JP6270693B2 - CCD image sensor and driving method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、TDI(Time Delay and Integration)方式のCCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)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 TDI (Time Delay and Integration) type CCD (Charge Coupled Device) image sensor 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、同一基板上に信号電荷の読出回路または出力回路を備えたCCDイメージセンサが多数開発されている。リモートセンシングにおいては、光検出器を1列に配置したCCDイメージセンサを例えば人工衛星などの移動体に搭載して、光検出器の列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次元画像を撮影する。しかし、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比が劣化するという問題があった。   Many CCD image sensors have been developed in which a large number of photodetectors are arranged in an array on a semiconductor substrate and a signal charge readout circuit or output circuit is provided on the same substrate. In remote sensing, a CCD image sensor in which photodetectors are arranged in one row is mounted on a moving body such as an artificial satellite, and the direction perpendicular to the row direction of the photodetectors is made to coincide with the traveling direction of the satellite. Take a two-dimensional image of the ground surface. However, it is desirable to reduce the pixel pitch as much as possible in order to improve the image resolution. However, there is a problem that the incident light quantity is reduced by the reduction in the area of the photodetector and the S / N ratio is deteriorated.

S/N比を改善するための巧妙な手段としてTDI方式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を用い、電荷転送のタイミングを検出器表面に投影される被写体像の移動タイミングに同期させることでS/N比を改善する、CCDイメージセンサの読出し方式である。リモートセンシングの場合、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比は√M倍に改善される。   A TDI type image sensor has been developed as a clever means for improving the S / N ratio. The TDI system uses an FFT (full frame transfer) CCD, which is a two-dimensional image sensor, and synchronizes the timing of charge transfer with the movement timing of the subject image projected on the detector surface, thereby increasing the S / N ratio. This is a readout method for a CCD image sensor to be improved. In the case of remote sensing, TDI operation can be realized by adjusting the charge transfer in the vertical direction to the moving speed of the satellite. When the M-stage TDI operation is performed with the vertical CCD, the accumulation time is effectively M times, so that the sensitivity is improved M times and the S / N ratio is improved to √M times.

TDI動作によって検出器感度が増大すると、高輝度の被写体を撮像する場合に信号電荷が画素の飽和容量を超えてしまい、ダイナミックレンジが不足するといった問題が生じる。飽和容量は画素面積とともに減少するため、画像解像度を向上させようとして画素サイズを縮小すると、この問題はますます顕著になる。これを解決する一つの方法として、例えば特許文献1記載の方法が提案されている。特許文献1には、画素領域を複数のステージに分け、ステージ毎に画素の飽和容量を段階的に変えることによって、入射光強度に対するCCDイメージセンサの出力電荷量の関係に「ニー特性」(ここで、「ニー特性」とは、入射光強度が小さい場合と大きい場合とで、ある点を境にグラフの傾きを異にする感度特性のことをいう。)を持たせるものである。この方法によって、低輝度の被写体については高感度で、高輝度の被写体については低感度で撮像を行うことができ、全体としてCCDイメージセンサのダイナミックレンジが拡大する。   When the detector sensitivity is increased by the TDI operation, there is a problem that the signal charge exceeds the saturation capacity of the pixel when a high-brightness object is imaged and the dynamic range is insufficient. Since the saturation capacity decreases with the pixel area, this problem becomes more pronounced when the pixel size is reduced in order to improve the image resolution. As one method for solving this, for example, a method described in Patent Document 1 has been proposed. In Patent Document 1, the pixel region is divided into a plurality of stages, and the saturation capacity of the pixel is changed stepwise for each stage, whereby a “knee characteristic” (here) The “knee characteristic” is a sensitivity characteristic in which the slope of the graph is different at a certain point between the case where the incident light intensity is low and the case where the incident light intensity is high. By this method, it is possible to perform imaging with high sensitivity for a low-luminance subject and low sensitivity for a high-luminance subject, and the dynamic range of the CCD image sensor is expanded as a whole.

特許第4393715号公報Japanese Patent No. 4393715

しかしながら、特許文献1のCCDイメージセンサでは、CCDイメージセンサの入出力特性における「ニー特性」を調整することができないという問題があった。   However, the CCD image sensor disclosed in Patent Document 1 has a problem that the “knee characteristic” in the input / output characteristics of the CCD image sensor cannot be adjusted.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、CCDイメージセンサの入出力特性における「ニー特性」を撮像シーンに応じて調整可能なCCDイメージセンサ及びその駆動方法を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above problems and provide a CCD image sensor capable of adjusting the “knee characteristics” in the input / output characteristics of the CCD image sensor according to the imaging scene and a driving method thereof.

本発明に係るCCDイメージセンサは、
光電変換を行って発生した電荷を時間遅延積分してそれぞれ複数の垂直転送クロックを用いて垂直転送するための複数の画素が2次元配列された複数の画素群を備えたCCDイメージセンサであって、
上記各画素において蓄積された信号電荷を時間遅延積分して垂直転送するための複数の転送電極と、
上記各画素ごとに設けられ、上記各画素の飽和電荷量を超えて発生した電荷を排出する手段と、
上記時間遅延積分された信号電荷を水平転送する水平転送部と、
上記各転送電極にそれぞれ接続された複数の選択線と、
複数の第1の垂直転送クロックを上記複数の選択線のうちの所定の対応する1つの選択線に接続する第1のライン選択回路と、
複数の単位セル回路から構成され、複数の第1の選択信号であって、上記第1のライン選択回路における上記各第1の垂直転送クロックの接続状態を表す複数の第1の選択信号を対応する単位セル回路に保持する第1の垂直シフトレジスタ回路とを備え、
上記第1のライン選択回路における上記各第1の垂直転送クロックの接続状態は、上記各画素の飽和電荷量を選択的に切り替えるか否かの接続状態であり、
上記第1のライン選択回路は、上記複数の第1の選択信号に基づいて、上記複数の第1の垂直転送クロックのうちのいずれかを選択して出力することにより、上記各画素の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えるように制御することを特徴とする。



The CCD image sensor according to the present invention is
A CCD image sensor comprising a plurality of pixel groups in which a plurality of pixels for two-dimensionally arranging a plurality of pixels for time-delay integration of charges generated by photoelectric conversion and vertically transferring using a plurality of vertical transfer clocks. ,
A plurality of transfer electrodes for vertically transferring the signal charge accumulated in each pixel by time delay integration;
Provided for each of the pixels, and a means for discharging charges generated exceeding the saturation charge amount of the pixels;
A horizontal transfer section for horizontally transferring the signal charge integrated with the time delay;
A plurality of selection lines respectively connected to the transfer electrodes;
A first line selection circuit for connecting a plurality of first vertical transfer clocks to a predetermined corresponding one of the plurality of selection lines;
Corresponding to a plurality of first selection signals, each of which is composed of a plurality of unit cell circuits, and represents a connection state of each of the first vertical transfer clocks in the first line selection circuit. A first vertical shift register circuit held in the unit cell circuit,
The first line connection state of the in the selection circuits each first vertical transfer clock, Ri whether the connection status der selectively switches the saturation charge amount of each pixel,
The first line selection circuit selects and outputs one of the plurality of first vertical transfer clocks based on the plurality of first selection signals, whereby the saturated charge of each pixel is output. Control is performed so that the amount is selectively switched in units of rows .



本発明に係るCCDイメージセンサによれば、CCDイメージセンサにおける各画素の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えることができるので、CCDイメージセンサの入出力特性における「ニー特性」を撮像シーンに応じて調整することが可能となる。   According to the CCD image sensor of the present invention, the saturation charge amount of each pixel in the CCD image sensor can be selectively switched in units of rows, so that the “knee characteristics” in the input / output characteristics of the CCD image sensor can be used in the imaging scene. It is possible to adjust accordingly.

本発明の実施の形態1に係るTDI方式のCCDイメージセンサの上面図である。1 is a top view of a TDI type CCD image sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 図1のCCDイメージセンサの素子平面図である。It is an element top view of the CCD image sensor of FIG. 図2の垂直シフトレジスタ回路30の単位セル回路30−1の構成要素を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing components of a unit cell circuit 30-1 of the vertical shift register circuit 30 of FIG. 図2のライン選択回路25の単位セル回路25−1の構成要素を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing components of a unit cell circuit 25-1 of the line selection circuit 25 of FIG. 図2の画素1の上面図である。FIG. 3 is a top view of the pixel 1 in FIG. 2. 図5AのA−A’に沿って切断したときの画素1の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the pixel 1 when it cut | disconnects along A-A 'of FIG. 5A. 図2の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1、φV2x、φV2y、φV3の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。FIG. 5 is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1, φV2x, φV2y, and φV3 inputted to the transfer electrode 6 of FIG. 図6Aの各時間tでの3相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。FIG. 6B is a potential diagram showing a transfer operation of three-phase driving at each time t in FIG. 6A. 図6Aの各時間tでの3相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。FIG. 6B is a potential diagram showing a transfer operation of three-phase driving at each time t in FIG. 6A. 図1の画素飽和制御回路50の動作を説明するための概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the pixel saturation control circuit 50 of FIG. 1. 図2の垂直シフトレジスタ回路30に入力される飽和電荷量制御信号φSS及びトリガークロック信号φS1、φS2の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。FIG. 3 is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of a saturation charge amount control signal φSS and trigger clock signals φS1, φS2 input to the vertical shift register circuit 30 of FIG. 図8の各時間t1〜t6における垂直シフトレジスタ回路30の状態を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a state of the vertical shift register circuit 30 at times t1 to t6 in FIG. 8. 入射光強度が小さい場合と中程度の場合における、従来のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the signal charge amount accumulate | stored in each pixel 1 with respect to the pixel number of the conventional CCD image sensor in the case where incident light intensity is small and medium. 図10Bは、図10Aにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。FIG. 10B is a graph showing a change in the amount of output charge with respect to the incident light intensity P in FIG. 10A. 入射光強度が小さい場合と中程度の場合における、図1のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。2 is a graph showing changes in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor of FIG. 1 when the incident light intensity is low and medium. 入射光強度が大きい場合における、図1のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。2 is a graph showing changes in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor of FIG. 1 when the incident light intensity is high. 図11A及び図11Bにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。12 is a graph showing changes in the amount of output charge with respect to incident light intensity P in FIGS. 11A and 11B. 本発明の実施の形態2に係るTDI方式のCCDイメージセンサの上面図である。FIG. 6 is a top view of a TDI type CCD image sensor according to a second embodiment of the present invention. 図12のCCDイメージセンサの素子平面図である。It is an element top view of the CCD image sensor of FIG. 図13の垂直シフトレジスタ回路20の単位セル回路20−1の構成要素を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the component of the unit cell circuit 20-1 of the vertical shift register circuit 20 of FIG. 図13のライン選択回路15の単位セル回路15−1の構成要素を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the component of the unit cell circuit 15-1 of the line selection circuit 15 of FIG. 図2の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1、φV2、φV3、φV4の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。FIG. 5 is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1, φV2, φV3, and φV4 input to the transfer electrode 6 of FIG. 図13の垂直シフトレジスタ回路20に入力されるTDI転送段指定信号φTS及びトリガークロック信号φT1、φT2の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。FIG. 14 is a time axis waveform diagram showing changes in signal levels with respect to time t of a TDI transfer stage designation signal φTS and trigger clock signals φT1, φT2 inputted to the vertical shift register circuit 20 of FIG. 図17の各時間t1〜t8における垂直シフトレジスタ回路20の状態を示す模式図である。FIG. 18 is a schematic diagram illustrating a state of the vertical shift register circuit 20 at times t1 to t8 in FIG. 17. 図13の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1、φV2、φV3x、V3y、φV4の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。It is a time-axis waveform diagram which shows the change of the signal level with respect to time t of the vertical transfer clocks φV1, φV2, φV3x, V3y and φV4 inputted to the transfer electrode 6 of FIG. 図19Aの各時間tでの4相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。FIG. 19B is a potential diagram showing a four-phase drive transfer operation at each time t in FIG. 19A. 図19Aの各時間tでの4相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。FIG. 19B is a potential diagram showing a four-phase drive transfer operation at each time t in FIG. 19A. 図13の画素飽和制御回路50の動作を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the pixel saturation control circuit 50 of FIG. 図13のTDI段数設定回路60の動作を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the TDI stage number setting circuit 60 of FIG. 入射光強度が小さい場合と中程度の場合における、従来のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the signal charge amount accumulate | stored in each pixel 1 with respect to the pixel number of the conventional CCD image sensor in the case where incident light intensity is small and medium. 図22Aにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the output charge amount with respect to the incident light intensity P in FIG. 22A. 入射光強度が小さい場合(グラフI)と中程度の場合(グラフII)における、図1のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。2 is a graph showing changes in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor of FIG. 1 when the incident light intensity is low (graph I) and medium (graph II). 入射光強度が大きい場合(グラフIII)における、図1のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。3 is a graph showing changes in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 1 when the incident light intensity is high (graph III). 図23A及び図23Bにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the amount of output charges with respect to the incident light intensity P in FIG. 23A and FIG. 23B. 本発明の実施の形態3に係るCCDイメージセンサの素子平面図である。It is an element top view of the CCD image sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention. 図24のライン選択回路25Aの単位セル回路25A−1の構成要素を示すブロック図である。FIG. 25 is a block diagram showing components of a unit cell circuit 25A-1 of the line selection circuit 25A of FIG. 図24の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1x、φV2、φV3x、φV4の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。FIG. 25 is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1x, φV2, φV3x, and φV4 input to the transfer electrode 6 of FIG. 図26Aの各時間tでの4相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。FIG. 26B is a potential diagram showing a four-phase drive transfer operation at each time t in FIG. 26A. 図24の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1y、φV2、φV3y、φV4の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。FIG. 25 is a time axis waveform diagram showing a change in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1y, φV2, φV3y, and φV4 input to the transfer electrode 6 of FIG. 図27Aの各時間tでの4相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。FIG. 27B is a potential diagram showing a transfer operation of four-phase driving at each time t in FIG. 27A. 図24の画素飽和制御回路50Aの動作を説明するための概略図である。FIG. 25 is a schematic diagram for explaining the operation of the pixel saturation control circuit 50A of FIG. 24. 本発明の実施の形態4に係るCCDイメージセンサの素子平面図である。It is an element top view of the CCD image sensor which concerns on Embodiment 4 of this invention. 入射光強度が小さい場合(グラフI)と中程度の場合(グラフII)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。30 is a graph showing changes in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is low (graph I) and medium (graph II). 入射光強度が大きい場合(グラフIII)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。30 is a graph showing a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is high (graph III). 図30A及び図30Bにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the amount of output charges with respect to the incident light intensity P in FIG. 30A and 30B. 本発明の実施の形態5に係る、入射光強度が小さい場合(グラフI)と中程度の場合(グラフII)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。Signal charges accumulated in each pixel 1 corresponding to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is low (graph I) and medium (graph II) according to the fifth embodiment of the present invention. It is a graph which shows the change of quantity. 本発明の実施の形態5に係る、入射光強度がやや大きい場合(グラフIII)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。FIG. 30 is a graph showing a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is slightly high (graph III) according to Embodiment 5 of the present invention. . 本発明の実施の形態5に係る、入射光強度が大きい場合(グラフIV)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。30 is a graph showing a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is high (graph IV) according to the fifth embodiment of the present invention. 図31A〜図31Cにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the amount of output charges with respect to the incident light intensity P in FIG. 31A-FIG. 31C.

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施の形態において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明は省略する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係るTDI方式のCCDイメージセンサの上面図である。図1では、細かい回路は省略されてCCDイメージセンサの全体像が図示されている。ここで、TDI方式とはCCDイメージセンサの読み出し方式で、一定速度で移動する対象物に対して、その移動方向及び速度とCCDイメージセンサの電荷転送方向及び速度とを一致させて撮像を行う方式のことをいい、移動する対象物をCCDイメージセンサの垂直画素数だけ繰り返し時間遅延積分露光するときにおける垂直画素数をTDI段数(TDI転送の積分段数)という。以下の説明では、縦方向とは画素群100の垂直方向を指し、横方向とは画素群100の水平方向を指す。すなわち、画素群100は、2次元アレイ状に配列された複数の画素1を有し、2次元アレイ状の配列のうちの列方向が垂直方向であり、当該列方向と直交する行方向が水平方向である。なお、図1では、TDI段数は100段に設定される。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a top view of a TDI type CCD image sensor according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the detailed circuit is omitted, and the entire image of the CCD image sensor is shown. Here, the TDI method is a CCD image sensor reading method, in which an object moving at a constant speed is imaged by matching the moving direction and speed with the charge transfer direction and speed of the CCD image sensor. The number of vertical pixels when a moving object is repeatedly subjected to time-delay integrated exposure by the number of vertical pixels of the CCD image sensor is referred to as a TDI stage number (TDI transfer integration stage number). In the following description, the vertical direction refers to the vertical direction of the pixel group 100, and the horizontal direction refers to the horizontal direction of the pixel group 100. That is, the pixel group 100 includes a plurality of pixels 1 arranged in a two-dimensional array, the column direction of the two-dimensional array is a vertical direction, and the row direction orthogonal to the column direction is horizontal. Direction. In FIG. 1, the number of TDI stages is set to 100.

図1において、CCDイメージセンサは、2次元アレイ状に配列された複数の画素1を有する画素群100と、各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えるように制御する画素飽和制御回路50と、段数だけ時間遅延積分して垂直転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部3と、当該電荷蓄積部3に蓄積された信号電荷を水平転送する水平転送部である水平CCD回路2と、出力回路5とを備えて構成される。ここで、時間遅延積分された信号電荷は、水平CCD回路2に向かって垂直方向(図面下方)へと転送され、さらに水平CCD回路2で水平方向(図面右方)へと転送されて、出力アンプ5から読み出される。また、画素群100と同一基板上に画素飽和制御回路50が形成され、画素飽和制御回路50と画素1とが各行毎に各配線8によってそれぞれ接続されている。   In FIG. 1, a CCD image sensor includes a pixel group 100 having a plurality of pixels 1 arranged in a two-dimensional array, and pixel saturation control for controlling to selectively switch the saturation charge amount of each pixel 1 in units of rows. A circuit 50; a charge accumulator 3 that accumulates charges vertically transferred by time-delay integration by the number of stages; a horizontal CCD circuit 2 that is a horizontal transfer unit that horizontally transfers signal charges accumulated in the charge accumulator 3; And an output circuit 5. Here, the time-integrated signal charge is transferred in the vertical direction (downward in the drawing) toward the horizontal CCD circuit 2, and further transferred in the horizontal direction (rightward in the drawing) by the horizontal CCD circuit 2 for output. Read from the amplifier 5. Further, the pixel saturation control circuit 50 is formed on the same substrate as the pixel group 100, and the pixel saturation control circuit 50 and the pixel 1 are connected to each other by the wiring 8 for each row.

本実施の形態では、画素番号1〜S(1≦自然数S≦100)の各画素1は飽和電荷量Q1に設定され、画素番号(S+1)〜100の各画素1は飽和電荷量Q2(実数Q1>実数Q2)に設定される。すなわち、画素行Sの画素1を境にして、各画素1の飽和電荷量は飽和電荷量Q2から飽和電荷量Q1に切り替えられて大きくなる。   In the present embodiment, each pixel 1 having pixel numbers 1 to S (1 ≦ natural number S ≦ 100) is set to the saturation charge amount Q1, and each pixel 1 having pixel numbers (S + 1) to 100 is set to the saturation charge amount Q2 (real number). Q1> real number Q2). That is, with the pixel 1 in the pixel row S as a boundary, the saturation charge amount of each pixel 1 is switched from the saturation charge amount Q2 to the saturation charge amount Q1 and becomes large.

図2は、図1のCCDイメージセンサの素子平面図である。図2のCCDイメージセンサは、複数の画素1から形成される画素群100と、各画素1において蓄積される信号電荷を時間遅延積分して垂直転送するための複数の転送電極6と、水平CCD回路2と、複数の転送電極6にそれぞれ接続され、蓄積された信号電荷を垂直転送するための垂直転送クロックφV1〜φV3をそれぞれ複数の転送電極6に入力するための複数の選択線SLa、SLb、SLcと、電荷蓄積部3と、不要な信号電荷を排出するための電荷排出ドレイン部4と、画素飽和制御回路50と、出力アンプ5とを備えて構成される。   FIG. 2 is an element plan view of the CCD image sensor of FIG. The CCD image sensor of FIG. 2 includes a pixel group 100 formed of a plurality of pixels 1, a plurality of transfer electrodes 6 for vertically transferring signal charges accumulated in each pixel 1 by time delay integration, and a horizontal CCD. A plurality of selection lines SLa, SLb connected to the circuit 2 and the plurality of transfer electrodes 6 and for inputting vertical transfer clocks φV1 to φV3 for vertically transferring the accumulated signal charges to the plurality of transfer electrodes 6, respectively. , SLc, a charge storage section 3, a charge discharge drain section 4 for discharging unnecessary signal charges, a pixel saturation control circuit 50, and an output amplifier 5.

