JPH0683401B2

JPH0683401B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH0683401B2
Application number: JP4097599A
Authority: JP
Inventors: 光昭大嶋; 和文山口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-04-17
Filing date: 1992-04-17
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPH05115040A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はビデオカメラ等に用いる
電荷転送方式の固体撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビデオカメラ用の電荷転送素子型
（以下ＣＣＤと称する）撮像素子が実用化され、普及し
つつある。現在、ＣＣＤ方式は撮像管に比べ画素数が少
なく価格も高いため、ビデオカメラの撮像素子として撮
像管が大勢を占めている。しかし、半導体の高密度化に
伴い、ＣＣＤ方式の画素数は増加し、コストも下りつつ
ある。このため小型、軽量、長寿命、低消費電力等の長
所をもつＣＣＤ型撮像素子はビデオカメラ用の撮像素子
として主流になると期待されている。

【０００３】従来方式を現状のビデオカメラに用いる場
合に課題はない。民生用ビデオカメラは普及し始めたば
かりで、自動化が進んでいないからである。現在絞りが
自動化されているだけであるが、今後、２番目にホワイ
トバランスが、３番目に焦点が自動化されていく。これ
らの自動化が完成の域に達するには今後１０年を要す
る。この間、従来の構成で問題は発生しない。

【０００４】しかし、これらの自動化が完成したとして
も撮影技術をもたない消費者にとってビデオカメラの手
振れは将来大きな問題として残る。現在のところ全く顕
在化していないが第４番目の自動化技術として手振れ補
正が自動化されることが予見される。手振れ補正の方式
も機械方式、光学方式、メモリー方式等が考えられるが
撮像素子内で処理する方式の登場も予見できる。この遠
い将来の課題に対し従来のビデオカメラ用固体撮像素子
は全く対応していない。

【０００５】以下に代表的なインターライン方式とフレ
ーム転送方式の２つの例を用いて従来方式について説明
する。

【０００６】（図１６）は、従来のインターライン式の
ＣＣＤ固体撮像素子の構成を示す。ここでは、光検知用
のフォトダイオード等の光検知画素部７１と、情報転送
用の転送用画素部７２の対が水平方向と垂直方向のマト
リクス状に配置されている。実際の固体撮像素子は水平
方向の４００〜８００行の画素と垂直方向の２５０〜５
００列の画素から構成される。又インターレース処理と
モザイク状に配置されたカラーフィルタをもつ。しかし
説明を容易にするため画素数とインターレース処理とカ
ラーフィルタを省略し水平方向４行×垂直方向５列の場
合の図を用い動作原理を説明する。

【０００７】撮像部５の上面部に結像した光学像は各々
の光検知画素部７１上において光電変換され画素電荷と
なる。転送パルス回路７３からＴＶ信号の垂直同期信号
に基づき垂直同期パルスが全ての光検知画素部７１に印
加される。このパルスにより、１フィールドに１回各々
の画素電荷は例えば矢印７３ａに示すように光検知画素
部７１から転送用画素部７２へ全画素が一斉に転送され
る。

【０００８】垂直転送回路７５の第１垂直クロック回路
７５ａ及び第２垂直クロック回路７５ｂからＴＶ信号の
水平同期信号に連動した垂直転送クロックが出力され
る。この信号信号により各々の転送画素７２は、垂直転
送部７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ上を画面下方向に
垂直転送される。下方向に転送された各画素のうち最下
段の一ライン分の電荷は、水平方向に電荷転送する水平
転送部７６に一旦蓄積される。次に水平転送回路７７の
第１水平クロック回路７７ａ及び第２水平クロック回路
７７ｂの水平転送クロック信号に応じて、図の右方向に
転送され、信号出力回路７８に到達し、色復調の後、最
終的にカラーＴＶ信号として出力される。以上が従来の
インターライン方式の基本動作である。

【０００９】また従来の別の方式としてフレーム転送方
式のＣＣＤがある。これは受光領域の撮像部とは別に受
光領域外に蓄積部を設けたものである。基本的にはイン
ターライン方式と第１フィールド期間中にも光電変換さ
れた撮像部の全ての画素電荷は、ＴＶ信号の垂直同期信
号に連動して一斉に蓄積部に転送される。そして次の第
２フィールド期間中において蓄積部の中の画素電荷は、
順次、垂直転送と水平転送により外部にＴＶ信号として
出力される。また受光部と蓄積部の画素数は同じであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記の構
成では光学像から光電変換された画素電荷はＴＶ信号の
１フィールド期間中は光検知画素７１に固定された状態
にある。上述のように従来のビデオカメラに用いる場
合、この構成で課題は発生しない。しかし遠い将来登場
する電子式手振れ補正機能付ビデオカメラに用いた場合
に新たな課題が発生する。手振れ等の外部条件の変化が
激しい場合１フィールドの短い時間中においてもビデオ
カメラのボディの揺れにより、光学像が撮像素子の結像
面上を高速で移動する。この場合１フィールドの最初の
時間における光学像の位置と１フィールドの最後の時間
における光学像の位置は異なる。従って前の光学像に基
づく画素電荷と移動後の光学像に基づく画素電荷が混合
されるため、ＴＶ信号の解像度が落ちてしまう。この像
流れにより美しい画像が得られないという問題点の発生
が予見される。

【００１１】本発明は前記従来の問題点を解決するもの
で１フィールドもしくは１フレームの受光期間中におい
ても手振れ補正信号等の外部制御信号に応じて受光中の
画素電荷を水平、垂直の双方向に転送制御可能とし、１
画素あたりの光学像移動周波数が１フィールドの周波数
より高い場合にも光学像に追従して電荷転送できるとと
もに素子数の少ない固体撮像装置を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明の固体撮像装置はマトリクス状に配置された光
学像を光電変換する光検知画素部と水平方向の双方向に
画素電荷を転送する水平方向画素電荷転送部と、垂直方
向の双方向に画素電荷を転送する垂直方向画素転送部を
有する受光部と、受光部からの転送された画素電荷群を
蓄積する蓄積部と、蓄積部から転送された画素電荷を出
力する画像出力部の構成を有している。

