撮像素子として適していない。そこで、図１９に示すように、１／３０秒間蓄積し、全画素の電荷を混合することなく独立に読出す全画素読出し方式が提案されている。この方式によれば、垂直解像度の低下を防止することができるが、撮像素子から撮像信号を出力するためには、画素数が同じで読出しのためのクロックが同じ場合に、上述したビデオカメラ用の撮像素子の２倍の時間を必要とする。より具体的には、１／３０秒周期の撮像信号が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電子スチルカメラの場合、撮影時にピントを合わせたり、撮影時のカメラアングルを調整するために、撮像画像を表示するモニタ例えば液晶モニタを設けることが多い。液晶モニタは、１／６０秒のノンインターレース走査で、テレビジョン画像を表示するのが普通である。従って、１／３０秒周期の撮像信号をそのまま液晶モニタに供給すると、図２０に示すようになってしまう。これを避けるためには、図２１に示すように、液晶モニタ６２に対してＶＲＡＭ（ビデオＲＡＭ）６１（あるいはフレームメモリ）によりフレームレートを変換する必要がある。ＶＲＡＭ６１に対しては、１／３０秒周期の撮像信号が供給され、その出力に１／６０秒周期のノンインターレース信号が発生する。
【０００５】
このように、全画素読出しの撮像素子は、垂直解像度が高いという点で、電子スチルカメラの撮像素子として好適な反面、通常のテレビジョンモニタに撮像画像を表示するのにフレームレートを変更するためにＶＲＡＭあるいはフレームメモリが必要となり、コストが上昇する問題があった。さらに、電子スチルカメラが自動焦点制御装置、自動アイリス制御装置、自動ホワイトバランス制御装置等の自動制御装置を備えているので、撮像素子の出力信号の周期が長いことは、これらの自動制御の応答を遅くする問題が生じた。さらに、モニタに表示される画像の動きが滑らかでない問題もあった。
【０００６】
上述した問題の解決する一つの方法は、撮像素子の出力信号のデータレートを高くすることである。しかしながら、クロック周波数が高いと、消費電力の増大、使用部品のコストの上昇、Ｓ／Ｎの劣化等の問題が生じる。従って、撮像信号のデータレートを上げる方法は、好ましくない。
【０００７】
従って、この発明の目的は、高速に撮像信号を出力することができるカメラシステム、撮像装置および撮像方法を提供することにある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、複数のフォトセンサから読出された電荷を垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送する垂直転送部と、垂直転送部と結合され、垂直転送部から転送された電荷を１水平期間周期で出力する水平転送部と、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、第１のフォトセンサ群と、第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を垂直転送部に転送させるための第１の信号供給部と、第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を垂直転送部に転送させるための第２の信号供給部とからなり、第１の信号供給部と第２の信号供給部が互いに独立して設けられている固体撮像素子と、第１および第２の信号供給部に入力され、垂直転送部および水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを有するカメラシステムにおいて、駆動信号生成部は、水平ブランキング期間に、垂直転送部から水平転送部へ電荷を転送するための駆動信号としてラインシフト信号を生成することを特徴とするカメラシステムである。
【０００９】
また、この発明は、垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサから読出された電荷を、垂直転送部により、垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送するステップと、垂直転送部から転送された電荷を、垂直転送部と結合される水平転送部により１水平期間周期で出力するステップと、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、第１のフォトセンサ群と、第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部により垂直転送部に転送させるためのステップと、第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部と互いに独立して設けられる第２の信号供給部により垂直転送部に転送させるステップと、第１および第２の信号供給部に入力され、垂直転送部および水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成のステップとを有し、駆動信号生成のステップでは、水平ブランキング期間に、垂直転送部から水平転送部へ電荷を転送するための駆動信号としてラインシフト信号を生成することを特徴とする撮像方法である。
また、この発明は、垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、複数のフォトセンサから読出された電荷を垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送する垂直転送部と、垂直転送部と結合され、垂直転送部から転送された電荷を１水平期間周期で撮像信号として出力する水平転送部と、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、第１のフォトセンサ群と、第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を垂直転送部に転送させるための第１の信号供給部と、第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を垂直転送部に転送させるための第２の信号供給部とからなり、第１の信号供給部と第２の信号供給部が互いに独立して設けられている固体撮像素子と、第１および第２の信号供給部に入力され、垂直転送部および水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、撮像信号を表示する表示部と、撮像信号を記憶する記憶部とを有し、駆動信号生成部は、撮像信号を記憶部に記憶する際には、第１および第２の信号供給部に駆動信号を供給し、撮像信号を表示部に表示する際には、第１の信号供給部のみに駆動信号を供給することを特徴とする撮像装置である。
また、この発明は、垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサから読出された電荷を、垂直転送部により、垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送するステップと、垂直転送部から転送された電荷を、垂直転送部と結合される水平転送部により１水平期間周期で出力するステップと、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、第１のフォトセンサ群と、第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部により垂直転送部に転送させるためのステップと、第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部と互いに独立して設けられる第２の信号供給部により垂直転送部に転送させるステップと、第１および第２の信号供給部に入力され、垂直転送部および水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成のステップと、撮像信号を表示部に表示するステップと、撮像信号を記憶部に記憶するステップとを有し、駆動信号生成のステップは、撮像信号を記憶部に記憶する際には、第１および第２の信号供給部に駆動信号を供給し、撮像信号を表示部により表示する際には、第１の信号供給部のみに駆動信号を供給することを特徴とする撮像方法である。
【００１０】
