JP2699895B2

JP2699895B2 - イメージセンサの駆動方法

Info

Publication number: JP2699895B2
Application number: JP6314008A
Authority: JP
Inventors: 和夫小沼
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-11-24
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JPH08149379A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は撮像装置等に用いられる
イメージセンサに関し、特に空間分解能を向上したイメ
ージセンサの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイメージセンサとして、図１２に
示すような、ＩＳＳＣＣ TechnicalPapers, ｐｐ１６
８−１６９（１９８２年２月）に記載されているものが
ある。これは、受光素子１とＣＣＤレジスタ２と読出し
リセット素子３とで構成されるセルをマトリクス状に配
置した構成であり、インターライン型イメージセンサと
呼ばれている。このイメージセンサでは、前記ＣＣＤレ
ジスタ２がＹ方向に配列されて垂直ＣＣＤレジスタ４が
構成され、かつ複数の垂直ＣＣＤレジスタ４の一端部に
はＸ方向に配列された水平ＣＣＤレジスタ５が構成さ
れ、その一端部において出力端子６に接続されている。

【０００３】受光素子１は、例えばシリコンのＰＮ接合
で形成されており、光電変換で入射光量に対応する信号
電荷を発生させるとともに、その空乏層容量で発生信号
電荷を蓄積する。ＣＣＤレジスタ２は、例えばＮ型の埋
込型チャネル上にシリコン酸化膜とポリシリコンで形成
したゲート電極を配している。読出しリセット素子３は
受光素子１とＣＣＤレジスタ２との間の基板濃度を他の
領域と相違させてチャネルを構成しており、受光素子１
からＣＣＤレジスタ２への電荷転送用のスイッチである
と同時に、受光素子の信号電荷開始のリセットスイッチ
の役割ももつ。

【０００４】垂直ＣＣＤレジスタ４では、ゲート電極に
印加される駆動パルスによって図の上から下に信号電荷
を転送する。また、水平レジスタ５では同様にゲート電
極に印加される駆動パルスによって図の左から右に信号
電荷を転送する。これにより、受光領域７にマトリクス
状に配置されたセルで検出された各光強度を出力端子６
から順次出力する。すなわち、受光領域内の入射強度面
内分布を時系列に出力する。

【０００５】なお、ＣＣＤレジスタの構成が異なるＦＩ
Ｔ型ＣＣＤイメージセンサでもセルの構成は同じであ
り、動作も前記説明の範囲内では同等である。ＣＳＤ
（チャージ・スイプド・デバイス）型と呼ばれるイメー
ジセンサも、ＭＯＳ型イメージセンサも一つのセルが一
つの受光素子と信号電荷転送素子で構成されている点で
インターライン型ＣＣＤイメージセンサのセルと同様の
構成である。いずれのイメージセンサも受光領域に照射
された入射光の面内光強度分布をセルの繰り返し空間周
期、すなわち受光素子の繰り返し空間周期をサンプリン
グの最小繰り返し周期として空間サンプリングする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなイメージセ
ンサにおいては、空間分解能、時間分解能（１画面読み
出し周期）、光感度の３つの特性が重要である。このう
ち、空間分解能については、セルの数を増加することで
分解能を高めることが可能である。即ち、従来のイメー
ジセンサでは、１つのセルに対して１つの読出しリセッ
ト素子が設けられており、ゲート電極に印加される駆動
パルスにより受光素子の信号電荷をリセット素子から読
み出すことで１つの画素信号を得ている。このため、セ
ルの繰り返し周期がそのままイメージセンサの空間分解
能とされる。

【０００７】しかしながら、美術品の電子ファイリング
や解析を行うために用いられるイメージセンサとして
は、極めて高い分解能が要求されるため、ハイビジョン
（ＨＤＴＶ）規格でも空間分解能が不足し、１００倍以
上の空間分解能が求められている。したがって、これを
従来のインターライン型ＣＣＤイメージセンサで行うと
すると、サブミクロンの微細なセルを構成する必要が生
じる。

【０００８】ところが、セルを微細化すると単純な縮小
則で考えても受光素子の面積が小さくなり、光感度の低
下をまねくことになる。実際には、セル間の分離領域等
の面積が単純な縮小則で小さくできないため、実効受光
素子面積が単純な縮小則以上に小さくなってしまい、セ
ルの微細化による感度特性の劣化が深刻となってきてい
る。また、セルの微細化によりセル数が増加すると、高
速な読み出しが必要とされることになり、例えば数１０
マイクロ秒程度の読み出しが要求されることになり、極
めて厳しいものとなる。

