JPH09214837A

JPH09214837A - 固体撮像装置の駆動方法

Info

Publication number: JPH09214837A
Application number: JP8020825A
Authority: JP
Inventors: Koichi Harada; 耕一原田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-02-07
Filing date: 1996-02-07
Publication date: 1997-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】垂直ブランキング期間の全体もしくは大部分
を利用して大光量時用の信号電荷の蓄積を行っていたの
で、広ダイナミックレンジ読み出し方式をＦＩＴ方式の
固体撮像装置には適用できなかった。【解決手段】先ず垂直転送レジスタ３-k内のスミア信
号を１ラインおきに１画素分だけ転送し（ｔ＝ｔ１）、
続いて垂直ブランキング期間中に各受光部２から通常光
量時用の信号電荷○を読み出しかつ垂直方向で隣り合う
２画素分を混合し（ｔ＝ｔ２）、しかる後垂直転送レジ
スタ３-kを１画素分だけシフトする（ｔ＝ｔ３）。ま
た、垂直ブランキング期間内において設定された所定の
露光期間だけ光電変換された大光量時用の信号電荷×を
各受光部２から読み出しかつ垂直方向で隣り合う２画素
分を混合し（ｔ＝ｔ４）、しかる後高速フレーム転送に
てストレージ部に転送する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置の駆
動方法に関し、特にフレームインターライン転送（ＦＩ
Ｔ）方式ＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、水平画素数の多画素化および小型
化により高性能のＣＣＤ固体撮像装置が開発されてい
る。ところが、垂直解像度は、ＮＴＳＣ放送方式に対応
したフィールド蓄積読み出し方式で３５０ＴＶ本、機械
式シャッタを使用しない静止画で２４０ＴＶ本しか得ら
れない。これは、２６２．５本の走査線からなる２つの
フィールドを２：１インターレースさせて１つのフレー
ムを作るＮＴＳＣ放送方式に対応する必要があり、かつ
垂直解像度よりも被写体の動きが滑らかに見えることを
重視したためである。

【０００３】すなわち、図１２（Ａ）に示すように、垂
直方向で隣り合った２ラインの各受光部（画素）１０１
の信号電荷Ｑ１，Ｑ２を、垂直転送レジスタ１０２に２
画素に対して１つずつ設けられたパケット１０３に読み
出すことによって混合し、次のフィールドでは異なる２
ラインの組合せにて信号電荷Ｑ２，Ｑ１を混合し、１フ
ィールドあたり、即ち１回の露光で２６２．５本分の信
号を出力するように設計されているからである。図１２
（Ｂ）に、フィールド読み出し方式の場合の受光部１０
１内の電荷量の変化の様子を示す。

【０００４】しかし、ノンインターレース方式や静止画
の分野に用いるには、水平解像度に比べて垂直解像度が
不十分である。これらの分野においては、水平解像度並
みの垂直解像度が１回の露光で得られることが必要であ
る。その解決策として、図１３（Ａ）に示すように、垂
直転送レジスタ１０２に各画素（受光部１０１）に対し
て１：１の関係でパケット１０４を設けることにより、
各画素から読み出した信号電荷を垂直転送レジスタ１０
２中で混合することなく、全画素独立に読み出すように
した全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置がある。

【０００５】ところが、この全画素読み出し方式ＣＣＤ
固体撮像装置では、各受光部１０１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１０１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１０１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という問題があった。このことは、
図１２に示したフィールド蓄積読み出し方式ＣＣＤ固体
撮像装置の場合にも言える。図１３（Ｂ）に、全画素読
み出し方式の場合の受光部１０１内の電荷量の変化の様
子を示す。

【０００６】これに対し、以下に説明するいわゆる広ダ
イナミックレンジ読み出し方式のＣＣＤ固体撮像装置が
知られている。すなわち、垂直転送レジスタに各画素と
１：１の関係でパケットを設けることにより、全画素読
み出しを可能とした構成のＣＣＤ固体撮像装置におい
て、垂直方向の有効期間の信号電荷を垂直ブランキング
期間中に一度読み出し、その後垂直ブランキング期間を
利用してもう一度短い露光時間を設定して光電変換し、
この信号電荷を再度読み出す。そして、露光時間の長い
方の信号電荷、即ち通常光量時用の信号電荷と、露光時
間の短い方の信号電荷、即ち大光量時用の信号電荷とを
独立に転送し、これら信号電荷に基づく各信号出力を信
号処理系で加算処理することにより、光入力に対するダ
イナミックレンジの拡大を図ったものである。

