(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フル画面モードと部分画面モードとを有する高速度撮像装置の高速度撮像素子において、
光信号を電荷に変換する２次元配列の複数の受光部から成る受光領域と、前記複数の受光部それぞれの蓄積電荷を垂直転送路に沿って垂直転送して一時的に前記全受光部の電荷を蓄積する複数の蓄積部から成る蓄積領域と、前記複数の蓄積部の蓄積電荷を水平方向に並列に読み出す複数の読出しチャンネルから成る出力部とを備え、
前記蓄積領域は前記受光領域の垂直方向に分割して形成された第１および第２の部分蓄積領域から成り、
前記出力部は前記第１および第２の部分蓄積領域それぞれに対応して分割して形成された第１および第２の部分出力部から成る出力部であって、前記フル画面モードでは第１および第２の部分出力部の双方から、また前記部分画面モードでは前記第１の部分出力部から前記蓄積電荷が読み出される出力部であり、
前記複数の読み出しチャンネルの内、前記第１の部分出力部に対応する各読み出しチャンネルから読み出される前記各蓄積部の前記水平方向の画素数を第１の画素数とし、前記第２の部分出力部に対応する各読み出しチャンネルから読み出される前記各蓄積部の前記水平方向の画素数を第２の画素数とするとき、前記第１の画素数は前記第２の画素数よりも小さく設定される、
ことを特徴とする高速度撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の発明において、
前記第１の画素数は前記第２の画素数の半分である高速度撮像素子。
【請求項３】
請求項１記載の発明において、
前記第１の部分蓄積領域及び前記第１の部分出力部は、夫々前記蓄積領域及び前記出力部の水平方向の中央部に位置し、前記第２の部分蓄積領域及び前記第２の部分出力部は夫々前記中央部の両側に位置している、
高速度撮像素子。
【請求項４】
請求項３記載の発明において、
前記受光領域の受光部および前記蓄積領域の蓄積部の水平方向の数は５１２個で形成され、前記第１の部分出力部に対応する前記読み出しチャンネルの数は８個で形成され、前記中央部の両側に設けられている前記第２の部分出力部に対応する前記読み出しチャンネルの数は夫々２個で形成され、
前記第１の画素数は３２個であり、前記第２の画素数は６４個である、
高速度撮像素子。
【請求項５】
請求項４記載の発明において、
前記受光領域の前記垂直方向には２５６個の前記受光部が配列されている高速度撮像素子。
【請求項６】
請求項１記載の発明において、
前記蓄積領域は前記受光領域の垂直方向の両側に分割して形成された第１および第２の蓄積領域から成り、前記出力部は前記第１および第２の蓄積領域それぞれに対応して分割して形成された第１および第２の出力部から成る高速度撮像素子。
【請求項７】
フル画面モードと部分画面モードとを有する高速度撮像装置において、
光信号を電荷に変換する２次元配列の複数の受光部から成る受光領域と、前記複数の受光部それぞれの蓄積電荷を垂直転送路に沿って垂直転送して一時的に前記全受光部の電荷を蓄積する複数の蓄積部から成る蓄積領域と、前記複数の蓄積部の蓄積電荷を水平方向に並列に読み出す複数の読出しチャンネルから成る出力部と、を具備する高速撮像素子と、
前記フル画面モードと前記部分画面モードとを選択的に指定する指定手段と、
備え、
前記蓄積領域は、前記受光領域の垂直方向に分割して形成された第１および第２の部分蓄積領域から成り、
前記出力部は、前記第１および第２の部分蓄積領域それぞれに対応して分割して形成された第１および第２の部分出力部から成る出力部であって、前記フル画面モードでは第１および第２の部分出力部の双方から、また前記部分画面モードでは前記第１の部分出力部から前記蓄積電荷が読み出される出力部であり、
前記複数の読み出しチャンネルの内、前記第１の部分出力部に対応する各読み出しチャンネルから読み出される前記各蓄積部の前記水平方向の画素数を第１の画素数とし、前記第２の部分出力部に対応する各読み出しチャンネルから読み出される前記各蓄積部の前記水平方向の画素数を第２の画素数とするとき、前記第１の画素数は前記第２の画素数よりも小さく設定される、
ことを特徴とする高速度撮像装置。
【請求項８】
請求項７記載の発明において、
前記フル画面モードでは前記第１及び第２の部分蓄積領域の蓄積電荷を読み出し、前記部分画面モードでは前記第１の部分蓄積領域の蓄積電荷を読み出す電荷読み出し実行手段、
