JP2011188306A - Imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging apparatus capable of greatly extending a dynamic range. <P>SOLUTION: A solid-state image sensor 5 has a plurality of pairs of photoelectric conversion elements 51, 52 with different sensitivity. A vertical electric charge transfer path 53a is provided between the pair of photoelectric conversion elements 51 and 52, and the vertical electric charge transfer path 53a between the pair of photoelectric conversion elements 51 and 52 accumulates smear charges at a position corresponding to the pair during an exposure period. A D range extension processing unit 19 generates image data using a first signal corresponding to signal electric charges accumulated in the photoelectric conversion element 51 of the pair during the exposure period, a second signal corresponding to signal electric charges accumulated in the photoelectric conversion element 52 of the pair during the exposure period, and a third signal corresponding to the smear electric charges accumulated at the position of the vertical electric charge transfer path 53a corresponding to the pair during the exposure period. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging apparatus.

特許文献1には、ダイナミックレンジ(Dレンジ)を拡大する方法として、電荷転送路に溜まるスミア電荷に応じた信号と、光電変換素子から読み出した信号電荷に応じた信号とを合成する方法が開示されている。しかしながら、近年の撮像装置においては、より広いダイナミックレンジが求められており、特許文献1に記載の方法だけでは、ダイナミックレンジの拡大には限界があった。   Patent Document 1 discloses a method for synthesizing a signal corresponding to a smear charge accumulated in a charge transfer path and a signal corresponding to a signal charge read from a photoelectric conversion element as a method of expanding a dynamic range (D range). Has been. However, in recent imaging apparatuses, a wider dynamic range is required, and there is a limit to the expansion of the dynamic range only by the method described in Patent Document 1.

特開2003−189187号公報JP 2003-189187 A

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ダイナミックレンジを大幅に広げることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of greatly expanding the dynamic range.

本発明の撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子から複数フィールドに分けて読み出される複数の信号を用いて1つの画像データを生成する信号処理部とを有する撮像装置であって、前記固体撮像素子は、複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を転送する電荷転送路とを含み、前記複数の光電変換素子は、互いに近接して配置された感度差のある信号を出力する第一の光電変換素子及び第二の光電変換素子のペアを複数有し、前記ペアの前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間には前記電荷転送路が設けられており、前記ペアの前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間にある前記電荷転送路は、当該ペアに対応する位置にスミア電荷を蓄積する駆動が可能であり、前記信号処理部は、前記ペアの前記第一の光電変換素子に蓄積された信号電荷に応じた第一の信号と、当該ペアの前記第二の光電変換素子に蓄積された信号電荷に応じた第二の信号と、当該ペアに対応する前記電荷転送路の位置に前記駆動によって蓄積された前記スミア電荷に応じた第三の信号とを用いて前記画像データを生成する。   The imaging apparatus of the present invention is an imaging apparatus having a solid-state imaging device and a signal processing unit that generates one image data using a plurality of signals read from the solid-state imaging device in a plurality of fields. The solid-state imaging device includes a plurality of photoelectric conversion elements and a charge transfer path that transfers signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements, and the plurality of photoelectric conversion elements are arranged in proximity to each other with a difference in sensitivity. A plurality of pairs of a first photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element that output a signal, and the charge transfer between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair A path is provided, and the charge transfer path between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair can be driven to accumulate smear charges at a position corresponding to the pair. And the signal processing A first signal corresponding to the signal charge accumulated in the first photoelectric conversion element of the pair, and a second signal corresponding to the signal charge accumulated in the second photoelectric conversion element of the pair The image data is generated using a signal and a third signal corresponding to the smear charge accumulated by the driving at the position of the charge transfer path corresponding to the pair.

本発明によれば、ダイナミックレンジを大幅に広げることが可能な撮像装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the imaging device which can extend a dynamic range significantly can be provided.

本発明の一実施形態を説明するための撮像装置の概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the imaging device for describing one Embodiment of this invention 図1に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子5の概略構成を示す平面模式図FIG. 1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a solid-state imaging device 5 in the digital camera shown in FIG. 図2に示した固体撮像素子における範囲IIIの拡大図Enlarged view of range III in the solid-state imaging device shown in FIG. 図2に示した固体撮像素子のカラーフィルタを示す図The figure which shows the color filter of the solid-state image sensor shown in FIG. 図1に示した光電変換素子のペアの出力信号に感度差を設ける別の方法を説明する図The figure explaining another method of providing a sensitivity difference in the output signal of the pair of photoelectric conversion elements shown in FIG. 図1に示した光電変換素子のペアの出力信号に感度差を設ける別の方法を説明する図The figure explaining another method of providing a sensitivity difference in the output signal of the pair of photoelectric conversion elements shown in FIG. 図1に示したデジタルカメラの広Dレンジ撮像モード時の動作を説明するためのタイミングチャートTiming chart for explaining the operation of the digital camera shown in FIG. 図1に示したデジタルカメラの広Dレンジ撮像モード時の垂直電荷転送部の状態を模式的に示した図The figure which showed typically the state of the vertical charge transfer part at the time of wide D range imaging mode of the digital camera shown in FIG. 図1に示したデジタルカメラの広Dレンジ撮像モード時の垂直電荷転送部の状態を模式的に示した図The figure which showed typically the state of the vertical charge transfer part at the time of wide D range imaging mode of the digital camera shown in FIG. 図1に示したデジタルカメラの広Dレンジ撮像モード時の垂直電荷転送部の状態を模式的に示した図The figure which showed typically the state of the vertical charge transfer part at the time of wide D range imaging mode of the digital camera shown in FIG. 図1に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子の変形例を示す図The figure which shows the modification of the solid-state image sensor in the digital camera shown in FIG. 図11にした固体撮像素子における範囲XIIの拡大図Enlarged view of range XII in the solid-state imaging device shown in FIG.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態を説明するための撮像装置の概略構成を示す図である。撮像装置としては、デジタルカメラ及びデジタルビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡及びカメラ付携帯電話機等に搭載される撮像モジュール、等があり、ここではデジタルカメラを例にして説明する。   FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an imaging apparatus for explaining an embodiment of the present invention. Examples of the imaging device include an imaging device such as a digital camera and a digital video camera, an imaging module mounted on an electronic endoscope, a camera-equipped mobile phone, and the like. Here, a digital camera will be described as an example.

図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ1と、CCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像素子5と、この両者の間に設けられた絞り2と、赤外線カットフィルタ3と、光学ローパスフィルタ4とを備える。なお、図示していないが、撮影レンズ1の前にはメカニカルシャッタが設けられている。   The imaging system of the illustrated digital camera includes a photographing lens 1, a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device 5, an aperture 2 provided between them, an infrared cut filter 3, and an optical low-pass filter 4. With. Although not shown, a mechanical shutter is provided in front of the photographing lens 1.

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部11は、フラッシュ発光部12及び受光部13を制御し、レンズ駆動部8を制御して撮影レンズ1の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部9を介し絞り2の開口量を制御して露光量調整を行う。   A system control unit 11 that performs overall control of the electrical control system of the digital camera controls the flash light emitting unit 12 and the light receiving unit 13 and controls the lens driving unit 8 to adjust the position of the photographing lens 1 to the focus position and zoom. The exposure amount is adjusted by adjusting the aperture amount of the aperture 2 via the aperture drive unit 9.

また、システム制御部11は、撮像素子駆動部10を介して固体撮像素子5を駆動し、撮影レンズ1を通して撮像した被写体像を撮像信号として出力させる。システム制御部11には、操作部14を通してユーザからの指示信号が入力される。   In addition, the system control unit 11 drives the solid-state imaging device 5 via the imaging device driving unit 10 and outputs a subject image captured through the photographing lens 1 as an imaging signal. An instruction signal from the user is input to the system control unit 11 through the operation unit 14.

デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子5の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部6と、このアナログ信号処理部6から出力されたRGBの色信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路7とを備え、これらはシステム制御部11によって制御される。   The electric control system of the digital camera further includes an analog signal processing unit 6 that performs analog signal processing such as correlated double sampling processing connected to the output of the solid-state imaging device 5, and RGB output from the analog signal processing unit 6. And an A / D conversion circuit 7 for converting the color signals into digital signals, which are controlled by the system control unit 11.

