JP3819631B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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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を用いて構成した固体撮像装置に関する。
【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し、広い範囲で撮像動作を行えるようにすることを目的とする。
【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、第１の受光画素が１行単位で複数行配置され、この複数行の第１の受光画素の間に上記第１の受光画素から独立して駆動可能な第２の画素が１行単位で配置された固体撮像素子と、上記固体撮像素子の第１及び第２の受光画素を駆動して第１の受光画素と第２の受光画素とで互い異なる時間情報電荷の蓄積を行うと共に、上記第１及び第２の受光画素に蓄積された情報電荷をそれぞれ独立して転送出力する駆動回路と、上記固体撮像素子の第１の受光画素での情報電荷の蓄積時間と第２の受光画素での情報電荷の蓄積時間とをそれぞれ設定するタイミング設定回路と、上記固体撮像素子の第１の受光画素に対応する第１の出力と第２の受光画素に対応する第２の出力とを加算して画像信号を生成する信号処理回路と、を備えたことにある。
【００１０】
本発明によれば、情報電荷の蓄積時間を独立に設定可能な２種類の受光画素に対応して得られる出力を互いに加算して画像信号が生成される。従って、低輝度の被写体に対しては、情報電荷の蓄積時間を長く設定した受光画素によって十分な出力を得ることができ、高輝度の被写体に対しては、情報電荷の蓄積時間を短く設定した受光画素によって広範囲の撮像が可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の固体撮像装置の構成を示すブロック図であり、図２は、その動作を説明するタイミング図である。
【００１２】
固体撮像素子１１は、図１０に示すフレーム転送方式の固体撮像素子と同一のものであり、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。駆動回路１２は、各種のタイミング信号に応答してフレーム転送クロックφF、垂直転送クロックφV、水平転送クロックφH及び基板クロックφBを発生し、固体撮像素子１１の各部に供給する。フレーム転送クロックφFは、受光部１に印加され、基板クロックφBの立ち上がりに従うタイミングで転送電極をクロッキングすると共に、垂直同期信号ＶＤに同期して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。基板クロックφBは、固体撮像素子が形成される半導体基板に印加され、シャッタタイミング信号ＳＴに従うタイミングで所定の期間立ち上げられて、フレーム転送クロックφFとの作用により、受光部１の情報電荷を基板側へ排出させる。従って、受光部１の各受光画素には、基板クロックφBによる排出動作が完了してからフレーム転送クロックφFによる転送動作が開始されるまでの期間Ｌに情報電荷が蓄積されることになる。
【００１３】
ここで、固体撮像素子１１は、必要な走査線数に対して垂直方向に少なくとも２倍の数の画素が配置されており、１本の走査線に対応付けられる複数の受光画素で情報電荷の蓄積時間を少なくとも２段階に設定している。これに合わせて、シャッタタイミング信号ＳＴは、シャッタ動作のタイミングを多段階で設定する。例えば、再生画面を表示する走査線数に対して垂直方向に２倍の数の画素を配置し、奇数行と偶数行とで情報電荷の蓄積時間を独立に設定できるように構成している。以下の動作は、水平走査線数に対して２倍の数の受光画素を垂直方向に配置し、奇数行の受光画素と偶数行の受光画素とで情報電荷の蓄積時間をずらして設定した場合を示す。
【００１４】
垂直転送クロックφVは、蓄積部２に印加され、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へ取り込むと共に、取り込んだ１画面分の情報電荷を水平同期信号ＨＤの１／２の周期で１行ずつ水平転送部３へ転送する。そして、水平転送クロックφHは、水平転送部３に印加され、垂直転送クロックφVに応答して１行毎に水平転送部３へ取り込まれる情報電荷を順次出力部４側へ転送する。これにより、期間Ｌの間に受光部１の各受光画素に蓄積された情報電荷が、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。
【００１５】
タイミング制御回路１３は、一定周期の基準クロックに基づいて水平同期信号ＨＤ及び垂直同期信号ＶＤを生成し、駆動回路１２に供給する。さらに、垂直走査の途中で立ち上げられるシャッタタイミング信号ＳＴを生成し、駆動回路１２に供給する。このシャッタタイミング信号ＳＴは、例えば２ビットの信号であり、シャッタ動作のタイミングを２段階で設定する。そして、そのシャッタ動作のずれによって生じる情報電荷の実質的な蓄積時間の比Ｒを後述する演算回路２０に供給する。このとき、蓄積時間の比Ｒに対応して、１／（Ｒ−１）なる値が生成され、同時に演算回路２０に供給される。
【００１６】
