JPH10336524A

JPH10336524A - 固体撮像装置およびその撮像方法

Info

Publication number: JPH10336524A
Application number: JP9144183A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mori; 浩史森
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 1998-12-18
Anticipated expiration: 2017-06-02
Also published as: JP3988207B2

Abstract

(57)【要約】【課題】感度を低下させず、入射光量に対して飽和し
にくく、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置および
その撮像方法を実現する。【解決手段】露光期間Ａ１に受光素子に蓄積した信号
電荷を時間Ｔ_RO1のタイミングで電荷保持素子に転送
し、空になった受光素子を次の蓄積動作を開始させる。
前フィールドの垂直転送終了後、時間Ｔ_RO2のタイミン
グで奇数行の電荷保持素子の保持電荷を垂直転送レジス
タに転送し、一回垂直転送した後、時間Ｔ_RO3のタイミ
ングで偶数行の電荷保持素子の保持電荷を垂直転送レジ
スタに転送し、奇数行の信号電荷と混合する。露光期間
Ｂ１が終了した後、奇数行の受光素子の蓄積電荷を時間
Ｔ_RO4のタイミングで垂直転送レジスタに転送し、一回
垂直転送した後、時間Ｔ_RO5のタイミングで偶数行の受
光素子の蓄積電荷を垂直転送レジスタに転送し、奇数行
の信号電荷と混合して、転送部により出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置、例
えば、電荷蓄積期間を複数の期間に分割し、各期間にお
ける電荷蓄積時間長を撮像対象物からの入射光量に応じ
て制御することにより、各期間の入射光量−感度特性を
制御でき、入射光量に対して飽和しにくく、ダイナミッ
クレンジが広くできる固体撮像装置およびその撮像方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ（Charge Coupled Device:電荷結
合デバイス）などを用いた固体撮像装置において、光セ
ンサとしての受光素子の電荷蓄積時間を複数の期間に分
割し、それぞれの分割期間の違いに相当する感度差を利
用して、映像信号の入射光量に対して飽和しにくくする
撮像方式が知られている。

【０００３】図７は従来の固体撮像装置の一構成例を示
すブロック図である。図示のように、本例の固体撮像装
置は、対物レンズ１０、光学フィルタ２０、固体撮像素
子３０、信号処理回路４０、駆動回路５０、タイミング
発生回路６０および同期信号発生回路７０により構成さ
れている。

【０００４】同期信号発生回路７０により水平同期信号
ＨＤと垂直同期信号ＶＤがそれぞれ発生される。タイミ
ング発生回路６０は同期信号発生回路７０からの水平同
期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤに同期して動作し、
固体撮像装置全体の動作タイミングを制御する駆動パル
ス信号Ｓ６０を発生する。駆動回路５０は、タイミング
発生回路６０からの駆動パルス信号Ｓ６０を電流／振幅
増幅して、固体撮像素子３０に入力する。

【０００５】撮像対象物からの入射光は、対物レンズ１
０および光学フィルタ２０を介して固体撮像素子３０に
照射される。固体撮像素子３０は、駆動回路５０により
増幅された駆動パルス信号Ｓ５０により設定したタイミ
ングで、入射光量に応じた電気信号である画像信号Ｓ３
０を生成し、信号処理回路４０に出力する。信号処理回
路４０は、固体撮像素子３０からの画像信号を処理し
て、それに同期信号発生回路７０からの水平同期信号Ｈ
Ｄおよび垂直同期信号ＶＤを加えた後、ビデオ信号Ｓ
_VDOとして出力する。

【０００６】図８は固体撮像素子３０の内部の構成を示
す配置図である。図示のように、固体撮像素子３０は、
マトリクス状に配置された複数、例えば、（ｍ×ｎ、
ｍ，ｎは正整数である）個の受光素子ＰＤ_1,1，ＰＤ
_1,2，…，ＰＤ_1,n，ＰＤ_2,1，ＰＤ_2,2，…，ＰＤ
_3,1，ＰＤ_3,2，…，ＰＤ_m,1，ＰＤ_m,2，…，ＰＤ
_m,nにより構成されている受光部、受光部の列方向に連
なって、受光素子の各列ごとに設けられている転送素子
からなる垂直転送部３２、垂直転送部から送られてきた
電荷を行方向に転送する転送素子からなる水平転送部３
４、水平転送部の終端に設けられ、電荷の有無を検出す
る電荷検出アンプ３６、電荷検出アンプ３６からの信号
を出力する出力アンプ３８により構成されている。な
お、垂直転送部３２は、例えば、マトリクス状に配置さ
れている受光素子の列に応じて、当該列方向に配置され
ているｎ列の転送素子３２_-1，３２_-2，…，３２_-nによ
り構成されている。

