JP2005354580A - Imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging apparatus which can obtain a higher quality image. <P>SOLUTION: The imaging apparatus includes an imaging part which is provided with a plurality of pixels which creates information charge in response to light from outside, and a plurality of transfer electrodes 30 which extend to a crossing direction of a transfer direction of the information charge for each pixel; and stores and transfers the information charge generated in response to the input light to the pixels by an action of the transfer electrodes 30. The imaging apparatus makes a set of a predetermined number of each pixel group which continues along the transfer direction of the information charge, adds and composes the information charge stored in the pixel group that is made a set at the time of imaging, transfers the information charge by the action of the transfer electrodes installed in the set of the pixel group, and calculates a smear component added to the information charge when the information charge passes through every pixel group at the time of transfer based on the ratio of a transfer cycle T and an imaging period T<SB>s</SB>at the photographing time. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、撮像画像の画質を向上した撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging device that improves the quality of a captured image.

図16にCCD固体撮像素子を備えた撮像装置100の構成を示す。撮像装置100は、CCD固体撮像素子102、タイミング制御回路104及び駆動ドライバ106を含んで構成される。CCD固体撮像素子102は、撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dを有する。タイミング制御回路104は、所定の周波数のクロックパルス及び外部制御信号を受けて、CCD固体撮像素子102の撮像、垂直転送、水平転送及び出力を制御する制御信号を生成する。制御信号は駆動ドライバ106に入力される。駆動ドライバ106は、タイミング制御回路104から制御信号を受けて、CCD固体撮像素子102の撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dのそれぞれに対して必要なタイミングでクロックパルスを出力する。   FIG. 16 shows a configuration of an imaging apparatus 100 including a CCD solid-state imaging device. The imaging apparatus 100 includes a CCD solid-state imaging device 102, a timing control circuit 104, and a drive driver 106. The CCD solid-state imaging device 102 includes an imaging unit 2i, a storage unit 2s, a horizontal transfer unit 2h, and an output unit 2d. The timing control circuit 104 receives a clock pulse of a predetermined frequency and an external control signal, and generates a control signal for controlling imaging, vertical transfer, horizontal transfer, and output of the CCD solid-state image sensor 102. The control signal is input to the drive driver 106. The drive driver 106 receives a control signal from the timing control circuit 104, and outputs a clock pulse to each of the imaging unit 2i, the storage unit 2s, the horizontal transfer unit 2h, and the output unit 2d of the CCD solid-state imaging device 102 at a necessary timing. Output.

CCD固体撮像素子102は、駆動ドライバ106からのクロックを受けて、撮像、垂直転送、水平転送及び出力を行う。撮像部2iには受光画素がマトリックス状に配置されており、撮像部2iに入射された光が各ビットを構成する受光画素により光電変換されて情報電荷が生成される。垂直転送クロックの印加によって、撮像部2iにおいて生成された情報電荷の2次元配列は撮像部2iの垂直シフトレジスタにより蓄積部2sに高速で転送される。これにより、1フレーム分の情報電荷が蓄積部2sの垂直シフトレジスタに保持される。続いて、情報電荷は1行分ずつ蓄積部2sから水平転送部2hへ転送される。さらに、水平転送クロックの印加によって、情報電荷は1画素単位で水平転送部2hから出力部2dへ転送される。出力部2dは1画素毎の電荷量を電圧値に変換し、その電圧値の変化がCCDの出力とされる。   The CCD solid-state imaging device 102 receives a clock from the drive driver 106 and performs imaging, vertical transfer, horizontal transfer, and output. In the imaging unit 2i, light receiving pixels are arranged in a matrix, and light incident on the imaging unit 2i is photoelectrically converted by the light receiving pixels constituting each bit to generate information charges. By applying the vertical transfer clock, the two-dimensional array of information charges generated in the imaging unit 2i is transferred to the storage unit 2s at high speed by the vertical shift register of the imaging unit 2i. As a result, the information charge for one frame is held in the vertical shift register of the storage unit 2s. Subsequently, the information charges are transferred from the storage unit 2s to the horizontal transfer unit 2h line by line. Furthermore, by applying a horizontal transfer clock, information charges are transferred from the horizontal transfer unit 2h to the output unit 2d in units of pixels. The output unit 2d converts the charge amount for each pixel into a voltage value, and the change in the voltage value is used as the output of the CCD.

撮像部2i及び蓄積部2sは、図17の素子内部の平面図に示すように、半導体基板の表面領域に形成された垂直シフトレジスタから構成される。垂直シフトレジスタは、垂直方向(図17の縦方向)に向けて互いに平行に延伸された分離領域14によって区画された複数のチャネル領域22と、チャネル領域22に交差する複数の転送電極24−1〜24−3から構成される。従来の固体撮像素子では、隣接する3つの転送電極24−1,24−2,24−3の組が1つの画素を構成している。この一組の転送電極24−1,24−2,24−3の各々に対して所定の周期の転送クロックφ1〜φ3を印加することによって撮像部2iで生成された情報電荷を転送することができる。 The imaging unit 2i and the storage unit 2s are configured by a vertical shift register formed in the surface region of the semiconductor substrate, as shown in the plan view inside the element of FIG. The vertical shift register includes a plurality of channel regions 22 defined by separation regions 14 extending in parallel to each other in the vertical direction (the vertical direction in FIG. 17), and a plurality of transfer electrodes 24-1 intersecting the channel regions 22. To 24-3. In the conventional solid-state imaging device, a set of three adjacent transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3 constitutes one pixel. Information charges generated by the imaging unit 2i are transferred by applying transfer clocks φ 1 to φ 3 having a predetermined cycle to each of the set of transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3. be able to.

図18に、撮像時におけるチャネル領域22に沿ったNウェル12内のポテンシャル分布の様子を示す。撮像時には、1組の転送電極24−1,24−2,24−3のうち1つの転送電極(例えば、転送電極24−2)をオン状態にすると共に、残りの転送電極(例えば、転送電極24−1,24−3)をオフ状態にすることにより、オン状態とした転送電極下のチャネル領域22にポテンシャル井戸50を形成する。各画素で生成された情報電荷はこのポテンシャル井戸50に蓄積される。   FIG. 18 shows the potential distribution in the N well 12 along the channel region 22 during imaging. At the time of imaging, one transfer electrode (for example, transfer electrode 24-2) of the set of transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3 is turned on, and the remaining transfer electrodes (for example, transfer electrodes) 24-1 and 24-3) are turned off to form the potential well 50 in the channel region 22 under the transfer electrode that is turned on. Information charges generated in each pixel are accumulated in the potential well 50.

転送時には、図19に示すように、1画素を構成する3つの転送電極24−1,24−2,24−3の組み合わせ毎に3相の転送クロックφ1〜φ3が印加され、転送電極24−1,24−2,24−3の下にあるチャネル領域22のポテンシャルが制御されて情報電荷が転送される。 At the time of transfer, as shown in FIG. 19, three-phase transfer clocks φ 1 to φ 3 are applied for each combination of the three transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3 constituting one pixel, and the transfer electrodes Information charges are transferred by controlling the potential of the channel region 22 below 24-1, 24-2, 24-3.

また、カラー画像を対象とするCCD固体撮像装置では、図6に示すように、垂直転送方向に沿って赤(R)を透過するフィルタと緑(G)を透過するフィルタとを交互に配置した列と、緑(G)を透過するフィルタと青(B)を透過するフィルタとを交互に配置した列と、を垂直転送方向と交差する方向に交互に配列することによってマトリクス状の画素配列を構成し、カラー画像の取得を可能としている。   Further, in a CCD solid-state imaging device for a color image, as shown in FIG. 6, filters that transmit red (R) and filters that transmit green (G) are alternately arranged along the vertical transfer direction. A matrix-like pixel arrangement is obtained by alternately arranging columns and columns in which filters that transmit green (G) and filters that transmit blue (B) are alternately arranged in a direction crossing the vertical transfer direction. The color image can be acquired.

特開2001−166284号公報JP 2001-166284 A 特開平6−112467号公報JP-A-6-112467

しかしながら、上記従来の撮像装置及びその制御方法では、1つの転送電極毎に情報電荷を順次送り出して転送を行う。そのため、垂直転送時間が長くなり、高品質の画像を得ることができない問題が発生していた。   However, in the conventional imaging apparatus and the control method thereof, information charges are sequentially sent out for each transfer electrode to perform transfer. As a result, the vertical transfer time becomes long, and there is a problem that a high-quality image cannot be obtained.

例えば、撮像部2iにメカシャッタが設けられていない場合や動画撮影時のようにシャッタを閉じずに連続して撮影を行う場合、電荷を転送する期間中にも撮像部2iの各画素に入射し続ける光によって電荷が発生し続ける。この電荷はスミアと呼ばれるノイズの原因となる。なお、ノイズの原因となる電荷をスミア電荷と呼ぶ。撮像部2iから蓄積部2sへと情報電荷を転送する時間が長くなると共にスミア電荷量は増加し、撮影された画像に強いノイズとして残ることとなる。   For example, when the image pickup unit 2i is not provided with a mechanical shutter, or when shooting continuously without closing the shutter as in moving image shooting, the light is incident on each pixel of the image pickup unit 2i even during the period during which charges are transferred. Electric charges continue to be generated by the continued light. This electric charge causes noise called smear. The charge that causes noise is called smear charge. As the time for transferring information charges from the imaging unit 2i to the storage unit 2s becomes longer, the amount of smear charge increases, and the captured image remains as strong noise.

また、撮像部2iにおいて1組となる転送電極のうち1つのみをオン状態として撮像を行う場合では、撮像時におけるポテンシャル井戸に蓄積可能な電荷量は限られており、輝度が高い撮影対象物からの光を受けた場合等において十分な感度やダイナミックレンジを得ることができなかった。さらには、撮像期間中に発生する情報電荷量がポテンシャル井戸の容量を越えてしまい、得られた画像のダイナミックレンジが低下してしまう場合もあった。   Further, in the case where imaging is performed with only one of the pair of transfer electrodes being turned on in the imaging unit 2i, the amount of charge that can be accumulated in the potential well at the time of imaging is limited, and the imaging target having high luminance Sufficient sensitivity and dynamic range could not be obtained when receiving light from Furthermore, the amount of information charges generated during the imaging period may exceed the capacity of the potential well, and the dynamic range of the obtained image may be reduced.

以上の問題点から、メカシャッタが設けられていない場合や動画撮影の場合にスミアを低減すると共に、得られた信号からスミア電荷による成分を除去できる方法が必要とされている。同時に、画像のダイナミックレンジを十分に高くできることが望ましい。   In view of the above problems, there is a need for a method capable of reducing smear when a mechanical shutter is not provided or when shooting a moving image and removing components due to smear charges from the obtained signal. At the same time, it is desirable to be able to sufficiently increase the dynamic range of the image.

本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、より高品質の画像を得ることができる撮像装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an imaging device capable of obtaining a higher quality image in view of the above-described problems of the prior art.

本発明は、外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素と、前記画素毎に情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極と、を備え、前記転送電極の作用により、前記画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を蓄積及び転送する撮像部、を含む撮像装置であって、情報電荷の転送方向に沿って連続する所定数の画素群毎を組として、撮像時には、前記組とされた画素群に含まれる実質的に互いに分離された複数の画素、に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、転送時には、前記組とされた画素群に蓄積された情報電荷を加算合成して、前記組とされた画素群が備える転送電極のうち情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の転送電極に実質的に同相のクロックパルスを印加することによって情報電荷を転送し、転送時において前記組とされた各画素群を通過する際に情報電荷に加算されるスミア成分を、転送時において前記組とされた各画素群を情報電荷が通過する転送サイクルTと前記撮像時の撮像期間Tsとの比に基づいて算出することを特徴とする。 The present invention includes a plurality of pixels that generate information charges by receiving light from the outside, and a plurality of transfer electrodes that extend in a direction that intersects the transfer direction of the information charges for each of the pixels, An imaging device including an imaging unit that accumulates and transfers information charges generated in response to light incident on the pixels by the action of the transfer electrode, and is a predetermined number of continuous units along the information charge transfer direction. For each group of pixels, information charges are accumulated in a potential well formed in a plurality of pixels substantially separated from each other included in the set of pixel groups at the time of imaging. The information charges accumulated in the pixel groups are added and synthesized, and among the transfer electrodes included in the group of pixels, a clock having substantially the same phase is applied to a plurality of transfer electrodes continuous along the information charge transfer direction. Applying a pulse The information charges are transferred, and smear components added to the information charges when passing through the pixel groups that are set at the time of transfer are transferred, and information charges pass through the pixel groups that are set at the time of transfer. and calculating on the basis of the ratio of the transfer cycle T and imaging period T s during the imaging to be.

