JPH09233395A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】固体撮像装置を高感度モードで動作させても、
動き被写体の再生画像の輪郭が不鮮明になってしまうこ
とや残像現象により尾を引いて再生されるような画像度
特性の劣化が効果的に抑制される。 【解決手段】動きベクトル検出回路１９で検出された被
写体の動き量に応じて、ＣＣＤ撮像素子１２からの信号
読み出し間隔を制御して光感度性能を調整するととも
に、１フィールド（またはフレーム）内の画素信号の画
素の加算処理を行うことで光感度性能を調整すること
で、高感度モードで動作させても、動き被写体の再生画
像の動き解像度の劣化を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば電荷結合
撮像素子（以下ＣＣＤ撮像素子と記す）等の固体撮像素
子を利用した固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ撮像素子を用いた固体撮像装置
は、安価、小形軽量で扱いやすい等の特徴を持つため
に、種々の分野で各システムの画像情報入力装置として
利用されている。テレビジョンカメラの性能の１つとし
て「感度」があるが、監視用途等で使われているテレビ
ジョンカメラでは被写体の照明条件がかなり悪い場合も
多く、通常の室内での使用時に対して１０数倍以上の感
度が要求される。高感度化のための手法の１つとして、
ＣＣＤ撮像素子上の光電変換部であるフォトダイオード
への光蓄積時間を高感度化する度合いに応じて１０数倍
以上とする方法がある。

【０００３】図７には、ＣＣＤ撮像素子のフォトダイオ
ードに蓄積された信号電荷を読み出すタイミングを説明
するための図である。同図（ａ）は垂直ブランキングパ
ルス、同図（ｂ）は通常撮像時の電荷読み出しパルスの
例であり、１フィールド毎にフォトダイオードから信号
電荷を読み出す場合の例である。同図（ｃ）は電荷読み
出しパルスの他の一例であり、４フィールド毎に１回フ
ォトダイオードから信号電荷を読み出す場合の例であ
る。

【０００４】同図（ｃ）ようなタイミングで信号電荷を
読み出した場合、光感度も４倍となる。なおこの場合、
再生画像のフレーム画像としての連続性を保つために、
ＣＣＤ撮像素子から読み出された撮像信号は、信号処理
の過程でメモリに取り込まれ、電荷読み出しパルスが無
いフィールドではメモリ上の画像信号を読み出して再生
すると言う処理が一般に行われる。

【０００５】ところで上記の固体撮像装置で用いられて
いる光感度の向上方法では、以下のような画質上の問題
点が生じる。即ち、高感度化すればするほど電荷読み出
しパルスの間隔が長くなるので、その間に被写体が動く
と再生画像の輪郭が不鮮明になるとともに、残像現象と
して尾を引くような像となり見苦しくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の固体撮像装置では高感度化すると、フォトダイオード
に蓄積された信号電荷を読み出す間隔を長くして処理を
行うので、動き被写体の場合は再生画像の輪郭が不鮮明
になってしまうとともに、残像現象として尾を引くよう
な像となり見苦しくなる。つまり動き解像度特性が劣化
する。

【０００７】そこでこの発明は、高感度モードで動作さ
せているときに被写体が動いたり、パン、チルトの動き
をした場合でも動き解像度特性の劣化が効果的に抑えら
れるようにした固体撮像装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めにこの発明は、被写体の動きを検出する動き検出部か
ら出力される被写体の動き量に応じて、光電変換部から
の信号を読み出す間隔を制御することにより光感度性能
を調整する第１の光感度調整手段が光感度性能に寄与す
る割合と、１フィールド（またはフレーム）内の画素信
号を所定の画素数の単位で加算することにより光感度性
能を調整する第２の光感度調整手段が光感度性能に寄与
する割合とを変化させるようにしている。

【０００９】このような手段によると、高感度撮像時に
動き解像度特性が劣化することが防止され、また高感度
特性は保持したまま被写体の動き量に応じて固体撮像装
置の動き解像度特性を効果的に改善することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。図１はこの発明の一実施の形態
を示している。撮像レンズ１１により集光された光学情
報は、ＣＣＤ撮像素子１２の撮像面上に結像される。こ
のＣＣＤ撮像素子１２は、パルス発生回路１４から出力
されるパルスに基づいて動作するＣＣＤ駆動回路１３か
らの駆動パルスにより駆動される。

