JP2812317B2 - 固体撮像素子およびこれを用いた固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像素子およびこれを用いた固体撮像装置Info
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- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
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- H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電荷転送型の固体撮
像素子およびこれを用いた固体撮像装置に関し、特にス
ミア、ダイナミックレンジの特性を同時に改善すること
のできるインターライン型固体撮像素子およびこれを用
いた固体撮像装置に関するものである。
像素子およびこれを用いた固体撮像装置に関し、特にス
ミア、ダイナミックレンジの特性を同時に改善すること
のできるインターライン型固体撮像素子およびこれを用
いた固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図８は、インターライン型の固体撮像素
子の概略の構成を示す平面図であり、図９は、インター
ライン型固体撮像素子の単位セル部の断面図である。図
８に示されるように、固体撮像素子１０１は、マトリッ
クス状に配置されたフォトダイオード１０２と、フォト
ダイオードから信号電荷を読み出して垂直方向に転送す
る垂直転送レジスタ１０３と、複数の垂直転送レジスタ
１０３から１ライン分ずつ信号電荷の転送を受けこれを
水平方向に転送する水平転送レジスタ１０５と、水平転
送レジスタを転送された信号電荷を電圧信号に変換する
出力アンプ１０４とにより構成される。
子の概略の構成を示す平面図であり、図９は、インター
ライン型固体撮像素子の単位セル部の断面図である。図
８に示されるように、固体撮像素子１０１は、マトリッ
クス状に配置されたフォトダイオード１０２と、フォト
ダイオードから信号電荷を読み出して垂直方向に転送す
る垂直転送レジスタ１０３と、複数の垂直転送レジスタ
１０３から１ライン分ずつ信号電荷の転送を受けこれを
水平方向に転送する水平転送レジスタ１０５と、水平転
送レジスタを転送された信号電荷を電圧信号に変換する
出力アンプ１０４とにより構成される。
【０００３】図９に示されるように、ｎ型基板２０９上
に設けられたｐウェル２０８の表面領域内に、素子分離
領域２０１に区画されてフォトダイオードｎ型領域２０
２と垂直電荷転送領域２０６が形成されており、ｎ型領
域２０２と電荷転送領域２０６との間には読み出しゲー
ト部２０４が設けられている。半導体基板上には、読み
出しゲートを兼ねる垂直レジスタ転送電極２０７が形成
されており、その上には、フォトダイオードｎ型領域２
０２上にフォトダイオード開口２０３を有する遮光膜２
０５が形成されている。
に設けられたｐウェル２０８の表面領域内に、素子分離
領域２０１に区画されてフォトダイオードｎ型領域２０
２と垂直電荷転送領域２０６が形成されており、ｎ型領
域２０２と電荷転送領域２０６との間には読み出しゲー
ト部２０４が設けられている。半導体基板上には、読み
出しゲートを兼ねる垂直レジスタ転送電極２０７が形成
されており、その上には、フォトダイオードｎ型領域２
０２上にフォトダイオード開口２０３を有する遮光膜２
０５が形成されている。
【０００４】近年、固体撮像素子の進歩はめざましく製
造技術の発展とともに高解像度化、高性能化が図られて
きた。しかしながら、単位セルサイズの縮小は固体撮像
素子の特性劣化を招くことになり従って高解像度化と高
性能化とはトレードオフの関係にある。例えば、図９に
示すインターライン型の単位セルでは、スミア特性はフ
ォトダイオードの開口を規定している遮光膜２０５の開
口端と垂直電荷転送領域２０６間の距離ａおよびｂと密
接な関係があることが一般的に知られており、高解像度
化、それに伴うセルサイズの縮小によって距離ａおよぴ
ｂが短くなれば当然スミア特性は劣化することになる。
造技術の発展とともに高解像度化、高性能化が図られて
きた。しかしながら、単位セルサイズの縮小は固体撮像
素子の特性劣化を招くことになり従って高解像度化と高
性能化とはトレードオフの関係にある。例えば、図９に
示すインターライン型の単位セルでは、スミア特性はフ
ォトダイオードの開口を規定している遮光膜２０５の開
口端と垂直電荷転送領域２０６間の距離ａおよびｂと密
接な関係があることが一般的に知られており、高解像度
化、それに伴うセルサイズの縮小によって距離ａおよぴ
ｂが短くなれば当然スミア特性は劣化することになる。
【０００５】また、同様にダイナミックレンジはフォト
ダイオードｎ型領域２０２の蓄積電荷量、もしくは垂直
電荷転送領域２０６の転送電荷量のいずれかで制限され
ることになるが、これも単位セルの大きさが規定されれ
ば、素子分離領域２０１を除けば自ずと画素ピッチ（水
平方向では図９のｃ）でその配分が決まり、トレンチ構
造のような３次元的構成をとらない限り、ほぼそれぞれ
の面積で制限されてしまうことになる。
ダイオードｎ型領域２０２の蓄積電荷量、もしくは垂直
電荷転送領域２０６の転送電荷量のいずれかで制限され
ることになるが、これも単位セルの大きさが規定されれ
ば、素子分離領域２０１を除けば自ずと画素ピッチ（水
平方向では図９のｃ）でその配分が決まり、トレンチ構
造のような３次元的構成をとらない限り、ほぼそれぞれ
の面積で制限されてしまうことになる。
【０００６】この解決策として、特開平４−３３０８７
６号公報「スミア抑圧型固体撮像装置」により、スミア
およびダイナミックレンジの双方を改善できる固体撮像
装置が提案されている。この構成を図１０に示す。垂直
転送レジスタ３０１はフォトダイオード３０２で生成さ
れた信号電荷を受ける部分３０３と、スミア成分を確保
