JPH0347623B2 - - Google Patents

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JPH0347623B2
JPH0347623B2 JP57120610A JP12061082A JPH0347623B2 JP H0347623 B2 JPH0347623 B2 JP H0347623B2 JP 57120610 A JP57120610 A JP 57120610A JP 12061082 A JP12061082 A JP 12061082A JP H0347623 B2 JPH0347623 B2 JP H0347623B2
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JP
Japan
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transfer
light
region
charge
dark current
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Application number
JP57120610A
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Japanese (ja)
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JPS5912674A (en
Inventor
Atsushi Kawahara
Masaki Isogai
Akimasa Sato
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Nikon Corp
Original Assignee
Nippon Kogaku KK
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Publication date
Application filed by Nippon Kogaku KK filed Critical Nippon Kogaku KK
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Publication of JPS5912674A publication Critical patent/JPS5912674A/en
Publication of JPH0347623B2 publication Critical patent/JPH0347623B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00Details of television systems
    • H04N5/30Transforming light or analogous information into electric information

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、銀塩フイルムの代りに固体撮像素子
を用いて撮像し、得られた映像信号を電子的或い
は、磁気的に記録する電子スチルカメラに用いて
有効な固体撮像素子及び装置に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a solid-state camera that is effective for use in an electronic still camera that captures images using a solid-state image sensor instead of a silver halide film and records the obtained video signal electronically or magnetically. The present invention relates to an image sensor and an apparatus.

電子スチルカメラに対して、これまでビデオカ
メラ用に開発され用いられてきた各種固体撮像素
子をそのまま用いようとする場合に問題となる点
の1つにシヤツタ機能がある。電子スチルカメラ
の如く、銀塩フイルムを使用しないシステムの大
きなメリツトは、完全な遮光を必ずしも必要とし
ない点にあり、また、同時に振動、騒音の発生原
因となるメカニカルシヤツタが不要となり得る点
にある。このためには撮像素子自体にシヤツタ機
能を持つ必要があり、これには既に、オーバーフ
ロードレイン(OFD)及びオーバーフローコン
トロールゲート(OFCG)を有するインターライ
ン転送CCDや、フレーム転送CCDにおいて、こ
の要求をある程度満たすことが確認されている。
中でも、OFD付きインターライン転送CCDは、
全ての受光素子から不要電荷をOFDへ一括して
排出することで露光の準備をし、露光により発生
した信号電荷を光遮蔽された垂直転送CCDに同
じく一括して転送することで露光を完了すること
ができるため、理想的なシヤツター機能を持つと
言え、原理的には、従来のメカニカルシヤツタで
は実現できなかつた数μsec程度のシヤツタータイ
ムも可能となる。これに対して、フレーム転送
CCDの場合には、受光領域から蓄積領域への転
送を露光下で行なうため、原理的にCCD自体の
シヤツター機能を用いる限り高速シヤツター時
S/Nの低下をまぬがれず、実用上は1/500秒程
度が限界と考えられる。
One of the problems that arises when attempting to use various solid-state imaging devices that have been developed and used for video cameras in electronic still cameras is the shutter function. The major advantage of systems that do not use silver halide film, such as electronic still cameras, is that they do not necessarily require complete light shielding, and at the same time can eliminate the need for mechanical shutters, which can cause vibration and noise. be. To achieve this, the image sensor itself needs to have a shutter function, and interline transfer CCDs and frame transfer CCDs that have an overflow drain (OFD) and an overflow control gate (OFCG) already meet this requirement to some extent. It has been confirmed that the requirements are met.
Among them, interline transfer CCD with OFD is
Prepares for exposure by discharging unnecessary charges from all light-receiving elements to the OFD at once, and completes exposure by transferring signal charges generated by exposure to the light-shielded vertical transfer CCD in the same batch. Therefore, it can be said to have an ideal shutter function, and in principle, it is possible to achieve a shutter time of several microseconds, which was not possible with conventional mechanical shutters. In contrast, frame forwarding
In the case of a CCD, since the transfer from the light-receiving area to the storage area is performed under exposure, in principle, as long as the shutter function of the CCD itself is used, the S/N ratio cannot be avoided during high-speed shutter, and in practice it is 1/500. The limit is considered to be around seconds.

このように、固体撮像素子自体のシヤツター機
能を用いる時、高速シヤツター側は、ほゞ満足で
きる性能を持つているが、低速シヤツター側に
は、まだいくつかの問題が残つている。
As described above, when using the shutter function of the solid-state image sensor itself, the high-speed shutter side has almost satisfactory performance, but some problems still remain with the low-speed shutter side.

その最大原因は、暗電流にあり、特に低照度撮
影において著しく画質を劣化させる要因となつて
いた。この暗電流は、強い温度依存性を持ち、低
温程小さくなる。そこで、撮像素子自体を冷却
し、暗電流を減少させる方法も考えられる。この
場合、冷却手段としてペルチエ効果を利用するこ
ととなるが、大電流を必要とし、消費電力が増大
し、しかも冷却されるまでの時定数や、結露等小
型のカメラに組み込むには多くの欠点がある。
The main cause of this is dark current, which is a factor that significantly degrades image quality, especially in low-light photography. This dark current has a strong temperature dependence, and becomes smaller as the temperature decreases. Therefore, a method of cooling the image sensor itself to reduce the dark current may also be considered. In this case, the Peltier effect is used as a cooling method, but it requires a large current, increases power consumption, and has many disadvantages such as the time constant until cooling and dew condensation, etc., when incorporating it into a small camera. There is.

また、露光中或いは露光完了直前に転送領域に
発生した暗電流電荷を外部に排出することも考え
られたが、このようにしても受光領域に発生する
暗電流の対策とはなつていなかつた。
It has also been considered to discharge the dark current charges generated in the transfer area during exposure or just before the completion of exposure to the outside, but even this has not been a measure against the dark current generated in the light receiving area.