【００１３】

【作用】この構成によって手振れ補正信号等のの外部制
御信号に応じて、１フィールドもしくは１フレーム期間
中の光学像の光電変換中も光電変換している画素電荷を
受光部の第１水平方向電荷転送回路と第１垂直方向電荷
転送回路により垂直、水平の双方向の光学像に追従する
方向に、画素電荷を転送制御できる。このため、手振れ
等により光学像が受光面上を高速に移動しても光学像と
光電変換した画素電荷との対応関係は１フィールドの期
間中保たれる。このため手振れ補正等の画像補正を行っ
ても解像度や画質の劣化を防ぐことができる。叉蓄積部
の素子数を大幅に削減することもできる。

【００１４】

【実施例】（実施例１）以下本発明の実施例について図
面を参照しながら説明する。

【００１５】（図１）の撮像素子のブロック図は撮像部
５及び垂直水平転送回路及び垂直、水平制御回路１１
ａ，水平制御回路１１ｂ等の主要ブロックを示す。本発
明の実施例１の固体撮像素子は、従来方式であるフレー
ム転送方式とよく似た構造のＣＣＤ撮像素子の構成の撮
像部５を用いている。（図１）に示すように撮像部５の
上半分は光電変換を行う光検知用画素７１がマトリック
ス状に配置された受光部９０である。実際のＣＣＤは５
００×５００以上の画素で構成されているが、図面での
説明を容易にするため画素数を削除したタテ６列ヨコ７
列の画素の図示を用いる。又外部回路として手振れ補正
回路を組み合わせた場合を想定する。受光部９０は各画
素を垂直水平の４方向に転送する受光部垂直水平転送回
路９１に接続されており、この受光部垂直水平転送回路
９１は、カメラのピッチ方向の検知回路とヨー方向の検
知回路に接続することにより手振れ補正が可能となる。

【００１６】また、撮像部５の下半分は、受光部９０の
画素情報のうち補正に必要な画素情報のみが、外部のＴ
Ｖ周期信号の垂直同期信号に連動して垂直ブランキング
期間中に、受光部水平転送回路９１と垂直転送回路７５
により一斉に、下方向に転送さる。かくして第１フィー
ルド分の画素情報が蓄積部９２に蓄積される。図では、
蓄積部９２は水平３列、垂直３行のマトリックス状の画
素をもつ。ｔ＝ｔ1において第１フィールドの転送が完
了した状態を（図２）は示している。蓄積部９２の斜線
の丸印が、蓄積された第１フィールドの前のフィールド
の第０フィールドの画素情報を示す。

【００１７】この転送完了時には、受光部９０からの電
荷が、蓄積部９２に混入しないように転送部電荷除去回
路６６ｄにより、混入電荷を除去する等の手段がとられ
る。第１フィールドの読み出しが完了するまで、受光部
９０の転送制御とは独立して、蓄積部９２内の画素情報
の転送は垂直転送回路７５及び、水平転送回路７７によ
り行われ、出力回路７８により第１フィールドのＴＶ信
号として出力され、最終的にカラーＴＶ信号に復調され
る。

【００１８】ｔ＝ｔ２において、（図３）のように、垂
直転送回路７５により、第１フィールドの画素情報が垂
直下方向に転送され水平転送部７６に順次送り込まれた
後、水平転送回路７７により１ライン分が右方向に転送
され、出力回路７８によりＴＶ信号の出力を開始する。

【００１９】ｔ＝ｔ3において（図４）に示すように第
１フィールド最後の走査線の走査を行いｔ＝ｔ4におい
て（図５）に示すように全ての画素情報の読み出しを完
了し垂直ブランキング期間に入る。この後、転送部電荷
除去回路６６ｄによる受光部９０から蓄積部９２への電
荷の混入防止機能を停止させ、受光部９０から蓄積部９
２への電荷の転送を可能とさせる。ｔ＝ｔ5において
（図６）に示すように、受光部垂直転送回路９１と垂直
転送回路７５により、受光部９０の第２フィールドの画
素情報を垂直下方向に転送させる。ｔ＝ｔ6において、
（図７）に示すように、第２フィールド受光期間中に受
光部９０で受光した画素情報のうち必要な第２フィール
ドの画素情報（番号１〜９の丸印）を蓄積部９２へ転送
完了し、再び転送部電荷除去回路６６ｄにより、座標
（３，６），（４，６），（５，６）のセルの電荷除去
の機能を作動させ、受光部９０から蓄積部９２〜の電荷
流入を防止する。これにより、（図２）で示したｔ＝ｔ
１の第１フィールドの走査サイクルの最初の状態に戻
り、その後前回と同様にして受光部９０と蓄積部９２
は、次の垂直ブランキング期間まで独立して、別々に電
荷の転送を行う。

【００２０】従って、実施例３の場合、蓄積部９２の垂
直転送回路７５と水平転送回路７７は、揺動の画像補正
等の制御を主体的に行う機能はもたず、全くもっていな
い。揺動の画像補正の制御は受光部９０内で１フィール
ドもしくは１フレームの受光期間中に、受光部垂直水平
転送回路９１により行われる。

【００２１】次に受光部９０における画像補正制御の説
明をすると画像出力制御を変更したい場合、撮像部５上
の結像面上の最適揺動補正制御量に対応する電気信号
が、垂直制御回路１１ａ及び水平制御回路１１ｂから、
受光部垂直水平転送回路９１に送られる。

