JP4284577B2 - Imaging apparatus and solid-state imaging device driving method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法に関し、例えばディジタルスチルカメラに適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、撮像した被写体の画像をディジタルデータに変換し、当該変換したディジタルデータをメモリに記憶して蓄積するディジタルスチルカメラがある。このディジタルスチルカメラは、撮像素子として例えば固体撮像素子(CCD:Charge Coupled Device )を採用している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこのディジタルスチルカメラでは、連続撮像を行う際には、撮像する毎に1画面を構成する全画素を読み出す必要があることから、数10〔ms〕の間隔での撮像が限界であった。例えば水平駆動周波数が14.3〔MHz〕で、画素数が33万画素の場合には、23〔ms〕の間隔でしか撮像できず、高速の連続撮像を実現できない。
【0004】
そこで高速連続撮像を実現する方法として、CCDを構成する各画素のうち信号を読み出す画素の画素数を減らしてフレームレート(すなわち1秒間に取得可能な画像の枚数)を高くする方法や、水平転送レジスタの読み出し周波数(すなわち読み出す際の速度)を高くしてフレームレートを高くする方法が考えられる。
【0005】
しかしながら、読み出しの画素数を減らしてフレームレートを高くする方法では、画素数自体を減らしてしまうことから、画質の劣化が生じることを避け得ず、また水平転送レジスタの読み出し周波数を高くしてフレームレートを高くする方法では、当該水平転送レジスタ内における転送効率が悪化すると共に、CCDの後段に設けられている信号処理回路で用いられるクロックのマージンが不足するという問題が発生する。
【0006】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、簡易な構成で高速に連続撮像を行い得る撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法を提案しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため本発明においては、行列状に配され、受光した光を光電変換する光電変換部を有する画素部と、画素部から読み出した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部と、一部の画素行から間引きして垂直電荷転送部に電荷を読み出す間引き読出しと垂直電荷転送部における1段の垂直転送とを交互に行なうように画素部及び垂直電荷転送部を制御する駆動部とを設けることにより、従来に比して撮像間隔を短縮した高速撮像ができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【0009】
図1において、1は全体としてディジタルスチルカメラの構成を示し、被写体側から入射される入射光L1は、光学レンズ2を通じて固体撮像素子(CCD:Charge Coupled Device )3に入射される。CCD3は、タイミング発生回路4から供給される信号に基づいて、受光した入射光L1を光電変換することにより画像信号S1を生成し、これをサンプルホールド(S/H)回路5に送出する。
【0010】
すなわち図2(A)に示すように、CCD3は、入射光L1をフォトセンサー部10によって受光する。フォトセンサー部10は、この受光した入射光L1を光電変換することにより電荷を得、当該電荷を蓄積していく。そしてこのフォトセンサー部10に蓄積された電荷は、タイミング発生回路4から供給される読出しパルス信号S2に基づくタイミングで、フォトセンサー部10から垂直転送レジスタ11に転送される。
【0011】
続いてこの垂直転送レジスタ11に転送された電荷は、タイミング発生回路4から供給される垂直転送クロック信号S3に基づくタイミングで、当該垂直転送レジスタ11から水平転送レジスタ12に1ライン毎に転送される。
【0012】
そして水平転送レジスタ12に転送された電荷は、タイミング発生回路4から供給される水平転送クロック信号S4に基づくタイミングで、水平転送レジスタ12から出力部13に転送され、当該出力部13から画像信号S1として1ライン毎に出力される。
【0013】
S/H回路5は、CCD3から供給された画像信号S1を基にアナログ信号の画像信号S10を生成し、これをアナログ/ディジタル(A/D)変換回路20に送出する。A/D変換回路20は、この画像信号S10をアナログディジタル変換し、その結果得た画像データS11をカメラ信号処理回路21に送出する。
【0014】
カメラ信号処理回路21は、画像データS11に対して例えばガンマ補正、ゲインコントロールなどのデータ処理を施すことにより画像データS12を得、これを切換回路22を介して液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)23に送出し当該LCD23に表示する。
【0015】
この状態において、ユーザが操作部30において画像データS12を記録するための操作を行うと、操作部30は記録動作を行うための命令信号S14をコントローラ31に送出する。コントローラ31は、供給された命令信号S14を基に、画像データS12の記録を制御する記録制御信号S15を生成し、当該記録制御信号S15をメモリコントロール32及び切換回路22に送出する。
【0016】
