JP3847811B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＣＣＤのような撮像素子を有する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、撮像素子としてＣＤＤ（Charge Coupled Device ：電荷結合素子）を用いたビデオカメラや電子カメラなどの撮像装置が数多く開発され販売されている。また、マルチメディア機器においては、ビデオ信号に規制されないディジタル画像データが求められている。例えば、ビデオ信号に規制されないデータを扱うようにしたディジタルカメラが実現されている。このようなディジタルカメラに使用するＣＣＤなどの撮像素子は、ビデオ信号に規制されないことから比較的高い自由度で設計することが可能であるが、製品価格を抑制するためにはむしろビデオカメラ用の撮像素子をそのまま使用する方が好ましい。そこで、ディジタルカメラに使用したビデオムービーカメラ用撮像素子を、ビデオムービーカメラに使用したときとは異なる方法で駆動することによって、より高画質の画像データを得ることが提案されている。
【０００３】
図１１は、ビデオカメラ用ＣＣＤとして一般的なインターライン型ＣＣＤの概略構成を示す図である。補色市松色差順次方式の色フィルタ構成で各光電変換要素（画素）２４が配列された光電変換部２０は、入射した光のうち透過した４つの特定波長域の光（Ｍｇ，Ｇ，Ｃｙ，Ｙｅ）から電荷を発生する。垂直転送部（ＶＣＣＤ）２１は、転送ゲート電極２５に４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 が印加されることによって画素２４のそれぞれに蓄えられた電荷を読み出し垂直方向に転送する。水平転送部２２は、垂直転送部２１から転送されてきた電荷を水平方向に転送する。出力アンプ２３は、水平転送部２２から転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する。
【０００４】
図１１に示すように、ＣＣＤからの撮像信号は、１フィールド期間毎に全ラインの画素を走査し、奇数フィールドと偶数フィールドとで１段ずらした画素ラインを垂直転送部２１で加算して読み出すフィールドモード、および１フィールド期間毎に１ラインおきの画素をインターレース走査して読み出すフレームモードのいずれかのモードによって読み出される。
【０００５】
図１２に、フィールドモードにおいて図１１の転送ゲート電極２５に印加される４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 のタイムチャートを示す。図１２において、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 が中間電位ＶM と低電位ＶL とを繰り返すことによって電荷が転送される一方で、電荷転送パルスＶ1 および電荷転送パルスＶ3 が同時に高電位ＶH （読み出しパルス）になると、奇数ライン（Ｍｇ，Ｇ）の画素２４および偶数ライン（Ｃｙ，Ｙｅ）の画素２４から垂直転送部２１へ蓄積電荷が読み出される。以後、１フィールド期間（１Ｖ）ごとに電荷転送パルスＶ1 および電荷転送パルスＶ3 が同時に高電位ＶH になり、全画素２４から垂直転送部２１への撮像信号の読み出しが行われる。このフィールドモードでは、上下の画素に蓄積された電荷が加算されるためにフレームモードに比べて垂直解像度が半分程度に減少する。
【０００６】
図１３に、フレームモードにおいて図１１の転送ゲート電極２５に印加される４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 のタイムチャートを示す。図１３において、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 が中間電位ＶM と低電位ＶL とを繰り返すことによって電荷が転送される一方で、電荷転送パルスＶ1 が高電位ＶH （読み出しパルス）になると、奇数ライン（Ｍｇ，Ｇ）の画素２４から垂直転送部２１へ蓄積電荷が読み出される。次に、１フィールド期間経過後に、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH （読み出しパルス）になると、偶数ライン（Ｃｙ，Ｙｅ）の画素２４から垂直転送部２１へ蓄積電荷が読み出される。以後、１フィールド期間ごとに電荷転送パルスＶ1 および電荷転送パルスＶ3 が交互に高電位ＶH になり、画素２４から垂直転送部２１への読み出しが行われる。
【０００７】
以上説明したように、汎用的なビデオカメラ用のＣＣＤは、フィールドモードでの駆動を前提としているため、フィールドモードで最適となるようにダイナミックレンジが設定されている。従って、このようなＣＣＤを用いて静止画像の撮影のためにフレーム読み出しを行うと、垂直転送部２１の容量を有効に生かせないために、ＣＣＤのダイナミックレンジがフィールド読み出しのときよりも狭くなってしまう。つまり、画素２４の１個分の最大電荷蓄積容量が垂直転送部２１の転送ゲート電極２５の１段分の最大電荷蓄積容量よりも小さいために、フレームモードでは転送ゲート電極２５部分よりも先に画素２４部分の電荷が飽和してしまい、フィールドモードよりも飽和レベルが低くなる。
【０００８】
このように、汎用ＣＣＤでは、２画素分のダイナミックレンジに対して転送ゲート電極２５の１段分のダイナミックレンジが対応しているので、フレームモードにおいてフィールドモードと同等のダイナミックレンジを確保することができず、ダイナミックレンジがほぼ半減してしまう。そのため、特に、垂直高解像度を実現するためにフレーム読み出しを行い静止画像を記憶する電子カメラでは、ダイナミックレンジの減少によって画質が劣化してしまう。例えば、コントラストの高い被写体を撮像すると、信号が飽和して高彩度部分が変色したり、高輝度部分のコントラストが消失したりする。また、最近、全画素を加算せずに１フィールド期間毎に同時に読み出すことのできるＣＣＤが開発されてきている。このようなＣＣＤでは上下の画素からの電荷が加算されず且つ１フィールド期間毎に全画素が読み出されるので、垂直解像度の低下やダイナミックレンジの減少という問題が生じないが、かなり高価であるために安価な撮像装置に用いることができない。
【０００９】
一方、不要な蓄積電荷をシリコン基板に掃き捨てることのできる縦形オーバーフロードレイン（ＶＯＤ：Vertical Overflow Drain ）構造を採用することによって、ＣＣＤを高感度化、広ダイナミックレンジ化することが最近の主流になっている。図１４に示す画素２４の基板深さ方向のポテンシャル図により、ＶＯＤ構造でシリコン基板に不要な蓄積電荷を掃き捨てる原理を説明する。図１４において、ＣＣＤ受光面から入射した光線により画素で発生した電荷は、受光面下部のシリコン基板の電位Ｖsub によって規定されるポテンシャル障壁内に蓄積される。ここで、シリコン基板の電位Ｖsub が高いほどポテンシャル障壁のレベルは低くなり（レベル１）、シリコン基板の電位Ｖsub が低いほどポテンシャル障壁のレベルは高くなる（レベル２）。そこで、シリコン基板の電位Ｖsub をＶsub (2) からＶsub (1) にすることによって、不要な蓄積電荷をシリコン基板に掃き捨てることが可能になる。これを応用することによって、シリコン基板の電位Ｖsub の制御によって電荷蓄積のオン・オフを規定する電子シャッタを設けることができる。
【００１０】
そこで、基板電位Ｖsub の高低によって画素に蓄積される電荷量が変化することに注目し、フレームモードでの基板電位Ｖsub をフィールドモードよりも低くすることで、フレームモードにおける画素の最大蓄積電荷量を増加させ、ダイナミックレンジを拡大することができる。つまり、フィールドモードでＶsub (1) であった基板電位をフレームモードでＶsub (2) （Ｖsub (1) ＞Ｖsub (2) ）とすることで、ポテンシャル障壁に蓄積される電荷量、すなわちダイナミックレンジが拡大する。これによって、フレームモードでの光電変換部２０と垂直転送部２１との電荷飽和レベルのバランスが良くなって、トータルとしてＣＣＤのダイナミックレンジを向上させることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにフレームモードでの基板電位Ｖsub をフィールドモードよりも低くした場合、高輝度被写体を撮像した際に画素２４に蓄積された電荷が電荷蓄積期間であるにもかかわらず垂直転送部２１へ漏れこんでしまい、ブルーミングなどの弊害が生じてしまう。そこで、本出願人は、この問題を解決するために、基板電位Ｖsub だけでなく転送ゲート電極２５の電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベルを各モード毎に切り換え可能とし、フレームモードでの中間電位ＶM のレベルをフィールドモードに比べて低い電位に設定することによって、各画素２４の電荷蓄積容量を拡大し且つ蓄積電荷が垂直転送部２１へ漏れこまないようする発明を提案し、既に出願した（特願平６−１３７３１８号、平成６年６月２０日出願）。これを図１５で簡単に説明する。
【００１２】
図１５は、図１１に示すようなＣＣＤの光電変換部２０および垂直転送部２１の水平方向のポテンシャル図である。図１５において、フレームモードでの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベルをＶM (2) とし、フィールドモードでの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベルをＶM (1) （ＶM (1) ＞ＶM (2) ）とした。２つのモードでの中間電位ＶM のレベルをこのように設定することにより、光電変換部２０と垂直転送部２１との境界にあるポテンシャル障壁がフィールドモードよりもフレームモードで高くなる。従って、フレームモードでの電荷蓄積容量のレベル（レベル２）がフィールドモードでの電荷蓄積容量のレベル（レベル１）よりも高くなるので、上記のように基板電位Ｖsub を変更しても、フレームモードにおける蓄積電荷の垂直転送部２１への漏れこみを防止することができ、結果としてブルーミングなどの弊害が抑制される。
【００１３】
しかしながら、たとえフィールドモードよりもフレームモードで電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM および基板電位Ｖsub が低くなるようにしたとしても、中間電位ＶM が低くなることによって中間電位ＶM と低電位ＶL との電位差が小さくなるために、フレームモードにおける垂直転送部２１での電荷の転送効率が低下してしまう。この転送効率の低下によって、画質が劣化するという問題が生じていた。
【００１４】
なお、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベルだけでなく、低電位ＶL のレベルについてもフレームモードでフィールドモードよりも低くすることによって、垂直転送部２１の電荷転送効率の低下を防止することも考えられる。しかし、この場合、各レベル設定用の回路の規模が大きくなってしまい、安価で小型の撮像装置を得ることができないという問題、および低電位ＶL の最低電位を設定しなければならないために撮像素子自体の設計見直しが必要になって汎用の安価な撮像素子が使用できなくなってしまうという問題が生じていた。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、静止画像を撮像するフレームモードにおいてフィールドモードと同程度に広いダイナミックレンジを有し、ブルーミングなどの弊害が生じず、且つ電荷の転送効率の高い安価な撮像装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の撮像装置は、半導体基板部の上に形成された複数の光電変換要素からなる光電変換部と、前記光電変換部からの電荷を一方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの電荷を前記一方向と交差する方向に転送する水平転送部とからなるインターライン型ＣＣＤ撮像素子を有する撮像装置であって、前記撮像素子が、１フィールド期間ごとに水平方向の全ラインの前記光電変換要素を走査して上下２ラインを加算して読み出すフィールドモードと、１フィールド期間ごとに水平方向の１ラインおきの前記光電変換要素をインターレース走査して読み出すフレームモードとの２つのモードで駆動され、前記垂直転送部には、前記光電変換要素から前記垂直転送部へ電荷を読み出すための読み出し電位ＶH と、電荷を垂直方向に順次転送するための転送電位ＶM 、ＶL （ＶH ＞ＶM ＞ＶL ）とを有する電荷転送パルスが印加される撮像装置において、前記フレームモードでの前記半導体基板部の電位Ｖsub および前記転送電位ＶM は、前記フレームモードの第１の期間においてその両方が前記フィールドモードでの前記半導体基板部の電位Ｖsub および前記転送電位ＶM よりも低く設定され、前記フレームモードの第２の期間において前記転送電位ＶM が前記第１の期間よりも高く設定されており、前記フレームモードの前記第１の期間から前記第２の期間への切り換えは、前記フレームモードで前記電荷転送パルスが最初に前記読み出し電位ＶH となる期間を含みその前後の期間の電荷が前記垂直転送部内を転送されない期間に行われるように構成されている。
