JPH10200087A - Ｃｃｄ撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シャッター速度を速くしても感度劣化が生じ
ない、安定した出力レベルの維持を可能としたＣＣＤ撮
像素子を提供する。 【解決手段】 基板上に格子状配列で形成された複数基
の光電変換を司る光センサ３と、シャッター機能として
光センサ３の電荷量を掃きだす電位を与える基板電位端
子５４と、光センサ３から読みだされた信号電荷を垂直
転送するＶレジスタ４と、Ｖレジスタ４によって転送さ
れた信号電荷を受けて水平転送するＨレジスタ５と、Ｈ
レジスタ５からの信号電荷に基づき出力信号を生成させ
る変換回路６と、シャッターの開放時間に夫々対応する
増幅率を有して、変換回路６の出力を増幅する第１〜第
４アンプ７〜１０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＣＤ撮像素子、
とくにシャッター機能を備えるインターライン転送方式
のＣＣＤ撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＣＤ撮像素子にはシャッター機
能を備えたものがある。このシャッター機能は、所望の
露出（すなわち採光）時間によって被写体を撮像するこ
とにより、たとえば高速で動く動体をブレ無く攝ること
ができるものであり、光学式カメラにおけると同様の機
械式シャッター機構が用いられる他、最近にあっては後
述するような電子式シャッター機構が用いられるに至っ
ている。また、電子式シャッター機構としては後述する
ものの他に、種々の原理による構成が提案されている。

【０００３】このようなシャッター機能を備えた従来の
ＣＣＤ撮像素子のうち、インターライン転送方式の構成
を以下に説明する。従来のＣＣＤ撮像素子は、半導体基
板上に入射光量に応じた量の電荷に光電変換する多数の
受光部がマトリックス状に配され、更にこれら多数の受
光部のうち、列方向に配列された受光部に対して共通と
された垂直転送レジスタが多数本、行方向に配列された
撮像部として形成されている。

【０００４】入射した撮像光は受光部によって電荷に変
換され、蓄積された電荷は適当なタイミングで開く読出
ゲートを経て垂直転送レジスタに移送される。また、前
記撮像部に隣接し、且つ多数本の垂直転送レジスタに対
して共通とされた水平転送レジスタが設けられ、この水
平転送レジスタの最終段には、例えばフローティングゲ
ートにて構成された電荷−電圧変換部と、信号を増幅す
るアンプを有する出力部が接続されている。

【０００５】そして、撮像部への垂直転送パルスの供給
によって、撮像部における各垂直転送電極下ポテンシャ
ル分布が順次変化し、これによって、信号電荷が撮像部
の垂直転送レジスタに沿って垂直方向（水平転送レジス
タ側）に転送されることになる。また、水平転送レジス
タ上に形成された例えば２層の多結晶シリコン層による
水平転送電極へのお互いに位相の異なる２相の水平転送
パルスの印加によって、信号電化が順次出力部に転送さ
れ、該出力部において電気信号に変換されて撮像信号と
して取り出される。

【０００６】ところで前記の構成において、受光部を擁
する半導体基板の電位を高くすると、受光部に蓄積され
た電荷は基板側に掃き出され、よって受光部内の電荷を
空にすることができる。したがって半導体基板の電位を
高くするタイミングを調節することによって、受光部に
蓄積された電荷量の読み出し時刻を変え出力される信号
量の信頼性を上げることが可能になる。すなわち、こ
の、受光部に蓄積された電荷量の読み出し時刻の調節に
よって、垂直転送レジスタへ転送される電荷量を、所望
の時間だけ採光することによって得られる電荷量のみと
することができ、これによって信号量の信頼性を向上さ
せることができる。従来の電子シャッターの大部分は、
この原理に基づいて構成されている。

【０００７】したがって、前記のシャッター機能によ
り、シャッター時間を速くすることで高速物体を高分解
に撮像することが可能になった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記構
成のＣＣＤ撮像素子においては、高速動作の物体の画像
を良好な分解能で撮影する目的でシャッター時間を早く
すると、信号量が減少するために感度の劣化が生じると
いう不都合があった。即ち、ディスプレイの画面を見て
いると、シャッター速度の増大とともに画面が暗くなり
見ずらくなっていた。この感度劣化は、ディスプレイで
監視することによって容易に確認できるものであった。

