JP3212809B2 - 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】この発明は、固体撮像素子のダイ
ナミックレンジを拡大することができる固体撮像素子の
駆動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、固体撮像素子を利用したカメラが
普及しており、低照度から高照度までの広い被写体照度
の範囲において鮮明な画像が得られるように、固体撮像
素子としては、より広いダイナミックレンジの実現が求
められている。以下、従来の固体撮像素子の駆動方法に
ついて説明する。

【０００３】図８は固体撮像素子の模式図であって、図
８において、１は第１群の光電変換素子、２は第２群の
光電変換素子、３は第１群の光電変換素子１および第２
群の光電変換素子２に蓄積された信号電荷を垂直方向に
転送する垂直転送部、４は垂直転送部３から転送される
信号電荷を水平方向に転送する水平転送部、５は水平転
送部４からの信号電荷を信号電圧に変換して出力する信
号電荷検出部、Ｖｏは信号電荷検出部５から出力される
信号出力をそれぞれ示している。また、本固体撮像素子
は、半導体基板に電圧を加えることにより、第１群の光
電変換素子１および第２群の光電変換素子２に蓄積され
た電荷を基板方向に排出する構造を有している。

【０００４】図９は図８に示す固体撮像素子の従来の駆
動方法における駆動タイミングを示しており、図９にお
いて、ＢＬＫは帰線消去信号、ＣＨ１は第１群の光電変
換素子１から電荷を読み出すタイミング、ＣＨ２は第２
群の光電変換素子２から電荷を読み出すタイミング、Ｓ
ＵＢは固体撮像素子の半導体基板に電圧を加えて第１群
の光電変換素子１および第２群の光電変換素子２に蓄積
された電荷を基板方向に排出するタイミングを示してい
る。

【０００５】つぎに、図８および図９を参照しながら従
来の固体撮像素子の駆動方法について説明する。まず、
第１群の光電変換素子１に蓄積された信号電荷を垂直帰
線消去期間内のＣＨ１のａのタイミングにおいて垂直転
送部３に読み出し、つぎに、第２群の光電変換素子２に
蓄積された信号電荷を垂直帰線消去期間内のＣＨ２のｂ
のタイミングにおいて垂直転送部３に読み出す。その
後、第１群の光電変換素子１から読み出された信号電荷
と第２群の光電変換素子２から読み出された信号電荷と
を垂直転送部３において混合し、混合された信号電荷を
水平転送部４を経て信号電荷検出部５に転送し、信号電
荷検出部５において信号出力Ｖｏに変換する。

【０００６】図１０は被写体照度に対する信号出力Ｖｏ
の関係を示しており、グラフ１は固体撮像素子の駆動を
行なった時の被写体照度に対する信号出力Ｖｏの関係を
示し、グラフ２は固体撮像素子の駆動に加えて図９に示
すＳＵＢのｃのタイミングで半導体基板に電圧を印加し
光電変換部（第１群の光電変換素子１および第２群の光
電変換素子２）の電荷を基板方向に排出した時の被写体
照度に対する信号出力Ｖｏの関係を示している。図１０
に示すように、グラフ１では照度Ｉ₁ で信号出力Ｖｏは
飽和する。これに対して第１群の光電変換素子１および
第２群の光電変換素子２に蓄積された電荷をＳＵＢのｃ
のタイミングで基板方向に排出し電荷蓄積時間を短くす
ることにより、グラフ２に示すように信号出力Ｖｏは照
度Ｉ₂ で飽和する。つまりグラフ２の状態においてはグ
ラフ１の状態に比べて信号出力Ｖｏが飽和する照度は高
くなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の固体撮像素子の駆動方法によると、垂直帰線消去期
間内に読み出される信号電荷については、固体撮像素子
の光電変換特性が１つに限られているため、明暗差の大
きな被写体を撮像したときに、高照度部の信号出力Ｖｏ
が飽和しないように第１群および第２群の光電変換素子
１，２の電荷蓄積時間を短くすると、低照度部の信号出
力Ｖｏが小さくなって映像信号のＳ／Ｎが悪くなり、逆
に、低照度部のＳ／Ｎを高くするために第１群および第
２群の光電変換素子１，２の電荷蓄積時間を長くする
と、高照度部の信号出力Ｖｏが飽和してしまう。このよ
うに、従来の固体撮像素子の駆動方法によると、固体撮
像素子のダイナミックレンジに限界があり、低照度から
高照度までの広い被写体照度の範囲において満足できる
鮮明な画像が得られないという問題がある。

【０００８】この発明は、上記問題に鑑み、固体撮像素
子のダイナミックレンジを拡大し、低照度から高照度ま
での広い被写体照度の範囲において鮮明な画像を得るこ
とのできる固体撮像素子の駆動方法を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、第１群の光
電変換素子と第２群の光電変換素子とが二次元的に配列
されてなる光電変換部と、この光電変換部に蓄積される
信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、この垂直
転送部から転送されてくる信号電荷を水平方向に転送す
る水平転送部と、この水平転送部からの信号電荷を信号
電圧または信号電流に変換して出力する信号電荷検出部
とを備え、光電変換部に蓄積された電荷を任意に排出可
能な電荷排出構造を有した固体撮像素子の駆動方法にお
けるものである。

