(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)複数の光電変換素子から成る受光手段、
b)各光電変換素子に対応してそれぞれ一つずつ設けられる複数の電荷蓄積素子から成り、各光電変換素子による受光電荷を第１の制御信号に応じて取り込んで蓄積する第１の蓄積手段、
c)各光電変換素子に対応してそれぞれ一つずつ設けられる複数の電荷蓄積素子から成り、各光電変換素子による受光電荷を第２の制御信号に応じて取り込んで蓄積する第２の蓄積手段、
d)第１の蓄積手段の各電荷蓄積素子に蓄積された信号電荷を所定の順序で直列に移送する第１の移送手段、
e)第２の蓄積手段の各電荷蓄積素子に蓄積された信号電荷を第１の移送手段と同じ順序で同期して直列に移送する第２の移送手段、及び、
f)前記第１及び第２の蓄積手段にそれぞれ前記受光手段による受光電荷が蓄積された後に、前記第１及び第２の移送手段からそれぞれ順次出力される、同一の光電変換素子に基づく信号電荷による電圧信号の差分を時系列的に出力する演算手段、
を少なくとも有する固体撮像素子と、
被写体に向けて光強度が変化する光を照射する発光手段と、
該発光手段の光強度の変化に同期して、光強度が相対的に強であるときに前記第１の蓄積手段を選択し光強度が相対的に弱であるときに前記第２の蓄積手段を選択して前記受光手段による受光電荷を蓄積させるべく第１及び第２の制御信号を与える制御手段と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記発光手段は点滅するものであって、前記制御手段は該発光手段の点灯時において第１の蓄積手段に受光電荷を蓄積するように第１の制御信号を与え、消灯時において第２の蓄積手段に受光電荷を蓄積するように第２の制御信号を与えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
第１の蓄積手段は第１の移送手段を、第２の蓄積手段は第２の移送手段をそれぞれ兼ね、受光電荷の蓄積動作と蓄積した信号電荷の移送動作とを時間的に分割して行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
第１及び第２の蓄積手段に蓄積した信号電荷を一括して第１及び第２の移送手段にそれぞれ転送し、第１及び第２の移送手段が直列に信号電荷を移送すると同時に、第１及び第２の蓄積手段は受光電荷の蓄積を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
少なくとも第１の蓄積手段は断続的に転送される受光電荷を加算的に蓄積可能な手段であって、前記発光手段が複数回点灯する際に断続的に得られる受光電荷を加算蓄積したあとに移送することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの固体撮像装置に用いられ、前記受光手段、前記第１の蓄積手段、前記第２の蓄積手段、前記第１の移送手段、前記第２の移送手段、及び前記演算手段を少なくとも有する固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤリニアセンサやＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子と、固体撮像素子を含んで構成される固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像素子としては、ＣＣＤリニアセンサ、ＣＣＤイメージセンサなどと呼ばれるＣＣＤ型撮像素子が広く使用されている。
一般的なインターライン型ＣＣＤイメージセンサでは、受光素子であるホトダイオードが水平及び垂直方向に配列され、垂直方向に並んだホトダイオード列にそれぞれ隣接平行して垂直走査用ＣＣＤシフトレジスタが設けられ、各垂直走査用ＣＣＤシフトレジスタのシリアル出力は水平走査用ＣＣＤシフトレジスタの各ＣＣＤに入力されるようになっている。ホトダイオードにより光電変換され蓄積された電荷は所定のタイミングで隣接する垂直走査用ＣＣＤに一括して転送され、所定のシフトクロックが入力される毎に垂直走査用ＣＣＤを順送り転送される。更に、垂直方向の１ライン毎に水平走査用ＣＣＤシフトレジスタに送出され、水平走査用ＣＣＤシフトレジスタを順送りされて時系列アナログ信号として取り出される。
【０００３】
