JP3988207B2 - 固体撮像装置およびその撮像方法 - Google Patents
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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、例えば、電荷蓄積期間を複数の期間に分割し、各期間における電荷蓄積時間長を撮像対象物からの入射光量に応じて制御することにより、各期間の入射光量−感度特性を制御でき、入射光量に対して飽和しにくく、ダイナミックレンジが広くできる固体撮像装置およびその撮像方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device:電荷結合デバイス）などを用いた固体撮像装置において、光センサとしての受光素子の電荷蓄積時間を複数の期間に分割し、それぞれの分割期間の違いに相当する感度差を利用して、映像信号の入射光量に対して飽和しにくくする撮像方式が知られている。
【０００３】
図７は従来の固体撮像装置の一構成例を示すブロック図である。
図示のように、本例の固体撮像装置は、対物レンズ１０、光学フィルタ２０、固体撮像素子３０、信号処理回路４０、駆動回路５０、タイミング発生回路６０および同期信号発生回路７０により構成されている。
【０００４】
同期信号発生回路７０により水平同期信号ＨＤと垂直同期信号ＶＤがそれぞれ発生される。タイミング発生回路６０は同期信号発生回路７０から水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤに同期して動作し、固体撮像装置全体の動作タイミングを制御する駆動パルス信号Ｓ６０を発生する。駆動回路５０は、タイミング発生回路６０から駆動パルス信号Ｓ６０を電流増幅して、固体撮像素子３０に入力する。
【０００５】
撮像対象物からの入射光は、対物レンズ１０および光学フィルタ２０を介して固体撮像素子３０に照射される。固体撮像素子３０は、駆動回路５０により増幅された駆動パルス信号Ｓ５０により設定したタイミングで、入射光量に応じた電気信号である画像信号Ｓ３０を生成し、信号処理回路４０に出力する。信号処理回路４０は、固体撮像素子３０からの画像信号を処理して、それに同期信号発生回路７０からの水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤを加えた後、ビデオ信号ＳVDO として出力する。
【０００６】
図８は固体撮像素子３０の内部の構成を示す配置図である。図示のように、固体撮像素子３０は、マトリクス状に配置された複数、例えば、（ｍ×ｎ、ｍ，ｎは正整数である）個の受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 ，…，ＰＤm,n により構成されている受光部、受光部の列方向に連なって、受光素子の各列ごとに設けられている転送素子からなる垂直転送部３２、垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送する転送素子からなる水平転送部３４、水平転送部の終端に設けられ、電荷の有無を検出する電荷検出アンプ３６、電荷検出アンプ３６からの信号を出力する出力アンプ３８により構成されている。
なお、垂直転送部３２は、例えば、マトリクス状に配置されている受光素子の列に応じて、当該列方向に配置されているｎ列の転送素子３２-1，３２-2，…，３２-nにより構成されている。
【０００７】
受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 ，…，ＰＤm,n は、例えば、露光期間（電荷蓄積期間）中に入射した光量に応じて所定量の電荷を蓄積するフォトダイオードなどの光センサにより構成され、垂直転送素子および水平転送素子は、例えば、レジスタにより構成されている。
出力アンプ３８からの出力信号は、固体撮像素子３０により発生した画像信号Ｓ３０である。
【０００８】
図９は固体撮像素子３０の動作タイミングを示す波形図、図１０は固体撮像素子３０における電荷転送の動作を示す概念図である。以下、これらの図面を参照しつつ、本例の固体撮像装置の電荷蓄積および転送動作について説明する。
図９に示すように、固体撮像装置における電荷蓄積期間を二つの期間、即ち、露光期間Ａと露光期間Ｂとに分割されている。露光期間Ａは、通常動作期間中に、露光期間Ｂは、垂直ブランキング期間中にそれぞれ設定されている。
【０００９】
露光期間Ａに各受光素子に蓄積した電荷の内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO1 のタイミングで各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送部の転送素子（以下、単に垂直転送レジスタという）に読み出される。この動作は垂直転送レジスタ内の電荷転送が終了した後の垂直ブランキング期間に入って初めて可能となり、垂直ブランキング以外には行うことができない。また、この読み出し直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始する。
【００１０】
次に、垂直転送部において、垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO2 のタイミングで露光期間Ａに蓄積された電荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO2 のタイミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送レジスタに読み出される。同時に読み出し直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始する。
これにより、同一露光期間Ａに蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００１１】
次に、露光期間Ｂに蓄積された電荷の内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO3 のタイミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送レジスタに読み出される。さらに垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO4 のタイミングで露光期間Ｂに蓄積された電荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄積電荷が各受光素子から垂直転送レジスタに読み出される。
これにより、同一露光期間Ｂに蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００１２】
以上の一連の動作によって垂直転送レジスタには、露光期間Ａに蓄積された電荷と露光期間Ｂに蓄積された電荷が交互に保持される。読み出し動作が完了した後、垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａと露光期間Ｂにそれぞれ蓄積した信号電荷は時系列に電荷検出アンプ３６に転送され、電荷検出の結果が出力アンプ３８により増幅され、画像信号Ｓ３０として出力される。
【００１３】
上述したように、電荷蓄積期間が露光期間Ａと露光期間Ｂに分割され、それぞれの露光期間の違いから入射光量に対して、図１１（ａ）、（ｂ）に示す光量−感度特性が得られる。そして、固体撮像素子３０の後段に設けられている信号処理回路４０によってこれらの信号に対して加算／補正処理が行われ、固体撮像装置全体の特性として、図１１（ｃ）に示す光量−感度特性を得ることができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の固体撮像装置においては、露光期間Ｂは垂直ブランキング期間内にしか設定することができないため、図１１（ｂ）に示す露光期間Ｂの光量−感度特性はこれ以上急峻な傾きを得ることができない。このため、露光期間Ａに対する感度比はこれ以上に大きく設定することができず、固体撮像装置のダイナミックレンジを広く取れず、高輝度領域での光量−感度特性が潰れ過ぎて、不自然な画像となってしまう。または、露光期間Ａに対する感度比を大きくするためには、電子シャッタなどを使って露光期間Ａの時間長を制限し、露光期間Ａの感度を抑制する必要がある。これによって、固体撮像装置全体の感度劣化を引き起こしてしまうという不利益がある。
