JPH0342747B2

JPH0342747B2 -

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Publication number: JPH0342747B2
Application number: JP59020515A
Authority: JP
Priority date: 1984-02-07
Filing date: 1984-02-07
Publication date: 1991-06-28
Also published as: JPS60165182A

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・
ドレン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
型イメージセンサーの正面図である。

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。OBは垂直方向に遮光された垂直転送レ
ジスタ部であり、オプチカルブラツクと呼ぶ。

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
ヤリアは一方向（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を印加する事
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事により、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、反面過剰なキヤリアを効果的に消滅さ
せる為には、蓄積期間中に半導体基板内にアキユ
ムレーシヨン状態と反転状態とを交互に、しかも
高速で形成してやらなくてはならない為、電力消
費が大きいという問題がある。又、このようなパ
ルス制御を高速で行うとこのパルスに起因するノ
イズが信号に混入するという問題がある。

第４図ａ，ｂはこのような問題を説明する為の
図である。図中１００は後述のドライバー回路の
一部であつてやはり後述のクロツクジエネレータ
からのパルスΨ_ABのタイミングに応じて所定のＰ
（ピーク）−Ｐ（ピーク）レベル−V₁，V₃の駆動パ
ルス（以下ABパルスφ_ABと呼ぶ）を供給する。

１０１，１０９は微分用コンデンサ、１０２，
１０８はバイアス用ダイオード、１０４，１０７
はトランジスタ、１０３，１０６は平滑用コンデ
ンサ、１０５は電極P₁の電極間に形成された容
量である。

第４図ｂは各部の波形を示す図である。第４図
ｂに基づき第４図ａの動作を説明する。

同図ｂの如くパルスΨ_ABが入力されると、その
立ち上がりでトランジスタ１０７がONし、容量
１０５から電源−V₁に向かつて電流i_ABが流れる
容量１０５には電源−V₁が印加されて充電され
る。

又、パルスΨ_ABの立ち上がりではトランジスタ
１０４がONし電源＋V₃が容量Ｃに印加され、こ
の電圧V₃で充電される。この場合、電極間容量
１０５は等価的に数1000PFの入力容量を持つて
いる為、電圧−V₁とV₃のパルス（以下ABパルス
φ_ABと略す）を印加すると瞬間的に数Ａ（アンペ
ア）の微分電流が流れてしまう。この電流が撮像
素子のシリコン基板を流れると、シリコン基板の
抵抗は数10ｍΩの値を有するので結局、数10ｍＶ
のノイズ（ここではABノイズと呼ぶ）を発生し
てしまう。このノイズを軽減するために、シリコ
ン基板の抵抗を小さくしたり、ABパルスの立ち
上がり、立ち下がり特性をゆるやかにして微分電
流の絶対値を小さくする方法が考えられるが、こ
れらの方法によつても数ｍＶのABノイズは残
る。

ところで撮像素子から出力される信号の標準的
なレベルは、通常数100ｍＶであり、かつ撮像時
のダイナミツクレンジを標準信号レベルの４倍程
度にとれば、一般的な映像信号レベルはやはり約
100ｍＶオーダーとなる。

従つて一般的なムービー撮像に於いて、特に被
写体が暗い場合に上記のABノイズが無視し得な
い程度に画面上に表われる。

又、一般に撮像素子の出力信号は、クランプ回
路と呼ばれる直流再生回路において、光学的に遮
光された部分OBに対応した信号が黒基準信号と
してクランプされる。そしてこの黒基準信号の期
間において、パルスを供給すると、前記黒基準信
号にABノイズが重畳してしまう。従つて、この
信号をクランプすると、前記ABノイズに起因し
たクランプ電位の変動が生じ、デイスプレイ上で
は線引き状の低周波ノイズとなつて画質を著しく
劣化させてしまう。

