JPH01125072A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ビデオカメラや電子スチルカメラ等において
、光学レンズによシ結像された光学像を光電変換する撮
像装置に関するもので、特に電荷結合素子（ＣＯＤ）を
用いた固体撮像装置に関するものである。

従来の技術 一般によく用いられるＣＯＤ型撮像素子は、光電変換素
子にフォトダイオード、垂直・水平転送にＣＯＤが用い
られておシ、さらに受光部とは別に記憶部（バッファメ
モリ）を持つＦ　Ｉ　Ｔ　（Ｆｒａｍｅ　−Ｉｎｔｅｒ
ｌｉｎｅ−Ｔｒａｎｓｆ＠ｒ）　−ＣＣＤと呼ばれるも
のがある。これはＩＬ（ＩｎｔｅｒＬｉｎｅ−ｔｒａｎ
ｓｆｅｒ）−ＣＣＤに比べていくつかの特徴を持ってお
シ、これまでの主流であったＩＬ−ＣＯＤに徐々に置き
換わろうとしている。ＩＬ−ＣＯＤの構成及び動作は周
知であるのでその説明は省略する。このＦ　ＩＴ−ＣＣ
Ｄ撮像素子の例としては特開昭６６−５２６７５　号公
報、特開昭５５−１６３９６３号公報に示されている。

以下、第３図を用いてその概要を説明する。

第３図はＦ　ＩＴ−ＣＯＤの基本構成を示すもので、受
光領域Ａ、記憶領域Ｂ、水平走査領域Ｃ１電荷検出領域
Ｄ、不要電荷排出領域Ｅとによ多構成されている。受光
領域Ａは二次元配列の受光素子１と、この受光素子１に
蓄積された信号電荷を読出すためのゲート２と、このゲ
ート２を介して読出された信号電荷を垂直方向に転送す
るための垂直転送レジスタ３とからなり、受光素子１以
外の部分は遮光マスク４により遮光されている。垂直転
送レジスタ３は垂直方向の上下例れの方向にも電荷を転
送できるようにポリシリコンによる４相電極構造となっ
ている。これら４相電極には垂直転送パルスφｖ１〜φ
ｖ４が印加される。受光素子１に蓄積された信号電荷を
受は取る垂直転送を極ｔ−φｖ１、φｖ３とし、この垂
直転送電極φｖ１、φｖ３に印加する垂直転送パルスに
信号読出しパルスを重畳すれば、受光素子１に蓄積され
た信号電荷を垂直転送レジスタ３に読み込むことが出来
る。従ってφｖ１、φｖ３の２つの垂直転送パルスに信
号読出しパルスを１フイールドおきに重畳すれば２：１
のインターレース走査を行なうことができる。

垂直転送レジスタ３の延長上には記憶領域Ｂが配置され
ている。記憶領域Ｂは垂直転送レジスタ３によ多構成さ
れておシ、その画素数は受光領域Ａの半分であシ、転送
電極は４相構造となっている。記憶領域Ｂの垂直転送レ
ジスタ３の各電極にはφＭ１〜φＭ４の転送パルスが印
加される。記憶領域Ｂの他端には水平転送領域Ｃが配置
されている。水平転送領域Ｃは３相の転送電極６．６．
７から構成されており、各転送電極には水平転送パルス
φＨ１〜φＨ３が印加される。水平転送領域Ｃの一端に
は電荷検出領域りが配置されている。

また受光領域Ａの他端には不要電荷排出領域Ｅが配置さ
れている。電荷検出領域ｐは周知の７０−テイングデイ
フイージ四ンアンプ（ＦＤＡ）によ多構成されておシ、
電荷吸収用のドレイン及びフローティングディフィージ
ッンのリセットゲートを有している。

前記の構成によるＦＩＴ−ＣＯＤの駆動方法を第３図及
び第４図を用いて説明する。

第４図は第３図に示したＦＩＴ−ＣＯＤの受光領域Ａに
印加する垂直転送パルスφｖ１〜φｖ４及び、記憶領域
Ｂの垂直転送レジスタの各電極に印加する垂直転送パル
スφＭ１〜φＭ４の波形の概要を示したものである＠ まず、受光領域Ａの垂直転送段に蓄積されたスミア等の
擬似信号は、垂直帰線期間の前半の期間ｔＡの間に印加
された垂直転送パルスφｖ１〜φｖ４によシネ要電荷排
出領域Ｅに転送され排除される。