【００１５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入射光に対する感度を低下させることなく、入射光量に対して飽和しにくい画像信号を生成でき、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置およびその撮像方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に蓄積した電荷を転送する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光素子で蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送して保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を転送させ、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を転送させる転送制御手段とを有する。
【００１７】
また、本発明の固体撮像装置は、画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送部とを有する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記第１期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を上記転送部に転送させ、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送する転送制御手段とを有する。
【００１８】
また、本発明の固体撮像装置は、画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送部とを有する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記第１期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、第３のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、上記第２期間終了後の第４のタイミングで上記受光部の奇数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、第５のタイミングで上記受光部の偶数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送させる転送制御手段とを有する。
【００１９】
また、本発明では、好適には上記電荷保持手段は、上記受光部の受光素子ごとに設けられ、上記第１のタイミングで上記受光部の各受光素子から送られてきた電荷を格納する電荷保持素子により構成されている。
さらに、好適には上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間の長さが上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御される
【００２０】
また、本発明の固体撮像装置の撮像方法は、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に電荷を蓄積し、蓄積電荷を転送する固体撮像装置の撮像方法であって、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段に保持し、第２のタイミングで上記保持した電荷を転送し、 上記第２期間終了後の第３のタイミングで当該第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を転送する。
【００２１】
また、本発明の固体撮像装置の撮像方法は、マトリックス状に配置された複数の受光素子が電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を上記受光素子列ごとに配置された転送部により転送する固体撮像装置の撮像方法であって、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段に保持し、第２のタイミングで上記保持された電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送し、第３のタイミングで上記保持された電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送し、上記第２期間終了後の第４のタイミングで当該第２期間中に奇数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送し、第５のタイミングで上記第２期間中に偶数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送する。
【００２２】
また、本発明の固体撮像装置の撮像方法では、好適には上記第２の転送動作後、上記垂直転送部において一回の転送動作が行われ、転送後の各転送素子の電荷は上記第３の転送動作で転送されてきた電荷と混合され、さらに上記第４の転送動作後、上記転送部において一回の転送動作が行われ、転送後の各転送素子の電荷は上記第５の転送動作で転送されてきた電荷と混合される。
【００２３】
本発明によれば、電荷蓄積期間が少なくとも二つの期間、例えば、第１期間と第２期間に分割され、受光素子からなる受光部で蓄積した電荷が各蓄積期間終了後に転送素子からなる転送部によって転送され、外部に出力される。
受光部はマトリクス状に配置された複数の受光素子により構成され、受光素子ごとに対応する受光素子の蓄積電荷を保持する電荷保持素子が設けられ、さらに、各列の受光素子に応じて当該列方向に電荷を転送する電荷転送素子からなる転送部が設けられている。
【００２４】
第１期間終了後の第１のタイミングで各受光素子に蓄積した電荷が一括して、電荷保持素子に転送される。電荷転送後、受光素子の電荷がクリアされ、空になった受光素子が次の受光期間が始まる。
第２のタイミングで電荷保持素子の内、奇数行の受光素子により蓄積された電荷が転送部の各転送素子に転送され、転送部において一回の転送動作が行われた後、第３のタイミングで電荷保持素子の内、偶数行の受光素子により蓄積された電荷が転送部の各転送素子に転送され、各転送素子において、奇数行の受光素子の蓄積電荷と混合される。
第３のタイミングで第２期間に奇数行の受光素子に蓄積した電荷が転送部の転送素子に転送され、転送部において一回の転送動作が行われた後、第５のタイミングで偶数行の受光素子に蓄積した電荷が転送部の転送素子に転送され、転送部の各転送素子において、奇数行の受光素子の蓄積電荷と混合される。
【００２５】
上述した電荷蓄積および転送動作によって、転送部を構成する各転送素子に第１期間と第２期間に蓄積した電荷が交互に保持される。その後、垂直転送、垂直−水平転送素子間転送および水平転送によって、第１および第２期間にそれぞれ蓄積した信号電荷が時系列に出力され、画像信号を得られる。
【００２６】
このため、従来の垂直ブランキング期間中のみに設定できる第２期間が任意のタイミングで始まることができ、第２期間における光量−感度特性の傾きを大きく設定することができ、入射光量に対する飽和しにくい映像信号特性が得られ、撮像装置のダイナミックレンジを広く設定される。さらに、第１、第２期間の比例を任意に設定できることにより、電子シャッタなどにより第１期間を抑制する必要がなくなり、第１期間における感度を低下させることなく、撮像装置全体の感度劣化を回避できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示す回路図である。
図示のように、本例の固体撮像装置は、対物レンズ１０、光学フィルタ２０、固体撮像素子３０ａ、信号処理回路４０、駆動回路５０、タイミング発生回路６０ａおよび同期信号発生回路７０により構成されている。
本実施形態の固体撮像装置は、図７に示す従来の固体撮像装置と較べると、固体撮像素子３０ａ、タイミング発生回路６０ａを除けば、他の構成部分はほぼ同じ回路により構成されている。よって、図１に示す固体撮像装置全体の信号の流れは、図６に示す従来の固体撮像装置とほぼ同様である。
【００２８】
ただし、本発明においては、固体撮像素子３０ａの構成および動作タイミングを工夫したことによって、固体撮像装置全体の感度を向上させ、高輝度領域における光量−感度特性の劣化を回避でき、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現した。また、改良が行われた固体撮像素子３０ａ動作タイミングを制御するため、タイミング発生回路６０ａにはそれに応じた変更が行われる。
【００２９】
