JP3939869B2 - Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオムービーカメラ等のカメラと、これに用いられる固体撮像装置に関し、特に、高速度撮影が可能な固体撮像装置とこのような固体撮像装置を備えたカメラ、およびこの固体撮像装置の駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、固体撮像素子を利用したビデオムービーカメラが普及し、さらなる高付加価値化が要望されている。特に、3倍速や6倍速等の高速度撮影や、ズーム(拡大)、手振れ防止など、固体撮像素子の駆動タイミングによる特殊効果が求められている。なお、高速度撮影とは、例えば3倍速の場合であれば、光電変換素子から読み出した信号電荷を画像信号として固体撮像装置から出力する動作を、1フレーム期間に3サイクル行うことをいう。
【0003】
ここで、高速度撮影が可能な従来の固体撮像素子の構成と、その構成における高速度撮影の方法について説明する。
【0004】
図21に、従来の固体撮像素子の構成の一例を示す。この固体撮像素子は、マルチメディア用途として一般的に用いられているものであり、480行、640列の行列状に配置された画素を有する。画素の各々には、光電変換素子としてのフォトダイオード81が設けられている。
【0005】
また、上記従来の固体撮像素子は、フォトダイオード81に蓄積される信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部82と、垂直転送部82から転送される信号電荷を水平方向に転送する水平転送部83と、水平転送部83からの信号電荷を信号電圧または信号電流に変換して出力する信号電荷検出部84とを備えている。
【0006】
説明を分かりやすくするために、図21において、第m行第n列の画素に対応するフォトダイオード81を表す矩形の中に(m,n)のように記載すると共に、以下の説明では、フォトダイオード81(m,n)のように表記する。なお、水平 転送部83に最も近い行を第1行とし、信号電荷検出部84に最も近い列を第1列とする。
【0007】
垂直転送部82は、0Vと約−9Vの二値の転送パルスが3相以上印加される垂直転送電極を備えている。この転送電極の1つ、または複数の転送電極に約15Vの電圧を印加することにより、フォトダイオード81に蓄積された電荷が垂直転送部82に転送される。
【0008】
図21に示した構成では、垂直転送部82は、3相の垂直転送電極V1〜V3を備え、V1に15Vの電圧を印加することにより、フォトダイオード81に蓄積された信号電荷を垂直転送部82の垂直転送電極V1下へ転送するように構成されている。
【0009】
図22および図24に、上記従来の固体撮像素子における駆動信号のタイミングチャートを示す。なお、図22は通常速度による撮影時、図24は高速度による撮影時の駆動タイミングを表し、VDは垂直同期信号、HDは水平同期信号である。また、φV1〜φV3のそれぞれは、図21に示した垂直転送電極V1〜V3のそれぞれに印加されるパルスである。
【0010】
なお、垂直同期信号VDの周波数は、NTSC方式における垂直同期信号の半分の30Hzであり、水平同期信号HDの周波数は、15.7KHzである。1フレーム期間の水平走査線の数は525本である。図22および図24では、水平同期信号HDにおいて各水平走査線に対応するパルスに、h1〜h525の符号を付して示す。
【0011】
まず、図22および図23に基づいて、通常速度による撮影時の動作を説明する。この場合、図21に示した480行、640列のすべてのフォトダイオード81に蓄積された信号電荷を出力させる。このため、垂直同期信号VDの1周期である1フレーム期間(1/30秒)に一回、φV1に15Vの電圧を印加することにより、フォトダイオード81に蓄積された信号電荷を垂直転送部82の垂直転送電極V1下へ読み出す。
【0012】
さらに、垂直転送を1行分行うために、φV1・φV2・φV3へ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加することにより、第1行のフォトダイオード81、すなわちフォトダイオード81(1,1)〜フォトダイオード81(1,640)から読み出された信号電荷が、水平転送部83へ転送される。その後、水平転送部83により、上記の1行分の信号電荷が、信号電荷検出部84へ出力される。第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図23に示す。
【0013】
水平転送部83から信号電荷検出部84への水平転送は、図21に示す端子H1およびH2から印加される2相の水平転送パルスによって制御されるが、この水平転送パルスは周知であるので、図22および図24では記載を省略する。
【0014】
上述のように、1行分の信号電荷の出力が完了した後、再び0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスをφV1・φV2・φV3に印加することにより、第2行のフォトダイオード81、すなわちフォトダイオード81(2,1)〜フォトダイオー ド81(2,640)から読み出された信号電荷を水平転送部83に転送し、第1行と 同様に信号電荷検出部84へ出力する。
【0015】
これを同様に繰り返し、第480行のフォトダイオード81(480,1)〜フォト ダイオード81(480,640)から読み出された信号電荷を出力した後、再びφV1 に15Vの電圧を印加することにより、再び480行、640列のフォトダイオード81のすべてから、蓄積された信号電荷を読み出す。
【0016】
以上の処理を繰り返すことにより、通常速度による撮影が行われる。
【0017】
次に、図24および図25に基づいて、4倍の高速度撮影時の動作を説明する。4倍の高速度撮影とは、フォトダイオード81から垂直転送部82へ信号電荷を読み出し、水平転送部83及び信号電荷検出部84より信号出力する処理を1サイクルとした場合、1フレーム期間に4サイクルの処理を行うことをいう。
【0018】
この場合、図21に示す480行、640列のフォトダイオード81の内、垂直方向において中央の110行分、すなわち第186行〜第295行のフォトダイオード81に蓄積された信号電荷のみを出力させる。
【0019】
まず、φV1に15Vの電圧を印加することにより、すべてのフォトダイオード81から、蓄積された信号電荷を垂直転送部82の垂直転送電極V1下へ読み出す。
【0020】
次に、垂直転送部82において、第1行〜第185行の185行分のフォトダイオード81から読み出された信号電荷の高速転送を行う。高速転送とは、垂直転送部82から水平転送部83へ信号電荷が転送された後、水平転送部83から信号電荷検出部84への転送終了を待たずに、垂直転送部82から水平転送部83への信号電荷の転送を連続して行うことをいう。このため、高速転送期間中の信号電荷検出部84からの信号出力は、映像信号としては使用できず、不要電荷として排出される。
【0021】
なお、垂直転送部82の高速転送周波数は、約300kHzが一般的とされている。つまり、1水平走査期間(63.5μs)に19行分の信号電荷を垂直方向に転送することが可能である。
【0022】
上記の高速転送によって第185行の信号電荷の転送が終了した後、通常の周波数で、第186行のフォトダイオード81から読み出された信号電荷の垂直転送を行う。さらに、水平転送部83から、この1行分の信号電荷を、信号電荷検出部84を介して出力する。第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図25に示す。
【0023】
同様に、通常の周波数で、第187行以降の信号電荷を順次信号出力させ、第295行のフォトダイオード81から読み出された信号電荷を出力した後、再び高速転送を開始し、480行の内の残りの185行分すなわち第296行〜第480行のフォトダイオード81から読み出された信号電荷を不要電荷として排出する。
【0024】
以上の処理が1サイクルであり、この1サイクルの期間は、約130水平走査期間に相当する。すなわち、525水平走査期間の1フレームに対し、4サイクルの実現が可能となる。言い換えれば、1フレーム期間(1/30秒)に110行分の映像信号を4回出力することにより、4倍の高速度撮影を行うことができる。
【0025】
1サイクルあたり約130水平走査期間の内訳は、1水平走査期間毎に1回の垂直転送を110回行う通常転送に要する110水平走査期間と、前述したように1水平走査期間毎に19回の不要電荷排出を行う高速転送に要する約20水平走査期間との和である。
【0026】
N倍速の高速度撮影時に映像信号として読み出されるフォトダイオードの行数をMとすると、NとMとの関係は、次式で表すことができる。なお、厳密には、フォトダイオード81から垂直転送部82への読み出しに必要な時間等の考慮が必要である。
【0027】
【数2】
525/{M+(480−M)/19)}=N
【0028】
上記した従来の固体撮像素子の場合、4倍速の高速度撮影なので上記数2でN=4とすることにより、M=110となる。
【0029】
【発明が解決しようとする課題】
このような固体撮像素子を用いて高速度撮影を行う場合、更なる高速化を実現するためには、固体撮像素子の駆動周波数を高速化することが必要である。しかし、駆動周波数の高速化は、転送効率等の特性の悪化を伴うため、容易ではないという問題がある。
【0030】
本発明は、上記の問題を解決するために、駆動周波数を高速化することなく、光電変換素子から読み出した電荷の垂直転送を行うことにより、転送効率等の特性の悪化を伴うことなく高速度撮影が可能な固体撮像装置およびこれを用いたカメラと、この固体撮像装置の駆動方法とを提供することを目的とする。
【0031】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像装置の第1の駆動方法は、n行(nは2以上の整数)に配列した複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積した信号電荷を読み出し前記信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、を備えた固体撮像装置の駆動方法において、前記水平転送部側より1行目からk行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第1のステップと、前記水平転送部側より1行目からk行目までの連続するk行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行う第2のステップを備えたことを特徴とする。
【0032】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像装置の第2の駆動方法は、n行 (nは2以上の整数)に配列した複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積した信号電荷を読み出し前記信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、を備えた固体撮像装置の駆動方法において、前記水平転送部側よりn1行目(n1は2からn−kまでの整数)からn1+k行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第3のステップと、前記水平転送部側より1行目からn1+k行目までの連続するn1+k行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行う第4のステップと、n1+k行目の前記光電変換部から読み出された前記信号電荷が、n1−1行目の前記光電変換部に接続した前記垂直転送部に移動したときに再び前記水平転送部側よりn1行目からn1+k行目までの連続するk行分の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第5のステップを備えたことを特徴とする。
【0033】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像装置の第3の駆動方法は、n行(nは2以上の整数)に配列した複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積した信号電荷を読み出し前記信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、を備えた固体撮像装置の駆動方法において、前記水平転送部側より1行目からk行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第1のステップと、前記水平転送部側より1行目からk行目までの連続するk行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り、前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行う第2のステップと、からなる第1のモードと、前記水平転送部側よりn1行目(n1は2からn−kまでの整数)からn1+k行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第3のステップと、前記水平転送部側より1行目からn1+k行目までの連続するn1+k行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行う第4のステップと、n1+k行目の前記光電変換部から読み出された前記信号電荷が、n1−1行目の前記光電変換部に接続した前記垂直転送部に移動したときに再び前記水平転送部側よりn1行目からn1+k行目までの連続するk行分の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第5のステップと、からなる第2のモードを備え、前記第1のモードと前記第2のモードを選択することを特徴とする。
【0034】
前記の第1〜第3の駆動方法において、前記ステップおよび前記モードは、高速度撮影のときに用いることが好ましい。さらに、前記高速度撮影とともに、通常撮影を行うことが好ましい。
【0035】
前記の第1〜第3の駆動方法において、1フレーム期間の水平走査期間数をH、1フレーム期間に前記信号電荷を読み出す回数をNとすると、k、H、およびNの間に、
【0036】
【数3】
H/N≧k
が成り立つことが好ましい。
【0037】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる第1の固体撮像装置は、n行(nは2以上の整数)に配列した複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積した信号電荷を読み出し前記信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、を備えた固体撮像装置において、前記水平転送部側より1行目からk行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出し、前記水平転送部側より 1行目からk行目までの連続するk行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行うことを特徴とする。
