JPH0715672A - 固体撮像装置および駆動方法 - Google Patents
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Abstract
撮像装置とその駆動方法を提供する。 【構成】 入射光は、300;1単位画素光電変換部に
おいて光電変換され、301;電子シャッター時二画素
混合信号電荷、302;フィールド信号電荷1、30
3;フィールド信号電荷2はそれぞれ、8相クロック転
送により304;HCCD1、305;HCCD2、3
06;HCCD3により転送され、307;CDS&ク
ランプ回路を通過したのち、309;信号判断回路によ
り、信号飽和に関する判定をうけ、308;信号選択回
路にてその出力を選択された後、310;信号処理回路
にて演算処理を施され、画像信号再生を行う。
Description
高照度側に拡大するための固体撮像装置およびその駆動
方法、特に、映像信号のフィールドあるいはフレーム等
に代表される一定の信号電荷蓄積期間に対し、少なくと
も2回以上の信号電荷蓄積期間を設定した上、前記信号
電荷蓄積期間におけるそれぞれの信号電荷を外部のフィ
ールドメモリあるいはフレームメモリを用いず再生する
事により、入射光量取扱範囲を高照度側へ拡大する事を
特徴とした固体撮像装置とその駆動方法に関する。
囲を拡張する際、1フレームあるいは1フィールド期間
中に少なくとも2回以上の互いに異なる蓄積期間を設
定、例えば、1フィールド期間TF中において、従来の
垂直走査期間に相当する第1の蓄積期間T1と垂直ブラ
ンク期間中に前記第1の蓄積期間よりも短い第2の蓄積
期間T2の設定を行い、第1の蓄積期間中に得られた信
号電荷Q1は利得1にて、第2の蓄積期間中に得られた
信号電荷Q2は利得(T1/T2)倍にて再生する。こ
こで、信号電荷Q1が飽和電荷量に達している場合に
は、信号電荷Q2の信号情報を用いることにより、結果
として、従来比(T1/T2)倍の入射光量取扱い範囲
を実現する。
素子駆動方法に関しては、外部フレームメモリを用いず
に済ませる提案例(特開昭63−250980号公報)
がある。前記提案例は、現行CCDの構成における4画
素、計8枚の転送電極で3つの信号パケットをつくり、
第1の蓄積期間による2画素混合の信号電荷を2パケッ
ト、第2の蓄積期間による4画素混合の信号電荷を1パ
ケットとして用いることにより1フィールド期間TF中
2回に分割された蓄積期間において得られる信号電荷を
連続して垂直CCDにて転送する手法が記載されてい
る。
画素混合の信号電荷を加算混合するためには、時刻的に
ΔTずれた状態で2回読み出す必要がある為、同一パケ
ットの中に蓄積期間がT2と(T2+ΔT)の互いに異
なった2種の信号電荷が存在する事となる。互いに期間
ΔTずつ異なる2種の蓄積期間による前記4画素混合の
信号電荷を、前記利得(T1/T2)倍で区別なく演算
すれば、被写体光量に応じて前記第2の蓄積期間T2を
調整した場合、色ずれ、輝度ずれ等の不都合が生じる。
電変換素子から垂直CCDへの信号電荷の読み出しを少
なくとも2回行ったときに問題となる、前記第2の蓄積
期間T2における、蓄積期間の差ΔTをなくした駆動方
法と固体撮像装置を提案する事により、色ずれ、輝度ず
れを生じる事なく入射光量取扱い範囲を拡大する事を可
能とする。
標準光量の2倍前後の光量については、前記第1の蓄積
期間T1をもって対応し、前記第1の蓄積期間T1中
に、飽和電荷量に達した被写体領域に関しては、垂直ブ
ランク期間中の前記第2の蓄積期間T2を適応的に用い
る駆動方法を併用する事により、外部フィールドメモリ
あるいはフレームメモリを用いずとも入射光量取扱範囲
を高照度側へ拡大する事が可能となる。
照しながら説明する。
像装置の1例を示す。100;単位画素には110;V
CCDにおける4枚の転送電極が対応し、連続する2単
位画素に対応する合計8枚の転送電極に対しては、それ
