JPS60217763A - 固体撮像装置の駆動方式 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、固体撮像装置の光電変換特性の制御を可能に
した駆動方式′に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ＣＯＤなどの固体撮像素子はＩＴＶカメラ、ビデオカメ
ラなどに広く使われ始めている。そして、次の応用とし
て電子カメラが注目されている。

固体撮像素子の特徴は従来使われている撮像管と比べて
小型、軽量、高信頼性を有し、特性面では図形歪、残像
、焼付がないなどである。しかし、固体撮像素子をカメ
ラに使用する場合、入力光に対して広いダイナミックレ
ンジが要求される。特にカメラ感度を向上させ低い信号
寛圧で駆動する場合は所定レベル以上が白クリ、ツブし
て見苦しい画像となる。このため高入力元に対して圧縮
を行なう光電変換特性の制御が強く望まれている。

第１図は代表的なインターライン転送形ＣＣＤ撮像素子
の概略構成図を示している。

Ｐｉｊ（ｘ＝１１２　＋・・・、Ｍ、ｊ＝１．２．・・
・、Ｎ）は二次元的に配列された感光部、　Ｃｉは垂直
読出しＣＯＤレゾスタ、Ｈは水平読出しＣＯＤレソスタ
である。

第２図は、その動作を説明するものでおり、（−）は感
光部（Ｐｓ　ｔ　Ｐ　２１　Ｐ　３　＋Ｐ　４　）と垂
直読み出しＣＯＤレゾスク（φｌ、φ２．φ３．φ４〕
の構成を示し、（ｂ）は（ａ）に示すＡ　−Ａ’部の断
面における信号電荷Ｑの読出し動作を示す。（ｂ）の断
面図のｐ＋は隣接画素との分離をするチャネルストウハ
部しＣＯＤレソスタ（この場合φｌ　）に高レベルの電
圧を印加することＫより垂直読出しＣＯＤレソスタ電極
下へ転送される。この動作をフィールドシフト動作と呼
ぶ。この構造では垂直読出しＣＯＤレゾスタの電極を利
用してフィールドシフト動作を行なっているので素子構
造の簡略化が可能ＶＣなる。

このような固体撮像素子を用いて感度を向上させたカメ
ラの構成図を第３図に示す。元入力は撮像レンズ１を通
りＣＣＤ撮像素子２上に結像する。同期信号発生回路３
では基準・ぐルスを発生する。タイミング回路４ではＣ
ＯＤ駆動に必要なパルスを発生させクロヅクドライバー
５を通してＣＣＤ撮像素子２を駆動する。そして得られ
たＣＯＤ出力信号はプリアンプ６全通して所定レベルに
増幅後、例えば本発明者が先に提案した（％願昭５８−
１９５０８０号）ノイズ抑圧回路１を通してＣＣＤ撮像
素子２から発生するノイズを除去する。そしてプロセス
アンプ８にてガンマ補正、ブランキング処理などを行な
い出力する。

このカメラの動作を第４図に示した元入力に対するＣＣ
Ｄ出力電圧の関係図で説明する。この構成を用いるとＣ
ＣＤ撮像素子から発生するノイズがほとんど除去される
ので大幅にカメラの感度が向上する。実線はＣＯＤの再
生可能な光電変換特性を示し、この場合元入力はＡの範
囲までダイナミックレンジを有する。これに対して高感
度カメラは点線に示す特性になる。この場合再生可能な
ダイナミックレンジはＢに示す範囲になり、Ａの範囲よ
り大幅に低下することになる。

このため被写体中にハイライト部がある場合などでは白
つぶれの見苦しい画像となり問題でおったＯ この問題を改善する方法としてＣＯＤの光電変換特性の
ハイライト入力部の傾きを制御する、いわゆるＫｎｅｅ
％性制御が従制御り考えられている。ＫｎｅｅＱ性制御
には、（１）信号処理回路で行なう方法、（２）　ＣＣ
Ｄの駆動で行なう方法、がらる。

（１）は回路のダイナミックレンジが必要で特に１０倍
以上の信号に対する圧縮は通常の回路では実現困難であ
る。そしてＫｎｅｅ点の安定度が得られない問題がある
。（２）の代表的方法として特公昭５３−３９２１１号
公報に示された方法がある。しかし、この方法はフレー
ムトランスファ形ＣＣＤに適用できるものでアり本発明
のインターライン転送形ＣＯＤでは適用できない問題が
めった。

