JPH0443429B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は固体撮像デバイス、とくに電荷結合デ
バイス（CCD）を用いた電荷結合撮像デバイス
に関するものである。

背景技術 撮像デバイスは一般に、広範囲の輝度分布を有
する被写体でも、また露光量の設定を誤つても適
切な撮像が行なわれるように、ダイナミツクレン
ジが広い方が望ましい。つまり、撮像デバイスの
入出力特性における可能な動作点を広範囲にわた
つて変えることができることが好ましい。

たとえば電荷結合デバイスは通常、ダイナミツ
クレンジが他の撮像デバイスと比べて比較的低
く、高々300程度である。広いダイナミツクレン
ジを実現するには素子の出力電流の範囲を広くす
ればよいが、そのためには撮像セルの蓄積可能電
荷容量を大きくしなければならない。しかしこれ
は、撮像セルの面積、構造および印加電圧などの
制限から限界がある。

そこで一般には、固体撮像デバイスの入出力特
性にいわゆるニー（knee）特性をもたせること
によつてダイナミツクレンジの拡大が行なわれて
いる。すなわち、露光量に対する出力電流の関係
を示す曲線の勾配（すなわちγ）を高入力領域に
おいて低入力領域より小さくする高輝度圧縮を行
なつている。

たとえば、遠藤幸雄他による「CCDイメージ
センサのKnee特性制御」1978年テレビジヨン学
会全国大会論文２−12、または竹内映一他による
「縦形オーバーフロー構成CCDイメージセンサの
駆動法−その１−」テレビジヨン学会1982年全国
大会論文２−６などでは、撮像セルの光感度を経
時的に変化させ、露光時間の前半では高く、後半
では低くなるように制御する電荷結合撮像デバイ
スが提案されている。これによつて高輝度の入射
光に対して電荷蓄積が飽和するまでの時間を遅ら
せ、ニー特性を実現することができる。

目 的 本発明はダイナミツクレンジの広い電荷結合撮
像デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、撮像セルの光感度を経時的に変化さ
せるのではなく、実効的に光感度の異なる複数の
撮像セルで１つの画素を構成するという新規な技
術的思想によつてこの目的を達成するものであ
る。

発明の開示 本発明によれば、２次元画素配列における映像
信号の垂直転送路が４相のクロツクによつて駆動
されるインタライン転送型電荷結合デバイスを用
いた電荷結合撮像デバイスにおいて、各画素は第
１の撮像セル、および第１の撮像セルより実効的
に低い光感度の第２の撮像セルによつて構成さ
れ、第２の撮像セルは垂直転送路の一部を形成
し、各画素について第１および第２の撮像セルに
おける蓄積キヤリアが混合され、垂直転送路を順
次転送されることによつて映像信号が形成され
る。

実施例の説明 次に添付図面を参照して本発明による電荷結合
撮像デバイスの実施例を詳細に説明する。

第１図を参照すると、本発明による電荷結合撮
像デバイスの実施例における撮像セルの２次元配
列の一部が概念的に模式図で示され、同図におけ
る一点鎖線の矢印から見た半導体構体の１画素
分の断面端面の構成が第２図に示されている。

第２図からわかるように、たとえばｐ型シリコ
ン（Si）基板１２の主表面付近にn⁺領域１４が感
光領域として設けられ、ｐ−Si基板とともにフオ
トダイオードを形成している。感光領域１４は第
１図に示すように垂直走査方向Ｖに多数配列され
ている。

感光領域１４の左側にはn^-領域１８が形成さ
れ、これは第２図の紙面に垂直な方向、すなわち
Ｖ方向に多数配列されて画素信号の垂直（Ｖ）転
送路すなわちVCCD48をなしている。また感光領
域１４の右側にはn^-領域２０を介してn⁺⁺領域２
２が形成され、これはn⁺領域１４から溢れた電
荷を排出するためのオーバフロードレーンとして
機能する。

これらの領域が形成されている主表面の上に
は、例えば酸化シリコン（SiO₂）などからなる
絶縁層２４が形成され、MOSまたはMIS構造の
一部をなしている。

n⁺＋領域１４とVCCDのn^-領域１８との間に
は図示のように、たとえば多結晶シリコンなどか
らなる電極２８が形成されている。電極２８は後
述するように、リード６０に供給されるゲートク
ロツクφGに応動してn⁺領域１４とVCCDのn^-領
域１８の間で電荷を相互に移送するためのゲート
電極として機能する。VCCDのn^-領域１８の上に
は、たとえばやはり多結晶シリコンなどからなる
電極３０が形成され、リード６２などに印加され
る後述の転送クロツクφ１〜φ４に応動して電荷
をＶ方向に転送する転送電極をなしている。勿
論、n⁺領域１４とn^-領域１８の間には、その電
位レベルを調整するための不純物層を設けてもよ
い。