図2において、画素飽和制御回路50の構成及び動作について以下に説明する。ここで、各画素1の転送電極6bに入力される垂直転送クロックφV2の振幅電圧を他の転送電極6a、6cに入力される垂直転送クロックφV1、φV3の振幅電圧よりも小さくすることにより各画素1の飽和電荷量を変更する。また、垂直転送クロックφV2において、垂直転送クロックφV1、φV3の振幅電圧と同一の振幅電圧を有する垂直転送クロックを垂直転送クロックφV2xとし、垂直転送クロックφV1、φV3の振幅電圧よりも小さい振幅電圧を有する垂直転送クロックを垂直転送クロックφV2xとする。なお、説明を簡単にするために、CCDイメージセンサのTDI段数を8段として説明する。   2, the configuration and operation of the pixel saturation control circuit 50 will be described below. Here, the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV2 input to the transfer electrode 6b of each pixel 1 is made smaller than the amplitude voltage of the vertical transfer clocks φV1 and φV3 input to the other transfer electrodes 6a and 6c. The saturation charge amount of 1 is changed. In the vertical transfer clock φV2, a vertical transfer clock having the same amplitude voltage as that of the vertical transfer clocks φV1 and φV3 is defined as a vertical transfer clock φV2x, and has an amplitude voltage smaller than that of the vertical transfer clocks φV1 and φV3. The vertical transfer clock is assumed to be vertical transfer clock φV2x. In order to simplify the description, the description will be made assuming that the number of TDI stages of the CCD image sensor is eight.

図2の画素飽和制御回路50は、垂直シフトレジスタ回路30と、ライン選択回路25とを備えて構成される。ここで、垂直シフトレジスタ回路30は、ライン選択回路25における各垂直転送クロックの接続状態を表す複数の選択信号を対応する単位セル回路30−1〜30−8にそれぞれ保持する。なお、垂直シフトレジスタ回路30に入力され、複数の選択信号として保持される飽和電荷量制御信号φSSに基づいて、各画素1の飽和電荷量が行単位で選択的に切り替えられる。すなわち、ライン選択回路25は、第1の振幅電圧又は第2の振幅電圧を有する垂直転送クロックと複数の転送電極との接続状態を表す複数の選択信号に基づいて、各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替える。   The pixel saturation control circuit 50 in FIG. 2 includes a vertical shift register circuit 30 and a line selection circuit 25. Here, the vertical shift register circuit 30 holds a plurality of selection signals representing connection states of the vertical transfer clocks in the line selection circuit 25 in the corresponding unit cell circuits 30-1 to 30-8. Note that the saturation charge amount of each pixel 1 is selectively switched in units of rows based on the saturation charge amount control signal φSS input to the vertical shift register circuit 30 and held as a plurality of selection signals. That is, the line selection circuit 25 determines the saturation charge amount of each pixel 1 based on a plurality of selection signals indicating the connection state between the vertical transfer clock having the first amplitude voltage or the second amplitude voltage and the plurality of transfer electrodes. Is selectively switched line by line.

図2において、時間遅延積分された信号電荷は、水平CCD回路2に向かって垂直転送方向(図面下方)へと転送され、さらに水平CCD回路2で水平転送方向(図面右方)へと転送されて出力回路5に出力される。出力回路5は、入力された時間遅延積分された信号電荷を電気信号に変換してそれぞれ出力する。また、垂直転送方向とは、信号電荷のTDI転送方向であり、例えば人工衛星にTDI方式のCCDイメージセンサを搭載する場合には、TDI転送方向は人工衛星の進行方向に一致する。ここで、垂直転送方向に8個の画素(8段)から構成される画素群100において、下方向にある電荷蓄積回路3に近接する画素1より1段目、2段目、…とし、電荷排出ドレイン部4に近接する画素1を8段目とし、1段目〜8段目の計8つの段をTDI転送段に設定する。   In FIG. 2, the signal charge obtained by time delay integration is transferred toward the horizontal CCD circuit 2 in the vertical transfer direction (downward in the drawing), and further transferred in the horizontal CCD circuit 2 in the horizontal transfer direction (rightward in the drawing). And output to the output circuit 5. The output circuit 5 converts the input signal charges obtained by time delay integration into electrical signals and outputs them. The vertical transfer direction is a TDI transfer direction of signal charges. For example, when a TDI type CCD image sensor is mounted on an artificial satellite, the TDI transfer direction coincides with the traveling direction of the artificial satellite. Here, in the pixel group 100 composed of eight pixels (eight stages) in the vertical transfer direction, the first stage, the second stage,... The pixel 1 adjacent to the drain / drain unit 4 is set as the eighth stage, and a total of eight stages from the first stage to the eighth stage are set as TDI transfer stages.

図2において、飽和電荷量制御信号φSSは、CCDイメージセンサのための複数の選択信号を含み、当該選択信号は、CCDイメージセンサのライン選択回路25における垂直転送クロックφV2x、φV2yの接続状態を表す。ここで、各選択信号は、各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替える。   In FIG. 2, the saturation charge amount control signal φSS includes a plurality of selection signals for the CCD image sensor, and the selection signals represent the connection states of the vertical transfer clocks φV2x and φV2y in the line selection circuit 25 of the CCD image sensor. . Here, each selection signal selectively switches the saturation charge amount of each pixel 1 in units of rows.

ここで、単位セル回路25−1〜25−8の個数は、CCDイメージセンサを構成する画素群100の垂直画素数(段数)の値と同一である。本実施の形態1では、垂直シフトレジスタ回路30は、8個の単位セル回路30−1〜30−8から構成される。また、単位セル回路30−1〜30−8には、各トリガークロック信号φS1、φS2をそれぞれ入力するための入力ピン29a、29bが金属配線28a、28bを介してそれぞれ接続される。また、単位セル回路30−1には、飽和電荷量制御信号φSSを入力するための入力端子である入力ピン29cが金属配線28cを介して接続され、単位セル回路30−m(2≦自然数m≦8)は、単位セル回路30−(m−1)とそれぞれ直列接続される。   Here, the number of unit cell circuits 25-1 to 25-8 is the same as the value of the number of vertical pixels (the number of stages) of the pixel group 100 constituting the CCD image sensor. In the first embodiment, the vertical shift register circuit 30 includes eight unit cell circuits 30-1 to 30-8. Further, input pins 29a and 29b for inputting the respective trigger clock signals φS1 and φS2 are connected to the unit cell circuits 30-1 to 30-8 via metal wirings 28a and 28b, respectively. The unit cell circuit 30-1 is connected to an input pin 29c, which is an input terminal for inputting the saturation charge amount control signal φSS, via the metal wiring 28c, so that the unit cell circuit 30-m (2 ≦ natural number m). ≦ 8) is connected in series with the unit cell circuit 30- (m−1).

画素飽和制御回路50は、複数の単位セル回路25−1〜25−8から構成され、ライン選択回路5における各垂直転送クロックφV2x、φV2yの接続状態を表す選択信号を対応する単位セル回路30−1〜30−8に保持する垂直シフトレジスタ回路30と、各選択線SLb、SLdに接続され、複数の選択信号に基づいて、複数の垂直転送クロックφV2x、φV2yを複数の選択線のうちの所定の対応する1つの選択線に接続するライン選択回路25とを備えて構成される。   The pixel saturation control circuit 50 is composed of a plurality of unit cell circuits 25-1 to 25-8, and a unit cell circuit 30- corresponding to a selection signal indicating a connection state of the vertical transfer clocks φV2x, φV2y in the line selection circuit 5 is provided. 1 to 30-8, which are connected to the vertical shift register circuit 30 and each of the selection lines SLb and SLd, and based on a plurality of selection signals, a plurality of vertical transfer clocks φV2x and φV2y are predetermined among the plurality of selection lines. And a line selection circuit 25 connected to one corresponding selection line.

垂直シフトレジスタ回路30は、8個の単位セル回路30−1〜30−8から構成される。また、単位セル回路30−1〜30−8には、各トリガークロック信号φS1、φS2をそれぞれ入力するための入力ピン29a、29bが金属配線28a、28bを介してそれぞれ接続される。また、単位セル回路30−1には、飽和電荷量制御信号φSSを入力するための入力端子である入力ピン29cが金属配線28cを介して接続され、単位セル回路30−m(2≦自然数m≦8)は、単位セル回路30−(m−1)とそれぞれ直列接続される。   The vertical shift register circuit 30 includes eight unit cell circuits 30-1 to 30-8. Further, input pins 29a and 29b for inputting the respective trigger clock signals φS1 and φS2 are connected to the unit cell circuits 30-1 to 30-8 via metal wirings 28a and 28b, respectively. The unit cell circuit 30-1 is connected to an input pin 29c, which is an input terminal for inputting the saturation charge amount control signal φSS, via the metal wiring 28c, so that the unit cell circuit 30-m (2 ≦ natural number m). ≦ 8) is connected in series with the unit cell circuit 30- (m−1).

ライン選択回路25は、選択用MOSトランジスタ群からなる単位セル回路25−1〜25−8を備えて構成される。ここで、単位セル回路25−1〜25−8の個数は、CCDイメージセンサを構成する画素群100の垂直画素数(段数)と同一である。また、単位セル回路25−1〜25−8には、各垂直転送クロックφV2x、φV2yをそれぞれ入力するための入力ピン24x、24yが金属配線23x、23yを介してそれぞれ接続される。また、ライン選択回路25における各垂直転送クロックφV2x、φV2yの接続状態は、各画素1の飽和電荷量を選択的に切り替えるか否かの接続状態であり、ライン選択回路25は、複数の選択信号に基づいて、複数の垂直転送クロックφV2x、φV2yのうちのいずれかを選択して出力することにより、各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えるように制御する。   The line selection circuit 25 includes unit cell circuits 25-1 to 25-8 made up of a selection MOS transistor group. Here, the number of unit cell circuits 25-1 to 25-8 is the same as the number of vertical pixels (the number of stages) of the pixel group 100 constituting the CCD image sensor. Further, input pins 24x and 24y for inputting the vertical transfer clocks φV2x and φV2y are connected to the unit cell circuits 25-1 to 25-8 via metal wirings 23x and 23y, respectively. The connection state of the vertical transfer clocks φV2x and φV2y in the line selection circuit 25 is a connection state indicating whether or not to selectively switch the saturation charge amount of each pixel 1, and the line selection circuit 25 includes a plurality of selection signals. Based on the above, by selecting and outputting one of the plurality of vertical transfer clocks φV2x, φV2y, the saturation charge amount of each pixel 1 is controlled to be selectively switched in units of rows.

画素群100は、CCDイメージセンサを形成する基板(図示せず)の表面上に画素1を水平転送方向に10画素及び垂直転送方向に8画素を2次元アレイ状に配列して構成される。ここで、画素1は、図2の実線の太枠で示した領域で示され、この太枠で示された領域は、画素1間の境界を模式的に示した境界線である。   The pixel group 100 is configured by arranging 10 pixels in a horizontal transfer direction and 8 pixels in a vertical transfer direction in a two-dimensional array on the surface of a substrate (not shown) on which a CCD image sensor is formed. Here, the pixel 1 is indicated by a region indicated by a solid thick frame in FIG. 2, and the region indicated by the thick frame is a boundary line schematically showing a boundary between the pixels 1.

図2の各画素1において、光電変換により発生される信号電荷が蓄積され、転送電極6により当該蓄積された信号電荷が時間遅延積分されて垂直転送される。ここで、信号電荷の転送には3相駆動CCDイメージセンサが用いられ、3本1組の転送電極6が画素1上に配列される。ここで、ポリシリコンからなる転送電極6a、6b、6cが順に配置され、その下に転送チャネル(図示せず)が形成され、当該転送チャネルは基板(図示せず)と逆導電型の不純物領域からなる分離領域としてのオーバーフロードレイン7で電気的に分離される。また、転送電極6a、6cには、金属配線である選択線SLa、SLcを介して入力ピン11a、11cにそれぞれ接続される。一方、転送電極6bには、金属配線である選択線SLbを介して、入力ピン24x、24yのどちらかに接続される。どちらに接続されるかはライン選択回路25によって決まる。すなわち、各転送電極6a、6b、6cは、選択線SLa、SLb、SLcにそれぞれ接続され、3相の垂直転送クロックφV1、φV2(φV2x又はφV2y)、φV3のいずれかが3本の転送電極6a、6b、6cにそれぞれ入力されて垂直転送方向の信号電荷の転送が行われる。   In each pixel 1 in FIG. 2, signal charges generated by photoelectric conversion are accumulated, and the accumulated signal charges are time-delay integrated by the transfer electrode 6 and vertically transferred. Here, a three-phase drive CCD image sensor is used for signal charge transfer, and a set of three transfer electrodes 6 is arranged on the pixel 1. Here, transfer electrodes 6a, 6b, 6c made of polysilicon are sequentially arranged, and a transfer channel (not shown) is formed thereunder, and the transfer channel is an impurity region having a conductivity type opposite to that of the substrate (not shown). It is electrically separated by an overflow drain 7 as a separation region comprising The transfer electrodes 6a and 6c are connected to input pins 11a and 11c via selection lines SLa and SLc, respectively, which are metal wirings. On the other hand, the transfer electrode 6b is connected to one of the input pins 24x and 24y via a selection line SLb which is a metal wiring. The line selection circuit 25 determines which one is connected. That is, the transfer electrodes 6a, 6b, and 6c are connected to the selection lines SLa, SLb, and SLc, respectively, and any one of the three-phase vertical transfer clocks φV1, φV2 (φV2x or φV2y), φV3 is the three transfer electrodes 6a. , 6b and 6c, respectively, to transfer the signal charges in the vertical transfer direction.

図3は、図2の垂直シフトレジスタ回路30の単位セル回路30−1の構成要素を示すブロック図である。図3において、単位セル回路30−1は、NMOSトランジスタである伝達ゲート31a、31bと、インバータ32a、32bとを備えて構成され、インバータ32bと、伝達ゲート31bと、インバータ32aと、伝達ゲート31aとはそれぞれ直列接続される。ここで、伝達ゲート31aのドレイン端子は、金属配線28cを介して入力ピン29cに接続され、伝達ゲート31aのソース端子は、インバータ32aの入力端子に接続される。また、伝達ゲート31aのゲート端子は、金属配線28aを介して入力ピン29aに接続される。   FIG. 3 is a block diagram showing components of the unit cell circuit 30-1 of the vertical shift register circuit 30 of FIG. In FIG. 3, the unit cell circuit 30-1 includes NMOS transmission gates 31a and 31b and inverters 32a and 32b. The inverter 32b, the transmission gate 31b, the inverter 32a, and the transmission gate 31a. Are connected in series. Here, the drain terminal of the transmission gate 31a is connected to the input pin 29c via the metal wiring 28c, and the source terminal of the transmission gate 31a is connected to the input terminal of the inverter 32a. The gate terminal of the transmission gate 31a is connected to the input pin 29a through the metal wiring 28a.

図3において、インバータ32aの出力端子は、伝達ゲート31bのドレイン端子に接続され、伝達ゲート31bのソース端子は、インバータ32bの入力端子に接続される。伝達ゲート31bのゲート端子は、金属配線28bを介して入力ピン29bに接続される。インバータ32bの出力端子は、金属配線26を介して、後述する図4の単位セル回路25−1に接続される。なお、図2の単位セル回路30−2〜30−8は、単位セル回路30−1に比較すると、伝達ゲート31aのドレイン端子がインバータ32bの出力端子に接続されることが相違する。ここで、垂直シフトレジスタ回路30は、飽和電荷量制御信号φSSが入力ピン29cから入力され、トリガークロック信号φS1、φS2に基づいて、単位セル回路を一段ずつ進んでいく。すなわち、入力ピン29cから入力された飽和電荷量制御信号φSSの1つのクロックパターンのデータが垂直シフトレジスタ回路30に保持される。   In FIG. 3, the output terminal of the inverter 32a is connected to the drain terminal of the transmission gate 31b, and the source terminal of the transmission gate 31b is connected to the input terminal of the inverter 32b. The gate terminal of the transmission gate 31b is connected to the input pin 29b through the metal wiring 28b. The output terminal of the inverter 32b is connected to the unit cell circuit 25-1 of FIG. 2 differs from the unit cell circuit 30-1 in that the drain terminal of the transmission gate 31a is connected to the output terminal of the inverter 32b. Here, the vertical shift register circuit 30 receives the saturation charge amount control signal φSS from the input pin 29c, and advances the unit cell circuit step by step based on the trigger clock signals φS1 and φS2. That is, the data of one clock pattern of the saturation charge amount control signal φSS input from the input pin 29c is held in the vertical shift register circuit 30.

図4は、図2のライン選択回路25の単位セル回路25−1の構成要素を示すブロック図である。図4において、単位セル回路25−1は、1個のNMOSトランジスタ27aと1個のPMOSトランジスタ28aとから構成されるトランスミッションゲート29aと、1個のNMOSトランジスタ27bと1個のPMOSトランジスタ28bとから構成されるトランスミッションゲート29bと、PMOSトランジスタ28aのゲート端子とNMOSトランジスタ27bのゲート端子とに出力端子が接続されるインバータ35aとを備えて構成される。   FIG. 4 is a block diagram showing components of the unit cell circuit 25-1 of the line selection circuit 25 of FIG. In FIG. 4, the unit cell circuit 25-1 includes a transmission gate 29a composed of one NMOS transistor 27a and one PMOS transistor 28a, one NMOS transistor 27b and one PMOS transistor 28b. The transmission gate 29b is configured, and an inverter 35a whose output terminal is connected to the gate terminal of the PMOS transistor 28a and the gate terminal of the NMOS transistor 27b.

図4において、トランスミッションゲート29aとトランスミッションゲート29bとの一端は、転送電極6bに接続される選択線SLbに接続され、トランスミッションゲート29aの他端は、金属配線23xを介して入力ピン24xに接続され、トランスミッションゲート29bの他端は、金属配線23yを介して入力ピン24yに接続される。   In FIG. 4, one end of the transmission gate 29a and the transmission gate 29b is connected to the selection line SLb connected to the transfer electrode 6b, and the other end of the transmission gate 29a is connected to the input pin 24x via the metal wiring 23x. The other end of the transmission gate 29b is connected to the input pin 24y through the metal wiring 23y.

トランスミッションゲート29aのNMOSトランジスタ27aの入力ゲート、並びにトランスミッションゲート29bのPMOSトランジスタ28bの入力ゲートは、金属配線26を介して、上述した図3の単位セル回路2−1に接続される。また、トランスミッションゲート29aのNMOSトランジスタ27aの入力ゲートと、トランスミッションゲート29bのPMOSトランジスタ28bの入力ゲートと、インバータ35aの入力端子とはそれぞれ接続される。   The input gate of the NMOS transistor 27a of the transmission gate 29a and the input gate of the PMOS transistor 28b of the transmission gate 29b are connected to the unit cell circuit 2-1 of FIG. The input gate of the NMOS transistor 27a of the transmission gate 29a, the input gate of the PMOS transistor 28b of the transmission gate 29b, and the input terminal of the inverter 35a are connected to each other.

