JPH0714199B2 - 電荷転送撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電荷転送撮像装置の駆動方法に関するものであ
る。

（従来例の構成とその問題点） 第１図は従来の電荷転送撮像装置の構成を示すもので、
ｎ型シリコン基板上のｐウエル層上に２次元的に複数分
離配列されたn⁺層による光電変換蓄積ダイオード（以下
ダイオードという。）１と、このダイオード１の電荷を
１水平周期毎に垂直方向に並列電荷転送する垂直電荷転
送レジスタ２と、垂直電荷転送レジスタ２の並列転送電
荷を順次読み出す水平転送電荷読出しレジスタ３を備え
ている。

また、画像のちらつき防止のための２対１インターレー
ス動作させる必要から、第１の垂直電極φ_V1第２の垂直
転送電極φ_V2に対してそれぞれ１個ずつのダイオード１
が設けられ、このダイオード１の電荷は、垂直転送電極
下にダイオード１に隣接して設けられたポテンシャルバ
リア（第２図８）を形成する構成により読出される。過
剰電荷が発生したとき画像が潰れるブルーミングを抑制
するため、ダイオードをnpn構造で形成する方法がとら
れている。

第２図は画素近傍の構造を示す断面図である。ｐウエル
５とｎ型基板６間には電圧V_SUBをバイアスし、pn接合ダ
イオード１部のｐ層７は空乏化されている。

なお第２図において、８はポテンシャルバリア部、９は
垂直電荷転送レジスタのチャンネル（埋め込み層）、10
は垂直転送電極、11はチャンネルストッパー、12は光遮
蔽膜、13は絶縁膜である。

第３図（ａ）はブルーミングの抑制機能を示すための説
明図である。

ダイオード１の電荷は、ポテンシャルバリア部８を開い
て、垂直電荷転送レジスタのチャンネル９へ信号電荷を
移すことにより図の14で示す空の状態になる。ダイオー
ド１に入射する光により電荷が蓄積され、ポテンシャル
の井戸は14に示すように浅くなっていく。ダイオードの
ｐ層７のポテンシャルは転送ゲート部のポテンシャル16
より常に深くなるよう、ダイオードのｐ層７とｎ型基板
６間のバイアス電圧V_SUBが調節されている。このため、
ダイオード１に蓄積された電荷は、過剰電荷となった状
態において、垂直電荷転送レジスタのチャンネル９へ流
れ込む前に15で示すようにｎ型基板６方向へ流れ出し、
これによりブルーミング電荷が吸収できることになる。

第３図（ｂ）は垂直電荷転送レジスタへ印加されるクロ
ックパルスの一例で、ダイオード１から垂直電荷転送レ
ジスタ２へ信号電荷を転送するとき、水平転送電荷読出
しレジスタ３へ垂直電荷転送レジスタ２の信号電荷を転
送するクロックパルスV_Mより高い電圧V_Hが印加される。
ポテンシャルバリア部８は、垂直電荷転送レジスタ２の
転送電極10と共通で水平転送電荷読出しレジスタ３へ垂
直電荷転送レジスタ２の信号電荷を転送する時は開かな
いで、ダイオード１から垂直電荷転送レジスタ２へ信号
電荷を移すとき開くようなバリア構造となっている。

第４図はフィールド蓄積動作の印加クロックパルスを示
すもので、前記のような撮像装置で標準テレビジョン方
式による撮像を行なう場合に垂直電荷転送レジスタに印
加されるクロックパルスを示している。

φ_V1を駆動するクロックパルスとφ_V2を駆動するクロッ
クパルスが垂直電荷転送レジスタ２に加えられる。第１
フィールドでは垂直ブランキング期間t₁で、高いクロッ
クパルスが印加されているφ_V1クロックパルスにより、
これに対応したダイオード１の電荷を垂直電荷転送レジ
スタ２に読み出し、以後順次垂直、水平転送して出力
し、第２フィールドでは垂直ブランキング期間t₂でのφ
_V2クロックパルスにより、φ_V2に対応したダイオード１
の電荷を垂直電荷転送レジスタ２に読み出し、以後第１
フィールドと同様転送出力するように駆動する。このよ
うな駆動方法によれば、第１、第２フィールドでは垂直
方向の異なるダイオードの電荷が読み出されるため完全
な2:1のインターレース動作が実現され、高い垂直解像
度が得られる。また、各ダイオードは２フィールドで１
回の読み出しとなるため、２フィールド蓄積、すなわ
ち、フレーム蓄積動作となる。このようなフレーム蓄積
動作による撮像でも殆んど支障のない撮像が可能である
が、高速に移動する物体を撮像する場合には、蓄積時間
の影響による画像のぼけが発生し、満足な画像が得られ
なくなる。