このような固体撮像素子を用いたデジタルカメラ等の固体撮像装置では、固体撮像素子への光の入射を制御する機械的又は電気的なシャッタが設けられており、このシャッタが開放された間だけ固体撮像素子のホトダイオードに外光が入射し、それによる受光電荷を蓄積するようになっている。入射光としては、太陽光線などによる自然光や、蛍光灯、電灯などの照明光が被写体で反射して到来する光、或いはそれらの直接入射光などがある。また、ストロボ等の撮影用補助光源を利用する場合には、この補助光源から発した光による反射光もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来知られているように、太陽光などの背景光の光強度が大き過ぎると、いわゆる逆光状態となり、露出を絞り過ぎて所望の被写体像が暗く不鮮明になる。また、被写体像と背景画像との境界も不明瞭となる。例えば或る種の用途では、目的とする被写体の背後に写る背景画像は全く不要であって、所望の被写体像のみを鮮明に描出したいということがある。このような被写体画像の切出しはコンピュータを用いた画像処理などにより可能ではあるが、上述のように被写体像と背景画像との境界が不明瞭であると、適切な切出しも行えなくなる。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みて成されたものであり、その主たる目的は、周囲の、つまり太陽光、室内灯光などの背景光による妨害を除去又は低減して、撮影者が所望する被写体像を鮮明に撮影することができる固体撮像装置及び固体撮像素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段、及び発明の実施の形態】
上記課題を解決するために成された本発明の固体撮像装置は、
a)複数の光電変換素子から成る受光手段、
b)各光電変換素子に対応してそれぞれ一つずつ設けられる複数の電荷蓄積素子から成り、各光電変換素子による受光電荷を第１の制御信号に応じて取り込んで蓄積する第１の蓄積手段、
c)各光電変換素子に対応してそれぞれ一つずつ設けられる複数の電荷蓄積素子から成り、各光電変換素子による受光電荷を第２の制御信号に応じて取り込んで蓄積する第２の蓄積手段、
d)第１の蓄積手段の各電荷蓄積素子に蓄積された信号電荷を所定の順序で直列に移送する第１の移送手段、
e)第２の蓄積手段の各電荷蓄積素子に蓄積された信号電荷を第１の移送手段と同じ順序で同期して直列に移送する第２の移送手段、及び、
f)前記第１及び第２の蓄積手段にそれぞれ前記受光手段による受光電荷が蓄積された後に、前記第１及び第２の移送手段からそれぞれ順次出力される、同一の光電変換素子に基づく信号電荷による電圧信号の差分を時系列的に出力する演算手段、
を少なくとも有する固体撮像素子と、
被写体に向けて光強度が変化する光を照射する発光手段と、
該発光手段の光強度の変化に同期して、光強度が相対的に強であるときに前記第１の蓄積手段を選択し光強度が相対的に弱であるときに前記第２の蓄積手段を選択して前記受光手段による受光電荷を蓄積させるべく第１及び第２の制御信号を与える制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の固体撮像素子は、上記固体撮像装置に利用し得る固体撮像素子であって、前記受光手段、前記第１の蓄積手段、前記第２の蓄積手段、前記第１の移送手段、前記第２の移送手段、前記制御手段、及び前記演算手段を有することを特徴としている。
【０００８】
ここで、上記発光手段の光強度の変化とは少なくとも強弱の二状態に変化するものであって、典型的にはその二状態は点灯と消灯とである。このように光強度が変化する場合、上記制御手段は該発光手段の点灯時において第１の蓄積手段に受光電荷を蓄積するように第１の制御信号を出力し、消灯時において第２の蓄積手段に受光電荷を蓄積するように第２の制御信号を出力する構成とすることができる。
【０００９】
従来の固体撮像装置及び固体撮像素子では、光電変換素子（例えばホトダイオード）と電荷移送用素子（例えばＣＣＤ）とは一対であって、或る光電変換素子で光電変換されて得られる受光電荷は或る唯一の電荷移送用素子に転送されるようになっている。これに対し、本発明に係る固体撮像装置及び固体撮像素子では、或る一個の光電変換素子に対して少なくとも二個の電荷蓄積用素子が設けられ、その光電変換素子で光電変換されて得られた受光電荷は何れかの電荷蓄積用素子に選択的に転送される。制御手段の制御により、例えば発光手段の点灯時に受光手段で得られた受光電荷は第１の蓄積手段に蓄積され、消灯時に受光手段で得られた受光電荷は第２の蓄積手段に蓄積される。このようにして蓄積された信号電荷が第１及び第２の移送手段により直列に移送されて演算手段に与えられると、演算手段は同一の光電変換素子において点灯時と消灯時とに得られた信号電荷による電圧信号の差分を順次出力する。
【００１０】
背景光（太陽光や照明光など）及び背景光の反射光は、発光手段の点灯時及び消灯時にほぼ同程度の強度でもって光電変換素子に入射する。一方、発光手段により光を照射（照明）された物体（以下「目的物体」と称する）からの反射光は、発光手段が点灯している期間にのみ入射する。従って、上述のようにして差分を求めると、背景光の反射光による信号は相殺され、発光手段による目的物体からの反射光による信号のみが残る。このような信号を基に画像を形成すれば、目的物体のみが明瞭化された画像を得ることができる。
【００１１】
