JP4019435B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラなどに適用されるＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子を使用した固体撮像装置に関し、特に、いわゆる電子シャッタ機能を有する固体撮像素子のシャッタタイミングの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばビデオカメラでは、固体撮像素子である光電変換素子と電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device ）等から構成される、いわゆるＣＣＤイメージセンサで受光される光量を自動的に調節する機構（以下、単に自動露光調節機構と記す）として、レンズに内蔵されている、いわゆるアイリス（絞り）を自動的に調節する機構（以下、単にオートアイリス機構と記す）が知られている（特開昭６３−８２０６７号公報参照）。
【０００３】
具体的には、ビデオカメラは、図７に示すように、レンズ部１００と、ビデオカメラ本体１０１とから構成される。レンズ部１００は、レンズ１０２と、アイリス１０３と、ビデオカメラ本体１０１から送られてくる撮像信号の出力レベルを検出する検波回路１０４と、この検波回路１０４の出力と基準電圧を比較する比較回路１０５と、この比較回路１０５の出力に基づいてアイリス１０３の機械的開閉を制御するアイリス駆動回路１０６とを有する。
【０００４】
また、ビデオカメラ本体１０１は、固体撮像素子であるＣＣＤイメージセンサ（以下、単にＣＣＤと記す）１０７と、このＣＣＤ１０７からの撮像信号を増幅する増幅回路１０８と、この増幅回路１０８で増幅された撮像信号に、いわゆるＡＧＣ（Automatic Gain Control）をかけるＡＧＣ回路１０９と、このＡＧＣ回路１０９からの撮像信号を、いわゆるＮＴＳＣ方式やＰＡＬ方式等に準拠した映像信号に変換する映像信号処理回路１１０とを有し、この映像信号処理回路１１０の出力端子φｏｕｔから映像信号が取り出されるようになっている。
【０００５】
そして、上記オートアイリス機構は、レンズ部１００に内蔵されたアイリス１０３に、ビデオカメラ本体１０１に内蔵されたＣＣＤ１０７からの撮像信号の出力レベルをフィードバックすることにより達成される。
【０００６】
即ち、ＣＣＤ１０７から増幅回路１０８及び検波回路１０４を介して得られる撮像信号の出力レベルが基準電圧になるように、この場合、例えば比較回路１０５の出力が零となるようにアイリス１０３の機械的開閉が自動的に調節される。一方、上記機械的なアイリス１０３を用いない自動露光調節機構として、例えば、いわゆるフィールド蓄積型のＣＣＤイメージセンサの電荷蓄積時間を制御する機構（以下、単に電子シャッタあるいは電子シャッタ機能と記す）を、本出願人は先に提案した（特願平２−２３８９３０号）。
【０００７】
具体的には、電子シャッタ機能を有するフィールド蓄積型のＣＣＤイメージセンサでは、図８に示すように、同図Ａで示す垂直同期信号ＶＤ中、垂直帰線期間（垂直ブランキング期間）ＶＢＬＫを示す低レベルの信号が供給されたときに、図８Ｂに示す電荷読み出しパルスＳＧ（高レベル）が供給されるようになっている。そして、任意のフィールドにおける電荷読み出しパルスＳＧから次のフィールドにおける電荷読み出しパルスＳＧが供給されるまでに蓄積された電荷が、当該次のフィールドにおける電荷読み出しパルスＳＧに基づいて読み出されるようになっている。
【０００８】
