(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列方向に２次元状に配列された複数の画素からなる画素アレイと、該画素アレイの画素信号を読み出すための垂直走査回路と水平走査回路とを備え、該垂直走査回路により、１垂直走査期間あたり、ある特定の１行の画素群を連続する２水平走査期間にわたり任意のタイミングで選択状態とし、最初の水平走査期間において上記１行の画素群の入射光情報を持った明時信号を読み出し、次の水平走査期間において上記１行の画素群の入射光情報をリセットした直後又はリセットしながら入射光情報を持たない暗時信号を読み出し、複数垂直走査期間で１フレーム分の暗時信号を読み出すようにしたＸＹアドレス型固体撮像装置の走査方法において、前記連続する２水平走査期間にわたって選択状態として同一行の画素群の明時信号及び暗時信号を読み出す動作を、最初に前記画素アレイの垂直走査方向の最後の行の画素群に対して行い、次いで前記最後の行から垂直走査方向とは逆方向に向かって順次次の行の画素群に対して行うようにしたことを特徴とする固体撮像装置の走査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数垂直走査期間で１フレーム分の暗時信号を読み出すようにした固体撮像装置の走査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２次元状に画素を配列してなる撮像素子を備えた固体撮像装置において、撮像素子に光が入射していない状態での各画素の出力が均一でないと、暗時固定パターン雑音（以下暗時ＦＰＮと略称する）を生じる。良質の映像信号を得るためには、この暗時ＦＰＮをなくした信号が必要となる。通常暗時ＦＰＮの抑圧には、暗時出力をメモリに記憶し、撮像素子の出力からメモリに記憶されている暗時出力を差し引くことで行う。
【０００３】
暗時ＦＰＮの記憶方法は、撮像素子に光を入射しない状態、又は撮像素子に蓄積された光生成電荷を掃き出した直後、又は掃き出しながら信号を読み出し、記憶部に記憶するといった方法がとられている。従来の記憶方法においては、これらの記憶動作は少なくとも１垂直走査期間にわたり連続して行われ、したがって記憶動作期間中は映像信号が得られないといった問題がある。この問題を解決するために、本件出願人は先に特開平７−１５６６６号において、１垂直走査期間に１行又は数行分の画素群の暗時出力を得、複数垂直走査期間で１フレーム分の暗時出力を得る方法を提案した。
【０００４】
この方法を、図２に示すようなＣＭＤ画素を３行３列に並べた固体撮像装置に適用する場合について説明する。図２において、１は水平走査回路、２は垂直走査回路、３はＣＭＤ画素を３行３列に並べて構成した受光部、４は水平走査回路１に入力されるクロック群、５は垂直走査回路２に入力されるクロック群、６は信号出力端子、７はＣＭＤのドレイン電源、８−１，８−２及び８−３は垂直選択線である。ここで、水平走査回路１はシフトレジスタと信号選択スイッチとにより構成され、垂直走査回路２はシフトレジスタとＣＭＤの動作を制御する４値のゲート電位を発生するレベルミックス回路とにより構成されている。なお、ＣＭＤの動作を制御するために必要な蓄積、読み出し、リセット、オーバーフロー電位を与える各電源は図示を省略している。
【０００５】
次に、この構成の固体撮像装置に前記特開平７−１５６６６号で提案した暗時出力の出力方法を適用した場合の読み出し方法を、図５に基づいて説明する。図５において、Ｇ１，Ｇ２及びＧ３はそれぞれ垂直選択線８−１，８−２及び８−３の制御信号、ｉＳ（ｉ＝１，２，３），ｉＤはそれぞれｉ行目の画素からの入射光情報を持った信号（明時信号）、入射光情報を持たない信号（暗時信号）を表している。ここで読み出し方法は、まず第１フレームでは、１行目の画素は始めに入射光情報を持った信号（明時信号）１Ｓが読み出され、続いて入射光情報をリセットした信号（暗時信号）１Ｄが読み出される。次に２行目、３行目の画素はそれぞれ入射光情報を持った信号（明時信号）２Ｓ，３Ｓが読み出される。第２フレームでは、１行目及び３行目の画素は通常読み出しが行われ、２行目の画素については明時信号２Ｓの読み出し後、暗時信号２Ｄが読み出される。第３フレームでは、３行目の画素についてのみ明時信号３Ｓ及び暗時信号３Ｄが読み出される。
