JP2010114654A - Imaging apparatus and charge transferring method of solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子を備える撮影装置及び固体撮像素子の電荷転送方法に関するものである。 The present invention relates to an imaging device including a solid-state image sensor and a charge transfer method for the solid-state image sensor.
デジタルカメラやカメラ付き携帯電話機などの撮影装置に搭載される固体撮像素子として、CCD型イメージセンサが知られている。CCD型イメージセンサは、2次元状に配列された多数の光電変換素子と、各光電変換素子により得られた信号電荷を転送するための電荷転送路(垂直転送路、水平転送路)と、電荷転送路上に電荷転送方向に沿って複数配置された転送電極(垂直転送電極、水平転送電極)とを有する。 2. Description of the Related Art CCD image sensors are known as solid-state imaging devices that are mounted on photographing devices such as digital cameras and camera-equipped mobile phones. The CCD image sensor includes a large number of photoelectric conversion elements arranged in a two-dimensional manner, a charge transfer path (vertical transfer path, horizontal transfer path) for transferring signal charges obtained by each photoelectric conversion element, A plurality of transfer electrodes (vertical transfer electrodes, horizontal transfer electrodes) arranged along the charge transfer direction on the transfer path.
各転送電極には、それぞれ電圧レベルが周期的に変化する駆動パルスが印加される。これにより、電圧が印加された転送電極下の電荷転送路には、信号電荷を蓄積する転送パケット(ポテンシャル井戸)が形成される。そして、各転送電極に印加される駆動パルスにより、転送パケットの前方にある転送電極に対する電圧印加、及びこの電圧印加後に前記転送パケットの後端上の転送電極に対する電圧印加の停止がそれぞれ交互に繰り返されるように、各駆動パルスの位相が調整されている。これにより、転送パケット(信号電荷)が転送方向に沿って移動する。 A driving pulse whose voltage level periodically changes is applied to each transfer electrode. As a result, a transfer packet (potential well) for accumulating signal charges is formed in the charge transfer path below the transfer electrode to which a voltage is applied. Then, the voltage applied to the transfer electrode in front of the transfer packet and the stop of the voltage application to the transfer electrode on the rear end of the transfer packet are alternately repeated by the drive pulse applied to each transfer electrode. Thus, the phase of each drive pulse is adjusted. Thereby, the transfer packet (signal charge) moves along the transfer direction.
上述の電荷転送時において、信号電荷の転送効率が低いと、撮影画像にノイズが発生するなどして画質が著しく低下するため、信号電荷の転送効率を向上させることが求められている。特許文献1には、CCD型イメージセンサの水平ライン・垂直ラインの間引きを行うことにより、転送効率の向上を図る技術が開示されている。
ところで、特許文献1のように、水平ライン・垂直ラインの間引きを行うと、信号電荷の転送レートを低下させることができるため転送効率が向上し、ノイズを低減させることができるが、撮影画像の解像度が低下するため、撮影画像の高画質化を図ることが困難になる。また、間引きを行わずに転送レートを低下されると、フレームレートの低下が問題となる。
By the way, if the thinning of the horizontal line and the vertical line is performed as in
本発明は上記問題を解決するためのものであり、フレームレートを不必要に低下させることなく、転送効率を向上(撮影画像の画質低下防止)させることができる撮影装置及び固体撮像素子の電荷転送方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of improving transfer efficiency (preventing deterioration in image quality of a captured image) without unnecessarily reducing the frame rate, and charge transfer of a solid-state image sensor. It aims to provide a method.
上記目的を達成するため、本発明の撮影装置は、光電変換素子、前記光電変化素子により得られた信号電荷を転送するための電荷転送路、及び前記電荷転送路上に前記信号電荷の転送方向に沿って複数配置された転送電極を有する固体撮像素子と、前記転送電極の各々に駆動パルスを印加して、電圧印加された前記転送電極下の前記電荷転送路に前記信号電荷を蓄積する転送パケットを形成するとともに、前記転送パケットの前方にある第1転送電極に対する電圧印加、及びこの電圧印加後に前記転送パケットの後端上の第2転送電極に対する電圧印加の停止をそれぞれ交互に繰り返すことで、前記転送パケットを、前記第2転送電極下から前記第1転送電極下の間に形成された伸び状態、及び前記第2転送電極の1つ前方にある第3転送電極下から前記第1転送電極下の間に形成された縮み状態に交互に切り替えながら前記転送方向に沿って移動させる駆動パルス印加手段と、撮影条件に応じて、前記伸び状態の時間及び前記縮み状態の時間が等しくなる通常転送モードと、前記伸び状態の時間が前記縮み状態の時間よりも長くなる特殊転送モードとの切り替えが行われるように、前記駆動パルス印加手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an imaging device of the present invention includes a photoelectric conversion element, a charge transfer path for transferring a signal charge obtained by the photoelectric change element, and a transfer direction of the signal charge on the charge transfer path. A solid-state imaging device having a plurality of transfer electrodes arranged along the transfer electrodes, and a transfer packet that applies a drive pulse to each of the transfer electrodes and accumulates the signal charge in the charge transfer path under the voltage-applied transfer electrode And alternately repeating the voltage application to the first transfer electrode in front of the transfer packet and the voltage application to the second transfer electrode on the rear end of the transfer packet after the voltage application, The transfer packet is divided into an extended state formed between the second transfer electrode and the first transfer electrode, and a third transfer current located in front of the second transfer electrode. Drive pulse application means for moving along the transfer direction while alternately switching from the bottom to the contracted state formed between the first transfer electrodes, and the time of the stretched state and the contracted state depending on the imaging conditions Control means for controlling the drive pulse applying means so as to be switched between a normal transfer mode in which the time is equal and a special transfer mode in which the time in the extended state is longer than the time in the contracted state, It is characterized by providing.
前記制御手段は、ISO感度の設定値が予め定められた感度閾値未満である時は、前記駆動パルス印加手段を前記通常転送モードで動作させるとともに、前記ISO感度の設定値が前記感度閾値以上である時は、前記駆動パルス印加手段を前記特殊転送モードで動作させることが好ましい。 The control means operates the drive pulse applying means in the normal transfer mode when the ISO sensitivity setting value is less than a predetermined sensitivity threshold value, and the ISO sensitivity setting value is greater than or equal to the sensitivity threshold value. In some cases, it is preferable to operate the drive pulse applying means in the special transfer mode.
