JPH02131682A - 固体撮像素子 - 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、ビデオカメラやテレビカメラ等の撮像装置に
使用することのできる固体撮像素子に関するものである
。

従来例の構成とその問題点 近年、撮像装置に使用される撮像素子として、ビジコン
等で代表される撮像管から、シリコンＩＣで作られた固
体撮像素子が多くなっている。

この固体撮像素子は、その構成上，種々の固体撮像素子
に分類されるが、性能上有望視されているものの一つに
、第１図に示すＩＬ−ＣＯＤ形のものがある。

以下、まず、この従来のＩＬ−ＣＯＤについて説明する
。

同図中、１　０１　，　１　０１’，　１　０１”　・
・−・・・ハＰＮ接合で構成されたフォトダイオード、
１０２は垂直転送ラインのＣＯＤ（以下、垂直転送ＣＣ
Ｄ）、１０３は水平転送ラインのＣＯＤ　（以下、水平
転送ＣＯＤ）、１０４はフローティングディフユージョ
ンアンプ、１０５Ｊｄ出力端子である。フォトダイオー
ド１０１・・・・・・からの光電変換された信号電荷は
垂直転送ＣＯＤ１０２Ｋ読み出されるが、第１フィール
ドでは１０１，１０１”・・・・・・．第２フィールド
では１　０１’，１　０１″’　，・・・・・・という
様に、一水平ライン飛ばしにインターレースされて読み
出される。垂直ＣＣＤ１０２に読み出された信号電荷は
、φ７，，φｖ２で示される垂直パルスで、同図では上
方向に転送され、１水平走査期間ごとに水平転送ＣＧＤ
１０３に読み込まれ、この水平転送ＣＧＤ１０３では水
平転送パルスφ８，，φＭ２とで水平方向に高速転送さ
れ、フローティングディフユージミンアング１０４で、
転送されてきた信号電荷を電圧に変換し、出力端子１０
５から映像信号として読み出すものである。

この時の出力映像信号を第２図に示す。すなわち第１フ
ィールドの第１番目の水平走査期間では、第１図の７ォ
トダイ計ド１０１の水平列からの信号が、次の水平走査
期間では、フォトダイオード１０１”の水平列の信号が
読み出される。第２フィールドでは、第１番目の水平走
査期間では、第１図のフォトダイオード１０１′の水平
列から、次の水平走査期間では、フォトダイオード１０
１″′の水平列の信号が読み出される。

したがって、第１フィールドと第２フィールドの信号は
、垂直走査位置は１水平ライン分異なるが、同一の被写
体からの光電変換された信号であり、これは残像特性と
して見ると、第３図に示す様に、光を遮断した後の撮像
管の減衰特性に対し、ＩＬ−ＣＧ：Ｄは、前記の理由に
より、第１フィールド期間後は、蓄積期間相当の信号出
カとして６ｏ％の残像が生じることになる。その後は、
撮像管で生じる容量性残像や、光導電性残像等は本質的
にないため、基本的には、撮像管に比べほとんど零であ
る。しかし、この１フィールド期間（　１ｅ．ｅｍｓｅ
ｃ）後の残像が基本的に６ｏ％生じることは、従来の撮
像装置で得た画像に対し、動く被写体に対しては、画質
を劣化させ、問題を生じていた。

これをフレーム残像と言う。

発明の目的 本発明は、上記のような従来のＭＬ−ＣＯＤで発生して
いたフレーム残像が発生しない固体撮像素子を提供する
ことを目的とする。

発明の構成 本発明は、２次元に配されたフォトダイオード等の光電
変換部で光電変換された信号電荷を垂直方向に隣接する
水平２ライン間で加算（混合）し、この加算（混合）さ
れた信号電荷を垂直転送ラインと水平転送ラインで順次
読み出し、次のフィールドでは、異なる隣接する水平２
ライン間で加算（混合）し、前記同様に読み出す構成に
しており、この様に隣接する水平２ライン間で信号電荷
を加算（混合）することにより、各光電変換部の蓄積時
間を１フィールド期間とし、フレーム残像をなくしたＩ
Ｌ−ＣＯＤを構成するものである。

実施例の説明 第４図に本発明の第１の実施例におけるｒＬ−ＣＯＤの
購成図を示す。第４図において、４０１，４０１’，４
０１″　，・・・・・・はＮＰ接合で作られ２次元配列
された光電変換部としてのフォトダイオードである。４
０２は、フォトダイオード４０１・・・・・からの光電
変換された信号電荷を読み出すための読み出しゲートで
あり、垂直方向に隣接するフォトダイオード４０１・・
・・・・間に各々接続され、さらに、垂直転送ＣＣＤ４
０４に接続されたものである。４０３　，４０３’は垂
直転送ＣＣＤ４０４（Ｄ第１の電極と第２の電極であり
、それぞれφ７，シ転送パルスφ▼，，φ▼２が印加さ
れるものである。