上記の撮像素子を冷却する以外に、暗電流を補
償する手段として、各水平走査線の一部に相当す
る受光領域を光遮蔽し、信号電荷を外部に読み出
した後、光遮蔽された部分の暗電流レベルを基準
レベルにクランプすることで、暗電流成分を除去
することも通常ビデオカメラでは行なわれてきた
が、この場合には、電子スチルカメラで必要とさ
れる程の長時間になると、暗電流が大きくなりダ
イナミツクレンジを狭くしてしまう他、受光領域
のみならず、転送領域の暗電流も加算して読み出
しているため正確には暗電流成分を除去できない
という欠点を持つていた。
In addition to cooling the image sensor described above, as a means of compensating for dark current, the light-receiving area corresponding to a part of each horizontal scanning line is shielded from light, and after reading out the signal charge to the outside, the light-shielded portion is It has been common practice in video cameras to remove dark current components by clamping the dark current level to a reference level, but in this case, for long periods of time required for electronic still cameras, In addition to increasing the dark current and narrowing the dynamic range, it also has the disadvantage that the dark current component cannot be accurately removed because the dark current of not only the light-receiving area but also the transfer area is added and read.

ここにおいて、本発明の目的は、これら従来の
欠点を解決し、長時間露光の際の暗電流による信
号劣化を防止し、スローシヤツター機能を可能に
する電子スチルカメラに用いて有効な撮像装置を
提供しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve these conventional drawbacks, prevent signal deterioration due to dark current during long exposure, and provide an effective imaging device for use in electronic still cameras that enables a slow shutter function. This is what we are trying to provide.

本発明に係る装置は、電子的なシヤツター機能
を有する2次元固体撮像素子の同一基板上に、長
時間露光の際、フオトダイオードに蓄積される不
要電荷分を検出する検出手段を設けた点にひとつ
の特徴がある。
The apparatus according to the present invention has a detection means for detecting unnecessary charges accumulated in a photodiode during long exposure on the same substrate of a two-dimensional solid-state image sensor having an electronic shutter function. There is one characteristic.

第1図は本発明に係る固体撮像素子の一例を示
す全体概念図、第2図は第1図における−断
面図、第3図は第1図における−断面図であ
る。
FIG. 1 is an overall conceptual diagram showing an example of a solid-state imaging device according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken from FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken from FIG. 1.

これらの図において、H.BCCDは転送クロツ
クφH1,φH2が印加されている水平転送レジスタ、
V.BCCDは転送クロツクφV1,φV2,φV3,φV4(第
2図、第3図ではこれらを総括してφVと示す)
が印加されている垂直転送レジスタである。1は
不要電荷排出のためのオーバーフロードレイン
(OFD)、2は受光用のPN接合フオトダイオード
で、マトリツクス状に複数個配列している。3は
OFD1とフオトダイオード2との間に形成され
たオーバーフローコントロールゲート(OFCG)
で、フオトダイオード2に蓄積された電荷の
OFD1への排出を制御する。V.BCCDはN型領
域の埋め込みチヤンネル4と、転送クロツクφV
が印加される電極5で形成されており、信号電荷
を紙面垂直方向(第2図の場合)に転送(垂直転
送)する。6はフオトダイオード2とV.BCCDと
の間に形成されたトランスフアーゲートで、フオ
トダイオード2からV.BCCD側への信号電荷の転
送を、ここに印加される所要電圧TGによつて行
なう。7はV.BCCDに隣接する次の垂直ラインを
担当するOFD1とV.BCCDの埋め込みチヤンネ
ル4との間に形成したクリアゲートで、ここに印
加される信号CG1によつて、埋め込みチヤンネル
4からOFD1を介してV.BCCDの電荷を素子外
部に排出できるようになつている。9は遮光部材
で、ここではフオトダイオード2の領域を除くす
べての領域を覆つているが、基本的には埋め込み
チヤンネル4と電極5で形成されるV.BCCDの領
域のみを覆つていればよい。
In these figures, H.BCCD is the horizontal transfer register to which transfer clocks φ H1 and φ H2 are applied,
V.BCCD is the transfer clock φ V1 , φ V2 , φ V3 , φ V4 (these are collectively indicated as φ V in Figures 2 and 3)
is applied to the vertical transfer register. 1 is an overflow drain (OFD) for discharging unnecessary charges, and 2 is a PN junction photodiode for receiving light, which are arranged in a matrix. 3 is
Overflow control gate (OFCG) formed between OFD1 and photodiode 2
Then, the charge accumulated in photodiode 2 is
Controls emissions to OFD1. V.BCCD is the buried channel 4 in the N-type region and the transfer clock φ V
The signal charge is transferred (vertical transfer) in the direction perpendicular to the plane of the paper (in the case of FIG. 2). A transfer gate 6 is formed between the photodiode 2 and V.BCCD, and transfers signal charges from the photodiode 2 to the V.BCCD side by applying a required voltage TG here. 7 is a clear gate formed between OFD 1 , which is in charge of the next vertical line adjacent to V.BCCD, and buried channel 4 of V.BCCD. The charge of V.BCCD can be discharged to the outside of the element via OFD1. Reference numeral 9 denotes a light shielding member, which covers all areas except the photodiode 2 area, but basically, if it covers only the V.BCCD area formed by the buried channel 4 and the electrode 5. good.