転送および読出しのための第１および第２の信号供給部が独立に設けられいてる。従って、第１および第２の信号供給部を通じて全画素の読出しを行う第１の動作モードと、その一方を通じて画素の読出しを行う第２の動作モードとが選択的に可能となる。そして、第２の動作モードでは、ライン数が間引かれるので、高速の撮像信号を出力することができる。また、第２の動作モードにおいて出力される撮像信号の色配列のシーケンスが全画素読出しの場合と同一となり、信号処理を変更する必要がない。さらに、第２の動作モードにおいて、垂直転送部から水平転送部に信号電荷を転送する場合に、水平ブランキング期間において、所定回数のラインシフトを行うことによって、信号電荷を含まないパケットが出力信号に含まれないように、圧縮することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明する。図１は、この発明によるＣＣＤ１の一実施例の概略を示す。この一実施例では、インターライン方式を採用し、イメージエリアに２次元配列されたフォトセンサ（例えばフォトダイオード）２と、フォトセンサ２の間に設けられ、フォトセンサ２からの信号電荷を水平ＣＣＤ（水平転送部）４へ転送するための垂直ＣＣＤ（垂直転送部）３と、水平ＣＣＤ４に接続されたバッファアンプ５とを有する。フォトセンサ２には、後述するような配列の色フィルタを通った撮像光が入射する。一つのフォトセンサ２と垂直ＣＣＤ３中の１ビットとが対応するように構成され、各フォトセンサ２からの信号電荷を混合することなく垂直ＣＣＤ３に読出し、全画素の信号を混合することなく順次、水平ＣＣＤ４に転送することが可能とされている。そして、水平ＣＣＤ４を駆動することによって、信号をフローティングディフュージョンエリアであるバッファアンプ５に転送し、順次電圧に変換して出力する。
【００１２】
ＣＣＤ１の単位画素の平面図を図２に示し、垂直ＣＣＤ３の構造を図３に示す。垂直ＣＣＤ３は、例えば３層電極３相駆動の構成とされている。図２において、６は、垂直ＣＣＤ３の転送チャンネル、７は、各画素間、並びに画素および転送チャンネル間を分離するためのチャンネルストッパ、８、９および１０は、それぞれ垂直ＣＣＤ３の転送ゲートである。転送ゲート９は、読出しゲートを兼用している。なお、図２では、遮光膜等についての図示が省略されている。転送ゲート８、９、１０は、図３に示すように、第１、第２および第３の多結晶シリコン電極を加工して形成される。これらの転送ゲート８、９、１０に対して、垂直駆動パルスφＶ1 、φＶ2 、φＶ3 がそれぞれ印加される。
【００１３】
フォトセンサ２から垂直ＣＣＤ３へ信号を読出す場合、フォトセンサ２に隣接した転送ゲート、すなわち、読出しゲートを兼ねる転送ゲート９に対して、垂直転送クロックφＶ2 のハイレベルより高いバイアス電圧（読出しパルスと称する）を印加する。ゲート９に読出しパルスを供給すると、１つの画素が垂直ＣＣＤ３の１ビットに対応しているので、全てのフォトセンサ２から信号電荷が垂直ＣＣＤ３に読出される。水平ＣＣＤ４は、転送クロックφＨ1 、φＨ2 によって、１ライン分のデータを出力する。なお、水平ＣＣＤ４としては、例えば複合チャンネル水平ＣＣＤ構造を採用することができる。その場合、出力部が２チャンネルの構成とされる。
【００１４】
上述したＣＣＤは、全画素の信号を混合することなく順次出力することができるので、電子スチルカメラ、画像取込みに適している。しかしながら、上述したように、インターレース出力を行う同じ画素数のビデオカメラ用撮像素子と比較して、同じクロックで電荷の転送を行うと、１画面（画面の上端から下端まで）の出力時間が倍となる。この発明の一実施例では、モニタ用の信号、自動焦点制御等の自動制御のための撮像信号として、水平ライン数を減少させることによって、１画面の撮像信号を高速に出力するものであり、且つ、このライン間引きの場合に、カラーフィルタの配列で規定される垂直方向の色シーケンスが崩れることがないようにするものである。一方、撮影した画像を半導体メモリ等の媒体に取り込む場合では、フルフレームの撮像信号（ライン数の間引きがされてない撮像信号）を出力する。ライン間引きの場合でも、色シーケンスがフルフレームの場合と同一のため、信号処理回路が複雑となる問題を回避できる。
【００１５】
上述した全画素読出し可能なＣＣＤにおいて、ライン数を間引くためには、フォトセンサ２からの信号電荷の読出しに寄与している転送ゲート（第２の多結晶シリコン）９に対する配線を二つに分けることによって可能である。色の繰り返し周期をＮで表す。図４は、上下２画素で１周期となる（Ｎ＝２）の場合にこの発明を適用した撮像素子の一例である。
【００１６】
単板式のＣＣＤの色フィルタの配列としては、Ｒ（赤色を通すフィルタ）、Ｇ（緑色を通すフィルタ）、Ｂ（青色を通すフィルタ）を図５Ａに示すように配列したもの（ベイヤ方式）が知られている。全体の半分の画素に感度の高いＧのフィルタを配置する。また、図５Ｂに示す補色市松配置の色フィルタも知られている。図５Ｂにおいて、Ｙｅ、Ｃｙ、Ｍｇは、それぞれ黄色、シアン、マゼンタのフィルタである。図５Ｂに示す補色フィルタは、原色フィルタに比して解像度を高めることができるので、ビデオカメラに採用されることが多い。一方、図５Ａに示す原色フィルタは、色の再現性の点で優れ、電子スチルカメラに採用されることが多い。
【００１７】
この発明は、原色フィルタを有する単板式撮像素子、および補色フィルタを有する単板式撮像素子の何れに対しても適用できる。さらに、図示しないが、Ｇのフィルタを備えた撮像素子と、ＲおよびＢのフィルタの配列を備えた撮像素子とからなり、二つの撮像素子の位置関係が水平方向、または水平および垂直方向に画素ピッチの１／２だけずらされた方式の撮像素子（いわゆる空間絵素ずらし方式）に対しても適用することができる。
【００１８】
図５Ａの配列は、垂直方向の色の繰り返し周期Ｎが（Ｎ＝２）であり、図５Ｂの配列は、（Ｎ＝４）である。図４は、（Ｎ＝２）であって、垂直方向の１列のフォトセンサ２、垂直ＣＣＤ３および垂直ＣＣＤ３のゲートのバス配線を１列の一部に関して示した模式図である。フォトセンサ２のうちで左上コーナーに斜線部を設けたものが一つの色フィルタ例えばＧのフィルタに対応し、斜線部を設けないものが他の色フィルタ、例えばＢのフィルタと対応している。垂直ＣＣＤ３は、上述したように３層電極３相駆動形式のもので、ＣＣＤの開口画素（遮光されていない画素）に隣接して３ビットのゲートを有する。また、垂直ＣＣＤ３は、第１の領域Ａと、第２の領域Ｂを含む。第１の領域Ａは、ゲート２１、２２、２３からなり、第２の領域Ｂは、ゲート３１、３２、３３からなる。ゲート２２および３２が転送兼読出しゲートである。４１、４２、４２´、４３は、垂直転送用の駆動パルスφＶ1 、φＶ2 、φＶ2 ´、φＶ3 がそれぞれ供給されるバス配線である。
【００１９】
ゲート２１および３１がバス配線４１に接続され、ゲート２３および３３がバス配線４３に接続される。これらのバス配線４１、４３には、それぞれ駆動パルスφＶ1 、φＶ3 が供給される。駆動パルスφＶ2 に関して、２本のバス４２および４２´が設けられる。第１の領域Ａとは、転送兼読出しゲート２２がバス４２と接続されるものを指し、第２の領域Ｂは、転送兼読出しゲート３２がバス４２´と接続されるものを指す。なお、図４では、簡略化のために、バスラインが片側しか描かれていないが、フォトセンサ２の両側にバスラインを配して、両側駆動するのが普通である。
【００２０】
この発明では、ライン間引きのために、第１の領域Ａがｍ（ｍ＝１，２，３，・・・）並んだ範囲と、第２の領域ＢがＮ×ａ並んだ範囲とが垂直方向に交互に形成される。図４に示す例は、（Ｎ＝２、ｍ＝３、ａ＝２）の場合である。なお、ｍおよびａの値を任意に選ぶことができるが、ｍおよびａを大きな値としても、（ｍ＋Ｎ×ａ）が有効画素数の垂直画素数より小さいことが必要である。
【００２１】
上述したこの発明の一実施例において、第１の動作モード、すなわち、全画素の信号を読出すフルフレームの動作時では、垂直ＣＣＤ３の第１の領域Ａおよび第２の領域Ｂの両者にフォトセンサ２から信号が読出される。そのためには、バス配線４２および４２´を通じてゲート２２および３２の両者に読出しパルスが印加される。この場合、色フィルタの配列の順序と対応する色シーケンス、例えばＧ、Ｂ、Ｇ、Ｂ、・・・のシーケンスでもって色信号が出力される。
【００２２】
一方、第２の動作モード、すなわち、ライン間引き動作時では、第１の領域Ａのゲート２２にのみバス配線４２を介して読出しパルスが印加される。従って、ｍの範囲から信号が読出され、Ｎ×ａの範囲からは、信号が読出されない。図４の例では、（ｍ＝３）ラインから信号が発生し、（Ｎ×ａ＝４）ラインから信号が発生しない。間引かれるライン数が色の繰り返し同期Ｎの整数倍であるので、ライン間引きの場合の撮像出力の色信号の順序は、フルフレーム読出しと同一の関係に保たれる。
【００２３】
図６Ａ〜図６Ｃは、撮像素子を駆動する場合のタイミングを示し、図６Ａがフルフレームの読出しを行う場合のタイミングを示す。各水平ブランキング期間において、ラインシフトパルスＬＳとしての３相の駆動パルスφＶ1 、φＶ2 、φＶ2 ´、φＶ3 が垂直ＣＣＤ３の第１の領域Ａのゲート２１、２２および２３と、第２の領域Ｂのゲート３１、３２および３３にそれぞれ供給される。また、読出しパルスも１Ｖ毎にゲート２２および３２との両者に対して印加される。この読出しパルスによって、全てのフォトセンサから信号電荷が垂直ＣＣＤ３に読出される。図６Ｂの詳細なタイミングチャートに示すように、水平ブランキング期間内で発生する駆動パルスφＶ1 、φＶ2 、φＶ2 ´、φＶ3 が３相のものであり、１つのラインシフト期間によって１ライン分電荷のシフトがなされる。フルフレームの読出し時には、各水平ブランキング期間内で、１ラインシフトがなされる。