第５図は従来例における駆動パルスを示すもので、上記
のような蓄積時間のぼけを軽減するために印加するクロ
ックパルスを示すものである。

基本的には各々のダイオードをフィールド毎に読み出せ
ばよく、第１図に示した撮像素子ではダイオードでの蓄
積電荷は、垂直転送電極に印加されるφ_V1,φ_V2を同時
に高い電圧にすれば、φ_V1,φ_V2に対応したそれぞれの
ダイオードの電荷を各フィールド同時に読み出すことが
できる。また標準テレビジョン方式で不可欠なインター
レース動作は同時に読み出した電荷を、例えば第１フィ
ールドではφ_V1の電荷を１垂直転送によってφ_V2に転送
しφ_V2の電荷と混合した後、順次垂直、水平転送して出
力し、第２フィールドではφ_V2の電荷を垂直転送により
φ_V1に転送し、混合した後、順次垂直、水平転送して出
力すれば可能である。

しかしながら、素子構成上からは実現可能なフィールド
蓄積駆動方法にもかかわらず、実際に素子を駆動した場
合フィールド毎に大きな信号レベル差を生じ、画面上フ
リッカとなって満足な撮像ができないことが分ってい
る。このフリッカを抑えるため駆動方法として次の方法
がある。すなわち第１フィールドでは第１或いは第２の
一方の垂直転送電極に対応したダイオードの蓄積電荷を
垂直電荷転送レジスタに読み出した後、この電荷を１垂
直転送し、続いて最初に読み出したダイオードとは異な
るダイオードの蓄積電荷を垂直電荷転送レジスタに読み
出し、最初に読み出した電荷と混合して、順次読み、出
力し、第２のフィールドでは、第１のフィールドとは異
なるダイオードの蓄積電荷を垂直電荷転送レジスタに読
み出し、１垂直転送し、もう一方のダイオードからの蓄
積電荷を読み出し、混合して、順次出力する方法であ
る。しかしこの方法はフリッカの低減において完全でな
いことが明らかとなった。低減効果は認められるもの
の、明るい被写体を映した場合や、飽和照度近くになる
と無視できない程のフリッカを発生し、大きな利得を必
要とするカラー撮像のような場合、このフリッカが強調
され、この方法はとれないことが分ってきた。この原因
を調べたところ、ダイオードから垂直電荷転送レジスタ
への転送に問題があることが分った。

すなわち、ダイオードから垂直電荷転送レジスタへの転
送は、最初、ダイオードの蓄積電荷は、電荷の存在しな
い垂直電荷転送レジスタへ転送されるが、次にこの電荷
は垂直転送され、次に読み出されるダイオードの位置ま
で移されている。こうした状態でダイオードの蓄積電荷
が垂直電荷転送レジスタへ移され、混合される。すなわ
ち最初のダイオードから垂直電荷転送レジスタへの転送
と、次のダイオードから垂直電荷転送レジスタへの転送
とでは、前者は垂直電荷転送レジスタに電荷が存在しな
いところへの転送であるのに対し、後者は電荷が存在し
ているところへの転送となり転送効率が異なるというこ
とに起因していることが分った。特にダイオードから垂
直電荷転送レジスタへの転送はBBD転送タイプの不完全
転送となりこの影響を受け易く、垂直電荷転送レジスタ
に多くの電荷が存在している時に影響が大きいことが分
った。これが被写体照度があがるとフリッカとなる原因
となっている。

このようにフィールド蓄積動作でフリッカを抑えるのは
困難な状況にある。

こうしたことから改めてダイオードから垂直レジスタへ
の読み出しに伴うフリッカについて詳細な検討実験を繰
り返したところ次のようなことが分った。

２相構造をもつ垂直転送レジスタはフリッカを起し
易い。

ダイオードから垂直電荷転送レジスタへの転送を転
送ゲート電極を設けて行なうものの方が、垂直電荷転送
レジスタの転送電極と共用し、バリア構造を設けるもの
（第２図）よりフリッカは発生し易い。