【0038】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる第2の固体撮像装置は、n行(nは2以上の整数)に配列した複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積した信号電荷を読み出し前記信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送部と、を備えた固体撮像装置において、前記水平転送部側よりn1行目(n1は2からn−kまでの整数)からn1+k行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出し、前記水平転送部側より1行目からn1+k行目までの連続するn1+k行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行い、n1+k行目の前記光電変換部から読み出された前記信号電荷が、n1−1行目の前記光電変換部に接続した前記垂直転送部に移動したときに再び前記水平転送部側よりn1行目からn1+k行目までの連続するk行分の前記光電変換部から前記垂直転送部へ、選択的に前記信号電荷を読み出すことを特徴とする。
【0039】
上記の目的を達成するために、本発明にかかるカメラは、前記第1または第2の固体撮像装置と、光学系と、前記固体撮像装置で得られた映像信号を処理する処理回路と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【0040】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【0041】
本実施形態の固体撮像装置は、図1に示すように、複数の画素(図示省略)が配置された光電変換部10と、信号制御部5とを備え、信号制御部5による制御の下で、この光電変換部10から読み出された電荷を電荷検出部4へ転送し、映像信号に変換して出力する構成である。
【0042】
本固体撮像装置は、図2に示すように、水平方向に640個(列)、垂直方向に480個(行)の行列状に配置された光電変換素子1から構成される光電変換部を備えている。なお、光電変換素子1としては、フォトダイオードを用いることができる。
【0043】
本固体撮像装置は、光電変換素子1に蓄積される信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する垂直転送部2と、垂直転送部2から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部3と、水平転送部3から転送された信号電荷を信号電圧または信号電流に変換して出力する信号電荷検出部4とを備えている。
【0044】
説明を分かりやすくするために、図2において、第m行第n列の画素に対応する光電変換素子1を表す矩形の中に(m,n)のように記載すると共に、以下の説明では必要に応じて、光電変換素子1(m,n)のように表記する。なお、図2に おいて水平転送部3に最も近い行を第1行とし、信号電荷検出部4に最も近い列を第1列とする。
【0045】
図2に示したとおり、光電変換素子1の各行には、3相の電極が接続されている。第1行〜第130行の光電変換素子1には、電極V1A、V2、およびV3がそれぞれ接続され、第131行〜第480行の光電変換素子1には、電極V1B、V2、およびV3がそれぞれ接続される。
【0046】
垂直転送部2は、電極V1AおよびV1Bのそれぞれに15Vの電圧を印加することにより、光電変換素子1から蓄積された信号電荷を読み出し、さらに、電極V1A、V1B、V2、およびV3のそれぞれに0Vあるいは−9Vの3相の転送パルスを印加することにより、読み出した信号電荷を、水平転送部3へ垂直方向に転送する。
【0047】
水平転送部3は、端子H1およびH2から2相の転送パルスが印加されることにより、垂直転送部2から転送された信号電荷を、信号電荷検出部4へ転送する。
【0048】
次に、図3〜図6に基づき、本固体撮像装置の動作を説明する。図3は通常速度による撮影時、図5は高速度による撮影時のタイミングチャートである。図3および図5において、VDは垂直同期信号、HDは水平同期信号である。また、φV1A、φV1B、φV2、およびφV3のそれぞれは、電極V1A、V1B、V2、およびV3のそれぞれに印加されるパルスである。
【0049】
なお、垂直同期信号VDの周波数は、NTSC方式における垂直同期信号の半分の30Hzであり、水平同期信号HDの周波数は、15.7kHzである。1フレーム期間の水平走査線の数は525本である。図3および図5では、水平同期信号HDにおいて各水平走査線に対応するパルスに、h1〜h525の符号を付して示す。
【0050】
まず、図3および図4を参照しながら、通常速度による撮影時の動作について説明する。なお、通常速度による撮影とは、1フレーム期間(1/30秒)に一回ずつ、480行640列のすべての光電変換素子1から得られる信号電荷を出力することをいう。
【0051】
まず、図3においてφV1AおよびφV1Bに示すとおり、電極V1AおよびV1Bに15Vの電圧(読み出しパルス)を同時に印加することにより、480行640列のすべての光電変換素子1に蓄積された信号電荷を、垂直転送部2の電極V1AおよびV1Bの下へ読み出す。
【0052】
続いて、垂直転送を1行分行うために、電極V1A、V1B、V2、およびV3へ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを印加することにより、第1行の640個の光電変換素子1、すなわち光電変換素子1(1,1)〜光電変換素子1(1,640)から読み出された信号電荷が、水平転送部3へ転送される。第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図4に示す。
【0053】
その後、水平転送部3により、第1行の信号電荷は、信号電荷検出部4へ出力される。なお、図3では、水平転送部3に印加する水平転送パルスは図示を省略する。
【0054】
第1行の信号電荷の出力が完了した後、電極V1A、V1B、V2、およびV3へ、再び0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを印加することにより、第2行の640個の光電変換素子1、すなわち光電変換素子1(2,1)〜光電変換素子1(2,640)から読み出された信号電荷を水平転送部3に転送し、第1行と同様に、信号電荷検出部4へ出力する。
【0055】
以降、同様に、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加するたびに、光電変換素子1から読み出した信号電荷を1行分ずつ水平転送部3を介して信号電荷検出部4へ出力する。通常速度の撮影時には、上記の15Vの読み出しパルスの印加を1フレーム期間に1回ずつ行い、読み出しパルスの後に、上記の垂直転送パルスを1フレーム期間に480回印加することにより、480行分の信号電荷を出力する。
【0056】
次に、図5および図6を参照しながら、高速度による撮影について説明する。本実施形態では、第1行〜第130行の光電変換素子1から信号電荷を読み出して信号電荷検出部4へ出力する処理を、1フレーム期間に4サイクル行うことにより、4倍速の高速度撮影を実現する。
【0057】
まず、図5に示すように、電極V1Aのみへ15Vの電圧(読み出しパルス)を印加することにより、電極V1Aが接続されている第1行〜第130行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷のみを、垂直転送部2の電極V1Aの下へ読み出す。このとき、通常速度による撮影時とは異なり、電極V1Bには読み出しパルスを印加しないので、第131行〜第480行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷は、垂直転送部2へ読み出されない。
【0058】
電極V1Aの下へ信号電荷を読み出した後、電極V1A、V1B、V2、およびV3のそれぞれへ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを印加することにより、第1行の640個の光電変換素子1、すなわち光電変換素子1(1,1)〜光電 変換素子1(1,640)から読み出した信号電荷を水平転送部3へ転送する。第1行 の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図6に示す。
【0059】
その後、水平転送部3から、第1行の信号電荷が信号電荷検出部4へ出力される。なお、図5においても、水平転送部3に印加する水平転送パルスは図示を省略する。
【0060】
第1行の信号電荷の出力が完了した後、再び0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを電極V1A、V1B、V2、およびV3のそれぞれへ印加することにより、第1行と同様に、第2行の信号電荷が水平転送部3を介して信号電荷検出部4へ出力される。
【0061】
このように、15Vの読み出しパルスを印加した後に、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスの印加を130回繰り返すことにより、第1行〜第130行までの信号電荷を出力する。ここまでが、1サイクルである。第130行の信号電荷を出力した後は、残りの第131行〜第480行の350行分の信号電荷の転送をすることなく、2サイクル目の信号電荷の読み出しを行うために、再び、電極V1Aへ15Vの読み出しパルスを印加する。
【0062】
上記したように、本実施形態の固体撮像装置は、480行640列の光電変換素子1に蓄積された信号電荷の内、水平転送部3に近い側の130行分のみ、すなわち第1行〜第130行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷のみを、信号電荷検出部4へ転送するので、従来必要であった高速転送が不要となり、従来より短い期間での信号出力が可能である。また、1サイクル期間の長さを従来と同じにすれば、より多くの信号出力を得ることが可能である。
【0063】
本実施形態の高速度撮影の例では、1サイクルは約130水平走査期間に相当し、1フレーム(525水平走査期間)に対して4サイクルの実現が可能となる。すなわち、1フレーム期間(1/30秒)に130行分の映像信号を、4回出力することができる。
【0064】
ここで本実施形態の固体撮像装置におけるN倍速の高速度撮影時において、映像信号として読み出される光電変換素子1の行数をkとすると、Nとkとの関係は次式で表すことができる。なお、厳密には、光電変換素子1から垂直転送部2への読み出しに必要な時間等の考慮が必要である。
【0065】
【数4】
525/N=k
【0066】
本実施形態で上記した例では、4倍の高速度撮影なのでN=4となり、数4より、kは約130行となる。
【0067】
また、N倍速の高速度撮影において、本実施形態における1サイクルあたりの信号出力行数kと、従来方式で得られる信号出力行数Mとの差は、数2および数4から下記のとおりに導かれる。
【0068】
【数5】
k−M=525/N−19×(525/N−480/19)/18
=26.6−525/(18×N)
【0069】
つまり、Nが2以上の場合、上記数5の式の値は正となるので、同じN倍(Nは2以上)の高速度撮影において1サイクルに得られる信号出力行数は、従来よりも本実施形態の方が多いことがわかる。
【0070】
本実施形態の構成では、高速度撮影時における信号出力行数を可変とすることはできないが、所定の高速度倍率による高速度撮影時では、従来方式よりも多くの信号出力行数を得ることが可能である。
【0071】
(実施の形態2)
本発明の他の実施形態について説明すれば以下のとおりである。なお、実施の形態1で説明した構成と同様の機能を有する構成には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【0072】
本固体撮像装置は、実施の形態1で説明した固体撮像装置と比較すると、垂直転送部の構成と、信号制御部5から垂直転送部に与えられる駆動信号とが異なっている。
【0073】
本固体撮像装置では、図7に示すように、光電変換素子1の各行に、3相の電極が接続されている。第1行〜第175行および第306行〜第480行の光電変換素子1には、電極V1D、V2、およびV3がそれぞれ接続され、第176行〜第305行の光電変換素子1には、電極V1C、V2、およびV3がそれぞれ接続される。
【0074】
垂直転送部12は、電極V1CおよびV1Dのそれぞれに15Vの電圧を選択的に印加することにより、必要な光電変換素子1から蓄積された信号電荷を読み出し、さらに、電極V1C、V1D、V2、およびV3のそれぞれに、0Vあるいは−9Vの3相の転送パルスを印加することにより、読み出した信号電荷を、水平転送部3へ垂直方向に転送する。
【0075】
次に、図8〜図11に基づき、本固体撮像装置の動作を説明する。図8は通常速度による撮影時、図10は高速度による撮影時のタイミングチャートである。図8および図10において、VDは垂直同期信号、HDは水平同期信号である。また、φV1C、φV1D、φV2、およびφV3のそれぞれは、電極V1C、V1D、V2、およびV3のそれぞれに印加されるパルスである。
【0076】
まず、図8および図9を参照しながら、通常速度による撮影時の動作について説明する。なお、通常速度による撮影とは、1フレーム期間(1/30秒)に一回ずつ、480行640列のすべての光電変換素子1から得られる信号電荷を出力することをいう。
【0077】
まず、図8においてφV1CおよびφV1Dに示すとおり、電極V1CおよびV1Dに15Vの電圧(読み出しパルス)を同時に印加することにより、480行640列のすべての光電変換素子1に蓄積された信号電荷を、垂直転送部12の電極V1CおよびV1Dの下へ読み出す。
【0078】
続いて、電極V1C、V1D、V2、およびV3へ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加することにより、第1行の640個の光電変換素子1、すなわち光電変換素子1(1,1)〜光電変換素子1(1,640)から読み出された信号電荷が、水平転送部3へ転送される。第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図9に示す。
【0079】
その後、水平転送部3により、第1行の信号電荷は、信号電荷検出部4へ出力される。
【0080】
第1行の信号電荷の出力が完了した後、電極V1C、V1D、V2、およびV3へ、再び、0Vまたは−9Vの垂直転送パルスを印加することにより、第2行の640個の光電変換素子1、すなわち光電変換素子1(2,1)〜光電変換素子1(2,640)から読み出された信号電荷を水平転送部3に転送し、第1行と同様に、信号電荷検出部4へ出力する。
【0081】
