JP2004320270A - 固体電子撮像装置およびその出力制御方法 - Google Patents

Abstract

【目的】低感度信号電荷から得られる映像信号のＳＮ比を向上させる。
【構成】受光面が大きい高感度用フォトダイオードと受光面が小さい低感度用フォトダイオードとが多数配列されているＣＣＤにおいて，低感度用フォトダイオードに蓄積される低感度信号電荷用の第１のＦＤＡ１３と高感度用フォトダイオードに蓄積される高感度信号電荷用の第２のＦＤＡ１４とを設ける。第１のＦＤＡ１３の感度ｋ１は，第２のＦＤＡ１４の感度ｋ２に比べて高感度とする。映像信号のＳＮ比は，信号電荷の量，ＦＤＡの感度等に依存する。低感度信号電荷の量が少なくとも感度の高いＦＤＡを用いるので，低感度信号電荷にもとづいて得られる映像信号のＳＮ比が向上する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は，固体電子撮像装置およびその出力制御方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ＣＣＤのような固体電子撮像素子には，高感度用の光電変換素子と低感度用の光電変換素子とが多数配列されているものがある。高感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷から得られる映像信号と低感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷から得られる映像信号とが組み合わされることにより，固体電子撮像素子のダイナミック・レンジが実質的に広がる（例えば，特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２０５５８９号公報
【０００４】
光電変換素子に蓄積された信号電荷は，ＦＤＡ（フローティング・ディフュージョン・アンプリファイア）によって映像信号に変換されて固体電子撮像素子から出力される。低感度用の光電変換素子に蓄積される信号電荷の量は，高感度用の光電変換素子に蓄積される信号電荷の量に比べて少ない。映像信号のＳ／Ｎは，信号電荷の量，熱雑音，ＦＤＡの感度などに依存する。信号電荷の量が少ないと熱雑音が支配的となり，映像信号のＳ／Ｎが低下することがある。
【０００５】
【発明の開示】
この発明は，Ｓ／Ｎを向上させることを目的とする。
【０００６】
この発明による固体電子撮像装置は，高感度用のものと低感度用のものとが多数配列されている光電変換素子，大きな感度をもち，低感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷を映像信号に変換して出力する第１の増幅回路，および上記第１の増幅回路の感度より小さな感度をもち，高感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷を映像信号に変換して出力する第２の増幅回路を備えていることを特徴とする。
【０００７】
この発明は，上記固体電子撮像装置に適した出力制御方法も提供している。すなわち，この方法は，高感度用の光電変換素子と低感度用の光電変換素子とが多数配列されている固体電子撮像装置において，大きな感度（第１の感度）をもつ第１の増幅回路を用いて，低感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷を映像信号に変換して出力し，上記第１の増幅回路の感度より小さな感度（第２の感度）をもつ第２の増幅回路を用いて，高感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷を映像信号に変換して出力するものである。
【０００８】
この発明によると，低感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷は，大きな感度をもつ第１の増幅回路によって映像信号に変換される。高感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷は，小さな感度をもつ第２の増幅回路によって映像信号に変換される。Ｓ／Ｎは，信号電荷の電荷量，感度，熱雑音などに依存する。低感度用の光電変換素子に蓄積される信号電荷の量は比較的少ないが，感度の大きい第１の増幅回路によって映像信号に変換されるので，熱雑音が支配的になるのを未然に防止できる。映像信号のＳ／Ｎを向上することができる。
