JPH07250287A - 固体撮像素子とその駆動方法 - Google Patents

固体撮像素子とその駆動方法

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JPH07250287A
JPH07250287A JP6039711A JP3971194A JPH07250287A JP H07250287 A JPH07250287 A JP H07250287A JP 6039711 A JP6039711 A JP 6039711A JP 3971194 A JP3971194 A JP 3971194A JP H07250287 A JPH07250287 A JP H07250287A
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JP
Japan
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photoelectric conversion
spectral
signal
solid
charge storage
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JP6039711A
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English (en)
Inventor
Yoshitaka Asano
義堂 浅野
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 フィルター等の光学系を用いず、比較的速い
動きをする被写体に対しても同時性を失わずに任意の分
光信号が得られる固体撮像素子を提供する。 【構成】 光電変換部D上に配した電極の印加電圧によ
り分光感度特性を制御することができる光電変換部D
と、各分光信号を蓄積する複数の独立した電荷蓄積領域
CP1〜3および、前記電極への印加電圧に対応してそ
れぞれの電荷蓄積領域に信号転送を行うスイッチSTG
1〜3を具備することで1画像のフレーム内をさらに細
かい周期で分光感度検出および画素内蓄積領域への転送
を行った後、前記周期とは独立した周期で各分光信号を
画素内蓄積領域から読み出すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子とその駆動
方法に関し、さらに詳しくは電気的に分光特性の制御可
能な1つの光電変換領域に対して複数個の独立した電荷
蓄積領域を有する構造により分光画像を得ることを特徴
とした固体撮像素子とその駆動方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】可視の固体撮像素子においては、受光素
子上にストライプ状またはモザイク状に配列したカラー
フィルターを設けることによりそれぞれの分光信号(色
信号)から単板カラー画像を得ることが一般的である。
また、赤外線撮像素子においては分光機能を持たせるこ
とによって物質固有の輻射特性から物質の同定が可能で
ある。さらに、赤外分光画像は前記同定の他にも物質の
真温度測定や表面状態の情報も得ることが可能である。
【0003】分光画像を得る固体撮像素子の従来例とし
て特公平2−63311号公報に紹介されているものが
ある(以後、第1の従来例と略す)。上記従来例1は、
ショットキダイオードのバリアハイトをSi基板のショ
ットキ接合の金属電極と接する界面の不純物濃度を変え
る方法または、ショットキ接合の金属電極の材質を変え
ることにより互いに異なるショットキバリアハイトを有
する複数個の分光感度特性の異なるショットキ接合が互
いの間に間隔をおいて列方向もしくは行方向にストライ
プ状、またはモザイク状に配列されたショットキ接合赤
外光電変換部アレイを設け、上記互いに異なるバリアハ
イトを有する赤外光電変換部が被写物体を撮像すること
によって、複数個の赤外光電変換部が出力する信号電荷
により得られる画像信号を計算処理することにより上記
被写物体の温度分布画像および絶対温度値を得ることの
出来る赤外線撮像装置である。
【0004】また、第2の従来例として特開昭58−3
9172号公報に紹介されているものがある。図2にそ
の固体撮像素子の構造を示す。図2(a)は固体撮像素
子の概略図、図2(b)は具備する回転カラーディスク
の構成例を示す。
【0005】従来の固体撮像素子は、1つの画素に対し
て1つの光電変換部により蓄積された電荷信号を任意の
タイミングにより読み出し信号転送路を経て順次読み出
される。特にこの従来例では、図2(a)に示されてい
るように1つの光電変換部Dに隣接して独立した電荷蓄
積部を複数個(CP−1〜3)有し、各色分解した光情
報を各々の定められた電荷蓄積部に順次振り分けるとと
もに、上記電荷蓄積部の電荷を他へ移動せしめるまでの
期間に上記光電変換部より複数回づつ上記振り分けを繰
り返すことにより、比較的速い動きの被写体に対しても
良質の分光画像を得ることを可能とする撮像方式を提供
するものである。この撮像素子は、各色の分光信号を得
るため素子の前にモーターにより回転するカラー回転デ
ィスク図2(b)を配置し、カラー回転ディスクの位置
状態が電気信号としてゲート信号STR1〜STR3が
送られ光電変換部と電荷蓄積部とを結ぶ各転送電極GS
N−1〜3のFETスイッチによって各色の分光信号電
荷は独立した電荷蓄積部へ任意に振り分けられる。振り
分けられた電荷はTRF−1〜3のゲート信号によりG
TN1〜3のFETスイッチにより電荷転送路(CC
D)へ転送される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、第1の従来例
および受光素子上にストライプ状またはモザイク状にカ
ラーフィルターを設ける方法では分光特性と空間分解
能、検出感度および時間分解能がトレードオフの関係に
なり良い特性が得られないという問題がある。つまり、
動的な対象物の分光画像を得るとき従来のイメージセン
サーではデータ転送能力の限界により画像情報の読み出
