JPS6046594B2 - 電荷転送撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電荷転送撮像素子特にインターライン型電荷
転送撮像素子の駆動方法に関するものである。

電荷転送撮像素子の一つてあるインターライン方式の電
荷転送撮像素子は、第１図に示すようにＰ型シリコン基
板上に２次元的に複数分離配列されたＮ”層による光電
変換ダイオード（以後単にダイオードと言う）１と、こ
のダイオード１の電荷を１水平周期毎に垂直方向に並列
電荷転送する垂直転送レジスタ２と、ダイオード１の電
荷を１垂直周期（フィールド）毎に垂直転送レジスタ２
に読み出すトランスファーゲート電極（以後単にφＴＧ
と言う）と垂直転送レジスタ２の並列転送電荷を順次読
み出す水平転送レジスタ４を備えている。 また、ダイ
オード１は画像のちらつき防止のための２対１のインタ
ーレース動作をさせる必要から第１の垂直転送電極（以
後単にφＶ、と言う）５と第２の垂直転送電極（以後単
にφＶ。

と言う）６に対してそれぞれ１個ずつのダイオードが設
けられ、このダイオード１の電荷の読み出しは、φＶ１
またはφＶ２とφＴＧに印加された電圧の論理積によつ
て垂直転送レジスタ２に読み出される構成となつている
。 ところで、このような撮像素子で標準テレビジョン
方式による撮像を行なう場合、通常第２図に示すような
φＶ、を駆動するクロックパルス７とφＶ２を駆動する
クロックパルス８との垂直転送電極駆動パルスとφ’ｍ
を駆動するφＴＧクロックパルス９を用い、第１フィー
ルドでは垂直ブランキング期間１０でのφＶ２クロック
パルス８とφＴＧクロックパルス９との論理積によつて
第２の垂直転送電極φＶ２に対応したダイオード１の電
荷を垂直転送レジスタ２に読み出し、以後順次垂直、水
平転送して出力し、第２フィールドでは垂直ブランキン
グ期間１１でのφＶ１クロックパルスとφＴＧクロック
パルス９との論理積によつてφＶ１に対応したダイオー
ドの電荷を垂直転送レジスタ２に読み出し以後第１フィ
ールド同様転送出力するように駆動する。

このような駆動方法によれば、第１、第２フィールドで
は垂直方向相隣る異なつたダイオードの電荷が読み出さ
れるため完全な２：１のインターレース動作が実現され
、高い垂直解像度が得られる。また、各ダイオードは２
フィールドに１回の読み出しとなるため２フィールド蓄
積すなわちフレーム蓄積電荷となる。ところで通常の撮
像ではこのようなフレーム蓄積動作でもほとんど支障の
ない撮像が可能であるが、高速に移動する物体を撮像す
る場合には、蓄積時間の影響による画像のぼけが発生し
満足な画像が得られなくなる。このような蓄積時間の影
響による画像のぼけを軽減するためには、各々のダイオ
ードもフィールド毎に読み出せばよく、第１図に示した
撮像素子ではダイオードでの蓄積電荷は垂直転送電極と
トランスファーゲート電極への印加電圧の論理積で読み
出されるため、φＶｌ，φＶ２を同時にハイレベルに保
つた状態でφＴＧをハイレベルとすれば、φＶｌ，φＶ
２に対応したそれぞれのダイオーードの電荷を各フィー
ルド同時に読み出すことができる。

また標準テレビジョン方式で不可欠なインターレース動
作は同時に読み出した電荷を例えば第１フィールドでは
φＶ１の電荷を１垂直転送によつてφＶ２に転送しφＶ
２の電荷と混合した後順．次垂直、水平転送して出力し
、第２フィールドではφ■２の電荷を１垂直転送によつ
てφ■１に転送し混合した後、順次垂直、水平転送して
出力れば実現可能である。しかしながら、素子構成上か
らは容易に実現可能なフィールド蓄積駆動方法にも・か
かわらず実際に素子を駆動した場合フィールド毎に大き
な信号レベル差を生じ画面上フリッカーとなつて満足な
撮像ができないことが明らかとなつた。以上、その原因
について述べる。

