JPH012480A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は画像を電気信号に変換する撮像装置に関するも
のであり、特に高速に動いている被写体を撮像するのに
適したビデオカメラなどの撮像装置６に関するものであ
る。

従来の技術 従来の撮像装置に用いられている撮像素子の構成を第１
３図に示す。図において、１は水平走査を行なう水平転
送部（以下Ｈ−ＣＣＤと略す）、２は信号電荷を一時蓄
積する蓄積部、３は光学像を光電変換する撮像部で、垂
直走査を行う垂直転送部（以下Ｖ−ＣＣＤと略す）５と
ホトダイオード６３〜６ｃより構成される。４は不要信
号を掃出ずろ掃出し部である。

以上のように構成されている撮像素子は第１４図に示す
順序で駆動される。

垂直ブランキング期間の期間ａにおいて、ホトダイオー
ド６よりＶ−ＣＣＤ５に信号電荷が読込まれる。Ｖ−Ｃ
ＣＤ５に読出された信号電荷は、期間６において撮像部
３から蓄債部２へ高速転送される。蓄債部２は１フイー
ルドの画像信号に対し、たとえばｌ／２の容量となって
いるため、撮像部３にのこっている信号電荷を、走査期
間内の期間Ｃにおいて、通常の転送つまり１水平走存（
ＩＨ）期間で１ライン分の信号電荷を転送する方法によ
り転送する。蓄積部２は撮像部３の信号電荷を水平転送
部１に転送するため、期間Ｃ゛において通常転送を行う
。撮像部３において通常転送がされったあと、期間ｄに
おいてすべてのホトダイオード６より光電変換された電
荷をＶ−ＣＣＤ５に読出し、期間ｅにおいて描出部４へ
高速転送する。このように駆動することにより信号型に
蓄積期間ｆを期間Ｃの終わりから期間ｅの初めまでの間
で任意に設定することができるようになる。したがって
信号電荷蓄積期間を１フィールド期間の１／６０秒から
１／１２０秒以下の任意の長さに設定することが可能と
なり、動きの速い被写体を動きによるボケが少なく撮像
することが可能となる１゜ 発明が解決しようとする間Ｊ点 しかしながら上記従来の構成では信号電荷蓄積期間を短
く設定できるが、１秒間に撮像できる画像は６０枚（フ
ィールド画）分であり、動きの速いゴルフスイングなど
は３〜４枚の画像しか撮像できず、ＶＴＲなどでスロー
再生を行なう場合いう問題点を有していた。

本発明はかかる点に鑑み、信号電荷蓄積期間を短くし、
かつ水平走査の同波数を変化させずに１秒間に撮像でき
る画像の枚数を多くし、特別の信号処理を行なうことな
（民生用のＶＴＲに録画でき、スロー再生を行なう場合
においても十分な時間分解能のある画像を得られる撮像
装置を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、１フ
ィールド期間内に異なる蓄積時間を有する複数枚の画像
信号を読出し、近接する上下の信号を混合する垂直転送
部を有する撮像素子を備えたものである。

作　　　用 」二足構成により、１フイールドの期間において、２回
以上撮像信号を読出し、読出した撮像信号を混合する。

撮像信号を混合することにより、ｌフィールド期間にお
いて水平方向の走査周波数を変えることなく複数枚の撮
像信号を読出すことを可能にする。たとえば１フィール
ド期間で２枚つまり１秒間に１２０枚の画像を読出した
場合においても、水平方向の走査は通常の周波数で行な
えるため、録画するＶＴＲも特別な信号処理を行なうこ
となく記録することができ、民生用のＶ　ＴＲに特別な
処理を行なうことなく高速度撮像可能な撮像装置を実現
することができる。

実　　施　　例 以下、本発明の一実施例の撮像装置について図面を参照
しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における撮像装置に用いる撮
像素子の撮像部を示す模式図である。

