駆動装置及びそれを備えた撮像装置
【課題】超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる駆動装置及びそれを備えた撮像装置を提供すること。
【解決手段】駆動装置１００は、メモリＣＣＤ２１０を有する画素周辺記録型ＣＣＤ２００に対し、露光クロックを出力する露光クロック出力部１０１と、蓄積ＣＣＤ駆動クロックを出力する蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部１０２と、蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロックを出力する蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部１０３と、水平転送ＣＣＤ駆動クロックを出力する水平転送ＣＣＤ駆動クロック出力部１０４とを備え、メモリＣＣＤ２１０は、蓄積ＣＣＤ及び蓄積・読出ＣＣＤを含み、超高速度撮像での蓄積ＣＣＤへの信号電荷の転送を行った後、ＰＤ２０１から蓄積ＣＣＤへの電荷転送と蓄積・読出ＣＣＤから水平転送ＣＣＤ２０２への電荷転送とを一定期間で交互に行わせる構成を有する。
【解決手段】駆動装置１００は、メモリＣＣＤ２１０を有する画素周辺記録型ＣＣＤ２００に対し、露光クロックを出力する露光クロック出力部１０１と、蓄積ＣＣＤ駆動クロックを出力する蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部１０２と、蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロックを出力する蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部１０３と、水平転送ＣＣＤ駆動クロックを出力する水平転送ＣＣＤ駆動クロック出力部１０４とを備え、メモリＣＣＤ２１０は、蓄積ＣＣＤ及び蓄積・読出ＣＣＤを含み、超高速度撮像での蓄積ＣＣＤへの信号電荷の転送を行った後、ＰＤ２０１から蓄積ＣＣＤへの電荷転送と蓄積・読出ＣＣＤから水平転送ＣＣＤ２０２への電荷転送とを一定期間で交互に行わせる構成を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、超高速度撮像用の画素周辺記録型素子を駆動する駆動装置及びそれを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からカメラ等の撮像装置における高速撮像を行うための研究、開発が行われている。その中でも、撮像素子におけるフレームレートの向上を目的として画素周辺記録型素子（ISIS:In-situ Storage Image Sensor）の提案がされている（例えば、特許文献１参照）。以下、ＩＳＩＳの一例として画素周辺記録型ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を挙げて説明する。
【０００３】
画素周辺記録型ＣＣＤは、１つ１つの画素に対して多数のメモリＣＣＤを有するように構成されており、受光素子（以下「ＰＤ（Photo Diode）」という。）等から得られる撮像中の画像情報を直接外に読み出さず、メモリＣＣＤに連続的に蓄積しておき、撮像後に出力を行うものである。これにより、撮像装置等において被写体等を撮像することで生じる信号電荷を高速にメモリＣＣＤに転送して超高速度撮像を実現している。
【０００４】
次に、画素周辺記録型ＣＣＤの構成例について説明する。画素周辺記録型ＣＣＤの１画素当たりの構成例を図９（ａ）に示す。画素周辺記録型ＣＣＤの１画素は、１つのＰＤ１に対応して、メモリＣＣＤとしてのｍ個（Ｍ１〜Ｍｍ）の蓄積ＣＣＤ２とｎ個（ＭＲ１〜ＭＲｎ）の蓄積・読出ＣＣＤ３とを有するように構成されている。図９（ａ）において、信号電荷はＰＤ→Ｍ１→Ｍ２→・・・→Ｍｍ→ＭＲ１→ＭＲ２→・・・→ＭＲｎの順に転送される。
【０００５】
また、図９（ｂ）は、上述の１画素を２次元配列させた画素周辺記録型ＣＣＤの配列構成を示す図である。図９（ｂ）に示した画素周辺記録型ＣＣＤは、Ｋ×Ｌ個の画素と、垂直１ラインにつきＧ個の水平転送ＣＣＤ４とを備える。ここで、ＭＲｎはその下段に配置されたＰＤに対応する蓄積・読出ＣＣＤのＭＲ１に接続される。したがって、各ＭＲ１は、対応するＰＤのＭｍから転送される信号電荷と、上段に配置されたＰＤに対応するＭＲｎから転送される信号電荷との両方を受けて、ＭＲ２に転送することができる。また、図９（ｂ）の最下段に示されているＰＤに対応するＭＲｎは、水平転送ＣＣＤ４に接続され、信号電荷がアンプ５に転送される。
【０００６】
次に、図１０及び図１１を用いて、縦８画素×横２画素における、蓄積ＣＣＤのメモリ数１２、蓄積・読出ＣＣＤのメモリ数４、水平転送ＣＣＤが２個の画素周辺記録型ＣＣＤを用いて、画素周辺記録型ＣＣＤにおける超高速度撮像の原理について説明する。
【０００７】
まず、撮像前の状態を示す図１０（ａ）の時点では、蓄積ＣＣＤ及び蓄積・読出ＣＣＤには何も蓄積されていない。撮像が始まるとＰＤで発生した信号電荷をＰＤ→蓄積ＣＣＤ→蓄積・読出ＣＣＤに順次転送する（図１０（ｂ））。ここまでの処理で、１６フレーム分の超高速度撮像が完了する。この後、撮像により発生した信号電荷を外部に読み出す。
【０００８】
図１０（ｃ）に示すように、蓄積・読出ＣＣＤに蓄積された信号電荷は水平転送ＣＣＤを介し外部に読み出される。蓄積・読出ＣＣＤに蓄積された信号電荷が全て読み出された状態（図１１（ｄ））の後、蓄積ＣＣＤの最下段から４段分に蓄積された信号電荷を蓄積・読出ＣＣＤに転送する（図１１（ｅ））。蓄積・読出ＣＣＤに蓄積された信号電荷は、水平転送ＣＣＤを介し外部に読み出される（図１１（ｆ））。このような転送動作を繰り返すことで、撮像により発生した信号電荷を全て外部に読み出す。
【０００９】
以上説明した原理により、画素周辺記録型ＣＣＤは１００万枚／秒程度の超高速度撮像を実現している。
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の画素周辺記録型ＣＣＤにおいて、メモリＣＣＤのメモリ数は有限（１００フレーム分程度）であるため、一定フレーム数分の信号電荷しか蓄積することができず、その蓄積されたフレーム数分しか連続的に撮像できない。したがって、１回の撮像における撮像時間は、１フレームの撮像に要する時間と１画素中のメモリＣＣＤ数との積となり、極短時間に制限される。
【００１１】
撮像時間を延ばすためにはメモリＣＣＤ数を増やす必要があるが、そのためにはメモリＣＣＤの配置スペースの確保を要するため画素数を減らすなど他の性能を落とさなければならない。一方、１回の超高速度撮像の直後に次の撮像を開始すれば撮像時間を延ばすことができるが、従来の画素周辺記録型ＣＣＤでは、撮像により発生した信号電荷を全て外部に読み出すまで次の撮像ができないため、超高速度撮像後に時間的に連続した撮像を行うことは不可能である。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる駆動装置及びそれを備えた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の駆動装置は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する信号電荷蓄積手段と、蓄積された前記信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す信号電荷読出手段とを備えた撮像素子を駆動する駆動装置であって、第１の撮像速度で撮像するために前記受光素子を露光させる第１の露光信号を前記受光素子に出力する第１の露光信号出力手段と、前記受光素子からの前記信号電荷を前記信号電荷蓄積手段に順次蓄積させる蓄積信号を前記信号電荷蓄積手段に出力する蓄積信号出力手段と、前記信号電荷蓄積手段に蓄積された前記信号電荷を前記出力先に順次読み出す読出信号を前記信号電荷読出手段に出力する読出信号出力手段と、前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷が前記信号電荷蓄積手段に蓄積された後において前記第１の撮像速度よりも遅い第２の撮像速度で撮像するために前記受光素子を露光させる第２の露光信号を前記受光素子に出力する第２の露光信号出力手段とを備え、前記読出信号出力手段は、前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷に続けて前記第２の露光信号に基づいて得られた信号電荷を前記信号電荷読出手段に順次読み出させるものである構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の駆動装置は、第１の露光信号に基づいて得られる超高速度撮像された信号電荷に続けて、第２の露光信号に基づいて得られる低速度撮像された信号電荷を順次読み出すことができるので、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【００１５】