【００１７】
請求項２の撮像装置は、前記フレームモードの前記第１の期間から前記第２の期間への切り換えが、前記フレームモードで前記電荷転送パルスが最初に前記読み出し電位ＶH となる期間に行われるように構成されている。
【００１８】
請求項３の撮像装置は、前記フレームモードの前記第２の期間での前記転送電位ＶM が、前記フィールドモードでの前記転送電位ＶM に等しい値である。
【００１９】
請求項４の撮像装置は、前記フレームモードにおいて、前記撮像素子を所定時間露光してから、前記電荷転送パルスを最初に前記読み出し電位ＶH とする前に前記撮像素子への光線を前記撮像素子の前段に設けた遮光手段で遮光するように構成されている。
【００２３】
請求項５の撮像装置は、前記フィールドモードでの撮像を所定期間行った後に前記フレームモードでの撮像を行うように構成されている。
【００２４】
請求項６の撮像装置は、前記フィールドモードで得られた撮像信号をファインダに供給するとともに、前記フレームモードで得られた撮像信号を記録媒体に記録するように構成されている。
【００２５】
請求項７の撮像装置は、前記撮像素子が縦形オーバーフロードレイン構造を有している。
【００２６】
請求項８の撮像装置は、前記フレームモードの開始前において、前記半導体基板部の電位Ｖsubが前記フィールドモードにおける前記半導体基板部の電位Ｖsubと同等若しくはそれ以上の値となり、前記転送電位ＶMが前記フィールドモードにおける前記転送電位ＶMと同等となる期間を設けた。
【００２７】
請求項９の撮像装置は、前記フレームモードの前記第１の期間において、前記第２の期間への切り換えの前に前記垂直転送部で電荷を高速転送する。
【００２８】
請求項１０の撮像装置は、前記フレームモードで前記電荷転送パルスを最初に前記読み出し電位ＶHとする直前の前記電荷転送パルスを所定期間除去する。
【００２９】
【作用】
請求項１の発明によると、フレームモードでの転送電位ＶM を第１の期間にフィールドモードよりも低くした後に第２の期間でこれよりも高くするので、フレームモードでの垂直転送部の電荷転送効率が低下することがない。
また、フレームモードで電荷転送パルスが最初に読み出し電位ＶH となる期間を含みその前後の期間の電荷が垂直転送部内を転送されない期間に第１の期間から第２の期間への切り換えが行われるので、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも高くすることによって光電変換要素から垂直転送部に電荷が漏れこんだとしても、漏れこんだ電荷が垂直転送されることにより隣接するラインの電荷が混合することがなく、ブルーミングにより画質が劣化することがない。
また、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも高く設定しても、フレームモードの第１の期間で蓄積された電荷が撮像信号として無駄なく検出されるので、実質的にダイナミックレンジが狭くなることがない。
【００３０】
請求項２の発明によると、フレームモードで最初に電荷転送パルスが読み出し電位ＶH となる期間に第１の期間から第２の期間への切り換えが行われるので、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも高くしても光電変換要素から垂直転送部に電荷が漏れこむことがほとんどない。従って、画質の劣化をより確実に防止することができる。
【００３１】
請求項３の発明によると、フレームモードの第２の期間での転送電位ＶM が、フィールドモードでの転送電位ＶM に等しい値なので、フレームモードとフィールドモードとで等しい転送効率を得ることができるとともに、多数の電位を設定するための回路を設ける必要がなくなる。
【００３２】
請求項４の発明によると、撮像素子を所定時間露光してから電荷転送パルスを最初に読み出し電位ＶH とする前に撮像素子への光線を遮光手段で遮光するようにしたので、余計な電荷が光電変換要素で発生することがなくなる。従って、請求項５のように半導体基板部の電位Ｖsub を制御しなくても高画質の画像を得ることができる。
【００３６】
請求項５の発明によると、フィールドモードでの撮像を所定期間行った後にフレームモードでの撮像を行うので、最もよいタイミングでフレームモードでの撮像を行うことができる。
【００３７】
請求項６の発明によると、フィールドモードで得られた撮像信号をファインダに供給するとともに、フレームモードで得られた撮像信号を記録媒体に記録するので、高解像度の静止画像を最もよいタイミングで記録媒体に記録することができる。
【００３８】
請求項７の発明によると、撮像素子が縦形オーバーフロードレイン構造を有しているので、電荷を光電変換要素から半導体基板部へ効率よく抜き取ることができる。
【００３９】
請求項８の発明によると、フレームモードの開始前に半導体基板部の電位Ｖsubがフィールドモードにおける半導体基板部の電位Ｖsubと同等若しくはそれ以上の値となり、転送電位ＶMがフィールドモードにおける転送電位ＶMと同等となる期間を設けたので、この期間に不要な電荷を光電変換要素から半導体基板部へ抜き取ることができ、不要電荷が垂直転送部に漏れこんで転送されることによる画質の劣化を防止できる。
【００４０】
請求項９の発明によると、フレームモードの第１の期間において、第２の期間への切り換えの前に垂直転送部で電荷を高速転送するので、これより以前に垂直転送部に漏れこんだ不要な電荷が除去され、画質の劣化を防止できる。
【００４１】
請求項１０の発明によると、フレームモードで電荷転送パルスを最初に読み出し電位ＶHとする直前の電荷転送パルスを所定期間除去するので、転送電位ＶMの電位を変更するタイミングの範囲を広げることができる。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明を実施例につき図面を参照して説明する。
【００４３】
図１は、本発明の第１実施例のディジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。図１において、撮像素子１は、被写体からの光の光信号を電気信号に変換する素子である。本実施例では、撮像素子１が、図１１に示す補色市松色差順次方式の色フィルタ構成で配列されたインターライン型ＣＤＤであることを前提に説明する。タイミング信号発生回路（ＴＧ）２は、撮像素子１を動作させるために必要なタイミング信号を発生する。駆動電圧設定回路３は、撮像素子１を駆動するための駆動電圧を発生する。撮像素子駆動回路４は、タイミング信号発生回路２からの信号を撮像素子を駆動するのに必要なレベルに増幅する。
【００４４】
前置処理回路５は、内部に撮像素子１の出力ノイズ除去のためのＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路やＡＧＣ（自動利得制御）回路を含む回路である。Ａ／Ｄ変換器６は、前置処理回路５から出力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する。撮像信号処理回路７は、ディジタル化された信号を撮像信号処理する。記録媒体インターフェイス（Ｉ／Ｆ）８は、記録媒体９に記録のための信号を送る。操作部１０は、カメラの撮像開始や撮像素子１の読み出しモードを撮影者が制御するためのものである。設定切換回路１１は、操作部１０によって設定された撮像素子１の読み出しモードに応じて、基板電位Ｖsub および電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM を切り換えるための制御信号と、タイミング信号発生回路２の信号タイミングの設定のための信号を出力する。シャッタ１２は、機械的なものであり、撮像素子１に入射する光線の入射時間を制御する。ＥＶＦ（ビューファインダ）１３は、撮像信号処理回路７からの画像信号をディスプレイに表示する。
【００４５】
次に、本実施例のディジタルカメラの動作について、その動作シーケンスを示すフローチャートである図２、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 などのタイミングを示す図３、および図３のａなどの部分拡大図である図４を参照して説明する。
【００４６】
まず、撮影者が操作部１０の第１スイッチをオンすることにより（ステップＳ１）、ＥＶＦ１３に画像を映し出すためのファインダモードが起動され、撮像信号の読み出し速度を速くすることのできるフィールドモードによる撮像動作が始まる（ステップＳ２）。すると、絞り（図示せず）が制御されてシャッタ１２が開放状態となり、タイミング信号発生回路２で制御される撮像素子１の電子シャッタが２クロック連続で開いてから電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 が高電位ＶH になるまで撮像素子１が露光される。そして、この読み出しパルスＶH によって、撮像素子１から１フィールド期間ごとに加算された撮像信号が読み出される。読み出された信号は、前置処理回路５でＣＤＳ処理やゲインコントロールなどの信号処理を施される。この際、ゲインコントロール回路のゲインは、撮像素子１の感度で決められるので、カメラの製造時に設定される。前置処理回路５の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器６でディジタル信号に変換され、撮像信号処理回路７に供給される。撮像信号処理回路７で処理された信号は動画信号としてＥＶＦ１３に出力され、撮影者は撮像範囲や被写体の状況を確認することができる。
【００４７】
このファインダモードでの動作はフィールド読み出しで行われるので、撮像素子１の基板電位Ｖsub の値を図１４のＶsub (1) にするとともに、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM の値を図１５のＶM (1) にする。これによって、ファインダモード時のダイナミックレンジおよび垂直転送効率を最適化することができる。
【００４８】
図３に、撮像素子１の電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 、基板電位Ｖsub （電子シャッタの開閉タイミングを示す）、シャッタ１２の開閉制御信号、および基板電位Ｖsub と中間電位ＶM との切り換え信号のタイミングチャートを示す。ファインダモードにおいてはシャッタ１２は常に開いており、基板に高電位の電子シャッタ開パルスを印加して画素２４に蓄積された電荷を基板に逃がしてから電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 が高電位ＶH になるまでが撮像素子１の露光時間になる。そして、１フィールド期間（１Ｖ）毎に電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 が同時に高電位ＶH となり、水平方向の全ラインの画素２４を走査し、上下２ラインを加算して全画素の読み出しが行われる。また、上述のように、撮像素子１の基板電位Ｖsub はＶsub (1) であり、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM の値はＶM (1) になっている。