図5Aは、図2の画素1の上面図であり、図5Bは、図5AのA−A’に沿って切断したときの画素1の縦断面図である。図5Aにおいて、画素1の転送電極6は3本1組の転送電極6a、6b、6cで構成される。また、各画素1毎に隣接して横型オーバーフロードレイン7が形成される。ここで、各画素1で飽和した不要な信号電荷は、オーバーフロードレイン7を介して電荷排出部4から外部へと排出される。図5Bにおいて、横型オーバーフロードレイン7の断面図が示され、ここで、横型オーバーフロードレイン7は、オーバーフロードレイン領域72と、P型不純物領域73と、高濃度P型不純物領域74と、オーバーフローゲート71とから構成されている。   5A is a top view of the pixel 1 in FIG. 2, and FIG. 5B is a vertical cross-sectional view of the pixel 1 when cut along A-A ′ in FIG. 5A. In FIG. 5A, the transfer electrode 6 of the pixel 1 is composed of a set of three transfer electrodes 6a, 6b, and 6c. Further, a horizontal overflow drain 7 is formed adjacent to each pixel 1. Here, unnecessary signal charges saturated in each pixel 1 are discharged from the charge discharging unit 4 to the outside via the overflow drain 7. 5B, a cross-sectional view of the lateral overflow drain 7 is shown. Here, the lateral overflow drain 7 includes an overflow drain region 72, a P-type impurity region 73, a high-concentration P-type impurity region 74, an overflow gate 71, and the like. It is composed of

図5Bにおいて、P型シリコン基板52の表面側に垂直CCDの転送チャネル55が形成され、ゲート酸化膜54を挟んでポリシリコン等からなる転送電極6bが形成される。また、素子の表面側には酸化膜等からなる絶縁膜53が形成される。転送チャネル55に隣接して高濃度N型不純物領域からなるオーバーフロードレイン領域72が形成され、転送チャネル55とオーバーフロードレイン領域72との間にオーバーフローの閾値を決定するP型不純物領域73が形成される。さらに、オーバーフロードレイン領域72に対してP型不純物領域73と反対側に画素分離のための高濃度P型不純物領域74が形成される。さらに、P型不純物領域73の上方にゲート酸化膜54を挟んでポリシリコン等からなるオーバーフローゲート71が形成される。   5B, a vertical CCD transfer channel 55 is formed on the surface side of a P-type silicon substrate 52, and a transfer electrode 6b made of polysilicon or the like is formed with a gate oxide film 54 interposed therebetween. An insulating film 53 made of an oxide film or the like is formed on the surface side of the element. An overflow drain region 72 composed of a high-concentration N-type impurity region is formed adjacent to the transfer channel 55, and a P-type impurity region 73 that determines an overflow threshold is formed between the transfer channel 55 and the overflow drain region 72. . Further, a high concentration P-type impurity region 74 for pixel separation is formed on the opposite side of the overflow drain region 72 from the P-type impurity region 73. Further, an overflow gate 71 made of polysilicon or the like is formed above the P-type impurity region 73 with the gate oxide film 54 interposed therebetween.

ここで、オーバーフローゲート71は撮像時には一定のバイアス電位が与えられ、P型不純物領域73のポテンシャル値とオーバーフローゲート71とに印加する電圧によって、画素1の飽和電荷量(蓄積容量)が決定される。画素1に光が入射するとP型シリコン基板中で光電変換された信号電荷が転送チャネル55のポテンシャル井戸に蓄積されるが、信号電荷量が増加して画素1の飽和電荷量を超えると、飽和電荷量を超えた信号電荷量は、P型不純物領域73のポテンシャルバリアを超えてオーバーフロードレイン領域72へと流れ込み、電荷排出部4から排出される。   Here, the overflow gate 71 is given a constant bias potential during imaging, and the saturation charge amount (storage capacitance) of the pixel 1 is determined by the potential value of the P-type impurity region 73 and the voltage applied to the overflow gate 71. . When light enters the pixel 1, the signal charge photoelectrically converted in the P-type silicon substrate is accumulated in the potential well of the transfer channel 55, but when the signal charge amount increases and exceeds the saturation charge amount of the pixel 1, saturation occurs. The signal charge amount exceeding the charge amount flows into the overflow drain region 72 through the potential barrier of the P-type impurity region 73 and is discharged from the charge discharging unit 4.

以上のように構成されたCCDイメージセンサの動作について以下に説明する。以下の説明では垂直転送クロックφV1〜φV3、飽和電荷量制御信号φSSに含まれる選択信号、トリガークロック信号φS1、φS2の信号レベルは、ハイレベルもしくはローレベルとした。なお、これらの信号レベルは、ハイレベル及びローレベルの2値信号以外の第1又は第2のレベルを有する2値信号であってもよい。   The operation of the CCD image sensor configured as described above will be described below. In the following description, the signal levels of the vertical transfer clocks φV1 to φV3, the selection signal included in the saturation charge amount control signal φSS, and the trigger clock signals φS1 and φS2 are set to a high level or a low level. Note that these signal levels may be binary signals having first or second levels other than binary signals of high level and low level.

図3の垂直シフトレジスタ回路30の単位セル回路30−1の動作について説明する。   The operation of the unit cell circuit 30-1 of the vertical shift register circuit 30 in FIG. 3 will be described.

図3において、トリガークロック信号φS1をハイレベルにすると、伝達ゲート31aがオンして前段の出力がインバータ32aに入力され、インバータ32aの出力は前段の反転出力となる。なお、単位セル回路30−1が1段目の場合は、前段の出力ではなく入力ピン29cに入力する飽和電荷量制御信号φSSがインバータ32aに入力され、インバータ32aの出力は飽和電荷量制御信号φSSの反転出力となる。次に、トリガークロック信号φS1をローレベルにすると伝達ゲート31aがオフとなり、インバータ32aの入力および出力はそのままの状態で保持される。次に、入力ピン29bに入力するトリガークロック信号φS2をハイレベルにすると、伝達ゲート32bがオンしてインバータ32aの出力がインバータ32bに入力され、インバータ32bの出力はインバータ32aの反転出力となる。この出力が単位セル回路30−1からの出力信号として、ライン選択回路25の単位セル回路25−1に伝達される。次に、トリガークロック信号φS2をローレベルにすると伝達ゲート31bがオフとなり、インバータ32bの入力及び出力はそのままの状態で保持される。さらにトリガークロック信号φS1をハイレベルにすると、これまでの一連の動作が繰り返される。なお、垂直シフトレジスタ回路30の単位セル回路30−2〜30−8の動作は、上述した単位セル回路30−1と同様である。   In FIG. 3, when the trigger clock signal φS1 is set to the high level, the transmission gate 31a is turned on and the output of the previous stage is input to the inverter 32a, and the output of the inverter 32a becomes the inverted output of the previous stage. When the unit cell circuit 30-1 is in the first stage, the saturation charge amount control signal φSS input to the input pin 29c is input to the inverter 32a instead of the output of the previous stage, and the output of the inverter 32a is the saturation charge amount control signal. φSS inverted output. Next, when the trigger clock signal φS1 is set to the low level, the transmission gate 31a is turned off, and the input and output of the inverter 32a are held as they are. Next, when the trigger clock signal φS2 input to the input pin 29b is set to the high level, the transmission gate 32b is turned on, the output of the inverter 32a is input to the inverter 32b, and the output of the inverter 32b becomes the inverted output of the inverter 32a. This output is transmitted to the unit cell circuit 25-1 of the line selection circuit 25 as an output signal from the unit cell circuit 30-1. Next, when the trigger clock signal φS2 is set to the low level, the transmission gate 31b is turned off, and the input and output of the inverter 32b are held as they are. Further, when the trigger clock signal φS1 is set to the high level, the series of operations so far are repeated. The operations of the unit cell circuits 30-2 to 30-8 of the vertical shift register circuit 30 are the same as those of the unit cell circuit 30-1.

上述したように、垂直シフトレジスタ回路30では、入力ピン29cから入力される飽和電荷量制御信号φSSのクロックパルスが1段ずつ順に次段へと伝達されて、各単位セル回路30−1〜30−8からの出力信号として、ライン選択回路25の単位セル回路25−1〜25−8にそれぞれ伝達される。   As described above, in the vertical shift register circuit 30, the clock pulses of the saturation charge amount control signal φSS input from the input pin 29c are sequentially transmitted to the next stage one by one, and each unit cell circuit 30-1 to 30-30. As an output signal from -8, it is transmitted to the unit cell circuits 25-1 to 25-8 of the line selection circuit 25, respectively.

次に、図4のライン選択回路25の単位セル回路25−1の動作について説明する。   Next, the operation of the unit cell circuit 25-1 of the line selection circuit 25 in FIG. 4 will be described.

図4において、図3の単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルのとき、トランスミッションゲート29aがオンとなり、入力ピン24xが選択線SLbに接続され、転送電極6bに垂直転送クロックφV2xが入力される。また、単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがローレベルのとき、トランスミッションゲート29bがオンとなり、入力ピン24yが選択線SLbに接続され、転送電極6bに垂直転送クロックφV2yが入力される。   In FIG. 4, when the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 in FIG. 3 is high, the transmission gate 29a is turned on, the input pin 24x is connected to the selection line SLb, and is vertically transferred to the transfer electrode 6b. The clock φV2x is input. When the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 is low, the transmission gate 29b is turned on, the input pin 24y is connected to the selection line SLb, and the vertical transfer clock φV2y is input to the transfer electrode 6b. The

上述したように、ライン選択回路25の単位セル回路25−1〜25−8は、単位セル回路30−1〜30−8からの出力信号の信号レベルに基づいて、転送電極6bに入力する垂直転送クロック(φV2x,φV2y)を入れ替えるように制御する。   As described above, the unit cell circuits 25-1 to 25-8 of the line selection circuit 25 perform vertical input to the transfer electrode 6b based on the signal levels of the output signals from the unit cell circuits 30-1 to 30-8. Control is performed so that the transfer clocks (φV2x, φV2y) are switched.

図2に示すように、上述したCCDイメージセンサでは、複数の垂直転送クロックのうち、垂直転送クロックφV1と垂直転送クロックφV3については入力ピン11a、11c、及び選択線SLa、SLcを介して転送電極6a、6cにそれぞれ接続される。一方、垂直転送クロックφV2x、φV2yについては、画素飽和制御回路50及び選択線SLbを介して転送電極6bに接続される。すなわち、転送電極6bに接続される選択線SLbは、垂直転送クロックφV2x、φV2yの入力端子24x、24yのいずれかに接続される。ここで、画素飽和制御回路50は、飽和電荷量制御信号φSSに基づいて、選択線SLbと入力端子24x、24yとの接続状態を決定する。   As shown in FIG. 2, in the CCD image sensor described above, among the plurality of vertical transfer clocks, the transfer electrodes for the vertical transfer clock φV1 and the vertical transfer clock φV3 are transferred via the input pins 11a and 11c and the selection lines SLa and SLc. Connected to 6a and 6c, respectively. On the other hand, the vertical transfer clocks φV2x and φV2y are connected to the transfer electrode 6b via the pixel saturation control circuit 50 and the selection line SLb. That is, the selection line SLb connected to the transfer electrode 6b is connected to one of the input terminals 24x and 24y of the vertical transfer clocks φV2x and φV2y. Here, the pixel saturation control circuit 50 determines the connection state between the selection line SLb and the input terminals 24x and 24y based on the saturation charge amount control signal φSS.

上述したTDI方式リニアイメージセンサでは、垂直転送クロックφV2yの振幅電圧を垂直転送クロックφV2yよりも振幅電圧の小さい垂直転送クロックφV2xに選択的に切り替えることにより、画素1の飽和電荷量を小さくできる。その動作について以下に説明する。   In the above-described TDI linear image sensor, the saturation charge amount of the pixel 1 can be reduced by selectively switching the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV2y to the vertical transfer clock φV2x having a smaller amplitude voltage than the vertical transfer clock φV2y. The operation will be described below.

図6Aは、図2の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1、φV2x、φV2y、φV3の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。すなわち、図2の3相駆動のCCDイメージセンサに入力される垂直転送クロックφV1、φV2x、φV2y、φV3のタイミングチャートである。   6A is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1, φV2x, φV2y, and φV3 inputted to the transfer electrode 6 of FIG. 3 is a timing chart of vertical transfer clocks φV1, φV2x, φV2y, and φV3 input to the three-phase driving CCD image sensor of FIG.

図6B及び図6Cは、図6Aの各時間tでの3相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。すなわち、図6B及び図6Cは、時間t1〜t7における転送チャネルのポテンシャル井戸の分布の模様を模式的に示している。ここで、図6Bには、選択線SLbへの入力信号として垂直転送クロックφV1及び垂直転送クロックφV3と同一の振幅電圧を有する垂直転送クロックφV2xを選択した場合が示され、図6Cには、選択線SLbへの入力信号として垂直転送クロックφV1及び垂直転送クロックφV3よりも小さい振幅電圧を有する垂直転送クロックφV2yを選択した場合が示される。なお、ポテンシャルダイアグラム中に示した点線は、画素1が飽和した場合に横型オーバーフロードレイン7へと電荷が排出されるしきい値レベルVthを示す。   6B and 6C are potential diagrams showing the transfer operation of the three-phase drive at each time t in FIG. 6A. That is, FIGS. 6B and 6C schematically show the distribution pattern of the potential well of the transfer channel at times t1 to t7. Here, FIG. 6B shows a case where the vertical transfer clock φV2x having the same amplitude voltage as the vertical transfer clock φV1 and the vertical transfer clock φV3 is selected as an input signal to the selection line SLb, and FIG. 6C shows the selection. The case where the vertical transfer clock φV2y having an amplitude voltage smaller than the vertical transfer clock φV1 and the vertical transfer clock φV3 is selected as the input signal to the line SLb is shown. A dotted line shown in the potential diagram indicates a threshold level Vth at which charges are discharged to the horizontal overflow drain 7 when the pixel 1 is saturated.

図6Aに示すように、光電変換を行って発生した電荷を時間遅延積分してそれぞれ複数の垂直転送クロックφV1、φV2x、φV2y、φV3を用いて垂直転送する。このとき、図6B及び図6Cに示すように、転送チャネルに形成されるポテンシャル井戸は、時間とともに図面右方へと移動する。画素1の飽和電荷量は、時間t1〜t7のうちで井戸の容量の最小値で決定される。従って、図6Bの場合には、時間t2、t4、もしくはt6での最大蓄積電荷量で与えられる。一方、図6Cの場合には、図6Bに比較すると、垂直転送クロックφV2yによって転送チャネルに形成されるポテンシャル井戸はより浅くなるので、画素1の飽和電荷量は時間t4における最大蓄積電荷量で決定される。なお、画素1の飽和電荷量は、垂直転送クロックの振幅電圧に応じて増減し、垂直転送クロックφV2yの振幅電圧での飽和電荷量は、垂直転送クロックφV2yの振幅電圧を小さく設定した分だけ小さくなる。   As shown in FIG. 6A, charge generated by photoelectric conversion is time-delay integrated and vertically transferred using a plurality of vertical transfer clocks φV1, φV2x, φV2y, and φV3, respectively. At this time, as shown in FIGS. 6B and 6C, the potential well formed in the transfer channel moves to the right in the drawing with time. The saturation charge amount of the pixel 1 is determined by the minimum value of the well capacity during the time t1 to t7. Therefore, in the case of FIG. 6B, the maximum accumulated charge amount at time t2, t4, or t6 is given. On the other hand, in the case of FIG. 6C, compared to FIG. 6B, the potential well formed in the transfer channel by the vertical transfer clock φV2y becomes shallower, so the saturation charge amount of the pixel 1 is determined by the maximum accumulated charge amount at time t4. Is done. Note that the saturation charge amount of the pixel 1 increases / decreases in accordance with the amplitude voltage of the vertical transfer clock, and the saturation charge amount at the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV2y decreases by setting the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV2y small. Become.

図7は、図1の画素飽和制御回路50の動作を説明するための概略図である。図7では、画素飽和制御回路50が各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替える場合の一例であり、画素番号1〜5の画素1の飽和電荷量Q1が画素番号6〜8の画素1の飽和電荷量Q2よりも大きい場合が示されている。   FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the operation of the pixel saturation control circuit 50 of FIG. FIG. 7 shows an example in which the pixel saturation control circuit 50 selectively switches the saturation charge amount of each pixel 1 in units of rows, and the saturation charge amount Q1 of the pixel 1 of the pixel numbers 1 to 5 is the pixel numbers 6 to 8. The case where the saturation charge amount Q2 of the pixel 1 is larger is shown.

図8は、図2の垂直シフトレジスタ回路30に入力される飽和電荷量制御信号φSS及びトリガークロック信号φS1、φS2の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。図9は、図8の各時間t1〜t6における垂直シフトレジスタ回路30の状態を示す模式図である。ここで、入力される飽和電荷量制御信号φSSは、CCDイメージセンサへの入力クロックが直列に結合されたクロックパルスであり、図9は、各時間t1〜t6での垂直シフトレジスタ回路30の出力信号を時系列毎に示す。   FIG. 8 is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of the saturation charge amount control signal φSS and trigger clock signals φS1 and φS2 input to the vertical shift register circuit 30 of FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing the state of the vertical shift register circuit 30 at times t1 to t6 in FIG. Here, the input saturation charge amount control signal φSS is a clock pulse in which input clocks to the CCD image sensor are coupled in series. FIG. 9 shows the output of the vertical shift register circuit 30 at each time t1 to t6. The signal is shown for each time series.

図8及び図9において、時間t0では、垂直シフトレジスタ回路30を初期化する。次に、時間t1では、飽和電荷量制御信号φSSをハイレベルにしたまま、トリガークロック信号φS1、φS2を順番にハイレベルにする。その結果、時間t1では単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルに設定される。時間t2では、飽和電荷量制御信号φSSをハイレベルにしたまま、トリガークロック信号φS1、φS2を順番にハイレベルにする。その結果、時間t2では単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルに設定され、単位セル回路30−1が保持するハイレベルの信号レベルが一段進み、単位セル回路30−2からの出力信号の信号レベルはハイレベルとなる。時間t3では、飽和電荷量制御信号φSSをハイレベルにしたまま、トリガークロック信号φS1、φS2を順番にハイレベルにする。その結果、時間t3では単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルに設定され、単位セル回路30−1が保持するハイレベルの信号レベル及び単位セル回路4−2が保持するハイレベルの信号レベルがそれぞれ一段ずつ進み、単位セル回路30−2からの出力信号の信号レベルはハイレベルとなり、単位セル回路30−3からの出力信号の信号レベルはハイレベルとなる。以下同様である。   8 and 9, the vertical shift register circuit 30 is initialized at time t0. Next, at time t1, the trigger clock signals φS1 and φS2 are sequentially set to the high level while the saturation charge amount control signal φSS is kept at the high level. As a result, at time t1, the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 is set to a high level. At time t2, the trigger clock signals φS1 and φS2 are sequentially set to the high level while the saturation charge amount control signal φSS is kept at the high level. As a result, at time t2, the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 is set to a high level, and the high level signal level held by the unit cell circuit 30-1 advances by one stage, so that the unit cell circuit 30-2 The signal level of the output signal from becomes a high level. At time t3, the trigger clock signals φS1 and φS2 are sequentially set to the high level while the saturation charge amount control signal φSS is kept at the high level. As a result, at time t3, the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 is set to the high level, and the high level signal level held by the unit cell circuit 30-1 and the unit cell circuit 4-2 hold. The high level signal level advances by one stage, the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-2 becomes high level, and the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-3 becomes high level. The same applies hereinafter.

垂直シフトレジスタ回路30に飽和電荷量制御信号φSSの1つのクロックパターンのシグナルがすべて揃った時点で、ライン選択回路25に同時に当該シグナルを出力する。   When all the signals of one clock pattern of the saturation charge amount control signal φSS are prepared in the vertical shift register circuit 30, the signals are simultaneously output to the line selection circuit 25.

上述した構成により、トリガークロック信号φS1、φS2、及び飽和電荷量制御信号φSSの3つのクロックパターンによって、各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えるように制御することが可能となる。   With the above-described configuration, it is possible to control the saturation charge amount of each pixel 1 to be selectively switched in units of rows by using three clock patterns of the trigger clock signals φS1 and φS2 and the saturation charge amount control signal φSS. .

上述したCCDイメージセンサによれば、画素飽和制御回路50により各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えることができるので、CCDイメージセンサの入出力特性の「ニー特性」を制御することが可能となる。その動作について以下に説明する。   According to the CCD image sensor described above, since the saturation charge amount of each pixel 1 can be selectively switched in units of rows by the pixel saturation control circuit 50, the “knee characteristic” of the input / output characteristics of the CCD image sensor is controlled. It becomes possible. The operation will be described below.

図10Aは、入射光強度が小さい場合と中程度の場合における、従来のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図10Bは、図10Aにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。ここで、垂直転送される信号電荷量は、TDI段数に比例して増加し、画素群100の全領域において各画素1の飽和電荷量は一定とする。   FIG. 10A is a graph showing changes in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the conventional CCD image sensor when the incident light intensity is low and medium. FIG. 10B is a graph showing a change in the amount of output charge with respect to the incident light intensity P in FIG. 10A. Here, the amount of signal charge that is vertically transferred increases in proportion to the number of TDI stages, and the saturation charge amount of each pixel 1 is constant in the entire region of the pixel group 100.

