JPS59172887A - 固体撮像装置の駆動方法及びその回路 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は固体撮像装置に係り、特・に高感度化゛に好適
な固体撮像装置の駆動方法及びその回路に関する。

〔発明の背景〕

半導体基板上に光電変換素子をアレイ状に設。

けた固体撮像装置は、従来の真空管撮像装置に比べ大き
さ２重量、消費電力、焼付け、残像。

寿都、安定性の点で有利であり、脚光を浴びている。一
方、垂直スメアなどの固体撮像装置性。

有の問題も生じている。特に垂直スメアは、真。

空管撮像装置では全く発生しなかったにせ信号。

であり、重要な問題である。

現在製品化されている固体撮像装置は、ＭＯＳ形、ＣＰ
Ｉ）形、ＣＣＤ形の３釉類である。（例えば・（固体カ
ラーカメラの現状と動向、テレビジョン学会誌第６５巻
第３号参照。）このうちＣＰＤ形ではフォトダづオード
上の°信号電荷を垂直信号・１線Ｖｒ、絖出す前に、垂
直信号線上の垂直スミア電荷を外部へ掃出してしまうこ
とにより、容易に垂直スミアを抑圧することができる。

（実開昭５６−７ｓ３６４号参照）以下このような垂直
スミアを抑圧したＣＰＤ形固体撮像装置の従来例を第１
図〜第３図を用いて説明する。

第１図は垂直スミア掃出し回路付ＣＰＤ形固体。

撮像装置の一例である。１はフォトダイオード。

２は垂直スイッチング用ＭＯ８）ランジスタ、５゜は垂
直信号線、９は水平走査用電荷移送素子（例えば埋込チ
ャンネル形ＣＣＤ　）で、１水平走査期間に垂直信号線
数の２倍以上の画素を転送し・得るものである。垂直信
号線３と電荷移送素子（以下ＣＴＤと略す）９の間はＭ
ＯＳ　）ランジスタ４〜８から成る結合部で結合してい
る。尚、本明細書で用いるＩｖＯＳトランジスタは説明
の便宜上すべてルチャンネルとする。トランジスタ５は
デプレション形であり、容量として用いる。

１０は垂直走査回路であり、具体例は［安藤他：・ＭＯ
８形固体撮像索子用低雑音走査回路、テレビ（ジョン学
会１９８０年金ｌ大会予稿集２５ベージ」を参照Ｉ貝い
たい。走査回路１０の出力は垂直ゲート緋１１に、接続
している。

水平帰線期間に、まず垂直信号線上の不要室。

荷（垂直スメア、プルーミングなど）をトランジスタ７
を介してＢＤ（プルーミング掃出しドレ。

インの意）に掃出し、その後指定のラインのフォトダイ
オード１上の信号を垂直信号線３に読出し、トランジス
タ８を介してＣＴＤ９に読出す。

通常この動作を２回（り返し、２ライン分の信号なＣＴ
Ｄ　９に転送する。次の水平走査期間で。

Ｃ’ｌ’Ｄ　９を走査してビデオ信号を得る。２ライン
′同時読出しは本発明と直接関係はないが単板カラーカ
メラの高画質化に有効である。

第２図に具体的な駆動パルスの従来例を不す。

同図（ａ）はフォトダイオード１からｅＴＤ　９まで信
号を転送する１つの径路を示す等価回路図である。ＣＰ
ｄはフォトダイオード容Ｊｌ　ｔ　Ｃｖは垂直信号線容
量、Ｃ４はトランジスタ５のゲート容量Ｈ１はＣＴＤ　
９を駆動するクロックの１つである。

同図（ｂ）が駆動パルス例である時間区分ｔ１〜ｔ。

までが水平帰線期間の中にある。時間ｔ、でＣ４上の内
部バイアスをＣｖに注入しζバイアスと共にＣ，上の不
要電荷を効率よ＜Ｃ４に転送する。時間ｔ２でＢＤから
定電圧的にバイアスを０４まで注入する。注入と同時に
不要電荷はＢＤに掃出される。

その後バイアスをＢＤに掃出す。時間ｔ２ではトランジ
スタ４（Ｔ３）はオフしているので、この時。

間に指定のラインのＶＧをオンさせてＣＰｄ上の信号電
荷をＣｖに読出す。時間ｔ、でＣ４上の内部バイ１アス
を再びＣｖに注入し、バイアスと共にＣｖ上の信号電荷
を効率良＜Ｃ４に読出す。時間ｔ４では。

ＣＴＤ　９からバイアスをＣ４まで注入し、バイアスと
共にＣ４上の信号電荷を効率良（ＣＴＤ９に読出・す。

時間ｔ、ではｅＴＤ、　９中の情報を１画素分先に進め
る。時間ｔ６〜ｔ９では時間１．−１．で行なった・処
理をくり返す。ただし指定のラインは１つずらす。例え
ばＶＧパルスのうち実線で示したものが第１図中のＶＧ
ｒＬパルスだとすれば、点線で示したＶＧパルスは第１
図中のＶＧｎ十、パルスに相当１する。

このようにＣｖからＣ４，Ｃ４からＣＴＤ　９への電荷
転送においてバイアスを用いているのは転送効率を上げ
るためである。−般に容量Ｃから、ノ（イアスミ荷Ｂと
共に小信号電荷を、チャネルコンダクタンスβの飽和領
域のＭＯＳ　）ランジスタを介して時間τで転送する場
合、非転送効率εは次式で表わされる。

ε＝（１＋農τ）−２・・・（１） 従って転送効率を上げるためにバイアスを用いるの４常
とう手段となっている。尚（１）式はテーリング領域を
考慮していない点で実験データと誤差が生じるが、以下
の定性的な説明においでは（１）式の簡単な形の方が便
利である。

