JPS5989456A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はテレビジョンカメラなどに用いられる固体撮像
装置に係勺、特にインターライン転送方式のエリアセン
サに関する。

〔発明の技術的背景〕

従来のインターライン転送方式のエリアセンサは、半導
体基板上に、光電変換部（画素）および垂直転送シフト
レジスタが交互に配列されて感光領域が設けられ、これ
に隣接して水平読出しシフトレジスタが設けられていた
。ところで、上記垂直転送シフトレジスタ中に信号電荷
がたまっている時間の最大値は、一画面の読出し時間と
同じであシ、通常のテレビジョンカメラ（１秒間に６０
フレーム）に上記エリアセンサを使用したとき一画面の
読出し時間は約１７ｍ５である。そして、この間に画素
に強力な光が照射されると、半導体基板中に電荷が発生
し、この電荷が垂直転送シフトレジスタへ流れ込み、と
の流れ込んだスミア成分のために水平読出し出力によっ
て得られる画像中に特に明るい部分が発生（所謂スミア
現象）シ、画質の劣化をもたらしていた。

上述したようなスミア成分を軽減するように改良された
エリアセンサが、本願出願人に係る特許出願（特願昭５
３−１２５７０３号２％開昭５５−５２６７５号）、あ
るいは文献（ＩＥＥＥＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＤＥＶＩＣＥ
　ＬＥＴＴＥＲ８、ＶＯＬ−ＥＤＬ−２、Ａ　。

１２、ＤＥＣＥＭＢＥＲ１９８１、Ｐ、　３１９）によ
シ公知である。即ち、改良されたエリアセンサは、第１
図に示すように、−導電形半導体基板上に二次元的にた
とえば３列Ｘ４行の正方格子状に配列された画素２１１
〜２４３（なお、全体を指すときは２と略記する。以下
同様）および各画素列に沿って垂直方向に延びて形成さ
れた電荷転送形シフトレジスタ（ＣＣＤ　：電荷結合素
子が用いられたＣＣＤシフトレジスタでアシ、垂直ＣＣ
Ｄシフトレジスタと呼ぶ）３１〜３３　、過剰電荷を吸
収するためのオーバーフロードレイン４１〜４３からな
る感光領域５と、上記垂直ＣＣＤシフトレジスタ３の一
端部に隣接して前記各画素２に対応して設け−られ各画
素２の信号電荷を一時的に蓄積する蓄積レジスタ６１〜
６３からなる蓄積領域７と、この蓄積領域７からの１水
平ライン毎の信号電荷の読出しを行なう電荷転送形シフ
トレジスタ（以下、水平ＣＣＤシフトレジスタと呼ぶ）
８とによ多構成されている。

上記エリアセンサにおいては、画素２に被写体像の光照
射が一定期間行なわれると、画素２で光電変換されて発
生した信号電荷が蓄積される。この信号電荷が垂直ＣＣ
Ｄシフトレジスタ３へ転送される前に、垂直ＣＣＤシフ
トレジスタ３にたまっている残留電荷が蓄積領域７およ
び水平ＣＣＤシフトレジスタ８を経て外部へ排出される
。このように残留電荷が排出された状態の垂直ＣＣＤシ
フトレジスタ３へ転′送された信号電荷は、速やかに蓄
積領域７へ転送される。このようにして各画素２に対応
して蓄積領域７に蓄積された信号電荷は、１水平ライン
毎に水平ＣＣＤシフトレジスタ８へ転送され、このシフ
トレジスタ８を経て外部へ読み出される。

なお・以上の動作のうち画繋２から垂直ＣＣＤシフトレ
ジスタ３へ信号電荷が転送された以降の動作は、所謂フ
レームトランスファ方式のエリアセンスにおける信号読
出し動作と同じである。

上述したような第１図のエリアセンサによれば、感光領
域５から蓄積領域７へ短時間で信号電荷が転送されるの
で、スミア成分は軽減される。たとえば通常のテレビジ
ョンカメラに上記エリアセンサを使用して１フイールド
の垂直方向の画素数を約２５０個とした場合、垂直ＣＣ
Ｄシフトレジスタ３を５００　ｋＨｚのクロックで駆動
すればその転送時間は約０．５ｍｓとなシ、従来の約１
７ｍ５に比べて１／３ｏ程度に短縮されるので、スミア
成分も従来の１／３ｏ程度に軽減される。

