JP2000069373A - Ccd固体撮像装置 - Google Patents

Ccd固体撮像装置

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JP2000069373A
JP2000069373A JP11236004A JP23600499A JP2000069373A JP 2000069373 A JP2000069373 A JP 2000069373A JP 11236004 A JP11236004 A JP 11236004A JP 23600499 A JP23600499 A JP 23600499A JP 2000069373 A JP2000069373 A JP 2000069373A
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pixel
circuit
signal
channel
output
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Application number
JP11236004A
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English (en)
Inventor
Tadashi Maruno
正 丸野
Sadafumi Torii
貞文 鳥居
Takayuki Inoue
貴之 井上
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Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高感度の撮像を行うCCD固体撮像装置を提
供する。 【解決手段】 補正回路13は、動作タイミング制御デ
ータCKPのうちの他の所定ビットの変化パターンに同
期して動作するようになっており、基準クロック信号C
LK1,CLK2,CLK3…の内のいずれか1つの基
準クロック信号とパターン選択デ−タPSの内容に応じ
て、露光時間の選択や、画素電荷の読出し速度の切換え
等、種々の撮像条件を設定することができるようになっ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、CCD固体撮像装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のCCD固体撮像デバイスは、特開
平1−305672号公報、特開平1−114174号
公報に開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】近年、計測技術の分野
では、計測対象から発せられる光などをCCD固体撮像
デバイスで受け、その出力信号をイメージ情報として解
析処理する計測システムが普及し、高感度化などの要求
が高まっている。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、撮像条件を切
換え可能なCCD固体撮像装置において、前記撮像条件
が、感光部で発生した画素電荷の読出し速度を含むこと
を特徴とする。撮像条件は、露光時間を含むこととして
もよい。
【0005】
【発明の実施の形態】(第1の実施例)本発明の第1の
実施例を図1〜図8と共に説明する。まず、図1に基づ
いて全体構成を説明する。本実施例の装置は半導体製造
技術によって製造され、被計測対象からの光を受光する
感光部1は、所謂ライントランスファ(LT)方式また
はインタライントランスファ(ILT)方式を適用した
構成となっている。
【0006】即ち、LT方式による感光部1にあって
は、それ自体で感光特性を有するm本の垂直電荷転送路
が、図中の水平方向jに沿って併設されており、更に、
各垂直電荷転送路には垂直方向iに沿ってn個ずつの画
素が実現されている。そして、露光によって各画素に発
生する画素電荷を、垂直走査回路2から出力される所定
タイミングの垂直転送クロック信号φVに同期して、後
述する複数本の水平シフトレジスタ5a,5b,5cの
側へ転送する。
【0007】一方、ILT方式による感光部1にあって
は、水平方向jにm列、垂直方向iにn行の合計m×n
個のフォトダイオード等から成る画素群を有し、1列当
りn個ずつの画素から成るm列の画素群の間にm本の遮
光された垂直電荷転送路が交互に設けられている。そし
て、露光によって各画素に発生した画素信号を、隣りの
垂直電荷転送路へ一旦転送した後、垂直走査回路2から
の所定タイミングの垂直転送クロック信号φVに同期し
て、後述する複数本の水平シフトレジスタ5a,5b,
5cの側へ転送する。
【0008】したがって、いずれの方式であっても、水
平方向jと垂直方向(画素電荷を転送する方向)iにマ
トリックス配列された合計m×n個の画素群が設けられ
ている。尚、図1には、点線にて区分けされた各部分を
1画素に相当するものとして示している。
【0009】更に、感光部1の最下端から1行分又は複
数行分の画素群の表面には、アルミニウム層等の遮光層
が積層されている。したがって、これらの遮光された画
素群は通常の感光特性を有するにもかかわらず、被計測
対象を露光するものではなく、例えば、感光部1ので電
気的特性に起因した固有の画素電荷を発生することとな
る。尚、図1は、第n−1行目と第n行目の2水平ライ
ン分の画素群に、遮光層が設けられている場合を示す。
また、以下の説明では、かかる遮光層が設けられている
領域を、参照領域3と呼ぶこととする。また、遮光層
は、完全に外部からの光の入射を遮断するものに限られ
るものではなく、例えば、参照領域3内の全ての画素に
均一な光が入射し得るような光透過性を有するものであ
ってもよい。要は、参照領域3とは、全ての画素に定常
的に均一な画素電荷が発生する領域を指す。
【0010】参照領域3に続いて、第1のトランスファ
ゲート4a、第1の水平シフトレジスタ5a、第2のト
ランスファゲート4b、第2の水平シフトレジスタ5
b、第3のトランスファゲート4c及び第3の水平シフ
トレジスタ5cが順次に併設されている。更に、各水平
シフトレジスタ5a,5b,5cの終端には、画素電荷
を電圧又は電流の画素信号に変換して点順次読出しを行
う出力機構6a,6b,6cが形成されている。
【0011】これらのトランスファゲート4a,4b,
4cと水平シフトレジスタ5a,5b,5cは、水平走
査回路7から出力される所定のタイミング信号に同期し
て、水平1ライン分の画素電荷を、水平シフトレジスタ
5a,5b,5cへの振りわけと画素電荷の水平転送を
行う。詳細な動作は後述するが、第1のトランスファー
ゲート4a,4b,4cによって、i=1、4、7…m
−2の画素電荷を水平シフトレジスタ5cへ、i=2、
5、8、…m−1の画素電荷を水平シフトレジスタ5b
へ、i=3、6、9、…mの画素電荷を水平シフトレジ
スタ5aへ振りわける。そして、第1〜第3の水平シフ
トレジスタ5a,5b,5cは、上記1水平ライン分の
画素電荷が所定の配列で割り振られた後、水平走査回路
7からの所定の水平転送クロック信号φHに同期して、
画素電荷を各出力機構6a,6b,6cへ並列転送す
る。
【0012】垂直走査回路2と水平走査回路7から出力
される上記の垂直転送クロック信号φV と水平転送クロ
ック信号φHは、タイミング制御回路8から出力される
動作タイミング制御データCKPに同期して発生され
る。
【0013】即ち、タイミング制御回路8には、相互に
周波数の異なる複数種類の基準クロック信号CLK1,
CLK2,CLK3…が供給されると共に、選択信号C
Sに応じていずれか1種類の基準クロック信号を選択す
るマルチプレクサ回路9と、マルチプレクサ回路9から
出力される基準クロック信号を計数すると共に、外部端
子を介して入力されるパターン選択デ−タPSとその計
数値データとの所定の相関関係を有するデコードデータ
を発生するアドレス設定回路10と、上記デコードデー
タで指定されたメモリ領域から動作タイミング制御デー
タCKPを出力する読出し専用メモリ11が備えられて
いる。そして、複数ビットから成る動作タイミング制御
データCKPのうちの所定ビットのデータの変化パター
ンに同期して、垂直走査回路2と水平走査回路7が上記
所定タイミングの垂直転送クロック信号φVと水平転送
クロック信号φH を出力する。
【0014】尚、出力機構6a,6b,6cと、後述す
る補正回路13も、動作タイミング制御データCKPの
うちの他の所定ビットの変化パターンに同期して動作す
るようになっており、基準クロック信号CLK1,CL
K2,CLK3…の内のいずれか1つの基準クロック信
号とパターン選択デ−タPSの内容に応じて、露光時間
の選択や、画素電荷の読出し速度の切換え等、種々の撮
像条件を設定することができるようになっている。
【0015】第1〜第3の水平シフトレジスタ5a,5
