JP2003134401A

JP2003134401A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2003134401A
Application number: JP2001332298A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Suzuki; 亮司鈴木; Takahisa Ueno; 貴久上野; Tomonori Mori; 智則森
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】電荷読み出し前の残像を減少し、低照度での
画質を向上する。【解決手段】従来の画素読み出し前に実行していた１
回の電子シャッタ動作の前に短い間隔で複数回のプレ電
子シャッタ動作を行う。まず、プレ電子シャッタパルス
Ｂの初回から２回目、３回目までは、その動作によって
残像が変動しているが、回数が増していくにつれて残像
成分がプレ電子シャッタパルスの前後で同じぐらいにな
り、プレ電子シャッタパルスの間隔に依存した値に収束
する。したがって、低照度条件で電荷蓄積期間ΔＴが短
い場合でも、信号転送の残像によるオフセットとして
は、プレ電子シャッタパルス（Ｂ）の間隔ΔＴB 分に依
存する残像成分Ｑoff1（ΔＴに関係無く常に一定）と蓄
積電荷Ｑ１（ΔＴに依存するもの）との和による残像成
分Ｑoff となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＣＤイメージセ
ンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子に関
し、特に各画素を初期化するための電子シャッタ機能の
応用に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、フォトダイオード等の光電変
換素子によって単位画素毎に蓄積した信号電荷を、ＣＣ
Ｄを用いた転送レジスタによって読み出すＣＣＤイメー
ジセンサや、ＣＭＯＳトランジスタを用いたゲート回路
によって読み出すＣＭＯＳイメージセンサ等が知られて
いる。そして、このようなＣＣＤイメージセンサやＣＭ
ＯＳイメージセンサ等では、画素の信号転送後のリセッ
トタイミングから次の信号転送のタイミングまでの期間
において、任意のタイミングで再びフォトダイオードを
リセットして信号転送までの蓄積電荷量をコントロール
する電子シャッタ機能が設けられている。

【０００３】一方、このようなイメージセンサにおい
て、フォトダイオードから転送ゲートを通して信号電荷
を転送する際に、蓄積電荷の一部が転送されず、フォト
ダイオードに信号電荷が残留してしまう場合がある。こ
の現象を残像という。そして、フォトダイオードの蓄積
電荷量が多いほど、この残像量も増加することになり、
画質の劣化を招くという問題がある。

【０００４】図４は従来の電子シャッタ機能によって電
子シャッタを１回切る場合の動作タイミングを示すタイ
ミングチャートである。横軸は時間を示し、縦軸は水平
（Ｈ）同期パルス、垂直（Ｖ）同期パルス、電荷転送パ
ルス（Ｃ１）、電子シャッタパルス（Ａ１）、蓄積電荷
量（Ｑ）の各レベルを示している。また、図５は図４の
動作タイミングによって電子シャッタ動作から電荷転送
動作までの期間ΔＴに対する残像と出力信号の変化を示
す説明図であり、横軸は期間ΔＴを示し、縦軸は残像お
よび出力信号レベルを示している。なお、図５で、斜線
の領域が残像Ｑ'offを示し、曲線αが出力信号を示して
いる。

【０００５】図示のように、１垂直同期期間の中間で、
１つの電子シャッタパルスＡ１によって電子シャッタ動
作が実行され、選択されたｎライン目の各撮像画素内の
蓄積電荷がリセットされ、残像成分となる電荷Ｑ'off1
を残して、それ以上の蓄積電荷が排出される。その後、
電荷蓄積動作が継続され、徐々に出力信号が増大してい
き、ΔＴ後に電荷転送パルスＣ１による電荷転送動作が
行われ、この時点での蓄積電荷Ｑ１が出力信号として読
み出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような方
法で電子シャッタを駆動させた場合、１回の電子シャッ
タパルスによって蓄積電荷Ａ１がリセットされる際に、
排出する電荷が大きいため、残像成分となる電荷Ｑ'off
1 が画素内に多く残される。このため、特に低照度条件
でΔＴが短い場合、図５で示すように、電子シャッタ動
作時点（Ａ１）での残像Ｑ'off1 と、電子シャッタ動作
から画素読み出しまでのΔＴの間に蓄積される電荷量Ｑ
１が拮抗してくるため、画素転送までに蓄積した電荷よ
りも多い電荷電荷が転送されてしまい、オフセット成分
Ｑ'offが乗ってしまう。

