JPH0771234B2 - 固体撮像素子及びその駆動方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、CCD（電荷結合素子）等の固体撮像素子及び
その駆動方式に関し、特に固体撮像素子のダイナミック
レンジ及び開口率の向上を図るとともに、感度を可変し
得るようにしたものである。

（従来の技術） 従来から、CCD等の固体撮像素子が光電変換素子として
各種テレビカメラや電子スチルカメラ等に用いられてお
り、この種固体撮像素子はイメージャ部に照射される撮
像光を光電変換して得られる信号電荷を２相ないし４相
のクロックパルスによって順次転送して読み出すことに
より撮像光に応じた映像信号を出力するものである。

例えば、インタライン型CCDは第６図に示す如く、光電
変換部１と交互に配列された垂直転送部２とから成るイ
メージャ部３及び水平転送部４とから構成されており、
上記光電変換部１にて得られた信号電荷は駆動回路５か
ら供給されるクロックパルスCPによって垂直転送部２及
び水平転送部４を介して掃き出されるようになってい
る。

（発明が解決すべき問題点） ところで、上述の如きインタライン型CCDにおいては、
上記垂直転送部２の転送電荷量によってこのCCDのダイ
ナミックレンジが制限されてしまう。

また、垂直転送部２の転送電荷量を多くすることによっ
てダイナミックレンジを増大させることができるが、そ
の場合にはイメージャ部３における垂直転送部２の占有
面積が大きくなり開口率が低下してしまうため感度が悪
くなってしまう。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上述の如き実情に鑑みてなされたものであり、
ダイナミックレンジの拡大と開口率の拡大という相反す
る条件を共に満たし得るとともに、感度を可変し得る固
体撮像素子及びその駆動方式を提供することを目的とす
る。

そして、本発明はこの目的を達成するために第１図に示
す如く、各画素に対応して撮像光を光電変換する光電変
換部10とこれら光電変換部10からの電荷を転送する垂直
転送部11とを有するイメージャ部12と、 このイメージャ部12から転送される各光電変換部10から
の電荷を一旦蓄積する積分器13と、 この積分器13から掃き出される電荷を映像信号として出
力するための垂直レジスタ15と水平転送部14とを備え、 上記イメージャ部12における垂直転送部11の占有面積を
光電変換部10の占有面積に比して十分小さく形成すると
ともに、上記各積分器13の蓄積容量を、１回の露光によ
って各光電変換部10にて得られる電荷量よりも多くし、 各光電変換部10にて得られる電荷を複数回に分けて上記
垂直転送部11に掃き出すとともに上記水平転送部14から
の掃き出しに間に合うように上記垂直転送部11から各積
分器13に高速で転送するようにしたことを特徴とする固
体撮像素子、及び各画素に対応して撮像光を光電変換す
る光電変換部10とこれら光電変換部10からの電荷を転送
する垂直転送部11とを有するイメージャ部12と、 このイメージャ部12から転送される各光電変換部10から
の電荷を一旦蓄積する積分器13と、 この積分器13から掃き出される電荷を映像信号として出
力するための垂直レジスタ15と水平転送部14とを備え、 上記イメージャ部12における垂直転送部11の占有面積を
光電変換部10の占有面積に比して十分小さく形成すると
ともに、上記各積分器13の蓄積容量を、１回の露光によ
って各光電変換部10にて得られる電荷量よりも多くし、 各光電変換部10にて得られる電荷を複数回に分けて上記
垂直転送部11に掃き出すとともに上記水平転送部14から
の掃き出しに間に合うように上記垂直転送部11から各積
分器13に高速で転送するようにした固体撮像素子の駆動
方式であって、 上記各光電変換部10から複数回に分けて掃き出される電
荷を任意に間引くことにより感度を可変し得るようにし
たことを特徴とする固体撮像素子の駆動方式を提供する
ものである。

（作用） 上述の如き構成の固体撮像素子においては、イメージャ
部12における垂直転送部11の占有面積を小さくすること
により、この種固体撮像素子の開口率を大きくして感度
の向上を図ることができる。