【０００７】受光素子ＰＤ_1,1，ＰＤ_1,2，…，ＰＤ
_1,n，ＰＤ_2,1，ＰＤ_2,2，…，ＰＤ_3,1，ＰＤ_3,2，
…，ＰＤ_m,1，ＰＤ_m,2，…，ＰＤ_m,nは、例えば、露
光期間（電荷蓄積期間）中に入射した光量に応じて所定
量の電荷を蓄積するフォトダイオードなどの光センサに
より構成され、垂直転送素子および水平転送素子は、例
えば、レジスタにより構成されている。出力アンプ３８
からの出力信号は、固体撮像素子３０により発生した画
像信号Ｓ３０である。

【０００８】図９は固体撮像素子３０の動作タイミング
を示す波形図、図１０は固体撮像素子３０における電荷
転送の動作を示す概念図である。以下、これらの図面を
参照しつつ、本例の固体撮像装置の電荷蓄積および転送
動作について説明する。図９に示すように、固体撮像装
置における電荷蓄積期間を二つの期間、即ち、露光期間
Ａと露光期間Ｂとに分割されている。露光期間Ａは、通
常動作期間中に、露光期間Ｂは、垂直ブランキング期間
中にそれぞれ設定されている。

【０００９】露光期間Ａに各受光素子に蓄積した電荷の
内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間Ｔ_RO1
のタイミングで各受光素子からそれぞれの受光素子に応
じて設けられている垂直転送部の転送素子（以下、単に
垂直転送レジスタという）に読み出される。この動作は
垂直転送レジスタ内の電荷転送が終了した後の垂直ブラ
ンキング期間に入って初めて可能となり、垂直ブランキ
ング以外には行うことができない。また、この読み出し
直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始する。

【００１０】次に、垂直転送部において、垂直転送を一
行分行った後に、時間Ｔ_RO2のタイミングで露光期間Ａ
に蓄積された電荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄
積電荷が時間Ｔ_RO2のタイミング各受光素子からそれぞ
れの受光素子に応じて設けられている垂直転送レジスタ
に読み出される。同時に読み出し直後に空になった受光
素子は次の蓄積動作を開始する。これにより、同一露光
期間Ａに蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電
荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。

【００１１】次に、露光期間Ｂに蓄積された電荷の内、
奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間Ｔ_RO3のタ
イミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設
けられている垂直転送レジスタに読み出される。さらに
垂直転送を一行分行った後に、時間Ｔ_RO4のタイミング
で露光期間Ｂに蓄積された電荷の内、偶数行に相当する
受光素子の蓄積電荷が各受光素子から垂直転送レジスタ
に読み出される。これにより、同一露光期間Ｂに蓄積さ
れた奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レ
ジスタにおいて混合される。

【００１２】以上の一連の動作によって垂直転送レジス
タには、露光期間Ａに蓄積された電荷と露光期間Ｂに蓄
積された電荷が交互に保持される。読み出し動作が完了
した後、垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送
および水平転送によって、露光期間Ａと露光期間Ｂにそ
れぞれ蓄積した信号電荷は時系列に電荷検出アンプ３６
に転送され、電荷検出の結果が出力アンプ３８により増
幅され、画像信号Ｓ３０として出力される。

【００１３】上述したように、電荷蓄積期間が露光期間
Ａと露光期間Ｂに分割され、それぞれの露光期間の違い
から入射光量に対して、図１１（ａ）、（ｂ）に示す光
量−感度特性が得られる。そして、固体撮像素子３０の
後段に設けられている信号処理回路４０によってこれら
の信号に対して加算／補正処理が行われ、固体撮像装置
全体の特性として、図１１（ｃ）に示す光量−感度特性
を得ることができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の固体撮像装置においては、露光期間Ｂは垂直ブラン
キング期間内にしか設定することができないため、図１
１（ｂ）に示す露光期間Ｂの光量−感度特性はこれ以上
急峻な傾きを得ることができない。このため、露光期間
Ａに対する感度比はこれ以上に大きく設定することがで
きず、固体撮像装置のダイナミックレンジを広く取れ
ず、高輝度領域での光量−感度特性が潰れ過ぎて、不自
然な画像となってしまう。または、露光期間Ａに対する
感度比を大きくするためには、電子シャッタなどを使っ
て露光期間Ａの時間長を制限し、露光期間Ａの感度を抑
制する必要がある。これによって、固体撮像装置全体の
感度劣化を引き起こしてしまうという不利益がある。