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ16と、メインメモリ16に接続されたメモリ制御部15と、補間演算やガンマ補正演算,RGB/YC変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部17と、デジタル信号処理部17で生成された画像データをJPEG形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部18と、固体撮像素子5から1回の撮像指示に対して出力される3つの信号を用いてダイナミックレンジを拡大した1つの撮像データを生成するDレンジ拡大処理部19と、着脱自在の記録媒体21が接続される外部メモリ制御部20と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部23が接続される表示制御部22とを備える。メモリ制御部15、デジタル信号処理部17、圧縮伸張処理部18、Dレンジ拡大処理部19、外部メモリ制御部20、及び表示制御部22は、制御バス24及びデータバス25によって相互に接続され、システム制御部11からの指令によって制御される。   Furthermore, the electric control system of this digital camera generates image data by performing main memory 16, memory control unit 15 connected to main memory 16, interpolation calculation, gamma correction calculation, RGB / YC conversion processing, and the like. A digital signal processing unit 17, a compression / decompression processing unit 18 that compresses image data generated by the digital signal processing unit 17 into a JPEG format or decompresses compressed image data, and a single imaging instruction from the solid-state imaging device 5 A D range expansion processing unit 19 that generates one imaged data with an expanded dynamic range using three signals output to the external memory, an external memory control unit 20 to which a detachable recording medium 21 is connected, and a camera. And a display control unit 22 to which a liquid crystal display unit 23 mounted on the back surface or the like is connected. The memory control unit 15, the digital signal processing unit 17, the compression / decompression processing unit 18, the D range expansion processing unit 19, the external memory control unit 20, and the display control unit 22 are connected to each other by a control bus 24 and a data bus 25. It is controlled by a command from the system control unit 11.

図2は、図1に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子5の概略構成を示す平面模式図である。図2に示した固体撮像素子5は、複数の光電変換素子(光電変換素子51、光電変換素子52)と、複数の垂直電荷転送部53と、水平電荷転送部54と、出力部55とを備える。   FIG. 2 is a schematic plan view showing a schematic configuration of the solid-state imaging device 5 in the digital camera shown in FIG. 2 includes a plurality of photoelectric conversion elements (a photoelectric conversion element 51 and a photoelectric conversion element 52), a plurality of vertical charge transfer units 53, a horizontal charge transfer unit 54, and an output unit 55. Prepare.

複数の光電変換素子は、半導体基板表面の行方向Xとこれに直交する列方向Yに二次元状(図2の例では正方格子状)に配列されている。また、列方向Yに並ぶ複数の光電変換素子からなる光電変換素子列のうち、出力部55側から行方向Xに数えて奇数列目にある光電変換素子列を構成する光電変換素子は光電変換素子52であり、偶数列目にある光電変換素子列を構成する各光電変換素子は光電変換素子51となっている。   The plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a two-dimensional shape (in the example of FIG. 2, a square lattice shape) in the row direction X on the surface of the semiconductor substrate and the column direction Y orthogonal thereto. In addition, among the photoelectric conversion element columns composed of a plurality of photoelectric conversion elements arranged in the column direction Y, the photoelectric conversion elements that constitute the odd-numbered columns counted in the row direction X from the output unit 55 side are photoelectric conversions. Each photoelectric conversion element which is the element 52 and constitutes the photoelectric conversion element array in the even-numbered columns is the photoelectric conversion element 51.

光電変換素子51と光電変換素子52は、それぞれ、感度差のある信号を出力するものとなっている。光電変換素子51と光電変換素子52とで感度差のある信号を出力させる方法としては様々なものが知られているが、この固体撮像素子5では、撮像素子駆動部10が、光電変換素子51と光電変換素子52とで露光時間を変える制御を行うことで、感度差のある信号を得られるようにしている。感度差のある信号を得るための他の方法については後述する。   The photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 each output a signal having a sensitivity difference. Various methods are known for outputting a signal having a difference in sensitivity between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52. In this solid-state image pickup device 5, the image pickup device driving unit 10 includes the photoelectric conversion device 51. And the photoelectric conversion element 52 are controlled to change the exposure time so that a signal having a sensitivity difference can be obtained. Another method for obtaining a signal having a sensitivity difference will be described later.

垂直電荷転送部53は、光電変換素子51,52に蓄積された信号電荷を列方向Yに転送するものであり、半導体基板内に形成された電荷転送チャネルと、この上方に設けられた複数の転送電極とで構成されている。   The vertical charge transfer unit 53 transfers the signal charge accumulated in the photoelectric conversion elements 51 and 52 in the column direction Y, and includes a charge transfer channel formed in the semiconductor substrate and a plurality of the charge transfer channels provided thereabove. It consists of a transfer electrode.

垂直電荷転送部53は、各光電変換素子列に隣接する位置に、各光電変換素子列に対応して1つ設けられている。各光電変換素子列と、それに対応する垂直電荷転送部53との位置関係は、全ての光電変換素子列で同じになっている。図の例では、各光電変換素子列の左隣に、当該各光電変換素子列に対応する垂直電荷転送部53が配置されている。各光電変換素子列の各光電変換素子で発生した電荷は、この各光電変換素子列に対応する左側部の垂直電荷転送部53に読み出されるようになっている。   One vertical charge transfer unit 53 is provided at a position adjacent to each photoelectric conversion element array, corresponding to each photoelectric conversion element array. The positional relationship between each photoelectric conversion element array and the corresponding vertical charge transfer unit 53 is the same for all photoelectric conversion element arrays. In the example of the figure, a vertical charge transfer unit 53 corresponding to each photoelectric conversion element column is arranged on the left side of each photoelectric conversion element column. The charge generated in each photoelectric conversion element of each photoelectric conversion element array is read out to the vertical charge transfer unit 53 on the left side corresponding to each photoelectric conversion element array.

水平電荷転送部54は、複数の垂直電荷転送部53を転送されてきた電荷を行方向Xに転送するものであり、半導体基板内に形成された電荷転送チャネルと、この上方に設けられた複数の転送電極とで構成されている。   The horizontal charge transfer unit 54 transfers the charges transferred from the plurality of vertical charge transfer units 53 in the row direction X. The charge transfer channel formed in the semiconductor substrate and the plurality of charge transfer channels provided thereabove. Transfer electrode.

出力部55は、水平電荷転送部54を転送されてきた電荷を、その電荷量に応じた電圧信号に変換して出力する。   The output unit 55 converts the charge transferred from the horizontal charge transfer unit 54 into a voltage signal corresponding to the charge amount and outputs the voltage signal.

以下では、ある光電変換素子52と、それに垂直電荷転送部53を挟んで近接して配置される光電変換素子51(例えば、光電変換素子52の右側の光電変換素子51)とをペアとして扱い、固体撮像素子5がこのペアを複数有するものとして説明する。   In the following, a certain photoelectric conversion element 52 and a photoelectric conversion element 51 (for example, the photoelectric conversion element 51 on the right side of the photoelectric conversion element 52) disposed adjacent to each other with the vertical charge transfer unit 53 interposed therebetween are treated as a pair. The solid-state imaging device 5 will be described as having a plurality of pairs.

このデジタルカメラでは、Dレンジ拡大処理部19が、ペアを構成する光電変換素子51,52からそれぞれ読み出された第一の信号及び第二の信号と、後述するスミア信号とを用いて(具体的には、これら信号を合成して)、当該ペアに対応する画素データを生成する。   In this digital camera, the D range expansion processing unit 19 uses a first signal and a second signal read from the photoelectric conversion elements 51 and 52 constituting the pair, and a smear signal described later (specifically). Specifically, these signals are combined) to generate pixel data corresponding to the pair.

図3は、図2に示した固体撮像素子5における範囲IIIの拡大図である。なお、図3では、光電変換素子51,52上方に設けられる遮光膜の開口Kについても併せて図示している。   FIG. 3 is an enlarged view of a range III in the solid-state imaging device 5 shown in FIG. In FIG. 3, the opening K of the light shielding film provided above the photoelectric conversion elements 51 and 52 is also illustrated.

固体撮像素子5の垂直電荷転送部53は、半導体基板内に形成された列方向Yに延びる直線状の電荷転送チャネル(電荷転送路)53aと、この上方に設けられた転送電極V1〜V6とで構成されている。電荷転送チャネル53aは、例えばn型半導体基板上のpウェル層内に形成されたn型不純物層で構成されている。   The vertical charge transfer unit 53 of the solid-state imaging device 5 includes a linear charge transfer channel (charge transfer path) 53a formed in the semiconductor substrate and extending in the column direction Y, and transfer electrodes V1 to V6 provided above the linear charge transfer channel 53a. It consists of The charge transfer channel 53a is composed of, for example, an n-type impurity layer formed in a p-well layer on an n-type semiconductor substrate.

