JP3930611B2

JP3930611B2 - 高速度撮像装置

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Publication number: JP3930611B2
Application number: JP20155397A
Authority: JP
Inventors: 政孝辻; 純司嵜山; 健司三井
Original assignee: 株式会社フォトロン
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2017-07-28
Also published as: JPH1146323A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像素子として、インターライン・トランスファ型（インターライン型）、フレーム・インターライン・トランスファ型などのＣＣＤ（Charge Coupled Device ：固体撮像素子）を用いた高速度撮像装置に関する。とくに、ＣＣＤが有する電子シャッター機能を利用して撮像速度の高速化を図る方式の高速度撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速度撮像はスローモーション再生など、種々の分野で有用である。スローモーション再生を行うには、規格速度（ＮＴＳＣ方式のときは３０画面／秒、ＰＡＬ方式のときは２５画面／秒）より大きい速度で撮像し、その画像データを規格速度で再生するとスローモーション映像を見ることができる。例えば、規格速度のｎ倍の速度で撮像した画像データを規格速度で再生すると、被写体の動きを１／ｎに遅くして観察することができる。このスローモーション画像は、周知の如く、スポーツ選手の運動動作の解析やスポーツ勝敗の判定に有用であるばかりでなく、様々な学術研究や工業生産分野での動態解析に著しう有用性を発揮している。
【０００３】
一般に、このような高速度撮像の１つの手法として、ＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型撮像素子などの撮像素子のクロック周波数を上げることで反応速度を速くすることが知られている。しかし、この撮像素子の反応速度自体に一定の物理的制限があるので、クロック周波数を上げることに拠る撮像速度の高速化にも限界がある。
【０００４】
この限界以上の高速化を実現するには、その１つの手法として、１画面（画像）当たりの記録素子数を減らすことがある。例えば、６４０×４８０画素、３０画面／秒の規格の撮像素子があった場合、記録素子数を３２０×２４０画素と１／４に減じると、原理的には撮像速度を４倍の１２０画面／秒に上げることができる。このような部分的な撮像を実行するには、各水平方向の走査を水平方向ラインの途中の所定位置で中止し、次の水平方向走査に移行する一方で、水平走査を特定の水平方向ラインで打ち切り、次画面の走査に移行するように、走査制御する必要がある。
【０００５】
撮像素子の内、ＭＯＳ型撮像素子は水平、垂直方向の任意の画素（絵素）の受光素子から走査を開始し、その走査を途中位置で打ち切り、次のラインに走査を移行させることができる。したがって、ＭＯＳ型撮像素子については、上記のような部分読出しの走査制御を行うことができる。
【０００６】
これに対し、標準のテレビ用のＣＣＤ型撮像素子は感度が高いという利点から、家庭用、業務用のビデオカメラの撮影素子として多用されているが、水平方向のラインの途中で走査を打ち切って次ラインに移行することも、また、画面の途中で走査を打ち切って次画面に移行することもできない。つまり、ＣＣＤ型撮像素子については、後述するような何等かの対策を講じない限り、部分読出しの走査制御を行うことができない。
【０００７】
汎用ＣＣＤ型撮像素子の部分読出しを実行するには、従来、種々の対策が講じられている。この対策の説明の前に、撮像時間の比較のために、汎用ＣＣＤ型撮像素子の構成および動作の概略を説明しておく。
【０００８】
１．汎用ＣＣＤ
汎用ＣＣＤ型撮像素子の一つとして、図１９に示すように、チップ上に受光部と転送部が隣合わせになるように配置されたインターライン・トランスファ型（ＩＴ型）ＣＣＤ型撮像素子がある。同図において、縦方向を垂直方向と、また横方向を水平方向と呼ぶことにする。このＣＣＤ型撮像素子にあっては、フォトダイオードとして形成された受光部Ａが垂直方向および水平方向に２次元的に複数個配置され、各受光部Ａに隣接した状態で垂直方向に垂直転送路Ｂが複数本配置されている。２次元配置の受光部の垂直方向端部には水平転送路Ｃが配置されている。各受光部Ａには入射光に対応した電荷が蓄積される。このＣＣＤチップには、駆動回路から読出しの駆動パルス信号が供給される。なお、各受光部Ａを便宜上、画素と呼ぶことにする。
【０００９】
駆動パルス信号を制御することにより、下記のステップを経て受光部Ａに蓄積された電荷が読み出される。
【００１０】
【外１】

これにより、図１９の左下の画素（受光部）が走査開始点として、水平方向にライン毎に電荷読出しが繰り返され、１画面分の全電荷が読み出される。
【００１１】
また、ＣＣＤ型撮像素子には、受光部Ａの蓄積電荷を全受光部同時に掃き出すことで、露光時間の制御を行う電子シャッター機構を備えている。
【００１２】
このインターライン・トランスファ型ＣＣＤの１画面の撮像に要する時間を考察するため、水平方向のライン１〜８までの簡単化した図２０のようなモデルを想定する。この各ラインは水平方向の受光部で模式的に形成される。