以降、同様に、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加するたびに、光電変換素子1から読み出した信号電荷を1行分ずつ水平転送部3を介して信号電荷検出部4へ出力する。通常速度の撮影時には、上記の15Vの読み出しパルスの印加を1フレーム期間に1回ずつ行い、読み出しパルスの後に、上記の垂直転送パルスを1フレーム期間に480回印加することにより、480行分の信号電荷を出力する。
【0082】
次に、図10および図11を参照しながら、高速度による撮影について説明する。本実施形態では、480行640列の光電変換素子1のうち、垂直方向において中央に位置する130行分、すなわち第176行〜第305行の光電変換素子1の信号電荷を信号電荷検出部4へ出力する処理を、1フレーム期間に4サイクル行うことにより、4倍速の高速度撮影を実現する。
【0083】
このように垂直方向において中央部分の光電変換素子1から得た信号電荷を出力することにより、光学的に倍率変化をさせた場合に、映像信号の中心位置が変化しないという利点がある。
【0084】
まず、図10に示すように、電極V1Cのみへ15Vの電圧(読み出しパルス)を印加することにより、電極V1Cが接続されている第176行〜第305行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷のみを、垂直転送部12の電極V1Cの下へ読み出す。このとき、通常速度による撮影時とは異なり、電極V1Dには読み出しパルスを印加しないので、第1行〜第175行および第306行〜第480行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷は、垂直転送部12へ読み出されない。
【0085】
このように電極V1Cの下へ信号電荷を読み出した後、電極V1C、V1D、V2、およびV3のそれぞれへ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加することにより、第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送する。さらに、第1行の信号電荷は水平転送部3から信号電荷検出部4へ出力される。しかし、第1行の光電変換素子1からは信号電荷を読み出していないので、信号電荷検出部4からは実際の信号出力はない。このときに、第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図11に示す。
【0086】
第1行の信号電荷の出力が完了した後、再び0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを電極V1C、V1D、V2、およびV3のそれぞれへ1回印加することにより、第1行と同様に、第2行の信号電荷が水平転送部3を介して信号電荷検出部4へ出力される。しかし、第2行の光電変換素子1からも信号電荷は読み出されていないので、信号電荷検出部4から実際の信号出力はない。
【0087】
このように、15Vの読み出しパルスを印加した後に、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスの印加を130回繰り返すことにより、第1行〜第130行までの信号電荷を水平転送部3から信号電荷検出部4へ出力する。ここまでが、1サイクルである。しかし、前述したように、第1行〜第130行の光電変換素子1からは信号電荷は読み出されていないので、1サイクル目では、信号電荷検出部4からの信号出力はない。
【0088】
なお、1サイクル目が終了した時点の垂直転送部12の信号電荷の状態は、図12(b)に示すとおりである。すなわち、1サイクル目の読み出しパルスで光電変換素子1から信号電荷の読み出しを行った直後は、図12(a)に示すように、全480行の中央の130行分すなわち第176行〜第305行から読み出された信号電荷が、図12(a)において左下がりの斜線を付した領域に存在する。なお、信号電荷が存在しない領域を白抜きで表した。そして、1サイクル目に垂直転送パルスが130回印加されたことにより、垂直転送部12において信号電荷が垂直方向に130行分転送された結果、1サイクル目が終了した時点の垂直転送部12の信号電荷の配置は、図12(b)に示すとおりとなる。
【0089】
次に、このように1サイクル目が終了した後に、垂直転送部12の信号電荷を排出することなく、再び、15Vの読み出しパルスを電極V1Cへ印加する。ここからが2サイクル目である。垂直転送部12の信号電荷を排出することなく、2サイクル目の読み出しパルスによって再び第176行〜第305行の光電変換素子1のみから垂直転送部12へ信号電荷を読み出すことにより、図12(c)において右下がりの斜線を付した領域に、1サイクル目の130行分の信号電荷と重なることなく、2サイクル目の130行分の信号電荷が垂直転送部12へ読み出される。
【0090】
垂直転送部12は、2サイクル目の読み出しパルスを印加した後、1サイクル目と同様に、電極V1C、V1D、V2、およびV3のそれぞれへ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスの印加を開始するが、図12(c)から分かるように、最初の45行分の信号電荷の転送の間は、信号電荷検出部4からは実際の信号出力はない。
【0091】
そして、2サイクル目において46回目の垂直転送パルスを印加したところで、1サイクル目に垂直転送部12へ読み出した第176行の信号電荷が水平転送部3を介して信号電荷検出部4へ出力されることとなる。
【0092】
すなわち、垂直方向にて中央に位置するK行分の光電変換素子1から読み出された信号電荷は、読み出しパルスによって電極V1Cの下へ読み出された後、さらに{(480−K)/2}回の垂直転送が行われた後に、信号電荷検出部4から出力され始めることとなる。
【0093】
2サイクル目において合計130回の垂直転送パルスの印加が終了した時点の垂直転送部12の状態は、図12(d)に示すとおりである。つまり、1サイクル目に読み出した130行分の信号電荷の内の85行、すなわち図10に示すように第176行〜第260行までが、水平転送部3へ転送され、さらに水平転送部3から信号電荷検出部4へ送られて出力される。
【0094】
続いて、垂直転送部12の電荷を排出することなく、図10に示すように、3サイクル目の読み出しパルスとして、再び15Vの電圧が電極V1Cのみへ印加される。この読み出しパルスの直後の垂直転送部12の状態は、図12(e)に示すとおりである。つまり、1サイクル目および2サイクル目に読み出された信号電荷と重なることなく、図12(e)において左下がりの破線を付した領域に、3サイクル目に第176行〜第305行から読み出された信号電荷が格納される。
【0095】
そして、3サイクル目の読み出しパルスの後に、電極V1C、V1D、V2、およびV3のそれぞれへ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを130回印加することにより、図10および図12(e)から分かるように、1サイクル目に読み出した信号電荷の残りの45行分と、2サイクル目に読み出した信号電荷の85行分を水平転送部3へ転送し、さらに水平転送部3から信号電荷検出部4へ送って出力する。
【0096】
以降、各サイクル毎に、読み出しパルスとして15Vの電圧を電極V1Cのみへ印加した後、電極V1C、V1D、V2、およびV3のそれぞれへ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを130回印加することを繰り返すことにより、垂直方向にて中央に位置する130行分(第176行〜第305行)の信号電荷が、連続して水平転送部3へ転送されて、信号電荷検出部4から出力されることとなる。
【0097】
本実施形態では、上述のように1サイクルが約130水平走査期間に相当するので、525水平走査期間の1フレーム期間に、4サイクルの実現が可能となる。これにより、最初の読み出しパルスを印加してから約175水平期間分の待ち時間が生じるが、この待ち時間以降は、130行分の信号を1フレームに4回ずつ出力する4倍速の高速度撮影が実現される。
【0098】
このように、本実施形態の固体撮像装置は、480行640列の光電変換素子1に蓄積された信号電荷の内、垂直方向において中央に位置する130行分、すなわち第176行〜第305行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷のみを、信号電荷検出部4へ転送するので、従来必要であった高速転送が不要となり、従来より短い期間での信号出力が可能である。また、1サイクル期間の長さを従来と同じにすれば、より多くの信号出力を得ることが可能である。
【0099】
ここでN倍速の高速度撮影時において、映像信号として読み出される光電変換素子1の行数をKとすると、NとKとの関係は次式で表すことができる。なお、厳密には、光電変換素子1から垂直転送部12への読み出しに必要な時間等の考慮が必要である。
【0100】
【数6】
525/N=K
【0101】
本実施形態で上記した例では、4倍の高速度撮影なのでN=4となり、数6より、Kは約130行となる。
【0102】
また、N倍速の高速度撮影において、本実施形態における1サイクルあたりの信号出力行数Kと、従来方式で得られる信号出力行数Mとの差は、数2および数6から下記のとおりに導かれる。
【0103】
【数7】
K−M=525/N−19×(525/N−480/19)/18
=26.6−525/(18×N)
【0104】
つまり、Nが2以上の場合、上記数7の式の値は正となるので、同じN倍(Nは2以上)の高速度撮影において1サイクルに得られる信号出力行数は、従来よりも本実施形態の方が多いことがわかる。
【0105】
ただし、前述したように、本実施形態の場合は、光電変換素子1から信号電荷が実際に読み出された行(垂直方向にて中央に位置するK行)の信号電荷が、信号電荷検出部4より出力され始めるのは、電極V1Cに15Vの電圧を最初に印加した後、{(480−K)/2}行分の垂直転送を行った後である。
【0106】
本実施形態の構成では、高速度撮影時における信号出力行数を可変とすることはできないが、所定の高速度倍率による高速度撮影時では、従来方式よりも多くの信号出力行数を得ることが可能である。
【0107】
(実施の形態3)
本発明の他の実施形態について説明すれば以下のとおりである。なお、実施の形態1・2で説明した構成と同様の機能を有する構成には、同一の符号を付記し、その説明を省略する。
【0108】
本実施形態の固体撮像装置では、図13に示すように、光電変換素子1の各行に、垂直転送部22の3相の電極が接続されている。第1行〜第130行の光電変換素子1には、電極V1E、V2、およびV3がそれぞれ接続され、第131行〜第175行および第306行〜第480行の光電変換素子1には、電極V1G、V2、およびV3がそれぞれ接続される。また、垂直方向にて中央に位置する130行分すなわち第176行〜第305行の光電変換素子1には、電極V1F、V2、およびV3がそれぞれ接続される。
【0109】
垂直転送部22は、電極V1E、V1F、およびV1Gのそれぞれに15Vの電圧を選択的に印加することにより、必要な光電変換素子1から蓄積された信号電荷を読み出し、さらに、電極V1E、V1F、V1G、V2、およびV3のそれぞれに0Vあるいは−9Vの3相の転送パルスを印加することにより、読み出した信号電荷を垂直方向に転送する。
【0110】
次に、図14〜図19に基づいて、この固体撮像装置の動作を説明する。図14は通常速度による撮影時、図16および図18は高速度による撮影時のタイミングチャートである。図14、図16,および図18において、VDは垂直同期信号、HDは水平同期信号である。また、φV1E、φV1F、φV1G、φV2、およびφV3のそれぞれは、電極V1E、V1F、V1G、V2、およびV3のそれぞれに印加されるパルスである。
【0111】
まず、図14および図15を参照しながら、通常速度による撮影時の動作について説明する。なお、通常速度による撮影とは、1フレーム期間(1/30秒)に一回ずつ、480行640列のすべての光電変換素子1から得られる信号電荷を出力することをいう。
【0112】
まず、図14においてφV1E、φV1F、およびφV1Gに示すとおり、電極V1E、V1F、およびV1Gに15Vの電圧(読み出しパルス)を同時に印加することにより、480行640列のすべての光電変換素子1に蓄積された信号電荷を、垂直転送部22の電極V1E、V1F、およびV1Gの下へ読み出す。
【0113】
続いて、電極V1E、V1F、V1G、V2、およびV3へ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加することにより、第1行の640個の光電変換素子1、すなわち光電変換素子1(1,1)〜光電変換素子1(1,640)から読み出された信号電荷が、水平転送部3へ転送される。
【0114】
その後、水平転送部3により、第1行の信号電荷は、信号電荷検出部4へ出力される。第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図15に示す。
【0115】
第1行の信号電荷の出力が完了した後、電極V1E、V1F、V1G、V2、およびV3へ、再び0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加することにより、第2行の640個の光電変換素子1、すなわち光電変換素子1(2,1)〜光 電変換素子1(2,640)から読み出された信号電荷を水平転送部3に転送し、第1 行と同様に、信号電荷検出部4へ出力する。
【0116】
以降、同様に、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加するたびに、光電変換素子1から読み出した信号電荷を1行分ずつ水平転送部3を介して信号電荷検出部4へ出力する。通常速度の撮影時には、上記の15Vの読み出しパルスの印加を1フレーム期間に1回ずつ行い、読み出しパルスの後に、上記の垂直転送パルスを1フレーム期間に480回印加することにより、480行分の信号電荷を出力する。
【0117】
次に、図16〜図19を参照し、高速度による撮影について説明する。なお、本実施形態では、第1のモードおよび第2のモードの二種類の高速度撮影モードのいずれかを選択できるようになっている。
【0118】
まず、第1のモードは、480行640列の光電変換素子1のうち、水平転送部3に近い側の130行分、すなわち第1行〜第130行の光電変換素子1の信号電荷の出力を1フレーム期間に4サイクル行うことにより、4倍速の高速度撮影を実現するものである。図16にそのタイミングチャートを示す。
【0119】
また、第2のモードは、480行640列の光電変換素子1のうち、垂直方向において中央に位置する130行分、すなわち第176行〜第305行の光電変換素子1の信号電荷の出力を1フレーム期間に4サイクル行うことにより、4倍速の高速度撮影を実現する。図18にそのタイミングチャートを示す。
【0120】
最初に、図16および図17に基づき、第1のモードによる高速度撮影の動作を説明する。
【0121】