また、積分器13を設け、光電変換部10にて得られた電荷
を垂直転送部11からこの積分器13に高速で転送すること
により、上記垂直転送部11の単位時間当りの転送電荷量
を大幅に増加させることができる。

これにより、上記光電変換部10にて得られた電荷を複数
回に分けて垂直転送部11に掃き出し、掃き出された電荷
を高速で転送することによりこの種固体撮像素子のダイ
ナミックレンジを大幅に拡大することができる。

さらに、上記光電変換部10から掃き出される電荷を、第
２図（Ｂ）あるいは（Ｃ）に示す如く適宜間引くことに
より、この種固体撮像素子の感度を可変することができ
る。

（実施例） 以下、本発明に係る固体撮像素子の好適な実施例を第１
図ないし第５図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明をフレームインタライン型のCCDに適用
したものであり、このCCDはイメージャ部12と積分器部1
6及び垂直レジスタ15から成る蓄積部17と水平転送部14
とを備えて構成されている。

上記イメージャ部12は、各画素に対応して垂直方向に配
列された複数の光電変換部10と、各光電変換部10の間に
設けられた垂直転送部11とを備えて構成されており、上
記各光電変換部10にて得られた電荷は２相のクロックパ
ルスφ_Aにて第２図（Ａ）に示す如く複数回に分けて垂
直転送部11に掃き出されて転送される。

また、上記垂直転送部11の水平方向の幅寸法は、光電変
換部10の幅寸法よりも狭く形成されており、これにより
イメージャ部12における垂直転送部11の占有面積は光電
変換部10の占有面積より十分小さくなっている。

よって、このCCDにおける開口率は従来のものに比して
極めて大きい。

上記積分器16は、上記各光電変換部10に対応した複数の
積分器13を備えて構成されており、これら積分器13は上
記各垂直転送部11から転送されてくる電荷を一旦蓄積し
た後、４相のクロックパルスφ_Bにて高速で掃き出すよ
うになっている。

なお、各積分器13への電荷の転送あるいは掃き出しは、
クロックパルスφ_Tにて制御されるトランスファゲート1
8にて制御されるようになっている。

そして、上記積分器部16の各積分器13から掃き出された
電荷は、４相のクロックパルスφ_C，φ_Hにて各々駆動さ
れる垂直レジスタ15及び水平転送部14を介して映像信号
として出力端子18から出力されるようになっている。

上述の如き構成のCCDにおいて、各光電変換部10にて撮
像光を光電変換して得られた電荷は所定の掃出し方法に
よって第２図（Ａ）に示す如く複数回に分けて隣接する
各垂直転送部11に掃き出される。

なお、この掃き出し方法としては、上下画素分を混ぜて
から掃き出す方法のみならず、後述するように全画素の
まま掃き出す方法も可能であり、上下画素の組合せを変
えることによりインタレース掃出しも可能である。

また、上記垂直転送部11は、上記水平転送部14からの掃
出し速度を1/60秒とすると、その1000倍程度（60kHz）
の高速で転送を行う。

これにより、この垂直転送部11の面積が光電変換部10の
面積よりも小さくても、この垂直転送部11に掃き出され
る１回毎の電荷量が少なく、かつ、掃き出された電荷を
高速で転送することにより光電変換部10にて得られたす
べての電荷を十分に転送することができるとともに、一
回に転送する電荷量が少なくなるため前述の如くこの垂
直転送部11を２相のクロックパルスφ_Aで駆動すること
ができる。

そして、上記垂直転送部11から電荷が転送されてくる間
は、上記トランスファゲート18が開成されるとともに、
各積分器13がホールドモードにされ、転送されてきた電
荷は各積分器13に一旦蓄積される。

