JPS5980069A

JPS5980069A - 固体撮像素子を用いた撮像方式

Info

Publication number: JPS5980069A
Application number: JP57190127A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Takemura; 裕夫竹村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1982-10-29
Publication date: 1984-05-09

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】この発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いて静止画像
または動画像を撮像する方式に係り、特に純電子的な手
段によりシャッタ機能を付加した撮像方式に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、ＣＯＤやＭＯＳを用いた固体撮像素子によって電
子的に静止画像を撮像する、いわゆる電子カメラと称さ
れる撮像装置の研究、開発が盛んに行なわれている。こ
れは固体撮像素子より得られる画像信号をフレームまだ
はフィールド単位で磁気ディスクメモリや半導体メモリ
等に静止画像として記録するものである。

このような電子カメラにおいて、固体撮像素子としては
原理的に動画像を撮像するためのビデオカメラと同様の
ものを利用できる。しかしながら撮像素子の感光面に結
像される像は通常動いているので、このような状態で静
止画像の撮像、記録を行なうには、撮像素子の出力に連
続して得られる画像信号から１フレームまたは１フイ一
ルド分の信号を抜取ってメモリに供給しなければならな
い。このような処理は、シャッタ速度を１／３０秒また
は１／６０秒に固定したことに相描する。これらのシャ
ッタ速度はスチルカメラとしては低速でアシ、従って三
脚のような固定手段を用いないと手ブレが生じ易いし、
また動きの速い被写体では三脚等を使用しても、得られ
る画像には被写体ブレが生じてし１う。

このような事情から、電子カメラにおいても実用上はフ
ィルム使用の一般カメラと同様に、１／１２５秒．１／
２５０秒，Ｉ１５００秒，１／１．０００秒といった高
速シャッタを含む可変速のシャッタ機構を備えることが
望まれている。しかしながら、従来一般のフィルム使用
カメラで用いられているシャッタ機構は、メカニカルな
ものであシ、このようなシャッタ機構を電子カメラに適
用することは、小型、軽量、高信頼性という電子カメラ
の利点を損なうことになって好ましくない。

メカニカルなシャッタ機構を使用せずに、電子カメラの
シャッタ速度を実質的に高速化する方法として、固体撮
像素子の読出し周波数を高くして１フレームの時間を短
縮することが考えられる。ところが電子カメラで多く用
いられる垂直５００×水平４００画素のＣＣＤ撮像素子
の読出し周波数は７．　１　６　ＭＨｚであυ、これを
２倍の１４．３２■Ｉｚにできたとしてもシャッタ速度
は高々１／６０秒にしがならず、依然として不十分であ
る。

一方、動画像を得るだめのビデオカメラにおいても、固
体撮像素子を用いたものでは高速で移動する被写体を撮
像すると感光部に電荷を蓄積している間に被写体が動く
ことになって、良好な画像が得られなくなる問題がある
。例えば野球やゴルフのがール等は細長くにじんでしま
い残像のようになシ、画像の鮮明さは著しく損なわれて
しまう。従ってこのようなビデオカメラにおいても光学
系の中にメカニカルなシャッタ機構を設け、撮像素子の
入射光を間欠的に断続させればよいが、家庭用を目的と
したこの種の固体撮像式ビデオカメラでは小型軽量化の
妨げとなる問題がある。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、純電子的な手段にょシ実質的に任意
の速度に設定可能なシャッタ機能を得ることができる、
固体撮像素子を用いた撮像方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

この発明は、半導体基板上に２次元配列の感光部および
この感光部の蓄積電荷を転送する転送部を形成した固体
撮像素子を用いて静止画像または動画像の撮像を行なう
に際し、撮像指令元部に既に蓄積されていた電荷が転送
部へ転送された時点から任意に設定可能な所定期間、感
光部に被写体像に対応した電荷を新たに蓄積し、この蓄
＃ｊ電荷を転送部へ転送し、転送部を通して画像信号と
して取出すようにしたことを特徴としている。