【０００９】そこで、出力部の増幅器の増幅率を可変構
成にすることが提案された。ところが、長い（遅い）シ
ャッター開放時間と短い（速い）シャッター開放時間と
の比が大になれば、一基の増幅器構成による増幅率の調
整では対応できないという問題があり、また一基の増幅
器の動作範囲を極端に拡大することによるＳ／Ｎ比特性
の劣化といった課題が発生していた。

【００１０】本発明は、従来技術の前記のような課題や
欠点を解決するためなされたもので、その目的はシャッ
ター速度を速くしても感度劣化が生じない、安定した出
力レベルの維持を可能としたＣＣＤ撮像素子を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
本発明によるＣＣＤ撮像素子は、基板上に格子状配列で
形成された複数基の光電変換を司る光センサと、前記光
センサの垂直列毎に配されて前記光センサから読みださ
れた信号電荷を垂直転送するＶレジスタと、前記Ｖレジ
スタによって転送された信号電荷を受けて水平転送する
Ｈレジスタと、前記Ｈレジスタによって転送された信号
電荷に基づき出力信号を生成させる変換回路と、前記変
換回路の出力を増幅する増幅器とを備えるＣＣＤ撮増素
子において、前記光センサから読みだされる前記信号電
荷量を制御するシャッターと、少なくとも前記シャッタ
ーの開放時間に対応する増幅率を有する複数個の増幅器
とを具備して構成されたことを特徴とする。

【００１２】前記の構成を有する本発明にかかるＣＣＤ
撮像素子によれば、シャッター速度が速くなることによ
る信号電荷量の減少に対応して増幅率の大きい増幅器を
作動させることが可能になり、感度劣化を排して安定し
た出力レベルの維持が可能になる。

【００１３】とりわけ前記シャッターとして、基板電位
の制御により光センサに蓄積された電荷を基板に掃き出
す機構を備えた電子シャッターによって構成される場合
は、構造が簡素化される上、シャッター作動時の機械的
衝撃が発生しないことによって撮像機のブレがなく、し
かも優れた残像特性が実現される。

【００１４】あるいは前記シャッターとして、光センサ
への入射光量を機械的に遮断するメカニカルシャッター
あるいは、光センサへの入射光量を偏光に基づき制御す
る偏光板シャッターを用いる構成の場合は、このような
シャッター機構を具備している既存の撮像機への本発明
にかかるＣＣＤ撮像素子の組み込みが容易になり、従来
と同様な使い勝手での操作を可能にする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るＣＣＤ撮像素
子の一実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。
まず、図１に示されるブロック構成図および、Ｂ−Ｂ断
面を示す図２に基づいて、この実施形態に係るＣＣＤ撮
像素子を説明する。

【００１６】同図に示されるように、本実施形態に係る
ＣＣＤ撮像素子１は、インターライン転送（ＩＴ）方式
による構成であり、入射光をその光量に応じた量の電荷
に光電変換する複数基の光センサ３がマトリックス状に
配され、更にこれらの光センサ３のうち、列方向に配列
された光センサ３に対して読出ゲートＲＧを介して共通
に接続されたＶレジスタ（垂直転送レジスタ）４が複数
本、行方向に配列されたＣＣＤアレイ２を備え、さら
に、これら複数本のＶレジスタ４に対して共通とされた
Ｈレジスタ（水平転送レジスタ）５を備えている。

【００１７】さらに、Ｈレジスタ５からシリアルに与え
られる信号電荷を検出して電気信号に変換する変換回路
６と、変換によって発生した電気信号を増幅する第１〜
第４アンプ７〜１０と、アンプの出力バッファ１１とを
備え、前記すべてがワンチップ上にモノリシックに集積
されて成っている。

【００１８】さらに前記チップには、ゲート端子５０、
転送信号端子５１と５２、リセット端子５３、基板電位
端子５４、トリガ端子５５〜５８、出力端子５９、電源
端子６０が設けられている。電源端子６０には外部電源
から電源電圧ＶＤＤが印加され、各素子要素に給電され
る。

