(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
狭視野範囲用の光電変換を行うＣ−ＭＯＳスイッチアレイと、  前記Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイの周囲に配置され前記Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイと一緒に広視野範囲用の光電変換を行うＣＣＤセルアレイと、前記Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイおよび前記ＣＣＤセルアレイを前記Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイの中央位置を基準として平面的に上部および下部に分割し、上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、上部ＣＣＤセルアレイ、下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、および下部ＣＣＤセルアレイを独立に駆動する駆動部とを備えることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
狭視野範囲用の光電変換を行うＣ−ＭＯＳスイッチアレイと、前記Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイの周囲に配置され前記Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイと一緒に広視野範囲用の光電変換を行うＣＣＤセルアレイと、前記Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイおよび前記ＣＣＤセルアレイを前記Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイの中央位置を基準として平面的に上部および下部に分割し、上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、上部ＣＣＤセルアレイ、下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、および下部ＣＣＤセルアレイを独立に駆動する駆動部とで構成される撮像素子と、
広視野範囲の画像を得るために前記上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、前記上部ＣＣＤセルアレイ、前記下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、および前記下部ＣＣＤセルアレイの出力信号を組み合わせ、狭視野範囲の画像を得るために前記上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイおよび前記下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイの出力信号を組み合わせる信号処理回路と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項３】
前記信号処理回路は狭視野範囲の画像について広視野範囲の画像よりも高いフレームレートを前記撮像素子に設定する制御回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機等に搭載され目標物を探知して追尾するために用いられる撮像素子および撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
目標物の撮像には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）のようなＦＴＰ(Focal Plane Array)撮像素子が一般的に用いられている。ＣＣＤ撮像素子はマトリスク状に配置され各々入射光量を電荷量に光電変換する複数のＣＣＤセルを持つ。これら光電変換セルで発生された電荷は垂直転送クロック周期で垂直方向に転送され、さらに端部において水平転送クロック周期で水平方向に転送され外部に出力される。
【０００３】
ＣＣＤ撮像素子は上述のように電荷を順次転送する必要があるため、電荷の読出しを高速に行うことができない。従って、目標物の撮像周期が長くなりやすい。これは、目標物と航空機との距離が近づいた場合に、正確に目標を捕捉することが困難になりやすい。
【０００４】
高速読出しのため、例えば各々光電変換を行う複数のＣ−ＭＯＳスイッチをマトリクス状に配列することも考えられるが、これら複数のＣ−ＭＯＳスイッチはそれぞれを駆動するために独立な配線を必要とすると共に、電荷の読出しにも独立した配線を必要とし、配線量の増大を無視できない。従って、寸法およびスペース的な制約からＣ−ＭＯＳスイッチアレイを利用することは現実的でない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さらにＣＣＤ撮像素子では、目標物と撮像素子との距離が近づいた場合でも、正確に目標を捕捉するために広視野範囲と狭視野範囲とを切換えることができなかった。
【０００６】
