JPH0556354A - 固体撮像装置の増感方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＣＣＤカメラの感度を、解像度を低下させる
ことがないとともにフリッカの発生もないように増大す
る方法を提供するものである。 【構成】 水平転送用ＣＣＤの最終段に設けられている
出力アンプのリセットゲートに印加するリセットパルス
を１画素置きに間引くことにより、フローティングキャ
パシタにおいて水平方向に並んだ２画素分の電荷を加算
して蓄積するようにして感度を２倍とする。また、フリ
ッカの発生を抑えつつ解像度の低下を抑止するために、
加算する画素の組合せを１フィールド毎に変え、フィー
ルド間オフセットサンプリングを行うようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多数の受光素子を水平方
向および垂直方向にマトリックス状に配列した固体撮像
装置の感度を、解像度を低下させることなく増大させる
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】このように受光素子を多数マトリックス
状に配列した固体撮像装置としてはＣＣＤを用いたＣＣ
Ｄカメラが最も広く用いられている。このようなＣＣＤ
カメラの感度を上げるために、ＣＣＤからの出力信号を
増幅器で増幅することが行われているが、この場合には
映像信号成分だけでなく、ノイズ成分も増幅されてしま
うので、映像信号のＳ／Ｎが悪くなってしまう欠点があ
る。

【０００３】ＣＣＤの出力信号に含まれるノイズにはＣ
ＣＤ自体で発生するノイズがある。このノイズ成分の主
なものは、図１に示すように入射光量に比例して変化す
る光ショットノイズ（曲線Ａ）と、水平転送部の最終段
に設けられ、フローティングキャパシタに蓄積される電
荷を読み出すとともにこの電荷のリセットを行う出力ア
ンプ（通常フローティングディフュージョンアンプと称
されている）をリセットするときに生ずるリセットノイ
ズ（曲線Ｂ）と、この出力アンプ自体で発生するアンプ
ノイズ（曲線Ｃ）とがある。なお、図１において、曲線
Ｄは出力映像信号を示すものである。図１に示すように
リセットノイズとアンプノイズは、入射光量に依存しな
いため、低照度の被写体を撮像するときには、これらの
リセットノイズおよびアンプノイズは出力映像信号中に
おいて大きな割合を占めるようになるので、かなり大き
なノイズとなる。

【０００４】図２はリセットノイズの発生機構を説明す
るために水平転送素子を示すものであり、水平転送素子
の１つ置きの転送電極ＴＥには図３に示すように位相が
反転した転送パルスφ₁ およびφ₂ を印加する。これに
よって各ウェルにおいて、電位の高さは図２の実線およ
び破線で示すように上下を繰り返し、1 画素毎の電荷Ｑ
が出力アンプを構成するフローティングディフュージョ
ンアンプＦＤＡのフローティングキャパシタＦＣに転送
される。図２では、フローティングディフュージョンア
ンプＦＤＡのトランジスタＦＥＴは水平転送素子とは別
体として描いてあるが、実際にはこのトランジスタは同
一の半導体基板に形成されているものである。今、この
フローティングキャパシタＦＣの容量をＣとすれば、フ
ローティングキャパシタの電位はΔＶ＝Ｑ／Ｃだけ変化
し、この変化ΔＶが出力信号として出力される。なお、
ＯＧはアウトプットゲートを示す。次に、フローティン
グキャパシタＦＣの次の画素の電荷が注入される前にフ
ローティングディフュージョンアンプＦＤＡのリセット
ゲートＲＧに図３に示すリセットパルスＲＳを印加して
フローティングキャパシタに蓄積されている電荷をリセ
ットする。この過程において、各画素毎のリセット電位
のばらつきによりリセットノイズが発生される。図４は
このようにして読み出されたＣＣＤカメラの出力信号を
示すものであり、フィードスルー部分に示した両矢印は
この部分がリセットノイズによって変動していることを
示している。

