JP2006246148A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は複数の出力アンプから撮像信号を出力させ、フレーム周波数を上昇させるモードと１つの出力アンプから撮像信号を出力させ、高画質を得るためのモードとを実現する。
【解決手段】 本発明の撮像装置は固体撮像素子と転送信号制御回路をし、固体撮像素子は２次元状に配置された複数の光電変換素子と各光電変換素子の垂直列毎に配されて各光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する複数本の垂直転送路と各垂直転送路から転送された電荷を水平転送する１本の水平転送路と水平転送路の両端部に設けられた２つの電荷電圧変換部を有する。転送信号制御回路は固体撮像素子の水平転送路における電荷転送方向を制御する。本発明の撮像装置は、モニタリング動作の際２つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう固体撮像素子を駆動し、静止画記録用の撮像信号を得る際１つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう固体撮像素子を駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は撮像装置に関し、詳細にはデジタルスチルカメラなどの撮像装置における光電変換によって得られた電荷を出力する信号出力部の改良に関する。

近年、デジタルスチルカメラにおいては益々多画素化が進んでいる。一方で、多画素化が進むとモニタリング（通常フレーム周波数は１／１５〜１／６０ｓｅｃ）動作が難しくなってくる。これまでのデジタルスチルカメラにおいては、上述のフレーム周波数に収まるように垂直方向の間引きと水平転送周波数を上げることで対応してきたが、更なる多画素化に対応するために垂直方向の間引き率を上げたり、水平転送周波数を上げたりすると、前者は水平解像度と垂直解像度のアンバランスを招き画質を劣化させ、後者の場合は消費電力を大きく上昇させたり、転送不良を招くなどの不具合を生ずる可能性が出てきている。

この問題の対策として、複数の水平転送路と出力アンプを持ったタイプのＣＣＤが注目されている。例えば、特許文献１のようなものである。このようなタイプのＣＣＤを使用することで、更なる多画素化が進んでも前述のフレーム周波数の問題は解決することができる。
特開２０００−３１２３１２号公報

しかしながら、特許文献１によれば、出力アンプのゲイン特性を揃えることが難しく、例えば全く輝度の均一な被写体を撮影しても領域分けされた部分毎に出力信号量が異なるという問題があった。この問題を解決するために、デジタル信号処理回路（ＤＳＰ（Digital Signal Processor））に補正回路を追加すると、ＤＳＰの価格上昇を招く。また、補正回路で補正できるＤＳＰを用いたとしても、特性を合わすための調整工程が製造工程に必要になり、調整したとしても全く同じ特性にすることは困難で僅かな差異がどうしても生じてしまう。デジタルスチルカメラのように静止画を扱う商品の場合は、この僅かな差異が致命的な欠点となってしまうこともある。

本発明はこれらの問題を解決するためのものであり、複数の出力アンプから撮像信号を出力させ、フレーム周波数を上昇させるモードと、１つの出力アンプから撮像信号を出力させ、高画質を得るためのモードとを実現するための撮像装置を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の撮像装置は、固体撮像素子と転送信号制御回路を有している。固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の光電変換素子と、各光電変換素子の垂直列ごとに配されて各光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する複数本の垂直転送路と、各垂直転送路から転送された電荷を水平転送する１本の水平転送路と、水平転送路の両端部に設けられた２つの電荷電圧変換部とを有している。また、転送信号制御回路は、固体撮像素子の水平転送路における電荷転送方向を制御する回路である。そして、本発明の撮像装置によれば、モニタリング動作の際は２つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう固体撮像素子を駆動し、静止画記録用の撮像信号を得る際は１つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう固体撮像素子を駆動する。よって、画面を複数に分割し、複数の出力から撮像信号を出力させ、モニタリング時のフレーム周波数を所定レベルにする撮像装置のシステムにおいても、静止画用の撮像信号は唯一つの出力からのみ出力させることで、静止画の画像品質を向上させることができる。

また、別の発明としての撮像装置において、固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の光電変換素子と、各光電変換素子の垂直列ごとに配されて各光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する複数本の垂直転送路と、各垂直転送路から転送された電荷を水平転送する２本の水平転送路と、各水平転送路の一方の端部に設けられた２つの電荷電圧変換部とを有している。また、転送信号制御回路は、固体撮像素子の垂直転送路における電荷転送方向を制御する。そして、本発明の撮像装置によれば、モニタリング動作の際は２つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう固体撮像素子を駆動し、静止画記録用の撮像信号を得る際は１つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう前記固体撮像素子を駆動する。よって、画面を複数に分割し、複数の出力から撮像信号を出力させ、モニタリング時のフレーム周波数を所定レベルにする撮像装置のシステムにおいても、静止画用の撮像信号は唯一つの出力からのみ出力させることで、静止画の画像品質を向上させることができる。

