JPH02125581A - 固体撮像素子 - 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、固体撮像素子に関し、更に詳しくは開口率並
びに感度の改善された固体撮像素子に関する。

（発明の背景） 従来からの一般的な固体撮像素子（以下ＣＣＤという）
としては、第６図に示すインターラインＣＣＤ　（ＩＴ
−ＣＣＤ）並びに第７図に示すフレームインターライン
ＣＯＤ　（Ｆ　ＩＴ−ＣＣＤ）があった。

ＩＴ−ＣＣＤでは、受光部１ａ〜１．Ｎの横に垂直転送
部２ａ〜２Ｃがあり、受光部１ａ〜１−Ωにたまった電
荷を垂直転送部２ａ〜２Ｃ内を順にシフトして、水平転
送部３に移す。そして、水平転送部３上の電荷を高速に
水平方向にシフトして外部に読出すようにしている。

これに対し、Ｆ　ＩＴ−ＣＣＤては、垂直転送部２ａ〜
２ｃと水平転送部３との間にメモリ部５ａ〜５Ｃを有し
ており、受光部１ａ〜１ｆｌから垂直転送部２ａ〜２Ｃ
に移された電荷を高速にメモリ部５ａ〜５Ｃにシフトす
る。そして、メモリ部５ａ〜５Ｃから順に垂直にシフト
し、水平転送部３から読出しアンプ４を介して外部に読
出すようにしている。

（発明が解決しようとする課題） 上記したＩＴ−ＣＣＤもＦＩＴ−ＣＣＤも受光部の横に
垂直転送部を有しているが、この垂直転送部２ａ〜２ｃ
は受光部１ａ〜１ｇの最大電荷蓄積容量と同一容量であ
ることが°望ましい。この垂直転送部２ａ〜２Ｃの容量
が飽和信号レベルになるため、できるだけ大きくしたい
ためである。しかし、受光部１ａ〜１ｇ横に同じ容量の
垂直転送部２ａ〜２ｃを設けると、相対的に受光部１ａ
〜１ｇの面積が小さくなり、開口率が小さくなる。

この結果、感度も低くなるといった問題がある。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、その
目的とするところは、開口率及び感度が優れたＣＣＤ、
動画の撮影が可能で開口率及び感度が優れたＣＣＤ並び
に開口率及び感度が優れていると共に動画のフレーム撮
影時の電子シャッター機能が実現可能なＣＯＤを実現す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決する第１の発明は、入射光を電荷に変換
する受光部と、この受光部からの電荷を垂直方向に転送
する垂直転送部と、この垂直転送部からの電荷を加算し
て蓄積する加算部と、この加算部からの電荷を水平方向
に転送する水平転送部と、この水平転送部からの電荷を
読出して出力する読出しアンプとを備え、前記受光部で
発生した電荷を前記垂直転送部で１フィールド期間内に
複数回読出し、この垂直転送部で読出された電荷を前記
加算部上で加算した後に前記水平転送部に移すよう構成
したことを特徴とするものである。

また上記課題を解決する第２の発明は、入射光を電荷に
変換する受光部と、この受光部からの電荷を垂直方向に
転送する垂直転送部と、この垂直転送部からの電荷を加
算して蓄積する加算部と、この加算部からの電荷を一時
的に蓄積するバッファ部と、このバッファ部からの電荷
を水平方向に転送する水平転送部と、この水平転送部か
らの電荷を読出して出力する読出しアンプとを備え、前
記受光部で発生した電荷を前記垂直転送部で１フィール
ド期間内に複数回読出し、この垂直転送部で読出された
電荷を前記加算部上で加算した後に前記バッファ部に送
り、このバッファ部から前記水平転送部を介して順次読
出しを行い、上記した水平転送部からの読出しを行って
いる間に、受光部、垂直転送部、加算部では次の露光、
加算を行うよう構成したことを特徴とするものである。

