JPH01147972A - Charge transfer type solid-state image pickup element - Google Patents

Charge transfer type solid-state image pickup element

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JPH01147972A
JPH01147972A JP62305581A JP30558187A JPH01147972A JP H01147972 A JPH01147972 A JP H01147972A JP 62305581 A JP62305581 A JP 62305581A JP 30558187 A JP30558187 A JP 30558187A JP H01147972 A JPH01147972 A JP H01147972A
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charge
photoelectric conversion
shift register
conversion element
vertical ccd
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

PURPOSE:To expand the dynamic range of a vertical CCD shift register by a multiple of N by carrying a signal charge stored by a photoelectric conversion element to a storage area by the vertical CCD shift register while dividing it for plural number of times. CONSTITUTION:The optical signal charge stored during one field period or one frame period by a photoelectric conversion element 3' constituting an image pickup area 1' is read for plural number of times by controlling a switch pulse voltage impressed to a transfer switch 4'. Every time the signal charge read by the vertical CCD shift register 2; with split is read out, the charge is fed to the storage area 5' by high speed transfer of the vertical CCD shift register 2'. Thus, even if the charge storage capacity of the vertical CCD is not increased, the charge stored in the photoelectric conversion element is transferred sufficiently by operating the switching number of times of the transfer gate with split.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板上に光電変換素子、および各素子
の光学情報を取出す電荷移送素子(Charge Co
upled Device、  以下CCDと略称する
。)を用いた固体撮像素子に関するものである。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention provides a photoelectric conversion element on a semiconductor substrate and a charge transfer element (Charge Co., Ltd.) for extracting optical information from each element.
Upled Device, hereinafter abbreviated as CCD. ) is related to a solid-state image sensor using

〔従来の技術〕[Conventional technology]

固体撮像素子は現行のテレビジョン放送で使用されてい
る撮像用電子管波みの解像力を備えることを必要とし、
このため垂直方向に500個、水平方向に800〜10
00個を配列した絵素(光電変換素子)マトリックスと
それに相当する走査素子が必要となる。したがって、上
記固体撮像素子は高集積化が必要なMO8大規模回路技
術を用いて作られ、構成素子として一般にCCDあるい
はMOSトランジスタ等が使用されている。第2図はス
メア雑音の小さいフレームインターライン方式(以下、
FIT方式と略称する)のCCD固体撮像素子を示して
いる。この素子は例えば、堀居ほか。
Solid-state imaging devices must have the same resolution as the electronic imaging tubes used in current television broadcasting.
Therefore, there are 500 pieces in the vertical direction and 800 to 10 pieces in the horizontal direction.
A matrix of 00 picture elements (photoelectric conversion elements) and a corresponding scanning element are required. Therefore, the solid-state imaging device is manufactured using MO8 large-scale circuit technology that requires high integration, and generally uses CCDs, MOS transistors, etc. as constituent elements. Figure 2 shows the frame interline method (hereinafter referred to as
This figure shows a CCD solid-state image sensor (abbreviated as FIT method). This element is, for example, Horii et al.

“小型CCD固体撮像素子の検討″テレビジョン学会誌
、37巻、 p、788 (1983)に記載されてい
る。
It is described in "Study of small CCD solid-state image sensor" Journal of Television Society, Vol. 37, p. 788 (1983).

1は撮像領域であり、垂直CCDシフトレジスタ2、光
電変換素子3(例えば光ダイオード)、転送ゲート49
等から成っている。5は光ダイオードの貯えた信号電荷
を一時蓄積する蓄積領域であり2選択ゲート6、蓄積用
CCDシフトレジスタ7から成っている。また、8は蓄
積用CCDシフトレジスタ7が1列ずつ送り出す各行の
信号を出力9に向けて転送する水平CCDシフトレジス
タである。
1 is an imaging area, which includes a vertical CCD shift register 2, a photoelectric conversion element 3 (for example, a photodiode), and a transfer gate 49.
It consists of etc. Reference numeral 5 denotes an accumulation region for temporarily accumulating the signal charge stored in the photodiode, and it is composed of two selection gates 6 and a CCD shift register 7 for accumulation. Reference numeral 8 designates a horizontal CCD shift register that transfers the signals of each row sent out one column at a time by the storage CCD shift register 7 toward an output 9.

この構成の撮像素子においては、光ダイオード3から読
出した信号電荷を、CCDシフトレジスタ2,7を高速
で動作させることにより、撮像領域1から蓄積領域5に
高速(短時間)で転送する。
In the image sensor having this configuration, the signal charges read from the photodiode 3 are transferred from the imaging area 1 to the storage area 5 at high speed (in a short time) by operating the CCD shift registers 2 and 7 at high speed.

