JP3846707B2 - 固体撮像装置の駆動方法およびカメラ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置の駆動方法およびカメラに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラはその小型、軽量などの使い易さと高画質化により成長を続けている。その中でもカメラの高機能化に対する要望が高まっており、新しい機能が実現できる固体撮像装置の駆動方法が差別化のキーポイントとなっている。
【0003】
以下、固体撮像装置を用いたカメラの概略図を用いて従来の固体撮像装置の駆動方法について説明する。
【0004】
図3に固体撮像装置を用いたカメラの概略構成を示す。図3において、1は固体撮像装置、2は駆動信号発生回路、3は垂直ドライバ、4は相関二重サンプリング回路、5は前処理回路、6はADコンバータ、7はデジタル映像信号処理回路、8は制御装置、9は光学部をそれぞれ示す。
【0005】
光学部9は入射する光信号を機械的に遮断するメカニカルシャッタ機構を持つレンズで構成されており、固体撮像装置1の受光領域内に光信号を集光させ結像させる。固体撮像装置1は駆動信号発生回路2から出力するφH1,φH2及びφRからなる水平転送信号及び垂直ドライバ3によりパルス電圧をレベルシフトされたφV1a,φV1b,φV2,φV3a,φV3b及びφV4の垂直転送信号などの駆動信号により駆動され、固体撮像装置出力信号を出力する。φSubは光電変換素子に蓄積される電荷を基板方向へ排出する不要電荷排出信号である。また、駆動信号発生回路2から垂直ドライバ3へ出力されるV1,2,3,4は垂直転送信号、CH1,2,3,4は電荷読み出し信号であり、垂直ドライバ3により極性を反転され、かつパルス電圧をレベルシフトされる。このとき、φV1aがV1とCH3、φV1bがV1とCH1,φV2がV2、φV3aがV3とCH4、φV3bがV3とCH2、φV4がV4という組み合わせによってドライブされる。また、駆動信号発生回路2から出力されるSubは不要電荷排出信号であり、垂直ドライバ3により極性を反転され、かつパルス電圧をレベルシフトされてφSubの不要電荷排出信号として出力される。以上のように、駆動信号発生回路2から出力される信号(V1,2,3,4、CH1,2,3,4およびはSub)はロジックレベル(例えば3.3V)であるので、垂直ドライバ3により高電圧にレベルシフトされる。なお、φH1,φH2及びφRは直接駆動可能な信号である。
【0006】
ここで固体撮像装置1の概略構成を図4に示しておく。図4において、41は光電変換部を構成する光電変換素子であるフォトダイオード、42は垂直転送信号により駆動され、フォトダイオード41に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する垂直CCD(垂直転送部)、43は水平転送信号により駆動され、垂直CCD42から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平CCD(水平転送部)、44は水平CCD43から転送されてきた信号電荷を電圧または電流に変換して固体撮像装置出力信号を出力する信号電荷検出出力部である。
【0007】
相関二重サンプリング回路4では入力した固体撮像装置出力信号に含まれるリセットノイズを駆動信号発生回路2から出力する相関二重サンプリング回路用サンプリング信号により低減させ、差動増幅回路によって正論理に極性を反転させて出力する。前処理回路5では入力した相関二重サンプリング回路出力信号のゲイン及び出力DCレベルを設定して出力する。ADコンバータ6では入力した前処理回路出力信号を駆動信号発生回路2から出力するADコンバータ用サンプリング信号によりサンプリングしてデジタル信号化する。最後にデジタル映像信号処理回路7ではこのデジタル信号化された固体撮像装置出力信号を輝度信号処理及び色信号処理などの信号処理した後、映像信号として出力する。制御装置8は、駆動信号発生回路2から出力される固体撮像装置1の駆動信号のタイミング制御、光学部9を構成するメカニカルシャッタの開閉シーケンスのタイミング制御を行う。
【0008】
次に、以上のように構成された固体撮像装置を用いたカメラのカメラシーケンスについて説明する。
【0009】
図5に従来の固体撮像装置を用いたカメラの駆動信号タイミング及びカメラシーケンスの概略を示す。
【0010】
ここでは例として、φV1a,φV1b,φV2,φV3a,φV3b及びφV4の垂直転送信号により駆動される垂直4相転送方式でインターレーススキャン方式の固体撮像装置について説明する。すなわち、図4において、垂直CCD42のV1a,V1b,V2,V3a,V3b,V4の部分は、それぞれφV1a,φV1b,φV2,φV3a,φV3b,φV4の垂直転送信号により駆動される。
【0011】
図5において、VDは制御装置8から出力される駆動信号タイミング及びカメラシーケンスの同期信号となる垂直同期信号、φV1a,φV1b,φV2,φV3a,φV3b及びφV4は駆動信号発生回路2から出力される固体撮像装置1を駆動する垂直転送信号であり、φV1a,φV1b,φV3a及びφV3bは光電変換素子(フォトダイオード41)に蓄積された信号電荷を垂直転送部へ読み出す電荷読み出し信号を重畳している。φSubは駆動信号発生回路2から出力される固体撮像装置1を構成する光電変換素子に蓄積される電荷を基板方向へ排出し光電変換素子の蓄積時間を制御する不要電荷排出信号、MSは制御装置8から出力される光学部9のメカニカルシャッタの開閉を制御するメカニカルシャッタ信号をそれぞれ示す。CCDoutは固体撮像装置1から出力される固体撮像装置出力信号で信号が大きくなる程、マイナス方向へ大きくなる負論理出力である。
【0012】
図5に示す通り、固体撮像装置を用いたカメラのカメラシーケンスは、制御装置8から出力される垂直同期信号VDを同期信号として、固体撮像装置1を構成する光電変換素子の電気信号を垂直方向にライン間引きして出力し、フレームレートを上げることにより簡易動画を実現する駆動方法である倍速モニタモードと、固体撮像装置1を構成する光電変換素子の電気信号を全ライン出力し、1フレームの静止画を実現する駆動方法であるフレームモードの組み合わせにより動作している。
【0013】
次に、倍速モニタモード駆動時及びフレームモード駆動時の固体撮像装置を構成する光電変換素子に蓄積される電荷の蓄積時間について説明する。
【0014】
