JPS6367977A - 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】 産業上の利用分野 本発明は撮像素子の撮像面における光電荷の蓄積時間を
任意に制御可能な撮像装置に関するものである。

従来の技術 撮像管や固体撮像素子に代表される標準テレビ　　　　
′ジョン方式用撮像素子の光電荷の蓄積時間は、普通１
フレーム（１／３０秒ンもしくは１フイールド（１／６
０秒）である。撮像管は光電変換膜で発生した光電荷を
電子ビームにより走査するが、ビームのアパーチャ効果
により、飛び越し走査をしているにもかかわらず全画素
のほとんどの光電荷が毎フィールド読み出されるので、
実質的なフィールド蓄積となる。一方固定撮像素子には
様々な方式があるが、現在一般的であるインク−ライン
−トランスファー型Ｃ０Ｄ（ＩＬ−１ｃＤ）固体撮像素
子では、完全なインターレースを行えば、３ベーノ 前述のようなアパーチャ効果がないので蓄積時間は１フ
レームとなる。これらの蓄積時間をシャッタースピード
と考えるとＮＴＳＣ方式ではそれぞれ１／６ｏ秒・１／
３ｏ秒となシ、動画の撮影の場合、動きの速い被写体に
対しては蓄積時間が長過ぎ、被写体が尾を引いたように
撮影されてしまう。

スポーツ撮影用やＥＮＧ用などの用途では、特に高速の
シャッター・スピードが要求される。

固体撮像素子では上記の残像は特にシステム残像または
等価残像と呼ばれ、その大きな欠点の一つに挙げられて
いる。そのため、蓄積時間を短くする方法がいくつか提
案されている。例えば撮像素子の受光面側に機械的なシ
ャッターを設ける方法である。一方、純電子的な制御方
法もある。そのひとつは上下２走査線の隣接画素の電荷
を混合し、全画素の電荷を毎フィールド読み出す２ライ
ン同時読み出し方式である。また、垂直ブランキング期
間に１フイ一ルド分の電荷を外部や撮像素子内に設けら
れたドレインに掃き出すことにより、蓄積時間を１フイ
ールドにする方法もある。ここでは、特開昭５７−６９
９８１号公報に示されているこの方法について従来の撮
像装置の第一の例として説明する。

第７図はこの従来の撮像装置の第一の例のＩＬ−ＩｃＤ
の駆動法を説明するための図であり、１・３・５は奇数
番目の光電変換素子、２・４は偶数番目の光電変換素子
である。６は光電変換素子１〜５と電荷読み出し部７と
を結ぶ転送ゲートである。

以上のように構成された従来の撮像装置において、まず
奇数番目の光電変換素子１・３・５に蓄えられた信号電
荷を読み出して第１フイールドを構成する際、奇数番目
の光電変換素子１・３・６に蓄えられた信号電荷を読み
出す前に、まず偶数番目の光電変換素子２・４に蓄積さ
れた信号電荷を電荷読み出し部７へ転送し、充分速い周
波数で電荷読み出し部７の外部まで転送して排出してし
まう。或いは電荷読み出し部内での転送途中段に電荷排
出部を設けることにより、最終段まで転送することなく
、途中で排出してもよい。この排出６　へ−ノ゛ のための転送及びこの後で行なう奇数番目の光電変換素
子１・３・５に蓄えられた信号電荷を電荷読み出し部へ
転送し、更に電荷読み出し部内での検知部直前までの転
送が垂直ブランキング期間内に終了する程度の速い周波
数で行々う。この様に偶数番口の光電変換素子２・４に
蓄積された信号電荷を速い周波数で排出した後、奇数番
目の光電変換素子１・３・５に蓄えられた信号電荷を電
荷読み出し部７へ転送し、更に電荷読み出し部内を転送
し、順次検知部で検知することにより、第１フイールド
を構成する。次に、奇数番目の光電変換素子１・３・５
に蓄えられた信号電荷を先程と同じく速い転送周波数で
排出した後、偶数番目の光電変換素子２・４に蓄積され
た信号電荷を電荷読み出し部７へ転送、検知することに
よって第２フイールドを構成する。この方法によれば、
各光電変換部に蓄えられた信号電荷は１フイールド毎に
読み出し、或いは排出されるので、蓄積時間は１フイー
ルドとなる。