したがって、信号転送時に垂直CCDシフトレジスタ2
に漏洩する光にせ信号は、従来のインターライン方式素
子の数十分の1から百分の1に減少し、スメア雑音を著
しく減らすことが可能になる。
Therefore, when transferring signals, the vertical CCD shift register 2
The amount of optical false signals leaked into the device is reduced from several tenths to one hundredth of that of conventional interline devices, making it possible to significantly reduce smear noise.

ここで、スメアとは、垂直CCDシフトレジスタ2に漏
洩した光にせ信号が原因となり、モニター上に輝度の高
い光学情報パターン(すなわち明るいパターン)の上下
にも縦縞状のパターンが現われる現象である。これは固
体撮像素子に特有の現象であり、これまで画質低下の主
因になってきた現象である。一方、FIT方式ではスメ
アが大きく減少し、高い画質が得られるようになり2本
方式の素子は将来が期待されている。
Here, the smear is a phenomenon caused by a false light signal leaked to the vertical CCD shift register 2, and a vertical striped pattern appears above and below a high-luminance optical information pattern (that is, a bright pattern) on the monitor. This is a phenomenon unique to solid-state image sensors, and has been the main cause of image quality deterioration. On the other hand, with the FIT method, smear is greatly reduced and high image quality can be obtained, and two-wire method elements are expected to have a promising future.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、上記FIT方式の素子も含めて一般にC
CD撮像素子の開口率(すなわち受光面積)はMO8撮
像素子の約1/2と低く、これが光感度の低下を招いて
いる。また、光ダイオードに蓄積できる電荷量は垂直C
CDシフトレジスタ2の電荷蓄積容量によって制限され
、CCD撮像素子の蓄積電荷量(すなわちダイナミック
レンジ)はMO8撮像素子の174〜115と少ない。
However, in general, C
The aperture ratio (that is, light-receiving area) of the CD image sensor is as low as about 1/2 of that of the MO8 image sensor, which causes a decrease in photosensitivity. Also, the amount of charge that can be accumulated in the photodiode is vertical C
Limited by the charge storage capacity of the CD shift register 2, the amount of accumulated charge (ie, dynamic range) of the CCD image sensor is as small as 174 to 115 of the MO8 image sensor.

ここで、開口率を上げようとすると垂直CCDシフトレ
ジスタなど光電変換に関係しない領域の面積を小さくす
る必要があるが、これはもともと小さい垂直CCDシフ
トレジスタの蓄積電荷量(ダイナミックレンジ)をさら
に小さくしてしまう。したがって、FIT方弐方式D撮
像素子の性能を向上するためには垂直CCDシフトレジ
スタのダイナミックレンジを上げることが大切な課題と
なる。
In order to increase the aperture ratio, it is necessary to reduce the area of areas not related to photoelectric conversion, such as the vertical CCD shift register, but this further reduces the amount of accumulated charge (dynamic range) of the originally small vertical CCD shift register. Resulting in. Therefore, in order to improve the performance of the FIT type D image sensor, it is important to increase the dynamic range of the vertical CCD shift register.

本発明の目的は、上記の問題点を解決することにあり、
FIT方弐方式D撮像素子の開口率及びダイナミックレ
ンジの拡大された電荷移送型固体撮像素子を提供するこ
とにある。
The purpose of the present invention is to solve the above problems,
It is an object of the present invention to provide a charge transfer type solid-state image sensor that has an expanded aperture ratio and dynamic range than a FIT type D image sensor.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記本発明の目的は、同一半導体基板上に、光電変換素
子群と、転送スイッチと、上記光電変換素子群のたくわ
えた光信号電荷を運ぶ走査素子とから成る撮像領域と、
この撮像領域で検出した光信号を一時的に蓄積する蓄積
領域とを集積化した固体撮像素子において、上記転送ス
イッチに加えるパルス電圧を制御することにより、上記
光電変換素子のたくわえた光信号電荷を複数回に分割し
て読出す手段と前記読出された信号電荷を逐次上記走査
素子の高速転送動作により上記蓄積領域に送り込む手段
とを具備して成ることを特徴とする電荷移送型固体撮像
素子によって達成される。
The object of the present invention is to provide, on the same semiconductor substrate, an imaging area comprising a group of photoelectric conversion elements, a transfer switch, and a scanning element that carries optical signal charges stored in the group of photoelectric conversion elements;
In a solid-state imaging device that integrates a storage region that temporarily accumulates optical signals detected in this imaging region, by controlling the pulse voltage applied to the transfer switch, the optical signal charge stored in the photoelectric conversion element is transferred. A charge transfer type solid-state imaging device characterized by comprising means for reading out the signal charge in multiple times and means for sequentially sending the read signal charge to the accumulation region by high-speed transfer operation of the scanning element. achieved.