【００１０】請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法
は、第１群の光電変換素子に蓄積された電荷を垂直転送
部へ読み出した後、光電変換部に蓄積された電荷を排出
し、つぎに、第２群の光電変換素子に蓄積された電荷を
垂直転送部へ読み出し、つぎに、第１群の光電変換素子
から読み出した信号電荷と第２群の光電変換素子から読
み出した信号電荷とをそれぞれ独立に変換して信号電荷
検出部から出力し、再び第１群の光電変換素子に蓄積さ
れた電荷を垂直転送部へ読み出すまでに光電変換部に蓄
積された電荷を排出することを特徴とする。

【００１１】また、請求項２記載の固体撮像素子の駆動
方法は、第１フィールドにおいては、第１群の光電変換
素子に蓄積された電荷を垂直転送部へ読み出した後、光
電変換部に蓄積された電荷を排出し、つぎに、第２群の
光電変換素子に蓄積された電荷を垂直転送部へ読み出
し、つぎに、第１群の光電変換素子から読み出した信号
電荷と第２群の光電変換素子から読み出した信号電荷と
をそれぞれ独立に変換して信号電荷検出部から出力し、
再び第２群の光電変換素子に蓄積された電荷を垂直転送
部へ読み出すまでに光電変換部に蓄積された電荷を排出
し、第２フィールドにおいては、第２群の光電変換素子
に蓄積された電荷を垂直転送部へ読み出した後、光電変
換部に蓄積された電荷を排出し、つぎに、第１群の光電
変換素子に蓄積された電荷を垂直転送部へ読み出し、つ
ぎに、第２群の光電変換素子から読み出した信号電荷と
第１群の光電変換素子から読み出した信号電荷とをそれ
ぞれ独立に変換して信号電荷検出部から出力し、再び第
１群の光電変換素子に蓄積された電荷を垂直転送部へ読
み出すまでに光電変換部に蓄積された電荷を排出するこ
とを特徴とする。

【００１２】

【００１３】

【作用】

【００１４】請求項１の駆動方法によれば、第１群の光
電変換素子および第２群の光電変換素子で蓄積された信
号電荷は垂直帰線消去期間内において垂直転送部に読み
出されるが、第１群の光電変換素子から読み出された信
号電荷の電荷蓄積時間は、１つ前の垂直帰線消去期間に
おいて第２群の光電変換素子の信号電荷が読み出された
その後に電荷を排出してから現垂直帰線消去期間で読み
出すまでの時間であり、第２群の光電変換素子から読み
出された信号電荷の電荷蓄積時間は、現垂直帰線消去期
間において電荷を排出してから読み出すまでの時間であ
り、このように電荷蓄積時間の異なる信号電荷をそれぞ
れ独立して出力するため、互いに異なる２種の光電変換
特性を有する信号出力を同時に得ることができる。さら
に、１つ前の垂直帰線消去期間において第２群の光電変
換素子の信号電荷が読み出された後の電荷を排出するタ
イミングを設定変更することにより、第１群の光電変換
素子の電荷蓄積時間の設定を変更でき、第１群の光電変
換素子の光電変換特性を制御することができる。

【００１５】請求項２の駆動方法によれば、第１群の光
電変換素子および第２群の光電変換素子で蓄積された信
号電荷は垂直帰線消去期間内において垂直転送部に読み
出されるが、第１フィールドにおいて、第１群の光電変
換素子から読み出された信号電荷の電荷蓄積時間は、１
つ前の垂直帰線消去期間において第１群の光電変換素子
の信号電荷が読み出されたその後に電荷を排出してから
現垂直帰線消去期間で読み出すまでの時間であり、第２
群の光電変換素子から読み出された信号電荷の電荷蓄積
時間は、現垂直帰線消去期間において電荷を排出してか
ら読み出すまでの時間であり、このように電荷蓄積時間
の異なる信号電荷をそれぞれ独立して出力するため、互
いに異なる２種の光電変換特性を有する信号出力を同時
に得ることができる。さらに、１つ前の垂直帰線消去期
間において第１群の光電変換素子の信号電荷が読み出さ
れた後の電荷を排出するタイミングを設定変更すること
により、第１群の光電変換素子の電荷蓄積時間の設定を
変更でき、第１群の光電変換素子の光電変換特性を制御
することができる。

【００１６】また、第２フィールドにおいて、第１群の
光電変換素子から読み出された信号電荷の電荷蓄積時間
は、現垂直帰線消去期間において電荷を排出してから読
み出すまでの時間であり、第２群の光電変換素子から読
み出された信号電荷の電荷蓄積時間は、１つ前の垂直帰
線消去期間において第２群の光電変換素子の信号電荷が
読み出されたその後に電荷を排出してから現垂直帰線消
去期間で読み出すまでの時間であり、このように電荷蓄
積時間の異なる信号電荷をそれぞれ独立して出力するた
め、互いに異なる２種の光電変換特性を有する信号出力
を同時に得ることができる。さらに、１つ前の垂直帰線
消去期間において第２群の光電変換素子の信号電荷が読
み出された後の電荷を排出するタイミングを設定変更す
ることにより、第２群の光電変換素子の電荷蓄積時間の
設定を変更でき、第２群の光電変換素子の光電変換特性
を制御することができる。