【００１３】
【外２】

とすると、１画面分の電荷の読出しに要する総時間は、図２１の模式図を参照して、
【外３】

で表される。この簡易モデルでは水平方向ライン数を８本としたが、通常ビデオの規格はＮＴＳＣ方式の場合は５２５本、ＰＡＬ方式の場合は６２５本である。走査本数をＭとして一般式で表すと、１画面分の撮像時間Ｆｔは、
【数１】
Ｆｔ＝Ｒｔ＋（Ｖｔ＋Ｐｔ）×８
になる。
【００１４】
２．汎用ＣＣＤの部分読出しの従来例
これには、光学的マスクを利用したものと、光学的マスクを利用しないものとがある。
【００１５】
光学的マスクを利用した部分読出し
図２２に示すように、受光面全体の左下の１／４の面積部分を部分受光面とし、残りの３／４の部分に光学的マスクを掛け、遮光する。このマスク部分にはしたがって電荷の蓄積はない。このため、非遮光部分の１／４の部分受光面（この例では４ラインの１／２分）のみの電荷読出しを行えばよいことになる。この電荷読出しに要する時間は、図２３に模式的に示す如く、
１画面分の読出し時間＝Ｒｔ＋４Ｖｔ＋４Ｐｔ×１／２
となる。すなわち、全画面の読出し時間の１／４で済むことになる。
【００１６】
光学的マスクを利用しない部分読出し
光学的マスクを用いないで、例えば、水平方向の全ライン数が８ラインである受光面の内の４ライン分１〜４の部分読出しを行うものとする。
【００１７】
単純にライン１〜４のみを読み出して画面更新を行うと、最初の画面は図２４（ａ）に示すように問題ないが、次画面では図２４（ｂ）に示すように前画面のライン５の電荷がライン１の位置に残る。同様に、ライン６のデータがライン２に、ライン７の電荷がライン３に、およびライン８の電荷がライン４に残る。このため、前画面で残っているこれらの電荷がこれから撮像する画面のライン１〜４にそれぞれ重畳される。
【００１８】
上述したマスクを用いないで、この電荷重畳を回避するには、次画面の読出し前に電荷の棄却を行う。これは、電荷を棄却しようとするライン分の電荷を水平転送路に順次垂直転送し、棄却ライン全部の電荷が水平転送路に転送し終わった時点で、水平転送路は電荷をまとめて棄却すべく転送する。この時間経過を模式的に表すと図２５のようになり、１画面分の撮像時間Ｆｔは、
【数２】
Ｆｔ＝Ｒｔ＋８Ｖｔ＋（４＋１）Ｐｔ
となる。
【００１９】
マスク利用時に比べて、水平方向および垂直方向共に不要な部分受光面に対する掃き出しの空読み時間帯Ｔｖｃが加わり、撮像時間Ｆｔがマスク使用時よりも大幅に増える。また、部分読出しの対象となる部分受光面が受光面全体の１／４であっても、１／２のときと同じ撮像時間に止まる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の汎用ＣＣＤ型撮像素子の部分読出しの手法にあっては、以下のような未解決の問題が放置されていた。
【００２１】
１．上述したように部分読出しに光学マスクを利用した場合でも、幾分とも光の回折現象は避けられない。このため、非遮光面（部分受光面）に入射した光は遮光面に回り込んで入射し、この入射に拠る電荷は素子本来の暗電流によるノイズと合成され、受光面全体に重畳してしまう。したがって、この汎用ＣＣＤ型撮像素子で撮像された画像はぼけてしまい、画質が劣る。
【００２２】
また、画面サイズおよび撮像速度は通常、用途に応じて選択・変更できることが望ましいが、光学マスクを利用する場合、マスクそのものを交換可能な構造や可変サイズのマスク構造を採用する必要がある。しかし、このような構造は複雑化かつ大形化して、製造コストの上昇を招くとともに、光の回折現象の程度が多くなり、上述した画質の劣化がより顕著になる。
【００２３】
２．また部分読出しに光学マスクを利用せず、電子的に不要電荷を棄却する方式の場合、部分読出しの対象画素数を減らしても、その棄却時間（空読出し時間）が加わるため、その減少に割りには撮像速度の上昇の比率が芳しくない。つまり、部分読出しを行って解像度を犠牲にする割には撮像速度の高速化のメリットが少ないという問題があった。
【００２４】
本発明は、このような従来技術が有する未解決の問題に鑑みてなされたもので、光学マスクを利用することなく、したがって、光の回折現象の影響に因る画像ぼけを排除でき、かつ、部分読出しに供した画素数減に見合った高速の撮像速度を得ることができる高速度撮像装置を提供することを、その目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるため、本発明にかかる高速度撮像装置は、光信号を電荷に変換して蓄積する２次元配列の複数の受光部が呈する受光面と、前記複数の受光部それぞれの蓄積電荷を読み出す転送路とを基板上に１チップ構造として形成した固体撮像素子（ＣＣＤ）を備えた高速度撮像装置であり、前記固体撮像素子に、前記受光面を複数の部分受光面に分割し且つ前記受光部それぞれの蓄積電荷の処理を前記各部分受光面毎に制御可能なチップ構造を形成するとともに、前記複数の部分受光面の内、所望の部分受光面に属する前記各受光部の蓄積電荷のみを前記転送路を介して選択的に読み出す電荷読出し手段を備えたことを特徴とする。
【００２６】