【０００９】このように、従来のイメージセンサでは、
空間分解能、時間分解能、光感度を同時に満足させるこ
とは困難である。そして、イメージセンサは素子単体で
は撮像素子として機能せず、レンズやプリズム等の光学
系と共にカメラ内に組み込まれて使用されるため、いず
れのイメージセンサを選択して組み込むのかが問題とな
る。即ち、全ての使用条件に適合するイメージセンサを
開発することは困難であるが、実際の撮像状況を見直し
てみると、前記した３つの特性の全てを当時に満たさな
ければならないことはまれである。ときとして、空間分
解能、高速読み出し、光感度のいずれかが必要とされる
が、一つの特性に優れたイメージセンサをカメラ内に組
み込んだ後は、これを変更することができないため、状
況が変化したときには要求される特性に対応することが
できなくなる。この結果、従来のイメージセンサ全体と
して低レベルの性能しか発揮できないという問題をかか
えている。

【００１０】

【発明の目的】本発明の目的は、セル数を増大すること
なく空間分解能を向上でき、しかもその空間分解能、時
間分解能、光感度等の種々の要求に対応することが可能
なイメージセンサの駆動方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明を実現するための
イメージセンサは、光電変換機能を有する受光素子と、
この受光素子で発生された信号電荷を転送する信号電荷
転送素子と、受光素子から信号電荷転送素子に信号電荷
を取り込む読み出しリセット素子とを備えるイメージセ
ンサにおいて、１つの受光素子に対して複数個の読み出
しリセット素子をそれぞれ異なる位置に設ける。

【００１２】例えば、矩形に形成された受光素子の一辺
に沿って複数個の読み出しリセット素子を配設する。或
いは、受光素子の両側に延設される信号電荷転送素子の
それぞれに対して１つ以上の読み出しリセット素子を配
設する。

【００１３】そして、本発明のイメージセンサの駆動方
法は、受光素子から信号電荷転送素子に信号電荷を取り
込む読み出しリセット素子を１つの受光素子に対して複
数個配設してなる前記したイメージセンサにおいて、複
数個の読み出しリセット素子に対して異なるタイミング
で順序的に信号電荷を取り込むための電圧パルスを印加
する。

【００１４】さらに、一つの読み出しリッセット素子に
電圧パルスを印加するときに、他の読み出しリセット素
子に異なる電圧の電圧パルスを印加する。

【００１５】

【作用】１つの受光素子に対して複数個の読み出しリセ
ット素子が設けられ、これらの読み出しリセット素子に
対して異なるタイミング、異なる電圧で電圧パルスを印
加することで、その際における受光素子での感度重心を
それぞれ異なる位置に設定できる。このため、１つの受
光素子においても光感度の感度重心がそれぞれ異なる信
号電荷の取り込みが可能となり、空間分解能を増大さ
せ、かつこれに伴って時間分解能や光感度を変化させる
ことが可能となる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の前提となる技術思想を説明するた
めのイメージセンサの平面構成図であり、インターライ
ン型ＣＣＤイメージセンサの例を示している。同図にお
いて、１は受光素子、２はＣＣＤレジスタ、３ａ，３ｂ
は読み出しリセット素子であり、これらでセルを構成
し、このセルをマトリクス状に配置している。また、Ｃ
ＣＤレジスタ２はＹ方向に配列されて垂直ＣＣＤレジス
タ４を構成し、かつ複数の垂直ＣＣＤレジスタ４の一端
部位置にはＸ方向に向けて水平ＣＣＤレジスタ５が形成
され、出力端子６から信号が出力されるように構成され
ている。

【００１７】図２に前記セルの拡大平面構成図とそのＡ
Ａ線、ＢＢ線の断面図を示す。受光素子はＰ^-型シリコ
ン基板１１にＮ⁺層１２が形成されたＰＮダイオードと
して構成される。また、ＣＣＤレジスタ２はＮ⁺層１２
上にシリコン酸化膜１３とゲート電極１４とを形成した
構成とされる。ここで、この実施例では、ＣＣＤレジス
タ２の電極をＹ方向に２分割した２つのゲート電極１５
ａ，１５ｂを形成し、前記受光素子１に対して各ゲート
電極１５ａ，１５ｂを並列状に配置している。