する部分３０４に分割されている。したがって、垂直転
送レジスタ３０１では交互に（信号＋スミア）成分、ス
ミア成分が転送されることになる。これら二種の電荷を
それぞれ水平転送レジスタ３０５、３０６に転送し、そ
れぞれの出力信号を相関二重サンプリング回路３０７、
３０８に入力する。信号出力が所定値より小さいとき
（相関二重サンプリング回路３０７の出力レベルが所定
値より低いとき）、判定手段３１２は、アナログスイッ
チ３１０、３１４を図示した状態に保持する。このと
き、相関二重サンプリング回路３０７と３０８の出力信
号は差動増幅器３０９により引き算され、差動増幅器３
１５を介して信号処理回路３１６へ伝達される。従っ
て、このとき（信号＋スミア）成分−スミア成分の演算
がなされることになり、スミアが抑制される。
６号公報「スミア抑圧型固体撮像装置」により、スミア
およびダイナミックレンジの双方を改善できる固体撮像
装置が提案されている。この構成を図１０に示す。垂直
転送レジスタ３０１はフォトダイオード３０２で生成さ
れた信号電荷を受ける部分３０３と、スミア成分を確保
する部分３０４に分割されている。したがって、垂直転
送レジスタ３０１では交互に（信号＋スミア）成分、ス
ミア成分が転送されることになる。これら二種の電荷を
それぞれ水平転送レジスタ３０５、３０６に転送し、そ
れぞれの出力信号を相関二重サンプリング回路３０７、
３０８に入力する。信号出力が所定値より小さいとき
（相関二重サンプリング回路３０７の出力レベルが所定
値より低いとき）、判定手段３１２は、アナログスイッ
チ３１０、３１４を図示した状態に保持する。このと
き、相関二重サンプリング回路３０７と３０８の出力信
号は差動増幅器３０９により引き算され、差動増幅器３
１５を介して信号処理回路３１６へ伝達される。従っ
て、このとき（信号＋スミア）成分−スミア成分の演算
がなされることになり、スミアが抑制される。
【０００７】被写体が高輝度になると、信号を受け取る
部分３０３から溢れた信号電荷はスミア成分を確保する
部分３０４に流入するようになる。このとき、相関二重
サンプリング回路３０７の出力レベルが判定手段３１２
が規定するレベルを越え、これによりアナログスイッチ
３１０、３１４は図示した状態の反転した状態に駆動さ
れる。これにより、相関二重サンプリング回路３０８の
出力が反転増幅回路３１１を経由することにより、相関
二重サンプリング回路３０７の信号と３０８の信号とは
加算されることになる。また、このとき１Ｈラインメモ
リ３１３に記憶されていたスミア成分の出力データが、
差動増幅器３０９から出力される信号加算出力から引き
算される。この方式によれば、高輝度被写体撮像時に
は、垂直転送レジスタ３０１の信号を受け取る部分３０
３の信号電荷とスミア成分を確保する部分３０４の信号
電荷とが加算されることになり、ダイナミックレンジの
拡大を図ることができる。
部分３０３から溢れた信号電荷はスミア成分を確保する
部分３０４に流入するようになる。このとき、相関二重
サンプリング回路３０７の出力レベルが判定手段３１２
が規定するレベルを越え、これによりアナログスイッチ
３１０、３１４は図示した状態の反転した状態に駆動さ
れる。これにより、相関二重サンプリング回路３０８の
出力が反転増幅回路３１１を経由することにより、相関
二重サンプリング回路３０７の信号と３０８の信号とは
加算されることになる。また、このとき１Ｈラインメモ
リ３１３に記憶されていたスミア成分の出力データが、
差動増幅器３０９から出力される信号加算出力から引き
算される。この方式によれば、高輝度被写体撮像時に
は、垂直転送レジスタ３０１の信号を受け取る部分３０
３の信号電荷とスミア成分を確保する部分３０４の信号
電荷とが加算されることになり、ダイナミックレンジの
拡大を図ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来例では、
高輝度被写体の撮像時には、信号を受け取る部分を溢れ
た信号電荷は、その後段のスミア成分を確保する部分３
０４に流入することが予定されている。しかし、被写体
が高輝度になった場合には、３０３から溢れた信号電荷
は後段の部分３０４のみならず前段の部分３０４および
それらを越えて隣接する部分３０３へも流入してしま
う。そのため、この従来方式では、高輝度被写体の撮像
時の解像度が低下してしまう。従って、本発明の解決す
べき課題は、高輝度被写体の撮像時にも解像度を低下さ
せることなく、スミア特性およびダイナミックレンジの
双方を改善することのできる固体撮像素子およびそれを
用いた固体撮像装置を提供することである。
高輝度被写体の撮像時には、信号を受け取る部分を溢れ
た信号電荷は、その後段のスミア成分を確保する部分３
０４に流入することが予定されている。しかし、被写体
が高輝度になった場合には、３０３から溢れた信号電荷
は後段の部分３０４のみならず前段の部分３０４および
それらを越えて隣接する部分３０３へも流入してしま
う。そのため、この従来方式では、高輝度被写体の撮像
時の解像度が低下してしまう。従って、本発明の解決す
べき課題は、高輝度被写体の撮像時にも解像度を低下さ
せることなく、スミア特性およびダイナミックレンジの
双方を改善することのできる固体撮像素子およびそれを
用いた固体撮像装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の課題
は、２次元状に配置されたフォトダイオードより異なる
ｎ種の蓄積時間にて信号電荷を読み出し、それらとスミ
ア電荷を合わせて（ｎ＋１）種の電荷を独立に転送し、
それらの電荷に基づく出力信号を独立に出力させた後、
信号電荷に基づく出力信号よりスミア電荷に基づく電荷
信号を減算器にて減算し、その減算信号同志を加算し合
うことにより、解決することができる。
は、２次元状に配置されたフォトダイオードより異なる
ｎ種の蓄積時間にて信号電荷を読み出し、それらとスミ
ア電荷を合わせて（ｎ＋１）種の電荷を独立に転送し、
