JP2005269060A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、高速フレームレート化を可能にしたCCD固体撮像素子及びその駆動方法に関する。
近年、CCD固体撮像素子を搭載したビデオカメラでは、TV(テレビジョン)方式と無関係にカメラ部分を高速で撮像してスロー再生を行う要望が強く、また、CCD固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラでは、多画素化に伴い連写速度が低下してしまうことが問題視され、撮像素子の高速化が求められている。
図9は、従来のCCD固体撮像素子及びその駆動方法の例を示す。図9Aは、インターライン転送(IT)方式のCCD固体撮像素子に適用した要部、すなわち撮像領域から水平転送レジスタ、さらに出力部に至る要部を示す。
本例のCCD固体撮像素子30は、画素となる複数の受光センサ31がマトリクス(行列)状に配列され、各受光センサ列に対応して複数のCCD構造の垂直転送レジスタ33が形成され、各垂直転送レジスタ33の最終段に接続するようにCCD構造の水平転送レジスタ34が形成され、水平転送レジスタ34の後段に出力部36が接続されて構成される。
本例のCCD固体撮像素子30は、画素となる複数の受光センサ31がマトリクス(行列)状に配列され、各受光センサ列に対応して複数のCCD構造の垂直転送レジスタ33が形成され、各垂直転送レジスタ33の最終段に接続するようにCCD構造の水平転送レジスタ34が形成され、水平転送レジスタ34の後段に出力部36が接続されて構成される。
垂直転送レジスタ33は、1つの受光センサ31に2つの垂直転送電極が対応するように形成され、4相の垂直転送パルスφV1,φV2,φV3,φV4で信号電荷を垂直方向に転送駆動するように構成される。すなわち4つの転送電極32〔321,322,323,324〕に夫々垂直転送パルスφV1,φV2,φV3,φV4が印加されるようになされる。この例では、受光センサ31の位置に対応して転送電極321,323が形成される。垂直方向の最終に位置する受光センサ31は、垂直転送パルスφV1が印加される転送電極321に対応している。
垂直転送レジスタ33は、最終段の1ビット分の転送電極(φV1〜φV4が印加される転送電極)321〜324を介して水平転送レジスタ34に接続される。各転送電極321〜324は、夫々各垂直転送レジスタ33に共通となるように、水平方向に延長して形成される。
水平転送レジスタ34は、各垂直転送レジスタ33に対応して2つの水平転送電極35〔351,352〕が対応するように成され、2相の水平駆動パルスφH1,φH2で信号電荷を水平方向に転送駆動するように構成される。
このCCD固体撮像素子30では、受光センサ31において受光され光電変換して受光量に応じた信号電荷が蓄積される。この受光センサ31の信号電荷は、垂直ブランキング期間に受光センサ31から垂直転送レジスタ33へ読み出され、以後、水平ブランキング期間に1水平ライン毎の信号電荷が垂直転送され、いわゆる垂直ラインシフトが行われて、水平転送レジスタ34に転送される。そして、水平転送レジスタ34に転送された信号電荷は水平有効転送期間に水平方向に転送され、出力部36を通じて出力される。
従来のCCD固体撮像素子における信号電荷の垂直ラインシフトは、TV方式の水平ブランキング期間中に垂直転送パルス(φV1〜φV4)で転送駆動するように設計されていた。垂直ラインシフトの駆動タイミングを図9Bに示す。図9Bに示すように、信号電荷の垂直ラインシフトは、水平ブランキング期間Hbに4相の垂直駆動パルスφV1〜φV4によって、例えばφV2,φV3に対応した転送電極322,323に待機していた水平転送レジスタ34へラインシフトされる。すなわち、転送電極324の垂直駆動パルスφV4の立ち下がりで信号電荷が水平転送レジスタ34の各水平駆動パルスφH1が印加される転送電極351へ転送される。なお、図示しないが垂直ラインシフト時の、水平ブランキング期間の垂直転送電極321〜324に印加される各垂直駆動パスルφV1〜φV4の立ち上がり及び立ち下がりの傾きΔV/ΔT(ΔVは電圧、ΔTは時間を指す)、いわゆるトランジェントスピード(ΔV/ΔT)は、垂直ブランキング期間に垂直転送電極321〜324に印加される垂直転送パルスφV1〜φV4のトランジェントスピード(ΔV/ΔT)と同じにしている。図9Bでは駆動パルスが垂直に立ち上がり、立ち下がる矩形パルスで示している。
一方、例えば、CCD固体撮像素子を用いたビデオカメラの電子手ぶれ補正時の動作や、放送業務用のフレームインターライン転送(FIT)方式のCCD固体撮像素子では、垂直ブランキング期間に高速の垂直転送を必要としている。
また、CCD撮像素子において水平ブランキング期間に4相の垂直転送パルスによって垂直ラインシフトを行うことが、提案されている(例えば特許文献1の図3参照)。
特開2000−138943号公報