前記固体撮像素子の露光量を測定する露光量測定手段と、前記固体撮像素子の温度を測定する温度測定手段とを備え、前記制御手段は、前記露光量測定手段により得られた露光量が予め定めた露光量閾値未満となり、且つ前記温度測定手段により得られた温度が予め定めた温度閾値未満となる場合には、前記駆動パルス印加手段を前記特殊転送モードで動作させるとともに、当該露光量が前記露光量閾値以上及び/または当該温度が前記温度閾値以上となる場合には、前記駆動パルス印加手段を前記通常転送モードで動作させることが好ましい。 An exposure amount measuring means for measuring an exposure amount of the solid-state image sensor; and a temperature measuring means for measuring a temperature of the solid-state image sensor, wherein the control means is configured so that the exposure amount obtained by the exposure amount measurement means When the temperature is less than a predetermined exposure amount threshold and the temperature obtained by the temperature measuring unit is less than a predetermined temperature threshold, the drive pulse applying unit is operated in the special transfer mode, and the exposure amount is When the exposure amount threshold value or higher and / or the temperature is equal to or higher than the temperature threshold value, it is preferable to operate the drive pulse applying unit in the normal transfer mode.
前記固体撮像素子は、信号電荷を発生して蓄積する有効画素領域と、前記有効画素領域に隣接して形成されたオプティカルブラック領域とを有するとともに、前記温度測定手段は、前記オプティカルブラック領域から出力される暗電流に基づき、前記固体撮像素子の温度を求めることが好ましい。 The solid-state imaging device has an effective pixel region that generates and accumulates signal charges, and an optical black region formed adjacent to the effective pixel region, and the temperature measuring unit outputs from the optical black region. It is preferable to obtain the temperature of the solid-state imaging device based on the dark current that is generated.
前記温度測定手段は、温度センサであることが好ましい。 The temperature measuring means is preferably a temperature sensor.
前記撮影条件に関わらず、前記駆動パルス印加手段を前記通常転送モードで動作させるか否かを選択操作するための選択操作手段を備え、前記制御手段は、前記選択操作手段により前記通常転送モードでの動作が選択された場合には、前記駆動パルス印加手段を常に前記通常転送モードで動作させることが好ましい。 Regardless of the imaging conditions, the control unit includes a selection operation unit for selecting whether to operate the drive pulse applying unit in the normal transfer mode, and the control unit is operated in the normal transfer mode by the selection operation unit. When this operation is selected, it is preferable that the drive pulse applying means is always operated in the normal transfer mode.
また、上記目的を達成するため、本発明の固体撮像素子の電荷転送方法は、光電変換素子と、前記光電変化素子により得られた信号電荷を転送するための電荷転送路と、前記電荷転送路上に前記信号電荷の転送方向に沿って複数配置された転送電極とを有する固体撮像素子の電荷転送方法において、前記転送電極の各々に駆動パルスを印加して、電圧印加された前記転送電極下の前記電荷転送路に前記信号電荷を蓄積する転送パケットを形成するとともに、前記転送パケットの前方にある第1転送電極に対する電圧印加、及びこの電圧印加後に前記転送パケットの後端上の第2転送電極に対する電圧印加の停止をそれぞれ交互に繰り返すことで、前記転送パケットを、前記第2転送電極下から前記第1転送電極下の間に形成された伸び状態、及び前記第2転送電極の1つ前方にある第3転送電極下から前記第1転送電極下の間に形成された縮み状態に交互に切り替えながら前記転送方向に沿って移動させるステップと、撮影条件に応じて、前記伸び状態の時間及び前記縮み状態の時間が等しくなる通常転送モードと、前記伸び状態の時間が前記縮み状態の時間よりも長くなる特殊転送モードとの切り替えが行われるように、前記駆動パルスを制御するステップと、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a charge transfer method for a solid-state imaging device according to the present invention includes a photoelectric conversion element, a charge transfer path for transferring a signal charge obtained by the photoelectric change element, and a charge transfer path on the charge transfer path. And a plurality of transfer electrodes arranged in the transfer direction of the signal charge in a solid-state imaging device charge transfer method, a drive pulse is applied to each of the transfer electrodes, and a voltage is applied below the transfer electrode. Forming a transfer packet for accumulating the signal charge in the charge transfer path, applying a voltage to the first transfer electrode in front of the transfer packet, and a second transfer electrode on the rear end of the transfer packet after applying the voltage By alternately stopping the voltage application to each other, the transfer packet is stretched between the second transfer electrode and the first transfer electrode, And moving along the transfer direction while alternately switching from a third transfer electrode in front of the second transfer electrode to a contracted state formed between the first transfer electrode and a contraction state; Accordingly, the normal transfer mode in which the time in the stretched state and the time in the contracted state are equal to each other and the special transfer mode in which the time in the stretched state is longer than the time in the contracted state are performed. Controlling the drive pulse.