【００４９】
ここで、フィールドモードにおける駆動電圧設定回路３の動作について、駆動電圧設定回路３の部分的な等価回路図である図５を参照して説明する。フィールドモードでは、設定切換回路１１からの制御信号がＬレベル（レベル１）であるので、トランジスタＴｒ1 がオフになってトランジスタＴｒ2 のベース電位は抵抗Ｒ3 、Ｒ4 および電圧Ｖ1 で決められる電位となる。このトランジスタＴｒ2 のベース電位がトランジスタＴｒ2 のベース−エミッタ間レベルＶbe分だけ低下し、出力端子から基板電位Ｖsub (1) または中間電位ＶM (1) として出力される。
【００５０】
次に、撮影者が操作部１０の第２スイッチをオンすることにより（ステップＳ３）、記録媒体９に静止画像を記録するための記録媒体記憶モードが起動され、フレーム読み出しによる撮像動作が始まる（ステップＳ４）。この記録媒体記憶モードでの動作はフレーム読み出しで行われるので、まず、撮像素子１の基板電位Ｖsub の値を図１４のＶsub (2) にするとともに、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM の値を図１５のＶM (2) にする。そして、すぐ後に、基板に高電位の電子シャッタ開パルスを印加してから撮像素子１への露光が始まる。その後、約１フィールド期間経過後にシャッタ１２が閉じられる（ステップＳ５）ことによって露光が終了する。露光終了後に電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にして偶数ラインの画素（Ｃｙ，Ｙｅ）２４を読み出す。また、これと前後して（後で図４にて詳述する）、撮像素子１の基板電位Ｖsub の値をＶsub (1) にするとともに、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM の値をＶM (1) にする。さらに、電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にし、それから１フィールド期間経過後に電荷転送パルスＶ1 を高電位ＶH にして奇数ラインの画素（Ｍｇ，Ｇ）を読み出す（ステップＳ６）。
【００５１】
ここで、フレームモードにおける駆動電圧設定回路３の動作について、再び図５を参照して説明する。フレームモードでは、設定切換回路１１からの制御信号がＨレベル（レベル２）であるので、トランジスタＴｒ1 がオンになってトランジスタＴｒ2 のベース電位は抵抗Ｒ3 、Ｒ4 および電圧Ｖ1 のほか、トランジスタＴｒ1 および抵抗Ｒ2 で決められる電位となる。このときトランジスタＴｒ2 のベース−グランド間の抵抗値が小さくなるため、トランジスタＴｒ2 のエミッタ電位は、基板電位Ｖsub (1) または中間電位ＶM (1) よりも低いレベルの基板電位Ｖsub (2) または中間電位ＶM (2) として出力端子から出力される。
【００５２】
次に、フレームモードにおける電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にするタイミングと、基板電位Ｖsub および電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベル２からレベル１への切り換えのタイミングとの関係について、図４を参照して説明する。図４は、図３のａ内を拡大した撮像素子１の電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 、設定切換回路１１からの基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の切換制御信号、並びに基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の実際の電位のタイミングチャートである。
【００５３】
また、図４において、ｔ1 は電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH になる直前において電荷転送パルスによる電荷転送が停止する時刻、ｔ2 は電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH になる直前において電荷転送パルスＶ3 が低電位ＶL から中間電位ＶM になる時刻、ｔ3 は電荷転送パルスＶ3 の高電位ＶH の開始時刻、ｔ4 は切換制御信号がレベル２からレベル１へ切り換えられて基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の実際の設定電位の変化が始まる時刻、ｔ5 は基板電位Ｖsub および中間電位ＶM がレベル２となって設定電位の変化が終了する時刻、ｔ6 は電荷転送パルスＶ3 の高電位ＶH の終了時刻、ｔ7 は電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH になった直後において電荷転送パルスＶ3 が中間電位ＶM から低電位ＶL になる時刻、ｔ8 は電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH になった直後において電荷転送パルスによる電荷転送が再開する時刻である。また、期間ｔ1 〜ｔ8 では電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 の電位が交互に変化しないため、電荷は垂直転送部２１内を転送されない。
【００５４】
本実施例のディジタルカメラでは、図４に示すように、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH （読み出し電位）の時刻ｔ4 に、基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の切換制御信号がレベル２からレベル１へ切り換えられ、これによって、基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の実際の電位も、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH の期間の時刻ｔ5 までにレベル２からレベル１へ切り換えられる。このように、本実施例のディジタルカメラでは、フレームモードの途中の電荷転送パルスＶ3 が最初に高電位ＶH の期間において、中間電位ＶM をフィールドモードと同じくＶM (1) に設定するので、フレームモードでの垂直転送部２１の電荷転送効率が低下することがない。切り換え制御信号は、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH の期間内に基板電位Ｖsub および中間電位ＶM をレベル２からレベル１へ切り換えるために、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH の期間の前半にレベル２からレベル１へ切り換えられる（｜ｔ3 〜ｔ4 ｜＜｜ｔ4 〜ｔ5 ｜）。
【００５５】
なお、中間電位ＶM をＶM (1) に設定する時刻は、電荷が垂直転送部２１内を転送されない期間ｔ1 〜ｔ8 であればよい。それは、以下の理由による。もし、この期間外に中間電位ＶM をＶM (1) に設定すれば、垂直転送部２１に漏れこんだ電荷が垂直転送されて隣接するラインの電荷どうしが混合され、画質が劣化してしまう。しかし、この期間内に中間電位ＶM をＶM (1) に設定した場合、画素２４から垂直転送部２１に電荷が漏れこんだとしても、漏れこんだ電荷が垂直転送されることにより隣接するラインの電荷が混合することがなく、画質の劣化も生じないからである。特に、本実施例のディジタルカメラのように、電荷転送パルスＶ3 が最初に高電位ＶH の期間に中間電位ＶM をＶM (1) に設定すると、画素２４から垂直転送部２１に電荷が漏れこむことがほとんどなく、ブルーミングによる画質の劣化がほとんど生じない。さらに、本実施例のディジタルカメラでは、中間電位ＶM を時刻ｔ5 以降においてフィールドモード時と同じに設定するものの、時刻ｔ5 以前のフレームモードで蓄積された電荷が撮像信号として無駄なく検出されるので、実質的にダイナミックレンジが狭くなることがない。
【００５６】
また、中間電位ＶM をフィールドモードと同じ電位であるＶM (1) に設定するので、フィールドモードとフレームモードとで等しい転送効率を得ることができ、また、電位を設定するための別の回路を設ける必要がなくなる。
【００５７】
また、本実施例のディジタルカメラでは、最初に電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にして、多くの撮像シーンにおいて相対的に信号レベルの高い偶数フィールドの画素（Ｃｙ，Ｙｅ）２４を読み出してから、次に電荷転送パルスＶ1 を高電位ＶH にして奇数フィールドの画素（Ｇ，Ｍｇ）２４を読み出す。つまり、４種類の色に対応する画素のうち、蓄積電荷が飽和する頻度が高い画素２４が水平方向に配列されたラインがフレームモードで最初に読み出され、次に蓄積電荷が飽和する頻度が比較的低い画素２４が水平方向に配列されたラインが読み出される。このような順序で画素２４を読み出すことによって、時刻ｔ5 で中間電位ＶM がＶM (1) に設定されて画素２４と垂直転送部２１とのポテンシャル障壁が低くなっても、画素２４、特に未だ読み出されていない奇数フィールドの画素（Ｇ，Ｍｇ）２４から電荷が垂直転送部２１に漏れこんでしまうことがほとんどなくなる。従って、画像に悪影響の生じる可能性がきわめて低くなる。
【００５８】
さらに、フレームモードで電荷転送パルスＶ3 が最初に高電位ＶH の期間に基板の電位Ｖsub をＶsub (2) からフィールドモードと同じＶsub (1) に設定したので、すでに画素２４の蓄積電荷飽和レベルはフィールド時と同等となり、中間電位ＶM を切り換えても画素２４で発生した電荷が垂直転送部２１に漏れこむことがない。なお、基板の電位Ｖsub をＶsub (1) に設定する時刻は、電荷転送パルスＶ3 が最初に高電位ＶH となってから画素２４の蓄積電荷が最初に飽和レベルに達するまでの期間ｔ3 〜としてもよい。画素２４の蓄積電荷が最初に飽和レベルに達するまでに基板の電位Ｖsub をＶsub (1) に設定することが必要なのは、画素の飽和前に画素２４の蓄積電荷をシリコン基板に逃がすことができて中間電位ＶM をＶM (1) に設定したことによって画素２４の蓄積電荷が転送期間内に垂直転送部２１に漏れこむのを防止するためである。
【００５９】
また、シリコン基板の電位Ｖsub をフィールドモードと同じ電位であるＶsub (1) に設定するので、電位を設定するための別の回路を設ける必要がなくなる。
【００６０】
なお、本実施例のディジタルスチルカメラでは、図３に示すように、電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にして画素２４からの読み出しを行う前にシャッタ１２を閉じてそれ以降撮像素子１への光線を遮光するので、画素２４からの読み出しを行った後に余計な電荷が画素２４に発生せず、暗電流のみが流れる。従って、上述したようにシリコン基板の電位Ｖsub をＶsub (1) に設定しなくても、垂直転送部２１に電荷が漏れこむことがない。つまり、フレームモードでシリコン基板の電位Ｖsub を制御しなくても高画質の画像を得ることができる。
【００６１】
以上のように、シリコン基板の電位Ｖsub および中間電位ＶM をレベル２からレベル１へ切り換えるにあたっては、図５のキャパシタＣ1 の値を変更することによって、この部分の時定数を制御し、切り換えのタイミングが上述の条件を満たすようにする。このキャパシタＣ1 は、各設定電位出力の交流インピーダンスを下げてその電位レベルを安定させるための素子である。このキャパシタＣ1 の影響で各レベル設定切り換え制御信号発生後、実際に印加電位が切り替わるまでには遅延が生じる。また、このキャパシタＣ1 以外の回路素子によっても遅延が生じる。従って、各設定電位切り換えのタイミングは以上の遅延分を考慮してなるべく早く行い、その分回路の時定数を大きくして電位の安定化を図ることが望ましい。