また、従来の撮像装置の第二の例として、７ヤ６　ベー
ジ ツタ−・スピードを任意に変えられる撮像装置を、特開
昭５８−１３９４６３号公報に示されているものについ
て説明する。

第８図はこの従来の撮像装置の第二の例の固体撮像素子
の要部を示す概略説明図である。Ｐｌ・Ｒ２は受光素子
部であシ、撮像面に水平列及び垂直列を形成して配され
ている。そして受光素子部Ｐ１は各垂直列に於ける奇数
番目のものであシ、受光素子部Ｐ２は各垂直列に於ける
偶数番目のものである。受光素子部Ｐ１・Ｒ２が形成す
る各垂直列に沿って垂直転送部１３が配され、受光素子
部Ｐ１と垂直転送部１３との間及び受光素子部Ｐ２と垂
直転送部１３との間にはおのおの読み出しゲート部Ｒ１
・Ｒ２が形成されている。これら読み出しゲート部Ｒ１
・Ｒ２は、所定の電位とされるとき、受光素子部Ｐ１・
Ｒ２の電荷を垂直転送部１３へ読み出す作用をなす。垂
直転送部１３の一側部には、電荷吸収部１５が連結され
ている。垂直転送部１３の電荷吸収部１６側と反対側に
は、各垂直転送部１３の他端に隣接する、ＣＯＤで形７
ページ 成された記憶部１６が配されている。さらに記憶部１６
に隣接して水平転送部１８が配され、この水平転送部１
８の端部の出力部１９が配されている。出力部１９から
は信号出力端子２ｏが導出されている。記憶部１６は、
供給される駆動信号に基づいて、垂直転送部１３から転
送される電荷を所定の記憶位置まで転送して貯蔵し、ま
た、貯蔵した電荷を水平転送部１８へ転送する動作をな
し、水平転送部１８は、供給される駆動信号に基づいて
、記憶部１６から転送される電荷を出力部１９へと転送
し、電荷の水平転送を行う。出力部１９は水平転送部１
８から転送されてくる電荷に応じた撮像信号出力を発生
し、これが信号出力端子２゜に得られる。

これは一般にフレーム・インターライン・トランスファ
ー型ｃａｎ　（ＦＩＴ−ｃａｎ　）に電荷吸収部を設け
た形となっている。このように構成された従来の撮像装
置の第二の例の動作について説明する。

まずスタンバイ期間において、読み出しゲートＲ１・Ｒ
２は開状態となる。つぎに、読み出しゲートＲ１・Ｒ２
が閉じられ、撮像が開始されると、垂直転送部１３は電
荷を電荷吸収部１６へと高速転送する。これにより、垂
直転送部１３内の不要電荷が一掃される。所定の受光期
間が終了すると、読み出しゲー）Ｒ１・Ｒ２が開状態と
されて、受光素子部Ｐ１・Ｒ２に蓄積された信号電荷が
垂直転送部１３へ読み出される。読み出しゲー）Ｒ１・
Ｒ２が再び閉じられ、垂直転送部１３は、受光素子部Ｐ
１・Ｒ２から読み出された信号電荷を記憶部１６へ高速
転送し、信号電荷は記憶部１６の各水平列に貯蔵される
。全ての信号電荷が記憶部１６へ転送されると、読み出
しゲートＲ１・Ｒ２及び垂直転送部１３はスタンバイ状
態に戻る。記憶部１６は貯蔵した信号電荷を各水平ブラ
ンキング期間内に相当する期間毎に１水平列ずつ、順次
、水平転送部１８へ転送される。そして水平転送部１８
は信号電荷を各水平映像期間に相当する期間に出力部１
９へ転送する。こうして、撮像出力が信号出力端子２ｏ
に得られ、受光期間の長さが調９ベーノ 整されれば、機械的シャッター機構を用いることなくシ
ャッター・スピード調整効果を実現することができる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、以下のような問題
点を有していた。