【０００７】この広ダイナミックレンジ読み出し方式Ｃ
ＣＤ固体撮像装置においては、図１４（Ａ）に示すよう
に、先ず、奇数ラインの画素（受光部１０１）の通常
光量時用の信号電荷Ｑ１を読み出しかつその直後に垂直
転送レジスタ１０２を１画素分だけシフトし、次に奇数
ラインの画素に再び短い露光期間にて大光量時用の信号
電荷Ｑ１′を蓄積した後、偶数ラインの画素の通常光
量時用の信号電荷Ｑ２を大光量時用の信号電荷Ｑ１′と
同時に読み出す。これにより、通常光量時用の信号電荷
Ｑ２は通常光量時用の信号電荷Ｑ１と混合され、大光量
時用の信号電荷Ｑ１′は空のパケット１０４に読み出さ
れる。

【０００８】次に、垂直転送レジスタ１０２を１画素分
（１ライン分）だけシフトし、続いて偶数ラインの画素
に再び短い露光期間にて大光量時用の信号電荷Ｑ２′を
蓄積した後、この大光量時用の信号電荷Ｑ２′を読み
出す。これにより、大光量時用の信号電荷Ｑ２′は大光
量時用の信号電荷Ｑ１′と混合される。図１４（Ｂ）
に、広ダイナミックレンジ読み出し方式の場合の受光部
１０１内の電荷量の変化の様子を示す。

【０００９】このように、広ダイナミックレンジ読み出
し方式のＣＣＤ固体撮像装置では、フィールド蓄積読み
出し方式のＣＣＤ固体撮像装置の場合と同様に、信号電
荷を垂直転送レジスタ中で混合するが、露光時間の長い
方の通常光量時用の信号電荷Ｑ１，Ｑ２と短い方の大光
量時用の信号電荷Ｑ１′，Ｑ２′とで垂直転送レジスタ
１０２を半々に使用することになる。そして、（Ｑ１＋
Ｑ２）の通常光量時用の信号電荷に基づく信号出力と
（Ｑ１′＋Ｑ２′）の大光量時用の信号電荷に基づく信
号出力とが信号処理系で加算される。その結果、受光部
で信号電荷が溢れた後も入射光量に対する信号出力を得
ることができるため、光入力に対するダイナミックレン
ジを広げることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣＣＤ固体
撮像装置は、イメージ部の構成の仕方で２つの方式に分
類される。すなわち、イメージ部と転送部とを交互に設
けるインターライン転送（ＩＴ）方式と、イメージ部と
は別にストレージ部を独立に設けるフレームインターラ
イン転送（ＦＩＴ）方式である。フレームインターライ
ン転送方式は、イメージ部において高速な電荷転送が可
能であることから、インターライン転送方式に比べてス
ミアを低減できるという優れた特長を持っており、一般
的に業務用ＣＣＤ固体撮像装置に採用されている。

【００１１】このフレームインターライン転送方式ＣＣ
Ｄ固体撮像装置の場合、垂直ブランキング期間において
各画素から信号電荷を読み出し、この１フィールド分の
信号電荷を垂直ブランキング期間内にイメージ部からス
トレージ部へ高速転送するようになっている。ところ
が、先述した従来の広ダイナミックレンジ読み出し方式
ＣＣＤ固体撮像装置では、図１４（Ｂ）から明らかなよ
うに、垂直ブランキング期間の全体もしくは大部分を利
用して大光量時用の信号電荷Ｑ１′，Ｑ２′の蓄積を行
っているので、垂直ブランキング期間内に高速フレーム
転送を行う必要があるフレームインターライン転送方式
には適用できないという問題があった。

【００１２】また、大光量時用の信号電荷Ｑ１′の蓄積
期間が経過した後に通常光量時用の信号電荷Ｑ２を読み
出し、その後に大光量時用の信号電荷Ｑ２′の蓄積を行
うようにしていることから、大光量時用の信号電荷Ｑ
１′，Ｑ２′の各読み出しタイミングに大幅な時間ずれ
が生じる。大光量時用の信号電荷Ｑ１′，Ｑ２′の露光
時間は通常光量時用の信号電荷Ｑ１，Ｑ２の露光時間に
比べて極めて短いことから、各読み出しタイミングに大
幅な時間ずれがあると、特に高速で動いている被写体の
撮像時に、大光量時用の信号電荷Ｑ１′，Ｑ２′はそれ
ぞれ違う像に関する情報となるため、大光量時用の信号
電荷（Ｑ１′＋Ｑ２′）に基づく再生画は不自然なもの
になるという問題もあった。