それらの電荷に基づく出力信号を独立に出力させた後、
信号電荷に基づく出力信号よりスミア電荷に基づく電荷
信号を減算器にて減算し、その減算信号同志を加算し合
うことにより、解決することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明による固体撮像素子は、２
次元状に配置されたフォトダイオードと、前記フォトダ
イオードから読み出された信号電荷と転送する垂直転送
レジスタと、前記垂直転送レジスタにより転送される信
号電荷を出力部へ転送する水平転送レジスタと、を有す
るものであって、前記垂直転送レジスタは、前記フォト
ダイオードからｎ種（ｎは２以上の整数）の異なる蓄積
時間で読み出し、それらのｎ種の信号電荷と信号電荷を
有しないスミア電荷を独立に転送することができ、これ
ら（ｎ＋１）種の電荷に基づく出力信号を独立に出力さ
せることができるように構成されている。
次元状に配置されたフォトダイオードと、前記フォトダ
イオードから読み出された信号電荷と転送する垂直転送
レジスタと、前記垂直転送レジスタにより転送される信
号電荷を出力部へ転送する水平転送レジスタと、を有す
るものであって、前記垂直転送レジスタは、前記フォト
ダイオードからｎ種（ｎは２以上の整数）の異なる蓄積
時間で読み出し、それらのｎ種の信号電荷と信号電荷を
有しないスミア電荷を独立に転送することができ、これ
ら（ｎ＋１）種の電荷に基づく出力信号を独立に出力さ
せることができるように構成されている。
【００１１】また、本発明による固体撮像装置は、異な
るｎ（ｎは２以上の整数）種の蓄積時間にてフォトダイ
オードより信号電荷を読み出し、これらｎ種の信号電荷
およびスミア電荷に基づく出力信号を固体撮像素子から
独立に出力させ、前記異なる蓄積時間の信号電荷による
出力信号より前記スミア電荷による出力信号を減算器に
て減算し、その減算値同志を加算器にて加算するように
構成される。
るｎ（ｎは２以上の整数）種の蓄積時間にてフォトダイ
オードより信号電荷を読み出し、これらｎ種の信号電荷
およびスミア電荷に基づく出力信号を固体撮像素子から
独立に出力させ、前記異なる蓄積時間の信号電荷による
出力信号より前記スミア電荷による出力信号を減算器に
て減算し、その減算値同志を加算器にて加算するように
構成される。
【００１２】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。以下では、インターレース動作を前提とし
た垂直方向の２フォトダイオードの信号電荷を読み出し
加算して１画素とする電荷転送型固体撮像素子について
説明する。 ［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例を示す
構成図である。同図に示されるように、固体撮像素子１
１は、フォトダイオード１２に蓄積された電荷を読み出
す垂直転送レジスタ１３を備え、垂直転送レジスタ１３
は、（非飽和信号電荷＋スミア電荷）ＱUSG/SM、スミア
電荷ＱSM、（信号電荷＋スミア電荷）ＱSG/SM を独立に
転送できるように構成されている。これらの電荷は水平
転送レジスタ１５により出力アンプ１４に送られ電圧に
変換された後、固体撮像素子１１より出力される。その
出力信号は、飽和ムラを除去するためのホワイトクリッ
プ回路１６を通して第１ないし第６ラインメモリ１７〜
２２に送られる。このラインメモリは水平１ライン分の
メモリでありアナログメモリであってもデジタルメモリ
であってもよい。デジタルメモリを用いる場合にはホワ
イトクリップ回路１６後にＡ／Ｄ変換器が挿入される。
て説明する。以下では、インターレース動作を前提とし
た垂直方向の２フォトダイオードの信号電荷を読み出し
加算して１画素とする電荷転送型固体撮像素子について
説明する。 ［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例を示す
構成図である。同図に示されるように、固体撮像素子１
１は、フォトダイオード１２に蓄積された電荷を読み出
す垂直転送レジスタ１３を備え、垂直転送レジスタ１３
は、（非飽和信号電荷＋スミア電荷）ＱUSG/SM、スミア
電荷ＱSM、（信号電荷＋スミア電荷）ＱSG/SM を独立に
転送できるように構成されている。これらの電荷は水平
転送レジスタ１５により出力アンプ１４に送られ電圧に
変換された後、固体撮像素子１１より出力される。その
出力信号は、飽和ムラを除去するためのホワイトクリッ
プ回路１６を通して第１ないし第６ラインメモリ１７〜
２２に送られる。このラインメモリは水平１ライン分の
メモリでありアナログメモリであってもデジタルメモリ
であってもよい。デジタルメモリを用いる場合にはホワ
イトクリップ回路１６後にＡ／Ｄ変換器が挿入される。
【００１３】制御回路２６は、信号電荷の種類に応じ
て、ラインメモリ１７〜２２を選択して、読み込み、読
み出しを制御する。そしてこのラインメモリの出力は切
り替え器２７を通して第１、第２減算器２３、２４に入
力され、スミア成分の出力が減算された後、加算器２５
に入力され、足し合わされ、出力信号Ｖｏｕｔに加工さ
れる。
て、ラインメモリ１７〜２２を選択して、読み込み、読
み出しを制御する。そしてこのラインメモリの出力は切
り替え器２７を通して第１、第２減算器２３、２４に入
力され、スミア成分の出力が減算された後、加算器２５
に入力され、足し合わされ、出力信号Ｖｏｕｔに加工さ
れる。
【００１４】以下、具体的動作をより詳細に説明する。
この例はインターレースを前提としたインターライン型
素子で垂直方向の２フォトダイオードの電荷を加算して
信号を構成することを基本としている。またｎは２で、
蓄積時間の長い期間を映像出力期間、短い期間をブラン
キング期間とし（図２参照）、ブランキング期間の信
号、すなわち（非飽和信号電荷＋スミア電荷）ＱUSG/SM
とスミア電荷ＱSMに、（信号電荷＋スミア電荷）Ｑ
SG/SM の２ラインに対しそれぞれ１ラインずつが割り当
