JPH1127583A - 固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラ - Google Patents
固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラInfo
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- JPH1127583A JPH1127583A JP9182001A JP18200197A JPH1127583A JP H1127583 A JPH1127583 A JP H1127583A JP 9182001 A JP9182001 A JP 9182001A JP 18200197 A JP18200197 A JP 18200197A JP H1127583 A JPH1127583 A JP H1127583A
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
- H04N25/57—Control of the dynamic range
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- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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- H04N23/50—Constructional details
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ２種類の蓄積時間の比率の最小値が垂直ブラ
ンキング期間と垂直有効映像期間の時間比率で制限され
るため、高ダイナミックレンジ化を図るには、外部に付
加回路が必要となる。 【解決手段】 第１，第２の光電変換素子群１，２の各
信号電荷を独立に読み出すことが可能なＣＣＤ固体撮像
装置において、ある蓄積時間の経過後第１の光電変換素
子群１の各信号電荷を垂直転送部３に読み出して信号成
分Ａとし、その後光電変換素子群１，２の全信号電荷を
排出し、続いて所定の時間が経過した後、第１，第２の
光電変換素子群１，２の各信号電荷を読み出し、かつ垂
直転送部３内で混合して信号成分Ｂとすることで、蓄積
時間の長い側の信号成分Ａを１画素の信号電荷で構成
し、蓄積時間の短い側の信号成分Ｂを２画素の信号電荷
で構成し、２種類の信号成分Ａ，Ｂの蓄積時間の比率を
下げる。
ンキング期間と垂直有効映像期間の時間比率で制限され
るため、高ダイナミックレンジ化を図るには、外部に付
加回路が必要となる。 【解決手段】 第１，第２の光電変換素子群１，２の各
信号電荷を独立に読み出すことが可能なＣＣＤ固体撮像
装置において、ある蓄積時間の経過後第１の光電変換素
子群１の各信号電荷を垂直転送部３に読み出して信号成
分Ａとし、その後光電変換素子群１，２の全信号電荷を
排出し、続いて所定の時間が経過した後、第１，第２の
光電変換素子群１，２の各信号電荷を読み出し、かつ垂
直転送部３内で混合して信号成分Ｂとすることで、蓄積
時間の長い側の信号成分Ａを１画素の信号電荷で構成
し、蓄積時間の短い側の信号成分Ｂを２画素の信号電荷
で構成し、２種類の信号成分Ａ，Ｂの蓄積時間の比率を
下げる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置及び
その駆動方法、並びにカメラに関し、特に２次元配置さ
れた画素の信号電荷を独立に読み出すことが可能な固体
撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラに関する。
その駆動方法、並びにカメラに関し、特に２次元配置さ
れた画素の信号電荷を独立に読み出すことが可能な固体
撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】固体撮像装置、例えばＣＣＤ(Charge Co
upled Device) タイプの固体撮像装置において、そのダ
イナミックレンジを拡大するための駆動方法として、従
来、個々の光電変換素子での信号電荷を２種類以上の異
なった蓄積時間の信号電荷として出力する方法が知られ
ている（例えば、特開平７−１７７４３３号公報、特開
平７−２５０２８６号公報、特開平８−８４２９８号公
報参照）。
upled Device) タイプの固体撮像装置において、そのダ
イナミックレンジを拡大するための駆動方法として、従
来、個々の光電変換素子での信号電荷を２種類以上の異
なった蓄積時間の信号電荷として出力する方法が知られ
ている（例えば、特開平７−１７７４３３号公報、特開
平７−２５０２８６号公報、特開平８−８４２９８号公
報参照）。
【０００３】すなわち、これらの駆動方法は、垂直有効
映像期間に蓄積された信号電荷を垂直ブランキング期間
中に一度読み出し、その後垂直ブランキング期間を利用
してもう一度短い露光期間を設定して光電変換しかつ再
度信号電荷を読み出し、露光時間が長い側の信号電荷と
短い側の信号電荷とを独立に転送して出力するというも
のである。この場合、異なった蓄積時間の複数の信号成
分を構成する光電変換素子（画素）が同一である。
映像期間に蓄積された信号電荷を垂直ブランキング期間
中に一度読み出し、その後垂直ブランキング期間を利用
してもう一度短い露光期間を設定して光電変換しかつ再
度信号電荷を読み出し、露光時間が長い側の信号電荷と
短い側の信号電荷とを独立に転送して出力するというも
のである。この場合、異なった蓄積時間の複数の信号成
分を構成する光電変換素子（画素）が同一である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法では、２種類の
蓄積時間の比率の最小値は、ラインメモリ或いはフィー
ルドメモリをデバイス内部或いは外部に持たない限り、
垂直ブランキング期間と垂直有効映像期間の時間比率で
制限される。