図10Aにおいて、一般的なTDI方式CCDイメージセンサにおいて、画素群100の全領域において均一光を入射してTDI動作を行った場合の画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化が示され、各画素1において蓄積された信号電荷は、画素番号100の画素1から画素番号1の画素へと図面下側に向かって時間遅延積分されて垂直転送される。ここで、入射光強度Pが大きい場合(グラフII)と入射光強度Pが小さい場合(グラフI)との画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化が示されており、入射光強度Pが大きい場合(グラフII)には、画素番号nにおいて蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に到達しオーバーフローすることが示されている。   In FIG. 10A, in a general TDI type CCD image sensor, the change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number when uniform light is incident on the entire region of the pixel group 100 and the TDI operation is performed. The signal charge accumulated in each pixel 1 is vertically transferred by time delay integration from the pixel 1 of the pixel number 100 to the pixel of the pixel number 1 toward the lower side of the drawing. Here, the change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number when the incident light intensity P is large (graph II) and when the incident light intensity P is small (graph I) is shown. When the light intensity P is high (graph II), the signal charge amount Q accumulated in the pixel number n reaches the saturation charge amount Q1 and overflows.

図10Bにおいて、画素群100の全領域において均一光を入射してTDI動作を行った場合の入射光強度Pに対する出力電荷量の変化が示される。ここで、出力電荷量は、図10Aでの画素番号1において蓄積された信号電荷量Qに相当する。また、画素群100の全領域において各画素1の飽和電荷量は一定とした場合には、図10Bに示すように、入出力特性に「ニー特性」は出現しない。   FIG. 10B shows a change in the output charge amount with respect to the incident light intensity P when the TDI operation is performed with uniform light incident on the entire region of the pixel group 100. Here, the output charge amount corresponds to the signal charge amount Q accumulated in the pixel number 1 in FIG. 10A. Further, when the saturation charge amount of each pixel 1 is constant in the entire region of the pixel group 100, the “knee characteristic” does not appear in the input / output characteristics as shown in FIG. 10B.

図11Aは、入射光強度が小さい場合と中程度の場合における、図1のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図11Bは、入射光強度が大きい場合における、図1のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図11Cは、図11A及び図11Bにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。ここで、画素飽和制御回路50は、画素番号100〜(S+1)までの各画素1に対しては飽和電荷量Q2に設定し、画素番号S〜1までの各画素1に対しては飽和電荷量Q1(Q2<Q1)に設定される。   FIG. 11A is a graph showing changes in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 1 when the incident light intensity is low and medium. FIG. 11B is a graph showing the change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 1 when the incident light intensity is high. FIG. 11C is a graph showing changes in the amount of output charge with respect to the incident light intensity P in FIGS. 11A and 11B. Here, the pixel saturation control circuit 50 sets the saturation charge amount Q2 for each pixel 1 of pixel numbers 100 to (S + 1), and the saturation charge for each pixel 1 of pixel numbers S to 1. The quantity is set to Q1 (Q2 <Q1).

図11Aに示すように、入射光強度が小さい場合(グラフI)には蓄積される信号電荷量は各画素1の飽和電荷量Q1に到達しないが、入射光強度が中程度の場合(グラフII)には画素番号100〜S1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q2以上となってオーバーフローを生じる。その後、画素番号S〜1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達しないので、オーバーフローを生じない。   As shown in FIG. 11A, when the incident light intensity is small (graph I), the accumulated signal charge amount does not reach the saturation charge amount Q1 of each pixel 1, but the incident light intensity is medium (graph II). ), The signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers 100 to S1 becomes equal to or greater than the saturation charge amount Q2 and overflow occurs. Thereafter, since the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S to 1 does not reach the saturation charge amount Q1, no overflow occurs.

図11Bに示すように、入射光強度がさらに大きい場合(グラフIII)には、画素番号100〜S1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q2以上となってオーバーフローを生じる。その後、画素番号S〜1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達してオーバーフローを生じる。   As shown in FIG. 11B, when the incident light intensity is still higher (graph III), the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers 100 to S1 becomes equal to or greater than the saturation charge amount Q2 and overflow occurs. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S to 1 reaches the saturation charge amount Q1 and overflows.

図11Cに示すように、図1のCCDイメージセンサの出力電荷量は、入射光強度P1において折れ曲がり点が存在し、入射光強度P2以上ではオーバーフローして出力電荷量はほぼ一定となる。すなわち、折れ曲がり点を設けることにより、CCDイメージセンサの入出力特性に「ニー特性」を得ることができる。ここで、入射光強度0〜P1までを小さい入射光強度とし(図11AのグラフIに対応する)、入射光強度P1〜P2までを中程度の入射光強度とし(図11AのグラフIIに対応する)、入射光強度P2〜P3を大きい入射光強度とする(図11BのグラフIII)に対応する)。また、入射光強度0〜P1までの傾きは、TDI転送の全段数(本実施の形態では100段)に比例し、入射光強度P1〜P2までの傾きは飽和電荷量Q1に設定される画素1の段数(本実施の形態ではS)に比例する。なお、飽和電荷量Q1、Q2の値は、垂直転送クロックφV1、φV2x、φV2y、φV3の時間tに対する振幅電圧によって変更することができる。画素番号S及び飽和電荷量Q1、Q2の値を変更すると、図11Cに示す「ニー特性」において、グラフの傾きと折れ曲がり点の位置を変更することができる。   As shown in FIG. 11C, the output charge amount of the CCD image sensor of FIG. 1 has a bending point at the incident light intensity P1, overflows above the incident light intensity P2, and the output charge amount becomes almost constant. That is, by providing a bending point, it is possible to obtain “knee characteristics” in the input / output characteristics of the CCD image sensor. Here, the incident light intensity 0 to P1 is set as a small incident light intensity (corresponding to the graph I in FIG. 11A), and the incident light intensity P1 to P2 is set as a medium incident light intensity (corresponding to the graph II in FIG. 11A). The incident light intensities P2 to P3 are set to a large incident light intensity (corresponding to the graph III in FIG. 11B). Further, the gradient from the incident light intensity 0 to P1 is proportional to the total number of stages of TDI transfer (100 stages in this embodiment), and the gradient from the incident light intensity P1 to P2 is set to the saturation charge amount Q1. It is proportional to the number of stages of 1 (S in this embodiment). The values of the saturation charge amounts Q1 and Q2 can be changed by the amplitude voltage with respect to the time t of the vertical transfer clocks φV1, φV2x, φV2y, and φV3. When the pixel number S and the saturation charge amounts Q1 and Q2 are changed, the inclination of the graph and the position of the bending point can be changed in the “knee characteristics” shown in FIG. 11C.

以上の実施の形態に係るCCDイメージセンサによれば、各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えられるので、CCDイメージセンサの入出力特性において「ニー特性」を得ることができる。さらに、各画素1の飽和電荷量を任意の値に変更できるので、「ニー特性」におけるグラフの傾きと折れ曲がり点の位置を調整することができる。   According to the CCD image sensor according to the above embodiment, the saturation charge amount of each pixel 1 can be selectively switched in units of rows, so that “knee characteristics” can be obtained in the input / output characteristics of the CCD image sensor. Further, since the saturation charge amount of each pixel 1 can be changed to an arbitrary value, the slope of the graph and the position of the bending point in the “knee characteristics” can be adjusted.

実施の形態2.
実施の形態1では、所定の画素行の画素1を境にして、各画素1の飽和電荷量を選択的に切り替えるように制御した。これに対して、本実施の形態では、TDI段数を設定するためのTDI段数設定回路60をさらに備え、低輝度入射時においても入出力特性に「ニー特性」を得ることができるように制御することを特徴とする。ここで、各画素1の転送電極6cに入力される垂直転送クロックφV3の振幅電圧を他の転送電極6a、6b、6dに入力される垂直転送クロックφV1、φV2、φV4の振幅電圧よりも小さくすることにより各画素1の飽和電荷量を変更する。また、垂直転送クロックφV3において、垂直転送クロックφV1、φV2、φV4の振幅電圧と同一の振幅電圧を有する垂直転送クロックを垂直転送クロックφV3xとし、垂直転送クロックφV1、φV2、φV4の振幅電圧よりも小さい振幅電圧を有する垂直転送クロックを垂直転送クロックφV3yとする。なお、説明を簡単にするために、CCDイメージセンサのTDI段数を8段として説明する。
Embodiment 2. FIG.
In Embodiment 1, the saturation charge amount of each pixel 1 is controlled to be selectively switched with the pixel 1 in a predetermined pixel row as a boundary. On the other hand, the present embodiment further includes a TDI stage number setting circuit 60 for setting the number of TDI stages, and performs control so as to obtain “knee characteristics” as input / output characteristics even at low luminance incidence. It is characterized by that. Here, the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV3 input to the transfer electrode 6c of each pixel 1 is made smaller than the amplitude voltage of the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4 input to the other transfer electrodes 6a, 6b, and 6d. As a result, the saturation charge amount of each pixel 1 is changed. In the vertical transfer clock φV3, a vertical transfer clock having the same amplitude voltage as the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4 is defined as a vertical transfer clock φV3x, which is smaller than the amplitude voltages of the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4. A vertical transfer clock having an amplitude voltage is defined as a vertical transfer clock φV3y. In order to simplify the description, the description will be made assuming that the number of TDI stages of the CCD image sensor is eight.

図12は、本発明の実施の形態2に係るTDI方式のCCDイメージセンサの上面図である。図12において、図1のCCDイメージセンサに比較すると、画素1と各行毎に各配線8によってそれぞれ接続されるTDI段数設定回路60をさらに備えたことを特徴とする。ここで、TDI段数設定回路60は、時間遅延積分して垂直転送される積分段数を設定する。図12では、画素番号Mから画素番号1までの画素1が垂直転送される。さらに、画素番号M〜(S+1)までの画素1は飽和電荷量Q2に設定され、画素番号1〜Sまでの画素1は飽和電荷量Q1に設定される(実数Q1>実数Q2)にそれぞれ設定される。ここで、CCDイメージセンサのTDI段数は、後述する垂直シフトレジスタ回路20に入力して複数の選択信号として保持されるTDI転送段指定信号φTSに基づいて設定される。   FIG. 12 is a top view of a TDI type CCD image sensor according to Embodiment 2 of the present invention. 12 is characterized by further comprising a TDI stage number setting circuit 60 connected to the pixel 1 by each wiring 8 for each row as compared with the CCD image sensor of FIG. Here, the TDI stage number setting circuit 60 sets the number of integration stages to be vertically transferred by time delay integration. In FIG. 12, pixels 1 from pixel number M to pixel number 1 are vertically transferred. Further, the pixels 1 to the pixel numbers M to (S + 1) are set to the saturation charge amount Q2, and the pixels 1 to the pixel numbers 1 to S are set to the saturation charge amount Q1 (real number Q1> real number Q2). Is done. Here, the number of TDI stages of the CCD image sensor is set based on a TDI transfer stage designation signal φTS that is input to a vertical shift register circuit 20 described later and held as a plurality of selection signals.

図13は、図12のCCDイメージセンサの素子平面図である。図13のCCDイメージセンサは、図2の3相駆動のCCDイメージセンサに比較すると、4相駆動のCCDイメージセンサが用いられ、4本1組の転送電極6が各画素1上に配列されたことが相違する。ここで、ポリシリコンからなる転送電極6a〜6dが順に配置され、その下に転送チャネル(図示せず)が形成され、当該転送チャネルは基板(図示せず)と逆導電型の不純物領域からなる分離領域としてのオーバーフロードレイン7で電気的に分離される。また、転送電極6a、6b、6dは、金属配線である選択線SLa、SLb、SLdを介して入力ピン14a、14b、14dにそれぞれ接続される。一方、転送電極6cは、金属配線である選択線SLcを介して、入力ピン24x、24yのどちらかに接続される。どちらに接続されるかはライン選択回路25によって決まる。すなわち、各転送電極6a〜6dは、選択線SLa〜SLdにそれぞれ接続され、4相の垂直転送クロックφV1〜φV4のいずれかが4本の転送電極6a、6b、6c、6dにそれぞれ入力されて垂直転送方向の信号電荷の転送が行われる。   FIG. 13 is an element plan view of the CCD image sensor of FIG. The CCD image sensor of FIG. 13 is a four-phase drive CCD image sensor compared to the three-phase drive CCD image sensor of FIG. 2, and a set of four transfer electrodes 6 are arranged on each pixel 1. Is different. Here, transfer electrodes 6a to 6d made of polysilicon are sequentially arranged, and a transfer channel (not shown) is formed thereunder, and the transfer channel is made of an impurity region having a conductivity type opposite to that of the substrate (not shown). It is electrically separated by an overflow drain 7 as a separation region. The transfer electrodes 6a, 6b, and 6d are connected to the input pins 14a, 14b, and 14d via selection lines SLa, SLb, and SLd, which are metal wirings, respectively. On the other hand, the transfer electrode 6c is connected to one of the input pins 24x and 24y via a selection line SLc that is a metal wiring. The line selection circuit 25 determines which one is connected. That is, the transfer electrodes 6a to 6d are connected to the selection lines SLa to SLd, respectively, and any one of the four-phase vertical transfer clocks φV1 to φV4 is input to the four transfer electrodes 6a, 6b, 6c, and 6d. The signal charge is transferred in the vertical transfer direction.

図13において、ライン選択回路15は、選択用MOSトランジスタ群からなる単位セル回路15−1〜15−8を備えて構成される。ここで、単位セル回路15−1〜15−8の個数は、画素群100の垂直画素数(段数)と同一である。また、単位セル回路15−1〜15−8には、各垂直転送クロックφV2、φV4をそれぞれ入力するための入力ピン14b、14dが金属配線13b、13dを介してそれぞれ接続される。   In FIG. 13, the line selection circuit 15 includes unit cell circuits 15-1 to 15-8 each including a selection MOS transistor group. Here, the number of unit cell circuits 15-1 to 15-8 is the same as the number of vertical pixels (the number of stages) of the pixel group 100. Further, input pins 14b and 14d for inputting the vertical transfer clocks φV2 and φV4 are connected to the unit cell circuits 15-1 to 15-8 via metal wirings 13b and 13d, respectively.

垂直シフトレジスタ回路20は、8個の単位セル回路20−1〜20−8から構成される。また、単位セル回路20−1〜20−8には、各トリガークロック信号φT1、φT2をそれぞれ入力するための入力ピン19a、19bが金属配線18a、18bを介してそれぞれ接続される。また、単位セル回路20−1には、TDI転送段指定信号φTSを入力するための入力端子である入力ピン19cが金属配線18cを介して接続され、単位セル回路20−m(2≦自然数m≦12)は、単位セル回路20−(m−1)とそれぞれ直列接続される。   The vertical shift register circuit 20 includes eight unit cell circuits 20-1 to 20-8. Further, input pins 19a and 19b for inputting the respective trigger clock signals φT1 and φT2 are connected to the unit cell circuits 20-1 to 20-8 via metal wirings 18a and 18b, respectively. The unit cell circuit 20-1 is connected to an input pin 19c, which is an input terminal for inputting the TDI transfer stage designation signal φTS, via a metal wiring 18c, so that the unit cell circuit 20-m (2 ≦ natural number m). ≦ 12) is connected in series with the unit cell circuit 20- (m−1).

TDI段数設定回路60は、複数の単位セル回路20−1〜20−8から構成され、ライン選択回路15における各垂直転送クロックφV2、φV4の接続状態を表す選択信号を対応する単位セル回路15−1〜15−8に保持する垂直シフトレジスタ回路20と、各選択線SLb、SLdに接続され、複数の垂直転送クロックφV2、φV4を複数の選択線のうちの所定の対応する1つの選択線に接続するライン選択回路15とを備えて構成される。ここで、ライン選択回路15における各垂直転送クロックφV2、φV4の接続状態は、信号電荷を水平CCD回路2に垂直転送するか否かの接続状態であり、ライン選択回路15は、選択信号に基づいて、複数の垂直転送クロックφV1〜φV4のうち所定対の垂直転送クロックを互いに入れ換えるか否かを行うことにより、信号電荷を水平CCD回路2に垂直転送するか否かを選択することを制御する。すなわち、ライン選択回路15は、各選択信号に基づいて、CCDイメージセンサの時間遅延積分の段数を制御する。   The TDI stage number setting circuit 60 is composed of a plurality of unit cell circuits 20-1 to 20-8, and a unit cell circuit 15- corresponding to a selection signal indicating the connection state of the vertical transfer clocks φV2, φV4 in the line selection circuit 15 is provided. The vertical shift register circuit 20 held at 1 to 15-8 and each of the selection lines SLb and SLd are connected to the plurality of vertical transfer clocks φV2 and φV4 as a predetermined corresponding one of the plurality of selection lines. And a line selection circuit 15 to be connected. Here, the connection state of the vertical transfer clocks φV2 and φV4 in the line selection circuit 15 is a connection state indicating whether or not the signal charge is vertically transferred to the horizontal CCD circuit 2, and the line selection circuit 15 is based on the selection signal. Thus, by selecting whether or not a predetermined pair of vertical transfer clocks among the plurality of vertical transfer clocks φV1 to φV4 are replaced with each other, it is controlled to select whether or not the signal charge is vertically transferred to the horizontal CCD circuit 2. . That is, the line selection circuit 15 controls the number of stages of time delay integration of the CCD image sensor based on each selection signal.

図14は、図13の垂直シフトレジスタ回路20の単位セル回路20−1の構成要素を示すブロック図である。図14において、単位セル回路20−1は、NMOSトランジスタである伝達ゲート21a、21bと、インバータ22a、22bとを備えて構成され、インバータ22bと、伝達ゲート21bと、インバータ22aと、伝達ゲート21aとはそれぞれ直列接続される。ここで、伝達ゲート21aのドレイン端子は、金属配線18cを介して入力ピン19cに接続され、伝達ゲート21aのソース端子は、インバータ22aの入力端子に接続される。また、伝達ゲート21aのゲート端子は、金属配線18aを介して入力ピン19aに接続される。   FIG. 14 is a block diagram showing components of the unit cell circuit 20-1 of the vertical shift register circuit 20 of FIG. In FIG. 14, the unit cell circuit 20-1 includes NMOS transmission gates 21a and 21b and inverters 22a and 22b. The inverter 22b, the transmission gate 21b, the inverter 22a, and the transmission gate 21a. Are connected in series. Here, the drain terminal of the transmission gate 21a is connected to the input pin 19c via the metal wiring 18c, and the source terminal of the transmission gate 21a is connected to the input terminal of the inverter 22a. The gate terminal of the transmission gate 21a is connected to the input pin 19a through the metal wiring 18a.

図14において、インバータ22aの出力端子は、伝達ゲート21bのドレイン端子に接続され、伝達ゲート21bのソース端子は、インバータ22bの入力端子に接続される。伝達ゲート21bのゲート端子は、金属配線18bを介して入力ピン19bに接続される。インバータ22bの出力端子は、金属配線16を介して、後述する図15の単位セル回路15−1に接続される。なお、図14の単位セル回路20−2〜20−8は、単位セル回路20−1に比較すると、伝達ゲート21aのドレイン端子がインバータ22bの出力端子に接続されることが相違する。ここで、垂直シフトレジスタ回路20は、TDI転送段指定信号φTSが入力ピン19cから入力され、トリガークロック信号φT1、φT2に基づいて、単位セル回路を一段ずつ進んでいく。すなわち、入力ピン19cから入力されたTDI転送段指定信号φTSの1つのクロックパターンのデータが垂直シフトレジスタ回路20に保持される。   In FIG. 14, the output terminal of the inverter 22a is connected to the drain terminal of the transmission gate 21b, and the source terminal of the transmission gate 21b is connected to the input terminal of the inverter 22b. The gate terminal of the transmission gate 21b is connected to the input pin 19b through the metal wiring 18b. The output terminal of the inverter 22b is connected to the unit cell circuit 15-1 of FIG. The unit cell circuits 20-2 to 20-8 in FIG. 14 are different from the unit cell circuit 20-1 in that the drain terminal of the transmission gate 21a is connected to the output terminal of the inverter 22b. Here, the vertical shift register circuit 20 receives the TDI transfer stage designation signal φTS from the input pin 19c, and advances the unit cell circuit step by step based on the trigger clock signals φT1 and φT2. That is, the data of one clock pattern of the TDI transfer stage designation signal φTS input from the input pin 19c is held in the vertical shift register circuit 20.