【０００９】
上記第１の増幅回路から出力された映像信号と上記第２の増幅回路から出力された映像信号とを切り替えて出力するスイッチ回路をさらに備えるようにしてもよい。
【００１０】
１つの光電変換素子の受光領域が，高感度用のものと低感度用のものとに分けられているものでもよい。
【００１１】
上記光電変換素子に蓄積された信号電荷を転送する転送路をさらに備えている場合には，上記第１の増幅回路が上記転送路の一端部に接続され，上記第２の増幅回路が上記転送路の他端部に接続されているものでもよい。もちろん，上記第１の増幅回路および上記第２の増幅回路の両方ともが上記転送路の出力端に接続されていてもよい。
【００１２】
【実施例の説明】
図１は，ＣＣＤの模式図を示している。
【００１３】
ＣＣＤ１には，水平方向および垂直方向に多数のフォトダイオード３および４が配置されている。一方のフォトダイオード３は奇数行，奇数列に配置されており，他方のフォトダイオード４は偶数行，偶数列に配置されている。一方のフォトダイオード３の受光領域の大きさは，他方のフォトダイオード４の受光領域の大きさよりも大きい。このために，一方のフォトダイオード３に蓄積される信号電荷の量の方が他方のフォトダイオード４に蓄積される信号電荷の量よりも多くなる。したがって，一方のフォトダイオード３の方が他方のフォトダイオード４よりも高感度といえる。以下，一方のフォトダイオード３を高感度用フォトダイオード（高感度画素）３，他方のフォトダイオード４を低感度用フォトダイオード（低感度画素）４ということにする。また，高感度用フォトダイオード３に蓄積された信号電荷を高感度信号電荷，低感度用フォトダイオード４に蓄積された信号電荷を低感度信号電荷ということにする。
【００１４】
高感度用フォトダイオード３の右側には，高感度用フォトダイオード３に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路５が形成されている。低感度用フォトダイオード４の右側には，低感度用フォトダイオード４に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路６が形成されている。高感度用フォトダイオード３に蓄積された高感度信号電荷が垂直転送路５を介して水平転送路７に転送される。また，低感度用フォトダイオード４に蓄積された低感度信号電荷が垂直転送路６を介して水平転送路７に転送される。
【００１５】
水平転送路７に，水平転送パルスφＨ１１およびφＨ１２が与えられることにより，垂直転送路５および６から転送されてきた高感度信号電荷および低感度信号電荷がそれぞれ水平方向に転送されていく。
【００１６】
水平転送路７の出力端部（右側の端部）には，第１のアウトプット・ゲート１１および第２のアウトプット・ゲート１２が形成されている。第１のアウトプット・ゲート１１は，低感度用フォトダイオード４に蓄積された低感度信号電荷を出力するものである。第２のアウトプット・ゲート１２は，高感度用フォトダイオード３に蓄積された高感度信号電荷を出力するものである。
【００１７】
第１のアウトプット・ゲート１１から出力された低感度信号電荷は，第１の感度ｋ１をもつ第１のＦＤＡ（フローティング・ディフュージョン・アンプリファイア１３に入力し，信号電荷量に応じた電圧に変換される。第１のＦＤＡ１３の出力電圧がソース・フォロワ１５において増幅され，低感度信号電荷にもとづいて得られる第１の映像信号Ｓｉｇ１としてＣＣＤ１から出力される。同様に，第２のアウトプット・ゲート１２から出力された高感度信号電荷は，第２の感度ｋ２をもつ第２のＦＤＡ１４に入力し，電圧に変換される。第２のＦＤＡ１４の出力電圧がソース・フォロワ１６において増幅され，低感度信号電荷にもとづいて得られる第２の映像信号Ｓｉｇ２としてＣＣＤ１から出力される。
【００１８】
図２は，ＣＣＤ１の一部の電気的構成とＣＣＤに接続される回路のブロック図を示している。図３（Ａ）から（Ｈ）は，図２の各回路に流れる信号等を示すタイム・チャートである。
【００１９】