このように構成することにより、所望の部分受光面以外の残りの領域で蓄積した蓄積電荷（画素情報）を転送路に転送しなくて済む。このため、空読出し期間を設けなくても、所望の部分受光面の蓄積電荷のみを部分的に必要最短の時間で読み出すことができ、高速撮像度を上げることができる。また、光学的マスクを配置する必要もなく、光の回折現象に因る画像ぼけなどの影響をも確実に排除できる。さらに、部分読出しのために減らした画素数に見合った撮像速度の向上度を得ることもできる。さらに、例えば、所望の部分受光面を複数設定し、適宜に切換えて使用するようにすれば、光学マスクを交換したり、可変マスクサイズ構造を採用したりしなくても、同一撮像素子でありながら、画面サイズおよび撮像速度を使用目的に応じて選択変更することができ、撮像素子の汎用性を高めることができる。
【００２７】
上述の本発明は以下のように種々の態様で好適に実施できる。
【００２８】
前記転送路は、好適には、前記２次元配列の垂直方向に沿ってかつ前記各受光部に隣接して形成された複数本の垂直転送路と、前記２次元配列の一端側においてその水平方向に沿ってかつ前記複数本の垂直転送路に結合して形成された１本の水平転送路とを備え、前記所望の部分受光面は、前記受光面全体における前記水平転送路側の端部から広がる部分受光面である。
【００２９】
この場合、例えば、前記所望の部分受光面は、前記受光面全体の実質的に１／４の面積を有する。
【００３０】
また、例えば、前記チップ構造は、制御信号に応答して前記各受光部の蓄積電荷を前記各部分受光面毎に前記基板に掃き出す構造である。一例として、前記チップ構造は、前記固体撮像素子に形成したオーバフロードレイン構造を前記各部分受光面に対応して分離した構造であって、この分離したオーバフロードレイン構造それぞれの基板とウエル部との間に印加する電圧のオン・タイミングを異ならせる構造である。
【００３１】
また例えば、前記電荷読出し手段は、前記所望の部分受光面以外の残りの部分受光面に属する前記各受光部の蓄積電荷を前記基板に掃き出させる前記制御信号を出力する第１の手段と、その基板への蓄積電荷掃き出しの後に、前記所望の部分受光面に属する水平方向ライン上に位置する前記各受光部のみの蓄積電荷を前記垂直転送路および水平転送路を介して読み出す第２の手段とを備える。
【００３２】
別の好適な一例に係る前記チップ構造は、制御信号に応答して前記各受光部の蓄積電荷を前記各部分受光面毎に前記垂直転送路に転送する構造である。
【００３３】
この場合、前記電荷読出し手段は、前記所望の部分受光面に属する前記各受光部の蓄積電荷を前記垂直転送路に転送させ且つ前記所望の部分受光面以外の残りの部分受光面に属する前記各受光部の蓄積電荷を前記垂直転送路に転送させること禁止する前記制御信号を出力する第１の手段と、この第１の手段による制御信号の出力後に、前記所望の部分受光面に属する水平方向ライン上に位置する前記各受光部のみの蓄積電荷を前記垂直転送路および水平転送路を介して読み出す第２の手段とを備えることができる。
【００３４】
さらに好適な態様として、前記転送路は、前記２次元配列の垂直方向に沿ってかつ前記各受光部に隣接して形成された複数本の垂直転送路と、前記２次元配列の一端側においてその水平方向に沿ってかつ前記複数本の垂直転送路に結合して形成された１本の水平転送路とを備え、前記所望の部分受光面は、前記受光面全体の中央部に設定されている、ことである。このように中央部に設定することで画像中心のずれを回避できる。
【００３５】
例えば、前記電荷読出し手段は、前記所望の部分受光面に属する前記各受光部の蓄積電荷のみを前記垂直転送路におよび水平転送路を介して所定タイミング毎に連続して読み出す手段である。
【００３６】
また例えば、前記所望の部分受光面は、前記受光面全体の実質的に１／９の面積を有する。
【００３７】
さらに好適には、前記チップ構造は、制御信号に応答して前記各受光部の蓄積電荷を前記各部分受光面毎に前記基板に掃き出す構造、または、制御信号に応答して前記各受光部の蓄積電荷を前記各部分受光面毎に前記垂直転送路に転送する構造のいずれか一方である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３９】
第１の実施の形態
第１の実施の形態を図１〜図７を参照して説明する。
【００４０】
図１に示す高速度撮像装置は、エリアイメージセンサ１１と、このセンサ１１に接続された駆動回路１２および処理回路１３と、処理回路１３に接続されたモニタ１４とを備える。
【００４１】
エリアイメージセンサ１１は、対物レンジなどの光学系１１ａと、この光学系１１ａを介して受光面に入射する光を電荷信号に変換するＣＣＤ撮像素子１１ｂとを備える。このＣＣＤ撮像素子１１ｂは、例えば２相駆動方式で駆動されるようになっている。
【００４２】
ＣＣＤ撮像素子１１ｂは、半導体の薄膜積層技術によって、例えばｎ⁻基板上に形成した１チップのインターライン・トランスファ型（ＩＴ型：インターライン型とも呼ばれる）のＣＣＤ撮像素子から成る。図２に模式的に示すように、このＣＣＤ撮像素子１１ｂでは、かかる薄膜積層技術によって、複数の受光部（撮像部）２１…２１としてのフォトダイオードがｘｙ面の２次元的に配置される。なお、同図において、ｘ軸方向を横方向、ｙ軸方向を縦方向と便宜上呼びことにし、横方向の同一列の受光部をラインと呼ぶ。
【００４３】
縦方向の各列を成す受光部２１…２１に隣接して垂直転送路２２としてのレジスタが縦方向に形成され、全体として、受光部２１…２１と垂直転送路２２が縦方向に交互に並んで配置されている。垂直転送部２２…２２の縦方向の一方の端部には水平転送路２３としてのレジスタが薄膜積層技術により形成されている。垂直転送路２２…２２は水平転送路２３に繋がれ、電荷が渡されるようになっている。また、水平転送路２３に接続された出力アンプ２４も形成されている。
