JP2812990B2

JP2812990B2 - 固体撮像素子並びに固体撮像素子用信号処理回路

Info

Publication number: JP2812990B2
Application number: JP1137712A
Authority: JP
Inventors: 佳孝太田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: JPH033577A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は固体撮像素子並びに固体撮像素子用信号処理
回路に関し、更に詳しくはニー特性を備えた固体撮像素
子並びにこれに適した固体撮像素子用信号処理回路に関
する。

（発明の背景）従来からの一般的な固体撮像素子（以下CCDという）
としては、第15図に示すインターラインCCD（IT−CCD）
並びに第16図に示すフレームインターラインCCD（FIT−
CCD）があった。

IT−CCDでは、受光部１（1a〜1l）の横に垂直転送部
２（2a〜2c）があり、受光部１にたまった電荷を垂直転
送部２内を順にシフトして、水平転送部３に移す。そし
て、水平転送部上の電荷を水平方向にシフトして外部に
読み出すようにしている。

これに対し、FIT−CCDでは、垂直転送部２（2a〜2c）
と水平転送部３との間にメモリ部４（4a〜4c）を有して
おり、受光部１から垂直転送部２に移された電荷を高速
にメモリ部にシフトする。そして、メモリ部４から順に
垂直にシフトし、水平転送部５から読出しアンプ６を介
して外部に読出すようにしている。

以上のようなCCDは、写真フィルムに比較して輝度に
対するダイナミックレンジ（ラチチュード）が非常に狭
いことが知られている。このため、輝度レベル差の大き
い風景、例えば晴れた日の室外撮影を行う場合、高輝度
部分は白くとんでしまい、逆に低輝度部分では黒くつぶ
れてしまうことが多かった。

通常のCCDでは、入射光量と発生電荷とはリニアな関
係（γ＝１）である。この場合、信号のダイナミックレ
ンジが狭く、かつ高輝度部分では直ぐに飽和してしま
う。この様子を第17図に示す。このため、出力画像の高
輝度部分は白くとんでしまい、被写体中のコントラスト
を判別することができなかった。

このような欠点を解決するものとして、固体撮像素子
にニー（Knee;膝）特性を持たせることが、1978年テレ
ビジョン学会全国大会報43頁〜44頁「CCDイメージセン
サのKnee特性制御」に提案されている。

このニー特性とは、第18図に示すように入射光量と発
生電荷を関係にニー特性を持たせ、輝度に対する、ダイ
ナミックレンジを広げるものである。

また、本件出願人も特願昭62−87393号でCCDのニー特
性について別の方法を提案している。

（発明が解決しようとする課題）上記した1978年テレビジョン学会全国大会報で提案さ
れたニー特性制御では、露光期間の途中まで受光部の最
大蓄積電荷量のレベルを低くしておくが、このレベルを
全ての画素でばらつきなく制御するのは極めで困難であ
る。そして、このばらつきにより、出力画像に固定パタ
ーンノイズ（最大蓄積電荷量のばらつきにより、例えば
同一輝度の被写体を撮影したにもかかわらず、出力電圧
が画素毎に異なり、出力画像に固定のパターンのノイズ
として表れるもの）が発生するという問題がある。

また、本件出願人が提案したニー特性制御方法でも、
露光期間の途中で電荷を掃き出すときの閾値レベルのば
らつきにより、同様に固定パターンノイズが発生するこ
とがある。

ところで、CCDなどの固体撮像素子により撮像を行う
カメラにおいては、撮像を行う以前に行うAE（自動露出
調整）,AF（オートフォーカス）を固体撮像素子の出力
信号により行うものがある。

例えば、ある露出条件を設定して露光を行ったCCD出
力を読出し、その出力信号を積分する。そして、積分さ
れた信号が適正値になるようにフィードバックループを
繰り返して、適正な露出条件を得ていた。

また、AFの場合は、撮像を行い、CCDの出力を読出し
て、その信号中の高周波成分を抽出し、その大きさを求
める。そして、レンズを動かして再び撮像，読出し，高
周波成分抽出を繰り返す。これを各レンズ位置で行っ
て、高周波成分が最大となる位置を合焦と判定する。

このような、AEやAFを行う際に、画面中央部や周辺部
の信号のみでよいということが多い。しかし、画像信号
は標準方式に準拠した走査によって読出される。従っ
て、このような場合でも、例えば、画面左すみの画素か
ら順次読出しが開始されるので、AEやAFに関係ない部分
で待ち時間が発生する。