をさらに設けた高速度撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレーム・インターライン・トランスファ型のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：固体撮像素子）を用いた高速度撮像素子および高速度撮像装置に関する。とくに、電荷の並列読出しおよび部分読出しを実行できるようにした高速度撮像素子および高速度撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速度撮像はスローモーション再生など、種々の分野で有用である。スローモーション再生を行うには、規格速度（ＮＴＳＣ方式のときは３０画面／秒、ＰＡＬ方式のときは２５画面／秒）より大きい速度で撮像し、その画像データを規格速度で再生するとスローモーション映像を見ることができる。例えば、規格速度のｎ倍の速度で撮像した画像データを規格速度で再生すると、被写体の動きを１／ｎに遅くして観察することができる。このスローモーション画像は、周知の如く、スポーツ選手の運動動作の解析やスポーツ勝敗の判定に有用であるばかりでなく、様々な学術研究や工業生産分野での動態解析に著しう有用性を発揮している。
【０００３】
一般に、このような高速度撮像の１つの手法として、ＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型撮像素子などの撮像素子のクロック周波数を上げることで反応速度を速くすることが知られている。しかし、この撮像素子の反応速度自体に一定の物理的制限があるので、クロック周波数を上げることに拠る撮像速度の高速化にも限界がある。
【０００４】
この限界以上の高速化を実現するには、その１つの手法として、撮像素子からの出力数を複数にして並列に電荷を読み出す、いわゆる並列読出しの方法がある。例えば、１出力の構成で３０画面／秒の規格の撮像素子に対して、読出し数を４並列に変更すれば、撮像速度を原理的には４倍の１２０画面／秒に上がることができる。
【０００５】
ここで、このような並列読出しの従来例を図５に示す。この従来例は、フレームトランスファ型（フレーム・インターライン・トランスファ型）のＣＣＤ撮像素子について１６個の並列読出しを行うように実施したものである。
【０００６】
同図において、ＣＣＤ撮像素子１０１は１チップの集積回路上に、非遮光状態の受光領域１０２、遮光状態の蓄積領域１０３、および出力部１０４を備える。受光領域１０２は、例えば水平方向５１２画素×垂直方向２５６画素に相当する複数の受光部が２次元配列されている。蓄積領域１０３は上記複数の受光部数分の蓄積部を、受光領域の垂直方向の両側にセパレートして第１、第２の蓄積領域１０３ａ，１０３ｂに分割配列されている。さらに出力部１０４は、垂直方向の両側にて第１、第２の蓄積領域に隣接して配置された第１、第２の水平レジスタ１０４ａ，１０４ｂを備える。第１、第２の水平レジスタ１０４ａ，１０４ｂは例えば８個の並列読出しチャンネル１〜８および９〜１６を夫々有し、個々の読出しチャンネルから出力アンプ１０５を介して受光部の電荷が読み出される。このＣＣＤ撮像素子には、図示しない外部の駆動回路から駆動信号が供給されている。これにより、１６チャンネルの並列読出しが可能になっている。
【０００７】
受光領域１０２の各受光部に光が入射すると、その光は強度に電荷に変換される。外部から供給される駆動信号により全受光部の蓄積電荷が画素単位で蓄積領域に転送される。ここでは、受光領域１０２の受光部の半分ずつが第１、第２の蓄積領域１０３ａ，１０３ｂに別れて転送される。この分割転送により、転送時間の短縮が図られている。第１、第２の蓄積領域１０３ａ，１０３ｂにおいても、駆動信号に応答して電荷が画素単位で垂直方向に転送される。画素毎の第１、第２の蓄積領域１０３ａ，１０３ｂへの電荷転送を繰り返すことで、全受光部の電荷が第１、第２の蓄積領域の全蓄積部に一時的に蓄積された状態が得られる。
【０００８】
次いで、第１、第２の水平レジスタ１０４ａ，１０４ｂに外部から駆動信号が供給されると、各読出しチャンネルから画素単位で蓄積領域の各蓄積部に蓄積されていた電荷が読み出される。この場合、第１、第２の水平レジスタ１０４ａ，１０４ｂそれぞれの各読出しチャンネルが担当する読出し画素数（水平方向の蓄積部の数）は全て均等（例えば、６４個）になっている。これにより、１６チャンネルの並列読出しが実施できる。
【０００９】
【外１】
