JPH04373273A - 固体撮像素子及びそれを用いた固体撮像装置と固体撮像素子の信号読み出し方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子及びそれ
を用いた固体撮像装置と固体撮像素子の信号読み出し方
法に係り、特にランダムアクセス手段を備えた固体撮像
素子を用いて、ダイナミックレンジを改善した固体撮像
素子及びそれを用いた固体撮像装置と固体撮像素子の信
号読み出し方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体撮像装置において画像信号を
取り込む場合、同一画面内に明るい部分と暗い部分があ
り、どちらか一方に合わせて露光すると、明るい部分が
飽和して白く飛んだり、暗い部分が黒くつぶれたりする
という現象があり、再生画像を著しく劣化させていた。

【０００３】この現象を改善する方法として、１回目の
露光後に画像信号を画像メモリに記憶するとともに、明
るい部分か暗い部分を検出し、露光量を調節して２回目
の露光を行い、再度画像信号の読み直しを行うことで、
１回目の露光で画像が劣化した部分のみ画像メモリを書
き換えるという方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＣＣＤイメージセンサやＭＯＳ型イメージセンサ等の水
平方向・垂直方向に配列された複数の画素を用いた固体
撮像素子は、上記の改善方法では２回目の露光後に全て
の画素の読み出しを行わなければならないので、読み直
しを行った回数だけ撮影時間が長くなるという問題点や
、画像信号を記憶するためのメモリが必要であるため、
装置の小型化やコストの低減がむずかしいと言った問題
点があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子は
、各画素が、光電変換素子と、この光電変換素子に蓄積
した電荷を掃き出すリセット手段と、該光電変換素子に
蓄積した電荷を信号としてサンプルホールドするサンプ
ルホールド手段とを有する、配列された複数の画素を備
えるとともに、配列された複数の画素のうち所望の画素
を指定し、指定された画素の信号の読み出すランダムア
クセス手段を備えた固体撮像素子において、配列された
複数の画素のうち所望の画素を指定し、指定された画素
のリセット手段を制御するランダムリセット手段と、配
列された複数の画素のうち所望の画素を指定し、指定さ
れた画素のサンプルホールド手段を制御するランダムサ
ンプル手段とを設けたことを特徴とする。

【０００６】本発明の固体撮像装置は、上記本発明の固
体撮像素子を用いたものであって、上記固体撮像素子の
前記ランダムアクセス手段により読み出された一部又は
全部の画素からの信号と所定の基準レベル信号とを比較
する比較手段と、前記固体撮像素子の露光条件を制御す
る露光制御手段と、前記比較手段により、読み出された
信号のレベルが所定の信号レベル範囲外にあると判断さ
れた画素のリセット手段及びサンプルホールド手段を制
御するために前記固体撮像素子のランダムリセット手段
及び前記ランダムサンプル手段に制御信号を送るととも
に、露光条件を他の条件に設定するために前記露光制御
手段に制御信号を送る制御信号発生手段と、を備えたこ
とを特徴とする。

【０００７】本発明の固体撮像素子の信号読み出し方法
は、上記本発明の固体撮像素子を用いたものであって、
上記固体撮像素子を所定の露光条件により露光し、全画
素の光電変換素子からの信号を各画素に設けられたサン
プルホールド手段によりサンプルホールドする前記する
第１の過程と、サンプルホールドされた信号のレベルが
所定の信号レベル範囲外にある場合、この画素の光電変
換素子を前記固体撮像素子のリセット手段によりリセッ
トした後、前記所定の露光条件と異なる露光条件により
露光を行ない、リセット後に露光された光電変換素子か
らの信号のみを再度サンプルホールドする第２の過程と
、サンプルホールドされた全画素の信号のレベルが所定
の信号レベル範囲にある場合に、全画素からの信号をサ
ンプルホールド手段から所定の順序で読み出す第３の過
程と、を有することを特徴とする。

【０００８】

【作　　用】本発明の固体撮像素子は、配列された複数
の画素のうち所望の画素を指定し、指定された画素のリ
セット手段を制御するランダムリセット手段と、配列さ
れた複数の画素のうち所望の画素を指定し、指定された
画素のサンプルホールド手段を制御するランダムサンプ
ル手段とを設けることにより、必要とする画素のみをリ
セットして新たな露光条件により光電変換素子に電荷蓄
積することを可能とし、また必要とする画素のサンプル
ホールド手段にのみ新たな露光条件による信号をホール
ドすることを可能とするものである。