また、本発明の駆動装置は、前記信号電荷蓄積手段が前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷を順次蓄積した後において、前記蓄積信号出力手段及び前記読出信号出力手段は、それぞれ、前記蓄積信号及び前記読出信号を、予め定められた期間毎に交互に出力するものである構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の駆動装置は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【００１７】
さらに、本発明の駆動装置は、前記信号電荷蓄積手段は、前記受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する複数のメモリ部を備え、前記第２の撮像速度で前記受光素子を露光させる前に前記信号電荷読出手段の読み出し動作と並行して、前記複数のメモリ部に蓄積された信号電荷のうち予め定められた個数の特定信号電荷を前記受光素子に向けて逆転送して前記特定信号電荷のうち最新の撮像で得られた信号電荷が前記受光素子に隣接するメモリ部に収まる状態にする逆転送信号を前記信号電荷蓄積手段に出力する逆転送信号出力手段を備えた構成を有している。
【００１８】
この構成により、本発明の駆動装置は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【００１９】
本発明の撮像装置は、駆動装置と、前記撮像素子とを備えた構成を有している。
【００２０】
この構成により、本発明の撮像装置は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができるという効果を有する駆動装置及びそれを備えた撮像装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明に係る駆動装置を、撮像素子としての画素周辺記録型ＣＣＤに適用した例を挙げて説明する。
【００２３】
まず、本実施の形態における駆動装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態における駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態における駆動装置１００は、画素周辺記録型ＣＣＤ２００に対し、露光クロック（ΦＰＤ）を出力する露光クロック出力部１０１と、蓄積ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭ）を出力する蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部１０２と、蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭＲ）を出力する蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部１０３と、水平転送ＣＣＤ駆動クロック（ΦＨ）を出力する水平転送ＣＣＤ駆動クロック出力部１０４とを備えている。
【００２５】
ここで、露光クロック出力部１０１は、本発明に係る第１及び第２の露光信号出力手段を構成する。また、蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部１０２は、本発明に係る蓄積信号出力手段及び逆転送信号出力手段を構成する。また、蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部１０３は、本発明に係る読出信号出力手段を構成する。
【００２６】
画素周辺記録型ＣＣＤ２００は、被写体からの光を受光する受光素子としてのＰＤ２０１と、撮像によって得られた信号電荷を蓄積するメモリＣＣＤ２１０と、信号電荷を水平転送する水平転送ＣＣＤ２０２と、信号電荷を増幅するアンプ２０３とを備えている。
【００２７】
ＰＤ２０１は、撮像により発生した光の吸収により光信号を電気信号に変換するようになっている。メモリＣＣＤ２１０は、例えば、複数のメモリセルが２次元格子状に配列されたものであり、各メモリセルが対応するＰＤ２０１をそれぞれ有する。水平転送ＣＣＤ２０２は、メモリＣＣＤ２１０から転送された信号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷をアンプ２０３に出力するようになっている。アンプ２０３は、信号電荷を増幅して外部信号として出力するようになっている。
【００２８】
詳細には、画素周辺記録型ＣＣＤ２００は、例えば図２に示すような構成を有する。図２は、画素周辺記録型ＣＣＤ２００が、縦８画素×横２画素で構成された例を示す図である。
【００２９】
図２に示すように、画素周辺記録型ＣＣＤ２００は、１画素当たり、１個のＰＤ２０１と、メモリＣＣＤ２１０に含まれる１２個の蓄積ＣＣＤ２１１及び４個の蓄積・読出ＣＣＤ２１２とを備えている。蓄積ＣＣＤ２１１は、Ｍ１、Ｍ２、・・・Ｍ１２を含む。また、蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、ＭＲ１、・・・ＭＲ４を含む。画素周辺記録型ＣＣＤ２００は、図１に示した駆動装置１００から各駆動クロックを入力し、各クロックに応じて動作するようになっている。なお、蓄積ＣＣＤ２１１及び蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、それぞれ、信号電荷蓄積手段及び信号電荷読出手段に対応する。
【００３０】
具体的には、ＰＤ２０１は、露光クロック出力部１０１から露光クロック（ΦＰＤ）を入力し、光電変換により発生した信号電荷をΦＰＤに応じて蓄積ＣＣＤ２１１のＭ１に出力するようになっている。また、１２個の蓄積ＣＣＤ２１１は、それぞれ、蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部１０２から蓄積ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭ）を入力し、ＰＤ２０１からの電荷をΦＭに応じて順次蓄積するようになっている。
【００３１】
また、４個の蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、それぞれ、蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部１０３から蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭＲ）を入力し、蓄積ＣＣＤ２１１からの電荷をΦＭＲに応じて蓄積して水平転送ＣＣＤ２０２に読み出すようになっている。ここで、図２の左図に示すように、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の最下段画素を除く各画素のＭＲ４は、その下段に位置する画素のＭＲ１に接続されている。つまり、最上段画素を除く各画素のＭＲ１は、自画素のＭ１２と自画素の１段上の画素のＭＲ４から信号電荷を受け取って自画素のＭＲ２に転送するようになっている。また、図２の左図に示すように、最下段画素のＭＲ４は、水平転送ＣＣＤ２０２ａ及び２０２ｂに接続されており、信号電荷を水平転送ＣＣＤ２０２に出力するようになっている。
【００３２】
２個の水平転送ＣＣＤ２０２は、それぞれ、水平転送ＣＣＤ駆動クロック出力部１０４から水平転送ＣＣＤ駆動クロック（ΦＨ）を入力し、最下段画素のＭＲ４からの信号電荷をΦＨに応じて水平転送し、アンプ２０３に出力するようになっている。
