JPH05207378A - Ｃｃｄ固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｓ／Ｎ比をあまり劣化させることなく固体撮
像装置の感度を上げる。 【構成】 受光部４の電荷を垂直転送回路６、水平転送
回路８及び出力部１０を介して映像信号として取り出す
ＣＣＤ固体撮像装置において、出力部１０のリセット動
作を複数の水平転送に対して１回の割合で行い、隣接す
る受光部の電荷を足し加える。そして、リセット動作後
のフィードスルーレベル２０と次のリセット動作の直前
の信号レベル２２との差Ｓをサンプルホールドするよう
にし、従来の駆動方法により得られる感度よりも高感度
を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤ固体撮像装置の
駆動方法に係り、Ｓ／Ｎ比をあまり劣化させることなく
感度を上げることができるＣＣＤ固体撮像装置の駆動方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、画像撮像装置として、半導体基
板表面の絶縁膜上に近接して配列した多数の電極に、順
次適当なパルス電圧を印加して、電気的または光学的な
入力信号によって生じた電荷を転送する半導体デバイ
ス、すなわちＣＣＤ固体撮像装置が知られている。この
種の撮像装置の信号の読出し方式には、光検出部にもＣ
ＣＤを用い、撮像された電荷を短時間（垂直帰線期間）
のうちに並列的に走査用ＣＣＤに転送するようにしたフ
レーム転送方式や、ホトダイオード列に隣接平行して走
査用ＣＣＤ列が設けられ、１ライン毎に水平走査用ＣＣ
Ｄ列に信号が転送されるようになされたインタライン転
送方式などが知られている。

【０００３】ここで図７に基づいて上記インタライン転
送方式について説明すると、このＣＣＤ固体撮像装置２
は、例えばＮ型或いはＰ型のＳｉ基板上のＳｉＯ₂ を誘
電体として、多数のＭＯＳダイオードを密接して並べた
ものであり、垂直方向（図中上下方向）に配列される複
数の受光部４と、この受光部４の列に平行に隣接される
垂直転送回路６とを有しており、上記受光部４と垂直転
送回路６よりなる素子群が多数平行に配列されている。
上記受光部４は、例えばダイオードよりなり、ここで蓄
積された電荷を隣接する不透明なＣＣＤレジスタよりな
る垂直転送回路６へ転送し得るように構成されている。
そして、上記各垂直回路６には、例えば水平列のレジス
タよりなる水平転送回路８が接続されており、上記垂直
転送回路６へ続出された信号を上記各垂直転送回路６へ
入力されるクロックＡに従って上記水平転送回路８へ転
送するように構成されている。

【０００４】そして、上記水平転送回路８の一端には、
出力部１０が設けられており、この水平転送回路８に転
送されてきた電荷をクロックＢに従って、次の信号が入
ってくるまでに読み出すように構成されている。このよ
うな撮像装置において、各受光部４へ入射した光は、こ
れを構成するホトダイオードにより光強度と蓄積時間に
比例した電荷に光電変換され、蓄積される。次に、蓄積
された電荷を垂直ブランキング期間のあるタイミングで
垂直転送回路６に読み出す。その後、この転送回路６に
蓄積された電荷を水平ブランキングの都度、クロックＡ
に従って１段ずつ水平転送回路８へ転送する。