さて（１１式から転送効率が容量Ｃに敏感である゛こと
が判る。垂直信号線容量Ｃｖは数ＰＦであり、他の容量
（Ｌｐ　１　ｚＯ−０５ｐド、（−４ｚｏ　、ｉ　ｐ　
Ｆ　）と比べ・極端に太きい。従ってＣｖから効率良く
電荷を軒送するために、転送時間τとトランジスタのβ
値に実用上の制限がある以上バイアス量Ｂを犬きくする
必要がある。このとき、この従来例で用いている内部バ
イアス法が有効である。内部バイアス法の場合、Ｃｖか
らＣ４への転送に用いるバイアスはＣｖと０４との間を
往復するだけで他の経路を通らないため、バイアス量Ｂ
をいくら大きくしてもＣＴＤ　９のダイナミックレンジ
を減じることはない。又掃出しと読出しとで駆動パルス
がバランスしておればりからＣ４への転送過程ではＦＰ
Ｎ　（固体パターン雑音）は生じない。

以下、垂直スメアの抑圧効果について説明する。掃出さ
れずに読出されてしまう垂直スメアは次の２種類である
。１つは掃出し時の転送効率が悪いことによるもの、も
う１つはＣｖカらの掃出しが終了してからＣ０からの読
出しが終了するまでの間に垂直信号線３に混入するもの
である。１水平期間（約６４μ５）に対する掃出されな
い時間（ｔ２　＋ｔｓ　十ｔ？　＋ｔａ　）　　の割合
をαとし、ＣｖｆＪ）らＣ４への非転送効率を６１とす
ると、掃出しによる垂直スメア低減率Ｒは、 ■（＝εｖ（１−α）十α　　　　・・・　（２）で表
わされる。尚Ｃ４からＢＤへの掃出しの効率はほぼ１０
０係であり、これを仮定した。（２）式より、転送効率
を良くし、かつ転送時間を短くできれば垂直スメアはい
くらでも抑圧できることが判る。ただしく１）式に示す
ように転送効率を良くすることと、転送時間を短くする
こととは相反する関係にあり、第１図の固体撮像装置で
は低減率Ｒがｏ、１（−２ｏｄＢ　）にもならないのが
現状である。この点を改良した従来例の固体撮像装置を
第３図に示す。第３図の従来例が第１図の従来例と異な
る点は、エンノ・ンスメント形〜団トランジスタ２０と
デプレション形ＮｉＯ８）ランジスタ２１から成る反転
直路２２を設け、その入力を垂直信号線６に接続し、そ
の出力をトランジス１り４のゲートに接続した点である
。駆動タイミングも第２図（Ａ）のＴ６パルスをＶＤに
印加し、■Ｓは接地し、その他は第２図（ｂ）と同じで
ある。

反転回路付加の効果を簡潔に述べれば、利得（−ａ）の
反転回路を設けることにより、Ｃｖが等測的に（ｖ／（
１＋Ｇ）に見えるという点である。

（１１式から反転回路付加の転送効率向上への寄与は絶
大で、短時間で効率良く電荷転送を行なう・ことができ
、（２）式で示す垂直スメア低減率も０゜（−２ｏｄＢ
　）を楽にクリアすることができる。か一つ、ランダム
雑音をも低減できる。

さて、以上説明したように、ＣＰＤ形固体撮像装置では
垂直スメアの掃出しと、内部バイアス法、反転回路付加
による加速転送法の採用によ・り大幅な画質、感度Ω向
上が見込まれ、はとん。

どの性能項目においてＭＯ８形固体撮像装置を上回るこ
とが期待できる。一方ＣＣＤ形固体撮像装置では、残像
と垂直スメアの問題の他、単板かラーカメラにおいては
垂直方向の色フィルタ配・置が荒くなるという欠点があ
り、画質の点ではＭＯＳ形、　ＣＰＤ形に劣るものの、
感度は両者より優れている。感度を制限する要因をＣＰ
Ｄ形と。

ＣＣＤ形で比較すると、ＣＣＤ形の場合は水平転送。

用ＣＣＤ（本件明細書でＣＴＤ　９に相当するもの）で
発生するランダム雑音だけであるが、ＣＰＤ形では、（
、”ＴＤ　９で発生するランダム雑音の他に結・合部で
発生するランダム雑音、ＦＰＮ　’＋シェープ・インク
がある。フォトダイオードの開口率は。

ＣＰＤ形の方が約２倍大きいので、結合部で発生する上
記の雑音を減じて、トータルの雑音量をＣＣＤ形の２倍
以下にできれば、ＣＰＤ形はほとんどすべての点でＣＣ
Ｄ形より高性能となる。

以下結合部で発生するランダム雑音、　ＦＰＮ　。

シェーディングを説明する。主たるランダム雑。

音はＣｖからＣ４への電荷転送過程で発生する。

第４図に、第２図Ｃｈ’）と同じ時間スケール上でＣ上
のランダムな電荷揺らぎ’ｌｒ　、ｅｘ　＋・・・を示
す。

トランジスタ４がオフしている間（ｔ２　ｙｔ４　Ｉｔ
１１’　？ｔヮ、ｔ９）はＣｖ上の電荷に変化はない。

又、Ｃｖから０４への転送効率が充分良い場合はｑｒ　
ｔｑ＋＋　＋・・・は互いに無相関である。電荷揺らぎ
’ｌｓ’＋’ｌｔｓ・・・を生じる主たる原因は第１図
の装置と第３図の。