４０６は垂直転送ＣＣＤ４０４で転送されてきた信号電
荷を１水平期間ごとに読み込んで直並列変換し高速で読
み出すための水平転送ＣＯＤ、４０６は読み出された信
号電荷を電圧に変換するためのフローティングディフユ
ージッンアンプ、４ｏ７は出力端子である。

以上の様に構成された本実施例のＩＬ−ＣＯＤ形の固体
撮像素子について、以下その動作を説明する。

２次元に配されたフォトダイオード４０１，４０１’．
・・・・・・はＮＰ接合で構成され、逆にバイアスを印
加して、空乏化されている。ここに入射光があると信号
電荷（電子一正孔対による起電力）を発生し、各フォト
ダイオード４０１，４０１’・・・・・・で一定期間蓄
積される。この時、垂直転送ＣＯＤ４０４の一方の転送
電極４０３に第５図に示すようなφ，，を印加する。ｖ
Ｃヨパルス６０３が印加されると、ゲート４０２がオン
になり、フォトダイオード４０１と４０１′の侶号電荷
が同時に読み出されて（ｖｃＨでリセットされて）、垂
直転送ＣＣＤ４０４の電位ウェルに加算（混合）されて
読み出されることになる。

この時のフォトダイオード（ＰＤ），ゲート（ｇａｔｅ
），垂直転送ＣＣＤ部（Ｖ／ＣＣＤ）の電位と動作を第
６図に示す。すなわち，読み出しパルス（ｖＣ！Ｉパル
ス）６０３を加えると，第６図の７ォトダイオード（Ｐ
Ｄ）に蓄積されていた信号電荷（斜線の成分）は、ｖＣ
Ｈパルスに対応する電位ＩＣＩＩパルスに対応する電位
”ｃｙｉだけ深くなり、点鎖線に示す電位となり、垂直
転送ＣＣＤ４０４に読み出されることになる。同時に、
ゲート部（ｇａｔｅ）の電位でフォトダイオード（ＰＤ
）がゲート部で決まる電位にリセヮトされることとなる
、，この読み出しバルスφ７，は、垂直転送Ｃ　Ｃ　Ｄ
　４０ａの第１電極４０３すべてに印加しているため、
この時にオンとなるゲートはゲート４０２，４０２″，
・・・・・・となって、垂直方向にフォトダイオード４
０１と４０１１の信号電荷，フォトダイオード４０１″
と４０１”’の信号電荷、・・・・・・・・・・・・が
各々加算（混合）して、垂直転送ＣＣＤ４０４のそれぞ
れの電位ウェルに読み出される。

この垂直転送Ｃ　Ｃｉ　Ｄ　４０４では、その後、駆動
パルスφ７，．φ，２内の転送パルス６０１と５０２に
より第４図では上方向に転送される。その時の内部電位
は第６図ｙ！−１だけ変化する。この転送パルスの周波
数は水平同期周波数と同じであるから、１水平走査期間
ごとに，混合加算された信号電荷は水平転送ＣＣＤ４０
５の電位ウェルに読み込まれる。

水平転送Ｃ　Ｃ　Ｄ　４０５に印加する水平駆動パルス
φ８，とφ１１２を第７図に示す。すなわち、水平プラ
ンキング期間（ＨＢＬ）にφ８，を高レベルにしておく
と、垂直転送ＣＣＤ４０４で転送されてきた信号電荷を
、水平転送ｃｃｎ４ｏｓの電位ウェルに読み込むことが
できる。その後７．２　ＭＨｚ　　の２相転送パルス７
０１と７０２で高速転送される。

高速転送された信号電荷を７ローティングディフユージ
コンアンプ４０６で電圧に変換し出力端子４０７から取
シ出す。

次の第２７ィールドでは、第６図に示す様に、φｖｚＫ
読み出しパルス（ｖＣＨパルス）５０４が、第４図の電
極４０３′に印加され、したがって、ゲート４０２′が
オンとなシ、フォトダイオード４０１′と４　０　１　
″の信号電荷が読み出される。すなわちフィールドごと
に垂直方向に異なる組合せの隣接する２つのフォトダイ
オードの信号電荷を加算（混合）して読み出すことにな
る。この信号を第８図に示す。同図中、第１フィールド
の第１Ｈ目（第１水平走査期間）の信号はフォトダイオ
ード４０１と４０１′の信号電荷を加算（混合）して得
たＳ４ｏ，＋８４。，′となり、第２フィールドの第１
Ｈ目の信号はフォトダイオード４０１′と４０２”の信
号電荷を加算して得たＳ４０１’＋　Ｓ４０１”となっ
ている。この様な信号では、２水平ライン間の平均とな
るが、次のフィールドは１水平ラインずらせた２水平ラ
イン間の平均であるため、フィールド毎Ｋ補間され、垂
直方向の実質解像度はあまり低下しない。