本発明の撮影装置及び固体撮像素子の電荷転送方法は、撮影条件に応じて、電荷転送路を伸び縮みしながら移動する転送パケットの伸び状態の時間(オーバーラップ期間)を、縮み状態の時間よりも長くするようにしたので、上記特許文献1のように間引きを行うことなく、転送効率の劣化による画質の低下を防止することができる。その結果、高画質な撮影画像が得られる。更に、撮影画像のノイズ等が目立たない撮影条件時には、転送効率の向上よりもフレームレートの維持を優先することができる。その結果、フレームレートを不必要に低下させることなく、転送効率を向上させることができる。
According to the imaging apparatus and the solid-state imaging device charge transfer method of the present invention, the time (overlap period) of the transfer packet that moves while expanding and contracting the charge transfer path is changed from the time of the contraction state according to the imaging conditions. Therefore, it is possible to prevent a decrease in image quality due to a deterioration in transfer efficiency without performing thinning out as in
図1に示すように、デジタルカメラ(撮影装置)10のCPU11は、シャッタボタン12や各種操作ボタンからなる操作部13からの制御信号に基づき、メモリ14から読み出した各種プログラムやデータを逐次実行することで、デジタルカメラ10の各部を統括的に制御する。
As shown in FIG. 1, the
シャッタボタン12は、半押しと、この半押しからさらに押し込んだ全押しとの2段操作になっている。撮影モード下で、シャッタボタン12を押圧操作していないときには、撮影範囲内の被写体像が表示部16に連続的に表示される、いわゆるスルー画像の表示が行われる。
The
シャッタボタン12が半押しとなると、被写体輝度を測定し、その被写体輝度に応じたシャッタ速度及び絞り値を決定するAE処理と、被写体に撮影レンズ18のピントを合致させるAF処理とを含む準備処理が実行される。そして、シャッタボタン12がさらに押し込まれて全押しとなると、AE処理で決定されたシャッタ速度及び絞り値を用いて撮影が実行される。
When the
撮影レンズ18の後方には、本発明の固体撮像素子に相当するCCD型イメージセンサ(以下、単にCCDという)19が配設されており、撮影レンズ18を透過した被写体光がCCD19の受光面に入射する。撮影レンズ18には、ピントを調節するためのフォーカス機構20、CCD19への入射光量を調節するための絞り機構21が組み込まれている。
A CCD image sensor (hereinafter simply referred to as a CCD) 19 corresponding to the solid-state imaging device of the present invention is disposed behind the
フォーカス機構20は、CCD19の受光面に被写体光を結像するフォーカスレンズ20aの他に、フォーカスレンズ20aを移動させるモータやモータドライバ等で構成されており、フォーカスレンズ20aを撮影レンズ18の光軸方向に移動させることにより、最短撮影距離と無限遠との間の撮影距離範囲内の被写体に対してピントを合致させる。絞り機構21は、撮影レンズ18の光軸上に絞り開口を形成する絞り羽根21aやこれを駆動するアクチュエータ等から構成され、絞り羽根21aの開口径を増減することにより、CCD19に入射する光量を調節する。
The
CCD19の受光面には、多数の光電変換素子23(図2参照)が2次元状に配列されている。このCCD19は、CPU11により制御されるタイミングジェネレータ(以下、TGという:駆動パルス印加部)24からの各種駆動信号により駆動され、各光電変換素子23で被写体光をその光量に応じた電荷に変換して蓄積し、その蓄積した電荷を画素信号に変換して出力する。
A large number of photoelectric conversion elements 23 (see FIG. 2) are two-dimensionally arranged on the light receiving surface of the
また、CCD19は、電荷蓄積時間(露光時間)を調節する電子シャッタ機能を有している。この電子シャッタ機能は、TG24から入力される電子シャッタパルスの入力によって、それまでに蓄積されている電荷(不要電荷)を掃き出して消去することにより、フレーム期間中の電荷蓄積時間(電子シャッタ速度)を調節する。電子シャッタ機能によるシャッタ速度と絞り機構21による絞り値との組み合わせでCCD19に対する露出値が決定される。
The
TG24は、各種動作を所定のタイミングで行うための各種のパラメータがCPU11によって設定され、CCD19を駆動するための駆動信号(駆動パルス)や各部を同期動作させるための同期信号等を発生する。TG24に設定するパラメータにより、CCD19のシャッタ速度や、CCD19が電荷の蓄積、電荷の読出しを繰り返し行う際のフレームレートを変更することができる。
In the
CCD19からの画素信号は、CDS/AGC回路26に送られる。CDS/AGC回路26は、CCD19から出力された画素信号に対して、相関二重サンプリング(CDS)を施してノイズを抑制し、その後、信号量に応じてISO感度を変える自動ゲイン補正(AGC)を行う。また、操作部13のISO感度設定スイッチ28でISO感度が設定された場合には、ゲインをこの設定値に応じた値に変更する。
The pixel signal from the
OBクランプ回路27は、CDS/AGC回路26から出力される出力信号について、光電変換素子23の1行ごとにOBクランプ処理を行う。A/D変換器30は、OBクランプ回路27によりOBクランプ処理が施された画素信号をデジタル形式の画像データに変換して出力する。
The
DSP31は、A/D変換器30から入力されたデジタル信号に対して、ガンマ補正処理、ホワイトバランス補正処理、Y/C変換処理などの各種画像処理を施して、画像データを生成する。
The
AF検出部32は、撮影レンズ18のピント合せのために、DSP31からの画像データを用いて、撮影画面内に予め設定されているAEAF検出領域から高周波成分を抽出し、その高周波成分を積算したAF評価値をCPU11に出力する。CPU11は、AF評価値に基づいてAEAF検出領域内の被写体に撮影レンズ18のピントを合致させるAF処理を行う。
The
AE検出部33は、CCD19からの画像信号に基づいて被写体の輝度を検出する輝度検出手段であり、DSP31からの画像データに基づいて、AEAF検出領域についての被写体輝度の検出を行う。検出した被写体輝度は、CPU11に送られる。CPU11は、被写体輝度に基づいて、CCD19のシャッタ速度(TV値)、及び絞り機構21の絞り値(AV値)を決定する。
The
圧縮伸長処理回路35は、DSP31で得られたY/Cデータに対して圧縮処理を施すとともに、メディアインターフェース36を介して記録メディア37から得られた圧縮画像データに対して伸長処理を施す。表示部16は、液晶ディスプレイなどからなり、DSP31から出力されたY/Cデータに基づく画像を表示する。また、表示部16は、記録メディア37に記録された圧縮画像データを伸長処理して得た画像データに基づく画像の表示も行う。
The compression /
図2に示すように、CCD19の撮像面には、2次元状に配置され、光を信号電荷に変換して蓄積する複数の光電変換素子23と、光電変換素子23の垂直列ごとに設けられ、信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直CCD39と、各垂直CCD39の出力端に共通に接続され、信号電荷を水平方向に転送させる水平CCD40と、水平CCD40の出力端に設けられ、水平CCD40から転送される信号電荷を電圧信号に変換して出力する出力部41とが設けられている。
