JPH09219824A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH09219824A
JPH09219824A JP8023931A JP2393196A JPH09219824A JP H09219824 A JPH09219824 A JP H09219824A JP 8023931 A JP8023931 A JP 8023931A JP 2393196 A JP2393196 A JP 2393196A JP H09219824 A JPH09219824 A JP H09219824A
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charge
light receiving
sensitivity
signal charge
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JP8023931A
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Koichi Harada
耕一 原田
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Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 各受光部の飽和電荷量Ｑｓのムラが大きいこ
とによって画像に固定パターンノイズが発生していた。 【解決手段】 撮像部１０から高感度受光部１１の信号
電荷と低感度受光部１２の信号電荷とを読み出し、垂直
転送レジスタ１３を介して点順次信号になるように水平
転送レジスタ１４に転送した後、大光量時の高感度受光
部１１の信号電荷に対して出力ゲート１５でクリッピン
グをかけ、しかる後高感度受光部１１の信号電荷と低感
度受光部１２の信号電荷とを電荷検出部１６のフローテ
ィング・ディフュージョン容量２０で混合し、信号電圧
に変換して信号出力ＯＵＴとして導出するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関
し、特に光入力に対するダイナミックレンジが広いいわ
ゆる広ダイナミックレンジＣＣＤ(Charge Coupled Devi
ce) 固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＣＣＤ固体撮像装置では、マトリクス状
に２次元配置された各受光部（画素）において光電変換
されかつ蓄積された信号電荷が受光部から溢れた後は、
この信号電荷に基づく信号出力が一定となるため、受光
部の飽和レベル以上の入射光量に対応する信号出力が得
られなく、したがって光入力に対するダイナミックレン
ジが狭い。
【０００３】このダイナミックレンジを拡大するため
に、図６に示すように、感度の異なる２種類の受光部、
例えば高感度受光部１０１と低感度受光部１０２とを垂
直方向にて隣接して交互に配置し、高感度受光部１０１
の信号電荷については受光部内でリミッタを掛けてから
垂直転送レジスタ１０３に読み出し、当該レジスタ１０
３内で高感度受光部１０１の信号電荷と低感度受光部１
０２の信号電荷とを混合した後垂直転送し、さらに水平
転送レジスタ１０４にて水平転送して電荷検出部１０５
に供給し、ここで電気信号に変換した後バッファ１０６
を介して出力するようにした構成の固体撮像装置がある
（例えば、特開平３−１１７２８１号公報参照）。
【０００４】かかるＣＣＤ固体撮像装置においては、入
射光量がある一定量以上になると、高感度受光部１０１
の信号電荷にリミッタが掛かるため、この高感度受光部
１０１の信号電荷と低感度受光部１０２の信号電荷とを
混合することで、図７に示すところの折れ線近似の入出
力特性が得られ、これによって広ダイナミックレンジ化
が実現される。なお、図７において、一点鎖線は高感度
受光部１０１、点線は低感度受光部１０２の入出力特性
を、実線は混合後の入出力特性をそれぞれ示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高感度
受光部１０１において、各受光部ごとにリミッタを掛け
るようにした上記構成の従来のＣＣＤ固体撮像装置で
は、現実には、受光部ごとにオーバーフロー特性がばら
つき、各受光部の飽和電荷量Ｑｓのムラが大きいため、
図８に示すように、折れ線近似の入出力特性にオフセッ
トが生じる。したがって、高感度受光部１０１が飽和す
るような大光量の場合、各受光部の飽和電荷量Ｑｓのム
ラが大きいことによって画像に固定パターンノイズ（固
