JPH0828846B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ビデオカメラや電子スチルカメラ等におい
て、光学レンズにより結像された光学像を光電変換する
撮像装置に関するもので、特に電荷結合素子（CCD）を
用いた固体撮像装置に関するものである。

従来の技術 一般によく用いられるCCD型撮像素子は、光電変換素
子にフォトダイオード，垂直・水平転送にCCDが用いら
れており、さらに受光部とは別に記憶部（バッファメモ
リ）を持つFIT（Frame−Interline−Transfer）−CCDと
呼ばれるものがある。このFIT−CCDはIL（InterLine−t
ransfer）−CCDに比べていくつかの特徴を持っており、
これまでの主流であったIL−CCDに徐々に置き換わろう
としている。IL−CCDの構成及び動作は周知であるので
その説明は省略する。このFIT−CCD撮像素子の例として
は特開昭55−52675号公報，特開昭55−163963号公報に
示されている。以下、第３図を用いてその概要を説明す
る。

第３図はFIT−CCDの基本構成を示すもので、受光領域
A,記憶領域B,水平走査領域C,電荷検出領域D,不要電荷排
出領域Ｅとにより構成されている。受光領域Ａは二次元
配列の受光素子１と、この受光素子１に蓄積された信号
電荷を読出すためのゲート２と、このゲートを介して読
出された信号電荷を垂直方向に転送するための垂直転送
レジスタ３からなり、前記受光素子１以外の部分な遮光
マスク４により遮光されている。前記垂直転送レジスタ
は垂直方向の上下何れの方向にも電荷を転送できるよう
にポリシリコンによる４相電荷構造となっている。これ
ら４相電極には垂直転送パルスφV1〜φV4が印加され
る。受光素子１に蓄積された信号電荷を受け取る垂直転
送電極をφV1,φV3とし、この垂直転送電極φV1,φV3に
印加する垂直転送パルスに信号読出しパルスを重畳すれ
ば、受光素子１に蓄積された信号電荷を垂直転送レジス
タに読み込むことが出来る。従ってφV1,φV3の２つの
垂直転送パルスに信号読出しパルスを１フィールドおき
に重畳すれば2:1のインターレース走査を行なうことが
できる。

垂直転送レジスタの延長上には記憶領域Ｂが配置され
ている。記憶領域Ｂは垂直転送レジスタにより構成され
ており、その画素数は受光領域Ａの半分であり、転送電
極は４相構造となっている。記憶領域Ｂの垂直転送レジ
スタの各電極にはφM1〜φM4の転送パルスが印加され
る。記憶領域Ｂの他端には水平転送領域Ｃが配置されて
いる。水平転送領域Ｃは３相の転送電極5,6,7から構成
されており、各転送電極には水平転送パルスφH1〜φH3
が印加される。水平転送領域Ｃの一端には電荷検出領域
Ｄが配置されている。また受光領域Ａの他端には不要電
荷排出領域Ｅが配置されている。電荷検出領域Ｄは周知
のフローティングディフィージョンアンプ（FDA）によ
り構成されており、電荷吸収用のドレイン及びフローテ
ィングディフィージョンのリセットゲートを有してい
る。

前記の構成によるFIT−CCDの駆動方法を第３図及び第
４図を用いて説明する。

第４図は第３図に示したFIT−CCDの受光領域Ａに印加
する垂直転送パルスφV1〜φV4及び、記憶領域Ｂの垂直
転送レジスタの各電極に印加する垂直転送パルスφM1〜
φM4の波形の概要を示したものである。

まず、受光領域Ａの垂直転送段に蓄積されたスメア等
の擬似信号は、垂直帰線期間の前半の期間t_Aの間に印加
された垂直転送パルスφV1〜φV4により不要電荷排出領
域Ｅに転送され排除される。次にφV1もしくはφV3に重
畳された信号読出しパルスφCHにより、受光素子に蓄積
された信号電荷はφV1もしくはφV3電極に読み出され
る。垂直転送段に転送された信号電荷は、高速転送期間
t_Bの期間にφV1〜φV4,φM1〜φM4により記憶領域Ｂの
所定の場所まで高速で転送される。記憶領域Ｂの所定の
場所まで高速転送された信号電荷は、１水平走査毎に１
ラインずつ水平転送領域Ｃへ転送される。水平転送領域
Ｃへ転送された信号電荷は、水平転送レジスタに印加さ
れた水平転送パルスφH1〜φH3により、順次電荷検出領
域Ｄへ転送され、信号電荷は信号電圧に変換され固体撮
像素子から外部へ取り出される。

