(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路と、前記垂直転送路の後段に設けられ、前記垂直転送路から送り出される信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送路であって電荷蓄積容量がそれぞれ異なる複数の水平転送路とを有する固体撮像素子と、
前記垂直転送路における信号電荷を垂直転送制御信号によって、前記水平転送路のいずれかに選択的に信号電荷を転送するように制御する垂直転送制御手段と、
それぞれの水平転送路の電荷蓄積容量に応じた水平転送制御信号によって、信号電荷を水平方向に転送するように制御する水平転送制御手段と、
を備え、
前記固体撮像素子はさらにオプティカルブラック領域（ＯＢ領域）を有し、
前記垂直転送制御手段は、各撮影フレームの信号電荷を連続的に出力する場合において、今回出力された撮影フレームの信号電荷の前記ＯＢ領域に対応する出力信号値に応じて、次回以降に出力される撮影フレームの信号電荷を、いずれか１つの水平転送路に転送するように制御し、
前記水平転送制御手段は電荷が転送されてくる水平転送路のみに水平転送制御信号を供給するように水平転送制御信号を制御する、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記複数の水平転送路は、面積が異なることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記複数の水平転送路は、水平転送路を形成する半導体の不純物濃度が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数の光電変換素子は、２次元的に配列され、
前記垂直転送路は、各光電変換素子に蓄積された信号電荷を、前記配列の列方向に沿う垂直上方向および垂直下方向のいずれにも選択的に転送可能であり、
前記複数の水平転送路は、前記垂直転送路の上方に設けられ、前記垂直転送路から送り出される信号電荷を前記配列の行方向に沿う水平方向に転送させる第１の水平転送路と、前記垂直転送路の下方に設けられ、前記垂直転送路から送り出される信号電荷を前記配列の行方向に沿う水平方向に転送させる第２の水平転送路とを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１の水平転送路と前記第２の水平転送路とでは、水平転送路の面積が互いに異なることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第１の水平転送路と前記第２の水平転送路とでは、水平転送路を形成する半導体の不純物濃度が互いに異なることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置。
【請求項７】
複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路と、前記垂直転送路の後段に設けられ、前記垂直転送路から送り出される信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送路であって電荷蓄積容量がそれぞれ異なる複数の水平転送路とを有する固体撮像素子と、前記垂直転送路における信号電荷を垂直転送制御信号によって、前記水平転送路のいずれかに選択的に信号電荷を転送するように制御する垂直転送制御手段と、それぞれの水平転送路の電荷蓄積容量に応じた水平転送制御信号によって、信号電荷を水平方向に転送するように制御する水平転送制御手段と、を備える撮像装置を用いた静止画の撮像方法であって、
前記撮像装置の固体撮像素子はさらにＯＢ領域を有し、
前記静止画の撮影に先立ち、前記複数の水平転送路のうち電荷蓄積容量の小さな水平転送路のみを用いて、固体撮像素子からスルー画を読み出し、
前記静止画の撮影時において、前記スルー画におけるＯＢ領域の出力信号値に応じて、前記複数の水平転送路のいずれの水平転送路を用いて、前記光電変換素子からの信号電荷を読み出すかを切り替えることを特徴とする、
静止画の撮像方法。
【請求項８】
複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路と、前記垂直転送路の後段に設けられ、前記垂直転送路から送り出される信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送路であって電荷蓄積容量がそれぞれ異なる複数の水平転送路とを有する固体撮像素子と、前記垂直転送路における信号電荷を垂直転送制御信号によって、前記水平転送路のいずれかに選択的に信号電荷を転送するように制御する垂直転送制御手段と、それぞれの水平転送路の電荷蓄積容量に応じた水平転送制御信号によって、信号電荷を水平方向に転送するように制御する水平転送制御手段と、を備える撮像装置を用いた動画の撮像方法であって、
前記撮像装置の固体撮像素子はさらにＯＢ領域を有し、
常時あるいは所定のフレーム間隔で前記ＯＢ領域の出力値を監視し、
前記ＯＢ領域の出力信号値に応じて、前記複数の水平転送路のいずれの水平転送路を用いて、前記光電変換素子からの信号電荷を読み出すかを切り替えることを特徴とする、
動画の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置および撮像方法に係り、特に光電変換素子の蓄積された信号電荷の読み出し制御および転送制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラやデジタルビデオカメラの撮像装置に用いられるＣＣＤ（電荷結合素子）は有効画素数の増加や高解像度の要求や、撮像装置の高機能化に伴い、消費電力が増大する傾向にある。その結果、ＣＣＤの発熱によるノイズの悪化や、撮像装置の発熱、バッテリーの保持時間の低下など様々な問題が生じている。
【０００３】
図９に従来の固体撮像素子の例を示す（特許文献１参照）。図９はＣＣＤ４００の受光面の構造を示す平面図である。ＣＣＤ４００の受光領域４０２には光電変換素子４０２が行列状に配置されている。
【０００４】
