JP3858361B2 - Solid-state imaging device, driving method thereof, and camera - Google Patents

Solid-state imaging device, driving method thereof, and camera Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラに関し、特に２次元配置された画素の信号電荷を独立に読み出すことが可能な固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device) タイプの固体撮像装置において、そのダイナミックレンジを拡大するための駆動方法として、従来、個々の光電変換素子での信号電荷を２種類以上の異なった蓄積時間の信号電荷として出力する方法が知られている（例えば、特開平７−１７７４３３号公報、特開平７−２５０２８６号公報、特開平８−８４２９８号公報参照）。
【０００３】
すなわち、これらの駆動方法は、垂直有効映像期間に蓄積された信号電荷を垂直ブランキング期間中に一度読み出し、その後垂直ブランキング期間を利用してもう一度短い露光期間を設定して光電変換しかつ再度信号電荷を読み出し、露光時間が長い側の信号電荷と短い側の信号電荷とを独立に転送して出力するというものである。この場合、異なった蓄積時間の複数の信号成分を構成する光電変換素子（画素）が同一である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法では、２種類の蓄積時間の比率の最小値は、ラインメモリ或いはフィールドメモリをデバイス内部或いは外部に持たない限り、垂直ブランキング期間と垂直有効映像期間の時間比率で制限される。
【０００５】
したがって、ＣＣＤ固体撮像装置の出力信号を直接従来の信号処理回路に入力した場合、高照度部分のコントラスト比がとれず、このようなＣＣＤ固体撮像装置を使って広ダイナミックレンジ映像を実現するためには、２種類の信号成分を外部でゲイン処理後加算するか、或いは外部で選択サンプリングを行うなどの処理が必要となり、またそのための処理回路を付加する必要がある。また、従来の駆動方法でも、蓄積時間の長い側の信号電荷の蓄積時間を電子シャッタで短くすることで、２種類の信号成分の蓄積時間の比率を下げることができるが、この場合は蓄積時間が短くなることによって逆に低照度側の感度が低下する問題が発生する。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外部に付加回路を設けなくても、低照度側の感度を犠牲にすることなく、より広ダイナミックレンジ化が可能な固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、画素が行単位で設けられた第１の画素群と、前記第１の画素群と画素列が対応関係を持つように当該第１の画素群と隣接して行単位で設けられた第２の画素群とを有する固体撮像装置において、前記第１の画素群の各画素の信号電荷を第１信号成分として読み出すとともに、当該読み出し後に前記画素の信号電荷を排出し、所定時間経過した後前記第１，第２の画素群の各画素の信号電荷を読み出しかつ混合することによって前記第１の信号成分よりも蓄積時間が短い第２信号成分とする。そして、前記第１信号成分と前記第２信号成分とを垂直転送し、この垂直転送した前記第１信号成分と前記第２信号成分とを水平転送し、この水平転送した前記第１信号成分と前記第２信号成分とを加算して出力する。
【０００８】
ここで、例えば、第１信号成分を構成する画素数を１、第２信号成分を構成する画素数を２に設定した場合には、第１信号成分の蓄積時間と第２信号成分の蓄積時間の比率が、両画素数が同じ場合の１／２になる。これにより、ラインメモリ或いはフィールドメモリをデバイス内部或いは外部に持たない場合において、第１信号成分の蓄積時間を短くしなくても、ダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【０００９】
一方、複数画素で１つの信号成分を構成する場合は、画素ごとの読み出しの間に転送動作時間が必要となる。この転送動作時間はフィールド期間内で蓄積時間に寄与しない時間となる。したがって、第２信号成分を構成する画素数を、第１信号成分を構成する画素数よりも少なく設定し、不要となった転送動作時間を第１信号成分の蓄積時間に当てることで、低照度の感度の向上が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。この第１実施形態では、蓄積時間の長い信号成分Ａと蓄積時間の短い信号成分Ｂを各々最大２画素で構成する場合の構造例となっている。
【００１１】
図１において、半導体基板上に２次元配列され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する光電変換素子（画素）群は、ライン単位（行単位）で交互に第１，第２の光電変換素子群１，２に分類される。これら光電変換素子群の垂直列ごとに複数の垂直転送部３が設けられている。これら垂直転送部３は、各画素に１：１の対応関係を持って設けられたパケット３ａ，３ｂの集合（パケット列）によって構成されている。ここに、パケットとは、１つの信号成分を扱う単位を言うものとする。
【００１２】
垂直転送部３の図面上の下側には、１本の水平転送部４が設けられている。この水平転送部４は、水平方向の画素数の少なくとも２倍のパケット４ａ，４ｂの集合（パケット列）によって構成されている。水平転送部４の出力端側には、水平転送部４によって転送されてきた信号電荷を検出して信号電圧として出力する電荷検出部５が設けられている。電荷検出部５の出力信号は、出力アンプ６を介して外部へ導出される。
【００１３】
以上のように、蓄積時間の長い信号成分Ａと蓄積時間の短い信号成分Ｂを各々最大２画素で構成する場合は、２つの光電変換素子群１，２と、２つの信号成分Ａ，Ｂを取り扱う垂直転送部（パケット３ａ，３ｂ）３及び水平転送部（パケット４ａ，４ｂ）４で構成される。なお、本実施形態においては、信号成分Ａを１画素の信号電荷より構成し、信号成分Ｂを２画素の信号電荷より構成するものとする。
【００１４】
次に、上記構成のＣＣＤ固体撮像装置において、信号成分Ａを１画素の信号電荷より構成し、信号成分Ｂを２画素の信号電荷より構成する場合の駆動方法について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。なお、その駆動は、タイミングジェネレータ７で発生されるフィールド識別信号、垂直ブランキング識別信号、読み出しパルス１、読み出しパルス２、垂直転送パルス及び電荷排出パルス等によって行われる。
【００１５】
ここで、読み出しパルス１は、第１の光電変換素子群１から垂直転送部３に信号電荷を読み出すパルスである。読み出しパルス２は、第２の光電変換素子群２から垂直転送部３に信号電荷を読み出すパルスである。垂直転送パルスは、垂直転送部３を駆動するパルスである。電荷排出パルスは、第１，第２の光電変換素子群１，２の信号電荷を例えば半導体基板に排出するパルスである。
【００１６】
図２のタイミングチャートにおいて、先ず、時刻ｔ０を起点として第１，第２の光電変換素子群１，２での光電変換及びそれに伴う信号電荷の蓄積が開始される。そして、時間Ｔ１が経過した時点ｔ１で読み出しパルス２が発生することにより、第２の光電変換素子群２の各信号電荷が垂直転送部３のパケット３ａに読み出される。この第２の光電変換素子群２の１画素分の信号電荷が信号成分Ａとなる。
