JP3964567B2

JP3964567B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3964567B2
Application number: JP03915899A
Authority: JP
Inventors: 実柏木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2019-02-17
Also published as: JP2000244819A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は固体撮像装置に関し、詳しくはフォトダイオードなどの光電変換素子に蓄積された信号電荷をＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）シフトレジスタにより転送して読み出すＣＣＤリニアイメージセンサの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、この種の固体撮像装置の従来例を示す概略平面図であり、とくに２ラインの画素列を備えた固体撮像装置の構成を示している。この固体撮像装置は、画素となるフォトダイオードをライン状に配置した第１の画素列２１及び第２の画素列２２と、これら画素列に蓄積された信号電荷をＣＣＤシフトレジスタへ転送する第１のシフトゲート２３及び第２のシフトゲート２４と、前記信号電荷を所定の転送クロックに同期して出力側へ転送する第１のＣＣＤシフトレジスタ２５及び第２のＣＣＤシフトレジスタ２６と、信号電荷を電圧信号に変換する電荷検出部２７と、電圧信号を出力した後の不要電位を初期化するリセットゲート２８と、出力回路２９とから構成されている。
【０００３】
この固体撮像装置では、高解像度化にともなう画素数の増加に対応するために、２つの画素列を並列配置し、本来は１つの画素列で読みとる画像を２つの画素列で交互に読み取るようにしている。このために、本来の１つの画素列における奇数番目（１、３、５…）の画素を第１の画素列２１に、偶数番目（２、４、６…）の画素を第２の画素列２２に配置している。また、各画素列の画素は平面的に千鳥配列となるように半画素分だけオフセットした状態で配置されている。
【０００４】
前記第１のＣＣＤシフトレジスタ２５と第２のＣＣＤシフトレジスタ２６は、出力側の最終段で連結されて電荷検出部２７に接続されている。これらＣＣＤシフトレジスタには、信号電荷の転送手段として図示しないφ１転送電極とφ２転送電極が交互に配置されており、それぞれの電極には信号電荷を出力側へ転送する転送クロックφ１、φ２が印加される。
【０００５】
図４は、図３の固定撮像装置の各部に印加されるクロック信号と出力信号の一例を示す波形図である。図４において、シフトクロックＳＨは第１のシフトゲート２３及び第２のシフトゲート２４に、転送クロックφ１、φ２は第１のＣＣＤシフトレジスタ２５及び第２のＣＣＤシフトレジスタ２６の図示しないφ１転送電極とφ２転送電極に、またリセットクロックＲＳはリセットゲート２８にそれぞれ印加される。
【０００６】
次に、２ラインの画素列により画像を読み取る場合の動作について説明する。図４において、シフトクロックＳＨがＬｏｗレベルの間に読み取り画像の１ラインが画素列に読み取られ、その入射光の強度に応じた信号電荷が各画素列の画素に蓄積される。続いて、シフトクロックＳＨがＨｉｇｈレベルの間に、画素列に蓄積されていた信号電荷は画素列からシフトゲートを通じてＣＣＤシフトレジスタへ一斉に転送される。このとき、第１の画素列２１の信号電荷は第１のＣＣＤシフトレジスタ２５へ、また第２の画素列２２の信号電荷は第２のＣＣＤシフトレジスタ２６へ転送される。その後、シフトクロックＳＨがＬｏｗレベルになると、読み取り画像の次の１ラインが画素列に読み取られる。また、同じくクロックＳＨがＬｏｗレベルの間、先にＣＣＤシフトレジスタへ転送された信号電荷は、φ１転送電極及びφ２転送電極により転送クロックφ１、φ２に同期して出力側へ転送される。このとき、φ１、φ２は互いに逆相になっているため、第１のＣＣＤシフトレジスタ２５と第２のＣＣＤシフトレジスタ２６からの信号電荷は電荷検出部２７へ１クロックごとに交互に転送される。電荷検出部２７では、信号電荷の変換が行われ、続くリセットゲート２８で不要電位が初期化される。