前述のように、受光素子からの信号電荷は垂直転送電
極φV1,φV3に印加する垂直転送パルスに信号読出しパ
ルスφCHを重畳し、直電転送段のポテンシャルを高くす
ることにより読出すことが出来る。従って第４図に示す
ようにφV1,φV3に交互に信号読出しパルスφCHを重畳
することにより2:1のインターレース走査を行なうこと
が出来る。

ところで、第４図に示すように受光領域Ａを駆動する
垂直転送パルスφV1,φV3に任意の時間に新たな読出し
パルスφＳを重畳すれば受光部に蓄積された信号電荷は
前記読出しパルスφＳが印加された時点で垂直転送段３
に読出される。この読出された信号電荷はt_Aの期間に印
加された垂直転送パルスφV1〜φV4により不要電荷排出
領域Ｅへ転送され排出される。従って、受光素子１には
前記読出しパルスφＳが終ってから次に読出しパルスφ
CHが印加されて受光素子１の信号が読出されるまでの時
間、つまりt_Sの期間に相当する信号電荷が蓄積されるこ
とになる。これは受光領域Ａの露光時間がt_Sになったこ
とになる。即ち固体撮像素子自体がシャッター機能を有
したことになる。前記の状態で動きを持つ被写体を撮像
すれば動解像度が極めて良好な画像を得ることができ
る。ここでシャッター用読出しパルスφＳはt_Aのはじめ
とt_Bの終了の期間以外の任意の時間に設定できるので任
意のシャッター速度の画像を得ることができる。

このように、不要電荷を受光領域Ａの延長上に配置し
た不要電荷排出領域Ｅの方向に排出し、信号電荷を受光
領域Ａの延長上に配置した記憶領域Ｂに高速で転送し、
記憶領域Ｂに記憶された信号を１水平ライン毎に順次よ
みだせば、垂直スメアが極めて少なく、また動解像度の
良好な画像を得ることが可能である。

また、上記の例では１画素ずつの読出しであったが、
第５図に示す転送パルスを用いることにより２画素混合
読出し駆動とすることができる。これは垂直方向に隣接
する受光素子の信号電荷を垂直転送段で混合して転送す
るもので、垂直解像度は若干劣化するものの、垂直方向
のMTFが落ちるためにモワレが生じにくく、また、上記
のようなシャッター駆動をしない場合でも、全ての受光
素子の信号電荷が毎フィールド読出されるため、露光時
間1/60秒となるので動解像度の点で有利である。逆に、
露光時間を等しくするならば、２つの受光素子の信号電
荷を加算するので、上記の１画素読出しに比べて感度が
良いという特徴を持っている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、以下のような問
題点を有していた。

シャッター駆動を行なって被写体を撮影した場合、１
コマ（１フィールド）の露光時間は例えば1/1000秒程度
まで高速シャッターが実現できるが、そのコマ数はフィ
ールド周波数で定まり、NTSC方式では毎秒60コマしか撮
影できない。従って、ゴルフのスイングなどのように動
きの速い被写体では、数コマしか撮影できないという欠
点があった。

本発明はかかる点に鑑み、標準テレビジョン方式に適
合させつつ、しかも等価的にコマ数を増加させ、被写体
の速い動きを細かく再現できるように撮影することので
きる固体撮像素子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために本発明の固体撮像素子は、
受光部に配置された光電変換素子と、前記光電変換素子
に蓄積した電荷を露光期間中にリセットする不要電荷排
出部と、一つまたは複数の前記光電変換素子につき一つ
の転送段が対応するように遮光部に設けられた第２電荷
転送部と、前記第２電荷転送部の転送方向延長上に設け
られた第３電荷転送部と、前記光電変換素子で光電変換
された電荷を前記光電変換素子に対応する前記第２電荷
転送部転送段へ同一露光期間に少なくとも２回転送する
第１電荷転送部からなり、前記光電変換素子の電荷が前
記不要電荷排出部にリセットされてから任意の期間後に
前記光電変換素子の電荷が前記第１電荷転送部へ読出さ
れ、同一露光期間に前記光電変換素子で発生した電荷が
対応する前記第２電荷転送部転送段で加算されたのち
に、前記第２電荷転送部は前記第３電荷転送部へ電荷を
高速転送し、前記第３電荷転送部は前記第２電荷転送部
から転送された電荷を転送して出力するように構成され
た固体撮像装置である。

