JPH01125073A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ビデオカメラや電子スチルカメラ等において
、光学レンズによシ結像された光学像を光電変換する撮
像装置に関するもので、特に電荷結合素子（ＣＯＤ）を
用いた固体撮像装置に関するものである。

従来の技術 一般によく用いられるＣＯＤ型撮像素子は、光電変換素
子にフォトダイオード、垂直・水平転送にＣＯＤが用い
られておシ、さらに受光部とは別に記憶部（バッフ１メ
モリ）を持つＦ　Ｉ　Ｔ（Ｆｒａｍｅ−Ｉｎｔａｒｌｉ
ｎｅ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ）　−ＣＣＤと呼ばれるものが
ある。これはＩ　Ｌ　（ＩｎｔｅｒＬｉｎｅ−ｔｒａｎ
ｓｆｅｒ）　−ＣＣＤに比べていくつかの特徴を持って
おシ、これまでの主流であったＩＬ−ＣＯＤに徐々に置
き換わろうとしている。ＩＬ−ＣＯＤの構成及び動作は
周知であるのでその説明は省略する。このＦ　Ｉ　Ｔ−
ＣＣＤ撮像素子の例としては特開昭６６−５２６７５　
号公報、特開昭６５−１６３９６３号公報に示されてい
る。以下、第３図を用いてその概要を説明する。

第３図はＦ　Ｉ　Ｔ　−ＣＯＤの基本構成を示すもので
、受光領域Ａ、記憶領域Ｂ１水平走査領域Ｃ１電荷検出
領域り、不要電荷排出領域Ｅとにより構成されている。

受光領域Ａは二次元配列の受光素子１と、この受光素子
１に蓄積された信号電荷を読出すためのゲート２と、こ
のゲート２を介して読出された信号電荷を垂直方向に転
送するための垂直転送レジスタ３とからなり、受光素子
１以外の部分は遮光マスク４によシ遮光されている。前
記垂直転送レジスタ３は垂直方向の上下側れの方向にも
電荷を転送できるようにポリシリコンによる４相電極構
造となっている。これら４相電極には垂直転送パルスφ
ｖ１〜φｖ４が印加される。

受光素子１に蓄積された信号電荷を受は取る垂直転送電
極をφｖ１、φｖ３とし、この垂直転送電極φｖ１、φ
ｖ３に印加する垂直転送パルスに信号読出しパルスを重
畳すれば、受光素子１に蓄積された信号電荷を垂直転送
レジスタ３に読み込むことが出来る。従ってφｖ１、φ
ｖ３の２つの垂直転送パルスに信号読出しパルスを１フ
イールドおきに重畳すれば２：１のインターレース走査
ヲ行なうことができる。

垂直転送レジスタ３の延長上には記憶領域Ｂが・配置さ
れている。記憶領域Ｂは垂直転送レジスタ３により構成
されており、その画素数は受光領域Ａの半分であシ、転
送電極は４相構造となっている。記憶領域Ｂの垂直転送
レジスタ３の各電極にはφＭ１〜φＭ４の転送パルスが
印加される。記憶領域Ｂの他端には水平転送領域Ｃが配
置されている。水平転送領域Ｃは３相の転送電極５．６
．７から構成されており、各転送電極には水平転送パル
スφＨ１〜φＨ３が印加される。水平転送領域Ｃの一端
には電荷検出領域りが配置されている。

また受光領域Ａの他端には不要電荷排出領域Ｅが配置さ
れている。電荷検出領域りは周知のフローティングデイ
フィージョンアンプ（ＦＤＡ）によシ構成されており、
電荷吸収用のドレイン及びフローティングデイフィージ
ョンのリセットゲートを有している。

前記の構成によるＦ　Ｉ　Ｔ　−ＣＯＤの駆動方法を第
３図及び第４図を用いて説明する。

第４図は第３図に示し九ＦＩＴ−ＣＯＤの受光領域Ａに
印加する垂直転送パルスφｖ１〜φｖ４及び、記憶領域
Ｂの垂直転送レジスタの各電極に印加する垂直転送パル
スφＭ１〜φＭ４の波形の概要を示したものである。

まず、受光領域Ａの垂直転送段に蓄積されたスミア等の
擬似信号は、垂直帰線期間の前半の期間ｔＡの間に印加
された垂直転送パルスφｖ１〜φｖ４により不要電荷排
出領域Ｅに転送され排除される。