光電変換素子の間には、各光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す垂直転送路（ＶＣＣＤ）４０６が蛇行するように各光電変換素子に近接して配置されている。垂直転送路４０６には垂直転送制御信号パルス（ＶＣＣＤパルス）が印加される転送電極４０８が配置されている。なお、転送電極４０８は垂直転送路４０６内の枠で示されている。
【０００５】
受光領域４０２の上下には垂直転送路４０６から転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）４１０および水平転送路４１２が配置されている。水平転送路４１０および４１２の最後段（図９の最左段）にはそれぞれ出力部６２および出力部６４が接続されている。
【０００６】
ここで、光電変換素子４０４には蓄積電荷を読み出す読出しゲート４１４および読出しゲート４１６が配置され、光電変換素子に隣接配置される左右のどちらの垂直転送路４０６にも任意に出力できるように構成されている。垂直転送路４０６に読出された電荷はＶＣＣＤパルスにより、垂直上方向および垂直下方向に転送される。
【０００７】
本従来例では、受光領域４０２の上下に配置された２つの水平転送路４１０および４１２に電荷を振り分けて電荷転送することが可能であるため、転送速度は水平転送路が一つの場合と比べて、おおよそ半分の時間で電荷を読み出すことが可能となる。
【特許文献１】特開２００５−２０２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水平転送路は通常、光電変換素子から読み出される最大の電荷を転送できるように、十分な電荷蓄積容量を有するように設計される。また、水平転送路の電荷蓄積容量が大きければ、大きな電圧で駆動させる必要がある。従って、光電変換素子に小さな電荷しか蓄積されないような場合には、必要以上の電力を消費することになる。
【０００９】
特許文献１には、２つの水平転送路が設けられたＣＣＤ構造が開示されているが、電荷蓄積容量が同じ場合には、１つの水平転送路で電荷を転送する場合とおよそ同じ電力を消費することになる。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成によって、低消費電力で画像を読み出すことが出来るとともに、精度よく画像を読み出すことが出来る、撮像装置および撮像方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成する為に本発明に係る撮像装置は、複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路と、前記垂直転送路の後段に設けられ、前記垂直転送路から送り出される信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送路であって電荷蓄積容量がそれぞれ異なる複数の水平転送路とを有する固体撮像素子を備える。
【００１２】
本発明によれば、電荷の垂直転送と水平転送を制御することで、電荷蓄積容量のことなる水平転送路のいずれにも、信号電荷を読み出すことが可能となる。
【００１３】
光電変換素子は２次元的に配列させてもよいし、１次元に配列させてもよい。また、光電変換素子はハニカム状に配列してもよいし、正方状に配列してもよい。
【００１４】
本発明の一態様によれば、前記複数の水平転送路は、面積が互いに異なるよう構成されていることを特徴としている。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、前記複数の水平転送路は半導体の不純物濃度が互いに異なるように構成されることを特徴としている。
【００１６】
本発明の他の態様の撮像装置によれば、前述した固体撮像素子を有し、さらに、前記垂直転送路における信号電荷を垂直転送制御信号によって、前記水平転送路のいずれかに選択的に信号電荷を転送するように制御する垂直転送制御手段と、それぞれの水平転送路の電荷蓄積容量に応じた水平転送制御信号によって、信号電荷を水平方向に転送するように制御する水平転送制御手段と、を備えることを特徴としている。
【００１７】
一般に垂直転送制御信号には多相パルス信号が適用される。多相パルス信号には２相駆動、３相駆動、４相駆動、８相駆動などの多様な態様があり、信号電荷の読み出し速度や他の制御に合わせて何れの態様を適用してもよい。また、垂直転送制御信号は前述した駆動パルス以外の態様を適用してもよい。
【００１８】
同様に水平転送制御信号も前述したような多相パルス信号等の何れの態様を適用してもよい。通常、転送路の電荷蓄積容量が大きくなると、駆動パルスは適正に電荷を転送するためには大きな電力を必要とする。従って、前記複数の水平転送路のうち、電荷蓄積容量の小さい水平転送路は、電荷蓄積容量の大きな水平転送路よりも、小さな電力で適正に電荷を転送することが出来る。
【００１９】
本発明の他の態様の撮像装置によれば、前記撮像装置はさらに、信号電荷を混合する手段を有し、前記垂直転送制御手段は、前記信号電荷の混合を行うか否かまたは混合する電荷数に応じて、いずれの水平転送路に信号電荷を転送するかを制御し、前記水平転送制御手段は、電荷が転送されてくる水平転送路のみに水平転送制御信号を供給するように水平転送制御信号を制御することを特徴としている。
【００２０】
電荷を混合する場合に大きな電荷蓄積容量の水平転送路に電荷を転送するようにしてもよいし、また、混合する電荷数によって、使用する水平転送路を切り替えてもよい。
【００２１】
本発明の他の態様の固体撮像装置によれば、前記固体撮像素子に配列された複数の光電変換素子は、第１の電荷蓄積容量を有する第１の光電変換素子と、第１の電荷蓄積容量とは異なる第２の電荷蓄積容量を持つ第２の光電変換素子から成り、前記垂直転送制御手段は、前記第１の光電変換素子から読み出される電荷と前記第２の光電変換素子から読み出される電荷とでは、異なる水平転送路に転送するように制御し、前記水平転送制御手段は電荷が転送されてくる水平転送路のみに水平転送制御信号を供給するように水平転送制御信号を制御することを特徴としている。
【００２２】