そして、電子シャッタ機能は、例えばＣＣＤイメージセンサが縦型オーバーフロードレイン方式の場合、図８Ｃに示すように、任意のフィールドの電荷読み出しパルスＳＧが供給されてから、ＣＣＤイメージセンサの例えばＮ基板に基板電位よりも高いレベルのリセットパルスＰｓを、後述するように、水平帰線期間（水平ブランキング期間）中に供給し、それまで蓄積されていた電荷を基板側に掃き捨て、最後のリセットパルスＰｓが供給されてから次のフィールドの電荷読み出しパルスＳＧが供給されるまでの時間を制御して、電荷蓄積時間（即ち、露光時間）Ｔを制御するようになっている。
【０００９】
例えば、ＮＴＳＣ方式では、最大の露光時間Ｔは、フィールド周波数で決まる１６．７ｍｓであり、ＰＡＬ方式では、最大の露光時間Ｔは、フィールド周波数で決まる２０ｍｓである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電子シャッタ機能を応用した露光時間Ｔの調節では、以下のような問題が生じる。即ち、水平同期信号ＨＤにおける水平同期パルスの１周期分に相当する時間（１水平周期）を１Ｈとしたとき、露光時間Ｔが１０Ｈ〜２０Ｈ（１Ｈ≒６４μｓ）以上になると、露光時間Ｔのスタートのタイミングが映像信号上、垂直ブランキング期間ＶＢＬＫから外れて有効映像出力期間に入ることになる。
【００１１】
この場合、蓄積された電荷を掃き捨てるためのリセットパルスＰｓは、現在読み出されている撮像信号に影響を与えないように、水平ブランキング期間中に出力する必要がある。従って、上記のように、露光時間Ｔが比較的長い場合、図８Ｅに示すように、露光時間Ｔは、１水平周期１Ｈ、即ち６４μｓを単位としてしか制御（ステップ制御）せざるを得なくなる。
【００１２】
被写体が暗く、シャッタ速度が遅い（即ち、露光時間Ｔが長い）低速シャッタ域では、露光時間Ｔの段階的なステップ制御は問題とならないが、被写体が明るく、シャッタ速度が速い（即ち、露光時間Ｔが短い）高速シャッタ域では、上記１Ｈによる電荷蓄積の変化量が、全露光時間Ｔに対して極めて大きくなってくるため、収束が不安定になり易く、実用に適さないという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、露光時間を連続可変でき、高精度で、かつ安定な自動露光調節を行うことができる固体撮像装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成した本発明に係る固体撮像装置は、水平同期信号及び垂直同期信号を生成して出力する同期信号発生手段と、上記垂直同期信号に同期して各フレームを形成する第１、第２のフィールドの始点毎に第１、第２の垂直パルスが形成されるタイミング信号発生手段と、シャッタパルスから該シャッタパルスの次のフィールドの第１の垂直パルスまでの間の被写体からの光入射を光電変換することによって蓄積された電荷を第１、第２のフィールドの撮像信号に変換して、該第１の垂直パルスに同期して該第１、第２のフィールドの撮像信号が２ラインの水平転送レジスタを介し第１のフィールド期間内に読み出され、該撮像信号の読出し後に蓄積された電荷が掃き捨てられる固体撮像素子と、上記第１の垂直パルスに同期して固体撮像素子から読み出されたフィールド毎の撮像信号が記憶されるフィールドメモリと、上記第２の垂直パルスに同期して上記同期信号発生手段で生成された水平同期信号のパルス数と１水平ライン当たりの標準の撮像信号レベルとの積に相当する基準信号レベルを出力する基準レベル発生手段と、第２のフィールド期間において、上記基準信号レベルが上記フィールドメモリから読み出された撮像信号の平均撮像信号レベル以上となった際にシャッタパルスを生成して上記固体撮像素子に送出するシャッタ信号生成手段とを備える。
【００１６】
