JPH046311B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電荷転送型の撮像素子を用いた撮像装
置に関し、特に水平転送部における最大転送電荷
量を可変設定し得るようにしたものである。

以下、本明細書においては特に撮像素子として
フレーム転送型CCDを例にとつて説明する。

一般に、ビデオカメラ等における撮像素子から
の撮像出力は、後段の信号処理回路においてその
ホワイトレベルを設定するクリツプ処理が施され
る。

そのために、従来のカメラにはこのようなホワ
イトクリツプを行なうためのホワイトクリツプ回
路が特に設けられており、回路構成上複雑になる
ため好ましくなかつた。

また、従来の撮像素子としては、その最大転送
電荷量を任意に可変設定することができるように
したものはなかつた。

本発明は、上述のような従来の欠点を解決する
ことを目的として成されたものであり、そのため
に、被写体からの撮像光を光電変換する撮像部
と、この撮像部からの電荷を出力するための水平
転送部と、この水平転送部に隣接して設けられた
電荷排出部と、この電荷排出部と水平転送部との
間の障壁を備えた撮像素子と、 上記障壁のポテンシヤルレベルを制御するレベ
ル制御手段とを備え、 上記レベル制御手段は電荷転送時における上記
障壁のポテンシヤルレベルを可変調整することに
よつて前記水平転送部における最大転送電荷量を
設定することを特徴とする撮像装置、を提供する
ものである。

このような構成の撮像装置によれば、前記水平
転送部における最大転送電荷量を任意に設定する
ことができるという新規な機能を得ることができ
るとともに、特に撮像出力の最大レベルを設定す
ることができるために、例えばその撮像出力レベ
ルに応じたホワイトクリツプ等の信号処理を電荷
転送中に行なうことができる。

以下、本発明に係る撮像装置の好適な実施例を
第１図ないし第８図を用いて詳細に説明する。

第１図は本実施例に係るCCDにおける蓄積領
域と水平シフトレジスタの境界付近の模式図であ
る。

電荷転送の方法には従来より、単相駆動、２相
駆動、３相駆動、４相駆動方法等いくつかの方法
があり、本発明はその何れをも適用できるが説明
の便宜上単相駆動方法を例に取り説明する。

第１図において、２０は水平方向のセル間の電
荷もれを防止するためのチヤンネル・ストツプを
示し、２４は蓄積部のポリシリコン電極を示すも
のであり、この電極２４の領域はシリコン中のポ
テンシヤル状態の異なる領域′と領域′から成
つている。

２５はシリコン中に仮想電極が形成されている
領域であり、シリコン中のポテンシヤル状態の異
なる領域′と領域′から成つている。

垂直方向には、この領域′〜′で１セルあ構
成されている。なお、蓄積部のみならず撮像部も
同様に複数の光電セルにより構成され、ポリシリ
コン電極部と仮想電極部とに別れている。

３３は水平転送レジスタ領域を示す。この領域
はポリシリコン電極が斜線を施したようにくし歯
形に形成されており、このポリシリコン電極下は
ポテンシヤル状態の異なる領域″と領域″から
成つている。

ここで、領域″は、ポテンシヤルは同じであ
るが、チヤンネル・ストツプで２つの領域に分離
されている。領域′，′は蓄積部の仮想電極２
５と夫々同じポテンシヤルに設定されている。

第２図は第１図に示した構成のCCDの内部の
ポテンシヤル状態を示した図である。

第２図において３２は第１図の蓄積部２４のポ
リシリコン電極であり、蓄積部のポリシリコン電
極はすべて共通に接続され、電荷転送のための電
圧が印加されるようになつている。