【０００５】上述したように、リセットノイズおよびア
ンプノイズのように入射光量に依存しないノイズを含ん
だＣＣＤカメラの出力信号をそのまま増幅すると、感度
は増大するが、被写体映像信号成分だけでなくノイズも
増幅されるので、Ｓ／Ｎが悪くなってしまう。このよう
な欠点を解消するために、平成３年７月５日にＮＨＫ放
送技術研究所から発行された「技術公開展示資料」の第
１６頁には、プリプロセス型ＣＣＤカメラと題して、固
体撮像素子自体でサブサンプリングを行うことによって
感度を増大させる技術が開示されている。

【０００６】図５は上述したプリプロセス型ＣＣＤカメ
ラにおける画素信号の加算とサブサンプリグ点を模式的
に示すものである。本明細書においては、以下加算する
複数の画素の中心を重心とも云う。第１フィールドにお
いては○印で示す位置を重心として水平方向および垂直
方向のそれぞれ２画素、合計４画素の電荷を加算し、第
２フィールドでは×印で示す位置を重心とする４画素の
電荷を加算し、第３フィールドでは△印で示す位置を重
心として４画素の電荷を加算し、第４フィールドでは□
印で示す位置を重心としてその周囲の４画素の電荷を加
算するものである。この従来例では、垂直方向に並んだ
２画素の電荷を同時に読み出すフィールド蓄積モードを
採用している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したプリプロセス
型ＣＣＤカメラにおいては、４個の画素の電荷を加算し
て１画素の出力としているので、感度をほぼ２倍とする
ことができる。また、加算すべき４画素の重心の位置を
ずらしているので、解像度の低下を抑えることができ
る。すなわち、このプリプロセス型ＣＣＤカメラにおい
ては、図６に示すように所謂フレーム間オフセットサン
プリングを採用して解像度の低下を抑制している。すな
わち、図６Ａに示すように第１フレームを第１フィール
ドと第２フィールドで構成し、図６Ｂに示すように第２
フレームを第３フィールドと第４フィールドで構成して
おり、第１フレームおよび第２フレームを合成すること
によって図６Ｃに示すような空間サンプル点が得られる
ようにしている。なお、図６では図面を簡単とするため
に４画素の重心の位置のみを示している。

【０００８】上述したようにフレーム間オフセットサン
プリングを採用する理由は周波数スペクトル特性を従来
のＣＣＤカメラと同一として解像度の低下が起こらない
ようにするためである。しかしながら、このようなフレ
ーム間オフセットサンプリングを行うと、通常のフィー
ルド蓄積モードにおいては、各画素のサンプリング周期
は１／６０秒であるのに対し、或る重心点においてサン
プリングがなされてから次に同じ重心点において再びサ
ンプリングがなされるまでに２フレームの期間、すなわ
ち１／１５秒の時間が経過することになり、被写体に細
かいパターンが含まれるときにはフリッカが目立ち易く
なるという欠点がある。

【０００９】本発明の目的は、解像度の低下を有効に抑
止するとともにフリッカの発生を抑止しつつ固体撮像装
置の感度を増大させることができる方法を提供しようと
するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置の増加方法は、多数の受光素子を水平方向および垂直
方向にマトリックス状に配列した固体撮像装置の感度を
増大させるに当たり、固体撮像装置内の水平転送用素子
で転送される電荷を複数画素分づつ加算して出力し、受
光素子の空間サンプリング点がフィールド間オフセット
サンプリングとなるように加算する画素の組合せを１フ
ィールド毎に変化させることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】このような本発明による固体撮像装置の増感方
法は、水平転送用素子で転送される電荷を複数画素に亘
って加算するものであるが、この際、リセットノイズや
アンプノイズは加算されることがないため、Ｓ／Ｎを劣
化させることなく感度を増大させることができる。さら
に、加算する画素の組合せをフィールド間オフセットサ
ンプリングとなるように１フィールド毎に変化させるの
で、解像度の低下を抑止することができるとともにフリ
ッカの発生をも有効に抑止することができる。この場
合、斜め方向の解像度は従来の加算を行わない固体撮像
装置や上述したプリプロセス型ＣＣＤカメラに比べて低
下するが、人間の視覚特性では斜め方向の解像度変化は
映像全体の視覚的解像度にあまり影響を及ぼさないの
で、視覚特性上の解像度の低下は殆ど感じられない。

