JPS588631B2 - ２ ジゲンジヨウホウヨミダシソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は２次元的に蓄積された情報電荷を読出す２次元
情報読出装置に関する。

従来は被写体像をテレビジョン信号に変換するのに撮像
管が用いられていたが、最近になって低電圧駆動可能、
小形化が可能な固体撮像板が注目されるようになってき
た。

固体撮像板としては、電荷転送素子を組み合せ、その受
光部は電荷転送素子を兼ねたものや、或いはホトダイオ
ードのような感光素子と組み合せたものや、或いは感光
素子を多数格子状に配列し、これを順次読み取って映像
信号を得るものなどがある。

電荷転送素子については特開昭４６−１２１１号公報な
どに電荷結合素子（ＣＣＤ）としてその原理が説明され
ているように、半導体基板に絶縁層を介して電極を設け
、この電極に例えば半導体基板がＮ型半導体であれば負
の電位をかけることによって空乏層を生じさせ、この電
極の電位を順次移動させることによって空乏層を移動さ
せる。

そして空乏層の中に存在する光の強弱に対応した電荷は
空乏層の移動とともに順次移動させていくことができる
。

この電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた撮像板の一例を第
１図に説明する。

同図において、１１，１２，１３，・・・・・・１Ｎは
各々電荷が垂直の矢印の方向に転送されるチャンネルで
あり、転送パルスはテレビジョン信号の水平パルスと同
期したものである。

２は例えばホトダイオードのような光電変換素子で、垂
直方向の電荷結合素子に沿って並べられ光の強弱に応じ
て電荷が蓄積される。

そしてある時間が経過したときに、外部からパルスを与
えて蓄積された電荷を、同図中では右方向に隣接する垂
直の電荷結合素子に注入する。

注入されたこの電荷は水平パルスに同期したパルスで順
次上方向に転送される。

３は水平方向に電荷を転送する電荷結合素子（水平転送
チャンネル）で、垂直方向の電荷結合素子から水平パル
スに同期して転送されてきた電荷をここに注入し、水平
期間内に全部転送し、出力端子４より映像信号を得る。

これを繰り返して垂直方向の電荷結合素子の電荷を全部
、水平方向転送用電荷結合素子３にまで転送し終るとま
た感光素子２に蓄積された電荷を注入する。

このようにしてテレビジョン信号を得る。

水平電荷結合素子３の転送パルスの周波数ｆＨは ｆＨ＝ｆｖ×Ｎ ｆｖ；：垂直方向電荷結合素子の転送パルスの周波数 ＝水平周波数 Ｎ；垂直方向電荷結合素子列で数で表わ される。

５は水平方向の転送パルス発生器、６は垂直方向の転送
パルス発生器である。

以上述べたような電荷連送素子を組合わせた撮像板を用
いて、例えばカラー撮像装置を構成する場合、特に位置
合わせの問題を生じないよう一つの撮像板を使用する場
合に、再生情報密度をより大きくしようとすれば、水平
走査期間に一つのラインのみを読出すのでなく、複数の
ラインを同時に読出し、得られた複数の信号を演算処理
することによってカラー成分信号を分離する構成が有利
になる。

又、一般に２次元的に蓄積されている信号を順次複数ラ
イン分を同時読出ししたい要請、或いはそれらを処理し
たい要請がある。

本発明は上述のような電荷転送素子を組み合わせて成る
二次元情報読出し装置に於いて、その水平転送部を複数
本設け、水平および垂直転送用のクロツクに関係を持た
せることにより、同時に複数のラインの信号電荷を読出
すことのできる構成を提案することを目的とする。

第２図は本発明による２次元情報読出し装置をカラー固
体撮像装置に適用した場合の例であり、電荷結合素子よ
りなる垂直転送段を含む撮像部より２本の水平映像信号
を同時に取り出すための水平映像信号転送部２３．２４
を設けた構成、および映像信号に対応する電荷の流れを
主として示すための概略図である。

矢印で示した１１１，１１２，１１３，・・・・・・１
１Ｎは各々の垂直転送チャンネル１１，１２，１３・・
・・・・１Ｎを流れる電荷である。

これらの電荷は第３図に詳述する水平転送チャンネル２
１，２２に同時に導かれる。

これらのチャンネルに導かれた各々の電荷２３，２４は
電荷検出部２５，２６を経て、矢印２７，２８のように
２つの水平映像信号として取り出すことができる。

以上では第２図にもとづいて電荷の流れを概略的に説明
したが、さらにこれについて詳述する。

説明を明白にするために第３図ａでは半導体基板、絶縁
層及び垂直転送チャンネル間の電荷の洩れを妨ぐための
ストップ拡散領域を省略した。

二相の水平、垂直の転送パルスを例にとり、半導体基板
がＰ型の場合について説明する。

垂直転送パルスψｖ１，ψｖ２の加えられる端子に各々
の電極３５１，３５２が接続され、これらの電極が交互
に図のように多数配列されている。

点線で示された領域３７はψｖＶ１，ψｖ２によって形
成される電荷の転送チャンネルである。

半導体基板がＰ型の場合、正電位のパルスが加わったと
き空乏層が形成され、いわゆる電位の井戸（Ｐｏｔｅｎ
ｔｉａｌ ｗｅｌｌ）に電荷、この場合少数キャリアで
あるエレクトロンが流れ込む。