【００６２】
以上のようにして撮像素子１から得られた撮像信号は、前置処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６および撮像信号処理回路７で所定の処理をされ、フレーム映像出力として記録媒体Ｉ／Ｆ８で特定フォーマットへの変換処理がされた後、記録媒体９に静止画像として記録される。
【００６３】
本実施例のディジタルカメラでは、フィールドモードでの撮像を所定期間行った後にフレームモードでの撮像を行うので、スイッチの切り替えによって最もよいタイミングでフレームモードでの撮像を行うことができる。特に、フィールドモードで得られた撮像信号をＥＶＦ１３に供給するとともに、フレームモードで得られた撮像信号を記録媒体９に記録するので、高解像度の静止画像を最もよいタイミングで記録媒体９に記録することができる。また、撮像素子１が縦形オーバーフロードレイン構造を有しているので、画素２４に蓄積された電荷を画素２４からシリコン基板へ効率よく抜き取ることができる。
【００６４】
なお、時刻ｔ5 以降のシリコン基板の電位Ｖsub は、フィールドモードと同じ電位に設定する必要は必ずしもなく、時刻ｔ4 以前よりも高く設定して蓄積電荷をシリコン基板に逃がすことができればよい。また、時刻ｔ5 以降の中間電位ＶM は、フィールドモードと同じ電位に設定する必要は必ずしもなく、時刻ｔ4 以前よりも高く設定して電荷転送効率の低下による画質の劣化が防止できればよい。
【００６５】
また、本実施例のディジタルスチルカメラにおいて、電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にした後にシリコン基板の電位Ｖsub の電位を切り換え、さらに中間電位ＶM を切り換えるようにすると、シリコン基板の電位Ｖsub および中間電位ＶM の切り換えが行われても、読み出しの行われなかった奇数ラインの画素（Ｍｇ，Ｇ）２４で発生した蓄積電荷がシリコン基板側に流れこむので、この電荷が垂直転送部２１に漏れこむことがない。従って、読み出しの行われた偶数ラインの画素（Ｃｙ，Ｙｅ）２４からの電荷と、読み出しの行われなかった奇数ラインの画素（Ｍｇ，Ｇ）２４からの電荷とが垂直転送部２１において混合されることがなくなるので、特に高輝度被写体およびその周辺に偽輪郭が生じたり、ブルーミングによる疑似信号が生じて画質が低下することがなく、より好ましい。
【００６６】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００６７】
図６は本実施例のディジタルカメラの撮像シーケンスを示すフローチャートであり、第１実施例とは、操作部第２スイッチオン（ステップＳ１３）の後、フレーム撮影用露光準備として露光開始の前の１フィールド期間において中間電位ＶM のレベルをＶM (2) とし、基板電位Ｖsub のレベルをＶsub (1) とする（ステップＳ１４）点で異なっている。こうすることで、露光準備中に電荷をシリコン基板側に逃がし、画素２４から垂直転送部に漏れこむ電荷量が少なくなる。この結果、不要な電荷が垂直転送部２１に漏れこんで転送されて画質が劣化するのを防止できる。
【００６８】
また、図７のフローチャートのように、操作部第２スイッチオン（ステップＳ１３）の後、フレーム撮影用露光準備として露光開始の前の１フィールド期間の中間電位ＶM のレベルをレベル２とし、基板電位Ｖsub のレベルをレベル３（レベル３＞レベル１）としてもよい（ステップＳ１４）。こうすることで、画素２４の電荷がより確実にシリコン基板側に流れこんで、露光準備中に画素２４から垂直転送部に漏れこむ電荷量がさらに少なくなる。この結果、不要な電荷が垂直転送部２１に漏れこんで転送されて画質が劣化するのをより確実に防止できる。図８は、図７のシーケンスにおける信号のタイミングチャートである。この例では、露光時間の１フィールド期間前の画素２４のダイナミックレンジはフィールド時よりもさらに狭くなり、高輝度部の電荷はほとんど基板を介して流出する。従って、図６の場合よりもさらに垂直転送部２１への漏れこみは少なくなり、不要電荷の残存を防止することができる。
【００６９】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００７０】
図９に、本実施例のディジタルカメラの信号タイミングチャートを示す。本実施例では、フレームモード開始後電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にする直前に、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 を通常の転送パルスの２０倍程度の速さで高速転送する。このようにすることで、露光時間中に垂直転送部２１に漏れこんだ不要電荷を確実に除去することができ、より一層ブルーミングなどを起こしにくくなる。
【００７１】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００７２】
図１０に、本実施例のディジタルカメラの信号タイミングチャートを示す。本実施例では、フレームモード開始後電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にする直前に、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 を１０パルス分程度の所定時間除去する。このようにすることで、中間電位ＶM のＶM (2) からＶM (1) への設定電位の切り換え可能な範囲が広がる。つまり、中間電位ＶM を切り換えてから電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にするまでの時間を長く取ることによって、図５の切り換え回路のキャパシタＣ1 に関する時定数を大きくとっても、垂直転送部２１で電荷の転送が始まるまでに中間電位ＶM を切り換えを完了させることができる。この結果、より出力交流インピーダンスが低い定電圧回路を設定することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、フレームモードでの転送電位ＶM を第１の期間にフィールドモードよりも低くした後に第２の期間でこれよりも高くするので、フレームモードでの垂直転送部の電荷転送効率が低下することがない。また、フレームモードで電荷転送パルスが最初に読み出し電位ＶH となる期間を含みその前後の電荷が垂直転送部内を転送されない期間に第１の期間から第２の期間への切り換えが行われるので、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも高くすることによって光電変換要素から垂直転送部に電荷が漏れこんだとしても、漏れこんだ電荷が垂直転送されることにより隣接するラインの電荷が混合することがなく、ブルーミングにより画質が劣化することがない。また、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも低く設定しても、フレームモードの第１の期間で蓄積された電荷が撮像信号として無駄なく検出されるので、実質的にダイナミックレンジが狭くなることがない。従って、フレームモードにおいてフィールドモードと同程度にダイナミックレンジが広く、ブルーミングによって画質が劣化することがなく、且つ電荷の転送効率の高い安価な撮像装置を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例の撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施例の撮像装置の動作を説明するための信号のタイミング図である。
【図４】図３のタイミング図をより詳細に説明するための図である。
【図５】図１の駆動電圧設定回路３の等価回路図である。
【図６】本発明の第２実施例の撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施例の変形例の撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施例の撮像装置の動作を説明するための信号のタイミング図である。
【図９】本発明の第３実施例の撮像装置の動作を説明するための信号のタイミング図である。
【図１０】本発明の第４実施例の撮像装置の動作を説明するための信号のタイミング図である。
【図１１】インターライン型ＣＣＤの概略構成を示す図である。
【図１２】フィールドモードにおいて図１１の転送ゲート電極２５に印加される４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 のタイムチャートである。
【図１３】フレームモードにおいて図１１の転送ゲート電極２５に印加される４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 のタイムチャートである。
【図１４】縦形オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造の撮像素子の画素の基板深さ方向のポテンシャル図である。
【図１５】ＣＣＤの光電変換部および垂直転送部の水平方向のポテンシャル図である。
【符号の説明】
１ 撮像素子
２ タイミング信号発生回路（ＴＧ）
３ 駆動電圧設定回路
４ 撮像素子駆動回路
５ 前置処理回路
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 撮像信号処理回路
８ 記録媒体インターフェイス（Ｉ／Ｆ）
９ 記録媒体
１０ 操作部
１１ 設定切換回路
１２ シャッタ
１３ ＥＶＦ（ビューファインダ）
２０ 光電変換部
２１ 垂直転送部（ＶＣＣＤ）
２２ 水平転送部（ＨＣＣＤ）
２３ 出力アンプ
２４ 光電変換要素（画素）
２５ 転送ゲート電極
Ｖ1 〜Ｖ4 電荷転送パルス
ＶL 電荷転送パルスの低電位
ＶM 電荷転送パルスの中間電位
ＶH 電荷転送パルスの高電位（読み出し電位）
Ｖsub 基板電位
【産業上の利用分野】
本発明は、ＣＣＤのような撮像素子を有する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、撮像素子としてＣＤＤ（Charge Coupled Device ：電荷結合素子）を用いたビデオカメラや電子カメラなどの撮像装置が数多く開発され販売されている。また、マルチメディア機器においては、ビデオ信号に規制されないディジタル画像データが求められている。例えば、ビデオ信号に規制されないデータを扱うようにしたディジタルカメラが実現されている。このようなディジタルカメラに使用するＣＣＤなどの撮像素子は、ビデオ信号に規制されないことから比較的高い自由度で設計することが可能であるが、製品価格を抑制するためにはむしろビデオカメラ用の撮像素子をそのまま使用する方が好ましい。そこで、ディジタルカメラに使用したビデオムービーカメラ用撮像素子を、ビデオムービーカメラに使用したときとは異なる方法で駆動することによって、より高画質の画像データを得ることが提案されている。
【０００３】
図１１は、ビデオカメラ用ＣＣＤとして一般的なインターライン型ＣＣＤの概略構成を示す図である。補色市松色差順次方式の色フィルタ構成で各光電変換要素（画素）２４が配列された光電変換部２０は、入射した光のうち透過した４つの特定波長域の光（Ｍｇ，Ｇ，Ｃｙ，Ｙｅ）から電荷を発生する。垂直転送部（ＶＣＣＤ）２１は、転送ゲート電極２５に４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 が印加されることによって画素２４のそれぞれに蓄えられた電荷を読み出し垂直方向に転送する。水平転送部２２は、垂直転送部２１から転送されてきた電荷を水平方向に転送する。出力アンプ２３は、水平転送部２２から転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する。