すなわち、感光部に既に蓄積されていた電荷を転送部へ
転送し吐出す動作およびその所定時間経過後に新だに感
光部に蓄積された電荷を転送部−＼転送する動作によっ
て、実質的にシャッタの開閉動作を実現するものである
。

〔発明の効果〕

この発明によれば、構造的に複雑なメカニカルなシャッ
タ機構を用いずにシャッタ機能を付加することができ、
しかもそのシャッタ速度、つまりシャッタ“′開′″の
時間を簡単な時間指定操作により任意に設定することが
可能である。

従って、電子カメラに適用した場合、シャッタ速度を１
／１２５程度以下に選ぶことで手ブレを防止でき、また
動きの速い被写体に対しては１／２５０秒、ＩＡ００秒
といった速いシャ、り速度となシ、さらに暗い被写体の
場合に数分の１秒、あるいは１秒以上というような低速
シャッタにして露出不足を防ぐこともできる。

一方、固体撮像式ビデオカメラにおいてもメカニカルな
シャッタ機構を用いずに高速シャッタを実現できるので
、動きの速い被写体の場合でも鮮明な画像が得られる。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明を静止画像を撮像するための固体撮像
装置、いわゆる電子カメラに適用した実施例を示すもの
である。

図において、被写体像１は撮像用光学系２（図では凸レ
ンズのシンボルで簡単に表わしている）を介して固体撮
像素子３の感光面上に結像される。固体撮像素子３は駆
動回路４によって駆動されて、その出力に被写体像１に
関する静止画像信号を発生する。、この静止画像信号は
増幅器５を経てフレームメモリ６に入力される。

フレームメモリ６は例えば記録媒体として磁気ディスク
を用いたもので、増幅器５より供給される静止画像信号
を磁気ヘッドを通して磁気ディスク上に記録する。こう
してフレームメモリ６で記録された静止画像信号は１フ
レ一ム単位で適宜再生されて出力端子７に取出され、そ
してハードコピーとして複写されたシ、あるいはＣＲＴ
表示装置等で表示されたりする。なお、フレームメモリ
６としては、半導体メモリを使用することもできる。

固体撮像素子３は例えばＣＣＤを用いて構成され、好ま
しくは第２図に示すような、１枚の半導体基板上に構成
されたインターライン転送形ＣＣＤ撮像素子が用いられ
る。この撮像素子は水平方向ｍ画素、垂直方向ｎ画素の
画素対応の感光部Ｐｉｊ　（１；１．、．２１　・・’
ｍ　＋　ｊ　”１　＋　２　＋　”’ｎ）が２次元配列
されて感光面を形成している。

各感光部Ｐ１ｊは光電変換および電荷蓄積機能を有する
もので、通常ホトダイオードによって構成される。各感
光部Ｐ目に隣接してトランスフグ−）Ｇｉｊに隣接し、
感光部Ｐ１３の垂直方向の列と列の間に挿入配置される
形で垂直転送部ＣＶ１％ＣＶｍが設けられている。そし
てさらに垂直転送部ＣＶ１〜ＣＶｍの一端側に水平転送
部ＣＨが設けられ、この水平転送部ＣＨの一端側に出力
部０が設けられている。

第１図に説明を戻すと、駆動回路４は第２図に示したよ
うな固体撮像素子３をシャッタ速度設定ダイヤル８およ
びシャッタがタン９からの信号に基づいて駆動すること
により、その出力に静止画像信号を発生させるためのも
ので、次のように構成されている。

駆動回路４において、単安定マルチバイブレータ（以下
モノマルチという）１１はシャッタ速度設定ダイヤル８
を介して操作者が設定したシャッタ速度に対応してＣＲ
の時定数が変化するように設けられ、シャッタボタン９
を押したときに発生される第３図（、）に示すような撮
像指令パルス１０によって、第３図（ｂ）に示すような
１２を発生する。このパルス信号１２の時間幅Ｔは、設
定したシャッタ速度に一致している。

