JP3765965B2

JP3765965B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP3765965B2
Application number: JP2000176835A
Authority: JP
Inventors: 勝治木村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2020-06-13
Also published as: JP2001358993A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は固体撮像装置に関する。より詳しくは、被写体からの光を光電変換部で光電変換し、得られた信号電荷を出力する固体撮像装置に関する。このような固体撮像装置はビデオカメラやデイジタルスチルカメラなどに利用される。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオカメラに用いられている一般的な固体撮像素子は、１画素ごとに図６に示すようなフォトダイオードからなる光電変換部（以下「ＰＤ」という。）１０１を有している。読み出しゲート１０２に電荷読み出しパルスを印加することにより、ＰＤ１０１に蓄積された電荷が読み出しゲート１０２を経由して転送部（ＣＣＤ（チャージ・カップルド・デバイス）形固体撮像素子の場合は垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤ）へ送られ、転送部を通してアナログ電気信号として出力される。この固体撮像素子が出力したアナログ電気信号は、図示しない映像信号処理回路によって、垂直同期の周波数が６０ＨｚであるＮＴＳＣ（米国テレビジョンシステム委員会）方式で映像信号として処理される。なお、図中のＯＦＤパルスは、垂直同期信号に同期してＬレベルとＨレベルとを交互に繰り返す信号であり、ＬレベルのときにＰＤ１０１のカソードを接地してＰＤ１０１に電荷を蓄積させる一方、Ｈレベルのときに蓄積された電荷をＰＤ１０１から図示しないオーバフロードレインへ排出させる。つまり、ＯＦＤパルス（Ｌレベル）によってＰＤ１０１における電荷の蓄積期間が定められる（電子シャッタ方式）。
【０００３】
ここで、被写体の照明に用いられる蛍光灯やタングステン電球等の光源は、商用電源（周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の周期の半分に相当する周期で明暗がせ変化している。このため、例えば５０Ｈｚの電源周波数で動作する蛍光灯によって被写体を照明し、ビデオカメラ（電荷読み出しパルスは、ＮＴＳＣ方式の垂直同期の周波数６０Ｈｚに同期して印加される）を用いて撮像した場合、両者の周波数の相違に起因して、ＮＴＳＣ方式の映像信号にフリッカ（明るさや色の周期的なチラツキ）が発生する。例えば図４に示すように、ＰＤ１０１が単位時間当たりに発生する電荷Ｑ（ｔ）は電源周波数５０Ｈｚに応じた周期（半分の周期）で変化する。ＯＦＤパルスによって定められる蓄積期間Δが電荷読み出しパルスに同期して周波数６０Ｈｚで周期的に到来する場合、各蓄積期間Δ内にＰＤ１０１に蓄積された電荷Ｑ，Ｑ′，Ｑ″，…がその直後の電荷読み出しパルスに同期して出力される。図から分かるように、出力される電荷量（図中に斜線を施した領域の面積で表される）Ｑ，Ｑ′，Ｑ″，…はそれぞれ異なっており、フリッカが生ずる。
【０００４】