【００１５】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、入射光に対する感度を低下させ
ることなく、入射光量に対して飽和しにくい画像信号を
生成でき、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置およ
びその撮像方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の固体撮像装置は、電荷蓄積期間中に撮像対
象物からの入射光量に応じて受光素子に蓄積した電荷を
転送期間中に転送素子を介して転送し、外部に出力する
固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも
第１期間と第２期間の二つの期間に分割され、上記受光
素子で蓄積した電荷を保持する電荷保持手段と、上記第
１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上
記受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送し
て保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保
持されている電荷を上記転送素子に転送させ、上記第２
期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記
受光素子に蓄積した電荷を上記転送素子に転送させる転
送制御手段とを有する。

【００１７】また、本発明では、画素ごとに設けられ、
マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受
光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごと
に配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光
量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送
する転送素子からなる転送部とを有する固体撮像装置で
あって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２
期間の二つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に
蓄積した電荷を保持する電荷保持手段と、上記第１期間
終了後の第１のタイミングで上記第１期間中に上記受光
部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送
させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持され
ている電荷を上記転送部の転送素子に転送させ、上記第
２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上
記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部の転送
素子に転送する転送制御手段とを有する。

【００１８】画素ごとに設けられ、マトリックス状に配
置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連
なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄
積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光
素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送素子からな
る転送部とを有する固体撮像装置であって、上記電荷蓄
積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に
分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持
する電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイ
ミングで上記第１期間中に上記受光部の受光素子に蓄積
した電荷を上記電荷保持手段に転送させ、第２のタイミ
ングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、奇
数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部の転送素子
に転送させ、第３のタイミングで上記電荷保持手段に保
持されている電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電
荷を上記転送部の転送素子に転送させ、上記第２期間終
了後の第４のタイミングで上記受光部の奇数行の受光素
子に蓄積した電荷を上記転送部の転送素子に転送させ、
第５のタイミングで上記受光部の偶数行の受光素子に蓄
積した電荷を上記転送部の転送素子に転送させる転送制
御手段とを有する。

【００１９】また、本発明では、好適には上記電荷保持
手段は、上記受光部の受光素子ごとに設けられ、上記第
１のタイミングで上記受光部の各受光素子から送られて
きた電荷を格納する電荷保持素子により構成されてい
る。さらに、好適には上記電荷蓄積期間を分割して得た
各期間の長さが上記撮像対象物からの入射光量に応じて
制御される

【００２０】また、本発明の固体撮像装置の撮像方法
は、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じ
て受光素子に電荷を蓄積し、蓄積電荷を転送素子を介し
て転送する固体撮像装置の撮像方法であって、上記電荷
蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間
に分割し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当
該第１期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を保持し、
第２のタイミングで上記保持した電荷を上記転送素子に
転送し、上記第２期間終了後の第３のタイミングで当該
第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記転送素
子に転送する。

【００２１】また、本発明の固体撮像装置の撮像方法
は、マトリックス状に配置された複数の受光素子が電荷
蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて電荷を
蓄積し、蓄積した電荷を上記受光素子列ごとに配置され
た転送素子により転送する固体撮像装置の撮像方法であ
って、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期
間の二つの期間に分割し、上記第１期間終了後の第１の
タイミングで当該第１期間中に上記受光素子に蓄積した
電荷を保持し、第２のタイミングで上記保持された電荷
の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送素子
に転送し、第３のタイミングで上記保持された電荷の
内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送素子に
転送し、上記第２期間終了後の第４のタイミングで当該
第２期間中に奇数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転
送部の転送素子に転送し、第５のタイミングで上記第２
期間中に偶数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部
の転送素子に転送する。

【００２２】また、本発明の固体撮像装置の撮像方法で
は、好適には上記第２の転送動作後、上記垂直転送部に
おいて一回の転送動作が行われ、転送後の各転送素子の
電荷は上記第３の転送動作で転送されてきた電荷と混合
され、さらに上記第４の転送動作後、上記転送部におい
て一回の転送動作が行われ、転送後の各転送素子の電荷
は上記第５の転送動作で転送されてきた電荷と混合され
る。

【００２３】本発明によれば、電荷蓄積期間が少なくと
も二つの期間、例えば、第１期間と第２期間に分割さ
れ、受光素子からなる受光部で蓄積した電荷が各蓄積期
間終了後に転送素子からなる転送部によって転送され、
外部に出力される。受光部はマトリクス状に配置された
複数の受光素子により構成され、受光素子ごとに対応す
る受光素子の蓄積電荷を保持する電荷保持素子が設けら
れ、さらに、各列の受光素子に応じて当該列方向に電荷
を転送する電荷転送素子からなる転送部が設けられてい
る。

