JPS6199473A

JPS6199473A - 電子的撮像装置

Info

Publication number: JPS6199473A
Application number: JP59219984A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Ida; 井田　正利
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-10-19
Filing date: 1984-10-19
Publication date: 1986-05-17
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JP2519202B2

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】〔技術分野〕本発明は、ｖａＰＩＩ素子としてＣＣＤ固体撮像素子を
用いた固体撮像装置の駆動方法に関し、特にＣＣＤ固体
固体ｌ素子のダイナミックレンジの拡大方法および光蓄
積時間の制御方法の改良に関する。

（従来技術）ＣＯＤ固体固体素像素子像素子として用いた固体撮像装
置を電子カメラに適用する場合、懇像系のダイナミック
レンジを十分大きくする必要がある。すなわち上記ＣＣ
Ｄ固体撮像素子自体は、銀塩フィルムに比べると、その
ダイナミックレンジが著しく狭い。したがってダイナミ
ックレンジの拡大をはかる手段を講じないと、ＴＩ像さ
れた静止画像の画質がハイコントラストになりやすい。

しかもＣＣＤ固体ｍｅ素子は、銀塩フィルムに比べて受
光感度も低いので、ストロボが頻繁に使用されることに
なるが、ストロボを使用すると、ダイナミックレンジが
一層狭ばめられることになる。

このような問題を解決する手段として、従来からＣＯＤ
固体県９素子の光電変換特性を制御してダイナミックレ
ンジの拡大をはかる手段が知られている。すなわち、１
９７８年テレビジョン学会全国大会講演予稿果（昭和５
３年７月社団法人テレビジョン学会発行）のＰ４３〜４
４　ｒｃｃＤイメージセンサのＫｎｅｅ特性制御」には
、例えばフレームトランスファＣＣＤの蓄積電極φ１．
φ２のレベルを、蓄積時間内において多値にて変化させ
るにより、ＣＣＤ固体撮像素子の光電変換特性を制御し
てダイナミックレンジの拡大をはかるようにした技術的
手段が示されている。この方法によれば、ダイナミック
レンジの拡大をはかることはできるが、駆動回路の構成
が著しく複雑になる。

すなわち通常の場合には転送りロックは２！ｌＩＩの駆
動パルスですむのに対し、上記方法を採用した場合には
３値以上の駆動パルスを必要とするため、駆動回路の構
成が著しく複雑になる。その結果、通常のインターライ
ン転送型ＣＣＤ固体１ｎ［ｉｌ素子への適用が極めて困
難で汎用性にかけるという欠点がある。

（目的）本発明の目的は、静止画の撮像等に好適な広いダイナミ
ックレンジを有し、しかも駆動回路の構成が簡単で、通
常のインターライン転送型ＣＯＤ固体比像素子に対して
も容易に適用可能なうえ、適切な素子シャッタ低能をも
発揮し得る固体搬像装置を提供することにある。

〔概要〕

本発明は上記目的を達成するために、次の如く構成した
ことを特徴としている。すなわち、ＣＣＤ固体撮像素子
の光蓄積時間内において、オーバフローコントロールゲ
ート電圧を例えば段階的に可変制クリすることにより、
前記ＣＯＤ固体ｗｉ憬素子における受光素子の光電変換
特性にγ特性をもたせるようにしたことを特徴としてい
る。

また、ＣＣＤ固体撮像素子のオーバフローコントロール
ゲート電圧を制御して前記ＣＣＤ固体撮像素子における
受光素子の光蓄積時間を制御するとともに、上記光蓄積
時間内においてオーバフローコントロールゲート電圧を
可変制御して、前記受光素子の光電変換特性にγ特性を
もたせるようにしたことを特徴としている。

〔実施例〕

第１図（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明を適用したインター
ライン転送型ＣＯＤ固体蹟像素子の部分的構成を示す図
である。同図（ａ）（ｂ）に示すようにフォトダイオー
ドアレイからなる受光素子１を挟んでその片側に過剰電
荷の排出手段であるオーバフロードレイン２を設け、も
う一方の片側に信号電荷垂直転送用のＣＯＤからなる垂
直シフトレジスタ３を設けてい′る。受光素子１とオー
バフロードレイン２との間には、オーバフロー電位制御
用のコントロールゲート４が設けてあり、受光素子１と
垂直シフトレジスタ３との間には上記受光素子１に蓄積
された信号電荷を垂直シフトレジスタ３の転送ｍ１３ａ
下の埋め込みチャネル３ｂに転送するための転送ゲート
５が設けである。