同図において、１０は充電変換を行うホトダイオード、
１１は光電変換された信号電荷を垂直方向に転送して垂
直走査を行う垂直転送ＣＣＤ　（Ｖ−ＣＣＤと略す）で
、■１〜ｖ４はｖ−ＣＯＤの電極を示す。ここで電Ｆｋ
Ｖ　と電極Ｖ、はホトダイ第一ド１０からＶ−ＣＣＤＩ
　１に信号を読出すための読出しゲートをかねている。

１２はホトダイオード１０とＶ−ＣＣＤ　１１より成る
垂直転送部、１３はＶ−ＣＣＤＩＩにより転送されて来
た信号電荷を一時だくわえてお（蓄積部、１４は水平方
向の走査を行う水平転送部（以下Ｈ−ＣＣＤ七略す）、
１５は不要電荷を排出するだめの提出部である。なお、
撮像素子（２次元ＣＣＤ）自体の駆動を含む一般的動作
説明は良く知られているので、ここではその詳細な説明
は省略する。

次に第２図は本発明の一実施例における撮像装置の構成
を示すブロック図である。

２０は第１図に示した撮像素子（ＣＣＤ）、２１はＣＣ
Ｄ２０の出力信号の信号処理を行なうプロセス回路、２
２は必要とされる同期信号、バースト信号などを付加す
るエンコーダ、２３はＣＣＤ２０を駆動するための駆動
回路、２４は駆動波！［ニのタイミングを定めるパルス
発生回路、２５は駆動回路２３、パルス発生回路２４よ
り構成される駆動部、２６は撮像素子２０に結像を行う
光学系である。

以上の様に構成された本実施例の撮像装置について以下
その動作を説明する。

レンズを含む光学系２６により結像した光学像を撮像素
子（ＣＣＤ）２０により光電変換する。

ＣＣＤ２０より得られた信号を所定のレベルに増幅し、
アパーチャ補正、γ補正などをプロセス回路２１で行う
。プロセス回路２１よりの出力信号にブランキング、同
期信号を付加し、所定の電圧レベルに変換してエンコー
ダ２２より出力する。

ＣＣＤ２０を駆動するための駆動部２５の動作は以下に
示す動作を行なう。第３図に駆動部２５で発生するＣＣ
Ｄ２０の駆動タイミングを示す。

なお、同図において、ａは垂直ブランキング期間と有効
走査期間の関係、ｂは垂直転送のＶ−ＣＣＤの駆動タイ
ミング、Ｃは蓄積部のＣＣＤの駆動タイミングを模式的
に示している。

まず垂直ブランキング期間内において後述する読出制御
１（ｒ、）を行ない必要なホトダイオードの信号電荷を
読出し、混合する。

読出制御はｒ、〜ｒ４までの４通り行なうが、それぞれ
の信号の読出方法を第４図に示す。第４図において矢印
の１〜３は信号電荷の転送順を示すものである。信シ）
電荷をＶ−ＣＣＤＩ　１に読出しく矢印１）、混合（矢
印２）した後に高速転送り。

を行ない信号電荷を蓄積部１３に転送する。同じタイミ
ングにおいて蓄積部１３においても高速転送１１１゛　
　を行ない、蓄積部１３のすべてに信号電荷が転送され
た時点で高速転送り、、ｌ＋、’は終了する。次に通常
転送ｎ、、ｎ、゛は、垂直プラン−１−ングの終る直前
よりスタートし、信号電荷がずべてＨ−ＣＣＤ　１４に
転送し終わった時点で終了する。垂直転送部１２の通常
転送は垂直ブランキング期間に高速転送により信号電荷
を転送した分だけ早く終了する。次の読出制御（ｒ２）
を行う」、での期間に必要であれば、ホトダイオードが
ら不要電荷の読出〈全画素読出ｅ１）と電荷排出のため
の掃出転送Ｓ１を行う。通常転送口１°は垂ｎ″Ｃ転送
部１２で信号電荷を混合し、後述するように垂直転送を
２倍の速度で行なうため、一般の１７２の期間で通常転
送ｎ、　　゛が終了する。垂直転送部に１２においては
ｎ、　　゛の通常転送が終了する前に読出制ａＴＩ　（
ｒ　２　）を行ない通常転送ｎ１′終了直後に高速転送
ｈ２．ｈ２°を行なう。これ以降の信号の転送方法は高
速転送り、、ｈ、’と同じであるので説明は省略する。