【００２４】
一方、ライン間引きの読出しの場合では、図６Ｃに示すように、第１の領域Ａのゲート２２にのみ読出しパルスが印加される。それによって、第１の領域Ａに隣接したフォトセンサのみから信号電荷が読出される。ライン間引きの場合では、間引かれたラインの垂直ＣＣＤには、信号電荷が読出されず、無信号となる。この無信号期間は、ラインシフト動作を複数回繰り返すことによって除去できる。
【００２５】
例えば、図４に示す色配列の場合には、Ｈ１で示される３画素分の電荷、具体的には、ひとつの第１の領域Ａの信号電荷と、２つの第２の領域Ｂの無信号を、図７に示すように、第１の水平期間Ｈ１においてラインシフトパルスＬＳを３回供給することにより、水平ＣＣＤ４において合成する。同様に、第２の水平期間Ｈ２においてラインシフトパルスＬＳを３回供給することにより、ひとつの第１の領域Ａの信号電荷と、２つの第２の領域Ｂの無信号を、水平ＣＣＤ４において合成する。また、第３の水平期間Ｈ３において、ラインシフトパルスＬＳを１回供給することにより、ひとつの第１の領域Ａの信号電荷を１水平期間に水平ＣＣＤ４に供給する。従って、各水平期間において、ひとつの第１の領域からの信号電荷が、色シーケンスが変わることなく出力されることになる。この図７に示す期間の動作が３水平期間毎に繰り返される。
【００２６】
図８Ａは、（ｍ＝１，ａ＝１）の場合の垂直ＣＣＤ３のチャンネル６のポテンシャルの模式図である。図面に向かって右側から左側の水平ＣＣＤ４に向かう方向が垂直転送方向である。チャンネル６には、ライン間引き動作時に、信号電荷Ｑｓを含むパケット５１と空パケット５２とが存在する。各ラインから信号電荷Ｑｓを出力するためには、空パケット５２の分、多くラインシフトを行い、それによって信号電荷と無信号とを水平ＣＣＤ４において混合し、無信号の期間を除去する。各水平ブランキング期間内でなされるラインシフトの回数は、下記の関係を満足するように選定すれば良い。
【００２７】
ｌ（：出力する信号電荷Ｑｓを含むパケットの数（この例は１つパケットで考えている））＋Ｘ（前にある信号電荷Ｑｓを含まないパケットの数）以上で、１＋Ｘ＋（Ｎ×ａ）（：後ろにある信号電荷Ｑｓを含まないパケットの数）以下
それによって、（Ｘ＝０）の場合では、信号電荷のみを水平ＣＣＤ４に対して転送し、（Ｘ≠０）の場合では、信号電荷を含むパケットと１以上の信号電荷を含まないパケットとを水平ＣＣＤ４に対して転送する。
【００２８】
上述の条件によって、信号電荷を水平ＣＣＤ４に対して転送し、また、無信号のラインを圧縮することができる。実際には、空パケットの電荷が０ではなく、スミア信号や暗電流等の不要信号電荷Ｑｎが含まれている。各水平ブランキング期間でなされるラインシフトの数が異なると、不要信号電荷Ｑｎの加算される回数が異なるために、不要信号が含まれる量が実際の出力とされるラインによって異なる。それによって、モニタ上のライン毎に輝度が変わって見えるラインクロール現象や、色ずれなどの画質劣化が発生するおそれがある。
【００２９】
この問題を解決するには、各水平ブランキング期間でなされるラインシフトの回数を一定とすれば良い。限定された条件、すなわち、（ｍ＝１、またはｍ＝２）の場合では、垂直ＣＣＤ３のラインシフトの数を（（Ｎ×ａ／ｍ）＋１）とすることによって、各ラインの信号電荷Ｑｓに対して加算される信号電荷Ｑｓを含まないパケットの数を一定とすることができる。これによって、上述した画質劣化の発生を防止することができる。
【００３０】
図８Ｂは、（Ｎ＝２、ｍ＝１、ａ＝１）の場合の垂直ＣＣＤ３のチャンネル６のポテンシャルの模式図である。この例では、（Ｎ×ａ／ｍ＝２）となり、ラインシフトの回数を３回とすることによって、実際の出力となる、各ラインにおいて加算される信号電荷Ｑｓを含まないパケットの数を一定とすることができる。また、図８Ｃは、（Ｎ＝２、ｍ＝２、ａ＝１）の場合を示す。この場合では、（Ｎ×ａ／ｍ＝１）となり、ラインシフトの回数を２回とすれば良い。さらに、ｍ＞２の場合でも、スミア信号や暗電流のレベルを充分に小さくすることができれば、問題は生じない。
【００３１】
上述したこの発明によるＣＣＤは、実際の出力となるライン数を減少することができるので、垂直ＣＣＤ３の第１の領域Ａの並ぶ数ｍ、第２の領域Ｂの並ぶ数Ｎ×ａの値を選ぶことによって、１フィールドのテレビジョンの水平走査線数以下に出力撮像信号のライン数を抑えることができる。ベイヤ方式の色フィルタ配列のような（Ｎ＝２）の場合を例に出力ライン数のいくつかの例を説明する。
【００３２】
図９に示すように、有効画素数（：垂直×水平）が（４８０×６４０）のＶＧＡ(Video Graphics Array)対応の撮像素子に対してこの発明を適用した場合では、（ａ＝１、ｍ＝２）とされる。従って、ライン間引きモードでは、出力ライン数を半分の２４０ラインとできる。図１０に、図９に示す撮像素子の場合の垂直１列の垂直ＣＣＤの構造を、図１１に図１０に示す撮像素子を第２の動作モードで駆動するための駆動パルスのタイミングチャートを示す。尚、図４と対応する部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。この場合、各水平期間において、２回ラインシフトパルスＬＳが供給される。また、第２の動作モードにおいて、第１の水平期間Ｈ１には、Ｒのみの信号が、第２の水平期間Ｈ２には、Ｇのみの信号が読出される。この図１０に示す例では、各水平期間に加算されるライン数が同じなので、色ずれの問題などが生じない。
【００３３】
図１２に示すように、有効画素数が（７６８×１０２４）の撮像素子では、（ｍ＝１、ａ＝１）とすることによって、出力ライン数を２５６ラインとできる。図１３に、図１２に示す撮像素子の場合の垂直１列の垂直ＣＣＤの構造を、図１４に図１３に示す撮像素子を第２の動作モードで駆動するための駆動パルスのタイミングチャートを示す。尚、図４と対応する部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。この場合、各水平期間において、３回ラインシフトパルスＬＳが供給される。また、第２の動作モードにおいて、第１の水平期間Ｈ１には、Ｒのみの信号が、第２の水平期間Ｈ２には、Ｇのみの信号が読出される。また、第１の水平期間Ｈ１’に、Ｒのみの信号を、第２の水平期間Ｈ２’に、Ｇのみの信号を読出すようにしても良い。この図１３に示す例では、各水平期間に加算されるライン数が同じなので、色ずれの問題などが生じない。
【００３４】
図１５に示すように、有効画素数が（１０２４×１２８０）の撮像素子では、（ｍ＝１、ａ1 ＝１、ａ2 ＝２）とすることによって、出力ライン数を２５６ラインとできる。ａ1 およびａ2 は、交互に使用される。図１６に、図１５に示す撮像素子の場合の垂直１列の垂直ＣＣＤの構造を、図１７に図１６に示す撮像素子を第２の動作モードで駆動するための駆動パルスのタイミングチャートを示す。尚、図４に対応する部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。この場合、各水平期間において、４回ラインシフトパルスＬＳが供給される。また、第２の動作モードにおいて、第１の水平期間Ｈ１には、Ｇのみの信号が、第２の水平期間Ｈ２には、Ｒのみの信号が読出される。また、第１の水平期間Ｈ１’に、Ｒのみの信号を、第２の水平期間Ｈ２’に、Ｇのみの信号を読出すようにしても、第１の水平期間Ｈ１”に、Ｒのみの信号を、第２の水平期間Ｈ２”に、Ｇのみの信号を読出すようにしても良い。この図１６に示す例では、各水平期間に加算されるライン数が同じなので、色ずれの問題などが生じない。
【００３５】
図９、図１２および図１５にそれぞれ示す何れの場合でも、出力ライン数を例ばＮＴＳＣ方式の１フィールドのライン数（２６２．５）より少なくすることができる。従って、色シーケンスおよび画角をフルフレーム読出しモードと同一の関係を保持して、ライン間引きモードの撮像信号をより短時間で出力することができる。それによって、ＶＲＡＭ、あるいはフレームメモリを使用することなしに、液晶モニタに撮像画面を表示することができる。
【００３６】
