JP4320486B2 - 固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、CCD(Charge Coupled Device)固体撮像素子に係り、特に、1水平同期期間に2ライン以上の信号を転送する際の信号駆動タイミングの改良を伴う固体撮像素子の駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
CCD固体撮像素子は、撮像信号の駆動タイミングに関し、1水平同期期間に2ライン(ラインは走査線を意味する)以上の垂直転送が行われるようなモードが与えられる場合がある。これにより、垂直画素を間引いたり、水平CCDで加算するなどの技術を駆使して読出しレートを上げることができる。
【0003】
図6、図7は、それぞれ一般的なCCD固体撮像素子の水平同期タイミングを示す波形図である。それぞれ水平ブランキング期間に垂直転送オーバーラップ期間を有しており、図6は通常モード、図7は間引きモードを示す。各図において、CLKはマスタークロック、HDは水平同期信号(1周期)、Hφ1は水平CCD駆動クロック、Vφ1,Vφ2,Vφ3は垂直CCD駆動クロック(3相転送駆動)の波形を示している。
【0004】
図6,7に示すように、水平ブランキング期間を固定にして垂直転送のタイミングを作成している。このため、図7の間引きモードのように信号電荷を2ライン転送する場合、図6の垂直転送クロックのオーバーラップ期間で1ライン転送する場合と比較して転送時間が1/2に減少する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図8は、固体撮像素子における垂直転送クロックオーバーラップ期間に対する垂直CCDの信号電荷取り扱い量の依存度を示す特性図である。図示のように、垂直転送時間が短くなると垂直転送部のダイナミックレンジは減少する。つまり、フレームレート(読出しレート)を向上させようとするほど、垂直CCDの取り扱い電荷量が減少する。
【0006】
このように、固体撮像素子では、それぞれ垂直転送クロックのオーバーラップ期間で与えられる垂直転送時間が短くなると、垂直CCDの取り扱い電荷量が減少するのが現状である。これにより、垂直転送部のダイナミックレンジオーバーが発生する恐れがある。
【0007】
このようなことから、通常のフレームレート(読出しレート)以上にレートを上げる場合は、取り扱う電荷の飽和信号量を下げるしか、垂直転送部のダイナミックレンジを正常に確保する方法がなかった。
【0008】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その課題は、撮像信号の駆動タイミングに関し、1水平同期期間に複数ラインを転送する場合に、垂直CCDの取り扱い電荷量を減少させることなく、フレームレートを向上させることのできる固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス上に配列された複数の受光部の垂直列毎に設けられている垂直転送部より各受光部の信号電荷が垂直同期タイミングに従って転送され、転送されてきた前記信号電荷が水平転送部にて水平同期タイミングに従って出力部に転送される固体撮像素子の駆動に関し、前記水平同期タイミングによる1水平同期期間で前記信号電荷が複数ライン垂直転送されるモードにおいて、1水平同期期間で単一ライン垂直転送する通常モード時よりも長時間垂直転送可能な期間を与えることを特徴とする。
【0010】
また、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス上に配列された複数の受光部の垂直列毎に設けられている垂直転送部より各受光部の信号電荷が垂直同期タイミングに従って転送され、転送されてきた前記信号電荷が水平転送部にて水平同期タイミングに従って出力部に転送される固体撮像素子の駆動に関し、前記水平同期タイミングによる1水平同期期間で前記信号電荷が複数ライン垂直転送されるモードにおいて、前記垂直同期タイミングによる垂直転送クロックの各位相のオーバーラップ期間を1水平同期期間で単一ライン垂直転送する通常モード時と実質同じにすることを特徴とする。
