JP3389466B2

JP3389466B2 - 固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法

Info

Publication number: JP3389466B2
Application number: JP22833597A
Authority: JP
Inventors: 雄三大鶴
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 2003-03-24
Anticipated expiration: 2017-08-25
Also published as: JPH1169234A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フレーム転送方式
のＣＣＤ固体撮像素子及びその固体撮像素子の駆動方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】パーソナルコンピュータやワードプロセ
ッサなどのコンピュータ機器に画像情報を取り込む手段
として、固体撮像素子を用いた電子スチルカメラが用い
られるようになっている。この電子スチルカメラは、従
来のテレビカメラ等の撮像装置と同様に、被写体画像を
動画、即ち、静止画像の連続として撮らえ、その中から
所望の１画面の画像情報を取り出すように構成される。
通常、このような電子スチルカメラの画像情報の処理に
おいては、処理の高速化を図るため、適当に間引いた少
ない情報量の画像信号で連続画像を再生し、最終的に取
り出そうとする１画面の画像情報に対してのみ完全な信
号処理を施すようにしている。

【０００３】図１０は、従来の電子スチルカメラの構成
を示すブロック図である。ＣＣＤ固体撮像素子１は、行
列配置された複数の受光画素と各受光画素に対応付けら
れるシフトレジスタとを有する。複数の受光画素は、周
知のレンズ機構によって受光面に照射される被写体画像
の光に応答して情報電荷を発生し、それぞれ独立に蓄積
する。シフトレジスタは、各受光画素に蓄積される情報
電荷を所定の順序で転送出力する。また、固体撮像素子
１には、シフトレジスタの出力端に、情報電荷を画素単
位で蓄積する容量が設けられており、転送出力される情
報電荷の電荷量を電圧値に変換して取り出し、画像信号
Ｙ0(t)として出力する。

【０００４】駆動回路２は、固体撮像素子１の各シフト
レジスタに対して多相の垂直転送クロックφv及び水平
転送クロックφhを供給し、複数の受光画素に蓄積され
る情報電荷を所定の順序で転送出力させる。即ち、垂直
走査タイミングに従って各受光画素の情報電荷をシフト
レジスタへ転送した後、水平走査タイミングに従って１
行ずつ転送出力させることにより、１行単位で連続する
画像信号Ｙ0(t)を得られるようにしている。タイミング
制御回路３は、一定周期の基準クロックに基づいて水平
同期信号ＨＴ及び垂直同期信号ＶＴを生成し、駆動回路
２に供給する。この水平同期信号ＨＴ及び垂直同期信号
ＶＴは、固体撮像素子１の水平走査及び垂直走査のタイ
ミングを決定するためのものであり、所定のフォーマッ
トに従って生成される。同時に、画像信号Ｙ0(t)を水平
同期信号ＨＴ及び垂直同期信号ＶＴに従い規格化するタ
イミング信号ＰＣを生成し、後述する信号処理回路４へ
供給する。また、タイミング制御回路３は、画像確定指
示ＤＩに応答し、駆動回路２の連続撮像動作を停止させ
ると共に、信号処理回路４に画像信号Ｙ0(t)に対応した
特定の１画面の画像データＤ(n)を出力させる。

【０００５】信号処理回路４は、固体撮像素子１から出
力される画像信号Ｙ0(t)を取り込み、タイミング信号Ｐ
Ｃに従ってサンプルホールド、レベル補正等の各種の処
理を施し、所定のフォーマットに準じた画像信号Ｙ1(t)
として表示器５へ供給する。この信号処理回路４は、Ａ
／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器を含み、画像信号Ｙ0(t)を
デジタルデータとして信号処理を施し、所定の信号処理
が完了した後にアナログ値の画像信号Ｙ1(t)に戻して表
示器５へ供給するように構成される。さらに、信号処理
回路４は、タイミング制御回路３が画像確定指示ＤＩを
受けたときの画像信号Ｙ0(t)の１画面分に対応するデジ
タル画像データＤ(n)を静止画出力として外部へ供給す
る。表示器５は、例えば、ＬＣＤパネルからなり、信号
処理回路４から供給される画像信号Ｙ1(t)に従う固体撮
像素子１が撮らえた画像を連続して表示する。尚、画像
確定指示ＤＩを受けた後には、静止画出力として出力さ
れる画像データＤ(n)に対応する静止画像を表示する。

【０００６】図１１は、ＣＣＤ固体撮像素子１の構成を
示す模式図であり、フレーム転送方式の場合を示してい
る。この図においては、図面を簡略化するため、受光画
素の配列を１２行×１６列で示してある。そして、図１
２は、固体撮像素子１を駆動する各転送クロックと各同
期信号との関係を示すタイミング図である。フレーム転
送方式のＣＣＤ固体撮像素子１は、撮像部１ｉ、蓄積部
１ｓ、水平転送部１ｈ及び出力部１ｄより構成される。
撮像部１ｉは、垂直方向に連続する互いに平行な複数の
ＣＣＤシフトレジスタからなり、これらのシフトレジス
タの各ビットがそれぞれ受光画素を構成する。この撮像
部１ｉには、垂直同期信号ＶＴに同期するフレーム転送
クロックφf1〜φf3が印加され、撮像期間中に各受光画
素に蓄積された情報電荷が垂直走査のブランキング期間
に蓄積部１ｓへ高速転送される。

