(57)【要約】【課題】感度の低下や水平駆動周波数を高速にすることなく、広ダイナミックレンジを実現できる固体撮像素子の駆動方法を提供する。【解決手段】マトリクス状に並べられたフォトセンサ部ＰＳと信号電荷を読み出して転送する垂直転送部ＳＲＶ及び水平転送部とを有し、１フィールド期間が、第１露光時間とこれより短い第２露光時間とを含むように分割された固体撮像素子において、第１露光時間においてフォトセンサ部ＰＳにおいて第１信号電荷Ｃ１を蓄積し、第１信号電荷Ｃ１を垂直転送部に転送し、第２露光時間においてフォトセンサ部ＰＳにおいて第２信号電荷Ｃ２を蓄積し、第２信号電荷Ｃ２を垂直転送部に転送し、同じフォトセンサ部ＰＳで生成された第１信号電荷Ｃ１と第２信号電荷Ｃ２を混合して混合信号電荷として垂直転送部ＳＲＶにより垂直方向に転送し、さらに水平転送部により水平方向に転送するように駆動する。【選択図】図２
2006270593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に並べられ、光を受けて信号電荷を生成するフォトセンサ部と、前記フォトセンサ部に隣接して設けられ、前記信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部の端部に隣接して設けられ、前記垂直転送部からの前記信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
１フィールド期間が、第１露光時間と、前記第１露光時間より短い第２露光時間とを含むように分割されており、
前記第１露光時間において前記フォトセンサ部で第１信号電荷を蓄積する工程と、
前記第１信号電荷を前記垂直転送部に転送する工程と、
前記第２露光時間において前記フォトセンサ部で第２信号電荷を蓄積する工程と、
前記第２信号電荷を前記垂直転送部に転送し、同じフォトセンサ部で生成された前記第１信号電荷と前記第２信号電荷を混合して混合信号電荷とする工程と、
前記混合信号電荷を前記垂直転送部により垂直方向に転送する工程と、
前記混合信号電荷を前記水平転送部により水平方向に転送する工程と
を有する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
前記第１信号電荷を蓄積する工程において、前記フォトセンサ部の信号電荷の飽和量を無調整時の飽和量よりも少ない所定量に調整して行う
請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
前記第１信号電荷を前記垂直転送部に転送する工程において、一部の信号電荷を残して非完全転送となるような読み出し電圧で転送する
請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項４】
前記第１信号電荷を前記垂直転送部に転送する工程と、前記第２信号電荷を蓄積する工程との間に、前記フォトセンサ部内に残された信号電荷を全てはき捨てる工程を有する
請求項３に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
前記第２信号電荷を蓄積する工程において、前記第１露光時間に対する前記第２露光時間の長さの比率を選択して行う
請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
全ての前記フォトセンサ部からそれぞれに対応する前記混合信号電荷を得る
請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
マトリクス状に並べられ、光を受けて信号電荷を生成するフォトセンサ部と、前記フォトセンサ部に隣接して設けられ、前記信号電荷を読み出して転送する電荷転送部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
１フィールド期間が、第１露光時間と、前記第１露光時間より短い第２露光時間とを含むように分割されており、
前記第１露光時間において前記フォトセンサ部で第１信号電荷を蓄積する工程と、
前記第１信号電荷を前記電荷転送部に転送する工程と、
前記第２露光時間において前記フォトセンサ部で第２信号電荷を蓄積する工程と、
前記第２信号電荷を前記電荷転送部に転送し、同じフォトセンサ部で生成された前記第１信号電荷と前記第２信号電荷を混合して混合信号電荷とする工程と、
前記混合信号電荷を前記電荷転送部により転送する工程と