第1に、倍速モニタモードでの固体撮像装置を構成する光電変換素子に蓄積される電荷の蓄積時間について説明する。なお、倍速モニタモード時には、φV1a,φV3aに重畳された電荷読み出し信号によって、図4では、4,9,14の番号が付されたフォトダイオード41の信号電荷が読み出される。
【0015】
図5に示すA,B,D,E,F,G,H,Iの期間が倍速モニタモードにおける電荷蓄積時間である。基本的には垂直同期信号VDの周期が蓄積時間であるが、光電変換素子に蓄積される電荷を基板方向へ排出する不要電荷排出信号φSubを固体撮像装置に入力することにより、電荷蓄積時間を制御することが可能である。つまり、垂直同期信号期間内で不要電荷排出信号φSubの固体撮像装置への入力が終了した時刻から垂直転送信号φV1a及びφV3aの電荷読み出し信号により光電変換素子に蓄積される電荷が読み出されるまでの時間が倍速モニタモード時の電荷蓄積時間となる。
【0016】
第2に、フレームモードでの固体撮像装置を構成する光電変換素子に蓄積される電荷の蓄積時間について説明する。
【0017】
図5に示すCの期間がフレームモードにおける電荷蓄積時間である。基本的には倍速モニタモードと同様で、垂直同期信号期間内で不要電荷排出信号φSubの固体撮像装置への入力が終了した時刻から垂直転送信号φV1a,φV1b,φV3a及びφV3bの電荷読み出し信号により光電変換素子に蓄積される電荷が読み出されるまでの時間がフレームモードの蓄積時間となる。しかしながら、奇数フィールドと偶数フィールドの2つのフィールドから1フレームを構成するインターレーススキャン方式のCCDでは、奇数フィールドと偶数フィールドとも同一時刻の信号を得るために、固体撮像装置を構成する光電変換素子へ入射する光信号を機械的に遮断するメカニカルシャッタを用いることが一般的となっている。従って、垂直同期信号期間内で不要電荷排出信号φSubの固体撮像装置への入力が終了した時刻から、制御装置から出力される光学部のメカニカルシャッタの開閉を制御するメカニカルシャッタ信号MSによりメカニカルシャッタが閉じるまでの時間(電子シャッタとレンズクローズにより設定される時間)、すなわちCがフレームモード時の電荷蓄積時間となる。
【0018】
次に、図5を用いて、フレームモード駆動時の固体撮像装置の駆動方法について説明する。
【0019】
固体撮像装置を用いたカメラの駆動信号タイミング及びカメラシーケンスは、奇数フィールドに対応する光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して出力する奇数フィールドと、偶数フィールドに対応する光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して出力する偶数フィールドの2フィールドにより1フレームを構成しており、第1フィールドで奇数フィールド動作を、第2フィールドで偶数フィールド動作を順次行っている。ここで、図4において、奇数フィールドに対応する光電変換素子は、1,3,5・・・の奇数の番号が付されたフォトダイオード41であり、偶数フィールドに対応する光電変換素子は、2,4,6・・・の偶数の番号が付されたフォトダイオード41である。
【0020】
はじめに、奇数フィールド動作について説明する。
【0021】
図5のaに示す不要電荷排出期間において、1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時における通常垂直転送信号の約2倍の周波数である高速転送信号を複数水平期間に渡って固体撮像装置に印加して、短時間で垂直転送段数以上の垂直転送動作を行うことで、垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア信号などの不要電荷を水平転送部へ掃き出した後に、不要電荷排出信号φSubの停止位置からメカニカルシャッタ信号MSによりレンズが機構的に遮断されるまでの蓄積時間C内に光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直転送信号φV1a及びφV1bに重畳する電荷読み出し信号により垂直転送部へ読み出す。読み出された信号電荷は1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時の通常垂直転送信号により水平転送部側へ順次転送され、固体撮像装置出力として出力される。
【0022】
次に、偶数フィールド動作について説明する。
【0023】
奇数フィールド動作と同様に、図5のbに示す不要電荷排出期間において、1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時における通常垂直転送信号の約2倍周波数である高速転送信号を複数水平期間に渡って固体撮像装置に印加して、短時間で垂直転送段数以上の垂直転送動作を行うことで、垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア信号などの不要電荷を水平転送部へ掃き出した後に、不要電荷排出信号φSubの停止位置からメカニカルシャッタ信号MSによりレンズが機構的に遮断されるまでの蓄積時間C内に光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直転送信号φV3a及びφV3bに重畳する電荷読み出し信号により垂直転送部へ読み出す。読み出された信号電荷は1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時の通常垂直転送信号により水平転送部側へ順次転送され、固体撮像装置出力として出力される。
【0024】
出力された奇数フィールドの固体撮像装置出力信号と偶数フィールドの固体撮像装置出力信号は、図3に示す固体撮像装置を用いたカメラを構成するデジタル映像信号処理回路7内の記憶装置におけるライン間処理によって、1フレームの画像データとして加工された後、映像信号処理を施されて、映像信号として出力される。
【0025】
この様に、垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア信号などの不要電荷を水平転送部へ掃き出した後に、垂直転送部へ光電変換素子に蓄積した信号電荷を読み出すことで、固体撮像装置出力信号に含まれる垂直転送部の暗電流成分やスミア信号などの不要電荷を低減させ、高SNで高品質な画像を実現している。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成では、光電変換素子に比較的大きな信号電荷が蓄積されている場合、高速で繰り返される高速垂直転送信号が固体撮像装置の基板電位を揺るがすことで光電変換素子に蓄積された信号電荷を基板方向へ掃き出し、その結果、飽和信号と呼ばれる光電変換素子に蓄積される信号電荷の絶対量が低下する不具合が発生している。
