JP3156503B2 - 固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置の信号処理回路 - Google Patents

固体撮像装置の駆動方法及び固体撮像装置の信号処理回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はビデオカメラなどに用い
られる固体撮像装置及び固体撮像装置の信号処理回路に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体撮像装置及び固体撮像装置の
信号処理回路は性能が向上し家庭用のビデオカメラなど
に用いられる。
【０００３】以下、従来の固体撮像装置及び固体撮像装
置の信号処理回路について図面を参照しながら説明す
る。従来の固体撮像装置としては特開平０２−０８７６
８５があげられる。この従来の固体撮像装置では２次元
状に配置された光電変換部と前記光電変換部より読み出
した電荷を垂直方向に転送可能な垂直電荷転送部を有
し、１画面分の画像を撮像する期間内に複数回の読み出
し動作を行い、垂直電荷転送部において読み出した電荷
を加算し出力している。
【０００４】ここで、読み出し回数を２回とし、１回目
の読み出し動作で読み出される電荷Ｑ１の蓄積時間ｔ１
と２回目の読み出し動作で読み出される電荷Ｑ２の蓄積
時間ｔ２とを異ならせたた場合を考える。（図１８）は
従来の固体撮像装置の光電変換特性を表すグラフであ
る。（図１８）において横軸は光強度、縦軸は出力電荷
量である。１回目の読み出し動作で読み出される電荷Ｑ
１の光電変換特性を実線で、２回目の読み出し動作で読
み出される電荷Ｑ２の光電変換特性を破線で、加算後の
電荷Ｑ３の光電変換特性を一点鎖線で示す。１回目の読
み出し動作で読み出される電荷Ｑ１は光強度Ｂで光電変
換部が飽和し、２回目の読み出し動作で読み出される電
荷Ｑ２は光強度Ｄで光電変換部が飽和する。２回目の読
み出し動作で読み出される電荷Ｑ２はダイナミックレン
ジが広いが、低照度時は信号量が小さいためにＳＮ比が
低い。１回目の読み出し動作で読み出される電荷Ｑ１は
ダイナミックレンジは狭いが、信号量が大きいためにＳ
Ｎ比が高い。加算後の電荷Ｑ３は低照度時のＳＮ比が高
くダイナミックレンジも広くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では、垂直電荷転送部において読み出した電
荷を加算し出力しているが、画素ごとに光電変換部の飽
和レベルにばらつきがあり、（図）のＱ３における光電
変換特性の編曲点であるニーポイントが画素ごとにばら
つく。これは映像では高輝度部の固定パターンノイズと
なり画質が著しく劣化するという問題がある。
【０００６】また、分光特性の異なる色フィルタを配置
して単一の固体撮像装置でカラー化を行うことを考えた
場合、光電変換部でニー特性を持つために色分離ができ
ないという問題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、２次元状に配
置された光電変換部と前記光電変換部より読み出した電
荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部と前記垂直電荷
転送部の電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを
有する固体撮像装置を駆動する際に、１画面分の画像を
撮像する期間内に蓄積時間の異なる読み出し動作を複数
回行い、前回複数回の読み出し動作のうち少なくとも１
回の読み出し動作において、前記光電変換部に蓄積され
たすべての画素の電荷を前記垂直電荷転送部に読み出
し、前記複数回の読み出し動作によりそれぞれ読み出さ
れた露光量の異なる電荷を、それぞれ独立に前記垂直電
荷転送部に保持し、順次前記水平電荷転送部を通して転
送することを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】複数回の読み出し動作により読み出された電荷
をそれぞれ独立に転送することにより、光電変換部の飽
和レベルのばらつきによる画質劣化をなくすことができ
る。
【０００９】また、分光特性の異なる色フィルタを配置
した固体撮像装置を用いた場合は色分離が可能であり、
単一の固体撮像装置を用いてカラー画像を得ることがで
きる。
【００１０】
【実施例】
（第１の実施例）以下、本発明の第１の実施例の固体撮
像装置及び固体撮像装置の信号処理回路について、図面
を参照しながら説明する。
【００１１】本発明の目的は、固体撮像装置において複
数回の読み出し動作により読み出された電荷をそれぞれ
独立に転送することにより、光電変換部の飽和レベルの
ばらつきによる画質劣化をなくすことである。
【００１２】第１の実施例では複数の読み出し動作は２
回とするが、垂直電荷転送部の構造を変更すれば、３回
以上の読み出し動作でも実現できる。
【００１３】（図１）は本発明の第１の実施例の固体撮
像装置の構造を表す構造図である。（図１）において１
は光電変換部、２は垂直電荷転送部、３は駆動パルス入
力端子、４は水平電荷転送部、５は出力増幅器、６は出
力端子である。
【００１４】第１の実施例の固体撮像装置は１画素の光
電変換部１に対して垂直電荷転送部２は３段の転送ゲー
ト構成になっている。また、光電変換部１は２段で１つ
の組をなし、垂直電荷転送部２ａ〜２ｆは６段６相の組
をなしている。垂直電荷転送部２ａ〜２ｆの６段の転送
ゲートはそれぞれ駆動パルス入力端子３ａ〜３ｆと接続
されている。
【００１５】（図２）に第１の実施例の駆動パルスのタ
イミングを示す。（図２）において、φＶ１〜φＶ６