【０００５】そして、上記水平転送回路８は、これに転
送されてきた電荷を映像期間中に水平転送パルスである
クロックＢに従って出力部１０に向けて順次、全段転送
する。この出力部１０では、転送されてきた電荷をキャ
パシタにより電圧に変換した後、１水平転送毎にリセッ
トパルス１２によりリセットし、フィードスルーレベル
に再設定する。その後、この信号は出力アンプを経て出
力される。ここで、出力アンプより出力された信号の波
型は図８に示すようになり、この出力信号のフィードス
ルーレベルと信号レベルとの差を相関２重サンプリング
等により水平転送周波数と同じ周波数で取り出し、これ
により映像信号を得ていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の固
体撮像装置において、蓄積時間が一定である時の撮像装
置の感度を増加する場合には、上記出力信号の出力レベ
ルは、個々のホトダイオードである受光部４に入射する
光の強度と蓄積時間に比例したものであることから、後
段の回路のアンプのゲインを上げることにより行ってい
た。しかしながら、このように上述のように感度を上げ
るためにアンプのゲインを上げると、信号レベルと共に
ノイズレベルも同じ程度だけ上昇してしまい、結果的に
感度を上げた程度と同じ程度だけＳ／Ｎ比が劣化してし
まうという問題点があった。本発明は、以上のような問
題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたもの
である。本発明の目的は、Ｓ／Ｎ比をあまり劣化させる
ことなく感度を上げることができるＣＣＤ固体撮像装置
の駆動方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、複数の受光部を配列してなるＣＣＤ固
体撮像装置の駆動方法において、前記ＣＣＤ固体撮像装
置の出力部のリセット動作を複数の水平転送に対して１
回の割合で行うことにより水平方向に隣接する複数個の
受光部の信号電荷を蓄積し、リセット動作後のフィード
スルーレベルと次のリセット動作の直前の信号レベルと
の差をサンプルホールドするように構成したものであ
る。

【０００８】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、出力部
のリセット動作は、複数回、例えば２回の水平転送操作
に対して１回の割合で行われるので複数個、例えば水平
方向へ隣接する２個の受光部の信号電荷が出力部へ蓄積
される。そして、リセット動作後のフィードスルーレベ
ルと次のリセット動作の直前の信号レベルとの差をサン
プルホールドするようにしたので蓄積された信号電荷の
分だけ差が大きくなり、感度を大きくすることが可能と
なる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係るＣＣＤ固体撮像装置の
駆動方法の一実施例を詳述する。図１は、本発明方法を
説明するための波型を示す波型図、図２は本発明方法を
実施するためのＣＣＤ固体撮像装置を示す概略構成図で
ある。尚、図７に示す従来装置と同一部分については同
一符号を付す。図示するようにこのＣＣＤ固体撮像装置
１６は、前記図７に示す装置とほぼ同様に構成されてお
り、後述するようにリセットパルスの印加タイミングが
異なる。すなわち、このＣＣＤ固体撮像装置１６は、例
えばＮ型或いはＰ型のＳｉ基板上のＳｉＯ₂ を誘電体と
して、多数のＭＯＳダイオードを密接して並べたもので
あり、垂直方向（図中上下方向）に配列される複数の受
光部４と、この受光部４の列に平行に隣接される垂直転
送回路６とを有しており、上記受光部４と垂直転送回路
６よりなる素子群が多数平行に配列されている。上記受
光部４は、例えばホトトランジスタよりなり、ここで蓄
積された電荷を隣接する不透明なＣＣＤレジスタよりな
る垂直転送回路６へ転送し得るように構成されている。

【００１０】そして、上記各垂直転送回路６には、例え
ば水平列のレジスタよりなる水平転送回路８が接続され
ており、上記垂直転送回路６へ読み出された信号を上記
各垂直転送回路６へ入力されるクロックＡに従って上記
水平転送回路８へ転送するように構成されている。そし
て、上記水平転送回路８の一端には、出力部１０が設け
られており、この水平転送回路８に転送されてきた電荷
をクロックＢに従って、次の信号が入ってくるまでに読
み出すように構成されている。この出力部１０では、転
送されてきた電荷をキャパシタにより電圧に変換した
後、複数、例えば本実施例によれば２回の水平転送毎に
１回の割合でリセットパルス１８によりリセットし、フ
ィードスルーレベルに再設定し得るように構成されてい
る。

【００１１】次に、以上のように構成された固体撮像装
置の動作について説明する。まず、各受光部４へ入射さ
れた光は、これを構成するホトダイオードにより光強度
と蓄積時間に比例した電荷に光電変換され、蓄積され
る。次に、蓄積された電荷を垂直ブランキング期間のあ
るタイミングで垂直転送回路６に読み出す。この転送回
路６に蓄積された電荷は、水平ブランキングの都度、ク
ロックＡに従って１段ずつ水平転送回路８へ転送され
る。そして、上記水平転送回路８は、これに転送されて
きた電荷を映像期間中に水平転送パルスであるクロック
Ｂ（図２参照）に従って出力部１０に向けて順次、全段
転送する。この出力部１０では、転送されてきた電荷を
キャパシタにより電圧に変換した後、本実施例において
は２回の水平転送に対して１回リセットパルス１８（図
１参照）を印加することによりリセットし、フィードス
ルーレベルに再設定する。その後、この信号は出力アン
プを経て出力される。

