JPS6399681A - 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〕 本発明は固体撮像素子を用いた撮像装置に関する。

〔背景技術〕

近年、ビデオカメラとＶＴＲを小型化した、所謂ポータ
プルビデオの開発が盛んであるが、将来的にはさらに一
歩進んだ形態であるビデオカメラとＶＴＲを一体化した
８　ｍ　ｍビデオが有力である。

このような電子機器の小型化は特に半導体技術に大きく
依存している。前述のビデオカメラの光電変換部もこの
様な半導体技術の進歩により撮像管から固体撮像素子に
置き変わろうとしてし）る。現在この固体撮像素子は撮
像管に比べて多くの特徴を有している。

即ち、固体デバイスであるがゆえに小型、低消費電力、
量産性、焼付けがない等の特徴をもつ。

この様に多くの特徴を持つ固体撮像素子の技術確立と、
超小型の磁気記録装置の開発により、従来の銀塩フィル
ムを記録媒体とする銀塩写真技術１よ現像処理を必要と
しない磁気写真或は電子式写真技術にその足元をおびや
かされつつある。

現在のＶＴＲの主な利用法であるＶＴＲに動画像を記録
し、ＴＶにディスプレイするのを主目的とするものをム
ービービデオと呼び、記録装置に静止画像を記録し、そ
の記録信号をＴＶにディスプレイしたり、あるいはプリ
ンタによりプリントするのを主目的とするものをスティ
ールビデオと呼べば、ムービービデオ、スティールビデ
オの両方とも、その信号形態はＴＶ信号形態に信号変換
されるので双方に大差はない。

しかしムービービデオは被写体を連続的に撮像するのが
一般的であるが、ステイールビデオは一般の写真機と同
様に瞬間的に被写体像を撮影するものであるから、アイ
リス、シャッタ、ＡＧＣ。

ホワイトバランス等の応答性はかなり異なった動作にす
る必要があり、加えて固体撮像素子の駆動方法も少し異
なることになり、現在の一光学系一信号処理系だけでは
両方に使用することはできないと言う問題点がある。

このためにムービー用のカメラ部とステイール用のカメ
ラ部は別体のものとする方が望ましいが、それがコスト
的に見合うのはこの様なカメラが充分に普及してからの
事であり、現在においては両方を兼用するのが有利であ
る。

カメラ部をムービー用とスティール用とも兼用にした場
合に、問題化するのが固体撮像素子の電荷蓄積法とその
読出し方法である。固体撮像素子にはＭＯＳ型やインク
ラインタイプＣＣＤ　（ＩＬ−ＣＣＤ）。

フレームトランスファタイプＣＯＤ　（ＦＴ−ＣＣＤ）
などがあるが、ここではデバイスの基本構造はあまり関
係ないのでＦＴ−ＣＣＤを例にとり説明する。

１？Ｔ−ＣＣＤは、被写体像の光を電荷に変換する複数
の光電変換セルより成る撮像部と撮像部からの信号電荷
を一時的に蓄積するメモリ一部と、メモリ一部からの信
号電荷をＴＶ同期信号にタイミングを一致させて読出す
水平シフトレジスタ部、そして水平シフトレジスタ部か
らの信号電荷を増幅し、信号電圧として出力するオンチ
ップアンプ部とから成っている。

この様なＦＴ−ＣＣＤをムービーカメラとして利用する
時は、撮像部はｌフィールド期間、前述の様に光電変換
を行い、この光電変換された信号電荷は垂直ブランキン
グ期間に数ＭＨｚの垂直転送パルスでメモリ一部に移さ
れる。そしてメモリ一部の信号電荷は次のフィールド期
間に１水平走査ｆｉｇに水平ブランキング期間に水平シ
フトレジスタ部に転送され、次段のオンデツプアンプか
らＣＣＤ信冒として読出される３３その間、撮像部は光
電変換状態にある。つまり、■フィールド毎に光電変換
、垂直転送が繰返し成され、連続的な映像信弓が得られ
ることになる。