【０００７】このため、高速シャッタと切ったときに、
低照度時で黒レベルが浮き上がるので、画像が白く浮き
上がったようになってしまう。そこで、この残像を減少
させる対策として、具体的に転送ゲートの電圧を高くす
る、または、画素部に打ち込む不純物の量や深さを調整
して蓄積電荷を完全に転送する方法がとられる。しか
し、昨今の省消費電力化で電圧を高くするのは不可能に
近く、また不純物の調整も微妙な調整が要求されるとい
う問題があった。

【０００８】本発明は、このような実状に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、簡単な制御の
追加により、残像を減少でき、特に低照度での画質を向
上できる固体撮像素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の撮像画
素に対する信号電荷の読み出し動作に先立って各撮像画
素に電子シャッタパルスを供給することにより、各撮像
画素の蓄積された信号電荷をリセットし、その後、所定
の信号蓄積期間の経過後に各撮像画素からの信号電荷の
読み出し動作を行う固体撮像素子において、前記信号電
荷の読み出し動作に先立ってプレ電子シャッタパルスを
等間隔で複数回繰り返し発生させることにより、各撮像
画素の蓄積信号電荷をリセットするプレ電子シャッタ機
能を有することを特徴とする。

【００１０】本発明の固体撮像素子によれば、信号電荷
の読み出し動作に先立ってプレ電子シャッタパルスを等
間隔で複数回繰り返し発生させることにより、各撮像画
素の蓄積信号電荷をリセットするプレ電子シャッタ機能
を設けたことから、このプレ電子シャッタ機能によって
確実に信号電荷読み出し前に各撮像画素の蓄積信号電荷
をリセットできる。したがって、簡単な制御の追加によ
り、残像を減少でき、特に低照度での画質を向上するこ
とが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態例につ
いて図面を参照して説明する。本実施の形態は、従来は
画素読み出しの前に１回だけ切っていた電子シャッタ動
作を複数回行うことにより、撮像画素の残像を減少し、
特に低照度での画質を向上するようにしたものである。
なお、複数回の電子シャッタは、従来の画素読み出し前
に実行していた１回の電子シャッタ動作の前に所定の短
い間隔で行うものであり、タイミング的には従来の電子
シャッタ動作に先立って実行されることから、本説明に
おいては、この複数回の電子シャッタ動作をプレ電子シ
ャッタ動作というものとする。

【００１２】図１は本発明の実施の形態によるプレ電子
シャッタを実行する場合の動作タイミングを示すタイミ
ングチャートである。横軸は時間を示し、縦軸は水平
（Ｈ）同期パルス、垂直（Ｖ）同期パルス、電荷転送パ
ルス（Ｃ２）、電子シャッタパルス（Ａ２、Ｂ）、蓄積
電荷量（Ｑ）の各レベルを示している。また、図２は図
１の動作タイミングによって電子シャッタ動作から電荷
転送動作までの期間ΔＴに対する残像と出力信号の変化
を示す説明図であり、横軸は期間ΔＴを示し、縦軸は残
像および出力信号レベルを示している。なお、図２で、
斜線の領域が残像Ｑ'offを示し、曲線βが出力信号を示
している。

【００１３】図１（ａ）に示すように、本例のプレ電子
シャッタ動作は、従来のシャッタタイミングに対応する
最終の電子シャッタパルスのタイミングＡ２に先立っ
て、短い間隔ΔＴB で合計１０個のプレ電子シャッタパ
ルスＢを送出するようにしたものである。このように、
１０個のシャッタパルスにより、図１（ｂ）に拡大して
示すように、残像成分を十分なレベルまで除去した状態
で信号電荷蓄積期間ΔＴに移行できる。

【００１４】これを詳細に説明すると、まず、プレ電子
シャッタパルスＢの初回から２回目、３回目までは、そ
の動作によって残像が変動しているが、回数が増してい
くにつれて残像成分がプレ電子シャッタパルスの前後で
同じぐらいになり、プレ電子シャッタパルスの間隔に依
存した値に収束する。したがって、前述した低照度条件
でのΔＴが短い場合でも、信号転送の残像によるオフセ
ットとしては、図１（ｂ）で説明するように、プレ電子
シャッタパルス（Ｂ）の間隔ΔＴB 分に依存する残像成
分Ｑoff1（ΔＴに関係無く常に一定）と蓄積電荷Ｑ１
（ΔＴに依存するもの）との和による残像成分Ｑoff と
なる。そのため、プレ電子シャッタパルス間隔ΔＴB が
十分小さく、電荷蓄積期間ΔＴが短い場合は、残像成分
Ｑoff が次の条件１を満たすので、ほとんどΔＴ期間に
よる蓄積電荷量Ｑ１を転送しているとみなすことができ
る。残像成分Ｑoff ＜＜ΔＴでの蓄積電荷量Ｑ１ ……（条件１）以上のようなプレ電子シャッタ機能により、図２に示す
ように、電荷蓄積期間ΔＴが短い領域でも、残像による
オフセット量が減少しているので、従来例で説明したよ
うな黒の浮き上がりは抑制される。