【0027】
同様な原因で、第一に読み出される奇数フィールドの固体撮像装置出力信号に対し、第二に読み出される偶数フィールドの固体撮像装置出力信号が低下することによるラインクロールの発生で画質が劣化する不具合が発生している。
【0028】
本発明は、上記問題点に鑑み、光電変換素子の飽和信号を低下させることなく、固体撮像装置の出力信号に含まれる垂直転送部の暗電流成分やスミア信号などの不要電荷を低減可能とし、高SNで高品質な画像を得ることを可能にする固体撮像装置の駆動方法およびカメラを提供することを目的とする。
【0029】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1記載の固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配置された複数の光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して行方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送されてきた信号電荷を列方向に転送する水平転送部と、水平転送部から転送されてきた信号電荷を信号電圧または電流に変換して出力する信号電荷検出出力部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、露光期間において電子シャッタとレンズクローズにより設定される電荷蓄積時間の露光を行った後、偶数フィールドとともにフレームを構成する奇数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷を読み出して垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力する第1のフィールド期間と、偶数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷を読み出して垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力する第2のフィールド期間と、露光期間と同じ電荷蓄積時間の露光を行う第3のフィールド期間と、光電変換素子の信号電荷を読み出すことなく第3のフィールド期間後に垂直転送部に存在する不要電荷を垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力する第4のフィールド期間および第5のフィールド期間とを有することを特徴とする。
【0030】
この請求項1記載の駆動方法によれば、従来のように光電変換素子の信号電荷の読み出し前に高速垂直転送により垂直転送部に存在する不要電荷の水平転送部への掃き出しを行わないため、光電変換素子の飽和信号を低下させることがない。第1のフィールド期間では奇数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷と垂直転送部に存在する不要電荷とが合わせて出力され、第4のフィールド期間では奇数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷は出力されず垂直転送部に存在する不要電荷が出力されるため、第1のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第4のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで、垂直転送部の不要電荷を除去した奇数フィールドの信号を求めることができる。また、第2のフィールド期間では偶数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷と垂直転送部に存在する不要電荷とが合わせて出力され、第5のフィールド期間では偶数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷は出力されず垂直転送部に存在する不要電荷が出力されるため、第2のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第5のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで、垂直転送部の不要電荷を除去した偶数フィールドの信号を求めることができる。これらの奇数フィールドの信号と偶数フィールドの信号とを合成して1フレームの画像信号を求めることで、高SNで高品質な画像を得ることができる。
【0031】
本発明の請求項2記載の固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配置された複数の光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して行方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送されてきた信号電荷を列方向に転送する水平転送部と、水平転送部から転送されてきた信号電荷を信号電圧または電流に変換して出力する信号電荷検出出力部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、露光期間において電子シャッタとレンズクローズにより設定される電荷蓄積時間の露光を行った後、光電変換素子の信号電荷を読み出すことなく垂直転送部に存在する不要電荷を垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力する第1のフィールド期間および第2のフィールド期間と、露光期間と同じ電荷蓄積時間の露光を行う第3のフィールド期間と、偶数フィールドとともにフレームを構成する奇数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷を読み出して垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力する第4のフィールド期間と、偶数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷を読み出して垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力する第5のフィールド期間とを有することを特徴とする。