また上記課題を解決する第３の発明は、入射光を電荷に
変換する受光部と、この受光部からの電荷を垂直方向に
転送する垂直転送部と、この垂直転送部からの電荷を加
算して蓄積する加算部と、この加算部からの電荷を水平
方向に転送する水平転送部と、この水平転送部からの電
荷を読出して出力する読出しアンプとを備えた固体撮像
素子であって、前記垂直転送部及び前記加算部を受光部
に対して２系列設けたことを特徴とするものである。

（作用） 第１の発明では、受光部で発生した電荷を垂直転送部で
１フィールド期間内に複数回読出し、この垂直転送部で
読出された電荷を加算部上で加算した後に水平転送部に
移す。

第２の発明では、受光部で発生した電荷を垂直転送部で
１フィールド期間内に複数回読出し、この垂直転送部で
読出された電荷を加算部上で加算した後にバッファ部に
送り、このバッファ部から水平転送部を介して順次読出
しを行い、上記した水平転送部からの読出しを行ってい
る間に、受光部、垂直転送部、加算部では次の露光、加
算を行う。

第３の発明では、受光部で発生した電荷は、各フィール
ド毎に２系列の垂直転送部のいずれが一方から交互に読
出され、加算される。

（実施例） 以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す構成図である。

図において、１ａ〜１ｇは受光量に応じた電荷を発生す
る受光部である。ここでは、３×４画素の場合を示して
いる。２８〜２ｃは受光部で発生した電荷を垂直方向に
転送する垂直転送部である。

３は後述する読出しバッファ部７８〜７ｃがらの電荷を
水平方向に転送する水平転送部、４は水平転送部３から
転送された電荷を電圧に変換して外部に読出すための読
出しアンプである。６ａ〜６Ｃは垂直転送部から複数回
転送された電荷を加算する加算部である。この加算部６
８〜６ｃはそれぞれ垂直転送部２８〜２ｃに対応してい
る。７ａ〜７ｃは加算部で加算された電荷を記憶してお
くための読出しバッファ部である。この読出しバッファ
部７ａ〜７ｃはそれぞれ加算部６ａ〜６ｃに対応してい
る。尚、上記加算部６ａ〜６ｃ並びに読出しバッファ部
７８〜７ｃは大容量の垂直転送ＣＣＤで構成されている
。

露光期間中に受光部１８〜１ｇから垂直転送部２ａ〜２
Ｃへの電荷移動を複数回行う。この読出しが行われると
、垂直転送部２ａ〜２ｃ上の電荷は加算部６ａ〜６ｃに
移される。従って、複数回の読出しが行われるごとに、
読出された電荷は加算部６ａ〜６ｃで加算される。露光
が終了すると、電荷は加算部６ａ〜６Ｃと同一容量の読
出しバッファ部７ａ〜７Ｃに高速転送される。この後、
水平走査周期ごとに、水平転送部３を介して、電荷を読
出していく。この読出し期間中に受光部１ａ〜ＩＮ、垂
直転送部２ａ〜２ｃ、加算部６ａ〜６Ｃでは次のフィー
ルドの画像の露光、続出、加算が行なわれているので、
読出しが終了するとすぐに次のフィールドの読出しを行
なうことができる。

従って、動画に対応することができる。若し目的が静止
画のみの場合は、読出しバッファ部７ａ〜７ｃは省略で
きる。

受光部１ａ〜１１横の垂直転送部２ａ〜２ｃに１回ごと
に移される電荷量は小さいので、その面積は小さくて済
む。例えば、露光期間中に受光部から３回に分けて電荷
を垂直転送部２ａ〜２ｃに移す場合、垂直転送部２８〜
２ｃの電荷容量は従来の１／３で良く、その面積も１／
３で済む。このため、受光部１ａ〜１ｆＩの面積を大き
くすることができる。従って、ＣＣＤの開口率が上がり
、感度が上昇する。

第２図は他の実施例の構成を示す構成図である。

この図において、第１図と同一物には同一番号を付した
。この実施例が第１図と異なる点は、各受光部に対応し
て、垂直転送部、加算部が２系列設けられていることと
、読出しバッファ部がないことである。