を有する固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子の駆動方法に関し、特に、広ダイナミックレンジ化できるＣＣＤ撮像素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラやデジタルカメラなどに用いられるＣＣＤ撮像素子において、画質の向上のため、ダイナミックレンジの拡大が求められている。
ＣＣＤ撮像素子のダイナミックレンジを改善するために、例えば、長時間露光で生成された長時間露光信号と、短時間露光で生成された短時間露光信号を得て、これらの信号から合成する方法が知られている。
【０００３】
長時間露光信号と短時間露光信号を得る最も簡単な方法としては、通常の倍速駆動をする方法がある。通常の半期間で長時間露光信号を、短時間露光信号はもう半期間の露光期間を電子シャッタ機能等により制御することで実現できる。
しかしながら、この方法は通常の倍速駆動をするため、露光時間が半分になり感度が著しく低下し、また、水平駆動周波数の高速化によりレジスタ部での信号転送不良が発生するという問題点がある。
【０００４】
また、別の駆動方法として、垂直レジスタ内で２つの隣接する画素の長時間露光信号電荷を読み出して加算し、短時間露光時間の経過後に、上記の隣接する画素の短時間露光信号電荷を読み出して長時間露光信号電荷とは別にして加算し、長時間露光信号電荷と短時間露光信号電荷を得る駆動方法が知られている。
但し、この方法は全画素読み出し方式では適用できないという問題点がある。また、長時間露光信号と短時間露光信号が交互に転送されて垂直画素の信号量が倍になるため、通常駆動に比べて、水平駆動周波数が高速になるという問題もある。
【０００５】
上記のような１垂直映像期間を複数に分割し、それぞれ分割した映像期間中に蓄積された信号電荷をそれぞれ独立に垂直転送部に移動させる駆動方法については、特許文献１及び２などに記載がある。
【特許文献１】特開平９−２８４６５４号公報
【特許文献２】特開２００３−３４８４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする問題は、固体撮像素子の駆動方法において、感度の低下や水平駆動周波数を高速にすることなく、広ダイナミックレンジを実現することが困難であることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に並べられ、光を受けて信号電荷を生成するフォトセンサ部と、前記フォトセンサ部に隣接して設けられ、前記信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部の端部に隣接して設けられ、前記垂直転送部からの前記信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、１フィールド期間が、第１露光時間と、前記第１露光時間より短い第２露光時間とを含むように分割されており、前記第１露光時間において前記フォトセンサ部で第１信号電荷を蓄積する工程と、前記第１信号電荷を前記垂直転送部に転送する工程と、前記第２露光時間において前記フォトセンサ部で第２信号電荷を蓄積する工程と、前記第２信号電荷を前記垂直転送部に転送し、同じフォトセンサ部で生成された前記第１信号電荷と前記第２信号電荷を混合して混合信号電荷とする工程と、前記混合信号電荷を前記垂直転送部により垂直方向に転送する工程と、前記混合信号電荷を前記水平転送部により水平方向に転送する工程とを有する。
【０００８】
上記の本発明の固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に並べられたフォトセンサ部と、フォトセンサ部から信号電荷を読み出して転送する垂直転送部及び水平転送部とを有し、１フィールド期間が、第１露光時間とこれより短い第２露光時間とを含むように分割されている固体撮像素子の駆動方法である。
第１露光時間においてフォトセンサ部で第１信号電荷を蓄積し、第１信号電荷を垂直転送部に転送し、第２露光時間においてフォトセンサ部で第２信号電荷を蓄積し、第２信号電荷を垂直転送部に転送し、同じフォトセンサ部で生成された第１信号電荷と第２信号電荷を混合して混合信号電荷として垂直転送部により垂直方向に転送し、さらに水平転送部により水平方向に転送する。
【０００９】
