JP2007006049A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
放電型照明下において、照明の照度が高い状態で電子シャッターが動作された際に、照
明のエネルギー変化に対応した出力信号の変動を補正する機能を備えた固体撮像装置。
【解決手段】
放電型照明のエネルギー変動周期を検知し、検知した変動周期にあわせて全体露光期間
を決定する。全体露光期間を、一定の割合で有効露光期間（図１α）と無効露光期間（図
１β）に交互に分割し、有効露光期間の合計が実露光期間（実際のシャッタースピードに
対応した露光期間）と一致するように両露光期間を調整する。有効露光期間中にＣＭＯＳ
センサーに蓄積された電荷はコンデンサ（ＦＤ）に蓄積されるが、無効露光期間に蓄積さ
れた電荷は排出される。全体露光期間が満了した際に、有効露光期間に蓄積された電荷の
みが電気信号に変換され、固体撮像装置の信号処理回路に対して出力される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものであり、特に画素部からＸ−Ｙアドレス指定によ
って画素信号を順次読み出すＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子を用いた固体撮像装置におけ
る出力信号のレベル変動の補正方法に関する。

従来より、ビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像装置に用いられる固体撮像素子とし
て、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）センサーおよびＣＭＯＳ（Complementary Metal
Oxide Semiconductor）センサーが広く知られている。このうち近年、技術改善によりＣ
ＭＯＳセンサーの感度が飛躍的に向上している。これにより、ＣＭＯＳセンサーを用いた
撮像装置における出力信号のレベル変動を補正する際に、従来の補正方法では補正しきれ
ない補正範囲が出現するという問題が発生するようになってきた。

出力信号のレベル変動とは、例えば交流電源を用いた蛍光灯の照明などの放電型照明の
もとで行われる撮像において発生する現象である。放電型照明下において、画素又は走査
ライン単位で露光が行われるＸ‐Ｙアドレス型固体撮像素子（例えばＣＭＯＳセンサー）
を用いて撮像を行う場合、電荷の蓄積を行うタイミングが画素又は走査ラインごとに異な
る。このため、高速で電子シャッターを切った場合、シャッター期間が放電型照明のエネ
ルギー変動周期よりも短くなり、画素又は走査ラインごとに出力される信号の大きさにば
らつきが生じる。この結果、各走査ラインごとに異なるレベルの出力信号となり、撮像さ
れたデータに横縞ビートが出現する。これがレベル変動と呼ばれる現象である。

仮に放電型照明が低照度であれば、電子シャッターの露光期間をＣＭＯＳセンサーのフ
ィールド周波数、もしくはフレーム周波数の周期に一致または倍数にさせることにより、
レベル変動を補正することが可能である。しかし照明が高照度である場合、ＣＭＯＳセン
サーの電子シャッターの露光期間をＣＭＯＳセンサーのフィールド周波数、もしくはフレ
ーム周波数の周期以下にしなければならないために一致させることができない。

上記の詳細について、図１１を用いながら説明する。図１１は、光源（放電型照明）の
照明周波数、光源のエネルギー変動周期、およびＣＭＯＳセンサーの走査ラインごとの露
光期間を、時間軸をもとに表した図である。同図（ａ）は光源の照明周波を、同図（ｂ）
は光源のエネルギー変動周期を表している。同図（ｃ）および同図（ｅ）は、ＣＭＯＳセ
ンサーの走査ラインごとの露光期間を表している。同図（ｄ）および同図（ｆ）は、走査
ラインごとに出力される信号の大きさ（エネルギー量）を表した出力波形である。

図１１（ｃ）に示すように、露光期間Δｔ１とエネルギー変動周期とが等しい（もしく
は等倍である）場合、同図（ｄ）に示すように、走査ライン毎の出力信号の大きさは均一
になる。しかし同図（ｅ）に示すように、露光期間Δｔ２がエネルギーが変動周期よりも
短い場合（例えば高速で電子シャッターが切られた場合など）、露光が行われるタイミン
グにより、走査ライン毎に蓄えられる光源のエネルギー量に差異が生じる。この結果、同
図（ｆ）に示すように、主力波形の大きさに変動が生じる。このような状態で撮像された
データには、明るい横縞と暗い横縞とが走査ライン単位で交互に現れる。

上記のように、従来のレベル変動の補正方法は、フレームレート或いは電子シャッター
による露光期間と、照明のエネルギーの周期とを一致させる（あるいは等倍にあわせる）
ことにより行っていた。しかしこの方法では、ＣＭＯＳセンサーの感度が向上し、露光期
間が短くなると、上記のように補正できる範囲に限界が生じるという問題があった。この
結果、補正しきれない範囲における出力信号のレベル変動が発生し、撮像される画像の品
質が劣化する原因となっていた。