てられている。
この例はインターレースを前提としたインターライン型
素子で垂直方向の２フォトダイオードの電荷を加算して
信号を構成することを基本としている。またｎは２で、
蓄積時間の長い期間を映像出力期間、短い期間をブラン
キング期間とし（図２参照）、ブランキング期間の信
号、すなわち（非飽和信号電荷＋スミア電荷）ＱUSG/SM
とスミア電荷ＱSMに、（信号電荷＋スミア電荷）Ｑ
SG/SM の２ラインに対しそれぞれ１ラインずつが割り当
てられている。
【００１５】このように（非飽和信号電荷＋スミア電
荷）ＱUSG/SMおよびスミア電荷ＱSMの転送画素数を（信
号電荷＋スミア電荷）ＱSG/SM の転送画素数に比較して
少なくすることができるのは、（非飽和信号電荷＋スミ
ア電荷）ＱUSG/SMが実効的意味をもつのは高輝度被写体
を扱う場合であり、この場合には解像度をあまり必要と
しないからであり、同様にスミア成分が問題となるのも
主として高輝度被写体撮像時だからである。また、この
ように垂直転送レジスタの段数を全ての種類の電荷を同
じ画素数分ずつ転送する場合に比較して減少させること
で転送電荷量を確保することが可能になり、ダイナミッ
クレンジをさらに拡大することも可能となる。
荷）ＱUSG/SMおよびスミア電荷ＱSMの転送画素数を（信
号電荷＋スミア電荷）ＱSG/SM の転送画素数に比較して
少なくすることができるのは、（非飽和信号電荷＋スミ
ア電荷）ＱUSG/SMが実効的意味をもつのは高輝度被写体
を扱う場合であり、この場合には解像度をあまり必要と
しないからであり、同様にスミア成分が問題となるのも
主として高輝度被写体撮像時だからである。また、この
ように垂直転送レジスタの段数を全ての種類の電荷を同
じ画素数分ずつ転送する場合に比較して減少させること
で転送電荷量を確保することが可能になり、ダイナミッ
クレンジをさらに拡大することも可能となる。
【００１６】この構成では、（非飽和信号電荷＋スミア
電荷）ＱUSG/SM、スミア電荷ＱSM、（信号電荷＋スミア
電荷）ＱSG/SM の２画素分が２ラインとして１つのブロ
ックとして扱われることになるため、フォトダイオード
１２の読み出しは垂直方向４個分が独立して読みだせる
ように転送電極が構成されている。すなわち、図４
（ａ）、（ｂ）に示すように、フォトダイオード１２は
垂直転送レジスタ１３の転送電極のうち読み出し可能な
電極を図のようにφＶＡ、φＶＢ、φＶＣ、φＶＤに分
離し、４フォトダイオード周期にする必要がある。図２
における時刻ｔ１（ｔ３）での映像出力期間での読み出
しでは、図４（ａ）に示すように、φＶＡ、φＶＣに読
み出しパルスを印加してフォトダイオード１、３の信号
電荷を垂直転送レジスタ１３に読み出し、続いて一段転
送後φＶＢ、φＶＤに読み出しパルスを印加しフォトダ
イオード２および４の信号電荷をそれぞれ加算する。こ
れにより、１＋２、３＋４の信号が１段おきに形成され
る。一方、図２に示す時刻ｔ２（ｔ４）の読み出しで
は、ブランキング期間の信号は図４（ｂ）に示すよう
に、φＶＡからφＶＤまで一段ずつの転送を行いながら
読み出し、４フォトダイオード分の電荷を加算する。ま
たスミアは転送するすべての垂直レジスタに混入する電
荷であるから特に電荷の読み出しに関係なく残りの１段
に形成される。このようにして図１に示すように２ライ
ン（フォトダイオード４個分）間に、（信号電荷＋スミ
ア電荷）ＱSG/SM が１ラインおきに、（非飽和信号電荷
＋スミア電荷）ＱUSG/SM、スミア電荷ＱSMが、（信号電
荷＋スミア電荷）ＱSG/SM を交互に補間したパターンで
得られる。
電荷）ＱUSG/SM、スミア電荷ＱSM、（信号電荷＋スミア
電荷）ＱSG/SM の２画素分が２ラインとして１つのブロ
ックとして扱われることになるため、フォトダイオード
１２の読み出しは垂直方向４個分が独立して読みだせる
ように転送電極が構成されている。すなわち、図４
（ａ）、（ｂ）に示すように、フォトダイオード１２は
垂直転送レジスタ１３の転送電極のうち読み出し可能な
電極を図のようにφＶＡ、φＶＢ、φＶＣ、φＶＤに分
離し、４フォトダイオード周期にする必要がある。図２
における時刻ｔ１（ｔ３）での映像出力期間での読み出
しでは、図４（ａ）に示すように、φＶＡ、φＶＣに読
み出しパルスを印加してフォトダイオード１、３の信号
電荷を垂直転送レジスタ１３に読み出し、続いて一段転
送後φＶＢ、φＶＤに読み出しパルスを印加しフォトダ
イオード２および４の信号電荷をそれぞれ加算する。こ
れにより、１＋２、３＋４の信号が１段おきに形成され
る。一方、図２に示す時刻ｔ２（ｔ４）の読み出しで
は、ブランキング期間の信号は図４（ｂ）に示すよう
に、φＶＡからφＶＤまで一段ずつの転送を行いながら
読み出し、４フォトダイオード分の電荷を加算する。ま
たスミアは転送するすべての垂直レジスタに混入する電
荷であるから特に電荷の読み出しに関係なく残りの１段
に形成される。このようにして図１に示すように２ライ
ン（フォトダイオード４個分）間に、（信号電荷＋スミ
ア電荷）ＱSG/SM が１ラインおきに、（非飽和信号電荷
＋スミア電荷）ＱUSG/SM、スミア電荷ＱSMが、（信号電
荷＋スミア電荷）ＱSG/SM を交互に補間したパターンで
得られる。
【００１７】こうして得られたそれぞれの電荷に基づく
出力信号にスミア低減とダイナミックレンジ拡大のため
の処理を加えるのであるが、この様子を図５、図６のタ
イミングチャートを使って説明する（図５、図６は上下
に重ねられ、一の図面を構成する）。図１に示す固体撮
像素子では水平転送レジスタ１５は一本であるため１ラ
インおきの信号を連続した信号に変換するためには水平
転送レジスタ１５を出力信号のレートの２倍のスピード
で動かし外部のメモリを用いて信号のレート変換をする
必要がある。従って、図５、図６では出力アンプ１４の
出力信号は水平の同期信号ＨＤの倍のレートで出力され
る。期間Ｔ１の前半で（信号＋スミア）ＱSG/SM が出力