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【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＦＴ型ＣＣＤ撮像素子にあっては、並列読出しチャンネル分に応じた高速撮像化は達成できるものの、１画面当たりの読出し画素数を減らして読み出す手法の「部分読出し」が実際上、時間短縮という観点からは効かないという状況にある。つまり、上述した図５に示す構成の素子において、例えば読出しチャンネル３〜６、１１〜１４までの中央部分の読出しに必要な時間と、読出しチャンネル１〜１６の全ての読出しに必要な時間とは全く同じであるから、１画面の画素数を減らして読み出す、いわゆる部分読出しの効果は出ない。
【００１１】
光学的マスクなどの構造体を使用しないで電気的に部分読出しができれば、部分読出しを行うときと行わないときとで、１種類の撮像素子でありながら、違う撮像速度（フレームレート）に対処できる。
【００１２】
しかしながら、従来のＦＴ型ＣＣＤ撮像素子にあっては、部分読出しの効果、すなわち、部分読出しに拠る読出し時間短縮の効果が実際上、出ないから、１つの撮像素子で違う値の撮影速度に対処できない。これにより、撮像対象が要求する高速撮影速度（フレームレート）が異なる場合、撮像素子そのものを交換しなければならないなど、汎用性に欠けるという問題があった。
【００１３】
さらに、従来のＦＴ型ＣＣＤ撮像素子では、部分読出しの効果が無いために並列読出しと部分読出しとを併用しても意味が無いから、撮像高速化の面において貢献できるのは並列読出しだけである。したがって、撮影の高速化の面でも物足りないという状況にあった。
【００１４】
本発明は、このような従来技術が有する問題に鑑みてなされたもので、部分読出しが効かないとされていた従来のＦＴ型ＣＣＤ撮像素子において、部分読出しを可能にし、この部分読出しの実行、非実行の態様を通して、異なる撮像速度  （フレームレート）にも対処でき、汎用性の高い撮像素子および撮像装置を提供することを、その目的とする。
【００１５】
また、本発明は、部分読出しが効かないとされていた従来のＦＴ型ＣＣＤ撮像素子において、そのように汎用性を高めるとともに、撮影の高速化も一層推し進めた撮像素子および撮像装置を提供することを、別の目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるため、本発明の一側面によれば、光信号を電荷に変換する２次元配列の複数の受光部から成る受光領域と、前記複数の受光部それぞれの蓄積電荷を垂直転送路に沿って垂直転送して一時的に前記全受光部の電荷を蓄積する複数の蓄積部から成る蓄積領域と、前記複数の蓄積部の蓄積電荷を水平方向に並列に読み出す複数の読出しチャンネルから成る出力部とを備えた高速度撮像素子が提供される。前記複数の読出しチャンネルのそれぞれに前記蓄積領域の複数の蓄積部により形成される水平方向１ラインの読出し画素数を不均一に割り当てたことを特徴とする。
【００１７】
例えば、前記不均一割当ての読出し画素数は第１の数と第２の数の２種類であって、前記第１の数は第２の数よりも小さく設定してある。好適には、前記複数の読出しチャンネルの内、前記蓄積領域の水平方向の中央部に位置している読出しチャンネルが前記第１の数に等しい前記読出し画素数の前記出力転送を担当し、かつ、前記蓄積領域の水平方向における前記中央部の両側に位置している読出しチャンネルが前記第２の数に等しい前記読出し画素数の前記出力転送を担当するように配列されている。
【００１８】
例えば、前記第１の数は前記第２の数の半分である。この場合、好適には、前記蓄積領域は前記受光領域の前記垂直方向の両側に分割して形成された第１および第２の蓄積領域から成り、前記出力部は前記第１および第２の蓄積領域それぞれに対応して分割して形成された第１および第２の出力部から成る。
【００１９】
好適な一例として、前記受光領域の受光部および前記蓄積領域の蓄積部の水平方向の数は５１２個で形成され、前記第１および第２の出力部それぞれの前記読出しチャンネルの数は１２個で形成され、この１２個の読出しチャンネルの内の前記水平方向の両側それぞれ２個の読出しチャンネルは前記第２の数の電荷の出力転送を担当し、かつ、前記水平方向の中央部８個の読出しチャンネルは前記第１の数の電荷の出力転送を担当するように配列され、前記第１の数は３２個かつ前記第２の数は６４個に設定されている。例えば、前記受光領域の前記垂直方向には２５６個の前記受光部が配列されている。