図15は、図13のライン選択回路15の単位セル回路15−1の構成要素を示すブロック図である。図15において、単位セル回路15−1は、1個のNMOSトランジスタ18aと1個のPMOSトランジスタ19aとから構成されるトランスミッションゲート23aと、1個のNMOSトランジスタ18bと1個のPMOSトランジスタ19bとから構成されるトランスミッションゲート23bと、1個のNMOSトランジスタ18cと1個のPMOSトランジスタ19cとから構成されるトランスミッションゲート23cと、1個のNMOSトランジスタ18dと1個のPMOSトランジスタ19dとから構成されるトランスミッションゲート23dと、トランスミッションゲート23aのゲート端子とトランスミッションゲート23bのゲート端子とに出力端子が接続されるインバータ17aと、トランスミッションゲート23cのゲート端子とトランスミッションゲート23dのゲート端子とに出力端子が接続されるインバータ17bとを備えて構成される。   FIG. 15 is a block diagram showing components of the unit cell circuit 15-1 of the line selection circuit 15 of FIG. In FIG. 15, a unit cell circuit 15-1 includes a transmission gate 23a composed of one NMOS transistor 18a and one PMOS transistor 19a, one NMOS transistor 18b and one PMOS transistor 19b. A transmission gate 23b configured, a transmission gate 23c configured by one NMOS transistor 18c and a PMOS transistor 19c, a transmission configured by one NMOS transistor 18d and one PMOS transistor 19d. Gate 23d, inverter 17a having an output terminal connected to the gate terminal of transmission gate 23a and the gate terminal of transmission gate 23b, and transmission gate 23c Constructed and an inverter 17b which output terminal to the gate terminal of the over preparative terminal a transmission gate 23d is connected.

図15において、トランスミッションゲート23aとトランスミッションゲート23bとの一端は、転送電極6bに接続される選択線SLbに接続され、トランスミッションゲート23aの他端は、金属配線13bを介して入力ピン14bに接続され、トランスミッションゲート23bの他端は、金属配線13dを介して入力ピン14dに接続される。また、トランスミッションゲート23cとトランスミッションゲート23dとの一端は、転送電極6dに接続される選択線SLdに接続され、トランスミッションゲート23cの他端は、金属配線13dを介して入力ピン14dに接続され、トランスミッションゲート23dの他端は、金属配線13bを介して入力ピン14bに接続される。   In FIG. 15, one end of transmission gate 23a and transmission gate 23b is connected to selection line SLb connected to transfer electrode 6b, and the other end of transmission gate 23a is connected to input pin 14b via metal wiring 13b. The other end of the transmission gate 23b is connected to the input pin 14d through the metal wiring 13d. One end of the transmission gate 23c and the transmission gate 23d is connected to the selection line SLd connected to the transfer electrode 6d, and the other end of the transmission gate 23c is connected to the input pin 14d via the metal wiring 13d. The other end of the gate 23d is connected to the input pin 14b through the metal wiring 13b.

トランスミッションゲート23a、23cのNMOSトランジスタ18a、18cの入力ゲート、並びにトランスミッションゲート23bのPMOSトランジスタ19bの入力ゲート及びトランスミッションゲート23cのNMOSトランジスタ18cの入力ゲートは、金属配線16を介して、上述した図14の単位セル回路20−1に接続される。また、トランスミッションゲート23aのNMOSトランジスタ18aの入力ゲートと、トランスミッションゲート23dのPMOSトランジスタ19dの入力ゲートと、インバータ17a、17bの入力端子とはそれぞれ接続される。   The input gates of the NMOS transistors 18a and 18c of the transmission gates 23a and 23c, the input gate of the PMOS transistor 19b of the transmission gate 23b, and the input gate of the NMOS transistor 18c of the transmission gate 23c are connected to the above-described FIG. To the unit cell circuit 20-1. The input gate of the NMOS transistor 18a of the transmission gate 23a, the input gate of the PMOS transistor 19d of the transmission gate 23d, and the input terminals of the inverters 17a and 17b are connected to each other.

以上のように構成されたCCDイメージセンサの動作について以下に説明する。以下の説明では垂直転送クロックφV1〜垂直転送クロックφV4、飽和電荷量制御信号φSSに含まれる選択信号、トリガークロック信号φS1、φS2の信号レベルは、ハイレベルもしくはローレベルとした。また、TDI転送段指定信号φTSに含まれる選択信号、トリガークロック信号φT1、φT2の信号レベルは、ハイレベルもしくはローレベルとした。なお、これらの信号レベルは、ハイレベル及びローレベルの2値信号以外の第1又は第2のレベルを有する2値信号であってもよい。   The operation of the CCD image sensor configured as described above will be described below. In the following description, the signal levels of the vertical transfer clock φV1 to the vertical transfer clock φV4, the selection signal included in the saturation charge amount control signal φSS, and the trigger clock signals φS1 and φS2 are set to a high level or a low level. The signal levels of the selection signal and the trigger clock signals φT1 and φT2 included in the TDI transfer stage designation signal φTS are set to a high level or a low level. Note that these signal levels may be binary signals having first or second levels other than binary signals of high level and low level.

図16は、図2の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1、φV2、φV3、φV4の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。すなわち、図13の4相駆動のCCDイメージセンサに入力される垂直転送クロックφV1、φV2、φV3、φV4のタイミングチャートである。   FIG. 16 is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1, φV2, φV3, and φV4 inputted to the transfer electrode 6 of FIG. That is, it is a timing chart of vertical transfer clocks φV1, φV2, φV3, and φV4 inputted to the four-phase driving CCD image sensor of FIG.

図16において、垂直転送クロックφV1〜φV4をCCDイメージセンサの駆動クロックとして転送電極6a〜6dに入力する。ここで、垂直転送クロックφV1と垂直転送クロックφV3(φV3x又はφV3y)、及び垂直転送クロックφV2と垂直転送クロックφV4とは、互いに位相が180度ずれた逆相の関係にあり、それぞれがペアを構成する。以下説明する。   In FIG. 16, vertical transfer clocks [phi] V1 to [phi] V4 are input to the transfer electrodes 6a to 6d as drive clocks for the CCD image sensor. Here, the vertical transfer clock φV1 and the vertical transfer clock φV3 (φV3x or φV3y), and the vertical transfer clock φV2 and the vertical transfer clock φV4 are in a phase relationship that is 180 degrees out of phase with each other. To do. This will be described below.

時間t1〜時間t5では、4つの転送電極6a、6b、6c、6dに対して、順に垂直転送クロックφV1、垂直転送クロックφV2、垂直転送クロックφV3(φV3x又はφV3y)、垂直転送クロックφV4を入力する場合には、信号電荷は電荷蓄積部3の方向(垂直転送方向)に転送される。また、時間t1〜時間t5において、4つの転送電極6a、6b、6c、6dに対して、順に垂直転送クロックφV1、垂直転送クロックφV4、垂直転送クロックφV3(φV3x又はφV3y)、垂直転送クロックφV2を入力する場合には、信号電荷は電荷排出ドレイン部4の方向(逆垂直転送方向)に転送される。すなわち、CCDイメージセンサでは、4つの転送電極6a、6b、6c、6dに入力する垂直転送クロックφV1、φV2、φV3(φV3x又はφV3y)、φV4のうち、例えば垂直転送クロックφV2と垂直転送クロックφV4とを入れ替えることによって、信号電荷の垂直転送の方向を反転させる。   From time t1 to time t5, the vertical transfer clock φV1, the vertical transfer clock φV2, the vertical transfer clock φV3 (φV3x or φV3y), and the vertical transfer clock φV4 are sequentially input to the four transfer electrodes 6a, 6b, 6c, and 6d. In this case, the signal charge is transferred in the direction of the charge storage unit 3 (vertical transfer direction). Also, from time t1 to time t5, the vertical transfer clock φV1, the vertical transfer clock φV4, the vertical transfer clock φV3 (φV3x or φV3y), and the vertical transfer clock φV2 are sequentially applied to the four transfer electrodes 6a, 6b, 6c, and 6d. In the case of input, the signal charge is transferred in the direction of the charge discharge drain portion 4 (reverse vertical transfer direction). That is, in the CCD image sensor, among the vertical transfer clocks φV1, φV2, φV3 (φV3x or φV3y), φV4 input to the four transfer electrodes 6a, 6b, 6c, 6d, for example, the vertical transfer clock φV2 and the vertical transfer clock φV4 Is reversed to reverse the direction of vertical transfer of signal charges.

図13の垂直シフトレジスタ回路20の単位セル回路20−1の動作について説明する。   An operation of the unit cell circuit 20-1 of the vertical shift register circuit 20 of FIG. 13 will be described.

図13において、トリガークロック信号φT1をハイレベルにすると、伝達ゲート21aがオンして前段の出力がインバータ22aに入力され、インバータ22aの出力は前段の反転出力となる。なお、単位セル回路2−1が1段目の場合は、前段の出力ではなく入力ピン19cに入力するTDI転送段指定信号φTSがインバータ22aに入力され、インバータ22aの出力はTDI転送段指定信号φTSの反転出力となる。次に、トリガークロック信号φT1をローレベルにすると伝達ゲート21aがオフとなり、インバータ22aの入力および出力はそのままの状態で保持される。次に、入力ピン19bに入力するトリガークロック信号φT2をハイレベルにすると、伝達ゲート22bがオンしてインバータ22aの出力がインバータ22bに入力され、インバータ22bの出力はインバータ22aの反転出力となる。この出力が単位セル回路2−1からの出力信号として、ライン選択回路15の単位セル回路15−1に伝達される。次に、トリガークロック信号φT2をローレベルにすると伝達ゲート21bがオフとなり、インバータ22bの入力及び出力はそのままの状態で保持される。さらにトリガークロック信号φT1をハイレベルにすると、これまでの一連の動作が繰り返される。なお、垂直シフトレジスタ回路20の単位セル回路20−2〜20−8の動作は、上述した単位セル回路20−1と同様である。   In FIG. 13, when the trigger clock signal φT1 is set to the high level, the transmission gate 21a is turned on and the output of the previous stage is input to the inverter 22a, and the output of the inverter 22a becomes the inverted output of the previous stage. When the unit cell circuit 2-1 is in the first stage, the TDI transfer stage designation signal φTS input to the input pin 19c is input to the inverter 22a instead of the output of the previous stage, and the output of the inverter 22a is the TDI transfer stage designation signal. φTS inverted output. Next, when the trigger clock signal φT1 is set to the low level, the transmission gate 21a is turned off, and the input and output of the inverter 22a are held as they are. Next, when the trigger clock signal φT2 input to the input pin 19b is set to the high level, the transmission gate 22b is turned on, the output of the inverter 22a is input to the inverter 22b, and the output of the inverter 22b becomes the inverted output of the inverter 22a. This output is transmitted to the unit cell circuit 15-1 of the line selection circuit 15 as an output signal from the unit cell circuit 2-1. Next, when the trigger clock signal φT2 is set to the low level, the transmission gate 21b is turned off, and the input and output of the inverter 22b are held as they are. Further, when the trigger clock signal φT1 is set to the high level, the series of operations so far are repeated. The operations of the unit cell circuits 20-2 to 20-8 of the vertical shift register circuit 20 are the same as those of the unit cell circuit 20-1.

上述したように、垂直シフトレジスタ回路20では、入力ピン19cから入力されるTDI転送段指定信号φTSのクロックパルスが1段ずつ順に次段へと伝達されて、各単位セル回路20−1〜20−8からの出力信号として、ライン選択回路15の単位セル回路15−1〜15−8にそれぞれ伝達される。   As described above, in the vertical shift register circuit 20, the clock pulses of the TDI transfer stage designation signal φTS input from the input pin 19c are sequentially transmitted to the next stage one by one, and each unit cell circuit 20-1 to 20-20. The output signal from −8 is transmitted to the unit cell circuits 15-1 to 15-8 of the line selection circuit 15, respectively.

次に、図15のライン選択回路15の単位セル回路15−1の動作について説明する。   Next, the operation of the unit cell circuit 15-1 of the line selection circuit 15 in FIG. 15 will be described.

図15において、単位セル回路20−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルのとき、トランスミッションゲート23aがオンとなり、入力ピン14bが選択線SLbに接続され、転送電極6bに垂直転送クロックφV2が入力される。また、単位セル回路20−1からの出力信号の信号レベルがローレベルのとき、トランスミッションゲート23bがオンとなり、入力ピン14dが選択線SLbに接続され、転送電極6bに垂直転送クロックφV4が入力される。   In FIG. 15, when the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-1 is high, the transmission gate 23a is turned on, the input pin 14b is connected to the selection line SLb, and the vertical transfer clock φV2 is applied to the transfer electrode 6b. Entered. When the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-1 is low, the transmission gate 23b is turned on, the input pin 14d is connected to the selection line SLb, and the vertical transfer clock φV4 is input to the transfer electrode 6b. The

単位セル回路20−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルのとき、トランスミッションゲート23cがオンとなり、入力ピン14dが選択線SLdに接続され、転送電極6dに垂直転送クロックφV4が入力される。また、単位セル回路20−1からの出力信号の信号レベルがローレベルのとき、トランスミッションゲート23dがオンとなり、入力ピン14bが選択線SLdに接続され、転送電極6dに垂直転送クロックφV2が入力される。   When the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-1 is high, the transmission gate 23c is turned on, the input pin 14d is connected to the selection line SLd, and the vertical transfer clock φV4 is input to the transfer electrode 6d. When the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-1 is low, the transmission gate 23d is turned on, the input pin 14b is connected to the selection line SLd, and the vertical transfer clock φV2 is input to the transfer electrode 6d. The

上述したように、ライン選択回路15の単位セル回路15−1〜15−8は、単位セル回路20−1からの出力信号の信号レベルに基づいて、転送電極(6b,6d)に入力する垂直転送クロック(φV2,φV4)を入れ替えるように制御する。すなわち、ライン選択回路5は、各選択信号に基づいて、垂直転送クロックφV2を選択線SLdに入力し、垂直転送クロックφV2を選択線SLbに入力して信号電荷を水平CCD回路2への方向とが逆の方向に垂直転送するように制御する。   As described above, the unit cell circuits 15-1 to 15-8 of the line selection circuit 15 are vertically input to the transfer electrodes (6b, 6d) based on the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-1. Control is performed so that the transfer clocks (φV2, φV4) are switched. That is, the line selection circuit 5 inputs the vertical transfer clock φV2 to the selection line SLd and inputs the vertical transfer clock φV2 to the selection line SLb based on each selection signal, and sends the signal charge to the horizontal CCD circuit 2 in the direction. Is controlled to transfer vertically in the opposite direction.

図17は、図13の垂直シフトレジスタ回路20に入力されるTDI転送段指定信号φTS及びトリガークロック信号φT1、φT2の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図であり、図18は、図17の各時間t1〜t8における垂直シフトレジスタ回路20の状態を示す模式図である。ここで、入力されるTDI転送段指定信号φTSは、CCDイメージセンサへの入力クロックを示すクロックパルスであり、図17は、各時間t1〜t8での垂直シフトレジスタ回路2の出力信号を時系列毎に示す。   FIG. 17 is a time axis waveform diagram showing signal level changes with respect to time t of the TDI transfer stage designation signal φTS and trigger clock signals φT1 and φT2 input to the vertical shift register circuit 20 of FIG. FIG. 18 is a schematic diagram illustrating a state of the vertical shift register circuit 20 at times t1 to t8 in FIG. 17. Here, the input TDI transfer stage designation signal φTS is a clock pulse indicating the input clock to the CCD image sensor, and FIG. 17 shows the output signal of the vertical shift register circuit 2 at time t1 to t8 in time series. Shown for each.

図17及び図18において、時間t0では、垂直シフトレジスタ回路20を初期化する。次に、時間t1では、TDI転送段指定信号φTSをハイレベルにしたまま、トリガークロック信号φT1、φT2を順番にハイレベルにする。その結果、時間t1では単位セル回路20−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルに設定される。時間t2では、TDI転送段指定信号φTSをハイレベルにしたまま、トリガークロック信号φT1、φT2を順番にハイレベルにする。その結果、時間t2では単位セル回路20−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルに設定され、単位セル回路20−1が保持する信号レベルローレベルが一段進み、単位セル回路20−2からの出力信号の信号レベルはハイレベルとなる。時間t3では、TDI転送段指定信号φTSをハイレベルにしたまま、トリガークロック信号φT1、φT2を順番にハイレベルにする。その結果、時間t3では単位セル回路20−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルに設定され、単位セル回路20−1が保持する信号レベル及び単位セル回路20−2が保持する信号レベルがそれぞれ一段ずつ進み、単位セル回路20−2からの出力信号の信号レベルはハイレベルとなり、単位セル回路20−3からの出力信号の信号レベルはハイレベルとなる。以下同様であり、時間t8では、図13の垂直シフトレジスタ回路20に入力されるTDI転送段指定信号φTSが模式的に表される。本実施の形態では、TDI転送段指定信号φTSは、TDI段数を5段に制御する。ここで、CCDイメージセンサのライン選択回路15の単位セル回路15−1〜15−8に伝達される信号レベルが図示される。以下簡単に説明する。   17 and 18, the vertical shift register circuit 20 is initialized at time t0. Next, at time t1, the trigger clock signals φT1 and φT2 are sequentially set to the high level while the TDI transfer stage designation signal φTS is kept at the high level. As a result, at time t1, the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-1 is set to a high level. At time t2, the trigger clock signals φT1 and φT2 are sequentially set to the high level while the TDI transfer stage designation signal φTS is kept at the high level. As a result, at time t2, the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-1 is set to the high level, the signal level held by the unit cell circuit 20-1 advances by one step, and the unit cell circuit 20-2 The signal level of the output signal is high. At time t3, the trigger clock signals φT1 and φT2 are sequentially set to the high level while the TDI transfer stage specifying signal φTS is kept at the high level. As a result, at time t3, the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-1 is set to a high level, and the signal level held by the unit cell circuit 20-1 and the signal level held by the unit cell circuit 20-2 are set. The signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-2 goes high, and the signal level of the output signal from the unit cell circuit 20-3 goes high. The same applies to the following, and at time t8, the TDI transfer stage designation signal φTS input to the vertical shift register circuit 20 of FIG. 13 is schematically represented. In the present embodiment, the TDI transfer stage designation signal φTS controls the number of TDI stages to five. Here, the signal levels transmitted to the unit cell circuits 15-1 to 15-8 of the line selection circuit 15 of the CCD image sensor are shown. This will be briefly described below.

垂直シフトレジスタ回路20にTDI転送段指定信号φTSの1つのクロックパターンのシグナルがすべて揃った時点で、CCDイメージセンサのライン選択回路15に同時に当該シグナルを与える。これにより各CCDイメージセンサのTDI段数の設定が完了し、撮像モードに移行する。   When all the signals of one clock pattern of the TDI transfer stage designation signal φTS are prepared in the vertical shift register circuit 20, the signals are simultaneously given to the line selection circuit 15 of the CCD image sensor. Thereby, the setting of the number of TDI stages of each CCD image sensor is completed, and the mode shifts to the imaging mode.

図19Aは、図13の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1、φV2、φV3x、V3y、φV4の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。すなわち、図13の4相駆動のCCDイメージセンサに入力される垂直転送クロックφV1、φV2、φV3x、V3y、φV4のタイミングチャートである。   FIG. 19A is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1, φV2, φV3x, V3y, and φV4 inputted to the transfer electrode 6 of FIG. That is, it is a timing chart of the vertical transfer clocks φV1, φV2, φV3x, V3y, and φV4 input to the four-phase driving CCD image sensor of FIG.