【００１２】ここで、出力アンプより出力される出力信
号の波形は、図１（Ａ）に示すようになり、この出力信
号のフィードスルーレベルと信号レベルの差を相関２重
サンプリング等により本実施例においては水平転送周波
数の半分の周波数で取り出し、映像信号が得られる。
上述のように本実施例においては、２回の水平転送に対
して１回のリセット動作が行われているので、図１
（Ａ）に示すような出力波形となる。すなわち図１
（Ａ）中、期間ｔ１にリセットされた出力電位は、フィ
ードスルー期間ｔ２においてフィードスルーレベル２０
となり、その後、最初の水平転送により期間ｔ３におい
ては１つめの受光部であるホトダイオードに蓄積された
電荷に対応する電荷だけ電位が下がる。

【００１３】従来の駆動方法にあっては、次の水平転送
の前にリセット動作を行うが（図１（Ｄ）は従来方法の
リセットパルスを示す）、本実施例においてはリセット
動作を１回おきに間引いた状態となっているので、次の
水平転送まで電位がホールドされることになる。そし
て、次の水平転送により、上記したホトダイオードの隣
に配置されたホトダイオードの信号電荷が出力部４に転
送されて前回に転送された電荷に加算乃至足し合わされ
るので、出力電位は更に下がり、仮に上記２つのホトダ
イオードに入射した光の強さが同じであれば、期間ｔ４
におけるフィードスルーレベル２０と信号レベル２２と
の差Ｓは従来方法の場合の２倍となり、この差Ｓは次の
リセット動作までサンプルホールドされることになる。

【００１４】この場合、水平転送期間におけるリセット
動作及びサンプルホールド動作のタイミングは毎回同じ
であるので、足し合わされる画組の組み合わせの切れ目
は、垂直方向に揃ったものとなる。図３は隣接する２つ
の受光部（画素）の電荷を足し合わせたときのホトダイ
オードの組みの模式図を示し、斜線部分は第１フィール
ド、空白の部分は第２フィールドをそれぞれ示す。そし
て、期間ｔ５において次のリセット動作が行われて電荷
をリセットし、出力信号のフィードスルーレベルを再設
定する。そして、このような一連の動作が繰り返して行
われることになる。このように、出力波形のフィードス
ルー期間ｔ２のレベル２０と２度目の水平転送の後の期
間ｔ４の信号レベル２２との差Ｓをサンプルホールドす
ることにより、従来の駆動方法によって得られる信号の
２倍の振幅をもつ信号を得ることができ、結果的に後段
のアンプのゲインを上げることなく撮像装置の感度を２
倍上げることができる。

【００１５】具体的には、ノイズの成分には蓄積によっ
て足し合わされる成分（例えばＣＣＤにおいて光の照射
を受けないときにも流れる暗電流等）と足し合わされな
い成分（出力アンプのノイズ等）があることから、上述
のようにリセット動作を間引くことにより撮像装置の感
度が２倍になるのに対してノイズ成分は√２倍以下とな
り、結果的に、アンプのゲインを上げて感度を向上させ
る場合と比較して、Ｓ／Ｎ比の良い映像信号を得ること
が可能となる。尚、上記実施例においては、説明のため
にリセット動作を水平転送２回につき１回行う場合につ
いて説明したが、これに限定されず、水平転送ｍ（正の
整数）回につき１回リセット動作を行うようにしてもよ
い。これによれば、電荷はｍ倍となって撮像装置の感度
がｍ倍となるのに対してノイズは√ｍ倍以下となる。

