JP2614263B2

JP2614263B2 - 固体撮像素子カメラ

Info

Publication number: JP2614263B2
Application number: JP63086624A
Authority: JP
Inventors: 裕夫竹村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1988-04-08
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JPS6427373A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、電荷結合素子（CCD）等の固体撮像素子を
用いたカメラに係わり、特に高速シャッタ機能を有する
固体撮像素子カメラに関する。

（従来の技術）最近、CCD等の固体撮像素子が開発され、これを用い
たカラービデオカメラが実用化されている。このカラー
ビデオカメラでは、写真機のシャッタ時間に相当するも
のが、感光部の電荷蓄積時間である。通常、この時間は
1/60秒が標準とされている。しかし、最近ではフレーム
インターライン転送（FIT）形CCDが開発され、シャッタ
速度を自由に選べることができるようになっている。

FIT形CCDは、イメージ部としての感光部及び垂直方向
の高速転送部、蓄積部としてのフィードメモリ、及び水
平転送部を有しており、以下のような動作を行う。

（ａ）先ず、感光部に蓄積されている電荷は、駆動回路
から供給される掃き出し用のフィールドシフトパルスに
より、一斉に高速転送部に転送される。この高速転送部
には駆動回路から高速のクロックパルスが供給され、こ
この電荷は高速で掃き出される。

（ｂ）次に、駆動回路から供給される信号読出し用のフ
ィールドシフトパルスにより、感光部に蓄積された電荷
が一斉に高速転送部に転送される。今度は、この電荷は
高速でライン単位でフィールドメモリに転送される。こ
こで、フィールドメモリの電荷は、通常のテレビジョン
周波数で水平転送部にライン単位で転送される。この水
平転送部の電荷は、１水平期間で読み出される。

上記のように、FIT形CCDでは、掃き出し用のフィール
ドシフトパルスで先ず感光部の蓄積電荷を空にし、次に
信号読出し用のフィールドシフトパルスにより読み出し
た電荷を蓄積部に保持している。従って、掃き出し用の
フィールドシフトパルスと信号読出し用のフィールドシ
フトパルスとの間隔がシャッタ速度となり、この間隔を
選ぶことにより任意のシャッタ速度を設定することがで
きる。

上記のFIT形CCDを用いた従来のビデオカメラで、１フ
ィールドの画像については、高速のシャッタで得られた
画像が得られる。ところが、垂直解像度を向上するため
に、奇数フィールドと偶数フィールドとの２フィールド
（即ち、１フレーム）分の画像を得ようとした場合、２
回のシャッタ動作が必要となる。しかし、上記のビデオ
カメラに２回のシャッタ動作をさせると、１回目と２回
目の間隔は1/60秒となる。この結果、折角１フィールド
の画像については高速シャッタ動作により得られたもの
の、１フレームの画像については1/60秒の間隔で高速シ
ャッタを２回切ったのと同じ結果になる。よって、被写
体の移動が速い場合には、フリッカが生じ、見苦しい画
像になるという問題がある。

（発明が解決しようとする課題）上記のように従来の固体撮像素子カメラは、解像度を
良くしようとすると、フィールド間に２回のシャッター
時間のずれが生じ、見苦しい画像になるという問題があ
った。