従来、上述したCCD固体撮像素子においては、垂直ラインシフト及び垂直高速転送を、同一特性の垂直駆動走査回路、いわゆる垂直ドライバで駆動しており、一般的にスピードの速いCMOSタイプの垂直ドライバが用いられている。したがって、水平有効走査期間にこの垂直転送を行うと、垂直転送パルス(φV1〜φV4)が印加される瞬間に、CCD固体撮像素子内でクロストークによるノイズが発生する。すなわち、水平有効走査期間中に垂直転送を行うときは、ドライバ波形の立ち上がり及び立ち下がりでのトランジェントスピード、すなわち垂直転送パルス(φV1〜φV4)の立ち上がり及び立ち下がりの傾きΔV/ΔTが大きいため、CCD出力信号にクロストークノイズがのり、縦筋の画像ノイズが表われる。
しかし、垂直ラインシフトを行う場合、この垂直転送パルス(φV1〜φV4)の印加は、水平ブランキング期間であれば、画像への弊害は出ないため、従来のCCD固体撮像素子では、この水平ブランキング期間に転送するような電極抵抗値で設計されてきた。
しかし、垂直ラインシフトを行う場合、この垂直転送パルス(φV1〜φV4)の印加は、水平ブランキング期間であれば、画像への弊害は出ないため、従来のCCD固体撮像素子では、この水平ブランキング期間に転送するような電極抵抗値で設計されてきた。
TV方式が主流であったころは、そのTV方式で水平ブランキング期間が定義されていたので、水平ブランキング期間内に垂直ラインシフトを行うことができれば十分であった。
しかし、TV方式とは無関係に多画素化、高フレームレート化を行おうとすると、垂直ラインシフトに必要な水平ブランキング期間が無駄な時間となり、高フレームレート化の障害となっていた。このため、水平ブランキング期間を短縮する必要があるが、これには、転送電極の低抵抗化が必要になる。そして、低抵抗化を図るためには、転送電極の膜厚を厚くする必要がある。このためセンサ開口周囲の段差が高くなってしまい、光が入射されたとき斜め光のケラレが発生し、感度低下やシェーディングの発生を引き起こすという問題があった。
しかし、TV方式とは無関係に多画素化、高フレームレート化を行おうとすると、垂直ラインシフトに必要な水平ブランキング期間が無駄な時間となり、高フレームレート化の障害となっていた。このため、水平ブランキング期間を短縮する必要があるが、これには、転送電極の低抵抗化が必要になる。そして、低抵抗化を図るためには、転送電極の膜厚を厚くする必要がある。このためセンサ開口周囲の段差が高くなってしまい、光が入射されたとき斜め光のケラレが発生し、感度低下やシェーディングの発生を引き起こすという問題があった。
このように、高フレームレート化を行う際、TV方式でないCCD固体撮像素子を用いるデジタルスチルカメラ等の電子機器では、信号の出力レートを上げても、水平ブランキング時間が多くなり、ある一定以上高速にすることはできなかった。
本発明は、上述の点に鑑み、水平ブランキング期間を大幅縮め、高フレームレート化を実現するCCD固体撮像素子及びその駆動方法を提供するものである。
本発明に係るCCD固体撮像素子は、マトリックス状に配列された画素と、画素からの信号電荷を垂直転送する垂直転送レジスタと、垂直転送レジスタからの1水平ライン毎の信号電荷を水平転送する水平転送レジスタを有し、垂直転送が水平有効走査時間に行われ、垂直転送時の垂直転送レジスタに、駆動クロック波形の立ち上がり及び立ち下がりで発生するクロストークノイズを相関二重サンプリング回路で除去できるようなトランジェントスピードΔV/ΔT(ただしΔVは電圧、ΔTは時間)となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有した駆動クロック波形が供給されるようにして成ることを特徴とする。
本発明のCCD固体撮像素子では、信号電荷の垂直転送が水平有効走査期間に行われるので、水平ブランキング期間の短縮が可能になり、高速化を行うことができる。垂直転送時の垂直レジスタには、相関二重サンプリング回路でクロストークノイズを除去できる程度にトランジェントスピードの遅い駆動クロック波形が供給されるので、クロストークノイズは低域ノイズとなるので、後段の相関二重サンプリング回路で除去できる。
本発明に係るCCD固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して1水平ライン毎に垂直転送し、1水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するCCD固体撮像素子の駆動において、前記信号電荷の垂直転送を、前記水平有効走査期間に行い、前記垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、駆動クロック波形の立ち上がり及び立ち下がりで発生するクロストークノイズを相関二重サンプリング回路で除去できるようなトランジェントスピードΔV/ΔT(ただしΔVは電圧、ΔTは時間)となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有した駆動クロック波形を供給するようにしたことを特徴とする。
