JPH0955888A - 固体撮像素子およびこれを用いた撮像装置 - Google Patents
固体撮像素子およびこれを用いた撮像装置Info
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- JPH0955888A JPH0955888A JP7205551A JP20555195A JPH0955888A JP H0955888 A JPH0955888 A JP H0955888A JP 7205551 A JP7205551 A JP 7205551A JP 20555195 A JP20555195 A JP 20555195A JP H0955888 A JPH0955888 A JP H0955888A
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/80—Constructional details of image sensors
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 単位画素の蓄積できる信号電荷量に限界があ
るため、入射光量対出力信号量のダイナミックレンジの
拡大にも限界があった。 【解決手段】 １本の垂直信号線１３に対して負荷容量
１８，１９を例えば２つ設け、蓄積時間が異なる複数行
の画素から出力される信号を、垂直信号線１３を通して
動作スイッチであるＭＯＳトランジスタ１６，１７によ
って読み出して負荷容量１８，１９に記憶させる一方、
負荷容量１８，１９に記憶された信号を水平スイッチで
あるＭＯＳトランジスタ２０，２１によって水平信号線
２２，２３を通して出力端子２５，２６から導出する。
るため、入射光量対出力信号量のダイナミックレンジの
拡大にも限界があった。 【解決手段】 １本の垂直信号線１３に対して負荷容量
１８，１９を例えば２つ設け、蓄積時間が異なる複数行
の画素から出力される信号を、垂直信号線１３を通して
動作スイッチであるＭＯＳトランジスタ１６，１７によ
って読み出して負荷容量１８，１９に記憶させる一方、
負荷容量１８，１９に記憶された信号を水平スイッチで
あるＭＯＳトランジスタ２０，２１によって水平信号線
２２，２３を通して出力端子２５，２６から導出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子およ
びこれを用いた撮像装置に関し、特に光電変換によって
得られる画素情報を画素単位で読み出すことが可能なＸ
‐Ｙアドレス型固体撮像素子およびこれを用いた撮像装
置に関する。
びこれを用いた撮像装置に関し、特に光電変換によって
得られる画素情報を画素単位で読み出すことが可能なＸ
‐Ｙアドレス型固体撮像素子およびこれを用いた撮像装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｘ‐Ｙアドレス型固体撮像素子の一種で
ある増幅型固体撮像素子では、画素そのものに増幅機能
を持たせるために、ＭＯＳ構造等の能動素子（ＭＯＳト
ランジスタ）を用いて画素を構成している。この増幅型
固体撮像素子の従来例を図８に示す。図８において、画
素トランジスタ８１が行列状に多数配列され、各画素ト
ランジスタ８１のゲート電極が行単位で垂直選択線８２
に接続され、各ソース電極が列単位で垂直信号線８３に
接続され、さらに各ドレイン電極には電源電圧ＶＤが印
加されている。各垂直選択線８２は、垂直スキャナ８４
の出力端に接続されている。
ある増幅型固体撮像素子では、画素そのものに増幅機能
を持たせるために、ＭＯＳ構造等の能動素子（ＭＯＳト
ランジスタ）を用いて画素を構成している。この増幅型
固体撮像素子の従来例を図８に示す。図８において、画
素トランジスタ８１が行列状に多数配列され、各画素ト
ランジスタ８１のゲート電極が行単位で垂直選択線８２
に接続され、各ソース電極が列単位で垂直信号線８３に
接続され、さらに各ドレイン電極には電源電圧ＶＤが印
加されている。各垂直選択線８２は、垂直スキャナ８４
の出力端に接続されている。
【０００３】各垂直信号線８３は、動作スイッチである
ＮｃｈＭＯＳトランジスタ８５のドレイン電極に接続さ
れている。このＭＯＳトランジスタ８５のソース電極
は、負荷容量８６の一端に接続されるとともに、水平ス
イッチであるＮｃｈＭＯＳトランジスタ８７のドレイン
電極に接続され、そのゲート電極には、動作パルスφＯ
Ｐが印加される。負荷容量８６の他端は接地されてい
る。ＭＯＳトランジスタ８７のソース電極は水平信号線
８８に接続され、そのゲート電極は水平走査回路８９の
出力端に接続されている。水平信号線８８の一端は、出
力端子９０に接続されている。
ＮｃｈＭＯＳトランジスタ８５のドレイン電極に接続さ
れている。このＭＯＳトランジスタ８５のソース電極
は、負荷容量８６の一端に接続されるとともに、水平ス
イッチであるＮｃｈＭＯＳトランジスタ８７のドレイン
電極に接続され、そのゲート電極には、動作パルスφＯ
Ｐが印加される。負荷容量８６の他端は接地されてい
る。ＭＯＳトランジスタ８７のソース電極は水平信号線
８８に接続され、そのゲート電極は水平走査回路８９の
出力端に接続されている。水平信号線８８の一端は、出
力端子９０に接続されている。
【０００４】上記構成の増幅型固体撮像素子において、
入射光は画素トランジスタ８１にてその光量に応じた電
荷量の信号電荷に光電変換される。画素トランジスタ８
１からの入射光量に応じた信号は、垂直信号線８３を経
て動作スイッチであるＭＯＳトランジスタ８５を介して
負荷容量８６に保持される。この保持された信号は、水
平走査回路８９によって制御される水平スイッチである
ＭＯＳトランジスタ８７を介して水平信号線８８に出力
され、さらにこの水平信号線８８を通して出力端子９０
から外部へ導出される。
入射光は画素トランジスタ８１にてその光量に応じた電
荷量の信号電荷に光電変換される。画素トランジスタ８
１からの入射光量に応じた信号は、垂直信号線８３を経
て動作スイッチであるＭＯＳトランジスタ８５を介して
負荷容量８６に保持される。この保持された信号は、水
平走査回路８９によって制御される水平スイッチである
