JP6626605B2 - ２次元ｃｃｄ撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、２次元ＣＣＤ撮像装置に関し、特に、ＳＮ比が高い画像を取得しにくい撮像状況であっても、ＳＮ比が高く詳細な画像を取得するものに関する。

従来の２次元ＣＣＤ撮像装置の動作について、図８に示すＣＣＤ固体撮像素子１０を用いて説明する。図８は、ＣＣＤ固体撮像素子１０と、このＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動する駆動制御部９６の一実施形態とから構成された固体撮像装置２の概略図である。本実施形態では、インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子１０を６相もしくは８相で駆動する場合を例に採って説明する。

図８において、ＣＣＤ固体撮像素子１０には、駆動電源４６から、ドレイン電圧ＶＤＤおよびリセットドレイン電圧ＶＲＤが印加され、ドライバ４２にも所定の電圧が供給されるようになっている。

固体撮像装置２を構成するＣＣＤ固体撮像素子１０は、半導体基板２１上に、画素（ユニットセル）に対応して受光素子の一例であるフォトダイオードなどからなるセンサ部（感光部；フォトセル）１２が多数、垂直（行）方向および水平方向（列）方向において２次元マトリクス状に配列されている。これらセンサ部１１は、受光面から入射した入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する。

またＣＣＤ固体撮像素子１０は、センサ部１１の垂直列ごとに６相もしくは８相駆動に対応する複数本（本例では１ユニットセル当たり６本もしくは８本）の垂直転送電極２４（２４−１〜２４−６もしくは２４−１〜２４−８）が設けられる垂直ＣＣＤ（Ｖレジスタ部、垂直転送部）１３が配列されている。

垂直ＣＣＤ１３の転送方向は図中縦方向であり、この方向に垂直ＣＣＤ１３が設けられ、この方向に直交する方向（水平方向）に垂直ＣＣＤ１３が複数本並べられる。さらに、これら垂直ＣＣＤ１３と各センサ部１１との間には読出ゲート（ＲＯＧ）１２が介在している。また各ユニットセルの境界部分にはチャネルストップＣＳが設けられている。これらセンサ部１１の垂直列ごとに設けられ、各センサ部１１から読出ゲート部１２によって読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤ１３によって撮像エリア１４が構成されている。

センサ部１１に蓄積された信号電荷は、読出ゲート部１２に読出パルスＸＳＧに対応するドライブパルスが印加されることにより垂直ＣＣＤ１３に読み出される。垂直ＣＣＤ１３は、６相（８相）の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）に基づくドライブパルスφＶ１〜φＶ６（φＶ８）よって転送駆動され、読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。この１ラインずつの垂直転送を、特にラインシフトという。

また、ＣＣＤ固体撮像素子１０には、複数本の垂直ＣＣＤ１３の各転送先側端部すなわち、最後の行の垂直ＣＣＤ１３に隣接して、図の左右方向に延在する水平ＣＣＤ１５（Ｈレジスタ部、水平転送部）１５が１ライン分設けられている。この水平ＣＣＤ１５は、たとえば２相の水平転送クロックＨ１，Ｈ２に基づくドライブパルスφＨ１，φＨ２によって転送駆動され、複数本の垂直ＣＣＤ１３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。このため２相駆動に対応する複数本（２本）の水平転送電極２９（２９−１，２９−２）が設けられる。

水平ＣＣＤ１５の転送先の端部には、たとえばフローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）構成の電荷電圧変換部１６が設けられている。この電荷電圧変換部１６は、水平ＣＣＤ１５によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力（ＶＯＵＴ）として導出される。以上により、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子１０が構成されている。

また固体撮像装置２は、本実施形態の固体撮像装置２の特徴部分として、ＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動するための種々のパルス信号（“Ｌ”レベルと“Ｈ”レベルの２値）を生成するタイミング信号生成部４０と、タイミング信号生成部４０から供給された種々のパルスを所定レベルのドライブパルスにしてＣＣＤ固体撮像素子１０に供給するドライバ４２とを備えている。たとえば、タイミング信号生成部４０は、水平同期信号（ＶＤ）や垂直同期信号（ＶＤ）に基づいて、ＣＣＤ固体撮像素子１０のセンサ部１１に蓄積された信号電荷を読み出すための読出パルスＸＳＧ、読み出した信号電荷を垂直方向に転送駆動し水平ＣＣＤ１５に渡すための垂直転送クロックＶ１〜Ｖｎ（ｎは駆動時の相数を示す；たとえば６相駆動時にはＶ６、８相駆動時にはＶ８）、垂直ＣＣＤ１３から渡された信号電荷を水平方向に転送駆動し電荷電圧変換部１６に渡すための水平転送パルスＨ１，Ｈ２、およびリセットパルスＲＧなどを生成し、ドライバ４２に供給する。

