JPS59105777A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、入射光赦に応じて有効露光時間を調節し、常
に最適の出力信号レベルを与えることのできる自動感度
調整機能を有する固体撮像装置に関するものである。更
に評しくは、本発明は、撮像素子の外部から制御ｉ工能
ｒｊ受光部蓄積電荷の排出手段を有する固体撮像素子を
使用し、例えば絞り優先及びシャッタータイム優先即ち
所謂両優先のビデオカメラを可能とする如き固体撮像装
置に関１−るものである。

従来より、固体撮像素子で自動感度調整を行なうことが
できるものとして、有効露光時間（シャッタースピード
）を調節するオーバーフロードレイン付きＣＯＤが提案
されている。

第１図は、このオーバーフロードレイン付きインターラ
イン転送ＣＣＤの一例を示す購成図、第２図はこのＣＣ
Ｄの自動感度調整時の動作のタイミングチャートである
。第１図において、１は受光部フォトダイオード、２は
オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）で、受光部１とオー
バーフロードレイン２間のポテンシャル障壁の市さは、
オーバーフローｉ１ｊ制御′亀慢（ＯＦＣＧ）５に印加
才る′配圧によって制御される。また、受光部フォトダ
イオード１から垂直転送ＣＣＤ４への悟号亀荷の転送は
、トランスファーグー）（ＴＧ）５に電圧を印加し−て
なされる。６は水平転送ＣＣＵ、７は７０−ティングゲ
ート増巾器である。

ビデオカメラに第１図に示すような構成のＣＣＤを用い
た時、ＣＯＤはテンビジョンの同期信号に同期して駆動
される。即ち、第２図（α）に示す垂直ブランキング信
号Ｖ、Ｈに対し、オーバーフロードレインに不要電荷を
排出することで感度調整をするものとすれば、第２図（
ｂ）に示すタイミングでオーバーフロー制御信号０ＦＣ
Ｇを、第２図（ｃ）に示すタイミングでトランスファー
ケート信号ＴＧを発生させて行なう。

期間Ｔ。において、０ＦＣＧ３は高電圧が印加され、受
光部フォトダイオード１と０ＦＤ２間のポテンシャル障
壁は、イベての信号電荷を排出できる高さまで下げられ
る。

その後、時間Ｔｅ０間、露光により発生した信号電荷を
蓄積し、トランスファーゲート信号ＴＧを第２図（ｃ）
に示すようなタイミングで高電圧とし、フォトダイオー
ド１かし垂直転送ＣＣＤ４に信号電荷を転送する。

このよ５な動・１′「ケさせた場合、被写体か明るくな
るにつれて、露光時間Ｔｅは短かくなり、あだかも各フ
ィールドの画像が閃光時間Ｔｅのストロボを同期させ撮
影したのと同様の効果となった。これはスポーツにおけ
る分解写真のように各瞬間での静止画を重視して再生す
るスチル再生やスローモーション再生の際は効果的であ
るが、動画を重視する通常のビデオ再生の際には被写体
の動きが速い程、撮影した画像の動きが滑らかでＴｘ　
＜なり、あたかも多重露光の如き画像となるため、なめ
らかな自然な印象を与えることができず、この方式での
自動感度調整を不都合なものとする欠点となっていた。

また、これとは別に、通常のビデオカメラにおいては、
感度調整のために絞りを電動としたオートアイリス機構
を用いるのか常であったが、この場合には、明るさに応
じて絞りか自動的に変化するため絞りによる被写界深度
の違し・を利用した芸術性の表現を捨てることとなって
いた。

本発明は、これらの欠点を解決し、通常の撮影において
はマニアルで絞りが設定ｏＪ能となりしかも、運動する
被写体に対しても滑らかな再生像を与よる一方、スチル
やスローモーション再生な目的とする撮影において、従
来のシャッタ機能を有−するビデオカメラ同様高速のシ
ャッター機能によるストロボ効果を持ち５るという自動
感度調整機能伺との固体撮像装置“を得ることを目的と
する。

