JP2001069408A - 固体撮像素子およびその駆動方法ならびにカメラシステム - Google Patents
固体撮像素子およびその駆動方法ならびにカメラシステムInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 長時間蓄積信号を１ライン分出力した後、短
時間蓄積信号を１ライン分出力すると、水平映像期間中
に垂直読み出し走査パルスが立ち上がったりし、これが
画面の中央付近に縦筋状のシステムノイズとして現れ
る。 【解決手段】 各画素の蓄積電荷量に応じた信号を、行
単位で配線された水平信号線２２ｎ，２２ｎ＋１に出力
する構成のＣＭＯＳ撮像素子において、各水平信号線ご
とに例えば２つの垂直選択トランジスタ２７ｎ，２８ｎ
と、各水平信号線に対して２本の垂直信号線２５，２６
および２つの垂直走査回路３０，３１を配することで、
１フィールドを１Ｈの整数倍で任意に分割された蓄積時
間の異なる信号、即ち長時間蓄積信号と短時間蓄積信号
とを別々に導出する。
時間蓄積信号を１ライン分出力すると、水平映像期間中
に垂直読み出し走査パルスが立ち上がったりし、これが
画面の中央付近に縦筋状のシステムノイズとして現れ
る。 【解決手段】 各画素の蓄積電荷量に応じた信号を、行
単位で配線された水平信号線２２ｎ，２２ｎ＋１に出力
する構成のＣＭＯＳ撮像素子において、各水平信号線ご
とに例えば２つの垂直選択トランジスタ２７ｎ，２８ｎ
と、各水平信号線に対して２本の垂直信号線２５，２６
および２つの垂直走査回路３０，３１を配することで、
１フィールドを１Ｈの整数倍で任意に分割された蓄積時
間の異なる信号、即ち長時間蓄積信号と短時間蓄積信号
とを別々に導出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子およ
びその駆動方法ならびにカメラシステムに関し、特にＸ
‐Ｙアドレス型の固体撮像素子およびその駆動方法なら
びに当該固体撮像素子を撮像デバイスとして用いたカメ
ラシステムに関する。
びその駆動方法ならびにカメラシステムに関し、特にＸ
‐Ｙアドレス型の固体撮像素子およびその駆動方法なら
びに当該固体撮像素子を撮像デバイスとして用いたカメ
ラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＣＭＯＳ撮像素子などのＸ‐Ｙアドレス
型固体撮像素子では、光電変換によって単位画素に蓄積
される電荷量に対してほぼ線形な出力信号が得られ、単
位画素に蓄積できる電荷量によって撮像素子のダイナミ
ックレンジが決定される。図１３に、撮像素子の入射光
量と出力信号量の関係を示す。この入出力特性図から明
らかなように、撮像素子のダイナミックレンジは、画素
の飽和信号量とノイズレベルで決まることになる。
型固体撮像素子では、光電変換によって単位画素に蓄積
される電荷量に対してほぼ線形な出力信号が得られ、単
位画素に蓄積できる電荷量によって撮像素子のダイナミ
ックレンジが決定される。図１３に、撮像素子の入射光
量と出力信号量の関係を示す。この入出力特性図から明
らかなように、撮像素子のダイナミックレンジは、画素
の飽和信号量とノイズレベルで決まることになる。
【０００３】このように、単位画素に蓄積可能な電荷量
にはその画素のサイズに応じて限界があることから、こ
の種のＸ‐Ｙアドレス型固体撮像素子を撮像デバイスと
して用いたカメラシステムにおいて、例えば、低輝度の
被写体にカメラレンズの絞りを合わせると高輝度の被写
体の信号が飽和してしまい、逆に高輝度の被写体にカメ
ラレンズの絞りを合わせると低輝度の被写体の信号がノ
イズに埋もれてしまうため、画像認識等に要求される広
ダイナミックレンジを得ることができないことになる。
にはその画素のサイズに応じて限界があることから、こ
の種のＸ‐Ｙアドレス型固体撮像素子を撮像デバイスと
して用いたカメラシステムにおいて、例えば、低輝度の
被写体にカメラレンズの絞りを合わせると高輝度の被写
体の信号が飽和してしまい、逆に高輝度の被写体にカメ
ラレンズの絞りを合わせると低輝度の被写体の信号がノ
イズに埋もれてしまうため、画像認識等に要求される広
ダイナミックレンジを得ることができないことになる。
【０００４】このため、１フィールドまたは１フレーム
の中で長時間蓄積信号と短時間蓄積信号とを出力し、こ
れらの信号に基づいて非常に広い範囲の入射光量に対し
てコントラストのある撮像信号を得るようにすることに
より、広ダイナミックレンジ撮像を可能としたＸ‐Ｙア
ドレス型固体撮像素子が提案されている。ここに、長時
間蓄積信号とは長時間蓄積による信号電荷に基づく信号
のことを言い、短時間蓄積信号とは短時間蓄積による信
号電荷に基づく信号のことを言う。
の中で長時間蓄積信号と短時間蓄積信号とを出力し、こ
れらの信号に基づいて非常に広い範囲の入射光量に対し
てコントラストのある撮像信号を得るようにすることに
より、広ダイナミックレンジ撮像を可能としたＸ‐Ｙア
ドレス型固体撮像素子が提案されている。ここに、長時
間蓄積信号とは長時間蓄積による信号電荷に基づく信号
のことを言い、短時間蓄積信号とは短時間蓄積による信
号電荷に基づく信号のことを言う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
Ｘ‐Ｙアドレス型固体撮像素子では、長時間蓄積信号を
１ライン分出力した後、短時間蓄積信号を１ライン分出
力するようにしていたので、水平映像期間中に垂直読み
出し走査パルスが立ち上がったり、１水平走査期間中に
水平走査回路が２回走査することになることから、これ
らがカメラ信号処理回路に回り込んで、画面の中央付近
に縦筋状のシステムノイズとして現れるという問題があ
った。
Ｘ‐Ｙアドレス型固体撮像素子では、長時間蓄積信号を
１ライン分出力した後、短時間蓄積信号を１ライン分出
力するようにしていたので、水平映像期間中に垂直読み
出し走査パルスが立ち上がったり、１水平走査期間中に
水平走査回路が２回走査することになることから、これ
らがカメラ信号処理回路に回り込んで、画面の中央付近
に縦筋状のシステムノイズとして現れるという問題があ
った。
【０００６】また、同じ水平走査期間中に長時間蓄積信
号と短時間蓄積信号とを共通の信号線を通して単一の出
力端子から導出するようにしていることから、広ダイナ
ミックレンジ撮像動作を行わない撮像素子に対して、出
力信号周波数がほぼ２倍となるため、消費電力が増大し
たり、ＳＮ比が劣化するなどの問題もあった。
号と短時間蓄積信号とを共通の信号線を通して単一の出
力端子から導出するようにしていることから、広ダイナ
ミックレンジ撮像動作を行わない撮像素子に対して、出
力信号周波数がほぼ２倍となるため、消費電力が増大し
たり、ＳＮ比が劣化するなどの問題もあった。
【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、縦筋状のシステムノ
イズを原理的に解消することができるとともに、消費電
力の増大やＳＮ比の劣化を防止し得る固体撮像素子およ
びその駆動方法ならびにカメラシステムを提供すること
にある。
であり、その目的とするところは、縦筋状のシステムノ
イズを原理的に解消することができるとともに、消費電
力の増大やＳＮ比の劣化を防止し得る固体撮像素子およ
びその駆動方法ならびにカメラシステムを提供すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像素
子では、単位画素が行列状に配置されてなる画素部に対
して行単位で複数行分の水平信号線が配線され、またこ
れら水平信号線に対して複数の垂直信号線が共通に配線
されている。そして、画素部の各画素を異なる複数行に
ついて行単位で選択するとともに、複数行分の水平信号
線に各画素から出力された信号を順次複数の垂直信号線
に出力する複数系統の垂直駆動手段と、これら垂直駆動
手段によって選択された複数行の各画素を順次選択する
水平駆動手段とが設けられている。また、本発明による
カメラシステムは、上記構成の固体撮像素子を撮像デバ
イスとして用いている。
子では、単位画素が行列状に配置されてなる画素部に対
して行単位で複数行分の水平信号線が配線され、またこ
れら水平信号線に対して複数の垂直信号線が共通に配線
されている。そして、画素部の各画素を異なる複数行に
ついて行単位で選択するとともに、複数行分の水平信号
線に各画素から出力された信号を順次複数の垂直信号線
に出力する複数系統の垂直駆動手段と、これら垂直駆動
手段によって選択された複数行の各画素を順次選択する
水平駆動手段とが設けられている。また、本発明による