次にφｖ１もしくはφｖ３に重畳された信号読出しパル
スφＣＨにより、受光素子に蓄積された信号電荷はφｖ
１もしくはφｖ３電極に読み出される。垂直転送段に転
送された信号電荷は、高速転送期間ｔＢの期間にφｖ１
〜φｖ４、φＭ１〜φＭ４により記憶領域Ｂの所定の場
所まで高速で転送される。記憶領域Ｂの所定の場所まで
高速転送された信号電荷は、１水平走査毎に１ラインず
つ水平転送領域Ｃへ転送される。水平転送領域Ｃへ転送
された信号電荷は、水平転送レジスタに印加された水平
転送パルスφＨ１〜φＨ３によシ、屓次電荷検出領域り
へ転送され、信号電荷は信号電圧に変換され固体撮像素
子から外部へ取り出される。

前述のように、受光素子からの信号電荷は垂直転送電極
φｖ１、φｖ３に印加する垂直転送パルスに信号読出し
パルスφＣＨを重畳し、垂直転送段のポテンシャルを高
くすることによシ読出すことが出来る。従って第４図に
示すようにφｖ１、φｖ３に交互に信号読出しパルスφ
ＣＨを重畳することにより２：１のインターレース走査
を行なうことが出来る。

ところで、第４図に示すように受光領域Ａを駆動する垂
直転送パルスφｖ１、φｖ３に任意の時間に新たな読出
しパルスφＳを重畳すれば受光部に蓄積された信号電荷
は前記読出しパルスφＳが印加された時点で垂直転送段
３によみだされる。

この読出された信号電荷はｔＡの期間に印加された垂直
転送パルスφｖ１〜φｖ４により不要電荷排出領域Σへ
転送され排出される。従って、受光素子１には前記読出
しパルスφＳが終わってから次に読出しパルスφＣＭが
印加されて受光素子１の信号がよみだされるまでの時間
、つまりｔＳの期間に相当する信号電荷が蓄積されるこ
とになる。

これは受光領域Ａの露光時間がｔＳになったことになる
。即ち固体撮像素子自体がシャッター機能を有したこと
になる。前記の状態で動きを持つ被写体を撮像すれば動
解像度が極めて良好な画像を得ることができる。ここで
シャッター用読出シパルスφ５ＦｉｔＡのはじめとｔＢ
の終了の期間以外の任意の時間に設定できるので任意の
シャッター速度の画像を得ることができる。

このように、不要電荷を受光領域Ａの延長上に配置した
不要電荷排出領域Ｅの方向に排出し、信号電荷を受光領
域Ａの延長上に配置した記憶領域Ｂに高速で転送し、記
憶領域Ｂに記憶された信号を１水平ツイン毎に順次読み
だせば、垂直スミアが極めて少なく、また動解像度の良
好な画像を得ることが可能である。

また、上記の例では１画素ずつの読み出しであったが、
第６図に示す転送パルスを用いることにより２画素混合
読み出し駆動とすることができる。

これは垂直方向に隣接する受光素子の信号電荷を垂直転
送段で混合して転送するもので、垂直解像度は若干劣化
するものの、垂直方向のＭＴＦが落ちるためにモワレが
生じに＜＜、マた、上記のようなシャッター駆動をしな
い場合でも、全ての受光素子の信号電荷が毎フィールド
読み出されるため、露光時間は１／６ｏ秒となるので動
解像度の点で有利である。逆に、露光時間を等しくする
ならば、２つの受光素子の信号電荷を加算するので、上
記の１画素読み出しに比べて感度が良いという特徴を持
っている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、以下のような問題
点を有していた。

固体撮像素子のダイナミック・レンジは、光電変換素子
の容量および電荷転送ＣＯＤの転送容量によって決まる
。従つて、広いダイナミック・レンジを実現するために
は、垂直転送ＣＯＤの転送容量を光電変換素子の容量に
対し大きくしてやらねばならない。しかし高解像度の撮
像素子では、垂直転送ＣＣ′Ｄの幅を確保するために光
電変換素子の面積が制限され、開口率が小さくなって感
度が劣化したり、偽信号が発生しやすくなる。逆に垂直
転送ＣＣＤの幅を狭めれば電荷の転送容量が小さくなっ
てダイナミック・レンジが劣化してしまう。

