JP2006174024A - 固体撮像素子の駆動方法およびそれを用いた固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像装置において高速シャッタ領域から低速シャッタ領域にわたり高精度に露光時間制御を行うことを目的とする。
【解決手段】 固体撮像素子において電子シャッタパルスを垂直、水平ブランキングの期間内、期間外に関わらない、任意の期間に印加することにより、露光を開始し、メカシャッタの閉動作により露光を終了する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、高解像度電子スチルカメラ等の高画素数の固体撮像素子を備えた固体撮像装置において、電子シャッタ機能を用いた露光時間制御により、静止画撮影時の画像品質を向上させることができる固体撮像素子の駆動方法およびそれを用いた固体撮像装置に関するものである。

固体撮像素子の電子シャッタ機能については、特許番号第２５６５２４７号において、基板掃き出し方式の電子シャッタを使った動作が開示されているが、信号出力時に電子シャッタパルスを印加すると、電子シャッタパルスによるノイズが出力信号に発生するため、特許出願公告番号特公平７−５９０５５のように、信号を出力していない水平ブランキング期間に電子シャッタパルスを印加する方法や、特許番号 第２６０５２９４号のように、垂直ブランキング期間の任意の位置に電子シャッタパルスを印加する方法が開示されている。
特登録２５６５２４７号公報 特公平０７−５９０５５号公報 特登録２６０５２９４号公報

しかしながら、従来の基板掃き出し方式の電子シャッタを使った動作では、垂直映像期間の水平映像期間において、電子シャッタパルスを印加できないという問題があった。

これにより、垂直映像期間の電子シャッタパルスは、水平ブランキング期間に印加するため、必要な露光時間と実際の露光期間の間に、最大で水平同期期間の１／２の誤差が生じることになる。

また、露光期間を垂直映像期間に設定した場合、水平同期期間より短い高速シャッタの設定が行えないという問題がある。

さらに、固体撮像素子の水平画素数が大きくなると、水平映像期間が長くなって、精度の高い露光時間制御ができなくなるという問題もある。

本発明によれば、１）半導体基板上に形成され、光電変換により発生した電荷を蓄積する画素、前記画素の電荷を転送する電荷転送素子および前記電荷転送素子により転送されてきた電荷を信号として出力する出力回路からなり、前記半導体基板にパルス状の電圧を印加することにより前記画素に蓄積する電荷を前記半導体基板に掃き出すことができる固体撮像素子の駆動方法において、前記固体撮像素子の前面に光を遮ることのできるメカニカルシャッタを備えること、前記メカニカルシャッタが閉じる前に、前記パルス状の電圧を印加することにより前記画素に蓄積する電荷を前記半導体基板に掃き出すこと、前記半導体基板にパルス状の電圧を印加してから、前記メカニカルシャッタが閉じるまでに前記画素に蓄積された電荷を前記電荷転送素子により転送すること、および、前記固体撮像素子の出力回路から光電変換により発生した電荷を信号として出力している期間に、前記メカニカルシャッタが閉じる前のパルス状の電圧を印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。

２）上記第一項記載の固体撮像素子の駆動方法において、前記メカニカルシャッタが閉じる前のパルス状の電圧を、任意の間隔で複数回印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。

３）上記第一項記載の固体撮像素子の駆動方法において、前記固体撮像素子の駆動タイミングが、垂直ブランキング期間および垂直映像期間からなる垂直同期期間、および、水平ブランキング期間および水平映像期間からなる水平同期期間から構成されていること、および、前記メカニカルシャッタが前記垂直映像期間に閉じることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。

