JP2619122B2 - 固体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〕 この発明は、固体撮像装置の駆動方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

近年、固体撮像装置はビデオカメラおよび電子スチル
カメラにとって、不可欠な装置であり、その性能を高め
ることに開発の主眼が置かれている。

第３図は固体撮像装置の構成例を示す概念図である。

第３図に示すように、固体撮像装置は、半導体基板内
に光電変換素子を二次元状に配列した光電変換部６と、
この光電変換部６に蓄積した信号電荷を垂直方向に転送
する垂直転送部７と、この垂直転送部７より転送した複
数の信号電荷を蓄積する蓄積部８と、この蓄積部８より
転送した信号電荷を水平方向に転送する水平転送部９
と、この水平転送部９より転送した信号電荷を信号電圧
または信号電流に変換して出力する信号電荷検出部10と
から構成される。なお矢印Ａは各部の信号電荷の転送方
向を示す。

第４図（ａ）〜（ｄ）は従来の固体撮像装置の駆動方
法を説明するためのテレビ信号用の複合帰線信号および
固体撮像装置の代表的な駆動パルスを示す波形図であ
る。

第４図（ａ）は複合帰線信号を示し、11は垂直帰線期
間を示し、12は映像走査期間を示す。また第４図（ｂ）
は撮像部を構成する垂直転送部７に印加する４相クロッ
クのうちの一つの転送パルス（以下「撮像部垂直転送パ
ルス」という。）を示し、13はチャージパルスを示し、
14′は垂直転送部７に印加する垂直高速転送パルスを示
す。また第４図（ｃ）は蓄積部８へ印加する４相クロッ
クのうちの一つの転送パルス（以下「蓄積部垂直転送パ
ルス」という。）を示し、14は垂直高速転送パルスを示
す。また第４図（ｄ）は半導体基板に印加する電圧（以
下「φSUBパルス」という。）を示す。

以下第３図および第４図（ａ）〜（ｄ）に基づいて、
電荷蓄積時間を2000分と１秒とし、一画面すなわち１フ
ィールド間に光電変換部６の信号電荷を垂直転送部７に
読み出す回数を８回とした場合の従来の固体撮像装置の
駆動方法について説明する。

第４図（ａ）に示す垂直帰線期間11の終了後、映像走
査期間12中の１水平帰線期間（1H）毎に、第４図（ｄ）
に示すように、半導体基板（図示せず）に約20〔V_P-P〕
のθSUBパルス印加されることにより、光電変換部６に
蓄積した不要電荷が半導体基板中に掃き出される。この
際、半導体基板に供給される直流電圧は８〔Ｖ〕であ
る。このφSUBパルスの印加が約24H繰り返された後、φ
SUBパルスの印加を止めることにより光電変換部６に8H
間、電荷が蓄積される。この際も半導体基板に供給され
る直流電圧は８〔Ｖ〕一定であるため、光電変換部６が
蓄積できる信号電荷量は一定となる。

その後、第４図（ｂ）に示すようにチャージパルス13
を垂直転送部７に印加することにより、光電変換部６に
蓄積した信号電荷が垂直転送部７へ読み出される。

このθSUBパルスの印加開始からチャージパルス13の
印加までの期間（約32H）すなわち光電変換部６の不要
電荷の排出（約24H），信号電荷の蓄積（約8H）および
チャージパルス13の印加による信号電荷の読み出しが１
フィールド間に８回繰り返され、次の垂直帰線期間11に
達する。

次の垂直帰線期間11内のチャージパルス13により前フ
ィールドの光電変換部６の信号電荷が垂直転送部７に転
送された後、第４図（ｂ），（ｃ）に示すように、垂直
転送部７および蓄積部８に各々周波数１〔MHz〕程度の
垂直高速転送パルス14′,14を１画面分だけ印加するこ
とにより、垂直転送部７の蓄積していた信号電荷が蓄積
部８に転送される。

次に蓄積部８の信号電荷が水平転送部９に転送され
る。すなわち映像走査期間12中の１水平帰線期間（1H）
毎に、第４図（ｃ）に示す蓄積部垂直転送パルスを蓄積
部８に１段分だけ印加することにより蓄積部８の信号電
荷が水平転送部９に転送される。

