JP5943853B2 - TDI linear image sensor and driving method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、リモートセンシング等の分野で用いられるリニアイメージセンサ及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to a linear image sensor used in fields such as remote sensing and a driving method thereof.
半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、この光検出器からの信号電荷の読出回路及び出力アンプを同じ基板上に備えたイメージセンサが多数開発されている。また、例えば人工衛星から地表を撮像する等の、対象を遠隔から測定する手段であるリモートセンシングでは、光検出器を1次元アレイ状に配置したリニアイメージセンサを人工衛星等に搭載して、アレイ方向と垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって、地表の2次元画像が撮影される。 Many image sensors have been developed in which a large number of photodetectors are arranged in an array on a semiconductor substrate, and signal charge readout circuits and output amplifiers from the photodetectors are provided on the same substrate. Also, in remote sensing, which is a means for remotely measuring an object, for example, imaging the ground surface from an artificial satellite, a linear image sensor in which photodetectors are arranged in a one-dimensional array is mounted on the artificial satellite, etc. A two-dimensional image of the earth's surface is photographed by making the direction perpendicular to the direction coincide with the traveling direction of the satellite.
画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましいが、光検出器の面積が縮小する分だけ入射光量が減少し、S/Nが劣化するという課題がある。そのS/Nを改善するための巧妙な手段としてTDI方式(Time Delay and Integration)のイメージセンサが開発されている。TDI方式は、2次元イメージセンサであるFFT(フル・フレーム・トランスファ)型CCD(Charge Coupled Devices)を用い、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることで信号電荷の積分を行い、S/Nを改善する読出し方式である。リモートセンシングの場合、画像における垂直方向の電荷転送を衛星の移動速度に合わせることでTDI動作が実現できる。垂直CCDでM段のTDI動作を行うと、蓄積時間が実効的にM倍となるため、感度がM倍向上し、S/Nは√M倍に改善される。 In order to improve the image resolution, it is desirable to reduce the pixel pitch as much as possible. However, there is a problem that the incident light amount is reduced by the reduction in the area of the photodetector and the S / N is deteriorated. As a clever means for improving the S / N, a TDI (Time Delay and Integration) image sensor has been developed. The TDI method uses an FFT (full frame transfer) CCD (Charge Coupled Devices), which is a two-dimensional image sensor, to integrate the signal charge by synchronizing the charge transfer timing with the movement timing of the subject image, This is a readout method for improving S / N. In the case of remote sensing, the TDI operation can be realized by matching the vertical charge transfer in the image with the moving speed of the satellite. When an M-stage TDI operation is performed with a vertical CCD, the accumulation time is effectively M times, so that the sensitivity is improved M times and the S / N is improved to √M times.
一般的な2次元イメージセンサの場合、垂直方向の電荷転送は水平ブランキング期間に行われ、水平1ラインの信号読み出しごとに1段の垂直転送を行う。ところが、リモートセンシングに用いるTDI方式リニアイメージセンサにこの転送方法を適用すると、得られる画像がぼける、つまりMTF(Modulation Transfer Function)が劣化するという問題が生じる。一方、水平転送期間に複数回に分割して垂直転送を行うとMTF劣化は抑制されるが、垂直転送クロックの干渉によって信号出力にスパイク状のカップリングノイズが重畳するという問題が生じる。
この問題を解決するために、例えば特許文献1では、垂直転送クロックの立上り/立下り前後の一定期間、水平転送クロックを一時停止させる方法が開示されている。
In the case of a general two-dimensional image sensor, the charge transfer in the vertical direction is performed during the horizontal blanking period, and one stage of vertical transfer is performed every time one horizontal line signal is read. However, when this transfer method is applied to a TDI linear image sensor used for remote sensing, there arises a problem that an obtained image is blurred, that is, MTF (Modulation Transfer Function) is deteriorated. On the other hand, if the vertical transfer is performed by dividing into a plurality of times in the horizontal transfer period, the MTF deterioration is suppressed, but there arises a problem that spike-like coupling noise is superimposed on the signal output due to the interference of the vertical transfer clock.
In order to solve this problem, for example,
しかしながら、特許文献1に示したカップリングノイズの回避方法によると、信号電荷が水平転送される間に複数回にわたって水平転送が停止するため、水平CCDの一端から他端へと転送されるのに要する時間が、電荷パケットによって異なる場合が生じる。その結果、水平CCDで発生する暗時出力が電荷パケットごとに不均一になり、出力のFPN(Fixed Pattern Noise)が増大するといった問題があった。
However, according to the method for avoiding the coupling noise shown in
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、FPNを増大させることなくMTF劣化を抑制し、かつ垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避したTDI方式リニアイメージセンサ及びその駆動方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses MTF deterioration without increasing the FPN and avoids the influence of coupling noise caused by a vertical transfer clock. An object is to provide a sensor and a driving method thereof.