第1図において、破線で囲んだ領域21(この
領域の断面図を第3図に示す)は、暗電流検出領
域を構成しており、それ以外の領域と同一の基板
上に形成され、両領域は温度平衝状態にあり、そ
の構造は、前記領域21の上部全面が遮光部材1
9で覆われている以外は第2図に示す断面図と
ほゞ同じである。すなわち、11はOFD1、12
はフオトダイオード、13はOFCG、14はV.
BCCDの埋め込みチヤンネル領域、15はV.
BCCDの転送電極、166はトランスフアーゲー
ト、17はV.BCCDの電荷をCFD218に排出す
るためのクリアゲートである。
In FIG. 1, a region 21 surrounded by a broken line (a cross-sectional view of this region is shown in FIG. 3) constitutes a dark current detection region, and is formed on the same substrate as the other regions. The region is in a temperature equilibrium state, and its structure is such that the entire upper surface of the region 21 is covered with the light shielding member 1.
The cross-sectional view is substantially the same as the cross-sectional view shown in FIG. 2 except that it is covered with 9. That is, 11 is OFD 1 , 12
is a photodiode, 13 is OFCG, 14 is V.
BCCD embedded channel area, 15 is V.
The transfer electrode of BCCD, 166 is a transfer gate, and 17 is a clear gate for discharging the charge of V.BCCD to CFD 2 18.

このように構成された装置は、各V.BCCDに対
してクリアゲート7が設けられ、全てのV.BCCD
より一括して電荷をOFD1及びリード線23側
に排出できる点と、暗電流検出領域21におい
て、V.BCCD電荷を排出するOFD2が、他の領域
のOFD1と別に分けて、リード線22を介して
外部に取り出されるように構成されている点が従
来のインターライン転送CCDと異なつている。
In the device configured in this way, a clear gate 7 is provided for each V.BCCD, and a clear gate 7 is provided for each V.BCCD.
In addition, in the dark current detection area 21, the OFD 2 that discharges V.BCCD charges can be separated from the OFD 1 in other areas, and the lead wire 22 can be discharged in a more bulk manner. It differs from conventional interline transfer CCDs in that it is configured to be taken out to the outside via the CCD.

第4図は第1図で示した本発明に係る固体撮像
素子を電子スチルカメラの撮像装置に使用する場
合の周辺回路の一例を示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of a peripheral circuit when the solid-state imaging device according to the present invention shown in FIG. 1 is used in an imaging device for an electronic still camera.

この図において、28は第1図で示した固体撮
像素子(以下単にCCDという)で、各符号は第
1図において各端子に付された符号と対応してい
る。出力回路のリセツトドレインRD、出力ドレ
インOD、出力ゲートOGには、各々適当な直流
電圧VRD,VOD,VOGが印加されている。29〜3
5はそれぞれクロツクドライバーで、アナログス
イツチ36〜43からの出力電圧を電流増巾し、
CCD28の各端子CG1,CG2,OFCG,RG,φH
φV及びTGに印加する。アナログスイツチ36〜
43がオフの時は、0電圧がCCD28の各端子
には印加される。
In this figure, 28 is the solid-state imaging device (hereinafter simply referred to as CCD) shown in FIG. 1, and each symbol corresponds to the symbol assigned to each terminal in FIG. Appropriate DC voltages V RD , V OD , and V OG are applied to the reset drain RD, output drain OD , and output gate OG of the output circuit, respectively. 29-3
5 are clock drivers, respectively, which amplify the output voltages from the analog switches 36 to 43;
Each terminal of CCD28 CG 1 , CG 2 , OFCG, RG, φ H ,
Apply to φ V and TG. Analog switch 36~
43 is off, zero voltage is applied to each terminal of the CCD 28.

ここで、水平転送レジスタH.BCCDの転送ク
ロツクφH1,φH2はまとめてφHで、また、垂直転送
レジスタV.BCCDの転送クロツクφV1,φV2,φV3
φV4はまとめてφVとしてある。従つて、クロツク
ドライバ33、アナログスイツチ41は実際には
それぞれ2個存在し、また、クロツクドライバ3
4、アナログスイツチ42は、実際にはそれぞれ
4個存在する。
Here, the transfer clocks φ H1 , φ H2 of the horizontal transfer register H.BCCD are collectively φ H , and the transfer clocks φ V1 , φ V2 , φ V3 ,
φ V4 is collectively referred to as φ V. Therefore, there are actually two clock drivers 33 and two analog switches 41, and two clock drivers 33 and two analog switches 41 exist.
4. There are actually four analog switches 42.

44はタイミングパルス発生回路で、CCD2
8を駆動するに必要なパルス群φCG1,φCG2
φOFCG1,φOFCG2,φRG,φH1,φH2,φV1,φV2,φ
V3
φV4,φTG及び暗電流補償を行なう回路に供給する
パルス群φX,φSの他、CCD28から出力される
映像信号処理に必要な周期信号φSYNC、クランプ
パルスφCP、記録に際しての有効信号領域を示す
ゲート信号φRECG等を出力する。
44 is a timing pulse generation circuit, CCD2
Pulse groups φ CG1 , φ CG2 , necessary to drive 8
φ OFCG1 , φ OFCG2 , φ RG , φ H1 , φ H2 , φ V1 , φ V2 , φ
V3 ,
In addition to φ V4 , φ TG and the pulse group φ Outputs a gate signal φ RECG , etc. indicating a signal area.

