(57)【要約】【課題】スミアが生じたときに補間をして実質的にスミアを確実に除去できるようにする。【解決手段】撮像領域８の上下にそれぞれ水平転送レジスタ１０ａ、１０ｂを設け、各垂直転送レジスタ６から上下いずれの水平転送レジスタ１０ａ、１０ｂへも垂直転送が可能にされた固体撮像素子２を備え、通常時には、垂直転送を一方の水平転送レジスタ１０ａへ行って例えばフレーム画像信号を読み出し、スミアが発生したとき、他方の水平転送レジスタ１０ｂへの垂直転送により得たフレーム画像信号を通常時の動作で得たフレーム画像信号に合成してスミアの発生に係る画素からの画像信号を、他方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちの上記スミアの発生に係る画素からの画像信号を以て補間するようにしてなる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向及び垂直方向に受光素子を配設した撮像領域内に、各受光素子垂直列に対応してその受光素子垂直列の各受光素子からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタを設け、上記撮像領域の上下にそれぞれ水平転送レジスタを設け、上記各垂直転送レジスタから上下いずれの水平転送レジスタへも垂直転送が可能にされた固体撮像素子を備え、
スミアが発生したとき、上下のいずれか一方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号の少なくともスミアの発生に係る画素からの画像信号を、他方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号の少なくとも上記スミアの発生に係る画素からの画像信号を以て補間するようにしてなる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
水平方向及び垂直方向に受光素子を配設した撮像領域内に、各受光素子垂直列に対応してその受光素子垂直列の各受光素子からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタを設け、上記撮像領域の上下にそれぞれ水平転送レジスタを設け、上記各垂直転送レジスタから上下いずれの水平転送レジスタへも垂直転送が可能にされた固体撮像素子を備え、
通常時は、上記撮像領域の上下の水平転送レジスタのうち予め設定された一方の側の水平転送レジスタへ垂直転送するようにされ、
スミア検出時には、他方の側の水平転送レジスタへ垂直転送するようにされ、且つ、上下のいずれか水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちのスミアの発生に係る画素からの画像信号を、他方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちの上記スミアの発生に係る画素からの画像信号を以て補間するようにしてなる
ことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スミアが生じたときにそれを確実に補間することにより実質的に除去できる、ＣＣＤ固体撮像素子を用いた固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ固体撮像素子は、一般に、水平方向及び垂直方向にマトリックス状に受光素子を配設し、受光素子の各受光素子垂直列と対応して、その受光素子垂直列の各受光素子からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送レジスタを設けた撮像領域の上下いずれか一方の側、例えば下側に、水平転送レジスタを設け、上記各受光素子垂直列の各受光素子の信号電荷を上記各垂直転送レジスタに読み出し、更に該垂直転送レジスタにより上記水平転送レジスタに垂直転送し、該水平転送レジスタにより水平転送して信号電荷を取り出すようにされていた（例えば特開平８−１９１４１７号公報）。
【０００３】
ところで、上述した一般のＣＣＤ固体撮像素子によれば、撮像領域のある部分においてスミアが生じたときには、そのスミアが複数の受光素子垂直列に渡る場合が普通である。また、一つの受光素子垂直列のスミアが発生すると、そのスミア成分が隣接する受光素子垂直列に強く影響する場合が多い。