図２は本実施形態における固体撮像素子３０ａの内部構成を示す配置図である。図示のように、固体撮像素子３０ａは、マトリクス状に配置された複数、例えば、（ｍ×ｎ）個の受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n により構成されている受光部を有し、さらに受光部に各受光素子ごとに電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n が設けられ、これによって本実施形態の固体撮像装置にはそれぞれの受光素子の蓄積電荷を保持する電荷保持機能が加えられた。さらに、図７に示す従来の固体撮像装置と同様に、受光部の列方向に連なって、受光素子の各列ごとに設けられている転送素子からなる垂直転送部３２、垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送する転送素子からなる水平転送部３４、水平転送部の終端に設けられ、電荷の有無を検出する電荷検出アンプ３６、電荷検出アンプ３６からの信号を出力する出力アンプ３８がそれぞれ設けられている。
【００３０】
受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，ＰＤ1,3 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，…，ＰＤ3,1 ，…，ＰＤm,1 …，ＰＤm,n は、例えば、露光期間中に入射した光量に応じて所定量の電荷を蓄積するフォトダイオードなどの光センサにより構成されている。電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n は、受光素子に蓄積した電荷を一時保持する電荷保持素子からなり、その例として、例えば、レジスタまたはキャパシタにより構成することができる。
【００３１】
垂直転送部３２は、例えば、マトリクス状に配置されている受光素子の列に応じて、当該列方向に配置されているｎ列の転送素子３２-1，３２-2，…，３２-nにより構成され、転送素子は、例えばレジスタにより構成されている。
水平転送部３４は、垂直転送部からの送られてきた電荷を水平方向（受光素子がなすマトリクスの行方向）に転送する水平転送素子からなる。なお、水平転送素子は、垂直転送素子と同様に、例えば、レジスタにより構成されている。
【００３２】
図３は本実施形態の固体撮像素子３０ａの動作タイミングを示す波形図、図４は固体撮像素子３０ａにおける電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。以下、これらの図面を参照しつつ、本実施形態の固体撮像装置の電荷蓄積および転送動作について説明する。
図３に示すように、本実施形態の固体撮像素子３０ａにおける電荷蓄積期間を二つの期間、即ち、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１とに分割されている。露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１は、通常動作期間と垂直ブランキング期間の間に、任意に配分されている。
【００３３】
露光期間Ａ１に各受光素子に蓄積した電荷が時間ＴRO1 のタイミングで各受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n からそれぞれの受光素子に応じて設けられている電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n に読み出される。なお、この読み出し動作は垂直転送レジスタ内の信号電荷に影響を与えないため、垂直転送が終了したか否かに関わらず、任意のタイミングで行うことが可能である。また、この読み出し直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始する。
【００３４】
図４は、固体撮像素子３０ａにおける受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ2,i ，…，ＰＤm,i からなる一行の受光素子、電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ2,i ，…，ＣＲm,i からなる一行の電荷保持素子および垂直転送レジスタ３０-iの電荷蓄積および転送動作を図示したものである。
同図（ａ）は、例として受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ2,i ，…，ＰＤm,i から電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ2,i ，…，ＣＲm,i に信号電荷が転送される様子を示している。
【００３５】
次に、前フィールドの信号電荷の垂直転送が終了した後、図３に示す時間ＴRO2 のタイミングで各電荷保持素子の内、奇数行の受光素子により露光期間Ａ１に蓄積した信号電荷が垂直レジスタに読み出される。
図４（ｂ）に示すように、受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…などの奇数行の受光素子に対応した電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ3,i ，…に保持されている電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。
【００３６】
次に、垂直転送部において、垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO3 のタイミングで各電荷保持素子の内、偶数行の受光素子により露光期間Ａ１に蓄積した信号電荷が垂直レジスタに読み出される。
図４（ｃ）に示すように、受光素子ＰＤ2,i ，ＰＤ4,i ，…などの偶数行の受光素子に対応した電荷保持素子ＣＲ2,i ，ＣＲ4,i ，…に保持されている電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。
これにより、同一露光期間Ａ１に蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００３７】
次に、露光期間Ｂ１に蓄積された電荷の内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO4 のタイミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送レジスタに読み出される。そして垂直転送部において垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO5 のタイミングで露光期間Ｂ１に蓄積された電荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄積電荷が各受光素子から垂直転送レジスタに読み出される。
これにより、同一露光期間Ｂ１に蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００３８】
図４（ｄ）に示すように、受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…などの奇数行の受光素子に蓄積した信号電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。図４（ｅ）に示すように、受光素子ＰＤ2,i ，ＰＤ4,i ，…などの偶数行の受光素子に蓄積した信号電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送され、垂直転送レジスタ３２-iにおいて、垂直転送で送られてきた奇数行の受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…により蓄積した信号電荷と混合される。
【００３９】
以上述べた一連の動作によって垂直転送レジスタには、露光期間Ａ１に蓄積された電荷と露光期間Ｂ１に蓄積された電荷が交互に保持される。そして、読み出しが完了した後、垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１に蓄積した信号電荷は時系列に電荷検出アンプ３６に転送され、電荷検出の結果が出力アンプ３８により増幅され、画像信号Ｓ３０ａとして出力される。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、露光期間Ａ１に受光素子に蓄積した信号電荷を時間ＴRO1 のタイミングで電荷保持素子に転送し、からになった受光素子が次の蓄積動作を開始する。前フィールドの垂直転送終了後、時間ＴRO2 のタイミングで奇数行の電荷保持素子の保持電荷を垂直転送レジスタに転送し、一回垂直転送した後、時間ＴRO3 のタイミングで偶数行の電荷保持素子の保持電荷を垂直転送レジスタに転送し、奇数行の信号電荷と混合する。露光期間Ｂ１に奇数行の受光素子の蓄積電荷を時間ＴRO4 のタイミングで垂直転送レジスタに転送し、一回垂直転送した後、時間ＴRO5 のタイミングで偶数行の受光素子の蓄積電荷を垂直転送レジスタに転送し、奇数行の蓄積電荷と混合する。垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１に蓄積した信号電荷を時系列に電荷検出アンプ３６に転送し、電荷検出の結果を出力アンプ３８により増幅し、画像信号Ｓ３０ａとして出力する。