されるがこれは制御回路２６によリ第１ラインメモリ１
７に読み込まれる。次に期間Ｔ１の後半では、スミアＱ
SMが出力されこれは第３ラインメモリ１９に読み込まれ
る。同様に期間Ｔ２の前半では（信号＋スミア）Ｑ
SG/SMが出力され第２ラインメモリ１８に、後半の（非
飽和信号＋スミア）ＱUSG/SMは第５ラインメモリ２１に
読み込まれ、期間Ｔ３では（信号＋スミア）ＱSG/SM が
第１ラインメモリ１７に、スミアＱSMが第４ラインメモ
リ２０に、期間Ｔ４では（信号＋スミア）ＱSG/SM が第
２ラインメモリ１８に、（非飽和出力＋スミア）Ｑ
USG/SMが第６ラインメモリ２２にそれぞれ読み込まれ
る。それぞれ読み込まれた信号はレートを変換されて出
力される。例えば、（信号＋スミア）ＱSG/SM は第１、
第２ラインメモリ１７、１８から交互に読み出される。
またスミアＱSMおよび（非飽和出力＋スミア）ＱUSG/SM
は交互のラインでしか読み出されないため、スミアＱSM
は第３ラインメモリおよび第４ラインメモリ４から、ま
た（非飽和出力＋スミア）ＱUSG/SMは第５ラインメモリ
２１および第６ラインメモリ２２から２ラインずつ連続
して読み出される。
出力信号にスミア低減とダイナミックレンジ拡大のため
の処理を加えるのであるが、この様子を図５、図６のタ
イミングチャートを使って説明する（図５、図６は上下
に重ねられ、一の図面を構成する）。図１に示す固体撮
像素子では水平転送レジスタ１５は一本であるため１ラ
インおきの信号を連続した信号に変換するためには水平
転送レジスタ１５を出力信号のレートの２倍のスピード
で動かし外部のメモリを用いて信号のレート変換をする
必要がある。従って、図５、図６では出力アンプ１４の
出力信号は水平の同期信号ＨＤの倍のレートで出力され
る。期間Ｔ１の前半で（信号＋スミア）ＱSG/SM が出力
されるがこれは制御回路２６によリ第１ラインメモリ１
７に読み込まれる。次に期間Ｔ１の後半では、スミアＱ
SMが出力されこれは第３ラインメモリ１９に読み込まれ
る。同様に期間Ｔ２の前半では（信号＋スミア）Ｑ
SG/SMが出力され第２ラインメモリ１８に、後半の（非
飽和信号＋スミア）ＱUSG/SMは第５ラインメモリ２１に
読み込まれ、期間Ｔ３では（信号＋スミア）ＱSG/SM が
第１ラインメモリ１７に、スミアＱSMが第４ラインメモ
リ２０に、期間Ｔ４では（信号＋スミア）ＱSG/SM が第
２ラインメモリ１８に、（非飽和出力＋スミア）Ｑ
USG/SMが第６ラインメモリ２２にそれぞれ読み込まれ
る。それぞれ読み込まれた信号はレートを変換されて出
力される。例えば、（信号＋スミア）ＱSG/SM は第１、
第２ラインメモリ１７、１８から交互に読み出される。
またスミアＱSMおよび（非飽和出力＋スミア）ＱUSG/SM
は交互のラインでしか読み出されないため、スミアＱSM
は第３ラインメモリおよび第４ラインメモリ４から、ま
た（非飽和出力＋スミア）ＱUSG/SMは第５ラインメモリ
２１および第６ラインメモリ２２から２ラインずつ連続
して読み出される。
【００１８】このように隣接したそれぞれの電荷はレー
トの変換とともに同時化されてラインメモリから出力さ
れる。よって、図５、図６に示すように、第１減算器２
３に例えば期間Ｔ１では第２ラインメモリのデータから
第４ラインメモリのデータを減算するように制御回路２
６から切り替え器２７を制御すれば第１減算器からはス
ミアの除去されたスミアレス信号がえられ、第２減算器
２４に第６ラインメモリから第４ラインメモリのデータ
を減算させれば減算器２からはスミアの除去された非飽
和信号のみが得られ、これらを加算器２５で加算すれば
所望のスミアのないダイナミックレンジの広い出力信号
が加算器出力として得られる。
トの変換とともに同時化されてラインメモリから出力さ
れる。よって、図５、図６に示すように、第１減算器２
３に例えば期間Ｔ１では第２ラインメモリのデータから
第４ラインメモリのデータを減算するように制御回路２
６から切り替え器２７を制御すれば第１減算器からはス
ミアの除去されたスミアレス信号がえられ、第２減算器
２４に第６ラインメモリから第４ラインメモリのデータ
を減算させれば減算器２からはスミアの除去された非飽
和信号のみが得られ、これらを加算器２５で加算すれば
所望のスミアのないダイナミックレンジの広い出力信号
が加算器出力として得られる。
【００１９】図３は、本発明の第１の実施例の効果を示
す特性図である。図２に示されるように、ブランキング
期間内の蓄積では、低照度時も高照度時にも出力が飽和
することがないが、映像出力期間内の蓄積では、低照度
時には飽和しないものの高照度時には飽和する（ホワイ
トクリップ回路１６によりカットされる）。ブランキン
グ期間内の蓄積電荷と映像出力期間内の蓄積電荷とを加
算する本実施例によれば、高照度時に飽和しないブラン
キング期間中の蓄積電荷が加算されることにより、従来
例でのａまでのダイナミックレンジをｂにまで拡張する
ことが可能になる。ここで、演算するそれぞれの信号は
垂直方向の位置が厳密には一致していないが画像の相関
が高く、またスミア低減が重要になり高輝度のダイナミ
ックレンジを確保する必要があるような部分の被写体は
必ずしも高い解像度を必要としない場合が多いためほと
んど問題とはならない。
す特性図である。図２に示されるように、ブランキング
期間内の蓄積では、低照度時も高照度時にも出力が飽和
することがないが、映像出力期間内の蓄積では、低照度
時には飽和しないものの高照度時には飽和する（ホワイ
トクリップ回路１６によりカットされる）。ブランキン
グ期間内の蓄積電荷と映像出力期間内の蓄積電荷とを加
算する本実施例によれば、高照度時に飽和しないブラン
キング期間中の蓄積電荷が加算されることにより、従来
例でのａまでのダイナミックレンジをｂにまで拡張する
ことが可能になる。ここで、演算するそれぞれの信号は
垂直方向の位置が厳密には一致していないが画像の相関
が高く、またスミア低減が重要になり高輝度のダイナミ