装置で異なり、前者ではトランジスタ４のチャンネルで
発生する熱雑音、後者では反転回路２２で発生してトラ
ンジスタ４のゲートを揺さぶるノンダム雑音である。い
ずれの場合も第４図の形で表現できる。ｔ３の読出しに
おいては（ｑｓ−ｑｔ　）の雑音電荷が読出され、ｔ、
の読出しにおいては（ｑ５９４）の雑音電荷が読出され
る。電荷揺らぎｑｒ　ｓｑｔ　、・・・のｒｍｓ値をｑ
ｎとすると、１画素あたりのランダム雑音電荷のγｍｅ
値は１／２ｑｎとなる。

Ｃ４からＣＴＤ　９又はＢＤへの電荷転送におけるラン
。

ダム雑音が無視できるのはＣｖに比べＣ４が充分小・さ
いためである。

ＦＰＮは逆にＣ４からＣＴＤ９及びＢＤへの電荷転送′
）において発生する。ＣｖからＣ４への電荷転送では、
駆動パルス波形が掃出しと読出しとで異なる場合に発生
するものと、後に述べるシェーディングの力°ラムごと
のばらつきによるものの２・種類あるが、前者は駆動の
バランスに注意を払５えば解決するし、後者はシェーデ
ィング自身を。

成る程度小さく押さえなければならないので、。

そのばらつきは無視できる。Ｃ４からの電荷転送。

では以下の２種類のＦＰＮが発生する。１つはバイアス
電荷の注入ばらつきＪに起因するものである。例えばＣ
ＴＤ　９のバイアス電荷は、例えば。

ポテンシャル平衡法などによってＣＴＤ　９に注入した
ものであり、原理的にばらつかないが、結。

合部へ注入するときに１４１ゲートの形状ばらつきなど
により注入ばらつきを生じる。ＣＴＤ　９からすべての
バイアスが結合部に注入できれば注入ばらつきは無いが
、Ｈｌは結合部の方向へは流れにくい（水平方向のＷ／
Ｌを大きく設計する）ため、どうしても完全注入できず
、注入ばらつきを生じる。注入ばらつき、鴎がいくらあ
ってむそれをすべてＣＴＤ　９に戻すことができればＦ
ＰＮを生じない。注入ばらつき油のうち、結合部に残っ
てしまう分がＦＰＮとなる。１画素あたりのＦＰＮ％−
ｉ“荷は、Ｃ４からＣＴＤ　９−＼の非転送効率を８４
として、ΔＢ、ε４で表わされる。掃出し時のバイアス
注入ばらつきも同様にＰＰＮを引起こす。もう１つのＦ
ＰＮはトランジスタ６の分岐に関するものである。卯２
５図はトランジスタ５〜８のゲートを上から見たときの
模式図である。トランジスタ６のゲートは図中に示すよ
うに途中を細くして、この部分だけで電流制御ができる
ように設計するが、それでもどうしてもＣＴＤ　９側と
ＢＤ４ｉ’ｌｊｌとで電流の流れ方が異なり、実効的な
しきい電圧が異なってしまう。このしきい電圧の差Δ■
ｔはトランジスタ６のパラメータばｑつきによりばらつ
く。このばらつきを１ｎＶｔ　、又Ｃ４のばらつきを△
Ｃ４とすると１画素あたり（△Ｃ４△■ｔ−Ｉ−Ｃ４Ｍ
Ｖｔ）のＦＰＮ電荷が発生する。

シー−ディングは垂直ゲート線１１の時定数が長いこと
により発生する。垂直ゲート線１１は、現状の技術では
ポリシリコンを用いているため、７ａＳオーダーに近い
時定数を持つ。従って垂直ゲート線の左端で仮に第２図
ＣＬ）のＶＧパルスに示。

すような理想的なパルス波形であったとしても、右端で
は鈍ってしまって次の読出し時間ｔ、でも１まだ応答が
完全ＶＣは静まらない。垂直ゲート線・１１と垂直信号
線３はクロスして、かなり大きな結合があるためゲート
線１１の変動がｔ、あるいはｔ８の読出し時間に読出さ
れ、水平方向のシェー・ディングとなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述した従来例のＣＰＤ形固体撮像装
置の感度制限要因を抑圧し、高感度の・ＣＰＤ形固体撮
像装置の駆動方法及びその回路を・提供することにある
。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明においては・光電変換
素子上の信号電荷を垂直信号線に転送・する前に、垂直
信号線上の不要電荷を外部へ掃出す手段を有するＣＰＤ
形固体撮像装置においてに被写体照度、あるいは垂直ス
メアが一定のレベル以下となったときに不要電荷の掃出
しをやめることとする。

本発明者の検討によれば、ＢＧパルスをローワ・ベルに
して掃出しをやめると、前記した感度側。

限要因が大幅に抑圧できる。まずこの現象につ。

いて説明する。

ランダム雑音は掃出しをやめることにより少。

くともｘｄＢ　、視感度補正を考えるとそれ以上域。

少する。これを第４図を再び用いて説明する。

トランジスタ７を常時オフして掃出さないとき第４図の
タイミング図においてｔ４の時間にＣＴＤ９に読出され
るランダム雑音は゛（ｑｓ−ｑＩ＞であり、ｔ、の時間
にｅＴＤ　９に読出されるランダム雑音は（９５９３）
である。ここで両者に負の相関が生じる点が重要で、こ
の２画素はフォトダイオードアレイ上で同じ水平位置に
あるため・最終的な輝度信号としてはこの２画素は同じ
水・平位置で加算して出力する。従って２画素で雑音電
荷が（ｑｓｑ＋）となり、ｒｍｓ値は、／吊。