【０００７】蓄積部１ｓは、撮像部１ｉのシフトレジス
タに連続し、ビット数が一致する複数のＣＣＤシフトレ
ジスタからなり、これらのシフトレジスタの各ビットが
蓄積画素を構成し、撮像部１ｉの各受光画素から転送出
力される情報電荷を一時的に蓄積する。この蓄積部１ｓ
には、垂直同期信号ＶＴ及び水平同期信号ＨＴに同期し
た垂直転送クロックφv1〜φv3が印加され、撮像部１ｉ
から情報電荷が１画面単位で取り込まれると共に、取り
込まれた情報電荷が水平走査のブランキング期間に１行
単位で水平転送部１ｈへ転送される。

【０００８】水平転送部１ｈは、蓄積部１ｓの各シフト
レジスタの出力が各ビットに結合された単一のＣＣＤシ
フトレジスタからなり、蓄積部１ｓの各シフトレジスタ
から転送出力される情報電荷を各ビットに受ける。この
水平転送部１ｈには、水平同期信号ＨＴに同期した水平
転送クロックφh1、φh2が印加され、蓄積部１ｓの各シ
フトレジスタから１水平ライン単位で転送出力される情
報電荷が順次出力部１ｄ側へ転送される。

【０００９】出力部１ｄは、水平転送部１ｈの出力側で
情報電荷を受ける容量を含み、水平転送部１ｈから転送
出力される情報電荷を受けて電荷量に応じた電圧値を出
力する。この出力部１ｄには、水平転送クロックφh1、
φh2に従うリセットクロックφrが印加され、水平転送
部１ｈから順次転送出力される情報電荷を１画素単位で
排出させることにより、１画素毎の情報電荷量に対応す
る電圧値を取り出すようにしている。ここで出力される
電圧値の変化が画像信号Ｙ0(t)となる。

【００１０】このような、フレーム転送方式の固体撮像
素子１は、撮像して得られた情報電荷を一時的に蓄積す
る蓄積部１ｓが、撮像部１ｉの受光画素から離れている
ため、受光画素からの不要な電荷の漏れ込みが少ない。
このため、固体撮像素子から任意のタイミングで情報電
荷を読み出して静止画像を得る電子スチルカメラに適し
ている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の電子スチルカメ
ラの場合、固体撮像素子１を連続動作させて動画像を取
り出し、その動画像を見ながら所望の静止画像を取り出
せるようにしている。このときの動画像は、単なる確認
画面であるため、高画質である必要はなく、通常は、画
像信号Ｙ0(t)の情報量を予め少なくして信号処理回路４
での信号処理を簡単にしている。即ち、信号処理回路４
の入力段階で画像信号Ｙ0(t)を一定の列単位あるいは行
単位で間引くことで情報量を削減し、各種の信号処理を
簡略化して高速化を図れるように構成している。

【００１２】しかしながら、信号処理回路４において画
像信号Ｙ0(t)を間引くようにするための構成は、入力部
分の回路動作が高速になって消費電力を増加させると共
に、回路規模自体も大きくなり易いため、コストの増大
を招くことになる。そこで本発明は、消費電力の増大を
抑えながら、コストの低減を図り、安価で高解像度の電
子スチルカメラを提供できるようにすることを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するために成されたもので、その特徴とするところ
は、一導電型の半導体基板の一主面に逆導電型の半導体
領域が形成され、この半導体領域内に列方向に延在する
複数のチャネル領域が形成されると共に、上記半導体領
域上に行方向に延在する複数の転送電極が形成され、こ
の転送電極の一定本数毎に上記チャネル領域内に受光画
素及び蓄積画素が定義される固体撮像素子であって、第
１及び第２の撮像動作で上記転送電極の少なくとも１本
がオンすると同時に少なくとも１本がオフする第１の受
光画素と、第１の撮像動作で上記転送電極の全てがオフ
し、第２の撮像動作で上記転送電極の少なくとも１本が
オンすると同時に少なくとも１本がオフする第２の受光
画素と、が所定の配列規則に従って行列配置されると共
に、第１の撮像動作で上記第１の受光画素に蓄積される
情報電荷を一時的に蓄積する蓄積画素が上記第１及び第
２の受光画素の配置に連続して行列配置されることにあ
る。

【００１４】これにより、第１の撮像動作においては、
第１の受光画素で発生する情報電荷がそのまま画素内に
蓄積され、第２の受光画素で発生する情報電荷が基板側
へ排出されるようになる。そして、第２の撮像動作にお
いては、第１及び第２の受光画素で発生する情報電荷が
それぞれ画素内に蓄積されるようになる。従って、動作
的に画素数を間引いて画像信号を出力するか、あるい
は、全ての受光画素から情報電荷を読み出して画像信号
を出力するかの選択が可能な固体撮像素子を得られる。