ＣＣＤセンサーはＣＭＯＳセンサーとは異なり、その技術特性上、上記のような問題が
発生することはなかった。ＣＣＤセンサーのような電荷転送型固体撮像素子では、全画素
について同一時刻に信号電荷の蓄積が開始され、各画素から一斉に信号電荷が読み出され
る（図１２参照）。従って、信号電荷の蓄積時間（露光期間）が全画素均一であり、走査
ライン毎のレベル変動は発生しない。

ＣＣＤセンサーにおいても、放電型照明エネルギーの周期と、出力信号のフィールド周
波数もしくはフレーム周波数の周期とが異なっている場合には（図１２（ｂ）および同図
（ｃ））、フィールドもしくはフレーム単位でのレベル変動（フリッカー）が発生した。
これを補正する方法としては、電子シャッターの露光期間を放電型照明エネルギーの周期
と一致または倍数にさせる（同図（ｅ））ことにより、フィールドもしくはフレーム毎に
発生するフリッカーを発生しないようにすることが可能であった。

またＣＣＤセンサーにおいては、例えば電子シャッターの露光期間をフィールド周波数
、もしくはフレーム周波数の周期に一致または倍数にさせることができない場合、もしく
は照明が高照度の状況である場合でも、出力信号をフィールド周波数もしくはフレーム周
波数の周期でゲイン（増幅度）を変える事により、フリッカー補正を行うことが可能であ
った。

これに対して、Ｘ‐Ｙアドレス型固体撮像素子であるＣＭＯＳセンサーでは、前述した
通り放電型照明のもとでは出力信号の大きさが走査ライン（或いは画素）ごとに変動する
（しかも照明の周波数が５０Ｈｚでも６０Ｈｚでも関係なく変動する）ため、ＣＣＤセン
サーと同じ方法ではレベル変動およびフリッカーの補正を行うことができない。また、高
照度であるほど変動も大きくなるため、高い感度が必要とされるデジタルカメラ等の固体
撮像装置のセンサーとして用いるには不向きであった。そのため、比較的補正が容易であ
るＣＣＤセンサーが固体撮像素子として用いられるのが主流となっていた。

上記のＣＭＯＳセンサーの問題を解決するための発明として、特許文献１では、放電型
照明下の撮像において、高速の電子シャッターを切った際に発生するフリッカーを軽減可
能である固体撮像素子およびその駆動方法、並びに撮像装置が開示されている。

特許文献１においては、ＣＭＯＳセンサーの各画素における露光期間を少なくとも二つ
に分けて設定している。そして分割した各露光期間の露光開始点を、照明のエネルギー変
動周期をもとに規定している。例えば照明の周波数が５０ｈｚであり、かつ露光期間を二
分割する場合、照明のエネルギー変動周期（この場合は１０ｍｓｅｃが一周期）を二分割
し、５ｍｓｅｃの二つの期間に分ける。そしてこの二つの期間の各開始点から、二回の露
光を、通常の半分の期間だけ行う。つまり一回目の露光を通常のタイミングで行い（ただ
し露光期間は通常の半分）、かつ二回目の露光を、照明のエネルギー変動周期の半分（こ
の例では５ｍｓｅｃ）だけ遅れたタイミングで開始する（こちらも露光期間は通常の半分
）。そして二回の露光で得られた電荷を積分して信号出力することにより、レベル変動お
よびフリッカーの補正を行っている。

しかしながら特許文献１の補正方法では、照明のエネルギー変動周期と露光期間の長さ
が関連付けられていない。仮に露光期間が照明周波数の整数倍であれば、合計される信号
電荷の出力量が均一になり、十分な補正効果が得られるが、逆に整数倍でない場合は合計
される信号電荷の出力量は均一にならない。このため、レベル変動およびフリッカーの発
生を軽減することはできても、完全に防止することはできないという問題があった。

また上記の問題を解決するための発明として、特許文献２では、センサー部（例えばフ
ォトダイオード）の間に垂直レジスタを設け、前記センサ部からの信号電荷を垂直レジス
タに転送した後、垂直レジスタに垂直転送クロックを与えることにより、上記信号電荷を
読み出すようにしたインターライン構造のＣＣＤセンサーにおいて、露光期間を調整する
ための駆動方法が開示されている。

特許文献２のＣＣＤセンサーは、その駆動方法において、垂直レジスタに上記センサー
部から信号電荷を転送する電圧を与えることによって停止される撮像期間を設け、撮像期
間をＮ個（Ｎ≧２の整数）の期間に分割している。このＮ個に分割された期間は、それぞ
れ上記センサ部に蓄積された信号電荷を捨てる排出期間（無効露光期間）と、上記センサ
部に信号電荷を蓄積する蓄積期間（有効露光期間）とに分別されている。このうち、無効
露光期間を制御することでＣＣＤの感度制御を行うとともに、垂直レジスタに転送された
信号電荷を、垂直レジスタに垂直転送クロックを与えることによって読み出すことを特徴
としたＣＣＤセンサーの駆動方法が開示されている。