【００２２】この場合、従来例と実施例１が大きく違う
ところは、前者は、１フィールドもしくは１フレームの
走査期間中は、画素情報の垂直方向及び、水平方向の画
像補正のための各画素情報に基づく電荷の転送は行わ
ず、主として垂直ブランキング期間中に垂直方向、水平
方向の画像の補正のための電荷転送を行う事により画像
を補正していた。しかし実施例１の場合、主として１フ
ィールド又は１フレームの画素情報の受光期間中に（図
１４）（ａ）〜（ｅ）（後述する）に示すように垂直方
向、水平方向の画像制御信号に応じて、ＣＣＤ基板中の
ポテンシャル井戸を垂直、水平方向の上下方向と水平方
向の左右方向の４方向に転送するリアルタイム電荷転送
方式をとっている。ここで、（図２）のように、受光部
９０の水平方向に７行、垂直方向に６列の光検知用画素
７１があり、ある時間ｔ＝ｔ１において、７×６＝４２
ヶの図中丸印で示す画素情報を得ている。この画素情報
のうち、丸印の中に番号１〜９をつけた９つの画素の上
に、点線の長方形で示す範囲に得たい被写体の画素情報
が結像しているとする。この場合、１〜９の各光検知部
７１で光電変換が行われ、各画素のポテンシャル井戸の
中に、被写体の画素情報の各画素分に対応した電荷が
（図１４）（ｂ）（後述する）に示すように、露光時間
中に蓄積される。ここでは本発明のＣＣＤをビデオカメ
ラの手振れ補正検出回路と組み合せた例を用いて説明す
る。

【００２３】そして１フィールドの時間が完了しない
間、次の時間ｔ＝ｔ2に至るまでにカメラのヨー方向の
揺動が発生し、目標とする被写体の結像光学像が（図
３）の水平座標（４〜６）垂直座標（３〜５）の点線で
示す範囲に移動した場合、何も対策をとらなければ受光
期間中に通過した複数の画素情報が１つの画素に混合さ
れ、画像がボヤけてしまう。本発明では、例えば手振れ
の水平方向の水平補正量は水平制御回路１１ｂから出力
される。この情報を基にして受光部垂直水平転送回路９
１は各画素中の電荷を水平方向に補正量だけ転送する。
このため（図２）に示すｔ＝ｔ１の時、水平座標（３〜
５）、垂直座標（３〜５）にあった１〜９番の丸印で示
す複写体の画素情報に基づく各電荷は、前の実施例のよ
うにすてられる事なく、水平方向に転送され、（図３）
に示すように、目標とする被写体の光学像の移動に追従
し、順次隣のセルに引きつがれていく事になる。従って
水平方向の早い信号に対しても、転送素子の最大転送速
度の範囲内であれば被写体からの光の光電変換を前述の
従来例のように高速シャッターを用いて中断させる必要
はない。そして、この最大転送速度を仮に画素あたり１
００nsとし最終出力画面の一辺を５００画素とし、手振
れによる揺動の振巾の最悪値を画面の１００％と設定し
て計算してみる。すると１秒内20000Hzという超高速の
水平方向の制御信号に、追従するという事になり、補正
制御の周波数特性を従来の他の手振れ補正方式に比べて
著しい改善が計れる。しかも感度の低下はない。当然垂
直方向も全く同じようにして、周波数特性の改善が計れ
る。このため、垂直方向、水平方向の補正制御周波数特
性は著しく改善され、補正量検知手段の周波数特性に限
定されるのみとなる。斜め方向の揺動等の画像補正は水
平方向の補正と垂直方向の補正の組み合せで高速に行え
る。この超高速応答は揺動検出手段に応じて制御する方
式の場合、民生用ビデオカメラの手振れ補正等の様々な
応用効果が得られる。

【００２４】例えば、民生用途では現在規格統一が進め
られている電子カメラにおいてカメラ撮影に伴う手振れ
は、従来方式の固体撮像素子では１フィールドの走査時
間つまり１／60秒のシャッター速度のための手振れ対策
が問題となっている。従来例で説明したＣＣＤの場合露
光時間を短くするという対策が考えられる。しかし感度
が低下するという問題点がある。しかし、本発明の実施
例１の撮像素子を用いる事により、静止被写体撮影時の
カメラ振れに対しては、等価的にシャッター速度が最速
値で１０^-7ｓｅｃになった事を意味し、手振れセンサー
と組み合わせることにより実用上カメラ振れの全く起こ
らない電子カメラを実現できる。

【００２５】但し当然の事ながら、１フィールド露光方
式を用いれば動く被写体に対してはシャッター速度はあ
くまでも１／６０秒であり、動く被写体を静止させるに
は、電子的な手段により露光時間を短くするか移動物体
検知手段を設ける等の別の対策が必要となってくる。し
かし、ブレの原因の殆んどが手振れで発生し、スチルカ
メラの場合、特に望遠レンズを使った手持ち撮影時の殆
んどの画像ブレがカメラボディの動きに基づくものであ
るためカメラボディの位置を検知することにより大巾に
抑制できる。このためこの本発明による撮像素子は、そ
の高速応答特性により、静止被写体の超望遠レンズを使
った手持ち撮影をも可能とする電子カメラを実現できる
という可能性を提供する。又、この実施例の固体撮像素
子は手持ちの民生用ビデオカメラ以外にも放送局用のビ
デオカメラにも応用できる。例えばナイター中継のスロ
ービデオ画像をみても解る通り、例え丈夫な三脚を用い
ても、流し振りをした場合、各１枚１枚の画像が流れて
いる事がスロー再生時に見受けられる。しかしこの問題
点も本発明の固体撮像素子を用いることにより、ボール
等の動く被写体は改善されないがグランド等の背景等の
静止被写体は流れる事なく、ハッキリと補正される。従
って放送局用ビデオカメラに用いても流し撮り時の静止
被写体の１枚１枚の静止画像が、感度の低下なしに補正
される事になりスローモーションもしくは、スチル画面
放送時の画像流れを防止できるという効果が得られる。
以上のように電子カメラや放送局用カメラに用いてもこ
の固体撮像素子は風景、背景、建物等の静止被写体の撮
影時に効果がある。