〔発明の目的〕

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、インターライ
ン転送形ＣＯＤの駆動法によってその充電変換性にＫｎ
ｅｅを持たせることを可能にし、もって高いダイナミッ
クレンジを有するテレビカメラや電子力メジの実現を可
能とする固体撮像装置の駆動方式を提供することを目的
とする。

〔発明の概要〕

本発明はインターライン転送形ＣＣＤの光蓄積期間を少
なくとも第１．第２の二つの蓄積時間に分け、蓄積され
た信号電荷を読出すフィールドシフ）　／？ルスとして
各蓄積時間に対応させて第１．第２の２個のフィールド
シフト動作スを一発生させる。そして２個のフィールド
シフト／９ルスの間で所定レベル以上の信号電荷を掃き
出す動作を行なう。すなわち、第１の蓄積時間上光蓄積
された信・−号電荷のうち所定レベル以上は第１のフィ
ールドシフトパルスで垂直ＣＯＤへ読み出し、これを垂
直ＣＯＤへ加える高速掃き出しパルスで除去する。第１
のフィールドシフトパルス以後は再度光蓄積を行ない、
第２のフィールドシフ）パルスでは先の掃出し動作で残
された所定レベル以下の信号電荷と第２の蓄積時間で再
度光蓄積した信号電荷の加算した信号電荷を読み出す。

このことによυノーイライト部は第１の蓄積時間内で所
定レベルでクリップされる。

そして第２の蓄積時間内で再度光蓄積されるので光電変
換性はＫｎｅｅを持つことになる。本発明をＮＴＳＣ方
式に適合させるためには、第１の蓄積時間を１フイール
ドの有効期間に、第２の蓄積時間を垂直ブランキング期
間にそれぞれ対応させれば良い。

〔発明の効果〕

本発明の駆動方式を備えることにより、従来の高感度カ
メラで問題となっていた被写体のノーイライト部の白つ
ぶれによる画質劣化は改善される。このため本発明を用
いたカメラでは入力元の広い範囲にわたり再現可能な高
ダイナミツクレンジを有する再生像を得ることができる
。

まだ、本発明はＣＣＤの感光部で信号電荷を飽和させな
い状態でＫｎｅ　ｅ特性を得るので、感光部の飽和レベ
ルのバラツキなどが影響することなく再現性の良い画像
が得られる。また、本発明をＮＴＳＣ方式に適した場合
には、第２の光蓄積期間が垂直ブランキング期間内にあ
る。通常この期間は垂直有効期間に対して１／２〜１７
３０である。

このためＫｎｅｅ傾斜の高い圧縮率を得ることが容易で
ある―さらに、本発明は第１のフィールドシフトパルス
の電圧値を制御することにより光電変換特性のＫｎｅｅ
点を変化させることができる。

被写体の明るさに応じて、この電圧値を制御すれば常に
最良のグイナミックレンソを有するテレビカメラが可能
となる。また本発明によれば、基板を通しての漏れ電荷
が高速掃出し動作毎に除去されるので、スミアも軽減さ
れる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。第５図は、本発明の駆
動方式を説明するための図であり、垂直ブランキングパ
ルスとＣＣＤ撮像素子の電極へ印加するパルスとその時
の画素に蓄えられる信号電荷の変化の関係を示す図であ
る。例えば第１図で説明したインターライン転送形ＣＯ
Ｄの垂直ＣＣＤレソスタの電極に印加するパルスを垂直
ブランキングパルスに同期して発生する。このパルスは
図に示すようにブランキング期間内に２個のフィールド
シフトｉ４ルスｖＦｌトｖＦ２を発生する。そして２個
のフィールドシフトパルス間に余分な信号電荷を掃き出
すための高速掃出しＡ？ルスＳＯを印加する。有効期間
は信号電荷を垂直ＣＣＤＣＤレジスタ送するだめのライ
ンシフトＩ？ルスＬＳが印加される。そして第１のフィ
ールドシフト／ぐルスＶＦ１　と１１２（７）フィール
ドシフトパルスｖＦ２の間に電圧差ＶＫを設ける。