【００１８】そして、読み出しリセット素子３ａ，３ｂ
は前記受光素子１を包囲するように設けられたＰ⁺層１
６の一部を前記各ゲート電極１５ａ，１５ｂの下側でそ
れぞれ除去して基板１１のＰ^-層で構成されるチャネル
領域１７ａ，１７ｂを形成することで、前記各ゲート電
極１５ａ，１５ｂとでＭＯＳ構造の素子として構成され
る。したがって、この例では、１つの受光素子１に対し
て２つの読み出しリセット素子３ａ，３ｂが設けられ
る。なお、これら読み出しリセット素子３ａ，３ｂは、
受光素子１を仮想的にＹ方向の２つの領域に分割した各
領域に対して設けられ、かつこれらの読み出しリセット
素子３ａ，３ｂの２つのゲート電極１５ａ，１５ｂには
それぞれ独立して駆動信号が印加されるように構成され
ている。

【００１９】図３は図１及び図２のイメージセンサの駆
動方法を示すタイミングチャートの一例を示す図であ
る。横軸は時間、縦軸は読み出しリセット素子３ａ，３
ｂへの印加パルス電圧を示している。通常、この種のイ
メージセンサでは、読み出しリセット素子に対して高電
圧を印加するほど受光素子であるＰＮダイオードの逆バ
イアスが強くかかり、空乏層が広がるために光感度が向
上する。そこで、図３のｔ０の時点で読み出しリセット
素子３ａに高電圧パルス（例えば、２０Ｖ）を印加し、
読み出しリセット素子３ｂには電位を印加しない（０
Ｖ）ように駆動信号を供給する。

【００２０】このため、この時点では、図４（ａ）にそ
の時の受光素子１の内部ポテンシャル状態を示すよう
に、高電圧が印加された読み出しリセット素子側の逆バ
イアスが高くなり、読み出しリセット素子側では受光素
子がフロート状態となるため、受光素子では読み出しリ
セット素子３ａ近傍のポテンシャルが深くなり、ポテン
シャル分布に偏りが生じる。このポテンシャル分布の偏
りによって受光素子の感度重心がＡ１で示すように受光
素子内の上方の位置となる。そして、時点ｔ１まではこ
の感度重心Ａ１の状態で光電変換が行われ、生成した信
号電荷は受光素子内の空乏層容量で蓄積されていく。

【００２１】一方、ｔ１の時点で、今度は逆に読み出し
リセット素子３ｂに高電圧パルスが印加されてｔ０から
ｔ１の期間に読み出しリセット素子３ａに蓄積された信
号電荷が読み出しリセット素子３ｂを通って垂直ＣＣＤ
レジスタ４に転送される。これと同時に、読み出しリセ
ット素子３ａには電圧を印加しないため、受光素子では
図４（ｂ）に示すように、前記した状態と逆に読み出し
リセット素子により下方に偏った位置に重心Ａ２を有す
る感度ポテンシャルとなる。そして、この状態でｔ２の
期間まで信号電荷生成動作を持続する。その後、ｔ２の
時点でｔ０の時点と同じ電圧印加状態とすると、読み出
しリセット素子の信号電荷は１つ下側のセルのＣＣＤレ
ジスタを介して伝送される。

【００２２】以下、この駆動を繰り返すことにより、１
つの受光素子のそれぞれ感度重心が異なる状態での空間
サンプリングが図３のＴの周期で行われることになる。
このことは、Ｙ方向でセルの２倍の細かさの空間サンプ
リングを行ったことになり、セルを微細化することな
く、空間分解能を２倍にすることが可能となる。

【００２３】また、一方で２つの読み出しリセット素子
に同時に同じ電圧パルスを印加すれば、受光素子には両
読み出しリセット素子により形成されるポテンシャルに
応じて受光素子の略中心位置に感度重心ができ、これに
基づいた信号電荷の読み出しが行われるため、セル単位
での空間サンプリングが行われる。

【００２４】したがって、空間分解能を優先したイメー
ジセンサとして機能させる場合には、２つの読み出しリ
セット素子に対して図３の方式で駆動を行えばよく、こ
の場合には１フレームを構成するフィールド数が２倍に
なるために、時間分解能が低下され、かつ受光素子の略
１／２のみを利用することになるため光感度も低下され
るが、空間分解能は２倍にできる。一方、２つの読み出
しリセット素子に同時に電圧パルスを印加すれば、空間
分解能はセル数に応じたものとなるが、時間分解能と光
感度は本来のレベルを保持することが可能となる。