【００１９】前記ＣＣＤアレイ２の光センサ３周辺の断
面は、図２に示されるように、例えばｎ型のシリコン基
板２０にｐ型不純物（例えばボロンＢ）の導入によるｐ
型のウエル領域２２と、光センサ３を形成するｎ型の不
純物拡散領域と、垂直転送部であるＶレジスタ４を構成
するｎ型領域並びに、ｐ型のチャネルストッパ２４が形
成され、光センサ３を形成するｎ型の不純物拡散領域と
Ｖレジスタ４（転送チャネル領域）間のｐ型領域に、読
出ゲートＲＧが形成されている。あるいは、光センサ３
を形成するｎ型の不純物拡散領域の表面にｐ型の正電荷
蓄積領域が形成され、またＶレジスタ４の直下にスミア
の低減を目的とした第２のｐ型ウエル領域が形成される
こともある。

【００２０】さらに、図示を省略しているが、レジスタ
の電極上に、ＰＳＧからなる層間絶縁膜が形成され、こ
の層間絶縁膜上に、下層の電極を覆うようにアルミニウ
ム遮光膜が形成され、このアルミニウム遮光膜を含む全
面にＰ−ＳｉＮ膜が形成され、さらにＰ−ＳｉＮ膜上に
平坦化膜、色フィルタ及びマイクロ集光レンズ等が形成
あるいは配設されている。アルミニウム遮光膜は、光セ
ンサ３の上にある部分が選択的にエッチング除去されて
開口しており、撮像光は、この開口を通じて光センサ３
に入射される構成となっている。

【００２１】光センサ３とＶレジスタ４との間の読出ゲ
ートＲＧには、ゲート端子５０からゲートのオンオフ信
号φＴＧが印加されている。光センサ３に蓄積されてい
る信号電荷３０は、所定の電荷読みだし期間（垂直帰線
期間）において印加されたゲートのオンオフ信号φＴＧ
に対応して、光センサ３から読出ゲート部ＲＧを経てＶ
レジスタ４に移送される。

【００２２】前記のようにｎ型シリコン基板２０の表面
にｐ型のウエル領域２２が形成され、このウエル領域２
２よりも浅い位置に光センサ３を構成するｎ型の不純物
拡散領域が形成され、かつ基板２０に基板電位端子５４
から基板電位Ｖｓｕｂｔを印加することで、電子シャッ
タの機能を有するように構成されている。

【００２３】電子シャッタは、この構成において基板電
位端子５４から基板２０に供給される基板電位Ｖｓｕｂ
ｔを、シャッタを閉じるタイミングに同期して高レベル
にする。これにより、ｐ型ウエルにおけるポテンシャル
障壁（オーバーフローバリア）が下がり、光センサ３に
蓄積された信号電荷３０が上記オーバーフローバリアを
越えて図２中の矢印方向、即ち基板２０側に掃き出され
る。この結果、シャッタ開放期間にだけ蓄積された電荷
がＶレジスタ４に移送されることになり、シャッタの機
能が実現されるとともに、残像等の不都合を防止するこ
とができる。

【００２４】また、シャッターを開けると、再び光信号
により光センサ３に信号電荷が蓄積される。このよう
に、以前の信号が掃き出され新しい信号が発生してくる
ので、シャッター速度を速くすると、より高速に動く物
体の像を鮮明にとらえることが可能になる。

【００２５】つぎに、Ｖレジスタ４には、転送電極が複
数基配設され、これら複数基の転送電極に転送信号端子
５１、５２から転送パルスφＩ、φ２が印加されてい
る。これら転送電極は、例えば多結晶シリコン層、高融
点シリサイド層、高融点ポリサイド層等で構成され、そ
れぞれ絶縁膜を介して形成されている。

【００２６】Ｖレジスタ４を構成する各転送電極には、
それぞれ２相の垂直転送クロックφ１とφ２が印加さ
れ、これによって所定の信号電荷転送期間にＶレジスタ
４の各転送電極下のポテンシャル分布が順次変化し、こ
れによって前記移送された信号電荷が垂直帰線期間にお
いてそれぞれＶレジスタ４内を縦方向（Ｈレジスタ５
側）に順次垂直転送され、その後の水平帰線において１
行単位にＨレジスタ５側に転送されることになる。

【００２７】前記のＨレジスタ５の最終段には、変換回
路６が接続されている。変換回路６は、Ｈレジスタ５の
最終段から転送されてきた信号電荷を電圧信号に変換す
る、例えばフローティング・ディフュージョンあるいは
フローティング・ゲート等で構成される非破壊式の電荷
−電圧変換部およびソースフォロワと、この電気信号へ
の変換が行われた後の信号電荷を、リセット端子５３か
ら入力されたリセットパルスφＲに従ってドレイン領域
（図示されない）に掃き捨てるリセットゲートを有して
構成されている。