【００２４】第１期間終了後の第１のタイミングで各受
光素子に蓄積した電荷が一括して、電荷保持素子に転送
される。電荷転送後、受光素子の電荷がクリアされ、空
になった受光素子が次の受光期間が始まる。第２のタイ
ミングで電荷保持素子の内、奇数行の受光素子により蓄
積された電荷が転送部の各転送素子に転送され、転送部
において一回の転送動作が行われた後、第３のタイミン
グで電荷保持素子の内、偶数行の受光素子により蓄積さ
れた電荷が転送部の各転送素子に転送され、各転送素子
において、奇数行の受光素子の蓄積電荷と混合される。
第３のタイミングで第２期間に奇数行の受光素子に蓄積
した電荷が転送部の転送素子に転送され、転送部におい
て一回の転送動作が行われた後、第５のタイミングで偶
数行の受光素子に蓄積した電荷が転送部の転送素子に転
送され、転送部の各転送素子において、奇数行の受光素
子の蓄積電荷と混合される。

【００２５】上述した電荷蓄積および転送動作によっ
て、転送部を構成する各転送素子に第１期間と第２期間
に蓄積した電荷が交互に保持される。その後、垂直転
送、垂直−水平転送素子間転送および水平転送によっ
て、第１および第２期間にそれぞれ蓄積した信号電荷が
時系列に出力され、画像信号を得られる。

【００２６】このため、従来の垂直ブランキング期間中
のみに設定できる第２期間が任意のタイミングで始まる
ことができ、第２期間における光量−感度特性の傾きを
大きく設定することができ、入射光量に対する飽和しに
くい映像信号特性が得られ、撮像装置のダイナミックレ
ンジを広く設定される。さらに、第１、第２期間の比例
を任意に設定できることにより、電子シャッタなどによ
り第１期間を抑制する必要がなくなり、第１期間におけ
る感度を低下させることなく、撮像装置全体の感度劣化
を回避できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る固体撮像装置
の一実施形態を示す回路図である。図示のように、本例
の固体撮像装置は、対物レンズ１０、光学フィルタ２
０、固体撮像素子３０ａ、信号処理回路４０、駆動回路
５０、タイミング発生回路６０ａおよび同期信号発生回
路７０により構成されている。本実施形態の固体撮像装
置は、図７に示す従来の固体撮像装置と較べると、固体
撮像素子３０ａ、タイミング発生回路６０ａを除けば、
他の構成部分はほぼ同じ回路により構成されている。よ
って、図１に示す固体撮像装置全体の信号の流れは、図
６に示す従来の固体撮像装置とほぼ同様である。

【００２８】ただし、本発明においては、固体撮像素子
３０ａの構成および動作タイミングを工夫したことによ
って、固体撮像装置全体の感度を向上させ、高輝度領域
における光量−感度特性の劣化を回避でき、ダイナミッ
クレンジの広い固体撮像装置を実現した。また、改良が
行われた固体撮像素子３０ａ動作タイミングを制御する
ため、タイミング発生回路６０ａにはそれに応じた変更
が行われる。

【００２９】図２は本実施形態における固体撮像素子３
０ａの内部構成を示す配置図である。図示のように、固
体撮像素子３０ａは、マトリクス状に配置された複数、
例えば、（ｍ×ｎ）個の受光素子ＰＤ_1,1，ＰＤ_1,2，
…，ＰＤ_1,n，ＰＤ_2,1，ＰＤ_2,2，…，ＰＤ_3,1，Ｐ
Ｄ_3,2，…，ＰＤ_m,1，ＰＤ_m,2…，ＰＤ_m,nにより構
成されている受光部を有し、さらに受光部に各受光素子
ごとに電荷保持素子ＣＲ_1,1，ＣＲ_1,2，…，Ｃ
Ｒ_1,n，ＣＲ_2,1，ＣＲ_2,2，…，ＣＲ_3,1，Ｃ
Ｒ_3,2，…，ＣＲ_m,1，ＣＲ_m,2，…，ＣＲ_m,nが設け
られ、これによって本実施形態の固体撮像装置にはそれ
ぞれの受光素子の蓄積電荷を保持する電荷保持機能が加
えられた。さらに、図７に示す従来の固体撮像装置と同
様に、受光部の列方向に連なって、受光素子の各列ごと
に設けられている転送素子からなる垂直転送部３２、垂
直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送する転送
素子からなる水平転送部３４、水平転送部の終端に設け
られ、電荷の有無を検出する電荷検出アンプ３６、電荷
検出アンプ３６からの信号を出力する出力アンプ３８が
それぞれ設けられている。