以上の構成を備える固体撮像装置によれば、シャッタ信号生成手段において、基準レベル発生手段から送出される信号レベルが、フィールドメモリから読み出された平均撮像信号レベル以上となった際にシャッタパルスが生成され、固体撮像素子で該シャッタパルスが供給されるまでの間電荷を蓄積し、水平同期信号毎に該蓄積された電荷を撮像信号に変換して送出する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１〜図６に示す実施例は、本発明をビデオカメラに適用したものである。
【００１９】
この実施例のビデオカメラは、図１に示すように、被写体からの光入射を光電変換することによって得られた蓄積電荷を撮像信号に変換し、かつ、水平周期に同期した掃き捨て信号の供給によって、上記蓄積電荷を掃き捨てることにより、電荷蓄積時間が制御可能とされた固体撮像素子１を有する。
【００２０】
この固体撮像素子１は、例えばｐｎ接合のフォトダイオードによる受光部が多数、縦（行）方向及び横（列）方向にマトリクス状に配され、受光部内の蓄積電荷を行方向に転送する垂直転送レジスタが列方向に配列された、例えばインターライン方式のＣＣＤイメージセンサにて構成されている。垂直転送レジスタの転送電極を構成する例えば４枚の電極（例えば多結晶シリコンによる電極層）には、水平ブランキング期間内にそれぞれ位相の異なる４相の垂直転送パルスＶ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４が印加され、これらパルスＶ１〜Ｖ４の印加タイミングによって、蓄積電荷が行単位に転送されることになる。
【００２１】
また、垂直ブランキング期間内の所定時間において、第１、第２の読み出しパルスＳＧ１、ＳＧ２が、第１、第３の垂直転送パルスＶ１、Ｖ３に重畳されてそれぞれに対応する転送電極に印加され、各受光部と垂直転送レジスタ間の読み出しゲートのポテンシャルが上がって、受光部に蓄積されていた各フレーム毎の第１、第２のフィールドの電荷が垂直転送レジスタ側に読み出される。なお、第１の読み出しパルスＳＧ１は、第２の読み出しパルスＳＧ２よりも例えば５μｓ程度進み位相のタイミングで出力される。
【００２２】
また、水平周期の有効画素出力期間においては、水平転送レジスタに例えば互いに位相の異なる２相の水平転送パルスＨ１及びＨ２が供給されて、垂直転送レジスタから水平転送レジスタに転送された電荷を水平走査のタイミングで順次出力部側に転送する。
【００２３】
出力部は、例えば電荷−電圧変換部としてのフローティング・ディフュージョン（以下、単にＦＤと記す）、リセットゲート及びリセットドレインを有するフローティング・ディフュージョン・アンプ（以下、単にＦＤＡと記す）にて構成されており、このＦＤＡのＦＤに水平転送レジスタからの電荷が順次転送されて電圧に変換され、撮像信号Ｓｉとして取り出される。ＦＤに転送された電荷は、リセットゲートにリセットパルスＰＧが供給されることによって、ゲート下のポテンシャルが上がり（即ち、ポテンシャル障壁が下がり）、このゲートに隣接して形成されたリセットドレインに掃き出されるようになっている。
【００２４】
これら垂直転送パルスＶ１〜Ｖ４、水平転送パルスＨ１、Ｈ２、第１、第２の読み出しパルスＳＧ１、ＳＧ２及びリセットパルスＰＧは、前段のタイミング発生回路２から供給される。特に、垂直転送パルスＶ１〜Ｖ４及び読み出しパルスＳＧ１、ＳＧ２は、信号減衰の抑圧等を目的とした垂直駆動回路３を介して固体撮像素子１に供給され、特に、読み出しパルスＳＧ１及びＳＧ２は、この垂直駆動回路３内において、第１及び第３の垂直転送パルスＶ１及びＶ３に重畳処理される。
【００２５】