【００２０】
本発明の別な側面によれば、光信号を電荷に変換する２次元配列の複数の受光部から成る受光領域と、前記複数の受光部それぞれの蓄積電荷を垂直転送路に沿って垂直転送して一時的に前記全受光部の電荷を蓄積する複数の蓄積部から成る蓄積領域と、前記複数の蓄積部の蓄積電荷を水平方向に並列に読み出す複数の読出しチャンネルら成る出力部とを備えた撮像素子を有する高速度撮像装置が提供される。前記複数の読出しチャンネルのそれぞれに前記蓄積領域の複数の蓄積部により形成される水平方向１ラインの読出し画素数を不均一に割り当てる一方で、前記受光領域の複数の受光部の電荷を前記蓄積領域および前記出力部を介して読み出す電荷読出し手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
例えば、前記電荷読出し手段は、前記受光領域の受光部全部の蓄積電荷を読み出す第１の撮像モードおよび前記受光領域の受光部の内の前記不均一割当てに応じた一部の受光部のみの蓄積電荷を読み出す第２の撮像モードを選択的に指定する指定手段と、この指定手段により指定された撮像モードに応じた前記蓄積電荷の読出しを行う読出し実行手段とを備える。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の１つの実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。
【００２３】
図１に示す高速度撮像装置は、エリアイメージセンサ１１と、このセンサ１１に接続された駆動回路１２および処理回路１３と、処理回路１３に接続されたモニタ１４とを備える。
【００２４】
エリアイメージセンサ１１は、対物レンジなどの光学系１１ａと、この光学系１１ａを介して受光面に入射する光を電荷信号に変換するＣＣＤ撮像素子１１ｂとを備える。このＣＣＤ撮像素子１１ｂは、例えば２相駆動方式の各種の駆動信号により駆動されるようになっている。
【００２５】
ＣＣＤ撮像素子１１ｂは、半導体の薄膜積層技術によって、例えばｎ−基板上に形成した１チップのフレーム・インターライン・トランスファ型（ＦＴ型；フレーム・トランスファ型とも呼ばれる）のＣＣＤ撮像素子から成る。なお、図２において、ｘ軸方向を水平（横）方向、ｙ軸方向を垂直（縦）方向と便宜上呼ぶことにする。
【００２６】
図２に模式的に示すように、このＣＣＤ撮像素子１１ｂでは、かかる薄膜積層技術によって、垂直方向の中央部に形成された受光領域２１と、この受光領域２１の垂直方向両側に分割して形成された第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂと、第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂに隣接して形成された出力部としての第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂとを備える。
【００２７】
受光領域２１は非遮光状態に形成されるとともに、この実施形態では５１２画素（水平方向）×２５６画素（垂直方向）分の複数の受光部ＬＰ…ＬＰをｘｙ面に２次元的に配列して成る。各受光部ＬＰはフォトダイオードで形成されている。ここで、垂直方向または水平方向の同一列の受光部ＬＰをラインと呼ぶことにする。
【００２８】
各受光部ＬＰは、１フレームの画像を形成する画素信号の素になる電荷を生成する。つまり、各受光部ＬＰには入射光量に対応した電荷が蓄積される。この受光領域２１には、駆動回路１２から第１転送信号ｉ ｔｏ ｓ信号（ここでは２相駆動方式で、位相の１８０°異なるｉ ｔｏ ｓ１信号とｉ ｔｏ ｓ２信号の２つから成る；図４参照）が供給される。このため、ｉ ｔｏ ｓ信号のパルス波形が反転する度に、各受光部ＬＰの蓄積電荷が垂直方向に画素単位で転送される。
【００２９】
本実施形態では電荷転送の高速化を図るため、図２に示す如く、蓄積領域を垂直方向の上下に２分割するチップ構造を採用している。このため、受光領域２１の垂直方向上半分の領域の各受光部ＬＰの蓄積電荷は、上側の第１の蓄積領域２２ａに転送され、反対に、下半分の領域の各受光部ＬＰの蓄積電荷は、下側の第２の蓄積領域２２ｂに転送される。
【００３０】