図19B及び図19Cは、図19Aの各時間tでの4相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。すなわち、図19B及び図19Cは、時間t1〜t9における転送チャネルのポテンシャル井戸の分布の模様を模式的に示している。ここで、図19Bには、選択線SLcへの入力信号として垂直転送クロックφV1、φV2、及びφV4と同一の振幅電圧を有する垂直転送クロックφV3xを選択した場合が示され、図19Cには、選択線SLcへの入力信号として垂直転送クロックφV1、φV2、及びφV4よりも小さい振幅電圧を有する垂直転送クロックφV3yを選択した場合が示される。なお、ポテンシャルダイアグラム中に示した点線は、画素1が飽和した場合に横型オーバーフロードレイン7へと電荷が排出されるしきい値レベルVthを示す。   19B and 19C are potential diagrams showing the transfer operation of the four-phase drive at each time t in FIG. 19A. That is, FIG. 19B and FIG. 19C schematically show the distribution pattern of the potential well of the transfer channel at times t1 to t9. Here, FIG. 19B shows a case where the vertical transfer clock φV3x having the same amplitude voltage as the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4 is selected as an input signal to the selection line SLc, and FIG. 19C shows the selection. A case where the vertical transfer clock φV3y having an amplitude voltage smaller than the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4 is selected as an input signal to the line SLc is shown. A dotted line shown in the potential diagram indicates a threshold level Vth at which charges are discharged to the horizontal overflow drain 7 when the pixel 1 is saturated.

図19Aに示すように、光電変換を行って発生した電荷を時間遅延積分してそれぞれ複数の垂直転送クロックφV1、φV2、φV3x、V3y、φV4を用いて垂直転送する。このとき、図19B及び図19Cに示すように、転送チャネルに形成されるポテンシャル井戸は、時間とともに図面右方へと移動する。画素1の飽和電荷量は、時間t1〜t9のうちで井戸の容量の最小値で決定される。従って、図19Bの場合には、時間t2、t4、t6、もしくはt8での最大蓄積電荷量で与えられる。一方、図19Cの場合には、図19Bに比較すると、垂直転送クロックφV3yによって転送チャネルに形成されるポテンシャル井戸はより浅くなるので、画素1の飽和電荷量は時間t6もしくはt8における最大蓄積電荷量で決定される。なお、画素1の飽和電荷量は、垂直転送クロックの振幅電圧に応じて増減し、垂直転送クロックφV3yの振幅電圧での飽和電荷量は、垂直転送クロックφV3xの振幅電圧を小さく設定した分だけ小さくなる。   As shown in FIG. 19A, charges generated by photoelectric conversion are time-delay integrated and vertically transferred using a plurality of vertical transfer clocks φV1, φV2, φV3x, V3y, and φV4, respectively. At this time, as shown in FIGS. 19B and 19C, the potential well formed in the transfer channel moves to the right in the drawing with time. The saturation charge amount of the pixel 1 is determined by the minimum value of the well capacity during the time t1 to t9. Accordingly, in the case of FIG. 19B, the maximum accumulated charge amount at time t2, t4, t6, or t8 is given. On the other hand, in the case of FIG. 19C, since the potential well formed in the transfer channel by the vertical transfer clock φV3y becomes shallower than in FIG. 19B, the saturation charge amount of the pixel 1 is the maximum accumulated charge amount at time t6 or t8. Determined by The saturation charge amount of the pixel 1 increases / decreases in accordance with the amplitude voltage of the vertical transfer clock, and the saturation charge amount at the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV3y decreases by the amount that the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV3x is set small. Become.

図20は、図13の画素飽和制御回路50の動作を説明するための概略図である。図20では、画素飽和制御回路50が各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替える場合の一例であり、TDI段数が全段で8段であるTDI方式CCDイメージセンサに対して、画素番号1〜5の各画素1の飽和電荷量Q1が画素番号6〜8の各画素1の飽和電荷量Q2よりも大きい場合が示されている。   FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the operation of the pixel saturation control circuit 50 of FIG. FIG. 20 shows an example in which the pixel saturation control circuit 50 selectively switches the saturation charge amount of each pixel 1 in units of rows. For a TDI type CCD image sensor in which the number of TDI stages is 8 in all stages, The case where the saturation charge amount Q1 of each pixel 1 with pixel numbers 1 to 5 is larger than the saturation charge amount Q2 of each pixel 1 with pixel numbers 6 to 8 is shown.

図21は、図13のTDI段数設定回路60の動作を説明するための概略図である。図21では、TDI段数設定回路60によって撮像時の積分段数を設定する場合の一例であり、TDI段数が全段で8段であるTDI方式のCCDイメージセンサに対して、TDI転送の積分段数を5段に設定する場合が示されている。   FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the operation of the TDI stage number setting circuit 60 of FIG. FIG. 21 shows an example of setting the integration stage number at the time of imaging by the TDI stage number setting circuit 60. The TDI transfer integration stage number is set for a TDI type CCD image sensor having 8 TDI stages in all. The case of setting to 5 levels is shown.

図22Aは、入射光強度が小さい場合と中程度の場合における、従来のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図22Bは、図22Aにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。ここで、垂直転送される信号電荷量は、TDI段数に比例して増加し、画素群100の全領域において各画素1の飽和電荷量は一定とする。   FIG. 22A is a graph showing the change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the conventional CCD image sensor when the incident light intensity is low and medium. 22B is a graph showing a change in the amount of output charge with respect to the incident light intensity P in FIG. 22A. Here, the amount of signal charge that is vertically transferred increases in proportion to the number of TDI stages, and the saturation charge amount of each pixel 1 is constant in the entire region of the pixel group 100.

図22Aにおいて、一般的なTDI方式CCDイメージセンサにおいて、画素群100の全領域において均一光を入射してTDI動作を行った場合の画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化が示され、各画素1において蓄積された信号電荷は、画素番号Mの画素1から画素番号1の画素へと図面下側に向かって時間遅延積分されて垂直転送される。ここで、入射光強度Pが大きい場合(グラフII)と入射光強度Pが小さい場合(グラフI)との画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化が示されており、入射光強度Pが大きい場合(グラフII)には、画素番号nにおいて蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に到達しオーバーフローすることが示されている。   In FIG. 22A, in a general TDI type CCD image sensor, a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number when uniform light is incident on the entire region of the pixel group 100 and the TDI operation is performed. The signal charges accumulated in each pixel 1 are vertically transferred by time delay integration from the pixel 1 of the pixel number M to the pixel of the pixel number 1 toward the lower side of the drawing. Here, the change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number when the incident light intensity P is large (graph II) and when the incident light intensity P is small (graph I) is shown. When the light intensity P is high (graph II), the signal charge amount Q accumulated in the pixel number n reaches the saturation charge amount Q1 and overflows.

図22Bにおいて、画素群100の全領域において均一光を入射してTDI動作を行った場合の入射光強度Pに対する出力電荷量の変化が示される。ここで、出力電荷量は、図22Aでの画素番号1において蓄積された信号電荷量Qに相当する。また、画素群100の全領域において各画素1の飽和電荷量は一定とした場合には、図22Bに示すように、入出力特性に「ニー特性」は出現しない。   FIG. 22B shows the change in the amount of output charge with respect to the incident light intensity P when the TDI operation is performed with uniform light incident on the entire region of the pixel group 100. Here, the output charge amount corresponds to the signal charge amount Q accumulated in the pixel number 1 in FIG. 22A. Further, when the saturation charge amount of each pixel 1 is constant in the entire region of the pixel group 100, the “knee characteristic” does not appear in the input / output characteristics as shown in FIG. 22B.

図23Aは、入射光強度が小さい場合(グラフI)と中程度の場合(グラフII)における、図1のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図23Bは、入射光強度が大きい場合(グラフIII)における、図1のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図23Cは、図23A及び図23Bにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。ここで、画素飽和制御回路50は、画素番号100〜(S+1)までの各画素1に対しては飽和電荷量Q2に設定し、画素番号S〜1までの各画素1に対しては飽和電荷量Q1(Q2<Q1)に設定する。また、TDI段数設定回路60は、CCDイメージセンサの時間遅延積分の段数を制御する。すなわち、TDI段数設定回路60は、画素番号M〜1の各画素1に蓄積される信号電荷量を水平CCD回路2に垂直転送するように制御する。   FIG. 23A is a graph showing a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 1 when the incident light intensity is low (graph I) and medium (graph II). It is. FIG. 23B is a graph showing a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 1 when the incident light intensity is high (graph III). FIG. 23C is a graph showing changes in the amount of output charge with respect to the incident light intensity P in FIGS. 23A and 23B. Here, the pixel saturation control circuit 50 sets the saturation charge amount Q2 for each pixel 1 of pixel numbers 100 to (S + 1), and the saturation charge for each pixel 1 of pixel numbers S to 1. Set to the quantity Q1 (Q2 <Q1). The TDI stage number setting circuit 60 controls the number of stages of time delay integration of the CCD image sensor. That is, the TDI stage number setting circuit 60 performs control so that the signal charge amount accumulated in each pixel 1 of the pixel numbers M to 1 is vertically transferred to the horizontal CCD circuit 2.

図23Aに示すように、入射光強度が小さい場合(グラフI)には蓄積される信号電荷量は各画素1の飽和電荷量Q1に達せずオーバーフローしないが、入射光強度が中程度の場合(グラフII)には画素番号M〜(S+1)までに蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q2以上となってオーバーフローする。その後、画素番号S〜1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達せずオーバーフローしない。   As shown in FIG. 23A, when the incident light intensity is small (graph I), the accumulated signal charge amount does not reach the saturation charge amount Q1 of each pixel 1 and does not overflow, but the incident light intensity is medium ( In the graph II), the signal charge amount Q accumulated up to pixel numbers M to (S + 1) exceeds the saturation charge amount Q2 and overflows. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S to 1 does not reach the saturation charge amount Q1 and does not overflow.

図23Bに示すように、入射光強度がさらに大きい場合(グラフIII)には、画素番号Mから蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q2以上となってオーバーフローを生じる。その後、画素番号Sから蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達してオーバーフローする。   As shown in FIG. 23B, when the incident light intensity is higher (graph III), the signal charge amount Q accumulated from the pixel number M becomes equal to or greater than the saturation charge amount Q2 and overflow occurs. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated from the pixel number S reaches the saturation charge amount Q1 and overflows.

図23Cに示すように、図1のCCDイメージセンサの出力電荷量は、入射光強度P1において折れ曲がり点が存在し、入射光強度P2以上ではオーバーフローして出力電荷量はほぼ一定となる。すなわち、折れ曲がり点を設けることにより、CCDイメージセンサの入出力特性に「ニー特性」を得ることができる。ここで、入射光強度0〜P1までを小さい入射光強度とし(図23AのグラフIに対応する)、入射光強度P1〜P2までを中程度の入射光強度とし(図23AのグラフIIに対応する)、入射光強度P2〜P3を大きい入射光強度とする(図23BのグラフIII)に対応する)。また、入射光強度0〜P1までの傾きは、TDI段数(本実施の形態ではM段)に比例し、入射光強度P1〜P2までの傾きは飽和電荷量Q1に設定される画素1の段数(本実施の形態ではS)に比例する。なお、飽和電荷量Q1、Q2の値は、垂直転送クロックφV1、φV2x、φV2y、φV3の時間tに対する振幅電圧によって変更することができる。画素番号S及び飽和電荷量Q1、Q2の値を変更すると、図11Cに示す「ニー特性」において、グラフの傾きと折れ曲がり点の位置を変更することができる。   As shown in FIG. 23C, the output charge amount of the CCD image sensor of FIG. 1 has a bending point at the incident light intensity P1, overflows above the incident light intensity P2, and the output charge amount becomes almost constant. That is, by providing a bending point, it is possible to obtain “knee characteristics” in the input / output characteristics of the CCD image sensor. Here, the incident light intensity 0 to P1 is set as a small incident light intensity (corresponding to the graph I in FIG. 23A), and the incident light intensity P1 to P2 is set as a medium incident light intensity (corresponding to the graph II in FIG. 23A). The incident light intensity P2 to P3 is set to a large incident light intensity (corresponding to the graph III in FIG. 23B). The slope from incident light intensity 0 to P1 is proportional to the number of TDI stages (M stage in the present embodiment), and the slope from incident light intensity P1 to P2 is the number of stages of pixel 1 set to the saturation charge amount Q1. In this embodiment, it is proportional to S. The values of the saturation charge amounts Q1 and Q2 can be changed by the amplitude voltage with respect to the time t of the vertical transfer clocks φV1, φV2x, φV2y, and φV3. When the pixel number S and the saturation charge amounts Q1 and Q2 are changed, the inclination of the graph and the position of the bending point can be changed in the “knee characteristics” shown in FIG. 11C.

以上の実施の形態に係るCCDイメージセンサによれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態1に比較すると、さらにTDI段数(TDI転送の積分段数)を変更することができるので、さらに低輝度入射時における入出力特性の「ニー特性」の調整範囲を広げることが可能となる。   According to the CCD image sensor according to the above embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Furthermore, since the number of TDI stages (number of TDI transfer integration stages) can be further changed as compared with the first embodiment, the adjustment range of the “knee characteristics” of the input / output characteristics at the time of low-luminance incidence can be further expanded. It becomes.

実施の形態3.
上述した実施の形態2では、各画素1の転送電極6cに入力される垂直転送クロックφV3の振幅電圧を他の転送電極6a、6b、6dに入力される垂直転送クロックφV1、φV2、φV4の振幅電圧よりも小さくすることにより各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えた。これに対して、本実施の形態では、各画素1の転送電極6aに入力される垂直転送クロックφV1及び各画素1の転送電極6cに入力される垂直転送クロックφV3のクロック幅を各画素1の転送電極6bに入力される垂直転送クロックφV2及び各画素1の転送電極6dに入力される垂直転送クロックφV4のクロック幅よりも小さくすることにより各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えることを特徴とする。ここで、垂直転送クロックφV1、φV3において、垂直転送クロックφV2、φV4のクロック幅と同一のクロック幅を有する垂直転送クロックをそれぞれ垂直転送クロックφV1x、φV3xとし、垂直転送クロックφV2、φV4のクロック幅よりも小さいクロック幅を有する垂直転送クロックをそれぞれ垂直転送クロックφV1y、φV3yとする。
Embodiment 3 FIG.
In the second embodiment described above, the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV3 input to the transfer electrode 6c of each pixel 1 is changed to the amplitude of the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4 input to the other transfer electrodes 6a, 6b, and 6d. The saturation charge amount of each pixel 1 was selectively switched in units of rows by making it smaller than the voltage. On the other hand, in this embodiment, the clock widths of the vertical transfer clock φV1 input to the transfer electrode 6a of each pixel 1 and the vertical transfer clock φV3 input to the transfer electrode 6c of each pixel 1 are set to the width of each pixel 1. The saturation charge amount of each pixel 1 is selectively selected in units of rows by making it smaller than the clock width of the vertical transfer clock φV2 input to the transfer electrode 6b and the vertical transfer clock φV4 input to the transfer electrode 6d of each pixel 1. It is characterized by switching. Here, in the vertical transfer clocks φV1 and φV3, vertical transfer clocks having the same clock width as the vertical transfer clocks φV2 and φV4 are defined as vertical transfer clocks φV1x and φV3x, respectively, and from the clock widths of the vertical transfer clocks φV2 and φV4 Are vertical transfer clocks φV1y and φV3y, respectively.

図24は、本発明の実施の形態3に係るCCDイメージセンサの素子平面図である。図24のCCDイメージセンサは、図13のCCDイメージセンサに比較すると、画素飽和制御回路50の代わりに画素飽和制御回路50Aを備え、入力ピン14aから選択線SLaに垂直転送クロックφV1を入力する代わりに画素飽和制御回路50Aからの出力信号を垂直転送クロックφV1として選択線SLaに入力することを特徴とする。   FIG. 24 is an element plan view of the CCD image sensor according to Embodiment 3 of the present invention. Compared with the CCD image sensor of FIG. 13, the CCD image sensor of FIG. 24 includes a pixel saturation control circuit 50A instead of the pixel saturation control circuit 50, and instead of inputting the vertical transfer clock φV1 from the input pin 14a to the selection line SLa. Further, the output signal from the pixel saturation control circuit 50A is inputted to the selection line SLa as the vertical transfer clock φV1.

画素飽和制御回路50Aは、図13の画素飽和制御回路50に比較すると、単位セル回路25−1〜25−8を備えるライン選択回路25の代わりに、単位セル回路25A−1〜25A−8を備えるライン選択回路25Aを備えたことを特徴とする。ここで、ライン選択回路25Aは、第1のクロック幅又は第2のクロック幅を有する垂直転送クロックと複数の転送電極との接続状態を表す複数の選択信号に基づいて、各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替える。   Compared with the pixel saturation control circuit 50 of FIG. 13, the pixel saturation control circuit 50A includes unit cell circuits 25A-1 to 25A-8 instead of the line selection circuit 25 including the unit cell circuits 25-1 to 25-8. A line selection circuit 25A is provided. Here, the line selection circuit 25A determines the saturation charge of each pixel 1 based on a plurality of selection signals indicating connection states between a vertical transfer clock having the first clock width or the second clock width and a plurality of transfer electrodes. Selectively switch quantities by line.

図25は、図24のライン選択回路25Aの単位セル回路25A−1の構成要素を示すブロック図である。図25において、単位セル回路25A−1は、1個のNMOSトランジスタ42aと1個のPMOSトランジスタ43aとから構成されるトランスミッションゲート44aと、1個のNMOSトランジスタ42bと1個のPMOSトランジスタ43bとから構成されるトランスミッションゲート44bと、1個のNMOSトランジスタ42cと1個のPMOSトランジスタ43cとから構成されるトランスミッションゲート44cと、1個のNMOSトランジスタ42dと1個のPMOSトランジスタ43dとから構成されるトランスミッションゲート44dと、PMOSトランジスタ43aのゲート端子とNMOSトランジスタ42bのゲート端子とに出力端子が接続されるインバータ41aと、PMOSトランジスタ43cのゲート端子とNMOSトランジスタ42dのゲート端子とに出力端子が接続されるインバータ41bとを備えて構成される。   FIG. 25 is a block diagram showing components of the unit cell circuit 25A-1 of the line selection circuit 25A of FIG. In FIG. 25, the unit cell circuit 25A-1 includes a transmission gate 44a composed of one NMOS transistor 42a and one PMOS transistor 43a, one NMOS transistor 42b and one PMOS transistor 43b. A transmission gate 44b configured, a transmission gate 44c configured by one NMOS transistor 42c and one PMOS transistor 43c, a transmission configured by one NMOS transistor 42d and one PMOS transistor 43d. The gate 41d, the inverter 41a whose output terminal is connected to the gate terminal of the PMOS transistor 43a and the gate terminal of the NMOS transistor 42b, and the gate terminal of the PMOS transistor 43c Constructed and an inverter 41b which output terminal to the gate terminal of the 42d NMOS transistor is connected.

図25において、トランスミッションゲート44aとトランスミッションゲート44bとの一端は、転送電極6aに接続される選択線SLaに接続され、トランスミッションゲート44aの他端は、金属配線41xを介して入力ピン42xに接続され、トランスミッションゲート44bの他端は、金属配線41yを介して入力ピン42yに接続される。また、トランスミッションゲート44cとトランスミッションゲート44dとの一端は、転送電極6cに接続される選択線SLcに接続され、トランスミッションゲート44cの他端は、金属配線43xを介して入力ピン44xに接続され、トランスミッションゲート44dの他端は、金属配線43yを介して入力ピン44yに接続される。   In FIG. 25, one end of the transmission gate 44a and the transmission gate 44b is connected to the selection line SLa connected to the transfer electrode 6a, and the other end of the transmission gate 44a is connected to the input pin 42x via the metal wiring 41x. The other end of the transmission gate 44b is connected to the input pin 42y through the metal wiring 41y. Further, one end of the transmission gate 44c and the transmission gate 44d is connected to the selection line SLc connected to the transfer electrode 6c, and the other end of the transmission gate 44c is connected to the input pin 44x via the metal wiring 43x. The other end of the gate 44d is connected to the input pin 44y through the metal wiring 43y.

トランスミッションゲート44a、44cのNMOSトランジスタ42a、42cの入力ゲート、並びにトランスミッションゲート44dのPMOSトランジスタ43dの入力ゲートは、金属配線26を介して、図24の単位セル回路30−1に接続される。また、トランスミッションゲート44aのNMOSトランジスタ42aの入力ゲートと、トランスミッションゲート44dのPMOSトランジスタ43dの入力ゲートと、インバータ41a、41bの入力端子とはそれぞれ接続される。   The input gates of the NMOS transistors 42a and 42c of the transmission gates 44a and 44c and the input gate of the PMOS transistor 43d of the transmission gate 44d are connected to the unit cell circuit 30-1 of FIG. The input gate of the NMOS transistor 42a of the transmission gate 44a, the input gate of the PMOS transistor 43d of the transmission gate 44d, and the input terminals of the inverters 41a and 41b are connected to each other.