【００２６】そして、別途設けた高速の画像認識手段を
用いればカメラボディや光学系を機械的に動かす事な
く、動く被写体を追う事ができるため、画像認識手段が
低コストになれば、動く被写体の像も高速に画像補正で
きるようになるという将来的な可能性がある。

【００２７】動作原理の説明に戻ると、さらに感度を上
げるためには、各画素の受光部やセルの間にある各転送
用セル上に透明の電極やレンズを採用する等の手段によ
り光電変換機能を絶え間なくもたせるようにできる。こ
のことにより、１フィールドもしくは１フレームの期間
中に移動する光学像の光電変換が全く中断されず、連続
的に光学像が隣のセルに順次引きつがれてゆく。このた
め画像範囲の制御による感度の低下がより少なくなると
いう効果が得られる。

【００２８】又この水平方向の（図２）から（図３）に
示すような電荷転送に伴い、（図２）で水平座標６、垂
直座標１〜６にあった電荷は、（図３）では、水平座標
７、垂直座標１〜６に合流させられ、場合によりオーバ
ーフローしてブルーミング等により画質を劣下させる。
従って周辺の画素部に設けた電荷除去部から電荷除去回
路６６により、転送に応じて、周辺部の電荷を除去して
いる。この事により転送に伴なう周辺部の電荷のオーバ
ーフローが防止され画質劣下が防止されるという効果が
得られる。この場合この回路を設けず、周辺部のセルに
電荷放出部を設けて基板等に電荷を常時放出させてもよ
い。但し、上述のように座標（３、６）（４、６）
（５、６）の３つの画素部は、受光期間中は受光部９０
からの電荷が画素情報の蓄積部９２に流れこまないよう
に、転送部電荷除去回路６６ｄにより電荷の転送阻止も
しくは、電荷の除去を行なう事により、電荷もれによる
出力画像の劣下を防ぐという重要な効果がある。

【００２９】垂直方向の画像補正に関して説明すると、
同一のフィールドもしくは同一フレームの走査時間内の
ｔ＝ｔ₂からｔ＝ｔ₃に至るまでに、（図４）の点線矢印
で示すように被写体の光学像が垂直方向の図の上方向に
移動した場合、水平方向の補正と同様にして、最適補正
量の情報が垂直制御回路１１ａより、受光部垂直水平転
送回路９１にあたえられる。被写体像を光電変換した番
号１〜９の丸印で示す画素情報は、水平方向の場合と同
様にして、受光部垂直水平転送回路９１により、（図
４）のように、被写体像の対応する部分に転送され、被
写体像の各画素の情報は、１フィールドもしくは１フレ
ームの間中断する事なく光電変換され続ける。こうして
垂直方向、水平方向の制御を繰り返しながら、１フィー
ルドもしくは１フレームの画素情報の受光が完了したｔ
＝ｔ₄において（図５）に示すように丸印１〜９で示す
画素情報は、点線長方形で示す被写体の結像部の位置と
は関係なしに、受光部垂直水平転送回路９１により、水
平座標３〜５の部分に高速に水平転送された後、転送部
電荷除去回路６６ｄによって電荷の転送を阻止していた
座標（３、６）（４、６）（５、６）の画素部を開き受
光部９０から、蓄積部９２への画素情報の転送を可能と
し受光部垂直水平転送回路９１と、垂直転送回路７５に
より、垂直方向の図の下方向に丸印１〜９で示す画素情
報を転送し、ｔ＝ｔ₅において（図６）に示すように、
受光部９０から蓄積部９２へと、被写体の画素情報は転
送され、ｔ＝ｔ₆において、（図７）に示すように、被
写体の全ての画素情報は、蓄積部９２への転送を同じ垂
直ブランキング期間に完了し、転送部電荷除去回路６６
ｄにより受光部９０から蓄積部９２への電荷の混入は防
止されるため、受光部９０と蓄積部９２の電荷は独立し
て別々に転送され蓄積部９２内の前のフィールドもしく
は前のフレームの画素情報（丸印の番号１〜９）は（図
２）で示すｔ＝ｔ₁と同じく垂直方向及び水平方向の電
荷の転送により画素情報を読み出し出力回路７８からは
画像信号が出力される。一方受光部９０では、（図７）
の長方形の点線で示す範囲に撮影対象の被写体が結像
し、その部分の光検知用画素（丸印１１〜１８番）に
は、被写体の各画素の光量に対応した電荷の蓄積が開始
される。そして、前述の如く、カメラボディの揺動に応
じて、蓄積電荷は前のフィールドにおける制御と同様、
画像の揺動を補正する方向に受光部垂直水平転送回路９
１により転送制御される。