アナログ処理回路１４は、固体撮像素子１１から入力される画像信号Ｙ0に対してサンプルホールドや各種の補正処理を施し、所定のフォーマットに従う画像信号Ｙ1を生成する。例えば、固体撮像素子１１の出力動作に同期してリセットレベルと信号レベルとが繰り返される画像信号Ｙ1に対して、信号レベルのみを取り出すタイミングでサンプルホールド動作が行われる。Ａ／Ｄ変換回路１５は、アナログ処理回路１４のサンプルホールド動作に同期し、固体撮像素子１１の各受光画素の情報を表す画像データＤ1を生成する。固体撮像素子１１において、奇数行の受光画素と偶数行の受光画素とで情報電荷の蓄積時間が異なる場合、画像データＤ1は、図３に示すように、水平走査期間の間に２行分得られることになる。このとき、同一水平走査期間内に得られる２行分の画像データＤ1のレベルは、固体撮像素子１１の各受光画素における情報電荷の蓄積時間の比に応じた差を有する。この画像データＤ1は、画像信号Ｙ0に対応するものである。
【００１７】
ラインメモリ１６は、画像データＤ1を各水平走査期間の前半で１行分記憶し、１／２水平走査期間遅れたタイミングで読み出すことにより、画像データＤ1に対して１／２水平走査期間遅れた画像データＤ2を出力する。このラインメモリ１６は、例えば、１行分の画像データＤ1を記憶可能な容量を有するメモリ回路を２組並列に配置して形成され、画像データＤ1の書き込みと読み出しとを交互に行うように構成される。
【００１８】
演算回路２０は、第１、第２の乗算器２１、２２、第１〜第３の減算器２３〜２５及び加算器２６より構成され、ゲートパルスＧＰの立ち上がりの期間に動作して、スミアデータＳ及び第３の画像データＤ3を生成する。第１の乗算器２１は、第１の画像データＤ1にタイミング制御回路１３から入力される比Ｒを乗算し、第１の減算器２３は、第１の乗算器２１の乗算結果Ｒ・Ｄ1から第２の画像データＤ2を減算する。第２の乗算器２２は、第１の減算器２３の減算結果Ｓ0に、タイミング制御回路１３から入力される１／（Ｒ−１）を乗算する。この第２の乗算器２２の乗算結果がスミアデータとして出力される。第２の減算器２４は、第２のデータＤ2からスミアデータＳを減算し、第３の減算器２５は、第１のデータＤ1からスミアデータＳを減算する。そして、加算器２６は、第２の減算器２４の減算結果Ｄ'2と第３の減算器２５の減算結果Ｄ'1とを加算し、その加算結果を第３の画像データＤ3として出力する。
【００１９】
図４は、本発明の固体撮像装置において、固体撮像素子を駆動する方法の一例を示すポテンシャル図であり、図５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。この図においては、固体撮像素子１１の受光部１に、走査線数の２倍の数の受光画素を垂直方向に配置し、奇数行の受光画素と偶数行の受光画素とで情報電荷の蓄積時間をずらす場合を示す。
【００２０】
固体撮像素子１１の受光部１には、６相の転送クロックφ1〜φ6に対応した複数の転送電極が配置され、６相分の転送電極に対して、実質的に２つの画素Ｐ１、Ｐ２が定義される。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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Ｐ１に発生する情報電荷が加算される。
【００２５】
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、即ち、演算回路２０において扱われる画像データＤ1、Ｄ2のレベルは、ゲートパルスの立ち上がりの期間において、
Ｄ1：Ｄ2＝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６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。
【００２６】
上述の演算回路２０においては、２種類の画像データＤ1、Ｄ2に対して以下の処理が施される。ここでは、第１の撮像動作を行う期間Ｌ１と第２の撮像動作を行う期間Ｌ２とが等しく、第１の受光画素Ｐ１から第２の受光画素Ｐ２に情報電荷を転送するために要する期間が期間Ｌ１、Ｌ２に比べて十分に小さく、無視できるものとする。このとき、タイミング制御回路１３から入力される比Ｒは、「３」となり、１／（Ｒ−１）は「１／２」となる。
【００２７】
まず、第１の乗算器２１で画像データＤ1が３倍され、図７に示すように、画像データＤ2とレベルが一致する３倍の画像データ３Ｄ1が生成される。通常、各画像データＤ1、Ｄ2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、画像データＤ1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、第１の減算器２３で、３倍した画像データ３Ｄ1から画像データＤ2が減算されると、信号成分が相殺されてスミア成分が残り、スミアデータＳ0が生成される。このスミアデータＳ0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、実際の２倍の値を表す。続いて、第２の乗算器２２においてスミアデータＳ0が１／２倍されると、実際のスミア成分を表すスミアデータＳが生成される。
【００２８】
第２及び第３の減算器２４、２５においては、画像データＤ1、Ｄ2からスミアデータＳがそれぞれ減算され、信号成分のみとなった画像データＤ'1、Ｄ'2が生成される。この画像データＤ'1、Ｄ'2は、加算器２６で互いに加算され、第３の画像データＤ3として出力される。