切換回路22は、この記録制御信号S15に基づいて、カメラ信号処理回路21から供給される画像データS12をデータバスBUSを介してDRAM(Dynamic Random Access memory)33に送出する。
【0017】
ところでメモリコントロール32には、タイミング発生回路4からカメラ信号処理回路21を介して水平同期信号H及び垂直同期信号Vが供給されており、当該メモリコントロール32は、コントローラ31から供給される記録制御信号S15に基づいて水平同期信号H及び垂直同期信号Vを画像データS12に付加しながら当該画像データS12を一旦DRAM33に書き込む。
【0018】
その後メモリコントロール32は、このDRAM33から画像データS12を読み出し、当該読み出した画像データS12をデータバスBUSを介して圧縮/伸長回路34に送出する。圧縮/伸長回路34は、JPEG(Joint Photographic Coding Experts Group )規格に基づく符号化方式によって画像データS12を圧縮符号化することにより圧縮画像データS17を生成し、これをフラッシュメモリ35に書き込んで蓄積する。
【0019】
この状態において、ユーザが操作部30において圧縮画像データS17を再生するための操作を行うと、操作部30は再生動作を行うための命令信号S14をコントローラ31に送出する。コントローラ31は、供給された命令信号S14に基づいて圧縮画像データS17を再生する再生制御信号S20を生成し、これをフラッシュメモリ35に送出することにより、当該フラッシュメモリ35から圧縮画像データS17を読み出して圧縮/伸長回路34に送出する。
【0020】
圧縮/伸長回路34は、フラッシュメモリ35から供給された圧縮画像データS17を伸長復号化し、その結果得た画像データS21をデータバスBUSを介して切換回路22に送出する。切換回路22には、コントローラ31において命令信号S15を基に生成された再生制御信号S20が供給されており、切換回路22は、この再生制御信号S20に基づいて、圧縮/伸長回路34から供給された画像データS21をLCD23に送出し当該LCD23に表示する。
【0021】
ところで、このディジタルスチルカメラ1においては、高速撮像を行い得るようになされており、ユーザが操作部30において高速撮像を行うための操作を行うと、当該操作部30から高速撮像を行うための命令信号S14をコントローラ31に送出する。コントローラ31は、供給された命令信号S14を基に高速撮像制御信号S25を生成し、これをタイミング発生回路4、カメラ信号処理回路21、切換回路22及びメモリコントロール32に送出する。
【0022】
タイミング発生回路4は、コントローラ31と共に固体撮像素子駆動手段を構成し、供給された高速撮像制御信号S25に基づいて、読出しパルス信号S2、垂直転送クロック信号S3及び水平転送クロック信号S4を生成し、これらをCCD3に送出する。CCD3は、このタイミング発生回路4から供給された読出しパルス信号S2に基づいて、全画素のうち垂直方向の一部の画素行のみから電荷を読み出すいわゆる間引き読出しを行う。
【0023】
そしてCCD3は、この間引き読出しを実行して電荷を垂直転送レジスタ11に転送した後、タイミング発生回路4から供給される垂直転送クロック信号S3に基づくタイミングで、当該電荷を垂直転送レジスタ11から水平転送レジスタ12に向けて転送する垂直転送を行う。このようにCCD3は、間引き読出しと垂直転送とを交互に実行することにより、高速撮像を可能としている。
【0024】
具体的には図2(B)に示すように、CCD3は、各画素に対応して設けられているフォトセンサー部10のうち1/8の数のフォトセンサー部10のみから電荷を読み出し、垂直転送レジスタ11に転送する。すなわち、8ラインのうち1ライン(例えば1ライン目、9ライン目、……)のフォトセンサー部10に蓄積されている電荷のみが読み出される。
【0025】
そしてこの垂直転送レジスタ11に転送された電荷は、タイミング発生回路4から供給される垂直転送クロック信号S3に基づくタイミングで、当該垂直転送レジスタ11から水平転送レジスタ12に向けて1段(すなわち1ライン)転送される。
【0026】
そしてCCD3は、所定の露光時間が経過した後、再び電荷の間引き読出しを行い、垂直転送を実行する。このようにしてCCD3は、間引き読出しと垂直転送とを交互に8回ずつ繰り返して行うことにより、露光タイミングの異なる8枚の画像(イからチ)を得る。
【0027】
この場合、水平転送レジスタ12に転送された電荷は、タイミング発生回路4から供給される水平転送クロック信号S4に基づくタイミングで、水平転送レジスタ12から出力部13に転送され、当該出力部13から画像信号S30として1ライン毎に出力される。
【0028】
ここで高速撮像を実行する際のタイミングチャートを図3に示す。図3(A)は読出しパルス信号S2を示し、図3(B)は垂直転送クロック信号S3を示す。図3(C)は露光時間を示し、当該露光時間は読出しパルス信号S2によって決定される。図3(D)は、出力部13すなわちCCD3から出力される画像信号S30の各ライン毎の出力タイミングを示し、当該画像信号S30は1ライン毎に垂直転送クロック信号S3に同期して出力されている。
【0029】
因みに、この場合CCD3は、撮像した全てのラインの画像信号S30を撮像期間中に出力できないことから、撮像期間終了後の読み出し期間においても撮像期間に出力できなかった残りのラインの画像信号S30を出力するようになされている(図3(D))。
【0030】
このようにCCD3から出力された画像信号S30は、S/H回路5、A/D変換回路20及びカメラ信号処理回路21を順次介して画像データS31に変換された後、切換回路22及びデータバスBUSを順次介してDRAM33に書き込まれる。
【0031】