以上のように構成されたCCDイメージセンサの動作について以下に説明する。以下の説明では垂直転送クロックφV1〜垂直転送クロックφV4、TDI転送段指定信号φTSに含まれる選択信号、トリガークロック信号φT1、φT2の信号レベルは、ハイレベルもしくはローレベルとした。なお、これらの信号レベルは、ハイレベル及びローレベルの2値信号以外の第1又は第2のレベルを有する2値信号であってもよい。   The operation of the CCD image sensor configured as described above will be described below. In the following description, the signal levels of the vertical transfer clock φV1 to the vertical transfer clock φV4, the selection signal included in the TDI transfer stage designation signal φTS, and the trigger clock signals φT1 and φT2 are set to the high level or the low level. Note that these signal levels may be binary signals having first or second levels other than binary signals of high level and low level.

図25のライン選択回路25Aの単位セル回路25A−1の動作について説明する。   The operation of the unit cell circuit 25A-1 of the line selection circuit 25A of FIG. 25 will be described.

単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルのとき、トランスミッションゲート44aがオンとなり、入力ピン42xが選択線SLaに接続され、転送電極6aに垂直転送クロックφV1xが入力される。また、単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがローレベルのとき、トランスミッションゲート44bがオンとなり、入力ピン42yが選択線SLaに接続され、転送電極6aに垂直転送クロックφV1yが入力される。   When the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 is high, the transmission gate 44a is turned on, the input pin 42x is connected to the selection line SLa, and the vertical transfer clock φV1x is input to the transfer electrode 6a. When the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 is low, the transmission gate 44b is turned on, the input pin 42y is connected to the selection line SLa, and the vertical transfer clock φV1y is input to the transfer electrode 6a. The

単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがハイレベルのとき、トランスミッションゲート44cがオンとなり、入力ピン44xが選択線SLcに接続され、転送電極6cに垂直転送クロックφV3xが入力される。また、単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルがローレベルのとき、トランスミッションゲート44dがオンとなり、入力ピン44yが選択線SLcに接続され、転送電極6cに垂直転送クロックφV3yが入力される。   When the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 is high, the transmission gate 44c is turned on, the input pin 44x is connected to the selection line SLc, and the vertical transfer clock φV3x is input to the transfer electrode 6c. When the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1 is low, the transmission gate 44d is turned on, the input pin 44y is connected to the selection line SLc, and the vertical transfer clock φV3y is input to the transfer electrode 6c. The

上述したように、ライン選択回路25Aの単位セル回路25A−1〜25A−8は、単位セル回路30−1からの出力信号の信号レベルに基づいて、転送電極(6a,6c)に入力される垂直転送クロック(φV1,φV3)のクロック幅を他の転送電極(6b,6d)に入力される垂直転送クロック(φV2,φV4)のクロック幅と同一とするか、もしくは小さくするように制御する。   As described above, the unit cell circuits 25A-1 to 25A-8 of the line selection circuit 25A are input to the transfer electrodes (6a, 6c) based on the signal level of the output signal from the unit cell circuit 30-1. Control is made so that the clock width of the vertical transfer clocks (φV1, φV3) is the same as or smaller than the clock width of the vertical transfer clocks (φV2, φV4) input to the other transfer electrodes (6b, 6d).

図26Aは、図24の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1x、φV2、φV3x、φV4の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。すなわち、図24の4相駆動のCCDイメージセンサに入力される垂直転送クロックφV1x、φV2、φV3x、φV4のタイミングチャートである。ここで、4つの垂直転送クロックφV1x、φV2、φV3x、φV4のクロック幅がすべて同一である。   26A is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1x, φV2, φV3x, and φV4 input to the transfer electrode 6 of FIG. That is, it is a timing chart of vertical transfer clocks φV1x, φV2, φV3x, and φV4 inputted to the four-phase driving CCD image sensor of FIG. Here, the clock widths of the four vertical transfer clocks φV1x, φV2, φV3x, and φV4 are all the same.

図26Bは、図26Aの各時間tでの4相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。すなわち、図26Bは、時間t1〜t9における転送チャネルのポテンシャル井戸の分布の模様を模式的に示している。図26Bに示すように、光電変換を行って発生した電荷を時間遅延積分してそれぞれ複数の垂直転送クロックφV1x、φV2、φV3x、φV4を用いて垂直転送する。このとき、転送チャネルに形成されるポテンシャル井戸は、時間とともに図面右方へと移動する。画素1の飽和電荷量は、時間t1〜t9のうちで井戸の容量の最小値で決定される。従って、時間t2、t4、t6、もしくはt8において転送ゲート下に形成されるポテンシャル井戸の幅はゲート3つ分からゲート2つ分となるので、画素1の飽和電荷量はゲート2つ分の最大蓄積電荷量で与えられる。   FIG. 26B is a potential diagram showing the transfer operation of the four-phase drive at each time t in FIG. 26A. That is, FIG. 26B schematically shows the pattern of the potential well distribution of the transfer channel at times t1 to t9. As shown in FIG. 26B, the charges generated by the photoelectric conversion are time-delay integrated and vertically transferred using a plurality of vertical transfer clocks φV1x, φV2, φV3x, and φV4, respectively. At this time, the potential well formed in the transfer channel moves to the right in the drawing with time. The saturation charge amount of the pixel 1 is determined by the minimum value of the well capacity during the time t1 to t9. Accordingly, since the width of the potential well formed under the transfer gate at time t2, t4, t6, or t8 is from three gates to two gates, the saturation charge amount of the pixel 1 is the maximum accumulation of two gates. It is given by the amount of charge.

図27Aは、図24の転送電極6に入力される垂直転送クロックφV1y、φV2、φV3y、φV4の時間tに対する信号レベルの変化を示す時間軸波形図である。すなわち、図24の4相駆動のCCDイメージセンサに入力される垂直転送クロックφV1y、φV2、φV3y、φV4のタイミングチャートである。ここで、垂直転送クロックφV1y、φV3yのクロック幅は、垂直転送クロックφV2、φV4のクロック幅よりも小さい。   FIG. 27A is a time axis waveform diagram showing changes in signal level with respect to time t of vertical transfer clocks φV1y, φV2, φV3y, and φV4 inputted to the transfer electrode 6 of FIG. That is, it is a timing chart of vertical transfer clocks φV1y, φV2, φV3y, and φV4 input to the four-phase driving CCD image sensor of FIG. Here, the clock widths of the vertical transfer clocks φV1y and φV3y are smaller than the clock widths of the vertical transfer clocks φV2 and φV4.

図27Bは、図27Aの各時間tでの4相駆動の転送動作を示すポテンシャルダイアグラムである。すなわち、図27Bは、時間t1〜t9における転送チャネルのポテンシャル井戸の分布の模様を模式的に示している。図27Bは、図26Bに比較すると、垂直転送クロックφV1y、φV3yのクロック幅が垂直転送クロックφV2、φV4のクロック幅よりも小さいので、時間t5において転送ゲート下に形成されるポテンシャル井戸がゲート1つ分の幅だけとなる。従って、画素1の飽和電荷量はゲート1つ分の最大蓄積電荷量で与えられる。すなわち、図26Aに示すクロックパターンで駆動する場合の飽和電荷量と、図27Aに示すクロックパターンで駆動する場合の飽和電荷量とは異なる。   FIG. 27B is a potential diagram showing the transfer operation of the four-phase drive at each time t in FIG. 27A. That is, FIG. 27B schematically shows the distribution pattern of the potential well of the transfer channel at times t1 to t9. In FIG. 27B, compared with FIG. 26B, the clock widths of the vertical transfer clocks φV1y and φV3y are smaller than the clock widths of the vertical transfer clocks φV2 and φV4, so one potential well is formed below the transfer gate at time t5. Only the width of minutes. Therefore, the saturation charge amount of the pixel 1 is given by the maximum accumulated charge amount for one gate. That is, the saturation charge amount when driving with the clock pattern shown in FIG. 26A is different from the saturation charge amount when driving with the clock pattern shown in FIG. 27A.

図28は、図24の画素飽和制御回路50Aの動作を説明するための概略図である。図28では、画素飽和制御回路50Aが各画素1の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替える場合の一例であり、TDI段数が全段で8段であるTDI方式CCDイメージセンサに対して、画素番号1〜5の各画素1の飽和電荷量Q1が画素番号6〜8の各画素1の飽和電荷量Q2よりも大きい場合が示されている。   FIG. 28 is a schematic diagram for explaining the operation of the pixel saturation control circuit 50A of FIG. FIG. 28 shows an example in which the pixel saturation control circuit 50A selectively switches the saturation charge amount of each pixel 1 in units of rows. For a TDI type CCD image sensor in which the number of TDI stages is 8 in all stages, The case where the saturation charge amount Q1 of each pixel 1 with pixel numbers 1 to 5 is larger than the saturation charge amount Q2 of each pixel 1 with pixel numbers 6 to 8 is shown.

以上の実施の形態に係るCCDイメージセンサによれば、実施の形態2の形態に係るCCDイメージセンサと同様の効果を得ることができる。   According to the CCD image sensor according to the above embodiment, the same effect as that of the CCD image sensor according to the embodiment 2 can be obtained.

実施の形態4.
上述した実施の形態2では、画素行Sの画素1を境にして各画素1の飽和電荷量を選択的に切り替えた。これに対して、本実施の形態では、少なくとも1つの画素行の画素1の飽和電荷量のみを変更することを特徴とする。なお、説明を簡単にするために、CCDイメージセンサのTDI段数を8段に設定する。
Embodiment 4 FIG.
In the second embodiment described above, the saturation charge amount of each pixel 1 is selectively switched with the pixel 1 in the pixel row S as a boundary. On the other hand, this embodiment is characterized in that only the saturation charge amount of the pixel 1 in at least one pixel row is changed. In order to simplify the description, the number of TDI stages of the CCD image sensor is set to eight.

図29は、本発明の実施の形態4に係るCCDイメージセンサの素子平面図である。図29のCCDイメージセンサは、図24のCCDイメージセンサに比較すると、画素飽和制御回路50Aからの出力信号が垂直転送クロックφV1、φV3として選択線SLa、SLcにそれぞれ入力される代わりに、入力ピン11a、11c(または45x〜45z)を介して選択線SLa、SLcに垂直転送クロックφV1、φV3がそれぞれ入力されることを特徴とする。ここで、画素番号2の画素1の転送電極6cには、入力ピン45zを介して垂直転送クロックφV3zが入力され、画素番号3の画素1の転送電極6cには、入力ピン45yを介して垂直転送クロックφV3yが入力され、画素番号4の画素1の転送電極6cには、入力ピン45xを介して垂直転送クロックφV3xが入力される。   FIG. 29 is an element plan view of a CCD image sensor according to Embodiment 4 of the present invention. Compared with the CCD image sensor of FIG. 24, the CCD image sensor of FIG. 29 has an input pin instead of the output signals from the pixel saturation control circuit 50A being input to the selection lines SLa and SLc as the vertical transfer clocks φV1 and φV3, respectively. The vertical transfer clocks φV1 and φV3 are input to the selection lines SLa and SLc via 11a and 11c (or 45x to 45z), respectively. Here, the vertical transfer clock φV3z is input to the transfer electrode 6c of the pixel 1 with the pixel number 2 through the input pin 45z, and the transfer electrode 6c of the pixel 1 with the pixel number 3 is input to the transfer electrode 6c in the vertical direction through the input pin 45y. The transfer clock φV3y is input, and the vertical transfer clock φV3x is input to the transfer electrode 6c of the pixel 1 with the pixel number 4 through the input pin 45x.

以上のように構成されたCCDイメージセンサは、上述した実施の形態2に係るCCDイメージセンサと同様の動作を行う。ここで、垂直転送クロックφV3x,φV3y,φV3zのうちのいずれか1つだけの振幅電圧を垂直転送クロックφV1,φV2,φV4の振幅電圧よりも小さくし、残りの2つは垂直転送クロックφV1,φV2,φV4の振幅電圧と同一とする。また、垂直転送クロックφV1,φV2,φV4の振幅電圧と同一の垂直転送クロックが入力された場合は飽和電荷量Q2に設定され、垂直転送クロックφV1,φV2,φV4の振幅電圧より小さい垂直転送クロックが入力された場合は飽和電荷量Q1(Q1>Q2)に設定される。さらに、TDI段数はM段に設定される。   The CCD image sensor configured as described above performs the same operation as the CCD image sensor according to the second embodiment described above. Here, the amplitude voltage of only one of the vertical transfer clocks φV3x, φV3y, φV3z is made smaller than the amplitude voltage of the vertical transfer clocks φV1, φV2, φV4, and the other two are the vertical transfer clocks φV1, φV2. , ΦV4 and the same amplitude voltage. When a vertical transfer clock having the same amplitude voltage as the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4 is input, the saturation charge amount Q2 is set, and a vertical transfer clock smaller than the amplitude voltages of the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4 is set. When input, the saturation charge amount Q1 (Q1> Q2) is set. Further, the number of TDI stages is set to M stages.

図30Aは、入射光強度が小さい場合(グラフI)と中程度の場合(グラフII)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図30Bは、入射光強度が大きい場合(グラフIII)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図30Cは、図30A及び図30Bにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。   FIG. 30A is a graph showing a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is low (graph I) and medium (graph II). It is. FIG. 30B is a graph showing a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is high (graph III). FIG. 30C is a graph showing a change in the amount of output charge with respect to the incident light intensity P in FIGS. 30A and 30B.

図30A〜図30Bに示すように、画素番号Sに対応する行に印加する垂直転送クロックφV3の振幅電圧を小さくして、画素番号Sの画素1には飽和電荷量Q2が設定される。   As shown in FIGS. 30A to 30B, the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV3 applied to the row corresponding to the pixel number S is reduced, and the saturation charge amount Q2 is set to the pixel 1 of the pixel number S.

図30Aに示すように、入射光強度が小さい場合(グラフI)には蓄積される信号電荷量は各画素1の飽和電荷量Q1に達せずオーバーフローしないが、入射光強度が中程度の場合(グラフII)には画素番号M〜(S+1)の間でTDI転送が行われている間は、蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1以下であればオーバーフローせず、飽和電荷量Q1以上であればオーバーフローする。次に、画素番号Sの画素1にTDI転送されると、蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q2を超えてオーバーフローし、蓄積された信号電荷量Qは一旦飽和電荷量Q2の値となる。その後、画素番号S〜1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達せずオーバーフローしない。   As shown in FIG. 30A, when the incident light intensity is low (graph I), the accumulated signal charge amount does not reach the saturation charge amount Q1 of each pixel 1 and does not overflow, but the incident light intensity is medium ( In the graph II), during the TDI transfer between the pixel numbers M to (S + 1), the accumulated signal charge amount Q does not overflow if the saturation charge amount Q1 or less, and the saturation charge amount Q1 or more. If it overflows. Next, when the TDI transfer is performed to the pixel 1 with the pixel number S, the accumulated signal charge amount Q exceeds the saturation charge amount Q2 and overflows, and the accumulated signal charge amount Q once exceeds the value of the saturation charge amount Q2. Become. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S to 1 does not reach the saturation charge amount Q1 and does not overflow.

図30Bに示すように、入射光強度がさらに大きい場合(グラフIII)には、画素番号Mから蓄積される信号電荷量Qは画素番号Sの画素1でオーバーフローして一旦飽和電荷量Q2の値となる。その後、画素番号S〜1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達しオーバーフローする。   As shown in FIG. 30B, when the incident light intensity is even higher (graph III), the signal charge amount Q accumulated from the pixel number M overflows at the pixel 1 of the pixel number S and once reaches the value of the saturation charge amount Q2. It becomes. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S to 1 reaches the saturation charge amount Q1 and overflows.

図30Cに示すように、図29のCCDイメージセンサの出力電荷量は、入射光強度P1において折れ曲がり点が存在し、入射光強度P2以上ではオーバーフローして出力電荷量はほぼ一定となる。すなわち、折れ曲がり点を設けることにより、CCDイメージセンサの入出力特性に「ニー特性」を得ることができる。ここで、入射光強度0〜P1までを小さい入射光強度とし(図30AのグラフIに対応する)、入射光強度P1〜P2までを中程度の入射光強度とし(図30AのグラフIIに対応する)、入射光強度P2〜P3を大きい入射光強度とする(図30BのグラフIII)に対応する)。また、入射光強度0〜P1までの傾きは、TDI段数(本実施の形態ではM段)に比例し、入射光強度P1〜P2までの傾きは飽和電荷量Q1に設定される画素1の段数(本実施の形態ではS)に比例する。   As shown in FIG. 30C, the output charge amount of the CCD image sensor of FIG. 29 has a bending point at the incident light intensity P1, overflows above the incident light intensity P2, and the output charge amount becomes almost constant. That is, by providing a bending point, it is possible to obtain “knee characteristics” in the input / output characteristics of the CCD image sensor. Here, the incident light intensity 0 to P1 is set as a small incident light intensity (corresponding to the graph I in FIG. 30A), and the incident light intensity P1 to P2 is set as a medium incident light intensity (corresponding to the graph II in FIG. 30A). The incident light intensity P2 to P3 is set to a large incident light intensity (corresponding to the graph III in FIG. 30B). The slope from incident light intensity 0 to P1 is proportional to the number of TDI stages (M stage in the present embodiment), and the slope from incident light intensity P1 to P2 is the number of stages of pixel 1 set to the saturation charge amount Q1. In this embodiment, it is proportional to S.

以上の実施の形態に係るCCDイメージセンサによれば、実施の形態2と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態2に比較すると、TDI段数を設定する回路を省略できるので、回路規模を縮小することができる。   According to the CCD image sensor according to the above embodiment, the same effects as those of the second embodiment can be obtained. Furthermore, compared with the second embodiment, the circuit for setting the number of TDI stages can be omitted, so that the circuit scale can be reduced.

実施の形態5.
上述した実施の形態4では、入力ピン45x,45y,45zから入力される垂直転送クロックφV3x,φV3y,φV3zのうちの1つの振幅電圧を垂直転送クロックφV1,φV2,φV4の振幅電圧よりも小さくし、残りの2つの振幅電圧を垂直転送クロックφV1,φV2,φV4の振幅電圧と同一とした。
Embodiment 5. FIG.
In the above-described fourth embodiment, the amplitude voltage of one of the vertical transfer clocks φV3x, φV3y, φV3z input from the input pins 45x, 45y, 45z is made smaller than the amplitude voltage of the vertical transfer clocks φV1, φV2, φV4. The remaining two amplitude voltages are the same as the amplitude voltages of the vertical transfer clocks φV1, φV2, and φV4.

これに対して、本実施の形態では、図29のCCDイメージセンサにおいて、入力ピン45x、45y、45zから入力される垂直転送クロックφV3x,φV3y,φV3zのうちの1つの振幅電圧を垂直転送クロックφV1,φV2,φV4の振幅電圧よりも小さい振幅電圧V10に設定し、さらに別の1つの振幅電圧を振幅電圧V10よりもさらに小さく振幅電圧V20に設定することを特徴とする。ここで、画素番号S2の画素1の転送電極6cには、振幅電圧V10の垂直転送クロックが入力され、画素番号S3の画素1の転送電極6cには、振幅電圧V20の垂直転送クロックが入力される。また、画素番号S2の画素1は飽和電荷量Q2に設定され、画素番号S3の画素1は飽和電荷量Q3に設定され、それ以外の画素1は飽和電荷量Q1(Q1>Q2>Q3)に設定される。   On the other hand, in the present embodiment, in the CCD image sensor of FIG. 29, one of the vertical transfer clocks φV3x, φV3y, and φV3z input from the input pins 45x, 45y, and 45z is converted into the vertical transfer clock φV1. , ΦV2 and φV4 are set to an amplitude voltage V10 smaller than the amplitude voltage, and another amplitude voltage is set to an amplitude voltage V20 smaller than the amplitude voltage V10. Here, the vertical transfer clock of the amplitude voltage V10 is input to the transfer electrode 6c of the pixel 1 of the pixel number S2, and the vertical transfer clock of the amplitude voltage V20 is input to the transfer electrode 6c of the pixel 1 of the pixel number S3. The The pixel 1 with the pixel number S2 is set to the saturation charge amount Q2, the pixel 1 with the pixel number S3 is set to the saturation charge amount Q3, and the other pixels 1 have the saturation charge amount Q1 (Q1> Q2> Q3). Is set.

