JPH04298175A - 固体撮像装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤ（電荷転送素子
）を用いた固体撮像装置に係わり、特にダイナミックレ
ンジの拡大をはかった固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ撮像素子等の固体撮像装置は、撮
像管に比べて小型軽量，高信頼性といった特徴があるた
め、ＮＴＳＣ方式の放送用ビデオカメラや民生用ビデオ
カメラ等に普及している。また、次世代のハイビジョン
放送（ＨＤ−ＴＶ）用のビデオカメラとしても期待され
ている。

【０００３】図５に、従来のビデオカメラに用いられる
インターライン転送型ＣＣＤ撮像素子（ＩＴ−ＣＣＤ）
の配置構成例を示す。ＩＴ−ＣＣＤは、光電変換部Ｃ、
垂直ＣＣＤ（Ｐ）、水平ＣＣＤ（Ｈ）、リセットトラン
ジスタＲ及び出力アンプＡ等から構成される。光電変換
部Ｃで光信号を信号電荷に変換し、垂直ＣＣＤへ転送し
、垂直ＣＣＤにφ１１，φ１２，φ１３，φ１４の４相
のクロックパルスを印加することで、水平ＣＣＤへ信号
電荷を転送する。水平ＣＣＤは２相のクロックパルスφ
Ｈ１，φＨ２で駆動し、最終的に信号電荷を出力アンプ
Ａで電圧に変換して出力する。また、一画素毎にリセッ
トトランジスタＲで信号電荷をクリアする。

【０００４】図６に、光電変換部Ｃでの信号電荷Ｑｃの
蓄積動作を示す。ＩＴ−ＣＣＤは、フィールド蓄積モー
ドで動作しているために、Ａフィールドでは光電変換部
Ｃの垂直方向の２画素加算の組合せを１ＨＡ　，２ＨＡ
　として垂直ＣＣＤで加算し、水平ＣＣＤで読出す。即
ち、１フィールド期間蓄積した信号電荷Ｑｃを垂直ＣＣ
ＤにＰＦ１のパルスを印加することにより、光電変換部
Ｃより垂直ＣＣＤに読出し、垂直ＣＣＤで１ＨＡ　，２
ＨＡ　の加算を行う。さらに、ラインシフトパルスＰＬ
　を印加して、水平転送パルスφＨ　で水平方向に読出
す。Ｂフィールドでは、Ａフィールド期間蓄積した信号
電荷をＰＦ２パルスで垂直ＣＣＤに転送し、垂直ＣＣＤ
で１ＨＢ　，２ＨＢ　の加算動作を行い、ラインシフト
パルスＰＬ　を印加して、水平転送パルスφＨで読出す
。

【０００５】この１フィールド期間に光電変換部Ｃで蓄
積される信号電荷Ｑｃは、標準信号量の時はＱＡ　のよ
うになり、ＰＦ１，ＰＦ２のパルスで１フィールドに期
間蓄積した信号電荷を読出す。しかし、入力信号が大き
い時はＱＢ　のように、１フィールド期間の途中で飽和
ＱＭＡＸ　となる。この場合、ハイライトの信号がつぶ
れるため、不自然な画像となる。特に、ＨＤ−ＴＶ用の
多画素化素子では、高密度化となるため垂直ＣＣＤが小
さくなり、ダイナミックレンジが低下して上記の問題が
顕著に現れる。

【０００６】このような問題を対策した駆動法として、
光電感度のハイライト部を圧縮してダイナミックレンジ
を向上する方法（特公平１−１８６２９号）が提案され
ており、通常ニー特性制御と呼ばれている。この方法は
、感光画素でクリップ動作をしてニー特性を得るもので
ある。このため、２次元的配置された各感光画素の読出
しゲート部のしきい値ムラが再生像に固定パターンノイ
ズとして表われる問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のビ
デオカメラでは、電球等のハイライト光が被写体に入る
と、標準信号の３〜５倍光以上はつぶれて再生されない
。また、自動感度付ビデオカメラでは、全体が黒くなる
ために、逆光等の人間の顔が黒くしずんでしまう問題が
あった。さらに、従来のニー特性制御法では、固定パタ
ーンノイズが発生して再生像を劣化させる問題があった
。