なお、上述した一実施例における撮像素子の具体的構成は、一例であって、この発明は、これ以外の固体撮像素子に対しても適用できる。例えば垂直ＣＣＤが２層電極４相駆動の構造でも良い。さらに、固体撮像素子を駆動するモードとして、読出しパルスφＶ2 ´を印加し、読出しパルスφＶ2 を印加しない第３の動作モードを設定するようにしても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、全画素を読出すフルフレームの動作モードと、色シーケンスを同一の関係に保って、ライン数の少ない撮像信号を選択的に得ることができ、撮像信号を高速に出力することができる。従って、ライン数の多い撮像素子でも、出力ライン数をテレビジョンの走査線数以下とすることができ、フレームメモリ、ＶＲＡＭ等の大容量メモリを使用しなくても、撮像信号をモニタに表示することができる。また、高速で撮像信号を出力できることにより、オートフォーカス等の自動制御装置の応答を速くすることができる。さらに、コマ数が多くなるので、モニタ画像の動きが滑らかになる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の概略的構成を示す略線図である。
【図２】この発明の一実施例の１画素の部分の拡大平面図である。
【図３】この発明の一実施例の垂直ＣＣＤの構造を示す略線図である。
【図４】この発明の一実施例の垂直１列のバス配線を示す略線図である。
【図５】この発明を適用することができる色フィルタの一例および他の例を示す略線図である。
【図６】この発明の一実施例を駆動するための駆動パルスのタイミングチャートである。
【図７】図４に示す撮像素子の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図８】この発明の一実施例における垂直ＣＣＤのポテンシャルを模式的に示す略線図である。
【図９】この発明の具体的な一例を示す略線図である。
【図１０】図９に示す撮像素子の垂直１列のバス配線を示す略線図である。
【図１１】図９に示す撮像素子の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図１２】この発明の具体的な他の例を示す略線図である。
【図１３】図１２に示す撮像素子の垂直１列のバス配線を示す略線図である。
【図１４】図１２に示す撮像素子の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図１５】この発明の具体的なさらに他の例を示す略線図である。
【図１６】図１５に示す撮像素子の垂直１列のバス配線を示す略線図である。
【図１７】図１５に示す撮像素子の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図１８】従来の撮像素子の説明に用いる略線図である。
【図１９】先に提案されている撮像素子の説明に用いる略線図である。
【図２０】撮像素子の出力と液晶モニタの表示との関係を示す略線図である。
【図２１】撮像素子から発生した撮像信号を液晶モニタに供給する場合の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２・・・フォトセンサ、３・・・垂直ＣＣＤ、４・・・水平ＣＣＤ、６・・・垂直ＣＣＤのチャンネル、８，９，１０・・・垂直ＣＣＤのゲート、２１，２２，２３・・・垂直ＣＣＤの第１の領域Ａのゲート、３１，３２，３３・・・垂直ＣＣＤの第２の領域Ｂのゲート、４１，４２，４２´，４３・・・駆動パルスを供給するためのバス配線
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばディジタル記録の電子スチルカメラに使用して好適なカメラシステム、撮像装置および撮像方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、電子スチルカメラが普及しつつある。電子スチルカメラに使用して好適な固体撮像素子例えばＣＣＤとして、正方格子、全画素読出しのものが提案されている。正方格子は、隣接する画素の縦方向の間隔と横方向の間隔とを等しくするもので、撮像信号をパソコン用モニタに合わせるために採用される。従来のビデオカメラ等に使用されるＣＣＤは、インターレース方式の出力信号を発生するために、図１８に示すように、１／６０秒（１フィールド）蓄積して、隣接する上下２ラインの画素の電荷を読出し、垂直転送用のＣＣＤにおいて読出した２画素の電荷を混合し、また、混合する２つの画素の上下方向の組合せを奇数フィールドおよび偶数フィールドでずらすことによって、インターレース走査を実現していた。
【０００３】
かかるＣＣＤは、１／６０秒の蓄積時間のために、１／３０秒の蓄積時間のフレーム蓄積方式と比較して、動画像の撮像を良好に行うことができるが、垂直解像度が低い不利がある。従って、電子スチルカメラの撮像素子として適していない。そこで、図１９に示すように、１／３０秒間蓄積し、全画素の電荷を混合することなく独立に読出す全画素読出し方式が提案されている。この方式によれば、垂直解像度の低下を防止することができるが、撮像素子から撮像信号を出力するためには、画素数が同じで読出しのためのクロックが同じ場合に、上述したビデオカメラ用の撮像素子の２倍の時間を必要とする。より具体的には、１／３０秒周期の撮像信号が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電子スチルカメラの場合、撮影時にピントを合わせたり、撮影時のカメラアングルを調整するために、撮像画像を表示するモニタ例えば液晶モニタを設けることが多い。液晶モニタは、１／６０秒のノンインターレース走査で、テレビジョン画像を表示するのが普通である。従って、１／３０秒周期の撮像信号をそのまま液晶モニタに供給すると、図２０に示すようになってしまう。これを避けるためには、図２１に示すように、液晶モニタ６２に対してＶＲＡＭ（ビデオＲＡＭ）６１（あるいはフレームメモリ）によりフレームレートを変換する必要がある。ＶＲＡＭ６１に対しては、１／３０秒周期の撮像信号が供給され、その出力に１／６０秒周期のノンインターレース信号が発生する。
【０００５】
このように、全画素読出しの撮像素子は、垂直解像度が高いという点で、電子スチルカメラの撮像素子として好適な反面、通常のテレビジョンモニタに撮像画像を表示するのにフレームレートを変更するためにＶＲＡＭあるいはフレームメモリが必要となり、コストが上昇する問題があった。さらに、電子スチルカメラが自動焦点制御装置、自動アイリス制御装置、自動ホワイトバランス制御装置等の自動制御装置を備えているので、撮像素子の出力信号の周期が長いことは、これらの自動制御の応答を遅くする問題が生じた。さらに、モニタに表示される画像の動きが滑らかでない問題もあった。
【０００６】
上述した問題の解決する一つの方法は、撮像素子の出力信号のデータレートを高くすることである。しかしながら、クロック周波数が高いと、消費電力の増大、使用部品のコストの上昇、Ｓ／Ｎの劣化等の問題が生じる。従って、撮像信号のデータレートを上げる方法は、好ましくない。
【０００７】
従って、この発明の目的は、高速に撮像信号を出力することができるカメラシステム、撮像装置および撮像方法を提供することにある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、複数のフォトセンサから読出された電荷を垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送する垂直転送部と、垂直転送部と結合され、垂直転送部から転送された電荷を１水平期間周期で出力する水平転送部と、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、第１のフォトセンサ群と、第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を垂直転送部に転送させるための第１の信号供給部と、第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を垂直転送部に転送させるための第２の信号供給部とからなり、第１の信号供給部と第２の信号供給部が互いに独立して設けられている固体撮像素子と、第１および第２の信号供給部に入力され、垂直転送部および水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを有するカメラシステムにおいて、駆動信号生成部は、水平ブランキング期間に、垂直転送部から水平転送部へ電荷を転送するための駆動信号としてラインシフト信号を生成することを特徴とするカメラシステムである。
【０００９】