従って、スミアが生じたときに、そのスミアを除去するために、その受光素子垂直列と隣接する受光素子垂直列からの信号電荷により補間するということは不可能である。
【０００４】
そのため、スミアが生じたときには、スミア成分を小さくすべく、入射光を抑制するために絞り値を大きくし、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｏｒｏｌ）により信号量を補う方法によりスミアによる画質劣化を軽減することが行われた。
しかし、これは必然的に、Ｓ（信号）／Ｎ（雑音）［信号対雑音比）］の低下をもたらす。
従って、実質的に良好なスミア除去は難しかった。
【０００５】
また、撮像手段としてＣＣＤ固体撮像素子を用いメカニカルシャッタを用いたカメラにおいては、メカニカルシャッタを綴じた後、垂直転送レジスタにあるスミアを高速掃き出し動作により除去してから、各受光素子の電荷を読み出す手段が講じられていた。この技術はＤＳＣ（：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｔｉｌｌ  Ｃａｍｅｒａ）系のカメラにおいて一般的な技術であるといえる。
また、特許第２６４５９０１号公報に紹介されたように、固体撮像素子の出力を、受光部の飽和レベルと等しい基準と比較し、比較結果を示す信号を専用レジスタにより受光素子信号と共に転送し、飽和レベルと判定された受光素子からの信号電荷に対しては、スミア成分を減算することによりスミアを除去するスミア除去技術があった。
【０００６】
また、特開平１１−８８７７７号公報には、同一の被写体を走査方向が互いに反対側になる二つのＣＣＤ固体撮像素子により撮像することとし、その二つのＣＣＤ固体撮像素子により得られた二つの画像の、スミアによる影響を受けない部分同士を合成してスミアのない画像を得るという技術が紹介されている。
この技術は、スミアが生じると、高輝度部分下側のスミアは両方のＣＣＤ固体撮像素子による二つの画像に現れるも、一方の画像は被写体が上下逆さになっているためにスミアにより影響される箇所が二つの画像で異なることから二つの画像のスミアによる影響されない部分どうしを合成してスミアの現れない一つの画像を得るという原理を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来の各スミア除去技術にはそれぞれ看過できない下記のような欠点があった。
先ず、メカニカルシャッタを綴じ、高速掃き出し動作でスミアを除去するという手段は、メカニカルシャッタを用いるタイプのカメラにしか適用できないという欠点を有している。
【０００８】
というのは、第１に、メカニカルシャッタ方式のものは、メカニカルシャッタがクローズ後、電荷が転送されるので、動画への対応が不可能である。近年は、主としてスチルカメラとして用いることを念頭としつつも、動画も撮影できるようにしたものが現れており、動画撮像できないのは致命的とも言えるのである。勿論、動画用カメラ（ビデオカメラ）には使用することは当然に不可能である。
【０００９】
第２に、メカニカルシャッタを設けることはカメラの製造コストの低減を阻む要因になり、また、故障を少なくすることの制約になり、更に、カメラの小型化が阻まれ、また、メカニカルシャッタの駆動に消費電力が増大し、電池の消耗を激しくする要因となるという諸欠点がある。
また、上記の特許第２６４５９０１号公報に記載されたところの、飽和レベルと判定された受光素子からの信号電荷に対してスミア成分を減算することによりスミアを除去するというスミア除去技術には、サチレーション（飽和）を起こしているスミア成分（基準を超えているスミア成分）は除去ができないという問題があった。
【００１０】
また、特開平１１−８８７７７号公報に記載された上記技術には、カメラの心臓部を為す固体撮像素子を２個必要とし、カメラが高価格化するという問題があり、更に、二つの固体撮像素子の特性に差がある場合、それが画像の品位を低める要因になるという問題もあった。
【００１１】