た従来のＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法では、２種類の
蓄積時間の比率の最小値は、ラインメモリ或いはフィー
ルドメモリをデバイス内部或いは外部に持たない限り、
垂直ブランキング期間と垂直有効映像期間の時間比率で
制限される。
【０００５】したがって、ＣＣＤ固体撮像装置の出力信
号を直接従来の信号処理回路に入力した場合、高照度部
分のコントラスト比がとれず、このようなＣＣＤ固体撮
像装置を使って広ダイナミックレンジ映像を実現するた
めには、２種類の信号成分を外部でゲイン処理後加算す
るか、或いは外部で選択サンプリングを行うなどの処理
が必要となり、またそのための処理回路を付加する必要
がある。また、従来の駆動方法でも、蓄積時間の長い側
の信号電荷の蓄積時間を電子シャッタで短くすること
で、２種類の信号成分の蓄積時間の比率を下げることが
できるが、この場合は蓄積時間が短くなることによって
逆に低照度側の感度が低下する問題が発生する。
号を直接従来の信号処理回路に入力した場合、高照度部
分のコントラスト比がとれず、このようなＣＣＤ固体撮
像装置を使って広ダイナミックレンジ映像を実現するた
めには、２種類の信号成分を外部でゲイン処理後加算す
るか、或いは外部で選択サンプリングを行うなどの処理
が必要となり、またそのための処理回路を付加する必要
がある。また、従来の駆動方法でも、蓄積時間の長い側
の信号電荷の蓄積時間を電子シャッタで短くすること
で、２種類の信号成分の蓄積時間の比率を下げることが
できるが、この場合は蓄積時間が短くなることによって
逆に低照度側の感度が低下する問題が発生する。
【０００６】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、回部に付加回路を設
けなくても、低照度側の感度を犠牲にすることなく、よ
り広ダイナミックレンジ化が可能な固体撮像装置及びそ
の駆動方法を提供することにある。
であり、その目的とするところは、回部に付加回路を設
けなくても、低照度側の感度を犠牲にすることなく、よ
り広ダイナミックレンジ化が可能な固体撮像装置及びそ
の駆動方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、２次元配置
された画素の信号電荷を独立に読み出すことが可能な固
体撮像装置において、同一画素群から蓄積時間の異なる
信号成分を読み出す際に、蓄積時間の長い第１信号成分
を構成する画素数と蓄積時間の短い第２信号成分を構成
する画素数とを異ならせたことを特徴としている。
された画素の信号電荷を独立に読み出すことが可能な固
体撮像装置において、同一画素群から蓄積時間の異なる
信号成分を読み出す際に、蓄積時間の長い第１信号成分
を構成する画素数と蓄積時間の短い第２信号成分を構成
する画素数とを異ならせたことを特徴としている。
【０００８】ここで、例えば、第１信号成分を構成する
画素数を１、第２信号成分を構成する画素数を２に設定
した場合には、第１信号成分の蓄積時間と第２信号成分
の蓄積時間の比率が、両画素数が同じ場合の１／２にな
る。これにより、ラインメモリ或いはフィールドメモリ
をデバイス内部或いは外部に持たない場合において、第
１信号成分の蓄積時間を短くしなくても、ダイナミック
レンジの拡大が可能となる。
画素数を１、第２信号成分を構成する画素数を２に設定
した場合には、第１信号成分の蓄積時間と第２信号成分
の蓄積時間の比率が、両画素数が同じ場合の１／２にな
る。これにより、ラインメモリ或いはフィールドメモリ
をデバイス内部或いは外部に持たない場合において、第
１信号成分の蓄積時間を短くしなくても、ダイナミック
レンジの拡大が可能となる。
【０００９】一方、複数画素で１つの信号成分を構成す
る場合は、画素ごとの読み出しの間に転送動作時間が必
要となる。この転送動作時間はフィールド期間内で蓄積
時間に寄与しない時間となる。したがって、第２信号成
分を構成する画素数を、第１信号成分を構成する画素数
よりも少なく設定し、不要となった転送動作時間を第１
信号成分の蓄積時間に当てることで、低照度の感度の向
上が可能となる。
る場合は、画素ごとの読み出しの間に転送動作時間が必
要となる。この転送動作時間はフィールド期間内で蓄積
時間に寄与しない時間となる。したがって、第２信号成
分を構成する画素数を、第１信号成分を構成する画素数
よりも少なく設定し、不要となった転送動作時間を第１
信号成分の蓄積時間に当てることで、低照度の感度の向
上が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１
実施形態を示す概略構成図である。この第１実施形態で
は、蓄積時間の長い信号成分Ａと蓄積時間の短い信号成
分Ｂを各々最大２画素で構成する場合の構造例となって
いる。
て図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１
実施形態を示す概略構成図である。この第１実施形態で
は、蓄積時間の長い信号成分Ａと蓄積時間の短い信号成
分Ｂを各々最大２画素で構成する場合の構造例となって
いる。
【００１１】図１において、半導体基板上に２次元配列
され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変
換して蓄積する光電変換素子（画素）群は、ライン単位
（行単位）で交互に第１，第２の光電変換素子群１，２
に分類される。これら光電変換素子群の垂直列ごとに複
数の垂直転送部３が設けられている。これら垂直転送部
３は、各画素に１：１の対応関係を持って設けられたパ
ケット３ａ，３ｂの集合（パケット列）によって構成さ
れている。ここに、パケットとは、１つの信号成分を扱
う単位を言うものとする。
され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変
換して蓄積する光電変換素子（画素）群は、ライン単位
（行単位）で交互に第１，第２の光電変換素子群１，２