また、この発明は、垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサから読出された電荷を、垂直転送部により、垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送するステップと、垂直転送部から転送された電荷を、垂直転送部と結合される水平転送部により１水平期間周期で出力するステップと、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、第１のフォトセンサ群と、第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部により垂直転送部に転送させるためのステップと、第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部と互いに独立して設けられる第２の信号供給部により垂直転送部に転送させるステップと、第１および第２の信号供給部に入力され、垂直転送部および水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成のステップとを有し、駆動信号生成のステップでは、水平ブランキング期間に、垂直転送部から水平転送部へ電荷を転送するための駆動信号としてラインシフト信号を生成することを特徴とする撮像方法である。
また、この発明は、垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、複数のフォトセンサから読出された電荷を垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送する垂直転送部と、垂直転送部と結合され、垂直転送部から転送された電荷を１水平期間周期で撮像信号として出力する水平転送部と、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、第１のフォトセンサ群と、第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を垂直転送部に転送させるための第１の信号供給部と、第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を垂直転送部に転送させるための第２の信号供給部とからなり、第１の信号供給部と第２の信号供給部が互いに独立して設けられている固体撮像素子と、第１および第２の信号供給部に入力され、垂直転送部および水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、撮像信号を表示する表示部と、撮像信号を記憶する記憶部とを有し、駆動信号生成部は、撮像信号を記憶部に記憶する際には、第１および第２の信号供給部に駆動信号を供給し、撮像信号を表示部に表示する際には、第１の信号供給部のみに駆動信号を供給することを特徴とする撮像装置である。
また、この発明は、垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサから読出された電荷を、垂直転送部により、垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送するステップと、垂直転送部から転送された電荷を、垂直転送部と結合される水平転送部により１水平期間周期で出力するステップと、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、第１のフォトセンサ群と、第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部により垂直転送部に転送させるためのステップと、第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部と互いに独立して設けられる第２の信号供給部により垂直転送部に転送させるステップと、第１および第２の信号供給部に入力され、垂直転送部および水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成のステップと、撮像信号を表示部に表示するステップと、撮像信号を記憶部に記憶するステップとを有し、駆動信号生成のステップは、撮像信号を記憶部に記憶する際には、第１および第２の信号供給部に駆動信号を供給し、撮像信号を表示部により表示する際には、第１の信号供給部のみに駆動信号を供給することを特徴とする撮像方法である。
【００１０】
転送および読出しのための第１および第２の信号供給部が独立に設けられいてる。従って、第１および第２の信号供給部を通じて全画素の読出しを行う第１の動作モードと、その一方を通じて画素の読出しを行う第２の動作モードとが選択的に可能となる。そして、第２の動作モードでは、ライン数が間引かれるので、高速の撮像信号を出力することができる。また、第２の動作モードにおいて出力される撮像信号の色配列のシーケンスが全画素読出しの場合と同一となり、信号処理を変更する必要がない。さらに、第２の動作モードにおいて、垂直転送部から水平転送部に信号電荷を転送する場合に、水平ブランキング期間において、所定回数のラインシフトを行うことによって、信号電荷を含まないパケットが出力信号に含まれないように、圧縮することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明する。図１は、この発明によるＣＣＤ１の一実施例の概略を示す。この一実施例では、インターライン方式を採用し、イメージエリアに２次元配列されたフォトセンサ（例えばフォトダイオード）２と、フォトセンサ２の間に設けられ、フォトセンサ２からの信号電荷を水平ＣＣＤ（水平転送部）４へ転送するための垂直ＣＣＤ（垂直転送部）３と、水平ＣＣＤ４に接続されたバッファアンプ５とを有する。フォトセンサ２には、後述するような配列の色フィルタを通った撮像光が入射する。一つのフォトセンサ２と垂直ＣＣＤ３中の１ビットとが対応するように構成され、各フォトセンサ２からの信号電荷を混合することなく垂直ＣＣＤ３に読出し、全画素の信号を混合することなく順次、水平ＣＣＤ４に転送することが可能とされている。そして、水平ＣＣＤ４を駆動することによって、信号をフローティングディフュージョンエリアであるバッファアンプ５に転送し、順次電圧に変換して出力する。
【００１２】
ＣＣＤ１の単位画素の平面図を図２に示し、垂直ＣＣＤ３の構造を図３に示す。垂直ＣＣＤ３は、例えば３層電極３相駆動の構成とされている。図２において、６は、垂直ＣＣＤ３の転送チャンネル、７は、各画素間、並びに画素および転送チャンネル間を分離するためのチャンネルストッパ、８、９および１０は、それぞれ垂直ＣＣＤ３の転送ゲートである。転送ゲート９は、読出しゲートを兼用している。なお、図２では、遮光膜等についての図示が省略されている。転送ゲート８、９、１０は、図３に示すように、第１、第２および第３の多結晶シリコン電極を加工して形成される。これらの転送ゲート８、９、１０に対して、垂直駆動パルスφＶ1 、φＶ2 、φＶ3 がそれぞれ印加される。
【００１３】
フォトセンサ２から垂直ＣＣＤ３へ信号を読出す場合、フォトセンサ２に隣接した転送ゲート、すなわち、読出しゲートを兼ねる転送ゲート９に対して、垂直転送クロックφＶ2 のハイレベルより高いバイアス電圧（読出しパルスと称する）を印加する。ゲート９に読出しパルスを供給すると、１つの画素が垂直ＣＣＤ３の１ビットに対応しているので、全てのフォトセンサ２から信号電荷が垂直ＣＣＤ３に読出される。水平ＣＣＤ４は、転送クロックφＨ1 、φＨ2 によって、１ライン分のデータを出力する。なお、水平ＣＣＤ４としては、例えば複合チャンネル水平ＣＣＤ構造を採用することができる。その場合、出力部が２チャンネルの構成とされる。
【００１４】
上述したＣＣＤは、全画素の信号を混合することなく順次出力することができるので、電子スチルカメラ、画像取込みに適している。しかしながら、上述したように、インターレース出力を行う同じ画素数のビデオカメラ用撮像素子と比較して、同じクロックで電荷の転送を行うと、１画面（画面の上端から下端まで）の出力時間が倍となる。この発明の一実施例では、モニタ用の信号、自動焦点制御等の自動制御のための撮像信号として、水平ライン数を減少させることによって、１画面の撮像信号を高速に出力するものであり、且つ、このライン間引きの場合に、カラーフィルタの配列で規定される垂直方向の色シーケンスが崩れることがないようにするものである。一方、撮影した画像を半導体メモリ等の媒体に取り込む場合では、フルフレームの撮像信号（ライン数の間引きがされてない撮像信号）を出力する。ライン間引きの場合でも、色シーケンスがフルフレームの場合と同一のため、信号処理回路が複雑となる問題を回避できる。
【００１５】
上述した全画素読出し可能なＣＣＤにおいて、ライン数を間引くためには、フォトセンサ２からの信号電荷の読出しに寄与している転送ゲート（第２の多結晶シリコン）９に対する配線を二つに分けることによって可能である。色の繰り返し周期をＮで表す。図４は、上下２画素で１周期となる（Ｎ＝２）の場合にこの発明を適用した撮像素子の一例である。
【００１６】