45はシヤツタータイム演算回路で、タイミン
グパルス発生回路44に対してタイミング信号と
して、露光開始指示パルスφST、露光完了パルス
φEDを与えている。ここで露光開始パルスφSTART
は図示してないカメラシヤツター釦の押下により
与えられ、また、露光完了パルスφEDは、絞り値
検出抵抗46等の撮影条件情報に基づき、図示し
てない光学系に設けられた測光用フオトダイオー
ド47による測光素子出力から演算して得られた
シヤツタータイムの後に発生する。なお、ここで
は測光用フオトダイオード47を設けたが、測光
はCCD28自体により測光してもよい。この場
合、第2図においてOFCG3に高電圧を印加し、
全てのフオトダイオード2からの出力電流を検出
することによつて、全面平均測光が行なえる。
Reference numeral 45 denotes a shutter time calculation circuit which supplies an exposure start instruction pulse φ ST and an exposure completion pulse φ ED as timing signals to the timing pulse generation circuit 44 . Here the exposure start pulse φ START
is given by pressing the camera shutter button (not shown), and the exposure completion pulse φED is given by the photometry photo provided in the optical system (not shown) based on the shooting condition information such as the aperture value detection resistor 46. This occurs after the shutter time calculated from the photometric element output by the diode 47. Although the photodiode 47 for photometry is provided here, photometry may be performed using the CCD 28 itself. In this case, in Fig. 2, apply a high voltage to OFCG3,
By detecting the output currents from all photodiodes 2, average photometry over the entire surface can be performed.

48,49,50,51はいずれも演算増巾
器、53はサンプルアンドホールド回路で、スイ
ツチ素子54、コンデンサ55及び高入力インピ
ーダンス増巾器56で構成されている。これらの
演算回路及びサンプルアンドホールド回路は、
CCD28の内部で暗電流補償を行なうための回
路を構成している。
48, 49, 50, and 51 are all operational amplifiers, and 53 is a sample-and-hold circuit, which is composed of a switch element 54, a capacitor 55, and a high input impedance amplifier 56. These arithmetic circuits and sample-and-hold circuits are
A circuit for performing dark current compensation is configured inside the CCD 28.

第1段の演算増巾器48は、CCD28の光遮
蔽された領域21(第1図参照)のV.BCCDに沿
つて設けられたOFD18に対し、バイアス電圧
VOFDを印加するとともに、OFD18に流入する
電流IDを検出し、これを電圧に変換するための
回路であり、その出力端に、(1)式に示すような電
圧e0を出力する。
The first stage operational amplifier 48 applies a bias voltage to the OFD 18 provided along the V.BCCD of the light-shielded area 21 of the CCD 28 (see FIG. 1).
This is a circuit that applies V OFD , detects the current ID flowing into the OFD 18, and converts it into a voltage, and outputs a voltage e 0 as shown in equation (1) at its output terminal.

e0=VOFD+R0・Id ……(1) たゞしR0は演算増巾器48の帰還抵抗(電流
検出抵抗)の値すなわち、CCD28の暗電流電
荷が蓄積されている時、パルスφCGをもつてアナ
ログスイツチ37をオンとし、電圧VCGを印加す
れば、領域21のV.BCCDの暗電流電荷が全て同
時に排出され、OFD2には暗電流Idが流れて、演
算増巾器48の出力端には(1)式で示すような電圧
e0を得ることができる。
e 0 = V OFD + R 0 · Id ...(1) R 0 is the value of the feedback resistor (current detection resistor) of the operational amplifier 48, that is, when the dark current charge of the CCD 28 is accumulated, the pulse When analog switch 37 is turned on with φ CG and voltage V CG is applied, all dark current charges of V.BCCD in region 21 are discharged at the same time, dark current Id flows through OFD 2 , and arithmetic amplification is performed. At the output terminal of the device 48, there is a voltage as shown in equation (1).
You can get e 0 .

演算増巾器49は、演算増巾器48の出力電圧
e0の中のバイアス電圧VOFDを減算し、その出力端
に電流Idに比例した出力電圧−(R2/R1)・R0
Idを得る減算回路を構成している。
The operational amplifier 49 uses the output voltage of the operational amplifier 48.
The bias voltage V OFD in e 0 is subtracted, and the output voltage proportional to the current Id is applied to the output terminal - (R 2 /R 1 )・R 0
It constitutes a subtraction circuit that obtains Id.

本発明のひとつの狙いは、この暗電流比例出力
電圧をもつて、本来の例えば高速シヤツター時に
トランスフアーゲートTGに印加すべき電圧VTG
を変更することにあり、暗電流が増加する程、
VTGから大きな電圧を減算し、この減算結果とな
る電圧VTG′を用いてフオトダイオードからV.
BCCDへの信号電荷の転送を制御するよう構成し
ている。2つの演算増巾器50,51がこのため
の減算回路を構成する。演算増巾器51が出力端
には(2)式に示すような電圧e01が得られ、抵抗R4
を変化させることでIdの係数を変化させ、トラン
スフアーゲート電圧への効果を調整する。
One aim of the present invention is to use this dark current proportional output voltage to reduce the voltage V TG that should be applied to the transfer gate TG during high-speed shutter, for example.
The purpose is to change the dark current, and as the dark current increases,
Subtract a large voltage from V TG and use the resulting voltage V TG ′ to convert V from the photodiode.
It is configured to control the transfer of signal charges to the BCCD. Two operational amplifiers 50 and 51 constitute a subtraction circuit for this purpose. At the output terminal of the operational amplifier 51, a voltage e 01 as shown in equation (2) is obtained, and the resistor R 4
By changing , the coefficient of Id is changed and the effect on the transfer gate voltage is adjusted.

e01=VTG−R2・R3・R0/R1・R4・Id ……(2) なお、この実施例では、線型の素子を用いた場
合であるが、トランスフアーゲート電圧VTG′に
よるフオトダイオードとV.BCCD間のポテンシヤ
ル変化は非線型であり、これは抵抗R4の代りに
非線型素子を用いることによつて解決される。さ
らに電流検出抵抗R0をダイオードを含む非線型
回路で置換し、対数圧縮を行なうこともできる。
e 01 =V TG −R 2・R 3・R 0 /R 1・R 4・Id ...(2) In this example, a linear element is used, but the transfer gate voltage V The potential change between the photodiode and V.BCCD due to TG ' is nonlinear, and this is solved by using a nonlinear element in place of resistor R4 . Furthermore, logarithmic compression can be performed by replacing the current detection resistor R 0 with a nonlinear circuit including a diode.