【００４４】
各受光部２１は、１フレームの画像を形成する画素信号の素になる電荷を生成する。つまり、各受光部２１には入射光量に対応した電荷が蓄積される。垂直転送路２２…２２および水平転送路２３には駆動回路から転送用の駆動信号が供給され、これより各受光部２１の蓄積電荷が転送路２２…２２、２３を介して読み出される。
【００４５】
図３には、ＣＣＤ撮像素子１１ｂの積層断面を部分的に示す。同図において、ｎ⁻基板とｐウエル層との間にパルス電圧（Ｖｓｕｂ）を印加することで、受光部２１で形成した電荷が不要なとき、この電荷を直接基板に掃き出し、転送路の電荷に影響を与えない状態で不要電荷をクリアする電子シャッタの機能を果たすようになっている。
【００４６】
本実施形態では、ＣＣＤ撮像素子１１ｂの受光部の２次元配列に関わる、例えばｐウエル層を図２に示す如く領域Ａと領域Ｂに電気的に分離することによって上記電子シャッタの機能を領域毎に行えるように分離している。ただし、垂直転送路２２により電荷垂直転送は領域Ａ，Ｂで一体として実行されるようになっている。
【００４７】
受光部２１…２１によって形成される受光面全体の内、例えば、縦方向および横方向共に全長の１／２を占める１／４の面積からなる領域Ａが部分受光面を形成している。この部分受光面は、図２に示すように、水平転送路２３側に最も接近した左下隅に位置している。残りの逆Ｌ字状の領域が領域Ｂとなる。領域Ａ、Ｂは互いに独立した電子シャッタ用端子を有し、この２つの端子にシャッタ用パルス信号ＳＨ−Ａ，Ｂを各別に供給する構成になっている。したがって、この２つのパルス信号ＳＨ−Ａ，ＳＨ−Ｂの供給タイミングを互いにずらすことで、領域Ａ，Ｂは互いに異なるタイミングで電子シャッタ機能を発揮し、各領域毎に、受光部の不要電荷を排出できるようになっている。
【００４８】
駆動回路１２は、上述した如く２相駆動方式でセンサ１１を駆動するに必要な駆動信号を出力する。これを実行するため、駆動回路１２は、基準となるタイミング信号（クロック）を発生するタイミング信号発生器１２ａと、タイミング信号から各種の駆動信号を生成し出力する駆動信号発生器１２ｂとを備える。駆動信号発生器１２ｂは、例えばタイミング信号の所定数を計測するカウンタおよびそのカウント値に応答してパルス信号（駆動信号）を発生するパルス発生器を複数組備えて構成される。
【００４９】
各種の駆動信号には、２つの電子シャッタ信号ＳＨ−Ａ，ＳＨ−Ｂ、全ての受光部２１…２１から垂直転送路２２に一度に電荷転送するための第１転送信号ＰＶ、電荷を垂直転送するための２相の第２転送信号Ｖ１，Ｖ２、および電荷を水平転送するための２相の第３転送信号Ｈ１，Ｈ２が含まれる。
【００５０】
処理回路１３は、波形整形（ノイズ除去）、補正回路などの信号処理回路を備えるとともに、画像表示のためのＡ／Ｄ変換器、フレームメモリ、Ｄ／Ａ変換器を備える。これにより、センサ１１から順次読み出される電荷信号が画像信号に処理され、モニタ１４に１フレームの画像として表示される。
【００５１】
続いて、本実施形態に係る高速度撮像装置の動作を、センサ１１の転送動作を中心にして説明する。なお、この動作説明に用いる図５〜７において、受光部および垂直転送路の図示を省略し、模式的に表している。
【００５２】
駆動回路１２は図４に例示するシーケンスで、上述した電子シャッタ信号ＳＨ−Ｂ、第１転送信号ＰＶ、第２転送信号Ｖ１，Ｖ２（極性１８０度異なる）、および第３転送信号Ｈ１，Ｈ２（位相差１８０度）をセンサ１１に出力する。
【００５３】
今度は引き続いて第１転送信号ＰＶがそれまでの論理Ｌから論理Ｈに所定時間の間立ち上がる。この立上がりに付勢され、ＣＣＤ撮像素子１１ｂの全受光部２１…２１の蓄積電荷が隣接する垂直転送路２２…２２に一度に転送される。このとき、領域Ｂの蓄積電荷はその直前の電子シャッタにより廃棄されているので、垂直転送路２２…２２に転送される電荷量は零または零と見做し得る量（以下、零と言う）である。これに対して、部分受光面として機能する１／４の面積の領域Ａについては、それまでの蓄積電荷が有効画素情報として垂直転送路２２…２２に一度に転送される（図５参照）。
【００５４】
この後、時刻ｔ３で２相方式の第２転送信号Ｖ１，Ｖ２が論理Ｈに立ち上がる（立ち下がる）。これに付勢して図６に示すように最初の垂直転送が実行される。すなわち、横方向同一ラインと交差する垂直転送路２２…２２に在る電荷が全て１ライン分ずつ水平転送路２３側に垂直転送される。これにより、水平転送路２３の直前に在る１ライン目の電荷が水平転送路２３に転送される（図６の状態参照）。このとき、領域Ｂに位置していた最終ラインの電荷は零であるから、水平転送路２３に実質的に転送される電荷は領域Ａに属していたライン分であり、その画素数は１ラインの１／２の画素数分である。
【００５５】
この後、時刻ｔ４から微小一定時間毎に第３転送信号Ｈ１，Ｈ２が、１ラインの１／２の画素数分だけ繰り返して論理Ｈに立ち上がる。この第３転送信号Ｈ１，Ｈ２の内の微小パルスの１対により１画素分の電荷が水平転送路２３を出力アンプ側に転送され、転送路端の電荷から順次読み出される。この読出しは水平転送路２３に転送された半数の電荷が順次転送された時刻ｔ５で終了する。つまり、水平転送時間は半分に短縮される。
【００５６】