【００１７】

【００１８】

【実施例】以下、この発明の実施例の固体撮像素子の駆
動方法について、図面を参照しながら説明する。なお、
実施例でも従来例で用いた図８に示す固体撮像素子の模
式図を用いて説明する。したがって、実施例では、固体
撮像素子の構造についての説明は省略する。また、以下
で述べる参考例についても図８に示す固体撮像素子の模
式図を用いて説明する。

【００１９】〔参考例〕 まず、参考例について説明する。図１は参考例の固体撮
像素子の駆動方法における駆動タイミングを示すもので
あり、図１において、ＢＬＫは帰線消去信号、ＣＨ１は
第１群の光電変換素子１から電荷を読み出すタイミン
グ、ＣＨ２は第２群の光電変換素子２から電荷を読み出
すタイミング、ＳＵＢは固体撮像素子の半導体基板に電
圧を加えて第１群の光電変換素子１および第２群の光電
変換素子２に蓄積された電荷を基板方向に排出するタイ
ミング、Ｔ１は第１群の光電変換素子１から読み出され
る信号電荷の電荷蓄積時間、Ｔ２は第２群の光電変換素
子２から読み出される信号電荷の電荷蓄積時間をそれぞ
れ示している。

【００２０】以下、この参考例の固体撮像素子の駆動方
法について説明する。まず、第１群の光電変換素子１に
蓄積された信号電荷を垂直帰線消去期間内においてＣＨ
１のＡのタイミングで垂直転送部３に読み出し、その
後、ＳＵＢのＣのタイミングで半導体基板に電圧を加え
て第１群の光電変換素子１および第２群の光電変換素子
２からなる光電変換部の電荷を基板方向に排出した後、
第２群の光電変換素子２に蓄積された信号電荷をＣＨ２
のＢのタイミングで垂直転送部３に読み出す。つぎに、
第１群の光電変換素子１および第２群の光電変換素子２
から読み出されたそれぞれの信号電荷を混合することな
く水平転送部４を経て信号電荷検出部５に転送し、信号
電荷検出部５において信号出力Ｖｏに変換する。

【００２１】ここで、第１群の光電変換素子１から読み
出された信号電荷の電荷蓄積時間Ｔ１は、ＳＵＢのＤの
タイミングで第１群の光電変換素子１および第２群の光
電変換素子２からなる光電変換部の電荷を基板方向に排
出してからＣＨ１のＡのタイミングで垂直転送部３に読
み出すまでの時間であり、第２群の光電変換素子２から
読み出された信号電荷の電荷蓄積時間Ｔ２は、ＳＵＢの
Ｃのタイミングで第１群の光電変換素子１および第２群
の光電変換素子２からなる光電変換部の電荷を基板方向
に排出してからＣＨ２のＢのタイミングで垂直転送部３
に読み出すまでの時間である。よって、両者の電荷蓄積
時間Ｔ１，Ｔ２の関係はＴ２＜＜Ｔ１である。

【００２２】図２はこの参考例の固体撮像素子の駆動方
法における被写体照度に対する信号出力Ｖｏの関係を示
したものである。図２において、グラフ３は第１群の光
電変換素子１から読み出された信号電荷についての被写
体照度に対する信号出力Ｖｏの関係を示し、グラフ４は
第２群の光電変換素子２から読み出された信号電荷につ
いての被写体照度に対する信号出力Ｖｏの関係を示して
いる。電荷蓄積時間がＴ１である第１群の光電変換素子
１から読み出された信号電荷による信号出力Ｖｏは照度
Ｉ₃ で飽和する。これに対して、電荷蓄積時間がＴ１よ
りも短い第２群の光電変換素子２から読み出された信号
電荷による信号出力Ｖｏは、第１群の光電変換素子１か
ら読み出された信号電荷による信号出力Ｖｏが飽和する
照度Ｉ₃よりも高い照度である照度Ｉ₄ で飽和する。

【００２３】このように、垂直帰線消去期間内におい
て、第１群の光電変換素子１および第２群の光電変換素
子２から読み出される信号電荷をそれぞれ独立して出力
することにより、電荷蓄積時間が互いに異なる２つの信
号出力、すなわち互いに異なる２種の光電変換特性を有
する信号出力を同時に得ることができる。したがって、
明暗差の大きな被写体を撮像した際において、第１群の
光電変換素子１から読み出された信号出力Ｖｏが飽和す
るグラフ３に示す照度Ｉ₃ よりも高い高照度部について
は、グラフ４に示すような信号出力Ｖｏが飽和に達して
いない第２群の光電変換素子２から読み出された信号出
力Ｖｏを映像信号として用い、照度Ｉ₃ よりも低い照度
部については信号出力が大きい第１群の光電変換素子１
から読み出された信号出力Ｖｏを映像信号として用いる
ことにより、被写体の低照度の部分から高照度な部分ま
で鮮明な映像信号が得られる。すなわち、固体撮像素子
のダイナミックレンジを拡大することができる。

【００２４】図３は、この参考例の固体撮像素子の駆動
方法における被写体照度に対する映像信号出力の関係を
示したものであり、照度Ｉ₃ よりも低い照度部について
は信号出力が大きい第１群の光電変換素子１から読み出
された信号出力Ｖｏを映像信号として用い、照度Ｉ₃ よ
りも高い照度部については第２群の光電変換素子２から
読み出された信号出力Ｖｏを映像信号として用いること
によって、グラフ５に示すような光電変換特性を得るこ
とができる。