サンプルアンドホールド回路53は、φCGによ
る電流検出のタイミングとφTGによる電荷転送の
タイミングとの時間的な遅れに対応するために設
けられている。この実施例では、また、オーバー
フローコントロールゲートOFCGには、2つの電
圧VOFCG1,VOFCG2を選択して用いるように構成さ
れており、φOFCG1かφOFCG2のいずれかをオンさせ
てこれを実現している。
The sample-and-hold circuit 53 is provided to cope with a time delay between the timing of current detection by φ CG and the timing of charge transfer by φ TG . In this embodiment, the overflow control gate OFCG is configured to select and use two voltages V OFCG1 and V OFCG2 , and this is achieved by turning on either φ OFCG1 or φ OFCG2 . ing.

2つの電圧には、VOFCG2>VOFCG1の関係があり、
通常の露光状態においては、VOFCG1がOFCGに印
加されるようにし、この場合、ブルーミング状態
になりフオトダイオードから電荷があふれた時、
これを隣接するOFD1に排出できる。また、
VOFCG2がOFCGに印加された場合には、フオトダ
イオードとOFD1との境界ポテンシヤルは充分低
くなり、フオトダイオードに存在する基準ポテン
シヤル以上の電荷は全てOFD1に排出される。
There is a relationship between the two voltages: V OFCG2 > V OFCG1 ,
In the normal exposure state, V OFCG1 is applied to OFCG, and in this case, when the blooming state occurs and the charge overflows from the photodiode,
This can be discharged to the adjacent OFD 1 . Also,
When V OFCG2 is applied to OFCG, the boundary potential between the photodiode and OFD 1 becomes sufficiently low that any charge present in the photodiode above the reference potential is drained to OFD 1 .

以下、第5図の波形図を参照しながら第4図回
路の動作を次に説明する。
The operation of the circuit shown in FIG. 4 will be described below with reference to the waveform diagram shown in FIG.

第5図aに示すように、撮影開始に当つて、露
光開始パルスφSTARTが時刻t=t0においてシヤツ
ター釦押下により発生すると、シヤツタータイム
演算回路45では、タイミング制御回路44より
与えられる第5図bに示す垂直同期信号V.Dに同
期して測光を開始するとともに、タイミング制御
回路44に対する露光開始指示パルスφSTを第5
図cの如く発生する。該パルスφSTを受けたタイ
ミング制御回路44では、φSTに同期して第5図
e,fで示すようにφOFCG2を“H”(High)レベ
ル、φOFCG1を“L”(Low)レベルとして、フオ
トダイオードから電荷をOFDに排出するととも
に、第5図g,hに示した2つのクリアゲート
φCG1,φCG2を“H”レベルとして、V.BCCDに存
在した電荷もOFD1及びOFD2に排出する。以上
の動作は、単一パルスの印加で済むため10μsec程
度の短時間で完了する。
As shown in FIG. 5a, when the exposure start pulse φ START is generated by pressing the shutter button at time t= t0 , the shutter time calculation circuit 45 starts the exposure start pulse φ START given by the timing control circuit 44. Photometry is started in synchronization with the vertical synchronization signal VD shown in FIG. 5b, and the exposure start instruction pulse φST to the timing control circuit 44 is
This occurs as shown in Figure c. The timing control circuit 44 that receives the pulse φ ST sets φ OFCG2 to “H” (High) level and φ OFCG1 to “L” (Low) level in synchronization with φ ST , as shown in FIG. 5 e and f. As a result, the charges existing in V.BCCD are discharged from the photodiode to OFD, and the two clear gates φ CG1 and φ CG2 shown in FIG. Discharge to 2 . The above operation can be completed in a short time of about 10 μsec because only a single pulse is applied.

ここでは、CCD28をビデオカメラにも用い
ることもできるものとして説明するとともに、静
止画撮影の場合にも映像信号の読出しはTVにお
けるフイールド画像であるとする。
Here, the CCD 28 will be explained as being able to be used also as a video camera, and even in the case of still image shooting, the video signal is read out as a field image on a TV.

第5図bに示した垂直同期信号V.Dは、1/60秒
周期で連続的に発生しており、時刻t=t1での露
光開始より次の垂直同期信号V.Dまでの1/60秒以
内に露光が完了する場合には、暗電流による影響
は小さく、通常の光遮蔽された部分についてのク
ランプ処理により実用上何ら問題は生じない。
The vertical synchronization signal VD shown in Figure 5b is generated continuously at a 1/60 second period, and is within 1/60 seconds from the start of exposure at time t= t1 to the next vertical synchronization signal VD. When the exposure is completed in , the influence of the dark current is small and no practical problem arises due to normal clamping of the light-shielded portion.

第5図には、そのような高速シヤツター動作と
は異なり、シヤツタータイムが1/60秒を超える場
合、すなわち、露光が1/60秒を超えても終らず、
第5図dに示した露光完了信号φEDが、シヤツタ
ータイム演算回路45から1/60秒の期間巾で発生
しない場合が示されている。このような場合に
は、第5図iにφXで示したパルスが“L”レベ
ルに時刻t=t2で垂直同期信号VDに同期して変
化し、電子カメラは暗電流補償モードに移行す
る。
Figure 5 shows that unlike such high-speed shutter operation, when the shutter time exceeds 1/60 seconds, that is, the exposure does not end even if it exceeds 1/60 seconds.
A case is shown in which the exposure completion signal φED shown in FIG. 5d is not generated from the shutter time calculation circuit 45 within a period width of 1/60 second. In such a case, the pulse indicated by φ do.