【００３３】
なお、駆動装置１００は、露光クロック（ΦＰＤ）及び各ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭ、ΦＭＲ）として、駆動クロック周波数１Ｈｚ〜１００ＭＨｚ程度に、水平転送ＣＣＤクロック（ΦＨ）として、駆動クロック周波数１Ｈｚ〜１００ＭＨｚ程度に対応できるものが好ましい。
【００３４】
次に、駆動装置１００の駆動方式について説明する。駆動装置１００は、蓄積ＣＣＤ２１１、蓄積・読出ＣＣＤ２１２、水平転送ＣＣＤ２０２の駆動に、２相駆動、３相駆動、４相駆動等の駆動方式を用いることができる。一例として、蓄積・読出ＣＣＤ２１２に対する４相駆動方式について図３に示す。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、蓄積・読出ＣＣＤ２１２のうち、ＭＲｄには４つの電極２１２ａ〜２１２ｄが設けられており、それぞれが駆動クロックΦ１〜Φ４により駆動されるように接続されている。ここで、駆動クロックΦ１〜Φ４は、４つの異なるタイミングの駆動波形からなっている。蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、駆動クロックΦ１〜Φ４によって、図３（ｂ）に示すように駆動されると、電荷が電極２１２ａから２１２ｄに向かう方向（ＰＤ２０１からアンプ２０３に向かう方向）、すなわち順方向に電荷を転送するようになっている。一方、蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、駆動クロックΦ１〜Φ４によって、図３（ｃ）に示すように駆動されると、電荷が電極２１２ｄから２１２ａに向かう方向、すなわち逆方向に電荷を転送するようになっている。したがって、駆動装置１００は、駆動クロックΦ１〜Φ４のような駆動クロックを用いることにより、信号電荷の順方向転送又は逆方向転送の４相駆動が可能となっている。
【００３６】
（駆動例）
次に、本発明における駆動例について図２、図４〜図７を用いて説明する。この駆動例における画素周辺記録型ＣＣＤは図２に示した構成を備えたものとする。すなわち、２×８画素の構成であって、メモリ数１２の蓄積ＣＣＤ２１１と、メモリ数４の蓄積・読出ＣＣＤ２１２と、２個の水平転送ＣＣＤ２０２とを備える画素周辺記録型ＣＣＤを用いて、超高速度撮像に続けて長時間の高速連続撮像を途切れることなく行う場合の駆動例を説明する。また、図４は、この駆動例における駆動波形の一例を示す図である。また、図５〜図７は、図４に示した駆動波形に対応した、画素周辺記録型ＣＣＤ２００における信号電荷の流れについて説明するための一例の図である。なお、図５〜図７において（ａ）〜（ｉ）に示した信号電荷の蓄積状態は、それぞれ、図４に示す（ａ）時点〜（ｉ）時点におけるものである。
【００３７】
まず、図４（ａ）時点では、図５（ａ）に示すように蓄積ＣＣＤ２１１及び蓄積・読出ＣＣＤ２１２には何も蓄積されていない。次に、駆動装置１００は、図４に示すように、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に順方向転送させる。例えば、１段分を順方向転送したとき信号電荷の蓄積範囲は図５（ｂ）に示す斜線範囲となる。また、１２段分を順方向転送したときの信号電荷の蓄積範囲は図５（ｃ）に示す斜線範囲となる。図４（ｂ）時点から図４（ｃ）時点までの処理は、超高速度撮像の駆動である。つまり、図４（ｃ）時点において超高速度撮像による１〜１２枚目の撮像が完了したことになる。１枚の撮像速度はΦＰＤ及びΦＭの１転送に対応する。図４（ｃ）時点以降の処理は、それ以前よりも長時間の高速連続撮像の駆動である。駆動装置１００は、図４（ｃ）時点以降に示すように、ΦＰＤ、ΦＭ、ΦＭＲ、ΦＨを出力することにより、以下に述べる信号電荷の転送処理を繰り返し行う。図４（ｃ）時点以降における１枚の撮像速度は、ΦＰＤの１転送に対応する。ΦＭ、ΦＭＲ、ΦＨの駆動クロック周期は、ΦＰＤの駆動クロック周期に対応させる。長時間の高速連続撮像は超高速度撮像に比べ撮像速度が遅くなる。
【００３８】
以下、図４（ｃ）時点以降の駆動について具体的に説明する。駆動装置１００は、ΦＭ、ΦＭＲにより蓄積ＣＣＤ２１１に蓄積された信号電荷を蓄積・読出ＣＣＤ２１２に４段分を順方向転送させる。ここで、信号電荷の蓄積範囲は図６（ｄ）に示す斜線範囲となる。
【００３９】
次に、図６（ｅ）に示すように、駆動装置１００は、ΦＭＲ及びΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷の４段分を順方向転送させると同時に、ΦＭにより蓄積ＣＣＤ２１１に蓄積された信号電荷の４段分を、その信号電荷のうち最新の撮像で得られた信号電荷がＰＤ２０１に隣接する蓄積ＣＣＤ２１１（図２のＭ１相当）に収まる状態にするよう逆方向転送させる。その結果、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２にそれぞれ蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００（図２参照）の下から１段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。なお、図４（ｅ）時点における信号電荷の蓄積範囲は、図６（ｅ）に示す斜線範囲となる。
【００４０】
次に、駆動装置１００は、ΦＭＲ、ΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷の４段分をさらに順方向転送させる。これにより、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２に蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の下から２段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。その後、駆動装置１００は、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に１段分転送させる。これにより、長時間の高速連続撮像における１枚目の撮像が行われる。このときの信号電荷の蓄積範囲は図６（ｆ）に示す斜線範囲となる。
【００４１】
次に、駆動装置１００は、ΦＭＲ、ΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷をさらに８段分転送させる。これにより、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２に蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の下から３、４段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。その後、駆動装置１００は、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に１段分転送させる。これにより、長時間の高速連続撮像における２枚目の撮像が行われる。このときの信号電荷の蓄積範囲は図７（ｇ）に示す斜線範囲となる。
【００４２】
次に、駆動装置１００は、ΦＭＲ、ΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷をさらに８段分転送させる。これにより、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２に蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の下から５、６段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。その後、駆動装置１００は、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に１段分転送させる。これにより、長時間の高速連続撮像における３枚目の撮像が行われる。このときの信号電荷の蓄積範囲は図７（ｈ）に示す斜線範囲となる。
【００４３】