４）半導体基板上に形成され、光電変換により発生した電荷を蓄積する画素、前記画素の電荷を転送する電荷転送素子および前記電荷転送素子により転送されてきた電荷を信号として出力する出力回路からなり、前記半導体基板にパルス状の電圧を印加することにより前記画素に蓄積する電荷を前記半導体基板に掃き出すことができる固体撮像素子を駆動する駆動手段を備えた固体撮像装置において、前記固体撮像素子の前面に光を遮ることのできるメカニカルシャッタを備えること、前記駆動手段により、前記メカニカルシャッタが閉じる前に、前記パルス状の電圧を印加することにより前記画素に蓄積する電荷を前記半導体基板に掃き出すこと、前記駆動手段により、前記半導体基板にパルス状の電圧を印加してから、前記メカニカルシャッタが閉じるまでに前記画素に蓄積された電荷を前記電荷転送素子により転送すること、および、前記駆動手段により、前記固体撮像素子の出力回路から光電変換により発生した電荷を信号として出力している期間に、前記メカニカルシャッタが閉じる前のパルス状の電圧を印加することを特徴とする固体撮像装置。

５）上記第四項記載の固体撮像装置において、前記駆動手段により、前記メカニカルシャッタが閉じる前のパルス状の電圧を、任意の間隔で複数回印加することを特徴とする固体撮像装置。

６）上記第四項記載の固体撮像装置において、前記駆動手段が、垂直ブランキング期間および垂直映像期間からなる垂直同期期間、および、水平ブランキング期間および水平映像期間からなる水平同期期間から構成されるタイミングで、前記固体撮像素子を駆動すること、および、前記メカニカルシャッタが前記垂直映像期間に閉じることを特徴とする固体撮像装置。
を用いることにより、上記問題点を解決することができる。

以上述べたように、本発明によれば、高解像度電子スチルカメラ等の高画素数の固体撮像素子を備えた固体撮像装置において、メカニカルシャッタおよび基板掃き出し方式の電子シャッタ機能を用いること、および、垂直映像期間の水平映像期間においても電子シャッタパルスを印可することにより、必要な露光時間をそのまま実際の露光期間に設定することが可能になり、誤差のない露光時間制御が実現できるので、静止画撮影時の画像品質を向上させることができる。

また、本発明によれば、メカニカルシャッタが閉じるタイミングを垂直映像期間に設定した場合でも、垂直映像期間の水平映像期間において電子シャッタパルスを印可することにより、水平同期期間より短い高速シャッタの設定を行うことができるので、静止画撮影時の画像品質を向上させることができる。

さらに、本発明によれば、固体撮像素子の水平画素数が大きくなった場合でも、垂直映像期間の水平映像期間において電子シャッタパルスを印可することにより、誤差のない露光時間制御が実現できるので、静止画撮影時の画像品質を向上させることができる。

図１、図２、図３、図４、および、図５を用いて、本実施例を説明する。

図１にインターライン型全画素読み出し固体撮像素子の概略図を示す。１が、画素、２が、垂直電荷転送素子、３が、水平電荷転送素子、４が、出力部、５が信号出力端子となっている。画素１で光電変換された信号電荷は、読み出しパルスにより垂直電荷転送素子２に送られ、４相駆動パルスφＶ１、φＶ２、φＶ３およびφＶ４により水平電荷転送素子３の方向へ順に転送される。水平電荷転送素子３は、垂直電荷転送素子２から転送されて来た１行分の信号電荷を２相駆動パルスφＨ１およびφＨ２により出力部４に転送し、出力部４で、電圧に変換され信号出力端子５から出力される。

図２は、図１の固体撮像素子で使用した色フィルタアレイの一部を示している。第１の色フィルタを赤（Ｒ）、第２の色フィルタを緑（Ｇ）、第３の色フィルタを緑（Ｇ）、第４の色フィルタを青（Ｂ）とした場合を示している。この色フィルタアレイの配列は、原色の色フィルタ配列のなかでも、とくに、ベイヤ配列と呼ばれるもので、高い解像度と優れた色再現性を備えた色フィルタ配列である。

