JPH06197283A

JPH06197283A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH06197283A
Application number: JP43A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Yanai; 敏和柳井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】フレームインターライン型固体撮像素子のダ
イナミックレンジを拡大できるようにすることを目的と
する。【構成】水平および垂直に配列された複数の画素１に
蓄積されている電荷を電荷読み出し手段Ｂでもって複数
の垂直電荷転送素子２に読み出すときに、上記電荷読み
出し手段Ｂに加えられる制御信号により読み出されるこ
となく上記画素１に残る電荷量を制御することにより、
露光量／出力の特性にＫｎｅｅ特性（γ特性）を持た
せ、感度調整を行うことができるようにするとともに、
ダイナミックレンジを拡大できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置に係わ
り、特に、フレームインターライン型固体撮像素子を用
いて、感度調整やダイナミックレンジを拡大する固体撮
像装置に用いて好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】図３０に、フレームインターライン型固
体撮像素子の概略図を示す。図３０において、１は画
素、２は垂直電荷転送素子、３は蓄積用電荷転送素子、
４は水平電荷転送素子、５は出力部となっている。

【０００３】このように構成された固体撮像素子におい
て、画素１で光電変換された信号電荷は、垂直電荷転送
素子２に送られ、四相駆動パルスφＩ１、φＩ２、φＩ
３およびφＩ４により蓄積用電荷転送素子３へ送られ
る。そして、四相駆動パルスφＳ１、φＳ２、φＳ３お
よびφＳ４により水平電荷転送素子４の方向へ順に転送
される。

【０００４】水平電荷転送素子４は、垂直電荷転送素子
２から転送されてきた水平１列分の信号電荷を二相駆動
パルスφＨ１およびφＨ２により出力回路５に転送す
る。出力回路５に転送された水平１列分の信号電荷は、
ここで電圧に変換されて外部に出力される。

【０００５】図３１は、従来の固体撮像素子の露光量に
対する出力特性を示している。図３１において、６は飽
和出力レベルを示し、７は飽和露光量をしている。図３
１に示したように、固体撮像素子の出力は、飽和出力レ
ベル６まで露光量と出力とが比例する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
固体撮像素子においては、露光量と出力とが比例して、
低い露光量で出力が飽和してしまうため、ダイナミック
レンジが小さいという問題点があった。本発明は上述の
問題点にかんがみ、固体撮像素子のダイナミックレンジ
を拡大できるようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置
は、水平および垂直に配列された複数の画素と、垂直画
素列毎に設けられていて垂直方向に電荷を転送する複数
の垂直電荷転送素子と、上記複数の垂直電荷転送素子の
一方に延在され、上記複数の垂直電荷転送素子と少なく
とも同じ数の転送段を持つ複数の蓄積用電荷転送素子
と、上記複数の蓄積用電荷転送素子の一端部側に接続さ
れ、上記複数の蓄積用電荷転送素子から転送される電荷
を水平方向に転送する水平電荷転送素子と、上記水平電
荷転送素子により転送される電荷を電気信号に変換する
出力回路とを備えている固体撮像素子、および光電変換
された電荷を各画素に蓄積するとともに、蓄積可能な電
荷量を制御する蓄積電荷量制御装置を備えた固体撮像装
置において、上記蓄積電荷量制御装置が、上記複数の画
素に蓄積されている電荷を上記複数の垂直電荷転送素子
に読み出す電荷読み出し手段と、上記電荷読み出し手段
に加えられる制御信号により読み出されることなく画素
に残る電荷量を制御する残留電荷制御手段と、上記電荷
読み出し手段に加えられる制御信号を水平ブランキング
期間に加える第１の加算手段と、上記水平および垂直に
配列された複数の画素のうち、水平画素列を奇数列と偶
数列とに分け、それぞれ上記電荷読み出し手段に第１の
制御信号および第２の制御信号を加える第２の加算手段
とを具備している。

【０００８】また、本発明の他の特徴とするところは、
水平および垂直に配列された複数の画素と、垂直画素列
毎に設けられていて垂直方向に電荷を転送する複数の垂
直電荷転送素子と、上記複数の垂直電荷転送素子の一方
に延在され、上記複数の垂直電荷転送素子と少なくとも
同じ数の転送段を持つ複数の蓄積用電荷転送素子と、上
記複数の蓄積用電荷転送素子の一端部側に接続され、上
記複数の蓄積用電荷転送素子から転送される電荷を水平
方向に転送する水平電荷転送素子と、上記水平電荷転送
素子により転送される電荷を電気信号に変換する出力回
路とを備えている固体撮像素子、および光電変換された
電荷を各画素に蓄積するとともに、蓄積可能な電荷量を
制御する蓄積電荷量制御装置を備えた固体撮像装置にお
いて、上記蓄積電荷量制御装置が、上記複数の画素に蓄
積されている電荷を上記複数の垂直電荷転送素子に読み
出す電荷読み出し手段と、上記電荷読み出し手段に加え
られる制御信号により読み出されることなく画素に残る
電荷量を制御する残留電荷制御手段と、上記電荷読み出
し手段に加えられる制御信号を水平ブランキング期間に
加える第１の加算手段と、上記水平および垂直に配列さ
れた複数の画素のうち、水平画素列を奇数列と偶数列と
に分け、それぞれ上記電荷読み出し手段に第１の制御信
号および第２の制御信号を加える第２の加算手段と、上
記固体撮像素子に入射する光を遮断する入射光遮断手段
とを備えている。