水平転送路７には，水平転送電極Ｈ１１とＨ１２とが交互に多数形成されている。一方の水平転送電極Ｈ１１には，第１の水平転送パルスφＨ１１が与えられ，他方の水平転送電極Ｈ１２には，第１の水平転送パルスφＨ１１と逆相の第２の水平転送パルスφＨ１２が与えられる。すると，水平転送路７内に電位井戸が生成され，高感度信号電荷および低感度信号電荷が水平転送路７内を転送させられる。第１のアウトプット・ゲート１１にアウトプット・ゲート・パルスφＯＧ１が与えられることにより，上述したように第１のアウトプット・ゲート・ゲート１１から低感度信号電荷が出力される。第２のアウトプット・ゲート１２にアウトプット・ゲート・パルスφＯＧ２が与えられることにより，上述したように第２のアウトプット・ゲート１２から高感度信号電荷が出力される。低感度信号電荷と高感度信号電荷とは１画素分ずつ交互に出力されることとなる。
【００２０】
第１のアウトプット・ゲート１１から出力された低感度信号電荷は，第１のＦＤＡ１３に入力し，電圧に変換される。変換された電圧は，第１の増幅回路１５に与えられて，第１の映像信号Ｓｉｇ１としてＣＣＤ１から出力される。第２のアウトプット・ゲート１２から出力された高感度信号電荷は，第２のＦＤＡ１４に入力し，電圧に変換される。変換された電圧は，第２の増幅回路１６に与えられて，第２の映像信号Ｓｉｇ２としてＣＣＤ１から出力される。
【００２１】
低感度信号電荷にもとづいて得られる第１の映像信号Ｓｉｇ１は，スイッチ回路２１のａ端子に与えられる。高感度信号電荷にもとづいて得られる第２の映像信号Ｓｉｇ２は，スイッチ回路２１のｂ端子に与えられる。スイッチ回路２１には，切替制御信号ＳＷが与えられており，第１の映像信号Ｓｉｇ１のうち，低感度信号電荷に相当する部分の映像信号が入力するときには，ａ端子が接続され，第２の映像信号Ｓｉｇ２のうち，高感度信号電荷に相当する部分の映像信号が入力するときには，ｂ端子が接続される。スイッチ回路２１からは，低感度信号電荷に相当する部分の映像信号と高感度信号電荷に相当する部分の映像信号とが合成された合成映像信号Ｓｉｇ３が出力されることとなる。
【００２２】
スイッチ回路２１から出力された合成映像信号は，ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路２２において相関二重サンプリングが行われる。ＣＤＳ回路２２から出力された映像信号は，ＧＣＡ（ゲイン・コントロールド・アンプリファイア）２３においてレベルが調整される。ＧＣＡ２３から出力された映像信号が表示装置に与えられることにより，表示画面上に被写体像が表示される。
【００２３】
第１の映像信号Ｓｉｇ１のＳＮ比（Ｓ／Ｎ）１は，式１から得られる。
【００２４】
（Ｓ／Ｎ）１＝ｋ１・ｎｅ／√（ｋ１^２・ｎｅ＋ｎｔ１^２） ・・・・式１
【００２５】
但し，ｋ１は，上述したように第１のＦＤＡ１３の感度，ｎｅは，信号電荷量，ｎｔ１ は第１のソース・フォロワ１５の熱雑音である。
【００２６】
低感度用フォトダイオード４に蓄積される低感度信号電荷の量は比較的少ない。式１から分かるように，第１の映像信号Ｓｉｇ１のＳＮ比（Ｓ／Ｎ）１は，ソース・フォロワ１５の熱雑音の影響が大きくなる。この実施例においては，低感度信号電荷は，大きな感度ｋ１をもつ第１のＦＤＡ１５によって電圧に変換されるので，ソース・フォロワ１５の熱雑音の影響を少なくできる。第１の映像信号Ｓｉｇ１のＳＮ比を実質的に向上させることができる。
【００２７】
第２の映像信号Ｓｉｇ２のＳＮ比（Ｓ／Ｎ）２は，第１の映像信号Ｓｉｇ１のＳＮ比（Ｓ／Ｎ）１と同様に，式２から得られる。
【００２８】
（Ｓ／Ｎ）２＝ｋ２・ｎｅ／√（ｋ２^２・ｎｅ＋ｎｔ２^２） ・・・・式２
【００２９】
但し，ｋ２は，上述したように第２のＦＤＡ１４の感度，ｎｔ２ は第２のソース・フォロワ１６の熱雑音である。
【００３０】
高感度用フォトダイオード３に蓄積される高感度信号電荷の量は比較的多い。このために，第２の映像信号Ｓｉｇ２のＳＮ比は，高感度信号電荷の量が支配的となる。第２のＦＤＡ１４の感度ｋ２が小さくとも第２の映像信号Ｓｉｇ２のＳＮ比が悪くなることを未然に防止できる。
【００３１】