ックレンジを確保する必要があるような部分の被写体は
必ずしも高い解像度を必要としない場合が多いためほと
んど問題とはならない。
【００２０】［第２の実施例］図７は、本発明の第２の
実施例を示す概略の構成図である。本実施例の固体撮像
素子１１には、第１、第２水平転送レジスタ１５ａ、１
５ｂの２本の水平転送レジスタが設けられ、それぞれに
出力アンプ１４ａ、１４ｂが付設される。第１の実施例
では、水平転送レジスタを１本で構成していたが、これ
は出力を複数設けると利得などのバランスの補正が必要
となるためこれを避けたものである。一方、固体撮像素
子以外の外部回路を簡素化するためには水平転送レジス
タを２本設けた方がよく、本実施例はこれに従ったもの
である。この場合、（信号＋スミア）は１ラインおきに
得られるのでレートの変換の必要がなく、また常に出力
されるためラインメモリも必要としない。従って必要と
なるラインメモリは（非飽和信号＋スミア）とスミア用
のみで２本の比較的簡単な外部構成回路で実現できる。
実施例を示す概略の構成図である。本実施例の固体撮像
素子１１には、第１、第２水平転送レジスタ１５ａ、１
５ｂの２本の水平転送レジスタが設けられ、それぞれに
出力アンプ１４ａ、１４ｂが付設される。第１の実施例
では、水平転送レジスタを１本で構成していたが、これ
は出力を複数設けると利得などのバランスの補正が必要
となるためこれを避けたものである。一方、固体撮像素
子以外の外部回路を簡素化するためには水平転送レジス
タを２本設けた方がよく、本実施例はこれに従ったもの
である。この場合、（信号＋スミア）は１ラインおきに
得られるのでレートの変換の必要がなく、また常に出力
されるためラインメモリも必要としない。従って必要と
なるラインメモリは（非飽和信号＋スミア）とスミア用
のみで２本の比較的簡単な外部構成回路で実現できる。
【００２１】次に、図７に示す第２の実施例の固体撮像
装置の動作について説明する。水平同期信号に従って、
（信号＋スミア）が第２水平転送レジスタ１５ｂに、ス
ミアが第１水平転送レジスタ１５ａに転送される。次い
で、これらの電荷は出力アンプ１４ａ、１４ｂで電圧信
号に変換されて出力され、スミアは、切り替え器２７を
介して、第１、第２減算器２３、２４に入力されるとと
もに第１ラインメモリ２８に入力される。第１減算器２
３においては、（信号＋スミア）からスミアが引き算さ
れ、一方、第２減算器２４においては、第２ラインメモ
リ２９に記憶されていた（非飽和信号＋スミア）から現
出力中のスミアが引き算される。両減算器の出力信号は
加算器２５において加算される。次の水平同期信号に従
って、（信号＋スミア）が第２水平転送レジスタ１５ｂ
に、（非飽和信号＋スミア）が第１水平転送レジスタ１
５ａに転送される。出力アンプ１４ａから出力される
（非飽和信号＋スミア）は、切り替え器２７を介して第
２減算器２４に入力されるとともに第２ラインメモリ２
９に入力される。第１減算器２３においては、（信号＋
スミア）から第１ラインメモリ２８に記憶されていたス
ミアが引き算され、一方、第２減算器２４においては、
（非飽和信号＋スミア）から第１ラインメモリ２８に記
憶されていたスミアが引き算され、両減算器の出力信号
は加算器２５において加算される。
装置の動作について説明する。水平同期信号に従って、
（信号＋スミア）が第２水平転送レジスタ１５ｂに、ス
ミアが第１水平転送レジスタ１５ａに転送される。次い
で、これらの電荷は出力アンプ１４ａ、１４ｂで電圧信
号に変換されて出力され、スミアは、切り替え器２７を
介して、第１、第２減算器２３、２４に入力されるとと
もに第１ラインメモリ２８に入力される。第１減算器２
３においては、（信号＋スミア）からスミアが引き算さ
れ、一方、第２減算器２４においては、第２ラインメモ
リ２９に記憶されていた（非飽和信号＋スミア）から現
出力中のスミアが引き算される。両減算器の出力信号は
加算器２５において加算される。次の水平同期信号に従
って、（信号＋スミア）が第２水平転送レジスタ１５ｂ
に、（非飽和信号＋スミア）が第１水平転送レジスタ１
５ａに転送される。出力アンプ１４ａから出力される
（非飽和信号＋スミア）は、切り替え器２７を介して第
２減算器２４に入力されるとともに第２ラインメモリ２
９に入力される。第１減算器２３においては、（信号＋
スミア）から第１ラインメモリ２８に記憶されていたス
ミアが引き算され、一方、第２減算器２４においては、
（非飽和信号＋スミア）から第１ラインメモリ２８に記
憶されていたスミアが引き算され、両減算器の出力信号
は加算器２５において加算される。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
装置では、垂直転送レジスタに（信号＋スミア）、（非
飽和信号＋スミア）およびスミアを独立して転送させ、
これらを減算および加算処理することにより、解像度を
低下させることなくスミアが低くかつダイナミックレン
ジの広い出力信号を得ることができる。また非飽和信
号、スミアは隣接した部分から得られるところから画像
の相関性が高く、また高解像度を必要としないところか
らこれを信号電荷のライン数より減じて固体撮像素子を
構成することにより、より垂直転送レジスタの電荷量を
確保したバランスのよい高性能な固体撮像装置を提供す
ることが可能となる。
装置では、垂直転送レジスタに（信号＋スミア）、（非
飽和信号＋スミア）およびスミアを独立して転送させ、
これらを減算および加算処理することにより、解像度を
低下させることなくスミアが低くかつダイナミックレン
ジの広い出力信号を得ることができる。また非飽和信
号、スミアは隣接した部分から得られるところから画像
の相関性が高く、また高解像度を必要としないところか
らこれを信号電荷のライン数より減じて固体撮像素子を
構成することにより、より垂直転送レジスタの電荷量を
確保したバランスのよい高性能な固体撮像装置を提供す
ることが可能となる。
【図１】 本発明の第１の実施例を示す構成図。
