JPS5945780A - 固体撮像装置 - 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を用いたテレビジョンカメラに関
するものである。

従来例の構成とその問題点 固体撮像素子には、電荷結合型（ＣＣＤ型）撮像素子、
Ｘ−Ｙアドレス型（ＭＯＳ型）撮像素子等いくつかの方
式のものがあり、各々が長所・欠点を併せ持っている。

周知の如く固体撮像素子は、被写体像からの光信号を電
気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部により
得られた光信号電荷を読み出すだめの走査部とから構成
でれている。一般的には光電変換素子としてはフォトダ
イオードが用いられ、走査部としてはＣＣＤもしくはシ
フトレジスタとＭＯＳスイッチの組み合せが用いられて
いる。

第１図は周知のＭＯＳ型撮像素子の等節回路である。１
は光電変換素子としてのフォトダイオード、２は垂直読
み出しスイッチとしてのＭＯＳ−ＦＥＴ、３は垂直信号
線、４は水平読み出しスイッチとしてのＭＯＳ−ＦＥＴ
、５は垂直走査回路、６は垂直読み出しスイッチを制御
するだめの垂直アドレス線、７は水平走査回路、８は水
平信号線、９はプリアンプである。

この固体撮像素子の動作は、垂直走査回路６．Ｊ：りの
走査パルスを垂直アドレス線６を介して垂直読み出しス
イッチであるＭＯＳ−ＦＥＴ２のゲートに印加しＭＯＳ
−ＦＥＴ２全ＯＮσぜてフォトダイオードにより得られ
た光信号電荷を垂直信号線３へ移送する。その後、水平
走査回路７エりの走査パルスを水平読み出しスイッチで
あるＭＯＳ−ＦＥＴ４のゲートへ印加しＭＯＳ−ＦＥＴ
４を順次導通ζせて水平信号線８を介してプリアンプ９
へ光信号電荷を導き、プリアンプ出力端から映像信号と
して取シ出すものである。ここで、光電変換素子として
のフォトダイオード１、垂直読み出しスイッチとしての
ＭＯＳ−ＦＥＴ２は一体化構造として作られる。

第２図に、このものにおける受光部の１エレメントの基
本的な構造平面図を示す。第２図において、１ｏはフォ
トダイオード、１１はドレイン、１２はゲート、１３は
垂直アドレス線、１４は垂直信号線である。これら１０
，１１．１２で１つのＭＯＳ−ＦＥＴが構成されており
、フォトダイオード１ｏがソースとなっている。また、
ドレイン１１は垂直信号線と結合でれている。一般的に
垂直アドレス線１３はポリシリコン、垂直信−８線１４
はアルミニウム線である。

第２図のＸ−Ｘ断面図を第３図に示す。第３図ニオいて
、シリコン基板はＰ型であり、フォトダイオード（ソー
ス）１０．ドレイン１１はそれぞれＮ型となるように不
純物が拡散されている。ゲート１２は酸化膜１６の上に
配され、垂直信号線１４は酸化膜ｉ５，１６の上に配さ
れており、さらに酸化膜１７に工り撮像素子の表面全保
護している。

この構成よりなるＭＯＳ型撮像素子を用いて第４図のよ
うな中央部ａが明るい被写体全撮像し、その撮像して得
られた映像信号をテレビ受像機に再生すると、第６図の
ように中央部の明るい部分　−ａｌｌ外に画面の上方、
下方に等しい疑似的に少し明るい部分す、ｃが発生する
。この疑似信号がスメアである。

次に、この工うなスメアの発生原因について述べる。

スメアは第６図に示したように明るい被写体像（ａ領域
）の上方（ｂ領域）、下方（Ｃ領域）に等しく発生する
が、これは、明るい被写体像（ａ領域）によって発生し
た光信号電荷が、領域ａのフォトダイオードのみに捕捉
されずに光信号電荷の一部が直接ドレインへ捕捉される
ために生じる。

すなわち、撮像素子の垂直走査は領域すもしくは領域Ｃ
を走査していても垂直信号線に蓄積された光信号電荷は
水平走査が行われる度に読み出されるためである（垂直
信号線には、垂直（夕ＩＤ方向の一列のドレインが全て
接続されている）。

ここで、光信号電荷がドレインに直接捕捉される主な原
因を第３図を用いて説明する。

第３図においては、スメア発生の原因となる光の入射系
路を３種顕示している。

糸路■では入射光に含まれる弦長の長い光は半導体の深
部まで侵入し、フォトダイオード１０を通過し、Ｐ型基
板中において光信号電荷全発生させる。この電荷の一部
分はドレイン１１に吸収される。