電荷蓄積容量の小さな光電変換素子から電荷を読み出す場合は、電荷蓄積容量の小さな水平転送路で電荷を転送し、電荷蓄積容量の大きな光電変換素子から電荷を読み出す場合は電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を読み出すようにすることが可能である。
【００２３】
本発明の他の態様の撮像装置によれば、前記垂直転送制御手段は、各撮影フレームの信号電荷を連続的に出力する場合において、今回出力された撮影フレームの信号電荷の出力信号の全部あるいは一部の出力信号値に応じて、次回以降に出力される撮影フレームの信号電荷を、いずれか１つの水平転送路に転送するように制御し、前記水平転送制御手段は電荷が転送されてくる水平転送路のみに水平転送制御信号を供給するように水平転送制御信号を制御する、ことを特徴としている。
【００２４】
固体撮像素子から出力される信号電荷の一部あるいは全部が小さな値である場合に、その後に出力される信号電荷を、電荷蓄積容量の小さな水平転送路で電荷を読み出すようにしてもよいし、固体撮像素子から出力される信号電荷の一部あるいは全部が大きな値である場合に、電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を読み出すようにしてもよい。また、撮影毎に次回の撮影に用いる水平転送路を切り替えるようにしてもよいし、所定の間隔で映像信号の出力値を監視し、所定の間隔で水平転送路を切り換えるようにしてもよい。
【００２５】
本発明の他の態様の撮像装置によれば、前記固体撮像素子はさらにオプティカルブラック領域（ＯＢ領域）を有し、前記垂直転送制御手段は、各撮影フレームの信号電荷を連続的に出力する場合において、今回出力された撮影フレームの信号電荷の前記ＯＢ領域に対応する出力信号値に応じて、次回以降に出力される撮影フレームの信号電荷を、いずれか１つの水平転送路に転送するように制御し、前記水平転送制御手段は電荷が転送されてくる水平転送路のみに水平転送制御信号を供給するように水平転送制御信号を制御することを特徴としている。
【００２６】
ＯＢ領域は通常は光が当たらないので信号電荷が存在しないため、出力信号は小さくなるが、水平転送路の電荷蓄積容量が小さい場合には電荷がオーバーフローし、ＯＢ領域に電荷がもれることがある。そこで、ＯＢ領域の出力信号を監視し、そのＯＢ出力が一定値を超えた場合に、電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を転送するように切り替えるようにしてもよい。
【００２７】
本発明の他の態様である撮像方法によれば、前記固体撮像素子からスルー画を出力する場合は、前記複数の水平転送路のうち電荷蓄積容量の小さな水平転送路を用いて信号電荷を出力し、前記固体撮像素子から記録画を出力する場合は、前記複数の水平転送路のうち電荷蓄積容量の大きな水平転送路を用いて信号電荷を出力することを特徴としている。
【００２８】
ここでスルー画とは撮影者の便宜のために固体撮像素子から画像表示部や信号処理回路等に出力されるが記録されない画像をいう。電荷蓄積容量の小さな水平転送路を用いることで、スルー画においては画質がやや劣るが、記録される画像には影響しない。
【００２９】
本発明の他の態様の静止画の撮像方法によれば、前記静止画の撮影に先立ち、前記複数の水平転送路のうち電荷蓄積容量の小さな水平転送路のみを用いて、固体撮像素子からスルー画を読み出し、前記静止画の撮影時において、スルー画の出力信号の全部あるいは一部の出力信号値に応じて、前記複数の水平転送路のいずれの水平転送路を用いて、前記光電変換素子からの信号電荷を読み出すかを切り替えることを特徴としている。
【００３０】
スルー画の出力の一部あるいは全部が一定値以下であれば、静止画の撮影時において、電荷蓄積容量の小さな水平転送路で電荷を読み出すようにし、スルー画の出力の一部あるいは全部が一定値以上であれば、静止画の撮影時において、電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を読み出すようにすることができる。
【００３１】
さらに、前記固体撮像素子にＯＢ領域を設け、前記スルー画の出力信号の一部として、ＯＢ領域の出力信号を用いることもできる。
【００３２】
スルー画のＯＢ出力が一定値以下であれば、静止画の撮影時において、電荷蓄積容量の小さな水平転送路で電荷を読み出すようにし、スルー画のＯＢ出力が一定値以上であれば、静止画の撮影時において、電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を読み出すようにすることができる。
【００３３】
本発明の他の態様である静止画の撮像方法によれば、前記撮像装置の固体撮像素子はさらにＯＢ領域を有し、前記静止画の撮影に先立ち、前記複数の水平転送路のうち電荷蓄積容量の小さな水平転送路のみを用いて、固体撮像素子からスルー画を読み出し、前記静止画の撮影時において、前記スルー画におけるＯＢ領域の出力信号値に応じて、前記複数の水平転送路のいずれの水平転送路を用いて、前記光電変換素子からの信号電荷を読み出すかを切り替えることを特徴としている。
【００３４】
固体撮像素子から出力される信号電荷の一部あるいは全部が小さな値である場合に、その後に出力される信号電荷を、電荷蓄積容量の小さな水平転送路で電荷を読み出すようにしてもよいし、固体撮像素子から出力される信号電荷の一部あるいは全部が大きな値である場合に、電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を読み出すようにしてもよい。また、撮影毎に次回の撮影に用いる水平転送路を切り替えるようにしてもよいし、所定の間隔で映像信号の出力値を監視し、所定の間隔で水平転送路を切り換えるようにしてもよい。
【００３５】
本発明の他の態様の動画の撮像方法によれば、常時あるいは所定のフレーム間隔で撮像信号の全部あるいは一部の出力値を監視し、前記撮像信号の全部あるいは一部の出力値に応じて、前記複数の水平転送路のいずれの水平転送路を用いて、前記光電変換素子からの信号電荷を読み出すかを切り替えることを特徴としている。