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるTDI方式リニアイメージセンサは、画素領域と水平CCDとの間に、水平方向にそれぞれ複数段の垂直CCDで構成される、斜め読み出し部及び電荷蓄積部を有し、画素領域を水平方向に複数の画素ブロックに分割し、上記水平CCD段数を水平画素数よりも多く配置する。また、斜め読み出し部と上記水平CCDとの接続部において、斜め読み出し部が接続されない水平方向に複数段のCCDを非接続転送部として画素ブロック間に配置したものである。
また、上記一態様におけるTDI方式リニアイメージセンサの駆動方法は、上記一態様におけるTDI方式リニアイメージセンサを用い、水平転送期間に複数回に分割して垂直転送を行うとともに、信号出力のブランク期間において垂直転送クロックを切り替えるものである。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
In other words, the TDI linear image sensor according to an aspect of the present invention includes an oblique readout unit and a charge storage unit each including a plurality of vertical CCDs in the horizontal direction between the pixel region and the horizontal CCD. The pixel area is divided into a plurality of pixel blocks in the horizontal direction, and the number of horizontal CCD stages is larger than the number of horizontal pixels. Further, in the connection portion between the oblique readout section and the horizontal CCD, a plurality of CCDs are arranged between the pixel blocks as non-connection transfer sections in the horizontal direction where the oblique readout section is not connected.
In addition, the TDI linear image sensor driving method according to the above aspect uses the TDI linear image sensor according to the above aspect, performs vertical transfer divided into a plurality of times during the horizontal transfer period, and in the signal output blank period. The vertical transfer clock is switched.
上述の構成を別表現で表すと、本発明の一態様におけるTDI方式リニアイメージセンサは、画素を形成し垂直転送方向へ時間遅延積分動作にて画素信号電荷を転送する複数の光電変換部と、この光電変換部が送出する画素信号電荷を水平転送方向へ転送する水平転送部とを備えたTDI方式のリニアイメージセンサであって、
上記光電変換部と上記水平転送部との間に設けられ、光電変換部から水平転送部へ画素信号電荷の転送を行う電荷転送部をさらに備え、
上記光電変換部及び上記電荷転送部は、水平転送方向においてN個のブロックに分割され、ここでNは2以上の正の整数であり、
上記水平転送部は、上記電荷蓄積部におけるブロックが接続される接続転送部と、上記電荷転送部において隣接する2つのブロックに対してどちらのブロックとも接続しない非接続転送部とを有し、水平転送方向において上記非接続転送部と上記接続転送部とを交互に配置し、水平転送方向への画素信号電荷の転送を一時停止することなく連続して行い、ここで上記非接続転送部は、隣接ブロック間に対応して配置され、一つの撮像周期内に上記画素信号電荷が存在しない画素ブランキング期間を生成する、
ことを特徴とする。
In other words, the TDI linear image sensor according to an aspect of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units that form pixels and transfer pixel signal charges in a vertical transfer direction by a time delay integration operation. A TDI linear image sensor including a horizontal transfer unit that transfers pixel signal charges sent out by the photoelectric conversion unit in a horizontal transfer direction;
A charge transfer unit that is provided between the photoelectric conversion unit and the horizontal transfer unit and that transfers pixel signal charges from the photoelectric conversion unit to the horizontal transfer unit;
The photoelectric conversion unit and the charge transfer unit are divided into N blocks in the horizontal transfer direction, where N is a positive integer of 2 or more,
The horizontal transfer unit includes a connection transfer unit to which a block in the charge storage unit is connected, and a non-connection transfer unit that is not connected to any of the two adjacent blocks in the charge transfer unit. The non-connection transfer unit and the connection transfer unit are alternately arranged in the transfer direction, and the pixel signal charge transfer in the horizontal transfer direction is continuously performed without pausing, where the non-connection transfer unit is A pixel blanking period that is arranged correspondingly between adjacent blocks and in which the pixel signal charge does not exist within one imaging period;
It is characterized by that.
本発明の一態様におけるTDI方式リニアイメージセンサによれば、光電変換部及び電荷転送部は水平転送方向においてN個のブロックに分割し、水平転送部では接続転送部と非接続転送部とを交互に配置し、非接続転送部は画素ブランキング期間を生成する。よって、このTDI方式リニアイメージセンサによれば、ある画素ブロックと次の画素ブロックの信号出力期間の間に画素ブランキング期間を設けるのに、水平転送部における水平CCD転送を一時停止する必要がない。よって、各画素信号の水平CCD暗時出力成分が一定となり、FPNの増大が抑制される。
また、TDI方式リニアイメージセンサの駆動方法によれば、水平転送部からの信号出力の画素ブランキング期間において光電変換部における垂直転送クロックを切り替えるため、垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避できる。
According to the TDI linear image sensor in one aspect of the present invention, the photoelectric conversion unit and the charge transfer unit are divided into N blocks in the horizontal transfer direction, and the connection transfer unit and the non-connection transfer unit are alternately arranged in the horizontal transfer unit. The non-connection transfer unit generates a pixel blanking period. Therefore, according to the TDI linear image sensor, it is not necessary to temporarily stop horizontal CCD transfer in the horizontal transfer unit in order to provide a pixel blanking period between signal output periods of a certain pixel block and the next pixel block. . Therefore, the horizontal CCD dark output component of each pixel signal becomes constant, and an increase in FPN is suppressed.
Further, according to the driving method of the TDI linear image sensor, the vertical transfer clock in the photoelectric conversion unit is switched in the pixel blanking period of the signal output from the horizontal transfer unit, so that the influence of coupling noise due to the vertical transfer clock can be avoided. .
本発明の実施形態である、TDI方式リニアイメージセンサ及びその駆動方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。 A TDI linear image sensor and a driving method thereof according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals. In addition, in order to avoid the following description from becoming unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art, a detailed description of already well-known matters and a duplicate description of substantially the same configuration may be omitted. . Further, the contents of the following description and the accompanying drawings are not intended to limit the subject matter described in the claims.
