【発明の詳細な説明】
インターラインＣＣＤセンサー装置
本発明はインターラインＣＣＤセンサー装置に関するものである。
米国特許明細書第4,805,026 号は複数の垂直線上に配置された複数のフォトセ
ンサーを含んでいるインターライン転送型ＣＣＤ面積映像センサーを開示してい
る。複数の垂直シフトレジスターがフォトセンサーの線のそれぞれ一つに沿って
置かれている。水平シフトレジスターが垂直シフトレジスターから電荷を受け取
るために形成されている。出力回路が水平シフトレジスターを通って転送された
電荷を電気信号に変換する。
インターラインイメージセンサーにより、20msの全フィールド持続期間の間に
スメアーが映像セルから隣接する記憶セルへの漏洩により起こされる。電荷積分
持続期間が20msと等しい場合には、スメアー抑制が、例えば所定のセンサーに対
して約86dBである。しかしながら、電荷積分持続期間が、例えば電子絞りの動作
の結果として 200倍短い場合には、スメアー抑制は40dBだけの丁度許容できる低
いスメアー抑制となる同じ係数により低減される。従って、戸外環境において必
要なような、200を越える範囲を有する電子絞りは不可能になる。
短い露出時間が用いられる場合にも良好なスメアー低減が得られる、インター
ラインＣＣＤセンサー装置を提供することが、特に本発明の目的である。この目
的のために、本発明の第１態様は請求項１に定義されたようなインターラインイ
メージセンサー装置を提供する。本発明の第２態様は請求項３に定義されたよう
なカメラを提供する。好都合な実施例は依存請求項に定義されている。
本発明によると、積分期間の間だけ実質的に透明になるシャッターが用いられ
る。本発明の利点は以下の例によって図解される。戸外環境におけるカメラの動
的領域は、100,000ルックスから下に 0.1ルックスまであり、すなわち最も明る
いシーンは最も暗いシーンよりも 1,000,000倍明るくてもよい。この 1,000,000
のうちの要因50は自動利得制御と抑制とにより取り扱われ得るので、電子絞りは
20,000の動的領域を有さねばならない。要因20,000による元の積分持続期間の低
減は、86dBの元のスメアー抑制から、1/20,000は86dBと等しく、且つ86dB−86dB
＝０dBであるから、なにも残らないことを意味する。シャッターが40dB（それは
透明状態における光伝達と不透明状態における光伝達との間のコントラスト比で
ある）を生じる場合には、100,000ルックスにおいて40dBの丁度許容できるスメ
アー抑制が得られる。
「Research Disclosure，May 1993，327」がフレーム転送ＣＣＤカメラに用い
るための散乱液晶シャッターを開示していることは注意されるべきである。可能
なかぎりスメアーを回避するために、フレーム転送ＣＣＤイメージセンサーの記
憶部分への全画素情報の垂直輸送の間は、シーンがこのＣＣＤイメージセンサー
から遮断される。散乱液晶材料がシャッター用に用いられる場合には、これらの
シャッターが偏光子を必要とせずに良好なオン／オフ光学コントラストと結合さ
れた高速度スイッチングを提供する。これらのシャッターが光感度での損失を与
えないので、これらの散乱液晶シャッターは直列に用いられ得る。このことが、
直列に３個のシャッターを用いることにより、例えば1000:1（開：閉）のコント
ラスト比を与える。120dB以上のスメアー抑制がそのような装置により達成され
得る。
しかしながら、フレーム転送ＣＣＤセンサーによって、スメアー現象がインタ
ーラインＣＣＤセンサーによるのと完全に異なる方法で得られる。フレーム転送
ＣＣＤセンサーにより、スメアー現象はセンサーの覆われない映像部分を介する
電荷輸送の直接結果であり、且つスメアー現象は従って映像部分から記憶部分へ
のフレーム輸送の間にのみ得られる。従って、フレーム転送ＣＣＤセンサーはそ
のフレーム輸送の間だけ覆われる必要がある。対照的に、インターラインＣＣＤ
センサーによると、スメアーは二次効果により、すなわち（50Hzシステムにおい
て）20msの全フレーム持続期間の間に映像セルから隣接して覆われた記憶セルへ
の漏洩により起こされる。20msの最大積分持続期間において、それ以上のスメア
ー低減はシャッターにより達成され得ない。その環境におけるスメアー低減はす
でに全く大幅である（約86dB）から、そのような別のスメアー低減はいずれにし
ても必要ない。それで、インターラインＣＣＤセンサーによると、シャッターが
全フィールド期間から積分期間を差し引いた期間の間散乱される必要があり、一
方フレーム転送センサーによると、シャッターはフレーム輸送期間の間散乱する
必要がある。
本発明のこれらの態様は以下に記載される実施例から明らかにり、且つ本発明
のその他の態様が以下に記載される実施例を参照して解明されるだろう。
図において、
図１は本発明によるインターラインイメージセンサー装置を具えているカメラ
の一実施例を示しており、且つ
図２は図１の実施例により用いるためのタイミング図を示している。
図１の実施例において、光ＬがＣＣＤセンサーＳへ対物鏡Ｏと液晶シャッター
ＬＣＳとを通過される。この液晶シャッターＬＣＳは制御回路ＣＣにより制御さ
