JP4095645B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、被写体像を撮像する撮像装置に関するものである。

インターライン型固体撮像素子を用いて、３回の部分読み出しで、全ての画素の電荷を読み出すことのできる方法、つまり、１フレームを３フィールドで構成した読み出し方法が、特許文献１に開示されている。

さらに、３フィールドで全ての画素の電荷を読み出す全画素モードと３フィールドのうちの１フィールドを繰り返すモニタリングモードを切り換える切り換え手段を持つことが開示されている。
特開２０００−２０１３５５号公報

しかしながら、従来例においては、モニタリングモードにおいて、出力されるフィールド以外の画素の電荷を有効活用していないという問題点がある。さらに、現在、電子スチルカメラに用いられている固体撮像素子の高画素化が進み、間引き率が１／３では足りないという問題点もある。

上記課題を解決するために、水平方向及び垂直方向に配列された光信号に対応した電荷を発生する複数の画素と、垂直方向の複数の画素列毎に設けられ、前記画素で発生した電荷を受けて垂直方向に読み出す複数の垂直電荷転送素子と、前記複数の垂直電荷転送素子から読み出される電荷を受けて水平方向に読み出す水平電荷転送素子とを有する撮像装置であって、前記複数の画素から電荷を複数のフィールドに分けて順次読み出して１フレームの画像を得る第１の撮影モードと、前記第１の撮影モードにおける前記複数のフィールドのうちの第１のフィールドに属する画素の電荷を複数ライン間引いて前記垂直電荷転送素子に読み出すとともに、前記複数のフィールドのうちの前記第１のフィールドと異なる第２のフィールドに属する画素の電荷を複数ライン間引いて前記垂直電荷転送素子に読み出し、当該垂直電荷転送素子に読み出された電荷を加算して前記水平転送素子から読み出して１フレームの画像を得る第２の撮影モードとを制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置を提供する。

本発明によれば、さまざまな用途に対応した画像を取得可能な撮像装置を提供することが可能である。

本実施の形態においては、固体撮像素子の電荷転送素子は、ＣＣＤを用いて説明する。

図１は、本実施例におけるインターライン型固体撮像素子の概略図を示す。
１が画素、２が垂直ＣＣＤ、３が水平ＣＣＤ、４が出力部、５が信号出力端子となっている。画素１で光電変換された信号電荷は、読み出しパルスにより垂直ＣＣＤ２に送られ、６相駆動パルスφＶ１、φＶ２ＡおよびφＶ２Ｂ、φＶ３、φＶ４ＡおよびφＶ４Ｂ、φＶ５、および、φＶ６により水平ＣＣＤ３の方向へ順に転送される。

水平ＣＣＤ３は、垂直ＣＣＤ２から転送されて来た水平一列分の信号電荷を二相駆動パルスφＨ１およびφＨ２により出力回路４に転送し、出力回路４で、電圧に変換され、画像信号出力端子５より出力される。

図２に図１の固体撮像素子の画素の色フィルタ配置と電極配置を垂直１２画素分だけ示す。水平方向、垂直方向は、この繰り返しとなる。２１は色フィルタをのせた画素で、赤（Ｒ）と緑（Ｇ）を繰り返す水平画素列と、緑（Ｇ）と青（Ｂ）を繰り返す水平画素列が、垂直方向に交互に配列されている。２２は、垂直ＣＣＤの転送電極を示していて、垂直ＣＣＤの２転送電極毎に１画素が対応している。

同じ数字で表している転送電極Ｖ１、Ｖ２ＡおよびＶ２Ｂ、Ｖ３、Ｖ４ＡおよびＶ４Ｂ、Ｖ５、および、Ｖ６のそれぞれに、６相駆動パルスφＶ１、φＶ２ＡおよびφＶ２Ｂ、φＶ３、φＶ４ＡおよびφＶ４Ｂ、φＶ５、および、φＶ６を加えることで、６相で転送させることができる。６相駆動パルスのうち、φＶ２ＡおよびφＶ２Ｂ、φＶ４ＡおよびφＶ４Ｂは、垂直ＣＣＤの電荷転送に関わるパルスは、同じものを用いるものとする。