そして、上記本発明の特徴点を更に具体的に説明すると
、撮像領域を構成する光電変換素子の蓄積した光信号電
荷を、転送スイッチに印加するスイッチパルス電圧を制
御することにより、1フィールド期間もしくは1フレー
ム期間の間に、前記蓄積された光信号電荷を複数回に分
割して読出し。
To explain the feature of the present invention in more detail, the optical signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements constituting the imaging area can be transferred for one field period or by controlling the switch pulse voltage applied to the transfer switch. During one frame period, the accumulated optical signal charge is divided into multiple times and read out.

この分割して垂直CCDシフトレジスタに読出した信号
電荷を読出す毎に、垂直CCDシフトレジスタの高速転
送動作により蓄積領域へ送り込むようにしたところに特
徴がある。
The feature is that each time the divided signal charges are read out to the vertical CCD shift registers, they are sent to the accumulation region by the high-speed transfer operation of the vertical CCD shift registers.

上記光電変換素子に蓄積された光信号電荷を複数回に分
割して読出し、垂直CCDシフトレジスタを介して蓄積
領域へ送り込むタイミングとじては、何回に分割しても
かまわないが、実用的には2〜5回に分割することが好
ましく、より好ましくは3〜4回である。また、1回に
送り出す(読出す)光信号電荷量は2分割回数の平均値
としてもよく、また2分割回数をN回とした場合、最初
の1回目を1/Nの量とし、残りの電荷量をN−1回で
均等もしくは不均等に分割してもよく1分割の仕方につ
いては任意の方法でよい。いずれにしても本発明で重要
なのは、光電変換素子に蓄積された光信号電荷を複数回
に分割して垂直CCDシフトレジスタから高速に蓄積領
域に送り込むことである。
The optical signal charge accumulated in the photoelectric conversion element is read out by dividing it into multiple times, and the timing of sending it to the storage area via the vertical CCD shift register may be divided into any number of times, but it is practical. is preferably divided into 2 to 5 times, more preferably 3 to 4 times. In addition, the amount of optical signal charge sent out (read) at one time may be the average value of the number of times of 2 divisions, and when the number of 2 divisions is N times, the first time is the amount of 1/N, and the remaining The amount of charge may be equally or unevenly divided N-1 times, and any method may be used as to how to divide into one. In any case, what is important in the present invention is that the optical signal charge accumulated in the photoelectric conversion element is divided into a plurality of times and sent from the vertical CCD shift register to the accumulation region at high speed.

〔作用〕[Effect]

上述のとおり9本発明電荷移送型置体撮像素子において
は、光電変換素子に蓄積された画像信号電荷を、転送ゲ
ートを複数回(N回)に分割してスイッチングさせて垂
直CCDに呼出し、この電荷を高速動作により蓄積領域
に運ぶことができる。
As described above, in the charge-transfer type stationary image pickup device of the present invention, the image signal charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred to the vertical CCD by switching the transfer gate in a plurality of times (N times). Charge can be transported to the storage region by high-speed operation.

したがって、垂直CCDの電荷蓄積容量を大きくしなく
とも転送ゲートのスイッチング回数を所定の回数に分割
して動作させれば光電変換素子に蓄積された電荷は十分
に移送可能である。
Therefore, even if the charge storage capacity of the vertical CCD is not increased, the charges accumulated in the photoelectric conversion element can be sufficiently transferred by dividing the number of switching times of the transfer gate into a predetermined number of times.

〔実施例〕〔Example〕

以下9本発明を実施例を用いて詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below using examples.

第1図は本発明の骨子となる実施例を示す図で。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment that is the gist of the present invention.

電荷移送型固体撮俄素子の平面パターンを模式的に示し
たものである。第1図(a)において。
This is a schematic diagram showing a planar pattern of a charge transfer type solid-state imaging device. In FIG. 1(a).

2′は垂直CCDシフトレジスタ(以下、垂直CODと
称する)、3′は光ダイオードであり、これらは撮像領
域1′を構成している。10は取込みゲート、 11は
蓄積用CCDシフトレジスタ(以下。
2' is a vertical CCD shift register (hereinafter referred to as vertical COD), and 3' is a photodiode, which constitute an imaging area 1'. 10 is a capture gate, 11 is a CCD shift register for storage (hereinafter referred to as a CCD shift register).