ＭＯＳトランジスタ８７を介して水平信号線８８に出力
され、さらにこの水平信号線８８を通して出力端子９０
から外部へ導出される。
【０００５】このような増幅型固体撮像素子では、光電
変換によって単位画素に蓄積された信号電荷に対してほ
ぼ線形な出力信号が得られ、単位画素の蓄積できる信号
電荷量によって撮像素子のダイナミックレンジが決定さ
れてしまう。図９は、撮像素子の入射光量と出力信号量
の関係を示す入出力特性図である。この入出力特性図か
ら明らかなように、撮像素子のダイナミックレンジは、
画素の飽和信号量とノイズレベルで決まってしまう。
変換によって単位画素に蓄積された信号電荷に対してほ
ぼ線形な出力信号が得られ、単位画素の蓄積できる信号
電荷量によって撮像素子のダイナミックレンジが決定さ
れてしまう。図９は、撮像素子の入射光量と出力信号量
の関係を示す入出力特性図である。この入出力特性図か
ら明らかなように、撮像素子のダイナミックレンジは、
画素の飽和信号量とノイズレベルで決まってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の増幅型固体撮像素子では、単位画素の蓄積できる信号
電荷量は、単位画素の大きさに応じて限界があることか
ら、低輝度の被写体にカメラレンズの絞りを合わせると
高輝度の被写体の信号は飽和してしまい、逆に高輝度の
被写体にカメラレンズの絞りを合わせると低輝度の被写
体の信号はノイズに埋もれてしまうため、画像認識等に
要求されるダイナミックレンジを得ることができなかっ
た。
の増幅型固体撮像素子では、単位画素の蓄積できる信号
電荷量は、単位画素の大きさに応じて限界があることか
ら、低輝度の被写体にカメラレンズの絞りを合わせると
高輝度の被写体の信号は飽和してしまい、逆に高輝度の
被写体にカメラレンズの絞りを合わせると低輝度の被写
体の信号はノイズに埋もれてしまうため、画像認識等に
要求されるダイナミックレンジを得ることができなかっ
た。
【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、入射光量対出力信号
量のダイナミックレンジを飛躍的に拡大することが可能
な固体撮像素子およびこれを用いた撮像装置を提供する
ことにある。
であり、その目的とするところは、入射光量対出力信号
量のダイナミックレンジを飛躍的に拡大することが可能
な固体撮像素子およびこれを用いた撮像装置を提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像素
子では、同一列の画素を共通に接続した垂直信号線の各
々に対して複数の記憶手段を設け、蓄積時間が異なる複
数行の画素から出力される信号を垂直信号線を通して複
数の第１のスイッチ手段によって読み出して複数の記憶
手段に記憶させる一方、これらの記憶手段に記憶された
信号を複数の第２のスイッチ手段によって読み出して複
数の水平信号線を通して出力する構成となっている。
子では、同一列の画素を共通に接続した垂直信号線の各
々に対して複数の記憶手段を設け、蓄積時間が異なる複
数行の画素から出力される信号を垂直信号線を通して複
数の第１のスイッチ手段によって読み出して複数の記憶
手段に記憶させる一方、これらの記憶手段に記憶された
信号を複数の第２のスイッチ手段によって読み出して複
数の水平信号線を通して出力する構成となっている。
【０００９】また、本発明による撮像装置では、蓄積時
間が異なる複数行の画素に基づく複数の出力信号を得る
固体撮像素子を用い、この固体撮像素子から出力される
複数の出力信号を信号処理回路で同時化しかつこれらを
加算して映像信号として出力する構成となっている。
間が異なる複数行の画素に基づく複数の出力信号を得る
固体撮像素子を用い、この固体撮像素子から出力される
複数の出力信号を信号処理回路で同時化しかつこれらを
加算して映像信号として出力する構成となっている。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明によ
る固体撮像素子の一実施形態を示す構成図である。図１
において、画素トランジスタ（本例では、ＮｃｈＭＯＳ
トランジスタを示す）１１が行列状に多数配列され、各
画素トランジスタ１１のゲート電極が行単位で垂直選択
線１２に接続され、各ソース電極が列単位で垂直信号線
１３に接続され、さらに各ドレイン電極には電源電圧Ｖ
Ｄが印加されている。各垂直選択線１２は、垂直走査回
路１４および電子シャッタ走査回路１５の出力端に接続
されている。
て図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明によ
る固体撮像素子の一実施形態を示す構成図である。図１
において、画素トランジスタ（本例では、ＮｃｈＭＯＳ
トランジスタを示す）１１が行列状に多数配列され、各
画素トランジスタ１１のゲート電極が行単位で垂直選択
線１２に接続され、各ソース電極が列単位で垂直信号線
１３に接続され、さらに各ドレイン電極には電源電圧Ｖ
Ｄが印加されている。各垂直選択線１２は、垂直走査回
路１４および電子シャッタ走査回路１５の出力端に接続
されている。
【００１１】垂直走査回路１４はシフトレジスタ等で構
成されており、垂直走査しつつ各ラインごとに画素情報
を順に読み出すために、各垂直選択線１２に対して垂直
選択パルスφＶ（…，φＶｍ，…，φＶｐ，…）を与え
る。電子シャッタ走査回路１５も同様にシフトレジスタ
等で構成されており、各ラインごとに画素の蓄積時間を
制御するためのものである。
成されており、垂直走査しつつ各ラインごとに画素情報
を順に読み出すために、各垂直選択線１２に対して垂直
選択パルスφＶ（…，φＶｍ，…，φＶｐ，…）を与え
る。電子シャッタ走査回路１５も同様にシフトレジスタ
等で構成されており、各ラインごとに画素の蓄積時間を
制御するためのものである。
【００１２】各垂直信号線１３は、動作スイッチ（第１
のスイッチ手段）である例えば２つのＮｃｈＭＯＳトラ
ンジスタ１６，１７の各ドレイン電極に接続されてい
る。これらＭＯＳトランジスタ１６，１７は同一サイズ
に形成されており、その各ゲート電極には動作パルスφ
ＯＰ１，φＯＰ２が印加される。ＭＯＳトランジスタ１