作用 前記した構成により、不要電荷排出部に電荷がリセッ
トされてから第１電荷転送部に読出されるまでに光電変
換素子に蓄積された信号電荷を、露光期間中に数回第１
電荷転送部に読出して第２電荷転送部へ転送し、同一露
光期間中に読出された同じ画素の電荷を第２電荷転送部
で加算してから出力することにより、同一露光期間（１
フィールド）に数回、シャッター駆動された信号を多重
して出力することになり、すなわち１コマに数コマの画
像が多重され、等価的にコマ数の増加を実現し、しかも
従来の標準テレビジョン方式に適合した出力信号が得ら
れる。

実 施 例 第１図は本発明の固体撮像装置の一実施例の構成図で
ある。第１図において、201は光電変換素子で、例えば
フォトダイオードであり、NTSC用の撮像素子の場合は垂
直方向に約500段設けられている。202は光電変換素子20
1に蓄積した電荷を読出すための読出しゲート、203は読
出しゲート202を通して読出した電荷を転送する垂直CCD
であり、駆動パルスφV11〜14,φV21〜24がそれぞれ電
極に加えられ駆動される。垂直CCD203によって転送され
た電荷は蓄績ゲート204を通じて垂直CCD205へ読出され
る。205は垂直CCDで、インターレースを考慮すると、垂
直方向には、受光部における垂直CCD203と同じ段数でよ
い。206は垂直CCD205の延長上に設けられた垂直CCDであ
って、垂直CCD205と同じ段数設けられており、電荷を水
平CCDへ転送する。207は垂直CCD206から転送された電荷
を水平方向に転送する水平CCDである。208は転送された
電荷を検出する電荷検出部、209は出力アンプである。
そして、光電変換素子201〜垂直CCD203からなる部分を
受光部210,垂直CCD203〜垂直CCD205からなる部分を記憶
部211,垂直CCD206〜出力アンプ209からなる部分を出力
部212とする。そして213は不要電荷を排出するための不
要電荷排出部である。

以上のように構成された本実施例の固体撮像装置につ
いて、その動作を第２図を参照しながら説明する。

第２図は本実施例の固体撮像装置の動作を説明するた
めのタイミングチャートである。φV11〜14およびφV21
〜24,φV31〜34,φ41〜44は第１図に示したそれぞれの
パルスである。φV11,φV13は３値であり、最も高い電
圧が加わったときに読出しゲート202を通じて光電変換
素子201の電荷が垂直CCD203の転送電極V11,V13に読出さ
れる。これらの読出しパルスを水平ブランキング期間内
に入るようにすると出力信号に対して妨害を与えない。
これら２つの電荷は混合され、上下２画素で１つの信号
となる。φV11〜14における斜線部は、不要電荷排出部2
13へ電荷を高速転送して、蓄積ゲートパルスφＳで読出
された電荷を不要電荷排出部213へ捨てるものである。
その後、蓄積ゲートパルスφCHが印加されて、再び読出
しゲート202を通じて光電変換素子201の電荷が垂直CCD2
03の転送電極V11,V13に読出される。これらの読出しパ
ルスを水平ブランキング期間内に入るようにすると出力
信号に対して妨害を与えない。これら２つの電荷は混合
され、上下２画素で１つの信号となる。そして垂直CCD2
03は高速駆動されて、電荷を記憶部211へ転送する。転
送された電荷は、垂直CCD205の転送電極V31に印加され
る駆動パルスφV31に重畳されたゲートパルスによっ
て、蓄積ゲート204を通して転送電極V31に読出される。
このゲートパルスを水平ブランキング期間内に入るよう
にすると出力信号に対して妨害を与えない。

