JPH04122178A - 固体撮像装置 - 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〉 本発明は電荷転送型固体撮像装置に関し、特にその信号
取扱い能力増大技術に関する。

〈従来の技術〉 ２次元固体撮像装置には種々の型のものが知られている
が、ノイズの低さの点でＣＯＤ等の電荷転送型のものが
優れている。またＣＣＤはインターライン転送型とフレ
ーム転送型に大別されるが、高輝度部被写体の上下に生
じる為信号（「スミア」と称する）の少なさやチップサ
イズの小ささの点でインターライン転送型が優れ、現在
最も一般的に採用されている。以下ではインターライン
転送型ＣＯＤの場合を例に取り議論する。

近年ＣＣＤ撮像装置は小型化及び多画素化が急速に進展
しており、これに伴って１画素当りの面積即ちセルサイ
ズは大幅に小さくなってきている。

第４図にインターライン転送型ＣＣＤの１画素分の面積
配分を示す。ここでＰＤは光電変換を行なう受光部、Ｃ
ＣＤは光電変換された電荷を検出部まで転送するための
ＣＣＤ部、ＴＧはＰＤ部で一定期間光電変換され蓄積さ
れた信号電荷をＣＣＤ部へ短期間に読み呂すための移送
部、ｃｓは隣接する他の画素と分離するためのチャネｌ
Ｌ／７トツプ部である。

〈発明が解決しようとする課題〉 第４図よシ推測されるようにセルサイズの縮小は特性面
で以下の問題？生じる。まずＰＤ部面積の縮小は光電変
換領域の縮小となフ感度の低下を招く。次にＰＤ部及び
ＣＣＤ部の面積縮小は各々での最大取扱い電荷！Ｑｍａ
ｘ（ＰＤ）　、　Ｑｍａｘ（ＣＯＤ）を低下させる。信
号電荷がこれらの値を越えると当該題素内に留まること
ができず溢れることになるが、ＣＣＤ部で溢れるよｔ）
ＰＤ部で溢れる方が画像として見苦しいため、通常Ｑｍ
ａｘ（ＰＤ）＞Ｑｍａｘ　（ＣＣＤ）となるよう設計さ
れる。この場合Ｑｍａｘ（ＣＣＤ）が取扱い電荷量の指
標となる。

第５図にセルサイズと感度及び取扱い電荷量の関係を示
す。セルサイズを縮小した場合、Ｃ８部等一定の無効領
域があること及び２次元効果により、感度、取扱い電荷
量ともに比例の場合より急激に低下する。最近ＣＣＤ受
光部の上にマイクロレンズを形成し、実効的な光電変換
領域を拡大する技術が用いられるようになってきた。こ
の場合、感度に寄与しないセル内無効領域を小さく抑え
ることが可能になり、セルサイズが小さい程マイクロレ
ンズの効果は大きくなる。一方、ＰＤ部及びＣＣＤ部の
容量増大を図ることは一般に駆動電圧の上昇を招くため
、駆動条件一定のもとでは種々の条件の最適化によりわ
ずかな改善が期待できる程度である。第５図において、
セルサイズｋ　Ｃｒから０２に縮小した場合、感度はマ
イクロレンズの採用によりＡ１−Ａ２と同程度に保つこ
とが可能であるが、取扱い電荷量の改善はあまり期待で
きず、Ｂｌ−＋Ｂ２とかなり低下する。取扱い電荷量の
低下はダイナミックレジジの低下となり、画像の深みｇ
ｔ−劣化させることになる。

く課題を解決するための手段〉 本発明は以上のような問題点に鑑みて考案されたもので
、以下のような特徴を備える。２次元電荷転送型置体撮
像装置において、ｎをｌより大きい整数として、当該固
体撮像装置の読み出し速度を標準の読み出し速度のｎ倍
とし、読み出された信号を同一画素同士の組合せでｎ回
加算してメモリに記録し、当該メモリから標準の読み出
し速度で読み出すことにより、撮像装置の信号取扱い能
力を実質的に高める。ここで、標準の読み出し速度は放
送用ＴＶ規格に一致させるのが一般的には望ましい。