第１図に戻つて、電極３０すなわちn^-領域１
８はn⁺領域１４のほぼ半分の領域面積であり、
１つの領域１４に対して２つの領域１８が対応し
て配置されて１つの画素１０が構成されている。
この画素１０がＶ方向に複数配列されて１本の垂
直列を形成し、この垂直列がＨ方向に複数列配列
されて２次元の画素配列を形成している。前述の
ようにn^-領域１８はVCCDとして機能するので、
このような２次元配列によつてインタライン転送
型CCD撮像デバイスが形成される。

第２図からわかるように、このような構体の主
面は、たとえばアルミニウムなどの遮光層３４で
被覆されているが、n⁺領域１４の受光面４０は
実質的に全部が開口するように光学開口４２が設
けられている。これに対しn^-領域１８の受光面
は、第１図からわかるように１つおきごとにその
ほぼ中央付近が開口３８によつて部分的に開口し
ている。すなわち本実施例では、遮光層３４は領
域１４の上は受光面４０が全部開口しているのに
対し、１つおきの領域１８の上は領域１４の場合
に比較してたとえばほぼ1/10程度の開口面積の光
学的開口３８が設けられている。なお残りの領域
１８の上には全面的に遮光層３４が設けられてい
る。したがつて、n^-領域１８は画素信号の垂直
転送路として機能するのみならず、それらのうち
開口３８が設けられた一方のｎ−領域１８は感光
領域としても機能している。つまり１つの画素に
ついて、１つのn⁺領域１４と、２つあるn^-領域
１８のうちの一方とが入射光３２に対する感光領
域として機能するように構成されている。

第２図からわかるように、この１画素分の領域
１０は、p⁺領域のチヤネルバリアすなわちチヤ
ネルストツパー３６で他の隣接画素と素子分離さ
れて撮像セルアレイを構成している。つまり、こ
のような画素１０が２次元に配列され、全体とし
てインタライン転送型CCD撮像デバイスを構成
している。

第３図を参照すると、本発明の他の実施例が第
２図と同様にして示されている。第２図の実施例
と相違するところは、第２図の実施例において
n^-領域１８のうち開口３８が設けられていたも
のに対応するn^-領域１８の受光面上には、遮光
層３４が存在せず、その代りに、n^-領域１８の
受光面に到達する入射光を減光する減光フイルタ
層５０が設けられている。減光フイルタ層５０
は、可視光域を一様に減光するNDフイルタが有
利に適用される。減光フイルタ５０は、n⁺領域
１４における入射光量のたとえば約1/10の光量が
n^-領域１８に入射するような減光率のものが使
用される。なお、同図において第２図に示すのと
同様の要素は同じ参照符号で示されている。

第４Ａ図は、第１図の一点鎖線における断面
の熱平衡状態における導電帯の底のポテンシヤル
分布を第２図の撮像セル構造に対応して示すが、
エネルギーレベルは対応する領域または電極の参
照符号に１００を加算した番号示されている。な
お、第３図の構造のものでも同様のバンド構造を
有することは言うまでもない。これからわかるよ
うに、n⁺領域１４および一方のn^-領域１８には
電位の井戸１１４および１１８が形成され、両者
の間の電位障壁１２８は電極２８の印加電圧によ
つて制御することができる。また、オーバフロー
ドレーン２２とn⁺領域１４との間にはn^-領域２
０によつて電位障壁１２０が形成されており、更
にこの部分の障壁レベルは電極４０のリード６４
に供給されるクロツクφOFによつて変化し得る
ようになつている。

ところでこれらの実施例において、映像信号の
処理上１つの画素１０を形成するn⁺領域１４お
よび一方のn^-領域１８に同じ光量の入射光が照
射されると、領域１８には領域１４に比べてこれ
らの実施例では1/10の速度で光キヤリアが蓄積さ
れる。この様子は第４Ａ図からわかるように、
n⁺領域１４にはn^-領域１８の10倍の速度で光キ
ヤリアが蓄積され、これから溢れるとn^-領域２
０の電位障壁１２０を越えてキヤリアがオーバフ
ロードレーン２２に流出する。したがつて、それ
以上光が照射されて発生した光キヤリアはn^-領
域１８にn⁺領域１４の場合の1/10の速度で蓄積
されることになる。