第３図は前記したフィールド蓄積駆動時のクロックパル
ス波形図で１２はφＶｌ，ｌ３はφＶ２，ｌ４はφＴＧ
を駆動するクロックパルスで、第４図は各フィールドで
の素子の動作を示す模式図である。いま、第１フィール
ドでは垂直ブランキング期間１５のｔ１でφＶｌ，φ■
２は共にハイレベルとなり、Ｔ２からＴ３φＴＧもハイ
レベルとなるため、ダイオード１７の電荷はしの時点か
ら第４図ａに示すようにφ和Ｊｌ８を通つて垂直転送レ
ジスタ１９に同時に読み出される。その後、ζでφＶｌ
２Ｏへ読み出された電荷はφＶ２２ｌへ１垂直転送され
φＶ２２ｌへ読み出された電荷と混合され、第１フィー
ルドの単位画素２２の信号として順次垂直、水平転送さ
れ−る。また第２フィールドは垂直ブランキング期間１
６のＴ５でφＶｌ，φＶ２は共にハイレベルとなり、！
からＴ７φＴＧもハイレベルとなるため、ダイオード１
７の電荷はｔの時点から第４図ｂに示すように垂直転送
レジスタ１９に読み出され、その後Ｔ８゛でφＶ２２ｌ
の電荷は１垂直転送されφ■，２０に読み出された電荷
と混合され、第２フィールドの単位画素２３の信号とし
て順次転送出力され、正常なフィールド蓄積動作が実現
されると考えられる。しかし、多くの実験から次の点が
明らかとなつた。第１図に示す撮像素子は他の多くの電
荷転送素子と同じように、各電極は重ね合せ構造を持つ
ているため、第１の垂直転送電極φ■１，第２の垂直転
送電極φ■２，トランスファーゲート電極φＴＧ間には
それぞれ大きな静電結合容量を持つている。そのため、
一水平期間毎の垂直転送パルスのごとく２相で相補性の
ある駆動波形部では互に相殺し合つて問題とならない垂
直転送電極からトランスファーゲート電極への信号漏洩
が例えば第３図のＴｌ，ｔ４，ｔ５，ｔ８のごとく相補
性のない信号変化を生じると非常に大きく生じ、あたか
もφＴＧ直接トランスファーゲート電極パルスを加えた
かのごとく作用する。

さらに、この漏洩は素子内部全体で発生していてφＴＧ
電極は内部で抵抗を持つているためφＴＧ電極を駆動す
る外部回路のインピーダンスを下げてもほとんど減少し
ないことが判つた。すなわち、第３図に示すクロックパ
ルス波形による駆動では本体のφＴＧパルスでの電荷読
み出し以前に、φＶｌ，φＶ２が完全にハイレベルとな
らないＴｉ，ｔ５の時点で、ダイオードの一部の電荷が
垂直転送レジスタに読み出され、これが原因となつてフ
ィールド毎に信号レベル差を生じフリッカーを発生させ
ていることが明らかとなつた。本発明の目的は、このよ
うな従来の欠点を除去したフィールド蓄積による駆動方
法を提供することにある。

本発明によれば、同一基板上に２次元的に複数分離配列
された光電変換領域と、この光電変換領域に対応して設
けられた第１の垂直転送電極群と第２の垂直転送電極群
とを一つおきに配置した垂直転送レジスタ列と、前記光
電変換領域の蓄積電荷を各垂直転送レジスタに転送する
トランスファーゲート電極と、前記垂直転送レジスタ列
の並列転送電荷を順次読み出す水平転送レジスタとを少
なくとも備えた電荷転送撮像素子の駆動において、第１
のフィールドでは第１あるいは第２の一方の垂直転送電
極に対応した光電変換領域の蓄積電荷を第１番目のトラ
ンスファーゲートパルスによつて垂直転送レジスタに読
み出した後、前記電荷を１垂直転送し、続いて第２番目
のトランスファーゲートパルスによつて第１番目のトラ
ンスファーゲートパルスで読み出した光電変換領域とは
異なる第２あるいは第１の垂直転送電極に対応した光電
変換領域の蓄積電荷を垂直転送レジスタに読み出し、第
１番目のトランスファーゲートパルスによる読み出し電
荷と混合した後、前記混合電荷を単位画素信号電荷とし
て順次転送出力し、第２のフィールドでは第１および第
２番目のトランスファーゲートパルスでそれぞれ第１の
フィールドとは異なるもう一方の垂直転送電極群に対応
した光電変換領域の蓄積電荷を読み出し混合し、単位画
素信号電荷として順次転送出力するように、順次、繰り
返し駆動することを特徴とする電荷転送撮像素子の駆動
方法が得られる。