異なるのは読出制御ｒ、〜ｒ４であり、これは第４図に
示すとうりである。

次に第４図の読出制御を行うときの駆動波形の一例を第
５図に示す。

第５図において、φ１〜φ４は垂直転送部及び蓄積部の
それぞれの電極に対応させて入力されるパルス信号であ
る。第５図の読出制御部分で１〜３で示す期間は第４図
の矢印１〜３の電荷転送に対応する。読出制御部分につ
づいて高速転送部分のパルスが続いて加えられ、垂ｉＢ
転送部１２から蓄積部１３への信号電荷転送時に信号電
荷を再び混合して転送する。混合することにより蓄積部
１３の駆動パルス第５図すは垂直転送部１２の駆動パル
スの周期の２倍にすることが可能となる。これにより第
４図に混合範囲の矢印で示した領域内のホトダイオード
の信号が混合されて読出され、その水平走査ライン数は
通常の走査ライン数の１．′２になり、したがって走査
に必要な時間も１、、−’　２となる。したがってのこ
りの１　／’　２の期間に次の走査を行なうことにより
水平転送のＣＣＤの駆動周波数を上げずに１フイールド
の期間で蓄積期間の異なる画像２枚分の撮像信号がｉＵ
られる。

第６図は蓄積期間の差による撮像信号の信号電荷の異な
りを示す模式図である。第６図は動いでいる車を撮像し
た例であり、同図ａは撮像素子のホトダイオード上での
信号電荷の異なりを示し、同図すは前述した走査を行な
った後に得られる撮像信号を示す。このようにした撮像
索子から読出した信号はｌフィールド期間で異なる蓄積
期間を有する２枚の画像となる。そしてこの信号をプロ
セス回路２１とエンコーダ２２により必要とされる信号
ホーマットに変換して出力する。

以上のように本実施例によれば、撮像素子のホトダイオ
ードから信号電荷の読出しと信号の走査を制御すること
により、１フィールド期間に２つの漢なるＭ　ｂ１期間
を持つ２枚の；”’ｌ像信号を得ることができる。そし
て同時に水平、垂直の走査周波数は通常の走査と何ら変
らないため家庭用のＶＴＲにも何ら問題なく記録するこ
とができ、容易に２倍速撮像と２倍速記録が可能なテレ
ビカメラなどの撮像装置が実現できる。

なおこの実施例においてはスミアなどの不要電荷の掃出
駆動を行なうため、撮像素子に蓄積部を有するものを用
いたが、描出駆動が不要な場合には蓄積部のない撮像素
子を用い、垂直転送部から蓄積部への信号電荷転送時の
信号電荷混合は、垂直転送部から水平転送部への信号電
荷転送時に行うことにより２倍速撮像が実現できる。

次に第７図は本発明の第２の実施例の撮像素子の垂直転
送部を示す模式図である。同図において第１の実施例の
構成と異なるのはホトダイオード１０に色フィルタを付
けた点とＶ−ＣＣＤの電極のｖｌとｖ３をそれぞれ独立
した４種類の電極に分けた点である。第６図において１
０１〜１０４は光電変換を行なうホトダイオードであり
、その上にはＷ（白色）、Ｇ（緑色）、Ｃｙ（シアン色
）、Ｙｅ（黄色）の色フィルタを付けている。１１はホ
トダイオードて光電変換した信号電荷を垂直方向に走査
を行なうための垂直転送ＣＣＤ　（以下Ｖ−ＣＣＤ）　
であり、Ｖ、　〜Ｖ４Ｌ！Ｖ　−ＣＣＤｉ／）電極を示
す。垂直転送部において従来のインターライントランス
ファーＣＣＤ　（ＩＴ−ＣＣＤ）と異なるのはＶ−ＣＣ
Ｄの電極のＶｌとＶ、を４種類に分類しＶＩＩ〜ＶＩ４
とＶ３１””Ｖ３４としている点にある。各電極を４種
類に分類することによりホトダイオードで充電変換した
信号電荷を独立して読出せるようにする。その他の部分
は第１図に示した第１の実施例と同じである。