【００３０】受光素子ＰＤ_1,1，ＰＤ_1,2，ＰＤ_1,3，
…，ＰＤ_1,n，ＰＤ_2,1，…，ＰＤ_3,1，…，ＰＤ_m,1
…，ＰＤ_m,nは、例えば、露光期間中に入射した光量に
応じて所定量の電荷を蓄積するフォトダイオードなどの
光センサにより構成されている。電荷保持素子Ｃ
Ｒ_1,1，ＣＲ_1,2，…，ＣＲ_1,n，ＣＲ_2,1，Ｃ
Ｒ_2,2，…，ＣＲ_3,1，ＣＲ_3,2，…，ＣＲ_m,1，ＣＲ
_m,2，…，ＣＲ_m,nは、受光素子に蓄積した電荷を一時
保持する電荷保持素子からなり、その例として、例え
ば、レジスタまたはキャパシタにより構成することがで
きる。

【００３１】垂直転送部３２は、例えば、マトリクス状
に配置されている受光素子の列に応じて、当該列方向に
配置されているｎ列の転送素子３２_-1，３２_-2，…，３
２_-nにより構成され、転送素子は、例えばレジスタによ
り構成されている。水平転送部３４は、垂直転送部から
の送られてきた電荷を水平方向（受光素子がなすマトリ
クスの行方向）に転送する水平転送素子からなる。な
お、水平転送素子は、垂直転送素子と同様に、例えば、
レジスタにより構成されている。

【００３２】図３は本実施形態の固体撮像素子３０ａの
動作タイミングを示す波形図、図４は固体撮像素子３０
ａにおける電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図
である。以下、これらの図面を参照しつつ、本実施形態
の固体撮像装置の電荷蓄積および転送動作について説明
する。図３に示すように、本実施形態の固体撮像素子３
０ａにおける電荷蓄積期間を二つの期間、即ち、露光期
間Ａ１と露光期間Ｂ１とに分割されている。露光期間Ａ
１と露光期間Ｂ１は、通常動作期間と垂直ブランキング
期間の間に、任意に配分されている。

【００３３】露光期間Ａ１に各受光素子に蓄積した電荷
が時間Ｔ_RO1のタイミングで各受光素子ＰＤ_1,1，ＰＤ
_1,2，…，ＰＤ_1,n，ＰＤ_2,1，ＰＤ_2,2，…，ＰＤ
_3,1，ＰＤ_3,2，…，ＰＤ_m,1，ＰＤ_m,2…，ＰＤ_m,n
からそれぞれの受光素子に応じて設けられている電荷保
持素子ＣＲ_1,1，ＣＲ_1,2，…，ＣＲ_1,n，ＣＲ_2,1，
ＣＲ_2,2，…，ＣＲ_3,1，ＣＲ_3,2，…，ＣＲ_m,1，Ｃ
Ｒ_m,2，…，ＣＲ_m,nに読み出される。なお、この読み
出し動作は垂直転送レジスタ内の信号電荷に影響を与え
ないため、垂直転送が終了したか否かに関わらず、任意
のタイミングで行うことが可能である。また、この読み
出し直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始す
る。

【００３４】図４は、固体撮像素子３０ａにおける受光
素子ＰＤ_1,i，ＰＤ_2,i，…，ＰＤ_m,iからなる一行の
受光素子、電荷保持素子ＣＲ_1,i，ＣＲ_2,i，…，ＣＲ
_m,iからなる一行の電荷保持素子および垂直転送レジス
タ３０_-iの電荷蓄積および転送動作を図示したものであ
る。同図（ａ）は、例として受光素子ＰＤ_1,i，ＰＤ
_2,i，…，ＰＤ_m,iから電荷保持素子ＣＲ_1,i，ＣＲ
_2,i，…，ＣＲ_m,iに信号電荷が転送される様子を示し
ている。

【００３５】次に、前フィールドの信号電荷の垂直転送
が終了した後、図３に示す時間Ｔ_RO2のタイミングで各
電荷保持素子の内、奇数行の受光素子により露光期間Ａ
１に蓄積した信号電荷が垂直レジスタに読み出される。
図４（ｂ）に示すように、受光素子ＰＤ_1,i，Ｐ
Ｄ_3,i，…などの奇数行の受光素子に対応した電荷保持
素子ＣＲ_1,i，ＣＲ_3,i，…に保持されている電荷がそ
れぞれ垂直転送レジスタ３２_-iに転送される。

【００３６】次に、垂直転送部において、垂直転送を一
行分行った後に、時間Ｔ_RO3のタイミングで各電荷保持
素子の内、偶数行の受光素子により露光期間Ａ１に蓄積
した信号電荷が垂直レジスタに読み出される。図４
（ｃ）に示すように、受光素子ＰＤ_2,i，ＰＤ_4,i，…
などの偶数行の受光素子に対応した電荷保持素子ＣＲ
_2,i，ＣＲ_4,i，…に保持されている電荷がそれぞれ垂
直転送レジスタ３２_-iに転送される。これにより、同一
露光期間Ａ１に蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の
信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。