【００１５】次に、上述のようなプレ電子シャッタ機能
を用いる構成において、電荷蓄積期間ΔＴが長い場合に
ついて説明する。図３は図１に示す本実施の形態による
プレ電子シャッタ機能を用いて低速の電子シャッタモー
ドを実行した場合の動作タイミングを示すタイミングチ
ャートである。この場合、上述したように蓄積電荷によ
る残像成分Ｑoff2はΔＴに依存するので次のような関係
になる。プレ電子シャッタ後の残像Ｑoff1＜＜画素読み出し時の
残像Ｑoff2 したがって、プレ電子シャッタ後の残像Ｑoff1が０に近
いものとすると、画素読み出し時に転送される電荷量Ｑ
３は、Ｑoff2の分だけで本来の蓄積電荷量Ｑ１よりも低
く転送される。このため、画像としては白が暗めに沈ん
でしまう。ただし、Ｑoff2＜＜画素読み出し時の転送電荷Ｑ１のような関係であるので、実際にはＱoff2による減少分
は無視できるほど小さくなる。したがって、この場合の
白の沈み込みは無視することができる。

【００１６】なお、上述のようなプレ電子シャッタ機能
は、従来のシャッタパルスを１回だけ出力する従来の電
子シャッタ機能を搭載した固体撮像素子と同様の構成を
有する撮像画素、シフトレジスタ、ロジック回路、およ
び周辺回路に対し、電子シャッタパルスを複数回発生さ
せるためのタイミング信号を供給することにより実現で
きる。このような構成としては、例えば特開２００１−
２４９５２号公報や特開２００１−２４９４９号公報等
に開示された従来公知の電子シャッタ機能に用いる構成
と同様のものを用いることが可能であるので説明は省略
する。

【００１７】また、上述したプレ電子シャッタパルスの
間隔や回数は、１水平同期期間（１Ｈ）もしくは任意の
長さに短くすることが可能であり、任意の電子シャッタ
のスピードでプレ電子シャッタ機能を利用することが可
能である。ただし、プレ電子シャッタパルスの送出期間
と電荷蓄積期間の合計が１垂直同期期間内に納まること
が必要である。また、プレ電子シャッタ機能におけるパ
ルス間隔を１Ｈの長さに短くすることで、プレ電子シャ
ッタパルスの回数を最大に増やすことができ、また逆
に、少ない繰り返し回数として、黒の浮き上がりを抑制
することも可能である。

【００１８】以上のように、本例では、電子シャッタパ
ルスによる画素の蓄積電荷のリセット動作を、プレ電子
シャッタパルスを等間隔の短い間隔で数回出すことによ
り、電荷読み出しの際の残像が低く抑制させるので、出
力のオフセットが無くなり、従来方法で高速シャッタモ
ードにした場合において見られた黒の浮き上がりを抑制
することができる。このため、本例の方法を用いること
により、従来のように転送ゲートの電圧を上げたり、あ
るいは、不純物のイオン注入を微調整して画素を完全転
送状態にするよりも、容易に黒の沈みを防ぐことができ
るようになる。

【００１９】また、黒の浮き上がり補正の負担が軽減さ
れるので、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等の
簡素化が可能となり消費電力を小さくすることができ、
複雑な処理が無くなるので、処理負担を軽減できる分だ
け、画質も向上することが可能となる。一方で、上述の
ようなシャッタ機能を得るための構成の変更点として
は、タイミングジェネレータ（ＴＧ）のシャッタモード
の出力タイミングを変更するだけであり、画素部や周辺
回路については、従来のものをそのまま使用することが
できるので、開発に要するコスト、期間は非常に小さい
ものとなり、容易に実現できる利点がある。