そこでこの発明は、１回のシャッター時間で１フレー
ム分の撮像画像を得るとともに、この撮像画像を読み出
す場合に、ノイズが混入しにくい読み出し方法で読み出
すようにし、良質の画像信号を得られるようにした固体
撮像素子を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、受光量及び受光時間に応じた電荷を蓄積す
る感光部と、フィールドシフトパルスの印加に応じて、
前記感光部の蓄積電荷を一斉に転送し、この電荷をライ
ン単位で且つ高速で垂直方向に転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部からの転送電荷を蓄積する、１フィール
ド分の記憶容量を有する第１のフィールドメモリと、前
記垂直転送部からの転送電荷を蓄積する、１フィールド
分の記憶容量を有する第２のフィールドメモリと、前記
垂直転送部からのランイン単位の転送電荷を、交互に前
記第１及び第２のフィールドメモリに転送する転送手段
と、前記第１のフィールドメモリに蓄積された電荷を読
出し、次に前記第２のフィールドメモリに蓄積された電
荷を読出す読出し手段と、前記読み出し手段によって読
み出された電荷をライン単位で水平方向に転送する水平
転送部とを具備し、前記転送手段は、前記第１のフィールドメモリに電荷を
転送し、前記第１のフィールドメモリが満たされたなら
ば、次に前記第２のフィールドメモリに電荷を転送する
第１の転送手段と、前記第１及び第２のフィールドメモ
リに交互に電荷を転送する第２の転送手段と、前記第１
及び第２の転送手段を選択的に動作せしめる転送制御手
段とを具備する。

（作用）上記の構成によると、垂直転送部からの転送電荷を第
１、第２のフィールドメモリに蓄積する場合、第１のフ
ィールドメモリに電荷を転送し、第１のフィールドメモ
リが満たされたならば、次に第２のフィールドメモリに
電荷を転送する手段を有することになる。この手段があ
るために、垂直転送部から蓄積部に電荷を転送する際の
スイッチイング回数が１回となり、スイッチイングノイ
ズが発生する機会が少なく、画像信号にノイズが混入す
ることがない。

（実施例）第１図は、本発明の基本的原理を説明するための図で
あり、第２図（Ａ）〜（Ｇ）その動作を説明するための
タイミングチャートである。今、撮影のためのシャッタ
ボタン12が操作されると、駆動回路14は、第２図（Ｂ）
に示すように、一回の撮影につき、掃き出し用のフィー
ルドシフトパルスPsと信号読出し用のフィールドシフト
パルスP1を連続して発生し、これを固体撮像素子として
のCCD16に供給する。CCD16は、例えば垂直500個、水平4
00個の画素（フォトダイオード）から成る感光部18と、
この感光部18の垂直方向列それぞれに隣接して垂直方向
に配列された高速転送部20を有し、これらがイメージ部
を構成している。高速転送部20の段数は、垂直方向画素
数の４倍、即ち500画素の信号を混色なく転送できるよ
うに、500×４段が配列されている。

掃き出し用のフィールドシフトパルスPsと信号読出し
用のフィールドシフトパルスP₁の時間間隔は、所謂電子
シャッタ動作時間（露光時間）である。CCD16は、イン
ターライン転送形のCCDであり、垂直ブランキングパル
スにより周期的に標準動作モードで駆動される。CCD16
は、イメージ部としての感光部18及び高速転送部20の他
に、蓄積部としてのフレームメモリ22、水平転送部24、
出力回路26、及びゲート部28,30を有する。

CCD16では、最初の掃き出し用のフィールドシフトパ
ルスPsにより、感光部18と高速転送部20の間に構成され
たゲート（図示せず）が開き、一斉に感光部18の蓄積電
荷が高速転送部20に転送される。高速転送部20の電荷
は、期間t1の間に、駆動回路14より供給されるクロック
により、第１図中に矢印αで示すように上方向に、高速
で掃き出される。またこの期間には、感光部18にイメー
ジ電荷が蓄積される。

その後、信号読出し用のフィールドシフトパルスP₁が
駆動回路14から出力される。この信号読出し用のフィー
ルドシフトパルスP1により、高速転送部20に転送された
電荷は、第１図中に矢印βで示すような下方向に、高速
で蓄積部としてのフレームメモリ22に転送される。なお
この場合、垂直方向の隣接２画素の組に関しての加算読
出しは行われない。

