JPH0260113B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明はブルーミングを効果的に抑制し得る撮
像装置に関する。

（従来技術） 従来、特開昭56−138371号公報に示される如く
CCD等の固体イメージセンサにおいてブルーミ
ング防止の為に、受光面内にオーバー・フロー・
ドレインを設ける代わりに表面再結合を利用して
過剰キヤリアを消滅させるものが考えられてい
る。

この方法によるものでは、受光面内の開口率を
犠牲にすることがないので感度が高く、又集積度
を向上させることができるので水平解像度がアツ
プする、等の利点を有する。

第１図〜第３図はこのような表面再結合による
ブルーミング防止方法について説明する為の図
で、第１図は一般的なフレーム・トランスフアー
型CCDの正面図である。

図中１は受光部で、感光性を有する複数の垂直
転送レジスタから成る。

又、２は蓄積部で、遮光された複数の垂直転送
レジスタから成る。

３は水平転送レジスタであつて、蓄積部２の各
垂直転送レジスタ内の情報を同時に１ビツトシフ
トすることによりこの水平転送レジスタに取り込
み、次いでレジスタ３を水平転送動作させること
により出力アンプ４からビデオ信号を得ることが
できる。

一般に、受光部１の各垂直転送レジスタ内で形
成された情報は標準テレビジヨン方式における垂
直ブランキング期間内に、蓄積部２に垂直転送さ
れ、次の垂直走査期間内に水平転送レジスタ３よ
り順次１行ずつ読み出される。

尚、ここで受光部１、蓄積部２、水平転送レジ
スタ３は夫々２相駆動されるものとし、夫々の転
送電極をP₁，P₂，P₃，P₄，P₅，P₆とし、その転
送クロツクを（φ_P1，φ_P2），（φ_P3，φ_P4），（φ_P5
，
φ_P6）とする。

第２図はこのような転送電極P₁〜P₆下のポテ
ンシヤル・プロフイールを示す図であつて、例え
ばＰ型シリコン基板６に絶縁層５を介して設けら
れた各電極下には、イオン注入等により電子から
見てポテンシヤルの低い部分と高い部分とが形成
されており、例えば電極P₂，P₄，P₆にローレベ
ルの電圧−V₁を印加し、電極P₁，P₃，P₅にハイ
レベルの電圧V₂を印加した時には、図中実線の
ようなポテンシヤルが形成される。又、電極P₁，
P₃，P₅にローレベル電圧V₁を印加し、電極P₂，
P₄，P₆にハイレベル電圧V₂を印加した場合には
図中破線のようなポテンシヤルが形成される。

従つて電極P₁，P₃，P₅と電極P₂，P₄，P₆とに
交番電圧を互いに逆位相で印加することによりキ
ヤリアは−方向（図では右方向）に順次転送され
ていく。

又、図中一点鎖線は電極に大きな正の電圧V₃
を印加した場合のポテンシヤルを示し、このポテ
ンシヤルのウエルは反転状態となる為、所定量以
上の過剰なキヤリアは多数キヤリアと再結合し消
滅してしまう。

第３図はこのような電極電圧と内部のポテンシ
ヤルの形状を半導体基板６の厚さ方向について示
した図で、図のように電極電圧V₃に対してはポ
テンシヤル・ウエルは浅くなり、過剰キヤリアは
絶縁層との界面において多数キヤリアと再結合す
る第２の状態となる。

一方、電極電圧−V₁においては第１の状態と
してのアキユムレーシヨン状態となり、界面周辺
に多数キヤリアが集まり易くなり、例えば不図示
のチヤネル・ストツパー領域からこの多数キヤリ
アが供給される。

従つて例えば電極P₂に電圧−V₁を印加するこ
とによつてバリアを形成した状態で、電極P₁に
電圧−V₁とV₃とを交互に印加することにより、
電極P₁下に蓄積される少数キヤリアは所定量以
下に制限される。しかしこのような電荷再結合を
用いたCCDでは再結合の為のクロツクが出力信
号に混入し、固定パターンの雑音になるという問
題点があつた。このため、従来では水平ブランキ
ング期間内のみ前記再結合クロツクを供給するよ
うに構成されている。

この従来の方式のCCDでは、フレーム転送が
垂直ブランキング期間内でスタートするために、
その直前の例えば1/2Ｈ（水平期間）程度の間再結
合クロツクが停止している場合が発生し、このた
め多くの電荷のたまつたままの状態で転送を開始
し、これによりスミア現象或いはブルーミング現
象を発生することがある。このため垂直ブランキ
ング期間中も駆動する方法も考えられるが、消費
電力等の問題から好ましい方式ではない。