時間ｔ０〜ｔ１は水平プランキング期間に相当する時間
であり、ｔ０〜ｔ２は水平走査期間に相当する（Ｈ＝６
３．６μｓ）。

第３図ｂに示す水平転送パルスψｖ１，ψｖ２によって
矢印３６で示した電荷は水平プランキング期間内に２ビ
ット分垂直方向に転送される。

このようにして矢印３６の位置に到達した電荷は第３図
ｂに示す水平電荷結合素子の転送パルスＶ２，Ｖ１によ
って水平電荷結合素子の領域に転送される。

この領域中の電極ｂ２，ｂ４，・・・・・・・・・ｂ２
とｄ２，ｄ４，・・・・・・ｄ２は零電位に接地されて
いるから、これらの各電荷下の領域では空乏層が形成さ
れることはないので、垂直転送チャンネル相互間の電荷
の洩れはない。

すなわちこれらの電極はストップ拡散領域と等価の働き
を有する。

従って、時間ｔ０〜ｔ１の期間で、垂直転送パルスＶ１
，Ｖ２によって電荷はｄ１，ｃ１，ｂ１，ａ１，ｄ３，
ｃ３，ｂ３，ａ３，・・・・・・，ｄ２ｎ−１， ｃ２
ｎ−１，ｂ２ｎ−１，ａ２ｎ−１の各垂直転送チャンネ
ル中を流れる。

時刻ｔ１に於いて、これらの電荷は電極ａ１ａ３，ａ５
，・・・・・・ａ２ｎ−１と電極ｃ１，ｃ３，ｃ５，・
・・・・・ｃ２ｎ−１の下の領域に相当する各水平転送
チャンネル中に蓄積される。

時間ｔ１〜ｔ２に於いて、これらの電荷は垂直転送パル
スＶ１中に含まれる水平転送パルスと、電極ａ２，ｃ２
，ａ４，Ｃ４，・・・・・・，ａ２ｎ，ｃ２ｎに加えら
れた水平転送パルスＨとで各水平転送チャンネル中を図
では右方向に転送される。

なお、これらの水平転送パルスは第３図ｂのＶ１とＨの
波形図で示す通り、互いに逆極性になっているので、水
平方向に電荷が転送され得ることは明白である。

このようにして電極ａ２ｎ，ｃ２ｎの方向へ転送された
各水平の電荷列は水平転送パルスと同期したゲートパル
スが加えられている電極３４１，３４２の下を通過して
ＰＮ接合部３３，３８に導かれる。

これらのＰＮ接合部は電源４０１，４０２によって逆バ
イアスされていて、映像信号に比例した電荷の流れが負
荷抵抗３９１，３９２を介して電圧変化として検出され
る。

以上のようにして、水平映像信号を同時に検出すると次
のことが可能になる。

すなわち第５図ａに示すカラーモザイクフィルタと第４
図に示す撮像板とを組み合せて、４１〜５１のブロック
図で示す回路処理を施せばカラー映像信号が得られる。

第５図ａに示すカラーモザイクフィルタは互いに異なる
分光透過率特性を有する光学フィルタたとえば黄色透過
フィルタＹ、シアン色透過フィルタＣ１緑色透過フィル
タＧ、全色光透過フィルタＷが格子状に並べて構成され
る。

その各格子のうちの１つの格子は前述の撮像板面上の１
ビット分を含む領域に対応すべく、前記撮像板に前記カ
ラーモザイクフィルタが取り付けられている。

今仮りに被写体像からの光が第５図の水平ライン５１１
を通過して撮像板に投写され、その結果得られた電荷像
が第４図のａ１，ａ２，・・・・・・ａｎの水平転送チ
ャンネルを通して転送され、負荷抵抗３９１を介して水
平映像信号Ｅ１が検出されると、同時該にもう一方の水
平転送チャンネルを通して転送され、負荷抵抗３９２を
介して検出され得る水平映像信号Ｅ２は第５図の水平ラ
イン５１２を通過した被写体像に対応した信号となる。

