JPH04115679A - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光・電気変換手段を有するビデオカメラ等の
固体撮像装置の駆動方法に関する。

従来の技術 近年、ビデオカメラ等の撮像装置には、ＣＣＤ等の固体
撮像装置が広く用いられている。固体撮像装置には、小
形軽量、空間分解能が画面で一様。

低残像である等、種々の長所がある。しかし、ＥＤＴＶ
、ＨＤＴＶなどの新放送方式における解像度向上に伴い
１画素毎の取扱電荷量が減少しダイナミックレンジが狭
くなるという課題がある。

第８図、第９図は従来の固体撮像装置を示すブロック図
およびその概念図である。第８図、第９図において、入
射光は光電変換手段３１にて光・電気変換を受け、電荷
として垂直転送手段３２に転送されて蓄積手段３４にて
蓄積され、１フィールドに渡って水平転送手段３５へ逐
次転送され出力端３６に出力される。入射光量が過大な
場合は、光電変換された電荷は、電荷除去手段３３に排
出される。

第１０図を用いて従来の固体撮像装置の動作を示す。第
１０図は従来の固体撮像装置の駆動方法の説明図であり
、横軸は電荷の移動する経路に沿ってとった距離、縦軸
は電圧ポテンシャルを示しており、斜線部は電荷である
。第１０図（ａ）の様にフォトダイオード（以下ＰＤと
記す）に蓄積された電荷は、同図ら）の様に垂直転送手
段（ＶＣＣＤ）に転送される。入射光量が大きい場合に
は、同図（Ｃ）の様に再びＰＣに電荷が蓄積される。

また、第７図は従来の固体撮像装置における電子シャッ
タ動作を示す図である。第７図において、（ａ）は垂直
同期信号（ｖｐ）、（ｂ）は水平同期信号（ＨＤ）を示
している。従来の固体撮像装置においては、同図（Ｃ）
の様に１フィールドの中の所定の゛時刻に第１のＰＤ電
荷除去を行い、残りの期間にＰＤに蓄積された電荷を第
１のＰＤ読み出しにて読み出し、転送することで電子シ
ャッタを実現している。この場合の時間解像度はＴ１で
ある。また、第７図（ｄ）の様に１フィールドの中の所
定の時刻に第２のＰＤ電荷除去を行い、残りの期間にＰ
Ｄに蓄積された電荷を第２のＰＤ読み出しにて読み出し
、転送する。この場合の時間解像度はＴ２である。この
ように従来の固体撮像装置においては、ＰＤ電荷除去時
刻を変化させることにより電子シャッタを達成している
。また、電子アイリスは撮像レンズの絞りを使用せず、
ＣＣＤの電荷読み出しだけで絞り値を変化させることが
できるため、回折によるＭＴＦ劣化を回避でき、ＨＤカ
メラにおいては有力な手段である。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、従来の固体撮像装置の駆動方法では、Ｖ
ＣＣＤの取扱電荷量が少ないために、第１０図（Ｃ）の
様にＰＤに蓄積された電荷は同図（ｄ）の様にオーバー
フロードレイン（ＯＦＤ）に排出せざるを得す、ＣＯＤ
のダイナミックレンジが狭くなってしまうという課題が
あった。

また、従来の固体撮像装置を用いて電子アイリスを実現
する場合、電子シャッタを応用すると蓄積電化量が変化
するため絞り値は可変となるが、時間解像度も同時に変
化してしまうという問題もある。