また、第１フィールドの読み出しパルスは、読み出し電極を兼ねた転送電極Ｖ２ＡおよびＶ２Ｂに加えられ、第１水平画素列、第４水平画素列、第７水平画素列および第１０水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出すことができる。第２フィールドの読み出しパルスは、読み出し電極を兼ねた転送電極Ｖ４ＡおよびＶ４Ｂに加えられ、第２水平画素列、第５水平画素列、第８水平画素列および第１１水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出すことができる。第３フィールドの読み出しパルスは、読み出し電極を兼ねた転送電極Ｖ６に加えられ、第３水平画素列、第６水平画素列、第９水平画素列および第１２水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出すことができるように構成されている。

さらに、転送電極Ｖ２Ａは、第１水平画素列および第１０水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出し、転送電極Ｖ２Ｂは、第４水平画素列および第７水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出し、転送電極Ｖ４Ａは、第５水平画素列および第８水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出し、転送電極Ｖ４Ｂは、第２水平画素列および第１１水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出すことができるように構成されている。

図３に撮像装置のブロック図を示す。６がレンズ・シャッタ・絞りからなる光学系、７が固体撮像素子、８が光学系および固体撮像素子を駆動する駆動回路、９が固体撮像素子からの信号に対して、色処理等の処理を行う信号処理回路、１０が固体撮像素子が出力した信号を記憶できる画像メモリ、１１が画像表示装置（電子ビューファンダ）、１２が固体撮像素子の出力レベルを検出するレベル検出回路、１３が異なる撮影モードを切り換えることのできる撮影モード設定回路、１４が撮像装置全体を制御する同期制御回路となっている。

ここで、上記の駆動回路８より固体撮像素子へφＶ１、φＶ２Ａ、φＶ２Ｂ、φＶ３、φＶ４Ａ、φＶ４Ｂ、φＶ５、及び、φＶ６の６相パルスを加える。

図４のタイミングチャートおよび図５の画素配置を用いて、第１の撮影モードを説明する。第１の撮影モードは、全ての画素の電荷を３フィールドで読み出すモードとなっていて、垂直画素数を１４４０画素と仮定する。

ＶＤは、垂直同期信号、メカシャッタは、開閉することで露光を制御し、電子シャッタは、固体撮像素子の基板電位にパルスを加え、画素の電荷を基板方向に抜き取ることで、露光を制御する。

電子シャッタパルスが終了した時間ｔ１１からメカシャッタが閉じた時間ｔ１２までが露光時間となる。駆動パルスφＶ２ＡＲ、φＶ２ＢＲ、φＶ４ＡＲ、φＶ４ＢＲおよびφＶ６Ｒは、それぞれ、φＶ２Ａ、φＶ２Ｂ、φＶ４Ａ、φＶ４ＢおよびφＶ６に加えられる読み出しパルスのみを示している。また、ＣＣＤ出力は、固体撮像素子の出力を示している。

ｔ１３の時点で、φＶ２ＡＲおよびφＶ２ＢＲに読み出しパルスが加わるので、第１水平画素列、第４水平画素列、第７水平画素列および第１０水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出す。これを図示したのが、図５（ａ）となり、この電荷を出力したのが、ＣＣＤ出力の第１フィールドとなる。信号は、垂直画素数の１／３の４８０ライン分が出力される。

次に、ｔ１４の時点で、φＶ４ＡＲおよびφＶ４ＢＲに読み出しパルスが加わるので、第２水平画素列、第５水平画素列、第８水平画素列および第１１水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出す。これを図示したのが、図５（ｂ）となり、この電荷を出力したのが、ＣＣＤ出力の第２フィールドとなる。信号は、垂直画素数の１／３の４８０ライン分が出力される。

さらに、ｔ１５の時点で、φＶ６Ｒに読み出しパルスが加わるので、第３水平画素列、第６水平画素列、第９水平画素列および第１２水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出す。これを図示したのが、図５（ｃ）となり、この電荷を出力したのが、ＣＣＤ出力の第３フィールドとなる。

信号は、垂直画素数の１／３の４８０ライン分が出力される。出力された３フィールドの信号は、いったん画像メモリまで送られ、画素の配列と同じように並べられた後、信号処理回路で画像処理され、再び、画像メモリに保存される。