次にφｖ１もしくはφｖ３に重畳された信号読出しパル
スφＣＨにより、受光素子に蓄積された信号電荷はφｖ
１もしくはφｖ３電極に読み出される。垂直転送段に転
送された信号電荷は、高速転送期間ｔＢの期間にφｖ１
〜φｖ４、φＭ１〜φＭ４により記憶領域Ｂの所定の場
所まで高速で転送される。記憶領域Ｂの所定の場所まで
高速転送された信号電荷は、１水平走査毎に１ラインず
つ水平転送領域Ｃへ転送される。水平転送領域Ｃへ転送
された信号電荷は、水平転送レジスタに印加された水平
転送パルスφＨ１〜φＨ３により、順次電荷検出領域り
へ転送され、信号電荷は信号電圧に変換され固体撮像素
子から外部へ取シ出される。

前述のように、受光素子からの信号電荷は垂直転送電極
φｖ１、φｖ３に印加する垂直転送パルスに信号読出し
パルスφＣＨを重畳し、垂直転送段のポテンシャルを高
くすることにより読出すことが出来る。従って第４図に
示すようにφ■１、φｖ３に交互に信号読出しパルスφ
ＣＨを重畳することによシ２：１のインターレース走査
を行なうことが出来る。

ところで、第４図に示すように受光領域Ａを駆動する垂
直転送パルスφｖ１、φｖ３に任意の時間に新たな読出
しパルスφＳを重畳すれば受光部に蓄積された信号電荷
は前記読出しパルスφＳが印加された時点で垂直転送段
３によみだされる。

この読出された信号電荷はｔＡの期間に印加された垂直
転送パルスφｖ１〜φｖ４によシネ要電荷排出領域Ｅへ
転送され排出される。従って、受光素子１には前記読出
しパルスφＳが終わってから次に読出しパルスφＣＨが
印加されて受光素子１の信号がよみだされるまでの時間
、つまシｔＳの期間に和尚する信号電荷が蓄積されるこ
とになる。

これは受光領域Ａの露光時間がｔＳになったことになる
。即ち固体撮像素子自体がシャッター機能を有したこと
になる。前記の状態で動きを持つ被写体を撮像すれば動
解像度が極めて良好な画像を得ることができる。ここで
シャッター用読出しパルスφＳはｔＡのはじめとｔＢの
終了の期間以外の任意の時間に設定できるので任意のシ
ャッター速度の画像を得ることができる。

このように、不要電荷を受光領域Ａの延長上に配置した
不要電荷排出領域Ｅの方向に排出し、信号電荷を受光領
域Ａの延長上に配置した記憶領域Ｂに高速で転送し、記
憶領域Ｂに記憶された信号を１水平ライン毎に順次読み
だせば、垂直スミアが極めて少なく、また動解像度の良
好な画像を得ることが可能である。

また、上記の例では１画素ずつの読み出しであったが、
第５図に示す転送パルスを用いることにより２画素混合
読み出し駆動とすることができる。

これは垂直方向に隣接する受光素子の信号電荷を垂直転
送段で混合して転送するもので、垂直解像度は若干劣化
するものの、垂直方向のＭＴＦが落ちるためにモワレが
生じにくく、また、上記のようなシャッター駆動をしな
い場合でも、全ての受光素子の信号電荷が毎フィールド
読み出されるため、露光時間は１／６０秒となるので動
解像度の点で有利である。逆に、露光時間を等しくする
ならば、２つの受光素子の信号電荷を加算するので、上
記の１画素読み出しに比べて感度が良いという特徴を持
っている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、以下のような問題
点を有していた。

固体撮像素子のダイナミック・レンジは、光電変換素子
の容量訃よび電荷転送ＣＯＤの転送容量によって決まる
。従って、広いダイナミック・レンジを実現するために
は、垂直転送ＣＯＤの転送容量を光電変換素子の容量に
対し大きくしてやらねばならない。しかし高解像度の撮
像素子では、垂直転送ＣＣＤの幅を確保するために光電
変換素子の面積が制限され、開口率が小さくなって感度
が劣化したシ、偽信号が発生しやすくなる。逆に垂直転
送ＣＣＤの幅を狭めれば電荷の転送容量が小さくなって
ダイナミック・レンジが劣化してしまう。