第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂはそれぞれ、５１２画素（水平方向）×１２８画素（垂直方向）分の電荷蓄積部をｘｙ面に２次元配列したチップ構造を有する。この第１、第２の記憶領域２２ａ，２２ｂは遮光されている。電荷蓄積部は垂直方向の転送路を形成し、この各電荷蓄積部を介して画素単位で垂直方向に蓄積電荷を転送できるようになっている。つまり、この両蓄積領域２２ａ，２２ｂは新たな電荷蓄積は行わず、駆動回路１２から供給される第２転送信号ｓ ｔｏ ｈ信号（ここでは２相駆動方式で、位相の１８０°異なるｓ ｔｏ ｈ１信号とｓ ｔｏ ｈ２信号の２つから成る；図４参照）に応答して、受光領域２１から転送されてきた電荷をさらに第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂそれぞれに画素毎で渡す。第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂはその合計で、受光領域２１と同じ画素サイズを有するから、電荷転送を繰り返すことで、受光領域２１の全受光部ＬＰの蓄積電荷を全て格納できる。
【００３１】
出力部としての第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂは、本発明の特徴の構造面での主要部を成すものである。図２に示す如く、水平レジスタ２３ａ，２３ｂはそれぞれ、図２に示す如く構造的に並列読出し用に１２分割され、図２中の下側の第２の水平レジスタ２３ｂがそれぞれ独立した読出しチャンネル１〜１２を形成し、上側の第１の水平レジスタ２３ａがそれぞれ独立した読出しチャンネル１３〜２４を形成している。読出しチャンネル１〜２４はそれぞれ、第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂで水平方向に割り当てた画素数分の垂直転送路からの転送電荷を並列に１回で読み出し、これを時系列に水平転送する機能を有する。
【００３２】
ただし、各読出しチャンネルは従来方式とは異なり、不均一に分割されている。本実施形態の場合、図３に示す如く、第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂにおいて、受光領域および蓄積領域それぞれの水平方向中央部に割り当てた２５６画素に相当する読出しチャンネル３〜１０および１５〜２２のそれぞれは、蓄積領域２２ａ，２２ｂの水平方向における３２画素分の垂直転送路からの水平転送を担うように割り振られている。また、かかる中央部の水平方向両側に位置する読出しチャンネル１，２，１１，１２および１３，１４，２３，２４のそれぞれは、蓄積領域２２ａ，２２ｂの水平方向における６４画素分の垂直転送路からの水平転送を担うように割り振られている。これにより、第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂ夫々が水平方向の５２６（＝６４×４＋３２×８）画素分の全部の水平転送を賄っている。
【００３３】
この水平転送は、駆動回路１２から水平レジスタ２３ａ，２３ｂに夫々供給される第３転送信号ｈ（ここでは２相駆動方式で、位相の１８０°異なるｈ１信号とｈ２信号の２つから成る；図４参照）と前述した第２転送信号ｓ ｔｏ ｈ信号とが共働してなされる。受光領域２１の全蓄積電荷が第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂに別かれて転送され、その全部が第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂに蓄積完了したタイミングで、第２転送信号ｓ ｔｏ ｈ信号のパルス波形が１回立ち上がる（立ち下がる）。これに付勢されて、水平方向１ライン分の蓄積電荷が第１、第２の記憶領域２２ａ，２２ｂから第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂにそれぞれ転送される。その後、位相が１８０°異なる第３転送信号ｈ１，ｈ２の立上がりによって、第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂの読出しチャンネル１〜２４のそれぞれから割当て数画素数分の水平方向の蓄積電荷が画素毎に水平転送される。
【００３４】
これにより、中央部の読出しチャンネル３〜１０および１５〜２２のそれぞれから３２個の画素数分の蓄積電荷が順次読み出され、同時に、両側の読出しチャンネル１，２，１１，１２および１３，１４，２３，２４のそれぞれから６４個のそれが順次読み出される。
【００３５】