b,5cの終端に形成されている出力機構6a,6b,
6cの1構造例を図2に示す。出力機構6aを代表して
述べれば、第1の水平シフトレジスタ5aの終端に、ト
ランスファゲートG1とリセット用ゲートG2が形成さ
れ、基板中にはフローティングディフュージョンFDと
ドレイン部DDが形成されている。また、ドレイン部D
Dは所定電圧VDDが常時印加され、フローティングディ
フュージョンFDは、電界トランジスタFET1,FE
T2と抵抗R1,R2から成るアンプ回路に接続されて
いる。
【0016】そして、図3のタイミングチャートに示す
ように、水平シフトレジスタ5aが1画素分の画素電荷
を転送する周期τpに同期して、リセット用ゲートG2
に論理“H”のリセット信号DGを印加することによっ
てフローティングディフュージョンFDに電荷を注入し
(リセット)、各周期τp内の所定タイミングでトラン
スファゲートOGに論理“H”のオン信号OGを印加す
ることにより、1画素分の画素電荷をフローティングデ
ィフュージョンFDに転送する。かかる動作を繰り返す
と、電界トランジスタFET2から出力される画素信号
Vaは、リセットによってフローティングディフュージ
ョンFDに注入された電荷量に相当するフィードスルー
の電圧VFとなり、次に、転送されてきた1画素分の電
荷がフローティングディフュージョンFD中の注入電荷
と電荷結合することによって、その1画素分の画素電荷
に相当する電圧VQとなる。そして、後述するダブルサ
ンプルホールド回路が、各周期τp 毎に電圧VF とVQ
をサンプルホールドして、これらの電圧の差分(VF −
VQ)を1画素の画素信号とする。
【0017】尚、第2,第3の出力機構6b,6cの構
成および動作も第1の出力機構6aと同じであり、図中
には各画素信号をVb,Vcで示す。
【0018】このような3チャンネルの出力機構6a,
6b,6cには、各画素信号Va,Vb,Vcを信号処
理可能な電圧(または電流)レベルまで一定利得で増幅
する前置増幅回路12a,12b,12cが接続され、
増幅後の各画素信号Va,Vb,Vcは補正回路13に
入力されて所定の補正処理が行われ、夫々デジタルの画
素データに変換されてフレームメモリ14等に順次に記
録される。
【0019】次に、補正回路13の構成を図4に基づい
て説明する。第1チャネルの前置増幅回路12aの出力
接点には1組のサンプルホールド回路15ax,15a
yが並列接続されると共に、これらの回路15axと1
5ayの出力接点には減算回路16aが接続されてい
る。第2,第3チャネルの前置増幅回路12b,12c
の各出力接点にも同様に、1組ずつのサンプルホールド
回路15bxと15by、15cxと15cyが並列に
接続され、更に、サンプルホールド回路15bxと15
byの出力接点には減算回路16bが接続され、サンプ
ルホールド回路15cxと15cyの出力接点には減算
回路16cが接続されている。
【0020】ここで、これらの回路は、前述したダブル
サンプルホールド回路を構成しており、全てのサンプル
ホールド回路15ax〜15cyは同じ電気的特性を有
し、全ての減算回路16a〜16cは同じ電気的特性を
有している。更に、サンプルホールド回路15ax,1
5bx,15cxは、図3に示すように、各画素電荷が
読み出される周期τpに同期したサンプルホールド信号
SH1に同期して、画素信号Va〜Vcのフィードスル
ーの電圧VFをサンプリングし、サンプルホールド回路
15ay,15by,15cyは、図3に示す周期τp
に同期したサンプルホールド信号SH2に同期して、画
素信号Va〜Vcの画素電圧VQをサンプリングする。
したがって、各チャネルの減算回路16a〜16cから
は、周期τp に同期して、電圧VF とVQの差分電圧の
信号PVa,PVb,PVcが出力される。
【0021】かかるダブルサンプルホールド回路によれ
ば、感光部1で発生した各出力機構6a,6b,6cで
発生する雑音を信号Va,Vb,Vcから除去すること
ができる。即ち、図3に示すように、感光部1で発生し
た暗電流や、各出力機構6a,6b,6cが周期τp毎
にリセットを動作を繰返す際にフローティングディフュ
ージョンFDで発生する電圧VFのゆらぎによるノイズ
や、出力FET1、2で発生する1/fノイズなどの低
図波ノイズを差分電圧(VF−VQ)を各画素信号PV
a,PVb,PVcとすることによって除去することが
できる。
【0022】このように雑音が除去された画素信号PV
a,PVb,PVcは、利得補正回路に供給される。こ
の利得補正回路は、除算回路17a,17bと、平均値
ホールド回路18a,18bと、乗算回路19a,19
bで構成されている。
【0023】除算回路17aは、画素信号PVcから画
素信号PVaを割り算して、その割り算結果の信号HV
a(=PVc÷PVa)を出力し、除算回路17bは、
画素信号PVcから画素信号PVbを割り算して、その
割り算結果の信号HVb(=PVc÷PVb)を出力す
る。
【0024】平均値ホールド回路18aは、図1の参照
領域3中の画素群に発生した全ての画素電荷を読出すま
での期間TAV中に生じる信号HVaの加算平均値を求
め、その加算平均値に相当する電圧又は電流の平均値信
号AVaを出力する。平均値ホールド回路18bは、同
じく図1の参照領域3中の画素群に発生した全ての画素
電荷を読出す期間TAV中に生じる信号HVbの加算平均
値を求め、その加算平均値に相当する電圧又は電流の平
均値信号AVbを出力する。
【0025】尚、これらの平均値ホールド回路18a,
18bは均一な回路構成から成り、例えば、図5に示す
ように、いずれの回路も、制御信号SAVが論理“H”と
なる期間TAVの間だけ導通状態となるアナログスイッチ
SWと、抵抗RxとコンデンサCxによって形成される
ホールド回路を具備している。そして、アナログスイッ
チSWが導通状態にあるときに、除算回路17a,17
bから出力される画素信号HVaとHVbが各チャネル
のコンデンサCxに電荷として蓄積される。
【0026】乗算回路19aは、減算回路16aからの
画素信号PVaと平均値ホールド回路18aからの平均
値信号AVaとの掛け算を行い、その演算結果を画素信
号Ra(=PVa×AVa)として出力する。乗算回路
19bは、減算回路16bからの画素信号PVbと平均
値ホールド回路18bからの平均値信号AVbとの掛け
算を行い、その演算結果を画素信号Rb(=PVb×A
Vb)として出力する。
【0027】そして、A/D変換器20aが画素信号R
aを所定ビット数の画素データDaにデジタル変換して
フレームメモリ14に記憶させ、A/D変換器20bが
画素信号Rbを所定ビット数の画素データDbにデジタ
ル変換してフレームメモリ14に記憶させ、A/D変換
器20cが画素信号PVcを所定ビット数の画素データ
Dcにデジタル変換してフレームメモリ14に記憶させ
る。
【0028】次に、かかる構成を有する本実施例の動作
を図6と図7に基づいて説明する。尚、1フレーム画像
を撮像するための1フレーム周期の動作を説明する。ま
た、図6は、感光部1から水平シフトレジスタ5a,5
b,5cを介して画素電荷を読み出す動作を示す。図7
は出力波形のタイミングチャートを示すと共に、図中の
期間TAVが、参照領域3に含まれる複数行の画素群の画
素電荷を全て読み出す期間であり、期間TRDが被測定対
象の画素電荷を読み出す期間であり、1水平ライン分の
画素電荷を読み出す周期を1H期間で示している。
【0029】まず、図1中のタイミング制御回路8に選
択信号CSとパターン選択デ−タPSを外部から入力す
ることにより、1フレーム周期における所望の露光時間
等を設定する動作タイミング制御データCKPが発生
し、このデータCKPに基づいて装置全体が同期動作す
る。
【0030】感光部1が被測定対象を所定時間露光する
と、垂直走査回路2と水平走査回路7から出力される垂
直及び水平走査クロック信号に同期して、画素電荷の読
出しが開始される。図6に基づいてその読出し動作例を
説明する。尚、説明の都合上、同図(a)に示すよう
に、参照領域3中の第n行目に存在する6個の画素に発
生した画素電荷A〜Fを読み出す場合を代表して説明す
る。
【0031】まず、同図(b)に示すように、第1のト
ランスファゲート4aが一定時間だけオン状態となるこ
とによって、画素電荷A,Dが第1の水平シフトレジス
タ5aの所定のポテンシャル井戸に転送される。次に、
同図(c)に示すように、第2のトランスファゲート4
bが一定時間だけオン状態となることによって、画素電
荷A,Dが第2の水平シフトレジスタ5bの所定のポテ
ンシャル井戸に転送された後、第1のトランスファゲー
ト4aが一定時間だけオン状態となることによって、画
素電荷B,Eが第1の水平シフトレジスタ5aの所定の
ポテンシャル井戸に転送される。次に、同図(d)に示
すように、第3のトランスファゲート4cが一定時間だ
けオン状態となることによって、画素電荷A,Dが第3