【0032】
この請求項2記載の駆動方法によれば、従来のように光電変換素子の信号電荷の読み出し前に高速垂直転送により垂直転送部に存在する不要電荷の水平転送部への掃き出しを行わないため、光電変換素子の飽和信号を低下させることがない。第1のフィールド期間では奇数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷は出力されず垂直転送部に存在する不要電荷が出力され、第4のフィールド期間では奇数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷と垂直転送部に存在する不要電荷とが合わせて出力されるため、第1のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第4のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで、垂直転送部の不要電荷を除去した奇数フィールドの信号を求めることができる。また、第2のフィールド期間では偶数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷は出力されず垂直転送部に存在する不要電荷が出力され、第5のフィールド期間では偶数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷と垂直転送部に存在する不要電荷とが合わせて出力されるため、第2のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第5のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで、垂直転送部の不要電荷を除去した偶数フィールドの信号を求めることができる。これらの奇数フィールドの信号と偶数フィールドの信号とを合成して1フレームの画像信号を求めることで、高SNで高品質な画像を得ることができる。
【0033】
本発明の請求項3記載の固体撮像装置の駆動方法は、請求項1または2記載の固体撮像装置の駆動方法において、第3のフィールド期間内においても垂直転送部に存在する不要電荷を垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力することを特徴とする。
【0034】
この請求項3記載の駆動方法のように、露光を行う第3のフィールド期間においても、垂直転送部に存在する不要電荷を出力することで、より高SNでより高品質な画像を得ることができる。
【0035】
本発明の請求項4記載の固体撮像装置の駆動方法は、請求項1,2または3記載の固体撮像装置の駆動方法において、第2のフィールド期間と第3のフィールド期間との間に、垂直転送部に存在する不要電荷を垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力するフィールド期間を設けることを特徴とする。
【0036】
この請求項4記載の駆動方法のように、第2のフィールド期間と第3のフィールド期間との間にさらにフィールド期間を設けて、垂直転送部に存在する不要電荷を出力することで、より高SNでより高品質な画像を得ることができる。
【0037】
本発明の請求項5記載のカメラは、行列状に配置された複数の光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して行方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送されてきた信号電荷を列方向に転送する水平転送部と、水平転送部から転送されてきた信号電荷を信号電圧または電流に変換して出力する信号電荷検出出力部とを有し、露光期間において電子シャッタとレンズクローズにより設定される電荷蓄積時間の露光を行った後、第1のフィールド期間において偶数フィールドとともにフレームを構成する奇数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷を読み出して垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力し、第2のフィールド期間において偶数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷を読み出して垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力し、第3のフィールド期間において露光期間と同じ電荷蓄積時間の露光を行い、第3のフィールド期間後の第4のフィールド期間および第5のフィールド期間において光電変換素子の信号電荷を読み出すことなく垂直転送部に存在する不要電荷を垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力するようにした固体撮像装置と、第1のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第4のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで奇数フィールドの信号を求め、第2のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第5のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで偶数フィールドの信号を求め、奇数フィールドの信号と偶数フィールドの信号とを合成して1フレームの画像信号を求める信号処理回路とを備えている。
【0038】
この請求項5記載の構成によれば、上記請求項1の場合における説明と同様、光電変換素子の飽和信号を低下させることがない。そして、第1のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第4のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで、垂直転送部の不要電荷を除去した奇数フィールドの信号を求めることができる。また、第2のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第5のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで、垂直転送部の不要電荷を除去した偶数フィールドの信号を求めることができる。これらの奇数フィールドの信号と偶数フィールドの信号とを合成して1フレームの画像信号を求めることで、高SNで高品質な画像を得ることができる。