【００１１】ここで図２を参照して、ＣＣＤ撮像素子１
２の概略的な構成を説明する。このＣＣＤ撮像素子１２
は、例えば垂直方向に約５００画素、水平方向に約８０
０画素が配列されたものが用いられる。そしてテレビジ
ョンのインターレースのために、１つの垂直転送ＣＣＤ
３５に２つのフォトダイオード３１、３２が対応してお
り、フォトダイオード３１に蓄積された信号電荷は、垂
直ブランキング期間に読み出しゲート３３を介して垂直
転送ＣＣＤ３５に送り込まれる。また同様にフォトダイ
オード３２に蓄積された信号電荷は読み出しゲート３４
を介して垂直転送ＣＣＤ３５に送り込まれる。さらに１
つのセルとしての垂直転送ＣＣＤ３５は４つの電極３６
〜３９に分割されているが、各電極には４つの端子Ｖ１
〜Ｖ４が設けられ、それぞれに転送用に４相の垂直転送
パルスφＶ１〜φＶ４が供給される。この垂直転送パル
スφＶ１〜φＶ４は、先のＣＣＤ駆動回路１３が出力す
る。このとき例えば第１若しくは第３の電極３６、３８
に電圧レベルがＶFSのパルス（フィールドシフトパル
ス）を加えると、対応するフォトダイオード３２、３１
に蓄積されている信号電荷を垂直転送用ＣＣＤ３５に読
み出すことができる。なおテレビジョンのインターレー
スのために、１フレーム中の第１のフィールドでは、例
えば図２のライン１、ライン２、…の信号電荷が読み出
され、第２のフィールドではライン２６４、ライン２６
５、…の信号電荷が読み出される。

【００１２】さらにこの垂直転送ＣＣＤに送り込まれた
信号電荷は、水平ブランキング期間を利用して垂直方向
へ次々と転送されていく。そして垂直転送ＣＣＤの最終
段に転送された信号電荷は、水平ブランキング期間に水
平転送ＣＣＤ４０に一斉に転送される。

【００１３】この水平転送ＣＣＤ４０は２つの端子Ｈ
１、Ｈ２を有する。端子Ｈ１、Ｈ２には２相の水平転送
パルスφＨ１、φＨ２がＣＣＤ駆動回路１３から供給さ
れる。これにより信号電荷は水平方向へ次々と転送さ
れ、出力部４１にて信号電荷が電圧に変換され、外部に
取り出される。

【００１４】ここで図１に戻って説明する。ＣＣＤ撮像
素子１２からの撮像出力信号は、プリアンプ１５にて所
定のレベルまで増幅された後、カメラプロセス回路１６
に入力されていわゆるガンマ補正等の通常のカメラ信号
処理が施される。

【００１５】カメラプロセス回路１６内では、入力信号
がデジタル信号に変換され一部はフレームメモリ１７に
書き込まれるとともに、それに先だって、その１つ前の
フレームの映像信号としてフレームメモリ１７に書き込
まれていた映像信号がフレームメモリ１８に書き込まれ
る。フレームメモリ１７と１８の出力信号は動きベクト
ル検出回路１９に入力される。またフレームメモリ１７
の出力信号は、画素加算回路２０にも入力されている。

【００１６】動きベクトル検出回路１９は、２つのフレ
ームメモリからの映像信号を用いて画像動きベクトルを
検出し、その結果をマイクロコンピュータつまりシステ
ム制御部２１に送る。システム制御部２１では、入力さ
れた動きベクトルに応じてフォトダイオードからの撮像
信号読み出しの間隔、即ちフィールドシフトパルスの間
隔と、画素加算を行う画素数の制御を行う。

【００１７】この制御により画素加算回路２０では、各
画素の所定の近傍画素内で画素加算が行われて映像信号
レベルが増加された後、カメラプロセス回路１６に入力
される。なお再生画像のフレーム画像としての連続性を
保つために、フィールドシフトとパルスが無いフィール
ドでは、メモリ上の画像信号を読み出して再生するとい
う処理を行う。そして最終映像信号が出力端子２２から
出力される。

【００１８】上記の実施の形態の動作をさらに説明す
る。今、カメラの感度設定が通常の１６倍になっている
場合を考える。被写体が静止状態のときは、システム制
御部２１がＣＣＤ撮像素子１２上のフォトダイオードか
らの撮像信号の読み出し間隔、即ちフィールドシフトパ
ルスの間隔を１６倍に設定し、かつ画素加算回路２０で
の画素加算は行わない。次に、被写体の動き量が少しず
つ増え、動きベクトル検出回路１９からの動き量が所定
の値を超えると、システム制御部２１は、フィールドシ
フトパルスの間隔を短くしていき、これによる感度低下
に起因する映像信号レベルの減少分を画素加算により補
い、いま目的としている１６倍の高感度化を保持するよ
うに制御する。例えばフィールドシフトパルスの間隔を
通常の４倍とし、画素加算の数を４画素とするのであ
る。フィールドシフトパルスの間隔が通常動作時の１６
倍から４倍と短くなるので、再生画像上で被写体の輪郭
が不鮮明になる現象や動き被写体の残像現象は軽減され
る。