本発明の目的は大型化を必要とせずに広視野範囲および狭視野範囲の切換えが可能な撮像素子および撮像システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、狭視野範囲用の光電変換を行うＣ−ＭＯＳスイッチアレイと、このＣ−ＭＯＳスイッチアレイの周囲に配置されＣ−ＭＯＳスイッチアレイと一緒に広視野範囲用の光電変換を行うＣＣＤセルアレイと、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイおよびＣＣＤセルアレイをＣ−ＭＯＳスイッチアレイの中央位置を基準として平面的に上部および下部に分割し、上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、上部ＣＣＤセルアレイ、下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、および下部ＣＣＤセルアレイを独立に駆動する駆動部とを備える撮像素子が提供される。
【０００８】
さらに本発明によれば、狭視野範囲用の光電変換を行うＣ−ＭＯＳスイッチアレイと、このＣ−ＭＯＳスイッチアレイの周囲に配置されＣ−ＭＯＳスイッチアレイと一緒に広視野範囲用の光電変換を行うＣＣＤセルアレイと、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイおよびＣＣＤセルアレイをＣ−ＭＯＳスイッチアレイの中央位置を基準として平面的に上部および下部に分割し、上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、上部ＣＣＤセルアレイ、下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、および下部ＣＣＤセルアレイを独立に駆動する駆動部とで構成される撮像素子と、広視野範囲の画像を得るために上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、上部ＣＣＤセルアレイ、下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ、および下部ＣＣＤセルアレイの出力信号を組み合わせ、狭視野範囲の画像を得るために上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイおよび下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイの出力信号を組み合わせる信号処理回路とを備える撮像システムが提供される。
【０００９】
これら撮像素子および撮像システムでは、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイおよびＣＣＤセルアレイが広視野範囲の画像を得るために用いられ、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイが狭視野範囲の画像を得るために用いられる。従って、広視野範囲の画像により目標物を追尾し、目標物が範囲の画像の中央部分に位置したときに視野範囲を切換えれば、広視野範囲の画像よりも高い信頼性で狭視野範囲の画像を得ることができる。すなわち、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイはＣＣＤセルアレイとから独立に駆動されるため、ＣＣＤセルアレイよりも高いフレームレートで撮像を繰返すことができる。このため、より正確に目標を捕捉することができるようになる。また、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイの配線量は広視野範囲全体をカバーする場合に比べて著しく低減される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る撮像システムを図面を参照して説明する。
【００１１】
図１はこの撮像システムに組込まれる撮像素子の回路構成を示す。この撮像システムは航空機等に搭載され、撮像素子の向きは常に目標物を中央に捕捉して追尾するよう撮像システムの出力信号に基づいて外部装置により修正されるものである。この撮像素子はＣＣＤセルアレイ１０およびＣ−ＭＯＳスイッチアレイ１３を備える。Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３は、マトリクス状に配置される複数のＣ−ＭＯＳスイッチで構成され、狭視野範囲用の光電変換を行う。ＣＣＤセルアレイ１０はＣ−ＭＯＳスイッチアレイ１３の周囲においてマトリクス状に配置される複数のＣＣＤセルで構成され、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３と一緒に広視野範囲用の光電変換を行う。複数のＣ−ＭＯＳスイッチはＣ−ＭＯＳスイッチアレイ１３の中央位置を基準として平面的に上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ａおよび下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ｂに分割される。
【００１２】