蓄積用CCDと称する)であり、これらは蓄積領域5′
を構成している。1フィールド期間、或いは1フレーム
期間の間に光ダイオードに貯えられた光信号電荷Qは転
送ゲート4′を複数回(N回二Nは2以上の正の整数)
に渡って開閉することにより、垂直CODを介して蓄積
領域を構成する蓄積用CCD11に送り込まれる。この
分割転送動作を第1図(b)に示した転送ゲート駆動パ
ルス(RP)を用いて説明する。RPCは従来のCcD
場像素像素子送ゲート4(第2図に図示)を駆動するた
めのパルスで2本発明の素子と構成、動作2等を比較す
るために掲載したものである。このパルスは垂直帰線期
間(t aし)の間に、転送ゲートを1回通通状態に置
くことを示している。−方、RPNは本発明の素子の転
送ゲート4′ (第1図(a)に図示)を駆動するため
のパルスであり、ここに−例として示した5パルスは垂
直帰線期間の間に転送ゲート4′を2回通通状態に置く
ことを示している。転送ゲートをN回に渡って導通状態
に置くには垂直帰線期間の間にN個のパルスを発生させ
るようにすればよいが、ここでは、動作説明を簡単にす
るため、N=2の場合を例にとって本発明の素子の動作
を説明する。
(referred to as storage CCD), and these are storage area 5'
It consists of The optical signal charge Q stored in the photodiode during one field period or one frame period passes through the transfer gate 4' multiple times (N times, where N is a positive integer of 2 or more).
By opening and closing over the vertical COD, it is fed into the storage CCD 11 that constitutes the storage area. This divided transfer operation will be explained using the transfer gate drive pulse (RP) shown in FIG. 1(b). RPC is a traditional CcD
This figure is shown in order to compare the structure, operation 2, etc. of two elements of the present invention using pulses for driving the field image element transmission gate 4 (shown in FIG. 2). This pulse indicates that the transfer gate is passed through once during the vertical retrace interval (ta). On the other hand, RPN is a pulse for driving the transfer gate 4' (shown in FIG. 1(a)) of the device of the present invention; This shows that the transfer gate 4' is placed in a twice-passed state. To make the transfer gate conductive N times, it is sufficient to generate N pulses during the vertical retrace period, but here, to simplify the explanation of the operation, we will use N = 2 pulses. The operation of the device of the present invention will be explained using a case as an example.

(1)時間t□□において゛′M″レベルの電圧振幅を
持つパルスRPNを転送ゲート4′に印加する。第1図
(Q)は撮像領域を構成する画素の構造を模式的に示し
た説明図であり、4”Eは転送ゲート電極、2’−Eは
垂直CCDを構成する電極。
(1) At time t□□, a pulse RPN having a voltage amplitude of the ``M'' level is applied to the transfer gate 4'. Fig. 1 (Q) schematically shows the structure of the pixels constituting the imaging area. It is an explanatory diagram, and 4''E is a transfer gate electrode, and 2'-E is an electrode constituting a vertical CCD.

3′−Dは光ダイオード用拡散層(例えばN個)。3'-D is a diffusion layer for photodiodes (for example, N pieces).

12は半導体基板(例えばP型)、 2’−Bは垂直C
CDを埋込み型チャンネルにするための不純物層(例え
ばn型)、13は電極2’−E、4’−Eと基板を絶縁
分離するためのゲート酸化膜(例えばSiO2)である
。前記のパルスRP)4(tx、)の印加により画素部
の各領域にはφ、□、のような電位が形成される。ここ
で、φt1□(4′)はMレベル転送ゲートパルスRP
N(t□□〉により転送ゲート下に形成される電圧、φ
(2′)は電荷読出し時に垂直CcD電極に印加する所
定の電圧レベルを有した垂直CCD駆動用パルス(vp
、図示せず)により。
12 is a semiconductor substrate (for example, P type), 2'-B is a vertical C
An impurity layer (for example, n-type) is used to make the CD a buried channel, and 13 is a gate oxide film (for example, SiO2) for insulating and separating the electrodes 2'-E and 4'-E from the substrate. By applying the pulse RP)4(tx, ), potentials such as φ and □ are formed in each region of the pixel portion. Here, φt1□(4') is M level transfer gate pulse RP
The voltage formed under the transfer gate by N(t□□〉), φ
(2') is a vertical CCD driving pulse (vp
, not shown).

垂直CCD電極下に形成される電位である。また。This is the potential formed under the vertical CCD electrode. Also.

