JP3707910B2 - 固体撮像素子およびその駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、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】
近年、固体撮像素子を使ったディジタルカメラは、高画質化、高機能化を要望されている。特に、入射光量に対するダイナミックレンジを拡大することが望まれており、特公平7−97841号公報や特開平8−331461号公報など固体撮像素子の駆動方法と信号処理による実現方法も出てきている。
【0003】
従来の固体撮像素子の駆動方法について図5〜図11をもとに説明する。なおここでは、インターライン方式電荷転送のCCD(Charge Coupled Device)型 の固体撮像素子とする。
【0004】
図5に従来の固体撮像素子の駆動方法で用いられる固体撮像素子の構成図を示す。この固体撮像素子は、フォトダイオードとインターライン方式で配置された垂直転送部(垂直CCD)からなる画素部1、上側垂直ダミー及びオプチカルブラック(以下、OBと略記する。)2、下側垂直ダミー及びOB3、水平OB4、水平転送部5、電荷を電圧に変換する電荷検出部6より構成されており、ここでは、読み出し用として2種類、転送用として4相のゲートからなる垂直転送部と2相駆動からなる水平転送部5で構成された2次元固体撮像素子(エリアCCD)を例に説明する。また光電変換した信号をNTSC信号として出力するものとする。なおここで垂直ダミーとはフォトダイオードが存在しない垂直転送部のことをいい、オプチカルブラックとは遮光されたフォトダイオードをいう。
【0005】
図6は、画素部1のフォトダイオードと垂直CCDの単位画素構成を示している。隣接した2つのフォトダイオードPD1とPD2に対して、2種類の読み出しゲートと転送ゲートを兼ねたΦV1、ΦV5が設けられ、それぞれのフォトダイオードに対して転送用のゲートΦV2、ΦV3、ΦV4が設けられている。
【0006】
図7は、従来の固体撮像装置の構成図を示している。この固体撮像装置は、エリアCCD7とCCD7の駆動タイミング発生器(TG)8、CCD7の垂直CCDへ印加するパルスの電圧をレベルシフトする垂直ドライバ9、エリアCCD7の出力をテレビジョン信号へ処理等する信号処理回路10、テレビジョン同期信号発生器(SSG)11より構成されている。
【0007】
図8、図9はそれぞれAフィールドおよびBフィールドでのエリアCCD7に印加する各パルスのタイミングチャートを示しており、垂直ドライバ9より出力され、エリアCCD7の垂直CCDに印加されるパルスΦV1〜ΦV5を示している。ここで、ΦV1、ΦV5は三値で−7V〜0V〜15Vの振幅、ΦV2〜4は二値で−7V〜0Vの振幅である。また、垂直同期信号、水平同期信号、水平転送部5に印加されるパルスΦH、CCD出力が示されている。
【0008】
図10、図11はそれぞれ図8、図9のPで示したところのパルスの詳細を示したものである。nT(n:自然数)で示したのは、各走査線番号で示した時刻を基準(時刻0)としたパルスの立ち上がり、立ち下がりの時刻を示したものである。TはNTSC方式では34.94nsを、PAL方式では35.24nsを指す。
【0009】
Aフィールドでは、垂直帰線消去期間先頭(走査線番号4)にΦV5でフォトダイオードPD2から垂直転送部へ電荷Q2が読み出され、ΦV5→ΦV2→ΦV3→ΦV4と水平転送部5方向に転送後、次ラインのΦV1でフォトダイオードPD1から垂直CCDへ電荷QA1が読み出され、前記転送されてきた前ラインの電荷QA2と混合され主信号電荷が得られる。約12水平走査期間後(走査線番号16)に、ΦV5でフォトダイオードPD2から垂直CCDへ電荷QA´2が読み出され、同様に1行分水平転送部5方向に転送後、ΦV1でフォトダイオードPD1から垂直CCDへ電荷QA´1が読み出され、前記転送されてきた電荷QA´2と混合され、副信号電荷が得られる。これにより、垂直CCDには2種類の電荷(NTSCの場合、1フィールドで262水平走査期間あるため250水平走査期間分の電荷QA1+QA2と12水平走査期間分の電荷QA´1+QA´2の2種類)が1ラインずつ交互に約1フレームライン分(525ライン)の電荷が存在する。
【0010】
また、先程の説明した別のフィールド(Bフィールド)での電荷の読み出し方法は、上記Aフィールドとは異なるラインの組み合わせによって信号電荷を混合するために、読み出した信号電荷をAフィールドとは逆方向に転送する。まず垂直帰線消去期間先頭(走査線番号267)にΦV5でフォトダイオードPD2から垂直CCDへ電荷QB2が読み出され、ΦV5→ΦV4→ΦV3→ΦV2と水平転送部5と逆方向に転送後、ΦV1でフォトダイオードPD1から垂直CCDへ電荷QB1が読み出され、前記転送されてきた電荷QB2と混合され、主信号電荷が得られる。約12水平走査期間後(走査線番号279)に、同様に、ΦV5でフォトダイオードPD2から垂直CCDへ電荷QB´2が読み出され、同様に1行分水平転送部5と逆方向に転送後、ΦV1でフォトダイオードPD1から垂直CCDへ電荷QB´1が読み出され前記転送されてきた電荷QB´2と混合され、副信号電荷が得られる。