複数のＣＣＤセルはＣ−ＭＯＳスイッチアレイ１３の中央位置を基準として平面的に上部ＣＣＤセルアレイ１０Ａおよび下部ＣＣＤセルアレイ１０Ｂに分割される。上部ＣＣＤセルアレイ１０Ａは垂直シフトクロック周期で光電変換により得られた電荷を垂直クロック周期で垂直方向に転送する垂直ＣＣＤセルアレイ１１Ａおよびこの垂直ＣＣＤセルアレイ１１Ａから得られた電荷を水平転送クロック周期で水平方向に転送する出力水平ＣＣＤセルアレイ１２Ａで構成される。下部ＣＣＤセルアレイ１０Ｂは垂直シフトクロック周期で光電変換により得られた電荷を垂直クロック周期で垂直方向に転送する垂直ＣＣＤセルアレイ１１Ｂおよびこの垂直ＣＣＤセルアレイ１１Ｂから得られた電荷を水平転送クロック周期で水平方向に転送する水平ＣＣＤセルアレイ１２Ｂで構成される。水平ＣＣＤセルアレイ１２Ａは水平出力回路であり、この水平出力回路の出力信号ＯＳ１はアナログビデオ信号としてバッファ回路１７を介して外部出力される。水平ＣＣＤセルアレイ１２Ｂは水平出力回路であり、この水平出力回路の出力信号ＯＳ２はアナログビデオ信号としてバッファ回路１８を介して外部出力される。
【００１３】
Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３のＣ−ＭＯＳスイッチは垂直方向において垂直シフトレジスタ１５により順次選択される。上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３ＡのＣ−ＭＯＳスイッチは水平シフトレジスタ１４Ａにより順次選択され、下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３ＢのＣ−ＭＯＳスイッチは水平シフトレジスタ１４Ｂにより順次選択される。蓄積部１６Ａは上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ａにおいて水平方向に並ぶＣ−ＭＯＳスイッチから得られる電荷をそれぞれ蓄積し、蓄積部１６Ａは下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ｂにおいて水平方向に並ぶＣ−ＭＯＳスイッチから得られる電荷をそれぞれ蓄積する。蓄積部１６Ａの出力信号ＯＳ３はアナログビデオ信号としてバッファ回路１９を介して外部出力される。蓄積部１６Ａの出力信号ＯＳ４はアナログビデオ信号としてバッファ回路２０を介して外部出力される。尚、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ａを水平シフトレジスタ１４Ａ、垂直シフトレジスタ１５、および蓄積部１６Ａに接続するアルミ配線、並びにＣ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ｂを水平シフトレジスタ１４Ｂ、垂直シフトレジスタ１５、および蓄積部１６Ｂに接続するアルミ配線を確保するため、ＣＣＤセルアレイ１０のＣＣＤセルはポリシリコン層を用いた積層配線構造を持つ。
【００１４】
上述の撮像素子では、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３が広視野モードにおいてＣＣＤセルアレイ１０に一緒に駆動され、狭視野モードにおいて単独で駆動される。広視野モードでは、出力信号ＯＳ１およびＯＳ２が水平走査周期（１Ｈ）毎に図２に示すような形式で出力され、出力信号ＯＳ３およびＯＳ４が出力信号ＯＳ１およびＯＳ２が出力されない間に出力される。また、狭視野モードでは、出力信号ＯＳ３およびＯＳ４だけが水平走査周期（１Ｈ）毎に図２に示すような形式で出力される。
【００１５】
図３は撮像システム全体の回路構成を示す。この撮像システムは光学系２０、画像検出器２１、ビデオ信号処理回路２２、制御回路３２、ＣＣＤ部駆動回路３５、ＭＯＳ部駆動回路３６、および視野切換機構３７を有する。光学系２０は撮像される目標物からの光を画像検出器２１に入射させる。画像検出器２１は図１を参照して説明した撮像素子を含み、入射光に対応して撮像素子から得られる出力信号ＯＳ１，ＯＳ２，ＯＳ３，およびＯＳ４をビデオ処理回路２２に供給する。
【００１６】
ビデオ信号処理回路２２は前処理回路２３，２４，２５，および２６、混合器２７，２８，２９，および３０、および信号切換回路３１を有する。前処理回路２３，２４，２５，および２６は画像検出器２１から供給される出力信号ＯＳ１，ＯＳ３，ＯＳ２，およびＯＳ４をそれぞれデジタル形式に変換する前処理を行う。混合器２７は前処理回路２３および２４の出力信号を混合して混合器２９に供給し、混合器２８は前処理回路２５および２６の出力信号を混合して混合器２９に供給する。混合器２９は混合器２７および２８の出力信号を混合して信号切換回路３１に供給する。他方、前処理回路２４および２６はそれぞれ前処理によりデジタル形式に変換された画像検出器２１の出力信号ＯＳ３およびＯＳ４を混合器３０に供給する。混合器３０はこれら前処理回路２４および２６の出力信号を混合して信号切換回路３１に供給する。信号切換回路３１は広視野モードで混合器２９の出力信号を選択し、狭視野モードで混合器３０の出力信号を選択する。すなわち、出力信号ＯＳ１，ＯＳ２，ＯＳ３およびＯＳ４を混合したデジタルビデオ信号が広視野モードで信号切換回路３１から出力され、出力信号ＯＳ３およびＯＳ４を混合したデジタルビデオ信号が狭視野モードで信号切換回路３１から出力される。
【００１７】