【００４１】
このように、露光期間Ａ１、Ｂ１のそれぞれの信号電荷は、それぞれの露光期間の違いから、入力光量に対して、図５（ａ）、（ｂ）に示す光量−感度特性が得られる。そして、固体撮像素子３０ａの後段に設けられている信号処理回路４０によってこれらの信号に対して加算／補正処理が行われ、固体撮像装置全体の特性として、図５（ｃ）に示す光量−感度特性を得ることができる。
本発明では、露光期間Ｂ１は垂直ブランキング期間以外の期間にも任意に設定できるため、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、それぞれの露光期間に対応した感度特性の傾きを任意に制御することができる。
【００４２】
また、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１との感度比を任意に設定できるため、中低輝度領域と高輝度領域の光量−感度特性のバランスを自由に設定できるため、被写体の状況や使用目的に応じて固体撮像装置のダイナミックレンジを任意に設定することができる。さらに、電子シャッタなどを使って露光期間Ａ１の感度を抑制する必要がないため、撮像全体の感度性能を最大限に活用することができる。
【００４３】
なお、以上図２に示す構成例に基づき本発明について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、一画素あたりの露光期間を二つ以上に分割して、被写体の状況や使用目的に応じてそれぞれの露光期間を任意に設定することにより、各期間における光量−感度特性を細かく制御でき、固体撮像装置のダイナミックレンジをさらに広げることが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置およびその撮像方法によれば、電荷蓄積時間を複数の期間に分割し、状況に応じて各期間の感度比を任意に設定でき、撮像装置のダイナミックレンジを撮像条件および使用目的に応じて自由に設定できる。
さらに、撮像装置の感度の抑制することなく、撮像全体の感度性能を最大限に活用することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】 本発明における固体撮像素子の内部構成を示す配置図である。
【図３】 本発明における固体撮像素子の動作タイミングを示す波形図である。
【図４】 本発明における固体撮像素子における電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。
【図５】 本発明の固体撮像装置の光量−感度特性を示すグラフである。
【図６】 従来の固体撮像装置の一例を示すブロック図である。
【図７】 従来の固体撮像素子の内部構成を示す配置図である。
【図８】 従来の固体撮像素子の動作タイミングを示す波形図である。
【図９】 従来の固体撮像素子における電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。
【図１０】 従来の固体撮像装置の光量−感度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…対物レンズ、２０…光学フィルタ、３０，３０ａ…固体撮像素子、４０…信号処理回路、５０…駆動回路、６０，６０ａ…タイミング発生回路、７０…同期信号発生回路、ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n …受光素子、ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n …電荷保持素子、３２…垂直転送部、３２-1，３２-2，…，３２-n…垂直転送レジスタ、３４…水平転送分、３６…電荷検出アンプ、３８…出力アンプ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置、例えば、電荷蓄積期間を複数の期間に分割し、各期間における電荷蓄積時間長を撮像対象物からの入射光量に応じて制御することにより、各期間の入射光量−感度特性を制御でき、入射光量に対して飽和しにくく、ダイナミックレンジが広くできる固体撮像装置およびその撮像方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device:電荷結合デバイス）などを用いた固体撮像装置において、光センサとしての受光素子の電荷蓄積時間を複数の期間に分割し、それぞれの分割期間の違いに相当する感度差を利用して、映像信号の入射光量に対して飽和しにくくする撮像方式が知られている。
【０００３】
図７は従来の固体撮像装置の一構成例を示すブロック図である。
図示のように、本例の固体撮像装置は、対物レンズ１０、光学フィルタ２０、固体撮像素子３０、信号処理回路４０、駆動回路５０、タイミング発生回路６０および同期信号発生回路７０により構成されている。
【０００４】
同期信号発生回路７０により水平同期信号ＨＤと垂直同期信号ＶＤがそれぞれ発生される。タイミング発生回路６０は同期信号発生回路７０から水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤに同期して動作し、固体撮像装置全体の動作タイミングを制御する駆動パルス信号Ｓ６０を発生する。駆動回路５０は、タイミング発生回路６０から駆動パルス信号Ｓ６０を電流増幅して、固体撮像素子３０に入力する。
【０００５】
撮像対象物からの入射光は、対物レンズ１０および光学フィルタ２０を介して固体撮像素子３０に照射される。固体撮像素子３０は、駆動回路５０により増幅された駆動パルス信号Ｓ５０により設定したタイミングで、入射光量に応じた電気信号である画像信号Ｓ３０を生成し、信号処理回路４０に出力する。信号処理回路４０は、固体撮像素子３０からの画像信号を処理して、それに同期信号発生回路７０からの水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤを加えた後、ビデオ信号ＳVDO として出力する。
【０００６】
図８は固体撮像素子３０の内部の構成を示す配置図である。図示のように、固体撮像素子３０は、マトリクス状に配置された複数、例えば、（ｍ×ｎ、ｍ，ｎは正整数である）個の受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 ，…，ＰＤm,n により構成されている受光部、受光部の列方向に連なって、受光素子の各列ごとに設けられている転送素子からなる垂直転送部３２、垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送する転送素子からなる水平転送部３４、水平転送部の終端に設けられ、電荷の有無を検出する電荷検出アンプ３６、電荷検出アンプ３６からの信号を出力する出力アンプ３８により構成されている。
なお、垂直転送部３２は、例えば、マトリクス状に配置されている受光素子の列に応じて、当該列方向に配置されているｎ列の転送素子３２-1，３２-2，…，３２-nにより構成されている。
【０００７】
受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 ，…，ＰＤm,n は、例えば、露光期間（電荷蓄積期間）中に入射した光量に応じて所定量の電荷を蓄積するフォトダイオードなどの光センサにより構成され、垂直転送素子および水平転送素子は、例えば、レジスタにより構成されている。
出力アンプ３８からの出力信号は、固体撮像素子３０により発生した画像信号Ｓ３０である。
【０００８】
図９は固体撮像素子３０の動作タイミングを示す波形図、図１０は固体撮像素子３０における電荷転送の動作を示す概念図である。以下、これらの図面を参照しつつ、本例の固体撮像装置の電荷蓄積および転送動作について説明する。
図９に示すように、固体撮像装置における電荷蓄積期間を二つの期間、即ち、露光期間Ａと露光期間Ｂとに分割されている。露光期間Ａは、通常動作期間中に、露光期間Ｂは、垂直ブランキング期間中にそれぞれ設定されている。