従来、このようなフリッカを抑制する技術として、特開平６−２５３２１６号公報に開示されたものがある。この技術では、図５に示すように、撮像期間は商用電源周波数の周期をＴACとして略ＭＴAC／２（Ｍ≧１の整数。この例ではＭ＝１）の長さとする。この撮像期間をＮ個（Ｎ≧２の整数。この例ではＮ＝９）の期間Ｔ1,Ｔ2,…,ＴN に分割する。分割された期間Ｔ1,Ｔ2,…,ＴN には、それぞれセンサ部に蓄積された信号電荷を捨てる排出期間ＴSUB と、センサ部に信号電荷を蓄積する蓄積期間ＴSENSと、この蓄積期間ＴSENSと重なるかまたは独立の期間でセンサ部から信号電荷を垂直レジスタに転送する転送期間ＴR が設けられる。これによって、各々の期間Ｔ1,Ｔ2,…,ＴN 毎のΔｔ時間に各センサ部に蓄積された信号電荷が順次垂直レジスタに転送され、この合計の信号電荷が垂直レジスタに蓄えられる。すなわち各々の期間Ｔ1,Ｔ2,…,ＴN 毎のΔｔ時間の合計（ＮΔｔ）に相当する時間を蓄積時間とした信号電荷が垂直レジスタに転送される。ここで、０≦ＴSUB ≦（ＴAC／Ｎ）−ＴR −ＴSENSとなる範囲で上記排出期間ＴSUB を制御し、各々の期間Ｔ1,Ｔ2,…,ＴN 毎のΔｔ時間を制御することによってＮΔｔを変化させ、ＣＣＤの感度制御を行うことができる。また、期間Ｔ1を商用電源周波数の周期内で任意の位相に置いたとしても、それぞれの撮像期間Ａ′，Ｂ′におけるＮΔｔを略等しくすることができる。したがって、フリッカを抑制できる。なお、同公報では、フリッカの発生を検出したときのみ、上述のような制御を行うことも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、高速系の電子シャッタを実現しようとする場合、時間△ｔを短く設計しなければならないため、高周波の発振回路が必要となり高価になるという問題がある。また、フリッカの発生を検出する場合は、そのために回路規模が大きくなるし、撮像時の商用電源の周波数が６０Ｈｚであればフリッカの発生を誤認識して適切な露出制御が行われないことがある。
【０００６】
また、フリッカを抑制する別の技術として、固体撮像素子の前方にメカニカルシャッタを付加して露出制御する方式が知られているが、そのようにした場合、機構的に大きくなり、高価となる。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、簡単かつ安価な構成でフリッカを抑制できる固体撮像装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の固体撮像装置は、受けた光を光電変換して光量に応じた電荷を発生させる光電変換部と、電荷を格納し得る電荷蓄積部と、商用電源の周期の半分よりも短い周期をもつ同期信号に同期して上記光電変換部の電荷を電荷蓄積部に転送する転送ゲートと、上記光電変換部の電荷量と上記電荷蓄積部の電荷量とを比較する比較部と、上記比較部の比較結果に応じて上記光電変換部の電荷と電荷蓄積部の電荷とのいずれかを選択して、上記同期信号に同期して排出する放電回路と、電荷読み出しパルスに応じて上記電荷蓄積部の電荷を出力する読み出しゲートを備えたことを特徴とする。
【０００９】
被写体は、蛍光灯やタングステン電球等のような、商用電源（周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の周期の半分に相当する周期で明暗が変化する光源によって照明されるものとする。この発明の固体撮像装置では、光電変換部が、被写体から受けた光を光電変換して光量に応じた電荷を発生させる。したがって、光電変換部が単位時間当たりに発生する電荷は、商用電源の周期の半分に相当する周期で変化するものとなる。上記光電変換部が同期信号の１周期期間内に発生した電荷は、その同期信号に同期して転送ゲートを介して電荷蓄積部に転送され、格納される。そして、上記同期信号の次の１周期期間内に上記光電変換部が蓄積する電荷量と上記電荷蓄積部に格納されている電荷量とが比較部によって比較される。この比較部の比較結果に応じて、放電回路が上記光電変換部と電荷蓄積部とのいずれかの電荷を選択して、上記同期信号に同期して排出する。例えば予め、上記放電回路が上記光電変換部の電荷量と上記電荷蓄積部の電荷量のうち小さい方を排出するように設定しておく。そのように設定した場合、撮像を開始してから商用電源の周期の半分に相当する期間が経過すると、最大電荷、すなわち光電変換部が単位時間当たりに発生する電荷が最大となるような１周期期間内に蓄積された電荷が、上記電荷蓄積部に得られる。この電荷蓄積部に得られた最大電荷は、電荷読み出しパルスに応じて読み出しゲートを介して出力される。