このパルスφXは、第4図回路において、アナ
ログスイツチ57のオン、オフを制御しており、
φXが“H”レベルならばアナログスイツチ57
はオンとなり、トランスフアーゲートTGに印加
されるべき第5図hに示した電圧V′TGは、V′TG
VTGとなり、フオトダイオード2からV.BCCDに
は完全転送が実現される。一方、φXが“L”レ
ベルならば、アナログスイツチ57はオフとな
り、VTG′はサンプルアンドホールド回路53が
サンプルモードにある時、OFD2に流れ込む暗電
流Idに応じてVTGより低い電圧となる。
This pulse φX controls the on/off of the analog switch 57 in the circuit shown in FIG.
If φX is “H” level, analog switch 57
is turned on, and the voltage V' TG shown in FIG. 5h to be applied to the transfer gate TG becomes V' TG =
V.TG , and complete transfer from photodiode 2 to V.BCCD is achieved. On the other hand, if φ becomes.

次に、時刻t=t3からt=t5に至る付近での動
作説明を行なう。暗電流補償モードに移行した
後、予め設定された時間(例えばV.Dの4周期1/
15秒)経過しても、露光完了信号φEDが発生しな
い場合には、その時刻t=t3において、2つのク
リアゲートC G1,C G2に対し、φCG1,φCG2
パルスを発生させて電圧VCGを印加し、V.BCCD
の全てから、暗電流電荷を排出する。このうち、
OFD2より排出された電荷は、パルス電流とな
り、第4図におけるサンプルアンドホールド回路
53の入力に第5図hの時刻t=t3からt=t4
至るVTG′の電圧変化を生み出す。この電圧変化
をサンプルアンドホールド回路53で記憶保持す
るため、パルスφSをt=t4において“L”レベル
とする。なお、このサンプルアンドホールド回路
53は、ピークホールド回路で置換してもよい。
Next, the operation in the vicinity from time t= t3 to t= t5 will be explained. After transitioning to dark current compensation mode, a preset time (for example, 4 cycles of VD 1/
If the exposure completion signal φ ED is not generated even after 15 seconds) have elapsed, at that time t= t3 , pulses φ CG1 and φ CG2 are applied to the two clear gates CG 1 and CG 2 . Generate and apply voltage V CG , V.BCCD
Dark current charges are discharged from all of the this house,
The charge discharged from the OFD 2 becomes a pulse current, which produces a voltage change in V TG ' from time t= t3 to t= t4 in FIG. 5h at the input of the sample-and-hold circuit 53 in FIG. . In order to store and hold this voltage change in the sample-and-hold circuit 53, the pulse φ S is set to the "L" level at t= t4 . Note that this sample-and-hold circuit 53 may be replaced with a peak-hold circuit.

この保持された電圧VTG′は、電圧VTGよりも低
く、従つて、フオトダイオード2からV.BCCDへ
の不完全転送をもたらすこととなり、電圧V′TG
保持されている間で時刻t=t4からt=t5の間
に、トランスフアーゲートTGにこの電圧を第5
図lに示すパルスφTGをもつて転送すれば、フオ
トダイオード2に発生した暗電流電荷を信号電荷
の総和の中から、信号電荷のみをV.BCCDに転送
することが可能となる。この際には、VTG′がId
に応じて適切な電圧レベルとなるように調整す
る。ここで光遮蔽された領域21のV.BCCDに発
生する暗電流と、受光領域のフオトダイオード2
に発生する暗電流との間には一定の関係があるも
のとする。
This held voltage V TG ' is lower than the voltage V TG and therefore results in an incomplete transfer from photodiode 2 to V.BCCD, and while the voltage V' TG is held, the time t Between = t 4 and t = t 5 , this voltage is applied to the transfer gate TG.
If the signal is transferred using the pulse φTG shown in FIG. 1, it becomes possible to transfer only the signal charge from the total signal charge of the dark current charge generated in the photodiode 2 to V.BCCD. In this case, V TG ′ is Id
Adjust the voltage level accordingly. Here, the dark current generated in the V.BCCD of the light-shielded area 21 and the photodiode 2 of the light-receiving area
It is assumed that there is a certain relationship between the dark current and the dark current generated.

この結果、光遮蔽されていないフオトダイオー
ド2に隣接するV.BCCDには、t=t1からt=t4
までの期間にフオトダイオードに発生した信号電
荷のみを移すことができる。この場合、若干の暗
電流電荷も信号電荷とともにV.BCCDに転送され
るよう調整するのが現実的であり、この電荷はバ
イアス電荷として働いて信号電荷が微小な部分で
の信号電荷取りこぼしを低減させる効果を持つ。
また、この若干の暗電流電荷は、暗電流検出領域
21内のV.BCCDに対しても、全く同様に転送さ
れるので、CCD28外に読み出す際のクランプ
処理により除去が可能なものである。
As a result, V.BCCD adjacent to photodiode 2 which is not light-shielded has a range from t=t 1 to t=t 4
Only the signal charge generated in the photodiode during the period up to this point can be transferred. In this case, it is practical to adjust so that some dark current charge is also transferred to V.BCCD along with the signal charge, and this charge acts as a bias charge to reduce signal charge loss in areas where the signal charge is minute. It has the effect of
Furthermore, this slight amount of dark current charge is transferred to V.BCCD within the dark current detection region 21 in exactly the same way, so it can be removed by clamp processing when reading out from the CCD 28.

フオトダイオード2から信号電荷がV.BCCDに
転送され、残つた暗電流電荷は、時刻t=t5にお
いて再び、第5図e,fに示すφOFCG2,φOFCG1
変化させ、OFCGに電圧VOFCG2を印加してOFD1
に排出する。
The signal charge is transferred from the photodiode 2 to V.BCCD, and the remaining dark current charge changes φ OFCG2 and φ OFCG1 shown in FIG. Apply OFCG2 to OFD 1
to be discharged.