【０００８】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、ハイライト部でも固定パターンノイズを発生させ
ずに再生することのできる、高ダイナミックレンジの固
体撮像装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、２個以
上の隣接する感光画素を１組として、この１組の感光画
素の光電感度特性を異なるようにして光電変換し、得ら
れた信号電荷を別々に読出して、光電感度特性の高い方
の信号電荷はハイライト部をクリップしてから１画素の
信号に加算することにある。

【００１０】即ち本発明は、半導体基板上に二次元的に
配列された感光画素と、これらの感光画素の垂直配列方
向に沿って設けられた複数本の垂直転送部と、これらの
垂直転送部の転送端部に隣接して設けられた水平転送部
とを備え、感光画素で光電変換された信号電荷を垂直転
送部と水平転送部を通して出力する固体撮像装置におい
て、感光画素の隣接する複数個を１組とし、感光画素の
大きさや感光時間等を変えることにより各組内における
感光画素の光電感度特性を異ならせ、各組内における感
光画素の信号電荷を別々に読出して、垂直転送部，水平
転送部を転送させる。そして、これらの転送部を通して
出力される各組内の信号電荷のうち、光電感度特性の高
い方の信号電荷（光電変換特性の一番低い信号電荷以外
）は所定レベル以上をクリップしてから一画素の信号と
なるように加算するようにしたものである。

【００１１】ここで、光電感度特性を異ならせる手段と
しては、（１）　隣接する感光画素の大きさを異ならせ
る、（２）　隣接する感光画素の感光時間を異ならせる
、（３）　感光画素上部に設ける集光レンズの形状を隣
接する感光画素で異ならせる、（４）　隣接する感光画
素の光透過率を異ならせる、等の構成を採用すればよい
。

【００１２】

【作用】本発明によれば、光電感度特性の高い方の感光
画素はハイライト光が入射すると直ぐに飽和してしまう
が、光電感度特性の低い方の感光画素はなかなか飽和し
ない。さらに、入力光のレベルが小さい場合、光電感度
特性の低い方の感光画素では殆ど検知できないが、光電
感度特性の高い方の感光画素で十分に検知することがで
きる。従って、光電感度特性の異なる２つ若しくはそれ
以上の感光画素の出力信号を加算して画素信号を得るこ
とにより、高感度で、且つ高ダイナミックレンジを実現
することが可能となる。これは、ハイライト光や逆光に
対して強いビデオカメラの実現を容易とする。また、ハ
イライト光を圧縮して読出すことになるので、多画素化
によるダイナミックレンジの低下を改善することが可能
となる。

【００１３】また、本発明では感光画素でクリップ動作
をしないで、水平転送部以後でクリップ動作を行うため
、従来見られた感光画素の読出しゲートのしきい値のム
ラが固定パターンノイズとして表われる問題もない。 これは、水平転送部の転送端部に設けられた出力部又は
外部回路で、強制的に固定パターンノイズの原因となる
バラツキのある信号をクリップしてしまうことで可能と
なる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１５】図１は本発明の第１の実施例に係わる固体
撮像装置を示す概略構成図である。この装置は、第１の
感光画素１，第２の感光画素２，垂直ＣＣＤ３，水平Ｃ
ＣＤ４，出力ゲート５，フローテング拡散層６，リセッ
トゲート７，リセットドレイン８及び出力アンプ９等か
ら構成されている。

【００１６】感光画素１，２は二次元的配列され、垂直
ＣＣＤ３は感光画素の垂直配列方向に沿って配列され、
水平ＣＣＤ４は垂直ＣＣＤ３の転送端部に近接して配置
されている。また、出力ゲート５，フローテング拡散層
６，リセットゲート７及び出力アンプ９等からなる出力
部は、水平ＣＣＤ４の転送端部に近接して配置されてい
る。