本発明はかかる点に鑑み、開口率を劣化させることなし
にダイナミック・レンジの広い固体撮像装置を提供する
ことを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、受
光部に配置された光電変換素子と、一つまたは複数の前
記光電変換素子につき一つの転送段が対応するように遮
光部に設けられた第２電荷転送部と、前記第２電荷転送
部の転送方向延長上に設けられた第３′電荷転送部と、
前記光電変換素子で光電変換された電荷を前記光電変換
素子に対応する前記第２電荷転送部転送段へ同一露光期
間に少なくとも２回転送する第１電荷転送部からなり、
同一露光期間に前記光電変換素子で発生した電荷が対応
する前記第２電荷転送部転送段で加算されたのちに、前
記第２電荷転送部は前記第３電荷転送部へ電荷を高速転
送し、前記第３電荷転送部は前記第２電荷転送部から転
送された電荷を転送して出力するように構成されたもの
である。

作　　用 前記した構成によシ、光電変換素子に蓄積した電荷を露
光期間中に数回に分けて読み出して第２電荷転送部へ転
送し、同一露光期間中に読み出された同じ画素の電荷を
第２電荷転送部で加算してから出力することにより、第
１電荷転送部の１回あたシの電荷転送量が減るため第１
電荷転送部の面積を削減でき、しかも同一露光期間に出
力する信号量を増やすことができるため、ダイナミック
・レンジを拡大することができる。

実施例 第１図は本発明の固体撮像装置の一実施例の構成図であ
る。第１図において、２０１は光電変換素子で、例えば
フォトダイオードであｆｉ　、ＮＴＳＣ方式用の撮像素
子の場合は垂直方向に約ａＯＯ段設けられている。２０
２は光電変換素子２０１に蓄積した電荷を読み出すため
の読み出しゲート、２０３は読み出しゲート２ｏ２を通
して読み出した電荷を転送する第１電荷転送部である垂
直ＣＯＤであシ、駆動パルスφｖ１１〜１４、φＶ２１
〜２４がそれぞれ電極に加えられ駆動される。垂直ＣＣ
Ｄ２０３によって転送された電荷は蓄積ゲート２０４を
通じて第２電荷転送部である垂直Ｃ０Ｄ２０５へ注入さ
れる。２０６は垂直ＣＯＤで、インターレースを考慮す
ると、垂直方向には、受光部における垂直Ｃ０Ｄ２０３
と同じ段数でよい。２０６は垂直Ｃ０Ｄ２０５の延長上
に設けられた第３電荷転送部である垂直ＣＯＤであって
、垂直Ｃ０Ｄ２０５と同じ段数設けられておシ、電荷を
水平ＣＯＤへ転送する。２０７は垂直ＣＣＤ２０６から
転送された電荷を水平方向に転送する水平ＣＣ１）であ
る。２０８は転送された電荷を検出する電荷検出部、２
０９は出力アンプである。そして、光。

電変換素子２０１〜垂直ＣＣＤ２０３からなる部分を受
光部２１ｏ、垂直ＣＣＤ２０３〜垂直ＣＣＤ２０６から
なる部分を記憶部２１１、垂直ＣＣＤ２０６〜出力アン
プ２０９からなる部分を出力部２１２とする。

以上のように構成された本実施例の固体撮像装置につい
て、その動作を第２図を参照しながら説明する。

第２図は本実施例の固体撮像装置の動作を説明するため
のタイミングチャートである。φＶ１１〜１４およびφ
Ｖ２１〜２４、φＶ３１〜３４、φＶ４１〜４４は第１
図に示したそれぞれのパルスである。

φｖ１１．φＶ１３は３値であシ、最も高い電圧が加わ
ったときに読み出しゲート２０２を通じて光電変換素子
２０１の電荷が垂直ＣＣＤ２０３の転送電極Ｖ１１．Ｖ
１３に読み出される。これらの読み出しパルスを水平ブ
ランキング期間内に入るようにすると出力信号に対して
妨害を与えない。

これら２つの電荷は混合され、上下２画素で１つの信号
となる。その後垂直ＣＣＤ２０３は高速駆動されて、電
荷を記憶部２１１へ転送する。転送された電荷は、垂直
Ｃ０Ｄ２０５の転送電極Ｖ３１に印加される駆動パルス
φＶ３１に重畳されたゲートパルスによって、蓄積ゲー
ト２０４を通して転送電極Ｖ３１に読み出される。この
ゲートパルスを水平ブランキング期間内に入るようにす
ると出力信号に対して妨害を与えない。