モノマルチ１１の出力パルス信号１２は立上り検出器１
３および立下り検出器１４に入力され、その立上り（前
縁）および立下り（後縁）が検出されて、第３図（Ｃ）
に示す検出パルス１５゜１６が得られる。これらの検出
・ぐルスＪ　５，１６は固体撮像素子３のトランスファ
ダートＧＢにダート・クルスＧＰとして与えられる。ま
た、立上り検出パルス１５はダートパルス発生器１７に
も与えられ、ダートパルス発生器１７より第３図（ｄ）
に示す一定時間幅ｔのダート・ぐルス１８を発生させる
。

一方、モノマルチ１１の出力パルス信号１２は同期Ａ？
ルス発生器１９に起動信号として与えられ、同期パルス
発生器１９は発振器２０からの信号によりテレビジョン
の水平走査周期に相当する同期パルスを発生する。発振
器２０は例えば１４　ＭＨｚで発振するもので、その出
力は上記のように同期パルス発生器１９に与えられると
ともに、１／７分周器２１およびＩＡ分周器２２に入力
され、それぞれ２　Ｆｉ’１Ｈｚ　、　７　ＭＨｚの周
波数に分周される。１／７分周器２１からの２■Ｉｚの
信号は４相シフトレジスタ２３に人力され、２ＭＨｚの
４相クロツクとなる。また凭分周器２２からの７　ＭＨ
ｚの信号は２相シフトレジスタ２４に入力され、７ＭＨ
ｚの２相クロツクとなる。これら４相クロツクおよび２
相クロツクは、それぞれケゝ−ト回路２５．２６に入力
される。ケ９−ト回路２５は同期・ぐルス発生器１９か
らの同期パルスを受け、第３図（、）〜（ｈ）に示すよ
うに常時は水平走査周期τ毎に４相クロツクを１個づつ
抜取って出力するが、前記ケ”　−）　ノクルス発生器
１７より第３図（ｄ）の）ｆ−トｉ４ルス１８が与えら
れると、その時間ｔの間は入力される４相クロツクを第
３図（ｅ）〜（ｈ）の３１１．３２　、　、？　、？　
、　３４で示されるように抜取りを行なうこと疫くその
まま出力する。もう１つのダート回路２６はグートノク
ルス発生器１８からのダートパルス１８が与えられず、
同期パルス発生器１９からの同期パルスによシ入力の２
相クロツクを水平走査周期τ毎に１個づつ抜取って出力
する。

こうしてゲート回路２５で第３図（、）〜（ｈ）のよう
にダート処理された４相クロツクは固体撮像素子３の垂
直転送部Ｃｖ１〜ＣＶ□。へ転送りロックＶφ１〜Ｖφ
４として共通に与えられ、またダート回路２６で処理さ
れた２相クロツクは固体撮像素子３の水平転送部ＣＨへ
転送りロックとして与えられる。

次に、この実施例の動作を説明する。今、シャツタデタ
ン９を押すと、それに伴い発生される撮像指令ノクルス
１０によりモノマルチ１１が起動されて矩形・２ルス信
号１２が出力される。

このパルス信号１２の前縁のタイミングで、立上り検出
器１３よシ出力されるパルス１５がダートパルスＧＰと
して与えられることによってトランスファ）ｒ’−）Ｇ
ｉｊが一斉に開き、感光部Ｐｉｊにそれまで蓄積されて
いた電荷が垂直転送部Ｃｖ１〜Ｃｖｍへ同時に転送され
る。垂直転送部ＣＶ、〜Ｃｖｍへ転送された電荷は、ダ
ートパルス１８の幅ｔの期間中に第３図の３１　、．９
２３３．３４のように２　ＭＨｚで連続して発生される
垂直転送りロックＶφｌ〜Ｖφ４によって矢印Ｖの方向
へ高速転送された後、水平転送部ＣＨを水平転送りロッ
クＨφｌ、Ｈφ２で矢印Ｈの方向へ転送され、出力部０
を通して第３図０）の３５で示すように吐出される。

