JPH03274960A - 固体撮像素子 - 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、ダイナミックレンジを拡大することのできる
固体撮像素子に関する。

〔従来の技術〕

一般に、固体撮像素子により映像信号に変換される被写
体には、固体撮像素子のダイナミックレンジよりも広い
輝度範囲となることがあり、この様な場合には被写体の
画像を正確に復元することができない。そのために、固
体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する必要がある
。

固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する装置とし
ては、特願昭８３−２０１４０６号に示されているよう
なものがある。これは非破壊読出し型の撮像素子から露
光時間の異なる複数の画像を読出し、撮像素子外に設け
られた複数のメモリに記憶した後、各画像を加算するこ
とによってダイナミックレンジの拡大を図っている。

この様な方式を通常のＣＣＤに適用した場合には、１枚
の広ダイナミツクレンジの画像を得るためには数フレー
ム分の時間が必要となる。例えば、露光時間を５回変え
て撮像すると、１枚の広ダイナミツクレンジの画像を得
るのに５フレ一ム分の時間が必要となり、画像を撮像素
子外へ読出すのに時間がかかるという欠点がある。

そこで、通常のテレビレートで露光時間の異なる複数の
画像を加算する方法として、例えば特開昭６３−２３２
５９１号に提案されている駆動方法がある。

この駆動方法は、撮像素子に蓄積された電荷を読出すた
めのトランスファゲートに、第１１図に示すタイミング
の駆動パルスを印加する。パルスφ。で撮像素子をリセ
ットし、パルスφ１によってｔｌの開館光して蓄積され
た電荷を垂直シフトレジスタへ転送する。次に、ｔ２の
開館光しパルスφ２で垂直シフトレジスタへ転送し、パ
ルスφ、で転送された電荷とパルスφ２で転送された電
荷とを加算する。以後同様にして転送され、パルスφ、
で最後の電荷が転送され垂直シフトレジスタで加算され
た後、その加算値がｔ。の間に素子外へ出力される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、一般に用いられている撮像素子は、撮像
素子の受光部に過剰光量が照射されると飽和ムラ現象が
生じ、いわゆる固定パターンノイズが現れ、このノイズ
成分が加算値に含まれることから、被写体の画像を正確
に復元することができなくなるという問題ある。

すなわち、撮像素子は第１２図に示すように、受光部に
蓄積された電荷はトランスファゲートを介して垂直シフ
トレジスタへ転送されるが、露光期間内に過剰光量によ
って飽和した電荷はオーバーフロードレインに排出され
る。これによって飽和電荷による影響を防いでいる。と
ころが、オーバーフロードレインゲートの高さにはムラ
があるため、実際の飽和値が異なってくる。

そのため、例えば第１１図に示す駆動パルスで駆動した
場合に、ｔ１〜ｔ、の期間露光することにより、飽和す
る画素があるとすると、垂直シフトレジスタにて加算さ
れた加算値は固定パターンノイズ成分を含むこととなる
。

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、高
速の読出しを実現できると共に、読出されたデータに固
定パターンノイズが含まれるのを確実に防止でき、高精
度に画像を復元できる固体撮像素子を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題を解決するために、２次元状に配列さ
れた複数の光電変換素子と、これら複数の光電変換素子
のうち垂直方向に配列された各光電変換素子に蓄積され
る電荷を転送する第１の垂直シフトレジスタと、この第
１の垂直シフトレジスタによって転送される電荷を各画
素毎に一時的に記憶する第２の垂直シフトレジスタと、
この第２の垂直シフトレジスタに順次記憶された電荷を
各画素毎に読出す読出手段と、この読出手段によって読
出された電荷を各画素毎に加算する加算手段と、この加
算手段で得られる加算値を出力バッファへ転送する水平
シフトレジスタとを備えた固体撮像素子において、前記
第１の垂直シフトレジスタによって転送される電荷に含
まれる過剰電荷を除去した後にその転送電荷を前記第２
の垂直シフトレジスタへ出力する信号処理手段を備える
構成とした。

〔作用〕

本発明は以上のような手段を講じたことにより、複数の
光電変換素子に蓄積された電荷が、順次読出され第１の
垂直シフトレジスタを介して信号処理手段に人力し、そ
こで、例えば過剰光量による固定パターンノイズ成分が
含まれている場合には、そのノイズ成分からなる過剰電
荷が除去される。

よって、イズ成分が除去された電荷が第２の垂直シフト
レジスタへ転送されて一時記憶される。この第２の垂直
シフトレジスタから読出手段によって異なる露光時間で
読出された電荷は加算手段によって各画素毎に加算され
てダイナミックレンジが拡大される。このようにしてダ
イナミックレンジが拡大された映像信号が出力バッファ
から出力される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