この動作によって得られる感光部の画素における信号電
荷の変化を次に説明する。Ｑ８は画素の最大信号電荷量
を示し、ＱＫは第１．第２のフィールドシフトノクルス
ミ圧差Ｖｘによって決まる信号電荷量を示す。Ｉｌ　＋
Ｉ２　ｐＩ３　、Ｉ４　は入力光の強度を示しｔＦｌ　
１　ｔＦ２はフィールド期間の開始点をＯとした場合の
第１のフィールドシフトパルス時点と第２のフィールド
シフトパルス時点を示す。入力光強度が１１＃Ｉ２の場
合は有効期間内において最大信号電荷量Ｑｓで飽和し、
このレベルでクリップされる。そして第１のフィールド
シフトパルスｖＦ１によってＱＫの信号電荷以上は垂直
ＣＣＤ側へ読み出される。この結果、感光部の画素に蓄
えられる信号電荷はＱＫになる。その後ｔＦ２　までの
期間では再度光蓄積を行うと同時に第１のフィールドシ
フトパルスＶＦ１によって読み出された信号電荷は掃き
出し・ぐルスＳＯにより出力側に掃き出す。そして、第
２のフィールドシフトパルスＶＦ　２によって画素に蓄
えられた信号電荷を読み出す。この結果、飽和していた
信号電荷はｖＫによって光蓄積が停止された形となｐ、
ｔｙｌからｔ１□の期間で再度蓄積が行われる。したが
って、得られる信号電荷Ｑは（１）式に示すようになる
。

Ｑ＝■（ｔｒｚ　ｔｒｌ）＋ＱＫ　・・・・・・・（１
）ここで■は入力元強度を示す。ここから明らかなよう
に光電変換特性は所定レベル以上では入力元強度Ｉと光
蓄積時間ｔＦ２　Ｌ　ｔ、１により傾きがゆるくなる。

したがって光電変換特性にＫｎｅｅを持たせることが可
能になる６人力元強度Ｉ３についても同様である。この
場合は有効期間内で最大信号電荷量Ｑｓに達してないが
光蓄積電荷量はｖＫで決まるＱｓ以上であるので、やは
りＫｎｅｅ特性が得られる。入力元強度■４では光蓄積
電荷量がＱｘ以内である。この場合は通常の特性となる
。

次に、第６図を用いて第５図の動作について詳しく説明
する。

第６図は感光部の単位画素の断面図と第５図の印加ノ母
ルスを垂直ＣＣＤＣＤレジスタ−ＣＣＤへ加えたときの
信号電荷の変化を示す。順次動作を説明する。まず信号
電荷転送はｖ　−ＣＯＤに加えたラインシフ）　ノ４ル
スＩ、Ｓで有効期間で蓄えた信号電荷９人とブランキン
グ期間で蓄えた信号電荷Ｑｎを加算して水平ＣＯＤレゾ
スタ側へ転送する。この転送期間は垂直ブランキング／
ぐルスの有効期間に・なる。したがって信号電荷蓄積を
同時に行っている。この場合入力元強度は第５図で示し
た１１ないし■３である。第１のフィールドシフト電圧
ＶＦ１によって過剰電荷ＱｃのみＶ−ＣＣＤ側に読み出
す。そしてＶＦ　ｌ　とＶＦ　２電圧差ｖＫによって決
まる信号電荷ｉＱＡのみを画素に残す。

Ｖ　−ＣＯＤに読み出された過剰電荷Ｑｃは高速の・母
ルスによって垂直ブランキング内に外部に掃き出される
。そして垂直ブランキング期間内で再度信号電荷ＱＢの
蓄積を行う。そして第２のフィールドシフトノ９ルスｖ
Ｆ２によってＱＡとＱＢを同時に垂直ＣＯＤレゾスタに
転送する。以下、順次同様の動作を繰り返すことによっ
てＣＯＤの光電変換特性にＫｎｅｅを持たせることがで
きる。以上の説明から明らかなように本実施例ではＱＡ
をｖＦｌとＶＦ２の電圧差によって決めている。このた
めＫｎｅｅ点はＶＦＩもしくはＶＦ２によって決めるこ
とが可能となる。

次に、本発明者が実験した具体的実施例について説明す
る。

第７図は実験に用いたＣＯＤへ印加する駆動パルスの説
明図であり、第８図はＫｎｅｅ点の出力特性であり、第
９図は実験より得られたＫｎｅｅ傾斜を持った光電変換
特性である。用いたＣＣＤの垂直ＣＣＤ　Ｖソスｐはφ
ｖ、ｌφｖ２．φＶ３ｔφｖ４から構成される４相駆動
形である。垂直ブランキング・母ルスＶＢＬに同期して
図に示す駆動パルスをＣＯＤへ印加する。ＣＯＤはｌフ
ィールド期間が蓄積繰返し時間となるフィールド蓄積モ
ードで駆動する。図中ｔＦはフィールド期間、　ｔｓは
第２のフィールドシフ）　ｐ４ルスｖＦ２から第１のフ
ィールドシフ）　ｚ４ルスｖＦ１までの期間、ｔＫはｖ
、１からＶＦ２までの期間を示す。ハツチノブ部は掃き
出しパルス期間を示す。そしてｔｌ　ｌｉｌｌｗｔｌｌ
は第２のフィールドシフトパルスの幅を示し、約１００
μＢである。ｔ２　ｒ　ｔ７　＋ｔ’１２はフィールド
蓄積モードにするための２画素の信号電荷を加算する期
間、ｔａ　ｅ　ｔａ　・ｔｌ３はラインシフト期間であ
る。ｊ４　ｒ　ｔｏは第１のフィールドシフトノ９ルス
の幅を示し約１００μｓである。ｔ５ｆｔｉｏは高速掃
き出し期間を示す。このようなパルスをＣＯＤへ印加し
て得られるＫｎｅｅ点の電圧を第８図に示す。この図は
横軸にｖＦｌとＶＦ２の電圧差を示している。図から明
らかなように本実施例ではＫｎｅｅ点の電圧がｖＦｌと
ＶＦ２の電圧差により直線的に変化できる。