更に、別の発明としての撮像装置において、固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の光電変換素子と、各光電変換素子の垂直列ごとに配されて各光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する複数本の垂直転送路と、各垂直転送路から転送された電荷を水平転送する２本の水平転送路と、各水平転送路の両端部に設けられた４つの電荷電圧変換部とを有している。また、転送信号制御回路は、固体撮像素子の水平転送路及び垂直転送路における電荷転送方向を制御する。そして、本発明の撮像装置によれば、モニタリング動作の際は４つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう固体撮像素子を駆動し、静止画記録用の撮像信号を得る際は１つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう固体撮像素子を駆動する。よって、画面を複数に分割し、複数の出力から撮像信号を出力させ、モニタリング時のフレーム周波数を所定レベルにする撮像装置のシステムにおいても、静止画用の撮像信号は唯一つの出力からのみ出力させることで、静止画の画像品質を向上させることができる。

また、静止画記録用の撮像信号を出力させる電荷電圧変換部の１つを、予め測定されたノイズ特性によってＳ／Ｎ特性の良い方に特定することにより、より良い静止画画像品質を得ることができる。

更に、単位時間当たりに撮影可能な枚数の異なる撮影モードに応じて撮像信号を出力させる電荷電圧変換部を１つにするか又は複数にするかを選択する選択手段を設けることにより、画像品質よりも単位時間あたりの撮影駒数の多さを求められるような場合、例えば連写モードにも対応することができるようになり、利便性を向上させることができる。

本発明の撮像装置においては、画面を複数に分割し、複数の出力から撮像信号を出力させ、モニタリング時のフレーム周波数を所定レベルにする撮像装置のシステムにおいても、静止画用の撮像信号は唯一つの出力からのみ出力させることで、静止画の画像品質を向上させることができる。

図１は本発明の第１の実施の形態例に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。同図に示す本実施の形態例の撮像装置は、ＣＣＤの出力が２つの場合のデジタルスチルカメラであり、同図は撮像部のみ記載し光学系や駆動系は省略している。本実施の形態例の撮像装置１００は、ＣＣＤ１０１、ＴＧ（Timing Generator）１０２、ＤＳＰ１０３、ＲＯＭ１０４、ＳＤＲＡＭ１０５、メモリカードＩ／Ｆ１０６、外部表示Ｉ／Ｆ１０７、表示装置１０８、Ｆ／Ｅ−ＩＣ１０９，１１０を含んで構成されている。また、Ｆ／Ｅ−ＩＣ１０９は、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）１０９−１、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）１０９−２及びＡ／Ｄ１０９−３を含んで構成されている。また、Ｆ／Ｅ−ＩＣ１１０も、ＣＤＳ１１０−１、ＡＧＣ１１０−２及びＡ／Ｄ１１０−３を含んで構成されている。ＣＣＤ１０１は、光電変換素子が２次元状に配列されて構成し、光学画像を光電変換するための固体撮像素子である。ＴＧ１０２はＣＣＤ１０１、ＣＤＳ１０９−１、ＡＧＣ１０９−２及びＡ／Ｄ１０９−３、またＣＤＳ１１０−１、ＡＧＣ１１０−２及びＡ／Ｄ１１０−３に駆動タイミング信号をそれぞれ発生する。ＤＳＰ１０３は信号処理用プロセッサとしてＳＤＲＡＭ１０５に格納された画像データに対して例えば画像データに対応する画像の歪を抑制する画像補正処理等の予めプログラムされた画像処理を行う。ＲＯＭ１０４には図示していないＣＰＵで各種の処理を実行するための制御プログラムが格納されている。ＳＤＲＡＭ１０５には各部が処理する画像情報等が一時的に保存される。メモリカードＩ／Ｆ１０６は外部から装着されるメモリカードに対して画像データや制御プログラムの書込み・読出しを行うインタフェースである。外部表示Ｉ／Ｆ１０７は外部の表示装置へ画像を表示させるため画像データを出力するインタフェースである。表示装置１０８は撮影した画像やメニューを表示するモニタである。ＣＤＳ１０９−１，１１０−１は画像ノイズ除去相関二重サンプリングを行い、入力された画像信号のノイズ成分を除去する回路である。ＡＧＣ１０９−２，１１０−２は画像信号のゲインを調整する回路である。また、Ａ／Ｄ１０９−３，１１０−３はアナログ信号の画像信号をデジタル信号に変換して画像データとしてＤＳＰ１０３に出力する。