単板式のＣＣＤの色フィルタの配列としては、Ｒ（赤色を通すフィルタ）、Ｇ（緑色を通すフィルタ）、Ｂ（青色を通すフィルタ）を図５Ａに示すように配列したもの（ベイヤ方式）が知られている。全体の半分の画素に感度の高いＧのフィルタを配置する。また、図５Ｂに示す補色市松配置の色フィルタも知られている。図５Ｂにおいて、Ｙｅ、Ｃｙ、Ｍｇは、それぞれ黄色、シアン、マゼンタのフィルタである。図５Ｂに示す補色フィルタは、原色フィルタに比して解像度を高めることができるので、ビデオカメラに採用されることが多い。一方、図５Ａに示す原色フィルタは、色の再現性の点で優れ、電子スチルカメラに採用されることが多い。
【００１７】
この発明は、原色フィルタを有する単板式撮像素子、および補色フィルタを有する単板式撮像素子の何れに対しても適用できる。さらに、図示しないが、Ｇのフィルタを備えた撮像素子と、ＲおよびＢのフィルタの配列を備えた撮像素子とからなり、二つの撮像素子の位置関係が水平方向、または水平および垂直方向に画素ピッチの１／２だけずらされた方式の撮像素子（いわゆる空間絵素ずらし方式）に対しても適用することができる。
【００１８】
図５Ａの配列は、垂直方向の色の繰り返し周期Ｎが（Ｎ＝２）であり、図５Ｂの配列は、（Ｎ＝４）である。図４は、（Ｎ＝２）であって、垂直方向の１列のフォトセンサ２、垂直ＣＣＤ３および垂直ＣＣＤ３のゲートのバス配線を１列の一部に関して示した模式図である。フォトセンサ２のうちで左上コーナーに斜線部を設けたものが一つの色フィルタ例えばＧのフィルタに対応し、斜線部を設けないものが他の色フィルタ、例えばＢのフィルタと対応している。垂直ＣＣＤ３は、上述したように３層電極３相駆動形式のもので、ＣＣＤの開口画素（遮光されていない画素）に隣接して３ビットのゲートを有する。また、垂直ＣＣＤ３は、第１の領域Ａと、第２の領域Ｂを含む。第１の領域Ａは、ゲート２１、２２、２３からなり、第２の領域Ｂは、ゲート３１、３２、３３からなる。ゲート２２および３２が転送兼読出しゲートである。４１、４２、４２´、４３は、垂直転送用の駆動パルスφＶ1 、φＶ2 、φＶ2 ´、φＶ3 がそれぞれ供給されるバス配線である。
【００１９】
ゲート２１および３１がバス配線４１に接続され、ゲート２３および３３がバス配線４３に接続される。これらのバス配線４１、４３には、それぞれ駆動パルスφＶ1 、φＶ3 が供給される。駆動パルスφＶ2 に関して、２本のバス４２および４２´が設けられる。第１の領域Ａとは、転送兼読出しゲート２２がバス４２と接続されるものを指し、第２の領域Ｂは、転送兼読出しゲート３２がバス４２´と接続されるものを指す。なお、図４では、簡略化のために、バスラインが片側しか描かれていないが、フォトセンサ２の両側にバスラインを配して、両側駆動するのが普通である。
【００２０】
この発明では、ライン間引きのために、第１の領域Ａがｍ（ｍ＝１，２，３，・・・）並んだ範囲と、第２の領域ＢがＮ×ａ並んだ範囲とが垂直方向に交互に形成される。図４に示す例は、（Ｎ＝２、ｍ＝３、ａ＝２）の場合である。なお、ｍおよびａの値を任意に選ぶことができるが、ｍおよびａを大きな値としても、（ｍ＋Ｎ×ａ）が有効画素数の垂直画素数より小さいことが必要である。
【００２１】
上述したこの発明の一実施例において、第１の動作モード、すなわち、全画素の信号を読出すフルフレームの動作時では、垂直ＣＣＤ３の第１の領域Ａおよび第２の領域Ｂの両者にフォトセンサ２から信号が読出される。そのためには、バス配線４２および４２´を通じてゲート２２および３２の両者に読出しパルスが印加される。この場合、色フィルタの配列の順序と対応する色シーケンス、例えばＧ、Ｂ、Ｇ、Ｂ、・・・のシーケンスでもって色信号が出力される。
【００２２】
一方、第２の動作モード、すなわち、ライン間引き動作時では、第１の領域Ａのゲート２２にのみバス配線４２を介して読出しパルスが印加される。従って、ｍの範囲から信号が読出され、Ｎ×ａの範囲からは、信号が読出されない。図４の例では、（ｍ＝３）ラインから信号が発生し、（Ｎ×ａ＝４）ラインから信号が発生しない。間引かれるライン数が色の繰り返し同期Ｎの整数倍であるので、ライン間引きの場合の撮像出力の色信号の順序は、フルフレーム読出しと同一の関係に保たれる。
【００２３】
図６Ａ〜図６Ｃは、撮像素子を駆動する場合のタイミングを示し、図６Ａがフルフレームの読出しを行う場合のタイミングを示す。各水平ブランキング期間において、ラインシフトパルスＬＳとしての３相の駆動パルスφＶ1 、φＶ2 、φＶ2 ´、φＶ3 が垂直ＣＣＤ３の第１の領域Ａのゲート２１、２２および２３と、第２の領域Ｂのゲート３１、３２および３３にそれぞれ供給される。また、読出しパルスも１Ｖ毎にゲート２２および３２との両者に対して印加される。この読出しパルスによって、全てのフォトセンサから信号電荷が垂直ＣＣＤ３に読出される。図６Ｂの詳細なタイミングチャートに示すように、水平ブランキング期間内で発生する駆動パルスφＶ1 、φＶ2 、φＶ2 ´、φＶ3 が３相のものであり、１つのラインシフト期間によって１ライン分電荷のシフトがなされる。フルフレームの読出し時には、各水平ブランキング期間内で、１ラインシフトがなされる。
【００２４】
一方、ライン間引きの読出しの場合では、図６Ｃに示すように、第１の領域Ａのゲート２２にのみ読出しパルスが印加される。それによって、第１の領域Ａに隣接したフォトセンサのみから信号電荷が読出される。ライン間引きの場合では、間引かれたラインの垂直ＣＣＤには、信号電荷が読出されず、無信号となる。この無信号期間は、ラインシフト動作を複数回繰り返すことによって除去できる。
【００２５】
例えば、図４に示す色配列の場合には、Ｈ１で示される３画素分の電荷、具体的には、ひとつの第１の領域Ａの信号電荷と、２つの第２の領域Ｂの無信号を、図７に示すように、第１の水平期間Ｈ１においてラインシフトパルスＬＳを３回供給することにより、水平ＣＣＤ４において合成する。同様に、第２の水平期間Ｈ２においてラインシフトパルスＬＳを３回供給することにより、ひとつの第１の領域Ａの信号電荷と、２つの第２の領域Ｂの無信号を、水平ＣＣＤ４において合成する。また、第３の水平期間Ｈ３において、ラインシフトパルスＬＳを１回供給することにより、ひとつの第１の領域Ａの信号電荷を１水平期間に水平ＣＣＤ４に供給する。従って、各水平期間において、ひとつの第１の領域からの信号電荷が、色シーケンスが変わることなく出力されることになる。この図７に示す期間の動作が３水平期間毎に繰り返される。
【００２６】
図８Ａは、（ｍ＝１，ａ＝１）の場合の垂直ＣＣＤ３のチャンネル６のポテンシャルの模式図である。図面に向かって右側から左側の水平ＣＣＤ４に向かう方向が垂直転送方向である。チャンネル６には、ライン間引き動作時に、信号電荷Ｑｓを含むパケット５１と空パケット５２とが存在する。各ラインから信号電荷Ｑｓを出力するためには、空パケット５２の分、多くラインシフトを行い、それによって信号電荷と無信号とを水平ＣＣＤ４において混合し、無信号の期間を除去する。各水平ブランキング期間内でなされるラインシフトの回数は、下記の関係を満足するように選定すれば良い。
【００２７】
ｌ（：出力する信号電荷Ｑｓを含むパケットの数（この例は１つパケットで考えている））＋Ｘ（前にある信号電荷Ｑｓを含まないパケットの数）以上で、１＋Ｘ＋（Ｎ×ａ）（：後ろにある信号電荷Ｑｓを含まないパケットの数）以下
それによって、（Ｘ＝０）の場合では、信号電荷のみを水平ＣＣＤ４に対して転送し、（Ｘ≠０）の場合では、信号電荷を含むパケットと１以上の信号電荷を含まないパケットとを水平ＣＣＤ４に対して転送する。
【００２８】
上述の条件によって、信号電荷を水平ＣＣＤ４に対して転送し、また、無信号のラインを圧縮することができる。実際には、空パケットの電荷が０ではなく、スミア信号や暗電流等の不要信号電荷Ｑｎが含まれている。各水平ブランキング期間でなされるラインシフトの数が異なると、不要信号電荷Ｑｎの加算される回数が異なるために、不要信号が含まれる量が実際の出力とされるラインによって異なる。それによって、モニタ上のライン毎に輝度が変わって見えるラインクロール現象や、色ずれなどの画質劣化が発生するおそれがある。
【００２９】
この問題を解決するには、各水平ブランキング期間でなされるラインシフトの回数を一定とすれば良い。限定された条件、すなわち、（ｍ＝１、またはｍ＝２）の場合では、垂直ＣＣＤ３のラインシフトの数を（（Ｎ×ａ／ｍ）＋１）とすることによって、各ラインの信号電荷Ｑｓに対して加算される信号電荷Ｑｓを含まないパケットの数を一定とすることができる。これによって、上述した画質劣化の発生を防止することができる。
【００３０】
図８Ｂは、（Ｎ＝２、ｍ＝１、ａ＝１）の場合の垂直ＣＣＤ３のチャンネル６のポテンシャルの模式図である。この例では、（Ｎ×ａ／ｍ＝２）となり、ラインシフトの回数を３回とすることによって、実際の出力となる、各ラインにおいて加算される信号電荷Ｑｓを含まないパケットの数を一定とすることができる。また、図８Ｃは、（Ｎ＝２、ｍ＝２、ａ＝１）の場合を示す。この場合では、（Ｎ×ａ／ｍ＝１）となり、ラインシフトの回数を２回とすれば良い。さらに、ｍ＞２の場合でも、スミア信号や暗電流のレベルを充分に小さくすることができれば、問題は生じない。