この場合、高速転送部20の電荷は、１ライン単位でフ
レームメモリ22に転送されるが、この転送手段に特徴が
ある。即ち、１つの高速電送列20₁を列に説明すると、
この高速転送列20 1の電荷は、高速転送パルス（第２図
（Ｄ））とゲートパルス（φGA,φGB）により２つのメ
モリ列22 1,22 2にライン毎に交互に振分けて転送され
る。従って、高速転送列20 1とメモリ列22 1,22 2,には
２つのフィールドに対応した電荷が格納されることにな
る。また、その振分けのために、高速転送列20 1とメモ
リ列22 1,22 2との間には、振分けを行うためのゲート
部28が形成されている。ゲート部28は、駆動回路14から
のゲートパルス（φGA,φGB）により制御される。

この動作を第３図の各クロックのタイミングチャート
を用いて説明する。イメージ部の高速転送部20には、第
３図（Ａ）に示すような1.58MHzの繰返しを有する４相
パルス（φV1,φV2,φV3,φV4）波形が駆動回路14から
加えられる。信号電荷は、＋5Vが加えられた電極下に次
々と転送され、第１図の下方向（矢印βで示す）に移動
していく。

ここで、ゲート部28には、第３図（Ｂ）に示すような
２組のパルス（φGA,φGB）が駆動回路14から加えら
れ、クロックパルスφV4の位相に合せて交互にスイッチ
動作する。即ち、ゲートパルスφGAに＋5Vが加えられる
とメモリ列22₁に信号電荷が分配され、ゲートパルスφG
Bに＋5Vが加えられるとメモリ列222に信号電荷が分配さ
れる。

メモリ列22 1,22 2に送込まれた信号電荷は、第３図
（Ｃ）、（Ｄ）に示すような、上記高速転送部20の1/2
の周波数、即ち0.79MHzの周波数の４相パルス（φFA1
φFA2 φFA3 φFA4及びφFB1 φFB2 φFB3 φFB4）によ
り、第１図の下方向（矢印βで示す）へ転送されてい
く。

このように、高速転送部20に一旦蓄えられた500画素
分の信号電荷は、蓄積部のメモリ列22 1,22 2にそれぞ
れ250画素ずつ蓄積されていく。

なお、第３図（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、メモリ列
22 1,22 2に加えるパルス波形は、φFA1とφFB3、φFA2
とφFB4、φFA3とφFB1、φFA4とφFB2とが同一の形と
なっている。従って、φFAとφFBに別々に信号を外部か
ら印加しなくても、CCD16内部でこのように配線してお
けば、配線数を省略することが可能である。

上記の説明は、１つの高速転送列20 1についてのみで
あるが、他の列についても、高速転送列とメモリ列とは
同様な関係にある。

上記のように動作することから、フレームメモリ22に
は、１回のシャッタ動作で１フレーム分の画像信号が記
憶されることになる。画像信号は、１フィールド分ずつ
ゲート部30、水平転送部24、及び出力回路26を介して読
み出される。なお、第２図（Ｅ）、（Ｆ）は、第１及び
第２のフィールドの信号が転送される期間を示し、第２
図（Ｇ）は出力回路26から出力される信号波形を示して
いる。

このように形成される画像は、第１（奇数）のフィー
ルドの信号と、第２（偶数）のフィールドの信号とから
構成されるが、いずれのフィールドの信号もシャッタ期
間は同一期間である。この結果、このCCD16を用いるビ
デオカメラによると、垂直解像度を上げることができ、
しかもフィールド間の時間差によるフリッカも生じな
い。また、シャッタ時間を設定する場合には、フィール
ドシフトパルスP_S,P₁の間隔（露光時間）を調整すれ
ば、任意にシャッタ速度を設定できる。

第４図は、本発明の固体撮像素子を用いたカラービデ
オカメラの構造図である。即ち、３倍ズームレンズ32を
通った光は、色温度変換フィルタ34、色補正フィルタ3
6、及び光学ローパスフィルタ（LPF）38を介して、カラ
ーフィルタアレィ40の付いた固体撮像素子としてのCCD1
6のイメージ部に結像される。