本発明は、従来の固体撮像装置の駆動方法に比べて大き
いダイナミックレンジが得られ、かつ時間解像度の変化
しない駆動方法を提供することを目的とするものである
。

課題を解決するための手段 本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換
手段にて光・電気変換したのち、前記光電変換手段に蓄
積された電荷をテレビ信号の垂直同期周波数のＮ倍で読
み出して垂直転送手段に転送し、前記垂直転送手段に転
送された電荷は垂直方向に転送されたのち、加算手段に
転送され、前記加算手段にて１フィールドにつきＮ回加
算されてエフィールド間の合計電荷として蓄積手段に転
送され、次の１フィールド間に渡って水平転送手段に逐
次転送されたのち出力端に出力されるように駆動される
。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光
電変換手段にて光・電気変換したのち、前記光電変換手
段に蓄積された電荷をテレビ信号の垂直同期周波数のＮ
倍で読み出して垂直転送手段に転送し、前記垂直転送手
段に転送された電荷は垂直方向に転送されたのち加算手
段に転送され、前記加算手段にて１フィールドにつきＮ
回加算されて１フィールド間の合計電荷として蓄積手段
に転送され、次の１フィールド間に渡って水平転送手段
に逐次転送されて水平方向に転送されたのち出力端に出
力され、前記光電変換手段もしくは前記垂直転送手段に
蓄積された不要な電荷を電荷除去手段に排出するように
駆動される。

作用 本発明の固体撮像装置の駆動方法は、上記した手法によ
り、従来に比べてＮ倍大きいダイナミックレンジを得る
ことができる。

また、電子アイリス動作において時間解像度の劣化がな
いという作用がある。したがって、高い解像度が要求さ
れるＨＤカメラなどにおいて機械絞りを使用することに
より発生する解像度劣化を回避するために、機械絞りを
使用しない電子アイリスを実現できる。

実施例 以下、本発明による固体撮像装置の駆動方法の一実施例
を図面を参照しながら説明する。第１図は本発明の駆動
方法を適用し得る固体撮像装置の一実施例を示すブロッ
ク図である。第１図に示すようにこの固体撮像装置は、
光電変換手段１と、垂直転送手段２と、オーバーフロー
ドレイン３と、加算手段４と、蓄積手段５と、水平転送
手段６と、出力端７とで構成される。入射光は光電変換
手段１にて光・電気変換を受けたのち、この光電変換手
段１に蓄積される。光電変換手段１に蓄積された電荷は
テレビ信号の垂直同期周波数のＮ倍で読み出されて垂直
転送手段２に転送される。垂直転送手段２に転送された
電荷は垂直方向に転送されたのち、加算手段４に転送さ
れる。この加算手段４において１フィールドにつきＮ回
電荷が加算され、１フィールド間の合計電荷が蓄積手段
５に転送される。蓄積手段５に蓄積された電荷は次の１
フィールド間に渡って水平転送手段６に逐次転送され出
力端７に出力される。本発明の固体撮像装置の一構成例
を第１図（Ｂ）に示す。

第３図は本発明の固体撮像装置の動作を示す図である。

第３図において、横軸は電荷移動経路にそってとった距
離、縦軸は電圧ポテンシャル、斜線部は電荷を示す。第
３図（ａ）に示すように、まず光電変換手段（ＰＤ）に
電荷が蓄積される。次に、第３図［有］）に示すように
、ＰＤに蓄積された電荷は加算部に転送され、第３図（
Ｃ）に示すように再びＰＤに電荷が蓄積される。次に、
第３図（Ｃ）に示すように、再度加算部に電荷が転送さ
れ、この電荷が既に転送された電荷（第２図（ｂ））と
加算される。

この一連の動作を１フィールドの中で完結させる。

第３図のプロセスでＰＤに蓄積できなかった電荷はオー
バーフロードレイン（ＯＦＤ）に排出する。

また、例えば垂直転送手段２に転送された不要な電荷は
電荷除去手段３に排出するように構成される。

第４図は本実施例に係る固体撮像装置の時間軸方向の動
作の一例を示した図である。第４図において、（ａ）は
垂直同期信号、（ｂ）は水平同期信号、（Ｃ）は本実施
例に係る固体撮像装置の時間軸方向の電荷処理を示す図
、（ｄ）は加算手段４から蓄積手段５への電荷転送を行
うタイミングパルスを示す。第４図（Ｃ）に示すように
、１回目の電荷蓄積期間において垂直転送手段２に蓄積
された不要な電荷を電荷除去手段３に排出したのち、１
回目の電荷読み出しを行い、垂直転送手段２にてこの電
荷を垂直方向に転送し、加算手段４にて電荷を加算する
と同時に光電変換手段１に２回目の電荷蓄積を行う。

