專利名稱：固體攝像裝置及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于擴(kuò)大高亮度側(cè)入射光量處理范圍的固體攝像裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。尤其涉及通過在由視頻信號(hào)場(chǎng)或幀所表示的特定周期中設(shè)定至少兩個(gè)信號(hào)充電周期，并再現(xiàn)上述信號(hào)充電周期時(shí)間中的信號(hào)電荷而無需任何外部場(chǎng)存貯器或任何幀存貯器來擴(kuò)大高亮度側(cè)入射光量處理范圍的固體攝像裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
按照傳統(tǒng)技術(shù)，在擴(kuò)大入射光量的處理范圍時(shí)，對(duì)每一幀或場(chǎng)信號(hào)周期至少設(shè)定兩個(gè)互不相同的充電周期。例如，在一場(chǎng)周期TF中，對(duì)應(yīng)于通常的垂直掃描周期設(shè)定第一充電周期T1，而對(duì)應(yīng)于垂直消隱周期，則設(shè)定一比所述第一充電周期短的第二充電周期T2。于是在第一充電周期時(shí)間中獲得的信號(hào)電荷Q1以增益為1得以再現(xiàn)，而在第二充電周期時(shí)間中獲得的信號(hào)電荷Q2則以增益(T1/T2)再現(xiàn)。在這種情況下當(dāng)信號(hào)電荷Q1達(dá)到飽和電荷量時(shí)最終其結(jié)果是通過使用信號(hào)電荷Q2的信號(hào)信息來獲得比通常情況下增益大(T1/T2)倍的入射光量的處理范圍。
關(guān)于上述擴(kuò)大入射光量處理范圍的元件驅(qū)動(dòng)方法，有個(gè)可省去任何外部幀存貯器的提議(公開號(hào)為No.SHO63-250980的日本專利)。該提議描述一連續(xù)轉(zhuǎn)移在二個(gè)充電周期中分別獲得的信號(hào)電荷方法，條件是這樣的，目前CCD結(jié)構(gòu)的4像素和總共8個(gè)轉(zhuǎn)移電極，在垂直CCD的一個(gè)場(chǎng)周期TF期間產(chǎn)生3個(gè)信號(hào)包(packet)，其中在第一充電周期中用兩像素混合的信號(hào)電荷作為兩個(gè)包，而在第二充電周期中用4像素混合的信號(hào)電荷作為一個(gè)包。
然而，為了相加混合4像素的混合信號(hào)電荷需要在△T時(shí)間間隔內(nèi)讀2次，而在同一包內(nèi)有兩種不同類型的信號(hào)電荷T2和(T2+△T)。當(dāng)互差時(shí)間△T的兩個(gè)充電周期中4像素的混合信號(hào)電荷經(jīng)受無區(qū)分的增益為(T1/T2)的計(jì)算處理時(shí)，在根據(jù)目標(biāo)物的入射光量調(diào)節(jié)第二個(gè)充電周期時(shí)間T2期間會(huì)出現(xiàn)諸如色彩對(duì)不準(zhǔn)和亮度對(duì)不準(zhǔn)一類缺點(diǎn)。
針對(duì)信號(hào)電荷從光電變換元件至垂直CCD、在一個(gè)場(chǎng)周期中至少讀兩次所產(chǎn)生的問題，本發(fā)明提供一種避免在第二充電周期時(shí)間T2內(nèi)兩充電周期之間差△T的驅(qū)動(dòng)方法和固體攝像裝置，使擴(kuò)大入射光量的處理范圍得以實(shí)現(xiàn)而既不產(chǎn)生色彩對(duì)不準(zhǔn)，也不產(chǎn)生亮度對(duì)不準(zhǔn)一類缺點(diǎn)。
對(duì)于具有寬亮度分布范圍的被攝目標(biāo)物，通過用第一充電周期時(shí)間T1處理小于標(biāo)準(zhǔn)光量的光量和約兩倍于標(biāo)準(zhǔn)光量的光量，以及用在垂直消隱周期內(nèi)第二充電周期時(shí)間T2來處理在第一充電周期T1中達(dá)到飽和電荷量的目標(biāo)物區(qū)域，能不用任何外部場(chǎng)存貯器或任何幀存貯器來擴(kuò)大高亮度側(cè)入射光量的處理范圍。


圖1為本發(fā)明的固體攝像裝置的示圖;