カメラシステムは、上記構成の固体撮像素子を撮像デバ
イスとして用いている。
【０００９】上記の構成の固体撮像素子において、垂直
信号線を例えば２本配線し、これに対応して垂直駆動手
段を２系統設けた構成の場合を考えると、異なる２行分
の信号が２本の垂直信号線を通して同時に導出される。
このとき、異なる２行の各画素における信号電荷の蓄積
時間を当該２行の間で異ならせることで、長時間蓄積信
号と短時間蓄積信号が２系統の信号として同時に導出さ
れる。そして、この固体撮像素子を撮像デバイスとして
用いたカメラシステムでは、長時間蓄積信号および短時
間蓄積信号を同一行の信号とするために同時化処理を行
い、しかる後演算処理することで広ダイナミックレンジ
撮像を実現する。
信号線を例えば２本配線し、これに対応して垂直駆動手
段を２系統設けた構成の場合を考えると、異なる２行分
の信号が２本の垂直信号線を通して同時に導出される。
このとき、異なる２行の各画素における信号電荷の蓄積
時間を当該２行の間で異ならせることで、長時間蓄積信
号と短時間蓄積信号が２系統の信号として同時に導出さ
れる。そして、この固体撮像素子を撮像デバイスとして
用いたカメラシステムでは、長時間蓄積信号および短時
間蓄積信号を同一行の信号とするために同時化処理を行
い、しかる後演算処理することで広ダイナミックレンジ
撮像を実現する。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、Ｘ‐Ｙアドレス型の固体撮像素子である例えばＣＭ
ＯＳ撮像素子に適用した場合を例に採って図面を参照し
つつ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係
るＣＭＯＳ撮像素子を示す概略構成図である。
て、Ｘ‐Ｙアドレス型の固体撮像素子である例えばＣＭ
ＯＳ撮像素子に適用した場合を例に採って図面を参照し
つつ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係
るＣＭＯＳ撮像素子を示す概略構成図である。
【００１１】図１において、破線で囲まれた領域が単位
画素１１を表している。この単位画素１１は、光電変換
素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１２に対して、読
み出しトランジスタ１３、読み出し選択トランジスタ１
４、増幅トランジスタ１５、リセットトランジスタ１６
および出力選択トランジスタ１７の５つのＮｃｈＭＯＳ
トランジスタを有する構成となっている。そして、この
単位画素１１が行列状に配置されて画素部２１を構成し
ている。
画素１１を表している。この単位画素１１は、光電変換
素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１２に対して、読
み出しトランジスタ１３、読み出し選択トランジスタ１
４、増幅トランジスタ１５、リセットトランジスタ１６
および出力選択トランジスタ１７の５つのＮｃｈＭＯＳ
トランジスタを有する構成となっている。そして、この
単位画素１１が行列状に配置されて画素部２１を構成し
ている。
【００１２】なお、ここでは、図面の簡略化のために、
画素部２１が２列（ｍ−１列目，ｍ列目）２行（ｎ行
目，ｎ＋１行目）の画素構成の場合を例にとって示して
いる。この画素部２１には、水平信号線２２ｎ＋１，２
２ｎおよび読み出し線２３ｎ＋１，２３ｎが行単位で配
線されている。さらに、水平選択線２４ｍ−１，２４ｍ
が列単位で配線されている。
画素部２１が２列（ｍ−１列目，ｍ列目）２行（ｎ行
目，ｎ＋１行目）の画素構成の場合を例にとって示して
いる。この画素部２１には、水平信号線２２ｎ＋１，２
２ｎおよび読み出し線２３ｎ＋１，２３ｎが行単位で配
線されている。さらに、水平選択線２４ｍ−１，２４ｍ
が列単位で配線されている。
【００１３】ｍ列ｎ＋１行目の単位画素１１において、
フォトダイオード１２は、光電変換と電荷蓄積の各機能
を兼ね備えている。すなわち、入射光をその光量に応じ
た電荷量の信号電荷に光電変換し、かつその信号電荷を
蓄積する機能を持っている。このフォトダイオード１２
は、埋め込みダイオードのセンサ構造、例えばｎｐダイ
オードの基板表面側にｐ+ 層からなる正孔蓄積層を付加
したＨＡＤ(Hole Accumulated Diode)センサ構造となっ
ている。
フォトダイオード１２は、光電変換と電荷蓄積の各機能
を兼ね備えている。すなわち、入射光をその光量に応じ
た電荷量の信号電荷に光電変換し、かつその信号電荷を
蓄積する機能を持っている。このフォトダイオード１２
は、埋め込みダイオードのセンサ構造、例えばｎｐダイ
オードの基板表面側にｐ+ 層からなる正孔蓄積層を付加
したＨＡＤ(Hole Accumulated Diode)センサ構造となっ
ている。
【００１４】フォトダイオード１２のカソードには読み
出しトランジスタ１３のソースが接続されている。読み
出しトランジスタ１３は、ドレインが蓄積部である浮遊
拡散領域ＦＤに接続され、ゲートが読み出し選択トラン
ジスタ１４のソース／ドレインに接続されている。読み
出し選択トランジスタ１４は、ドレイン／ソースが読み
出し線２３ｎ＋１に接続され、ゲートが水平選択線２４
ｍに接続されている。増幅トランジスタ１５は、ゲート
が浮遊拡散領域ＦＤに接続され、ドレインが電源ＶＤＤ
に接続されている。
出しトランジスタ１３のソースが接続されている。読み
出しトランジスタ１３は、ドレインが蓄積部である浮遊
拡散領域ＦＤに接続され、ゲートが読み出し選択トラン
ジスタ１４のソース／ドレインに接続されている。読み
出し選択トランジスタ１４は、ドレイン／ソースが読み
出し線２３ｎ＋１に接続され、ゲートが水平選択線２４
ｍに接続されている。増幅トランジスタ１５は、ゲート
が浮遊拡散領域ＦＤに接続され、ドレインが電源ＶＤＤ
に接続されている。
【００１５】リセットトランジスタ１６は、ソースが浮
遊拡散領域ＦＤに、ドレインが電源ＶＤＤにそれぞれ接
続され、ゲートが隣接するｍ−１列目の水平信号線２４
ｍ−１に接続されている。このリセットトランジスタ１
６は、浮遊拡散領域ＦＤを電源ＶＤＤにリセットするた
めにデプレッション型である。出力選択トランジスタ１
７は、ドレインが増幅トランジスタ１５のソースに、ソ
ースが水平信号線２２ｎ＋１にそれぞれ接続され、ゲー
トが水平選択線２４ｍに接続されている。
遊拡散領域ＦＤに、ドレインが電源ＶＤＤにそれぞれ接
続され、ゲートが隣接するｍ−１列目の水平信号線２４
ｍ−１に接続されている。このリセットトランジスタ１
６は、浮遊拡散領域ＦＤを電源ＶＤＤにリセットするた
めにデプレッション型である。出力選択トランジスタ１
７は、ドレインが増幅トランジスタ１５のソースに、ソ
ースが水平信号線２２ｎ＋１にそれぞれ接続され、ゲー
トが水平選択線２４ｍに接続されている。
【００１６】また、複数行分、本例では２行分の水平信
号線２２ｎ，２２ｎ＋１に対して、これらと直交する方
向に第１，第２垂直信号線２５，２６が、画素部２１外
の領域において配線されている。そして、水平信号線２
２ｎ，２２ｎ＋１の各々と第１，第２垂直信号線２５，
２６との間には、垂直選択トランジスタ２７ｎ，２７ｎ
＋１および２８ｎ，２８ｎ＋１がそれぞれ接続されてい
る。これら垂直選択トランジスタ２７ｎ，２７ｎ＋１，
２８ｎ，２８ｎ＋１も、ＮｃｈＭＯＳトランジスタから
なっている。
号線２２ｎ，２２ｎ＋１に対して、これらと直交する方
向に第１，第２垂直信号線２５，２６が、画素部２１外
の領域において配線されている。そして、水平信号線２
２ｎ，２２ｎ＋１の各々と第１，第２垂直信号線２５，
２６との間には、垂直選択トランジスタ２７ｎ，２７ｎ
＋１および２８ｎ，２８ｎ＋１がそれぞれ接続されてい
る。これら垂直選択トランジスタ２７ｎ，２７ｎ＋１，
２８ｎ，２８ｎ＋１も、ＮｃｈＭＯＳトランジスタから
なっている。
【００１７】画素部２１の周辺部には、列選択のための
水平走査回路２９が水平駆動系として、行選択のための
第１垂直走査回路３０および蓄積時間を制御するための
第２垂直走査回路３１が垂直駆動系としてそれぞれ設け
られている。これらの走査回路２９，３０，３１は例え
ばシフトレジスタによって構成され、タイミングジェネ
レータ（ＴＧ）３２から与えられる駆動パルスに応答し
てシフト動作（走査）を開始するようになっている。
水平走査回路２９が水平駆動系として、行選択のための
第１垂直走査回路３０および蓄積時間を制御するための
第２垂直走査回路３１が垂直駆動系としてそれぞれ設け
られている。これらの走査回路２９，３０，３１は例え
ばシフトレジスタによって構成され、タイミングジェネ