【００１２】

【実施例】図７は本発明による増感方法を適用したＣＣ
Ｄカメラの一実施例の構成を示すものであるが、本例で
はＣＣＤカメラの構造そのものは図２に示した従来のも
のと全く同一であり、そのフローティングディフュージ
ョンアンプの駆動信号を変えることによって本発明の増
感方法を実施するようにしたものである。したがって、
本例では特に新しい固体撮像装置を開発する必要がない
ので、容易かつ安価に本発明を実施することができる。
図７において、図２に示した部分と同一の部分には同じ
符号を付けて示した。光電変換用ＣＣＤ１を構成する多
数の受光素子はマトリックス状に配列されており、各受
光素子で蓄積された電荷は所定のタイミングで水平転送
用ＣＣＤ２に移される。この水平転送用ＣＣＤ２におい
ては、従来と同様の転送クロックパルスφ₁ およびφ₂
を転送電極ＴＥに印加して出力アンプを構成するフロー
ティングディフュージョンアンプＦＤＡに形成されてい
るフローティングキャパシタＦＣへ順次に送り込むよう
にしている。

【００１３】図８ＡおよびＢは、図７に示した水平転送
用ＣＣＤの交互の転送電極ＴＥに印加する互いに反対極
性の転送クロックパルスφ₁ およびφ₂ を示すものであ
り、これらの転送クロックパルスは図３に示した従来の
ＣＣＤカメラにおける転送クロックパルスと同様であ
る。図８Ｃは本例におけるリセットパルスＲＳを示すも
のであり、図３に示した従来のリセットパルスを１個置
きに間引いたものとなっている。このような駆動信号で
水平転送用ＣＣＤを駆動すると、フローティングキャパ
シタＦＣへは水平方向の順次の２画素分の電荷が連続し
て蓄積されることになり、その結果として２画素分の電
荷が加算されることになり、したがってＣＣＤの出力は
従来の２倍となり、感度を２倍とすることができる。こ
の際、リセットノイズやアンプノイズはフローティング
キャパシタにおいて加算されることがないので、出力信
号のＳ／Ｎが劣化することはない。さらに、リセットさ
れる回数は従来の１／２となるため、リセットノイズの
量も従来の１／２以下になり、Ｓ／Ｎを改善することが
できる。また、２画素分の電荷を加算することで信号成
分は２倍となるが、各画素毎に発生する光ショットノイ
ズはランダムノイズであり、加算により２^1/2 倍にしか
ならないので、２／２^1/2 ＝３ｄＢだけ改善されること
になる。

【００１４】ここで、単に水平方向において１画素置き
にリセットパルスＲＳを間引いてしまうと、ＣＣＤの空
間サンプリング点が１／２となってしまうので、水平解
像度が低下してしまうことになる。図９は従来のＣＣＤ
カメラにおける空間サンプリング点を示し、図１０は単
に１画素置きにリセットパルスを間引いたときの空間サ
ンプリング点を示すものである。単に、１画素置きにリ
セットパルスを間引いたときの水平方向の空間サンプリ
ング点は１／２となり、したがって水平方向の解像度も
１／２となってしまう。

【００１５】そこで、本発明においては、ＣＣＤの空間
サンプリング点が従来のものと変わらないようにするた
めに、図１１に示すように第１フィールドと第２フィー
ルドとでリセットパルスの位相を１８０°ずらしてフィ
ールド間オフセットサンプリングを行うようにする。す
なわち、本発明においては、加算する画素の位置を１フ
ィールド毎に変えて空間サンプリング点がフィールド間
オフセットサンプリングとなるようにする。図１２Ａは
従来のＣＣＤカメラの出力信号の周波数スペクトルを示
すものであり、横軸に水平方向の周波数、縦軸に垂直方
向の周波数をとって示すものである。図１２Ｂは図１０
に示したように単に１画素置きにリセットパルスを間引
いた場合の周波数スペクトルを示すものであり、水平方
向の周波数が１／２と低下している。図１２Ｃは図１１
に示したようにフィールド間オフセットサンプリングを
行う本発明による周波数スペクトルを示すものであり、
水平方向および垂直方向における周波数は図１２Ａに示
す従来のものと同様である。しかし、斜め方向に見た画
素間隔は従来の２倍となっているので、斜め方向の周波
数スペクトルは従来の１／２に低下している。