本発明に係るCCD固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して1水平ライン毎に垂直転送し、1水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するCCD固体撮像素子の駆動において、信号電荷の垂直転送を水平有効走査期間に行い、垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、ブランキング期間中の高速転送の駆動クロック波形よりも立ち上がり及び立ち下がりの傾きが小さい駆動クロック波形を供給するようにしたことを特徴とする。
上記駆動クロック波形は、前記トランジェントスピードΔV/ΔTが、50mV/nsec以下(ただし、0を含まず)となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有することが好ましい。垂直転送時の駆動クロック波形としては、立ち上がり及び立ち下がりの角に丸みを帯びさせた駆動クロック波形を用いるのが好ましい。また、垂直転送には、定電流駆動を用いるのが好ましい。
本発明のCCD固体撮像素子の駆動方法では、信号電荷の垂直転送を水平有効走査期間に行い、垂直転送時の垂直転送レジスタには、相関二重サンプリング回路でクロストークノイズを除去できる程度に低速となるような、立ち上がり及び立ち下がりの傾きを小さくした駆動クロック波形を供給することにより、その立ち上がり及び立ち下がりにおけるトランジェントスピードが遅くなり、CCD出力にクロストークノイズが生じても、このクロストークノイズは低域ノイズとなるので、後段の相関二重サンプリング回路で除去することができる。このため、水平ブランキング期間を短縮することができ高速化を行うことができる。
本発明に係るCCD固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して1水平ライン毎に垂直転送し、1水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するCCD固体撮像素子の駆動において、信号電荷の垂直転送を、水平有効走査期間に行い、垂直転送時の垂直転送レジスタには、信号期間に変動なくリセット期間に変動する階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動クロック波形を供することを特徴とする。垂直転送には、パルス電流駆動を用いるのが好ましい。
本発明のCCD固体撮像素子の駆動方法では、信号電荷の垂直転送を水平有効走査期間に行い、垂直転送時の垂直レジスタには、信号期間に変動がなくリセット期間に変動するような階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動クロック波形が供給される。この階段状の立ち上がり及び立ち下がりにおいて、信号期間の駆動クロック変化がなく、各リセット期間のクロストークノイズは、相関二重サンプリング回路のクランプパルス及びサンプルホールドパルス間の期間は影響されず、相関二重サンプリング回路の出力に重畳されることが無くなる。このため、水平ブランキング期間を短縮することができ高速化を行うことができる。
本発明に係るCCD固体撮像素子によれば、水平ブランキング期間を短縮することができ、高フレームレート化を実現できる。
本発明のCCD固体撮像素子の駆動方法によれば、水平ブランキング期間を短縮でき、高フレームレート化を実現することができる。垂直転送パルスは、比較的低速で動作させればよく、垂直転送電極の薄膜化を行うことができる。よって、センサ開口周囲の段差を減らすことができるので、斜め光の集光効率が向上し、感度を向上することができる。
垂直転送電極の薄膜化を図ることができるので、センサ開口周囲の段差を減らすことができ、画素セルの微細化、多画素化と高速化とを両立することが可能となる。
垂直転送電極の薄膜化を図ることができるので、センサ開口周囲の段差を減らすことができ、画素セルの微細化、多画素化と高速化とを両立することが可能となる。
駆動クロック波形として、立ち上がり及び立ち下がりの傾きを小さくすると共に、波形の角に丸みを帯びた駆動クロック波形を用いるときは、さらにトランジェントスピードが遅くなり、クロストークノイズがより低域ノイズとなり、後段の相関二重サンプリング回路での除去が容易になる。
垂直転送に定電流駆動を用いることにより、立ち上がり及び立ち下がりの傾きの小さい駆動クロック波形を得て上述した水平有効転送期間内での垂直転送を可能にする。
垂直転送に定電流駆動を用いることにより、立ち上がり及び立ち下がりの傾きの小さい駆動クロック波形を得て上述した水平有効転送期間内での垂直転送を可能にする。
また、リセット期間と信号期間があることを利用してリセット期間にパルス電流で駆動し、駆動クロック波形として、その立ち上がり及び立ち下がりを信号期間に変動なくリセット期間に変動する階段状にすることにより、信号期間の駆動クロック変化をなくすことができ、よりクロストークノイズを低減することができる。これにより、水平ブランキング期間を短縮でき、高フレームレート化を実現することができる。垂直転送にパルス電流駆動を用いることにより、上記階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動クロック波形を得て水平有効転送期間内での垂直転送を可能にする。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係るCCD固体撮像素子の一実施の形態を示す構成図である。図1は、インターライン転送(IT)方式のCCD固体撮像素子に適用した要部、すなわち撮像領域から水平転送レジスタ、さらに出力部に至る要部を示す。
