JP3615414B2

JP3615414B2 - 固体撮像素子の駆動方法

Info

Publication number: JP3615414B2
Application number: JP06356799A
Authority: JP
Inventors: 透渡辺
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: JP2000261729A; KR20000062791A; US6674469B1; TW462189B; KR100381486B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレーム転送方式の固体撮像素子に駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子の概略を示す平面図であり、図１０は、その固体撮像素子の動作を説明するタイミング図である。
【０００３】
フレーム転送方式の固体撮像素子は、受光部１、蓄積部２、水平転送部３及び出力部４より構成される。受光部１は、互いに平行に配列される垂直方向に連続する複数のシフトレジスタからなり、これらのシフトレジスタの各ビットが複数の受光ビットを形成し、各受光ビットに被写体映像に対応して発生する情報電荷を蓄積する。蓄積部２は、受光部１の各シフトレジスタに連続する複数のシフトレジスタからなり、シフトレジスタの各ビットが蓄積ビットを形成し、各蓄積ビットに受光部１から転送される情報電荷を一時的に蓄積する。水平転送部３は、蓄積部２の複数のシフトレジスタの各出力がそれぞれ各ビットに接続される単一のシフトレジスタからなり、蓄積部２に蓄積される１画面分の情報電荷を１行単位で受け取り、順次水平方向に転送して出力する。そして、出力部４は、電気的に独立した容量及びその容量の電位変化を取り出すアンプからなり、水平転送部３から出力される情報電荷を１ビット単位で容量に受けて電圧値に変換し、画像信号Ｙ０として出力する。
【０００４】
受光部１には、垂直同期信号ＶＤに同期し、垂直走査のブランキング期間内に受光部１の情報電荷を蓄積部２へ高速転送するフレーム転送クロックφＦが印加される。蓄積部２には、フレーム転送クロックφＦによって受光部１から転送出力される情報電荷を蓄積部２に取り込むと共に、取り込んだ１画面分の情報電荷を水平同期信号ＨＤに同期し、水平走査のブランキング期間内に１行ずつ水平転送部３へ転送する垂直転送クロックφＶが印加される。そして、水平転送部３には、水平同期信号ＨＤに同期し、垂直転送クロックφＶに応答して１行毎に水平転送部３に取り込まれる情報電荷を順次出力部４側へ転送する水平転送クロックφＨが印加される。これにより、受光部１で発生する情報電荷が、１画面単位で蓄積部２へ転送された後、１行単位で水平転送部３を介して出力部４へ転送出力され、１行単位で連続する画像信号Ｙ０が出力される。
【０００５】
さらに、固体撮像素子が形成される半導体基板に対しては、垂直走査期間の途中で所定の期間立ち上げられる基板クロックφＢが印加される。この基板クロックφＢの立ち上がりに応答して、フレーム転送クロックφＦがフレーム転送時と同等の周期でクロッキングされ、受光部１の情報電荷が全て基板側へ排出される。従って、基板クロックφＢによる情報電荷の排出動作が完了してからフレーム転送クロックφｆによる情報電荷の転送動作が開始されるまでの期間Ｌが情報電荷の蓄積期間となる。画像信号Ｙ０は、この蓄積期間Ｌに受光部１の各受光画素に蓄積された情報電荷の量に比例したレベルを示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
フレーム転送方式の固体撮像素子の場合、各受光画素の情報電荷の蓄積能力は、受光部１に配置される転送電極の作用によって基板内に形成されるポテンシャル井戸の容量に起因する。このポテンシャル井戸は、転送電極の幅や転送チャネルの幅、さらには、転送電極を駆動するパルスの電圧等によって容量が決定される。
【０００７】