【図２】 本発明の第１の実施例のダイナミックレンジ
の拡大を説明するためのタイミングチャート。
の拡大を説明するためのタイミングチャート。
【図３】 本発明の第１の実施例のダイナミックレンジ
の拡大を説明するための光量・信号相関図。
の拡大を説明するための光量・信号相関図。
【図４】 本発明の第１の実施例の垂直転送レジスタに
おける信号加算の説明図。
おける信号加算の説明図。
【図５】 本発明の第１の実施例の動作を説明するため
のタイミングチャートの一部。
のタイミングチャートの一部。
【図６】 本発明の第１の実施例の動作を説明するため
のタイミングチャートの一部（図５とともに一の図面を
構成する）。
のタイミングチャートの一部（図５とともに一の図面を
構成する）。
【図７】 本発明の第２の実施例を示す構成図。
【図８】 インターライン型固体撮像素子の構成図。
【図９】 インターライン型固体撮像素子の単位セルの
断面図。
断面図。
【図１０】 スミア削減およびダイナミックレンジの拡
大について対策を講じた従来例の構成図。
大について対策を講じた従来例の構成図。
１１、１０１ 固体撮像素子 １２、１０２ フォトダイオード １３、１０３ 垂直転送レジスタ １４、１４ａ、１４ｂ、１０４ 出力アンプ １５、１０５ 水平転送レジスタ １５ａ 第１水平転送レジスタ １５ｂ 第２水平転送レジスタ １６ ホワイトクリップ回路 １７、２８ 第１ラインメモリ １８、２９ 第２ラインメモリ １９ 第３ラインメモリ ２０ 第４ラインメモリ ２１ 第５ラインメモリ ２２ 第６ラインメモリ ２３ 第１減算器 ２４ 第２減算器 ２５ 加算器 ２６ 制御回路 ２７ 切り替え器 ２０１ 素子分離領域 ２０２ フォトダイオードｎ型領域 ２０３ フォトダイオード開口 ２０４ 読み出しゲート部 ２０５ 遮光膜 ２０６ 垂直電荷転送領域 ２０７ 垂直レジスタ転送電極 ２０８ ｐウェル ２０９ ｎ型基板 ３０１ 垂直転送レジスタ ３０２ 受光素子 ３０３ 信号を受け取る部分 ３０４ スミアを確保する部分 ３０５ 信号電荷転送用水平転送レジスタ ３０６ スミア電荷転送用水平転送レジスタ ３０７、３０８ 相関二重サンプリング回路 ３０９、３１５ 差動アンプ ３１０、３１４ アナログスイッチ ３１１ 反転増幅回路 ３１２ 判定手段 ３１３ １Ｈラインメモリ ３１６ 信号処理回路
Claims (5)
- 【請求項１】 ２次元状に配置されたフォトダイオード
と、前記フォトダイオードから読み出された信号電荷を
水平転送部へ転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転
送レジスタにより転送されてきた信号電荷を出力部へ転
送する水平転送レジスタと、を有する固体撮像素子にお
いて、前記垂直転送レジスタは、前記フォトダイオード
からｎ種（ｎは２以上の整数）の異なる蓄積時間で読み
出し、それらのｎ種の信号電荷と信号電荷を有しないス
ミア電荷を独立に転送することができ、これら（ｎ＋
１）種の電荷に基づく出力信号を独立に出力させること
が可能であることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項２】 前記フォトダイオードから読み出された
異なる蓄積時間を持つ信号電荷のうち最も長い蓄積時間
を持つ信号電荷は各画素毎に独立に転送し、かつ、下記
およびのうちの何れか一方若しくは双方を備えるこ
とを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 垂直転送レジスタは、その他の蓄積時間の信号電荷
を垂直方向に複数画素分加算して前記フォトダイオード
から読み出し、複数画素分の信号電荷をまとめて転送す
る。 垂直転送レジスタは、スミア電荷を複数画素毎に１
回転送する。 - 【請求項３】 水平転送レジスタは、第１および第２の
水平転送レジスタに分割されており、前記（ｎ＋１）種
の電荷のうち最も長い蓄積時間を持つ信号電荷は第１の
水平転送レジスタにより読み出され、それ以外の電荷は
第２の水平転送レジスタにより読み出されることを特徴
とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 【請求項４】 異なるｎ（ｎは２以上の整数）種の蓄積
時間にてフォトダイオードより信号電荷を読み出し、こ
れらｎ種の信号電荷およびスミア電荷に基づく出力信号
を固体撮像素子から独立に出力させ、前記異なる蓄積時
間の信号電荷による出力信号より前記スミア電荷による
出力信号を減算器にて減算し、その減算値同志を加算器
にて加算することを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項５】 少なくとも、前記固体撮像素子の出力信
号のうち最も長い蓄積時間を持つ信号はホワイトクリッ
プ回路を通過後に、前記減算器に入力されることを特徴
とする請求項第４項記載の固体撮像装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8310353A JP2812317B2 (ja) | 1996-11-21 | 1996-11-21 | 固体撮像素子およびこれを用いた固体撮像装置 |
| KR1019970061630A KR100257211B1 (ko) | 1996-11-21 | 1997-11-21 | 스미어 특성을 개선하고 다이나믹 레인지를 증가시키고높은 전하 전송 효율을 갖는 고체 촬상 장치 |