【0011】
本発明の方法によれば、1水平同期期間で前記信号電荷が複数ライン垂直転送されるモードにおいて、複数ラインになった分、垂直転送クロックの各位相のオーバーラップ期間を取り扱い電荷量が減らないよう長くとり、できれば単一ライン垂直転送する通常モード時と実質同じにする。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の方法を適用するCCD固体撮像素子は、次のような仕様の3相転送駆動のものを用いることにする。
水平無効画素+水平ダミー+水平ブランキング=60
垂直有効画素=480
垂直無効画素+垂直ダミー+垂直ブランキング=4
水平駆動周波数=14MHz
1水平同期のビット数=700ビット((1/14)×700=50μsec)
1垂直ライン数=484ライン
フレームレート=41.3フレーム/sec
【0013】
図1は、本発明の実施形態に係る上記CCD固体撮像素子の水平同期タイミングを示す波形図である。この実施形態では間引きモードを示しており、1水平同期期間で信号電荷が2ライン垂直転送される。特徴的なことは、複数ラインになった分、垂直転送クロックの各位相のオーバーラップ期間を、取り扱い電荷量が減らないよう長くとることである。できれば一つのラインを垂直転送する通常モード時と実質同じにタイミング調整することが好ましい。すなわち、通常モードに比べて水平ブランキング期間を長くする。
【0014】
図1において、CLKはマスタークロック、HDは水平同期信号(1周期)、Hφ1は水平CCD駆動クロック、Vφ1,Vφ2,Vφ3は垂直CCD駆動クロック(3相転送駆動)の波形を示している。
【0015】
上記実施形態の特徴を適用する前提である垂直同期タイミングの説明をする。図2、図3は、それぞれ上記CCD固体撮像素子の垂直同期タイミングを示す波形図である。図2は全画素を読み出す通常モード、図3は、間引き転送で読み出す間引きモードを示す。各図において、VDは垂直同期信号(1周期が1フレーム)、Vφ1,Vφ2,Vφ3は垂直CCD駆動クロック(3相転送駆動)、CCDoutは出力部に転送される読み出しタイミングを示している。
【0016】
図2の通常モードは、図4のCCD読み出しイメージに示すように、1フレームで垂直の480画素を全画素読み出す方法である。一方、図3の間引きモードは、図5のCCD読み出しイメージに示すように、垂直の480画素を4画素中2画素だけを読み出す。つまり、読み出す画素と読み出さない画素を1つのパケットとして垂直転送を行い、フレームレートを2倍にする方法である。すなわち、1水平同期期間に垂直転送を2回行う必要がある(図1参照)。
【0017】
従来方法では、図6,7に示したように水平ブランキング期間が60ビット固定であった。従って、垂直転送を2回行う場合、垂直転送クロック(Vφ1〜φ3)のオーバーラップ期間が通常転送時の10ビットから5ビットに減少する。そうなると、上述したように垂直CCDの取り扱い電荷量は低下し、ダイナミックレンジオーバーが発生する恐れがある。
【0018】
本発明に係る、間引きモードの場合、従来のように水平ブランキング期間を固定しない。すなわち、図1に示すように、例えば図6に示す通常モードの垂直転送クロックオーバーラップ期間と同様に10ビット与えられるように水平ブランキング期間を長く取る。これにより、垂直CCDの取り扱い電荷量を下げることなく、間引き読み出しが可能となる。
【0019】
上記駆動タイミングを適用することによって、従来技術の図6に比べて水平ブランキング期間が2倍になっている。この結果、間引き時の1水平同期期間が、52μsecから54.3μsecに増える(従来は52μsecのまま)。このため、フレームレートも2倍にまで速くはならないが、65.3フレーム/secと約1.6倍になる。
【0020】
一般的には、通常モード時において、水平ブランキング期間をa、水平有効画素出力期間をb、水平無効画素出力期間をc、水平ダミー画素出力期間をd、垂直有効画素をe、垂直無効画素+垂直ダミー+垂直ブランキング期間をf、水平駆動周波数をgとすると、通常モードにおける動作の1フレームの時間は(1)式で表される。