ドライバ４２は、タイミング信号生成部４０から供給された種々のパルスを所定レベルの電圧信号（ドライブパルス）に変換し、あるいは別の信号に変換しＣＣＤ固体撮像素子１０に供給する。たとえば、タイミング信号生成部４０から発せられたｎ相の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）は、ドライバ４２を介してドライブパルスφＶ１〜φＶ６（φＶ８）とされ、ＣＣＤ固体撮像素子１０内の対応する所定の垂直転送電極（２４−１〜２４−６もしくは２４−１〜２４−８）に印加されるようになっている。同様に、２相の水平転送クロックＨ１，Ｈ２は、ドライバ４２を介してドライブパルスφＨ１，φＨ２とされ、ＣＣＤ固体撮像素子１０内の対応する所定の水平転送電極（２９−１，２９−２）に印加されるようになっている。

ここで、ドライバ４２は、読出パルスＸＳＧについては、６相もしくは８相の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）のうちのＶ１，Ｖ３，Ｖ５（，Ｖ７）に重畳することで、３値レベルを採る垂直ドライブパルスφＶ１，φＶ３，φＶ５（，φＶ７）として、ＣＣＤ固体撮像素子１０に供給する。つまり、垂直ドライブパルスφＶ１，φＶ３，φＶ５（，φＶ７）は、本来の垂直転送動作だけでなく、信号電荷の読出しにも兼用されるようにする。

このような構成のＣＣＤ固体撮像素子１０の一連の動作を概説すれば以下の通りである。先ず、タイミング信号生成部４０は、垂直転送用の転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）や読出パルスＸＳＧなどの種々のパルス信号を生成する。これらのパルス信号は、ドライバ４２により所定電圧レベルのドライブパルスに変換された後に、ＣＣＤ固体撮像素子１０の所定端子に入力される。

センサ部１１の各々に蓄積された信号電荷は、タイミング信号生成部４０から発せられた読出パルスＸＳＧが読出ゲート部１２の転送チャネル端子電極に印加され、転送チャネル端子電極下のポテンシャルが深くなることにより、当該読出ゲート部１２を通して垂直ＣＣＤ１３に読み出される。そして、６相（８相）の垂直ドライブパルスφＶ１〜φＶ６（φＶ８）に基づいて垂直ＣＣＤ１３が駆動されることで、順次水平ＣＣＤ１５へ転送される。

水平ＣＣＤ１５は、タイミング信号生成部４０から発せられドライバ４２により所定電圧レベルの変換された２相の水平ドライブパルスφＨ１，φＨ２に基づいて、複数本の垂直ＣＣＤ１３の各々から垂直転送された１ラインに相当する信号電荷を順次電荷電圧変換部１６側に水平転送する。

電荷電圧変換部１６は、水平ＣＣＤ１５から順に注入される信号電荷を図示しないフローティングディフュージョンに蓄積し、この蓄積した信号電荷を信号電圧に変換して、たとえば図示しないソースフォロア構成の出力回路を介して、タイミング信号生成部４０から発せられたリセットパルスＲＧの制御の元に撮像信号（ＣＣＤ出力信号）ＶＯＵＴとして出力する。

すなわち上記ＣＣＤ固体撮像素子１０においては、センサ部１１を縦横に２次元状に配置してなる撮像エリア１４で検出した信号電荷を、各センサ部１１の垂直列に対応して設けられた垂直ＣＣＤ１３により水平ＣＣＤ１５まで垂直転送し、この後、２相の水平転送パルスＨ１，Ｈ２に基づいて、信号電荷を水平ＣＣＤ１５により水平方向に転送するようにしている。そして、電荷電圧変換部１６にて水平ＣＣＤ１５からの信号電荷に対応した電位に変換してから出力するという動作を繰り返す （以上、特許文献１参照）。

特開２００４−３２８３１４号公報

前述のＣＣＤ固体撮像素子１０には、以下に示すような改善すべき点がある。ＣＣＤ固体撮像素子１０では、センサ部１１において取得した信号電荷を、水平ＣＣＤ１５を介して、全て水平方向に転送するまで、センサ部１１において次の信号電荷を取得しない。このため、高速で移動する状況等、ＳＮ比が高い画像を取得しにくい撮像状況では、詳細な画像を取得できない、という改善すべき点がある。