レータ（ＴＧ）３２から与えられる駆動パルスに応答し
てシフト動作（走査）を開始するようになっている。
【００１８】水平走査回路２９からは、水平走査（選
択）パルスφＨｍ−１，φＨｍが順次出力される。これ
ら水平走査パルスφＨｍ−１，φＨｍは、水平選択線２
４ｍ−１，２４ｍを通して列単位で単位画素１１の読み
出し選択トランジスタ１４、リセットトランジスタ１６
および出力選択トランジスタ１７の各ゲートに与えられ
る。第１垂直走査回路３０からは第１垂直走査パルスφ
Ｖ１ｎ，φＶ１ｎ＋１が順次出力され、第２垂直走査回
路３１からは第２垂直走査パルスφＶ２ｎ，φＶ２ｎ＋
１が順次出力される。
択）パルスφＨｍ−１，φＨｍが順次出力される。これ
ら水平走査パルスφＨｍ−１，φＨｍは、水平選択線２
４ｍ−１，２４ｍを通して列単位で単位画素１１の読み
出し選択トランジスタ１４、リセットトランジスタ１６
および出力選択トランジスタ１７の各ゲートに与えられ
る。第１垂直走査回路３０からは第１垂直走査パルスφ
Ｖ１ｎ，φＶ１ｎ＋１が順次出力され、第２垂直走査回
路３１からは第２垂直走査パルスφＶ２ｎ，φＶ２ｎ＋
１が順次出力される。
【００１９】第１垂直走査パルスφＶ１ｎ，φＶ１ｎ＋
１は、行ごとにＯＲゲート３３ｎ，３３ｎ＋１の一方の
入力になるととともに、垂直選択線３４ｎ，３４ｎ＋１
を通して垂直選択トランジスタ２７ｎ，２７ｎ＋１のゲ
ートに与えられる。第２垂直走査パルスφＶ１ｎ，φＶ
２ｎ＋１は、行ごとにＯＲゲート３３ｎ，３３ｎ＋１の
他方の入力になるとともに、垂直選択線３６ｎ，３６ｎ
＋１を通して垂直選択トランジスタ２８ｎ，２８ｎ＋１
のゲートに与えられる。
１は、行ごとにＯＲゲート３３ｎ，３３ｎ＋１の一方の
入力になるととともに、垂直選択線３４ｎ，３４ｎ＋１
を通して垂直選択トランジスタ２７ｎ，２７ｎ＋１のゲ
ートに与えられる。第２垂直走査パルスφＶ１ｎ，φＶ
２ｎ＋１は、行ごとにＯＲゲート３３ｎ，３３ｎ＋１の
他方の入力になるとともに、垂直選択線３６ｎ，３６ｎ
＋１を通して垂直選択トランジスタ２８ｎ，２８ｎ＋１
のゲートに与えられる。
【００２０】ＯＲゲート３３ｎ，３３ｎ＋１の各出力
は、ＡＮＤゲート３５ｎ，３５ｎ＋１の各一方の入力と
なる。ＡＮＤゲート３５ｎ，３５ｎ＋１の各他方の入力
としては、タイミングジェネレータ３２から出力される
読み出しパルスφＰＲＤが与えられる。ＡＮＤゲート３
５ｎ，３５ｎ＋１の各出力は、読み出し線２３ｎ，２３
ｎ＋１を通して各画素における読み出し選択トランジス
タ１４のドレインに与えられる。
は、ＡＮＤゲート３５ｎ，３５ｎ＋１の各一方の入力と
なる。ＡＮＤゲート３５ｎ，３５ｎ＋１の各他方の入力
としては、タイミングジェネレータ３２から出力される
読み出しパルスφＰＲＤが与えられる。ＡＮＤゲート３
５ｎ，３５ｎ＋１の各出力は、読み出し線２３ｎ，２３
ｎ＋１を通して各画素における読み出し選択トランジス
タ１４のドレインに与えられる。
【００２１】第１，第２垂直信号線２５，２６の出力端
側には、信号電流を信号電圧に変換するＩ（電流）‐Ｖ
（電圧）変換回路３７，３８と、差分回路としての例え
ば相関二重サンプリング回路（以下、ＣＤＳ(Correlate
d Double Sampling)回路と称す）３９，４０とが設けら
れている。Ｉ‐Ｖ変換回路３７，３８は、垂直信号線２
５，２６を通して信号電流として供給される画素信号を
信号電圧に変換してＣＤＳ回路３９，４０に供給する。
側には、信号電流を信号電圧に変換するＩ（電流）‐Ｖ
（電圧）変換回路３７，３８と、差分回路としての例え
ば相関二重サンプリング回路（以下、ＣＤＳ(Correlate
d Double Sampling)回路と称す）３９，４０とが設けら
れている。Ｉ‐Ｖ変換回路３７，３８は、垂直信号線２
５，２６を通して信号電流として供給される画素信号を
信号電圧に変換してＣＤＳ回路３９，４０に供給する。
【００２２】ＣＤＳ回路３９，４０は、タイミングジェ
ネレータ３２から与えられるサンプリングパルスに基づ
いて、画素リセット直後のノイズレベルと信号レベルと
の差分をとる処理を行う。また、ＣＤＳ回路３９，４０
の後段には、必要に応じてＡＧＣ(Auto Gain Control)
回路やＡＤＣ(Analog Didital Converter)回路等を設け
ることも可能である。
ネレータ３２から与えられるサンプリングパルスに基づ
いて、画素リセット直後のノイズレベルと信号レベルと
の差分をとる処理を行う。また、ＣＤＳ回路３９，４０
の後段には、必要に応じてＡＧＣ(Auto Gain Control)
回路やＡＤＣ(Analog Didital Converter)回路等を設け
ることも可能である。
【００２３】次に、上記構成の一実施形態に係るＣＭＯ
Ｓ撮像素子における広ダイナミックレンジ動作につい
て、図２および図３のタイミングチャートを用いて説明
する。なお、図２は垂直走査のタイミングチャート、図
３は水平走査のタイミングチャートである。
Ｓ撮像素子における広ダイナミックレンジ動作につい
て、図２および図３のタイミングチャートを用いて説明
する。なお、図２は垂直走査のタイミングチャート、図
３は水平走査のタイミングチャートである。
【００２４】第１，第２垂直走査回路３０，３１の垂直
走査により、時刻ｔ１で第１垂直走査回路３０から第１
垂直走査パルスφＶ１ｎが、第２垂直走査回路３１から
第２垂直走査パルスφＶ２ｎ＋ｉがそれぞれ出力され
る。第１垂直走査パルスφＶ１ｎは垂直選択線３４ｎを
通してｎ行目の垂直選択トランジスタ２７ｎのゲートに
印加され、第２垂直走査パルスφＶ２ｎ＋ｉは垂直選択
線３６ｎ＋ｉを通してｎ＋ｉ行目の垂直選択トランジス
タ２８ｎ＋ｉのゲートに印加される。その結果、ｎ行
目、ｎ＋ｉ行目がそれぞれ選択される。
走査により、時刻ｔ１で第１垂直走査回路３０から第１
垂直走査パルスφＶ１ｎが、第２垂直走査回路３１から
第２垂直走査パルスφＶ２ｎ＋ｉがそれぞれ出力され
る。第１垂直走査パルスφＶ１ｎは垂直選択線３４ｎを
通してｎ行目の垂直選択トランジスタ２７ｎのゲートに
印加され、第２垂直走査パルスφＶ２ｎ＋ｉは垂直選択
線３６ｎ＋ｉを通してｎ＋ｉ行目の垂直選択トランジス
タ２８ｎ＋ｉのゲートに印加される。その結果、ｎ行
目、ｎ＋ｉ行目がそれぞれ選択される。
【００２５】この状態において、水平走査回路２９によ
って水平走査が行われる。この水平走査において、ここ
では、例えばｍ列目に着目して動作説明を行う。先ず、
水平走査回路２９から水平走査パルスφＨｍ−１が出力
され、ｍ−１列目の水平選択線２４ｍ−１に印加される
と、ｍ列目の画素のリセットトランジスタ１６がオン状
態となる。これにより、浮遊拡散領域ＦＤがリセットト
ランジスタ１６を通して電源ＶＤＤにリセットされる。
って水平走査が行われる。この水平走査において、ここ
では、例えばｍ列目に着目して動作説明を行う。先ず、
水平走査回路２９から水平走査パルスφＨｍ−１が出力
され、ｍ−１列目の水平選択線２４ｍ−１に印加される
と、ｍ列目の画素のリセットトランジスタ１６がオン状
態となる。これにより、浮遊拡散領域ＦＤがリセットト
ランジスタ１６を通して電源ＶＤＤにリセットされる。
【００２６】続いて、水平走査回路２９から水平走査パ
ルスφＨｍが出力され、ｍ列目の水平選択線２４ｍに印
加されると、ｍ列目の画素の出力選択トランジスタ１７
がオン状態となる。これにより、垂直選択されたｎ行
目、水平選択されたｍ列目の画素（ｍ，ｎ）のリセット
レベルに応じた電流が、水平信号線２２ｎおよび垂直選
択トランジスタ２７ｎを通して第１垂直信号線２５に出
力され、同時に、垂直選択されたｎ＋ｉ行目、水平選択
されたｍ列目の画素（ｍ，ｎ＋ｉ）のリセットレベルに
応じた電流が、水平信号線２２ｎ＋ｉおよび垂直選択ト
ランジスタ２８ｎ＋ｉを通して第２垂直信号線２６に出
力される。
ルスφＨｍが出力され、ｍ列目の水平選択線２４ｍに印
加されると、ｍ列目の画素の出力選択トランジスタ１７
がオン状態となる。これにより、垂直選択されたｎ行
目、水平選択されたｍ列目の画素（ｍ，ｎ）のリセット
レベルに応じた電流が、水平信号線２２ｎおよび垂直選
択トランジスタ２７ｎを通して第１垂直信号線２５に出
力され、同時に、垂直選択されたｎ＋ｉ行目、水平選択
されたｍ列目の画素（ｍ，ｎ＋ｉ）のリセットレベルに
応じた電流が、水平信号線２２ｎ＋ｉおよび垂直選択ト
ランジスタ２８ｎ＋ｉを通して第２垂直信号線２６に出
力される。
【００２７】また、水平走査パルスφＨｍの発生期間に
おいて、読み出しパルスφＰＲＤが出力されると、この
読み出しパルスφＰＲＤはＡＮＤゲート３５ｎで第１垂