の水平シフトレジスタ5cの所定のポテンシャル井戸に
転送された後、第2のトランスファゲート4bが一定時
間だけオン状態となることによって、画素電荷B,Eが
第2の水平シフトレジスタ5bの所定のポテンシャル井
戸に転送され、更に、第1のトランスファゲート4aが
一定時間だけオン状態となることによって、画素電荷
C,Fが第1の水平シフトレジスタ5aの所定のポテン
シャル井戸に転送される。このように、1水平ライン分
の画素電荷A〜Fが第1〜第3の水平シフトレジスタ5
a〜5cに3分割されて転送されると、次に、同図
(e)に示すように、これらの水平シフトレジスタ5a
〜5cが水平転送を行い、最前列に位置する画素電荷
A,B,Cを出力機構6a〜6cを介して出力する。次
に、同図(f)に示すように、水平シフトレジスタ5a
〜5cが次の水平転送を行い、画素電荷D,E,Fを出
力機構6a〜6cを介して出力する。このようにして参
照領域3中の第n行目の画素群に発生した画素電荷の読
出しが完了すると、次の第n−1行目の画素群に発生し
た画素電荷も同様にして読み出され、残余の各行iの画
素群に発生した画素電荷も同様にして読み出される。
【0032】図4に示す補正回路には、このようにして
点順次に読み出される画素信号Va〜Vcが入力され、
サンプルホールド回路15ax,15ay,15bx,
15by,15cx,15cy及び減算回路16a〜1
6cから成るダブルサンプルホールド回路によって、画
素信号Va〜Vc中の各種雑音成分が除去され、画素信
号PVa〜PVcが出力される。更に、除算回路17
a,17bが上記割り算処理を行い、その演算結果の信
号HVa,HVbを平均値ホールド回路18a,18b
へ供給する。
【0033】ここで、制御信号SAVは、参照領域3に発
生した全ての画素電荷が出力機構6a〜6cから読み出
されるまでの期間TAVにおいて論理“H”となるので、
平均値ホールド回路18aは、第1チャネルの水平シフ
トレジスタ5a及び出力機構6aを介して読み出される
参照領域3中の画素電荷をサンプルホールドすることと
なり、平均値ホールド回路18bは、第2チャネルの水
平シフトレジスタ5b及び出力機構6bを介して読み出
される参照領域3中の画素電荷をサンプルホールドする
こととなる。そして、期間TAVの終了時点において、各
チャネルから読出された画素電荷による平均値信号AV
aとAVbが確定する。尚、図7は、一典型例であり、
参照領域3が10行の遮光された画素群で構成されてい
る場合に、10H期間に渡って画素電荷読出しを行うこ
とによって、平均値信号AVaとAVbが確定すること
を示している。
【0034】更に、平均値ホールド回路18a,18b
では、図7中に示すように割り算後の信号HVa,HV
bが入力され、次第に平均値信号AVb,AVbが所定
の電圧レベルに収束していく。一方、乗算回路19aと
19bの出力信号RaとRbは、平均値信号AVaと画
素信号PVaの掛け算結果と、平均値信号AVbと画素
信号PVbの掛け算結果であるので、画素信号RaとR
bの振幅は、出力機構6a,6b,6cの相互の利得バ
ラツキが補正されることによって次第に一致していき、
期間TAVの完了時点txで一致するようになる。
【0035】したがって、例えば、本来は同一の振幅で
あるべきはずの画素信号Va〜Vcが出力機構6a,6
b,6cの間での利得バラツキによって、振幅の異なる
画素信号PVa〜PVcが発生しても、平均値ホールド
回路18a,18bに保持された平均値信号AVa,A
Vbによって振幅レベルが補正された画素信号Ra,R
bが形成される。尚、信号PVcを基準にしてかかる利
得補正を行うので、この実施例では、信号PVcを補正
するための利得補正回路は設けられていない。そして、
期間TRDでは、時点txで確定した平均値信号AVa,
AVbに基づいて、各画素信号PVaとPVbの利得が
補正されることとなる。
【0036】尚、周期(点順次読出しの周期)τp 毎に
発生する画素信号PVa,PVb,PVcを夫々PVa
(k) ,PVb(k) ,PVc(k)とすると、図1に示す3
チャンネルを有するCCD固体撮像装置にあっては、1
H期間当たりに各チャンネルが出力する画素電荷数K
は、K=m/3であるので、1≦k≦m/3となり、そ
して、平均値信号AVaとAVbは、以下の式となる。
【0037】
【数1】
【0038】更に、参照領域3にN行の遮光された画素
群が含まれる場合には、以下の式となる。
【0039】
【数2】
【0040】そして、平均値信号AVaとAVbが確定
した後の期間TRD中に出力される信号Ra(k) とRb
(k) は、以下の式となる。
【0041】
【数3】
【0042】これらの式(1) 〜(6) から明らかなよう
に、チャンネル間での利得バラツキが補正される。
【0043】因みに、この実施例の利得補正回路を設け
ない場合には、図8に示すように、各チャネルの画素信
号PVa〜PVcの利得バラツキが、期間TAV中に補正
されることがないので、期間TRDにおいても、真の画素
信号PVa〜PVcを得ることができない。
【0044】このようにこの実施例は、露光によって発
生した被測定対象の画素電荷を読み出す前に、予め、参
照領域3に発生した画素電荷を各チャネルを介して読出
して、出力機構6a〜6cの利得バラツキに相当する平
均値信号AVa,AVbを得て、この平均値信号AV
a,AVbにより、被測定対象の画素信号を補正するの
で、所謂フィードフォワード方式の補正回路となってい
る。そして、かかるフィードフォワード方式を適用した
結果、後述する従来のフィードバック方式では帰還のた
めの時定数の設定が極めて困難であったが、かかる問題
を解消することができる。 尚、この実施例では、3チ
ャンネルの場合を説明したが、それ以上の複数チャネル
のCCD固体撮像装置に対しても、そのチャンネル数に
応じた補正回路を備えることによって、本装置を適用す
ることができる。
【0045】(第2の実施例)次に、第2の実施例を、
図9〜図11と共に説明する。尚、これらの図において
図1と同一又は相当する構成要素を同一符号で示す。本
実施例と第1の実施例との基本的な相違点は、第1の実
施例では図1に示すように、感光部1の一側に並べて形
成された複数本の水平シフトレジスタ5a〜5cによっ
て複数チャンネルを実現して、画素電荷を並列に読出し
するに対し、本実施例は、感光部101を複数領域に区
分けし(図9では4領域に区分け)、夫々の領域に独立
に設けられた4チャンネル分の水平シフトレジスタ10
7UL,107UR,107LL,107LRを介して画素電荷
を並列に読出するようになっている。
【0046】まず、図9に基づいて本実施例の全体構成
を説明する。感光部101はLT方式又はILT方式を
適用した構成となっており、均等に4つの感光領域に区
分けされ、各領域が個々のチャンネルに対応している。
尚、各構成要素を示す符号に関して、第1チャンネルに
属するものにはULの添字、第2チャンネルに属するも
のにはURの添字、第3チャンネルに属するものにはL
Lの添字、第4チャンネルに属するものにはLRの添字
を付して示している。
【0047】第1チャンネルの構成を代表して述べる
と、この感光領域には、トランスファゲート104ULを
介して水平シフトレジスタ105ULが形成され、水平シ
フトレジスタ105ULの終端には出力機構106ULが形
成されている。また、トランスファゲート104ULから
複数の水平ライン分の画素群は、遮光された参照領域1
03ULとなっている。そして、露光によって感光領域に
発生した画素電荷は、垂直走査回路102Uからの垂直
転送クロック信号φVUに同期して水平シフトレジスタ1
05ULへ1水平ライン分ずつ転送され、更に、水平シフ
トレジスタ105ULよって、水平走査回路107ULから
の水平走査クロック信号φHULに同期して出力機構10
6ULへ転送される。よって、各画素電荷は点順次に読み
出される。また、遮光された参照領域103ULの画素電
荷が先に読み出された後、被測定対象に係わる画素電荷
が読み出される。出力機構106ULは、図2に示す構成
と同じであり、図3に示すタイミングチャートと同じ動
作原理で画素電荷を点順次に読出す。また、水平走査回
路107ULと垂直走査回路102Uは、第1の実施例と
同様に、タイミング制御回路8から出力される動作タイ
ミング制御データCKPの内の所定ビットデータに同期
して動作する。
【0048】そして、残余の第2〜第4のチャンネルの
構成も第1チャンネルと同様であり、第2チャンネル
は、参照部103URと、トランスファゲート104UR
と、水平シフトレジスタ105URと、出力機構106UR
と、水平走査回路107URとを備え、露光によって感光
領域に発生した画素電荷を、垂直走査回路102Uから
の垂直転送クロック信号φVUに同期して水平シフトレジ
スタ105URへ1水平ライン分ずつ転送した後、水平シ