【００１７】
その後、時刻ｔ２で電荷排出パルスが発生することにより、第１，第２の光電変換素子群１，２の各信号電荷が半導体基板に排出される。続いて、時間Ｔ２が経過した時刻ｔ３で読み出しパルス１が発生することにより、第１の光電変換素子群１の各信号電荷が垂直転送部３のパケット３ｂに読み出される。このパケット３ｂに読み出された信号電荷は、時刻ｔ４で垂直転送パルスが発生することにより、１単位、即ちパケット３ａに転送される。
【００１８】
その後、時刻ｔ５で読み出しパルス２が発生することにより、第２の光電変換素子群２の各信号電荷が垂直転送部３のパケット３ａに読み出される。これにより、時刻ｔ３で読み出された第１の光電変換素子群１の信号電荷と、時刻ｔ５で読み出された第２の光電変換素子群２の信号電荷とが垂直転送部３のパケット３ａで混合される。この混合された２画素分の信号電荷が信号成分Ｂとなる。もう一方のフィールドにおいては、第１，第２の光電変換素子群１，２から垂直転送部３に転送する順序を逆にすることで、インタレースされた信号が得られる。
【００１９】
ここで、図２のタイミングチャートにおいて、期間Ｔ１（Ｔ３）及びＴ２（Ｔ４）は、各々信号成分Ａ及びＢの各蓄積時間に相当するが、時刻ｔ１，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ８，ｔ９，ｔ１０は、固体撮像装置内にラインメモリ或いはフィールド／フレームメモリを持たない構造においては、全て垂直ブランキング期間内になるため、期間Ｔ１（Ｔ３）とＴ２（Ｔ４）の比率の最小値は制限される。
【００２０】
ところが、本実施形態においては、蓄積時間の短い側の信号成分Ｂのみを２画素で構成するようにしたことにより、期間Ｔ１（Ｔ３）とＴ２（Ｔ４）の比率、即ち長い側の蓄積時間と短い側の蓄積時間の比率を実質的に従来の１／２にすることができる。これにより、ＣＣＤ固体撮像装置のダイナミックレンジをより拡大できることになる。
【００２１】
信号成分Ａ及びＢは垂直転送部３で順次垂直転送され、さらに水平転送部４のパケット４ａ，４ｂに移されて順次水平転送された後、１信号成分ごとに電荷検出部５に転送される。電荷検出部５は、順次転送されてきた信号成分ＡとＢを加算する機能を持つとともに、被加算信号成分である信号成分Ａに含まれる信号飽和時のムラをスライスするためのクリップ機能をも有している。
【００２２】
このクリップ機能を有する電荷検出部５の構造の一例を図３に示す。同図において、本実施形態に係る電荷検出部５は、Ｎ型半導体基板８上のＰウェル９の表面側に所定の間隔を持って形成されたＮ型不純物からなるフローティングディフュージョン（ＦＤ）１０及びリセットドレイン（ＲＤ）１１と、それらの間のチャネル領域の上方に配された例えば２つのリセットゲート電極１２-1，１２-2とからなるフローティング・ディフュージョン・アンプ構成となっている。
【００２３】
上記構成の電荷検出部５において、フローティングディフュージョン１０は水平転送部４から順に注入される信号成分ＡとＢを加算して電圧に変換する。リセットドレイン１１は、電圧変換後のフローティングディフュージョン１０内の信号電荷を排出する。２つのリセットゲート電極１２-1，１２-2は、フローティングディフュージョン１０とリセットドレイン１１の間に直列に配置され、各々独立したクロックパルスとバイアス電圧が印加されるようになっている。
【００２４】
ここで、リセットゲート電極１２-1，１２-2のバイアス電圧を各々クリップレベルに応じたレベルに設定することで、被加算信号となる信号成分Ａに含まれる飽和ムラを除去して加算することが可能となる。すなわち、クリップレベルに応じたレベルのバイアス電圧をリセットゲート電極１２-1，１２-2に印加することで、リセットゲート電極１２-1，１２-2の下のポテンシャルはクリップレベルに応じた深さになり、このポテンシャルを越える信号成分Ａの飽和ムラ分に相当する電荷がリセットドレイン１１に排出される。
【００２５】
そして、リセット動作を１回間引くことにより、飽和ムラが除去された信号成分Ａがそのままフローティングディフュージョン１０内に保持され、続いてフローティングディフュージョン１０に信号成分Ｂが注入されることで信号成分ＡとＢが加算される。また、２つのリセットゲート電極１２-1，１２-2を直列配置したことにより、各リセットゲート電極１２-1，１２-2は２値レベルのクロック動作が可能となり、３値以上のクロック動作を必要としない。
【００２６】
図４に、１つの被加算信号（長時間蓄積信号成分）と１つの加算信号（短時間蓄積信号成分）により広ダイナミックレンジ出力を得るための駆動例のタイミングチャートを示す。
【００２７】
同図において、クロックＡ及びＢは、２つのリセットゲート電極１２-1，１２-2に印加するクロックであり、クロックＣは水平転送部４の最終段を駆動するクロックである。期間Ｐ１はフローティングディフュージョン１０を完全にリセットする期間、期間Ｐ２は被加算信号をクリップする期間、期間Ｐ３は被加算信号に対して加算信号が加算されて、広ダイナミックレンジの信号成分が出力されている期間である。
【００２８】
図５に、本発明の駆動方法及び従来の駆動方法で駆動した場合の信号成分Ａ，Ｂ及び電荷検出部５でクリップ／加算された後の光量出力特性例を示す。
【００２９】
同図において、ａは信号成分Ａの出力特性、ｂは信号成分Ｂを構成する１画素分の出力特性、ｃは従来方法の駆動で信号成分Ａ，Ｂとも同一画素で構成する場合の加算後の出力特性、ｄは信号成分Ｂのみ２倍の画素で構成する場合の加算後の出力特性をそれぞれ示す。
【００３０】
出力特性ｃは従来の駆動方法で駆動した場合の特性であるが、屈曲点での変化が大きいため、信号成分Ａと信号成分Ｂを増幅や選択等の方法で前処理することなく加算した場合には、屈曲点付近及び高照度領域での信号コントラストを確保するのが困難である。一方、出力特性ｄはダイナミックレンジ幅こそ低下するものの、前処理なく加算した場合でも適度なコントラストを確保することが可能となる。
【００３１】
図６は、第１実施形態の変形例を示す概略構成図であり、図中、図１と同等部分には同一符号を付して示してある。第１実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置では、水平転送部４が水平方向の画素数の２倍のパケット４ａ，４ｂの集合によって構成されていたのに対し、本変形例に係るＣＣＤ固体撮像装置においては、水平転送部４が各々水平方向の画素数と同数のパケット４ａ，４ｂからなる２ラインの水平転送列４Ａ，４Ｂによって構成されている。
【００３２】
このように、水平転送部４を２ライン構成とすることにより、１ライン構成の場合よりも水平駆動周波数を半分にすることができるため、低消費電力化を図る上で有利である。２ラインの水平転送列４Ａ，４Ｂの出力段には、各水平転送列４Ａ，４Ｂによって転送されてきた信号成分Ａ，Ｂを信号成分単位で交互に電荷検出部５に転送するゲート部４ｃが設けられている。
【００３３】
この変形例の場合には、水平転送部４の構成が第１実施形態の場合と相違するのみであり、広ダイナミックレンジを得るための駆動方法及び電荷検出部５の構造については、第１実施形態の場合と全く同一であリ、またそれに伴う作用効果も同じである。
【００３４】
上述したように、本実施形態においては、第１，第２の光電変換素子群１，２の各信号電荷を独立に読み出すことが可能なＣＣＤ固体撮像装置において、ある蓄積時間の経過後第１の光電変換素子群１の各信号電荷を垂直転送部３に読み出して信号成分Ａとし、その後光電変換素子群１，２の全信号電荷を排出し、続いて所定の時間が経過した後、第１，第２の光電変換素子群１，２の各信号電荷を読み出し、かつ垂直転送部３内で混合して信号成分Ｂとするようにしている。