次に、今説明したＦＴ−ＣＣＤをステイールカメラとし
て利用すると、画像のブレが発生しやすくなる、何故な
らば、ＴＶ信じは１フレームの映像信ひより成り立って
おり、またＩフレームは２フレールト（奇数、偶数フィ
ールド）即ちインターレース動作により１枚の画像を組
立てているから、異なる時点での光電変換作用による１
フレ一ム信号は、特に速（動く被写体に対しては画像の
ブレが発生し、画質の低下をきたず３゜ この様な欠点をなくす方法として、次の２つの方法があ
る。

第１の方法は奇数フィールドだけの（あるいは偶数フィ
ールドだけの）信号を利用する事である。

即ち、奇数フィールド目の信号を次の偶数フィールドに
も使う方法である。しかし、かかる方法を用いると垂直
解像度が劣化し、スチル画像としては適当でない。

第２の方法は撮像部の垂直方向素子数を２倍にし、そし
て撮像部とメモリ一部との間に第２の水平シフトレジス
タ部を設け、撮像素子の面上で同時に奇数フィールドと
偶数フィールドを得て、順次読み出すことを可能とし、
ムービービデオとステイールビデオの両方に対応出来る
様な固体撮像素子を利用する事である。この様な固体撮
像デバイスとして、本出願人は特願昭５６−１４６５８
７号で提案した。

この撮像デバイスを第１図に示し、簡単に動作説明する
。

第１図において、１は複数の光電変換セルをマトリクス
状に配列した撮像部、２は撮像部で得られた信号電荷を
転送蓄積するメモリ一部、３は撮像部で得られた信号電
荷を読出す第１水平シフトレジスタ、４はメモリ一部に
蓄えられた信号電荷を読出す第２水平シフトレジスタ、
５．６は第１．第２水平シフトレジスタの読出信号を増
幅するオンチップアンプである。この撮像デバイスは全
体としてフレームトランスファ型ＣＣＤを形成している
。そして撮像部ｌの垂直方向のセル数は４９０、メモリ
一部２の垂直方向のセル数を２４５としている。

ムービービデオの時は撮像部１の垂直方向の隣接する２
画素分の信号電荷を第１シフトレジスタ３で順次加算し
てメモリ一部２に転送し、第２シフトレジスタ４からオ
ンチップアンプ６を介して信号ＩＣとして読出す。（こ
のモードを第１のモード又はフィールドモードと呼ぶ。

） ステイールビデオの時は撮像部１の垂直方向の奇数番目
のセルの信号電荷は第１水平シフトレジスタ３から読み
出し、偶数番口のセルの信号電荷は第２水平シフトレジ
スタ４が読み出す。（このモードを第２のモード又はフ
レームモードと呼ぶ）。

このように構成することによりフレームモードをとれば
ステイールビデオの場合にも垂直解像度が損われず完全
にインターレースされた信号を得ることができる。した
がって第１図に示す素子はムービーにもステイールにも
適用できる。

尚、ステイールビデオの場合、垂直解像度を犠牲にすれ
ばフィールドモードでの読み出しも可能である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、フィールドモードとフレームモードとを比較
してみると、２つのセルの信号電荷を加算しているフィ
ールドモードに比し、各々のセルの信号電荷をそのまま
読出しているフレームモードは信号電荷がほぼ外となる
。つまり、絞り一段分だけカメラの感度が下がることに
なる。

さらにオンチップアンプ部はＭＯ８素子で構成されてお
り、このＭＯＳは低域ノイズ特性が悪く、また人間の目
が低周波領域のノイズを感知しやすいことを考えると、
絞り一段分のＳ／Ｎ劣化は無視出来ない問題となる。

また、固体撮像素子の水平素子数は現状の３９０あるい
は５７０素子でも不足気味であり、将来的にこの水平素
子数を増やす事態、もう一つは現在の５インチ光学系が
次のステップでは２インチ光学系、８ｍｍ光学系と順次
小さくなることが予想され、そうなるとカメラの感度は
非常に重要な問題になる。

本発明は」−述の如き問題点に鑑み、被写体の明るさに
応じて固体撮像素子からの読出方法を変えることにより
撮像装置の感度を変え、読出信号のレベルを補償し得る
撮像装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明は、上記の目的を達成する為に、複数の光電変換
セルをマＩ・リクス状に配列した固体撮像素子と、該撮
像素子からの読出信号を取り出すにあたり、隣接する前
記光電変換セル内の化上電荷を加算して読み出す第１モ
ードと、前記光電変換セルの各々の信号電荷を読み出す
第２モードとを選択的に切換える読出し手段と、 被写体の明るさに応じた制御信弓を形成し、該制御信号
により、比較的明るいときには第２のモードを選択し、
比較的暗いときには第１のモードを選択するよう前記読
出し手段を制御する制御手段とを有する。