フトレジスタ105URが水平走査回路107URからの水
平走査クロック信号φHURに同期して出力機構106UR
へ転送して、点順次に読出す。
【0049】第3チャンネルは、参照部103LLと、ト
ランスファゲート104LLと、水平シフトレジスタ10
5LLと、出力機構106LLと、水平走査回路107LLと
を備え、露光によって感光領域に発生した画素電荷を、
垂直走査回路102Lからの垂直転送クロック信号φVL
に同期して水平シフトレジスタ105LLへ1水平ライン
分ずつ転送した後、水平シフトレジスタ105LLが水平
走査回路107LLからの水平走査クロック信号φHLLに
同期して出力機構106LLへ転送して、点順次に読出
す。
【0050】第4チャンネルは、参照部103LRと、ト
ランスファゲート104LRと、水平シフトレジスタ10
5LRと、出力機構106LRと、水平走査回路107LRと
を備え、露光によって感光領域に発生した画素電荷を、
垂直走査回路102Lからの垂直転送クロック信号φVL
に同期して水平シフトレジスタ105LRへ1水平ライン
分ずつ転送した後、水平シフトレジスタ105LRが水平
走査回路107LRからの水平走査クロック信号φHLRに
同期して出力機構106LRへ転送して、点順次に読出
す。
【0051】図11に基づいて、その画素電荷の読出し
動作例を説明する。尚、図11は、同図(a)に示すよ
うに、各チャンネルの参照領域103UL,103UR,1
03LL,103LRに発生した画素電荷A〜Xを読み出す
場合を代表して示す。まず、同図(b)に示すように、
トランスファゲート104UL〜104LRを一定時間だけ
オン状態にすることによって、画素電荷A〜Fを水平シ
フトレジスタ105ULに、画素電荷G〜Lを水平シフト
レジスタ105URに、画素電荷M〜Rを水平シフトレジ
スタ105LLに、画素電荷S〜Xを水平シフトレジスタ
105LRに夫々転送する。次に、同図(c)に示すよう
に、水平シフトレジスタ105UL〜105LRが1画素分
の水平転送を行うことによって、最前列の画素電荷A,
L,M,Xを読出し、次に、同図(d)に示すように、
水平シフトレジスタ105UL〜105LRが1画素分の水
平転送を再び行うことによって、次の画素電荷B,K,
N,Wを読出す。そして、残余の画素電荷につても同様
の水平転送を繰り返すことによって読出し、更に、1水
平ライン分の読出しが完了すると、感光部101の各領
域から転送されてくる次の1水平ライン分の画素電荷の
読出しを行って、全ての画素電荷を読み出すまで、この
処理を繰り返す。
【0052】このように、所定周期τpに同期して、4
チャンネルの出力機構106UL〜106LRを介して、4
つの画素電荷が並列に読み出されるので、約4倍の読出
し速度の向上を図ることができるようになっている。
【0053】各出力機構106UL〜106LRは、前置増
幅回路112UL〜112LRを介して補正回路13に接続
され、更に補正回路13の出力がフレームメモリ14に
接続されている。
【0054】次に、補正回路13の構成を図10に基づ
いて説明する。第1チャンネルには、サンプルホールド
回路115ULx ,115ULyと減算回路116ULから成
るダブルサンプルホールド回路が設けられ、第2チャン
ネルには、サンプルホールド回路115URx ,115UR
yと減算回路116URから成るダブルサンプルホールド
回路が設けられ、第3チャンネルには、サンプルホール
ド回路115LLx ,115LLyと減算回路116LLから
成るダブルサンプルホールド回路が設けられ、第4チャ
ンネルには、サンプルホールド回路115LRx,115L
Ryと減算回路116LRから成るダブルサンプルホールド
回路が設けられている。そして、いずれのダブルサンプ
ルホールド回路も、第1の実施例と同様の動作により、
出力機構106UL,106UR,106LL,106LR等で
生じる雑音成分を画素信号VUL,VUR,VLL,VLRから
除去して、その雑音成分の無い画素信号PVUL,PVU
R,PVLL,PVLRを出力する。
【0055】更に、上記のダブルサンプルホールド回路
には、除算回路117UL,117UR,117LLと、平均
値ホールド回路118UL,118UR,118LLと、乗算
回路119UL,119UR,119LLから成る利得補正回
路が接続され、かかる利得補正回路は、第1の実施例中
の利得補正回路(図4参照)と同様に、出力機構106
UL,106UR,106LL,106LRの間での利得バラツ
キを補正し、その補正された画素信号RUL,RUR,RLL
を出力する。そして、A/D変換器120UL,121U
R,120LL,120LRがこれらの画素信号RUL,RU
R,RLLとPVLRを夫々所定ビットの画素データDUL,
DUR,DLL,DLRに変換してフレームメモリ14に記憶
させる。
【0056】このように、この実施例によれば、感光部
に併設される水平シフトレジスタ及び出力機構の位置
が、第1の実施例と異なった場合であっても、出力機構
相互間での利得バラツキを補正することができる。ま
た、所謂フィードフォワード方式の補正回路であるの
で、後述する従来のフィードバック制御方式のような帰
還時定数の変更の困難性を解消することができる。
【0057】(第3の実施例)次に、本発明の第3の実
施例を図12と共に説明する。尚、同図において、図1
及び図4と同一又は相当する構成要素は、同一符号で示
す。本実施例と第1の実施例との相違点を説明すると、
第1実施例の利得補正回路は、第3チャンネルの画素信
号PVcを基準にして第1,第2チャンネルの画素信号
PVa,PVbの振幅を補正することによって、各チャ
ンネルの出力機構6a,6b,6c間の利得バラツキを
補正するものであるが、第3の実施例は、参照電圧発生
回路200から出力される一定の参照電圧Vrefを基準
にして、第1〜第3チャンネルの全ての出力機構間の利
得バラツキを補正する構成となっている。
【0058】図12において、かかる利得補正回路の構
成を述べると、第1チャネルに係わるダブルサンプルホ
ールド回路の構成要素である減算回路16aには、除算
回路(割り算回路)217aと平均値ホールド回路21
8a及び乗算回路(掛け算回路)219aから成る利得
補正回路が接続され、第2チャンネルの減算回路16b
には、除算回路217bと平均値ホールド回路218b
及び乗算回路219bから成る利得補正回路が接続さ
れ、第3チャンネルの減算回路16cには、除算回路2
17cと平均値ホールド回路218c及び乗算回路21
9cから成る利得補正回路が接続されている。
【0059】いずれの利得補正回路も同一の構成且つ電
気的特性を有している。第1チャンネルの利得補正回路
を代表して述べれば、除算回路217aは参照電圧発生
回路200から出力される参照電圧Vrefを、減算回路
16aから出力される画素信号PVaで割算し、その演
算結果の信号HVaを平均値ホールド回路218aに供
給する。尚、平均値ホールド回路218aは、第1の実
施例で説明した平均値ホールド回路18a(図4を参
照)と同じ機能を有し、制御信号SAVで設定される期間
TAV中に発生する信号HVaの加算平均値を求めて、そ
の加算平均値を示す平均値信号AVaを出力する。そし
て、乗算回路219aは、画素信号PVaと平均値信号
AVaとの掛け算を行い、その演算結果の信号Raを出
力し、A/D変換器20aが画素データDaに変換して
フレームメモリ14に記憶させる。
【0060】したがって、平均値ホールド回路218a
は、参照領域3の画素群を読み出す期間TAVの間に除算
回路217aの割り算結果HVaを加算してその平均値
を確定するので、被測定対象を露光して得られる画素電
荷を読み出す期間TRDには、その確定した平均値信号A
Vaとその期間TRDの画素信号PVaが掛け算される。
【0061】尚、各画素電荷を読み出す周期τp 毎に発
生する画素信号PVa,PVb,PVcを夫々PVa
(k) ,PVb(k) ,PVc(k)とすると、図12に示す
3チャンネルを有するCCD固体撮像装置にあっては、
1H期間当たりに各チャンネルが出力する画素電荷数K
は、K=m/3であるので、1≦k≦m/3となり、そ
して、平均値信号AVaとAVbは、以下の式となる。
【0062】
【数4】
【0063】更に、参照領域3にN行の遮光された画素
群が含まれる場合には、以下の式となる。
【0064】
【数5】
【0065】そして、平均値信号AVaとAVbが確定
した後の期間TRD中に出力される画素信号Ra(k) とR
b(k) とRc(k) は、以下の式となる。
【0066】
【数6】
【0067】そして、これらの式(7)〜(15)から明らか
なように、各チャンネルに係わる出力機構6a〜6c相
互間の利得バラツキは、夫々の平均値信号AVa,AV
b,AVcと相関関係を有するので、期間TRDにおいて
読み出される画素信号PVa〜PVcから利得バラツキ