本発明に係る固体撮像装置及び固体撮像素子は、上記記載の範囲で様々な形態をとり得る。具体的な実施態様として、例えば、第１の蓄積手段は第１の移送手段を、第２の蓄積手段は第２の移送手段をそれぞれ兼ねる構成とし、受光電荷の蓄積動作と蓄積した信号電荷の移送動作とを時間的に分割して行う構成とすることができる。この構成によれば、連続的に受光信号を取り込むことはできないものの、素子の数が少なくてすむため、例えばこの固体撮像素子を一つの半導体チップ上に構成する場合にチップ面積が小さくなる。或いは、同一チップ面積であれば、光電変換素子の搭載密度を向上させることができる。
【００１２】
また、他の実施態様として、第１及び第２の蓄積手段に蓄積した信号電荷を一括して第１及び第２の移送手段に転送し、第１及び第２の移送手段が直列に信号電荷を移送すると同時に、第１及び第２の蓄積手段は受光電荷の蓄積を行う構成とすることができる。この構成によれば、殆ど連続的に受光信号を取り込むことができる。
【００１３】
また、この発明に係る固体撮像装置及び固体撮像素子では、光電変換素子は一次元状又は二次元状に配列された構成とすることができる。このように一次元（二次元状配置の場合はその一方の方向）に配列された素子列に対して第１、第２の蓄積手段、第１、第２の移送手段をどのように配列するかという観点からみても、幾つかの実施態様があり得る。即ち、一つの実施態様としては、光電変換素子列の隣接両側にそれぞれ第１、第２の蓄積手段（第１、第２の移送手段を兼ねる）を配設する構成である。この構成では、電荷蓄積素子を配設するために広い面積を占有するため、同一の光電変換素子数を得るために固体撮像素子が大きくなるものの、構造が簡単であって製造コストも安価で済むという利点がある。また、他の実施態様としては、光電変換素子列の隣接片側に第１、第２の蓄積手段の電荷蓄積素子を交互に縦列する構成としてもよい。この構成では、電荷蓄積素子を小型化しなければならないものの、固体撮像素子自体を小型化できるという利点がある。
【００１４】
また、上述したように光電変換素子を二次元的に配列する場合、垂直方向の電荷移送時に差分演算を行って差分信号を一列に設けた水平方向の移送手段に順送りする構成とすればよい。また、垂直方向の電荷移送時には差分演算を行わず、二列に設けた水平方向の移送手段に順送りしてその両者の出力を差分演算する構成としてもよい。
【００１５】
ところで、この固体撮像装置において上述のように背景光の影響を相殺するためには、発光手段の点灯時と消灯時とで背景光の反射光がほぼ同程度の強度でもって光電変換素子に入射することが必要である。しかしながら、背景光によってはその強度が時間的に（比較的短時間の間であっても）変動することがある。具体的な例としては、背景光が蛍光灯である場合にはその発光強度は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電源の周波数で変動する。従って、発光手段の点滅周期又は点灯時の露光周期（光電変換素子に外光を入射させる周期）がこの背景光の光強度変動周期と一致又は近接すると、背景光の影響を相殺することが困難になる。そこで、本発明に係る固体撮像装置では、少なくとも第１の蓄積手段は断続的に転送される受光電荷を加算的に蓄積可能な手段であって、発光手段が複数回点灯する際に断続的に得られる受光電荷を加算蓄積したあとに移送する構成とすることが好ましい。即ち、この構成では、例えば背景光の光強度の変動周期よりも高い周波数で発光手段を点滅させ、点灯時に受光手段を露光させて得た受光電荷を断続的に第１の蓄積手段に加算蓄積する。或いは、発光手段が点灯している期間中の露光周期を背景光の光強度の変動周期よりも短くしてもよい。これにより、背景光の光強度変動の影響を回避又は軽減することができる。
【００１６】
また、この固体撮像装置では、光電変換素子に露光飽和が生じない範囲で、できる限り発光手段の点灯時の光強度が大きいことが望ましい。しかしながら、ＬＥＤや半導体レーザでは、素子の性質上、単位時間当たりに消費可能な電力が限られているため、無制限に光強度を大きくすることができない。そこで、上述したように発光手段を複数回点灯させる際に、その点灯期間のデューティ比が１／２よりも小さくなるようにしておけば、デューティ比が１／２のときに比べて発光強度を大きくすることができる。このようにして一回の点灯時の光強度を大きくすれば、背景光による信号電荷と発光手段からの照射光による信号電荷との相対比が大きくなるので、被写体像を一層明瞭化することができる。なお、消灯時には上述のような制限は関係ないので、一回の露光時間を或る程度長くとっても問題はない。
【００１７】
また、本発明に係る固体撮像装置では、原理的には、点灯時に光電変換素子に光が入射する時間（以下「点灯時露光時間」という）と消灯時に光電変換素子に光が入射する時間（以下「消灯時露光時間」という）とを同一とすれば、背景光による影響が相殺される筈である。しかしながら、各素子の特性のばらつき等によって点灯時に対応する信号電荷が消灯時に対応する信号電荷よりも大きくなると、差分を算出した際に背景光による影響が完全には相殺されずにオフセット電圧として残る。そこで、これを回避するには、消灯時露光時間を点灯時露光時間よりも適宜の割合だけ長く設定しておくとよい。