【００１３】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、広ダイナミックレン
ジ読み出しをフレームインターライン転送方式にも適用
可能とした固体撮像装置の駆動方法を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置の駆動方法では、フレームインターライン転送方式固
体撮像装置において、イメージ部の各受光部から信号電
荷を読み出す前に、垂直転送レジスタ内のスミア信号を
高速にて掃き捨てるか又は１ラインおきに１画素分だけ
転送し、続いて垂直ブランキング期間中に各受光部から
第１の信号電荷（以下、通常光量時用の信号電荷と称す
る）を読み出しかつ垂直方向で隣り合う２画素分ずつ混
合した後垂直転送レジスタを１画素分だけシフトする一
方、通常光量時用の信号電荷を読み出した直後から垂直
ブランキング期間内において所定の露光期間が経過した
時点で各受光部から第２の信号電荷（以下、大光量時用
の信号電荷と称する）を読み出しかつ垂直方向で隣り合
う２画素分ずつ混合し、しかる後イメージ部の垂直転送
レジスタ内の各信号電荷を高速フレーム転送にてストレ
ージ部に転送する。

【００１５】フレームインターライン転送方式固体撮像
装置において、垂直転送レジスタ内のスミア信号を高速
にて掃き捨てた場合には、垂直転送レジスタ内にはスミ
ア信号が存在しなくなる。一方、スミア信号を１ライン
おきに１画素分だけ転送した場合には、垂直方向で隣り
合う２ライン分ずつスミア信号が混合され、混合された
スミア信号は垂直転送レジスタ内に１ラインおきに蓄積
される。ここに、スミア信号とは、垂直転送レジスタに
直接光が混入したり、半導体基板内部で発生した信号電
荷が拡散によって広がって垂直転送レジスタに混入する
ことによって発生する偽信号である。

【００１６】高速掃き捨て又は１ラインおきの１画素分
の転送が終わったら、引き続き信号電荷の読み出し動作
およびシフト動作が行われるが、以下、スミア信号につ
いて考慮する必要がある後者の場合を中心に説明する。
スミア信号を１ラインおきに１画素分だけ転送した後、
垂直ブランキング期間中に各受光部から信号電荷を読み
出しかつ垂直方向で隣り合う２画素分を混合する。この
２画素分の信号電荷は通常光量時用の信号電荷として、
スミア信号が蓄積されたラインと異なるラインに蓄積さ
れる。その後、垂直転送レジスタを１画素分だけシフト
する。また、通常光量時用の信号電荷を読み出した直後
から垂直ブランキング期間内において設定した短い露光
期間だけ各受光部で光電変換を行う。

【００１７】そして、この短い露光期間が経過したら、
各受光部から信号電荷を読み出しかつ垂直方向で隣り合
う２画素分を混合する。このとき、スミア信号とも混合
される。しかしながら、この２画素分の信号電荷は大光
量時用の信号電荷となり、後段の信号処理系で大信号レ
ベルのものとして扱われることから、スミア信号を含ん
でいてもそれは無視できる程度のものに過ぎない。その
後、イメージ部の垂直転送レジスタ内にライン単位で交
互に蓄積された通常光量時用の信号電荷および大光量時
用の信号電荷を、高速フレーム転送にてストレージ部に
転送する。

【００１８】

【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、本発明が適
用されるフレームインターライン転送（ＦＩＴ）方式Ｃ
ＣＤ固体撮像装置の一例を示す概略構成図である。

【００１９】図１において、イメージ部１は、マトリク
ス状に２次元配置されて入射光を光電変換し、その光量
に応じた信号電荷を蓄積する複数個の受光部２と、これ
ら受光部２の垂直列ごとに配されて各受光部２から読み
出しゲート（図示せず）を介して読み出された信号電荷
を垂直転送するｎ本の垂直転送レジスタ３-1〜３-nとに
よって構成されている。一方、ストレージ部４は、イメ
ージ部１の垂直転送レジスタ３-1〜３-nに各列ごとに連
続したｎ本の垂直転送レジスタ５-1〜５-nによって構成
されている。なお、ストレージ部４は、その全面が例え
ばアルミニウムの遮光層によって覆われている。