を除去した画素信号Ra〜Rcを得ることができる。
【0068】(第4の実施例)次に、第4の実施例を、
図13と共に説明する。尚、同図において、図9及び図
10と同一又は相当する構成要素を同一符号で示す。本
実施例と第2の実施例との基本的な相違点は、第2実施
例の利得補正回路は、出力機構6a〜6c間での利得バ
ラツキを補正するために、第4チャンネルの画素信号P
VLRを基準にして第1〜第3チャンネルの画素信号PV
UL,PVUR,PVLLの振幅を補正制御するものである
が、第4の実施例は、参照電圧発生回路300から出力
される一定の参照電圧Vrefを基準にして、第1〜第4
チャンネルの全ての出力機構間の利得バラツキを補正す
る構成となっている。
【0069】図13において、第2実施例(図10を参
照)との相違点を述べると、第1チャネルに係わるダブ
ルサンプルホールド回路の構成要素である減算回路11
6ULには、除算回路(割り算回路)317ULと平均値ホ
ールド回路318UL及び乗算回路319ULから成る利得
補正回路が接続され、第2チャンネルの減算回路116
URには、除算回路317URと平均値ホールド回路318
UR及び乗算回路319URから成る利得補正回路が接続さ
れ、第3チャンネルの減算回路116LLには、除算回路
317LLと平均値ホールド回路318LL及び乗算回路3
19LLから成る利得補正回路が接続され、第4チャンネ
ルの減算回路116LRには、除算回路317LRと平均値
ホールド回路318LR及び乗算回路319LRから成る利
得補正回路が接続されている。
【0070】いずれの利得補正回路も同一の構成且つ電
気的特性を有している。第1チャンネルの利得補正回路
を代表して述べれば、除算回路317ULは減算回路11
6ULから出力される画素信号PVULを、参照電圧発生回
路300から出力される一定値の参照電圧Vrefで割り
算し、その演算結果の信号HVULを平均値ホールド回路
318ULに供給する。尚、平均値ホールド回路318UL
は、第2の実施例で説明した平均値ホールド回路118
UL(図10を参照)と同じ機能を有し、制御信号SAVで
設定される期間TAV中に発生する信号HVULの加算平均
値を求めて、その加算平均値を示す平均値信号AVULを
出力する。そして、乗算回路319ULは、画素信号PV
ULと平均値信号AVULとの掛け算を行い、その演算結果
の信号RULを出力し、A/D変換器120ULが画素デー
タDULに変換してフレームメモリ14に記憶させる。
【0071】したがって、平均値ホールド回路318UL
は、参照領域3の画素群を読み出す期間TAVの間に除算
回路317ULの割り算結果HVULを加算してその平均値
を確定するので、被測定対象を露光して得られる画素電
荷を読み出す期間TRDには、その確定した平均値信号A
VULとその期間TRDの画素信号PVULが掛け算される。
【0072】そして、他のチャンネルの利得補正回路も
同様に機能し、各チャンネルに係わる出力機構106U
L,106UR,106LL,106LR相互間の利得バラツ
キは、夫々の平均値信号VAUL,VAUR,VALL,VA
LRとの間で相関関係を有するので、期間TRDにおいて読
み出される画素信号PVUL〜PVLRから利得バラツキを
除去した画素信号RUL〜RLRを得ることができる。
【0073】このように、この実施例によれば、所謂フ
ィードフォワード方式の補正回路により、チャンネル間
での出力機構の利得バラツキを抑制して、画素信号を高
精度で読み出すことができ、鮮明な再生画像を実現する
ことができる。
【0074】(第5の実施例)次に、第5の実施例を説
明する。尚、この実施例の装置の構成は、図1及び図4
に示した第1実施例と同様であるので、図1及び図4と
共に説明する。
【0075】本実施例と第1実施例との相違点を述べる
と、第1実施例の補正回路13では、出力機構相互間の
利得バラツキを補正することによって、チャンネル間の
特性バラツキを均一化するものであるが、本実施例は、
出力機構相互間でのオフセットレベルのバラツキを補正
するための補正回路が備えられるものである。
【0076】図4に基づいて本実施例のオフセット特性
補正回路の構成を述べる。ダブルサンプルホールド回路
に含まれる各チャンネルの減算回路16a〜16cに縦
続する第1の実施例の利得補正回路に代えて、このオフ
セット特性補正回路が設けられる。そして、第1実施例
に備えられている除算回路17a,17bは、本実施例
では、減算回路に代えられ、第1実施例に備えられてい
る乗算回路19a,19bは、本実施例では、加算回路
に代えられる。尚、減算回路と加算回路を符号17a,
17b,19a,19bを用いて以下説明するものとす
る。
【0077】減算回路17aは、第3チャンネルの画素
信号PVcから第1チャンネルの画素信号PVaを引き
算し、その演算結果の信号HVa(=PVc−PVa)
を平均値ホールド回路18aへ供給する。平均値ホール
ド回路18aは、参照領域3の画素群の全ての画素電荷
が読み出される期間TAV中に発生する信号HVaを加算
平均値し平均値信号AVaとして出力する。この期間T
AVの経過後、感光部1の画素電荷を読み出す期間TRD中
は、加算回路19aがこの平均値信号AVaと画素信号
PVaを加算することによって、画素信号PVa中のオ
フセット成分を除去する。そして、この加算の結果得ら
れる画素信号Raは、A/D変換器20aでデジタルの
画素データDaに変換されて、フレームメモリ14に記
憶される。
【0078】一方、減算回路17bは、第3チャンネル
の画素信号PVcから第2チャンネルの画素信号PVb
を引き算し、その演算結果の信号HVb(=PVc−P
Vb)を平均値ホールド回路18bへ供給する。平均値
ホールド回路18bは、参照領域3の画素群の全ての画
素電荷が読み出される期間TAV中に発生する信号HVb
を加算平均値し平均値信号AVbとして出力する。この
期間TAVの経過後、感光部1の画素電荷を読み出す期間
TRD中は、加算回路19bがこの平均値信号AVbと画
素信号PVbを加算することによって、画素信号PVb
中のオフセット成分を除去する。そして、この加算の結
果得られる画素信号Rbは、A/D変換器20bでデジ
タルの画素データDbに変換されて、フレームメモリ1
4に記憶される。
【0079】また、かかる第1,第2チャンネルの画素
信号PVa,PVbを補正するための基準となる画素信
号PVcは、A/D変換器20cで直接に画素データD
cに変換されてフレームメモリ14に記憶される。
【0080】尚、上記期間TAV中に減算回路16a,1
6b,16cから順次に出力される画素信号をPVa
(k),PVb(k),PVc(k)とすれば、図1に示す3チ
ャンネルを有するCCD固体撮像装置にあっては、1H
期間当たりに各チャンネルが出力する画素電荷数Kは、
K=m/3であるので、1≦k≦m/3となり、そし
て、平均値信号AVaとAVbは、以下の式となる。
【0081】
【数7】
【0082】更に、参照領域3にN行分の画素群が含ま
れる場合には、以下の式となる。
【0083】
【数8】
【0084】そして、平均値信号AVaとAVbが確定
した後の期間TRD中に出力される信号Ra(k) とRb
(k) は、以下の式となる。
【0085】
【数9】
【0086】これらの式(16)〜(21)から明らかなよう
に、チャンネル間でのオフセット特性のバラツキが補正
される。
【0087】(第6の実施例)次に、第6の実施例を説
明する。尚、この実施例の装置の構成は、図9及び図1
0に示した第2実施例と同様であるので、図9及び図1
0と共に説明する。
【0088】本実施例と第2実施例との相違点を述べる
と、第2実施例の補正回路13では、出力機構相互間の
利得バラツキを補正することによって、チャンネル間の
特性バラツキを均一化するものであるが、本実施例は、
出力機構相互間でのオフセットレベルのバラツキを補正
するための補正回路が備えられるものである。
【0089】図10に基づいて本実施例のオフセット特
性補正回路の構成を述べる。ダブルサンプルホールド回
路に含まれる各チャンネルの減算回路116UL〜116
LRに縦続する第1の実施例の利得補正回路に代えて、こ
のオフセット特性補正回路が設けられる。そして、第2
実施例に備えられている除算回路117UL,117UR,
117LLは、本実施例では、減算回路に代えられ、第2
実施例に備えられている乗算回路119UL,119UR,
119LLは、本実施例では、加算回路に代えられる。
尚、減算回路と加算回路を符号117UL,117UR,1
17LL,119UL,119UR,119LLを用いて以下説
明するものとする。
【0090】第1チャンネルにおけるオフセット補正回
路を代表して述べると、減算回路117ULは、第4チャ
ンネルの画素信号PVLRから第1チャンネルの画素信号
PVULを引き算し、その演算結果の信号HVULを平均値