【００３７】次に、露光期間Ｂ１に蓄積された電荷の
内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間Ｔ_RO4
のタイミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じ
て設けられている垂直転送レジスタに読み出される。そ
して垂直転送部において垂直転送を一行分行った後に、
時間Ｔ_RO5のタイミングで露光期間Ｂ１に蓄積された電
荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄積電荷が各受光
素子から垂直転送レジスタに読み出される。これによ
り、同一露光期間Ｂ１に蓄積された奇数行と偶数行の受
光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合され
る。

【００３８】図４（ｄ）に示すように、受光素子ＰＤ
_1,i，ＰＤ_3,i，…などの奇数行の受光素子に蓄積した
信号電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２_-iに転送され
る。図４（ｅ）に示すように、受光素子ＰＤ_2,i，ＰＤ
_4,i，…などの偶数行の受光素子に蓄積した信号電荷が
それぞれ垂直転送レジスタ３２_-iに転送され、垂直転送
レジスタ３２_-iにおいて、垂直転送で送られてきた奇数
行の受光素子ＰＤ_1,i，ＰＤ_3,i，…により蓄積した信
号電荷と混合される。

【００３９】以上述べた一連の動作によって垂直転送レ
ジスタには、露光期間Ａ１に蓄積された電荷と露光期間
Ｂ１に蓄積された電荷が交互に保持される。そして、読
み出しが完了した後、垂直転送、垂直レジスタ−水平レ
ジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａ１と
露光期間Ｂ１に蓄積した信号電荷は時系列に電荷検出ア
ンプ３６に転送され、電荷検出の結果が出力アンプ３８
により増幅され、画像信号Ｓ３０ａとして出力される。

【００４０】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、露光期間Ａ１に受光素子に蓄積した信号電荷を時間
Ｔ_RO1のタイミングで電荷保持素子に転送し、からにな
った受光素子が次の蓄積動作を開始する。前フィールド
の垂直転送終了後、時間Ｔ_RO2のタイミングで奇数行の
電荷保持素子の保持電荷を垂直転送レジスタに転送し、
一回垂直転送した後、時間Ｔ_RO3のタイミングで偶数行
の電荷保持素子の保持電荷を垂直転送レジスタに転送
し、奇数行の信号電荷と混合する。露光期間Ｂ１に奇数
行の受光素子の蓄積電荷を時間Ｔ_RO4のタイミングで垂
直転送レジスタに転送し、一回垂直転送した後、時間Ｔ
_RO5のタイミングで偶数行の受光素子の蓄積電荷を垂直
転送レジスタに転送し、奇数行の蓄積電荷と混合する。
垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水
平転送によって、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１に蓄積し
た信号電荷を時系列に電荷検出アンプ３６に転送し、電
荷検出の結果を出力アンプ３８により増幅し、画像信号
Ｓ３０ａとして出力する。

【００４１】このように、露光期間Ａ１、Ｂ１のそれぞ
れの信号電荷は、それぞれの露光期間の違いから、入力
光量に対して、図５（ａ）、（ｂ）に示す光量−感度特
性が得られる。そして、固体撮像素子３０ａの後段に設
けられている信号処理回路４０によってこれらの信号に
対して加算／補正処理が行われ、固体撮像装置全体の特
性として、図５（ｃ）に示す光量−感度特性を得ること
ができる。本発明では、露光期間Ｂ１は垂直ブランキン
グ期間以外の期間にも任意に設定できるため、図５
（ａ）および（ｂ）に示すように、それぞれの露光期間
に対応した感度特性の傾きを任意に制御することができ
る。

【００４２】また、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１との感
度比を任意に設定できるため、中低輝度領域と高輝度領
域の光量−感度特性のバランスを自由に設定できるた
め、被写体の状況や使用目的に応じて固体撮像装置のダ
イナミックレンジを任意に設定することができる。さら
に、電子シャッタなどを使って露光期間Ａ１の感度を抑
制する必要がないため、撮像全体の感度性能を最大限に
活用することができる。

【００４３】なお、以上図２に示す構成例に基づき本発
明について説明したが、本発明は上述した実施形態に限
定されるものではなく、一画素あたりの露光期間を二つ
以上に分割して、被写体の状況や使用目的に応じてそれ
ぞれの露光期間を任意に設定することにより、各期間に
おける光量−感度特性を細かく制御でき、固体撮像装置
のダイナミックレンジをさらに広げることが可能であ
る。