直走査パルスφＶ１ｎと、ＡＮＤゲート３５ｎ＋ｉで第
２垂直走査パルスφＶ２ｎ＋ｉとそれぞれ論理積がとら
れる。その結果、ｎ行目，ｎ＋ｉ行目の読み出し線２３
ｎ，２３ｎ＋ｉにそれぞれパルスが立つ。このとき、画
素（ｍ，ｎ）、（ｍ，ｎ＋ｉ）の各読み出し選択トラン
ジスタ１４は、水平走査パルスφＨｍがゲートに印加さ
れていることからオン状態にある。
おいて、読み出しパルスφＰＲＤが出力されると、この
読み出しパルスφＰＲＤはＡＮＤゲート３５ｎで第１垂
直走査パルスφＶ１ｎと、ＡＮＤゲート３５ｎ＋ｉで第
２垂直走査パルスφＶ２ｎ＋ｉとそれぞれ論理積がとら
れる。その結果、ｎ行目，ｎ＋ｉ行目の読み出し線２３
ｎ，２３ｎ＋ｉにそれぞれパルスが立つ。このとき、画
素（ｍ，ｎ）、（ｍ，ｎ＋ｉ）の各読み出し選択トラン
ジスタ１４は、水平走査パルスφＨｍがゲートに印加さ
れていることからオン状態にある。
【００２８】したがって、読み出し線２３ｎ，２３ｎ＋
ｉに印加された読み出しパルスφＰＲＤは、画素（ｍ，
ｎ）、（ｍ，ｎ＋ｉ）において、読み出し選択トランジ
スタ１４のドレイン‐ソースを介して読み出しトランジ
スタ１３のゲートに印加される。これにより、読み出し
トランジスタ１３がオン状態となり、フォトダイオード
１２で光電変換によって発生し、蓄積された信号電荷が
読み出しトランジスタ１３を通して浮遊拡散領域ＦＤに
読み出される。
ｉに印加された読み出しパルスφＰＲＤは、画素（ｍ，
ｎ）、（ｍ，ｎ＋ｉ）において、読み出し選択トランジ
スタ１４のドレイン‐ソースを介して読み出しトランジ
スタ１３のゲートに印加される。これにより、読み出し
トランジスタ１３がオン状態となり、フォトダイオード
１２で光電変換によって発生し、蓄積された信号電荷が
読み出しトランジスタ１３を通して浮遊拡散領域ＦＤに
読み出される。
【００２９】読み出しパルスφＰＲＤが消滅すると、読
み出しトランジスタ１３がオフ状態となる。そして、浮
遊拡散領域ＦＤに読み出された信号電荷は、その電荷量
に応じて増幅トランジスタ１５で増幅されて信号電流と
なり、出力選択トランジスタ１７を経て、図４の模式図
に示すように、水平信号線２２ｎ，２２ｎ＋ｉおよび垂
直選択トランジスタ２７ｎ，２８ｎ＋ｉを通して第１，
第２垂直信号線２５，２６にそれぞれ出力される。
み出しトランジスタ１３がオフ状態となる。そして、浮
遊拡散領域ＦＤに読み出された信号電荷は、その電荷量
に応じて増幅トランジスタ１５で増幅されて信号電流と
なり、出力選択トランジスタ１７を経て、図４の模式図
に示すように、水平信号線２２ｎ，２２ｎ＋ｉおよび垂
直選択トランジスタ２７ｎ，２８ｎ＋ｉを通して第１，
第２垂直信号線２５，２６にそれぞれ出力される。
【００３０】この画素（ｍ，ｎ）、（ｍ，ｎ＋ｉ）の選
択時には、その水平走査パルスφＨｍによって次の列の
画素（ｍ＋１，ｎ）、（ｍ＋１，ｎ＋ｉ）のリセットが
行われる。そして、水平走査パルスφＨｍが消滅し、水
平走査パルスφＨｍ＋１が水平走査回路２９から出力さ
れることにより、次の列の画素（ｍ＋１，ｎ）、（ｍ＋
１，ｎ＋ｉ）がそれぞれ選択状態となる。
択時には、その水平走査パルスφＨｍによって次の列の
画素（ｍ＋１，ｎ）、（ｍ＋１，ｎ＋ｉ）のリセットが
行われる。そして、水平走査パルスφＨｍが消滅し、水
平走査パルスφＨｍ＋１が水平走査回路２９から出力さ
れることにより、次の列の画素（ｍ＋１，ｎ）、（ｍ＋
１，ｎ＋ｉ）がそれぞれ選択状態となる。
【００３１】上述した一連の動作の繰り返しにより、ｎ
行目の１ライン分の単位画素１１のリセットレベルと信
号レベルが、またｎ＋ｉ行目の１ライン分の単位画素１
１のリセットレベルと信号レベルがそれぞれ、同一の経
路（水平信号線２２ｎや垂直選択トランジスタ２７ｎ，
２８ｎ＋ｉなど）を通して点順次に第１，第２垂直信号
線２５，２６上に読み出される。これらはさらに、Ｉ‐
Ｖ変換回路３７，３８で電流から電圧に変換された後Ｃ
ＤＳ回路３９，４０に送られ、相関二重サンプリングに
よるノイズキャンセルが行われる。
行目の１ライン分の単位画素１１のリセットレベルと信
号レベルが、またｎ＋ｉ行目の１ライン分の単位画素１
１のリセットレベルと信号レベルがそれぞれ、同一の経
路（水平信号線２２ｎや垂直選択トランジスタ２７ｎ，
２８ｎ＋ｉなど）を通して点順次に第１，第２垂直信号
線２５，２６上に読み出される。これらはさらに、Ｉ‐
Ｖ変換回路３７，３８で電流から電圧に変換された後Ｃ
ＤＳ回路３９，４０に送られ、相関二重サンプリングに
よるノイズキャンセルが行われる。
【００３２】次に、第２垂直走査回路３１の垂直走査に
より、時刻ｔ２で当該走査回路３１から第２垂直走査パ
ルスφＶ２ｎが出力される。この第２垂直走査パルスφ
Ｖ２ｎは、垂直選択線３６ｎを通してｎ行目の垂直選択
トランジスタ２８ｎのゲートに印加される。その結果、
ｎ行目が選択される。このｎ行目の各画素は、時刻ｔ１
で第１垂直走査回路３０の垂直走査によって選択され、
フォトダイオード１２がリセットされている。
より、時刻ｔ２で当該走査回路３１から第２垂直走査パ
ルスφＶ２ｎが出力される。この第２垂直走査パルスφ
Ｖ２ｎは、垂直選択線３６ｎを通してｎ行目の垂直選択
トランジスタ２８ｎのゲートに印加される。その結果、
ｎ行目が選択される。このｎ行目の各画素は、時刻ｔ１
で第１垂直走査回路３０の垂直走査によって選択され、
フォトダイオード１２がリセットされている。
【００３３】したがって、ｎ行目の各画素において、ｔ
２−ｔ１の蓄積時間にフォトダイオード１２で光電変換
されかつ蓄積された電荷量に応じた信号（即ち、長時間
蓄積信号）が、ｎ行目の水平信号線２２ｎ→垂直選択ト
ランジスタ２８ｎ→第２垂直信号線２６を通して、出力
ＯＵＴ２として導出される。またこの時点でもフォトダ
イオード１２から信号が読み出されるので、フォトダイ
オード１２がリセットされる。
２−ｔ１の蓄積時間にフォトダイオード１２で光電変換
されかつ蓄積された電荷量に応じた信号（即ち、長時間
蓄積信号）が、ｎ行目の水平信号線２２ｎ→垂直選択ト
ランジスタ２８ｎ→第２垂直信号線２６を通して、出力
ＯＵＴ２として導出される。またこの時点でもフォトダ
イオード１２から信号が読み出されるので、フォトダイ
オード１２がリセットされる。
【００３４】再び、第１垂直走査回路３０の垂直走査に
より、時刻ｔ１から１垂直走査期間（１Ｖ）後の時刻ｔ
３で当該走査回路３０から第１垂直走査パルスφＶ１ｎ
が出力される。この第１垂直走査パルスφＶ１ｎは、垂
直選択線３４ｎを通してｎ行目の垂直選択トランジスタ
２７ｎのゲートに印加される。その結果、ｎ行目が選択
される。このｎ行目の各画素は、時刻ｔ２で第２垂直走
査回路３１の垂直走査によって選択され、フォトダイオ
ード１２がリセットされている。
より、時刻ｔ１から１垂直走査期間（１Ｖ）後の時刻ｔ
３で当該走査回路３０から第１垂直走査パルスφＶ１ｎ
が出力される。この第１垂直走査パルスφＶ１ｎは、垂
直選択線３４ｎを通してｎ行目の垂直選択トランジスタ
２７ｎのゲートに印加される。その結果、ｎ行目が選択
される。このｎ行目の各画素は、時刻ｔ２で第２垂直走
査回路３１の垂直走査によって選択され、フォトダイオ
ード１２がリセットされている。
【００３５】したがって、ｎ行目の各画素において、ｔ
３−ｔ２の蓄積時間にフォトダイオード１２で光電変換
されかつ蓄積された電荷量に応じた信号（即ち、短時間
蓄積信号）が、ｎ行目の水平信号線２２ｎ→垂直選択ト
ランジスタ２７ｎ→第１垂直信号線２５を通して、出力
ＯＵＴ１として導出される。
３−ｔ２の蓄積時間にフォトダイオード１２で光電変換
されかつ蓄積された電荷量に応じた信号（即ち、短時間
蓄積信号）が、ｎ行目の水平信号線２２ｎ→垂直選択ト
ランジスタ２７ｎ→第１垂直信号線２５を通して、出力
ＯＵＴ１として導出される。
【００３６】図５に、通常の読み出しではフォトダイオ
ード１２が飽和してしまう画素についての蓄積電荷量の
時間変化を示す。図５において、ａは信号レベルを、ｂ
は飽和レベルを、ｃはホワイトクリップレベルをそれぞ
れ示している。なお、飽和レベルｂは画素毎にばらつき
を持っている。
ード１２が飽和してしまう画素についての蓄積電荷量の
時間変化を示す。図５において、ａは信号レベルを、ｂ
は飽和レベルを、ｃはホワイトクリップレベルをそれぞ
れ示している。なお、飽和レベルｂは画素毎にばらつき
を持っている。
【００３７】時刻ｔ１で蓄積が開始された画素は時刻ｔ
２では飽和レベルに達しており、飽和レベルｂが出力Ｏ
ＵＴ２として導出される。時刻ｔ３では、画素からｔ３
−ｔ２の蓄積時間に応じた信号レベルａが出力ＯＵＴ１