【０００４】
図１１に示すように、ＣＣＤからの撮像信号は、１フィールド期間毎に全ラインの画素を走査し、奇数フィールドと偶数フィールドとで１段ずらした画素ラインを垂直転送部２１で加算して読み出すフィールドモード、および１フィールド期間毎に１ラインおきの画素をインターレース走査して読み出すフレームモードのいずれかのモードによって読み出される。
【０００５】
図１２に、フィールドモードにおいて図１１の転送ゲート電極２５に印加される４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 のタイムチャートを示す。図１２において、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 が中間電位ＶM と低電位ＶL とを繰り返すことによって電荷が転送される一方で、電荷転送パルスＶ1 および電荷転送パルスＶ3 が同時に高電位ＶH （読み出しパルス）になると、奇数ライン（Ｍｇ，Ｇ）の画素２４および偶数ライン（Ｃｙ，Ｙｅ）の画素２４から垂直転送部２１へ蓄積電荷が読み出される。以後、１フィールド期間（１Ｖ）ごとに電荷転送パルスＶ1 および電荷転送パルスＶ3 が同時に高電位ＶH になり、全画素２４から垂直転送部２１への撮像信号の読み出しが行われる。このフィールドモードでは、上下の画素に蓄積された電荷が加算されるためにフレームモードに比べて垂直解像度が半分程度に減少する。
【０００６】
図１３に、フレームモードにおいて図１１の転送ゲート電極２５に印加される４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 のタイムチャートを示す。図１３において、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 が中間電位ＶM と低電位ＶL とを繰り返すことによって電荷が転送される一方で、電荷転送パルスＶ1 が高電位ＶH （読み出しパルス）になると、奇数ライン（Ｍｇ，Ｇ）の画素２４から垂直転送部２１へ蓄積電荷が読み出される。次に、１フィールド期間経過後に、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH （読み出しパルス）になると、偶数ライン（Ｃｙ，Ｙｅ）の画素２４から垂直転送部２１へ蓄積電荷が読み出される。以後、１フィールド期間ごとに電荷転送パルスＶ1 および電荷転送パルスＶ3 が交互に高電位ＶH になり、画素２４から垂直転送部２１への読み出しが行われる。
【０００７】
以上説明したように、汎用的なビデオカメラ用のＣＣＤは、フィールドモードでの駆動を前提としているため、フィールドモードで最適となるようにダイナミックレンジが設定されている。従って、このようなＣＣＤを用いて静止画像の撮影のためにフレーム読み出しを行うと、垂直転送部２１の容量を有効に生かせないために、ＣＣＤのダイナミックレンジがフィールド読み出しのときよりも狭くなってしまう。つまり、画素２４の１個分の最大電荷蓄積容量が垂直転送部２１の転送ゲート電極２５の１段分の最大電荷蓄積容量よりも小さいために、フレームモードでは転送ゲート電極２５部分よりも先に画素２４部分の電荷が飽和してしまい、フィールドモードよりも飽和レベルが低くなる。
【０００８】
このように、汎用ＣＣＤでは、２画素分のダイナミックレンジに対して転送ゲート電極２５の１段分のダイナミックレンジが対応しているので、フレームモードにおいてフィールドモードと同等のダイナミックレンジを確保することができず、ダイナミックレンジがほぼ半減してしまう。そのため、特に、垂直高解像度を実現するためにフレーム読み出しを行い静止画像を記憶する電子カメラでは、ダイナミックレンジの減少によって画質が劣化してしまう。例えば、コントラストの高い被写体を撮像すると、信号が飽和して高彩度部分が変色したり、高輝度部分のコントラストが消失したりする。また、最近、全画素を加算せずに１フィールド期間毎に同時に読み出すことのできるＣＣＤが開発されてきている。このようなＣＣＤでは上下の画素からの電荷が加算されず且つ１フィールド期間毎に全画素が読み出されるので、垂直解像度の低下やダイナミックレンジの減少という問題が生じないが、かなり高価であるために安価な撮像装置に用いることができない。
【０００９】
一方、不要な蓄積電荷をシリコン基板に掃き捨てることのできる縦形オーバーフロードレイン（ＶＯＤ：Vertical Overflow Drain ）構造を採用することによって、ＣＣＤを高感度化、広ダイナミックレンジ化することが最近の主流になっている。図１４に示す画素２４の基板深さ方向のポテンシャル図により、ＶＯＤ構造でシリコン基板に不要な蓄積電荷を掃き捨てる原理を説明する。図１４において、ＣＣＤ受光面から入射した光線により画素で発生した電荷は、受光面下部のシリコン基板の電位Ｖsub によって規定されるポテンシャル障壁内に蓄積される。ここで、シリコン基板の電位Ｖsub が高いほどポテンシャル障壁のレベルは低くなり（レベル１）、シリコン基板の電位Ｖsub が低いほどポテンシャル障壁のレベルは高くなる（レベル２）。そこで、シリコン基板の電位Ｖsub をＶsub (2) からＶsub (1) にすることによって、不要な蓄積電荷をシリコン基板に掃き捨てることが可能になる。これを応用することによって、シリコン基板の電位Ｖsub の制御によって電荷蓄積のオン・オフを規定する電子シャッタを設けることができる。
【００１０】
そこで、基板電位Ｖsub の高低によって画素に蓄積される電荷量が変化することに注目し、フレームモードでの基板電位Ｖsub をフィールドモードよりも低くすることで、フレームモードにおける画素の最大蓄積電荷量を増加させ、ダイナミックレンジを拡大することができる。つまり、フィールドモードでＶsub (1) であった基板電位をフレームモードでＶsub (2) （Ｖsub (1) ＞Ｖsub (2) ）とすることで、ポテンシャル障壁に蓄積される電荷量、すなわちダイナミックレンジが拡大する。これによって、フレームモードでの光電変換部２０と垂直転送部２１との電荷飽和レベルのバランスが良くなって、トータルとしてＣＣＤのダイナミックレンジを向上させることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにフレームモードでの基板電位Ｖsub をフィールドモードよりも低くした場合、高輝度被写体を撮像した際に画素２４に蓄積された電荷が電荷蓄積期間であるにもかかわらず垂直転送部２１へ漏れこんでしまい、ブルーミングなどの弊害が生じてしまう。そこで、本出願人は、この問題を解決するために、基板電位Ｖsub だけでなく転送ゲート電極２５の電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベルを各モード毎に切り換え可能とし、フレームモードでの中間電位ＶM のレベルをフィールドモードに比べて低い電位に設定することによって、各画素２４の電荷蓄積容量を拡大し且つ蓄積電荷が垂直転送部２１へ漏れこまないようする発明を提案し、既に出願した（特願平６−１３７３１８号、平成６年６月２０日出願）。これを図１５で簡単に説明する。
【００１２】
図１５は、図１１に示すようなＣＣＤの光電変換部２０および垂直転送部２１の水平方向のポテンシャル図である。図１５において、フレームモードでの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベルをＶM (2) とし、フィールドモードでの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベルをＶM (1) （ＶM (1) ＞ＶM (2) ）とした。２つのモードでの中間電位ＶM のレベルをこのように設定することにより、光電変換部２０と垂直転送部２１との境界にあるポテンシャル障壁がフィールドモードよりもフレームモードで高くなる。従って、フレームモードでの電荷蓄積容量のレベル（レベル２）がフィールドモードでの電荷蓄積容量のレベル（レベル１）よりも高くなるので、上記のように基板電位Ｖsub を変更しても、フレームモードにおける蓄積電荷の垂直転送部２１への漏れこみを防止することができ、結果としてブルーミングなどの弊害が抑制される。
【００１３】
しかしながら、たとえフィールドモードよりもフレームモードで電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM および基板電位Ｖsub が低くなるようにしたとしても、中間電位ＶM が低くなることによって中間電位ＶM と低電位ＶL との電位差が小さくなるために、フレームモードにおける垂直転送部２１での電荷の転送効率が低下してしまう。この転送効率の低下によって、画質が劣化するという問題が生じていた。
【００１４】
なお、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベルだけでなく、低電位ＶL のレベルについてもフレームモードでフィールドモードよりも低くすることによって、垂直転送部２１の電荷転送効率の低下を防止することも考えられる。しかし、この場合、各レベル設定用の回路の規模が大きくなってしまい、安価で小型の撮像装置を得ることができないという問題、および低電位ＶL の最低電位を設定しなければならないために撮像素子自体の設計見直しが必要になって汎用の安価な撮像素子が使用できなくなってしまうという問題が生じていた。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、静止画像を撮像するフレームモードにおいてフィールドモードと同程度に広いダイナミックレンジを有し、ブルーミングなどの弊害が生じず、且つ電荷の転送効率の高い安価な撮像装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の撮像装置は、半導体基板部の上に形成された複数の光電変換要素からなる光電変換部と、前記光電変換部からの電荷を一方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの電荷を前記一方向と交差する方向に転送する水平転送部とからなるインターライン型ＣＣＤ撮像素子を有する撮像装置であって、前記撮像素子が、１フィールド期間ごとに水平方向の全ラインの前記光電変換要素を走査して上下２ラインを加算して読み出すフィールドモードと、１フィールド期間ごとに水平方向の１ラインおきの前記光電変換要素をインターレース走査して読み出すフレームモードとの２つのモードで駆動され、前記垂直転送部には、前記光電変換要素から前記垂直転送部へ電荷を読み出すための読み出し電位ＶH と、電荷を垂直方向に順次転送するための転送電位ＶM 、ＶL （ＶH ＞ＶM ＞ＶL ）とを有する電荷転送パルスが印加される撮像装置において、前記フレームモードでの前記半導体基板部の電位Ｖsub および前記転送電位ＶM は、前記フレームモードの第１の期間においてその両方が前記フィールドモードでの前記半導体基板部の電位Ｖsub および前記転送電位ＶM よりも低く設定され、前記フレームモードの第２の期間において前記転送電位ＶM が前記第１の期間よりも高く設定されており、前記フレームモードの前記第１の期間から前記第２の期間への切り換えは、前記フレームモードで前記電荷転送パルスが最初に前記読み出し電位ＶH となる期間を含みその前後の期間の電荷が前記垂直転送部内を転送されない期間に行われるように構成されている。
【００１７】
請求項２の撮像装置は、前記フレームモードの前記第１の期間から前記第２の期間への切り換えが、前記フレームモードで前記電荷転送パルスが最初に前記読み出し電位ＶH となる期間に行われるように構成されている。
【００１８】
請求項３の撮像装置は、前記フレームモードの前記第２の期間での前記転送電位ＶM が、前記フィールドモードでの前記転送電位ＶM に等しい値である。
【００１９】
請求項４の撮像装置は、前記フレームモードにおいて、前記撮像素子を所定時間露光してから、前記電荷転送パルスを最初に前記読み出し電位ＶH とする前に前記撮像素子への光線を前記撮像素子の前段に設けた遮光手段で遮光するように構成されている。