このＣＣＤも静止画だけでなく、動画の撮影を行うこと
が可能である。すなわち、片側の加算部から電荷の出力
を行っている間に、受光部から他方の垂直転送部に電荷
読出し、垂直転送部から加算部への加算を行っている。

そして、この動作を交互に行うことにより、動画の撮影
を行う。

例えば、フレーム蓄積モードの場合は、偶数フィールド
では、既に加算部６８〜６Ｃに格納されているＢ１及び
Ｂ２水平走査線の蓄積電荷を読出ずと同時に、Ａ１及び
Ａ２水平走査線上の受光部（ｌａ、ｌｅ、ｌｉ、ｌｃ、
　　１ｇ、ｌｋ）の電荷を受光部１ａ〜１１の右側の垂
直転送部（２ｂ。

２ｄ、２ｆ）から複数回に分けて読出し、加算部６８〜
６ｃの右列で加算する。そして、次の奇数フィールドで
は、Ａ１及びＡ２水平走査線の蓄積電荷を加算部６ａ〜
６Ｃから読出すと同時に、Ｂ、及びＢ２水平走査線上の
受光部（ｌｂ、Ｉｆ。

ｌｊ、ｌｄ、ｌｈ、１ｌｌ））の電荷を受光部１ａ〜１
ｇの左側の垂直転送部（２ａ、２ｃ、２ｅ）から複数回
に分けて読出し、加算部６ａ〜６Ｃの左列で加算する。

尚、各フィールドの受光部１３〜１ｇからの電荷読出し
の第１回目には、その直前のフィールド期間の入射光に
より発生した電荷も含まれている。

これは、奇数／偶数フィールド毎に交互１こ奇数／偶数
番走査線の読出しを行っているからである。

このため、フレーム残像が生じる。これを避けるために
は、各フィールドの受光部〕ａ〜・ＩＱからの読出しの
第１回目に、逆転送にＪ、り電荷を捨てる、あるいはオ
ーバーフローコントロールゲート（ＱＦＣＧ）を制御し
て電荷をオーバーフロ・−トレイン（ＯＦ　Ｄ）に捨て
る動作が必要になる。（（」し、この動作を行うと、露
光時間が減り、（ｆｉＭのレベルも下がる。

フィールド蓄積モードの場合は以■；のようになる。奇
数フィールドでは、Ａ、４−Ｂ、及びＡ２．４−８２の
蓄積電荷を加算部から読出すと同時に、Ｂ。（図示せず
）　＋　Ａ　Ｉ　、　　Ｂ　Ｉ　＋　Ａ　２の電荷を受
光部左側の垂直転送部（２ａ、２ｃ、２ｅ）から複数回
に分けて読出し、加算部６８〜６Ｃの左列て加算する。

そして、次の偶数フィールドでは、既に加算部６ａ〜６
Ｃに格納されているＢ。＋ＡＩ＋Ｂ　＋　＋　Ａ　２の
電荷を読出すと同時に、Ａ、＋Ｂ。

及びＡ２＋Ｂ２の電荷を受光部１ａ〜１ｇの右側の垂直
転送部（２ｂ、２ｄ、２ｆ）から複数回に分けて読出し
、加算部６ａ〜６Ｃの右列で加算する。この場合は、フ
レーム残像は生じないが、高速シャッターが必要なとき
は掃き出し動作が必要になる。

静止画撮影動作の場合、垂直転送部２ａ〜２ｆを同時に
駆動し、掃き出し、読出し、高速転送。

加算を行えば、フレーム撮影の電子シャッター機能が実
現可能になる。従来のＣＣＤでも垂直転送部を２系列設
けることによりフレーム撮影の電子シャッターは可能に
なるが、垂直転送部の面積が大きくなり開口率、感度が
低下するという不具合があワた。それに対し、本発明の
ＣＣＤでは、受光部１ａ〜１Ω横の垂直転送部２ａ〜２
ｆの面積が小さくて良いので、２系列設けても、従来の
垂直転送部が１系列のＣＣＤ並み或いはそれ以上の開口
率を実現することができる。