【００２５】被写体照度が連続的に変化している場合に
は、照度Ｉ₃ 付近の被写体照度では映像信号の輝度レベ
ルの変化は連続的ではないが、この実施例の固体撮像素
子の駆動方法によると、映像信号が飽和することなく、
被写体の低照度の部分から高照度な部分まで鮮明な映像
信号が得ることができ、その効果は絶大である。 〔第１の実施例〕 つぎに、請求項１に対応する第１の実施例について説明
する。

【００２６】図４はこの発明の第１の実施例の固体撮像
素子の駆動方法における駆動タイミングを示すものであ
り、図４において、ＢＬＫは帰線消去信号、ＣＨ１は第
１群の光電変換素子１から電荷を読み出すタイミング、
ＣＨ２は第２群の光電変換素子２から電荷を読み出すタ
イミング、ＳＵＢは固体撮像素子の半導体基板に電圧を
加えて第１群の光電変換素子１および第２群の光電変換
素子２に蓄積された電荷を基板方向に排出するタイミン
グ、Ｔ１１は第１群の光電変換素子１から読み出される
信号電荷の電荷蓄積時間、Ｔ２２は第２群の光電変換素
子２から読み出される信号電荷の電荷蓄積時間、Ｔ３３
は第２群の光電変換素子２から電荷を読み出してから次
の垂直帰線消去期間内に第１群の光電変換素子１から電
荷を読み出すまでの時間を示している。

【００２７】以下、この実施例の固体撮像素子の駆動方
法について説明する。まず、第１群の光電変換素子１に
蓄積された信号電荷を垂直帰線消去期間内においてＣＨ
１のＥのタイミングで垂直転送部３に読み出し、その
後、ＳＵＢのＧのタイミングで半導体基板に電圧を加え
て第１群の光電変換素子１および第２群の光電変換素子
２からなる光電変換部の電荷を基板方向に排出した後、
第２群の光電変換素子２に蓄積された信号電荷をＣＨ２
のＦのタイミングで垂直転送部３に読み出す。つぎに、
第１群の光電変換素子１および第２群の光電変換素子２
から読み出されたそれぞれの信号電荷を混合することな
く水平転送部４を経て信号電荷検出部５に転送し、信号
電荷検出部５において信号出力Ｖｏに変換した後、再び
第１群の光電変換素子１に蓄積された電荷を垂直転送部
３へ読み出すまでに、すなわちＳＵＢのＨのタイミング
で半導体基板に電圧を加えて第１群の光電変換素子１お
よび第２群の光電変換素子２からなる光電変換部の電荷
を基板方向に排出する。

【００２８】ここで、第１群の光電変換素子１から読み
出された信号電荷の電荷蓄積時間Ｔ１１は、ＳＵＢのＨ
のタイミングで半導体基板に電圧を加えて第１群の光電
変換素子１および第２群の光電変換素子２からなる光電
変換部の電荷を基板方向に排出してからＣＨ１のＥのタ
イミングで垂直転送部３に読み出すまでの時間であり、
この電荷蓄積時間Ｔ１１は、ＳＵＢのＨのタイミングを
制御することによって、第２群の光電変換素子２から電
荷を読み出してから次の垂直帰線消去期間内に第１群の
光電変換素子１から電荷を読み出すまでの時間Ｔ３３の
範囲において、任意に設定可能である。第２群の光電変
換素子２から読み出された信号電荷の電荷蓄積時間Ｔ２
２は、ＳＵＢのＧのタイミングで第１群の光電変換素子
１および第２群の光電変換素子２からなる光電変換部の
電荷を基板方向に排出してからＣＨ２のＦのタイミング
で垂直転送部３に読み出すまでの時間である。

【００２９】図５はこの実施例の固体撮像素子の駆動方
法における被写体照度に対する信号出力Ｖｏの関係を示
したものである。図５において、グラフ６はＳＵＢのＨ
のタイミングで第１群の光電変換素子１および第２群の
光電変換素子２からなる光電変換部の電荷を基板方向に
排出し、電荷蓄積時間がＴ１１である第１群の光電変換
素子１から読み出された信号電荷についての被写体照度
に対する信号出力Ｖｏの関係を示し、グラフ７は第１群
の光電変換素子１から読み出された信号電荷の電荷蓄積
時間がＴ１１の１／２であるようにＳＵＢのＨのタイミ
ングを制御したときの第１群の光電変換素子１から読み
出された信号電荷についての被写体照度に対する信号出
力Ｖｏの関係を示し、グラフ８は第２群の光電変換素子
２から読み出された信号電荷についての被写体照度に対
する信号出力Ｖｏの関係を示している。

【００３０】電荷蓄積時間がＴ１１である第１群の光電
変換素子１から読み出された信号電荷による信号出力Ｖ
ｏは照度Ｉ₅ で飽和し、第１群の光電変換素子１から読
み出された信号電荷の電荷蓄積時間がＴ１１の１／２で
あるようにＳＵＢのＨのタイミングを制御したときの第
１群の光電変換素子１から読み出された信号電荷による
信号出力Ｖｏは照度Ｉ₆ で飽和する。これに対して、電
荷蓄積時間がＴ１１の１／２よりも短い第２群の光電変
換素子２から読み出された信号電荷による信号出力Ｖｏ
は、第１群の光電変換素子１から読み出された信号電荷
による信号出力Ｖｏが飽和する照度よりも更に高い照度
である照度Ｉ₇ で飽和する。