そして上記の部分をインターライン転送型ＣＯＤの垂直
方向の一単位として独立させるために、各単位相互間に
は水平方向の電荷の広がりを防止するためのチャネルス
トップ６が設けられている。

かくして上記独立した各単位を水平方向に複数列配設す
ることによって、二次元イメージセンサを構成している
。なお、垂直転送電極３ａと埋め込みチャネル３ｂとか
らなる垂直シフトレジスタ３においては、同図（ｂ）の
下方に位置的に合せて示した同図（Ｃ）のポテンシャル
線図に示すように、垂直転送に際し転送電極３ａの下部
における電位が、実線位置と破線！置との間で上下に変
動することになる。

第２図は本発明の駆動方法の第１の実施例を示す波形図
である。Ａは垂直同期りロックであり、Ｂは転送ゲート
５への印加パルス、Ｃはオーバフローコントロールゲー
ト４へ与える印加電圧を示している。第２図に示すよう
に、垂直同期クロックＡに同期して転送ゲート５にパル
スＢを印加し、受光素子１の蓄積電荷を垂直シフトレジ
スタ３へ転送するとともに、その時点ｔ１から上記受光
素子１に対しての光蓄積を開始している。ただしオーバ
フロードレイン２に対しては時点ｔ１から時点ｔ２まで
の期間は受光素子１の飽和電荷量がＱＫであるようなレ
ベルＬ１のオーバフローコントロール電圧を印加し、時
点ｔ２から時点ｔ３までの期間は受光素子１の飽和電荷
量がＱＳであるようなレベルＬ２のオーバフローコント
ロール電圧Ｃを印加している。なお同図Ｃに示す破線の
レベルＬＯは非蓄積レベルのオーバフローコントロール
電圧を示しており、この非蓄積レベルＬＯの電圧をコン
トロールゲート４に印加すると、受光素子１で生成され
る光電荷は全てオーバフロードレイン２から外部へ排出
される。つまり上記レベルＬＯの電圧が印加されている
期間は実質的に光電変換が行なわれないのと同様の結果
を呈する。そしてレベルＬ１あるいはし２の如くコント
ロール電圧を制御すると、受光素子１における飽和電荷
量が変化することになる。

第３図（ａ）は第２図に示すようなコント０−ルミ圧の
制御を行なった場合の蓄積電荷量の時間変化を示した図
である。この図に示すように、時点ｔ１〜ｔ３における
蓄積電荷量がＱＫ以下であるような光強度１１では、蓄
積電荷量は蓄積時間に比例する。しかるに蓄積電荷量が
ＱＫを越えるような光強度Ｉ２の場合には、時点ｔＫに
て飽和電荷ｆｆ１ＱＫに達し、その後時点ｔ２までの期
間は電荷の蓄積が禁止されることになる。そして時点ｔ
２から時点ｔ３までは前記レベルＬ２のコントロール電
圧によって独立の傾斜で電荷の蓄積が行なわれる。した
がってこの場合の受光素子１の光電変換特性は同図（ｂ
）に示す如くになる。すなわち光強度が大きな範囲にお
ける光電変換日が抑ｔｉ１１されたものとなり、ダイナ
ミックレンジが実質的に拡大されることになる。

第４図はコントロール電圧Ｃのレベルを１３゜Ｌ４．Ｌ
５の３レベルに変化させた場合を示す図である。すなわ
ち、時点ｔ１から時点ｔ４までの期間はレベルＬ３、時
点ｔ４から時点ｔ５までの期間はレベルＬ４、時点ｔ５
から時点ｔ６までの期間はレベルＬ５なるコントロール
電圧Ｃを印加するようにしたものである。

第５図は上記第４図の場合における光電変換特性を示す
図である。この第５図に示すように光強度がＩＫ、ＩＭ
、Ｉｓと増大するのに対して飽和電荷量はＯＫ、ＱＭ、
ＱＳと変化し、前述の場合よりも、更になめらかな光電
変換特性となる。