【００１６】尚、上記実施例にあっては複数の例えばｍ
個のホトダイオードの信号電荷を１つの信号としてサン
プリングするので画素数が１／ｍに減少したものと等価
になり、水平解像度が１／ｍになるが、この水平解像度
の低下を防止するために以下のように構成してもよい。
図４は、本発明方法の他の実施例を説明するための波型
を示す波型図、図５は本発明方法を実施するためのＣＣ
Ｄ固体撮像装置を示す概略構成図である。尚、図７に示
す従来装置と同一部分については同一符号を付す。図示
するようにこのＣＣＤ固体撮像装置１６は、前記図７に
示す装置とほぼ同様に構成されており、後述するように
リセットパルスの印加タイミングが水平期間毎及びフレ
ーム毎に異なる。

【００１７】すなわち、このＣＣＤ固体撮像装置１６
は、例えばＮ型或いはＰ型のＳｉ基板上のＳｉＯ₂ を誘
電体として、多数のＭＯＳダイオードを密接して並べた
ものであり、垂直方向（図中上下方向）に配列される複
数の受光部４と、この受光部４の列に平行に隣接される
垂直転送回路６とを有しており、上記受光部４と垂直転
送回路６よりなる素子群が多数平行に配列されている。
上記受光部４は、例えばホトトランジスタよりなり、こ
こで蓄積された電荷を隣接する不透明なＣＣＤレジスタ
よりなる垂直転送回路６へ転送し得るように構成されて
いる。そして、上記各垂直転送回路６には、例えば水平
列のレジスタよりなる水平転送回路８が接続されてお
り、上記垂直転送回路６へ読み出された信号を上記各垂
直転送回路６へ入力されるクロックＡに従って上記水平
転送回路８へ転送するように構成されている。

【００１８】そして、上記水平転送回路８の一端には、
出力部１０が設けられており、この水平転送回路８に転
送されてきた電荷をクロックＢに従って、次の信号が入
ってくるまでに読み出すように構成されている。この出
力部１０では、転送されてきた電荷をキャパシタにより
電圧に変換した後、複数、例えば本実施例によれば２回
の水平転送毎に１回の割合でリセットパルスによりリセ
ットし、フィードスルーレベルに再設定し得るように構
成されている。しかも、本実施例においては相互に位相
が１８０°ずれた２つのリセットパルス１８，１９を用
いて、リセット動作を、１水平期間毎にその直前の水平
期間におけるリセット動作のタイミングの中間点で行う
ようにし、蓄積乃至足し合わされる信号電荷の受光部の
組み合わせを水平期間毎及びフレーム毎に変更し得るよ
うに構成されている。尚、図中異なる経路を介してリセ
ットパルス１８、１９を導入するようにしてあるが、こ
れらを１つの経路から導入するようにしてもよい。

【００１９】次に、以上のように構成された固体撮像装
置の動作について説明する。まず、各受光部４へ入射さ
れた光は、これを構成するホトダイオードにより光強度
と蓄積時間に比例した電荷に光電変換され、蓄積され
る。次に、蓄積された電荷を垂直ブランキング期間のあ
るタイミングで垂直転送回路６に読み出す。この転送回
路６に蓄積された電荷は、水平ブランキングの都度、ク
ロックＡに従って１段ずつ水平転送回路８へ転送され
る。そして、上記水平転送回路８は、これに転送されて
きた電荷を映像期間中に水平転送パルスであるクロック
Ｂ（図５参照）に従って出力部１０に向けて順次、全段
転送する。

【００２０】この出力部１０では、転送されてきた電荷
をキャパシタにより電圧に変換した後、本実施例におい
ては２回の水平転送に対して１回リセットパルス１８，
１９（図４参照）を印加することによりリセットし、フ
ィードスルーレベルに再設定する。ここでリセットパル
スがハイレベルのときにリセット動作が行われる。その
後、この信号は出力アンプを経て出力される。ここで、
出力アンプより出力される出力信号の波形は、図４
（Ａ）に示すようになり、この出力信号のフィードスル
ーレベルと信号レベルの差を相関２重サンプリング等に
より本実施例においては水平転送周波数の半分の周波数
で取り出し、映像信号が得られる。