従来の撮像装置の第一の例では、シャッター・スピード
を１／３０秒と１／６０秒　の２段階に切り換え出来る
のみであシ、動きの速い被写体に対しては不充分である
とともに、任意のシャッター・スピードを実現すること
ができない。また、従来の撮像装置の第二の例では、Ｆ
ＩＴ−ＣＯＤと呼ばれる特殊な固体撮像素子が必要であ
る。ＦＩＴ−ｃａｎは、前述の構成のように受光部分以
外の占める割合が大きく、チップ面積がＩＬ−ＣＯＤの
約１．５倍にもなり、大幅なコストアップとなる。

また、シャッター・スピードを１／３ｏ秒よりも長くす
ることができない。

本発明はかかる点に鑑み、撮像素子の光電荷の蓄積時間
を任意に制御可能な、標準テレビジョン１０ページ 方式の撮像装置を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、任意のタイミングでそれ以前に撮像素子の撮
像面に蓄積された光電荷を排出する電荷排出回路と、前
記排出タイミングから任意の期間光電荷を蓄積した後に
前記光電荷を読み出すように前記撮像素子を駆動する撮
像素子駆動回路と、前記撮像素子から読み出された光電
荷信号を記憶するメモリーと、前記メモリーから標準テ
レビジョン信号に同期したタイミングで信号を読み出す
メモリー駆動回路とを備えたことを特徴とする撮像装置
である。

作用 本発明は前記した構成により、以下のように作用する。

撮像素子の光電荷の蓄積時間は、電荷排出回路によって
電荷が排出されたタイミングから、電荷の読み出しタイ
ミングまでの期間で定められる。

このときの電荷の読み出すタイミングは標準テレビジョ
ン信号のタイミングに同期している必要は１１　べ−７ なく、従って蓄積時間は任意に設定することができる。

読み出された信号は、メモリーに書き適寸れる。一度メ
モリーに書き込まれた信号を、標準テレビジョン信号に
同期させて読み出すことにより、任意の蓄積時間の信号
を標準テレビジョン信号のタイミングで得ることができ
る。

実施例 第１図は本発明の第１の実施例における撮像装置のブロ
ック図を示すものである。２１は被写体像を撮像素子２
２の撮像面に結像させる光学系、２２は撮像面上の被写
体像を電気信号に変換する撮像素子で、例えばＩＬ−Ｃ
ＯＤなどである。

２３は撮像素子２２を駆動するための撮像素子駆動回路
、２４は撮像素子２２から得られる映像信号を増幅する
前置増幅器、２５は前置増幅器２４で増幅された映像信
号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。２
６は切換器であり、メモリ書込み駆動回路２９の制御に
より、Ａ　／　Ｄ変換された映像信号をフィールドメモ
リー２７・２日のいずれかに入力する。２７・２８はフ
ィールドメモリーで、メモリ書込み駆動回路２９の制御
により、Ａ／Ｄ変換された映像信号を記憶する。

３ｏはメモリ読出し駆動回路で、切換器３１でフィール
ドメモリー２７・２８のいずれかを選択するとともに、
記憶されている映像信号を標準テレビシコン信号に同期
したタイミングで読み出す。

３２は、フィールドメモリー２７・２８から読み出され
た映像信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器であ
る。３３は、映像信号に様々な処理を加えて標準テレビ
ジョ／信号を出力するプロセス回路である。３４は、基
準となるタイミングパルスを撮像素子駆動回路２３やメ
モリ書込み、駆動回路２９・メモリ読出し駆動回路３ｏ
・プロセス回路３３などに供給するタイミングパルス発
生回路である。