【００２５】これにより、イメージセンサをカメラ内に
組み込んだ後でも、駆動方式を変更することにより、空
間分解能を優先した場合と、時間分解能及び光感度を優
先した場合のそれぞれ異なる状態での利用が可能とな
り、イメージセンサの利用範囲を拡大することが可能と
なる。しかしながら、現在要求されている高分解能では
これでも十分でない場合がある。そこで、このようなイ
メージセンサを用いた本発明の駆動方法を次に説明す
る。

【００２６】図５は本発明のイメージセンサの駆動方法
の実施例である。この例では、一方の読み出しリセット
素子に高電圧パルスを印加するのと同時に、他方の読み
出しリセット素子には中電圧パルス（例えば、１０Ｖ）
を印加している。即ち、こここではｔ０の時点で読み出
しリセット素子３ａに高電圧を印加すると同時に読み出
しリセット素子３ｂに中電圧を印加する。これにより、
受光素子における感度重心Ａ１′は図６（ａ）のように
なり、図４（ａ）の場合よりも多少中心寄り（下方の）
の位置となる。また、逆に読み出しリセット素子３ａに
中電圧を印加し、読み出しリセット素子３ｂに高電圧を
印加した場合には、図６（ｂ）のようになり、感度重心
Ａ２′図４（ｂ）の場合よりも多少中心寄り（上方の）
の位置となる。

【００２７】図７は本発明のイメージセンサの駆動方法
の異なる他の例である。この例では、一方の読み出しリ
セット素子に高電圧パルスを印加するのと同時に、他方
の読み出しリセット素子には０電圧を印加する場合、す
なわち電圧を供給しない場合と中電圧パルスを供給する
場合とを設けている。即ち、こここではｔ０の時点で読
み出しリセット素子３ａに高電圧を印加するが読み出し
リセット素子３ｂには電圧を印加せず、ｔ１の時点で読
み出しリセット素子３ａに高電圧を印加すると同時に読
み出しリセット素子３ｂに中電圧を印加する。また、ｔ
２の時点では読み出しリセット素子３ｂに高電圧を印加
するとともに読み出しリセット素子３ａに中電圧を印加
し、ｔ３の時点では読み出しリセット素子３ｂに高電圧
を印加するが読み出しリセット素子３ａには電圧を印加
しないようにする。

【００２８】これにより、受光素子における感度重心は
図８（ａ）〜（ｄ）のようになり、受光素子を上下方向
に４分割した位置にそれぞれの感度重心Ａ１１，Ａ１
２，Ａ１３，Ａ１４が設定されることになる。したがっ
て、この場合には、空間分解能は本来の４倍となる。こ
のように、一の読み出しリセット素子に高電圧を印加す
る際に、他の読み出しリセット素子に対しては選択され
たタイミング時にのみ中電圧を印加するようにしてもよ
い。

【００２９】図９は本発明の他の実施例で用いられるイ
メージセンサの平面図である。この実施例では、１つの
受光素子１に対して、その両側に設けたＣＣＤレジスタ
４Ａ，４Ｂの構成するゲート電極１４をそれぞれＹ方向
に４分割１５ａ〜１５ｄし、そのうちの一つおきの２つ
のゲート電極１５ａ，１５ｃと１５ｂ，１５ｄとを隣接
する受光素子に対して分配し、結果として１つの受光素
子に対して両側のＣＣＤレジスタ４Ａ，４Ｂからそれぞ
れ２つの読み出しリセット素子３ａ，３ｂと３ｃ，３ｄ
が配設され、合計で４個の読み出しリセット素子３ａ〜
３ｄが配設されるように構成している。

【００３０】そして、これら４個の読み出しリセット素
子３ａ〜３ｄに対して、図１０に示するようにｔ０〜ｔ
３の時点において順序的に高電圧を印加することによ
り、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すように、受光素子１に
おける感度重心が左上、右上、左下、右下となり、受光
素子１の４隅部に近い位置Ａ２１〜Ａ２４に変化され
る。これにより、受光素子１の縦方向と横方向に対して
それぞれ２倍の空間分解能を得ることが可能となる。