定パターンのムラ）が発生するという問題があった。
【０００６】そこで、本発明は、各受光部の飽和電荷量
Ｑｓのムラに起因する固定パターンノイズを発生するこ
となく、ダイナミックレンジの拡大を可能とした固体撮
像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置は、感度の異なる２種類以上の信号電荷を得る撮像部
と、この撮像部から移送された感度の異なる信号電荷を
点順次信号として転送する電荷転送部と、この電荷転送
部によって転送された信号電荷のうち、少なくとも最小
感度の信号電荷以外の信号電荷を所定のクリップレベル
でクリッピングするための直流バイアス電圧を電荷転送
部の出力ゲートに与えるバイアス付与回路と、出力ゲー
トでクリッピングされた信号電荷と他の感度の信号電荷
とを混合して電気信号に変換する電荷検出部とを備えた
構成となっている。
【０００８】上記構成の固体撮像装置において、撮像部
から感度の異なる２種類以上の信号電荷が電荷転送部に
移送されると、電荷転送部はこれら感度の異なる信号電
荷を点順次信号になるようにして転送する。この電荷転
送部において、その出力ゲートには所定のクリップレベ
ルに対応した直流バイアス電圧が印加されていることか
ら、大光量時に感度の高い信号電荷は、このクリップレ
ベルを越えることによってクリッピングされ、しかる後
電荷検出部に供給される。電荷検出部は、このクリッピ
ングされた信号電荷と他の感度の信号電荷とを混合し、
電気信号に変換して出力する。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の一
実施形態を示す概略構成図である。
【００１０】図１において、撮像部１０には感度が異な
る例えば２種類の受光部（画素）、即ち高感度受光部１
１および低感度受光部１２が列単位で水平方向（図の左
右方向）において交互にストライプ状に配置されてい
る。ここで、受光部１１，１２の感度を違える方法とし
ては、受光部１１，１２の開口面積を違える、オン
チップレンズの倍率を違える、受光部１１，１２の各
々に透過率の異なるフィルタを付ける、信号電荷の蓄
積時間を違えるなどの方法が考えられる。なお、図面上
では、高感度受光部１１を面積の大きな□で、低感度受
光部１２を面積の小さな□で模式的に示している。
【００１１】高感度受光部１１および低感度受光部１２
は、例えばフォトダイオードによって構成され、入射光
を光電変換しかつその光量に応じた電荷量の信号電荷を
蓄積する。また、高感度受光部１１および低感度受光部
１２の各垂直列ごとに垂直転送レジスタ１３が配されて
いる。垂直転送レジスタ１３は、各受光部の信号電荷を
独立に転送できるパケット群からなる。これにより、全
受光部の信号電荷を独立に読み出し、かつ垂直転送レジ
スタ１３内で混合することなく転送するいわゆる全画素
読み出しが可能となる。
【００１２】撮像部１０の図の下側には、水平転送レジ
スタ１４が配されている。この水平転送レジスタ１４
は、例えば２相の水平転送パルスφＨ１，φＨ２によっ
て駆動され、撮像部１０からライン単位で移された信号
電荷を画素単位で順に水平転送する。この水平転送レジ
スタ１４によって転送された信号電荷は、出力ゲート１
５を介して電荷検出部１６に画素単位で供給される。出
力ゲート１５には、バイアス付与回路１７で生成される
直流バイアス電圧Ｅ１が印加されている。
【００１３】このバイアス付与回路１７は、水平転送パ
ルスφＨ１（又は、φＨ２）に基づいて直流バイアス電
圧Ｅ１を生成する。一例として、アノードに水平転送パ
ルスφＨ１が印加されるダイオードＤと、このダイオー
ドＤのカソードとグランドとの間に接続されたコンデン
サＣと、ダイオードＤのカソードにゲートが接続されか
つドレインが接地されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｑと、このＭＯＳトランジスタＱのソースと電源Ｖｄｄ
との間に接続された電流源Ｉとからなる整流回路構成と
なっている。
【００１４】かかるバイアス付与回路１７において、水
平転送パルスφＨ１はダイオードＤで整流され、その整
流出力によってコンデンサＣが充電される。このコンデ
ンサＣの充電電圧は、水平転送パルスφＨ１の高レベル
の電位にほぼ等しくなる。ここで、水平転送パルスφＨ
１の高レベルを５Ｖ、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＱ
の閾値電圧をＶｔｈとすると、約（５Ｖ＋Ｖｔｈ）の電
圧が当該ＭＯＳトランジスタＱのソース電圧として導出
される。そして、このＭＯＳトランジスタＱのソース電