まず、φV1Eに示すとおり、電極V1Eに15Vの電圧(読み出しパルス)を印加することにより、第1行〜第130行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷を垂直転送部22の電極V1Eの下へ読み出す。電極V1FおよびV1Gには15Vの電圧を印加しないため、第131行〜第175行および第306行〜第480行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷は読み出されない。
【0122】
電極V1E下へ信号電荷を読み出した後、電極V1E、V1F、V1G、V2、およびV3へ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加することにより、1行分の信号電荷が水平転送部3へ垂直転送される。その後、水平転送部3により、第1行の信号電荷が信号電荷検出部4より出力される。なお、図16において水平転送部3に印加する水平転送パルスは図示を省略する。第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図17に示す。
【0123】
第1行の信号電荷の出力が完了した後、電極V1E、V1F、V1G、V2、およびV3へ、再び0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを1回印加することにより、第2行の信号電荷を水平転送部3に転送し、第1行と同様に、第2行の信号電荷が出力される。以降、同様に、130行分の垂直転送ならびに水平転送を行い、130行目の信号電荷までの出力を完了する。以上が1サイクルであり、130行目の信号電荷を出力した後、残りの350行分に対する信号電荷の排出をすることなく、2サイクル目の信号電荷の読み出しを行う。
【0124】
この第1のモードによる高速度撮影の場合は、前記した実施形態1・2の高速度撮影と同じく、1サイクルは約130水平走査期間に相当し、1フレーム(525水平走査期間)に対して4サイクルの実現が可能となる。すなわち1フレーム期間(1/30秒)に130行分の映像信号を4回出力するものである。
【0125】
このように、第1のモードによる高速度撮影によれば、m行n列の光電変換素子において、水平転送部3に最も近い第1行〜第k行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷を出力した後、残りの(m−k)行分の信号電荷を排出するための転送をすることなく、次の読み出しパルスによって第1行〜第1k行から再び読み出した信号電荷の転送を行うことにより、高速度撮影が可能である。
【0126】
次に、図18および図19に基づいて、第2のモードによる高速度撮影について説明する。
【0127】
まず、φV1Fに示すとおり、電極V1Fに15Vの電圧(読み出しパルス)を印加することにより、垂直方向に中央に位置する130行分、すなわち第176行〜第305行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷を垂直転送部22の電極V1F下へ読み出す。このとき電極V1E及びV1Gには15Vの電圧を印加しないため、他の350行分、すなわち第1行〜175行目及び第306行〜第480行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷は垂直転送部2の電極V1E、V1G下には読み出されない。
【0128】
このように電極V1F下へ信号電荷を読み出した後、電極V1E、V1F、V1G、V2、V3へ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを印加することにより、1行分の信号電荷が水平転送部3へ転送される。その後水平転送部3により1行目の信号電荷が信号電荷検出部4より出力される。しかし、第1行目の光電変換素子1から信号電荷は読み出されていないため、実際の信号出力は無い。なお、図18においても、水平転送部3に印加する水平転送パルスの図示は省略する。第1行の信号電荷を水平転送部3へ転送するために前記読み出しパルスの次に与えられる垂直転送パルスの波形を拡大し、図19に示す。
【0129】
第1行の信号電荷の出力が完了した後、電極V1E、V1F、V1G、V2、およびV3のそれぞれへ、0Vあるいは−9Vの垂直転送パルスを再び印加することにより、第2行の信号電荷を水平転送部3に転送し2行目の信号電荷が信号電荷検出部4より出力される。しかし、第1行と同様に第2行の光電変換素子1からも信号電荷は読み出されていないため、実際の信号出力は無い。
【0130】
前記した実施の形態2にて説明したように、実際に信号電荷が読み出された第176〜第305行の信号電荷が信号電荷検出部4より出力されるのは電極φV1Fに15Vの電圧を最初に印加してから、176行分の垂直転送を完了した後である。
【0131】
この第2のモードでも、電極V1Fに15Vの電圧を印加し、垂直方向にて中央に位置する130行分、すなわち第176行〜第305行の光電変換素子1に蓄積された信号電荷を垂直転送部22の電極V1F下へ読み出し、垂直転送パルスを130回印加することにより、130行分の信号電荷を出力するのが1サイクルである。
【0132】
各サイクルでは、実施の形態2で図12(a)〜図12(e)を用いて説明したのと同様に、以前のサイクルで垂直転送部22上に読み出されている信号電荷を排出することなく、第176行〜第305行の光電変換素子1から信号電荷の読み出しを行う。
【0133】
従って、この第2のモードでも、1サイクルは約130水平走査期間に相当し、1フレーム(525水平走査期間)に対して4サイクルの実現が可能となる。すなわち1フレーム期間(1/30秒)に130行分の映像信号を4回出力することにより、4倍速の高速度撮影が実現される。
【0134】
ただし、前述したように、第2のモードによる高速度撮影の場合は、光電変換素子1から信号電荷が実際に読み出された行(垂直方向にて中央に位置するK行)の信号電荷が、信号電荷検出部4より出力され始めるのは、電極V1Fに15Vの電圧を最初に印加した後、{(480−K)/2}行分の垂直転送を行った後である。
【0135】
本実施形態の高速度撮影の高速度倍率をN倍とすると、第1のモードで得られる信号出力行数kと、第2のモードで得られる信号出力行数Kとは等しく、このk(またはK)と、従来方式で得られる信号出力M(数2参照)との差は、実施の形態1・2と同様に、下記の数式で示される。
【0136】
【数8】
K−M=525/N−19×(525/N−480/19)/18
=26.6−525/(18×N)
【0137】
つまり、Nが2以上の場合、上記数8の式の値は正となるので、同じN倍(Nは2以上)の高速度撮影において1サイクルに得られる信号出力行数は、従来よりも本実施形態の方が多いことがわかる。
【0138】
本実施形態の構成では、高速度撮影時における信号出力行数を可変とすることはできないが、所定の高速度倍率による高速度撮影時では、従来方式よりも多くの信号出力行数を得ることが可能である。
【0139】
第1のモードによる高速度撮影では、水平転送部3に近い領域の信号電荷を読み出すため、光学的倍率を変化させた場合、映像信号の中心がずれる。このため、光学的倍率は固定とすることが望ましい。しかし高速度撮影時の最初の映像信号は、光電変換素子1から信号電荷を読み出した直後の垂直転送及び水平転送により出力されるため、信号処理が容易である。
【0140】
一方、第2のモードによる高速度撮影では、垂直方向に中央に位置するK行分の信号電荷を読み出すため、光学的倍率を変化させた場合でも、映像信号の中心がずれない。しかし、このときの最初の映像信号出力は、光電変換部10の行数をmとすると、光電変換素子1から信号電荷を読み出し、{(m−K)/2}行分の垂直転送をした後であるため、信号処理が複雑である。
【0141】
従って、第1のモードと第2のモードとのいずれを選択するかは、ユーザが状況や好みに応じて決定すればよく、ユーザが操作できる切り替えスイッチ等を設けることにより、このスイッチの位置に応じて、信号制御部5が、図16および図18に示したいずれのタイミングチャートの信号を印加するかを決定すればよい。
【0142】
上記した各実施形態において、垂直転送部2・12・22の各々は3相の垂直転送パルスにて転送が制御されるが、4相以上でも構わない。また固体撮像素子の構成上の制約は特に無く、垂直方向に独立した信号電荷の読み出しが可能であればよい。画素数及び水平・垂直同期信号の周波数についても、上記した例に限定されるものではない。
【0143】
(実施の形態4)
本発明のさらに他の実施形態について説明する。
【0144】
図20に、本発明にかかるカメラの概略構成を示す。このカメラは、上記した実施の形態1〜3で説明した固体撮像装置を撮像部30として用い、この撮像部30に光を導くレンズ等の光学系31と、撮像部30で得られた映像信号、すなわち固体撮像装置の電荷検出部4から出力される映像信号、を処理する映像信号処理回路32とを備えている。これにより、駆動周波数を高速化させる高速転送を必要とせずに、転送効率を劣化させることなく高速度撮影が可能なビデオムービーカメラを実現できる。
【0145】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、従来のように駆動周波数を高速化することなく高速度撮影が可能な固体撮像装置およびこれを用いたカメラを提供することが可能となる。また、同じ高速度倍率で比較した場合、従来よりも信号出力行数が多い固体撮像装置およびカメラを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態の固体撮像装置の概略構成を示すブロック図
【図2】 前記固体撮像装置の構成をより詳細に示すブロック図
【図3】 前記固体撮像装置における通常速度による撮影時に信号制御部が出力する各信号のタイミングチャート
【図4】 図3の一部を拡大して示すタイミングチャート
【図5】 前記固体撮像装置における高速撮影時に信号制御部が出力する各信号のタイミングチャート
【図6】 図5の一部を拡大して示すタイミングチャート
【図7】 本発明の他の実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図
【図8】前記固体撮像装置における通常速度による撮影時に信号制御部が出力する各信号のタイミングチャート
【図9】 図8の一部を拡大して示すタイミングチャート
【図10】 前記固体撮像装置における高速撮影時に信号制御部が出力する各信号のタイミングチャート
【図11】 図10の一部を拡大して示すタイミングチャート
【図12】 (a)〜(e)は、前記固体撮像装置における高速撮影時において、垂直転送部に存在する電荷の状態を示す説明図
【図13】 本発明のさらに他の実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図
【図14】前記固体撮像装置における通常速度による撮影時に信号制御部が出力する各信号のタイミングチャート
【図15】 図14の一部を拡大して示すタイミングチャート
【図16】 前記固体撮像装置における高速撮影時(第1のモード)に信号制御部が出力する各信号のタイミングチャート
【図17】 図16の一部を拡大して示すタイミングチャート
【図18】 前記固体撮像装置における高速撮影時(第2のモード)に信号制御部が出力する各信号のタイミングチャート
【図19】 図18の一部を拡大して示すタイミングチャート
【図20】 本発明のさらに他の実施形態のカメラの構成を示すブロック図
【図21】 従来の固体撮像装置の一構成例を示すブロック図
【図22】 前記従来の固体撮像装置における通常速度による撮影時の各駆動信号のタイミングチャート
【図23】 図22の一部を拡大して示すタイミングチャート
【図24】 前記従来の固体撮像装置における高速撮影時の各駆動信号のタイミングチャート
【図25】 図24の一部を拡大して示すタイミングチャート
【符号の説明】
1 光電変換素子
2・12・22 垂直転送部
3 水平転送部
4 信号電荷検出部
5 信号制御部
10 光電変換部
30 撮像部
31 光学系
32 映像信号処理回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a camera such as a video movie camera and a solid-state image pickup device used therefor, and more particularly, to a solid-state image pickup device capable of high-speed shooting, a camera equipped with such a solid-state image pickup device, and the solid-state image pickup device The present invention relates to a driving method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, video movie cameras using solid-state imaging devices have become widespread, and further added value is required. In particular, special effects based on the driving timing of the solid-state imaging device, such as high-speed shooting such as 3 × speed and 6 × speed, zoom (enlargement), and camera shake prevention, are required. Note that high-speed imaging means that, for example, in the case of triple speed, the operation of outputting the signal charge read from the photoelectric conversion element as an image signal from the solid-state imaging device is performed three cycles in one frame period.
[0003]
Here, a configuration of a conventional solid-state imaging device capable of high-speed shooting and a high-speed shooting method in the configuration will be described.
[0004]