As shown in FIG. 2, the imaging surface of the
光電変換素子23は、被写体光を光電変換して画像信号を生成する有効画素領域43と、有効画素領域43の領域の側方に隣接して設けられたオプティカルブラック領域(以下、単にOB領域という)44とにそれぞれ設けられている。OB領域44は、被写体光が入射しないように遮光膜45によって遮蔽されている。なお、OB領域44は、有効画素領域43の左右に設けられるが、簡略化のため、一方のみ図示している。
The
有効画素領域43の各光電変換素子23で受光され、光電変換により生成された信号電荷は、各光電変換素子23の読み出しゲート(図示せず)を介して、垂直CCD39に読み出された後、列方向に転送されて水平CCD40に移送される。
The signal charge received by each
垂直CCD39は、光電変換素子23の列方向に延在し、信号電荷を列方向に転送する垂直転送路46と、この垂直転送路46の上方にその転送方向に繰り返して配列された4相の垂直転送電極47a〜47d(図3及び図4参照)とから構成される。各垂直転送電極47a〜47dは、それぞれ行方向に電気的に接続されている。垂直転送路46は、各垂直転送電極47a〜47dによって、信号電荷が蓄積され、転送される領域が区分される。これら垂直転送電極47a〜47dに対して、TG24から4相の垂直駆動パルス(φV1〜φV4)が印加されることにより、垂直転送路46内で信号電荷が列方向に転送される。
The
第1相目の垂直転送電極47a及び第3相目の垂直転送電極47cは、前述の読み出しゲートの電極を兼ねている。第1相及び第3相の垂直駆動パルス(φV1、φV3)は、低レベル(以下「L」レベルという)、中間レベル(以下「M」レベルという)、高レベル(以下「H」レベルという)の3値を採る駆動電圧信号である。そして、Hレベルの垂直駆動パルスが、TG24からの信号読み出しパルス(図示せず)に対応した読み出しゲートのドライブパルスとなる。また、第2相及び第4相の垂直駆動パルス(φV2、φV4)は、Lレベル、Mレベルの2値を採る駆動電圧信号である。各垂直駆動パルス(φV1〜φV4)の波形及び位相を適切に調整することで、周知の4相駆動で信号電荷の転送が行われる(図3参照)。
The first-phase
垂直CCD39は、OB領域44にも設けられており、前述したように、光電変換素子23からの信号電荷の読み出し・垂直転送が行われる。
The
水平CCD40は、水平転送路及び水平転送電極(いずれも図示せず)から構成される。水平転送電極には、TG24から2相の水平駆動パルスが印加され、垂直CCD39から転送された1行分の信号電荷が出力部41に転送される。
The horizontal CCD 40 includes a horizontal transfer path and horizontal transfer electrodes (both not shown). A two-phase horizontal drive pulse is applied from the
出力部41は、フローティングディフュージョンアンプにより構成されており、水平CCD40から転送された信号電荷を電圧信号(画素信号)に変換して出力する。なお、出力部41から出力される信号のうち、OB領域44に対応する信号は暗電流信号となり、前述のOBクランプ回路27におけるOBクランプ処理(黒基準レベルの算出、有効画素領域43からの信号の補正)に用いられる。
The
図1に戻って、CPU11は、メモリ14から読み出した各種プログラムやデータを実行することで、CCD駆動制御部(制御手段)50として機能する。CCD駆動制御部50は、TG24を介して、CCD19の動作を制御する。更に、CCD駆動制御部50は、撮影条件、より具体的には、ISO感度の設定値に応じて、信号電荷の垂直転送の転送モードの切り替えを行う。転送モードとしては、通常転送モードと、通常転送モード時よりもオーバーラップ期間(図3のt2、t4及び図4のt2a、t4a参照)を長くすることで、信号電荷の転送効率を向上させた画質優先転送モード(特殊転送モード)とが用意されている。
Returning to FIG. 1, the
ISO感度の設定値が高い場合には、AGC回路26のゲインが高く設定されてしまうため、垂直転送時に転送元に取り残された信号電荷に起因して発生するノイズも増幅されてしまう。その結果、撮影画像の画質が著しく低下してしまう。逆にISO感度の設定値が低い場合には、ゲインが低く設定されるため、撮影画像のノイズも目立たない。
When the ISO sensitivity setting value is high, the gain of the
そこで、CCD駆動制御部50は、ISO感度の設定値が予め定めた閾値A(例えば1600:感度閾値)以上である場合には、CCD19を画質優先転送モードで駆動して、オーバーラップ期間を長くすることで、転送効率を向上させて撮影画像の画質を改善する。
Therefore, when the ISO sensitivity setting value is equal to or greater than a predetermined threshold A (for example, 1600: sensitivity threshold), the CCD
逆に、CCD駆動制御部50は、ISO感度の設定値が予め定めた閾値A未満である場合には、転送効率の劣化による撮影画像の画質への影響は小さいので、CCD19を通常転送モードで駆動して、フレームレートの維持を優先する。
On the contrary, when the ISO sensitivity setting value is less than the predetermined threshold A, the CCD
また、CCD駆動制御部50は、操作部13の転送モード固定スイッチ(選択操作手段)52がONされている時は、ISO感度の設定値に関わらず、CCD19を通常動作モードで駆動する。これにより、動画撮影時や連写撮影時など高いフレームレートで撮影を行う必要がある場合には、転送モード固定スイッチ52をONすることで、高フレームレートを維持することができる。そして、単写撮影時には、転送モード固定スイッチ52をOFFすることで、ISO感度の設定値に応じて転送モードの切り替えが実行される。
Further, when the transfer mode fixing switch (selection operation means) 52 of the
次に、図3及び図4を用いて、通常転送モード及び画質優先転送モード時における信号電荷の転送方法(各垂直転送電極47a〜47dの駆動方法)について詳しく説明を行う。図3(A)に示すように、通常転送モード時には、下記(1)〜(3)が順番に且つ繰り返し実行されるような波形・位相の垂直駆動パルス(φV1〜φV4)がそれぞれ垂直転送電極47a〜47dに印加される。これにより、各垂直転送電極47a〜47dが4相駆動される。なお、図面の煩雑化を防止するため、第1相・第3相の垂直駆動パルス(φV1,φV3)では信号読み出しパルス(Hレベル)の図示を省略している。
(1):互いに隣接する2個の垂直転送電極に対する電圧(Mレベル)印加。
(2):(1)の垂直転送電極に、更にその転送方向前方にある1個の垂直転送電極を加えた3個の転送電極に対する電圧印加。
(3):(2)の各垂直転送電極のうち、最も転送方向後方側にある垂直転送電極に対する電圧印加停止。
Next, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, a signal charge transfer method (a method for driving the
(1): Application of voltage (M level) to two adjacent vertical transfer electrodes.