【００３６】
撮像信号の出力の一部あるいは全部が一定値以下であれば、電荷蓄積容量の小さな水平転送路で電荷を読み出すようにし、撮像信号の出力の一部あるいは全部が一定値以上であれば、電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を読み出すようにすることができる。
【００３７】
さらに、前記固体撮像素子にＯＢ領域を設け、撮像信号の出力信号の一部として、ＯＢ領域の出力信号を用いることもできる。
【００３８】
撮像信号のＯＢ出力が一定値以下であれば、電荷蓄積容量の小さな水平転送路で電荷を読み出すようにし、撮像信号のＯＢ出力が一定値以上であれば、電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を読み出すようにすることができる。
【００３９】
ＯＢ領域は通常は光が当たらないので信号電荷が存在しないため、出力信号は小さくなるが、水平転送路の電荷蓄積容量が小さい場合には電荷がオーバーフローし、ＯＢ領域に電荷がもれることがある。そこで、ＯＢ領域の出力信号を監視し、そのＯＢ出力が一定値を超えた場合に、電荷蓄積容量の大きな水平転送路で電荷を転送するように切り替えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、固体撮像素子に消費電力の異なる２つの水平転送路を設け、これらの水平転送路を適宜使い分けることにより、低消費電力で画像を読み出すことが出来るとともに、精度よく画像を読み出すことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、添付図面に従って本発明に係る固体撮像素子、撮像装置および撮像方法の好ましい実施の形態について説明する。
【００４２】
［固体撮像素子の構造］
はじめに、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造とその動作について説明する。
【００４３】
図１は、本発明の実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子（以下「ＣＣＤ」と記載する）１２の受光面の構造を示す平面図である。ＣＣＤ１２の受光領域１００内には光電変換素子１０２が行列上に配置されている。本実施例では光電変換素子はフォトダイオード（ＰＤ）で構成されている。
【００４４】
図１には受光領域１００内略中央部にＰＤ列が示されている。なお。以降、縦方向の系列を列、横方向の系列を行とし、右から１列目、２列目・・・、上から１行目、２行目、・・・、とする。
【００４５】
ＰＤ１０２は、画素の幾何学的な形状の中心点を行方向および列方向に１つおきに画素ピッチの半分（１／２ピッチ）ずらして配列させた、いわゆるハニカム構造となっている。すなわち、互いに隣接するＰＤ１０２の行どうし（または列どうし）において、一方の行（または列）のＰＤ配列が、他方の行（または列）のＰＤ配列に対して行方向（または列方向）の配列間隔の略１／２だけ相対的にずれて配置された構造となっている。
【００４６】
各ＰＤ列の間には、各ＰＤに蓄積された電荷を読み出す垂直転送路１０４が蛇行するように配置されている。垂直転送路１０４には垂直転送制御信号パルス（ＶＣＣＤパルス）が印加される転送電極１０６を有している。転送電極は１画素あたり４電極（左右に２電極ずつ）備えられており、図１では垂直転送路１０４内の枠で示されている。
【００４７】
ＰＤ１０２には垂直転送路１０４に蓄積電荷を読み出す読出しゲート１０８が配置されている。各ＰＤの蓄積電荷は、読出しゲート１０８を介して右側に隣接する垂直転送路１０４に読み出されるように制御される。なお、本実施例では読出しゲートはＰＤ１０２の右下部に設けられているが、他の部分（例えば左上）に設けてもよいし、また、ＰＤ１０２の左右に設けられた何れの垂直転送路１０４にも読み出せるように複数の読出しゲートを設けてもよい。
【００４８】
図１において、受光領域１００の下側（垂直転送路１０４の下側最終段）には垂直転送路１０４から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）１１０が配置され、受光領域１００の上側（垂直転送路１０４の上側最終段）には水平転送路１１２が配置されている。なお、本実施例では、下側の水平転送路１１０の電荷蓄積容量を水平転送路１１２より小さくするために、転送路の幅を狭く形成している。なお、下側の水平転送路１１０の電荷蓄積容量を小さくするために、水平転送路１００の幅を上側の水平転送路１１２と同じ幅にし、水平転送路を形成する半導体の不純物濃度を変えてもよいし、水平転送路の幅を変え、さらに半導体の不純物濃度を変化させるようにしてもよい。本例では、受光領域の上下に水平転送路を設けたが、受光領域の片側に複数の水平転送路を設けてもよいし、水平転送路は２つ以上でもかまわない。
【００４９】
水平転送路１１０および１１２はそれぞれ電荷蓄積容量に応じた８相駆動パルス電圧により転送制御され、図１の右から左に向かって電荷が転送される。これらの最終段（図１の最左段）にはそれぞれ出力部６２および出力部６４が接続されている。
【００５０】
上記構成のＣＣＤ１２の電荷蓄積容量の小さな方の水平転送路１１０の動作駆動は、電荷蓄積容量の大きな方の水平転送路１１２に比べて小さな電力で行うことができ、消費電力を低減することが可能になる。
【００５１】
出力部６２および出力部６４は出力アンプ（フローティングデフュージョンアンプ）を含んでおり、入力された信号電荷の電荷検出を行い、信号電圧として出力端子に出力する。こうして、ＰＤで光電変換した信号が点順次の信号列として出力される。
【００５２】
すなわち、ＰＤに光が入射すると、その光量に応じた電荷が蓄積され、ＰＤ１０２に蓄積された電荷はフィールドシフトパルスに応じて各ＰＤに対応する垂直転送路１０４へ読み出しゲート１０８を通じて読み出される。
【００５３】
垂直転送路１０４において、ＰＤ１０２から読み出された電荷はＶＣＣＤパルスによって水平転送路１１０または水平転送路１１２に順次転送される。
【００５４】