図31Aは、本発明の実施の形態5に係る、入射光強度が小さい場合(グラフI)と中程度の場合(グラフII)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図31Bは、本発明の実施の形態5に係る、入射光強度がやや大きい場合(グラフIII)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図31Cは、本発明の実施の形態5に係る、入射光強度が大きい場合(グラフIV)における、図29のCCDイメージセンサの画素番号に対する各画素1に蓄積される信号電荷量の変化を示すグラフである。図31Dは、図31A〜図31Cにおける入射光強度Pに対する出力電荷量の変化を示すグラフである。   FIG. 31A shows accumulation in each pixel 1 for the pixel number of the CCD image sensor of FIG. 29 when the incident light intensity is small (graph I) and medium (graph II) according to the fifth embodiment of the present invention. It is a graph which shows the change of the signal charge amount made. FIG. 31B shows the change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is slightly high (graph III) according to Embodiment 5 of the present invention. It is a graph to show. FIG. 31C shows a change in the amount of signal charge accumulated in each pixel 1 with respect to the pixel number of the CCD image sensor in FIG. 29 when the incident light intensity is high (graph IV) according to Embodiment 5 of the present invention. It is a graph. FIG. 31D is a graph showing a change in the amount of output charge with respect to the incident light intensity P in FIGS. 31A to 31C.

図31Aに示すように、入射光強度が小さい場合(グラフI)には蓄積される信号電荷量は各画素1の飽和電荷量Q1に達せずオーバーフローしないが、入射光強度が中程度の場合(グラフII)には画素番号M〜(S3+1)の間でTDI転送が行われている間は、蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1以下であればオーバーフローせず、飽和電荷量Q1以上であればオーバーフローする。次に、画素番号S3の画素1にTDI転送されると、蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q3を超えてオーバーフローし、蓄積された信号電荷量Qは一旦飽和電荷量Q3の値となる。その後、画素番号S3〜1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達せずオーバーフローしない。   As shown in FIG. 31A, when the incident light intensity is small (graph I), the accumulated signal charge amount does not reach the saturation charge amount Q1 of each pixel 1 and does not overflow, but the incident light intensity is medium ( In the graph II), during the TDI transfer between the pixel numbers M to (S3 + 1), the accumulated signal charge amount Q does not overflow if the saturation charge amount Q1 is less than or equal to the saturation charge amount Q1 or more. If it overflows. Next, when TDI transfer is performed to the pixel 1 with the pixel number S3, the accumulated signal charge amount Q overflows beyond the saturated charge amount Q3, and the accumulated signal charge amount Q is temporarily set to the value of the saturated charge amount Q3. Become. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S3 to 1 does not reach the saturation charge amount Q1 and does not overflow.

図31Bに示すように、入射光強度がやや大きい場合(グラフIII)には、画素番号Mから蓄積される信号電荷量Qは画素番号S3の画素1でオーバーフローして一旦飽和電荷量Q3の値となる。その後、画素番号S3〜(S2+1)において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q2に達しオーバーフローして一旦飽和電荷量Q2の値となる。その後、画素番号S2〜1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達せずオーバーフローしない。   As shown in FIG. 31B, when the incident light intensity is slightly high (graph III), the signal charge amount Q accumulated from the pixel number M overflows at the pixel 1 of the pixel number S3 and once reaches the value of the saturation charge amount Q3. It becomes. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S3 to (S2 + 1) reaches the saturation charge amount Q2, overflows, and temporarily becomes the value of the saturation charge amount Q2. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S2 to 1 does not reach the saturation charge amount Q1 and does not overflow.

図31Cに示すように、入射光強度が大きい場合(グラフIV)には、画素番号Mから蓄積される信号電荷量Qは画素番号S3の画素1でオーバーフローして一旦飽和電荷量Q3の値となる。その後、画素番号S3〜(S2+1)において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q2に達しオーバーフローして一旦飽和電荷量Q2の値となる。その後、画素番号S2〜1において蓄積される信号電荷量Qは飽和電荷量Q1に達してオーバーフローする。   As shown in FIG. 31C, when the incident light intensity is high (graph IV), the signal charge amount Q accumulated from the pixel number M overflows at the pixel 1 of the pixel number S3 and once reaches the value of the saturation charge amount Q3. Become. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S3 to (S2 + 1) reaches the saturation charge amount Q2, overflows, and temporarily becomes the value of the saturation charge amount Q2. Thereafter, the signal charge amount Q accumulated in the pixel numbers S2 to 1 reaches the saturation charge amount Q1 and overflows.

図31Dに示すように、図29のCCDイメージセンサの出力電荷量は、入射光強度P1、P2において折れ曲がり点が存在し、入射光強度P3以上ではオーバーフローして出力電荷量はほぼ一定となる。すなわち、折れ曲がり点を設けることにより、CCDイメージセンサの入出力特性に「ニー特性」を得ることができる。ここで、入射光強度0〜P1までを小さい入射光強度とし(図31AのグラフIに対応する)、入射光強度P1〜P2までを中程度の入射光強度とし(図31AのグラフIIに対応する)、入射光強度P2〜P3をやや大きい入射光強度とし(図31BのグラフIIIに対応する)、入射光強度P3〜P4を大きい入射光強度とする(図31CのグラフIVに対応する)。また、入射光強度0〜P1までの傾きは、TDI段数(本実施の形態ではM段)に比例し、入射光強度P1〜P2までの傾きは飽和電荷量Q3に設定される画素1の段数(本実施の形態ではS3)に比例し、入射光強度P2〜P3までの傾きは飽和電荷量Q2に設定される画素1の段数(本実施の形態ではS2)に比例する。   As shown in FIG. 31D, the output charge amount of the CCD image sensor in FIG. 29 has a bending point at the incident light intensities P1 and P2, and overflows at the incident light intensity P3 or more, and the output charge amount becomes almost constant. That is, by providing a bending point, it is possible to obtain “knee characteristics” in the input / output characteristics of the CCD image sensor. Here, the incident light intensity from 0 to P1 is set as a small incident light intensity (corresponding to the graph I in FIG. 31A), and the incident light intensity from P1 to P2 is set as a medium incident light intensity (corresponding to the graph II in FIG. 31A). The incident light intensities P2 to P3 are set to be slightly higher (corresponding to the graph III in FIG. 31B), and the incident light intensities P3 to P4 are set to be higher (corresponding to the graph IV in FIG. 31C). . Further, the slope from incident light intensity 0 to P1 is proportional to the number of TDI stages (M stage in the present embodiment), and the slope from incident light intensity P1 to P2 is the number of stages of pixel 1 set to the saturation charge amount Q3. (S3 in this embodiment) and the slope from incident light intensity P2 to P3 is proportional to the number of stages of pixels 1 (S2 in this embodiment) set to the saturation charge amount Q2.

以上の実施の形態に係るCCDイメージセンサによれば、実施の形態4と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態4に比較すると、CCDイメージセンサの「ニー特性」の折れ曲がり点の数が増加するので、より滑らかな入出力特性を得ることができる。   According to the CCD image sensor according to the above embodiment, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained. Furthermore, as compared with the fourth embodiment, the number of bending points of the “knee characteristics” of the CCD image sensor increases, so that smoother input / output characteristics can be obtained.

上述した実施の形態5では、垂直転送クロックφV3の振幅電圧を3段階に設定する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、4段階以上に設定することにより、CCDイメージセンサの入出力特性をより滑らかに制御することができる。   In the fifth embodiment described above, the case where the amplitude voltage of the vertical transfer clock φV3 is set in three stages has been described, but the present invention is not limited to this. For example, by setting four or more steps, the input / output characteristics of the CCD image sensor can be controlled more smoothly.

また、上述した実施の形態では、3相駆動及び4相駆動の場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、それ以外の相数の場合でも本発明を適用することが可能である。   In the above-described embodiment, the case of three-phase driving and four-phase driving has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied even when the number of phases is other than that.

また、上述した実施の形態では、クロックの振幅電圧とクロック幅を変更して飽和電荷量を変更したが、本発明はこれに限定されない。例えば、クロックの遅延、立ち上がり時間や立ち下り時間などを変更することにより飽和電荷量を変更してもよい。この場合においても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。   In the embodiment described above, the saturation charge amount is changed by changing the amplitude voltage and clock width of the clock, but the present invention is not limited to this. For example, the saturation charge amount may be changed by changing the clock delay, rise time, fall time, or the like. Even in this case, the same effect as the present embodiment can be obtained.

なお、上述した本実施の形態では、TDI段数を8段に設定したが、本発明はこれに限らず、CCDイメージセンサのTDI段数は任意の値にそれぞれ設定されてもよい。この場合においても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。   In the present embodiment described above, the number of TDI stages is set to eight. However, the present invention is not limited to this, and the number of TDI stages of the CCD image sensor may be set to an arbitrary value. Even in this case, the same effect as the present embodiment can be obtained.

以上詳述したように、本発明に係るCCDイメージセンサによれば、各画素の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えることができるので、CCDイメージセンサの入出力特性における「ニー特性」を撮像シーンに応じて調整することが可能となる。   As described above in detail, according to the CCD image sensor of the present invention, the saturation charge amount of each pixel can be selectively switched in units of rows, so that the “knee characteristics” in the input / output characteristics of the CCD image sensor can be reduced. It is possible to adjust according to the imaging scene.

1 画素、2 水平CCD回路、3 電荷蓄積部、4 電荷排出ドレイン部、5 出力回路、6,6a,6b,6c,6d 転送電極、7 オーバーフロードレイン、15 ライン選択回路、15−1〜15−8 単位セル回路、18a〜18d,42a〜42d NMOSトランジスタ、19a〜19d,43a〜43d PMOSトランジスタ、20 垂直シフトレジスタ回路、20−1〜20−8 単位セル回路、23a〜23d,44a〜44d トランスミッションゲート、25,25A ライン選択回路、25−1〜25−8,25A−1〜25A−8 単位セル回路、30 垂直シフトレジスタ回路、30−1〜30−8 単位セル回路、21a,21b,31a,31b 伝達ゲート、17a,17b,22a,22b,32a,32b,35a,41a,41b インバータ、50,50A 画素飽和制御回路、52 P型シリコン基板、53 絶縁膜、54 ゲート酸化膜、55 転送チャネル、60 TDI段数設定回路、71 オーバーフローゲート、72 オーバーフロードレイン領域、73 P型不純物領域、74 高濃度P型不純物領域、100 画素群。   1 pixel, 2 horizontal CCD circuit, 3 charge storage section, 4 charge discharge drain section, 5 output circuit, 6, 6a, 6b, 6c, 6d transfer electrode, 7 overflow drain, 15 line selection circuit, 15-1 to 15- 8 unit cell circuit, 18a to 18d, 42a to 42d NMOS transistor, 19a to 19d, 43a to 43d PMOS transistor, 20 vertical shift register circuit, 20-1 to 20-8 unit cell circuit, 23a to 23d, 44a to 44d Transmission Gate, 25, 25A line selection circuit, 25-1 to 25-8, 25A-1 to 25A-8 unit cell circuit, 30 vertical shift register circuit, 30-1 to 30-8 unit cell circuit, 21a, 21b, 31a 31b Transmission gates 17a, 17b, 22a, 22b, 32a, 32b 35a, 41a, 41b inverter, 50, 50A pixel saturation control circuit, 52 P-type silicon substrate, 53 insulating film, 54 gate oxide film, 55 transfer channel, 60 TDI stage number setting circuit, 71 overflow gate, 72 overflow drain region, 73 P-type impurity region, 74 high-concentration P-type impurity region, 100 pixel group.

Claims (7)

光電変換を行って発生した電荷を時間遅延積分してそれぞれ複数の垂直転送クロックを用いて垂直転送するための複数の画素が2次元配列された複数の画素群を備えたCCDイメージセンサであって、
上記各画素において蓄積された信号電荷を時間遅延積分して垂直転送するための複数の転送電極と、
上記各画素ごとに設けられ、上記各画素の飽和電荷量を超えて発生した電荷を排出する手段と、
上記時間遅延積分された信号電荷を水平転送する水平転送部と、
上記各転送電極にそれぞれ接続された複数の選択線と、
複数の第1の垂直転送クロックを上記複数の選択線のうちの所定の対応する1つの選択線に接続する第1のライン選択回路と、
複数の単位セル回路から構成され、複数の第1の選択信号であって、上記第1のライン選択回路における上記各第1の垂直転送クロックの接続状態を表す複数の第1の選択信号を対応する単位セル回路に保持する第1の垂直シフトレジスタ回路とを備え、
上記第1のライン選択回路における上記各第1の垂直転送クロックの接続状態は、上記各画素の飽和電荷量を選択的に切り替えるか否かの接続状態であり、
上記第1のライン選択回路は、上記複数の第1の選択信号に基づいて、上記複数の第1の垂直転送クロックのうちのいずれかを選択して出力することにより、上記各画素の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えるように制御することを特徴とするCCDイメージセンサ。
A CCD image sensor comprising a plurality of pixel groups in which a plurality of pixels for two-dimensionally arranging a plurality of pixels for time-delay integration of charges generated by photoelectric conversion and vertically transferring using a plurality of vertical transfer clocks. ,
A plurality of transfer electrodes for vertically transferring the signal charge accumulated in each pixel by time delay integration;
Provided for each of the pixels, and a means for discharging charges generated exceeding the saturation charge amount of the pixels;
A horizontal transfer section for horizontally transferring the signal charge integrated with the time delay;
A plurality of selection lines respectively connected to the transfer electrodes;
A first line selection circuit for connecting a plurality of first vertical transfer clocks to a predetermined corresponding one of the plurality of selection lines;
Corresponding to a plurality of first selection signals, each of which is composed of a plurality of unit cell circuits, and represents a connection state of each of the first vertical transfer clocks in the first line selection circuit. A first vertical shift register circuit held in the unit cell circuit,
The first line connection state of the in the selection circuits each first vertical transfer clock, Ri whether the connection status der selectively switches the saturation charge amount of each pixel,
The first line selection circuit selects and outputs one of the plurality of first vertical transfer clocks based on the plurality of first selection signals, whereby the saturated charge of each pixel is output. A CCD image sensor , wherein the amount is controlled to be selectively switched in units of rows .
上記各第1の選択信号は第1又は第2のレベルを有する2値信号であり、
上記第1のライン選択回路は、上記各第1の選択信号に基づいて、各画素行の画素の飽和電荷量を選択的に切り替えることを特徴とする請求項記載のCCDイメージセンサ。
Each of the first selection signals is a binary signal having a first or second level,
The first line selection circuit, CCD image sensor according to claim 1, wherein the switch based on the respective first selection signal, selectively the saturation charge amount of the pixel of each pixel row.
複数の第2の垂直転送クロックを上記複数の選択線のうちの所定の対応する1つの選択線に接続する第2のライン選択回路と、
複数の単位セル回路から構成され、複数の第2の選択信号であって、上記第2のライン選択回路における上記各第2の垂直転送クロックの接続状態を表す複数の第2の選択信号を対応する単位セル回路に保持する第2の垂直シフトレジスタ回路とをさらに備え、
上記第2のライン選択回路における上記各第2の垂直転送クロックの接続状態は、上記信号電荷を上記水平転送部に垂直転送するか否かの接続状態であり、
上記第2のライン選択回路は、上記各第2の選択信号に基づいて、上記複数の第2の垂直転送クロックのうち所定対の垂直転送クロックを互いに入れ換えるか否かを行うことにより、上記信号電荷を上記水平転送部に垂直転送するか否かを選択することを制御することを特徴とする請求項1又は2記載のCCDイメージセンサ。
A second line selection circuit for connecting a plurality of second vertical transfer clocks to a predetermined corresponding one of the plurality of selection lines;
Corresponding to a plurality of second selection signals, each of which is composed of a plurality of unit cell circuits, and represents a connection state of each of the second vertical transfer clocks in the second line selection circuit. A second vertical shift register circuit held in the unit cell circuit for
The connection state of each of the second vertical transfer clocks in the second line selection circuit is a connection state of whether or not to vertically transfer the signal charge to the horizontal transfer unit,
The second line selection circuit determines whether or not to replace a predetermined pair of vertical transfer clocks among the plurality of second vertical transfer clocks based on the second selection signals. 3. The CCD image sensor according to claim 1, wherein the selection of whether or not the charge is vertically transferred to the horizontal transfer unit is controlled.
上記第2のライン選択回路は、上記各第2の選択信号に基づいて、上記CCDイメージセンサの時間遅延積分の段数を制御する請求項記載のCCDイメージセンサ。 4. The CCD image sensor according to claim 3 , wherein the second line selection circuit controls the number of stages of time delay integration of the CCD image sensor based on the second selection signals. 光電変換を行って発生した電荷を時間遅延積分してそれぞれ複数の垂直転送クロックを用いて垂直転送するための複数の画素が2次元配列された複数の画素群を備えたCCDイメージセンサの駆動方法であって、
上記CCDイメージセンサは、
上記各画素において蓄積された信号電荷を時間遅延積分して垂直転送するための複数の転送電極と、
上記各画素ごとに設けられ、上記各画素の飽和電荷量を超えて発生した電荷を排出する手段と、
上記時間遅延積分された信号電荷を水平転送する水平転送部と、
上記各転送電極にそれぞれ接続された複数の選択線とを備え、
イン選択回路が、上記複数の選択線のうちの所定の対応する1つの選択線に接続するステップと、
直シフトレジスタ回路が、上記ライン選択回路における上記各垂直転送クロックの接続状態を表す複数の選択信号を対応する単位セル回路に保持するステップと、
上記ライン選択回路が、上記複数の垂直転送クロックと上記複数の転送電極との接続状態を表す複数の選択信号に基づいて、各画素の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えるステップとを含み、
上記ライン選択回路の切替動作によって、上記複数の画素のうち少なくとも1行の画素の飽和電荷量が残りの画素の飽和電荷量よりも小さく設定される、
ことを特徴とするCCDイメージセンサの駆動方法。
A method for driving a CCD image sensor comprising a plurality of pixel groups in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged for time-delay integration of charges generated by photoelectric conversion and vertical transfer using a plurality of vertical transfer clocks, respectively. Because
The CCD image sensor
A plurality of transfer electrodes for vertically transferring the signal charge accumulated in each pixel by time delay integration;
Provided for each of the pixels, and a means for discharging charges generated exceeding the saturation charge amount of the pixels;
A horizontal transfer section for horizontally transferring the signal charge integrated with the time delay;
A plurality of selection lines respectively connected to the transfer electrodes,
A step of line selection circuit, connected to a predetermined one corresponding select line of the plurality of selection lines,
Vertical shift register circuit, a step of holding the unit cell circuits corresponding to the plurality of selection signals indicating the connection state of each vertical transfer clocks in the line selection circuit,
The line selection circuit selectively switching the saturation charge amount of each pixel in units of rows based on a plurality of selection signals indicating connection states between the plurality of vertical transfer clocks and the plurality of transfer electrodes. See
By the switching operation of the line selection circuit, the saturation charge amount of pixels in at least one row of the plurality of pixels is set smaller than the saturation charge amount of the remaining pixels.
A method for driving a CCD image sensor.
上記複数の垂直転送クロックは、第1の振幅電圧又は第2の振幅電圧を有し、
上記ライン選択回路が、上記第1の振幅電圧又は上記第2の振幅電圧を有する垂直転送クロックと上記複数の転送電極との接続状態を表す複数の選択信号に基づいて、各画素の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えることを特徴とする請求項記載のCCDイメージセンサの駆動方法。
The plurality of vertical transfer clocks have a first amplitude voltage or a second amplitude voltage,
The line selection circuit has a saturation charge amount of each pixel based on a plurality of selection signals representing connection states between the vertical transfer clock having the first amplitude voltage or the second amplitude voltage and the plurality of transfer electrodes. 6. The method of driving a CCD image sensor according to claim 5 , wherein the switching is selectively performed in units of rows.
上記複数の垂直転送クロックは、第1のクロック幅又は第2のクロック幅を有し、
上記ライン選択回路が、上記第1のクロック幅又は上記第2のクロック幅を有する垂直転送クロックと上記複数の転送電極との接続状態を表す複数の選択信号に基づいて、各画素の飽和電荷量を行単位で選択的に切り替えることを特徴とする請求項記載のCCDイメージセンサの駆動方法。
The plurality of vertical transfer clocks have a first clock width or a second clock width,
The line selection circuit has a saturation charge amount of each pixel based on a plurality of selection signals representing connection states between a vertical transfer clock having the first clock width or the second clock width and the plurality of transfer electrodes. 6. The method of driving a CCD image sensor according to claim 5 , wherein the switching is selectively performed in units of rows.
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