本発明に係るCCD固体撮像素子10は、画素となる複数の受光センサ11がマトリクス(行列)状に配列され、各受光センサ列に対応して複数のCCD構造の垂直転送レジスタ13が形成され、各垂直転送レジスタ13の最終段に接続するようにCCD構造の水平転送レジスタ14が形成され、水平転送レジスタ14の後段に出力部16及び相関二重サンプリング(CDS)回路17が接続されて成る。toutは出力端子である。
図1は、本発明に係るCCD固体撮像素子の一実施の形態を示す構成図である。図1は、インターライン転送(IT)方式のCCD固体撮像素子に適用した要部、すなわち撮像領域から水平転送レジスタ、さらに出力部に至る要部を示す。
本発明に係るCCD固体撮像素子10は、画素となる複数の受光センサ11がマトリクス(行列)状に配列され、各受光センサ列に対応して複数のCCD構造の垂直転送レジスタ13が形成され、各垂直転送レジスタ13の最終段に接続するようにCCD構造の水平転送レジスタ14が形成され、水平転送レジスタ14の後段に出力部16及び相関二重サンプリング(CDS)回路17が接続されて成る。toutは出力端子である。
垂直転送レジスタ13は、1つの受光センサ11に2つの垂直転送電極が対応するように形成され、4相の垂直転送パルスφV1,φV2,φV3,φV4で信号電荷を垂直方向に転送駆動するように構成される。すなわち4つの転送電極12[121,122,123,124]に夫々垂直転送パルスφV1,φV2,φV3,φV4を印加するようにしている。本例では、受光センサ11の位置に対応して転送電極121,123が形成される。垂直方向の最終に位置する受光センサ11は、垂直転送パルスφV3が印加される転送電極123に対応している。
垂直転送レジスタ13は、最終段の転送電極(φV4が印加される転送電極)124の後段に形成したストレージゲート部STG及びホールドゲート部HLGを介して水平転送レジスタ14に接続される。各転送電極121〜124、ストレージゲート部STGの転送電極21及びホールドゲート部HLGの転送電極22は、夫々各垂直転送レジスタ13に共通となるように、水平方向に延長して形成されている。
水平転送レジスタ14は、各垂直転送レジスタ13に対応して2つの水平転送電極15[151,152]が対応するように成され、2相の水平駆動パルスφH1,φH2で信号電荷を水平方向に転送駆動するように構成される。
そして、本実施の形態においては、図2のタイミングチャートに示すように、特に、信号電荷の垂直転送レジスタ13における垂直転送、すなわち垂直ラインシフトを水平有効走査期間3中に行い、水平ブランキング期間4を短縮するようにしている。このため、上述したように垂直転送レジスタ13の最終段の転送電極124を有する転送部と水平転送レジスタ14との間にストレージゲート部STGとホールドゲート部HLGが設けられる。
垂直ラインシフト時には、転送電極121〜124に4相の垂直転送パルスφV1〜φV4を印加し、ストレートゲージ部STGとホールドゲート部HLGに夫々ストレートゲート電圧φVSTG及びホールドゲージ電圧φVHLGを印加する。
一方、本実施の形態においては、垂直ラインシフトを水平有効走査期間3中に行うため、CCD転送部内での垂直駆動パルスφV1〜φV4、すなわちそのクロック波形の立ち上がりTr及び立ち下がりTf、いわゆるトランジェントによるクロストークノイズの影響を無くす必要がある。このため、本実施の形態では、図2Aに示すように、垂直ラインシフトの垂直駆動パルスφV1〜φV4における立ち上がりTr及び立ち下がりTfの傾きΔV/ΔT(ΔVはパルス電圧、ΔTは時間である)を小さくし、すなわちトランジェントスピードを遅くするようになす。ここで、トランジェントスピードΔV/ΔTは、垂直転送パルスφV1〜φV4を印加したときに発生するクロストークノイズをCDS回路17で除去できる程度に低速とする。
垂直駆動パルスφV1〜φV4のトランジェントスピードを遅くして実験を行ったところ、トランジェントスピードΔV/ΔTが、50mV/1nsec以下(但し、0を含まず)ならば、垂直ラインシフト時に発生する上記クロストークノイズがCDS回路17で除去され、水平有効走査期間3中に垂直ラインシフトを行っても固体撮像素子のCCD出力への画像ノイズ(縦筋)の影響を無くすことが確認された。すなわち、トランジェントスピードΔV/ΔTが50mv/1nsec以下(0を含まず)の垂直駆動パルスによるクロストークノイズは高い周波数成分がなく、CDS回路17で十分除去される。
因みに、従来の垂直ラインシフトの垂直転送パルスのトランジェントスピードΔV/ΔTは、約1V/1nsec程度あり、このような垂直転送パルスによるクロストークノイズは高い周波数成分が有りCDS回路では除去できない。