本実施例は、フレームインターライントランスファ構造
またはフレームトランスファ構造の固体撮像素子に適用
した例であり、第１図に実施例の概念図を示す。

本実施例の固体撮像素子１は、照射光量に応じた電荷が
蓄積される受光部２と、この受光部２に蓄積された電荷
を順次読出すと共に蓄積された電荷を異なる露光時間で
読出すための駆動部３と、過剰電荷をカットするための
スライスレベルが予め設定されていて受光部２が飽和し
たときの固定パターンノイズをスライスした値を出力す
る信号処理部４と、この信号処理回路４の出力を逐次記
憶する蓄積部５と、この蓄積部５から各露光時間で読出
された電荷を加算する加算部６と、この加算部６の加算
値が入力する水平シフトレジスタ７と、この水平シフト
レジスタ７で転送された電荷を映像信号とてして出力す
る出力バッフ７８とを主な構成要素としている。

第２図は実施例の具体的な構成を示す図である。

マトリクス状に配列された複数のフォトセンサ１１と、
これらのフォトセンサ１１の各々に設けられ読出し用の
駆動パルスが印加されるトランスファゲート１２と、垂
直方向に配列された各フォトセンサ１１の個々のトラン
スファゲート１２に沿って設けられフォトセンサ１１か
ら読出された電荷を転送する複数の第１の垂直シフトレ
ジスタ１３とから受光部２を構成している。

各垂直シフトレジスタ１３の一端は、それぞれフローテ
ィング・デイフィージョン・アンプからなる受光部出力
バッフ７１４を介して信号処理回路１５に接続されてい
る。各信号処理回路１５の出力側は第２の垂直シフトレ
ジスタ１６の一端に接続されている。第２の垂直シフト
レジスタ１６は、各フォトセンサ１１から読出された電
荷が画素毎に一時記憶される複数のレジスタからなり、
各レジスタは蓄積部トランスファゲート１７を介して加
算部レジスタ１８に接続されている。加算部レジスタ１
８は、第２の垂直シフトレジスタ１６の各レジスタから
複数回にわたって読出される電荷を順次加算する機能を
有している。各加算部レジスタ１８の一端はそれぞれ水
平シフトレジスタ１９に接続されていて、この水平シフ
トレジスタ１９で転送される電荷は出力バッファ２０か
ら出力される構成となっている。

受光部出力バッファ１４は、第３図に示す構成となって
いる。水平シフトレジスタ電極２１の各々に電圧を印加
して、読出された電荷を入力端に位置する電極２１ａか
ら出力側の電極２１ｃへ転送し、その電荷を出力ゲート
ＯＧを介してフローティング・デイフュージョンＦＤに
導く。このフローティング争デイフュージョンＦＤの電
位は、リセットゲートＲＧに印加されるリセットパルス
によって掃出し用ドレインＤＤと同電位にリセットされ
る。リセットパルスの周期は電荷の転送周期に同期して
いる。フローティング・デイフュージョンＦＤに導かれ
た電荷は出力バッファ２３を介して信号処理回路１５に
出力される。

信号処理回路１５は第４図に示す構成となっている。こ
の信号処理回路１５はその入力端子２４に受光部出力バ
ッファ１４の出力が印加される。

入力端子２４は、２つのトランジスタの互いのコレクタ
およびエミッタを接続してなるスライストランジスタ２
５の一方のベースにクランプコンデンサＣを介して接続
されている。スライストランジスタ２５の他方のベース
には過剰電荷をスライスする時のしきい値となるスライ
スレベルの電圧が印加されている。また、互いに接続さ
れたコレクタには定電圧Ｖｃｃが印加されている。スラ
イストランジスタ２５のエミッタに現われる電位が第２
の垂直シフトレジスタ１６に出力される。なお、信号処
理回路１５ではクランプレベルも設定される。そのため
、クランプトランジスタ２６のベースに第５図（ｂ）に
示すフィードスルークランプパルスが印加され、エミッ
タにクランプレベルの電圧が印加され、コレクタがスラ
イストランジスタ２５のベースに接続されている。

加算部レジスタ１８は、異なる露光時間で順次読出され
る電荷を蓄積するのに十分な容量を有し、その面積は第
２の垂直シフトレジスタ１６のそれよりも大きく設定さ
れていて、印加電圧も大きな値に設定されている。また
、加算部レジスタ１８はその容量を大きくするために、
加算部レジスタ１８を構成しているシリコン基板の不純
物濃度を大きくしている。