６，１７の各ソース電極は、記憶手段である２つの負荷
容量１８，１９の各一端に接続されるとともに、水平ス
イッチ（第２のスイッチ手段）である２つのＮｃｈＭＯ
Ｓトランジスタ２０，２１の各ドレイン電極に接続され
ている。負荷容量１８，１９の各他端は共に接地されて
いる。
のスイッチ手段）である例えば２つのＮｃｈＭＯＳトラ
ンジスタ１６，１７の各ドレイン電極に接続されてい
る。これらＭＯＳトランジスタ１６，１７は同一サイズ
に形成されており、その各ゲート電極には動作パルスφ
ＯＰ１，φＯＰ２が印加される。ＭＯＳトランジスタ１
６，１７の各ソース電極は、記憶手段である２つの負荷
容量１８，１９の各一端に接続されるとともに、水平ス
イッチ（第２のスイッチ手段）である２つのＮｃｈＭＯ
Ｓトランジスタ２０，２１の各ドレイン電極に接続され
ている。負荷容量１８，１９の各他端は共に接地されて
いる。
【００１３】ＭＯＳトランジスタ２０，２１の各ソース
電極は水平信号線２２，２３にそれぞれ接続され、各ゲ
ート電極は水平走査回路２４の出力端に共通に接続され
ている。この水平走査回路２４はシフトレジスタ等で構
成され、ＭＯＳトランジスタ２０，２１を導通状態に
し、負荷容量１８，１９の各一端を水平信号線２２，２
３に接続するために、ＭＯＳトランジスタ２０，２１の
各ゲート電極に対して水平走査パルスφＨ（…，φＶ
ｎ，φＶｎ＋１，…）を与える。水平信号線２２，２３
の各一端は、出力端子２５，２６にそれぞれ接続されて
いる。以上により、増幅型固体撮像素子１０が構成され
ている。
電極は水平信号線２２，２３にそれぞれ接続され、各ゲ
ート電極は水平走査回路２４の出力端に共通に接続され
ている。この水平走査回路２４はシフトレジスタ等で構
成され、ＭＯＳトランジスタ２０，２１を導通状態に
し、負荷容量１８，１９の各一端を水平信号線２２，２
３に接続するために、ＭＯＳトランジスタ２０，２１の
各ゲート電極に対して水平走査パルスφＨ（…，φＶ
ｎ，φＶｎ＋１，…）を与える。水平信号線２２，２３
の各一端は、出力端子２５，２６にそれぞれ接続されて
いる。以上により、増幅型固体撮像素子１０が構成され
ている。
【００１４】次に、上記構成の増幅型固体撮像素子１０
の動作について説明する。先ず、垂直走査期間にほぼ近
い時間だけ蓄積したφＶｍ行の垂直選択線１２の画素ト
ランジスタ１１を、ある水平ブランキング期間に垂直信
号線１３から動作スイッチであるＭＯＳトランジスタ１
６を介して読み出して負荷容量１８に信号電圧として保
持する。そして、読み出しが終わったφＶｍ行の垂直選
択線１２の画素トランジスタ１１については、当該画素
トランジスタ１１に蓄積した信号電荷をリセットする。
なお、画素の蓄積時間の制御は、電子シャッタ走査回路
１５によって行われる。
の動作について説明する。先ず、垂直走査期間にほぼ近
い時間だけ蓄積したφＶｍ行の垂直選択線１２の画素ト
ランジスタ１１を、ある水平ブランキング期間に垂直信
号線１３から動作スイッチであるＭＯＳトランジスタ１
６を介して読み出して負荷容量１８に信号電圧として保
持する。そして、読み出しが終わったφＶｍ行の垂直選
択線１２の画素トランジスタ１１については、当該画素
トランジスタ１１に蓄積した信号電荷をリセットする。
なお、画素の蓄積時間の制御は、電子シャッタ走査回路
１５によって行われる。
【００１５】次に、同じ水平ブランキング期間に例えば
１／１０００秒前に一度読み出されてリセットされたφ
Ｖｐ行の垂直選択線１２の画素トランジスタ１１の信号
を、垂直選択線１２からＭＯＳトランジスタ１７を介し
て負荷容量１９に読み出して信号電圧として保持する。
読み出しが終わったφＶｐ行の垂直選択線１２の画素ト
ランジスタ１１については、当該画素トランジスタ１１
に蓄積した信号電荷をリセットする。すると、垂直走査
期間をいま仮に１／６０秒であるとすると、負荷容量１
８，１９にはそれぞれ（１／６０−１／１０００）秒と
１／１０００秒の蓄積時間の信号が保持される。これら
の信号をそれぞれＬ信号、Ｓ信号と称することにする。
１／１０００秒前に一度読み出されてリセットされたφ
Ｖｐ行の垂直選択線１２の画素トランジスタ１１の信号
を、垂直選択線１２からＭＯＳトランジスタ１７を介し
て負荷容量１９に読み出して信号電圧として保持する。
読み出しが終わったφＶｐ行の垂直選択線１２の画素ト
ランジスタ１１については、当該画素トランジスタ１１
に蓄積した信号電荷をリセットする。すると、垂直走査
期間をいま仮に１／６０秒であるとすると、負荷容量１
８，１９にはそれぞれ（１／６０−１／１０００）秒と
１／１０００秒の蓄積時間の信号が保持される。これら
の信号をそれぞれＬ信号、Ｓ信号と称することにする。
【００１６】この負荷容量１８，１９に保持されたＬ，
Ｓ信号は、水平スイッチであるＭＯＳトランジスタ２
０，２１を介して水平信号線２２，２３に出力され、さ
らに出力端子２５，２６を通して出力信号ＯＵＴ１，Ｏ
ＵＴ２としてそれぞれ外部へ導出される。ここで、入射
光量に対する出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の各信号量の
関係を図示すると図４に示すようになる。すなわち、出
力信号ＯＵＴ１は従来例の場合と同等の入射光量Ｒ１で
飽和してしまうのに対し、もう一方の出力信号ＯＵＴ２
は入射光量Ｒ２まで飽和しない。
Ｓ信号は、水平スイッチであるＭＯＳトランジスタ２
０，２１を介して水平信号線２２，２３に出力され、さ
らに出力端子２５，２６を通して出力信号ＯＵＴ１，Ｏ
ＵＴ２としてそれぞれ外部へ導出される。ここで、入射
光量に対する出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の各信号量の
関係を図示すると図４に示すようになる。すなわち、出
力信号ＯＵＴ１は従来例の場合と同等の入射光量Ｒ１で
飽和してしまうのに対し、もう一方の出力信号ＯＵＴ２
は入射光量Ｒ２まで飽和しない。
【００１７】このように、１本の垂直信号線１３に対し
て例えば２つの負荷容量１８，１９を設け、蓄積時間が
異なる複数行の画素から出力される信号を、垂直信号線
１３を通してＭＯＳトランジスタ１６，１７によって読