ここで第４Ｂ図、第４Ｃ図、第５Ａ図、第５Ｂ
図および第６図を参照し、スチル撮影によつて撮
像した１フレームの画像から１フレーム２フイー
ルドの飛越し走査によつて、たとえばNTSCフオ
ーマツトなどの標準テレビジヨン方式の映像信号
を出力する場合の動作を説明する。なお第６図の
タイムチヤートからわかるように、ゲートクロツ
クφGは高レベルVHと基準レベルVLの２つのレ
ベルをとり、転送クロツクφ１〜φ４は高レベル
VH、基準レベルVLおよび逆レベルVRの３つの
レベルをとり、更にオーバフロゲートクロツク
φOFは高レベルVHと基準レベルVLの２つのレ
ベルをとりうる。

時刻ｔ１において、たとえば光学シヤツタなど
の露光手段（図示せず）を開放して所望の露出時
間だけ撮像セル１０に光を入射させると、n⁺領
域１４および一方のn^-領域１８には第４Ａ図に
示すような状態に光キヤリアが蓄積される。その
際、クロツクφ１およびφ３は第６ずに示すよう
に高レベルVHにしておく、これによつて、n⁺領
域１４および開口３８またはフイルタ５０のある
一方のn^-領域３０の電位の井戸１１４および１
１８を深く形成し、これらに光キヤリアを蓄積さ
せる。次に、所望の露出時間が経過するとシヤツ
タを閉成して入射光３２を遮断し、蓄積キヤリア
の読出し動作に移る。

まず、１フレームの奇数フイールドの映像信号
を読み出す。第４Ｂ図を参照すると、n⁺領域１
４とn^-領域１８の間のゲート電極２８に高レベ
ルVHのクロツクパルスφGを印加してその電位
を上げ、電位の井戸１１４とほぼ同電位にする。
これと同時に、第６図に示すように転送クロツク
φ１およびφ２を高レベルVHにし、他のクロツ
クφ３およびφ４は逆レベルVRにする。

第５Ａ図に示すように、たとえば画素１０Ａが
奇数フイールドに含まれ、画素１０Ｂが偶数フイ
ールドに含まれるとする。前述の時刻ｔ２のクロ
ツク印加状態では、画素１０Ａにおいて開口３８
またはフイルタ５０のある一方のn^-領域１８に
深い電位の井戸１１８が形成され、n⁺領域１４
の光キヤリアはその電位の井戸１１８に移送され
て（第５Ａ図の矢印７０）そこの蓄積キヤリアと
混合される。これとともに画素１０Ｂについて
は、クロツクφ３およびφ４に逆レベルVRが印
加されているので、開口３８またはフイルタ５０
のある一方のn^-領域１８の蓄積キヤリアはn⁺領
域１４の電位の井戸１１４に転送され（第５Ａ図
の矢印７２）、そこの蓄積キヤリアと混合されて
保持される。

次に、時刻t₃においてゲートクロツクφGがVL
レベルとなるとともに、転送クロツクφ１、φ２
およびφ３が光レベルVHとなり、クロツクφ４
が基準レベルVLとなり、以降、第６図のタイム
チヤートに示すように、転送クロツクφ１〜φ４
順次付勢される。これによつて、画素１０Ａの電
位の井戸１１８に保持されていたキヤリア、すな
わち画素信号は、その垂直列に含まれる奇数フイ
ールドの他の画素の信号とともに垂直転送路４８
に沿ってＶ方向に順次転送され、最終的には本撮
像デバイスから奇数フイールドの映像信号として
出力される。

奇数フイールドの映像が出力されてしまうと、
次にそのフレームの偶数フイールドの映像信号を
同様にして読み出す。すなわち第６図に示すよう
に、時刻ｔ４においてn⁺領域１４とn^-領域１８
の間のゲート電極２８に高レベルVHのクロツク
パルスφGを印加してその電位を上げ、電位の井
戸１１４とほぼ同位置にする。これと同時に、転
送クロツクφ３およびφ４を高レベルVHにし、
他のクロツクφ１およびφ２は逆レベルVRにす
る。

第５Ｂ図に示すように、この時刻ｔ４のクロツ
ク印加状態では、画素１０Ｂにおいて開口３８ま
たはフイルタ５０のある一方のn^-領域１８に深
い電位の井戸１１８が形成され、n⁺領域１４の
光キヤリアはその電位の井戸１１８に移送される
（第５Ｂ図の矢印７４）。