ところで画像信号S30は、CCD3において間引き読み出し及び垂直転送を交互に実行して生成されたものであることから、露光タイミングの順とは関係なく垂直転送レジスタ11から水平転送レジスタ12に転送された順で1ライン毎に出力されている。
【0032】
従ってメモリコントロール32は、コントローラ31から供給される高速撮像制御信号S25に基づいて、DRAM33上で画像データS31の並べ替えを行うことにより、露光タイミング毎に8枚の正しい画像を生成し、これらを画像データS32としてデータバスBUSを介してカメラ信号処理回路21に送出する。
【0033】
この画像データS32は垂直方向にデータ量が1/8に削減されていることから、カメラ信号処理回路21は、当該画像データS32に対して垂直方向の補間処理を施し、その結果得た補間画像データS33をデータバスBUSを介して圧縮/伸長回路34に送出する。圧縮/伸長回路34は、この補間画像データS33を圧縮符号化することにより圧縮画像データS34を生成し、これをフラシュメモリ35に書き込んで蓄積する。
【0034】
この状態において、ユーザが操作部30において圧縮画像データS34を再生するための操作を行うと、コントローラ31は、フラッシュメモリ35から圧縮画像データS34を読み出し、当該圧縮画像データS34を圧縮/伸長回路34、データバスBUS及び切換回路22を順次介してLCD23に送出して表示する。
【0035】
以上の構成において、CCD3は、高速撮像時、フォトセンサー部10でなる全画素のうち1/8の数の画素のみから電荷を読み出す。そしてCCD3は、この間引き読出しを実行して電荷を垂直転送レジスタ11に転送した後、1段の垂直転送を行う。このようにCCD3は、間引き読出しと垂直転送を交互に実行することにより、高速撮像を可能としている。
【0036】
すなわち、撮像と撮像の最小間隔は、電荷を垂直転送レジスタ11に転送するための時間と、1段の垂直転送に要する時間との和となり、数10〔μs〕の間隔での撮像が可能となる。これにより従来に比して一段と撮像間隔を短縮することができる。例えば垂直転送レジスタ11に転送するための時間を3.5〔μs〕、1段垂直転送するのに要する時間を15〔μs〕とすると、約19〔μs〕の間隔での連続撮像が可能となる。
【0037】
また、このCCD3は特殊な構造を必要とせず、汎用のCCDを使用できることから、CCD3の設計変更をすることなく簡易な構成で高速撮像を行い得る。さらにこのディジタルスチルカメラ1においては、高速撮像時には全画素の1/8の数の画素を読み出すのに対して、通常時には全画素を読み出すことにより、画質の劣化を抑えながら高速撮像を行い得る。
【0038】
以上の構成によれば、CCD3の撮像面に形成されるフォトセンサー部10でなる全画素のうち垂直方向の一部の画素行のみから電荷を読み出す間引き読み出しを実行した後、当該電荷を垂直転送レジスタ11に転送して1段の垂直転送を行い、この間引き読み出しと1段の垂直転送とを交互に実行することにより、CCD3を設計変更することなく従来に比して一段と撮像間隔を短縮することができ、かくして簡易な構成で高速撮像を行い得る。
【0039】
なお上述の実施の形態においては、全画素のうち1/8の数の画素のみから電荷を読み出す場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば全画素のうち1/10の数の画素のみから電荷を読み出すようにしても良く、要は、全画素のうち垂直方向の一部の画素行のみから電荷を読み出すようにすれば良い。
【0040】
また上述の実施の形態においては、電荷を垂直転送レジスタ11に転送した後、1段の垂直転送を行う場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば2段の垂直転送を行うようにしても良く、要は、読み出す画素の間引きの数に応じた段数分(すなわちライン数分)だけ垂直転送を行うようにすれば良い。
【0041】
また上述の実施の形態においては、タイミング発生回路4から供給される読出しパルス信号S2に基づくタイミングで、フォトセンサー部10から電荷を読み出して露光時間を調整する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図3(E)に示すようなサブパルス信号に基づくタイミングで、CCD3のフォトセンサー部10に蓄積された電荷を掃き捨てる(図3(F))ことにより、サブパルス信号の発生タイミングを制御して露光時間をさらに細かく調整することができる。
【0042】
また上述の実施の形態においては、タイミング発生回路4から供給される読出しパルス信号S2に基づくタイミングで、フォトセンサー部10から電荷を読み出す場合について述べたが、本発明はこれに限らず、各露光毎に露光時間及び撮像間隔を設定して撮像しても良く、また1つのトリガに対して予め設定しておいた露光時間及び撮像間隔で撮像するようにしても良い。
【0043】
また上述の実施の形態においては、本発明をCCD3に適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばCMOS(Complementory Metal Oxide Semiconductor )のような他の種々の固体撮像素子を本発明に適用するようにしても良い。
【0044】
さらに上述の実施の形態においては、本発明をディジタルスチルカメラ1に適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は、固体撮像素子によって被写体を撮像する撮像装置に本発明を広く適用し得る。