φ(3’L)は前回の読出しく前のフィールド、或は前
のフレームにおける読出し)の際にHレベル転送ゲート
パルスにより電荷読出し完了後に光ダイオードが置かれ
る電位(以下、リセット電位と称する)、φ(%U)は
フィールド期間(TF(□)=T F (2) ) +
或は、フレーム期間CTF<x> + TF(2) )
に入射した光により光ダイオードに貯えられる電荷Qに
より形成される電位である。この電位φ(3′υ)の上
限は第2図Cに点線で示すように上限はLレベルの転送
ゲートパルスRPNにより転送ゲート下に形成される電
位によって決められる。
φ(3'L) is the potential at which the photodiode is placed after charge readout is completed by the H level transfer gate pulse during the previous readout (field before previous readout or readout in the previous frame) (hereinafter referred to as reset potential) , φ (%U) is the field period (TF (□) = T F (2) ) +
Or frame period CTF<x> + TF(2))
This is the potential formed by the charge Q stored in the photodiode due to light incident on the photodiode. The upper limit of this potential φ (3'υ) is determined by the potential formed under the transfer gate by the L level transfer gate pulse RPN, as shown by the dotted line in FIG. 2C.

蓄積電荷による電位上昇分をΔV (=φ(3’ U)
−φ(3’ L) )とすると2MレレベパルスRP 
N(ti、)により転送ゲート下の電位φ、1□(4′
)をφ(3’L)+ればよい。このような電位に設定す
ることにより。
The potential increase due to accumulated charge is ΔV (=φ(3' U)
-φ(3'L)), then 2M level pulse RP
Due to N(ti,), the potential under the transfer gate φ, 1□(4'
) should be φ(3'L)+. By setting such a potential.

光ダイオードの電荷は電位φ(3′υ)から電位Δ■ φ(3’U)−□になるまで転送ゲート4′を介して垂
直CCDに読出されることになる。すなわち。
The charge of the photodiode is read out to the vertical CCD via the transfer gate 4' from the potential φ(3'υ) to the potential Δ■φ(3'U)-□. Namely.

第1回の読出しにより光ダイオードに蓄積した電荷Qの
半分(Q/2)が垂直CODに送り込まれることになる
。垂直CODに送り込まれた電荷Q/2は、この後、垂
直CCD2’(第1図(a)に図示)の高速転送動作に
より蓄積領域5′に送り込まれる。
Half (Q/2) of the charge Q accumulated in the photodiode is sent to the vertical COD by the first readout. The charge Q/2 sent to the vertical COD is then sent to the storage region 5' by a high-speed transfer operation of the vertical CCD 2' (shown in FIG. 1(a)).

(2)第1回目の蓄積領域への電荷転送が完了すると2
時間t1□でHレベルをもつ転送ゲートパルスRPN(
t工2)が転送ゲート4′に印加される。
(2) When the first charge transfer to the storage region is completed, 2
Transfer gate pulse RPN (
t(2) is applied to the transfer gate 4'.

垂直CCDの電極下は第1回目の読出し時と同様の電位
φ(2’) (第1回目と同一の電位に設定する必要は
なく、転送ゲート下より低い電位になるようにすればよ
い)、また転送ゲート下はRP H(t□2)により電
位φtiz(4’> (=φ(J ’ L) )に設定
される。したがって、光ダイオードの電位はΔV φ(i’U)−□から、電荷の読出しが完了するとφ(
3’ L)に降下する。この結果、光ダイオードの電位
はΔV/2だけ下降し、光ダイオードに残されていた残
り半分の電荷が転送ゲートを介して垂直CCDに送り込
まれることになる。第2回目に読出されたこの電荷は、
この後、垂直CCDの高速転送動作により蓄積領域5′
に送り込まれる。
The potential below the vertical CCD electrode is the same potential φ(2') as during the first readout (it is not necessary to set it to the same potential as the first readout, just set it to a lower potential than below the transfer gate) , and the potential below the transfer gate is set to the potential φtiz(4'>(=φ(J'L)) by RPH(t□2).Therefore, the potential of the photodiode is ΔV φ(i'U)-□ From, when the charge reading is completed, φ(
3'L). As a result, the potential of the photodiode drops by ΔV/2, and the remaining half of the charge remaining in the photodiode is sent to the vertical CCD via the transfer gate. This charge read out the second time is
After this, the storage area 5' is
sent to.

この高速転送は垂直帰線期間内(t BL)に行われる
This high-speed transfer is performed within the vertical blanking period (tBL).

(3)第2フイールドの垂直帰線期間においても、前回
のフィールドと同じレベルをもつ転送ゲートパルスRP
N(tz□) s RP N(□2)を転送ゲート4′
に印加することにより、光ダイオードの貯えた電荷は第
1回、第2回に分けて、前回と同様の動作により蓄積領
域5′に送り込まれる。
(3) Even during the vertical retrace period of the second field, the transfer gate pulse RP has the same level as the previous field.
N(tz□) s RP N(□2) to transfer gate 4'
By applying this voltage, the charge stored in the photodiode is divided into the first and second times and sent to the accumulation region 5' by the same operation as the previous time.

