JPH0287785A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ｍｓ装置に関し、更に詳しくは固体撮像素子
を使用するに適した撮像装置に関する。

（発明の背景） 固体搬像素子は、写真フィルムに比較して輝度に対する
ダイナミックレンジ（ラチチュード）が非常に狭いこと
が知られている。このため、輝度レベル差の大きい風景
、例えば晴れた日の室外陽形を行う場合、高輝度部分は
白くとんでしまい、逆に低輝度部分では黒くつぶれてし
まうことが多かった。

通常の固体撮像素子（ＣＯＤ、ＭＯＳ等）では、入射光
量と発生電荷とはリニアな関係（γ−１）である。この
様子を第１９図に示す。

この場合、信号のダイナミックレンジが狭く、かつ高輝
度部分では直ぐに飽和してしまう。このため、出力画像
のａ輝度部分は白くとんでしまい、被写体中のコン°ト
ラストを判別することができなかった。

このような欠点を解決するものとして、固体撮像素子に
ニー（Ｋｎｅｅ；膝）特性を持たせることが、１９７８
年テレビジョン学会全国大会報４３頁〜４４頁ｒｃｃＤ
イメージセンＶのＫ　ｎ　ｅ　ｅ特性制御」に提案され
ている。また、本件出願人も特願昭６２−８７３９３月
で、ＣＯＤのニー特性についての提案を行っている。

このニー特性とは、第２０図に示すように入射光量と発
生電荷の関係にニー特性を持たせることにより、輝度に
対するダイナミックレンジを広げるしのである。

（発明が解決しようとする課題） 以上のようなニー特性により入射ダイナミックレンジを
広げているが、受光部の蓄積電荷量又は受光部、転送部
間移動電圧を精度良く、かつ各画素間のばらつきがなく
、そして高速にｔＩｌｌｌ！Ｄするのは極めて困難であ
る。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、その
目的とするところは、固体Ｒ＠水素子ダイナミックレン
ジを十分に利用し、かつ広い輝度範囲の光電変換出力を
得ることの可能な囮像装買を実現することにある。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決する本発明は、外部からの入射光を電荷
に変換する受光部、受光部からの電荷を垂直方向に転送
する垂直転送部、！ｆ！直転退転送部の電荷を水平方向
に転送づ−ろ水平転送部を備えた固体１１！ｉ像素子と
、この固体撮像素子に駆動パルスを供給する固体撮像素
子駆動回路とを有し、前記固体搬像素子駆動手段は、１
垂直走査期間内に複数の異なる時間間隔の信号読出しの
ためのパルスを出力し、受光部で発生した電荷を複数回
の異なる時間間隔に分けて垂直転送部に移動させ、この
電荷を垂直転送部［で加算して読出すよう構成したこと
を特徴と覆るものである。

（作用） 固体搬像素子から電荷を読み出すときは各画素の受光部
の浩積電（４を複数回の異なる時間間隔に分けて垂直転
送部に移動さＶ、垂直転送部上で加算してから続出？ｌ
、。

〈実施例） 以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例の要部の構成を示１構成図で
ある。この図において、１は固体撮像素子であり、−例
どしてインターラインＣＯＤの場合について説明する。

２は受光量に応じた電荷を発生する受光部、３は受光部
で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直転送部、４は
！Ｉ！直転送部からの電荷を水平方向に転送する水平転
送部である。

ここでは、３×４画素分を示している。

また、この固体１ｌｉＩ像素了１の受光部２と垂直転送
部３のポテンシャルは第２図もしくは第３図のようにな
っているものとする。すなわち、転送部は受光部の５倍
の電荷を蓄えることが可能であるとする。

第４図はこの固体撮像素子１を駆動する際の駆動パルス
を示すタイムチャートである。尚、この駆動パルスを発
生する固体撮像素子駆動回路は、周知の回路に若干の変
更を加えることにより実現できるものであり、詳細な回
路構成は省略する。

以下、第１図乃至第４図を参照して本発明の実施例の動
作を説明する。

この第４図の△が露光、ＢＩ′ｆｉｉ出しの期間である
と丈ると、Δの最初にφｖ１〜φｖ４に対応する画素の
電荷を垂直転送部に移した後、逆転送により電荷を捨て
る。その侵、５回（Ｃ１，Ｃ２゜Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５）に
分けて受光部２から垂直転送部３への電荷移動を行い、
垂直転送部３上で加輝したものをＢの期間に読み出す。