２相構造をもつ垂直電荷転送レジスタはクロックパ
ルスの相補性によりフリッカが変わる。

４相構造のものはフリッカに強く、ダイオードから
垂直電荷転送レジスタへ同時に蓄積電荷を移してもフリ
ッカは起こさない。

４相構造のものでも一方のダイオードから蓄積電荷
を垂直電荷転送レジスタに移し、１垂直転送して、他方
のダイオードの蓄積電荷の垂直電荷転送レジスタに移し
て混合する方法はフリッカとなる。

以上の実験結果から、垂直電荷転送レジスタは４相構造
とし、ダイオードから垂直電荷転送レジスタへの電荷の
転送は、垂直電荷転送レジスタと共通の転送電極とし、
ポテンシャルバリアを設ける構造をとり、ダイオードの
蓄積電荷を垂直電荷転送レジスタへ同時に移し、それか
ら垂直転送して２つの電荷を混合する駆動方法でフリッ
カは発生しないことをつきとめた。このような方法によ
ってフリッカのないフィールド蓄積動作が可能となっ
た。しかしここで１つの問題が発生した。それはフリッ
カとは関係のないｐウエル構造に伴うものである。

前述したようにブルーミングによる過剰電荷は基板深部
に吸い取るため、ｐウエル層とｎ基板間にはバイアス電
圧V_SUBが印加されているが、この電圧の安定範囲が極め
て狭くしか設定できないことが分った。すなわち、V_SUB
が大きい方V_SUBMXは過剰電荷を吸い取り、信号電荷は吸
い出さない電圧で決まり、小さい方V_SUBMNはｎ基板から
ｐウエルへ偽電荷が注入されない電圧である。このV
_SUBMXとV_SUBMNの電圧範囲が0.5V程度しかとれないこと
が分った。これでは温度や供給電源の安定性を考えると
実用上問題となる。素子設計では5V程度を見込んで設計
してあるにもかかわらず、0.5V程度しかとれない原因を
究明したところ、ｐウエル層は転送電極に印加するクロ
ックパルスに対して、印加時大きく変動していることが
分った。ｐウエル層はできるだけ電位を安定させるコン
タクトを設ける構造により多少の改善が認められる程度
で、依然実用上は問題となる。

（発明の目的） 本発明は、前述のような問題点を解消するためのもの
で、フリッカの無い安定した電荷転送撮像装置の駆動方
法を提供しようとするものである。

（発明の構成） 本発明は、２次元的に複数分離配列された光電変換領域
と、この光電変換領域に対応させて一つおきに第1,第２
垂直転送電極群を配置し、この第1,第２垂直転送電極群
に４相駆動パルスを印加して前記光電変換領域の蓄積電
荷を前記第1,第２垂直転送電極群に転送させ、かつ前記
光電変換領域の蓄積電荷を所定の方向に転送させる垂直
電荷転送レジスタと、前記垂直電荷転送レジスタの並列
転送電荷を順次読み出す水平転送電荷読出しレジスタと
を有する電荷転送撮像装置の駆動方法において、前記光
電変換領域の隣接する２画素の蓄積電荷のうち一方の画
素における蓄積電荷の前記第１垂直転送電極群への転送
を開始し、ついで前記一方の画素とは異なるタイミング
で他方の画素における蓄積電荷の前記第２垂直転送電極
群への転送を開始し、前記第1,第２垂直転送電極群への
電荷転送が完了したのち、垂直電荷転送レジスタ内で前
記第1,第２垂直転送電極群の電荷を混合し、この混合し
た電荷を前記水平転送電荷読出しレジスタに転送するこ
とにより、フリッカが無く、バイアス電圧V_SUBに広い安
定性を持たせる構成としたものである。

（実施例の説明） 第６図は、本発明の一実施例によるクロックパルスの波
形の一例を示す図であり、４相駆動パルスと垂直ブラン
キング時間t₁でのＡフィールド拡大図が示してある。