また、このポリシリコン電極３２の下は、第１
図で説明したように領域′，′に別れており、
領域′は領域′よりポテンシヤル状態が高くな
つている。

図における点線はポリシリコン電極３２が負電
位の高い状態であり、実際にポリシリコン電極の
電位がわずかに正又は負の状態のポテンシヤルを
夫々示す。

第１図の仮想電極部２５のポテンシヤルは、第
２図に示すように領域′のほうが領域′よりも
わずかにポテンシヤルが高く成つている。

また、このこの部分のポテンシヤルは電極３２
にかける電圧は依存せず、常に一定に保たれてい
る。従つて、ポリシリコン電極に一定の電圧を印
加すれば電荷が蓄積され、パルス状の電圧を印加
すれば電荷は転送される。

３３は水平転送レジスタのポリシリコン電極を
示している。この電極は他の電極とは切り離さ
れ、独立して電圧が印加されるようになつてい
る。

この水平転送レジスタの内部ポテンシヤルは、
夫々第２図のポリシリコン電極３３の下のように
なつている。

第２図中、２０はチヤンネル・ストツプ部のポ
テンシヤル状態を示している。

以下に、水平転送レジスタ部における電荷の動
きについて説明する。

撮影時に蓄積部の領域′に蓄積された電荷は
ポリシリコン電極３２にパルス電圧を印加すると
領域′′のポテンシヤルが点線に示す状態とな
つて転送され、第１図２５のポテンシヤル領域領
域′に転送される。

この時、水平転送レジスタのポリシリコン電極
３３にわずかに負又は正の電位が印加されると、
領域″″は第２図の実線で示すポテンシヤル状
態になり、領域′の電荷は領域″を介して領域
″に転送される。

次いで、この電極３３に負の高い電位を印加す
ると、領域″″のポテンシヤルは点線で示す状
態に移行し、領域″にあつた電荷は領域″を介
して領域″に転送される。

この時、蓄積部のポリシリコン電極３３にわず
かに負又は正の電位が印加されると、この領域
″より領域″″のポテンシヤルが実線のよう
に下がり、領域″にあつた電荷は領域′に転送
されることになる。

これにより、上述にようにして水平転送レジス
タの蓄積部の領域′から領域″に転送された電
荷が水平転送レジスタ内で″→″→″→″の
ように順次転送される。

このようにして、水平転送レジスタに転送され
た電荷は水平転送レジスタのポリシリコン電極３
３にパルス上の電圧を印加することにより、順次
第１図の矢印Ａ方向に転送されて外部に読み出す
ことができる。

ここで、動作開始時、即ち電源投入時の場合を
考える。

電源投入後、速やかに撮影可能状態にする為に
は暗電流等の不要電荷を高速で信号電荷チヤンネ
ルより除去せねばならない。

一般のCCDエリアセンサにおいては、過剰電
荷を撮像部等に設けた過剰電荷除去機構（アンチ
ブルーミング構造）により、除去可能であるが過
剰でない不要電荷を高速でクリアすることはでき
ず、信号電荷と同様に出力アンプ部のドレイン電
極まで転送する必要があつた。

また、撮像部あるいは蓄積部の電荷チヤネルに
隣接してクリアゲートを設ける構造も可能である
が、受光部面積の低下、転送電荷容量の低下及び
IC製作上のバターの複雑化等、性能上及び量産
性の点で問題があつた。

これに対して、本実施例では第１図に示すよう
に、水平転送レジスタに隣接して過剰電荷除去用
の低ポテンシヤル障壁４０（アンチブルーミング
バリア）を設け、更に上記障壁に隣接して電子ド
レイン電極４１（オーバフロードレイン）を設け
ている。

そして、水平転送レジスタの電極３３に負の高
い電圧を印加して電極下の内部ポテンシヤルを実
線のようにした状態において撮像部及び蓄積部の
転送電極３３にパルス状の電圧を印加することに
より上述のように水平転送レジスタ内の領域″
に電荷を高速で順次転送する。

領域″に隣接して、領域″″のポテンシヤ
ルレベルより低く作られたポテンシヤル障壁４０
を介して領域″に注入された不要電荷のうちポ
テンシヤル障壁４０を越える過剰電荷は電子ドレ
イン電極４１に高速に除去される。