【００２０】イメージ部１において、各受光部２で光電
変換された信号電荷は、垂直転送レジスタ３-1〜３-nに
読み出されかつ当該レジスタ３-1〜３-nによってストレ
ージ部４に高速転送される。図２に垂直転送レジスタ３
-1〜３-nの平面パターンを、図３にはそのＸ‐Ｘ′線断
面をそれぞれ示す。図２および図３において、転送チャ
ネル２１に沿ってチャネルストップ領域２２が形成され
ている。また、転送チャネル２１の上方には、ゲート絶
縁膜 (ＳｉＯ₂)２３を介して第１層，第２層，第３層の
ポリシリコン(1Poly,2Poly,3Poly) からなる転送電極２
４，２５，２６が、転送電極２４→転送電極２６→転送
電極２５の順で転送方向に繰り返して配置されている。

【００２１】上記構成の垂直転送レジスタ３-1〜３-n
は、例えば６相の垂直転送クロックφＶＩ１〜φＶＩ６
によって駆動される。この６相の垂直転送クロックφＶ
Ｉ１〜φＶＩ６は、１個の受光部２に対応して設けられ
た３個の転送電極２４，２６，２５について、垂直転送
方向において隣り合う２ライン（２画素）分を対とし、
この６個の転送電極を１単位として与えられる。

【００２２】すなわち、例えば奇数ラインの第１層の転
送電極２４には１相目の垂直転送クロックφＶＩ１が、
第３層の転送電極２６には２相目の垂直転送クロックφ
ＶＩ２が、第２層の転送電極２５には３相目の垂直転送
クロックφＶＩ３がそれぞれ印加され、偶数ラインの第
１層の転送電極２４には４相目の垂直転送クロックφＶ
Ｉ４が、第３層の転送電極２６には５相目の垂直転送ク
ロックφＶＩ５が、第２層の転送電極２５には６相目の
垂直転送クロックφＶＩ６がそれぞれ印加される。

【００２３】この垂直転送クロックφＶＩ１〜φＶＩ６
のうちの、垂直転送クロックφＶＩ３，φＶＩ４は、低
レベル（以下、“Ｌ”レベルと記す）、中間レベル（以
下、“Ｍ”レベルと記す）および高レベル（以下、
“Ｈ”レベルと記す）の３値をとり、それ以外は“Ｌ”
レベルおよび“Ｍ”レベルの２値をとる。これにより、
垂直転送クロックφＶＩ３が印加される奇数ラインの第
２層の転送電極２５および垂直転送クロックφＶＩ４が
印加される偶数ラインの第１層の転送電極２４は、垂直
転送クロックφＶＩ３，φＶＩ４が“Ｈ”レベルのとき
受光部２から信号電荷を読み出すための読み出しゲート
を兼ねている。

【００２４】イメージ部１からストレージ部４に転送さ
れた信号電荷は、水平ブランキング期間の一部におい
て、垂直転送レジスタ５-1〜５-nが例えば６相の垂直転
送クロックφＶＳ１〜φＶＳ６によって駆動されること
により１ラインに相当する部分ずつ順にシフトされ、２
本の水平転送レジスタ６，７に交互に転送される。２本
の水平転送レジスタ６，７は、２相の水平転送クロック
φＨ１，φＨ２によって駆動され、ストレージ部４から
転送される２ライン分の信号電荷を１ライン分ずつ別々
に受け、水平ブランキング期間の後の水平走査期間にお
いて順次水平方向に転送する。

【００２５】２本の水平転送レジスタ６，７に対する信
号電荷の振り分けは、両水平転送レジスタ６，７間に配
された振り分け転送ゲート８によって行われる。すなわ
ち、図４に示すように、ストレージ部４の垂直転送レジ
スタ５-1〜５-nから一方の水平転送レジスタ６に転送さ
れた信号電荷は、振り分け転送ゲート８によって制御さ
れるチャネル領域３１を通って他方の水平転送レジスタ
７に移される構造となっている。振り分け転送ゲート８
は、振り分けゲートパルスφＨＨＧによって開閉制御さ
れる。なお、チャネル領域３１の両側にはチャネルスト
ップ部３２が形成され、それに対応する水平転送レジス
タ６から水平転送レジスタ７への電荷転送を阻止してい
る。