【００３０】以上が実施例１の基本的な動作の説明であ
る。次にこの受光部垂直水平転送回路９１の動作原理を
各セルの拡大図を用いてさらに詳細に説明する。

【００３１】（図８）は水平方向に７列、垂直方向に６
列並んだ各画素の拡大図で各画素は図に示すように、全
て対象構造となっており、座標（７、１）に示すように
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｈ，Ｉの９つのセルから構成
されている。このうち斜線で示すＡ，Ｃ，Ｇ，Ｉのセル
はＰ型もしくはＮ型等の不純物の拡散等によりチャンネ
ルストッパーが設けられた電荷転送禁止領域９３であり
Ｅのセルは、光検知用の光検知画素部７１であり、この
横断画面は（図１４）（ａ）に示すようにＰ型もしくは
Ｎ型の半導体基板９４の上にＳｉＯ₂等の薄い絶縁膜９
５を介して電極９６ｅが設けられ、この電極９６ｅは共
通クロック回路９１ａに接続されている。Ｄ，Ｆのセル
は水平転送用のセルで上面には、（図１４）（ａ）に示
すように、水平転送用の電極９６ｄ，９６ｆが設けら
れ、電極９６ｄは、第１水平クロック回路９１ｂに接続
され、電極９６ｆは、第２水平クロック回路９１Ｃに接
続されている。各時点における界面ポテンシャルによ
る、電荷井戸の状態を示したのが、（図１４）（ｂ）〜
（ｅ）（後述する）である。図に示すように、結像した
光学像により（図１４）（ｂ）では、光検知部のＥのセ
ルの井戸に光電変換により丸印で示すように電荷が蓄積
されつつある状態を示している。Ｐ型基板の場合、マイ
ナリティキャリアである電子が光電変換により蓄積され
る。そして、Ｂ，Ｈ，のセルが上下の垂直転送を行う垂
直転送用セルで、（図１５）（ａ）の横断面図に示すよ
うに、絶縁膜９５を介して電極９６ｂ，９６ｈが上部に
設けられており、被写体の光学像により光電変換された
電荷が井戸の中に（図１５）（ｂ）に示すように蓄積さ
れる。

【００３２】次に具体的な垂直水平の四方向の転送動作
を説明する。（図２）に示したｔ＝ｔ₁における状態を
拡大したものが（図９）で、水平座標３〜５、垂直座標
３〜５の範囲にある点線の長方形部が、撮影目的の被写
体の背景を含む結像範囲を示し被写体の各画素情報板
は、光検知用画素により光電変換され、番号１〜９の丸
印が各画素に対応する電荷を示している。この横断面図
を示したのが、（図１４）（ａ）で（図１４）（ｂ）は
この場合の界面ポテンシャル状態を示している。上述の
ようにＰ型基板の場合電子が転送電荷となり、電極９６
にＬＯＷの電圧を加えるとポテンシャル井戸が浅くな
る。従って（図１４）（ｂ）では、電極９６ｆ、９６ｄ
がＬＯＷで電極９６ｅがＨｉｇｈになっておりＥのセル
と隣のＥのセルに４、５の丸印で示す画素情報が蓄積さ
れている。この状態を上面からみた図が（図９）であ
る。上述のように電極をＬＯＷにすると、電荷の転送が
阻止される。ここでは説明を容易にするために前の実施
例と同様に、このＬＯＷにした電極部を四角印で示す。
従って、以下（図９）〜（ｆ）の図の四角印の部分のセ
ルは電荷の転送が阻止される事を意味するものとする。
ここで、（図９）の１〜９の画素情報は、まわりを四角
印で示すＬＯＷ電位の電極のセルで囲まれており、蓄積
電荷の転送は阻止されている。座標（５、４）の丸印の
番号４の画素部を撮像部５の基板の図の水平方向の断面
図が（図１４）（ａ）であり、その界面ポテンシャル状
態を示したのが（図１４）（ｂ）で、各画素の電荷は電
荷井戸の中に、閉じ込められて、水平方向には動けな
い。又、同じ画素の基板の垂直方向の断面図が（図１
５）（ａ）であり、ポテンシャルの状態を示したのが
（図１５）（ｂ）で、各画素は、電荷井戸の中に閉じ込
められ、垂直方向に動けない状態にある。