圧が直流バイアス電圧Ｅ１として水平転送レジスタ１４
の出力ゲート１５に与えられる。
【００１５】電荷検出部１６は、例えばフローティング
・ディフュージョン・アンプによって構成されている。
この電荷検出部１６において、リセットドレイン１８に
は所定の直流電圧Ｅ２が印加され、リセットゲート１９
にはリセットゲートパルスφＲＧが印加される。そし
て、水平転送レジスタ１４から供給される信号電荷は、
フローティング・ディフュージョン容量２０で信号電圧
に変換されて信号出力ＯＵＴとして導出される。ここ
で、リセットゲートパルスφＲＧの周波数、即ち電荷検
出部１６のリセット周波数は、水平転送パルスφＨ１，
φＨ２の周波数、即ち水平転送レジスタ１４の駆動周波
数の１／２に設定されている。
【００１６】次に、上記構成の全画素読み出し方式のＣ
ＣＤ固体撮像装置における信号電荷の読み出し動作およ
び転送動作について説明する。
【００１７】撮像部１０において、高感度受光部１１お
よび低感度受光部１２で光電変換されて得られる信号電
荷は垂直転送レジスタ１３に読み出され、この垂直転送
レジスタ１３から水平転送レジスタ１４へ各列ごとに画
素単位で順に移される。このとき、水平転送レジスタ１
４には、高感度受光部１１の信号電荷と低感度受光部１
２の信号電荷とが交互に配置される。したがって、水平
転送レジスタ１４を動作させることで、高感度受光部１
１および低感度受光部１２の各信号電荷が点順次信号と
して出力側に転送される。
【００１８】続いて、水平転送レジスタ１４の出力ゲー
ト１５における大光量時の高感度受光部１１の信号電荷
に対するクリッピング処理および電荷検出部１６におけ
る高感度受光部１１および低感度受光部１２の各信号電
荷の混合処理の各動作について、図２のタイミングチャ
ートを参照しつつ図３のポテンシャル図に基づいて説明
する。なお、図中、高感度受光部１１の信号電荷を○、
低感度受光部１２の信号電荷を×でそれぞれ模式的に示
すものとする。
【００１９】水平転送レジスタ１４において、水平転送
パルスφＨ１，φＨ２による駆動により、高感度受光部
１１の信号電荷○および低感度受光部１２の信号電荷×
が点順次で順に転送され、高感度受光部１１の信号電荷
○が最終転送段（ＬＨ）に転送されたとき、即ち水平転
送パルスφＨ１が高レベル、水平転送パルスφＨ２が低
レベルに遷移したとき（ｔ＝ｔ１）、その信号電荷○の
電荷量が大光量時のものであることによって出力ゲート
（ＨＯＧ）１５の下のポテンシャルを越える場合には、
その越えた分の信号電荷が電荷検出部１６のフローティ
ング・ディフュージョン容量（ＦＤ）２０に流れ込む。
【００２０】これにより、出力ゲート１５において、大
光量時の高感度受光部１１の信号電荷○に対するクリッ
ピング処理が行われる。ここで、出力ゲート１５でのク
リップレベル、即ち出力ゲート（ＨＯＧ）１５の下のポ
テンシャルは、出力ゲート１５に与えられる直流バイア
ス電圧Ｅ１や出力ゲート１５の下の不純物濃度などによ
って決まる。
【００２１】このクリッピング処理時には、リセットゲ
ート（ＲＧ）１９に印加されるリセットゲートパルスφ
ＲＧが高レベル（例えば、１５Ｖ程度）にあり、リセッ
トゲート１９の下のポテンシャルが深い状態にある。し
たがって、クリップレベルを越えてフローティング・デ
ィフュージョン容量２０に流れ込んだ信号電荷は、リセ
ットゲート１９を介してリセットドレイン（ＲＤ）１８
に掃き捨てられる。
【００２２】次に、リセットゲートパルスφＲＧが低レ
ベルに遷移する（ｔ＝ｔ２）。これにより、リセットゲ
ート１９の下のポテンシャルが浅くなる。続いて、水平
転送パルスφＨ１が低レベル、水平転送パルスφＨ２が
高レベルに遷移すると（ｔ＝ｔ３）、水平転送レジスタ
１４の最終転送段（ＬＨ）の下のポテンシャルが浅くな
る。すると、クリッピング処理後に最終転送段（ＬＨ）
の下に蓄積されていた高感度受光部１１の信号電荷○が
出力ゲート１５を介して電荷検出部１６のフローティン
グ・ディフュージョン容量２０に転送される。
【００２３】次に、水平転送パルスφＨ１が高レベル、
水平転送パルスφＨ２が低レベルに遷移すると（ｔ＝ｔ
４）、水平転送レジスタ１４の最終転送段（ＬＨ）には
低感度受光部１２の信号電荷×が転送される。すると、
低感度受光部１２の信号電荷はそのまま最終転送段（Ｌ
Ｈ）の下に蓄積される。
【００２４】このとき、リセットゲートパルスφＲＧの
周波数は水平転送パルスφＨ１，φＨ２の周波数の１／
２に設定されていることから、電荷検出部１６のフロー
ティング・ディフュージョン容量２０のリセットが１回
間引かれる。したがって、先にフローティング・ディフ