【００３１】このように、垂直帰線消去期間内において
第１群の光電変換素子１および第２群の光電変換素子２
から読み出される信号電荷をそれぞれ独立して出力する
ことにより、電荷蓄積時間が互いに異なる２つの信号出
力、すなわち互いに異なる２種の光電変換特性を有する
信号出力を同時に得ることができ、さらに第１群の光電
変換素子１から読み出された信号電荷についての被写体
照度に対する信号出力の特性は、ＳＵＢのＨのタイミン
グによって制御することができる。

【００３２】したがって、明暗差の大きな被写体を撮像
した際において、第１群の光電変換素子１から読み出さ
れた信号出力Ｖｏが飽和する高照度部については、信号
出力Ｖｏが飽和に達していない第２群の光電変換素子２
から読み出された信号出力Ｖｏを映像信号として用い、
ＳＵＢのＨのタイミングを制御することによって第１群
の光電変換素子１から読み出された信号出力Ｖｏが飽和
しない照度部については信号出力が大きい第１群の光電
変換素子１から読み出された信号出力Ｖｏを映像信号と
して用いることにより、被写体の低照度の部分から高照
度な部分まで鮮明な映像信号が得られる。すなわち、固
体撮像素子のダイナミックレンジを拡大することができ
る。

【００３３】図６はこの実施例の固体撮像素子の駆動方
法における被写体照度に対する映像信号出力の関係を示
したものであり、グラフ９は、第１群の光電変換素子１
から読み出された信号電荷の電荷蓄積時間がＴ１１であ
るときの被写体照度に対する映像信号出力の関係を示し
たものであり、グラフ１０は、第１群の光電変換素子１
から読み出された信号電荷の電荷蓄積時間がＴ１１の１
／２であるようにＳＵＢのＨのタイミングを制御したと
きの被写体照度に対する映像信号出力の関係を示したも
のである。このように、被写体照度に対する映像信号出
力の特性はＳＵＢのＨのタイミングによって制御するこ
とができる。

【００３４】なお、この実施例においては、第２群の光
電変換素子２から読み出される信号電荷の電荷蓄積時間
Ｔ２２は固定であったが、これも同時に制御してもよ
い。 〔第２の実施例〕 つぎに、請求項２に対応する第２の実施例について説明
する。図７はこの発明の第２の実施例の固体撮像素子の
駆動方法における駆動タイミングを示すものであり、図
７において、ＢＬＫは帰線消去信号、ＣＨ１は第１群の
光電変換素子１から電荷を読み出すタイミング、ＣＨ２
は第２群の光電変換素子２から電荷を読み出すタイミン
グ、ＳＵＢは固体撮像素子の半導体基板に電圧を加えて
第１群の光電変換素子１および第２群の光電変換素子２
に蓄積された電荷を基板方向に排出するタイミング、ｔ
１は第１フィールドにおいて第１群の光電変換素子１か
ら読み出される信号電荷の電荷蓄積時間、ｔ１１は第１
フィールドにおいて第２群の光電変換素子２から読み出
される信号電荷の電荷蓄積時間、ｔ２は第２フィールド
において第２群の光電変換素子２から読み出される信号
電荷の電荷蓄積時間、ｔ２２は第２フィールドにおいて
第１群の光電変換素子１から読み出される信号電荷の電
荷蓄積時間、ｔ３３は第１フィールドにおいて第２群の
光電変換素子２から電荷を読み出してから第２フィール
ドで第２群の光電変換素子２から電荷を読み出すまでの
時間、ｔ４４は第２フィールドにおいて第１群の光電変
換素子１から電荷を読み出してから第１フィールドで第
１群の光電変換素子１から電荷を読み出すまでの時間を
それぞれ示している。

【００３５】以下、この実施例の固体撮像素子の駆動方
法について説明する。まず、第１フィールドにおいて、
第１群の光電変換素子１に蓄積された信号電荷を垂直帰
線消去期間内においてＣＨ１のＩのタイミングで垂直転
送部３に読み出し、その後、ＳＵＢのＫのタイミングで
半導体基板に電圧を加えて第１群の光電変換素子１およ
び第２群の光電変換素子２からなる光電変換部の電荷を
基板方向に排出した後、第２群の光電変換素子２に蓄積
された信号電荷をＣＨ２のＪのタイミングで垂直転送部
３に読み出す。つぎに、第１群の光電変換素子１および
第２群の光電変換素子２から読み出されたそれぞれの信
号電荷を混合することなく水平転送部４を経て信号電荷
検出部５に転送し、信号電荷検出部５において信号出力
Ｖｏに変換した後、再び第２群の光電変換素子２に蓄積
された電荷を垂直転送部３へ読み出すまでに、すなわち
ＳＵＢのＬのタイミングで半導体基板に電圧を加えて第
１群の光電変換素子１および第２群の光電変換素子２か
らなる光電変換部の電荷を基板方向に排出する。