撮像素子の基本的な駆動タイミングは第１の実施例と同
様であり第２図に示すとおりである。異なるのはｒ１〜
ｒ４の各読出制御の方法である。第８図に各読出制御ｒ
１〜ｒ４の順序を示す。第８図中矢印の数字は信号電荷
を転送する順序を示すものである。

読出制御ｒ１の読出順序を第８図ａに示す。

最初１：　Ｖ　−ＣＣＤ　（７）電極ｖＩ３と電極Ｖ、
４＋＝ＷとＣｙの信号電荷を読出しく矢Ｆｉｌ　１　’
）　、この電荷を２、電極Ｖ　と電極ｖ３２に転送する
（矢印２）。次に電極Ｖ　と電極ｖ１２にＷとＧの信号
電荷を読出しＩ （矢印３）、矢印１で読出た信号電荷と、ＷはＷとＣｙ
はｃｙと混合しく矢印４）、電荷を転送する。以上の様
にして上下の同じ色フィルターの信号電荷を混合し、画
素信号数を１／２に圧縮して垂直方向に転送を行なう。

次に読出制御ｒ、では信号電荷を読出す方法は、読出制
御ｒ１と同様に電極ｖ１に対応した画素の信号電荷を読
出すが、信号電荷の混合の方法が異なる。読出制御ｒの
読出順序を第３図すに示す。まず最初にＶ−ＣＣＤＩ　
ｌの電極ＶＩ＋と電極Ｖ１２にＷとＣｙの信号電荷を読
出す（矢印１）。

次に電極ｖ３３と電極ｖ３４まで信号電荷を転送する（
矢印２）。このとき、電極ｖ１３と電極ｖ１４にＷとＣ
ｙの信号電荷を読出しく矢印３）、矢印１で示す読出し
た信号電荷と、ＷはＷとＣｙはｃｙと混合しく矢印４）
電荷を転送する。

読出制御ｒｒ　　も上述の読出制御ｒ、、ｒ、、と３’
　　　　　４ 同様に行ない、その読出順序を第８図中矢印に示し、そ
して同図の矢印１から４の順序で信号電荷を読出す。

次に電荷転送時のＶ−ＣＣＤの駆動パルス及び蓄積部の
駆動パルス波形を第９図に示す。第９図中の期間１〜４
は第８図で１〜４の矢印で示す駆動に対応するものであ
る。Ｒ１期間内の期間４以後の駆動パルス波形は通常の
順次Ｖ−ＣＣＤの電極Ｖ４〜Ｖ１方向への転送となる。

また垂直転送部から蓄積部への信号電荷の転送は、垂直
転送部の２回の転送に対し、蓄積部では１回の転送とな
るように対応させる。

この信号電荷の対応関係を第９図に示す。

第９図に示すように垂直方向に信号電荷の間隔を圧縮し
て転送することにより、蓄積部の蓄積容量を従来の１７
′２に圧縮でき、また蓄積部の駆動パルスの周波数は垂
直転送部の駆動パルスの１．／２にできる。以上説明し
た方法により水平方向の電荷転送を行なうパルスの駆動
周波数を変えることなくｌ／２の時間で１画面の信号電
荷をすべて走査することが可能となる。したがって１フ
イールドの期間に蓄積期間の異なる２枚の画像を得るこ
とが出来る。

以上の様にしてｉ！Ｉられた信）電荷の色フィルタ別の
並びは通常モード（１フィールド期間に１枚の画像信号
を読出すモード）と同じであり、色分離回路などの信号
プロセス回路は基本的に従来のものをそのまま使用する
ことが出来る。色分離は次式のように行なう。