次に、２回目の電荷蓄積期間において垂直転送手段２に
蓄積された不要な電荷を電荷除去手段３に排出したのち
、２回目の電荷読み出しを行い、垂直転送手段２にてこ
の電荷を垂直方向に転送し、加算手段４にて電荷を加算
する。加算手段４にて゛加算された電荷は、第４図（ｄ
）に示すタイミングパルスにより蓄積手段５に転送され
る。なお第４図においては、１フィールドに２回の電荷
転送を行う例を示したが、一般に１フィールドにＮ回の
電荷転送を行ってもよい。また蓄積動作および転送動作
、加算動作、電荷除去動作、ＰＤ電荷読みだし動作は第
４図ら）に示す水平同期信号に同期して実施するとよい
。

また本発明の固体撮像装置は電子シャッタとしても動作
する。第５図は本発明による固体撮像装置の駆動方法を
電子シャッタモードで行った場合の一例を示した図であ
る。第５図において、（ａ）は垂直同期信号、（ｂ）は
水平同期信号、（Ｃ）は電子シャッタ動作を示す図であ
る。第５図（Ｃ）に示すように、光電変換手段１に蓄積
された電荷を１フィールドの中の所定の時刻にて除去し
、１フィールドの残りの期間にて光電変換手段１に蓄積
された電荷を読み出し、垂直転送手段２にて転送して１
フィールドの映像信号として処理する。この１フィール
ドの中の所定の時刻を変化させることにより電子シャッ
タ動作を実現することができる。また、蓄積動作および
転送動作、電荷除去動作、ＰＤ電荷読み出し動作は第５
図（ｂ）の水平同期信号に同期して実施するとよい。

第６図は本発明の一実施例における固体撮像装置の駆動
方法による電子アイリス動作を示した図である。第６図
において、（ａ）は垂直同期信号、（ｂ）は水平同期信
号、（Ｃ）は本実施例の固体撮像装置の電子アイリスに
おける電荷処理動作を時間軸で示した図である。第６図
（Ｃ）に示すように、まず、１回目の電荷蓄積期間にお
いて垂直転送手段２に蓄積された不要な電荷を電荷除去
手段３に排出したあと、１回目の電荷読み出しを行う。

そして、垂直転送手段２にて垂直方向に転送し加算手段
４にて電荷を加算すると同時に、光電変換手段１により
２回目の電荷蓄積を行う。

次に光電変換手段１からの２回目の電荷読み出しを３回
目の電荷蓄積期間において実施し、垂直転送手段２に蓄
積された不要な電荷とＰＤ重電荷を同時に除去する。更
に、３回目の電荷蓄積期間゛に垂直転送手段２に蓄積さ
れた不要な電荷を電荷除去手段３に排出したあと、３回
目の電荷読み出しを行う。そして、垂直転送手段２にて
垂直方向に転送し、加算手段４にて電荷を加算する。加
算手段４にて加算された電荷は、第４図（ｄ）と同様に
タイミングパルスにより蓄積手段５に転送される。

第６図（Ｃ）において、４回目の電荷蓄積期間に蓄積さ
れた電荷は電荷除去手段３に排出される。この結果、１
フィールドの取扱電荷量が１／２に減少するため、等測
的にカメラとしてｌ絞り分だけ絞り込まれる。なお、第
６図においてはｌフィールドに４回の電荷読み出しを行
う例を示したが、−般に１フィールドにＮ回の電荷転送
を行ない、そのうちＭ回分の電荷を加算手段４に転送し
てもよい。この場合、絞りはＮ７Ｍとなる。また、蓄積
動作、転送動作、加算動作、電荷除去動作、および蓄積
動作、転送動作、電荷除去動作、ＰＤ電荷読み出し動作
は第６図（ｂ）の水平同期信号に同期して実施するとよ
い。