として導出される。ここで、ｔ３−ｔ２≪ｔ２−ｔ１の
条件を満足するようにタイミングを設定しておけば、ｔ
２−ｔ１で飽和した画素もｔ３−ｔ２では飽和しない。
２では飽和レベルに達しており、飽和レベルｂが出力Ｏ
ＵＴ２として導出される。時刻ｔ３では、画素からｔ３
−ｔ２の蓄積時間に応じた信号レベルａが出力ＯＵＴ１
として導出される。ここで、ｔ３−ｔ２≪ｔ２−ｔ１の
条件を満足するようにタイミングを設定しておけば、ｔ
２−ｔ１で飽和した画素もｔ３−ｔ２では飽和しない。
【００３８】このような一連の動作により、同一画素か
らｔ３−ｔ２の時間だけずれたタイミングで出力ＯＵＴ
２として長時間蓄積信号（飽和レベルｂ）が、出力ＯＵ
Ｔ１として短時間蓄積信号（信号レベルａ）がそれぞれ
導出される。
らｔ３−ｔ２の時間だけずれたタイミングで出力ＯＵＴ
２として長時間蓄積信号（飽和レベルｂ）が、出力ＯＵ
Ｔ１として短時間蓄積信号（信号レベルａ）がそれぞれ
導出される。
【００３９】上述したように、各画素の蓄積電荷量に応
じた信号を、行単位で配線された水平信号線２２ｎ，２
２ｎ＋１に出力する構成のＣＭＯＳ撮像素子において、
各水平信号線ごとに例えば２つの垂直選択トランジスタ
２７ｎ，２８ｎと、各水平信号線に対して２本の垂直信
号線２５，２６および２つの垂直走査回路３０，３１を
配したことにより、１フィールドを１Ｈ（Ｈは水平走査
期間）の整数倍で任意に分割された蓄積時間の異なる信
号、即ち長時間蓄積信号と短時間蓄積信号とを別々に導
出できる。
じた信号を、行単位で配線された水平信号線２２ｎ，２
２ｎ＋１に出力する構成のＣＭＯＳ撮像素子において、
各水平信号線ごとに例えば２つの垂直選択トランジスタ
２７ｎ，２８ｎと、各水平信号線に対して２本の垂直信
号線２５，２６および２つの垂直走査回路３０，３１を
配したことにより、１フィールドを１Ｈ（Ｈは水平走査
期間）の整数倍で任意に分割された蓄積時間の異なる信
号、即ち長時間蓄積信号と短時間蓄積信号とを別々に導
出できる。
【００４０】これにより、ＣＭＯＳ撮像素子の駆動周波
数、即ち信号出力周波数を広ダイナミックレンジ撮像動
作を行わない撮像素子と同じにできるため、消費電力の
増大やＳＮ比の劣化を防ぐことができる。しかも、水平
映像期間中に不連続なタイミングパルスが立ち上がった
りすることがないため、これに起因する縦筋状のシステ
ムノイズが発生することもない。
数、即ち信号出力周波数を広ダイナミックレンジ撮像動
作を行わない撮像素子と同じにできるため、消費電力の
増大やＳＮ比の劣化を防ぐことができる。しかも、水平
映像期間中に不連続なタイミングパルスが立ち上がった
りすることがないため、これに起因する縦筋状のシステ
ムノイズが発生することもない。
【００４１】なお、本実施形態では、単位画素１１の構
成において、増幅トランジスタ１５のドレインを電源Ｖ
ＤＤに接続し、ソースを出力選択トランジスタ１７を介
して水平信号線２２ｎ＋１に接続する構成としたが、図
６に示すように、増幅トランジスタ１５のドレインを水
平信号線２２ｎ＋１に接続し、ソースを出力選択トラン
ジスタ１７を介してＧＮＤに接続する構成も、Ｉ‐Ｖ変
換回路３７，３８の構成次第で可能となる。
成において、増幅トランジスタ１５のドレインを電源Ｖ
ＤＤに接続し、ソースを出力選択トランジスタ１７を介
して水平信号線２２ｎ＋１に接続する構成としたが、図
６に示すように、増幅トランジスタ１５のドレインを水
平信号線２２ｎ＋１に接続し、ソースを出力選択トラン
ジスタ１７を介してＧＮＤに接続する構成も、Ｉ‐Ｖ変
換回路３７，３８の構成次第で可能となる。
【００４２】ところで、長時間蓄積信号と短時間蓄積信
号とを導出し、これらに基づいて広範囲の入射光量に対
してコントラストのある撮像信号を得る、即ち広ダイナ
ミックレンジ撮像を実現するには、長時間蓄積信号と短
時間蓄積信号として同一行の信号を用いることになる。
これに対して、２本の垂直信号線２５，２６を通して同
時に導出される長時間蓄積信号と短時間蓄積信号とは違
う行の信号である。
号とを導出し、これらに基づいて広範囲の入射光量に対
してコントラストのある撮像信号を得る、即ち広ダイナ
ミックレンジ撮像を実現するには、長時間蓄積信号と短
時間蓄積信号として同一行の信号を用いることになる。
これに対して、２本の垂直信号線２５，２６を通して同
時に導出される長時間蓄積信号と短時間蓄積信号とは違
う行の信号である。
【００４３】同一行に関しては、先述した動作説明から
明らかなように、時刻ｔ２で長時間蓄積信号が導出さ
れ、時刻ｔ３で短時間蓄積信号が導出される。すなわ
ち、同一行の長時間蓄積信号と短時間蓄積信号との間に
はｔ３−ｔ２の時間差がある。したがって、広ダイナミ
ックレンジ撮像を実現するに当たっては、同一行の長時
間蓄積信号と短時間蓄積信号とを同時化する必要があ
る。それを実現するための信号処理系を備えた本発明に
係るカメラシステムの構成の一例を図７に示す。
明らかなように、時刻ｔ２で長時間蓄積信号が導出さ
れ、時刻ｔ３で短時間蓄積信号が導出される。すなわ
ち、同一行の長時間蓄積信号と短時間蓄積信号との間に
はｔ３−ｔ２の時間差がある。したがって、広ダイナミ
ックレンジ撮像を実現するに当たっては、同一行の長時
間蓄積信号と短時間蓄積信号とを同時化する必要があ
る。それを実現するための信号処理系を備えた本発明に
係るカメラシステムの構成の一例を図７に示す。
【００４４】図７から明らかなように、本発明に係るカ
メラシステムは、ＣＭＯＳ撮像素子４１、レンズ４２を
含む光学系および信号処理回路４３を有する構成となっ
ている。かかる構成のカメラシステムにおいて、ＣＭＯ
Ｓ撮像素子４１として、先の実施形態又はその変形例に
係るＣＭＯＳ撮像素子が用いられる。レンズ４２は被写
体（図示せず）からの入射光（像光）をＣＭＯＳ撮像素
子４１の撮像面上に結像させる。ＣＭＯＳ撮像素子４１
は、撮像面上に結像された像光に基づいて、先述した短
時間蓄積信号を出力ＯＵＴ１として、長時間蓄積信号を
出力ＯＵＴ２としてそれぞれ出力する。
メラシステムは、ＣＭＯＳ撮像素子４１、レンズ４２を
含む光学系および信号処理回路４３を有する構成となっ
ている。かかる構成のカメラシステムにおいて、ＣＭＯ
Ｓ撮像素子４１として、先の実施形態又はその変形例に
係るＣＭＯＳ撮像素子が用いられる。レンズ４２は被写
体（図示せず）からの入射光（像光）をＣＭＯＳ撮像素
子４１の撮像面上に結像させる。ＣＭＯＳ撮像素子４１
は、撮像面上に結像された像光に基づいて、先述した短
時間蓄積信号を出力ＯＵＴ１として、長時間蓄積信号を
出力ＯＵＴ２としてそれぞれ出力する。
【００４５】信号処理回路４３は、２つのホワイトクリ
ップ回路４３１，４３２、単一の遅延回路４３３、２つ
のアンプ４３４，４３５および単一の加算器４３６を有
する構成となっている。この信号処理回路４３におい
て、２つのホワイトクリップ回路４３１，４３２は、Ｃ
ＭＯＳ撮像素子４１の出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２、即ち短
時間蓄積信号ａおよび長時間蓄積信号ｂをホワイトクリ
ップレベル（図５参照）でクリップし、各画素の飽和レ
ベルのばらつきを揃える処理を行う。
ップ回路４３１，４３２、単一の遅延回路４３３、２つ
のアンプ４３４，４３５および単一の加算器４３６を有
する構成となっている。この信号処理回路４３におい
て、２つのホワイトクリップ回路４３１，４３２は、Ｃ
ＭＯＳ撮像素子４１の出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２、即ち短
時間蓄積信号ａおよび長時間蓄積信号ｂをホワイトクリ
ップレベル（図５参照）でクリップし、各画素の飽和レ
ベルのばらつきを揃える処理を行う。
【００４６】遅延回路４３３は、ｔ３−ｔ２なる遅延時
間を持ち、長時間蓄積信号ｂを遅延することにより、短
時間蓄積信号ａに対して長時間蓄積信号ｂを同時化す
る。アンプ４３４，４３５は各々利得Ｇ１，Ｇ２を持
ち、短時間蓄積信号ａおよび長時間蓄積信号ｂをそれぞ
れ増幅する。加算器４３６は、同時化されかつ増幅され
た短時間蓄積信号ａと長時間蓄積信号ｂとを加算するこ
とで、ａ×Ｇ１＋ｂ×Ｇ２の信号、即ち広範囲の入射光
量に対してコントラストのある撮像信号を得る。
間を持ち、長時間蓄積信号ｂを遅延することにより、短
時間蓄積信号ａに対して長時間蓄積信号ｂを同時化す
る。アンプ４３４，４３５は各々利得Ｇ１，Ｇ２を持
ち、短時間蓄積信号ａおよび長時間蓄積信号ｂをそれぞ
れ増幅する。加算器４３６は、同時化されかつ増幅され
た短時間蓄積信号ａと長時間蓄積信号ｂとを加算するこ