本発明は、第１、第２の垂直転送電極にそれぞれ対応し
たダイオードの電荷の読み出しを二つの連続したトラン
スファーゲートパルスで独立して行なえば第１と第２の
垂直転送電極へ印加する駆動波形がすべての期間で相補
性のある２相パルスで実現できることを見い出し、フリ
ッカーのない完全なフレーム蓄積動作ができる駆動方法
を実現している。

第５図は本発明の一実施例によるクロックパルス波形図
で第６図は第５図に示すクロックパルスで駆動した時の
素子の動作を示す模式図である。

第５図で２４は第１の垂直転送電極であるφＶ１を駆動
するクロックパルスで、２５は、第２の垂直転送電極で
あるφＶ２を駆動するクロックパルスで、２６はトラン
スファーゲート電極であるφＴＧを駆動するクロックパ
ルスである。まず、第１フィールドは垂直ブランキング
期間２７のちでφＶ１をハイレベルに、一方φ■２をロ
ーレベルに相補性を保つて駆動し、Ｔ２からＴ３の期間
第１番目のトランスファーゲートパルス２８によつてφ
ＴＧをハイレベルにすると、φＶ２とφＴＧ印加された
電圧の論理積によつて、第６図ａに示すごとく、φＶｌ
３３に対応したダイオード３１の電荷がφＴＧ３５を通
つてちの時点から垂直転送レジスタ３６の転送電極であ
るφＶｌ３３に読み出される。