そこで、本発明は、ＳＮ比が高い画像を取得しにくい撮像状況であっても、ＳＮ比が高く詳細な画像を取得できる２次元ＣＣＤ撮像装置を提供することを目的とする。

本発明における課題を解決するための手段及び発明の効果を以下に示す。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置は、垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送するタイミング、前記垂直転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を垂直転送するタイミング、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、を有する２次元ＣＣＤ撮像装置であって、前記垂直水平転送制御部は、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複画像処理を実行すること、を特徴とする。

これにより、受光部を介して取得した信号電荷を増幅できるので、ＳＮ比が高い画像を取得でき、ひいては、詳細な画像を取得できる。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置では、前記垂直水平転送制御部は、前記重複撮像処理を、複数回実行すること、を特徴とする。

これにより、受光部を介して取得した信号電荷を増幅していくことができるので、ＳＮ比が高い画像を取得でき、ひいては、詳細な画像を取得できる。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置では、前記垂直水平転送制御部は、さらに、前記読み出しパルスを送信する間隔である撮像間隔時間を、前記２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とすること、を特徴とする。

これにより、ある撮像タイミングにおける２次元ＣＣＤ撮像装置の第Ｘ行の行撮像領域で撮像できる領域を、次の撮像タイミングにおいて第Ｘ＋１行の行撮像領域で撮像できる領域に合わせることができる。つまり、同一の領域を、複数の撮像タイミングで、異なる行撮像領域で撮像できる。よって、２次元ＣＣＤ撮像装置において、各撮像タイミングで取得した受光部の信号電荷を、垂直方向に１行ずつずらしながら加算することによって、同一の領域に対する信号電荷を増幅していくことができるので、ＳＮ比が高い画像を取得でき、ひいては、詳細な画像を取得できる。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法は、垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、を有する２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を制御する２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法であって、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複画像処理を実行すること、を特徴とする。

これにより、受光部を介して取得した信号電荷を増幅できるので、ＳＮ比が高い画像を取得でき、ひいては、詳細な画像を取得できる。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法では、さらに、前記重複撮像処理を、複数回実行すること、を特徴とする。

これにより、受光部を介して取得した信号電荷を増幅していくことができるので、ＳＮ比が高い画像を取得でき、ひいては、詳細な画像を取得できる。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法では、さらに、前記読み出しパルスを送信する間隔である撮像間隔時間を、前記２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とすること、を特徴とする。

これにより、ある撮像タイミングにおける２次元ＣＣＤ撮像装置の第Ｘ行の行撮像領域で撮像できる領域を、次の撮像タイミングにおいて第Ｘ＋１行の行撮像領域で撮像できる領域に合わせることができる。つまり、同一の領域を、複数の撮像タイミングで、異なる行撮像領域で撮像できる。よって、２次元ＣＣＤ撮像装置において、各撮像タイミングで取得した受光部の信号電荷を、垂直方向に１行ずつずらしながら加算することによって、同一の領域に対する信号電荷を増幅していくことができるので、ＳＮ比が高い画像を取得でき、ひいては、詳細な画像を取得できる。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムは、垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送するタイミング、前記垂直転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を垂直転送するタイミング、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、を有する２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を制御する２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムであって、前記２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムは、前記垂直水平転送制御部を、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを前記垂直転送ＣＣＤに送信する重複画像処理を実行するように機能させること、を特徴とする。

これにより、受光部を介して取得した信号電荷を増幅できるので、ＳＮ比が高い画像を取得でき、ひいては、詳細な画像を取得できる。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置の一実施例である２次元ＣＣＤ撮像装置１００のハードウェア構成を示す図である。 ２次元ＣＣＤ撮像装置１００の撮像領域と、２次元ＣＣＤ撮像装置１００を搭載する装置搭載移動物体の移動との関係を示す図であり、Ａは、ある撮像タイミングを示し、Ｂは、次の撮像タイミングを示す。 ２次元ＣＣＤ撮像装置１００の垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートである。 ２次元ＣＣＤ撮像装置１００における信号電荷の移動を示す図である。 ２次元ＣＣＤ撮像装置１００の垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートである。 ２次元ＣＣＤ撮像装置２００の垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートである。 ２次元ＣＣＤ撮像装置２００の垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートである。 従来の２次元ＣＣＤ撮像装置を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明していく。

本発明に係る２次元ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｖｉｃｅ）撮像装置について、図１に示す２次元ＣＣＤ撮像装置１００を例に説明する。