本発明はこのような問題点を解決すべく為されたものであり、上述した諸問題を伴うことなく、スミアが生じたときに補間をして実質的にスミアを確実に除去できる固体撮像素子及びそれを用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の固体撮像装置は、撮像領域の上下にそれぞれ水平転送レジスタを設け、各垂直転送レジスタから上下いずれの水平転送レジスタへも垂直転送が可能にされた固体撮像素子を備え、スミアが発生したとき、上下のいずれか一方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちのスミアの発生に係る画素からの画像信号を、他方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちの上記スミアの発生に係る画素からの画像信号を以て補間するようにしてなることを特徴とする。
【００１３】
従って、請求項１の固体撮像装置によれば、スミアが発生したとき、垂直転送方向を逆転させることにより、そのスミアの発生した各垂直受光素子列におけるスミア発生に係らない画素からの画素信号を取り出し、それを以てスミアの発生に係る画素からの画素信号を補間することができ、スミアの有効且つ確実な除去が可能となる。
また、スミアの補間は、必ず、被写体のそのスミアに係る部分からの光による信号に基づいて行うことができ、常に、正確な補間を為すことができ、ライン相関性を利用した補間よりも高品位の画像を得ることができる。
更に、スミア発生を抑制するために絞り値を大きくする必要はないので、固体撮像装置の持つダイナミックレンジをフルに活かして、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）を大きくすることが可能となる。
【００１４】
請求項２の固体撮像装置は、撮像領域の上下にそれぞれ水平転送レジスタを設け、各垂直転送レジスタから上下いずれの水平転送レジスタへも垂直転送が可能にされた固体撮像素子を備え、
（１）通常時は、上記撮像領域の上下の水平転送レジスタのうち予め設定された一方の側の水平転送レジスタ（例えば、下側の水平転送レジスタ）へ垂直転送するようにされ、
（２）スミア検出時には、他方の側の水平転送レジスタ（例えば、上側の水平転送レジスタ）への垂直転送による画像信号をも得るようにされ、且つ、上下のいずれか水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちのスミアの発生に係る画素からの画像信号を、他方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちの上記スミアの発生に係る画素からの画像信号を以て補間するようにされてなることを特徴とする。
【００１５】
従って、請求項２の固体撮像装置によれば、通常時には、固体撮像素子に普通の動作、即ち、一方（例えば下側）の水平転送レジスタへ垂直転送する動作をさせ、スミアが発生したしたとき垂直転送方向を逆にして他方（例えば上側）の水平転送レジスタへ垂直転送する動作をさせることとし、そのスミアの発生した各垂直受光素子列におけるスミア発生に係らない画素からの画素信号を取り出し、それを以てスミアの発生に係る画素からの画素信号を補間することができ、スミアの有効且つ確実な除去が可能となる。
また、スミアの補正は、必ず、被写体のその補正に係る部分からの光による信号に基づいて行うことができ、常に、正確な補間を為すことができ、ライン相関性を利用した補間よりも高品位の画像を得ることができる。
更に、スミア発生を抑制するために絞り値を大きくする必要はないので、固体撮像装置の持つダイナミックレンジをフルに活かして、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）を大きくすることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、基本的に、撮像領域の上下にそれぞれ水平転送レジスタを設け、各垂直転送レジスタから上下いずれの水平転送レジスタへも垂直転送が可能にされた固体撮像素子を備え、スミアが発生したとき、上下のいずれか一方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちのスミアの発生に係る画素からの画像信号を、他方の水平転送レジスタへの垂直転送により得た画像信号のうちの上記スミアの発生に係る画素からの画像信号を以て補間するようにしてなるものである。
【００１７】
その典型的実施の形態は、通常時は、上記撮像領域の上下の水平転送レジスタのうち予め設定された一方の側の水平転送レジスタ（例えば、下側の水平転送レジスタ）へ垂直転送するようにし、スミアの発生が検知されたときは、垂直転送方向を逆にして画像信号をつくり、互いに転送方向の異なる画像信号からスミアに係る画素からの画素信号の補間を行うというものである。
