JP2010093002A

JP2010093002A - Ｃｃｄイメージセンサ

Info

Publication number: JP2010093002A
Application number: JP2008260286A
Authority: JP
Inventors: Noboru Takatsuka; 昇高塚
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-04-22
Also published as: US20100085461A1

Abstract

【課題】省電力化及び高速化を共に実現するＣＣＤイメージセンサを提供する。
【解決手段】本発明に係るＣＣＤイメージセンサ１は、画素列１１を挟むように配置された第１及び第２のＣＣＤレジスタ１３，１５と、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタ１３，１５の結合部１８に設けられた第１の出力手段１６，１７と、前記第１又は第２のどちらか一方のＣＣＤレジスタ１３，１５により転送される電荷を読み出すと共に転送する第３のＣＣＤレジスタ２２と、前記第３のＣＣＤレジスタ２２の端部に設けられた第２の出力手段２３，２４と、運転モードに応じて、前記第２の出力手段２４による出力を行うか否かを切り替える切り替え手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device：電荷結合素子)を用いたイメージセンサに関するものである。

ＣＣＤは、光電変換デバイスの１つであり、その優れた高速性、高感度性のために、従前からビデオカメラ等に多く用いられている。このようなＣＣＤを用いたイメージセンサには、省電力化及び更なる高速化が要求されている。しかしながら、省電力化及び高速化の実現には、技術的に相反する面があり、どちらか一方に特化すれば、他方が犠牲となる場合が多い。

図４において、省電力化に対応する従来のＣＣＤイメージセンサ１０１の構造が示され、図５において、このＣＣＤイメージセンサ１０１のタイミングチャートが示されている。ここでは、説明を簡略化するために、画素列１０２が８画素で構成される例を示す。前記画素列１０２により光電変換され蓄積した電荷は、転送ゲート１０３，１０４を"Ｈ"にすることで、電荷を転送するＣＣＤレジスタ１０５，１０６に読み出される。この時、奇数画素は、第１の転送ゲート１０３から第１のＣＣＤレジスタ１０５に読み出され、偶数画素は、第２の転送ゲート１０４から第２のＣＣＤレジスタ１０６に読み出される。それぞれのＣＣＤレジスタ１０５，１０６により転送された電荷は、浮遊拡散領域により形成され電荷を電圧に変換する信号電荷検出部１０７と、ソースフォロワ、インバータ等のアナログ回路からなるアンプ１０８とにより、外部に出力される（特許文献１参照）。

上記図４に示すＣＣＤイメージセンサ１０１においては、前記電荷は、前記ＣＣＤレジスタ１０５，１０６の１周期で１画素分転送され、それぞれの前記ＣＣＤレジスタ１０５，１０６により転送された電荷は、１つの前記信号電荷検出部１０７により交互に電圧に変換される。そのため、前記ＣＣＤレジスタ１０５，１０６の１周期で２画素分が出力され、８画素を転送する時間は、前記ＣＣＤレジスタ１０５，１０６の駆動周波数をｆとすると、（８／２）／ｆ＝４／ｆとなる。また、図５において、前記アンプ１０８から出力される信号の安定期間が矢印Ａで示されている。

また、図６において、高速化に対応する従来のＣＣＤイメージセンサ２０１の構造が示され、図７において、このＣＣＤイメージセンサ２０１のタイミングチャートが示されている。尚、上記図４に示すＣＣＤイメージセンサ１０１と同一又は同様の作用効果を奏する箇所については、同一の符号を付してその説明を省略する。このＣＣＤイメージセンサ２０１において、電荷を前記第１及び第２のＣＣＤレジスタ１０５，１０６に読み出すまでの工程は、上記図４に示すＣＣＤイメージセンサ１０１と同様である。この図６に示すＣＣＤイメージセンサ２０１においては、各ＣＣＤレジスタ１０５，１０６に、それぞれ信号電荷検出部２０７，２０８と、アンプ２０９，２１０とが１つずつ備えられている。従って、前記第１のＣＣＤレジスタ１０５で転送される電荷は、第１の信号電荷検出部２０７を経て第１のアンプ２０９から出力され、前記第２のＣＣＤレジスタ１０６で転送される電荷は、第２の信号電荷検出部２０８を経て第２のアンプ２１０から出力される（特許文献２参照）。