第１ ハードウェア構成
２次元ＣＣＤ撮像装置１００のハードウェア構成の概略について図１を用いて説明する２次元ＣＣＤ撮像装置１００は、フォトダイオード１０１、読み出しゲート１０２、垂直転送ＣＣＤ１０３（以下、ＶＣＣＤ１０３）、水平転送ＣＣＤ１０５（以下、ＨＣＣＤ１０５）、垂直水平転送制御部１０７、及び、駆動電源部１０９を有している。なお、２次元ＣＣＤ撮像装置１００は、いわゆるインターライン型のＣＣＤ撮像装置と同様の構造を有している。

フォトダイオード１０１は、受光面から入射した入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する。フォトダイオード１０１は、所定の基板上において、垂直方向にＭ個、水平方向にＮ個、つまり、垂直Ｍ画素、水平Ｎ画素の２次元マトリクス状に配置される。なお、マトリクス状に配置されたフォトダイオード１０１については、ＨＣＣＤ１０５から最も遠くに位置する行を第１行、ＨＣＣＤ１０５に隣接する行を第Ｍ行とする。また、

読み出しゲート１０２は、フォトダイオード１０１とＶＣＣＤ１０３との間に、各フォトダイオード１０１に対応して配置される。読み出しゲート１０２は、所定の読み出しパルスを取得すると、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷をＶＣＣＤ１０３に転送する。なお、読み出しパルスは、垂直水平転送制御部１０７から所定のタイミングで提供される。

ＶＣＣＤ１０３は、ＭＯＳ構造の半導体素子の一種であり、垂直方向に直列状に配置される複数の電極を有し、各電極に対応して形成される半導体素子１１３（以下、ＶＣＣＤ素子１１３）を有している。ＶＣＣＤ１０３は、各電極に供給する電圧を制御することによって、各ＶＣＣＤ素子１１３に蓄積した電荷を隣接するＶＣＣＤ素子１１３に、順次、転送する。ＶＣＣＤ１０３は、マトリクス状に配置されたフォトダイオード１０１において垂直方向に沿って形成される列に沿って、各列に対応して配置される。ＶＣＣＤ１０３は、各電極に供給される所定の垂直転送パルスに応じて転送駆動され、フォトダイオード１０１から取得した信号電荷を垂直方向に転送する。なお、ＶＣＣＤ１０３は、４相駆動に対応する複数の垂直転送電極を有している。

なお、１つのフォトダイオード１０１、そのフォトダイオード１０１に対応する読み出しゲート１０２及びＶＣＣＤ素子１１３によって、１画素を構成するものとする。また、第Ｘ行、第Ｙ列のフォトダイオード１０１に対応する１画素を画素Ｐ（Ｘ，Ｙ）とする。

ＨＣＣＤ１０５は、ＭＯＳ構造の半導体素子の一種であり、水平方向に直列状に配置される複数の電極を有し、各電極に対応して形成される半導体素子１１５（以下、ＨＣＣＤ素子１１５）を有している。ＨＣＣＤ１０５は、各電極に供給する電圧を制御することによって、各ＨＣＣＤ素子１１５に蓄積した電荷を隣接するＨＣＣＤ素子１１５に、順次、転送する。ＨＣＣＤ１０５は、垂直方向に並列に配置されている複数のＶＣＣＤ１０３の垂直方向側の端部に接続するように配置される。ＨＣＣＤ１０５は、各電極に供給される所定の水平転送パルスに応じて転送駆動され、ＶＣＣＤ１０３から取得した信号電荷を水平方向に転送する。なお、ＨＣＣＤ１０５は、２相駆動に対応する複数の水平転送電極を有している。

ＨＣＣＤ１０５の一端部には、電荷電圧変換部ＱＶＣが配置される。電荷電圧変換部ＱＶＣとしては、例えば、フローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）が用いられる。電荷電圧変換部ＱＶＣは、ＨＣＣＤ１０５によって水平転送されてきた信号電荷を、順次、電圧信号に変換して出力する。なお、電荷電圧変換部ＱＶＣによって生成された電圧信号は、フォトダイオード１０１への光の入射量に応じたＣＣＤ出力に対応する。

垂直水平転送制御部１０７は、水平同期信号（ＶＤ）や垂直同期信号（ＶＤ）に基づいて、読み出しゲート１０２を動作させるための読み出しパルス、ＶＣＣＤ１０３を動作させるための垂直転送パルス、ＨＣＣＤ１０５を動作させるための水平転送パルス等、種々のパルスを、所定のタイミングで、生成する。垂直水平転送制御部１０７が送信する各パルスについては後述する。