このように、受光領域２１の全部を１画面とする場合（フル画面の場合）、各読出しチャンネルからの読出し画素数に６４個と３２個との相違はあるが、１画面の読出し時間に関わるのは６４個の方である。中央部の読出しチャンネル３〜１０および１５〜２２では読出し画素数が少ない分（半分）、早く読出しが終了するだけである。このため、後述するように、フル画面で撮像するフル画面モードの場合、第３転送信号ｈ１、ｈ２のパルス数は多い方の読出し数に合わせて設定しておけばよく、６４個と３２個の双方に個別に合わせたパルス数の第３転送信号を設定する必要はない。
【００３６】
第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂの読出しチャンネル１〜２４には、それぞれ、出力アンプ２４が接続されている。この出力アンプ２４も同一チップ上に積層形成されている。このため、読出しチャンネル１〜２４のそれぞれから読み出された蓄積電荷は出力アンプ２４を介して処理回路１３に送出される。
【００３７】
駆動回路１２は、本発明の電荷読出し手段を構成する回路であり、上述した如く２相駆動方式でセンサ１１を駆動するに必要な駆動信号を出力する。これを実行するため、駆動回路１２は、基準となるタイミング信号（クロック）を発生するタイミング信号発生器１２ａと、タイミング信号から各種の駆動信号を生成し出力する駆動信号発生器１２ｂと、画面モードを選択するスイッチ１２ｃとを備える。このスイッチはＣＰＵに置き換えて構成してもよい。
【００３８】
駆動信号発生器１２ｂは、例えばタイミング信号の所定数を計測するカウンタおよびそのカウント値に応答してパルス信号（駆動信号）を発生するパルス発生器を複数組備えて構成される。
【００３９】
駆動信号には上述した如く、受光領域２１から蓄積領域２２ａ，２２ｂに電荷転送するための第１転送信号ｉ ｔｏ ｓ信号、蓄積領域２２ａ，２２ｂから水平レジスタ２３ａ，２３ｂに電荷転送するための第２転送信号ｓ ｔｏ ｈ信号、および、水平レジスタ２３ａ，２３ｂから画素単位で電荷を読み出すための第３転送信号ｈのほか、出力アンプ２４をリセットするために常に連続的に与えられるリセット信号ｒｇ（図４参照）、及び、蓄積領域から水平レジスタへの転送を許可する信号や出力アンプに出力を許可する信号（図示せず）が含まれる。
【００４０】
また、スイッチ１２ｃを操作することによって駆動信号発生器１２ｂに画面モードを指定できるようになっている。本実施形態の場合、いずれも高速撮像モードに属するが、「フル画面モード」と「部分画面モード」の２種類の画面モードが用意されている。フル画面モードは、受光領域２１の５１６×２５６画素分全体の蓄積電荷で広い１画面を形成できるモードである。また、部分画面モードは、受光領域２１の中央部の２５６×２５６画素分の蓄積電荷で狭めの１画面を形成できるモードである。
【００４１】
フル画面モードおよび部分画面モードは本発明の第１および第２の撮像モードに相当し、またスイッチは本発明の指定手段に相当する。
【００４２】
スイッチ１２ｃを介してフル画面モードを駆動信号発生器１２ｂに指定すると、駆動信号発生器は第３転送信号ｈ（ｈ１，ｈ２）のパルス数を、並列読出しに関わる不均一割当て画素数の内の多い方の数に自動的に切替える。この多い方の数は本実施形態の場合、６４個である。また、部分画面モードを同様に指定すると、駆動信号発生器は第３転送信号ｈ（ｈ１，ｈ２）のパルス数を、並列読出しに関わる不均一割当て画素数の内の少ない方の数に自動的に切替える。この少ないの数は本実施形態の場合、３２個である。このように第３転送信号のパルス数を切替えることで、後述するように、部分画面モードのときの転送時間の更なる短縮が図られる。駆動信号発生器１２ｂ及び前述した処理回路１３は本発明の読出し実行手段にも相当する。
【００４３】
処理回路１３は、波形整形（ノイズ除去）、増幅回路、補正回路などの信号処理回路を備えるとともに、画像表示のためのＡ／Ｄ変換器、フレームメモリ、Ｄ／Ａ変換器を備える。これにより、センサ１１から順次読み出される電荷信号が画像信号に処理され、モニタ１４に１フレームの画像として表示される。
【００４４】
続いて、本実施形態に係る高速度撮像装置の動作を、センサ１１の転送動作を中心にして説明する。
【００４５】
駆動回路１２から図４に例示するシーケンスで、第１の第１転送信号ｉ ｔｏ ｓ信号、第２転送信号ｓ ｔｏ ｈ信号、第３転送信号ｈ、および、リセット信号ｒｇなどの駆動信号がセンサ１１に出力される。