は、それぞれ駆動パルス入力端子３ａ〜３ｆに入力され
る駆動パルスである。φＶ１〜φＶ６のうち、φＶ２で
奇数段、φＶ５で偶数段の光電変換部１の電荷が読み出
される。（図２）で拡大表示している部分はフィールド
期間の１ラインの転送における駆動パルスである。
【００１６】光の入射により光電変換部１では光電変換
により電荷が蓄積される。蓄積された電荷はテレビ方式
の垂直ブランキング時に第１の読み出し動作により駆動
パルス入力端子３ｅに”ハイ”の電圧が加えられ、転送
ゲート２ｅを通じて偶数段の光電変換部１の電荷Ｑ１が
垂直電荷転送部２に読み出される。第１の読み出し動作
終了後直ちに光電変換部１の電荷はすべて固体撮像装置
の基板に掃き出され、光電変換部１の電荷はゼロにな
る。
【００１７】次に第１の読み出し動作を行ったのと同じ
垂直ブランキング期間内に第２の読み出し動作により、
駆動パルス入力端子３ｂに”ハイ”の電圧が加えられ、
転送ゲート２ｂを通じて奇数段の光電変換部１より垂直
電荷転送部２に電荷Ｑ２が読み出されるが、この時の電
荷は第１の読み出し動作で読み出された電荷とは独立に
垂直電荷転送部２に読み出される。
【００１８】垂直電荷転送部２に読み出された第１の読
み出しによる電荷Ｑ１と第２の読み出しによる電荷Ｑ２
は、次のフィールド期間に順次水平電荷転送部４ａおよ
び４ｂにそれぞれ転送されて、出力増幅器５、出力端子
６より出力信号Ｓ１、Ｓ２として出力される。
【００１９】（図２）に第１の実施例の読み出しパルス
のタイミングと光電変換部１における蓄積電荷の関係を
表すグラフを示す。（図２）のグラフにおいて、横軸は
時間、縦軸は蓄積電荷量である。（図２）ではＡ，Ｂ，
Ｃの３種類の光強度における様子をそれぞれ実線、波
線、一点鎖線で示す。
【００２０】つぎに本発明の第１の実施例の固体撮像装
置の信号処理回路について説明する。（図３）は本発明
の第１の実施例の固体撮像装置の信号処理回路を表すブ
ロック図である。（図３）において７は入力端子、８は
クリップ回路、９は加算回路である。
【００２１】固体撮像装置より出力され、入力端子７ａ
に入力された第１の読み出し動作による信号Ｓ１は、ク
リップ回路８に入力され、基準電圧Ｖｔｈ以上の信号が
クリップされて出力される。この基準電圧Ｖｔｈは、固
体撮像装置の飽和電荷量Ｑｓａｔに対応する飽和信号レ
ベルＶｓａｔよりわずかに小さい値に設定する。このク
リップ回路８により光電変換部１の飽和電荷量Ｑｓａｔ
のばらつきによる影響をなくすことができる。
【００２２】クリップ回路８から出力された信号は加算
回路９で入力端子７ｂに入力された第２の読み出し動作
による信号Ｓ２と加算され、出力端子６より出力信号Ｓ
３として出力される。以上のようにして得られる第１の
読み出し動作による信号Ｓ１と第２の読み出し動作によ
る信号Ｓ２と光強度の関係を表す光電変換特性図を（図
４）に示す。（図４）において横軸は光強度、縦軸は出
力電圧であり、第１の読み出し動作による信号Ｓ１を実
線で、第２の読み出し動作による信号Ｓ２を波線で、第
１の読み出し動作による信号と第２の読み出し動作によ
る信号を加算した信号Ｓ３を一点鎖線で示す。
【００２３】第１の読み出し動作で読み出される電荷Ｑ
１による信号Ｓ１は光強度Ｂで光電変換部が飽和し、第
２の読み出し動作で読み出される電荷Ｑ２による信号Ｓ
２は光強度Ｄで光電変換部が飽和する。第２の読み出し
動作で読み出される電荷Ｑ２による信号Ｓ２はダイナミ
ックレンジが広いが、低照度時は信号量が小さいために
ＳＮ比が低い。第１の読み出し動作で読み出される電荷
Ｑ１による信号Ｓ１はダイナミックレンジは狭いが、信
号量が大きいためにＳＮ比が高い。加算後の信号Ｓ３は
低照度時のＳＮ比が高くダイナミックレンジも広くな
る。
【００２４】ここで第１の読み出し動作で読み出される
電荷Ｑ１の蓄積時間をｔ１、第２の読み出し動作で読み
出される電荷Ｑ２の蓄積時間をｔ２とすると、Ｓ１に対
してＳ３はダイナミックレンジがｔ２／ｔ１倍となる。
【００２５】本発明の効果は、固体撮像装置において複
数回の読み出し動作により読み出された電荷をそれぞれ
独立に転送することにより、信号処理回路で飽和した信
号をクリップすることにより飽和信号レベルのばらつき
による影響をなくすことができるので、光電変換部の飽
和レベルのばらつきによる画質劣化をなくすことができ
る。
【００２６】（第２の実施例）以下本発明の第２の実施
例の固体撮像装置の駆動方法について図面を参照しなが
ら説明する。
【００２７】第２の実施例でも複数の読み出し動作は２
回とするが、垂直電荷転送部の構造を変更すれば、３回
以上の読み出し動作でも実現できる。
【００２８】第２の実施例の固体撮像装置は（図１）に
示した第１の実施例と同じものを用いる。
【００２９】（図５）に第２の実施例の駆動パルスのタ
イミングを示す。（図５）においてφＶ１〜φＶ６は駆
動パルス入力端子３ａ〜３ｆに加えられる駆動パルスで
ある。
【００３０】光の入射により光電変換部１では光電変換
により電荷が蓄積される。蓄積された電荷はテレビ方式
の垂直ブランキング時に第１の読み出し動作により駆動
パルス入力端子３ｂ、３ｅに”ハイ”の電圧が加えら
れ、転送ゲート２ｂ、２ｅを通じて、奇数段と偶数段の
光電変換部１の電荷Ｑ１が垂直電荷転送部２に読み出さ
れる。垂直電荷転送部２では、読み出された電荷が垂直
方向の２画素ごとに画素混合される。
【００３１】次に第１の読み出し動作を行ったのと同じ
垂直ブランキング期間内に第２の読み出し動作により駆
動パルス入力端子３ｂ、３ｅに”ハイ”の電圧が加えら
れ、転送ゲート２ｂ、２ｅを通じて、光電変換部１より
再び垂直電荷転送部２に電荷Ｑ２が読み出されるが、こ
の時の電荷は第１の読み出し動作で読み出された電荷Ｑ