【００１７】この撮像装置では、撮像エリアから入力し
た光信号は、感光画素１，２で信号電荷に変換される。 変換された信号電荷は、垂直ＣＣＤ３に読出され転送さ
れた後、水平ＣＣＤ４で転送される。垂直ＣＣＤ３は、
１個の感光画素で１組の転送段数を持っている。そして
、水平ＣＣＤ４も同様に、１個の感光画素で１組の転送
段数を持っている。

【００１８】垂直ＣＣＤ３は４相のクロックパルスφＶ
１，φＶ２，φＶ３，φＶ４で駆動され、水平ＣＣＤ４
は２相のクロックパルスφＨ１，φＨ２で駆動される。 図に示す●印は第１の感光画素１から読出された信号電
荷ＱＡ　を示し、○印は第２の感光画素２から読出され
た信号電荷ＱＢ　を示す。ＱＡ　は、垂直ＣＣＤ３を転
送され水平ＣＣＤ４の転送路４１　に入る。ＱＢ　は、
垂直ＣＣＤ３を転送され水平ＣＣＤ４の転送路４２　に
入る。このとき、転送路４１　は転送路４２　よりも先
にあることが必要である。そして、信号電荷ＱＡ　，Ｑ
Ｂ　は水平ＣＣＤ４を転送されフローティング拡散層６
で電圧に変換されて出力アンプ９を通りＯＳ端子より出
力される。

【００１９】次に、図２及び図３を参照して、信号電荷
をクリップする動作と信号電荷ＱＡ　と信号電荷ＱＢ　
を加算する動作について説明する。

【００２０】図２は、水平ＣＣＤ４の転送電極φＨ１，
φＨ２へ印加するパルス，リセットゲート７へ印加する
パルスＲＳ，及び出力端子ＯＳの信号電圧波形の関係を
示している。図３は、図２のパルスを印加したときの水
平ＣＣＤ４からリセットドレインＲＤまでの信号電荷の
変化を示している。

【００２１】図２のｔ１　，ｔ２　，ｔ３　の時刻は、
図３のｔ１　，ｔ２　，ｔ３　の時刻と一致しており、
図２のタイミングのとき、図３の動作が得られることを
示している。 図２のリセットゲート７へ印加するパルスＲＳにおいて
、パルスＶ１　は信号電荷をクリップする電圧を示し、
Ｖ２　は信号電荷を加算する電圧を示している。図２の
出力端子ＯＳの波形の中で、Ａは第１の感光画素１から
読出された信号電荷ＱＡ　を示し、Ｂは第２の感光画素
２から読出された信号電荷ＱＢ　を示している。また、
図３のＡ，Ｂも同様である。

【００２２】第１の感光画素１より得られた信号電荷は
、水平ＣＣＤ４の中の４１　へ転送される（図中●印の
ＱＡ　）。第２の感光画素２より得られた信号電荷は、
水平ＣＣＤ４の中の４２　へ転送される（図中○印のＱ
Ｂ　）。そして、水平ＣＣＤ４に２相のパルスφＨ１，
φＨ２を印加する。ｔ１　の時刻では水平ＣＣＤ４の最
後の電極が、図示の場合はφＨ２が高いレベルから低レ
ベルになるとき信号電荷ＱＡ　は出力ゲート５を越えて
フローティング拡散層６へ転送される。

【００２３】このとき、リセットゲート７へ印加するパ
ルスの低レベルをＶ１に設定しておき、ここにきた信号
電荷のハイライト部より少し少ないレベルでクリップす
るようにして、余分な信号電荷（第１の感光画素１のバ
ラツキ分）を図３に示す矢印の方向のリセットドレイン
８へ捨てる。この動作により、従来見られていた固定パ
ターンノイズを除去することが可能となる。そして、ｔ
２時刻では、リセットゲート７へ印加するパルスの低レ
ベルをＶ２　に設定する（Ｖ１　より低いレベルとなる
）。 次の時刻ｔ３　では、第２の感光画素２より得られた信
号電荷ＱＢ　が信号電荷ＱＡ　に加算される。