圖2為說明本發(fā)明第一驅(qū)動(dòng)方法的略圖;
圖3為本發(fā)明第一驅(qū)動(dòng)實(shí)施例的A場(chǎng)示圖;
圖4為本發(fā)明第一驅(qū)動(dòng)實(shí)施例的B場(chǎng)示圖;
圖5為本發(fā)明的固體攝像裝置的第一實(shí)施圖;
圖6為說明本發(fā)明第一實(shí)施例效果的曲線圖;
圖7為說明本發(fā)明第二驅(qū)動(dòng)方法的略圖;
圖8為本發(fā)明第二驅(qū)動(dòng)實(shí)施例的A場(chǎng)示圖;
圖9為本發(fā)明第二驅(qū)動(dòng)實(shí)施例的B場(chǎng)示圖;
圖10為說明本發(fā)明第三驅(qū)動(dòng)方法的略圖。
下面參照上述附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1顯示了與本發(fā)明權(quán)利要求1有關(guān)的固體攝像裝置的實(shí)施情況。
一個(gè)VCCD110的4個(gè)轉(zhuǎn)移電極對(duì)應(yīng)于一個(gè)單元像素100，而8個(gè)轉(zhuǎn)移電極即ΦV1轉(zhuǎn)移電極101、ΦV2轉(zhuǎn)移電極102、ΦV3轉(zhuǎn)移電極103、ΦV4轉(zhuǎn)移電極104、ΦV5轉(zhuǎn)移電極105、ΦV6轉(zhuǎn)移電極106、ΦV7轉(zhuǎn)移電極107、和ΦV8轉(zhuǎn)移電極108，當(dāng)施加以8相轉(zhuǎn)移時(shí)鐘時(shí)則被用作為對(duì)應(yīng)于2個(gè)連續(xù)單元像素的總共8個(gè)轉(zhuǎn)移電極。ΦV2轉(zhuǎn)移電極102和ΦV6轉(zhuǎn)移電極106各設(shè)有讀門109。雖然利用第一層多晶硅使兩個(gè)讀門對(duì)應(yīng)一個(gè)讀電極，但是讀電極可利用或者多晶硅的第一層或者第二層。在使用常規(guī)CCD的情況下，可將VCCD方向中的兩個(gè)像素結(jié)合成一個(gè)像素。對(duì)于圖2及其后各圖中的元件驅(qū)動(dòng)舉例，都是以圖1結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行說明的。
圖2、3和4表示與應(yīng)用圖1所示固體攝像裝置的權(quán)利要求2、3和4有關(guān)的實(shí)施例。
圖2表示通常TV幀的A場(chǎng)201和B場(chǎng)203。圖2也顯示出每個(gè)奇數(shù)行像素和每個(gè)偶數(shù)行像素中充電讀和信號(hào)轉(zhuǎn)移的定時(shí)關(guān)系。通過已知的電子快門關(guān)閉操作(VOD即垂直溢出漏極快門關(guān)閉操作掃描)使奇數(shù)行像素232和偶數(shù)行像素233事先具有同時(shí)發(fā)生的充電周期起始定時(shí)。
偶數(shù)行像素233根據(jù)周期T11224中的信號(hào)輸入獲得一偶數(shù)行第一信號(hào)電荷205。讀入VCCD的操作由定時(shí)TAF1210執(zhí)行。同時(shí)，奇數(shù)行像素232根據(jù)周期T12225中的信號(hào)輸入獲得一奇數(shù)行第一信號(hào)電荷206，且用定時(shí)TAF21211執(zhí)行讀至VCCD的操作。另外，在V-消隱周期時(shí)間202中，偶數(shù)行像素233根據(jù)周期T2227中的信號(hào)輸入獲得一偶數(shù)行第二信號(hào)電荷207。用定時(shí)TAS1212執(zhí)行讀至VCCD的操作。與此同時(shí)，奇數(shù)行像素232根據(jù)以與周期時(shí)間T2227相同的光電周期設(shè)置在周期時(shí)間T2228中的信號(hào)輸入獲得一奇數(shù)行第二信號(hào)電荷208，并用定時(shí)TAS21213執(zhí)行讀至VCCD的操作。在這種情況下，通過調(diào)節(jié)設(shè)在整個(gè)場(chǎng)周期226中的VOD掃描周期229來執(zhí)行控制周期時(shí)間T2227和T2228中的充電時(shí)間，旨在完成V消隱周期202中對(duì)具有高亮度目標(biāo)物區(qū)域的攝取。