【００１０】
光電変換部が単位時間当たりに発生する電荷の周期的波形が変わらない限り、上記最大電荷は、商用電源の周波数、電荷読み出しパルスの周波数にかかわらず一定となる。例えば電荷読み出しパルスの周波数がＮＴＳＣ方式の垂直同期の周波数６０Ｈｚである場合において、商用電源の周波数が５０Ｈｚであったとしても、電荷蓄積部から出力される電荷（最大電荷）は一定となる。また、商用電源の周波数が６０Ｈｚであったとしても、電荷蓄積部から出力される電荷（最大電荷）は一定となる。したがって、フリッカを抑制できる。
【００１１】
また、この固体撮像装置では、従来技術（特開平６−２５３２１６号公報）と異なり、特に高周波の発振回路を設ける必要がないし、メカニカルシャッタを付加する必要もない。したがって、この固体撮像装置は簡単かつ安価に構成される。
【００１２】
一実施形態の固体撮像装置は、上記同期信号の１周期期間内に、上記光電変換部が電荷を蓄積する蓄積期間を可変して設定するための蓄積期間設定手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この一実施形態の固体撮像装置では、蓄積期間設定手段によって、上記同期信号の１周期期間内に、上記光電変換部が電荷を蓄積する蓄積期間を可変して設定できる。したがって、電子シャッタ方式で、連続的に露光を制御することが可能となる。
【００１４】
一実施形態の固体撮像装置は、上記比較部の特性を反転させるための切替手段を備えたことをを特徴とする。
【００１５】
この一実施形態の固体撮像装置では、切替手段によって上記比較部の特性を反転させることができる。例えば、光電変換部が受ける光が通常レベルであれば、切替手段によって、上記放電回路が上記光電変換部の電荷量と上記電荷蓄積部の電荷量のうち小さい方を排出するように設定する。そのように設定した場合、撮像を開始してから商用電源の周期の半分に相当する期間が経過すると、上記電荷蓄積部には最大電荷、すなわち光電変換部が単位時間当たりに発生する電荷が最大となるような１周期期間に蓄積された電荷が得られる。一方、光電変換部が受ける光が過剰であれば、切替手段によって、上記放電回路が上記光電変換部の電荷量と上記電荷蓄積部の電荷量のうち大きい方を排出するように設定する。そのように設定した場合、撮像を開始してから商用電源の周期の半分に相当する期間が経過すると、上記電荷蓄積部には最小電荷、すなわち光電変換部が単位時間当たりに発生する電荷が最小となるような１周期期間に蓄積された電荷が得られる。したがって、入力光のレベルに応じて、露光を粗く制御することができ、十分なダイナミックレンジを確保できる。
【００１６】
一実施形態の固体撮像装置は、上記光電変換部はフォトダイオードを有し、上記電荷蓄積部は、上記フォトダイオードの接合容量と実質的に同じ接合容量を持つダイオードを有することを特徴とする。
【００１７】
この一実施形態の固体撮像装置では、上記光電変換部はフォトダイオードを有し、上記電荷蓄積部は、上記フォトダイオードの接合容量と実質的に同じ接合容量を持つダイオードを有するので、上記比較部が上記光電変換部の電荷量と上記電荷蓄積部の電荷量とを比較するために、上記光電変換部のフォトダイオードのアノード・カソード間電圧と上記電荷蓄積部のダイオードのアノード・カソード間電圧とを比較すれば良い。したがって、比較部を差動増幅器によって構成でき、比較部の構成が簡単になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の固体撮像装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１９】