【００４６】
あるタイミングで１画面の転送が開始されたとすると、第１転送信号ｉ ｔｏ ｓ信号および第２転送信号ｓ ｔｏ ｈ信号のパルス波形は同じタイミングにて、論理レベルＨ，Ｌ間で立ち上がり、および立ち下がる。このパルス数は、受光領域２１の垂直方向のライン数（受光部数）と同一に設定されている。ここでは、１２８（＝２５６／２）個のパルス波形となり、これにより、受光領域２１の全受光部の蓄積電荷が第１、第２の蓄積領域２２ａ，２２ｂに別れて一次的に蓄積される。
【００４７】
このようにして蓄積領域２２ａ、２２ｂへの電荷転送が完了すると、第２の転送信号ｓ ｔｏ ｈ信号のパルス波形が１回立ち下がり、および立ち下がる。これに応答し、第１、第２の蓄積領域２２ａ、２２ｂのそれぞれにて、最初に、最も水平レジスタに近い位置に蓄積されている水平方向１ライン分の蓄積電荷が第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂにそれぞれ一度に転送される。
【００４８】
いまの場合、スイッチ１２ｃにより「フル画面モード」が指定されているとすると、多い方の６４個のパルス数の第３転送信号ｈ（ｈ１，ｈ２）が撮像素子１１ｂに供給される。これにより、読出しチャンネル１〜２４それぞれからチャンネル担当分の電荷が水平転送されるから、第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂ全体では、水平方向の２ライン分の蓄積電荷が水平転送により並列に読み出される。
【００４９】
上述した一連の各ラインの並列読出しは、第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂそれぞれにて、水平方向のライン数（１２８＝２５６／２）分の繰り返しにより実施される。これにより、フル画面モードのときの１画面分の電荷読出しが並列読出しによって高速に実施される。この後、再び、第１、第２転送信号が前述のように供給され、次画面分の電荷転送が同様に繰り返される。この定期的な電荷読出を繰り返すことで、連続画像に対する電荷信号が得られる。
【００５０】
このようにして読み出された各フレーム（画面）分の電荷は処理回路１３を経て、例えばスローモーション再生によりモニタ１４に表示される。
【００５１】
「フル画面モード」のときは以上のように転送処理される。このモード時の１画面分の電荷読出し時間Ｆｔは、
【外２】
0003930614.tif 000003
【００５２】
これに対し、図２に示す如く受光領域２１の中央部に黒枠で囲んだ領域で部分撮像（部分読出し）を行うものとする。この場合、スイッチ１２ｃから「部分画面モード」を指定する。これにより、少ない方の３２個のパルス数の第３転送信号ｈ（ｈ１，ｈ２）が撮像素子１１ｂに供給される。したがって、読出しチャンネル１〜２４それぞれからチャンネル担当分の電荷が、前述と同様にライン毎に水平転送される。このとき、両側の読出しチャンネル１、２、１１、１２および１３、１４、２３、２４の読出し電荷は処理回路で無視され、中央部の読出しチャンネル３〜１０および１５〜２２の読出し電荷のみが処理回路で採用される。したがって、実質的に、中央部の読出しチャンネル３〜１０および１５〜２２のみの電荷読出しとなり、両側の読出しチャンネル１、２、１１、１２および１３、１４、２３、２４に対して第３転送信号ｈのパルス数が合わないことは問題にならない。
【００５３】
この中央部の読出しチャンネルのみで実質的に行われる各ラインの並列読出しは、第１、第２の水平レジスタ２３ａ，２３ｂそれぞれにて、水平方向のライン数（１２８＝２５６／２）分、繰り返して実施される。これにより、部分画面モードのときの中央部の部分画面分の電荷読出しが並列読出しおよび部分読出しの並行処理によって非常に高速に実施される。この後、再び、第１、第２転送信号が前述のように供給され、次フレームの部分画面分の電荷転送が同様に繰り返される。この定期的な電荷読出を繰り返すことで、連続画像に対する部分画面の電荷信号が得られる。
【００５４】
このようにして読み出された各フレーム（画面）分の電荷は処理回路１３を経て、例えばスローモーション再生によりモニタ１４に表示される。
【００５５】
【外３】
0003930614.tif 000004
【００５６】
