JPH0297179A - 固体撮像素子、固体撮像素子駆動装置及び撮像装置 - 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、固体撮像素子、固体撮像素子駆動装置および
固体撮像素子を使用した撮像装置に関する。

（発明の背景） 固体撮像素子の受光部の電荷容量は比較的大きく、転送
部の電荷容量の１／２程度であった。これは、フィール
ド蓄積モードで読み出す際、２画素分の電荷を垂直転送
部上で加算してから読出しを行っているからである。

また、受光部から転送部への電荷移動は、１回の読出し
について１回だけであった。

（発明が解決しようとする課題） 従来の固体撮像素子では、受光部から転送部への電荷の
移動のために高い電圧が必要である。この様子を第１６
図に示す。第１６図（Ａ）は受光中のポテンシャル分布
を示す説明図、第１６図（Ｂ）は受光部２から垂直転送
部３に電荷を移動させるときのポテンシャル分布を示す
説明図である。この図に示すように、電荷移動のために
垂直転送部のポテンシャルを大きく下げなければならず
、高い電圧が必要になる。従って、固体撮像素子の駆動
装置の構成が複雑になっていた。

また、受光部の蓄積電荷容量を大きくするために、電極
を大きくするか、電圧を大きくする必要があった。

更に、測光のための読出し時に複数水平ラインの電荷の
加算をしてから読出しを行うと、発生した電荷が大きい
画素では、加算を行う水平転送部上でオーバーフローが
発生する恐れがある。受光部にはオーバーフローの対策
としてオーツく−フロードレイン（ＯＦ　Ｄ）が設けら
れているので、万一オーバーフローをしても他の画素に
は影響を与えることはない。しかし、転送部にはＯＦＤ
が設けられていないので、オーバーフローした電荷が隣
接画素に流れ込んでしまう。このため、暗い部分の情報
が失われ、正確な露出情報を得ることはできないという
問題があった。

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、効率が良く、低電圧駆動可能な固
体撮像素子を得ると共に、水平転送部上で複数水平ライ
ン分の電荷を加算してもオーバーフローしない固体撮像
素子駆動装置及び撮像装置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固体撮像素子は、入射光を電荷に変
換して蓄積する受光部及び受光部からの電荷を転送する
ための転送部を備えたものであって、受光部の電荷蓄積
容量が転送部の電荷蓄積容量の１／２より小さいことを
特徴とするものである。

また、上記課題を解決する固体撮像素子駆動装置は、入
射光を電荷に変換して蓄積する受光部及び受光部からの
電荷を転送するための転送部を備え、受光部の電荷蓄積
容量が転送部の電荷蓄積容量の１／２より小さい固体撮
像素子を駆動する駆動装置であって、露光期間中は受光
部に隣接した垂直転送部の転送動作を停止させ、この期
間に受光部から垂直転送部への電荷移動を複数回行うよ
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撮像装置は、入射光を電荷に
変換して蓄積する受光部及び受光部からの電荷を転送す
るための転送部を備え、かつ受光部の電荷蓄積容量が転
送部の電荷蓄積容量の１／２より小さい固体撮像素子と
、露光期間中は受光部に隣接した垂直転送部の転送動作
を停止させ、この期間に受光部から垂直転送部への電荷
移動を複数回行う固体撮像素子駆動手段とを有する撮像
装置であって、露光に先立つｉｌＮ光のために複数水平
走査線の電荷を加算して読出すｎ１光読出しモードと、
撮像のための通常の読出しを行う通常読出しモードとを
有し、この測光読出しモードの時は受光部から垂直転送
部への電荷の移動回数が通常読出しモードにおける電荷
の移動回数より少なくなるよう構成したことを特徴とす
るものである。

（作用） 固体撮像素子は、受光部の電荷蓄積容量が転送部の電荷
蓄積容量の１／２より小さく、受光部で発生した電荷を
複数回に分けて、読み出す。

固体撮像素子駆動装置では、露光期間中は受光部に隣接
した垂直転送部の転送動作を停止させ、この期間に受光
部から垂直転送部への電荷移動を複数回行う。

撮像装置では、露光に先立つ測光では複数水平走査線の
電荷を加算して読出し、この測光時は受光部から垂直転
送部への電荷の移動回数が通常の読出しにおける電荷の
移動回数より少ない。