(1/g)×(a+b+c+d)×(e+f) …(1)
ここで垂直画素のトータルの1/2を間引くとすると、本発明の駆動タイミングを適用した間引き時の1フレームの時間は、(2)式で表すことができる。
(1/g)×(2a+b+c+d)×(e+f)×1/2 …(2)
【0021】
一方、従来の間引きでの1フレームの時間は、(3)式で表すことができる。
(1/g)×(a+b+c+d)×(e+f)×1/2 …(3)
ところが、CCDの水平方向の有効画素が多くなる(bの期間が長くなる)と、水平ブランキング期間aの1水平同期期間に占める割合が小さくなる。従って、本発明の駆動タイミングを適用した間引きモードで、通常モードの限りなく2倍に近いフレームレートを達成することができる。しかも、上述したように垂直CCDの取り扱い電荷量を減らすことなく実現できるのである。
【0022】
上記実施形態における駆動タイミングによれば,固体撮像素子の垂直画素を間引いたり水平CCDにて加算フレームレート(読み出しレート)を上げる時に効果を発揮する。すなわち、1水平同期期間に2ライン以上を転送する場合に、1水平同期期間の水平ブランキング期間だけを通常転送時よりも長く設定する。これにより、垂直転送クロックのオーバーラップ期間が十分確保される。この結果、垂直CCDの取り扱い電荷量を減少させることなく、フレームレートを上げることが可能となる。特に、水平ブランキング期間に対する有効画素数が多い、多画素タイプの固体撮像素子では本発明方法の適用は有用となる。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、1水平同期期間に複数ラインを転送する場合、通常の動作時よりも垂直転送を行う水平ブランキング期間を長く取る。この結果、垂直転送クロックのオーバーラップ期間が十分確保され、垂直CCDのダイナミックレンジが十分に確保できる高信頼性の固体撮像素子の駆動方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る上記CCD固体撮像素子の水平同期タイミングを示す波形図である。
【図2】本発明に係るCCD固体撮像素子の垂直同期タイミングを示す波形図であり、全画素を読み出す通常モードを示す。
【図3】本発明に係るCCD固体撮像素子の垂直同期タイミングを示す波形図であり、間引き転送で読み出す間引きモードを示す。
【図4】CCD固体撮像素子における通常モードのCCD読み出しイメージを説明する概念図である。
【図5】CCD固体撮像素子における間引きモードのCCD読み出しイメージを説明する概念図である。
【図6】一般的なCCD固体撮像素子の水平同期タイミングを示す波形図であり、通常モードを示す。
【図7】一般的なCCD固体撮像素子の水平同期タイミングを示す波形図であり、間引きモードを示す。
【図8】固体撮像素子における垂直転送クロックオーバーラップ期間に対する垂直CCDの信号電荷取り扱い量の依存度を示す特性図である。
【符号の説明】
CLK…マスタークロック、HD…水平同期信号(1周期)、Hφ1…水平CCD駆動クロック、Vφ1,Vφ2,Vφ3…垂直CCD駆動クロック(3相転送駆動)。
Claims (1)
- 垂直同期タイミングに従って、マトリクス状に配列された複数の受光部の垂直列毎に設けられている垂直転送部によって各受光部の信号電荷を垂直転送する工程と、
1水平同期期間に前記信号電荷を複数ライン垂直転送するモードにおける前記垂直同期タイミングの垂直転送クロックの各位相のオーバーラップ期間と、1水平同期期間に前記信号電荷を単一ライン垂直転送するモードにおける前記垂直同期タイミングの垂直転送クロックの各位相のオーバーラップ期間とが略等しく、更に、1水平同期期間に前記信号電荷を複数ライン垂直転送するモードにおける1水平同期期間は、1水平同期期間に前記信号電荷を単一ライン垂直転送するモードにおける1水平同期期間よりも長期間である水平同期タイミングに従って、前記垂直転送部によって垂直転送された前記信号電荷を水平転送部によって出力部に水平転送する工程とを備える
固体撮像素子の駆動方法。
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