【００３３】以上の説明からｔ＝ｔ₁において各画素の
電荷は、水平方向にも垂直方向にも固定されている。

【００３４】では次は、外部状況の変化により被写体の
画像が（図３）に示したようにｔ＝ｔ₂に至るまでに、
図の右方向に移動しこれを、水平方向の検出手段が検知
しこの情報に基づき、画像の右方向の移動に追従させな
がら、図の同じく右方向に電荷を転送させる時の、各電
極に与える電圧を変化させる事により各電荷を右方向に
水平転送する動作原理を説明する。電極は１セル毎に転
送され、（図９）のｔ＝ｔ₁の状態から、まず（図１
０）の１セル分だけ動く。水平方向の電荷転送期間中は
垂直方向への転送電荷の漏れを防止するために、第１垂
直クロック回路９１ｄと第２垂直クロック回路９１はＬ
ＯＷの電位を発生し、（図１５）（ａ）に示す第１垂直
転送電極９６ｂと第２垂直電極９６ｅはＬＯＷ電位とな
りポテンシャルの状態は（図１５）（ｂ）のようにな
り、ＤのセルとＦのセルの間のＥに井戸ができ、セル
Ｂ、Ｈの電荷は水平転送される状態となる。電荷の水平
方向の転送期間中は、この状態が維持されるためセル、
Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｄ，Ｅ，Ｆと連続した水平転送部が、撮像
素子上に、電子的に形成される事になる。従って、後は
（図１４）（ｂ）〜（ｅ）で示すように第１水平クロッ
ク回路９１ｂ，共通クロック回路９１ａ、第２水平クロ
ック回路９１ｃの動作電圧を変化させ各電極の部分のセ
ル、Ｄ，Ｅ，Ｆの部分の電極の電位を変化させる。最初
の状態は、（図１４）（ｂ）に示すように、Ｄ＝ＬＯ
Ｗ、Ｅ＝Ｈｉｇｈ，Ｆ＝ＬＯＷのため、井戸の中に番号
４、５の画素情報に基づく電荷は固定されている。次
に、Ｄ＝ＬＯＷ，Ｅ＝Ｈｉｇｈ，Ｆ＝Ｈｉｇｈにする
と、（図１４）（ｃ）に示すように井戸が、右方向に拡
大し電荷が右方向に移る。次に、徐々にＥの電位を下げ
る事により、電荷は右方向へ移動し、（図１４）（ｃ）
の状態から（図１４）（ｄ）に示すように、Ｄ＝ＬＯ
Ｗ，Ｅ＝ＬＯＷ、Ｆ＝Ｈｉｇｈになり、Ｆのセルの下の
みに井戸が形成され、Ｅのセルから右隣りのＦのセルへ
と、１セル分の電荷の水平転送サイクルは完了する。こ
の後は、（図１４）（ｅ）に示すようにＤの電位をＨｉ
ｇｈにして、Ｄ＝Ｈｉｇｈ，Ｅ＝ＬＯＷ，Ｆ＝Ｈｉｇｈ
の構成により、井戸を右方向に拡げＦのセルから右隣の
Ｄのセルへの電荷の水平転送サイクルを開始し上述のよ
うに同じ転送原理によりＦのセルから右隣のＤのセルへ
電荷を転送する。この状態を示したのが（図１０）で点
線長方形で示す被写体の光学像に追従している。従って
本来光検知用のＥのセルだけでなく、本来電荷転送用の
Ｆのセルや、Ｄのセルを透過構造電極採用等の手段によ
り光検知構造とする事により電荷転送中も光電変換は、
中断されず転送に伴う感度の低下を防止するという重要
な効果が得られ、ビデオカメラや、電子スチルカメラ等
にこの撮像素子を採用する事により、暗いところでも、
純電子的な画像補正効果のある撮影装置が得られる。そ
して次の水平転送サイクルにより、Ｄのセルから右隣り
のＥのセルへ各々の画素の各々の電荷の転送を行ない、
１画素分の電荷の画素水平転送サイクルは完了し（図１
１）に示すように、点線長方形で示す被写体の結像した
光学像に追従しながら被写体の各画素に対応する各セル
部の電荷は右方向に水平方向に転送される。逆に左方向
に水平転送したい場合は、右方向の各セル電荷の水平転
送サイクルと逆の動作を行えば、左方向に各電荷は転送
される。具体的に、Ｆのセルから左隣のＥのセルへの転
送サイクルを示すと、まず（図１４）（ｄ）のような状
態になるように、Ｄ＝ＬＯＷ，Ｅ＝ＬＯＷ，Ｆ＝Ｈｉｇ
ｈの電位を信号のタイミングチャート上で、作り出し、
次に（図１４）（ｃ）の状態にし、次に（図１４）
（ｂ）の状態にする事により下のセルから、左隣りのＥ
のセルへの電荷の水平転送サイクルは完了する。このよ
うにして、右方向の水平転送と同様にして、左方向の水
平転送が可能となり、水平方向の左右の画像補正制御信
号に対しても、本実施例の撮像素子は、左右にしかも、
感度の低下なしに画像補正できるという効果が得られ
る。この水平転送サイクルの期間中は上述のように垂直
方向のセルＢとＨへの電荷の漏れを防ぐため（図３２）
（ｂ）の垂直方向のポテンシャル図に示すようにＢとＨ
のセルはＬＯＷ電圧となっている。この事により水平方
向補正中の垂直方向への電荷の漏れを防ぎ、画像補正し
ても画像の鮮明度を劣下させないという効果が得られ
る。

【００３５】今度は、垂直方向の画像補正をするための
垂直方向の電荷の垂直転送を説明する。まず、（図３）
に示すｔ＝ｔ₂の状態から外部条件の変化により、（図
４）に示すｔ＝ｔ₃の状態、つまり被写体の光学像が、
垂直の上方向に、移動した場合、この移動に追従して電
荷を垂直方向の上方向へ転送する垂直転送サイクルを述
べる。基本的な動作原理は電荷の水平転送サイクルと同
じであり、垂直方向の場合は、（図１４）（ｂ）の水平
方向ポテンシャル図に示すようにＤのセルとＦのセルの
電位を、垂直転送サイクルの期間内、ＬＯＷにして垂直
転送電荷の水平方向への漏れを防止する。このことによ
り、撮像素子上には垂直方向の上下双方向に電荷を転送
する垂直転送部が電子的に形成された事になる。この状
態で、（図１１）に示す受光部拡大図の番号４、番号７
の画素のポテンシャル図を示したのが（図１５）（ｂ）
であり、（図１５）（ａ）に示すように第１垂直クロッ
ク回路９１ｄと、共通クロック回路９１ａ、第２垂直ク
ロック回路９１ｅにより、各電極を介して電位を与えら
れており、この場合、Ｂ＝ＬＯＷ，Ｅ＝Ｈｉｇｈ，Ｈ＝
ＬＯＷとなっており、番号１、番号４、番号７の電荷
は、Ｅの小さい井戸の中に固定されている。上述のよう
にＤ＝ＬＯＷ，Ｆ＝ＬＯＷとなり水平方向の電荷の漏れ
は防止されている。次に（図１４）（ｃ）のポテンシャ
ル図に示すようにＢ＝Ｈｉｇｈ，Ｅ＝Ｈｉｇｈ，Ｈ＝Ｌ
ＯＷにすることによりＥのセルにあった井戸が、上方向
に隣接するＢのセルへと拡大され、これに伴ない、番号
１、番号４、番号７の各電荷は、垂直方向の上方向へと
移動する。次に、水平転送サイクルと同様ＥのセルにＬ
ＯＷの電圧を徐々に与える事により番号１、番号４、番
号７の各電荷はさらに上方向への転送を続け、（図１
５）（ｄ）に示すように、元のＥのセルの上方向のＢの
セルに、ほぼ完全に転送されセルの垂直転送サイクルは
完了する。この状態の受光部拡大図を示したのが（図１
２）である。さらに（図１５）（ｅ）に示すようにＢの
セルから上に隣接するＨのセルへの垂直転送サイクルを
開始し、最終的に（図１３）の受光部拡大図に示すよう
に１画素分の上方向の垂直転送サイクルを完了する。下
方向の垂直転送サイクルは、転送クロック信号のタイミ
ングチャートを変更し、（図１５）（ｄ）のポテンシャ
ル図になるように、印加電圧を加え次に（図１４）
（ｃ）のポテンシャル状態にし、（図１４）（ｂ）のポ
テンシャル状態にする事により下方向の垂直電荷転送が
可能となる。こののち、主に垂直ブランキング期間中に
受光部９０内の画素情報を含む電荷は、蓄積部９２に転
送され画像信号として出力される事は、詳しく述べた。