また、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に並べられ、光を受けて信号電荷を生成するフォトセンサ部と、前記フォトセンサ部に隣接して設けられ、前記信号電荷を読み出して転送する電荷転送部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、１フィールド期間が、第１露光時間と、前記第１露光時間より短い第２露光時間とを含むように分割されており、前記第１露光時間において前記フォトセンサ部で第１信号電荷を蓄積する工程と、前記第１信号電荷を前記電荷転送部に転送する工程と、前記第２露光時間において前記フォトセンサ部で第２信号電荷を蓄積する工程と、前記第２信号電荷を前記電荷転送部に転送し、同じフォトセンサ部で生成された前記第１信号電荷と前記第２信号電荷を混合して混合信号電荷とする工程と、前記混合信号電荷を前記電荷転送部により転送する工程とを有する。
【００１０】
上記の本発明の固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に並べられたフォトセンサ部と、フォトセンサ部から信号電荷を読み出して転送する電荷転送部とを有し、１フィールド期間が第１露光時間とこれより短い第２露光時間とを含むように分割されている固体撮像素子の駆動方法である。
第１露光時間においてフォトセンサ部で第１信号電荷を蓄積し、第１信号電荷を電荷転送部に転送し、第２露光時間においてフォトセンサ部で第２信号電荷を蓄積し、第２信号電荷を電荷転送部に転送し、同じフォトセンサ部で生成された第１信号電荷と第２信号電荷を混合して混合信号電荷として電荷転送部により転送する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の固体撮像素子の駆動方法によれば、長時間露光の第１信号電荷と短時間露光の第２信号電荷を単純に足し合わせてから読み出しているので、感度の低下や水平駆動周波数を高速にすることなく、広ダイナミックレンジを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子の構成図である。このＣＣＤ撮像素子はインターレース方式の全画素読み出しタイプである。
例えば、光を受けて信号電荷を生成するフォトセンサ部ＰＳがマトリクス状に並べられて画素を構成しており、フォトセンサ部ＰＳに隣接して、フォトセンサ部ＰＳで生成された信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送部ＳＲＶが設けられ、垂直転送部ＳＲＶの端部に隣接して、垂直転送部ＳＲＶからの信号電荷を水平方向に転送する水平転送部ＳＲＨが設けられている。例えば、上記のフォトセンサ部や垂直及び水平転送部はＮ型半導体基板に設けられており、フォトセンサから溢れた電荷をはき捨て、あるいは電子シャッタとしても機能する縦型オーバーフロードレインが各フォトセンサに接続して設けられている。
【００１４】
垂直転送部ＳＲＶは、例えばＶφ１〜３の電圧が印加される３相駆動であり、例えばＶφ２が読み出し電圧である。
フォトセンサ部ＰＳで生成された信号電荷は、垂直転送部ＳＲＶの駆動で垂直転送部ＳＲＶに転送され、さらに水平転送部ＳＲＨへと転送されて、アンプなどを経て出力ＶＯＵＴとして外部へ出力される。
【００１５】
基板電圧ＶＳＵＢは、従来は無調整方式であり、基板クロックφＳＵＢがＡＣ入力されるのみであるが、本実施形態においては後述のように所定の値に調整された電圧がＤＣ入力される。
【００１６】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のＣＣＤ撮像素子の駆動方法を説明するための模式図である。
本実施形態のＣＣＤ撮像素子においては、１フィールド期間が、第１露光時間Ｔ１と、第１露光時間Ｔ１より短い第２露光時間Ｔ２とを含むように分割されているものとする。
【００１７】
まず、図２（ａ）に示すように、第１露光時間Ｔ１においてフォトセンサ部ＰＳにおいて第１信号電荷Ｃ１を蓄積する。これを長時間露光とも称する。蓄積された第１信号電荷Ｃ１を垂直転送部ＳＲＶに転送する。
【００１８】
次に、図２（ｂ）に示すように、第２露光時間Ｔ２においてフォトセンサ部ＰＳにおいて第２信号電荷Ｃ２を蓄積する。これを短時間露光とも称する。
【００１９】
次に、図２（ｃ）に示すように、第２信号電荷Ｃ２を垂直転送部ＳＲＶに転送し、同じフォトセンサ部ＰＳで生成された第１信号電荷Ｃ１と第２信号電荷Ｃ２を混合して混合信号電荷とする。
【００２０】