次に、この様に構成された本実施例の作用について説明
する。

各フォトセンサ１１に蓄積される電荷は各受光部トラン
スファゲート１２に印加される読出しパルスによって順
次節１の垂直シフトレジスタ１３に読出され、第１の垂
直シフトレジスタ１３によって転送されて受光部出力バ
ッファ１４に入力する。受光部出力バッファ１４に入力
した電荷は電荷転送周期に同期して出力され順次信号処
理回路１５に入力する。信号処理回路１５に入力した信
号は、第５図（ａ）（ｂ）に示すように、入力信号のフ
ィードスルー期間に合わせてクランプトランジスタ２６
のベースにフィードスルークランプパルス（ｂ）が印加
され、フィードスルーレベルがクランプトランジスタ２
６にて設定されているクランプレベルにクランプされる
。この様なりランプはフィードスルーレベルが現れる度
に行われる。この様にしてクランプされた信号は、スラ
イストランジスタ２５によって、スライスレベルでスラ
イスされた後に、第２の垂直シフトレジスタ１６に入力
される。

受光部から全ての電荷が第２の垂直シフトレジスタ１６
へ転送されると、蓄積部トランスファゲート１７に駆動
パルスが印加され、第２の垂直シフトレジスタ１６の電
荷が加算部シフトレジスタ１８へ転送される。

ここで、本実施例では、蓄積部トランスファゲート１７
に第６図に示す駆動パルスが印加される。

なお、第６図に示すｔ。は露光開始時間を示しており、
φ１〜φ、は第２の垂直シフトレジスタ１６の電荷を加
算部シフトレジスタ１８へ転送するための駆動パルスを
示している。その結果、第２の垂直シフトレジスタ１６
に各画素ごとに順次蓄積される電荷は、パルスφ１〜φ
、によって読出され、露光時間の異なる５つの画像が画
素（フォトセンサ）毎に加算部レジスタ１８の各レジス
タへ転送され、そこで加算される。そして、パルスφ１
〜φ、を印加して複数の画像を読出した後の、ｔｏの期
間を使って加算部レジスタ１８から水平シフトレジスタ
１９へ電荷を転送し、出力バッファ２０を介して素子外
へ電荷を転送する。

なお、水平シフトレジスタ１９への電荷の転送は、加算
部レジスタ１８で行われる。水平レジスタ１９で転送さ
れる電荷は出力バッファ２０を介して映像信号として出
力される。

この様な動作により得られる光電変換特性について第７
図を参照して説明する。なお、同図には時間ｔ、から時
間ｔ、の間に行われる光電変換特性について示している
。ｆ１〜ｆ５が各露光時間ｔ１〜ｔ、に対応した光電変
換特性である。したがって、各露光時間ｔ１〜ｔ、で得
られた電荷が各画素毎に加算部レジスタ１８で加算され
て、Ｆ、のような光電変換特性に変換される。このＦｏ
特性は、対数に近似した波形としてもよいし、２乗根の
波形に近似してもよい。

これまでは、露光時間を変えて加算を行っていたが、露
光時間を一定にして加算動作を行ってもよい。つまり、
露光時間を変えずに加算することにより、累加算となり
、ランダムノイズを低減して結果的にダイナミックレン
ジを拡大する事ができる。例えば、４回累加算すること
により、ＪＴ−２倍の広ダイナミツクレンジ化か可能と
なる。この駆動方法を行うと、広ダイナミツクレンジ効
果は少ないが、光電変換特性が直線となり、固体撮像素
子１の出力後の処理回路が簡略化される利点がある。

この様に本実施例によれば、複数のフォトセンサ１１か
ら読出される電荷を信号処理回路１５に入力して、ここ
でクランプレベルを設定すると共に、スライストランジ
スタ２５により過剰電荷をスライスレベルでスライスし
て読出された電荷に含まれている過剰電荷をカットする
ようにしたので、各フォトセンサ１１から読出される電
荷に固定パターンノイズが含まれていてもそのノイズ成
分をカットすることができる。

また、この様にしてノイズ成分がカットされ、かつ露光
時間を異ならせて得られた複数の電荷を加算部レジスタ
１８で各画素毎に加算するようにしたので、ダイナミッ
クレンジを拡大することができる。

その結果、ノイズ成分か含まれずかつダイナミックレン
ジを拡大した映像信号を得ることができ、被写体の輝度
に影響されることなく極めて高精度な画像を得ることが
でき、さらに通常のテレビレートであってもダイナミッ
クレンジの拡大された画像を得ることができる。

さらに、素子内部に設けられた加算部レジスタ１８で、
複数の画像を加算するようにしたので、複数枚の画像を
素子外部に取り出してから加算するのに比べて読出し時
間を大幅に短縮できる。

次に、上記実施例の変形例について説明する。

上記実施例では、受光部出力バッファ１４にフローティ
ング争デイフュージョン−アンプを用いた例を示したが
、１つのポテンシャル井戸で構成す、ることもできる。

受光部出力バッファ１４を１つのポテンシャル井戸で構
成した場合の、受光部出力バッファ１４およびそれに対
応した信号処理回路１５の構成を第８図に示す。この変
形例は、受光部出力バッファ１４と信号処理回路１５と
の間にフローティングドレイン３０を設け、このフロー
ティングドレイン３０に掃き出し用トランスファゲート
３１を介して掃き出し用ドレイン３２を接続している。

