JPH089260A

JPH089260A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH089260A
Application number: JP6206755A
Authority: JP
Inventors: Takashi Watari; 高司亘理; Masaaki Nakayama; 正明中山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-04-19
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】固体撮像装置で、露光量に応じて蓄積する電
荷量を電気的に制御することで、入射光に対するダイナ
ミックレンジをより大きく得られるようにするものであ
る。【構成】ＣＣＤの蓄積可能電荷量が一撮像期間内に第
１の電荷量（Ｑsat1≠０）、第２の電荷量（Ｑsat2≠
０、Ｑsat1＜Ｑsat2）の順に切替わるようにＣＣＤを制
御し、ニー特性（特性グラフの折れ曲がり）を持つ入射
光量−電気信号の関係を、利得補正で比例関係に直すこ
とにより、入射光を蓄積電荷量で一意に表現することが
できる範囲を大きくする。【効果】従来と同じＣＣＤを用いて、従来方法よりも
ダイナミックレンジを大きく得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、映像光を結像しそれを
電気信号に変換する固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体撮像装置の構成例を図１３に
示す。図１３において、１は固体撮像素子、２は信号処
理手段、３はアナログ−デジタル変換手段、４は撮像素
子制御手段を示す。

【０００３】図１３の固体撮像装置において、固体撮像
素子１は一撮像期間毎に入射した光量に応じて固体撮像
素子１の内部で電荷を蓄積し、蓄積した電荷量の大きさ
を示す信号を出力するとともに電荷の蓄積量が０にリセ
ットするように、撮像素子制御手段４は固体撮像素子１
を動作制御する。固体撮像素子１からの出力信号は信号
処理手段２でノイズ除去、ガンマ補正、増幅等の処理さ
れた後、アナログ−デジタル変換手段３に入力され、デ
ジタル値に変換されアナログ−デジタル変換手段３から
出力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１３の固体撮像装置
の固体撮像素子１において、一撮像期間内に蓄積される
電荷量と電荷蓄積時間の関係を図１４のグラフに示し、
また、一撮像期間内に蓄積される電荷量と入射した光量
の関係を図１５のグラフに示す。ただし、図１４，図１
５におけるＱsatは、図１３の固体撮像装置の固体撮像
素子１における最大蓄積電荷量で、光の入射が続いてい
てもＱsatを越える電荷は蓄積されない。そのため、図
１３に示される従来方式の固体撮像装置においては、蓄
積電荷量がゼロからＱsatの幅を越える入射光の強さを
アナログ−デジタル変換手段３の出力において表現する
ことができない。これは固体撮像素子の特性により決定
されるあるレベルより強い光が入射した場合、固体撮像
素子に蓄積される電荷量は飽和し、入射した光の強さを
固体撮像素子に蓄積された電荷量によって表現すること
ができなくなることを示す。そのため、この飽和電荷量
によって決まる輝度範囲を越えた輝度の幅を持つ入射映
像光の再現は不可能である。

【０００５】本発明は前記従来の問題に留意し、入射光
に対するダイナミックレンジ（その出力によって表現す
ることが可能な入射光の強さの範囲）をより大きく得ら
れる固体撮像装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、固体撮像素子の蓄積可能電荷量が一撮像期
間内に第一の電荷量（Ｑsat1≠０）、第二の電荷量（Ｑ
sat2≠０、Ｑsat1＜Ｑsat2）の順に切替わるように固体
撮像素子を制御する固体撮像装置の構成とする。

【０００７】

【作用】上記構成において、固体撮像素子の蓄積可能電
荷量を第二の電荷量（Ｑsat2≠０、Ｑsat1＜Ｑsat2）と
する時間を制限することにより、入射光量−電気信号の
関係はニー特性（特性グラフの折れ曲がり）を持つよう
になり、固体撮像素子において入射光を蓄積電荷量で一
意に表現することができる範囲が大きくなる。つまり、
固体撮像装置のダイナミックレンジが向上する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【０００９】図１は、本発明の固体撮像装置の第１の実
施例の構成図で、図中の１は固体撮像素子、２は信号処
理手段、３はアナログ−デジタル変換手段、４は撮像素
子制御手段、５は蓄積電荷切替手段を示している。図１
において、固体撮像素子１、信号処理手段２、アナログ
−デジタル変換手段３、撮像素子制御手段４は従来例
（図８）に示したものと同じである。