しに同期したスピードでしか画像出力信号を得ることが
できない。よって上記方法により得た分光画像情報は同
時性に欠けてしまう。このため比較的動きの速い被写体
を撮影する場合には各分光画像にズレが生じてしまう欠
点がある。
【0007】第2の従来例で示した方法では、各色の光
信号を得るため光電変換部上にモーターにより回転する
ディスク型のフィルターを設け、フィルターに配設して
ある電極により回転ディスクフィルターの位置を検出し
電気信号として光電変換部と各蓄積部を結ぶ転送電極へ
転送信号を発信しスイッチングを行い分光信号の振り分
けを行っている。このためカメラ部分に回転フィルター
を取り付ける必要がある。また、モーターにより高速回
転する回転フィルターは光学系の一部として取り付けら
れているため機械的安定性、振動、回転数制御等を考え
ると精密な実装と高度なモーターが要求されることが考
えられる。さらに、分光電荷を振り分けるために回転フ
ィルターの位置状態を読み出すスイッチにより固体撮像
素子駆動シーケンス制御回路に電気信号が送られ、前記
シーケンス制御回路より出力されるトリガー信号により
分光電荷と各独立した電荷蓄積部を結ぶ各スイッチの開
閉を行うため、分光信号を得る構造が非常に複雑である
という欠点がある。
【0008】また、上記従来例の他に光学系そのものに
分光機能を持たせる方法が考えられるが光学系に分光機
能を持たせると光学系そのものが複雑で高価なものとな
ってしまう。また、分光特性を電気的に制御可能な受光
素子と複数の信号蓄積領域を組み合わせた単位絵素より
なるイメージセンサーでは分光特性制御のための機構お
よび駆動と振り分けて蓄積する機構および駆動がそれぞ
れ必要となる構造および駆動方法が複雑になる点は解消
されない。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記欠点を解決
することを目的でなされたものであり、光電変換部が分
光特性を電気的に制御するための電極を絶縁膜を介して
具備したフォトダイオードよりなり、分光のための印加
電圧に対応して開閉する転送電極が1つのスイッチ機構
により制御され、同時に同じスイッチ機構により順次複
数回にわたって光電変換部からの信号を上記受光部と隣
接して設けた複数個の独立した電荷蓄積部に振り分けて
分光信号蓄積を容易に行うことができる。また、上記固
体撮像装置において光電変換部がショットキダイオード
と絶縁膜を介して具備された電極により構成することで
上記効果を備えた赤外線固体撮像装置が得られる。
【0010】
【作用】逆バイアス印加されたショットキダイオードや
pn接合のフォトダイオードは、逆バイアス電圧に応じ
て分光感度特性を制御することができる。よって、逆バ
イアス電圧印加の動作と対応して分光電荷を蓄積部に振
り分けることにより逆バイアス電圧に応じた分光信号が
得られる。つまり、分光電荷を振り分けるスイッチのし
きい値をそれぞれの逆バイアス印加電圧に対応して設定
できるスイッチを具備することにより分光と振り分けの
動作を兼用することができる。
【0011】また、本発明の駆動方法においては、光電
変換部により分光された信号電荷を各々定められた電荷
蓄積部に速い周期で複数回づつ順次振り分けることによ
って動きのある被写体に対しても一つ一つの分光信号の
時間的ズレが少ない画像を得ることができる。
【0012】
【実施例】以下に添付した図面を参照として本発明の概
要を説明する。説明を簡単にするため転送部としてはラ
イン型CCD構造のものを用いる事にするが、2次元C
CD構造、BBD構造、MOS構造などについても適用
可能である。
【0013】図1は、固体撮像素子の簡略図である。S
HLDは光電変換部(D)上に設けた電極であり、SH
LD電極への印加電圧(バイアス電圧)制御により分光
信号制御の可能な1個の光電変換部に隣接して複数個例
えば3つの独立した電荷蓄積部CP1〜3を配列させ
る。その電荷蓄積部と画素は転送電極STG1〜STG
3で接続され、それぞれのゲート信号GS1〜3により
光電変換部で蓄積された信号電荷はそれぞれSTG1〜
STG3を通してCP1〜CP3の独立した電荷蓄積部
へ転送される。
【0014】STG1〜STG3へのゲート信号は、相
補対称FET(CMOS)の組み合わせによるスイッチ
より与えられる構造となっている。図3(a)にその1
例を示す。
【0015】スイッチは、一組のCMOSを複数組み合
わせた構造である。ここでT1−1〜3、T2−1〜3
はエンハンスモードのNMOSFETおよびPMOSF
ETであり、2つのドレインは電流がVCC電源からアー
ス点へ流れるように接続されている。
【0016】スイッチは光電変換部上に設けられている
SHLD電極と導通しており個々の異なったしきい値特
性を有する組み合わせで形成されている。SHLD電極
に印加されるバイアス電圧にともないGS1〜3の信号
がSTG1〜3へゲート信号を与えることが可能とな
る。図4にSHLD印加電圧とゲート信号のタイミング
チャートを示す。
【0017】また、上記のスイッチを図3(b)のよう
な構造とすることによりVCC電源からの電圧供給を切
り、直接GS1〜3の信号を外部電極GS1D〜3Dか
ら与えることによって蓄積駆動モードを可変にすること
が可能となる。
【0018】尚、説明を簡単にするためCMOSの組み
合わせによるスイッチを用いて説明しているが、バイポ
ーラトランジスタ等の素子を使用することもできる。結
果、各蓄積部には対象物の波長帯別の信号が蓄積され、
各電荷蓄積部CP1〜3に蓄積された信号電荷は、上記
GS1〜3の転送信号とは独立したST1〜3のトラン
スファゲート信号によりTG1〜3のゲート電極を介し
て電荷転送路(CCD)へ転送される。信号電荷は転送
パルスによって順次転送され電荷−電圧変換アンプによ
り電圧信号として分光画像信号が得られる。また、各分
光信号(CP1〜3に蓄積された各分光信号)より得ら
れた各画像信号はメモリに記憶し画像処理することによ
りさらに多彩な分光画像を得ることができる。例えばC
P2(3.0μm 〜3.5μm の信号)とCP1(3.