ュージョン容量２０に転送された高感度受光部１１の信
号電荷○は、リセットされることなくそのままフローテ
ィング・ディフュージョン容量２０に蓄積された状態に
ある。
【００２５】続いて、水平転送パルスφＨ１が低レベ
ル、水平転送パルスφＨ２が高レベルに遷移すると（ｔ
＝ｔ５）、水平転送レジスタ１４の最終転送段（ＬＨ）
の下のポテンシャルが浅くなるため、低感度受光部１２
の信号電荷×が出力ゲート１５を介して電荷検出部１６
のフローティング・ディフュージョン容量２０に転送さ
れ、それまでフローティング・ディフュージョン容量２
０に蓄積されていた高感度受光部１１の信号電荷○と混
合される。この混合された信号電荷は信号電圧に変換さ
れ、信号出力ＯＵＴとして導出される。
【００２６】以降、上述した一連の処理が繰り返して実
行される。このように、高感度受光部１１の信号電荷○
と低感度受光部１２の信号電荷×とを点順次信号になる
ように水平転送レジスタ１４に転送した後、大光量時の
高感度受光部１１の信号電荷○に対して出力ゲート１５
でクリッピングをかけ、しかる後高感度受光部１１の信
号電荷○と低感度受光部１２の信号電荷×とを電荷検出
部１６のフローティング・ディフュージョン容量２０で
混合するようにしたことにより、高感度受光部１１の信
号電荷○に対して各画素に共通のクリップレベルでクリ
ッピングがかけられるので、受光部（画素）間の特性バ
ラツキに起因して画像に固定パターンのムラが発生する
のを抑制できる。
【００２７】特に、出力ゲート１５でクリッピング処理
を行い、かつ電荷検出部１６で混合処理を行う構成とし
たことにより、出力ゲート１５に印加する直流バイアス
電圧Ｅ１を適当に設定し、かつリセットゲートパルスφ
ＲＧの周波数を水平転送パルスφＨ１，φＨ２の１／２
に設定するだけの変更で良いため、従来の全画素読み出
し方式のＣＣＤ固体撮像装置の基本的な構成をそのまま
用いて広ダイナミックレンジ読み出しを実現できるとい
う特有の効果がある。
【００２８】また、出力ゲート１５に印加する直流バイ
アス電圧Ｅ１を、バイアス付与回路１７において水平転
送パルスφＨ１，φＨ２に基づいて生成するようにした
ことにより、直流バイアス電圧Ｅ１の無調整化が実現で
きる。すなわち、ＣＣＤ固体撮像装置の場合、出力ゲー
トに印加すべき電圧が各デバイスごとに異なることか
ら、外部から与える直流バイアス電圧Ｅ１のレベルもデ
バイスごとに調整する必要があるが、バイアス付与回路
１７を内蔵したことで、直流バイアス電圧Ｅ１をデバイ
スごとに調整する必要がなくなり、したがってその調整
のための外付回路も不要となる。
【００２９】ところで、直流バイアス電圧Ｅ１を固定と
した場合には、水平転送パルスφＨ１，φＨ２のレベル
が変動した場合に、水平転送レジスタ１４と出力ゲート
１５との間のポテンシャル差が変動し、信号電荷の転送
動作に悪影響を及ぼすことになる。ところが、本実施形
態では、直流バイアス電圧Ｅ１を水平転送パルスφＨ
１，φＨ２に基づいて生成するようにしたので、水平転
送パルスφＨ１，φＨ２のレベルが変動した場合に、そ
れに追従して直流バイアス電圧Ｅ１のレベルも変動する
ことになる。これにより、水平転送レジスタ１４と出力
ゲート１５との間のポテンシャル差を常に一定に保てる
ことになるため、信号電荷の転送動作を損なうことなく
クリッピングおよび混合の各処理を行うことができる。
【００３０】なお、上記実施形態では、感度の異なる２
種類の受光部の配列を縦ストライプ状としたが、これに
限定されるものではなく、水平転送レジスタ１４に転送
された段階で高感度受光部１１の信号電荷○と低感度受
光部１２の信号電荷×とが点順次信号となっていれば良
い。したがって、図４に示すように、高感度受光部１１
と低感度受光部１２とが市松模様に配列された構成のＣ
ＣＤ固体撮像装置や、図５に示すように、高感度受光部
１１と低感度受光部１２とが横ストライプ状に配列され
た構成のＣＣＤ固体撮像装置が、他の例として挙げられ
る。
【００３１】図４に示す市松配列の場合には、垂直転送
レジスタ１３に読み出した高感度受光部１１および低感
度受光部１２の各信号電荷をそのまま順に１行（１ライ
ン）ずつ水平転送レジスタ１４に転送することで、水平
転送レジスタ１４には高感度受光部１１の信号電荷と低
感度受光部１２の信号電荷とが交互に配置され、点順次
信号となる。
【００３２】一方、図５の横ストライプ配列の場合に
は、垂直転送レジスタ１３に読み出した高感度受光部１
１および低感度受光部１２の各信号電荷を、先ず１行
（１ライン）分だけ水平転送レジスタ１４に転送し、次
いでこの水平転送レジスタ１４を１ビット分だけシフト