図１は一実施形態の固体撮像装置のブロック構成を示している。この固体撮像装置は、１画素に相当するフォトダイオードからなる光電変換部１と、電荷を格納し得る電荷蓄積部６と、転送ゲート回路５と、差動増幅器からなる比較部２と、放電回路３と、読み出しゲート７と、ＯＦＤパルス発生部８と、垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤを含む転送部９を備えている。なお、図１中のＯＦＤパルス発生部８、転送部９以外の構成要素は、画素毎に設けられている。
【００２０】
光電変換部１は、被写体から受けた光を光電変換して光量に応じた電荷を発生させる。
【００２１】
電荷蓄積部６は、光電変換部１を構成するフォトダイオードと同じ構造のフォトダイオードに遮光マスク（図示せず）を設けて構成されている。したがって、電荷蓄積部６は、光電変換部１のフォトダイオードの接合容量と実質的に同じ接合容量を有している。なお、光電変換部１と電荷蓄積部６のカソード（図示せず）は、共通に基板Ｎ−Ｓｌｕｓｈに導通している。
【００２２】
転送ゲート回路５は、ＡＮＤ回路５ａと、このＡＮＤ回路５ａの出力によって直接オン・オフ制御されるゲート５ｂと、ＡＮＤ回路５ａの出力によって遅延回路５ｄを介してオン・オフ制御されるゲート５ｃとを有している。この転送ゲート回路５は、ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルス（後述する）に同期して光電変換部１の電荷を電荷蓄積部６に転送することができる。
【００２３】
比較部２の（＋）入力端子には光電変換部１のアノード（図示せず）が接続される一方、比較部２の（−）入力端子には電荷蓄積部６のアノード（図示せず）が接続されている。この比較部２は（＋）入力端子と（−）入力端子との間の電位差を差動増幅する。したがって、この比較部２の出力は、光電変換部１のアノード・カソード間電圧と電荷蓄積部６のアノード・カソード間電圧の大小関係を表す。ここで、光電変換部１と電荷蓄積部６とは上述のように実質的に同じ接合容量を有しているから、この比較部２の出力は、光電変換部１の電荷量と電荷蓄積部６の電荷量との大小関係を表す。具体的には、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よりも大きいときは比較部２の出力はＨレベルになり、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よりも小さいときは比較部２の出力はＬレベルになる。分かるように、光電変換部１と電荷蓄積部６とが実質的に同じ接合容量を有しているので、差動増幅器からなる簡単な構成の比較部２によって、光電変換部１の電荷量と電荷蓄積部６の電荷量との大小関係を検出できるのである。
【００２４】
放電回路３は、ＡＮＤ回路３ａと、光電変換部１のアノードと基板Ｎ−Ｓｌｕｓｈとをつなぐ配線１１に介挿されＡＮＤ回路３ａによってオン・オフ制御されるゲート３ｂと、ＡＮＤ回路３ｃと、電荷蓄積部６のアノードと基板Ｎ−Ｓｌｕｓｈとをつなぐ配線１２に介挿されＡＮＤ回路３ｃによってオン・オフ制御されるゲート３ｄとを備えている。ＡＮＤ回路３ａには、ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスが入力されるとともに、比較部２の出力がインバータ４を介して入力される。ＡＮＤ回路３ｃには、ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスが入力されるとともに、比較部２の出力が直接入力される。