各光電変換素子51,52には、3つの転送電極が対応して設けられている。図3の例では、固体撮像素子5の水平電荷転送部54の設けれた端部とは逆側の端部から列方向Yに数えて奇数行目の光電変換素子行の各光電変換素子51,52には、転送電極V1,V2,V3が対応して設けられている。また、偶数行目の光電変換素子行の各光電変換素子51,52には、転送電極V4,V5,V6が対応して設けられている。   Each of the photoelectric conversion elements 51 and 52 is provided with three transfer electrodes correspondingly. In the example of FIG. 3, each photoelectric conversion element 51 in the odd-numbered photoelectric conversion element row counted in the column direction Y from the end opposite to the end provided with the horizontal charge transfer unit 54 of the solid-state imaging device 5. , 52 are provided with transfer electrodes V1, V2, V3 correspondingly. Further, transfer electrodes V4, V5, and V6 are provided corresponding to the photoelectric conversion elements 51 and 52 in the even-numbered photoelectric conversion element rows.

転送電極V1〜V6には、撮像素子駆動部10から6相の駆動パルスが供給されるようになっている。駆動パルスには、電荷転送チャネル53aにバリアを形成するためのパルスVLと、電荷転送チャネル53aに電位井戸を形成するためのパルスVMと、光電変換素子51,52からこれに対応する電荷転送チャネル53aに電荷を読み出すためのパルスVHとが含まれる。パルスVLは例えば−8Vであり、パルスVMは例えば0Vであり、パルスVHは例えば15Vである。   Six-phase drive pulses are supplied to the transfer electrodes V1 to V6 from the image sensor driving unit 10. The drive pulse includes a pulse VL for forming a barrier in the charge transfer channel 53a, a pulse VM for forming a potential well in the charge transfer channel 53a, and a charge transfer channel corresponding to this from the photoelectric conversion elements 51 and 52. 53a includes a pulse VH for reading out electric charges. The pulse VL is, for example, −8V, the pulse VM is, for example, 0V, and the pulse VH is, for example, 15V.

転送電極V1は、奇数行の光電変換素子行の光電変換素子51に対応する電荷読み出し領域56にパルスVHを印加するための読み出し電極も兼ねている。転送電極V1にパルスVHが供給されることで、奇数行の光電変換素子51から、これに対応する電荷転送チャネル53aに信号電荷が読み出される。   The transfer electrode V1 also serves as a readout electrode for applying the pulse VH to the charge readout region 56 corresponding to the photoelectric conversion elements 51 in the odd-numbered photoelectric conversion element rows. By supplying the pulse VH to the transfer electrode V1, signal charges are read from the odd-numbered photoelectric conversion elements 51 to the charge transfer channel 53a corresponding thereto.

転送電極V3は、奇数行の光電変換素子行の光電変換素子52に対応する電荷読み出し領域56にパルスVHを印加するための読み出し電極も兼ねている。転送電極V3にパルスVHが供給されることで、奇数行の光電変換素子52から、これに対応する電荷転送チャネル53aに信号電荷が読み出される。   The transfer electrode V3 also serves as a readout electrode for applying the pulse VH to the charge readout region 56 corresponding to the photoelectric conversion elements 52 in the odd-numbered photoelectric conversion element rows. By supplying the pulse VH to the transfer electrode V3, signal charges are read out from the odd-numbered photoelectric conversion elements 52 to the charge transfer channels 53a corresponding thereto.

転送電極V4は、偶数行の光電変換素子行の各光電変換素子51に対応する電荷読み出し領域56にパルスVHを印加するための読み出し電極も兼ねている。転送電極V4にパルスVHが供給されることで、偶数行の光電変換素子51から、これに対応する電荷転送チャネル53aに信号電荷が読み出される。   The transfer electrode V4 also serves as a readout electrode for applying the pulse VH to the charge readout region 56 corresponding to each photoelectric conversion element 51 in the even number of photoelectric conversion element rows. By supplying the pulse VH to the transfer electrode V4, the signal charge is read from the photoelectric conversion elements 51 in the even-numbered rows to the charge transfer channel 53a corresponding thereto.

転送電極V6は、偶数行の光電変換素子行の各光電変換素子52に対応する電荷読み出し領域56にパルスVHを印加するための読み出し電極も兼ねている。転送電極V6にパルスVHが供給されることで、偶数行の光電変換素子52から、これに対応する電荷転送チャネル53aに信号電荷が読み出される。   The transfer electrode V6 also serves as a readout electrode for applying the pulse VH to the charge readout region 56 corresponding to each photoelectric conversion element 52 in the even number of photoelectric conversion element rows. By supplying the pulse VH to the transfer electrode V6, the signal charge is read from the even number of photoelectric conversion elements 52 to the charge transfer channel 53a corresponding thereto.

固体撮像素子5のペアから得られる信号の色成分は同じである必要があるため、この固体撮像素子5の光電変換素子51,52上方には、図4に示すようにカラーフィルタFR,FB,FGが設けられている。カラーフィルタFR,FB,FGは、それぞれペア毎に設けられており、その配置はベイヤ状となっている。   Since the color components of the signals obtained from the pair of the solid-state image pickup devices 5 need to be the same, the color filters FR, FB, and the like above the photoelectric conversion elements 51 and 52 of the solid-state image pickup device 5 as shown in FIG. FG is provided. The color filters FR, FB, and FG are provided for each pair, and the arrangement thereof is a Bayer shape.

カラーフィルタFRは、赤色の光を透過する光学フィルタであり、ペアを構成する光電変換素子51,52で一体化されたものとなっている。つまり、カラーフィルタFRは、ペアを構成する光電変換素子51上方から当該ペアを構成する光電変換素子52上方まで、当該光電変換素子51と当該光電変換素子52の間の垂直電荷転送部53を跨いで形成されている。   The color filter FR is an optical filter that transmits red light, and is integrated by photoelectric conversion elements 51 and 52 constituting a pair. That is, the color filter FR straddles the vertical charge transfer unit 53 between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 from above the photoelectric conversion element 51 constituting the pair to above the photoelectric conversion element 52 constituting the pair. It is formed with.

カラーフィルタFGは、緑色の光を透過する光学フィルタであり、ペアを構成する光電変換素子51,52で一体化されたものとなっている。つまり、カラーフィルタFGは、ペアを構成する光電変換素子51上方から当該ペアを構成する光電変換素子52上方まで、当該光電変換素子51と当該光電変換素子52の間の垂直電荷転送部53を跨いで形成されている。   The color filter FG is an optical filter that transmits green light, and is integrated by photoelectric conversion elements 51 and 52 constituting a pair. That is, the color filter FG straddles the vertical charge transfer unit 53 between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 from above the photoelectric conversion element 51 constituting the pair to above the photoelectric conversion element 52 constituting the pair. It is formed with.

カラーフィルタFBは、青色の光を透過する光学フィルタであり、ペアを構成する光電変換素子51,52で一体化されたものとなっている。つまり、カラーフィルタFBは、ペアを構成する光電変換素子51上方から当該ペアを構成する光電変換素子52上方まで、当該光電変換素子51と当該光電変換素子52の間の垂直電荷転送部53を跨いで形成されている。   The color filter FB is an optical filter that transmits blue light, and is integrated by photoelectric conversion elements 51 and 52 constituting a pair. That is, the color filter FB straddles the vertical charge transfer unit 53 between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 from above the photoelectric conversion element 51 constituting the pair to above the photoelectric conversion element 52 constituting the pair. It is formed with.

図6に示すように、光電変換素子51,52上方に設けるカラーフィルタFRを光電変換素子51と光電変換素子52とで分割し、領域CF1,CF2に分け、領域CF1と領域CF2の透過率を変えることで、光電変換素子51と光電変換素子52に感度差を設けることができる。なお、この構成の場合は、光電変換素子51と光電変換素子52でカラーフィルタを一体化するのは難しいため、別々にカラーフィルタを形成する。   As shown in FIG. 6, the color filter FR provided above the photoelectric conversion elements 51 and 52 is divided into the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52, divided into areas CF1 and CF2, and the transmittances of the areas CF1 and CF2 are changed. By changing, it is possible to provide a sensitivity difference between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52. In the case of this configuration, it is difficult to integrate the color filters by the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52, and therefore the color filters are formed separately.

以上のように構成されたデジタルカメラでは、広Dレンジ撮像モードと高解像度撮像モードと高感度撮像モードの3つのモードを被写体に応じて又は手動で切り替えられるようになっている。   In the digital camera configured as described above, the three modes of the wide D range imaging mode, the high resolution imaging mode, and the high sensitivity imaging mode can be switched according to the subject or manually.

広Dレンジ撮像モードとは、光電変換素子51,52の露光時間をそれぞれ異なるものとし、ペアを構成する光電変換素子51,52から得られる感度の異なる信号を用いて該ペアに対応する画素データを生成するモードである。   In the wide D range imaging mode, the exposure times of the photoelectric conversion elements 51 and 52 are different from each other, and pixel data corresponding to the pair using signals having different sensitivities obtained from the photoelectric conversion elements 51 and 52 constituting the pair. Is the mode to generate.

