JPH089263A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体撮像素子のダイナミックレンジを簡単な
構成で広げる。 【構成】 撮像装置において、光電変換部と垂直転送部
とを有し、光学像を電気信号に変換する撮像素子と、フ
レ−ムモ−ドとフィ−ルドモ−ドを切換えるモ−ド切換
手段と、該モ−ド切換手段によるモ−ドの切換に応じて
垂直転送パルスのバイアスレベルを制御する制御手段
と、を有することによりダイナミックレンジを広げた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子を用いた撮
像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】撮像素子としてＣＣＤを用いたビデオカ
メラや電子カメラが数多く開発・発売されている。

【０００３】図７、図８、図９、図１０は上記ＣＣＤの
構成、読み出し動作を説明するための図面で、図７はＣ
ＣＤの基本構成図、図８、図９はＣＣＤを駆動するため
のタイミング信号波形、図１０はＣＣＤの光電変換部直
下のポテンシャル分布である。

【０００４】図７において２０は被写体光を電気信号
（信号電荷）に変換する光電変換部、２１は各画素電荷
を転送する垂直転送部、２２は垂直転送部２１にて転送
された各電荷を垂直方向に転送する水平転送部、２３は
転送されてきた電荷を信号電圧に変換して出力する出力
アンプである。図７にて示すようにＣＣＤから撮像信号
を読み出す場合には、全画素の信号を一斉に垂直転送部
に取り込み、垂直方向に隣接する２画素分の信号を混合
加算して垂直転送部内で移送するフィールド読み出しモ
ード（以下フィ−ルドモ−ドと略す。）と、奇数行と偶
数行の画素の信号を独立に２回に分けて垂直転送部へ移
送するフレーム読み出しモード（以下フレ−ムモ−ドと
略す。）がある。

【０００５】図８はフィールドモ−ドにおける４相の垂
直駆動パルスＶ１〜Ｖ４の波形を示す図で、読み出しパ
ルスは毎Ｖ（垂直期間）ごとのブランキング期間中にＶ
１、Ｖ３に重畳される。これにより奇数行の信号と偶数
行の信号とが同時に対応する垂直転送部内に転送され
る。その後Ｖ１〜Ｖ４をＨ（水平期間）ごとに供給する
ことにより奇数行の信号と偶数行の信号は所定の組み合
わせで加算された後垂直転送される。上記の組み合わせ
は１Ｖ期間の最初の転送パルスＶ１〜Ｖ４の位相により
決まり、１Ｖごとに１画素分シフトする。これによりイ
ンタ−レ−ス効果が得られる。

【０００６】図９はフレームモ−ドにおけるＶ１〜Ｖ４
の駆動パルス波形を示す図で読み出しパルスは１Ｖおき
に付加される。即ち奇数行の信号のみが垂直転送部に転
送されて１Ｖ期間かけて読み出された後で次に偶数行の
信号が垂直転送部に転送され、続く１Ｖ期間かけて読み
出される。

【０００７】また最近主流のＣＣＤではシリコン基板の
深さ方向に不要電荷を掃き捨てるＶＯＤ構造により高感
度化、広ダイナミックレンジ化を実現している。

【０００８】図１０はその原理を示す図で、斜線で記さ
れた蓄積電荷量の限界は、シリコン基板に印加される電
圧Ｖｓｕｂによって決まる電荷蓄積の井戸の容量とな
る。従ってＶｓｕｂを可変制御することにより蓄積電荷
量を可変制御することができる。

【０００９】以上のＣＣＤを搭載した撮像装置において
は、ＣＣＤで決まるダイナミックレンジによりその撮像
画質が大きく左右される。すなわちダイナミックレンジ
が狭い撮像素子をもちいた場合、コントラストの高い被
写体を撮影すると信号の飽和により高彩度被写体部分が
変色したり、高輝度部のコントラストが消失したりす
る。

【００１０】また汎用的なビデオカメラ用のＣＣＤでは
フィールド読み出しを前提としているため、上記ダイナ
ミックレンジ（以下Ｄレンジと略す）はフィールドモ−
ド時に最適となるよう設定されている。つまり図７の光
電変換部２０と垂直転送部２１の電荷蓄積容量を比較す
ると、垂直転送部の各段の蓄積可能電荷量は光電変換部
の蓄積可能電荷量の２倍に設定されている。