上記のようにして、全てのフォトセンサ部からそれぞれに対応する混合信号電荷を得て、これを垂直転送部により垂直方向に転送し、さらに水平転送部により水平方向に転送して、全画素についての混合信号電荷を外部へと出力していく。
【００２１】
ここでは、第１信号電荷Ｃ１を蓄積する工程において、フォトセンサ部ＰＳの信号電荷の飽和量を無調整時の飽和量よりも少ない所定量に調整して行う。
これを実現するため、上記の基板電圧ＶＳＵＢを所定の値に調整し、例えば信号電荷の飽和量が通常駆動時の２／３あるいは１／２などの値となるように調整する。
例えば、信号電荷の飽和量が通常駆動時の２／３あるいは１／２となる基板電圧を、それぞれＡ１、Ａ２とする。
上記の基板電圧ＶＳＵＢの変調は、例えば信号読み出し前後に外部スイッチなどで切り替え可能とされている。
【００２２】
また、例えば、第１信号電荷Ｃ１を垂直転送部ＳＲＶに転送する工程において、一部の信号電荷を残して非完全転送となるように、完全転送する読み出し電圧より低い読み出し電圧で転送する。
これは、本実施形態のＣＣＤ撮像素子においては、各フォトセンサの取り扱い電荷量が全ての画素で同等であることが前提であり、上記の基板電圧の変調による信号電荷の飽和量がフォトセンサ毎に変動してしまうのを抑制するためである。
【００２３】
上記のように、第１信号電荷Ｃ１を垂直転送部ＳＲＶに転送するときに一部の信号電荷を残して非完全転送とする場合、第１信号電荷を前記垂直転送部に転送する工程と、第２信号電荷を蓄積する工程との間において、フォトセンサ部内に残された信号電荷を全てはき捨てておく。これは、例えば縦型オーバーフロードレインを電子シャッタとして機能させて実施可能であり、これにより、第２信号電荷をゼロから蓄積し始めることができる。
また、上記の第１信号電荷を不完全転送とする一方で、第２信号電荷については完全転送とする。
【００２４】
図３は、本実施形態のＣＣＤ撮像素子の駆動方法を説明する１フィールド分のタイミングチャートである。図３（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ垂直転送部ＳＲＶの駆動電圧Ｖφ１〜３であり、図３（ｄ）は基板クロックφＳＵＢであり、図３（ｅ）は基板電圧ＶＳＵＢである。
垂直転送部ＳＲＶの駆動電圧Ｖφ１〜３の駆動で垂直転送部ＳＲＶに保持されている電荷が垂直方向に転送されていく。
【００２５】
ここで、φＳＵＢとＶφ２の印加タイミングで信号電荷をフォトセンサ部に蓄積する露光時間が規定され、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子の駆動方法では、１フィールド期間が、第１露光時間Ｔ１と、第１露光時間Ｔ１より短い第２露光時間Ｔ２とを含むように分割されている。
【００２６】
ここで、第２露光時間Ｔ２の長さが第１露光時間Ｔ１の長さに対して所定の比率となるように選択して行い、例えば、Ｔ１に対して１／５の長さのＴ２、あるいは、１／１０の長さにＴ２’などとする。このような第２露光時間Ｔ２の長さは、例えば、上記のような第２信号電荷の読み出し用のパルスが予め用意されており、外部制御により第２露光時間Ｔ２の終了時のＶφ２印加タイミングを調整することで選択可能とすることができる。
【００２７】
また、第１露光時間Ｔ１の終了時のＶφ２の印加電圧は、一部の信号電荷を残して非完全転送となるように、第２露光時間Ｔ２（またはＴ２’）の終了時のＶφ２の印加電圧より低く設定する。
【００２８】
また、第１信号電荷を蓄積する第１露光時間Ｔ１においては、フォトセンサ部の信号電荷の飽和量を無調整時の飽和量よりも少ない所定量に調整して行い、例えば基板電圧ＶＳＵＢを上述のＡ１あるいはＡ２などの電圧に調整する。
【００２９】
（実施例）
図４は上記の本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子の駆動方法において、第１露光時間における基板電圧をＡ１あるいはＡ２に設定することで、通常駆動時の飽和量Ｓに対して、第１露光時間における信号電荷の飽和量を２／３Ｓあるいは１／２Ｓなどの値とし、さらに、第２露光時間を第１露光時間の１／５あるいは１／１０の長さに設定することで、出力信号が飽和に至るまでに必要な入射光量を示すグラフである。
【００３０】
細線ａは、第２露光時間を設定しない比較例における入射光量に対する出力信号を示し、この場合の飽和に至るまでに必要な入射光量Ｉを入射光量の基準値として以下の比較を行う。この飽和時の入射光量は、そのときのダイナミックレンジに相当する。
【００３１】