上記実施形態を説明するにあたり、その理解をより容易にするため、まず従来のTDI方式のイメージセンサの構成と駆動方法について、図面を用いて説明する。
図10は、垂直CCDとして4相駆動CCDを用いた、従来のTDI方式のイメージセンサの素子全体の平面構造を示すレイアウト図である。また図11は、図10に示したTDI方式のイメージセンサの画素領域の一部を拡大したレイアウト図である。
図10のレイアウトでは、Si基板表面上に画素1が2次元アレイ状に配列されている。ここで、TDI方式により時間遅延積分された信号電荷が水平CCD2に向かって垂直方向(図面下方)へと転送され、さらに水平CCD2で水平方向(図面右方)へと転送されて、出力アンプ6から読み出される。画素1と水平CCD2との間には、電荷蓄積部4が設けられている。また、画素1のアレイを挟み水平CCD2とは反対側(図面上方)に、不要な電荷を排出するための電荷排出ドレイン5が設けられている。図10の例では、垂直方向のTDI転送には4相駆動CCDが用いられている。
In order to facilitate understanding of the above-described embodiment, first, the configuration and driving method of a conventional TDI image sensor will be described with reference to the drawings.
FIG. 10 is a layout diagram showing a planar structure of the entire element of a conventional TDI image sensor using a four-phase drive CCD as a vertical CCD. FIG. 11 is an enlarged layout view of a part of the pixel area of the TDI image sensor shown in FIG.
In the layout of FIG. 10, the
図11に示すように、Si基板上には、ポリシリコンからなる転送電極9a、9b、9c、9d(総括して転送電極9と記す場合もある)が配置され、その下に転送チャネル(図示せず)が形成される。この転送チャネルは、Si基板とは逆の導電型の不純物領域からなる分離領域10で電気的に分離されている。4相駆動CCDでは4本1組の転送電極9a〜9dによって画素1が形成される。この転送電極9a〜9dには、金属配線7を介して、入力ピン8a〜8dからCCD転送クロックφV1〜φV4が与えられる。
As shown in FIG. 11,
次に、このように構成されたイメージセンサの駆動について説明する。
図12の(a)は、4相駆動CCDの転送方向に沿った断面構造の模式図と、転送チャネルのポテンシャル変化のようすとを時系列に表した図であり、図12の(b)は4相駆動CCDに与えるクロック波形を示している。
4相駆動CCDの転送電極9a〜9dに、入力ピン8a〜8dから図12の(b)に示す転送クロックφV1〜φV4を与えると、時刻t1〜t5における転送チャネルのポテンシャル分布は図12の(a)のようになる。ここで、CCD転送クロックのHigh電圧をH、Low電圧をLとする。図12の(a)に示すように、転送電極9のうち電圧Hが印加された転送電極の下にポテンシャル井戸11が形成される。ここで当該イメージセンサへの光入射によって発生した信号電荷を12とすると、CCDの転送動作によってポテンシャル井戸11が図面右方へと移動するのに伴って、信号電荷12は図面右方へと電荷転送される。このとき、被写体像の移動速度とCCD転送速度とを一致させることによりTDI(時間遅延積分)動作が実現でき、被写体像による光入射によって発生した信号電荷12は、その像位置に対応したポテンシャル井戸11に蓄積されながら垂直転送される。
Next, driving of the image sensor configured as described above will be described.
FIG. 12A is a schematic diagram of a cross-sectional structure along the transfer direction of the four-phase drive CCD, and a diagram showing the change in potential of the transfer channel in time series, and FIG. The clock waveform given to the 4-phase drive CCD is shown.
When the transfer clocks φV1 to φV4 shown in FIG. 12B are applied to the
一般的な2次元イメージセンサの場合、垂直方向への電荷転送は水平ブランキング期間に行われ、水平方向1ラインの信号読み出しごとに1段の垂直転送を行う。
一方、リモートセンシングに用いるTDI方式リニアイメージセンサにこの一般的な転送方法を適用した場合には、検出器面上に投影された被写体像と垂直転送されるポテンシャル井戸との位置関係に最大で1ライン分のずれが発生し、人工衛星の進行方向に沿ったMTFが劣化する、つまり画像がボケる、という問題が生じる。これは、被写体像の移動が連続的で滑らかであるのに対して、CCD転送によるポテンシャル井戸の移動が段階的であることに起因する。
In the case of a general two-dimensional image sensor, charge transfer in the vertical direction is performed during the horizontal blanking period, and one stage of vertical transfer is performed every time one line of signals is read in the horizontal direction.
On the other hand, when this general transfer method is applied to a TDI linear image sensor used for remote sensing, the positional relationship between the subject image projected on the detector surface and the potential well vertically transferred is 1 at the maximum. There is a problem that the line portion shifts and the MTF along the direction of travel of the artificial satellite deteriorates, that is, the image is blurred. This is due to the fact that the movement of the subject image is continuous and smooth, whereas the movement of the potential well by CCD transfer is stepwise.
