JP3088591B2 - 固体撮像装置および駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置および駆動方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、入射光量取扱い範囲を
高照度側に拡大するための固体撮像装置およびその駆動
方法、特に、映像信号のフィールドあるいはフレーム等
に代表される一定の信号電荷蓄積期間に対し、少なくと
も２回以上の信号電荷蓄積期間を設定した上、前記信号
電荷蓄積期間におけるそれぞれの信号電荷を外部のフィ
ールドメモリあるいはフレームメモリを用いず再生する
事により、入射光量取扱範囲を高照度側へ拡大する事を
特徴とした固体撮像装置とその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術においては、入射光量取扱い範
囲を拡張する際、１フレームあるいは１フィールド期間
中に少なくとも２回以上の互いに異なる蓄積期間を設
定、例えば、１フィールド期間ＴF中において、従来の
垂直走査期間に相当する第１の蓄積期間Ｔ１と垂直ブラ
ンク期間中に前記第１の蓄積期間よりも短い第２の蓄積
期間Ｔ２の設定を行い、第１の蓄積期間中に得られた信
号電荷Ｑ１は利得１にて、第２の蓄積期間中に得られた
信号電荷Ｑ２は利得（Ｔ１／Ｔ２）倍にて再生する。こ
こで、信号電荷Ｑ１が飽和電荷量に達している場合に
は、信号電荷Ｑ２の信号情報を用いることにより、結果
として、従来比（Ｔ１／Ｔ２）倍の入射光量取扱い範囲
を実現する。
【０００３】上述の入射光量取扱い範囲の拡大のための
素子駆動方法に関しては、外部フレームメモリを用いず
に済ませる提案例（特開昭６３−２５０９８０号公報）
がある。前記提案例は、現行ＣＣＤの構成における４画
素、計８枚の転送電極で３つの信号パケットをつくり、
第１の蓄積期間による２画素混合の信号電荷を２パケッ
ト、第２の蓄積期間による４画素混合の信号電荷を１パ
ケットとして用いることにより１フィールド期間ＴF中
２回に分割された蓄積期間において得られる信号電荷を
連続して垂直ＣＣＤにて転送する手法が記載されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記先
行例では、ダイナミックレンジを拡大するために、前記
４画素混合の信号電荷を加算混合しているので、当然な
がら解像度がかなり悪くなってしまう。さらに、４画素
全ての値を使用してはいるが、時刻的にΔＴずれた状態
で２回読み出す必要があるため、同一パケットの中に蓄
積期間がＴ２と（Ｔ２＋ΔＴ）の互いに異なった２種の
信号電荷が存在する事になる。互いに期間ΔＴずつ異な
る２種の蓄積期間による前記４画素混合の信号電荷を、
前記利得（Ｔ１／Ｔ２）倍で区別なく演算すれば、被写
体光量に応じて前記第２の蓄積期間Ｔ２を調整した場
合、色ずれ、輝度ずれ等の不都合が生じる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は上記不都合を解
決するため、ＶＣＣＤの方向に連続する２単位画素を構
成する第１および第２の画素のうち、前記第１の画素に
対して、信号電荷蓄積期間（Ｔ１１）と前記信号電荷蓄
積期間（Ｔ１１）よりも短い信号電荷蓄積期間（Ｔ２
１）を設定し、前記第２の画素に対しては、信号電荷蓄
積期間（Ｔ１２）と前記信号電荷蓄積期間（Ｔ１２）よ
りも短い信号電荷蓄積期間（Ｔ２２）を設定し、前記信
号電荷蓄積期間（Ｔ２１）で蓄積される信号電荷と前記
信号電荷蓄積期間（Ｔ２２）で蓄積される信号電荷は加
算して読み出すことを特徴とする固体撮像装置である。
【０００６】
【作用】上記構成により、輝度分布の広い被写体に対
し、標準光量以下と、標準光量の２倍前後の光量につい