固体撮像素子の高解像度化に伴って転送電極の幅や転送チャネルの幅が狭くなると、形成されるポテンシャル井戸の容量は小さくなり、各受光画素の情報電荷の蓄積能力も低くなる。さらには、素子の消費電力低減のため、駆動パルスが低電圧化されると、形成されるポテンシャル井戸の容量は、さらに小さくなる。従って、固体撮像素子のダイナミックレンジが狭くなり、撮像条件が制限されるようになる。
【０００８】
そこで本発明は、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大できる駆動方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するために成されたもので、その特徴とするところは、少なくとも６相の転送クロックに対応した転送電極が配置され、この転送電極の作用で形成されるポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積する固体撮像素子の駆動方法であって、少なくとも６相の転送クロックに対応する転送電極の内、少なくとも２本の転送電極を間において２カ所にポテンシャル井戸を形成すると共に、一方のポテンシャル井戸の蓄積時間を他方のポテンシャル井戸の蓄積時間よりも短く設定し、上記２カ所のポテンシャル井戸を互いに独立させて転送出力することにある。
【００１０】
本発明によれば、情報電荷の蓄積時間が異なる２つのポテンシャル井戸をそれぞれ独立させて読み出すようにしたことで、一方のポテンシャル井戸がオーバーフローした場合でも、他方のポテンシャル井戸でオーバーフローすることなく情報電荷の蓄積を行うことが可能になる。そして、両方のポテンシャル井戸からの出力を加算することで、受光画素への入射光量を広い範囲で表すことができるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の固体撮像素子の駆動方法の第１の実施形態を示すポテンシャル図であり、図２は、その動作を実現する転送クロックのタイミング図である。この図１においては、図９に示すようなフレーム転送方式の固体撮像素子の受光部の断面を示している。
【００１２】
固体撮像素子の受光部には、６相の転送クロックφ１〜φ６に対応した転送電極が配置される。本発明の駆動方法においては、６相分の転送電極に対して、実質的に２つの画素Ｐ１、Ｐ２が形成される。
【００１３】
第１の撮像動作を開始するとき、第２の転送クロックφ２と第５の転送クロックφ５とが立ち上げられ、それぞれの転送クロックφ２、φ５が印加される転送電極の下のポテンシャルが深く形成される。このとき、その他の転送クロックφ１、φ３、φ４、φ６は、立ち下げられたままであり、転送クロックφ１、φ３、φ４、φ６が印加される転送電極の下のポテンシャルは浅いまま維持される。これにより、第１の電荷蓄積期間中のタイミングｔ０では、転送クロックφ２、φ５が印加された転送電極の下にポテンシャル井戸が形成され、このポテンシャル井戸に、光電変換によって発生した情報電荷が蓄積される。
【００１４】
情報電荷の蓄積開始から所定の期間Ｌ１を経過した時点で、第３の転送クロックφ３が立ち上げられ、続いて、第２の転送クロックφ２が立ち下げられる。第２の転送クロックφ２が立ち下げられた後のタイミングｔ１では、情報電荷を蓄積するポテンシャル井戸が、期間Ｌ１に蓄積された情報電荷と共に、転送クロックφ２が印加される転送電極の下から第３の転送クロックφ３が印加される転送電極の下へ移動している。さらに、第４の転送クロックφ４が立ち上げられた後、第３の転送クロックφ３が立ち下げられると、ポテンシャル井戸は、情報電荷と共に、第３の転送クロックφ３が印加される転送電極の下から第４の転送クロックφ４が印加される転送電極の下へ移動する。このとき、期間Ｌ１で第２の転送クロックφ２が印加される転送電極の下に蓄積された情報電荷が、同じ期間Ｌ１で第５の転送クロックφ５が印加される転送電極の下に蓄積された情報電荷に混合される。
【００１５】