以上のように構成された本実施例の撮像装置について、
第２図を参照しながら以下その動作を説明する。

第２図（ａ）は標準テレビジョン信号の垂直ブランキン
グに相当するタイミングである。（ｂ）は工Ｌ−１３　
べ−／゛ ＣＯＤの転送ゲートを開状態にして受光素子部の電荷を
垂直転送部に読み出すための読み出しゲートパルスであ
る。（Ｃ）は垂直転送部を高速に駆動して、従来例で説
明したように電荷を掃き出すだめの高速掃き出し駆動タ
イミングである。（ｄ）は垂直転送部及び水平転送部を
高速に駆動して、電荷を読み出すだめの高速読み出し駆
動タイミングである。（ｅ）・（０はそれぞれフィール
ドメモリー２７・２８に記憶されている映像信号を読み
出すタイミングで、標準テレビジョン信号に同期してい
る。

まず、（ｂ）の１回目のパルスで、それ以前に受光素子
部に蓄積していた電荷が垂直転送部に読み出される。こ
の電荷は（Ｑ）によって高速に掃き出される。任意の蓄
積時間（即ちシャッター・スピード）ｔ１後に受光素子
部から再び信号電荷を読み出す。

これは（ｄ）によって高速に読み出され、撮像素子２２
から出力される。この映像信号は標準テレビジョン信号
に対して速いレートとなっている。この映像信号は前置
増幅器２４で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２　ｔｓで、
フィールドメモリー２７・２８に１４ページ 書込み可能な形に変換される。メモリ書込み駆動回路２
９によって制御される切換器２６は、フィ　　−一ルト
メモリ−２７を選択し、前記映像信号はメモリ書込み駆
動回路２９によってフィールドメモリー２７に書き込ま
れ、記憶される。フィールドメモリー２７に記憶された
映像信号は、メモリ読出し駆動回路３０によって、次の
垂直映像期間に標準テレビジョン信号に同期したタイミ
ングで読み出される。フィールドメモリー２７から映像
信号が読み出されるのと平行して、撮像素子２２は前述
の高速掃き出し・読み出し動作を繰９返し、読み出され
た映像信号はＡ／Ｄ変換されて、今度はフィールドメモ
リー２８に書き込まれる。フィールドメモリー２８に書
き込まれた映像信号は、メモリ読出し駆動回路３０によ
って、次の垂直映像期間に標準テレビジョン信号に同期
したタイミングで読み出される。すなわち、切換器３１
の出力には、標準テレビジョン信号に同期し、且つシャ
ッター・スピードがｔｌで定められる映像信号が得られ
ることになる。また、電荷の高速掃き出１５　ヘ一／ じゃ、高速読み出しのタイミングを変えることにより、
ｔ２のようにシャッター・スピードを任意に変化させる
ことができる。

以」二のように本実施例によれば、２つのフィールドメ
モリーを切り換えて用いることにより、一般的な撮像素
子を用いて任意のシャッター・スピードを実現すること
ができる。半導体技術の急速な進歩により、撮像素子や
Ａ／Ｄ変換器などの限界駆動周波数は年々高捷っている
ので、信号電荷の高速読み出しや高速Ａ／Ｄ変換は充分
実現可能となっている。丑だ、フィールドメモリーも極
めて安価に入手できるようになり、また、一般の撮像装
置には動き補正や種々の目的でフィールド（フレーム）
メモリーが搭載されつつある。本実施例のフィールドメ
モリーをこれらのメモリーと共有することによって、一
般的である工Ｌ−ＣＯＤの使用とあい寸って、極めてロ
ーコストに、任意のシャッター・スピードを実現するこ
とが可能となる。