ては、前記電荷蓄積期間（Ｔ１１、Ｔ２１）をもって対
応し、前記電荷蓄積期間（Ｔ１１、Ｔ２１）中に飽和電
荷量に達した被写体領域に関しては、前記電荷蓄積期間
（Ｔ１２、Ｔ２２）を適応的に用いる駆動方法を用い、
さらに短い方の電荷蓄積期間（Ｔ１２、Ｔ２２）で蓄積
された信号電荷を加算して読み出すことにより、外部フ
ィールドメモリあるいはフレームメモリを用いずとも、
入射光量取り扱い範囲を高照度側へ拡大することが可能
となる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。
【０００８】図１に本発明の固体撮像装置の１例を示
す。１００；単位画素には１１０；ＶＣＣＤにおける４
枚の転送電極が対応し、連続する２単位画素に対応する
合計８枚の転送電極に対しては、それぞれ、１０１；φ
Ｖ１転送電極、１０２；φＶ２転送電極、１０３；φＶ
３転送電極、１０４；φＶ４転送電極、１０５；φＶ５
転送電極、１０６；φＶ６転送電極、１０７；φＶ７転
送電極、１０８；φＶ８転送電極の８相の転送クロック
が印加される。１０２；φＶ２転送電極および１０６；
φＶ６が印加される電極には、１０９；読み出しゲート
が形成される。第１図においては、１層目のポリシリコ
ンを用いて１つの読み出し電極に対して、２つの読み出
しゲートが設けられているが、読み出し電極は１層目あ
るいは２層目どちらのポリシリコンを利用してもよい。
また、従来のＣＣＤを用いた場合でもＶＣＣＤ方向にお
いて隣接する２画素を一括して１画素と考えても差し支
えない。図２以降の素子駆動例においては、図１の構造
によるもので説明をおこなっている。
【０００９】図２，図３，図４には、図１に於いて示し
た固体撮像装置を用いた実施例を示す。
【００１０】図２に、通常のＴＶフレームの２０１；Ａ
−ＦＩＥＬＤおよび２０３；Ｂ−ＦＩＥＬＤにおける２
３２；奇数ライン画素と２３３；偶数ライン画素、それ
ぞれの信号電荷蓄積ならびに読み出し、転送のタイミン
グを示す。
【００１１】２３２；奇数ライン画素と２３３；偶数ラ
イン画素は、あらかじめ、公知の縦抜き電子シャッター
動作（ＶＯＤ−ｓｗｅｅｐ）により蓄積期間開始のタイ
ミングを一致させておく。
【００１２】２３３；偶数ライン画素は２２４；Ｔ１１
の期間中に入射した信号により２０５；偶数ライン第１
信号電荷を得る。ＶＣＣＤへの読み出し動作は２１０；
ＴAF 1のタイミングで行われる。一方、２３２；奇数ラ
イン画素は２２５；Ｔ１２の期間中に入射した信号によ
り２０６；奇数ライン第１信号電荷を得、ＶＣＣＤへの
読み出し動作は２１１；ＴAF21のタイミングで行われ
る。さらに、２０２；Ｖ−Ｂｌａｎｋ期間において、２
３３；偶数ライン画素は２２７；Ｔ２の期間中に入射し
た信号により２０７；偶数ライン第２信号電荷を得る。
ＶＣＣＤへの読み出し動作は２１２；ＴAS1のタイミン
グで行われる。一方、２３２；奇数ライン画素は２２
７；Ｔ２と同一の蓄積期間に設定された２２８；Ｔ２の
期間中に入射した信号により２０８；奇数ライン第２信
号電荷を得、ＶＣＣＤへの読み出し動作は２１３；Ｔ
AS21のタイミングで行われる。ここで、２０２；Ｖ−Ｂ
ｌａｎｋ期間中において、被写体の高輝度な領域を撮像
するために行う２２７；Ｔ２および２２８；Ｔ２の蓄積
時間の制御は全フィールド期間２２６；ＴFに占める２
２９；ＶＯＤ−ｓｗｅｅｐ期間を調整することにより行
う。
【００１３】２０３；Ｂ−ＦＩＥＬＤに関しても、同様
の操作を行うが、図２に示す様に、２１４；奇数ライン
第１信号電荷の蓄積期間と２１５；偶数ライン第１信号
電荷の蓄積期間を入れ換えても良い。
【００１４】図３、図４に読み出しおよび転送のタイミ
ングを示す。２１０；ＴAF1のタイミングで読み出され
た２４０；信号電荷はＶＣＣＤ内を１画素分転送され、
２１１；ＴAF21のタイミングでは、２４１；信号電荷が
