JP2897665B2 - 固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ビデオカメラ等に使用
される、ＣＣＤよりなる固体撮像素子の駆動方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＣＣＤ固体撮像素子は、家庭
用、産業用及び放送用のテレビカメラ等に広く用いられ
ており、特にビデオカメラ用に開発されたインターライ
ン転送ＣＣＤ撮像素子は、フィールド蓄積読み出し方式
とフレーム蓄積読み出し方式によりインターレース動作
を行ない得るようになっている。

【０００３】通常、このインターライン転送ＣＣＤ撮像
素子では、走査線数と同数の画素列を有し、フィールド
蓄積読み出し方式ではこの画素列の２列分の画素の信号
電荷を加算して読み出すようになっており、またフレー
ム蓄積読み出し方式では画素の信号電荷を加算せずに一
列ずつ、しかも１列おきに読み出すようになっている。

【０００４】これを図を用いて説明する。図８はフィー
ルド蓄積読み出し方式を示す説明図、図９はフレーム蓄
積読み出し方式を示す説明図である。図中１は光電変換
部としての画素、２は各画素からの信号電荷を受ける垂
直ＣＣＤよりなる垂直転送ライン、３は転送された信号
電荷を図中水平方向へ転送する水平ＣＣＤよりなる水平
転送ライン３である。

【０００５】図中、白枠の画素は信号電荷が読み出され
る画素を示し、斜線の画素は信号電荷が読み出されない
画素を示す。すなわち、図８に示すフィールド蓄積で
は、奇数フィールドの時には、図中下の列より、２，３
行目、４，５行目……というように２列ずつ加算し、偶
数フィールド時には、１，２行目、３，４行目……とい
うように２列ずつ加算し、フィールド毎に加算する列の
組み合わせを変えることによりインターレースを行な
う。このような方式は、例えば特願平２−１３１６８２
号公報に示されている。図９に示すフレーム蓄積では、
奇数フィールドでは、図中下の列より１，３，５……と
いうように奇数列を読み出し、偶数フィールドでは２，
４，６……というように偶数列を読み出し、このように
フィールドにより読み出し列を変えることによってイン
ターレースを行なっている。

【０００６】上記フィールド蓄積読み出し方式は、各画
素がフィールド毎に読み出されているので残像が少なく
なるという特性を有し、またフレーム蓄積読み出し方式
は、垂直方向２列の画素を、フィールド毎に交互に１列
ずつ読み出すようにしていることから垂直方向のサンプ
リングの幅が狭くなり、垂直方向の変調度、すなわち解
像度が高くなるという利点を有する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した両
読み出し方式には、以下のような問題点があった。 （１）上記のようにフィールド蓄積読み出し方式は、残
像が少ないという利点はあるが、垂直方向の２列の画素
の信号電荷を加算して出力するので、垂直方向のサンプ
リング幅が大きくなり、垂直方向の変調度がフレーム蓄
積読み出し方式よりも劣ってしまう。

【０００８】（２）これに対して、フレーム蓄積読み出
し方式は、垂直方向の変調度が高いという利点はある
が、各画素の電荷の読み出しは１フィールドおきとなる
ために各画素の電荷蓄積時間がフィールド蓄積読み出し
方式の倍の長さとなり、その結果、残像が目立つように
なってしまう。

【０００９】垂直方向の変調度の向上と残像の低減を同
時に図るためにフレーム蓄積読み出し方式において電子
シャッターをかけて光量を少なくすることも行なわれて
いるが、この場合には、感度がフィールド蓄積読み出し
方式の半分に低下してしまい、好ましくはない。

【００１０】一般的には、ビデオカメラに、フィールド
蓄積読み出し方式を標準モードとし、フレーム蓄積読み
出し方式を特殊モードとして搭載してこれらを選択可能
とし、操作者が任意に切替えて使用するようになってい
る。しかしながら、ニーズの多様性により、これらの２
種以外のモード、例えば上記２つのモードの中間的特性
を有するモードを使用したくても、従来においてはこの
ようなモードは選択することができなかった。

【００１１】また、関連発明として特開平４−２６２６
７９号公報に示すように１水平ブランキング期間内に垂
直ＣＣＤ内の電荷を２転送段分転送して水平ＣＣＤで、
隣接する画素の電荷を加算することも開示されている
が、これは、スチルカメラ用の固体撮像素子をビデオカ
メラ用にも使用できるようにしたものであり、上記問題
点を解決するものではない。