そして、第２の転送クロックφ２を立ち上げた後、第４の転送クロックφ４を立ち下げて第２の撮像動作を開始する。これにより、電荷蓄積期間中のタイミングｔ２では、タイミングｔ０と同様に、転送クロックφ２、φ５が印加された転送電極の下にポテンシャル井戸が形成され、これらのポテンシャル井戸に、光電変換によって発生する情報電荷が再度蓄積される。この第２の撮像動作は、期間Ｌ２の間継続される。
【００１６】
第２の転送クロックφ２が印加される転送電極の下のポテンシャル井戸には、第２の撮像動作の開始時点では情報電荷がほとんど蓄積されていない。この結果、第２の転送クロックφ２が印加される転送電極の下のポテンシャル井戸、即ち、第１の受光画素Ｐ１には、第２の蓄積動作が行われる期間Ｌ２の間に発生した情報電荷のみが蓄積される。一方、第５の転送クロックφ５が印加される転送電極の下のポテンシャル井戸には、第２の撮像動作の開始時点でも、第１の撮像動作が行われた期間Ｌ１に２つのポテンシャル井戸に蓄積された情報電荷が蓄積されている。この結果、第５の転送クロックφ５が印加される転送電極の下のポテンシャル井戸、即ち、第２の受光画素Ｐ２には、第１の撮像動作から第２の撮像動作まで継続する期間Ｌ３の間に発生した情報電荷が蓄積され、さらに、第１の撮像動作が行われる期間Ｌ１の間に第１の受光画素に発生する情報電荷が加算される。
【００１７】
以上の第１及び第２の撮像動作が完了した後には、第１〜第６の転送クロックφ１〜φ６を互いに２π／３の位相差でクロッキングし、各受光画素Ｐ１、Ｐ２の情報電荷をそれぞれ独立した状態で転送出力する。これにより、第１の受光画素Ｐ１に対応する出力及び第２の受光画素Ｐ２に対応する出力は、
Ｐ１：Ｐ２＝Ｌ２：（Ｌ１＋Ｌ３）
なる関係を示す。ここで、各受光画素Ｐ１、Ｐ２は、通常は情報電荷の蓄積容量が等しいため、第２の受光画素Ｐ２の方が少量の入射光量で飽和状態となる。例えば、図３に示すように、第１の受光画素Ｐ１の出力電圧が、受光光量ｍ１で飽和レベルＶｓとなるとき、第２の受光画素Ｐ２の出力電圧は、受光光量ｍ１よりも小さい受光光量ｍ２で飽和レベルＶｓに達する。
【００１８】
固体撮像素子からの出力は、動画撮像の場合、第１の画素Ｐ１に対応する行からの出力と第２の受光画素Ｐ２に対応する行からの出力とを、１水平走査期間で完了させる。例えば、図９に示す固体撮像素子において、蓄積部２に印加する垂直転送クロックφＶのライン送りパルスの周期を１／２にすると共に、水平転送部３に供給する水平転送パルスの周期を１／２とする。これにより、画像信号Ｙでは、図４に示すように、１水平走査期間内に、第１の画素Ｐ１の行と第２の画素Ｐ２の行とに対応する情報が出力される。ここで出力される画像信号Ｙは、水平方向に時間が圧縮されているため、信号処理の過程で、第１の画素Ｐ１の行と第２の画素Ｐ２の行とで独立に時間軸が伸長されて２種類の画像信号Ｙ１、Ｙ２が生成される。
【００１９】
以上のような２種類の画像信号Ｙ１、Ｙ２は、それぞれ受光感度が異なるため、互いに加算して１つの信号とすれば、固体撮像素子のダイナミックレンジを広くすることができる。例えば、画像信号Ｙ１、Ｙ２を互いに加算すると、加算結果として得られる画像信号Ｙ０は、図５に示すように、受光光量がｍ２に達すまで出力電圧を受光光量に応じて変化させることが可能になる。ここで、ダイナミックレンジのみをみれば、画像信号Ｙ１が同じ範囲で変化することになるが、画像信号Ｙ１は、低輝度での受光感度が低くなるため、受光光量が少ないときに十分な出力を得られなくなる。画像信号Ｙ０の場合、低輝度のときでも十分なレベルの出力を得ながらも、ダイナミックレンジを広くすることができる。
【００２０】
ところで、画像信号Ｙ１と、画像信号Ｙ２とを加算した画像信号Ｙ０は、受光光量が０〜ｍ２の間とｍ２〜ｍ１の間とで、受光光量に対する出力電圧レベル、即ち、見かけ上の受光感度が異なることになる。しかしながら、受光光量が小さいときに高感度で大きいときに低感度となることから、各撮像動作を行う期間Ｌ１、Ｌ２の比を最適化して受光光量に対する出力電圧の変化特性をガンマ補正の曲線に近付ければ、再生画面の視覚的な不具合をほぼなくすことができる。
【００２１】