とで、ａ×Ｇ１＋ｂ×Ｇ２の信号、即ち広範囲の入射光
量に対してコントラストのある撮像信号を得る。
【００４７】このように、短時間蓄積信号ａと長時間蓄
積信号ｂとを別々に導出可能なＣＭＯＳ撮像素子４１を
撮像デバイスとして用いるとともに、ＣＭＯＳ撮像素子
４１から出力される同一行の短時間蓄積信号ａと長時間
蓄積信号ｂとを同時化し、しかる後演算することによ
り、縦筋状のシステムノイズを発生することなく、広ダ
イナミックレンジ撮像を実現できる。
積信号ｂとを別々に導出可能なＣＭＯＳ撮像素子４１を
撮像デバイスとして用いるとともに、ＣＭＯＳ撮像素子
４１から出力される同一行の短時間蓄積信号ａと長時間
蓄積信号ｂとを同時化し、しかる後演算することによ
り、縦筋状のシステムノイズを発生することなく、広ダ
イナミックレンジ撮像を実現できる。
【００４８】また、信号処理回路４３において、アンプ
４３５の利得Ｇ２をＧ２＝０に設定した場合には、短時
間蓄積信号ａのみが撮像信号として出力されることにな
るため、蓄積時間ｔ３−ｔ２の電子シャッター動作とな
る。すなわち、先の実施形態又はその変形例に係るＣＭ
ＯＳ撮像素子を撮像デバイスとして用いた本発明に係る
カメラシステムにおいて、アンプ４３５の利得Ｇ２を切
り替え可能な構成を採ることにより、広ダイナミックレ
ンジ撮像と電子シャッター動作を選択的に実現できるこ
とになる。
４３５の利得Ｇ２をＧ２＝０に設定した場合には、短時
間蓄積信号ａのみが撮像信号として出力されることにな
るため、蓄積時間ｔ３−ｔ２の電子シャッター動作とな
る。すなわち、先の実施形態又はその変形例に係るＣＭ
ＯＳ撮像素子を撮像デバイスとして用いた本発明に係る
カメラシステムにおいて、アンプ４３５の利得Ｇ２を切
り替え可能な構成を採ることにより、広ダイナミックレ
ンジ撮像と電子シャッター動作を選択的に実現できるこ
とになる。
【００４９】なお、先の実施形態に係るＣＭＯＳ撮像素
子では、垂直信号線、垂直選択トランジスタおよび垂直
走査回路をそれぞれ２系統設ける構成としたが、２系統
に限られるものではない。すなわち、３系統以上設ける
構成を採り、各画素から信号を読み出すタイミングｔ
１：ｔ２：ｔ３：……の比、遅延回路の遅延量（遅延時
間）および演算部の利得Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，……を任意
に設定することにより、様々な入出力特性を得ることが
できる。
子では、垂直信号線、垂直選択トランジスタおよび垂直
走査回路をそれぞれ２系統設ける構成としたが、２系統
に限られるものではない。すなわち、３系統以上設ける
構成を採り、各画素から信号を読み出すタイミングｔ
１：ｔ２：ｔ３：……の比、遅延回路の遅延量（遅延時
間）および演算部の利得Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，……を任意
に設定することにより、様々な入出力特性を得ることが
できる。
【００５０】ここで、垂直信号線、垂直選択トランジス
タおよび垂直走査回路をそれぞれ３系統設ける構成の場
合を例に挙げると、画素の蓄積時間と蓄積電荷量との関
係は図８に示すようになる。この場合のカメラシステム
における信号処理回路４３′の構成の一例を図９に示
す。この信号処理回路４３′は、３つのホワイトクリッ
プ回路４４１，４４２，４４３、２つの遅延回路４４
４，４４５および３つのアンプ４４６，４４７，４４８
および単一の加算器４４９を有する構成となっている。
タおよび垂直走査回路をそれぞれ３系統設ける構成の場
合を例に挙げると、画素の蓄積時間と蓄積電荷量との関
係は図８に示すようになる。この場合のカメラシステム
における信号処理回路４３′の構成の一例を図９に示
す。この信号処理回路４３′は、３つのホワイトクリッ
プ回路４４１，４４２，４４３、２つの遅延回路４４
４，４４５および３つのアンプ４４６，４４７，４４８
および単一の加算器４４９を有する構成となっている。
【００５１】かかる構成の信号処理回路４３′におい
て、３つのホワイトクリップ回路４４１，４４２，４４
３は、ＣＭＯＳ撮像素子の３系統の出力ＯＵＴ１，ＯＵ
Ｔ２，ＯＵＴ３、即ち蓄積時間ｔ３−ｔ２、ｔ２−ｔ
１、ｔ１の各信号をホワイトクリップレベル（図８参
照）でクリップし、各画素の飽和レベルのばらつきを揃
える処理を行う。
て、３つのホワイトクリップ回路４４１，４４２，４４
３は、ＣＭＯＳ撮像素子の３系統の出力ＯＵＴ１，ＯＵ
Ｔ２，ＯＵＴ３、即ち蓄積時間ｔ３−ｔ２、ｔ２−ｔ
１、ｔ１の各信号をホワイトクリップレベル（図８参
照）でクリップし、各画素の飽和レベルのばらつきを揃
える処理を行う。
【００５２】遅延回路４４４はｔ３−ｔ２なる遅延時間
を、遅延回路４４５はｔ２−ｔ１なる遅延時間を持ち、
蓄積時間ｔ２−ｔ１、ｔ１の各信号をそれぞれ遅延する
ことで、蓄積時間ｔ３−ｔ２の信号に対して蓄積時間ｔ
２−ｔ１、ｔ１の各信号を同時化する。アンプ４４６，
４４７，４４８は利得Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を持ち、蓄積時
間ｔ３−ｔ２、ｔ２−ｔ１、ｔ１の各信号を増幅する。
加算器４４９は、同時化されかつ増幅された蓄積時間ｔ
３−ｔ２、ｔ２−ｔ１、ｔ１の各信号を加算すること
で、広範囲の入射光量に対してコントラストのある撮像
信号を得る。
を、遅延回路４４５はｔ２−ｔ１なる遅延時間を持ち、
蓄積時間ｔ２−ｔ１、ｔ１の各信号をそれぞれ遅延する
ことで、蓄積時間ｔ３−ｔ２の信号に対して蓄積時間ｔ
２−ｔ１、ｔ１の各信号を同時化する。アンプ４４６，
４４７，４４８は利得Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を持ち、蓄積時
間ｔ３−ｔ２、ｔ２−ｔ１、ｔ１の各信号を増幅する。
加算器４４９は、同時化されかつ増幅された蓄積時間ｔ
３−ｔ２、ｔ２−ｔ１、ｔ１の各信号を加算すること
で、広範囲の入射光量に対してコントラストのある撮像
信号を得る。
【００５３】ここで、一例として、各画素から信号を読
み出すタイミングの比を、ｔ１：ｔ２：ｔ３＝４：６：
７（蓄積時間比４：２：１）、演算部（アンプ４４６，
４４７，４４８）の利得をＧ１＝０，Ｇ２＝２，Ｇ３＝
−１に設定することにより、特定の光量部のみを取り出
すようにする（即ち、ブラッククリップ＋ホワイトクリ
ップ）ことができる。このときの入出力特性を図１０に
示す。
み出すタイミングの比を、ｔ１：ｔ２：ｔ３＝４：６：
７（蓄積時間比４：２：１）、演算部（アンプ４４６，
４４７，４４８）の利得をＧ１＝０，Ｇ２＝２，Ｇ３＝
−１に設定することにより、特定の光量部のみを取り出
すようにする（即ち、ブラッククリップ＋ホワイトクリ
ップ）ことができる。このときの入出力特性を図１０に
示す。
【００５４】また、先の実施形態に係るＣＭＯＳ撮像素
子の構成の場合には、駆動タイミングを変えることによ
って高速撮像にも対応できる。以下、高速撮像対応の場
合の具体例について説明する。
子の構成の場合には、駆動タイミングを変えることによ
って高速撮像にも対応できる。以下、高速撮像対応の場
合の具体例について説明する。
【００５５】図１の構成において、図１１のタイミング
チャートに示すように、第１垂直走査回路３０に奇数
行、第２垂直走査回路３１に偶数行をそれぞれ受け持た
せる。すなわち、垂直走査時に、第１垂直走査回路３０
からは奇数行の垂直走査パルス（…，φＶ１ｎ，φＶ１
ｎ＋２，…）を出力し、第２垂直走査回路３１からは偶
数行の垂直走査パルス（…，φＶ２ｎ＋１，φＶ２ｎ＋
３，…）を出力するようにして１行飛ばしに垂直走査を
行うようにする。
チャートに示すように、第１垂直走査回路３０に奇数
行、第２垂直走査回路３１に偶数行をそれぞれ受け持た
せる。すなわち、垂直走査時に、第１垂直走査回路３０
からは奇数行の垂直走査パルス（…，φＶ１ｎ，φＶ１
ｎ＋２，…）を出力し、第２垂直走査回路３１からは偶
数行の垂直走査パルス（…，φＶ２ｎ＋１，φＶ２ｎ＋
３，…）を出力するようにして１行飛ばしに垂直走査を
行うようにする。
【００５６】これにより、図１２の模式図に示すよう
に、垂直選択トランジスタ（…，２７ｎ，２７ｎ＋２，
…）、（…，２８ｎ＋１，２８ｎ＋３，…）および垂直
信号線２５，２６を通して２行分の信号を同時に読み出
すことができる。その結果、同じ動作周波数で、１／２
の時間で全画素の情報を取り出せるため、高速撮像を実
現できるのである。
に、垂直選択トランジスタ（…，２７ｎ，２７ｎ＋２，
…）、（…，２８ｎ＋１，２８ｎ＋３，…）および垂直
信号線２５，２６を通して２行分の信号を同時に読み出