被写体像とポテンシャル井戸との乖離を最小限にしてMTFの劣化を抑制するためには、例えば、4相駆動CCDで各相の実効的な電極長(つまり転送電極の転送方向長さの内、ゲートオーバーラップ等を除いた電極長、以下、単に「電極長」と記す)を互いに等しくするとともに、図12の(b)に示す転送クロックにおいて、時刻t1〜t5が等間隔になるように設定するとよい。このとき、信号読み出し期間(つまり撮像周期)中に垂直転送を複数回(この例では4回)に分けて行うことで、被写体像とポテンシャル井戸との乖離を小さくすることができ、MTF劣化が抑制される。 In order to suppress the MTF degradation by minimizing the difference between the subject image and the potential well, for example, the effective electrode length of each phase (that is, within the transfer direction length of the transfer electrode) The electrode lengths excluding gate overlap and the like (hereinafter simply referred to as “electrode lengths”) are made equal to each other, and the time t1 to t5 are set at equal intervals in the transfer clock shown in FIG. Good. At this time, the vertical transfer is divided into a plurality of times (in this example, four times) during the signal readout period (that is, the imaging cycle), whereby the difference between the subject image and the potential well can be reduced, and the MTF deterioration is reduced. It is suppressed.
しかしながら、信号読み出し期間中に垂直方向の電荷転送を行うと、信号出力にカップリングノイズが重畳するといった別の問題が発生する。その模様について、以下で図面を用いて説明する。
図13は、垂直転送に4相駆動CCDを用いたTDI方式リニアイメージセンサの、垂直転送クロックと信号出力のタイミングとを模式的に示すタイミング図である。図13の(a)に示すように、1撮像周期に垂直転送を1/4段ずつ4回に分けて行うことで、MTFの劣化を抑制している。このとき、センサの出力波形は、図13の(b)に示すように、信号出力期間中の時刻N1、N2、N3において垂直転送クロックが切り替わるため、これらの駆動クロックの干渉によって信号出力にスパイク状のカップリングノイズが重畳する問題が発生する。
However, if charge transfer in the vertical direction is performed during the signal readout period, another problem such as coupling noise superimposed on the signal output occurs. The pattern will be described below with reference to the drawings.
FIG. 13 is a timing chart schematically showing a vertical transfer clock and signal output timing of a TDI linear image sensor using a four-phase drive CCD for vertical transfer. As shown in FIG. 13A, vertical transfer is performed four times at a quarter step in one imaging cycle, thereby suppressing degradation of MTF. At this time, as shown in FIG. 13B, the output waveform of the sensor spikes in the signal output due to interference of these drive clocks because the vertical transfer clock is switched at times N1, N2, and N3 during the signal output period. The problem of overlapping coupling noise occurs.
このような問題の対策として、上記特許文献1では、垂直転送クロックの立上り/立下り前後の一定期間、水平転送クロックを一時停止させることで、カップリングノイズの重畳を回避する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献1に示したカップリングノイズの回避方法によると、信号電荷が水平転送される間に複数回にわたって水平転送が停止するため、水平CCDの一端から他端へと転送されるのに要する時間が、電荷パケットによって異なる場合が生じる。その結果、水平CCDで発生する暗時出力が電荷パケットごとに不均一になり、出力のFPNが増大する。
As a countermeasure against such a problem,
However, according to the method for avoiding the coupling noise shown in
以下に説明する本実施の形態におけるTDI方式リニアイメージセンサ及びその駆動方法は、このような問題を解決するための構成を備える。 The TDI type linear image sensor and the driving method thereof in the present embodiment described below have a configuration for solving such a problem.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101の概略構成を示す素子平面図である。当該リニアイメージセンサ101は、基本的な構成部分として、光電変換部111、水平転送部112、及び電荷転送部115を備え、さらに上述した従来の電荷排出ドレイン5及び出力アンプ6を有する。
図1の素子平面図において、Si基板表面上に画素1が2次元アレイ状に配列されている。この画素1を2次元アレイ状に配列した部分が光電変換部111に相当し、時間遅延積分(TDI)動作にて画素信号電荷を垂直転送方向へ転送する。また光電変換部111は、上述した金属配線7及び入力ピン8を有する。本発明の実施の形態1の例では、光電変換部111は、垂直駆動に4相駆動CCDを用いており、画素1は4本1組の転送電極で構成され、既に説明した場合と同様に、金属配線7を介して入力ピン8a〜8dから、4相のCCD転送クロックφV1〜φV4が与えられる。尚、上述のように垂直転送方向が当該イメージセンサ101の移動方向に対応する。
FIG. 1 is an element plan view showing a schematic configuration of a TDI type
In the element plan view of FIG. 1, the
図2は、図1に示したTDI方式リニアイメージセンサ101の画素領域の一部を拡大したレイアウト図である。図2に示したTDI方式リニアイメージセンサ101の画素レイアウトは、図11に示した従来の場合と同様である。
