(57)【要約】【課題】ＣＣＤに生じるスミアを効果的に抑制する。【解決手段】垂直転送路Ｖの上下に水平転送路Ｈ１，Ｈ２を設ける。垂直転送路Ｖは、上下に信号電荷を転送でき、さらに、偶数列と奇数列とで互いに反対方向に信号電荷を転送する。この搬送方向は、１フィールド毎に逆転し、奇数フィールドと偶数フィールドとで垂直転送の方向を逆転する。高輝度部によるスミアの発生を、この高輝度部に対して上下のいずれか１方向に固定できる。スミアがない部分では、上下の水平転送路Ｈ１，Ｈ２の信号を合成して画像を構成する。スミアが発生した部分では、上下の水平転送路Ｈ１，Ｈ２の信号のうち、スミアの影響を受けていない側の信号のみを用い、データを補完して画像を構成する。【選択図】　　　　図１
2004112723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ光電変換して信号電荷を蓄積する複数の画素と、
これら画素から信号電荷を読み出し、これら読み出した信号電荷を正方向及び逆方向に転送する電荷結合素子を備え、互いに反対方向に信号電荷を転送する複数グループにグループ化された複数の垂直転送路と、
前記各垂直転送路の一端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第１の出力部に出力する第１の水平転送路と、
前記各垂直転送路の他端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第２の出力部に出力する第２の水平転送路と
を具備した
ことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
垂直転送路は、１列毎に反対方向に信号電荷を転送する
ことを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項３】
垂直転送路は、複数列ずつグループ化され、これらグループ毎に同方向に信号電荷を転送する
ことを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項４】
画素は、
受光領域に配置された感光画素と、
光が遮光された遮光画素とを備えた
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の撮像素子。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか一記載の撮像素子と、
この撮像素子を制御して、各垂直転送路の転送方向を一画面毎に逆方向とするとともに、前記撮像素子の各出力部から出力された信号を処理して画像を構成する制御手段と
を具備することを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
制御手段は、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定し、スミアのある信号を、他の画素の信号から補完する
ことを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
【請求項７】
画素は、受光領域に配置された感光画素と、光が遮光された遮光画素とを備え、
制御手段は、遮光画素の信号電荷を監視して、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定する
ことを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷結合素子を用いた撮像素子及び撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置のイメージセンサとして、ＣＣＤ固体撮像素子（以下、ＣＣＤと称する）が一般的に用いられている。このＣＣＤは、コストと性能とのバランスに優れるため、広く用いられている。
【０００３】
そして、ＣＣＤの受光面上には、格子状に配置され光の強弱に応じて信号電荷を蓄積する多数の受光素子部としての画素と、これら画素から信号電荷を読み出して転送する複数の垂直転送路と、各垂直転送路から転送された信号電荷を出力部へと転送する水平転送路とを備えている。
【０００４】
ここで、垂直転送路も光に対して感応するため、極めて強い光が結像している受光領域では、遮光構造を通り抜けた光により垂直転送路でノイズ電荷であるスミア電荷が発生する。そして、信号電荷が出力部まで転送されていく過程で、転送中の信号電荷にスミア電荷が加算され、出力される画像について、垂直転送路に沿った位置に高輝度部分が帯状に広がるスミア（ｓｍｅａｒ）と呼ばれる現象が発生する問題を有している。
【０００５】
この点、２個のＣＣＤを互いに天地逆に配置し、同じ光学系を通った結像光をプリズムなどで２分割してそれぞれのＣＣＤに結像させ、水平転送路とは逆方向に設けられたドレインにスミアを掃き出す動作を加えて、これら２枚の画像からスミアを除去した１枚の画像を得る方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
しかしながら、このように２個のＣＣＤを用いる構成では、各ＣＣＤの面積及び構造は通常のＣＣＤとは製造コスト上は大きな差がないが、２個のＣＣＤを用いるため、コストが増加する問題を有している。また、２個のＣＣＤを用いる撮像装置は、電力消費が増加する。さらに、２個のＣＣＤ間で全く同じ受光画角を得るための多軸位置調整は高い精度を必要とし、結果的に著しいコストの上昇を招く。また、入射光を２つに分割するため、感度が半分に低下してしまい、特に、暗い状況でのシグナルノイズ比（Ｓ／Ｎ比）が悪化し、画質の劣化を招く。また、２個のＣＣＤ間の感度、カラーの場合には、さらに分光透過特性などの特性差を補償するための調整工程が必要となり、コストの上昇を招く問題を有している。
【０００７】
この点、このスミアを防ぐ目的で、受光面とは別に全面が完全に遮光された画面１枚分の遮光蓄積部を備え、受光面上の遮光転送部の信号電荷を高速にこの遮光蓄積部に転送する構成を有する、フレームインターライントランスファ方式と呼ばれるＣＣＤが提案されている。
【０００８】