なお、除去されずに領域″に残つた不要電荷
は水平転送レジスタに転送されて高速で除去され
る。

また、ポテンシヤル障壁４０のポテンシヤルは
第２図に示したように水平転送パルスにより領域
″のポテンシヤルとともに変動させ常に領域
″のポテンシヤルレベルよりも高くしておく。

よつて、上述の水平転送レジスタによる外部へ
の信号転送動作時には障壁４０を越えて信号電荷
が流れ出すことが防止され、常時外部転送動作を
実行することができるとともに、上記障壁４０の
レベルを適宜設定することによつて最大転送電荷
量を設定することができる。

次に、第３図を用いて上述のようなCCDを備
えた撮像装置の電気的な構成を説明する。

同図において、１００は絞り及びシヤツタ、１
０１は前述のような構成のCCDである。

１０２はビデオ信号処理回路、１０３はNTSC
信号を得るアダプタ、１０４は磁気デイスク上に
信号を記録する記録装置、１１１はクロツク発生
器、１１２は各回路にタイミング信号を供給する
シーケンス制御回路、１２０は各回路へ電源を供
給するDC−DCコンバータ、１２１はバツテリ、
１２３は電源スイツチである。

このような撮像装置において、絞り及びシヤツ
タ１００を経た被写体光はCCD１０１に投影さ
れた電気信号に変換される。

信号処理回路はこの電気信号を所定のビデオ信
号に変換するとともに、絞り値及びシヤツタスピ
ードを決定して絞り及びシヤツタをフイードバツ
ク制御する。

前記ビデオ信号はNTSC信号に変換され、例え
ば電子ビユーフアインダに接続すれば被写体像を
モニタすることができる。

また、ビデオ信号は上記記録装置１０４に供給
されて磁気デイスク上に記録される。

CCD１０１、信号処理回路１０２、NTSCア
ダプタ１０３、記録装置１０４等はクロツク発生
器１１１からの制御パルスによつて制御される
が、CCD１０１の駆動パルスは電圧レベルが異
なつたり、CCDが容量性負荷であることのため
にCCD駆動回路１１０を必要とする。

また、これら回路及び機構へはスイツチ１２３
が閉の時バツテリ１２１の出力（電源）をDC−
DCコンバータ１２０で安定化して電源供給され
る。

クロツク発生器１１１からはCCD１０１の撮
像部の電荷を転送する撮像部転送クロツクPI、
CCD１０１の蓄積部の電荷を転送する蓄積部転
送クロツクPS、CCD１０１の水平転送部を駆動
する水平転送クロツクＳが出力される。

なお、これら信号はCCD駆動回路１１０で所
定の電圧レベルに変換されて前記CCDに供給さ
れ、このCCDはこれら信号によつて駆動制御さ
れる。

次に、これらクロツクの動作を第４図を用いて
説明する。なお、上記CCD駆動回路１１０にて
レベル変換された上記各信号には「′」を付して
説明する。

電源スイツチ１２３がオンされると第４図Ｂ，
Ｃ，Ｄに示すようにほぼ同時に上記クロツクPI′，
PS′，S′が発生し、これらクロツクによつて撮像
部及び蓄積部に存在する暗電流に起因した不要電
荷が前記オーバフロードレインを介して除去され
る（図中T₁の期間）。

その不要電荷除去期間では、撮像部及び蓄積部
の不要電荷がとりこぼしなく完全に除去されるよ
うに撮像部及び蓄積部のすべてのセルの電荷を少
なくとも１回水平転送レジスタに転送するのに必
要な垂直転送クロツクが発生する。