尚、スミアの検出は、画像信号を積分し、その積分値と、これ以上をスミアとみなすスミア基準値とを比較し、それを越える画素信号がある場合、その画素をスミアとみなすという方法で行うことができる。そして、スミアの検出が行われたとき、その次のフレームについて垂直転送方向を逆にするのである。
【００１８】
本発明は、白黒の固体撮像装置にも、カラーの固体撮像装置にも適用することができる。また、動画撮影にも、スチル撮影にも適用することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を図示実施例に従って詳細に説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）は本発明固体撮像装置の第１の実施例を示すもので、（Ａ）は固体撮像素子の模式平面図、（Ｂ）は固体撮像装置の回路構成を示す回路ブロック図である。先ず、図１（Ａ）を参照して固体撮像素子について説明する。
図面において、２は固体撮像素子（カラーでも白黒かでも良い。カラーの場合には各受光素子にはカラーフィルタが形成されることになる。）、４、４、・・・は水平方向及び垂直方向にマトリックス状に配設されたフォトダイオードからなる受光素子で、各画素の中核を成す。
【００２０】
６、６、・・・は各受光素子垂直列に対応して設けられた垂直転送レジスタで、各々、自己と対応する受光素子垂直列の各受光素子４、４、・・・からの信号電荷を垂直方向に転送する。
８は上記各受光素子４、４、・・・及び垂直転送レジスタ６、６、・・・が配設された矩形の撮像領域、１０ａは該撮像領域８の下側に設けられた水平転送レジスタ、１０ｂは該撮像領域８の上側に設けられた水平転送レジスタである。
【００２１】
このように本発明固体撮像装置の固体撮像素子２には、撮像領域８の上側と、下側の両方に水平転送レジスタ１０ａ、１０ｂを有するという一つの特徴を有する。
そして、この固体撮像素子２は、後述するタイミングジェネレータ（２２）から垂直転送レジスタ８を駆動する垂直転送電極に受ける４相垂直転送パルスを異ならせることにより信号電荷の転送方向が逆になる動作をするのである。
１２ａは水平転送レジスタ１０ａの出力電荷を取り出して電圧に変換するＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）アンプ、１２ｂは水平転送レジスタ１０ｂの出力電荷を取り出して電圧に変換するＦＤ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）アンプである。
【００２２】
図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示した固体撮像素子２を用いた固体撮像装置の回路構成を示す回路ブロック図である。同図において、２は固体撮像素子、２０はＦＤアンプ１２ａ、１２ｂからの出力信号を処理するＡＦＥ回路である。これら処理回路２０１、２０２は出力信号のＣＤＳ（相関二重サンプリング）、ＡＧＣ（オートゲインコントロール）、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換等を行う。
２２はＴＧ（タイミングジェネレータ）回路で、垂直転送レジスタを垂直転送駆動する４相の垂直転送パルス（高速掃き出し用転送パルスと、通常の垂直転送用の転送パルスとがある。）、水平転送レジスタを水平転送駆動する二相の水平転送パルス、ＳＵＢサブ信号（各受光素子内の蓄積電荷を垂直方向に半導体基板にドレインさせる信号）等を発生する。２４はＴＧ回路２２、ＡＦＥ回路２０を制御するマイクロプロセッサである。
２６はＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）回路で、フレームメモリ２８と、画像処理（画像合成）回路と、積分器３２と、スミア検出回路３４からなる。
【００２３】
図２（Ａ）、（Ｂ）は垂直転送方向が下方向の場合と上方向の場合との動作説明をする固体撮像素子の平面図である。
通常時は、図２（Ａ）に示すように、垂直転送方向を下向きにし、スミアが発生したときは、図２（Ｂ）に示すように、垂直転送方向を上向きにする。
図３（Ａ）〜（Ｃ）は本発明のスミア補正原理の説明図である。