【００１５】そして、本発明の固体撮像素子の駆動方法
の特徴とするところは、列方向に一定の間隔で配置され
る第１の受光画素に対し、上記チャネル領域と上記半導
体基板領域との間に所定の高さのポテンシャル障壁を形
成する第１の電位を上記転送電極の少なくとも１本に印
加し、上記第１の受光画素の配列の間に配置される第２
に受光画素に対して、上記チャネル領域と上記半導体基
板領域との間のポテンシャルの障壁を消滅させる第２の
電位を上記転送電極の全てに印加する第１の撮像動作、
及び、上記第１及び第２の受光画素に対し、上記チャネ
ル領域と上記半導体基板領域との間に所定の高さのポテ
ンシャル障壁を形成する第１の電位を上記転送電極の少
なくとも１本に印加する第２の撮像動作を含み、第１の
撮像動作を繰り返し実行して画面単位で連続する第１の
画像信号を得ると共に、所望のタイミングで第２の撮像
動作を実行して単一の静止画面を表示する第２の画像信
号を得ることにある。

【００１６】これにより、第１の撮像動作では、第１の
受光画素にのみ情報電荷が蓄積され、低解像度の画面を
連続して表示する第１の画像信号を得られる。そして、
第２の撮像動作では、第１及び第２の受光画素にそれぞ
れ情報電荷が蓄積され、高解像度の画面を表示する第２
の画像信号を得られる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体撮像素子の
構成を示す断面図であり、図２は、その固体撮像素子内
部のポテンシャル図である。尚、本発明の固体撮像素子
は、フレーム転送方式であり、図１は、その撮像部を示
す。Ｎ型の半導体基板１１の一主面に、Ｐ型の拡散領域
１２が形成され、この拡散領域１２内に、一方向（図面
の水平方向）に延在する複数のチャネル領域が互いに平
行に形成される。各チャネル領域は、情報電荷の転送経
路となる領域であり、表面付近にＮ型の埋め込み層１３
が形成されて埋め込みチャネル構造を成している。ま
た、半導体基板１１は、チャネル領域から漏れ出す情報
電荷を吸収するオーバーフロードレインとして働くもの
であり、情報電荷の蓄積期間、転送期間及び排出期間に
それぞれ所定の固定電位が印加される。埋め込み層１３
が形成されたチャネル領域上には、絶縁膜１４を介し
て、チャネル領域と交差する方向に延在する複数の転送
電極１５が互いに平行に配列される。この転送電極１５
については、１層目の転送電極の間隙部分を２層目の転
送電極で被うようにした２層構造であってもよい。これ
らの転送電極１５は、３相駆動を採用した場合、３本単
位でチャネル領域内に第１及び第２の受光画素Ｐ１、Ｐ
２を設定する。そして、第１の受光画素Ｐ１が設定され
るチャネル領域１６には、埋め込み層１３に対して不純
物濃度が薄くなるＮ型の注入領域１６が、中央の転送電
極１５に対応するように形成される。この注入領域１６
は、情報電荷が埋め込み層１３から半導体基板１１側へ
抜けにくくするためのものであるが、転送電極１５の作
用のみで情報電荷を確実に保持することができれば、な
くてもよい。

【００１８】第１の受光画素Ｐ１は、第１の撮像動作と
第２の撮像動作との何れにおいても情報電荷を蓄積し、
第２の受光画素Ｐ２は、第２の撮像動作のみで情報電荷
を蓄積する。本実施の形態では、第１の受光画素Ｐ１の
間に第２の受光画素Ｐ２を２つずつ配置することで、垂
直方向の画素数を１／３に間引いて第１の画像信号Ｙ0
(t)を得るようにした場合を示している。

【００１９】各転送電極１５には、３相の転送クロック
φf1〜φf3、φf2'が印加され、チャネル領域内のポテ
ンシャルの制御が行われる。転送クロックφf1、φf3
は、第１及び第２の撮像動作において、各受光画素Ｐ
１、Ｐ２の両端に位置する転送電極１５をオフし、隣り
合う受光画素を電気的に分離するためのポテンシャル障
壁を形成する。転送クロックφf2'は、第１及び第２の
撮像動作において、第１の受光画素Ｐ１の中央に位置す
る転送電極１５をオンし、情報電荷を蓄積するためのポ
テンシャル井戸を形成する。転送クロックφf2は、第１
の撮像動作において、第２の受光画素Ｐ２の中央に位置
する転送電極１５をオフしてポテンシャル井戸を形成せ
ず、第２の撮像動作において、同転送電極１５をオンし
てポテンシャル井戸を形成する。これにより、第２の受
光画素Ｐ２においては、第２の転送動作においてのみ情
報電荷の蓄積が行われる。

【００２０】縦型オーバーフロードレイン構造のＣＣＤ
固体撮像素子の場合、半導体基板１１の深さ方向に、図
３に示すようなポテンシャルプロファイルが形成され
る。このポテンシャルプロファイルは、転送電極１５か
ら離れるに従って深くなり、一旦、埋め込み層１３内で
極小値を示すと共に拡散層１２内で極大値を示し、それ
以降は、拡散層１２から半導体基板１１の深部に進むに
従って深くなる。このようなポテンシャルは、半導体基
板１１及び転送電極１５に印加する電位によって制御す
ることができるものであり、電位を高くすればポテンシ
ャルが深く形成され、逆に、低くすればポテンシャルが
浅く形成される。