駆動回路14は、同期信号発生器42、垂直ロジック回路
44、及び水平ロジック回路46を含む。同期信号発生器42
からの各種パルス信号を用いて、垂直及び水平ロジック
回路44,46は、CCD16の動作に必要な各種のパルス信号を
作り、CCD16に印加する。

CCD16の出力信号は、プリアンプ48で増幅された後、
色分離回路50で、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３原
色信号に分離される。これらの原色信号は、信号処理回
路52によって、ガンマ補正、ホワイトクリップ等、通常
のカラーカメラに必要な信号処理が施されて、エンコー
ダ54に加えられる。エンコーダ54は、入力信号から輝度
信号とクロマ信号を作り、それらを合成して、標準のNT
SC信号を作って出力する。

次に、第５図を用いて、CCD16の駆動方法を説明す
る。同期信号発生器42からは、水平、垂直の駆動に必要
なタイミングパルス（F SS,F S1,F V1,F V2,F V3,F V4,
HP,VP）が発生され、垂直、水平ロジック回路46,48に入
力される。垂直ロジック回路46は、CCD16のイメージ部5
6及び蓄積部58の垂直転送に必要な各パルス波形（φV1,
φV2,φV3,φV4,φG,φF1,φF2,φF3,φF4）を作り出
す。一方、水平ロジック回路48は、水平転送に必要な各
パルス波形（φH1,φH2,φRS）を作り出す。水平転送に
必要な波形は、第６図（Ａ）と同図（Ｂ）に示すような
２相の駆動波形（φH1,φH2）と、第６図（Ｃ）に示す
ような出力回路26のリセットパルス波形（φRS）であ
る。これらのパルス波形を、水平転送部24及び出力回路
26に加えることにより、蓄積部58から１ライン毎に降り
て来た信号は、水平に転送され、出力回路26からは、第
６図（Ｄ）に示すような信号波形が得られる。

なお、イメージ部56では、不要電荷の掃き出し期間と
信号の転送期間とがある。これらの期間のパルス波形
は、その４相波形の位相が変わっていて、第１図に矢印
α及びβで示すような上方向と下方向の向きが決定され
る。即ち、不要電荷の掃き出し期間に於いては、垂直ロ
ジック回路46から5Vの加わるタイミングが、φV4→φV3
→φV2→αV1の順に移っていく。従って、不要電荷もこ
れと同じ方向へ移動していき、上方向へ移動し、掃き出
される。通常、イメージ部56の最上端には、ドレイン部
が設けられており、ここに移動してきた電荷は消滅す
る。一方、第３図（Ａ）に示すように、信号の転送期間
に於いては、5Vの加わるタイミングが、φV1→φV2→φ
V3→φV4の順に移っていく。よって、これに合せて、信
号電荷も同じ方向に移動していき、イメージ部56から蓄
積部58に信号が移動される。

なお、イメージ部56に於いて、感光部18から高速転送
部20へ信号を移動させるのに、前述したようなフィール
ドシフトパルスP_S,P₁が必要になるが、別にゲートを設
けずに、パルス波形φV1とφV3の波形に重畳する形にし
て、これらのフィールドシフトパルスを垂直ロジック回
路46からイメージ部56へ印加している。

以上説明したように本発明によると、高速のシャッタ
動作が可能であり、且つ１フレームの良好な垂直解像度
のよい画像を得ることができる。通常のビデオカメラで
は静止画の信号を得る場合に被写体が動くと、奇数フィ
ールドと偶数フィールドでは1/60秒の間隔でシャッタを
切っているためにフリッカが発生し、１フレームの完全
な画像を得ることができなかったが、本発明では被写体
が速い動きでも垂直解像度の良好な静止画を得ることが
できる。また可変シャッタであっても、１フレーム分の
静止画が任意の速度で得られる。しかも、露光時間は、
フィールド間で同一であり、フィード間の信号レベルに
差異を生じず、良質の画像信号を得ることができる。