読み出される。図３においては、２１０；ＴAF1のタイ
ミングから２１１；ＴAF21のタイミングまで、２０クロ
ックで行っている。このあと、２１２；ＴAS1のタイミ
ングから２１３；ＴAS2 1のタイミングまでを、２０クロ
ックで揃えることにより、２２７；Ｔ２と２２８；Ｔ２
の蓄積期間を揃える事が可能となる。さらに、２０７；
偶数ライン第２信号電荷に相当する２４２；信号電荷は
２０クロック期間において１画素分転送された後、図３
に示すように、２１２；ＴAS21のタイミングで２０８；
奇数ライン第２信号電荷に相当する２４３；信号電荷を
重畳して読み出すことにより混合され、以降ＶＣＣＤ内
を８相クロックにより転送される。この例においては、
２２７；Ｔ２と２２８；Ｔ２の蓄積期間を２０クロック
としたが、クロック数の限定を受けない事は言うまでも
ない。また、さきに述べたように、２２７；Ｔ２と２２
８；Ｔ２の蓄積期間は２１１；ＴAF21より２１２；Ｔ
AS1までの期間を増減することにより制御され、これに
応じて２２９；ＶＯＤ−ｓｗｅｅｐ期間の増減を行う。
【００１５】図５に、本発明の他の実施例を示す。ま
た、取り扱い入射光量範囲拡大の効果を図６に示す。
【００１６】入射光は、３００；１単位画素光電変換部
において、光電変換され、３０１；電子シャッター時二
画素混合信号電荷、３０２；フィールド信号電荷１、３
０３；フィールド信号電荷２はそれぞれ、３０４；ＨＣ
ＣＤ１、３０５；ＨＣＣＤ２、３０６；ＨＣＣＤ３によ
り転送され、３０７；ＣＤＳ＆クランプ回路を通過した
のち、３０９；信号判断回路により、信号飽和に関する
判定をうけ、３０８；信号選択回路にてその出力を選択
された後、３１０；信号処理回路にて後述する演算処理
を施され、画像信号再生を行う。
【００１７】次に、画像の再生処理方法の一例を示す。
以下の条件式に於て、ＶTは素子の飽和電荷量に対応し
た電圧を示す。
【００１８】まず、Ｔ１１およびＴ１２の蓄積期間にお
ける信号電圧Ｖ（Ｔ１１）、Ｖ（Ｔ１２）が（数１）の
条件が真となる場合、３０８；信号選択回路により、Ｖ
（Ｔ１１）、Ｖ（Ｔ１２）の信号が選択されるが、（数
１）の条件が偽となる場合、３０８；信号選択回路は３
０１；電子シャッター時二画素混合信号電荷を選択し、
３１０；信号処理回路では（数２）の演算により、Ｔ２
の蓄積期間の信号電圧はＶsig（Ｔ２）に換算される。
ここでは、ａは（数３）と定義したが、その他の最適な
値、たとえば、（数４）等を用いても良い。
【００１９】
【数１】
【００２０】
【数２】
【００２１】
【数３】
【００２２】
【数４】
【００２３】提案例による入射光量範囲の拡大に関し、
図６を用いて説明する。従来ＣＣＤにおける２画素混合
による読み出しおよび転送動作により得られる出力信号
電荷量は３２０；従来二画素混合型飽和電荷量として示
している。第２（ａ）図における２２４；Ｔ１１および
２２５；Ｔ１２の蓄積期間中における信号電荷の飽和電
荷量は、図１に示した１００；１単位画素における転送
電極１枚に対応した値となる為、従来二画素混合型飽和
電荷量の約１／４となるが、輝度信号を作成する場合に
は、２４０；信号電荷と２４１；信号電荷が外部回路に
おいて加算処理されるため、結局、従来二画素混合型飽
和電荷量の約１／２の値となる。この値を、３２１；全
画素独立読み出し時飽和電荷量として示す。
【００２４】ここで、提案の素子および駆動方法におい
ては、同時に２２７；Ｔ２の蓄積期間における２０７；
偶数ライン第２信号電荷と、２２８；Ｔ２の蓄積期間に
おける２０８；奇数ライン第２信号電荷を混合した信号
電荷も同時に独立して読み出す事が可能なため、３２
２；電子シャッター２画素混合時飽和電荷量を得ること
が可能である。ここで、２２７；Ｔ２ならびに２２８；
Ｔ２の期間は、例えば、１／５００秒から１／２０００