【００１１】したがってこのような撮像素子でフレーム
モ−ドを行うと光電変換部１画素分につき垂直転送部１
段分が対応するため、垂直転送部２１の容量を有効に生
かせず、ＣＣＤ出力のＤレンジはフィールドモ−ド時よ
り狭くならざるをえない。つまり垂直転送部１段分に比
べ光電変換部１画素分の最大電荷容量が小さいため、フ
レームモ−ド時には転送部より先に光電変換部が飽和し
てしまって、フィールドモ−ド時よりも飽和レベルは低
いレベルとなる。

【００１２】このように汎用のＣＣＤでは光電変換部２
画素分のＤレンジに対して垂直転送部１段分のＤレンジ
が対応しているので、フレームモ−ド時にはフィールド
モ−ド時と同様のＤレンジを確保することはできず、Ｄ
レンジがほぼ半減してしまうことになる。

【００１３】特に高画質・高解像度を実現するためにフ
レームモ−ドを行う電子カメラでは、この飽和レベルの
低下により画質の劣化を生み致命的となる。

【００１４】これに対して、最近全画素を同時に読み出
すことを可能とした撮像素子が開発されてきた。

【００１５】このような撮像素子では初めから１画素単
位で読み出すことを前提にしているので上記のような光
電変換部と転送部のアンバランスという問題は回避でき
る。しかしながらこのような撮像素子はまだまだ高価で
あるため安価な撮像装置に用いることはできない。

【００１６】また、図１０に示すＶｓｕｂ電位による光
電変換部のＤレンジ変化に注目し、フレームモ−ド時に
はフィールドモ−ド時よりもシリコン基板電位を下げる
ことで、光電変換部の最大蓄積電荷容量を拡大すること
が従来より行われている。

【００１７】つまり、図１０は撮像素子の光電変換部直
下からシリコン基板にかけてのポテンシャル分布図であ
るが、図１０において実線で示したポテンシャル分布は
基板電位がＶｓｕｂ１に決められた場合の分布で、この
場合には光電変換部の蓄積容量の最大値は図中のレベル
１のところまでの井戸の深さで決まる。これがＶｓｕｂ
１に設定した場合のＤレンジである。一方破線で示した
ポテンシャル分布は基板電位がＶｓｕｂ２で決められた
場合のもので、蓄積容量の最大値はレベル２のところま
でのポテンシャル井戸の深さで決まる。すなわち基板電
位をＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に変更することで撮像素
子のＤレンジを拡大することが可能となる。

【００１８】従来はＣＣＤのこの特性を利用して、フレ
ームモ−ドの場合とフィールドモ−ドの場合とで基板電
位の設定を変更することによりフレームモ−ド時のＤレ
ンジの拡大を行っている。

【００１９】以上のように、ＣＣＤの基板電位に供給す
る電圧Ｖｓｕｂのレベルをフィールドモ−ド時にはＶｓ
ｕｂ１、フレームモ−ド時にはＶｓｕｂ２と切り換える
ことにより、光電変換部のフレームモ−ド時のＤレンジ
をフィールドモ−ド時に比べて広くすることができ、フ
レームモ−ド時の光電変換部と垂直転送部の飽和レベル
のバランスが良くすることで、トータルとしてのＣＣＤ
出力のＤレンジを向上させることができる。

【００２０】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら上記従
来例では、ＣＣＤシリコン基板電位のみのコントロール
のためＤレンジの拡大を完全には達成することができ
ず、さらに被写体によってはブルーミング等の弊害を起
こしてしまう場合もある。

【００２１】

【問題点を解決するための手段・作用】本発明の第１の
実施例の撮像装置では上記の問題を解決するために、光
電変換部と垂直転送部とを有し、光学像を電気信号に変
換する撮像素子と、フレ−ムモ−ドとフィ−ルドモ−ド
を切換えるモ−ド切換手段と、該モ−ド切換手段による
モ−ドの切換に応じて垂直転送パルスのバイアスレベル
を制御する制御手段と、を有するのでダイナミックレン
ジの拡大とブルーミング等の問題の発生防止を達成でき
る。