１、画素あたりの雑音電荷はｒｍｚ値で９ｎとなる。

掃出しする場合に比べて３ｄＢランダム雑音が減少する
。更に掃出ししない場合には垂直方向にも負の相関をも
つ。１水平周期（Ｈ）後に読出される輝度信号２画素あ
たりの雑音電荷を（ｑ、！ｑ＋’　）とおくと’７６＝
９１’の関係にある。このとき垂直方向のランダム雑音
スペクトラムが三角状となり、視感度補正分が大きくな
る。（即ち目立ちにくくなる）以上を定式化して表現す
ると、掃出しありのときの輝度のランダム雑音パワース
ペクトル密度を３＝１とすると、掃出しなしのときのパ
ワースペクトル密度Ｓ′は簡易な・計算により以下のよ
うに表わされる。

Ｓ′　げ）　−５ｉｎ２πｆ　／　ｆｈ　　　　・＋３
１ここにｆｈ　＝　／１４−１５ｉｃＨｚ　　である。

第６図ＶＣ８とＳ′を示す。Ｎは整数である。ＳとＳ′
の差はパ・ワー的にはｓｄＢ’　、即ち測定値ではｓｄ
Ｂの差しか・生じないが、Ｓ′がピークとなっている（
Ｎ＋＋）ｆｈの周波数は垂直方向では２５０ＴＶ本に相
当し高い周波数である。一方Ｓ′がゼロとなっている。

Ｎｆｈの周波数は垂直方向のＯＴＶ本に相当し低い周波
数である。従ってローパス型の視感度補正をかけるとＳ
とＳ′の差は３ｄＢ以上になる。もっとはっきり、くし
形フィルタを入れてしまえばＳとＳ′の差は゛明確にな
り、帰還率Ｋ　＝　ｏ、ｓの（し形フィルタ付の場合Ｓ
とＳ′の差はＴｉ６ｄＢとなる。くし形フィルタについ
ては後で実施例の。

ところで詳述するが、第６図にＳとＳ′にに：０．５の
くし形フィルタをかけた場合のグラフも示す６尚今まで
の説明はフォトダイオードが基盤の目状に泊交配列して
いる場合についてのものだが゛１ラインごと゛に半絵素
ピッチずらす所謂絵素ずらしタイプのフォトダイオード
アレーについて。

も、若干劣るが、同様のランダム雑音低減効果を得るこ
とができる。ＦＰＮとシェーディングは掃出しをしない
ときは全く発生しない。トラン・ジスタロの分岐に起因
するＦＰＮについては、分岐の片側のパスしか電荷が通
らないのであるか・ら当然ゼロになる。又バイアス注入
ばらつきΔＢによるＦＰＮについても、ΔＢの読残し分
ΔＢ、ε４の電荷はどこにも掃出されず、そのうちＣＴ
Ｄ　９に戻ってくるので、あるから、結局ＦＰＮは発生
しない。シェーディングについても、暗いときには１回
目のＣｖからの読出しく時間ｔ３）が終った・時点と、
２回目のＣｖからの読出しく時間’ａ　）が終った時点
では、１本の垂直信号線についていえばＣｖ上の電荷は
ランダム雑音以外は全く同じはずであり、結合部でのシ
ェーディングは生じ・ない。

以上まとめると田パルスをローレベルニシテ掃出しをや
めることによりＦＰＮとシェーディングは無くなり、ラ
ンダム雑音は３ｄＢ以上抑圧す・ることかできる。ただ
し常に掃出しをやめるの・では垂直スメアの問題が再び
生じて画質劣化を招（。本発明の髪点は垂直スメアに比
べて感度の方が厳しい場合に自動的にあるいは手動で掃
・出しをやめる点にある。以下どのような場合に・垂直
スメアの性能を劣化させても感度アップ或・いは低雑音
化を図るべきかについて論じる。普通のビデオカメラの
場合以下の２つの場合が感２度の方を優先したい場合で
ある。すなわち、（１＞平均値として暗いとき、（２）
コントラスト比が少なくて対垂直スメアのＳ／Ｎが良い
ときである。・＋１１のとき、あるいは（１）かつ（２
）のとき掃出しをやめるカメラ設計が考えられる。感度
向上の観、点。

からは、とにかく平均値として暗くなる、即ち被写体照
度が下がった場合に掃出しをやめるのが良いが、全体に
暗くてもろうそ（のあかりと。

か螢光灯のひかりが混入する場合には垂直スメ。

アが極端に目立って画質を大きく損ねる。この。

ようなケースに対処するため掃出しなしのときの垂直ス
メアの量によっては上記（２）の条件を考・慮する必要
も生じる。

第７図に一般的な信号利得制御曲線を示す。

横軸は被写体照度で、通常画面中央部の平均的な信号量
（輝度信号平均値）により検出する。

被与体照度が標準照度ａ（例えば輝度Ｓ’／　Ｎが・４
ｓｄＢとなる照歴）以上ではアイリスを絞ることにより
出力信号レベルを一定にし、α以下ではアイリスは全開
で、αから最低被写体照度ｂ（例えば輝度Ｓ　／　Ｎ　
３５ｄＢとなる照度）までの間ではＡＧＣをはたらかせ
て出力信号レベルをあまり下げないようにする。ｂ以下
の被写体照度ではＡＧＣを最大利得のまま一定とし、こ
れ以上雑音・が増加しないようにする。このような信号
利得制御曲線を有するビデオカメラに無掃出しによる感
度向上策を盛込むと以下のようになる。照度ＣとＣ′を
α≧ｃ’＞ｃ≧６　なる条件下で定め被写体照度がＣ以
下となったときに掃出しを＊め、その次にＣ以上となっ
たときに掃出しを行。

なう。掃出しする／しないは２値的な変化であ・す、こ
のようにヒステリシスを持たせないと切・換点近辺で動
作が不安定になる。なおこの場合・図中点線で示すよう
に掃出しなしのとｉの最低・被写体照度ｂ′までＡＧＣ
の利得を上げ続けること−ができるのは明白である。