れている。センサーＳの出力信号は映像信号ＩＳを形成するために映像信号処理
回路ＩＰＣへ加えられる。この映像信号処理回路ＩＰＣと制御回路ＣＣとが、こ
の映像信号ＩＳの何か別の処理と共に用いるために水平及び垂直同期信号Ｈ及び
Ｖも与えるタイミング発生器ＴＧからタイミング信号を受け取る。
液晶シャッターＬＣＳは間に液晶材料が配置されている２枚のガラス板を具え
ている。それらのガラス板の境界線はその液晶材料が間に捕捉されるように接着
剤を設けられている。各ガラス板は強い電界が非常に薄い液晶層（約15μｍ）を
横切って置かれ得るような接触を有する透明な導電性層を有している。この液晶
シャッターＬＣＳの活性な範囲はＣＣＤセンサーＳの活性な範囲を越えるので、
液晶シャッターＬＣＳが不透明である期間の間センサーＳは完全に覆われる。
原理的には、二種類の液晶シャッターが用いられ得て、すなわち不透明期間中
完全に不透過性である慣習的な液晶シャッターと、不透明期間中散乱している散
乱液晶シャッターとである。完全に不透過性になる慣習的な液晶シャッターを越
える散乱液晶シャッターの利点は、透明状態の間の伝達が、散乱液晶シャッター
が偏光フィルタを必要としないと言う事実の結果として、80％を越えることであ
る。慣習的な液晶シャッターによると、伝達は偏光フィルタに対する必要を考慮
して理論的に多くとも50％であるが、実際にはその伝達は多分40％又は30％であ
ろう。かくして、散乱液晶シャッターによると、透明状態の間に、80％を越える
非常に高い伝達を得ることができると言う利点が得られ、一方散乱状態の間に、
そのシャッターは拡散でありそれが一様な付加的電荷に帰着する。この一様な付
加的電荷が映像信号処理回路ＩＰＣにおいて容易に補償され得る直流成分に帰着
する。
以下の液晶材料が散乱液晶シャッターに対して用いられ得て、すなわち高分子
分散液晶（PDLC）材料、及び重合液晶材料を具えている異方性ゲル（LC gel）で
ある。LC gelシャッターは電圧が印加されない場合に透明であり、且つ交番する
電圧が印加される場合に散乱になる。一般にPDLCシャッターは電圧が印加されな
い場合に散乱であり、且つ交番電圧が印加される場合に透明になる。一実施例に
おいては、その交番電圧は５kHz において 200Ｖppである。PDLC材料は、欧州特
許明細書第B-0,238,626 号から、及び文献「World Scientific '90」の第14章の
J.W．Doaneによる「Liquid Crystals，appl．and uses」B．Bahadur（編集）か
らそれ自体で既知である。LC gelは米国特許明細書第5,188,760 号から、及び文
献「R.A.M．Hikmett，Adv．Mater．4,679 ('92)」からそれ自体で既知である。
図２のタイミング図に、ａにおいて映像信号ＩＳのフィールド期間が示されて
いる。瞬時t2から瞬時t2′までのフィールド持続期間が、ＰＡＬ信号に対しては
20ms、ＮＴＳＣ信号に対しては16.6ms続く。フィールド帰線期間は瞬時t2とt4と
の間に示されている。
ｂにおいては、電荷輸送の瞬時t3が示されている。図示のように、それはフィ
ールド帰線期間t2〜t4内に起こっている。
ｃにおいては、複数の補助パルスが示されている。補助パルスにおいて、画素
に集められる望ましくない電荷が基板へ放電される。何故ならばこれは瞬時t3と
t3′との間の全活性フィールド期間の間、電荷が集められるのに対して、（ｄに
おいて示される）積分期間の間のみ、電荷積分が必要であり、もっと多くの電荷
収集は不必要である。なるべく、補助パルスは妨害を低減するためにライン帰線
期間内にある。
ｄにおいては、積分期間が示されている。図２からわかるように、この積分期
間は瞬時t1におけるフィールド内の「最後の」補助パルスから、瞬時t3における
電荷輸送まで続く。補助パルス、及びそれによるフィールド内の「最後の」補助
パルスの瞬時t1の数は、瞬時t1におけるフィールド内の「最後の」補助パルスと
瞬時t3における電荷輸送との間の、より短いか又はより長いタイムスロットを確
立するために変えられ得る。それで、積分期間の持続期間の変動はセンサーの制
御感応度を意味し、すなわち積分期間が長いほど、電荷が集められる期間が長く
なり、且つセンサーが一層感応するようになる。しかしながら、輝度感知におい
ては、長い積分期間は露出オーバー画像となるだけである。
ｅにおいては、シャッター制御が図解されている。瞬時t0とt3との間はシャッ
ターが透明であり、一方t3とt0′との間はシャッターが散乱である。瞬時t0は液
晶シャッター内に遅いスイッチングを適応させるために、t1（ｄにおいて示され
るように積分期間の開始）の幾らか前である。瞬時t3はｄに示されたように積分
期間の終端である。積分期間がセンサーの感度調節を許容するために可変にされ
る場合には、シャッターが透明である期間t0〜t3は、従って瞬時t0が瞬時t1がど
んなであっても瞬時t1よりもすこしだけ早いビットのままであるように変わらね
ばならない。望ましくない電荷が捨てられる補助パルスの数を変えることにより
得られるセンサー感度制御は、「電子絞り(electronic iris)」として知られて
いる。