次に、時刻ｔ５においてゲートクロツクφGが
VLレベルとなるとともに、転送クロツクφ１、
φ３およびφ４が高レベルVHとなり、クロツク
φ２が基準レベルVLとなり、以降、第６図のタ
イムチヤートに示すように、転送クロツクφ１〜
φ４順次付勢される。これによつて、画素１０Ｂ
の電位の井戸１１８に保持されていたキヤリア、
すなわち画素信号は、その垂直列に含まれる偶数
フイールドの他の画素の信号とともに垂直転送路
４８に沿つてＶ方向に順次転送され、最終的には
本撮像デバイスから偶数フイールドの映像信号と
して出力される。なお、φOFはｎ＋領域１４と
オーバフロードレーン２２の間に配された電極４
０に印加されるパルスであり、露光中において高
レベルVHが印加され、ポテンシヤルを１２０′
に示すように低下させてn⁺領域１４に蓄積され
るキヤリアを制限する。このようにしてn⁺領域
１４からオーバフロードレーン２２に流れた余剰
キヤリアは逐次排出される。

第７図を参照すると、撮像セル１０の入出力特
性、すなわちセル１０の露光量Ｅに対する出力電
流が両対数目盛で示されている。たとえば、
n⁺領域１４が実線２１４で示すような入出力曲
線を有するとする。つまり、出力電流がノイズレ
ベル電流１０からある露光両E1で電流値１に
達して飽和する。この露光量E1は前述の実施例
において、n⁺領域１４に蓄積されたキヤリアが
n^-領域２０の電位障壁１２０′（電圧が印加され
て低下されたポテンシヤル）を越えてオーバフロ
ードレーン２２に流出し始める露光量に相当す
る。前述の実施例ではn^-領域１８は、入射光３
２に応じて発生する光キヤリアの発生速度が開口
３８またはフイルタ５０によつてn⁺領域１４に
比較して1/10に制限されているので、n^-領域１
８の入出力特性は、n⁺領域１４と同じ勾配を有
し、入射光３２の光量が値E2になると同じ飽和
値１に達して飽和するような曲線２１６をたど
る。この露光量E2は前述の実施例において、n^-
領域１８に蓄積された光キヤリアがn⁺領域１４
および低下させられた電位障壁１２０′を経てオ
ーバフロードレーン２２に流出し始める露光量に
相当する。この場合、値E2は、値E1の10倍であ
るので、同図において１デケードだけ右にシフト
している。

第４Ｂ図について前述したようにn⁺領域１４
と一方のn^-領域１８の蓄積電荷を混合して転送
することは、映像信号の扱い上、単一画素に含ま
れる撮像セルとして両領域１４および１８を見た
場合、第７図のグラフにおいて曲線２１４と２１
６と加算して一点鎖線２００で示す入出特性を形
成することに相当する。曲線２００は、露光両
E1以下では曲線２１４または２１６と同じ勾配
（γ）をとり、露光両E1から同E2までは同E1以
下の部分より小さい勾配を有し、露光量E2以上
で飽和値２をとる。

同図からわかるように、撮像セル１０全体とし
てニー特性が実現され、そのダイナミツクレンジ
は、単一セルのみの場合はＳ／Ｎ比が１となる出
力電流０に対応する露光E0から飽和電流１
に相当する露光量E1まで（すなわちDR1）であ
つたのが、２つのセルを合成した場合には露光量
E0から飽和電流２に相当する露光量E2まで
（すなわちDR2）拡大している。

効 果 このように本発明によれば、インタライン転送
型CCDの各画素は、１つの感光領域の他に、そ
の画素についての垂直転送路を構成する１つの転
送単位領域を低い光感度の感光領域として機能さ
せ、両領域に蓄積された光キヤリアを合成するこ
とにより、ダイナミツクレンジの広い電荷結合撮
像デバイスが得られる。また、このように垂直転
送路の転送領域を感光領域としても使用している
ので、１画素についての撮像セルの面積は従来の
ものと比較して大きく（たとえば前述の実施例で
は50％程度）増大し、感光領域部分の実装密度が
高い。