破線ｂは、第１露光時間において基板電圧をＡ１として飽和量を２／３Ｓとし、第２露光時間を第１露光時間の１／５に設定したときの入射光量に対する出力信号を示す。
入射光量が２／３Ｉ、出力信号が２／３Ｓになるまでは比較例と同様であるが、２／３Ｓに達した後の傾きが第２露光時間の第１露光時間に対する比率である１／５に対応して通常の傾きの１／５倍になり、従って、飽和量Ｓに達するのに必要な入射光量は、
２／３Ｉ＋１／３Ｉ×５＝７／３Ｉ≒２．３Ｉ
となる。
【００３２】
破線ｃは、第１露光時間において基板電圧をＡ１として飽和量を２／３Ｓとし、第２露光時間を第１露光時間の１／１０に設定したときの入射光量に対する出力信号を示す。
入射光量が２／３Ｉ、出力信号が２／３Ｓになるまでは比較例と同様であるが、２／３Ｓに達した後の傾きが通常の傾きの１／１０倍になり、従って、飽和量Ｓに達するのに必要な入射光量は、
２／３Ｉ＋１／３Ｉ×１０＝１２／３Ｉ＝４Ｉ
となる。
【００３３】
太線ｄは、第１露光時間において基板電圧をＡ２として飽和量を１／２Ｓとし、第２露光時間を第１露光時間の１／５に設定したときの入射光量に対する出力信号を示す。
入射光量が１／２Ｉ、出力信号が１／２Ｓになるまでは比較例と同様であるが、１／２Ｓに達した後の傾きが通常の傾きの１／５倍になり、従って、飽和量Ｓに達するのに必要な入射光量は、
１／２Ｉ＋１／２Ｉ×５＝６／２Ｉ＝３Ｉ
となる。
【００３４】
太線ｅは、第１露光時間において基板電圧をＡ２として飽和量を１／２Ｓとし、第２光時間を第１露光時間の１／１０に設定したときの入射光量に対する出力信号を示す。
入射光量が１／２Ｉ、出力信号が１／２Ｓになるまでは比較例と同様であるが、１／２Ｓに達した後の傾きが通常の傾きの１／１０倍になり、従って、飽和量Ｓに達するのに必要な入射光量は、
１／２Ｉ＋１／２Ｉ×１０＝１１／２Ｉ＝５．５Ｉ
となる。
【００３５】
上記のように、予め用意されている２種類の基板電圧と、第２露光時間を規定するパルスを切り替えることで、通常のダイナミックレンジに対して２．３〜５．５倍のダイナミックレンジの改善がなされる。
撮像対象の明暗差が大きい場合には上記の太線ｄまたはｅの設定を選択し、撮像対象の明暗差が大きくないものの一部白くとんでしまっている場合には破線ｂまたはｃの設定を選択することで、適切にダイナミックレンジを広げることが可能である。
【００３６】
上記の本実施形態の固体撮像素子の駆動方法によれば、全画素読み出しに対応可能であり、感度の低下や水平駆動周波数を高速にすることなく、出力信号の広ダイナミックレンジ化が実現できる。
従来方法で行われていた長時間露光信号と短時間露光信号にそれぞれ重みをかけ、合成信号を得るといった複雑な信号処理が不要で、非常に単純な信号電荷の合成のみで対応しているため外部から容易に調整可能であり、どのような場面でも自然な映像が得られるメリットがある。
【００３７】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、露光時間の異なる第１信号電荷と第２信号電荷をそれぞれ蓄積し、電荷のままの状態で合成して１つの信号を得ればよく、第１露光時間と第２露光時間の長さの比率や第１信号電荷の飽和量については適宜設定、選択することが可能である。
電荷転送部は３相駆動のほか、何相の駆動方式であってもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は本発明の実施形態に係るＣＣＤ撮像素子の構成図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態のＣＣＤ撮像素子の駆動方法を説明するための模式図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施形態のＣＣＤ撮像素子の駆動方法を説明する１フィールド分のタイミングチャートである。
【図４】図４は本発明の実施例におけるＣＣＤ撮像素子の出力信号が飽和に至るまでに必要な入射光量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
ＰＳ…フォトセンサ部、ＳＲＶ…垂直転送部、ＳＲＨ…水平転送部、Ｃ１…第１信号電荷、Ｃ２…第２信号電荷
【図１】
2006270593.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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