またこの蓄積部８から水平転送部９へ信号電荷が転送
されると同時に、水平転送部９の信号電荷が信号電荷検
出部10に転送される。すなわち水平転送部９から信号電
荷検出部10へ１段分の信号電荷を転送できる周波数の水
平転送パルス（図示せず）が、水平転送部９に印加され
ることより、水平転送部９の信号電荷が信号電荷検出部
10に転送される。その後、信号電荷検出部10で信号が処
理されることにより、画像信号が逐次出力される。

このように光電変換部６での信号電荷の蓄積すなわち
2000分の１秒電子シャッタに相当する電荷蓄積が１フィ
ールド間に８回間欠的に行われる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の固体撮像装置の駆動
方法では、光電変換部６が蓄積できる信号電荷量は如何
なる場合も一定であり、例えば高照度の被写体を撮像し
た場合、１フィールド間に光電変換部６が蓄積する総電
荷量（従来例において、8H間の電荷蓄積が８回分）が垂
直転送部７に蓄積できる電荷量を超えると、垂直転送部
７で電荷のあふれが生じる。その結果、撮像部以外の信
号電荷にも悪影響を及ぼすという問題があった。

この発明の目的は、上記問題点に鑑み、光電変換部が
蓄積できる信号電荷量を制御し、垂直転送部での電荷の
あふれを防止することのできる固体撮像装置の駆動方法
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板内
に光電変換素子を二次元状に配列した光電変換部と、こ
の光電変換部に蓄積した信号電荷を垂直方向に転送する
垂直転送部と、この垂直転送部により転送した複数の信
号電荷を蓄積する蓄積部と、この蓄積部により転送した
信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、この水平
転送部により転送した信号電荷を信号電圧または信号電
流に変換して出力する信号電荷検出部とを備えた固体撮
像装置を駆動する方法であり、テレビジョンの１フィー
ルド期間または複数フィールド期間に、半導体基板に所
定のパルスを断続的に供給することによる光電変換部の
不要電荷を排出する期間と光電変換部に信号電荷を蓄積
する期間と光電変換部の信号電荷を垂直転送部に読み出
す期間とを単位周期としたときに、この単位周期を複数
回繰り返す際、前記１フィールド期間または複数フィー
ルド期間における単位周期の繰り返し回数の増減に応じ
て光電変換部に信号電荷を蓄積する期間に半導体基板に
供給する直流電圧のレベルを上下させることにより光電
変換部が蓄積できる信号電荷量を増減させることを特徴
とする。

〔作用〕

この構成によれば、１フィールド期間または複数フィ
ールド期間における単位周期の繰り返し回数の増減に応
じて、光電変換部に信号電荷を蓄積する期間に半導体基
板に供給する直流電圧のレベルを上下させることにより
光電変換部が蓄積できる信号電荷量を増減させるように
したので、光電変換部から垂直転送部に読み出す信号電
荷量を、単位周期の繰り返し回数の変化にかかわらず、
垂直転送部で信号電荷のあふれが生じないように最適化
することができる。

〔実施例〕

この発明の一実施例を第１図（ａ）〜（ｄ），第２図
（ａ）〜（ｄ）および第３図に基づいて説明する。

第１図（ａ）〜（ｄ）はこの発明の一実施例の固体撮
像装置の駆動方法を説明するためのテレビ信号用の複合
帰線信号および固体撮像装置の代表的な駆動パルスを示
す波形図である。

第１図（ａ）は複合帰線信号を示し、１は垂直帰線期
間を示し、２は映像走査期間を示す。また第１図（ｂ）
は撮像部を構成する垂直転送部７に印加する４相クロッ
クのうちの一つの転送パルス（以下「撮像部垂直転送パ
ルス」という。）を示し、３はチャージパルスを示し、
４は垂直転送部７に印加する垂直高速転送パルスを示
す。また第１図（ｃ）は蓄積部８へ印加する４相クロッ
クのうちの一つの転送パルス（以下「蓄積部垂直転送パ
ルス」という。）を示し、４′は蓄積部８に印加する垂
直高速転送パルスを示す。また第１図（ｄ）は半導体基
板に印加する電圧（以下「φSUBパルス」という。）、
Ｘは半導体基板に供給する直流電圧のレベル、５は電荷
蓄積期間、15は単位周期を示す。