この５回の電荷移動のタイミングを変えることにより、
光量と出力信号の電圧との関係が変化する。

次に、この光量と出力信同の電圧との関係について説明
する。

第５図は、電荷蓄積時間と蓄Ｆｆ１電荷量との関係を示
す特性図である。この図のｔｌ＋・・・、ｔ５で受光部
から垂直転送部への電荷移動を行う。また、ＱＯは受光
部２の飽和電荷量である。ここで、実線、破線等は各輝
度における電荷のたまりかたを示している。ここでの輝
度の比は、実線△、破線Ｂ、・・・の順に２倍ずつにな
っている。また、ここではＣＩ　＝０２＝０３＝０４＝
４ｘＣ５の場合を示している。

各画素の出力電圧はｔｌ＋　　ｊ２＋　　ｊｌ−ｊ４゜
ｔ５の各時点での画素の電荷ｍを相界したものに比例し
、この様子を第６図に示す。この図は、輝度１と出力電
圧Ｖとの関係を示している。ここで、（−＾は第５図の
特性へにおける輝度、Ｌｓは第５図の特性Ｂにおける輝
度、Ｌｃは第５図の特性Ｃにおける輝度、Ｌ　ｏは第５
図の特性りにおける輝度である。また、特性■は従来の
露光を行った場合と特性、■は第５図に示した露光＜Ｃ
１＝Ｃ２＝Ｃ３−Ｃ４＝４ＸＣ５）を行った場合の特性
、■はＣ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝８ＸＣ５の露光を行っ
た場合の特性である。

この図の■及び■から明らかなように、第５図の露光を
行うことにより、高ｎ度域＜ＬＡ〜Ｌｃ）で出力が圧縮
されることで、通常の露光に比較して約３倍のダイナミ
ックレンジが１９られる。

また、ＣＩ　＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝８ＸＣ５の露光を行
うと、ＬＡ−ＬＤの高輝度域で出力が圧縮されて、ダイ
ナミックレンジは約７倍になる。

ところで、以上の動作で重要なのは０１〜Ｃ５の比率で
あって、絶対値は・重要ではない。例えば、レンズのＦ
値が２．８のときとＦ値が４のときとでは、第６図の特
性の形は変わらないが、輝度が２倍になる。また、Ｃ１
〜Ｃ５の比率をそのままにして時間を半分にすると、第
６図の特性の形は変わらずに輝度が２倍になる。

一例として、１．−１ｏ＝１２−１．−１３−ｊｚ＝ｔ
＋　　ｊ３−１／２５０秒、ｔ５−ｔ４　＝１／１００
０秒どして説明する。輝ａ　Ｌ　ｃの画素はｊｏ　”−
ｊ＋　、　ｔ＋　”ｔ、４　、　ｔ２〜ｔ３　、　ｔ３
〜ｔ４の各期間の初めの１／１０００秒で信号が飽和し
く第５図Ｃ）、残りの時間は露光時間としては意味がな
い。最少の１／１０００秒（ｔｎ〜ｔ５）では飽和が起
こらないため、露光時間として意味がある。従って、こ
の画素については実質的な露光時間は５Ｘ１／１０００
＝１／２００秒となる。同様に、輝度Ｌａの画素は１ｏ
−１，。

ｔ、〜ｊ２＋　ｔ２〜１３，１３〜ｔ４の各期間の初め
の１　／　５００秒で信号が飽和しく第５図Ｂ）、残り
の時間は露光時間としては意味がない。！Ｉｉ後の１／
１０００秒（ｔ４〜ｊｓ）では飽和が起こらないため、
露光時間として意味がある。従って、この画素について
は実質的な露光時間は４×１１５００＋１／１０００＝
１／１１１秒となる。また同様に、輝度Ｌ　Ａの画素は
ｔＯ””ｊｌ　＋　　ｉｌ　〜ｔ２．ｔ２〜１３，１．
〜ｔ４の各期間の初めの１／２５０秒で信号が飽和しく
第５図△）、残りの時間は露光時間としては意味がない
。最少の１／１０００秒（ｊｎ〜ｔｓ）では飽和が起こ
らないため、露光時間として意味がある。従って、この
画素については実質的な露光時間は４ｘ１／２５０＋１
／１０００＝１１５９秒となる。輝ｒＪＩｔ−Ａより暗
い画素は、全ての露光時間が有効なので、同様に１１５
９秒となる。すなわち、暗い画素の露光時間を長めにし
、明るい画素の露光時間を短めにすることによりダイナ
ミックレンジを広げていることになる。