【００３６】従来方式は、移動速度の大きい光学像の移
動に対しては、光検知画素７１に電荷放出手段を設け、
変化速度が速くなるに伴い電荷放出時間を永くする方式
をとっている。逆のいい方をすれば光検知画素７１の光
電変換に伴う電荷蓄積時間を短くする。つまり揺動等に
よる光学像の移動が速いほどシャッター速度を速くしハ
ッキリした補正画面が得られる反面、露光時間が短くな
るため、感度がその分だけ下がる。昼間時の戸外撮影時
には支障とならないが、夜間の室内撮影時に問題とな
る。ＣＣＤの原理を説明すると、電荷転送型撮像板は基
板中の電荷井戸つまりバケツを上部に設けた電極の印加
電圧を変化させる、移動させ井戸のつまりバケツ中の電
荷を転送する。ちょうどバケツで電荷を順次転送するの
と似ている。従来のＣＣＤ撮像素子は、１フレームもし
くは１フィールド単位の露光時間の間、光電変換に伴い
発生した電荷を固定したバケツの中に蓄積する方法であ
った。露光時間中はバケツの位置は移動させない。そし
て、インターライン方式では、垂直ブランキング期間中
に、光検知用画素７１のバケツ内に、たまった電荷を全
てのバケツの電荷を隣接して設けられたバケツである転
送用画素７２に転送する。一方フレーム転送方式では、
１フレーム分の全ての画素のバケツを一斉に別に設けた
フレーム蓄積部に一度に転送する。

【００３７】従来のＣＣＤでは通常の露光時間である１
フレームもしくは１フィールドの走査期間の１／３０秒
もしくは１／６０秒で手振れが補正できない場合、揺動
の速度に応じて、露光時間を短縮させる方式が考えられ
る。つまり、揺動が速いと、光検知画素部７１のバケツ
の中に貯った不要な電荷を捨てる訳で、この分感度が低
下する事になる。実施例３の方式は、この感度の低下を
防ぐために１フィールドもしくは１フレームの走査期間
中も揺動等の検知信号に応じてリアルタイムで各光検知
画素７１のバケツの中に貯った各画素情報の電荷を垂直
方向の双方向、つまり上下方向、そして水平方向の双方
向、つまり左右方向に、あたかもバケツリレーの如く電
荷を従来の撮像素子の１方向の転送方向ではなく水平垂
直の双方向に制御回路により転送する方式である。結像
した光学像の揺動に伴う撮像部５の結像面上の移動を追
いながら、各々のバケツ内の電荷が１フィールドもしく
は１フレームの期間中に補正する方向にリアルタイムで
移動する。このため、垂直同期信号より速い周波数の揺
動等により結像画像が高速に移動しても、電荷の転送速
度の範囲内なら追従するためビデオカメラの殆どの手振
れを補正できる。１フィールドもしくは１フレーム間の
画素情報の光電変換に伴い発生する電荷は従来のＣＣＤ
ではすてる必要があるが、本発明ではすてる事なく、効
率的に１フィールドもしくは１フレームの間蓄積できる
ため、手振れ補正のための画像制御に伴う感度の低下を
防ぐ事ができるという効果が得られる。

【００３８】以上のように、本実施例の撮像素子及び制
御回路を用いる事により、結像光学像を、通常のビデオ
カメラの使用条件で考えられるもっとも速い結像光学像
の移動速度よりはるかに速い速度で、正確に追従する。
このため高速の画面補正に対しても追従し補正効果があ
る固体撮像素子が、感度の低下なしに得られる。実施例
の説明で、述べたように著しい周波数応答と、感度の維
持が純電子的に可能になるという効果が得られる。な
お、実施例では垂直の双方向の画素電荷転送と水平の双
方向の画素電荷転送の４方向の画素電荷転送の例を示し
たが、垂直もしくは水平の双方向の画素電荷転送を行な
っても、一次元ではあるが同様の効果が得られる。また
従来のフレーム転送型のＣＣＤの場合、受光部と蓄積部
の行と列の素子数は同じである。しかし本発明を用いる
ことにより（図１）に示したように受光部の画素数に比
べて蓄積部の画素数を大巾に削減できる。このためチッ
プ面積を顕著に小さくできるという効果がある。例えば
手振れ補正に用いる場合、上下左右に最低で１０％、通
常で５０％の補正範囲が求められる。この場合、本発明
の固体撮像装置を用いると蓄積部の画素数を従来方式の
４分の１に削減できる。