【００３６】つぎに、第２フィールドにおいて、第２群
の光電変換素子２に蓄積された信号電荷を垂直帰線消去
期間内においてＣＨ２のＮのタイミングで垂直転送部３
に読み出し、その後、ＳＵＢのＯのタイミングで半導体
基板に電圧を加えて第１群の光電変換素子１および第２
群の光電変換素子２からなる光電変換部の電荷を基板方
向に排出した後、第１群の光電変換素子１に蓄積された
信号電荷をＣＨ１のＭのタイミングで垂直転送部３に読
み出す。つぎに、第１群の光電変換素子１および第２群
の光電変換素子２から読み出されたそれぞれの信号電荷
を混合することなく水平転送部４を経て信号電荷検出部
５に転送し、信号電荷検出部５において信号出力Ｖｏに
変換した後、再び第１群の光電変換素子１に蓄積された
電荷を垂直転送部３へ読み出すまでに、すなわちＳＵＢ
のＰのタイミングで半導体基板に電圧を加えて第１群の
光電変換素子１および第２群の光電変換素子２からなる
光電変換部の電荷を基板方向に排出する。

【００３７】そして、再び第１フィールドにおいて、第
１群の光電変換素子１に蓄積された信号電荷を垂直帰線
消去期間内においてＣＨ１のＱのタイミングで垂直転送
部３に読み出し、その後、ＳＵＢのＳのタイミングで半
導体基板に電圧を加えて第１群の光電変換素子１および
第２群の光電変換素子２からなる光電変換部の電荷を基
板方向に排出した後、第２群の光電変換素子２に蓄積さ
れた信号電荷をＣＨ２のＲのタイミングで垂直転送部３
に読み出す。つぎに、第１群の光電変換素子１および第
２群の光電変換素子２から読み出されたそれぞれの信号
電荷を混合することなく水平転送部４を経て信号電荷検
出部５に転送し、信号電荷検出部５において信号出力Ｖ
ｏに変換する。

【００３８】ここで、第１フィールドにおいて第１群の
光電変換素子１から読み出された信号電荷の電荷蓄積時
間ｔ１は、ＳＵＢのＰのタイミングで半導体基板に電圧
を加えて第１群の光電変換素子１および第２群の光電変
換素子２からなる光電変換部の電荷を基板方向に排出し
てからＣＨ１のＱのタイミングで垂直転送部３に読み出
すまでの時間であり、この電荷蓄積時間ｔ１は、ＳＵＢ
のＰのタイミングを制御することによって、第２フィー
ルドで第１群の光電変換素子１から電荷を読み出してか
ら第１フィールドで第１群の光電変換素子１から電荷を
読み出すまでの時間ｔ４４の範囲において、任意に設定
可能である。第２フィールドにおいて第１群の光電変換
素子１から読み出された信号電荷の電荷蓄積時間ｔ２２
は、ＳＵＢのＯのタイミングで第１群の光電変換素子１
および第２群の光電変換素子２からなる光電変換部の電
荷を基板方向に排出してからＣＨ１のＭのタイミングで
垂直転送部３に読み出すまでの時間である。

【００３９】また、第１フィールドにおいて第２群の光
電変換素子２から読み出された信号電荷の電荷蓄積時間
ｔ１１は、ＳＵＢのＳのタイミングで半導体基板に電圧
を加えて第１群の光電変換素子１および第２群の光電変
換素子２からなる光電変換部の電荷を基板方向に排出し
てからＣＨ２のＲのタイミングで垂直転送部３に読み出
すまでの時間である。第２フィールドにおいて第２群の
光電変換素子２から読み出された信号電荷の電荷蓄積時
間ｔ２は、ＳＵＢのＬのタイミングで第１群の光電変換
素子１および第２群の光電変換素子２からなる光電変換
部の電荷を基板方向に排出してからＣＨ２のＮのタイミ
ングで垂直転送部３に読み出すまでの時間であり、この
電荷蓄積時間ｔ２は、ＳＵＢのＬのタイミングを制御す
ることによって、第１フィールドで第２群の光電変換素
子２から電荷を読み出してから第２フィールドで第２群
の光電変換素子２から電荷を読み出すまでの時間ｔ３３
の範囲において、任意に設定可能である。

【００４０】このように、この実施例の固体撮像素子の
駆動方法によれば、垂直帰線消去期間内において第１群
の光電変換素子１および第２群の光電変換素子２から読
み出される信号電荷をそれぞれ独立して出力することに
より、電荷蓄積時間が互いに異なる２つの信号出力、す
なわち互いに異なる２種の光電変換特性を有する信号出
力を同時に得ることができ、さらに第１フィールドにお
いて第１群の光電変換素子１から読み出された信号電荷
についての被写体照度に対する信号出力の特性は、ＳＵ
ＢのＰのタイミングによって制御することができ、第２
フィールドにおいて第２群の光電変換素子２から読み出
された信号電荷についての被写体照度に対する信号出力
の特性は、ＳＵＢのＬのタイミングによって制御するこ
とができる。