（目 的） 本発明は、フレーム転送の直前に再結合動作を
所定期間行なわせることによつてブルーミングま
たはスミアを防止でき、消費電力の増大もなく、
例外的に垂直ブランキング期間以外の部分で転送
する場合にも有効な撮像装置を提供することを目
的とするものである。

（実施例） 以下実施例に基づき本発明を説明する。

第４図は本発明に係る撮像素子を用いた撮像装
置の一例を示す図である。本実施例では一相駆動
方式のフレームトランスフアー型CCDの場合に
つき説明する。

図中第１〜第３図と同じ符番のものは同じ要素
を示す。

本実施例では受光部１に転送クロツクφ_PIと共
に、過剰電荷を表面再結合中心でホールと再結合
させて消滅する為のクロツクφ_ABが印加されてい
る。

又、蓄積部２、水平転送レジスタ３には夫々転
送用のクロツクφ_PS，φ_Sが印加されている。

CKDはこれらのクロツクパルスφ_PI，φ_AB，φ_PS，
φ_S等を撮像素子に供給する為の制御手段としての
クロツクドライバー、CKGはこれらのパルスを
形成する為のタイミング信号を発生するクロツク
ジエネレータ、PAPは抑圧手段としてのプロセ
スアンプであつて後述の如く所定レベル以上の信
号を遮断もしくは非直線的に抑圧する為の
KNEE回路又はγ変換回路等を含む。ECDはエ
ンコーダであつて、アンプPAPを介したビデオ
信号はこのエンコーダによつて例えばNTSC信号
のような標準テレビジヨン方式の信号に変換され
る。

第５図は受光部１と蓄積部２の境界領域の断面
の電極構造及びポテンシヤルの概略を示す図であ
る。

図中P_PIは受光部の転送クロツクφ_PIを印加する
転送電極、P_ABは再結合クロツクφ_ABを印加する為
の再結合手段としての再結合制御電極、P_PSは蓄
積部の転送クロツクφ_PSを印加する転送電極、図
の実線のポテンシヤル状態はφ_PI，φ_PSとしてロー
レベルの電圧を印加し、φ_ABとしてハイレベルの
電圧を印加した場合のものであり、破線はφ_PI，
φ_PSをハイレベル、φ_ABをローレベルとした場合の
ものである。

尚、基板SS内にはイオン注入により図示のよ
うなポテンシヤルの階段が形成されている。又、
電極P_PI，P_PS，P_ABによつて蔽われていない絶縁
層の下部即ち絶縁層と半導体基板との境界部分に
は図示はしていないが仮想電極（Virtual
electrode）を構成するための例えばＰ型反転層
が形成されている。従つて電極に蔽われていない
半導体領域内のポテンシヤルは各電極へのバイア
スによつて変化しないようになつている。

尚、図中Ｘの領域を第１の領域、Ｙの領域を第
２の領域と考える。図示の如く、第２の領域は電
極P_PSを含む領域を指す。又、この第１の領域、
第２の領域は一相駆動に限らず多相の駆動方法に
よるものについても同様に当てはまる。

第６図は第５図示の領域における電極パターン
の例を示す図である。CSはチヤネルストツプで
あつて水平方向の電荷の移動を阻止する。第４〜
第６図示の実施例によれば電荷再結合の為の電極
P_ABの巾を転送電極P_PIの巾よりも充分小さくでき
るので過剰電荷を除去する場合に除去効率を高く
できる。

又、一相駆動方式のCCDイメージセンサに於
いて電荷の再結合動作を転送動作と独立して行な
うことができる。

しかも本実施例の撮像素子の再結合制御用構造
はチヤネルストツプと同一プロセスで製造可能な
電極用のポリシリコンゲート形成ステツプ及び内
部ポテンシヤルの段階を形成する為のイオン注入
ステツプで形成することができる。

第７図は第４図示の撮像素子を駆動する為にク
ロツクドライバーCKDより出力されるクロツク
パルスφ_AB，φ_PI，φ_PS，φ_S及びアンプ４の出力
Vout等の波形図である。１テレビジヨンフイー
ルド毎に得られる垂直同期信号V_Dに同期して時
刻t₁〜t₃及びt₄〜t₆の間に垂直ブランキング信号
V_BLKが出力される。

又、H_BLKは水平ブランキング信号である。先
ず時刻〜t₁，t₃〜t₄，t₆〜にかけての蓄積期間中
にφ_PIのレベルを−V₁とV₂の略中間レベルであ
る。V₅レベルに固定する。又、各蓄積期間の終
了時点でフイールド毎にφ_PIを立上げるか立下げ
るかを切換えている。