この後、フオトダイオードは再び受光電荷蓄積
を開始する。また、上述の動作に要する時間は、
それまでの時刻t=t1に始まりt=t3に至る露光
時間に比較し、十分短かく、露光時間誤差は実用
上無視できる。
After this, the photodiode starts accumulating light-receiving charges again. Also, the time required for the above operation is
This is sufficiently short compared to the previous exposure time starting from time t= t1 and ending at time t= t3 , and the exposure time error can be practically ignored.

第5図のタイミングチヤートで、t=t6からt
=t8に至る動作も、t=t3からt=t5に至る動作
と殆んど同じである。
In the timing chart in Figure 5, t = t 6 to t
The operation from t=t 8 to t=t 8 is almost the same as the operation from t=t 3 to t=t 5 .

なお、この場合、受光フオトダイオード2に隣
接するV.BCCDには、既にt=t4において信号電
荷が転送されているため、もはやこのV.BCCDか
ら電荷を排出することはできず、従つて、φCG1
変化させず、単にφCG2のみにパルスを印加し、フ
オトダイオードよりV.BCCDに信号電荷を転送す
ることとなる。時刻t=t5より時刻t=t6までの
期間にV.BCCDに発生した暗電流電荷は、もはや
CCD28内部では除去不可能であり、これが、
この実施例における長時間露光における制約条件
の1つとなる。すなわち、V.BCCDの暗電流が、
最大露光可能時間を決める。
In this case, since the signal charge has already been transferred to the V.BCCD adjacent to the light-receiving photodiode 2 at t= t4 , it is no longer possible to discharge the charge from this V.BCCD. , φ CG1 is not changed, a pulse is simply applied to φ CG2 only, and the signal charge is transferred from the photodiode to V.BCCD. The dark current charge generated in V.BCCD during the period from time t = t 5 to time t = t 6 is no longer
It cannot be removed inside the CCD28, and this
This is one of the constraints on long-time exposure in this embodiment. In other words, the dark current of V.BCCD is
Determine the maximum possible exposure time.

以後、更に露光が続く場合には、適当な時間間
隔で、t=t6からt=t8に至るプロセスが繰り返
されることとなる。なお、この場合、V.BCCDの
みの暗電流電荷が除去できないため、その対策と
しては、例えば光遮蔽されたフオトダイオード1
2とV.BCCDの組を複数列設け、その一部は他の
受光可能な組と同じ動作をさせてV.BCCDへ蓄積
される暗電流分を保持させておき、他を暗電流検
出に用いるようにして、前記一部に保持させてお
いた出力を利用して外部でクランプ処理を行なえ
ば、V.BCCDの暗電流補償ができる。
If the exposure continues thereafter, the process from t=t 6 to t=t 8 will be repeated at appropriate time intervals. Note that in this case, the dark current charge of V.BCCD alone cannot be removed, so as a countermeasure, for example, use a light-shielded photodiode 1.
2 and V.BCCD are provided in multiple rows, some of them operate in the same way as other light-receiving groups to hold the dark current accumulated in V.BCCD, and the others are used for dark current detection. By performing clamp processing externally using the partially held output, the dark current compensation of V.BCCD can be achieved.

最後にある時刻、第5図t=t9において、露光
完了パルスφEDが発生した後の動作について説明
する。
Finally, the operation after the exposure completion pulse φED is generated at a certain time, t= t9 in FIG. 5, will be described.

第5図dに示すように、t=t9において発生し
た露光完了パルスφEDは、タイミング制御回路4
4に与えられ、このタイミング制御回路44は直
ちに暗電流検出領域21のクリアゲートCG2に電
圧VCGをパルスφCG2により印加し、それによる
V′TGの変化を前記と同様にサンプル、ホールド
し、t=t10においてトランスフアーゲートパル
スφTGを発生させて信号電荷のみをV.BCCDに転
送する。t=t1に始まる露光の中で、複数回に分
割され、積算されたV.BCCDの電荷は引続く垂直
同期信号V.Dに同期して、t=t11より読み出され
る。
As shown in FIG. 5d, the exposure completion pulse φED generated at t= t9 is the timing control circuit 4
4, this timing control circuit 44 immediately applies a voltage V CG to the clear gate CG 2 of the dark current detection region 21 by a pulse φ CG2 , and thereby
The change in V' TG is sampled and held in the same manner as described above, and at t=t 10 a transfer gate pulse φ TG is generated to transfer only the signal charge to V.BCCD. During the exposure starting at t= t1 , the charges of V.BCCD which are divided into multiple times and integrated are read out from t= t11 in synchronization with the subsequent vertical synchronization signal VD.

この場合、外部の電気的或いは、磁気的記録媒
体へのゲート信号φRECGが、第5図mに示すよう
にt=t1からt=t12の間“H”レベルとなつて出
力される。それと同時に、暗電流電荷を蓄積した
V.BCCDの位置に対応するクランプパルスφCPも、
各水平走査線毎に出力され、CCD28外部での
最終的な暗電流補償に用いられる。
In this case, the gate signal φ RECG to the external electrical or magnetic recording medium is output at "H" level from t= t1 to t= t12 as shown in FIG. 5m. . At the same time, dark current charges were accumulated
The clamp pulse φ CP corresponding to the position of V.BCCD is also
It is output for each horizontal scanning line and used for final dark current compensation outside the CCD 28.

なお、上記の実施例において、CCD28内に
設けた暗電流検出のための領域21の構成は、第
3図の断面図で示すものに限定されず、他の構成
であつてもよい。
In the above embodiment, the configuration of the area 21 for detecting dark current provided in the CCD 28 is not limited to that shown in the cross-sectional view of FIG. 3, and may have another configuration.