【0011】
それぞれのフィールドで読み出された電荷は、映像期間に、1水平走査期間に1行ごと水平転送部5方向に順次転送されて行き、水平転送部5において1水平走査期間に2回転送するスピードで動作させ、主信号電荷、副信号電荷の2種類の電荷を出力し、信号処理回路10で加算処理などを行い、ダイナミックレンジの広いカメラを実現する。
【0012】
【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、Bフィールドでの垂直転送部上での電荷転送において、通常の電荷の転送方向(垂直転送部→水平転送部5側)と逆方向に転送するので電荷の取り残しが発生してノイズが映像信号に発生するという問題があった。
【0013】
また、従来の水平転送部の動作は図8、図9に示されるように、常に水平転送部5は転送用信号ΦH1、ΦH2が印加されており、垂直転送部での電荷混合時に、水平転送部5から垂直CCDへの電荷の逆流が発生しやすくなるという問題があった。
【0014】
また、エリアCCD7には、垂直方向の画素を見た場合、有効画素だけでなく遮光されたフォトダイオード(OB)やフォトダイオードの存在しないゲート等が存在し、それらラインについても走査が必要なためその分映像走査期間が長く必要となり、従来のNTSC方式の垂直帰線消去期間では、蓄積時間の短い副信号期間が12水平走査期間程度しか取れず、蓄積時間の長い主信号期間との蓄積時間比が大きくなりすぎ、信号処理回路で2種類の電荷信号を加算する場合、不自然な映像になるといった問題が発生するという問題があった。
【0015】
そこで、本発明は、垂直転送部の電荷の逆転送が発生せず、水平転送部5から垂直CCDへの電荷の逆流が発生せず、蓄積時間の短い側が12水平走査期間より長く取れる固体撮像素子の駆動方法を提供する事を目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法は、行列状に複数個の画素を配列した光電変換部と、前記光電変換部で蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子の駆動方法であって、テレビジョン信号の垂直帰線消去期間に前記光電変換部から蓄積時間の異なる主副2種類の信号電荷を読み出し、第1のフィールド走査では垂直方向に隣接した第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合し、第2のフィールド走査では垂直方向に隣接した前記第1のフィールド走査とは異なる組み合わせの第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記異なる組み合わせの第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合して転送する駆動方法において、前記画素における信号電荷読み出しから前記垂直転送部における信号電荷混合が終了するまでの間、前記水平転送部の動作を停止することを特徴とする。
【0017】
かかる構成により、画素での信号電荷読み出しから垂直転送部での信号電荷混合までの間に生じていた垂直転送部への信号電荷の逆流がなくなる。
【0018】
上記課題を達成するために本発明にかかる固体撮像素子は、行列状に複数個の画素を配列した光電変換部と、前記光電変換部で蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備え、テレビジョン信号の垂直帰線消去期間に前記光電変換部から蓄積時間の異なる主副2種類の信号 電荷を読み出し、第1のフィールド走査では垂直方向に隣接した第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合し、第2のフィールド走査では垂直方向に隣接した前記第1のフィールド走査とは異なる組み合わせの第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記異なる組み合わせの第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合して転送する固体撮像素子において、前記画素における信号電荷読み出しから前記垂直転送部における信号電荷混合が終了するまでの間、前記水平転送部の動作を停止することを特徴とする。
【0019】
かかる構成により、画素での信号電荷読み出しから垂直転送部での信号電荷混合までの間に生じていた垂直転送部への信号電荷の逆流がなくなる。
【0020】
【発明の実施形態】