【０００９】また、本発明のその他の特徴とするところ
は、水平および垂直に配列された複数の画素と、垂直画
素列毎に設けられ垂直方向に電荷を転送する複数の垂直
電荷転送素子と、上記複数の垂直電荷転送素子の一方に
接続され、上記複数の垂直電荷転送素子から転送される
電荷を水平方向に転送する水平電荷転送素子と、上記水
平電荷転送素子により転送される電荷を電気信号に変換
する出力回路とを備えた固体撮像素子であって、光電変
換された電荷を画素に蓄積可能であるとともに、蓄積可
能な電荷量を制御する蓄積電荷量制御装置を備えた固体
撮像装置において、上記蓄積電荷量制御装置が、上記複
数の画素に蓄積されている電荷を上記複数の垂直電荷転
送素子に読み出す電荷読み出し手段と、上記電荷読み出
し手段に加えられる制御信号により読み出されることな
く画素に残る電荷量を制御する残留電荷制御手段と、上
記電荷読み出し手段に加えられる制御信号を水平ブラン
キング期間に加える加算手段と、上記固体撮像素子に入
射する光を遮断する入射光遮断手段とを備えている。

【００１０】

【作用】本発明は上述の技術手段よりなるので、フレー
ムインターライン型固体撮像素子において、電荷読出手
段に加える制御信号によって読み出されることなく画素
に残る電荷量を制御して、露光量／出力の特性にＫｎｅ
ｅ特性（γ特性）を持たせることにより、感度調整を行
うことや、ダイナミックレンジを拡大したりすることが
可能となる。

【００１１】

【実施例】次に、添付図面に従って本発明の固体撮像装
置の実施例を説明する。図１は、第１の実施例を示す固
体撮像装置の概略構成図である。図１に示したように、
本実施例の固体撮像装置は水平および垂直に複数の画素
１が配列されている。

【００１２】そして、これらの複数の画素１によって生
成される信号電荷を垂直方向に転送するために、垂直画
素列毎に垂直電荷転送素子２が設けられている。また、
これらの垂直電荷転送素子３の一方には、各垂直電荷転
送素子２と少なくとも同じ数の転送段を持つ蓄積用電荷
転送素子３が延在されている。

【００１３】一方、これらの複数の蓄積用電荷転送素子
３の一端部側には、各蓄積用電荷転送素子３から転送さ
れる電荷を水平方向に転送するための水平電荷転送素子
４が接続されている。また、水平電荷転送素子４の出力
側の端部には水平電荷転送素子４によって転送される電
荷を電気信号に変換して出力するための出力回路５が設
けられている。

【００１４】このように構成された固体撮像素子の動作
を制御するために、本実施例の固体撮像装置において
は、図１に示したように、蓄積電荷量制御装置Ａに電荷
読出手段Ｂ、残留電荷制御手段Ｃ、第１の加算手段Ｄ、
第２の加算手段Ｅ等の各手段を設けている。

【００１５】電荷読出手段Ｂは、複数の画素１に蓄積さ
れている電荷を複数の垂直電荷転送素子２に読み出すた
めに設けられている。また、残留電荷制御手段Ｃは、電
荷読出手段Ｂに加えられる制御信号により読み出される
ことなく画素１に残る電荷量を制御するために設けられ
ているものである。

【００１６】第１の加算手段Ｄは、電荷読出手段Ｂに加
えられる制御信号を水平ブランキング期間に加えるため
に設けられているものである。また、第２の加算手段Ｅ
は水平および垂直に配列された複数の画素１のうち、水
平画素列を奇数列と偶数列とに分け、電荷読出手段Ｂに
第１の制御信号および第２の制御信号をそれぞれ加える
ために設けられているものである。

【００１７】図２および図３は、第１の実施例を動作を
説明するための図であり、図２は、本実施例における上
記固体撮像素子を用いた撮像期間のタイミングチャート
を示している。

【００１８】図２において、ＶＤは垂直同期信号で垂直
ブランキング期間を“Ｌ”電位で示している。また、Ｈ
Ｄは水平同期信号で水平ブランキング期間を“Ｌ”電位
で示している。また、φＩ１、φＩ２、φＩ３およびφ
Ｉ４は垂直電荷転送素子２の四相駆動パルスを示し、φ
Ｓ１、φＳ２、φＳ３およびφＳ４は蓄積用電荷転送素
子３の四相駆動パルスを示している。さらに、φＨ１お
よびφＨ２は、水平電荷転送素子４の二相駆動パルスを
示している。

【００１９】次いで、１１は水平画素列のうち奇数列の
画素の信号電荷を、垂直電荷転送素子２に読み出すため
の第１の電荷読み出しパルス、１２は水平画素列のうち
偶数列の画素の信号電荷を垂直電荷転送素子２に読み出
すための第２の電荷読み出しパルス、１５は第１の電荷
読み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１
２を加える前に、垂直電荷転送素子２に残っている不要
電荷を掃き出すための高速駆動パルス、１６は垂直電荷
転送素子２に読み出された信号電荷を蓄積用電荷転送素
子３に高速で転送するためのフレーム転送パルスであ
る。

【００２０】図３（Ａ）は、図２の（Ａ）の期間を拡大
したものであり、水平ブランキング期間中に加えられ、
水平画素列のうち奇数列の画素に蓄積する電荷量を制御
する第１の制御信号１３、および水平画素列のうち偶数
列の画素に蓄積する電荷量を制御する第２の制御信号１
４を示している。