【００２６】具体的には、図４において例えば、一方の
ラインの信号電荷を○印で示し、他方のラインの信号電
荷を●印で示した場合、奇数ラインの信号電荷○は垂直
転送レジスタ５-1〜５-nから水平転送レジスタ６に移さ
れると、そのまま水平転送レジスタ６において水平転送
される。一方、他方のラインの信号電荷●は垂直転送レ
ジスタ５-1〜５-nから水平転送レジスタ６に移される
と、さらに振り分け転送ゲート８によってチャネル領域
３１を介して水平転送レジスタ７に移され、そのまま水
平転送レジスタ７において水平転送される。

【００２７】水平転送レジスタ６，７の転送先の端部に
はそれぞれ、例えばフローティング・ディフュージョン
・アンプ構成の電荷検出部９，１０が設けられている。
この電荷検出部９，１０は、水平転送レジスタ６，７に
よって水平転送された信号電荷を検出して信号電圧に変
換し、信号出力ＯＵＴ２，ＯＵＴ１として外部の信号処
理回路１１へ供給する。なお、６相の垂直転送クロック
φＶＩ１〜φＶＩ６、６相の垂直転送クロックφＶＳ１
〜φＶＳ６、２相の水平転送クロックφＨ１，φＨ２お
よび振り分けゲートパルスφＨＨＧなどの各種のタイミ
ング信号は、タイミングジェネレータ１２で生成され
る。

【００２８】次に、上記構成のフレームインターライン
転送方式（ＦＩＴ）ＣＣＤ固体撮像装置において、各受
光部２に通常光量時用の信号電荷と大光量時用の信号電
荷とを蓄積し、これらの信号電荷をイメージ部１内のあ
る垂直転送レジスタ３-kに読み出しかつシフトする際の
駆動方法について、図５のタイミングチャートを参照
し、図６の動作説明図に基づいて説明する。

【００２９】垂直ブランキング期間において、先ず、６
相の垂直転送クロックφＶＩ１〜φＶＩ６のうち、垂直
転送クロックφＶＩ１〜φＶＩ５が各々１相前のクロッ
クと一定のオーバーラップ期間をもって順に“Ｍ”レベ
ルになることで、垂直転送レジスタ３-k内のスミア信号
が１ラインおきに１画素分（１周期分）だけシフト（転
送）される。その後、６相目の垂直転送クロックφＶＩ
６が３相目の垂直転送クロックφＶＩ３と同期して
“Ｍ”レベルになりかつこの“Ｍ”レベルを維持した状
態において、５相目の垂直転送クロックφＶＩ５が
“Ｍ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移すると、６相目の
垂直転送クロックφＶＩ６が印加される例えば偶数ライ
ンの第２層の転送電極２５の下にスミア信号（図中、斜
線で示す）が蓄積される（ｔ＝ｔ１）。

【００３０】次に、３相目，４相目の垂直転送クロック
φＶＩ３，φＶＩ４が共に“Ｈ”レベルになることによ
り、それまで各受光部２で光電変換されかつ蓄積された
通常光量時用の信号電荷（図中、○印で示す）のうち、
奇数ラインの信号電荷が第２層の転送電極２５の下に、
偶数ラインの信号電荷が第１層の転送電極２４の下にそ
れぞれ読み出される（ｔ＝ｔ２）。これにより、垂直方
向において隣り合う２画素間で信号電荷○が混合され
る。

【００３１】その後、垂直転送クロックφＶＩ３，φＶ
Ｉ４が共に“Ｍ”レベルになり、その直後に垂直転送ク
ロックφＶＩ３が“Ｌ”レベルに遷移し、続いて垂直転
送クロックφＶＩ４が“Ｌ”レベルに遷移する。また、
垂直転送クロックφＶＩ４が“Ｌ”レベルに遷移する前
に垂直転送クロックφＶＩ５が“Ｍ”レベルとなり、さ
らにこの垂直転送クロックφＶＩ５が“Ｌ”レベルに遷
移する前に垂直転送クロックφＶＩ６が“Ｍ”レベルと
なることにより、先に混合された信号電荷○がシフトさ
れる。