より具体的には、外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素と、前記画素毎に情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極と、を備え、前記画素が行列配置され、前記転送電極の作用により、前記画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を蓄積及び転送する撮像部、を含む撮像装置であって、情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の画素毎を画素群D(x,y)(但し、行x及び列yは1以上の整数)として、撮像時には、前記画素群D(x,y)に含まれる画素に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、転送時には、前記画素群D(x,y)に蓄積された情報電荷を情報電荷Q(x,y)として加算合成して、前記画素群D(x,y)が備える転送電極のうち情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の転送電極に実質的に同相のクロックパルスを印加することによって転送し、nを1以上の整数とした場合に、転送時において各画素群D(x,y)を情報電荷が通過する転送サイクルT、前記撮像時の撮像期間Ts、撮像時において実質的に有効な電極数Neff及び組となる画素群数Npとに基づいて、前記画素群D(2n+1,y)から転送されてくる情報電荷Q(2n+1,y)に重畳されるスミア成分ΔQ(2n+1,y)を、

Figure 2005354580
前記画素群D(2n+2,y)から転送されてくる情報電荷Q(2n+2,y)に重畳されるスミア成分ΔQ(2n+2,y)を、
Figure 2005354580
(但し、ΔQ(1,y)=ΔQ(2,y)=0)として算出する処理を行うことを特徴とする撮像装置である。 More specifically, a plurality of pixels that generate information charges by receiving light from the outside, and a plurality of transfer electrodes that extend in a direction that intersects the information charge transfer direction for each pixel. An image pickup apparatus including an image pickup unit in which the pixels are arranged in a matrix and stores and transfers information charges generated in response to light incident on the pixels by the action of the transfer electrodes. A plurality of pixels that are continuous along the direction are defined as a pixel group D (x, y) (where row x and column y are integers of 1 or more), and are included in the pixel group D (x, y) at the time of imaging. Information charges are accumulated in the potential well formed in the pixel, and at the time of transfer, the information charge accumulated in the pixel group D (x, y) is added and synthesized as information charge Q (x, y), and the pixel group How to transfer information charge among transfer electrodes of D (x, y) Are transferred by applying substantially in-phase clock pulses to a plurality of transfer electrodes continuous along the line N, and when n is an integer of 1 or more, each pixel group D (x, y) is information at the time of transfer. Based on the transfer cycle T through which charge passes, the imaging period T s at the time of imaging, the number of effective electrodes N eff at the time of imaging, and the number of pixel groups N p to be paired, the pixel group D (2n + 1, The smear component ΔQ (2n + 1, y) superimposed on the information charge Q (2n + 1, y) transferred from y) is
Figure 2005354580
A smear component ΔQ (2n + 2, y) superimposed on the information charge Q (2n + 2, y) transferred from the pixel group D (2n + 2, y) is
Figure 2005354580
(Note that the imaging apparatus performs a process of calculating as ΔQ (1, y) = ΔQ (2, y) = 0).

また、別の態様では、外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素と、前記画素毎に情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極と、を備え、前記画素が行列配置され、前記転送電極の作用により、前記画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を蓄積し、外部からの光が遮断された領域へ転送する、撮像部を含む撮像装置であって、情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の画素毎を画素群D(x,y)(但し、x及びyは1以上の整数)として、撮像時には、前記画素群D(x,y)に含まれる画素に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、転送時には、前記画素群D(x,y)に蓄積された情報電荷を情報電荷Q(x,y)として加算合成して、前記画素群D(x,y)が備える転送電極のうち情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の転送電極に実質的に同相のクロックパルスを印加することによって転送し、nを2以上の整数とした場合に、転送時において各画素群D(x,y)を情報電荷が通過する転送サイクルT、前記撮像時の撮像期間Ts、撮像時において実質的に有効な電極数Neff及び組となる画素群数Npとに基づいて、前記画素群D(n,y)から転送されてくる情報電荷Q(n,y)に重畳されるスミア成分ΔQ(n,y)を、

Figure 2005354580
(但し、ΔQ(1,y)=0)として算出する処理を行うことを特徴とする撮像装置である。 In another aspect, a plurality of pixels that generate information charges by receiving light from the outside, and a plurality of transfer electrodes that extend in a direction that intersects the information charge transfer direction for each of the pixels, An imaging unit, wherein the pixels are arranged in a matrix, the information charges generated in response to light incident on the pixels are accumulated by the action of the transfer electrodes, and transferred to an area where light from outside is blocked And a plurality of pixels continuous along the information charge transfer direction as a pixel group D (x, y) (where x and y are integers of 1 or more) Information charges are accumulated in the potential wells formed in the pixels included in the group D (x, y), and the information charges accumulated in the pixel group D (x, y) are transferred to the information charges Q (x, y) at the time of transfer. ), And the pixel group D (x, y) is provided. Transfer is performed by applying substantially in-phase clock pulses to a plurality of transfer electrodes that are continuous along the transfer direction of information charges among the transmission electrodes, and each pixel at the time of transfer when n is an integer of 2 or more Based on the transfer cycle T in which information charges pass through the group D (x, y), the imaging period T s at the time of imaging, the number of effective electrodes N eff at the time of imaging, and the number of pixel groups N p that form a group The smear component ΔQ (n, y) superimposed on the information charge Q (n, y) transferred from the pixel group D (n, y) is
Figure 2005354580
(Note that the imaging apparatus performs processing that calculates as ΔQ (1, y) = 0).

ここで、カラー撮像を行う撮像装置では、前記画素は、異なる2つ以上の波長領域のいずれかに応答して情報電荷を生成する複数の画素であり、2つの波長領域に対応する画素が転送方向に沿って交互に繰り返すように行列配置され、前記画素群D(x,y)は、情報電荷の転送方向に沿って連続する3画素毎を1組として、撮像時には前記画素群D(x,y)に含まれる同一の波長領域に対応する画素に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積することが好適である。   Here, in an imaging apparatus that performs color imaging, the pixels are a plurality of pixels that generate information charges in response to one of two or more different wavelength regions, and pixels corresponding to the two wavelength regions are transferred. The pixel group D (x, y) is arranged in a matrix so as to repeat alternately along the direction, and the pixel group D (x, y) is taken as one set for every three pixels that are continuous along the information charge transfer direction. , Y), it is preferable to store information charges in a potential well formed in pixels corresponding to the same wavelength region.

また、撮像時に、前記画素群D(x,y)の各々に含まれる少なくとも2つの画素に対して互いに異なる撮像期間だけポテンシャル井戸を形成して情報電荷を蓄積することも好適である。これによって、撮像時にポテンシャル井戸のオーバーフローが生じた場合にも理想的な情報電荷量を推定することができる。   It is also preferable to accumulate information charges by forming potential wells for different imaging periods for at least two pixels included in each of the pixel groups D (x, y) during imaging. This makes it possible to estimate an ideal amount of information charge even when potential well overflow occurs during imaging.

本発明によれば、CCD固体撮像素子を含む撮像装置において、高品質の画像を得ることができる。例えば、撮像時における感度及びダイナミックレンジを高くすることができる。また、転送時に発生するスミアを抑制すると共に、出力信号に重畳されたスミア成分を除去することができる。   According to the present invention, a high-quality image can be obtained in an imaging apparatus including a CCD solid-state imaging device. For example, the sensitivity and dynamic range during imaging can be increased. Further, it is possible to suppress smear generated during transfer and to remove smear components superimposed on the output signal.

本発明の実施の形態における撮像装置200は、図1に示すように、CCD固体撮像素子202、タイミング制御回路204、駆動ドライバ206及び出力信号処理部208を含んで構成される。   As shown in FIG. 1, the imaging apparatus 200 according to the embodiment of the present invention includes a CCD solid-state imaging device 202, a timing control circuit 204, a drive driver 206, and an output signal processing unit 208.

CCD固体撮像素子202は、撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dを有する。また、タイミング制御回路204は、所定の周波数のクロックパルス及び外部制御信号を受けて、CCD固体撮像素子202の撮像、垂直転送、水平転送及び出力を制御する制御信号を生成する。これらの制御信号は、タイミング制御回路204から駆動ドライバ206へ入力される。駆動ドライバ206は、タイミング制御回路204から制御信号を受けて、CCD固体撮像素子202の撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dに各々に対して必要なタイミングでクロックパルスを出力する。出力信号処理部208は、出力部2dから出力されたCCD固体撮像素子202の出力信号に対してスミア除去等の処理を施した後、装置外部へ出力信号を出力する。   The CCD solid-state imaging device 202 includes an imaging unit 2i, a storage unit 2s, a horizontal transfer unit 2h, and an output unit 2d. The timing control circuit 204 receives a clock pulse of a predetermined frequency and an external control signal, and generates a control signal for controlling imaging, vertical transfer, horizontal transfer, and output of the CCD solid-state imaging device 202. These control signals are input from the timing control circuit 204 to the drive driver 206. The drive driver 206 receives a control signal from the timing control circuit 204, and sends clock pulses to the image pickup unit 2i, storage unit 2s, horizontal transfer unit 2h, and output unit 2d of the CCD solid-state image pickup device 202 at necessary timings. Output. The output signal processing unit 208 performs processing such as smear removal on the output signal of the CCD solid-state imaging device 202 output from the output unit 2d, and then outputs the output signal to the outside of the apparatus.

撮像部2i及び蓄積部2sは、従来技術と同様に、垂直方向(図1の縦方向)に互いに平行に延伸された複数のチャネル領域とそれに交差する複数の転送電極とから構成される垂直シフトレジスタを含み、各シフトレジスタの各ビットはそれぞれ2次元行列として配置された受光画素の1つとして機能する。   The imaging unit 2i and the storage unit 2s, as in the prior art, are configured by a vertical shift composed of a plurality of channel regions extending in parallel to each other in the vertical direction (vertical direction in FIG. 1) and a plurality of transfer electrodes intersecting with the channel regions. Each bit of each shift register functions as one of light receiving pixels arranged as a two-dimensional matrix.

撮像部2iは、図2〜4に示すように、半導体基板10の表面領域に形成された複数のシフトレジスタから構成される。図2は撮像部2iの一部を示す模式的な平面図、図3及び図4はそれぞれ図2のC−C線及びD−D線に沿った側断面図である。   As shown in FIGS. 2 to 4, the imaging unit 2 i includes a plurality of shift registers formed in the surface region of the semiconductor substrate 10. FIG. 2 is a schematic plan view showing a part of the imaging unit 2i, and FIGS. 3 and 4 are side sectional views taken along lines CC and DD in FIG. 2, respectively.

図3及び図4に示すように、本実施の形態における撮像部2iは従来の撮像装置における撮像部と同様の断面構造を有する。すなわち、N型半導体基板9内にPウェル(PW)11が形成され、その上にNウェル12が形成され、このPウェル11の表面領域にN型の不純物が高濃度に添加されたNウェル12が形成される。さらに、Nウェル12に所定の間隔をもって互いに平行にP型不純物領域からなる分離領域14が形成される。分離領域14は、隣接するチャネル領域の間にポテンシャル障壁を形成し、これらの分離領域14に挟まれた領域が電気的に区画され、情報電荷の転送経路であるチャネル領域22となる。   As shown in FIGS. 3 and 4, the imaging unit 2 i in the present embodiment has the same cross-sectional structure as the imaging unit in the conventional imaging device. That is, a P-well (PW) 11 is formed in an N-type semiconductor substrate 9, an N-well 12 is formed thereon, and an N-well in which N-type impurities are added to the surface region of the P-well 11 at a high concentration. 12 is formed. Further, isolation regions 14 made of P-type impurity regions are formed in the N well 12 in parallel with each other at a predetermined interval. The isolation region 14 forms a potential barrier between adjacent channel regions, and a region sandwiched between the isolation regions 14 is electrically partitioned to become a channel region 22 that is a transfer path of information charges.