に分類される。これら光電変換素子群の垂直列ごとに複
数の垂直転送部３が設けられている。これら垂直転送部
３は、各画素に１：１の対応関係を持って設けられたパ
ケット３ａ，３ｂの集合（パケット列）によって構成さ
れている。ここに、パケットとは、１つの信号成分を扱
う単位を言うものとする。
【００１２】垂直転送部３の図面上の下側には、１本の
水平転送部４が設けられている。この水平転送部４は、
水平方向の画素数の少なくとも２倍のパケット４ａ，４
ｂの集合（パケット列）によって構成されている。水平
転送部４の出力端側には、水平転送部４によって転送さ
れてきた信号電荷を検出して信号電圧として出力する電
荷検出部５が設けられている。電荷検出部５の出力信号
は、出力アンプ６を介して外部へ導出される。
水平転送部４が設けられている。この水平転送部４は、
水平方向の画素数の少なくとも２倍のパケット４ａ，４
ｂの集合（パケット列）によって構成されている。水平
転送部４の出力端側には、水平転送部４によって転送さ
れてきた信号電荷を検出して信号電圧として出力する電
荷検出部５が設けられている。電荷検出部５の出力信号
は、出力アンプ６を介して外部へ導出される。
【００１３】以上のように、蓄積時間の長い信号成分Ａ
と蓄積時間の短い信号成分Ｂを各々最大２画素で構成す
る場合は、２つの光電変換素子群１，２と、２つの信号
成分Ａ，Ｂを取り扱う垂直転送部（パケット３ａ，３
ｂ）３及び水平転送部（パケット４ａ，４ｂ）４で構成
される。なお、本実施形態においては、信号成分Ａを１
画素の信号電荷より構成し、信号成分Ｂを２画素の信号
電荷より構成するものとする。
と蓄積時間の短い信号成分Ｂを各々最大２画素で構成す
る場合は、２つの光電変換素子群１，２と、２つの信号
成分Ａ，Ｂを取り扱う垂直転送部（パケット３ａ，３
ｂ）３及び水平転送部（パケット４ａ，４ｂ）４で構成
される。なお、本実施形態においては、信号成分Ａを１
画素の信号電荷より構成し、信号成分Ｂを２画素の信号
電荷より構成するものとする。
【００１４】次に、上記構成のＣＣＤ固体撮像装置にお
いて、信号成分Ａを１画素の信号電荷より構成し、信号
成分Ｂを２画素の信号電荷より構成する場合の駆動方法
について、図２のタイミングチャートを用いて説明す
る。なお、その駆動は、タイミングジェネレータ７で発
生されるフィールド識別信号、垂直ブランキング識別信
号、読み出しパルス１、読み出しパルス２、垂直転送パ
ルス及び電荷排出パルス等によって行われる。
いて、信号成分Ａを１画素の信号電荷より構成し、信号
成分Ｂを２画素の信号電荷より構成する場合の駆動方法
について、図２のタイミングチャートを用いて説明す
る。なお、その駆動は、タイミングジェネレータ７で発
生されるフィールド識別信号、垂直ブランキング識別信
号、読み出しパルス１、読み出しパルス２、垂直転送パ
ルス及び電荷排出パルス等によって行われる。
【００１５】ここで、読み出しパルス１は、第１の光電
変換素子群１から垂直転送部３に信号電荷を読み出すパ
ルスである。読み出しパルス２は、第２の光電変換素子
群２から垂直転送部３に信号電荷を読み出すパルスであ
る。垂直転送パルスは、垂直転送部３を駆動するパルス
である。電荷排出パルスは、第１，第２の光電変換素子
群１，２の信号電荷を例えば半導体基板に排出するパル
スである。
変換素子群１から垂直転送部３に信号電荷を読み出すパ
ルスである。読み出しパルス２は、第２の光電変換素子
群２から垂直転送部３に信号電荷を読み出すパルスであ
る。垂直転送パルスは、垂直転送部３を駆動するパルス
である。電荷排出パルスは、第１，第２の光電変換素子
群１，２の信号電荷を例えば半導体基板に排出するパル
スである。
【００１６】図２のタイミングチャートにおいて、先
ず、時刻ｔ０を起点として第１，第２の光電変換素子群
１，２での光電変換及びそれに伴う信号電荷の蓄積が開
始される。そして、時間Ｔ１が経過した時点ｔ１で読み
出しパルス２が発生することにより、第２の光電変換素
子群２の各信号電荷が垂直転送部３のパケット３ａに読
み出される。この第２の光電変換素子群２の１画素分の
信号電荷が信号成分Ａとなる。
ず、時刻ｔ０を起点として第１，第２の光電変換素子群
１，２での光電変換及びそれに伴う信号電荷の蓄積が開
始される。そして、時間Ｔ１が経過した時点ｔ１で読み
出しパルス２が発生することにより、第２の光電変換素
子群２の各信号電荷が垂直転送部３のパケット３ａに読
み出される。この第２の光電変換素子群２の１画素分の
信号電荷が信号成分Ａとなる。
【００１７】その後、時刻ｔ２で電荷排出パルスが発生
することにより、第１，第２の光電変換素子群１，２の
各信号電荷が半導体基板に排出される。続いて、時間Ｔ
２が経過した時刻ｔ３で読み出しパルス１が発生するこ
とにより、第１の光電変換素子群１の各信号電荷が垂直
転送部３のパケット３ｂに読み出される。このパケット
３ｂに読み出された信号電荷は、時刻ｔ４で垂直転送パ
ルスが発生することにより、１単位、即ちパケット３ａ
に転送される。
することにより、第１，第２の光電変換素子群１，２の
各信号電荷が半導体基板に排出される。続いて、時間Ｔ
２が経過した時刻ｔ３で読み出しパルス１が発生するこ
とにより、第１の光電変換素子群１の各信号電荷が垂直
転送部３のパケット３ｂに読み出される。このパケット
３ｂに読み出された信号電荷は、時刻ｔ４で垂直転送パ
ルスが発生することにより、１単位、即ちパケット３ａ
に転送される。
【００１８】その後、時刻ｔ５で読み出しパルス２が発
生することにより、第２の光電変換素子群２の各信号電
荷が垂直転送部３のパケット３ａに読み出される。これ
により、時刻ｔ３で読み出された第１の光電変換素子群
１の信号電荷と、時刻ｔ５で読み出された第２の光電変
換素子群２の信号電荷とが垂直転送部３のパケット３ａ
で混合される。この混合された２画素分の信号電荷が信
号成分Ｂとなる。もう一方のフィールドにおいては、第
１，第２の光電変換素子群１，２から垂直転送部３に転
送する順序を逆にすることで、インタレースされた信号
が得られる。
