(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に複数個の画素を配列した光電変換部と、前記光電変換部で蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子の駆動方法であって、テレビジョン信号の垂直帰線消去期間に前記光電変換部から蓄積時間の異なる主副２種類の信号電荷を読み出し、第１のフィールド走査では垂直方向に隣接した第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合し、第２のフィールド走査では垂直方向に隣接した前記第１のフィールド走査とは異なる組み合わせの第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記異なる組み合わせの第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合して転送する駆動方法において、前記画素における信号電荷読み出しから前記垂直転送部における信号電荷混合が終了するまでの間、前記水平転送部の動作を停止することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
行列状に複数個の画素を配列した光電変換部と、前記光電変換部で蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備え、テレビジョン信号の垂直帰線消去期間に前記光電変換部から蓄積時間の異なる主副２種類の信号電荷を読み出し、第１のフィールド走査では垂直方向に隣接した第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合し、第２のフィールド走査では垂直方向に隣接した前記第１のフィールド走査とは異なる組み合わせの第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記異なる組み合わせの第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合して転送する固体撮像素子において、
前記画素における信号電荷読み出しから前記垂直転送部における信号電荷混合が終了するまでの間、前記水平転送部の動作を停止することを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子の駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像素子を使ったディジタルカメラは、高画質化、高機能化を要望されている。特に、入射光量に対するダイナミックレンジを拡大することが望まれており、特公平７−９７８４１号公報や特開平８−３３１４６１号公報など固体撮像素子の駆動方法と信号処理による実現方法も出てきている。
【０００３】
従来の固体撮像素子の駆動方法について図５〜図１１をもとに説明する。なおここでは、インターライン方式電荷転送のＣＣＤ（Charge Coupled Device）型 の固体撮像素子とする。
【０００４】
図５に従来の固体撮像素子の駆動方法で用いられる固体撮像素子の構成図を示す。この固体撮像素子は、フォトダイオードとインターライン方式で配置された垂直転送部（垂直ＣＣＤ）からなる画素部１、上側垂直ダミー及びオプチカルブラック（以下、ＯＢと略記する。）２、下側垂直ダミー及びＯＢ３、水平ＯＢ４、水平転送部５、電荷を電圧に変換する電荷検出部６より構成されており、ここでは、読み出し用として２種類、転送用として４相のゲートからなる垂直転送部と２相駆動からなる水平転送部５で構成された２次元固体撮像素子（エリアＣＣＤ）を例に説明する。また光電変換した信号をＮＴＳＣ信号として出力するものとする。なおここで垂直ダミーとはフォトダイオードが存在しない垂直転送部のことをいい、オプチカルブラックとは遮光されたフォトダイオードをいう。
【０００５】
図６は、画素部１のフォトダイオードと垂直ＣＣＤの単位画素構成を示している。隣接した２つのフォトダイオードＰＤ１とＰＤ２に対して、２種類の読み出しゲートと転送ゲートを兼ねたΦＶ１、ΦＶ５が設けられ、それぞれのフォトダイオードに対して転送用のゲートΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４が設けられている。
【０００６】
図７は、従来の固体撮像装置の構成図を示している。この固体撮像装置は、エリアＣＣＤ７とＣＣＤ７の駆動タイミング発生器（ＴＧ）８、ＣＣＤ７の垂直ＣＣＤへ印加するパルスの電圧をレベルシフトする垂直ドライバ９、エリアＣＣＤ７の出力をテレビジョン信号へ処理等する信号処理回路１０、テレビジョン同期信号発生器（ＳＳＧ）１１より構成されている。
【０００７】
図８、図９はそれぞれＡフィールドおよびＢフィールドでのエリアＣＣＤ７に印加する各パルスのタイミングチャートを示しており、垂直ドライバ９より出力され、エリアＣＣＤ７の垂直ＣＣＤに印加されるパルスΦＶ１〜ΦＶ５を示している。ここで、ΦＶ１、ΦＶ５は三値で−７Ｖ〜０Ｖ〜１５Ｖの振幅、ΦＶ２〜４は二値で−７Ｖ〜０Ｖの振幅である。また、垂直同期信号、水平同期信号、水平転送部５に印加されるパルスΦＨ、ＣＣＤ出力が示されている。