図３は、図１の固体撮像素子の一部を模式的に示したもので、画素１には、図２に示した色フィルタアレイを配置している。垂直電荷転送素子２は、それぞれ、４相駆動パルスφＶ１、φＶ２、φＶ３およびφＶ４の加わる転送電極を電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４で示し、水平電荷転送素子３は、それぞれ、２相駆動パルスφＨ１およびφＨ２の加わる転送電極を電極Ｈ１およびＨ２で示している。ここで、垂直電荷転送素子２の転送方向は、下方向、水平電荷転送素子３の転送方向は、左方向である。さらに、画素１で光電変換された信号電荷を垂直電荷転送素子２に読み出すパルスは、垂直電荷転送電極と読み出し電極を兼ねているＶ１に印加している。

図４に、本実施例の固体撮像装置のブロック図を示す。１１が、レンズ・絞りからなる光学系、１２が、メカニカルシャッタ（メカシャッタと図示する）、１３が、固体撮像素子、１４が、光学系１１、メカニカルシャッタ１２および固体撮像素子１３の駆動回路、１５が、電子シャッタパルス発生回路、１６が、信号処理回路、１７が、固体撮像素子１３が出力した信号を記憶できる画像メモリ、１８が、画像表示装置、１９が、固体撮像装置全体を制御する同期制御回路となっている。駆動回路１４は、定電圧やドライブ能力を強化させたパルスを供給することで、光学系１１、メカニカルシャッタ１２および固体撮像素子１３を動作させる。電子シャッタパルス発生回路１５は、駆動回路１４から、電源の供給を受け、同期制御回路１９からの制御信号により、電子シャッタパルスを固体撮像素子１３に印加する。本実施例においては、電子シャッタパルス発生回路１５を駆動回路１４とは別に設けているが、駆動回路１４に含まれていても良い。信号処理回路１６は、固体撮像素子１３の各画素毎に出力されるＲ・Ｇ・Ｂ信号をカラー画像に変換する原色画像信号処理を行う。画像・メモリ１７は、ディジタル信号に変換された固体撮像素子１３からの信号や、画像信号処理されたカラー画像を一時的に記憶しておくことができる。画像表示装置１８は、撮影前の構図決めや、撮影された後の画像の確認を行い、電子ビューファインダーや液晶ディスプレイが用いられる。同期制御回路１９は、図４で示す固体撮像装置の範囲の外側からの指示、例えば、固体撮像装置の電源スイッチが入った時、撮影前の画像表示が指示された時、撮影が指示された時に、固体撮像装置全体を制御する。

図５に、本実施例のタイミングチャートを示す。ＶＤは、垂直同期期間を示す垂直同期信号で、Ｌｏｗが垂直ブランキング期間、Ｈｉｇｈが垂直映像期間を示している。ＨＤは、水平同期期間を示す水平同期信号で、Ｌｏｗが水平ブランキング期間、Ｈｉｇｈが水平映像期間を示している。メカニカルシャッタ１２の状態（メカシャッタと図示する）は、Ｈｉｇｈが開いている期間、Ｌｏｗが閉じている期間を示している。ここで、２１が、メカニカルシャッタ１２が閉じたタイミングとなっている。電子シャッタパルスは、Ｈｉｇｈで示している。ここで、２２が、電子シャッタパルスの最後となっており、それ以前の電子シャッタパルスが、水平ブランキング期間に印加されているのに対して、ここだけは、水平映像期間に印加されている。φＶ１、φＶ２、φＶ３およびφＶ４は、それぞれ、垂直電荷転送素子２に加えられる４相の垂直転送パルスを示している。ここで、２３が、不要信号出力となる電荷を画素１から垂直電荷転送素子２に読み出す読み出しパルス、２４が、静止画信号出力となる電荷を画素１から垂直電荷転送素子２に読み出す読み出しパルスとなっている。