なお固体撮像装置の構成は第３図に示したものであ
り、光電変換部6,垂直転送部7,蓄積部8,水平転送部９お
よび信号電荷検出部10から構成される。また矢印Ａは各
部の信号電荷の転送方向を示す。

以下第１図（ａ）〜（ｄ）および第３図に基づいて、
電荷蓄積時間を2000分の１秒とし、一画面すなわち１フ
ィールド間に、光電変換部６の信号電荷を垂直転送部７
に読み出す回数を８回とした場合の固体撮像装置の駆動
方法について説明する。

第１図（ａ）に示す垂直帰線期間１の終了後、映像走
査期間２中の１水平帰線期間（1H）毎に、半導体基板
（図示せず）に、第１図（ｄ）に示すように約20
〔V_P-P〕のφSUBパルスを断続的に印加することによ
り、光電変換部６に蓄積した不要電荷を半導体基板中に
掃き出す。この際、半導体基板に供給する直流電圧は８
〔Ｖ〕である。このφSUBパルスの印加を約24H繰り返し
た後、φSUBパルスの印加を止めることにより光電変換
部６に電荷を8H間（以下「電荷蓄積期間５」という。）
蓄積する。この光電変換部６の電荷蓄積期間５中、半導
体基板に供給する直流電圧のレベルを通常の直流電圧の
レベル（8V）と比べ数Ｖ高い、例えば12Vのレベルとす
る。

このように電荷蓄積期間５中、半導体基板に供給する
直流電圧のレベルを数Ｖ上げることにより、その度合い
に応じて、光電変換部６が蓄積できる信号電荷量を減少
させることによって、１フィールド間に光電変換部６か
ら垂直転送部７に読み出す信号電荷量を垂直転送部７で
信号電荷のあふれが生じないように最適化する。この半
導体基板に供給する直流電圧のレベルの上げる度合い
は、１フィールド間に、光電変換部６から垂直転送部７
に読み出す信号電荷量に応じて適宜設定する。

その後、第１図（ｂ）に示すようにチャージパルス３
を垂直転送部７に印加することにより、光電変換部６に
蓄積した信号電荷を垂直転送部７に転送する（以下「信
号電荷読み出し」という）。

このようなφSUBパルスの印加により光電変換部６の
不要電荷の排出（約24H）してから、電荷蓄積期間５（8
H）およびチャージパルス３の印加による信号電荷の読
み出しまでの過程である約32H間すなわち賃行周期15を
１フィールド間に８回繰り返すと、信号電荷の読み出し
期間が終了し、次の垂直帰線期間11に達する。

この次の垂直帰線期間11内のチャージパルス３により
前フィールドの光電変換部６の信号電荷を垂直転送部７
に転送した後、垂直転送部７および蓄積部８に、同時に
第１図（ｂ），（ｃ）に示す周波数１〔MHz〕程度の垂
直高速転送パルス4,4′を１画面分だけ印加することに
より、垂直転送部７の蓄積していた信号電荷を蓄積部８
に転送する。

次に蓄積部８の信号電荷を水平転送部９に転送する。
すなわち映像走査期間12中の１水平帰線期間（1H）毎
に、第１図（ｃ）に示す蓄積部垂直転送パルスを蓄積部
８に１段分だけ印加することにより、蓄積部８の信号電
荷を水平転送部９に転送する。

またこの蓄積部８の信号電荷を水平転送部９に転送す
ると同時に、水平転送部９の信号電荷を信号電荷検出部
10に転送する。すなわち水平転送部９の信号電荷を信号
電荷検出部10に１段分転送できる周波数の水平転送パル
ス（図示せず）を水平転送部９に印加することにより、
水平転送部９の信号電荷を信号電荷検出部10に転送す
る。その後、信号電荷検出部10で信号処理することによ
り、画像信号を逐次出力する。

このように電荷蓄積期間５に、半導体基板に印加する
直流電圧のレベルを上げることにより、光電変換部６が
蓄積できる電荷量を減少させる。したがって、１フィー
ルド間に光電変換部６から垂直転送部７に転送する電荷
量（実施例では電荷蓄積期間５の８回分の総電荷量）を
減少させる。