【００２４】図３に示した、ＡはＱＡ　が電圧に変換さ
れた状態を示し、ＢはＱＢ　が電圧に変換された状態を
示す。また、Ｐ１　はＶ１　を印加したときのポテンシ
ャル電位を示し、Ｐ２　はＶ２　を印加したときのポテ
ンシャル電位を示す。

【００２５】以上の動作により、信号電荷の大きい画素
（第１の感光画素１）の電圧レベルをハイライト部でク
リップした後、信号電荷の小さい画素の電圧と加算して
取出すことが可能となる。

【００２６】ここで、高ダイナミックレンジ動作につい
て説明する。図４は、感光画素の光入力量に対する信号
出力電圧の変化を示す図である。実線Ａは第１の感光画
素１に対応して、破線Ｂは第２の感光画素２に対応して
いる。

【００２７】第１の感光画素１は面積が大きいため感度
が高く速く飽和し、第２の感光画素２は面積が小さいた
め感度の飽和に時間がかかる。第１の感光画素１では、
実線Ａに示すように感度が高いために光入力ＩＡ　で飽
和される。このとき、感光画素１の飽和点のバラツキＱ
Ａ　は図のハッチングで示す範囲となる。このバラツキ
を出力部又は外部回路でＶＭ　点でクリップすれば、バ
ラツキのない光電変換特性Ａが得られる。

【００２８】第２の感光画素２では、感度が低いため飽
和しない信号出力Ｂ（破線で示す）が得られる。これら
得られた信号Ａ，Ｂを加算して−点鎖線Ａ＋Ｂの光電変
換特性を得る。この特性は、ニー特性となる。ここでは
、入力光ＩＡが第２の感光画素２が飽和するまでの点Ｉ
Ｂ　までダイナミックレンジが広くなったことになる。 例えば、第２の感光画素２の面積を第１の感光画素１の
面積の１／１００に設定すれば、第２の感光画素２が飽
和する点は第１の感光画素１の１００倍になるため、入
力光のダイナミックレンジは１００倍に広がることにな
る。

【００２９】なお、図４のＡ＋Ｂの信号の傾斜点（ニー
点と呼ぶ）ＶＭ　′は、第１の出力信号のクリップ点Ｖ
Ｍ　を変化することで容易に変えることができ。

【００３０】このように本実施例では、光電感度特性を
異なる２個の感光画素で１画素を形成することにより、
ダイナミックレンジの拡大をはかることができ、これに
より電球等のハイライト光でもつぶれずに再生すること
ができ、且つ逆光撮像でも被写体が黒くしずむ現象等を
解決することができる。しかも、感光画素でクリップ動
作を行うのではなく、出力部でバラツキのある信号電荷
をクリップしているので、従来見られた感光画素のムラ
を抑えて、固定パターンノイズの発生を未然に防止する
ことができる。

【００３１】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。実施例では、１線の水平ＣＣＤで説明
したが、第１の感光画素と第２の感光画素の信号電荷を
別々の水平ＣＣＤで転送する、即ち２線水平ＣＣＤを用
いてもよい。また、第１の感光画素の信号電圧をクリッ
プする手段として、信号電荷を電気信号に変換した後に
、外部回路に設けたクリップ回路で行うようにしてもよ
い。この場合、第１の信号電圧をクリップして第２の信
号電圧と同位相になる処理を行った後、２つの信号を加
算して１画素の信号電圧とすればよい。