また、半導体基板9の表面上には絶縁膜13が成膜される。図2に示すように、この絶縁膜13を挟んでチャネル領域22の延伸方向に直交するように、ポリシリコン膜等からなる複数の転送電極30(30−1〜30−9)が互いに平行に繰り返し配置される。   An insulating film 13 is formed on the surface of the semiconductor substrate 9. As shown in FIG. 2, a plurality of transfer electrodes 30 (30-1 to 30-9) made of a polysilicon film or the like are parallel to each other so as to be orthogonal to the extending direction of the channel region 22 with the insulating film 13 interposed therebetween. Repeatedly placed.

本実施の形態では、カラー画像を撮影対象とする撮像装置200について説明を行う。カラー画像を撮影対象とする撮像装置200では、異なる色の波長成分に応答して発生した情報電荷を蓄積する画素が所定の周期で繰り返し配置されたマトリックス状の画素配列の構成となる。例えば、図5に示すように、垂直転送方向に沿って連続する3つの転送電極をそれぞれ1組として赤(R)を透過するフィルタ32−Rと緑(G)を透過するフィルタ32−Gとを交互に配置した列34−1と、青(B)を透過するフィルタ32−Bと緑(G)を透過するフィルタ32−Gとを交互に配置した列34−2と、を垂直転送方向と交差する方向に交互に配列する。これによって、図6に示すように、各々が複数の電極(ここでは3つ)の電極によって制御されるR,G,Bの画素がマトリクス状に配置された画素配列が構成される。   In the present embodiment, an imaging apparatus 200 that captures a color image will be described. The imaging apparatus 200 that captures a color image has a matrix pixel arrangement in which pixels that accumulate information charges generated in response to wavelength components of different colors are repeatedly arranged at a predetermined period. For example, as shown in FIG. 5, a filter 32-R that transmits red (R) and a filter 32-G that transmits green (G) each including three transfer electrodes that are continuous in the vertical transfer direction as a set, Are arranged in the vertical transfer direction. The row 34-1 is alternately arranged, and the row 34-2 is alternately arranged with the filter 32-B that transmits blue (B) and the filter 32-G that transmits green (G). Are alternately arranged in the direction intersecting As a result, as shown in FIG. 6, a pixel array is formed in which R, G, and B pixels each controlled by a plurality of electrodes (here, three) are arranged in a matrix.

本実施の形態では、転送方向に沿って同一の波長領域(色)に対応する画素が配置される周期に1画素を加えた周期に含まれる画素群を1組として、1組に含まれる転送電極の各々に異なるクロックパルスを供給することによって制御を行う。例えば、図5の画素配置に対しては、転送方向に沿って同一の色(R,G,B)の波長領域に対応する画素が2画素周期で配置されているので、2画素+1画素=3画素分の転送電極を1組として制御する。すなわち、転送方向に沿って連続する9つの転送電極30−1〜30−9を1つの組として、転送電極30−1〜30−9の各々に対して異なるクロックパルスを供給し、転送方向に沿って連続する3つの画素に配置された転送電極30−1〜30−9の各々を独立に制御することによって撮像部2iにおける撮像及び転送を制御する。   In the present embodiment, one set of pixel groups included in a cycle obtained by adding one pixel to the cycle in which pixels corresponding to the same wavelength region (color) are arranged along the transfer direction is included in one set. Control is accomplished by supplying different clock pulses to each of the electrodes. For example, in the pixel arrangement of FIG. 5, pixels corresponding to the wavelength region of the same color (R, G, B) are arranged in a two-pixel cycle along the transfer direction, so 2 pixels + 1 pixel = The transfer electrodes for three pixels are controlled as one set. That is, nine transfer electrodes 30-1 to 30-9 continuous along the transfer direction are set as one set, and different clock pulses are supplied to each of the transfer electrodes 30-1 to 30-9 in the transfer direction. The imaging and transfer in the imaging unit 2i are controlled by independently controlling each of the transfer electrodes 30-1 to 30-9 arranged in three pixels that are continuous along.

撮像装置200における撮像(情報電荷の蓄積)及び情報電荷の転送は、タイミング制御回路204を用いて転送電極30−1〜30−9に印加される電圧を制御することによって行うことができる。そこで、図7に撮像から転送までのタイミングチャートを示し、転送電極の制御について説明を行う。また、図8には、時刻T1〜T7における各転送電極30−1〜30−9下におけるポテンシャルの変化の様子を示す。横軸は撮像部2iにおける転送方向に沿った位置を示し、縦軸が各位置でのポテンシャルを示す。このとき、図中の下が正電位側、上が負電位側となる。 Imaging (accumulation of information charges) and transfer of information charges in the imaging apparatus 200 can be performed by controlling the voltage applied to the transfer electrodes 30-1 to 30-9 using the timing control circuit 204. FIG. 7 shows a timing chart from imaging to transfer, and the control of the transfer electrode will be described. Further, in FIG. 8 shows a change of the potential in each transfer electrode 30-1~30-9 lower at time T 1 through T 7. The horizontal axis indicates the position along the transfer direction in the imaging unit 2i, and the vertical axis indicates the potential at each position. At this time, the lower side in the figure is the positive potential side and the upper side is the negative potential side.

駆動ドライバ206は、タイミング制御回路204からの制御信号を受けて、クロックパルスφ1〜φ9をそれぞれ転送電極30−1〜30−9に印加する。CCD固体撮像素子202のN型半導体基板(N−SUB)10は基板電位Vsubに固定される。 In response to the control signal from the timing control circuit 204, the drive driver 206 applies clock pulses φ 1 to φ 9 to the transfer electrodes 30-1 to 30-9, respectively. The N-type semiconductor substrate (N-SUB) 10 of the CCD solid-state imaging device 202 is fixed to the substrate potential Vsub .

時刻T0は、撮像前の初期状態である。このとき、クロックパルスφ1〜φ9の総てがオフとされ、図8に示すように、転送電極30−1〜30−9下にはポテンシャル井戸は形成されず、電荷は基板10へ排出される。 Time T 0 is an initial state before imaging. At this time, all of the clock pulses φ 1 to φ 9 are turned off, and no potential well is formed under the transfer electrodes 30-1 to 30-9 as shown in FIG. Is done.

時刻T1では、1組とされた画素群のうち両端の画素にポテンシャル井戸が形成されるようにクロックパルスが制御される。ここでは、クロックパルスφ2,φ8がオンとされ、転送電極30−2及び30−8下に実質的に互いに分離されたポテンシャル井戸が形成される。オン状態となった転送電極30−2及び30−8の周囲に入射した光に応じて発生した情報電荷はこれらのポテンシャル井戸に蓄積される。 At time T 1 , the clock pulse is controlled so that potential wells are formed in the pixels at both ends of the pixel group made into one set. Here, clock pulses φ 2 and φ 8 are turned on, and potential wells substantially separated from each other are formed under the transfer electrodes 30-2 and 30-8. Information charges generated in response to light incident around the transfer electrodes 30-2 and 30-8 that are turned on are accumulated in these potential wells.

本実施の形態では、転送方向に沿って同一の波長領域に対応する画素が配置される周期に1画素を加えた周期の画素を1組として転送電極へのクロックパルスの制御を行っているため、1組の画素では同一の波長成分に対応して発生した情報電荷が蓄積されることとなる。例えば、図5に示したCCD固体撮像素子202の列34−1では、図8に示すように、左からR,G,Rの組とG,R,Gの組とが繰り返し配置され、R,G,Rの組では両端のRに対応する画素に赤の波長成分に応じて発生した情報電荷が蓄積され、G,R,Gの組では両端のGに対応する画素に緑の波長成分に応じて発生した情報電荷が蓄積される。他の列についても同様である。   In the present embodiment, the clock pulse to the transfer electrode is controlled as a set of pixels each having a period obtained by adding one pixel to the period in which pixels corresponding to the same wavelength region are arranged along the transfer direction. In one set of pixels, information charges generated corresponding to the same wavelength component are accumulated. For example, in the row 34-1 of the CCD solid-state imaging device 202 shown in FIG. 5, as shown in FIG. 8, a set of R, G, R and a set of G, R, G are repeatedly arranged from the left. In the set of G, R and G, the information charges generated according to the red wavelength component are accumulated in the pixels corresponding to R at both ends, and in the set of G, R and G, the green wavelength component is stored in the pixels corresponding to G at both ends. The information charge generated in response to is stored. The same applies to the other columns.

ここでは、両端以外の画素についてはクロックパルスをオフに維持することによって撮像時に常に情報電荷が基板10へ排出されるように制御したが、これに限定されるものでない。例えば、図9に示すように、時刻S0においてクロックパルスφ2,φ8と共にクロックパルスφ5を一旦オンとして情報電荷を蓄積し、撮像が終了する時刻S1においてクロックパルスφ5をオフに戻して情報電荷を排出させることにより、電子的なシャッタ動作を行わせても良い。 Here, the pixels other than both ends are controlled so that the information charges are always discharged to the substrate 10 at the time of imaging by keeping the clock pulse off. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 9, at time S 0 , the clock pulse φ 5 is temporarily turned on together with the clock pulses φ 2 and φ 8 to accumulate information charges, and at time S 1 when imaging is completed, the clock pulse φ 5 is turned off. The electronic shutter operation may be performed by returning the information charge and discharging the information charge.

時刻T2及びT3では、情報電荷の再配列が行われる。1組の画素群において両端の画素のポテンシャル井戸に蓄積された情報電荷が1つのポテンシャル井戸に纏められる。時刻T2では、クロックパルスφ2,φ8に加えて、クロックパルスφ3〜φ7がオンとされ、転送電極30−2及び30−8下のポテンシャル井戸に蓄積されていた情報電荷が加算合成される。続いて、時刻T3では、クロックパルスφ2,φ3,φ7,φ8がオフとされ、転送電極30−4〜30−6の下に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷が再配置される。 At times T 2 and T 3 , the information charges are rearranged. In one set of pixel groups, information charges accumulated in the potential wells of the pixels at both ends are collected into one potential well. At time T 2 , clock pulses φ 3 to φ 7 are turned on in addition to clock pulses φ 2 and φ 8 , and information charges accumulated in the potential wells under the transfer electrodes 30-2 and 30-8 are added. Synthesized. Subsequently, at time T 3 , the clock pulses φ 2 , φ 3 , φ 7 , and φ 8 are turned off, and information charges are rearranged in the potential well formed below the transfer electrodes 30-4 to 30-6. The

このように、撮像時において1組の画素群のうち少なくとも2つ以上の画素に蓄積された情報電荷を再配置によって1つのポテンシャル井戸に纏めることによって、撮像時における感度及びダイナミックレンジを高くすることができる。   As described above, the information charges accumulated in at least two or more pixels of a set of pixel groups at the time of imaging are combined into one potential well by rearrangement, thereby increasing the sensitivity and dynamic range at the time of imaging. Can do.

時刻T4以降では、1組の画素群に対して1つのポテンシャル井戸に纏められた情報電荷が転送される。このとき、転送方向に沿って連続する少なくとも2つの転送電極に対して同相のクロックパルスを供給することにより転送が行われる。ここでは、各画素に配置された3つの転送電極の組毎に対して同相のクロックパルスを供給することによって転送が行われる。 After time T 4 , information charges collected in one potential well are transferred to one set of pixel groups. At this time, transfer is performed by supplying in-phase clock pulses to at least two transfer electrodes that are continuous in the transfer direction. Here, the transfer is performed by supplying clock pulses having the same phase to each set of three transfer electrodes arranged in each pixel.