その結果、高照度の被写体を撮像した場合でも、垂直
転送部７での電荷のあふれを防ぐことでき、光電変換部
６での電荷蓄積すなわち2000分の１秒電子シャッタに相
当する電荷蓄積を１フィールド間に８回間欠的に行うこ
とができる。

なお上述の説明では電荷蓄積期間５のみに半導体基板
中に供給する直流電圧のレベルを上げたが、これと同様
に、φSUBパルスを印加することによる光電変換部６の
不要電荷を排出する期間にも、半導体基板に供給する直
流電圧のレベルを上げても良い。

上述の説明では、光電変換部６の不要電荷を排出して
からチャージパルス３の印加による信号電荷の読み出し
までの過程である単位周期15を複数回繰り返す信号電荷
の読み出し期間内すなわち電荷蓄積期間５に、半導体基
板に供給する直流電圧のレベルを上げることにより光電
変換部６の蓄積できる信号電荷量を減少させることによ
って、垂直転送部７での信号電荷のあふれを防止すると
いう基本的な動作について説明した。

ところで、光電変換部６から垂直転送部７に複数回信
号電荷を読み出す際に、読み出し回数、すなわち１フィ
ールド期間における単位周期15の繰り返し回数を増減さ
せる場合においては、繰り返し回数によって蓄積電荷量
が異なるので、繰り返し回数に係わらず信号電荷のあふ
れが生じないようにするには、繰り返し回数に応じて半
導体基板に供給する直流電圧のレベルを上下させること
が必要となる。

以下に、繰り返し回数の増減に応じて半導体基板に供
給する直流電圧のレベルを上下させることにより、光電
変換部から垂直転送部に読み出す信号電荷量を最適化す
る点について、図２（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明
する。

第２図（ａ）〜（ｄ）は上述の固体撮像装置の駆動方
法を説明するためのテレビ信号用の複合帰線信号および
固体撮像装置の代表的な駆動パルスを示す波形図であ
る。

第２図（ａ）は複合帰線信号を示し、１は垂直帰線期
間を示し、２は映像走査期間を示す。また第２図（ｂ）
は撮像部を構成する垂直転送部７に印加する４相クロッ
クのうちの一つの転送パルス（以下「撮像部垂直転送パ
ルス」という。）を示し、３はチャージパルスを示し、
４は垂直転送部７に印加する垂直高速転送パルスを示
す。また第２図（ｃ）は蓄積部８へ印加する４相クロッ
クのうちの一つの転送パルス（以下「蓄積部垂直転送パ
ルス」という。）を示し、４′は蓄積部８に印加する垂
直高速転送パルスを示す。また第２図（ｄ）は半導体基
板に印加する電圧（以下「φSUBパルス」という。）、
Ｘは半導体基板に供給する直流電圧のレベル、Ｙはモー
ド切換えを示す。

第２図（ｄ）に示すように、各画面または各フィール
ド期間ごとに、モード切換えにより信号電荷の読み出し
回数（１フィールド間に光電変換部６の信号電荷を垂直
転送部７に読み出す回数）を切り換えた場合、この信号
電荷の読み出し回数に応じて、半導体基板に供給する直
流電圧のレベルを上下させることにより、光電変換部６
の蓄積できる信号電荷量を増減させることによって、垂
直転送部７での信号電荷のあふれを防止する。

例えば或るフィールドが終了し、モード切換えにより
次のフィールドで信号電荷の読み出し回数を増加させ場
合には、基準の8Vから２〔Ｖ〕のステップで段階的に、
半導体基板に供給する直流電圧のレベルを上げることに
より、光電変換部６が蓄積できる信号電荷量を減少さ
せ、光電変換部６から垂直転送部７に読み出す信号電荷
量を減少させ、また信号電荷の読み出し回数を減少させ
た場合には、基準の8Vから２〔Ｖ〕のステップで段階的
に、半導体基板に供給する直流電圧のレベルを下げるこ
とにより、光電変換部６が蓄積できる信号電荷量を増加
させ、光電変換部６から垂直転送部７に読み出す信号電
荷量を増加させることによって、１フィールド間に光電
変換部６から垂直転送部７に読み出す信号電荷量を垂直
転送部７で信号電荷のあふれを生じないように最適化す
る。このように、１フィールド間に光電変換部６から垂
直転送部７に読み出す信号電荷量を信号電荷の読み出し
回数に応じて、増減させることによって、垂直転送部７
での信号電荷のあふれを防止する。