雖然，在B場(chǎng)203中執(zhí)行相同的操作，但允許用一偶數(shù)行第一信號(hào)電荷215的充電周期來替代一奇數(shù)行第一信號(hào)電荷214的充電周期。
圖3和圖4表示讀和轉(zhuǎn)移操作的定時(shí)。以定時(shí)TAF1210讀出的信號(hào)電荷240被一個(gè)像素轉(zhuǎn)移入VCCD。用定時(shí)TAF21211讀出信號(hào)電荷241。在圖3中，從定時(shí)TAF1210至定時(shí)TAF21211共使用20個(gè)時(shí)鐘脈沖，允許T2227和T2228的充電周期具有相同的持續(xù)時(shí)間。而且，對(duì)應(yīng)于偶數(shù)行第二信號(hào)電荷207的信號(hào)電荷242和對(duì)應(yīng)于奇數(shù)行第二信號(hào)電荷208的信號(hào)電荷243以圖3所示方式用定時(shí)TAS21213彼此相互混合。在讀出該兩信號(hào)電荷的周期時(shí)間內(nèi)存在一從TAS1212至TAS21213的20個(gè)時(shí)鐘脈沖間隔。隨后按8相時(shí)鐘將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移入VCCD中。雖然本例中充電周期T2227和T2228具有20個(gè)時(shí)鐘脈沖的充電周期，但對(duì)時(shí)鐘脈沖數(shù)當(dāng)然不允許有所限制。同時(shí)正如前述，通過按相應(yīng)VOD掃描周期229的增減，使從TAF21211至TAS1212的時(shí)間間隔增加或減少來控制T2227和T2228的充電周期。
圖5表示與權(quán)利要求5、6和8有關(guān)的實(shí)施例。圖6表示擴(kuò)大入射光量處理范圍的效果。
在一單元像素的光電變換器部分300中進(jìn)行入射光的光電變換。同時(shí)，電子快門關(guān)閉時(shí)間兩像素混合信號(hào)電荷301、場(chǎng)信號(hào)電荷1 302、和場(chǎng)信號(hào)電荷2 303分別由HCCD1 304、HCCD2 305和HCCD3 306進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在通過-CDS和箝位電路307之后，根據(jù)來自HCCD1、2和3的全部或一部分的輸出信號(hào)的飽和或未飽和狀況用信號(hào)判定電路309對(duì)上述各信號(hào)電荷進(jìn)行信號(hào)飽和的判定。在經(jīng)信號(hào)選擇器電路308對(duì)其輸出選擇之后，他們?cè)谛盘?hào)處理電路310中進(jìn)行下面要描述的計(jì)算處理以便執(zhí)行圖像信號(hào)的再現(xiàn)。
接下來示出圖像再現(xiàn)方法的實(shí)施例。在下面的條件表達(dá)式中，VT代表一與元件的飽和電荷量相對(duì)應(yīng)的電壓。
首先，當(dāng)對(duì)于充電周期T11和T12中有關(guān)信號(hào)電壓V(T11)和V(T12)的條件方程1不成立時(shí)，則由信號(hào)選擇器電路308對(duì)信號(hào)V(T11)和V(T12)進(jìn)行選擇。當(dāng)條件方程1不成立時(shí)，則信號(hào)選擇器電路308選擇電子快門關(guān)閉時(shí)間兩像素混合信號(hào)電荷301，而將充電周期T2中的信號(hào)電壓的經(jīng)方程2的計(jì)算變換成信號(hào)處理電路310中的Vsig(T2)。雖然此時(shí)方程3定義了a，但也允許使用例如方程4中的所示另一適當(dāng)?shù)闹怠?yīng)當(dāng)注意，其它未被選擇的值將被舍棄。
方程1max(V(T11)，V(T12)＜VT方程2Vsig(T2)＝a×V(T2)方程3a＝T11/T2方程4a＝T12/T2本實(shí)施例中有關(guān)擴(kuò)大入射光量的處理范圍可參見圖6所示的描述。