ホールド回路118ULへ供給する。平均値ホールド回路
118ULは、参照領域3の画素群の全ての画素電荷が読
み出される期間TAV中に発生する信号HVULを加算平均
値し、平均値信号AVULとして出力する。この期間TAV
の経過後、感光部101の画素電荷を読み出す期間TRD
中は、加算回路119ULがこの平均値信号AVULと画素
信号PVULを加算することによって、画素信号PVUL中
のオフセット成分を除去する。そして、この加算の結果
得られる画素信号RULは、A/D変換器120ULでデジ
タルの画素データDULに変換されて、フレームメモリ1
4に記憶される。
【0091】残余にチャンネルについても同等のオフセ
ット補正回路が設けられており、第4チャンネルの画素
信号PVLRを基準にして、各チャンネル間のオフセット
特性のバラツキを補正することができる。
【0092】(第7の実施例)次に、第7の実施例を説
明する。尚、この実施例の装置の構成は、図12に示し
た第3の実施例と同様であるので、図12と共に説明す
る。
【0093】本実施例と第3実施例との相違点を述べる
と、第3実施例の補正回路12では、参照電圧発生回路
200から出力される一定の参照電圧Vrefを基準と
して、第1〜第3チャンネルの全ての出力機構間の利得
バラツキを補正することによって、チャンネル間の特性
バラツキを均一化するものであるが、本実施例は、出力
機構相互間でのオフセットレベルのバラツキを補正する
ための補正回路が備えられているものである。
【0094】図12に基づいて本実施例のオフセット特
性補正回路の構成を述べる。ダブルサンプルホールド回
路に含まれる各チャンネルの減算回路16a〜16cに
縦続する第3実施例の利得補正回路に代えて、このオフ
セット補正回路が設けられる。そして、第3実施例に備
えられている除算回路217a,217b,217c
は、本実施例では、減算回路に代えられ、第3の実施例
に備えられている乗算回路219a,219b,219
cは、本実施例では、加算回路に代えられる。なお、減
算回路と加算回路を符号217a,217b,217
c,219a,219b,219cを用いて以下説明す
るものとする。
【0095】いずれのオフセット補正回路も同一の構成
且つ電気的時特性を有している。第1チャンネルのオフ
セット補正回路を代表して述べる。減算回路217a
は、参照電圧発生回路200から出力される参照電圧V
refから、第1チャンネルの画素信号PVaを引き算
し、その演算結果の信号HVa=(Vref・PVa)
を平均値ホールド回路218aへ供給する。平均値ホー
ルド回路218aは、参照領域3の画素群の全ての画素
電荷が読みだされる期間TAV中に発生する信号HVa
を加算平均し、平均値信号AVaとして出力する。この
期間TAVの経過後、感光部1の画素電荷を読みだす期
間TRD中は、加算回路219aがこの平均値信号AV
aと画素信号PVaを加算することによって、画素信号
PVa中のオフセット成分を除去する。そして、この加
算の結果得られる画素信号Raは、A/D変換器20a
でデジタルの画素データDaに変換されて、フレームメ
モリ14に記憶される。
【0096】尚、上記期間TAV中に減算回路216
a,216b,216cから順次に出力される画素信号
をPVa(k),PVb(k),PVc(k)とすれ
ば、図12に示す3チャンネルを有するCCD固体撮像
装置にあっては、1H期間当たりに各チャンネルが出力
する画素電荷数Kは、K=m/3であるので、1≦k≦
m/3となり、そして、平均値信号AVaとAVbとA
Vcは、以下の式となる。
【0097】
【数10】
【0098】さらに、参照領域3にN行分の画素群が含
まれる場合には、以下の式となる。
【0099】
【数11】
【0100】そして、平均値信号AVaとAVbとAV
cが確定した後の期間TRD中に出力される信号Ra
(k),Rb(k),Rc(k)は、以下の式となる。
【0101】
【数12】
【0102】これらの式(22)〜(30)から明らか
なように、チャンネル間でのオフセット特性のバラツキ
が補正される。 (第8の実施例)次に、第8の実施例を説明する。尚、
この実施例の構成は図13に示した第4の実施例と同様
であるので、図13と共に説明する。
【0103】本実施例と第4の実施例との相違点を述べ
ると、第4の実施例の補正回路では、出力機構相互間の
利得バラツキを補正することによって、チャンネル間の
特性バラツキを均一化するものであるが、本実施例は、
出力機構相互間での基準電圧Vrefにたいする、オフ
セットレベルのバラツキを補正するための補正回路が備
えられているものである。
【0104】図13に基づいて本実施例のオフセット補
正回路の構成を述べる。
【0105】ダブルサンプルホールド回路に含まれる各
チャンネルの減算回路116ULに縦続する第4の実施
例の利得補正回路に代えて、このオフセット補正回路が
設けられている。そして第4実施例に備えられている除
算回路117ULは、本実施例では、減算回路に代えら
れ、第4実施例に備えられている乗算回路119UL
は、本実施例では、加算回路に代えられている。尚、減
算回路と加算回路を符号117UL,117UR,11
7LL,117LR,119UL,119UR,119
LL,119LRを用いて以下説明するものとする。
【0106】第1チャンネルにおけるオフセット補正回
路を代表して述べると、減算回路117ULは、基準電
圧発生回路から出力される電圧Vrefから第1チャン
ネルの画素信号PVULを引き算し、その演算結果の信
号HVULを平均値ホールド回路118ULへ供給す
る。平均値ホールド回路118ULは、参照領域3の画
素群全ての画素電荷が読みだされる期間TAV中に発生
する信号HVULを加算平均し、平均値信号AVULと
して出力する。この期間TAVの経過後、感光部101
の画素電荷を読みだす期間TRD中は、加算回路119
ULがこの平均値信号AVULと画素信号PVULを加
算することによって、画素信号PVUL中のオフセット
成分を除去する。そして、この加算の結果得られる画素
信号RULはA/D変換器120ULでデジタルの画素
データDULに変換されてフレームメモリ14に記憶さ
れる。
【0107】残余のチャンネルについても同等のオフセ
ット補正回路が設けられており、基準電圧Vrefを基
準にして各チャンネル間のオフセット特性のバラツキを
補正することができる。
【0108】以上、説明したように、上記装置は、感光
部に発生した信号電荷を複数の出力チャネルを介して読
み出す、多チャンネル型のCCD固体撮像装置に関し、
特に、各チャネルから出力される信号の特性バラツキを
除去するための信号補正回路を備えている。
【0109】従来の技術について説明すると、近年、計
測技術の分野では、計測対象から発せられる光などをC
CD固体撮像デバイスで受け、その出力信号をイメージ
情報として解析処理する計測システムが普及し、更なる
計測精度の向上を図るために、CCD固体撮像デバイス
の高解像度化、高フレームレート化、高感度化などの要
求が高まっている。
【0110】これらの要求に対して、特に、計測対象か
ら得られる情報量を増加するために高解像度及び多画素
化が図られるようになった。しかし、多画素化に伴って
相対的に信号電荷の読出し速度が遅くなったのでは、高
フレームレート化の目的を達成することができない。そ
こで、感光部に対して信号読出用の水平シフトレジスタ
(水平電荷転送路とも言う)を複数併設し、これら複数
の水平シフトレジスタにより信号電荷を並列に読出すこ
とによって、信号電荷の読出し速度の向上が図られるよ
うになった。
【0111】即ち、個々の水平シフトレジスタは、感光
部の垂直電荷転送路から転送されてくる1水平ライン分
の信号電荷を直列転送するので、信号電荷の読出し速度
にはおのずと限界があるが、複数の水平シフトレジスタ
によって信号電荷を並列読出しすることによって高速読
出しが可能となり、多画素化に十分対応することができ
る。
【0112】しかし、このような複数の水平シフトレジ
スタを備えることによって多チャンネル化を図ると、各
水平シフトレジスタの特性バラツキと、各水平シフトレ
ジスタの終端に接続されている出力機構の特性バラツキ
による悪影響のために、各チャンネルから出力される信
号にも特性バラツキを招来する。
【0113】即ち、感光部に発生した信号電荷を1本の
水平シフトレジスタ及びそれに設けられている出力機構
を介して読み出す旧来のCCD固体撮像装置にあって
は、このような問題が発生することが無いのに対し、複
数本の水平シフトレジスタを介して信号電荷を読み出す
構成とすると、各水平シフトレジスタとそれらの出力機
構が相互間で特性バラツキを生じることとなるからであ
る。
【0114】特に、出力機構相互間での特性バラツキに
は、利得バラツキ、オフセットを含む雑音のバラツキ、
温度特性のバラツキ等があり、各チャネルから出力され