なお他の動作は図１に関する説明と同様であるため、
説明を省略する。

なお上記の実施例では、電荷蓄積期間５を2000分の１
秒とし、１フィールド間に、光電変換部６の信号電荷を
垂直転送部７に読み出す回数を８回とした場合を説明し
たが、電荷蓄積期間および信号電荷の読み出し回数は任
意である。

また上記実施例では、１フィールド間に光電変換部６
から垂直転送部７に、信号電荷を８回読み出し、垂直転
送部７に蓄積した信号電荷を１回だけ蓄積部８に転送す
る場合を説明したが、複数フィールド間に光電変換部６
から垂直転送部７に、信号電荷を複数回読み出し、垂直
転送部７に蓄積した信号電荷を１回だけ蓄積部８に転送
しても良い。

〔発明の効果〕

この発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、１フィ
ールド期間または複数フィールド期間における単位周期
の繰り返し回数の増減に応じて、光電変換部に信号電荷
を蓄積する期間に半導体基板に供給する直流電圧のレベ
ルを上下させることにより光電変換部が蓄積できる信号
電荷量を増減させるようにしたので、光電変換部から垂
直転送部に読み出す信号電荷量を、単位周期の繰り返し
回数の変化にかかわらず、垂直転送部で信号電荷のあふ
れが生じないように最適化することができる。その結
果、例えば高照度の被写体を撮像した場合でも、光電変
換部から垂直転送部に複数回信号電荷を読み出して加算
したときに、垂直転送部で信号電荷のあふれを生じるこ
となく、光電変換部および垂直転送部から構成される撮
像部以外の信号電荷に悪影響を及ぼすことがない固体撮
像装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）はこの発明の一実施例の固体撮像
装置の駆動方法を説明するためのテレビ信号用の複合帰
線信号および固体撮像装置の代表的な駆動パルスを示す
波形図、第２図（ａ）〜（ｄ）はこの発明の一実施例の
固体撮像装置の駆動方法を説明するためのテレビ信号用
の複合帰線信号および固体撮像装置の代表的な駆動パル
スを示す波形図、第３図は固体撮像装置の構成を示す概
念図、第４図（ａ）〜（ｄ）は従来の固体撮像装置の駆
動方法を説明するためのテレビ信号用の複合帰線信号お
よび固体撮像装置の代表的な駆動パルスを示す波形図で
ある。 ６……光電変換部、７……垂直転送部、８……蓄積部、
９……水平転送部、10……信号電荷検出部、15……単位
周期

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板内に光電変換素子を二次元状に
   配列した光電変換部と、この光電変換部に蓄積した信号
   電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、この垂直転送
   部により転送した複数の信号電荷を蓄積する蓄積部と、
   この蓄積部により転送した信号電荷を水平方向に転送す
   る水平転送部と、この水平転送部により転送した信号電
   荷を信号電圧または信号電流に変換して出力する信号電
   荷検出部とを備えた固体撮像装置を駆動する固体撮像装
   置の駆動方法であって、 テレビジョンの１フィールド期間または複数フィールド
   期間に、前記半導体基板に所定のパルスを断続的に供給
   することによる前記光電変換部の不要電荷を排出する期
   間と前記光電変換部に信号電荷を蓄積する期間と前記光
   電変換部の信号電荷を前記垂直転送部に読み出す期間と
   を単位周期としたときに、この単位周期を複数回繰り返
   す際、前記１フィールド期間または複数フィールド期間
   における前記単位周期の繰り返し回数の増減に応じて前
   記光電変換部に信号電荷を蓄積する期間に前記半導体基
   板に供給する直流電圧のレベルを上下させることにより
   前記光電変換部が蓄積できる信号電荷量を増減させるこ
   とを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。