第８図にモニタ画面上で被写体照度を検出す・る部分を
斜線で示す。このように画面の上下の・絵柄は無視する
のが通例である。特に画面上部には空がはいる場合が多
いが、通常空は撮像の１対象物に比べて明るく、空の信
号も含めて被写・体照度を検出してアイリスとＡＧＣを
制御すると対象物が暗くなり過ぎる場合が多い。従って
画・面上端は、被写体照度検出の際に幅広く無祝す・る
のが良い。尚被写体照度の検出法としては、単に第８図
中の斜線部１８１の輝度信号の平均値。

をとるだけでなく、成る程度ピーク値も考慮し。

た値を用いる場合が多い。この詳細は後で実施例のとこ
ろで説明する。１８０はモニタのプラウ。

ン管である。

さて、前記したように暗い画面でも垂直スメアを抑圧し
なければならない場合がある。特に第８図に示したよう
に画面中央の映像情報だけによってアイリスとＡＧＣを
制御するのが普通であるから、例えば画面上端に螢光灯
が映っている場合などは垂直スメアが大きく目立つ。従
って垂直スメアの量を直接あるいは間接的に検出して、
場合によっては暗い画面でも掃出しを行なわねばならな
い。垂直スメアを直接検出するには垂直ブランキング期
間の信号を用いる（特願昭５４−１２６８７０号参照）
。垂直ブランキング期間の信号は垂直スメア信号そのも
のであり、これを適当なローパスフィルタを通した後ピ
ーク、検波して垂直スメアの情報を得る。検出精度を上
げたいときは数Ｈ（水平）期間トランジスタ８をオフさ
せて、その期間の垂直スメア情報を垂直信号線３あるい
は結合部に蓄積してから読出せば良い。垂直スメア量を
間接的に検出する方法としては、画面全体のコントラス
ト比を。

検出するか、一定レベル以上の白の面積を検出。

する方法がある。いずれの場合も、垂直スメア量もしく
は対垂直スメアＳ／Ｎで掃出しあり／なしを制御すると
きは、制御にヒステリシスを持たせる必要があることは
言うまでもない。

次に静止画カメラへ応用する場合を考える。

通、常の静止画カメラでは従来のメカ静止画カメラと同
様に受光面にシャッターを設ける。シャッターを閉じて
後信号を読出すため、最初の１ラインで垂直スメアが読
出されてしまい、その後のラインでは垂直スメアは完全
にゼロとなる。

従って静止画カメラへ応用する場合は常に掃出しはしな
い。

次にストロボカメラへ応用す・る場合を考える。・スト
ロボカメラとは垂直ブランキング期間の−・期間だけス
トロボをたいて、その−瞬の情報だけを得る機能を有す
るビデオカメラで、スロー再生するときにぶれの少ない
断続的な映像が得られ、高速で動く物体を撮るのに適し
ている。

このカメラではストロボをたくときは静止画かメラで述
べたのと同じ理由により、はとんど垂０直スメアが発生
しない。従ってストロボをたくときには掃出しはじない
。

次に本発明者の考案によるシャッター付ビデオカメラに
つき説明する。これは垂直ブランキング期間だけシャッ
ターを開け、その他はシャッターを閉じる機能を設けた
ビデオカメラである。シャッターを働かずことにより入
射光量は約２２ｄＢ減るが、このとき上記した理由で垂
直ス・メアが全く発生しない。第７図に示すように被写
体照度が標準照度αを越えるとアイリスを絞・って信号
量の調整を行なうが、標準照度αより２２ｄＢ以上明る
い被写体の場合にシャッターを働らかせれば全（Ｓ／Ｎ
を劣化させることなく垂直スメアを完全に抑圧できる。

さてこのような・シャッター付ビデオカメラに本発明を
応用すると、シャッターが働いているときには掃出しを
やめることにより格段に高品位の画像を得ること・がで
きる。又シャッターを働かせてもＳ／Ｎが劣化しない被
写体照度をα＋２２ｄＢより数ｄＢ下げることができる
。

次Ｖこ掃出しあり／なしで黒レベルのセットアツプが変
わる問題を説明する。一般には掃出しアリ／なしで黒レ
ベルのセットアツプが若干具なり、本発明のように掃出
しあり／なしを切換える場合には切換え時にセットアツ
プも同時に変える必要がある場合がある。黒レベルのセ
ットアンプが変わる原因として前記した垂直ゲート線１
１と垂直信号線３との容量結合によるシェーディングな
どが考えられる。このシェーディングの様子を第９図に
示す。実線が掃出しなしのとき、点線が掃出しありのと
きの黒レベル波・形を示す。今フォトダイオードアレイ
の左側にオプティカルブラックがあるとすると掃出しあ
りのときの黒レベルが沈みすぎる。これを補正するには
、例えば掃出しありの情報に連動してオプティカルブラ
ックにしかるべき黒信号を注。

入すればよい。

総括的な説明の最後として、本発明に適した。

フォトダイオードアレイの色フィルタ配置について述べ
る。今まではランダム雑音は輝度信号、・についてのみ
考えてきた。しかしカラーカメラの場合は色信号に対す
るランダム雑音もある程・度考慮する必要がある。

一般に固体撮像製画では青感度が悪いため、特に青（Ｂ
）信号の雑音には注意を要する。一般的な補色色フィル
タ配置は白（Ｗ）、黄（Ｙｇ）、シ・アン（Ｃｙ）　、
緑（Ｇ）から成り、輝度（Ｙ）信号は。