しかしながら、このようにフレームインターライントランスファ方式のＣＣＤでは、２画面分のチップ面積が必要な上、複雑な構造と特殊な高速駆動動作が必要になり、素子の製造コストの低減が困難である問題を有している。また、光学系の絞り機構と組み合わせることで、スミアを大幅に抑制できるものの、光の強さなどによっては、必ずしも十分にスミアを除去できない問題を有している。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３１０８７０２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、２個のＣＣＤを用いる構成では、電力消費の上昇、感度の低下などを招くとともに、高精度の調整が必要になり、コストの大幅な上昇を招く問題を有している。また、フレームインターライントランスファ方式のＣＣＤを用いる構成では、素子の製造コストの低減が困難であるとともに、必ずしも十分にスミアを除去できない問題を有している。
【００１１】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、コストの上昇を抑制しつつ画質を向上できる撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の撮像素子は、それぞれ光電変換して信号電荷を蓄積する複数の画素と、これら画素から信号電荷を読み出し、これら読み出した信号電荷を正方向及び逆方向に転送する電荷結合素子を備え、互いに反対方向に信号電荷を転送する複数グループにグループ化された複数の垂直転送路と、前記各垂直転送路の一端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第１の出力部に出力する第１の水平転送路と、前記各垂直転送路の他端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第２の出力部に出力する第２の水平転送路とを具備したものである。
【００１３】
そして、この構成では、画素から各垂直転送路に読み出された信号電荷を、各垂直転送路により正方向及び逆方向に交互に転送することにより、これら信号電荷は、第１の水平転送路及び第２の水平転送路から各出力部を介して出力される。そこで、これら出力された信号を処理することにより、画像が得られる。そして、画素から読み出された信号電荷は、各垂直転送路を正方向及び逆方向に交互に転送され、第１の水平転送路と第２の水平転送路とを利用することにより、信号電荷の転送量が容易に向上するとともに、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向が制御され、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることが防止される。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し、画質の向上が可能になる。
【００１４】
請求項２記載の撮像素子は、請求項１記載の撮像素子において、垂直転送路は、１列毎に反対方向に信号電荷を転送するものである。
【００１５】
そして、この構成では、１列毎に反対方向に信号電荷を転送することにより、スミアのある信号を精度良く補完して画質の向上が可能になる。
【００１６】
請求項３記載の撮像素子は、請求項１記載の撮像素子において、垂直転送路は、複数列ずつグループ化され、これらグループ毎に同方向に信号電荷を転送するものである。
【００１７】
そして、この構成では、複数列ずつグループ化した垂直転送路で信号電荷を転送することにより、複数列の信号をグループとして処理することが可能になる。
【００１８】
請求項４記載の撮像素子は、請求項１ないし３いずれか一記載の撮像素子において、画素は、受光領域に配置された感光画素と、光が遮光された遮光画素とを備えたものである。
【００１９】
そして、この構成では、遮光画素の信号を測定することにより、信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じたか否かが容易に判定される。
【００２０】
請求項５記載の撮像装置は、請求項１ないし４いずれか一記載の撮像素子と、この撮像素子を制御して、各垂直転送路の転送方向を一画面毎に逆方向とするとともに、前記撮像素子の各出力部から出力された信号を処理して画像を構成する制御手段とを具備するものである。
【００２１】
そして、この構成では、請求項１ないし４いずれか一記載の撮像素子を用いたため、撮像素子の画素から各垂直転送路に読み出された信号電荷を、各垂直転送路により正方向及び逆方向に交互に転送することにより、これら信号電荷は、第１の水平転送路及び第２の水平転送路から各出力部を介して出力される。そこで、これら出力された信号を制御手段で処理することにより、画像が得られる。そして、画素から読み出された信号電荷は、各垂直転送路を正方向及び逆方向に交互に転送されるため、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向が制御され、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることが防止される。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し画質の向上が可能になる。
【００２２】
請求項６記載の撮像装置は、請求項５記載の撮像装置において、制御手段は、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定し、スミアのある信号を、他の画素の信号から補完するものである。
【００２３】
そして、この構成では、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアの抑制が可能になる。
【００２４】
請求項７記載の撮像装置は、請求項６記載の撮像装置において、画素は、受光領域に配置された感光画素と、光が遮光された遮光画素とを備え、制御手段は、遮光画素の信号電荷を監視して、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定するものである。