5μm 〜4.0μm の信号)の画像信号を足し算するこ
とによって3.0〜4.0μm の画像信号を得られる。
また、処理方法により様々な分光信号または、温度分布
等の画像を得ることができる。さらに、本実施例では信
号電荷蓄積領域を3個としたが蓄積領域を増やすことに
よってさらに細かい分光信号を得られることは言うまで
もない。
【0019】この構造により、従来困難であった動的な
対象物の分光信号を容易にかつ安定して得られることが
可能である。
【0020】さらに、外部から与えるSHLD信号の制
御により光電変換部と電荷蓄積部のスイッチング制御を
することが可能であり、被写体に応じた波長帯の電荷蓄
積モードの実現が可能である。
【0021】
【発明の効果】本発明は、電気的に分光感度制御可能な
フォトダイオードに隣接して独立した複数の信号電荷蓄
積部を配列したイメージセンサー構成をしており、電気
的な光電変換部の分光制御に応じて光電変換部と各信号
電荷蓄積部を結ぶ転送電極のスイッチングを行うことが
できる。よって、フィルター等の光学系を用いず比較的
速い動きをする被写体に対しても同時性を失わず任意の
分光信号を得ることが可能となる。また、上述の撮像装
置は、機械的な走査構造を含まないため装置の構成が簡
単である。しかも、光電変換部と信号電荷蓄積部のスイ
ッチング駆動信号を変えることにより被写体に適した波
長帯の電荷蓄積を制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の主要構成を示す概略図であ
る。
【図2】従来例2に開示されている固体撮像装置の概略
図である。
【図3】光電変換部から信号電荷蓄積部への転送電荷ス
イッチの一例である。
【図4】前記スイッチに与えられる電圧による駆動モー
ドを示すタイミングチャートの一例である。
【符号の説明】
D 光電変換部 SHLD 光電変換部上に設けた電極 CP1〜3 光電変換部に隣接して配設した電荷蓄積部 STG1〜3 光電変換部から前記電荷蓄積部への転送
電極 GS1〜3 前記電荷転送ゲート信号 TG1〜3 電荷蓄積部から電荷転送路への転送電極 ST1〜3 前記電荷転送ゲート信号

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の信号電荷蓄積部をスイッチを介して
    備えた光電変換部と信号電荷読み出し部が2次元マトリ
    クス状に配されてなる固体撮像素子において、前記光電
    変換部は分光特性を電気的に制御するための電極を絶縁
    膜を介して具備したフォトダイオードよりなり、前記電
    極に電圧印加を行う電圧源が前記スイッチと接続されて
    いることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項2】光電変換部がショットキダイオードと絶縁
    膜を介して具備された電極により構成されていることを
    特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
  3. 【請求項3】電気的に分光特性の制御可能な光電変換領
    域への印加電圧により分光された分光電荷を独立した複
    数個の電荷蓄積部へ振り分ける各電荷転送ゲートの転送
    信号を前記印加電圧に対してしきい値を設定できるスイ
    ッチより構成されたスイッチング機構によって与えられ
    ることにより、印加電圧制御によって任意の時間間隔で
    印加電圧に応じた分光とその分光信号を光電変換部から
    各電荷蓄積部へ振り分ける動作を1つのスイッチング機
    構により行うことを特徴とする請求項1記載の固体撮像
    素子の駆動方法。
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Cited By (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6518558B1 (en) 1996-10-31 2003-02-11 Boehm Markus Color image sensor for short-time exposure
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Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 19990622