【０００９】本発明の固体撮像装置及び本発明の固体撮
像素子の信号読み出し方法は、上記本発明の固体撮像素
子を用いたものであって、全画素の光電変換素子からの
信号を各画素に設けられたサンプルホールド手段により
サンプルホールドし、サンプルホールドされた信号を読
み出して、露光量が多すぎて信号が飽和している画素が
あるか、又は露光量が少なすぎて信号レベルが小さい画
素があるかを検知し（サンプルホールドされた信号のレ
ベルが所定の信号レベル範囲内にあるか否かを検知する
）、この検知結果に基づいて、露光量が多すぎたり、露
光量が少なすぎたりしている画素のみをリセットし、露
光量を調整して再度露光を行ない、リセットされた画素
の光電変換素子からの信号をサンプルホールドし、サン
プルホールドされた全画素の信号のレベルが所定の信号
レベル範囲にある場合に、全画素からの信号をサンプル
ホールド手段から所定の順序で読み出すものである。

【００１０】本発明によれば、新たな露光を必要とする
場合であっても、リセット動作、サンプルホールド動作
は、必要とされる画素だけですみ、その他の画素の信号
は先の露光による信号を保持したままとすることができ
るので、新たな露光後にサンプルホールド手段から読み
出される全画素の信号は、既に必要とされる画素が新た
な露光による信号に書き換えられた信号となるため、先
の露光による画像信号を記憶しておくための外部メモリ
等は不要となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。

【００１２】［第１の実施例］図１および図２は、本発
明の特徴を最もよく表す図である。図１は、本発明によ
る固体撮像素子の概略的構成を示していて、１がＨ方向
・Ｖ方向に配列された複数の画素を有する撮像領域、２
が撮像領域１を構成する一つの画素、３，４，および５
が夫々、ランダムアクセス回路，ランダムリセット回路
，およびランダムサンプル回路のＨ方向デコーダである
。６がＨ方向アドレス線、７，８，および９が夫々、ラ
ンダムアクセス回路，ランダムリセット回路，およびラ
ンダムサンプル回路のＶ方向デコーダである。１０がＶ
方向アドレス線、１１がデータ線、１２が出力回路、１
３が固体撮像素子の出力端子、１４がＨ方向デコーダの
制御線、１５がＶ方向デコーダの制御線である。

【００１３】図２は、固体撮像素子の画素２を示してい
て、Ｄ１，Ｃ１が光電変換素子であるフォトダイオード
および蓄積容量、Ｔ１がフォトダイオードＤ１をリセッ
トするリセットトランジスタ、Ｔ２，Ｔ３が初段のソー
スフォロア回路、Ｔ４がサンプルトランジスタ、Ｃ２が
サンプル容量、Ｔ５，Ｔ６が二段目のソースフォロア回
路、Ｔ７がゲートをＶ方向アクセスアドレス線に接続し
てあるＶ方向アクセスパストランジスタ、Ｔ８がゲート
をＨ方向アクセスアドレス線に接続してあるＨ方向アク
セスパストランジスタ、Ｔ９がゲートをＶ方向リセット
アドレス線に接続してあるＶ方向リセットパストランジ
スタ、Ｔ１０がゲートをＨ方向リセットアドレス線に接
続してあるＨ方向リセットパストランジスタ、Ｔ１１が
ゲートをＶ方向サンプルアドレス線に接続してあるＶ方
向サンプルパストランジスタ、Ｔ１２がゲートをＨ方向
サンプルアドレス線に接続してあるＨ方向サンプルパス
トランジスタ、１６がデータ線１１に接続している画素
の出力端子である。

【００１４】以下、図１及び図２を用いて上記固体撮像
素子の信号読み出し動作について説明する。

【００１５】まず、図２に示したＨ方向リセットパルス
φＨｒおよびＶ方向リセットパルスφＶｒを加え、Ｈ方
向リセットパストランジスタＴ１０およびＶ方向リセッ
トパストランジスタＴ９をオンすることで、リセットト
ランジスタＴ１をオンして、蓄積容量Ｃ１に蓄積してい
る電荷を掃き出す。