ぞれ、101;φV1転送電極、102;φV2転送電
極、103;φV3転送電極、104;φV4転送電
極、105;φV5転送電極、106;φV6転送電
極、107;φV7転送電極、108;φV8転送電極
の8相の転送クロックが印加される。102;φV2転
送電極および106;φV6が印加される電極には、1
09;読み出しゲートが形成される。第1図において
は、1層目のポリシリコンを用いて1つの読み出し電極
に対して、2つの読み出しゲートが設けられているが、
読み出し電極は1層目あるいは2層目どちらのポリシリ
コンを利用してもよい。また、従来のCCDを用いた場
合でもVCCD方向において隣接する2画素を一括して
1画素と考えても差し支えない。図2以降の素子駆動例
においては、図1の構造によるもので説明をおこなって
いる。
固体撮像素子を用いて請求項2、3、4に係る実施例を
示す。
−FIELDおよび203;B−FIELDにおける2
32;奇数ライン画素と233;偶数ライン画素、それ
ぞれの信号電荷蓄積ならびに読み出し、転送のタイミン
グを示す。
イン画素は、あらかじめ、公知の縦抜き電子シャッター
動作(VOD−sweep)により蓄積期間開始のタイ
ミングを一致させておく。
の期間中に入射した信号により205;偶数ライン第1
信号電荷を得る。VCCDへの読み出し動作は210;
TAF 1のタイミングで行われる。一方、232;奇数ラ
イン画素は225;T12の期間中に入射した信号によ
り206;奇数ライン第1信号電荷を得、VCCDへの
読み出し動作は211;TAF21のタイミングで行われ
る。さらに、202;V−Blank期間において、2
33;偶数ライン画素は227;T2の期間中に入射し
た信号により207;偶数ライン第2信号電荷を得る。
VCCDへの読み出し動作は212;TAS1のタイミン
グで行われる。一方、232;奇数ライン画素は22
7;T2と同一の蓄積期間に設定された228;T2の
期間中に入射した信号により208;奇数ライン第2信
号電荷を得、VCCDへの読み出し動作は213;T
AS21のタイミングで行われる。ここで、202;V−B
lank期間中において、被写体の高輝度な領域を撮像
するために行う227;T2および228;T2の蓄積
時間の制御は全フィールド期間226;TFに占める2
29;VOD−sweep期間を調整することにより行
う。
の操作を行うが、図2に示す様に、214;奇数ライン
第1信号電荷の蓄積期間と215;偶数ライン第1信号
電荷の蓄積期間を入れ換えても良い。
ングを示す。210;TAF1のタイミングで読み出され
た240;信号電荷はVCCD内を1画素分転送され、
211;TAF21のタイミングでは、241;信号電荷が
読み出される。図3においては、210;TAF1のタイ
ミングから211;TAF21のタイミングまで、20クロ
ックで行っている。このあと、212;TAS1のタイミ
ングから213;TAS2 1のタイミングまでを、20クロ
ックで揃えることにより、227;T2と228;T2
の蓄積期間を揃える事が可能となる。さらに、207;
偶数ライン第2信号電荷に相当する242;信号電荷は
20クロック期間において1画素分転送された後、図3
に示すように、212;TAS21のタイミングで208;
奇数ライン第2信号電荷に相当する243;信号電荷を
重畳して読み出すことにより混合され、以降VCCD内
を8相クロックにより転送される。この例においては、
227;T2と228;T2の蓄積期間を20クロック
としたが、クロック数の限定を受けない事は言うまでも
ない。また、さきに述べたように、227;T2と22
8;T2の蓄積期間は211;TAF21より212;T
AS1までの期間を増減することにより制御され、これに
応じて229;VOD−sweep期間の増減を行う。
示す。また、取り扱い入射光量範囲拡大の効果を図6に
示す。
において、光電変換され、301;電子シャッター時二