（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要部の構成を示す構成図で
ある。この図において、１は固体撮像素子であり、２は
受光量に応じた電荷を発生する受光部、３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。

この第１図（Ａ）は受光中の状態を示し、（Ｂ）は受光
部２から垂直転送部３に電荷を移動する際の状態を示し
ている。

このような場合、第１６図に示した従来方法に比べ、駆
動電圧が低くても良いことがわかる。

また、固体撮像素子の構造は第２図のようになっている
。この図において、２ａは光電変換を灯うフォトダイオ
ード、２ｂはフォトダイオード２ａで発生した電荷を蓄
積するための蓄積電極、２Ｃは蓄積電極に蓄えられた電
荷を垂直転送部３にシフトさせるゲートとしてのシフト
電極、３ａは垂直転送部３を構成する転送電極である。

この等価回路を第３図に示す。

この場合、受光部２の蓄積電荷容量は、蓄積電極２ｂの
大きさ、印加電圧の大きさに比例して定まる。従って、
第１図に示したようなポテンシャルにするなら、蓄積電
極２ｂの大きさ（面積）を小さくすればよい。この結果
、開口率が上がり、感度が上昇する。蓄積電極の大きさ
がそのままなら、印加電圧を低く抑えることができる。

第４図は固体撮像素子１の概略構成を示す構成図、第５
図はこの固体撮像素子１を駆動する際の駆動パルスを示
すタイムチャートである。尚、この駆動パルスを発生す
る固体撮像素子駆動回路は、周知の回路に若干の変更を
加えることにより実現できるものであり、詳細な回路構
成については省略する。

この図のφＶは垂直転送部３を駆動して電荷を垂直方向
に移動させるためのパルスで、φＶ１〜φｖ４の位相の
異なるパルスがある。φＨは水平転送部を駆動して電荷
を移動させるためのパルスで、φＶ１〜φｖ４の位相の
異なるパルスがある。

以下、φＶ１〜φｖ４をφｖ１φＨ１〜φＨ２をφＨと
して説明する。

通常は、このφＶの１パルスで各垂直転送部３上の電荷
を１水平ライン分シフトさせ、水ル転送部４に送る。そ
して、水平転送部４上にシフトしてきた電荷をφＨで水
平方向に送り、画像信号として出力する。

１１？１光のための読出しのときは、この図に示すよう
に、水平ブランキング期間にφＶを４パルス連続して出
力し、各垂直転送部上の電荷を４水平ライン分シフトさ
せる。この期間はφＨは停止しているので、水平転送部
上で４水平ライン分の電荷が加算されたことになる。こ
の電荷をφＨで水平方向に送り、測光用の画像信号とし
て出力する。

このときは、４水平ライン分ずつ出力されているので、
第６図に示すように、１／４フイールドの時間で読出し
が完了することは明らかである。尚、シフトパルスは受
光部２の電荷を垂直転送部３にシフトするためのパルス
である。

尚、ここでは受光部と転送部との電荷容量の比が１：４
で４ライン加算の場合を説明しているが、これ以外の比
率であっても構わない。すなわち、受光部の電荷容量を
転送部の電荷容量の１／２より小さくすることにより、
効果が表れる。

次に、測光の読出しの後に、通常の読出してビデオフロ
ッピー等に記録する場合について、第７図及び第８図の
タイムチャートを使用して説明する。測光のための読出
しく第７図■）を行った後、その間に蓄積した電荷を逆
転送で捨てる（第７図■）。そして、次のフィールドは
φＶを停止させ（第７図■）、シフトパルスを４発与え
る（第７図■）。これにより、１フイールドの期間で４
回に分けて、受光部からの電荷を垂直転送部に移してい
るが、φＶが停止しているので垂直転送部上で電荷が加
算される。そして、■のフィールドではφＶを第８図の
ような通常のパルスにして読み出す。これによって、通
常の固体撮像素子の１フイールドの露光が実現できるこ
とになる。