制御回路３２は信号切換回路３１から出力されるビデオ信号を解析し、この解析結果に基づいて信号切換回路３１、ＣＣＤ部駆動回路３５、およびＭＯＳ部駆動回路３６を制御する。この制御のため、制御回路３２は視野切換判定回路３３およびフレームレート切換判定回路３４を有する。視野切換判定回路３３は初期状態で広視野モードを設定し、この広視野モードに対応する切換信号を視野切換機構３７および信号切換回路３１に供給し、さらにＣＣＤ部駆動回路３５およびＭＯＳ部駆動回路３６の動作を許可する。これにより、視野切換機構３７は広視野範囲用の焦点距離を持つよう光学系２０を調整し、ＣＣＤ部駆動回路３５は垂直および水平転送クロック供給することにより上部ＣＣＤセルアレイ１０Ａおよび下部ＣＣＤセルアレイ１０Ａを駆動し、ＭＯＳ部駆動回路３６は垂直シフトレジスタ１５および水平シフトレジスタ１４Ａ，１４Ｂにそれぞれ垂直シフトクロック、水平シフトクロックを供給することにより上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ａおよび下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ｂをそれぞれ駆動し、信号切換回路３０は出力信号ＯＳ１，ＯＳ２，ＯＳ３およびＯＳ４を混合したデジタルビデオ信号を出力する。
【００１８】
視野切換判定回路３３において、目標物がほぼ広視野範囲の中央に位置したことがデジタルビデオ信号から検出されると、視野切換判定回路３３は広視野モードを狭視野モードに切換えてこの狭視野モードに対応する切換信号を視野切換機構３７および信号切換回路３１に供給し、さらにＣＣＤ部駆動回路３５の動作を停止させてＭＯＳ部駆動回路３６の動作を許可する。これにより、視野切換機構３７は狭視野範囲用の焦点距離を持つよう光学系２０を調整し、ＣＣＤ部駆動回路３５は上部ＣＣＤセルアレイ１０Ａおよび下部ＣＣＤセルアレイ１０Ａの駆動を停止し、ＭＯＳ部駆動回路３６は垂直シフトレジスタ１５および水平シフトレジスタ１４Ａ，１４Ｂにそれぞれ垂直シフトクロック、水平シフトクロックを供給することにより上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ａおよび下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３Ｂをそれぞれ駆動し、信号切換回路３０は出力信号ＯＳ３およびＯＳ４を混合したデジタルビデオ信号を出力する。
【００１９】
フレームレート切換判定回路３２は狭視野モードにおいて得られるデジタルビデオ信号から撮像素子が目標物に接近したことを検出し、フレームレートを例えば６０Ｈｚから３００Ｈｚに変更して撮像回数を増大するものである。具体的には、水平シフトレジスタ１４Ａおよび１４Ｂの水平シフトクロックおよび垂直シフトレジスタ１５の垂直シフトクロックがフレームレートに対応して増大される。
【００２０】
この撮像システムでは、撮像素子から離れた目標物を捕捉するために最初に広視野モードが設定され、目標物が広視野範囲の画像において捕捉される。この後、目標物が撮像素子の中央に位置すると、広視野モードが狭視野モードに変更される。撮像素子が狭視野範囲の画像において目標物に接近したことが検出されると、目標物の移動に高速に追従するようフレームレートが増大される。
【００２１】
本実施形態の撮像システムによれば、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３およびＣＣＤセルアレイ１０が広視野範囲の画像を得るために用いられ、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３が狭視野範囲の画像を得るために用いられる。従って、広視野範囲の画像により目標物を追尾し、目標物が範囲の画像の中央部分に位置したときに視野範囲を切換えれば、広視野範囲の画像よりも高い信頼性で狭視野範囲の画像を得ることができる。すなわち、Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ１３はＣＣＤセルアレイ１０とから独立に駆動されるため、ＣＣＤセルアレイ１０よりも高いフレームレートで撮像を繰返すことができる。このため、より正確に目標を捕捉することができるようになる。また、このＣ−ＭＯＳスイッチアレイ１３の配線量は広視野範囲全体をカバーする場合に比べて著しく低減される。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、大型化を必要とせずに広視野範囲および狭視野範囲の切換えが可能な撮像素子および撮像システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像システムに組込まれる撮像素子の構造を示す回路図である。
【図２】図１に示す撮像素子から得られる出力信号を説明するための図である。
【図３】図１に示す撮像素子を組込んだ撮像システム全体の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１０…ＣＣＤセルアレイ
１Ａ…上部ＣＣＤセルアレイ
１Ｂ…下部ＣＣＤセルアレイ
１３…Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ
１３Ａ…上部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ
１３Ｂ…下部Ｃ−ＭＯＳスイッチアレイ
１４Ａ，１４Ｂ…水平シフトレジスタ
１５…垂直シフトレジスタ
１６Ａ，１６Ｂ…蓄積部
２０…光学系
２２…ビデオ処理回路
３２…制御回路
３５…ＣＣＤ部駆動回路
３６…ＭＯＳ部駆動回路
３７…視野切換機構
【図１】
0003749815.tif 000002
【図２】
0003749815.tif 000003
【図３】
0003749815.tif 000004