【００２９】
以上のような第３の画像データＤ3は、受光感度の異なる２種類の画像データＤ1、Ｄ2を合成して得られるもであり、固体撮像素子のダイナミックレンジを実質的に拡大している。例えば、図６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、第１の画像データＤ1が同じ範囲で変化することになるが、第１の画像データＤ1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。第３の画像データＤ3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ようになる。
【００３０】
また、第３の画像データＤ3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なくすことができる。
【００３１】
さらに、スミアデータＳによって表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。
【００３２】
図８は、本発明の固体撮像装置において、固体撮像素子を駆動する方法の他の例を示すポテンシャル図であり、図９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。この図においては、図４及び図５と同様に、固体撮像素子１１の受光部１に、走査線数の２倍の数の受光画素を垂直方向に配置し、奇数行の受光画素と偶数行の受光画素とで情報電荷の蓄積時間をずらす場合を示す。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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とを通して発生した情報電荷が蓄積される。
【００３６】
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。
【００３７】
なお、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。
【００３８】
また、ラインメモリ１６及び演算回路２０については、適数行の画像データＤ1を記憶可能なメモリ回路と、そのメモリ回路に対してデータの読み出し及び書き込みを演算処理と共に繰り返すデジタル信号処理回路によって構成することも可能である。
【００３９】
【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】本発明の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の固体撮像装置の動作を説明するタイミング図である。
【図３】画像データをアナログ的に表した波形図である。
【図４】本発明の固体撮像装置の動作の一例を示すポテンシャル図である。
【図５】図４の動作を実現する転送クロックの波形図である。
【図６】受光光量と出力電圧との関係を示す図である。
【図７】信号成分とスミア成分との関係を示す図である。
【図８】本発明の固体撮像装置の動作の他の例を示すポテンシャル図である。
【図９】図８の動作を実現する転送クロックの波形図である。
【図１０】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１１】フレーム転送方式の固体撮像素子の動作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
１１ 固体撮像素子
１２ 駆動回路
１３ タイミング制御回路
１４ アナログ処理回路
１５ Ａ／Ｄ変換回路
１６ ラインメモリ
２０ 演算回路
２１、２２ 乗算器
２３〜２５ 減算器
２６ 加算器
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
【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を用いて構成した固体撮像装置に関する。
【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し、広い範囲で撮像動作を行えるようにすることを目的とする。
【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、第１の受光画素が１行単位で複数行配置され、この複数行の第１の受光画素の間に上記第１の受光画素から独立して駆動可能な第２の画素が１行単位で配置された固体撮像素子と、上記固体撮像素子の第１及び第２の受光画素を駆動して第１の受光画素と第２の受光画素とで互い異なる時間情報電荷の蓄積を行うと共に、上記第１及び第２の受光画素に蓄積された情報電荷をそれぞれ独立して転送出力する駆動回路と、上記固体撮像素子の第１の受光画素での情報電荷の蓄積時間と第２の受光画素での情報電荷の蓄積時間とをそれぞれ設定するタイミング設定回路と、上記固体撮像素子の第１の受光画素に対応する第１の出力と第２の受光画素に対応する第２の出力とを加算して画像信号を生成する信号処理回路と、を備えたことにある。
【００１０】