しかしながら特許文献２の駆動方法は、センサー部に蓄えた信号電荷を垂直レジスタへ
転送するか、或いは蓄えた信号電荷を基盤に排出するかを選択的に処理できる機構（例え
ば読み出しゲートや電荷排出機構など）を備えた電荷転送型固体撮像素子においてのみ実
現可能である。このため、ＣＭＯＳセンサーのように走査ライン毎に信号を出力するＸ‐
Ｙアドレス型固体撮像素子では用いることができず、なんらかの改良、あるいは他機能と
の併用（例えばグローバルシャッターの採用など）が必要であり、単独では使用できない
という問題があった。

また上記の問題を解決するための発明として、特許文献３では、ＣＭＯＳセンサー等の
撮像装置において、エネルギー変動を伴う照明下の撮影におけるフリッカーの発生を抑制
でき、また移動体撮影時の歪みを軽減することが可能な撮像装置が開示されている。

特許文献３の撮像装置は、放電型照明下で撮影を行なう場合に、その所定の照明周波数
に対応して、各垂直期間内で連続する所定の露光期間を設定している。設定した露光期間
と垂直同期周波数との位相差によって決定される所定の分割基数を選択し、露光期間を分
割基数の整数倍で割る。これにより決定される各分割点を起点として、同時または略同時
の露光動作及び信号読み出し動作を行ない、その読み出した信号を各画素毎に加算して撮
像信号を生成している。

特許文献３の撮像装置においては、撮像素子の領域を分割し、領域毎にタイミングをず
らして蓄積電荷を読み出している。しかし分割した領域毎に蓄積電荷を積分するための外
部メモリが必要となるため、装置構成を追加もしくは変更する必要がある。また補正の精
度を上げるためには、分割する領域の数およびそれに付随する外部メモリの数を増やす必
要がある。この場合、処理および装置構成の複雑化（例えば外部メモリの増加によるコス
トの増大など）が避けられないという問題があった。
特開２００３−０３２５５１号公報 特開平６−２５３２１６号公報 特開２００５−２７１３７号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、
放電型照明（例えば蛍光灯、水銀灯等）のもとでＣＭＯＳセンサーによる撮像が行われ
た際に、照明のエネルギー量の変化によって引き起こされる出力信号のレベル変動（出力
信号量のばらつき）を補正する機能と、
照明の照度が高い放電型照明のもとでＣＭＯＳセンサーによる撮像が行われた際に、照
明のエネルギー量の変化によって引き起こされる出力信号のレベル変動を補正する機能と
、
放電型照明のもとでＣＭＯＳセンサーによる撮像が行われ、かつレンズの絞りによる入
射光の制御が不十分な際に、照明のエネルギー量の変化によって引き起こされる出力信号
のレベル変動を補正する機能と、
ＣＭＯＳセンサーの感度向上により、従来の補正方法（フレームレートもしくは電子シ
ャッターの露光期間を、照明のエネルギー周期に合わせる方法）では補正しきれない範囲
の出力信号のレベル変動を補正する機能と、
を備えた固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の固体撮像素子は、
放電型照明のエネルギー変動周期を検出する変動検出手段と、
撮像においてフレーム単位或いはフィールド単位で設定される露光期間を、前記変動検
出手段において検出された前記エネルギー変動周期を元に決定する露光期間決定手段と、
前記露光期間の間、Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子を用いて光電変換した電荷を蓄積す
ることにより撮像を行う撮像手段と、
を備えた固体撮像装置において、
前記露光期間を複数の期間に分割する分割手段と、
前記分割手段で分割された前記露光期間を、有効露光期間と無効露光期間とに分別する
分別手段と、
前記撮像手段において前記露光期間に蓄積された電荷のうち、前記有効露光期間におい
て蓄積された電荷のみを選択的に積分し、得られた前記電荷をもとに電気信号を出力する
選択出力手段と、
を備えたことを特徴としている。

この構成によると、放電型照明（例えば蛍光灯の照明）のエネルギー変動周期を検知し
、検知した変動周期にあわせて全体露光期間（受光素子により電荷の蓄積を行う期間）を
決定する。全体露光期間を、一定の割合で有効露光期間と無効露光期間に交互に分割し、
有効露光期間の合計が実露光期間（実際のシャッタースピードに対応した露光期間）と一
致するように両露光期間を調整する。有効露光期間中にＣＭＯＳセンサー（Ｘ−Ｙアドレ
ス型画像撮像素子）に蓄積された電荷はコンデンサ（ＦＤ）に蓄積されるが、無効露光期
間に蓄積された電荷はＦＤに蓄積されず、排出される。全体露光期間が満了した際に、有
効露光期間に蓄積された電荷のみが電気信号に変換され、固体撮像装置の信号処理回路に
対して出力される。