このため、無駄な時間が生じ、AE,AFの高速化を妨げ
ていた。

しかし、画面のAFやAEを行うエリアのみでCCDの出力
信号を読出すようにするためには、CCDやCCD駆動回路を
改造する必要が生じ、回路構成，駆動方法が複雑になる
といった問題がある。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、そ
の目的は、ニー駆動した状態で固定パターンノイズが発
生することがなく、AFやAEの際の高速化を図ることが可
能な固体撮像素子並びに固体撮像素子用信号処理回路を
実現することにある。

（課題を解決するための手段）上記した課題を解決する本発明の固体撮像素子は、受
光量に応じた電荷を発生する複数画素の受光部と、この
受光部で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直転送部
と、この垂直転送部からの電荷を水平方向に転送する第
１の水平転送部と、前記垂直転送部からの電荷を一時的
に蓄積するメモリ部と、このメモリ部からの電荷を水平
方向に転送する第２の水平転送部とを備え、第１の露光
量（露光時間と比例関係にある）で発生した電荷は前記
垂直転送部を経て前記第１の水平転送部に転送すること
により信号を出力し、前記第１の露光量とは異なる第２
の露光量で発生した電荷は前記垂直転送部及び前記メモ
リ部を経て前記第２の水平転送部に転送することにより
信号を出力するように構成したことを特徴とするもので
ある。

上記した課題を解決する本発明の固体撮像素子用信号
処理回路は、受光量に応じた電荷を発生する複数画素の
受光部，この受光部で発生した電荷を垂直方向に転送す
る垂直転送部，この垂直転送部から電荷を水平方向に転
送する第１の水平転送部，垂直転送部から電荷を一時的
に蓄積するメモリ部，このメモリ部からの電荷を水平方
向に転送する第２の水平転送部を備えた団体撮像素子の
出力信号を処理する固体撮像素子用信号処理回路におい
て、第１及び第２の水平転送部からの出力をそれぞれあ
る一定のレベルでクリップした後に加算して外部に出力
するように構成したことを特徴とするものである。

（作用）本発明の固体撮像素子において、第１の水平転送部か
らの信号と、第２の水平転送部からの信号がそれぞれク
リップされた後、加算されて読出される。

本発明の固体撮像素子用信号処理回路において、固体
撮像素子の第１及び第２の水平転送部から出力された信
号はそれぞれある一定レベルでクリップされた後に加算
されて外部に出力される。

（実施例）以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明方法を実施するための構成の一例（FI
T−CCD）を示す構成図である。

この図において、１は受光量に応じた電荷を発生する
受光部である。ここでは、３×４画素の場合を示し、1a
〜1lがそれぞれ受光部の各画素である。2a〜2cは受光部
で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直転送部、３は
垂直転送部からの電荷を水平方向に転送するための水平
転送部、4a〜4cは垂直転送部2a〜2cからの電荷を記憶す
るためのメモリ部、５はメモリ部4a〜4cからの電荷を水
平方向に転送するための水平転送部、6Aは水平転送部３
から転送された電荷を電圧に変換して外部に読み出すた
めの読出しアンプ、6Bは水平転送部５から転送された電
荷を電圧に変換して外部に読み出すための読出しアンプ
である。7Aはアンプ6Aからの電圧をクリップするクリッ
プ回路、7Bはアンプ6Bからの電圧をクリップするクリッ
プ回路、８はクリップ回路7A,7Bの出力を加算する加算
回路である。

通常、クリップ回路と加算回路は外付け回路として構
成することが多い。アンプ6A,6BはCCDのICに内蔵させて
しまうか、IC内のアンプで一部増幅した後、外付けのア
ンプでもう一段増幅するという構成が多い。

以下、このFIT−CCDの動作を詳細に説明する。第１図
に示したCCDでは垂直転送部2a〜2cとメモリ部4a〜4cと
の間に新たな水平転送部３が設けられており、水平転送
部3,水平転送部５の双方から読出しが行われる。