【０００６】
そして、以上の走査を繰り返すことにより、１フレームに１行づつ入射光情報を持たない信号すなわち暗時信号を読み出し、垂直走査線数のフレームで１フレーム分の暗時信号を読み出すことになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先に提案した方法では、次のような問題がある。例えば、第２フレームに注目すると、１行目、２行目の画素の蓄積時間は３Ｈであるのに対し、３行目の画素の蓄積時間は４Ｈとなり、１フレームの中に蓄積時間の異なる部分が存在することになる。同様に、第３フレームでは１行目、第４フレームでは２行目の蓄積時間が同一フレーム中で他の行の蓄積時間と異なる。このように１画面の中に蓄積時間の異なる部分があると、連続画像から１フレーム分静止画を取り出した場合は、画像の１部分だけ蓄積時間が異なる分だけ明るさの異なる映像となる。また、連続画像再生においても、低い周波数の擾乱が映像信号に加わることになるので、視覚上非常に乱れた映像となる。
【０００８】
本発明は、複数垂直走査期間で１フレーム分の暗時信号を読み出すようにした従来の固体撮像装置における上記問題点を解消するためになされたもので、複数垂直走査期間で１フレーム分の暗時信号を読み出す際に、１画面中の光生成電荷蓄積時間の不揃いをなくすようにした固体撮像装置の走査方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、本発明は、行列方向に２次元状に配列された複数の画素からなる画素アレイと、該画素アレイの画素信号を読み出すための垂直走査回路と水平走査回路とを備え、該垂直走査回路により、１垂直走査期間あたり、ある特定の１行の画素群を連続する２水平走査期間にわたり任意のタイミングで選択状態とし、最初の水平走査期間において上記１行の画素群の入射光情報を持った明時信号を読み出し、次の水平走査期間において上記１行の画素群の入射光情報をリセットした直後又はリセットしながら入射光情報を持たない暗時信号を読み出し、複数垂直走査期間で１フレーム分の暗時信号を読み出すようにしたＸＹアドレス型固体撮像装置の走査方法において、前記連続する２水平走査期間にわたって選択状態として同一行の画素群の明時信号及び暗時信号を読み出す動作を、最初に前記画素アレイの垂直走査方向の最後の行の画素群に対して行い、次いで前記最後の行から垂直走査方向とは逆方向に向かって順次次の行の画素群に対して行うようにするものである。
【００１０】
このような走査駆動を行うことにより、同一フレーム中に蓄積時間の異なる行はなくなり、１画面中の光生成電荷蓄積時間の不揃いをなくすことができる。更に本発明の概念を、３行の画素アレイを持った固体撮像装置に適用した場合を例にして、図１のタイミングチャートを用いて説明する。第１フレームでは、垂直走査方向の最後の行となる第３行を２水平走査期間にわたって選択状態とし、最初に明時出力３Ｓを読み出した後、暗時出力３Ｄを続いて読み出す。第２フレームでは第２行の明時出力及び暗時出力を、第３フレームでは第１行の明時出力及び暗時出力を読み出す。第４フレーム以降はこの繰り返しとなる。ここで第２フレーム及び第３フレームでは、第１，第２及び第３行の蓄積時間はいずれも４Ｈ、第４フレームでは３Ｈとなる。このように同一フレーム中に蓄積時間の異なる部分はなくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。ここでは、図２に示すＣＭＤ画素を用いた固体撮像装置に本発明を適用したものを実施の形態として説明する。本発明は、垂直方向の走査に特徴があり、水平方向に関しては一般的な走査を行っているため、水平走査回路の詳細な説明は省略する。ＣＭＤを用いた固体撮像装置においては、ＣＭＤ画素の蓄積、読み出し、リセット及びオーバーフローの各動作を制御する４値のパルスを出力するレベルミックス回路が必要となり、シフトレジスタと共に垂直走査回路に含まれる。この垂直走査回路の回路構成図を図３に示す。本実施の形態では３行３列の画素に対応させた３段の垂直走査回路を示している。