１画素行分の電荷が垂直転送路１０４の最下段または最上段に転送されると、該電荷は垂直転送路１０４から転送ゲートパルスに応じて水平転送路１１０または水平転送路１１２へ転送される。
【００５５】
［ＣＣＤの垂直転送制御］
次にＶＣＣＤパルスによって、電荷を水平転送路１１０または水平転送路１１２へ転送する転送制御について説明する。
【００５６】
図２および図３には、それぞれ垂直下方向に転送する場合のＶＣＣＤパルス（４相信号）２００と電荷の垂直転送の遷移２１０が示されている。
【００５７】
図１において、垂直転送路１０４の転送電極１０６には１乃至８の番号が付してあり、これは図２に示したＶＣＣＤパルス（４相信号）２００の各番号に相当する。例えば、図１において「１、５」と表示される転送電極１０６には図２における「Ｖ１、５」に示された第１相の信号（第５相の信号）２０２が印加されることを示している。
【００５８】
図２に示したＶＣＣＤパルス２００では、第１相と第５相（符号２０２）、第２相と第６相（符号２０４）、第３相と第７相（符号２０６）、第４相と第８相（符号２０８）には同じ相の駆動信号が印加される。
【００５９】
上記のようにＶＣＣＤパルスを駆動制御することにより、垂直転送路に形成されるポテンシャルは、図３に示すように垂直転送の遷移２１０のように表され、信号電荷は図１であらわす下方向に転送される。
【００６０】
同様に図４および図５には、それぞれ垂直上方向に転送する場合のＶＣＣＤパルス（４相信号）３００と電荷の垂直転送の遷移３１０が示されている。
【００６１】
図３４に示したＶＣＣＤパルス３００では、第１相と第５相（符号３０２）、第２相と第６相（符号３０４）、第３相と第７相（符号３０６）、第４相と第８相（符号３０８）には同じ相の駆動信号が印加される。
【００６２】
上記のようにＶＣＣＤパルスを駆動制御することにより、垂直転送路に形成されるポテンシャルは、図５に示すように垂直転送の遷移３１０のように表され、信号電荷は図１であらわす上方向に転送される。
【００６３】
以上説明したように、本ＣＣＤ１２は電荷蓄積容量の異なる２つの水平転送路１１０および１１２のいずれを用いて画像信号を読み出すかを任意に選択することが出来る。
【００６４】
［第１の実施の形態］
次に、上述したＣＣＤ１２の駆動方法について説明する。
【００６５】
まず、信号電荷を混合して画像信号を出力する場合に、その混合する信号電荷の数に応じて、２つの水平転送路の何れを用いるかを選択するように駆動させることができる。
【００６６】
つまり、信号電荷を混合する場合は、信号電荷を混合しない場合よりも大きな信号電荷を水平転送路で転送する必要があるので、電荷蓄積容量の大きな方の水平転送路１１２を用い、信号電荷を混合しない場合は、信号電荷を混合する場合よりも小さな信号電荷を水平転送路で転送することになるので、電荷蓄積容量の小さな方の水平転送路１１０を用いるように駆動させる。このとき、使用しない方の水平転送路には駆動パルスを供給しないように制御することが好ましい。このように動作させることによって、信号電荷を混合しない場合は、信号電荷を混合する場合に比べて、小さな電力で水平転送路を駆動することができる。また、信号電荷の混合数に応じて、どちらの水平転送路を用いるかを選択してもよい。例えば、２画像混合の場合までは、小さな電荷蓄積容量の水平転送路を用い、４画素混合の場合は大きな電荷蓄積容量の水平転送路を用いるようにしてもよい。
【００６７】
信号電荷の混合方法については、公知の方法を採用することができる。例えば、垂直転送路を用いて、信号電荷を混合することができ、また、必要であれば垂直転送路の最後段と水平転送路の間にラインメモリ（ＬＭ）を設置し、水平転送路で信号電荷を混合することもでき、これらを組み合わせて、信号電荷を混合してもよい。信号電荷の混合方法を開示した文献として、特開２００５−２４４４５９、特開２００５−２２９５０３等が挙げられる。
【００６８】
［第２の実施の形態］
次に、読み出すＰＤの電荷蓄積容量に応じて、異なる水平転送路を用いて電荷転送する駆動方法を説明する。図４はＰＤの構成図である。図１におけるＰＤ１０２を、図６に示すように大きな電荷蓄積容量をもつＰＤ１０２ａと、小さな電荷蓄積容量をもつＰＤ１０２ｂにより構成する。それ以外の構成は図１に示すＣＣＤと同様である。ＰＤの電荷蓄積容量は、図６のように面積を変えることで実現できる。また、ＰＤを構成する半導体の不純物濃度を変えてもよい。
【００６９】
それぞれのＰＤで光電変換された信号電荷は垂直転送路に読み出される。読出しゲート１０８ａまたは読出しゲート１０８ｂの制御により、ＰＤ１０２ａおよびＰＤ１０２ｂのいずれのＰＤに蓄積された電荷を垂直転送路に読み出すかを制御することができる。大きいＰＤ１０２ａから読み出された信号電荷を、ＶＣＣＤパルスの制御により垂直上方向に転送するとともに、ＨＣＣＤパルスの制御により電荷蓄積容量の大きな水平転送路１０４から読み出すようにし、小さいＰＤ１０２ｂから読み出された信号電荷を、ＶＣＣＤパルスの制御により垂直下方向に転送するとともに、ＨＣＣＤパルスの制御により電荷蓄積容量の小さな水平転送路１１０から読み出すように制御する。小さなＰＤ１０２ｂからの読み出される信号電荷の最大値は、大きなＰＤ１０２ａから読み出される信号電荷の最大値よりも小さくなるので、小さな電荷蓄積容量で水平転送路１１０を構成することができ、小さな電力で水平転送路１１０を駆動させることができる。このとき、使用しない方の水平転送路には駆動パルスを供給しないように制御することが好ましい。従って、小さなＰＤ１０２ｂからの信号電荷を読み出す時は、大きなＰＤ１０２ａからの信号電荷を読み出す時よりも、省電力で画像信号を読み出すことができる。
【００７０】
［第３の実施の形態］
次に、画像信号の出力値に応じて、水平転送路を切り替えるＣＣＤの駆動方法を説明する。
【００７１】