図７は、本発明の要点を説明するために示した図であ
る。

本発明では特に、１回のシャッター時間で１フレーム
分の撮像画像を得るとともに、この撮像画像を読み出す
場合に、ノイズが混入しにくい読み出し方法で読み出す
ようにし良質の画像が得られるようになっている。その
ために、垂直転送部から蓄積部に電荷を転送する手段
は、第１のフィールドメモリに電荷を転送し、この第１
のフィールドメモリが満たされたならば、次の第２のフ
ィールドメモリに電荷を転送するようにしている。

このようにした場合、図７に示すように第１のフィー
ルドメモリ60にまずノンインターレースの形で奇数フィ
ールド、偶数フィールドのライン信号が書き込まれ、第
１のフィールドメモリ60が満たされたならば、第２のフ
ィールドメモリ62に奇数フィールドと偶数フィールドの
ライン信号が順次書き込まれる。

垂直転送部から蓄積部に電荷を転送する場合、ライン
毎の振分け方式であると転送部をライン毎に切り換える
必要があり、その都度スイッチングノイズ等が画像信号
に混入しやすい。しかし、この発明の方式のように第１
のフィールドメモリが満たされてから、次に第２のフィ
ールドメモリに電荷を転送するようにすると、上記のよ
うなスイッチングノイズ発生や混入がなくなり、良質で
鮮明な画像を得るのに最適な構成となる。

［発明の効果］以上説明したようにこの発明によれば、１回のシャッ
ター時間で１フレーム分の撮像画像を得るとともに、こ
の撮像画像を読み出す場合に、ノイズが混入しにくい読
み出し方法で読み出すようにし、良質で鮮明な画像信号
を得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す構成説明図、第２図
は、第１図の固体撮像素子及びその駆動回路の動作を説
明するために示したタイミングチャート、第３図（Ａ）
乃至第３図（Ｄ）はそれぞれ、第１図の駆動回路により
出力される各種パルスのタイミングチャート、第４図
は、本発明の一実施例を適応したカラービデオカメラの
構成説明図、第５図は、第１図の駆動回路のブロック構
成図、第６図は、第５図の駆動回路の水平ロジック回路
の動作を説明するために示したタイミングチャート、第
７図は、上記の実施例のの動作を説明するための、蓄積
部に於ける信号書込み例を示す説明図である。 12……シャッターボタン、14……駆動回路、16……CC
D、18……感光部、20……高速転送部、22……フレーム
メモリ、24……水平転送部、26……出力回路、28,30…
…ゲート回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】受光量及び受光時間に応じた電荷を蓄積す
る感光部と、フィールドシフトパルスの印加に応じて、前記感光部の
蓄積電荷を一斉に転送し、この電荷をライン単位で且つ
高速で垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの転送電荷を蓄積する、１フィール
ド分の記憶容量を有する第１のフィールドメモリと、前記垂直転送部からの転送電荷を蓄積する、１フィール
ド分の記憶容量を有する第２のフィールドメモリと、前記垂直転送部からのランイン単位の転送電荷を、交互
に前記第１及び第２のフィールドメモリに転送する転送
手段と、前記第１のフィールドメモリに蓄積された電荷を読出
し、次に前記第２のフィールドメモリに蓄積された電荷
を読出す読出し手段と、前記読み出し手段によって読み出された電荷をライン単
位で水平方向に転送する水平転送部とを具備し、前記転送手段は、前記第１のフィールドメモリに電荷を転送し、前記第１
のフィールドメモリが満たされたならば、次に前記第２
のフィールドメモリに電荷を転送する第１の転送手段
と、前記第１及び第２のフィールドメモリに交互に電荷を転
送する第２の転送手段と、前記第１及び第２の転送手段を選択的に動作せしめる転
送制御手段とを具備したことを特徴とする固体撮像素子
カメラ。