以上、光ダイオードに蓄積された電荷を2回に分けて読
出し、2回の垂直CCDの高速動作によりこの電荷を蓄
積領域5′に送り込む動作を説明した。転送パルスを垂
直帰線期間にN回発生するようにすれば、電荷をN回に
分割して運ぶことができるようになる。したがって、垂
直CCDの電荷蓄積容量は1回で全部を送る従来の読出
し方式の場合に較べると、1/Nに減らしても構わない
ことになる。すなわち、垂直CCDのチャンネル幅を縮
少すること、或は垂直CCDの段数を増やしくビット数
を増やし)、多種類の光信号電荷を送ることができるよ
うになる。また、前述の説明では読出しをN回に分は毎
回等量の電荷(Q/N)を送る動作を示したが、異なる
量の電荷を送るようにしても勿論構わない(例えば、2
回読出しの場合第1回目でQ/3.第2回目で2Q/3
という量を読出すようにしてもよい)。
The operation of reading out the charges accumulated in the photodiode twice and sending the charges into the accumulation region 5' by two high-speed operations of the vertical CCD has been described above. If the transfer pulse is generated N times during the vertical retrace period, the charge can be divided and transferred N times. Therefore, the charge storage capacity of the vertical CCD can be reduced to 1/N compared to the conventional readout method in which all the data is sent at one time. That is, by reducing the channel width of the vertical CCD or increasing the number of stages of the vertical CCD or increasing the number of bits, it becomes possible to send many types of optical signal charges. Furthermore, in the above explanation, the operation was shown in which the same amount of charge (Q/N) is sent each time N readings are performed, but it is of course possible to send different amounts of charge (for example, 2
In the case of multiple readings, the first reading is Q/3. 2Q/3 for the second time
).

次に、上記のようにN回に分けて読出した電荷を蓄積領
域5′で同一記憶セルに集める方法について実施例を用
いて説明する。なお、同一の光ダイオードから読出した
電荷は出力時にはN回分を加算した形で取出す必要があ
る。但し、出力部9(素子内部でも外部でもよい)にメ
モリ等が用意されている場合は加算の必要はなく、各回
分を独立に取出すようにしてもよい。
Next, a method of collecting charges read out N times in the storage region 5' into the same memory cell as described above will be described using an embodiment. Note that the charges read out from the same photodiode must be extracted in the form of N times of addition at the time of output. However, if a memory or the like is provided in the output section 9 (which may be inside or outside the element), there is no need for addition, and each batch may be taken out independently.

第3図の実施例において、10−1は取込みゲート、 
11−.1 、11−2は蓄積用CCU、14は加算回
路。
In the embodiment of FIG. 3, 10-1 is an intake gate;
11-. 1 and 11-2 are storage CCUs, and 14 is an addition circuit.

15、16は蓄積領域転送ゲートである。15 and 16 are storage area transfer gates.

(1)第1回目の読出しで電荷q工がゲート10−1を
介して先ず蓄積用CGD11−1に送り込まれる。
(1) In the first read, charge q is first sent to the storage CGD 11-1 via the gate 10-1.

(2)続いて、転送ゲート15を導通状態に置くことに
より、蓄積用CCDll−1に一時保持されていた電荷
q工は蓄積用CCDll−2に移される。
(2) Subsequently, by turning on the transfer gate 15, the charge q temporarily held in the storage CCDll-1 is transferred to the storage CCDll-2.

(3)続いて第2回目の読出し電荷q2がゲート10−
1を介して蓄積用CCD 11−1に送り込まれる。
(3) Next, the second read charge q2 is applied to the gate 10-
1 to the storage CCD 11-1.

蓄積用CGDIl−1,11−2に保持された電荷qx
 +q2は転送ゲート16を介して加算回路14に送り
込まれ、ここで分割して読出された電荷q1e q2が
合流しQ (” qt+ 92)となる。
Charge qx held in storage CGDIl-1, 11-2
+q2 is sent to the adder circuit 14 via the transfer gate 16, where the divided and read charges q1e q2 are combined to form Q ("qt+ 92).

(4)回路14で加算された電荷Qは水平CCD8に送
り込まれ、出力9から時間順次に取出される。
(4) The charges Q added by the circuit 14 are sent to the horizontal CCD 8 and taken out from the output 9 in time sequence.