く作　用〉 ＣＣＤ型固体撮像素子では読み出し速度を通常の数倍程
度に高めても取扱い電荷量を規定するＰＤ部容量及びＣ
ＣＤ部容量はあまり劣化しない。特に素子の小型化が進
む程ゲート電極の負荷容量は小さくなるから、増々高速
駆動に有利となる。

ＣＣＤ撮像素子に前記手段を講じると、信号の時間密度
は一挙にｎ倍近く高められる。従って、これをメモリヲ
用いて通常の時間密度に戻せば、１画素相当の取扱い電
荷量ｌｉｎ倍近くに高められる。

く実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳ＭＫ説明する。

第１図は本発明の一実施例をタイミング図で示したもの
である。以下では原論を容易にするため撮像素子はイン
ターライン転送型ＣＣＤとし、またフィールド蓄積モー
ドとする。即ち撮像素子の水平画素列を読み出しの早い
側からｌ　１．１２゜１３、・・・とすると、通常の駆
動モードでは奇数フィールド読出し時（ｔｏ　）にはｌ
　ｒ　十１２　、ｌ　ｓ　十１４　。

・・・のように上下２画素加算して読出すよう読出しパ
ルス（φＴ）がオンとなり、偶数フィールド読出し時（
ｔＥ）には、ｌ　２　＋　ｌ　３　、　ｌ　４　＋ｌ　
ｓ　、・・・のように上下２画素加算して読出すよう読
出しパルス（φＴ）がオンとなる。しかし、本発明が問
題とするのは取扱い電荷量が問題となる高照度撮像時で
ある。まず奇数フィールドではｇｔ＋１２．ｇ３十１４
、・・・のように上下２画素ぶ算して読出すのはｔ□、
、　　ｔ□、＋　・・・、　　ｔ＋）Ｈ（第１図ではｎ
＝４）と１回繰返し行なわれ、検出部への電荷転送もそ
れに伴って通常よりｎ倍速くｌフィールド内にｎ回読呂
される。１回繰返される画素情報はメモリと加算器を用
いて同一画素同士ｎ回加算されてメモリＭＩＫ記録され
るようにする。偶数フィールドでも同じように、ｌ　２
＋　１３　、　　ｌ　ａ　＋　ｌ　ｓ　、・・・のよう
に上下２画素ｍ算して読出されるのはｊ　Ｅｌ　、　　
ｊＥ２　＊・・・　ｔＨｎとｎ回行なわれ、これら８回
の画素情報がメモリと加算器により同一画素同士０回ｍ
算されでメモリＭ２に記録される。メモリからの読出し
は、Ｍｌに加算書込みが行なわれている奇数フィールド
期間中はＭ２から行なわれ、Ｍ２に加算書込みが行なわ
れている偶数フィールド期間中はＭｌから行なわれる。

また、これら読出しの速度は第１図に示すように通常の
読出し速度であるため、各画素情報はｎ回加算されたも
のとなる。即ち撮像素子の最大取扱い電荷量は冥質的に
ｎ倍に増大されることになる。なお低照度撮像時にはｎ
＝１とした方が良いが、これについては第３図において
後述する。またメモ！ＪＭ１．Ｍ２は原理的にはアナロ
グでもディジタルでもいずれでも可能である。

第２ｏは第１歯を具体的に実現するための回路１０ツク
図を示したものである。ここではメモリＭ１．Ｍ２はデ
ィジタルの場合を例に取る。ＣＣＤ撮像素子ＣＣＤから
通常のｎ倍の速さで読出さｎた高力信号はアンプＡＭＰ
により適当な電圧に変換された後、Ａ／Ｄ変換話Ａ／Ｄ
によりディジタル化される。第１図ｔ。１で読出された
信号は一度メモリＭ１へ記録される。この信号はＴ　ｏ
／　ｎ期間後呼出されｔ。２で読み出された信号と加算
器ＡＤＤで同一画素同士加算された後、再後メモリＭ１
へ記録される。以下、ｔ０３．・・・、ｔｏｎで読出さ
れた信号に対しても同様の操作が行なわれる。