ある画素の受光素子が被写体の高輝度部分からの光によって信号受光量が異常に大きくなった場合、それが垂直転送レジスタ６に読み出された部分がスミア発生原因点になる。そして、当該垂直転送レジスタ６による垂直転送されてそのスミア発生原因点を通過した信号電荷はスミアをつくる。従って、そのスミア発生原因点よりも転送元側にある画素からの信号はスミアをつくることになる。図３（Ａ）、（Ｂ）はそのことを示している。
【００２４】
即ち、通常時において、図２（Ａ）に示すように固体撮像素子２を高速掃き出し動作させたとき、即ち、下側に垂直転送した場合、スミア発生原因点から上側（反転送先側）の画素からの信号電荷が全てスミアになり、逆にスミア発生原因点よりも下側（転送先側）の画素からの信号電荷にスミアは発生しない。
それに対して、図２（Ｂ）に示すように垂直転送方向を逆の上向きになるように動作させたとき、スミア発生原因点から下側がスミアになり、逆に上側がスミアにならない。図３（Ａ）と（Ｂ）とはそのことを物語っている。
【００２５】
そのことは、撮像領域８上の結像被写体のある点がスミア発生原因となる高輝度点になったとすると、図２（Ａ）に示す動作により得られた画像信号においてはそのスミア発生原因となる高輝度点より上がスミアになるが、下はスミアにならず、図２（Ｂ）に示す動作により得られた画像信号においては、そのスミア発生原因となる高輝度点より下がスミアになるが、上はスミアにならないということを意味する。
【００２６】
従って、図２（Ａ）に示す動作により得られた画像信号のうちのスミアに係る信号は、図２（Ｂ）に示す動作により得られた画像信号のスミアの生じていない信号と対応しており、スミアに係る画像信号を、それと対応する画像信号によって補間することができるのであり、それは、図３（Ａ）に示す画像と、図３（Ｂ）に示す画像を合成することにより為し得る。図３（Ｃ）はその合成により補間が為された画像を示している。
【００２７】
図４は上記固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。
シャッタが押されたとき、シャッタトリガ信号が発生し、その後、周期の短い高速掃き出し用の垂直転送パルスが発生すると共に、ＳＵＢ信号が発生する。その高速掃き出し用の垂直転送パルスにより垂直転送レジスタ６、６、・・・による高速掃き出しが行われ、また、各受光素子４、４、・・・内の電荷はＳＵＢ信号により半導体基板へ廃棄される。これにより垂直転送レジスタ６、６、・・・内の残留電荷を無くし、残留電荷によるスミアをなくすと共に、各受光素子４、４、・・・内の電荷もなくすのである。
【００２８】
所定時間その高速掃き出しが行われ、それが終わると、各受光素子４、４、・・・への電荷蓄積（露光）が始まり、所定の蓄積時間（露光時間）が経過すると、その蓄積時間内に蓄積された信号電荷の垂直転送レジスタ６、６、・・・への読み出し、垂直転送、水平転送が行われる。この場合、垂直転送は水平転送レジスタ１０ａへの転送であり、当然のことながら、該水平転送レジスタ１０ａにより水平転送が行われる。即ち、図２（Ａ）に示す動作が行われる。
そして、垂直転送、水平転送の繰り返しが受光素子水平行の数と同じ数繰り返されて１フレーム分の画像信号が読み出される。
【００２９】
この図２（Ａ）に示す動作により読み出され、信号処理回路２０により処理された画像信号はフレームメモリ２８に書き込まれる。そして、フレームメモリ２８に書き込まれた画像信号を積分器３２により適宜積算処理してその積分値が予め設定されたスミア発生基準値を越えたか否かによってスミアの有無をスミア検出回路３４により検出する。
そして、そのスミア検出回路３４からスミア無しとの検出結果が生じた場合には、そのフレームメモリ２８に記憶された１フレーム分の画像信号が当該フレームの画像信号として固体撮像装置の外部へ送出される。
【００３０】
ところで、上記スミア検出回路３４からスミア有りとの検出結果が生じた場合には、その図２（Ａ）に示す動作）が終了した後、図２（Ｂ）に示す動作（即ち、垂直転送を下側の水平転送レジスタ１０ａへ行う読み出し動作）を行うこととする。勿論、その図２に示す動作を始める前に、垂直転送レジスタ６内の電荷の高速掃き出し及び受光素子内の電荷の半導体基板への高速廃棄を行い、その後、所定の蓄積期間（露光期間）受光素子に被写体からの光による電荷を蓄積させる。
そして、その蓄積期間（露光期間）経過後、図２（Ｂ）に示す動作、即ち、垂直転送を上側の水平転送レジスタ１０ｂへ向けて行う読み出し動作を開始する。