〔背景技術の問題点〕

しかし、第１図に示したエリアセンサは、実用上はスミ
ア成分が要求仕様に比べて１桁程度大きい。また、蓄積
領域７で発生する暗電流が信号電荷と共に読み出されて
おシ、高温に寿ると各蓄積レジスタ６１〜６３相互間に
暗電流のむらが生じてこの暗電流むらに起因する画像む
らが目立つようになる。さらに、垂直ＣＯＤシフトレジ
スタ３の中に結晶欠陥があると、そこでの暗電流成分が
特に大きくなシ、画像中に所謂白線部として表われ、画
質が劣化する。

〔発明の目的〕

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、スミア成
分を原理的に消滅でき、垂直電荷転送形シフトレジスタ
および蓄積領域で発生する暗電流に伴なう画質劣化を防
止し得る固体撮像装置を提供するものである。

〔発明の概要〕

即ち、本発明の固体撮像装置は、−導電形基板上に正方
格子状の配列で設けられ光入力を光電変換し信号電荷を
発生して蓄積する画素群およびこの画素群の各画素列に
沿って設けられ前記画素群からの信号電荷を垂直方向に
読み出す遮光された垂直電荷転送形シフトレジスタを有
する感光領域と、この感光領域に隣接して設けられ前記
垂直電荷転送形シフトレジスタを経て転送される主とし
て前記画素からの信号電荷よ光領域に隣接して設けられ
前記画素からの信号電荷を読み出していない状態の前記
垂直電荷転送形シフトレジスタから転送される第２の電
荷を前記各画素に対応させて一時的に蓄積する第をそれ
ぞれ１水平ラインづつ全水平ライン分について１水平ラ
イン毎に順次読み出す水平電荷転送形シフトレジスタと
、この水平電荷転送形シフトレジスタから読み出された
第１の電荷および第２の電荷か入力し、同じ垂直電荷転
送形シフトレジスタに対応する第１．第２の電荷相互間
で減算処理を行ない前記画素からの信号電荷以外の電荷
を相殺除去して出力する出力部と、前記画素からの信号
電荷を垂直電荷転送形シフトレジスタへ転送したあと垂
直電荷転送形シフトレジスタから前記第１の電荷を第１
の蓄積領域へ転送し、次に画素からの信号電荷を垂直電
荷転送形シフトレジスタへ転送する前に垂直電荷転送形
シフトレジスタから前記第２の電荷を第２の蓄積領域へ
転送する制御手段とを具備することを特徴とするもので
ある。

したがって、第１の電荷に含まれるスミア成分および垂
直電荷転送形シフトレジスタの暗電流と第２の電荷とが
出方部にて相殺され、垂直電荷転送形シフトレジスタの
結晶欠陥に起因する大きな暗電流とか、各垂直電荷転送
形シフトレジスタ相互の暗電流むらが問題とならない。

また、第１の蓄積領域での暗電流と第２の蓄積領域での
暗電流とが出力部にて相殺されるようにもなる。これら
のことがら、スミア現象、画像むら、白線傷が防止され
、画質が著しく改善される。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第２図に示すインターライン転送方式のエリアセンサは
、Ｍ１図を参照して前述したエリアセンサに比べて、感
光領域５に隣接して第１の蓄積領域（蓄積レジスタ６１
〜６３からなる）７および第２の蓄積領域（蓄積レジス
タ６１′〜６３′からなる）７′を設け、第１の蓄積領
域７には各画素２からの信号電荷を垂直ＣＯＤシフトレ
ジスタ３を通じてスミア成分電荷と共に入力させ、この
第１の蓄積領域７への入力と交互に第２の蓄積領域７′
へ垂直ＣＯＤシフトレジスタ２がらのスミア成分電荷を
入力させ、水子〇ＣＤシフトレジスタ２０には上記２個
の蓄積領域７．７′からそれぞれ１水平ライン毎の第１
の信号電荷列および第２の信号電荷列を読み出し、上記
第１の信号電荷列と第２の信号電荷列との差をとること
によって互いのスミア成分を相殺して外部に出力する出
力部２１を具備するようにした点が異なシ、その他は同
じである。そこで、第２図中第１図と同一部分には同一
符号を付してその説明を省略し、以下具なる部分を中心
に詳述する。