秒まで変化させることが可能なため、図６において、３
２５；ｖａｒｉａｂｌｅで表現したような効果を得るこ
とが可能となる。従って、３２４；従来型取り扱い入射
光量上限よりも、大きな３２３；取り扱い入射光量拡大
範囲を達成可能となる。
【００２５】図７、図８、図９には、ＶＯＤ−ｓｗｅｅ
ｐを用いない場合の実施例を示す。図７は、通常のＴＶ
フレームの４０１；Ａ−ＦＩＥＬＤおよび４０３；Ｂ−
ＦＩＥＬＤにおける４３２；奇数ライン画素と４３３；
偶数ライン画素、それぞれの信号電荷蓄積ならびに読み
出し、転送のタイミングを示したものである。
【００２６】この場合、４３２；奇数ライン画素と４３
３；偶数ライン画素の蓄積期間開始のタイミングは互い
に異なる。４３３；偶数ライン画素は４２４；Ｔ１１の
期間中に入射した信号により４０５；偶数ライン第１信
号電荷を得る。ＶＣＣＤへの読み出し動作は４１０；Ｔ
AF1のタイミングで行われる。一方、４３２；奇数ライ
ン画素は４２５；Ｔ１２の期間中に入射した信号により
４０６；奇数ライン第１信号電荷を得、ＶＣＣＤへの読
み出し動作は４１１；ＴAF21のタイミングで行われる。
さらに、４０２；Ｖ−Ｂｌａｎｋ期間において、４３
３；偶数ライン画素は４２７；Ｔ２の期間中に入射した
信号により４０７；偶数ライン第２信号電荷を得る。Ｖ
ＣＣＤへの読み出し動作は４１２；ＴAS1のタイミング
で行われる。一方、４３２；奇数ライン画素は４２７；
Ｔ２と同一の蓄積期間に設定された４２８；Ｔ２の期間
中に入射した信号により４０８；奇数ライン第２信号電
荷を得、ＶＣＣＤへの読み出し動作は４１３；ＴAS21の
タイミングで行われる。ここで、４２４；Ｔ１１と４２
５；Ｔ１２の期間は互いに異なり、さらに、４０１；Ａ
−ＦＩＥＬＤおよび４０３；Ｂ−ＦＩＥＬＤで異なるた
め、同じ蓄積時間を有する４２７；Ｔ２と４２８；Ｔ２
の期間を制御した場合、４フィールド間において色ず
れ、輝度ずれが生じる可能性がある。しかしながら、本
発明においては、画素情報を独立に読み出しているた
め、蓄積期間の比率（数５）を考慮した演算（数６）が
可能となる。したがって、Ｔ１２の蓄積期間に換算した
値Ｖsig’（Ｔ１１）を用いることにより色ずれ、輝度
ずれが生じることはない。
【００２７】
【数５】
【００２８】
【数６】
【００２９】図８、図９に読み出し、および転送のタイ
ミングを示す。４１０；ＴAF1のタイミングで読み出さ
れた４４０；信号電荷はＶＣＣＤ内を１画素分転送さ
れ、４１１；ＴAF21のタイミングでは、４４１；信号電
荷が読み出される。図３においては、４１０；ＴAF1の
タイミングから４１１；ＴAF21のタイミングまで、２０
クロックで行っている。このあと、４１２；ＴAS1のタ
イミングから４１３；ＴA S21のタイミングまでを、２０
クロックで揃えることにより、４２７；Ｔ２と４２８；
Ｔ２の蓄積期間を揃える事が可能となる。さらに、４０
７；偶数ライン第２信号電荷に相当する４４２；信号電
荷は２０クロック期間において１画素分転送された後、
図３に示すように、４１２；ＴAS21のタイミングで４０
８；奇数ライン第２信号電荷に相当する４４３；信号電
荷を重畳して読み出すことにより混合され、以降ＶＣＣ
Ｄ内を８相クロックにより転送される。この例において
は、４２７；Ｔ２と４２８；Ｔ２の蓄積期間を２０クロ
ックとしたが、クロック数の限定を受けない事は言うま
でもない。
【００３０】図１０は、図７に示した４１４；奇数ライ
ン第１信号電荷の蓄積期間と４１５；偶数ライン第１信
号電荷の蓄積期間を入れ換えた場合を示す。ここで、５
０５；偶数ライン第１信号電荷は５２４；Ｔ１１の期間
中に入射した信号により得られた信号電荷であり、ＶＣ
ＣＤへの読み出しは、５１０；ＴAF1のタイミングで行
われる。５０６；奇数ライン第１信号電荷は５２５；Ｔ