また、上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、
前記変動検出手段において、被写体方向に向けた受光素子を用いて放電型照明のエネル
ギー変動周期を検出すること
を特徴としている。

この構成によると、例えばフォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子を用いて受光した
蛍光灯等の放電型照明から照明のエネルギー変動周期を検知し、得られたエネルギー変動
周期にあわせて上記全体露光期間を決定する。

また、上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、
前記変動検出手段において、前記Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子の出力信号中の光源の
エネルギー変動成分からエネルギー変動周期を検出することと、
前記エネルギー変動成分を一定期間保持することと、
を特徴としている。

この構成によると、例えばＣＭＯＳセンサーなどの固体撮像素子を用いて受光した蛍光
灯等の放電型照明から、照明のエネルギー変動成分を検出して一定期間保持する。そして
エネルギー変動成分が変化する度に、前記エネルギー変動成分からエネルギー変動周期を
算出し、それをもとに前記全体露光期間を決定する。

また、上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、
前記撮像手段により蓄積された電荷のうち、前記無効露光期間において蓄積された電荷
を走査ライン単位で基板方向に排出すること
を特徴としている。

この構成によると、例えば４Ｔｒ（トランジスタ）型のＣＭＯＳセンサーなどの固体撮
像素子において、前記無効露光期間に蓄積した電荷を、走査ラインを指定することにより
走査ライン単位で任意のタイミングで回路基盤方向に対して排出する。

本発明の第一の形態によると、
ＣＭＯＳセンサーを用いた固体撮像装置において、放電型照明下で撮影を行なわれ、な
おかつ放電型照明のエネルギー変動周期よりも露光期間が短い場合に、照明のエネルギー
変動周期に対応して出力信号の大きさにばらつきが生じるのを防ぐ（レベル変動およびフ
リッカーを補正する）ことが可能である。このため、蛍光灯等の放電型照明下で、感度の
高い撮像（露光期間の短い撮像）を行っても、正常な画像を得ることが可能である。この
ため、ＣＭＯＳセンサーをＣＣＤセンサーに変わる二次元イメージセンサーとして、例え
ば動画を主体とするカムコーダー等に採用することが可能である。また、いかなる照明下
（例えば高周波照明下）でもレベル変動およびフリッカーを補正し、正常な画像を得るこ
とが可能である。

本発明の第二の形態によると、
照明周波数の検知を、ＰＤ等の受光素子を用いた検出部により行う。これにより、少な
い部材によって確実に照明周波数を検知し、それをもとに全体露光期間を設定することが
可能である。

本発明の第三の形態によると、
照明周波数の検知を行うために検出部（例えばＰＤ等）を用いず、既存のＣＭＯＳセン
サーと５０／６０Ｈｚ検出用回路とを用いて行う。このため、装置を構成する部材を減ら
し、装置のダウンサイジングおよびコストダウンを図ることが可能である。

本発明の第四の形態によると、
例えば４Ｔｒ型ＣＭＯＳセンサーのようにＰＤの電荷のリセットをリセットＴｒで行わ
ないＣＭＯＳセンサーにおいて、無効露光期間において蓄積された電荷（使用しない電荷
）の排出を走査ライン単位で任意のタイミングで行うことができる。このため、走査ライ
ン毎に独立して有効露光期間および無効露光期間に対応した電荷の蓄積および排出を行う
ことが可能である。

以下に、本発明の固体撮像装置におけるレベル変動およびフリッカーの補正方法につい
て、図面を参照しつつ説明する。
［実施の形態１］
〈１．固体撮像装置の電気回路システムの要部構成について〉
ここで、固体撮像装置１の電気回路システムの要部構成を図３のブロック図を用いなが
ら説明する。

図３のブロック図に示すように、本発明の固体撮像素子１は、少なくとも、ＣＭＯＳセ
ンサー１１、照明周波数検出回路１２、制御回路１３、信号処理回路１４、駆動回路１５
、および記憶部２１を含むように構成されている。

ＣＭＯＳセンサー１１は、ＣＭＯＳ（電荷の運搬に自由電子と正孔の両方を用いた半導
体）を利用したイメージセンサーである。入射光によって発生した信号電荷を各画素毎に
増幅し、各画素をＸ−Ｙアドレス方式で選択し、信号を電圧または電流として取り出すこ
とを特徴とする。従来のＣＣＤセンサーに比べて約１／１０の電力で動作し、単一の低電
圧で稼動することから、周辺回路との一体化も可能であるという特徴を持つ。ＣＣＤセン
サーに比べて感度に劣るという欠点を持っていたが、近年の技術改良により感度が向上し
つつある。