【０００８】
図１０、図１１はそれぞれ図８、図９のＰで示したところのパルスの詳細を示したものである。ｎＴ（ｎ：自然数）で示したのは、各走査線番号で示した時刻を基準（時刻０）としたパルスの立ち上がり、立ち下がりの時刻を示したものである。ＴはＮＴＳＣ方式では３４．９４ｎｓを、ＰＡＬ方式では３５．２４ｎｓを指す。
【０００９】
Ａフィールドでは、垂直帰線消去期間先頭（走査線番号４）にΦＶ５でフォトダイオードＰＤ２から垂直転送部へ電荷Ｑ２が読み出され、ΦＶ５→ΦＶ２→ΦＶ３→ΦＶ４と水平転送部５方向に転送後、次ラインのΦＶ１でフォトダイオードＰＤ１から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ１が読み出され、前記転送されてきた前ラインの電荷ＱＡ２と混合され主信号電荷が得られる。約１２水平走査期間後（走査線番号１６）に、ΦＶ５でフォトダイオードＰＤ２から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ´２が読み出され、同様に１行分水平転送部５方向に転送後、ΦＶ１でフォトダイオードＰＤ１から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ´１が読み出され、前記転送されてきた電荷ＱＡ´２と混合され、副信号電荷が得られる。これにより、垂直ＣＣＤには２種類の電荷（ＮＴＳＣの場合、１フィールドで２６２水平走査期間あるため２５０水平走査期間分の電荷ＱＡ１＋ＱＡ２と１２水平走査期間分の電荷ＱＡ´１＋ＱＡ´２の２種類）が１ラインずつ交互に約１フレームライン分（５２５ライン）の電荷が存在する。
【００１０】
また、先程の説明した別のフィールド（Ｂフィールド）での電荷の読み出し方法は、上記Ａフィールドとは異なるラインの組み合わせによって信号電荷を混合するために、読み出した信号電荷をＡフィールドとは逆方向に転送する。まず垂直帰線消去期間先頭（走査線番号２６７）にΦＶ５でフォトダイオードＰＤ２から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＢ２が読み出され、ΦＶ５→ΦＶ４→ΦＶ３→ΦＶ２と水平転送部５と逆方向に転送後、ΦＶ１でフォトダイオードＰＤ１から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＢ１が読み出され、前記転送されてきた電荷ＱＢ２と混合され、主信号電荷が得られる。約１２水平走査期間後（走査線番号２７９）に、同様に、ΦＶ５でフォトダイオードＰＤ２から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＢ´２が読み出され、同様に１行分水平転送部５と逆方向に転送後、ΦＶ１でフォトダイオードＰＤ１から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＢ´１が読み出され前記転送されてきた電荷ＱＢ´２と混合され、副信号電荷が得られる。
【００１１】
それぞれのフィールドで読み出された電荷は、映像期間に、１水平走査期間に１行ごと水平転送部５方向に順次転送されて行き、水平転送部５において１水平走査期間に２回転送するスピードで動作させ、主信号電荷、副信号電荷の２種類の電荷を出力し、信号処理回路１０で加算処理などを行い、ダイナミックレンジの広いカメラを実現する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成では、Ｂフィールドでの垂直転送部上での電荷転送において、通常の電荷の転送方向（垂直転送部→水平転送部５側）と逆方向に転送するので電荷の取り残しが発生してノイズが映像信号に発生するという問題があった。
【００１３】
また、従来の水平転送部の動作は図８、図９に示されるように、常に水平転送部５は転送用信号ΦＨ１、ΦＨ２が印加されており、垂直転送部での電荷混合時に、水平転送部５から垂直ＣＣＤへの電荷の逆流が発生しやすくなるという問題があった。
【００１４】
また、エリアＣＣＤ７には、垂直方向の画素を見た場合、有効画素だけでなく遮光されたフォトダイオード（ＯＢ）やフォトダイオードの存在しないゲート等が存在し、それらラインについても走査が必要なためその分映像走査期間が長く必要となり、従来のＮＴＳＣ方式の垂直帰線消去期間では、蓄積時間の短い副信号期間が１２水平走査期間程度しか取れず、蓄積時間の長い主信号期間との蓄積時間比が大きくなりすぎ、信号処理回路で２種類の電荷信号を加算する場合、不自然な映像になるといった問題が発生するという問題があった。
【００１５】
