JPH0378034B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、入射光量に応じて有効露光時間を調
節し、常に最適の出力信号レベルを与えることの
できる自動感度調整機能を有する固体撮像装置に
関するものである。更に詳しくは、本発明は、撮
像素子の外部から制御可能な受光部蓄積電荷の排
出手段を有する固体撮像素子を使用し、例えば絞
り優先及びシヤツタータイム優先即ち所謂両優先
のビデオカメラを可能とする如き固体撮像装置に
関するものである。

従来より、固体撮像素子で自動感度調整を行な
うことができるものとして、有効露光時間（シヤ
ツタースピード）を調節するオーバーフロードレ
イン付きCCDが提案されている。

第１図は、このオーバーフロードレイン付きイ
ンターライン転送CCDの一例を示す構成図、第
２図はこのCCDの自動感度調整時の動作のタイ
ミングチヤートである。第１図において、１は受
光部フオトダイオード、２はオーバーフロードレ
イン（OFD）で、受光部１とオーバーフロード
レイン２間のポテンシヤル障壁の高さは、オーバ
ーフロー制御電極（OFCG）３に印加する電圧に
よつて制御される。また、受光部フオトダイオー
ド１から垂直転送CCD４への信号電荷の転送は、
トランスフアーゲート（TG）５に電圧を印加し
てなされる。６は水平転送CCD、７はフローテ
イングゲート増巾器である。

ビデオカメラに第１図に示すような構成の
CCDを用いた時、CCDはテレビジヨンの同期信
号に同期して駆動される。即ち、第２図ａに示す
垂直ブランキング信号V.Bに対し、オーバーフロ
ードレインに不要電荷を排出することで感度調整
をするものとすれば、第２図ｂに示すタイミング
でオーバーフロー制御信号OFCGを、第２図ｃに
示すタイミングでトランスフアーゲート信号TG
を発生させて行なう。

期間T₀において、OFCG３は高電圧が印加さ
れ、受光部フオトダイオード１とOFD２間のポ
テンシヤル障壁は、すべての信号電荷を排出でき
る高さまで下げられる。

その後、時間Teの間、露光により発生した信
号電荷を蓄積し、トランスフアーゲート信号TG
を第２図ｃに示すようなタイミングで高電圧と
し、フオトダイオード１から垂直転送CCD４に
信号電荷を転送する。

このような動作をさせた場合、被写体が明るく
なるにつれて、露光時間Teは短かくなり、あた
かも各フイールドの画像が閃光時間Teのストロ
ボを同期させ撮影したのと同様の効果となつた。
これはスポーツにおける分解写真のように各瞬間
での静止画を重視して再生するスチル再生やスロ
ーモーシヨン再生の際は効果的であるが、動画を
重視する通常のビデオ再生の際には被写体の動き
が速い程、撮影した画像の動きが滑らかでなくな
り、あたかも多重露光の如き画像となるため、な
めらかな自然な印象を与えることができず、この
方式での自動感度調整を不都合なものとする欠点
となつていた。また、これとは別に、通常のビデ
オカメラにおいては、感度調整のために絞りを電
動としたオートアイリス機構を用いるのが常であ
つたが、この場合には、明るさに応じて絞りが自
動的に変化するため絞りによる被写界深度の違い
を利用した芸術性の表現を捨てることとなつてい
た。

本発明は、これらの欠点を解決し、通常の撮影
においてはマニアルで絞りが設定可能となりしか
も、運動する被写体に対しても滑らかな再生像を
与える一方、スチルやスローモーシヨン再生を目
的とする撮影において、従来のシヤツタ機能を有
するビデオカメラ同様高速のシヤツター機能によ
るストロボ効果を持ちうるという自動感度調整機
能付きの固体撮像装置を得ることを目的とする。
更に具体的には、被写界深度の差異を重視する絞
り優先の動作も、ストロボ効果による分解写真的
撮影を目的とするシヤツタータイム優先の動作も
共に可能として、固体ビデオカメラに応用して効
果的な固体撮像装置を得ることを目的とするもの
である。