また図2に示すように、Si基板上にポリシリコンからなる転送電極9a〜9dが交互に配置され、その下に転送チャネル(図示せず)が形成される。転送チャネルは、Si基板と逆導電型の不純物領域からなる分離領域10で電気的に分離されている。上述の繰り返しになるが、4相駆動CCDでは4本1組の転送電極9a〜9dによって画素1が形成される。この転送電極9a〜9dには、金属配線7を介して、入力ピン8a〜8dからCCD転送クロックφV1〜φV4が与えられる。その垂直転送動作は、従来のTDI方式リニアイメージセンサの垂直転送動作と同様である。
FIG. 2 is an enlarged layout view of a part of the pixel area of the TDI
As shown in FIG. 2,
よって光電変換部111では、TDI方式により時間遅延積分された、各画素の信号電荷が水平転送部112に向かって垂直方向(図面下方)へと転送される。転送された画素信号電荷は、電荷転送部115を介して水平転送部112へ転送され、さらに水平転送部112で水平方向(図面右方)へと転送されて、出力アンプ6から読み出されることになる。
Therefore, in the
さらに本実施形態1のリニアイメージセンサ101では、光電変換部111における2次元アレイ状に配列された画素1は、水平転送方向において4つの画素ブロック111a,111b,111c,111dに区画され分割されている。尚、区画、分離されるブロックの数は、本実施形態の4つに限定されず、2以上の正の整数値であればよい。また光電変換部111を駆動するCCD転送クロックの相数との関係では、ブロック数を例えばクロック相数以上とすることができる。
Further, in the
また、リニアイメージセンサ101では、光電変換部111と水平転送部112との間に電荷転送部115を設けている。
この電荷転送部115は、複数段の垂直CCDで構成される斜め読み出し部113、及び電荷蓄積部114を有する。
ここで、斜め読み出し部113及び電荷蓄積部114についても、光電変換部111の4つの画素ブロック111a〜111dに対応して、水平転送方向において4組の、斜め読み出し部113a及び電荷蓄積部114a,斜め読み出し部113b及び電荷蓄積部114b,斜め読み出し部113c及び電荷蓄積部114c,並びに、斜め読み出し部113d及び電荷蓄積部114dに分割して構成されている。よって、光電変換部111における分割数が変化すれば、それに応じて斜め読み出し部113及び電荷蓄積部114の分割数も変更される。
そして電荷蓄積部114a〜114dは、それぞれ水平転送部112に接続されている。
In the
The
Here, with respect to the
The charge storage units 114a to 114d are connected to the
水平転送部112は、CCDで構成され、また、斜め読み出し部113及び電荷蓄積部114の組が接続されない水平CCD112bが、斜め読み出し部113及び電荷蓄積部114の組が接続される水平CCD112aの間に本実施形態では複数段ずつ形成される。即ち、水平CCD112bは、電荷転送部115において隣接する2つのブロック、例えば斜め読み出し部113a及び電荷蓄積部114aと、斜め読み出し部113b及び電荷蓄積部114bとのブロック、に対してどちらのブロックとも接続しない非接続転送部(以下「非接続転送部112b」と記す場合もある)に相当し、隣接ブロック間に対応して配置される。この非接続転送部112bは、後述するように、一つの撮像周期内に画素信号電荷が存在しない画素ブランキング期間を生成する。また、本実施形態では、非接続転送部112bは複数設けられるが、光電変換部111における画素ブロック数に応じて、最低一つでもよい。
尚、斜め読み出し部113及び電荷蓄積部114の組が接続される水平CCD112aは、接続転送部112aと記す場合もある。
このように、接続転送部112aと非接続転送部112bとが水平転送方向において交互に連続して配置され、全体として1本の水平転送部112を構成している。
The
The
In this manner, the
また、画素1アレイの水平転送部112とは反対側の端(図面上方)には、不要な電荷を排出するための電荷排出ドレイン5が設けられている。
Further, a charge discharge drain 5 for discharging unnecessary charges is provided at an end (upper side of the drawing) opposite to the
図7には、図1に示した本発明の実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101について、光電変換部111及び水平転送部112も含めて、上述した電荷転送部115部分のレイアウト図を示す。図7は、特に、隣接した2つの斜め読み出し部113と、これに続く2つの電荷蓄積部114から、水平CCDの接続転送部112aと非接続転送部112bへの接続部付近のレイアウトの詳細を示す素子表面図である。
FIG. 7 is a layout diagram of the above-described
図7において、光電変換部111の画素1の部分で光電変換が行われる。また図示していないが、画素1以外の、斜め読み出し部113、電荷蓄積部114、水平転送部(水平CCD)112、及びこれ以外の周辺回路領域には、被写体からの光が入射しないように素子表面側に遮光膜が形成される。
画素1において、分離領域10で挟まれた領域が信号電荷の転送チャネルを形成している。斜め読み出し部113では、転送チャネルを曲げて斜めにレイアウトすることによって、2組の水平CCDの接続転送部112aの間に非接続転送部112bを形成することを可能にする。一般に水平CCDは2層駆動CCDが用いられることが多く、図7の例ではφH1とφH2との2つの転送電極を1組として(ゲートとしては4つのゲートで)1段の水平CCDを構成している。またこの例では、1組の非接続転送部112bは、5段の水平CCDで形成されている。
水平CCDにおける接続転送部112aは、1画素あたりに1段の水平CCDで形成される。すなわち、光電変換部111を複数のブロックに分割した場合、1つのブロックあたりの水平画素数と、これに接続される水平CCDの接続転送部112aの水平CCD段数とは等しい。したがって、水平CCD全体としてみると、トータルの水平CCD段数は、トータルの水平画素数よりも非接続転送部112bの段数分だけ多くなる。
In FIG. 7, photoelectric conversion is performed in the
In the
The
以上のように構成された本実施の形態1におけるTDI方式リニアイメージセンサ101の動作、つまり駆動方法について、以下に説明する。
光電変換部111は、既に説明したように本実施形態では4相のCCD転送クロックの供給に従い、時間遅延積分動作にて各画素1の画素信号電荷を垂直転送方向へ転送する。電荷転送部115は、転送されてきた画素信号電荷を水平転送部112へ送出する。水平転送部112には、上述のように、接続転送部112a同士の間に非接続転送部112bが設けられていることから、水平1ラインの画素信号電荷は、4つのブロックに分割されて出力され、各ブロック間には画像ブランキング期間が生じる。このような画素信号電荷の出力動作について、図3及び図4を参照してさらに詳しく以下に説明する。
The operation, that is, the driving method of the TDI type
As already described, the