【0039】
本発明の請求項6記載のカメラは、行列状に配置された複数の光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して行方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送されてきた信号電荷を列方向に転送する水平転送部と、水平転送部から転送されてきた信号電荷を信号電圧または電流に変換して出力する信号電荷検出出力部とを有し、露光期間において電子シャッタとレンズクローズにより設定される電荷蓄積時間の露光を行った後、第1のフィールド期間および第2のフィールド期間において光電変換素子の信号電荷を読み出すことなく垂直転送部に存在する不要電荷を垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力し、第3のフィールド期間において露光期間と同じ電荷蓄積時間の露光を行う第3のフィールド期間と、第4のフィールド期間において偶数フィールドとともにフレームを構成する奇数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷を読み出して垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力し、第5のフィールド期間において偶数フィールドに対応する行の光電変換素子の信号電荷を読み出して垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力するようにした固体撮像装置と、第1のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第4のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで奇数フィールドの信号を求め、第2のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第5のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで偶数フィールドの信号を求め、奇数フィールドの信号と偶数フィールドの信号とを合成して1フレームの画像信号を求める信号処理回路とを備えている。
【0040】
この請求項6記載の構成によれば、上記請求項2の場合における説明と同様、光電変換素子の飽和信号を低下させることがない。そして、第1のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第4のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで、垂直転送部の不要電荷を除去した奇数フィールドの信号を求めることができる。また、第2のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号と第5のフィールド期間における固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで、垂直転送部の不要電荷を除去した偶数フィールドの信号を求めることができる。これらの奇数フィールドの信号と偶数フィールドの信号とを合成して1フレームの画像信号を求めることで、高SNで高品質な画像を得ることができる。
【0041】
本発明の請求項7記載のカメラは、請求項5または6記載のカメラにおいて、固体撮像装置は、第3のフィールド期間内においても垂直転送部に存在する不要電荷を垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力するようにしたことを特徴とする。
【0042】
この請求項7記載の構成により、請求項3の場合と同様の効果が得られる。
【0043】
本発明の請求項8記載のカメラは、請求項5,6または7記載のカメラにおいて、固体撮像装置は、第2のフィールド期間と第3のフィールド期間との間に、垂直転送部に存在する不要電荷を垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力するフィールド期間を設けたことを特徴とする。
【0044】
この請求項8記載の構成により、請求項4の場合と同様の効果が得られる。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0046】
本実施の形態における固体撮像装置を用いたカメラの概略図は従来の固体撮像装置を用いたカメラの概略図と同様で、図3に示す通りであり、説明は省略する。
【0047】
同様に、本実施の形態における倍速モニタモード駆動時及びフレームモード駆動時の固体撮像装置を構成する光電変換素子に蓄積される電荷の蓄積時間は従来と同様であり、説明は省略する。
【0048】
図1には本発明の第1の実施の形態における固体撮像装置を用いたカメラの駆動信号タイミング及びカメラシーケンスの概略を示す。
【0049】
ここでは、従来例と同様に、φV1a,φV1b,φV2,φV3a,φV3b及びφV4の垂直転送信号により駆動される垂直4相転送方式でインターレーススキャン方式の固体撮像装置について説明する。
【0050】
図1において、VDは制御装置から出力される駆動信号タイミング及びカメラシーケンスの同期信号となる垂直同期信号、φV1a,φV1b,φV2,φV3a,φV3b及びφV4は駆動信号発生回路から出力される固体撮像装置を駆動する垂直転送信号であり、φV1a,φV1b,φV3a及びφV3bは光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直転送部へ読み出す電荷読み出し信号を重畳している。φSubは駆動信号発生回路から出力される固体撮像装置を構成する光電変換素子に蓄積される電荷を基板方向へ排出し光電変換素子の蓄積時間を制御する不要電荷排出信号、MSは制御装置から出力される光学部のメカニカルシャッタの開閉を制御するメカニカルシャッタ信号をそれぞれ示す。CCDoutは固体撮像装置から出力される固体撮像装置出力信号で信号が大きくなる程、マイナス方向へ大きくなる負論理出力である。
【0051】