更に具体的には、被写界深度の差異を重視する絞り優先
の動作も、ストロボ効果による分解写真的撮影ヲ目的と
するシャッタータイム優先の動作も共に可能として、固
体ビデオカメラに応用して効果的な固体撮像装置を得る
ことを目的とするものである。

本発明に係る装置は、複数回の露光によって光量を調節
する点にひとつの特徴を有するものであり、実施例図面
と共に計速すれば以下の通りである。

第６図は本発明に１糸る装置の一例を示ｆ構成ブロック
図で、ここでは紋り優先、シャッタータイム優先の両優
先モードを有するビデオカメラとして作動寸ろ場合を例
示する。但し、本実施例では、説明をｉ１０単化のため
白黒撮像の場合を示しているが、カラー化する場合も公
知の単板カラー化の手法を用いて容易に変更イろことか
できろ。

第４図は第６図装置において、撮１象素子として用イラ
れるフレームインターライン転送ＣＣＤの一例を示す構
成説明図で、ｌＦする。この素子はインターライン転送
構造の受光部４１に一画面分の蓄積部４２を備えており
、蓄積部４２の垂直転送ＣＣＤ６０には水平転送ｃｃＤ
４３が接続されている。

受光部４１において、蛍光部フォトダイオード４４の右
側にはインターライン転送のための垂直転送ＣＣＤ４５
か、左側にはオーツく−フロードレイン４６及びオーバ
ーフローコントロールゲート４７がそれぞれ設けられて
いる。クリアゲート４８は、垂直転送ＣＣＤ４５の電荷
を右側に隣接する他のＸ　子列単位のオーバーフロード
レイン４６に対して排出するために設けられており、電
荷の高速排出なり能としている。また、この素子では構
造を簡単化するため、フォトダイオード４４と垂直転送
ＣＣＤ４５０間にトランスファーゲートな設けないトラ
ンスファーゲートレス構造となっており、フォトダイオ
ード４４から垂直転送ＣＣＤ４５への電荷転送を垂直転
送電極φｖ＋５２（またはφｖ２５３）への高電圧印加
により行なっているが、勿論、これはトランスファーゲ
ートを設けて行なっても同じである。４９は素子のクリ
アゲート端子、５０＆！オーバーフローコントロールケ
ート端子、５１はオーバーフロートンイン端子、５２．
５３は受光部４１の垂直転送ＣＣＤ４５を駆動する２相
のクロック信号φＶｌｔ　　φｖ２が印加される端子、
５４．５５は蓄積部４２の垂直転送ＣＣＤ６０を駆動す
る２相のクロック信号φ８１．φ８２が印加される端子
をそれぞれ示している。

以下、第４図に示す撮像素子による素子自身のシャッタ
ー動作について説明する。１６号電荷の蓄積に先たち素
子からは予じめ不要電荷を排出しておかなければ１工ら
ない。このため、受光部４１の垂直転送ＣＣＤ４５の不
要ｔ＃はクリアゲート４８を介して隣接する他の素子列
単位のオーバーフロードレイン４６に排出される。ここ
ではクリアゲート４８は、垂直転送ＣＣＤ４５に並行し
て受光部全体に設けられているか、これに限らずクリア
ゲート４８を受光部の上方一画素にのみ設け、不要電荷
を垂直転送ＣＣＤ４５で上方へ転送した後、ここから排
出するようにしても良い。但し、この時垂直転送は６相
ないし４相とする。この間、蓄積部４２の垂直転送ＣＣ
Ｄ６０に存在する不要電荷は通常の信号電荷転送径路と
同じく水平転送ＣＣＤ４３を介して排出される。

この後、フォトダイオード４４の不要′電荷が垂直転送
ＣＣＤ４５に転送され、再び上記と同じ手法で排出され
ろ。

フォトダイオード４４から垂直転送ＣＣＤ４５への電荷
転送の完了時点が、有効な露光、信号醒荷蓄積の開始時
点となり、所定時間の経過後フォトダイオードの電荷（
今度は信号電荷）は、再び垂直伝送ＣＣＬ）４５に転送
され直ちに蓄積部の垂直転送Ｃ０Ｄ６０に高速で転送さ
れる。