【００２５】
そして、この構成では、制御手段は、遮光画素の信号を監視し測定することにより、信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じたか否かが容易に判定される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の撮像素子及び撮像装置の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２７】
図２において、１は撮像装置で、この撮像装置１は、例えば、デジタルビデオカメラで、動画像である画像を撮影、記録し、また、表示するものである。そして、この撮像装置１は、撮像素子としてのＣＣＤ１０と、このＣＣＤ１０を駆動する制御手段を構成するＣＣＤ駆動回路１１、ＣＣＤ１０の出力が入力される画像処理手段を構成する一対のアナログ処理回路１２，１３、これらアナログ処理回路１２，１３の出力が入力されるアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１４，１５、これらアナログデジタル変換器１４，１５の出力が入力されるメモリコントローラ１８を備えている。さらに、このメモリコントローラ１８には、画像データなどを一時的に保存するメモリ１９、画像データを処理する制御手段を構成する画像処理回路２０、記録部インターフェース２２が接続され、画像データが入出力される。また、このメモリコントローラ１８には、このメモリコントローラ１８の出力が入力される表示部インターフェース２３が接続される。さらに、記録部インターフェース２２には、画像データを記録再生する画像記録部２５が接続され、表示部インターフェース２３には、画像データや設定状態などを表示する画像表示部２６が接続されている。さらに、ＣＣＤ駆動回路１１、アナログ処理回路１２，１３、メモリコントローラ１８、及び画像処理回路２０などには、これらを制御する制御手段を構成するＣＰＵ２１が接続されている。さらに、この撮像装置１には、図示しないが、レリーズボタンや切替スイッチなどの操作手段、電源装置、入出力装置、レンズや絞り機構などの光学系、及び筐体などを備えている。
【００２８】
そして、ＣＣＤ１０は、電荷転送型の固体撮像素子であり、電荷結合素子（ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ）を用いたＣＣＤイメージセンサであって、図１に示すように、受光面上に、２次元の格子状に配置された受光素子部でありそれぞれ光の強弱に応じて信号電荷を蓄積する多数の画素ｅを備えている。そして、これら画素ｅの列同士の間には、これら画素ｅから信号電荷を読み出し、所定方向（以下、垂直方向あるいは上下方向と称する）に転送する複数の垂直転送路（垂直ＣＣＤ）Ｖすなわち第１ないし第８（ｎ）の垂直転送路Ｖ１〜Ｖ８（ｎ）と、これら垂直転送路Ｖの上下の端部に接続され、すなわち受光面の下部と上部とに配置され、所定方向と直交する方向（以下、水平方向と称する）に信号電荷を転送する上下一対の水平転送路（水平ＣＣＤ）Ｈすなわち第１の水平転送路としての下部水平転送路Ｈ１及び第２の水平転送路としての上部水平転送路Ｈ２とを備えている。
【００２９】
また、画素ｅは、多くが光の当たる感光画素ｅ１であるが、各列の上下の端部に位置して、遮光構造により光の当たらない遮光画素（水平遮光ライン）ｅ２が設けられている。さらに、各水平転送路Ｈ１，Ｈ２の一端部である下流側の端部には、それぞれ第１の出力部としての下部出力部ＯＰ１と第２の出力部としての上部出力部ＯＰ２が設けられ、画像信号を構成するアナログの信号が同時に出力される。なお、図１においては、説明を容易にするため、画素ｅの数を極端に少なく記載しているが、実際には、画素ｅの数は、例えば数万個から数百万個に設定される。さらに、画素ｅの数は、これらに限定されるものではなく、適宜設定される。
【００３０】
さらに、図示しないが、ＣＣＤ１０は、垂直転送路Ｖを駆動させ、また、電荷読出動作を伴う配線部としてのゲート配線を備えている。このゲート配線は、垂直転送路Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７で示される奇数列のグループと、垂直転送路Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８で示される偶数列のグループとで互いに独立しているとともに、それぞれ、正方向及び逆方向に信号電荷を自在に搬送できるように必要な系統数が備えられている。すなわち、本実施の形態では、例えば図１に矢印で示すように、ＣＣＤ駆動回路１１からの駆動信号により、奇数列の垂直転送路Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７のグループは一斉に正方向（下方向）に駆動されるとともに、偶数列の垂直転送路Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８のグループは一斉に逆方向（上方向）に駆動され、奇数列の垂直転送路Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７と偶数列の垂直転送路Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８とで、垂直方向の転送方向を互いに逆方向とすることができるようになっている。また、ＣＣＤ駆動回路１１からの駆動信号により、図１の矢印とは逆方向に、奇数列のグループを逆方向に、偶数列のグループを正方向に転送することもできるようになっている。
【００３１】
なお、このゲート配線は、奇数列と偶数列との一列ごとに交互に独立して制御する構成に限られず、例えば、２列ごとの繰り返し（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６と、Ｖ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８とがそれぞれグループとして同じ方向に搬送される）や、あるいは、３列ごとの繰り返しとし、あるいは、１列２列の繰り返し（Ｖ１，Ｖ４，Ｖ７と、Ｖ２，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ８とがそれぞれ同じ方向に搬送される）などとすることもできる。また、ゲート配線の構成については、画素のカラーフィルタ配列、及びインターレース処理かプログレッシブ処理かなどに応じて設定されている。