図3は、図1に示すTDI方式リニアイメージセンサ101において、画素領域全体に均一光が入射した場合の水平1ライン分の出力を模式的に示した出力波形である。画素1からの信号は、出力アンプ6から時系列に読み出されるが、上述のように光電変換部111及び電荷転送部115は、水平転送方向において複数のブロックに分割され、かつ水平転送部112には、接続転送部112aと非接続転送部112bとが水平転送方向において交互に連続して配置されている。よって水平1ラインの画素信号電荷は、本例では4つのブロック111a,111b,111c,111dに分割されて出力され、各ブロック間には画像ブランキング期間152が生じる。ここで、出力信号151a,151b,151c,151dは、それぞれ画素ブロック111a,111b,111c,111dで発生し時間遅延積分された出力信号である。即ち、一つの撮像周期の間、つまり水平1ラインの画素信号読み出しが完了するまでの間、つまり一つの水平転送期間に、信号151d,ブランキング,信号151c,ブランキング,信号151b,ブランキング,信号151aといった順序で、出力アンプに近い側から時系列に画素信号が出力される。
FIG. 3 is an output waveform schematically showing output for one horizontal line when uniform light is incident on the entire pixel area in the TDI
この読み出し動作において、一つの撮像周期の間、つまり水平1ラインの画素信号読み出しが完了するまでの間、水平転送部112は一時停止することなく連続駆動させる。そのため、各画素信号に重畳する水平CCDの暗時出力成分は一定となる。また、水平転送部112のCCDを連続駆動することで、水平転送クロックは通常のクロックでよく、複雑なパターンを必要としないという効果もある。
In this readout operation, the
また図4は、図1に示すTDI方式リニアイメージセンサ101の駆動方法を説明するための、垂直転送クロックと信号出力期間のタイミングを模式的に示すタイミング図である。本実施の形態1におけるTDI方式リニアイメージセンサ101は、垂直転送に4相駆動CCDを用いており、φV1、φV2、φV3、φV4の4組の垂直転送クロックによってCCD転送を行う。ここで、垂直転送クロックのHighレベルとLowレベルとが切り替わるタイミングt1、t2、t3、t4を時間的に等間隔にすることで、TDI動作におけるMTFの劣化を抑制できる。
このとき、図4に示すように、時刻t1、t2、t3、t4が、出力アンプ6から出力される画素信号出力における画素ブランキング期間152内に入るように、光電変換部111における画素ブロック111a〜111dの水平転送方向における分割幅を設定することによって、画素信号出力へのカップリングノイズの重畳を回避することができる。
FIG. 4 is a timing chart schematically showing the timing of the vertical transfer clock and the signal output period for explaining the driving method of the TDI
At this time, as shown in FIG. 4, the
次に、光電変換部111から水平転送部112までの信号転送動作について説明する。
図8は、図7に示した本発明の実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101を駆動するための、垂直転送クロック(φV1、φV2、φV3、φV4)及び電荷蓄積部114の制御クロック(φST、φSC)を示すクロックタイミング図である。図8において、図中に点線を付して示したtは、垂直転送クロックが切り替わる時刻を表しており、それぞれが図4に示したt1〜t4の一つに対応する。
また図9は、図7に示したTDI方式リニアイメージセンサ101の電荷転送方法を説明するための、垂直転送チャネルに沿ったポテンシャルダイアグラムである。図9において、a1〜a8は、図8中に点線で示した時刻に対応し、各時刻におけるポテンシャル井戸と転送される信号電荷の状態を模式的に表している。
図9に示すように、垂直転送クロックφV1、φV2、φV3、φV4によって画素部の垂直転送が行われるのと全く同様にして、斜め読み出し部113の電荷転送が行われる。まず時刻a1では、φV2ゲート下とφV3ゲート下にポテンシャル井戸が形成され、ここに電荷が蓄積されている。このとき、φSTゲート下にもポテンシャル井戸が形成されるが、井戸は空の状態になっている。次に時刻a2では、光電変換部111と斜め読み出し部113のポテンシャル井戸が、φV3ゲート下とφV4ゲート下へとシフトする。このとき、φSTゲート下にあるポテンシャル井戸は隣接するφV4ゲート下のポテンシャル井戸と一続きになり、この井戸全体に信号電荷が広がる。次に時刻a3でポテンシャル井戸がゲート一つ分だけシフトし、さらに、時刻a4において、斜め読み出し部113を転送された電荷が蓄積ゲートφST下のポテンシャル井戸に蓄えられる。次に、時刻a5で蓄積制御ゲートφSCが開くと、φST下に蓄積されていた信号電荷が水平CCDへと移動し、最終的に時刻a8で水平転送部112への転送が完了する。なお、図9には示していないが、電荷が水平CCDへと転送完了してから次に蓄積制御ゲートφSCが開くまでの期間内に、水平CCD動作により1ライン分の画素信号が出力アンプへと転送されて読み出される。
Next, a signal transfer operation from the
8 shows a vertical transfer clock (φV1, φV2, φV3, φV4) and a control clock for the charge storage unit 114 (φV1, φV2, φV3, φV4) for driving the TDI
FIG. 9 is a potential diagram along the vertical transfer channel for explaining the charge transfer method of the TDI
As shown in FIG. 9, the charge transfer of the
上述の実施形態1では、光電変換部111を構成する垂直CCDが4相駆動のTDI方式リニアイメージセンサの場合について示したが、3相駆動あるいは5相駆動など、他の相数で駆動される垂直CCDを用いる場合でも同様である。つまり、相数とブロック数との関係について上述したように、3相駆動の場合は画素領域を、3つ以上、例えば3つのブロックに分割するようにレイアウトおよび駆動クロックを設定すれば良く、5相駆動の場合は画素領域を、5つ以上、例えば5つのブロックに分割すれば良い。
この構成により、1撮像周期あたりの垂直転送クロックの切り替わりタイミングの回数よりも、1撮像周期あたりに形成される画素信号のブランキング期間の出現回数を多くすることができる。その結果、3相駆動あるいは5相駆動など、他の相数で駆動される垂直CCDを用いる場合でも、垂直転送クロックの切り替わりタイミングを画素ブランキング期間内に設定することが可能になり、画素信号出力へのカップリングノイズの重畳を回避することができる。
In the above-described first embodiment, the vertical CCD constituting the
With this configuration, it is possible to increase the number of appearances of the blanking period of the pixel signal formed per imaging cycle than the number of switching timings of the vertical transfer clock per imaging cycle. As a result, the vertical transfer clock switching timing can be set within the pixel blanking period even when a vertical CCD driven by another phase number such as three-phase driving or five-phase driving is used. Superimposition of coupling noise on the output can be avoided.