照明周波数検出回路１２は、ＣＭＯＳセンサーから出力された信号の変動を検出する回
路である。ＣＭＯＳセンサーが受けた入射光（照明）の周波数を特定する役割を持つ。照
明周波数検出回路１２は、例えば図４に示すように、センサー（受光素子）３１、アンプ
（増幅回路或いは増幅素子）３２、５０／６０Ｈｚ検出回路３３から構成されている。

センサー３１は、入射光を信号電荷に変換し、蓄積するための受光素子（例えばＰＤ）
から構成される部材であり、周波数を判別すべき照明を受光するために用いられる。セン
サー３１は例えば固体撮像装置の前面に設置され、放電型照明の照明エネルギーを電荷に
変換する。アンプ３２は、センサー３１において蓄積された信号電荷を増幅して別回路に
対して送出するための増幅回路である。５０／６０Ｈｚ検出回路３３は、アンプ３２から
受けた信号電荷を元に、センサー３１が受光した入射光の周波数が５０Ｈｚか或いは６０
Ｈｚかを判定するための回路である。

また、照明周波数検出回路１２は、図５に示すように、出力信号を処理する信号処理回
路１４に組み込まれて構成されていてもよい。この場合、ＣＭＯＳセンサー１１において
受光した照明における信号の変動成分を５０／６０Ｈｚ検出回路３３を用いて検出し、照
明の照明周波数を特定する。照明の周波数が判定されると、この周波数に応じた長さの露
光期間で電子シャッターが駆動される。

なお、この方式の照明周波数検出回路１２では、検出、制御、および駆動がループ処理
となるため、一度信号の変動成分を検出すると、それをトリガーにして次に照明が変化す
るまでホールドする必要がある。この処理を、図５に示すホールド回路３４によって行な
っている。

制御回路１３は、後述する信号処理回路１４または駆動回路１５などを有機的に制御し
て、固体撮像処理等を統括制御するものである。制御回路１３は、照明周波数検出回路１
２により検出された信号をもとに、ＣＭＯＳセンサー１１の駆動を制御すると共に、信号
処理回路１４において処理される信号のレベル変動を抑制する役割を持つ。

信号処理回路１４は、ＣＭＯＳセンサーより受け取った電気的な信号に基づき、電子デ
ータ（例えば画像データ）を作成して他回路に対して出力する処理を行う回路である。

駆動回路１５は、例えばＣＭＯＳセンサー等の部材を駆動させるための制御回路である
。駆動回路は主に、制御回路からの命令を受けて、各種駆動命令の実行を行う。

記憶部２１は、信号処理回路１４によって変換された電子データを記憶するための部材
であり、例えば不揮発性メモリ等により構成されている。
〈２．レベル変動およびフリッカーの補正方法について〉
ここで、本発明の固体撮像装置におけるレベル変動およびフリッカーの補正方法につい
て、図１と図２とを用いて説明する。

固体撮像装置の制御部（不図示）が、例えばユーザーからの撮像命令を検知すること等
により、本処理が開始される（Ｓ１）。

撮像命令を受けた制御部は、照明周波数検出回路１２を用いて、照明がエネルギー変動
を発生させるタイプの照明かどうかを判断する。変動が発生している場合、その周波数の
検出を行う（Ｓ２）。例えば、照明から受けた入射光をセンサー３１を用いて信号電荷に
変換し、信号電荷を図４のアンプ３２で増幅する。増幅された信号電荷をもとに、５０／
６０Ｈｚ検出回路３３を用いて、照明周波数が５０Ｈｚか或いは６０Ｈｚかのいずれであ
るかを判定する。

次に、上記Ｓ２で得られた照明周波数が高周波数点灯であるかどうかを判定する（Ｓ３
）。高周波数点灯でない場合は、次のＳ４に移行する。高周波数点灯である場合は、図１
３に示すように、照明エネルギー変動周期（同図（ｂ））に対し、ＣＭＯＳセンサーのフ
ィールドもしくはフレーム周波数の周期（同図Δｔ）が大幅に長い。このため、信号の出
力波形（同図（ｄ））が各水平走査ラインの露光期間（同図（ｃ））に対応した照明のエ
ネルギー積分値となり、その変化は微小であり、ほとんどＣＭＯＳセンサーの出力変化は
発生しない。従ってレベル変動およびフリッカー補正の必要がないため、本処理を終了す
る。