また、多少の露光時間のずれを許すのであれば垂直転送
部を各受光部に対して１系列にすることもできる。例え
ばＡ、、Ａ２の走査線の信号を読出したときは加算部６
ａ〜６Ｃの左側へ電荷を移し、Ｂｌ、Ｂ２の走査線の信
号を読出ｌ−だときは加算部６ａ〜６Ｃの右側へ電荷を
移すということを交互に行なえばよい。この場合、片側
のフィールドの露光は他のフィールドの露光より高速転
送の時間の分だけ早く始まり早く終わるつ他の例として
第３図のようにこの構成に読出ｌ。

バッファ部７８〜７Ｃを付加したものは、フレームの電
子シャッター動作をしている最中も読出し７バツフア部
７ａ〜７Ｃから信号読出しができる。

Ｉ　ＤＴＶやＥＤＴＶではノンインクレース走査をする
ため、ノンインクレースで撮像し７た信号をインクレー
スで読出すカメラが必要であるが、このＣＣＤなら対応
することができる。

第４図は、受光部１と垂直転送部２とのポテンシャルの
関係を示す説明図である。図において、斜線の部分が電
荷である。この図の（Ｃ）のポテンシャルで、受光部１
ａ〜１ｇで発生した電荷が垂直転送部２ａ〜２ｆに移さ
れる。そして、本発明ではこの動作を１フイールドに複
数回繰り返している。そして（Ａ）、　　（Ｂ）のポテ
ンシャルを垂直転送部２ａ〜２ｆの隣り合った電極が交
互にとることにより電荷が垂直方向に送られる。

また、第５図は垂直転送部２と加算部６とのポテンシャ
ルの関係を示す説明図である。この図の（Ｃ）のポテン
シャルで、垂直転送部２上の電荷が加算部６に移される
。そして、本発明ではこの動作を１フイールドに複数回
繰り返し、電荷の加算を行っている。また、（Ａ）、　
　（Ｂ）のポテンシャルを加算部６ａ〜６Ｃの隣り合っ
た電極が交互にとることにより、加算部６８〜６Ｃの電
荷が垂直方向に送られる。第４図の場合は受光部１と垂
直転送部２との間の壁は垂直転送部２のポテンシャル変
化にしたがって変化し、第５図の場合は垂直転送部２と
加算部６との間の壁は加算部６のポテンシャル変化にし
たがって変化している。

以上のように、受光部１８〜１ｇからの電荷を小容量の
垂直転送部２ａ〜２ｃ（２ａ〜２ｆ）で複数回に分けて
読出し、垂直転送部２ａ〜２Ｃ（２ａ〜２ｆ）からの電
荷を加算部６ａ〜６Ｃで複数回加算して、読出しバッフ
ァ７ａ〜７ｃ、水平転送部３．読出しアンプ４を介して
外部に読出すようにした。このため、受光部１ａ〜１ｇ
に隣接した垂直転送部２８〜２ｃ（２ａ〜２ｆ）の面積
が小さくて済み、受光部１３〜１ｇの面積を大きくする
ことができる。

また、上記加算を行った後に、加算した電荷を読出しバ
ッファ７ａ〜７ｃに移して外部への読出しを行うと共に
、受光部］ａ〜ＩＬ　垂直転送部２ａ　〜２ｃ　（２ａ
　〜２ｆ）、加算部６ａ〜６ｃでは次の露光を行うよう
にすることで、動画の撮影にも応用することが可能であ
る。

そして、垂直転送部２ａ〜２ｆ及び加算部６８〜６ｃを
受光部１ａ〜１ｇに対して各２系列設けることで、静止
画のフレーム撮影の電子シャッター機能が実現可能にな
る。更に読出しバッファ部７８〜７ｃを追加することで
動画のフレーム電子シャッターが可能になる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明では、受光部からの
電荷を小容量の垂直転送部で複数回に分けて読出し、垂
直転送部からの電荷を加算部で複数回加算して、読出し
バッフに、水平転送部、読出しアンプを介して外部に読
出すようにした。このため、受光部に隣接した垂直転送
部の面積が小さくて済み、受光部の面積を大きくするこ
とができる。従って、開口率及び感度が優れたＣＣＤを
実現することができる。