図６のタイミングチャートおよび図５（ａ）の画素配置を用いて、第２の撮影モードを説明する。第２の撮影モードは、３フィールドのうちの１フィールドを繰り返すモードとなっていて、垂直４８０ラインの動画撮影を行うことができる。第２の撮影モードでは、メカシャッタは、常に開放で、電子シャッタにより露光を制御する。

各垂直同期期間において、電子シャッタパルスが終了した時間ｔ１６から読み出しパルスの加わる時間ｔ１７までが露光時間となる。本実施例では、読み出しパルスφＶ２ＡＲおよびφＶ２ＢＲのみを加えているので、常に第１フィールドが出力される。図５（ａ）に示すように第１フィールドは、固体撮像素子の色フィルタ配列と同じ色フィルタ配列の信号を出力するので、出力された第１フィールドの信号は、信号処理回路で画像処理され、画像メモリに保存される。

図７のタイミングチャートおよび図８の画素配置を用いて、第３の撮影モードを説明する。第３の撮影モードは、３フィールドのうちの第１フィールドと第３フィールドを読み出し、それを垂直ＣＣＤにおいて加算して出力することを繰り返すモードとなっていて、垂直４８０ラインの動画撮影を行うことができる。

第２の撮影モードで撮影中に、被写体の光量が落ち、画面が暗くなった場合に、固体撮像素子の出力レベルが下がったことをレベル検出回路が検出し、同期制御回路が、この第３の撮影モードに切り換える。

第３の撮影モードでは、メカシャッタは、常に開放で、電子シャッタにより露光を制御する。各垂直同期期間において、電子シャッタパルスが終了した時間ｔ１８から読み出しパルスの加わる時間ｔ１９までが露光時間となる。本実施の形態では、読み出しパルスφＶ２ＡＲ、φＶ２ＢＲおよびＶ６Ｒを加えているので、第１フィールドと第３フィールドが出力される。

図８に示すように、第１フィールドと第３フィールドは、固体撮像素子の色フィルタ配列と同じ色フィルタ配列の信号を出力するので、垂直ＣＣＤで加算された信号も固体撮像素子の色フィルタ配列と同じになる。出力された加算フィールドの信号は、信号処理回路で画像処理され、画像メモリに保存される。これにより、暗時における感度の改善が図られる。

図９のタイミングチャートおよび図１０の画素配置を用いて、第４の撮影モードを説明する。第４の撮影モードは、垂直方向１２画素のうち、特定の２画素を常に読み出す間引きフィールドを繰り返すモードとなっていて、信号は、垂直画素数の１／６の２４０ライン分が出力される。この垂直２４０ラインの信号は、動画撮影に用いることができるとともに、ＬＣＤ等の画像表示装置の表示ライン数にも最適となっている。

第４の撮影モードでは、メカシャッタは、常に開放で、電子シャッタにより露光を制御する。各垂直同期期間において、電子シャッタパルスが終了した時間ｔ２０から読み出しパルスの加わる時間ｔ２１までが露光時間となる。本実施例では、読み出しパルスφＶ２ＡＲのみを加えているので、第１水平画素列および第１０水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出す。

図１０に示すように、間引きフィールドは、固体撮像素子の色フィルタ配列と同じ色フィルタ配列の信号を出力するので、出力された間引きフィールドの信号は、信号処理回路で画像処理され、画像表示装置に出力されて表示に用いられることもできるし、画像メモリに保存することもできる。

また、図１０によると、垂直方向１２画素のうちの第１水平画素列および第１０水平画素列の電荷を読み出しているので、第１フィールドと比較すると第４水平画素列および第７水平画素列に相当する電荷は読み出されない。そこで、６相で駆動される垂直ＣＣＤを１回分転送させただけでは、次の水平画素が読み出せない場合が発生する。そのため、電荷のある水平画素列と電荷のない水平画素列を組にして転送するように、垂直ＣＣＤは、常に２回分転送させる必要がある。