第９図は、実験より得た光電変換特性である。

破線がＫｎｅｅ制御を行わない状態、すなわち、第７図
で第１のフィールドシフ）　Ｉ？ルスｖＦ１　と掃き出
しノ４ルスＳｏがない場合を示す。この場合は元入力が
ＩＢの点においてＣＣＤ出力電圧は飽和する。しかし、
高感度カメラのＣＣＤ出力電圧はＱＭの点になる。これ
以上の出力信号は白クリップされ再現されない。これに
対して、本実施例では実線で示す特性になる。すなわち
、元入力は１人の点までは通常と同じ特性を保ち出力電
圧はＱＫの電圧になる。この電圧は第８図で説明したＫ
ｎｅｅ点の出力電圧である。そして、これ以上の光入力
に対してはＫｎｅｅ制御が動作し、光電変換特性の傾斜
がゆるくなる。したがって、元入力ＩＢの点においても
、その出力電圧は９Ｍ以下となり、小さい出力電圧にお
いても大きい光入力ダイナミックレンジが得られること
になる。

本実施例では、ｔｙ＝１６−６７ｍｓ＋　ｔＳ＝１６ｍ
ｓ＋ｔＫ＝　０．６７　ｍｓである。このためＫｎｅｅ
の圧縮率は、約１７３０と非常に高い値を得ることが可
能になる。

第１０図は、本発明を電子カメラに適用した場合の実施
例である。銀鉛フィルムを用いた通常のスチールカメラ
では入力元に対し強いダイナミックレンジがある。一方
、固体撮像素子はその構造上限られた信号電荷をおつか
う。このためハイライト部では白クリップして画質劣化
をもたらす。本発明は、このような電子カメラに適用す
ることで大きな効果を得ることができる。電子カメラで
は、入力元路中にシャッタを設け、このシャッタをｏｎ
、ｏｆｆ　Ｌで入力被写体像を撮像素子上に結像する。

撮像素子として例えば、先の実施例と同様にインターラ
イン転送形ＣＣＤを用いたとき、垂直ＣＯＤレゾスタの
電極へ図に“示すパルスを印加する。このパルスはシャ
ッタｏｎの開始点に位相が一致した第２のフィールドシ
フト／母ルスＶｙ２を発生させる。そして、所定時間ｔ
ｓ後、第１のフィールドシフ）　／ＩＰルスｖＦ１を発
生させる。フィールドシフトノ臂ルスＶＦ１　＊　ＶＦ
２の間のｔ４の期間では高速の掃き出しパルスＳＯを発
生させる。そして、シャッタｏｎの終了点に位相が一致
して第２のフィールドシフトパルスｖＦ２を発生させる
。第１のフィールドシフトパルスｖＦ１と第２のフィー
ルドシフトパルスｖＦ２との電圧差はｖＫとする。この
結果、ＣＯＤの感光画素における信号電荷の変化は図の
ａで示す。シャッタｏｎｌｃ同期して信号電荷は飽和電
圧Ｑｓまで上昇する。第１のフィールドシフトノ臂ルス
ＶＦ１が印加されると信号電荷はＱｘまで下がる。この
結果ｔ３の期間では信号電荷がＱｘで光蓄積停止された
と同様になる。そして、ｔ４゜ｔ、の期間において再度
光蓄積を行う。したがってＣＣＤから得られる出力信号
は第５図で説明した場合と同様に光電変換特性にＫｎｅ
ｅを持たせることができる。このため、入力元に対して
大きいダイナミックレンジを有する電子カメラの画像が
得られることになる。ｔｌはシャッタＯｎ前に垂直ＣＯ
Ｄレゾスタを空にするため掃き出し期間でｈり、ｔ２　
ｐ　ｔｓは第２のフィールドシフトパルスｖＦ２の期間
で；ｈ’）、ｔｓはラインシフト期間であり、読み出し
た信号電荷をＣＯＤ出力側に転送する。