【００１０】蓄積電荷切替装置５は、固体撮像素子１の
ＯＦＤ（オーバーフロードレイン）制御のために固体撮
像素子１に与える電位（Ｖsub）を一撮像期間内のある
時間（Ｔｃ）で変えることによって、一撮像期間内の最
初から時間Ｔｃまでの固体撮像素子１の蓄積可能電荷量
はＱsat1、時間Ｔｃ後はＱsat2と切替わるように、撮像
素子制御手段４の出力信号に変更を加えて出力する機能
を持つ。

【００１１】図１の固体撮像素子１において、一撮像期
間内に蓄積される電荷量と電荷蓄積時間の関係は図２の
実線（グラフｂ）に示され、一撮像期間内に蓄積される
電荷量と入射した光量の関係は図３の実線（グラフｄ）
に示される。図２，図３の点線（それぞれグラフａ、グ
ラフｃ）が、従来の固体撮像装置の特性を示したもので
ある。

【００１２】本実施例（図１の固体撮像装置）の蓄積電
荷切替手段５の効果として、図３に示される通り、従来
方式に対してダイナミックレンジ（蓄積電荷量で表現で
きる入射光量の範囲）の向上を実現することができる。
つまり、一撮像期間内に固体撮像素子の蓄積可能電荷量
を第１の電荷量（Ｑsat1≠０）、第２の電荷量（Ｑsat2
≠０、Ｑsat2＞Ｑsat1）の順に切替える手段を持つこと
によりダイナミックレンジの向上が得られる。

【００１３】図４は、本発明の固体撮像装置の第２の実
施例の構成図で、図中の１は固体撮像素子、２は信号処
理手段、３はアナログ−デジタル変換手段、４は撮像素
子制御手段、５は蓄積電荷量切替手段、６はノイズ除去
手段、７は比較手段、８は記憶手段を示している。図４
において、固体撮像素子１、信号処理手段２、アナログ
−デジタル変換手段３、撮像素子制御手段４、蓄積電荷
量切替手段５は第１の実施例（図１）に示したものと同
じである。

【００１４】記憶手段８には、固体撮像素子１の蓄積可
能電荷量をＱsat1に設定した場合、実際に蓄積される電
荷量をアナログ−デジタル変換したデータが記憶されて
おり、アナログ−デジタル変換手段３から出力されるデ
ータに対応する画素と、記憶手段８から出力されるデー
タに対応する画素が同じになるように、撮像素子制御手
段４によって動作制御される。比較手段７は、アナログ
−デジタル変換手段３と記憶手段８から入力されたデー
タの大きさを比較し、その結果を出力する機能を持つ。

【００１５】ノイズ除去手段６は、比較手段７から入力
した比較結果に基づいて、アナログ−デジタル変換手段
３の出力が記憶手段８の出力より小さい場合は、アナロ
グ−デジタル変換手段３から入力したデータをそのまま
出力し、アナログ−デジタル変換手段３の出力が記憶手
段８の出力より大きい場合は、記憶手段８の出力データ
を基準にしてアナログ−デジタル変換手段３からの入力
データを補正して出力する。

【００１６】図４の固体撮像装置において、固体撮像素
子１の蓄積可能電荷量をＱsat1に設定した場合、実際に
蓄積される電荷量は正確にＱsat1とはならず、多少の誤
差（実際に蓄積された電荷量とＱsat1の差）を持つ。同
様なことは第１の実施例（図１の固体撮像装置）の固体
撮像素子１においても発生するが、本実施例ではこの誤
差を比較手段７、記憶手段８、撮像素子制御手段４によ
り各画素毎に検知し、ノイズ除去手段６でその誤差の大
きさに応じて加算もしくは減算することにより誤差を除
去し、Ｑsat1に揃えることができる。

【００１７】本実施例（図４の固体撮像装置）の蓄積電
荷切替手段５の効果は第１の実施例と同様で、その上、
本実施例では比較手段７、ノイズ除去手段６、記憶手段
８を持つことにより、画質劣化を伴うことなくダイナミ
ックレンジの向上を得ることができる。

【００１８】本発明の第３の実施例の構成は第２の実施
例（図４の固体撮像装置）と同じである。ただし、蓄積
電荷切替手段５は、一撮像期間中の固体撮像素子１の電
荷可能蓄積量を、０（電荷の蓄積をしない）、Ｑsat1、
Ｑsat2の順に切替える機能を持つ。

【００１９】図４（本実施例）の固体撮像素子１におい
て、一撮像期間内に蓄積される電荷量と電荷蓄積時間の
関係は図５の実線（グラフｆ）に示され、一撮像期間内
に蓄積される電荷量と入射した光量の関係は図６の実線
（グラフｇ）に示される。図５，図６の点線のグラフ
（それぞれグラフｅ、グラフｈ）が、第２の実施例の固
体撮像装置の特性を示したものである。