上記第１の蓄積領域７および第２の蓄積領域７′におい
ては、それぞれ対応する１対の蓄積しジスタ（６１ｐ６
１’）、（６□　ｙ　６２’　）　ｅ　（６３６３′）
が感光領域５の垂直ＣＣＤシフトレジスタ３１ｐ３２＊
３３に各対応して隣接して設けられている。

また、水平ＣＯＤシフトレジスタ２０は、第１の蓄積領
域７から１水平ライン毎に転送される第１の信号電荷列
と第２の蓄積領域７′から１水平ライン毎に転送される
第２の信号電荷列とが１ビツトづつ交互に並ぶように、
蓄積レジスタ６の各一端に隣接して設けられている。

また、出力部２１は、たとえば第３図に示すように、水
平ＣＯＤシフトレジスタ２０からの１ビツトの信号電荷
毎に行先を切シ換える切換回路３θと、この切換回路３
０から信号電荷が送られる１ビツト遅延線３１と、前記
切換回路３０からの信号電荷と上記遅延線３１からの信
号電荷との減算を行なう減算部３２とからなる。

次に、第２図のエリアセンサの動作について第４図を参
照して説明する。

第４図のシフトパルスＳＨは、画素２から垂直ＣＯＤシ
フトレジスタ３へ信号電荷の転送を制御するだめのシフ
ト電Ｉ示しないが、各画素列と各垂直ＣＯＤシフトレジ
スタとの間に設けられている）に印加されるものである
。クロックφ□は、垂直ＣＯＤシフトレジスタ３の各転
送電極に所定タイミングで印加されるクロックφ列であ
シ、クロックφ３は蓄積レジスタ６の各転送電極に所定
タイミングで印加されるクロックφ列であシ、クロック
φｌは蓄積レジスタ６′の各転送電極に所定タイミング
で印加されるクロックφ列である。即ち、先ずテレビジ
ョン走査の垂直帰線期間に相当するｔ１期間において、
垂直ＣＯＤシフトレジスタ３、蓄積レジスタ６および６
′はそ、れぞ、れに同じクロックφが印加され、それぞ
れに存在する残留電荷が水平ＣＣＤシフトレジスタ２０
へ転送される。

なお、水平ＣＣＤシフトレジスタ２０には高速の所、定
周波数のクロック（図示せず）が印加されておシ、転送
されてきた残留電荷は出力部２１を経て外部へ排出され
る。次に時刻ｔ２にてシフト電極にシフトノぐルスＳＨ
が印加され、それまでに画素２群による光電変換によっ
て蓄積された信号電荷が画素２から垂直ＣＣＤシフトレ
ジスタ３へ転送される。

この場合、強い光照射があると、半導体基板からスミア
成分電荷が垂直ＣＯＤシフトレジスタ３へ流れ込む。次
に、ｔｓ期間において、垂直ＣＣＤシフトレジスタ３お
よび蓄積レジスタ６に前記残留電荷の排出時と同じクロ
ックφが印加され、垂直ＣＣＤシフトレジスタ３の信号
電荷が図中実線矢印の如く蓄積レジスタ６に転送されて
蓄積される。この場合、垂直ＣＯＤシフトレジスタ３を
経た信号電荷にはスミア成分が含まれておシ、クロック
φがたとえば５００　ｋＨｚ　、垂直ＣＯＤシフトレジ
スタ３の転送段数がたとえば２５０個とすれば、ｔ３期
間は山父２５０＝０．５ｍｓである。次に、ｔ４期間に
おいて、垂直ＣＯＤシフトレジスタ３および蓄積レジス
タ６′に上記ｔ３期間と同じクロックφが印加され、垂
直ＣＯＤシフトレジスタ３のスミア成分電荷が図中点線
矢印の如く蓄積レジスタ６′に転送されて蓄積される。