１とは独立に垂直電荷転送部２に読み出され、第１の読
み出し動作の時と同様に垂直方向の２画素ごとに画素混
合される。
【００３２】垂直電荷転送部２に読み出された第１の読
み出しによる電荷Ｑ１と第２の読み出しによる電荷Ｑ２
は、次のフィールド期間に順次水平電荷転送部４ａおよ
び４ｂにそれぞれ転送されて、出力増幅器５、出力端子
６より出力される。
【００３３】読み出しパルスのタイミングと光電変換部
１における蓄積電荷の関係を表すグラフを（図５）に示
す。（図５）のグラフにおいて、横軸は時間、縦軸は蓄
積電荷量である。（図５）ではＡ，Ｂ，Ｃの３種類の光
強度における様子をそれぞれ実線、波線、一点鎖線で示
す。
【００３４】信号処理回路の動作は第１の実施例に準じ
るのでここでは省略する。ダイナミックレンジは第１の
実施例と同様に拡大される。
【００３５】本実施例では垂直電荷転送部２内で画素混
合が行われているために、第１の実施例に対して同じ光
強度でも電荷量が２倍となっている。本発明の効果は垂
直電荷転送部２内で画素混合を行うために、同じ光強度
でも電荷量が２倍となり感度を向上させることができる
というものである。
【００３６】本実施例では第１の読み出し動作及び第２
の読み出し動作を垂直ブランキング期間内に行っている
が、第１の読み出し動作を有効走査期間内に行うことも
可能である。ただし、この場合は読み出し動作を有効走
査期間内に行うために、電荷蓄積部を持たないインター
ライントランスファ型固体撮像装置では実現できず、電
荷蓄積部を伴うフレームインタライントランスファ型の
固体撮像装置あるいは外部のフレームメモリを必要とす
る。本発明の別の効果は、複数回の読み出し動作を垂直
ブランキング期間内に行うことにより、固体撮像装置の
構造を単純にし、フレームメモリを不要とするものであ
る。
【００３７】（第３の実施例）以下、本発明の第３の実
施例の固体撮像装置及び固体撮像装置の信号処理回路に
ついて、図面を参照しながら説明する。
【００３８】本発明の目的は、複数回の読み出し動作の
うち、少なくとも１回の読み出し動作により読み出され
た電荷ごとに前記垂直電荷転送部内で画素混合し、その
他の読み出し動作により読み出された電荷は前記垂直電
荷転送部内で画素混合せずに垂直転送することにより、
ダイナミックレンジを拡大することと同時に垂直方向の
解像度も向上しようと言うものである。
【００３９】（図６）は本発明の第３の実施例の固体撮
像装置の構造を表す構造図である。（図６）において１
は光電変換部、２は垂直電荷転送部、３は駆動パルス入
力端子、４は水平電荷転送部、５は出力増幅器、６は出
力端子である。
【００４０】第３の実施例の固体撮像装置は１画素の光
電変換部１に対して垂直電荷転送部２は４段の転送ゲー
ト構成になっている。また、光電変換部１は４段で１つ
の組をなし、垂直電荷転送部２ａ〜２ｐは１６段１６相
の組をなしている。垂直電荷転送部２ａ〜２ｐの１６段
の転送ゲートはそれぞれ駆動パルス入力端子３ａ〜３ｐ
と接続されている。
【００４１】（図７）に第３の実施例の第１の読み出し
動作と第２の読み出し動作の時の駆動波形を示す。（図
７）においてφＶ１〜φＶ１６は駆動パルス入力端子３
ａ〜３ｐに加えられる駆動パルスである。
【００４２】光の入射により光電変換部１では光電変換
により電荷が蓄積される。蓄積された４段で１組の電荷
はテレビ方式の垂直ブランキング時に第１の読み出し動
作により駆動パルス入力端子３ａ、３ｅ、３ｉ、３ｍ
に”ハイ”の電圧が加えられて転送ゲート２ａ、２ｅ、
２ｉ、２ｍを通して垂直電荷転送部２に読み出される。
垂直電荷転送部２では、読み出された電荷をそれぞれ独
立に保持する。
【００４３】次に第１の読み出し動作を行ったのと同じ
垂直ブランキング期間内に第２の読み出し動作により駆
動パルス入力端子３ａ、３ｅに”ハイ”の電圧が加えら
れて転送ゲート２ａ、２ｅを通して光電変換部１の４段
の組のうち上部の２段より再び垂直電荷転送部２に電荷
Ｑ２が読み出されるが、この時の電荷は第１の読み出し
動作で読み出された電荷Ｑ１とは独立に垂直電荷転送部
２に読み出され、読み出された電荷Ｑ２が垂直方向の２
段ごとに転送ゲート２ａ〜２ｅで画素混合される。その
後直ちに光電変換部１内に残された電荷は基板内部に掃
き出される。
【００４４】垂直電荷転送部２に読み出された第１の読
み出しによる電荷Ｑ１と第２の読み出しによる電荷Ｑ２
は、次のフィールド期間に順次水平電荷転送部４ａ、４
ｂおよび４ｃにそれぞれ転送されて、出力増幅器５、出
力端子６より出力される。
【００４５】以上のようにして得られた出力信号のう
ち、第１の読み出し動作で読み出された電荷Ｑ１に基づ
く信号Ｓ１は、垂直電荷転送部２内で画素混合されてい
ないので、垂直方向の解像度の高い信号が得られる。第
２の読み出し動作で読み出された電荷Ｑ２に基づく信号
Ｓ２は、垂直電荷転送部２内で画素混合されているので
垂直方向の解像度は低いが、高輝度部の階調が再現でき
る信号が得られる。
【００４６】本発明の効果は、複数回の読み出し動作の
うち、少なくとも１回の読み出し動作により読み出され
た電荷ごとに前記垂直電荷転送部内で画素混合し、その
他の読み出し動作により読み出された電荷は前記垂直電
荷転送部内で画素混合せずに垂直転送することにより、
ダイナミックレンジを拡大することと同時に垂直方向の
解像度も向上することができる。
【００４７】（第４の実施例）以下本発明の第４の実施
例の固体撮像装置の駆動方法について図面を参照しなが
ら説明する。
【００４８】第４の実施例でも複数の読み出し動作は２
回とするが、垂直電荷転送部の構造を変更すれば、３回
以上の読み出し動作でも実現できる。
【００４９】第４の実施例における固体撮像装置の構造