以上説明した実施例ではインターライン転送形ＣＯＤで
行ったが、本発明はこれに限らず、例えば光電変換部に
ａ−８ｌなどの光導電膜を用いた２階部センサを用いた
場合にも適用できる。

また、本発明の実施例では垂直ＣＯＤレゾスターが４相
駆動の場合について説明したが、これに限らず単相、２
相、３相いずれの場合についても同様な効果が得られる
。

また、本発明ではフィールドシフトダートが垂直ＣＣＤ
レソスタの電極と共通した構成で説明したが、例えばフ
ィールドシフト用の読みだし電極が独立に設けられてい
る構造でも良い。

ま・た、実施例の説明で拡光蓄積期間を２つのフィール
ドシフトパルスで分離して行ったが、これに限らず、３
つ以上の光蓄積期間を設けて良い。この場合Ｋｎｅｅ点
を複数設けることになり入力元に対してより効果的なダ
イナミヅクレンゾ拡大が可能になる。

また、掃き出しは水平ＣＣＤ側に行っている場合につい
て説明したが、水平ＣＯＤレゾスタとは反対側に゛ドレ
インを設け、この方向に電荷掃き出しを行うことによっ
て、より多くの過剰電荷を掃き出すことができる。

また、フィールドシフト直後に垂直ＣＣＤＣＤレジスタ
電極下の表面電位が同一になるようにした後、高速掃き
出しを行うことにより強い入力元に対しても掃き出すこ
とが可能になり、さらに大きいダイナミックレンジが得
られる。

また、実施例の説明は感光部の画素がＰｎホトダイオー
ド構成の場合であるが、ＭＯ８構成の場合についても同
様な効果が得られる。更に本発明は感光部配列が一次元
の場合にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図インターライン転送形ＣＣＤ撮像累子の概略構成
を示す図、第２図は第１図の動作を説明するための図、
第３図は第１図のＣＯＤを用いて高感度カメラを構成し
た図、第４図は第３図のカメラの光電変換特性図、第５
図は本発明の一実施例の原理説明図、第６図はその動作
を説明するための信号電荷の変化図、第７図は本発明を
ＮＴＳＣ方式テレビカメラに適用した具体的実施例を説
明するための動作波形図、第８図はその実施例により得
られたＫｎｅｅ点の出力電圧特性図、第９図は同じ（Ｋ
ｎｅｅ特性を持った光電変換特性図、第１０図は本発明
を電子カメラに適用した別の実施例を説明する図である
。 １・・・撮像レンズ、２・・・インターライン転送形Ｃ
ＣＤ撮像素子、３・・・同期信号発生回路、４・・・タ
イミング回路、５・・・クロックトライバ、６・・・プ
リアンプ、７・・・ノイズ抑圧回路、８・・・プロセス
アンプ、’　”Ｆｌ・・・第１のフィールドシフトパル
ス、ＶＦ２・・・第２のフィールドシフ）Ａルス。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１　図 第２図 第８ｒ￥１ ＶＦｌ　ヒＶＦ２１Ｆ＋３　（い 第９図 ０　ＩＡ　ＩＢ　％λｐ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に一次元もしくは二次元的に配列さ
   れた感光部と、これに対応して設けられた一列もしくは
   複数列の垂直転送部と、前記感光部で蓄積した信号電荷
   を前記垂直転送部へ読み出す電極とを有する固体撮像装
   置の駆動方式であって、前記感光部での蓄積時間を１フ
   ィールド期間内で少なくとも第１．第２の２回の蓄積時
   間に分け、第１の蓄積時間終了後前記感光部で蓄積した
   信号電荷の一部を第１のフィールドシフト・ぐルスによ
   り前記垂直転送部へ取り出し、これを高速掃き出し・や
   ルスで外部へすてる動作を行ない、続く第２の蓄積時間
   で再度前記感光部で蓄積を行ない、その後第２のフィー
   ルドシフトパルスにより前記感光部で蓄積した全信号電
   荷を前記垂直転送部へ読み出し、これを出力信号として
   読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方式。
2. （２）前記第１．第２の蓄積時間は、垂直ブランキング
   パルスに対して、有効期間が第１の蓄積時間で、ブラン
   キング期間が第２の蓄積時間である特許請求の範囲第１
   項記載の固体撮像装置の駆動方式。