その後ζでφＶ１をローレベルにφ■２をハイレベルに
相補性を保つて駆動するとφＶ１に読み出された電荷は
１垂直転送しφ■２に移動する。続いてちからｔの期間
第２番目のトランスファーゲートパルス２９によつてφ
ＴＧをハイレベルにすると、こんどはφ■２とφＴＧの
印加電圧の論理積によつてφＶ２３４に対応したダイオ
ード３２の電荷がちの時点から垂直転送レジスタ３６の
第２の転送電極であるφＶ２３４に読み出される。この
時、第１番目のトランスファーゲートパルス２８によつ
て読み出されたφＶ１に対応し″たダイオードの電荷は
すでにＴ４でこのφ■２の位置に転送されているため、
この時点でダイオード３１，３２から読み出した電荷は
混合され、第６図ａに示すように第１フィールドの単位
画素３７の信号電荷となり、以後順次垂直、水平転送し
画素信号として出力する。また、第２フィールドでは垂
直ブランキング期間のちから■の期間第１番目のトラン
スファーゲートパルス２８によつてφｍをハイレベルに
すると、第１フィールドとは逆にφＶ２とφ和の印加電
圧の論理積によつて第１６図ｂに示すごとくまずφＶ２
３４に対応したダイオード３２の電荷がＴ７の時点から
垂直転送レジスタ３６のφ■２３４に読み出され、その
後Ｔ９でφＶ１をハイレベルに、φ■２をローレベルに
相補性を保つて駆動すると、φＶ２に読み出された電荷
は１垂直転送されφＶ１に移動する。続いてＴｌＯ〜Ｔ
ｌｌで第２番目のトランスファーゲートパルスによつて
φＴＧをハイレベルにすると、こんどはφＶ１とφＴＧ
の印加電圧の論理積によつてφＶｌ３３に対応したダイ
オード３１の電荷がＴｌＯの時点かな垂直転送レジスタ
３６のφＶ２３３に読み出され、すでにちの時点でこの
φＶ２３３に移動しているダイオード３２から読み出さ
れた電荷と混合され、第６図ｂに示すように第２フィー
ルドの単位画素３８の信号電荷としてＴｌ。以後順次垂
直、水平転送され信号として出力する。このような駆動
方法による２フィールドを順次繰り返せば標準テレビジ
ョン方式に合つたインターレース動作によるフィールド
蓄積駆動ができることになる。以上説明したように、本
発明の駆動方法によれば、常に相補性のある２相クロッ
クパルスで垂直転送電極を駆動できるため、トランスフ
ァーゲート電極φＴＧに垂直転送電極の駆動クロックパ
ルスの信号漏洩がなくなり、φＴＧクロックパルスの正
しいタイミングで蓄積電荷の読み出しが行なわれるため
、フリッカーのないフィールド蓄積動作が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は２次元インターライン方式電荷転送撮像素子の
構成を示す図、第２図は第１図に示す２次元インターラ
イン撮像素子を通常駆動する駆動波形を示す図、第３図
は第１図に示す２次元インターライン撮像素子をフィー
ルド蓄積駆動する従来の駆動方法による駆動波形を示す
図、第４図は第３図の駆動波形で駆動した時の素子の動
作を示！す模式図、第５図は本発明の駆動方法による駆
動波形を示す図、第６図は第５図の駆動波形で駆動した
時の素子の動作を示す模式図である。 図において、１は光電変換蓄積ダイオード、２は垂直転
送レジスタ、３はトランスファーゲート電極、４は水平
転送レジスタ、５は第１の垂直転送電極、６は第２の垂
直転送電極、７は第１の垂直転送電極の駆動波形、８は
第２の垂直転送電極の駆動波形、９はトランスファーゲ
ート電極の駆動波形、１０および１１は垂直ブランキン
グ期・間、１２は第１の垂直転送電極の駆動波形、１３
は第２の垂直転送電極の駆動波形、１４はトランスファ
ーゲート電極の駆動波形、１５および１６は垂直ブラン
キング期間、１７は光電変換蓄積ダイオード、１８はト
ランスファーゲート電極、１９は垂直転送レジスタ、２
０は第１の垂直転送電極、２１は第２の垂直転送電極、
２２は第１フィールドの単位画素、２３は第２フィール
ドの単位画素、２４は第１の垂直転送電極の駆動波形、
２５は第２の垂直転送駆動波形、２６はトランスファー
ゲート電極の駆動波形、２７は垂直ブランキング期間、
２８は第１番目のトランスファーゲートパルス、２９は
第２番目のトランスファーゲートパルス、３０は垂直ブ
ランキング期間、３１は第１の垂直転送電極に対応した
光電変換蓄積ダイオード、３２は第２の垂直転送電極に
対応した光電変換蓄積ダイオード、３３は第１の垂直転
送電極、３４は第２の垂直転送電極、３５はトランスフ
ァーゲート電極、３６は垂直転送レジスタ、３７は第１
フィールドの単位画素、３８は第２フィールドの単位画
素である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同一基板上に２次元的に複数分離配列された光電変
   換領域と、この光電変換領域に対応して設けられた第１
   の垂直転送電極群と第２の垂直転送電極群とを一つおき
   に配置した垂直転送レジスタ列と、前記光電変換領域の
   蓄積電荷を各垂直転送レジスタに転送するトランスファ
   ーゲート電極と、前記垂直転送レジスタ列の並列転送電
   荷を順次読み出す水平転送レジスタを少なくとも備えた
   電荷転送撮像素子の駆動において、第１のフィールドで
   は第１あるいは第２の一方の垂直転送電極に対応した光
   電変換領域の蓄積電荷を第１番目のトランスファーゲー
   トパルスによつて垂直転送レジスタに読み出した後、前
   記電荷を１垂直転送し、続いて第２番目のトランスファ
   ーゲートパルスによつて第１番目のトランスファーゲー
   トパルスで読み出した光電変換領域とは異なる第２ある
   いは第１の垂直転送電極に対応した光電変換領域の蓄積
   電荷を垂直転送レジスタに読み出し、第１番目のトラン
   スファーゲートパルスによる読み出し電荷と混合した後
   、前記混合電荷を単位画素信号電荷として順次転送出力
   し、第２のフィールドでは、第１および第２番目のトラ
   ンスファーゲートパルスでそれぞれ第１のフィールドと
   は異なるもう一方の垂直転送電極群に対応した光電変換
   領域の蓄積電荷を読み出し、混合し、単位画素信号電荷
   として順次出力する電荷転送撮像素子の駆動方法。