【００３２】また、第１の感光画素と第２の感光画素の
感度を異ならせる手段は画素の大きさを異ならせる方法
に限定されない。例えば、第２の感光画素の光透過率を
低くしても実現できる。この場合、例えばポリＳｉの膜
厚を厚くして光透過率を下げることが可能である。また
、感光時間を異ならせてもよい。この場合、感光画素の
大きさは同じにして、第２の感光画素の感光時間のみ短
くすればよい。この方法は例えば、第２の感光画素のみ
に読出しゲートをオンして余分な信号電荷を掃出す。 そして、次の期間に第１、第２の感光画素の信号電荷を
読出すことで可能である。また、感度を異ならせる方法
として感光画素部に設けた集光レンズの形状を異ならせ
てもよい。さらに、これらの方法を併用することも可能
である。

【００３３】また、加算画素数は２画素に限るものでは
なく、３画素以上としてもよい。この場合、それぞれの
感度を異らせることによって、任意の光電変換特性、例
えばγ特性を作ることが可能である。また、実施例では
インターライン転送型ＣＣＤを用いたが、フレーム転送
型ＣＣＤ，フレーム・インターライン転送型ＣＣＤ，光
導電膜を積層したＣＣＤ，ＭＯＳ型素子等、画素信号を
独立して読出すことのできる撮像素子であれば、本発明
を適用可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、感
光画素の２個以上の隣接画素を１組として、各組内にお
ける感光画素の光電感度特性を異なるようにして光電変
換し、得られた信号電荷を別々に読出して垂直転送部，
水平転送部を転送し、光電感度が高い方の信号電荷を出
力部又は外部回路でクリップしたのち１画素信号に加算
している。従って、従来見られた感光画素での飽和のバ
ラツキによる固定パターンノイズを抑圧することができ
、高ダイナミックレンジの固体撮像装置を実現すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる撮像装置を示す概略
構成図、

【図２】実施例におけるパルス印加のタイミングを示す
信号波形図、

【図３】実施例におけるポテンシャルの変化及び信号電
荷の転送状態を示す模式図、

【図４】実施例装置の光電変換特性を従来装置と比較し
て示す特性図、

【図５】従来のＣＣＤ撮像装置を示す概略構成図、

【図
６】従来装置の動作を説明するためのタイミング図。

【符号の説明】

１…第１の感光画素、 ２…第２の感光画素、 ３…垂直ＣＣＤ、 ４…水平ＣＣＤ、 ５…出力ゲート、 ６…フローティング拡散層、 ７…リセットゲート、 ８…リセットドレイン、 ９…出力アンプ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に二次元的に配列された感光
   画素と、これらの感光画素の垂直配列方向に沿って設け
   られた複数本の垂直転送部と、これらの垂直転送部の転
   送端部に隣接して設けられた水平転送部とを備え、感光
   画素で光電変換された信号電荷を垂直転送部と水平転送
   部を通して出力する固体撮像装置において、前記感光画
   素の隣接する複数個を１組とし、各組内における感光画
   素の光電感度特性を異ならせる手段と、各組内における
   感光画素の信号電荷を別々に読出して垂直転送部，水平
   転送部を転送させる手段と、前記各転送部を通して出力
   される各組内の信号電荷のうち、光電感度特性の高い方
   の信号電荷に対し所定レベル以上をクリップする手段と
   、この手段によりクリップした信号電荷と光電感度特性
   の低い方の信号電荷を加算する手段とを具備してなるこ
   とを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】前記水平転送部の転送端部に出力ゲート，
   出力拡散層，リセットゲート及びリセットドレインから
   なる出力部が設けられ、リセットゲートに印加するパル
   スの低レベルを制御して前記クリップを行い、リセット
   ゲートに印加するパルスの周波数を前記水平転送部に印
   加する水平駆動パルスの周波数の整数分の１に設定して
   前記信号電荷の加算を行うことを特徴とする請求項１記
   載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】前記各組内における複数の信号電荷を別々
   に電気信号に変換して外部回路に取り出し、各組内にお
   ける光電感度特性の高い方に相当する信号を所定レベル
   でクリップし、このクリップした信号と光電感度特性の
   低い方に相当する信号とを、位相を合わせて加算するこ
   とを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。