し、しかる後次の１行分の信号電荷を水平転送レジスタ
１４に転送することによって点順次信号となる。この場
合、水平転送レジスタ１４のピッチは垂直転送レジスタ
１３のピッチの２倍となる。
【００３３】また、上記実施形態においては、各受光部
の感度を異ならしめることによって画素単位で感度の異
なる信号電荷を得る構成の場合について説明したが、単
一の受光部において、信号電荷の蓄積時間を変えること
によっても感度の異なる信号電荷を得ることも可能であ
り、このようなＣＣＤ固体撮像装置に対しても本発明は
適用可能である。
【００３４】さらに、上記実施形態では、感度の異なる
受光部として高感度受光部１１と低感度受光部１２との
２種類を設ける構成としたが、この２種類に限定される
ものではない。なお、感度を３種類以上に設定した場合
には、各受光部の信号電荷を水平転送レジスタ１４に転
送した後、少なくとも最小感度の受光部以外の受光部の
信号電荷に対してクリッピングをかけ、しかる後各感度
の受光部の信号電荷を混合するようにすれば良い。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
感度の異なる２種類以上の信号電荷を得ることが可能な
広ダイナミックレンジ読み出し方式の固体撮像装置にお
いて、撮像部から移送された感度の異なる信号電荷を点
順次信号になるように転送し、少なくとも最小感度の信
号電荷以外の信号電荷を出力ゲートでクリッピングした
後、このクリッピングされた信号電荷と他の感度の信号
電荷とを電荷検出部で混合するようにしたことにより、
高感度受光部が飽和するような大光量の場合、飽和する
各信号電荷に対して共通のクリップレベルにてクリッピ
ングが行われるので、各受光部の飽和電荷量Ｑｓのムラ
に起因する固定パターンノイズを発生することなく、ダ
イナミックレンジを拡大できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】信号電荷のクリッピング処理および混合処理の
動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】信号電荷のクリッピング処理および混合処理の
際の各部のポテンシャル分布を示すポテンシャル図であ
る。
【図４】高感度受光部および低感度受光部の市松配列を
示す構成図である。
【図５】高感度受光部および低感度受光部の横ストライ
プ配列を示す構成図である。
【図６】従来例を示す概略構成図である。
【図７】折れ線近似の入出力特性図である。
【図８】オフセットが生じたときの入出力特性図であ
る。
【符号の説明】
１１ 高感度受光部 １２ 低感度受光部 １３
垂直転送レジスタ １４ 水平転送レジスタ １５ 出力ゲート １６
電荷検出部 １７ バイアス付与回路 １８ リセットドレイン １９ リセットゲート ２０ フローティング・ディ
フュージョン容量

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 感度の異なるｎ種類（ｎは２以上の整
    数）の信号電荷を得る撮像部と、 前記撮像部から移送された感度の異なる信号電荷を点順
    次信号として転送する電荷転送部と、 前記電荷転送部によって転送された信号電荷のうち、少
    なくとも最小感度の信号電荷以外の信号電荷を所定のク
    リップレベルでクリッピングするための直流バイアス電
    圧を前記電荷転送部の出力ゲートに与えるバイアス付与
    回路と、 前記出力ゲートでクリッピングされた信号電荷と他の感
    度の信号電荷とを混合して電気信号に変換する電荷検出
    部とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 前記電荷検出部は、フローティング・デ
    ィフュージョン・アンプからなり、そのリセット周波数
    が前記電荷転送部の駆動周波数の１／ｎに設定されてい
    るとともに、前記出力ゲートからフローティング・ディ
    フュージョン容量に供給される前記所定レベルを越える
    信号電荷をリセットドレインに掃き捨てることを特徴と
    する請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 前記バイアス付与回路は、前記直流バイ
    アス電圧を前記電荷転送部の駆動パルスに基づいて生成
    することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
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