【００１２】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものであり、その目
的はフィールド蓄積読み出し方式とフレーム蓄積読み出
し方式の中間的な特性を有する読み出しを行なうことが
できる、固体撮像素子の駆動方法を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、垂直方向に走査線数の倍の画素の列よ
りなる光電変換部と、垂直方向に信号電荷を転送する垂
直転送ラインと、この電荷を水平方向へ転送する水平転
送ラインを有する固体撮像素子の駆動方法において、先
のフィールドでは垂直方向に隣り合う３列の画素の電荷
を足し合わせて読み出すと共に足し合わされる３列の組
同士の間に読み出さない１列の画素を設け、次のフィー
ルドでは、先のフィールド時に読み出さなかった画素の
列を中心とした３列の画素の電荷を足し合わせて読み出
すと共に先のフィールド時に読み出された３列の内の中
心の列の画素は読み出さないようにすることによりイン
ターレースを行なうように構成したものである。

【００１４】

【作用】本発明は、上述のように読み出すようにしたの
で、加算される３画素の内の中央となる列の画素は１フ
ィールドおきに読み出されるのでフレーム蓄積となり、
その両側の列の画素は毎フィールドで読み出されるので
フィールド蓄積となる。これにより、３画素の内の中央
の画素は隣接する他の２つの画素に対して蓄積時間が倍
になるので、２倍の感度を持つようになる。すなわちサ
ンプリングされる幅の中央部分に対する感度が高くな
り、垂直方向の変調度及び残像の程度も共に改善するこ
とが可能となり、フィールド蓄積読み出し方式とフレー
ム蓄積読み出し方式の中間的な特性を発揮することがで
きる。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明に係る固体撮像素子の駆動方
法を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明方法を
実施するために用いる固体撮像素子を示す構成図、図２
はフィールド蓄積読み出し方式の時の読み出し形態を示
す図、図３はフィールド蓄積読み出し時の読み出しゲー
トパルスを示す波形図、図４はフレーム蓄積読み出し時
の読み出しゲートパルスを示す波形図、図５は本発明の
特長とする読み出し方式の読み出し形態を示す図、図６
は図５に示す読み出し方式の時の読み出しゲートパルス
を示す波形図である。

【００１６】本実施例では垂直方向に走査線数の倍の画
素数を持ついわゆるインターライン転送型ＣＣＤ固体撮
像素子を例にとって説明する。図１において、４は例え
ばフォトダイオードよりなる光電変換部としての画素で
あり、この画素は水平方向及び垂直方向へマトリクス状
に多数配列されている。これらの画素の列数は、垂直方
向へ走査線数の倍の数となるように設定されている。

【００１７】図示例においては、画素列は、下の方から
上方に向けて４列ずつグループ化されており、Ａ１，Ｂ
１，Ｃ１，Ｄ１，Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２……Ａ_n ，Ｂ
_n ，Ｃ_n ，Ｄ_n ……の符号が付されている。尚、Ａ_n 等
は図示省略される。垂直方向に配列される画素間には、
垂直ＣＣＤよりなる垂直転送ライン５が配置され、読み
出しゲート６を制御することにより画素４の信号電荷を
読み出し得るようになっている。

【００１８】そして、垂直転送ライン５により垂直方向
へ転送された信号電荷を水平方向へ転送するために水平
ＣＣＤよりなる水平転送ライン７が図１中にて下部に設
けられ、水平方向へ転送された信号電荷を出力部８から
電圧変化として取り出すようになっている。列方向（水
平方向）の各列の画素の読み出しゲート６は共通のライ
ン９に接続され、更に、Ａ列同士，Ｂ列同士，Ｃ列同
士，Ｄ列同士も共通に接続されている。すなわち、垂直
方向へ隣接する４つの列同士がグループ化されている。

【００１９】従って、ライン９は全部で４本あり、これ
らに４種類の読み出しゲートパルスＴＧ１〜ＴＧ４を所
定の形態で印加して信号電荷を読み出す。すなわち、読
み出しゲートパルスＴＧ１〜ＴＧ４が与えられるのは、
垂直ブランキング毎に１発であるが、パルスが与えられ
た列の画素の信号電荷は読み出され、パルスが与えられ
ない列の画素は読み出されない。これにより、パルスＴ
Ｇ１〜ＴＧ４の与え方によって読み出す画素の列の選択
が可能となる。

【００２０】次に、以上のように構成された固体撮像素
子の駆動方法について説明する。まず、フィールド蓄積
読み出し方式の動作について説明する。この場合には、
図３に示すように偶数フィールドでは、垂直ブランキン
グ毎にＴＧ１〜ＴＧ４の全てのパルスを与えることによ
って全ての画素の信号電荷を図２に示すように垂直転送
ライン５へ読み出す。垂直転送ライン５では、Ａ_n 列の
画素の電荷とＢ_n 列の画素の電荷、Ｃ_n 列の画素の電荷
とＤ_n 列の画素の電荷がそれぞれ加算される。尚、ｎ
は、正の整数であり、以下も同様である。