前述のように、インターラインセンサーにおいては、全フィールド期間中にス
メアーが得られ、これはフィールド帰線期間中に映像部分から記憶部分までの輸
送に際してのみスメアーが得られるフレーム転送センサーと対照的である。従っ
て、インターラインセンサーにより、実効積分期間t1〜t3がフィールド持続期間
t2〜t2′よりも短い場合にのみシャッターが有効である。液晶シャッターは積分
期間t1〜t3の間透明でなければならない。
好適な実施例によると、本発明はかくして短い露出時間が用いられる場合にス
メアー抑制を改善するために、インターラインＣＣＤセンサーと組み合わせた散
乱液晶シャッターを提案している。散乱液晶シャッターの利点は透明モードにお
ける高伝達である。カラーカメラにおけるシャッターの使用の重要な利点は、こ
のＣＣＤセンサーＩＣ上のカラーフィルタが、そのＣＣＤセンサーにより受け取
られた光の量に依存して、時のたつにつれて徐々に境界を変えると言う事実であ
る。シャッターはＣＣＤセンサーに、豊かな光がある場合に用いられる短い積分
期間において、少しだけの光を受け取らせるので、本発明に従ってシャッターが
存在する場合にチップ上のカラーフィルタの寿命が延ばされる。
前述の実施例は本発明を制限するよりもむしろ図解していること、及びこの技
術に熟達した人々は添付の請求の範囲から離れることなく多くの代わりの態様を
設計できるだろうことは注意されねばならない。液晶シャッターの代わりに、あ
らゆる他の電気的に制御できる光散乱装置が用いられ得る。請求の範囲において
括弧の間に置かれたあらゆる参照符号はその請求の範囲を制限するものとして構
成されるべきではない。シャッターの駆動は幾つかの異なる素子を具えているハ
ードウエアによって、及び適切にプログラムされたコンピュータによって、実行
され得る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Interline CCD sensor device
The present invention relates to an interline CCD sensor device.
U.S. Pat.No. 4,805,026 discloses a plurality of photocells arranged on a plurality of vertical lines.
Discloses an interline transfer type CCD area image sensor including a sensor.
You. Multiple vertical shift registers along each of the photosensor lines
It has been placed. Horizontal shift register receives charge from vertical shift register
Is formed for. Output circuit transferred through horizontal shift register
Converts charges into electrical signals.
Interline image sensor for 20ms full field duration
Smear is caused by leakage from a video cell to an adjacent storage cell. Charge integration
If the duration is equal to 20 ms, smear suppression is activated, for example, for a given sensor.
It is about 86dB. However, if the charge integration duration is
As a result of 200 times shorter, the smear suppression is just an acceptable low of only 40 dB.
It is reduced by the same factor that results in less smear suppression. Therefore, in an outdoor environment,
As necessary, an electronic aperture having a range exceeding 200 becomes impossible.
Good smear reduction is obtained even when a short exposure time is used.
It is a particular object of the present invention to provide a line CCD sensor device. This eye
For the purpose, the first aspect of the present invention relates to an interline device as defined in claim 1.