このクランプ電位の電動率は、前述の標準信号
レベル（100ｍＶ）とABノイズのレベル（数ｍ
Ｖ）の比だけでは決定されないが、クランプ効
果、ガンマ特性等を考慮してもNTSC信号レベル
で数10ｍＶのノイズとして残る事が確められた。
又、このような現象は、特にABパルスφ_ABをTV
同期（例えば水平同期）と非同期とした場合、或
いは被写体の輝度レベル等に応じてABパルスの
繰返えし周期を変化させた場合、クランプパルス
とABノイズの位相が変化した場合等に於いて著
しい。この場合数Ｈに亘つて輝度レベルが変化し
てしまうという欠点があつた。

（目的）本発明は上述の如き技術の欠点を解消し得る正
確なクランプが可能な撮像装置を提供する事を目
的としている。

本発明の他の目的は、ABノイズの混入が少な
く、かつ消費電力が少なく、しかもブルーミング
防止効果の高い撮像装置を提供する事にある。

本発明の更に他の目的はABノイズによる映像
信号の劣化を効果的に抑制し得る撮像装置を提供
する事にある。

（実施例）以下実施例に基づき本発明を説明する。

第５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。本実施例では第６，７
図に示すような一相駆動方式のフレームトランス
フアー型CCDを用いた場合につき説明する。

図中第１〜第４図と同じ符番のものは同じ要素
を示す。ISは撮像手段としてのCCDイメージセ
ンサーである。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ABパルス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。

５０６はこのCCDイメージセンサーの転送に
必要な上記の転送パルスφ_PI，φ_PS，φ_S及び前述の
ABパルスφ_ABを供給する読み出し手段としての
ドライバー回路であり、５０７はこれらパルスの
内φ_PI，φ_PS，φ_Sのタイミング信号Ψ_PI，Ψ_PS，Ψ_Sを
形成する第１のクロツクジエネレーターである。

５１４は再結合制御手段としての第２のクロツ
クジエネレーターであつて、該クロツクジエネレ
ーター５１４のタイミング信号Ψ_ABに基づき、ド
ライバー回路５０６はABパルスφ_ABを形成し、
後述のイメージセンサーの電極P_ABに供給する。

５０８は基準発振器、５０９は水平クロツクカ
ウンタであり、発振器５０８の出力パルスをカウ
ントし、水平同期信号等を形成する。５１０は垂
直クロツクカウンタであり、水平クロツクカウン
タ５０９の出力としての水平同期信号をカウント
し垂直同期信号等を出力する。

５１１はデコーダーであつて、カウンタ５０
９，５１０の出力状態に応じて各種のタイミング
パルスを出力する。

即ち、複合同期信号Ｃ・Syncや複合ブランキ
ング信号Ｃ・BLK、転送パルスφ_PI，φ_PS，φ_S等の
為のタイミング信号を出力し、ドライバー回路５
０６に供給する。

又、デコーダー５１１はアンドゲート５１３と
共に本発明に係る禁止手段を形成している。

即ち、第９図示のようなタイミングでローレベ
ルのENABLE−AB信号を出力する事により、
第２クロツクジエネレーターの出力に対し禁止を
かけている。５１２はＤフリツプフロツプであつ
て出力をＤ入力端に入力する事により分周器を
形成している。

又、このフリツプフロツプのクロツク入力には
発振器５０８の出力が入力されている。

又、フリツプフロツプ５１２の出力と
ENABLE.AB信号との論理積がANDゲート５１
３に於いてタイミングパルスΨ_ABとして形成され
る。

又、デコーダー５１１は第９図示のようなタイ
ミングでクランプパルスCPOBを後述のクランプ
回路５０３に対して出力する。クランプパルス
CPOBがハイレベルの間クランプ動作が行なわれ
る。