次に、図1を用いて、フレームモード駆動時の固体撮像装置の駆動方法について説明する。
【0052】
本発明の第1の実施の形態における固体撮像装置を用いたカメラの駆動信号タイミング及びカメラシーケンスは、奇数フィールドに対応する光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して出力するフィールド、偶数フィールドに対応する光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して出力するフィールド、不要電荷を出力するフィールドの蓄積時間を設定するフィールド、奇数フィールドに対応する不要電荷を出力するフィールド、偶数フィールドに対応する不要電荷を出力するフィールドの5フィールドにより1フレームを構成しており、第1フィールドで奇数フィールドの信号電荷の読み出し動作を、第2フィールドで偶数フィールドの信号電荷の読み出し動作を、第3フィールドで不要電荷を出力するフィールドの蓄積時間の設定を、第4フィールドで奇数フィールドに対応する不要電荷の出力動作を、第5フィールドで偶数フィールドに対応する不要電荷の出力動作を順次行っている。
【0053】
はじめに、第1フィールドにおける奇数フィールドの信号電荷の読み出し動作について説明する。
【0054】
垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア成分などの不要電荷を高速垂直転送信号により水平転送部に掃き出すことなく、不要電荷排出信号φSubの停止位置からメカニカルシャッタ信号MSによりレンズが機構的に遮断されるまでの蓄積時間C内に光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直転送信号φV1a及びφV1bに重畳する電荷読み出し信号により垂直転送部へ読み出す。読み出された信号電荷は1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時の通常垂直転送信号により水平転送部側へ順次転送され、固体撮像装置出力信号として出力される。
【0055】
次に、第2フィールドにおける偶数フィールドの信号電荷の読み出し動作について説明する。
【0056】
第1フィールドでの奇数フィールドの信号電荷の読み出し動作と同様に、垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア成分などの不要電荷を高速垂直転送信号により水平転送部に掃き出すことなく、不要電荷排出信号φSubの停止位置からメカニカルシャッタ信号MSによりレンズが機構的に遮断されるまでの蓄積時間C内に光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直転送信号φV3a及びφV3bに重畳する電荷読み出し信号により垂直転送部へ読み出す。読み出された信号電荷は1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時の通常垂直転送信号により水平転送部側へ順次転送され、固体撮像装置出力信号として出力される。
【0057】
次に、第3フィールドにおける不要電荷を出力する第4及び第5フィールドの蓄積時間の設定について説明する。
【0058】
第1フィールド前の露光期間で設定する第1及び第2フィールドの蓄積時間と同一となるように、固体撮像装置に不要電荷排出信号φSubを印加して、且つ、制御装置から光学部のメカニカルシャッタの開閉を制御するメカニカルシャッタ信号MSを出力させ、蓄積時間Cを設定する。第3フィールドにおいても1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時における通常転送を行い、垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア成分などの不要電荷の排出を行う。
【0059】
次に、第4フィールドにおける奇数フィールドに対応する不要電荷の出力動作について説明する。
【0060】
不要電荷排出信号φSubの停止位置からメカニカルシャッタ信号MSによりレンズが機構的に遮断されるまでの蓄積時間C内に垂直転送部に蓄積された不要電荷は1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時の通常垂直転送信号により水平転送部側へ順次転送され、固体撮像装置出力信号として出力される。この時、光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出す必要はないので、垂直転送信号φV1a及びφV1bに重畳する読み出し信号は印加しない。
【0061】
次に、第5フィールドにおける偶数フィールドに対応する不要電荷の出力動作について説明する。
【0062】
第4フィールドでの奇数フィールドに対応する不要電荷の出力動作と同様に、不要電荷排出信号φSubの停止位置からメカニカルシャッタ信号MSによりレンズが機構的に遮断されるまでの蓄積時間C内に垂直転送部に蓄積された不要電荷は1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時の通常垂直転送信号により水平転送部側へ順次転送され、固体撮像装置出力信号として出力される。この時、光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出す必要はないので、垂直転送信号φV3a及びφV3bに重畳する読み出し信号は印加しない。
【0063】
出力された奇数フィールドの固体撮像装置出力信号、偶数フィールドの固体撮像装置出力信号、奇数フィールドの不要電荷及び偶数フィールドの不要電荷は、図3に示す固体撮像装置を用いたカメラを構成するデジタル映像信号処理回路7において、奇数フィールドの固体撮像装置出力信号と奇数フィールドの不要電荷との差分及び偶数フィールドの固体撮像装置出力信号と偶数フィールドの不要電荷との差分を算出することで固体撮像装置出力信号に含まれる不要電荷を除去する。さらに、記憶装置におけるライン処理によって、1フレームの画像データとして加工された後、映像信号処理を施されて、映像信号として出力される。
【0064】
この様に、垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア成分などの不要電荷を高速垂直転送信号により水平転送部に掃き出すことなく(したがって光電変換素子の飽和信号を低下させることなく)、固体撮像装置出力信号に含まれる垂直転送部の暗電流成分やスミア信号などの不要電荷を低減することができ、高SNで高品質な画像を実現することができる。