FIG. 21 shows an example of the configuration of a conventional solid-state imaging device. This solid-state imaging device is generally used for multimedia applications, and has pixels arranged in a matrix of 480 rows and 640 columns. Each pixel is provided with a photodiode 81 as a photoelectric conversion element.
[0005]
Further, the conventional solid-state imaging device includes a vertical transfer unit 82 that transfers signal charges accumulated in the photodiode 81 in the vertical direction, and a horizontal transfer unit that transfers signal charges transferred from the vertical transfer unit 82 in the horizontal direction. 83, and a signal
[0006]
In order to make the description easy to understand, in FIG. 21, (m, n) is described in a rectangle representing the photodiode 81 corresponding to the pixel in the m-th row and the n-th column. This is expressed as a diode 81 (m, n). The row closest to the horizontal transfer unit 83 is defined as a first row, and the column closest to the signal
[0007]
The vertical transfer unit 82 includes vertical transfer electrodes to which binary transfer pulses of 0V and about −9V are applied in three or more phases. By applying a voltage of about 15 V to one or a plurality of transfer electrodes, the charge accumulated in the photodiode 81 is transferred to the vertical transfer unit 82.
[0008]
In the configuration shown in FIG. 21, the vertical transfer unit 82 includes three-phase vertical transfer electrodes V1 to V3, and the signal charge accumulated in the photodiode 81 is transferred to the vertical transfer unit by applying a voltage of 15V to V1. Transfer is performed below 82 vertical transfer electrodes V1.
[0009]
22 and 24 show timing charts of drive signals in the conventional solid-state imaging device. Note that FIG. 22 shows the driving timing at the time of shooting at normal speed, FIG. 24 shows the driving timing at the time of shooting at high speed, VD is a vertical synchronizing signal, and HD is a horizontal synchronizing signal. Each of φV1 to φV3 is a pulse applied to each of the vertical transfer electrodes V1 to V3 shown in FIG.
[0010]
The frequency of the vertical synchronization signal VD is 30 Hz, which is half of the vertical synchronization signal in the NTSC system, and the frequency of the horizontal synchronization signal HD is 15.7 KHz. The number of horizontal scanning lines in one frame period is 525. 22 and FIG. 24, the pulses corresponding to the horizontal scanning lines in the horizontal synchronization signal HD are shown with reference numerals h1 to h525.
[0011]
First, based on FIG. 22 and FIG. 23, the operation | movement at the time of imaging | photography at normal speed is demonstrated. In this case, the signal charges accumulated in all the photodiodes 81 of 480 rows and 640 columns shown in FIG. 21 are output. Therefore, by applying a voltage of 15 V to φV1 once in one frame period (1/30 second) that is one cycle of the vertical synchronization signal VD, the signal charges accumulated in the photodiode 81 are transferred to the vertical transfer unit 82. Read out to the vertical transfer electrode V1.
[0012]
Further, in order to perform vertical transfer for one row, a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied once to φV1, φV2, and φV3, whereby the photodiode 81 in the first row, that is, the photodiode 81 (1, 1) to signal charges read from the photodiodes 81 (1,640) are transferred to the horizontal transfer unit 83. Thereafter, the signal charge for one row is output to the signal
[0013]
The horizontal transfer from the horizontal transfer unit 83 to the signal
[0014]
As described above, after the output of the signal charge for one row is completed, a vertical transfer pulse of 0V or −9V is again applied to φV1, φV2, and φV3, whereby the photodiode 81 in the second row, that is, the photodiode The signal charges read from 81 (2, 1) to photodiode 81 (2, 640) are transferred to the horizontal transfer unit 83 and output to the signal
[0015]
This is repeated in the same manner. After the signal charges read from the photodiodes 81 (480, 1) to 81 (480, 640) in the 480th row are output, a voltage of 15 V is again applied to φV1. The accumulated signal charge is read out from all the photodiodes 81 in 480 rows and 640 columns.
[0016]
By repeating the above processing, photographing at normal speed is performed.
[0017]
Next, based on FIG. 24 and FIG. 25, the operation | movement at the time of 4 time high speed imaging | photography is demonstrated. Four-times high-speed shooting means that the signal charge is read from the photodiode 81 to the vertical transfer unit 82 and the signal output from the horizontal transfer unit 83 and the signal
[0018]
In this case, only the signal charges accumulated in the photodiodes 81 in the center in the vertical direction among the photodiodes 81 in the 480 rows and 640 columns shown in FIG. .
[0019]
First, by applying a voltage of 15 V to φV1, the accumulated signal charges are read from all the photodiodes 81 below the vertical transfer electrode V1 of the vertical transfer unit 82.
[0020]
Next, the vertical transfer unit 82 performs high-speed transfer of the signal charges read from the photodiodes 81 corresponding to 185 rows from the first row to the 185th row. High-speed transfer refers to the transfer from the vertical transfer unit 82 to the horizontal transfer unit without waiting for the transfer from the horizontal transfer unit 83 to the signal
[0021]
The high-speed transfer frequency of the vertical transfer unit 82 is generally about 300 kHz. That is, it is possible to transfer the signal charges for 19 rows in the vertical direction in one horizontal scanning period (63.5 μs).
[0022]
After the transfer of the signal charges in the 185th row is completed by the above high-speed transfer, the signal charges read from the photodiodes 81 in the 186th row are transferred at a normal frequency. Further, the signal charges for one row are output from the horizontal transfer unit 83 via the signal
[0023]
Similarly, the signal charges from the 187th row and thereafter are sequentially output at a normal frequency, the signal charges read from the photodiode 81 in the 295th row are output, and then high-speed transfer is started again. The remaining 185 rows, that is, signal charges read from the photodiodes 81 in the 296th to 480th rows are discharged as unnecessary charges.
[0024]
The above processing is one cycle, and the period of this one cycle corresponds to about 130 horizontal scanning periods. That is, four cycles can be realized for one frame in the 525 horizontal scanning period. In other words, by outputting 110 rows of video signals four times in one frame period (1/30 second), four times higher speed shooting can be performed.