【００３２】
そして、この撮像装置１では、ＣＣＤ１０の下部出力部ＯＰ１から出力された信号は、アナログ処理回路１２に入力され、相関２重サンプリングやアンプによる信号増幅などのアナログ処理が行われる。次いで、この信号は、アナログデジタル変換器１４に入力され、アナログの信号からデジタルの信号（以後、デジタル画像データあるいは単に画像データと称する。）に変換される。次いで、この画像データは、メモリコントローラ１８により、メモリ１９に一時保存される。また、同様に、ＣＣＤ１０の上部出力部ＯＰ２から出力された信号は、アナログ処理回路１３及びアナログデジタル変換器１５を経て、メモリコントローラ１８により、メモリ１９に一時保存される。
【００３３】
そして、本実施の形態では、動画像の撮影において、各画素ｅから垂直転送路Ｖに一斉に読み出される信号電荷のうち、例えば、一画面としての第１フィールドでは、奇数列の垂直転送路Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７の信号電荷は下側に転送され、下部水平転送路Ｈ１を経て下部出力部ＯＰ１から出力される。同時に、偶数列の垂直転送路Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８の信号電荷は上側に転送され、上部水平転送路Ｈ２を経て上部出力部ＯＰ２から出力される。そして、引き続く一画面としての第２フィールドでは、第１フィールドとは逆に、奇数列の垂直転送路Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７の信号電荷は上側に転送され、上部水平転送路Ｈ２を経て上部出力部ＯＰ２から出力されるとともに、偶数列の垂直転送路Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８の信号電荷は下側に転送され、下部水平転送路Ｈ１を経て下部出力部ＯＰ１から出力される。続いて、以後、第３フィールドは第１フィールドと同様、第４フィールドは第２フィールドと同様、というように、奇数フィールドと偶数フィールドとで、垂直転送路Ｖの転送方向がフィールド毎に上下逆方向に交互に往復する動作を繰り返す。
【００３４】
ここで、例えば図３に示す画像データＰ０を本来の画像をとすると、メモリ１９に一時保存された１フィールド分のデジタル画像データは、奇数フィールドを例にとると、図４（ａ）に示す奇数列の画像データＰ１と、図４（ｂ）に示す偶数列の画像データＰ２との２個のグループに分割して保存される。そして、画像処理回路２０は、従来の撮像装置が行うようないわゆる一般的な画像処理（以下、画像処理と称する）を行う前に、これら２個のグループの画像データＰ１，Ｐ２をメモリ１９から読み出し、これら画像データＰ１，Ｐ２から完成した１画面のフィールド再構成し、すなわち、ＣＣＤ１０本来の画素ｅの配列の通りに、図３に示す画像データＰ０を再現する。なお、この画像処理は、上記のように画像データＰ０の再構成を完成させた後に行う方法の他、部分的に画像データＰ０を再構成しながら、同時に画像処理を行うこともできる。
【００３５】
なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）においては、奇数列の画像データＰ１と偶数列の画像データＰ２とを明確に表現するため、縦縞状に空白のデータ領域があるように表現したが、メモリ１９の内部においては、有効な画像データが隙間なく連続して記録されており、このような空白のデータ領域は存在しない。
【００３６】
また、偶数列の画像データＰ２は、特に対処をせずにデータの出力順そのままにメモリ１９に記録すると、本来、図５に示す画像データＰ２ａのように、図４（ｂ）に示す画像データＰ２に対して天地が逆の状態になるが、メモリコントローラ１８がメモリ１９への記録時あるいは読み出し時にメモリ１９に与えるアドレスを上下が逆になるように配慮することにより、図４（ｂ）に示す画像データＰ２と同じ状態、すなわち、奇数列の画像データＰ１と同じ方向の画像データとして取り扱うことが可能になっている。以下、説明を容易にするため、これらの処理については特に言及しない。
【００３７】
そして、上記のように再構成され、画像処理を施された処理済の画像データは、メモリ１９の一部をビデオメモリとして利用し再び一時記録された後、あるいは、上記の画像処理が終わった画素単位のデータから順次直ちに、表示部インターフェース２３に送られ、画像表示部２６により映像として表示される。また、場合によっては、使用者の操作などに従い、画像データ圧縮処理などを施された後、記録用の画像データとして、記録部インターフェース２２を経由し、画像記録部２５に記録される。ここで、画像記録部２５は、磁気テープ、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、フラッシュメモリなどの不揮発性の記録媒体で構成され、また、これら記録媒体は、必要に応じて機器本体から着脱されるようになっている。
【００３８】
次に、本実施の形態によるスミアの出現形態及びその原理について説明する。
【００３９】
まず、図６に示す画像Ｐ１０の撮影条件（シーン）のように、太陽など、画面内に著しく明るい輝点である高輝度部ＢＳが存在するシーンを撮影する場合、すなわち、ＣＣＤ１０の受光面に極めて強い光が結像している受光領域（輝点）が存在する場合、従来の一般的なＣＣＤにおける一方向のみの転送方法では、図８に示すように、欠陥であるスミアＳは高輝度部ＢＳの上下両方に広がる。
【００４０】