み出して負荷容量１８，１９に記憶させる一方、負荷容
量１８，１９に記憶された信号をＭＯＳトランジスタ２
０，２１によって水平信号線２２，２３を通して出力す
る構成としたことで、単一の固体撮像素子１０から同時
に蓄積時間の異なる出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２が得ら
れる。したがって、従来の固体撮像素子では画素が飽和
してコントラストの得られない映像信号がもう一方の端
子から出力され、別々の端子からではあるが非常に広い
範囲の入射光量に対してコントラストのある信号が得ら
れる。
て例えば２つの負荷容量１８，１９を設け、蓄積時間が
異なる複数行の画素から出力される信号を、垂直信号線
１３を通してＭＯＳトランジスタ１６，１７によって読
み出して負荷容量１８，１９に記憶させる一方、負荷容
量１８，１９に記憶された信号をＭＯＳトランジスタ２
０，２１によって水平信号線２２，２３を通して出力す
る構成としたことで、単一の固体撮像素子１０から同時
に蓄積時間の異なる出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２が得ら
れる。したがって、従来の固体撮像素子では画素が飽和
してコントラストの得られない映像信号がもう一方の端
子から出力され、別々の端子からではあるが非常に広い
範囲の入射光量に対してコントラストのある信号が得ら
れる。
【００１８】なお、本実施形態では、１本の垂直信号線
１３に対して２つの負荷容量１８，１９を設けるとした
が、２つに限られるものではなく、３つ以上設けること
も可能である。この場合、動作スイッチおよび水平スイ
ッチについても同じ数だけ設ける必要がある。
１３に対して２つの負荷容量１８，１９を設けるとした
が、２つに限られるものではなく、３つ以上設けること
も可能である。この場合、動作スイッチおよび水平スイ
ッチについても同じ数だけ設ける必要がある。
【００１９】また、図１の構成の固体撮像素子１０にお
いては、出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２として、異なる行
の画素からの信号が同時に導出されることになるため、
表示や画像処理等をする場合に都合が悪い。これに対処
できるようにしたのが、本発明による撮像装置である。
いては、出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２として、異なる行
の画素からの信号が同時に導出されることになるため、
表示や画像処理等をする場合に都合が悪い。これに対処
できるようにしたのが、本発明による撮像装置である。
【００２０】図３は、本発明による撮像装置の一実施形
態を示すブロック図である。図３において、固体撮像素
子１０から出力される、後に走査される行の画素信号
（図１の説明では、出力信号ＯＵＴ１）をＦＩＦＯ(Fir
st In First Out)のＮ行分のラインメモリ３１を通すこ
とにより、出力信号ＯＵＴ１と同一の行でかつ出力信号
ＯＵＴ１よりも遅れて出力される出力信号ＯＵＴ２に時
間を合わせ（同時化）、その後この同時化された出力信
号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を加算器３２で加算する構成の信
号処理回路３０を用いる。
態を示すブロック図である。図３において、固体撮像素
子１０から出力される、後に走査される行の画素信号
（図１の説明では、出力信号ＯＵＴ１）をＦＩＦＯ(Fir
st In First Out)のＮ行分のラインメモリ３１を通すこ
とにより、出力信号ＯＵＴ１と同一の行でかつ出力信号
ＯＵＴ１よりも遅れて出力される出力信号ＯＵＴ２に時
間を合わせ（同時化）、その後この同時化された出力信
号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を加算器３２で加算する構成の信
号処理回路３０を用いる。
【００２１】ここで、ラインメモリ２２の容量として
は、図１の構成の場合は、（ｍ−ｐ）行分だけあれば良
い。このことは、図１で説明したように、蓄積時間を短
くしたφＶｐ行について、蓄積時間の長いφＶｍ行より
も先に走査されるように設定しておけば、メモリの容量
が少なくて済むことを意味している。何故ならば、φＶ
ｐ行の蓄積時間はφＶｍ行との行差と水平走査時間の積
で表されるため、先に走査されるφＶｐ行の蓄積時間を
短く設定すればφＶｐ行とφＶｍ行との行差が少なくな
り、結果的にメモリの容量が少なくなるからである。
は、図１の構成の場合は、（ｍ−ｐ）行分だけあれば良
い。このことは、図１で説明したように、蓄積時間を短
くしたφＶｐ行について、蓄積時間の長いφＶｍ行より
も先に走査されるように設定しておけば、メモリの容量
が少なくて済むことを意味している。何故ならば、φＶ
ｐ行の蓄積時間はφＶｍ行との行差と水平走査時間の積
で表されるため、先に走査されるφＶｐ行の蓄積時間を
短く設定すればφＶｐ行とφＶｍ行との行差が少なくな
り、結果的にメモリの容量が少なくなるからである。
【００２２】このように、後に走査される行の画素信号
であるＬ信号（出力信号ＯＵＴ１）をラインメモリ２２
に記憶し、もう一度同じ行の画素信号がＳ信号（出力信
号ＯＵＴ２）として出力されたら、Ｌ信号とＳ信号を加
算して映像信号として出力することにより、図４に示す
ような入射光量対出力信号量の関係が得られる。その結
果、図４の入出力特性図から明らかなように、入射光量
Ｒ１を境に感度が変化して非線形の関係になるものの、
入射光としてのダイナミックレンジが飛躍的に拡大す
る。
であるＬ信号（出力信号ＯＵＴ１）をラインメモリ２２
に記憶し、もう一度同じ行の画素信号がＳ信号（出力信
号ＯＵＴ２）として出力されたら、Ｌ信号とＳ信号を加
算して映像信号として出力することにより、図４に示す
ような入射光量対出力信号量の関係が得られる。その結
果、図４の入出力特性図から明らかなように、入射光量
Ｒ１を境に感度が変化して非線形の関係になるものの、
入射光としてのダイナミックレンジが飛躍的に拡大す
る。
【００２３】ところで、どのような固体撮像素子におい