両方の水平転送部から、光電変換部の同一の画素から
読み出された信号が同じタイミングで読み出されるよう
に、メモリ部の容量と垂直転送クロックパルスの数のマ
ッチングをとり、かつ、両方の水平転送部の水平転送ク
ロックの位相を調整する必要がある。そして、それぞれ
の出力は、クリップ回路7A,7Bでそれぞれクリップされ
てから、加算回路８で合成されて出力される。この場
合、それぞれの露光時間が異なるようにしておけば、ニ
ー特性が得られる。尚、加算する以前にクリップ回路を
通しているので、最大蓄積電荷量のばらつきに起因する
固定パターンノイズは発生しない。そして、２種類の露
光期間の合計時間を1/60秒以内とし、かつ短いほうが垂
直ブランキング期間より短くなるようにしておけば、通
常のビデオカメラに使用することも可能になる。尚、フ
レーム蓄積による撮像では、合計が1/30秒以内であれば
よい。

また、長時間露光した画像を高速転送でメモリ部へ移
し、短時間露光の画像は受光部横の垂直転送部から順に
読出すようにし、かつ加算するのは長時間露光した画像
の白飛びをおこしている部分だけとし、他の部分は長時
間露光の画像信号をそのまま使用するようにする。こう
することにより、スミアが低輝度部にのることを防止す
ることができる。

AE,AFのためにCCD出力を使用するときは、例えば、画
面1/4分を高速転送したのち、水平転送部３より通常の
速度で電荷の読出しを行なう。そして、画面の最後の1/
4分も高速転送する。このようにすれば、垂直走査周期
の半分の時間で、画面中央部のみの信号が得られる。そ
して、その間に次の露光が終わっていれば、同様のこと
を行なうことにより、１垂直走査周期で２種類の露光条
件の画面中央部の信号が得られる。

また、中央部の信号に対し、１水平ライン毎に読出し
を行ない、読出さない水平ラインをメモリ部へ送ってし
まうようにすると、更に読出しの時間を短縮することが
できる、尚、画面全体の信号が要求される場合でも、こ
のようなｎラインおきの読出しを実行すれば、1/nの時
間ですむ。

以下、具体的に図面を用いて更に詳しく説明する。

受光部で光電変換した電荷を垂直転送部2a〜2cで垂直
方向に送り、ライン毎に水平転送部３で読出し出力す
る。ここまでだけなら通常のインタラインCCDと同じで
ある。この下にメモリ部4a〜4cを設け、その下に水平転
送部５と出力アンプを設ける。垂直転送部2a〜2cを高速
駆動すると信号電荷は水平転送部３を通り過ぎてメモリ
部4a〜4cへ送られる。このようにして送られた信号電荷
は水平転送部５で順次読出される。水平転送部３がなけ
れば通常のFIT−CCDと同じと考えることができる。

水平転送部３は信号電荷を水平方向（読出し）にも垂
直方向（通過）にも送ることができるようにしなければ
ならないので、その構造，駆動方法が特殊となる。その
実現方法はいろいろ考えられるが以下にその一例を示
す。

第２図では通常の水平転送部の例である。２相駆動で
（１）または（３）の状態と（２），（４）の状態を繰
り返すことにより、信号電荷が左の方向に送られてい
く。第３図は通常の垂直転送部の例である。この図は水
平方向の断面のポテンシャルの状態を示している。垂直
方向に隣接したCCDが（１），（２）の状態を順番にと
ることにより、紙面に垂直な方向に第４図のようにして
転送していく。また、第３図（３）の状態をとることに
より受光部の電荷が垂直転送部へ移される。

これらを用いて本実施例のための特殊駆動をするに
は、以下のようにする。第２図でL4＝L2,L5＝L3とす
る。第２図，第３図で各L1,L2,L3を等しいとする。ここ
で、垂直方向へ転送するときは、第５図のようにする。
第４図と異なる点はメモリ部の最初の２つの電極を３値
駆動する点である。水平転送部３のレベルはL2とL1しか
とれないので、ここはL2を固定する。ここの電荷を移す
にはメモリ部の最初の電極のレベルをL1に下げなければ
ならないのである。

また、水平転送部３で水平転送を行なうときは第５図
（１）の状態にしておき、水平転送部をL1とL2で動かす
ことにより、受光部やメモリ部の垂直転送部へ電極があ
ふれ出すことなく、水平方向へ転送していくことができ
る。

この例ではメモリ部の最初の２つの電極は他とは独立
して駆動しているが、他と同じにしてもよい。その場
合、第1,第２の電極と同相の電極が必要もないのにレベ
ルL1にまで下げられるが、信号電荷の転送には問題な
い。尚、消費電力は増えるが、CCDの構造が簡単になる
という利点がある。