An image sensor device is provided. A second aspect of the present invention is as defined in claim 3.
To provide a unique camera. Advantageous embodiments are defined in the dependent claims.
According to the invention, a shutter is used that is substantially transparent only during the integration period.
You. The advantages of the present invention are illustrated by the following example. Camera movement in outdoor environment
The target area is from 100,000 lux to 0.1 lux below, i.e. the brightest
A dark scene may be 1,000,000 times brighter than the darkest scene. This 1,000,000
The factor 50 of which can be dealt with by automatic gain control and suppression,
Must have 20,000 dynamic zones. Low original integration duration due to factor 20,000
The reduction is from the original smear suppression of 86 dB, 1 / 20,000 is equal to 86 dB, and 86 dB-86 dB
= 0 dB, meaning that nothing remains. The shutter is 40dB (it's
In the contrast ratio between light transmission in the transparent state and light transmission in the opaque state
If there is), a 40dB just acceptable smear at 100,000 lux
The effect of this is to suppress the effect.
"Research Disclosure, May 1993, 327" used for frame transfer CCD camera
It should be noted that a scattered liquid crystal shutter is disclosed. Possible
In order to avoid smearing, a frame transfer CCD image sensor
During the vertical transport of all pixel information to memory, the scene is
Be cut off from. If a scattering liquid crystal material is used for the shutter, these
Shutter combined with good on / off optical contrast without the need for polarizer
Providing high speed switching. These shutters cause a loss in light sensitivity.
As such, these scattering liquid crystal shutters can be used in series. This is
By using three shutters in series, for example, a 1000: 1 (open: closed) control
Give the last ratio. More than 120dB of smear suppression is achieved with such a device.
obtain.
However, the smear phenomenon may be interrupted by the frame transfer CCD sensor.
-Obtained in a completely different way than with a line CCD sensor. Frame transfer
Due to the CCD sensor, the smear phenomenon goes through the uncovered image part of the sensor
The direct result of charge transport, and the smear phenomenon is therefore from the image part to the memory part
Obtained only during frame transport. Therefore, the frame transfer CCD sensor is
Only needs to be covered during frame transport. In contrast, an interline CCD
According to the sensor, smear is due to a secondary effect, ie (in 50Hz systems
T) from a video cell to an adjacent covered storage cell for a full frame duration of 20ms
Caused by a leak. More smear at 20 ms maximum integration duration
-Reduction cannot be achieved with a shutter. Smear reduction in the environment
At all (approximately 86 dB), so another such smear reduction would be anyway.
Not even necessary. So, according to the interline CCD sensor, the shutter
Must be scattered during the total field period minus the integration period,
Shutter scatters during frame transport, according to one frame transfer sensor
There is a need.
These aspects of the invention will be apparent from the examples described below, and
Other aspects of the invention will be elucidated with reference to the examples described below.
In the figure,
FIG. 1 shows a camera having an interline image sensor device according to the present invention.
Shows an embodiment of the present invention, and
FIG. 2 shows a timing diagram for use with the embodiment of FIG.
In the embodiment of FIG. 1, light L is transmitted to a CCD sensor S by an objective mirror O and a liquid crystal shutter.
LCS. The liquid crystal shutter LCS is controlled by the control circuit CC.
Have been. The output signal of the sensor S is processed by video signal processing to form a video signal IS.
Added to the circuit IPC. The video signal processing circuit IPC and the control circuit CC
Horizontal and vertical synchronization signals H and H for use with some other processing of the video signal IS
A timing signal is received from a timing generator TG that also provides V.
The liquid crystal shutter LCS has two glass plates with liquid crystal material arranged between them
ing. The boundaries of those glass plates are glued so that the liquid crystal material is trapped between them
Agent is provided. Each glass plate has a strong electric field and a very thin liquid crystal layer (about 15μm).
It has a transparent conductive layer with contacts that can be placed across. This liquid crystal
Since the active range of the shutter LCS exceeds the active range of the CCD sensor S,
During the period when the liquid crystal shutter LCS is opaque, the sensor S is completely covered.
In principle, two types of liquid crystal shutters can be used, ie during opaque periods
Conventional liquid crystal shutters that are completely opaque and scattering that is scattered during opacity
It is a random liquid crystal shutter. Beyond the traditional liquid crystal shutter that becomes completely opaque
The advantage of the scattered liquid crystal shutter is that the transmission between the transparent state, the scattered liquid crystal shutter
Over 80% as a result of the fact that
You. Transmission takes into account the need for polarizing filters, according to conventional liquid crystal shutters
In theory, at most 50%, but in practice the transmission is probably 40% or 30%.