そこで、本発明は、垂直転送部の電荷の逆転送が発生せず、水平転送部５から垂直ＣＣＤへの電荷の逆流が発生せず、蓄積時間の短い側が１２水平走査期間より長く取れる固体撮像素子の駆動方法を提供する事を目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法は、行列状に複数個の画素を配列した光電変換部と、前記光電変換部で蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子の駆動方法であって、テレビジョン信号の垂直帰線消去期間に前記光電変換部から蓄積時間の異なる主副２種類の信号電荷を読み出し、第１のフィールド走査では垂直方向に隣接した第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合し、第２のフィールド走査では垂直方向に隣接した前記第１のフィールド走査とは異なる組み合わせの第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記異なる組み合わせの第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合して転送する駆動方法において、前記画素における信号電荷読み出しから前記垂直転送部における信号電荷混合が終了するまでの間、前記水平転送部の動作を停止することを特徴とする。
【００１７】
かかる構成により、画素での信号電荷読み出しから垂直転送部での信号電荷混合までの間に生じていた垂直転送部への信号電荷の逆流がなくなる。
【００１８】
上記課題を達成するために本発明にかかる固体撮像素子は、行列状に複数個の画素を配列した光電変換部と、前記光電変換部で蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備え、テレビジョン信号の垂直帰線消去期間に前記光電変換部から蓄積時間の異なる主副２種類の信号電荷を読み出し、第１のフィールド走査では垂直方向に隣接した第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合し、第２のフィールド走査では垂直方向に隣接した前記第１のフィールド走査とは異なる組み合わせの第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した主信号電荷同士を混合し、次いで前記異なる組み合わせの第１と第２の行の画素からそれぞれ読み出した副信号電荷同士を混合して転送する固体撮像素子において、前記画素における信号電荷読み出しから前記垂直転送部における信号電荷混合が終了するまでの間、前記水平転送部の動作を停止することを特徴とする。
【００１９】
かかる構成により、画素での信号電荷読み出しから垂直転送部での信号電荷混合までの間に生じていた垂直転送部への信号電荷の逆流がなくなる。
【００２０】
【発明の実施形態】
以下、本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法の実施形態について説明する。
【００２１】
まず、図５に本発明の固体撮像素子の駆動方法で用いられる固体撮像素子の構成図を示す。これら構成は従来技術で説明したものと同様であり、フォトダイオードとインターライン方式で配置された垂直転送部からなる画素部１、上側垂直ダミー及びＯＢ２、下側垂直ダミー及びＯＢ３、水平ＯＢ４、水平転送部５、電荷を電圧に変換する電荷検出部６より構成されており、ここでは、読み出し用として２種類、転送用として４相のゲートからなる垂直ＣＣＤと２相駆動からなる水平転送部５で構成されたエリアＣＣＤとし、光電変換した信号をＮＴＳＣ信号として出力するものとする。
【００２２】
画素部１の構成は、従来例と同じ図６の構成をとる。またこの固体撮像素子を使った固体撮像装置の構成は従来例と同じ図７の構成をとる。
【００２３】
図１及び図２に固体撮像素子の駆動タイミング例を示す。図１及び図２はそれぞれＡフィールド及びＢフィールドでのエリアＣＣＤ７に印加する各パルスのタイミングチャートを示しており、垂直ドライバ３より出力され、エリアＣＣＤ７の垂直転送部に印加されるパルスΦＶ１〜ΦＶ５を示している。ここで、ΦＶ１、ΦＶ５は三値で−７Ｖ〜０Ｖ〜１５Ｖの振幅、ΦＶ２〜４は二値で−７Ｖ〜０Ｖの振幅である。また、垂直同期信号、水平同期信号、水平転送部５に印加されるパルスΦＨ、ＣＣＤ出力が示されている。
【００２４】
図３及び図４はそれぞれ図１、図２のＰで示したところのパルスの詳細を示したものである。ｎＴ（ｎ：自然数）で示したのは、各走査線番号で示した時刻を基準（時刻０）としたパルスの立ち上がり、立ち下がりの時刻を示したものである。ＴはＮＴＳＣ方式では３４．９４ｎｓを、ＰＡＬ方式では３５．２４ｎｓを指す。
【００２５】
本実施形態においては、垂直エリアＣＣＤ７の上側垂直ダミー及びＯＢ２を次のフィールドの信号電荷と重ねて読み出したり、下側垂直ダミー及びＯＢ３を高速で転送するなどの方法により、エリアＣＣＤ７の上側垂直ダミー及びＯＢ２、下側垂直ダミー及びＯＢ３に必要としていた走査期間を短縮して垂直帰線消去期間のうち副信号電荷蓄積に割り当てられる期間を長くとる。
【００２６】
図１に示されるように、Ａフィールドでは、まず垂直帰線消去期間先頭（走査線番号１）において１水平走査期間毎に２回実施していた垂直転送（ΦＶ１）を停止する。次に１水平走査期間後（走査線番号２）、ΦＶ５に１５Ｖの電圧を印加してフォトダイオードＰＤ２より垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ２を読み出す。読み出された電荷ＱＡ２はΦＶ５→ΦＶ２→ΦＶ３→ΦＶ４と水平転送部５方向に転送後、次ラインのΦＶ１に１５Ｖの電圧が印加されてフォトダイオードＰＤ１から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ１が読み出され、前記転送されてきた前ラインの電荷ＱＡ２と混合され主信号電荷が得られる。本実施形態１では、この電荷読み出しから電荷混合の間、水平転送部５の動作を停止する。