糸路■では、ゲート電極１２はポリシリコンであるため
、入射光は容易にゲート電極を通過しＰ型基板中に光信
号電荷を発生させる。この電荷の一部分はドレイン１１
に吸収される。

糸路■では、入射光の多重反射や斜め入射の光が直接ド
レイン１１に入射されてしまい、ドレイン１１において
光信号電荷が発生する。この電荷はドレイン１１に捕捉
された壕まとなる。

また直接の入射光によるものではないが、糸路■として
、フォトダイオードにより発生した光信号電荷の一部が
Ｐ型基板を横方向に拡散してドレイン１１に吸収される
。これ等により、ドレイン１１にはスメア信号電荷が蓄
積される。

したがって、スメア信号による疑似像は第６図に示すよ
うに明るい像の上方と下方に等しく発生する。

また、第２図に示した垂直アドレス線１３はポリシリコ
ンで構成でれているため、入射光は容易に前記垂直アド
レス線を通過しＰ型基板中に光信号電荷を発生させる。

この電荷の一部は前述の如くドレイン１１に吸収され、
一部はフォトダイオード１０に吸収でれる。艶２図にお
いて、例えば垂直アドレス線１３のｄ点に入射した光に
より発生した光信号電荷は、フォトダイオード１０！Ｌ
。

１０ｂ　、１０Ｃ，１０ｄにそれぞれ一部ずつ吸収され
る。これは各フォトダイオードにとってみれば等測的に
光のクロストークとなるため、垂直（列）、゛水平（行
）方向それぞれの変調度全低下はぜる原因となる。ζら
にドレイン１１にも光信号電荷の一部は吸収てれるため
スメアの発生原因にもなる。現在の一般的な固体撮像素
子は水平方向４００画素画素面方向５００画素程度であ
り、しかも％インチサイズ光学系を用いる関係上、受光
部の１エレメント（画素）の寸法は水平方向２４μｍ、
垂直方向１４μｍ程度である。さらに固体撮像素子は半
導体ＩＣプロセスを用いて製造するため、例えば垂直信
号線１４のアルミニウム線、垂直アドレス線１３のポリ
シリコン、ゲート電極１２のポリシリコンの幅は３μｍ
以上は必要である。ざらに実際にＩＣ設計のルールによ
り受光部を設計すれば受光部の１エレメントに占めるフ
ォトダイオードの割合は３ｏ％程度となる。固体撮像素
子の画質を決定する要因としてＳＲ比があるが、前記Ｓ
Ｒ比はフォトダイオードの面積が太きい、すなわち受光
部の１エレメントに占めるフォトダイオードの割合が大
きい程ＳＮ比の良好な固体撮像素子を得る事ができる。

前記の目的のために実際のＩＣ設計ルールにより設計し
た受光部を第６図に示す。

第６図において、１０６．１Ｏｆは光電変換素子として
のフォトダイオード、１１はドレイン。

１２ａ、１２ｂはゲート、１３１Ｌ　、　１３ｂは垂直
アドレス線、１４は垂直信号線である。ここではフォト
ダイオードの面積を広くするためにフォトダイオード２
個に対してドレインを１個配している。つまシ、フォト
ダイオード１０ｅｌ、１０ｆに対してフォトダイオード
１１を配している。このようにすれば受光部に対してフ
ォトダイオードの占める割合は３６％〜４０９６にする
事ができる。

但し、垂直、水平方向の変調度の低下、スメアの発生に
ついては、第２図の場合と何ら変らない。

前記のスメア発生、垂直、水平方向の変調度低下を防止
するには、受光部において、光電変換素子すなわちフォ
トダイオード部分以外に入射光が照射されないように、
フォトダイオード部以外全マスクし遮光すればよい。

第７図は前記遮光を目的としてアルミニウムマスク１８
゛によりフォトダイオード部以外をマスクした様子を示
す図である。なお第６図に示したアルミニウム線で構成
された垂直信号線１４土はアルミニウムマスク１８によ
り二重に遮光する必要ｌｄフイ７％、第７図の如きアル
ミニウムマスク１８の形状とした方が製造が容易である
ためにこのような形状としている。第７図に示した如き
受光部の構成とすれば、垂直、水平方向の変調度の低下
及びスメア発生の主要因は除去されるため、画質の良好
な撮像素子を得ることができる。