以上のようにこの実施例のものによれば、フォトダイオ
ードの信号電荷を読み出すゲートを隣接する２ライン間
で共通にすることにより，フィールドごとに異なる組合
せの隣接する２ライン間のフォトダイオードの信号電荷
を加算混合して読み出すことにより、全てのフォトダイ
オードの蓄積時間を１フィールドとして，従来のＩＬ−
ＣＯＤ形の撮像素子で発生していたフレーム残像を、感
度を低下することなく、また実質的に垂直解像度を低下
することなく、なくすことができる。

次に、本発明の第２の実施例について、図面を参照しな
がら説明する。

第９図に、本発明の第２の実施例の構成図と、第１０図
に、その垂直駆動パルスの波形を示す。

第９図におけるＩＬ−ＣＯＤ形の固体撮像素子は構造上
は従来のＩＬ−ＣＯＤと同様であり、９０１．９０１’
，９０１”，・・・・・・はフォトダイオード、９０２
，９０２’，９０２”・・・・・・はフォトダイオード
からの読み出しゲートであって、ここで祉それぞれ単独
Ｋ垂直転送ＣＣＤ９０４に接続されており、転送電極９
０３，９０３’・・・・・・に、絶縁層を介して覆われ
ている。垂直転送ＣＣＤ９０４の上端は水平転送ＣＯＤ
９０６に接続される。９０６は水平転送ＣＣＤ９０５で
転送されてきた信号電荷を電圧に変換するためのフロー
ティングディフユージヲンアンプであり、９０７は、そ
の信号電圧の出力端子である。

第１０図の駆動波形を参照にしながら動作を説明すると
、垂直転送ＣＣＤ９０４の電極９０３９　０　３７，・
・・・・は１個おきに接続されているが、時間ｔ，には
、１　００４の読み出しパルスにより、９０２’，・・
・・・の読み出しゲートがオンになり、フォトダイオー
ド９０１′に蓄積されていた信号電荷が垂直転送ＣＣＤ
９０４に読み出される。次に時間ｔ２になり読み出しパ
ルス（φ，，パルス）１００３が印加されると、垂直転
送ライン９０４に読み出されていた侶号電荷はＺビット
転送されると共に読み出しゲート９ｏ２がオンになシ、
フォトダイオード９０１に蓄積されていた信号電荷が垂
直転送ＣＣＤ９０４に読み出され、フォトダイオード９
０１′の信号電荷と加算混合されたこととなる。その後
、ｔ３では垂直転送パルス１０ｏ１と１００２にょ力、
第９図では上方向に転送される。すなわち、第１フィー
ルドでは、まずフォトダイオード９０１’，９０１″′
　・・・・・の信号電荷を垂直転送ＣＣＤ９０４に読み
出し．３Ａビットだけ転送した後に、今後はフォトダイ
オード９０１，９０１”，・・・・・・の信号電荷を読
み出すと共に加算混合し、その後、順次垂直方向に転送
して、水平転送ＣＣＤ９０５に読み込み、その後は第１
の実施例と同様に水平転送バルスφ旧，φＨ２で高速転
送し、フローティングディフユージョンアンプ９０６で
電圧信号に変換して出力端子９０７よシ取シ出すもので
ある。

次に、第２フィールドでは、ｔ４に示した様に、第１フ
ィールドとは逆に、まず読み出しパルス１００３が印加
されるため、読み出しゲー｝９０２，９０２′・・・・
・・がオンとなシ，フォトダイオード９０１．９０１′
・・・・・・に蓄積されていた侶号電荷がまず垂直転送
ＣＣＤ９０４に読み出され、次に時間ｔ５で読み出しパ
ルス１００４が印加され、％ビット転送されると共に、
読み出しゲー｝　９　０　２’　，　９　０　２″’，
・・・・・・をオンにしフォトダイオード９０１’，９
０１”’・・・・・・に蓄積されていた信号電荷が読み
出されると共に前記垂直転送ＣＣＤ９０４に読み出され
ていた信号電荷と加算混合される。その後、時間ｔ６の
後は第１フィールドと同様に、垂直転送パルス１ｏ０１
と１００２で転送される。すなわち、第２フィールドで
は、第１フィールドと異なる垂直方向の組合せのフォト
ダイオードの信号電荷を、垂直ＣＯＤで加算混合して取
り出すことにより、第１の実施例と同様に、フィールド
ごとに異なる組合せの隣接する２ライン間のフォトダイ
オードの侶号電荷を加算混合して読み出し、全てのフォ
トダイオードの蓄積時間を１フィールド期間とし、従来
のＩＬ−ＣＯＤ形の撮像素子で発生していたフレーム残
像を、感度を低下することなく、また実質的に垂直解像
度を低下することなく、なくすることができるものであ
る。