【００２７】
次に、約１６水平走査期間後（走査線番号１７）、再度、ΦＶ５に１５Ｖの電圧を印加してフォトダイオードＰＤ２より垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ´２を読み出す。読み出された電荷ＱＡ´２は同様に水平転送部５側へ１行分転送され、ΦＶ１に１５Ｖの電圧が印加されてフォトダイオードＰＤ１より垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ´１が読み出され、転送されてきた電荷ＱＡ´２と垂直ＣＣＤで混合され、副信号電荷が得られる。この時も電荷読み出しから電荷混合の間、水平転送部５を停止する。これにより、垂直ＣＣＤには、ＮＴＳＣの場合、１フィールドに２６２水平走査期間あるため蓄積時間が２４７水平走査期間と１５水平走査期間の２種類の信号電荷が１行ごとに存在する。
【００２８】
また、先程の説明した別のフィールド（Ｂフィールド）での電荷の読み出し方法は、垂直帰線消去期間先頭（走査線番号２６５）にΦＶ１でフォトダイオードＰＤ１から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ１が読み出され、ΦＶ１→ΦＶ２→ΦＶ３→ΦＶ４と水平転送部５方向に転送後、ΦＶ５でフォトダイオードＰＤ２から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ２が読み出され前記転送されてきた電荷ＱＡ１と混合され、主信号電荷が得られる。この電荷読み出しから電荷混合の間、水平転送部５を停止する。約１６水平走査期間後（走査線番号２８０）に、同様に、ΦＶ１でフォトダイオードＰＤ１から垂直ＣＣＤへ電荷ＱＡ´１が読み出され、同様に１行分水平転送部５方向に転送後、ΦＶ５で垂直ＣＣＤからフォトダイオードＰＤ２へ電荷ＱＡ´２が読み出され、前記転送されてきた電荷ＱＡ´１と混合され、副信号電荷が得られる。この時も電荷読み出しから電荷混合の間、水平転送部５を停止する。
【００２９】
それぞれのフィールドで読み出された電荷は、映像期間に、１水平走査期間に１行ごと水平転送部５方向に順次転送されて行き、水平転送部５において１水平走査期間に２回転送するスピードで動作させ、主信号電荷、副信号電荷の２種類の電荷を出力し、信号処理回路１０で加算処理などを行い、ダイナミックレンジの広いカメラを実現する。
【００３０】
なお、水平転送部５の停止時間は、垂直帰線消去期間の大部分を停止してもかまわないが、ＴＧ８内にＰＬＬなどのアナログ回路を内蔵する場合など電圧降下などの影響を受けるため、最小限の停止時間にすることが望ましい。
【００３１】
【発明の効果】
このように、本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法によれば、垂直ＣＣＤ上に読み出され、転送される電荷の方向は２つのフィールド両方とも同じ転送方向であり電荷の取り残しは発生せず、かつ２つのフィールド毎に異なるラインの組み合わせによる信号電荷の混合とすることができる。
【００３２】
また、電荷読み出しから電荷混合までの間、水平転送部５を停止するため、水平転送部５から垂直ＣＣＤへ電荷が逆流することはない。
【００３３】
また、エリアＣＣＤ７の上側垂直ダミー及びＯＢ２を次のフィールドの信号電荷と重ねて読み出したり、下側垂直ダミー及びＯＢ３を高速で転送することで垂直帰線消去期間のうち副信号電荷蓄積に割り当てられる期間を長くとることにより、２種類の蓄積期間のうち蓄積時間の短い副信号電荷に対してより長い期間、より多いライン数を確保することができ、ダイナミックレンジを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明における固体撮像素子の駆動方法のＡフィールドのタイミングチャート
【図２】  本発明における固体撮像素子の駆動方法のＢフィールドのタイミングチャート
【図３】  図１のタイミングチャートの部分詳細チャート
【図４】  図２のタイミングチャートの部分詳細チャート
【図５】  本発明及び従来の固体撮像素子の構成図
【図６】  図５の画素部１の構成単位図
【図７】  本発明及び従来の固体撮像装置の構成図
【図８】  従来の固体撮像素子の駆動方法のＡフィールドのタイミングチャート
【図９】  従来の固体撮像素子の駆動方法のＢフィールドのタイミングチャート
【図１０】  図８のタイミングチャートの部分詳細チャート
【図１１】  図９のタイミングチャートの部分詳細チャート
【符号の説明】
１  画素部
２  上側垂直ダミー及びＯＢ
３  下側垂直ダミー及びＯＢ
４  水平ＯＢ
５  水平転送部
６  電荷検出部
７  エリアＣＣＤ
８  駆動タイミング発生器（ＴＧ）
９  垂直ドライバ
１０  信号処理回路
１１  テレビジョン同期信号発生器（ＳＳＧ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003707910.tif 000011
【図１１】
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