【００３５】
これにより、蓄積時間の長い側の信号成分Ａを１画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信号成分Ｂを２画素の信号電荷で構成することができる。信号成分Ｂのみを２画素の信号電荷で構成することにより、２種類の信号成分Ａ，Ｂの蓄積時間の比率を従来の１／２にすることができる。その結果、ＣＣＤ固体撮像装置のダイナミックレンジをより拡大できることになる。
【００３６】
また、電荷検出部５に信号成分ＡとＢを加算する機能を持たせたことで、ＣＣＤ固体撮像装置内部で直接加算して広ダイナミックレンジの信号を出力することができるため、ＣＣＤ固体撮像装置の外部に付加回路を設けなくても、広ダイナミックレンジの信号を得ることができる。しかも、電荷検出部５にクリップ機能をも持たせたことで、蓄積時間の長い信号成分Ａに含まれる信号飽和時のムラを除去できるため、Ｓ／Ｎを向上できる。
【００３７】
なお、上記実施形態においては、蓄積時間の長い側の信号成分Ａを１画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信号成分Ｂを２画素の信号電荷で構成することで、より広ダイナミックレンジ化を実現するとしたが、その逆に、蓄積時間の長い側の信号成分Ａを２画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信号成分Ｂを１画素の信号電荷で構成することで、より高感度化を実現できる。
【００３８】
すなわち、信号成分Ａを２画素の信号電荷で構成し、信号成分Ｂを１画素の信号電荷で構成する場合は、図２のタイミングチャートにおいて、時刻ｔ４及び時刻ｔ５の動作、即ち先に読み出した第１の光電変換素子群１の信号電荷を１単位だけ転送した後、第２の光電変換素子群２の信号電荷を読み出して混合するという動作が不要となる。
【００３９】
これにより、時刻ｔ４及び時刻ｔ５の時間分だけ時刻ｔ１及び時刻ｔ２の時間を遅らせることができるため、その分だけ信号成分Ａの蓄積時間を伸ばすことができる。したがって、信号電荷の蓄積時間が伸びた分だけ感度を向上できることになる。同時に、最大ダイナミックレンジも２種類の信号成分を構成する画素数が同じ場合に比べて２倍に拡大できることになる。
【００４０】
すなわち、最大２画素で１つの信号成分を構成する場合は、画素ごとの読み出しの間に垂直転送部３の動作（時間）が必要となり、この時間はフィールド期間内で蓄積時間に寄与しない時間となる。したがって、コントラスト問題よりも低照度の感度を重視したい場合は、短時間蓄積の信号成分の構成画素数を少なくして不要となった転送動作時間を長時間蓄積に当てることにより、高感度の信号が得られるのである。
【００４１】
なお、上記各実施形態では、最大２画素で各々の信号成分を構成する場合を例にとって説明したが、２画素の限定されるものではない。一般的に、最大ｎ個の画素の信号電荷で各々の信号成分を構成する場合は図７の構造で表現されることになる。
【００４２】
図８は、上記構成の固体撮像装置及びその駆動方法を用いた本発明の係るカメラの概略構成図である。図８において、被写体からの入射光はレンズ２１を含む光学系によってＣＣＤ固体撮像素子２２の撮像面上に結像される。ＣＣＤ固体撮像素子２２としては、図１、図６又は図７に示す構成のものが用いられる。このＣＣＤ固体撮像素子２２は、図１のタイミングジェネレータ７を含む駆動系２３によって先述した駆動方法を基に駆動される。ＣＣＤ固体撮像素子２２の出力信号は、信号処理系２４で種々の信号処理が施されて映像信号となる。
【００４３】
上記構成のカメラにおいては、ＣＣＤ固体撮像素子２２から適度にコントロールされたダイナミックレンジを有する信号が直接出力される。この出力信号を従来と同じ構成の信号処理系２４に入力することで、低照度から高照度までのコントラストがとれ、かつ従来システムとの整合性も高いカメラを実現できる。しかも、蓄積時間の長い信号成分と短い信号成分を構成する画素数を変えることで、感度／最大ダイナミックレンジを改善した動作が可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２次元配置された画素の信号電荷を独立に読み出すことが可能な固体撮像装置において、同一画素群から蓄積時間の異なる信号成分を読み出す際に、蓄積時間の長い信号成分Ａを構成する画素数と蓄積時間の短い信号成分Ｂを構成する画素数とを異ならせるようにしたことで、信号成分Ａを構成する画素数を信号成分Ｂを構成する画素数よりも少なく設定した場合には、２種類の信号成分Ａ，Ｂの蓄積時間の比率を両画素数が同じ場合よりも下げることができるため、低照度側の感度を犠牲にすることなくダイナミックレンジを拡大でき、また信号成分Ｂを構成する画素数を信号成分Ａを構成する画素数よりも少なく設定した場合には、不要となった転送動作時間を信号成分Ａの蓄積時間に当てることができるため、低照度の感度を向上できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図３】電荷検出部の構成の一例を示す断面図である。
【図４】電荷検出部の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図５】本発明の駆動方法及び従来の駆動方法で駆動した場合の信号成分Ａ，Ｂ及び電荷検出部でクリップ／加算された後の光量出力特性例を示す特性図である。
【図６】第１実施形態の変形例を示す概略構成図である。
【図７】最大ｎ個の画素で信号成分を構成する場合の概略構成図である。
【図８】本発明に係るカメラの概略構成図である。
【符号の説明】
１…第１の光電変換素子群、２…第２の光電変換素子群、３…垂直転送部、４…水平転送部、５…電荷検出部、７…タイミングジェネレータ、１０…フローティングディフュージョン、１１…リセットドレイン、１２-1，１２-2…リセットゲート電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, a driving method thereof, and a camera, and more particularly to a solid-state imaging device capable of independently reading out signal charges of two-dimensionally arranged pixels, a driving method thereof, and a camera.
[0002]
[Prior art]
In a solid-state imaging device, for example, a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device, as a driving method for expanding the dynamic range, conventionally, two or more different accumulation times of signal charges in individual photoelectric conversion elements are used. There is known a method of outputting the signal charge as a signal charge (see, for example, JP-A-7-177433, JP-A-7-250286, and JP-A-8-84298).