このＥ１，Ｅ２の三信号を用いて、例えば特公昭４５−
８６９９号公報で述べられている方法で標準のカラー信
号が得られる。

第５図ｂに被写体が等白色光の場合に対して得られる水
平映像信号を簡略的にＥ１，Ｅ２に対して示した。

横軸ｔは時間軸を示す。Ｙを赤色Ｒと緑色Ｇの和、Ｃを
緑色Ｇと青色Ｂの和の関係を利用して、Ｅ１，Ｅ２をフ
ーリエ級数に展開すると次のようになる。

この信号Ｅ１，Ｅ２をプリアンプ４１，４２に導き、こ
れらの出力を中心周波数がｆ１に等しい帯域通過フィル
タ４３，４４に導くとともに低域濾波器４５にも導いて
、ストライプを繰り返し成分ＥＨと低域成分ＥＬとに分
離する。

Ｅ１，Ｅ２のＥＨ成分を加算器４６にまた減算器４７に
導き、これら出力を振巾検波器４９，５０に導けば各々
の出力として赤色信号Ｒ１青色信号Ｂが得られる。

一方ＥＬは輝度信号成分Ｙとして次のように得られる。

Ｙ＝Ｇ＋（Ｒ＋Ｂ）／２ 以上のようにして得られたＲ，Ｂ，Ｙ信号成分をエンコ
ーダ５１に導き、この出力として標準のカラー映像信号
（ＮＴＳＣ信号等）が得られる。

なお、５２は水平及び垂直同期信号発生器である。

以上の説明では水平映像信号を同時に二本検出し得る場
合について述べたが、水平方向転送用電荷結合素子を垂
直方向に増加して設ければ同時に二本以上の水平映像信
号を検出し得る。

そこで、水平映像信号を同時に三本検出し、色彩映像信
号を得る例について述べる。

第６図において、６０１は第７図に示すようにＲ，Ｂお
よびＧ成分光を通過させるストライプ状カラーフィルタ
エレメントが垂直読出し方向に繰り返し配列されたカラ
ーストライプフィルタ、６０２ａ，ｂ，ｃ，・・・・・
・はフオトダイオードの感光素子列とそれぞれの感光素
子に蓄積され、フレーム周期毎に対応する位置に読出さ
れたカラー成分信号電荷を水平プランキング期間に順次
垂直方向に転送するＣＣＤ，ＢＢＤ等の電荷転送素子よ
りなる撮像要素列である。

ψｖ１，ψｖ２は垂直方向の電荷転送を行なうための垂
直転送クロツクを示し、転送電極は省略されている。

６０２〜６０７は水平プランキング期間に水平転送素子
６０８の対応する位置に、各撮像要素列６０２ａ，６０
２ｂ，６０２ｃ・・・・・からの信号電荷を読込み、水
平走査期間にそれらを順次水平方向に転送させるための
転送電極例である。

水平転送素子を駆動するための水平転送クロツクはψｖ
，ψＨ１，ψＨ２で示され、転送電極６０２，６０４お
よび６０６の隅数番目の電極は常時零レベルに保持され
ている。

ここで、電荷転送素子はいずれも２相クロツクで動作す
る構成である。

６０９，６１０および６１１はそれぞれ各カラー成分信
号が連続的に取出される出力電極、６１２，６１３およ
び６１４はプリアンプ、６１５，６１６および６１７は
クロツクノイズを除去するためのローパスフィルタ、６
１８はＲ，Ｂ，Ｇ成分信号を加算することにより被写体
像の輝度を表わす信号を取出すＹ信号合成回路、６１９
はそれぞれの信号をマトリックスすることによってＮＴ
ＳＣ信号を生ずるエンコーダである。

次に転送クロツク波形を示す第６図ｂを参照して本実施
例の動作を説明する。

なお説明のため、電荷転送素はいずれもその基板がＰ型
シリコンよりなる２相クロックで駆動されるＣＣＤを仮
定する。

今、撮像要素列６０２ａ，６０２ｂ，６０２ｃ，・・・
・・・において１フレームを構成する信号電荷が感光素
子列から対応する垂直転送素子へ読出され、既に垂直転
送が開始されている状態を考えると、水平走査期間Ｔｓ
においてψｖ１が正のレベル、ψｖ２が基準零レベルに
保持されており、信号電荷は正電圧が印加されている電
極下に蓄積されている。

次に水平プランキング期間ＴＢにクロツクψＶ１，ψＶ
２，ψＶ，ψＨ１としてほぼ３サイクルのパルスが生じ
、これによって各撮像要素列６０２ａ，６０２ｂ，６０
２ｃ，・・・・・・の水平転送素子６０８に最も近いＲ
，ＢおよびＧ成分信号電荷がそれぞれの電極列６０２〜
６０７の奇数番目の電極下の水平転送素子６０８内部に
形成されるチャネルを通ってそれぞれ電極列６０７，６
０５および６０３下に読込まれる。