Ｙ　＝Ｗ＋Ｙｅ　＋Ｃｙ　＋　Ｇの演算から作り、Ｂ信
号・は、Ｂ　＝　Ｗ　−Ｙａ　＋Ｃｙ　−Ｇの演算から
作る。一方掃出しなしのときにＹ信号中のランダム雑音
が減少するのは、負相関を持つ雑音を足し合わ２せるた
めであった。従って色信号については一般にはこの効果
が得られない。第１０図（α）、（Ａ）に示す色フィル
タ配置ではＷとＣＬＧとＹｇを同一垂直信号線を通して
読出すため、ＷとＣｙ、Ｇ・と’（ｅの雑音に負相関が
ある。そのためＢ信号に。

ついてもＹ信号同様の掃出しなしによるランダム頼、音
低減効果を得ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、第１１図〜第２５図を用いて本発明のいくつかの
実施例！説明する。

第１１図は本発明の１実施例の固体撮像装置を示す。固
体撮像装置のうち第１図あるいは第３図に示す部分は通
常１つのチップ上に形成し、このチップを固体撮像素子
と呼ぶ。５２は固体撮像素子で、７０がＣＴＤ　９の出
力端子、７１が田パルス入力端子である（第１図、第６
図参照）。

固体撮像素子５２０色フィルタ配置は第１０図（α）の
ように直交配列でＷ　、　Ｙｅ、Ｃｙ、Ｇから成るもの
を想定している。５１は鏡筒、５６はＡＧＣアンプ。

５４はふりわけ回路である。ふりわけ１回路５４はＷＹ
ｇ、Ｃｙ、Ｇを分離する回路である。５５は遅延回路で
、Ｗ　、　Ｙｇ、Ｇｙ、Ｇの位相を色フィルタ配置と同
じに合わせる。５６はマトリクス回路で、Ｗ　、　Ｙｃ
Ｃｙ、Ｇを演算して輝度信号Ｙ、赤信号Ｒ１青信号Ｂ、
を得る。第１０図（Ａ）のような絵素ずらしの場合には
Ｙはアンプ５３の出力からそのまま得ることができ、又
遅延回路５５も不要となる。５７はローパスフィルタで
、必要あるときは遅延回路も付加する。５８はアンプ、
５９はクランプ回路（直流再生回路）、６ｏはγ補正回
路、６１はブランキング挿入回路、６２は遅延回路、６
３は白クリツプ回路である。６４は色信号処坤回路で、
詳細は第１７図の実施例を参照願いたい。６６は同期信
号発生回路で、加算回路６５と６７によりＮＴＳＣビデ
オ信号を作り、出力アンプ６８を通してＮＴＳＣ出カ端
子６９にビデオ信号な出力する。７２は被写体前・度検
出回路で、第７図で説明した要領でアイリス制御部７３
．ＡＧｅアンプ５６並びに掃出しあり／なしを制御する
。７４はＢＧパルス発生回路、７５はＢＧパルス制御回
路である。パルス発生回路は６６　、７４以外にも数多
（必要であるが、はん雑となるので図には示さない。

本実施例はアイリス並ＡＧＣ制御をフォワード制御とし
たもので、第７図の曲線との対応が判り易いと考えて最
初に示した。被写体照度検出回路７２の一実施例を第１
２図に示す。７９はフォトダイオード、フォトコンダク
タ−などの光電変換素子で、鏡筒５１の外側あるいは鏡
筒５１の中でアイリスの外側に設ける。８ｏはアンプ、
８６は電圧変換回路であり、被写体照度（アンプ８０の
出力電圧）に応じて第７＠に従った然るべき電圧をアイ
リス制御電圧端子８７．ＡＧＣ制御電圧端子８日、に出
力する。

ＢＧ広パルス御回路７５の一実施例を第１３図に示３す
。９０はＢＧパルス発生回路のＢＧパルス出力端子。

で、ｎチャンネルＭＯ８）ランジスタ９３を介して撮像
索子５２のＢＧパルス入力端子７１に接続する。・端子
７１は抵抗９４により接地しており、トランジスタ９３
のゲートにローベル電圧を印加してトラ・ンジスタ９６
をオフ状態にすると、ＢＧハルス入力端子７１は接地さ
れる。抵抗９４の値はトランジスタ９６０オン抵抗と田
パルス発生回路７４の出力インピーダンスに比べて充分
大きな値に設定するため、トランジスタ９３をオン状態
にするとＢＧノ、）ルス発生回路７４の出力が撮像素子
５２に入力される。トランジスタ９３のゲートにはＡＧ
Ｃ制御電圧をシュミットトリガ−アンプ９２を介して接
続する。シーミツトトリガーアンプ９２は制御にヒス、
テリシスを持たせるために設けたものである。

ヒステリシス制御の例を第１４図に示す。

以上説明したように、第１１図の実施例では被写体照度
が一定値Ｃ′より暗くなると掃出しをやめて低雑音化を
はかり、一定値Ｃより明るくなると掃出しを行なって低
垂直スメア化をはかることができる。

第１５図に他の一実施例の固体撮像装置を示す。

第１１図の実施例と比べて、アイリス並ＡＧＣ制御・が
フィードバック型である点が異なる。即ちクランプ回路
５９の出力（或いはγ補正回路６０．ブ・ランキング挿
入回路６１の出力）の、平均レベルが・所定の値となる
べくアイリス、ＡＧＣを１制御するのである。７６が信
号レベル検出回路である。信号レベル検出回路７６では
、第８図に斜線で示すような画面中央部の信号レベル（
一般には平均値とピーク値の間の値）を検出し、所定の
値に達しなければアイリスを開ける方向に出力信号。

を変化させ、アイリスが全開であればＡＧＣアンプのゲ
インを増す方向に出力信号を変化させム信号レベルが所
定の値以上であれば、ＡＧＣアンプのゲインを下げる方
向に出力信号を変化させ、ＡＧＣアンプが最低ゲインで
あればアイリスを絞る方向に出力信号を変化させる。信
号レベル検・出回路７６の一実施例を第１６図に示す。