次に、駆動装置１００は、ΦＭＲ、ΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷をさらに８段分転送させる。これにより、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２に蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の下から７、８段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。その後、駆動装置１００は、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に１段分転送させる。これにより、長時間の高速連続撮像における４枚目の撮像が行われる。このときの信号電荷の蓄積範囲は図７（ｉ）に示す斜線範囲となる。この信号電荷の蓄積範囲は、図５（ｃ）に示したものと同じである。よって以後、駆動装置１００は、図６（ｄ）〜図７（ｉ）に示す動作を繰り返すことにより、長時間の高速連続撮像を行いながら信号電荷を外部に読み出し続けることができる。
【００４４】
２回目の（ｄ）〜（ｉ）の動作では、長時間の高速連続撮像の５〜８枚目の撮像を行い、同時に超高速度撮像の５〜８枚目の信号電荷が外部に読み出される。
【００４５】
３回目の（ｄ）〜（ｉ）の動作では、長時間の高速連続撮像の９〜１２枚目の撮像を行い、同時に超高速度撮像の９〜１２枚目の信号電荷が外部に読み出される。
【００４６】
４回目の（ｄ）〜（ｉ）の動作では、長時間の高速連続撮像の１３〜１６枚目の撮像を行い、同時に長時間の高速連続撮像の１〜４枚目の信号電荷が外部に読み出される。
【００４７】
以降、ｎ回目の（ｄ）〜（ｉ）の動作では、長時間の高速連続撮像の（ｎ＋９）〜（ｎ＋１２）枚目の撮像を行い、同時に長時間の高速連続撮像の（ｎ−３）〜ｎ枚目の信号電荷が外部に読み出される。
【００４８】
以上のように、本実施の形態における駆動装置１００は、超高速度撮像での蓄積ＣＣＤ２１１への信号電荷の転送を行った後、ＰＤ２０１から蓄積ＣＣＤ２１１への電荷転送と蓄積・読出ＣＣＤ２１２から水平転送ＣＣＤ２０２への電荷転送とを一定期間で交互に行わせることにより、超高速度撮像及び長時間の高速連続撮像により得られた信号電荷を全て外部に読み出すことができる。
【００４９】
したがって、駆動装置１００は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。具体的には、本実施の形態における駆動装置１００は、数万〜１００万枚／秒程度の超高速度撮像映像に時間的に続く数百〜数千枚／秒程度の高速度撮像映像を長時間得ることができる。
【００５０】
（撮像装置）
次に、本実施の形態における駆動装置１００を有する撮像装置について図面を用いて説明する。図８は、本実施の形態における撮像装置を示すブロック図である。
【００５１】
図８に示すように、本実施の形態における撮像装置３００は、駆動装置１００と、レンズ３０１と、画素周辺記録型ＣＣＤ３０２と、Ａ／Ｄ変換部３０３と、信号処理部３０４と、映像信号メモリ３０５とを備えている。
【００５２】
撮像装置３００は、レンズ３０１を通過して得られる光信号を画素周辺記録型ＣＣＤ３０２で受光する。なお、画素周辺記録型ＣＣＤ３０２は、前述したように各画素に対応した複数のＣＣＤメモリを有している。また、画素周辺記録型ＣＣＤ３０２は、駆動装置１００から得られる駆動クロック（ΦＰＤ、ΦＭ、ΦＭＲ、ΦＨ）に基づいて、信号電荷の転送が制御される。
【００５３】
画素周辺記録型ＣＣＤ３０２は、駆動装置１００からの駆動クロックに基づいて出力信号をＡ／Ｄ変換部３０３に出力する。Ａ／Ｄ変換部３０３は、画素周辺記録型ＣＣＤ３０２から得られるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を信号処理部３０４に出力する。
【００５４】
信号処理部３０４は、Ａ／Ｄ変換部３０３から得られる映像信号をフレームに対応させて並べ替えを行い、並べ替えた映像信号を映像信号メモリ３０５に出力する。また、映像信号メモリ３０５は、信号処理部３０４から得られる並べ替えた映像信号を、例えば数十万フレーム程度保存することができる。また、映像信号メモリ３０５は、保存した映像信号を所定レートで出力する。例えば、通常のテレビレートの場合、映像信号メモリ３０５は３０フレーム／秒で映像信号を出力する。
【００５５】
以上のように、撮像装置３００は、本実施の形態における駆動装置１００を具備することにより、従来の画素周辺記録型ＣＣＤを用いても、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施の形態における駆動装置と、この駆動装置によって駆動される画素周辺記録型ＣＣＤの構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態における駆動装置が駆動する画素周辺記録型ＣＣＤの画素の構成を概念的に示す図
【図３】本発明の一実施の形態における駆動装置において画素周辺記録型ＣＣＤを４相駆動方式で駆動する場合の説明図
【図４】本発明の一実施の形態における駆動装置の駆動波形例を示す図
【図５】本発明の一実施の形態における駆動装置の駆動例の説明図
【図６】本発明の一実施の形態における駆動装置の駆動例の説明図
【図７】本発明の一実施の形態における駆動装置の駆動例の説明図
【図８】本発明の一実施の形態における駆動装置を備えた撮像装置の構成例を示す図
【図９】画素周辺記録型ＣＣＤの画素の構成を概念的に示す図
【図１０】従来の駆動方式によって画素周辺記録型ＣＣＤを駆動した場合の説明図
【図１１】従来の駆動方式によって画素周辺記録型ＣＣＤを駆動した場合の説明図
【符号の説明】
【００５７】
１００ 駆動装置
１０１ 露光クロック出力部（第１及び第２の露光信号出力手段）
１０２ 蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部（蓄積信号出力手段、逆転送信号出力手段）
１０３ 蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部（読出信号出力手段）
１０４ 水平転送ＣＣＤ駆動クロック出力部
２００ 画素周辺記録型ＣＣＤ（撮像素子）
２０１ ＰＤ（受光素子）
２０２（２０２ａ、２０２ｂ） 水平転送ＣＣＤ
２０３ アンプ
２１０ メモリＣＣＤ
２１１ 蓄積ＣＣＤ（信号電荷蓄積手段）
２１２ 蓄積・読出ＣＣＤ（信号電荷読出手段）
２１２ａ〜２１２ｄ 電極
３００ 撮像装置
３０１ レンズ
３０２ 画素周辺記録型ＣＣＤ
３０３ Ａ／Ｄ変換部
３０４ 信号処理部
３０５ 映像信号メモリ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、超高速度撮像用の画素周辺記録型素子を駆動する駆動装置及びそれを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からカメラ等の撮像装置における高速撮像を行うための研究、開発が行われている。その中でも、撮像素子におけるフレームレートの向上を目的として画素周辺記録型素子（ISIS:In-situ Storage Image Sensor）の提案がされている（例えば、特許文献１参照）。以下、ＩＳＩＳの一例として画素周辺記録型ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を挙げて説明する。
【０００３】
画素周辺記録型ＣＣＤは、１つ１つの画素に対して多数のメモリＣＣＤを有するように構成されており、受光素子（以下「ＰＤ（Photo Diode）」という。）等から得られる撮像中の画像情報を直接外に読み出さず、メモリＣＣＤに連続的に蓄積しておき、撮像後に出力を行うものである。これにより、撮像装置等において被写体等を撮像することで生じる信号電荷を高速にメモリＣＣＤに転送して超高速度撮像を実現している。
【０００４】
次に、画素周辺記録型ＣＣＤの構成例について説明する。画素周辺記録型ＣＣＤの１画素当たりの構成例を図９（ａ）に示す。画素周辺記録型ＣＣＤの１画素は、１つのＰＤ１に対応して、メモリＣＣＤとしてのｍ個（Ｍ１〜Ｍｍ）の蓄積ＣＣＤ２とｎ個（ＭＲ１〜ＭＲｎ）の蓄積・読出ＣＣＤ３とを有するように構成されている。図９（ａ）において、信号電荷はＰＤ→Ｍ１→Ｍ２→・・・→Ｍｍ→ＭＲ１→ＭＲ２→・・・→ＭＲｎの順に転送される。