【００１６】次に、リセットトランジスタＴ１をオフし
て、フォトダイオードＤ１を必要なだけ露光し、蓄積容
量Ｃ１に電荷を蓄積する。この時、初段のソースフォロ
ア回路によって、電荷量が電圧値に変換されているので
、Ｈ方向サンプルパルスφＨｓおよびＶ方向サンプルパ
ルスφＶｓを加え、Ｈ方向サンプルパストランジスタＴ
１２およびＶ方向サンプルパストランジスタＴ１１をオ
ンすることで、サンプルトランジスタＴ４をオンして、
その電圧値をサンプル容量Ｃ２に保持する。

【００１７】次に、サンプルトランジスタＴ４をオフす
る。サンプル容量Ｃ２に保持された電圧値は、再度サン
プルパルスによってサンプルトランジスタＴ４がオンす
るまでその電圧値を保持することができる。そして、そ
の電圧値は、Ｈ方向アクセスパルスφＨａおよびＶ方向
アクセスパルスφＶａを加え、Ｈ方向アクセスパストラ
ンジスタＴ８およびＶ方向アクセスパストランジスタＴ
７をオンすることで、画素の出力端子１６から出力され
る。出力された電圧値は、図１に示したデータ線１１、
出力回路１２および固体撮像素子の出力端子１３を通っ
て、画像信号として固体撮像素子から出力される。

【００１８】図３は、図１に示す固体撮像素子を用いた
固体撮像装置のうち、固体撮像素子の周辺回路を示した
ブロック図であり、１７が固体撮像素子、１８が比較器
、１９が制御信号発生器、２０が露光量を調節する手段
としてのシャッタと絞り、２１が画像信号線である。

【００１９】それでは、図１、図２および図３を用いて
本発明の第１の実施例による信号読み出し動作について
説明する。

【００２０】まず、固体撮像素子１７のランダムリセッ
ト回路を動作させて、全画素のフォトダイオードＤ１お
よび蓄積容量Ｃ１の電荷を所定の順序でリセットし、あ
る露光条件で１回目の露光を行った後、ランダムサンプ
ル回路を動作させて、全画素のフォトダイオードＤ１お
よび蓄積容量Ｃ１に蓄積している電荷を電圧変換して所
定の順序でサンプルホールドする。

【００２１】次に、ランダムアクセス回路を動作させて
、全画素がサンプルホールドしている画像信号を所定の
順序で読み出し、固体撮像素子１７から出力する。比較
器１８では、制御信号発生器１９より所定の基準信号を
受け取り、画像信号との比較を行い、その結果を制御信
号発生器１９に戻す。ここで、所定の基準信号を低く設
定し、暗い部分が検出できるようにした場合について説
明する。制御信号発生器１９では、現在比較している信
号が所定の基準信号より低い場合、固体撮像素子１７の
同じアドレスの画素をリセットして２回目の露光を始め
る。２回目の露光では、露光時間を長くするか、シャッ
タと絞り２０を調節するかして、露光量を増加させる。 ２回目の露光後、検出された暗い部分に対応する画素の
信号をサンプルホールドした後、固体撮像素子１７から
読み出し、比較器１８で再度比較を行い、その結果、良
好と判断されれば、全画素の信号を所定の順序で読み出
し、固体撮像素子１７から出力し、画像信号線２１を通
して信号処理回路等に出力する。この動作を、必要回数
繰り返すことで、暗い部分の感度を高めることができる
のでダイナミックレンジの拡大が実現できる。そして、
この動作を繰り返しても、毎回全画素を読む必要がない
ので、撮影時間が長くなるという問題点は解決される。 また、所定の基準信号を高く設定し、明るい部分が検出
できるようにすることもできる。この場合は、２回目の
露光の時、露光時間を短くしたり、シャッタと絞り２０
を調節したりして、露光量を減少させることで明るい部
分が飽和して白く飛んでしまうことを防ぐことができる
のでダイナミックレンジの拡大が実現できる。さらに、
同一画素が同時に明るい部分と暗い部分になることはな
いので、制御信号発生器１９より低い設定の基準信号と
高い設定の基準信号を比較器１８に送ることで、明るい
部分と暗い部分の判定を行い、それぞれに２回目の露光
条件を決めることができるので、明るい部分と暗い部分
の両方のダイナミックレンジの拡大が実現できる。そし
て、本発明によれば、画像信号を記憶するための画像メ
モリが必要でなくなるため、装置の小型化やコストの低
減が可能となる。