図４は，他のＣＣＤの模式図を示している。この図において図１に示すものと同一物には同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
フォトダイオード３１が水平方向および垂直方向に多数配置されている。フォトダイオード３１の右側には，垂直転送路３４が形成されている。
【００３３】
フォトダイオード３１は，その受光面のほぼすべてを受光面にもつ高感度信号電荷蓄積領域３２と小さな受光面をもつ低感度信号電荷蓄積領域３３とを有している。高感度信号電荷蓄積領域３２に蓄積された高感度信号電荷および低感度信号電荷蓄積領域３３に蓄積された低感度信号電荷は，それぞれ垂直転送路３４にシフトされる。高感度信号電荷と低感度信号電荷とが１ラインずつ交互に垂直転送路３４内を垂直方向に転送されていく。
【００３４】
高感度信号電荷と低感度信号電荷とは，水平転送路３５に与えられる。水平転送路３５に水平転送パルスφＨが与えられることより，高感度信号電荷と低感度信号電荷とが交互に水平転送路３５内を転送させられる。水平転送路３５から出力される高感度信号電荷または低感度信号電荷は，第１のＦＤＡ１３または第２のＦＤＡ１４において電圧に変換されるのは上述の通りである。
【００３５】
図５は，ＣＣＤの電気的構成の一部を示すブロック図である。
【００３６】
水平転送路４０には，水平転送電極Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３およびＨ２４を一組として周期的に形成されている。これらの水平転送電極Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３およびＨ２４には，水平転送パルスφＨ２１，φＨ２２，φＨ２３およびφＨ２４またはφＨ３１，φＨ３２，φＨ３３およびφＨ３４が与えられる。
【００３７】
水平転送路４０は，左端部と右端部の両方から信号電荷を出力することができるものである。低感度信号電荷を出力するときには，水平転送路４０の右端部から出力される。高感度信号電荷を出力するときには，水平転送路４０の左端部から出力される。
【００３８】
水平転送路４０の右端部には，低感度信号電荷を出力するための第１のアウトプット・ゲート４１が形成されている。第１のアウトプット・ゲート４１には，上述したように低感度ｋ１をもつ第１のＦＤＡ１３が接続されている。したがって低感度信号電荷の電荷量が少なくともＳＮ比が向上する。
【００３９】
水平転送路４０の左端部には，高感度信号電荷を出力するための第２のアウトプット・ゲート４２が形成されている。第２のアウトプット・ゲート４２には，高感度ｋ２をもつ第２のＦＤＡ１４が接続されている。
【００４０】
図６は，低感度信号電荷を出力するときの水平転送パルスφＨ２１〜φＨ２４を示すタイム・チャート，図７は，高感度信号電荷を出力するときの水平転送パルスφＨ３１〜φＨ３４を示すタイム・チャートである。
【００４１】
１ライン分の低感度信号電荷と１ライン分の高感度信号電荷は，１ラインごとに交互に水平転送路４０に入力するから，図６に示す低感度信号電荷を出力する水平転送パルスφＨ２１〜φＨ２４と図７に示す高感度信号電荷を出力する水平転送パルスφＨ３１〜φＨ３４とは１ラインごと交互に水平転送路４０に与えられることとなる。
【００４２】
図６を参照して，時刻ｔ１１において水平転送パルスφＨ２４がＨレベルとなると，水平転送電極Ｈ２４下にポテンシャル井戸が形成され，垂直転送路から転送されてきた低感度信号電荷がポテンシャル井戸に蓄積される。時刻ｔ１２において水平転送パルスφＨ２３がＨレベルとなると，水平転送電極Ｈ２３下にポテンシャル井戸が形成される。すると，低感度信号電荷が水平転送電極Ｈ２４下から水平転送電気よくＨ２３下に転送させられる。以下，同様に，時刻ｔ１３において水平転送パルスφＨ２２がＨレベルとなると，低感度信号電荷が水平転送電極Ｈ２２下に転送させられる。時刻ｔ１４となると，水平転送パルスφＨ４は，Ｌレベルとなる。時刻ｔ１５において水平転送パルスφＨ２１がＨレベルとなると，低感度信号電荷が水平転送電極Ｈ２１下に転送させられ，時刻ｔ１６において水平転送パルスφＨ２４が再びＨレベルとなると，低感度信号電荷が水平転送電極Ｈ２４下に転送させられる。
【００４３】