第９図は第８図に示すＡ−Ａ線断面図であり、受光部出
力バッファ１４のポテンシャルの状態を示している。な
お、ポテンシャル井戸の深さＰ７ｏを各列毎に一定とな
るように素子を製造する。

このような構成とすることにより、過剰電荷をスライス
するためのスライス回路を高密度にすることができ、素
子の小形化を図ることができる。

また、他の変形例として受光部出力バッファ１４にフロ
ーティング・ゲート・アンプを用いることもできる。

フローティング・ゲート・アンプは直流電圧安定度に優
れ、ノイズが少いため、信号処理回路１５のクランプ回
路を省略できる。

そのため、信号処理回路１５は第１０図に示すようにス
ライス回路４０のみから構成できる。すなわち、受光部
出力バッファ１４内の転送電極３３に印加された電荷は
、転送電極３３ａから３３ｃへ転送されてフローティン
グゲート３４へ導かれる。このフローティングゲート３
４には電極ぢ５により直流バイアス電圧が印加される。

電極３５は信号処理回路のスライス回路４０に接続され
ている。

スライス回路４０は、３つの電界効果トランジスタ４１
，４２．４３からなり、トランジスタ４１と４２の互い
のソースおよびドレインを接続し、一方のトランジスタ
４１のゲートに電極３５が接続され、他方のトランジス
タ４２のゲートにスライスレベルの電圧が印加されてい
る。また、トランジスタ４１．４２の互いに接続されて
いるドレインに電源が接続され、ソース側は出力端子４
４に接続されると共に定電流源を形成している他のトラ
ンジスタ４３に接続されている。

なお、電界効果トランジスタに代えてバイポーラトラン
ジスタを用いることもできるが、ＣＣＤ自体が電界効果
を使用していることから、電界効果トランジスタを使用
することは製造工程を簡略化する点で有利である。

また、以上の説明ではスライスレベルが一定の場合を例
にしているが、露光時間に応じてスライスレベルを変え
てもよ（、この様にすることにより、第６図に示す特性
Ｆ。の自由度を大きくすることができる。よって、駆動
回路を簡略化する場合は、スライスレベルを固定にし、
関数Ｆ。の自由度を大きくしたい時にはスライスレベル
を可変にすることが望ましい。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、高速の読出しを実
現できると共に、読出されたデータに固定パターンノイ
ズが含まれるのを確実に防止でき、高精度に画像を復元
できる固体撮像素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の概念図、第２図は実施例となる固体撮
像素子の構成図、第３図は受光部出力バッファの構成図
、第４図は信号処理回路の構成図、第５図は信号処理回
路の動作説明図、第６図は蓄積部トランスファゲートに
印加される駆動パルスを示す図、第７図は各露光時間に
応じた光電変換特性を示す図、第８図は受光部出力バッ
ファの変形例を示す図、第９図は第８図に示すＡ−Ａ線
断面図、第１０図は他の変形例を示す図、ｆｉｌ１図は
従来の撮像素子に印加されていた駆動パルスを示す図、
第１２図は撮像素子のポテンシャルを示す図である。 １・・・固体撮像素子、２・・・受光部、３・・・駆動
部、４・・・信号処理部、５・・・蓄積部、６・・・加
算部、７．１９・・・水平シフトレジスタ、８，２０・
・・出力バッフ７．１１・・・フォトセンサ、１２・・
・トランスファゲート、１３・・・第１の垂直シフトレ
ジスタ、１４・・・受光部出力バッファ、１５・・・信
号処理回路、１６・・・第２の垂直シフトレジスタ、１
７・・・蓄積部トランスファゲート、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２次元状に配列された複数の光電変換素子と、これら複
   数の光電変換素子のうち垂直方向に配列された各光電変
   換素子に蓄積される電荷を転送する第１の垂直シフトレ
   ジスタと、この第１の垂直シフトレジスタによって転送
   される電荷を各画素毎に一時的に記憶する第２の垂直シ
   フトレジスタと、この第２の垂直シフトレジスタに順次
   記憶された電荷を各画素毎に読出す読出手段と、この読
   出手段によって読出された電荷を各画素毎に加算する加
   算手段と、この加算手段で得られる加算値を出力バッフ
   ァへ転送する水平シフトレジスタとを備えた固体撮像素
   子において、 前記第１の垂直シフトレジスタによって転送される電荷
   に含まれる過剰電荷を除去した後にその転送電荷を前記
   第２の垂直シフトレジスタへ出力する信号処理手段を備
   えたことを特徴とする固体撮像素子。