ダイオードの蓄積電荷は垂直電荷転送レジスタの転送電
極φ_V2,φ_V4に転送されるため、この転送電極に最も高
い電圧が印加される。この最も高い電圧はφ_V2に印加さ
れて0.5μsec後にφ_V4に印加される実施例となってい
る。すなわち、φ_V2対応のフォトダイオードの蓄積電荷
をφ_V2に転送開始してから、0.5μsec後に、φ_V4対応の
フォトダイオードの蓄積電荷をφ_V4に転送開始し、φ_V2
への蓄積電荷の移動が完了した後にφ_V4への蓄積電荷の
移動が完了する。そして蓄積電荷の移動が完了した後、
φ_V2の電荷とφ_V4の電荷とを混合して、順次出力してい
く。φ_V1,φ_V3は、フォトダイオードの蓄積電荷がφ_V2,
φ_V4へ転送されるときは閉じており、従来問題であった
容量結合による電荷の漏洩によるフリッカを防止する役
目を果している。このため相補性のないクロックパルス
であるがフリッカは発生することはない。

本実施例においてはV_SUBMXとV_SUBMN間の電圧範囲ΔV_SUB
は約5Vで安定した動作を示した。φ_V2とφ_V4のパルス印
加時間の時間差t₃とΔV_SUBを調べたところ、同時に印加
したとき0.5V程度のものが、0.2μsec程度でほぼ一定し
たΔV_SUBが得られ、5V程度が確保できることが明らかと
なった。

上記の例は、φ_V2,φ_V4の高い電圧を加えるパルス間に
重なりがある場合を述べたが、重なりの無い状態の時間
差になっても、その効果は同じく得られる。高いパルス
V_Hを加えた時、この印加時に最も大きく影響を受けるこ
とが予想され、これを時間をおくことにより軽減された
と考えられる。

（発明の効果） 以上説明したような、本発明の駆動方法により撮像素子
の撮像を行ったところ、フリッカは全然認められず、ア
ンプの利得を上げて使うカラー撮像でも、全照度にわた
ってフリッカは無くなり、このような状態でブルーミン
グ抑制のためのｐウエル層とｎ基板に加える安定範囲も
5Vで実用上の問題は無くなるという効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電荷転送撮像装置の構成を示す図、第２
図は画素近傍の構造を示す断面図、第３図（ａ）はブル
ーミングの抑圧機能を示すための説明図、第３図（ｂ）
は垂直電荷転送レジスタへ印加されるクロックパルスの
一例を示す図、第４図はフィールド蓄積動作の印加クロ
ックパルスを示す図、第５図は従来例における駆動パル
スを示す図、第６図は本発明の一実施例によるクロック
パルスの波形の一例を示す図である。 １……光電変換蓄積ダイオード、２……垂直電荷転送レ
ジスタ、３……水平転送電荷読出しレジスタ、９……垂
直電荷転送レジスタのチャンネル（埋め込み層）、10…
…垂直転送電極、11……チャンネルストッパー、12……
光遮蔽膜、13……絶縁膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２次元的に複数分離配列された光電変換領
   域と、この光電変換領域に対応させて一つおきに第1,第
   ２垂直転送電極群を配置し、この第1,第２垂直転送電極
   群に４相駆動パルスを印加して前記光電変換領域の蓄積
   電荷を前記第1,第２垂直転送電極群に転送させ、かつ前
   記光電変換領域の蓄積電荷を所定の方向に転送させる垂
   直電荷転送レジスタと、前記垂直電荷転送レジスタの並
   列転送電荷を順次読み出す水平転送電荷読出しレジスタ
   とを有する電荷転送撮像装置の駆動方法において、 前記光電変換領域の隣接する２画素の蓄積電荷のうち一
   方の画素における蓄積電荷の前記第１垂直転送電極群へ
   の転送を開始し、ついで前記一方の画素とは異なるタイ
   ミングで他方の画素における蓄積電荷の前記第２垂直転
   送電極群への転送を開始し、前記第1,第２垂直転送電極
   群への電荷転送が完了したのち、垂直電荷転送レジスタ
   内で前記第1,第２垂直転送電極群の電荷を混合し、この
   混合した電荷を前記水平転送電荷読出しレジスタに転送
   することを特徴とする電荷転送撮像装置の駆動方法。
2. 【請求項２】一方の画素の蓄積電荷が前記垂直転送電極
   群に対して転送完了した時点と、他方の画素の蓄積電荷
   が前記垂直転送電極群に対して転送完了した時点とが異
   なることを特徴とする特許請求範囲（１）項記載の電荷
   転送撮像装置の駆動方法。