ここでは、説明を簡単にするため電荷を2回に分けて蓄
積用CCDに送り込む場合について述べたが、N回に分
けて読出してもよく、この場合には例えば蓄積用CCD
ti−N個設けるような構成を考えることができる。
Here, to simplify the explanation, we have described the case where the charge is divided into two times and sent to the storage CCD, but it may also be read out in N times.
It is possible to consider a configuration in which ti-N pieces are provided.

第4図の実施例において、10−2は取込みゲート、 
11−1 、11−2は蓄積用CCDである。
In the embodiment of FIG. 4, 10-2 is an intake gate;
11-1 and 11-2 are storage CCDs.

(1)第1回目の読出しで電荷q工はゲートl0−2の
選択動作により蓄積用CCDll−1に送り込まれる。
(1) During the first reading, the charge q is sent to the storage CCD 11-1 by the selection operation of the gate 10-2.

(2)第2回目の読出し電荷q2はゲート10−2の選
択動作により蓄積用CCDll−2に送り込まれる。
(2) The second read charge q2 is sent to the storage CCDll-2 by the selection operation of the gate 10-2.

(3)この後、前述のような加算動作を行い電荷Qを出
力より取出す。
(3) After this, the addition operation as described above is performed and the charge Q is taken out from the output.

第5図(a)は、第1回目の電荷q□、第2回目の電荷
q2を第3図、或は第4図に示したような方法により蓄
積用CCDll−1、11−2に送り込んだ電荷を加算
回路を設けることなく取出す実施例を示している。ここ
では、2つに分割した電荷qx+ 92は矢印17−1
 、17−2で示すように各々独立に水平CCD8 ’
に送り込まれ周知の電荷移送方法により、矢印17−3
で示すように水平CCDの転送動作により2つの電荷が
加算される。
FIG. 5(a) shows that the first charge q□ and the second charge q2 are sent to the storage CCDs 11-1 and 11-2 by the method shown in FIG. 3 or 4. This figure shows an embodiment in which the remaining charges are taken out without providing an adding circuit. Here, the charge qx+ 92 divided into two is indicated by the arrow 17-1
, 17-2, the horizontal CCD 8'
arrow 17-3 by well-known charge transfer methods.
As shown in , two charges are added by the horizontal CCD transfer operation.

第5図(b)において、第1回目の電荷q工。In FIG. 5(b), the first charge q.

第2回目の電荷q2は第3図、或は第4図に示したよう
な方法により蓄積用CCDll−1,11−2に送り込
まれる。電荷q工+ qzは矢印19−1 、19−2
で示すように各々独立に水平CCD8’−1,8’−2
に送り込まれる。水平CCD内を転送された電荷qsp
 q2は水平CCDの出力端に設けた加算回路18で加
算された後、出力9から順次取出される。
The second charge q2 is sent to the storage CCDs 11-1 and 11-2 by the method shown in FIG. 3 or 4. Charge q + qz are arrows 19-1, 19-2
As shown in
sent to. Charge qsp transferred in horizontal CCD
After q2 is added by an adder circuit 18 provided at the output end of the horizontal CCD, it is sequentially taken out from the output 9.

第5図(c)は電荷qttq2を水平CC,D8’−1
,8’−2により転送し、直接に(加算しないで)出力
9−1.9−2に取出すようにした構成を示している。
Figure 5(c) shows charge qttq2 as horizontal CC, D8'-1
, 8'-2 and taken out directly (without addition) to outputs 9-1, 9-2.

qxeqzの加算は出力9−1.9−2の後に設けた加
算回路(図示せず)で行う。この加算回路は素子の中に
集積化してもよいし、或は素子外部に別途設けるように
してもよい。
The addition of qxeqz is performed by an adder circuit (not shown) provided after the outputs 9-1, 9-2. This adder circuit may be integrated within the element, or may be provided separately outside the element.

〔発明の効果〕 以上、実施例を用いて詳細に説明したように。〔Effect of the invention〕 As described above in detail using the examples.

本発明によれば、光電変換素子の貯えた信号電荷を複数
回(Nl:Nは2以上の正の整数)に分けて垂直CCD
シフトレジスタによって蓄積領域へ運ぶことができるの
で、垂直CODシフトレジスタのダイナミックレンジを
N倍に拡大することができるという効果がある。したが
って、これまで問題とされてきた垂直CCDシフトレジ
スタの狭いダイナミックレンジは解消することができる
According to the present invention, the signal charge stored in the photoelectric conversion element is divided into multiple times (Nl: N is a positive integer of 2 or more) and transferred to the vertical CCD.
Since it can be carried to the storage area by the shift register, there is an effect that the dynamic range of the vertical COD shift register can be expanded by N times. Therefore, the narrow dynamic range of vertical CCD shift registers, which has been a problem up to now, can be solved.