[0025]
The breakdown of about 130 horizontal scanning periods per cycle includes 110 horizontal scanning periods required for normal transfer in which one vertical transfer is performed 110 times per horizontal scanning period, and 19 times per horizontal scanning period as described above. This is the sum of about 20 horizontal scanning periods required for high-speed transfer for discharging unnecessary charges.
[0026]
The relationship between N and M can be expressed by the following equation, where M is the number of photodiode rows read out as a video signal during high-speed shooting at N-times speed. Strictly speaking, it is necessary to consider the time required for reading from the photodiode 81 to the vertical transfer unit 82.
[0027]
[Expression 2]
525 / {M + (480−M) / 19)} = N
[0028]
In the case of the above-described conventional solid-state imaging device, since the high-speed shooting at 4 × speedNumber 2By setting N = 4, M = 110.
[0029]
[Problems to be solved by the invention]
When performing high-speed imaging using such a solid-state imaging device, it is necessary to increase the driving frequency of the solid-state imaging device in order to realize further higher speed. However, there is a problem that increasing the drive frequency is not easy because the characteristics such as transfer efficiency are deteriorated.
[0030]
In order to solve the above problem, the present invention performs high-speed transfer without causing deterioration in characteristics such as transfer efficiency by performing vertical transfer of charges read from a photoelectric conversion element without increasing the drive frequency. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of photographing, a camera using the same, and a driving method of the solid-state imaging device.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above objective,A first driving method of a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units arranged in n rows (n is an integer of 2 or more), signal charges accumulated in the photoelectric conversion units are read, and the signal charges are read out. In a method for driving a solid-state imaging device, comprising: a vertical transfer unit that transfers in the vertical direction; and a horizontal transfer unit that receives the signal charge from the vertical transfer unit and transfers it in the horizontal direction. A first step of selectively reading out the signal charge from the photoelectric conversion unit to the vertical transfer unit for k rows (k is an integer smaller than n) from the first row to the k-th row, and the horizontal transfer unit side A second step of sending a transfer signal to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion units for the k consecutive rows from the first row to the k-th row to move the signal charge in the vertical transfer unit. It is characterized by that.
[0032]
In order to achieve the above object, the second driving method of the solid-state imaging device according to the present invention includes n rows. (N is an integer of 2 or more) a plurality of photoelectric conversion units, a vertical transfer unit that reads signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit and transfers the signal charges in a vertical direction, and the signal from the vertical transfer unit In a driving method of a solid-state imaging device including a horizontal transfer unit that receives charges and transfers them in a horizontal direction, from the horizontal transfer unit side to the n1 line (n1 is an integer from 2 to nk) to the n1 + k line A third step of selectively reading the signal charge from the photoelectric conversion unit to the vertical transfer unit for k consecutive rows (k is an integer smaller than n), and from the first row from the horizontal transfer unit side a fourth step of transmitting a transfer signal to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion unit for n1 + k rows up to the n1 + k row to move the signal charge in the vertical transfer unit; and the n1 + k row of the step Photoelectric conversion When the signal charges read out from the horizontal transfer unit move to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion unit in the (n1-1) th row, they continue again from the n1st row to the n1 + kth row from the horizontal transfer unit side. A fifth step of selectively reading out the signal charges from the photoelectric conversion units for k rows to the vertical transfer unit is provided.
[0033]
In order to achieve the above object, a third driving method of the solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units arranged in n rows (n is an integer of 2 or more), and accumulation in the photoelectric conversion units. In a method for driving a solid-state imaging device, comprising: a vertical transfer unit that reads the signal charge and transfers the signal charge in a vertical direction; and a horizontal transfer unit that receives the signal charge from the vertical transfer unit and transfers the signal charge in a horizontal direction. First, the signal charges are selectively read from the photoelectric conversion unit for the continuous k rows (k is an integer smaller than n) from the first row to the k-th row from the horizontal transfer unit side to the vertical transfer unit. A transfer signal is sent to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion units for k rows from the first row to the k-th row from the horizontal transfer unit side, and the signal charges are transferred into the vertical transfer unit. The second step of moving And the first mode consisting of n1 rows from the horizontal transfer unit side (n1 is an integer from 2 to nk) to n1 + k rows (k is an integer smaller than n). A third step of selectively reading out the signal charge from the photoelectric conversion unit to the vertical transfer unit, and the photoelectric conversion unit for the n1 + k rows from the first row to the n1 + k row from the horizontal transfer unit side. A fourth step of sending a transfer signal to the connected vertical transfer unit to move the signal charge in the vertical transfer unit, and the signal charge read from the photoelectric conversion unit in the (n1 + k) th row is n1-1. When moving to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion unit in the row, the vertical transfer unit from the photoelectric conversion unit for continuous k rows from the n1th row to the n1 + k row from the horizontal transfer unit side again. Selectively Comprising a fifth step of reading, a second mode consisting of, and selects the first mode and the second mode.
[0034]
In the first to third driving methods, the step and the mode are preferably used for high-speed shooting. Furthermore, it is preferable to perform normal shooting together with the high-speed shooting.
[0035]
In the first to third driving methods described above, if the number of horizontal scanning periods in one frame period is H, and the number of times the signal charge is read in one frame period is N, then between k, H, and N,
[0036]
[Equation 3]
H / N ≧ k
Is preferably satisfied.
[0037]
In order to achieve the above object, a first solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units arranged in n rows (n is an integer of 2 or more), and signal charges accumulated in the photoelectric conversion units. In a solid-state imaging device comprising: a vertical transfer unit that reads the signal charge in the vertical direction; and a horizontal transfer unit that receives the signal charge from the vertical transfer unit and transfers the signal charge in the horizontal direction. The signal charges are selectively read from the photoelectric conversion unit to the vertical transfer unit for k rows (k is an integer smaller than n) from the first row to the k-th row, from the horizontal transfer unit side. A transfer signal is sent to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion units for continuous k rows from the first row to the k-th row, and the signal charges are moved in the vertical transfer unit.
[0038]
In order to achieve the above object, a second solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units arranged in n rows (n is an integer of 2 or more), and signal charges accumulated in the photoelectric conversion units. In a solid-state imaging device comprising: a vertical transfer unit that reads the signal charge in the vertical direction; and a horizontal transfer unit that receives the signal charge from the vertical transfer unit and transfers the signal charge in the horizontal direction. The photoelectric conversion unit is selectively transferred from the photoelectric conversion unit of the n1th row (n1 is an integer from 2 to nk) to the n1 + kth row (k is an integer smaller than n) to the vertical transfer unit. The signal charge is read out, and a transfer signal is sent from the horizontal transfer unit side to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion unit for n1 + k rows from the first row to the n1 + k row, and the signal charge is transferred into the vertical transfer unit. Move When the signal charge read from the photoelectric conversion unit on the (1 + k) th row moves to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion unit on the (n1-1) th row, the n1th row from the horizontal transfer unit side again. To the n1 + k rows, the signal charges are selectively read out from the photoelectric conversion unit for the continuous k rows to the vertical transfer unit.
[0039]
In order to achieve the above object, a camera according to the present invention includes the first or second solid-state imaging device, an optical system, and a processing circuit that processes a video signal obtained by the solid-state imaging device. It is provided with at least.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0041]
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device of the present embodiment includes a photoelectric conversion unit 10 in which a plurality of pixels (not shown) are arranged, and a signal control unit 5, and is controlled by the signal control unit 5. The charge read from the photoelectric conversion unit 10 is transferred to the
[0042]
As shown in FIG. 2, the solid-state imaging device includes a photoelectric conversion unit including
[0043]
The solid-state imaging device includes a
[0044]
In order to make the explanation easy to understand, in FIG. 2, (m, n) is written in a rectangle representing the
[0045]
As shown in FIG. 2, three-phase electrodes are connected to each row of the
[0046]
The
[0047]
The
[0048]
Next, the operation of the solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. 3 is a timing chart at the time of shooting at normal speed, and FIG. 5 is a timing chart at the time of shooting at high speed. 3 and 5, VD is a vertical synchronizing signal, and HD is a horizontal synchronizing signal. Further, φV1A, φV1B, φV2, and φV3 are pulses applied to the electrodes V1A, V1B, V2, and V3, respectively.
[0049]
The frequency of the vertical synchronization signal VD is 30 Hz, which is half of the vertical synchronization signal in the NTSC system, and the frequency of the horizontal synchronization signal HD is 15.7 kHz. The number of horizontal scanning lines in one frame period is 525. 3 and FIG. 5, the pulses corresponding to the horizontal scanning lines in the horizontal synchronization signal HD are shown with reference numerals h1 to h525.
[0050]
First, the operation at the time of shooting at normal speed will be described with reference to FIGS. Note that imaging at normal speed means that signal charges obtained from all the
[0051]
First, as indicated by φV1A and φV1B in FIG. 3, by applying a voltage (readout pulse) of 15 V to the electrodes V1A and V1B simultaneously, the signal charges accumulated in all the
[0052]
Subsequently, in order to perform vertical transfer for one row, by applying vertical transfer pulses of 0V or −9V to the electrodes V1A, V1B, V2, and V3, 640
[0053]
Thereafter, the signal charges in the first row are output to the signal
[0054]
After the output of the signal charges in the first row is completed, a vertical transfer pulse of 0V or −9V is again applied to the electrodes V1A, V1B, V2, and V3, thereby 640
[0055]
Thereafter, similarly, each time a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied once, the signal charge read from the
[0056]
Next, photographing at a high speed will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the process of reading out signal charges from the
[0057]
First, as shown in FIG. 5, by applying a voltage (readout pulse) of 15 V only to the electrode V1A, signals accumulated in the
[0058]
After reading out the signal charges under the electrode V1A, a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied to each of the electrodes V1A, V1B, V2, and V3, thereby 640
[0059]
Thereafter, the signal charges in the first row are output from the
[0060]
After the output of the signal charges in the first row is completed, a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied again to each of the electrodes V1A, V1B, V2, and V3, so that the second row is similar to the first row. The signal charges are output to the signal
[0061]
In this manner, after applying the 15V read pulse, the application of the 0V or −9V vertical transfer pulse is repeated 130 times, thereby outputting the signal charges from the first row to the 130th row. This is one cycle. After outputting the signal charge of the 130th row, in order to read out the signal charge for the second cycle without transferring the signal charge for 350 rows of the remaining 131st to 480th rows, again, A readout pulse of 15V is applied to the electrode V1A.
[0062]
As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment includes only 130 rows closer to the
[0063]
In the high-speed shooting example of this embodiment, one cycle corresponds to about 130 horizontal scanning periods, and four cycles can be realized for one frame (525 horizontal scanning periods). That is, video signals for 130 rows can be output four times during one frame period (1/30 second).