Ｒ＝　（Ｗ−Ｃｙ）＋　（Ｙｅ−Ｇ） Ｂ−（Ｗ−Ｙｅ）＋　（Ｃｙ−Ｇ） ここでＲは赤色、Ｂは青色信号である。緑色信号Ｇは画
素信号をそのままサンプリングして用いる。Ｒ，Ｇ、Ｂ
それぞれの信号にγ処理を行ない、輝度信号２色差信号
を合成し、標準ＴＶ信号であるＮ　Ｔ　Ｓ　Ｃ方式やＰ
ＡＬ方式の信号にエンコードして出力する。信号処理回
路の構成は第１の実施例と同様である。

以上の様に本実施例によれば、撮像素子を１つ用いる単
板のカラー撮像装置において撮像素子（ＣＣＤ）の垂直
転送部の電極を独立に制σ（１し、１フレ一ム期間に複
数枚の画像信号を読出し、垂直方向に信号電荷を混合す
ることにより、水平方向の走査の周波数を上げることな
く２４８速撮像（１フレ一ム期間で２枚の画像信号を得
る撮像）が可能となり、一般の民生用ビデオカメラにお
いても倍速撮像が可能となる。また本実施例の撮像装置
は、撮像素子に加えるパルスを切換、通常の転送を行な
うことにより１フイールドに１枚の画像信号を読出す通
常モードの撮像装置となり、また２倍速モードの撮像時
においても水平、垂直の走査周波数は標準ＴＶ信号のま
まであり、一般の民生用ＶＴＲに容易に録画できる。

次に第１１図は本発明の第３の実施例の撮像装置のブロ
ック図である。同図において２１は撮像素子２０の信号
にγ補正やアパーヂャ補正を行なうプロセス回路、２２
はＴＶの標準信号に変換するエンコーダ、２３は撮像素
子を駆動する駆動回路、２４は必要とするタイミングを
発生するパルス発生回路、２６は光学系で、以上は第２
の構成と同様なものであり、同符号を付してその詳細な
説明は省略する。第２の構成と異なるのは、２７のメモ
リーと２８の切換スイッチを設けた点であり、撮像素子
２０については、蓄積部１３がない構造となっている点
である。

上記のように構成された第３の実施例について、以下そ
の動作を説明する。

第１２図に撮像素子の駆動タイミングの概要を示す。第
３図に示した第１の実施例のタイミングと異なるのは信
号の高速転送と不要電荷の掃出転送を行なわない点であ
る。読出し制御ｒ１〜「４は第１の実施例と同様に行な
い、また垂直方向の通常転送０１〜ｎ４も第１の実施例
と同様に行なう。

したがってホトダイオードから読出された信号電荷は、
上下方向に混合されて水平転送部（Ｈ−ＣＣＤ）に転送
される。混合された電荷は１水平走査期間（ＬＨ刑期間
に１回Ｈ−ＣＣＤに転送され、通常の水平転送を行ない
撮像素子の出力とする。１フィールド期間にホトダイオ
ードからの信号電荷の読出しを２回（ｒ＋とｒ２又はｒ
３とｒ４）行なうため、電荷読出の間に信号出力の１７
られない期間ｔｉが発生する。この走査期間に発生した
信号の得られない期間は、信号を一時蓄積する蓄積部を
メモリーにより構成したメモリー回路２７と、信号切換
用のスイッチ２８を用いることにより補正する。つまり
、例えば通常転送ｎ、時に得られた信号Ｓ１をメモリー
回路２７によりｔｉの期間遅延させる。この間スイッチ
２８をＰ２に接続して、信号電荷読出しｒ２＋　　ｒ４
の後に、通常転送ｎ　２　、ｎ　４が始まると同時にス
イッチ２８をＰｌに接続し、走査期間において撮像信号
を連続的に出力する。

以上のように本実施例によれば、撮像素子内部に特別な
蓄積部を持つことなく高速度撮像を可能とすることがで
きる。またこのメモリー回路を用いる方法は第２の実施
例のように単板カラー化方式を用いるものにも同様に適
応できることはいうまでもない。

なお、第１の実施例においては撮像素子を１つ用いる白
黒の撮像装置を例として説明したが、これは撮像素子を
３つ用いるカラーの撮像装置にも同様に適応できること
は言うまでもない。