そして、出力回路２９では出力信号が画素の配列順に時系列の信号として取り出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の装置では、画像を読み取る際には２ライン分の全画素を読み出していた。そして、高密度（精細な画像）のモードが設定されている場合には２ライン分の全画素の画像信号を出力し、低密度（粗い画像）のモードが設定されている場合には画像信号の一部を間引くなどの処理を施して出力していた。通常、低密度は読み取り時間を短くしたい場合に設定されるが、この場合でも２ライン分の全画素を読み出しているため、高密度の時と同じ時間がかかっていた。
【０００８】
低密度の場合の読み取りを高速化したい場合、図５に示すように転送クロックφ１、φ２の周波数を２倍にし、φ１がＨｉｇｈレベル、φ２がＬｏｗレベルのときのリセットクロックＲＳを一回間引くことにより、データレートを変えることなく半分の時間で読み取ることができる。しかし、この場合は信号電荷を電圧信号へ変換する際に、一つの画素列上で１つおきに存在する連続しない画素の信号電荷が合成されるため、画質が劣化するという問題点があった。
【０００９】
また、図６に示すように、１つの画素列に対し１つの出力回路を設けた配置とすることも考えられる。図６は、第１の画素列２１に出力回路２９−１を、第２の画素列２２に出力回路２９−２をそれぞれ設け、読み取り密度に応じて１ライン読み取り（低密度）、２ライン読み取り（高密度）などの切替えを行うようにしたものである。この場合、低密度の読み取りでは１つおきに存在する画素の信号電荷が合成されることなく出力されるため、画質の劣化を防ぐことができる。しかし、図６に示すように構成した場合は、システム的に２倍の画像処理回路が必要となるため、回路規模が増大するという問題点があった。
【００１０】
この発明は、画質の劣化や回路規模の増大を招くことなしに、低密度での読み取りを高速化することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換素子からなる第１及び第２の光電変換部と、前記各光電変換部から信号電荷を読み出す第１及び第２の電荷読み出し部と、前記各電荷読み出し部から読み出された信号電荷を出力側へ転送する複数の転送電極からなり、各々出力側の最終段で連結された第１及び第２の電荷転送部と、前記第１及び第２の電荷転送部により転送された信号電荷を電圧信号に変換する電荷検出部とを備え、前記第１及び第２の光電変換部は光電変換素子が平面的に千鳥配列され、１ラインの画像を２つの光電変換部の各光電変換素子で交互に読み取るように構成された固体撮像装置において、前記第２の電荷転送部の終端部分にのみ信号電荷を外部へ排出する排出ゲートを設け、前記第２の光電変換部から読み出された信号電荷を前記電荷検出部又は前記排出ゲートのいずれか一方へ転送することを特徴とする。
【００１２】
また請求項２の発明は、請求項１において、画像を高密度で読み取る場合は前記第１及び第２の電荷転送部からの信号電荷を交互に前記電荷検出部へ転送し、画像を低密度で読み取る場合は第１の電荷転送部からの信号電荷を前記電荷検出部へ転送し、前記第２の電荷転送部からの信号電荷を前記排出ゲートへ転送することを特徴とする。
【００１３】
上記構成によると、高密度で画像を読み取る場合は、排出ゲートを閉じることにより、２つの画素列で読み取った信号電荷の全てが電荷検出部へ転送される。一方、低密度で画像を読み取る場合は、第１の電荷転送部の終端部分にある転送電極の転送を停止し、排出ゲートを開くことにより、２つの画素列で読み取った信号電荷のうち、第１の光電変換部で読み出された信号電荷は排出ゲートから排出され、第２の光電変換部で読み出された信号電荷のみが電荷検出部へ転送される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係わる固体撮像装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、この実施形態に係わる固体撮像装置を示す概略平面図であり、２ラインの画素列を備えた固体撮像装置の構成を示している。この固体撮像装置の基本的な構成は図３の従来例と同じであり、フォトダイオードをライン状に配置した第１の画素列１及び第２の画素列２と、これら画素列に蓄積された信号電荷をＣＣＤシフトレジスタへ転送する第１のシフトゲート３及び第２のシフトゲート４と、前記信号電荷を所定の転送クロックに同期して出力側へ転送する第１のＣＣＤシフトレジスタ５及び第２のＣＣＤシフトレジスタ６と、信号電荷の変換を行う電荷検出部７と、不要電位を初期化するリセットゲート８と、出力回路９とから構成されている。なお、図３と共通部分の構成、動作については説明を省略する。