[0064]
Here, when the number of rows of the
[0065]
[Expression 4]
525 / N = k
[0066]
In the example described above in the present embodiment, since the high-speed shooting is 4 times, N = 4,Number 4Therefore, k is about 130 lines.
[0067]
In N-times high-speed shooting, the difference between the number k of signal output rows per cycle in the present embodiment and the number M of signal output rows obtained by the conventional method is as follows:Number 2andNumber 4Is derived as follows.
[0068]
[Equation 5]
k−M = 525 / N−19 × (525 / N−480 / 19) / 18
= 26.6-525 / (18 × N)
[0069]
That is, when N is 2 or more, the aboveNumber 5Since the value of the above formula is positive, it can be seen that the number of signal output rows obtained in one cycle in the same N times (N is 2 or more) high-speed imaging is larger in the present embodiment than in the prior art.
[0070]
In the configuration of the present embodiment, the number of signal output lines during high-speed shooting cannot be made variable, but in high-speed shooting with a predetermined high-speed magnification, a larger number of signal output lines can be obtained than in the conventional method. Is possible.
[0071]
(Embodiment 2)
The following will describe another embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached to the structure which has the function similar to the structure demonstrated in
[0072]
The present solid-state imaging device is different from the solid-state imaging device described in the first embodiment in the configuration of the vertical transfer unit and the drive signal supplied from the signal control unit 5 to the vertical transfer unit.
[0073]
In this solid-state imaging device, as shown in FIG. 7, three-phase electrodes are connected to each row of the
[0074]
The
[0075]
Next, the operation of the solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a timing chart at the time of shooting at normal speed, and FIG. 10 is a timing chart at the time of shooting at high speed. 8 and 10, VD is a vertical synchronizing signal, and HD is a horizontal synchronizing signal. Further, φV1C, φV1D, φV2, and φV3 are pulses applied to the electrodes V1C, V1D, V2, and V3, respectively.
[0076]
First, referring to FIGS. 8 and 9, the operation at the time of shooting at normal speed will be described. Note that imaging at normal speed means that signal charges obtained from all the
[0077]
First, as shown by φV1C and φV1D in FIG. 8, by simultaneously applying a voltage (readout pulse) of 15 V to the electrodes V1C and V1D, the signal charges accumulated in all the
[0078]
Subsequently, by applying a vertical transfer pulse of 0V or −9V once to the electrodes V1C, V1D, V2, and V3, 640
[0079]
Thereafter, the signal charges in the first row are output to the signal
[0080]
After the output of the signal charges in the first row is completed, 640 photoelectric conversion elements in the second row are applied by applying a vertical transfer pulse of 0V or −9V again to the electrodes V1C, V1D, V2, and V3. 1, that is, the signal charges read from the photoelectric conversion elements 1 (2, 1) to 1 (2, 640) are transferred to the
[0081]
Thereafter, similarly, each time a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied once, the signal charge read from the
[0082]
Next, photographing at high speed will be described with reference to FIGS. 10 and 11. In the present embodiment, among the 480 rows and 640 columns of
[0083]
Thus, by outputting the signal charge obtained from the
[0084]
First, as shown in FIG. 10, by applying a voltage (readout pulse) of 15 V only to the electrode V1C, signals accumulated in the
[0085]
After reading the signal charge below the electrode V1C in this way, by applying a vertical transfer pulse of 0V or −9V once to each of the electrodes V1C, V1D, V2, and V3, the signal charge of the first row Is transferred to the
[0086]
After the output of the signal charges in the first row is completed, a vertical transfer pulse of 0V or -9V is applied once again to each of the electrodes V1C, V1D, V2, and V3, and as in the first row, Two rows of signal charges are output to the signal
[0087]
As described above, after applying the 15 V read pulse, the application of the 0 V or −9 V vertical transfer pulse is repeated 130 times, so that the signal charges from the first to 130th rows are detected from the
[0088]
The state of the signal charge of the
[0089]
Next, after the end of the first cycle in this way, a 15 V read pulse is again applied to the electrode V1C without discharging the signal charge of the
[0090]
After applying the read pulse for the second cycle, the
[0091]
When the 46th vertical transfer pulse is applied in the second cycle, the signal charge in the 176th row read to the
[0092]
That is, the signal charge read from the
[0093]
The state of the
[0094]
Subsequently, as shown in FIG. 10, a voltage of 15 V is again applied only to the electrode V1C as a readout pulse in the third cycle without discharging the charge of the
[0095]
Then, after the readout pulse in the third cycle, the vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied 130 times to the electrodes V1C, V1D, V2, and V3, respectively, and it can be seen from FIG. 10 and FIG. 12 (e). As described above, the remaining 45 rows of signal charges read in the first cycle and 85 rows of signal charges read in the second cycle are transferred to the
[0096]
Thereafter, in each cycle, a voltage of 15 V is applied as a readout pulse only to the electrode V1C, and then a vertical transfer pulse of 0 V or −9 V is applied 130 times to each of the electrodes V1C, V1D, V2, and V3. By repeating, signal charges for 130 rows (rows 176 to 305) located in the center in the vertical direction are continuously transferred to the
[0097]
In this embodiment, since one cycle corresponds to about 130 horizontal scanning periods as described above, four cycles can be realized in one frame period of 525 horizontal scanning periods. As a result, a waiting time of about 175 horizontal periods occurs after the application of the first readout pulse. After this waiting time, high-speed imaging at 4 × speed that outputs 130 rows of signals four times per frame. Is realized.
[0098]
As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment corresponds to 130 rows located at the center in the vertical direction among the signal charges accumulated in the
[0099]
Here, when the number of rows of the
[0100]
[Formula 6]
525 / N = K
[0101]
In the example described above in the present embodiment, since the high-speed shooting is 4 times, N = 4,Equation 6Therefore, K is about 130 lines.
[0102]
In N-times high-speed shooting, the difference between the number K of signal output rows per cycle in this embodiment and the number M of signal output rows obtained by the conventional method is as follows:Number 2andEquation 6Is derived as follows.
[0103]
[Expression 7]
KM = 525 / N-19 × (525 / N-480 / 19) / 18
= 26.6-525 / (18 × N)
[0104]
That is, when N is 2 or more, the aboveNumber 7Since the value of the above formula is positive, it can be seen that the number of signal output rows obtained in one cycle in the same N times (N is 2 or more) high-speed imaging is larger in the present embodiment than in the prior art.
[0105]
However, as described above, in the case of the present embodiment, the signal charge in the row where the signal charge is actually read from the photoelectric conversion element 1 (the K row located in the center in the vertical direction) is the signal charge detection unit. 4 starts to be output after first applying a voltage of 15 V to the electrode V1C and then performing vertical transfer of {(480-K) / 2} rows.
[0106]
In the configuration of the present embodiment, the number of signal output lines during high-speed shooting cannot be made variable, but in high-speed shooting with a predetermined high-speed magnification, a larger number of signal output lines can be obtained than in the conventional method. Is possible.
[0107]
(Embodiment 3)
The following will describe another embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure which has the function similar to the structure demonstrated in
[0108]
In the solid-state imaging device of the present embodiment, as shown in FIG. 13, the three-phase electrodes of the vertical transfer unit 22 are connected to each row of the
[0109]
The vertical transfer unit 22 reads a signal charge accumulated from the necessary
[0110]
Next, the operation of this solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a timing chart at the time of shooting at normal speed, and FIGS. 16 and 18 are timing charts at the time of shooting at high speed. In FIG. 14, FIG. 16, and FIG. 18, VD is a vertical synchronizing signal, and HD is a horizontal synchronizing signal. Further, φV1E, φV1F, φV1G, φV2, and φV3 are pulses applied to the electrodes V1E, V1F, V1G, V2, and V3, respectively.
[0111]
First, the operation at the time of shooting at normal speed will be described with reference to FIGS. Note that imaging at normal speed means that signal charges obtained from all the
[0112]
First, as indicated by φV1E, φV1F, and φV1G in FIG. 14, a voltage of 15 V (readout pulse) is simultaneously applied to the electrodes V1E, V1F, and V1G to accumulate in all the
[0113]
Subsequently, by applying a vertical transfer pulse of 0V or −9V once to the electrodes V1E, V1F, V1G, V2, and V3, 640
[0114]
Thereafter, the signal charges in the first row are output to the signal
[0115]
After the output of the signal charges in the first row is completed, a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied once again to the electrodes V1E, V1F, V1G, V2, and V3, thereby obtaining 640 pieces of the second row. The signal charges read from the
[0116]
Thereafter, similarly, each time a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied once, the signal charge read from the
[0117]
Next, imaging at a high speed will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, one of two types of high-speed shooting modes, the first mode and the second mode, can be selected.
[0118]
First, in the first mode, among the
[0119]
In the second mode, the output of the signal charges of the
[0120]
First, the high-speed shooting operation in the first mode will be described with reference to FIGS. 16 and 17.
[0121]
First, as shown by φV1E, by applying a voltage (readout pulse) of 15V to the electrode V1E, the signal charge accumulated in the
[0122]
After the signal charge is read out under the electrode V1E, a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied once to the electrodes V1E, V1F, V1G, V2, and V3, whereby the signal charge for one row is transferred to the horizontal transfer unit. 3 is transferred vertically. Thereafter, the signal charges in the first row are output from the signal
[0123]
After the output of the signal charges of the first row is completed, the vertical charge pulse of 0V or −9V is once again applied to the electrodes V1E, V1F, V1G, V2, and V3, so that the signal charges of the second row are The signal is transferred to the
[0124]
In the case of the high-speed shooting in the first mode, as in the high-speed shooting in the first and second embodiments, one cycle corresponds to about 130 horizontal scanning periods, and one frame (525 horizontal scanning periods). 4 cycles can be realized. That is, the video signal for 130 rows is output four times in one frame period (1/30 second).
[0125]
As described above, according to the high-speed imaging in the first mode, in the m-row n-column photoelectric conversion element, the signals accumulated in the first to k-th row
[0126]
Next, high-speed shooting in the second mode will be described based on FIGS. 18 and 19.
[0127]
First, as shown by φV1F, by applying a voltage (readout pulse) of 15V to the electrode V1F, it is accumulated in the
[0128]
After reading the signal charge below the electrode V1F in this way, a vertical transfer pulse of 0V or −9V is applied to the electrodes V1E, V1F, V1G, V2, and V3, whereby the signal charge for one row is transferred to the horizontal transfer unit. 3 is transferred. Thereafter, the signal charge in the first row is output from the signal
[0129]
After the output of the signal charge of the first row is completed, the signal charge of the second row is changed by applying a vertical transfer pulse of 0V or −9V to the electrodes V1E, V1F, V1G, V2, and V3 again. The signal charges in the second row are transferred to the
[0130]
As described in the second embodiment, the signal charges on the 176th to 305th rows from which the signal charges are actually read are output from the signal
[0131]
Also in this second mode, a voltage of 15V is applied to the electrode V1F, and the signal charges accumulated in the
[0132]
In each cycle, as described with reference to FIGS. 12A to 12E in the second embodiment, the signal charge read on the vertical transfer unit 22 in the previous cycle is discharged. The signal charges are read from the
[0133]
Accordingly, even in the second mode, one cycle corresponds to about 130 horizontal scanning periods, and four cycles can be realized for one frame (525 horizontal scanning periods). That is, by outputting the video signal for 130 rows four times in one frame period (1/30 second), high-speed shooting at 4 × speed is realized.