Would. Thus, according to the scattering liquid crystal shutter, over 80% during the transparent state
The advantage is that very high transmission can be obtained, while during scattering conditions,
The shutter is diffuse, which results in a uniform additional charge. This uniform attachment
The additional charge results in a DC component that can be easily compensated in the video signal processing circuit IPC
I do.
The following liquid crystal materials can be used for the scattering liquid crystal shutter, ie polymer
Anisotropic gel (LC gel) containing dispersed liquid crystal (PDLC) material and polymerized liquid crystal material
is there. LC gel shutter is transparent and alternates when no voltage is applied
Scattering occurs when voltage is applied. Generally, no voltage is applied to the PDLC shutter.
When the alternating voltage is applied, the film becomes transparent. In one embodiment
In that case, the alternating voltage is 200 Vpp at 5 kHz. PDLC materials are
From B-0,238,626 and from Chapter 14 of the document World Scientific '90.
J.W. "Liquid Crystals, appl. And uses" by Doane Bahadur (edit)
Are known per se. LC gel is derived from U.S. Pat.
It is known per se from R.A.M. Hikmett, Adv. Mater. 4,679 ('92).
In the timing diagram of FIG. 2, the field period of the video signal IS is shown at a.
I have. The field duration from instant t2 to instant t2 'is, for a PAL signal,
It lasts 20 ms and 16.6 ms for NTSC signals. The field retrace period is instantaneous t2 and t4
Is shown between
In b, the instant t3 of the charge transport is shown. As shown, it is
Occur within the field retrace period t2 to t4.
In c, a plurality of auxiliary pulses are shown. In the auxiliary pulse, the pixel
Undesired charges collected on the substrate are discharged to the substrate. Because this is instantaneous t3
Charge is collected during the entire active field period between t3 'and (d
Charge integration is required only during the integration period (shown in
Collection is unnecessary. Auxiliary pulses are preferably line retraced to reduce interference
Within a period.
At d, the integration period is shown. As can be seen from FIG.
From the "last" auxiliary pulse in the field at instant t1 to the instant t3
Continue until charge transport. Auxiliary pulse and thereby the "last" auxiliary in the field
The number of instants t1 of the pulse is equal to the "last" auxiliary pulse in the field at instant t1.
Ensure a shorter or longer time slot between charge transport at instant t3
Can be changed to stand. Therefore, fluctuations in the duration of the integration period are controlled by the sensor.
Means the sensitivity, i.e. the longer the integration period, the longer the charge is collected
And the sensor becomes more sensitive. However, it does not smell
Thus, a long integration period only results in overexposed images.
In e, shutter control is illustrated. Between the instants t0 and t3
The shutter is scattered between t3 and t0 '. Instant t0 is liquid
In order to accommodate the slow switching in the crystal shutter,
Some time before the beginning of the integration period). The instant t3 is integrated as shown in d
End of period. The integration period is variable to allow for sensor sensitivity adjustment
If the shutter is transparent, the period from t0 to t3 is
Even if it is, it will change so that it remains a bit slightly earlier than the instant t1
Must. By changing the number of auxiliary pulses in which unwanted charges are discarded
The resulting sensor sensitivity control is known as "electronic iris".
I have.
As described above, in the case of the interline sensor, scanning is performed during the entire field period.
The result is a transfer from the video to the memory during the field retrace.
This is in contrast to a frame transfer sensor that can obtain a smear only during transmission. Follow
The interline sensor allows the effective integration period t1 to t3 to be the field duration
The shutter is effective only when it is shorter than t2 to t2 '. LCD shutter integrated
It must be transparent for the period t1-t3.
According to a preferred embodiment, the present invention thus works when short exposure times are used.
Scattering combined with an interline CCD sensor to improve eye suppression
Proposing a random LCD shutter. The advantage of the scattering liquid crystal shutter is that
High transmission. An important advantage of using shutters in color cameras is that
The color filter on the CCD sensor IC is received by the CCD sensor.
The fact that the boundaries change gradually over time, depending on the amount of light
You. The shutter is a short integral used when the CCD sensor has rich light
During the period, only a small amount of light is received so that the shutter
If present, the life of the color filter on the chip is extended.
The foregoing embodiments illustrate rather than limit the invention, and
Those skilled in the art will recognize many alternative aspects without departing from the scope of the appended claims.
It must be noted that we could design. Instead of an LCD shutter,
Any other electrically controllable light scattering device may be used. In the claims
Any reference signs placed between parentheses shall be construed as limiting the claim.
Should not be done. The actuation of the shutter has several different elements.
Run by hardware and by a suitably programmed computer
Can be done.