以上説明したように、本実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101によれば、信号出力期間に画素ブランキング期間152を設けるのに水平転送部112における転送動作を一時停止する必要がないため、各画素信号の水平CCD暗時出力成分が一定となり、FPNの増大が抑制される。
As described above, according to the TDI
また本実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101の駆動方法によれば、信号出力の画素ブランキング期間152において垂直転送クロックを切り替えるため、MTFの劣化を抑制しながら、垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避することができる。
そのため、本実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101およびその駆動方法を用いた撮像システムにおいては、φVカップリングノイズの影響を除去するための画像補正が容易になり、画像処理部の小型化及び省電力化を図ることも可能となる。
Further, according to the driving method of the TDI
Therefore, in the imaging system using the TDI
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2によるTDI方式リニアイメージセンサ102の概略構成を示す素子平面図である。また図6は、図5に示したTDI方式リニアイメージセンサ102の駆動方法を説明するための、垂直転送クロックと信号出力期間のタイミングとを模式的に示したタイミング図である。
FIG. 5 is an element plan view showing a schematic configuration of the TDI type
上述した実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101と、本実施の形態2によるTDI方式リニアイメージセンサ102との違いは、図5に示すように、画素領域の水平転送方向における画素ブロックの分割数であり、本実施の形態2では8つの画素ブロックに分割されている。その他の構成は、実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサ101の場合と同様である。
また図示を省略するが、実施の形態2のTDI方式リニアイメージセンサ102における画素レイアウトは、実施の形態1のTDI方式リニアイメージセンサ101における画素レイアウトと同様であり、垂直転送に4相駆動CCDを用いている。
The difference between the TDI
Although not shown, the pixel layout in the TDI
次に、図6を用いて実施の形態2のTDI方式リニアイメージセンサ102の駆動方法を説明する。
本実施形態2のTDI方式リニアイメージセンサ102の駆動方法では、φV1、φV2、φV3、φV4の4組の垂直転送クロックのうち隣接した少なくとも2組の垂直転送クロックが全てのタイミングにおいて完全にHighレベルとなるように垂直転送クロックを駆動する。例えば、垂直転送クロックφV1、φV2の組と、垂直転送クロックφV2、φV3の組との2組において、時刻t4〜時刻t5の間、両組がHレベルになる。
この駆動方法により、転送ゲート下に形成されるポテンシャル井戸の転送方向長さが常にゲート2つ分以上確保されるため、光電変換部111を構成する垂直CCDの最大転送電荷量を大きくすることができる。このとき、4相1組の転送ゲートの電極長を互いに等しくするとともに、垂直転送クロックの切り替わりタイミングt1〜t8を時間的に等間隔にすることで、TDI動作におけるMTFの劣化を抑制することができる。
Next, a driving method of the TDI
In the driving method of the TDI
With this driving method, the length in the transfer direction of the potential well formed below the transfer gate is always secured by two or more gates, so that the maximum transfer charge amount of the vertical CCD constituting the
このとき、図6に示すように、垂直転送クロックのHighレベルとLowレベルとが切り替わるタイミングは、1撮像周期あたり8回出現するが、図5に示す素子レイアウトにより、つまり水平転送方向において光電変換部111及び電荷転送部115を8つの画素ブロックに分割することにより、出力アンプ6が送出する信号出力の画素ブランキング期間152も8回出現する。そのため、垂直転送クロックの切り替わりタイミングを画素ブランキング期間152に合わせるように、光電変換部111における画素ブロックの分割幅を設定することによって、信号出力へのカップリングノイズの重畳を回避することができる。
画素ピッチが小さいTDI方式リニアイメージセンサにおいて、垂直CCDの最大転送電荷量を確保したい場合などに、この方法が有効である。
At this time, as shown in FIG. 6, the timing at which the high level and the low level of the vertical transfer clock are switched appears eight times per imaging cycle, but photoelectric conversion is performed in the horizontal transfer direction according to the element layout shown in FIG. 5. By dividing the
This method is effective when it is desired to secure the maximum transfer charge amount of the vertical CCD in a TDI linear image sensor with a small pixel pitch.