例えば、動画撮影のような連続撮影時には各撮影フレームの信号電荷を連続的に出力することになる。そこで、ＣＣＤから出力された信号の全部または一部を後述するＲＡＭ２２等に記憶しておき、その出力値が所定値以下であれば、次の画像は小さな電荷蓄積容量の水平転送路１１０から出力されるように制御し、該出力値が所定値以上であれば、次の画像は大きな電荷蓄積容量の水平転送路１１２から出力されるように制御する。記憶する出力信号は画像全体の平均値あるいは最大値としてもよいし、一部の画像領域の出力値の平均値や最大値としてもよい。上記所定値は水平転送路の電荷蓄積容量に応じて設定することが好ましい。各撮影ごとに水平転送路を切り換えるように制御してもよいし、一定の間隔でＣＣＤの出力値を監視して、一定の間隔で水平転送路を切り換えるように制御してもよい。このとき、使用しない方の水平転送路には駆動パルスを供給しないように制御することが好ましい。
【００７２】
［第４の実施の形態］
水平転送路の切り換えを判別する際に、ＣＣＤ１２の受光領域１００の端部に設けられた、オプティカルブラック（ＯＢ）領域１１４の出力信号を採用することも可能である。通常ＯＢ領域は光が入らないため、出力値はノイズ程度の小さな値となる。しかし、水平転送路に大きな信号電荷が混入すると、信号電荷が転送中に溢れて後段のパケットに信号電荷が流入し、ＯＢ領域の出力値が大きくなることがある。そこで、ＯＢ領域の出力信号を監視することによって、小さな電気蓄積容量の水平転送路で転送可能な信号電荷量を超えているかを判別できる。本実施例では、ＯＢ領域をＣＣＤ１２の受光領域１００の列方向の端部に配置してあるが、ＯＢ領域を受光領域内に一定間隔で配置するようにしてもよい。
【００７３】
［第５の実施の形態］
図７は動画撮影の一例を示すフローチャートである。ＳＡ１において動画の出力がスタートする。この時、ＣＣＤ１２の電荷蓄積容量の小さな水平転送路１１０を用いて画像信号を出力する。ＳＡ２にて出力された画像を後述する表示装置４０に出力する。ＳＡ３にてＯＢ領域１１４からの出力値が所定値以上かどうかを判定する。所定値以下であればＳＡ２に戻り、ＣＣＤ１２から画像を新たに取り込み表示する。所定値以上であれば、電荷蓄積容量の小さなＨＣＣＤ１１０から電荷蓄積容量の大きな水平転送路１１２に出力を切り換える。
【００７４】
ＳＡ５では、電荷蓄積容量の大きな水平転送路１１２から画像信号が出力される。ＳＡ６にて画像の出力信号が所定値以下であるかを判定する。電荷蓄積容量の大きな水平転送路１１２から画像信号が出力されているときには、ＯＢ領域１１４からの出力値では判別ができないからである。
【００７５】
画像の出力信号が所定値以下であれば、ＳＡ５に戻り、電荷蓄積容量の大きな水平転送路１１２を用いて画像出力を続ける。所定値以下であれば、ＳＡ７にて、電荷蓄積容量の小さな水平転送路１１０から画像信号を出力するように切り換え、ＳＡ２に戻る。なお、画像表示と平行して画像の記録を行ってもよいし、画像記録は行わずスルー画として用いてもよい。
【００７６】
［第６の実施の形態］
次に、本ＣＣＤ１２を用いた、静止画の撮像方法の一例を説明する。
【００７７】
スルー画を撮像するときは常に電荷蓄積容量の小さな水平転送路１１０を用いて画像信号を出力するように制御する。そして、実際に記録される静止画を撮影する時には、電荷蓄積容量の大きな水平転送路１１２を用いて画像信号を出力するように制御する。あるいは、スルー画の出力の全部または一部の出力信号を、前述したように、ＲＡＭ２２等に記憶しておき、その出力値が所定値以下であれば、静止画の撮影画像は小さな電荷蓄積容量の水平転送路１１０から出力されるように制御し、該出力値が所定値以上であれば、静止画の撮影画像は大きな電荷蓄積容量の水平転送路１１２から出力されるように制御してもよい。従って、スルー画の出力時においては、電荷蓄積容量の小さな水平転送路１１０のみを用いるので、低消費電力でＣＣＤ１２を駆動することができる。
【００７８】
スルー画は一般的には撮影者が画角を決定する為の便宜として出力され、記録されない画像である。従って、小さな電荷蓄積容量の水平転送路１１０を用いて信号電荷を読み出すことで、多少水平転送路で信号電荷が飽和しても、撮影者が画角を決める為の機能は充分に果たす。また、デジタルカメラの一般的な使用態様を考えると、スルー画を出力している時間の方が、実際に撮影する時間よりもはるかに大きいので、スルー画を低消費電力で出力できる意義は大きい。
【００７９】
［デジタルカメラ全体の構造と動作］
以上、本発明の実施形態に係るＣＣＤの構造とその動作あるいは制御方法について説明してきたが、最後に本発明の実施形態に係るデジタルカメラ全体の構造と動作あるいは制御方法を説明する。
【００８０】
図８は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラのブロック図である。
【００８１】
カメラ１０は、ＣＣＤ１２を介して撮像した被写体の光学像をデジタル画像データに変換して記録メディア１４に記録するデジタルカメラである。
【００８２】
カメラ１０全体の動作は、カメラ内臓の中央処理装置（以下ＣＰＵと記載）１６によって統括制御される。ＣＰＵ１６は、所定のプログラムに従って本カメラシステムを制御する制御手段として機能するとともに、自動露出（ＡＥ）演算、自動焦点調節（ＡＦ）演算、およびオートホワイトバランス（ＡＷＢ）制御など各種演算を実施する演算手段として機能する。
【００８３】
ＣＰＵ１６はバスを介してＲＯＭ２０およびメモリ（ＲＡＭ）２２と接続されている。ＲＯＭ２０にはＣＰＵ１６が実行するプログラムおよび制御に必要な各種データなどが格納されている。ＲＡＭ２２にはプログラムの展開領域およびＣＰＵ１６の演算作業用領域として利用されるとともに、画像データの一時記憶領域として利用される。
【００８４】
また、ＣＰＵ１６にはＥＥＰＲＯＭ２４が接続されており、ＥＥＰＲＯＭ２４はＡＥ、ＡＦおよびＡＷＢ等の制御に必要なデータあるいはユーザーが設定したカスタマイズ情報などが格納される不揮発性の記憶手段であり、必要に応じてデータの書き換えが可能であるとともに、電源オフ時においても情報内容が保持される。ＣＰＵ１６は必要に応じてＥＥＰＲＯＭ２４のデータを参照して演算等を行う。
【００８５】