この後、時刻ｔ６になると、第２回目の垂直転送を行うべく第２転送信号Ｖ１，Ｖ２が立ち上がる（立ち下がる）。これに呼応して、受光部２１…２１全体の電荷が１ライン分だけ水平転送路側に転送される。今度は、水平転送路２３の直前に在った、下から２列目のラインの電荷が水平転送路２３に入る。この後、１列目のときと同様に時刻ｔ７から微小一定時間毎に第３転送信号Ｈ１，Ｈ２が、１ラインの１／２の画素数分だけ繰り返して論理Ｈに立ち上がる。このため、１ライン目と同様に水平転送がなされる。このときの水平転送も領域Ａの電荷にのみ実施され、その転送時間は１ライン分のそれの半分である。
【００５７】
以下、第２転送信号および第３転送信号が同様に繰り返して供給され、３列目から縦方向の半分の列までのライン分の垂直および水平転送が実施される。
【００５８】
そして、図７に示す如く、領域Ａの最上列のライン分の垂直および水平転送が終了すると、それ以後の垂直転送は中止され、再び、領域Ｂに対する電子シャッタ信号ＳＨ−Ｂが立ち上がる。つまり、縦方向においても、領域Ａに相当する受光部による蓄積電荷の読出しが終わると、それ以後の読出しは行わずに、直ちに２フレーム目の電荷読出しを開始する。これは、領域Ｂの受光部の蓄積電荷が電荷読出し直前に弟電子シャッタにより廃棄されているために可能である。したがって、縦方向の読出し時間も、縦方向全部の読出しを行う場合に比べて、領域Ｂの読出しを行わない分、１／２に短縮される。
【００５９】
このようにして読み出された各フレーム（画面）分の電荷は処理回路１３を経て、例えばスローモーション再生によりモニタ１４に表示される。
【００６０】
本実施形態によれば以上のように、標準テレビ用として家庭用、業務用に用いられている汎用ＣＣＤ撮像素子であっても、部分的な領域毎にタイミング制御可能な電子シャッタ機能をＣＣＤ素子に付加すること、および、所望領域のみを読み出す電子シャッタ機能をベースにした制御手段を設けることにより、部分受光面として機能させる領域Ａのみの電荷をセンサ１１から読み出すことができ、部分読出しを好適に実施できる。別の見方をすれば、センサ１１全体があたかも画素数の少ないセンサであると見做すことも可能な部分読出しを行うことができる。これにより、１画面当たりの記録画素数を減らすことができ、この画素数減少割合に応じた分、撮像速度を向上させることができる。従来のように記録画素数を減らした割には、すなわち画像の解像度を犠牲にして高速撮像度を上げようとした割りには撮像速度が上昇しないといった不満を解消できる。
【００６１】
また、光学マスクを設けることなく上述した部分読出しを行うことができるから、光の回折現象の影響とは無縁であり、その分、前述した画像のぼけも回避できる。
【００６２】
なお、上述した領域Ａのサイズや位置を受光面全体のどこに位置させるは任意に決められる。しかし、本実施形態の特性から、領域Ａが水平転送路に隣接して設定されている場合の方が、上述した転送速度短縮の効果は最も効率が良い。
【００６３】
また上述した領域Ａの数を２個、例えば図８に示す如く設定しておいて、前述した部分読出しを領域Ａ１のみに効かせるか、または、領域Ａ１＋Ａ２に同時に効かせるかを、駆動回路１２のスイッチ１２ｃ（図１参照）により選択可能にし、前述と同様に部分読出しを行うこともできる。例えば領域Ｂの電子シャッタ用信号ＳＨ−Ｂと領域Ａ１，Ａ２の個別の電子シャッタ用信号ＳＨ−Ａ１，ＳＨ−Ａ２とのタイミングを区別し、前述した部分読出しのための電子シャッタを領域Ｂのみに効かせると、領域Ａ１＋Ａｎが部分読出し領域となる。また、領域Ｂの電子シャッタ用信号ＳＨ−Ｂおよび領域Ａ２の電子シャッタ用信号ＳＨ−Ａ２と領域Ａ１の電子シャッタ用信号ＳＨ−Ａ１とのタイミングを区別し、前述した部分読出しのための電子シャッタを領域ＢおよびＡ２のみに効かせると、領域Ａ１が部分読出し領域となる。これにより、同一センサでありながら、用途に応じて、部分読出しのサイズおよび位置を自動的に選択でき、撮像速度も自動的に選択可能になる。
【００６４】
第２の実施形態
第２の実施の形態を図９〜図１３を参照して説明する。第２の実施形態に係る高速度撮像装置は、第１の実施形態と同様の部分読出しを、受光部から垂直転送路への電荷転送を領域毎に制御する方式により行うものである。なお、この第２の実施形態において、第１の実施形態の構成要素と同一または同等のものには同一符号を用い、その説明を省略または簡略化する。
【００６５】
第２の実施形態の高速度撮像装置の全体構成は図１のものと同一である。エリアイメージセンサ１１が備えるＣＣＤ撮像素子１１ｂは、その受光面全体が例えば図９に模式的に示す如く、領域Ａ、Ｂに分割される。この領域Ａ、Ｂの分割の仕方は、一例としては、第１の実施形態と同一である。
【００６６】
ただし、この第２の実施形態の場合、領域Ａ，Ｂは同一タイミングの電子シャッタ用信号を受ける。さらに、受光部２１から垂直転送路への電荷転送を制御する第１転送信号ＰＶは領域Ａ，Ｂについて２個用意され、一方の第１転送信号ＰＶ−Ａが領域Ａに、もう一方の第１転送信号ＰＶ−Ｂが領域Ｂに供給される。
【００６７】
ＣＣＤ撮像素子１１ｂは、領域Ａ、Ｂの別に対応して、薄膜積層構造の内の例えば転送ゲート領域が分離・独立して形成されている。このため、第１転送信号ＰＶ−Ａ、ＰＶ−Ｂの供給タイミング（論理Ｈへの立上げタイミング）を互いに変えることで、受光部２１…２１から垂直転送路２２への電荷転送のタイミングを領域Ａ，Ｂ間で異ならせることができる。ただし、電子シャッタ、垂直転送、および水平転送の構成および機能は、領域Ａ，Ｂ共に同じである。
【００６８】