| US08/975,457 US6215520B1 (en) | 1996-11-21 | 1997-11-21 | Solid state image pickup apparatus capable of improving smear characteristics and increasing dynamic range and having high charge transfer efficiency |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8310353A JP2812317B2 (ja) | 1996-11-21 | 1996-11-21 | 固体撮像素子およびこれを用いた固体撮像装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10155116A JPH10155116A (ja) | 1998-06-09 |
| JP2812317B2 true JP2812317B2 (ja) | 1998-10-22 |
Family
ID=18004216
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8310353A Expired - Fee Related JP2812317B2 (ja) | 1996-11-21 | 1996-11-21 | 固体撮像素子およびこれを用いた固体撮像装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6215520B1 (ja) |
| JP (1) | JP2812317B2 (ja) |
| KR (1) | KR100257211B1 (ja) |
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| US6914627B1 (en) * | 1998-05-27 | 2005-07-05 | Omnivision Technologies, Inc. | Method and apparatus for digital column fixed pattern noise canceling for a CMOS image sensor |
| JP2001189893A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-10 | Toshiba Corp | 固体撮像装置 |
| TW200520225A (en) * | 2003-10-24 | 2005-06-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Pixel arranging apparatus, solid-state image sensing apparatus, and camera |
| JP4358182B2 (ja) * | 2005-11-29 | 2009-11-04 | 株式会社日立国際電気 | 撮像装置およびその雑音低減方法 |
| JP2007295230A (ja) * | 2006-04-25 | 2007-11-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体撮像装置およびその駆動方法、カメラ |
| JP2009077345A (ja) * | 2007-09-25 | 2009-04-09 | Olympus Corp | 固体撮像装置 |
| JP2009253315A (ja) * | 2008-04-01 | 2009-10-29 | Panasonic Corp | 固体撮像装置、スミア補正方法、撮像機器 |
| US20110074980A1 (en) * | 2009-09-30 | 2011-03-31 | Border John N | Methods for capturing and reading out images from an image sensor |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4010319A (en) * | 1975-11-20 | 1977-03-01 | Rca Corporation | Smear reduction in ccd imagers |
| JPS58156272A (ja) * | 1982-03-12 | 1983-09-17 | Sony Corp | スミア補正回路 |
| JPH02301270A (ja) * | 1989-05-15 | 1990-12-13 | Sanyo Electric Co Ltd | 固体撮像素子のスミア除去回路 |
| JP2961908B2 (ja) | 1991-01-25 | 1999-10-12 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置とその駆動方法 |
| JP2776292B2 (ja) * | 1995-03-10 | 1998-07-16 | 日本電気株式会社 | 固体撮像装置 |
-
1996
- 1996-11-21 JP JP8310353A patent/JP2812317B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-11-21 US US08/975,457 patent/US6215520B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-11-21 KR KR1019970061630A patent/KR100257211B1/ko not_active IP Right Cessation
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|---|---|
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| US6215520B1 (en) | 2001-04-10 |
| KR100257211B1 (ko) | 2000-05-15 |
| KR19980042639A (ko) | 1998-08-17 |
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