また2本発明によれば垂直CCDシフトレジスタのチャ
ンネル幅を従来の1/Nに縮少しても従来と同様のダイ
ナミックレンジを確保することが可能になる。これは、
将来2画素数の増加(高解像度化)を図る場合、或は、
感度の向上を図る場合に非常に優れた手段となり9本発
明のもたらす実用的価値は極めて大きい。
Furthermore, according to the present invention, even if the channel width of the vertical CCD shift register is reduced to 1/N of the conventional one, it is possible to maintain the same dynamic range as the conventional one. this is,
If you plan to increase the number of pixels (higher resolution) in the future, or
This is an excellent means for improving sensitivity9, and the practical value of the present invention is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明のCCD固体撮像素子の構成および動作
を示す図、第2図は従来のCCD固体撮像素子の構成を
示す図、第3図、第4図および第5図は本発明の第2図
の実施例とは異なる素子構成を示す図である。 図において。 1.1′・・・撮像領域 2.2′・・・垂直CCDシフトレジスタ3.3′・・
・光電変換素子 4.4′・・・転送ゲート 5,5′・・・蓄積領域7
.11・・・蓄積用CCDシフトレジスタ8・・・水平
CCDシフトレジスタ 9・・・出力       14・・・加算回路代理人
弁理士  中 村 純之助 第1図 (Q) 1′−−−め瞼fl q戚     8−一一永子CC
Dシフトレジη2゛−−一會遣てCDシフ邑pブタ 9
−−−と力5′−に巾夕域 第2図 9−一−tカ @11(φt12ン     11シ2イ土(φt、リ
−〇− 第3図 10−2・−散区突ヶニド 第5図 (a) 10−2・−取Δとゲート 第5図 (b) 10−2−m−取込)+y:ト
FIG. 1 is a diagram showing the configuration and operation of the CCD solid-state image sensor of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a conventional CCD solid-state image sensor, and FIGS. FIG. 3 is a diagram showing an element configuration different from the embodiment shown in FIG. 2; In fig. 1.1'...Imaging area 2.2'...Vertical CCD shift register 3.3'...
・Photoelectric conversion element 4,4'...Transfer gate 5,5'...Storage region 7
.. 11...Storage CCD shift register 8...Horizontal CCD shift register 9...Output 14...Additional circuit attorney Junnosuke Nakamura Figure 1 (Q) 1' --- Eyelid fl q Relatives 8-11 Eiko CC
D shift register η2゛--CD shift register 9
--- and force 5'- width area Fig. 2 9-1-t Ka@11 (φt12-n 11shi2-i soil (φt, Lee-〇- Fig. 3 10-2--distributed area Fig. 5(a) 10-2-m-take Δ and gate Fig. 5(b) 10-2-m-take) +y: t

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、同一半導体基板上に、光電変換素子群と、転送スイ
ッチと、上記光電変換素子群のたくわえた光信号電荷を
運ぶ走査素子とから成る撮像領域と、この撮像領域で検
出した光信号を一時的に蓄積する蓄積領域とを集積化し
た固体撮像素子において、上記転送スイッチに加えるパ
ルス電圧を制御することにより、上記光電変換素子のた
くわえた光信号電荷を複数回に分割して読出す手段と前
記読出された信号電荷を逐次上記走査素子の高速転送動
作により上記蓄積領域に送り込む手段とを具備して成る
ことを特徴とする電荷移送型固体撮像素子。 2、上記光電変換素子のたくわえた光信号電荷を複数回
に分割するタイミングを1フィールド期間もしくは1フ
レーム期間内としたことを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の電荷移送型固体撮像素子。 3、上記光信号電荷の分割回数を2〜5回としたことを
特徴とする特許請求の範囲第2項記載の電荷移送型固体
撮像素子。
[Claims] 1. On the same semiconductor substrate, an imaging area consisting of a photoelectric conversion element group, a transfer switch, and a scanning element that carries optical signal charges stored in the photoelectric conversion element group; In a solid-state imaging device that integrates a storage region that temporarily stores detected optical signals, the optical signal charge stored in the photoelectric conversion element is divided into multiple times by controlling the pulse voltage applied to the transfer switch. 1. A charge transfer type solid-state imaging device, comprising: means for reading out the signal charges; and means for sequentially sending the read signal charges into the accumulation region by high-speed transfer operation of the scanning element. 2. The charge transfer type solid-state imaging device according to claim 1, characterized in that the timing at which the optical signal charge stored in the photoelectric conversion element is divided into a plurality of times is within one field period or one frame period. . 3. The charge transport type solid-state imaging device according to claim 2, wherein the number of times the optical signal charge is divided is 2 to 5 times.
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