【００３２】そして、垂直転送クロックφＶＩ５が
“Ｌ”レベルに遷移した時点で偶数ラインの第２層の転
送電極２５の下に信号電荷○が蓄積される（ｔ＝ｔ
３）。このとき、垂直転送クロックφＶＩ１〜φＶＩ３
も各々１相前のクロックと一定のオーバーラップ期間を
もって順に“Ｍ”レベルになることにより、スミア信号
についても１画素分だけシフトされ、奇数ラインの第２
層の転送電極２５の下に蓄積される。

【００３３】続いて、３相目，４相目の垂直転送クロッ
クφＶＩ３，φＶＩ４が共に“Ｈ”レベルになること
で、垂直ブランキング期間内で設定された通常光量時用
の信号電荷○の読み出し後の短い露光期間において各受
光部２で光電変換されかつ蓄積された大光量時用の信号
電荷（図中、×印で示す）のうち、奇数ラインの信号電
荷が第２層の転送電極２５の下に、偶数ラインの信号電
荷が第１層の転送電極２４の下にそれぞれ読み出される
（ｔ＝ｔ４）。このとき、奇数ラインの第２層の転送電
極２５の下にはスミア信号が蓄積されているため、読み
出された信号電荷×はスミア信号と混合され、さらに垂
直方向において隣り合う２画素間で混合される。

【００３４】以上の読み出し動作およびシフト動作によ
り、イメージ部１の垂直転送レジスタ３-kには１ライン
おきに通常光量時用の信号電荷○と、スミア信号を含む
大光量時用の信号電荷×とが交互に蓄積される。そし
て、フレームシフト期間に移行することにより、イメー
ジ部１の通常光量時用の信号電荷○および大光量時用の
信号電荷×がそのままストレージ部４に高速フレーム転
送され、ストレージ部４に一時的に蓄積される。

【００３５】このように、各受光部２から信号電荷を読
み出す前に、スミア信号を１ラインおきに１画素分だけ
転送し、続いて垂直ブランキング期間中に各受光部２か
ら通常光量時用の信号電荷○を読み出しかつ垂直方向で
隣り合う２画素分ずつ混合した後垂直転送レジスタ３-k
を１画素分だけシフトする一方、垂直ブランキング期間
内において設定された所定の露光期間だけ光電変換され
た大光量時用の信号電荷×を各受光部２から読み出しか
つ垂直方向で隣り合う２画素分ずつ混合するようにした
ことにより、イメージ部１の各信号電荷をストレージ部
４に高速フレーム転送する時間を確保できるので、ＦＩ
Ｔ方式ＣＣＤ固体撮像装置においても広ダイナミックレ
ンジ読み出しが実現できる。

【００３６】しかも、奇数ラインの信号電荷と偶数ライ
ンの信号電荷の各読み出しタイミングのずれを無くすこ
とができる。すなわち、従来技術の場合には、大光量時
用の奇数ラインの信号電荷Ｑ１′と偶数ラインの信号電
荷Ｑ２′の各読み出しタイミングに、信号電荷Ｑ２′の
露光時間（垂直ブランキング期間の半分）の時間ずれが
生じていたのに対し、本実施形態では、画素間に位置す
る第１層目，第２層目の転送電極２４，２５を用いて垂
直方向で隣り合う２画素の信号電荷を同時に読み出すの
で、図７に示すように、奇数ラインの信号電荷と偶数ラ
インの信号電荷の各読み出しタイミングのずれがなくな
る。

【００３７】イメージ部１からストレージ部４に高速フ
レーム転送され、ライン単位で交互に蓄積された通常光
量時用の信号電荷○および大光量時用の信号電荷×のう
ち、大光量時用の信号電荷×は水平転送レジスタ６に移
されて水平転送される一方、通常光量時用の信号電荷○
は水平転送レジスタ６および振り分け転送ゲート８を介
して水平転送レジスタ７に移されて水平転送され、電荷
検出部９，１０で信号電圧に変換されて信号出力ＯＵＴ
１，ＯＵＴ２として外部に出力される。

【００３８】ここで、先述した信号電荷の読み出し動作
およびシフト動作から明らかなように、通常光量時用の
信号電荷○に基づく信号出力ＯＵＴ２にはスミア成分が
含まれていないのに対し、大光量時用の信号電荷×に基
づく信号出力ＯＵＴ１にはスミア成分が含まれている。
この信号出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２は、外部の信号処理回
路１１において所定の信号処理が行われる。この信号処
理回路１１の具体的な回路構成の一例を図８に示す。