具体的には、ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスがＨレベルである場合に、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よりも大きいときは比較部２の出力はＨレベルになるから、ＡＮＤ回路３ａによってゲート３ｂがオフ、ＡＮＤ回路３ｃによってゲート３ｄがオンとなって、電荷蓄積部６の電荷が基板Ｎ−Ｓｌｕｓｈへ排出される。一方、ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスがＨレベルである場合に、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よりも小さいときは比較部２の出力はＬレベルになるから、ＡＮＤ回路３ａによってゲート３ｂがオン、ＡＮＤ回路３ｃによってゲート３ｄがオフとなって、光電変換部１の電荷が基板Ｎ−Ｓｌｕｓｈへ排出される。つまり、光電変換部１の電荷と電荷蓄積部６の電荷とのうち電荷量の大きい方が維持され、電荷量の小さい方が排出される。
【００２５】
上述のように、ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスがＨレベルである場合に、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よりも大きいときは、光電変換部１の電荷が維持され、電荷蓄積部６の電荷が排出される。ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスがＨレベルになってから遅延回路８ｄによる遅延時間だけ経過した後に、転送ゲート回路５のＡＮＤ回路５ａによってゲート５ｂがオンし、さらに遅延回路５ｄによる遅延時間だけ経過した後にゲート５ｃがオンする。このようにして、転送ゲート回路５が光電変換部１の電荷を電荷蓄積部６に転送する。
【００２６】
ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスがＬレベルである場合は、放電回路３のゲート３ｂ，３ｄはいずれもオフ状態にあるから、光電変換部１の電荷や電荷蓄積部６の電荷が基板Ｎ−Ｓｌｕｓｈへ排出されることはない。また、転送ゲート回路５のゲート５ｂ，５ｃはいずれもオフ状態にあるから、光電変換部１の電荷が電荷蓄積部６に転送されることもない。したがって、ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスがＬレベルである期間は、光電変換部１が発生する電荷を自ら蓄積する蓄積期間になる。ＯＦＤパルス発生部８が発生するＯＦＤパルスがＬレベルである期間内に、電荷読み出しパルスが読み出しゲート７に印加されれば、電荷蓄積部６に格納されている電荷が読み出しゲート７を経由して転送部９へ送られ、転送部９を通してアナログ電気信号として出力される。出力された信号は、図示しない映像信号処理回路によって映像信号として処理される。
【００２７】
図２はこの固体撮像装置の動作タイミングを示している。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、読み出しゲート７に印加される電荷読み出しパルスは、ＮＴＳＣ方式の垂直同期の周波数６０Ｈｚで周期的に、期間Ｔ′だけＬレベルになる。電荷読み出しパルスがＬレベルにある期間Ｔ′に、電荷蓄積部６から読み出しゲート７を経由して電荷が読み出される。
【００２９】
被写体は、この例では、商用電源（周波数５０Ｈｚ）の周期の半分に相当する周期で明暗が変化する蛍光灯によって照明される。したがって、図２（ｂ）に示すように、光電変換部１が単位時間当たりに発生する電荷Ｑ（ｔ）は、商用電源の周期の半分に相当する周期で変化する。
【００３０】