【００４４】また、受光素子に蓄積した信号電荷を一時
的に保持する保持機能を備えた他の固体撮像装置におい
て本発明の原理を適用できることはいうまでもない。例
えば、図６に示すように受光素子からなる受光部、垂直
転送レジスタと水平転送レジスタ間に設けられているレ
ジスタからなる電荷保持部を有する固体撮像装置、いわ
ゆるフレーム・インタライン方式固体撮像装置に本発明
を適用して、電荷蓄積期間を二つまたは二つ以上に分割
して、状況に応じて各分割された期間を制御することに
よって、ダイナミックレンジを広げることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
装置およびその撮像方法によれば、電荷蓄積時間を複数
の期間に分割し、状況に応じて各期間の感度比を任意に
設定でき、撮像装置のダイナミックレンジを撮像条件お
よび使用目的に応じて自由に設定できる。さらに、撮像
装置の感度の抑制することなく、撮像全体の感度性能を
最大限に活用することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示す
ブロック図である。

【図２】本発明における固体撮像素子の内部構成を示す
配置図である。

【図３】本発明における固体撮像素子の動作タイミング
を示す波形図である。

【図４】本発明における固体撮像素子における電荷蓄積
および電荷転送の動作を示す概念図である。

【図５】本発明の固体撮像装置の光量−感度特性を示す
グラフである。

【図６】本発明の固体撮像装置の他の構成例であるフレ
ーム・インタライン転送方式の固体撮像装置を示す配置
図である。

【図７】従来の固体撮像装置の一例を示すブロック図で
ある。

【図８】従来の固体撮像素子の内部構成を示す配置図で
ある。

【図９】従来の固体撮像素子の動作タイミングを示す波
形図である。

【図１０】従来の固体撮像素子における電荷蓄積および
電荷転送の動作を示す概念図である。

【図１１】従来の固体撮像装置の光量−感度特性を示す
グラフである。

【符号の説明】

１０…対物レンズ、２０…光学フィルタ、３０，３０ａ
…固体撮像素子、４０…信号処理回路、５０…駆動回
路、６０，６０ａ…タイミング発生回路、７０…同期信
号発生回路、ＰＤ_1,1，ＰＤ_1,2，…，ＰＤ_1,n，ＰＤ
_2,1，ＰＤ_2,2，…，ＰＤ_3,1，ＰＤ_3,2，…，ＰＤ
_m,1，ＰＤ_m,2…，ＰＤ_m,n…受光素子、ＣＲ_1,1，Ｃ
Ｒ_1,2，…，ＣＲ_1,n，ＣＲ_2,1，ＣＲ_2,2，…，ＣＲ
_3,1，ＣＲ_3,2，…，ＣＲ_m,1，ＣＲ_m,2，…，ＣＲ
_m,n…電荷保持素子、３２…垂直転送部、３２_-1，３２
_-2，…，３２_-n…垂直転送レジスタ、３４…水平転送
分、３６…電荷検出アンプ、３８…出力アンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光
量に応じて受光素子に蓄積した電荷を転送素子を介して
転送する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二
つの期間に分割され、上記受光素子で蓄積した電荷を保
持する電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間
中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に
転送して保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手
段に保持されている電荷を上記転送素子に転送させ、上
記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中
に上記受光素子に蓄積した電荷を上記転送素子に転送さ
せる転送制御手段とを有する固体撮像装置。
【請求項２】画素ごとに設けられ、マトリックス状に配
置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置さ
れ、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じ
て上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送
素子からなる転送部とを有する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二
つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持する電荷保
持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記第１期間
中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保
持手段に転送させ、第２のタイミングで上記電荷保持手
段に保持されている電荷を上記転送部の転送素子に転送
させ、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第
２期間中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記
転送部の転送素子に転送する転送制御手段とを有する固
体撮像装置。
【請求項３】上記第２のタイミングは、上記転送部にお
いて前のフィールドの画像に応じた蓄積電荷の転送が終
了した後に設定されている請求項２記載の固体撮像装
置。
【請求項４】上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間の
長さは、上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御さ
れる請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項５】画素ごとに設けられ、マトリックス状に配
置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置さ
れ、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じ
て上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する転送
素子からなる転送部とを有する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間が少なくとも第１期間と第２期間の二
つの期間に分割され、上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を保持する電荷保
持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記第１期間