また、垂直水平転送制御部１０７は、撮像間隔時間Δｔ、および、重複撮像回数Ｋを所定のメモリに記憶保持している。撮像間隔時間Δｔは、フォトダイオード１０１において蓄積した信号電荷を移送してから、次に移送するまでの間隔を示し、フォトダイオード１０１が外部からの光を受光する露光時間に対応する（図５参照）。重複撮像回数Ｋは、ある画素において撮像される画像について、同一の画像を他の画素において撮像する回数を示す。なお、撮像間隔時間Δｔ、および、重複撮像回数Ｋについては、無線回線、有線回線を介した外部のコントローラからの指示によって、適宜、書き換えることができる。

駆動電源部１０９は、他の素子を駆動するための所定の電圧を各素子に供給する。

第２ ２次元ＣＣＤ撮像装置１００の動作
１．動作の概要
２次元ＣＣＤ撮像装置１００は、移動しながら撮像する物体（以下、装置搭載移動物体とする）に搭載される。装置搭載移動物体としては、例えば、高速で移動しながら地表を撮像する人工衛星がある。

装置搭載移動物体が移動するため、２次元ＣＣＤ撮像装置１００の撮像領域も、装置搭載移動物体の移動にともなって移動する。 図２Ａに示すように、ある撮像タイミングにおける第Ｘ行の画素Ｐ（Ｘ，１）〜画素Ｐ（Ｘ，Ｎ）の行撮像領域Ｒ１００は、次の撮像タイミングでは、図２Ｂに示すように、装置搭載移動物体の移動方向に沿って移動し、行撮像領域Ｒ’１００となる。

このとき、装置搭載移動物体に搭載される２次元ＣＣＤ撮像装置１００の撮像間隔時間Δｔを、装置搭載移動物体の移動速度で２次元ＣＣＤ撮像装置１００の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間に合わせることによって、ある撮像タイミングにおいて第Ｘ行の行撮像領域Ｒ１００で撮像する画像を、次の撮像タイミングにおいて第Ｘ＋１行の行撮像領域Ｒ２００で撮像する画像に合わせることができる。つまり、同一の画像を、連続する撮像タイミングで、連続する行撮像領域で取得できる。つまり、重複撮像にした画像を取得することができる。

２次元ＣＣＤ撮像装置１００では、所定の撮像タイミングで取得したフォトダイオード１０１の信号電荷を、垂直方向に１行ずつずらしながら加算することによって、同一の画像に対する信号電荷を増幅していくことができる。

２．動作タイミング
２次元ＣＣＤ撮像装置１００の動作について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートを示し、図４は、各パルスにともなう信号電荷の移動を示し、図３は、垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートを示す図である。

２次元ＣＣＤ撮像装置１００では、同一の画像に対して複数回の撮像を行う重複撮像処理、及び、従来のＣＣＤの動作によって、重複撮像処理によって得られた画像を取得するＣＣＤ画像取得処理を実行する。図３に示すように、垂直水平転送制御部１０７は、所定のタイミングで、現在、フォトダイオード１０１に蓄積している信号電荷をリフレッシュするリフレッシュパルスを送信する（Ｓ３０１）。これにより、フォトダイオード１０１に残存する電荷をはき出し、フォトダイオード１０１をリセットできる。

垂直水平転送制御部１０７は、所定の撮像間隔時間Δｔの経過後（Ｓ３０３）、読み出しパルスを読み出しゲート１０２へ送信する（Ｓ３０５）。これにより、図４に示すように、第Ｌ行に対応する画素Ｐ（Ｌ，１）〜画素Ｐ（Ｌ，Ｎ）の各フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷は、画素Ｐ（Ｌ，１）〜画素Ｐ（Ｌ，Ｎ）のそれぞれに対応するＶＣＣＤ素子１１３の電極を介して、ＶＣＣＤ１０３に転送される（矢印（１））。なお、垂直水平転送制御部１０７は、読み出しパルスを、同時に、全ての読み出しゲート１０２に送信する。