図２（ｃ）に示すように、ＯＦＤパルスは、電荷読み出しパルスがＨレベルにある期間を複数に区分（この例では１６分割）して得られる期間Ｔを１周期とする。各１周期期間Ｔ内では、ＯＦＤパルスは一旦Ｈレベルに立ち上がった後、Ｌレベルに立ち下がる。このＯＦＤパルスがＬレベルにある期間Δは、既述のように光電変換部１が電荷を蓄積する蓄積期間となる。ＯＦＤパルス発生部８は、蓄積期間設定手段として働いて、各１周期期間Ｔ内に、光電変換部１が電荷を蓄積する蓄積期間Δを可変して設定できる。したがって、電子シャッタ方式で、連続的に露光を制御することができる。なお、電荷読み出しパルスがＬレベルにある期間Ｔ′も、光電変換部１が電荷を蓄積する蓄積期間Δ′となる。
【００３１】
図３は、この固体撮像装置の動作フローを示している。なお、一般的に、光電変換部１が発生して蓄積する電荷をＱＰＤ、電荷蓄積部６が格納している電荷をＱＰＤｍａｘと表すものとする。
【００３２】
或る１周期期間Ｔ内の蓄積期間Δに、光電変換部１が被写体から受けた光を光電変換して光量に応じた電荷を発生させ、自ら蓄積する（Ｓ１）。ただし最初は、電荷読み出しパルスがＬレベルにある期間Ｔ′（＝Δ′）に注目する。この期間Ｔ′内に光電変換部１が蓄積する電荷量をＱＰＤ＝Ｑ_Aとする。この期間Ｔ′内には電荷蓄積部６から電荷が読み出されるから、この期間Ｔ′の終了時には、電荷蓄積部６に格納されている電荷量はＱＰＤｍａｘ＝０になる。
【００３３】
次に、比較部２によって、ＱＰＤとＱＰＤｍａｘとの大小関係を検出する（Ｓ２）。最初の期間Ｔ′の終了時には、ＱＰＤ＝Ｑ_A＞０、ＱＰＤｍａｘ＝０になっているから、ＱＰＤ＞ＱＰＤｍａｘである。
【００３４】
そこで、期間Ｔ′に続く１周期期間Ｔに入ってＯＦＤパルスが一旦Ｈレベルに立ち上がったときに、放電回路３のゲート３ｄがオンして電荷蓄積部６が格納している電荷を排出する（Ｓ３）。これにより、ＱＰＤｍａｘ＝０となる（Ｓ４）。続いて、転送ゲート回路５が光電変換部１の電荷ＱＰＤ＝Ｑ_Aを電荷蓄積部６に転送して格納する（Ｓ５）。この光電変換部１から電荷蓄積部６への電荷の転送が、図２（ｄ）中に矢印「→」で模式的に示されている。
【００３５】
次に、電荷読み出しパルスが入力されていなければ（Ｓ８）、ステップＳ１に戻って、その１周期期間Ｔ内の蓄積期間Δに、光電変換部１が被写体から受けた光を光電変換して光量に応じた電荷を発生させ、自ら蓄積する（Ｓ１）。この蓄積期間Δ内に光電変換部１が蓄積する電荷量をＱＰＤ＝Ｑ_Bとする。この段階で、電荷蓄積部６に格納されている電荷量はＱＰＤｍａｘ＝Ｑ_Aである。
【００３６】
次に、比較部２によって、ＱＰＤとＱＰＤｍａｘとの大小関係を検出する（Ｓ２）。このとき、ＱＰＤ＝Ｑ_B、ＱＰＤｍａｘ＝Ｑ_Aになっているが、図２（ｂ）中の斜線の面積から分かるように、ＱＰＤ＞ＱＰＤｍａｘである。
【００３７】
そこで、上記１周期期間Ｔの次の１周期期間Ｔに入ってＯＦＤパルスが一旦Ｈレベルに立ち上がったときに、放電回路３のゲート３ｄがオンして電荷蓄積部６が格納している電荷を排出する（Ｓ３）。これにより、ＱＰＤｍａｘ＝０となる（Ｓ４）。続いて、転送ゲート回路５が光電変換部１の電荷ＱＰＤ＝Ｑ_Bを電荷蓄積部６に転送して格納する（Ｓ５）。この光電変換部１から電荷蓄積部６への電荷の転送も、図２（ｄ）中に矢印「→」で模式的に示されている。
【００３８】
次に、電荷読み出しパルスが入力されていなければ（Ｓ８）、ステップＳ１に戻って、その１周期期間Ｔ内の蓄積期間Δに、光電変換部１が被写体から受けた光を光電変換して光量に応じた電荷を発生させ、自ら蓄積する（Ｓ１）。このようにして、到来する蓄積期間Δ毎に、光電変換部１が電荷を蓄積し、その電荷ＱＰＤと電荷蓄積部６の電荷ＱＰＤｍａｘとの大小を比較し、ＱＰＤ＞ＱＰＤｍａｘであれば、その電荷蓄積部６の電荷を捨てた後、光電変換部１の電荷を電荷蓄積部６に転送する。
【００３９】
この結果、光電変換部１が単位時間当たりに発生する電荷Ｑ（ｔ）が増加傾向にある限り、電荷蓄積部６には順次Ｑ_B，Ｑ_C，Ｑ_D，…（Ｑ_B＜Ｑ_C＜Ｑ_D＜…）が得られる。そして、光電変換部１が単位時間当たりに発生する電荷Ｑ（ｔ）が最大となるような１周期期間Ｔ内に蓄積された電荷（最大電荷）Ｑ_Fが、電荷蓄積部６に得られる。