又、デコーダー５１１はイメージセンサーISの
水平転送クロツクと同期したサンプリングパルス
SUMPをサンプル・ホールド回路５０２に対し
て出力する。

又、ドライバー回路５０６の出力の内、複合同
期信号Ｃ・Sync、複合ブランキング信号Ｃ・
BLK等はプロセス回路５０４に供給されている。

又、プロセス回路５０４の出力は記録装置５０
５に供給されている。

第６図はイメージセンサーISの受光部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６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、５
は絶縁層である。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
導体基板とを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。

第７図は第６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５〜
第７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イメージセンサーに
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
部ポテンシヤルの階段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８図は第５図示の撮像素子を駆動する為にク
ロツクドライバー５０６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
Voutl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（第６図示一点鎖線の状態）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、転送電極P_PI下の基板
内（Ｘ領域）と仮想電極下の基板内（Ｙ領域）に
夫々ポテンシヤルウエルが形成され、夫々のウエ
ルに電荷が蓄積される。

この蓄積期間の内の各水平ブランキング期間よ
り若干長い期間に第８図の如く、ABパルスφ_AB
が複数個供給される。このとき電極P_AB下のポテ
ンシヤルは上下するが、このポテンシヤルが下が
つた時にできるウエル内の電荷の内の過剰電荷は
ポテンシヤルが上がつた時にはホールと再結合す
るので消滅し隣りのウエルには漏れ込まない。

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８図時刻t₁までの第１フイールドの蓄
積期間中に第６図示のＸ領域及びＹ領域内のウエ
ルにはいる電荷量をそれぞれX_INT，Y_INTとする。
次に第８図時刻t₂から始まる垂直転送時は転送の
はじめにφ_PIを中間レベルV₅からV₂レベルに立上
げることによつて第６図中のＸ領域の左隣りのＹ
領域の電荷がＸ領域に入り加算され、X_INT＋Y_INT
となり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第６図中のＹ領域の
左隣りのＸ領域の電荷がＹ領域に入り加算され
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。

これ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。

次に第９図は第５図示回路の詳細な動作タイミ
ングを示す図である。

イメージセンサISから読み出される、点順次信
号をサンプル・ホールド回路５０２に於いて順次
サンプルホールドする事により、前記点順次信号
のデユーテイーを広げる。従つてこのサンプル・
ホールド回路５０２の出力Vout2は第９図示のよ
うになる。尚、ここでイメージセンサーISの遮光
部OBの出力は水平ブランキング期間Ｈ−BLKの
バツクポーチに於いて得られる。

又、このサンプルホールド回路５０２の出力は
クランプ回路５０３に於いて、第９図示のクラン
プパルスCPOBによつてクランプされる。クラン
プ回路５０３の出力はプロセス回路５０４に於い
てγ補正、アパーチヤー補正等の補正を受けると
共に複合同期信号や複合ブランキング信号と混合
されてから、記録装置５０５に導びかれる。

又、本実施例では、禁止手段として機能するデ
コーダー５１１の出力ENABLE・ABによりク
ランプパルスCPOBの出力が少なくともハイレベ
ルの期間（時刻t₁₀〜t₁₁）即ちクランプ動作が行
なわれる間ABパルスφ_ABはカツトされ、一定の
電位−V₁が供給される。

従つて、パルスφ_ABの印加に伴なつて発生する
ノイズ（第９図AB NOISE）によりクランプレ
ベルが変動するおそれはない。

又、本実施例では、クランプパルスCPOBがハ
イレベルとなるタイミングt₁₀より時間τだけ余
裕をみた早いタイミングt₉からクランプ終了時点
である時点t₁₁までの間ABパルスφ_ABの変動を禁
止しているが、これはABノイズの立下り部分が
クランプ時に於いてビデオ信号に混入しないよう
にする為である。

又、本実施例では光学像をイメージセンサに入
射し蓄積している間、通時ABパルスを供給する
のではなく、ほぼ水平ブランキング期間にのみ供
給しているので画面上のノイズを抑制し得る。し
かも節電効果も高い。