次に本発明の池の実施例について説明する。第６図は本
発明の第２の実施例を示す波形図である。

この実施例は前記第１の実施例で説明したダイナミック
レンジ拡大手段に、いわゆる素子シャッタ園能を付加し
た例である。すなわち、第６図に示すようにこの実施例
においては、時点ｔ１１から時点ｔ１２までの期間ＴＡ
はコントロール電圧Ｃ１を非蓄積レベルしＯに保ち、こ
の期間中は受光素子１への光蓄積を実質的に禁止するよ
うにしている。そして上記時点ｔ１２から時点ｔ１３ま
での期間ＴＢは前記第１の実施例で示したと同様に順次
段階的にオーバフローコントロール電圧Ｃ１を変化させ
るようにしたものである。

本実施例によれば、期間Ｔ８がいわゆる露光時間となり
、しかもこの露光時間中においてダイナミックレンジの
拡大をはかることができる。なお第６図中、Ｃ２に示す
ようにコントロール電圧を連続的に変化させるようにし
てもよい。

次に本発明の駆動方法を実現するための回路例について
説明する。なお以下説明する回路例は、第７図に示す如
く水平同期信号りをクロック入力とし、転送ゲートパル
スＢをリセット入力としてカウンタを作動させ、上記カ
ウンタ出力と各種情報との演ｌｌｆｆ１理を行なうこと
によって同図Ｅに示すようなオーバフローコントロール
電圧を得る如く構成したものである。

第８図はその回路例を示すブロック図である。

端子１１には水平同期信号りが与えられる。また端子１
２には転送ゲートパルスＢが与えられる。

上記水平同期信号りはカウンタ１３のクロック入力とな
り、転送ゲートパルスＢはカウンタ１３のリセット入力
となる。カウンタ１３は入力したシリアルな水平同期信
号りを８ビンｉ−のパラレルな信号に変換し、これをタ
イミング信号Ｓ１として出力する。この出力はマイクロ
コンピュータ（以下マイコンと略称する）２０に入力す
る。このマイコン２０には、シャッタ速度設定器１４か
らシャッタ速度信号Ｓ２が与えられ、γ特性設定器１５
からγ特ｆＩ値信号Ｓ３が与えられ、ストロボ発光器１
６からストロボ使用時においてストロボ使用信号Ｓ４が
それぞれ与えられる。

シャッタ速度設定器１４は、例えばダイヤルを手動操作
することにより可変抵抗器などを作動さぜ、シャッタ速
度に応じたレベルの電気信号Ｓ２を発生させるものとな
っている。なお、適宜な測光手段により測光を行ない、
その測光値に応じたシャッタ速度信号を自動的に形成す
るようにしてもよい。

Ｔ特性設定器１５は例えばダイヤルを手動操作すること
により、予め選定されているＴ１．Ｔ２゜Ｔ３の時間比
（例えばＴ１　：Ｔ２：Ｔ３−３：２：１とか４：２：
１とかの組合わせが選定されている）の一つを選択する
ことにより、γ特性値信号Ｓ３を送出するものとなって
いる。なお上記時間比の選択に際しては、例えば動画モ
ードにおいてビューファインダに写し出される被写体の
画面を観察することによって、その画質の状態から適切
な時間比を選択するようにすればよい。

ストロボ発光器１６は、使用時においてストロボ使用を
示す信号Ｓ４を送出するものとなっている。なおこのス
トロボ発光器１６にはマイコン２０からストロボ発光指
令信号８５．Ｓ与えられるものとなっている。

マイコン２０は、その詳細については後で説明するが、
少なくとも与えられたシャッタ速度、γ特性値、ストロ
ボ使用の有無等の各種情報に基いて、オーバフローコン
トロール電圧のレベルおよび持続時間を演算して出力す
るものとなっている。

上記マイコン２０の出力はＤ／Ａ変換器１７によりアナ
ログ信号に変換されたのち、増幅器１８により増幅され
て端子１９がら出力される。

第９図は前記マイコン２０の内部構成を示すブロック図
である。第９図において、持続時間比設定手段２１は、
端子２０ａに与えられるγ特性値信号Ｓ３および端子２
０ｂに与えられるストロボ使用信号＄４に基いてＴＩ、
Ｔ２．Ｔ３の持続時間比を設定する。これによりγ特性
値が設定される。ストロボ使用の場合には画像全体のコ
ントラストが極端に高くなる場合が多いので、ストロボ
使用の場合においては最も低いγ特性値が設定される。