不要電荷が転送されると撮像部へ被写体像を露
光させる撮像部ストア期間T₂に移行する。

この時、上記シヤツタは開状態に維持されてお
り、被写体像に対応した情報電荷が撮像部に蓄積
される。

この間も蓄積部の電荷はクリアゲートを介して
オーバフロードレインに流出されるように所定の
クロツクPS′，S′が上記蓄積部及び水平転送部に
各々供給され、各部の不要電荷が排出され続け
る。

撮像部への情報電荷の蓄積、即ち露光が終了す
ると垂直電荷転送期間T₃に移行し、この期間で
は撮像部ストア期間T₂の間に撮像部に蓄えられ
た情報電荷が蓄積部に転送される。

この期間においても水平転送部にクロツクS′が
供給され続けて不要電荷が排出される。

そして、水平転送期間T₄にて蓄積部内の情報
電荷が順次外部に読み出され、上述のようにデイ
スク記録装置１０４で不図示の磁気デイスクに記
録される。

このような実施例においては、上記障壁４０の
ポテンシヤルレベルを任意のレベルに設定してお
くことによつて、上記水平転送部における最大転
送電荷量を設定することができる。

次に、本発明の他の実施例を第５図ないし第８
図を用いて説明する。

この実施例においては、先の実施列におけるア
ンチブルーミングバリアの代わりに第５図に示す
電極４２にて制御されるクリアゲート４２を設け
たものであり、高速クリア時には第６図に示すよ
うに領域を実線の位置から点線の位置に
移行させることにより上記ゲート４２を開きとと
もに、撮像部及び蓄積部を同一周波数にて転送駆
動することによつてこれら各部内の不要電荷を高
速クリアするものである。

即ち、蓄積部から電荷を順次水平転送レジスタ
の領域″に注入するするとともに、この電荷を
点線のポテンシヤルを有するゲートを介して流出
させることにより蓄積部の電荷をクリアする。

なお、通常の水平転送レジスタによる転送動作
時はゲートを閉じ、即ち領域を実線のポ
テンシヤルとすることによりゲートを介して信号
電荷が流出することを防止する。

このようなCCDは先の第３図に示したような
撮像装置にて駆動されるが、本実施例においては
さらに第８図に点線で示したように電圧調整回路
１１３を付加し、クリアゲートを制御するための
電極４２に印加される電圧レベルを任意に設定す
ることによつてクリアゲートのポテンシヤルレベ
ルを可変し、これによつて最大転送電荷量を設定
することができ、これによつてCCDの出力を任
意のレベルでクリツプすることができる。

即ち、第６図に示したように、不要電荷除去時
にはクリアゲートは開き、領域，は点線
のポテンシヤルとなり、領域″を水平転送され
る不要電荷はすべてドレイン電極４１に流出され
る。

一方、情報電荷の水平転送時は、上記クリアゲ
ートを閉じ、領域は実線のポテンシヤル
となるため、情報電荷の流出を防止することがで
きる。

そして、この時のクリアゲートの電位を第８図
Ｂで点線で示した様にすることにより、第６図の
領域のポテンシヤルは実線の位置より下
がり、ポテンシヤルＰ１，Ｐ２となる。

従つて、ポテンシヤルＰ１を越える信号電荷は
水平転送される間に領域を介してドレイ
ン電極４１に流出し、水平転送出力はあるレベル
以上がクリツプされ（例えばホワイトクリツプ）
て出力される。

また、このクリツプレベルは上記電圧調整回路
１１３によつて任意に可変設定することができる
ことは言うまでもない。

次に、上述のようにクリアゲートを備えた
CCDの撮像動作を第８図を用いて説明する。

電源スイツチ１２３がオンされると第９図Ｂ，
Ｃ，Ｄ，Ｅに示すようにほぼ同時に上記クロツク
CG′，PI′，PS′が発生し、CCDの撮像部及び蓄積
部を高速転送するとともに、上記クリアゲートを
開成する。