更に又、本実施例では水平ブランキング期間
（時刻t₈〜t₁₂）を水平期間の数％程度越えた期間
t₇〜t₁₃に於いてABパルスを印加するようにして
いるので一層ブルーミング抑制効果が大きい。

即ち、ブランキング期間Ｈ−BLKの直前の第
１の付加期間t₇〜t₈及び直後の第２の付加期間t₁₂
〜t₁₃においてもφ_ABを供給しているのでよりブル
ーミングを防止し得る。

更に、第１の付加期間を第２の付加期間よりも
長くしたので受像機の画面範囲（第９図IZ）にノ
イズが出てこない。即ち一般に第５図示回路５０
２〜５０４等において信号を処理する過程で信号
に時間遅れが生じる。

例えば第９図示のVout２とVout３との間で示
されるような遅延が生じる。

従つて期間Ｈ−BLKを数％上まわつて、しか
もφ_ABを供給する場合に第１の付加期間と第２の
付加期間とが共に同じ長さであると、画面の範囲
IZには第２の付加期間のABノイズが出て来てし
まう。勿論、第１、第２の付加期間を共に短くす
ると画面範囲には出ないが、その分再結合の能力
が劣化する。そこで本実施例では上述の如く第１
の付加期間を第２の付加期間より長くしているの
でφ_ABを最大限供給する事ができる。

更に又、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。

又、本実施例ではABパルスの周波数が比較的
高い例を示しているが、この周波数は低くても良
く、その場合に本発明はクランプ動作中にこのパ
ルスの立上りや立下り等の変動部が入り込まない
ようにする為にABパルスの立上り、立下りを禁
止するものも含む。

（効果）このように本発明によれば、蓄積期間中の内で
も水平ブランキング期間及びこの水平ブランキン
グ期間の直前の第１の付加期間と直後の第２の付
加期間だけφ_ABを動作させているので節電効果が
高く、ノイズが目立たない。

また、本発明によれば水平ブランキング期間中
のクランプ動作時にはφ_AB供給しないために安定
したクランプ動作を実現することができる。

水平ブランキング期間内のほぼ全期間及びこの
直前の第１の付加期間及び第１の付加期間より短
かく、前記水平ブランキング期間直後の第２の付
加期間中に再結合させているので撮像素子からの
読み出し信号にノイズが乗らず、しかも節電効果
が高く、更に受像機の画面にもノイズが現われ
ず、又、ブルーミング防止効果も高い。

【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ａは従来のクロツクドライバーの構
成図、同図ｂはその波形を示す図、第５図は本発
明の撮像装置の構成例を示す図、第６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７図は第５図示素子の電極パターン例
を示す図、第８図は本発明の撮像装置の駆動タイ
ミングチヤート、第９図はクロツクドライバーの
タイミング図。 IS……撮像手段としてのイメージセンサー、１
……受光部、P_AB……再結合手段としての再結合
制御電極、５０６……制御手段としてのクロツク
ドライバー。

Claims

【特許請求の範囲】１光学像を電荷情報に変換するための複数の受
光部を有し前記電荷情報をテレビジヨン周期で読
み出す撮像手段と、前記各受光部内の前記電荷情報の少なくとも一
部を他の極性の電荷と繰り返し再結合するための
周期信号を前記各受光部内の電極に印加する信号
供給手段と、前記撮像手段の出力の一部をテレビジヨン周期
の水平ブランキング期間中の一部期間にクランプ
するクランプ手段と、ほぼ前記一部期間を除く水平ブランキング期間
中に前記周期的信号を前記電極に印加するよう前
記信号供給手段を制御すると共に、前記水平ブラ
ンキング期間及び前記水平ブランキング期間の直
前の第１の付加期間及び該第１の付加期間よりも
短く前記水平ブランキング期間の直後の第２の付
加期間においても前記周期的信号を前記電極に印
加するよう前記信号供給手段を制御する制御手段
と、を有する撮像装置。