【００２１】この第１の実施例においては、第１の制御
信号１３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電
荷読み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス
１２の振幅よりも小さくなっている。これにより、画素
１の飽和は、電荷読み出しパルスを加えたときに決定さ
れる第１の飽和電荷量と、第１の制御信号１３および第
２の制御信号１４を加えたときに決定される第２の飽和
電荷量の２段階に設定される。

【００２２】図３（Ｂ）は、図２の（Ｂ）の期間を拡大
したもので、垂直電荷転送素子２および上記蓄積用電荷
転送素子３に加える１転送分の四相駆動パルスを示して
いる。この場合、ある垂直走査期間において、（Ａ）の
状態の時、水平ブランキング期間中に第１の制御信号１
３および第２の制御信号１４が加えられる。この時、第
１の制御信号１３および第２の制御信号１４を加えた時
に画素１に残る第２の飽和電荷量以上の電荷は不要電荷
として垂直電荷転送素子２に転送される。

【００２３】次に、第１の制御信号１３および第２の制
御信号１４を加え終わった後は、１画素毎光電変換され
た電荷が、第２の飽和電荷量に加算されて第１の飽和電
荷量になるまで画素１に蓄積する。それから、垂直電荷
転送素子２中の不要電荷を掃き出すための高速駆動パル
ス１５が加えられる。その後、信号電荷は第１の電荷読
み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２
により垂直電荷転送素子２に送られ、上下に奇数偶数の
順番の２画素づつが加算される。

【００２４】次に、フレーム転送パルス１６により、蓄
積用電荷転送素子３へ高速に転送され、水平電荷転送素
子４および出力回路５を経て出力される。さらに、次の
垂直走査期間においては、上下に偶数奇数の順番の２画
素づつが加算されて転送される。図４は、本実施例にお
ける固体撮像素子の露光量に対する出力特性を示したも
ので、２２の点線が、第１の制御信号１３および第２の
制御信号１４を加えなかった場合の出力で、２１は第１
の制御信号１３および第２の制御信号１４を加えた場合
の出力を示している。

【００２５】この特性は、ｋｎｅｅ特性として知られて
いるもので、本実施例により、フレームインターライン
型固体撮像素子を用いてダイナミックレンジを拡大する
ことが可能であることが分かる。

【００２６】図５は、第２の実施例を表し、第１の実施
例と同じ構成の固体撮像装置を用いたタイミングチャー
トを示している。本実施例においても、第１の制御信号
１３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷読
み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２
の振幅より小さくなっている。

【００２７】これにより、画素１の飽和は、電荷読み出
しパルスを加えたときに決定される第１の飽和電荷量
と、第１の制御信号１３および第２の制御信号１４を加
えたときに決定される第２の飽和電荷量の二段階に設定
される。さらに、本実施例においては一回の撮像期間内
の第１の制御信号１３の数が第２の制御信号１４の数よ
り多くなっている。

【００２８】図６は、図３０に示した固体撮像素子上に
設けられた色フィルタの配列を示したもので、水平画素
列のうち奇数列の画素に対応する色フィルタは、イエロ
ー（Ｙｅ）・シアン（Ｃｙ）列で、偶数列の画素に対応
する色フィルタは、マゼンダ（Ｍｇ）・グリーン（Ｇ）
列である。

【００２９】また、図７は、イエロー・シアン列とマゼ
ンダ・グリーン列の露光量に対する出力特性を示したも
ので、２３および２５は、それぞれ、第１の制御信号１
３を加えた場合と加えなかった場合のイエロー・シアン
列の出力特性を示している。また、２４および２６は、
それぞれ、第２の制御信号１４を加えた場合と加えなか
った場合のマゼンダ・グリーン列の出力特性を示してい
る。

【００３０】一般に、マゼンダ・グリーン列よりイエロ
ー・シアン列の方が感度が高いので、飽和露光量はイエ
ロー・シアン列の出力特性２５で決まってしまう。本実
施例では、第１の制御信号１３の数を第２の制御信号１
４の数より多くすることで、イエロー・シアン列の感度
を低くしているので、図７に示したように、出力が飽和
する時の露光量を大きくすることができる。このよう
に、色フィルタの特性に合わせた感度に設定すること
で、ダイナミックレンジを拡大することが可能であるこ
とが分かる。

【００３１】図８は、第３の実施例を表し、第１の実施
例と同じ構成の固体撮像装置を用いたタイミングチャー
トを示している。本実施例においては、上下２画素づつ
の加算出力ではなく、水平画素列のうち奇数列の画素の
信号電荷と偶数列の画素の信号電荷を別々に出力させ
る。

【００３２】そのため、奇数列の画素の信号電荷を読み
出す撮像期間には、偶数列の画素の信号電荷を全て垂直
電荷転送素子２に読み出し、偶数列の画素の信号電荷を
読み出す撮像期間には、奇数列の画素の信号電荷を全て
垂直電荷転送素子２に読み出すことのできるような振幅
の第３の制御信号１８を水平ブランキング期間に加え
る。

【００３３】本実施例においては、第３の制御信号１８
の振幅を、第１の電荷読み出しパルス１１および第２の
電荷読み出しパルス１２と同じにしている。まず、ある
垂直走査期間において、水平画素列のうち奇数列の画素
を、第１の実施例と同じように露光した後、垂直電荷転
送素子２中の不要電荷を掃き出すための高速駆動パルス
１５を加える。

【００３４】その後、水平画素列のうち奇数列の画素の
信号電荷を読み出す第１の電荷読み出しパルス１１のみ
を加え、信号電荷を垂直電荷転送素子２に送り、フレー
ム転送パルス１６により、蓄積用電荷転送素子３へ高速
に転送し、水平電荷転送素子４および出力回路５を経て
出力する。