【０００９】
露光期間Ａに各受光素子に蓄積した電荷の内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO1 のタイミングで各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送部の転送素子（以下、単に垂直転送レジスタという）に読み出される。この動作は垂直転送レジスタ内の電荷転送が終了した後の垂直ブランキング期間に入って初めて可能となり、垂直ブランキング以外には行うことができない。また、この読み出し直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始する。
【００１０】
次に、垂直転送部において、垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO2 のタイミングで露光期間Ａに蓄積された電荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO2 のタイミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送レジスタに読み出される。同時に読み出し直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始する。
これにより、同一露光期間Ａに蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００１１】
次に、露光期間Ｂに蓄積された電荷の内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO3 のタイミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送レジスタに読み出される。さらに垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO4 のタイミングで露光期間Ｂに蓄積された電荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄積電荷が各受光素子から垂直転送レジスタに読み出される。
これにより、同一露光期間Ｂに蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００１２】
以上の一連の動作によって垂直転送レジスタには、露光期間Ａに蓄積された電荷と露光期間Ｂに蓄積された電荷が交互に保持される。読み出し動作が完了した後、垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａと露光期間Ｂにそれぞれ蓄積した信号電荷は時系列に電荷検出アンプ３６に転送され、電荷検出の結果が出力アンプ３８により増幅され、画像信号Ｓ３０として出力される。
【００１３】
上述したように、電荷蓄積期間が露光期間Ａと露光期間Ｂに分割され、それぞれの露光期間の違いから入射光量に対して、図１１（ａ）、（ｂ）に示す光量−感度特性が得られる。そして、固体撮像素子３０の後段に設けられている信号処理回路４０によってこれらの信号に対して加算／補正処理が行われ、固体撮像装置全体の特性として、図１１（ｃ）に示す光量−感度特性を得ることができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の固体撮像装置においては、露光期間Ｂは垂直ブランキング期間内にしか設定することができないため、図１１（ｂ）に示す露光期間Ｂの光量−感度特性はこれ以上急峻な傾きを得ることができない。このため、露光期間Ａに対する感度比はこれ以上に大きく設定することができず、固体撮像装置のダイナミックレンジを広く取れず、高輝度領域での光量−感度特性が潰れ過ぎて、不自然な画像となってしまう。または、露光期間Ａに対する感度比を大きくするためには、電子シャッタなどを使って露光期間Ａの時間長を制限し、露光期間Ａの感度を抑制する必要がある。これによって、固体撮像装置全体の感度劣化を引き起こしてしまうという不利益がある。
【００１５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入射光に対する感度を低下させることなく、入射光量に対して飽和しにくい画像信号を生成でき、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置およびその撮像方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に蓄積した電荷を転送する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光素子で蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送して保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を転送させ、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を転送させる転送制御手段とを有する。
【００１７】
また、本発明の固体撮像装置は、画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送部とを有する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記第１期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を上記転送部に転送させ、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送する転送制御手段とを有する。
【００１８】
また、本発明の固体撮像装置は、画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送部とを有する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記第１期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、第３のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、上記第２期間終了後の第４のタイミングで上記受光部の奇数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、第５のタイミングで上記受光部の偶数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送させる転送制御手段とを有する。
【００１９】
また、本発明では、好適には上記電荷保持手段は、上記受光部の受光素子ごとに設けられ、上記第１のタイミングで上記受光部の各受光素子から送られてきた電荷を格納する電荷保持素子により構成されている。
さらに、好適には上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間の長さが上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御される
【００２０】
また、本発明の固体撮像装置の撮像方法は、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に電荷を蓄積し、蓄積電荷を転送する固体撮像装置の撮像方法であって、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段に保持し、第２のタイミングで上記保持した電荷を転送し、 上記第２期間終了後の第３のタイミングで当該第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を転送する。
【００２１】
また、本発明の固体撮像装置の撮像方法は、マトリックス状に配置された複数の受光素子が電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を上記受光素子列ごとに配置された転送部により転送する固体撮像装置の撮像方法であって、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段に保持し、第２のタイミングで上記保持された電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送し、第３のタイミングで上記保持された電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送し、上記第２期間終了後の第４のタイミングで当該第２期間中に奇数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送し、第５のタイミングで上記第２期間中に偶数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送する。