【００１８】
また、本発明の固体撮像装置は、或る波長を有する単色光源を用いて明暗の画像情報を得ることもできるが、複数の波長を有する光源を用いて色成分の情報を有する画像を得るようにすることもできる。
【００１９】
なお、本発明の固体撮像装置及び固体撮像素子は、いわゆるＣＣＤ型撮像素子のみならずＭＯＳ型撮像素子にも適用し得る。
【００２０】
【発明の効果】
本発明に係る固体撮像装置及び固体撮像素子によれば、背景光の直接的影響や所望の被写体以外の物体からの反射光の影響を排除又は低減して、所望の被写体像を明瞭に画像化することができる。従って、この固体撮像装置及び固体撮像素子を利用することにより、例えば被写体の識別や認識が従来よりも格段に正確に行える。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明に係る固体撮像装置及び固体撮像素子に関し、複数の例を挙げて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例による固体撮像装置１０を利用したバーコードリーダの略構成図、図２は図１中のＣＣＤリニアセンサ１３の要部の構成図である。
【００２２】
図１に示すバーコードリーダは固体撮像装置１０と信号処理部１５とから成り、固体撮像装置１０は、到来する光を集光するレンズ光学系１１と、被写体（バーコード）１に向けて補助光Ｌ２を照射する発光部１２と、光信号を電気信号に変換するＣＣＤリニアセンサ１３と、発光部１２及びＣＣＤリニアセンサ１３の動作を制御するタイミング制御部１４と、を備えている。発光部１２は、高速で点滅が可能であるように例えばＬＥＤが用いられる。
【００２３】
図２に示すように、ＣＣＤリニアセンサ１３は、一次元状に配列された多数のホトダイオード１３０から成る受光部１３１と、受光部１３１の両側にそれぞれ配設された、蓄積手段と移送手段とを兼ねた第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂと、受光部１３１と第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂとの間に設けられた第１、第２転送ゲート部１３２ａ、１３２ｂと、第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂのシリアル出力（アナログ電圧）の差分演算を行う差分増幅器１３４と、を含んで構成されている。第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂはそれぞれ複数のＣＣＤが縦列接続された構成を有し、一個のホトダイオード１３０の出力は第１、第２転送ゲート部１３２ａ、１３２ｂを介して第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂの各ＣＣＤに接続されている。なお、図２には記載していないが、受光部１３１には電気的なシャッタが付設されており、そのシャッタが開放されている期間にのみ受光部１３１は露光されるようになっている。即ち、露光時間はシャッタの開閉により制御される。
【００２４】
図１に示したバーコードリーダの読取り動作を図３のタイミング図を参照しながら説明する。ＣＣＤリニアセンサ１３では上述のように蓄積手段が移送手段を兼用しているため、後述のような断続的な電荷蓄積と信号読出しとを同時に行うことができない。そこで、図３（ａ）に示した電荷加算蓄積モードにおいて、受光部１３１での受光により得られる信号電荷を第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂを構成する各ＣＣＤに蓄積し、引き続く信号読出しモードにおいて、第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂの信号電荷をそれぞれ順次シフトさせて時系列の信号電圧として読み出す。
【００２５】
タイミング制御部１４は発光部１２に対し、図３（ｂ）に示す点滅制御信号を送る。発光部１２は、点滅制御信号が「１」であるときに点灯し「０」である（図３（ｅ）、（ｆ）参照）ときに消灯する。また、電荷加算蓄積モードでは、タイミング制御部１４は上記点滅動作に同期した転送タイミングＴＧ１、ＴＧ２（図３（ｅ）、（ｆ）参照）を第１、第２転送ゲート部１３２ａ、１３２ｂに与える。転送タイミングＴＧ１、ＴＧ２がそれぞれ「１」であるときに、各ホトダイオード１３０による受光電荷は第１、第２転送ゲート部１３２ａ、１３２ｂを介して対応するＣＣＤに転送され、加算的に蓄積される。これにより、第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂの各ＣＣＤには、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように断続的な露光に対応して得られた受光電荷が加算的に蓄積される。
【００２６】
