JPS62159579A

JPS62159579A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPS62159579A
Application number: JP61000263A
Authority: JP
Inventors: Toshibumi Ozaki; 俊文尾崎; Masaaki Nakai; 中井　正章; Hajime Akimoto; 肇秋元; Akira Sasano; 笹野　晃; Haruhisa Ando; 安藤　治久
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-01-07
Filing date: 1986-01-07
Publication date: 1987-07-15

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】〔発明の利用分野〕本発明は、高品位テレビジョンシステムに係り、特に高
感度、高画質で、かつ簡単なテレビジョンカメラを実現
するのに好適な固体撮像装置に関するものである。

〔発明の背景〕

高品位テレビジョンシステムにはいろいろな方式が提案
されている。なかでも走査線数が１１２５本で、画面の
縦横比が３：５の方式が注目されている（テレビジョン
学会誌、第３５巻、第１２号（１９８１）ｐ　１０１６
〜ｐ　１０２３）。本方式の輝度信号の周波数帯域は２
０ＭＨｚと大きい。従って信号を伝送するためのシ；Ｖ
域を非常に大きくとらねばならないといった欠点がある
。この問題を解決するために、ＭＵ　Ｓ　Ｅ　（Ｍｕｌ
ｔｉｐｌｅ　Ｓｕｂ　−Ｎｙｑｕｉｓｔ　Ｓａｍｐｌｉ
ｎｇＥ　ｎｃｏｄｉｎｇ）と呼ばれる伝送方式が提案さ
れている（テレビジョン学会技術報告ＴＥＢＳ９５−２
．１９８４．３．２、ｐ３７〜ｐ　／１２　）。本方式
は４フイールドかかって完全な画を伝送するものである
。つぎに第１６図、第１７図を用いて説明する。第１７
図はＭＵＳＥにおける伝送方式の原理を示す。１秒間に
６０枚（フィールドという）の割合で送られてくる原画
（イ）から画素を４分の１に間引いた（サブサンプリン
グという）まばらな画（ロ）を作り、これを伝送する。

受信機では送られてきた４枚の画をメモリに蓄え、それ
を合成して再生画（ハ）を得る。なお、白抜きの部分は
伝送されてきていないので周囲の画素の信号を用いて内
挿補完する。

ここで、サブサンプリングのパタンは第１６図に示すよ
うになっている。すなわち、第１フイールドではＯ印の
点を、第２フイールドではローの点、第３、第４フイー
ルドでは、それぞれ・印の点と■印の点が信号をサンプ
リング回路により抜出す。

このような伝送の方法を採用すると、伝送する信号量が
約１／４となり、伝送系の周波数帯域を狭めることが可
能になる。

ところで、従来の撮像管を用いたカメラで〜は、撮像管
の受光面を電子ビームで走査し、得られた出力信号を第
１６図の手段にしたがって電気回路でサンプリングし、
第１７図の主旨を満足させる信号を作りだしている。こ
のため、第１７図の１本の走査線に注目すると、信号の
１／４の期間だけを利用し、他の３７４の期間の信号は
捨ててしまうことになる。その結果、各フィールドごと
に光学情報の３／４を無駄にするという欠点を生じる。

しかもサブサンプリングを行うために、２次元のフィル
タが必要となり、システムが複雑になる。

〔発明の目的〕

本発明は、光の利用率を下げず、また外部におけるフィ
ルタを用いずに、上記第１７図の主旨を満足させる信号
を、直接出力することが可能な固体撮像装置を得ること
を目的とする。