一定時間後に再びこの動作が繰り返され、垂直CCD203
によって転送された電荷は蓄積ゲート204を通じて垂直C
CD205の転送電極V31に読出され、先に注入された電荷と
加算される。これらの動作を数回繰り返した後、駆動パ
ルスφV31〜34によって、転送電極V31に蓄えられた電荷
は垂直CCD206に高速転送される。これらの電荷は駆動パ
ルスφV41〜44によって水平ブランキング期間毎に１段
ずつ水平CCD207へ転送され、水平CCD207によって電荷検
出部208ならびに出力アンプ209を通じて１ラインの信号
として出力される。

第２図では１フィールド（露光期間）につき、光電変
換素子201で発生した電荷を垂直CCD205で３回加算し、
次のフィールドで出力している。このようにすれば、t₁
で定まるシャッター時間の画像が３コマ重ね合わされた
画像を得ることができる。さらに出力アンプ209から出
力される信号は標準テレビジョン信号に適合したものと
なる。

以上のように本実施例によれば、実質的なコマ数を増
加させつつしかも標準テレビジョン信号に適合している
ため、従来の記録機器や再生機器を全く変更することな
く使用することができる。そして、製造プロセスや駆動
法等は従来のものとほとんど同じであるため、実現は極
めて容易である。

なおこの実施例において、垂直CCD205での電荷の加算
が１露光期間につき３回として説明したが、特にこれに
限るものではない。また、電荷の読出しについては、２
画素混合読出しの場合について説明したが、特にこれに
限るものではない。

また、垂直CCD205および垂直CCD206の垂直段数を、受
光部における垂直CCD203の段数の２倍とすることによ
り、毎露光期間、全画素について上記の動作を行なうこ
とができるので、EDTV等のカメラにも適用可能である。

また、第２図におけるt_O間の走査線数に相当する段数
だけ垂直CCD206の垂直段数を削減しても、上記の動作に
は全く問題ない。このようにすると、素子のチップ面積
を縮小することが可能である。

また、不要電荷排出部は記憶部211の反対側に置かれ
る必要はなく、受光部210と記憶部211との間にあっても
良く、また光電変換素子の横または深層部などに直接設
けても良い。

発明の効果 本発明によれば、標準テレビジョン方式に適合しつ
つ、実質的にコマ数を増加することができ、被写体の速
い動きを細かく撮影することができるなど、その実用的
効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における固体撮像装置の構成
図、第２図の同実施例における固体撮像素子の駆動を説
明するためのタイミング図、第３図は従来の固体撮像装
置の構成図、第４図は同従来例における駆動パルスのタ
イミング図、第５図は同従来例における２画素混合読出
し駆動の場合の駆動パルスのタイミング図である。 201……光電変換素子、203,205,206……垂直CCD、207…
…水平CCD、208……電荷検出部、209……出力アンプ、2
13……不要電荷排出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】受光部に配置された光電変換素子と、前記
   光電変換素子に蓄積した電荷を露光期間中にリセットす
   る不要電荷排出部と、一つまたは複数の前記光電変換素
   子につき一つの転送段が対応するように遮光部に設けら
   れた第２電荷転送部と、前記第２電荷転送部の転送方向
   延長上に設けられた第３電荷転送部と、前記光電変換素
   子で光電変換された電荷を前記光電変換素子に対応する
   前記第２電荷転送部転送段へ同一露光期間に少なくとも
   ２回転送する第１電荷転送部からなり、前記光電変換素
   子の電荷が前記不要電荷排出部にリセットされてから任
   意の期間後に前記光電変換素子の電荷が前記第１電荷転
   送部へ読み出され、同一露光期間に、前記光電変換素子
   で発生し前記第１電荷転送部から転送された電荷が対応
   する前記第２電荷転送部転送段で加算されたのちに、前
   記第２電荷転送部は前記第３電荷転送部へ電荷を高速転
   送し、前記第３電荷転送部は前記第２電荷転送部から転
   送された電荷を転送して出力するように構成された固体
   撮像装置。