【００２２】特にパルス幅や各設定電位をフレームモ−
ド時とフィールドモ−ド時とで可変することで、フレー
ムモ−ド時のＣＣＤのＤレンジを適切に拡大することが
可能となるので、複雑な回路を追加することなく汎用の
撮像素子を用いて実現できる。そのため低コストで上記
課題を達成できる。

【００２３】さらに他の実施例によれば、同時に基板電
位を切り換えることで、より広いダイナミックレンジの
拡大とブルーミング等の問題の発生防止を達成できる。

【００２４】また本出願の他の実施例によれば、垂直転
送部を駆動する全てのパルスのレベル変更をほぼ同等と
することで、垂直転送の効率を低下させることなくＤレ
ンジを拡大することができるため、Ｄレンジ以外の画質
に対してもその性能を落とすことが無い。

【００２５】また出願の他の実施例によれば、上記垂直
転送部のパルスを決定する回路の電源を共通にしまた温
度特性を同等にそろえることで、Ｄレンジの拡大や転送
効率に対し電源変動や温度特性の影響が発生することを
防止できる。

【００２６】さらに、撮像素子の基板電位の切り換えを
同時に用いることでより、フレームモ−ド時に、より広
いＤレンジを得ることができかつブルーミング等の問題
も未然に防ぐことが可能となる。

【００２７】

【実施例】

（第１の実施例）本発明の第１実施例のデジタルカメラ
のシステムブロックを図１に示す。

【００２８】図１において、１は被写体からの反射光を
電気信号に変換するＣＣＤ等の撮像素子、２は撮像素子
１を動作させるために必要なタイミング信号を発生する
タイミング信号発生回路（以降ＴＧとする）、３は撮像
素子１を駆動するための電圧を発生する駆動電圧設定回
路、４はタイミング信号発生回路２からの信号を撮像信
号駆動可能なレベルに増幅する撮像素子駆動回路、５は
撮像素子１の出力ノイズ除去のためのＣＤＳ（相関２重
サンプリング）回路やＡＧＣ（自動利得制御）回路を備
えた前置処理回路、６はＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換
されたデジタル信号を撮像信号処理する撮像信号処理回
路、８は記録媒体９に信号を記録するための変調等を行
う記録媒体Ｉ／Ｆ（インタ−フェ−ス）回路、１０はカ
メラの撮影開始やフレームモ−ド・フィールドモ−ドを
外部撮影者が制御するための操作部、１１は操作部１０
により設定されたモード設定に応じて駆動電圧を変更す
るための信号を出力する設定切換回路である。

【００２９】以下に図１を用いて第１の実施例について
説明する。

【００３０】まず撮影者が操作部１０を制御することに
より撮像動作を開始し、不図示の絞りとタイミング信号
発生器による電子シャッター動作により撮像素子の露光
を行い、撮像素子の出力を読みだす。読みだした撮像出
力に対して前置処理回路５でＣＤＳ処理やゲインコント
ロール等の信号処理を行う。この際ゲインコントロール
回路のゲインは撮像素子の感度によって決まるので撮像
装置製造時に設定される。その前置回路５の出力はＡ／
Ｄ変換器６にてデジタル信号に変換されて撮像信号処理
回路７に入力される。撮像信号処理回路７の出力は記録
媒体Ｉ／Ｆによって特定フォーマットへの変換処理（変
調）がされた後、記録媒体９に記録される。

【００３１】さて上記のような撮影において、操作部１
０によりフレームモ−ドによる撮像かフィールドモ−ド
による撮像かを設定することができる。すなわち操作部
１０によりフィールドモ−ド撮像にカメラの設定を変え
ると、設定切り換え回路１１により駆動電圧設定回路の
設定値がフィールドモードの値に設定される。

【００３２】図２は、本実施例における垂直転送パルス
Ｖ１、Ｖ３の信号波形である。図ではフレ−ムモ−ドモ
−ドにおけるパルスＶ１、Ｖ３について説明している。

【００３３】本実施例では設定切換回路１１からのフレ
−ムモ−ド／フィ−ルドモ−ド信号によりＴＧのモード
を切り換え、図２に示す垂直転送パルスの読み出しパル
ス幅を変更する。つまり図示のごとく、フィールドモ−
ド時よりフレームモ−ド時の方がパルス幅が広くなるよ
うに切り換えることになる。