(2): Voltage application to three transfer electrodes obtained by adding one vertical transfer electrode in front of the transfer direction to the vertical transfer electrode of (1).
(3): Stop application of voltage to the vertical transfer electrode that is the rearmost in the transfer direction among the vertical transfer electrodes in (2).
各垂直転送電極47a〜47dの4相駆動時には、連続する期間t1〜t4において、期間t1には、第1相・第2相の垂直転送電極47a,47bに対する電圧印加が実行され、期間t2には、第1相〜第3相の垂直転送電極47a,47b,47cに対する電圧印加が実行され、期間t3には、第2相・第3相の垂直転送電極47b,47cに対する電圧印加が実行され、期間t4には、第2〜第4相の垂直転送電極47b,47c,47dに対する電圧印加が実行される。なお、図示は省略するが、期間t4後には、第3相・第4相、第3相〜第1相、第4相・第1相、第4相〜第2相、・・・の順で垂直転送電極に電圧が印加される。
During the four-phase driving of each of the
図3(B)に示すように、各垂直転送電極47a〜47dにそれぞれ電圧(Mレベル)が印加されると、その下方の垂直転送路46に、電極下方領域に存在する信号電荷を蓄積する転送パケット(ポテンシャル井戸)54が形成される。上記のように各垂直転送電極47a〜47dが4相駆動された場合に、転送パケット54は、期間t1では垂直転送電極47a下から垂直転送電極47b下の間に形成され、期間t2では垂直転送電極47a下から垂直転送電極47c下の間に形成され、期間t3では垂直転送電極47b下から垂直転送電極47c下の間に形成され、期間t4では垂直転送電極47b下から垂直転送電極47d下の間に形成される。
As shown in FIG. 3B, when a voltage (M level) is applied to each of the
このように転送パケット54は、垂直転送電極の2個分の領域に相当する縮み状態(期間t1,t3)と、垂直転送電極の3個分の領域に相当する伸び状態(期間t2,t4)とに交互に切り替わりながら、電荷転送方向に沿って移動する。これにより、信号電荷が電荷転送方向に転送される。伸び状態の転送パケット54は、その前後の期間における縮み状態の転送パケット54とオーバーラップしている。従って、期間t2,t4がオーバーラップ期間になる。
As described above, the
通常転送モードでは、期間t1,t3と、オーバーラップ期間t2,t4とが等しくなるように、垂直駆動パルス(φV1〜φV4)の波形・位相が調整される。 In the normal transfer mode, the waveforms and phases of the vertical drive pulses (φV1 to φV4) are adjusted so that the periods t1 and t3 are equal to the overlap periods t2 and t4.
図4(A),(B)に示すように、画質優先転送モードでは、オーバーラップ期間t2a,t4aが通常転送モード時のオーバーラップ期間t2,t4よりも長くなるように、垂直駆動パルス(φV1〜φV4)の波形・位相が調整される。従って、画質優先転送モードでは、オーバーラップ期間が延びた以外は、通常転送モード時と同様にして、転送パケット54の移動(信号電荷の転送)が行われる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, in the image quality priority transfer mode, the vertical drive pulse (φV1) is set so that the overlap periods t2a and t4a are longer than the overlap periods t2 and t4 in the normal transfer mode. The waveform and phase of .about..phi.V4) are adjusted. Accordingly, in the image quality priority transfer mode, the
このように、オーバーラップ期間を延ばすことにより、通常転送モード時よりもフレームレートが低下するものの、逆に信号電荷の転送効率を向上させることができる。オーバーラップ期間t2a,t4aは、転送効率の向上(撮影画像の画質向上)と、動画撮影等に影響を及ぼさない最低限のフレームレートの確保とが両立するように、実験或いはシミュレーション等で決定される。 Thus, by extending the overlap period, the frame rate is lower than that in the normal transfer mode, but the signal charge transfer efficiency can be improved. The overlap periods t2a and t4a are determined by experiments or simulations so that both improvement in transfer efficiency (improvement in the quality of captured images) and securing of a minimum frame rate that does not affect moving image shooting and the like are compatible. The
また、画質優先転送モードでは、オーバーラップ期間t2a,t4aが通常転送モードよりも延びる一方で、オーバーラップ期間t2a,t4a以外の期間t1,t3については、通常転送モードにおける期間と等しくなる。このように、画質優先転送モードは、全期間を一律に延ばすのではなく、オーバーラップ期間だけを延ばしているので、フレームレートの大幅な低下は防止される。 In the image quality priority transfer mode, the overlap periods t2a and t4a are longer than those in the normal transfer mode, while the periods t1 and t3 other than the overlap periods t2a and t4a are equal to the periods in the normal transfer mode. In this way, since the image quality priority transfer mode does not extend the entire period uniformly but extends only the overlap period, a significant decrease in the frame rate is prevented.
次に、図5に示すフローチャートを用いて、上記構成のデジタルカメラ10の作用について説明を行う。ユーザは、デジタルカメラ10の電源をONし、カメラの動作モードを撮影モードに切り替えた後、動画撮影や連写撮影等を行う場合には転送モード固定スイッチ52をONし、単写撮影を行う場合には転送モード固定スイッチ52をOFFする。次いで、ユーザは、ISO感度の設定値の変更を行う場合には、ISO感度設定スイッチ28を操作して、ISO感度の設定値を所望の値に設定する。 Next, the operation of the digital camera 10 having the above configuration will be described with reference to the flowchart shown in FIG. The user turns on the digital camera 10 and switches the camera operation mode to the shooting mode, and then turns on the transfer mode fixing switch 52 to perform single-shot shooting when shooting moving images or continuous shooting. In this case, the transfer mode fixing switch 52 is turned off. Next, when changing the ISO sensitivity setting value, the user operates the ISO sensitivity setting switch 28 to set the ISO sensitivity setting value to a desired value.