以上述べたように、本実施の形態2によるTDI方式リニアイメージセンサ102によれば、本実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101と同様にして、FPNの増大が抑制可能である。
また本実施の形態2によるTDI方式リニアイメージセンサ102の駆動方法によれば、本実施の形態1によるTDI方式リニアイメージセンサ101の駆動方法と同様にして、MTFの劣化を抑制しながら、垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避することができる。そのため、本実施の形態2によるTDI方式リニアイメージセンサ102、及びその駆動方法を用いた撮像システムにおいても、φVカップリングノイズの影響を除去するための画像補正が容易になり、画像処理部の小型化及び省電力化を図ることが可能である。
As described above, according to the TDI
Further, according to the driving method of the TDI
また、本実施の形態2によるTDI方式リニアイメージセンサ102及びその駆動方法によれば、信号出力の画素ブランキング期間152の1撮像周期あたりの出現頻度を増加させたため、垂直CCDの最大転送電荷量を大きくするような駆動方法とした場合でも、垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避することができる。
In addition, according to the TDI
1 画素、 6 出力アンプ、
101,102 TDI方式リニアイメージセンサ、111 光電変換部、
112 水平転送部、 112a 接続転送部、 112b 非接続転送部、
113 斜め読み出し部、 114 電荷蓄積部、
115 電荷転送部、 152 画素ブランキング期間。
1 pixel, 6 output amplifier,
101, 102 TDI type linear image sensor, 111 photoelectric conversion unit,
112 horizontal transfer unit, 112a connection transfer unit, 112b non-connection transfer unit,
113 oblique readout section, 114 charge storage section,
115 charge transfer unit, 152 pixel blanking period.
Claims (5)
上記光電変換部と上記水平転送部との間に設けられ、光電変換部から水平転送部へ画素信号電荷の転送を行う電荷転送部をさらに備え、
上記光電変換部及び上記電荷転送部は、水平転送方向においてN個のブロックに分割され、ここでNは2以上の正の整数であり、
上記水平転送部は、上記電荷転送部におけるブロックが接続される接続転送部と、上記電荷転送部において隣接する2つのブロックに対してどちらのブロックとも接続しない非接続転送部とを有し、水平転送方向において上記非接続転送部と上記接続転送部とを交互に配置し、水平転送方向への画素信号電荷の転送を一時停止することなく連続して行い、
ここで上記非接続転送部は、隣接ブロック間に対応して配置され、一つの水平転送期間内に上記画素信号電荷が存在しない画素ブランキング期間を生成する、
ことを特徴とするTDI方式リニアイメージセンサ。 A plurality of photoelectric conversion units that form pixels and transfer pixel signal charges in the vertical transfer direction by time delay integration, and a horizontal transfer unit that transfers pixel signal charges sent from the photoelectric conversion units in the horizontal transfer direction TDI linear image sensor,
A charge transfer unit that is provided between the photoelectric conversion unit and the horizontal transfer unit and that transfers pixel signal charges from the photoelectric conversion unit to the horizontal transfer unit;
The photoelectric conversion unit and the charge transfer unit are divided into N blocks in the horizontal transfer direction, where N is a positive integer of 2 or more,
The horizontal transfer unit includes a connection transfer unit to which a block in the charge transfer unit is connected, and a non-connection transfer unit that is not connected to any two blocks in the charge transfer unit. The non-connection transfer unit and the connection transfer unit are alternately arranged in the transfer direction, and the transfer of the pixel signal charges in the horizontal transfer direction is continuously performed without pausing,
Here, the non-connection transfer unit is disposed corresponding to adjacent blocks, and generates a pixel blanking period in which the pixel signal charge does not exist within one horizontal transfer period .
This is a TDI linear image sensor.
上記光電変換部及び上記電荷転送部におけるブロック数Nは、上記M以上であり、ここでMは2以上の正の整数である、
請求項1に記載のTDI方式リニアイメージセンサ。 The time delay integration operation in the photoelectric conversion unit is driven by an M-phase vertical transfer clock signal,
The number of blocks N in the photoelectric conversion unit and the charge transfer unit is equal to or greater than M, where M is a positive integer equal to or greater than 2.
The TDI linear image sensor according to claim 1.
上記リニアイメージセンサに備わる光電変換部において時間遅延積分動作にて生成された画素信号電荷を、光電変換部から電荷転送部を介して水平転送部へ転送し、
上記水平転送部を連続駆動して、上記光電変換部及び上記電荷転送部における分割されたブロックが送出する画素信号電荷間に画素信号を含まない画素ブランキング期間を形成した出力信号を上記水平転送部から送出する、
ことを特徴とするTDI方式リニアイメージセンサの駆動方法。 In the driving method of the TDI type linear image sensor according to any one of claims 1 to 3,
The pixel signal charge generated by the time delay integration operation in the photoelectric conversion unit provided in the linear image sensor is transferred from the photoelectric conversion unit to the horizontal transfer unit via the charge transfer unit,
The horizontal transfer unit is continuously driven, and the horizontal transfer of the output signal in which a pixel blanking period not including a pixel signal is generated between the pixel signal charges transmitted by the divided blocks in the photoelectric conversion unit and the charge transfer unit. Send from the department,
A driving method of a TDI type linear image sensor.
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