上記図６に示すＣＣＤイメージセンサ２０１においては、前記電荷は、前記ＣＣＤレジスタ１０５，１０６の１周期で１画素分転送され、且つ２つの前記アンプ２０９，２１０によりパラレルに出力される。そのため、８画素を転送する時間は、前記ＣＣＤレジスタ１０５，１０６の駆動周波数をｆとすると、（８／２）／ｆ＝４／ｆとなる。また、図７において、前記両アンプ２０９，２１０から出力される信号の安定期間が矢印Ｂで示されている。

また、他の先行技術として、受光素子（画素列）により蓄積された信号電荷を一方向に転送する第１の水平転送手段（ＣＣＤレジスタ）と、前記信号電荷を所定の位置から左右方向に転送する第２の水平転送手段と、前記第１の水平転送手段により転送された信号電荷をアナログ信号に変換する第１の出力手段（アンプ）と、前記第２の水平転送手段から右方向に転送された信号電荷をアナログ信号に変換する第２の出力手段と、前記第２の水平転送手段から左方向に転送された信号電荷をアナログ信号に変換する第３の出力手段とを備える個体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサ）が開示されている（特許文献３参照）。この構成において、操作、設定条件、環境条件に基づいて、使用する前記水平転送手段及び前記出力手段を切り換えることにより、処理の高速化と高画質化とを両立させることができるとされている。

また、他の先行技術として、受光部（画素列）の両側にそれぞれ配設された第１及び第２の電荷転送路（ＣＣＤレジスタ）と、前記第１及び第２の電荷転送路の出力端側にそれぞれ結合し独自の出力部（アンプ）を有する第３の電荷転送路を有し、高速読み出し時には、前記第１及び第２の電荷転送路から別個に信号を読み出し、低速読み出し時には、前記第３の電荷転送路を介して前記第１及び第２の電荷転送路からの信号を交互に読み出すことを特徴とする個体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサ）が開示されている（特許文献４参照）。この構成により、高速動作及び低速動作のいずれにも対応できるとされている。
特開平７−５８３１７号公報特開平６−２３６９８２号公報特開２００７−１２４１７４号公報特開昭５８−１９０１６９号公報

上述したように、図４（特許文献１）に示すＣＣＤイメージセンサ１０１と図６（特許文献２）に示すＣＣＤイメージセンサ２０１とは、前記ＣＣＤレジスタ１０５，１０６の駆動周波数ｆが同一であれば、全画素の転送時間は同一となるが、それぞれのアンプ出力の安定期間Ａ，Ｂに相違点を有する。即ち、２つのアンプ２０９，２１０を備える前記ＣＣＤイメージセンサ２０１の安定期間Ｂの方が、１つのアンプ１０８を備える前記ＣＣＤイメージセンサ１０１の安定期間Ａよりも長くなる。前記安定期間Ａ，Ｂは、前記駆動周波数ｆの増加に伴い、減少する。前記安定期間Ａ，Ｂの減少は、その後に行われるＡ／Ｄ変換のサンプリング等の処理において不都合が生ずる原因となる。

前記図４に示すＣＣＤイメージセンサ１０１は、前記アンプ１０８を１つだけ備える構成であることから、省電力化に適したものであるといえる。しかしながら、このＣＣＤイメージセンサ１０１は、上述したように、前記安定期間Ａが比較的短いため、前記駆動周波数ｆの増加可能幅が小さく、高速化を実現する上で改善の余地がある。

一方、前記図６に示すＣＣＤイメージセンサ２０１は、上述したように、前記安定期間Ｂが比較的長いため、前記駆動周波数ｆの増加可能幅が大きく、高速化に適したものであるといえる。しかしながら、このＣＣＤイメージセンサ２０１は、２つの前記アンプ２０９，２１０を使用するため、省電力化を実現する上で改善の余地がある。

また、上記特許文献３に係る装置は、１つの画素列に対し、第１及び第２の２つの水平伝送手段（ＣＣＤレジスタ）、及び第１〜第３の３つの出力手段（アンプ）を備えている。即ち、前記第１の水平伝送手段の一端部に、前記第１の出力手段が備えられ、前記第２の水平伝送手段の左右両端部に、前記第２及び第３の出力手段が備えられる。このように、上記特許文献３に係る装置においては、１つの画素列に対して、３つの前記出力手段が設けられているため、省電力化が困難であるという問題がある。また、複数の前記出力手段から信号を出力する場合に、複数のタイミング信号を生成する必要があり、このタイミング信号を生成するために、複数の異なるクロック信号を生成する必要が生ずる場合がある（同文献段落００３３，００３４参照）。クロック信号の生成には、スイッチ機構、新規パターンの生成等、回路にかかる負荷が大きくなるといった問題がある。