図１に示すように、被写体１には照明光等の背景光Ｌ１が当たり、その反射光Ｌ１Ｒがレンズ光学系１１を通してＣＣＤリニアセンサ１３に入射する。これに加えて発光部１２が点灯している期間には、発光部１２からの照射光Ｌ２が被写体１に当たり、その反射光Ｌ２ＲもＣＣＤリニアセンサ１３に入射する。なお、反射光Ｌ１Ｒには、背景光Ｌ1が直接的にＣＣＤリニアセンサ１３に入射するものも含むものとする。
【００２７】
而して、第１ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａの各ＣＣＤには、点灯時露光期間中に各ホトダイオード１３０で得られるＬ１Ｒ＋Ｌ２Ｒなる入射光に対する受光電荷が加算蓄積される。一方、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ｂの各ＣＣＤには、消灯時露光期間中に各ホトダイオード１３０で得られるＬ１Ｒなる入射光に対する受光電荷が加算蓄積される。
【００２８】
信号読出しモードになると、タイミング制御部１４は図３（ｇ）に示すような信号読出しタイミングＳＣＫを第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂに入力する。このとき、第１、第２転送ゲート部１３２ａ、１３２ｂは転送動作をしないので、受光部１３１の受光電荷は第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂには転送されず、信号読出しタイミングＳＣＫ毎に各ＣＣＤの蓄積電荷は一つずつシフトされて差分増幅器１３４に入力される。ここで、信号読出しタイミングＳＣＫは、複数（２〜４）クロックで各ＣＣＤの蓄積電荷を一つシフトするように生成されるのが一般的である。
【００２９】
差分増幅器１３４は、各ホトダイオード１３０に対応して点灯時露光期間と消灯時露光期間とにそれぞれ加算蓄積された信号電荷の差信号を出力する。図４に示すように、入射光Ｌ１Ｒによる信号電荷は第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ１３３ａ、１３３ｂに共通であるので、両者で相違する入射光Ｌ２Ｒによる信号電荷が差信号として得られる。従って、上記固体撮像装置１０によれば、背景光Ｌ１による反射の影響が相殺され、所定の発光強度を有する発光部１２からの照射光Ｌ２に対応した受光信号のみが時系列的に得られる。信号処理部１５はこのような信号を基に所定のデータ処理を行うので、背景光の影響を受けることなく所望の被写体像が明瞭に画像化される。従って、図１に示したバーコードリーダでは、バーコードの認識確率が大幅に向上する。
【００３０】
次いで、上述したようなＣＣＤリニアセンサの変形例を説明する。図５は他の実施例によるＣＣＤリニアセンサ２３の構成図、図６はこのＣＣＤリニアセンサ２３を搭載した固体撮像装置の動作時のタイミング図である。
【００３１】
図５に示すように、このＣＣＤリニアセンサ２３では、受光部２３１の片側に、一個のホトダイオード２３０に二個のＣＣＤが対応付けられたＣＣＤシフトレジスタ２３３が配列されている。転送ゲート部２３２は、ホトダイオード２３０による受光電荷をａ又はｂなる二個のＣＣＤに選択的に転送する。即ち、電荷加算蓄積モードでは、転送タイミングＴＧ１、ＴＧ２によりａ又はｂなるＣＣＤに交互に受光電荷を転送して加算蓄積する。
【００３２】
信号読出しモードでは、上記実施例による信号読出しタイミングの約２倍のレートを持つ読出しタイミングをＣＣＤシフトレジスタ２３３に入力する（図６（ａ）参照）。この読出しタイミングによりＣＣＤシフトレジスタ２３３の各ＣＣＤで順次電荷がシフトされると、最終段のＣＣＤ２３３ｂとその手前のＣＣＤ２３３ａの出力には図６（ｃ）、（ｂ）に示すような信号が現れ、図６（ｄ）に示すように、二つの信号読出しタイミング毎に差分増幅器２３４の出力には所望の差分信号が得られる。このＣＣＤリニアセンサ２３の構成では、転送ゲート部２３２及びＣＣＤシフトレジスタ２３３が受光部２３１の片側に配設されるので、素子のチップ面積が小さくて済むという利点がある。
【００３３】
図７は更に他のＣＣＤリニアセンサ３３の構成図、図８はこのＣＣＤリニアセンサ３３を搭載した固体撮像装置の動作時のタイミング図である。上記ＣＣＤリニアセンサ１３、２３では、電荷加算蓄積モードと信号読出しモードとが時間的に分けられている。それに対し、このＣＣＤリニアセンサ３３では、ほぼ連続的に画像を取り込むことができるように、蓄積手段（第１、第２ＣＣＤレジスタ３３６ａ、３３６ｂ）と移送手段（第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ３３３ａ、３３３ｂ）とを独立に設け、その間に第１、第２信号読出しゲート部３３７ａ、３３７ｂを配設している。
【００３４】