なお、低いγの特性値とは、コントロール電圧レベルが
高く光蓄積量が少ない期間（例えばＴＩ）が相対的に長
く、コントロール電圧レベルが低く光蓄積量が多い期間
（例えばＴ３）が相対的に短い状態をいう。持続時間比
設定手段２１により設定された時間比を示す信号Ｓ６は
、後述するダイナミックレンジ設定手段２４のＯＦＤレ
ベル持続時間設定手段２６に供給される。

シャツタ開閉タイミング設定手段２２は端子２０ｃに与
えられるカウンタ１３がらのタイミング信号Ｓ１と端子
２０ｂに与えられるストロボ使用信号Ｓ４と、端子２０
ｄに与えられるシャッタ速度設定器１４からのシャッタ
速度信号Ｓ２とに基いて、シャッタ開閉のタイミング信
号Ｓ７をつくり、これを後述するダイナミックレンジ設
定手段２４のＯＦＤレベル設定手段２５に供給する。ス
トロボ発光器１６を使用しない場合には、ストロボ使用
信号Ｓ４が到来しない。したがってこの場合は、シャッ
タ速度信号Ｓ２によりシャッタ動作を開始する基準値が
この設定手段２２の中に記憶される。そして上記シャッ
タ速度信号Ｓ２が上記手段２２に取込まれると、上記基
準値と比較される。そして基準値より大きいか同じなら
ばシャツタ開信号が出力され、基準値より小さければシ
ャツタ閉信号が出力される。一方、ストロボ使用時にお
いては、ストロボ使用信号Ｓ４が到来する。

このとき、上記設定手段２２には、ストロボ発光器１６
の予備発光により得られた測光情報に基いて決定される
シャッタ速度信号Ｓ２が送られてきている。なおこの場
合のシャッタ速度信＠Ｓ２は、ストロボ発光時間と一致
もしくはストロボ発光時間を越えた時間幅をもつ時間信
号を選定可能な信号である。さもないと露光不足を生じ
るおそれがある。かくして上記設定手段２２においては
シャツタ開信号が入力したとき、すなわちカウンタ１３
からの出力値がシャツタ開の値に達したとき、端子２０
ｅを介してストロボ発光指令信号ｓ５をストロボ発光器
１６へ供給する。

シ１アツタ開時間／垂直走査時間・比設定手段２３は、
端子２０ｄに与えられるシャッタ速度信号Ｓ２を供給さ
れると、垂直走査時間Ｔに対する上記シャッタ速度信号
Ｓ２に含まれているシャッタ同時間ＴＢの比を演算し、
その比ＴＢ／Ｔを示す信号Ｓ８をダイナミックレンジ設
定手段２４の○ＦＤレベル持続持続時定設定手段２６給
する。

ダイナミックレンジ設定手段２４はＯＦＤレベル設定手
段２５とＯＦＤレベル持続時間設定手段２６とを備えて
いる。Ｏｉ：Ｄレベル設定手段２５は前記端子２０ａに
与えられるγ特性値信号Ｓ３および前記シャツタ開閉タ
イミング設定手段２２からの出力信号Ｓ７を供給され、
オーバフローコントロール電圧のレベルを設定する。Ｏ
ＦＤレベル持続時間設定手段２６は、前記持続時間比設
定手段２１の出力信号Ｓ６および前記シャッタＲ時間／
垂直走査時間・比設定手段２３がらの出力信号Ｓ８を供
給されて、上記ＯＦＤレベル設定手段２５により設定さ
れたレベルに＃４随したそれぞれの持続時間を設定する
。なお上記持続時間比設定手段２１の出力信号Ｓ６によ
る時間Ｔ１．Ｔ２゜Ｔ３のｉ間化は所定のシャツタ開時
間内において実現されなければならない。そこで上記持
続時間比設定手段２１の出力信号Ｓ６によるＴ１．Ｔ２
゜Ｔ３の時間比と、前記シャッタ開時間／！！直走査時
周・比設定手段２３からの出力信号Ｓ８によるシャツタ
開時間比との画情報から、シャッタ開時１！ＩＴＳ内に
おけるＴＩ、Ｔ２．Ｔ３の時間比を設定するようにして
いる。かくして上記ダイナミックレンジ設定手段２４か
らは、端子２Ｏｆを介してオーバフローコントロール電
圧のレベルおよび持続時間を示す信号が出力される。