【００３５】さらに、次の垂直走査期間においては、水
平画素列のうち偶数列の画素を、第１の実施例と同じよ
うに露光した後、再度高速駆動パルス１５を加え、偶数
列の画素の信号電荷を読み出す第２の電荷読み出しパル
ス１２のみを加え、信号電荷を垂直電荷転送素子２に送
り出力する。これにより、図４と同じ出力特性が得ら
れ、フレームインターライン型固体撮像素子を用いて垂
直方向の解像度を高めた状態で、ダイナミックレンジを
拡大することが可能であることが分かる。

【００３６】図９は、第４の実施例を表し、第２の実施
例と同じ構成の固体撮像装置を用いたタイミングチャー
トを示している。また、図１０は、本実施例の固体撮像
素子上に設けられた色フィルタの配列を示したもので、
水平画素列のうち奇数列の画素に対応する色フィルタ
は、グリーン（Ｇ）列で、偶数列の画素に対応する色フ
ィルタは、レッド（Ｒ）・ブルー（Ｂ）列である。

【００３７】図１１は、グリーン列とレッド・ブルー列
の露光量に対する出力特性を示したもので、２７および
２９は、それぞれ、第１の制御信号１３を加えた場合と
加えなかった場合のグリーン列の出力特性を示してい
る。また、２８および３０は、それぞれ、第２の制御信
号１４を加えた場合と加えなかった場合のレッド・ブル
ー列の出力特性である。

【００３８】一般に、レッド・ブルー列よりグリーン列
の方が感度が高いので、飽和露光量は、グリーン列の出
力特性２９で決まってしまう。本実施例でも、第１の制
御信号１３の数を第２の制御信号１４の数より多くする
ことで、グリーン列の感度を低くしているので、図１１
のように、出力が飽和する時の露光量を大きくすること
ができる。このように、色フィルタの特性に合わせた感
度に設定することができるとともに、垂直方向の解像度
を高めた状態でも、ダイナミックレンジを拡大すること
が可能であることが分かる。

【００３９】図１２は、第５の実施例を表し、第１の実
施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像期間
のタイミングチャートを示している。第１の制御信号１
３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷読み
出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２の
振幅より小さくなっているとともに、始め大きく次が小
さい二段階に設定されている。

【００４０】これにより、画素１の飽和は、電荷読み出
しパルスを加えたときに決定される第１の飽和電荷量
と、第１の制御信号１３および第２の制御信号１４を加
えたときに決定される第２の飽和電荷量、および第３の
飽和電荷量の三段階に設定される。

【００４１】この時の固体撮像素子の露光量に対する出
力特性を示したものが図１３であり、フレームインター
ライン型固体撮像素子を用いた静止画の撮像において
も、より適切なｋｎｅｅ特性の制御と、ダイナミックレ
ンジの拡大が可能であることが分かる。また、本実施例
は、第２の実施例のタイミングチャートにおいても適用
できる。

【００４２】図１４は、第６の実施例を表し、第１の実
施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像期間
のタイミングチャートを示している。第１の制御信号１
３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷読み
出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２の
振幅より小さくなっているとともに、始めは大きく途中
から次第に小さくなり、最後にはなくなるように設定さ
れている。

【００４３】これにより、画素１の飽和は、第２の飽和
電荷量から第１の飽和電荷量へと次第に大きくなるよう
に設定されていることになる。この時の固体撮像素子の
露光量に対する出力特性を示したものが図１５であり、
この特性は、ガンマ特性として知られているものであ
る。これにより、フレームインターライン型固体撮像素
子を用いた静止画の撮像においても、ダイナミックレン
ジを拡大することが可能であることが分かる。また、本
実施例は、第２の実施例のタイミングチャートにおいて
も適用できる。

【００４４】次に、図１６、図１７および図１８に従っ
て第７の実施例を説明する。図１６は、この第７の実施
例の固体撮像装置の概略構成を示している。図１６から
明らかなように、この固体撮像装置は図１に示した第１
の実施例の固体撮像装置の蓄積電荷量制御装置Ａに、入
射光遮断手段Ｆを設けたものである。

【００４５】入射光遮断手段Ｆは、固体撮像素子に入射
する光を遮断するために設けられたものであり、入射光
遮断手段Ｆを設けることによりフレームインターライン
型固体撮像素子を用いた静止画の撮像においても感度調
整やダイナミックレンジを良好に拡大することができ
る。

【００４６】次に、図１７および図１８に従って第７の
実施例を説明する。図１７は、本実施例における固体撮
像素子を用いた一回の撮像期間のタイミングチャートを
示している。また、図１８（Ａ）は、図１７の（Ａ）の
期間を拡大したもので、水平ブランキング期間中に加え
られ、水平画素列のうち奇数列の画素に蓄積する電荷量
を制御する第１の制御信号１３および水平画素列のうち
偶数列の画素に蓄積する電荷量を制御する第２の制御信
号１４を示している。

【００４７】本実施例においては、第１の制御信号１３
および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷読み出
しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２の振
幅より小さくなっている。これにより、画素１の飽和
は、電荷読み出しパルスを加えたときに決定される第１
の飽和電荷量と第１の制御信号１３、および第２の制御
信号１４を加えたときに決定される第２の飽和電荷量の
二段階に設定される。