さらに、ディジタル信号処理によるビデオカメラなどの
場合、Ａ／Ｄ変換器やＤ／Ａ変換器など・を特に追加す
る必要がなく、フィールドメモリーから読み出したディ
ジタル信号の１まプロセス回路で信号処理を行うことが
できるため、実現が極めて容易となる。

第３図は本発明の第２の実施例における撮像装置のブロ
ック図を示すものである。４１は被写体像を撮像素子４
２の撮像面に結像させる光学系、４２は撮像面」二の被
写体像を電気信号に変換する撮像素子で、例えばＩＬ−
ＣＯＤなどである。

４３は撮像素子４２を駆動するための撮像素子駆動回路
、４４は撮像素子４２から得られる映像信号を増幅する
前置増幅器、４５は前置増幅器４４で増幅された映像信
号をディジクル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。４
７はフィールドメモリーで、メモリ書込み駆動回路４９
０制胛により、Ａ　／　Ｄ変換された映像信号を記憶す
る。５ｏはメモリ読出し駆動回路で、フィールドメモリ
ー４７に記憶されている映像信号を標準テレビジョン信
号に同期したタイミングで読み出す。６２は、フ１７　
ページ イールドメモリー４７から読み出された映像信号をアナ
ログ信号に変換するＤ　／　Ａ変換器である。

５３は、映像信号に様々な処理を加えて標準テレビジョ
ン信号を出力するプロセス回路である。

５４は、基準となるタイミングパルスを撮像素子、駆動
回路４３やメモリ書込み駆動回路４９・メモリ読出し駆
動回路５ｏ・プロセス回路５３などに供給するタイミン
グパルス発生回路である。

以上のように構成された第２の実施例の撮像装置につい
て、以下その動作を説明する。第４図は本発明の第２の
実施例を示す撮像装置の動作を説明するタイミング図で
ある。第４図（？Ｌ）〜（ｅ）は第２図の（ａ）〜（６
）にそれぞれ対応している。撮像素子４２から高速読み
出しくｄ）された映像信号はＡ／Ｄ変換されて、標準テ
レビジョン信号の垂直ブランキング期間に相当する期間
内にフィールドメモリー４７に書き込まれる。フィール
ドメモリー４７に書き込まれた映像信号は、次の垂直映
像期間に標準テレビジョン信号に同期したタイミングで
読み出される。この垂直映像期間に撮像素子４２の不要
電１８　ベーゾ 荷の高速掃き出しく０）が行われ、次の垂直ブランキン
グ期間に再び高速読み出しくｄ）が行われ、フィールド
メモリー４７に書き込まれる。以上のように本実施例で
は、垂直ブランキング期間に相当する、期間内に信号電
荷を高速に読み出し、フィールドメモリーに書き込むこ
とによって、１つのフィールドメモリーで第１の実施例
と同様の効果を実現することができる。従って、任意の
シャッター・スピードに調整可能な撮像装置の実現が、
一層容易なものとなる。

また、第６図に示す駆動法によれば、信号電荷の高速読
み出しを垂直ブランキング期間に相当する期間内に行な
わなくても、１つのフィールドメモリーで第１の実施例
と同様の効果を実現することができる。第５図の（ａ）
〜（＋３）は第２図の（ａ）〜（ｅ）にそれぞわ対応し
ている。

すなわち、垂直映像期間にはフィールドメモリーから映
像信号が読み出されるが、この読み出しの終わるタイミ
ングよりも後に、撮像素子の信号電荷の高速読み出しが
終了するようにすれば、フィールドメモリーの書込みと
読み出しの期間が１９ページ 重なっても、フィールドメモリーの前後にランチをいく
つか設けることによって書込みと読み出しを時分割で行
うことができるので、１フイ一ルド分のメモリー容量で
済む。