第１０図は上記偶成の回路の動作順序を示す流れ図であ
る。図中Ｙは判定内容がＹＥＳ、Ｎは判定内容がＮｏで
ある場合の流れを示している。

〔発明の効果〕

本発明は、ＣＯＤ固体撮像素子の光蓄積時間内において
、オーバフローコントロールゲート電圧を段階的あるい
は連続的に可変制御することにより、前記ＣＣＤＣＤ固
体素像素子ける受光素子の充電変換特性にγ特性をもた
せるようにしたことを特徴としている。また本発明は、
ｃｃＤ固体撮＆素子のオーバフローコントロールゲート
電圧を制御して前記ＣＣＤＣＤ固体素像素子ける受光素
子の光蓄積時間を制御するとともに、上記光蓄積時間内
においてオーバフローコントロールゲート電圧を可変制
御して、前記受光素子の充電変換特性にγ特性をもたせ
るようにしたことを特徴としている。

したがって本発明によれば、静止画の撮像等に好適な広
いダイナミックレンジを有し、しかも駆動回路の構成が
簡単で、通常のインターライン転送型ＣＯＤ固体比（！
素子に対しても容易に適用可能なうえ、適切な素子シャ
ッタ機能をも発揮し得る固体ｍｅ表装置提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａン　（ｂ＞（ｃ）〜第５図は本発明の第１の
実施例を示す図で、第１図（ａ）（ｂ）（Ｃ）は本発明
を適用したインターライン転送型ＣＯＤ固体撮像素子の
部分的構成を示す図、第２図は本発明の第１の駆動方法
を示す波形図、第３図（ａ）は第２図に示すようなコン
トロール電圧の制御を行なった場合の蓄積電荷吊の時間
変化を示した図、第３図（ｂ）は同図（ａ）の光電変換
特性を示す図、第４図はコントロール電圧Ｃのレベルを
１３．Ｌ４．Ｌ５の３レベルに変化させた場合を示す図
、第５図は第４図の光電変換特性を示ず図、第６図は本
発明の第２の実施例を示す図で本発明の第２の駆動方法
を示す波形図、第７図〜第１０図は本発明の駆動方法を
実現するための回路例を説明するための図で、第７図は
動作波形を示す図、第８図は全体の構成を示すブロック
圀、第９図はマイコンの内部構成を示すブロック図、第
１０図は動作順序を示す流れ図である。１・・・受光素子、２・・・オーバフロードレイン、３
・・・垂直シフトレジスタ、４・・・オーバフローコン
トロールゲート、５・・・転送ゲート、６・・・チャネ
ルストップ、Ａ・・・垂直同期クロック、８・・・転送
ゲートパルス、Ｃ，Ｅ・・・オーバフローコントロール
電圧、Ｄ・・・水平同期信号、ＴＡ・・・光蓄積禁止期
間、ＴＢ・・・光蓄積期間（露光時間）。第１図第２図Ａ　　　　　　　　　” ！　　　　　１ｔ＋　　　　ｔ２　　ｔ３第３図ＩＩ　　　　ｔ４　　　ｔ５ｔ６　　　　　　　−丸強
皮第６図第７図＋Ｊ８図第１０図１　事件の表示特願昭５９−２１９９８４号２、発明の名称固体＠像装置の駆動方法３、補正をする者事件との関係　　特工Ｔ出願人（０３７）　　オリンパス光学工業株式会社４、代理人東京都港区虎ノ門１丁目２６番５号　第１７森ビル５、
自発補正６、補正の対象

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＣＣＤ固体撮像素子の光蓄積時間内において、オ
ーバフローコントロールゲート電圧を可変制御して、前
記ＣＣＤ固体撮像素子における受光素子の光電変換特性
にγ特性をもたせるようにしたことを特徴とする固体撮
像装置の駆動方法。
（２）ＣＣＤ固体撮像素子のオーバフローコントロール
ゲート電圧を制御して前記ＣＣＤ固体撮像素子における
受光素子の光蓄積時間を制御するとともに、上記光蓄積
時間内においてオーバフローコントロールゲート電圧を
可変制御して、前記受光素子の光電変換特性にγ特性を
もたせるようにしたことを特徴とする固体撮像装置の駆
動方法。