この積分器部16は、これを1/60秒（１フィールド期間）
継続し、上記光電変換部10にて得られた１フレーム分の
電荷の蓄積が終了した後、上記トランスファゲート18を
介して蓄積した電荷を上記クロックパルスφ_Bにて速い
転送速度で１フィールド分づつインタレースするように
掃き出して上記蓄積部17の各垂直レジスタ15に転送す
る。

そして、転送された電荷は、上記クロックパルスφ_C，
φ_Hにて垂直レジスタ15及び水平転送部14を転送されて
上記出力端子19から１フィールド分づつ出力される。

上述の如く、本実施例に係るCCDにおいては、垂直転送
部11の占有面積を十分小さくすることができるため、こ
のCCDの開口率を大きくすることができる。

また、上記垂直転送部11から各積分器13への転送速度を
速くすることにより、この垂直転送部11の転送電荷量を
多くすることができるため、このCCDのダイナミックレ
ンジを拡大することもできる。

一方、上記垂直転送部11から電荷が転送されてくる間
は、上記各積分器13をホールドモードにするとともに上
記トランスファゲート18を所定のタイミングで開閉し、
このトランスファゲート18が閉成されている間に転送さ
れてくる電荷を図示しないオーバーフロードレインを介
して捨てることにより１回の露光によって得られる電荷
を間引くことができ、これによりこCCDの感度を任意に
可変することができる。

そして、この間引き方については、例えば第２図（Ｂ）
に示す如く上記光電変換部10から掃き出される電荷のう
ち、偶数回目に掃き出される電荷を捨てたり、第２図
（Ｃ）に示す如く奇数回目に掃き出される電荷を捨てる
ことにより、電荷を均等に間引くようにすればよい。

ところで、上述の実施例では、各光電変換部10の電荷を
混合して掃き出すように構成したが、第３図に示す如く
電荷を混合することなく掃き出すように構成してもよ
い。

そして、この場合には積分器部16における積分器を、奇
数フィールド分の電荷を蓄積するもの13oと偶数フィー
ルド分の電荷を蓄積するもの13eに分け、これら積分器1
3o,13eにクロックパルスφ_T1にて駆動制御されるトラン
スファゲート18o,18eによって各光電変換部10からの電
荷を選択的に転送するようにし、さらに、上記各積分器
13o,13eに対応して、垂直レジスタ15o,15e及び水平転送
部14o,14eを各々２チャンネルにするとともに、クロッ
クパルスφ_V，φ_T2にて各々駆動制御されるトランスフ
ァゲート20,21にて電荷の転送経路を制御すればよい。

次に、本発明に係る他の実施例を説明する。

この実施例に係るフレームインタライン型のCCDは第４
図に示す如く先の実施例と同様なイメージャ部12と積分
器16と蓄積部17及び水平転送部14を備えるとともに、上
記積分器16と蓄積部17との間に水平レジスタ23を設けて
構成されている。

そして、この水平レジスタ23には、スイッチ24を介して
上記水平転送部14から掃き出される電荷が転送されるよ
うになっている。

これにより、この実施例に係るCCDは１回の露光によっ
て得られる電荷を所定の周期で複数回巡回させ、各巡回
毎に同じ電荷を出力端子19から出力する。

よって、例えば１回の露光時間が１フィールド期間（1/
60秒）よりも長い場合でも、上述の如き巡回周期を1/60
秒にすることによって１フィールド毎に映像信号を得る
ことができ、特に低照度の被写体を撮影する時の露光時
間を長くすることができるため感度を著るしく向上させ
ることができる。

また、露光時間に関係なく、１回の露光によって得られ
る電荷を複数回出力させることができるため、フレーム
スチル再生、あるいはストロボ再生用の映像信号を容易
に得ることができ、特に動きの早い被写体をフレームス
チル再生する場合等にブレがなく、かつフィールドスチ
ル再生に比して鮮明な再生画像を得ることができる。

さらに、本発明によれば、先に説明したように上記イメ
ージャ部12の開口率を大きくして感度を良くすることが
できるため、露光時間が極めて短い場合でも十分な電荷
を得ることができ、これにより本実施例に係るCCDを用
いればフレームスチル再生の画像品位を益々向上させる
ことができる。