さらに、図3を用いて水平有効走査期間3中の垂直転送パルスφV1〜φV4のクロック波形について説明する。図3は、1つのクロック波形についての立ち上がりTr、立ち下がりTfの電圧ΔVと時間ΔTの変化を示している。この立ち上がりTr、立ち下がりTfの傾き、すなわちトランジェントスピードΔV/ΔTを遅くする(傾きをなだらかにする)ことで、垂直転送パルスφV1〜φV4が印加されて垂直ラインシフトするときCCD固体撮像素子10内で発生するクロストークノイズを、出力側に接続されたCDS回路17で除去することができる。
次に、上述の本実施の形態に係るCCD固体撮像素子の駆動方法について説明する。
CCD固体撮像素子10においては、受光センサ11で受光され光電変換されて、受光量に応じた信号電荷が受光センサ11に蓄積される。この受光センサ11の信号電荷は、垂直ブランキング期間5に受光センサ11から垂直転送レジスタ13へ読み出され、最下端に位置する受光センサ11に対応した信号電荷が垂直転送レジスタ13と水平転送レジスタ14間のストレージゲート部STGに転送される。
以後、水平ブランキング期間4で1水平ライン毎の信号電荷が垂直転送され、いわゆる垂直ラインシフトが行われて、水平転送レジスタ14に転送される。そして、水平転送レジスタ14に転送された信号電荷は水平有効走査期間3に水平方向に転送され、出力部16及びCDS回路17を通じて出力端子toutから出力される。
CCD固体撮像素子10においては、受光センサ11で受光され光電変換されて、受光量に応じた信号電荷が受光センサ11に蓄積される。この受光センサ11の信号電荷は、垂直ブランキング期間5に受光センサ11から垂直転送レジスタ13へ読み出され、最下端に位置する受光センサ11に対応した信号電荷が垂直転送レジスタ13と水平転送レジスタ14間のストレージゲート部STGに転送される。
以後、水平ブランキング期間4で1水平ライン毎の信号電荷が垂直転送され、いわゆる垂直ラインシフトが行われて、水平転送レジスタ14に転送される。そして、水平転送レジスタ14に転送された信号電荷は水平有効走査期間3に水平方向に転送され、出力部16及びCDS回路17を通じて出力端子toutから出力される。
上述した、垂直ラインシフトは、水平転送レジスタ14内の信号電荷を水平方向に転送している水平有効走査期間3に行われ、ストレージゲート部STGまで転送される。信号電荷の水平転送レジスタ14への転送は、ストレージゲート電圧φVSTGとホールドゲージ電圧φVHLGとにより、ストレージゲート部STGから水平転送レジスタ14へ転送するだけでよいので、従来に比べて水平ブランキング期間4が短縮される。
また、垂直ラインシフト時に印加される垂直転送パルスφV1〜φV4のトランジェントスピードΔV/ΔTが遅いので、垂直ラインシフト時に発生するクロストークノイズは、低い周波数成分となり、前述したようにCDS回路17により十分除去されることになる。
図5は、図3に示す垂直転送パルスφVの傾きのゆるやかな立ち上がり部分を拡大して示した立ち上がり波形と定電流波形、さらに水平転送パルスφH1,φH2、リセットパルスφRG、CCD出力、CDS回路におけるクランプパルスSHP、サンプルホールパルスSHD及びCDS出力のタイミングチャートである。
定電流i1で駆動することで垂直転送パルスφVのトランジェントスピードΔV1/ΔT1を遅くする(なだらかなスロープ状)ことができる。2相駆動の水平転送パルスφH1、φH2でフローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷は、電荷電圧変換をされ読み出された後、リセット期間6に印加されるリセットゲートパルスφRGで各画素ごとにリセットされる。SHD回路17では、CCD出力の信号期間7中にクランプパルスSHPとサンプルホールパルスSHDが印加されることで良好なCDS出力を得ることができる。
定電流i1で駆動することで垂直転送パルスφVのトランジェントスピードΔV1/ΔT1を遅くする(なだらかなスロープ状)ことができる。2相駆動の水平転送パルスφH1、φH2でフローティングディフュージョン領域に転送された信号電荷は、電荷電圧変換をされ読み出された後、リセット期間6に印加されるリセットゲートパルスφRGで各画素ごとにリセットされる。SHD回路17では、CCD出力の信号期間7中にクランプパルスSHPとサンプルホールパルスSHDが印加されることで良好なCDS出力を得ることができる。
本実施の形態では、トランジェントスピードΔV/ΔTを遅くし、極力変化を小さくした垂直転送パルスとすることが重要である。このトランジェントスピードΔV/ΔTが遅い駆動波形の垂直転送パルスφV1〜φV4は、例えば、通常のCMOSドライバに変えて、CCD構造の転送電極121〜124が容量負荷となることを利用し、定電流駆動することで一定の傾きΔV/ΔT=一定の駆動波形を形成することができる。すなわち、図3に示すように転送電極121〜124に定電流i1(矩形波)を印加することにより、一定の傾きΔV/ΔTの駆動波形を有する垂直転送パルスφV1〜φV4が得られる。