一方、本実施の形態では、各垂直転送路Ｖについて、図１のＣＣＤ１０の説明図における下部水平転送路Ｈ１と上部水平転送路Ｈ２とが交互に選択され、各垂直転送路Ｖの転送方向が１フィールド毎に上下逆転するため、図６に示す画像Ｐ１０の撮影条件（シーン）のように、太陽など、画面内に著しく明るい輝点である高輝度部ＢＳが存在するシーンを撮影する場合、すなわち、ＣＣＤ１０の受光面に極めて強い光が結像している受光領域が存在する場合、得られる画像データは、例えば奇数フィールドの場合、図７（ａ）に示す奇数列の画像データＰ１１と、図７（ｂ）に示す偶数列の画像データＰ１２とで、画面内の高輝度部ＢＳに対してスミアＳの発生する方向が上下いずれか一方に固定される。例えば、図７に示すように、奇数フィールドの場合、スミアＳ発生の方向は、奇数列では高輝度部ＢＳから画面下方向へ向かい、偶数列では高輝度部ＢＳから画面上方向へ向かう。また、偶数フィールドでは、これらの関係が逆になり、奇数列では高輝度部ＢＳから画面上方向へ向かい、偶数列では高輝度部ＢＳから画面下方向へ向かってスミアＳが発生する。このように、垂直転送路Ｖの転送方向をフィールド毎に交互に逆方向とすることにより、画面上の高輝度部ＢＳに対するスミアＳの発生方向を、上下いずれか一方に固定できる。
【００４１】
ここで、本実施の形態の垂直転送路Ｖの動作によりスミアＳの発生方向を固定できる理由について説明する。
【００４２】
図９及び図１１のＡないしＮは、図１に示すＣＣＤ１０の内部構造のうち、画素ｅ及び垂直転送路Ｖのいずれか一つの奇数列を抜き出して描いたものである。また、画素ｅの信号電荷の転送状況をわかりやすくするために、下から順に１から１４の番号を付している。すなわち、ここでは、上下の端部の１と１４とが遮光画素ｅ２であり、他の２から１３の画素が感光画素ｅ１である。さらに、円により、スミアＳを発生するのに十分な光量を有する高輝度部ＢＳを示しており、ここでは、９番の画素ｅ付近に高輝度の像が結像している状況を表している。
【００４３】
図９は、垂直転送路Ｖを常に一方向すなわち下側に転送する従来の一般的な動作についての説明である。
【００４４】
まず、図９（Ａ）の状態から、電荷読出パルスにより、図９（Ｂ）に示すように、各画素ｅの信号電荷が一斉に垂直転送路Ｖに読み出される。次いで、図９（Ｃ）に示すように、垂直転送路Ｖ上を信号電荷が１段下側に転送され、さらに、図９（Ｄ）に示すように、垂直転送路Ｖ上を信号電荷が１段下側に転送される。ここで、１０番の画素ｅの信号電荷は、垂直転送路Ｖに読み出された時点では高輝度部ＢＳの影響を受けていなかったものが、図９（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように垂直転送路Ｖ内を移動する過程で高輝度部ＢＳを通過する際に、本来の信号電荷にスミア（スミア電荷）Ｓが加わった状態に変化していることを示している。なお、スミアＳの混合した信号電荷は斜線で示している。さらに、図９（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ）に示すように、垂直転送を進めていくと、本来遮光されており図９（Ｂ）に示す垂直転送路Ｖに読み出された直後では黒色で示すように信号電荷がほぼ０であった１４番の画素ｅの信号電荷も含めて、最初に高輝度部ＢＳよりも上側にあった画素信号は、全て転送の過程でスミアＳが加算された状態になる。さらに、垂直転送を進めていくと、図９（Ｈ）及び（Ｉ）に示すように垂直転送路Ｖの空の部分、すなわち、各画素ｅの信号電荷の転送が終わった領域にもスミアＳによる電荷が蓄積されていき、全ての画素ｅの信号電荷の読み出しが終了した時点では、図９（Ｊ）に示すように高輝度部ＢＳに対して下側の垂直転送路ＶにはスミアＳが蓄積された状態になる。
【００４５】
なお、上記の図９を用いた説明で、高輝度部ＢＳの上側あるいは下側とは、図の描画方向、すなわち、光学系に対して配置されたＣＣＤ１０の上下方向に対しての表現である。従って、光学系を通した被写体像は天地が逆となった状態でＣＣＤ１０に結像されるため、実際に撮影される画像の画面の天地とは、上下関係が逆になっている。例えば、図９のＡないしＪでは、高輝度部ＢＳの上方向の９番から１４番の画素ｅにスミアＳが発生する状況を示したが、この時に得られる画像では、図１０のＦ１に示すように、画面の下方向にスミアＳの発生が見られることになる。以上、上記の図９のＡないしＪでは、動画像を撮影した最初の１フィールド目である図１０のＦ１が得られるまでの状況を示した。
【００４６】
次に、図９（Ｊ）の状態、すなわち、１フィールド目の全画素ｅの信号電荷の出力が終わった状態から、２フィールド目の各画素ｅの信号電荷の出力が行われる状況を説明する。すなわち、図９（Ｊ）では、先に説明した動作により、垂直転送路Ｖの高輝度部ＢＳの下側の領域には既にスミアＳによる電荷が存在している。ここで、図９（Ｋ）に示すように、２フィールド目の各画素ｅの信号電荷が一斉に垂直転送路Ｖに読み出される。すると、１番から９番の画素ｅの信号電荷は、ここで既にスミアＳの影響を受けている状態になる。この状態から、図９（Ｌ），（Ｍ）ないし（Ｎ）に示すように、１フィールド目と同様に垂直転送を行い画素ｅの信号電荷を出力していくと、図１０のＦ２に示すように、全ての画素ｅの信号電荷がスミアＳの影響を受ける。以後は、図９（Ｎ）の状態で読み出しが行われるため、３フィールド目以降も、同様の結果となる。
【００４７】
このように、従来の動作による動画の撮影では、垂直転送路Ｖのいずれか１点にでもスミアＳの発生源となる高輝度部ＢＳが存在すると、その垂直転送路Ｖを通る全ての信号電荷がスミアＳの影響を受けることになる。このようにして、図８に示すように、高輝度部ＢＳの上下に、スミアＳが広がってしまう。
【００４８】