次に、ＣＭＯＳセンサーが受ける入射光の照度を検出する（Ｓ４）。電子シャッターを
使用する必要がないレベルの低照度である場合は、フレームもしくはフィールド周期を照
明エネルギーの周期の倍数に合わせることにより、出力波形の変動を発生させないように
することが可能である（Ｓ４ａ）。これにより、フリッカー補正を行うことができるため
、本処理を終了する。逆に高照度である場合（電子シャッターの露光期間を照明エネルギ
ーの周期より短くせねばならない場合）は、上記Ｓ４ａの方法では、出力波形の変動を補
正することはできないため、次のＳ５に移行する。

出力波形の変動を補正するために、フレームもしくはフィールド周期を照明エネルギー
周期の倍数に合わせるとともに（Ｓ５）、電子シャッターの全体露光期間（実際の露光期
間に関わらず、照明エネルギー周期の倍数の長さをとった仮の露光期間）を設定する（Ｓ
６）。例えば図１では、照明エネルギー周期（図１（ｂ））の等倍の長さに全体露光期間
（図１（ｄ）に示すΔｔ）が設定されている。

そして前記の全体露光期間を複数の期間に分割して（図１（ｄ））、分割した各期間を
、電荷を蓄積する有効露光期間（図１（ｄ）のうち、αで示す実線部分）と、電荷を蓄積
しない無効露光期間（図１（ｄ）のうち、βに示す無線部分）とに分ける（Ｓ７）。

有効露光期間に蓄積された電荷を積分したのち信号に変換し、得られた信号をもとに、
信号処理回路１４を用いてデータへの変換を行う（Ｓ８）。図１に示すように、全体露光
期間は照明エネルギーの周期に合わせた電子シャッターの仮の露光期間であり、実際に利
用される電荷は無効露光期間を除去した期間（図１（ｄ）のαに示す実線部分の合計）に
蓄積された電荷のみである。全体露光期間全体の長さは照明エネルギーの変動周期と同期
しているため、図１（ｅ）に示すように、蓄積された電荷の大きさを示す出力波形はほぼ
均一になる。なお、分割数を多くするほど、出力波形の均一化はより高精度に行われるこ
ととなる。
〈３．回路構成について〉
上記〈２．レベル変動およびフリッカーの補正方法について〉のＳ７およびＳ８におい
て実行されている電荷蓄積方法（有効露光期間のみ電荷を蓄積し、無効露光期間の電荷を
排出する）を実施するためのＣＭＯＳセンサーの構成を図６および図７を用いて説明する
。

図６は、本発明のＣＭＯＳセンサーにおけるＰＤの構成を示した側面断面図である。Ｎ
−ｓｕｂ（Ｎ型基盤）の上にＰ−ｗｅｌｌ（Ｐ型基盤）を形成し、その上に不純物、例え
ば砒素（Ａｓ：Ｎ型半導体）を注入してＰＤを形成する。さらに必要があれば、このＰＤ
の上にＰ＋層を形成して暗電流を抑えた埋め込み型のＰＤとすることも可能である。この
ＰＤに隣接してフローティングディフュージョン（ＦＤ）と、前記ＰＤの電荷をこのＦＤ
に移動させるための信号読み出しゲート（Ｇ−ｓｇ）とが設けられている。

図７は、上記のＰＤを持つセルの等価回路（画素回路）を示した回路図である。ＰＤが
入射光を受けることによって蓄積された信号電荷のうち、有効露光期間に発生した電荷の
み、Ｇ−ｓｇを用いてＦＤに移動させる（図７の矢印α）。無効露光期間に発生した電荷
はＮ−Ｓｕｂに排出される（図７の矢印β）。有効露光期間の電荷はとぎれとぎれに分割
されて蓄積されるため、これらをＦＤにおいて積分し、この積分された信号電圧を外部（
信号処理回路１４）に対して出力する。
〈４．読み出しゲートの駆動について〉
図８は、上記〈３．回路構成について〉においてＰＤやＧ−ｓｇ、およびリセットゲー
ト（Ｇ−ｒｓ）を駆動するパルス波形と、Ｐ−ｗｅｌｌに対して印加される電位（ｗ）の
関係を示した図である。図中のΔｔは、一フィールド或いは一フレームごとの全体露光期
間を示しており、照明エネルギー周期と一致または倍数にさせられている。φ-ｓｇおよ
びφ-ｒｓは印加されるパルスを、ｗは印加される電位を示している。

φ-ｓｇは図６および図７のＧ−ｓｇに対して印加される有効電荷蓄積用のパルスであ
り、これが印加されることによりＧ−ｓｇがＯＮになる。これにより、図７の矢印αに示
すように、有効露光期間中に蓄積された電荷がＦＤに蓄積される。