を（図８）に示す。（図８）の固体撮像装置の構造は
（図１）のものと同じであるが、光電変換部１上にマゼ
ンタ（Ｍｇ）、グリーン（Ｇ）、イェロー（Ｙｅ）、シ
アン（Ｃｙ）の４種類の分光特性の異なる色フィルタが
配置されている。この色フィルタの分光特性はテレビジ
ョン学会技術報告ＴＥＢＳ８７−６，ＥＤ６９４で報告
されている従来の色差線順次方式の色フィルタ配列と同
様である。駆動方法は第２の実施例に準じるのでここで
は省略するが、インターレースのためには第１フィール
ドと第２フィールドで画素混合する組は１段ずらす必要
がある。
【００５０】（図９）に第４の実施例の信号処理回路を
示す。（図９）において１０は色分離回路、１１は増幅
回路、１２は比較回路、１３はマルチプレクサである。
【００５１】色分離回路１０は画素混合された固体撮像
装置の出力信号（Ｍｇ＋Ｙｅ，Ｍｇ＋Ｃｙ，Ｇ＋Ｙｅ，
Ｇ＋Ｃｙ）を入力し、原色信号（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を出力す
る。
【００５２】入力端子７ａに入力された第１の読み出し
動作による電荷に基づく信号Ｓ１は色分離回路１０ａに
入力され、Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１の原色信号に分離される。
入力端子７ｂに入力された第２の読み出し動作による電
荷に基づく信号Ｓ２は色分離回路１０ｂに入力され、Ｒ
２、Ｇ２、Ｂ２の原色信号に分離される。原色信号Ｒ
２、Ｇ２、Ｂ２は増幅回路１１で増幅され、原色信号Ｒ
１、Ｇ１、Ｂ１とともにマルチプレクサ１３に入力され
る。このとき、第１の読み出し動作による電荷Ｑ１の蓄
積時間をｔ１、第２の読み出し動作による電荷Ｑ２の蓄
積時間をｔ２とすると、増幅回路１１の増幅率はｔ１／
ｔ２倍とする。また、原色信号Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１は比較
回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃに入力され、標準信号レベ
ルＲ０、Ｇ０、Ｂ０と比較され、制御信号が出力され
る。マルチプレクサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃは比較回路
１２ａ、１２ｂ、１２ｃの制御信号を入力し、原色信号
Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１が標準信号レベルＲ０、Ｇ０、Ｂ０よ
り大きい場合は増幅された原色信号Ｒ２、Ｇ２、Ｂ２が
選択され、原色信号Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１が標準信号レベル
Ｒ０、Ｇ０、Ｂ０より小さい場合は原色信号Ｒ１、Ｇ
１、Ｂ１が選択され、原色信号Ｒ３、Ｇ３、Ｂ３として
出力端子６ａ、６ｂ、６ｃより出力される。
【００５３】（図１０）に第４の実施例の原色信号Ｒ、
Ｇ、Ｂの光電変換特性を示す。原色信号Ｒ３、Ｇ３、Ｂ
３は原色信号Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１に比べてダイナミックレ
ンジが拡大されている。
【００５４】本発明の効果は、光電変換部に分光特性の
異なる色フィルタを配置し、１画面分の画像を撮像する
期間内に読み出し動作を複数回行い、読み出された電荷
をそれぞれ独立に転送し、それらの電荷に基づく出力信
号を複数の色分離回路でそれぞれ色分離し、合成回路で
合成して出力することにより、ダイナミックレンジの広
いカラーの画像を単一の固体撮像装置を用いて得ること
ができる。
【００５５】（第５の実施例）以下本発明の第５の実施
例の固体撮像装置の駆動方法について図面を参照しなが
ら説明する。本発明の目的は分光特性の異なる色フィル
タを配置した固体撮像装置において複数回の読み出し動
作により独立に読み出された電荷に基づく出力信号を合
成して色分離を行うことにより、第４の実施例で複数用
いた色分離回路を１つにすることである。
【００５６】第５の実施例でも複数の読み出し動作は２
回とするが、垂直電荷転送部の構造を変更すれば、３回
以上の読み出し動作でも実現できる。
【００５７】第５の実施例における固体撮像装置は第４
の実施例のものと同様であり、動作も同様なので説明は
省略する。ここでは信号処理回路について詳しく説明す
る。
【００５８】（図１１）は第５の実施例の固体撮像装置
の信号処理回路を表すブロック図である。（図１１）に
おいて７は入力端子、８はクリップ回路、９は加算回
路、１０は色分離回路、１４は階調再現補正回路であ
る。
【００５９】固体撮像装置より出力され、入力端子７ａ
に入力された第１の読み出し動作による信号Ｓ１は、ク
リップ回路８に入力され、基準電圧Ｖｔｈ以上の信号が
クリップされて出力される。この基準電圧Ｖｔｈは、色
分離可能なキャリア飽和信号レベルＶｓａｔに設定す
る。クリップ回路８から出力された信号は加算回路９で
入力端子７ｂに入力された第２の読み出し動作による信
号Ｓ２と加算され、加算信号Ｓ３として階調再現補正回
路１４に入力される。（図１２）に第５の実施例の階調
再現補正回路１４の特性を表す光電変換特性図を示す。
階調再現補正回路１４は入力信号に対して光電変換特性
が直線的になるように階調再現補正を施し出力信号Ｓ４
を出力する。階調再現補正回路１４としてはビデオカメ
ラで用いられるようなガンマ補正回路と同等の構成のも
の、あるいはデジタル信号処理ではＲＯＭテーブルを用
いることができる。
【００６０】階調再現補正回路１４の出力信号Ｓ４は色
分離回路１０で色分離されてダイナミックレンジの広い