【００４８】図１８（Ｂ）は、図１７の（Ｂ）の期間を
拡大したもので、垂直電荷転送素子２および蓄積用電荷
転送素子３に加える一転送分の四相駆動パルスを示して
いる。まず、シャッタが開状態の時、画素１に光電変換
した信号電荷が蓄積する。そして、（Ａ）の状態の時、
水平ブランキング期間中に第１の制御信号１３および第
２の制御信号１４が加えられる。

【００４９】この時、第１の制御信号１３および第２の
制御信号１４を加えた時に画素１に残る第２の飽和電荷
量以上の電荷は、不要電荷として垂直電荷転送素子２に
転送される。次に、第１の制御信号１３および第２の制
御信号１４を加え終わった後は、以後光電変換された電
荷が第２の飽和電荷量に加算されて第１の飽和電荷量に
なるまで画素１に蓄積する。

【００５０】それから、シャッタが閉状態となり、垂直
電荷転送素子２中の不要電荷を掃き出すための高速駆動
パルス１５が加えられる。その後、水平画素列のうち奇
数列の画素の信号電荷を読み出す第１の電荷読み出しパ
ルス１１のみを加え、信号電荷を垂直電荷転送素子２に
送る。そして、フレーム転送パルス１６により、蓄積用
電荷転送素子３へ高速に転送し、水平電荷転送素子４お
よび出力回路５を経て出力する。

【００５１】この時、偶数列の画素の信号電荷は、画素
１に蓄積されたままになっている。次に、再度高速駆動
パルス１５を加えた後、偶数列の画素の信号電荷を読み
出す第２の電荷読み出しパルス１２のみを加える。ま
た、信号電荷を垂直電荷転送素子２に送り、フレーム転
送パルス１６により、蓄積用電荷転送素子３へ高速に転
送し、水平電荷転送素子４および出力回路５を経て出力
する。本実施例における固体撮像素子の露光量に対する
出力特性は、図４に示したようになる。

【００５２】次に、図１９に従って本発明の第８の実施
例を説明する。図１９は、第７の実施例と同じ構成の固
体撮像装置を用いた一回の撮像期間のタイミングチャー
トを示している。本実施例においても、第１の制御信号
１３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷読
み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２
の振幅より小さくなっている。

【００５３】これにより、画素１の飽和は、電荷読み出
しパルスを加えたときに決定される第１の飽和電荷量と
第１の制御信号１３および第２の制御信号１４を加えた
ときに決定される第２の飽和電荷量の二段階に設定され
る。さらに、一回の撮像期間内の第１の制御信号１３の
数が、第２の制御信号１４の数より多くなっている。

【００５４】また、本実施例でも、第１の制御信号１３
の数を第２の制御信号１４の数より多くすることで、グ
リーン列の感度を低くしているので、図１１に示したよ
うに、出力が飽和する時の露光量を大きくすることがで
きる。このように、静止画像として垂直方向の解像度を
高めた状態でも、色フィルタの特性に合わせた感度に設
定することができるので、ダイナミックレンジを拡大す
ることが可能であることが分かる。

【００５５】図２０は、第９の実施例を表し、第７の実
施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像期間
のタイミングチャートを示している。第１の制御信号１
３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷読み
出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２の
振幅より小さくなっているとともに、始め大きく次が小
さくなるような二段階に設定されている。

【００５６】これにより、画素１の飽和は、電荷読み出
しパルスを加えたときに決定される第１の飽和電荷量
と、第１の制御信号１３および第２の制御信号１４を加
えたときに決定される第２および第３の飽和電荷量の三
段階に設定される。この時の固体撮像素子の露光量に対
する出力特性を示したものが図１３であり、フレームイ
ンターライン型固体撮像素子を用いた静止画の撮像にお
いても、より適切なｋｎｅｅ特性の制御と、ダイナミッ
クレンジの拡大が可能であることが分かる。また、本実
施例は、第８の実施例のタイミングチャートにおいても
適用できる。

【００５７】図２１は、第１０の実施例を表し、第７の
実施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像期
間のタイミングチャートを示している。第１の制御信号
１３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷読
み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２
の振幅より小さくなっているとともに、始め大きく途中
から次第に小さくなり最後にはなくなるように設定され
ている。

【００５８】これにより、画素１の飽和は、第２の飽和
電荷量から第１の飽和電荷量へと次第に大きくなるよう
に設定されていることになる。この時の固体撮像素子の
露光量に対する出力特性を示したものが図１５である。
また、本実施例は、第８の実施例のタイミングチャート
においても適用できる。

【００５９】次に、図２２、図２３および図２４に従っ
て第１１の実施例を説明する。図２２は、第１１の実施
例の固体撮像装置の概略構成を示している。図１６から
明らかなように、この固体撮像装置は図１に示した第１
の実施例の固体撮像装置の蓄積電荷量制御装置Ａに、電
荷読出手段Ｂ、残留電荷制御手段Ｃ、入射光遮断手段Ｆ
および加算手段Ｇを設けたものである。これらの各手段
のうち、加算手段Ｇは電荷読み出し手段に加えられる制
御信号を水平ブランキング期間に加えるために設けられ
ているものである。

【００６０】図２３は、第１１の実施例における固体撮
像素子を用いた一回の撮像期間のタイミングチャートを
示している。また、図２４（Ａ）は、図２３の（Ａ）の
期間を拡大したもので、水平ブランキング期間中に加え
られて水平画素列のうち奇数列の画素に蓄積する電荷量
を制御する第１の制御信号１３と、水平画素列のうち偶
数列の画素に蓄積する電荷量を制御する第２の制御信号
１４を示している。