画素混合信号電荷、302;フィールド信号電荷1、3
03;フィールド信号電荷2はそれぞれ、304;HC
CD1、305;HCCD2、306;HCCD3によ
り転送され、307;CDS&クランプ回路を通過した
のち、309;信号判断回路により、信号飽和に関する
判定をうけ、308;信号選択回路にてその出力を選択
された後、310;信号処理回路にて後述する演算処理
を施され、画像信号再生を行う。
以下の条件式に於て、VTは素子の飽和電荷量に対応し
た電圧を示す。
ける信号電圧V(T11)、V(T12)が(数1)の
条件が真となる場合、308;信号選択回路により、V
(T11)、V(T12)の信号が選択されるが、(数
1)の条件が偽となる場合、308;信号選択回路は3
01;電子シャッター時二画素混合信号電荷を選択し、
310;信号処理回路では(数2)の演算により、T2
の蓄積期間の信号電圧はVsig(T2)に換算される。
ここでは、aは(数3)と定義したが、その他の最適な
値、たとえば、(数4)等を用いても良い。
図6を用いて説明する。従来CCDにおける2画素混合
による読み出しおよび転送動作により得られる出力信号
電荷量は320;従来二画素混合型飽和電荷量として示
している。第2(a)図における224;T11および
225;T12の蓄積期間中における信号電荷の飽和電
荷量は、図1に示した100;1単位画素における転送
電極1枚に対応した値となる為、従来二画素混合型飽和
電荷量の約1/4となるが、輝度信号を作成する場合に
は、240;信号電荷と241;信号電荷が外部回路に
おいて加算処理されるため、結局、従来二画素混合型飽
和電荷量の約1/2の値となる。この値を、321;全
画素独立読み出し時飽和電荷量として示す。
ては、同時に227;T2の蓄積期間における207;
偶数ライン第2信号電荷と、228;T2の蓄積期間に
おける208;奇数ライン第2信号電荷を混合した信号
電荷も同時に独立して読み出す事が可能なため、32
2;電子シャッター2画素混合時飽和電荷量を得ること
が可能である。ここで、227;T2ならびに228;
T2の期間は、例えば、1/500秒から1/2000
秒まで変化させることが可能なため、図6において、3
25;variableで表現したような効果を得るこ
とが可能となる。従って、324;従来型取り扱い入射
光量上限よりも、大きな323;取り扱い入射光量拡大
範囲を達成可能となる。
pを用いない場合の実施例を示す。図7は、通常のTV
フレームの401;A−FIELDおよび403;B−
FIELDにおける432;奇数ライン画素と433;
偶数ライン画素、それぞれの信号電荷蓄積ならびに読み
出し、転送のタイミングを示したものである。
3;偶数ライン画素の蓄積期間開始のタイミングは互い
に異なる。433;偶数ライン画素は424;T11の
期間中に入射した信号により405;偶数ライン第1信
号電荷を得る。VCCDへの読み出し動作は410;T
AF1のタイミングで行われる。一方、432;奇数ライ
ン画素は425;T12の期間中に入射した信号により
406;奇数ライン第1信号電荷を得、VCCDへの読
み出し動作は411;TAF21のタイミングで行われる。
さらに、402;V−Blank期間において、43
3;偶数ライン画素は427;T2の期間中に入射した
信号により407;偶数ライン第2信号電荷を得る。V
CCDへの読み出し動作は412;TAS1のタイミング
で行われる。一方、432;奇数ライン画素は427;
T2と同一の蓄積期間に設定された428;T2の期間
中に入射した信号により408;奇数ライン第2信号電
荷を得、VCCDへの読み出し動作は413;TAS21の
タイミングで行われる。ここで、424;T11と42
5;T12の期間は互いに異なり、さらに、401;A
−FIELDおよび403;B−FIELDで異なるた
め、同じ蓄積時間を有する427;T2と428;T2
の期間を制御した場合、4フィールド間において色ず