さらに第１の実施例と第２の実施例とを組合せることに
より、シャッター・スピードを１フイールド（１フレー
ム）よシも長くすることが可能である。第６図の（ａ）
〜（０は第２図の（ａ）〜（０にそれぞれ対応している
。すなわち、撮像素子２２は１フイールドおきにインタ
ーレースした映像信号を出力するが、各フィールドメモ
リーに記憶している映像信号をそれぞれ交互に２度読み
出すことにより、標準テレビジョン信号に適合した映像
信号を得ることができる。撮像素子の不要電荷を高速に
掃き出す際に、第一の従来例で述べたように、奇数フィ
ールドと偶数フィールドの受光素子の電荷を選択的に掃
き出すことによＪ（ｔｓ）、本実施例では１フレ一ム以
上のシャッター・スピードを実現することができる。

また、撮像素子にＭＯ８型固体撮像素子を用いた場合、
半導体製造プロセスの類似性から、同一半導体基板上に
撮像素子とメモリーを作り込むことが可能である。これ
により、」二連の効果を１チツプで実現することができ
る。

なおこれらの実施例では、撮像素子に工Ｌ−ＣＣＤを用
いた場合について説明したが、例えば他のｃａｎ固体撮
像素子やＭＯ８型固体撮像素子・撮像管などで不要電荷
を排出することのできる撮像素子ならば同様の効果を得
ることができる。

また、フィールドメモリーの代わりにリング・バッファ
を用いてもよい。その場合、書込み側と読み出し側に若
干のラッチを設けることによって、書込みと読み出しを
時分割処理によって行うことができる。また、フィール
ドメモリーの代わシにＣＯＤメモリーなどのアナログの
記憶装置を用いれば、Ａ　／　Ｄ変換器やＤ　／　Ａ変
換器は不要である。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、ＦＩＴ−ｃｃｎのよ
うな特殊な撮像素子を用いることなしに、任意のシャッ
ター・スピードに調整可能な撮２１　ベージ 像装置を、極めて容易且つ安価に実現可能である。

特に放送用・ＥＮＧ用や家庭用に固体撮像素子を用いた
撮像装置が広く普及しつつあシ、本発明の実用的効果は
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における第１の実施例における撮像装置
のブロック図、第２図は同実施例の動作を説明するタイ
ミング図、第３図は本発明における第２の実施例におけ
る撮像装置のブロック図、第４図は同実施例の動作を説
明するタイミング図、第５図は同実施例の他の動作を説
明するタイミング図、第６図は第１および第２の実施例
の他の動作を説明するタイミング図、第７図は従来の撮
像装置の第一の例におけるＩＬ−ＣＯＤの駆動法を説明
するための構成図、第８図は従来の撮像装置の第二の例
における固体撮像素子の要部を示す概略構成図である。 ２２・４２・・・・・・撮像素子、２３・４３・・・・
・撮像素子駆動回路、２７・２８・４７・・・・・フィ
ールドメモリー、２９・４９・・・・・・メモリ書込み
駆動回路、２２ベージ ３ｏ・６ｏ・・・・・メモリ読出し駆動回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）任意のタイミングでそれ以前に撮像素子の撮像面
   に蓄積された光電荷を排出する電荷排出回路と、前記排
   出タイミングから任意の期間光電荷を蓄積した後に前記
   光電荷を読み出すように前記撮像素子を駆動する撮像素
   子駆動回路と、前記撮像素子から読み出された光電荷信
   号を記憶するメモリーと、前記メモリーから標準テレビ
   ジョン信号に同期したタイミングで信号を読み出すメモ
   リー駆動回路とを備えたことを特徴とする撮像装置。
2. （２）標準テレビジョン信号の垂直ブランキング期間に
   相当する期間内に、撮像素子の光電荷を高速に読み出す
   ように前記撮像素子を駆動する撮像素子駆動回路を備え
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の撮像装
   置。
3. （３）同一の半導体基板上に、光電変換素子とメモリー
   とを備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の撮像装置。