次に、時刻ｔ５にて蓄積レジスタ６および６′にそれぞ
れ１個のクロックφが印加され、それぞれの蓄積電荷が
１水平ライン分だけ水平ＣＣＤシフトレジスタ２０へ転
送され、さらに水平ＣＣＤシフトレジスタ２０内を転送
されて出力部２１に送られる。この場合、水平ＣＯＤシ
フトレジスタ２０からは、第１の信号電荷列の信号電荷
（スミア成分を含む）と第２の信号電荷列のスミア成分
電荷とが１ビツトづつ交互に出力される。そして、出力
部２１では、垂直ＣＯＤシフトレジスタ３１〜３３の順
にそれに対応する信号電荷（スミア成分を含む）からス
ミア成分電荷がビット毎に減算処理される。したがって
、出力部２ノにてスミア成分が相殺除去された１水平ラ
インの信号電荷列が外部へ読み出される。この１水平ラ
インの読出しが終了した後、再び前記時刻ｔ５における
と同様の動作によって次の１水平ラインの信号電荷列が
外部へ読み出され、以下この動作が繰シ返されて第１の
蓄積領域７および第２の蓄積領域７′から全水平ライン
の電荷が１水平ライン毎に順次読み出されて１フレ一ム
分の画像の読出しが終了する。次に、再び前記ｔ１期間
の動作に戻シ、次の１フレームの画像が読み出され、以
下このようなフレーム画像読出し動作が繰シ返される。

即ち、上述したエリアセンサによれば、垂直ＣＯＤシフ
トレジスタ３にスミア成分が流れ込んだ場合でも、（信
号電荷量スミア成分）を第１の蓄積領域７に蓄積し、引
き続きスミア成分を第２の蓄積領域７′に蓄積し、次い
で上記（信号電荷＋スミア成分）およびスミア成分を読
み出したのち両者のスミア成分を相殺除去するようにし
ている。この場合、前記垂直ＣＯＤシフトレジスタ３で
発生する暗電流成分も相殺除去される。したがって、原
理的にスミア成分、垂直ＣＯＤシフトレジスタの暗電流
むら、結晶欠陥による大きな暗電流は原理的に消滅する
ので、エリアセンナの出力によシ得られる画像にはスミ
ア現象とか白線傷が表われなくなシ、画質が著しく改善
される。

ここで、上記エリアセンサにおけるスミア成分の軽減作
用について第５図を参照して詳述す一ンの一例を示して
ｂる。以下の説明では、垂直ＣＯＤシフトレジスタ３に
転送される各画素列の信号電荷量の和に比例してたとえ
ばそれぞれの１０％が垂直ＣＣＤシフトレジスタ３１〜
３３へのスミア量となるものとする。したがって、第５
図（、）の１？ターンの場合には、各画素列の信号電荷
量の和がそれぞれ対応して３０，２２０゜１３０である
ので、それぞれのスミア量は３゜２２．１３である。第
５図（ｂ）は、上記第５図（、）の／ぐターンの画素列
の信号電荷が垂直ＣＯＤシフトレジスタ３を経て転送さ
れ、（信号電荷＋スミア成分）の電荷を蓄積した蓄積１
／ジスタロ１〜６３の電荷量／ぐターンおよび垂直ＣＯ
Ｄシフトレジスタ３から転送されたスミア電荷を蓄積し
た蓄積レジスタ６１′〜６３′の電荷量パターンを示し
ている。第５図（ｃ）は、第５図（ｂ）の蓄積レジスタ
６１〜６３　　ｒ　６．／　”　６Ｂ’から１水平ライ
ン毎の電荷列を読み出してスミア成分を相殺した後の信
号電荷列を二次元的に配列して示しておシ、第５図（、
）に示した画素列における信号電荷量ノ４ターンが再現
されている。