れ、輝度ずれが生じる可能性がある。しかしながら、本
発明においては、画素情報を独立に読み出しているた
め、蓄積期間の比率(数5)を考慮した演算(数6)が
可能となる。したがって、T12の蓄積期間に換算した
値Vsig’(T11)を用いることにより色ずれ、輝度
ずれが生じることはない。
ミングを示す。410;TAF1のタイミングで読み出さ
れた440;信号電荷はVCCD内を1画素分転送さ
れ、411;TAF21のタイミングでは、441;信号電
荷が読み出される。図3においては、410;TAF1の
タイミングから411;TAF21のタイミングまで、20
クロックで行っている。このあと、412;TAS1のタ
イミングから413;TA S21のタイミングまでを、20
クロックで揃えることにより、427;T2と428;
T2の蓄積期間を揃える事が可能となる。さらに、40
7;偶数ライン第2信号電荷に相当する442;信号電
荷は20クロック期間において1画素分転送された後、
図3に示すように、412;TAS21のタイミングで40
8;奇数ライン第2信号電荷に相当する443;信号電
荷を重畳して読み出すことにより混合され、以降VCC
D内を8相クロックにより転送される。この例において
は、427;T2と428;T2の蓄積期間を20クロ
ックとしたが、クロック数の限定を受けない事は言うま
でもない。
ン第1信号電荷の蓄積期間と415;偶数ライン第1信
号電荷の蓄積期間を入れ換えた場合を示す。ここで、5
05;偶数ライン第1信号電荷は524;T11の期間
中に入射した信号により得られた信号電荷であり、VC
CDへの読み出しは、510;TAF1のタイミングで行
われる。506;奇数ライン第1信号電荷は525;T
12の期間中に入射した信号により得られた信号電荷で
あり、VCCDへの読み出しは、511;TAF 2のタイ
ミングで行われる。507;偶数ライン第2信号電荷は
527;T2の期間中に入射した信号により得られた信
号電荷であり、VCCDへの読み出しは、512;T
AS1のタイミングで行われる。508;奇数ライン第2
信号電荷は528;T2の期間中に入射した信号により
得られた信号電荷であり、VCCDへの読み出しは、5
13;TAS2のタイミングで行われる。
12の期間は同一の長さに設定することが可能なため、
(数6)の換算は不要である。
フィールドメモリあるいはフレームメモリを用いる事な
く、入射光量取扱範囲を高照度側へ拡大する事が可能で
あることを特徴とする固体撮像装置およびその駆動方法
に関するものである。
す図
す図
−Blank 203、403、503;B−FIELD 205、215、405、415、505、514;偶
数ライン第1信号電荷 206、214、406、414、506、515;奇
数ライン第1信号電荷 207、217、407、417、507、516;偶
数ライン第2信号電荷 208、218、408、416、508、517;奇
数ライン第2信号電荷 209、218、409、418、509、518;V
CCD転送期間 210、410、510;TAF1 211、411、511;TAF21 212、412、512;TAS1 213、413、513;TAS21 219、419、519;TBF1 220、420、520;TBF21 221、421、521;TBS1 222、422、522;TBS21 223、229;VOD−sweep 224、424、524;T11 225、425、525;T12 226、426、526;TF 227、228、427、428、527、528;T
2 232;奇数ライン画素 233;偶数ライン画素 240、241、242、243、250、251、2