【００２１】チャネル領域に情報電荷を蓄積する場合、
転送電極１５をオンする、即ち、転送電極１５に印加す
る電位を高くすることにより、曲線ａに示すようなポテ
ンシャルプロファイルを形成する。これにより、埋め込
み層１３の極小値と拡散層１２の極大値との差を埋める
分だけ、情報電荷の蓄積が可能になる。一方、チャネル
領域に情報電荷を蓄積せずに半導体基板１１側へ排出す
る場合、転送電極１５をオフする、即ち、転送電極１５
に印加する電位を低くすることにより、曲線ｂに示すよ
うなポテンシャルプロファイルを形成する。これによ
り、チャネル領域に発生する情報電荷は、ポテンシャル
の勾配に沿って半導体基板１１側へ排出される。そこ
で、第１の撮像動作においては、転送クロックφf2'
が、図３の曲線ａに示すポテンシャルを形成する電位と
なり、転送クロックφf1〜φf3が、図３の曲線ｂに示す
ポテンシャルを形成する電位となる。また、第２の撮像
動作においては、転送クロックφf2、φf2'が、図３の
曲線ａに示すポテンシャルを形成する電位となり、転送
クロックφf1、φf3が、図３の曲線ａに示すポテンシャ
ルを形成する電位となる。尚、半導体基板１１側のポテ
ンシャルについては、半導体基板１１に印加される電位
が、第１の撮像動作と第２の撮像動作とで変更されない
ため、ほとんど変化はない。

【００２２】図４は、本発明に関するフレーム転送方式
のＣＣＤ固体撮像素子の構成を示す模式図である。この
図においては、図面を簡略化するため、第１及び第２の
受光画素Ｐ１、Ｐ２の配列を１２行×１６列で示してあ
る。フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子２０は、撮
像部２０ｉ、蓄積部２０ｓ、水平転送部２０ｈ及び出力
部２０ｄより構成される。撮像部２０ｉは、垂直方向に
連続する互いに平行な複数のＣＣＤシフトレジスタから
なり、これらのシフトレジスタの各ビットが、それぞれ
第１及び第２の受光画素Ｐ１、Ｐ２を構成する。第１及
び第２の撮像動作で情報電荷を蓄積する第１の受光画素
Ｐ１と第２の動作モードでのみ情報電荷を蓄積する第２
の受光画素Ｐ２とは、それぞれ行方向に連続し、第１の
行Ｌ１及び第２の行Ｌ２を形成する。第１の行Ｌ１は、
１行ずつ一定の間隔を空けて配置され、第２の行Ｌ２
は、第１の行の間に適数行配置される。本実施の形態に
おいては、第１の行Ｌ１の間に第２の行Ｌ２が２行ずつ
配置される。そして、第１の行には、転送クロックφf
1、φf2'、φf3が印加され、第２の行Ｌ２には、転送ク
ロックφf1〜φf3が印加される。各受光画素Ｐ１、Ｐ２
に蓄積された情報電荷を転送する際には、転送クロック
φf2と転送クロックφf2'とを一致させ、情報電荷を蓄
積部２０ｓへ転送（フレーム転送）する。この情報電荷
の転送は、第１の撮像動作においては、図１１に示す固
体撮像素子１の撮像部１ｉと同様に、垂直同期信号ＶＴ
に同期するタイミングで高速に行われる。これに対して
第２の撮像動作においては、高速転送は行われず、図１
１に示す固体撮像素子１の蓄積部１ｓと同様に、水平走
査に従う周期で１行ずつ行われる。

【００２３】蓄積部２０ｓは、撮像部２０ｉのシフトレ
ジスタに連続する複数のＣＣＤシフトレジスタからな
り、これらのシフトレジスタの各ビットが蓄積画素Ｓを
構成する。この蓄積部２０ｓは、光学的に遮光されてお
り、撮像部２０ｉの第１の受光画素Ｐ１から転送出力さ
れる情報電荷をそれぞれ一時的に蓄積する。蓄積部２０
ｓの垂直方向の蓄積画素Ｓの数は、撮像部２０ｉの第１
の行Ｌ１の行数、即ち、撮像部２０ｉの第１の受光画素
Ｐ１の数に一致する。本実施の形態においては、蓄積部
２０ｓは、撮像部２０ｉの１／３の行（４行×１６列）
に形成される。蓄積部２０ｓの各行には、垂直同期信号
ＶＴあるいは水平同期信号ＨＴに同期した垂直転送クロ
ックφv1〜φv3が印加される。第１の撮像動作では、転
送クロックφf1〜φf3、φf2'の１／３の周波数で撮像
部２０ｉの第１の受光画素Ｐ１から情報電荷を取り込
み、取り込んだ情報電荷を水平走査期間毎に１行ずつ水
平転送部２０ｈへ転送する。第２の撮像動作では、垂直
転送クロックφv1〜φv3を転送クロックφf1〜φf3、φ
f2'に一致させて撮像部２０ｉの各シフトレジスタの延
長部分として動作させ、第１の受光画素Ｐ１からの情報
電荷を順次水平転送部２０ｈへ転送する。