中に上記受光部の受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保
持手段に転送させ、第２のタイミングで上記電荷保持手
段に保持されている電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積
した電荷を上記転送部の転送素子に転送させ、第３のタ
イミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の
内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を上記転送部の転
送素子に転送させ、上記第２期間終了後の第４のタイミ
ングで上記受光部の奇数行の受光素子に蓄積した電荷を
上記転送部の転送素子に転送させ、第５のタイミングで
上記受光部の偶数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転
送部の転送素子に転送させる転送制御手段とを有する固
体撮像装置。
【請求項６】上記電荷保持手段は、上記受光部の受光素
子ごとに設けられ、上記第１のタイミングで上記受光部
の各受光素子から送られてきた電荷を格納する複数の電
荷保持素子により構成されている請求項５記載の固体撮
像装置。
【請求項７】上記第１のタイミングで上記受光部の受光
素子に蓄積した電荷が上記電荷保持手段に転送した後、
上記受光部の受光素子の電荷がクリアされ、次の電荷蓄
積期間が開始する請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項８】上記第２のタイミングは、上記転送部にお
いて前のフィールドの画像に応じた蓄積電荷の転送が終
了した後に設定されている請求項５記載の固体撮像装
置。
【請求項９】上記第２のタイミングで上記電荷保持手段
に保持されている奇数行の受光素子の蓄積電荷が上記転
送部の転送素子に転送した後、上記転送部において一回
の転送動作が行われる請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項１０】上記転送動作が行われた後、上記転送部
の各転送素子に保持されている奇数行受光素子の蓄積電
荷が、上記第３のタイミングで上記電荷保持手段から転
送されてきた偶数行の受光素子の蓄積電荷と混合される
請求項９記載の固体撮像装置。
【請求項１１】上記第４のタイミングで上記奇数行の受
光素子の蓄積電荷が上記転送部の転送素子に転送した
後、上記転送部において一回の転送動作が行われる請求
項５記載の固体撮像装置。
【請求項１２】上記転送動作が行われた後、上記転送部
の各転送素子に保持されている奇数行受光素子の蓄積電
荷が、上記第５のタイミングで上記偶数行の受光素子か
ら転送されてきた蓄積電荷と混合される請求項１１記載
の固体撮像装置。
【請求項１３】上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間
の長さは、上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御
される請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項１４】電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射
光量に応じて受光素子に電荷を蓄積し、蓄積電荷を転送
素子を介して転送する固体撮像装置の撮像方法であっ
て、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二
つの期間に分割し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間
中に上記受光素子に蓄積した電荷を保持し、第２のタイミングで上記保持した電荷を上記転送素子に
転送し、上記第２期間終了後の第３のタイミングで当該第２期間
中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記転送素子に転送
する固体撮像装置の撮像方法。
【請求項１５】上記第２のタイミングは、上記転送素子
に前のフィールドの画像に対応する蓄積電荷の転送終了
後に設定されている請求項１４に記載の固体撮像装置の
撮像方法。
【請求項１６】上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間
の長さは、上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御
される請求項１４記載の固体撮像装置の撮像方法。
【請求項１７】マトリックス状に配置された複数の受光
素子が電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応
じて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を上記受光素子列ごと
に配置された転送素子により転送する固体撮像装置の撮
像方法であって、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二
つの期間に分割し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間
中に上記受光素子に蓄積した電荷を保持し、第２のタイミングで上記保持された電荷の内、奇数行の
受光素子で蓄積した電荷を上記転送素子に転送し、第３のタイミングで上記保持された電荷の内、偶数行の
受光素子で蓄積した電荷を上記転送素子に転送し、上記第２期間終了後の第４のタイミングで当該第２期間
中に奇数行の受光素子に蓄積した電荷を上記転送部の転
送素子に転送し、第５のタイミングで上記第２期間中に偶数行の受光素子
に蓄積した電荷を上記転送部の転送素子に転送する固体
撮像装置の撮像方法。
【請求項１８】上記第１のタイミングで上記受光素子に
蓄積した電荷を保持した後、上記受光素子の電荷をクリ
アし、次の電荷蓄積期間を開始する請求項１７記載の固
体撮像装置の撮像方法。
【請求項１９】上記第２のタイミングは、上記転送素子
に前のフィールドの画像に対応する蓄積電荷の転送終了
後に設定されている請求項１７に記載の固体撮像装置の
撮像方法。
【請求項２０】上記第２のタイミングでの転送動作の
後、上記転送素子により列方向に一回の転送動作が行わ
れ、転送後の各転送素子の電荷は上記第３のタイミング
で送られてきた電荷と混合される請求項１７記載の固体
撮像装置の撮像方法。
【請求項２１】上記第４のタイミングでの転送動作の
後、上記転送素子により列方向に一回の転送動作が行わ
れ、転送後の各転送素子の電荷は上記第５のタイミング
で送られてきた電荷と混合される請求項１７記載の固体
撮像装置の撮像方法。
【請求項２２】上記電荷蓄積期間を分割して得た各期間
の長さは、上記撮像対象物からの入射光量に応じて制御
される請求項１７記載の固体撮像装置の撮像方法。