【００２１】上述のように本実施例においては、２回の
水平転送に対して１回のリセット動作が行われ、しかも
１水平期間におけるリセット動作は、直前の１水平期間
におけるリセット動作の中間点で行われるので、図４
（Ａ）に示すような出力波形となる。すなわち図４
（Ａ）中、期間ｔ１にリセットされた出力電位は、フィ
ードスルー期間ｔ２においてフィードスルーレベル２０
となり、その後、最初の水平転送により期間ｔ３におい
ては１つめの受光部であるホトダイオードに蓄積された
電荷に対応する電荷だけ電位が下がる。従来の駆動方法
にあっては、次の水平転送の前にリセット動作を行うが
（図４（Ｅ）は従来方法のリセットパルスを示す）、本
実施例においてはリセット動作を１回おきに間引いた状
態となっているので、次の水平転送まで電位がホールド
されることになる。

【００２２】そして、次の水平転送により、上記したホ
トダイオードの隣に配置されたホトダイオードの信号電
荷が出力部４に転送されて前回に転送された電荷に加算
乃至足し合わされるので、出力電位は更に下がり、仮に
上記２つのホトダイオードに入射した光の強さが同じで
あれば、期間ｔ４におけるフィードスルーレベル２０と
信号レベル２２との差Ｓは従来方法の場合の２倍とな
り、この差Ｓは次のリセット動作までサンプルホールド
されることになる。そして、期間ｔ５において次のリセ
ット動作が行われて電荷をリセットし、出力信号のフィ
ードスルーレベルを再設定する。そして、このような一
連の動作が繰り返して行われることになる。このよう
に、出力波形のフィードスルー期間ｔ２のレベル２０と
２度目の水平転送の後の期間ｔ４の信号レベル２２との
差Ｓをサンプルホールドすることにより、従来の駆動方
法によって得られる信号の２倍の振幅をもつ信号を得る
ことができ、結果的に後段のアンプのゲインを上げるこ
となく撮像装置の感度を２倍上げることができる。

【００２３】具体的には、ノイズの成分には蓄積によっ
て足し合わされる成分（例えばＣＣＤにおいて光の照射
を受けないときにも流れる暗電流等）と足し合わされな
い成分（出力アンプのノイズ等）があることから、上述
のようにリセット動作を間引くことにより撮像装置の感
度が２倍になるのに対してノイズ成分は√２倍以下とな
り、結果的に、アンプのゲインを上げて感度を向上させ
る場合と比較して、Ｓ／Ｎ比の良い映像信号を得ること
が可能となる。そして、本実施例においては、１水平期
間毎に相互に位相の１８０°異なる２つのリセットパル
ス１８，１９（図４（Ｃ），（Ｄ））を交互に印加して
いるので、１水平期間におけるリセット動作は、直前の
１水平期間におけるリセット動作の中間点で行われるこ
とになる。尚、図４中には、リセットパルス１９に対応
する出力信号を示していないが、この出力信号は図４
（Ａ）に示す出力信号の位相を１８０°シフトした状態
となる。

【００２４】このようにして取り出された出力信号にお
ける信号電荷の足し合わされたホトダイオード（受光
部）の組み合わせは図６に示す模式図に現わされる。図
６（Ａ）はある任意のフレームの模式図を示し、図６
（Ｂ）は上記任意のフレームの次のフレームの模式図を
示す。図中横方向はラインを現わして１水平期間に対応
し、図中１フレームは奇数である７本のラインで構成さ
れるが実際は奇数である例えば５２５本のラインで構成
される。そして、斜線部分は第１フィールドを示し、空
白の部分は第２フィールドを示し、例えば第１フィール
ドの次に第２フィールドが出力されるようになってい
る。

【００２５】例えば図６（Ａ）に示すフレームにおいて
は、第１フィールドを注目すると上のラインよりリセッ
トパルス１８，１９が交互に適用され、第２フィールド
を注目するとフレーム全体が奇数のラインで構成される
ので上のラインより同様にリセットパルス１８，１９が
交互に適用される。従って、各ラインにおけるホトダイ
オードの組み合わせは、２つ前のラインにおける組み合
わせに対して逆になり半ピッチ分移動することになる。
この状態は図６（Ｂ）に示す次のフレームにも同様にあ
てはまる。