【００３９】なお、カラーフィルタとインターレース処
理を省略して説明したが、カラー３板方式の採用するこ
ともできる。また、モザイク状のカラーフィルタを配置
したカラー単板方式の採用した場合、３色の画素単位で
画素電荷を転送することができることは言うまでもな
い。

【００４０】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明は、
手振れ補正信号等の外部制御信号に応じて１フィールド
の期間中においても受光部の垂直転送部や水平転送部の
垂直、水平双方向の電荷転送制御をリアルタイムに行い
画素電荷を上下左右に任意に移動させるとともに受光部
の全画素情報の中から任意の範囲内の画素情報がとり出
せる。このため、手振れ補正回路を外部に設けることに
より産業用、民生用のビデオカメラの撮像部の手振れ等
の補正を撮像素子内で処理できる。このため、従来のビ
デオカメラ用ＣＣＤを用いた手振れ補正処理方式に比べ
ると撮像部内部で画素電荷を直接移動できるため垂直同
期信号より高速の手振れ補正信号に追従応答するという
著しい効果がある。このため、従来のビデオカメラ用Ｃ
ＣＤを用いた電子補正方式では不可能であった。高速の
手振れ補正時における画質劣化。がなくなるという効果
がある。また産業用、民生用のビデオカメラでの従来で
行なわれていた機械式、光学式の手振れ補正を画質を落
とさずに純電子的に行なえるため信頼性向上、小型軽量
化等の効果がある。また受光部に比べて電荷蓄積部の素
子数を少なくする構成をとっているため、１チップＣＣ
Ｄの素子数を大巾に減らせるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における固体撮像装置の
ブロック図

【図２】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図３】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図４】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図５】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図６】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図７】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図８】本発明の第１の実施例における固体撮像装置の
受光部の拡大図

【図９】本発明の第１の実施例の拡大した受光部におけ
る電荷転送の動作原理図

【図１０】本発明の第１の実施例の拡大した受光部にお
ける電荷転送の動作原理図

【図１１】本発明の第１の実施例の拡大した受光部にお
ける電荷転送の動作原理図

【図１２】本発明の第１の実施例の拡大した受光部にお
ける電荷転送の動作原理図

【図１３】本発明の第１の実施例の拡大した受光部にお
ける電荷転送の動作原理図

【図１４】（ａ）は本発明の第１の実施例における水平
方向の電荷転送部の横断面図（ｂ）は本発明の第１の実施例の水平方向の電荷転送原
理を示す界面ポテンシャル図（ｃ）は本発明の第１の実施例の水平方向の電荷転送原
理を示す界面ポテンシャル図（ｄ）は本発明の第１の実施例の水平方向の電荷転送原
理を示す界面ポテンシャル図（ｅ）は本発明の第１の実施例の水平方向の電荷転送原
理を示す界面ポテンシャル図

【図１５】（ａ）は本発明の第１の実施例の固体撮像装
置の垂直方向の横断面図（ｂ）は本発明の第１の実施例の垂直方向の電荷転送原
理を示す界面ポテンシャル図（ｃ）は本発明の第１の実施例の垂直方向の電荷転送原
理を示す界面ポテンシャル図（ｄ）は本発明の第１の実施例の垂直方向の電荷転送原
理を示す界面ポテンシャル図（ｅ）は本発明の第１の実施例の垂直方向の電荷転送原
理を示す界面ポテンシャル図

【図１６】従来の例として説明する固体撮像素子のブロ
ック図

【符号の説明】

５撮像部１１ａ，１１ｂ，垂直、水平制御回路６５基準時間信号部６６電荷除去回路７１光検知画素７２転送用画素７３転送パルス回路７４ａ〜７４ｄ垂直転送部７５垂直転送回路７６水平転送部７７水平転送回路７８信号出力回路８０水平転送制御回路８１出力制御ＳＷ８２リセットＳＷ９０受光部９１受光部垂直水平転送回路９２蓄積部９４撮像素子基板９５絶縁層９６電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平方向の複数の行と垂直方向複数の列か
らなるマトリクス状に配置され光電変換により画素情報
の光を各画素に対応する画素電荷に変換する光検知画素
部と、前記光検知画素部を一部として有し前記画素電荷
を垂直方向に転送するマトリクス状の行と列からなる第
１垂直方向電荷転送部と、前記光検知画素部を一部とし
て有し前記画素電荷群を水平方向に転送する第１水平方
向電荷転送部を有する受光部と、前記第１垂直方向電荷
転送部の一部もしくは全部と結合したマトリクス状の行
と列からなる第２垂直方向電荷転送部と該第２垂直方向
電荷転送部と結合した第２水平方向電荷転送部とが配置
され前記受光部から転送された前記画素電荷群を蓄積及
び出力する蓄積部と前記蓄積部から転送された画素電荷
を出力する画像出力部からなり、外部の垂直同期信号に
連動させて前記受光部から前記蓄積部に転送された画素
電荷群を、前記画像出力部に転送し前記画像出力部より
画像信号として出力する電荷転送素子において、前記受
光部の前記第１垂直方向電荷転送部の行及び列の数に比
べて前記蓄積部の前記第２垂直電荷転送部の行及び列の
数を少なく設定したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】第１水平方向電荷転送部と第１垂直方向電
荷転送部の画素電荷群を外部の画像補正信号に応じて水
平の双方向と垂直の双方向に転送可能としたことを特徴
とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】垂直同期信号に連動して一回かつ一斉に、
受光部の画素電荷群の一部の画素電荷群を蓄積部に転送
し、画像出力部より映像信号として出力することを特徴
とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】第１水平方向電荷転送部と第１垂直方向電
荷転送部を外部の画像補正信号に応じて水平の双方向と
垂直の双方向に転送可能としたことを特徴とする請求項
３記載の固体撮像装置。