【００３１】なお、図１０では、主となる読み出しリセ
ット素子に対する高電圧の印加状態のみを示しており、
実際には前記各読み出しリセット素子３ａ〜３ｄが順序
的に主の読み出しリセット素子とされ、これ以外の読み
出しリセット素子に対して、図５及び図７と同様なタイ
ミングで異なる電圧の印加を行うことにより、受光素子
における感度重心の数を増やすことができ、空間分解能
を更に高めることも可能である。

【００３２】本発明は前記した各実施例に限られるもの
ではなく、読み出しリセット素子の配置位置やその数は
適宜に変更でき、また各読み出しリセット素子に印加す
る電圧の組み合わせを適宜に変更することで、極めて多
様な感度重心を有するイメージセンサとして構成するこ
とが可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、イメージ
センサを構成する１つの受光素子に対して複数個の読み
出しリセット素子をそれぞれ異なる位置に設け、これら
の読み出しリセット素子に異なるタイミングで電圧パル
スを印加し、かつこれとともに他の読み出しリセット素
子に異なる電圧パルスを印加することで、その際におけ
る受光素子での感度重心をそれぞれ異なる位置に設定で
き、１つの受光素子においても光感度の感度重心がそれ
ぞれ異なる信号電荷の取り込みが可能となり、空間分解
能を増大させることが可能となる。また、この空間分解
能の変更に伴って時間分解能や光感度を変化させること
が可能となり、任意の特性のイメージセンサを得ること
が可能となる。

【００３４】特に、矩形に形成された受光素子の一辺に
沿って複数個の読み出しリセット素子を配設すること
で、その一辺に沿って受光素子の感度重心位置を変化さ
せ、その方向の空間分解能を向上することができる。或
いは、受光素子の両側に延設される信号電荷転送素子の
それぞれに対して１つ以上の読み出しリセット素子を配
設することで、受光素子の両側方向に沿って感度重心位
置を変化させ、その方向の空間分解能を向上することが
できる。更に、これらを組み合わせた方向での空間分解
能の向上が可能となる。

【００３５】以上のように、本発明によれば、受光素子
のセルの繰り返し周期よりも細かい周期の空間サンプリ
ングを行って空間分解能を向上することができるので、
イメージセンサをカメラ等に組み込んだ後でも、その空
間分解能、時間分解能、光感度等を任意に設定でき、カ
メラに要求される種々の特性を１つのイメージセンサで
対応することが可能になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるイメージセンサの全体構成
を示す構成図である。

【図２】図１のセル部の拡大構成図とそのＡＡ線，ＢＢ
線に沿う断面図である。

【図３】読み出しリセット素子に印加する電圧パルスの
タイミング図である。

【図４】図３のタイミングによる受光素子における感度
重心の移動を示す図である。

【図５】本発明のイメージセンサの駆動方法の一実施例
における電圧パルスの印加タイミング図である。

【図６】図５のタイミングによる受光素子における感度
重心の移動を示す図である。

【図７】本発明の駆動方法の異なる例の電圧パルスの印
加タイミング図である。

【図８】図７のタイミングによる受光素子における感度
重心の移動を示す図である。

【図９】本発明の駆動方法を実施するための他のイメー
ジセンサのセル部の拡大構成図である。

【図１０】図９のイメージセンサのリセット素子に印加
する電圧のタイミング図である。

【図１１】図１０のタイミングによる受光素子における
感度重心の移動を示す図である。

【図１２】従来のイメージセンサの一例の構成図であ
る。

【符号の説明】

１受光素子２ＣＣＤレジスタ３ａ〜３ｄ読み出しリセット素子４垂直ＣＣＤレジスタ５水平ＣＣＤレジスタ１１Ｐ^-基板１２Ｎ⁺層１４ゲート電極１５ａ〜１５ｄゲート電極１６Ｐ⁺層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光電変換機能を有する受光素子と、この
受光素子で発生された信号電荷を転送する信号電荷転送
素子と、前記受光素子から信号電荷転送素子に信号電荷
を取り込む読み出しリセット素子を１つの受光素子に対
して複数個配設してなるイメージセンサにおいて、前記
複数個の読み出しリセット素子に対して異なるタイミン
グで順序的に信号電荷を取り込むための電圧パルスを印
加するとともに、一つの読み出しリッセット素子に電圧
パルスを印加したときに、他の読み出しリセット素子に
異なる電圧の電圧パルスを印加することを特徴とするイ
メージセンサの駆動方法。