定電流が終了する時点での変化によってクロストークノイズの縦筋が問題のときは、図4に示すように、立ち上がりTr2、立ち下がりTf2におけるΔV/ΔTの波形の角を丸めるような変化(ΔV2/ΔT2)2になるように電流が徐々に絞られるような波形の電流i2を転送電極121〜124に印加すればよい。
よりクロストークノイズを減らしておく駆動方法を図6及び図7に示す。図6は前述の図3に対応して垂直転送パルスφVの1つのクロック波形を示す。図7は前述の図5に対応して、図6の垂直転送パルスφVの立ち上がり部分を拡大した立ち上がり波形及びパルス電流波形と、各パルスφH1,φH2,φRG,SHP,SHD及びCCD出力、CDS出力のタイミングチャートである。
この垂直転送パルスφVのクロック波形は、階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有しており、立ち上がり及び立ち下がり部分の全体の傾き、即ちトランジェントスピードΔV/ΔTを図3で説明したと同様に遅くした波形である。この場合、リセット期間6と信号期間29を利用して、立ち上がり及び立ち下がりの波形は、信号期間29に変動なく(平らな状態27参照)リセット期間6に変動する(ある傾きのある状態26参照)階段状波形とする。
この垂直転送パルスφVのクロック波形は、階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有しており、立ち上がり及び立ち下がり部分の全体の傾き、即ちトランジェントスピードΔV/ΔTを図3で説明したと同様に遅くした波形である。この場合、リセット期間6と信号期間29を利用して、立ち上がり及び立ち下がりの波形は、信号期間29に変動なく(平らな状態27参照)リセット期間6に変動する(ある傾きのある状態26参照)階段状波形とする。
このような階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動波形の垂直転送パルスφV1〜φV4は、パルス電流駆動することで形成することができる。すなわち、リセットパルスφRGに同期したパルス電流i3を垂直転送電極121〜124に印加することにより、立ち上がり及び立ち下がりを階段状とし、かつ全体の傾きΔV/ΔTをなだらか傾きとした垂直転送パルスφV1〜φV4が得られる。1つのパルス電流i3の印加でφVはある傾きを持つ状態26となり、次のパルス電流i3が印加されるまでの間はφVが変動のない平らな状態27となり、複数回のパルス電流i3の繰り返しによってφVの立ち上がり波形(立ち下がり波形も同様)は、なだらかな階段状波形となる。
このようなパルス電流駆動を用いることにより、階段状波形において、信号期間29の駆動クロック変化はなく、また、立ち上がり時点及び立ち下がり時点に対応するリセット期間のクロストークノイズ28は、CDS回路17のクランプパルスSHPとサンプリングホールドパルスSHD間の期間に影響しないので、CDS出力に重畳することが無くなる。
このようなパルス電流駆動を用いることにより、階段状波形において、信号期間29の駆動クロック変化はなく、また、立ち上がり時点及び立ち下がり時点に対応するリセット期間のクロストークノイズ28は、CDS回路17のクランプパルスSHPとサンプリングホールドパルスSHD間の期間に影響しないので、CDS出力に重畳することが無くなる。
また、本実施の形態では、通常、垂直転送電極は4相駆動(φV1〜φV4)が多いが、例えば、1回の垂直ラインシフトにおけるトランジェントの回数を8回、振幅7.5V、0.05V/nsec(=50mV/1nsec)とした場合、8×7.5÷0.05=1.2μs以上の期間であればよいことになる、すなわち1ライン分のV転送に必要な期間を示す。TVの水平有効期間は、約53μsであるため、数10倍の高速化が可能である。
また、本実施の形態では、水平有効走査期間3中での垂直ラインシフトで転送電極に印加される垂直駆動パルスのトランジェントスピードを遅くしているが、図2Bに示すように、垂直ブランキング期間5中に転送電極へ印加する駆動パルスφV1〜φV4のトランジェントスピードは速くし、高速転送を可能にする。例えば、高速動作を必要とするカムコーダの電子手ぶれ補正動作、あるいは後述する放送業務用のフレームインターライン転送(FIT)方式のCCD固体撮像素子などのときは、垂直ブランキング期間5中に高速駆動を行う必要がある。このような場合の垂直ブランキング期間中での高速駆動は、通常のCMOSドライバにより、垂直転送電極121〜124にトランジェントスピードの速い垂直駆動パルスφV1〜φV4を印加することによって行われる。
垂直ブランキング期間5での高速動作と、水平ブランキング期間3での低速動作とを両立させるため、2スピードの切り替え機能を備えたドライバを用いることができる。