【００２３】
請求項５の撮像装置は、前記フィールドモードでの撮像を所定期間行った後に前記フレームモードでの撮像を行うように構成されている。
【００２４】
請求項６の撮像装置は、前記フィールドモードで得られた撮像信号をファインダに供給するとともに、前記フレームモードで得られた撮像信号を記録媒体に記録するように構成されている。
【００２５】
請求項７の撮像装置は、前記撮像素子が縦形オーバーフロードレイン構造を有している。
【００２６】
請求項８の撮像装置は、前記フレームモードの開始前において、前記半導体基板部の電位Ｖsubが前記フィールドモードにおける前記半導体基板部の電位Ｖsubと同等若しくはそれ以上の値となり、前記転送電位ＶMが前記フィールドモードにおける前記転送電位ＶMと同等となる期間を設けた。
【００２７】
請求項９の撮像装置は、前記フレームモードの前記第１の期間において、前記第２の期間への切り換えの前に前記垂直転送部で電荷を高速転送する。
【００２８】
請求項１０の撮像装置は、前記フレームモードで前記電荷転送パルスを最初に前記読み出し電位ＶHとする直前の前記電荷転送パルスを所定期間除去する。
【００２９】
【作用】
請求項１の発明によると、フレームモードでの転送電位ＶM を第１の期間にフィールドモードよりも低くした後に第２の期間でこれよりも高くするので、フレームモードでの垂直転送部の電荷転送効率が低下することがない。
また、フレームモードで電荷転送パルスが最初に読み出し電位ＶH となる期間を含みその前後の期間の電荷が垂直転送部内を転送されない期間に第１の期間から第２の期間への切り換えが行われるので、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも高くすることによって光電変換要素から垂直転送部に電荷が漏れこんだとしても、漏れこんだ電荷が垂直転送されることにより隣接するラインの電荷が混合することがなく、ブルーミングにより画質が劣化することがない。
また、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも高く設定しても、フレームモードの第１の期間で蓄積された電荷が撮像信号として無駄なく検出されるので、実質的にダイナミックレンジが狭くなることがない。
【００３０】
請求項２の発明によると、フレームモードで最初に電荷転送パルスが読み出し電位ＶH となる期間に第１の期間から第２の期間への切り換えが行われるので、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも高くしても光電変換要素から垂直転送部に電荷が漏れこむことがほとんどない。従って、画質の劣化をより確実に防止することができる。
【００３１】
請求項３の発明によると、フレームモードの第２の期間での転送電位ＶM が、フィールドモードでの転送電位ＶM に等しい値なので、フレームモードとフィールドモードとで等しい転送効率を得ることができるとともに、多数の電位を設定するための回路を設ける必要がなくなる。
【００３２】
請求項４の発明によると、撮像素子を所定時間露光してから電荷転送パルスを最初に読み出し電位ＶH とする前に撮像素子への光線を遮光手段で遮光するようにしたので、余計な電荷が光電変換要素で発生することがなくなる。従って、請求項５のように半導体基板部の電位Ｖsub を制御しなくても高画質の画像を得ることができる。
【００３６】
請求項５の発明によると、フィールドモードでの撮像を所定期間行った後にフレームモードでの撮像を行うので、最もよいタイミングでフレームモードでの撮像を行うことができる。
【００３７】
請求項６の発明によると、フィールドモードで得られた撮像信号をファインダに供給するとともに、フレームモードで得られた撮像信号を記録媒体に記録するので、高解像度の静止画像を最もよいタイミングで記録媒体に記録することができる。
【００３８】
請求項７の発明によると、撮像素子が縦形オーバーフロードレイン構造を有しているので、電荷を光電変換要素から半導体基板部へ効率よく抜き取ることができる。
【００３９】
請求項８の発明によると、フレームモードの開始前に半導体基板部の電位Ｖsubがフィールドモードにおける半導体基板部の電位Ｖsubと同等若しくはそれ以上の値となり、転送電位ＶMがフィールドモードにおける転送電位ＶMと同等となる期間を設けたので、この期間に不要な電荷を光電変換要素から半導体基板部へ抜き取ることができ、不要電荷が垂直転送部に漏れこんで転送されることによる画質の劣化を防止できる。
【００４０】
請求項９の発明によると、フレームモードの第１の期間において、第２の期間への切り換えの前に垂直転送部で電荷を高速転送するので、これより以前に垂直転送部に漏れこんだ不要な電荷が除去され、画質の劣化を防止できる。
【００４１】
請求項１０の発明によると、フレームモードで電荷転送パルスを最初に読み出し電位ＶHとする直前の電荷転送パルスを所定期間除去するので、転送電位ＶMの電位を変更するタイミングの範囲を広げることができる。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明を実施例につき図面を参照して説明する。
【００４３】
図１は、本発明の第１実施例のディジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。図１において、撮像素子１は、被写体からの光の光信号を電気信号に変換する素子である。本実施例では、撮像素子１が、図１１に示す補色市松色差順次方式の色フィルタ構成で配列されたインターライン型ＣＤＤであることを前提に説明する。タイミング信号発生回路（ＴＧ）２は、撮像素子１を動作させるために必要なタイミング信号を発生する。駆動電圧設定回路３は、撮像素子１を駆動するための駆動電圧を発生する。撮像素子駆動回路４は、タイミング信号発生回路２からの信号を撮像素子を駆動するのに必要なレベルに増幅する。
【００４４】
前置処理回路５は、内部に撮像素子１の出力ノイズ除去のためのＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路やＡＧＣ（自動利得制御）回路を含む回路である。Ａ／Ｄ変換器６は、前置処理回路５から出力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する。撮像信号処理回路７は、ディジタル化された信号を撮像信号処理する。記録媒体インターフェイス（Ｉ／Ｆ）８は、記録媒体９に記録のための信号を送る。操作部１０は、カメラの撮像開始や撮像素子１の読み出しモードを撮影者が制御するためのものである。設定切換回路１１は、操作部１０によって設定された撮像素子１の読み出しモードに応じて、基板電位Ｖsub および電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM を切り換えるための制御信号と、タイミング信号発生回路２の信号タイミングの設定のための信号を出力する。シャッタ１２は、機械的なものであり、撮像素子１に入射する光線の入射時間を制御する。ＥＶＦ（ビューファインダ）１３は、撮像信号処理回路７からの画像信号をディスプレイに表示する。
【００４５】
次に、本実施例のディジタルカメラの動作について、その動作シーケンスを示すフローチャートである図２、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 などのタイミングを示す図３、および図３のａなどの部分拡大図である図４を参照して説明する。
【００４６】
まず、撮影者が操作部１０の第１スイッチをオンすることにより（ステップＳ１）、ＥＶＦ１３に画像を映し出すためのファインダモードが起動され、撮像信号の読み出し速度を速くすることのできるフィールドモードによる撮像動作が始まる（ステップＳ２）。すると、絞り（図示せず）が制御されてシャッタ１２が開放状態となり、タイミング信号発生回路２で制御される撮像素子１の電子シャッタが２クロック連続で開いてから電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 が高電位ＶH になるまで撮像素子１が露光される。そして、この読み出しパルスＶH によって、撮像素子１から１フィールド期間ごとに加算された撮像信号が読み出される。読み出された信号は、前置処理回路５でＣＤＳ処理やゲインコントロールなどの信号処理を施される。この際、ゲインコントロール回路のゲインは、撮像素子１の感度で決められるので、カメラの製造時に設定される。前置処理回路５の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器６でディジタル信号に変換され、撮像信号処理回路７に供給される。撮像信号処理回路７で処理された信号は動画信号としてＥＶＦ１３に出力され、撮影者は撮像範囲や被写体の状況を確認することができる。
【００４７】
このファインダモードでの動作はフィールド読み出しで行われるので、撮像素子１の基板電位Ｖsub の値を図１４のＶsub (1) にするとともに、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM の値を図１５のＶM (1) にする。これによって、ファインダモード時のダイナミックレンジおよび垂直転送効率を最適化することができる。
【００４８】
図３に、撮像素子１の電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 、基板電位Ｖsub （電子シャッタの開閉タイミングを示す）、シャッタ１２の開閉制御信号、および基板電位Ｖsub と中間電位ＶM との切り換え信号のタイミングチャートを示す。ファインダモードにおいてはシャッタ１２は常に開いており、基板に高電位の電子シャッタ開パルスを印加して画素２４に蓄積された電荷を基板に逃がしてから電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 が高電位ＶH になるまでが撮像素子１の露光時間になる。そして、１フィールド期間（１Ｖ）毎に電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 が同時に高電位ＶH となり、水平方向の全ラインの画素２４を走査し、上下２ラインを加算して全画素の読み出しが行われる。また、上述のように、撮像素子１の基板電位Ｖsub はＶsub (1) であり、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM の値はＶM (1) になっている。
【００４９】
ここで、フィールドモードにおける駆動電圧設定回路３の動作について、駆動電圧設定回路３の部分的な等価回路図である図５を参照して説明する。フィールドモードでは、設定切換回路１１からの制御信号がＬレベル（レベル１）であるので、トランジスタＴｒ1 がオフになってトランジスタＴｒ2 のベース電位は抵抗Ｒ3 、Ｒ4 および電圧Ｖ1 で決められる電位となる。このトランジスタＴｒ2 のベース電位がトランジスタＴｒ2 のベース−エミッタ間レベルＶbe分だけ低下し、出力端子から基板電位Ｖsub (1) または中間電位ＶM (1) として出力される。
【００５０】
次に、撮影者が操作部１０の第２スイッチをオンすることにより（ステップＳ３）、記録媒体９に静止画像を記録するための記録媒体記憶モードが起動され、フレーム読み出しによる撮像動作が始まる（ステップＳ４）。この記録媒体記憶モードでの動作はフレーム読み出しで行われるので、まず、撮像素子１の基板電位Ｖsub の値を図１４のＶsub (2) にするとともに、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM の値を図１５のＶM (2) にする。そして、すぐ後に、基板に高電位の電子シャッタ開パルスを印加してから撮像素子１への露光が始まる。その後、約１フィールド期間経過後にシャッタ１２が閉じられる（ステップＳ５）ことによって露光が終了する。露光終了後に電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にして偶数ラインの画素（Ｃｙ，Ｙｅ）２４を読み出す。また、これと前後して（後で図４にて詳述する）、撮像素子１の基板電位Ｖsub の値をＶsub (1) にするとともに、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM の値をＶM (1) にする。さらに、電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にし、それから１フィールド期間経過後に電荷転送パルスＶ1 を高電位ＶH にして奇数ラインの画素（Ｍｇ，Ｇ）を読み出す（ステップＳ６）。