カメラ１０にはユーザーが各種の指令を入力するための操作部３０が設けられている。操作部３０には、シャッターボタン３２、ズームスイッチ３４、モード切変スイッチ３６など各種操作部を含む。シャッターボタン３２は、撮影開始の指示を入力する操作手段であり、半押し時にオンするＳ１スイッチと、全押し時にオンするＳ２スイッチとを有する二段ストローク式のスイッチで構成されている。Ｓ１オンにより、ＡＥおよびＡＦ処理が行われ、Ｓ２オンによって記録用の露光が行われる。ズームスイッチ３４は、撮影倍率や再生倍率を変更するための操作手段である。モード切換スイッチ３６は撮影モードと再生モードとを切り換えるための操作手段である。
【００８６】
また、操作部３０には、上記の他、撮影目的に応じて最適な動作モード（連射モード、オート撮影モード、マニュアル撮影モード、人物モード、風景モード、夜景モードなど）を設定する撮影モード設定手段３８、液晶モニタ（表示装置）４０にメニュー画面を表示させるメニューボタン４４、メニュー画面から所望の項目を選択する十字ボタン（カーソル移動操作手段）４６、選択項目の確定や処理の実行を指令するＯＫボタン４８、選択項目など所望の対象の消去や指示内容の取消し、或いは１つ前の操作状態に戻らせる指令を入力するキャンセルボタン５０などの操作手段も含まれる。
【００８７】
なお、操作部３０の中には、プッシュ式のスイッチ部材、ダイヤル部材、レバースイッチなどの構成によるものに限らず、メニュー画面から所望の項目を選択するユーザーインターフェースによって実現されるものも含まれている。
【００８８】
操作部３０からの信号はＣＰＵ１６に入力される。ＣＰＵ１６は操作部３０からの信号入力に基づいてカメラ１０の各回路を制御し、例えば、レンズ駆動制御、撮影動作制御、画像処理制御、画像データの記録／再生制御、液晶モニタ（表示装置）４０の表示制御などを行う。
【００８９】
液晶モニタ４０は、撮影時に画角確認用の電子ファインダーとして使用できるとともに、記録済み画像を再生表示する手段として利用される。また、液晶モニタ４０は、ユーザーインターフェース用表示画面としても利用され、必要に応じてメニュー情報や選択項目、設定内容などの情報が表示される。なお、実施形態では表示装置には液晶モニタを用いたが、有機ＥＬなど他の方式の表示装置（表示手段）を用いることも可能である。
【００９０】
次に、カメラ１０の撮影機能について説明する。
【００９１】
カメラ１０の撮像系は、撮像レンズ５２と絞り兼用シャッター機構５４とを含む光学系５６とＣＣＤ１２とを備えている。なお、ＣＣＤ１２に代えて、ＭＯＳ型固体撮像素子など他の方式の撮像素子を用いることも可能である。撮像レンズ５２は電動式のズームレンズで構成されており、主として倍率変更（焦点距離可変）作用をもたらす変倍レンズ群および補正レンズ群と、フォーカス調整に寄与するフォーカスレンズとを含んでいる。
【００９２】
撮影者によって操作部３０のズームスイッチ３４が操作されると、そのスイッチ操作に応じてＣＰＵ１６からレンズドライバー（光学系ドライバー５８）に対して光学系制御信号が出力される。レンズドライバーは、ＣＰＵ１６からの制御信号に基づいてレンズ駆動用の信号を生成し、ズームモーター（不図示）に与える。こうして、レンズドライバーから出力されるモーター駆動電圧によってズームモーターが作動し、撮像レンズ内の変倍レンズ群および補正レンズ群が光軸に沿って前後移動することにより、撮像レンズ５２の焦点距離（光学ズーム倍率）が変更される。
【００９３】
また、ＣＰＵ１６は絞りドライバー（光学系ドライバー５８）を介して絞り兼用メカシャッター機構５４の制御を行っている。なお、図１には、レンズドライバーと絞りドライバーとを光学系ドライバー５８と表示されている。
【００９４】
光学系を通過した光は、ＣＣＤ１２の受光面に入射する。ＣＣＤ１２の受光面には多数のフォトセンサ（光電変換素子）が平面的に配列され、各フォトセンサに対応して赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色系カラーフィルタ（ＣＦ）が所定の配列構造で配置されている。もちろん、シアン、マゼンタ、イエロー、（グリーン）からなる補色系のＣＦを用いてもよい。
【００９５】
ＣＣＤ１２の受光面に結像された被写体像は、各フォトセンサによって入射光量に応じた量の信号電荷に変換される。ＣＣＤ１２は、シャッターゲートパルスのタイミングによって各フォトセンサの電荷蓄積時間（シャッタースピード）を制御する電子シャッター機能を有している。
【００９６】
ＣＣＤ１２の各フォトセンサに蓄積された信号電荷は、ＣＣＤドライバー６０から与えられる駆動パルスに基づいて信号電荷に応じた電圧信号（画像信号）として順次読み出さ
れる。ＣＣＤドライバー６２および、タイミング発生器７４でＶＣＣＤパルス、ＨＣＣＤパルスを制御し、垂直転送路における信号電荷の転送方向および、２つの水平転送路の動作を制御することができる。
【００９７】
ＣＣＤ１２は前述したように電荷蓄積容量の異なる水平転送路を２つ備えており、各水平転送路にはそれぞれ出力部６２および出力部６４を有している。さらに、撮像モードやＣＣＤ１２の読出制御に応じてどちらの出力部から画像信号を取得するかを切り換えるＣＣＤ出力切換回路６６を備え、各出力部から取得される画像信号はＣＣＤ出力切換回路６６を介して後段の回路に送られる。なお、ＣＣＤ１２の詳細な構造および制御については前述した通りである。
【００９８】
ＣＣＤ１２から出力された画像信号は、アナログ処理部（ＣＤＳ／ＧＣＡ）６８に送られる。アナログ処理部６８は、ＣＤＳ（相関二乗サンプリング）回路およびＧＣＡ回路（ゲイン調整回路）を含む処理部であり、このアナログ処理部６８においてサンプリング処理並びにＲ，Ｇ，Ｂの各信号に色分離処理され、各色信号の信号レベルの調整が行われる。
【００９９】
アナログ処理部６８から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器７０によってデジタル信号に変換された後、デジタル信号処理部７２を介してＲＡＭ２２に格納される。タイミングジェネレータ（ＴＧ）７４は、ＣＰＵ１６の指令に従ってＣＣＤドライバー６０、ＣＣＤ出力切換回路６６、アナログ処理部６８、Ａ／Ｄ変換器７０およびデジタル信号処理部７２に対してタイミングを与えており、このタイミング信号によって各回路の同期がとられている。
【０１００】