本実施の形態に係るCCD固体撮像素子及びその駆動方法によれば、水平有効走査期間3に垂直転送パルスφV1〜φV4に傾き及び変化、すなわち、トランジェントスピードΔV/ΔTを遅くして垂直ラインシフトを行うので、垂直転送パルスφV1〜φV4を印加して発生したクロストークノイズを後段のCDS回路17で除去することができる。これによって、画像ノイズ(縦筋)が無くなる。また、ストレージゲート電圧φVSTG、ホールドゲート電圧φVHLDによる駆動のみで水平転送レジスタ14へ信号電荷を転送できるので、水平ブランキング期間4は短縮することができる。この結果、高速フレームレートを図ることができる。また、ストレージゲート部STG、ホールドゲート部HLGは、垂直画素ピッチと無関係にデザインできるため、ストレージゲート電極21及びホールドゲート電極22の電極幅を大きく取ることができる。このため電極21、22の低抵抗化を図ることができ、ストレージゲート部STGから水平転送レジスタ14への信号電荷の転送を高速化することが容易となる。また裏打ち配線などもしやすくなり、より電極21、22の低抵抗化を図り、転送の高速化を図ることができる。さらに、短い水平ブランキング期間4で水平転送レジスタ14への信号電荷の転送可能となる。その結果、さらなる高フレーム化が実現できる。
また、垂直ラインシフトをトランジェントスピードを遅くした垂直転送パルスφV1〜φV4でゆっくり行うことができるので、垂直転送電極121〜124としては、膜厚を薄くして形成することが可能になる。このため、図8に示すように、受光センサ11、読出しゲート部23、及び埋込みチャネル領域24とゲート絶縁膜25上の転送電極12[121〜124]からなる垂直転送レジスタ13を有するCCD固体撮像素子10において、転送電極12の膜厚d1を従来の膜厚d2より薄くすることにより、センサ開口Qの周囲の段差が低くなり、斜め入射光(実線)L1の蹴られが少なくなる。したがって、センサ開口Qが実質的に広がり、斜め入射光の集光効率が向上し、高感度化を図ることができる。L2は従来の斜め入射光の蹴られ状態を示す。斜め入射光の蹴られが発生しにくいので、シェーディングの発生を低減することができる。
また、垂直ラインシフトをトランジェントスピードを遅くした垂直転送パルスφV1〜φV4でゆっくり行うことができるので、垂直転送電極121〜124としては、膜厚を薄くして形成することが可能になる。このため、図8に示すように、受光センサ11、読出しゲート部23、及び埋込みチャネル領域24とゲート絶縁膜25上の転送電極12[121〜124]からなる垂直転送レジスタ13を有するCCD固体撮像素子10において、転送電極12の膜厚d1を従来の膜厚d2より薄くすることにより、センサ開口Qの周囲の段差が低くなり、斜め入射光(実線)L1の蹴られが少なくなる。したがって、センサ開口Qが実質的に広がり、斜め入射光の集光効率が向上し、高感度化を図ることができる。L2は従来の斜め入射光の蹴られ状態を示す。斜め入射光の蹴られが発生しにくいので、シェーディングの発生を低減することができる。
本実施の形態に係るCCD固体撮像素子及びその駆動方法によれば、垂直駆動として低速と高速2つの駆動を備えることで、水平有効期間中に垂直ラインシフトを行っても画像ノイズ(縦筋)が出なくなり、水平ブランキング期間4を大幅に縮め高フレームレート化を実現することができる。したがって、カムコーダの電子手ブレ動作及び放送業務用FITなどの高速動作を必要とするときにも本実施の形態に係るCCD固体撮像素子を駆動方法を適用することができる。
上例では、本実施の形態のCCD固体撮像素子及びその駆動方法をインターライン転送方式のCCD固体撮像素子に適用したが、その他、受光センサ及び垂直転送レジスタを有する撮像領域と、撮像領域での信号電荷を一旦高速転送して蓄積する垂直転送レジスタのみからなる蓄積領域と、蓄積領域に接続された水平転送レジスタとを有して成るフレームインラーライン転送(FIT)方式のCCD固体撮像素子にも適用することができる。このフレームインラーライン転送方式では、撮像領域の信号電荷を垂直ブランキング期間中に蓄積領域へ高速転送(フレームシフト)する。このため、垂直転送電極には、垂直ラインシフトでの低速駆動用の上記トランジェントスピードの遅い駆動波形と、フレームシフトでの高速駆動用のトランジェントスピードの速い駆動波形とが印加されるように構成される。
本実施の形態のCCD固体撮像素子及びその駆動方法は、例えば受光センサと、各受光センサ列に対応した垂直転送レジスタと、各垂直転送レジスタからの信号電荷を各垂直転送レジスタごとに出力アンプが接続された水平走査回路を通じて、水平有効走査期間に1ライン毎の信号電荷を出力するようにしたCCD固体撮像素子の駆動にも適用することができる。
上述では垂直転送レジスタ13と水平転送レジスタ14との間にストレージゲート部21及びがホールドゲート部22を設けるようにしたが、その他、ストレージゲート部13に代えて垂直転送電極12の最終段のφV4が印加される転送電極124の転送部を信号電荷の蓄積に用いれば、ストレージゲート部13を割愛することも可能である。この場合、最終段φV4が印加される転送電極124を、画素ピッチとは異なる幅広としたり裏打ちシャント配線とすることで、ストレージゲート部13と同様な機能を持たせることもできる。
なお、本実施の形態においては、水平ブランキング期間3において、高速の垂直転送をする場合にも適用することができる。