〔発明の概要〕

固体撮像装置は受光面上の各画素の中から、指定した画
素の信号だけを選択して読出すことが可能な装置構造に
することができる。本発明は、上記固体撮像装置がもつ
特徴を利用し、光利用率を下げることなく、上記第１７
図（ロ）に示す４つのモードの信号を固体撮像装置から
直接得るようにしたものである。すなわち、同一半導体
基板上に２次元状に配置した光電変換素子と、該光電変
換素子に蓄積した光信号電荷を読み出すための、垂直な
らびに水平走査回路よりなる固体撮像装置ξにおいて、
ｎ×ｍ個（ｎは水平方向個数５ｍは垂直方向個数、ｎ〉
２）の光電変換素子の光信号電荷を同時に読み出し、か
つ同時に読み出すｎ×ｍ個の光信号電荷の組合わせを、
ｒ回のフィールドごとに異るようにする手段を設けたこ
とにより、信号電荷の利用率を向上し、高感度な固体撮
像装置を得るようにしたものである。

第１８図は画像信号の周波数帯域を圧縮するための方法
を例示する図で、（ａ）は帯域圧縮前における４フイ一
ルド分の原画信号である。各画素信号の名称には１〜４
フイールドについてそれぞれＡ−Ｄの文字をつけている
。第１８図（ｂ）は帯域圧縮後の伝送信号である。上記
（ａ）の原画と較べて、画素信号を４画素おきに間引く
ことにより、信号帯域を１／４におとしている。第１８
図（ｃ）は受信側による再生画信号である。補間画素信
号を信号処理によって付加し信号ＶｆＦ域を原画と同一
にまで上げているが、原画に較べて情報量が１／４に減
少していることは明らかである。すなわち、撮像管を用
いた場合には、全画素信号の中の３／４のサンプリング
されなかった画素信号は捨てられ、入射光信号に対し大
きな損失を伴う。

しかし固体撮像装置を用いるときは、サンブリンクされ
る画素に対応する受光素子に蓄積された信号電荷を読み
出す際に、上記受光素子に、水平方向に隣接する受光素
子に蓄積された、本来捨てられるはずの信号電荷も一括
して読み出すことによって、信号電荷利用率の低下を避
けることができる。本発明の原理をつぎに説明する。第
２１図（ａ）は受光面上に蓄積された信号電荷を示して
いる。各信号電荷の名称には１〜４フイールドについて
それぞれＡ−Ｄの文字を付して区別している。第２１図
（ｂ）は撮像装置から出力された伝送画信号である。水
平方向に隣接する画素信号は２つずつ加えられており、
また加えられる画素信号の組合わせは１フイールドと３
フイールドとで異り、２フイールドと４フイールドとで
も異っているが、このように動作させることにより、解
像度の劣化を容易に防ぐことができる。第２１図（ｃ）
は受信側による再生画信号である。上記したように第１
８図（ｃ）に示す従来の手法では、再生画信号において
原画の信号の１／４が捨てられてしまっているのに対し
て１本発明によるときは、受光素子に蓄積された信号が
捨てられることなく、全べての受光素子における蓄積信
号が利用されていることは明らかである。

〔発明の実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による固体撮像装置の第１実施例を示す
回路模式図、第２図は上記実施例の各スイッチのそれぞ
れの動作における状態を示す図、第３図は上記実施例の
出力信号を時系列に示す図、第４図は上記実施例に適用
できるカラーフィルタの配置例を示す図、第５図は本発
明による固体撮像装置の第２実施例を示す回路構成図、
第６図は上記第２実施例における光電変換素子近傍の構
造図、第７図は上記光電変換素子近傍のＡＢＣ断面図、
第８図は上記光電変換素子近傍のＡＢＤ断面図、第９図
は上記光電変換素子の他の例におけるＡＢＣ断面図、第
１０図は上記例におけるＡＢＤ断面図、第１１図は本発
明の第３実施例を示す構造図、第１２図は上記第３実施
例のＥＦ断面図、第１３図ば上記ＥＦ断面図の他の例を
示す図、第１４図は本発明の第４実施例を示す構造図、
第１５図は上記第４実施例における光電変換素子近傍の
構造図である。