また、上記特許文献４に係る装置においても、１つの画素列に対し、３つの出力部（アンプ）が必要となっており、省電力化が困難であるという問題がある。更に、この装置においては、低速動作のために前記電荷転送路（ＣＣＤレジスタ）の位相をずらすことが想定されている（同文献第３頁下段左側から右側参照）。即ち、前記第１及び第２の電荷転送路は、それぞれ高速用及び低速用の２つの位相を用いるため、合計４つのクロック信号が必要となると予想される。クロック信号の増加は、上述したように、回路への負荷が大きくなるといった問題を招く。

上記課題の解決を図る本発明は、光電変換を行う複数の受光素子からなる画素列を挟むように配置され、前記画素列により蓄積された電荷を読み出すと共に転送し、前記電荷の転送方向の端部が互いに結合された第１及び第２のＣＣＤレジスタと、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタの結合部に設けられ、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタにより転送された電荷を電圧に変換して出力する第１の出力手段と、前記第１又は第２のどちらか一方のＣＣＤレジスタにより転送される電荷を読み出すと共に転送する第３のＣＣＤレジスタと、前記第３のＣＣＤレジスタの電荷の転送方向の端部に設けられ、前記第３のＣＣＤレジスタにより転送された電荷を電圧に変換して出力する第２の出力手段と、運転モードに応じて、前記第２の出力手段による出力を行うか否かを切り替える切り替え手段とを有するＣＣＤイメージセンサである。

上記構成によれば、検出結果である電圧信号の出力を、２つのパターンにより行うことができる。第１のパターンは、前記画素列により蓄積された電荷が、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタにより転送され、前記第１の出力手段により出力されるものである。第２のパターンは、前記画素列により蓄積された電荷が、前記第１及び第３（又は第２及び第３）のＣＣＤレジスタにより転送され、前記第１及び第２の出力手段により出力されるものである。即ち、前記第１のパターンにおいては、１つの出力手段（アンプ）のみが用いられるため、省電力化が実現される。また、前記第２のパターンにおいては、２つの出力手段が用いられるため、高速化が実現される。そして、これら第１及び第２のパターンが、運転モード、即ち省電力モード（通常モード）や高速モード等に応じて切り替えられる。

本発明によれば、省電力化及び高速化を共に実現するＣＣＤイメージセンサを提供することができる。

以下に、本発明に係る実施の形態を、添付した図面を参照して説明する。尚、異なる実施の形態において、同一又は同様の作用効果を奏する箇所については、その説明を省略する。

発明の実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサ１の構成を示す図である。このＣＣＤイメージセンサ１は、画素列１１、第１の転送ゲート１２、第１のＣＣＤレジスタ１３、第２の転送ゲート１４、第２のＣＣＤレジスタ１５、第１の信号電荷検出部１６、第１のアンプ１７、第３の転送ゲート２１、第３のＣＣＤレジスタ２２、第２の信号電荷検出部２３、第２のアンプ２４を有する。

前記画素列１１は、入射する光情報に応じた電荷を生成する受光素子を含む複数のセルからなる。ここでは、説明を簡略化するために、画素数を８とする。前記画素列１１を挟むように、前記第１の転送ゲート１２及び前記第２の転送ゲート１４が配置される。前記第１のＣＣＤレジスタ１３及び前記第２のＣＣＤレジスタ１５は、それぞれ前記第１及び第２の転送ゲート１２，１４を前記画素列１１との間で挟むように配置される。

前記第１の転送ゲート１２を"Ｈ"とするゲートパルスが印加されると、前記画素列１１の電荷が前記第１のＣＣＤレジスタ１３に読み出される。前記第２の転送ゲート１４を"Ｈ"とするゲートパルスが印加されると、前記画素列１１の電荷が前記第２のＣＣＤレジスタ１５に読み出される。この実施の形態においては、前記第１のＣＣＤレジスタ１３に奇数画素の電荷が読み出され、前記第２のＣＣＤレジスタ１５に偶数画素の電荷が読み出される。前記第１及び第２のＣＣＤレジスタ１３，１５は、それぞれ読み出した電荷を、印加されるシフトパルスφ１，φ２に同期して、同一方向に転送する。