【００４０】
その次の１周期期間Ｔの蓄積期間Δに、光電変換部１が蓄積する電荷量をＱＰＤ＝Ｑ_Gとする。比較部２によって、ＱＰＤとＱＰＤｍａｘとの大小関係を検出する（Ｓ２）。このとき、ＱＰＤ＝Ｑ_G、ＱＰＤｍａｘ＝Ｑ_Fになっているが、図２（ｂ）中の斜線の面積から分かるように、ＱＰＤ＜ＱＰＤｍａｘである。
【００４１】
そこで、上記１周期期間Ｔの次の１周期期間Ｔに入ってＯＦＤパルスが一旦Ｈレベルに立ち上がったときに、放電回路３のゲート３ｂがオンして光電変換部１が蓄積した電荷を排出する（Ｓ６）。これにより、ＱＰＤ＝０となる（Ｓ７）。電荷蓄積部６の電荷はＱＰＤｍａｘ＝Ｑ_Fのまま維持される。
【００４２】
次に、電荷読み出しパルスが入力されていなければ（Ｓ８）、ステップＳ１に戻って、その１周期期間Ｔ内の蓄積期間Δに、光電変換部１が被写体から受けた光を光電変換して光量に応じた電荷を発生させ、自ら蓄積する（Ｓ１）。このようにして、到来する蓄積期間Δ毎に、光電変換部１が電荷を蓄積し、その電荷ＱＰＤと電荷蓄積部６の電荷ＱＰＤｍａｘとの大小を比較し、ＱＰＤ＜ＱＰＤｍａｘであれば、光電変換部１の電荷Ｑ_H，Ｑ_I，Ｑ_J，…を捨てて、電荷蓄積部６の電荷Ｑ_Fを維持する。
【００４３】
このようにした場合、撮像を開始してから商用電源（周波数５０Ｈｚ）の周期の半分に相当する期間が経過すると、最大電荷Ｑ_F、すなわち光電変換部１が単位時間当たりに発生する電荷Ｑ（ｔ）が最大となるような１周期期間Ｔ内に蓄積された電荷が、電荷蓄積部６に得られる。この電荷蓄積部６に得られた最大電荷Ｑ_Fは、電荷読み出しパルスに応じて読み出しゲート７を介して出力される。
【００４４】
光電変換部１が単位時間当たりに発生する電荷Ｑ（ｔ）の周期的波形が変わらない限り、最大電荷Ｑ_Fは、商用電源の周波数、電荷読み出しパルスの周波数にかかわらず一定となる。例えば図２（ｂ）に示す例では、或る電荷読み出しパルスで最大電荷Ｑ_Fが出力された後、次の電荷読み出しパルスでは最大電荷Ｑ_J′が出力されるが、このＱ_FとＱ_J′とは実質的に同じ電荷量になっている。したがって、フリッカを抑制できる。
【００４５】
また、この固体撮像装置では、従来技術（特開平６−２５３２１６号公報）と異なり、特に高周波の発振回路を設ける必要がないし、メカニカルシャッタを付加する必要もない。したがって、この固体撮像装置は簡単かつ安価に構成される。
【００４６】
上の例では、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よりも大きいときは比較部２の出力はＨレベルになり、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よりも小さいときは比較部２の出力はＬレベルになるように設定した。しかし、比較部２の特性を反転させるための切替手段を設けても良い。例えば、比較部２を構成する差動増幅器の出力側にインバータを介挿し得る切替手段を設ける。そのようにした場合、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よりも大きいときは比較部２の出力がＬレベルになり、光電変換部１の電荷量が電荷蓄積部６の電荷量よも小さいときは比較部２の出力がＨレベルになるように設定することができる。
【００４７】
例えば、光電変換部１が受ける光が通常レベルであれば、切替手段によって、放電回路が光電変換部１の電荷量と電荷蓄積部６の電荷量のうち小さい方を排出するように設定する。そのように設定した場合、撮像を開始してから商用電源の周期の半分に相当する期間が経過すると、電荷蓄積部６には最大電荷が得られる。一方、光電変換部１が受ける光が過剰であれば、切替手段によって、放電回路が光電変換部１の電荷量と電荷蓄積部６の電荷量のうち大きい方を排出するように設定する。そのように設定した場合、撮像を開始してから商用電源の周期の半分に相当する期間が経過すると、電荷蓄積部６には最小電荷、すなわち光電変換部１が単位時間当たりに発生する電荷が最小となるような１周期期間Ｔに蓄積された電荷が得られる。したがって、入力光のレベルに応じて、露光を粗く制御することができ、十分なダイナミックレンジを確保できる。