【００６１】本実施例においても、第１の制御信号１３
および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷読み出
しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１２の振
幅より小さくなっている。これにより、画素１の飽和
は、電荷読み出しパルスを加えたときに決定される第１
の飽和電荷量と第１の制御信号１３および第２の制御信
号１４を加えたときに決定される第２の飽和電荷量の二
段階に設定される。

【００６２】一方、図２４（Ｂ）は、図２３の（Ｂ）の
期間を拡大したもので、垂直電荷転送素子２に加える一
転送分の四相駆動パルスを示している。まず、シャッタ
が開状態の時、画素１に光電変換した信号電荷が蓄積す
る。そして、（Ａ）の状態の時、水平ブランキング期間
中に第１の制御信号１３および第２の制御信号１４が加
えられる。

【００６３】この時、第１の制御信号１３および第２の
制御信号１４を加えた時に画素１に残る第２の飽和電荷
量以上の電荷は不要電荷として垂直電荷転送素子２に転
送される。次に、第１の制御信号１３および第２の制御
信号１４を加え終わった後は、以後光電変換された電荷
が第２の飽和電荷量に加算された第１の飽和電荷量にな
るまで画素１に蓄積する。

【００６４】それから、シャッタが閉状態となり、垂直
電荷転送素子２中の不要電荷を掃き出すための高速駆動
パルス１５が加えられる。その後、信号電荷は第１の電
荷読み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス
１２により垂直電荷転送素子２に送られ、上下に２画素
づつが加算されて出力される。

【００６５】図２５は、第１２の実施例を表し、第１１
の実施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像
期間のタイミングチャートを示している。本実施例にお
いても、第１の制御信号１３および第２の制御信号１４
の振幅が、第１の電荷読み出しパルス１１および情報第
２の電荷読み出しパルス１２の振幅より小さくなってい
る。

【００６６】これにより、画素１の飽和は、電荷読み出
しパルスを加えたときに決定される第１の飽和電荷量と
第１の制御信号１３および第２の制御信号１４を加えた
ときに決定される第２の飽和電荷量の二段階に設定され
る。さらに、一回の撮像期間内の第１の制御信号１３の
数が第２の制御信号１４の数より多くなっている。

【００６７】本実施例では、第１の制御信号１３の数を
第２の制御信号１４の数より多くすることで、イエロー
・シアン列の感度を低くしているので、図７に示したよ
うに、出力が飽和する時の露光量を大きくすることがで
きる。このように、色フィルタの特性に合わせた感度に
設定することでダイナミックレンジを拡大することが可
能であることが分かる。

【００６８】図２６は、第１３の実施例を表し、第１１
の実施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像
期間のタイミングチャートを示している。本実施例にお
いては、上下２画素づつの加算出力ではなく、水平画素
列のうち奇数列の画素の信号電荷と偶数列の画素の信号
電荷を別々に出力させる。そのため、まず、第１１の実
施例と同じように露光した後、シャッタを閉状態にし、
垂直電荷転送素子２中の不要電荷を掃き出すための高速
駆動パルス１５を加える。

【００６９】その後、水平画素列のうち奇数列の画素の
信号電荷を読み出す第１の電荷読み出しパルス１１のみ
を加え、信号電荷を垂直電荷転送素子２に送り出力す
る。この時、偶数列の画素の信号電荷は、画素１に蓄積
されたままになっている。次に、再度高速駆動パルス１
５を加えた後、偶数列の画素の信号電荷を読み出す第２
の電荷読み出しパルス１２のみを加え、信号電荷を垂直
電荷転送素子２に送り出力する。これにより、図４と同
じ出力特性が得られ、静止画像として垂直方向の解像度
の高めた状態で、ダイナミックレンジを拡大することが
可能であることが分かる。

【００７０】図２７は、第１４の実施例を表し、第１２
の実施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像
期間のタイミングチャートを示している。本実施例で
も、第１の制御信号１３の数を第２の制御信号１４の数
より多くすることで、グリーン列の感度を低くしている
ので、図１１のように、出力が飽和する時の露光量を大
きくすることができる。このように、静止画像として垂
直方向の解像度を高めた状態でも、色フィルタの特性に
合わせた感度に設定することができるのでダイナミック
レンジを拡大することが可能であることが分かる。

【００７１】図２８は、第１５の実施例を表し、第１１
の実施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像
期間のタイミングチャートを示している。第１の制御信
号１３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷
読み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１
２の振幅より小さくなっているとともに、始め大きく次
が小さい二段階に設定されている。

【００７２】これにより、画素１の飽和は、電荷読み出
しパルスを加えたときに決定される第１の飽和電荷量と
第１の制御信号１３および第２の制御信号１４を加えた
ときに決定される第２および第３の飽和電荷量の三段階
に設定される。この時の固体撮像素子の露光量に対する
出力特性を示すと図１３のようになり、インターライン
型固体撮像素子を用いた静止画の撮像においても、より
適切なｋｎｅｅ特性の制御と、ダイナミックレンジの拡
大が可能であることが分かる。また、本実施例は、第１
２の実施例のタイミングチャートにおいても適用でき
る。

【００７３】図２９は、第１６の実施例を表し、第１１
の実施例と同じ構成の固体撮像装置を用いた一回の撮像
期間のタイミングチャートを示している。第１の制御信
号１３および第２の制御信号１４の振幅が、第１の電荷
読み出しパルス１１および第２の電荷読み出しパルス１
２の振幅より小さくなっているとともに、始め大きく途
中から次第に小さくなり、最後にはなくなるように設定
されている。