【０００５】
また、図９（ｂ）は、上述の１画素を２次元配列させた画素周辺記録型ＣＣＤの配列構成を示す図である。図９（ｂ）に示した画素周辺記録型ＣＣＤは、Ｋ×Ｌ個の画素と、垂直１ラインにつきＧ個の水平転送ＣＣＤ４とを備える。ここで、ＭＲｎはその下段に配置されたＰＤに対応する蓄積・読出ＣＣＤのＭＲ１に接続される。したがって、各ＭＲ１は、対応するＰＤのＭｍから転送される信号電荷と、上段に配置されたＰＤに対応するＭＲｎから転送される信号電荷との両方を受けて、ＭＲ２に転送することができる。また、図９（ｂ）の最下段に示されているＰＤに対応するＭＲｎは、水平転送ＣＣＤ４に接続され、信号電荷がアンプ５に転送される。
【０００６】
次に、図１０及び図１１を用いて、縦８画素×横２画素における、蓄積ＣＣＤのメモリ数１２、蓄積・読出ＣＣＤのメモリ数４、水平転送ＣＣＤが２個の画素周辺記録型ＣＣＤを用いて、画素周辺記録型ＣＣＤにおける超高速度撮像の原理について説明する。
【０００７】
まず、撮像前の状態を示す図１０（ａ）の時点では、蓄積ＣＣＤ及び蓄積・読出ＣＣＤには何も蓄積されていない。撮像が始まるとＰＤで発生した信号電荷をＰＤ→蓄積ＣＣＤ→蓄積・読出ＣＣＤに順次転送する（図１０（ｂ））。ここまでの処理で、１６フレーム分の超高速度撮像が完了する。この後、撮像により発生した信号電荷を外部に読み出す。
【０００８】
図１０（ｃ）に示すように、蓄積・読出ＣＣＤに蓄積された信号電荷は水平転送ＣＣＤを介し外部に読み出される。蓄積・読出ＣＣＤに蓄積された信号電荷が全て読み出された状態（図１１（ｄ））の後、蓄積ＣＣＤの最下段から４段分に蓄積された信号電荷を蓄積・読出ＣＣＤに転送する（図１１（ｅ））。蓄積・読出ＣＣＤに蓄積された信号電荷は、水平転送ＣＣＤを介し外部に読み出される（図１１（ｆ））。このような転送動作を繰り返すことで、撮像により発生した信号電荷を全て外部に読み出す。
【０００９】
以上説明した原理により、画素周辺記録型ＣＣＤは１００万枚／秒程度の超高速度撮像を実現している。
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の画素周辺記録型ＣＣＤにおいて、メモリＣＣＤのメモリ数は有限（１００フレーム分程度）であるため、一定フレーム数分の信号電荷しか蓄積することができず、その蓄積されたフレーム数分しか連続的に撮像できない。したがって、１回の撮像における撮像時間は、１フレームの撮像に要する時間と１画素中のメモリＣＣＤ数との積となり、極短時間に制限される。
【００１１】
撮像時間を延ばすためにはメモリＣＣＤ数を増やす必要があるが、そのためにはメモリＣＣＤの配置スペースの確保を要するため画素数を減らすなど他の性能を落とさなければならない。一方、１回の超高速度撮像の直後に次の撮像を開始すれば撮像時間を延ばすことができるが、従来の画素周辺記録型ＣＣＤでは、撮像により発生した信号電荷を全て外部に読み出すまで次の撮像ができないため、超高速度撮像後に時間的に連続した撮像を行うことは不可能である。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる駆動装置及びそれを備えた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の駆動装置は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する信号電荷蓄積手段と、蓄積された前記信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す信号電荷読出手段とを備えた撮像素子を駆動する駆動装置であって、第１の撮像速度で撮像するために前記受光素子を露光させる第１の露光信号を前記受光素子に出力する第１の露光信号出力手段と、前記受光素子からの前記信号電荷を前記信号電荷蓄積手段に順次蓄積させる蓄積信号を前記信号電荷蓄積手段に出力する蓄積信号出力手段と、前記信号電荷蓄積手段に蓄積された前記信号電荷を前記出力先に順次読み出す読出信号を前記信号電荷読出手段に出力する読出信号出力手段と、前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷が前記信号電荷蓄積手段に蓄積された後において前記第１の撮像速度よりも遅い第２の撮像速度で撮像するために前記受光素子を露光させる第２の露光信号を前記受光素子に出力する第２の露光信号出力手段とを備え、前記読出信号出力手段は、前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷に続けて前記第２の露光信号に基づいて得られた信号電荷を前記信号電荷読出手段に順次読み出させるものである構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の駆動装置は、第１の露光信号に基づいて得られる超高速度撮像された信号電荷に続けて、第２の露光信号に基づいて得られる低速度撮像された信号電荷を順次読み出すことができるので、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【００１５】
また、本発明の駆動装置は、前記信号電荷蓄積手段が前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷を順次蓄積した後において、前記蓄積信号出力手段及び前記読出信号出力手段は、それぞれ、前記蓄積信号及び前記読出信号を、予め定められた期間毎に交互に出力するものである構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の駆動装置は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【００１７】
さらに、本発明の駆動装置は、前記信号電荷蓄積手段は、前記受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する複数のメモリ部を備え、前記第２の撮像速度で前記受光素子を露光させる前に前記信号電荷読出手段の読み出し動作と並行して、前記複数のメモリ部に蓄積された信号電荷のうち予め定められた個数の特定信号電荷を前記受光素子に向けて逆転送して前記特定信号電荷のうち最新の撮像で得られた信号電荷が前記受光素子に隣接するメモリ部に収まる状態にする逆転送信号を前記信号電荷蓄積手段に出力する逆転送信号出力手段を備えた構成を有している。
【００１８】
この構成により、本発明の駆動装置は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【００１９】
本発明の撮像装置は、駆動装置と、前記撮像素子とを備えた構成を有している。
【００２０】
この構成により、本発明の撮像装置は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができるという効果を有する駆動装置及びそれを備えた撮像装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明に係る駆動装置を、撮像素子としての画素周辺記録型ＣＣＤに適用した例を挙げて説明する。
【００２３】
まず、本実施の形態における駆動装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態における駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態における駆動装置１００は、画素周辺記録型ＣＣＤ２００に対し、露光クロック（ΦＰＤ）を出力する露光クロック出力部１０１と、蓄積ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭ）を出力する蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部１０２と、蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭＲ）を出力する蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部１０３と、水平転送ＣＣＤ駆動クロック（ΦＨ）を出力する水平転送ＣＣＤ駆動クロック出力部１０４とを備えている。