また、加算を行った後に、加算した電荷を読出しバッフ
ァに移して外部への読出しを行うと共に、受光部、垂直
転送部、加算部では次の露光、を行うようにすることで
、動画の撮影が可能な開口率及び感度が優れたＣＯＤを
実現することができる。

そして、垂直転送部、加算部を受光部に対して各２系列
設けることで、静止画のフレーム撮影の電子シャッター
機能が実現可能なＣＯＤを実現することができる。更に
読出しバッファ部を追加することで動画のフレーム電子
シャッターが可能となり、ＩＤＴＶやＥＤＴＶに対応す
ることもてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すもが成図、第２
図は本発明の他の実施例の構成を示す構成図、第３図は
本発明の更に他の実施例の構成を示す構成図、第４図及
び第５図は固体撮像素子のポテンシャルを示す説明図、
第６図はＩＴ−ＣＣＤの構成を示す構成図、第７図はＦ
　ＩＴ−ＣＣＤの構成を示す構成図である。 １ａ〜１ｇ・・・受光部　　２ａ〜２ｆ・・・垂直転送
部３・・・水平転送部　　　　４・・・読出しアンプ６
ａ〜６Ｃ・・・加算部 ７ａ〜７Ｃ・・・読出しパンフ７部 筒 図 ６０〜６Ｃ；加鴬却 ７０〜７Ｃ・読出しパンファ部 第 ２図 ６ａ−，６ｃＨ加算部 第３図 ６０〜６Ｃ；加算部 ７０〜７ｃ、続出しバッファ卸 角ξ４ 図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） 第５ 図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） 角珂６ 図 １０〜１１；受光部 ２０〜２Ｃノ垂直転送部 角等７ 図 １ｏ〜１１；受光部 ２０〜２ｃ、垂直転送部 ５Ｑ〜５Ｃ・メモリ部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光を電荷に変換する受光部と、 この受光部からの電荷を垂直方向に転送す る垂直転送部と、 この垂直転送部からの電荷を加算して蓄積 する加算部と、 この加算部からの電荷を水平方向に転送す る水平転送部と、 この水平転送部からの電荷を読出して出力 する読み出しアンプとを備え、 前記受光部で発生した電荷を前記垂直転送 部で１フィールド期間内に複数回読出し、この垂直転送
   部で読出された電荷を前記加算部上で加算した後に前記
   水平転送部に移すよう構成したことを特徴とする固体撮
   像素子。
2. （２）入射光を電荷に変換する受光部と、 この受光部からの電荷を垂直方向に転送す る垂直転送部と、 この垂直転送部からの電荷を加算して蓄積 する加算部と、 この加算部からの電荷を一時的に蓄積する バッファ部と、 このバッファ部からの電荷を水平方向に転 送する水平転送部と、 この水平転送部からの電荷を読出して出力 する読出しアンプとを備え、 前記受光部で発生した電荷を前記垂直転送 部で１フィールド期間内に複数回読出し、この垂直転送
   部で読出された電荷を前記加算部上で加算した後に前記
   バッファ部に送り、このバッファ部から前記水平転送部
   を介して順次読出しを行い、 上記した水平転送部からの読出しを行って いる間に、受光部、垂直転送部、加算部では次の露光、
   加算を行うよう構成したことを特徴とする固体撮像素子
   。
3. （３）入射光を電荷に変換する受光部と、 この受光部からの電荷を垂直方向に転送す る垂直転送部と、 この垂直転送部からの電荷を加算して蓄積 する加算部と、 この加算部からの電荷を水平方向に転送す る水平転送部と、 この水平転送部からの電荷を読出して出力 する読出しアンプとを備えた固体撮像素子であって、 前記垂直転送部及び前記加算部を受光部に 対して２系列設けたことを特徴とする固体撮像素子。