即ち、上記実施例と同様にして、発光部１２の点灯及び消灯に対応してそれぞれ第１、第２ＣＣＤレジスタ３３６ａ、３３６ｂに繰り返し信号電荷が加算蓄積されたあと、第１、第２信号読出しゲート部３３７ａ、３３７ｂに読出ゲート転送タイミングＲＧが与えられると、第１、第２信号読出しゲート部３３７ａ、３３７ｂを通して第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ３３３ａ、３３３ｂに蓄積電荷は一括転送される。転送後、第１、第２ＣＣＤレジスタ３３６ａ、３３６ｂは再び加算蓄積を開始する。一方、第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ３３３ａ、３３３ｂは信号読出しタイミングＳＣＫにより信号を順次シフトさせる。
【００３５】
これにより、このＣＣＤリニアセンサ３３を搭載した固体撮像装置によれば、ほぼ連続的に画像を取り込むことができ、画像取込みの空白期間（図３における信号読出し期間）が殆ど生じない。
【００３６】
上記各実施例は、本発明の固体撮像装置に含まれる固体撮像素子としてリニアセンサを用いた例であるが、当然のことながら固体撮像素子としてはイメージセンサでもよい。図９はこのようなＣＣＤイメージセンサ４３の要部の構成図である。図９では煩雑さを避けるため制御のための信号線は記載を省略している。
【００３７】
図９に示すように、ＣＣＤイメージセンサ４３は、垂直方向（図９中の縦方向）及び水平方向（図９中の横方向）に配設された多数のホトダイオード４３０から成る受光部４３１を有する。図２に示したリニアセンサの構成と同様に、垂直方向に配列されたホトダイオード列の両側に、第１、第２転送ゲート部４３２ａ、４３２ｂと第１、第２ＣＣＤシフトレジスタ（以下「垂直シフトレジスタ」という）４３３ａ、４３３ｂが配設され、更に、各列の第１ＣＣＤ垂直シフトレジスタ４３３ａのシリアル出力は第１ＣＣＤ水平シフトレジスタ４３４ａを構成する各ＣＣＤに、各列の第２ＣＣＤ垂直シフトレジスタ４３３ｂのシリアル出力は第２ＣＣＤ水平シフトレジスタ４３４ｂを構成する各ＣＣＤに入力され、第１、第２ＣＣＤ水平シフトレジスタ４３４ａ、４３４ｂの出力が差分増幅器４３５に与えられる。
【００３８】
ＣＣＤイメージセンサ４３において、垂直方向に配列された受光部４３１、第１、第２転送ゲート部４３２ａ、４３２ｂ、第１、第２ＣＣＤ垂直シフトレジスタ４３３ａ、４３３ｂの動作は基本的に、図２に示したＣＣＤリニアセンサ１３の動作と同じである。即ち、電荷加算蓄積モードでは、点灯時露光期間及び消灯時露光期間にそれぞれホトダイオード４３０で得られた受光電荷を、第１、第２転送ゲート部４３２ａ、４３２ｂを通して第１、第２ＣＣＤ垂直シフトレジスタ４３３ａ、４３３ｂの各ＣＣＤに転送して加算蓄積する。
【００３９】
信号読出しモードでは、水平方向に並んだ第１、第２ＣＣＤ垂直シフトレジスタ４３３ａ、４３３ｂに順次信号読出しタイミングを供給し、各ＣＣＤに蓄積されている信号電荷を第１、第２ＣＣＤ水平シフトレジスタ４３４ａ、４３４ｂに送り、更に第１、第２ＣＣＤ水平シフトレジスタ４３４ａ、４３４ｂを通して差分増幅器４３５に送り、差分信号を時系列的に取り出す。
【００４０】
図１０は、上記ＣＣＤイメージセンサ４３を含む固体撮像装置４０を備えたカメラの略構成図、図１１はこのカメラでの撮影画像を模式的に示した図である。このカメラの構成は基本的には先のバーコードリーダと同様であって、固体撮像装置４０で得られた画素信号を画像処理部４５で処理して画像を形成するものである。図１１（ａ）は点灯時露光期間に対応する信号電荷のみに基づいて画像５ａを作成した場合、図１１（ｂ）は消灯時露光期間に対応する信号電荷のみに基づいて画像５ｂを作成した場合の例である（但し、実際の装置ではこのような画像は作成されない）。発光部４２から照射される光Ｌ２の到達距離は比較的短いため、近距離に存在する被写体２には光が到達するものの、遠方の物体３までは光が到達しない（到達したとしても極めて微弱である）。そのため、被写体２から反射してくる光Ｌ２Ｒのみが点灯時と消灯時とで相違し、ＣＣＤイメージセンサ４３から出力される信号に基づいて得られる画像５ｃでは、図１１（ｃ）に示すように背景の物体による像３ｂは殆ど現れず、被写体の像２ｃのみが鮮明に得られる。
【００４２】
ところで、例えば図１に示した固体撮像装置では、発光部１２の光強度が大きいほど被写体像が明瞭に再現されることになる。発光強度は入力される電力に依存するが、発光部１２としてＬＥＤや半導体レーザを利用する場合、単位時間当たりの消費電力には限界がある。つまり、単位時間内で発光時間を長くするほど発光強度を低下させざるをえない。上記各実施例では発光部１２、４２を点滅させる際の点灯期間のデューティ比を５０％としているが、このデューティ比を５０％よりも小さくすれば（つまり点灯時間を消灯時間よりも短くすれば）、点灯期間中の発光強度を大きくすることができる。
【００４３】