[0003]
That is, in these driving methods, the signal charge accumulated in the vertical effective video period is read once during the vertical blanking period, and then a short exposure period is set again using the vertical blanking period to perform photoelectric conversion and again. The signal charge is read out, and the signal charge on the longer exposure side and the signal charge on the shorter exposure time are independently transferred and output. In this case, the photoelectric conversion elements (pixels) constituting a plurality of signal components having different accumulation times are the same.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the driving method of the conventional CCD solid-state imaging device described above, the minimum value of the ratio of the two kinds of accumulation times is the vertical blanking period and the vertical effective image unless the line memory or field memory is provided inside or outside the device. Limited by the time ratio of the period.
[0005]
Therefore, when the output signal of the CCD solid-state imaging device is directly input to the conventional signal processing circuit, the contrast ratio of the high illuminance portion cannot be obtained, and in order to realize a wide dynamic range image using such a CCD solid-state imaging device. Requires processing such as adding two types of signal components externally after gain processing or performing selective sampling externally, and it is necessary to add a processing circuit therefor. Also in the conventional driving method, the ratio of the accumulation time of the two types of signal components can be reduced by shortening the accumulation time of the signal charge on the longer accumulation time side with the electronic shutter. On the contrary, there is a problem that the sensitivity on the low illuminance side is lowered due to the shortening of.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to achieve a wider dynamic range without sacrificing the sensitivity on the low illuminance side without providing an additional circuit outside. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a driving method thereof.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the first pixel group in which the pixels are provided in units of rows, and the first pixel group and the pixel columns are provided in units of rows adjacent to the first pixel group so as to have a corresponding relationship. In the solid-state imaging device having the second pixel group, the signal charge of each pixel of the first pixel group is read as a first signal component, and the signal charge of the pixel is discharged after the readout, and a predetermined time has elapsed. Thereafter, the signal charges of the respective pixels of the first and second pixel groups are read out and mixed to obtain a second signal component having a shorter accumulation time than the first signal component. Then, the first signal component and the second signal component are vertically transferred, the vertically transferred first signal component and the second signal component are horizontally transferred, and the horizontally transferred first signal component and The second signal component is added and output.