【００７４】これにより、画素１の飽和は、第２の飽和
電荷量から第１の飽和電荷量へと次第に大きくなるよう
に設定されていることになる。この時の固体撮像素子の
露光量に対する出力特性を示すと、図１５のようにな
る。この特性は、ガンマ特性として知られているもの
で、インターライン型固体撮像素子を用いた静止画の撮
像においても、ダイナミックレンジを拡大することが可
能であることが分かる。また、本実施例は、第１２の実
施例のタイミングチャートにおいても適用することがで
きる。

【００７５】

【発明の効果】本発明は上述したように、フレームイン
ターライン型固体撮像素子において、電荷読出手段に加
える制御信号によって読み出されることなく画素に残る
電荷量を制御するようにしたので、露光量／出力の特性
にＫｎｅｅ特性（γ特性）を持たせることができるよう
になり、感度調整を行うことができるとともに、ダイナ
ミックレンジを拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を示す固体撮像装置の概略構成図
である。

【図２】第１の実施例を示す撮像期間のタイミングチャ
ートである。

【図３】図２のタイミングチャートの詳細を示す図であ
る。

【図４】第１の実施例の固体撮像素子の露光量に対する
出力特性を示す図である。

【図５】第２の実施例を示す撮像期間のタイミングチャ
ートである。

【図６】色フィルタの配列の一例を示す図である。

【図７】イエロー・シアン列とマゼンダ・グリーン列の
露光量に対する出力特性を示す図である。

【図８】第３の実施例を示す撮像期間のタイミングチャ
ートである。

【図９】第４の実施例を示す撮像期間のタイミングチャ
ートである。

【図１０】第４の実施例の固体撮像素子上に設けられた
色フィルタの配列の一例を示す図である。

【図１１】グリーン列とレッド・ブルー列の露光量に対
する出力特性を示す図である。

【図１２】第５の実施例を示す撮像期間のタイミングチ
ャートである。

【図１３】第５の実施例の固体撮像素子の露光量に対す
る出力特性を示す図である。

【図１４】第６の実施例を示す撮像期間のタイミングチ
ャートである。

【図１５】第６の実施例の固体撮像素子の露光量に対す
る出力特性を示す図である。

【図１６】第７の実施例を示す固体撮像装置の概略構成
図である。

【図１７】第７の実施例を示す撮像期間のタイミングチ
ャートである。

【図１８】図１７のタイミングチャートの詳細を示す図
である。

【図１９】第８の実施例を示す撮像期間のタイミングチ
ャートである。

【図２０】第９の実施例を示す撮像期間のタイミングチ
ャートである。

【図２１】第１０の実施例を示す撮像期間のタイミング
チャートである。

【図２２】第１１の実施例を示す固体撮像装置の構成図
である。

【図２３】第１１の実施例を示す撮像期間のタイミング
チャートである。

【図２４】図２３のタイミングチャートの詳細を示す図
である。

【図２５】第１２の実施例を示す撮像期間のタイミング
チャートである。

【図２６】第１３の実施例を示す撮像期間のタイミング
チャートである。

【図２７】第１４の実施例を示す撮像期間のタイミング
チャートである。

【図２８】第１５の実施例を示す撮像期間のタイミング
チャートである。

【図２９】第１６の実施例を示す撮像期間のタイミング
チャートである。

【図３０】フレームインターライン型固体撮像素子の概
略を示す構成図である。

【図３１】従来の固体撮像素子の露光量に対する出力特
性を示す図である。

【符号の説明】

１画素２垂直電荷転送素子３蓄積用電荷転送素子４水平電荷転送素子５出力部６飽和出力レベル７飽和露光量１１第１の電荷読み出しパルス１２第２の電荷読み出しパルス１３第１の制御信号１４第２の制御信号１５高速駆動パルス１６フレーム転送パルス１８第３の制御信号ＶＤ垂直同期信号ＨＤ水平同期信号 φＩ１、φＩ２、φＩ３、φＩ４垂直電荷転送素子の
四相駆動パルス φＳ１、φＳ２、φＳ３、φＳ４蓄積用電荷転送素子
の四相駆動パルス φＨ１、φＨ２水平電荷転送素子の二相駆動パルス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平および垂直に配列された複数の画素
と、垂直画素列毎に設けられていて垂直方向に電荷を転
送する複数の垂直電荷転送素子と、上記複数の垂直電荷
転送素子の一方に延在され、上記複数の垂直電荷転送素
子と少なくとも同じ数の転送段を持つ複数の蓄積用電荷
転送素子と、上記複数の蓄積用電荷転送素子の一端部側
に接続され、上記複数の蓄積用電荷転送素子から転送さ
れる電荷を水平方向に転送する水平電荷転送素子と、上
記水平電荷転送素子により転送される電荷を電気信号に
変換する出力回路とを備えている固体撮像素子、および
光電変換された電荷を各画素に蓄積するとともに、蓄積
可能な電荷量を制御する蓄積電荷量制御装置を備えた固
体撮像装置において、上記蓄積電荷量制御装置が、上記複数の画素に蓄積され
ている電荷を上記複数の垂直電荷転送素子に読み出す電
荷読み出し手段と、上記電荷読み出し手段に加えられる制御信号により読み
出されることなく画素に残る電荷量を制御する残留電荷
制御手段と、上記電荷読み出し手段に加えられる制御信号を水平ブラ
ンキング期間に加える第１の加算手段と、上記水平および垂直に配列された複数の画素のうち、水
平画素列を奇数列と偶数列とに分け、上記電荷読み出し