【0065】
以上、本発明の第1の実施の形態について説明したが、次の第2の実施の形態についても同等の効果を得ることができる。
【0066】
図2には、本発明の第2の実施の形態における固体撮像装置を用いたカメラの駆動信号タイミング及びカメラシーケンスの概略を示す。
【0067】
この第2の実施の形態の固体撮像装置の駆動方法におけるフレームモード駆動方法は、第1の実施の形態で説明した固体撮像装置の信号電荷を読み出す第1及び第2フィールドと固体撮像装置の不要電荷を読み出す第4及び第5フィールドとの順序を入れ替えた動作シーケンスなっており、第1の実施の形態と同等の効果を得ることができる。
【0068】
上記の第1および第2の実施の形態では、第3フィールドにおいても1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時における通常転送を行い、垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア成分などの不要電荷の排出を行うようにしているが、これは行わなくてもよく、ほぼ同等の効果が得られる。これを行うことにより、全てのフィールドでの垂直転送部の暗電流などの状態を等しくすることができるので、より高SNでより高品質な画像を得ることができる。
【0069】
また、第1および第2の実施の形態では、フレームモードを第1〜第5の5つのフィールドで構成したが、6つ以上のフィールドで構成してもよい。この場合、第2フィールドと第3フィールドとの間に新たなフィールドを1つ以上設け、その新たなフィールドにおいても1水平期間内に1段の垂直転送を行うフレームモード駆動時における通常転送を行い、垂直転送部に存在する垂直転送部の暗電流成分やスミア成分などの不要電荷の排出を行うことにより、より高SNでより高品質な画像を得ることができる。ただし、この場合、人が撮影する際に同じ構図を維持できるのは、例えば数秒〜10秒が限界と考えられるので、第1フィールド前の露光動作(蓄積時間C)から第3フィールドの露光動作(蓄積時間C)までの時間が、そのような人が同じ構図を維持できる時間となるようにする必要がある。
【0070】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光電変換素子の飽和信号を低下させることなく、固体撮像装置の出力信号に含まれる垂直転送部の暗電流成分やスミア信号などの不要電荷を低減させることが可能となり、高SNで高品質な画像を得ることの可能なビデオカメラ及びデジタルスチルカメラを実現することができ、その実用的効果は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法の駆動信号タイミング及びカメラシーケンスの概略を示す図。
【図2】本発明の第2の実施の形態における固体撮像装置の駆動方法の駆動信号タイミング及びカメラシーケンスの概略を示す図。
【図3】固体撮像装置を用いたカメラの概略構成を示すブロック図。
【図4】図3における固体撮像装置の概略構成例を示す図。
【図5】従来の固体撮像装置の駆動方法の駆動信号タイミング及びカメラシーケンスの概略を示す図。
【符号の説明】
1 固体撮像装置
2 駆動信号発生回路
3 垂直ドライバ
4 相関二重サンプリング回路
5 前処理回路
6 ADコンバータ
7 デジタル映像信号処理回路
8 制御装置
9 光学部
41 フォトダイオード
42 垂直CCD
43 水平CCD
44 信号電荷検出出力部
Claims (8)
- 行列状に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して行方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送されてきた信号電荷を列方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送されてきた信号電荷を信号電圧または電流に変換して出力する信号電荷検出出力部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
露光期間において電子シャッタとレンズクローズにより設定される電荷蓄積時間の露光を行った後、
偶数フィールドとともにフレームを構成する奇数フィールドに対応する行の前記光電変換素子の信号電荷を読み出して前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力する第1のフィールド期間と、
前記偶数フィールドに対応する行の前記光電変換素子の信号電荷を読み出して前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力する第2のフィールド期間と、
前記露光期間と同じ電荷蓄積時間の露光を行う第3のフィールド期間と、
前記光電変換素子の信号電荷を読み出すことなく前記第3のフィールド期間後に前記垂直転送部に存在する不要電荷を前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力する第4のフィールド期間および第5のフィールド期間とを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 行列状に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して行方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送されてきた信号電荷を列方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送されてきた信号電荷を信号電圧または電流に変換して出力する信号電荷検出出力部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
露光期間において電子シャッタとレンズクローズにより設定される電荷蓄積時間の露光を行った後、
前記光電変換素子の信号電荷を読み出すことなく前記垂直転送部に存在する不要電荷を前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力する第1のフィールド期間および第2のフィールド期間と、
前記露光期間と同じ電荷蓄積時間の露光を行う第3のフィールド期間と、