一旦、信号′電荷か垂直転送ＣＣＤ６０に移された後は
、蓄積部４２は光遮蔽されているため、スミア現象によ
る画質劣化の恐れは無（なる。

この後、信号電荷は水平転送ＣＣＤ４３を介して逐次読
み出され、必要と、Ｇ−１ねば記録を行なうことができ
る。

以上か、ＣＣＤイメージセンサ自身にシャッター動作を
させた場合の１コマ撮影の動作となる。

コノ場合、オーバーフローコントロールケートな介して
の電荷排出を用いていない。

以下に述べる本発明の実施例では、フォトダイ、ｄ−−
ト４４の蓄！電荷は、オーバーフローコントロールゲー
ト４７ｆｔ用いテ全てオーバーフロードレイン４６に排
出できるものとして、即ち、フォトダイオード４４ケ元
全に空乏化できるものとして：説明を進める。

第３図に戻り、この図において、８はレンズでその内部
に絞り９を持つ。絞り９には、クラッチ１０を介してモ
ーター１１が結合されており、クラッチ１０の切断、連
結により叙り９は自動にも手動にもできる。クラッチ１
ｏはシャッタ／絞り優先モード選択スイッチ１２をシャ
ッタータイム潰先側端子Ｓに倒した時、連結してオート
アイリス動作となり、絞り優先側端すＡに倒した時、切
断されて手動による絞り選択がｔｉＪ能となる。１６は
第４図にその構成を示したよりなＣＣＤイメージ七ンセ
ンサる。このセンサ１６の映像信号出力は、プリアンプ
１４で増巾され、ＡＧＣアンプ１５で適当なレベルに調
整される。１６はＡＧＣアング１５の出力レベル判定回
路であり、２つの論理出力Ｕ及びＯと、出力レベルに対
応するアナログＡＧＣ制御電圧とを発生する。論理出力
Ｕ及びＯは各々光量不足であるアンダーと、過剰光量で
あるオーバーとを意味し絞り優先時における警告を２つ
のアンドグー）１７．１８及び発光ダイオード１９．２
０により行なう。

もしも、カメラ九ハロゲンランプ等の連続照明用調光ラ
ンプ２１か接続されている場合には、出力レベル判定回
路１６のＵ出力を用いて、調光用のアナログ出カバソフ
ァー２２ケイネーブルにするとともに調光ランプ点幻信
号を調光ランプ２１に伝達し、被写体か適当な照明を受
けるように動作する。

調光ランプ２１か接続されていない場合には、出力映像
信号が適当なレベルになり、光量アンダーの警告が消え
るまで絞り９を聞かねばならない。

絞り優先モードで撮影を行なう場合には、更にＣＣＤ自
体の実質的な感度を調整することも必要である。例えば
、一定の絞りにおいて、ｃｃＤセンサ１６の受光面照度
が大きな場合には、相対的に感度を低下させ、ＣＣＤの
出力信号が適正レベルとなるように調整する。尚、実施
例の測光手段はイメージセンサの映像信号出力のレベル
を検出しているが勿論別個に測光素子を設けて検出して
もよい。

この動作は、従来は第２図に示すタイミングチャートに
おいて信号読み出しに先たつ有効露光時間Ｔｅを変化さ
せることで行なってきた。しかし、このようにすると、
前記したように動きの速い被写体に対してストロボ効果
が発生し、動画としては動きの滑らかでない見づらいも
のとなってしまう。

それ故に、本発明においては、第６図に示したようにそ
のデユーティ（ｄｕｔｙ　）がレベル判定回路１６のア
ナログ出力により制御されるようなパルス幅変調回路２
６を用いて、有効露光時間か分割。