【００３４】以上によりフレームモ−ド時にはより幅広
の読み出しパルスを利用することができるため、従来例
で示したようにフレームモ−ド時Ｖｓｕｂ電位の操作で
光電変換部の蓄積容量を増やした場合でも、光電変換部
から垂直転送部への電荷移動を確実にに行うことが可能
となる。

【００３５】（第２の実施例）図３、図４は本発明の第
２の実施例を説明するための図面で、図３は図１の駆動
電圧設定回路の例で、第４は光電変換部および垂直転送
部のポテンシャル分布図である。図３においてＲ１〜Ｒ
５は抵抗、Ｔｒ１〜Ｔｒ２はトランジスタ、Ｖ１は基準
電圧源である。

【００３６】さて、Ｒ１〜Ｒ５、Ｔｒ１〜Ｔｒ２により
設定されるＶＭ１３は、図８、図９で示す３値信号の垂
直転送パルスＶ１、Ｖ３における中間値のレベルを決め
る信号である。

【００３７】上記ＶＭ１３は、図３においてフィールド
モ−ド時にはフレ−ムモ−ド／フィ−ルドモ−ド信号が
ＬｏｗレベルとなるのでＴｒ１はオフとなりＴｒ２のベ
ースのレベルはＶ１とＲ３、Ｒ４で決まる。このベース
電位がＴｒ２のベースエミッタ間レベルＶｂｅ分だけ下
がりＶＭ１３電圧として出力される。このレベルを例え
ば図４のＶＭ１３（フィールド）のレベルとする。一方
フレームモ−ド時にはフレ−ムモ−ド／フィ−ルドモ−
ド信号はＨｉｇｈレベルとなりＴｒ１がオン状態となる
のでＴｒ２のベース電位はＶ２とＲ３、Ｒ４の他Ｔｒ１
とＲ２できまり、ベースグランド間の抵抗値が小さくな
るためフィールドモ−ド時に較べて低いレベルとなる。
したがってＴｒ２のエミッタレベルＶＭ１３もフィール
ドモ−ド時に較べ低いレベルとなる。このレベルを図４
のＶＭ１３（フレーム）とする。

【００３８】このようにフレームモ−ド時にＶＭ１３の
ＤＣレベルが下がると、図４に示すように光電変換中に
おけるＣＣＤ光電変換部と垂直転送部の電位障壁は、フ
ィールドモ−ド時のＶＭ１３の設定の場合（図５の実線
の設定）よりもフレームモ−ド時のＶＭ１３の設定の場
合（図５の点線の設定）の方が高くなり、そのため光電
変換部において蓄積される信号電荷の容量はフィールド
モ−ド時のレベル１に対しフレームモ−ド時のレベル２
となり光電変換部で蓄積された電荷の垂直転送部への漏
れこみを防止でき、結果的に光電変換部において蓄積さ
れる信号電荷の容量はフィールドモ−ド時のレベル１に
対しフレームモ−ド時のレベル２となり増やすことがで
きる。

【００３９】以上のようにして光電変換部のフレームモ
−ド時Ｄレンジをフィールドモ−ド時に比べて広くする
ことができ、フレームモ−ド時の光電変換部と垂直転送
部の飽和レベルのバランスを良くすることで、トータル
としてのＣＣＤ出力のＤレンジを向上させることができ
る。

【００４０】（第３の実施例）上記第２実施例ではＶＭ
１３についてそのレベルを切り換えるようにしたが、こ
の場合垂直転送パルスのＶ１とＶ３の中間電位のみ切り
換えることになる。一方垂直転送の効率は垂直転送パル
スＶ１〜Ｖ４の各電位の相対値が影響するためＶ１、Ｖ
３のみ切り換えた場合には垂直転送効率が低下してしま
う。そこで本実施例ではＶＭ１３を切り換えることで垂
直転送効率が低下しないようＶＭ１３の切り換えと同時
に図８、図９のＶＭ２４のレベルについても切り換える
ようにした。