【００３１】
そして、この図２（Ｂ）に示す動作により読み出され、信号処理された画像信号は画像処理回路３０に書き込まれる。そして、その図２（Ｂ）に示す動作による読み出しが終了すると、そのフレームメモリ２８に記憶された画像信号と、その画像処理回路３２に書き込まれた画像信号とを合成し、補間処理をする。そして、補間処理をしたものを当該フレームの画像信号として固体撮像装置の外部へ送出される。
【００３２】
従って、このような固体撮像装置によれば、スミアとなる高輝度点が被写体中にあったとしても、スミアを補間により極めて確実に除去することができる。
というのは、画像処理技術で良く用いられる補間には、ライン相関性を前提とするものが多いが、隣接ラインが同じ画像パターンとは限らないので、正確な補間が常に為されるとは言い難い。
しかるに、本固体撮像装置によるスミアの補正は、必ず、被写体のその補正に係る部分からの光による信号に基づいて行うことができ、常に、正確な補間を為すことができ、ライン相関性を利用した場合における補正よりも高品位の画像を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１の固体撮像装置によれば、スミアが発生したとき、垂直転送方向を逆転させることにより、そのスミアの発生した各垂直受光素子列におけるスミア発生に係らない画素からの画素信号を取り出し、それを以てスミアの発生に係る画素からの画素信号を補間することができ、スミアの確実な除去が可能となる。
また、スミアの補正は、必ず、被写体のその補正に係る部分からの光による信号に基づいて行うことができ、常に、正確な補間を為すことができ、ライン相関性を利用した補間よりも高品位の画像を得ることができる。
更に、スミア発生を抑制するために絞り値を大きくする必要はないので、固体撮像装置の持つダイナミックレンジをフルに活かして、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）を大きくすることが可能となる。
【００３４】
請求項２の固体撮像装置によれば、通常時には、固体撮像素子に普通の動作、即ち、一方（例えば下側）の水平転送レジスタへ垂直転送する動作をさせ、スミアが発生したしたとき垂直転送方向を逆にして他方（例えば上側）の水平転送レジスタへ垂直転送する動作をさせることとし、そのスミアの発生した各垂直受光素子列におけるスミア発生に係らない画素からの画素信号を取り出し、それを以てスミアの発生に係る画素からの画素信号を補間することができ、スミアの確実な除去が可能となる。
また、スミアの補正は、必ず、被写体のその補正に係る部分からの光による信号に基づいて行うことができ、常に、正確な補間を為すことができ、ライン相関性を利用した補間よりも高品位の画像を得ることができる。
更に、スミア発生を抑制するために絞り値を大きくする必要はないので、固体撮像装置の持つダイナミックレンジをフルに活かして、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）を大きくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は本発明固体撮像装置の第１の実施例を示すもので、（Ａ）は固体撮像素子の平面図、（Ｂ）は固体撮像装置の回路構成を示す回路ブロック図である。
【図２】（Ａ）は通常時の垂直転送方向が下方向の場合の、（Ｂ）はスミアが発生した場合の垂直転送方向が上方向の場合の動作説明をする固体撮像素子の平面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明のスミア補間原理の説明図である。
【図４】固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
２・・・固体撮像素子、４・・・受光素子、６・・・垂直転送レジスタ、８・・・撮像領域、１０ａ・・・通常時用水平転送レジスタ、１０ｂ・・・スミア発生時用水平転送レジスタ、１２ａ、１２ｂ・・・ＦＤ用アンプ、２０・・・信号処理回路、２８・・・フレームメモリ、３０・・・画像処理（合成）回路、３４・・・スミア検出回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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