また、このCCDのダイナミックレンジは大きいため、明
るい被写体を長い露光時間で撮影した場合にもスミアや
ブルーミングの発生を防止して鮮明な撮影をすることが
できる。

なお、このCCDにおける上記水平レジスタ23への電荷の
転送、掃出しは、クロックパルスφ_T，φ_Vにて駆動制御
されるトランスファゲート25,26にて制御されるように
なっている。

また、この実施例は各光電変換部10の電荷を混合して掃
き出すようにしたものであるが、第５図に示す如く電荷
を混合することなく掃き出すように構成してもよい。

そして、この場合には、先に第３図にて説明した実施例
と同様に、積分器13o,13e、垂直レジスタ15o,15e、水平
転送部14o,14e及び水平レジスタ23o,23eを各々２チャン
ネルに構成するとともに、クロックパルスφ_T1，φ_T2，
φ_T3，φｖ_L1，φｖ_L2，φ_T4にて各々駆動制御されるト
ランスファゲート18o,18e,27,28,29,30,31にて電荷の転
送経路を制御すればよい。

（発明の効果） 上述の説明から明らかなように、第１の発明によればイ
メージャ部の開口率を大きくする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。

また、垂直転送部の１回あたりの転送電荷量が少なくな
るため、この垂直転送部を二相のクロックで駆動するこ
とができる。

さらに、第２の発明によれば光電変換部から掃き出され
る電荷を適当に間引くことにより固体撮像素子の感度を
可変することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る固体撮像素子の実施例を模式的に
示す図、第２図は電荷の掃き出しを模式的に示す図、第
３図は同じく他の実施例を模式的に示す図、第４図は同
じくその他の実施例を模式的に示す図、第５図はさらに
他の実施例を模式的に示す図、第６図は従来例を模式的
に示す図である。 10……光電変換部、11……垂直転送部、12……イメージ
ャ部、13……積分器、14……水平転送部、15……垂直レ
ジスタ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各画素に対応して撮像光を光電変換する光
   電変換部とこれに光電変換部からの電荷を転送する垂直
   転送部とを有するイメージャ部と、 このイメージャ部から転送される各光電変換部からの電
   荷を一旦蓄積する積分器と、 これら積分器から掃き出される電荷を映像信号として出
   力するための垂直レジスタと水平転送部とを備え、 上記イメージャ部における垂直転送部の占有面積を光電
   変換部の占有面積に比して、十分小さく形成するととも
   に、上記各積分器の蓄積容量を、１回の露光によって各
   光電変換部にて得られる電荷量よりも多くし、 各光電変換部にて得られる電荷を、複数回に分けて上記
   垂直転送部に掃き出すとともに上記水平転送部からの掃
   き出しに間に合うように上記垂直転送部から各積分器に
   高速で転送するようにしたことを特徴とする固体撮像素
   子。
2. 【請求項２】各画素に対応して撮像光を光電変換する光
   電変換部とこれに光電変換部からの電荷を転送する垂直
   転送部とを有するイメージャ部と、 このイメージャ部から転送される各光電変換部からの電
   荷を一旦蓄積する積分器と、 これら積分器から掃き出される電荷を映像信号として出
   力するための垂直レジスタと水平転送部とを備え、 上記イメージャ部における垂直転送部の占有面積を光電
   変換部の占有面積に比して十分小さく形成するととも
   に、上記各積分器の蓄積容量を、１回の露光によって各
   光電変換部にて得られる電荷量よりも多くし、 各光電変換部にて得られる電荷を、複数回に分けて上記
   垂直転送部に掃き出すとともに上記水平転送部からの掃
   き出しに間に合うように上記垂直転送部から各積分器に
   高速で転送するようにした固体撮像素子の駆動方式であ
   って、 上記各光電変換部から複数回に分けて掃き出される電荷
   を任意に間引くことにより感度を可変し得るようにした
   ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方式。