【００４１】図５は本実施例を説明するための回路図
で、図１の駆動電圧設定回路の他の実施例である。Ｒ５
〜Ｒ１０、Ｔｒ３〜Ｔｒ４で設定されるＶＭ２４は２値
信号である垂直転送パルスＶ２、Ｖ４のレベル（図８、
９のＶＭ２４）を決定する信号である。

【００４２】図５に示す回路により、フレームモ−ド時
にはＶＭ１３のレベルを下げた変化分とほぼ同等分ＶＭ
２４のレベルも下げるようにした。このことにより光電
変換部のＤレンジを拡大し、かつ垂直転送部の効率をも
フィールドモ−ド時と較べて低下させないことを可能と
した。

【００４３】また、図５に示すように電源電圧はＶ１を
共通に用い、また回路の温度特性に大きく影響するトラ
ンジスタのベースエミッタ間の電圧に対しては両出力と
もＶｂｅ一つ分だけの影響を受けるように構成してお
り、このようにＶＭ１３とＶＭ２４を導出する回路の電
源電圧を共通化しかつ回路が出力に与える温度特性をそ
ろえておくことで、電源変動や温度変化に対しても垂直
転送効率を劣化させないことが可能となる。

【００４４】また上記実施例では中間レベルＶＭ１３、
ＶＭ２４のみを切り換えたが、この場合には他のＨｉｇ
ｈレベル、Ｌｏｗレベルとの相対値が変化し、駆動特性
に影響を与える場合もある。そこでＶＭ１３、ＶＭ２４
のレベル変化量に対応するようＨｉｇｈレベル、Ｌｏｗ
ベルをシフトするよう切り換えても良い。

【００４５】（第４の実施例）図６は本発明の第４の実
施例を示す回路図で、Ｒ１〜Ｒ１５は抵抗、Ｔｒ１〜Ｔ
ｒ６はトランジスタ、Ｖ１、Ｖ２は基準電圧源である。
とくにＶ２は負の基準電圧源であり、ＶＭ１３、ＶＭ２
４として負のレベルの出力を可能としている。本実施例
では、フィールドモ−ドとフレームモ−ドの読み出し変
更に伴いＶｓｕｂ，ＶＭ１３，ＶＭ２４を全て同時に切
り換えることで、フレームモ−ド時の光電変換部のＤレ
ンジをより一層拡大し垂直転送効率も確保することを可
能としている。又各電圧発生回路の電圧源および温度特
性をそろえておくことで、電源変動や温度変化に対して
も各設定電圧の相対値が変わることなく特性を確保する
ことができる。

【００４６】上記のようにシリコン基板電位の切り換え
と垂直転送パルスのレベルの切り換え、さらには垂直転
送パルス幅の切り換えについても同時に行うことで、フ
レームモ−ド時のＤレンジを最大にすることができ、ま
た基板電位を変更するだけだと低下してしまうアンチブ
ルーミング能力も低下させることなく駆動できる。つま
りＶｓｕｂ電位だけを変更してしまうとポテンシャル井
戸の深くなった光電変換部の電荷はあふれて垂直転送部
へ流れ込み、垂直転送部で隣接画素の電荷と混合してし
まっていたが、本実施例ではその垂直転送部との電位障
壁が高くなるため上記の問題は発生しないようにでき
る。

【００４７】

【発明の効果】本発明の第１の実施例の撮像装置では上
記の問題を解決するために、光電変換部と垂直転送部と
を有し、光学像を電気信号に変換する撮像素子と、フレ
−ムモ−ドとフィ−ルドモ−ドを切換えるモ−ド切換手
段と、該モ−ド切換手段によるモ−ドの切換に応じて垂
直転送パルスのバイアスレベルを制御する制御手段と、
を有するのでダイナミックレンジの拡大とブルーミング
等の問題の発生防止を達成できる。

【００４８】特にパルス幅や各設定電位をフレームモ−
ド時とフィールドモ−ド時とで可変することで、フレー
ムモ−ド時のＣＣＤのＤレンジを適切に拡大することが
可能となるので、複雑な回路を追加することなく汎用の
撮像素子を用いて実現できる。そのため低コストで上記
課題を達成できる。