【００２５】
ここで、露光クロック出力部１０１は、本発明に係る第１及び第２の露光信号出力手段を構成する。また、蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部１０２は、本発明に係る蓄積信号出力手段及び逆転送信号出力手段を構成する。また、蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部１０３は、本発明に係る読出信号出力手段を構成する。
【００２６】
画素周辺記録型ＣＣＤ２００は、被写体からの光を受光する受光素子としてのＰＤ２０１と、撮像によって得られた信号電荷を蓄積するメモリＣＣＤ２１０と、信号電荷を水平転送する水平転送ＣＣＤ２０２と、信号電荷を増幅するアンプ２０３とを備えている。
【００２７】
ＰＤ２０１は、撮像により発生した光の吸収により光信号を電気信号に変換するようになっている。メモリＣＣＤ２１０は、例えば、複数のメモリセルが２次元格子状に配列されたものであり、各メモリセルが対応するＰＤ２０１をそれぞれ有する。水平転送ＣＣＤ２０２は、メモリＣＣＤ２１０から転送された信号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷をアンプ２０３に出力するようになっている。アンプ２０３は、信号電荷を増幅して外部信号として出力するようになっている。
【００２８】
詳細には、画素周辺記録型ＣＣＤ２００は、例えば図２に示すような構成を有する。図２は、画素周辺記録型ＣＣＤ２００が、縦８画素×横２画素で構成された例を示す図である。
【００２９】
図２に示すように、画素周辺記録型ＣＣＤ２００は、１画素当たり、１個のＰＤ２０１と、メモリＣＣＤ２１０に含まれる１２個の蓄積ＣＣＤ２１１及び４個の蓄積・読出ＣＣＤ２１２とを備えている。蓄積ＣＣＤ２１１は、Ｍ１、Ｍ２、・・・Ｍ１２を含む。また、蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、ＭＲ１、・・・ＭＲ４を含む。画素周辺記録型ＣＣＤ２００は、図１に示した駆動装置１００から各駆動クロックを入力し、各クロックに応じて動作するようになっている。なお、蓄積ＣＣＤ２１１及び蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、それぞれ、信号電荷蓄積手段及び信号電荷読出手段に対応する。
【００３０】
具体的には、ＰＤ２０１は、露光クロック出力部１０１から露光クロック（ΦＰＤ）を入力し、光電変換により発生した信号電荷をΦＰＤに応じて蓄積ＣＣＤ２１１のＭ１に出力するようになっている。また、１２個の蓄積ＣＣＤ２１１は、それぞれ、蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部１０２から蓄積ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭ）を入力し、ＰＤ２０１からの電荷をΦＭに応じて順次蓄積するようになっている。
【００３１】
また、４個の蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、それぞれ、蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部１０３から蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭＲ）を入力し、蓄積ＣＣＤ２１１からの電荷をΦＭＲに応じて蓄積して水平転送ＣＣＤ２０２に読み出すようになっている。ここで、図２の左図に示すように、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の最下段画素を除く各画素のＭＲ４は、その下段に位置する画素のＭＲ１に接続されている。つまり、最上段画素を除く各画素のＭＲ１は、自画素のＭ１２と自画素の１段上の画素のＭＲ４から信号電荷を受け取って自画素のＭＲ２に転送するようになっている。また、図２の左図に示すように、最下段画素のＭＲ４は、水平転送ＣＣＤ２０２ａ及び２０２ｂに接続されており、信号電荷を水平転送ＣＣＤ２０２に出力するようになっている。
【００３２】
２個の水平転送ＣＣＤ２０２は、それぞれ、水平転送ＣＣＤ駆動クロック出力部１０４から水平転送ＣＣＤ駆動クロック（ΦＨ）を入力し、最下段画素のＭＲ４からの信号電荷をΦＨに応じて水平転送し、アンプ２０３に出力するようになっている。
【００３３】
なお、駆動装置１００は、露光クロック（ΦＰＤ）及び各ＣＣＤ駆動クロック（ΦＭ、ΦＭＲ）として、駆動クロック周波数１Ｈｚ〜１００ＭＨｚ程度に、水平転送ＣＣＤクロック（ΦＨ）として、駆動クロック周波数１Ｈｚ〜１００ＭＨｚ程度に対応できるものが好ましい。
【００３４】
次に、駆動装置１００の駆動方式について説明する。駆動装置１００は、蓄積ＣＣＤ２１１、蓄積・読出ＣＣＤ２１２、水平転送ＣＣＤ２０２の駆動に、２相駆動、３相駆動、４相駆動等の駆動方式を用いることができる。一例として、蓄積・読出ＣＣＤ２１２に対する４相駆動方式について図３に示す。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、蓄積・読出ＣＣＤ２１２のうち、ＭＲｄには４つの電極２１２ａ〜２１２ｄが設けられており、それぞれが駆動クロックΦ１〜Φ４により駆動されるように接続されている。ここで、駆動クロックΦ１〜Φ４は、４つの異なるタイミングの駆動波形からなっている。蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、駆動クロックΦ１〜Φ４によって、図３（ｂ）に示すように駆動されると、電荷が電極２１２ａから２１２ｄに向かう方向（ＰＤ２０１からアンプ２０３に向かう方向）、すなわち順方向に電荷を転送するようになっている。一方、蓄積・読出ＣＣＤ２１２は、駆動クロックΦ１〜Φ４によって、図３（ｃ）に示すように駆動されると、電荷が電極２１２ｄから２１２ａに向かう方向、すなわち逆方向に電荷を転送するようになっている。したがって、駆動装置１００は、駆動クロックΦ１〜Φ４のような駆動クロックを用いることにより、信号電荷の順方向転送又は逆方向転送の４相駆動が可能となっている。
【００３６】
（駆動例）
次に、本発明における駆動例について図２、図４〜図７を用いて説明する。この駆動例における画素周辺記録型ＣＣＤは図２に示した構成を備えたものとする。すなわち、２×８画素の構成であって、メモリ数１２の蓄積ＣＣＤ２１１と、メモリ数４の蓄積・読出ＣＣＤ２１２と、２個の水平転送ＣＣＤ２０２とを備える画素周辺記録型ＣＣＤを用いて、超高速度撮像に続けて長時間の高速連続撮像を途切れることなく行う場合の駆動例を説明する。また、図４は、この駆動例における駆動波形の一例を示す図である。また、図５〜図７は、図４に示した駆動波形に対応した、画素周辺記録型ＣＣＤ２００における信号電荷の流れについて説明するための一例の図である。なお、図５〜図７において（ａ）〜（ｉ）に示した信号電荷の蓄積状態は、それぞれ、図４に示す（ａ）時点〜（ｉ）時点におけるものである。
【００３７】
まず、図４（ａ）時点では、図５（ａ）に示すように蓄積ＣＣＤ２１１及び蓄積・読出ＣＣＤ２１２には何も蓄積されていない。次に、駆動装置１００は、図４に示すように、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に順方向転送させる。例えば、１段分を順方向転送したとき信号電荷の蓄積範囲は図５（ｂ）に示す斜線範囲となる。また、１２段分を順方向転送したときの信号電荷の蓄積範囲は図５（ｃ）に示す斜線範囲となる。図４（ｂ）時点から図４（ｃ）時点までの処理は、超高速度撮像の駆動である。つまり、図４（ｃ）時点において超高速度撮像による１〜１２枚目の撮像が完了したことになる。１枚の撮像速度はΦＰＤ及びΦＭの１転送に対応する。図４（ｃ）時点以降の処理は、それ以前よりも長時間の高速連続撮像の駆動である。駆動装置１００は、図４（ｃ）時点以降に示すように、ΦＰＤ、ΦＭ、ΦＭＲ、ΦＨを出力することにより、以下に述べる信号電荷の転送処理を繰り返し行う。図４（ｃ）時点以降における１枚の撮像速度は、ΦＰＤの１転送に対応する。ΦＭ、ΦＭＲ、ΦＨの駆動クロック周期は、ΦＰＤの駆動クロック周期に対応させる。長時間の高速連続撮像は超高速度撮像に比べ撮像速度が遅くなる。