図３に戻って、垂直水平転送制御部１０７は、読み出しパルスを、重複撮像回数、つまりＫ回、送信したか否かを判断する（Ｓ３０７）。垂直水平転送制御部１０７は、読み出しパルスを送信後、所定時間経過すると、ＶＣＣＤ素子１１３に対して、垂直転送パルスを送信する（Ｓ３０９）。これにより、図４に示すように、第Ｌ行に対応する画素Ｐ（Ｌ，１）〜画素Ｐ（Ｌ，Ｎ）のＶＣＣＤ素子１１３が保持している信号電荷を、垂直方向に隣接する次の画素Ｐ（Ｌ＋１，１）〜画素Ｐ（Ｌ＋１，Ｎ）のそれぞれに対応するＶＣＣＤ素子１１３に転送する（矢印（２））。つまり、第Ｌ行の行撮像領域に対応するＶＣＣＤ素子１１３が保持していた信号電荷は、第Ｌ＋１行の行撮像領域に対応するＶＣＣＤ素子１１３に移動する。

以降、垂直水平転送制御部１０７は、撮像間隔時間Δｔによる読み出しパルスの送信を、重複撮像回数、つまりＫ回、繰り返す。このように、図５に示すように、２次元ＣＣＤ撮像装置１００においては、リフレッシュパルス送信後、重複撮像回数であるＫ回、読み出しパルスを送信し、ＶＣＣＤ１０３における垂直転送時において、信号電荷を、Ｋ回加算することができる。なお、信号電荷のＫ回目の加算は、Ｋ回目の読み出しパルスを送信した後のＣＣＤ画像取得処理の第１回目の垂直転送によって実行される。このように、リフレッシュパルス送信後、最初に、画素Ｐ（Ｌ，１）〜画素Ｐ（Ｌ，Ｎ）で取得する画像を、重複撮像回数だけ、重複撮像できる。ここで、垂直水平転送制御部１０７におけるステップＳ３０１〜Ｓ３０９の処理は、重複撮像処理に対応する。

図３に戻って、垂直水平転送制御部１０７は、ステップＳ３０７において重複撮像回数だけ読み出しパルスを送信したと判断すると、垂直転送パルスを送信する（Ｓ３１１）。垂直水平転送制御部１０７は、その後、ＨＣＣＤ素子１１５に対して、水平転送パルスを送信する（Ｓ３１３）。これにより、図４に示すように、ＨＣＣＤ素子１１５に到達した信号電荷を、水平方向に隣接する次のＨＣＣＤ素子１１５へと、順次、転送し、最終的に、全ての信号電荷を電荷電圧変換部ＱＶＣへ出力する（矢印（ａ））。なお、水平転送パルスについては、垂直転送パルスを送信後、所定時間経過後に、送信され、そのときにＨＣＣＤ素子１１５が保持している信号電荷を水平転送する。

図３に戻って、垂直水平転送制御部１０７は、ステップＳ３１１における垂直転送パルスの送信、及び、ステップＳ３１３における水平転送パルスの送信を、２次元ＣＣＤ撮像装置１００の垂直方向の画素数、つまりＭ回、繰り返す（Ｓ３１５）。これにより、２次元ＣＣＤ撮像装置１００を用いることによって、所定の画素において重複撮像回数だけ重複撮像した画像を取得することができる。垂直水平転送制御部１０７は、動作が終了するまで、ステップＳ３０１〜Ｓ３１５の処理を繰り返す（Ｓ３１７）。なお、垂直水平転送制御部１０７におけるステップＳ３１１〜Ｓ３１５の処理は、ＣＣＤ画像取得処理に対応し、従来のＣＣＤにおける動作と同様である。

このように、２次元ＣＣＤ撮像装置１００においては、ＶＣＣＤ１０３における垂直転送時に信号電荷を、重複撮像回数加算することができる。つまり、重複撮像した画像を取得できるので、高いＳＮ比を有する画像を取得することができる。したがって、高速に移動する物体から２次元ＣＣＤ撮像装置１００を用いて画像を取得する場合であっても、より鮮明な画像を取得することができる。

前述の２次元ＣＣＤ撮像装置１００においては、垂直水平転送制御部１０７は、図５に示すように、読み出しパルスを送信した後、所定時間経過後に、読み出しパルスとは明確に異なる垂直転送パルスを送信することとした。一方、本実施例おける２次元ＣＣＤ撮像装置２００では、読み出しパルスと垂直転送パルスとが一体となった読み出しパルスを送信するものである。

第１ ハードウェア構成
２次元ＣＣＤ撮像装置２００のハードウェア構成については、前述の２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様である（図１参照）。ただし、垂直水平転送制御部１０７の動作が、２次元ＣＣＤ撮像装置１００とは異なる。以下において、２次元ＣＣＤ撮像装置２００における垂直水平転送制御部１０７の動作を説明する。