[0134]
However, as described above, in the case of high-speed shooting in the second mode, the signal charge in the row (K row located in the center in the vertical direction) from which the signal charge is actually read from the
[0135]
When the high-speed magnification of the high-speed shooting of the present embodiment is N times, the number k of signal output lines obtained in the first mode is equal to the number K of signal output lines obtained in the second mode. Or K) and signal output M (Number 2The difference from the reference) is expressed by the following mathematical formula as in the first and second embodiments.
[0136]
[Equation 8]
KM = 525 / N-19 × (525 / N-480 / 19) / 18
= 26.6-525 / (18 × N)
[0137]
That is, when N is 2 or more, the aboveNumber 8Since the value of the above formula is positive, it can be seen that the number of signal output rows obtained in one cycle in the same N times (N is 2 or more) high-speed imaging is larger in the present embodiment than in the prior art.
[0138]
In the configuration of the present embodiment, the number of signal output lines during high-speed shooting cannot be made variable, but in high-speed shooting with a predetermined high-speed magnification, a larger number of signal output lines can be obtained than in the conventional method. Is possible.
[0139]
In the high-speed shooting in the first mode, the signal charge in the region close to the
[0140]
On the other hand, in the high-speed shooting in the second mode, since the signal charges for K rows located in the center in the vertical direction are read, the center of the video signal does not shift even when the optical magnification is changed. However, the first video signal output at this time is that when the number of rows of the photoelectric conversion unit 10 is m, the signal charge is read from the
[0141]
Therefore, the user can determine whether to select the first mode or the second mode according to the situation or preference. By providing a changeover switch or the like that can be operated by the user, the position of this switch is set. Accordingly, the signal control unit 5 may determine which timing chart signal shown in FIGS. 16 and 18 is to be applied.
[0142]
In each of the embodiments described above, each of the
[0143]
(Embodiment 4)
Still another embodiment of the present invention will be described.
[0144]
FIG. 20 shows a schematic configuration of a camera according to the present invention. This camera uses the solid-state imaging device described in the first to third embodiments as the
[0145]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of high-speed imaging without increasing the driving frequency as in the prior art and a camera using the same. Further, when compared at the same high speed magnification, a solid-state imaging device and a camera having a larger number of signal output rows than the conventional one can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing in more detail the configuration of the solid-state imaging device.
FIG. 3 is a timing chart of signals output by a signal control unit when shooting at normal speed in the solid-state imaging device.
4 is an enlarged timing chart showing a part of FIG.
FIG. 5 is a timing chart of signals output by a signal control unit during high-speed shooting in the solid-state imaging device.
6 is an enlarged timing chart showing a part of FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a solid-state imaging device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a timing chart of signals output by a signal control unit when shooting at normal speed in the solid-state imaging device.
FIG. 9 is an enlarged timing chart showing a part of FIG.
FIG. 10 is a timing chart of signals output from a signal control unit during high-speed shooting in the solid-state imaging device.
11 is an enlarged timing chart showing a part of FIG.
FIGS. 12A to 12E are explanatory views showing states of electric charges existing in a vertical transfer unit during high-speed shooting in the solid-state imaging device.
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of a solid-state imaging apparatus according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a timing chart of signals output by a signal control unit when shooting at normal speed in the solid-state imaging device.
FIG. 15 is an enlarged timing chart showing a part of FIG.
FIG. 16 is a timing chart of signals output by the signal control unit during high-speed shooting (first mode) in the solid-state imaging device.
FIG. 17 is a timing chart showing an enlarged part of FIG.
FIG. 18 is a timing chart of signals output by a signal control unit during high-speed shooting (second mode) in the solid-state imaging device.
FIG. 19 is a timing chart showing an enlarged part of FIG.
FIG. 20 is a block diagram showing the configuration of a camera according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a block diagram illustrating a configuration example of a conventional solid-state imaging device.
FIG. 22 is a timing chart of each drive signal at the time of shooting at a normal speed in the conventional solid-state imaging device.
FIG. 23 is a timing chart showing an enlarged part of FIG.
FIG. 24 is a timing chart of each drive signal during high-speed shooting in the conventional solid-state imaging device.
FIG. 25 is a timing chart showing an enlarged part of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Photoelectric conversion element
2.12.22 Vertical transfer section
3 Horizontal transfer section
4 Signal charge detector
5 Signal control unit
10 Photoelectric converter
30 Imaging unit
31 Optical system
32 Video signal processing circuit
Claims (6)
前記水平転送部側よりn1行目(n1は2からn−kまでの整数)からn1+k行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第3のステップと、
前記水平転送部側より1行目からn1+k行目までの連続するn1+k行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行う第4のステップと、
n1+k行目の前記光電変換部から読み出された前記信号電荷が、n1−1行目の前記光電変換部に接続した前記垂直転送部に移動したときに再び前記水平転送部側よりn1行目からn1+k行目までの連続するk行分の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第5のステップを備えたことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。a plurality of photoelectric conversion units arranged in n rows (n is an integer of 2 or more), a vertical transfer unit that reads signal charges accumulated in the photoelectric conversion units and transfers the signal charges in a vertical direction, and a vertical transfer unit In a method for driving a solid-state imaging device comprising a horizontal transfer unit that receives the signal charge and transfers it in the horizontal direction,
From the horizontal transfer unit side, the vertical transfer from the photoelectric conversion unit of the kth row (k is an integer smaller than n) from the n1th row (n1 is an integer from 2 to nk) to the n1 + kth row. A third step of selectively reading out the signal charge to a unit;
A transfer signal is sent from the horizontal transfer portion side to the vertical transfer portion connected to the photoelectric conversion portion for the n1 + k rows from the first row to the n1 + k row to move the signal charge in the vertical transfer portion. 4 steps,
When the signal charge read from the photoelectric conversion unit in the (n1 + k) th row moves to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion unit in the (n1-1) th row, the n1th row from the horizontal transfer unit side again. A solid-state imaging device driving method comprising: a fifth step of selectively reading the signal charge from the photoelectric conversion unit for the continuous k rows from the first to the n1 + k rows to the vertical transfer unit.
前記水平転送部側より1行目からk行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第1のステップと、前記水平転送部側より1行目からk行目までの連続するk行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り、前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行う第2のステップと、からなる第1のモードと、
前記水平転送部側よりn1行目(n1は2からn−kまでの整数)からn1+k行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第3のステップと、前記水平転送部側より1行目からn1+k行目までの連続するn1+k行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行う第4のステップと、n1+k行目の前記光電変換部から読み出された前記信号電荷が、n1−1行目の前記光電変換部に接続した前記垂直転送部に移動したときに再び前記水平転送部側よりn1行目からn1+k行目までの連続するk行分の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出す第5のステップと、からなる第2のモードを備え、
前記第1のモードと前記第2のモードを選択することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。a plurality of photoelectric conversion units arranged in n rows (n is an integer of 2 or more), a vertical transfer unit that reads signal charges accumulated in the photoelectric conversion units and transfers the signal charges in a vertical direction, and a vertical transfer unit In a method for driving a solid-state imaging device comprising a horizontal transfer unit that receives the signal charge and transfers it in the horizontal direction,
First, the signal charges are selectively read from the photoelectric conversion unit for the continuous k rows (k is an integer smaller than n) from the first row to the k-th row from the horizontal transfer unit side to the vertical transfer unit. A transfer signal is sent to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion units for k rows from the first row to the k-th row from the horizontal transfer unit side, and the signal charges are transferred into the vertical transfer unit. A first mode comprising the following steps:
From the horizontal transfer unit side, the vertical transfer from the photoelectric conversion unit of the kth row (k is an integer smaller than n) from the n1th row (n1 is an integer from 2 to nk) to the n1 + kth row. A third step of selectively reading out the signal charges to the unit, and transferring from the horizontal transfer unit side to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion units for n1 + k rows from the first row to the n1 + k row A fourth step of sending a signal and moving the signal charge in the vertical transfer unit; and the signal charge read from the photoelectric conversion unit in the (n1 + k) th row is transferred to the photoelectric conversion unit in the (n1-1) th row. When moving to the connected vertical transfer unit, the signal charges are selectively transferred again from the photoelectric conversion unit for the continuous k rows from the n1th row to the n1 + kth row from the horizontal transfer unit side to the vertical transfer unit. 5th step to read , A second mode consisting of,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the first mode and the second mode are selected.
前記水平転送部側よりn1行目(n1は2からn−kまでの整数)からn1+k行目までの連続するk行分(kはnよりも小さい整数)の前記光電変換部から前記垂直転送部へ選択的に前記信号電荷を読み出し、
前記水平転送部側より1行目からn1+k行目までの連続するn1+k行分の前記光電変換部に接続する前記垂直転送部に転送信号を送り前記信号電荷の前記垂直転送部内の移動を行い、
n1+k行目の前記光電変換部から読み出された前記信号電荷が、n1−1行目の前記光電変換部に接続した前記垂直転送部に移動したときに再び前記水平転送部側よりn1行目からn1+k行目までの連続するk行分の前記光電変換部から前記垂直転送部へ、選択的に前記信号電荷を読み出すことを特徴とする固体撮像装置。a plurality of photoelectric conversion units arranged in n rows (n is an integer of 2 or more), a vertical transfer unit that reads signal charges accumulated in the photoelectric conversion units and transfers the signal charges in a vertical direction, and a vertical transfer unit In a solid-state imaging device comprising a horizontal transfer unit that receives the signal charge and transfers it in the horizontal direction,
From the horizontal transfer unit side, the vertical transfer from the photoelectric conversion unit of the kth row (k is an integer smaller than n) from the n1th row (n1 is an integer from 2 to nk) to the n1 + kth row. Selectively reading out the signal charges to the unit,
A transfer signal is sent from the horizontal transfer unit side to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion unit for n1 + k rows from the first row to the n1 + k row, and the signal charge is moved in the vertical transfer unit;
When the signal charge read from the photoelectric conversion unit in the (n1 + k) th row moves to the vertical transfer unit connected to the photoelectric conversion unit in the (n1-1) th row, the n1th row from the horizontal transfer unit side again. A solid-state imaging device, wherein the signal charges are selectively read out from the photoelectric conversion unit for the continuous k rows from the first row to the n1 + kth row to the vertical transfer unit.
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