上記タイミング発生回路２は、高周波発振器（２８ＭＨｚ）４からの基準クロックＰｃに基づいて同期信号作成用のクロック信号ＣＬＫを発生し、このクロック信号ＣＬＫを後段の同期信号発生回路５に供給する。同期信号発生回路５は、上記タイミング発生回路２からのクロック信号ＣＬＫに基づいて垂直同期信号ＶＤ及び水平同期信号ＨＤを発生し、タイミング発生回路２に供給する。
【００２６】
水平同期信号ＨＤは、タイミング発生回路２に供給される。また、このタイミング発生回路２においては、同期信号発生回路５からの垂直同期信号ＶＤ及び水平同期信号ＨＤに基づいて、各種パルス信号（垂直転送パルスＶ１〜Ｖ４、水平転送パルスＨ１、Ｈ２、読み出しパルスＳＧ１、ＳＧ２及びリセットパルスＰＧ）が作成される。ここで、水平転送パルスＨ１、Ｈ２は、水平転送レジスタに供給される。
【００２７】
また、上記固体撮像素子１、特にその基板（例えばＮ型基板）の端子Ｖｓｕｂには、所定の基板電位Ｖｓが印加される。この基板電位Ｖｓは、受光部と基板間に存する例えばＰ型のウェル領域による縦方向のオーバーフローコントロール領域のポテンシャルを制御するものであり、この基板電位Ｖｓが所定電位よりも高レベルになると、基板のポテンシャルが上がり、それに伴って、上記Ｐ型ウェル領域によるポテンシャル障壁が下がって（正確には、障壁がなくなる）、受光部内の蓄積電荷が基板側に掃き出されることになる。この動作が通常、電子シャッタと称されるものである。
【００２８】
この電子シャッタ動作は、基板電位Ｖｓの供給系において、通常矩形状のシャッタパルス信号Ｐｓが基板電位Ｖｓに重畳され、この重畳信号（Ｖｓ＋Ｐｓ）が基板の端子Ｖｓｕｂに供給されることにより行われる。
【００２９】
このシャッタパルスＰｓは、後述するシャッタパルス生成回路７にて生成される。そして、このシャッタパルスＰｓは、基板電位設定回路８に供給されて、この基板電位設定回路８にて設定された基板電位Ｖｓに重畳された後、固体撮像素子１の基板端子Ｖｓｕｂに供給される。
【００３０】
一方、固体撮像素子１からの撮像信号Ｓｉは後段の信号処理回路９に供給される。
【００３１】
この信号処理回路９は、例えば図２に示すように、上記撮像信号Ｓｉの第１、第２のフィールドを所定のタイミングでサンプリングするサンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路１１、１４と、このＳ／Ｈ回路１１、１４からの撮像信号Ｄｉを増幅するアンプ１２、１５と、このアンプ１２、１５にて増幅された撮像信号Ｄｉを記憶するメモリ回路１３、１６と、該メモリ回路１３、１６から読み出された撮像信号Ｄｉをフィールド周期で切り替えて送出するスイッチ１７と、該スイッチ１７から供給されたされた撮像信号Ｄｉを所定レベルに利得調整する自動利得調整回路（ＡＧＣ回路）１８と、このＡＧＣ回路１８からの撮像信号Ｄｉを例えばＮＴＳＣ方式などの所定フォーマットの映像信号Ｖｉに変換する映像信号処理回路１９と、該映像信号処理回路１９の出力信号により駆動するドライブ回路２０と、該ドライブ回路２０の出力信号を外部機器に供給する抵抗２１とを有する。ここで、該メモリ回路１３及びメモリ回路１６では、１フレームの撮像信号を記憶し、該メモリ回路１３、１６は、フィールドメモリとして機能する。
【００３２】
上記映像信号処理回路１９にて変換された映像信号Ｖｉは、出力端子φｏｕｔから取り出され、モニタ受像機、ＶＴＲなどの各種映像機器に供給される。また、上記メモリ回路１６には、該メモリ回路１６の出力信号を増幅する増幅回路２２と、該増幅回路２２の出力信号ａから撮像信号の出力レベルを検出する検波回路２３と、所定値の電圧Ｖｚを出力する定電圧源２４と、（＋）端子に該信号ｂが供給され、（−）端子に該電圧Ｖｚが供給されて、該信号ｂと該電圧Ｖｚの比較結果として出力信号ｃを出力する比較器２５とを有しており、該比較器２５の出力信号がシャッタパルス生成回路７に供給される。