例えば、図5に示したCCD固体撮像素子202では、図7に示すように、クロックパルスφ1〜φ3,φ4〜φ6,φ7〜φ9の組がそれぞれ同相で駆動され、図8に示すように連続して配置されている転送電極30−1〜30−3,30−4〜30−6,30−7〜30−9の組をそれぞれ1つの転送単位として情報電荷が順次転送される。 For example, in the CCD solid-state imaging device 202 shown in FIG. 5, as shown in FIG. 7, a set of clock pulses φ 1 to φ 3 , φ 4 to φ 6 , and φ 7 to φ 9 are driven in the same phase. As shown in FIG. 8, information charges are sequentially transferred using a group of transfer electrodes 30-1 to 30-3, 30-4 to 30-6, and 30-7 to 30-9 arranged in succession as one transfer unit. Transferred.

具体的には、図7に示すように、時刻T4ではクロックパルスφ1〜φ3がオフ、クロックパルスφ4〜φ9がオンとされ、時刻T5ではクロックパルスφ1〜φ6がオフ、クロックパルスφ7〜φ9がオンとされる。これによって、図8に示すように、転送電極30−4〜30−6下に形成されていたポテンシャル井戸に蓄積されていた情報電荷が転送電極30−7〜30−9下に新たに形成されたポテンシャル井戸に転送される。時刻T6ではクロックパルスφ4〜φ6がオフ、クロックパルスφ1〜φ3及びφ7〜φ9がオンとされ、時刻T7ではクロックパルスφ4〜φ9がオフ、クロックパルスφ1〜φ3がオンとされる。これによって、図8に示すように、転送電極30−7〜30−9下に形成されていたポテンシャル井戸に蓄積されていた情報電荷が転送電極30−1〜30−3下に新たに形成されたポテンシャル井戸に転送される。同様に、1画素に配置された転送電極の組毎に同相のクロックパルスを印加していくことによって情報電荷を順次転送することができる。他の列についても同様に転送が行われる。 Specifically, as shown in FIG. 7, the clock pulses phi 1 to [phi] 3 at the time T 4 is turned off, the clock pulse phi 4 to [phi] 9 is turned on, the clock pulses phi 1 to [phi] 6 at time T 5 is Off, clock pulses φ 7 to φ 9 are turned on. As a result, as shown in FIG. 8, the information charges accumulated in the potential well formed under the transfer electrodes 30-4 to 30-6 are newly formed under the transfer electrodes 30-7 to 30-9. Transferred to a potential well. At time T 6 , clock pulses φ 4 to φ 6 are turned off and clock pulses φ 1 to φ 3 and φ 7 to φ 9 are turned on. At time T 7 , clock pulses φ 4 to φ 9 are turned off and clock pulse φ 13 is turned on. As a result, as shown in FIG. 8, information charges accumulated in the potential wells formed under the transfer electrodes 30-7 to 30-9 are newly formed under the transfer electrodes 30-1 to 30-3. Transferred to a potential well. Similarly, information charges can be sequentially transferred by applying in-phase clock pulses to each pair of transfer electrodes arranged in one pixel. The transfer is performed in the same manner for the other columns.

なお、クロックパルスφ1〜φ3,φ4〜φ6,φ7〜φ9の組がそれぞれ同相で駆動される場合を示したが、実質的に同相として駆動されれば良く、図10に示すように、転送方向に沿ってポテンシャルが滑らかに変動するようにそれぞれの組の中で転送電極に供給するクロックパルスに遅延を持たせても良い。このように遅延を持たせることで、滑らかに情報電荷を転送することが可能となる。 Although the case where the sets of clock pulses φ 1 to φ 3 , φ 4 to φ 6 , and φ 7 to φ 9 are driven in the same phase is shown, it is sufficient that they are driven in the same phase. As shown, the clock pulses supplied to the transfer electrodes in each set may be delayed so that the potential varies smoothly along the transfer direction. By providing such a delay, information charges can be transferred smoothly.

このように、転送時において、複数の転送電極を1組として制御を行うことによって、撮像部2iから情報電荷を高速に転送することができる。その結果、転送時に発生するスミアを抑制することができる。例えば、本実施の形態のように3つの転送電極を1組に纏めて制御した場合には従来の制御方法と比べて約3倍の転送速度で転送を行うことができる。同様の転送方法は、蓄積部2sに対しても適用することができる。   Thus, at the time of transfer, by controlling a plurality of transfer electrodes as a set, information charges can be transferred from the imaging unit 2i at high speed. As a result, it is possible to suppress smear that occurs during transfer. For example, when three transfer electrodes are collectively controlled as in this embodiment, transfer can be performed at a transfer rate about three times that of the conventional control method. A similar transfer method can be applied to the storage unit 2s.

このように転送速度を高速化することによって、メカシャッタが設けられていない場合や動画撮影の場合に転送時におけるスミア電荷の発生を低減することができ、高画質かつ高ダイナミックレンジの画像信号を得ることができる。   By increasing the transfer speed in this way, it is possible to reduce the occurrence of smear charges during transfer when a mechanical shutter is not provided or when shooting moving images, and an image signal with high image quality and high dynamic range is obtained. be able to.

さらに、オフセットスミア除去法を応用することによって転送時に情報電荷に重畳されたスミア電荷による成分を除去することもできる。   Furthermore, by applying the offset smear removal method, it is possible to remove components due to smear charges superimposed on information charges during transfer.

図11に、撮像部2iから蓄積部2sへの接続部を拡大した平面図を示す。図11に示すように、奇数列(2μ−1)では蓄積部2sに近い側からR,G,R,G・・・の順に配列された画素が配置され、偶数列(2μ)では蓄積部2sに近い側からG,B,G,B・・・の順に配列された画素が配置されているものとする。ここで、μは1以上の整数であるとする。   FIG. 11 shows an enlarged plan view of a connection portion from the imaging unit 2i to the storage unit 2s. As shown in FIG. 11, pixels arranged in the order of R, G, R, G... From the side closer to the storage unit 2 s are arranged in the odd number column (2 μ−1), and the storage unit is arranged in the even number column (2 μ). Assume that pixels arranged in the order of G, B, G, B... From the side close to 2s are arranged. Here, it is assumed that μ is an integer of 1 or more.

図11のような画素の配列に対して高速転送の制御を適用した場合、奇数列(2μ−1)では蓄積部2sに近い側からR,G,Rの組からなる奇数行(2λ−1)、G,R,Gの組からなる偶数行(2λ)が交互に繰り返されているので、奇数列(2μ−1)におけるR,G,Rの組からなる奇数行(2λ−1)を画素D(2λ−1,2μ−1)で表現し、奇数列(2μ−1)におけるG,R,Gの組からなる偶数行(2λ)を画素D(2λ,2μ−1)で表現することができる。同様に、偶数列(2μ)では蓄積部2sに近い側からG,B,Gの組からなる奇数行(2λ−1)、B,G,Bの組からなる偶数行(2λ)が交互に繰り返されているので、偶数列(2μ)におけるG,B,Gの組からなる奇数行(2λ−1)を画素群D(2λ−1,2μ)で表現し、偶数列(2μ)におけるB,G,Bの組からなる偶数行(2λ)を画素群D(2λ,2μ)で表現することができる。ここで、λは1以上の整数であるとする。以下では奇数列(2μ−1)を例にとって説明を行うが、偶数列(2μ)においても同様に処理を行うことができる。   When the high-speed transfer control is applied to the pixel arrangement as shown in FIG. 11, in the odd-numbered column (2μ−1), the odd-numbered row (2λ−1) composed of a set of R, G, and R from the side close to the storage unit 2s. ), Even-numbered rows (2λ) made up of pairs of G, R, and G are alternately repeated, so that odd-numbered rows (2λ-1) made up of pairs of R, G, and R in odd-numbered columns (2μ-1) The pixel D (2λ-1, 2μ-1) is represented, and the even row (2λ) composed of a set of G, R, G in the odd column (2μ-1) is represented by the pixel D (2λ, 2μ-1). be able to. Similarly, in the even-numbered column (2μ), odd-numbered rows (2λ-1) composed of a set of G, B, G and even-numbered rows (2λ) composed of a set of B, G, B are alternately arranged from the side closer to the storage unit 2s. Since it is repeated, an odd row (2λ−1) consisting of a set of G, B, and G in the even column (2μ) is represented by a pixel group D (2λ-1, 2μ), and B in the even column (2μ). , G and B can be expressed by a pixel group D (2λ, 2μ). Here, it is assumed that λ is an integer of 1 or more. In the following description, an odd number column (2 μ−1) is described as an example, but the same processing can be performed in an even number column (2 μ).

本実施の形態では、空間的に近くに配置された画素では同じ期間に発生する電荷がほぼ等しいと仮定することによってスミア電荷の除去処理を行う。なお、以下の説明において再配置期間は実際には非常に短い期間であるのでこの間に発生する電荷量は無視できるものとする。   In the present embodiment, the smear charge removal process is performed by assuming that the charges generated in the same period are almost equal in pixels arranged spatially close to each other. In the following description, since the rearrangement period is actually a very short period, the amount of charge generated during this period can be ignored.

情報電荷の転送が開始されると、画素群D(1,2μ−1)に蓄積された情報電荷Q(1,2μ−1)は直ちに蓄積部2sに転送される。従って、画素群D(1,2μ−1)に蓄積された情報電荷Q(1,2μ−1)にはスミア電荷は殆ど重畳されることなく蓄積部2sに送られる。具体的には、最初の画素群D(1,2μ−1)から蓄積部2sに転送されてくる情報電荷Q(1,2μ−1)は撮像期間Tsに2つのRの画素で発生した電荷量2q(1,2μ−1)に等しいとする。また、2番目の画素群D(2,2μ−1)で蓄積された情報電荷Q(2,2μ−1)は、転送サイクルTで画素群D(1,2μ−1)に含まれるRの画素、Gの画素、及び、Rの画素を順に転送されて蓄積部2sに到達する。ここで、最初の画素群D(1,2μ−1)を通過する際に蓄積されるスミア電荷は僅かであり、無視できるものとすると、撮像期間Tsに2つのGの画素で発生した電荷量2q(2,2μ−1)に等しいものとなる。 When the transfer of the information charge is started, the information charge Q (1, 2 μ−1) stored in the pixel group D (1, 2 μ−1) is immediately transferred to the storage unit 2 s. Therefore, the smear charges are sent to the storage section 2s with almost no superimposition on the information charges Q (1, 2 μ−1) stored in the pixel group D (1, 2 μ−1). Specifically, the information charge Q (1, 2 μ−1) transferred from the first pixel group D (1, 2 μ−1) to the storage unit 2 s is generated in two R pixels during the imaging period T s . It is assumed that the charge amount is equal to 2q (1, 2 μ−1). Further, the information charge Q (2, 2μ−1) accumulated in the second pixel group D (2, 2μ−1) is stored in the R included in the pixel group D (1, 2μ−1) in the transfer cycle T. The pixel, the G pixel, and the R pixel are sequentially transferred to reach the accumulation unit 2s. Here, if the smear charge accumulated when passing through the first pixel group D (1, 2 μ−1) is small and can be ignored, the charge generated in the two G pixels during the imaging period T s. It is equal to the quantity 2q (2, 2μ-1).

一方、最初の画素群D(1,2μ−1)と2番目の画素群D(2,2μ−1)とを纏めると、含まれる画素は3つのRの画素と3つのGの画素であるので、総ての画素を有効に利用した時には最初の画素群D(1,2μ−1)と2番目の画素群D(2,2μ−1)からは赤の波長領域に対応する電荷量2q(1,2μ−1)の3/2倍の電荷量3q(1,2μ−1)と緑の波長領域に対応する電荷量2q(2,2μ−1)の3/2倍の電荷量3q(2,2μ−1)の情報電荷が転送されてくるべきであるといえる。この情報電荷量3q(1,2μ−1)と3q(2,2μ−1)は情報電荷Q(1,2μ−1)及びQ(2,2μ−1)から数式(1)及び(2)を用いて近似的に算出することができる。   On the other hand, when the first pixel group D (1, 2 μ−1) and the second pixel group D (2, 2 μ−1) are combined, the included pixels are three R pixels and three G pixels. Therefore, when all the pixels are used effectively, the charge amount 2q corresponding to the red wavelength region is obtained from the first pixel group D (1, 2 μ−1) and the second pixel group D (2, 2 μ−1). Charge amount 3q (1,2μ-1) which is 3/2 times (1,2μ-1) and charge amount 3q, which is 3/2 times charge amount 2q (2,2μ-1) corresponding to the green wavelength region It can be said that (2, 2 μ−1) information charges should be transferred. The information charge amounts 3q (1, 2μ-1) and 3q (2, 2μ-1) are expressed by the formulas (1) and (2) from the information charges Q (1, 2μ-1) and Q (2, 2μ-1). Can be calculated approximately using.