【００２８】そして、次の水平走査期間において、Ｈレ
ジスタ５上に形成された、多結晶シリコン層、高融点金
属シリサイド層、高融点金属ポリサイド層等による水平
転送電極への水平転送パルスの印加によって、信号電荷
が順次シリアルに変換回路６に転送される。

【００２９】ついで、変換回路６からの出力信号は、第
１アンプ７、第２アンプ８、第３アンプ９、第４アンプ
１０のうちのいずれかに導入されて増幅され、バッファ
１１を経て出力端子５９から、このＣＣＤ撮像素子１の
出力Ｖｏｕｔとして取り出される。第１アンプ７、第２
アンプ８、第３アンプ９、第４アンプ１０は、いずれも
チップ上にモノリシックに形成されており、それぞれ増
幅率が異なるように設計されている。例えば、第１アン
プ７の増幅率よりも第２アンプ８の増幅率が大きく、以
下順に増幅率が増大して、第４アンプ１０の増幅率が最
大になるよう構成されている。この各アンプの増幅率
は、シャッター速度に応じた設定とすることが好まし
い。

【００３０】第１アンプ７にはトリガ端子５５が接続さ
れており、トリガ端子５５に信号Ａｍ１が入ると第１ア
ンプ７が作動を開始する。同様に、第２アンプ８にはト
リガ端子５６が接続されており、トリガ端子５６に信号
Ａｍ２が入ると第２アンプ８が作動を開始する。また、
第３アンプ９にはトリガ端子５７が接続されており、ト
リガ端子５７に信号Ａｍ３が入ると第３アンプ９が作動
を開始する。さらに第４アンプ１０にはトリガ端子５８
が接続されており、トリガ端子５８に信号Ａｍ４が入る
と第４アンプ１０が作動を開始するようになっている。

【００３１】したがって、外部に設けた選択回路（図示
されない）から排他的のトリガ信号Ａｍ１〜Ａｍ４を入
力させることによって、第１アンプ７〜第４アンプ１０
のいずれか１個を排他的に選択し、作動させることがで
きる。ここで、光センサ３において生成される電荷量が
少なくなる速いシャッター速度の操作にあっては、増幅
率が大であるアンプ、たとえば第４アンプ１０のみを排
他的に選択する信号Ａｍ４をＣＣＤ素子１のトリガ端子
５８に入力させるよう外部に設けた選択回路構成するこ
とによって、電荷量減少による感度低下を補償すること
ができる。

【００３２】図３は、複数基（ｎ基）の増幅器による構
成の模式図である。シャッター時間に対応した信号電荷
３１がＨレジスタ５を転送され、第１〜第ｎアンプ７、
８、９、１０、１００のいずれかに入る。ここで、トリ
ガ信号Ａｍ１〜Ａｍｎによってアンプの選択を行い、シ
ャッター時間が長い（例えば、１／１００秒等）場合に
は、増幅率の低い第１アンプ７を通す。またシャッター
時間が短い（例えば、１／１００００秒等）場合には、
増幅率の大きい第ｎアンプ１００を通し、出力信号の大
きさが均一になるように調整する。

【００３３】ここで、トリガ信号を発生させてアンプの
選択を行う選択手段を、同一チップ内に内蔵させる構成
も可能である。また、標準としての出力信号の大きさ
は、例えばシャッターを動作させていない場合の出力信
号として揃えることもできる。

【００３４】このように、本発明の構成によれば、信号
量が少なくなった割合に応じて微小な信号を大きな増幅
率で増幅させることにより、感度の劣化を防止するもの
である。この結果、シャッター速度を増大させても、前
記のように増幅率の異なる（増幅率が大である）アンプ
を選択して切り替えることにより感度補償がなされるの
で、従来におけるような、シャッター速度増大とともに
ディスプレイの画面が暗くなるといった不都合が解消さ
れる。