【００１２】
図３において、11は２個のクロック型インバータからなるシフトレジスタユニットを直列に接続してなるシフトレジスタで、12はシフトレジスタユニット、13−１はシフトレジスタユニットを構成する第１のクロック型インバータ、13−２はシフトレジスタユニットを構成する第２のクロック型インバータを示している。14はレベルミックス回路で、本件出願人が特開平５−２２７４８６号で提案したものを用いており、15はレベルミックス回路を構成するレベルミックス回路ユニットである。また、16はリセット電位ＲＳを与えるリセット電源、17は読み出し電位ＲＤを与える読み出し電源、18はオーバーフロー電位ＯＦを与えるオーバーフロー電源、19は蓄積電位ＡＣを与える蓄積電源である。そして、シフトレジスタ11の第１のクロック型インバータ13−１には、クロックφＶ２とその反転クロック／φＶ２及びスタートパルスφＶＳＴを入力し、第２のクロック型インバータ13−２には、クロックφＶ１とその反転クロック／φＶ１を入力している。なお、ＶＤＤ，ＶＳＳは電源である。
【００１３】
また、レベルミックス回路14のレベルミックス回路ユニット15を構成しているオーバーフロー電源18に接続されたトランジスタＱofには、クロック／φＶ１を入力し、同じく蓄積電源19に接続されたトランジスタＱacにはクロックφＶ１を入力し、またリセット電源16に接続されたトランジスタＱrsにはクロック／φＶ３（クロックφＶ３の反転クロック）を入力し、読み出し電源17に接続されているトランジスタＱrdには、クロックφＶ３を入力している。そして、シフトレジスタ11を構成する各シフトレジスタユニット12の出力である選択信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、インバータを介してレベルミックス回路14の各ユニット15へ入力され、各レベルミックス回路ユニット15から各行のゲートラインにゲート電位Ｇ１，Ｇ２及びＧ３が出力されるようになっている。
【００１４】
次にこのように構成された垂直走査回路の動作を、図４に示した選択信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及びゲート電位Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３のタイミングチャートを参照しながら説明する。図４に示すように、第１フレームにおいては、まず通常の走査にしたがって第１行及び第２行の入射光情報を持った信号、すなわち明時信号１Ｓ及び２Ｓが読み出される。次に、時刻ｔ1 でクロックφＶ２はロウレベルのため、次の１Ｈ期間においてもシフトレジスタからの選択信号Ｓ３はハイレベルのままである。一方、リセット電位ＲＳを供給するクロックφＶ３は、時刻ｔ1 においてもクロックパルスを出力している。したがって、垂直選択線８−３の制御信号は２連続水平走査期間にわたり、読み出し電位ＲＤ及びリセット電位ＲＳが印加され、第３行は連続する２水平走査期間にわたって選択状態となり、前半の水平走査期間では入射光情報を持った信号、すなわち明時信号３Ｓが読み出され、入射光情報がリセットされた後、後半の水平走査期間では入射光情報を持たない信号、すなわち暗時信号３Ｄが読み出される。
【００１５】
次の第２フレームでは、まず第１行の明時信号１Ｓが読み出される。続いて時刻ｔ2 で、クロックφＶ２はロウレベル、シフトレジスタからの選択信号Ｓ２はハイレベルのため、第２行が連続する２水平走査期間にわたって選択状態となり、前半の水平走査期間では明時信号２Ｓが、リセット後の後半の水平走査期間では暗時信号２Ｄが読み出される。続いて第３行の明時信号３Ｓが読み出される。第３フレームでは、まず第１行が連続する２水平走査期間にわたって選択状態になり、前半の水平走査期間では明時信号１Ｓが、リセット後の後半の水平走査期間では暗時信号１Ｄが読み出される。続いて、第２行及び第３行の明時信号２Ｓ及び３Ｓが読み出される。以下第４フレーム以降は、第１から第３フレームの読み出し動作が繰り返して行われる。
【００１６】