【００２２】
また、本発明の固体撮像装置の撮像方法では、好適には上記第２の転送動作後、上記垂直転送部において一回の転送動作が行われ、転送後の各転送素子の電荷は上記第３の転送動作で転送されてきた電荷と混合され、さらに上記第４の転送動作後、上記転送部において一回の転送動作が行われ、転送後の各転送素子の電荷は上記第５の転送動作で転送されてきた電荷と混合される。
【００２３】
本発明によれば、電荷蓄積期間が少なくとも二つの期間、例えば、第１期間と第２期間に分割され、受光素子からなる受光部で蓄積した電荷が各蓄積期間終了後に転送素子からなる転送部によって転送され、外部に出力される。
受光部はマトリクス状に配置された複数の受光素子により構成され、受光素子ごとに対応する受光素子の蓄積電荷を保持する電荷保持素子が設けられ、さらに、各列の受光素子に応じて当該列方向に電荷を転送する電荷転送素子からなる転送部が設けられている。
【００２４】
第１期間終了後の第１のタイミングで各受光素子に蓄積した電荷が一括して、電荷保持素子に転送される。電荷転送後、受光素子の電荷がクリアされ、空になった受光素子が次の受光期間が始まる。
第２のタイミングで電荷保持素子の内、奇数行の受光素子により蓄積された電荷が転送部の各転送素子に転送され、転送部において一回の転送動作が行われた後、第３のタイミングで電荷保持素子の内、偶数行の受光素子により蓄積された電荷が転送部の各転送素子に転送され、各転送素子において、奇数行の受光素子の蓄積電荷と混合される。
第３のタイミングで第２期間に奇数行の受光素子に蓄積した電荷が転送部の転送素子に転送され、転送部において一回の転送動作が行われた後、第５のタイミングで偶数行の受光素子に蓄積した電荷が転送部の転送素子に転送され、転送部の各転送素子において、奇数行の受光素子の蓄積電荷と混合される。
【００２５】
上述した電荷蓄積および転送動作によって、転送部を構成する各転送素子に第１期間と第２期間に蓄積した電荷が交互に保持される。その後、垂直転送、垂直−水平転送素子間転送および水平転送によって、第１および第２期間にそれぞれ蓄積した信号電荷が時系列に出力され、画像信号を得られる。
【００２６】
このため、従来の垂直ブランキング期間中のみに設定できる第２期間が任意のタイミングで始まることができ、第２期間における光量−感度特性の傾きを大きく設定することができ、入射光量に対する飽和しにくい映像信号特性が得られ、撮像装置のダイナミックレンジを広く設定される。さらに、第１、第２期間の比例を任意に設定できることにより、電子シャッタなどにより第１期間を抑制する必要がなくなり、第１期間における感度を低下させることなく、撮像装置全体の感度劣化を回避できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示す回路図である。
図示のように、本例の固体撮像装置は、対物レンズ１０、光学フィルタ２０、固体撮像素子３０ａ、信号処理回路４０、駆動回路５０、タイミング発生回路６０ａおよび同期信号発生回路７０により構成されている。
本実施形態の固体撮像装置は、図７に示す従来の固体撮像装置と較べると、固体撮像素子３０ａ、タイミング発生回路６０ａを除けば、他の構成部分はほぼ同じ回路により構成されている。よって、図１に示す固体撮像装置全体の信号の流れは、図６に示す従来の固体撮像装置とほぼ同様である。
【００２８】
ただし、本発明においては、固体撮像素子３０ａの構成および動作タイミングを工夫したことによって、固体撮像装置全体の感度を向上させ、高輝度領域における光量−感度特性の劣化を回避でき、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現した。また、改良が行われた固体撮像素子３０ａ動作タイミングを制御するため、タイミング発生回路６０ａにはそれに応じた変更が行われる。
【００２９】
図２は本実施形態における固体撮像素子３０ａの内部構成を示す配置図である。図示のように、固体撮像素子３０ａは、マトリクス状に配置された複数、例えば、（ｍ×ｎ）個の受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n により構成されている受光部を有し、さらに受光部に各受光素子ごとに電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n が設けられ、これによって本実施形態の固体撮像装置にはそれぞれの受光素子の蓄積電荷を保持する電荷保持機能が加えられた。さらに、図７に示す従来の固体撮像装置と同様に、受光部の列方向に連なって、受光素子の各列ごとに設けられている転送素子からなる垂直転送部３２、垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送する転送素子からなる水平転送部３４、水平転送部の終端に設けられ、電荷の有無を検出する電荷検出アンプ３６、電荷検出アンプ３６からの信号を出力する出力アンプ３８がそれぞれ設けられている。
【００３０】
受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，ＰＤ1,3 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，…，ＰＤ3,1 ，…，ＰＤm,1 …，ＰＤm,n は、例えば、露光期間中に入射した光量に応じて所定量の電荷を蓄積するフォトダイオードなどの光センサにより構成されている。電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n は、受光素子に蓄積した電荷を一時保持する電荷保持素子からなり、その例として、例えば、レジスタまたはキャパシタにより構成することができる。
【００３１】
垂直転送部３２は、例えば、マトリクス状に配置されている受光素子の列に応じて、当該列方向に配置されているｎ列の転送素子３２-1，３２-2，…，３２-nにより構成され、転送素子は、例えばレジスタにより構成されている。
水平転送部３４は、垂直転送部からの送られてきた電荷を水平方向（受光素子がなすマトリクスの行方向）に転送する水平転送素子からなる。なお、水平転送素子は、垂直転送素子と同様に、例えば、レジスタにより構成されている。
【００３２】
図３は本実施形態の固体撮像素子３０ａの動作タイミングを示す波形図、図４は固体撮像素子３０ａにおける電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。以下、これらの図面を参照しつつ、本実施形態の固体撮像装置の電荷蓄積および転送動作について説明する。
図３に示すように、本実施形態の固体撮像素子３０ａにおける電荷蓄積期間を二つの期間、即ち、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１とに分割されている。露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１は、通常動作期間と垂直ブランキング期間の間に、任意に配分されている。
【００３３】
露光期間Ａ１に各受光素子に蓄積した電荷が時間ＴRO1 のタイミングで各受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n からそれぞれの受光素子に応じて設けられている電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n に読み出される。なお、この読み出し動作は垂直転送レジスタ内の信号電荷に影響を与えないため、垂直転送が終了したか否かに関わらず、任意のタイミングで行うことが可能である。また、この読み出し直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始する。
【００３４】
図４は、固体撮像素子３０ａにおける受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ2,i ，…，ＰＤm,i からなる一行の受光素子、電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ2,i ，…，ＣＲm,i からなる一行の電荷保持素子および垂直転送レジスタ３０-iの電荷蓄積および転送動作を図示したものである。