原色色信号Ｒ、Ｇ、Ｂが出力端子６より出力される。
【００６１】本発明の効果は分光特性の異なる色フィル
タを配置した固体撮像装置において複数回の読み出し動
作により独立に読み出された電荷に基づく出力信号を合
成して色分離を行うことにより、第４の実施例で複数用
いた色分離回路を１つにすることができる。
【００６２】（第６の実施例）以下本発明の第６の実施
例の固体撮像装置の駆動方法について図面を参照しなが
ら説明する。本発明の目的は分光特性の異なる色フィル
タを配置した固体撮像装置において複数回の読み出し動
作により独立に読み出された電荷に基づく出力信号をそ
れぞれ一定の増幅率で増幅して選択する合成回路で合成
して色分離を行うことにより、第４の実施例で複数用い
た色分離回路を１つにすることである。
【００６３】第６の実施例でも複数の読み出し動作は２
回とするが、垂直電荷転送部の構造を変更すれば、３回
以上の読み出し動作でも実現できる。
【００６４】第６の実施例における固体撮像装置は第４
の実施例のものと同様であり、動作も同様なので説明は
省略する。ここでは信号処理回路について詳しく説明す
る。
【００６５】（図１３）は第６の実施例の固体撮像装置
の信号処理回路を表すブロック図である。（図１３）に
おいて７は入力端子、１０は色分離回路、１１は増幅回
路、１２は比較回路１３はマルチプレクサである。
【００６６】入力端子７ｂに入力された第２の読み出し
動作による電荷に基づく信号Ｓ２は増幅回路１１で増幅
され、入力端子７ａに入力された第１の読み出し動作に
よる電荷に基づく信号Ｓ１とともにマルチプレクサ１３
に入力される。このとき、第１の読み出し動作による電
荷Ｑ１の蓄積時間をｔ１、第２の読み出し動作による電
荷Ｑ２の蓄積時間をｔ２とすると、増幅回路１１の増幅
率はｔ１／ｔ２倍とする。また、Ｓ１は比較回路１２に
入力され、標準信号レベルＳ０と比較され、制御信号が
出力される。マルチプレクサ１３は比較回路１２の制御
信号を入力し、Ｓ１が標準信号レベルＳ０より大きい場
合は増幅された信号Ｓ２が選択され、Ｓ１が標準信号レ
ベルＳ０より小さい場合はＳ１が選択され、Ｓ３として
色分離回路１０に入力され、色分離されて原色信号Ｒ、
Ｇ、Ｂとして出力端子６ａ、６ｂ、６ｃより出力され
る。
【００６７】本発明の効果は分光特性の異なる色フィル
タを配置した固体撮像装置において複数回の読み出し動
作により独立に読み出された電荷に基づく出力信号をそ
れぞれ一定の増幅率で増幅して選択する合成回路で合成
して色分離を行うことにより、第４の実施例で複数用い
た色分離回路を１つにすることができる。
【００６８】（第７の実施例）以下本発明の第７の実施
例の固体撮像装置の駆動方法について図面を参照しなが
ら説明する。本発明の目的は固体撮像装置において複数
回の読み出し動作により独立に読み出された電荷に基づ
く出力信号を減算回路で減算し、一定の増幅率で増幅
し、増幅回路の出力信号のうちいずれかを選択すること
により、スミアのない信号を得ることである。
【００６９】第７の実施例でも複数の読み出し動作は２
回とするが、垂直電荷転送部の構造を変更すれば、３回
以上の読み出し動作でも実現できる。
【００７０】第７の実施例における固体撮像装置は第４
の実施例のものと同様であり、動作も同様なので説明は
省略する。ここでは信号処理回路について詳しく説明す
る。
【００７１】（図１４）は第７の実施例の固体撮像装置
の信号処理回路を表すブロック図である。（図１４）に
おいて７は入力端子、１０は色分離回路、１１は増幅回
路、１２は比較回路１５は減算回路である。
【００７２】入力端子７ｂに入力された第２の読み出し
動作による電荷に基づく信号Ｓ２は減算回路１５で入力
端子７ａに入力された第１の読み出し動作による電荷に
基づく信号Ｓ１から減算され出力される。減算回路１５
の出力信号は、増幅回路１１で増幅された信号Ｓ２とと
もにマルチプレクサ１３に入力される。このとき、第１
の読み出し動作による電荷Ｑ１の蓄積時間をｔ１、第２
の読み出し動作による電荷Ｑ２の蓄積時間をｔ２とする
と、増幅回路１１の増幅率は（ｔ１−ｔ２）／ｔ２倍と
する。また、Ｓ１は比較回路１２に入力され、標準信号
レベルＳ０と比較され、制御信号が出力される。マルチ
プレクサ１３は比較回路１２の制御信号を入力し、Ｓ１
が標準信号レベルＳ０より大きい場合は増幅された信号
Ｓ２が選択され、Ｓ１が標準信号レベルＳ０より小さい
場合は増幅回路１１ａの出力信号が選択され、Ｓ３とし
て色分離回路１０に入力され、色分離されて原色信号
Ｒ、Ｇ、Ｂとして出力端子６ａ、６ｂ、６ｃより出力さ
れる。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の光電変換特性を（図１５）に
示す。
【００７３】一般にインターライン型の固体撮像装置で
は垂直転送部内に漏れ込む光などの影響で、垂直方向に
白い線が現れるスミアという現象が発生する。スミア成
分は垂直方向に並んだ画素に対しては蓄積時間に関わり
なく一定である。本発明の効果は固体撮像装置において
複数回の読み出し動作により独立に読み出された電荷に
基づく出力信号を減算回路で減算し、一定の増幅率で増
幅し、増幅回路の出力信号のうちいずれかを選択するこ
とにより、スミアのない信号を得ることができるという
ものである。
【００７４】（第８の実施例）以下、本発明の第８の実
施例の固体撮像装置及び固体撮像装置の信号処理回路に
ついて、図面を参照しながら説明する。
【００７５】本発明の目的は、光電変換部に分光特性の
異なるカラーフィルタを配した固体撮像装置において、
複数回の読み出し動作のうち、少なくとも１回の読み出
し動作により読み出された電荷ごとに前記垂直電荷転送
部内で画素混合し、その他の読み出し動作により読み出