生することにより、第２の光電変換素子群２の各信号電
荷が垂直転送部３のパケット３ａに読み出される。これ
により、時刻ｔ３で読み出された第１の光電変換素子群
１の信号電荷と、時刻ｔ５で読み出された第２の光電変
換素子群２の信号電荷とが垂直転送部３のパケット３ａ
で混合される。この混合された２画素分の信号電荷が信
号成分Ｂとなる。もう一方のフィールドにおいては、第
１，第２の光電変換素子群１，２から垂直転送部３に転
送する順序を逆にすることで、インタレースされた信号
が得られる。
【００１９】ここで、図２のタイミングチャートにおい
て、期間Ｔ１（Ｔ３）及びＴ２（Ｔ４）は、各々信号成
分Ａ及びＢの各蓄積時間に相当するが、時刻ｔ１，ｔ
３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ８，ｔ９，ｔ１０は、固体撮
像装置内にラインメモリ或いはフィールド／フレームメ
モリを持たない構造においては、全て垂直ブランキング
期間内になるため、期間Ｔ１（Ｔ３）とＴ２（Ｔ４）の
比率の最小値は制限される。
て、期間Ｔ１（Ｔ３）及びＴ２（Ｔ４）は、各々信号成
分Ａ及びＢの各蓄積時間に相当するが、時刻ｔ１，ｔ
３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ８，ｔ９，ｔ１０は、固体撮
像装置内にラインメモリ或いはフィールド／フレームメ
モリを持たない構造においては、全て垂直ブランキング
期間内になるため、期間Ｔ１（Ｔ３）とＴ２（Ｔ４）の
比率の最小値は制限される。
【００２０】ところが、本実施形態においては、蓄積時
間の短い側の信号成分Ｂのみを２画素で構成するように
したことにより、期間Ｔ１（Ｔ３）とＴ２（Ｔ４）の比
率、即ち長い側の蓄積時間と短い側の蓄積時間の比率を
実質的に従来の１／２にすることができる。これによ
り、ＣＣＤ固体撮像装置のダイナミックレンジをより拡
大できることになる。
間の短い側の信号成分Ｂのみを２画素で構成するように
したことにより、期間Ｔ１（Ｔ３）とＴ２（Ｔ４）の比
率、即ち長い側の蓄積時間と短い側の蓄積時間の比率を
実質的に従来の１／２にすることができる。これによ
り、ＣＣＤ固体撮像装置のダイナミックレンジをより拡
大できることになる。
【００２１】信号成分Ａ及びＢは垂直転送部３で順次垂
直転送され、さらに水平転送部４のパケット４ａ，４ｂ
に移されて順次水平転送された後、１信号成分ごとに電
荷検出部５に転送される。電荷検出部５は、順次転送さ
れてきた信号成分ＡとＢを加算する機能を持つととも
に、被加算信号成分である信号成分Ａに含まれる信号飽
和時のムラをスライスするためのクリップ機能をも有し
ている。
直転送され、さらに水平転送部４のパケット４ａ，４ｂ
に移されて順次水平転送された後、１信号成分ごとに電
荷検出部５に転送される。電荷検出部５は、順次転送さ
れてきた信号成分ＡとＢを加算する機能を持つととも
に、被加算信号成分である信号成分Ａに含まれる信号飽
和時のムラをスライスするためのクリップ機能をも有し
ている。
【００２２】このクリップ機能を有する電荷検出部５の
構造の一例を図３に示す。同図において、本実施形態に
係る電荷検出部５は、Ｎ型半導体基板８上のＰウェル９
の表面側に所定の間隔を持って形成されたＮ型不純物か
らなるフローティングディフュージョン（ＦＤ）１０及
びリセットドレイン（ＲＤ）１１と、それらの間のチャ
ネル領域の上方に配された例えば２つのリセットゲート
電極１２-1，１２-2とからなるフローティング・ディフ
ュージョン・アンプ構成となっている。
構造の一例を図３に示す。同図において、本実施形態に
係る電荷検出部５は、Ｎ型半導体基板８上のＰウェル９
の表面側に所定の間隔を持って形成されたＮ型不純物か
らなるフローティングディフュージョン（ＦＤ）１０及
びリセットドレイン（ＲＤ）１１と、それらの間のチャ
ネル領域の上方に配された例えば２つのリセットゲート
電極１２-1，１２-2とからなるフローティング・ディフ
ュージョン・アンプ構成となっている。
【００２３】上記構成の電荷検出部５において、フロー
ティングディフュージョン１０は水平転送部４から順に
注入される信号成分ＡとＢを加算して電圧に変換する。
リセットドレイン１１は、電圧変換後のフローティング
ディフュージョン１０内の信号電荷を排出する。２つの
リセットゲート電極１２-1，１２-2は、フローティング
ディフュージョン１０とリセットドレイン１１の間に直
列に配置され、各々独立したクロックパルスとバイアス
電圧が印加されるようになっている。
ティングディフュージョン１０は水平転送部４から順に
注入される信号成分ＡとＢを加算して電圧に変換する。
リセットドレイン１１は、電圧変換後のフローティング
ディフュージョン１０内の信号電荷を排出する。２つの
リセットゲート電極１２-1，１２-2は、フローティング
ディフュージョン１０とリセットドレイン１１の間に直
列に配置され、各々独立したクロックパルスとバイアス
電圧が印加されるようになっている。
【００２４】ここで、リセットゲート電極１２-1，１２
-2のバイアス電圧を各々クリップレベルに応じたレベル
に設定することで、被加算信号となる信号成分Ａに含ま
れる飽和ムラを除去して加算することが可能となる。す
なわち、クリップレベルに応じたレベルのバイアス電圧
をリセットゲート電極１２-1，１２-2に印加すること
で、リセットゲート電極１２-1，１２-2の下のポテンシ
ャルはクリップレベルに応じた深さになり、このポテン
シャルを越える信号成分Ａの飽和ムラ分に相当する電荷
がリセットドレイン１１に排出される。
-2のバイアス電圧を各々クリップレベルに応じたレベル
に設定することで、被加算信号となる信号成分Ａに含ま
れる飽和ムラを除去して加算することが可能となる。す
なわち、クリップレベルに応じたレベルのバイアス電圧
をリセットゲート電極１２-1，１２-2に印加すること
で、リセットゲート電極１２-1，１２-2の下のポテンシ
ャルはクリップレベルに応じた深さになり、このポテン