前記第１及び前記第２のＣＣＤレジスタ１３，１５の転送方向の端部は、互いに結合された結合部１８となっている。前記結合部１８に、前記第１の信号電荷検出部１６が設置されている。前記第１の信号電荷検出部１６は、浮遊拡散領域により形成され、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタ１３，１５により転送された電荷を電圧に変換する。前記第１のアンプ１７は、前記第１の信号電荷検出部１６により変換された電圧を増幅して外部に出力する。また、前記第１のＣＣＤレジスタ１３の前記結合部１８付近の端部には、前記第１のＣＣＤレジスタ１３に保持される微小電荷を排出するドレイン１９が設けられている。

本実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサ１においては、前記第１のＣＣＤレジスタ１３に隣接するように、前記第３の転送ゲート２１及び前記第３のＣＣＤレジスタ２２が配置されている。前記第３の転送ゲート２１は、前記第１のＣＣＤレジスタ１３と前記第３のＣＣＤレジスタ２２との間に配置される。また、前記第３のＣＣＤレジスタ２２の電荷の転送方向端部には、前記第２の信号電荷検出部２３及び前記第２のアンプ２４が配置されている。この実施の形態においては、前記第３のＣＣＤレジスタ２２の電荷の転送方向は、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタ１３，１５と同一である。

そして、前記第３の転送ゲート２１を"Ｈ"とするゲートパルスが印加されると、前記第１のＣＣＤレジスタ１３に保持された電荷が、前記第３のＣＣＤレジスタ２２に読み出される。前記第３のＣＣＤレジスタ２２は、前記第１のＣＣＤレジスタ１３から読み出した電荷を、印加されるシフトパルスφ１，φ２に同期して転送する。前記第２の信号電荷検出部２３は、前記第３のＣＣＤレジスタ２２により転送された電荷を電圧に変換する。前記第２のアンプ２４は、前記第２の信号電荷検出部２３により変換された電圧を増幅して外部に出力する。また、前記第２の信号電荷検出部２３と前記第２のアンプ２４との間には、前記第２のアンプ２４の入力をＧＮＤに接続可能にするスイッチ２７が設けられている。

上記構成により、光電変換による電圧信号の出力を、２つのパターンにより行うことができる。即ち、省電力モード（通常モード）では、前記第３の転送ゲート２１を"Ｌ"に固定して、前記第１のＣＣＤレジスタ１３内の電荷が前記第３のＣＣＤレジスタ２２へ漏出しないようにし、前記第１のＣＣＤレジスタ１３内の電荷が前記第１のアンプ１７のみから出力されるようにする。また、前記スイッチ２７により、前記第２のアンプ２４の入力をＧＮＤに接続し、電流を消費しないようにしておく。これにより、高速動作が必要ない時には、１つのアンプ１７のみが使用され、電力消費が抑えられる。

一方、高速モードでは、前記第３の転送ゲート２１を"Ｈ"にし、前記第１のＣＣＤレジスタ１３内の電荷を前記第３のＣＣＤレジスタ２２に読み出させる。また、前記スイッチ２７により、前記第２のアンプ２４の入力をＧＮＤから切断する。これにより、奇数画素の電荷は前記第３のＣＣＤレジスタ２２を経て前記第２のアンプ２４から出力され、偶数画素の電荷は前記第２のＣＣＤレジスタ１５を経て前記第１のアンプ１７から出力される。このように、高速動作が必要な時には、２つのアンプ１７，２４が使用され、高速処理が可能となる。

図２において、前記高速モードにおけるタイミングチャートが示されている。この場合、先ず前記第１の転送ゲート１２を"Ｈ"にしている期間は、前記第１のＣＣＤレジスタ１３を"Ｈ"にし、前記画素列１１に蓄積された電荷を前記第１のＣＣＤレジスタ１３に読み出す。次に、前記第１のＣＣＤレジスタ１３を"Ｈ"にしたまま、前記第３の転送ゲート２１を"Ｈ"にし、電荷を前記第３の転送ゲート２１に読み出す。この時、前記第３の転送ゲート２１には、印加電圧を上げる等の処理により、前記第１のＣＣＤレジスタ１３よりも深いチャネル電位にする必要がある。次に、前記第３の転送ゲート２１を"Ｌ"にして、電荷を前記第３のＣＣＤレジスタ２２に読み出すが、この電荷が前記第１のＣＣＤレジスタ１３に戻らないように、イオン注入等の処理により、前記第３の転送ゲート２１に電位勾配をつけておく。前記第３のＣＣＤレジスタ２２に読み出された電荷は、ここで転送され、前記第２の信号電荷検出部２３を通して前記第２のアンプ２４から出力される。また、前記第１のＣＣＤレジスタ１３は、前記第３の転送ゲート２１に電荷を転送した後も動作させておく。この時、前記第１のＣＣＤレジスタ１３内に存する微小電荷は、前記ドレイン１９を"Ｈ"とすることで排出される。