された電荷は前記垂直電荷転送部内で画素混合せずに垂
直転送することにより、単一の固体撮像装置でカラー化
し、ダイナミックレンジを拡大することと同時に垂直方
向の解像度も向上しようと言うものである。
【００７６】第８の実施例における固体撮像装置の構造
を（図１６）に示す。（図１６）の固体撮像装置の構造
は（図６）のものと同じであるが、光電変換部１上にマ
ゼンタ（Ｍｇ）、グリーン（Ｇ）、イェロー（Ｙｅ）、
シアン（Ｃｙ）の４種類の分光特性の異なる色フィルタ
が配置されている。この色フィルタの分光特性は従来の
色差線順次方式の色フィルタ配列と同様である。駆動方
法は第３の実施例に準じるのでここでは省略するが、イ
ンターレースのためには第１フィールドと第２フィール
ドで画素混合する組は変更する必要がある。
【００７７】（図１７）に第８の実施例の信号処理回路
を示す。（図１７）において１０は色分離回路、１１は
増幅回路、１２は比較回路、１３はマルチプレクサであ
る。
【００７８】色分離回路１０ｂは画素混合された固体撮
像装置の出力信号（Ｍｇ＋Ｙｅ，Ｍｇ＋Ｃｙ，Ｇ＋Ｙ
ｅ，Ｇ＋Ｃｙ）を入力し、原色信号（Ｒ２，Ｇ２，Ｂ
２）を出力するが、色分離回路１０ａは画素混合されな
いで出力された固体撮像装置の出力信号（Ｍｇ，Ｇ，Ｃ
ｙ，Ｙｅ）を入力し、原色信号（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）を
出力する。
【００７９】入力端子７ａ、７ｂに入力された第１の読
み出し動作による電荷に基づく信号Ｓ１は色分離回路１
０ａに入力され、Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１の原色信号に分離さ
れる。入力端子７ｃに入力された第２の読み出し動作に
よる電荷に基づく信号Ｓ２は色分離回路１０ｂに入力さ
れ、Ｒ２、Ｇ２、Ｂ２の原色信号に分離される。その後
の処理は第４の実施例と同様なので省略する。
【００８０】ここで、色分離回路１０ａは画素混合され
ていない垂直解像度の高い信号を用いて色分離するの
で、垂直解像度の高い信号を出力することができる。
【００８１】本発明の効果は、光電変換部に分光特性の
異なるカラーフィルタを配した固体撮像装置において、
複数回の読み出し動作のうち、少なくとも１回の読み出
し動作により読み出された電荷ごとに前記垂直電荷転送
部内で画素混合し、その他の読み出し動作により読み出
された電荷は前記垂直電荷転送部内で画素混合せずに垂
直転送することにより、単一の固体撮像装置でカラー化
し、ダイナミックレンジを拡大することと同時に垂直方
向の解像度も向上することができる。
【００８２】
【発明の効果】本発明の効果は、固体撮像装置において
複数回の読み出し動作により読み出された電荷をそれぞ
れ独立に転送することにより、信号処理回路で飽和した
信号をクリップすることにより飽和信号レベルのばらつ
きによる影響をなくすことができるので、光電変換部の
飽和レベルのばらつきによる画質劣化をなくすことがで
きるというものである。
【００８３】本発明の別の効果は、垂直電荷転送部２内
で画素混合を行うために、同じ光強度でも電荷量が２倍
となり感度を向上させることができるというものであ
る。
【００８４】本発明のさらに別の効果は、複数回の読み
出し動作を垂直ブランキング期間内に行うことにより、
固体撮像装置の構造を単純にし、フレームメモリを不要
とするものである。
【００８５】本発明のさらに別の効果は、複数回の読み
出し動作のうち、少なくとも１回の読み出し動作により
読み出された電荷ごとに前記垂直電荷転送部内で画素混
合し、その他の読み出し動作により読み出された電荷は
前記垂直電荷転送部内で画素混合せずに垂直転送するこ
とにより、ダイナミックレンジを拡大することと同時に
垂直方向の解像度も向上することができるというもので
ある。
【００８６】本発明のさらに別の効果は、光電変換部に
分光特性の異なる色フィルタを配置し、１画面分の画像
を撮像する期間内に読み出し動作を複数回行い、読み出
された電荷をそれぞれ独立に転送し、それらの電荷に基
づく出力信号を複数の色分離回路でそれぞれ色分離し、
合成回路で合成して出力することにより、ダイナミック
レンジの広いカラーの画像を単一のの固体撮像装置を用
いて得ることができるというものである。
【００８７】本発明のさらに別の効果は分光特性の異な
る色フィルタを配置した固体撮像装置において複数回の
読み出し動作により独立に読み出された電荷に基づく出
力信号を合成して色分離を行うことにより、色分離回路
を１つにすることができるというものである。
【００８８】本発明のさらに別の効果は固体撮像装置に
おいて複数回の読み出し動作により独立に読み出された
電荷に基づく出力信号を減算回路で減算し、一定の増幅
率で増幅し、増幅回路の出力信号のうちいずれかを選択
することにより、スミアのない信号を得ることができる
というものである。
【００８９】本発明のさらに別の効果は、光電変換部に
分光特性の異なるカラーフィルタを配した固体撮像装置
において、複数回の読み出し動作のうち、少なくとも１
回の読み出し動作により読み出された電荷ごとに前記垂
直電荷転送部内で画素混合し、その他の読み出し動作に
より読み出された電荷は前記垂直電荷転送部内で画素混
合せずに垂直転送することにより、単一の固体撮像装置
でカラー化し、ダイナミックレンジを拡大することと同
時に垂直方向の解像度も向上することができるというも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の固体撮像装置の構造を表す構造
図
【図２】第１の実施例の 読み出しパルスのタイミング
と光電変換部１における蓄積電荷の関係を表すグラフ