これにつき説明すると、蓄積期間中はφ_PIをV₅
レベルにすることにより、第８図ａに示す如く、
転送電極φ_PI下の基板内と仮想電極下の基板内に
夫々ポテンシヤルウエルＡ，Ｃが形成され、夫々
のウエルに電荷が蓄積される。

この蓄積期間の内の水平ブランキング期間に第
７図の如く、パルスφ_ABが複数個供給される為、
電極P_AB下のポテンシヤルは第８図ａのように上
下するが、このポテンシヤルが下がつた時にでき
るウエルＢ内の電荷の内絶縁層５近傍に集められ
た過剰電荷はポテンシヤルが上がつた時にはホー
ルと再結合するので消滅しウエルＡには漏れ込ま
ない。

次いで時刻t₁〜t₂及びt₄〜t₅にかけてφ_ABを複数
パルス供給することにより垂直転送直前の過剰電
荷を除去する。更に、時刻t₂〜t₃及びt₅〜t₆の間
に受光部１と蓄積部２の垂直方向の画素数に相当
する数のクロツクφ_PI，φ_PSが同相で供給される。
これにより受光部１内の各画素セル内の電荷は蓄
積部内の対応する蓄積セル内に転送されて蓄積さ
れる。

この時、本発明では再結合電極P_ABに印加する
クロツクφ_ABをV₄に固定する。この電圧V₄は例え
ば第９図示の如く電極P_AB下のポテンシヤルレベ
ルが仮想電極部のポテンシヤルレベルの上限と下
限の間に位置するような電圧値である。

ここで前述した如く、各蓄積期間の終了時点で
φ_PIを立上げるか立下げるかをフイールド毎に切
換えている。

即ち、第７図時刻t₁までの第１フイールドの蓄
積期間中にウエルＡ，Ｃ（もしくはＢ）にはいる
電荷量をそれぞれ第８図ａのようにA_INT，B_INT，
C_INTとする。次に第７図時刻t₂から始まる垂直転
送時は第８図ｂに示す如く、転送のはじめにφ_PI
を中間レベルV₅からV₂レベルに立上げることに
よつて′と、′と……の部分に蓄積された
電荷が加算され、蓄積部に転送されていく。又、
第２フイールドは転送のはじめにφ_PIを中間レベ
ルV₅から−V₁に立下げることによつてと′，
と′，と′…の部分に蓄積された電荷を加
算する。このようにフイールド毎に加算される電
荷の組合わせを変えることによつてインタレース
動作をおこなわせる。

このように構成することにより少ない画素数で
インターレース効果を持たせることができると共
に、暗電流レベルもフイールド毎に変化せずフリ
ツカも生じにくい。

垂直転送が終了すると、時刻t₃〜t₄、t₆〜の間
にクロツクφ_PSとφ_Sとによつて蓄積部の電荷が水
平周期に同期して１行ずつ読み出され、水平ライ
ン信号として出力される。この期間t₂〜t₃，t₆〜
は標準テレビジヨン信号の垂直走査期間に相当し
ている。

次にクロツクドライバーCKDの構成例を第１
０図に示すと共に、そのタイミングチヤートを第
１１図に示す。第１０、第１１図中φ_Dは１水平
期間に２回発生するパルス、TRGはフレーム転
送を行なう為のフレーム転送トリガーパルスであ
つて一般には垂直ブランキング期間或いはこれに
関連したタイミングで出力される。

又、このパルスTRGは例えば特願昭58−61098
号に示されるように垂直ブランキング期間以外の
任意のタイミングで出力されるものであつても良
い。その場合には、画像蓄積時間をこのパルス
TRGのタイミングによつて制御することもでき
る。

ＤフリツプフロツプD₁はパルスTRGをクロツ
クとし、入力Ｄは常にハイレベルになつている為
TRGによるトリガ（時刻t₇）で出力T₁がハイレ
ベルとなる。したがつてＤフリツプフロツプD₂，
D₃によりクロツクφ_D２ケ分だけ遅れて、（時刻t₈）
T₂が発生し、これによつてD₁はクリアされ、T₁
はローレベルとなる。この区間の長さはＤフリツ
プフロツプの数の増減によつて減少又は増大させ
得る。本例ではこの区間t₇〜t₈を１水平期間とし
ているが、D₂を略せば（1/2）Ｈ区間となる。T₂
がハイレベルになつて後時刻t₉でＤフリツプフロ
ツプD₄の出力T₃がハイレベルとなり、所定のク
ロツクの後、カウンタCNTの出力CARRYによ
つてフリツプフロツプD₃，D₄がクリアされ（時
刻t₁₀）、T₂，T₃がローレベルになつて、フレー
ム転送は終了する。