【００２２】［第２の実施例］図４は、本発明の第２の
実施例を示すブロック図で、図３の制御信号発生器１９
に、２２のアドレスメモリが接続されたものとなってい
る。本実施例では、第１の実施例と同様に、１回目の露
光後、全画素の画像信号を所定の順序で読み出し、比較
器１８で、所定の基準信号との比較を行った後、２回目
の露光が必要と判断された画素のアドレスをアドレスメ
モリ２２に記憶するようになっている。この時、制御信
号発生器１９は、２回目の露光が必要と判断された画素
のアドレスをアドレスメモリ２２に記憶するとともに、
比較器１８から送られてくる情報から２回目の露光条件
を計算する。全画素の画像信号の比較が終った後、アド
レスメモリ２２に記憶された画素をリセットし、制御信
号発生器１９が計算した露光条件で露光を行い、次に、
アドレスメモリ２２に記憶された画素の信号をサンプル
ホールドする。第１の実施例では、２回目の露光後の画
素の信号を比較器１８で再度比較を行っているが第２の
実施例では、２回目の露光が必要と判断された画素の信
号から計算した露光条件で露光を行っているので、再度
比較を行わなくてもよい。そして、全画素の信号を所定
の順序で読み出し、固体撮像素子１７から出力し、画像
信号線２１を通して信号処理回路等に出力する。これに
より、暗い部分の感度を高めたり明るい部分が飽和して
白く飛んでしまうことを防ぐことができるのでダイナミ
ックレンジの拡大が実現できる。そして、２回の露光だ
けでダイナミックレンジの拡大が実現できるので、更に
撮影時間を短縮することができる。また、明るい部分と
暗い部分の両方のダイナミックレンジを拡大するために
は、制御信号発生器１９より低い設定の基準信号と高い
設定の基準信号を比較器１８に送ることで、明るい部分
と暗い部分の判定を行い、それぞれに２回目の露光条件
を計算するとともに、アドレスメモリ２２の内部を２つ
に分割して明るい部分と暗い部分のアドレスを記憶する
か、アドレスメモリを別々に持つかすればよい。そして
、第２の実施例におけるアドレスメモリ２２は、画像信
号を記憶するための画像メモリに比べて小さな容量で済
むので装置の小型化やコストの低減が可能となる。

【００２３】［第３の実施例］図５は、図２で用いた固
体撮像素子１７の画素２の別な構成を示す図で、Ｈ方向
リセットパストランジスタＴ１０を省略して、Ｈ方向リ
セットパルスφＨｒを電源の代りに接続し、Ｈ方向サン
プルパストランジスタＴ１２を省略して、Ｈ方向サンプ
ルパルスφＨｓを電源の代りに接続したものとなってい
る。これにより、画素２の構成を簡略化している。

【００２４】［第４の実施例］図６は、図２で用いた固
体撮像素子１７の画素２の別な構成を示す図で、Ｖ方向
リセットパストランジスタＴ９を省略して、Ｖ方向リセ
ットパルスφＶｒを電源の代りに接続し、Ｖ方向サンプ
ルパストランジスタＴ１１を省略して、Ｖ方向サンプル
パルスφＶｓを電源Ｖｄｄの代りに接続したものとなっ
ている。これにより、画素２の構成を簡略化している。

【００２５】なお、本発明の実施例において、Ｈ方向リ
セットパルスφＨｒおよびＶ方向リセットパルスφＶｒ
は、互いに入れ代っていてもよいし、Ｈ方向サンプルパ
ルスφＨｓおよびＶ方向サンプルパルスφＶｓも、互い
に入れ代っていてもよいし、Ｈ方向アクセスパルスφＨ
ａおよびＶ方向アクセスパルスφＶａも、互いに入れ代
っていてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、画
像信号として不適切な部分に対応する画素だけを再露光
して読み直しさせることができるので、暗い部分の感度
を高めたり、明るい部分が飽和して白く飛んでしまうこ
とを防ぐことができるのでダイナミックレンジの拡大を
実現するとともに、撮影時間の短縮が可能となる。また
、画素１つ１つがサンプルホールド手段を備えているの
で、画像信号を記憶するための画像メモリが不要となり
、装置の小型化やコストの低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像素子の概略的構成図であ
る。