〔作　用〕

このような構成により、本発明では被写体が比較的暗い
ときは制御手段により光電変換セル内の信号電荷を加算
して読み出す第１モードを選択し、被写体が比較的明る
いときには制御手段により光電変換セルの各々の信号電
荷を読み出す第２モードを選択するよう切換を行なって
いるので、被写体の明るさに対応した最適な感度での撮
像ができ、しかも第１モードで読み出した場合にも読出
信号のＳ／Ｎは低下せず、高品位の画像信号を得ること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従い詳細に説明する。

第２図に於いて、１１は第１図に示す構造のＦＴ−ＣＣ
Ｄて、撮像部は水平約５７０素子、垂直約４９０素子か
ら成る。１２はＣＣＤＩＩのドライバー、１３はＣＣＤ
ＩＩを駆動するためのパルスを発生する同期信号発生回
路であり、１２．１３により読出し手段が構成されてい
る。１４はＣＣＩ）１１に入射される光量を制御する為
のアイリス、及びシャッタの制御回路、１５はムービー
モードとステイールモードを切換える第１モード切換回
路、１ＧはＣＣＤＩＩの出力信号から被写体の明るさに
応じた信号を形成し、アイリスの絞り値及びシャッタの
動作速度を決定するＡＥ制御部、１７はＡＥ制御部１６
がアイリスを開放としても信５ラレベルが低い時、信号
レベルを可変的に制御するオートゲイン制御部（以下Ａ
ＧＣと称す）である。１８はＡＧＣ］７の出力信号を記
録信号に変換する為にプロセス回路エンコーダ回路、変
調回路より構成される信号処理回路、１９は記録ヘッド
、２０はモータ等からなる記録機構、２１は同期信号発
生器１３からの制御パルスにより記録機構２０のモータ
の速度、位相を制御する回転制御部、２２はナントゲー
ト、２３はアンドゲートであり、ゲート２２、ＡＥ制御
部１６等と共に本発明の制御手段を構成している。２４
はスイッチ回路、２５はステイールモードの際フレーｌ
いモードとフィールドの選択を手動で行うか自動的に行
うかを選択する第２モード切換回路、２６は回路２５で
手動モードが選択された時、フレームモードかフィール
ドモードかを選択する第３モード切換回路、３０はレベ
ル補償手段としての増幅回路を含むスイッチ回路である
。

金策１モード切換回路１５でムービーモードを選択する
と、切換回路Ｉ５の出力はローレベル（以下“Ｌ　”　
）となり、この信号により同期信号発生器１３はムービ
ーモードの制御パルスを発生する。

即ち、不図示のトリガスイッチが押されると、電源が各
回路に通電され記録を開始する。ムービーモードは連続
記録であるのでアイリス及びＡＧＣ１７を制御するＡＢ
制御部１６は適当な時定数をもってフィールドバック制
御を行う。また、ＣＣＤＩＩの読出し方法は前述したフ
ィールドモードに設定され、第１図の第２水平シフトレ
ジスタ４よりオンチップランプ６を介して読み出される
。

次に第１モード切換回路１５でステイールモードが選択
されると、モート切換回路１５の出力はハイレベル（以
下“ＴＩ　”　）となり、同期信号発生器１３にステイ
ールモードの制御パルスを出力するよう指示する。ＡＥ
制御部１６はシャッタスピードとアイリスの絞り値を決
定し、アイリスシャッタ制御回路Ｉ４に伝達する。そし
てステイールモードには前述したフィールドモード記録
とフレームモード記録の両方が考えられる。このフィー
ルドモード記録とフレームモード記録を自動選択モード
とした時スイッチ回路２４は接点（ａ）に接続される。