上述のように、感光部Ｐｉｊの蓄積電荷が垂直転送部Ｃ
Ｖ１〜Ｃｖｍへ同時転送される動作はシャッタ開”に相
当し、この時点から感光部Ｐｉｊには被写体像１に対応
した電荷の蓄積が新たに始められる。この後、シャッタ
速度設定ダイヤル８で設定したシャッタ速度に相当する
時間Ｔが経過すると、モノマルチ１ノの出力パルス信号
１２の後縁が立下シ検出器１４で検出され、その出力ｉ
４ルス１６がダートパルスＧＰとしてトランスファゲー
トＧ３１に与えられることにより、時間Ｔの間に感光部
１）ｔ　ｊに蓄積された被写体像１に対応した電荷が垂
直転送部ＣＶ、〜Ｃｖｍへ同時に転送される。この転送
動作はシャツタ“閉”に相当する。このときタート回路
２５にダート・卆ルス１８は与えられず、デート回路２
５からは通常通り水平走査周期τ毎にクロックＶφ、−
Ｖφ４が出力されるので、垂直転送部ＣＶ、〜Ｃｖ４に
転送された電荷は水平走査周期で矢印Ｖの方向へ転送さ
れ、さらに水平転送部ＣＨを矢印Ｈの方向へ転送された
後、出力部０を通して例えば電圧信号に変換され、出力
Ｖｏｕｔに第３図０）の３６に示すように静止画像信号
として取出される。こうして得られた１フレームまたは
１フイールドの静止画像信号は、増幅器５で増幅された
後、立下り検出器１４の出力・ぐルス１６によって動作
を開始するフレームメモリ６によって記録される。

このように、駆動回路４による固体撮像素子３の駆動過
程における純電子的な処理によってシャッタ動作を等制
約に実現できる。しかも、この場合のシャッタ速度は、
モノマルチ１１の時定数を変えるという簡単な手段によ
シ任意に無段階に設定可能である。

この発明は上述したような静止画像撮像用である電子カ
メラに限らず、通常の動画像撮像用であるビデオカメラ
にも適用可能であり、その場合の動作例を第４図のタイ
ムチャートに示す。

すなわち、この場合第１図のモノマルチ１１は第４図（
ａ）に示す一定時間間隔の・平ルス１ｏによって繰返し
起動を受けることにより、第４図（ｂ）に示すようにシ
ャッタ速度に対応する時間幅Ｔのパルス徊号１２を一定
時間間隔で発生する。

第４図（ｃ）はパルス信号１２に対する立上シ検出ノｆ
ルス１５および立下シ検出ノ母ルス１６を示し、（ｄ）
はグー）　ｐｊルス発生器１７よ多出力されるｒ−トハ
ルス１８を示している。従って、この例では一定時間間
隔で感光部Ｐ１ｊの残留電荷が高速で吐出された後、引
続く時間Ｔの間に感光部Ｐｉｊに新たに蓄積される被写
体像に対応した電荷が、画像信号として出力されること
になる。

第４図（、）は残留電荷に基づく信号であＬ（ｆ）が画
像信号である。

なお、この例では時間Ｔが垂直ブランキング期間より短
い時間に設定されれば問題ないが、これより長いと標準
走査では画像信号が正常に得られなくなシ、別に走査変
換装置が必要となる。しかし高速で移動する被写体をブ
レなく撮像するには、例えばＴ　＝　１１５００秒以下
の高速シャッタとする必要があシ、これは垂直ブランキ
ング期間より短いので、走査変換装置は不要である。