７８は信号・入力端子、８１はゲート回路で、第８図に
斜線で示す部分だけをゲートを通して取込む。８２はロ
ーパスフィルタ、８３はピーク検波回路である。

ローパスフィルタの帯域の選び方によって、得られる信
号レベルを平均値に近いものにしたりピーク値に近いも
のにしたりすることができる。

即ちローパスフィルタの帯域を広げればピーク値に近づ
き、帯域を狭めれば、平均値に近づく。

８４はホールド回路であり、得られる信号レベル・を所
定の時定数で保持する。ホールド回路８４ニゲート回路
８１の機能を持たせる設計も可能である。８５は制御電
圧発生回路で、ホールド回路８４の出力を所定の値と比
較して、その大小関係に。

より前記したやり方でアイリス制御電圧とＡＧＣ。

制御電圧を変化させたり保持したりする。

信号レベル検出回路の他の例は特願昭５５−１２１１３
０号に詳しく記載されているので参照願いたい。

掃出しあり／なしの制御は第１１図に示した実施・例の
場合と同じであり、同じ効果を得ることが・できる。

第１７図は本発明の他の一実施例で、ＡＧＣ回路を後段
に移した場合の例である。この場合は色差信号にもＡＧ
Ｃをかける必要があるため、色処理回路も詳しく示して
いる。１５１はアンプで固定利得のもの、１５２はロー
パスフィルタで、ＹとＲ，Ｂで一般には帯域を異ならせ
る。１５３は遅延回路で、ローパスフィルタ１５２の特
性がＹとＲｌＢで等しければ１５３は不要である。１５
４はアンプ、１５５はクランプ回路、１５６は白バラン
スア７７’、１５７はγ補正回路、１５８はブランキン
グ挿入回路、１５９は色差マトリクス回路。

１６０はＡＧｃアンプである。ＡＧＣアンプの詳細に。

ついては例えば特願昭５５−１２１１２９号を参照願い
たい。１６１はローパスフィルタ、１６２はクランプ回
路である。クランプ回路１５５からクラップ回路１６２
の入力まで直流を保持する設計の場合はこのクランプ回
路１６２は不要である。１６３は色変調回路で、色差信
号を色サブキャリアに周波数変調して乗せる。１６４は
バンドパスフイ・ルタ、１６５はブランキング挿入回路
である。信・号レベル検出回路７６をはじめとして、ア
イリスＡＧＣ掃出しあり／なしの制御は第１５図の実施
例・で説明したのと全く同じである。

第１８図は本発明の他の一実施例で、暗い画面を撮像し
ている場合でも、垂直スメアが多い場合には掃出しを行
なう例である。第１５図の実施例に、垂直スメア量を検
出する手段と、その出力に応じて掃出しあり／なしを制
御する手段を付加した例である。１００が垂直スメア検
出回路であり、その−具体例を第１９図に示す。１０１
が一信号入力端子、１０２がローパスフィルタ、１０３
がピーク検波回路、１０４がサンプルホールド回。

路、１０５が垂直スメアレベル端子である。サンプルホ
ールド回路１０４では、垂直ブランキング期間の垂直ス
メアが読出されているラインのピ。

−り検波出力をサンプリングして、一定の時定１数でホ
ールドする。１７５がＢＧパルス制御回路で・あり、Ａ
Ｇ（、’制御電圧と垂直スメアレベルの２つの情報によ
り掃出しする／しないを決定する。

ＢＧパルス制御回路の一実施例を第２０図に示す。１０
５が垂直スメアレベル端子、１０７がシュミットトリガ
−アンプ、１０８がＯＲ回路である。ＡＧＣの利得が一
定値より大きく（即ち被写体が一定値より暗く）かつ垂
直スメアレベルが一定値より小さい場合のみトランジス
タ９３がオフして掃出しをしない。

第２１図は掃出しあり／なしを手動で切換える場・合の
一実施例である。２００がスイッチである。

ＢＧパルス制御回路７５以外は第１１図、第１５図。

第１７図の実施例と同じ構成で良い。又スイッチ２００
に連動させて、掃出ししないときにＡＧＣアンプのゲイ
ンを上げる（例えば３ｄ）：ｌ　）という設計も考えら
れる。

第２２図は掃出しあり／なしで黒レベルのセットアツプ
を変える場合の一実施例である。これは第１８図の実施
例に適用した例であり、ＣＴＤ　９の出力端子７０とＡ
（３Ｃアンプ５３の入力端子２０１との間にエミッタホ
ロワアンプを挿入して、ここで黒レベルセットアツプを
変えるものである。

２０２がバイポーラトランジスタ２０６がルデャンネル
ＭＯ８トランジスタ、　２０４，２０５，２０６が抵抗
。

２０７がパルス発生回路、２０８が電源ラインである。

パルス発生回路２０７はオプティカルブラックの画素の
場合を示すパルスを発生する。このパルスにより掃出し
ありのときのオプティカルブラックレベルを変えて、掃
出しあり／なしで黒レベルのセットアツプが変化しない
ようにする。抵抗２０６は可変として、工場で調整する
のが現実的であろう。

次にくし形フィルタの実施例を説明する。第２３図は一
般的な利得１の（し形フィルタである。

３００が信号入力端子、３０１が信号出力端子、６０２
が利得（１−ｋ）のアンプ、３０３が利得にのアンプ、
６０４が加算回路、６０５が１Ｈ遅延回路で。

ある。ｋは帰還率と呼ばれＯ≦ｋ〈１である。

このくし形フィルタの周波数対振幅特性Ａ（ｆ　）髄。

Ａ（Ｊ’）　−（１−Ｊ）　／β阿■７７η…〒　　・
・・（４）で表わされるくし形特性である。くし形フィ
ル・りを付加すると垂直解像力が減少するがランダ・ム
雑音を減らすことができる。フラット雑音の・場合、パ
ワーで（１−＆）／（１−＋−＆）倍となり、ｋ　＝　
０．５のとき４．８ｄＢ　ｇ、音が減少する。（３）式
で表わされる掃出しなしのときのランダム雑音について
はパワーで（１−ｋ　）２／（１−ｒ４）・倍となり、
ｋ　＝　［］、５のとき７．８ｄＢ雑音が減少する。こ
のように掃出しなしのときはくし形フイ）ルタによるラ
ンダム雑音抑圧策がより効果的どなる（第６図参照）。