【００１９】図３（Ａ）には垂直ブランキングパルスＶ
ＢＬＫと、垂直転送パルスφＶ１〜φＢ４が示されてい
る。φＶ１及びφＶ３はレベルがＶFS、ＶH 、ＶL の３
値パルス、φＶ２及びφＶ４はレベルがＶH 及びＶL の
２値パルスである。同図に示すようにφＶ３としてレベ
ルＶFSのフィールドシフトパルスＦＳ３を、図２に示し
た第３の電極Ｖ３に加えることにより、１フレーム中の
第１のフィールドの信号をフォトダイオードから読み出
すことができる。同様にφＶ１としてレベルＶFSのフィ
ールドシフトパルスＦＳ１を、図２ので第１の電極Ｖ１
に加えることにより、１フレーム中の第２のフィールド
の信号をフォトダイオードから読み出すことができる。

【００２０】また垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４はそれ
ぞれの垂直転送ＣＣＤ内にある信号電荷を、水平ブラン
キング期間（図３では省略）内に１転送段単位で垂直方
向に転送するパルスＰ１を含む。また同様にパルスＰ２
もＰ１と同じく水平ブランキング期間内に１転送段単位
で垂直方向に転送するパルスであるが、２種類のフィー
ルドシフトパルスＦＳ１及びＦＳ３がそれぞれ８フィー
ルドおきにしか発生しないので、この期間は信号電荷は
転送していない。比較のために図３（Ｂ）には高感度化
をしない通常動作時の垂直転送パルスのタイミング図を
示している。

【００２１】図３（Ｂ）において図３（Ａ）と同じ対応
する部分には同じ符号を付している。同図（Ａ）のフィ
ールドシフトパルスの間隔は通常動作時である同図
（Ｂ）のフィールドシフトパルスの間隔の４倍となって
いることがわかる。

【００２２】上記したようにフィールドシフトパルスＦ
Ｓ３によりフォトダイオードから読み出された第１フィ
ールドの映像信号は、それに続く転送パルスＰ１により
次々と垂直転送され、図２に示した水平転送ＣＣＤ４０
及び出力部４１を介してＣＣＤ撮像素子１２から出力さ
れることになる。そして図１のプリアンプ１５を通りカ
メラプロセス回路１６に入力されてデジタルデータに変
換された後、フレームメモリ１７に書き込まれる。これ
に続く次に垂直ブランキング期間では、フィールドシフ
トパルスＦＳ１により読み出された第２フィールドの撮
像信号がそれに続く転送パルスＰ１により次々と垂直転
送され、同様にフレームメモリ１７に書き込まれる。な
お上記の１フレーム分の映像信号がフレームメモリ１７
に書き込まれる動作に先だって、それ以前にフレームメ
モリ１７に書き込まれていた映像信号（８フィールド
前）はフレームメモリ１８に転送される。

【００２３】このようにフレームメモリの内容が更新さ
れたタイミングに合わせて、フレームメモリ１７及び１
８の映像信号を用いて動きベクトル検出回路１９にて被
写体の動き量が算出される。システム制御部２１は、こ
の検出された動き量に応じてフォトダイオードからの信
号電荷読み出し間隔と、画素加算数を制御するのである
動き量が第１の所定値より小さいときは被写体の動きは
減少しているものと判断し、フィールドシフトパルスの
間隔はより長い方にシフトするように制御し、かつ最終
的な感度を保持するために画素加算数を減らす方向へ制
御する。逆に、動き量が第２の所定値（第１の所定値＜
第２の所定値）より大きいときは、被写体が大きく動い
ているものと判断し、フィールドシフトパルスの間隔は
今度は逆により短い方に制御し、かつ画素加算数を増や
す方向に制御する。また動き量が第１の所定値と第２の
所定値の中間にある場合は、フィールドシフトパルスの
間隔と画素数加算数は現状の状態を保持するという制御
を行う。