本発明はかかる点に鑑み、開口率を劣化させることなし
にダイナミック・レンジの広い固体撮像装置を提供する
ことを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、受光部に配置され先光電変換素子と、一つま
たは複数の前記光電変換素子に一つの割合で対応するよ
うに遮光部に配置された電荷蓄積素子と、前記光電変換
素子で光電変換された電荷を前記光電変換素子に対応す
る前記電荷蓄積素子へ同一露光期間に少なくとも２回転
送する第１電荷転送部と、同一露光期間に前記光電変換
素子で発生した電荷が対応する前記電荷蓄積素子で加算
されたのちに、前記電荷蓄積素子に蓄積された電荷を読
み出して転送し出力する第２電荷転送部とからなるもの
である。

作　　用 前記した構成により、充電変換素子に蓄積した電荷を露
光期間中に数回に分けて読み出して電荷蓄積素子へ転送
し、同一露光期間中に読み出された電荷を電荷蓄積素子
で加算してから出力することにより、第１電荷転送部の
１回あたりの電荷転送量が減るため第１電荷転送部の面
積を削減でき、しかも同一露光期間に出力する信号量を
壜やすことができるため、ダイナミック・レンジを拡大
することができる。

実施例 以下、本発明の一実施例の固体撮像装置について図面を
参照しながら説明する。

第１図は本発明の固体撮像装置の一実施例の構成図であ
る。第１図において、１０１は光電変換素子で、例えば
フォトダイオードであり、ＮＴＳＣ方式用の撮像素子の
場合は垂直方向に約ＳＯＯ段設けられている。１０２は
光電変換素子１０１に蓄積した電荷を読み出すための読
み出しゲ：ト、１０３は読み出しゲートｊ０２を通して
読み出した電荷を転送する電１の電荷転送部である垂直
ＣＯＤで１）、駆動パルスφｖ１１〜１４、φＶ２１〜
２４がそれぞれ電極に加えられ駆動される。垂直ＣＣＤ
１０３によって転送された電荷は書込みゲー）１０４を
通じて電荷蓄積素子１０５へ注入される。１０６は電荷
蓄積素子で、インターレースを考慮すると、垂直方向に
は光電変換素子１ｏ１の半分の段数でよい。１０６は電
荷蓄積素子１０６に蓄積した電荷を垂直ＣＣＤ１０７へ
読み出すための読み出しゲートである。１０７は電荷を
水平ＣＯＤへ転送する第２の電荷転送部であるところの
垂直ＣＣＤ、１０８は垂直ＣＣＤ１０７から転送された
電荷を水平方向に転送する水平ＣＯＤである。１０９は
転送された電荷を検出する電荷検出部、１１０は出力ア
ンプである。そして、光電変換素子１０１〜垂直Ｃ０Ｄ
１０３からなる部分を受光部１１１、垂直ＣＧＤＩ・０
３〜垂直ＣＣＤ１０７からなる部分を記憶部１１２とす
る。

以上のように構成された本実施例の固体撮像装置につい
て、その動作を第２図を参照しながら説明する。

第２図は本実施例の固体撮像装置の各部駆動パルスのタ
イミングチャートである。φＶ１１〜２４およびφＶ３
１〜３４は第１図に示したそれぞれのパルスで、φＧＡ
Ｔ　Ｅは書込みゲート１０４に印加されるパルスである
。φｖ１１．φｖ１ｓは３１ｆあり、最も高い電圧が加
わったときに読み出しゲ−）１０２を通じて光電変換素
子１０１の電、荷が垂直ＣＣＤ１ｏ３の転送電極Ｖ１１
．Ｖ１３に読み出される。これらの読み出しパルスを水
平ブランキング期間内に入るようにすれば出力信号に妨
害を与えない。読み出、された２つの電荷は混合され、
上下２画素で１つの信号となる。その後垂直Ｃ０Ｄ１０
３は高速駆動されて、電荷を記憶部１１２へ転送する。

転送された電荷は、φＧＡＴＨによって書込みゲート１
ｏ４を通じて電荷蓄積素子１０６に注入される。φＧＡ
ＴＥを水平プラン゛キング期間内に入るようにすれば出
力信号に妨害を与えない。