Figure 2005354580
Figure 2005354580

3番目の画素群D(3,2μ−1)から転送されてくる情報電荷Q(3,2μ−1)は転送サイクルT毎に画素群D(2,2μ−1)に含まれるGの画素、Rの画素及びGの画素、並びに、画素群D(1,2μ−1)に含まれるRの画素、Gの画素、及び、Rの画素を順に転送されて蓄積部2sに到達する。従って、情報電荷Q(2,2μ−1)にはそれぞれの画素群を通過する際の転送サイクルTの時間に応じたスミア電荷ΔQ(3,2μ−1)が重畳されることとなる。   The information charges Q (3, 2 μ−1) transferred from the third pixel group D (3, 2 μ−1) are G pixels included in the pixel group D (2, 2 μ−1) every transfer cycle T. , R pixels, G pixels, and R pixels, G pixels, and R pixels included in the pixel group D (1, 2 μ−1) are sequentially transferred to reach the storage unit 2s. Therefore, the smear charge ΔQ (3, 2μ−1) corresponding to the time of the transfer cycle T when passing through each pixel group is superimposed on the information charge Q (2, 2μ−1).

このスミア電荷ΔQ(3,2μ−1)は、情報電荷量3q(1,2μ−1)と3q(2,2μ−1)との合計値に、2番目の画素群D(2,2μ−1)と最初の画素群D(1,2μ−1)とをそれぞれ通過する際の転送期間Tと撮像期間Tsとの比を積算した値となる。すなわち、数式(3)により算出することができる。   This smear charge ΔQ (3, 2 μ−1) is added to the total value of the information charge amounts 3 q (1, 2 μ−1) and 3 q (2, 2 μ−1), and the second pixel group D (2, 2 μ−). 1) and the ratio between the transfer period T and the imaging period Ts when passing through the first pixel group D (1, 2 μ−1), respectively. That is, it can be calculated by Equation (3).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

従って、3番目の画素群D(3,2μ−1)から転送されてくる情報電荷Q(3,2μ−1)からスミア電荷ΔQ(3,2μ−1)を差し引くことによりスミア成分を除去することができる。   Accordingly, the smear component is removed by subtracting the smear charge ΔQ (3, 2μ−1) from the information charge Q (3, 2μ−1) transferred from the third pixel group D (3, 2μ−1). be able to.

また、4番目の画素群D(4,2μ−1)から転送されてくる情報電荷Q(4,2μ−1)に重畳されるスミア電荷ΔQ(4,2μ−1)は、3番目の画素群D(3,2μ−1)において発生するスミア電荷を無視すると、同様に数式(4)により算出することができる。従って、4番目の画素群D(4,2μ−1)から転送されてくる情報電荷Q(4,2μ−1)からスミア電荷ΔQ(4,2μ−1)を差し引くことによりスミア成分を除去することができる。   Further, the smear charge ΔQ (4, 2μ−1) superimposed on the information charge Q (4, 2μ−1) transferred from the fourth pixel group D (4, 2μ−1) is the third pixel. If the smear charge generated in the group D (3, 2 μ−1) is ignored, it can be similarly calculated by the equation (4). Accordingly, the smear component is removed by subtracting the smear charge ΔQ (4,2μ−1) from the information charge Q (4,2μ−1) transferred from the fourth pixel group D (4,2μ−1). be able to.

なお、3番目の画素群D(3,2μ−1)及び4番目の画素群D(4,2μ−1)を纏めると、これらの画素群には3つのRの画素及び3つのGの画素が含まれるので、総ての画素が有効である場合、画素群D(3,2μ−1)及びD(4,2μ−1)からは赤の波長領域に対応する3q(3,2μ−1)と緑の波長領域に対応する3q(4,2μ−1)の情報電荷が転送されてくることとなり、これらの値は数式(5)を用いて算出することができる。   Note that when the third pixel group D (3, 2 μ−1) and the fourth pixel group D (4, 2 μ−1) are grouped, these pixel groups include three R pixels and three G pixels. Therefore, when all the pixels are valid, 3q (3, 2 μ−1) corresponding to the red wavelength region is detected from the pixel groups D (3, 2 μ−1) and D (4, 2 μ−1). ) And 3q (4, 2 μ−1) information charges corresponding to the green wavelength region are transferred, and these values can be calculated using Equation (5).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

以上の関係を一般化すると、nを1以上の整数として、2n+1番目以降の画素群D(2n+1,2μ−1)から転送されてくる情報電荷Q(2n+1,2μ−1)に重畳されるスミア電荷ΔQ(2n+1,2μ−1)は、スミア電荷ΔQ(2n−1,2μ−1)に2n−1番目の画素群D(2n−1,2μ−1)及び2n番目の画素群D(2n,2μ−1)を通過する転送期間Tに発生するスミア成分を加算したものとなる。2n−1番目の画素群D(2n−1,2μ−1)及び2n番目の画素群D(2n,2μ−1)を通過する転送サイクルTに発生するスミア電荷は、電荷量3q(2n−1,2μ−1)と電荷量3q(2n,2μ−1)の合計値に転送期間Tと撮像期間Tsとの比を積算した値となる。すなわち、数式(6)により算出することができる。   When the above relationship is generalized, sm is superimposed on the information charge Q (2n + 1, 2 μ−1) transferred from the 2n + 1 and subsequent pixel groups D (2n + 1, 2 μ−1), where n is an integer of 1 or more. The charge ΔQ (2n + 1, 2μ−1) is added to the smear charge ΔQ (2n−1, 2μ−1) by the 2n−1th pixel group D (2n−1, 2μ−1) and the 2nth pixel group D (2n , 2μ−1) is added to the smear component generated during the transfer period T passing through The smear charge generated in the transfer cycle T passing through the 2n-1th pixel group D (2n-1, 2μ-1) and the 2nth pixel group D (2n, 2μ-1) is a charge amount 3q (2n- 1, 2 μ−1) and the charge amount 3 q (2n, 2 μ−1), and the sum of the ratio of the transfer period T and the imaging period Ts. That is, it is computable by Numerical formula (6).

同様に、画素群D(2n+2,2μ−1)から転送されてくる情報電荷Q(2n+2,2μ−1)に重畳されるスミア電荷ΔQ(2n+2,2μ−1)は、スミア電荷ΔQ(2n,2μ−1)に2n−1番目の画素群D(2n−1,2μ−1)及び2n番目の画素群D(2n,2μ−1)を通過する転送サイクルTに発生するスミア電荷を加算したものとして数式(7)により算出することができる。   Similarly, the smear charge ΔQ (2n + 2, 2μ−1) superimposed on the information charge Q (2n + 2, 2μ−1) transferred from the pixel group D (2n + 2, 2μ−1) is the smear charge ΔQ (2n, 2μ-1) is added with the smear charge generated in the transfer cycle T passing through the 2n-1th pixel group D (2n-1, 2μ-1) and the 2nth pixel group D (2n, 2μ-1). As a thing, it is computable by Numerical formula (7).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

従って、2n+1番目の画素群D(2n+1,2μ−1)から転送されてくる情報電荷Q(2n+1,2μ−1)からスミア電荷ΔQ(2n+1,2μ−1)を差し引くことによりスミア成分を除去することができる。また、2n+2番目の画素群D(2n+2,2μ−1)から転送されてくる情報電荷Q(2n+2,2μ−1)からスミア電荷ΔQ(2n+2,2μ−1)を差し引くことによりスミア成分を除去することができる。なお、画素群D(2n+1,2μ−1)及び画素群D(2n+2,2μ−1)を纏めると、総ての画素が有効である場合、これらの画素群からは3q(2n+1,2μ−1)及び3q(2n+2,2μ−1)の情報電荷が転送されることとなり、その値は数式(8)及び(9)を用いて算出することができる。   Accordingly, the smear component is removed by subtracting the smear charge ΔQ (2n + 1, 2 μ−1) from the information charge Q (2 n + 1, 2 μ−1) transferred from the 2n + 1-th pixel group D (2n + 1, 2 μ−1). be able to. Further, the smear component is removed by subtracting the smear charge ΔQ (2n + 2, 2μ−1) from the information charge Q (2n + 2, 2μ−1) transferred from the 2n + 2nd pixel group D (2n + 2, 2μ−1). be able to. When the pixel group D (2n + 1, 2 μ−1) and the pixel group D (2 n + 2, 2 μ−1) are put together, if all the pixels are valid, 3q (2n + 1, 2 μ−1) is obtained from these pixel groups. ) And 3q (2n + 2, 2μ−1) information charges are transferred, and the values can be calculated using Equations (8) and (9).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

以上のように、複数の転送電極を纏めて同相のクロックパルスを印加することによって高速転送を行う場合において、オフセットスミア除去法を応用することによってスミア成分を除去した信号を求めることができる。   As described above, when high-speed transfer is performed by applying a clock pulse having the same phase to a plurality of transfer electrodes, a signal from which smear components are removed can be obtained by applying the offset smear removal method.

ここでは、2組の画素群を纏めることによってスミア電荷を算出したが、1組の画素群に含まれる各画素で発生するスミア電荷が等しいものとして処理を行うことも好適である。以下に説明を行う。   Here, smear charges are calculated by collecting two sets of pixel groups. However, it is also preferable to perform processing assuming that the smear charges generated in each pixel included in one set of pixel groups are equal. A description will be given below.

最初の画素群D(1,2μ−1)に蓄積された情報電荷Q(1,2μ−1)にはスミア電荷は殆ど重畳されることなく蓄積部2sに送られる。2番目の画素群D(2,2μ−1)に蓄積された情報電荷Q(2,2μ−1)は、転送サイクルTで画素群D(1,2μ−1)に含まれるRの画素、Gの画素、及び、Rの画素を順に転送されて蓄積部2sに到達する。この転送期間に最初の画素群D(1,2μ−1)に含まれるGの画素で発生するスミア電荷は僅かであり、他の2つのRの画素で発生するスミア電荷とほぼ等しいものとして処理を行っても影響は小さい。そこで、情報電荷Q(2,2μ−1)に重畳されるスミア電荷ΔQ(2,2μ−1)を数式(10)で算出する。   The smear charges are sent to the storage section 2s with almost no superimposition on the information charges Q (1, 2 μ−1) stored in the first pixel group D (1, 2 μ−1). The information charges Q (2, 2μ−1) accumulated in the second pixel group D (2, 2μ−1) are R pixels included in the pixel group D (1, 2μ−1) in the transfer cycle T, The G pixel and the R pixel are sequentially transferred to reach the storage unit 2s. The smear charges generated in the G pixels included in the first pixel group D (1, 2 μ−1) during this transfer period are very small, and are processed as being substantially equal to the smear charges generated in the other two R pixels. The effect is small even if it is performed. Therefore, the smear charge ΔQ (2, 2μ−1) superimposed on the information charge Q (2, 2μ−1) is calculated by Expression (10).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

3番目の画素群D(3,2μ−1)に蓄積された情報電荷Q(3,2μ−1)は、転送サイクルT毎に画素群D(2,2μ−1)及び画素群D(1,2μ−1)に含まれる画素を順に転送されて蓄積部2sに到達する。ここでも同様に、転送期間に2番目の画素群D(2,2μ−1)に含まれるRの画素で発生するスミア電荷は僅かであり、他の2つのGの画素で発生するスミア電荷とほぼ等しいものとして処理を行っても影響は小さい。そこで、情報電荷Q(3,2μ−1)に重畳されるスミア電荷ΔQ(3,2μ−1)を数式(11)で算出する。   The information charges Q (3, 2μ−1) accumulated in the third pixel group D (3, 2μ−1) are transferred to the pixel group D (2, 2μ−1) and the pixel group D (1) every transfer cycle T. , 2μ−1) are sequentially transferred to reach the storage unit 2s. Similarly, the smear charges generated in the R pixels included in the second pixel group D (2, 2 μ−1) during the transfer period are very small, and the smear charges generated in the other two G pixels are the same. Even if the processing is carried out on the assumption that they are almost equal, the effect is small. Therefore, the smear charge ΔQ (3, 2μ−1) superimposed on the information charge Q (3, 2μ−1) is calculated by Expression (11).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

これらを一般化して、nを2以上の整数として、画素群(n,2μ−1)に蓄積された情報電荷Q(n,2μ−1)に重畳されるスミア電荷ΔQ(n,2μ−1)を数式(12)で算出することができる。   These are generalized so that n is an integer of 2 or more and smear charge ΔQ (n, 2μ−1) superimposed on the information charge Q (n, 2μ−1) accumulated in the pixel group (n, 2μ−1). ) Can be calculated by Equation (12).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

従って、情報電荷Q(n,2μ−1)からスミア電荷ΔQ(n,2μ−1)を差し引くことによりスミア成分の影響を除去することができる。   Therefore, the influence of the smear component can be removed by subtracting the smear charge ΔQ (n, 2μ−1) from the information charge Q (n, 2μ−1).