本発明によれば、情報電荷の蓄積時間を独立に設定可能な２種類の受光画素に対応して得られる出力を互いに加算して画像信号が生成される。従って、低輝度の被写体に対しては、情報電荷の蓄積時間を長く設定した受光画素によって十分な出力を得ることができ、高輝度の被写体に対しては、情報電荷の蓄積時間を短く設定した受光画素によって広範囲の撮像が可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の固体撮像装置の構成を示すブロック図であり、図２は、その動作を説明するタイミング図である。
【００１２】
固体撮像素子１１は、図１０に示すフレーム転送方式の固体撮像素子と同一のものであり、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。駆動回路１２は、各種のタイミング信号に応答してフレーム転送クロックφF、垂直転送クロックφV、水平転送クロックφH及び基板クロックφBを発生し、固体撮像素子１１の各部に供給する。フレーム転送クロックφFは、受光部１に印加され、基板クロックφBの立ち上がりに従うタイミングで転送電極をクロッキングすると共に、垂直同期信号ＶＤに同期して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。基板クロックφBは、固体撮像素子が形成される半導体基板に印加され、シャッタタイミング信号ＳＴに従うタイミングで所定の期間立ち上げられて、フレーム転送クロックφFとの作用により、受光部１の情報電荷を基板側へ排出させる。従って、受光部１の各受光画素には、基板クロックφBによる排出動作が完了してからフレーム転送クロックφFによる転送動作が開始されるまでの期間Ｌに情報電荷が蓄積されることになる。
【００１３】
ここで、固体撮像素子１１は、必要な走査線数に対して垂直方向に少なくとも２倍の数の画素が配置されており、１本の走査線に対応付けられる複数の受光画素で情報電荷の蓄積時間を少なくとも２段階に設定している。これに合わせて、シャッタタイミング信号ＳＴは、シャッタ動作のタイミングを多段階で設定する。例えば、再生画面を表示する走査線数に対して垂直方向に２倍の数の画素を配置し、奇数行と偶数行とで情報電荷の蓄積時間を独立に設定できるように構成している。以下の動作は、水平走査線数に対して２倍の数の受光画素を垂直方向に配置し、奇数行の受光画素と偶数行の受光画素とで情報電荷の蓄積時間をずらして設定した場合を示す。
【００１４】
垂直転送クロックφVは、蓄積部２に印加され、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へ取り込むと共に、取り込んだ１画面分の情報電荷を水平同期信号ＨＤの１／２の周期で１行ずつ水平転送部３へ転送する。そして、水平転送クロックφHは、水平転送部３に印加され、垂直転送クロックφVに応答して１行毎に水平転送部３へ取り込まれる情報電荷を順次出力部４側へ転送する。これにより、期間Ｌの間に受光部１の各受光画素に蓄積された情報電荷が、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。
【００１５】
タイミング制御回路１３は、一定周期の基準クロックに基づいて水平同期信号ＨＤ及び垂直同期信号ＶＤを生成し、駆動回路１２に供給する。さらに、垂直走査の途中で立ち上げられるシャッタタイミング信号ＳＴを生成し、駆動回路１２に供給する。このシャッタタイミング信号ＳＴは、例えば２ビットの信号であり、シャッタ動作のタイミングを２段階で設定する。そして、そのシャッタ動作のずれによって生じる情報電荷の実質的な蓄積時間の比Ｒを後述する演算回路２０に供給する。このとき、蓄積時間の比Ｒに対応して、１／（Ｒ−１）なる値が生成され、同時に演算回路２０に供給される。
【００１６】
アナログ処理回路１４は、固体撮像素子１１から入力される画像信号Ｙ0に対してサンプルホールドや各種の補正処理を施し、所定のフォーマットに従う画像信号Ｙ1を生成する。例えば、固体撮像素子１１の出力動作に同期してリセットレベルと信号レベルとが繰り返される画像信号Ｙ1に対して、信号レベルのみを取り出すタイミングでサンプルホールド動作が行われる。Ａ／Ｄ変換回路１５は、アナログ処理回路１４のサンプルホールド動作に同期し、固体撮像素子１１の各受光画素の情報を表す画像データＤ1を生成する。固体撮像素子１１において、奇数行の受光画素と偶数行の受光画素とで情報電荷の蓄積時間が異なる場合、画像データＤ1は、図３に示すように、水平走査期間の間に２行分得られることになる。このとき、同一水平走査期間内に得られる２行分の画像データＤ1のレベルは、固体撮像素子１１の各受光画素における情報電荷の蓄積時間の比に応じた差を有する。この画像データＤ1は、画像信号Ｙ0に対応するものである。
【００１７】
ラインメモリ１６は、画像データＤ1を各水平走査期間の前半で１行分記憶し、１／２水平走査期間遅れたタイミングで読み出すことにより、画像データＤ1に対して１／２水平走査期間遅れた画像データＤ2を出力する。このラインメモリ１６は、例えば、１行分の画像データＤ1を記憶可能な容量を有するメモリ回路を２組並列に配置して形成され、画像データＤ1の書き込みと読み出しとを交互に行うように構成される。
【００１８】