偶数フィールドとともにフレームを構成する奇数フィールドに対応する行の前記光電変換素子の信号電荷を読み出して前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力する第4のフィールド期間と、
前記偶数フィールドに対応する行の前記光電変換素子の信号電荷を読み出して前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力する第5のフィールド期間とを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 第3のフィールド期間内においても垂直転送部に存在する不要電荷を前記垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力することを特徴とする請求項1または2記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 第2のフィールド期間と第3のフィールド期間との間に、垂直転送部に存在する不要電荷を前記垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力するフィールド期間を設けることを特徴とする請求項1,2または3記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 行列状に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して行方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送されてきた信号電荷を列方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送されてきた信号電荷を信号電圧または電流に変換して出力する信号電荷検出出力部とを有し、露光期間において電子シャッタとレンズクローズにより設定される電荷蓄積時間の露光を行った後、第1のフィールド期間において偶数フィールドとともにフレームを構成する奇数フィールドに対応する行の前記光電変換素子の信号電荷を読み出して前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力し、第2のフィールド期間において前記偶数フィールドに対応する行の前記光電変換素子の信号電荷を読み出して前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力し、第3のフィールド期間において前記露光期間と同じ電荷蓄積時間の露光を行い、前記第3のフィールド期間後の第4のフィールド期間および第5のフィールド期間において前記光電変換素子の信号電荷を読み出すことなく前記垂直転送部に存在する不要電荷を前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力するようにした固体撮像装置と、
前記第1のフィールド期間における前記固体撮像装置の出力信号と前記第4のフィールド期間における前記固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで奇数フィールドの信号を求め、前記第2のフィールド期間における前記固体撮像装置の出力信号と前記第5のフィールド期間における前記固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで偶数フィールドの信号を求め、前記奇数フィールドの信号と前記偶数フィールドの信号とを合成して1フレームの画像信号を求める信号処理回路とを備えたカメラ。 - 行列状に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を読み出して行方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送されてきた信号電荷を列方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送されてきた信号電荷を信号電圧または電流に変換して出力する信号電荷検出出力部とを有し、露光期間において電子シャッタとレンズクローズにより設定される電荷蓄積時間の露光を行った後、第1のフィールド期間および第2のフィールド期間において前記光電変換素子の信号電荷を読み出すことなく前記垂直転送部に存在する不要電荷を前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力し、第3のフィールド期間において前記露光期間と同じ電荷蓄積時間の露光を行う第3のフィールド期間と、第4のフィールド期間において偶数フィールドとともにフレームを構成する奇数フィールドに対応する行の前記光電変換素子の信号電荷を読み出して前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力し、第5のフィールド期間において前記偶数フィールドに対応する行の前記光電変換素子の信号電荷を読み出して前記垂直転送部および水平転送部を介して前記信号電荷検出出力部から出力するようにした固体撮像装置と、
前記第1のフィールド期間における前記固体撮像装置の出力信号と前記第4のフィールド期間における前記固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで奇数フィールドの信号を求め、前記第2のフィールド期間における前記固体撮像装置の出力信号と前記第5のフィールド期間における前記固体撮像装置の出力信号との差分を算出することで偶数フィールドの信号を求め、前記奇数フィールドの信号と前記偶数フィールドの信号とを合成して1フレームの画像信号を求める信号処理回路とを備えたカメラ。 - 固体撮像装置は、第3のフィールド期間内においても垂直転送部に存在する不要電荷を前記垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力するようにしたことを特徴とする請求項5または6記載のカメラ。
- 固体撮像装置は、第2のフィールド期間と第3のフィールド期間との間に、垂直転送部に存在する不要電荷を前記垂直転送部および水平転送部を介して信号電荷検出出力部から出力するフィールド期間を設けたことを特徴とする請求項5,6または7記載のカメラ。
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