る信号がこれらの悪影響を受けると、再生画像中に、擬
色や、縦すじ状の擬似パターン、モアレ、解像度の劣化
等が発生し、画質の大幅な劣化を招来することとなる。
【0115】特に、利得バラツキの主たる要因は、各チ
ャンネルの水平シフトレジスタの終端に形成されている
出力機構の構造とその動作によって生じる。
【0116】尚、このような多チャンネルCCD固体撮
像デバイスの問題を解決するための補正技術として、特
開平1−305672号公報、特開平1−114174
号公報に開示されたものがあるが、いずれもフィードバ
ック制御を適用するものであるために、次のような問題
がある。
【0117】前者の補正技術にあっては、感光部に対し
て2本(2チャンネル)の水平シフトレジスタが形成さ
れると共に、各水平シフトレジスタの出力機構に可変利
得前置増幅回路が接続され、更に、各水平シフトレジス
タに電荷を注入するためのドレインダイオードが設けら
れている。そして、垂直ブランキング期間中に、ドレイ
ンダイオードを介して各水平シフトレジスタに一定電荷
を注入し、そのときに各可変利得前置増幅回路から読み
出される出力信号の差分を求めて、その差分がゼロにな
るように、各可変利得前置増幅回路の利得をフィードバ
ック制御する。したがって、垂直ブランキング期間経過
後に、感光部の信号電荷を読出すときは、チャネル間の
利得バラツキが補正され、バラツキの無い画素信号を得
ることができるとするものである。
【0118】しかし、この技術は、標準テレビジョン方
式に準拠した所定タイミングに同期して撮像する多チャ
ンネルCCD固体撮像デバイスにとっては、上記のフィ
ードバック制御回路の時定数を固定にすることができる
ので、有効であるが、計測技術分野では、任意の露光時
間や任意の画素信号読出し期間に設定して撮像する必要
があるために、フィードバック制御回路の時定数を任意
に設定することが極めて困難となるという問題がある。
【0119】後者の補正技術にあっては、感光部に対し
て2本(2チャンネル)の水平シフトレジスタが形成さ
れると共に、各水平シフトレジスタの出力機構に可変利
得前置増幅回路が接続されている。そして、白チャート
を撮像したときに各チャンネルから得られる画素信号相
互の差分から各出力機構の利得バラツキを検出し、この
利得バラツキがゼロとなるように各可変利得前置増幅回
路の利得をフィードバック制御する。この技術も前者の
技術と同様の問題がある。
【0120】また、ICやLSI、VLSIなどの半導
体装置の内部回路に異常が発生したときに生じる微弱な
光をパッケージの外側から被破壊的に検出するエミッシ
ョン顕微鏡等に使用される高感度CCD固体撮像デバイ
スにあっては、最適の撮像条件を得るためには、測定対
象での発光強度に応じて極めて広い範囲で露光時間を可
変設定したり、フレームレートを任意に可変設定するこ
とが必要であり、従来技術のフィードバック制御を適用
することができない。
【0121】例えば、CCD固体撮像デバイスで長時間
(例えば1時間)露光し、それによって感光部の各画素
に蓄積された1フレーム画相当の信号電荷を所定の画素
レートで読出し、次の撮像時には、短時間(例えば1
秒)露光して信号電荷を所定の画素レートで読出すなど
の使用態様には従来技術を適用することが困難である。
仮に、強制的に従来のフィードバック制御回路の時定数
を小さくすると、フィードバック制御系が不安定となっ
て、発振現象やチャネル毎の補正特性が変動して、結果
的にチャンネル間の特性バラツキを招来することとな
る。
【0122】一方、上記実施例の装置は、従来のフィー
ドバック制御を適用することなく、チャンネル間の特性
バラツキを抑制することができる、多チャンネル型CC
D固体撮像装置の補正回路を備えている。
【0123】上記実施例の装置は、各チャンネル相互間
の利得バラツキを補正する利得補正回路と、各チャンネ
ル相互間のオフセットのバラツキを補正するオフセット
補正回路とを備えるものである。
【0124】上記利得補正回路を備えるCCD固体撮像
装置にあっては、感光部に発生する画素電荷を、複数チ
ャンネルに設けられた複数の水平シフトレジスタと出力
機構を介して並列に読み出す多チャンネル型のCCD固
体撮像装置において、前記感光部内に在る1又は2以上
の水平ライン分の画素群を遮光し、又は外光の影響を受
けることない構造により、前記画素群に一定の画素電荷
のみを発生させる参照領域と、前記複数チャンネルの水
平シフトレジスタと出力機構を介して前記参照領域に発
生した画素電荷を並列に読み出すことによって得られる
各チャンネルの画素信号について、前記特定のチャンネ
ルの画素信号を基準にして他のチャンネルの画素信号を
除算する除算回路と、前記除算回路から出力される各チ
ャンネル毎の除算結果の信号を加算平均することによっ
て、各チャンネル相互間の利得バラツキと相関関係を有
する平均値信号を出力する平均値ホールド回路と、前記
平均値ホールド回路から出力される各チャンネルの平均
値信号と、前記参照領域を除く前記感光部から読み出さ
れる各チャンネルの画素信号とを乗算し、その乗算結果
の信号を補正後の画素信号として出力する乗算回路と、
を具備する構成とした。
【0125】また、他の利得補正回路を備えるCCD固
体撮像装置にあっては、前記感光部内に在る1又は2以
上の水平ライン分の画素群を遮光し、又は外光の影響を
受けることない構造により、前記画素群に一定の画素電
荷のみを発生させる参照領域と、前記複数チャンネルの
水平シフトレジスタと出力機構を介して前記参照領域に
発生した画素電荷を並列に読み出すことによって得られ
る各チャンネルの画素信号を、所定の参照電圧を基準に
して除算する除算回路と、前記除算回路から出力される
各チャンネル毎の除算結果の信号を加算平均することに
よって、各チャンネル相互間の利得バラツキと相関関係
を有する平均値信号を出力する平均値ホールド回路と、
前記平均値ホールド回路から出力される各チャンネルの
平均値信号と、前記参照領域を除く前記感光部から読み
出される各チャンネルの画素信号とを乗算し、その乗算
結果の信号を補正後の画素信号として出力する乗算回路
と、を具備する構成とした。
【0126】一方、オフセット補正回路を備えるCCD
固体撮像装置にあっては、感光部に発生する画素電荷
を、複数チャンネルに設けられた複数の水平シフトレジ
スタと出力機構を介して並列に読み出す多チャンネル型
のCCD固体撮像装置において、前記感光部内に在る1
又は2以上の水平ライン分の画素群を遮光し、又は外光
の影響を受けることない構造により、前記画素群に一定
の画素電荷のみを発生させる参照領域と、前記複数チャ
ンネルの水平シフトレジスタと出力機構を介して前記参
照領域に発生した画素電荷を並列に読み出すことによっ
て得られる各チャンネルの画素信号について、前記特定
のチャンネルの画素信号を基準にして他のチャンネルの
画素信号を減算する減算回路と、前記減算回路から出力
される各チャンネル毎の減算結果の信号を加算平均する
ことによって、各チャンネル相互間のオフセット特性バ
ラツキと相関関係を有する平均値信号を出力する平均値
ホールド回路と、前記平均値ホールド回路から出力され
る各チャンネルの平均値信号と、前記参照領域を除く前
記感光部から読み出される各チャンネルの画素信号とを
加算して、その加算結果を補正後の画素信号として出力
する加算回路と、を具備する構成とした。
【0127】また、他のオフセット補正回路を備えるC
CD固体撮像装置にあっては、前記感光部内に在る1又
は2以上の水平ライン分の画素群を遮光し、又は、外光
の影響を受けることのない構造により、前記画素群に一
定の画素電荷のみを発生させる参照領域と、前記複数チ
ャンネルの水平シフトレジスタと、出力機構を介して、
前記参照領域に発生した画素電荷を並列に読み出すこと
によって得られる各チャンネルの画素信号を、所定の参
照電圧を基準にして減算する減算回路と、前記減算回路
から出力される各チャンネル毎の減算結果の信号を加算
平均することによって参照基準電圧に対する各チャンネ
ル相互間のオフセット特性バラツキと相関関係を有する
平均値信号を出力する平均値ホールド回路と前記平均値
ホールド回路から出力される各チャンネルの平均値信号
と前記参照領域を除く前記感光部から読み出される各チ
ャンネルの画素信号とを加算して、その加算結果を補正
後の画素信号として出力する加算回路と、を具備する構
成とした。
【0128】利得補正回路を備えた装置によれば、被測
定対象を撮像することによって感光部の画素群に発生し
た画素電荷を読み出す前に、前記参照領域に在る画素群
に発生した画素電荷を、各チャンネルの水平シフトレジ
スタと出力機構を介して読み出す。即ち、各チャンネル
に割り振られて並列に読み出す。このようにして出力さ
れた画素信号が前記除算回路に供給され、かかる除算回
路は、所定チャンネルの画素信号を基準にして、残余の