經(jīng)傳統(tǒng)CCD中兩像素的混合。而由讀和轉(zhuǎn)移操作所獲得的輸出信號(hào)電荷量可以傳統(tǒng)的兩像素混合型飽和電荷量302加以表示。圖2(a)所顯示充電周期T11 224和T12 225中信號(hào)電荷的飽和電荷量具有對(duì)應(yīng)于圖1所示一單元像素100中一個(gè)一單元像素中的轉(zhuǎn)移電極值，故而該值為傳統(tǒng)兩像素混合型飽和電荷量的四分之一。在形成亮度信號(hào)時(shí)，將信號(hào)電荷240和信號(hào)電荷241在一外電路中相加，因此，該值是傳統(tǒng)兩像素混合型飽和電荷量的一半。該值表示為所有像素獨(dú)立的讀時(shí)間飽和電荷量321。
按照本實(shí)施例的元件和驅(qū)動(dòng)方法，將充電周期T2227中的偶數(shù)行第二信號(hào)電荷207與充電周期T2228中的奇數(shù)行第二信號(hào)電荷208相混合而獲得的信號(hào)電荷能同時(shí)加以單獨(dú)讀出，因而可獲得電子快門關(guān)閉兩像素混合時(shí)間飽和電荷量312。在這種情況下，可以改變周期時(shí)間T2227和T2228，例如1/500秒變到1/2000秒以便容許獲得圖6中可變量325所表述的作用。因此，能獲得一比傳統(tǒng)處理入射光量上限324更大的處理入射光量擴(kuò)大范圍323。
圖7、8和9表示一未使用VOD掃描情況下的實(shí)施例。圖7表示一正常TV幀的A場(chǎng)和B場(chǎng)中奇數(shù)行像素432和偶數(shù)行像素433以及信號(hào)電荷、讀、和轉(zhuǎn)移的定時(shí)情況。
在這種情況下，奇數(shù)行像素432和偶數(shù)行像素433的充電周期起始定時(shí)各不相同，偶數(shù)行像素433根據(jù)周期T11 424中的信號(hào)輸入獲得一偶數(shù)行第一信號(hào)電荷405。用定時(shí)TAF1410執(zhí)行讀至VCCD的操作。同時(shí)奇數(shù)行像素432根據(jù)周期T12 425中的信號(hào)輸入獲得一奇數(shù)行第一信號(hào)電荷406，并用定時(shí)TAF21411執(zhí)行讀至VCCD的操作。另外在V消隱周期402中，偶數(shù)行像素433根據(jù)周期T2 427中的信號(hào)輸入獲得一偶數(shù)行第二信號(hào)電荷407。用定時(shí)TAS1412執(zhí)行讀至VCCD的操作。同時(shí)奇數(shù)行像素432根據(jù)周期T2 428中的信號(hào)輸入獲得一奇數(shù)行第一信號(hào)電荷406，并用定時(shí)TAF21411執(zhí)行讀至VCCD的操作。另外在V消隱周期402中，偶數(shù)行像素433根據(jù)周期T2 427中的信號(hào)輸入獲得一偶數(shù)行第二信號(hào)電荷407。用定時(shí)TAS1412執(zhí)行讀至VCCD的操作。同時(shí)奇數(shù)行像素432根據(jù)周期T2 428中的信號(hào)輸入獲得一奇數(shù)行第二信號(hào)電荷408，該周期T2 428設(shè)置成與周期T2 427具有相同的充電周期，并用定時(shí)TAS21413執(zhí)行讀至VCCD的操作。在這種情況下周期T11 424和T12 425彼此不同，且也隨其處于A場(chǎng)401抑或B場(chǎng)403而異。因此，當(dāng)具有相同充電時(shí)間的周期T2 427和T2 428受到控制時(shí)，就有可能在4個(gè)場(chǎng)周期中產(chǎn)生色彩對(duì)不準(zhǔn)和亮度對(duì)不準(zhǔn)。但本發(fā)明中像素?cái)?shù)據(jù)的讀出獨(dú)立進(jìn)行而允許考慮到充電周期(方程5)比率的計(jì)算。因此，通過使用一由充電周期T12所計(jì)算的值Vsig′(T11)，而既不發(fā)生彩色對(duì)不準(zhǔn)，也不發(fā)生亮度對(duì)不準(zhǔn)的情況。