以上のように、本実施の形態によれば、運転モードに応じて、使用されるアンプ１７，２４の数を切り替えることができるので、省電力化及び高速化の両方に対応することができる。また、本実施の形態に係る各ＣＣＤレジスタ１２，１５，２２は、低速、高速に関わらず、同じ動作をするため、個別にクロック信号を生成させる必要が無い。

発明の実施の形態２．
図３は、本実施の形態に係るＣＣＤイメージセンサ３１の構成を示す図である。このＣＣＤイメージセンサ３１の上記実施の形態１に係るＣＣＤイメージセンサ１に対する変更点は、第３のＣＣＤレジスタ４２の電荷の転送方向が、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタ１３，１５に対して反対に成っている点である。また、これに伴い、第３の信号電荷検出部４３、第３のアンプ４４、及びスイッチ４７が、反対側に配置されている。尚、前記第３のＣＣＤレジスタ４２については、予め反対方向に電荷が転送されるように電極を配置することで、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタ１３，１５と同一のクロック信号により動作させることができる。

このように、２つの前記アンプ１７，４４を、前記画素列１１の両端側に配置することにより、チップの発熱を低減させることができる。例えば、Ａ３／６００ｄｐｉの一次元イメージセンサの場合、画素数は７１００個以上必要となるが、この時画素サイズを５μｍとすると、全画素サイズは７１００＊５＝３５５００μｍ≒３．５ｃｍとなる。そして、アンプ１個当たりの長さを２０００μｍとすれば、本実施の形態のように、アンプを画素列の両端に配置することで、アンプ−アンプ間は十分に離れる。これにより、発熱を低減させる効果を十分に得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るＣＣＤイメージセンサの構成を示す図である。図２は、実施の形態１に係るＣＣＤイメージセンサにおけるタイミングチャートである。図３は、本発明の実施の形態２に係るＣＣＤイメージセンサの構成を示す図である。図４は、第１の従来のＣＣＤイメージセンサの構成を示す図である。図５は、図４に示すＣＣＤイメージセンサにおけるタイミングチャートである。図６は、第２の従来のＣＣＤイメージセンサの構成を示す図である。図７は、図６に示すＣＣＤイメージセンサにおけるタイミングチャートである。

符号の説明

１，３１ＣＣＤイメージセンサ
１１画素列
１２第１の転送ゲート
１３第１のＣＣＤレジスタ
１４第２の転送ゲート
１５第２のＣＣＤレジスタ
１６第１の信号電荷検出部
１７第１のアンプ
１９ドレイン
２１第３の転送ゲート
２２，４２第３のＣＣＤレジスタ
２３，４３第２の信号電荷検出部
２４，４４第２のアンプ
２７，４７スイッチ

Claims

光電変換を行う複数の受光素子からなる画素列を挟むように配置され、前記画素列により蓄積された電荷を読み出すと共に転送し、前記電荷の転送方向の端部が互いに結合された第１及び第２のＣＣＤレジスタと、
前記第１及び第２のＣＣＤレジスタの結合部に設けられ、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタにより転送された電荷を電圧に変換して出力する第１の出力手段と、
前記第１又は第２のどちらか一方のＣＣＤレジスタにより転送される電荷を読み出すと共に転送する第３のＣＣＤレジスタと、
前記第３のＣＣＤレジスタの電荷の転送方向の端部に設けられ、前記第３のＣＣＤレジスタにより転送された電荷を電圧に変換して出力する第２の出力手段と、
運転モードに応じて、前記第２の出力手段による出力を行うか否かを切り替える切り替え手段と
を有するＣＣＤイメージセンサ。
前記第３のＣＣＤレジスタの電荷の転送方向が、前記第１及び第２のＣＣＤレジスタに対して反対であり、
前記第１の出力手段と前記第２の出力手段とが、前記画素列の両端部に位置する、
請求項１記載のＣＣＤイメージセンサ。
前記第１〜第３のＣＣＤレジスタは、全て同一のクロック信号に基づいて動作する、
請求項１又は２記載のＣＣＤイメージセンサ。