【００３９】図８において、信号出力ＯＵＴ１はサンプ
ルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４１でサンプルホールドされ
た後、スライス回路４２において所定のスライスレベル
Ｅ１でスライスされる。このスライス回路４２の出力信
号は、ビデオアンプ４３で増幅されて加算器４４の一方
の入力となる。また、信号出力ＯＵＴ２はサンプルホー
ルド回路４５でサンプルホールドされ、クリップ回路４
６で所定のクリップレベルＥ２にクリップされた後、加
算器４４の他方の入力となる。加算器４４は両入力信号
を加算してビデオ出力信号とする。

【００４０】上記構成の信号処理回路１１において、信
号出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の感度比をα、信号出力ＯＵ
Ｔ１，ＯＵＴ２の各処理系の増幅率をβ１，β２とした
場合に、信号出力ＯＵＴ２がクリップレベルＥ２以下
（ＯＵＴ２≦Ｅ２）の通常光量時は、ビデオ出力レベル
Ｖｏｕｔはβ２・ＯＵＴ２となる。また、信号出力ＯＵ
Ｔ２がクリップレベルＥ２を越える（ＯＵＴ２＞Ｅ２）
の大光量時は、ビデオ出力レベルＶｏｕｔはβ２・Ｅ２
＋β１・ＯＵＴ１（１−α・Ｅ２）となる。このときの
入出力特性（信号出力‐入射光量の特性）を図９に示
す。

【００４１】このように、通常光量時用の信号出力ＯＵ
Ｔ２がリニアな領域では通常光量時用の信号出力ＯＵＴ
２を用い、通常光量時用の信号出力ＯＵＴ２が飽和する
領域では大光量時用の信号出力ＯＵＴ１と通常光量時用
の信号出力ＯＵＴ２との線形演算を行うことにより、先
述した信号電荷の読み出し動作およびシフト動作によっ
て通常光量時用の信号出力ＯＵＴ２にはスミア成分が含
まれないため、暗い所のスミアを低減できる。

【００４２】また、図９において破線で示すように、大
光量時用の信号出力ＯＵＴ１にはスミア成分が含まれて
いるものの、大光量時の信号出力レベルに対してスミア
レベルは極めて低く、無視できる程度のものであるた
め、実用上問題となることはない。ただし、図９の入出
力特性図から明らかなように、特性の切換えポイントで
スミア信号が非連続となってしまう。

【００４３】そこで、図１０に示すように、例えば加算
器４４の後段に非線形演算回路４７を設け、通常光量時
用の信号出力ＯＵＴ２のリニアな領域において当該信号
出力ＯＵＴ２に対して非線形演算を行うようにする。こ
こで、非線形演算回路４７の非線形関数ｆ(N) は、ＯＵ
Ｔ２＝０の時ｆ(N) ＝０、ＯＵＴ２＝Ｅ２の時ｆ(N)＝
１とし、その間では連続関数であるものとする。

【００４４】すると、信号出力ＯＵＴ２がクリップレベ
ルＥ２以下（ＯＵＴ２≦Ｅ２）の通常光量時は、ビデオ
出力レベルＶｏｕｔはβ２・ＯＵＴ２＋β１・ＯＵＴ１
・ｆ(N) （１−α・Ｅ２）となる。また、信号出力ＯＵ
Ｔ２がクリップレベルＥ２を越える（ＯＵＴ２＞Ｅ２）
の大光量時は、ビデオ出力レベルＶｏｕｔはβ・Ｅ２＋
β１・ＯＵＴ１（１−α・Ｅ２）となる。このときの入
出力特性（信号出力‐入射光量の特性）を図１１に示
す。

【００４５】このように、通常光量時用の信号出力ＯＵ
Ｔ２のリニアな領域において当該信号出力ＯＵＴ２に対
して非線形演算を行うようにすることにより、図１１の
入出力特性図から明らかなように、特性の切換えポイン
トにおけるスミア信号の非連続性をなくすことができ
る。