方程5b＝T12/T11方程6Vsig′(T11)＝b×V(T11)圖8和9表示讀和轉(zhuǎn)移操作的定時(shí)。用定時(shí)TAF1410讀出的信號(hào)電荷440在VCCD中轉(zhuǎn)移一個(gè)像素。用定時(shí)TAF21411讀出信號(hào)電荷441。在圖3中，從定時(shí)TAF1410至定時(shí)TAF21411共使用20個(gè)時(shí)鐘脈沖。結(jié)果，通過將從TAS1412至TAS21413的定時(shí)排列在20個(gè)時(shí)鐘脈沖內(nèi)，允許使周期T2 427和T2428中的充電周期具有相同的持續(xù)時(shí)間。另外，在對(duì)應(yīng)于偶數(shù)行第二信號(hào)電荷407的信號(hào)電荷442于20個(gè)時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)轉(zhuǎn)移一個(gè)像素之后，對(duì)應(yīng)于奇數(shù)行第二信號(hào)電荷408的信號(hào)電荷443以圖3所示方式通過疊加定時(shí)TAS21412讀出以便與信號(hào)電荷相混合，并接著按照8相時(shí)鐘轉(zhuǎn)移入VCCD。雖然充電周期T2 427和T2 428在該例中對(duì)應(yīng)于20個(gè)時(shí)鐘脈沖，但這當(dāng)然并不作為對(duì)時(shí)鐘脈沖數(shù)的限定。
圖10表示如圖7中所示奇數(shù)行第一信號(hào)電荷414的充電周期和偶數(shù)行第一信號(hào)電荷415的充電周期相互可被替換的情況。在這種情況下，偶數(shù)行第一信號(hào)電荷505是一由周期T11 524中的信號(hào)輸入所獲得的信號(hào)電荷。用定時(shí)TAF1510執(zhí)行讀至VCCD的操作。奇數(shù)行第一信號(hào)電荷506是一由周期T12 525中的信號(hào)輸入所獲得的信號(hào)電荷，且用定時(shí)TAF2511執(zhí)行讀至VCCD的操作。偶數(shù)行第二信號(hào)電荷507是由一信號(hào)輸入在T2 527周期中所獲得的信號(hào)。用定時(shí)TAS1512執(zhí)行讀至VCCD的操作。奇數(shù)行第二信號(hào)電荷508是-由信號(hào)輸入在T2 528周期中所獲得的信號(hào)，且用定時(shí)TAS2513執(zhí)行讀至VCCD的操作。
在本發(fā)明中，可將周期T11 524和T12 525以相同的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，方程6的變換并非必要。
如上所述，在本發(fā)明中不用任何場(chǎng)存貯器或任何幀存貯器就能將對(duì)入射光量的處理范圍擴(kuò)大到高亮度側(cè)。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像裝置，其特征在于，其中一單元像素由輸入信號(hào)變換部分和CCD電荷轉(zhuǎn)移裝置組成，輸入信號(hào)變換部分至少設(shè)有一個(gè)接收光的開口區(qū)，該輸入信號(hào)變換部分以X-Y兩維陣列形式排列，設(shè)在Y方向中與輸入信號(hào)變換部分鄰接的CCD電荷轉(zhuǎn)移裝置的轉(zhuǎn)移電極具有這樣的結(jié)構(gòu)以便4個(gè)電極用于一個(gè)單元像素，而總共8個(gè)電極用于在Y方向上連續(xù)的兩個(gè)單元像素，和該8個(gè)轉(zhuǎn)移電極由一脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的8相位轉(zhuǎn)移時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。