以下、本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法の実施形態について説明する。
【0021】
まず、図5に本発明の固体撮像素子の駆動方法で用いられる固体撮像素子の構成図を示す。これら構成は従来技術で説明したものと同様であり、フォトダイオードとインターライン方式で配置された垂直転送部からなる画素部1、上側垂直ダミー及びOB2、下側垂直ダミー及びOB3、水平OB4、水平転送部5、電荷を電圧に変換する電荷検出部6より構成されており、ここでは、読み出し用として2種類、転送用として4相のゲートからなる垂直CCDと2相駆動からなる水平転送部5で構成されたエリアCCDとし、光電変換した信号をNTSC信号として出力するものとする。
【0022】
画素部1の構成は、従来例と同じ図6の構成をとる。またこの固体撮像素子を使った固体撮像装置の構成は従来例と同じ図7の構成をとる。
【0023】
図1及び図2に固体撮像素子の駆動タイミング例を示す。図1及び図2はそれぞれAフィールド及びBフィールドでのエリアCCD7に印加する各パルスのタイミングチャートを示しており、垂直ドライバ3より出力され、エリアCCD7の垂直転送部に印加されるパルスΦV1〜ΦV5を示している。ここで、ΦV1、ΦV5は三値で−7V〜0V〜15Vの振幅、ΦV2〜4は二値で−7V〜0Vの振幅である。また、垂直同期信号、水平同期信号、水平転送部5に印加されるパルスΦH、CCD出力が示されている。
【0024】
図3及び図4はそれぞれ図1、図2のPで示したところのパルスの詳細を示したものである。nT(n:自然数)で示したのは、各走査線番号で示した時刻を基準(時刻0)としたパルスの立ち上がり、立ち下がりの時刻を示したものである。TはNTSC方式では34.94nsを、PAL方式では35.24nsを指す。
【0025】
本実施形態においては、垂直エリアCCD7の上側垂直ダミー及びOB2を次のフィールドの信号電荷と重ねて読み出したり、下側垂直ダミー及びOB3を高速で転送するなどの方法により、エリアCCD7の上側垂直ダミー及びOB2、下側垂直ダミー及びOB3に必要としていた走査期間を短縮して垂直帰線消去期間のうち副信号電荷蓄積に割り当てられる期間を長くとる。
【0026】
図1に示されるように、Aフィールドでは、まず垂直帰線消去期間先頭(走査線番号1)において1水平走査期間毎に2回実施していた垂直転送(ΦV1)を停止する。次に1水平走査期間後(走査線番号2)、ΦV5に15Vの電圧を印加してフォトダイオードPD2より垂直CCDへ電荷QA2を読み出す。読み出された電荷QA2はΦV5→ΦV2→ΦV3→ΦV4と水平転送部5方向に転送後、次ラインのΦV1に15Vの電圧が印加されてフォトダイオードPD1から垂直CCDへ電荷QA1が読み出され、前記転送されてきた前ラインの電荷QA2と混合され主信号電荷が得られる。本実施形態1では、この電荷読み出しから電荷混合の間、水平転送部5の動作を停止する。
【0027】
次に、約16水平走査期間後(走査線番号17)、再度、ΦV5に15Vの電圧を印加してフォトダイオードPD2より垂直CCDへ電荷QA´2を読み出す。読み出された電荷QA´2は同様に水平転送部5側へ1行分転送され、ΦV1に15Vの電圧が印加されてフォトダイオードPD1より垂直CCDへ電荷QA´1が読み出され、転送されてきた電荷QA´2と垂直CCDで混合され、副信号電荷が得られる。この時も電荷読み出しから電荷混合の間、水平転送部5を停止する。これにより、垂直CCDには、NTSCの場合、1フィールドに262水平走査期間あるため蓄積時間が247水平走査期間と15水平走査期間の2種類の信号電荷が1行ごとに存在する。
【0028】
また、先程の説明した別のフィールド(Bフィールド)での電荷の読み出し方法は、垂直帰線消去期間先頭(走査線番号265)にΦV1でフォトダイオードPD1から垂直CCDへ電荷QA1が読み出され、ΦV1→ΦV2→ΦV3→ΦV4と水平転送部5方向に転送後、ΦV5でフォトダイオードPD2から垂直CCDへ電荷QA2が読み出され前記転送されてきた電荷QA1と混合され、主信号電荷が得られる。この電荷読み出しから電荷混合の間、水平転送部5を停止する。約16水平走査期間後(走査線番号280)に、同様に、ΦV1でフォトダイオードPD1から垂直CCDへ電荷QA´1が読み出され、同様に1行分水平転送部5方向に転送後、ΦV5で垂直CCDからフォトダイオードPD2へ電荷QA´2が読み出され、前記転送されてきた電荷QA´1と混合され、副信号電荷が得られる。この時も電荷読み出しから電荷混合の間、水平転送部5を停止する。
【0029】
それぞれのフィールドで読み出された電荷は、映像期間に、1水平走査期間に1行ごと水平転送部5方向に順次転送されて行き、水平転送部5において1水平走査期間に2回転送するスピードで動作させ、主信号電荷、副信号電荷の2種類の電荷を出力し、信号処理回路10で加算処理などを行い、ダイナミックレンジの広いカメラを実現する。