自動選択モードの時はＡＥ制御部１６が被写体が低照度
であることを検知すると出力ライン２７が“Ｔ（”とな
る。するとナンドゲ−１・２２の出力は“Ｌ”、アント
ゲ−１・２３の出力である制御部υは“１７′°となり
、同期信号発生器１３はステイールモードでフィールド
モードに設定される。また被写体が低照度でない時は出
力ライン２７が“■、″となり、ナントゲート２２の出
力は“Ｉ（”、アントゲ−１・２３の出力である制御信
号は“Ｉ−Ｉ”となり、同期信号発生器１３はステイー
ルモードでフレームモードに設定される。

そして第２モード切換回路で手動選択モードとした時は
、スイッチ回路２４が（ｂ）側に接続され、第３モード
切換回路２６の設定に従う。第３モード切換回路２６は
ステイールモード時にフィールドモード、フレームモー
ドを任意に選択しうる。

ステイールモード時にフィールドモードを選択した時に
は被写体が低照度であってもＳ／Ｎの良好な画像が得ら
れる。また被写体が高照度であってもソフトフォーカス
、いわゆるぼかし効果のある画像が得られる。

また、フレームモードを選択した時には高解像度のシャ
ープな画像が得られるものである。

ところで、前述した様にフィールドモートにおいては第
１図に示す第２水平シフトレジスタの出力が用いられ、
フレームモードにおいては第１゜第２水平シフトレジス
タが用いられるので、各モードにおけるシフトレジスタ
の切換はスイッチ回路３０で行なわれる。以下スイッチ
回路；（０の動作について詳細に説明する。

第３図はスイッチ回路３０の第１の実施例である。

図において４０は加算器、４１はアンプ、４２はスイッ
チである。フレームモードの時、前記読出信号ＩＡ、Ｉ
Ｂは加算器４０を介し１系統としてからアンプ４１でフ
ィールドモードの時の読出信号ＩＣのレベルと等しくな
るよう補償を行なう。フィールドモードの時はアンプ４
１を介さずに直接スイッチ回路４２に送られる。スイッ
チ回路４２はフレームモードの時（ａ）側に接続され、
フィールドモードの時（ｂ）側に接続される。かかる構
成により、フレーム、フィールド各モード間の読出信号
レベルの差がな（なるよう補償される。またＡＥ制御部
１６で用いられる以前にレベル合わせを行っているので
、後段の回路が複雑になることを防止することができる
。

第４図、第５図はスイッチ回路３０の他の回路例を３０
’　、　　３０’　として示した。

第４図に示す例はフレームモードの時ＣＣＤのオンチッ
プアンプ５，６のゲイン調整あるいは撮像部１．メモリ
一部２．シフトレジスタ部３，４、オンチップアンプ５
，６のトータル的ゲインを一定にする為に信号ＩＡ、Ｉ
Ｂを各々別々のアンプ４３．４４を介して異なる比率で
増幅したのち、加算器４５で加算して１系列とした例で
ある。スイッチ４６の動作は第３図スイッチ４２と同じ
である。このように本実施例によればフレームモードに
おいて奇数フィールドと偶数フィールドでレベル合せを
行なっているのでＴＶ受像機で再生した際フリッカの発
生を防止できる。

第５図に示す例はフィールドモードの時、読出信号ＩＣ
をアッテネータ４８でレベルダウンさせてフレームモー
ドの読出信号とレベル合わせが行なわれるよう補償を行
う例である。尚、４７は加算器、４９はスイッチである
。以−り補償手段として増幅器やアッテネータを用いて
レベル補償を行なう例を示したが、他の構成によりレベ
ル補償をしても良い。又、以上はＦＴ−ＣＣＤを用いて
説明したが、撮像素子のタイプに限定されない。

以下にＩＬ−ＣＣＤ及びＭＯＳ型について簡単に説明す
る。

第６図はインターライン転送方式（Ｉ　Ｌ−ＣＣＤ　）
の概略図である。図示の様にＩ　Ｌ−ＣＣＤは光電変換
部である受光エレメント５１と、受光エレメント５１に
蓄積された情報電荷を、垂直レジスタ５３への転送を制
御するトランスファ・ゲートＴＧと、ＴＧによって受光
ニレメンＩ・５１からの情報電荷を一時的に蓄える前記
垂直レジスタ５３と、垂直レジスタ５３からの情報電荷
を１水平走査期間（冊Ｔ）４ｉｆにＣＣＤ出力信号とし
て読出すための水平レジスタ５４及びオンデツプアンプ
５５宿から構成されている。