手段に第１の制御信号および第２の制御信号をそれぞれ
加える第２の加算手段とを具備することを特徴とする固
体撮像装置。
【請求項２】上記第１の制御信号および上記第２の制
御信号を一垂直走査期間毎に交互に加えることを特徴と
する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】上記第１の制御信号の変化と上記第２の
制御信号の変化とが異なることを特徴とする請求項２記
載の固体撮像装置。
【請求項４】上記第１の制御信号と上記第２の制御信
号とを加える水平ブランキング期間のうち、少なくとも
一つは上記第１の制御信号の振幅と上記第２の制御信号
の振幅とが異なることを特徴とする請求項１記載の固体
撮像装置。
【請求項５】水平ブランキング期間に加える上記第１
の制御信号および上記第２の制御信号のうち、少なくと
も一つは上記制御信号を加える全ての水平ブランキング
期間にわたって振幅が等しいことを特徴とする請求項１
記載の固体撮像装置。
【請求項６】水平および垂直に配列された複数の画素
と、垂直画素列毎に設けられていて垂直方向に電荷を転
送する複数の垂直電荷転送素子と、上記複数の垂直電荷
転送素子の一方に延在され、上記複数の垂直電荷転送素
子と少なくとも同じ数の転送段を持つ複数の蓄積用電荷
転送素子と、上記複数の蓄積用電荷転送素子の一端部側
に接続され、上記複数の蓄積用電荷転送素子から転送さ
れる電荷を水平方向に転送する水平電荷転送素子と、上
記水平電荷転送素子により転送される電荷を電気信号に
変換する出力回路とを備えている固体撮像素子、および
光電変換された電荷を各画素に蓄積するとともに、蓄積
可能な電荷量を制御する蓄積電荷量制御装置を備えた固
体撮像装置において、上記蓄積電荷量制御装置が、上記複数の画素に蓄積され
ている電荷を上記複数の垂直電荷転送素子に読み出す電
荷読み出し手段と、上記電荷読み出し手段に加えられる制御信号により読み
出されることなく画素に残る電荷量を制御する残留電荷
制御手段と、上記電荷読み出し手段に加えられる制御信号を水平ブラ
ンキング期間に加える第１の加算手段と、上記水平および垂直に配列された複数の画素のうち、水
平画素列を奇数列と偶数列とに分け、それぞれ上記電荷
読み出し手段に第１の制御信号および第２の制御信号を
加える第２の加算手段と、上記固体撮像素子に入射する光を遮断する入射光遮断手
段とを備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】同一水平ブランキング期間に加える上記
第１の制御信号の振幅および上記第２の制御信号の振幅
とが等しいことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装
置。
【請求項８】上記第１の制御信号および上記第２の制
御信号を加える水平ブランキング期間のうち、少なくと
も一つは上記第１の制御信号の振幅と上記第２の制御信
号の振幅が異なることを特徴とする請求項６記載の固体
撮像装置。
【請求項９】水平および垂直に配列された複数の画素
と、垂直画素列毎に設けられ垂直方向に電荷を転送する
複数の垂直電荷転送素子と、上記複数の垂直電荷転送素
子の一方に接続され、上記複数の垂直電荷転送素子から
転送される電荷を水平方向に転送する水平電荷転送素子
と、上記水平電荷転送素子により転送される電荷を電気
信号に変換する出力回路とを備えた固体撮像素子であっ
て、光電変換された電荷を画素に蓄積可能であるととも
に、蓄積可能な電荷量を制御する蓄積電荷量制御装置を
備えた固体撮像装置において、上記蓄積電荷量制御装置が、上記複数の画素に蓄積され
ている電荷を上記複数の垂直電荷転送素子に読み出す電
荷読み出し手段と、上記電荷読み出し手段に加えられる制御信号により読み
出されることなく画素に残る電荷量を制御する残留電荷
制御手段と、上記電荷読み出し手段に加えられる制御信号を水平ブラ
ンキング期間に加える加算手段と、上記固体撮像素子に入射する光を遮断する入射光遮断手
段を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】上記水平および垂直に配列された複数
の画素のうちの水平画素列を奇数列と偶数列とに分け、
上記電荷読み出し手段に第１の制御信号および第２の制
御信号をそれぞれ加えるとともに、同一水平ブランキン
グ期間に加える上記第１の制御信号の振幅と上記第２の
制御信号の振幅とを等しくしたことを特徴とする請求項
９記載の固体撮像装置。
【請求項１１】上記水平および垂直に配列された複数
の画素のうちの水平画素列を奇数列と偶数列とに分け、
上記電荷読み出し手段に第１の制御信号および第２の制
御信号をそれぞれ加えるとともに、水平ブランキング期
間に加える上記第１の制御信号および上記第２の制御信
号のうち、一方のみを加えるか、あるいは、少なくとも
一方は上記制御信号を加える全ての水平ブランキング期
間にわたって振幅を等しくしたことを特徴とする請求項
９記載の固体撮像装置。
【請求項１２】上記水平および垂直に配列された複数
の画素のうちの水平画素列を奇数列と偶数列とに分け、
上記電荷読み出し手段に第１の制御信号および第２の制
御信号をそれぞれ加えるとともに、上記第１の制御信号
および上記第２の制御信号を加える水平ブランキング期
間のうち、少なくとも一つは上記第１の制御信号の振幅
と上記第２の制御信号の振幅とを異ならせたことを特徴
とする請求項９記載の固体撮像装置。