一定期間後に再びこの動作が繰り返−され、垂直ＣｌＣ
Ｄ１０３によって転送された電荷はφＧＡＴ　Ｅに′よ
って書込みゲート１０４を通じて電荷蓄積素子１０６に
注入され、先に注入された電荷と加算される。これらの
動作を数回繰り返した後、φＶｓ１に重畳した読み出し
パルスによって、電荷蓄積素子１０５に蓄えられた電荷
は垂直ＣＣＤ１０７の転送電極Ｖ３１に読み出される。

この読み出しパルスを水平ブランキング期間内に入るよ
うにすれば出力信号に妨害を与えない。垂直ＣＧＤ１０
７上の電荷は水平ブランキング期間毎に１段ずつ水平Ｃ
０Ｄ１０８へ転送され、水平ＣＧＤ１０Ｂによって電荷
検出部１０９ならびに出力アンプ１１゜を通じて１ライ
ンの信号として出力される。

第２図では１フイールド（Ｉｔ光光間間につき、光電変
換素子１０１から電荷を３回読み出して、これを高速転
送して電荷蓄積素子１０５で加算し、次のフィールドで
出力している。このようにすれば、光電変換素子１ｏ１
と垂直ＣＣＤ１０３の面積を従来の固体撮像装置のもの
と同じとすれば、１フイ一ルド間に読み出される電荷量
は３倍となり、従来比３倍のダイナミック・レンジを実
現することができる。逆に、ダイナミック・レンジを従
来と同じ程度に抑えれば、垂直ＣＧＤ１０３の転送容量
は１／３でよいので面積を小さくすることができく開口
率を上げつつ撮像素子の高解像度化が容易となる。

以上のように本実施例によれば、開口率の向上とダイナ
ミック・レンジの拡大という相反する課題を併せて解決
することができる。

なおこの実施例において、光電変換素子１０１からの電
荷読み出しが１露光期間につき３回として説明したが、
特にこれに限るものではない。また、電荷の読み出しに
ついては、２画素混合読み出しの場合について説明した
が、不要電荷掃き出しによるフィールド蓄積に場合でも
良いし、フレーム蓄積の場合においても実現は可能であ
る。また、電荷蓄積素子１０６の垂直段数を光電変換素
子１０１と同じ数とすることにより、毎露光期間、全画
素について上記の動作を行なうことができるので、ＨＤ
ＴＶ等のカメラにも適用可能である。

また、シャッター駆動時においても、上記の動作は可能
である。

発明の詳細 な説明したように、本発明（よれば、開口率の向上とダ
イナミック・レンジの拡大を同時に実現することができ
、なおかつシャッター駆動などの特殊駆動にも対応する
ことができるなど、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における一実施例の固体撮像装置の構成
図、第２図は同実施例における駆動パルスのタイミング
図、第３図は従来の固体撮像装置の構成図、第４図は同
従来例における駆動パルスのタイミング図、第６図は同
従□来例における２画素混合読み出し駆動の場合の駆動
パルスのタイミング図である。 １０１・・・・・・光電変換素子、１０３・・・・・・
垂直ＣＯＤ。 １０５・・・・・・電荷蓄積素子、１０７・・・・・・
垂直ＣＯＤ。 １０８・・・・・・水平ＣＯＤ、１０９・・・・・・電
荷検出部、１１ｏ・・・・・・出力アンプ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名ｒｏ
ｔ−−−光ｔＲ換素チ １０３−＊　遣　ＣＣＤ ｍ−一受梵部 ｎｅ−＆！　憔部 第２図 φＶ３＋　　　　　　−−−−−−−−−−−−第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　受光部に配置された光電変換素子と、一つまたは複数
   の前記光電変換素子に一つの割合で対応するように遮光
   部に配置された電荷蓄積素子と、前記光電変換素子で光
   電変換された電荷を前記光電変換素子に対応する前記電
   荷蓄積素子へ同一露光期間に少なくとも２回転送する第
   １電荷転送部と、同一露光期間に前記光電変換素子で発
   生した電荷が対応する前記電荷蓄積素子で加算されたの
   ちに、前記電荷蓄積素子に蓄積された電荷を読み出して
   転送し出力する第２電荷転送部とを備えることを特徴と
   する固体撮像装置。