【0045】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、行列状に配され、受光した光を光電変換する光電変換部を有する画素部と、画素部から読み出した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部と、一部の画素行から間引きして垂直電荷転送部に電荷を読み出す間引き読出しと垂直電荷転送部における1段の垂直転送とを交互に行なうように画素部及び垂直電荷転送部を制御するようにしたことにより、撮像と次の撮像とに要する撮像間隔を従来に比して一段と短縮することができ、かくして高速撮像を行い得る撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による撮像装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図2】CCDの構成を示す略線図である。
【図3】高速撮像時のタイミングチャートを示す略線図である。
【符号の説明】
1……ディジタルスチルカメラ、2……光学レンズ、3……CCD、4……タイミング発生回路、5……S/H回路、10……フォトセンサー部、11……垂直転送レジスタ、12……水平転送レジスタ、13……出力部、20……A/D変換回路、21……カメラ信号処理回路、22……切換回路、23……LCD、30……操作部、31……コントローラ、32……メモリコントロール、33……DRAM、34……圧縮/伸長回路、35……フラッシュメモリ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image pickup apparatus and a solid-state image pickup device driving method, and is suitable for application to, for example, a digital still camera.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a digital still camera that converts a captured image of an object into digital data, and stores the converted digital data in a memory. This digital still camera employs, for example, a solid-state image sensor (CCD: Charge Coupled Device) as an image sensor.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in this digital still camera, since it is necessary to read out all pixels constituting one screen every time imaging is performed, imaging at intervals of several tens [ms] is the limit. For example, when the horizontal drive frequency is 14.3 [MHz] and the number of pixels is 330,000, images can be captured only at intervals of 23 [ms], and high-speed continuous imaging cannot be realized.
[0004]
Therefore, as a method for realizing high-speed continuous imaging, a method of increasing the frame rate (that is, the number of images that can be acquired per second) by reducing the number of pixels that read signals out of each pixel constituting the CCD, or horizontal transfer A method of increasing the frame rate by increasing the register reading frequency (that is, the reading speed) is conceivable.
[0005]
However, in the method of increasing the frame rate by reducing the number of pixels to be read, the number of pixels itself is reduced. Therefore, it is inevitable that the image quality is deteriorated, and the frame is read by increasing the reading frequency of the horizontal transfer register. In the method of increasing the rate, there are problems that transfer efficiency in the horizontal transfer register is deteriorated and a clock margin used in a signal processing circuit provided in the subsequent stage of the CCD is insufficient.