【００４９】さらに他の実施例によれば、同時に基板電
位を切り換えることで、より広いダイナミックレンジの
拡大とブルーミング等の問題の発生防止を達成できる。

【００５０】また本出願の他の実施例によれば、垂直転
送部を駆動する全てのパルスのレベル変更をほぼ同等と
することで、垂直転送の効率を低下させることなくＤレ
ンジを拡大することができるため、Ｄレンジ以外の画質
に対してもその性能を落とすことが無い。

【００５１】また出願の他の実施例によれば、上記垂直
転送部のパルスを決定する回路の電源を共通にしまた温
度特性を同等にそろえることで、Ｄレンジの拡大や転送
効率に対し電源変動や温度特性の影響が発生することを
防止できる。

【００５２】さらに、撮像素子の基板電位の切り換えを
同時に用いることでより、フレームモ−ド時に、より広
いＤレンジを得ることができかつブルーミング等の問題
も未然に防ぐことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成のブロック図。

【図２】本発明の第１の実施例を説明するためのタイミ
ング図。

【図３】本発明の第２の実施例を示す回路図。

【図４】本発明の第２の実施例を説明するＣＣＤのポテ
ンシャル分布図。

【図５】本発明の第３の実施例を示す回路図。

【図６】本発明の第４の実施例を示す回路図。

【図７】ＣＣＤの基本構成を説明する図。

【図８】フィ−ルドモ−ドにおけるＣＣＤの基本的な垂
直転送パルスタイミング図。

【図９】フレ−ムモ−ドにおけるＣＣＤの基本的な垂直
転送パルスタイミング図。

【図１０】ＣＣＤの光電変換部直下のポテンシャル分布
図。

【符号の説明】

１ 撮像素子 ２ タイミング信号発生回路 ３ 駆動電圧設定回路 ４ 撮像素子駆動回路 ５ 前置処理回路 ６ Ａ／Ｄ変換器 ７ 撮像信号処理回路 ８ 記録媒体Ｉ／Ｆ ９ 記録媒体 １０ 操作部 １１ 設定切換回路

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換部と垂直転送部とを有し、光学
   像を電気信号に変換する撮像素子と、 フレ−ムモ−ドとフィ−ルドモ−ドを切換えるモ−ド切
   換手段と、 該モ−ド切換手段によるモ−ドの切換に応じて垂直転送
   パルスのバイアスレベルを制御する制御手段と、を有す
   る撮像装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は光電変換部から垂直転送
   部への読み出しパルスの幅を制御することを特徴とする
   請求項１の撮像装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は光電変換部と隣接した垂
   直転送部の転送パルスの中間電位レベルを切り換えるこ
   とを特徴とする請求項１の撮像装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は光電変換部と隣接した垂
   直転送部の転送パルスの中間電位レベルを所定量シフト
   すると同時に、それ以外の垂直転送部の電位も前記所定
   量シフトすることを特徴とする請求項１の撮像装置。
5. 【請求項５】 前記制御手段は各垂直転送パルス電位の
   シフト量を決定する複数のシフト回路を有し、この複数
   のシフト回路は共通の電源を有することを特徴とする請
   求項４の撮像装置。
6. 【請求項６】 前記複数のシフト回路がその出力に与え
   る温度特性の影響は前記複数のシフト回路についてほぼ
   等しいことを特徴とする請求項５の撮像装置。
7. 【請求項７】 前記制御手段は光電変換部と隣接した垂
   直転送部の転送パルスの中間レベルを切り換えると同時
   に、ハイレベル、ロ−レベルを同等レベルシフトするこ
   とを特徴とする請求項５の撮像装置。
8. 【請求項８】 光電変換部と垂直転送部とを有し、光学
   像を電気信号に変換する撮像素子と、 フレ−ムモ−ドとフィ−ルドモ−ドを切換えるモ−ド切
   換手段と、 該モ−ド切換手段によるモ−ドの切換に応じて垂直転送
   パルスのバイアスレベル及び撮像素子の基板電位を制御
   する制御手段と、を有する撮像装置。