【００２６】また、前述のように１フレームを構成する
ライン数は例えば５２５本の奇数であることから、図６
（Ａ）のあるフレームから図６（Ｂ）に示す次のフレー
ムへ移動する場合には、各ラインに対して適用されるリ
セットパルス１８，１９の順序が逆となる。従って、図
６（Ａ）と図６（Ｂ）において対応するラインにおける
ホトダイオードの組み合わせは、逆になって相互に半ピ
ッチ分移動することになる。そして、このような２種類
のフレームに対応する信号が交互に出力されることにな
る。このようにして、受光部へ入射した光は、２ライン
毎、及びフレーム毎にサンプリング点がそのピッチに対
して半ピッチ分移動することになり、ライン同士及びフ
レーム同士で信号の補間が行われる。

【００２７】従って、前述のように、複数、例えば隣接
する２つのホトダイオードの信号電荷を１つの信号とし
てサンプリングするので、水平方向における画素数が１
／２に減ったものと等価となるが、上記したようにライ
ン同士及びフレーム同士で信号の補間が行われ、水平解
像度の低下が防止される。尚、上記実施例においては、
説明のためにリセット動作を水平転送２回につき１回行
う場合について説明したが、これに限定されず、水平転
送ｍ（正の整数）回につき１回リセット動作を行うよう
にしてもよい。これによれば、電荷はｍ倍となって撮像
装置の感度がｍ倍となるのに対してノイズは√ｍ倍以下
となる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような優れた作用効果を発揮することができる。第１
の実施例によれば水平転送に対してリセット動作を間引
くようにしたので複数の受光部に蓄積した信号電荷を足
し合わせた信号電荷を得ることができる。従って、Ｓ／
Ｎ比をあまり低下させることなく感度を上げることがで
き、Ｓ／Ｎ比の良い映像信号を得ることができる。第２
の実施例によれば水平転送に対して複数種類のリセット
パルスによりリセット動作を間引くようにしたので複数
の受光部に蓄積した信号電荷を足し合わせた信号電荷を
得ることができると共に、ライン同士及びフレーム同士
で信号を補間することができる。従って、Ｓ／Ｎ比及び
水平解像度をあまり低下させることなく感度を上げるこ
とができ、Ｓ／Ｎ比の良い映像信号を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る駆動方法を説明するための波形を
示す波形図である。

【図２】本発明に係る駆動方法を実施するためのＣＣＤ
固体撮像装置を示す概略構成図である。

【図３】隣接する２つの受光部を足し合わせたときのホ
トダイオードの組みを示す模式図である。

【図４】本発明に係る駆動方法を説明するための波形を
示す波形図である。

【図５】本発明に係る駆動方法を実施するためのＣＣＤ
固体撮像装置を示す概略構成図である。

【図６】隣接する受光部を足し合わせたときのホトダイ
オードの組みを示す模式図である。

【図７】一般的なＣＣＤ固体撮像装置の構成を示す構成
図である。

【図８】従来の駆動方法による出力波型を示す波形図で
ある。

【符号の説明】

４…受光部、６…垂直転送回路、８…水平転送回路、１
０…出力部、１６…ＣＣＤ固体撮像装置、１８，１９…
リセットパルス、２０…フィードスルーレベル、２２…
信号レベル、Ｓ…差。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の受光部を配列してなるＣＣＤ固体
   撮像装置の駆動方法において、前記ＣＣＤ固体撮像装置
   の出力部のリセット動作を複数の水平転送に対して１回
   の割合で行うことにより水平方向に隣接する複数個の受
   光部の信号電荷を蓄積し、リセット動作後のフィードス
   ルーレベルと次のリセット動作の直前の信号レベルとの
   差をサンプルホールドするように構成したことを特徴と
   するＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法。
2. 【請求項２】 前記蓄積される信号電荷の受光部の組み
   合わせを水平期間毎及びフレーム毎に変更するように構
   成したことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ固体撮像
   装置の駆動方法。