つまり、この部分画面モードのときの読出し時間Ｆｔ′をフル画面モードのときのそれ（Ｆｔ）と比べてみると、水平読出しの時間が半分の「１２８×３２Ｐｔ」になっていることが分かる。これは、水平レジスタ２３ａ，２３ｂを、読出し画素数の不均一割当てに基づく並列読出しができるように構成し、それを駆動できるようにしたことで初めて可能になることである。従来のように、均一割当てに拠る並列読出しのみの場合には達成し得なかった時間短縮効果である。
【００５７】
【外４】
0003930614.tif 000005
【００５８】
このように、本実施形態によれば、部分読出しが効かないとされていたＦＴ型ＣＣＤ撮像素子であっても、並列読出しに加えて、電子的な部分読出しを実行できる。このため、並列読出しをベースにして、この処理に加えて部分読出しを行うときと、行わないときとで、異なる撮像速度（フレームレート）を得ることができる。上述の実施形態の場合、部分読出し行わないとき（並列読出しのみのとき）がフル画面モード、２０００ＦＰＳに対応し、部分読出しを行うとき（並列読出し＋部分読出しのとき）が部分画面モード、３２００ＦＰＳに対応する。したがって、異なるフレームレートに対処できる汎用性の高い撮像素子および撮像装置を提供することができる。
【００５９】
また、部分読出しを行えるようにすることで、１画面当たりの記録画素数を減らすことができ、部分画面モード時には並列読出しおよび部分読出しの共働によって、従来のＦＴ型ＣＣＤ撮像素子よりも一層高速に撮像でき、スローモーション撮影などに更に好適なものになる。
【００６０】
なお、上述した実施形態では、受光領域の複数の受光部の蓄積電荷を垂直方向の上下両側に別けて転送する両側転送方式のＦＴ型ＣＣＤ撮像素子を説明したが、本発明は必ずしもそのような構造のチップに限定されるものではない。例えば、受光領域の複数の受光部の蓄積電荷を垂直方向の一方の側のみに形成した蓄積領域に転送する片側転送方式のチップにも同様に、本発明を適用できる。
【００６１】
また、本発明において、部分画面モード時の部分画面の位置は必ずしも上述したように、受光領域の中央部に限定されるものではない。部分画面を中央部に設定する方が画面全体に対して画像の中心がずれることがないという利点はあるものの、この不都合を受容できるときは、部分画面の中心位置が受光領域の中心位置からずれた位置に設定してもよい。
【００６２】
本発明は、前述した実施形態およびその変形例に記載のものに限定されることなく、請求項記載の発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変形可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる高速度撮像素子および高速度撮像装置によれば、出力部の複数の読出しチャンネルのそれぞれに水平方向１ラインの読出し画素数を不均一に割り当てた撮像素子とし、また、この撮像素子から不均一割当てに応じて蓄積電荷を読み出すことができるようにしたため、従来、機構的に部分読出しの恩恵に浴することができないとされていた並列読出しのＦＴ型ＣＣＤ撮像素子であっても、部分読出しを確実に行うことができ、これにより、同一のＦＴ型ＣＣＤ撮像素子で異なるフレームレートに的確に対処できるから、撮影対象を広げることができ、素子の汎用性を向上させることができる。また、部分読出し機能の付加によって、並列読出しと部分読出しの両方の高速化機能が有効に効き、一層の高速読出しを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る高速度撮像装置の構成例を示す概略ブロック図。
【図２】実施形態に係るＦＴ型ＣＣＤ撮像素子の構造を模式的に示す図。
【図３】読出し画素数の不均一割当てを模式的に説明する水平レジスタ付近の部分説明図。
【図４】実施形態における読出し制御の概略を示すタイミングチャート。
【図５】従来例を説明するＦＴ型ＣＣＤ撮像素子の構造を模式的に示す図。
【符号の説明】
１１  エリアイメージセンサ
１１ｂ  ＣＣＤ撮像素子
１２  駆動回路（電荷読出し手段）
１２ａ  タイミング信号発生器
１２ｂ  駆動信号発生器（読出し実行手段）
１２ｃ  スイッチ（指定手段）
１３  処理回路
１４  モニタ
２１  受光領域
２２ａ，２２ｂ  垂直転送路を有する第１，第２の蓄積領域（蓄積領域）
２３ａ，２３ｂ  第１，第２の水平レジスタ（出力部）
ＬＰ  受光部
【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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