【００３８】
以下、図４（ｃ）時点以降の駆動について具体的に説明する。駆動装置１００は、ΦＭ、ΦＭＲにより蓄積ＣＣＤ２１１に蓄積された信号電荷を蓄積・読出ＣＣＤ２１２に４段分を順方向転送させる。ここで、信号電荷の蓄積範囲は図６（ｄ）に示す斜線範囲となる。
【００３９】
次に、図６（ｅ）に示すように、駆動装置１００は、ΦＭＲ及びΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷の４段分を順方向転送させると同時に、ΦＭにより蓄積ＣＣＤ２１１に蓄積された信号電荷の４段分を、その信号電荷のうち最新の撮像で得られた信号電荷がＰＤ２０１に隣接する蓄積ＣＣＤ２１１（図２のＭ１相当）に収まる状態にするよう逆方向転送させる。その結果、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２にそれぞれ蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００（図２参照）の下から１段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。なお、図４（ｅ）時点における信号電荷の蓄積範囲は、図６（ｅ）に示す斜線範囲となる。
【００４０】
次に、駆動装置１００は、ΦＭＲ、ΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷の４段分をさらに順方向転送させる。これにより、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２に蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の下から２段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。その後、駆動装置１００は、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に１段分転送させる。これにより、長時間の高速連続撮像における１枚目の撮像が行われる。このときの信号電荷の蓄積範囲は図６（ｆ）に示す斜線範囲となる。
【００４１】
次に、駆動装置１００は、ΦＭＲ、ΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷をさらに８段分転送させる。これにより、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２に蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の下から３、４段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。その後、駆動装置１００は、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に１段分転送させる。これにより、長時間の高速連続撮像における２枚目の撮像が行われる。このときの信号電荷の蓄積範囲は図７（ｇ）に示す斜線範囲となる。
【００４２】
次に、駆動装置１００は、ΦＭＲ、ΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷をさらに８段分転送させる。これにより、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２に蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の下から５、６段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。その後、駆動装置１００は、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に１段分転送させる。これにより、長時間の高速連続撮像における３枚目の撮像が行われる。このときの信号電荷の蓄積範囲は図７（ｈ）に示す斜線範囲となる。
【００４３】
次に、駆動装置１００は、ΦＭＲ、ΦＨにより蓄積・読出ＣＣＤ２１２及び水平転送ＣＣＤ２０２に蓄積された信号電荷をさらに８段分転送させる。これにより、各蓄積・読出ＣＣＤ２１２に蓄積された信号電荷のうち、画素周辺記録型ＣＣＤ２００の下から７、８段目のＰＤ２０１による超高速度撮像での１〜４枚目の信号電荷が水平転送ＣＣＤ２０２からアンプ２０３を介して外部に出力される。その後、駆動装置１００は、ΦＰＤ及びΦＭによりＰＤ２０１で発生した信号電荷を蓄積ＣＣＤ２１１に１段分転送させる。これにより、長時間の高速連続撮像における４枚目の撮像が行われる。このときの信号電荷の蓄積範囲は図７（ｉ）に示す斜線範囲となる。この信号電荷の蓄積範囲は、図５（ｃ）に示したものと同じである。よって以後、駆動装置１００は、図６（ｄ）〜図７（ｉ）に示す動作を繰り返すことにより、長時間の高速連続撮像を行いながら信号電荷を外部に読み出し続けることができる。
【００４４】
２回目の（ｄ）〜（ｉ）の動作では、長時間の高速連続撮像の５〜８枚目の撮像を行い、同時に超高速度撮像の５〜８枚目の信号電荷が外部に読み出される。
【００４５】
３回目の（ｄ）〜（ｉ）の動作では、長時間の高速連続撮像の９〜１２枚目の撮像を行い、同時に超高速度撮像の９〜１２枚目の信号電荷が外部に読み出される。
【００４６】
４回目の（ｄ）〜（ｉ）の動作では、長時間の高速連続撮像の１３〜１６枚目の撮像を行い、同時に長時間の高速連続撮像の１〜４枚目の信号電荷が外部に読み出される。
【００４７】
以降、ｎ回目の（ｄ）〜（ｉ）の動作では、長時間の高速連続撮像の（ｎ＋９）〜（ｎ＋１２）枚目の撮像を行い、同時に長時間の高速連続撮像の（ｎ−３）〜ｎ枚目の信号電荷が外部に読み出される。
【００４８】
以上のように、本実施の形態における駆動装置１００は、超高速度撮像での蓄積ＣＣＤ２１１への信号電荷の転送を行った後、ＰＤ２０１から蓄積ＣＣＤ２１１への電荷転送と蓄積・読出ＣＣＤ２１２から水平転送ＣＣＤ２０２への電荷転送とを一定期間で交互に行わせることにより、超高速度撮像及び長時間の高速連続撮像により得られた信号電荷を全て外部に読み出すことができる。
【００４９】
したがって、駆動装置１００は、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。具体的には、本実施の形態における駆動装置１００は、数万〜１００万枚／秒程度の超高速度撮像映像に時間的に続く数百〜数千枚／秒程度の高速度撮像映像を長時間得ることができる。
【００５０】
（撮像装置）
次に、本実施の形態における駆動装置１００を有する撮像装置について図面を用いて説明する。図８は、本実施の形態における撮像装置を示すブロック図である。
【００５１】
図８に示すように、本実施の形態における撮像装置３００は、駆動装置１００と、レンズ３０１と、画素周辺記録型ＣＣＤ３０２と、Ａ／Ｄ変換部３０３と、信号処理部３０４と、映像信号メモリ３０５とを備えている。
【００５２】
撮像装置３００は、レンズ３０１を通過して得られる光信号を画素周辺記録型ＣＣＤ３０２で受光する。なお、画素周辺記録型ＣＣＤ３０２は、前述したように各画素に対応した複数のＣＣＤメモリを有している。また、画素周辺記録型ＣＣＤ３０２は、駆動装置１００から得られる駆動クロック（ΦＰＤ、ΦＭ、ΦＭＲ、ΦＨ）に基づいて、信号電荷の転送が制御される。
【００５３】
画素周辺記録型ＣＣＤ３０２は、駆動装置１００からの駆動クロックに基づいて出力信号をＡ／Ｄ変換部３０３に出力する。Ａ／Ｄ変換部３０３は、画素周辺記録型ＣＣＤ３０２から得られるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を信号処理部３０４に出力する。
【００５４】
信号処理部３０４は、Ａ／Ｄ変換部３０３から得られる映像信号をフレームに対応させて並べ替えを行い、並べ替えた映像信号を映像信号メモリ３０５に出力する。また、映像信号メモリ３０５は、信号処理部３０４から得られる並べ替えた映像信号を、例えば数十万フレーム程度保存することができる。また、映像信号メモリ３０５は、保存した映像信号を所定レートで出力する。例えば、通常のテレビレートの場合、映像信号メモリ３０５は３０フレーム／秒で映像信号を出力する。