【００２０】なお、以上の例では、電子シャッタパルス
を生成するための構成として、タイミングジェネレータ
（ＴＧ）を用いることを前提として説明したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、例えばシグナルジェ
ネレータ（ＳＧ）やＤＳＰを用いても同様の効果が得ら
れるものである。また、従来のシャッタパルスを１回だ
け出力する電子シャッタ機能と、本例のシャッタパルス
を複数回出力するプレ電子シャッタ機能の両方を選択的
に用いるような構成とすることも可能である。この場合
にも、両方のシャッタ機能について同様のハードウエア
を用いることが可能であり、大幅な構成の変更を行うこ
となく実現できる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、信号電荷の読み出し動作に先立ってプレ電
子シャッタパルスを等間隔で複数回繰り返し発生させる
ことにより、各撮像画素の蓄積信号電荷をリセットする
プレ電子シャッタ機能を設けたことから、このプレ電子
シャッタ機能によって確実に信号電荷読み出し前に各撮
像画素の蓄積信号電荷をリセットできる。したがって、
簡単な制御の追加により、残像を減少でき、特に低照度
での画質を向上することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態によるプレ電子シャッタを
実行する場合の動作タイミングを示すタイミングチャー
トである。

【図２】図１の動作タイミングによって電子シャッタ動
作から電荷転送動作までの期間ΔＴに対する残像と出力
信号の変化を示す説明図である。

【図３】図１に示すプレ電子シャッタ機能を用いて低速
の電子シャッタモードを実行した場合の動作タイミング
を示すタイミングチャートである。

【図４】従来の電子シャッタ機能によって電子シャッタ
を１回切る場合の動作タイミングを示すタイミングチャ
ートである。

【図５】図４の動作タイミングによって電子シャッタ動
作から電荷転送動作までの期間ΔＴに対する残像と出力
信号の変化を示す説明図である。

【符号の説明】

Ｂ……プレ電子シャッタパルス、ΔＴ……電荷蓄積期
間、Ｑ１……蓄積電荷、Ｑoff 、Ｑoff1、Ｑoff2……残
像成分。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森智則神奈川県横浜市保土ヶ谷区神戸町134番地ソニー・エルエスアイ・デザイン株式会社内Ｆターム(参考） 4M118 AA05 AB01 AB10 BA14 FA06 5C024 CX17 CX54 GY01 GY31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の撮像画素に対する信号電荷の読み
出し動作に先立って各撮像画素に電子シャッタパルスを
供給することにより、各撮像画素の蓄積された信号電荷
をリセットし、その後、所定の信号蓄積期間の経過後に
各撮像画素からの信号電荷の読み出し動作を行う固体撮
像素子において、前記信号電荷の読み出し動作に先立ってプレ電子シャッ
タパルスを等間隔で複数回繰り返し発生させることによ
り、各撮像画素の蓄積信号電荷をリセットするプレ電子
シャッタ機能を有する、ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】前記所定の信号蓄積期間以外の期間に前
記プレ電子シャッタパルスを等間隔で複数回繰り返し発
生させ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】前記プレ電子シャッタパルスの発生終了
から前記所定の信号蓄積期間の経過後に信号電荷の読み
出し動作を行うことを特徴とする請求項１記載の固体撮
像素子。
【請求項４】電子シャッタパルスを１回発生させて撮
像画素の蓄積電荷をリセットする電子シャッタ機能と同
様の構成を有する撮像画素、シフトレジスタ、ロジック
回路、および周辺回路に対し、電子シャッタパルスを複
数回発生させるためのタイミング信号を供給することに
より、プレ電子シャッタ機能を実行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５】前記プレ電子シャッタ機能に加えて、電
子シャッタパルスを１回発生させて撮像画素の蓄積電荷
をリセットする電子シャッタ機能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６】前記プレ電子シャッタ機能と電子シャッ
タ機能とで、共通のシフトレジスタ、ロジック回路、お
よび周辺回路を用いてプレ電子シャッタ動作または電子
シャッタ動作を実行することを特徴とする請求項５記載
の固体撮像素子。
【請求項７】前記プレ電子シャッタパルスはタイミン
グジェネレータまたはシグナルジェネレータまたはデジ
タルシグナルプロセッサによって生成することを特徴と
する請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項８】前記プレ電子シャッタパルスの周期およ
び回数は、前記タイミングジェネレータまたはシグナル
ジェネレータまたはデジタルシグナルプロセッサに対す
る制御ソフトウエアによって制御することを特徴とする
請求項７記載の固体撮像素子。
【請求項９】前記プレ電子シャッタパルスは、２次元
配列された撮像画素部の水平同期信号期間内に出力し、
有効画素期間内でのデジタルノイズの画素信号への飛込
みをなくすようにしたことを特徴とする請求項１記載の
固体撮像素子。