また、以上の実施例ではフォトダイオードからの読み出
しゲートは垂直転送ゲートと共通にしていたが、独立に
動作可能な読み出しゲートであってもよいことはいうま
でもない。

発明の効果 このように、本発明によれば、２次元に配されたフォト
ダイオード等の光電変換素子で光電変換された信号電荷
を垂直方向に隣接する水平２ライン間で加算混合し、こ
の加算混合した信号電荷を垂直転送ラインと水平転送ラ
インで順次読み出し、次のフィールドでは異なる隣接す
る水平２ライン間で加算混合し、前フィールドと同様に
読み出すことにより、感度を低下することなく、また、
実質的に垂直解像度を低下することなく、フレーム残像
の発生しないＩＬ−ＣＣＤ形の固体撮像素子を実現する
ことができ、その実用的効果は大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＩＬ−ＣＣＤ形の固体撮像素子の構成図
、第２図はその出力信号の波形図、第３図はその残像特
性図、第４図は本発明の第１の実施例における固体撮像
素子の構成図、第６図はその駆動信号の波形図、第６図
はその一部の断面における電位図、第７図はその水平転
送パルスの波形図、第８図はその出力信号の波形図、第
９図は本発明の第２の実施例における固体撮像素子の構
成図、第１０図はその駆動信号の波形図である。 ４０１　　，４０１’，４０１″・・・・・・フォトダ
イオード、４０２・・・・・・読み出しゲート、４０３
，４０３’・・・・・・電極，４０４・・・・・・垂直
転送ＣＯＤ，４０５・・・・・・水平転送ｃＣ　Ｄ，４
０６・・・・・・７ローティングフユージョンアンプ、
４ｏ了・・・・・・出力端子、９０１．９０１’．９０
１″・・・・・・フォトダイオード、９０２，９０２′
，９０２″・・・・・・読み出しゲート、９０３　，９
０３′・・・・・・転送電極、９０４・・・・・・垂直
転送ＣＣＤ９０５・・・・・・水平転送ＣＯＤ，９０６
・・・・・・フローティングディフユージョンアンプ、
９０７・・・・・・出力端子。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名第１
図 第４図 Ｗ一定ずフイールＧ’　４　ｔｆｆｉフィルｋ第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２次元に配された画素によりなる光電変換部と、垂直方
   向に信号電荷を転送する複数の垂直転送ラインと、垂直
   方向に転送された信号電荷を水平方向に高速転送する水
   平転送ラインと、前記画素と前記垂直、転送ラインとの
   間に、前記垂直転送ラインの電極と共通に形成された読
   み出し電極を有し、前記光電変換部からの信号電荷を読
   み出すに際し、第一のフィールドでは奇数番目（偶数番
   目）の水平ラインに配された奇数番目（偶数番目）の読
   み出し電極にパルスを加えて、前記垂直転送ラインに読
   み出して後、偶数番目（奇数番目）の水平ラインに配さ
   れた偶数番目（奇数番目）の読み出し電極にパルスを加
   えて、前記垂直転送ラインに読み出すとともに、垂直方
   向に隣接する２画素ごとの前記光電変換部の信号電荷を
   垂直転送ライン内で加算混合して、次のフィールドでは
   前フィールドに対して１水平ライン垂直方向にずらせた
   偶数番目（奇数番目）の水平ラインに配された偶数番目
   （奇数番目）の読み出し電極にパルスを加えて、前記垂
   直転送ラインに読み出して後、奇数番目（偶数番目）の
   水平ラインに配された奇数番目（偶数番目）の読み出し
   電極にパルスを加えて、前記垂直転送ラインに読み出す
   とともに、垂直方向に隣接する２水平ラインで垂直方向
   ２画素ごとの前記光電変換部の信号電荷を垂直転送ライ
   ン内で加算混合して読み出し、前記垂直転送ラインで垂
   直方向に水平走査周波数に同期した駆動パルスで転送し
   、この転送された信号電荷を前記水平転送ラインで１水
   平走査周期ごとに高速で読み出すことを特徴とした固体
   撮像素子。