【００２４】水平転送部２０ｈは、蓄積部２０ｓの各シ
フトレジスタの出力が各ビットに結合された単一のＣＣ
Ｄシフトレジスタからなり、蓄積部２０ｓの各シフトレ
ジスタから転送出力される情報電荷を各ビットに受け
る。出力部２０ｄは、水平転送部２０ｈの出力側で情報
電荷を受ける容量を含み、水平転送部２０ｈから転送出
力される情報電荷を受けて電荷量に応じた電圧値を出力
する。水平転送部２０ｈ及び出力部２０ｄは、図１１に
示す固体撮像素子１の水平転送部１ｈ及び出力部１ｄと
同一である。即ち、水平同期信号ＨＴに同期した水平転
送クロックφh1、φh2に応答して水平転送部２０ｈ内の
情報電荷を出力部２０ｄへ転送し、出力部２０ｄの容量
に蓄積される情報電荷をリセットクロックφrに応答し
て順次排出するように構成される。そして、出力部２０
ｄの容量の電位の変化が画像信号Ｙ0(t)として出力され
る。

【００２５】ところで、固体撮像素子２０がカラー撮像
に対応する場合、受光部２０ｉにカラーフィルタが装着
されて第１及び第２の受光画素Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ特
定の色成分に対応付けられる。例えば、図５に示すよう
に、奇数行にシアン（Ｃｙ）と黄（Ｙｅ）とが交互に配
置され、偶数行に白（Ｗ）と緑（Ｇ）が交互に配置され
る。このようなカラーフィルタを撮像部２０ｉに装着し
た場合、垂直方向の６画素を１つの単位とし、この内の
２画素から互いに異なる色成分を取り出すようにするこ
とができる。これにより、低解像度の撮像を行う第１の
撮像動作においても、全ての受光画素から情報電荷を読
み出す第２の撮像動作と同じように全ての色成分を独立
に取り出すことが可能になる。

【００２６】図６及び図７は、本発明の固体撮像素子の
駆動方法を実現する各転送クロックの波形図であり、そ
れぞれ第１の撮像動作及び第２の撮像動作を示す。本実
施の形態においては、各転送クロックを３相としてい
る。このような３相駆動の場合、撮像部２０ｉの各受光
画素Ｐ１、Ｐ２において、図１に示すように、１画素あ
たり３本の転送電極１５が配置される。各転送電極１５
は、図２に示すように、印加される電位が高いときにポ
テンシャルを深く形成して情報電荷を蓄積し、印加され
る電位が低いときにポテンシャルを浅く形成して情報電
荷の排出を行う。

【００２７】第１の撮像動作において、転送クロックφ
f1〜φf3は、電荷蓄積期間にロウレベルに固定され、そ
の電荷蓄積期間に続く電荷転送期間の始まりに高周波の
読み出しパルスを有する。また、転送クロックφf2'
は、電荷蓄積期間にハイレベルに固定され、電荷転送期
間の始まりに転送クロックφf2に一致する読み出しパル
スを有する。これにより、撮像部２０ｉでは、電荷蓄積
期間中、転送クロックφf2'を受ける第１の受光画素Ｐ
１のみに情報電荷が蓄積されると共に、受光画素Ｐ１に
蓄積された情報電荷が、電荷転送期間の始まりに蓄積部
２０ｓ側へ高速転送される。このとき、情報電荷は、第
１の受光画素Ｐ１にのみ蓄積されているため、第１の受
光画素Ｐ１の垂直配列の間に２つの第２の受光画素が配
置される撮像部２０ｉでは、３画素転送される毎に１画
素分の情報電荷が出力されることになる。尚、第１の撮
像動作の場合、同じ動作が一定の周期で繰り返されるこ
とから、現在の画面の情報電荷の転送出力と次の画面の
情報電荷の蓄積とがオーバーラップするようにして行わ
れる。即ち、撮像部２０ｉで情報電荷が蓄積される間、
蓄積部２０ｓでは１つ前の画面の情報電荷の転送が行わ
れる。

【００２８】垂直転送クロックφv1〜φv3は、電荷転送
期間の始まりに、転送クロックφf1〜φf3の１／３の周
波数の読み込みパルスを有し、さらに、読み込みパルス
に続いて、垂直転送クロックφv1〜φv3よりも周期が長
いライン送りパルスを有する。また、水平転送クロック
φh1、φh2は、垂直転送クロックφv1〜φv3の転送動作
の間隙期間に高周波の出力パルスを有する。この垂直転
送クロックφv1〜φv3及び水平転送クロックφh1、φh2
による動作は、周波数以外、図１１に示すＣＣＤ固体撮
像素子１と同一である。従って、撮像部２０ｉから間欠
的に出力される情報電荷が、順次蓄積部２０ｓへ取り込
まれて蓄積画素Ｓに一時的に保持され、続いて、一定の
周期で蓄積部２０ｓから水平転送部２０ｈへ１行単位で
転送される。そして、水平転送部２０ｈに取り込まれた
情報電荷が、１画素単位で順次出力部２０ｄ側へ転送出
力される。