このようにして，低感度信号電荷が水平転送路４０内を右方向に転送させられていく。低感度信号電荷は，第１のアウトプット・ゲート４１から出力され，感度ｋ１をもつ第１のＦＤＡ１３によって電圧に変換されるのは上述の通りである。
【００４４】
図７を参照して，時刻ｔ２１において水平転送パルスφＨ３１がＨレベルとなると，水平転送電極Ｈ２１下にポテンシャル井戸が形成され，垂直転送路から転送されてきた高感度信号電荷がポテンシャル井戸に蓄積される。時刻ｔ２２において水平転送パルスφＨ３２がＨレベルとなると，水平転送電極Ｈ２２下にポテンシャル井戸が形成される。すると，高感度信号電荷が水平転送電極Ｈ２１下から水平転送電極Ｈ２２下に転送させられる。以下，同様に，時刻ｔ２３において水平転送パルスφＨ３３がＨレベルとなると，高感度信号電荷が水平転送電極Ｈ２３下に転送させられる。時刻ｔ２４となると，水平転送パルスφＨ３１は，Ｌレベルとなる。時刻ｔ２５において水平転送パルスφＨ３４がＨレベルとなると，高感度信号電荷が水平転送電極Ｈ２４下に転送させられ，時刻ｔ２６において水平転送パルスφＨ３１が再びＨレベルとなると，高感度信号電荷が水平転送電極Ｈ２１下に転送させられる。
【００４５】
このようにして，高感度信号電荷が水平転送路４０内を左方向に転送させられていく。高感度信号電荷は，第２のアウトプット・ゲート４２から出力され，感度ｋ２をもつ第２のＦＤＡ１４によって電圧に変換されるのは上述の通りである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＣＤの模式図である。
【図２】ＣＣＤの電気的構成の一部とＣＣＤに接続される回路を示している。
【図３】（Ａ）から（Ｈ）は，図２に示す回路に流れるパルス等のタイム・チャートである。
【図４】ＣＣＤの模式図である。
【図５】ＣＣＤの電気的構成の一部とＣＣＤに接続される回路を示している。
【図６】低感度信号電荷を出力するときの水平転送パルスを示している。
【図７】高感度信号電荷を出力するときの水平転送パルスを示している。
【符号の説明】
１，３０ ＣＣＤ
３ 高感度用フォトダイオード
４ 低感度用フォトダイオード
７，３５，４０ 水平転送路
１３ 第１のＦＤＡ（第１の増幅回路）
１４ 第２のＦＤＡ（第２の増幅回路）
２１ スイッチ回路
３２ 高感度信号電荷蓄積領域
３３ 低感度信号電荷蓄積領域

Claims (5)

1. 高感度用のものと低感度用のものとが多数配列されている光電変換素子，
   大きな感度をもち，低感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷を映像信号に変換して出力する第１の増幅回路，および
   上記第１の増幅回路の感度より小さな感度をもち，高感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷を映像信号に変換して出力する第２の増幅回路，
   を備えた固体電子撮像装置。
2. 上記第１の増幅回路から出力された映像信号と上記第２の増幅回路から出力された映像信号とを切り替えて出力するスイッチ回路をさらに備えた請求項１に記載の固体電子撮像装置。
3. １つの光電変換素子の受光領域が高感度用のものと低感度用のものとに分けられている請求項１に記載の固体電子撮像装置。
4. 上記光電変換素子に蓄積された信号電荷を転送する転送路をさらに備え，
   上記第１の増幅回路が上記転送路の一端部に接続され，
   上記第２の増幅回路が上記転送路の他端部に接続されている，
   請求項１に記載の固体電子撮像装置。
5. 高感度用の光電変換素子と低感度用の光電変換素子とが多数配列されている固体電子撮像装置において，
   大きな感度をもつ第１の増幅回路を用いて，低感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷を映像信号に変換して出力し，
   上記第１の増幅回路の感度より小さな感度をもつ第２の増幅回路を用いて，高感度用の光電変換素子に蓄積された信号電荷を映像信号に変換して出力する，
   固体電子撮像装置の出力制御方法。

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