次に、図５のタイミングチャートを用いて、本実施例の動作を説明する。

静止画撮影が同期制御回路１９に指示された場合、同期制御回路１９が露光時間を計算し、露光期間を設定する垂直期間を決定する。この垂直期間に対して、メカニカルシャッタ１２が閉じるタイミング２１および最後の電子シャッタパルス２２の位置を決定する。これにより露光期間が決定される。本実施例においては、メカニカルシャッタ１２が閉じるタイミング２１から露光期間だけ逆算した位置が、水平ブランキング期間ではなく水平映像期間となっている。

まず、読み出しパルス２３により、画素１に蓄積されている不要電荷を垂直電荷転送素子２に読み出す。次に、電子シャッタパルス発生回路１５により、電子シャッタパルスを発生させる。そして、メカニカルシャッタ１２が閉じるタイミング２１から露光期間だけ逆算した位置に最後の電子シャッタパルス２２を発生する。その後、メカニカルシャッタ１２がタイミング２１で閉じることで露光期間が終了する。露光期間において画素１に蓄積した電荷は、次の垂直同期期間の読み出しパルス２４により垂直電荷転送素子２に読み出され、この垂直同期期間の間に信号出力端子５から静止画信号出力として出力される。信号出力端子５から出力された静止画信号出力は、図４で説明した動作により、画像メモリ１７に記憶させたり、画像表示装置１８に表示させたりすることができる。

また、図５によると、最後の電子シャッタパルス２２は水平映像期間に印加されている。従来例においては、垂直映像期間の電子シャッタパルスは、水平ブランキング期間に発生させるが、本実施例では、必要な露光時間に等しくなるように実際の露光期間を設定することができる。この時、信号出力端子５から出力される信号には、最後の電子シャッタパルス２２によるノイズが発生しているが、静止画として撮影している静止画信号出力ではなく、不要信号出力であるため、不具合とはならない。また、最後の電子シャッタパルス２２以前に、複数の電子シャッタパルスを印加しているため、画素１の電荷を確実に基板に掃き出すという効果もある。そして、その回数と水平同期期間内の位置については、本実施例と異なっていても良い。

さらに、図５においては、メカニカルシャッタ１２が閉じるタイミング２１が、垂直映像期間に設定されている。従来例においては、水平同期期間より短い高速シャッタ時の露光期間の設定は、垂直ブランキング期間でしか行うことができず、垂直映像期間の電子シャッタパルスは、水平ブランキング期間に発生させるため、露光期間の設定も水平同期期間刻みになってしまう。しかしながら、本実施例では、必要な露光時間に等しくなるように実際の露光期間を設定することができるため垂直映像期間においても水平同期期間より短い高速シャッタ時の露光期間を設定できる。

なお、本実施例の図５を用いた動作説明において、露光期間を設定する垂直期間を一つの垂直同期期間としたが、複数の垂直同期期間にまたがっても良い。また、露光期間を設定した時の最後の電子シャッタパルス２２の位置は、露光時間によっては、水平ブランキング期間であっても良い。

また、本実施例の図１に示した固体撮像素子においては、水平方向および垂直方向の画素数を少なく図示しているが、本発明は、総画素数で１００万画素を越える固体撮像素子に対しても実施可能である。

さらに、本実施例においては、インターライン型全画素読み出し固体撮像素子を用いたが、本発明は、全画素の電荷を複数の垂直同期期間に分けて出力する固体撮像素子に対しても実施可能である。

実施例における固体撮像素子の概略を示す図。 実施例に使用した色フィルタアレイを示す図。 実施例における固体撮像素子を模式的に表した図。 実施例における固体撮像装置のブロック図。 実施例におけるタイミングチャートを示す図。