ところが、実際に撮像素子を製造する半導体ＩＣ７’ロ
セスにおいて、ＩＣマスクの位置合せ誤差は０６〜１μ
ｍ以上存在する。つまり第７図に示した如き構成の受光
部において遮光用アルミニウムマスク１８が垂直（列）
方向の下部の方向にずれて配置された場合ｎ　（Ｈ）の
水平走査出方信号とｎ−４−１（Ｈ）の水平走査出力信
号の振幅は異なってしまう。第４図に示した被写体を撮
像した場合のｎ（Ｈ）　、　ｎ−１−１（Ｈｌの水平走
査出刃信号全第８図に示す。このような撮像素子出力信
号をテレビジョン受像機に供給し再生するとテレビジョ
ン画面上では１水平走査線おきに映像信号の濃淡が生じ
る、いわゆるライン濃淡現象が生じる。このライン濃淡
現象は、第４図に示した明るい像の部分に現われ、画質
を著るしく損ねるものである。寸だライン濃淡現象は入
射光が無い場合には発生しない事は言うまでもない。

発明の目的 本発明は固体撮像素子がらの出力信号振幅が水平ライン
おきに周期的に変化するだめに生じるライン濃淡現象を
除去し良好な画質を得るものである。

発明の構成 前記目的を達成するため、各水平ラインの映像信号のダ
ークレベルを変化させることなく、映像信号の振幅を、
１水平ラインもしくは複数の水平ラインおきにライン濃
淡が発生しない方向に変化させる。

実施例の説明 以下本発明による固体撮像装置のライン濃淡補正の第１
の実施例を第９図を用いて説明する。

１９は第７図において説明した固体撮像素子、２０は固
体撮像素子の駆動及び信号処理用ノクパルス発生器、２
１はトランジスタ、２２は抵抗であり２１．２２でエミ
ッタフォロワを構成しており、固体撮像素子１９の出力
信号を受けるだめの７＜ツファである。２３はコンデン
サ、２４はトランジスタ、２５は電源であり、２３〜２
５に工りクランプ回路を構成している。トランジスタ２
４のベースにはパルス発生器２ｏからクランプ回路（パ
ルス力玉供給されている。固体撮像素子１９の出力信号
のダークレベルは電源２６の電位にクランプ”されてい
る。２６ａ　、２６ｂは電流源、２７．２Ｂ、２９゜３
０．３１．３２はトランジスタ、３３，３４゜３６は抵
抗、３６は電源である。２６〜３６によりゲインコント
ロールアンプが構成でれている。

３７は差動増幅器であり入力端子はトランジスタ３０．
３１のコレクタに各々接続でれている。

３８は映像信号の出力端子である。トランジスタ３０．
３１のベースにハケインコントロール信号がパルス発生
器２ｏから供給σれている。

・次に動作の説明をする。撮像素子出力信号は第８図に
示した形のものとして説明する。第１０図において（＋
Ｌ）はトランジスタ２７のベース波形である。トランジ
スタ２７．２８のベース電位は同一である。いま、トラ
ンジスタ３０．３１のベースにゲインコントロール信号
が供給きれていなければトランジスタ２９，３０，３１
．３２のベース電位は同一であるため、トランジスタ３
０　、３１のコレクタには第１０図（ｂ）　、　（Ｃ１
の波形が現われる。

仄にトランジスタ３０．３１のＡ′、−スに第１０図（
ｄｌの波形のゲインコントロール信号を供給し、前記ゲ
インコントロール信号のレベルを調整すればトランジス
タ３０．３１のコレクタには第１０図（ｅｌ　、　（ｆ
）の波形が現われ、差動増幅器３７の出力端子３８から
ライン濃淡の補正された映像信号第１０図ｆｑｌを得る
事ができる。

次に本発明による第２の実施例を第１１図、第１２図を
用いて説明する。

第１１図において、１っけ第７図において説明した固体
゛撮像素子、２０は固体撮像素子の駆動及び信号処理用
パルス発生器、２１はトランジスタ、２２は抵抗でろｐ
２１．２２でエミッタフォロワを構成しており、固体撮
像素子１９の出力信号を受けるためのバッファの役割を
果している。３９１Ｌ。

３９ｂは一般のゲインコントロールアンプ、４０２Ｌ。

４０　ｂはクランプ回路である。クランプ回路４０２Ｌ
４０ｂにはパルス発生器２０からクランプパルスが供給
されており、固体撮像素子１９からの出力信号はゲイン
コントロールアンプ３９２Ｌ　、３９ｂにより適当に増
幅された後、前記撮像素子出力信号のダークレベルはク
ランプ回路４ｏｆＬ、４０ｂにより同一電位にクランプ
でれている。４１はアナログスイッチでありクランプ回
路４０１Ｌ、４０　ｂの出力信号全パルス発生器２０か
らのコントロールパルスにより交互に選択する。４２は
アナログスイッチの出力端子である。