【0030】
なお、水平転送部5の停止時間は、垂直帰線消去期間の大部分を停止してもかまわないが、TG8内にPLLなどのアナログ回路を内蔵する場合など電圧降下などの影響を受けるため、最小限の停止時間にすることが望ましい。
【0031】
【発明の効果】
このように、本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法によれば、垂直CCD上に読み出され、転送される電荷の方向は2つのフィールド両方とも同じ転送方向であり電荷の取り残しは発生せず、かつ2つのフィールド毎に異なるラインの組み合わせによる信号電荷の混合とすることができる。
【0032】
また、電荷読み出しから電荷混合までの間、水平転送部5を停止するため、水平転送部5から垂直CCDへ電荷が逆流することはない。
【0033】
また、エリアCCD7の上側垂直ダミー及びOB2を次のフィールドの信号電荷と重ねて読み出したり、下側垂直ダミー及びOB3を高速で転送することで垂直帰線消去期間のうち副信号電荷蓄積に割り当てられる期間を長くとることにより、2種類の蓄積期間のうち蓄積時間の短い副信号電荷に対してより長い期間、より多いライン数を確保することができ、ダイナミックレンジを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明における固体撮像素子の駆動方法のAフィールドのタイミングチャート
【図2】 本発明における固体撮像素子の駆動方法のBフィールドのタイミングチャート
【図3】 図1のタイミングチャートの部分詳細チャート
【図4】 図2のタイミングチャートの部分詳細チャート
【図5】 本発明及び従来の固体撮像素子の構成図
【図6】 図5の画素部1の構成単位図
【図7】 本発明及び従来の固体撮像装置の構成図
【図8】 従来の固体撮像素子の駆動方法のAフィールドのタイミングチャート
【図9】 従来の固体撮像素子の駆動方法のBフィールドのタイミングチャート
【図10】 図8のタイミングチャートの部分詳細チャート
【図11】 図9のタイミングチャートの部分詳細チャート
【符号の説明】
1 画素部
2 上側垂直ダミー及びOB
3 下側垂直ダミー及びOB
4 水平OB
5 水平転送部
6 電荷検出部
7 エリアCCD
8 駆動タイミング発生器(TG)
9 垂直ドライバ
10 信号処理回路
11 テレビジョン同期信号発生器(SSG)
Claims (2)
- 行列状に複数個の画素を配列した光電変換部と、前記光電変換部で蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子の駆動方法であって、テレビジョン信号の垂直帰線消去期間に前記光電変換部から蓄積時間の異なる主副2種類の信号電荷を読み出し、第1のフィールド走査では垂直方向に隣接した第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合し、第2のフィールド走査では垂直方向に隣接した前記第1のフィールド走査とは異なる組み合わせの第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記異なる組み合わせの第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合して転送する駆動方法において、前記画素における信号電荷読み出しから前記垂直転送部における信号電荷混合が終了するまでの間、前記水平転送部の動作を停止することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
- 行列状に複数個の画素を配列した光電変換部と、前記光電変換部で蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備え、テレビジョン信号の垂直帰線消去期間に前記光電変換部から蓄積時間の異なる主副2種類の信号電荷を読み出し、第1のフィールド走査では垂直方向に隣接した第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合し、第2のフィールド走査では垂直方向に隣接した前記第1のフィールド走査とは異なる組み合わせの第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記異なる組み合わせの第1と第2の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合して転送する固体撮像素子において、
前記画素における信号電荷読み出しから前記垂直転送部における信号電荷混合が終了するまでの間、前記水平転送部の動作を停止することを特徴とする固体撮像素子。
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