【００４６】なお、上記実施形態では、各受光部２から
信号電荷を読み出す前に、垂直転送レジスタ３-1〜３-n
内のスミア信号を１ラインおきに１画素分だけ転送し、
最終的に大光量時用の信号電荷と混合して転送する場合
について説明したが、垂直転送レジスタ３-1〜３-n内の
スミア信号を高速掃き捨て動作によって掃き捨てるよう
にすることも可能である。この場合には、スミア成分を
ほぼ完全になくすことができるが、より高速な電荷転送
を実現できることが前提となる。

【００４７】これに対し、スミア信号を１ラインおきに
１画素分だけ転送する場合には、高速スミア掃き捨てに
要する時間を省略できるので、ＦＩＴ時に垂直ブランキ
ング期間を有効に利用できる利点がある。一例として、
大光量時用の信号電荷を得るための露光時間を垂直ブラ
ンキング期間内で任意に、しかも比較的長く設定するこ
とができる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
イメージ部の各受光部から信号電荷を読み出す前に、垂
直転送レジスタ内のスミア信号を１ラインおきに１画素
分だけ転送し（又は高速にて掃き捨て）、続いて垂直ブ
ランキング期間中に各受光部から通常光量時用の信号電
荷を読み出しかつ垂直方向で隣り合う２画素分ずつ混合
した後垂直転送レジスタを１画素分だけシフトする一
方、垂直ブランキング期間内において設定した所定の露
光期間だけ光電変換された大光量時用の信号電荷を各受
光部から読み出しかつ垂直方向で隣り合う２画素分ずつ
混合し、しかる後高速フレーム転送にてストレージ部に
転送するようにしたことにより、ＦＩＴ方式ＣＣＤ固体
撮像装置においても広ダイナミックレンジ読み出しが実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フレームインターライン転送（ＦＩＴ）方式Ｃ
ＣＤ固体撮像装置の一例を示す概略構成図である。

【図２】垂直転送レジスタの一例を示す平面パターン図
である。

【図３】図２のＸ‐Ｘ′線断面図である。

【図４】振り分け転送ゲートの一例を示す概略構成図で
ある。

【図５】本発明の駆動方法に係るタイミングチャートで
ある。

【図６】本発明の駆動方法に係る動作説明図である。

【図７】各ラインの受光部内の電荷量の変化を示す図で
ある。

【図８】信号処理回路の一例を示すブロック図である。

【図９】本発明に係る一例の入出力特性図である。

【図１０】信号処理回路の他の例を示すブロック図であ
る。

【図１１】本発明に係る他の例の入出力特性図である。

【図１２】フィールド読み出し方式の説明図である。

【図１３】全画素読み出し方式の説明図である。

【図１４】従来の広ダイナミックレンジ読み出し方式の
説明図である。

【符号の説明】

１イメージ部２受光部３-1〜３-n 垂直転
送レジスタ４ストレージ部６，７水平転送レジスタ８
振り分け転送ゲート９，１０電荷検出部１１信号処理回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フレームインターライン転送方式固体撮
像装置の駆動方法であって、イメージ部の各受光部から信号電荷を読み出す前に、垂
直転送レジスタ内のスミア信号を高速にて掃き捨てるか
又は１ラインおきに１画素分だけ転送し、続いて垂直ブランキング期間中に各受光部から第１の信
号電荷を読み出しかつ垂直方向で隣り合う２画素分ずつ
混合した後前記垂直転送レジスタを１画素分だけシフト
する一方、前記第１の信号電荷を読み出した直後から垂直ブランキ
ング期間内において所定の露光期間が経過した時点で各
受光部から第２の信号電荷を読み出しかつ垂直方向で隣
り合う２画素分ずつ混合し、しかる後イメージ部の垂直転送レジスタ内の各信号電荷
を高速フレーム転送にてストレージ部に転送することを
特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】ストレージ部にライン単位で蓄積された
前記第１，第２の信号電荷を順に２本の水平転送レジス
タで別々に水平転送するとともに、電気信号に変換して
２つの信号出力として導出し、前記第１の信号電荷についての入出力特性のリニアな領
域では前記第１の信号電荷に基づく信号出力をビデオ信
号として出力し、前記入出力特性の飽和領域では前記２つの信号出力を演
算してビデオ信号として出力することを特徴とする請求
項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】前記入出力特性のリニアな領域では前記
第１の信号電荷に基づく信号出力に対して非線形演算を
行うことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置の駆
動方法。