高解像度撮像モードとは、光電変換素子51,52の露光時間を同一とし、固体撮像素子5に含まれる各光電変換素子から得られる信号から、各光電変換素子に対応する画素データを生成するモードである。   The high-resolution imaging mode is a mode in which the exposure times of the photoelectric conversion elements 51 and 52 are the same, and pixel data corresponding to each photoelectric conversion element is generated from a signal obtained from each photoelectric conversion element included in the solid-state imaging element 5. It is.

高感度撮像モードとは、光電変換素子51,52の露光時間を同一とし、ペアを構成する光電変換素子51,52から得られる信号を合成して、該ペアに対応する感度の高い画素データを生成するモードである。   In the high-sensitivity imaging mode, the exposure times of the photoelectric conversion elements 51 and 52 are the same, the signals obtained from the photoelectric conversion elements 51 and 52 constituting the pair are combined, and the pixel data with high sensitivity corresponding to the pair is obtained. This is the mode to generate.

以下では、広Dレンジ撮像モード時の動作について説明する。   Hereinafter, an operation in the wide D range imaging mode will be described.

図5は、図1に示したデジタルカメラの広Dレンジ撮像モード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。図6〜図8は、図1に示したデジタルカメラの広Dレンジ撮像モード時の垂直電荷転送部53の状態を模式的に示した図である。図6〜図8では、垂直電荷転送部53の電荷転送チャネル53aについては図示を省略している。   FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of the digital camera shown in FIG. 1 in the wide D range imaging mode. 6 to 8 are diagrams schematically illustrating the state of the vertical charge transfer unit 53 when the digital camera illustrated in FIG. 1 is in the wide D range imaging mode. 6 to 8, the charge transfer channel 53a of the vertical charge transfer unit 53 is not shown.

AE、AFを行うための予備撮像が終了して本撮像の指示がなされると、撮像素子駆動部10がメカニカルシャッタを開状態にする。   When preliminary imaging for performing AE and AF is completed and an instruction for main imaging is given, the imaging element driving unit 10 opens the mechanical shutter.

次に、撮像素子駆動部10が、固体撮像素子5の半導体基板に高電圧の電子シャッタパルスを印加すると共に、転送電極V1,V3,V4,V6にそれぞれパルスVHを印加する。これにより、光電変換素子51、光電変換素子52、電荷転送チャネル53aにそれぞれ蓄積されていた電荷は、半導体基板にはき捨てられる。撮像素子駆動部10は、時刻t1で、電子シャッタパルスの印加を停止し、転送電極V1,V3,V4,V6へのパルスVHの印加を停止することで、露光期間(光電変換素子51の長時間露光)を開始する。   Next, the image sensor driving unit 10 applies a high-voltage electronic shutter pulse to the semiconductor substrate of the solid-state image sensor 5, and also applies a pulse VH to the transfer electrodes V1, V3, V4, and V6, respectively. As a result, the charges accumulated in the photoelectric conversion element 51, the photoelectric conversion element 52, and the charge transfer channel 53a are discarded on the semiconductor substrate. The imaging element driving unit 10 stops the application of the electronic shutter pulse at the time t1 and stops the application of the pulse VH to the transfer electrodes V1, V3, V4, and V6, so that the exposure period (the length of the photoelectric conversion element 51 is increased). Time exposure) is started.

長時間露光(長露光)が開始されると、光電変換素子51,52には入射光に応じた信号電荷が蓄積される。また、電荷転送チャネル53aには、光電変換素子51,52表面で発生したスミア電荷や、遮光膜で遮光しきれずに侵入してきた光によるスミア電荷が蓄積される。   When long exposure (long exposure) is started, signal charges corresponding to incident light are accumulated in the photoelectric conversion elements 51 and 52. The charge transfer channel 53a accumulates smear charges generated on the surfaces of the photoelectric conversion elements 51 and 52 and smear charges due to light that has entered without being shielded by the light shielding film.

長露光の開始から所定時間経過後の時刻t2になると、撮像素子駆動部10は、転送電極V3,V6にパルスVHを印加して、光電変換素子52に蓄積された信号電荷を電荷転送チャネル53aに読み出す。この時点で、光電変換素子52の短時間露光(短露光)が開始される。次に、撮像素子駆動部10は、転送電極V1〜V6にパルスを印加して、読み出した信号電荷を高速転送して外部に掃き捨てる(転送a1)。   At time t2 after the elapse of a predetermined time from the start of the long exposure, the image sensor driving unit 10 applies a pulse VH to the transfer electrodes V3 and V6 to transfer the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 52 to the charge transfer channel 53a. Read to. At this time, short-time exposure (short exposure) of the photoelectric conversion element 52 is started. Next, the image sensor driving unit 10 applies pulses to the transfer electrodes V1 to V6, transfers the read signal charges at high speed, and sweeps them out (transfer a1).

転送a1が終了すると、撮像素子駆動部10は、転送電極V2,V5にパルスVMを印加し、転送電極V1,V3,V4,V6にパルスVLを印加する。これにより、電荷転送チャネル53aの各ペアに対応する位置(ここでは、光電変換素子51と光電変換素子52とで挟まれる位置である転送電極V2,V5下)に、スミア電荷の蓄積が開始される。このときの状態を示したのが図6である。転送電極V2,V5には電位井戸が形成され、この井戸にスミア電荷(図6中の○印)が蓄積される。   When the transfer a1 ends, the image sensor driving unit 10 applies the pulse VM to the transfer electrodes V2 and V5, and applies the pulse VL to the transfer electrodes V1, V3, V4, and V6. As a result, accumulation of smear charges is started at positions corresponding to the respective pairs of the charge transfer channels 53a (here, below the transfer electrodes V2 and V5 that are positions between the photoelectric conversion elements 51 and 52). The FIG. 6 shows the state at this time. Potential wells are formed in the transfer electrodes V2 and V5, and smear charges (circles in FIG. 6) are accumulated in these wells.

短露光の開始から更に所定時間経過後の時刻t3になると、撮像素子駆動部10は、メカニカルシャッタを閉状態にする。これにより、長露光及び短露光が終了し、電荷転送チャネル53aにおけるスミア電荷の蓄積も終了する(露光期間の終了)。   At time t3 after the elapse of a predetermined time from the start of short exposure, the image sensor driving unit 10 closes the mechanical shutter. Thus, the long exposure and the short exposure are completed, and the accumulation of smear charges in the charge transfer channel 53a is also completed (end of the exposure period).

次に、撮像素子駆動部10は、転送電極V1〜V6にパルスを印加して、転送電極V2,V5下に蓄積されたスミア電荷を転送し(図5中の転送a2)、当該スミア電荷に応じたスミア信号を固体撮像素子5から出力させる。固体撮像素子5から出力されるスミア信号は、アナログ信号処理後、デジタル変換されてメインメモリ16に一時記憶される。   Next, the image sensor driving unit 10 applies a pulse to the transfer electrodes V1 to V6 to transfer the smear charges accumulated under the transfer electrodes V2 and V5 (transfer a2 in FIG. 5), and to the smear charges. A corresponding smear signal is output from the solid-state imaging device 5. The smear signal output from the solid-state imaging device 5 is converted into a digital signal after analog signal processing and temporarily stored in the main memory 16.

次に、撮像素子駆動部10は、転送電極V3〜V6にパルスVMを印加し、転送電極V1,V2にパルスVLを印加する。そして、この状態から、転送電極V4,V6にパルスVHを印加して、偶数行目の光電変換素子51,52から電荷転送チャネル53aに信号電荷を読み出す。このときの状態を示したのが図7である。図7に示した□印は光電変換素子51から読み出した信号電荷を示し、△印は光電変換素子52から読み出した信号電荷を示す。   Next, the image sensor driving unit 10 applies a pulse VM to the transfer electrodes V3 to V6, and applies a pulse VL to the transfer electrodes V1 and V2. From this state, the pulse VH is applied to the transfer electrodes V4 and V6, and the signal charges are read from the photoelectric conversion elements 51 and 52 in the even-numbered rows to the charge transfer channel 53a. FIG. 7 shows the state at this time. In FIG. 7, □ marks indicate signal charges read from the photoelectric conversion element 51, and Δ marks indicate signal charges read from the photoelectric conversion element 52.

次に、撮像素子駆動部10は、転送電極V1〜V6にパルスを印加して、電荷転送チャネル53aに読み出された信号電荷(△、□)を転送し(図5中の転送a3)、信号電荷□に応じた第一の信号と、信号電荷△に応じた第二の信号とを固体撮像素子5から出力させる。固体撮像素子5から出力される信号は、アナログ信号処理後、デジタル変換されてメインメモリ16に一時記憶される。   Next, the image sensor driving unit 10 applies pulses to the transfer electrodes V1 to V6 to transfer the signal charges (Δ, □) read to the charge transfer channel 53a (transfer a3 in FIG. 5). A first signal corresponding to the signal charge □ and a second signal corresponding to the signal charge Δ are output from the solid-state imaging device 5. The signal output from the solid-state imaging device 5 is converted into a digital signal after analog signal processing and temporarily stored in the main memory 16.