【図２】固体撮像素子の画素を示す回路構成図である。

【図３】本発明の第１の実施例を示すブロック図である
。

【図４】本発明の第２の実施例を示すブロック図である
。

【図５】本発明の第３の実施例を示す画素の回路構成図
である。

【図６】本発明の第３の実施例を示す画素の回路構成図
である。

【符号の説明】

１　　撮像領域 ２　　画素 ３　　ランダムアクス回路のＨ方向デコーダ４　　ラン
ダムリセット回路のＨ方向デコーダ５　　ランダムサン
プル回路のＨ方向デコーダ６　　Ｈ方向アドレス線 ７　　ランダムアクセス回路のＶ方向デコーダ８　　ラ
ンダムリセット回路のＶ方向デコーダ９　　ランダムサ
ンプル回路のＶ方向デコーダ１０　　Ｖ方向アドレス線 １１　　データ線 １２　　出力回路 １３　　固体撮像素子の出力端子 １４　　Ｈ方向デコーダの制御線 １５　　Ｖ方向デコーダの制御線 １６　　画素の出力端子 １７　　固体撮像素子 １８　　比較器 １９　　制御信号発生器 ２０　　シャッタ，絞り ２１　　画像信号線 ２２　　アドレスメモリ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　各画素が、光電変換素子と、この光電
   変換素子に蓄積した電荷を掃き出すリセット手段と、該
   光電変換素子に蓄積した電荷を信号としてサンプルホー
   ルドするサンプルホールド手段とを有する、配列された
   複数の画素を備えるとともに、配列された複数の画素の
   うち所望の画素を指定し、指定された画素の信号の読み
   出すランダムアクセス手段を備えた固体撮像素子におい
   て、配列された複数の画素のうち所望の画素を指定し、
   指定された画素のリセット手段を制御するランダムリセ
   ット手段と、配列された複数の画素のうち所望の画素を
   指定し、指定された画素のサンプルホールド手段を制御
   するランダムサンプル手段とを設けたことを特徴とする
   固体撮像素子。
2. 【請求項２】請求項１記載の固体撮像素子の前記ランダ
   ムアクセス手段により読み出された一部又は全部の画素
   からの信号と所定の基準レベル信号とを比較する比較手
   段と、前記固体撮像素子の露光条件を制御する露光制御
   手段と、前記比較手段により、読み出された信号のレベ
   ルが所定の信号レベル範囲外にあると判断された画素の
   リセット手段及びサンプルホールド手段を制御するため
   に前記固体撮像素子のランダムリセット手段及び前記ラ
   ンダムサンプル手段に制御信号を送るとともに、露光条
   件を他の条件に設定するために前記露光制御手段に制御
   信号を送る制御信号発生手段と、を備えたことを特徴と
   する固体撮像装置。
3. 【請求項３】　　請求項１記載の固体撮像素子を所定の
   露光条件により露光し、全画素の光電変換素子からの信
   号を各画素に設けられたサンプルホールド手段によりサ
   ンプルホールドする前記する第１の過程と、サンプルホ
   ールドされた信号のレベルが所定の信号レベル範囲外に
   ある場合、この画素の光電変換素子を前記固体撮像素子
   のリセット手段によりリセットした後、前記所定の露光
   条件と異なる露光条件により露光を行ない、リセット後
   に露光された光電変換素子からの信号のみを再度サンプ
   ルホールドする第２の過程と、サンプルホールドされた
   全画素の信号のレベルが所定の信号レベル範囲にある場
   合に、全画素からの信号をサンプルホールド手段から所
   定の順序で読み出す第３の過程と、を有することを特徴
   とする固体撮像素子の信号読み出し方法。
4. 【請求項４】　　請求項３記載の固体撮像素子の信号読
   み出し方法において、露光条件を順次変えて、前記第２
   の過程の動作を複数回行なったことを特徴とする固体撮
   像素子の信号読み出し方法。