スチルビデオのような静止画は以上のような方法で撮影
できるが、ＶＴＲのような動画の場合はこのままでは撮
影できない。そこで、固体撮像素子の内部にメモリ部を
有するＦＩＴ−ＣＣＤを使用する必要がある。

第９図はＦＩＴ−ＣＣＤの構成を示す構成図である。図
において、第４図と同一物には同一番号を付し説明は省
略する。５は受光部２で発生した電荷を記憶しておくた
め、垂直転送部３と水平転送部４との間に配置されたメ
モリ部である。第１０図はこのＦ　ＩＴ−ＣＣＤを駆動
するためのパルスである。この場合、φＶ１を停止させ
ておいて、シフトパルスにより１フイ一ルド期間に４回
に分けて受光部から垂直転送部３に電荷を移す。その後
、φＶｌ、　　φＶ２にパルスを加え、メモリ部５へ電
荷を高速転送する。その後は再び、φＶ１を停止し、次
の読出しのための露光、蓄積を４回に分けて行う。メモ
リ部５からは、通常のＦＩＴ−ＣＣＤの場合と同様にφ
Ｖ２．　φＨ１，φＨ２にパルスを加え、１ラインずつ
読み出す。また、φＶ２及びφＨ１，φＨ２の関係は第
８図と同じである。

以上の説明は第４図若しくは第９図のような固体撮像素
子を使用した場合であるが、これ以外に転送電極を３値
駆動してシフト電極の機能も兼ねているものがある。第
１図に示した電荷移動は、シフト電極２Ｃと転送電極３
ａの両方の電位を変化させて行っている。これに対し、
転送電極を３値駆動してシフト電極の機能も兼ねている
固体撮像素子では、シフト電極２Ｃと転送電極３ａの間
には常に一定の電位差が生じるような構造になっている
ため、１つの電極に加える電圧を変化させるだけで、電
荷移動を行うことが可能である。このような固体撮像素
子を駆動する場合のパルスは、第１１図、第１２図、第
１３図に示す。これらの図はそれぞれ第７図、第８図、
第１０図に対応している。また、この場合の受光部から
垂直転送部への電荷移動は第１図（Ｃ）のようになり、
第１６図（Ｂ）の従来例と比較して駆動電圧が小さくて
済む。

また、第１０図、第１３図の場合はフィールド蓄積モー
ドの例であるが、フレーム蓄積モードで駆動する場合は
、第１４図のようなパルスで駆動する必要がある。フレ
ーム蓄積の場合、片方のフィールドの画素の信号に対し
、露光、蓄積、受光部からの電荷の移動を繰り返し行っ
ている間に、他方のフィールドの受光部の信号を垂直転
送部に移すことは出来ない。従って、この期間は正規な
蓄積動作ができていないので、この期間の信号を捨てる
必要がある。第１４図の逆転送がこのためのパルスであ
る。

以下、第１４図を参照して動作を説明する。まず、φＶ
１３のＨレベルのシフトパルスで垂直転送部に移された
信号は、φＶ１３．φｖ１２．φ■１４．φＶ２１〜φ
Ｖ２４の高速転送パルス列でメモリ部へ高速転送される
。次に、φＶｌｌのシフトパルス（Ｈレベル）で他方の
フィールドの信号が転送部に移され、これはφＶｌｌ〜
φｖ１４の逆転送のパルス列で高速道転送され捨てられ
る。そして、φＶｌｌに一定周期でＨレベルのシフトパ
ルスを加え、受光部から垂直転送部に電荷を移動させる
。それと同時に、φＶ２１〜φＶ２３には水平ブランキ
ング期間毎にパルスを加え、通常の読出しを行う。

尚、以上の説明では、第１図に示したように、受光部に
たまる電荷が小さくなるように予め構成されたＣＣＤを
使用する場合について説明したが、これに限定されるも
のではない。例えば、通常のＣＣＤのオーバーフローコ
ントロールゲート０ＦＣＧのレベルを調整して、第１５
図に示すようにしても同様の効果かえられる。この図の
（Ａ’）は受光中のポテンシャルを示し、（Ｂ）は電荷
を移動中の状態を示している。