転送a3の終了後、撮像素子駆動部10は、転送電極V1〜V4にパルスVMを印加し、転送電極V5,V6にパルスVLを印加する。そして、この状態から、転送電極V1,V3にパルスVHを印加して、奇数行目の光電変換素子51,52から電荷転送チャネル53aに信号電荷を読み出す。このときの状態を示したのが図8である。   After the end of the transfer a3, the image sensor driving unit 10 applies the pulse VM to the transfer electrodes V1 to V4 and applies the pulse VL to the transfer electrodes V5 and V6. From this state, a pulse VH is applied to the transfer electrodes V1 and V3 to read out signal charges from the odd-numbered photoelectric conversion elements 51 and 52 to the charge transfer channel 53a. FIG. 8 shows the state at this time.

次に、撮像素子駆動部10は、転送電極V1〜V6にパルスを印加して、電荷転送チャネル53aに読み出された信号電荷(△、□)を転送し(図5中の転送a4)、信号電荷□に応じた第一の信号と、信号電荷△に応じた第二の信号とを固体撮像素子5から出力させる。固体撮像素子5から出力される信号は、アナログ信号処理後、デジタル変換されてメインメモリ16に一時記憶される。   Next, the image sensor driving unit 10 applies pulses to the transfer electrodes V1 to V6 to transfer the signal charges (Δ, □) read to the charge transfer channel 53a (transfer a4 in FIG. 5). A first signal corresponding to the signal charge □ and a second signal corresponding to the signal charge Δ are output from the solid-state imaging device 5. The signal output from the solid-state imaging device 5 is converted into a digital signal after analog signal processing and temporarily stored in the main memory 16.

転送a4の終了後、Dレンジ拡大処理部19は、メインメモリ16に記憶された各ペアから得られた第一の信号及び第二の信号と、当該ペアに対応する位置の電荷転送チャネル53a(当該ペアの間の電荷転送チャネル53a)から得られたスミア信号とを合成して、各ペアに対応する画素信号を生成する。次に、デジタル信号処理部17が、各ペアに対応する画素信号にデジタル信号処理を施して画像データ(各ペアに対応する画素データからなるデータ)を生成する。そして、この画像データが記録媒体21に記録されて、撮像動作が終了する。   After completion of the transfer a4, the D range expansion processing unit 19 transmits the first signal and the second signal obtained from each pair stored in the main memory 16, and the charge transfer channel 53a (at the position corresponding to the pair). The smear signal obtained from the charge transfer channel 53a) between the pair is combined to generate a pixel signal corresponding to each pair. Next, the digital signal processing unit 17 performs digital signal processing on the pixel signal corresponding to each pair to generate image data (data composed of pixel data corresponding to each pair). Then, the image data is recorded on the recording medium 21, and the imaging operation ends.

以上のように、このデジタルカメラによれば、広Dレンジ撮像モードにおいて、各ペアに対応して、感度の異なる第一の信号、第二の信号、及びスミア信号を得ることができる。また、これらの信号を用いて画素データを生成することができる。このため、従来よりもダイナミックレンジを拡大した撮像が可能となる。   As described above, according to this digital camera, in the wide D range imaging mode, it is possible to obtain the first signal, the second signal, and the smear signal having different sensitivities corresponding to each pair. Also, pixel data can be generated using these signals. For this reason, it is possible to perform imaging with a larger dynamic range than before.

また、このデジタルカメラでは、ペアに対応するスミア電荷の蓄積位置を、そのペア上方にあるカラーフィルタで覆われる位置としている。このため、ペアに対応するスミア信号の色成分を、当該ペアに対応する第一の信号及び第二の信号の色成分と一致させることができる。この結果、色ずれのない、高品質の画像データを生成することができる。   In this digital camera, the smear charge accumulation position corresponding to the pair is a position covered by the color filter above the pair. For this reason, the color component of the smear signal corresponding to the pair can be matched with the color component of the first signal and the second signal corresponding to the pair. As a result, high-quality image data without color misregistration can be generated.

また、このデジタルカメラでは、ペアを構成する光電変換素子51と光電変換素子52の位置が列方向Yで同一となっている。また、このペアに対応するスミア信号を、このペアを構成する光電変換素子51と光電変換素子52の間の領域から取得しているため、第一の信号と第二の信号とスミア信号の各々のサンプリングポイントを列方向でほぼ同じにすることができる。この結果、ペアに対応して得られる第一の信号と第二の信号とスミア信号の相関性を高めることができ、高画質の画像データを生成することができる。   Further, in this digital camera, the positions of the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 constituting the pair are the same in the column direction Y. Moreover, since the smear signal corresponding to this pair is acquired from the area | region between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 which comprise this pair, each of a 1st signal, a 2nd signal, and a smear signal Can be made substantially the same in the column direction. As a result, the correlation between the first signal, the second signal, and the smear signal obtained corresponding to the pair can be increased, and high-quality image data can be generated.

また、このデジタルカメラでは、スミア信号については、プログレッシブ駆動で全てを1フィールドで読み出し、第一の信号と第二の信号については、インターレース駆動で全てを2フィールドに分けて読み出すようにしている。スミア電荷は、もともと量が少ないものであるため、プログレッシブ駆動でも十分に転送することができる。これに対し、光電変換素子51,52に蓄積される信号電荷は、その量がスミア電荷よりも十分に多い。このため、プログレッシブ駆動で全てを1フィールドで読み出そうとすると、光電変換素子51,52の飽和電荷量を小さくしたり、光電変換素子51の長露光期間を短くしたりしなければならない。そこで、光電変換素子51,52に蓄積される信号電荷についてはインターレース駆動で2フィールドに分けて読み出すことで、光電変換素子51,52の飽和電荷量を十分に確保したり、光電変換素子51の長露光期間を十分に長くとったりすることができ、感度低下を防ぐことができる。   In this digital camera, smear signals are all read out in one field by progressive driving, and the first signal and the second signal are read out in two fields by interlace driving. Since the amount of smear charge is originally small, it can be transferred sufficiently even with progressive driving. On the other hand, the amount of signal charge accumulated in the photoelectric conversion elements 51 and 52 is sufficiently larger than the smear charge. For this reason, if all the data is read out in one field by progressive driving, the saturation charge amount of the photoelectric conversion elements 51 and 52 must be reduced or the long exposure period of the photoelectric conversion element 51 must be shortened. Therefore, the signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements 51 and 52 are read out in two fields by interlace driving, so that a sufficient saturation charge amount of the photoelectric conversion elements 51 and 52 is secured, A long exposure period can be made sufficiently long, and a decrease in sensitivity can be prevented.

なお、図5に示した例では、露光期間において、長露光の途中から短露光を開始するものとしたが、これに限らない。例えば、露光期間において、長露光と短露光を同時に開始し、短露光を先に終了させてもよい。この場合には、長露光を開始した後、任意のタイミングで光電変換素子52のみから信号電荷を読み出し、これを転送して第二の信号を固体撮像素子5から出力させる。その後は、長露光が終了した後に、第二の信号の読み出し終了から長露光終了までの間に蓄積されたスミア電荷を転送して、スミア信号を固体撮像素子5から出力させる。最後に、光電変換素子51から信号電荷を読み出しこれを転送して第一の信号を出力させればよい。   In the example shown in FIG. 5, the short exposure is started from the middle of the long exposure in the exposure period, but the present invention is not limited to this. For example, in the exposure period, long exposure and short exposure may be started simultaneously, and short exposure may be ended first. In this case, after the long exposure is started, the signal charge is read from only the photoelectric conversion element 52 at an arbitrary timing, and this is transferred and the second signal is output from the solid-state imaging element 5. Thereafter, after the long exposure is completed, the smear charges accumulated between the end of reading the second signal and the end of the long exposure are transferred, and the smear signal is output from the solid-state imaging device 5. Finally, the signal charge is read from the photoelectric conversion element 51 and transferred to output the first signal.

このようにすることで、ダイナミックレンジ倍率が大きくなった場合(短露光が短くなった場合)でも、スミア電荷の蓄積時間を長くとることができる。   In this way, even when the dynamic range magnification is increased (when the short exposure is shortened), it is possible to increase the smear charge accumulation time.

また、長露光を先に開始し、長露光と短露光を同時に終了させる図5に示した駆動と、長露光と短露光を同時に開始し、短露光を先に終了させる駆動とを、必要なダイナミックレンジ倍率に応じて切り替え可能としてもよい。   Further, the drive shown in FIG. 5 for starting the long exposure first and ending the long exposure and the short exposure at the same time, and the drive for starting the long exposure and the short exposure at the same time and ending the short exposure first are necessary. Switching may be performed according to the dynamic range magnification.