ても、画素の飽和信号量にバラツキがあることから、出
力信号ＯＵＴ１と出力信号ＯＵＴ２とを単純に加算する
と、図４の光量Ｒ１〜Ｒ２の範囲で画素の飽和信号量の
バラツキがそのまま映像に現れてしまう。すなわち、光
量Ｒ１〜Ｒ２の範囲では、出力信号ＯＵＴ１は画素の飽
和信号量のバラツキとなるので、加算信号（ＯＵＴ１＋
ＯＵＴ２）は出力信号ＯＵＴ１の飽和信号量のバラツ
キ、即ち固定パターンノイズの上に出力信号ＯＵＴ２が
重畳された非常にＳＮ比の悪い信号となってしまう。
ても、画素の飽和信号量にバラツキがあることから、出
力信号ＯＵＴ１と出力信号ＯＵＴ２とを単純に加算する
と、図４の光量Ｒ１〜Ｒ２の範囲で画素の飽和信号量の
バラツキがそのまま映像に現れてしまう。すなわち、光
量Ｒ１〜Ｒ２の範囲では、出力信号ＯＵＴ１は画素の飽
和信号量のバラツキとなるので、加算信号（ＯＵＴ１＋
ＯＵＴ２）は出力信号ＯＵＴ１の飽和信号量のバラツ
キ、即ち固定パターンノイズの上に出力信号ＯＵＴ２が
重畳された非常にＳＮ比の悪い信号となってしまう。
【００２４】本発明による撮像装置の他の実施形態で
は、これに対処できるような構成となっている。図５は
その構成を示すブロック図であり、図中、図３と同等部
分には同一符号を付して示してある。この実施形態に係
る信号処理回路３０では、上述した画素の飽和信号量の
バラツキを取り除くために、固体撮像素子１０の出力信
号ＯＵＴ１の出力端とラインメモリ３１との間にクリッ
プ回路３３を、さらに出力信号ＯＵＴ２の出力端と加算
器３２との間にクリップ回路３４をそれぞれ挿入した構
成となっている。
は、これに対処できるような構成となっている。図５は
その構成を示すブロック図であり、図中、図３と同等部
分には同一符号を付して示してある。この実施形態に係
る信号処理回路３０では、上述した画素の飽和信号量の
バラツキを取り除くために、固体撮像素子１０の出力信
号ＯＵＴ１の出力端とラインメモリ３１との間にクリッ
プ回路３３を、さらに出力信号ＯＵＴ２の出力端と加算
器３２との間にクリップ回路３４をそれぞれ挿入した構
成となっている。
【００２５】ここに、クリップ回路３３，３４とは、あ
る一定以上の信号をその一定値で置き換える回路であ
り、そのある一定値としては、バラツキを持つ画素の飽
和信号量のうち最も小さい値よりも小さくとるように設
定する。なお、出力信号ＯＵＴ２側にもクリップ回路３
４を挿入するとしたが、図４の入出力特性から明らかな
ように、出力信号ＯＵＴ２については入射光量Ｒ２まで
は飽和レベルに達しないことから、それ以上のダイナミ
ックレンジを望まない場合には、クリップ回路３４を省
略することも可能である。
る一定以上の信号をその一定値で置き換える回路であ
り、そのある一定値としては、バラツキを持つ画素の飽
和信号量のうち最も小さい値よりも小さくとるように設
定する。なお、出力信号ＯＵＴ２側にもクリップ回路３
４を挿入するとしたが、図４の入出力特性から明らかな
ように、出力信号ＯＵＴ２については入射光量Ｒ２まで
は飽和レベルに達しないことから、それ以上のダイナミ
ックレンジを望まない場合には、クリップ回路３４を省
略することも可能である。
【００２６】図６に、クリップ回路３３，３４の入出力
特性を示す。かかる入出力特性を持つクリップ回路３
３，３４を挿入することで、出力信号ＯＵＴ１が画素の
飽和レベルに達しても、画素の飽和信号量よりも小さく
設定されたクリップレベルでクリップされるため、画素
の飽和信号量のバラツキ、即ち固定パターンノイズの影
響を受けることがなく、よってＳＮ比の高い映像信号を
得ることができる。
特性を示す。かかる入出力特性を持つクリップ回路３
３，３４を挿入することで、出力信号ＯＵＴ１が画素の
飽和レベルに達しても、画素の飽和信号量よりも小さく
設定されたクリップレベルでクリップされるため、画素
の飽和信号量のバラツキ、即ち固定パターンノイズの影
響を受けることがなく、よってＳＮ比の高い映像信号を
得ることができる。
【００２７】また、図６に示す線形の入出力特性に代え
て、図７に示す非線形の入出力特性をクリップ回路３３
に持たせることで、図４の入出力特性における入射光量
Ｒ１での不自然な段差特性を解消し、その入出力特性を
滑らかにすることができる。その結果、自然な階調を持
つ映像信号を得ることができる。
て、図７に示す非線形の入出力特性をクリップ回路３３
に持たせることで、図４の入出力特性における入射光量
Ｒ１での不自然な段差特性を解消し、その入出力特性を
滑らかにすることができる。その結果、自然な階調を持
つ映像信号を得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による固体
撮像素子によれば、１本の垂直信号線に対して記憶手段
を複数設け、蓄積時間が異なる複数行の画素から出力さ
れる信号を垂直信号線を通して複数の記憶手段に記憶さ
せる一方、これらの記憶手段に記憶された信号を複数の
水平信号線を通して出力する構成としたことにより、画
素が飽和してコントラストの得られない映像信号の他
に、非常に広い範囲の入射光量に対してコントラストの
ある映像信号を得ることができるので、入射光量対出力
信号量のダイナミックレンジを飛躍的に拡大することが
できる。
撮像素子によれば、１本の垂直信号線に対して記憶手段
を複数設け、蓄積時間が異なる複数行の画素から出力さ
れる信号を垂直信号線を通して複数の記憶手段に記憶さ
せる一方、これらの記憶手段に記憶された信号を複数の
水平信号線を通して出力する構成としたことにより、画
素が飽和してコントラストの得られない映像信号の他
に、非常に広い範囲の入射光量に対してコントラストの
ある映像信号を得ることができるので、入射光量対出力
信号量のダイナミックレンジを飛躍的に拡大することが
できる。
【００２９】また、本発明による撮像装置によれば、蓄
積時間が異なる複数行の画素に基づく複数の出力信号を
得る固体撮像素子を用い、この固体撮像素子から出力さ
れる複数の出力信号を同時化しかつこれらを加算して映
像信号として出力する構成としたことにより、異なる行
の画素からの信号が同時に出力されるようなことはない
ため、表示や画像処理等をする場合にも支障を来すこと