φ-ｒｓはＦＤリセット用のパルスであり、図７のＧ−ｒｓに対して印加される。これ
が印加されることにより、ＦＤに蓄積された電荷がリセットされる。次に、第１のφ-ｓ
ｇにより第１の有効露光期間内に蓄積された電荷を読み出し、ＦＤに蓄積する。

ｗは図６のＰ−ｗｅｌｌに対して印加される無効電荷排出用の電位であり、これが印加
されることにより、無効露光期間中にＰＤに蓄積された電荷が図６に示すＮ−Ｓｕｂに排
出される。次に、第２のφ-ｓｇにより、第２の有効露光期間内に蓄積された電荷を読み
出し、ＦＤで重積される。

以上の繰り返しにより、Δｔの期間に蓄積された電荷のうち、有効露光期間に蓄積され
た電荷のみが、外部回路に対して出力される。

上記Ｇ−ｓｇおよびＧ−ｒｓの動作の詳細について、図９を用いて説明する。図９は、
図７に示す画素回路における電荷の移動を模式的に表した図である。同図（ｂ）は初期状
態を示している。この状態ではＦＤに前回処理の蓄積電荷が残留している可能性があるた
め、φ−ｒｓをＧ−ｒｓに印加することにより、リセットを行う（同図（ｃ））。リセッ
ト終了後、入射光量に応じて光電変換された電荷がＰＤに発生する（同図（ｄ））。

蓄積された電荷が有効露光期間において蓄積されたものである場合は、Ｇ−ｓｇに対し
てφ−ｓｇを印加することにより、ＰＤの電荷をＦＤに移動させる（同図（ｅ））。その
後、φ−ｓｇの印加を停止させると、再びＰＤに入射光量による電荷が蓄積される状態に
なる。

逆に、蓄積された電荷が無効露光期間において蓄積されたものである場合は、Ｐ−Ｗｅ
ｌｌに対してｗを印加することにより、電荷がＮ−Ｓｕｂに吸収され、ＰＤの電荷が空の
状態になる（同図（ｆ））。その後、ｗの印加を停止させると、再びＰＤに入射光量によ
る電荷が蓄積される状態になる。

この後、次にφ−ｓｇ或いはｗが印加されるまでの期間、ＰＤには電荷が蓄積される。
仮に、再びＧ−ｓｇにφ−ｓｇが印加された場合、この電荷は先のＦＤに移された電荷の
上に重なって積分される（同図（ｇ））。

上記の動作を全体露光期間が終了するまで繰り返すことにより、有効露光期間にＰＤに
蓄積された電荷のみが信号電荷として読み出されることとなる。このため、全体露光期間
は照明のエネルギー変動周期の倍数の長さに制限されるが、有効露光期間は自由に設定す
ることができる。以上のようにして、ＣＭＯＳセンサーにおいて放電型の照明下で発生す
る出力信号の変動を抑えることが可能となる。
〈５．走査ライン毎の電荷排出方法について〉
上記の図９（ｆ）において示されている、特定の走査ラインのみ排出処理を行う方法を
、図１０を用いて説明する。図１０は、ＣＭＯＳセンサーの走査ライン毎の構造を示した
模式図である。図１０（ａ）において点線で囲まれた部分が一つのＰ−Ｗｅｌｌを表して
おり、ＰＤを含む水平走査ライン単位に分離されて構成されている。つまり、一つの水平
走査ラインに対して一つのＰ−Ｗｅｌｌが存在する構成となっている。これを断面図で示
したものが図１０（ｂ）である。図に示すように、Ｎ型のＰＤとＰ−ＷｅｌｌとＮ−Ｓｕ
ｂとで垂直方向にＮ−Ｐ−Ｎ型Ｔｒ（トランジスタ）部を構成している。

上記の構造では、Ｐ−Ｗｅｌｌに対して電位（ｗ）を印加することにより、そのＰ−Ｗ
ｅｌｌ上のＰＤの電荷のみＮ−Ｓｕｂに排出される。排出を行う場合、水平走査ラインを
シフトレジスター（ＳＲ）で選択し、選択した水平走査ラインのＰ−Ｗｅｌｌに対してｗ
を印加する。これにより、選択した水平走査ラインのＰＤのみ、電荷排出を行うことがで
きる。なお、ＳＲは水平同期信号（ＨＤ）で駆動する。
［その他の実施の形態］
以上、好ましい実施の形態及び実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも
上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内において
様々に変形して実行することができる。

例えば前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した
記憶媒体を、ＣＭＯＳセンサーを備えた固体撮像装置に供給し、固体撮像装置のコンピュ
ータ（例えばＣＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行することに
よっても、達成されることは言うまでもない。

さらに、記憶媒体から読出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能
拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後
、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わ
るＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態
の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。