結局、最終的にメモリＭ１に記録されるのはｔｏｌ。

ｔｏ２．・・・　ｔｏｎ各々で読出された信号のｍＸ値
である。同様のことがｊＥ＋、ｊＥ２．・・・＋ｔＨｎ
に対して行なわれメモ’ＪＭ２にｎ回加算された信号が
記録される。次に、奇数フィールドではメモリＭ２から
、偶数フィールドではメモ’ＪＭＩから通常の読出し速
度で読出され、Ｄ／Ａ変換器Ｄ／りｔ−介して最大取扱
い電荷量がｎ倍に高められたアナログ８力信号Ａが出力
される。なおＣＣＤの駆動は通常のｎ倍と高速のため［
Ａ／Ｄ変換〕→〔メモリからの読出し〕→［信号加算］
→〔メモリへの格納〕を高速で行なう必要が生じる。従
って、この部分ｋｒｎ個（例えばｍ＝ｎ）のパラレル処
理とし、処理速度１／ｍに下げることが有効である。以
上のシステムはＣＣＤ撮像素子の駆動と連係して行なう
必要があり、第２図の場合中央演算処理装置ＣＰＵが制
御している。ＴＧはタイミング発生回路、ＤＲはドライ
バである。

次に本発明による性能改善を議論する。横軸に光量（対
数スケ−／Ｉ／）、縦軸に出力（対数スケール）を取り
、信号と各種ノイズ全プロットすると第３図のようにな
る。ここで、感度ムラノイズは画素毎の感度ばらつきに
起因し、信号に比例する為、高照度時に問題となる。光
電変換ノイズは光電変換に原理的に伴なうショットノイ
ズで、信号の平方根に比例する為、中間照度時に問題と
なる。

また、出力部ノイズは主に検出部のリセットノイズと出
力アンプノイズで構成され、信号に依存しない一定量と
なる為、低照度時に問題となる。さて、撮像素子の最大
取扱い信号量を８１とすると、本発明によりこれはシス
テム全体ではｎｓｌにまでなり、ｎ倍より小さい。従っ
てダイナミックレンジは拡大される。−万、低照度にお
ける感度を考えると、本発明を用いても積分期間は変ら
ないため信号量は変化しない。−万、ノイズの方は低照
度で感度ムラは無視できるが、出力部ノイズは加算操作
により増大するから全体として　（ＮＡ２）”＋（ＮＳ
２）”−からψ’、ＪＦＶ　ＮＡ２）’＋　（ＮＳ２）
”　へ増大する。従って低照度時にはｎ＝１、即ち加算
処理を行なわない方が望ましい。

〈発明の効果〉 以上述べてきたように、本発明によれば、撮像素子の構
造には特に手を加えなくても撮像システム全体のダイナ
ミックレンジを容易に拡大できる。

殊に今後撮像システムがデジタル化に進む方向にあり、
この場合本発明の実現は容易なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一冥施例を示すタイミング図第２図は
第１図を実現するための一例を示す回路ブロック図、第
３０は本発明による性能改善を説明するための図、第４
図は従来−船釣に用いられているＣＣＤ型固体撮像素子
の一画素内面積配分を示した図、第５図は第４図に示す
撮像素子におけるセルサイズと感度及び取扱い電荷量の
関係？示した図である。 符号の説明 ＣＣＤ　：　ＣＣＤ撮像素子、　ＡＭＰ　：アンプ、Ａ
／ｌ）　：　Ａ／Ｄ変換器、　Ｍｌ、Ｍ２：メモリ、Ａ
ＤＤ　：加算器、　Ｄ／Ａ　：　Ｄ／Ａ変換器、ＣＰＵ
：中央演算処理装置、　ＴＧ：タイミング発生回路、　
　ＤＲ：ドライバ、　Ａ：アナログ出力信号。 代理人　弁理士　　梅　１）　勝（他２名）蘂 図 第３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、平面上に一定の繰返し周期で配置された複数の受光
   画素からの信号を電荷転送により読み出す固体撮像装置
   において、 ｎを１より大きい整数として、当該固体撮像装置の読み
   出し速度を標準の読み出し速度のｎ倍とし、読み出され
   た信号を同一画素同士の組合せでｎ回加算してメモリに
   記録し、当該メモリから標準の読み出し速度で読み出す
   ことにより、撮像装置の信号取扱い能力を実質的に高め
   たことを特徴とする固体撮像装置。