【図３】第１の実施例の固体撮像装置の信号処理回路を
表すブロック図
【図４】第１の実施例の第１の読み出し動作による信号
Ｓ１と第２の読み出し動作による信号Ｓ２と光強度の関
係を表す光電変換特性図
【図５】第２の実施例の読み出しパルスのタイミングと
光電変換部１における蓄積電荷の関係を表すグラフ
【図６】第３の実施例の固体撮像装置の構造を表す構造
図
【図７】第３の実施例の第１の読み出し動作と第２の読
み出し動作の時の駆動波形図
【図８】第４の実施例の固体撮像装置の構造図
【図９】第４の実施例の固体撮像装置の信号処理回路を
表すブロック図
【図１０】第４の実施例の原色信号Ｒ、Ｇ、Ｂの光電変
換特性図
【図１１】第５の実施例の固体撮像装置の信号処理回路
を表すブロック図
【図１２】第５の実施例の階調再現補正回路の特性を表
す光電変換特性図
【図１３】第６の実施例の固体撮像装置の信号処理回路
を表すブロック図
【図１４】第７の実施例の固体撮像装置の信号処理回路
を表すブロック図
【図１５】第７の実施例の固体撮像装置の光電変換特性
図
【図１６】第８の実施例の固体撮像装置の構造を表す構
造図
【図１７】第８の実施例の固体撮像装置の信号処理回路
を表すブロック図
【図１８】従来の固体撮像装置の光電変換特性を表すグ
ラフ
【符号の説明】
１ 光電変換部 ２ 垂直電荷転送部 ３ 駆動パルス入力端子 ４ 水平電荷転送部 ５ 出力増幅器 ６ 出力端子 ７ 入力端子 ８ クリップ回路 ９ 加算回路 １０ 色分離回路 １１ 増幅回路 １２ 比較回路 １３ マルチプレクサ １４ 階調再現回路 １５ 減算回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 祐二 大阪府高槻市幸町１番１号 松下電子工 業株式会社内 (72)発明者 藤井 俊哉 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−64083（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−3577（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−87785（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 5/335 H04N 5/222 - 5/253 H04N 9/04 - 9/11

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２次元状に配置された光電変換部と前記
    光電変換部より読み出した電荷を垂直方向に転送する垂
    直電荷転送部と前記垂直電荷転送部の電荷を水平方向に
    転送する水平電荷転送部とを有する固体撮像装置を駆動
    する際に、１画面分の画像を撮像する期間内に蓄積時間
    の異なる読み出し動作を複数回行い、前記複数回の読み
    出し動作のうち少なくとも１回の読み出し動作におい
    て、前記光電変換部に蓄積されたすべての画素の電荷を
    前記垂直電荷転送部に読み出し、前記複数回の読み出し
    動作によりそれぞれ読み出された露光量の異なる電荷
    を、それぞれ独立に前記垂直電荷転送部に保持し、順次
    前記水平電荷転送部を通して転送することを特徴とする
    固体撮像装置の駆動方法。
  2. 【請求項２】 ２次元状に配置された光電変換部と前記
    光電変換部より読み出した電荷を垂直方向に転送する垂
    直電荷転送部と前記垂直電荷転送部の電荷を水平方向に
    転送する水平電荷転送部とを有する固体撮像装置を駆動
    する際に、１画面分の画像を撮像する期間内に蓄積時間
    の異なる読み出し動作を複数回行い、前記複数回の読み
    出し動作のうち少なくとも１回の読み出し動作におい
    て、前記光電変換部に蓄積された電荷のうちの一部の画
    素の電荷のみを前記垂直電荷転送部に読み出して他の画
    素の電荷は掃き出し、前記複数回の読み出し動作により
    それぞれ読み出された露光量の異なる電荷を、それぞれ
    独立に前記垂直電荷転送部に保持し、順次前記水平電荷
    転送部を通して転送することを特徴とする固体撮像装置
    の駆動方法。
  3. 【請求項３】 前記複数回の読み出し動作のうち各々の
    読み出し動作において、前記光電変換部に蓄積されたす
    べての画素の電荷を前記垂直電荷転送部に読み出すこと
    を特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
  4. 【請求項４】 前記複数回の読み出し動作のうち各々の
    読み出し動作において、所定数の画素ごとに前記垂直電
    荷転送部内で画素混合することを特徴とする請求項１記
    載の固体撮像装置の駆動方法。
  5. 【請求項５】 前記複数回の読み出し動作のうち、少な
    くとも１回の読み出し動作において、所定数の画素ごと
    に前記垂直電荷転送部内で画素混合し、その他の読み出
    し動作においては、前記垂直電荷転送部内で画素混合し
    ないことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の駆
    動方法。
  6. 【請求項６】 前記固体撮像装置は分光特性の異なる色
    フィルタを前記光電変換部上に配置したことを特徴とす
    る請求項１または２記載の固体撮像装置の駆動方法。
  7. 【請求項７】 前記１画面分の画像を撮像する期間は、
    テレビジョン方式における１フィールド期間であること