すことができる。その結果、同じ動作周波数で、１／２
の時間で全画素の情報を取り出せるため、高速撮像を実
現できるのである。
【００５７】なお、ここでは、垂直信号線、垂直選択ト
ランジスタおよび垂直走査回路をそれぞれ２系統設けた
構成のＣＭＯＳ撮像素子における高速撮像の場合を例に
とって説明したが、その系統数を３系統、４系統、…と
増やせば、１／３，１／４，…の時間で全画素情報を取
り出せるため、より高速な撮像を実現できる。
ランジスタおよび垂直走査回路をそれぞれ２系統設けた
構成のＣＭＯＳ撮像素子における高速撮像の場合を例に
とって説明したが、その系統数を３系統、４系統、…と
増やせば、１／３，１／４，…の時間で全画素情報を取
り出せるため、より高速な撮像を実現できる。
【００５８】また、高速撮像のみに対応可能なＣＭＯＳ
撮像素子を構成するには、垂直走査回路に対してｎ個の
垂直スタートパルスを与えてｎ−１行飛ばしに垂直走査
させるようにすれば、垂直選択トランジスタおよび垂直
信号線についてはｎ系統分必要ではあるが、垂直走査回
路については１つのみで済むことになる。
撮像素子を構成するには、垂直走査回路に対してｎ個の
垂直スタートパルスを与えてｎ−１行飛ばしに垂直走査
させるようにすれば、垂直選択トランジスタおよび垂直
信号線についてはｎ系統分必要ではあるが、垂直走査回
路については１つのみで済むことになる。
【００５９】なお、先の実施形態およびその変形例に係
る単位画素の構成は一例に過ぎず、これに限定されるも
のではなく、本発明は、単位画素が少なくとも、フォト
ダイオード等の光電変換素子、その蓄積電荷を読み出す
読み出しトランジスタおよびそれを選択する読み出し選
択トランジスタを有する構成のＸ‐Ｙアドレス型の固体
撮像素子全般に適用可能である。
る単位画素の構成は一例に過ぎず、これに限定されるも
のではなく、本発明は、単位画素が少なくとも、フォト
ダイオード等の光電変換素子、その蓄積電荷を読み出す
読み出しトランジスタおよびそれを選択する読み出し選
択トランジスタを有する構成のＸ‐Ｙアドレス型の固体
撮像素子全般に適用可能である。
【００６０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各画素の蓄積電荷量に応じた信号を、行単位で配線され
た水平信号線に出力する構成の固体撮像素子およびこれ
を撮像デバイスとして用いたカメラシステムにおいて、
各水平信号線ごとに複数本の垂直信号線およびこれに対
応して複数系統の垂直駆動系を配したことにより、１フ
ィールドを１Ｈの整数倍で任意に分割された蓄積時間の
異なる複数の信号を別々に導出できるため、縦筋状のシ
ステムノイズを発生することなく、広ダイナミックレン
ジ撮像を実現できる。
各画素の蓄積電荷量に応じた信号を、行単位で配線され
た水平信号線に出力する構成の固体撮像素子およびこれ
を撮像デバイスとして用いたカメラシステムにおいて、
各水平信号線ごとに複数本の垂直信号線およびこれに対
応して複数系統の垂直駆動系を配したことにより、１フ
ィールドを１Ｈの整数倍で任意に分割された蓄積時間の
異なる複数の信号を別々に導出できるため、縦筋状のシ
ステムノイズを発生することなく、広ダイナミックレン
ジ撮像を実現できる。
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳ撮像素子を
示す概略構成図である。
示す概略構成図である。
【図２】垂直走査のタイミングチャートである。
【図３】水平走査のタイミングチャートである。
【図４】広ダイナミックレンジ動作時の垂直走査の模式
図である。
図である。
【図５】広ダイナミックレンジ動作時の画素蓄積電荷量
の時間変化を示す図である。
の時間変化を示す図である。
【図６】単位画素の他の構成例を示す回路図である。
【図７】本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図８】垂直駆動系が３系統の場合の画素蓄積電荷量の
時間変化を示す図である。
時間変化を示す図である。
【図９】垂直駆動系が３系統の場合の信号処理回路の構
成例を示すブロック図ある。
成例を示すブロック図ある。
【図１０】垂直駆動系が３系統の場合の入射光量と出力
信号量の関係の一例を示す入出力特性図である。
信号量の関係の一例を示す入出力特性図である。
【図１１】高速撮像時の垂直走査のタイミングチャート
である。
である。
【図１２】高速撮像時の垂直走査の模式図である。
【図１３】撮像素子の入射光量と出力信号量の関係を示
す入出力特性図である。
す入出力特性図である。
１１…単位画素、１２…フォトダイオード（ＰＤ）、１
３…読み出しトランジスタ、１４…読み出し選択トラン
ジスタ、１５…増幅トランジスタ、２１…画素部、２２
ｎ，２２ｎ＋１…水平信号線、２３ｎ，２３ｎ＋１…読
み出し線、２４ｍ−１，２４ｍ…水平選択線、２５，２
６…第１，第２垂直信号線、２７ｎ，２７ｎ＋１，２８
ｎ，２８ｎ＋１…垂直選択トランジスタ、２９…水平走
査回路、３０，３１…第１，第２垂直走査回路、３２…
タイミングジェネレータ
３…読み出しトランジスタ、１４…読み出し選択トラン
ジスタ、１５…増幅トランジスタ、２１…画素部、２２
ｎ，２２ｎ＋１…水平信号線、２３ｎ，２３ｎ＋１…読
み出し線、２４ｍ−１，２４ｍ…水平選択線、２５，２
６…第１，第２垂直信号線、２７ｎ，２７ｎ＋１，２８
ｎ，２８ｎ＋１…垂直選択トランジスタ、２９…水平走
査回路、３０，３１…第１，第２垂直走査回路、３２…
タイミングジェネレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA04 AA05 AB01 BA14 CA04 DB01 DD09 DD10 DD12 FA06 5C021 PA42 PA66 PA67 SA21 XA33 XC01 5C022 AB17 AB37 AC42 AC54 AC69 5C024 CA05 GA01 GA31 HA07
Claims (5)
- 【請求項１】 単位画素が行列状に配置されてなる画素
部と、 前記画素部に行単位で配線された複数行分の水平信号線
と、 前記複数行分の水平信号線に対して共通に配線された複
数の垂直信号線と、 前記画素部の各画素を異なる複数行について行単位で選
択するとともに、選択する複数行の各画素における信号
電荷の蓄積時間を複数行の間で異ならせ、前記複数行分
の水平信号線に各画素から出力された信号を順次前記複
数の垂直信号線に出力する複数系統の垂直駆動手段と、 前記複数系統の垂直駆動手段によって選択された複数行
の各画素を順次選択する水平駆動手段とを備えたことを
特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項２】 前記複数系統の垂直駆動手段は、前記複
数行分の水平信号線の各々と前記複数の垂直信号線との
間に接続された複数系統の垂直選択スイッチと、前記複
数系統の垂直選択スイッチに対応して設けられ、垂直走
査によって異なる行の垂直選択スイッチを順次駆動する
複数の垂直走査回路とを有することを特徴とする請求項
１記載の固体撮像素子。 - 【請求項３】 単位画素が行列状に配置されてなる画素
部と、前記画素部に行単位で配線された複数行分の水平
信号線と、前記複数行分の水平信号線に対して共通に配
線された複数の垂直信号線とを具備する固体撮像素子に
おいて、 前記画素部の各画素を異なる複数行について行単位で選
択するとともに、選択する複数行の各画素における信号
電荷の蓄積時間を複数行の間で異ならせ、この選択した
複数行の各画素を順次選択して各画素の信号を前記複数
行分の水平信号線のうちの対応する水平信号線に出力
し、 各画素から水平信号線に出力された信号を前記複数の垂
直信号線を通して導出することを特徴とする固体撮像素
子の駆動方法。 - 【請求項４】 単位画素が行列状に配置されてなる画素
部と、前記画素部に行単位で配線された複数行分の水平
信号線と、前記複数行分の水平信号線に対して共通に配
線された複数の垂直信号線と、前記画素部の各画素を異
なる複数行について行単位で選択するとともに、選択す
る複数行の各画素における信号電荷の蓄積時間を複数行
の間で異ならせ、前記複数行分の水平信号線に各画素か
ら出力された信号を順次前記複数の垂直信号線に出力す
る複数系統の垂直駆動手段と、前記複数系統の垂直駆動
手段によって選択された複数行の各画素を順次選択する
水平駆動手段とを備えた固体撮像素子を撮像デバイスと
して用いたことを特徴とするカメラシステム。 - 【請求項５】 前記固体撮像素子から出力される異なる
複数行の信号を同時化する遅延手段と、前記遅延手段に