図１１のタイミングチャートおよび図１２の画素配置を用いて、第５の撮影モードを説明する。第５の撮影モードは、垂直方向１２画素のうち、特定の４画素を常に読み出し、水平ＣＣＤにおいて、垂直方向に隣り合う電荷を加算して出力する間引き加算フィールドを繰り返すモードとなっていて、信号は、垂直画素数の１／６の２４０ライン分が出力される。この垂直２４０ラインの信号は、動画撮影に用いることができるとともに、ＬＣＤ等の画像表示装置の表示ライン数にも最適となっている。

第４の撮影モードで撮影中に、被写体の光量が落ち、画面が暗くなった場合に、固体撮像素子の出力レベルが下がったことをレベル検出回路が検出し、同期制御回路が、この第５の撮影モードに切り換える。第５の撮影モードでは、メカシャッタは、常に開放で、電子シャッタにより露光を制御する。各垂直同期期間において、電子シャッタパルスが終了した時間ｔ２２から読み出しパルスの加わる時間ｔ２３までが露光時間となる。

本実施の形態では、読み出しパルスφＶ２ＡＲおよびφＶ４ＡＲを加えているので、第１水平画素列、第５水平画素列、第８水平画素列および第１０水平画素列の電荷を垂直ＣＣＤに読み出す。図１２によると、垂直方向１２画素のうちの第１水平画素列、第５水平画素列、第８水平画素列および第１０水平画素列の電荷を読み出しているので、同じ色フィルタの画素の電荷を加算するためには、第１水平画素列および第５水平画素列、および、第８水平画素列および第１０水平画素列の電荷をそれぞれ加算する必要がある。そこで、６相で駆動される垂直ＣＣＤを２回分転送させることで、水平ＣＣＤにおいて、加算を実現させている。

こうして出力された間引き加算フィールドは、固体撮像素子の色フィルタ配列と同じ色フィルタ配列の信号を出力するので、出力された間引き加算フィールドの信号は、信号処理回路で画像処理され、画像表示装置に出力されて表示に用いられることもできるし、画像メモリに保存することもできる。これにより、暗時における感度の改善が図られる。

上記で説明した第１の撮影モードは、高画素撮像モードとして静止画の撮影に用いられ、第２の撮影モードは、動画撮影モードとしての動画の撮影に用いられ、第４の撮影モードは、画像表示モードとしての画像表示装置への動画像表示用に用いられる。

そして、撮影モードの切り換えは、撮影モード設定回路により切り換えられる。

動画撮影モードおよび画像表示モードにおいては、レベル検出回路が、固体撮像素子の出力レベルが下がったことを検出し、それぞれ感度の改善を図ることのできる第３の撮影モード（動画撮影モード）、第５の撮影モード（画像表示モード）に切り換える。

同期制御回路は、それぞれの撮影モードを実現するように、駆動回路、信号処理回路、画像メモリおよび画像表示装置を制御する。

また、第３の撮影モードでは、画素から垂直ＣＣＤに読み出した第１フィールドと第３フィールドの電荷を垂直ＣＣＤにおいて加算するが、１画素の飽和電荷量と垂直ＣＣＤの転送電荷量は、ほぼ同量に設定されているため、２画素分の電荷を加算した場合、垂直ＣＣＤの転送電荷量を越えてあふれてしまう可能性がある。この現象が起こると、垂直方向の信号が混ざってしまい、輝度としての垂直解像度の低下とともに、色情報の分離もできなくなり、画質に悪い影響を与えてしまう。

固体撮像素子は、基板に与える電位を変更することで、画素に蓄積できる電荷量を変更できるので、図１３のように、基板電位調整回路１５を備えることで、この問題を解決することができる。

すなわち、第３の撮影モードへの切り換えに伴って、同期制御回路から基板電位調整回路に対して、基板電位の変更を指示して、１画素に蓄積できる電荷量を半分以下にすること、あるいは、１画素に蓄積できる電荷量を垂直ＣＣＤの転送電荷量の半分以下にすることのどちらかに調整することによって、この問題を回避することができる。

以上のように本実施の形態によれば、撮像装置において、高画素撮影モード以外に、動画撮影モードおよび画像表示モードという２種類の間引きモードを実現するとともに、暗時撮影時の感度の改善を図ることができる。