また第１．第３の実施例における信号電荷の混合範囲は
各読出制御ごとにその装置を変化さゼているが、位置の
変化はこの方法にかぎる必要はなく、また変化させる必
要がないときは同じ読出制御を行なうことも可能である
。

また第２の実施例において用いた色フィルタは一例であ
りこの色フィルタにかぎる必要はない。

さらに色フィルタの方式はフレーム蓄積方式のもので説
明を行なったがフィールド蓄積方式の色フィルタにおい
ても本発明が適応できるのはいうまでもない。

さらに本実施例では２倍速の高速度撮像を例として説明
を行ったが、本発明は２倍速の高速度撮像に限る必要は
ない。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば水平、垂直の走査周
波数を変更せずに倍速モードでの撮像が可能になり動き
の速い被写体の高速度撮影を容見に実現でき、また容易
にＶＴＲなどに記録でき、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂは本発明の一実施例に用いる撮像素子の構
成を示す模式図、第２図は本発明の一実施例の撮像装置
の構成を示すブロック図、第３図は同撮像装置の動作を
説明するタイミングチャート、第４図は同撮像装置の撮
像索子の画素信ｉシ′の読出し制御を説明する模式図、
第５図は同撮像）：Ｓ子の動作を説明°４−るタイミン
グチャート、第６図は同撮像素子の動作を説明する模式
図、第７図は本発明の第２の実施例に用いる撮像））；
子の（１■成を示す模式図、第８図は同撮像素子の画素
信号の読出し制御を説明する模式図、第９図は同撮像素
子の動作を説明するタイミングチャート、第１０１４は
同撮像装置の画素信号の転送を説明する模式図、第１１
図は本発明の第３の実施例の撮像装置のブロック図、第
１２図は同撮像素子の動作を説明するタイミングチャー
ト、第１３図は従来の撮像装置に用いられる撮像素子の
構成を示す模式図、第１４図は同撮像装置の動作を説明
するタイミングチャートである。 １０・・・・・・ホトダイオード、１１・・・・・・垂
直転送ＣＣＤ、１２・・・・・・垂直転送部、１３・・
・・・・蓄積部、１４・・・・・・水平転送部、２０・
・・・・・撮像素子、２１・・・・・・プロセス回路、
２２・・・・・・エンコーダ、２３・・・・・・駆動回
路、２４・・・・・・パルス発生回路、２５・・・・・
・駆動部、２６・・・・・・光学系、２７・・・・・・
メモリー回路、２８・・・・・・切換スイッチ。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第２図 第４図 （Ｌ）　’Ｆｅ、を制ｍｒ＋　　（ｂ）Ｒ士制御ｒｚ　
　Ｉｔ）ｔｌｔ＊制御ｒ、　　ｔｔＬ＞＠出Ｎ制御ｒ４
第５図 第６図 （α） （ｂ） 第８図 ｔＬＬ）畠旭出制＃ｒ＋　　　（ｂ）ｌｌ＃Ｉｍｒｔ　
　　ＬＣＮＪｈ±１’１１９ｒｓ　　　（ｄ−）盲乞士
ＷＩＩ）ａｒ４−　Ｎ　ｌｌ’１寸　　　　Ｎ〜ｉ聾 シ　＆本本　　　　　　　　　　も・番番も。 ０　　　　、　　　　　　　　　２ 第１０図 第１１図 Ｌ−一−−−−−−−−−’

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）２次元光学像を光電変換する複数個のホトダイオ
   ードと、前記複数のホトダイオードの所定のホトダイオ
   ードから画像信号を１フィールド期間に異なる蓄積時間
   を有して２画像分以上読み出し近接する上下の所定の信
   号を混合する垂直転送部とを有する撮像素子と、前記撮
   像素子の画像信号の読出し及び混合を制御する駆動部と
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. （２）撮像素子は、垂直転送部から転送される信号電荷
   を一時蓄える蓄積部を備えたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の撮像装置。