なお、第６図は第３図に示した出力部の変形例を示して
おシ、水平ＣＣＤシフトレジスタ２゜の出力端部を２分
岐して第１の分岐６１および第２分岐６２を延設し、第
１分岐６１を第２分岐６２よシも１ビ、ト数だけ長く形
成しておき、水平ＣＯＤシフトレジスタ２０からの転送
電荷を１ビツト毎に第１の分岐６１および第２の分岐６
２に交互に転送するように制御し、上記両分岐６１．６
２の出力ビットを減算部６３に入力させるようにしたも
のである。このような出力部によれば、水平ＣＯＤシフ
トレジスタ２Ｑと同じ半導体基板上に構成可能となる。

また、垂直ＣＯＤシフトレジスタ３の残留電荷は、画素
２から垂直ＣＣＤシフトレジスタ３へ信号電荷が移送さ
れる前に垂直ＣＯＤシフトレジスタ３から掃き出されて
いればよく、必ずしも外部に排出される必要はない。た
とえば、上記残留電荷を第１の蓄積領域７へ転送し、こ
の転送が終了した段階で画素２から垂直ＣＣＤシフトレ
ジスタ３へ信号電荷の転送を行なってもよい。

この場合には、こののち垂直ＣＣＤシフトレジスタ３か
ら第１の蓄積領域７へ信号電荷を転送する際に、第１の
蓄積領域７から残留電荷が水平ＣＯＤシフトレジスタ２
０へ転送され、さらに出力部２１を通じて外部へ排出さ
れる。

第７図は本発明の他の実施例に係るエリアセンサを示し
ており、第２図を参照して前述したエリアセンサに比べ
て、第１の蓄積領域７および第２の蓄積領域７′を感光
領域５を挟むように配置して設け、第１の蓄積領域７の
他端に隣接して第１の水平ＣＯＤシフトレジスタ７１を
設け、第２の蓄積領域７′の他端に隣接して第２の水平
ＣＯＤシフトレジスタ７２を設け、上記各水平ＣＣＤシ
フトレジスタ７１．７２の出力信号電荷を出力部７３に
入力させるようにしだ点およびこれに伴なってクロック
φの与え方が異なり、その他は同じであるから第７図中
第２図と同一部分には同一符号を付してその説明を省略
する。

なお、上記各水平ＣＣＤシフトレジスタ７１．７２は、
第２図の水平ＣＯＤシフトレジスタ２０に比べてビット
数がそれぞれ歿である。

次に、第７図のエリアセンサの動作例について簡単に説
明する。先ず、垂直ＣＯＤシフトレジスタ３の残留電荷
を第１の蓄積領域７、第１の水平〇ＣＤシフトレジスタ
７１、出力部７３を経て外部へ排出する。次に、画素２
から信号電荷を垂直ＣＯＤシフトレジスタ３に転送する
。次に、垂直ＣＣＤシフト７ジスタ３から（信号電荷子
スミア成分）を第１の蓄積領域７にのみ転送する。

この場合、強い照射光の位置が感光領域５の垂直方向の
たとえば中央付近であったとすれば、上記転送後の垂直
ＣＯＤシフトレジスタ３においては、中央付近から第１
の蓄積領域７までのビット部分にはスミア成分が存在す
るけれども、中央付近から第２の蓄積領域７′マでの間
のビ。

ト部分にはスミア成分が存在しない。そこで、今度は垂
直ＣＯＤシフトレジスタ３の転送方向を変えてその残留
電荷を少なくとも第２の蓄積領域７′まで転送し、場合
によりてはさらに第２の水平ＣＯＤシフトレジスタ７２
および出力部７３を経て外部へ排出する。そして、次い
で垂直ＣＣＤシフトレジスタ３からスミア成分を第２の
蓄積領域７′にのみ転送する。次に、第１の蓄積領域７
から１水平ライン分の（信号電荷＋スミア成分）を第１
の水平ＣＯＤシフトレジスタ７１に読み出し、同時に、
第２の蓄積領域７′から１水平ライン分のスミア成分を
第２の水平ＣＯＤシフトレジスタ７２に読み出す。次に
第１の水平ＣＣＤシフトレジスタ７１から電荷列を読み
出すと共に第２の水平ＣＯＤシフトレジスタ７２から電
荷列を読み出すことによって、出力部７３にてスミア成
分が相殺除去されて信号電荷列−（１水平ライン分）が
外部へ読み出される。以下、次の１水平ライン分を読み
出す動作を繰シ返して１フレ一ム分の画像信号を１水平
ライン毎に順次読み出す。そして、上述したような１フ
レ一ム分の読出し動作を繰シ返す。