このような構成を有する本発明の撮像装置においてモニタリング動作における電荷の動きについて図２及び図３を用いて説明する。なお、図２に示すＣＣＤ１０１は光電変換素子１２０が２次元状に配列され、かつ複数本の垂直転送路１２１と各垂直転送路１２１から転送された電荷を水平転送する１本の水平転送路１２２を含んで構成されている。図３に示すＣＣＤ１０１は光電変換素子１２０が２次元状に配列され、かつ複数本の垂直転送路１２１と各垂直転送路１２１から転送された電荷を水平転送する２本の水平転送路１２２を含んで構成されている。

先ず、モニタリング中はＣＣＤ１０１の２つの出力（ＯＵＴ１、２）からそれぞれ撮像信号を出力させるよう、図２に示すようにＴＧ１０２からの水平転送パスルが、また図３に示すように垂直転送パルスがそれぞれ与えられる。そのようなパルスを出力するよう制御しているのがＤＳＰ１０３で、ＤＳＰ１０３の制御に従って、ＴＧ１０２からＣＣＤ１０１に各転送パルスが与えられる。ここで、図４は水平転送パルスの位相関係を示す図であり、図５は水平転送パルスにおける電荷の動きを示す図である。また、図６は垂直転送パルスの位相関係を示す図であり、図７は垂直転送パルスにおける電荷の動きを示す図である。例えば、図２のＣＣＤ１０１の水平転送路１２２の右半分に対しては図４の（ｂ）の水平転送パルスφＨ１〜φＨ４で示す位相関係で与え、図２のＣＣＤ１０１の水平転送路１２２の左半分に対しては図４の（ａ）の水平転送パルスφＨ１〜φＨ４で示す位相関係で与える。そのようにすることで、ＣＣＤ１０１の２つの左右の出力ＯＵＴ１、２から撮像信号が得られるようになる。同様に、図３のＣＣＤ１０１の場合は、垂直転送路１２１の上側半分に図６の（ｂ）の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４で示す位相関係で与え、下側半分に図６の（ａ）の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４で示す位相関係で与える。そのようにすることで、２つの上下の出力ＯＵＴ１、２から撮像信号が得られるようになり、後述の１つの出力のみから出力する時に対して倍のフレーム周波数で映像を出力することができる。

このようにＣＣＤ１０１から出力された撮像信号は、それぞれＣＤＳ１０９−１，１１０−１で相関２重サンプリングされ、所定のゲインをＡＧＣ１０９−２，１１０−２でかけられ、Ａ／Ｄ１０９−３，１１０−３でデジタル変換されてＤＳＰ１０３へ送られる。そして、ＤＳＰ１０３は予め調整などで得ている調整値に従って、ＯＵＴ１、２の出力の違い、つまりゲイン量の違いを補正する。この補正によって出力量の補正が行われ、所定の処理を行い、ＬＣＤやＴＶなどに動画像として最終的な撮像信号を出力する。

次に、記録のためのフレーム読出し動作の際の駆動方法について説明する。図８は図２のＣＣＤ１０１のフレーム読出し時の電荷の動きを示す図であり、図９は図３のＣＣＤ１０１のフレーム読み出しの電荷の動きを示す図である。与えられる水平・垂直転送のパルスの位相関係は、上下左右の区別無く、水平転送パルスは図４の（ａ）に示す水平転送パルスが、垂直転送パルスは図６の（ａ）に示す垂直転送パルスが与えられる。このように２つの出力があるにもかかわらず、静止画の記録を行う際は、１つの出力（ＯＵＴ１）からのみ撮像信号を出力させるようにする。このようにすることで高品質の静止画像を得ることができるようになる。

なお、本実施の形態例ではＯＵＴ１から出力させる場合について述べたが、ＯＵＴ１にのみ限定するものではなく、ＯＵＴ２からのみ出力させるようにしても良い。どちらにするかは出力アンプのＳ／Ｎ特性を比較し、Ｓ／Ｎ特性の良い方を使用することが望ましい。すなわち、複数ある出力アンプの内、Ｓ／Ｎ特性の良いものを予め特定しておき、静止画記録の際はその出力アンプを通して出力する。