従って掃出しを止めることに連動させて第２３図に示し
たくし形フィルタを働かせることにより一層の感度向上
が得られる。

あるいはＡＧＣアンプの利得を増すに従ってく６し形フ
ィルタの帰還率ｋを増していく設計でも同様に掃出しな
しによる感度向上効果を高めることができる。第２４図
はＡＧＣアンプに利得と共に帰還率ｋを増す特性を持た
せた一実施例で３０６−、。

が単に利得を変化させるだけのＡＧＣアンプであ・る。

信号帯域の観点からこのような（し形特性・を有するＡ
ＧＣアンプは後段ＡＧＣアンプ（第１７図の実施例参照
）に適用するのが望ましい。

第２５図にシャッター付ビデオカメラの一実施例を示す
。９００がシャッターで９０１がシャッター制御部であ
る。シャッター９００を正面から見た図を同図（ｈ）に
示す。９０２が開口であり、シ・ヤッター９００次回転
させて垂直ブランキング期間でのみ鏡筒５１に光が入射
するようにする。シャッターを働かせるときに掃出しを
やめる手段・は今までの実施例で説明した技術を用いれ
ば容易に達成できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、垂直ス。

メアが問題となる撮像条件下では従来の（、ｌＰＤ形２
形体固体撮像装置する垂直スメア抑圧効果を保。

ち、かつ被写体が暗くなってきた場合には、結。

合部で発生するランダム雑音を３ｄＢ以上抑圧し、結合
部で発生するＦＰＮとシェーディングは完全、、１に抑
圧でき、大幅な感度向上効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

Ｗ７１図〜第３図は従来例の固体撮像装置を説明するた
めの図、第４図、第６図は固体撮像装置のランダム雑音
を説明するための図、第５図は固体撮像装置のＦＰＮを
説明するための図、第７図、第８図はアイリスとＡＧＣ
制御を説明するための図、第９図はシェーディングによ
る黒レベルの変化を示す図、第１０図は色フィルタ配置
の一実施例を示す図、第１１図〜第２５図は不発・明の
固体撮像装置の実施例を説明するための図である。 代梗人弁理士　高　橋　明　夫ａ 第１口 牙２凹 （ｏＬ） （し） 第３図 牙４閃 第５ｙＡ オ６（２） Ｎｆｙ　　　　　　　　　　　　　　ｆＮ士＋１ｆ１．
　　　　　　　　　　、　　　（〜＋ｚ＋Ｆ。 Ｐ４　シＬＳＩζ、 羊皮Ｊ’ルト！！、ｉ　　−雨中−し。？　５ｃｏ１ｅ
オ？図 オｑ図１ 第１０閏 （Ｏ−） （ｂ） オ　１１　　圀 オ／Ｚ図 第１３閏 第１４閏 時開 第１５圀 ３Ｍ６図 オロ閏 第１３圀 〉］ 、γ〔 第２０圀 第２１凶 ］　　　　　　　　牙２２閏 牙？３図 ｊｐ！ 牙２４虐 オ？り図 （北） （１７）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　二次元状に配列された光電変換素子群と、該光電
   変換素子をスイッチングする垂直スイッチ群と、それぞ
   れ複数個の上記垂直スイッチを介して、複数個の光電変
   換素子と接続する複数の垂直信号線と、信号電荷を水平
   方向に転送す。 る電荷移送素子と、上記複数の垂直信号線と上ぞ記電荷
   移送素子とを結合する結合部と、上記光電変換素子上の
   信号電荷を上記垂直信号線に転゛送する前に、上記垂直
   信号線上の不要電荷を外部へ掃出する手段とを有する固
   体撮像装置において、被写体照度あるいは垂直スメアが
   一定のレベル以下となったときに上記不要電荷の外部・
   への掃出しをやめることを特徴とする固体撮像・装置の
   駆動方法。 ２、　二次元状に配列された光電変換素子群と、光電変
   換素子をスイッチングする垂直スイッチ群と、それぞれ
   複数個の垂直スイッチを介して複数個の光電変換素子と
   接続する複数の垂直信号線と、信号電荷と水平方向に転
   送する電荷移“送素子と、垂直信号線と電荷移送素子と
   を結合する結合部を有し、光電変換素子上の信号電荷を
   垂面信号線に転送する前に垂直信号線上の不要電荷を外
   部へ掃出す機能を有する固体撮像装置において、被写体
   照度を検出する手段を設け、被写体照度が一定のレベル
   以下となったときに′不要電荷の掃出しをやめることを
   特徴とする固体撮像装置の駆動回路。 ろ　垂直スメア量を検出する手段を設け、被写・体照度
   が一定のレベル以下となりかつ垂直スメア量が一定のレ
   ベル以下となったときに不要電。 荷の掃出しをやめることを特徴とする特許請求゛の範囲
   第２項記載の同体撮像装置の駆動回路。 ４、　不要信号の掃出しをしないとき或いは被写・体照
   度が一定のレベル以下となったとぎに輝度−信号の垂直
   方向の帯、域を狭める手段を設けたと・とを特徴とする
   特許請求の範囲第２項又は第３項記載の同体撮像装置の
   駆動回路。