チャンネルの画素信号を割り算する。この結果、割り算
結果は、所定チャンネルの画素信号に対する各チャネル
毎の利得バラツキを示すことになる。平均値ホールド回
路は、かかる利得バラツキを示す信号を加算して平均化
することにより、各チャネルの最終的な利得バラツキを
示す平均値信号を発生する。そして、乗算回路は、被測
定対象を撮像することによって感光部の画素群に発生し
た画素電荷が読み出されてくることによって生じる各チ
ャネルの画素信号に、かかる平均値信号と掛け算する。
したがって、掛け算されて成る信号を補正後の画素信号
とすることによって、各チャンネル相互間の利得バラツ
キを除去することができる。
【0129】また、前記除算回路において、前記参照電
圧発生回路から出力される所定の参照電圧を基準にし
て、全チャンネルの画素信号を割り算しても、各チャネ
ル毎の利得バラツキを示す信号が得られる。そして、平
均値ホールド回路が、かかる利得バラツキを示す信号を
加算して平均化することにより、各チャネルの最終的な
利得バラツキを示す平均値信号を得ることができ、前記
乗算回路が、被測定対象を撮像することによって感光部
の画素群に発生した画素電荷が読み出されてくることに
よって生じる各チャンネルの画素信号に、かかる平均値
信号と掛け算することで、各チャンネル相互間の利得バ
ラツキを除去した画素信号を得ることができる。
【0130】また、オフセット補正回路を備えた装置に
よれば、被測定対象を撮像することによって感光部の画
素群に発生した画素電荷を読み出す前に、前記参照領域
に在る画素群に発生した画素電荷を、各チャンネルの水
平シフトレジスタと出力機構を介して読み出す。即ち、
各チャンネルに割り振られて並列に読み出す。このよう
にして出力された画素信号が前記減算回路に供給され、
かかる減算回路は、所定チャンネルの画素信号を基準に
して、残余のチャンネルの画素信号を引き算する。この
結果、引き算結果は、所定チャンネルの画素信号に対す
る各チャネル毎のオフセット特性のバラツキを示すこと
になる。平均値ホールド回路は、かかるオフセット特性
のバラツキを示す信号を加算して平均化することによ
り、各チャネルの最終的なオフセット特性のバラツキを
示す平均値信号を発生する。そして、加算回路は、被測
定対象を撮像することによって感光部の画素群に発生し
た画素電荷が読み出されてくることによって生じる各チ
ャネルの画素信号に、かかる平均値信号を加算する。し
たがって、加算されて成る信号を補正後の画素信号とす
ることによって、各チャンネル相互間のオフセット特性
のバラツキを除去することができる。
【0131】尚、これらの補正回路はフィードフォワー
ド回路であるので、フィードバック回路による問題点、
即ち、帰還時定数を調整する等の繁雑且つ困難な問題が
解消される。
【0132】また前記減算回路において、前記参照電圧
発生回路から出力される所定の参照電圧を基準にして、
全チャンネルの画素信号を減算しても、各チャンネル毎
のオフセット特性バラツキを示す信号が得られる。そし
て、平均値ホールド回路が、かかるオフセットバラツキ
を示す信号を加算して、平均化することにより、各チャ
ンネルの最終的なオフセットバラツキを示す平均値信号
を得ることができ、前記加算回路が、被測定対象を撮像
することによって感光部の画素群に発生した画素電荷が
読み出されてくることによって生じる各チャンネルの画
素信号に、かかる平均値信号と加算することで、各チャ
ンネル相互間のオフセットバラツキを除去した画素信号
を得ることができる。
【0133】以上に説明したように、利得補正回路を備
えた装置によれば、複数の水平シフトレジスタとそれに
設けられる複数の出力機構を備えることによって、感光
部の画素電荷を複数チャンネルで並列読み出しするCC
D固体撮像装置において、感光部の特定位置に参照領域
を設け、その参照領域に在る画素群に発生した画素電荷
を各チャンネル毎に読出して、特定チャンネルから読み
出された画素信号に基づいて残余のチャネルの画素信号
との比を除算演算によって求め、その参照領域内の全て
の画素電荷が読み出されるまでの除算演算結果の加算平
均値に基づいて、各チャネルの画素信号の振幅を自動補
正するので、各チャンネル相互間での利得特性のバラツ
キを補正することができる。また、この利得補正回路は
フィードフォワード補正回路であるので、従来のフィー
ドバック補正回路で問題となっていた帰還時定数の設定
の困難性が解消される。
【0134】オフセット補正回路を備えた装置によれ
ば、複数の水平シフトレジスタとそれに設けられる複数
の出力機構を備えることによって、感光部の画素電荷を
複数チャンネルで並列読み出しするCCD固体撮像装置
において、感光部の特定位置に参照領域を設け、その参
照領域に在る画素群に発生した画素電荷を各チャンネル
毎に読出して、特定チャンネルから読み出された画素信
号に基づいて残余のチャネルの画素信号との差分を減算
によって求め、その参照領域内の全ての画素電荷が読み
出されるまでの減算結果の加算平均値に基づいて、各チ
ャネルの画素信号のオフセット成分を自動的に除去する
ので、各チャンネル相互間でのオフセット特性のバラツ
キを補正することができる。また、このオフセット補正
回路もフィードフォワード補正回路であるので、従来の
フィードバック補正回路で問題となっていた帰還時定数
の設定の困難性が解消される。
【0135】
【発明の効果】高感度の撮像を行うCCD固体撮像装置
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例または第5の実施例の装置構成を
示すブロック図である。
【図2】出力機構の構造を示す説明図である。
【図3】出力機構の動作を説明するためのタイミングチ
ャートである。
【図4】図1に含まれる補正回路の構成を示すブロック
図である。
【図5】補正回路中の平均値ホールド回路の一例を示す
回路図である。
【図6】第1の実施例における画素電荷の読出し動作を
説明するための説明図である。
【図7】第1の実施例における補正回路の動作を説明す
るための波形図である。
【図8】第1の実施例における補正回路を備えない場合
の問題点を説明するための波形図である。
【図9】第2の実施例または第6の実施例の装置構成を
示すブロック図である。
【図10】図9に含まれる補正回路の構成を示すブロッ
ク図である。
【図11】第2の実施例における画素電荷の読出し動作
を説明するための説明図である。
【図12】第3の実施例の装置構成を示すブロック図で
ある。
【図13】第4の実施例の装置構成を示すブロック図で
ある。
【符号の説明】
1,101…感光部、3,103UL,103UR,103
LL,103LR…参照領域、5a,5b,5c,105U
L,105UR,105LL,105LR…水平シフトレジス
タ、6a,6b,6c,106UL,106UR,106L
L,106LR…出力機構、13…補正回路、17a,1
7b,117UL,117UR,117LL,117LR…除算
回路(又は減算回路)、18a,18b,118UL,1
18UR,118LL…平均値ホールド回路、19a,19
b,119UL,119UR,119LL…乗算回路(又は加
算回路)、217UL,217UR,217LL,217LR…
除算回路、218UL,218UR,218LL,218LR…
平均値ホールド回路、219UL,219UR,219LL,
219LR…乗算回路、200…参照電圧発生回路、31
7UL,317UR,317LL,317LR…除算回路、31
8UL,318UR,318LL,318LR…平均値ホールド
回路、319UL,319UR,319LL,319LR…乗算
回路、300…参照電圧発生回路。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 撮像条件を切換え可能なCCD固体撮像
    装置において、前記撮像条件は、感光部で発生した画素
    電荷の読出し速度を含むことを特徴とするCCD固体撮
    像装置。
  2. 【請求項2】 前記撮像条件は、露光時間を含むことを
    特徴とする請求項1に記載のCCD固体撮像装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005318601A (ja) * 2004-04-26 2005-11-10 Magnachip Semiconductor Ltd Cmosイメージセンサー
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WO2013136597A1 (ja) * 2012-03-16 2013-09-19 富士フイルム株式会社 放射線画像撮影制御装置、放射線画像撮影システム、放射線画像撮影装置の制御方法、及び放射線画像撮影制御プログラム

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