シャルを越える信号成分Ａの飽和ムラ分に相当する電荷
がリセットドレイン１１に排出される。
【００２５】そして、リセット動作を１回間引くことに
より、飽和ムラが除去された信号成分Ａがそのままフロ
ーティングディフュージョン１０内に保持され、続いて
フローティングディフュージョン１０に信号成分Ｂが注
入されることで信号成分ＡとＢが加算される。また、２
つのリセットゲート電極１２-1，１２-2を直列配置した
ことにより、各リセットゲート電極１２-1，１２-2は２
値レベルのクロック動作が可能となり、３値以上のクロ
ック動作を必要としない。
より、飽和ムラが除去された信号成分Ａがそのままフロ
ーティングディフュージョン１０内に保持され、続いて
フローティングディフュージョン１０に信号成分Ｂが注
入されることで信号成分ＡとＢが加算される。また、２
つのリセットゲート電極１２-1，１２-2を直列配置した
ことにより、各リセットゲート電極１２-1，１２-2は２
値レベルのクロック動作が可能となり、３値以上のクロ
ック動作を必要としない。
【００２６】図４に、１つの被加算信号（長時間蓄積信
号成分）と１つの加算信号（短時間蓄積信号成分）によ
り広ダイナミックレンジ出力を得るための駆動例のタイ
ミングチャートを示す。
号成分）と１つの加算信号（短時間蓄積信号成分）によ
り広ダイナミックレンジ出力を得るための駆動例のタイ
ミングチャートを示す。
【００２７】同図において、クロックＡ及びＢは、２つ
のリセットゲート電極１２-1，１２-2に印加するクロッ
クであり、クロックＣは水平転送部４の最終段を駆動す
るクロックである。期間Ｐ１はフローティングディフュ
ージョン１０を完全にリセットする期間、期間Ｐ２は被
加算信号をクリップする期間、期間Ｐ３は被加算信号に
対して加算信号が加算されて、広ダイナミックレンジの
信号成分が出力されている期間である。
のリセットゲート電極１２-1，１２-2に印加するクロッ
クであり、クロックＣは水平転送部４の最終段を駆動す
るクロックである。期間Ｐ１はフローティングディフュ
ージョン１０を完全にリセットする期間、期間Ｐ２は被
加算信号をクリップする期間、期間Ｐ３は被加算信号に
対して加算信号が加算されて、広ダイナミックレンジの
信号成分が出力されている期間である。
【００２８】図５に、本発明の駆動方法及び従来の駆動
方法で駆動した場合の信号成分Ａ，Ｂ及び電荷検出部５
でクリップ／加算された後の光量出力特性例を示す。
方法で駆動した場合の信号成分Ａ，Ｂ及び電荷検出部５
でクリップ／加算された後の光量出力特性例を示す。
【００２９】同図において、ａは信号成分Ａの出力特
性、ｂは信号成分Ｂを構成する１画素分の出力特性、ｃ
は従来方法の駆動で信号成分Ａ，Ｂとも同一画素で構成
する場合の加算後の出力特性、ｄは信号成分Ｂのみ２倍
の画素で構成する場合の加算後の出力特性をそれぞれ示
す。
性、ｂは信号成分Ｂを構成する１画素分の出力特性、ｃ
は従来方法の駆動で信号成分Ａ，Ｂとも同一画素で構成
する場合の加算後の出力特性、ｄは信号成分Ｂのみ２倍
の画素で構成する場合の加算後の出力特性をそれぞれ示
す。
【００３０】出力特性ｃは従来の駆動方法で駆動した場
合の特性であるが、屈曲点での変化が大きいため、信号
成分Ａと信号成分Ｂを増幅や選択等の方法で前処理する
ことなく加算した場合には、屈曲点付近及び高照度領域
での信号コントラストを確保するのが困難である。一
方、出力特性ｄはダイナミックレンジ幅こそ低下するも
のの、前処理なく加算した場合でも適度なコントラスト
を確保することが可能となる。
合の特性であるが、屈曲点での変化が大きいため、信号
成分Ａと信号成分Ｂを増幅や選択等の方法で前処理する
ことなく加算した場合には、屈曲点付近及び高照度領域
での信号コントラストを確保するのが困難である。一
方、出力特性ｄはダイナミックレンジ幅こそ低下するも
のの、前処理なく加算した場合でも適度なコントラスト
を確保することが可能となる。
【００３１】図６は、第１実施形態の変形例を示す概略
構成図であり、図中、図１と同等部分には同一符号を付
して示してある。第１実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装
置では、水平転送部４が水平方向の画素数の２倍のパケ
ット４ａ，４ｂの集合によって構成されていたのに対
し、本変形例に係るＣＣＤ固体撮像装置においては、水
平転送部４が各々水平方向の画素数と同数のパケット４
ａ，４ｂからなる２ラインの水平転送列４Ａ，４Ｂによ
って構成されている。
構成図であり、図中、図１と同等部分には同一符号を付
して示してある。第１実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装
置では、水平転送部４が水平方向の画素数の２倍のパケ
ット４ａ，４ｂの集合によって構成されていたのに対
し、本変形例に係るＣＣＤ固体撮像装置においては、水
平転送部４が各々水平方向の画素数と同数のパケット４
ａ，４ｂからなる２ラインの水平転送列４Ａ，４Ｂによ
って構成されている。
【００３２】このように、水平転送部４を２ライン構成
とすることにより、１ライン構成の場合よりも水平駆動
周波数を半分にすることができるため、低消費電力化を
図る上で有利である。２ラインの水平転送列４Ａ，４Ｂ
の出力段には、各水平転送列４Ａ，４Ｂによって転送さ
れてきた信号成分Ａ，Ｂを信号成分単位で交互に電荷検
出部５に転送するゲート部４ｃが設けられている。
とすることにより、１ライン構成の場合よりも水平駆動
周波数を半分にすることができるため、低消費電力化を
図る上で有利である。２ラインの水平転送列４Ａ，４Ｂ
の出力段には、各水平転送列４Ａ，４Ｂによって転送さ
れてきた信号成分Ａ，Ｂを信号成分単位で交互に電荷検
出部５に転送するゲート部４ｃが設けられている。
【００３３】この変形例の場合には、水平転送部４の構
成が第１実施形態の場合と相違するのみであり、広ダイ
ナミックレンジを得るための駆動方法及び電荷検出部５
の構造については、第１実施形態の場合と全く同一であ