このように、この発明をビデオカメラに適用すると、メ
カニカルなシャッタ機構を用いずに、高速で動く被写体
をも残像を生じたシすることなく撮像することができる
。

この発明は上記した実施例に限定されるものではなく、
例えば第１図ではモノマルチ１１の時定数、すなわち、
ｅヤッタ速度を操作者がマニスアルで設定すると説明し
たが、適当な受光体で被写体の明るさを検出し、それに
基いてシャッタ速度を自動設定するようにすることによ
って、自動露出システムを構成することも可能である。

ｉｆｔモノマルチ１１０部分は、カウンタノようなもの
に置換えてもよい。

さらに、この発明はモノクロ撮像のみならず、例えば固
体撮像素子に色フイルタアレイを組合せた単板式、ある
いは複数の固体撮像素子を用いた多板式のカラー撮像装
置にも適用できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る撮像装置の構成を示
す図、第２図は固体撮像素子の構成を模式的に示す図、
第３図は同実施例の動作を説明するだめのタイムチャー
ト、第４図は他の実施例を説明するためのタイムチャー
トである。１・・・被写体像、３・・・固体撮像素子、４・・・駆
動回路、６・・・フレームメモリ、８・・・シャツタホ
タン、９・・・シャッタ速度可変ダイヤル、１１・・・
単安定マルチバイブレータ、１３・・・立上り検出器、
１４・・・立下シ検出器、１７・・・ダートパルス発生
器、１９・・・同期・ぐルス発生器、２ｏ・・・発振器
、２１．２２・・・分周器、２３・・・４相シフトレジ
スタ、２４・・・２相シフトレジスタ、２５．２６・・
・ダート回路、Ｐｌｊ・・・感光部、Ｇ目・・・トラン
スファゲート、ＣＶ、〜ＣＶｍ・・・垂直転送部、ＣＨ
・・・水平転送部、０・・・出力部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に２次元配列の感光部およびこの感
光部の蓄積電荷を転送する転送部を形成した固体撮像素
子を用い、上記感光部に被写体像を結像して静止画像ま
たは動画像の撮像を行なうに際し、撮像指令を受けると
前記感光部に既に蓄積されていた電荷を前記転送部へ転
送しこの転送部を通して吐出すとともに、前記感光部に
既に蓄積されていた電荷が前記転送部へ転送された時点
から任意に設定可能な所定期間前記感光部に被写体像に
対応した電荷を新たに蓄積し、この蓄積電荷を前記転送
部へ転送し、この転送部を通して画像信号として取出す
ことを特徴とする固体撮像素子を用いた撮像方式。
（２）　　固体撮像素子は感光部の垂直方向の列と列の
間に配置され、感光部の蓄積電荷がトランスフ・Ｔケ゛
−トを介して転送される垂直転送部と、これらの垂直転
送部にょシ転送される電荷を並列に受は直列に転送して
出方部へ供給する水平転送部とを有するものであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像素子
を用いた撮像方式。
（３）撮像指令を受けて任意に設定可能な時間幅の・ぐ
ルス信号を発生する手段を有し、この・母ルス信号の前
縁のタイミングで感光部に既に蓄積されていた電荷を転
送部へ転送し、後縁のタイミングで上記パルス信号の時
間幅にわたり感光部に被写体像に対応して新たに蓄積さ
れる電荷を転送部へ同時に転送することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の固体撮像素子を用いた撮像方
式。
（４）パルス信号は一定時間間隔で間欠的に発生される
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の固体撮像
素子を用いた撮像方式。
（５）パルス信号の時間幅は指定したシャッタ速度に対
応して設定されることを特徴とする特許請求の範囲第３
項または第４項記載の固体撮像素子を用いた撮像方式。
（６）／′ｅルス信号の発生手段は単安定マルチバイブ
レータであることを特徴とする特許請求の範囲第３項〜
第５項のいずれかに記載の同体撮像素子を用いた撮像方
式。