2.一種固體攝像裝置的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，一由視頻信號(hào)的場(chǎng)或幀所表達(dá)的特定周期，對(duì)于在Y方向上構(gòu)成兩連續(xù)單元像素的第一像素和第二像素，為第一像素建立一第一A信號(hào)充電周期和一時(shí)間上短于該第一A信號(hào)充電周期的第二A信號(hào)充電周期，并為第二像素建立一第一B信號(hào)充電周期和一時(shí)間上短于該第一B信號(hào)充電周期的第二B信號(hào)充電周期，以及當(dāng)該第二A信號(hào)充電周期的起始定時(shí)與第二B信號(hào)充電周期的起始定時(shí)相同時(shí)，或即使被此各不相同時(shí)，該第二A和第二B信號(hào)充電周期都具有一相同的持續(xù)時(shí)間。
3.如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，通過在由視頻信號(hào)的場(chǎng)或幀所表達(dá)的特定周期中起作用的電子快門關(guān)閉操作來控制上述第二A和第二B信號(hào)充電周期。
4.如權(quán)利要求2或3所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，在第一A信號(hào)充電周期中獲得的第一A信號(hào)電荷、第二A充電周期中獲得的第二A信號(hào)電荷、第一B充電周期中獲得的第一B信號(hào)電荷、和第二B充電周期中獲得的第二B信號(hào)電荷之間，第二A信號(hào)電荷和第二B信號(hào)電荷通過相互混合讀作第二AB信號(hào)電荷、且第一A、第一B、和第二AB信號(hào)電荷的三個(gè)信號(hào)電荷分別均可獨(dú)立讀出。
5.如權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其特征在于，各個(gè)部分均整體形成。
6.如權(quán)利要求4所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，在同一水平掃描周期時(shí)間內(nèi)，將第二AB信號(hào)電荷，第一A信號(hào)電荷和第一B信號(hào)電荷分別由第一HCCD，第2HCCD和第三HCCD讀出至一外部信號(hào)處理電路。
7.如權(quán)利要求4所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，在同一水平掃描周期時(shí)間內(nèi)，將第二AB信號(hào)電荷由第一HCCD讀出，而第一A信號(hào)電荷和第一B信號(hào)電荷則由第二HCCD讀出至一外部信號(hào)處理電路。
8.如權(quán)利要求1或5所述的固體攝象裝置，其特征在于，一信號(hào)判定電路設(shè)于HCCD輸出端，它用于根據(jù)由全部或部分信號(hào)輸出端所輸出信號(hào)的飽和或未飽和狀態(tài)來對(duì)信號(hào)的飽和度進(jìn)行判定，和一信號(hào)選擇電路用于根據(jù)由信號(hào)判定電路所做的判定在HCCD輸出端之間進(jìn)行選擇。
全文摘要
一種固體攝像裝置。在一單元像素光電轉(zhuǎn)換器部分將入射光進(jìn)行光電變換，同時(shí)電子快門關(guān)閉時(shí)間兩像素混合信號(hào)電荷、場(chǎng)信號(hào)電荷1和場(chǎng)信號(hào)電荷2各由HCCD1、HCCD2和HCCD3以8相位時(shí)鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)移。經(jīng)CDS和箝位電路后由信號(hào)判定電路判定信號(hào)的飽和度。經(jīng)信號(hào)選擇器電路對(duì)其輸出進(jìn)行選擇之后，再在信號(hào)處理電路中作計(jì)算處理以執(zhí)行圖像信號(hào)的再現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04N5/3728GK1106973SQ94106039
公開日1995年8月16日 申請(qǐng)日期1994年6月17日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月17日
發(fā)明者菰渕寬仁, 松田祐二 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社