【００２０】本実施例（図４の固体撮像装置）の蓄積電
荷切替手段５の効果として、図６に示される通り、第１
の実施例に対してダイナミックレンジ（蓄積電荷量で表
現できる入射光量の範囲）の大きさを能動的に変化させ
ることができる。また、図５に示される通り、電荷蓄積
時間が短くなるため移動する被写体に対してブレの少な
い映像出力を得られる。

【００２１】つまり、一撮像期間内に固体撮像素子の蓄
積可能電荷量を０（電荷の蓄積なし）、第１の電荷量
（Ｑsat1≠０）、第２の電荷量（Ｑsat2≠０、Ｑsat2＞
Ｑsat1）の順に切替える手段を持つことにより、ダイナ
ミックレンジの大きさを能動的に変化させることがで
き、また、電子シャッターの効果を伴うことができる。

【００２２】なお、図１の固体撮像装置において、蓄積
電荷切替手段５が一撮像期間中の固体撮像素子１の電荷
可能蓄積量を、０（電荷の蓄積をしない）、Ｑsat1、Ｑ
sat2の順に切替える機能を持つことで、上記第３の実施
例と同様な効果が得られる。

【００２３】図７は、本発明の固体撮像装置の第４の実
施例の構成図で、図中の１は固体撮像素子、２は信号処
理手段、３はアナログ−デジタル変換手段、４は撮像素
子制御手段、５は蓄積電荷量切替手段、９はレジスタ付
比較手段、１０は切替制御手段を示している。図７にお
いて、固体撮像素子１、信号処理手段２、アナログ−デ
ジタル変換手段３、撮像素子制御手段４、蓄積電荷量切
替手段５は第１の実施例（図１）に示したものと同じで
ある。

【００２４】レジスタ付比較手段９は、その内部のレジ
スタにアナログ−デジタル変換手段３の出力の上限を示
す基準データを持ち、その保持する基準データとアナロ
グ−デジタル変換手段３からの入力データの大きさを比
較し、結果を切替制御手段１０に出力する。

【００２５】切替制御手段１０は、レジスタ付比較手段
９からの入力をもとに蓄積電荷量切替手段５を制御する
ための信号を出力する。蓄積電荷量切替手段５は切替制
御手段１０からの入力によって、固体撮像素子１の蓄積
電荷量がＱsat1からＱsat2に切り替わる時間、または、
固体撮像素子１での蓄積電荷量Ｑsat1の大きさを変化さ
せる。

【００２６】本実施例（図７の固体撮像装置）におい
て、アナログ−デジタル変換手段３の出力が常にレジス
タ付比較手段９に保持される基準データよりも大きくな
らないように、切替制御手段１０が固体撮像素子１のダ
イナミックレンジを変化させ、固体撮像素子１に入射し
た映像に必要なダイナミックレンジ（蓄積電荷量で表現
できる入射光量の範囲）を能動的に実現する。

【００２７】図７（本実施例）の切替制御手段１０が蓄
積電荷量切替手段５を制御して、固体撮像素子１の蓄積
電荷量がＱsat1からＱsat2に切り替わる時間を変化させ
た場合の、固体撮像素子１において、一撮像期間内に蓄
積される電荷量と電荷蓄積時間の関係は図８の実線（グ
ラフｊ）に示され、一撮像期間内に蓄積される電荷量と
入射した光量の関係は図９の実線（グラフｌ）に示され
る。図８，図９の点線のグラフ（それぞれグラフｉ、グ
ラフｋ）が、第１の実施例の固体撮像装置の特性を示し
たものである。

【００２８】本実施例（図７の固体撮像装置）のレジス
タ付比較手段９、切替制御手段１０の効果として、図９
に示される通り、第１の実施例に対してダイナミックレ
ンジ（蓄積電荷量で表現できる入射光量の範囲）の大き
さを能動的に変化させることができる。つまり、固体撮
像装置の出力レベルが基準レベル以上である時に制御信
号を出力する比較手段（レジスタ付比較手段９）と、比
較手段出力により蓄積電荷量切替時間を制御する手段
（切替制御手段１０）を有することで、入射した映像に
必要なダイナミックレンジを能動的に実現することがで
きる。

【００２９】図７（本実施例）の切替制御手段１０が蓄
積電荷量切替手段５を制御して、固体撮像素子１の蓄積
電荷量Ｑsat1の大きさを変化させた場合の、固体撮像素
子１における、一撮像期間内に蓄積される電荷量と電荷
蓄積時間の関係は図１０の実線（グラフｍ）に示され、
一撮像期間内に蓄積される電荷量と入射した光量の関係
は図１１の実線（グラフｏ）に示される。図１０，図１
１の点線のグラフ（それぞれグラフｎ、グラフｐ）が、
第１の実施例の固体撮像装置の特性を示したものであ
る。