本発明に係る装置は、複数回の露光によつて光
量を調節する点にひとつの特徴を有するものであ
り、実施例図面と共に詳述すれば以下の通りであ
る。

第３図は本発明に係る装置の一例を示す構成ブ
ロツク図で、ここでは絞り優先、シヤツタータイ
ム優先の両優先モードを有するビデオカメラとし
て作動する場合を例示する。但し、本実施例で
は、説明を簡単化のため白黒撮像の場合を示して
いるが、カラー化する場合も公知の単板カラー化
の手法を用いて容易に変更することができる。

第４図は第３図装置において、撮像素子として
用いられるフレームインターライン転送CCDの
一例を示す構成説明図である。この素子はインタ
ーライン転送構造の受光部４１に一画面分の蓄積
部４２を備えており、蓄積部４２の垂直転送
CCD６０には水平転送CCD４３が接続されてい
る。受光部４１において、受光部フオトダイオー
ド４４の右側にはインターライン転送のための垂
直転送CCD４５が、左側にはオーバーフロード
レイン４６及びオーバーフローコントロールゲー
ト４７がそれぞれ設けられている。クリアゲート
４８は、垂直転送CCD４５の電荷を右側に隣接
する他の素子列単位のオーバーフロードレイン４
６に対して排出するために設けられており、電荷
の高速排出を可能としている。また、この素子で
は構造を簡単化するため、フオトダイオード４４
と垂直転送CCD４５の間にトランスフアーゲー
トを設けないトランスフアーゲートレス構造とな
つており、フオトダイオード４４から垂直転送
CCD４５への電荷転送を垂直転送電極φ_V1５２
（またはφ_V2５３）への高電圧印加により行なつて
いるが、勿論、これはトランスフアーゲートを設
けて行なつても同じである。４９は素子のクリア
ゲート端子、５０はオーバーフローコントロール
ゲート端子、５１はオーバーフロードレイン端
子、５２，５３は受光部４１の垂直転送CCD４
５を駆動する２相のクロツク信号φ_V1，φ_V2が印加
される端子、５４，５５は蓄積部４２の垂直転送
CCD６０を駆動する２相のクロツク信号φ_S1，φ_S2
が印加される端子をそれぞれ示している。

以下、第４図に示す撮像素子による素子自身の
シヤツター動作について説明する。信号電荷の蓄
積に先だち素子からは予じめ不要電荷を排出して
おかなければならない。このため、受光部４１の
垂直転送CCD４５の不要電荷はクリアゲート４
８を介して隣接する他の素子列単位のオーバーフ
ロードレイン４６に排出される。ここではクリア
ゲート４８は、垂直転送CCD４５に並行して受
光部全体に設けられているが、これに限らずクリ
アゲート４８を受光部の上方一画素にのみ設け、
不要電荷を垂直転送CCD４５で上方へ転送した
後、ここから排出するようにしても良い。但し、
この時垂直転送は３相ないし４相とする。この
間、蓄積部４２の垂直転送CCD６０に存在する
不要電荷は通常の信号電荷転送径路と同じく水平
転送CCD４３を介して排出される。

この後、フオトダイオード４４の不要電荷が垂
直転送CCD４５に転送され、再び上記と同じ手
法で排出される。

フオトダイオード４４から垂直転送CCD４５
への電荷転送の完了時点が、有効な露光、信号電
荷蓄積の開始時点となり、所定時間の経過後フオ
トダイオードの電荷（今度は信号電荷）は、再び
垂直転送CCD４５に転送され直ちに蓄積部の垂
直転送CCD６０に高速で転送される。