第１１図は垂直転送手段２の垂直方向電荷転送動作の一
例を示した図である。第１１図において、（ａ）は垂直
同期信号、Ｏ））は水平同期信号、（Ｃ）は本実施例の
固体撮像装置の垂直方向電荷転送動作を時間軸で示した
図である。第１１図（Ｃ）に示すように、１回目の電荷
蓄積期間に垂直転送手段に蓄積された不要な電荷を電荷
除去手段に排出したあと、１回目の電荷読み出しを行い
、以降の水平ブランキング期間に複数回に渡って、垂直
転送手段２にて垂直方向に転送し加算手段４にて電荷を
加算すると同時に光電変換手段工に２回目の電荷蓄積を
行う。

以下同様にして、Ｎ回の電荷蓄積および電荷読み出しを
行い、Ｎ回目においても同様に、水平ブランキング期間
に複数回に渡って垂直転送手段２にて垂直方向に転送し
、加算手段４にて電荷を加算する。この結果、電荷転送
による画面へのノイズ重畳を避けることができる。

第１２図は、本発明に係る電荷除去手段の一例を横から
見た断面図である。第１２図において、４１はアルミ（
Ａり光シールド、４２はチャンネルストップ、４３はｎ
層層、４４はｎ−層、４５はＰ層、４６はｎ−ＳｕＢ　
（基板）、４７はｎ層、４８は基板電圧回路、４９はＳ
ｉｎ、層である。

第１２図に示すように、垂直転送手段２の下のｎ型基板
を光電変換手段１の下のｎ型基板より厚く構成し、ｎ型
基板に外部から所定のレベルの電圧を加えることにより
垂直転送手段２に蓄積された不要な電荷を選択的に前記
ｎ型基板側へ排出するようにするとよい。第１２図の手
法によれば不要な電荷を瞬時に基板方向に除去できるた
め垂直転送による時間遅延を無視できるようになる。