【００２１】その後、水平ブランキング毎に垂直転送ラ
イン５を２段ずつ水平転送ライン方向へ転送することに
より、水平転送ライン７において信号電荷の加算を更に
行なう。この結果、出力部８から出力される映像信号の
値は、Ａ_n ＋Ｂ_n ＋Ｃ_n ＋Ｄ_n となる。奇数フィールド
では、同様に垂直ブランキング毎にＴＧ１〜ＴＧ４の全
てのパルスを与えることによって全ての画素の信号電荷
に垂直転送ライン５へ読み出す。ここでも先と同様にＡ
_n 列とＢ_n 列の画素の信号電荷及びＣ_n 列とＤ_n 列の画
素の信号電荷がそれぞれ加算される。

【００２２】これに対して、この奇数フィールドでは、
先の偶数フィールドの場合と異なり、上述した２段ずつ
の垂直転送を開始する直前の水平ブランキングで１段の
垂直転送を行なうことによりインターレースを行なう。
すると、後続する２段ずつの垂直転送時に水平転送ライ
ン７にて加算される組み合わせが１つずれ、出力される
映像信号の値は、Ｃ_n ＋Ｄ_n ＋Ａ_{n +1}＋Ｂ_{n +1} とな
る。このように信号電荷を読み出し転送することによ
り、図８にて説明したと同様なフィールド蓄積読み出し
方式の映像信号を得ることができる。

【００２３】次に、フレーム蓄積読み出し方式の動作に
ついて説明する。図４に示すように４つの読み出しゲー
トパルスＴＧ１〜ＴＧ４の内、奇数フィードではＴＧ１
とＴＧ２の２つのみのパルスを与え、偶数フィールドで
は、他のＴＧ３とＴＧ４の２つのみのパルスを与える。
これにより、奇数フィールドでは図７中のＡ_n 列の画素
とＢ_n 列の画素のみの信号電荷が読み出されて加算さ
れ、偶数フィールドではＣ_n 列の画素とＤ_n 列の画素の
みの信号電荷が読み出されて加算される。

【００２４】以後の垂直方向の信号電荷の転送は、上述
したフィールド蓄積読み出し方式の場合と同様に行な
う。このように信号電荷を読み出し転送することにより
図９にて説明したと同様なフレーム蓄積読み出し方式の
映像信号を得ることができる。

【００２５】以上のように、この固体撮像素子では、４
列の画素の信号電荷を加算することによりフィールド蓄
積読み出し方式が実現され、これに対して２列の画素の
信号電荷を加算することによりフレーム蓄積読み出し方
式が実現される。

【００２６】次に、本発明の特長とする読み出し方式に
ついて説明する。この読み出し方式は、上記２つのフィ
ールド蓄積読み出し方式とフレーム蓄積読み出し方式の
中間的特性を発揮する。図６に示すように奇数フィール
ドでは、３つのパルスＴＧ１，ＴＧ３，ＴＧ４のみを与
え、パルスＴＧ２を与えないようにしてＢ_n 列の画素の
信号電荷を読み出さないようにする。この時の状態は図
５（Ａ）に示されている。これに対して偶数フィールド
では３つのパルスＴＧ１，ＴＧ２，ＴＧ３のみを与え、
パルスＴＧ４を与えないようにしてＤ_n 列の画素の信号
電荷を読み出さないようにする。この時の状態は図５
（Ｂ）に示される。

【００２７】このような読み出しを行なった後、先に説
明したように水平ブランキング毎に２段ずつの垂直方向
への転送を行なうと、水平転送ライン７で更に信号電荷
が加算されて、読み出される。従って、出力部８から読
み出される最終的な信号電荷は、奇数フィールドではＣ
_n ＋Ｄ_n ＋Ａ_{n +1}となり、偶数フィールドではＡ_n ＋Ｂ
_n ＋Ｃ_n となり、共に列の組み合わせが異なるが３列の
画素の信号電荷が加算されて読み出されることになる。
すなわち、第１のフィールドで読み出された３列の画素
の内、中心に位置する列、例えばＤ_n 列の画素は、次の
フィールドでは読み出されず、先のフィールドにて読み
出されなかった列、例えばＢ_n 列の画素は中心の列とな
って読み出されることになる。

【００２８】このような本発明の特長とする読み出し方
式を行なうと、加算される３画素の内の中央の列に位置
するＢ_n 列及びＤ_n 列の画素は１フィールドおきに読み
出されるのでフレーム蓄積となり、これに対してこの画
素の両側に隣接するＡ_n 列及びＣ_n 列の画素は毎フィー
ルド毎に読み出されるのでフィールド蓄積となる。従っ
て、３画素の内の中央の画素は、他の隣接する２画素に
対して電荷の蓄積時間が倍になるので２倍の感度を持つ
ようになる。すなわち、サンプリング幅の中央部分に対
する感度がその分高くなる。