同図（ａ）は、例として受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ2,i ，…，ＰＤm,i から電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ2,i ，…，ＣＲm,i に信号電荷が転送される様子を示している。
【００３５】
次に、前フィールドの信号電荷の垂直転送が終了した後、図３に示す時間ＴRO2 のタイミングで各電荷保持素子の内、奇数行の受光素子により露光期間Ａ１に蓄積した信号電荷が垂直レジスタに読み出される。
図４（ｂ）に示すように、受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…などの奇数行の受光素子に対応した電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ3,i ，…に保持されている電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。
【００３６】
次に、垂直転送部において、垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO3 のタイミングで各電荷保持素子の内、偶数行の受光素子により露光期間Ａ１に蓄積した信号電荷が垂直レジスタに読み出される。
図４（ｃ）に示すように、受光素子ＰＤ2,i ，ＰＤ4,i ，…などの偶数行の受光素子に対応した電荷保持素子ＣＲ2,i ，ＣＲ4,i ，…に保持されている電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。
これにより、同一露光期間Ａ１に蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００３７】
次に、露光期間Ｂ１に蓄積された電荷の内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO4 のタイミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送レジスタに読み出される。そして垂直転送部において垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO5 のタイミングで露光期間Ｂ１に蓄積された電荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄積電荷が各受光素子から垂直転送レジスタに読み出される。
これにより、同一露光期間Ｂ１に蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００３８】
図４（ｄ）に示すように、受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…などの奇数行の受光素子に蓄積した信号電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。図４（ｅ）に示すように、受光素子ＰＤ2,i ，ＰＤ4,i ，…などの偶数行の受光素子に蓄積した信号電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送され、垂直転送レジスタ３２-iにおいて、垂直転送で送られてきた奇数行の受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…により蓄積した信号電荷と混合される。
【００３９】
以上述べた一連の動作によって垂直転送レジスタには、露光期間Ａ１に蓄積された電荷と露光期間Ｂ１に蓄積された電荷が交互に保持される。そして、読み出しが完了した後、垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１に蓄積した信号電荷は時系列に電荷検出アンプ３６に転送され、電荷検出の結果が出力アンプ３８により増幅され、画像信号Ｓ３０ａとして出力される。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、露光期間Ａ１に受光素子に蓄積した信号電荷を時間ＴRO1 のタイミングで電荷保持素子に転送し、からになった受光素子が次の蓄積動作を開始する。前フィールドの垂直転送終了後、時間ＴRO2 のタイミングで奇数行の電荷保持素子の保持電荷を垂直転送レジスタに転送し、一回垂直転送した後、時間ＴRO3 のタイミングで偶数行の電荷保持素子の保持電荷を垂直転送レジスタに転送し、奇数行の信号電荷と混合する。露光期間Ｂ１に奇数行の受光素子の蓄積電荷を時間ＴRO4 のタイミングで垂直転送レジスタに転送し、一回垂直転送した後、時間ＴRO5 のタイミングで偶数行の受光素子の蓄積電荷を垂直転送レジスタに転送し、奇数行の蓄積電荷と混合する。垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１に蓄積した信号電荷を時系列に電荷検出アンプ３６に転送し、電荷検出の結果を出力アンプ３８により増幅し、画像信号Ｓ３０ａとして出力する。
【００４１】
このように、露光期間Ａ１、Ｂ１のそれぞれの信号電荷は、それぞれの露光期間の違いから、入力光量に対して、図５（ａ）、（ｂ）に示す光量−感度特性が得られる。そして、固体撮像素子３０ａの後段に設けられている信号処理回路４０によってこれらの信号に対して加算／補正処理が行われ、固体撮像装置全体の特性として、図５（ｃ）に示す光量−感度特性を得ることができる。
本発明では、露光期間Ｂ１は垂直ブランキング期間以外の期間にも任意に設定できるため、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、それぞれの露光期間に対応した感度特性の傾きを任意に制御することができる。
【００４２】
また、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１との感度比を任意に設定できるため、中低輝度領域と高輝度領域の光量−感度特性のバランスを自由に設定できるため、被写体の状況や使用目的に応じて固体撮像装置のダイナミックレンジを任意に設定することができる。さらに、電子シャッタなどを使って露光期間Ａ１の感度を抑制する必要がないため、撮像全体の感度性能を最大限に活用することができる。
【００４３】
なお、以上図２に示す構成例に基づき本発明について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、一画素あたりの露光期間を二つ以上に分割して、被写体の状況や使用目的に応じてそれぞれの露光期間を任意に設定することにより、各期間における光量−感度特性を細かく制御でき、固体撮像装置のダイナミックレンジをさらに広げることが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置およびその撮像方法によれば、電荷蓄積時間を複数の期間に分割し、状況に応じて各期間の感度比を任意に設定でき、撮像装置のダイナミックレンジを撮像条件および使用目的に応じて自由に設定できる。
さらに、撮像装置の感度の抑制することなく、撮像全体の感度性能を最大限に活用することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】 本発明における固体撮像素子の内部構成を示す配置図である。
【図３】 本発明における固体撮像素子の動作タイミングを示す波形図である。
【図４】 本発明における固体撮像素子における電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。
【図５】 本発明の固体撮像装置の光量−感度特性を示すグラフである。
【図６】 従来の固体撮像装置の一例を示すブロック図である。
【図７】 従来の固体撮像素子の内部構成を示す配置図である。
【図８】 従来の固体撮像素子の動作タイミングを示す波形図である。
【図９】 従来の固体撮像素子における電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。
【図１０】 従来の固体撮像装置の光量−感度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…対物レンズ、２０…光学フィルタ、３０，３０ａ…固体撮像素子、４０…信号処理回路、５０…駆動回路、６０，６０ａ…タイミング発生回路、７０…同期信号発生回路、ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n …受光素子、ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n …電荷保持素子、３２…垂直転送部、３２-1，３２-2，…，３２-n…垂直転送レジスタ、３４…水平転送分、３６…電荷検出アンプ、３８…出力アンプ。