このように本実施の形態によれば、１フレームの中、特定の１行に対して、入射光情報を持った明時信号を読み出した後、入射光情報をリセットし、暗時信号を読み出すことができるようになっている。また、連続するフレームで、この特定の行を変化させることにより、有限のフレーム期間で、１フレーム分の暗時信号を得ることができる。ここで、各フレームにおける各行の蓄積時間を見ると、第２及び第３フレームでは第１，第２及び第３行の蓄積時間はいずれも４Ｈとなり、第４フレームではいずれも３Ｈとなっている。このように同一フレーム中に蓄積時間の異なる部分はなくなる。ここで、第４フレームのみ蓄積時間が１Ｈ短くなっているが、これは通常数百あるいは垂直方向画素分に対応するフレーム数のうちの１フレームのみにおいて発生するものであり、問題となることは殆どない。
【００１７】
更に、フレームメモリを用いた場合など、フレームメモリからなるＦＰＮメモリの内容のうち、暗時信号を得る画素に対応する内容についてメモリの内容を更新していくことにより、順次ＦＰＮメモリに記憶した暗時信号を更新することができる。
【００１８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、１フレーム内の各行の蓄積時間を統一することができ、１画面中の光生成電荷蓄積時間の不揃いをなくすことができる。本実施の形態では、３行３列の画素数の例を示したが、実際の固体撮像装置では更に多数の画素数となる。また、固体撮像素子としてＣＭＤを用いた例を示したが、これに限らない。更に、走査回路の構成も本実施の形態に示したものに限定されることなく、シフトレジスタ、デコーダ等どのようなものでもかまわない。
【００１９】
読み出し方式においても、特開昭５２−１００８２７号公報に開示されているような水平ブランキング期間に１行の画素の信号を記憶部に一括して記憶し、水平読み出し期間にこの記憶部より順次信号を読み出す形式の固体撮像装置に本発明を適用しても、同様の効果を得ることができる。また本実施の形態においては、光生成電荷を蓄積した状態の信号を読み出した後の光生成電荷を掃き捨てる動作の後に、光生成電荷を蓄積していない状態の信号を読み出すように構成したものを示したが、光生成電荷を蓄積していない状態の信号の読み出しは、蓄積された光生成電荷を掃き捨てながら読み出す方式を用いてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、本発明に係る走査方法によれば特別な回路を必要とすることなく、複数垂直走査期間で１フレーム分の暗時信号を読み出すようにした固体撮像装置の走査方法において、光生成電荷蓄積時間を１垂直走査期間内で揃えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の走査方法の概念を説明するためのタイミングチャートである。
【図２】本発明に係る固体撮像装置の走査方法の実施の形態を適用するためのＣＭＤ画素を用いた固体撮像装置を示す回路構成図である。
【図３】図２に示した固体撮像装置における垂直走査回路の構成を示す回路構成図である。
【図４】図３に示した垂直走査回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】従来の固体撮像装置の暗時信号の読み出し方法を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  水平走査回路
２  垂直走査回路
３  受光部
４  水平走査回路入力クロック群
５  垂直走査回路入力クロック群
６  信号出力端子
７  ドレイン電源
８−１〜８−３  垂直選択線
11  シフトレジスタ
12  シフトレジスタユニット
13−１  第１のクロック型インバータ
13−２  第２のクロック型インバータ
14  レベルミックス回路
15  レベルミックス回路ユニット
16  リセット電源
17  読み出し電源
18  オーバーフロー電源
19  蓄積電源
【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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