以上のように、受光部で発生した複数水平ライン分の電
荷を水平転送部上で加算してから読み出すようにするこ
とで、７１Ｐ１光のための読出しに要する時間を短縮す
ることができ、電荷が水平転送部上でオーバーフローす
ることもない。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明では、受光部の電荷
容量を転送部の電荷容量の１／２より小さく設定したた
め、開口率１面積効率が良く、低電圧駆動が可能な固体
撮像素子を実現することができる。

また、このような固体撮像素子を使用して、通常の撮影
時は、受光部で発生した電荷を、受光部と垂直転送部の
容量に応して複数回に分けて読出し、垂直転送部上で加
算して読み出すようにすると共に、１Ｎｐ１光のための
読出し時は、受光部で発生した複数水平ライン分の電荷
を、受光部と転送部の容量に応じて水平転送部上で加算
して、読み出すようにした。このため、δ−１光のため
の読出しに要する時間を短縮することができ、電荷が水
平転送部上でオーバーフローすることのない固体撮像素
子駆動装置及び撮像装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像素子のポテンシャルを示す説
明図、第２図は第１図に示した固体撮像素子の構成のｌ
ｌ！ＥｖＩを示した説明図、第３図は第２図の電気的等
価回路を示す回路図、第４図は本発明の固体撮像素子の
構成を示す構成図、第５図は駆動パルスを示すタイムチ
ャート、第６図乃至第８図は駆動パルスの他の例を示す
タイムチャート、第９図は本発明の固体撮像素子の他の
構成を示す構成図、第１０図乃至第１４図は駆動パルス
の更に他の例を示すタイムチャート、第１５図は本発明
の固体撮像素子のポテンシャルの他の例を示す説明図、
第１６図は従来の固体撮像素子のポテンシャルを示す説
明図である。 １・・・固体撮像素子　　　２・・・受光部３・・・垂
直転送部　　　　４・・・水平転送部５・・・メモリ部 角等２　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光を電荷に変換して蓄積する受光部、受光部
   からの電荷を垂直方向に転送するための垂直転送部及び
   垂直転送部からの電荷を水平方向に転送するための水平
   転送部を備えた固体撮像素子であって、 受光部の電荷蓄積容量が垂直転送部及び水 平転送部の電荷蓄積容量の１／２より小さいことを特徴
   とする固体撮像素子。
2. （２）入射光を電荷に変換して蓄積する受光部、受光部
   からの電荷を垂直方向に転送するための垂直転送部及び
   垂直転送部からの電荷を水平方向に転送するための水平
   転送部を備え、かつ受光部の電荷蓄積容量が垂直転送部
   及び水平転送部の電荷蓄積容量の１／２より小さい固体
   撮像素子を駆動するための駆動装置であって、 露光期間中は受光部に隣接した垂直転送部 の転送動作を停止させ、この期間に受光部から垂直転送
   部への電荷移動を複数回行うよう構成したことを特徴と
   する固体撮像素子駆動装置。
3. （３）入射光を電荷に変換して蓄積する受光部、受光部
   からの電荷を垂直方向に転送するための垂直転送部及び
   垂直転送部からの電荷を水平方向に転送するための水平
   転送部を備え、かつ受光部の電荷蓄積容量が垂直転送部
   及び水平転送部の電荷蓄積容量の１／２より小さい固体
   撮像素子と、 露光期間中は受光部に隣接した垂直転送部 の転送動作を停止させ、この期間に受光部から垂直転送
   部への電荷移動を複数回行う固体撮像素子駆動手段とを
   有する撮像装置であって、 露光に先立つ測光のために複数水平走査線 の電荷を加算して読出す測光読出しモードと、撮像のた
   めの通常の読出しを行う通常読出しモードとを有し、こ
   の測光読出しモードの時は受光部から垂直転送部への電
   荷の移動回数が通常読出しモードにおける電荷の移動回
   数より少なくなるよう構成したことを特徴とする撮像装
   置。