また、以上の説明では、光電変換素子51と光電変換素子52を含む複数の光電変換素子を正方格子状に配置するものとしたが、これに限らない。例えば、奇数列の光電変換素子列を、偶数列の光電変換素子列に対し、各光電変換素子の列方向配列ピッチの1/2だけ列方向にずらした、いわゆるハニカム配置としてもよい。   In the above description, a plurality of photoelectric conversion elements including the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 are arranged in a square lattice shape, but the present invention is not limited to this. For example, the so-called honeycomb arrangement in which the odd-numbered photoelectric conversion element rows are shifted in the column direction by 1/2 of the column-direction arrangement pitch of the photoelectric conversion elements with respect to the even-numbered photoelectric conversion element rows may be employed.

また、カラーフィルタはRGBに限らず、シアン、マゼンタ、イエロー等の補色フィルタであってもよい。また、カラー撮像を行わなくてよいのであれば、各ペアの上方に設ける全てのフィルタを、赤外光透過フィルタ、緑色光透過フィルタ等にしてもよい。   The color filter is not limited to RGB, and may be a complementary color filter such as cyan, magenta, and yellow. If color imaging is not required, all filters provided above each pair may be infrared light transmission filters, green light transmission filters, or the like.

また、図1に示したデジタルカメラにおける固体撮像素子5を図9に示した構成の固体撮像素子5’に変更してもよい。   Further, the solid-state imaging device 5 in the digital camera shown in FIG. 1 may be changed to a solid-state imaging device 5 ′ having the configuration shown in FIG. 9.

図9に示した固体撮像素子5’は、垂直電荷転送部53のうち、ペアの光電変換素子51,52間にある垂直電荷転送部53以外を削除し、各列間に垂直電荷転送部53を1つおきに設けた点が、図2に示した固体撮像素子5とは異なる。   The solid-state imaging device 5 ′ illustrated in FIG. 9 deletes the vertical charge transfer unit 53 other than the vertical charge transfer unit 53 between the pair of photoelectric conversion elements 51 and 52, and the vertical charge transfer unit 53 between the columns. 2 is different from the solid-state imaging device 5 shown in FIG.

図10は、図9に示した固体撮像素子5’の範囲XIIの拡大図である。固体撮像素子5’では、ペアを構成する光電変換素子51,52と、これらの間にある電荷転送チャネル53aとの間に、電荷読み出し領域56が形成されている。図10の例では、転送電極V1,V3,V4,V6が読み出し電極を兼ねている。   FIG. 10 is an enlarged view of a range XII of the solid-state imaging device 5 ′ illustrated in FIG. 9. In the solid-state imaging device 5 ′, a charge readout region 56 is formed between the photoelectric conversion elements 51 and 52 constituting a pair and the charge transfer channel 53 a between them. In the example of FIG. 10, the transfer electrodes V1, V3, V4, V6 also serve as readout electrodes.

図9に示した固体撮像素子5’では、長露光終了後、露光期間中に転送電極V2,V5下に蓄積されたスミア電荷に応じたスミア信号を読み出す。その後、転送電極V1にパルスVHを印加して、奇数行の光電変換素子51から信号電荷を読み出し、当該信号電荷に応じた第一の信号を出力させる。続いて、転送電極V4にパルスVHを印加して、偶数行の光電変換素子51から信号電荷を読み出し、当該信号電荷に応じた第一の信号を出力させる。   In the solid-state imaging device 5 ′ shown in FIG. 9, after the long exposure, the smear signal corresponding to the smear charge accumulated under the transfer electrodes V <b> 2 and V <b> 5 is read during the exposure period. Thereafter, a pulse VH is applied to the transfer electrode V1, signal charges are read from the odd-numbered photoelectric conversion elements 51, and a first signal corresponding to the signal charges is output. Subsequently, a pulse VH is applied to the transfer electrode V4, signal charges are read from the photoelectric conversion elements 51 in even-numbered rows, and a first signal corresponding to the signal charges is output.

続いて、転送電極V3にパルスVHを印加して、奇数行の光電変換素子52から信号電荷を読み出し、当該信号電荷に応じた第二の信号を出力させる。続いて、転送電極V6にパルスVHを印加して、偶数行の光電変換素子52から信号電荷を読み出し、当該信号電荷に応じた第二の信号を出力させる。   Subsequently, the pulse VH is applied to the transfer electrode V3, the signal charge is read from the odd-numbered photoelectric conversion elements 52, and a second signal corresponding to the signal charge is output. Subsequently, a pulse VH is applied to the transfer electrode V6, signal charges are read from the photoelectric conversion elements 52 in the even-numbered rows, and a second signal corresponding to the signal charges is output.

このように、スミア信号はプログレッシブ駆動で読み出し、第一の信号と第二の信号は4フィールドのインターレース駆動で読み出すことで、光電変換素子51,52の感度低下を防ぎながら、ダイナミックレンジを拡大することができる。   As described above, the smear signal is read by progressive driving, and the first signal and the second signal are read by four-field interlace driving, thereby expanding the dynamic range while preventing the sensitivity of the photoelectric conversion elements 51 and 52 from being lowered. be able to.

次に、光電変換素子51と光電変換素子52とで感度差のある信号を出力させる別の方法について説明する。   Next, another method for outputting a signal having a difference in sensitivity between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 will be described.

図11は、図2に示した光電変換素子51と光電変換素子52とで感度差のある信号を出力させる別の方法を説明する図である。図11に示すように、光電変換素子51,52上方に設ける遮光膜の開口Kの大きさを光電変換素子51と光電変換素子52とで変えることで、光電変換素子51と光電変換素子52に感度差を設けることができる。   FIG. 11 is a diagram for explaining another method for outputting a signal having a difference in sensitivity between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 illustrated in FIG. 2. As shown in FIG. 11, by changing the size of the opening K of the light shielding film provided above the photoelectric conversion elements 51 and 52 between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52, the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 are changed. A sensitivity difference can be provided.

図12は、図2に示した光電変換素子51と光電変換素子52に感度差を設ける更に別の方法を説明する図であり、図3のVI−VI断面を示す図である。図12に示す符号Wは遮光膜を示している。   12 is a view for explaining still another method of providing a sensitivity difference between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52 shown in FIG. 2, and is a view showing a VI-VI cross section of FIG. A symbol W shown in FIG. 12 indicates a light shielding film.

図12に示すように、光電変換素子51,52上方に設けるカラーフィルタFRを光電変換素子51と光電変換素子52とで分割し、領域CF1,CF2に分け、領域CF1と領域CF2の透過率を変えることで、光電変換素子51と光電変換素子52に感度差を設けることができる。なお、この構成の場合は、光電変換素子51と光電変換素子52でカラーフィルタを一体化するのは難しいため、別々にカラーフィルタを形成する。   As shown in FIG. 12, the color filter FR provided above the photoelectric conversion elements 51 and 52 is divided into the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52, divided into areas CF1 and CF2, and the transmittances of the areas CF1 and CF2 are changed. By changing, it is possible to provide a sensitivity difference between the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52. In the case of this configuration, it is difficult to integrate the color filters by the photoelectric conversion element 51 and the photoelectric conversion element 52, and therefore the color filters are formed separately.

以上のように、本明細書には次の事項が開示されている。   As described above, the following items are disclosed in this specification.

開示された撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子から複数フィールドに分けて読み出される複数の信号を用いて1つの画像データを生成する信号処理部とを有する撮像装置であって、前記固体撮像素子は、複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を転送する電荷転送路とを含み、前記複数の光電変換素子は、互いに近接して配置された感度差のある信号を出力する第一の光電変換素子及び第二の光電変換素子のペアを複数有し、前記ペアの前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間には前記電荷転送路が設けられており、前記ペアの前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間にある前記電荷転送路は、当該ペアに対応する位置にスミア電荷を蓄積する駆動が可能であり、前記信号処理部は、前記ペアの前記第一の光電変換素子に蓄積された信号電荷に応じた第一の信号と、当該ペアの前記第二の光電変換素子に蓄積された信号電荷に応じた第二の信号と、当該ペアに対応する前記電荷転送路の位置に前記駆動によって蓄積された前記スミア電荷に応じた第三の信号とを用いて前記画像データを生成するものである。   The disclosed imaging apparatus is an imaging apparatus including a solid-state imaging device and a signal processing unit that generates one image data using a plurality of signals read out in a plurality of fields from the solid-state imaging device, The solid-state imaging device includes a plurality of photoelectric conversion elements and a charge transfer path that transfers signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements, and the plurality of photoelectric conversion elements are arranged in proximity to each other with a difference in sensitivity. A plurality of pairs of a first photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element that output a signal, and the charge transfer between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair A path is provided, and the charge transfer path between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair can be driven to accumulate smear charges at a position corresponding to the pair. And the signal The logic unit includes a first signal corresponding to the signal charge accumulated in the first photoelectric conversion element of the pair and a second signal corresponding to the signal charge accumulated in the second photoelectric conversion element of the pair. And the third signal corresponding to the smear charge accumulated by the driving at the position of the charge transfer path corresponding to the pair are generated.