さらに、２種類の画像信号Ｙ１、Ｙ２については、以下のようにしてスミア成分の検出に用いることができる。まず、両画像信号Ｙ１、Ｙ２のレベルを一致させるため、各撮像動作を行う期間Ｌ１、Ｌ２の比に応じて画像信号Ｙ１を適数倍する。ここでは、期間Ｌ１と期間Ｌ２とが等しいとして、図６に示すように、画像信号Ｙ１を３倍する。Ｌ１＝Ｌ２であるとき、第１の撮像動作と第２の撮像動作との間の電荷転送に要する時間を無視すれば、Ｌ３＝Ｌ１＋Ｌ２であり、画像信号の比は、Ｌ２：（Ｌ１＋Ｌ３）＝１：３となることから、画像信号Ｙ１を３倍すれば、図６に示すように、画像信号Ｙ２と同一のレベルとなる。通常、画像信号Ｙ１、Ｙ２には、本来の信号成分と、情報電荷の垂直転送によって混入するスミア成分とが含まれているため、画像信号Ｙ１を３倍すると、信号成分の他にスミア成分も３倍される。そこで、３倍した画像信号３Ｙ１から画像信号Ｙ２を減算すると、信号成分が相殺され、スミア成分のみが残ることになる。このスミア成分は、３倍されたスミア成分から１倍のスミア成分を差し引いたものであり、２倍のスミア成分を表す。この２倍のスミア成分は、画像信号Ｙ１、Ｙ２を加算したためにスミア成分が２倍になっている画像信号Ｙ０から、そのまま差し引くことに利用できる。このように算出されるスミア成分は、１行単位で算出されるため、転送距離の差による各行毎の差を正確に表している。さらに、このスミア成分を得るタイミングと、実際の画像信号Ｙ１、Ｙ２にスミア成分が混入するタイミングとがほぼ一致しているため、被写体の経時変化の影響を受けにくい。
【００２２】
図７は、本発明の固体撮像素子の駆動方法の第２の実施形態を示すポテンシャル図であり、図８は、その動作を実現する転送クロックのタイミング図である。この図７においては、図９に示すようなフレーム転送方式の固体撮像素子の受光部の断面を示している。
【００２３】
固体撮像素子の受光部には、６相の転送クロックφ１〜φ６に対応した転送電極が配置される。本発明の駆動方法においては、６相分の転送電極に対して、実質的に２つの画素Ｐ１、Ｐ２が形成される。
【００２４】
第１の撮像動作を開始するとき、第５の転送クロックφ５が立ち上げられ、第５の転送クロックφ５が印加される転送電極の下のポテンシャルが深く形成される。このとき、その他の転送クロックφ１〜φ４、φ６は、立ち下げられたままであり、転送クロックφ１〜φ４、φ６が印加される転送電極の下のポテンシャルは浅いまま維持される。これにより、第１の電荷蓄積期間中のタイミングｔ０では、第５の転送クロックφ５が印加された転送電極の下にポテンシャル井戸が形成され、このポテンシャル井戸に、光電変換によって発生した情報電荷が蓄積される。
【００２５】
情報電荷の蓄積開始から期間Ｌ１を経過した時点で第１の撮像動作を終了し、第２の転送クロックφ２を立ち上げて第２の撮像動作を開始する。第２の撮像動作の開始では、第２の転送クロックφ２のみが立ち上げられ、その他の転送クロックφ１、φ３〜φ６は、第１の撮像動作のまま維持される。第２の撮像動作が開始された後のタイミングｔ１では、情報電荷を蓄積するポテンシャル井戸が、第２の転送クロックφ２が印加される転送電極の下にも形成される。これにより、電荷蓄積期間中のタイミングｔ２では、転送クロックφ２、φ５が印加される転送電極の下にそれぞれポテンシャル井戸が形成され、これらのポテンシャル井戸に、光電変換によって発生する情報電荷が再度蓄積される。この第２の撮像動作は、期間Ｌ２の間継続される。
【００２６】
第２の転送クロックφ２が印加される転送電極の下のポテンシャル井戸、即ち、第１の受光画素Ｐ１には、第２の蓄積動作が行われる期間Ｌ２の間に発生した情報電荷のみが蓄積される。一方、第５の転送クロックφ５が印加される転送電極の下のポテンシャル井戸、即ち、第２の受光画素Ｐ２には、第１の撮像動作が行われる期間Ｌ１と第２の撮像動作が行われる期間Ｌ２とをとおして発生した情報電荷が蓄積される。
【００２７】
以上の第１及び第２の撮像動作が完了した後には、第１の実施形態と同様に、第１〜第６の転送クロックφ１〜φ６を互いに２π／３の位相差でクロッキングすることで、各受光画素Ｐ１、Ｐ２の情報電荷をそれぞれ独立した状態で転送出力する。これにより、第１の受光画素Ｐ１に対応する出力及び第２の受光画素Ｐ２に対応する出力は、