この場合、記憶媒体から読出されたプログラムコード自体が、前述した実施形態の機能
を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成するこ
とになる。

なお、ＣＭＯＳセンサーを備えた固体撮像装置としては、例えば、デジタルスティルカ
メラ、ビデオカメラ、カムコーダ、携帯電話、ＰＤＡ、ノートパソコンなどを用いること
ができる。

また本発明は、ＣＭＯＳセンサー以外の固体撮像素子（例えばＣＣＤセンサー）におい
ても、前述した実施形態の機能の実現が可能である。またワンチップカメラのような、回
路自体が一つの撮像装置として機能する回路においても実現可能であることはいうまでも
ない。

本発明のＣＭＯＳセンサーにおける光源変動と信号出力の関連を示した波形図である。 本発明のレベル変動およびフリッカーの補正方法のフローチャートである。 本発明の画像撮像装置の構成の一例を示した要部構成図である。 本発明の画像撮像装置の構成の一例を示した要部構成図である。 本発明の画像撮像装置の構成の一例を示した要部構成図である。 本発明のフォトダイオードの構成を示した側面断面図である。 本発明のＣＭＯＳセンサーの画素回路を示した回路図である。 本発明の画素回路において発行されるパルスおよび電位を示した出力図である。 本発明の画素回路における電荷の移動を現した模式図である。 本発明のＣＭＯＳセンサーの走査ライン毎の構造を示した模式図である。 従来のＣＭＯＳセンサーにおける光源変動と信号出力の関連を示した波形図である。 従来のＣＣＤセンサーにおける光源変動と信号出力の関連を示した波形図である。 従来のＣＭＯＳセンサーにおける高周波照明のもとでの光源変動と信号出力の関連を示した波形図である。

符号の説明

１ 固体撮像装置
１１ ＣＭＯＳセンサー（Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子）
１２ 照明周波数検出回路
１３ 制御回路
１４ 信号処理回路
１５ 駆動回路
２１ 記憶部
３１ センサー（受光素子）
３２ アンプ
３３ ５０／６０Ｈｚ検出回路
３４ ホールド回路

Claims (5)

1. 放電型照明のエネルギー変動周期を検出する変動検出手段と、
   撮像においてフレーム単位或いはフィールド単位で設定される露光期間を、前記変動検
   出手段において検出された前記エネルギー変動周期を元に決定する露光期間決定手段と、
   前記露光期間において、Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子を用いて光電変換した電荷を蓄
   積することにより撮像を行う撮像手段と、
   を備えた固体撮像装置において、
   前記露光期間を複数の期間に分割する分割手段と、
   前記分割手段で分割された前記露光期間を、有効露光期間と無効露光期間とに分別する
   分別手段と、
   前記撮像手段において前記露光期間に蓄積された電荷のうち、前記有効露光期間におい
   て蓄積された電荷のみを選択的に積分し、得られた前記電荷をもとに信号を出力する選択
   出力手段と、を備え、
   前記変動検出手段において、被写体方向に向けた受光素子を用いて放電型照明のエネル
   ギー変動周期を検出する、或いは前記Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子の出力信号中の光源
   のエネルギー変動成分を一定期間保持して前記エネルギー変動成分からエネルギー変動周
   期を検出することと、
   前記撮像手段により蓄積された電荷のうち、前記無効露光期間において蓄積された電荷
   を走査ラインごとに基板方向に排出することと、
   を特徴とする固体撮像装置。
2. 放電型照明のエネルギー変動周期を検出する変動検出手段と、
   撮像においてフレーム単位或いはフィールド単位で設定される露光期間を、前記変動検
   出手段において検出された前記エネルギー変動周期を元に決定する露光期間決定手段と、
   前記露光期間において、Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子を用いて光電変換した電荷を蓄
   積することにより撮像を行う撮像手段と、
   を備えた固体撮像装置において、
   前記露光期間を複数の期間に分割する分割手段と、
   前記分割手段で分割された前記露光期間を、有効露光期間と無効露光期間とに分別する
   分別手段と、
   前記撮像手段において前記露光期間に蓄積された電荷のうち、前記有効露光期間におい
   て蓄積された電荷のみを選択的に積分し、得られた前記電荷をもとに信号を出力する選択
   出力手段と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記変動検出手段において、被写体方向に向けた受光素子を用いて放電型照明のエネル
   ギー変動周期を検出すること
   を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記変動検出手段において、前記Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子の出力信号中の光源の
   エネルギー変動成分からエネルギー変動周期を検出することと、
   前記エネルギー変動成分を一定期間保持することと、
   を特徴とする請求項２または請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記撮像手段により蓄積された電荷のうち、前記無効露光期間において蓄積された電荷
   を走査ラインごとに基板方向に排出すること
   を特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。

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