[0008]
Here, for example, when the number of pixels constituting the first signal component is set to 1 and the number of pixels constituting the second signal component is set to 2, the accumulation time of the first signal component and the accumulation time of the second signal component The ratio is 1/2 of the case where the number of pixels is the same. As a result, when the line memory or field memory is not provided inside or outside the device, the dynamic range can be expanded without shortening the accumulation time of the first signal component.
[0009]
On the other hand, when one signal component is constituted by a plurality of pixels, a transfer operation time is required during readout for each pixel. This transfer operation time is a time that does not contribute to the accumulation time within the field period. Accordingly, the number of pixels constituting the second signal component is set to be smaller than the number of pixels constituting the first signal component, and the transfer operation time that is no longer necessary is applied to the accumulation time of the first signal component, thereby reducing the illuminance. The sensitivity can be improved.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention. In the first embodiment, the signal component A having a long accumulation time and the signal component B having a short accumulation time are each configured by a maximum of two pixels.
[0011]
In FIG. 1, a group of photoelectric conversion elements (pixels) that are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate and convert incident light into signal charges having a charge amount corresponding to the light amount are alternately stored in line units (row units). The first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 are classified. A plurality of vertical transfer units 3 are provided for each vertical column of the photoelectric conversion element group. These vertical transfer units 3 are configured by a set (packet string) of packets 3a and 3b provided with a 1: 1 correspondence with each pixel. Here, the packet means a unit for handling one signal component.
[0012]
One horizontal transfer unit 4 is provided on the lower side of the vertical transfer unit 3 in the drawing. The horizontal transfer unit 4 is configured by a set (packet string) of packets 4a and 4b at least twice the number of pixels in the horizontal direction. On the output end side of the horizontal transfer unit 4, a charge detection unit 5 that detects the signal charge transferred by the horizontal transfer unit 4 and outputs it as a signal voltage is provided. The output signal of the charge detection unit 5 is led out through the output amplifier 6.
[0013]
As described above, when the signal component A having a long accumulation time and the signal component B having a short accumulation time are each composed of two pixels at maximum, the two photoelectric conversion element groups 1 and 2 and the two signal components A and B are combined. It comprises a vertical transfer unit (packets 3a, 3b) 3 and a horizontal transfer unit (packets 4a, 4b) 4 to be handled. In the present embodiment, it is assumed that the signal component A is composed of signal charges of one pixel and the signal component B is composed of signal charges of two pixels.
[0014]
Next, in the CCD solid-state imaging device having the above-described configuration, a driving method in the case where the signal component A is composed of signal charges of one pixel and the signal component B is composed of signal charges of two pixels will be described with reference to the timing chart of FIG. I will explain. The driving is performed by a field identification signal generated by the timing generator 7, a vertical blanking identification signal, a read pulse 1, a read pulse 2, a vertical transfer pulse, a charge discharge pulse, and the like.
[0015]
Here, the read pulse 1 is a pulse for reading signal charges from the first photoelectric conversion element group 1 to the vertical transfer unit 3. The read pulse 2 is a pulse for reading signal charges from the second photoelectric conversion element group 2 to the vertical transfer unit 3. The vertical transfer pulse is a pulse for driving the vertical transfer unit 3. The charge discharge pulse is a pulse for discharging the signal charges of the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 to, for example, a semiconductor substrate.
[0016]
In the timing chart of FIG. 2, first, photoelectric conversion in the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 and accumulation of signal charges associated therewith are started from time t0. Then, when the read pulse 2 is generated at the time t1 when the time T1 has elapsed, each signal charge of the second photoelectric conversion element group 2 is read to the packet 3a of the vertical transfer unit 3. The signal charge for one pixel of the second photoelectric conversion element group 2 is a signal component A.
[0017]
Thereafter, when a charge discharge pulse is generated at time t2, the signal charges of the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 are discharged to the semiconductor substrate. Subsequently, when a read pulse 1 is generated at time t3 when the time T2 has elapsed, each signal charge of the first photoelectric conversion element group 1 is read to the packet 3b of the vertical transfer unit 3. The signal charge read to the packet 3b is transferred to one unit, that is, the packet 3a by generating a vertical transfer pulse at time t4.
[0018]
Thereafter, a read pulse 2 is generated at time t5, whereby each signal charge of the second photoelectric conversion element group 2 is read to the packet 3a of the vertical transfer unit 3. Thereby, the signal charge of the first photoelectric conversion element group 1 read at time t3 and the signal charge of the second photoelectric conversion element group 2 read at time t5 are the packets 3a of the vertical transfer unit 3. Mixed in. The mixed signal charge for two pixels becomes a signal component B. In the other field, an interlaced signal is obtained by reversing the order of transfer from the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 to the vertical transfer unit 3.
[0019]
Here, in the timing chart of FIG. 2, periods T1 (T3) and T2 (T4) correspond to the accumulation times of the signal components A and B, respectively, but at times t1, t3, t4, t5, t6, t8, Since t9 and t10 are all within the vertical blanking period in the structure having no line memory or field / frame memory in the solid-state imaging device, the minimum value of the ratio between the periods T1 (T3) and T2 (T4) is Limited.
[0020]
However, in this embodiment, since only the signal component B on the short accumulation side is composed of two pixels, the ratio between the periods T1 (T3) and T2 (T4), that is, the long accumulation time, The ratio of the accumulation time on the short side can be substantially halved compared to the conventional case. As a result, the dynamic range of the CCD solid-state imaging device can be further expanded.