【００３３】
上記比較器２５は、図４に示すように出力信号ｃとして上記信号ｂが電圧Ｖｚ以下の際には電圧Ｖｚと信号ｂの電圧値の差を出力し、該信号ｂが電圧Ｖｚ以上の際にはロウレベルを出力する。
【００３４】
次に、シャッタパルス生成回路７の構成について、図３に基づいて説明する。このシャッタパルス生成回路７は、図示するように、オペアンプ３１及びＰＮＰトレンジスタＴｒ１を主体にした定電流源３２と、負帰還ラインにコンデンサＣｆ及びＰＮＰトランジスタＴｒ２が並列に接続されたオペアンプ３３を主体とする鋸歯状波発生回路３４と、シャッタパルス発生回路４６とを有する。上記鋸歯状波発生回路３４におけるＰＮＰトランジスタＴｒ２のベースには、端子φｂを介して例えばタイミング発生回路２からのリセットパルスＰｒが供給される。ここで、該タイミング発生回路２は、タイミング信号発生手段として機能する。
【００３５】
上記シャッタパルス発生回路４６は、（＋）端子に上記信号処理回路９の比較器２５の出力信号ｃが供給され、（−）端子に上記鋸歯状波発生回路３４から垂直同期信号に同期した鋸歯状波信号Ｓｎが供給されて、該信号ｃと鋸歯状波信号Ｓｎの比較結果として信号Ｐｗを出力する比較器４１と、該信号Ｐｗが供給されて該信号Ｐｗの立ち下がりから所定期間をロウレベルとし、その他の期間をハイレベルとする信号ｅを出力するモノマルチ回路４２と、該信号Ｐｗと水平同期信号ＨＤの論理積の反転信号ｇを出力するナンド回路４３と、該信号ｅと信号ｇの論理積である信号ｆを出力するアンド回路４４と、該信号ｆの振幅を変換して上記ＣＣＤイメージセンサ１に供給する振幅変換回路を有する。ここで、該信号ｆの最終パルスがシャッタパルス信号Ｐｓとして作用して、該シャッタパルス発生回路４６がシャッタ信号生成手段として機能する。
【００３６】
上記比較器４１は、図４に示すように出力信号Ｐｗとして上記信号ｃが該鋸歯状波信号Ｓｎ以下の際には該鋸歯状波信号Ｓｎと信号ｃの電圧値の差を出力し、該信号ｃが該鋸歯状波信号Ｓｎ以上の際にはロウレベルを出力する。
【００３７】
上記鋸歯状波信号Ｓｎは、図５に示すように、リセットパルスＰｒの周期、即ち、上記垂直同期信号毎に上記同期信号発生手段から生成された水平同期信号のパルス数と１水平ライン当たりの標準の撮像信号レベルとの積に相当する鋸歯状波として形成される。このように、鋸歯状波発生回路３４は基準レベル発生手段として機能する。
【００３８】
以上の構成による固体撮像装置によれば、シャッタ信号生成手段において、基準レベル発生手段から送出される信号レベルが、フィールドメモリ１６から読み出された撮像信号の平均撮像信号レベル以上となった際にシャッタパルスが生成され、固体撮像素子１で該シャッタパルスから第１の垂直パルスまでの間に電荷を蓄積し、該蓄積された電荷を撮像信号に変換して送出する。このため、露光時間を連続可変でき、高精度で、かつ安定な自動露光調節を行うことができる。
【００３９】
また、上述した固体撮像装置は、基準レベル発生手段で第２の垂直パルスに同期して基準信号レベルを出力し、シャッタ信号生成手段で第２のフィールド期間においてシャッタパルスを生成して、固体撮像素子１でシャッタパルスから第１の垂直パルスまでの間に電荷を蓄積して露光時間を連続可変し、高精度で、かつ安定な自動露光調節を行う場合を示したが、例えば図６に示すように基準レベル発生手段で第１の垂直パルスに同期して基準信号レベルを出力し、シャッタ信号生成手段で第１又は第２のフィールド期間でシャッタパルスを生成して、固体撮像素子１でシャッタパルスから第１の垂直パルスまでの間に電荷を蓄積する場合は、露光時間の可変範囲を広範囲としながら高精度で、かつ安定な自動露光調節を行うことができる。