図１０は本発明の第２の実施の形態例に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。同図に示す第２の実施の形態例の撮像装置２００は図１に示した第１の実施の形態例の撮像装置よりも更に多画素になった場合、或いは同じ画素数でもフレーム周波数を上げたい場合に対応するため、出力を４つ（ＯＵＴ１〜ＯＵＴ４）持たせたＣＣＤを具備した場合のデジタルスチルカメラの一例である。図１０のＣＣＤ２０１において、モニタリング動作の際の電荷の動きを示したものが図１１で、フレーム読出し時の電荷の動きを示したものが図１２である。第１の実施の形態例のＣＣＤを合わせたものなので、どのようなパルスをどの部分に与えるかについての説明は割愛する。

なお、連写モードのように必ずしも画像品質が最優先でないような場合に備え、フレーム読出し動作の際に１つの出力アンプからのみ出力させるか、撮影間隔の短縮をさせるために複数の出力アンプから出力させるかをユーザが選択できるようなスイッチ手段を設けてもよい。

また、本発明は上記各実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態例に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態例の撮像装置のモニタリング動作における電荷の動きを示す図である。 第１の実施の形態例の撮像装置のモニタリング動作における電荷の動きを示す図である。 図２における転送パルスの位相関係を示す図である。 図２における電荷の動きを表したポテンシャルを示す図である。 図３における転送パルスの位相関係を示す図である。 図３における電荷の動きを表したポテンシャルを示す図である。 第１の実施の形態例のＣＣＤのフレーム読出し動作における電荷の動きを示す図である。 第１の実施の形態例のＣＣＤのフレーム読出し動作における電荷の動きを示す図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態例の撮像装置のモニタリング動作における電荷の動きを示す図である。 第２の実施の形態例のＣＣＤのフレーム読出し動作における電荷の動きを示す図である。

符号の説明

１００，２００；撮像装置、１０１，２０１；ＣＣＤ、
１０２；ＴＧ、１０３；ＤＳＰ、１０４；ＲＯＭ、
１０５；ＳＤＲＡＭ、１０６；メモリカードＩ／Ｆ、
１０７；外部表示Ｉ／Ｆ、１０８；表示装置、
１０９，１１０；Ｆ／Ｅ−ＩＣ、
１０９−１，１１０−１，１１１−１，１１２−１；ＣＤＳ、
１０９−２，１１０−２，１１１−２，１１２−２；ＡＧＣ、
１０９−３，１１０−３，１１１−３，１１２−３；Ａ／Ｄ。

Claims (5)

1. ２次元状に配置された複数の光電変換素子と、各光電変換素子の垂直列ごとに配されて各光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する複数本の垂直転送路と、各垂直転送路から転送された電荷を水平転送する１本の水平転送路と、該水平転送路の両端部に設けられた２つの電荷電圧変換部とを有する固体撮像素子と、
   該固体撮像素子の水平転送路における電荷転送方向を制御する転送信号制御回路とを有し、
   モニタリング動作の際は２つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう前記固体撮像素子を駆動し、静止画記録用の撮像信号を得る際は１つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする撮像装置。
2. ２次元状に配置された複数の光電変換素子と、各光電変換素子の垂直列ごとに配されて各光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する複数本の垂直転送路と、各垂直転送路から転送された電荷を水平転送する２本の水平転送路と、該各水平転送路の一方の端部に設けられた２つの電荷電圧変換部とを有する固体撮像素子と、
   該固体撮像素子の垂直転送路における電荷転送方向を制御する転送信号制御回路とを有し、
   モニタリング動作の際は２つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう前記固体撮像素子を駆動し、静止画記録用の撮像信号を得る際は１つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする撮像装置。
3. ２次元状に配置された複数の光電変換素子と、各光電変換素子の垂直列ごとに配されて各光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する複数本の垂直転送路と、該各垂直転送路から転送された電荷を水平転送する２本の水平転送路と、該各水平転送路の両端部に設けられた４つの電荷電圧変換部とを有する固体撮像素子と、
   該固体撮像素子の水平転送路及び垂直転送路における電荷転送方向を制御する転送信号制御回路とを有し、
   モニタリング動作の際は４つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう前記固体撮像素子を駆動し、静止画記録用の撮像信号を得る際は１つの電荷電圧変換部から撮像信号を出力するよう前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする撮像装置。
4. 静止画記録用の撮像信号を出力させる前記電荷電圧変換部の１つを、予め測定されたノイズ特性によってＳ／Ｎ特性の良い方に特定する請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
5. 単位時間当たりに撮影可能な枚数の異なる撮影モードに応じて撮像信号を出力させる前記電荷電圧変換部を１つにするか又は複数にするかを選択する選択手段を設ける請求項１〜４のいずれかに記載の撮像装置。

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