一旦、信号電荷が垂直転送CCD６０に移され
た後は、蓄積部４２は光遮蔽されているため、ス
ミア現象による画質劣化の恐れは無くなる。

この後、信号電荷は水平転送CCD４３を介し
て逐次読み出され、必要とあれば記録を行なうこ
とができる。

以上が、CCDイメージセンサ自身にシヤツタ
ー動作をさせた場合の１コマ撮影の動作となる。
この場合、オーバーフローコントロールゲートを
介しての電荷排出を用いていない。

以下に述べる本発明の実施例では、フオトダイ
オード４４の蓄積電荷は、オーバーフローコント
ロールゲート４７を用いて全てオーバーフロード
レイン４６に排出できるものとして、即ち、フオ
トダイオード４４を完全に空乏化できるものとし
て説明を進める。

第３図に戻り、この図において、８はレンズで
その内部に絞り９を持つ。絞り９には、クラツチ
１０を介してモーター１１が結合されており、ク
ラツチ１０の切断、連結により絞り９は自動にも
手動にもできる。クラツチ１０はシヤツタ／絞り
優先モード選択スイツチ１２をシヤツタータイム
優先側端子Ｓに倒した時、連結してオートアイリ
ス動作となり、絞り優先側端子Ａに倒した時、切
断されて手動による絞り選択が可能となる。１３
は第４図にその構成を示したようなCCDイメー
ジセンサである。このセンサ１３の映像信号出力
は、プリアンプ１４で増巾され、AGCアンプ１
５で適当なレベルに調整される。１６はAGCア
ンプ１５の出力レベル判定回路であり、２つの論
理出力Ｕ及びＯと、出力レベルに対応するアナロ
グAGC制御電圧とを発生する。論理出力Ｕ及び
Ｏは各々光量不足であるアンダーと、過剰光量で
あるオーバーとを意味し絞り優先時における警告
を２つのアンドゲート１７，１８及び発光ダイオ
ード１９，２０により行なう。

もしも、カメラにハロゲンランプ等の連続照明
用調光ランプ２１が接続されている場合には、出
力レベル判定回路１６のＵ出力を用いて、調光用
のアナログ出力バツフアー２２をイネーブルにす
るとともに調光ランプ点灯信号を調光ランプ２１
に伝達し、被写体が適当な照明を受けるように動
作する。

調光ランプ２１が接続されていない場合には、
出力映像信号が適当なレベルになり、光量アンダ
ーの警告が消えるまで絞り９を聞かねばならな
い。

絞り優先モードで撮影を行なう場合には、更に
CCD自体の実質的な感度を調整することも必要
である。例えば、一定の絞りにおいて、CCDセ
ンサ１３の受光面照度が大きな場合には、相対的
に感度を低下させ、CCDの出力信号が適正レベ
ルとなるように調整する。尚、実施例の測光手段
はイメージセンサの映像信号出力のレベルを検出
しているが勿論別個に測光素子を設けて検出して
もよい。

この動作は、従来は第２図に示すタイミングチ
ヤートにおいて信号読み出しに先だつ有効露光時
間Teを変化させることで行なつてきた。しかし、
このようにすると、前記したように動きの速い被
写体に対してストロボ効果が発生し、動画として
は動きの滑らかでない見づらいものとなつてしま
う。

それ故に、本発明においては、第３図に示した
ようにそのデユーテイ（duty）がレベル判定回
路１６のアナログ出力により制御されるようなパ
ルス幅変調回路２３を用いて、有効露光時間が分
割、分散され且つその総和が適正露光量を与える
ようなCCDイメージセンサ１３の駆動を行なお
うとするものである。

２４は分周回路であり、同期信号発生回路３２
より例えば水平同期信号を受け取り、その1/2、
１／３等、適当な分周比の一定周波数のパルス信号
をパルス幅変調回路２３に与える。このパルス幅
変調回路２３の出力パルスは、そのハイレベルと
なつている時間が、露光オーバーになる程短かく
なるようなパルスであり、タイミングパルス発生
回路２５に印加されて、フオトダイオードより垂
直転送CCDへの転送を行なうためのパルスφ_VH及
びフオトダイオードから不要電荷を排出するため
のパルスφ_OFCGが作られる。