【００１６】
上記２つのＣＣＤシフトレジスタ５、６の連結位置には、最終段の転送電極としてφ１転送電極１０、φ２転送電極１１が配置されている。このうち、φ１転送電極１０の一つ前のφ２転送電極１２には、第２のＣＣＤシフトレジスタ６から転送されてくる信号電荷を排出する電荷排出ドレイン１３を備えた排出ゲート１４が設けられている。
【００１７】
排出ゲート１４には、高密度での読み取りの際にはＬｏｗレベルのゲート制御信号が印加され、また低密度での読み取りの際にはＨｉｇｈレベルのゲート制御信号がそれぞれ印加される。Ｌｏｗレベルのゲート制御信号が印加されたときは、ゲートがｏｆｆして第２のＣＣＤシフトレジスタ６からの信号電荷は電荷検出部７へ転送される。一方、Ｈｉｇｈレベルのゲート制御信号が印加されたときはゲートがｏｎするとともに、最終段のφ１転送電極１０にはＬｏｗレベルの転送クロックが印加され、第２のＣＣＤシフトレジスタ６からの信号電荷は電荷排出ドレイン１３から外部に排出される。
【００１８】
前記排出ゲート１４は、２つのＣＣＤシフトレジスタのいずれか一方に設ければよい。また、前記第１のＣＣＤシフトレジスタ５又は第２のシフトレジスタ６は、半導体基板表面の絶縁膜上に各種の電極を配列したＭＯＳ−ＦＥＴにより構成することができる。
【００１９】
図２は、図１に示す固定撮像装置の各部に印加されるクロック信号と出力信号の一例を示す波形図である。この図２は低密度で画像を読み取る場合の波形を示している。図２において、シフトクロックＳＨは第１のシフトゲート３及び第２のシフトゲート４に、転送クロックφ１、φ２は第１のＣＣＤシフトレジスタ５及び第２のＣＣＤシフトレジスタ６のφ１転送電極とφ２転送電極に、リセットクロックＲＳはリセットゲート８にそれぞれ印加される。また、最終段クロックφ１ｅ、最終段クロックφ２ｅは、図１のφ１転送電極１０とφ２転送電極１１に印加される転送クロックを示し、ゲート制御信号Ｇは排出ゲート１４に印加される信号波形を示している。
【００２０】
次に、２ラインの画素列を使って画像を高密度及び低密度で読み取る場合の動作について説明する。
【００２１】
高密度で画像を読み取る場合は、従来例である図４のように、シフトクロックＳＨがＬｏｗレベルの間に、読み取り画像の１ラインが画素列に読み取られ、その入射光の強度に応じた信号電荷が各画素列の画素に蓄積される。続いて、シフトクロックＳＨがＨｉｇｈレベルの間に、画素列に蓄積されていた信号電荷は画素列からシフトゲートを通じてＣＣＤシフトレジスタへ一斉に転送される。その後、シフトクロックＳＨがＬｏｗレベルになると、ＣＣＤシフトレジスタへ転送された信号電荷は、図示しないφ１転送電極及びφ２転送電極により転送クロックφ１、φ２に同期して出力側へ交互に転送される。なお、転送クロックφ１、φ２は、図示しない最終段のφ１転送電極及びφ２転送電極にも印加されている。
【００２２】
したがって、第１のＣＣＤシフトレジスタ５からの信号電荷は最終段のφ２転送電極１１から転送クロックに同期して電荷検出部７に転送される。この間、ゲート制御信号ＧはＬｏｗレベルが保持されるために、排出ゲート１４のゲートはｏｆｆし、第２のＣＣＤシフトレジスタ６からの信号電荷についても最終段のφ１転送電極１０から転送クロックに同期して電荷検出部７へ転送される。このように、電荷検出部７には第１のＣＣＤシフトレジスタ５からの信号電荷と第２のＣＣＤシフトレジスタ６からの信号電荷が交互に転送される。
【００２３】
低密度で画像を読み取る場合は、図２に示すように、転送クロックφ１、φ２の周波数は２倍になる。このとき、最終段クロックφ１ｅはＬｏｗレベルに保持され、他の転送クロックφ１は通常のクロック信号が印加される。また、最終段クロックφ２ｅと他の転送クロックはφ２はともに同じ転送クロックが印加される。ゲート制御信号ＧはＨｉｇｈレベルに保持される。
【００２４】