【００５５】
以上のように、撮像装置３００は、本実施の形態における駆動装置１００を具備することにより、従来の画素周辺記録型ＣＣＤを用いても、超高速度撮像に続けて途切れることなく長時間の高速連続撮像を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施の形態における駆動装置と、この駆動装置によって駆動される画素周辺記録型ＣＣＤの構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態における駆動装置が駆動する画素周辺記録型ＣＣＤの画素の構成を概念的に示す図
【図３】本発明の一実施の形態における駆動装置において画素周辺記録型ＣＣＤを４相駆動方式で駆動する場合の説明図
【図４】本発明の一実施の形態における駆動装置の駆動波形例を示す図
【図５】本発明の一実施の形態における駆動装置の駆動例の説明図
【図６】本発明の一実施の形態における駆動装置の駆動例の説明図
【図７】本発明の一実施の形態における駆動装置の駆動例の説明図
【図８】本発明の一実施の形態における駆動装置を備えた撮像装置の構成例を示す図
【図９】画素周辺記録型ＣＣＤの画素の構成を概念的に示す図
【図１０】従来の駆動方式によって画素周辺記録型ＣＣＤを駆動した場合の説明図
【図１１】従来の駆動方式によって画素周辺記録型ＣＣＤを駆動した場合の説明図
【符号の説明】
【００５７】
１００ 駆動装置
１０１ 露光クロック出力部（第１及び第２の露光信号出力手段）
１０２ 蓄積ＣＣＤ駆動クロック出力部（蓄積信号出力手段、逆転送信号出力手段）
１０３ 蓄積・読出ＣＣＤ駆動クロック出力部（読出信号出力手段）
１０４ 水平転送ＣＣＤ駆動クロック出力部
２００ 画素周辺記録型ＣＣＤ（撮像素子）
２０１ ＰＤ（受光素子）
２０２（２０２ａ、２０２ｂ） 水平転送ＣＣＤ
２０３ アンプ
２１０ メモリＣＣＤ
２１１ 蓄積ＣＣＤ（信号電荷蓄積手段）
２１２ 蓄積・読出ＣＣＤ（信号電荷読出手段）
２１２ａ〜２１２ｄ 電極
３００ 撮像装置
３０１ レンズ
３０２ 画素周辺記録型ＣＣＤ
３０３ Ａ／Ｄ変換部
３０４ 信号処理部
３０５ 映像信号メモリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する信号電荷蓄積手段と、蓄積された前記信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す信号電荷読出手段とを備えた撮像素子を駆動する駆動装置であって、
第１の撮像速度で撮像するために前記受光素子を露光させる第１の露光信号を前記受光素子に出力する第１の露光信号出力手段と、
前記受光素子からの前記信号電荷を前記信号電荷蓄積手段に順次蓄積させる蓄積信号を前記信号電荷蓄積手段に出力する蓄積信号出力手段と、
前記信号電荷蓄積手段に蓄積された前記信号電荷を前記出力先に順次読み出す読出信号を前記信号電荷読出手段に出力する読出信号出力手段と、
前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷が前記信号電荷蓄積手段に蓄積された後において前記第１の撮像速度よりも遅い第２の撮像速度で撮像するために前記受光素子を露光させる第２の露光信号を前記受光素子に出力する第２の露光信号出力手段とを備え、
前記読出信号出力手段は、前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷に続けて前記第２の露光信号に基づいて得られた信号電荷を前記信号電荷読出手段に順次読み出させるものであることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記信号電荷蓄積手段が前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷を順次蓄積した後において、
前記蓄積信号出力手段及び前記読出信号出力手段は、それぞれ、前記蓄積信号及び前記読出信号を、予め定められた期間毎に交互に出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記信号電荷蓄積手段は、前記受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する複数のメモリ部を備え、
前記第２の撮像速度で前記受光素子を露光させる前に前記信号電荷読出手段の読み出し動作と並行して、前記複数のメモリ部に蓄積された信号電荷のうち予め定められた個数の特定信号電荷を前記受光素子に向けて逆転送して前記特定信号電荷のうち最新の撮像で得られた信号電荷が前記受光素子に隣接するメモリ部に収まる状態にする逆転送信号を前記信号電荷蓄積手段に出力する逆転送信号出力手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の駆動装置と、前記撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１】
入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、該受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する信号電荷蓄積手段と、蓄積された前記信号電荷を予め定められた出力先に順次読み出す信号電荷読出手段とを備えた撮像素子を駆動する駆動装置であって、
第１の撮像速度で撮像するために前記受光素子を露光させる第１の露光信号を前記受光素子に出力する第１の露光信号出力手段と、
前記受光素子からの前記信号電荷を前記信号電荷蓄積手段に順次蓄積させる蓄積信号を前記信号電荷蓄積手段に出力する蓄積信号出力手段と、
前記信号電荷蓄積手段に蓄積された前記信号電荷を前記出力先に順次読み出す読出信号を前記信号電荷読出手段に出力する読出信号出力手段と、
前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷が前記信号電荷蓄積手段に蓄積された後において前記第１の撮像速度よりも遅い第２の撮像速度で撮像するために前記受光素子を露光させる第２の露光信号を前記受光素子に出力する第２の露光信号出力手段とを備え、
前記読出信号出力手段は、前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷に続けて前記第２の露光信号に基づいて得られた信号電荷を前記信号電荷読出手段に順次読み出させるものであることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記信号電荷蓄積手段が前記第１の露光信号に基づいて得られた信号電荷を順次蓄積した後において、
前記蓄積信号出力手段及び前記読出信号出力手段は、それぞれ、前記蓄積信号及び前記読出信号を、予め定められた期間毎に交互に出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記信号電荷蓄積手段は、前記受光素子からの前記信号電荷を順次蓄積する複数のメモリ部を備え、
前記第２の撮像速度で前記受光素子を露光させる前に前記信号電荷読出手段の読み出し動作と並行して、前記複数のメモリ部に蓄積された信号電荷のうち予め定められた個数の特定信号電荷を前記受光素子に向けて逆転送して前記特定信号電荷のうち最新の撮像で得られた信号電荷が前記受光素子に隣接するメモリ部に収まる状態にする逆転送信号を前記信号電荷蓄積手段に出力する逆転送信号出力手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の駆動装置と、前記撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２７２８０７（Ｐ２００９−２７２８０７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２０３９７（Ｐ２００８−１２０３９７）
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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