図１４は点灯期間のデューティ比を５０％とした場合（（ａ）〜（ｃ））と２５％とした場合（（ｄ）〜（ｆ））のタイミングの相違を示す図である。図１４（ａ）に示すようにデューティ比が５０％である場合、点灯期間及び消灯期間のそれぞれにおいて、その期間のほぼ全体に亘って露光期間を定めることが好ましい。それに対し、図１４（ｄ）に示すようにデューティ比が２５％である場合、露光効率の点から考えて、点灯期間においてはその期間のほぼ全体に亘って露光期間を定めることが好ましいが、消灯期間においては、その期間の一部を露光期間として定める。一般的には、点灯時露光期間と消灯時露光期間とが同一となるようにする。このようにデューティ比を小さくした場合、点灯時の発光強度はデューティ比を小さくした分だけ大きくする。このように発光強度を大きくすれば、点灯時露光期間中の背景光による受光電荷量に対して照射光による受光電荷量を相対的に大きくすることができる。即ち、背景光の影響を雑音であると看做せば、Ｓ／Ｎ比が改善されることになる。
【００４４】
上記各実施例では、点灯時露光と消灯時露光とを交互に行うようにしている。点灯時露光は上記理由により断続的に行う必要があるが、消灯時露光は必ずしも断続的に行う必要はなく、まとめて行うようにすることもできる。図１３はその場合のタイミング図である。即ち、一回の電荷加算蓄積期間において所定時間だけ点灯と消灯とを繰り返し（図１３（ａ）、（ｂ）参照）、その点灯時に得られた受光電荷を加算蓄積する（図１３（ｃ）、（ｅ）参照）。そのあと消灯期間に消灯時露光を行う（図１３（ｄ）、（ｆ）参照）。この際、点灯時露光の累積時間と消灯時露光時間とは同一となるように設定する。
【００４５】
ところで、受光素子やＣＣＤは一枚の半導体チップ上に形成されるため、特性は比較的揃ったものが得られる。しかしながら、その特性のばらつきなどによっては、上述のように点灯時露光時間と消灯時露光時間とが同一であったとしても、背景光による信号電荷（図４中の入射光Ｌ１Ｒによる信号電荷）が第１ＣＣＤシフトレジスタと第２ＣＣＤシフトレジスタとで相違することがあり得る。その場合、差分増幅器の出力信号では背景光による受光信号が完全にはキャンセルされず、その差が残ることになり被写体像の識別性を劣化させる恐れがある。そこで、このようなばらつきを考慮すると、消灯時露光時間は点灯時露光時間よりも若干（例えば数％程度）長くしておくとよい。これによれば、点灯側の効率が消灯側効率よりも若干勝っていた場合でも、背景光の影響が完全にキャンセルされる。
【００４６】
また、本発明の固体撮像装置では、点灯時と消灯時の差分信号を取り出すのみでなく、必要に応じて通常の背景光による撮影も可能な構成とすることも可能である。例えば、図２の構成において、消灯側の蓄積電荷を零とするように消灯側の転送タイミングＴＧ２の入力を禁止したり、差分増幅器を加算動作に切替可能とすれば、上述したような差分信号の取り出しと通常撮影信号の取り出しとを容易に切り替えることができる。
【００４７】
図１や図９に示した構成において、発光部が白色光源であれば、ＣＣＤリニアセンサ又はＣＣＤイメージセンサでは白黒画像データが得られる。また、赤、青等の単色光を放射する光源であれば、その色に対する反射光の画像データが得られる。従って、本発明の固体撮像装置をカラー対応とする場合でも、電荷の蓄積手段及び移送手段（又はその二つの手段を兼用した手段）を光の三原色（赤、青、緑）の各色に対応させて備える等、適宜の変形を行うだけでよい。
【００４８】
具体的には、カラー化の方法として二つの方法が考え得る。その方法を図１、図２に示した固体撮像装置に適用した場合について説明する。
第１の方法では、発光部１２として光の三原色である赤、青、緑の光源（例えばＬＥＤ）を用意すると共に、一つの受光部１３１に対し各光源の点灯時及び消灯時の受光電荷を蓄積するための三対のＣＣＤシフトレジスタを設ける。三色の光源を順次点灯させ、その点灯タイミングに合わせてそれぞれに対応させたＣＣＤシフトレジスタに受光電荷を加算蓄積すると共に、全ての光源が消灯した際の受光電荷も、それぞれ対応する別のＣＣＤシフトレジスタに加算蓄積する。そして、各色毎に点灯時と消灯時の差分をとることにより、三原色の画像信号をそれぞれ得ることができる。この場合のホワイトバランス調整は、各色毎に駆動電流を調整する、或いは各色毎に露光時間を調整すればよい。なお、消灯時の受光電荷は各色に関係なく共通に利用することができるから、例えば受光部１３１による一回の露光に対応して三系統の電荷蓄積用のＣＣＤシフトレジスタを切り換えてもよいし、また一回の露光に対応して一系統のＣＣＤシフトレジスタに加算蓄積した受光電荷を各色毎の差分演算時に共通に利用する構成としてもよい。
【００４９】
第２の方法はカラーフィルタ付きのＣＣＤを用いるもので、発光部１２として同時に点灯する赤、青、緑の三色の光源又はこれら三色に対応する波長光を含む白色光源を用意し、この光源からの照射光を露光させることにより受光部１３１で発生した受光電荷を、各色に対応して設けたカラーフィルタ付きのＣＣＤシフトレジスタにそれぞれ転送する。この場合、上記第１の方法とは異なり同時露光でよく、ホワイトバランス調整は光源の色温度を調整する、具体的には、例えば、三原色ＬＥＤによる光を合成して白色光を作る場合、各ＬＥＤの駆動電流値を調整するか、それぞれの露光時間を調整すればよい。
【００５０】