【００１６】図５に示した従来のプリプロセス型ＣＣＤ
カメラにおいては、斜め方向における解像度の低下をも
抑止して図１２Ａに示すような周波数スペクトルを得る
ために、図６について説明したようなフレーム間オフセ
ットサンプリングを行っているが、上述したように各サ
ンプリング点におけるサンプリング周期は１／１５秒と
なってしまい、フリッカが目立ち易くなる欠点がある。
本発明においては、斜め方向の解像度の低下は人間の視
覚特性上あまり問題とはならず、斜め方向の解像度が低
下しても水平方向および垂直方向の解像度の低下がなけ
れば映像全体の視覚的な解像度は劣化しないという事実
に基づいて、図１２Ｃに示すような周波数スペクトルが
得られるようにフィールド間オフセットサンプリングを
行うことによってフリッカの発生を抑止するものであ
る。すなわち、図１１に示すようなフィールド間オフセ
ットサンプリングを行う場合には、各重心点では１フレ
ーム毎に、すなわち１／３０秒毎にサンプリングされる
ことになるので、フリッカが目立つことはない。

【００１７】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形を加えることができ
る。例えば、上述した実施例においては、水平方向に連
続する２画素分の電荷を加算するようにしたが、本発明
においては３画素分の電荷を加算したり、４画素分の電
荷を加算することもできる。図１３は３画素分の電荷を
加算する場合の重心の位置の変化を示すものであり、第
１フィールドにおいては３ラインを周期としてリセット
クロックパルスＲＳ₁ 〜ＲＳ₃ をリセットゲートに印加
し、第２フィールドにおいては同じく３ラインを周期と
してリセットパルスＲＳ₄ 〜ＲＳ₆ をリセットゲートに
印加するものである。図１４は水平方向に並んだ４画素
分の電荷を加算する場合の重心の位置の変化を示すもの
であり、第１フィールドにおいては２ラインを周期とし
てリセットクロックパルスＲＳ₁ 、ＲＳ₂ をリセットゲ
ートに印加し、第２フィールドにおいては同じく２ライ
ンを周期としてリセットパルスＲＳ₃ 、ＲＳ₄ をリセッ
トゲートに印加するものである。

【００１８】さらに、上述した実施例では、各画素にお
ける電荷蓄積時間を１フレーム期間、すなわち１／３０
秒とするフレーム蓄積モードとしたが、本発明は各画素
における蓄積時間を１フィールド期間とするフィールド
蓄積モードを採用するＣＣＤカメラにも適用することが
できる。図１５はこのようにフィールド蓄積モードとた
ＣＣＤカメラに本発明を適用した場合に加算される４画
素を示すとともに第１フィールドにおける重心の位置を
○印で示し、第２フィールドにおける重心の位置を×印
で示すものである。

【００１９】さらに、上述した実施例では、水平転送用
ＣＣＤの最終段に設けられているフローティングディフ
ュージョンアンプにおけるリセットパルスを間引くこと
によって２画素分の電荷をフローティングキャパシタ内
で加算するようにしたが、通常のように１画素づつ読み
出した電荷をＣＣＤの外部に設けた加算器によって２画
素分づつ加算することもできる。しかし、この場合には
フローティングキャパシタは各画素毎にリセットされる
ので、リセットノイズの低減効果は期待できないが、信
号は２倍となり、またランダムノイズは２^1/2 倍になる
ので３ｄＢのノイズ軽減効果があるとともに、フィール
ド間オフセットサンプリングを行うことによって解像度
の低下を抑止することができる。