CCD駆動制御部50は、転送モード固定スイッチ52がONされている場合には、CCD19の転送モードとして通常転送モードを選択する。また、CCD駆動制御部50は、転送モード固定スイッチ52がOFFされている場合には、ISO感度の設定値をチェックする。そして、CCD駆動制御部50は、ISO感度の設定値が閾値A未満である場合には通常転送モードを選択するとともに、ISO感度の設定値が閾値A以上である場合には画質優先転送モードを選択する。
The CCD
CCD駆動制御部50は、TG24を制御して、選択した転送モードでCCD19を駆動する。これにより、TG24から各垂直転送電極47a〜47dに対して、転送モードに応じた波形・位相を有する垂直駆動パルス(φV1〜φV4)がそれぞれ印加される。これにより、光電変換素子23からの信号電荷の読み出し、垂直転送路46における信号電荷の垂直転送(転送パケット54の移動)が実行される。
The CCD
画質優先転送モード実行時には、通常転送モード時よりもオーバーラップ期間(図2、図3参照)が長くなるので、フレームレートは低下するが、転送効率を向上させることができる。これにより、ISO感度が高く設定されている場合における撮影画像のノイズを減らして、撮影画像の画質を改善することができる。逆にISO感度の設定値が低く設定されている場合には、撮影画像のノイズも目立たないので、転送効率の向上よりもフレームレートの維持が優先される。 When the image quality priority transfer mode is executed, since the overlap period (see FIGS. 2 and 3) is longer than that in the normal transfer mode, the frame rate is reduced, but the transfer efficiency can be improved. Thereby, the noise of the captured image when the ISO sensitivity is set high can be reduced, and the image quality of the captured image can be improved. On the other hand, when the ISO sensitivity setting value is set to a low value, noise in the captured image is not noticeable. Therefore, maintaining the frame rate is prioritized over improving the transfer efficiency.
また、TG24は、水平CCD40の水平転送電極に対して水平駆動パルスを印加し、垂直CCD39から転送された1行分の信号電荷を出力部41に転送させる。出力部41は、水平CCD40から転送された信号電荷を画素信号に変換して出力する。
In addition, the
CCD19からの画素信号は、CDS/AGC回路26、OBクランプ回路27にて各種処理が施され、更にA/D変換器30にてデジタルな画像データに変換された後、DSP31にて各種画像処理が施される。そして、表示部16は、DSP31から出力されたY/Cデータに基づくスルー画像を表示する。
The pixel signal from the
ユーザがシャッタボタン12を半押した時に、前述したようにAE・AF処理が実行され、更にシャッタボタン12を全押した時に、AE処理で決定されたシャッタ速度及び絞り値を用いて撮影が実行される。撮影画像は、圧縮伸長処理回路35にて圧縮処理が施された後、記録メディア37に記録される。
When the user presses the
以上のように本発明では、オーバーラップ期間を延ばすことで、特許文献1のように間引きを行うことなく、転送効率の劣化による画質の低下を防止することができる。更に、撮影画像のノイズが目立たない撮影条件時には、転送効率の向上よりもフレームレートの維持を優先することができる。これにより、撮影画像の画質低下防止と高フレームレート化を可能な限り両立させることができる。
As described above, in the present invention, by extending the overlap period, it is possible to prevent a decrease in image quality due to deterioration in transfer efficiency without performing thinning as in
次に、図6を用いて第2実施形態のデジタルカメラ60について説明を行う。上記第1実施形態では、ISO感度の設定値に応じて転送モードの切り替えを行う場合ついて説明を行ったが、第2実施形態では、CCD19の露光量及び温度に応じて転送モードの切り替えを行う。なお、デジタルカメラ60は、第1実施形態のデジタルカメラ10と基本的には同じ構成であるため、第1実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。
Next, the digital camera 60 of the second embodiment will be described with reference to FIG. In the first embodiment, the case where the transfer mode is switched according to the ISO sensitivity setting value has been described, but in the second embodiment, the transfer mode is switched according to the exposure amount and temperature of the
デジタルカメラ60のCPU61は、メモリ14から読み出した各種プログラムやデータを実行することで、露光量測定部(露光量測定手段)62、温度推定部(温度測定手段)63、及びCCD駆動制御部(制御手段)64として機能する。
The
露光量測定部62は、例えば、AE処理時に決定したCCD19のシャッタ速度、及び絞り機構21の絞り値に基づき、CCD19の露光量を算出する。この場合には、シャッタ速度と絞り値とCCD19の露光量とを関連付けたLUT等を予め作成しておき、このLUTを参照して、シャッタ速度及び絞り値からCCD19の露光量を求めてもよい。
The exposure
温度推定部63は、CCD19のOB領域44からの暗電流に基づき、CCD19の温度を推定する。暗電流は、CCD19の温度が高くなるほど増加する傾向を有するので、この暗電流の大きさに基づいてCCD19の温度を推定することができる。このため、メモリ14には、暗電流の大きさとCCD19の温度とを関連付けた温度推定用LUT66が格納されている。なお、LUTの代わりに演算式等を格納してもよい。そして、温度推定部63は、例えばOBクランプ回路27から暗電流の値を取得するとともに、温度推定用LUT66を参照して、CCD19の温度を推定する。
The
CCD駆動制御部64は、露光量測定部62により得られたCCD19の露光量、及び温度推定部63により得られたCCD19の温度に応じて、CCD19の転送モードの切り替えを行う。CCD19の露光量が低い場合には、垂直CCD39における信号電荷の転送量が減少するため(画像が暗くなるため)、転送時に取り残された信号電荷等に起因して発生するノイズが目立ち易くなる。逆に、CCD19の露光量が高い場合には、信号電荷の転送量が増加するため(画像が明るくなるため)、ノイズが目立ち難くなる。
The CCD
また、垂直CCD39における信号電荷の移動度は、CCD19の温度に依存する。このため、CCD19の温度が低い場合には、垂直CCD39における信号電荷の移動度が減少するため、転送時に取り残される信号電荷の量が増えて、信号電荷の転送効率の劣化が目立ち易くなる。逆に、CCD19の温度が高い場合には、信号電荷の移動度が増加するため、転送時に取り残される信号電荷の量が少なくなり、信号電荷の転送効率の劣化が目立ち易くなる。
The mobility of signal charges in the
そこで、CCD駆動制御部64は、CCD19の露光量が予め定められた閾値E(露光量閾値)未満で、且つCCD19の温度が予め定められた閾値C(温度閾値:例えば5℃)未満の時に、CCD19を画質優先転送モードで駆動して、転送効率を向上することで撮影画像のノイズの発生を抑える。逆にCCD駆動制御部64は、CCD19の露光量が閾値E以上及び/または温度が閾値C以上の時は、上述したように、転送効率の劣化(ノイズの発生)が目立ち難くなるため、CCD19を通常転送モードで駆動して、フレームレートの維持を優先する。