なお、画像認識を目的とする場合（例えば後述のような自動車のナンバープレートの読取りを目的とする場合）には、完全なフルカラーでなくても、例えば波長の異なる二つ以上の光源を用いて上述のような処理を行いさえすれば、被写体（目的物）の複数の色情報を得ることができ、これにより、明暗だけでなく（つまり白黒でなく）色情報に基づいた画像認識が可能となる。このような処理は、画像認識率の向上に有効である。
【００５１】
本発明の固体撮像装置の具体的な応用例としては、自動車のナンバープレート読取装置がある。太陽光線に直接照らされた車体に対してナンバープレート近傍が暗い場合、或いは、ヘッドライト等の自動車に設置された光源に対してナンバープレート近傍が暗い場合、従来の固体撮像装置の露光調整では全体の露光量を少なくするように制御を行ってしまうため、ナンバープレートの文字が認識困難であるような暗い画像しか得られないことが多い。それに対し、本発明の固体撮像装置を利用した場合には、露光調整は背景光の最大強度時にオバーフローしないように調整し、ナンバープレートが影にならないように発光部からの光照射を行うようにしておけばよい。これによれば、太陽光による影響や自動車の光源からの直接光の影響などが除去され、ナンバープレートが鮮明に画像化される。このため、ナンバーの誤認識が大幅に低減できる。
【００５２】
勿論、本発明の固体撮像装置はそのほかの各種装置に利用することができる。例えば、テレビジョン画像のような周期性を有する画像に同期して露光タイミングを制御することにより、画面の画像のみを抽出することができる。
【００５３】
また、従来、一眼レフカメラなどのＣＣＤセンサを用いたピント検知式オートフォーカスでは白壁などに対して焦点が合いにくいが、本発明の固体撮像装置を利用して、昼間、背景光が強い状況であってもその背景光の影響をキャンセルすれば、所望の被写体に焦点が合いやすくなる。
【００５４】
図１５は固体撮像装置において光学系の構成を変形した例である。この構成では、ハーフミラー４７を用いることにより、外部からの光を取り込んでＣＣＤイメージセンサ４３に集光するためのレンズと、発光部４２から発した光を被写体２に照射するためのレンズとを共用している。これにより、被写体２に対して正面から、つまり光を取り込むのと略同一線上から光が照射されるので、被写体の影は撮影されず、鮮明な被写体像を得るのに有利である。
【００５５】
なお、上記各実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行えることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による固体撮像装置を利用したバーコードリーダの略構成図。
【図２】図１中のＣＣＤリニアセンサの要部の構成図。
【図３】図１の固体撮像装置の動作を示すタイミング図。
【図４】図１の固体撮像装置の動作を示す模式図。
【図５】本発明の他の実施例におけるＣＣＤリニアセンサの構成図。
【図６】図５のＣＣＤリニアセンサを搭載した固体撮像装置の動作時のタイミング図。
【図７】本発明の他の実施例におけるＣＣＤリニアセンサの構成図。
【図８】図７のＣＣＤリニアセンサを搭載した固体撮像装置の動作時のタイミング図。
【図９】本発明の固体撮像装置におけるＣＣＤイメージセンサの一例の構成図。
【図１０】図９のＣＣＤイメージセンサを搭載した固体撮像装置を利用したカメラの構成図。
【図１１】図１０に示したカメラでの撮影画像を模式的に示した図。
【図１３】本発明の固体撮像装置の他の実施例におけるタイミング図。
【図１４】発光部の点灯期間のデューティ比を変える場合のタイミング図。
【図１５】本発明の固体撮像装置における光学系の構成の変形例。
【符号の説明】
１、２…被写体
１０、４０…固体撮像装置
１１、４１…レンズ光学系
１２、４２…発光部
１３、２３、３３…ＣＣＤリニアセンサ
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０…ホトダイオード
１３１、２３１、３３１、４３１、５３１…受光部
１３２ａ、４３２ａ…第１転送ゲート部
１３２ｂ、４３２ｂ…第２転送ゲート部
１３３ａ…第１ＣＣＤシフトレジスタ
１３３ｂ…第２ＣＣＤシフトレジスタ
１３４、２３４、３３４、４３５、５３５…差分増幅器
１４、４４…タイミング制御部
２３２…転送ゲート部
２３３…ＣＣＤシフトレジスタ
３３３ａ、３３３ｂ…ＣＣＤシフトレジスタ
３３６ａ、３３６ｂ…ＣＣＤレジスタ
４３…ＣＣＤイメージセンサ
４３３ａ…第１ＣＣＤ垂直シフトレジスタ
４３３ｂ…第２ＣＣＤ垂直シフトレジスタ
４３４ａ…第１ＣＣＤ水平シフトレジスタ
４３４ｂ…第２ＣＣＤ水平シフトレジスタ
【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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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