同様の効果を実現できる駆動方式は他にも考えられる
がここで省略する。

第６図は以上のような駆動を行う際の信号波形を示す
波形図である。T₁の露光を受けた画像は高速転送でメモ
リ部４に送られ、その後T₂の露光を受けた画像は垂直転
送部２へ移される。両方を同時に順次読出して、アン
プ，クリップ，加算を通して出力される。通常のビデオ
カメラの場合は画像が連続的に出ていなければならない
ので、T₁＋T₂≦1/60秒となる、OFCG（オーバーフローコ
ントロールゲート）等を制御して、途中でも電荷を捨て
ることができるCCDであれば、1/60秒未満にもできる。T
₂はいずれにしても垂直ブランキング期間よりも長くは
できない。スチル画像の場合は画像は一回出力するだけ
でその前後はどうでもよいので、T₁,T₂は任意の長さに
設定できる。

フレーム蓄積モードの場合は第７図に示す駆動波形の
ようになり、T₁＋T₂≦1/30秒となる以外はフィールド蓄
積と同様である。

このような駆動をする受光部横の垂直転送部から順次
読出す画像信号にはスミアが発生する恐れがある。従っ
て、これをそのまま加算すると、スミアが残ってしまう
ことになる。これを防ぐには、長時間露光の画像信号に
クリップがかかった場合のみ加算するようにする。この
場合の構成は第８図のような構成になる。

すなわち、コンパレータ９により一定値以上の信号
（クリップされる信号）を検出して、加算回路８での加
算を制御する。

カラーの場合、加算後にプロセス回路を設け、色分離
エンコーダを設ける方法もある。また、第９図のよう
に、各出力毎に色分離回路を設け、その後に加算回路8
R,8G,8Bを置くという構成も考えられる。第９図の方が
回路は複雑になるが、ニーの折れ目の箇所の偽色信号は
出にくくなる。

尚、本実施例は（白黒，カラーかかわらず）、加算の
比率はプラスチック6A,6Bのゲインを調整することによ
り行われ、ニーの形は自由に設定することができる。こ
の様子を第10図（Ａ），（Ｂ）に示す。

通常の駆動は上述の記載のようであるが、本実施例の
固体撮像素子は特殊な駆動をすることにより、AEやAFに
有利な性格を持たせることができる。

例えば、第11図のような波形で駆動すると、t₁期間で
水平転送部３から読出される信号はT₁期間に露光された
画像信号の中央部であり、t₂期間の信号はT₂期間に露光
された画像の中央部である。従って、１垂直走査周期の
期間で２種類の露光時間の画像の中央部だけを読出させ
ることになる。T₁,T₂にそれぞれ1/2000秒,1/125秒を選
べば、CCDのS/N比にもよるが、10EV近い輝度範囲の測光
が可能となる。

もし画面の1/3程度でよければ３画面の中央部を１垂
直走査周期で読出し、３種類の露光時間を設定すればさ
らに広い輝度範囲の測光ができる。その例を第12図に示
す。ここではフレーム蓄積を用いてT₁＝1/2000秒,T₂＝1
/180秒,T₃＝1/30秒を実現している。

尚、逆光検出を行なう場合は、周辺の光量と中央の光
量の比率等を用いているので周辺の画像情報も必要にな
る。しかし、全走査線の信号が必要という程ではない。
そこで、このようなときは、水平転送部３でｎラインお
きに読出して、他はメモリ部へ送ってしまうということ
をすれば、画面全体のおおまかな情報が1/nの時間で得
られることになる。ｎが２つのときは水平転送部３で読
出す信号量とメモリ部4a〜4cへ送る信号量が同じなの
で、メモリ部4a〜4cでも水平転送部５で処理できるので
問題はない。しかし、ｎ＞２のときは、メモリ部での電
荷の処理が動作速度のネックとなる。そのためには水平
転送部５の脇に電荷処理用のドレインを置くという構造
が有効である。

また、水平転送部３の容量を大きくしておいて、ここ
でｎライン分加算して読出すという方法でもよい。ｎ＝
２の場合はフレーム蓄積モードで駆動すれば、元々信号
電荷が小さいので水平転送部３の容量を大きくしなくて
も加算読出しが可能である。