【００２９】第１の撮像動作によれば、撮像部２０ｉの
第１の受光画素Ｐ１に蓄積される情報電荷が、所定の周
期で繰り返し読み出され、低解像度で動画を表す画像信
号を得ることができる。第２の撮像動作において、転送
クロックφf1、φf3は、電荷蓄積期間にロウレベルに固
定され、続く電荷転送期間に一定周期のライン送りパル
スを有する。また、転送クロックφf2、φf2'は、電荷
蓄積期間にハイレベルに固定され、電荷転送期間に転送
クロックφf1、φf3と同一周期のライン送りパルスを有
する。これにより、撮像部２０ｉでは、電荷蓄積期間
中、第１及び第２の受光画素Ｐ１、Ｐ２にそれぞれ情報
電荷が蓄積されると共に、各受光画素Ｐ１、Ｐ２に蓄積
された情報電荷が、電荷転送期間に蓄積部２０ｓ側へ１
ライン毎に転送される。垂直転送クロックφv1〜φv3
は、電荷蓄積期間中、ロウレベルに固定され、続く電荷
転送期間に、転送クロックφf1〜φf3に一致するライン
送りパルスを有する。従って、蓄積部２０ｓは、撮像部
２０ｉと同一動作を繰り返し、撮像部２０ｉから順次転
送出力される情報電荷を１行ずつ同一の周期で水平転送
部２０ｈへ転送する。そして、水平転送クロックφh1、
φh2は、第１の撮像動作と同一のものであり、垂直転送
クロックφv1〜φv3の転送動作の間隙期間に高周波の出
力パルスを有する。従って、撮像部２０ｉの各受光画素
Ｐ１、Ｐ２に蓄積された情報電荷は、撮像部２０ｉから
蓄積部２０ｓを通して一定の周期で水平転送部２０ｈへ
１行単位で転送され、水平転送部２０ｈから１画素単位
で出力部２０ｄ側へ転送出力される。

【００３０】第２の撮像動作の場合、１画面分の静止画
を得るようにしているため、撮像部２０ｉに繰り返し情
報電荷を蓄積する必要はなく、撮像部２０ｉに蓄積され
た情報電荷の読み出しには十分な時間が割り当てられ
る。しかしながら、固体撮像素子２０で第２の撮像動作
を行うと、撮像部２０ｉの各受光画素Ｐ１、Ｐ２に蓄積
された情報電荷の全てをそのまま蓄積部２０ｓへ取り込
むことができないため、情報電荷のほとんどが電荷転送
期間中も光電変換動作が可能な位置に保持される。そこ
で、固体撮像素子２０を被うようにシャッタ機構を設
け、電荷蓄積期間が終了次第、そのシャッタ機構を閉じ
て撮像部２０ｉを遮光するようにしてスミア電荷の発生
が防止される。

【００３１】第２の撮像動作によれば、撮像部２０ｉの
第１及び第２の受光画素Ｐ１、Ｐ２に蓄積される情報電
荷が、撮像部２０ｉが遮光された状態で順次読み出さ
れ、高解像度で静止画を表す画像信号を得ることができ
る。図８は、図１に示す固体撮像素子２０を用いて動画
及び静止画を表す画像信号を得られるようにした電子ス
チルカメラの構成を示すブロック図であり、図９は、そ
の動作を説明するタイミング図である。

【００３２】ＣＣＤ固体撮像素子２０は、図１に示すも
のであり、撮像部２０ｉに対して行数が１／３に省略さ
れた蓄積部２０ｓを有し、駆動回路２１から供給される
各種クロックによって駆動され、画像信号Ｙ0(t)を出力
する。シャッタ機構３０は、周知のレンズ機構を通して
固体撮像素子２０の撮像部２０ｉに被写体画像が投射さ
れる光路上に配置され、必要に応じて撮像部２０ｉを遮
光する。このシャッタ機構３０は、光の透過の制御が可
能なものであればよく、液晶パネルや遮光板等を用いて
構成することができる。シャッタ駆動回路２１は、後述
するタイミング制御回路２２から供給されるシャッタ制
御信号ＳＴに基づいて駆動クロックφdを発生し、シャ
ッタ機構３０を開閉駆動する。例えば、シャッタ制御信
号ＳＴが立ち上げられている間はシャッタ機構３０を開
放し、立ち下げられている間はシャッタ機構３０を閉じ
るように構成される。

【００３３】駆動回路２１は、固体撮像素子２０の各シ
フトレジスタに対して転送クロックφf1〜φf3、φf
2'、垂直転送クロックφv1〜φv3及び水平転送クロック
φh1、φh2を供給し、複数の受光画素Ｐ１、Ｐ２に蓄積
される情報電荷を所定の順序で転送出力させる。即ち、
一定の電荷蓄積期間を経て撮像部２０ｉの各受光画素Ｐ
１、Ｐ２に蓄積される情報電荷を１画素毎に所定の順序
で転送出力し、１ライン単位で連続する画像信号Ｙ0(t)
を得られるようにしている。固体撮像素子２０における
情報電荷の転送動作は、図６に示す第１の撮像動作また
は図７に示す第２の撮像動作に従う。

【００３４】タイミング制御回路２２は、第１の撮像動
作で固体撮像素子２０を連続動作させて動画を表示する
第１の画像信号Ｙ0(t)を得られるようにし、第２の撮像
動作で固体撮像素子を１回だけ動作させて静止画を表示
する第２の画像信号ｙ0(t)を得られるようにする。同時
に、固体撮像素子２０の撮像部２０ｉを遮光するシャッ
タ機構３０を駆動するシャッタ駆動回路３１に対して、
第１の撮像動作でシャッタ機構３０を開放し、第２の撮
像動作で一定の期間シャッタ機構３０を開放した後に閉
じて固体撮像素子２０の撮像部２０ｉを遮光するように
指示を与える。