Therefore, the CCD
次に、図7に示すフローチャートを用いてデジタルカメラ60の作用について説明を行う。ユーザが、デジタルカメラ10の電源をONし、カメラの動作モードを撮影モードに切り替えると、上記第1実施形態で説明したように、表示部16にスルー画像が表示される。次いで、ユーザがシャッタボタン12を半押した時に、AE・AF処理が実行される。AE処理によりCCD19のシャッタ速度、及び絞り機構21の絞り値が決定する。
Next, the operation of the digital camera 60 will be described using the flowchart shown in FIG. When the user turns on the digital camera 10 and switches the operation mode of the camera to the shooting mode, a through image is displayed on the display unit 16 as described in the first embodiment. Next, when the user half-presses the
露光量測定部62は、AE処理で決定されたシャッタ速度・絞り値に基づいて、CCD19の露光量を求める。また、温度推定部63は、OBクランプ回路27からOB領域44の暗電流情報を取得した後、温度推定用LUT66を参照して、CCD19の温度を推定する。
The exposure
CCD駆動制御部64は、転送モード固定スイッチ52がONされている場合には、CCD19の転送モードとして通常転送モードを選択する。また、CCD駆動制御部64は、転送モード固定スイッチ52がOFFされている場合には、露光量測定部62及び温度推定部63により得られたCCD19の露光量・温度をチェックする。そして、CCD駆動制御部64は、CCD19の露光量が閾値E以上及び/または温度が閾値C以上の時は、通常転送モードを選択するとともに、CCD19の露光量が閾値E未満で、且つ温度が閾値C未満の時は、画質優先転送モードを選択する。
The CCD
以下、上記第1実施形態で説明したように、CCD駆動制御部64は、TG24を制御して、選択した転送モードでCCD19を駆動する。これにより、CCD19の露光量及び温度が低い場合における撮影画像のノイズを減らして、撮影画像の画質を改善することができる。逆にCCD19の露光量及び/または温度が高い場合には、撮影画像のノイズも目立たないので、転送効率の向上よりもフレームレートの維持が優先される。そして、ユーザがシャッタボタン12を全押した時に、撮影画像が記録メディア37に記録される。
Hereinafter, as described in the first embodiment, the CCD
以上のように本発明の第2実施形態についても、上記第1実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。 As described above, also in the second embodiment of the present invention, the same effects as those described in the first embodiment can be obtained.
次に、図8及び図9を用いて、本発明の第3実施形態のデジタルカメラ70について説明を行う。上記第2実施形態では、温度推定部63がOB領域44の暗電流情報と温度推定用LUT66とを用いてCCD19の温度の推定を行っているが、第3実施形態では、温度センサ72を用いてCCD19の温度を測定する。温度センサ72は、CCD19の温度を測定可能であればその取付位置は特に限定されず、例えばCCD19の背面に取り付けてもよい(図中では、図面の煩雑化を防止するため、両者を別体で図示している)。
Next, a digital camera 70 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, the
CCD駆動制御部64は、温度センサ72により得られた温度情報に基づき、CCD19の温度が閾値C以上か否かを判定する。なお、CCD19の露光量の測定、及びCCD19の露光量・温度に応じたCCD19の転送モードの切り替えについては、上述の第2実施形態と同じであるため、説明は省略する。また、デジタルカメラ70の作用についても、温度センサ72によりCCD19の温度を取得する以外は上記第2実施形態と同じであり、上記第2実施形態と同様の効果が得られる。
The CCD
上記各実施形態では、CCD19のシャッタ速度を電子シャッタで調節するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、機械式のシャッタで調節してもよい。
In each of the above embodiments, the shutter speed of the
上記各実施形態では、CCD19に4相の垂直駆動パルス(φV1〜φV4)を印加して所謂4相駆動を行う場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、CCDを3相駆動、6相駆動、8相駆動等する場合にも同様に本発明を適用することができる。また、上記各実施形態では、CCD19の光電変換素子23が正方格子状に配列されている場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、ハニカム配列されている場合にも本発明を適用することができる。
In each of the above embodiments, the case where so-called four-phase driving is performed by applying four-phase vertical driving pulses (φV1 to φV4) to the
上記第1実施形態ではISO感度の設定値、上記第2及び第3実施形態ではCCDの露光量・温度に応じて、CCDの転送モードの切り替えを行う場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明はこれらに限定されるものではなく、転送効率が悪化したり、撮影画像のノイズが目立ったりする各種撮影条件下で、転送モードを画質優先転送モードに切り替えるようにしてもよい。 In the first embodiment, the case where the transfer mode of the CCD is switched according to the setting value of the ISO sensitivity and the transfer amount / temperature of the CCD in the second and third embodiments has been described as an example. However, the present invention is not limited to these, and the transfer mode may be switched to the image quality priority transfer mode under various shooting conditions in which transfer efficiency deteriorates or noise of a shot image is noticeable.
上記各実施形態では、撮影装置としてデジタルカメラを例に挙げて説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、カメラ付携帯電話機等のCCDを備える各種撮影装置に適用することができる。 In each of the above embodiments, a digital camera has been described as an example of a photographing device. However, the present invention is not limited to this, and is applicable to various photographing devices including a CCD such as a camera-equipped mobile phone. Can do.