AFの場合はレンズを動かさなければならないので、AE
の場合ほどの効果は期待できない。しかし、レンズを動
かして撮像した後、画面の中央部の信号を得るまでには
通常は数ｍ秒待たなければならないが、不要信号を高速
転送してしまうことにより、この待ち時間をなくせるの
で、AF動作向上に確実に寄与する。

以上述べたように、本実施例のCCDは特殊駆動するこ
とにより、撮像信号を用いたAE,AF、その他信号処理，
コントロールに大きな利益をもたらす。これは記録部と
関係ないので、ビデオフロッピーを用いたスチルビデオ
カメラだけでなく半導体メモリを用いた電子スチルカメ
ラ等、電子スチルカメラ一般に広く使うことができる。

また、本実施例のCCDの変形として第13図のようなも
のも考えられる。この方式ではメモリ部を２画面分持ち
２画面とも受光部から高速転送で送られてきたものであ
るからスミアが大幅に低減される。

第13図の受光部1a〜1lとメモリ部14a〜14cの境に水平
転送部を付け加えたり、メモリ部の画面数を増やし、画
面毎に水平転送部を付けたりすることも考えられる。こ
れらでは３画面以上の加算をするので第14図（Ａ），
（Ｂ）に示すようにニーポイントを２つ以上持ったニー
特性が得られる。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明の固体撮像素子で
は、受光部で発生した信号電荷をメモリ部へ高速転送し
てから出力するものと、メモリ部を経由しないで出力す
るものとに分けるようにした。また、本発明の固体撮像
素子用信号処理回路では、２つの出力をクリップしてか
ら加算して読出すようにした。このため、最大蓄積電荷
量は統一され、ニー駆動した状態で固定パターンノイズ
が発生することのない固体撮像素子並びに固体撮像素子
用信号処理回路を実現することができる。

また、画面の任意の領域で高速転送を行なうと、画面
の任意の領域の信号のみを高速に読出すことが可能にな
り、AE,AF動作に適した固体撮像素子を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す構成図、第２図
乃至第５図は電荷転送の際のポテンシャル変化を説明す
るための説明図、第６図及び第７図は固体撮像素子を駆
動する駆動波形を示す波形図、第８図は本発明の他の実
施例の構成を示す構成図、第９図は本発明の更に他の実
施例の構成を示す構成図、第10図はニー特性の説明のた
めの説明図、第11図及び第12図は駆動波形の他の例を示
す波形図、第13図は本発明の更に他の実施例の構成を示
す構成図、第14図はニー特性の他の例を説明するための
説明図、第15図は従来のIT−CCDの構成を示す構成図、
第16図は従来のFIT−CCDの構成を示す構成図、第17図は
通常の固体撮像素子の特性を示す特性図、第18図は一般
的なニー特性を示す特性図である。 1a〜1l……受光部、2a〜2c……垂直転送部 3,5……水平転送部、4a〜4c……メモリ部 6A,6B……読出しアンプ 7A,7B……クリップ回路８……加算回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】受光量に応じた電荷を発生する複数画素の
受光部と、この受光部で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直転
送部と、この垂直転送部からの電荷を水平方向に転送する第１の
水平転送部と、前記垂直転送部からの電荷を一時的に蓄積するメモリ部
と、このメモリ部からの電荷を水平方向に転送する第２の水
平転送部とを備え、第１の露光量で発生した電荷は前記垂直転送部を経て前
記第１の水平転送部に転送することにより信号を出力
し、前記第１の露光量とは異なる第２の露光量で発生した電
荷は前記垂直転送部及び前記メモリ部を経て前記第２の
水平転送部に転送することにより信号を出力するように
構成したことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】受光量に応じた電荷を発生する複数画素の
受光部，この受光部で発生した電荷を垂直方向に転送す
る垂直転送部，この垂直転送部からの電荷を水平方向に
転送する第１の水平転送部，垂直転送部からの電荷を一
時的に蓄積するメモリ部，このメモリ部からの電荷を水
平方向に転送する第２の水平転送部を備えた固体撮像素
子の出力信号を処理する固体撮像素子用信号処理回路に
おいて、第１及び第２の水平転送部からの出力をそれぞれある一
定のレベルでクリップした後に加算して外部に出力する
ように構成したことを特徴とする固体撮像素子用信号処
理回路。