これらはセレクター回路２６のＡ、Ｂ両入力の
うちのＢ入力に加えられており、Ｂ入力はセレク
ト端子Ｓがロウレベルの時選択されるので、絞り
優先時には前記パルスがCCDイメージセンサー
１３の駆動に用いられることになる。セレクター
回路２６の出力となるφ_VHは、更に転送クロツク
発生回路２７に印加され、その垂直転送パルス
φ_Vの所定の電極（ここではφ_V1）の電圧のみを高
電圧として、フオトダイオードより垂直転送
CCDへのトランスフアーゲート無しの転送を行
なわせる。ここで、CCDイメージセンサ１３と
してトランスフアーゲートのあるものを用いるな
らば、φ_VHをトランスフアーゲート印加パルスに
用いれば良い。

第５図は、このようなシヤツター機能を有する
CCDイメージセンサを用いて、絞り優先撮影時
の主要信号のタイミングチヤートを示したもので
ある。

第５図において、ａが垂直帰線消去信号V.B、
ｂがオーバーフローコントロールゲート印加パル
スφ_OFCGをそれぞれ示す。オーバーフローコント
ロールゲートOFCG５０には、ｂに示すオーバフ
ローコントロールゲート印加パルスφ_OFCGが一定
周期（図では3H期間）毎に印加され、フオトダ
イオード４４の電荷が排出されるとともに、所定
時間Te′後に、ｃに示すクロツク信号（高電圧）
がφ_V1にφ_VHのタイミングで印加されている。

従つて、露光は１フイールドの有効走査線本数
を240本とした時、3Hに１回づつ時間Te′だけ行
なわれるので、１フイールド時間1/60秒では、
80Te′となる。この時間Te′は、第３図のパルス
幅変調回路２３の出力パルスにより制御されてい
るので、結局80回の分割露光により得られた信号
電荷の総和が制御可能となる。

第５図において、ｄは蓄積部４２のCCDの転
送パルスφ_S1を、またｅは水平転送CCD４３の転
送パルスφ_Hを、それぞれ１相について示したも
のである。

垂直帰線消去期間に受光部４１のCCD４５よ
り蓄積部４２のCCD６０へ高速に電荷転送がな
されている。そして、一旦蓄積部４２のCCD６
０に高速転送された信号電荷は、通常のビデオ動
作で読み出されている。

第４図に示したCCDイメージセンサのクリア
ゲートについては、本発明に対して本質的では無
いので説明は省略する。

次に、シヤツタータイム優先撮影について説明
する。シヤツタータイム優先撮影は、特にそのス
トロボ効果を利用し、動いている被写体を分解写
真の如く各瞬間毎に止めて撮影したい場合に有効
である。この撮影モードで、撮影記録を行なえ
ば、後にスチル再生や、スローモーシヨン再生を
した時、スチル画像にボケの無い画像が得られ
る。

このモードで撮影する際は、まずモード選択ス
イツチ１２をＳ側とし、シヤツタータイム設定値
は、シヤツタータイム演算回路２９に与えられ、
CCDイメージセンサ駆動に必要なφ_VH，φ_OFCG信号
が、第２図に示したようなタイミングで発生され
る。

この場合、セレクタ回路２６はＡ側入力を選択
する。また、レベル判定回路１６から照度不足を
示すＵ出力が与えられている場合には、調光ラン
プ２１が点灯するのは前記した通りである。更
に、この場合は、イネーブル端子付きアンプ３０
が能動となり、パワーアンプ３１を介してアイリ
スモーター１１が駆動される。この時、クラツチ
１０は連結となるので絞り９はオートアイリス動
作を行なう。調光ランプ２１は、この絞りが開放
されてもなお、アンダーである時のみ点灯するよ
う構成するのが好ましい。