第７図は、Ｃ１−０２＝４ＸＣ３＝４ＸＣ４＝１６ＸＣ
５の場合を示した特性図である。この図でも輝度はΔ、
Ｂ、・・・、Ｅまでそれぞれ２倍ずっになっている。こ
のような露光を行ったときの輝度と出力電圧との関係を
示したのが第８図である。

この第８図■は通常の露光を行ったときの特性である。

この特性では、暗部では良好な出力が得られるが、ｌｌ
１ｌｌｌ［が少し大きくなると飽和してしまう。

従って、ダイナミックレンジが極めて狭い。また■は絞
りまたはシャッター速度を調節して通常の露光を行った
ときの特性である。このようにすると、ダイナミックレ
ンジはある程度広がるが、暗部では出力が小さくＳ／Ｎ
が悪くなるｎ従って、この場合も満足な結果が得られな
い。■に示す方法は第７図で説明した方法である。この
特性は、暗部では十分な出力が得られ、かつ＾Ｉｎ度部
Ｔｂ飽和することがない。そして、中間部の傾きは高輝
度部と低輝度部の中間であり、見易い画像が得られる。

第９図は、Ｃ１−４ＸＣ２−４ＸＣ３−４ＸＣ４＝　１
６ｘＣ５の場合を示した特性図である。この図でも輝度
はＡ、Ｂ、・・・、Ｅまでそれぞれ２倍ずつになってい
る。このような露光を行ったときの輝度と出力電圧との
関係を示したのが第１０図である。輝度と出力の特性は
、第８図の場合と同様に２箇所で折れ曲がっているが、
折れ曲がるポイント及び傾きが若干異なっている。

このように、Ｃ１〜Ｃ５の組み合わせを変えることで、
輝度−出力電圧特性を自由に設計することができる。ま
た、以上の例では露光時間の種類は３ｆ４類であったが
、４種類や５種類にすることも可能である。更に、露光
、′Ｒ電荷移動回数は５回だけでなく、受光部と転送部
の容量の比に応じて増減することが可能である。

尚、通常のＣＯＤではフィールドのｉｔしが出来ないが
、奇数フィールドと偶数フィールドでそれぞれ別個に垂
直転送部を有するｃＣＤではフレーム廠影も可能である
。

以上の説明は静止画を撮影する場合であるが、上記の奇
数フィールドと偶数フィールドでそれぞれ別個に垂直転
送部を有するＣＣＤ若しくはＦＩＴ−ＣＯＤの場合は、
動画にも適用することが可能である。

第１１図はＦｆｌ−−ＣＯＤの構造を示す構成図である
。この図にＪ３いて、第１図と同一物には同一番号を付
し、その説明は省略する。第１図に示したＣＯＤと異な
る点は、各画素に対応して電荷を記憶するメモリ部５を
有していることである。

このＦ　Ｉ　Ｔ−ＣＯＤをフィールド蓄積モードで駆動
するためのパルスを第１２図に示す。すなわち、受光部
と！退転送部の間で複数回電荷移動を行って、露光終了
後に垂直転送部上の電荷を高速にメモリ部に転送し、メ
モリ部からビデオレートで読み出ず。メモリ部で読出し
を行っている期間に、受光部では次のフィールドの露光
を行っている。ここで、ビデオ信号として出力するため
に、Ｃ１＋Ｃ２−トＣ３＋Ｃ４＋Ｃ５≦１／６０秒とい
う条件が加わるが、それ以外は静止画の場合と同じであ
る。この場合通常は、ＣＩ　＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ３
＝１／６０秒であるが、途中で信号電荷の掃き出しがで
きるようなＣＯＤ　（例えば、Ａ−バー７０−ドレイン
（ＯＦＤ＞に電荷を捨てることが可能なＣＯＤ＞の場合
は、Ｃ１十０２　＋　Ｃ３十Ｃ４＋　０５　＜　１　／
　６０秒とすることもできる。

また、このＦｌ’ｒ−ＣＯＤをフレーム蓄積七〜ドで駆
動するためのパルスを第１３図に示す。ここでは、まず
逆転送により電荷の掃き出しを行う。

そして、受光部と垂直転送部の間で複数回電荷移動を行
って、露光終了後に垂直転送部上の電荷を高速にメモリ
部に転送し、メモリ部からビデオレートで読み出す。メ
モリ部で読出しを行っている期間に、受光部では次のフ
ィールドの露光を行っている。各フィールドごとに０１
　＋　Ｃ２十Ｃ３十Ｃ４１−Ｃ５≦１／６０秒の露光を
行うことも同じである。また、ＯＦＤに電荷を捨てるこ
とができるＦＩＴ−ＣＯＤでは、逆転送のパルス列の代
わりにｏ　ｉ：　ｃ　ａへのパルスが加わる。