のない映像信号を得ることができるとともに、入射光量
対出力信号量のダイナミックレンジを拡大することがで
きる。
積時間が異なる複数行の画素に基づく複数の出力信号を
得る固体撮像素子を用い、この固体撮像素子から出力さ
れる複数の出力信号を同時化しかつこれらを加算して映
像信号として出力する構成としたことにより、異なる行
の画素からの信号が同時に出力されるようなことはない
ため、表示や画像処理等をする場合にも支障を来すこと
のない映像信号を得ることができるとともに、入射光量
対出力信号量のダイナミックレンジを拡大することがで
きる。
【図１】本発明による固体撮像素子の一実施形態を示す
構成図である。
構成図である。
【図２】本発明による固体撮像素子の入出力特性図であ
る。
る。
【図３】本発明による撮像装置の一実施形態を示す構成
図である。
図である。
【図４】本発明による撮像装置の入出力特性図である。
【図５】本発明による撮像装置の他の実施形態を示す構
成図である。
成図である。
【図６】クリップ回路の一例の入出力特性図である。
【図７】クリップ回路の他の例の入出力特性図である。
【図８】従来例を示す構成図である。
【図９】従来例の入出力特性図である。
１０ 固体撮像素子 １１ 画素トランジスタ １２ 垂直選択線 １３ 垂直信号線 １４ 垂直走査回路 １５ 電子シャッタ走査回路 １６，１７ ＭＯＳトランジスタ（動作スイッチ） １８，１９ 負荷容量 ２０，２１ ＭＯＳトランジスタ（水平スイッチ） ２２，２３ 水平信号線 ２４ 水平走査回路 ２５，２６ 出力端子 ３０ 信号処理回路 ３１ ラインメモリ ３２ 加算器 ３３，３４ クランプ回路
【手続補正書】
【提出日】平成８年５月１０日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】ＭＯＳトランジスタ２０，２１の各ソース
電極は水平信号線２２，２３にそれぞれ接続され、各ゲ
ート電極は水平走査回路２４の出力端に共通に接続され
ている。この水平走査回路２４はシフトレジスタ等で構
成され、ＭＯＳトランジスタ２０，２１を導通状態に
し、負荷容量１８，１９の各一端を水平信号線２２，２
３に接続するために、ＭＯＳトランジスタ２０，２１の
各ゲート電極に対して水平走査パルスφＨ（…，φＨ
ｎ，φＨｎ＋１，…）を与える。水平信号線２２，２３
の各一端は、出力端子２５，２６にそれぞれ接続されて
いる。以上により、増幅型固体撮像素子１０が構成され
ている。
電極は水平信号線２２，２３にそれぞれ接続され、各ゲ
ート電極は水平走査回路２４の出力端に共通に接続され
ている。この水平走査回路２４はシフトレジスタ等で構
成され、ＭＯＳトランジスタ２０，２１を導通状態に
し、負荷容量１８，１９の各一端を水平信号線２２，２
３に接続するために、ＭＯＳトランジスタ２０，２１の
各ゲート電極に対して水平走査パルスφＨ（…，φＨ
ｎ，φＨｎ＋１，…）を与える。水平信号線２２，２３
の各一端は、出力端子２５，２６にそれぞれ接続されて
いる。以上により、増幅型固体撮像素子１０が構成され
ている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１４】次に、上記構成の増幅型固体撮像素子１０
の動作について、図１０のタイミングチャートに基づい
て説明する。先ず、垂直走査期間にほぼ近い時間だけ蓄
積したφＶｍ行の垂直選択線１２の画素トランジスタ１
１を、ある水平ブランキング期間（ＨＢＬＫ）に垂直信
号線１３から動作スイッチであるＭＯＳトランジスタ１
６を介して読み出して負荷容量１８に信号電圧として保
持する。そして、読み出しが終わったφＶｍ行の垂直選
択線１２の画素トランジスタ１１については、当該画素
トランジスタ１１に蓄積した信号電荷をリセットする。
なお、画素のリセットは、基板パルスφＳＵＢが基板に
印加されることによって行われる。また、画素の蓄積時
間の制御は、電子シャッタ走査回路１５によって行われ
る。
の動作について、図１０のタイミングチャートに基づい
て説明する。先ず、垂直走査期間にほぼ近い時間だけ蓄
積したφＶｍ行の垂直選択線１２の画素トランジスタ１
１を、ある水平ブランキング期間（ＨＢＬＫ）に垂直信
号線１３から動作スイッチであるＭＯＳトランジスタ１
６を介して読み出して負荷容量１８に信号電圧として保
持する。そして、読み出しが終わったφＶｍ行の垂直選
択線１２の画素トランジスタ１１については、当該画素
トランジスタ１１に蓄積した信号電荷をリセットする。
なお、画素のリセットは、基板パルスφＳＵＢが基板に
印加されることによって行われる。また、画素の蓄積時
間の制御は、電子シャッタ走査回路１５によって行われ
る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１５】次に、同じ水平ブランキング期間に例えば
１／１０００秒前に一度読み出されてリセットされたφ
Ｖｐ行の垂直選択線１２の画素トランジスタ１１の信号
を、垂直信号線１３からＭＯＳトランジスタ１７を介し
て負荷容量１９に読み出して信号電圧として保持する。
読み出しが終わったφＶｐ行の垂直選択線１２の画素ト
ランジスタ１１については、当該画素トランジスタ１１
に蓄積した信号電荷をリセットする。すると、垂直走査
期間をいま仮に１／６０秒であるとすると、負荷容量１
８，１９にはそれぞれ（１／６０−１／１０００）秒と
１／１０００秒の蓄積時間の信号が保持される。これら
の信号をそれぞれＬ信号、Ｓ信号と称することにする。
１／１０００秒前に一度読み出されてリセットされたφ
Ｖｐ行の垂直選択線１２の画素トランジスタ１１の信号
を、垂直信号線１３からＭＯＳトランジスタ１７を介し
て負荷容量１９に読み出して信号電圧として保持する。
読み出しが終わったφＶｐ行の垂直選択線１２の画素ト
ランジスタ１１については、当該画素トランジスタ１１
に蓄積した信号電荷をリセットする。すると、垂直走査
期間をいま仮に１／６０秒であるとすると、負荷容量１
８，１９にはそれぞれ（１／６０−１／１０００）秒と
１／１０００秒の蓄積時間の信号が保持される。これら