[0021]
The signal components A and B are sequentially transferred vertically by the vertical transfer unit 3, further transferred to the packets 4 a and 4 b of the horizontal transfer unit 4, sequentially transferred horizontally, and then transferred to the charge detection unit 5 for each signal component. . The charge detection unit 5 has a function of adding the sequentially transferred signal components A and B, and also has a clipping function for slicing unevenness at the time of signal saturation included in the signal component A which is the signal component to be added. Have.
[0022]
An example of the structure of the charge detection unit 5 having the clip function is shown in FIG. In the figure, the charge detection unit 5 according to the present embodiment includes a floating diffusion (FD) 10 made of N-type impurities formed at a predetermined interval on the surface side of a P well 9 on an N-type semiconductor substrate 8 and The floating diffusion amplifier has a reset drain (RD) 11 and, for example, two reset gate electrodes 12-1 and 12-2 disposed above a channel region therebetween.
[0023]
In the charge detection unit 5 configured as described above, the floating diffusion 10 adds the signal components A and B sequentially injected from the horizontal transfer unit 4 and converts them into a voltage. The reset drain 11 discharges signal charges in the floating diffusion 10 after voltage conversion. The two reset gate electrodes 12-1 and 12-2 are arranged in series between the floating diffusion 10 and the reset drain 11, and are applied with independent clock pulses and bias voltages, respectively.
[0024]
Here, by setting the bias voltages of the reset gate electrodes 12-1 and 12-2 to levels corresponding to the clip levels, saturation unevenness included in the signal component A that is the signal to be added is removed and added. Is possible. That is, by applying a bias voltage of a level corresponding to the clip level to the reset gate electrodes 12-1 and 12-2, the potential below the reset gate electrodes 12-1 and 12-2 has a depth corresponding to the clip level. Thus, the charge corresponding to the saturation unevenness of the signal component A exceeding this potential is discharged to the reset drain 11.
[0025]
Then, by thinning out the reset operation once, the signal component A from which the saturation unevenness is removed is held in the floating diffusion 10 as it is, and then the signal component B is injected into the floating diffusion 10 to thereby generate the signal components A and B. Is added. Further, by arranging the two reset gate electrodes 12-1 and 12-2 in series, the reset gate electrodes 12-1 and 12-2 can perform a clock operation of a binary level, and can perform a clock operation of three or more values. do not need.
[0026]
FIG. 4 shows a timing chart of a driving example for obtaining a wide dynamic range output by one added signal (long-time accumulated signal component) and one added signal (short-time accumulated signal component).
[0027]
In the figure, clocks A and B are clocks applied to two reset gate electrodes 12-1 and 12-2, and clock C is a clock for driving the final stage of the horizontal transfer unit 4. The period P1 is a period during which the floating diffusion 10 is completely reset, the period P2 is a period during which the signal to be added is clipped, and during the period P3, the addition signal is added to the signal to be added, and a signal component having a wide dynamic range is output. It is a period.
[0028]
FIG. 5 shows an example of the light quantity output characteristics after clipping / adding by the signal components A and B and the charge detector 5 when driven by the driving method of the present invention and the conventional driving method.
[0029]
In the same figure, a is the output characteristic of the signal component A, b is the output characteristic of one pixel constituting the signal component B, and c is after addition in the case where the signal components A and B are constituted by the same pixel by driving in the conventional method. , D indicates the output characteristic after addition when only the signal component B is composed of twice as many pixels.
[0030]
The output characteristic c is a characteristic when driving by the conventional driving method, but since the change at the bending point is large, the signal component A and the signal component B are added without preprocessing by a method such as amplification or selection. Therefore, it is difficult to ensure signal contrast in the vicinity of the bending point and in the high illuminance region. On the other hand, although the output characteristic d is reduced only in the dynamic range width, it is possible to ensure an appropriate contrast even when adding without preprocessing.
[0031]
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a modification of the first embodiment. In the figure, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the CCD solid-state imaging device according to the first embodiment, the horizontal transfer unit 4 is configured by a set of packets 4a and 4b that are twice the number of pixels in the horizontal direction, whereas the CCD solid-state imaging device according to this modification example. In FIG. 2, the horizontal transfer unit 4 is composed of two lines of horizontal transfer trains 4A and 4B each having the same number of packets 4a and 4b as the number of pixels in the horizontal direction.
[0032]
In this way, the horizontal transfer unit 4 having a two-line configuration can halve the horizontal drive frequency as compared to the one-line configuration, which is advantageous in reducing power consumption. At the output stage of the two horizontal transfer columns 4A and 4B, there is a gate unit 4c that alternately transfers the signal components A and B transferred by the horizontal transfer columns 4A and 4B to the charge detection unit 5 in units of signal components. Is provided.
[0033]
In the case of this modification, the configuration of the horizontal transfer unit 4 is only different from that of the first embodiment, and the driving method for obtaining a wide dynamic range and the structure of the charge detection unit 5 are the first embodiment. It is exactly the same as in the case of the form, and the operational effects associated therewith are also the same.
[0034]
As described above, in this embodiment, in the CCD solid-state imaging device capable of independently reading out the signal charges of the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2, the first after a certain accumulation time has elapsed. Each signal charge of the photoelectric conversion element group 1 is read out to the vertical transfer unit 3 to be a signal component A, and then all the signal charges of the photoelectric conversion element groups 1 and 2 are discharged, and after a predetermined time has passed, The signal charges of the first and second photoelectric conversion element groups 1 and 2 are read out and mixed in the vertical transfer unit 3 to be a signal component B.
[0035]
As a result, the signal component A on the longer accumulation time side can be constituted by the signal charge of one pixel, and the signal component B on the shorter accumulation time side can be constituted by the signal charge of two pixels. By configuring only the signal component B with the signal charges of two pixels, the ratio of the accumulation time of the two types of signal components A and B can be halved compared to the conventional case. As a result, the dynamic range of the CCD solid-state imaging device can be further expanded.