固体撮像装置にはＭＯＳ型、　ＣＣＤ　（Ｃｈａｒｇｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）型、ならびにＣＰ　Ｄ
　（ＣｈａｒｇｅＰ　ｒｉｍｉＢ　Ｄ　ｅｖｉｃｅ）型
など、多くの型式があるが、ここではＭＯ３型撮像装置
を例にとり説明する。

第１図に示す第１実施例において、Ｐは２次元状に配置
され、光情報を電気信号に変える光電変換素子である。

また、各光電変換素子には、位置の違いを区別する目的
でＰ１８、Ｐ、２、Ｐｌ、・・・・・・のように番号を
つけて表示している。さらに各光電変換素子が第１６図
のサンプリング点に対応するように、水平方向に半ピツ
チずつずれている。２は垂直走査を行う垂直シフトレジ
スタ、Ｓｖは垂直シフトレジスタよりの出力パルスを、
異る２本の水平ライン３に供給するためのスイッチ回路
、４は各光電変換素子部の信号を垂直信号線５に読み出
すための垂直スイッチである。また１は水平走査を行う
水平シフトレジスタ、ＳＨは水平シフトレジスタからの
出力パルスを、異る４つの水平スイッチ６に供給するた
めのスイッチ回路である。さらに、ＳＨＦは第１６図に
示した○印、口開、・印、間部の各サンプリング点の信
号が、単に同一の出力点からなされるようにするための
切換えスイッチである。すなわち、○印の点の信号は出
力０１、口開の点の信号は出力０２、・印点の信号は出
力０３、■印点の信号は出力ｏ４より出力される。

なお、ＳＶ、ＳＨＦの各スイッチ回路は、それぞれ外部
から供給するパルスによって駆動される。

また各スイッチ回路には、位置の違いを区別する目的で
、それぞれ番号をつけて表示している。

本実施例の動作を第２図により説明する。第２図は各フ
ィールドの各水平ライン読み出し時のＳＶ、ＳＨ，ＳＨ
Ｆ各スイｙチ回路ＳＶが第１図一点鎖線のように導通し
ている状態をａ、破線のように導通している状態をｂ、
スイッチ回路Ｓ　Ｈが第１図実線のように導通している
状態をＣ１一点鎖線のように導通している状態をｄ、破
線のように導通している状態をＱ、二点鎖線のように導
通している状態をｆ、スイッチ回路ＳＨが実線のように
導通している状態をに、破線のように導通している状態
をｈとしている。１に示すスイッチ回路の動作により、
第３図に示す信号が時系列に得られる。すなわち、隣接
する水平２画素、垂直２画素の計４画素が同時に読み出
され、上記４画素の組合わせが、各フィールドごとに異
るように読み出しが行われる。この結果、サブサンプリ
ンクに伴う信号利用率の低下は起きず、かつ前記第１７
図の主旨を満足させる信号出力を、直接骨ることが可能
になる。

さらに、各サンプリング点に４色のフィルタをつけるこ
とにより、容易にカラー化を図ることができる。この時
のフィルタ配置は１例えば第４図に示すようにすればよ
い。上記実施例は、画素配列が半ピツチずつずれた画素
補間形になっているが、半ピツチずれないマトリクス状
の画素配列の場合でも同様の構造にすることができる。