なお、これまでの説明ではテレビジヨンのイン
ターレース走査時のCCDイメージセンサの動作
については述べなかつたが、インターレース走査
用のイメージセンサでは、例えば水平転送CCD
を奇数、偶数各フイールドに対応させて２本用意
し、それを交互に選択出力させるか、或いは、奇
偶数両フイールドに関するフオトダイオードとも
に最大1/60秒までの信号電荷蓄積を行なうように
し、それを交互に垂直転送CCDに読み出すよう
にすればよい。後者の場合、信号電荷を用いない
フイールド側のフオトダイオードに蓄積された不
要電荷は、そのフオトダイオードの信号電荷蓄積
が開始される前に一括して、オーバーフロードレ
インに排出される。奇偶数フイールドの選択は、
垂直転送電極への印加電圧、本実施例ではφ_V1と
φ_V2のレベルをフイールド毎に交替させることで
行なわれる。

なお、上記の実施例では、水平同期信号の分周
による一定周波数のパルス幅変調回路を示した
が、これは一定パルス幅のパルスの周波数を変え
ることによつても合計としての有効露光時間を制
御することが可能であり、そのようにしてもよ
い。

更に、第３図における分周回路２４の分周比を
大きくして、例えば120Hを周期とすれば、２回
の露光が１フイールドに行なわれ、２重露光と等
価な効果が得られるので、これを拡大すれば、ス
チル再生時に多重露光撮影と同じ効果が与えら
れ、その用途が更に拡がることとなる。

以上説明したように、本発明に係る装置は、複
数回の露光によつて光量を調節するもので、従来
装置にあつた運動する被写体を撮影する際の不自
然な印象をなくし、しかも従来しばしば用いられ
てきたオートアイリス機構無しでも最適露光が得
られるので、絞りをマニユアルとすることが操作
性を損うことなく可能となり、絞りによる被写界
深度の違いを利用した芸術性の高い撮影が可能と
なる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はオーバーフロードレイン付インターラ
イン転送CCDの一例を示す構成図、第２図はそ
のシヤツター動作を説明するためのタイムチヤー
ト、第３図は本発明に係る装置の一例を示す構成
ブロツク図、第４図は第３図装置に用いられてい
るフレームインターライン転送CCDの一例を示
す構成説明図、第５図は第３図装置における絞り
優先モードでのタイミングチヤートである。 ８……レンズ、９……絞り、１２……選択スイ
ツチ、１３……固体撮像素子、１４……プリアン
プ、１５……AGCアンプ、１６……出力レベル
判定回路、２３……パルス幅変調回路、２４……
分周回路、２７……転送クロツク発生回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入射光を受光して光電変換する受光部と、該
   受光部の不要電荷をオーバーフロードレインに排
   出する排出手段と、前記受光部の電荷を画素単位
   に同時転送する転送手段と、該転送手段によつて
   転送された電荷を一時的に蓄積する蓄積部と、該
   蓄積部の電荷を画素走査方法に従つて撮像信号と
   して出力する出力手段とを備えた固体撮像素子
   と、 該固体撮像素子への露光状態を検出する測光手
   段と、 該測光手段の出力に応じて、前記電荷排出手段
   を制御する制御手段とを有する固体撮像装置にお
   いて、 前記制御手段は、電荷排出を所定時間行なつた
   後、電荷排出を停止し、所定の露光時間経過後
   に、前記受光部に蓄積された電荷を前記転送手段
   に転送するという動作が、前記出力手段から１回
   の撮像信号が出力されるまでの単位時間内に複数
   回行なわれるように前記電荷排出手段を制御し、 かつ、前記測光手段の出力に応じて、前記単位
   時間中の総露光量が適正な値となるように、前記
   単位時間中の電荷排出時間及び電荷排出回数の何
   れか一方又は両方を制御するものであることを特
   徴とする固体撮像装置。