【００３１】
上述したこの発明によるＣＣＤは、実際の出力となるライン数を減少することができるので、垂直ＣＣＤ３の第１の領域Ａの並ぶ数ｍ、第２の領域Ｂの並ぶ数Ｎ×ａの値を選ぶことによって、１フィールドのテレビジョンの水平走査線数以下に出力撮像信号のライン数を抑えることができる。ベイヤ方式の色フィルタ配列のような（Ｎ＝２）の場合を例に出力ライン数のいくつかの例を説明する。
【００３２】
図９に示すように、有効画素数（：垂直×水平）が（４８０×６４０）のＶＧＡ(Video Graphics Array)対応の撮像素子に対してこの発明を適用した場合では、（ａ＝１、ｍ＝２）とされる。従って、ライン間引きモードでは、出力ライン数を半分の２４０ラインとできる。図１０に、図９に示す撮像素子の場合の垂直１列の垂直ＣＣＤの構造を、図１１に図１０に示す撮像素子を第２の動作モードで駆動するための駆動パルスのタイミングチャートを示す。尚、図４と対応する部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。この場合、各水平期間において、２回ラインシフトパルスＬＳが供給される。また、第２の動作モードにおいて、第１の水平期間Ｈ１には、Ｒのみの信号が、第２の水平期間Ｈ２には、Ｇのみの信号が読出される。この図１０に示す例では、各水平期間に加算されるライン数が同じなので、色ずれの問題などが生じない。
【００３３】
図１２に示すように、有効画素数が（７６８×１０２４）の撮像素子では、（ｍ＝１、ａ＝１）とすることによって、出力ライン数を２５６ラインとできる。図１３に、図１２に示す撮像素子の場合の垂直１列の垂直ＣＣＤの構造を、図１４に図１３に示す撮像素子を第２の動作モードで駆動するための駆動パルスのタイミングチャートを示す。尚、図４と対応する部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。この場合、各水平期間において、３回ラインシフトパルスＬＳが供給される。また、第２の動作モードにおいて、第１の水平期間Ｈ１には、Ｒのみの信号が、第２の水平期間Ｈ２には、Ｇのみの信号が読出される。また、第１の水平期間Ｈ１’に、Ｒのみの信号を、第２の水平期間Ｈ２’に、Ｇのみの信号を読出すようにしても良い。この図１３に示す例では、各水平期間に加算されるライン数が同じなので、色ずれの問題などが生じない。
【００３４】
図１５に示すように、有効画素数が（１０２４×１２８０）の撮像素子では、（ｍ＝１、ａ1 ＝１、ａ2 ＝２）とすることによって、出力ライン数を２５６ラインとできる。ａ1 およびａ2 は、交互に使用される。図１６に、図１５に示す撮像素子の場合の垂直１列の垂直ＣＣＤの構造を、図１７に図１６に示す撮像素子を第２の動作モードで駆動するための駆動パルスのタイミングチャートを示す。尚、図４に対応する部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。この場合、各水平期間において、４回ラインシフトパルスＬＳが供給される。また、第２の動作モードにおいて、第１の水平期間Ｈ１には、Ｇのみの信号が、第２の水平期間Ｈ２には、Ｒのみの信号が読出される。また、第１の水平期間Ｈ１’に、Ｒのみの信号を、第２の水平期間Ｈ２’に、Ｇのみの信号を読出すようにしても、第１の水平期間Ｈ１”に、Ｒのみの信号を、第２の水平期間Ｈ２”に、Ｇのみの信号を読出すようにしても良い。この図１６に示す例では、各水平期間に加算されるライン数が同じなので、色ずれの問題などが生じない。
【００３５】
図９、図１２および図１５にそれぞれ示す何れの場合でも、出力ライン数を例ばＮＴＳＣ方式の１フィールドのライン数（２６２．５）より少なくすることができる。従って、色シーケンスおよび画角をフルフレーム読出しモードと同一の関係を保持して、ライン間引きモードの撮像信号をより短時間で出力することができる。それによって、ＶＲＡＭ、あるいはフレームメモリを使用することなしに、液晶モニタに撮像画面を表示することができる。
【００３６】
なお、上述した一実施例における撮像素子の具体的構成は、一例であって、この発明は、これ以外の固体撮像素子に対しても適用できる。例えば垂直ＣＣＤが２層電極４相駆動の構造でも良い。さらに、固体撮像素子を駆動するモードとして、読出しパルスφＶ2 ´を印加し、読出しパルスφＶ2 を印加しない第３の動作モードを設定するようにしても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、全画素を読出すフルフレームの動作モードと、色シーケンスを同一の関係に保って、ライン数の少ない撮像信号を選択的に得ることができ、撮像信号を高速に出力することができる。従って、ライン数の多い撮像素子でも、出力ライン数をテレビジョンの走査線数以下とすることができ、フレームメモリ、ＶＲＡＭ等の大容量メモリを使用しなくても、撮像信号をモニタに表示することができる。また、高速で撮像信号を出力できることにより、オートフォーカス等の自動制御装置の応答を速くすることができる。さらに、コマ数が多くなるので、モニタ画像の動きが滑らかになる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の概略的構成を示す略線図である。
【図２】この発明の一実施例の１画素の部分の拡大平面図である。
【図３】この発明の一実施例の垂直ＣＣＤの構造を示す略線図である。
【図４】この発明の一実施例の垂直１列のバス配線を示す略線図である。
【図５】この発明を適用することができる色フィルタの一例および他の例を示す略線図である。
【図６】この発明の一実施例を駆動するための駆動パルスのタイミングチャートである。
【図７】図４に示す撮像素子の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図８】この発明の一実施例における垂直ＣＣＤのポテンシャルを模式的に示す略線図である。
【図９】この発明の具体的な一例を示す略線図である。
【図１０】図９に示す撮像素子の垂直１列のバス配線を示す略線図である。
【図１１】図９に示す撮像素子の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図１２】この発明の具体的な他の例を示す略線図である。
【図１３】図１２に示す撮像素子の垂直１列のバス配線を示す略線図である。
【図１４】図１２に示す撮像素子の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図１５】この発明の具体的なさらに他の例を示す略線図である。
【図１６】図１５に示す撮像素子の垂直１列のバス配線を示す略線図である。
【図１７】図１５に示す撮像素子の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図１８】従来の撮像素子の説明に用いる略線図である。
【図１９】先に提案されている撮像素子の説明に用いる略線図である。
【図２０】撮像素子の出力と液晶モニタの表示との関係を示す略線図である。
【図２１】撮像素子から発生した撮像信号を液晶モニタに供給する場合の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２・・・フォトセンサ、３・・・垂直ＣＣＤ、４・・・水平ＣＣＤ、６・・・垂直ＣＣＤのチャンネル、８，９，１０・・・垂直ＣＣＤのゲート、２１，２２，２３・・・垂直ＣＣＤの第１の領域Ａのゲート、３１，３２，３３・・・垂直ＣＣＤの第２の領域Ｂのゲート、４１，４２，４２´，４３・・・駆動パルスを供給するためのバス配線
Claims (13)
- 垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、上記複数のフォトセンサから読出された電荷を垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送する垂直転送部と、上記垂直転送部と結合され、上記垂直転送部から転送された電荷を１水平期間周期で出力する水平転送部と、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、上記画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、上記第１のフォトセンサ群と、上記第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、上記第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を上記垂直転送部に転送させるための第１の信号供給部と、上記第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を上記垂直転送部に転送させるための第２の信号供給部とからなり、上記第１の信号供給部と上記第２の信号供給部が互いに独立して設けられている固体撮像素子と、