リ、またそれに伴う作用効果も同じである。
成が第１実施形態の場合と相違するのみであり、広ダイ
ナミックレンジを得るための駆動方法及び電荷検出部５
の構造については、第１実施形態の場合と全く同一であ
リ、またそれに伴う作用効果も同じである。
【００３４】上述したように、本実施形態においては、
第１，第２の光電変換素子群１，２の各信号電荷を独立
に読み出すことが可能なＣＣＤ固体撮像装置において、
ある蓄積時間の経過後第１の光電変換素子群１の各信号
電荷を垂直転送部３に読み出して信号成分Ａとし、その
後光電変換素子群１，２の全信号電荷を排出し、続いて
所定の時間が経過した後、第１，第２の光電変換素子群
１，２の各信号電荷を読み出し、かつ垂直転送部３内で
混合して信号成分Ｂとするようにしている。
第１，第２の光電変換素子群１，２の各信号電荷を独立
に読み出すことが可能なＣＣＤ固体撮像装置において、
ある蓄積時間の経過後第１の光電変換素子群１の各信号
電荷を垂直転送部３に読み出して信号成分Ａとし、その
後光電変換素子群１，２の全信号電荷を排出し、続いて
所定の時間が経過した後、第１，第２の光電変換素子群
１，２の各信号電荷を読み出し、かつ垂直転送部３内で
混合して信号成分Ｂとするようにしている。
【００３５】これにより、蓄積時間の長い側の信号成分
Ａを１画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信
号成分Ｂを２画素の信号電荷で構成することができる。
信号成分Ｂのみを２画素の信号電荷で構成することによ
り、２種類の信号成分Ａ，Ｂの蓄積時間の比率を従来の
１／２にすることができる。その結果、ＣＣＤ固体撮像
装置のダイナミックレンジをより拡大できることにな
る。
Ａを１画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信
号成分Ｂを２画素の信号電荷で構成することができる。
信号成分Ｂのみを２画素の信号電荷で構成することによ
り、２種類の信号成分Ａ，Ｂの蓄積時間の比率を従来の
１／２にすることができる。その結果、ＣＣＤ固体撮像
装置のダイナミックレンジをより拡大できることにな
る。
【００３６】また、電荷検出部５に信号成分ＡとＢを加
算する機能を持たせたことで、ＣＣＤ固体撮像装置内部
で直接加算して広ダイナミックレンジの信号を出力する
ことができるため、ＣＣＤ固体撮像装置の外部に付加回
路を設けなくても、広ダイナミックレンジの信号を得る
ことができる。しかも、電荷検出部５にクリップ機能を
も持たせたことで、蓄積時間の長い信号成分Ａに含まれ
る信号飽和時のムラを除去できるため、Ｓ／Ｎを向上で
きる。
算する機能を持たせたことで、ＣＣＤ固体撮像装置内部
で直接加算して広ダイナミックレンジの信号を出力する
ことができるため、ＣＣＤ固体撮像装置の外部に付加回
路を設けなくても、広ダイナミックレンジの信号を得る
ことができる。しかも、電荷検出部５にクリップ機能を
も持たせたことで、蓄積時間の長い信号成分Ａに含まれ
る信号飽和時のムラを除去できるため、Ｓ／Ｎを向上で
きる。
【００３７】なお、上記実施形態においては、蓄積時間
の長い側の信号成分Ａを１画素の信号電荷で構成し、蓄
積時間の短い側の信号成分Ｂを２画素の信号電荷で構成
することで、より広ダイナミックレンジ化を実現すると
したが、その逆に、蓄積時間の長い側の信号成分Ａを２
画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信号成分
Ｂを１画素の信号電荷で構成することで、より高感度化
を実現できる。
の長い側の信号成分Ａを１画素の信号電荷で構成し、蓄
積時間の短い側の信号成分Ｂを２画素の信号電荷で構成
することで、より広ダイナミックレンジ化を実現すると
したが、その逆に、蓄積時間の長い側の信号成分Ａを２
画素の信号電荷で構成し、蓄積時間の短い側の信号成分
Ｂを１画素の信号電荷で構成することで、より高感度化
を実現できる。
【００３８】すなわち、信号成分Ａを２画素の信号電荷
で構成し、信号成分Ｂを１画素の信号電荷で構成する場
合は、図２のタイミングチャートにおいて、時刻ｔ４及
び時刻ｔ５の動作、即ち先に読み出した第１の光電変換
素子群１の信号電荷を１単位だけ転送した後、第２の光
電変換素子群２の信号電荷を読み出して混合するという
動作が不要となる。
で構成し、信号成分Ｂを１画素の信号電荷で構成する場
合は、図２のタイミングチャートにおいて、時刻ｔ４及
び時刻ｔ５の動作、即ち先に読み出した第１の光電変換
素子群１の信号電荷を１単位だけ転送した後、第２の光
電変換素子群２の信号電荷を読み出して混合するという
動作が不要となる。
【００３９】これにより、時刻ｔ４及び時刻ｔ５の時間
分だけ時刻ｔ１及び時刻ｔ２の時間を遅らせることがで
きるため、その分だけ信号成分Ａの蓄積時間を伸ばすこ
とができる。したがって、信号電荷の蓄積時間が伸びた
分だけ感度を向上できることになる。同時に、最大ダイ
ナミックレンジも２種類の信号成分を構成する画素数が
同じ場合に比べて２倍に拡大できることになる。
分だけ時刻ｔ１及び時刻ｔ２の時間を遅らせることがで
きるため、その分だけ信号成分Ａの蓄積時間を伸ばすこ
とができる。したがって、信号電荷の蓄積時間が伸びた
分だけ感度を向上できることになる。同時に、最大ダイ
ナミックレンジも２種類の信号成分を構成する画素数が
同じ場合に比べて２倍に拡大できることになる。
【００４０】すなわち、最大２画素で１つの信号成分を
構成する場合は、画素ごとの読み出しの間に垂直転送部
３の動作（時間）が必要となり、この時間はフィールド
期間内で蓄積時間に寄与しない時間となる。したがっ
て、コントラスト問題よりも低照度の感度を重視したい
場合は、短時間蓄積の信号成分の構成画素数を少なくし
て不要となった転送動作時間を長時間蓄積に当てること
により、高感度の信号が得られるのである。
構成する場合は、画素ごとの読み出しの間に垂直転送部
３の動作（時間）が必要となり、この時間はフィールド
期間内で蓄積時間に寄与しない時間となる。したがっ