【００５１】
ここで、フレームモードにおける駆動電圧設定回路３の動作について、再び図５を参照して説明する。フレームモードでは、設定切換回路１１からの制御信号がＨレベル（レベル２）であるので、トランジスタＴｒ1 がオンになってトランジスタＴｒ2 のベース電位は抵抗Ｒ3 、Ｒ4 および電圧Ｖ1 のほか、トランジスタＴｒ1 および抵抗Ｒ2 で決められる電位となる。このときトランジスタＴｒ2 のベース−グランド間の抵抗値が小さくなるため、トランジスタＴｒ2 のエミッタ電位は、基板電位Ｖsub (1) または中間電位ＶM (1) よりも低いレベルの基板電位Ｖsub (2) または中間電位ＶM (2) として出力端子から出力される。
【００５２】
次に、フレームモードにおける電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にするタイミングと、基板電位Ｖsub および電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 の中間電位ＶM のレベル２からレベル１への切り換えのタイミングとの関係について、図４を参照して説明する。図４は、図３のａ内を拡大した撮像素子１の電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 、設定切換回路１１からの基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の切換制御信号、並びに基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の実際の電位のタイミングチャートである。
【００５３】
また、図４において、ｔ1 は電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH になる直前において電荷転送パルスによる電荷転送が停止する時刻、ｔ2 は電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH になる直前において電荷転送パルスＶ3 が低電位ＶL から中間電位ＶM になる時刻、ｔ3 は電荷転送パルスＶ3 の高電位ＶH の開始時刻、ｔ4 は切換制御信号がレベル２からレベル１へ切り換えられて基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の実際の設定電位の変化が始まる時刻、ｔ5 は基板電位Ｖsub および中間電位ＶM がレベル２となって設定電位の変化が終了する時刻、ｔ6 は電荷転送パルスＶ3 の高電位ＶH の終了時刻、ｔ7 は電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH になった直後において電荷転送パルスＶ3 が中間電位ＶM から低電位ＶL になる時刻、ｔ8 は電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH になった直後において電荷転送パルスによる電荷転送が再開する時刻である。また、期間ｔ1 〜ｔ8 では電荷転送パルスＶ1 、Ｖ3 の電位が交互に変化しないため、電荷は垂直転送部２１内を転送されない。
【００５４】
本実施例のディジタルカメラでは、図４に示すように、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH （読み出し電位）の時刻ｔ4 に、基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の切換制御信号がレベル２からレベル１へ切り換えられ、これによって、基板電位Ｖsub および中間電位ＶM の実際の電位も、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH の期間の時刻ｔ5 までにレベル２からレベル１へ切り換えられる。このように、本実施例のディジタルカメラでは、フレームモードの途中の電荷転送パルスＶ3 が最初に高電位ＶH の期間において、中間電位ＶM をフィールドモードと同じくＶM (1) に設定するので、フレームモードでの垂直転送部２１の電荷転送効率が低下することがない。切り換え制御信号は、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH の期間内に基板電位Ｖsub および中間電位ＶM をレベル２からレベル１へ切り換えるために、電荷転送パルスＶ3 が高電位ＶH の期間の前半にレベル２からレベル１へ切り換えられる（｜ｔ3 〜ｔ4 ｜＜｜ｔ4 〜ｔ5 ｜）。
【００５５】
なお、中間電位ＶM をＶM (1) に設定する時刻は、電荷が垂直転送部２１内を転送されない期間ｔ1 〜ｔ8 であればよい。それは、以下の理由による。もし、この期間外に中間電位ＶM をＶM (1) に設定すれば、垂直転送部２１に漏れこんだ電荷が垂直転送されて隣接するラインの電荷どうしが混合され、画質が劣化してしまう。しかし、この期間内に中間電位ＶM をＶM (1) に設定した場合、画素２４から垂直転送部２１に電荷が漏れこんだとしても、漏れこんだ電荷が垂直転送されることにより隣接するラインの電荷が混合することがなく、画質の劣化も生じないからである。特に、本実施例のディジタルカメラのように、電荷転送パルスＶ3 が最初に高電位ＶH の期間に中間電位ＶM をＶM (1) に設定すると、画素２４から垂直転送部２１に電荷が漏れこむことがほとんどなく、ブルーミングによる画質の劣化がほとんど生じない。さらに、本実施例のディジタルカメラでは、中間電位ＶM を時刻ｔ5 以降においてフィールドモード時と同じに設定するものの、時刻ｔ5 以前のフレームモードで蓄積された電荷が撮像信号として無駄なく検出されるので、実質的にダイナミックレンジが狭くなることがない。
【００５６】
また、中間電位ＶM をフィールドモードと同じ電位であるＶM (1) に設定するので、フィールドモードとフレームモードとで等しい転送効率を得ることができ、また、電位を設定するための別の回路を設ける必要がなくなる。
【００５７】
また、本実施例のディジタルカメラでは、最初に電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にして、多くの撮像シーンにおいて相対的に信号レベルの高い偶数フィールドの画素（Ｃｙ，Ｙｅ）２４を読み出してから、次に電荷転送パルスＶ1 を高電位ＶH にして奇数フィールドの画素（Ｇ，Ｍｇ）２４を読み出す。つまり、４種類の色に対応する画素のうち、蓄積電荷が飽和する頻度が高い画素２４が水平方向に配列されたラインがフレームモードで最初に読み出され、次に蓄積電荷が飽和する頻度が比較的低い画素２４が水平方向に配列されたラインが読み出される。このような順序で画素２４を読み出すことによって、時刻ｔ5 で中間電位ＶM がＶM (1) に設定されて画素２４と垂直転送部２１とのポテンシャル障壁が低くなっても、画素２４、特に未だ読み出されていない奇数フィールドの画素（Ｇ，Ｍｇ）２４から電荷が垂直転送部２１に漏れこんでしまうことがほとんどなくなる。従って、画像に悪影響の生じる可能性がきわめて低くなる。
【００５８】
さらに、フレームモードで電荷転送パルスＶ3 が最初に高電位ＶH の期間に基板の電位Ｖsub をＶsub (2) からフィールドモードと同じＶsub (1) に設定したので、すでに画素２４の蓄積電荷飽和レベルはフィールド時と同等となり、中間電位ＶM を切り換えても画素２４で発生した電荷が垂直転送部２１に漏れこむことがない。なお、基板の電位Ｖsub をＶsub (1) に設定する時刻は、電荷転送パルスＶ3 が最初に高電位ＶH となってから画素２４の蓄積電荷が最初に飽和レベルに達するまでの期間ｔ3 〜としてもよい。画素２４の蓄積電荷が最初に飽和レベルに達するまでに基板の電位Ｖsub をＶsub (1) に設定することが必要なのは、画素の飽和前に画素２４の蓄積電荷をシリコン基板に逃がすことができて中間電位ＶM をＶM (1) に設定したことによって画素２４の蓄積電荷が転送期間内に垂直転送部２１に漏れこむのを防止するためである。
【００５９】
また、シリコン基板の電位Ｖsub をフィールドモードと同じ電位であるＶsub (1) に設定するので、電位を設定するための別の回路を設ける必要がなくなる。
【００６０】
なお、本実施例のディジタルスチルカメラでは、図３に示すように、電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にして画素２４からの読み出しを行う前にシャッタ１２を閉じてそれ以降撮像素子１への光線を遮光するので、画素２４からの読み出しを行った後に余計な電荷が画素２４に発生せず、暗電流のみが流れる。従って、上述したようにシリコン基板の電位Ｖsub をＶsub (1) に設定しなくても、垂直転送部２１に電荷が漏れこむことがない。つまり、フレームモードでシリコン基板の電位Ｖsub を制御しなくても高画質の画像を得ることができる。
【００６１】
以上のように、シリコン基板の電位Ｖsub および中間電位ＶM をレベル２からレベル１へ切り換えるにあたっては、図５のキャパシタＣ1 の値を変更することによって、この部分の時定数を制御し、切り換えのタイミングが上述の条件を満たすようにする。このキャパシタＣ1 は、各設定電位出力の交流インピーダンスを下げてその電位レベルを安定させるための素子である。このキャパシタＣ1 の影響で各レベル設定切り換え制御信号発生後、実際に印加電位が切り替わるまでには遅延が生じる。また、このキャパシタＣ1 以外の回路素子によっても遅延が生じる。従って、各設定電位切り換えのタイミングは以上の遅延分を考慮してなるべく早く行い、その分回路の時定数を大きくして電位の安定化を図ることが望ましい。
【００６２】
以上のようにして撮像素子１から得られた撮像信号は、前置処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６および撮像信号処理回路７で所定の処理をされ、フレーム映像出力として記録媒体Ｉ／Ｆ８で特定フォーマットへの変換処理がされた後、記録媒体９に静止画像として記録される。
【００６３】
本実施例のディジタルカメラでは、フィールドモードでの撮像を所定期間行った後にフレームモードでの撮像を行うので、スイッチの切り替えによって最もよいタイミングでフレームモードでの撮像を行うことができる。特に、フィールドモードで得られた撮像信号をＥＶＦ１３に供給するとともに、フレームモードで得られた撮像信号を記録媒体９に記録するので、高解像度の静止画像を最もよいタイミングで記録媒体９に記録することができる。また、撮像素子１が縦形オーバーフロードレイン構造を有しているので、画素２４に蓄積された電荷を画素２４からシリコン基板へ効率よく抜き取ることができる。
【００６４】
なお、時刻ｔ5 以降のシリコン基板の電位Ｖsub は、フィールドモードと同じ電位に設定する必要は必ずしもなく、時刻ｔ4 以前よりも高く設定して蓄積電荷をシリコン基板に逃がすことができればよい。また、時刻ｔ5 以降の中間電位ＶM は、フィールドモードと同じ電位に設定する必要は必ずしもなく、時刻ｔ4 以前よりも高く設定して電荷転送効率の低下による画質の劣化が防止できればよい。
【００６５】