次に、奇数フィールドと偶数フィールドとで垂直転送の方向を逆転させる本実施の形態の動作を図１１及び図１２を参照して説明する。ここで、図１１のＡは、図９のＪの状態、すなわち、１フィールド目を出力した後、既に、図１２のＦ１に示す画像が得られた直後の状態を示している。そして、この図１１（Ａ）に示す状態から、図１１（Ｂ）に示すように、２フィールド目の各画素ｅの信号電荷を一斉に垂直転送路Ｖに読み出し、図１１（Ｃ）ないし（Ｊ）に示すように、今度は、１フィールド目とは逆方向に垂直転送を行っていく。このとき、高輝度部ＢＳの上側に位置する１０番から１４番の画素ｅの信号電荷は、スミアＳの影響を全く受けることなく出力される。この時、図１２のＦ２に示すように、先のＦ１とは逆方向にスミアＳが発生した画像が得られる。さらに、３フィールド目では、図１１（Ｋ）ないし（Ｎ）に示すように、再び１フィールド目と同じ方向に垂直転送を行い、図１２のＦ３に示すように、先のＦ１と同方向にスミアＳが発生した画像が得られる。そして、このような動作を繰り返すことにより、奇数番目のフィールドと、偶数番目のフィールドとで、スミアＳの発生する方向を固定、すなわち上下のいずれか１方向に導くことができる。そして、以上の奇数列の説明と同様に、偶数列でも同様の動作でスミアＳの発生する方向を固定できる。なお、奇数列と偶数列とでは常に垂直転送の転送方向が逆転しているため、得られる画像上に発生するスミアＳの方向も逆になる。
【００４９】
続いて、本実施の形態によるスミア抑制動作について図１３及び図１４を参照して説明する。
【００５０】
図１３は、スミアＳの発生した奇数フィールドの奇数列の画像データＰ１１に、後述する遮光画素（水平遮光ライン）ｅ２によるスミア検出状況の値ｅ２Ｌと、スミアＳが発生した列の垂直転送路Ｖに沿った輝度状況を示す値ｅＬのグラフとを組み合わせたものである。また、図１４は、スミアＳの発生した奇数フィールドの偶数列の画像データＰ１２に、スミアＳが発生した列の垂直転送路Ｖに沿った輝度状況を示す値ｅＬのグラフとを組み合わせたものである。
【００５１】
すなわち、下部水平転送路Ｈ１から出力された信号電荷がアナログデジタル変換器１４によりデジタル信号に変換された値である画像信号のうち、図１のＣＣＤ１０の遮光画素（水平遮光ライン）ｅ２に相当する部分の画素ｅの画像信号は、上記のメモリ１９の特定領域に記録される。ここで水平遮光ラインとは、ＣＣＤ１０の受光面の上部及び下部に設けられたライン単位の遮光画素である。そして、これら水平遮光ラインは、本来は遮光されているため、この部分の信号レベルは暗黒に等しいが、ＣＣＤ１０がスミアＳを発生している場合には、遮光部であっても先に説明した動作原理によりスミア電荷の影響を受け、スミアＳが発生した水平位置に等しい部分に、明るい信号出力ｅ２Ｌａが表れる。なお、このスミアＳの発生位置の検出は、上部水平転送路Ｈ２が選択されている時、すなわち、奇数フィールドの偶数列、あるいは、偶数フィールドの奇数列の画像で行う場合も、画面の上下関係を考慮すれば同様である。また、この図１３において、ＶｃはスミアＳの水平方向の中心線、ｅ２Ｌは画面下側の、すなわち、ＣＣＤ１０上側の水平遮光ラインによるスミア検出状況、ｅＬは、スミアＳの水平方向の中心線Ｖｃ上を垂直方向に走査した画面上の輝度状況を示している。さらに、Ｗｓは水平遮光ライン上に検出されたスミアＳの水平方向の幅、ＳＬは左側のスミア境界、ＳＲは右側のスミア境界、Ｄｓはスミア基準レベルである。
【００５２】
そして、ＣＰＵ２１は、水平遮光ラインの値ｅ２Ｌと、予め定められたスミア基準レベルＤｓとを比較し、水平遮光ラインのデータのうち、スミア基準レベルＤｓを超えた領域をスミアＳと判断し、このスミアＳの領域の水平方向の境界の位置ＳＬ，ＳＲと幅Ｗｓとから、発生しているスミアＳの水平方向の中心線Ｖｃを求める。次に、メモリ１９に記録されている画像データから、上記の水平方向の中心線Ｖｃ上で、画面の垂直方向に沿って画面下側から画像データＰ１１を走査して輝度状況を示す値ｅＬを得る。このスミアＳの水平方向の中心線Ｖｃ上の値ｅＬのうち、最もレベルの高い領域ｅＬａを検知すると、そこから画面上側で画像データのレベルの落ち込む部分ｅＬｂの位置をスミア発生源である高輝度部ＢＳの上端Ｙｓｏと認識する。また、レベルの高い領域ｅＬａが画面の上端に接している場合は、高輝度部ＢＳの上端Ｙｓｏは画面最上部と判断する。そして、ＣＰＵ２１は、これら上端Ｙｓｏと、左右のスミア境界ＳＬ，ＳＲとで囲まれた領域を、奇数フィールドの奇数列がスミアＳにより影響を受けている領域Ｓｏと判断する。
【００５３】
次に、ＣＰＵ２１は、図１４に示すように、奇数フィールドの偶数列の画像データＰ１２について、先に得られたスミアＳの水平方向の中心線Ｖｃを画面の上側から走査して、奇数列と同様の処理で、スミア発生源である高輝度部ＢＳの下端Ｙｓｅを検出し、さらに、この下端Ｙｓｅと、左右のスミア境界ＳＬ，ＳＲとで囲まれた領域を、奇数フィールドの偶数列がスミアＳにより影響を受けている領域Ｓ１と判断する。
【００５４】
次いで、ＣＰＵ２１は、高輝度部ＢＳの上端Ｙｓｏと下端Ｙｓｅとから互いに等しい距離にある縦方向の位置を求め、高輝度部ＢＳの垂直方向の中心線Ｈｃとする。そして、このようにして得られたスミアＳの発生状況は、画像処理回路２０に通知される。
【００５５】
そして、この画像処理回路２０は、スミアＳの発生が検知されるまでは、通常の処理、すなわち、図４（ａ）に示す奇数列の画像データＰ１と、図４（ｂ）に示す偶数列の画像データＰ２とを用いて、画面の全ての領域について単純に互いを内挿する方法で図３に示す画像データＰ０の画像を再現する。一方、ＣＰＵ２１によりスミアＳの発生と発生状況とが知らされると、画像処理回路２０は、通常処理から以下に説明するスミア抑制画像処理へと処理手法を切り替える。
【００５６】
すなわち、画面内の領域は、ＣＰＵ２１からの通知により、スミアＳの発生のない領域、奇数列にスミアＳの発生している領域、及び偶数列にスミアＳの発生している領域に分類される。例えば、図１３及び図１４に示す例では、図１５に示すように、スミアＳの発生のない領域Ｉ，ＩＩと、奇数列にスミアＳの発生している領域ＩＩＩと、偶数列にスミアＳの発生している領域ＩＶとに分類される。なお、これら領域ＩＩＩと領域ＩＶとの境界は、先に求めた高輝度部ＢＳの垂直方向の中心線Ｈｃである。そして、画像処理回路２０は、スミアＳの発生のない領域Ｉ，ＩＩについては、通常の処理により奇数列と偶数列とから画像の再現を行うが、奇数列にスミアＳの発生している領域ＩＩＩについては、偶数列のみから画像の再現を行い、偶数列にスミアＳの発生している領域ＩＶについては、奇数列のみから画像の再現を行う。
【００５７】