て、コントラスト問題よりも低照度の感度を重視したい
場合は、短時間蓄積の信号成分の構成画素数を少なくし
て不要となった転送動作時間を長時間蓄積に当てること
により、高感度の信号が得られるのである。
【００４１】なお、上記各実施形態では、最大２画素で
各々の信号成分を構成する場合を例にとって説明した
が、２画素の限定されるものではない。一般的に、最大
ｎ個の画素の信号電荷で各々の信号成分を構成する場合
は図７の構造で表現されることになる。
各々の信号成分を構成する場合を例にとって説明した
が、２画素の限定されるものではない。一般的に、最大
ｎ個の画素の信号電荷で各々の信号成分を構成する場合
は図７の構造で表現されることになる。
【００４２】図８は、上記構成の固体撮像装置及びその
駆動方法を用いた本発明の係るカメラの概略構成図であ
る。図８において、被写体からの入射光はレンズ２１を
含む光学系によってＣＣＤ固体撮像素子２２の撮像面上
に結像される。ＣＣＤ固体撮像素子２２としては、図
１、図６又は図７に示す構成のものが用いられる。この
ＣＣＤ固体撮像素子２２は、図１のタイミングジェネレ
ータ７を含む駆動系２３によって先述した駆動方法を基
に駆動される。ＣＣＤ固体撮像素子２２の出力信号は、
信号処理系２４で種々の信号処理が施されて映像信号と
なる。
駆動方法を用いた本発明の係るカメラの概略構成図であ
る。図８において、被写体からの入射光はレンズ２１を
含む光学系によってＣＣＤ固体撮像素子２２の撮像面上
に結像される。ＣＣＤ固体撮像素子２２としては、図
１、図６又は図７に示す構成のものが用いられる。この
ＣＣＤ固体撮像素子２２は、図１のタイミングジェネレ
ータ７を含む駆動系２３によって先述した駆動方法を基
に駆動される。ＣＣＤ固体撮像素子２２の出力信号は、
信号処理系２４で種々の信号処理が施されて映像信号と
なる。
【００４３】上記構成のカメラにおいては、ＣＣＤ固体
撮像素子２２から適度にコントロールされたダイナミッ
クレンジを有する信号が直接出力される。この出力信号
を従来と同じ構成の信号処理系２４に入力することで、
低照度から高照度までのコントラストがとれ、かつ従来
システムとの整合性も高いカメラを実現できる。しか
も、蓄積時間の長い信号成分と短い信号成分を構成する
画素数を変えることで、感度／最大ダイナミックレンジ
を改善した動作が可能となる。
撮像素子２２から適度にコントロールされたダイナミッ
クレンジを有する信号が直接出力される。この出力信号
を従来と同じ構成の信号処理系２４に入力することで、
低照度から高照度までのコントラストがとれ、かつ従来
システムとの整合性も高いカメラを実現できる。しか
も、蓄積時間の長い信号成分と短い信号成分を構成する
画素数を変えることで、感度／最大ダイナミックレンジ
を改善した動作が可能となる。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２次元配置された画素の信号電荷を独立に読み出すこと
が可能な固体撮像装置において、同一画素群から蓄積時
間の異なる信号成分を読み出す際に、蓄積時間の長い信
号成分Ａを構成する画素数と蓄積時間の短い信号成分Ｂ
を構成する画素数とを異ならせるようにしたことで、信
号成分Ａを構成する画素数を信号成分Ｂを構成する画素
数よりも少なく設定した場合には、２種類の信号成分
Ａ，Ｂの蓄積時間の比率を両画素数が同じ場合よりも下
げることができるため、低照度側の感度を犠牲にするこ
となくダイナミックレンジを拡大でき、また信号成分Ｂ
を構成する画素数を信号成分Ａを構成する画素数よりも
少なく設定した場合には、不要となった転送動作時間を
信号成分Ａの蓄積時間に当てることができるため、低照
度の感度を向上できることになる。
２次元配置された画素の信号電荷を独立に読み出すこと
が可能な固体撮像装置において、同一画素群から蓄積時
間の異なる信号成分を読み出す際に、蓄積時間の長い信
号成分Ａを構成する画素数と蓄積時間の短い信号成分Ｂ
を構成する画素数とを異ならせるようにしたことで、信
号成分Ａを構成する画素数を信号成分Ｂを構成する画素
数よりも少なく設定した場合には、２種類の信号成分
Ａ，Ｂの蓄積時間の比率を両画素数が同じ場合よりも下
げることができるため、低照度側の感度を犠牲にするこ
となくダイナミックレンジを拡大でき、また信号成分Ｂ
を構成する画素数を信号成分Ａを構成する画素数よりも
少なく設定した場合には、不要となった転送動作時間を
信号成分Ａの蓄積時間に当てることができるため、低照
度の感度を向上できることになる。
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図であ
る。
る。
【図２】第１実施形態の動作説明のためのタイミングチ
ャートである。
ャートである。
【図３】電荷検出部の構成の一例を示す断面図である。
【図４】電荷検出部の動作説明のためのタイミングチャ
ートである。
ートである。
【図５】本発明の駆動方法及び従来の駆動方法で駆動し
た場合の信号成分Ａ，Ｂ及び電荷検出部でクリップ／加
算された後の光量出力特性例を示す特性図である。
た場合の信号成分Ａ，Ｂ及び電荷検出部でクリップ／加
算された後の光量出力特性例を示す特性図である。
【図６】第１実施形態の変形例を示す概略構成図であ
る。
る。
【図７】最大ｎ個の画素で信号成分を構成する場合の概
略構成図である。
略構成図である。
【図８】本発明に係るカメラの概略構成図である。
１…第１の光電変換素子群、２…第２の光電変換素子
群、３…垂直転送部、４…水平転送部、５…電荷検出
部、７…タイミングジェネレータ、１０…フローティン
グディフュージョン、１１…リセットドレイン、１２-
1，１２-2…リセットゲート電極
群、３…垂直転送部、４…水平転送部、５…電荷検出
部、７…タイミングジェネレータ、１０…フローティン
グディフュージョン、１１…リセットドレイン、１２-
1，１２-2…リセットゲート電極
Claims (13)
- 【請求項１】 ２次元配置された画素の信号電荷を独立