なお、本実施の形態では、連続する9つの転送電極30−1〜30−9を1つの組として、転送電極30−1〜30−9の各々に対して異なるクロックパルスを供給することによって撮像部2iにおける撮像(情報電荷の蓄積)及び情報電荷の転送を制御したが、もちろん従来と同様に、1つの画素に対応する転送電極30−1〜30−3,30−4〜30−6,30−7〜30−9をそれぞれ1組として転送電極30−1,30−4,30−7と転送電極30−2,30−5,30−8と転送電極30−3,30−6,30−9とをそれぞれ同相のクロックパルスで制御することもできる。このように、連続する複数の画素に跨る転送電極を1組とした制御と1つの画素に対応する転送電極を1組とした制御とを切り替えることによって、低解像度の高速転送と高解像度の低速転送とを切り替えて撮影及び転送を行うこともできる。この場合、従来のオフセットスミア除去法を適用することによって、スミア成分を除去することができる。   In the present embodiment, nine consecutive transfer electrodes 30-1 to 30-9 are taken as one set, and imaging is performed by supplying different clock pulses to each of the transfer electrodes 30-1 to 30-9. Although the imaging (accumulation of information charges) and the transfer of information charges are controlled in the section 2i, of course, as in the conventional case, the transfer electrodes 30-1 to 30-3, 30-4 to 30-6 corresponding to one pixel. Transfer electrodes 30-1, 30-4, 30-7, transfer electrodes 30-2, 30-5, 30-8 and transfer electrodes 30-3, 30-6, each including 30-7 to 30-9 as one set. 30-9 can be controlled by clock pulses having the same phase. In this way, by switching between a control with a set of transfer electrodes across a plurality of consecutive pixels and a control with a set of transfer electrodes corresponding to one pixel, low-speed high-speed transfer and high-resolution low-speed It is also possible to perform shooting and transfer by switching between transfer and transfer. In this case, the smear component can be removed by applying a conventional offset smear removing method.

また、撮像部2iに機械的なシャッタが設けられている場合、動画のように低解像度の高速転送を連続して行うときにはシャッタを開放したまま連続して撮像を行うことができる。このような場合、蓄積部2sには従来のように撮像部2iと同一の画素数を配列する必要はなく、蓄積部2sの蓄積画素を纏めて、加算合成された情報電荷を蓄積できる容量を有する画素を配列することも可能である。例えば、撮像部2iにおいて転送方向に沿って3画素を纏めて情報電荷の蓄積を行う場合、蓄積部2sの転送方向に沿った画素数を従来の1/3にすることができる。従って、従来の蓄積部2sに比べて画素数を減らすことができ、CCD固体撮像素子202の構成をより小型化することができる。また、蓄積部2sの転送電極の制御もより簡易化することができる。なお、高解像度の静止画を撮影する場合には、従来通り3つの転送電極から構成される1画素単位の撮像を行い、撮像が終了した時点において機械的シャッタを閉じ、撮像部2iから直接水平転送部2hへと情報電荷を順次転送することによって高解像度の画像を得ることもできる。   In addition, when a mechanical shutter is provided in the imaging unit 2i, when performing high-speed transfer with low resolution continuously like a moving image, it is possible to continuously perform imaging with the shutter opened. In such a case, the storage unit 2s need not have the same number of pixels as the imaging unit 2i as in the conventional case, and the storage unit 2s has a capacity capable of storing the storage pixels of the storage unit 2s and storing the added and combined information charges. It is also possible to arrange pixels having the same. For example, when information charges are accumulated together in the transfer direction in the image pickup unit 2i, the number of pixels along the transfer direction of the storage unit 2s can be reduced to 1/3 of the conventional one. Therefore, the number of pixels can be reduced as compared with the conventional storage unit 2s, and the configuration of the CCD solid-state imaging device 202 can be further downsized. In addition, the control of the transfer electrode of the storage unit 2s can be simplified. Note that, when shooting a high-resolution still image, imaging is performed in units of one pixel composed of three transfer electrodes as before, and the mechanical shutter is closed at the time when the imaging is completed, and the image is taken directly from the imaging unit 2i. It is also possible to obtain a high-resolution image by sequentially transferring information charges to the transfer unit 2h.

なお、上記実施の形態では9つの転送電極に対して異なる9つのクロックパルスを供給することにより制御を行ったが、これに限定されるものではない。例えば、制御可能なクロックパルスの数を増やすことによって、より圧縮された画像をより高速に転送することも可能である。   In the above embodiment, the control is performed by supplying nine different clock pulses to the nine transfer electrodes. However, the present invention is not limited to this. For example, a more compressed image can be transferred at a higher speed by increasing the number of controllable clock pulses.

また、本実施の形態と同様に、CCD固体撮像素子202からの出力信号(電圧値等)に対してスミアの除去処理を行うこともできる。すなわち、CCD固体撮像素子202の出力信号は情報電荷Qに比例するので、出力信号に所定の係数を乗算した値を情報電荷Qとして処理すれば良い。   Similarly to the present embodiment, smear removal processing can also be performed on an output signal (voltage value, etc.) from the CCD solid-state imaging device 202. That is, since the output signal of the CCD solid-state imaging device 202 is proportional to the information charge Q, a value obtained by multiplying the output signal by a predetermined coefficient may be processed as the information charge Q.

また、本実施の形態では、フレームトランスファー型のCCD固体撮像素子を含む撮像装置を対象としたが本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、インターライン型のCCD固体撮像素子を含む撮像装置にも適用することができる。   In this embodiment, an imaging apparatus including a frame transfer type CCD solid-state imaging device is targeted. However, the scope of application of the present invention is not limited to this. For example, the present invention can also be applied to an imaging device including an interline CCD solid-state imaging device.

<変形例1>
また、上記実施の形態における撮像装置の制御を応用することによって、撮像時にポテンシャル井戸の飽和レベルを超える情報電荷が発生するような強い光が入射している場合においてもポテンシャル井戸が飽和しない場合に得られるべき理想的な情報電荷量を求めることもできる。
<Modification 1>
In addition, by applying the control of the imaging device in the above embodiment, when the potential well does not saturate even when strong light that generates information charges exceeding the saturation level of the potential well is incident during imaging. It is also possible to obtain an ideal information charge amount to be obtained.

図12に撮像時及び再配列時におけるタイミングチャートを示し、転送電極の制御について説明を行う。また、図13には、時刻T1〜T3における各転送電極30−1〜30−9下におけるポテンシャルの変化の様子を示す。横軸は撮像部2iにおける転送方向に沿った位置を示し、縦軸が各位置でのポテンシャルを示す。このとき、図中の下が正電位側、上が負電位側となる。 FIG. 12 shows a timing chart at the time of imaging and rearrangement, and the control of the transfer electrode will be described. Further, in FIG. 13 shows a change of the potential in each transfer electrode 30-1~30-9 lower at time T 1 through T 3. The horizontal axis indicates the position along the transfer direction in the imaging unit 2i, and the vertical axis indicates the potential at each position. At this time, the lower side in the figure is the positive potential side and the upper side is the negative potential side.

駆動ドライバ206は、タイミング制御回路204からの制御信号を受けて、クロックパルスφ1〜φ9をそれぞれ転送電極30−1〜30−9に印加する。CCD固体撮像素子202のN型半導体基板(N−SUB)10は基板電位Vsubに固定される。 In response to the control signal from the timing control circuit 204, the drive driver 206 applies clock pulses φ 1 to φ 9 to the transfer electrodes 30-1 to 30-9, respectively. The N-type semiconductor substrate (N-SUB) 10 of the CCD solid-state imaging device 202 is fixed to the substrate potential Vsub .

時刻T0では、クロックパルスφ1〜φ9の総てがオフとされ、図13に示すように、転送電極30−1〜30−9下にはポテンシャル井戸は形成されず、電荷は基板10へ排出される。時刻T1では、1組とされた画素群のうち一端の画素にポテンシャル井戸が形成されるようにクロックパルスが制御される。ここでは、クロックパルスφ2のみがオンとされ、転送電極30−2下にポテンシャル井戸が形成される。オン状態となった転送電極30−2の周囲に入射した光に応じて発生した情報電荷はこれらのポテンシャル井戸に蓄積される。次に、時刻T2では、1組とされた画素群のうち両端の画素にポテンシャル井戸が形成されるようにクロックパルスが制御される。ここでは、クロックパルスφ2に加えてφ8がオンとされ、転送電極30−2及び30−8下にポテンシャル井戸が形成される。オン状態となった転送電極30−2及び30−8の周囲に入射した光に応じて発生した情報電荷はこれらのポテンシャル井戸に蓄積される。時刻T3では、情報電荷の再配列が行われる。以下は、上記実施の形態の時刻T4以降と同様に情報電荷を転送することができる。 At time T 0 , all of the clock pulses φ 1 to φ 9 are turned off, and no potential well is formed under the transfer electrodes 30-1 to 30-9 as shown in FIG. Is discharged. At time T 1 , the clock pulse is controlled so that a potential well is formed in one pixel of a group of pixels. Here, only the clock pulse φ 2 is turned on, and a potential well is formed under the transfer electrode 30-2. Information charges generated in response to light incident on the periphery of the transfer electrode 30-2 in the on state are accumulated in these potential wells. Next, at time T 2 , the clock pulse is controlled so that potential wells are formed in the pixels at both ends of the pixel group made into one set. Here, in addition to the clock pulse φ 2 , φ 8 is turned on, and a potential well is formed under the transfer electrodes 30-2 and 30-8. Information charges generated in response to light incident around the transfer electrodes 30-2 and 30-8 in the on state are accumulated in these potential wells. At time T 3 , information charges are rearranged. In the following, information charges can be transferred in the same manner as after time T 4 in the above embodiment.

すなわち、撮像時において転送電極30−2の下には撮像期間Tsと等しいオンゲート期間THだけポテンシャル井戸が形成され、転送電極30−8の下にはオンゲート期間THより短いオンゲート期間TLだけポテンシャル井戸が形成される。 That is, during imaging, a potential well is formed under the transfer electrode 30-2 for an on-gate period T H equal to the imaging period Ts, and under the transfer electrode 30-8 for only an on-gate period T L shorter than the on-gate period T H. A potential well is formed.