演算回路２０は、第１、第２の乗算器２１、２２、第１〜第３の減算器２３〜２５及び加算器２６より構成され、ゲートパルスＧＰの立ち上がりの期間に動作して、スミアデータＳ及び第３の画像データＤ3を生成する。第１の乗算器２１は、第１の画像データＤ1にタイミング制御回路１３から入力される比Ｒを乗算し、第１の減算器２３は、第１の乗算器２１の乗算結果Ｒ・Ｄ1から第２の画像データＤ2を減算する。第２の乗算器２２は、第１の減算器２３の減算結果Ｓ0に、タイミング制御回路１３から入力される１／（Ｒ−１）を乗算する。この第２の乗算器２２の乗算結果がスミアデータとして出力される。第２の減算器２４は、第２のデータＤ2からスミアデータＳを減算し、第３の減算器２５は、第１のデータＤ1からスミアデータＳを減算する。そして、加算器２６は、第２の減算器２４の減算結果Ｄ'2と第３の減算器２５の減算結果Ｄ'1とを加算し、その加算結果を第３の画像データＤ3として出力する。
【００１９】
図４は、本発明の固体撮像装置において、固体撮像素子を駆動する方法の一例を示すポテンシャル図であり、図５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。この図においては、固体撮像素子１１の受光部１に、走査線数の２倍の数の受光画素を垂直方向に配置し、奇数行の受光画素と偶数行の受光画素とで情報電荷の蓄積時間をずらす場合を示す。
【００２０】
固体撮像素子１１の受光部１には、６相の転送クロックφ1〜φ6に対応した複数の転送電極が配置され、６相分の転送電極に対して、実質的に２つの画素Ｐ１、Ｐ２が定義される。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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Ｐ１に発生する情報電荷が加算される。
【００２５】
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、即ち、演算回路２０において扱われる画像データＤ1、Ｄ2のレベルは、ゲートパルスの立ち上がりの期間において、
Ｄ1：Ｄ2＝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６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。
【００２６】
上述の演算回路２０においては、２種類の画像データＤ1、Ｄ2に対して以下の処理が施される。ここでは、第１の撮像動作を行う期間Ｌ１と第２の撮像動作を行う期間Ｌ２とが等しく、第１の受光画素Ｐ１から第２の受光画素Ｐ２に情報電荷を転送するために要する期間が期間Ｌ１、Ｌ２に比べて十分に小さく、無視できるものとする。このとき、タイミング制御回路１３から入力される比Ｒは、「３」となり、１／（Ｒ−１）は「１／２」となる。
【００２７】
まず、第１の乗算器２１で画像データＤ1が３倍され、図７に示すように、画像データＤ2とレベルが一致する３倍の画像データ３Ｄ1が生成される。通常、各画像データＤ1、Ｄ2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、画像データＤ1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、第１の減算器２３で、３倍した画像データ３Ｄ1から画像データＤ2が減算されると、信号成分が相殺されてスミア成分が残り、スミアデータＳ0が生成される。このスミアデータＳ0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、実際の２倍の値を表す。続いて、第２の乗算器２２においてスミアデータＳ0が１／２倍されると、実際のスミア成分を表すスミアデータＳが生成される。
【００２８】
第２及び第３の減算器２４、２５においては、画像データＤ1、Ｄ2からスミアデータＳがそれぞれ減算され、信号成分のみとなった画像データＤ'1、Ｄ'2が生成される。この画像データＤ'1、Ｄ'2は、加算器２６で互いに加算され、第３の画像データＤ3として出力される。
【００２９】
以上のような第３の画像データＤ3は、受光感度の異なる２種類の画像データＤ1、Ｄ2を合成して得られるもであり、固体撮像素子のダイナミックレンジを実質的に拡大している。例えば、図６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、第１の画像データＤ1が同じ範囲で変化することになるが、第１の画像データＤ1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。第３の画像データＤ3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ようになる。
【００３０】
また、第３の画像データＤ3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なくすことができる。
【００３１】
さらに、スミアデータＳによって表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。
【００３２】
図８は、本発明の固体撮像装置において、固体撮像素子を駆動する方法の他の例を示すポテンシャル図であり、図９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。この図においては、図４及び図５と同様に、固体撮像素子１１の受光部１に、走査線数の２倍の数の受光画素を垂直方向に配置し、奇数行の受光画素と偶数行の受光画素とで情報電荷の蓄積時間をずらす場合を示す。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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とを通して発生した情報電荷が蓄積される。