【００３０】本実施例（図７の固体撮像装置）のレジス
タ付比較手段９、切替制御手段１０の効果として、図１
１に示される通り、第１の実施例に対してダイナミック
レンジ（蓄積電荷量で表現できる入射光量の範囲）の大
きさを能動的に変化させることができる。つまり、固体
撮像装置の出力レベルが基準レベル以上である時に制御
信号を出力する比較手段（レジスタ付比較手段９）と、
比較手段出力によりＱsat1の大きさを制御する手段（切
替制御手段１０）を有することで、入射した映像に必要
なダイナミックレンジを能動的に実現することができ
る。

【００３１】図１２は、本発明の固体撮像装置の第５の
実施例の構成図で、図中の１は固体撮像素子、２は信号
処理手段、３はアナログ−デジタル変換手段、４は撮像
素子制御手段、５は蓄積電荷量切替手段、６はノイズ除
去手段、７は比較手段、８は記憶手段、１１は温度セン
サー、１２は記憶手段、１３は加算手段を示している。
図１２において、固体撮像素子１、信号処理手段２、ア
ナログ−デジタル変換手段３、撮像素子制御手段４、蓄
積電荷量切替手段５、ノイズ除去手段６、比較手段７、
記憶手段８は第２の実施例（図４）に示したものと同じ
である。ただし、比較手段７はアナログ−デジタル変換
手段３と加算手段１３から入力されたデータの大きさを
比較し、その結果を出力する。

【００３２】温度センサー１１は固体撮像素子１または
その周辺の温度を測定し、記憶手段１２は保持している
変換表に基づいて、温度センサー１１から入力された温
度データに対応する補正系数を出力する。記憶手段１２
から出力された補正系数と記憶手段８から出力されたデ
ータは加算手段１３において加算され、比較手段７には
加算手段１３の加算結果が入力される。

【００３３】図１２において、固体撮像素子１の蓄積可
能電荷量をＱsat1に設定した時に実際に蓄積される電荷
量が、固体撮像素子１または固体撮像素子１の周辺温度
によって変化した場合、記憶手段８に記憶されているデ
ータはノイズ除去手段６における基準値としての意味を
なさなくなるため、温度センサー１１、記憶手段１２、
加算手段１３によって、記憶手段８に記憶されているデ
ータを温度特性に基づいて補正する。

【００３４】本実施例（図１２の固体撮像装置）による
と、温度によって特性の変化する固体撮像素子を用いて
も、画質劣化を伴うことなくダイナミックレンジの向上
を得ることができる。

【００３５】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から除外するものではな
い。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述した通り本発明によれば、従来
の固体撮像装置に対し、同じＣＣＤを用いて、入射光を
蓄積電荷量で一意に表現することができる範囲が大きく
なる。つまり、固体撮像装置において入射光に対するダ
イナミックレンジをより大きく得ることができるもので
あり、また、固体撮像装置において入射光に対して必要
なだけのダイナミックレンジの大きさを設定することが
できるものであり、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の固体撮像装置の構成を
示すブロック図