【００２４】図４は画素加算を行う場合の組み合わせか
たの例を示す図である。今、図４（Ａ）に示すようにラ
イン１（以下、Ｌ１と記す）、Ｌ２６４、Ｌ２、Ｌ２６
５、…とラインが続き、各ラインには画素１（以下、Ｄ
１と記す）、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、…と画素が並んでい
る。このとき、画素加算の組み合わせは、同図（Ｂ）に
示すように、第（２ｋ＋１）（ｋ＝０，１，２，…）フ
ィールドでは、（Ｌ１Ｄ１＋Ｌ１Ｄ２＋Ｌ２６４Ｄ１＋
Ｌ２６４Ｄ２）、（Ｌ１Ｄ２＋Ｌ１Ｄ３＋Ｌ２６４Ｄ２
＋Ｌ２６４Ｄ３）、…、（Ｌ２Ｄ１＋Ｌ２Ｄ２＋Ｌ２６
５Ｄ１＋Ｌ２６５Ｄ２）、（Ｌ２Ｄ２＋Ｌ２Ｄ３＋Ｌ２
６５Ｄ２＋Ｌ２６５Ｄ３）、…のように加算していく。
ここに例えば「Ｌ１Ｄ１」とはライン１の画素１を意味
し、以下同様である。一方、同図（Ｃ）に示すように、
第（２ｋ）（ｋ＝０，１，２，…）フィールドでは、
（Ｌ２６４Ｄ１＋Ｌ２６４Ｄ２＋Ｌ２Ｄ１＋Ｌ２Ｄ
２）、（Ｌ２６４Ｄ２＋Ｌ２６４Ｄ３＋Ｌ２Ｄ２＋Ｌ２
Ｄ３）、…、（Ｌ２６５Ｄ１＋Ｌ２６５Ｄ２＋Ｌ３Ｄ１
＋Ｌ３Ｄ２）、（Ｌ２６５Ｄ２＋Ｌ２６５Ｄ３＋Ｌ３Ｄ
２＋Ｌ３Ｄ３）、…のように加算していく。

【００２５】一般に近傍の画素を用いて加算動作を行う
と低域通過フィルタとして動作するので、解像度が劣化
するが、上記のように加算の組み合わせをずらすことに
より解像度の劣化を軽減することができる。

【００２６】以上述べたように上記した実施の形態で
は、フォトダイオードからの信号を読み出す間隔を制御
することにより光感度性能を調整し得る固体撮像装置に
おいて、被写体の動きを検出する動き検出部１９から出
力される被写体の動き量に応じて、フォトダイオードか
らの信号を読み出す間隔を制御することにより光感動を
調整する第１の光感度調整手段が光感度性能に寄与する
割合と、１フィールド（またはフレーム）内の画素信号
を所定の画素数の単位で加算することにより光感度性能
を調整する第２の光感度調整手段が光感動性能に寄与す
る割合とを変化させている。

【００２７】また上記画素加算を行うための画素の組み
合わせを１フィールド（またはフレーム）毎に切り換え
ることにより加算するための画素の組み合わせで決まる
光学的重心の位置を所定の周期で切り換えている。

【００２８】このことは固体撮像装置を高感度モードで
動作させたときでも、被写体の動き量に応じて高感度化
するための２つの手段の割合を変化させているので、動
き被写体の場合でも再生画像の輪郭が不鮮明になってし
まうことや残像現象として再生されるというような動き
画像による解像度特性の劣化を効果的に抑制することが
できる。また画素加算のための画素の組み合わせを１フ
ィールド（またはフレーム）毎に切り換えているので高
感度特性を保持したまま解像度の劣化も軽減することが
できる。

【００２９】図４では４画素加算の例を説明したが、こ
の方式に限るものではない。図５には別の画素加算方法
を示している。図４と同じく図５（Ａ）は基となるライ
ンと画素の並びを示しており、同図（Ｂ）は第（２ｋ＋
１）（ｋ＝０，１，２，…）フィールドの加算に組み合
わせを示している。同図（Ｂ）のライン１は同図（Ａ）
のライン１の各画素から（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４）を
１画素目、（Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４＋Ｄ５）を２画素目、…
というように加算の組み合わせの光学的重心を水平方向
へ１画素ずつずらして加算しており、以下の各ライン及
び同図（Ｃ）の各ラインについても同様に加算してい
る。図５に示した例も図４の例と同様に、画素加算によ
り高感度化する際に、解像度の劣化を軽減することがで
きる。