このとき、タイミング制御回路204は、前回のフレームにおける最大信号強度に応じてオンゲート期間TH及びTLを制御することが好適である。最大信号強度が小さいほどオフゲート期間が長くなるように、最大信号強度が大きいほどオンゲート期間が長くなるように制御を行う。これは、連続して撮像される画像に含まれる最大信号強度は大きく変化しない傾向があることを利用して撮像期間の制御を行うものである。なお、前回の撮像から長時間が経過した場合や確実に十分なダイナミックレンジを確保したい場合には、一旦予備的に1フレームの画像を撮像及び出力して最大信号強度を検出し、その最大信号強度に基づいて撮像期間の設定を行った後に本番としての撮像を行うものとすることが好ましい。 At this time, it is preferable that the timing control circuit 204 controls the on-gate periods T H and T L according to the maximum signal strength in the previous frame. Control is performed such that the smaller the maximum signal strength, the longer the off-gate period, and the larger the maximum signal strength, the longer the on-gate period. This is to control the imaging period by utilizing the fact that the maximum signal intensity included in continuously captured images does not tend to change greatly. When a long time has elapsed since the previous imaging or when it is desired to ensure a sufficient dynamic range, a maximum image intensity is detected by temporarily capturing and outputting an image of one frame, and the maximum signal It is preferable to perform actual imaging after setting the imaging period based on the intensity.

撮像部2iの画素に入射される光が弱い場合、図14に示すように、単位時間当たりに各画素のポテンシャル井戸に蓄積される情報電荷(図14のラインEの傾き)は小さくなる。このような場合、オンゲート期間TH及びTLで蓄積される情報電荷QH,total及びQL,totalは各ポテンシャル井戸の飽和レベルQmaxよりも小さくなり、十分なダイナミックレンジを確保することができる。 When the light incident on the pixel of the imaging unit 2i is weak, as shown in FIG. 14, the information charge (inclination of the line E in FIG. 14) accumulated in the potential well of each pixel per unit time becomes small. In such a case, the information charges Q H, total and Q L, total accumulated in the on-gate periods T H and T L are smaller than the saturation level Q max of each potential well, so that a sufficient dynamic range can be secured. it can.

撮像部2iの画素に入射される光が強い場合、図15に示すように、単位時間当たりに画素に蓄積される情報電荷(図15のラインFの傾き)は大きくなり、長いオンゲート期間THだけオン状態となる転送電極30−2の下のポテンシャル井戸に蓄積される情報電荷QH,totalはポテンシャル井戸の飽和レベルを超える。一方、短いオンゲート期間TLだけオン状態となる転送電極30−7の下のポテンシャル井戸に蓄積される情報電荷QL,totalはポテンシャル井戸の飽和レベルを超えない。従って、情報電荷QH,totalとQL,totalとの和である出力情報電荷量Qtotalは、図15のラインGのようにニー特性を示す。 When the light incident on the pixel of the imaging unit 2i is strong, as shown in FIG. 15, the information charge accumulated in the pixel per unit time (the slope of the line F in FIG. 15) becomes large, and the long on-gate period T H The information charge Q H, total stored in the potential well under the transfer electrode 30-2 that is in the ON state only exceeds the saturation level of the potential well. On the other hand, the information charge Q L, total stored in the potential well below the transfer electrode 30-7 that is in the on state only for a short on-gate period T L does not exceed the saturation level of the potential well. Therefore, the output information charge amount Q total which is the sum of the information charges Q H, total and Q L, total shows knee characteristics as shown by the line G in FIG.

撮像部2iの画素に入射される光が弱い場合、長いオンゲート期間THで蓄積された情報電荷量QH,totalは出力情報電荷量Qtotalから数式(13)を用いて算出することができる。同様に、短いオンゲート期間TLで蓄積された情報電荷量QL,totalは出力情報電荷量Qtotalから数式(14)を用いて算出することができる。ただし、このようにして算出された情報電荷量QH,totalが飽和レベルQmaxを超える値として算出された場合には情報電荷量QH,total及び情報電荷量QL,totalは数式(15)及び(16)によりそれぞれ再計算する必要がある。CCD固体撮像素子202の撮像部2iにおける飽和レベルQmaxは予め求めておくことができる。 When the light incident on the pixels of the imaging unit 2i is weak, the information charge amount Q H, total accumulated in the long on-gate period T H can be calculated from the output information charge amount Q total by using Equation (13). . Similarly, short-gate period T L in the information charges accumulated amount Q L, total can be calculated from the output information charge amount Q total using Equation (14). However, when the information charge amount Q H, total calculated in this way is calculated as a value exceeding the saturation level Q max , the information charge amount Q H, total and the information charge amount Q L, total are expressed by the formula (15 ) And (16) need to be recalculated. The saturation level Q max in the imaging unit 2 i of the CCD solid-state imaging device 202 can be obtained in advance.

Figure 2005354580
Figure 2005354580

短いオンゲート期間TLに蓄積された情報電荷量QL,totalと、ポテンシャル井戸が飽和しない程度の十分な容量を有している場合に長いオンゲート期間THにおいて1画素分のポテンシャル井戸に蓄積されるべき理想的な情報電荷Qidealとの比QL,total/Qidealはオンゲート期間の比TL/THに等しくなる。従って、理想的な情報電荷量Qidealは数式(17)及び(18)に基づいて算出することができる。 When the information charge amount Q L, total accumulated in the short on-gate period T L and the potential well has a sufficient capacity not to saturate, it is accumulated in the potential well for one pixel in the long on-gate period T H. Rubeki ratio Q L of the ideal information charges Q ideal, total / Q ideal becomes equal to the ratio T L / T H of the on-gate period. Therefore, the ideal information charge amount Q ideal can be calculated based on Expressions (17) and (18).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

このとき、出力情報電荷量Qtotalとして上記実施の形態で算出されたスミア除去後の電荷量(例えば、n行(2μ−1)列の画素群D(n,2μ−1)からの出力情報電荷量Qtotal(n,2μ−1)=Q(n,2μ−1)−ΔQ(n,2μ−1)とする)を用いることによってスミア電荷の影響を排除した上で理想的な情報電荷Qidealを得ることができる。 At this time, the charge information after smear removal calculated in the above embodiment as the output information charge amount Q total (for example, output information from the pixel group D (n, 2 μ−1) in n rows (2 μ−1) columns) By using the charge amount Q total (n, 2 μ−1) = Q (n, 2 μ−1) −ΔQ (n, 2 μ−1)), the information charge is ideal after eliminating the effect of smear charges. Q ideal can be obtained.

このように、予め1画素当たりのポテンシャル井戸の飽和レベルQmax(又は、飽和レベルQmaxに相当する出力信号値)を調べておくことによって、撮像期間に蓄積されるべき理想的な出力情報電荷量Qitotalを求めることができる。 In this way, by checking the saturation level Q max of the potential well per pixel (or the output signal value corresponding to the saturation level Q max ) in advance, an ideal output information charge to be accumulated in the imaging period. The quantity Q itotal can be determined.

なお、変形例1と同様に、CCD固体撮像素子202からの出力信号から理想的な出力信号Sidealを求めることもできる。すなわち、理想的な出力信号Sidealは情報電荷量Qitotalに比例する信号であるので、情報電荷量Qitotalに所定の係数を掛けることにより出力信号Sidealを算出することができる。 Similar to the first modification, the ideal output signal S ideal can be obtained from the output signal from the CCD solid-state imaging device 202. That is, the ideal output signal S ideal since is a signal proportional to the information amount of charge Q Itotal, it is possible to calculate the output signal S ideal by applying a predetermined coefficient information charge amount Q Itotal.

以上のように、本変形例によれば、1組の画素群において異なるオンゲート期間TH及びTLで情報電荷を蓄積することによって、撮像部2iの画素に入射される光が強い場合でも、光の強度に応じた正しい情報電荷量や出力信号を求めることができる。従って、画像信号において十分なダイナミックレンジを得ることができる。 As described above, according to the present modification, even when the light incident on the pixels of the imaging unit 2i is strong by accumulating information charges in different on-gate periods T H and T L in one set of pixel groups, The correct information charge amount and output signal according to the light intensity can be obtained. Therefore, a sufficient dynamic range can be obtained in the image signal.

<変形例2>
さらに、上記変形例1にオフセットスミア除去法を組み合わせることもできる。
<Modification 2>
Furthermore, the modified example 1 can be combined with an offset smear removing method.

例えば、撮像時において転送電極30−2の下には撮像期間Tsと等しいオンゲート期間THだけポテンシャル井戸が形成され、転送電極30−8の下には撮像期間Tsの1/4の短いオンゲート期間TLだけポテンシャル井戸が形成されたものとし、1組の転送電極30−1〜30−3,30−4〜30−6,30−7〜30−9の各々の画素を通過する際の時間が転送時間Tであるとする。 For example, during imaging, a potential well is formed under the transfer electrode 30-2 for an on-gate period T H equal to the imaging period Ts, and under the transfer electrode 30-8, an on-gate period that is ¼ of the imaging period Ts. It is assumed that the potential well is formed by TL, and the time required to pass through each pixel of one set of transfer electrodes 30-1 to 30-3, 30-4 to 30-6, and 30-7 to 30-9. Is the transfer time T.

このとき、転送電極30−1〜30−9における実質的な撮像期間はTH+TL=Ts+Ts/4=5Ts/4で表される。そこで、数式(6),(7)及び(12)を変形して、スミア電荷ΔQ(n,2μ−1)を数式(19)〜(21)で表すことができる。 At this time, the substantial imaging period in the transfer electrodes 30-1 to 30-9 is represented by T H + T L = Ts + Ts / 4 = 5Ts / 4. Therefore, the formulas (6), (7), and (12) can be modified to express the smear charge ΔQ (n, 2μ−1) by the formulas (19) to (21).

Figure 2005354580
Figure 2005354580

“撮像時において実質的に有効な電極数Neff”を、転送電極30−1〜30−9について、撮像時において各電極がオンされている実質的な時間の積算値を撮像期間Tsで除算した値で定義する。そうすると、実質的な撮像期間TH+TLは撮像期間Ts×(撮像時において実質的に有効な電極数Neff)として表すことができる。従って、転送電極30−1〜30−9の組に含まれる画素群数Npとして、数式(19)〜(21)を一般化すると数式(22)〜(24)で表すことができる。 “Substantially effective number of electrodes N eff at the time of imaging” is divided by the imaging period Ts, for the transfer electrodes 30-1 to 30-9, the integrated value of the substantial time that each electrode is turned on at the time of imaging. Define the value with Then, the substantial imaging period T H + TL can be expressed as the imaging period Ts × (the number of effective electrodes N eff at the time of imaging). Therefore, when the formulas (19) to (21) are generalized as the number of pixel groups N p included in the set of the transfer electrodes 30-1 to 30-9, they can be expressed by the formulas (22) to (24).

Figure 2005354580
Figure 2005354580
Figure 2005354580
Figure 2005354580

従って、情報電荷Q(n,2μ−1)からスミア電荷ΔQ(n,2μ−1)を差し引くことによりスミア成分の影響を除去することができる。   Therefore, the influence of the smear component can be removed by subtracting the smear charge ΔQ (n, 2μ−1) from the information charge Q (n, 2μ−1).

以上のように、本変形例によれば、1組の画素群において異なるオンゲート期間TH及びTLで情報電荷を蓄積して入射光が強い場合に光の強度に応じた正しい情報電荷量や出力信号を求める場合においても、予めオフセットスミア除去法によってスミアを除去した上で正しい情報電荷量や出力信号を求めることができる。従って、画像信号において十分なダイナミックレンジをより正しく得ることができる。 As described above, according to this modification, when information charges are accumulated in different on-gate periods T H and T L in one set of pixel groups and the incident light is strong, the correct information charge amount according to the light intensity and Even in the case of obtaining the output signal, it is possible to obtain the correct information charge amount and output signal after removing the smear in advance by the offset smear removal method. Therefore, a sufficient dynamic range can be obtained more correctly in the image signal.