すなわち、領域ＩＩＩは、奇数列のみにスミアＳが発生しており、偶数列の画像はスミアＳの影響を受けていない。そこで、この領域ＩＩＩでは、奇数列のデータを破棄して、偶数列のみから、例えば、線形補完法などの補間処理により、空白の奇数列データを演算により求め使用する。同様に、領域ＩＶは、偶数列のみにスミアＳが発生しており、奇数列の画像はスミアＳの影響を受けていない。そこで、この領域ＩＶでは、偶数列のデータを破棄して、奇数列のみから、例えば、線形補完法などの補間処理により、空白の偶数列データを演算により求め使用する。このようにして、奇数列の画像データと偶数列の画像データとからスミアＳの発生状況を考慮しつつ、画像再現を行うことにより、図１６に示す画像Ｐ２０のように、通常ではスミアＳが発生する撮影条件においても、スミアＳのない奇数フィールド画像を得ることができ、図６に示す画像Ｐ１０を再現することができる。
【００５８】
そして、上記の奇数フィールドの説明と同様に、偶数フィールドにおいても、奇数列と偶数列との垂直転送方向が逆になることを考慮すれば、奇数フィールドと同じ手法により、スミア抑制処理の施された偶数フィールド画像を得ることができる。
【００５９】
このように、本実施の形態の撮像素子の駆動方法によれば、ＣＣＤ１０の、列毎に例えば奇数列と偶数列とで転送方向を反転可能な電極配線と、上部と下部とに出力部を２個設けた構造と、フィールド毎にすなわち奇数フィールドと偶数フィールドとで垂直転送方向を交互に逆転させる転送方法と、これらに応じた画像処理とにより、スミアＳを高輝度部ＢＳの反対側に交互に発生させ、スミアＳの発生していない部分を利用して画像を構成することにより、従来の構成では画面の高輝度部ＢＳから発生したスミアＳが主要被写体上に重なり被写体の判別を困難にするほどの撮影条件であっても、確実にスミアＳを除去することができ、すなわち効果的にスミアＳを抑制でき、容易に画質を向上できる。
【００６０】
すなわち、（１）受光領域の上下に２系統の水平転送路Ｈ１，Ｈ２を設け、受光部の画素ｅは２組の垂直転送路Ｖの縦列、例えば偶数列と奇数列とに分けられていて、互いに同時に逆方向に、上部水平転送路Ｈ２と下部水平転送路Ｈ１とへ向けて信号電荷を転送できる垂直転送路Ｖを備えたＣＣＤ１０を用い、（２）フィールド毎に各縦列の垂直転送路Ｖの垂直転送方向を前のフィールドとは逆方向にすることで、スミアＳの発生方向を高輝度部ＢＳに対して上下いずれか一方向に固定でき、すなわち、偶数列の画像と奇数列の画像とで、スミアＳの発生位置を互いに排他的にできる。そして、（３）フィールドごとに、偶数列、奇数列の画像、いわば列画像上のスミアＳの発生状況を判別して、双方にスミアＳの無い領域では、上下の水平転送路Ｈ１，Ｈ２から出力された列画像を合成し、すなわち互いを内挿し、片方のみにスミアＳの発生している領域では、スミアＳが発生していない側の列画像のみを用いて補完処理を行い、１枚のフィールド画像を完成させる。そして、この（３）の動作を繰り返すことにより、スミアＳのない良好な連続したフィールド画像を得ることができる。
【００６１】
また、スミアＳの発生状況の判別については、受光面の上部あるいは下部に遮光画素（水平遮光ライン）ｅ２を設けたため、この遮光画素ｅ２の信号状況から、スミアＳの水平座標及び幅を容易に特定できるとともに、このスミアＳ上を垂直方向に走査することにより、明るさの変化からスミアＳの垂直座標上の発生基準位置を特定し、すなわち、最も輝度の高い部分から落ち込む部分をスミアＳの境界として、垂直座標及び幅を容易に特定でき、画面上のスミアＳの発生領域を正確に判断できる。
【００６２】
さらに、このように、ＣＣＤ１０に水平転送路Ｈ１，Ｈ２すなわち出力部を２個設けた構成を採ることにより、副次的に、１画素ｅ当たりの信号電荷の読み出し速度、すなわち、垂直転送路Ｖの転送速度、あるいは水平転送路Ｈ１，Ｈ２の転送速度を上げることなく、従来の２倍のフレームレート、すなわち、信号電荷の読み出し時間を従来の半分とすることができ、１秒あたりのコマ数を２倍にすることも容易に可能になる。さらに、この構成は、１秒あたりのコマ数を２倍にして動きの速い被写体を高い時間解像度で撮影できるほか、フレームレートは従来のままとした場合、１画素あたりの読み出し速度は従来のままにとどめても、従来の倍の画素数のＣＣＤまで扱うことができる。すなわち、より画素数の多い、空間解像度の高い高精細画像を容易に得ることにもつながり、スミアＳの抑制を含め、総合的に極めて高い画質を実現することができる。
【００６３】
また、本実施の形態では、構造の複雑化を最小限に抑制し、製造コストなどコストの上昇を抑制できる。
【００６４】
すなわち、チップ面積が倍になるフレームインターライントランスファ方式のＣＣＤに較べて、チップ面積は従来のままなので、コストの上昇を抑制できるとともに、スミアＳをより効果的に、ほぼ完全に除去できる。
【００６５】
また、ＣＣＤを２個使用する構成に較べ、ＣＣＤ１０は１個であるため、単純にコストを低減でき、また、ＣＣＤを２個使用する構成で必要な多軸調整による画角合わせ、及び２個のＣＣＤの特性差補償のための調整を不要にして、コストを削減できるとともに、２個目のＣＣＤによる消費電力の増加を抑制でき、さらに、入射光を分割することによる感度の低下も防止できる。
【００６６】
さらに、スミアＳのない、高いフレームレートの動画像を得られるため、従来になく高速、高精度の自動露出制御や、オートフォーカスなどの機能動作を実現することも可能になる。
【００６７】
なお、上記の実施の形態では、撮像装置１は、動画を撮影するデジタルビデオカメラについて説明したが、この構成に限られず、ＣＣＤを用いる機器に広く適用することができる。例えば、静止画を撮影可能なデジタルカメラについても、メカニカルシャッタなどを用いずに、スミアＳを低減できる。
【００６８】