[0006]
The present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to propose an imaging apparatus and a solid-state imaging element driving method capable of performing continuous imaging at high speed with a simple configuration.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, in the present invention, a pixel unit that is arranged in a matrix and has a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts received light, and a vertical charge transfer unit that transfers charges read from the pixel unit in the vertical direction, A drive unit that controls the pixel unit and the vertical charge transfer unit so as to alternately perform decimation readout for thinning out some pixel rows and reading out charges to the vertical charge transfer unit and one-stage vertical transfer in the vertical charge transfer unit by providing the bets may fast imaging with shortened iMAGING intervals than conventional.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0009]
In FIG. 1,
[0010]
That is, as shown in FIG. 2A, the
[0011]
Subsequently, the charges transferred to the
[0012]
Then, the charges transferred to the
[0013]
The S /
[0014]
The camera
[0015]
In this state, when the user performs an operation for recording the image data S12 on the
[0016]
Based on this recording control signal S15, the
[0017]
By the way, the
[0018]
Thereafter, the
[0019]
In this state, when the user performs an operation for reproducing the compressed image data S17 in the
[0020]
The compression /
[0021]
By the way, in the digital
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
Specifically, as shown in FIG. 2B, the
[0025]
The charge transferred to the
[0026]
Then, after a predetermined exposure time elapses, the
[0027]
In this case, the charge transferred to the
[0028]
FIG. 3 shows a timing chart when executing high-speed imaging. 3A shows the read pulse signal S2, and FIG. 3B shows the vertical transfer clock signal S3. FIG. 3C shows the exposure time, which is determined by the read pulse signal S2. FIG. 3D shows the output timing for each line of the image signal S30 output from the
[0029]
Incidentally, in this case, since the
[0030]
The image signal S30 output from the
[0031]
By the way, the image signal S30 is generated by alternately executing decimation readout and vertical transfer in the
[0032]
Accordingly, the
[0033]
Since the data amount of the image data S32 is reduced to 1/8 in the vertical direction, the camera
[0034]
In this state, when the user performs an operation for reproducing the compressed image data S34 on the
[0035]
In the above configuration, the
[0036]
That is, the minimum interval between imaging is the sum of the time required to transfer charges to the
[0037]
Further, since this
[0038]
According to the above configuration, after performing thinning readout for reading out charges from only some of the pixel rows in the vertical direction among all the pixels formed by the
[0039]
In the above-described embodiment, the case where the charge is read from only 1/8 of all the pixels has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, 1/10 of all the pixels. The charge may be read from only the pixels. In short, the charge may be read from only a part of the pixel rows in the vertical direction among all the pixels.
[0040]
In the above-described embodiment, the case where one-stage vertical transfer is performed after the charge is transferred to the
[0041]
In the above-described embodiment, the case where the exposure time is adjusted by reading the charge from the
[0042]
In the above-described embodiment, the case where the charge is read from the
[0043]
In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to the
[0044]
Further, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to the digital
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a pixel unit that is arranged in a matrix and has a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts received light, a vertical charge transfer unit that transfers charges read from the pixel unit in a vertical direction, The pixel unit and the vertical charge transfer unit are controlled so as to alternately perform the thinning readout for reading out charges to the vertical charge transfer unit from a part of the pixel rows and the one-stage vertical transfer in the vertical charge transfer unit. it allows the imaging interval required for the imaging and subsequent image capturing can be shortened further than conventional and can realize an imaging apparatus capable of performing high-speed imaging hidden.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an imaging apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a CCD.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a timing chart during high-speed imaging.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記画素部から読み出した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部と、
一部の画素行から間引きして上記垂直電荷転送部に上記電荷を読み出す間引き読出しと上記垂直電荷転送部における1段の垂直転送とを交互に行なうように上記画素部及び垂直電荷転送部を制御する駆動部と
を具える撮像装置。 A pixel unit that is arranged in a matrix and has a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts received light;
A vertical charge transfer unit that transfers charges read from the pixel unit in the vertical direction;
The pixel unit and the vertical charge transfer unit are controlled so as to alternately perform the thinning readout for reading out the charges to the vertical charge transfer unit by thinning out from some pixel rows and the one-stage vertical transfer in the vertical charge transfer unit. that comprises a drive unit for an imaging device.
請求項1に記載の撮像装置。The imaging device according to claim 1.
ユーザの入力操作に応じて上記全画素行から上記電荷を読み出す全画素読出しモードと上記全画素行から所定の画素行ごとの上記電荷を間引いて読み出す間引き読出しモードとを適応的に切り換える
請求項1に記載の撮像装置。The drive unit is
Adaptively switch the thinning readout mode for reading by thinning out the charge for each predetermined pixel row from the all-pixel reading mode and the all pixel rows for reading the charge from the all the pixel rows in response to a user's input operation
The imaging apparatus according to 請 Motomeko 1.
上記画素部から読み出した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部とを有し、
一部の画素行から間引きして上記垂直電荷転送部に上記電荷を読み出す間引き読出しと上記垂直電荷転送部における1段の垂直転送とを交互に行なうように上記画素部及び垂直電荷転送部を制御する
固体撮像素子の駆動方法。 A pixel unit that is arranged in a matrix and has a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts received light;
A vertical charge transfer unit that transfers charges read from the pixel unit in the vertical direction;
The pixel unit and the vertical charge transfer unit are controlled so as to alternately perform the thinning readout for reading out the charges to the vertical charge transfer unit by thinning out from some pixel rows and the one-stage vertical transfer in the vertical charge transfer unit. Method for driving a solid-state imaging device.
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