【００３５】第１の撮像動作においては、一定周期の基
準クロックに基づいて水平同期信号ＨＴ及び垂直走査信
号ＶＴを生成して駆動回路２１に供給し、駆動回路２１
を周期的に動作させる。これにより、固体撮像素子２０
は、撮像部２０ｉの第１の受光画素Ｐ１のみで撮像を繰
り返し、撮像部２０ｉから行数が１／３に間引かれた第
１の画像信号Ｙ0(t)を出力する。このとき、シャッタ制
御信号ＳＴは、立ち上げられたままであり、シャッタ駆
動回路３１は、シャッタ機構３０を開放状態のまま維持
する。尚、第１の撮像動作の間は、画像信号Ｙ0(t)を規
格化するタイミング信号ＰＣが同時に生成され、信号処
理回路２３へ供給される。

【００３６】第１の撮像動作が継続しているときに、画
像確定指示ＤＩが入力されると、その時点で第１の撮像
動作は終了し、第２の撮像動作に移る。第２の撮像動作
では、先ずシャッタ制御信号ＳＴが立ち下げられて一旦
シャッタ機構３０が閉じられ、固体撮像素子２０の撮像
部２０ｉが遮光される。この状態でフレーム転送動作を
行い撮像部２０ｉの各受光画素に蓄積されている情報電
荷を排出させる。この排出動作は、シャッタ機構３０を
閉じた後に第１の撮像動作と同じ動作を１回繰り返せば
よい。不要な電荷の排出動作が完了した後、シャッタ制
御信号ＳＴを所定の期間だけ立ち上げ、シャッタ機構３
０を開放して固体撮像素子２０の撮像部２０ｉの全ての
受光画素に情報電荷を蓄積させる。このシャッタ機構３
０の開放時間は、被写体輝度に合わせて設定するように
し、固体撮像素子２０の撮像部２０ｉに蓄積される情報
電荷の量の平均が所定の範囲に納まるようにする。ここ
で、最適なシャッタ開放時間は、第１の撮像動作で得ら
れる第１の画像信号Ｙ0(t)の平均レベルに基づいて設定
すること、被写体の輝度を直接測定して設定することな
どが考えられる。第２の撮像動作においては、固体撮像
素子２０がフレーム転送動作を伴わない代わりに、シャ
ッタ機構３０による撮像部２０ｉの遮光が必要になる。
シャッタ機構３０によって遮光された撮像部２０ｉで
は、蓄積部２０ｓより多くの行数の受光画素に蓄積され
た情報電荷が１行単位で読み出されることになる。これ
により、固体撮像素子２０は、撮像部２０ｉの各受光画
素Ｐ１、Ｐ２に対応する画素を表示する第２の画像信号
ｙ0(t)を出力する。

【００３７】信号処理回路２３は、固体撮像素子２０か
ら出力される第１の画像信号Ｙ0(t)を取り込み、タイミ
ング信号ＰＣに従い、サンプルホールド、レベル補正等
の各種の処理を施し、所定のフォーマットに従う画像信
号Ｙ1(t)として表示器２４へ供給する。この信号処理回
路２３は、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器を含み、第１
の画像信号Ｙ0(t)をデジタルデータとして信号処理を施
し、所定の信号処理が完了した後にアナログ値の画像信
号Ｙ1(t)に戻して表示器２４へ供給するように構成され
る。信号処理回路２３は、タイミング制御回路２２が画
像確定指示ＤＩを受けるまでの間、第１の撮像動作とし
て上述の信号処理を繰り返す。画像確定指示ＤＩを受け
た後には、固体撮像素子２０の撮像部２０ｉの全ての受
光画素からの情報電荷を表す第２の画像信号ｙ0(t)に対
応するデジタル画像データＤ(n)を静止画出力として外
部へ供給する。このとき、表示器２４に対しても、静止
画出力に対応し、画素数が間引かれた画像信号Ｙ1(t)を
供給する。表示器２４は、ＬＣＤパネル等からなり、信
号処理回路２３から供給される画像信号Ｙ1(t)に従う固
体撮像素子２０が撮らえた画像を連続して表示する。

【００３８】このように、第１の撮像動作と第２の撮像
動作とで固体撮像素子２０の実質的な受光画素の数を変
更するようにしたことで、低解像度の動画を表示する画
像信号を得る第１の撮像動作では、信号処理回路２３の
信号処理を簡略化することができる。以上の実施の形態
においては、固体撮像素子２０の蓄積部２０ｓの蓄積画
素の行数を撮像部１１ｉの行数の１／３に縮小した場合
を例示したが、縮小比率は、１／２または１／４以下で
もよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、受光画素の実質的な数
を切り換えて、低解像度の動画を表示する第１の画像信
号と高解像度の静止画を表示する第２の画像信号とをそ
れぞれ得ることができる。また、固体撮像素子のチップ
サイズを小さくすることができるため、固体撮像素子の
製造コストを低減することができ、同時に、第１の撮像
動作で得られる第１の画像信号に対する信号処理を簡略
化することができる。従って、固体撮像素子のコストの
低減を図りながら、高画質の静止画像を得ることができ
るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像素子の撮像部の構造を示す断
面図である。