【００４１】また、第１フィールドにおいて第１群の光
電変換素子１から読み出される信号電荷の電荷蓄積時間
ｔ１と第２フィールドにおいて第２群の光電変換素子２
から読み出される信号電荷の電荷蓄積時間ｔ２とが、図
４に示すＴ１１と等しく、さらに第１フィールドにおい
て第２群の光電変換素子２から読み出される信号電荷の
電荷蓄積時間ｔ１１と第２フィールドにおいて第１群の
光電変換素子１から読み出される信号電荷の電荷蓄積時
間ｔ２２とが、図４に示すＴ２２と等しいとき、第１フ
ィールドでの第１群の光電変換素子１から読み出された
信号電荷についての被写体照度に対する信号出力Ｖｏの
関係は図５のグラフ６となり、第１フィールドでの第２
群の光電変換素子２から読み出された信号電荷について
の被写体照度に対する信号出力Ｖｏの関係は図５のグラ
フ８となる。ところが、第２フィールドでの第１群の光
電変換素子１から読み出された信号電荷についての被写
体照度に対する信号出力Ｖｏの関係は図５のグラフ８と
なり、第２フィールドでの第２群の光電変換素子２から
読み出された信号電荷についての被写体照度に対する信
号出力Ｖｏの関係は図５のグラフ６となり、第１群の光
電変換素子１と第２群の光電変換素子２の光電変換特性
は、第１フィールドと第２フィールドで交互に入れ替わ
る。

【００４２】またこの場合、被写体照度に対する映像信
号出力の関係は図６のグラフ９となるが、この実施例の
固体撮像素子の駆動方法によれば、第１フィールドにお
いて照度Ｉ₅ よりも低い低照度部は第１群の光電変換素
子１から読み出された信号電荷を用い、照度Ｉ₅ よりも
高照度部については第２群の光電変換素子２から読み出
された信号電荷を用いる。また、第２フィールドにおい
ては照度Ｉ₅ よりも低い低照度部は第２群の光電変換素
子２から読み出された信号電荷を用い、照度Ｉ ₅ よりも
高照度部については第１群の光電変換素子１から読み出
された信号電荷を用いる。

【００４３】すなわち、参考例および第１の実施例の固
体撮像素子の駆動方法では、被写体を撮像したとき映像
信号は、第１群の光電変換素子１から読み出された信号
電荷、および第２群の光電変換素子２から読み出された
信号電荷のうちどちらか一方を用いるのみであったが、
この第２の実施例による固体撮像素子の駆動方法によれ
ば被写体を撮像したとき映像信号は、第１群の光電変換
素子１から読み出された信号電荷と第２群の光電変換素
子２から読み出された信号電荷とが毎フィールド交互に
用いられるため、垂直方向の解像度が飛躍的に向上す
る。

【００４４】したがって、明暗差の大きな被写体を撮像
した際において、被写体の低照度の部分から高照度な部
分まで鮮明な映像信号が得られ、さらに垂直方向の解像
度を高くすることができ、その効果は絶大である。な
お、この実施例においては、第１フィールドにおける第
２群の光電変換素子２から読み出される信号電荷の電荷
蓄積時間ｔ１１および第２フィールドにおいて第１群の
光電変換素子１から読み出される信号電荷の電荷蓄積時
間ｔ２２は固定であったが、これらも同時に制御しても
よい。

【００４５】なお、上記第１および第２の実施例におい
ては、１つの水平転送部４を有する固体撮像素子につい
て駆動方法を説明したが、複数の水平転送部を有する構
成の固体撮像素子を用いてもよい。また、上記第１およ
び第２の実施例においては、固体撮像素子として、半導
体基板に電圧を加えることにより光電変換素子１，２に
蓄積された電荷を排出する構造のものを用いているた
め、電荷の排出が容易であるが、光電変換素子に蓄積さ
れた電荷を任意に外部に排出できる構造のものであれば
如何なる構造の固体撮像素子を用いてもよい。

【００４６】

【発明の効果】請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法
によれば、垂直帰線消去期間内において第１群の光電変
換素子および第２群の光電変換素子から読み出される信
号電荷をそれぞれ独立して信号電荷検出部から出力する
ため、電荷蓄積時間が互いに異なる２つの信号出力、す
なわち互いに異なる２種の光電変換特性を有する信号出
力を同時に得ることができるので、明暗差の大きな被写
体を撮像した際に、被写体における照度分布に対応して
２つの信号出力のいずれかをサンプリングすることによ
り、被写体の高照度な部分から低照度部な部分まで、Ｓ
／Ｎの悪化を招くことなく鮮明な画像を得ることがで
き、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大すること
ができる。さらに、第１群の光電変換素子から読み出さ
れる信号電荷の電荷蓄積期間を設定変更して第１群の光
電変換素子の光電変換特性を制御することにより、固体
撮像素子のダイナミックレンジの特性を制御することが
可能である。