デジタル信号処理部７２は、ＲＡＭ２２の読み書きを制御するメモリコントローラを兼ねたデジタル信号処理ブロックである。デジタル信号処理部７２は、ＡＥ／ＡＦ／ＡＷＢ処理を行うオート演算部、ホワイトバランス回路、ガンマ変換回路、同時化回路（単板ＣＣＤのカラーフィルタ配列に伴う色信号の空間的なズレを補間して各点の色を計算する処理回路）、輝度・色差信号輝度・色差信号生成回路、輪郭補正回路、コントラスト補正回路等を含む画像処理手段であり、ＣＰＵ１６からのコマンドに従ってＲＡＭ２２を活用しながら画像信号を処理する。
【０１０１】
ＲＡＭ２２に格納されたデータ（ＣＣＤＲＡＷデータ）は、バスを介してデジタル信号処理部７２に送られ、デジタル信号処理部７２に入力された画像データは、ホワイトバランス調整処理、ガンマ変換処理、輝度信号（Ｙ信号）および色差信号（Ｃｒ、Ｃｂ信号）への変換処理（ＹＣ処理）など、所定の信号処理が施された後、ＲＡＭ２２に格納される。
【０１０２】
画像をモニタに出力する場合、ＲＡＭ２２から画像データが読み出され、表示回路７６に送られる。表示回路７６に送られた画像データは表示用の所定方式の信号（例えば、ＮＴＳＣ方式のカラー複合映像信号）に変換された後、液晶モニタ４０に出力される。ＣＣＤ１２から出力される画像信号によってＲＡＭ２２内の画像データが定期的に書き換えられ、その画像データから生成される映像信号が液晶モニタ４０に供給されることにより、撮像中の映像がリアルタイムに液晶モニタ４０に表示される。撮影者は液晶モニタ４０に表示される映像（いわゆるスルームービー）によって画角（構図）を確認できる。
【０１０３】
撮影者が画角を決めてシャッターボタン３２を押下すると、ＣＰＵ１６はこれを検知し、シャッターボタンの半押し（Ｓ１オン）に応動してＡＥ処理、ＡＦ処理を行い、シャッターボタンの全押し（Ｓ２オン）に応動して記録用の画像を取り込むためのＣＣＤ露光および読み出し制御を開始する。
【０１０４】
すなわち、ＣＰＵ１６は、Ｓ１オンに応動して取り込まれた画像データから焦点評価演算やＡＥ演算などの各種演算を行い、その演算結果に基づいてレンズドライバーに制御信号を送り、図示しないＡＥモーターを制御してフォーカスレンズ（図８には光学系として表示）を合焦位置に移動させる。
【０１０５】
また、ＡＥ演算部は撮影画像の１画面を複数のエリア（例えば１６×１６）に分割し、分割エリアごとにＲＧＢ信号を積算する回路を含み、その積算値をＣＰＵ１６に提供する。ＲＧＢの各色信号について積算値を求めてもよいし、これらのうち一色（例えばＧ信号）のみについて積算値を求めてもよい。
【０１０６】
ＣＰＵ１６は、ＡＥ演算部から得た積算値に基づいて重み付け加算を行い、被写体の明るさ（被写体輝度）を検出し、撮影に適した露出値（撮影ＥＶ値）を算出する。
【０１０７】
ＣＰＵ１６は、上述のＡＥ演算結果に基づいて絞りとシャッターボタンの全押し（Ｓ２オン）に応動して記録用の画像を取得する。
【０１０８】
Ｓ２オンに応動して取り込まれた画像データは、図１に示したデジタル信号処理部７２においてＹＣ処理その他の所定の信号処理を経た後、圧縮伸張回路７８において所定の圧縮フォーマット（例えばＪＰＥＧ方式）に従って圧縮される。圧縮された画像データは、メディアインターフェース部を介して記録メディア１４に記録される。圧縮形式はＪＰＥＧ方式に限定されず、ＭＰＥＧその他の方式を採用してもよい。
【０１０９】
画像データを保存する手段は、スマートメディアｘＤ−Ｐｉｃｔｕｒｅ  Ｃａｒｄ（商標）、コンパクトフラッシュ（商標）などに代表される半導体メモリカード、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクなど、種々の媒体を用いることができる。また、リムーバルメディアに限らず、カメラ１０に内蔵された記録媒体（内部メモリ）であってもよい。
【０１１０】
カメラ１０には、音声付き動画撮影機能を備えている。シャッターボタン３２全押し（Ｓ２オン）に応動して画像記録が開始され、シャッターボタン３２半押し（Ｓ１オン）により画像記録は停止される。音声はマイクロホン（不図示）によりカメラ１０に取り込まれ、カメラ１０内の音声処理回路（不図示）によって所定処理が施され、画像と共に記録メディアに記録される。
【０１１１】
操作部３０のモード切換スイッチ３６によって再生モードが選択されると、記録メディア１４に記録されている最終の画像ファイル（最後に記録したファイル）が読み出される。記録メディア１４から読み出された画像ファイルのデータは、圧縮伸張回路７８によって伸張処理され、表示回路７６を介して液晶モニタ４０に出力される。
【０１１２】
再生モードの一コマ再生時に十字ボタン４６を操作することにより、順方向または逆方向にコマ送りすることができ、コマ送りされた次のファイルが記録メディア１４から読み出され、表示画像が更新される。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の実施形態に係るＣＣＤ固体撮像素子の受光面を示す平面図
【図２】垂直下方向に電荷を転送するためのＶＣＣＤパルスを示した図
【図３】垂直下方向の電荷転送遷移を示した図
【図４】垂直上方向に電荷を転送するためのＶＣＣＤパルスを示した図
【図５】垂直上方向の電荷転送遷移を示した図
【図６】図１に示した固体撮像素子の光電変換素子の変形例を示す図
【図７】動画撮影時における水平転送路の切り換えの一例を示すフローチャート
【図８】本発明の実施形態に係るデジタルカメラのブロック図
【図９】従来のＣＣＤ固体撮像素子の受光面の一例を示す平面図
【符号の説明】
【０１１４】
１０…カメラ、１２…ＣＣＤ、１６…ＣＰＵ、６２、６４…出力部、７２…デジタル信号処理部、１０２…ＰＤ、１０４…垂直転送路（ＶＣＣＤ）、１０６…転送電極、１０８、１０８ａ，１０８ｂ…読出しゲート、１１０、１１２…水平転送路（ＨＣＣＤ）、１１４…オプティカルブラック（ＯＢ）領域、
【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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