第２ ２次元ＣＣＤ撮像装置２００の動作
２次元ＣＣＤ撮像装置２００の動作について、図６、図７を用いて説明する。図６は、垂直水平転送制御部１０７の動作を示すフローチャートを示し、図６は、垂直水平転送制御部１０７が生成する各パルスのタイミングチャートを示す図である。なお、実施例１における２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様の動作については、同じ符号を付し、詳細な記述を省略する。

２次元ＣＣＤ撮像装置２００は、２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様に、重複撮像処理、及び、ＣＣＤ画像取得処理を実行する。図６に示すように、垂直水平転送制御部１０７は、所定のタイミングで、現在、フォトダイオード１０１に蓄積している信号電荷をリフレッシュするリフレッシュパルスを送信する（Ｓ３０１）。

垂直水平転送制御部１０７は、所定の撮像間隔時間Δｔの経過後（Ｓ３０３）、読み出しパルスを読み出しゲート１０２、及び、ＶＣＣＤ１０３へ送信する（Ｓ６０５）。このときに送信する読み出しパルスは、図７に示すように、フォトダイオード１０１が有する信号電荷を読み出す読み出しパルスと、読み出しパルスに対応してＶＣＣＤ１０３が有する信号電荷を垂直転送する垂直転送パルスとが一体となったものである。

これにより、第Ｌ行に対応する画素Ｐ（Ｌ，１）〜画素Ｐ（Ｌ，Ｎ）の各フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷は、画素Ｐ（Ｌ，１）〜画素Ｐ（Ｌ，Ｎ）のそれぞれに対応するＶＣＣＤ素子１１３の電極を介して、ＶＣＣＤ１０３に転送された後（図４：矢印（１）参照）、各ＶＣＣＤ素子１１３に転送された信号電荷、垂直方向に隣接する次の画素Ｐ（Ｌ＋１，１）〜画素Ｐ（Ｌ＋１，Ｎ）のそれぞれに対応するＶＣＣＤ素子１１３に転送される（図４：矢印（２）参照）。このように、第Ｌ行のフォトダイオード１０１のそれぞれが保持していた信号電荷は、第Ｌ＋１行の各ＶＣＣＤ素子１１３に移動する。なお、フォトダイオード１０１からＶＣＣＤ素子１１３へ信号電荷が転送された際に、ＶＣＣＤ素子１１３に信号電荷が存在していた場合には、ＶＣＣＤ素子１１３において信号電荷が加算される。また垂直水平転送制御部１０７は、読み出しパルスを、同時に、全ての読み出しゲート１０２、及び、ＶＣＣＤ１０３に送信する。

図６に戻って、垂直水平転送制御部１０７は、読み出しパルスを、重複撮像回数、つまりＫ回、送信したか否かを判断する（Ｓ３０７）。

以降、垂直水平転送制御部１０７は、撮像間隔時間Δｔによる読み出しパルスの送信を、重複撮像回数、つまりＫ回、繰り返す。このように、図７に示すように、２次元ＣＣＤ撮像装置２００においては、リフレッシュパルス送信後、重複撮像回数であるＫ回、読み出しパルスを送信し、ＶＣＣＤ１０３における垂直転送時において、信号電荷を、Ｋ回加算することができる。なお、信号電荷のＫ回目の加算は、Ｋ回目の読み出しパルスを送信した後のＣＣＤ画像取得処理の第１回目の垂直転送によって実行される。このように、リフレッシュパルス送信後、最初に、画素Ｐ（Ｌ，１）〜画素Ｐ（Ｌ，Ｎ）で取得する画像を、重複撮像回数だけ、重複撮像できる。ここで、垂直水平転送制御部１０７におけるステップＳ３０１〜Ｓ６０５〜Ｓ３０７の処理は、重複撮像処理に対応する。

垂直水平転送制御部１０７におけるステップＳ３１１〜Ｓ３１７の処理については、実施例１における２次元ＣＣＤ撮像装置１００と同様である。

［その他の実施形態］

（１）重複撮像回数Ｋ、撮像間隔時間Δｔ：前述の実施例１、実施例２においては、垂直水平転送制御部１０７が有する重複撮像回数Ｋ、撮像間隔時間Δｔは、外部から変更できるとしたが、変更できず、予め定められた重複撮像回数Ｋ、撮像間隔時間Δｔのみを用いるようにしてもよい。

（２）装置搭載移動物体：前述の実施例１、実施例２においては、２次元ＣＣＤ撮像装置１００を高速で移動する人工衛星に搭載するとしたが、２次元ＣＣＤ撮像装置１００が取得する画像の対象物に対して、相対的に移動する場合であれば、例示のものに限定されない。例えば、２次元ＣＣＤ撮像装置１００が固定され、画像の対象物が移動する場合であってもよい。