[0036]
In addition, since the charge detection unit 5 has a function of adding the signal components A and B, it can be directly added inside the CCD solid-state imaging device to output a signal having a wide dynamic range. A signal with a wide dynamic range can be obtained without providing an additional circuit outside. In addition, since the charge detection unit 5 is also provided with a clipping function, it is possible to remove nonuniformity at the time of signal saturation included in the signal component A having a long accumulation time, so that S / N can be improved.
[0037]
In the above-described embodiment, the signal component A on the longer accumulation time side is configured by the signal charge of one pixel, and the signal component B on the shorter accumulation time side is configured by the signal charge of two pixels. The dynamic range is realized, but conversely, the signal component A on the longer accumulation time side is constituted by the signal charges of two pixels, and the signal component B on the shorter accumulation time side is constituted by the signal charges of one pixel. Therefore, higher sensitivity can be realized.
[0038]
That is, when the signal component A is composed of the signal charge of two pixels and the signal component B is composed of the signal charge of one pixel, the operation at time t4 and time t5 in the timing chart of FIG. After transferring the signal charge of the first photoelectric conversion element group 1 by one unit, the operation of reading and mixing the signal charge of the second photoelectric conversion element group 2 becomes unnecessary.
[0039]
As a result, the time t1 and the time t2 can be delayed by the time t4 and the time t5, so that the accumulation time of the signal component A can be extended by that amount. Therefore, the sensitivity can be improved by the increase of the signal charge accumulation time. At the same time, the maximum dynamic range can be doubled compared to the case where the number of pixels constituting the two types of signal components is the same.
[0040]
That is, when one signal component is composed of a maximum of two pixels, the operation (time) of the vertical transfer unit 3 is required during readout for each pixel, and this time does not contribute to the accumulation time within the field period. Become. Therefore, if you want to focus on low-light sensitivity rather than contrast problems, you can reduce the number of constituent pixels of the short-time accumulation signal component and apply unnecessary transfer operation time to long-term accumulation, thereby increasing the sensitivity of the signal. Is obtained.
[0041]
In each of the above embodiments, the case where each signal component is configured by a maximum of two pixels has been described as an example, but the number of pixels is not limited to two. In general, when each signal component is constituted by signal charges of a maximum of n pixels, it is expressed by the structure of FIG.
[0042]
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a camera according to the present invention using the solid-state imaging device having the above-described configuration and a driving method thereof. In FIG. 8, incident light from a subject is imaged on an imaging surface of a CCD solid-state imaging device 22 by an optical system including a lens 21. As the CCD solid-state imaging device 22, one having the configuration shown in FIG. 1, FIG. 6, or FIG. 7 is used. The CCD solid-state imaging device 22 is driven based on the driving method described above by the driving system 23 including the timing generator 7 of FIG. The output signal of the CCD solid-state imaging device 22 is subjected to various signal processing by the signal processing system 24 to become a video signal.
[0043]
In the camera configured as described above, a signal having a moderately controlled dynamic range is directly output from the CCD solid-state imaging device 22. By inputting this output signal to the signal processing system 24 having the same configuration as the conventional one, it is possible to realize a camera that can obtain a contrast from low illuminance to high illuminance and has high consistency with the conventional system. In addition, by changing the number of pixels constituting a signal component having a long accumulation time and a short signal component, an operation with improved sensitivity / maximum dynamic range becomes possible.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a solid-state imaging device capable of independently reading out signal charges of two-dimensionally arranged pixels, accumulation is performed when reading out signal components having different accumulation times from the same pixel group. The number of pixels constituting the signal component A is made different from the number of pixels constituting the signal component B having a short accumulation time, so that the number of pixels constituting the signal component A is changed to the number of pixels constituting the signal component B. When the number is set to be less than the number, the ratio of the accumulation times of the two signal components A and B can be reduced as compared with the case where the number of both pixels is the same, so that the dynamics can be achieved without sacrificing the sensitivity on the low illuminance side. When the range can be expanded and the number of pixels constituting the signal component B is set to be smaller than the number of pixels constituting the signal component A, the transfer operation time that is no longer necessary is assigned to the accumulation time of the signal component A. Since it will be possible to improve the sensitivity of the low light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a configuration of a charge detection unit.