次に本実施例２の動作を説明する。撮像素子出力信号は
第８図に示しだ形のものとして説明する。

第１２図において（ｈｌはトランジスタ２１のベース波
形であり、１水平ラインおきに映像信号振幅が異な９、
ライン濃淡が発生している。この信号をゲインコントロ
ールアンプ３９ａ　、３９ｂに供給し、それぞれ異なっ
た増幅率で増幅する、この時ゲインコントロールアンプ
の増幅率を設定する際に例えば、３９ａの出力信号はｎ
（Ｈ）の信号振幅、３９ｂの出力信号はｎ　＋１（Ｈｌ
の信号振幅に着目し、そめ両者が等しくなるように設定
する。ゲインコントロールアンプ３９１Ｌ　、３９ｂの
出力信号波形を第１２図［ｂ）　、　（Ｃ１に示す。前
記ゲインコントロールアンプの出力信号全クラ／プ回路
４０ａ、４０ｂに供給し信号のダークレベルを同一の電
位にクランプする。クランプ回路４０ａ　、４０ｂの出
力信号を第１２図（（１１、（６１に示す。前記、クラ
ンプ回路の出力信号全アナログスイッチ４１に供給し、
第１２　図（ｆ）に示スコントロールパルスにより、ア
ナログスイッチを切り換え、映像信号を出力端子４２か
ら得る、アナログスイッチ出力信号を第１２図（ｑ）に
示す。第１２図（ｑｌの波形から明らかなようにアナロ
グスイッチ出力端子４２からはライン濃淡の補正でれた
信号が得られる。

本実施例においては１水平ラインおきに信号振幅が変化
する場合について説明したが、受光部の構成にニジ複数
の水平ラインにわたって信号振幅が変化する場合もある
が、その場合においても本発明は適応できる、すなわち
、第２の実施例において、ゲインコントロールアンプ及
びクランプ回路を増設し、アナログスイッチの入力端子
を増設し、コントロールパルスを所望の切り換えができ
るように変化させればよい事は言うまでもない。

更に本発明において、ライン濃淡の発生原因を受光部の
遮光用アルミニウムマスクの位置合せずれとして説明し
たが、その他、例えば、１個の撮像素子と色分解用フィ
ルタの組み合せを用いる単板式カラーカメラにおける、
撮像素子と色分解用フィルタとの位置ずれ、あるいは色
分解用フィルタの製作精度等全原因とする、あらゆるラ
イン濃淡の補正に本発明は適応できる。

発明の効果 本発明によれば、固体撮像素子からの出力信号により得
られた映像信号の振幅が、１水平ラインおき、もしくは
複数の水平ラインおき、あるいは複数の水平ラインにわ
たって変化するために生じるライン濃淡を簡単な構成に
より補正する事ができるため、ライン濃淡の生じない良
好な画像を得る事ができる。また本発明を適用する事に
より、従来不良品とされていた固体撮像素子を良品とし
て扱う事も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭＯ８型固体撮像素子の構成図、第２図はＭＯ
８型固体撮像素子の受光部を示す図、第３図はＭＯ８型
固体撮像素子においてスメアが発生す−る原理を示す図
、第４図は被写体の一例を示す図、第５図はスメアの現
象を示す図、第６図はＭＯ８型固体撮像素子の実際の受
光部構成を示す図、第７図はスメア等の対策を施したＭ
Ｏ８型固体撮像素子に遮光用アルミニウムマスクラ施し
た図、第８図は第７図の固体撮像素子のライン濃淡の発
生した出力信号を示す図、第９図は本発明による第１の
実施例を示す図、第１０図は第９図の各部の信゛号波形
を示す図、第１１図は本発明の第２の実施例を示す図、
第１２図は第１１図における各部の信号波形を示す図で
ある。 １９・・・・・・固体撮像素子、３９ａ　、３９ｂ・・
・・・・ゲインコントロールアン７−．４ｏａ、４０ｂ
・・・・・・クランプ回路、４１・・・・・・アナログ
スイッチ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図 第４図 第１０図 第１Ｏ図 第１１図 第１２図 山　　　　　　　　　時間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水平（行）方向および垂直（列）方向に配列した複数個
   の光電変換素子からなる受光部により被写体像からの光
   信号を光電変換し、前記光電変換して得られた信号電荷
   を走査もしくは転送して撮像素子出力信号を得る固体撮
   像素子を備え、この固体撮像素子は水平方向の各光電変
   換素子列の感度に差が存在し、１水平ラインおき、もし
   くは複数のラインおき、あるいは複数の水平ラインにわ
   たって、各水平ラインの出力信号のダークレベルを変化
   させることなく、振幅を１水平ラインごとに変化させる
   ことを特徴とする固体撮像装置。