Ｐ１：Ｐ２＝Ｌ２：（Ｌ１＋Ｌ２）
なる関係を示す。以上のようにして得られる画像信号については、第１の受光画素Ｐ１に対応する画像信号レベルと第２の受光画素Ｐ２に対応する画像信号レベルとの比が異なる点を除いて、第１の実施形態と同様に取り扱うことができる。従って、固体撮像素子のダイナミックレンジの拡大や、スミア成分の検出が可能になる。
【００２８】
以上の実施形態においては、受光部に配列される受光画素の全ての行を第１及び受光画素Ｐ１、Ｐ２に割り当てる場合を例示したが、３行以上連続して配置される受光画素の内、隣接する２行を第１及び第２の受光画素Ｐ１、Ｐ２に割り当てるようにしてもよい。例えば、４行分の受光画素で、１行目に第１の受光画素Ｐ１を割り当て、第２行目に第２の受光画素Ｐ２を割り当てるようにして、３行目及び４行目は、他画素からの情報電荷の合成等を行うことなく、単独で情報電荷の蓄積を行うようにする。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、１つの固体撮像素子から２種類の画像信号を取り出すことができ、それらの画像信号に対して演算処理を施すことで、ダイナミックレンジの拡大や、スミア成分の算出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すポテンシャル図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の駆動クロックの波形図である。
【図３】受光光量と出力電圧との関係を示す図である。
【図４】出力される画像信号の波形図である。
【図５】受光光量と出力電圧との関係を示す図である。
【図６】信号成分とスミア成分との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態を示すポテンシャル図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の駆動クロックの波形図である。
【図９】フレーム転送方式の固体撮像素子の模式的平面図である。
【図１０】従来の駆動方法を説明するタイミング図である。
【符号の説明】
１受光部
２蓄積部
３水平転送部
４出力部
φＦフレーム転送クロック
φＶ垂直転送クロック
φＨ水平転送クロック
φＢ基板クロック

Claims

複数の転送電極が配置され、この転送電極の作用で形成するポテンシャル井戸で受光画素を形成して情報電荷の蓄積を行う固体撮像素子の駆動方法であって、少なくとも２本の転送電極を挟んで複数のポテンシャル井戸を形成すると共に、特定のポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積する時間を、その他のポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積する時間よりも短く設定し、特定のポテンシャル井戸とその他のポテンシャル井戸とに、互い異なる時間で情報電荷を蓄積すると共に、上記複数のポテンシャル井戸を互いに独立させて転送出力して、特定のポテンシャル井戸に対応する出力とその他のポテンシャル井戸に対応する出力とを独立に得ることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
特定のポテンシャル井戸に蓄積された情報電荷を蓄積開始から第１の期間経過した時点でその他のポテンシャル井戸へ転送した後、再度、再度特定のポテンシャル井戸で情報電荷の蓄積を開始することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
特定のポテンシャル井戸を第１のタイミングで形成し、その他のポテンシャル井戸を第１のタイミングよりも早い第２のタイミングで形成することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。