フレーム蓄積モードの伯の例として、第１５図に示すよ
うならのら考えられる。この場合は、逆転送の掃き出し
が、なく、また片側のフィールドの信号に対し露光、蓄
積、電荷移動を行っている期間は他のフィールドの信号
は動かけないので、その間露光、蓄積を続けることにな
る。従って、この場合は、Ｃ１≧１／６０秒、Ｃ１＋Ｃ
２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ３＝１／３ｏ秒という条件がつく。

フレーム蓄積モードの史に他の例として、第１６図に示
すようなものも考えられる。これは、ＯＦＤに電荷を捨
てることができるＣＣＤを使用した例である。ＯＦＤへ
電荷を捨てることができるので、第１５図の場合のよう
な条件はつかない。

ＯＦＤに電荷を捨てる際に片側のフィールドのみ捨てる
ような制御が可能であれば、第１７図のようなパルスで
駆動し、条件としてはＣ１＋Ｃ２十Ｃ３＋　Ｃ４＋　Ｃ
５≦１／３０秒だけである。但し、ＯＦＤに電荷を捨て
る際に両側のフィールドの信号が捨てられてしまうもの
では、その影響を考慮する必要がある。すなわち、第１
６図に示した場合は良いが、第１８図のような場合はＣ
３の露光・蓄積時間はＣ３’である。

奇数フィールドと偶数フィールドでそれぞれ別個に垂直
転送部を有するＣＯＤでは、各フィールドそれぞれ全く
任意のタイミングで受光部−垂直転送部間の移動ができ
るので、ＣＩ　＋Ｃ２＋Ｃ３＋０４＋０５＝１／３０秒
の条件のもとでは自由にＣ１〜Ｃ５を設定できる。ＣＩ
　十０２　＋　０３　＋０４＋Ｃ５＜１／３０秒ニーｒ
−キル７１）１　否カＬＬ、ＯＦＤに電荷を捨てること
ができるかによる。

尚、０１〜Ｃ５の比率により特性が決定されるため、比
率を固定したままで、全体の露光時間をｍ節することに
より、ｍ影可能輝度範囲をシフトすることができる。

また、画像の内容によって最適な輝度−出力電圧特性カ
ーブが異なることがあるが、この様なときで６、パルス
のタイミングを変えることで容易に対応することができ
る。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明では、受光部で発生
した電荷を、受光部と垂直転送部の容量に応じて複数回
に分けて読出し、垂直転送部上で加算して読み出すよう
にした。このため、高輝度域でも固体撮像素子の出力が
飽和けず、ダイナミックレンジが広がる。従って、固体
Ｈｌ素像のダイナミックレンジを十分に利用し、かつ広
い輝度範囲の光電変換出力を得ることの可能な撮像装置
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す構成図、第２図
及び第３図は固体ｌｌＩｌ素像のポテンシャルを示す説
明図、第４図は駆動パルスを示すタイムチャート、第５
図乃至第１０図は本発明の固体撮像素子の特性図、第１
１図はＦＩＴ−ＣＯＤの構成を示す構成図、第１２図乃
至第１８図は駆動パルスの他の例を示すタイムチャート
、第１９図及び第２０図は従来の固体搬像素子の特性図
である。１１・・・固体搬像素子　　　２・・・受光部
３・・・垂直転送部　　　　４・・・水平転送部特許出
願人　　　　コ　　ニ　　カ　　株　　式　　会　　社
代　　理　　人　　　　　弁理士　　　井　　島　　藤
　　冶外１名 第　１　図 第４図 φＨ１φＨ２ 第２図 第３図 Ｖｓｙｎｃ ψＶ２１〜φＶ２４ 第１２図 第１３図 φ２７〜〜２４ 勇鴫 １４図 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 外部からの入射光を電荷に変換する受光部、受光部から
   の電荷を垂直方向に転送する垂直転送部、垂直転送部か
   らの電荷を水平方向に転送する水平転送部を備えた固体
   撮像素子と、 この固体撮像素子に駆動パルスを供給する固体撮像素子
   駆動手段とを有し、 前記固体撮像素子駆動手段は、１垂直走査期間内に複数
   の異なる時間間隔の信号読出しのためのパルスを出力し
   、 受光部で発生した電荷を複数回の異なる時間間隔に分け
   て垂直転送部に移動させ、この電荷を垂直転送部上で加
   算して読出すよう構成したことを特徴とする撮像装置。