の信号をそれぞれＬ信号、Ｓ信号と称することにする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２２】このように、映像信号として後で走査され
る行の画素信号であるＬ信号（出力信号ＯＵＴ１）をラ
インメモリ２２に記憶し、もう一度同じ行の画素信号が
Ｓ信号（出力信号ＯＵＴ２）として出力されたら、Ｌ信
号とＳ信号を加算して映像信号として出力することによ
り、図４に示すような入射光量対出力信号量の関係が得
られる。その結果、図４の入出力特性図から明らかなよ
うに、入射光量Ｒ１を境に感度が変化して非線形の関係
になるものの、入射光としてのダイナミックレンジが飛
躍的に拡大する。
る行の画素信号であるＬ信号（出力信号ＯＵＴ１）をラ
インメモリ２２に記憶し、もう一度同じ行の画素信号が
Ｓ信号（出力信号ＯＵＴ２）として出力されたら、Ｌ信
号とＳ信号を加算して映像信号として出力することによ
り、図４に示すような入射光量対出力信号量の関係が得
られる。その結果、図４の入出力特性図から明らかなよ
うに、入射光量Ｒ１を境に感度が変化して非線形の関係
になるものの、入射光としてのダイナミックレンジが飛
躍的に拡大する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】追加
【補正内容】
【図１０】本発明の動作説明のためのタイミングチャー
トである。
トである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】追加
【補正内容】
【図１０】
Claims (5)
- 【請求項１】 行列状に配列されて入射光量に応じた信
号を出力する多数の画素と、 同一列の画素を共通に接続した垂直信号線の各々に対し
て設けられた複数の記憶手段と、 蓄積時間が異なる複数行の画素から出力される信号を垂
直信号線を通して読み出して前記複数の記憶手段に記憶
させる複数の第１のスイッチ手段と、 前記複数の記憶手段に記憶された信号を複数の水平信号
線を通して出力する複数の第２のスイッチ手段とを備え
たことを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項２】 画素の蓄積時間を電子シャッタを用いて
制御することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素
子。 - 【請求項３】 前記複数行の画素のうち映像信号として
先に走査される行の画素は、最も後に走査される行の画
素よりも蓄積時間が短く設定されたことを特徴とする請
求項１記載の固体撮像素子。 - 【請求項４】 蓄積時間が異なる複数行の画素に基づく
複数の出力信号を得る固体撮像素子と、 前記固体撮像素子からの複数の出力信号を同時化しかつ
これらを加算して映像信号として出力する信号処理回路
とを備えたことを特徴とする撮像装置。 - 【請求項５】 前記信号処理回路は、同時化した各出力
信号を線形または非線形入出力特性を有する回路を通し
た後に加算することを特徴とする請求項４記載の撮像装
置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20555195A JP3680366B2 (ja) | 1995-08-11 | 1995-08-11 | 撮像装置 |
| KR1019960033319A KR100431233B1 (ko) | 1995-08-11 | 1996-08-10 | 고체 촬상 소자 및 이를 사용하는 촬상 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20555195A JP3680366B2 (ja) | 1995-08-11 | 1995-08-11 | 撮像装置 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004217508A Division JP4404261B2 (ja) | 2004-07-26 | 2004-07-26 | 固体撮像素子および撮像装置 |
| JP2004217507A Division JP3988756B2 (ja) | 2004-07-26 | 2004-07-26 | 固体撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0955888A true JPH0955888A (ja) | 1997-02-25 |
| JP3680366B2 JP3680366B2 (ja) | 2005-08-10 |
Family
ID=16508772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20555195A Expired - Fee Related JP3680366B2 (ja) | 1995-08-11 | 1995-08-11 | 撮像装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
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| KR (1) | KR100431233B1 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001169184A (ja) * | 1999-10-26 | 2001-06-22 | Eastman Kodak Co | 拡大されたダイナミックレンジを有するｃｍｏｓイメージセンサ |
| WO2002064304A1 (en) * | 2001-02-14 | 2002-08-22 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Welding state monitoring device |
| WO2005034511A1 (ja) * | 2003-10-02 | 2005-04-14 | Hamamatsu Photonics K.K. | 光検出装置 |