以上説明したように、本発明によれば、撮像素
子より信号電荷を読み出す以前の段階において、
撮像素子の内部で暗電流電荷を排除し、且つ同一
フオトダイオードから信号電荷のみを同一転送チ
ヤンネルに複数回に分割して転送することを可能
にしたもので、極めて長時間の露光を行なつた場
合でもS/Nの良い静止画像を得ることができ
る。
As explained above, according to the present invention, at a stage before reading signal charges from an image sensor,
This eliminates dark current charges inside the image sensor and makes it possible to divide and transfer only the signal charge from the same photodiode to the same transfer channel multiple times, allowing extremely long exposure times. Still images with good S/N ratio can be obtained even in the case of

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

第1図は本発明に係る固体撮像素子の一例を示
す全体概念図、第2図は第1図における−断
面図、第3図は第1図における−断面図、第
4図は本発明に係る撮像装置の周辺回路の一例を
示す接続図、第5図はその動作を説明するための
動作波形図である。 1……オーバーフロードレイン(OFD)、2…
…受光用フオトダイオード、3……オーバーフロ
ーコントロールゲート(OFCG)、6……トラン
スフアーゲート、7……クリアゲート、21……
暗電流検出領域、H.BCCD……水平転送レジス
タ、V.BCCD……垂直転送レジスタ、4……埋め
込みチヤンネル、5……電極。
FIG. 1 is an overall conceptual diagram showing an example of a solid-state image sensor according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view in FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view in FIG. 1, and FIG. A connection diagram showing an example of the peripheral circuit of such an imaging device, and FIG. 5 is an operation waveform diagram for explaining its operation. 1... Overflow drain (OFD), 2...
... Photodiode for light reception, 3 ... Overflow control gate (OFCG), 6 ... Transfer gate, 7 ... Clear gate, 21 ...
Dark current detection area, H.BCCD...horizontal transfer register, V.BCCD...vertical transfer register, 4...embedded channel, 5...electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 入射光強度に応じて信号電荷を発生、蓄積す
る受光領域と、この受光領域の一方側に並設され
た不要電荷排出領域と、前記受光領域の他方側に
並設された信号電荷転送領域とを有し、前記受光
領域から前記不要電荷排出領域への不要電荷排出
と受光領域から転送領域への信号電荷転送とを任
意の時刻に行なうことができるようにした2次元
固体撮像素子を用いた撮像装置において、 前記受光領域から前記転送領域への転送電荷量
を制御することが可能な転送手段と、暗電流電荷
検出手段とを前記2次元固体撮像素子上に設け、
前記暗電流電荷検出手段によつて前記転送手段を
制御するようにしたことを特徴とする撮像装置。 2 暗電流検出手段は、光遮蔽された受光領域
と、光遮蔽された信号電荷転送領域と、暗電流検
出用オーバーフロードレインとを含んで構成され
る特許請求の範囲第1項記載の撮像装置。 3 撮影露光に先だちそれまでに受光領域及び転
送領域に存在した電荷を一括して装置外部に排出
した後露光を開始し、適正露光時間経過後に暗電
流検出電流の転送領域から暗電流電荷を排出し、
これを検出して続いて実行する受光領域から転送
領域への電荷転送量を制御するように駆動される
特許請求の範囲第2項記載の撮像装置。 4 不要電荷排出領域は、受光領域及び信号電荷
転送領域にそれぞれゲートを介して隣接し、前記
受光領域及び前記信号電荷転送領域の両方より不
要電荷を排出可能としたことを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の撮像装置。 5 露光が長時間にわたる時、各受光領域に発生
した信号電荷を複数回に時間分割して同一の転送
領域に転送し、該受光領域に発生する不要電荷を
各転送後に不要電荷排出領域に転送するように駆
動される特許請求の範囲第1項記載の撮像装置。
[Scope of Claims] 1. A light-receiving region that generates and accumulates signal charges according to the intensity of incident light, an unnecessary charge discharge region arranged in parallel on one side of the light-receiving region, and an unnecessary charge discharge region arranged in parallel on the other side of the light-receiving region. and a signal charge transfer region, which enables discharge of unnecessary charges from the light receiving region to the unnecessary charge discharging region and transfer of signal charges from the light receiving region to the transfer region at any time. In an imaging device using a two-dimensional solid-state image sensor, a transfer means capable of controlling the amount of charge transferred from the light receiving area to the transfer area and a dark current charge detection means are provided on the two-dimensional solid-state image sensor. ,
An imaging device characterized in that the transfer means is controlled by the dark current charge detection means. 2. The imaging device according to claim 1, wherein the dark current detection means includes a light-shielded light receiving region, a light-shielded signal charge transfer region, and a dark current detection overflow drain. 3. Prior to photographing exposure, the charges existing in the light-receiving area and the transfer area are discharged to the outside of the device all at once, and then exposure is started, and after the appropriate exposure time has elapsed, the dark current charges are discharged from the transfer area of the dark current detection current. death,
The imaging device according to claim 2, which is driven to detect this and subsequently control the amount of charge transfer from the light receiving area to the transfer area. 4. The unnecessary charge discharge region is adjacent to the light receiving region and the signal charge transfer region through gates, respectively, and unnecessary charges can be discharged from both the light receiving region and the signal charge transfer region. The imaging device according to scope 1. 5 When exposure lasts for a long time, the signal charge generated in each light-receiving area is divided into multiple times and transferred to the same transfer area, and the unnecessary charges generated in the light-receiving area are transferred to the unnecessary charge discharge area after each transfer. An imaging device according to claim 1, which is driven to do this.
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