φ_PI，φ_PS等はφ_PI，φ_PS発生回路SGで第７図の如
く発生し得るので、ここでは特に示さない。

水平ブランキング信号H_BLKはアンドゲートA₂
によつてT₂がハイレベルの間ローレベルとされ
ており、アンドゲートA₂の出力はオアゲート
OR₁においてT₁との論理和によりT₁′となる。こ
れによりT₁′はφ_ABを動作させる為のタイミング信
号となる。即ちT₁′は垂直転送区間t₈〜t₁₀を除く
水平ブランキング期間と、出力T₂の直前部分の
出力T₁のハイレベル期間t₇〜t₈とのいずれかの期
間ハイレベルとなる。

クロツク信号CLKはアンドゲートA₁によつて
T₁′と論理的に乗じられクロツクCLK及び出力
T₁′がハイレベル間のみφ_ABを電圧V₃にさせる為
のスイツチSW₁をONし、T₂がハイレベルの間、
SW₂によりφ_ABは中間レベルV₄となる。又、その
いずれでもない時にはノアゲートN₁の出力によ
りスイツチSW₃が閉じφ_ABは電圧−V₁となる。

以上によりパルスφ_ABは、フレーム転送期間の
直前に所定時間供給され、転送直前の過剰電荷が
除去されるのでスミアを起こすことがない。

尚、以上の説明では一相駆動方式のフレーム転
送型CCDの例について述べたが、本発明は多相
駆動方式のCCDイメージセンサーにおいても同
様に適用可能であることは言うまでもない。又、
CCDに限らず画像信号を電荷に変換して蓄積す
るタイプのイメージセンサー全てに適用可能であ
ることも明らかである。

（効 果） 以上のように、本発明によると、フレーム転送
の直前に電荷再結合の為のパルスを供給すること
によりフレーム転送開始時点までに蓄積された過
剰な電荷を適正値まで減少させ、これによつてフ
レーム転送時に上記過剰な電荷を転送しきれない
ことによつて発生するブルーミングやスミアを防
止することができる。

また垂直ブランキング期間中動作する場合のよ
うな消費電力の増大もなく、フイールド周期より
も短い蓄積時間を得るといつた例外的使用法のた
めに垂直ブランキング期間以外においてフレーム
転送をおこなう場合にも有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のCCDイメージセンサーの模式
図、第２図は第１図示センサーの駆動方法を説明
する図、第３図は表面電荷再結合の原理を説明す
る図、第４図は本発明の撮像装置の構成例を示す
図、第５図は本発明の撮像装置に適した撮像素子
の構造例を示す断面模式図、第６図は第５図示素
子の電極パターン例を示す図、第７図は本発明の
撮像装置の駆動タイミングチヤート、第８図ａ，
ｂは同実施例における夫々所定のタイミングにお
けるポテンシヤル状態を説明する図、第９図は電
極P_AB下のポテンシヤルにつき説明する図、第１
０図はクロツクドライバーの構成例を示す図、第
１１図はそのタイミング図。 １……受光部、P_AB……再結合手段としての再
結合制御電極、CKD……制御手段としてのクロ
ツクドライバー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光学像を電荷信号に変換する受光部と、 該受光部内の電荷信号を転送して読み出す為の
   転送電極と、 該受光部内の電荷の一部を他極性の電荷と再結
   合させる為の再結合電極と、を有する撮像素子
   と、 該撮像素子の前記受光部内の電荷信号を垂直ブ
   ランキング期間内に転送して読み出す為の転送信
   号を前記転送電極に供給すると共に、該転送信号
   の供給の直前であつて前記垂直ブランキング期間
   内に前記再結合電極に対して所定時間再結合動作
   を行なわせる為の駆動信号を供給する制御手段
   と、 を有する撮像装置。 ２ 光学像を電荷信号に変換する受光部と、 該受光部内の電荷信号を転送して読み出す為の
   転送電極と、 該受光部内の電荷の一部を他極性の電荷と再結
   合させる為の再結合電極と、を有する撮像素子
   と、 該撮像素子の前記受光部内の電荷信号を垂直ブ
   ランキング期間内に転送して読み出す為の転送信
   号を前記転送電極に供給すると共に、該転送信号
   の供給の直前であつて前記垂直ブランキング期間
   内に前記再結合電極に対して所定時間再結合動作
   を行なわせる為の駆動信号を供給する制御手段
   と、 前記制御手段により撮像素子より読み出された
   信号を用いてテレビジヨン映像信号を形成する信
   号処理手段と、 を有する撮像装置。