これによつて、上記各クロツクによつて撮像部
及び蓄積部に存在する暗電流に起因した不要電荷
が前記クリアゲート及びオーバフロードレインを
介して除去される（図中T₁の期間）。

この不要電荷除去期間では、撮像部及び蓄積部
の不要電荷がとりこぼしなく完全に除去されるよ
うに撮像部及び蓄積部のすべてのセルの電荷を少
なくとも１回水平転送レジスタに転送するのに必
要な垂直転送クロツクが発生する。なお、本実施
例では２転送分のクロツクが供給される。

不要電荷が転送されると撮像部へ被写体像を露
光させる撮像部ストア期間T₂に移行する。

この時、上記シヤツタは開状態に維持されてお
り、被写体像に対応した情報電荷が撮像部に蓄積
される。

また、この撮像部ストア期間T₂への移行に伴
つて上記各クロツクの供給が停止される。

撮像部への情報電荷の蓄積、即ち露光が終了す
ると垂直電荷転送期間T₃に移行し、この期間で
は撮像部ストア期間T₂の間に撮像部に蓄えられ
た情報電荷がクロツクPI′，PS′によつて蓄積部に
転送される。

そして、水平転送期間T₄にて上記クロツク
PS′，S′が上記蓄積部及び水平転送部に各々供給
されて蓄積部内の情報電荷が順次外部に読み出さ
れ、上述のようにデイスク記録装置１０４で不図
示の磁気デイスクに記録される。

このような実施例においては、上記クリアゲー
トのポテンシヤルレベルを上記電圧調整回路１１
３にて任意のレベルに設定しておくことによつ
て、上記水平転送部における最大転送電荷量を設
定することができる。

即ち、上記クリアゲートにおけるポテンシヤル
レベルを所定のレベルに設定することによつて、
このポテンシヤルレベルを越えた電荷は水平転送
中にクリアゲートからオーバーフロードレインに
流出して排出される。

このように、上記実施例においては水平転送後
の信号出力はレベル制限を受けるため、CCDの
出力アンプのダイナミツクレンジの可変すること
ができ、また、後段で行なう信号プロセス回路の
ホワイトクリツプ回路等のレベル制御のための回
路を削除することもできる。

以上説明したように、水平転送レジスタに隣接
させて電荷排出部を設け、この電荷排出部と水平
転送レジスタとの間の障壁のレベルを適宜可変設
定することにより、上記水平転送レジスタの最大
転送電荷量を任意に設定することができる。

これにより、ホワイトクリツプ等の撮像出力の
レベル制御を行なうための回路を省略することが
でき、回路規模の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いられる撮像素子の実施例
を示す要部構成図、第２図は第１図に示した撮像
素子内のポテンシヤル状態を示す模式図、第３図
は撮像装置の電気的構成を示すブロツク図、第４
図は撮像素子の駆動パルスのタイミングチヤー
ト、第５図は本発明に用いられる撮像素子の他の
実施例を示す要部構成図、第６図は第５図に示し
た撮像素子内のポテンシヤル状態を示す模式図、
第７図は撮像装置の電気的構成を示す要部ブロツ
ク図、第８図は撮像素子の駆動パルスのタイミン
グチヤートである。 ２０…チヤンネルストツプ、３２…垂直方向転
送電極、３３…水平方向転送電極、４０…障壁、
４１…ドレイン電極、１０１…CCD、１１１…
クロツク発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被写体からの撮像光を光電変換する撮像部
   と、この撮像部からの電荷を出力するための水平
   転送部と、この水平転送部に隣接して設けられた
   電荷排出部と、この電荷排出部と水平転送部との
   間の障壁を備えた撮像素子と、 上記障壁のポテンシヤルレベルを制御するレベ
   ル制御手段とを備え、 上記レベル制御手段は電荷転送時における上記
   障壁のポテンシヤルレベルを可変調整することに
   よつて前記水平転送部における最大転送電荷量を
   設定することを特徴とする撮像装置。