本発明の実施の形態における撮像装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the imaging device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるCCD固体撮像素子の撮像部の内部構成の平面図を示す図である。It is a figure which shows the top view of the internal structure of the imaging part of the CCD solid-state image sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるCCD固体撮像素子の撮像部の内部構成の断面図を示す図である。It is a figure which shows sectional drawing of the internal structure of the imaging part of the CCD solid-state image sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるCCD固体撮像素子の撮像部の内部構成の断面図を示す図である。It is a figure which shows sectional drawing of the internal structure of the imaging part of the CCD solid-state image sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるCCD固体撮像素子のカラーフィルタの配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the color filter of the CCD solid-state image sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるCCD固体撮像素子のカラーフィルタの配列を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | sequence of the color filter of the CCD solid-state image sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるCCD固体撮像素子に供給されるクロックパルスのタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the clock pulse supplied to the CCD solid-state image sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における各転送電極下のポテンシャルの状態変化を示す図である。It is a figure which shows the state change of the potential under each transfer electrode in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるCCD固体撮像素子に供給されるクロックパルスのタイミングチャートの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the timing chart of the clock pulse supplied to the CCD solid-state image sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるCCD固体撮像素子の各転送電極下のポテンシャルの状態変化を示す図である。It is a figure which shows the state change of the potential under each transfer electrode of the CCD solid-state image sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるスミア除去の方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of the smear removal in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例1におけるCCD固体撮像素子に供給されるクロックパルスのタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the clock pulse supplied to the CCD solid-state image sensor in the modification 1 of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例1における各転送電極下のポテンシャルの状態変化を示す図である。It is a figure which shows the state change of the potential under each transfer electrode in the modification 1 of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例1における撮像期間における情報電荷の蓄積の様子を説明する図である。It is a figure explaining the mode of accumulation | storage of the information charge in the imaging period in the modification 1 of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例1における撮像期間における情報電荷の蓄積の様子を説明する図である。It is a figure explaining the mode of accumulation | storage of the information charge in the imaging period in the modification 1 of embodiment of this invention. 従来の撮像装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional imaging device. 従来のCCD固体撮像素子の撮像部の内部構成の平面図を示す図である。It is a figure which shows the top view of the internal structure of the imaging part of the conventional CCD solid-state image sensor. 撮像時における情報電荷の蓄積を説明する図である。It is a figure explaining accumulation | storage of the information charge at the time of imaging. 従来のCCD固体撮像素子における撮像時及び転送時に転送電極へ供給されるクロックパルスのタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart of the clock pulse supplied to the transfer electrode at the time of the imaging in the conventional CCD solid-state image sensor, and transfer.

符号の説明Explanation of symbols

2d 出力部、2i 撮像部、2h 水平転送部、2s 蓄積部、9 半導体基板、10 半導体基板(N−SUB)、11,12 ウェル、13 絶縁膜、14 分離領域、22 チャネル領域、24 転送電極、30 転送電極、32 フィルタ、34 画素の列、50 ポテンシャル井戸、100 撮像装置、102 CCD固体撮像素子、104 タイミング制御回路、106 駆動ドライバ、200 撮像装置、202 CCD固体撮像素子、204 タイミング制御回路、206 駆動ドライバ、208 出力信号処理部。   2d output unit, 2i imaging unit, 2h horizontal transfer unit, 2s storage unit, 9 semiconductor substrate, 10 semiconductor substrate (N-SUB), 11, 12 well, 13 insulating film, 14 isolation region, 22 channel region, 24 transfer electrode , 30 transfer electrode, 32 filter, 34 pixel row, 50 potential well, 100 imaging device, 102 CCD solid-state imaging device, 104 timing control circuit, 106 drive driver, 200 imaging device, 202 CCD solid-state imaging device, 204 timing control circuit 206 Drive driver, 208 Output signal processing unit.

Claims (5)

外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素と、
前記画素毎に情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極と、を備え、
前記転送電極の作用により、前記画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を蓄積及び転送する撮像部、を含む撮像装置であって、
情報電荷の転送方向に沿って連続する所定数の画素群毎を組として、
撮像時には、前記組とされた画素群に含まれる実質的に互いに分離された複数の画素、に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、
転送時には、前記組とされた画素群に蓄積された情報電荷を加算合成して、前記組とされた画素群が備える転送電極のうち情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の転送電極に実質的に同相のクロックパルスを印加することによって情報電荷を転送し、
転送時において前記組とされた各画素群を通過する際に情報電荷に加算されるスミア成分を、転送時において前記組とされた各画素群を情報電荷が通過する転送サイクルTと前記撮像時の撮像期間Tsとの比に基づいて算出することを特徴とする撮像装置。
A plurality of pixels that generate information charges by receiving light from the outside;
A plurality of transfer electrodes extended in a direction crossing the information charge transfer direction for each pixel,
An imaging device including an imaging unit that accumulates and transfers information charges generated in response to light incident on the pixel by the action of the transfer electrode,
A set of a predetermined number of pixel groups that are continuous along the information charge transfer direction,
At the time of imaging, information charges are accumulated in a potential well formed in a plurality of pixels substantially separated from each other included in the set of pixels,
At the time of transfer, the information charges accumulated in the set of pixel groups are added and synthesized, and among the transfer electrodes included in the set of pixel groups, a plurality of transfer electrodes continuous in the information charge transfer direction are provided. Transferring information charges by applying substantially in-phase clock pulses,
The smear component added to the information charges when passing through each of the pixel groups that are set during the transfer is the transfer cycle T in which the information charges pass through each of the pixel groups that are set during the transfer and during the imaging. An imaging device that is calculated based on a ratio to the imaging period T s .
外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素と、前記画素毎に情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極と、を備え、
前記画素が行列配置され、前記転送電極の作用により、前記画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を蓄積及び転送する撮像部、を含む撮像装置であって、
情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の画素毎を画素群D(x,y)(但し、行x及び列yは1以上の整数)として、
撮像時には、前記画素群D(x,y)に含まれる画素に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、
転送時には、前記画素群D(x,y)に蓄積された情報電荷を情報電荷Q(x,y)として加算合成して、前記画素群D(x,y)が備える転送電極のうち情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の転送電極に実質的に同相のクロックパルスを印加することによって転送し、
nを1以上の整数とした場合に、
転送時において各画素群D(x,y)を情報電荷が通過する転送サイクルT、前記撮像時の撮像期間Ts、撮像時において実質的に有効な電極数Neff及び組となる画素群数Npとに基づいて、
前記画素群D(2n+1,y)から転送されてくる情報電荷Q(2n+1,y)に重畳されるスミア成分ΔQ(2n+1,y)を、
Figure 2005354580
前記画素群D(2n+2,y)から転送されてくる情報電荷Q(2n+2,y)に重畳されるスミア成分ΔQ(2n+2,y)を、
Figure 2005354580
(但し、ΔQ(1,y)=ΔQ(2,y)=0)
として算出する処理を行うことを特徴とする撮像装置。
A plurality of pixels that receive light from the outside to generate information charges, and a plurality of transfer electrodes that extend in a direction that intersects the information charge transfer direction for each pixel,
An imaging device including an imaging unit in which the pixels are arranged in a matrix and stores and transfers information charges generated in response to light incident on the pixels by the action of the transfer electrodes,
A plurality of pixels that are continuous along the information charge transfer direction are defined as a pixel group D (x, y) (where row x and column y are integers of 1 or more),
At the time of imaging, information charges are accumulated in the potential wells formed in the pixels included in the pixel group D (x, y),
At the time of transfer, the information charges accumulated in the pixel group D (x, y) are added and synthesized as information charges Q (x, y), and the information charges out of the transfer electrodes provided in the pixel group D (x, y). Transfer by applying substantially in-phase clock pulses to a plurality of transfer electrodes that are continuous along the transfer direction of
When n is an integer of 1 or more,
The transfer cycle T in which information charges pass through each pixel group D (x, y) at the time of transfer, the imaging period T s at the time of imaging, the number of effective electrodes N eff at the time of imaging, and the number of pixel groups to be paired Based on N p
A smear component ΔQ (2n + 1, y) superimposed on the information charge Q (2n + 1, y) transferred from the pixel group D (2n + 1, y) is
Figure 2005354580
A smear component ΔQ (2n + 2, y) superimposed on the information charge Q (2n + 2, y) transferred from the pixel group D (2n + 2, y) is
Figure 2005354580
(However, ΔQ (1, y) = ΔQ (2, y) = 0)
An imaging apparatus that performs a process of calculating as follows.
外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素と、前記画素毎に情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極と、を備え、
前記画素が行列配置され、前記転送電極の作用により、前記画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を蓄積し、外部からの光が遮断された領域へ転送する、撮像部を含む撮像装置であって、
情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の画素毎を画素群D(x,y)(但し、x及びyは1以上の整数)として、
撮像時には、前記画素群D(x,y)に含まれる画素に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、
転送時には、前記画素群D(x,y)に蓄積された情報電荷を情報電荷Q(x,y)として加算合成して、前記画素群D(x,y)が備える転送電極のうち情報電荷の転送方向に沿って連続する複数の転送電極に実質的に同相のクロックパルスを印加することによって転送し、
nを2以上の整数とした場合に、
転送時において各画素群D(x,y)を情報電荷が通過する転送サイクルT、前記撮像時の撮像期間Ts、撮像時において実質的に有効な電極数Neff及び組となる画素群数Npとに基づいて、
前記画素群D(n,y)から転送されてくる情報電荷Q(n,y)に重畳されるスミア成分ΔQ(n,y)を、
Figure 2005354580
(但し、ΔQ(1,y)=0)
として算出する処理を行うことを特徴とする撮像装置。
A plurality of pixels that receive light from the outside to generate information charges, and a plurality of transfer electrodes that extend in a direction that intersects the information charge transfer direction for each pixel,
Including an imaging unit in which the pixels are arranged in a matrix, the information charges generated in response to the light incident on the pixels are accumulated by the action of the transfer electrodes, and transferred to an area where light from the outside is blocked An imaging device,
A plurality of pixels continuous along the information charge transfer direction is defined as a pixel group D (x, y) (where x and y are integers of 1 or more).
At the time of imaging, information charges are accumulated in the potential wells formed in the pixels included in the pixel group D (x, y),
At the time of transfer, the information charges accumulated in the pixel group D (x, y) are added and synthesized as information charges Q (x, y), and the information charges out of the transfer electrodes provided in the pixel group D (x, y). Transfer by applying substantially in-phase clock pulses to a plurality of transfer electrodes continuous along the transfer direction of
When n is an integer of 2 or more,
The transfer cycle T in which information charges pass through each pixel group D (x, y) during transfer, the imaging period T s during imaging, the number of effective electrodes N eff during imaging, and the number of pixel groups forming a set Based on N p
A smear component ΔQ (n, y) superimposed on the information charge Q (n, y) transferred from the pixel group D (n, y) is
Figure 2005354580
(However, ΔQ (1, y) = 0)
An imaging apparatus that performs a process of calculating as follows.
請求項2又は3に記載の撮像装置において、
前記画素は、異なる2つ以上の波長領域のいずれかに応答して情報電荷を生成する複数の画素であり、2つの波長領域に対応する画素が転送方向に沿って交互に繰り返すように行列配置され、
前記画素群D(x,y)は、情報電荷の転送方向に沿って連続する3画素毎を1組として、撮像時には前記画素群D(x,y)に含まれる同一の波長領域に対応する画素に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積することを特徴とする撮像装置。
In the imaging device according to claim 2 or 3,
The pixels are a plurality of pixels that generate information charges in response to one of two or more different wavelength regions, and are arranged in a matrix so that pixels corresponding to the two wavelength regions are alternately repeated along the transfer direction. And
The pixel group D (x, y) corresponds to the same wavelength region included in the pixel group D (x, y) at the time of imaging, with each set of three consecutive pixels along the information charge transfer direction as one set. An image pickup apparatus that stores information charges in a potential well formed in a pixel.
請求項4に記載の撮像装置において、
撮像時に、前記画素群D(x,y)の各々に含まれる少なくとも2つの画素に対して互いに異なる撮像期間だけポテンシャル井戸を形成して情報電荷を蓄積することを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 4,
An image pickup apparatus for storing information charges by forming a potential well for at least two pixels included in each of the pixel groups D (x, y) during different image pickup periods during image pickup.
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