【００２０】

【発明の効果】上述したように、本発明による固体撮像
装置の増感方法によれば、水平方向に並んだ２個以上の
画素の電荷を加算することによって感度の増大を図るこ
とができるとともにフィールド間オフセットサンプリン
グを行うことによってフリッカの発生を抑止しつつ解像
度を改善することができるが、斜め方向の解像度は低下
することになる。しかし、人間の視覚特性上斜め方向の
解像度の低下は映像全体の視覚上の解像度にはあまり影
響を与えないので、解像度の低下も有効に抑止すること
ができる。さらに、実施例に示したように、水平転送素
子の最終段に設けたフローティングディフュージョンア
ンプのリセットゲートに与えるリセットパルスを間引く
ことによってフローティングキャパシタにおいて複数画
素の電荷の加算を行うようにすると、リセットノイズや
アンプノイズは加算されないことおよびリセット回数の
減少によるリセットノイズの低減効果によって出力信号
のＳ／Ｎが向上することになるとともに既存のＣＣＤを
そのまま使用することができるので、容易且つ安価に実
施することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はＣＣＤ固体撮像素子の種々のノイズを示
すグラフである。

【図２】図２は従来のＣＣＤ固体撮像素子の水平転送素
子の構造および動作を示す線図である。

【図３】図３は図２に示す従来のＣＣＤ固体撮像素子の
水平転送素子に与える駆動信号を示す信号波形図であ
る。

【図４】図４は従来のＣＣＤ固体撮像素子からの出力信
号を示す信号波形図である。

【図５】図５は従来のプリプロセス型ＣＣＤカメラにお
ける画素信号の加算およびサンプリング点を示す線図で
ある。

【図６】図６Ａ〜Ｃは図５に示すプリプロセス型ＣＣＤ
カメラにおいて採用されているフレーム間オフセットサ
ンプリングを示す線図である。

【図７】図７は本発明による増感方法を適用したＣＣＤ
カメラの構成を示す線図である。

【図８】図８Ａ〜Ｃは図７に示すＣＣＤカメラの水平転
送素子の駆動信号を示す信号波形図である。

【図９】図９は従来のＣＣＤカメラの空間サンプリング
点を示す線図である。

【図１０】図１０は単にリセットパルスを間引いた場合
の空間サンプリング点を示す線図である。

【図１１】図１１は本発明による増感方法における空間
サンプリング点を示す線図である。

【図１２】図１２Ａ〜Ｃはそれぞれ図９、１０および１
１に示す空間サンプリングを行う場合の周波数スペクト
ルを示すグラフである。

【図１３】図１３は水平方向に連続する３画素の電荷を
加算するようにした本発明による増感方法を実施する場
合の空間サンプリング点を示す線図である。

【図１４】図１４は水平方向に連続する４画素の電荷を
加算するようにした本発明による増感方法を実施する場
合の空間サンプリング点を示す線図である。

【図１５】図１５はフィールド蓄積モードを採用したＣ
ＣＤカメラに本発明の増感方法を適用した場合の画素電
荷の加算方法を示す線図である。

【符号の説明】

１ 光電変換用ＣＣＤ ２ 水平転送用ＣＣＤ ＦＤＡ フローティングディフュージョンアンプ ＲＧ リセットゲート ＦＣ フローティングキャパシタ φ₁,φ₂ 転送クロックパルス ＲＳ リセットパルス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の受光素子を水平方向および垂直方
   向にマトリックス状に配列した固体撮像装置の感度を増
   大させるに当たり、固体撮像装置内の水平転送用素子で
   転送される電荷を複数の画素分づつ加算して出力し、受
   光素子の空間サンプリング点がフィールド間オフセット
   サンプリングとなるように加算する画素の組合せを１フ
   ィールド毎に変化させることを特徴とする固体撮像装置
   の増感方法。
2. 【請求項２】 前記複数画素の電荷の加算を、水平転送
   素子の最終段に設けられ、フローティングキャパシタに
   蓄積される電荷を読み出すフローティングディフュージ
   ョンアンプに対するリセットパルスを間引くことによっ
   て実行することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装
   置の増感方法。