【００２９】以上のことから、垂直方向の変調度につい
ては、以下のようになる。すなわちサンプリングの幅が
画素３列分になることに加え、その中央部分の感度が高
くなるために、サンプリングの幅が画素４列分であるフ
ィールド蓄積読み出し方式（図２及び図３参照）と、サ
ンプリングの幅が画素２列分であるフレーム蓄積読み出
し方式（図４参照）の中間値よりも高い変調度を得るこ
とができる。図７はこの状態を示すグラフであり、垂直
解像度と振幅変調度との関係を示す。

【００３０】このグラフから明らかなように、電子シャ
ッターをＯＦＦにした本発明の読み出し方式の場合は、
変調度はフレーム蓄積読み出し方式とフィールド蓄積読
み出し方式の中間の値よりも僅かに高い値を示してい
る。この場合、電子シャッターをＯＮにした時には、３
列全ての画素の電荷蓄積時間が等しくなって感度も等し
くなるので、変調度はフレーム蓄積読み出し方式とフィ
ールド蓄積読み出し方式の略中間の値となる。

【００３１】また、残像については、加算された信号電
荷の内の半分はフィールド蓄積によるものであり、残り
の半分はフレーム蓄積によるものなので、全ての信号電
荷がフィールド蓄積であるフィールド蓄積読み出し方式
の場合よりは残像が多いが、全ての信号電荷がフレーム
蓄積であるフレーム蓄積読み出し方式の場合よりは残像
が少なく、これらの２つの読み出し方式の中間的特性を
有することになる。

【００３２】更には、感度については、この感度は加算
されるそれぞれの列の画素の蓄積時間の和に比例するの
で、電子シャッターをかけなければ、フィールド蓄積読
み出し方式も、フレーム蓄積読み出し方式も、本発明の
特長とする３列画素加算読み出し方式も同じである。

【００３３】これに対して、電子シヤッターをかけた時
は、感度は加算される画素列の本数に比例し、従って、
フィールド蓄積読み出し方式の時の感度を１とすると、
フレーム蓄積読み出し方式の時には１／２となり、本発
明の３列画素加算読み出し方式の時は３／４となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子の駆動方法によれば、次のように優れた作用効果を発
揮することができる。３列の画素の信号電荷を、フィー
ルド毎にその組み合わせを変えると共にフィールド毎に
読み出さない画素列を変えるようにしたので、フィール
ド蓄積読み出し方式よりも高い垂直変調度を得ることが
でき、また、フレーム蓄積読み出し方式よりも残像を低
くすることができ、両読み出し方式の中間的特性を得る
ことができる。従って、従来の２つの読み出し方式に本
発明に係る第３の読み出し方式を加えて３種類の読み出
し方式となり、選択の幅を広げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するために用いる固体撮像素
子を示す構成図である。

【図２】フィールド蓄積読み出し方式の時の読み出し形
態を示す図である。

【図３】フィールド蓄積読み出し時の読み出しゲートパ
ルスを示す波形図である。

【図４】フレーム蓄積読み出し時の読み出しゲートパル
スを示す波形図である。

【図５】本発明の特長とする読み出し方式の読み出し形
態を示す図である。

【図６】図５に示す読み出し方式の時の読み出しゲート
パルスを示す波形図である。

【図７】垂直解像度と振幅変調度との関係を示すグラフ
である。

【図８】フィールド蓄積読み出し方式を示す説明図であ
る。

【図９】フレーム蓄積読み出し方式を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

４…画素（光電変換部）、５…垂直転送ライン、６…読
み出しゲート、７…水平転送ライン、８…出力部、９…
ライン。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直方向に走査線数の倍の画素の列より
   なる光電変換部と、垂直方向に信号電荷を転送する垂直
   転送ラインと、この電荷を水平方向へ転送する水平転送
   ラインを有する固体撮像素子の駆動方法において、先の
   フィールドでは垂直方向に隣り合う３列の画素の電荷を
   足し合わせて読み出すと共に足し合わされる３列の組同
   士の間に読み出さない１列の画素を設け、次のフィール
   ドでは、先のフィールド時に読み出さなかった画素の列
   を中心とした３列の画素の電荷を足し合わせて読み出す
   と共に先のフィールド時に読み出された３列の内の中心
   の列の画素は読み出さないようにすることによりインタ
   ーレースを行なうように構成したことを特徴とする固体
   撮像素子の駆動方法。