またブランキング期間ＴＢの終りに、ψｖ２は基準レベ
ル、ψｖ１が正のレベルに保持され、次の走査期間のＴ
ｓ，ψｖ１が加わっている電極下に信号電荷が蓄積され
る。

一方、転送電極列６０２，６０４および６０６の偶数番
目の電極は常に基準レベルに保たれており、ブランキン
グ期間ＴＢの終りに同じ電荷列の奇数番目の電極に加わ
るψＶが基準レベルになり、次の走査期間Ｔｓに保持さ
れることによって、水平転送素子６０８において、電極
列６０３，６０５および６０７の下にそれぞれＲ，Ｂお
よびＧ成分信号電荷転送チャネルを形成する。

次に、水平走査期間Ｔ８にクロツクψＨ１，ψＨ２によ
ってそれぞれのカラー成分信号電荷が各転送チャネルを
通して転送され、出力端子６０９，６１０および６１１
より連続するＲ，Ｂ，Ｇ成分信号が独立に取出される。

これらはプリアンプ６１２，６１３，６１４およびロー
パスフィルタ６１５，６１６および６１７を通して、こ
れらのカラー成分信号を合成して得られた輝度信号とと
もにエンコーダ１１９に加えられ、出力としてＮＴＳＣ
信号が得られる。

本装置では水平読出し方向に対しては各カラー成分に対
して感光素子が連続して配置されており、３ラインを同
時に読出すことによって色彩信号を得ているため、第１
図に示すような白黒撮像装置に対し、水平方向に対して
はほぼ同等の解像度を得ることができる。

また、水平読出しのためのクロツク周波数は同じでよく
、従来低速クロツクで動作させればよかった垂直読出し
のための垂直転送素子のクロック周波数を高くするだけ
でよく、実現が極めて容易になる。

仮に、垂直方向に感光素子を増やし、垂直方向にのみ倍
率を有するかまぼこ型レンズを用いることによって垂直
方向の解像度をより高くする場合でも、転送可能な垂直
クロツク周波数には十分余裕があり、実現可能である。

以上のように、本発明によれば、電荷転送素子を用いて
複数ラインを同時に読み出すことのできる２次元情報読
出装置を実現することができ、カラー固体撮像装置にお
いてカラー信号を発生するような場合に実施することの
できる実用的効果の大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のモノクローム用固体撮像装置の構成図、
第２図は本発明の一実施例による２次元情報読出装置め
構成図、第３図ａは同装置のさらに詳細な構成を示す図
、第３図ｂはその転送パルスの波形図、第４図はＮＴＳ
Ｃ信号を得る装置のブロック図、第５図ａ，ｂはカラー
ストライプフィルタの構成図および特性図、第６図ａは
他の実施例の構成図、第６図ｂはその転送パルスの波形
図、第７図は他のカラーストライプフィルタを示す図で
ある。 １１，１２，・・・・・・１Ｎ・・・・・・垂直転送チ
ャンネル、２１，２２，・・・・・・２Ｎ・・・・・・
水平転送チャンネル、３４１，３４２，３５１，３５２
・・・・・・電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２次元的に蓄積された電荷情報を交互に繰返す第１
   の期間と第２の期間においてそれぞれ第１の転送方向と
   第２の転送方向に複数ラインずつ転送し読出す２次元情
   報読出装置であって、前記第１および第２の転送方向に
   沿って半導体基板上に形成された絶絶層上に行列状に配
   置された電極群を備え、前記第１の期間において、前記
   第２の転送方向に対し一つおきの第１の電極列に電極一
   つおきに同電位となる第１の転送パルスを加えるととも
   に、前記第１の電極列に挾まれた第２の電極列に前記第
   １の期間を通して所定の電圧を印加することにより前記
   第２の電極列下にチャネルストッパーを形成し、第１の
   電極列下を通して複数ラインの電荷情報を第１の転送方
   向に転送するようにするとともに、前記第２の期間にお
   いて、前記第１および第２の電極列の第１の転送方向に
   対して一つおきの電極列に電極一つおきに同電位となる
   第２の転送パルスを加えるとともに、前記一つおきの電
   極列に挾まれた電極列に前記第２の期間を通して所定の
   電圧を印加することにより前記挾まれた電極列下にチャ
   ネルストッパーを形成し、前記一つおきの電極列下を通
   して複数ラインの電荷情報を前記第２の転送方向に転送
   して電荷情報を読出すようにしたことを特徴とする２次
   元情報読出装置。