【００４８】
なお、この実施形態では、フォトダイオードからなる光電変換部１ごとに、つまり１画素単位で最大電荷（または最小電荷）を取り出す制御を行っているが、１画素単位ではなく、複数の画素（ブ口ック）単位や、水平ライン、垂直ライン単位で、最大電荷（または最小電荷）を取り出す制御を行っても良い。そのようにした場合、この固体撮像装置の構成要素が基板上に占める面積が増大するのを、有効に防止できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の固体撮像装置によれば、簡単かつ安価な構成でフリッカを抑制できる。
【００５０】
また、一実施形態の固体撮像装置では、蓄積期間設定手段によって、上記同期信号の１周期期間内に、上記光電変換部が電荷を蓄積する蓄積期間を可変して設定できるので、電子シャッタ方式で、連続的に露光を制御することができる。
【００５１】
また、一実施形態の固体撮像装置では、切替手段によって上記比較部の特性を反転させることができるので、入力光のレベルに応じて、露光を粗く制御することができ、十分なダイナミックレンジを確保できる。
【００５２】
また、一実施形態の固体撮像装置では、上記光電変換部はフォトダイオードを有し、上記電荷蓄積部は、上記フォトダイオードの接合容量と実質的に同じ接合容量を持つダイオードを有するので、比較部を差動増幅器によって構成でき、比較部の構成が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の固体撮像装置のブロック構成を示す図である。
【図２】上記固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。
【図３】上記固体撮像装置の動作フローを示す図である。
【図４】一般的な固体撮像素子が発生するフリッカを説明する図である。
【図５】フリッカを抑制できるようにした従来の固体撮像素子の動作を説明する図である。
【図６】一般的な固体撮像素子のブロック構成を示す図である。
【符号の説明】
１光電変換部
２比較部
３放電回路
５転送ゲート回路
６電荷蓄積部
７読み出しゲート
８ＯＦＤパルス発生部

Claims

受けた光を光電変換して光量に応じた電荷を発生させる光電変換部と、
電荷を格納し得る電荷蓄積部と、
商用電源の周期の半分よりも短い周期をもつ同期信号に同期して上記光電変換部の電荷を電荷蓄積部に転送する転送ゲートと、
上記光電変換部の電荷量と上記電荷蓄積部の電荷量とを比較する比較部と、
上記比較部の比較結果に応じて上記光電変換部の電荷と電荷蓄積部の電荷とのいずれかを選択して、上記同期信号に同期して排出する放電回路と、
電荷読み出しパルスに応じて上記電荷蓄積部の電荷を出力する読み出しゲートを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１に記載の固体撮像装置において、
上記同期信号の１周期期間内に、上記光電変換部が電荷を蓄積する蓄積期間を可変して設定するための蓄積期間設定手段を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１または２に記載の固体撮像装置において、
上記比較部の特性を反転させるための切替手段を備えたことをを特徴とする固体撮像装置。
請求項１、２または３に記載の固体撮像装置において、
上記光電変換部はフォトダイオードを有し、
上記電荷蓄積部は、上記フォトダイオードの接合容量と実質的に同じ接合容量を持つダイオードを有することを特徴とする固体撮像装置。