この構成により、それぞれ感度の異なる第一の信号と第二の信号と第三の信号を得ることができるため、これを用いて画像データを生成することで、ダイナミックレンジを従来よりも広げることができる。   With this configuration, the first signal, the second signal, and the third signal having different sensitivities can be obtained. By generating image data using the first signal, the second signal, and the third signal, the dynamic range can be expanded more than in the past. it can.

開示された撮像装置は、前記ペアの前記第一の光電変換素子及び前記第二の光電変換素子が、それぞれ、上方に同一色の光を透過するカラーフィルタを有し、前記第一の光電変換素子上方の前記カラーフィルタと、前記第二の光電変換素子上方の前記カラーフィルタとが、前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間の前記電荷転送路を跨いで一体となっており、前記ペアに対応する位置が、当該ペアの前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間にある前記電荷転送路の、当該電荷転送路上方の前記カラーフィルタで覆われている領域にあるものである。   In the disclosed imaging device, the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair each have a color filter that transmits light of the same color above, and the first photoelectric conversion The color filter above the element and the color filter above the second photoelectric conversion element are integrally formed across the charge transfer path between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element. And the position corresponding to the pair is the color filter above the charge transfer path of the charge transfer path between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair. It is in the covered area.

この構成により、スミア電荷が蓄積される位置の上方には、第一の光電変換素子及び第二の光電変換素子上方に設けられるカラーフィルタが設けられているため、第一の信号と、第二の信号と、第三の信号の色成分を一致させることができ、ダイナミックレンジの拡大されたカラー画像を得ることができる。   With this configuration, since the color filter provided above the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element is provided above the position where the smear charge is accumulated, the first signal and the second And the color components of the third signal can be matched, and a color image with an expanded dynamic range can be obtained.

開示された撮像装置は、前記複数の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子を列方向に並べた第一の列と、前記第二の光電変換素子を前記列方向に並べた第二の列とを、前記列方向に直交する行方向に交互に並べた配置となっており、前記第一の列及び前記第二の列には、それぞれに対して同じ位置関係で、それぞれに隣接して前記電荷転送路が対応して設けられ、前記電荷転送路と、当該電荷転送路に対応する前記光電変換素子との間には、当該光電変換素子に蓄積された信号電荷を当該電荷転送路に読み出すための電荷読み出し領域が形成されているものである。   In the disclosed imaging device, the plurality of photoelectric conversion elements include a first column in which the first photoelectric conversion elements are arranged in a column direction, and a second column in which the second photoelectric conversion elements are arranged in the column direction. Are arranged alternately in the row direction orthogonal to the column direction, and the first column and the second column are adjacent to each other in the same positional relationship with each other. The charge transfer path is provided correspondingly, and the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred between the charge transfer path and the photoelectric conversion element corresponding to the charge transfer path. A charge readout region for reading out to the path is formed.

この構成により、汎用の固体撮像素子から大きく構成を変更することなく、ダイナミックレンジを広げた撮像が可能となる。   With this configuration, it is possible to perform imaging with a wide dynamic range without greatly changing the configuration from a general-purpose solid-state imaging device.

開示された撮像装置は、前記複数の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子を列方向に並べた第一の列と、前記第二の光電変換素子を前記列方向に並べた第二の列とを、前記列方向に直交する行方向に交互に並べた配置となっており、前記第一の列と前記第二の列の間には、前記行方向に1つおきに前記電荷転送路が設けられており、前記電荷転送路と、当該電荷転送路の側部にある前記光電変換素子との間には、当該光電変換素子に蓄積された信号電荷を当該電荷転送路に読み出すための電荷読み出し領域が形成されているものである。   In the disclosed imaging device, the plurality of photoelectric conversion elements include a first column in which the first photoelectric conversion elements are arranged in a column direction, and a second column in which the second photoelectric conversion elements are arranged in the column direction. Are alternately arranged in a row direction orthogonal to the column direction, and the charge is alternately arranged in the row direction between the first column and the second column. A transfer path is provided, and signal charges accumulated in the photoelectric conversion element are read out to the charge transfer path between the charge transfer path and the photoelectric conversion element on the side of the charge transfer path. For this purpose, a charge readout region is formed.

この構成により、電荷転送路の数を少なくすることができ、その分、画素数増大、画素サイズ拡大等を行うことができる。   With this configuration, the number of charge transfer paths can be reduced, and accordingly, the number of pixels can be increased and the pixel size can be increased.

開示された撮像装置は、前記ペアの前記第一の光電変換素子及び前記第二の光電変換素子の各々の前記列方向での位置が同じとなっているものである。   In the disclosed imaging apparatus, the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair have the same position in the column direction.

この構成により、第一の信号と第二の信号と第三の信号の各々のサンプリングポイントを列方向で一致させることが可能となる。このため、サンプリングポイントずれの少ない撮像データを得ることができる。   With this configuration, the sampling points of the first signal, the second signal, and the third signal can be matched in the column direction. For this reason, imaging data with a small sampling point shift can be obtained.

開示された撮像装置は、前記第三の信号は1フィールドで全て読み出し、前記第一の信号と前記第二の信号は、複数フィールドで分けて読み出すように前記固体撮像素子を駆動する駆動部を備えるものである。   The disclosed imaging apparatus includes a driving unit that drives the solid-state imaging device so that the third signal is read out in one field, and the first signal and the second signal are read out in a plurality of fields. It is to be prepared.

この構成により、第一の信号と第二の信号を読み出すときの電荷転送路の転送容量を大きくすることができる。このため、光電変換素子の飽和電荷量も大きくすることができ、感度向上につながる。   With this configuration, the transfer capacity of the charge transfer path when reading the first signal and the second signal can be increased. For this reason, the saturation charge amount of the photoelectric conversion element can also be increased, leading to an improvement in sensitivity.

開示された撮像装置は、前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子とで露光時間に差をつける制御を行うことで前記感度差を設けるものである。   The disclosed image pickup apparatus provides the difference in sensitivity by performing control for differentiating the exposure time between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element.

この構成により、各画素の構造を同じにすることができる。   With this configuration, the structure of each pixel can be made the same.

開示された撮像装置は、前記第一の光電変換素子の露光を先に開始し、その途中で前記第二の光電変換素子の露光を開始し、前記第二の光電変換素子の露光中に前記駆動を行うものである。   The disclosed imaging apparatus starts the exposure of the first photoelectric conversion element first, starts the exposure of the second photoelectric conversion element in the middle thereof, and performs the exposure during the exposure of the second photoelectric conversion element. It is to drive.

開示された撮像装置は、前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の露光を同時に開始し、前記第一の光電変換素子の露光の途中で前記第二の光電変換素子の露光を終了し、前記第二の光電変換素子の露光で前記第二の光電変換素子から前記第二の信号を読み出した後、前記第一の光電変換素子の露光が終了するまでの間に、前記駆動を行うものである。   The disclosed imaging apparatus simultaneously starts exposure of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element, and exposes the second photoelectric conversion element in the middle of the exposure of the first photoelectric conversion element. And after reading the second signal from the second photoelectric conversion element in the exposure of the second photoelectric conversion element, until the exposure of the first photoelectric conversion element is completed, It is to drive.

開示された撮像装置は、前記第一の光電変換素子の露光を先に開始し、その途中で前記第二の光電変換素子の露光を開始し、前記第二の光電変換素子の露光中に前記駆動を行う第一のモードと、前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の露光を同時に開始し、前記第一の光電変換素子の露光の途中で前記第二の光電変換素子の露光を終了し、前記第二の光電変換素子の露光で前記第二の光電変換素子から前記第二の信号を読み出した後、前記第一の光電変換素子の露光が終了するまでの間に、前記駆動を行う第二のモードとを、ダイナミックレンジ倍率に応じて切り替えるものである。   The disclosed imaging apparatus starts the exposure of the first photoelectric conversion element first, starts the exposure of the second photoelectric conversion element in the middle thereof, and performs the exposure during the exposure of the second photoelectric conversion element. First mode of driving, and exposure of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element are started simultaneously, and the second photoelectric conversion element is in the middle of exposure of the first photoelectric conversion element And after the second signal is read from the second photoelectric conversion element in the exposure of the second photoelectric conversion element, until the exposure of the first photoelectric conversion element is completed. The second mode in which the driving is performed is switched according to the dynamic range magnification.