本発明に係る２次元ＣＣＤ撮像装置は、例えば、人工衛星からの地表撮像に使用できる。

１００ ２次元ＣＣＤ撮像装置
２００ ２次元ＣＣＤ撮像装置
１０１ フォトダイオード
１０２ 読み出しゲート
１０３ 垂直転送ＣＣＤ
１１３ ＶＣＣＤ素子
１０５ 水平転送ＣＣＤ
１１５ ＨＣＣＤ素子
１０７ 垂直水平転送制御部
１０９ 駆動電源部
Ｒ１００ 行撮像領域
Ｒ’１００ 行撮像領域
Ｒ２００ 行撮像領域

Claims (6)

1. 垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、
   前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、
   前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、
   前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送するタイミング、前記垂直転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を垂直転送するタイミング、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、
   を有する２次元ＣＣＤ撮像装置であって、
   前記垂直水平転送制御部は、
   前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを前記垂直転送ＣＣＤに送信し、垂直方向に１行ずつずらしながら前記信号電荷を加算する重複撮像処理を、複数回実行し、複数回の前記重複撮像処理を実行した後、前記垂直転送パルスの前記垂直転送ＣＣＤへの送信、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送する水平転送パルスの前記水平転送ＣＣＤへの送信を、複数回実行し、全ての前記垂直転送ＣＣＤが有する前記信号電荷を取得すること、
   を特徴とする２次元ＣＣＤ撮像装置。
2. 請求項１に係る２次元ＣＣＤ撮像装置において、
   前記垂直水平転送制御部は、さらに、
   前記読み出しパルスを送信する間隔である撮像間隔時間を、前記２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とすること、
   を特徴とする２次元ＣＣＤ撮像装置。
3. 垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、
   前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、
   前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、
   を有する２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を制御する２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法であって、
   前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを前記垂直転送ＣＣＤに送信し、垂直方向に１行ずつずらしながら前記信号電荷を加算する重複撮像処理を、複数回実行し、複数回の前記重複撮像処理を実行した後、前記垂直転送パルスの前記垂直転送ＣＣＤへの送信、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送する水平転送パルスの前記水平転送ＣＣＤへの送信を、複数回実行し、全ての前記垂直転送ＣＣＤが有する前記信号電荷を取得すること、
   を特徴とする２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法。
4. 請求項３に係る２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法において、さらに、
   前記読み出しパルスを送信する間隔である撮像間隔時間を、前記２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とすること、
   を特徴とする２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御方法。
5. 垂直方向及び水平方向にマトリクス状に配置される複数の受光部、
   前記受光部によって取得した信号電荷を取得する垂直転送ＣＣＤであって、前記受光部の垂直方向に沿って配置される垂直転送ＣＣＤ、
   前記垂直転送ＣＣＤの一端に接続される水平転送ＣＣＤ、
   前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送するタイミング、前記垂直転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を垂直転送するタイミング、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送するタイミングを制御する垂直水平転送制御部、
   を有する２次元ＣＣＤ撮像装置の動作を制御する２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムであって、
   前記２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムは、
   前記２次元ＣＣＤ撮像装置を、
   前記垂直水平転送制御部を、前記受光部から前記垂直転送ＣＣＤに前記信号電荷を転送する読み出しパルスを送信した後、次に前記読み出しパルスを送信する前に、前記受光部の信号電荷を垂直方向に垂直転送する垂直転送パルスを前記垂直転送ＣＣＤに送信し、垂直方向に１行ずつずらしながら前記信号電荷を加算する重複撮像処理を、複数回実行し、複数回の前記重複撮像処理を実行した後、前記垂直転送パルスの前記垂直転送ＣＣＤへの送信、及び、前記水平転送ＣＣＤにおいて前記信号電荷を水平転送する水平転送パルスの前記水平転送ＣＣＤへの送信を、複数回実行し、全ての前記垂直転送ＣＣＤが有する前記信号電荷を取得するように動作させること、
   を特徴とする２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラム。
6. 請求項５に係る２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラムにおいて、さらに、
   前記２次元ＣＣＤ撮像装置を、
   前記読み出しパルスを送信する間隔である撮像間隔時間を、前記２次元ＣＣＤ撮像装置の撮像対象物に対する相対的な移動速度で前記２次元ＣＣＤ撮像装置の水平方向１行分の行撮像領域が垂直方向一行分だけ移動する移動時間とするように動作させること、
   を特徴とする２次元ＣＣＤ撮像装置の動作制御プログラム。

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