分散され且つその総和か適正露光用を与えるよりなＣＣ
Ｄイメージセンサ１６の駆動を行なおうとするものであ
る。

２４は分周回路であり、同期信号発生回路６２より例え
ば水平同期信号を受は取り、その１／２゜１／３等、適
当な分周比の一定周波数のパルス信号をパルス幅変調回
路２６に与える。このパルス幅変調回路２６の出力パル
スは、そのバインペルとなっている時間か、露光オーバ
ーになる程短かくなるようなパルスであり、タイミング
パルス発生回路２５に印加されて、フォトダイオードよ
り垂直転送ＣＣＤへの転送を行なうためのパルスφＶＨ
及びフォトダイオードから不要電荷を排出するためのパ
ルスφ０ＦＣＧか作られる。

これらはセレクター回路２６のＡ、　　Ｂ両人力のうち
のＢ入力に加えられており、Ｂ入力はセレクト端子Ｓか
ロウレベルの時選択されるので、絞り優先時には前記パ
ルスかＣＣＵイメージセンサ−１６の駆動に用いらねる
ことになる。セレクター回路２６の出力となるφＶＨは
、更に転送りロック発生回路２７に印加され、その垂直
転送ノくルスφＶの所定の電極（ここではφＶｌ　）の
電圧のみを高電圧トして、フォトダイオードより垂直転
送ＣＣＤへのトランスファーゲート無しの転送を行なわ
せる。ここで、ＣＣＤイメージセンサ１６としてトラン
スファーゲートのあるものを用いるならば、φｖｕｆ；
／）ランスファーケート印加ノくルスに用（・れば良い
。

第５図は、このようなシャッター機能を有するＣＯＤイ
メージ七ンサを用いて、絞り優先撮影時の主要信号のタ
イミングチャートを示したものである。

第５図において、（ｃＬ）か垂直ｖ−，＊　線消去信号
Ｖ、　Ｂ、（ｂ）カオーバーフローコントロールケート
印加ノ（ルスφ０ｒＣＧをそれぞれ示す。オーバーフロ
ーコントロールゲート０ＦｃＧ５０には、（ｂ）に示す
オーバフローコントロールケート印加ハルスφ０ＦＣＧ
カ一定周期（図ではろＨ期間）毎に印加され、フォトダ
イオード４４の電荷が排出されるとともに、所定時間Ｔ
ｅ’後に、（ｃ）に示すクロック信号（高電圧）がφｖ
１にφＶＨのタイミングで印加されている。

従って、露光は１フイールドの有効走査線本数を２４０
本とした時、６Ｈに１回づつ時間Ｔｅ’だけ行なわれる
ので、１フイ一ルド時間１／６ｏ秒では、８０　Ｔｅ’
となる。この時間Ｔｅ’は、第５図のパルス幅変調回路
２６の出力パルスにより制御されているので、結局８０
回の分割露光により得られた信号電荷の総和か制御可能
となる。

第５図において、（ｄ）は蓄積部４２０ＣＣＤの転送パ
ルスφＩｌｌを、また（ｅ）は水平転送ＣＣＤ４３の転
送パルスφＨを、それぞれ１相について示したも−ので
ある。

垂直帰線消去期間に受光部４１のＣＣＤ４５よつ蓄積部
４２０ＣＯＤ６０へ高速に電荷転送がなされている。そ
して、一旦蓄積部４２のＣＣＤ６０に高速転送された信
号電荷は、通常のビデオ動作で読み出され工いる。

第４図に示したＣＯＤイメージセンサのクリアゲートに
ついては１本発明に対して本質的では無いので説明は省
略する。

次に、シャッタータイム優先撮影について説明する。シ
ャッタータイム優先撮影は、特にそのストロボ効果を利
用し、動いている被写体を分解写真の如く各瞬間毎に止
めて撮影したい場合に有効である。この撮影モードで、
撮影記録を行なえば、後ニスチル４Ｊ＋　生や、スロー
モーション再生をシタ時、スチル画像にボケの無い画像
が得られる。

このモードで撮影する際は、まずモード選択スイッチ１
２をＳ側とし、シャッタータイム設定値は、シャッター
タイム演算回路２９に与えられ、ＣＯＤイメージセンサ
駆動に必要なφＶＨ，φ０ＦＣＧ信号か、第２図に示し
たようなタイミングで発生される。