１２の期間中に入射した信号により得られた信号電荷で
あり、ＶＣＣＤへの読み出しは、５１１；ＴAF 2のタイ
ミングで行われる。５０７；偶数ライン第２信号電荷は
５２７；Ｔ２の期間中に入射した信号により得られた信
号電荷であり、ＶＣＣＤへの読み出しは、５１２；Ｔ
AS1のタイミングで行われる。５０８；奇数ライン第２
信号電荷は５２８；Ｔ２の期間中に入射した信号により
得られた信号電荷であり、ＶＣＣＤへの読み出しは、５
１３；ＴAS2のタイミングで行われる。
【００３１】本発明では、５２４；Ｔ１１、５２５；Ｔ
１２の期間は同一の長さに設定することが可能なため、
（数６）の換算は不要である。
【００３２】
【発明の効果】以上のように、本発明は、短い方の信号
蓄積期間の蓄積信号電荷を加算することにより、解像度
をある程度保ちながら、外部のフィールドメモリあるい
はフレームメモリを用いる事なく、入射光量取扱範囲を
高照度側へ拡大する事が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置を示す図
【図２】本発明の第１の駆動方法の説明図
【図３】本発明の第１の駆動実施例のＡフィールドを示
す図
【図４】本発明の第１の駆動実施例のＢフィールドを示
す図
【図５】本発明の第１の固体撮像装置の１例を示す図
【図６】本発明の第１の実施例の効果の説明図
【図７】本発明の第２の駆動方法の説明図
【図８】本発明の第２の駆動実施例のＡフィールド
【図９】本発明の第２の駆動実施例のＢフィールド
【図１０】本発明の第３の駆動方法の説明図
【符号の説明】
１００；１単位画素 １０１；φＶ１転送電極 １０２；φＶ２転送電極 １０３；φＶ３転送電極 １０４；φＶ４転送電極 １０５；φＶ５転送電極 １０６；φＶ６転送電極 １０７；φＶ７転送電極 １０８；φＶ８転送電極 １０９；読み出しゲート １１０；ＶＣＣＤ ２０１、４０１、５０１；Ａ−ＦＩＥＬＤ ２０２、２０４、４０２、４０４、５０２、５０４；Ｖ
−Ｂｌａｎｋ ２０３、４０３、５０３；Ｂ−ＦＩＥＬＤ ２０５、２１５、４０５、４１５、５０５、５１４；偶
数ライン第１信号電荷 ２０６、２１４、４０６、４１４、５０６、５１５；奇
数ライン第１信号電荷 ２０７、２１７、４０７、４１７、５０７、５１６；偶
数ライン第２信号電荷 ２０８、２１８、４０８、４１６、５０８、５１７；奇
数ライン第２信号電荷 ２０９、２１８、４０９、４１８、５０９、５１８；Ｖ
ＣＣＤ転送期間 ２１０、４１０、５１０；ＴAF1 ２１１、４１１、５１１；ＴAF21 ２１２、４１２、５１２；ＴAS1 ２１３、４１３、５１３；ＴAS21 ２１９、４１９、５１９；ＴBF1 ２２０、４２０、５２０；ＴBF21 ２２１、４２１、５２１；ＴBS1 ２２２、４２２、５２２；ＴBS21 ２２３、２２９；ＶＯＤ−ｓｗｅｅｐ ２２４、４２４、５２４；Ｔ１１ ２２５、４２５、５２５；Ｔ１２ ２２６、４２６、５２６；ＴF ２２７、２２８、４２７、４２８、５２７、５２８；Ｔ
２ ２３２；奇数ライン画素 ２３３；偶数ライン画素 ２４０、２４１、２４２、２４３、２５０、２５１、２
５２、２５３；信号電荷 ３００；１単位画素光電変換部 ３０１；電子シャッター時二画素混合信号電荷 ３０２；フィールド信号電荷１ ３０３；フィールド信号電荷２ ３０４；ＨＣＣＤ１ ３０５；ＨＣＣＤ２ ３０６；ＨＣＣＤ３ ３０７；ＣＤＳ＆クランプ回路 ３０８；信号選択回路 ３０９；信号判断回路 ３１０；信号処理回路 ３２０；従来二画素混合型飽和電荷量 ３２１；全画素独立読み出し時飽和電荷量 ３２２；電子シャッター２画素混合時飽和電荷量 ３２３；取り扱い入射光量拡大範囲 ３２４；従来型取り扱い入射光量上限 ３２５；ｖａｒｉａｂｌｅ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−298175（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−250980（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−153033（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−130525（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−103267（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−91417（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−64083（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−22670（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−3553（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−207581（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−189082（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−153176（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−31571（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−169183（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−230270（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 5/30 - 5/335

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＶＣＣＤの方向に連続する２単位画素を
    構成する第１および第２の画素のうち、前記第１の画素
    に対して、信号電荷蓄積期間（Ｔ１１）と前記信号電荷
    蓄積期間（Ｔ１１）よりも短い信号電荷蓄積期間（Ｔ２
    １）を設定し、前記第２の画素に対しては、信号電荷蓄
    積期間（Ｔ１２）と前記信号電荷蓄積期間（Ｔ１２）よ
    りも短い信号電荷蓄積期間（Ｔ２２）を設定し、前記信
    号電荷蓄積期間（Ｔ２１）で蓄積される信号電荷と前記
    信号電荷蓄積期間（Ｔ２２）で蓄積される信号電荷とは
    加算して読み出すことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 ＶＣＣＤの方向に連続する２単位画素を
    構成する第１および第２の画素のうち、前記第１の画素
    に対して、信号電荷蓄積期間（Ｔ１１）と前記信号電荷
    蓄積期間（Ｔ１１）よりも短い信号電荷蓄積期間（Ｔ２
    １）を設定し、前記第２の画素に対しては、信号電荷蓄
    積期間（Ｔ１２）と前記信号電荷蓄積期間（Ｔ１２）よ
    りも短い信号電荷蓄積期間（Ｔ２２）を設定し、前記信
    号電荷蓄積期間（Ｔ２１で蓄積される信号電荷）と前記
    信号電荷蓄積期間（Ｔ２２）で蓄積される信号電荷とは
    加算して読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動
    方法。
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