に読み出すことが可能で、かつ同一画素群から蓄積時間
の異なる信号成分を読み出す固体撮像装置であって、 蓄積時間の長い第１信号成分を構成する画素数と蓄積時
間の短い第２信号成分を構成する画素数とを異ならせて
信号電荷の読み出し駆動を行う駆動系を備えたことを特
徴とする固体撮像装置。 - 【請求項２】 前記第１信号成分を構成する画素数は、
前記第２信号成分を構成する画素数よりも少ないことを
特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 【請求項３】 前記第１信号成分を構成する画素数は、
前記第２信号成分を構成する画素数よりも多いことを特
徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 【請求項４】 前記第１信号成分と前記第２信号成分と
を加算して電圧に変換する電荷検出部を備えたことを特
徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 【請求項５】 前記電荷検出部は、前記第１信号成分に
対して所定のクリップレベルでスライスを施すことを特
徴とする請求項４記載の固体撮像装置。 - 【請求項６】 ２次元配置された画素の信号電荷を独立
に読み出すことが可能な固体撮像装置において、同一画
素群から蓄積時間の異なる信号成分を読み出す駆動方法
であって、 蓄積時間の長い第１信号成分を構成する画素数と蓄積時
間の短い第２信号成分を構成する画素数とを異ならせた
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項７】 前記第１信号成分を構成する画素数は、
前記第２信号成分を構成する画素数よりも少ないことを
特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項８】 前記第１信号成分を構成する画素数は、
前記第２信号成分を構成する画素数よりも多いことを特
徴とする請求項６記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項９】 第１の画素群の各信号電荷を読み出して
前記第１信号成分とし、 その後全画素の信号電荷を排出し、 所定時間が経過した後第１，第２の画素群の各信号電荷
を読み出しかつ混合して前記第２信号成分とすることを
特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１０】 前記第１信号成分と前記第２信号成分
とをそれぞれ独立に転送した後、加算して出力すること
を特徴とする請求項９記載固体撮像装置の駆動方法。 - 【請求項１１】 被写体からの入射光を結像させる光学
系と、 前記光学系によって結像された像光を２次元配置された
画素単位で光電変換しかつ画素の信号電荷を独立に読み
出すことが可能な固体撮像素子と、 前記固体撮像素子の同一画素群から蓄積時間の異なる信
号成分を読み出すとともに、蓄積時間の長い第１信号成
分を構成する画素数と蓄積時間の短い第２信号成分を構
成する画素数とを異ならせて読み出し駆動を行う駆動系
と、 前記固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理系とを
備えたことを特徴とするカメラ。 - 【請求項１２】 前記固体撮像素子は、前記第１信号成
分と前記第２信号成分とを加算して電圧に変換する電荷
検出部を有することを特徴とする請求項１１記載のカメ
ラ。 - 【請求項１３】 前記電荷検出部は、前記第１信号成分
に対して所定のクリップレベルでスライスを施すことを
特徴とする請求項１２記載のカメラ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18200197A JP3858361B2 (ja) | 1997-07-08 | 1997-07-08 | 固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラ |
| KR1019980027289A KR19990013661A (ko) | 1997-07-08 | 1998-07-07 | 고체 촬상 장치, 그 구동 방법 및 카메라 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18200197A JP3858361B2 (ja) | 1997-07-08 | 1997-07-08 | 固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1127583A true JPH1127583A (ja) | 1999-01-29 |
| JP3858361B2 JP3858361B2 (ja) | 2006-12-13 |
Family
ID=16110594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18200197A Expired - Lifetime JP3858361B2 (ja) | 1997-07-08 | 1997-07-08 | 固体撮像装置及びその駆動方法、並びにカメラ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3858361B2 (ja) |
| KR (1) | KR19990013661A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014120955A (ja) * | 2012-12-17 | 2014-06-30 | Nec Corp | 撮像装置及びその駆動方法 |
| CN103996384A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-08-20 | 厦门天马微电子有限公司 | 一种液晶显示器及其驱动方式 |
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