【図２】本発明の固体撮像素子の撮像部内のポテンシャ
ル図である。

【図３】本発明の固体撮像素子のポテンシャルの状態を
示すプロファイル図である。

【図４】本発明の固体撮像素子の概略を示す平面図であ
る。

【図５】モザイク型のカラーフィルタの構成例を示す平
面図である。

【図６】第１の撮像動作の際の各転送クロックの波形図
である。

【図７】第２の撮像動作の際の各転送クロックの波形図
である。

【図８】本発明の固体撮像素子を採用した撮像装置の構
成を示すブロック図である。

【図９】図８に示す撮像装置の動作を説明するタイミン
グ図である。

【図１０】従来の撮像装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図１１】従来のフレーム転送方式の固体撮像素子の概
略を示す平面図である。

【図１２】フレーム転送方式の固体撮像素子の動作を説
明するタイミング図である。

【符号の説明】

１、２０ＣＣＤ固体撮像素子１ｉ、２０ｉ撮像部１ｓ、２０ｓ蓄積部１ｈ、２０ｈ水平転送部１ｄ、２０ｄ出力部２、２１ＣＣＤ駆動回路３、２２タイミング制御回路４、２３信号処理回路５、２４表示器１１半導体基板１２拡散領域１３埋め込み層１４絶縁膜１５転送電極１６注入領域３０シャッタ機構３１シャッタ駆動回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一導電型の半導体基板の一主面に逆導電
型の半導体領域が形成され、この半導体領域内に列方向
に延在する複数のチャネル領域が形成されると共に、上
記半導体領域上に行方向に延在する複数の転送電極が形
成され、この転送電極の一定本数毎に上記チャネル領域
内で、撮像部に受光画素が定義され、蓄積部に蓄積画素
が定義される固体撮像素子であって、行単位で列方向に
一定の間隔で配置され、第１及び第２の撮像動作で上記
転送電極の少なくとも１本がオンすると同時に少なくと
も１本がオフする第１の受光画素と、上記第１の受光画
素の配列の行間に配置され、第１の撮像動作で上記転送
電極の全てがオフし、第２の撮像動作で上記転送電極の
少なくとも１本がオンすると同時に少なくとも１本がオ
フする第２の受光画素と、を有し、第１の撮像動作で上
記第１の受光画素に蓄積される情報電荷を一時的に蓄積
する蓄積画素が上記第１の受光画素の行数と同一の行数
で上記第１及び第２の受光画素の配置に連続して行列配
置されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】上記第１の受光画素は、列方向に一定の
間隔で１つずつ配置され、上記第２の受光画素は、上記
第１の受光画素の配列の間に所定数ずつ配置されること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】第２の撮像動作でオンする上記第１の受
光画素の転送電極の下のチャネル領域と、この領域を除
くチャネル領域とで不純物の濃度に差を与えたことを特
徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】一導電型の半導体基板の一主面に逆導電
型の半導体領域が形成され、この半導体領域内に列方向
に延在する複数のチャネル領域が形成されると共に、上
記半導体領域上に行方向に延在する複数の転送電極が形
成され、この転送電極の一定本数毎に上記チャネル領域
内で撮像部に受光画素が定義されると共に、蓄積部に蓄
積画素が定義され、行単位で列方向に一定の間隔で配置
される第１の受光画素及びこの第１の受光画素の配列の
行間に配置される第２の受光画素を有し、上記蓄積画素
が上記第１の受光画素の行数と同一の行数で行列配置さ
れる固体撮像素子の駆動方法において、上記第１の受光
画素に対し、上記チャネル領域と上記半導体基板領域と
の間に所定の高さのポテンシャル障壁を形成する第１の
電位を上記転送電極の少なくとも１本に印加し、上記第
２に受光画素に対して、上記チャネル領域と上記半導体
基板領域との間のポテンシャルの障壁を消滅させる第２
の電位を上記転送電極の全てに印加する第１の撮像動
作、及び、上記第１及び第２の受光画素に対し、上記チ
ャネル領域と上記半導体基板領域との間に所定の高さの
ポテンシャル障壁を形成する第１の電位を上記転送電極
の少なくとも１本に印加する第２の撮像動作を含み、第
１の撮像動作を繰り返し実行して画面単位で連続する第
１の画像信号を得ると共に、所望のタイミングで第２の
撮像動作を実行して単一の静止画面を表示する第２の画
像信号を得ることを特徴とする固体撮像素子の駆動方
法。
【請求項５】第１の撮像動作中、被写体からの光を上
記第１及び第２の受光画素に継続的に照射し、第２の撮
像動作中、被写体からの光を所定の時間に上記第１及び
第２の受光画素に照射することを特徴とする請求項４に
記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】第２の撮像動作期間中に、上記第１及び
第２の受光画素に光を照射する時間を被写体からの光の
強度に応じて伸縮することを特徴とする請求項５に記載
の固体撮像素子の駆動方法。