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the charge detection unit;
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a light quantity output characteristic example after being clipped / added by the signal components A and B and the charge detection unit when driven by the driving method of the present invention and the conventional driving method.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a modification of the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram when a signal component is configured by a maximum of n pixels.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a camera according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st photoelectric conversion element group, 2 ... 2nd photoelectric conversion element group, 3 ... Vertical transfer part, 4 ... Horizontal transfer part, 5 ... Charge detection part, 7 ... Timing generator, 10 ... Floating diffusion, 11 ... Reset drain, 12-1, 12-2 ... Reset gate electrode

Claims (10)

画素が行単位で設けられた第１の画素群と、
前記第１の画素群と画素列が対応関係を持つように当該第１の画素群と隣接して行単位で設けられた第２の画素群と、
前記第１の画素群の各画素の信号電荷を第１信号成分として読み出すとともに、当該読み出し後に前記画素の信号電荷を排出し、所定時間経過した後前記第１，第２の画素群の各画素の信号電荷を読み出しかつ混合することによって前記第１の信号成分よりも蓄積時間が短い第２信号成分とする駆動を行う駆動手段と、
前記第１信号成分と前記第２信号成分とを垂直転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部によって垂直転送された前記第１信号成分と前記第２信号成分とを水平転送する水平転送部と、
前記水平転送部によって水平転送された前記第１信号成分と前記第２信号成分とを加算して出力する電荷検出部と
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 A first pixel group in which pixels are provided in units of rows;
A second pixel group provided in a row unit adjacent to the first pixel group so that the first pixel group and the pixel column have a correspondence relationship;
The signal charge of each pixel of the first pixel group is read as a first signal component, the signal charge of the pixel is discharged after the reading, and each pixel of the first and second pixel groups after a predetermined time has elapsed. Driving means for driving to a second signal component having a shorter accumulation time than the first signal component by reading and mixing the signal charges of
A vertical transfer unit that vertically transfers the first signal component and the second signal component;
A horizontal transfer unit that horizontally transfers the first signal component and the second signal component vertically transferred by the vertical transfer unit;
A solid-state imaging device comprising: a charge detection unit that adds and outputs the first signal component and the second signal component horizontally transferred by the horizontal transfer unit. 前記第１信号成分を構成する画素数は、前記第２信号成分を構成する画素数と同じ
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the number of pixels constituting the first signal component is the same as the number of pixels constituting the second signal component. 前記第１信号成分を構成する画素数は、前記第２信号成分を構成する画素数よりも少ない
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the number of pixels constituting the first signal component is smaller than the number of pixels constituting the second signal component. 前記電荷検出部は、前記第１信号成分に対して所定のクリップレベルでスライスを施す
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。The charge detection unit, the solid-state imaging device according to claim 1, wherein applying a slice at a predetermined clip level with respect to the first signal component. 画素が行単位で設けられた第１の画素群と、前記第１の画素群と画素列が対応関係を持つように当該第１の画素群と隣接して行単位で設けられた第２の画素群とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第１の画素群の各画素の信号電荷を第１信号成分として読み出すとともに、当該読み出し後に前記画素の信号電荷を排出し、所定時間経過した後前記第１，第２の画素群の各画素の信号電荷を読み出しかつ混合することによって前記第１の信号成分よりも蓄積時間が短い第２信号成分とするステップと、
前記第１信号成分と前記第２信号成分とを垂直転送するステップと、
前記垂直転送した前記第１信号成分と前記第２信号成分とを水平転送するステップと、
前記水平転送した前記第１信号成分と前記第２信号成分とを加算して出力するステップと
を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 A first pixel group in which pixels are provided in units of rows, and a second pixel provided in units of rows adjacent to the first pixel groups so that the first pixel groups and pixel columns have a corresponding relationship. A driving method of a solid-state imaging device having a pixel group,
The signal charge of each pixel of the first pixel group is read as a first signal component, the signal charge of the pixel is discharged after the reading, and each pixel of the first and second pixel groups after a predetermined time has elapsed. A second signal component having a shorter accumulation time than the first signal component by reading and mixing the signal charges of
Vertically transferring the first signal component and the second signal component;
Horizontally transferring the vertically transferred first signal component and the second signal component;
Adding the horizontally transferred first signal component and the second signal component and outputting the sum;
A method for driving a solid-state imaging device, comprising: 前記第１信号成分を構成する画素数は、前記第２信号成分を構成する画素数と同じ
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。The driving method of the solid-state imaging device according to claim 5 , wherein the number of pixels constituting the first signal component is the same as the number of pixels constituting the second signal component. 前記第１信号成分を構成する画素数は、前記第２信号成分を構成する画素数よりも少ない
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。The method for driving a solid-state imaging device according to claim 5 , wherein the number of pixels constituting the first signal component is smaller than the number of pixels constituting the second signal component. 前記加算して出力するステップでは、前記第１信号成分に対して所定のクリップレベルでスライスを施す
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。 6. The method of driving a solid-state imaging device according to claim 5, wherein, in the adding and outputting step, the first signal component is sliced at a predetermined clip level. 被写体からの入射光を結像させる光学系と、
画素が行単位で設けられた第１の画素群と、前記第１の画素群と画素列が対応関係を持つように当該第１の画素群と隣接して行単位で設けられた第２の画素群とを有し、前記光学系によって結像された像光を画素単位で光電変換する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理系とを備え、
前記固体撮像装置は、
前記第１の画素群の各画素の信号電荷を第１信号成分として読み出すとともに、当該読み出し後に前記画素の信号電荷を排出し、所定時間経過した後前記第１，第２の画素群の各画素の信号電荷を読み出しかつ混合することによって前記第１の信号成分よりも蓄積時間が短い第２信号成分とする駆動を行う駆動手段と、
前記第１信号成分と前記第２信号成分とを垂直転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部によって垂直転送された前記第１信号成分と前記第２信号成分とを水平転送する水平転送部と、
前記水平転送部によって水平転送された前記第１信号成分と前記第２信号成分とを加算して出力する電荷検出部とを備える
ことを特徴とするカメラ。An optical system for imaging incident light from a subject;
A first pixel group in which pixels are provided in units of rows, and a second pixel provided in units of rows adjacent to the first pixel groups so that the first pixel groups and pixel columns have a corresponding relationship. A solid-state imaging device having a pixel group and photoelectrically converting image light imaged by the optical system in units of pixels;
A signal processing system for processing the output signal of the solid-state imaging device ,
The solid-state imaging device
The signal charge of each pixel of the first pixel group is read as a first signal component, the signal charge of the pixel is discharged after the reading, and each pixel of the first and second pixel groups after a predetermined time has elapsed. Driving means for driving to a second signal component having a shorter accumulation time than the first signal component by reading and mixing the signal charges of
A vertical transfer unit that vertically transfers the first signal component and the second signal component;
A horizontal transfer unit that horizontally transfers the first signal component and the second signal component vertically transferred by the vertical transfer unit;
A camera comprising: a charge detection unit that adds and outputs the first signal component and the second signal component horizontally transferred by the horizontal transfer unit . 前記電荷検出部は、前記第１信号成分に対して所定のクリップレベルでスライスを施す
ことを特徴とする請求項９記載のカメラ。The camera according to claim 9 , wherein the charge detection unit slices the first signal component at a predetermined clip level.
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