よって同時化された前記複数行の信号を演算す演算手段
とを有する信号処理回路を備えたことを特徴とする請求
項４記載のカメラシステム。
Priority Applications (11)
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|---|---|---|---|
| JP24266599A JP2001069408A (ja) | 1999-08-30 | 1999-08-30 | 固体撮像素子およびその駆動方法ならびにカメラシステム |
| PCT/JP2000/005783 WO2001017234A1 (en) | 1999-08-30 | 2000-08-28 | Solid-state image pickup device, method of driving the same and camera system |
| AT00955056T ATE487320T1 (de) | 1999-08-30 | 2000-08-28 | Festkörper-bildaufnahmevorrichtung, ansteuerverfahren dafür und videokamerasystem |
| EP00955056A EP1149487B1 (en) | 1999-08-30 | 2000-08-28 | Solid-state image pickup device, method of driving the same and camera system |
| IL14275200A IL142752A0 (en) | 1999-08-30 | 2000-08-28 | Solid-state image pickup device, method of driving the same and camera system |
| US09/830,515 US6975357B1 (en) | 1999-08-30 | 2000-08-28 | Solid-state imaging pickup device with vertical and horizontal driving means for a unit pixel |
| EP10184289A EP2273779A3 (en) | 1999-08-30 | 2000-08-28 | Solid-state image pickup device, method of driving the same and camera system |
| DE60045187T DE60045187D1 (de) | 1999-08-30 | 2000-08-28 | Festkörper-bildaufnahmevorrichtung, ansteuerverfahren dafür und videokamerasystem |
| KR1020017005356A KR100731201B1 (ko) | 1999-08-30 | 2000-08-28 | 고체 촬상 소자, 그 구동 방법 및 카메라 시스템 |
| TW89117508A TW546948B (en) | 1999-07-09 | 2000-08-29 | Solid-state image pickup device, method of driving the same and camera system |
| IL142752A IL142752A (en) | 1999-08-30 | 2001-04-23 | Solid-state device for capturing an image, a method for moving it and a camera |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24266599A JP2001069408A (ja) | 1999-08-30 | 1999-08-30 | 固体撮像素子およびその駆動方法ならびにカメラシステム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001069408A true JP2001069408A (ja) | 2001-03-16 |
Family
ID=17092431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24266599A Pending JP2001069408A (ja) | 1999-07-09 | 1999-08-30 | 固体撮像素子およびその駆動方法ならびにカメラシステム |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6975357B1 (ja) |
| EP (2) | EP2273779A3 (ja) |
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| KR (1) | KR100731201B1 (ja) |
| AT (1) | ATE487320T1 (ja) |
| DE (1) | DE60045187D1 (ja) |
| IL (2) | IL142752A0 (ja) |
| WO (1) | WO2001017234A1 (ja) |
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| WO2011001616A1 (ja) * | 2009-06-30 | 2011-01-06 | パナソニック株式会社 | 固体撮像装置及びその制御方法 |
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| JPWO2011013548A1 (ja) * | 2009-07-30 | 2013-01-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
| JP2013537020A (ja) * | 2010-09-01 | 2013-09-26 | クゥアルコム・インコーポレイテッド | 高ダイナミックレンジ画像センサ |
| KR20180033162A (ko) | 2015-07-24 | 2018-04-02 | 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤 | 이미지 센서, 및, 전자 기기 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003143480A (ja) | 2001-11-06 | 2003-05-16 | Sony Corp | 固体撮像装置およびその駆動方法 |
| US7554590B2 (en) * | 2003-02-26 | 2009-06-30 | Digital Imaging Systems Gmbh | Simultaneous readout of CMOS APS imagers |
| JP2004320106A (ja) * | 2003-04-11 | 2004-11-11 | Olympus Corp | 固体撮像装置 |
| JP2005210693A (ja) * | 2003-12-25 | 2005-08-04 | Toshiba Corp | 固体撮像装置、デジタルカメラ、及びデジタルビデオカメラ |
| KR100594274B1 (ko) | 2004-05-11 | 2006-06-30 | 삼성전자주식회사 | 소비 전력을 저감한 수평 ｃｃｄ 구동회로, 및 이를구비한 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법 |
| JP2013090127A (ja) * | 2011-10-18 | 2013-05-13 | Olympus Corp | 固体撮像装置および撮像装置 |
| JP5958740B2 (ja) | 2012-03-06 | 2016-08-02 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子および駆動方法、並びに、電子機器 |
| JP2020010165A (ja) * | 2018-07-06 | 2020-01-16 | キヤノン株式会社 | 撮像装置、撮像システム、移動体 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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