2・・変化、3・・水平有効走査期間、4・・水平ブランキング期間、5・・垂直ブランキング期間、6・・リセット期間、7・・CCD出力の信号期間、10・・CCD固体撮像素子、11・・受光センサ、12[121,122,123,124]・・転送電極、13・・垂直転送レジスタ、14・・水平転送レジスタ、16・・出力部、17・・相関二重サンプリング(CDS)回路、21・・ストレージゲート電極、22・・ホールドゲート電極、23・・読出しゲート部、24・・埋込みチャネル領域、25・・ゲート絶縁膜、26・・ある傾きを持つ状態、27・・平らな状態、28・・クロストークノイズ、29・・信号期間、30・・CCD固体撮像素子、31・・受光センサ、321,322,323,324・・転送電極、33・・垂直転送レジスタ、34・・水平転送レジスタ、35[351,352]・・水平転送電極、36・・出力部
Claims (12)
- マトリックス状に配列された画素と、
前記画素からの信号電荷を垂直転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタからの1水平ライン毎の信号電荷を水平転送する水平転送レジスタを有し、
前記垂直転送が水平有効走査時間に行われ、
垂直転送時の前記垂直転送レジスタに、駆動クロック波形の立ち上がり及び立ち下がりで発生するクロストークノイズを相関二重サンプリング回路で除去できるようなトランジェントスピードΔV/ΔT(ただしΔVは電圧、ΔTは時間)となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有した駆動クロック波形が供給されるようにして成る
ことを特徴とするCCD固体撮像素子。 - マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して1水平ライン毎に垂直転送し、1水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するCCD固体撮像素子の駆動において、
前記信号電荷の垂直転送を、前記水平有効走査期間に行い、
前記垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、駆動クロック波形の立ち上がり及び立ち下がりで発生するクロストークノイズを相関二重サンプリング回路で除去できるようなトランジェントスピードΔV/ΔT(ただしΔVは電圧、ΔTは時間)となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有した駆動クロック波形を供給するようにした
ことを特徴とするCCD固体撮像素子の駆動方法。 - マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して1水平ライン毎に垂直転送し、1水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するCCD固体撮像素子の駆動において、
前記信号電荷の垂直転送を、前記水平有効走査期間に行い、
前記垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、ブランキング期間中の高速転送の駆動クロック波形よりも立ち上がり及び立ち下がりの傾きが小さい駆動クロック波形を供給するようにした
ことを特徴とするCCD固体撮像素子の駆動方法。 - 前記駆動クロック波形は、前記トランジェントスピードΔV/ΔTが、50mV/nsec以下(ただし、0を含まず)となる立ち上がり及び立ち下がりの傾きを有する
ことを特徴とする請求項2記載のCCD固体撮像素子の駆動方法。 - 垂直転送時の前記駆動クロック波形は、立ち上がり及び立ち下がりの角に丸みを帯びさせた駆動クロック波形を用いる
ことを特徴とする請求項2記載のCCD固体撮像素子の駆動方法。 - 垂直転送時の前記駆動クロック波形は、立ち上がり及び立ち下がりの角に丸みを帯びさせた駆動クロック波形を用いる
ことを特徴とする請求項3記載のCCD固体撮像素子の駆動方法。 - 前記垂直転送に定電流駆動を用いる
ことを特徴とする請求項2記載のCCD固体撮像素子の駆動方法。 - 前記垂直転送に定電流駆動を用いる
ことを特徴とする請求項3記載のCCD固体撮像素子の駆動方法。 - 前記垂直転送に定電流駆動を用いる
ことを特徴とする請求項5記載のCCD固体撮像素子の駆動方法。 - 前記垂直転送に定電流駆動を用いる
ことを特徴とする請求項6記載のCCD固体撮像素子の駆動方法。 - マトリクス状に配列された画素の信号電荷を垂直転送レジスタを介して1水平ライン毎に垂直転送し、1水平ライン毎の信号電荷を水平有効走査期間に出力するCCD固体撮像素子の駆動において、
前記信号電荷の垂直転送を、前記水平有効走査期間に行い、
前記垂直転送時の前記垂直転送レジスタには、信号期間に変動なくリセット期間に変動する階段状の立ち上がり及び立ち下がりを有した駆動クロック波形を供給する
ことを特徴とするCCD固体撮像素子の駆動方法。 - 前記垂直転送にパルス電流駆動を用いる
ことを特徴とする請求項11記載のCCD固体撮像素子の駆動方法。
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