| US6930722B1 (en) | 1998-06-30 | 2005-08-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Amplification type image pickup apparatus and method of controlling the amplification type image pickup apparatus |
| WO2006073057A1 (ja) * | 2005-01-06 | 2006-07-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 固体撮像装置 |
| US7190398B1 (en) | 1995-11-07 | 2007-03-13 | California Institute Of Technology | Image sensor with high dynamic range linear output |
| JP2011259492A (ja) * | 2005-10-28 | 2011-12-22 | Sony Corp | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100855957B1 (ko) * | 2004-02-09 | 2008-09-02 | 삼성전자주식회사 | 화면 주변부의 밝기를 보상하는 고체 촬상 소자 및 그구동 방법 |
| JP4609428B2 (ja) | 2006-12-27 | 2011-01-12 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置 |
| JP2012222529A (ja) | 2011-04-06 | 2012-11-12 | Sony Corp | 固体撮像素子および駆動方法、並びに電子機器 |
-
1995
- 1995-08-11 JP JP20555195A patent/JP3680366B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1996
- 1996-08-10 KR KR1019960033319A patent/KR100431233B1/ko not_active Expired - Fee Related
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7190398B1 (en) | 1995-11-07 | 2007-03-13 | California Institute Of Technology | Image sensor with high dynamic range linear output |
| US6930722B1 (en) | 1998-06-30 | 2005-08-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Amplification type image pickup apparatus and method of controlling the amplification type image pickup apparatus |
| US7623170B2 (en) | 1998-06-30 | 2009-11-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Amplification type image pickup apparatus and method of controlling the amplification type image pickup apparatus |
| JP2001169184A (ja) * | 1999-10-26 | 2001-06-22 | Eastman Kodak Co | 拡大されたダイナミックレンジを有するｃｍｏｓイメージセンサ |
| WO2002064304A1 (en) * | 2001-02-14 | 2002-08-22 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Welding state monitoring device |
| JPWO2002064304A1 (ja) * | 2001-02-14 | 2004-06-10 | 本田技研工業株式会社 | 溶接状況監視装置 |
| JP4501101B2 (ja) * | 2001-02-14 | 2010-07-14 | 本田技研工業株式会社 | 溶接状況監視装置 |
| WO2005034511A1 (ja) * | 2003-10-02 | 2005-04-14 | Hamamatsu Photonics K.K. | 光検出装置 |
| US7800667B2 (en) | 2003-10-02 | 2010-09-21 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photo-detecting apparatus |
| WO2006073057A1 (ja) * | 2005-01-06 | 2006-07-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 固体撮像装置 |
| US8149308B2 (en) | 2005-01-06 | 2012-04-03 | Panasonic Corporation | Solid-state image pickup device |
| JP2011259492A (ja) * | 2005-10-28 | 2011-12-22 | Sony Corp | 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および撮像装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3680366B2 (ja) | 2005-08-10 |
| KR970014156A (ko) | 1997-03-29 |
| KR100431233B1 (ko) | 2004-07-27 |
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