Claims (22)
- 電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に蓄積した電荷を転送する固体撮像装置であって、
上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光素子で蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送して保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を転送させ、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を転送させる転送制御手段と
を有する固体撮像装置。 - 画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、
列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送部とを有する固体撮像装置であって、
上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記第１期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を上記転送部に転送させ、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送する転送制御手段と
を有する固体撮像装置。 - 上記第２のタイミングは、上記転送部において前のフィールドの画像に応じた蓄積電荷の転送が終了した後に設定されている
請求項２記載の固体撮像装置。 - 上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間の長さは、上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御される
請求項２記載の固体撮像装置。 - 画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、
列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送部とを有する固体撮像装置であって、
上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持する上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段と、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記第１期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、第３のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、上記第２期間終了後の第４のタイミングで上記受光部の奇数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送させ、第５のタイミングで上記受光部の偶数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送させる転送制御手段と
を有する固体撮像装置。 - 上記電荷保持手段は、上記第１のタイミングで上記受光部の各受光素子から送られてきた電荷を格納する複数の電荷保持素子により構成されている
請求項５記載の固体撮像装置。 - 上記第１のタイミングで上記受光部の受光素子に蓄積した電荷が上記電荷保持手段に転送した後、上記受光部の受光素子の電荷がクリアされ、次の電荷蓄積期間が開始する
請求項５記載の固体撮像装置。 - 上記第２のタイミングは、上記転送部において前のフィールドの画像に応じた蓄積電荷の転送が終了した後に設定されている
請求項５記載の固体撮像装置。 - 上記第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている奇数行の受光素子の蓄積電荷が上記転送部に転送した後、上記転送部において一回の転送動作が行われる
請求項５記載の固体撮像装置。 - 上記転送動作が行われた後、上記転送部に保持されている奇数行受光素子の蓄積電荷が、上記第３のタイミングで上記電荷保持手段から転送されてきた偶数行の受光素子の蓄積電荷と混合される
請求項９記載の固体撮像装置。 - 上記第４のタイミングで上記奇数行の受光素子の蓄積電荷が上記転送部に転送した後、上記転送部において一回の転送動作が行われる
請求項５記載の固体撮像装置。 - 上記転送動作が行われた後、上記転送部に保持されている奇数行受光素子の蓄積電荷が、上記第５のタイミングで上記偶数行の受光素子から転送されてきた蓄積電荷と混合される
請求項１１記載の固体撮像装置。 - 上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間の長さは、上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御される
請求項５記載の固体撮像装置。 - 電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に電荷を蓄積し、蓄積電荷を転送する固体撮像装置の撮像方法であって、
上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段に保持し、
第２のタイミングで上記保持した電荷を転送し、
上記第２期間終了後の第３のタイミングで当該第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を転送する
固体撮像装置の撮像方法。 - 上記第２のタイミングは、前のフィールドの画像に対応する蓄積電荷の転送終了後に設定されている
請求項１４に記載の固体撮像装置の撮像方法。 - 上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間の長さは、上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御される
請求項１４記載の固体撮像装置の撮像方法。 - マトリックス状に配置された複数の受光素子が電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を上記受光素子列ごとに配置された転送部により転送する固体撮像装置の撮像方法であって、
上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持手段に保持し、
第２のタイミングで上記保持された電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送し、
第３のタイミングで上記保持された電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部に転送し、
上記第２期間終了後の第４のタイミングで当該第２期間中に奇数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送し、
第５のタイミングで上記第２期間中に偶数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送する
固体撮像装置の撮像方法。 - 上記第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に保持した後、上記受光素子の電荷をクリアし、次の電荷蓄積期間を開始する
請求項１７記載の固体撮像装置の撮像方法。 - 上記第２のタイミングは、前のフィールドの画像に対応する蓄積電荷の転送終了後に設定されている
請求項１７に記載の固体撮像装置の撮像方法。 - 上記第２のタイミングでの転送動作の後、列方向に一回の転送動作が行われ、転送後の電荷は上記第３のタイミングで送られてきた電荷と混合される
請求項１７記載の固体撮像装置の撮像方法。 - 上記第４のタイミングでの転送動作の後、列方向に一回の転送動作が行われ、転送後の電荷は上記第５のタイミングで送られてきた電荷と混合される
請求項１７記載の固体撮像装置の撮像方法。 - 上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間の長さは、上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御される
請求項１７記載の固体撮像装置の撮像方法。
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