52、253;信号電荷 300;1単位画素光電変換部 301;電子シャッター時二画素混合信号電荷 302;フィールド信号電荷1 303;フィールド信号電荷2 304;HCCD1 305;HCCD2 306;HCCD3 307;CDS&クランプ回路 308;信号選択回路 309;信号判断回路 310;信号処理回路 320;従来二画素混合型飽和電荷量 321;全画素独立読み出し時飽和電荷量 322;電子シャッター2画素混合時飽和電荷量 323;取り扱い入射光量拡大範囲 324;従来型取り扱い入射光量上限 325;variable
Claims (8)
- 【請求項1】1単位の画素が入射信号変換部とCCD電
荷転送手段から構成され、前記入射信号変換部において
光に代表される各種信号を受けるための開口領域が少な
くとも1箇所以上設けられており、前記入射信号変換部
はX−Yの2次元アレイ状に配列され、Y方向におい
て、前記入射信号変換部に隣接して設けられた前記CC
D電荷転送手段の転送電極は1単位の前記画素に対して
4枚から構成され、前記Y方向に連続する2単位の前記
画素に対しては合計8枚の前記転送電極が設けられ、前
記8枚の前記転送電極は、8相の駆動パルスにより駆動
される事を特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項2】映像信号のフィールドあるいはフレーム等
に代表される一定の信号電荷蓄積期間おいて、Y方向に
連続する2単位画素を構成する第1および第2の画素の
うち、前記第1の画素に対しては、第1Aと前記第1A
よりも時間的には少なくとも短い第2Aの信号電荷蓄積
期間を設定し、前記第2の画素に対しては、第1Bおよ
び前記第1Bよりも時間的には少なくとも短い第2Bの
信号電荷蓄積期間を設定し、さらに、前記第2Aと前記
第2Bの信号蓄積期間の開始時間が同時あるいは互いに
異なった場合においても、前記第2Aと前記第2Bの信
号電荷蓄積期間を揃える事を特徴とした固体撮像装置の
駆動方法。 - 【請求項3】映像信号のフィールドあるいはフレーム等
に代表される一定の信号電荷蓄積期間おいて、縦型オー
バーフロー−ドレインを用いた電子シャッター動作を行
うことにより、前記第2Aと前記第2Bの信号蓄積期間
の時間制御を行う事を特徴とした請求項2記載の固体撮
像装置の駆動方法。 - 【請求項4】CCD電荷転送手段において、第1Aの信
号電荷蓄積期間において得られた第1Aの信号電荷、第
2Aの信号電荷蓄積期間において得られた第2Aの信号
電荷、第1Bの信号電荷蓄積期間において得られた第1
Bの信号電荷、第2Bの信号電荷蓄積期間において得ら
れた第2Bの信号電荷のうち、前記第2Aの信号電荷お
よび前記第2Bの信号電荷は互いに混合する事により第
2ABの信号電荷として読み出し、前記第1A、前記第
1B、前記第2ABの3つの信号電荷は互いに独立に読
み出す事を特徴とした2または3記載の固体撮像装置の
駆動方法。 - 【請求項5】駆動に必要な8相の駆動パルスを発生する
ためのパルス発生回路のすくなくとも一部をオンチップ
上に組み込むことを特徴とした請求項1記載の固体撮像
装置。 - 【請求項6】第2ABの信号電荷は第1のHCCD、第
1Aの信号電荷は第2のHCCD、第1Bの信号電荷は
第3のHCCDを用いて、同一水平走査期間中に外部信
号処理回路に読み出す事を特徴として少なくとも3チャ
ンネルのHCCDを設けた請求項1記載の固体撮像装
置。 - 【請求項7】第2ABの信号電荷は第1のHCCD、第
1Aの信号電荷と第1Bの信号電荷を第2のHCCDを
用いて、同一水平走査期間中に外部信号処理回路に読み
出す事を特徴として少なくとも2チャンネル以上のHC
CDを設けた請求項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項8】HCCDの各出力端に対して設けられた信
号選択回路と、前記各出力端に対して並列かつ個別に、
あるいは一括して設けられた前記信号選択回路を制御す
るための信号判断回路を備えることを特徴とした請求項
1、5、6、7のいずれかに記載の固体撮像装置。
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