これによると、最終段のφ２転送電極１１では他のφ２転送電極と同じ転送クロックが印加されるので、第１のＣＣＤシフトレジスタ５からの信号電荷は最終段のφ２転送電極１１から転送クロックに同期して電荷検出部７へ転送される。一方、最終段のφ１転送電極１０では電位がＬｏｗレベルに保持されるために信号電荷の転送が停止し、また排出ゲート１４のゲートがｏｎするために、第２のＣＣＤシフトレジスタ６からの信号電荷は電荷排出ドレイン１３から外部に排出される。したがって、電荷検出部７には第１のＣＣＤシフトレジスタ５からの信号電荷のみが転送されることになる。
【００２５】
上述したように、図１に示す固体撮像装置では、高密度／低密度のいずれの場合にも２ラインによる画像の読み取りが行われるが、低密度の場合には、第２のＣＣＤシフトレジスタ６からの信号電荷は排出ゲート１４から排出され、第１のＣＣＤシフトレジスタ５からの信号電荷のみが転送される。したがって、電荷検出部７からは、一つの画素列上で１つおきに存在する画素の信号電荷が合成されることなく出力されることになるため、画質の劣化を防ぐことができる。この場合、転送クロックφ１、φ２の周波数は２倍となるので、データレートを変えることなく半分の時間で読み出すことができる。しかも、画像処理回路の数を２倍にする必要がないため、回路規模の増大を回避することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係わる固体撮像装置においては、高密度で画像を読み取る場合は２ラインで読み取った信号電荷を全て出力側に転送し、低密度で画像を読み取る場合は２ラインで読み取った信号電荷のうち一方のみを出力側に転送するようにしたので、転送クロックの周波数を２倍にしても画質を劣化させることがなく、また１ラインごとに画像処理回路を設けることなしに信号を処理することができる。
【００２７】
したがって、画質の劣化や回路規模の増大を招くことなしに、低密度での読み取りを高速化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係わる固体撮像装置を示す概略平面図。
【図２】図１に示す固定撮像装置の各部に印加されるクロック信号と出力信号の一例を示す波形図。
【図３】固体撮像装置の従来例を示す概略構成図。
【図４】図３の固定撮像装置の各部に印加されるクロック信号と出力信号の一例を示す波形図。
【図５】図４で転送クロックの周波数を２倍にした場合の波形図。
【図６】１つの画素列に対し１つの出力回路を設けた固体撮像装置を示す概略構成図。
【符号の説明】
１、２１第１の画素列
２、２２第２の画素列
３、２３第１のシフトゲート
４、２４第２のシフトゲート
５、２５第１のＣＣＤシフトレジスタ
６、２６第２のＣＣＤシフトレジスタ
７、２７電荷検出部
８、２８リセットゲート
９、２９出力回路
１０ φ１転送電極（最終段）
１１ φ２転送電極（最終段）
１３電荷排出ドレイン
１４排出ゲート

Claims

入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換素子からなる第１及び第２の光電変換部と、前記各光電変換部から信号電荷を読み出す第１及び第２の電荷読み出し部と、前記各電荷読み出し部から読み出された信号電荷を出力側へ転送する複数の転送電極からなり、各々出力側の最終段で連結された第１及び第２の電荷転送部と、前記第１及び第２の電荷転送部により転送された信号電荷を電圧信号に変換する電荷検出部とを備え、前記第１及び第２の光電変換部は光電変換素子が平面的に千鳥配列され、１ラインの画像を２つの光電変換部の各光電変換素子で交互に読み取るように構成された固体撮像装置において、前記第２の電荷転送部の終端部分にのみ信号電荷を外部へ排出する排出ゲートを設け、前記第２の光電変換部から読み出された信号電荷を前記電荷検出部又は前記排出ゲートのいずれか一方へ転送することを特徴とする固体撮像装置。
画像を高密度で読み取る場合は前記第１及び第２の電荷転送部からの信号電荷を交互に前記電荷検出部へ転送し、画像を低密度で読み取る場合は第１の電荷転送部からの信号電荷を前記電荷転送部へ転送し、前記第２の電荷転送部からの信号電荷を前記排出ゲートへ転送することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。