また、上記の実施の形態では、高輝度部ＢＳを原因とするスミアＳの除去について説明したが、この構成に限られず、垂直転送路上の１点などに発生した障害により、この障害部分を超える信号電荷の転送に障害が生じている場合にも、この障害部分を除き、画像を取得することが可能になる。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１記載の撮像素子によれば、画素から各垂直転送路に読み出された信号電荷を、各垂直転送路により正方向及び逆方向に交互に転送することにより、これら信号電荷は、第１の水平転送路及び第２の水平転送路から各出力部を介して出力される。そこで、これら出力された信号を処理することにより、画像が得られる。そして、画素から読み出された信号電荷は、各垂直転送路を正方向及び逆方向に交互に転送され、第１の水平転送路と第２の水平転送路とを利用することにより、信号電荷の転送量を容易に向上できるとともに、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向を制御でき、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることを防止できる。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し、画質を向上することが可能になる。
【００７０】
請求項２記載の撮像素子によれば、請求項１記載の効果に加え、１列毎に反対方向に信号電荷を転送することにより、スミアのある信号を精度良く補完して画質を向上できる。
【００７１】
請求項３記載の撮像素子によれば、請求項１記載の効果に加え、複数列ずつグループ化した垂直転送路で信号電荷を転送することにより、複数列の信号をグループとして処理することが可能になる。
【００７２】
請求項４記載の撮像素子によれば、請求項１ないし３いずれか一記載の効果に加え、画素は、受光領域に配置された感光画素と、光が遮光された遮光画素とを備えたため、遮光画素の信号を測定することにより、信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じたか否かを容易に判定できる。
【００７３】
請求項５記載の撮像装置によれば、請求項１ないし４いずれか一記載の撮像素子を用いたため、撮像素子の画素から各垂直転送路に読み出された信号電荷を、各垂直転送路により正方向及び逆方向に交互に転送することにより、これら信号電荷は、第１の水平転送路及び第２の水平転送路から各出力部を介して出力される。そこで、これら出力された信号を制御手段で処理することにより、画像を得ることができる。そして、画素から読み出された信号電荷は、各垂直転送路を正方向及び逆方向に交互に転送されるため、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向を制御でき、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることを防止できる。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し、画質を向上できる。
【００７４】
請求項６記載の撮像装置によれば、請求項５記載の効果に加え、制御手段は、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定し、スミアのある信号を、他の画素の信号から補完するため、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアの抑制が可能になる。
【００７５】
請求項７記載の撮像装置によれば、請求項６記載の効果に加え、画素は、受光領域に配置された感光画素と、光が遮光された遮光画素とを備え、制御手段は、遮光画素の信号電荷を監視して、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定するため、信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じたか否かを容易に判定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像素子の一実施の形態を示す説明図である。
【図２】同上撮像素子を備えた撮像装置の構成図である。
【図３】同上撮像装置により撮像する画像の説明図である。
【図４】同上撮像装置により撮像した画像データの説明図である。（ａ）は奇数フィールドの奇数列の画像データ（ｂ）は奇数フィールドの偶数列の画像データ
【図５】同上撮像装置により撮像した奇数フィールドの偶数列の画像データの説明図である。
【図６】同上撮像装置により撮像する画像の説明図である。
【図７】同上撮像装置により撮像した画像データの説明図である。
（ａ）は奇数フィールドの奇数列の画像データ
（ｂ）は奇数フィールドの偶数列の画像データ
【図８】スミアが発生した画像データの説明図である。
【図９】スミアが発生する過程を示す説明図である。
【図１０】同上スミアが発生する過程を示す説明図である。
【図１１】本発明の撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１２】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１３】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１４】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１５】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１６】同上撮像素子によりスミアが除去された画像データの説明図である。
【符号の説明】
１　　撮像装置
１０　　撮像素子としてのＣＣＤ
１１　　制御手段を構成するＣＣＤ駆動回路
２０　　制御手段を構成する画像処理回路
２１　　制御手段を構成するＣＰＵ
ｅ　　画素
ｅ１　　感光画素
ｅ２　　遮光画素
Ｈ１　　第１の水平転送路としての下部水平転送路
Ｈ２　　第２の水平転送路としての上部水平転送路
ＯＰ１　　第１の出力部としての下部出力部
ＯＰ２　　第２の出力部としての上部出力部
Ｓ　　スミア
Ｖ　　垂直転送路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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