したがって、第７図のエリアセンサによっても第２図の
エリアセンサにおけると同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

上述したように本発明の固体撮像装置によれば、スミア
成分を原理的に消滅し、垂直電荷転送形シフトレジスタ
で発生する暗電流を除去できるので、出力画像中におけ
るスミア現象、画像むら、白線傷の発生を防止でき、画
質を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のインターライン転送方式のエリアセンサ
を示す構成説明図、第２図は本発明の固体撮像装置の一
実施例に係るインターライン転送方式のエリアセンナを
示す構成説明図、第３図は第２図の出力部を取り出して
その一例を示す構成説明図、第４図は第２図のエリアセ
ンサの動作説明のために示すタイミング図、第５図は第
２図のエリアセンサにおけるスミア成分軽減作用を説明
するために示す図、第６図は第３図の出力部の変形例を
示す構成説明図、第７図、は本発明の他の実施例を示す
構成説明図である。 ２１１〜２４３・・・画素、３１〜３３・・・垂直ＣＣ
Ｄシフトレジスタ、５・・・感光領域、６１〜６Ｂｐ６
１’〜６３′・・・蓄積レジスタ、７．７’・・・蓄積
領域、２０゜７１．７２・・・水平ＣＣＤシフトレジス
タ、２１゜７３・・・出力部。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第４図 ＞’ｍ宇−−−−−−」ｌ−一−−−−−−−−−−−
−−−−−−−７０・ン２φＡ　］１１１ＩＩ１１１１
１−Ｉ１１１１］［−１１１０ｍ７Ｄツ７　φＢ　　」
■■「「Ｌｌ■」Ｌ−一一−ｎ−−−クニー−２０７２
φｉ、胴岨−−士」シ」− ｍ−）−一□ノ尋”’□−−−−手 ｔ＋　　ｔｚｂ　　ｔ４ｔ５ 第５図 ２２ｏ１３０（ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一導電形基板上に正方格子状の配列で設けられ光入力を
   光電変換し信号電荷を発生して蓄積する画素群およびこ
   の画素群の各画素列に沿って設けられ前記画素群からの
   信号電荷を垂直方向に読み出す遮光された垂直電荷転送
   形シフトレジスタを有する感光領域と、この感光領域に
   隣接して設けられ前記垂直電荷転送形シフトレジスタを
   経て転送される主として前記画素からの信号電荷よシな
   る第１の電荷を前記各画素に対応させて一時的に蓄積す
   る第１の蓄積領域と、同じを前記感光領域に隣接して設
   けられ前記画素からの信号電荷を読み出していない状態
   の前記垂直電荷転送形シフトレジスタから転送される第
   ２の電荷を前記各画素に対応させて一時的に蓄積する第
   ２の蓄積領域と、前記第１の蓄積領域および第２の蓄積
   領域から第１の電荷および第２の電荷をそれぞれ１水平
   ラインづつ全水平ライン分について１水平ライン毎に順
   次読み出す水平電荷転送形シフトレノスタと、この水平
   電荷転送形シフトレジスタから読み出された第１の電荷
   および第２の電荷が入力し、同じ垂直電荷転送形シフト
   レジスタに対応する第１゜第２の電荷相互間で減算処理
   を行ない、前記画素からの信号電荷以外の電荷を相殺除
   去して出力する出力部と、前記画素からの信号電荷を垂
   直電荷転送形シフトレジスタへ転送したあと垂直電荷転
   送形シフトレジスタから前記第１の電荷を第１の蓄積領
   域へ転送し、次に画素からの信号電荷を垂直電荷転送形
   シフトレジスタへ転送する前に垂直電荷転送形シフトレ
   ジスタから前記第２の電荷を第２の蓄積領域へ転送する
   制御手段とを具備することを特徴とする固体撮像装置。