【００３０】図６は、別の実施の形態でありシステム制
御部２１内部のマイコンに構築されたプログラム処理手
順を示している。フレームメモリ１７と１８の画像信号
とを比較して画像動きがあったかどうかを判定し、１画
面全体の平均的な動きベクトルを得ている（ステップＳ
１〜Ｓ５）。動きベクトルＶが得られると、動きベクト
ルＶに対して、しきい値Ｔｈ１とＴｈ２とが比較される
（但しＴｈ１＜Ｔｈ２）。Ｖ＜Ｔｈ１のときは、静止画
とみなしてフィールドシフトパルスＦＳの間隔を長くす
る。Ｖ＞Ｔｈ２のときは、動画とみなして基本的には画
素加算数を多くし、ＦＳパルス間隔を短くする。ここで
Ｎ倍の高感度を得るように設定されている場合は、加算
画素数を増加させることでｎ１倍の高感度が得られ、Ｆ
Ｓパルス間隔を短くすることによりｎ２倍の高感度が得
られるものとすると、ｎ１＊ｎ２＝Ｎとなるように両者
の調整割合が予め計算されている。この設定は例えばＲ
ＡＭに調整データを格納しておくことにより可能であ
る。なおこの発明は上記の実施の形態に限定されるもの
ではなく、このほかその趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施することができる。

【００３１】

【発明の効果】上述したようにこの発明によれば、固体
撮像装置を高感度モードで動作させたときでも、被写体
の動き量に応じて高感度化するための２つの手段の割合
を変化させているので、動き被写体の場合でも再生画像
の輪郭が不鮮明になってしまうことや残像現象により尾
を引いて再生されるというような動き解像度特性の劣化
が生じるようなことが、効果的に抑制される。また画素
加算のための画素の組み合わせを１フィールド（または
フレーム）毎に切り換えているので、高感度特性を保持
したまま解像度の劣化も軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示す図。

【図２】固体撮像素子の構成を説明するための図。

【図３】図１の撮像装置の動作例を説明するために示し
たタイミングチャート。

【図４】図１の撮像装置の動作説明図。

【図５】図１の撮像装置の他の動作説明図。

【図６】この発明の他の実施の形態の動作を示す図。

【図７】従来の撮像装置の動作を説明するために示した
タイミングチャートである。

【符号の説明】

１１…撮像レンズ １２…ＣＣＤ撮像素子 １３…ＣＣＤ駆動回路 １４…パルス発生回路 １５…プリアンプ １６…カメラプロセス回路 １７、１８…フレームメモリ １９…動きベクトル検出回路 ２０…画素加算回路 ２１…システム制御部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光電変換部からの信号を読み出す間隔を制
   御することにより光感度性能を調整し得る固体撮像装置
   において、 被写体の動きを検出する動き検出部から出力される被写
   体の動き量に応じて、光電変換部からの信号を読み出す
   間隔を制御することにより光感度性能を調整する第１の
   光感度調整手段が光感度性能に寄与する割合と、 １フィールド（またはフレーム）内の画素信号を所定の
   画素数の単位で加算することにより光感度性能を調整す
   る第２の光感度調整手段が光感度性能に寄与する割合と
   を変化させることを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】前記光感度性能を調整する第２の光感度調
   整手段は、画素信号を所定の画素数の単位で加算するた
   めの画素の組み合わせを１フィールド（またはフレー
   ム）毎に切り換えることにより、前記加算するための画
   素の組み合わせで決まる光学的重心の位置を所定の周期
   で切り換えることを特徴とする請求項１記載の固体撮像
   装置。
3. 【請求項３】光電変換部にフィールド単位の信号読み出
   しパルスを与える駆動回路と、該光電変換部から読み出
   された撮像信号の画素単位の処理を得る処理回路と、シ
   ステム制御部とを有し、 前記システム制御部は、前記撮像信号を用いて得られた
   画像動き量に応じて前記光電変換部の前記信号読み出し
   パルス間隔と、前記処理回路における画素加算数を制御
   し、 この場合、画像動き量が第１の所定値より小さいときは
   被写体の動きは減少しているものと判断し、前記信号読
   み出しパルスの間隔はより長い方にシフトするように制
   御し、かつ最終的な感度を保持するために前記画素加算
   数を減らす方向へ制御し、 画像動き量が第２の所定値（第１の所定値＜第２の所定
   値）より大きいときは、被写体が大きく動いているもの
   と判断し、前記信号読み出しパルスの間隔をより短い方
   に制御し、かつ前記画素加算数を増やす方向に制御し、 画像動き量が第１の所定値と第２の所定値の中間にある
   場合は、前記信号読み出しパルスの間隔と前記画素数加
   算数は現状の状態を保持するようにしたことを特徴とす
   る固体撮像装置。