駆動回路１２の駆動信号発生器１２ｂは、クロック信号に基づき、共通の１つの電子シャッタ用信号ＳＨ、２個の第１転送信号ＰＶ−Ａ，ＰＶ−Ｂ、１対の第２転送信号Ｖ１，Ｖ２、および１対の第３転送信号Ｈ１，Ｈ２を生成するようになっている。
【００６９】
そのほかの構成は第１の実施形態のときと同様である。
【００７０】
続いて、本実施形態に係る高速度撮像装置の動作を、センサ１１の転送動作を中心にして説明する。なお、この動作説明に用いる図１１〜１３において、受光部および垂直転送路の図示を省略し、模式的に表している。
【００７１】
駆動回路１２は図１０に例示するシーケンスで、上述した第１転送信号ＰＶ−Ａ，ＰＶ−Ｂ、第２転送信号Ｖ１，Ｖ２、および第３転送信号Ｈ１，Ｈ２をセンサ１１に出力する。
【００７２】
最初に、露光時間を制御する時刻ｔ１で、領域Ａ，Ｂに共に供給する電子シャッタ用信号ＳＨがそれまでの論理Ｌから論理Ｈに所定時間の間立ち上がる。この立上がりに付勢され、ＣＣＤ撮像素子１１ｂの領域Ａ，Ｂに属する受光部２１…２１の蓄積電荷が排出（破棄）され、その電荷がクリアされた状態になる。これにより、露光時間制御のための電子シャッタ機能が達成される。
【００７３】
この電子シャッタ動作が終了して所定時間経過した時刻ｔ２になると、一方の第１転送信号ＰＶ−Ａがそれまでの論理Ｌから論理Ｈに所定時間の間立ち上がる。この立上がりに付勢され、領域Ａに属する受光部２１…２１の蓄積電荷が隣接する垂直転送路２２…２２に一度に転送される。しかし、もう一方の第１転送信号ＰＶ−Ｂは論理Ｈに立ち上がらないから、領域Ｂの受光部の蓄積電荷は垂直転送路２２に転送されない。すなわち、領域Ｂの受光部の蓄積電荷は転送禁止の状態にある。これにより、部分受光面として機能する１／４の面積の領域Ａについては、それまでの蓄積電荷が有効画素情報として垂直転送路２２…２２に一度に転送される（図１１参照）。
【００７４】
この後、時刻ｔ３で２相方式の第２転送信号Ｖ１，Ｖ２が論理Ｈに立ち上がる（立ち下がる）。これに付勢して図１２に示すように最初の垂直転送が実行される。すなわち、横方向同一ラインと交差する垂直転送路２２…２２に在る電荷が全て１ライン分ずつ水平転送路２３側に垂直転送される。これにより、水平転送路２３の直前に在る１ライン目の電荷が水平転送路２３に転送される（図１２の状態参照）。このとき、領域Ｂに位置していた最終ラインの電荷は転送されていないから、水平転送路２３上の有効画素情報としての電荷は領域Ａに属していたライン分であり、その画素数は１ラインの１／２の画素数分である。
【００７５】
この後、時刻ｔ４から微小一定時間毎に第３転送信号Ｈ１，Ｈ２が、１ラインの１／２の画素数分だけ繰り返して論理Ｈに立ち上がる。この第３転送信号Ｈ１，Ｈ２の内の微小パルスの１対により１画素分の電荷が水平転送路２３を出力アンプ側に転送され、転送路端の電荷から順次読み出される。この読出しは水平転送路２３の半数の電荷が順次転送された時刻ｔ５で終了する。つまり、水平転送時間は半分に短縮される。
【００７６】
この後、時刻ｔ６になると、第２回目の垂直転送を行うべく第２転送信号Ｖ１，Ｖ２が立ち上がる（立ち下がる）。これに呼応して、受光部２１…２１全体の電荷が１ライン分だけ水平転送路側に転送される。今度は、水平転送路２３の直前に在った、下から２列目のラインの電荷が水平転送路２３に入る。この後、１列目のときと同様に時刻ｔ７から微小一定時間毎に第３転送信号Ｈ１，Ｈ２が、１ラインの１／２の画素数分だけ繰り返して論理Ｈに立ち上がる。このため、１ライン目と同様に水平転送が実行される。このときの水平転送も領域Ａの電荷、すなわち有効画素情報に対してのみ実施され、その転送時間は１ライン分のそれの半分である。
【００７７】
以下、第２転送信号および第３転送信号が同様に繰り返して供給され、３列目から縦方向の半分の列までのライン分の垂直および水平転送が実施される。
【００７８】
そして、図１３に示す如く、領域Ａの最上列のライン分の垂直および水平転送が終了すると、それ以後の垂直転送は中止され、再び、露光時間制御の電子シャッタ信号ＳＨが立ち上がる。つまり、縦方向においても、領域Ａに相当する受光部による蓄積電荷の読出しが終わると、それ以後の読出しは行わずに、直ちに２フレーム目の電荷読出しの準備に移行する。これは、領域Ｂの受光部の蓄積電荷の転送が禁止されているために可能になっている。したがって、縦方向の読出し時間も、縦方向全部の読出しを行う場合に比べて、領域Ｂの読出しを行わない分、１／２に短縮される。
【００７９】
このように本実施形態によっても、第１の実施形態のときと同様の部分読出しを行うことができ、同等の作用効果を得ることができるとともに、本発明に係る装置を設計するときの設計自由度の豊富化を図ることができる。
【００８０】
なお、この第２の実施形態においても、上述した領域Ａのサイズや位置は任意に決められる。しかし、領域Ａが水平転送路に隣接して設定されている場合の方が、上述した転送速度短縮の効果は最も効率が良い。また、上述した領域Ａの数を２個、例えば前述した図８に示す如く設定し、かつこの領域それぞれに独立した第１転送信号ＰＶ−Ａ１、ＰＶ−Ａ２を設定しておいて、前述した部分読出しを領域Ａ１のみに効かせるか、または、領域Ａ１＋Ａ２に同時に効かせるかを、駆動回路１２のスイッチ１２ｃ（図１参照）により選択可能にし、前述と同様に部分読出しを行うこともできる。
【００８１】
第３の実施形態
第３の実施の形態を図１４〜図１７を参照して説明する。第３の実施形態に係る高速度撮像装置は、第１、２の実施形態と同様の部分読出しを、画面中央の領域について行うものである。