【００３６】
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。
【００３７】
なお、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。
【００３８】
また、ラインメモリ１６及び演算回路２０については、適数行の画像データＤ1を記憶可能なメモリ回路と、そのメモリ回路に対してデータの読み出し及び書き込みを演算処理と共に繰り返すデジタル信号処理回路によって構成することも可能である。
【００３９】
【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】本発明の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の固体撮像装置の動作を説明するタイミング図である。
【図３】画像データをアナログ的に表した波形図である。
【図４】本発明の固体撮像装置の動作の一例を示すポテンシャル図である。
【図５】図４の動作を実現する転送クロックの波形図である。
【図６】受光光量と出力電圧との関係を示す図である。
【図７】信号成分とスミア成分との関係を示す図である。
【図８】本発明の固体撮像装置の動作の他の例を示すポテンシャル図である。
【図９】図８の動作を実現する転送クロックの波形図である。
【図１０】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１１】フレーム転送方式の固体撮像素子の動作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
１１ 固体撮像素子
１２ 駆動回路
１３ タイミング制御回路
１４ アナログ処理回路
１５ Ａ／Ｄ変換回路
１６ ラインメモリ
２０ 演算回路
２１、２２ 乗算器
２３〜２５ 減算器
２６ 加算器
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 (4)
- 第１の受光画素が１行単位で複数行配置され、この複数行の第１の受光画素の間に上記第１の受光画素から独立して駆動可能な第２の受光画素が１行単位で配置されたフレーム転送方式の固体撮像素子と、上記固体撮像素子の第１及び第２の受光画素を駆動して第１の受光画素と第２の受光画素とで互い異なる時間情報電荷の蓄積を行うと共に、上記第１及び第２の受光画素に蓄積された情報電荷をそれぞれ独立して転送出力する駆動回路と、上記固体撮像素子の第１の受光画素での情報電荷の蓄積時間と第２の受光画素での情報電荷の蓄積時間とをそれぞれ設定するタイミング設定回路と、上記固体撮像素子の第１の受光画素に対応する第１の出力と第２の受光画素に対応する第２の出力とを加算して画像信号を生成する信号処理回路と、を備え、前記駆動回路は前記第１の受光画素と前記第２の受光画素とで情報電荷の蓄積を行った後、前記第１の受光画素に蓄積された情報電荷と前記第２の受光画素に蓄積された情報電荷とを混合し、混合した情報電荷を維持した状態で前記第１の受光画素と前記第２の受光画素とで情報電荷の蓄積を行うことを特徴とする固体撮像装置。
- 上記信号処理回路は、上記固体撮像素子の第１及び第２の受光画素での情報電荷の各蓄積時間の比と、上記固体撮像素子の第１及び第２の受光画素に対応する第１及び第２の出力の差と、に応じて垂直転送スミアを算出することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 上記信号処理回路は、上記固体撮像素子の第１及び第２の受光画素での情報電荷の各蓄積時間の比と、上記固体撮像素子の第１及び第２の受光画素に対応する第１及び第２の出力の差と、に応じて算出した垂直転送スミアを上記画像信号から差し引くことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
- 第１の受光画素が１行単位で複数行配置され、この複数行の第１の受光画素の間に上記第１の受光画素から独立して駆動可能な第２の受光画素が１行単位で配置されたフレーム転送方式の固体撮像素子と、上記固体撮像素子の第１及び第２の受光画素を駆動して第１の受光画素と第２の受光画素とで情報電荷を生成すると共に、上記第１及び第２の受光画素で生成された情報電荷をそれぞれ独立して転送出力する駆動回路と、上記固体撮像素子の第１の受光画素での情報電荷の蓄積時間と第２の受光画素での情報電荷の蓄積時間とをそれぞれ設定するタイミング設定回路と、上記固体撮像素子の第１の受光画素に対応する第１の出力と第２の受光画素に対応する第２の出力とに応じて画像信号を生成する信号処理回路と、を備え、前記駆動回路は前記第１の受光画素と前記第２の受光画素とで情報電荷の蓄積を行った後、前記第１の受光画素に蓄積された情報電荷と前記第２の受光画素に蓄積された情報電荷とを混合し、混合した情報電荷を維持した状態で前記第１の受光画素と前記第２の受光画素とで情報電荷の蓄積を行うことを特徴とする固体撮像装置。
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