なお、前述の実施例では、実効的に感光度の異
なる２つの感光領域が１つの画素に配置されてい
るが、これに限定されることなく、実効的に感光
度の異なる３つ以上のセルを配置してさらに細か
く段階的に変化するニー特性を入出力特性に与え
てもよい。また、撮像セルへの入射光量を制限す
る光学開口やフイルタを用いる代りに、感光領域
の不純物濃度に差を設けるなどして、感光領域自
体の光感度を異なせれるようにしてもよい。要
は、同一の被写体照度に対して第１および第２の
撮像セルが実効的に異なる光感度を有していれば
よい。

本発明はこのように、撮像セルの光感度を経時
的に変化させるのではなく、１画素に実効的に光
感度の異なる複数の感光セルを配置するという新
規な技術的思想によつてニー特性を実現するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による電荷結合撮像デバイス
の実施例における撮像セルの２次元配列の一部を
概念的に示す模式図、第２図は本発明による電荷
結合撮像デバイスの実施例における１画素の構造
を第１図における一点鎖線矢印から見た状態で
示す断面端面図、第３図は本発明による電荷結合
撮像デバイスの他の実施例における１画素の構造
を示す第２図と同様の断面端面図、第４Ａ図は、
第１図の一点鎖線における断面の熱平衡状態に
おける導電帯の底のポテンシヤル分布を第２図ま
たは第３図の撮像セル構造に対応して示す図、第
４Ｂ図は、第２図または第３図の撮像セル構造に
おける蓄積キヤリアの転送を説明するための第４
Ａ図と同様の図、第４Ｃ図は第１図の一点鎖線
における断面についての第４Ｂ図と同様の図、
第５Ａ図および第５Ｂ図はそれぞれ、奇数フイー
ルドおよび偶数フイールドにおける蓄積キヤリア
の転送を説明するための概念図、第６図は映像信
号の転送動作を説明するためのタイミング図、第
７図は撮像セルの入出力特性、すなわちセルの露
光量Ｅに対する出力電流の関係を両対数目盛で
示すグラフである。 主要部分の符号の説明、１０……画素、１４…
…感光領域、１８……転送領域、２２……オーバ
フロードレーン、２８……ゲート電極、３４……
遮光層、３８，４２……光学開口、４８……垂直
転送路、５０……減光フイルタ、φG……ゲート
クロツク、φ１〜φ４……転送クロツク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２次元画素配列における映像信号の垂直転送
   路が４相のクロツクによつて駆動されるインタラ
   イン転送型電荷結合デバイスを用いた電荷結合撮
   像デバイスにおいて、 各画素は第１の撮像セル、および第１の撮像セ
   ルより実効的に低い光感度の第２の撮像セルによ
   つて構成され、 第２の撮像セルは前記垂直転送路の一部を形成
   し、 各画素について第１および第２の撮像セルにお
   ける蓄積キヤリアが混合され、前記垂直転送路を
   順次転送されることによつて映像信号が形成され
   ることを特徴とする電荷結合撮像デバイス。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の電荷結合撮像デ
   バイスにおいて、 第２の撮像セルは、その感光領域への入射光を
   制限する制限手段を含むことを特徴とする電荷結
   合撮像デバイス。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の電荷結合撮像デ
   バイスにおいて、前記制限手段は、前記感光領域
   の一部にのみ入射光を導く光学的開口を有する遮
   光層を含むことを特徴とする電荷結合撮像デバイ
   ス。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の電荷結合撮像デ
   バイスにおいて、前記制限手段は、前記感光領域
   への入射光を減光する光学フイルタを含むことを
   特徴とする電荷結合撮像デバイス。 ５ 特許請求の範囲第２項記載の電荷結合撮像デ
   バイスにおいて、 該デバイスは２フイールド１フレームの飛越し
   走査方式で駆動され、 第１のフイールドでは、第１のフイールドに含
   まれる画素の第１の撮像セルの蓄積キヤリアを該
   画素の第２の撮像セルに移送し、第２のフイール
   ドに含まれる画素の第２の撮像セルの蓄積キヤリ
   アを該画素の第１の撮像セルに移送した後、前記
   第１のフイールドの第２の撮像セルに移送された
   キヤリアを前記垂直転送路を介して転送し、これ
   によつて第１のフイールドの映像信号が出力さ
   れ、 次の第２のフイールドでは、前記第２のフイー
   ルドの第１の撮像セルに移送されたキヤリアを該
   画素の第２の撮像セルに移送し、該移送されたキ
   ヤリアを前記垂直転送路を介して転送し、これに
   よつて第２のフイールドの映像信号が出力される
   ことを特徴とする電荷結合撮像デバイス。