【００４７】請求項２記載の固体撮像素子の駆動方法に
よれば、垂直帰線消去期間内において第１群の光電変換
素子および第２群の光電変換素子から読み出される信号
電荷をそれぞれ独立してて信号電荷検出部から出力する
ため、電荷蓄積時間が互いに異なる２つの信号出力、す
なわち互いに異なる２種の光電変換特性を有する信号出
力を同時に得ることができるので、明暗差の大きな被写
体を撮像した際に、被写体における照度分布に対応して
２つの信号出力のいずれかをサンプリングすることによ
り、被写体の高照度な部分から低照度部な部分まで、Ｓ
／Ｎの悪化を招くことなく鮮明な画像を得ることがで
き、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大すること
ができる。さらに、第１フィールドにおいては、第１群
の光電変換素子の電荷蓄積時間を任意に設定することに
より第１群の光電変換素子の光電変換特性を制御し、第
２フィールドにおいては、第２群の光電変換素子の電荷
蓄積時間を任意に設定することにより第２群の光電変換
素子の光電変換特性を制御することにより、固体撮像素
子のダイナミックレンジの特性を制御することが可能で
ある。また、第１群の光電変換素子から読み出された信
号電荷と第２群の光電変換素子から読み出された信号電
荷とを毎フィールド交互に用いることにより、垂直方向
の解像度を向上することができる。

【００４８】

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例の固体撮像素子の駆動方法における駆動
タイミングを示す図である。

【図２】参考例の固体撮像素子の駆動方法の駆動タイミ
ングによる被写体照度に対する信号出力Ｖｏの関係を示
す図である。

【図３】参考例の固体撮像素子の駆動方法の駆動タイミ
ングによる被写体照度に対する映像信号出力の関係を示
す図である。

【図４】この発明の第１の実施例の固体撮像素子の駆動
方法における駆動タイミングを示す図である。

【図５】この発明の第１の実施例の固体撮像素子の駆動
方法の駆動タイミングによる被写体照度に対する信号出
力Ｖｏの関係を示す図である。

【図６】この発明の第１の実施例の固体撮像素子の駆動
方法の駆動タイミングによる被写体照度に対する映像信
号出力の関係を示す図である。

【図７】この発明の第２の実施例の固体撮像素子の駆動
方法における駆動タイミングを示す図である。

【図８】この発明の実施例および従来の固体撮像素子の
駆動方法が適用される固体撮像素子の模式図である。

【図９】従来の固体撮像素子の駆動方法における駆動タ
イミングを示す図である。

【図１０】従来の固体撮像素子の駆動方法の駆動タイミ
ングによる被写体照度に対する信号出力Ｖｏの関係を示
す図である。

【符号の説明】

１ 第１群の光電変換素子 ２ 第２群の光電変換素子 ３ 垂直転送部 ４ 水平転送部 ５ 信号電荷検出部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/335

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１群の光電変換素子と第２群の光電変
   換素子とが二次元的に配列されてなる光電変換部と、こ
   の光電変換部に蓄積される信号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転送されてくる信
   号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、この水平転
   送部からの信号電荷を信号電圧または信号電流に変換し
   て出力する信号電荷検出部とを備え、前記光電変換部に
   蓄積された電荷を任意に排出可能な電荷排出構造を有し
   た固体撮像素子の駆動方法であって、 前記第１群の光電変換素子に蓄積された電荷を前記垂直
   転送部へ読み出した後、前記光電変換部に蓄積された電
   荷を排出し、つぎに、前記第２群の光電変換素子に蓄積
   された電荷を前記垂直転送部へ読み出し、つぎに、前記
   第１群の光電変換素子から読み出した信号電荷と前記第
   ２群の光電変換素子から読み出した信号電荷とをそれぞ
   れ独立に変換して前記信号電荷検出部から出力し、再び
   前記第１群の光電変換素子に蓄積された電荷を前記垂直
   転送部へ読み出すまでに前記光電変換部に蓄積された電
   荷を排出することを特徴とする固体撮像素子の駆動方
   法。
2. 【請求項２】 第１群の光電変換素子と第２群の光電変
   換素子とが二次元的に配列されてなる光電変換部と、こ
   の光電変換部に蓄積される信号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転送されてくる信
   号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、この水平転
   送部からの信号電荷を信号電圧または信号電流に変換し
   て出力する信号電荷検出部とを備え、前記光電変換部に
   蓄積された電荷を任意に排出可能な電荷排出構造を有し
   た固体撮像素子の駆動方法であって、 第１フィールドにおいては、前記第１群の光電変換素子
   に蓄積された電荷を前記垂直転送部へ読み出した後、前
   記光電変換部に蓄積された電荷を排出し、つぎに、前記
   第２群の光電変換素子に蓄積された電荷を前記垂直転送
   部へ読み出し、つぎに、前記第１群の光電変換素子から
   読み出した信号電荷と前記第２群の光電変換素子から読
   み出した信号電荷とをそれぞれ独立に変換して前記信号
   電荷検出部から出力し、再び前記第２群の光電変換素子
   に蓄積された電荷を前記垂直転送部へ読み出すまでに前
   記光電変換部に蓄積された電荷を排出し、 第２フィールドにおいては、前記第２群の光電変換素子
   に蓄積された電荷を前記垂直転送部へ読み出した後、前
   記光電変換部に蓄積された電荷を排出し、つぎに、前記
   第１群の光電変換素子に蓄積された電荷を前記垂直転送
   部へ読み出し、つぎに、前記第２群の光電変換素子から
   読み出した信号電荷と前記第１群の光電変換素子から読
   み出した信号電荷とをそれぞれ独立に変換して前記信号
   電荷検出部から出力し、再び前記第１群の光電変換素子
   に蓄積された電荷を前記垂直転送部へ読み出すまでに前
   記光電変換部に蓄積された電荷を排出することを特徴と
   する固体撮像素子の駆動方法。