一定時間後に再びこの動作が繰シ返され、垂直ＣＣＤ２
０３によって転送された電荷は蓄積ゲート２０４を通じ
て垂直Ｃ０Ｄ２０５の転送電極Ｖ３１に注入され、先に
注入された電荷と加算される。これらの動作を数回繰シ
返した後、駆動パルスφＶ３１〜３４によって、転送電
極ｖ３１に蓄えられた電荷は垂直ＣＣＤ２０６に高速転
送される。これらの電荷は駆動パルスφＶ４１〜４４に
よって水平ブランキング期間毎に１段ずつ水平ＣＣＤ２
０７によって電荷検出部２０８ならびに出力アンプ２０
９を通じて１ラインの信号として出力される。

第２図では１フイールド（露光期間）につき、光電変換
素子２０１から電荷を３回読み出して、これを高速転送
して垂直ＣＣＤ２０５で加算し、次のフィールドで出力
している。このようＫすれば、光電変換素子２０１と垂
直ＣＣＤ２０３の面積を従来の固体撮像装置のものと同
じとすれば、１フイ一ルド間に読み出される電荷量は３
倍となシ、従来比３倍のダイナミック・レンジを実現す
ることができる。逆に、ダイナミック・レンジを従来と
同じ程度に抑えれば、垂直ＣＣＤ２０３の転送容量は１
／３でよいので面積を小さくすることができ、開口率を
上げつつ撮像素子の高解像度化が容易となる。

以上のように本実施例によれば、開口率の向上とダイナ
ミック・レンジの拡大という相反する課題を併せて解決
することができる。そして、製造プロセスや駆動方法等
は従来のものとほとんど同じであるため、実現は極めて
容易である。

なおこの実施例において、光電変換素子２０１からの電
荷読み出しが１露光期間につき３回として説明したが、
特にこれに限るものではない。また、電荷の読み出しに
ついては、２画素混合読み出しの場合について説明した
が、不要電荷掃き出しによるフィールド蓄積の場合でも
良いし、フレーム蓄積の場合においても実現は可能であ
る。

また、垂直ＣＣＤ２０５および垂直ｃｃ’ｏ２ｏｅの垂
直段数を、受光部における垂直ＣＣＤ２０３の段数の２
倍とすることによシ、毎露光期間、全画素について上記
の動作を行なうことができるので、ＥＤＴＶ等のカメラ
にも適用可能である。

また、シャッター駆動時においても、上記の動作は可能
である。

また、第２図におけるｔｏ間の走査線数に相当する段数
だけ垂直ＣＣＤ２０６の垂直段数を削減しても、上記の
動作には全く問題ない。このようにすると、素子のチッ
プ面積を縮小することが可能である。

発明の効果 本発明によれば、開口率の向上とダイナミック・レンジ
の拡大を同時に実現することができ、なおかつシャッタ
ー駆動などの特殊駆動にも対応することができるなど、
その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における一実施例の固体撮像装置の構成
図、第２図は同実施例における固体撮像装置の駆動を説
明するためのタイミング図、第３図は従来の固体撮像装
置の構成図、第４図は同従来例における駆動パルスのタ
イミング図、第６図は同従来例における２画素混合読み
出し駆動の場合の駆動パルスのタイミング図である。 ２０１・・・・・・光電変換素子、２０３，２０５，２
０６・・・・・・垂直ＣＣＤ、２０７・・・・・・水平
ＣＯＤ、２０Ｂ・・・・・・電荷検出部、２０９・・・
・・・出力アンプ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第２
図 霞３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　受光部に配置された光電変換素子と、一つまたは複数
   の前記光電変換素子につき一つの転送段が対応するよう
   に遮光部に設けられた第２電荷転送部と、前記第２電荷
   転送部の転送方向延長上に設けられた第３電荷転送部と
   、前記光電変換素子で光電変換された電荷を前記光電変
   換素子に対応する前記第２電荷転送部転送段へ同一露光
   期間に少なくとも２回転送する第１電荷転送部からなり
   、同一露光期間に前記光電変換素子で発生し前記第１電
   荷転送部から転送された電荷が対応する前記第２電荷転
   送部転送段で加算されたのちに、前記第２電荷転送部は
   前記第３電荷転送部へ電荷を高速転送し、前記第３電荷
   転送部は前記第２電荷転送部から転送された電荷を転送
   して出力するように構成された固体撮像装置。