【図２】本発明の第１の実施例の固体撮像装置のＣＣＤ
における一撮像期間内に蓄積される電荷量と電荷蓄積時
間の関係を表す特性図

【図３】本発明の第１の実施例の固体撮像装置のＣＣＤ
における一撮像期間内に蓄積される電荷量と入射した
光量の関係を表す特性図

【図４】本発明の第２および第３の実施例の固体撮像装
置の構成を示すブロック図

【図５】本発明の第３の実施例の固体撮像装置のＣＣＤ
における一撮像期間内に蓄積される電荷量と電荷蓄積時
間の関係を表す特性図

【図６】本発明の第３の実施例の固体撮像装置のＣＣＤ
における一撮像期間内に蓄積される電荷量と入射した
光量の関係を表す特性図

【図７】本発明の第４の実施例の固体撮像装置の構成を
示すブロック図

【図８】本発明の第４の実施例の固体撮像装置のＣＣＤ
における一撮像期間内に蓄積される電荷量と電荷蓄積時
間の関係を表す特性図

【図９】本発明の第４の実施例の固体撮像装置のＣＣＤ
における一撮像期間内に蓄積される電荷量と入射した
光量の関係を表す特性図

【図１０】本発明の第４の実施例の固体撮像装置のＣＣ
Ｄにおける一撮像期間内に蓄積される電荷量と電荷蓄積
時間の関係を表す特性図

【図１１】本発明の第４の実施例の固体撮像装置のＣＣ
Ｄにおける一撮像期間内に蓄積される電荷量と入射し
た光量の関係を表す特性図

【図１２】本発明の第５の実施例の固体撮像装置の構成
を示すブロック図

【図１３】従来の固体撮像装置の構成例を示すブロック
図

【図１４】従来の固体撮像装置のＣＣＤにおける一撮像
期間内に蓄積される電荷量と電荷蓄積時間の関係を表す
特性図

【図１５】従来の固体撮像装置のＣＣＤにおける一撮像
期間内に蓄積される電荷量と入射した光量の関係を表す
グラフ

【符号の説明】

１固体撮像素子２信号処理手段３アナログ−デジタル変換手段４撮像素子制御手段５蓄積電荷切替手段６ノイズ除去手段７比較手段８記憶手段９レジスタ付比較手段１０切替制御手段１１温度センサー１２記憶手段１３加算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄積可能電荷量を制御可能な固体撮像素
子と、前記固体撮像素子の動作制御する手段と、一撮像
期間内に前記蓄積可能電荷量を少なくとも第１の電荷量
（Ｑsat1≠０）と、第２の電荷量（Ｑsat2≠０、Ｑsat2
＞Ｑsat1）に切替える蓄積電荷量切替手段とを有し、前
記蓄積可能電荷量切替を一撮像期間内においてＱsat1、
Ｑsat2の順に行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】固体撮像素子と、前記固体撮像素子の動
作制御する手段と、前記固体撮像素子の出力信号レベル
が基準レベル以上である時に制御信号を出力する比較手
段と、前記比較手段出力により前記固体撮像素子の出力
信号に補正を加える手段を有する固体撮像装置。
【請求項３】基準レベルが、固体撮像素子の蓄積可能
電荷量に相当する信号レベルであることを特徴とする請
求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】基準レベルが、前記固体撮像素子の蓄積
可能電荷量に相当する信号レベルのデータを保持する手
段から供給されることを特徴とする請求項３記載の固体
撮像装置。
【請求項５】蓄積可能電荷量を制御可能な固体撮像素
子と、前記固体撮像素子の動作制御する手段と、一撮像
期間内に前記蓄積可能電荷量を少なくとも第１の電荷量
（Ｑsat1≠０）と、第２の電荷量（Ｑsat2≠０、Ｑsat2
＞Ｑsat1）に切替える蓄積電荷量切替手段とを有し、前
記蓄積可能電荷量切替が一撮像期間内において、Ｑsat
1、Ｑsat2の順に行なわれ、かつ、前記固体撮像素子の
出力信号レベルが基準レベル以上である時に制御信号を
出力する比較手段と、前記比較手段出力により前記固体
撮像素子の出力信号に補正を加える手段と、前記基準レ
ベルを供給するために前記固体撮像素子の第１の電荷量
（Ｑsat1≠０）に対応するデータを保持する手段を有す
る固体撮像装置。
【請求項６】蓄積可能電荷量を制御可能な固体撮像素
子と、前記固体撮像素子の動作制御する手段と、一撮像
期間内に前記蓄積可能電荷量を少なくとも０（電荷の蓄
積なし）と、第１の電荷量（Ｑsat1≠０）と、第２の電
荷量（Ｑsat2≠０、Ｑsat2＞Ｑsat1）に切替える蓄積電
荷量切替手段とを有し、前記蓄積可能電荷量切替が一撮
像期間内において、０（電荷の蓄積なし）、Ｑsat1、Ｑ
sat2の順に行われるようにしたことを特徴とする請求項
１または請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】固体撮像素子または固体撮像装置の出力
レベルが基準レベル以上である時に制御信号を出力する
比較手段と、前記比較手段出力により蓄積電荷量切替時
間を制御する手段を有することを特徴とする請求項１ま
たは請求項５または請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】固体撮像素子または固体撮像装置の出力
レベルが基準レベル以上である時に制御信号を出力する
比較手段と、前記比較手段出力によりＱsat1の大きさを
制御する手段を有することを特徴とする請求項１または
請求項５または請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項９】基準レベルが固体撮像素子または固体撮
像装置の最大出力レベルとしたことを特徴とする請求項
７または請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１０】固体撮像素子または前記固体撮像素子
周辺の温度を計測する手段と、前記温度の計測手段の出
力信号により、前記固体撮像素子の出力信号を補正する
手段とを有することを特徴とする請求項１、請求項５、
請求項６、請求項７または請求項８記載の固体撮像装
置。
【請求項１１】Ｑsat2を最大蓄積量としたことを特徴
とする請求項１または請求項５記載の固体撮像装置。