【００３５】また、前記のアンプの選択を、その都度適
用するシャッター速度あるいはシャッター時間に少なく
とも連動させて選択切り替えするアルゴリズムとするこ
とが可能であるほか、さらに例えば被写体の明るさを測
定した光度計の検出値に基づいて、シャッター速度と光
度計の検出値との両方を変数とする最適化手段を採用し
て最適なアンプを選択して切り替える構成とすることも
可能である。このように、本発明のＣＣＤ撮像素子を適
用可能な構成は前記に限定されることなく、他にも種々
の構成が可能であり、よってその応用範囲は広い。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の請求項１
に係るＣＣＤ撮像素子は、光センサから読みだされる信
号電荷量を制御するシャッターと、シャッターの開放時
間に対応する増幅率を有する複数基の増幅器とを具備し
て構成するものであるから、シャッター速度の増大とと
もに生じる感度の劣化分を、内蔵させた複数基の増幅器
のうちの、適した増幅率を有する増幅器を選択して、こ
の増幅器で信号を増幅することによって補償することが
可能になる。この構成によって、高速で動く動体をブレ
無く攝ることができ、しかも速いシャッター速度による
信号レベル低下を補償することによって画質を向上でき
るという効果を奏する。

【００３７】本発明の請求項２に係るＣＣＤ撮像素子
は、シャッターとして基板の電位の制御により光センサ
に蓄積された電荷を基板に掃き出す機構を備えた電子シ
ャッターによって構成されるものであるから、構造が簡
素化できる上、シャッター作動時の機械的衝撃が発生し
ないことによって撮像機のブレをなくすことができる。
しかも、光センサに蓄積された余分の電荷を除去するこ
とによって、常に優れた残像特性を実現することができ
る。

【００３８】本発明の請求項３に係るＣＣＤ撮像素子
は、シャッターとして光センサへの入射光量を機械的に
遮断するメカニカルシャッターを用いて構成されるもの
であるから、メカニカルシャッターを内蔵する従来の撮
像機に極めて容易に組み込み適用することができ、シャ
ッター感触など従来と同様な使い勝手での操作が可能に
なる。さらに、固体撮像素子／光学フィルム式のハイブ
リッド撮像機が容易に実現可能になる。

【００３９】本発明の請求項４に係るＣＣＤ撮像素子
は、シャッターとして光センサへの入射光量を偏光に基
づき制御する偏光板シャッターを用いるものであるか
ら、偏光板シャッターを内蔵する従来の撮像機に極めて
容易に組み込み適用することができる。よって容易に、
しかも低コストで設計および製造が可能になるという利
点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＣＣＤ撮像素子の一実施形態のブ
ロック構成図である。

【図２】図１のＢ―Ｂ断面図である。

【図３】図１に示される、複数基の増幅器の構成の模式
図である。

【符号の説明】

１……ＣＣＤ撮像素子、２……ＣＣＤアレイ、３……光
センサ、４……Ｖレジスタ、５……Ｈレジスタ、６……
変換回路、７……第１アンプ、８……第２アンプ、９…
…第３アンプ、１０……第４アンプ、１１……バッフ
ァ、５０……ゲート端子、５１……転送信号端子、５２
……転送信号端子、５３……リセット端子、５４……基
板電位端子、５５……トリガ端子、５６……トリガ端
子、５７……トリガ端子、５８……トリガ端子、５９…
…出力端子、６０……電源端子、ＲＧ……読出ゲート

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に格子状配列で形成された複数基
   の光電変換を司る光センサと、前記光センサの垂直列毎
   に配されて前記光センサから読みだされた信号電荷を垂
   直転送するＶレジスタと、前記Ｖレジスタによって転送
   された信号電荷を受けて水平転送するＨレジスタと、前
   記Ｈレジスタによって転送された信号電荷に基づき出力
   信号を生成させる変換回路と、前記変換回路の出力を増
   幅する増幅器とを備えるＣＣＤ撮増素子において、 前記光センサから読みだされる前記信号電荷量を制御す
   るシャッターと、 少なくとも前記シャッターの開放時間に対応する増幅率
   を有する複数個の増幅器と、を具備して構成されたこと
   を特徴とするＣＣＤ撮増素子。
2. 【請求項２】 前記シャッターは、前記基板の電位の制
   御により前記光センサに蓄積された電荷を前記基板に掃
   き出す機構を備えた電子シャッターによって構成された
   ことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ撮増素子。
3. 【請求項３】 前記シャッターは、前記光センサへの入
   射光量を機械的に遮断するメカニカルシャッターによっ
   て構成されたことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ撮
   増素子。
4. 【請求項４】 前記シャッターは、前記光センサへの入
   射光量を偏光に基づき制御する偏光板シャッターによっ
   て構成されたことを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ撮
   増素子。