上記第１および第２の信号供給部に入力され、上記垂直転送部および上記水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と
を有するカメラシステムにおいて、
上記駆動信号生成部は、水平ブランキング期間に、上記垂直転送部から上記水平転送部へ上記電荷を転送するための上記駆動信号としてラインシフト信号を生成することを特徴とするカメラシステム。 - 請求項１のカメラシステムにおいて、
上記駆動信号生成部は、
上記第１および第２の信号供給部に駆動信号を供給することで全画素の電荷を読出す第１の動作モードと、
上記第１の信号供給部のみを駆動する駆動信号を生成する第２の動作モードとを選択的に切り換え可能であることを特徴とするカメラシステム。 - 請求項１のカメラシステムにおいて、
上記駆動信号生成部は、連続するｍ個の水平ブランキング期間における各水平ブランキング期間で、ｍ個の上記第１のフォトセンサ群の１画素から読み出された電荷を上記水平転送部へ転送するためのラインシフト信号を含む１以上のラインシフト信号を生成し、連続するｍ個の水平ブランキング期間全体で（ｍ＋Ｎ×ａ）回上記ラインシフト信号を生成することを特徴とするカメラシステム。 - 請求項１のカメラシステムにおいて、
上記駆動信号生成部は、或る第１のフォトセンサ群に含まれる１つの画素を第１の画素とした際に、
上記或る第１のフォトセンサ群に含まれ、上または下方向において上記第１の画素に隣接する第２の画素の電荷と、上記第１の画素の電荷とをそれぞれ異なる水平ブランキング期間に上記垂直転送部から上記水平転送部に転送させるように、ラインシフト信号を生成することを特徴とするカメラシステム。 - 請求項４のカメラシステムにおいて、
上記駆動信号生成部は、上記ｍが２である場合に、
上記或る第１のフォトセンサ群に含まれ、上方向において上記第１の画素に隣接する画素を上記第２の画素、下方向において上記第１の画素と隣接する画素を第３の画素とした際に、
上記第２および第３の画素のうち上記第１の画素との物理的距離が長い方の画素と、上記第１の画素との間に位置する画素の電荷を、上記物理的距離が長い方の画素の電荷と加算されるようにするため、上記物理的距離が長い方の画素の電荷を上記垂直転送部から上記水平転送部に転送する水平ブランキング期間に、少なくとも２つのラインシフト信号を生成することを特徴とするカメラシステム。 - 請求項１のカメラシステムにおいて、
上記駆動信号生成部は、各水平期間において、同一数のラインシフト信号を生成することを特徴とするカメラシステム。 - 請求項１のカメラシステムにおいて、
上記ａが各単位で異なることを特徴とするカメラシステム。 - 請求項１のカメラシステムにおいて、
上記ａが２単位周期であり、各単位毎に１、２の順であることを特徴とするカメラシステム。 - 請求項１のカメラシステムにおいて、
上記Ｎがどの単位においても２で固定であることを特徴とするカメラシステム。 - 請求項１のカメラシステムにおいて、
ｍ＝１またはｍ＝２の場合において、
上記駆動信号生成部は、各水平ブランキング期間に（Ｎ×ａ／ｍ）＋１個のラインシフト信号を生成し、
これにより、信号電荷を含む１ラインの画素の電荷と、信号電荷を含まないＮ×ａ／ｍラインの画素の電荷とが上記水平転送部において混合されることを特徴とするカメラシステム。 - 垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサから読出された電荷を、垂直転送部により、垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送するステップと、
上記垂直転送部から転送された電荷を、上記垂直転送部と結合される水平転送部により１水平期間周期で出力するステップと、
ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、上記画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、上記第１のフォトセンサ群と、上記第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、上記第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部により上記垂直転送部に転送させるためのステップと、
上記第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、上記第１の信号供給部と互いに独立して設けられる第２の信号供給部により上記垂直転送部に転送させるステップと、
上記第１および第２の信号供給部に入力され、上記垂直転送部および上記水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成のステップと
を有し、
上記駆動信号生成のステップでは、水平ブランキング期間に、上記垂直転送部から上記水平転送部へ上記電荷を転送するための上記駆動信号としてラインシフト信号を生成することを特徴とする撮像方法。 - 垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、上記複数のフォトセンサから読出された電荷を垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送する垂直転送部と、上記垂直転送部と結合され、上記垂直転送部から転送された電荷を１水平期間周期で撮像信号として出力する水平転送部と、ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、上記画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、上記第１のフォトセンサ群と、上記第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、上記第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を上記垂直転送部に転送させるための第１の信号供給部と、上記第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を上記垂直転送部に転送させるための第２の信号供給部とからなり、
上記第１の信号供給部と上記第２の信号供給部が互いに独立して設けられている固体撮像素子と、
上記第１および第２の信号供給部に入力され、上記垂直転送部および上記水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
上記撮像信号を表示する表示部と、
上記撮像信号を記憶する記憶部と
を有し、
上記駆動信号生成部は、上記撮像信号を上記記憶部に記憶する際には、上記第１および第２の信号供給部に駆動信号を供給し、上記撮像信号を上記表示部に表示する際には、上記第１の信号供給部のみに駆動信号を供給することを特徴とする撮像装置。 - 垂直方向にＮ（Ｎは自然数）画素周期で繰り返される複数の色フィルタを介した光が入射されるマトリクス状に配置された複数のフォトセンサから読出された電荷を、垂直転送部により、垂直方向に連なるフォトセンサからの電荷を混合することなく転送するステップと、
上記垂直転送部から転送された電荷を、上記垂直転送部と結合される水平転送部により１水平期間周期で出力するステップと、
ｍ（ｍは自然数）個の垂直方向に連なる第１のフォトセンサ群と、上記画素周期Ｎのａ倍（ａは自然数）の数からなる垂直方向に連なる第２のフォトセンサ群とで、１単位を構成し、上記第１のフォトセンサ群と、上記第２のフォトンサ群とが垂直方向に交互に配置されるものとし、上記第１のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、第１の信号供給部により上記垂直転送部に転送させるためのステップと、
上記第２のフォトセンサ群に蓄積された電荷を、上記第１の信号供給部と互いに独立して設けられる第２の信号供給部により上記垂直転送部に転送させるステップと、
上記第１および第２の信号供給部に入力され、上記垂直転送部および上記水平転送部を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成のステップと、
上記撮像信号を表示部に表示するステップと、
上記撮像信号を記憶部に記憶するステップと
を有し、
上記駆動信号生成のステップは、上記撮像信号を上記記憶部に記憶する際には、上記第１および第２の信号供給部に駆動信号を供給し、上記撮像信号を上記表示部により表示する際には、上記第１の信号供給部のみに駆動信号を供給することを特徴とする撮像方法。
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