【００８２】
第３の実施形態の高速度撮像装置の全体構成は図１のものと同一である。エリアイメージセンサ１１が備えるＣＣＤ撮像素子１１ｂには、図１４に模式的に示す如く、一例として、その受光面全体の１／９の面積（縦方向および横方向の長さはそれぞれ、それらの全長の１／３）の中央部分を領域Ａとし、その周りを領域Ｂとして設定してある。この中央の領域Ａについては、前述した第１の実施形態と同様に領域Ｂとは異なる電子シャッタタイミングを与えることが可能な構造、または、第２の実施形態と同様に領域Ｂの蓄積電荷の転送を禁止する構造のいずれかが採用されている。
【００８３】
このため、図１４に示す如く、中央の領域Ａに有効画素情報として電荷が蓄積した状態が達成された後、第１転送信号および第２転送信号を供給する。これにより、領域Ａの最初のフレーム分の蓄積電荷がその中央部の位置からそっくり転送されて抜け出し、かつ、未だ受光面には存在する状態が得られる（図１５のＡ１参照）。この状態が得られると、次のタイミングで第１の転送信号が供給される。このため、中央の領域Ａ内において、次のフレーム分の蓄積電荷が一度に垂直転送路に転送される（図１５のＡ２参照）。つまり、領域Ａからは、フレーム間に中断期間を挟むことなく、蓄積電荷が転送されてくる。なお、この一連の転送動作において、領域Ｂの蓄積電荷は電子シャッタ機能または転送禁止機能によって有効な画素情報を供しないものであるから、以下の読出しにおいても無視される。
【００８４】
図１５の転送状態になった後、最初のフレーム分の蓄積電荷Ａ１は、その後の第２、第３転送信号の供給によって、ライン毎に水平転送路２３に転送され、さらに水平転送される。図１６の時刻ｔ_ｈ１〜ｔ_ｈ５はこの様子を経時的にかつ模式的に示す。
【００８５】
つまり、蓄積電荷Ａ１の最初のラインの電荷ＡＬ１がまず、最初の垂直転送により水平転送路２３に転送される（時刻ｔ_ｈ１参照）。次いで、この電荷ＡＬ１が第３転送信号の供給に呼応して有効画素分だけ水平転送される（時刻ｔ_ｈ２参照）。次いで、第２転送信号に基づく２回目の垂直転送により２ライン目の電荷ＡＬ２が水平転送路２３に転送される（時刻ｔ_ｈ３参照）。これにより、水平転送路２３を２ライン分（有効画素）の電荷ＡＬ１，ＡＬ２が同時にかつ連続的に移動する状態が得られる。次いで、第３転送信号を所定数供給することで、電荷ＡＬ１，ＡＬ２が水平転送路２３を移動し、最初の電荷ＡＬ１が読み出される（時刻ｔ_ｈ４参照）。さらに、３回目の垂直転送により３ライン目の電荷ＡＬ３が水平転送路２３に転送される。以下、同様の繰り返しにより、最初のフレームの蓄積電荷Ａ１（有効画素データ）が連続的に読み出される。
【００８６】
この最初のフレームの蓄積電荷Ａ１の読出しと並行して、２フレーム目の蓄積電荷Ａ２も第２転送信号に同期して１ラインずつ垂直転送されてきている。このため、最初のフレームの蓄積電荷Ａ１における最終ラインの電荷の水平転送路への転送が終わると、次の第２転送信号に同期して、２フレーム目の蓄積電荷Ａ２における最初のラインの電荷の水平転送路への転送が行われる。さらに、２フレームの蓄積電荷Ａ２全部が中央部の領域Ａから出ると、その次の第１転送信号に応答して、３フレーム目の蓄積電荷が垂直転送路に一斉に転送されてくる。
【００８７】
このように、本実施形態によれば、所望の部分読出しの領域が全受光面の中央部に設定された場合でも、電子シャッタ機能または転送禁止機能に基づいて行うことができる。そして、従来のような蓄積電荷の空読出しを行うことなく、有効画素情報としての所望領域の蓄積電荷のみを連続的に短時間で読み出すことができる。このため、あたかも画素数の少ないセンサであるが如くの高速度撮影を行ってスローモーション再生が可能になる。しかも、部分読出しの所望領域を受光面の中央部に設定してあるので、画面全体に対して画像の中心がずれることがないという優れた利点が得られる。
【００８８】
なお、本発明に係るＣＣＤ撮像素子は、上述した実施形態で説明した素子のように、読出し用水平転送路が受光面の片側に１本在る構成のものに限定されるものではない。例えば、図１７に例示するように、とくに高速読出し型として用いられる、水平転送路を片側に並列に複数本配した構成の素子や、図１８に示すように、水平転送路を受光面の両サイドに分割して１本ずつまたは複数本ずつ配置する構成の素子を用いて本発明を実施し、高速撮像度をさらに向上させるようにしてもよい。
【００８９】
また、本発明に用いる撮像素子はフレーム・インターライン・トランスファ型ＣＣＤであってもよい。
【００９０】
本発明は、前述した実施形態およびその変形例に記載のものに限定されることなく、請求項記載の発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変形可能である。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる高速度撮像装置は、固体撮像素子（ＣＣＤ）に、受光面を複数の部分受光面に分割し且つ受光部それぞれの蓄積電荷の処理を各部分受光面毎に制御可能なチップ構造を形成するとともに、複数の部分受光面の内、所望の部分受光面に属する各受光部の蓄積電荷のみを転送路を介して選択的に読み出す手段を備えたことから、従来のような光学マスクを利用することなく、固体撮像素子の部分読出しを実施できる。
【００９２】