符号の説明

１ 画素
２ 垂直電荷転送素子
３ 水平電荷転送素子
４ 出力部
５ 信号出力端子
１１ 光学系
１２ メカニカルシャッタ
１３ 固体撮像素子
１４ 駆動回路
１５ 電子シャッタパルス発生回路
１６ 信号処理回路
１７ 画像メモリ
１８ 画像表示装置
１９ 同期制御回路
２１ メカニカルシャッタが閉じたタイミング
２２ 最後に印加される電子シャッタパルス
２３ 不要信号となる電荷の読み出しパルス
２４ 静止画信号となる電荷の読み出しパルス
φＶ１、φＶ２、φＶ３およびφＶ４ 垂直電荷転送素子の駆動パルス
φＨ１、φＨ２ 水平電荷転送素子の駆動パルス
ＶＤ 垂直同期信号
ＨＤ 水平同期信号

Claims (6)

1. 半導体基板上に形成され、光電変換により発生した電荷を蓄積する画素、前記画素の電荷を転送する電荷転送素子および前記電荷転送素子により転送されてきた電荷を信号として出力する出力回路からなり、
   前記半導体基板にパルス状の電圧を印加することにより前記画素に蓄積する電荷を前記半導体基板に掃き出すことができる固体撮像素子の駆動方法において、
   前記固体撮像素子の前面に光を遮ることのできるメカニカルシャッタを備えること、
   前記メカニカルシャッタが閉じる前に、前記パルス状の電圧を印加することにより前記画素に蓄積する電荷を前記半導体基板に掃き出すこと、
   前記半導体基板にパルス状の電圧を印加してから、前記メカニカルシャッタが閉じるまでに前記画素に蓄積された電荷を前記電荷転送素子により転送すること、および、前記固体撮像素子の出力回路から光電変換により発生した電荷を信号として出力している期間に、前記メカニカルシャッタが閉じる前のパルス状の電圧を印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
2. 上記第一項記載の固体撮像素子の駆動方法において、
   前記メカニカルシャッタが閉じる前のパルス状の電圧を、任意の間隔で複数回印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
3. 上記第一項記載の固体撮像素子の駆動方法において、
   前記固体撮像素子の駆動タイミングが、垂直ブランキング期間および垂直映像期間からなる垂直同期期間、および、水平ブランキング期間および水平映像期間からなる水平同期期間から構成されていること、および、前記メカニカルシャッタが前記垂直映像期間に閉じることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
4. 半導体基板上に形成され、光電変換により発生した電荷を蓄積する画素、前記画素の電荷を転送する電荷転送素子および前記電荷転送素子により転送されてきた電荷を信号として出力する出力回路からなり、
   前記半導体基板にパルス状の電圧を印加することにより前記画素に蓄積する電荷を前記半導体基板に掃き出すことができる固体撮像素子を駆動する駆動手段を備えた固体撮像装置において、
   前記固体撮像素子の前面に光を遮ることのできるメカニカルシャッタを備えること、
   前記駆動手段により、前記メカニカルシャッタが閉じる前に、前記パルス状の電圧を印加することにより前記画素に蓄積する電荷を前記半導体基板に掃き出すこと、
   前記駆動手段により、前記半導体基板にパルス状の電圧を印加してから、前記メカニカルシャッタが閉じるまでに前記画素に蓄積された電荷を前記電荷転送素子により転送すること、および、前記駆動手段により、前記固体撮像素子の出力回路から光電変換により発生した電荷を信号として出力している期間に、前記メカニカルシャッタが閉じる前のパルス状の電圧を印加することを特徴とする固体撮像装置。
5. 上記第四項記載の固体撮像装置において、
   前記駆動手段により、前記メカニカルシャッタが閉じる前のパルス状の電圧を、任意の間隔で複数回印加することを特徴とする固体撮像装置。
6. 上記第四項記載の固体撮像装置において、
   前記駆動手段が、垂直ブランキング期間および垂直映像期間からなる垂直同期期間、および、水平ブランキング期間および水平映像期間からなる水平同期期間から構成されるタイミングで、前記固体撮像素子を駆動すること、および、前記メカニカルシャッタが前記垂直映像期間に閉じることを特徴とする固体撮像装置。

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