10,60,70 デジタルカメラ
11,61 CPU
19 CCD型イメージセンサ
23 光電変換素子
28 ISO感度設定スイッチ
39 垂直CCD
43 有効画素領域
44 オプティカルブラック領域
46 垂直転送路
47a〜47b 垂直転送電極
50,64 CCD駆動制御部
52 転送モード固定スイッチ
54 転送パケット
62 露光量測定部
63 温度推定部
66 温度推定用LUT
φV1〜φV4 垂直駆動パルス
10, 60, 70
19 CCD
43
φV1 to φV4 Vertical drive pulse
Claims (7)
前記転送電極の各々に駆動パルスを印加して、電圧印加された前記転送電極下の前記電荷転送路に前記信号電荷を蓄積する転送パケットを形成するとともに、前記転送パケットの前方にある第1転送電極に対する電圧印加、及びこの電圧印加後に前記転送パケットの後端上の第2転送電極に対する電圧印加の停止をそれぞれ交互に繰り返すことで、前記転送パケットを、前記第2転送電極下から前記第1転送電極下の間に形成された伸び状態、及び前記第2転送電極の1つ前方にある第3転送電極下から前記第1転送電極下の間に形成された縮み状態に交互に切り替えながら前記転送方向に沿って移動させる駆動パルス印加手段と、
撮影条件に応じて、前記伸び状態の時間及び前記縮み状態の時間が等しくなる通常転送モードと、前記伸び状態の時間が前記縮み状態の時間よりも長くなる特殊転送モードとの切り替えが行われるように、前記駆動パルス印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする撮影装置。 A solid-state imaging device having a photoelectric conversion element, a charge transfer path for transferring a signal charge obtained by the photoelectric change element, and a plurality of transfer electrodes arranged along the transfer direction of the signal charge on the charge transfer path; ,
A drive pulse is applied to each of the transfer electrodes to form a transfer packet for accumulating the signal charges in the charge transfer path under the voltage-applied transfer electrode, and a first transfer in front of the transfer packet By alternately repeating the voltage application to the electrode and the voltage application to the second transfer electrode on the rear end of the transfer packet after the voltage application, the transfer packet is transmitted from under the second transfer electrode to the first transfer electrode. While switching alternately between the stretched state formed under the transfer electrode and the contracted state formed under the third transfer electrode in front of the second transfer electrode and under the first transfer electrode, Drive pulse applying means for moving along the transfer direction;
Switching between the normal transfer mode in which the time in the extended state and the time in the contracted state are equal and the special transfer mode in which the time in the extended state is longer than the time in the contracted state is performed according to the shooting conditions. Control means for controlling the drive pulse applying means;
An imaging apparatus comprising:
前記制御手段は、前記露光量測定手段により得られた露光量が予め定めた露光量閾値未満となり、且つ前記温度測定手段により得られた温度が予め定めた温度閾値未満となる場合には、前記駆動パルス印加手段を前記特殊転送モードで動作させるとともに、当該露光量が前記露光量閾値以上及び/または当該温度が前記温度閾値以上となる場合には、前記駆動パルス印加手段を前記通常転送モードで動作させることを特徴とする請求項1または2記載の撮影装置。 Exposure amount measuring means for measuring the exposure amount of the solid-state image sensor; and temperature measuring means for measuring the temperature of the solid-state image sensor;
When the exposure amount obtained by the exposure amount measurement unit is less than a predetermined exposure amount threshold value and the temperature obtained by the temperature measurement unit is less than a predetermined temperature threshold value, When the drive pulse applying means is operated in the special transfer mode, and the exposure amount is not less than the exposure amount threshold and / or the temperature is not less than the temperature threshold, the drive pulse applying means is operated in the normal transfer mode. The photographing apparatus according to claim 1, wherein the photographing apparatus is operated.
前記温度測定手段は、前記オプティカルブラック領域から出力される暗電流に基づき、前記固体撮像素子の温度を求めることを特徴とする請求項3記載の撮影装置。 The solid-state imaging device has an effective pixel region that generates and accumulates signal charges, and an optical black region that is formed adjacent to the effective pixel region, and
4. The photographing apparatus according to claim 3, wherein the temperature measuring unit obtains the temperature of the solid-state imaging device based on a dark current output from the optical black region.
前記制御手段は、前記選択操作手段により前記通常転送モードでの動作が選択された場合には、前記駆動パルス印加手段を常に前記通常転送モードで動作させることを特徴とする請求項1ないし5いずれか1項記載の撮影装置。 Regardless of the photographing conditions, comprising a selection operation means for selecting whether to operate the drive pulse application means in the normal transfer mode,
6. The control unit according to claim 1, wherein when the operation in the normal transfer mode is selected by the selection operation unit, the drive pulse applying unit is always operated in the normal transfer mode. The photographing apparatus according to claim 1.
前記転送電極の各々に駆動パルスを印加して、電圧印加された前記転送電極下の前記電荷転送路に前記信号電荷を蓄積する転送パケットを形成するとともに、前記転送パケットの前方にある第1転送電極に対する電圧印加、及びこの電圧印加後に前記転送パケットの後端上の第2転送電極に対する電圧印加の停止をそれぞれ交互に繰り返すことで、前記転送パケットを、前記第2転送電極下から前記第1転送電極下の間に形成された伸び状態、及び前記第2転送電極の1つ前方にある第3転送電極下から前記第1転送電極下の間に形成された縮み状態に交互に切り替えながら前記転送方向に沿って移動させるステップと、
撮影条件に応じて、前記伸び状態の時間及び前記縮み状態の時間が等しくなる通常転送モードと、前記伸び状態の時間が前記縮み状態の時間よりも長くなる特殊転送モードとの切り替えが行われるように、前記駆動パルスを制御するステップと、
を有することを特徴とする固体撮像素子の電荷転送方法。 Solid-state imaging having a photoelectric conversion element, a charge transfer path for transferring a signal charge obtained by the photoelectric change element, and a plurality of transfer electrodes arranged along the transfer direction of the signal charge on the charge transfer path In the device charge transfer method,
A drive pulse is applied to each of the transfer electrodes to form a transfer packet for accumulating the signal charges in the charge transfer path under the voltage-applied transfer electrode, and a first transfer in front of the transfer packet By alternately repeating the voltage application to the electrode and the voltage application to the second transfer electrode on the rear end of the transfer packet after the voltage application, the transfer packet is transmitted from under the second transfer electrode to the first transfer electrode. While switching alternately between the stretched state formed under the transfer electrode and the contracted state formed under the third transfer electrode in front of the second transfer electrode and under the first transfer electrode, Moving along the transfer direction;
Switching between the normal transfer mode in which the time in the extended state and the time in the contracted state are equal and the special transfer mode in which the time in the extended state is longer than the time in the contracted state is performed according to the shooting conditions. And controlling the drive pulse;
A charge transfer method for a solid-state imaging device, comprising:
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