発明の効果 以上のように本発明の駆動方法を固体撮像装置に適用す
れば、大きいダイナミックレンジを有しかつ、電子アイ
リス動作および電子シャッタ動作の可能な固体撮像装置
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の駆動方法を適用し得る固体撮像装置の
一実施例を示すブロック図、第２図は本発明に係る固体
撮像装置の構成例を示す図、第３図は本発明の駆動方法
による電荷の取扱いを示す図、第４図、第５図、第６図
は本発明の一実施例に係る固体撮像装置の駆動方法の説
明図、第７図は従来の固体撮像装置の電子シャッタ動作
の説明図、第８図は従来の固体撮像装置の一例を示す図
、第９図は、従来の固体撮像装置の構成例を示す図、第
１０図は従来の固体撮像装置の駆動方法による電荷の取
扱いを示す図、第１１図は他の本発明の駆動方法の一例
を示す図、第１２図は本発明に係る電荷除去手段の一例
を示す図である。 ■・・・・・・光電変換手段、２・・・・・・垂直転送
手段、３・・・・・・電荷除去手段、４・・・・・・加
算手段、５・・・・・・蓄積手段、６・・・・・・水平
転送手段、７・・・・・・出力端。 代理人の氏名　弁理士　小鍜治　明　はが２名第 図 第 図 転区 第 図 第 第 図 刀り騨邸 第 図 第１０図 ＶにＤ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光を光電変換手段にて光・電気変換したのち
   、前記光電変換手段に蓄積された電荷をテレビ信号の垂
   直同期周波数のＮ倍で読み出して垂直転送手段に転送し
   、前記垂直転送手段に転送された電荷は垂直方向に転送
   されたのち、加算手段に転送され、前記加算手段にて１
   フィールドにつきＮ回加算されて１フィールド間の合計
   電荷として蓄積手段に転送され、次の１フィールド間に
   渡って水平転送手段に逐次転送されたのち出力端に出力
   されることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. （２）入射光を光電変換手段にて光・電気変換したのち
   、前記光電変換手段に蓄積された電荷をテレビ信号の垂
   直同期周波数のＮ倍で読み出して垂直転送手段に転送し
   、前記垂直転送手段に転送された電荷は垂直方向に転送
   されたのち、加算手段に転送され、前記加算手段にて１
   フィールドにつきＮ回加算されて１フィールド間の合計
   電荷として蓄積手段に転送され、次の１フィールド間に
   渡って水平転送手段に逐次転送されて水平方向に転送さ
   れた後出力バッファを経て出力端に出力され、前記光電
   変換手段もしくは前記垂直転送手段に蓄積された不要な
   電荷を電荷除去手段に排出するようにした固体撮像装置
   の駆動方法。
3. （３）垂直転送手段に蓄積された不要な電荷を電荷除去
   手段に排出したのち光電変換手段からＮ回目の電荷読み
   出しを行い、垂直転送手段にて垂直方向に転送して加算
   手段にて電荷を加算し、さらに蓄積手段に転送したのち
   水平転送手段を介して出力端に出力するようにした請求
   項（２）記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. （４）Ｎ回目の電荷蓄積期間に垂直転送手段に蓄積され
   た不要な電荷を電荷除去手段に排出したのち光電変換手
   段からＮ回目の電荷読み出しを行い、垂直転送手段にて
   垂直方向に転送し加算手段にて電荷を加算すると同時に
   前記光電変換手段に（Ｎ＋１）回目の電荷蓄積を行うよ
   うにした請求項（２）記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. （５）１フィールドの中の所定の時刻に光電変換手段に
   蓄積された電荷が電荷除去手段に排出され、１フィール
   ドの残りの期間に前記光電変換手段に蓄積された電荷が
   垂直転送手段に読み出されて垂直方向に転送されたのち
   、加算手段を経て蓄積手段に転送され水平転送手段を介
   して出力端に出力するようにした請求項（２）記載の固
   体撮像装置の駆動方法。
6. （６）２Ｎ回目の電荷蓄積期間に垂直転送手段に蓄積さ
   れた不要な電荷を電荷除去手段に排出したのち光電変換
   手段から２Ｎ回目の電荷読み出しを行い、垂直転送手段
   にて垂直方向に転送し加算手段にて電荷を加算すると同
   時に前記光電変換手段に（２Ｎ＋１）回目の電荷蓄積を
   行ない、前記光電変換手段の（２Ｎ＋１）回目の蓄積電
   荷は前記垂直転送手段に読み出されて電荷除去手段に排
   出され、前記加算手段にて加算された電荷が蓄積手段に
   転送され、更に水平転送手段を経て水平方向に転送され
   て出力端に出力されるようにした請求項（２）記載の固
   体撮像装置の駆動方法。
7. （７）１フィールドにＮ回の電荷転送を行ない、そのう
   ちＭ（Ｍ＜Ｎ）回分の電荷を加算手段に転送して信号と
   して使用し、（Ｎ−Ｍ）回分の電荷を電荷除去手段に排
   出するようにした請求項（２）記載の固体撮像装置の駆
   動方法。
8. （８）Ｎ回目の電荷蓄積期間に垂直転送手段に蓄積され
   た不要な電荷を電荷除去手段に排出したのち光電変換手
   段からＮ回目の電荷読み出しを行い、水平ブランキング
   期間において複数回に渡って垂直転送手段にて垂直方向
   に転送し、加算手段にて電荷を加算すると同時に前記光
   電変換手段に（Ｎ＋１）回目の電荷蓄積を行うようにし
   た請求項（２）記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. （９）垂直転送手段を構成するｎ型基板を光電変換手段
   を構成するｎ型基板より厚く構成し、ｎ型基板全体に外
   部から所定のレベルの電圧を加えることにより前記垂直
   転送手段に蓄積された不要な電荷を選択的に前記垂直転
   送手段を構成するｎ型基板側へ排出することを特徴とす
   る請求項（２）記載の固体撮像装置の駆動方法。