さらに、垂直ＣＣＤで２画素分の電荷を加算した場合に、転送電荷量を越えてあふれてしまう問題も改善することができる。

本実施の形態における固体撮像素子の概略を示す図である。 本実施の形態における色フィルタ配置と電極配置を示す図である。 本実施の形態における固体撮像装置のブロック図である。 本実施の形態における第１の撮影モードを説明するタイミングチャート図である。 本実施の形態における第１の撮影モードを説明する画素配置を示す図である。 本実施の形態における第２の撮影モードを説明するタイミングチャート図である。 本実施の形態における第３の撮影モードを説明するタイミングチャート図である。 本実施の形態における第３の撮影モードを説明する画素配置を示す図である。 本実施の形態における第４の撮影モードを説明するタイミングチャート図である。 本実施の形態における第４の撮影モードを説明する画素配置を示す図である。 本実施の形態における第５の撮影モードを説明するタイミングチャート図である。 本実施の形態における第５の撮影モードを説明する画素配置を示す図である。 基板電位調整回路を備えた撮像装置のブロック図である。

符号の説明

１ 画素
２ 垂直ＣＣＤ
３ 水平ＣＣＤ
４ 出力回路
５ 信号出力端子
６ 光学系
７ 固体撮像素子
８ 駆動回路
９ 信号処理回路
１０ 画像メモリ
１１ 画像表示装置
１２ レベル検出回路
１３ 撮影モード設定回路
１４ 同期制御回路
１５ 基板電位調整回路
２１ 色フィルタをのせた画素
２２ 垂直ＣＣＤの転送電極

Claims (7)

1. 水平方向及び垂直方向に配列された光信号に対応した電荷を発生する複数の画素と、垂直方向の複数の画素列毎に設けられ、前記画素で発生した電荷を受けて垂直方向に読み出す複数の垂直電荷転送素子と、前記複数の垂直電荷転送素子から読み出される電荷を受けて水平方向に読み出す水平電荷転送素子とを有する撮像装置であって、
   前記複数の画素から電荷を複数のフィールドに分けて順次読み出して１フレームの画像を得る第１の撮影モードと、前記第１の撮影モードにおける前記複数のフィールドのうちの第１のフィールドに属する画素の電荷を複数ライン間引いて前記垂直電荷転送素子に読み出すとともに、前記複数のフィールドのうちの前記第１のフィールドと異なる第２のフィールドに属する画素の電荷を複数ライン間引いて前記垂直電荷転送素子に読み出し、当該垂直電荷転送素子に読み出された電荷を加算して前記水平転送素子から読み出して１フレームの画像を得る第２の撮影モードとを制御する制御手段と、
   を有する撮像装置。
2. 前記制御手段は、前記第２の撮影モードにおいて、前記水平転送素子で加算するように制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記第２の撮影モードにおいて、前記第１のフィールドに属する画素の電荷と前記第２のフィールドに属する画素の電荷を、垂直転送素子に複数の同色の信号が連続して並ぶように読み出すように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、前記第２の撮影モードにおいて、
   前記第１のフィールドの間引き読み出しが、連続する２つの水平画素列の読み出しと連続する２つの水平画素列の間引きを繰り返すように制御するとともに、前記第２のフィールドの間引き読み出しが、連続する２つの水平画素列の読み出しと連続する２つの水平画素列の間引きを繰り返すように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記複数の画素が形成されている半導体基板に与える電位を変更することで、画素に蓄積できる電荷量を調整する基板電位調整手段を有し、
   前記第２の撮影モードを実施する場合に、前記基板電位調整手段を用いて、画素に蓄積できる電荷量を半分以下、あるいは、前記垂直電荷転送素子が１回の転送で転送できる容量の半分以下のいずれかに設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記水平方向及び垂直方向に配列された複数の画素に対して、赤色フィルタおよび緑色フィルタを繰り返す水平方向の色フィルタ列と緑色フィルタおよび青色フィルタを繰り返す水平方向の色フィルタ列が垂直方向に交互に繰り返されるように配列されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記複数の画素に光を結像するレンズと、前記水平電荷転送素子より出力された信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路で処理された画像を表示する画像表示手段とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。

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