【００４０】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る固体撮像装置によれば、シャッタ信号生成手段において、基準レベル発生手段から送出される信号レベルが、フィールドメモリから読み出された撮像信号の平均撮像信号レベル以上となった際にシャッタパルスが生成され、固体撮像素子で該シャッタパルスから第１の垂直パルスまでの間に電荷を蓄積し、該蓄積された電荷を撮像信号に変換して送出する。このため、露光時間を連続可変でき、高精度で、かつ安定な自動露光調節を行うことができる。さらに、基準レベル発生手段で第１の垂直パルスに同期して基準信号レベルを出力し、シャッタ信号生成手段で第１又は第２のフィールド期間でシャッタパルスを生成して、固体撮像素子１でシャッタパルスから第１の垂直パルスまでの間に電荷を蓄積し、該蓄積された電荷を撮像信号に変換して送出することにより、露光時間の可変範囲を広範囲としながら高精度で、かつ安定な自動露光調節を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の全体構成を示すブロック図である。
【図２】上記固体撮像装置の信号処理回路の構成を示すブロック線図である。
【図３】上記固体撮像装置のシャッタパルス生成回路の要部の構成を示す回路図である。
【図４】上記シャッタパルス生成回路の要部の信号のタイミングチャートである。
【図５】上記信号処理回路及びシャッタパルス生成回路の要部の信号の出力タイミング、特に鋸歯状波信号の出力タイミングを示すタイミングチャートである。
【図６】上記固体撮像装置のタイミング発生回路の要部の出力信号及びシャッタパルス信号の出力タイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】従来例に係るビデオカメラにおける機械的なオートアイリス機構の全体構成を示すブロック線図である。
【図８】他の従来例に係るビデオカメラにおける電子シャッタ機能による信号処理動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 固体撮像素子
２ タイミング発生回路
５ 同期信号発生回路
７ シャッタパルス生成回路
２５ 鋸歯状波発生回路
４６ シャッタパルス発生回路

Claims (1)

1. 水平同期信号及び垂直同期信号を生成して出力する同期信号発生手段と、
   上記垂直同期信号に同期して各フレームを形成する第１、第２のフィールドの始点毎に第１、第２の垂直パルスが形成されるタイミング信号発生手段と、
   シャッタパルスから該シャッタパルスの次のフィールドの第１の垂直パルスまでの間の被写体からの光入射を光電変換することによって蓄積された電荷を第１、第２のフィールドの撮像信号に変換して、該第１の垂直パルスに同期して該第１、第２のフィールドの撮像信号が２ラインの水平転送レジスタを介し第１のフィールド期間内に読み出され、該撮像信号の読出し後に蓄積された電荷が掃き捨てられる固体撮像素子と、
   上記第１の垂直パルスに同期して固体撮像素子から読み出されたフィールド毎の撮像信号が記憶されるフィールドメモリと、
   上記第２の垂直パルスに同期して上記同期信号発生手段で生成された水平同期信号のパルス数と１水平ライン当たりの標準の撮像信号レベルとの積に相当する基準信号レベルを出力する基準レベル発生手段と、
   第２のフィールド期間において、上記基準信号レベルが上記フィールドメモリから読み出された撮像信号の平均撮像信号レベル以上となった際にシャッタパルスを生成して上記固体撮像素子に送出するシャッタ信号生成手段とを備えてなる固体撮像装置。

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