また、本実施例のディジタルスチルカメラにおいて、電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にした後にシリコン基板の電位Ｖsub の電位を切り換え、さらに中間電位ＶM を切り換えるようにすると、シリコン基板の電位Ｖsub および中間電位ＶM の切り換えが行われても、読み出しの行われなかった奇数ラインの画素（Ｍｇ，Ｇ）２４で発生した蓄積電荷がシリコン基板側に流れこむので、この電荷が垂直転送部２１に漏れこむことがない。従って、読み出しの行われた偶数ラインの画素（Ｃｙ，Ｙｅ）２４からの電荷と、読み出しの行われなかった奇数ラインの画素（Ｍｇ，Ｇ）２４からの電荷とが垂直転送部２１において混合されることがなくなるので、特に高輝度被写体およびその周辺に偽輪郭が生じたり、ブルーミングによる疑似信号が生じて画質が低下することがなく、より好ましい。
【００６６】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００６７】
図６は本実施例のディジタルカメラの撮像シーケンスを示すフローチャートであり、第１実施例とは、操作部第２スイッチオン（ステップＳ１３）の後、フレーム撮影用露光準備として露光開始の前の１フィールド期間において中間電位ＶM のレベルをＶM (2) とし、基板電位Ｖsub のレベルをＶsub (1) とする（ステップＳ１４）点で異なっている。こうすることで、露光準備中に電荷をシリコン基板側に逃がし、画素２４から垂直転送部に漏れこむ電荷量が少なくなる。この結果、不要な電荷が垂直転送部２１に漏れこんで転送されて画質が劣化するのを防止できる。
【００６８】
また、図７のフローチャートのように、操作部第２スイッチオン（ステップＳ１３）の後、フレーム撮影用露光準備として露光開始の前の１フィールド期間の中間電位ＶM のレベルをレベル２とし、基板電位Ｖsub のレベルをレベル３（レベル３＞レベル１）としてもよい（ステップＳ１４）。こうすることで、画素２４の電荷がより確実にシリコン基板側に流れこんで、露光準備中に画素２４から垂直転送部に漏れこむ電荷量がさらに少なくなる。この結果、不要な電荷が垂直転送部２１に漏れこんで転送されて画質が劣化するのをより確実に防止できる。図８は、図７のシーケンスにおける信号のタイミングチャートである。この例では、露光時間の１フィールド期間前の画素２４のダイナミックレンジはフィールド時よりもさらに狭くなり、高輝度部の電荷はほとんど基板を介して流出する。従って、図６の場合よりもさらに垂直転送部２１への漏れこみは少なくなり、不要電荷の残存を防止することができる。
【００６９】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００７０】
図９に、本実施例のディジタルカメラの信号タイミングチャートを示す。本実施例では、フレームモード開始後電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にする直前に、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 を通常の転送パルスの２０倍程度の速さで高速転送する。このようにすることで、露光時間中に垂直転送部２１に漏れこんだ不要電荷を確実に除去することができ、より一層ブルーミングなどを起こしにくくなる。
【００７１】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００７２】
図１０に、本実施例のディジタルカメラの信号タイミングチャートを示す。本実施例では、フレームモード開始後電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にする直前に、電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 を１０パルス分程度の所定時間除去する。このようにすることで、中間電位ＶM のＶM (2) からＶM (1) への設定電位の切り換え可能な範囲が広がる。つまり、中間電位ＶM を切り換えてから電荷転送パルスＶ3 を高電位ＶH にするまでの時間を長く取ることによって、図５の切り換え回路のキャパシタＣ1 に関する時定数を大きくとっても、垂直転送部２１で電荷の転送が始まるまでに中間電位ＶM を切り換えを完了させることができる。この結果、より出力交流インピーダンスが低い定電圧回路を設定することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、フレームモードでの転送電位ＶM を第１の期間にフィールドモードよりも低くした後に第２の期間でこれよりも高くするので、フレームモードでの垂直転送部の電荷転送効率が低下することがない。また、フレームモードで電荷転送パルスが最初に読み出し電位ＶH となる期間を含みその前後の電荷が垂直転送部内を転送されない期間に第１の期間から第２の期間への切り換えが行われるので、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも高くすることによって光電変換要素から垂直転送部に電荷が漏れこんだとしても、漏れこんだ電荷が垂直転送されることにより隣接するラインの電荷が混合することがなく、ブルーミングにより画質が劣化することがない。また、転送電位ＶM を第２の期間で第１の期間よりも低く設定しても、フレームモードの第１の期間で蓄積された電荷が撮像信号として無駄なく検出されるので、実質的にダイナミックレンジが狭くなることがない。従って、フレームモードにおいてフィールドモードと同程度にダイナミックレンジが広く、ブルーミングによって画質が劣化することがなく、且つ電荷の転送効率の高い安価な撮像装置を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例の撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施例の撮像装置の動作を説明するための信号のタイミング図である。
【図４】図３のタイミング図をより詳細に説明するための図である。
【図５】図１の駆動電圧設定回路３の等価回路図である。
【図６】本発明の第２実施例の撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施例の変形例の撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施例の撮像装置の動作を説明するための信号のタイミング図である。
【図９】本発明の第３実施例の撮像装置の動作を説明するための信号のタイミング図である。
【図１０】本発明の第４実施例の撮像装置の動作を説明するための信号のタイミング図である。
【図１１】インターライン型ＣＣＤの概略構成を示す図である。
【図１２】フィールドモードにおいて図１１の転送ゲート電極２５に印加される４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 のタイムチャートである。
【図１３】フレームモードにおいて図１１の転送ゲート電極２５に印加される４つの電荷転送パルスＶ1 〜Ｖ4 のタイムチャートである。
【図１４】縦形オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造の撮像素子の画素の基板深さ方向のポテンシャル図である。
【図１５】ＣＣＤの光電変換部および垂直転送部の水平方向のポテンシャル図である。
【符号の説明】
１ 撮像素子
２ タイミング信号発生回路（ＴＧ）
３ 駆動電圧設定回路
４ 撮像素子駆動回路
５ 前置処理回路
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 撮像信号処理回路
８ 記録媒体インターフェイス（Ｉ／Ｆ）
９ 記録媒体
１０ 操作部
１１ 設定切換回路
１２ シャッタ
１３ ＥＶＦ（ビューファインダ）
２０ 光電変換部
２１ 垂直転送部（ＶＣＣＤ）
２２ 水平転送部（ＨＣＣＤ）
２３ 出力アンプ
２４ 光電変換要素（画素）
２５ 転送ゲート電極
Ｖ1 〜Ｖ4 電荷転送パルス
ＶL 電荷転送パルスの低電位
ＶM 電荷転送パルスの中間電位
ＶH 電荷転送パルスの高電位（読み出し電位）
Ｖsub 基板電位
Claims (10)
- 半導体基板部の上に形成された複数の光電変換要素からなる光電変換部と、前記光電変換部からの電荷を一方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの電荷を前記一方向と交差する方向に転送する水平転送部とからなるインターライン型ＣＣＤ撮像素子を有する撮像装置であって、前記撮像素子が、１フィールド期間ごとに水平方向の全ラインの前記光電変換要素を走査して上下２ラインを加算して読み出すフィールドモードと、１フィールド期間ごとに水平方向の１ラインおきの前記光電変換要素をインターレース走査して読み出すフレームモードとの２つのモードで駆動され、前記垂直転送部には、前記光電変換要素から前記垂直転送部へ電荷を読み出すための読み出し電位ＶHと、電荷を垂直方向に順次転送するための転送電位ＶM、ＶL（ＶH＞ＶM＞ＶL）とを有する電荷転送パルスが印加される撮像装置において、
前記フレームモードでの前記半導体基板部の電位Ｖsubおよび前記転送電位ＶMは、前記フレームモードの第１の期間においてその両方が前記フィールドモードでの前記半導体基板部の電位Ｖsubおよび前記転送電位ＶMよりも低く設定され、前記フレームモードの第２の期間において前記転送電位ＶMが前記第１の期間よりも高く設定されており、
前記フレームモードの前記第１の期間から前記第２の期間への切り換えは、前記フレームモードで前記電荷転送パルスが最初に前記読み出し電位ＶHとなる期間を含みその前後の期間の電荷が前記垂直転送部内を転送されない期間に行われるように構成されていることを特徴とする撮像装置。 - 前記フレームモードの前記第１の期間から前記第２の期間への切り換えが、前記フレームモードで前記電荷転送パルスが最初に前記読み出し電位ＶHとなる期間に行われるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記フレームモードの前記第２の期間での前記転送電位ＶMが、前記フィールドモードでの前記転送電位ＶMに等しい値であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
- 前記フレームモードにおいて、前記撮像素子を所定時間露光してから、前記電荷転送パルスを最初に前記読み出し電位ＶHとする前に前記撮像素子への光線を前記撮像素子の前段に設けた遮光手段で遮光するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
- 前記フィールドモードでの撮像を所定期間行った後に前記フレームモードでの撮像を行うように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
- 前記フィールドモードで得られた撮像信号をファインダに供給するとともに、前記フレームモードで得られた撮像信号を記録媒体に記録するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子が縦形オーバーフロードレイン構造を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
- 前記フレームモードの開始前において、前記半導体基板部の電位Ｖsubが前記フィールドモードにおける前記半導体基板部の電位Ｖsubと同等若しくはそれ以上の値となり、前記転送電位ＶMが前記フィールドモードにおける前記転送電位ＶMと同等となる期間を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
- 前記フレームモードの前記第１の期間において、前記第２の期間への切り換えの前に前記垂直転送部で電荷を高速転送することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。
- 前記フレームモードで前記電荷転送パルスを最初に前記読み出し電位ＶHとする直前の前記電荷転送パルスを所定期間除去することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
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