この場合、セレクタ回路２６はＡ個入力を選択する。ま
た、レベル判定回路１６から照度不足を示すＵ出力が与
えられている場合には、調光ランプ２１か点灯するのは
前記した通りである。更Ｋ、この場合は、イネーブル端
子付きアンプ６０が能動となり、パワーアンプ６１を介
してアイリスモーター１１が駆動される。この時、クラ
ッチ１０は連結となるので絞り９はオートアイリス動作
を行なう。調光ランプ２１は、この絞りか開放されても
なお、アンダーである時のみ点灯するよう構成するのが
好ましい。

なお、これまでの説明ではテレビジョンのインターレー
ス走査時のＣＯＤイメーンセンサの動作については述べ
なかったが、インターレース走査用のイメージセンサで
は、例えば水平転送ＣＯＤを奇数、偶数各フィールドに
対応させて２本用意し、それを交互に選択出力させるか
、或いは、奇偶数両フィールドに関するフォトダイオー
ドともに最大１／６０　秒までの信号電荷蓄積を行なう
ようにし、それを交互に垂直転送ＣＯＤに読み出すよう
に−すればよい。後者の場合、信号電荷を用いないフィ
ールド側のフォトダイオードに蓄積された不要電荷は、
そのフォトダイオードの信号電荷蓄積か開妬される前に
一括して、オーバーフロードレインに排出される。奇偶
数フィールドの選択ば、垂直転送電極への印加電圧、本
実施例ではφＶ。

とφＶ２のＶベルをフィールド毎に交替させることで行
なわれる。

なお、」二記の実施例では、水平同期信号の分周による
一定周波数のパルス幅変調回路を示したが、これは一定
パルス幅のパルスの周波数を変えることによっても合計
としての有効露光時間を制御することが可能であり、そ
のようにしてもよい。

更に、第６図における分周回路２４０分周比を大きくし
て、例えば１２０Ｈを周期とすれば、２回の露光が１フ
イールドに行なわれ、２重露光と等価な効果が得られる
ので、これを拡大すれば、スチル再生時に多Ｍ露光撮影
と同じ効果が与えられ、その用途か更に拡がることとな
る。

以上説明したように、本発明に係る装置は、複数回の露
光によって光、ｔ’ｖＡ節するもので、従来装置にあっ
た運動する被写体を撮影する際の不自然な印象をな（し
、しかも従来しばしば用（・られてきたオートアイリス
機構無しでも最適露光か得られるので、絞りをマニュア
ルとすることが操作性を損うことなく可能となり、絞り
による被写界深度の違いを利用した芸術性の高い撮影が
可能となる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はオーバーフロードレイン付インターライン転送
ＣＯＤの一例を示す構成図、第２図はそのシャッター動
作を説明−するためのタイムチャート、第６図は本発明
に係る装置の一例を示すＳ成ブロック図、第４図は第６
図装置に用いられているフレームインターライン転送Ｃ
ＣＤの一例を示す構成説明図、第５図は第６図装置にお
ける絞り優先モードでのタイミングチャートである。 ８−　レンズ、９−絞り、１２−　スＡ択スイッチ。 １３一固体撮像素子、１４−プリアンプ、１５−ＡＧＣ
アンプ、１６−　出力レベル判定回路、２６−パルス幅
変調回路、２４−　分周回路、２７−　転送りロック発
生回路。 代理人　弁理士　　木　村　三　朗 ７１図 ７２図 ７．３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 外部から制御可能の受光部蓄積′ル荷排出手段を備える
   固体撮像素子と、 該固体撮像素子の露光状態を検出する測光手段と、 前記受光部蓄積電荷排出手段を一画面読み出し時間内に
   複数回動作させて複数回の分割露光とし、かつ前記測光
   手段の出力に応じて前記複数回の分割露光量の和を適正
   なレベルに制御する制御手段とよりなることを特徴とす
   る固体撮像装置。