ステイールモードについて名えてのると、撮影終了後、
即ちシャッタが閉じた後、奇数フィールド゛に対応する
受光ニレメンｌ−（ｎｌ、　　ｎ２．・・・で示ず）の
情報電荷が垂直レジスタ５３に転送され、そして水平レ
ジスタ５４より１１−１４ｉに読出され、奇数フィール
ドのＣＣＤ出力信月化上てオンデツプアンプ５５から出
力される。このようにして奇数フィールドの信−号がす
べて読出されてしまうと、次の偶数フィールド期間に偶
数フィールド（ｍｌ、ｍ２．・・・で示す）のＣＣＤ出
力信号が読出される。この様な動作をフレームモードと
し、フレームモードでの光電変換された情報電荷を０１
とする。

次にステイールモードでのフィールドモードでは隣接す
る一対の奇数フィールドと偶数フィールドの情報電荷が
垂直レジスタ５３内で加算されて水平レジスタ５４に出
力され、オンチップアンプ５５から出力される。この時
の情報電荷ｆｉｔ　Ｃ２とすると、Ｃ＋　＝　’Ａ　Ｃ
２となる。

−４二連の様にステイールモードのフレームモードとフ
ィールドモードでは蓄積電荷量が異なるので、ＣＣＤ出
力信号のレベルを調節する為にスイッチ回路５６及びア
ンプ５７が設けられている。スイッチ回路５６はフレー
ムモード時（１））側に接続されて、読出信号はアンプ
５７でフィールドモードと同レベルにされて、ＡＧＣ等
に送られる。

第７図はＭＯＳ型の固体撮像素子の概略図である。

図示の様にＭＯＳ型は受光エレメント６１と垂直走査回
路６３及び水平走査回路６２等から構成される。ＭＯＳ
型の動作は良く知られているので説明は省略するが、基
本的にはｘ−ｙ走査方式であるので先に述べた２フイー
ルドに分けるフレームモート、及び隣接する２素子の信
号電荷を加算して得るフィールドモードを容易に構成で
きる。

その時読出される信号レベルは両モード間で当然異なる
ので、各モードにおいて信号レベルを調節する必要があ
る。

そこでスイッチ回路６５でアンプ６６を介ずか否かで両
モードの読出信号レベルの調節が可能となる。

尚、以」二の実施例ではＣＣＤ出力を用いて被写体の明
るさを検出したが、専用の測光素子を用いて検出しても
良いことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明は固体撮像素子の隣接した光電変換
セル内の信号電荷を加算して読み出す第１モードと、各
セルの各々の信号電荷を読み出す第２モードとを備え、
被写体の明るさに応じて両モードの切換をしているので
、被写体の明るさに対応した最適な感度の撮像ができる
。しかも暗いときでもＳ／Ｎが低下せず、文明るいとき
には高解像度が得られ高品位の画像信号を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はフレームトランスファ型ＣＣＤの概略図、第２
図は本実施例の制御回路図、第３図、第４図。 第５図は第２図のスイッチ回路３０の内部構成を示す回
路図、第６図はインクライン型ＣＣＤの概略図、第７図
はＭＯ３型固体撮像素子の概略図である。 図において、■は撮像部、２はメモリ一部、３は第１水
平シフトレジスタ、４は第２水平シフトレジスタ、１１
はＣＣＤ、１３は同期信号発生器、１５は第１モード切
換回路、１６はＡＥ制御部、１７はＡＧＣ。 ３０はスイッチ回路を夫々示す。 惰′３Ｍ 藁４−（￥］ 檎′

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数の光電変換セルをマトリクス状に配列した固体撮像
   素子と、該撮像素子からの読出信号を取り出すにあたり
   、隣接する前記光電変換セル内の信号電荷を加算して読
   み出す第１モードと、前記光電変換セルの各々の信号電
   荷を読み出す第２モードとを選択的に切換える読出し手
   段と、 被写体の明るさに応じた制御信号を形成し、該制御信号
   により、比較的明るいときには第２のモードを選択し、
   比較的暗いときには第１のモードを選択するよう前記読
   出し手段を制御する制御手段と、を有する撮像装置。