    を特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置の駆
    動方法。
  8. 【請求項８】 前記複数回の読み出し動作はテレビジョ
    ン方式における垂直ブランキング期間内に行うことを特
    徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置の駆動方
    法。
  9. 【請求項９】 分光特性の異なる色フィルタを配置した
    光電変換部と前記光電変換部より読み出した電荷を垂直
    方向に転送する垂直電荷転送部と前記垂直電荷転送部の
    電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを有し、１
    画面分の画像を撮像する期間内に蓄積時間の異なる読み
    出し動作を複数回行い、前記複数回の読み出し動作のう
    ち少なくとも１回の読み出し動作において、前記光電変
    換部に蓄積されたすべての画素の電荷を前記垂直電荷転
    送部に読み出し、前記垂直電荷転送部は前記複数回の読
    み出し動作によりそれぞれ読み出された露光量の異なる
    電荷を、それぞれ独立に前記垂直電荷転送部に保持し、
    順次前記水平電荷転送部を通して転送する固体撮像装置
    と、複数の色分離回路と合成回路を有し、前記固体撮像
    装置において前記複数回の読み出し動作により独立に読
    み出された露光量の異なる電荷に基づく出力信号を前記
    複数の色分離回路でそれぞれ色分離し、当該それぞれ色
    分離された信号を前記合成回路で合成して出力すること
    を特徴とする固体撮像装置の信号処理回路。
  10. 【請求項１０】 分光特性の異なる色フィルタを配置し
    た光電変換部と前記光電変換部より読み出した電荷を垂
    直方向に転送する垂直電荷転送部と前記垂直電荷転送部
    の電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを有し、
    １画面分の画像を撮像する期間内に蓄積時間の異なる読
    み出し動作を複数回行い、前記複数回の読み出し動作の
    うち少なくとも１回の読み出し動作において、前記光電
    変換部に蓄積されたすべての画素の電荷を前記垂直電荷
    転送部に読み出し、前記垂直電荷転送部は前記複数回の
    読み出し動作によりそれぞれ読み出された露光量の異な
    る電荷を、それぞれ独立に前記垂直電荷転送部に保持
    し、順次前記水平電荷転送部を通して転送する固体撮像
    装置と、合成回路と色分離回路とを有し、前記固体撮像
    装置において前記複数回の読み出し動作によりそれぞれ
    独立に読み出された露光量の異なる電荷に基づく出力信
    号を前記合成回路で合成し、当該合成された信号を前記
    色分離回路で色分離して出力することを特徴とする固体
    撮像装置の信号処理回路。
  11. 【請求項１１】 前記合成回路は、前記固体撮像装置に
    おいて前記複数回の読み出し動作により独立に読み出さ
    れた電荷に基づく複数の出力信号を入力し、当該入力さ
    れた信号に対して光電変換特性がリニア特性になる補正
    処理を施して、当該補正が成された信号を出力すること
    を特徴とする請求項９または１０記載の固体撮像装置の
    信号処理回路。
  12. 【請求項１２】 前記合成回路は、前記固体撮像装置に
    おいて前記複数回の読み出し動作により独立に読み出さ
    れた電荷に基づく複数の出力信号を入力し、前記複数の
    出力信号のうち少なくとも蓄積時間の長い出力信号に対
    し所定のレベル以上の信号をクリップする複数のクリッ
    プ回路と、前記複数の出力信号のうち蓄積時間の最も短
    い出力信号と前記クリップ回路の出力信号を加算する加
    算回路と前記加算回路の出力信号を入力し、階調再現特
    性を補正する階調再現補正回路で構成される請求項１１
    記載の固体撮像装置の信号処理回路。
  13. 【請求項１３】 前記合成回路は、前記固体撮像装置に
    おいて前記複数回の読み出し動作により独立に読み出さ
    れた電荷に基づく複数の出力信号を入力し、前記複数の
    出力信号のうち少なくとも蓄積時間の短い出力信号に対
    し一定の増幅率で増幅する複数の増幅回路と、前記複数
    の出力信号のうち少なくとも蓄積時間の長い出力信号を
    基準の信号量と比較する複数の比較回路と、前記複数の
    比較回路の出力に応じて前記複数の出力信号のうち少な
    くとも蓄積時間の長い出力信号と前記増幅回路の出力信
    号のうちいずれかを選択する選択回路で構成される請求
    項１１記載の固体撮像装置の信号処理回路。
  14. 【請求項１４】 前記合成回路は、前記固体撮像装置に
    おいて前記複数回の読み出し動作により独立に読み出さ
    れた電荷に基づく複数の出力信号を入力し、減算を行う
    複数の減算回路と、前記複数の出力信号のうち少なくと
    も蓄積時間の短い出力信号に対し一定の増幅率で増幅す
    る複数の増幅回路と、前記複数の出力信号のうち少なく
    とも蓄積時間の長い出力信号を基準の信号量と比較する
    複数の比較回路と、前記複数の比較回路の出力に応じて
    前記複数の増幅回路の出力信号のうちいずれかを選択す
    る選択回路で構成される請求項１１記載の固体撮像装置
    の信号処理回路。
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