従来、固体撮像素子のような電荷転送デバイスは、読出し画素数を減少させた部分読出しを行なう場合、不要領域の受光部からの蓄積電荷（画素情報）が転送路に残っていた。このため、この残っている蓄積電荷を掃き出して（読み出して）からでないと、次の読出しができなかった。この掃き出しのための空読出し期間に因って画素数の減少に見合ったフレームレートの高速化が困難な状況が放置されていた。
【００９３】
しかしながら、本発明によれば、上述したように光学的マスクの設置を必要とせず、さらに空読出し期間を設定する必要もない。これによって、光の回折現象の影響に因る画像ぼけを排除でき、かつ、部分読出しに供した画素数減に見合った高速の撮像速度を得ることができ、画素数の少ないセンサと同等の高速読出しを実現した高速度撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る高速度撮像装置の構成例を示す概略ブロック図。
【図２】第１の実施形態における素子構成および部分読出しの領域設定を模式的に示す図。
【図３】電子シャッタ機能を説明するために示したＣＣＤ断面の一例を示す図。
【図４】第１の実施形態における部分読出し制御の概略を示すタイミングチャート。
【図５】第１の実施形態における部分読出しの一過程を示す図。
【図６】第１の実施形態における部分読出しの一過程を示す図。
【図７】第１の実施形態における部分読出しの一過程を示す図。
【図８】受光面に設定する領域の変形例を示す図。
【図９】第２の実施形態における素子構成および部分読出しの領域設定を模式的に示す図。
【図１０】第２の実施形態における部分読出し制御の概略を示すタイミングチャート。
【図１１】第２の実施形態における部分読出しの一過程を示す図。
【図１２】第２の実施形態における部分読出しの一過程を示す図。
【図１３】第２の実施形態における部分読出しの一過程を示す図。
【図１４】第３の実施形態における部分読出しの一過程を示す図。
【図１５】第３の実施形態における部分読出しの一過程を示す図。
【図１６】第３の実施形態における部分読出しの過程を示す図。
【図１７】本発明を適用できるＣＣＤ撮像素子の別の例を示す図。
【図１８】本発明を適用できるＣＣＤ撮像素子のさらに別の例を示す図。
【図１９】従来技術を説明する図。
【図２０】従来技術を説明する図。
【図２１】従来技術を説明する図。
【図２２】従来技術を説明する図。
【図２３】従来技術を説明する図。
【図２４】従来技術を説明する図。
【図２５】従来技術を説明する図。
【符号の説明】
１１エリアイメージセンサ
１１ｂＣＣＤ撮像素子
１２駆動回路
１２ｂ駆動信号発生器
１３処理回路
１４モニタ
２１受光部
２２垂直転送路
２３水平転送路
Ａ領域（部分受光面）
Ｂ領域（部分受光面）

Claims

光信号を電荷に変換して蓄積する２次元配列の複数の受光部が呈する受光面と、前記複数の受光部それぞれの蓄積電荷を読み出す転送路とを基板上に１チップ構造として形成した固体撮像素子（ＣＣＤ）を備えた高速度撮像装置において、
前記固体撮像素子に、前記受光面を複数の部分受光面に分割し且つ前記受光部それぞれの蓄積電荷の処理を前記各部分受光面毎に制御可能なチップ構造を形成するとともに、
前記複数の部分受光面の内、所望の部分受光面に属する前記各受光部の蓄積電荷のみを前記転送路を介して選択的に読み出す電荷読出し手段を備え、
前記チップ構造は、制御信号に応答して前記各受光部の蓄積電荷を前記各部分受光面毎に前記基板に掃き出す構造である、
ことを特徴とする高速度撮像装置。
請求項１記載の発明において、
前記転送路は、前記２次元配列の垂直方向に沿ってかつ前記各受光部に隣接して形成された複数本の垂直転送路と、前記２次元配列の一端側においてその水平方向に沿ってかつ前記複数本の垂直転送路に結合して形成された１本の水平転送路とを備え、
前記所望の部分受光面は、前記受光面全体における前記水平転送路側の端部から広がる部分受光面である高速度撮像装置。
請求項２記載の発明において、
前記所望の部分受光面は、前記受光面全体の実質的に１／４の面積を有する高速度撮像装置。
請求項１記載の発明において、
前記チップ構造は、前記固体撮像素子に形成したオーバフロードレイン構造を前記各部分受光面に対応して分離した構造であって、この分離したオーバフロードレイン構造それぞれの基板とウエル部との間に印加する電圧のオン・タイミングを異ならせる構造である高速度撮像装置。
請求項１記載の発明において、
前記電荷読出し手段は、前記所望の部分受光面以外の残りの部分受光面に属する前記各受光部の蓄積電荷を前記基板に掃き出させる前記制御信号を出力する第１の手段と、その基板への蓄積電荷掃き出しの後に、前記所望の部分受光面に属する水平方向ライン上に位置する前記各受光部のみの蓄積電荷を前記垂直転送路および水平転送路を介して読み出す第２の手段とを備えた高速度撮像装置。
請求項１記載の発明において、
前記転送路は、前記２次元配列の垂直方向に沿ってかつ前記各受光部に隣接して形成された複数本の垂直転送路と、前記２次元配列の一端側においてその水平方向に沿ってかつ前記複数本の垂直転送路に結合して形成された１本の水平転送路とを備え、
前記所望の部分受光面は、前記受光面全体の中央部に設定されている高速度撮像装置。
請求項６記載の発明において、
前記電荷読出し手段は、前記所望の部分受光面に属する前記各受光部の蓄積電荷のみを前記垂直転送路におよび水平転送路を介して所定タイミング毎に連続して読み出す手段である高速度撮像装置。
請求項７記載の発明において、
前記所望の部分受光面は、前記受光面全体の実質的に１／９の面積を有する高速度撮像装置。