5 固体撮像素子
51,52 光電変換素子
53 垂直電荷転送部
53a 電荷転送チャネル
V1〜V6 転送電極
19 Dレンジ拡大処理部
5 Solid-state imaging devices 51 and 52 Photoelectric conversion device 53 Vertical charge transfer unit 53a Charge transfer channel V1 to V6 Transfer electrode 19 D range expansion processing unit

Claims (10)

固体撮像素子と、前記固体撮像素子から複数フィールドに分けて読み出される複数の信号を用いて1つの画像データを生成する信号処理部とを有する撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を転送する電荷転送路とを含み、
前記複数の光電変換素子は、互いに近接して配置された感度差のある信号を出力する第一の光電変換素子及び第二の光電変換素子のペアを複数有し、
前記ペアの前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間には前記電荷転送路が設けられており、
前記ペアの前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間にある前記電荷転送路は、当該ペアに対応する位置にスミア電荷を蓄積する駆動が可能であり、
前記信号処理部は、前記ペアの前記第一の光電変換素子に蓄積された信号電荷に応じた第一の信号と、当該ペアの前記第二の光電変換素子に蓄積された信号電荷に応じた第二の信号と、当該ペアに対応する前記電荷転送路の位置に前記駆動によって蓄積された前記スミア電荷に応じた第三の信号とを用いて前記画像データを生成する撮像装置。
An imaging apparatus comprising: a solid-state imaging device; and a signal processing unit that generates one image data using a plurality of signals read out in a plurality of fields from the solid-state imaging device,
The solid-state imaging element includes a plurality of photoelectric conversion elements, and a charge transfer path that transfers signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements,
The plurality of photoelectric conversion elements have a plurality of pairs of a first photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element that output signals having a difference in sensitivity arranged close to each other,
The charge transfer path is provided between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair,
The charge transfer path between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair can be driven to accumulate smear charges at a position corresponding to the pair,
The signal processing unit corresponds to a first signal corresponding to the signal charge accumulated in the first photoelectric conversion element of the pair and a signal charge accumulated in the second photoelectric conversion element of the pair. An imaging apparatus that generates the image data using a second signal and a third signal corresponding to the smear charge accumulated by the driving at a position of the charge transfer path corresponding to the pair.
請求項1記載の撮像装置であって、
前記ペアの前記第一の光電変換素子及び前記第二の光電変換素子が、それぞれ、上方に同一色の光を透過するカラーフィルタを有し、
前記第一の光電変換素子上方の前記カラーフィルタと、前記第二の光電変換素子上方の前記カラーフィルタとが、前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間の前記電荷転送路を跨いで一体となっており、
前記ペアに対応する位置が、当該ペアの前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の間にある前記電荷転送路の、当該電荷転送路上方の前記カラーフィルタで覆われている領域にある撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1,
The first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair each have a color filter that transmits light of the same color above,
The charge transfer between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element is performed by the color filter above the first photoelectric conversion element and the color filter above the second photoelectric conversion element. It is united across the road,
A position corresponding to the pair is covered with the color filter above the charge transfer path of the charge transfer path between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair. An imaging device in the area.
請求項1又は2記載の撮像装置であって、
前記複数の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子を列方向に並べた第一の列と、前記第二の光電変換素子を前記列方向に並べた第二の列とを、前記列方向に直交する行方向に交互に並べた配置となっており、
前記第一の列及び前記第二の列には、それぞれに対して同じ位置関係で、それぞれに隣接して前記電荷転送路が対応して設けられ、
前記電荷転送路と、当該電荷転送路に対応する前記光電変換素子との間には、当該光電変換素子に蓄積された信号電荷を当該電荷転送路に読み出すための電荷読み出し領域が形成されている撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1 or 2,
The plurality of photoelectric conversion elements includes a first column in which the first photoelectric conversion elements are arranged in a column direction, and a second column in which the second photoelectric conversion elements are arranged in the column direction. It is arranged alternately in the row direction orthogonal to the direction,
In the first row and the second row, the charge transfer paths are provided correspondingly adjacent to each other in the same positional relationship with each other,
Between the charge transfer path and the photoelectric conversion element corresponding to the charge transfer path, a charge reading region for reading the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element to the charge transfer path is formed. Imaging device.
請求項1又は2記載の撮像装置であって、
前記複数の光電変換素子が、前記第一の光電変換素子を列方向に並べた第一の列と、前記第二の光電変換素子を前記列方向に並べた第二の列とを、前記列方向に直交する行方向に交互に並べた配置となっており、
前記第一の列と前記第二の列の間には、前記行方向に1つおきに前記電荷転送路が設けられており、
前記電荷転送路と、当該電荷転送路に隣接する前記光電変換素子との間には、当該光電変換素子に蓄積された信号電荷を当該電荷転送路に読み出すための電荷読み出し領域が形成されている撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1 or 2,
The plurality of photoelectric conversion elements includes a first column in which the first photoelectric conversion elements are arranged in a column direction, and a second column in which the second photoelectric conversion elements are arranged in the column direction. It is arranged alternately in the row direction orthogonal to the direction,
Between the first column and the second column, every other charge transfer path is provided in the row direction,
Between the charge transfer path and the photoelectric conversion element adjacent to the charge transfer path, a charge reading region for reading the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element to the charge transfer path is formed. Imaging device.
請求項3又は4記載の撮像措置であって、
前記ペアの前記第一の光電変換素子及び前記第二の光電変換素子の各々の前記列方向での位置が同じとなっている撮像装置。
The imaging measure according to claim 3 or 4,
The imaging device in which the position in the column direction of each of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element of the pair is the same.
請求項1〜5のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記第三の信号は1フィールドで全て読み出し、前記第一の信号と前記第二の信号は、複数フィールドで分けて読み出すように前記固体撮像素子を駆動する駆動部を備える撮像装置。
The imaging device according to any one of claims 1 to 5,
An imaging apparatus comprising a drive unit that drives the solid-state imaging device so that the third signal is read out in one field, and the first signal and the second signal are read out in a plurality of fields.
請求項1〜6のいずれか1項記載の撮像装置であって、
前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子とで露光時間に差をつける制御を行うことで前記感度差を設ける撮像装置。
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 6,
An imaging apparatus that provides the difference in sensitivity by performing a control for making a difference in exposure time between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element.
請求項7記載の撮像装置であって、
前記第一の光電変換素子の露光を先に開始し、その途中で前記第二の光電変換素子の露光を開始し、前記第二の光電変換素子の露光中に前記駆動を行う撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 7,
An imaging apparatus that starts exposure of the first photoelectric conversion element first, starts exposure of the second photoelectric conversion element in the middle thereof, and performs the driving during the exposure of the second photoelectric conversion element.
請求項7記載の撮像装置であって、
前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の露光を同時に開始し、前記第一の光電変換素子の露光の途中で前記第二の光電変換素子の露光を終了し、前記第二の光電変換素子の露光で前記第二の光電変換素子から前記第二の信号を読み出した後、前記第一の光電変換素子の露光が終了するまでの間に、前記駆動を行う撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 7,
The exposure of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element is started at the same time, the exposure of the second photoelectric conversion element is completed in the middle of the exposure of the first photoelectric conversion element, and the second An image pickup apparatus that performs the driving after reading the second signal from the second photoelectric conversion element by the exposure of the photoelectric conversion element until the exposure of the first photoelectric conversion element is completed.
請求項7記載の撮像装置であって、
前記第一の光電変換素子の露光を先に開始し、その途中で前記第二の光電変換素子の露光を開始し、前記第二の光電変換素子の露光中に前記駆動を行う第一のモードと、
前記第一の光電変換素子と前記第二の光電変換素子の露光を同時に開始し、前記第一の光電変換素子の露光の途中で前記第二の光電変換素子の露光を終了し、前記第二の光電変換素子の露光で前記第二の光電変換素子から前記第二の信号を読み出した後、前記第一の光電変換素子の露光が終了するまでの間に、前記駆動を行う第二のモードとを、ダイナミックレンジ倍率に応じて切り替える撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 7,
The first mode in which the exposure of the first photoelectric conversion element is started first, the exposure of the second photoelectric conversion element is started in the middle, and the driving is performed during the exposure of the second photoelectric conversion element When,
The exposure of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element is started at the same time, the exposure of the second photoelectric conversion element is completed in the middle of the exposure of the first photoelectric conversion element, and the second The second mode in which the driving is performed after the second signal is read from the second photoelectric conversion element in the exposure of the photoelectric conversion element until the exposure of the first photoelectric conversion element is completed. An imaging device that switches between and according to the dynamic range magnification.
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