また、本実施例の主旨はＣＣＤ形やＣＰＤ形等の固体撮
像装置にも適用できることはもちろんである。

第５図に示す第２実施例において、水平方向は装置の出
力信号の水平走査方向に対応している。

１１は光電変換素子、１２および］３は選択スイッチ、
１４は水平４８号線、１５は水平スイッチ、１６は垂直
信号線、１７は出カバソファまたは出力増幅器、１８は
垂直レジスタ、１９は水平レジスタである。上記第５図
における光電変換素子１１の部を拡大した平面図が第６
図であり、第６図のＡＢＣ断面およびＡＢＤ断面を示し
た図が第７図および第８図である。第７図および第８図
における２０はウェル、２１は基板であり、互に異る導
電型の半導体であるがウェル２０がない構成も可能であ
る。なお、２４はスイッチ、２７はＭＯＳトランジスタ
の不純物拡散層である。上記第６図は、光電変換素子１
１がＰＮ接合によって形成され、スイッチ１２がＭＯＳ
トランジスタとして構成されている場合と、光電変換素
子１１がＭＯ３接合によって形成され、スイッチ１２が
ＣＣＤとして構成されている場合とがある。第７図およ
び第８図は前者の例を示したものであり、第９図および
第１０図は後者の例を示したものである。つぎに第５図
に示す固体撮像装置の動作を説明する。固体撮像装置の
光電変換素子１１における受光面上に入力した光信号は
、まず光電変換素子１１に信号電荷として蓄えられ、蓄
えられた信号電荷は、垂直レジスタ１８および水平レジ
スタ１９によって、適当なタイミングで選択されるスイ
ッチ１２および１３を通り、水平信号線１４に読み出さ
れる。

ついで上記信号電荷は水平スイッチ１５を経て垂直信号
線１６に読み出され、出力バッファや増幅器１７から出
力される。比較のために従来例を第２０図に示すと、本
発明による第５図には水平走査方向に充電変換素子１１
間を直接つなぐ選択スイッチ１２が存在し、またスイッ
チ１３が光電変換素子１１の２個に対して１個ずつしか
ない点が異っている。選択スイッチ１２は、水平走査方
向に隣接する２つの光電変換素子１１にそれぞれ蓄えら
れている信号電荷を合わせ込むための構造である。上記
選択スイッチ１２を設けることにより、第２０図に示し
たように、光電変換素子１１に蓄えられた信号電荷を２
画素ごとに加え合わせて出力することが可能になる。従
って伝送帯域を圧縮する方法を用いても、入力した光信
号の損失を招くことはない。ただし、単に水平方向に隣
接する２つの光電変換素子の蓄積電荷を加え合わせるだ
けでは、横方向の解像度が１／２に劣化してしまう。そ
のため、選択スイッチ１２の動作は、フィールドごと異
る組合わせで２つの光電変換素子を選択するようにする
。このように動作させることによって、横方向の解像度
の劣化はほぼ防ぐことができる。なお、選択スイッチ１
２の動作は、フィールドの周期に合わせてもよいし、よ
りオン時間を短くしてスイッチ１３のタイミングと同一
、あるいはそれ以上にオン時間を短くすることもできる
。また、選択スイッチ１２のオン・オフの縦方向の組合
わせは、第５図に示すように２行ごとに揃えてもよいし
、異ならせてもよい。

また、光電変換素子を行ごとに半ピツチずつずらして配
置してもよい。

本発明の第３実施例を第１１図により説明する。

第５図に示す第２実施例がＭＯ８型固体撮像装［４であ
るのに対して、第３実施例はＣＣ，Ｄ型固体撮像装置の
構成を示している６１１は光電変換素子であるホトダイ
オード、１７は出力バッフ７または出力増幅器、Ｉ８は
垂直レジスタ、１９は水平レジスタ、２２は垂直ＣＣＤ
、２３は水平ＣＣＤである。第１２図および第１３図は
上記第１１図のＥＦにおける断面図であり、２０はウェ
ル、２１は基板であって互いに異る導電型の半導体であ
るが、ウェル２０がない構成も可能である。２４は光電
変換素子間で電荷転送を行うためのゲート、２５はホト
ゲート、２６は垂直ＣＣＤ２２を囲むウェルである。２
８はＣＯＤの不純物拡散層を示している。上記第１２図
と第１３図との相異点は、前者ではホトダイオード１１
がＰＮ接合によって形成されており、ゲート１４はＭＯ
Ｓトランジスタを構成するのに対し、後者ではホトダイ
オード１１がＭＯ５接合によって形成されており、ゲー
１−２４はＣＯＤを構成していることである。

つぎに第１１図に示す固体撮像装置の動作を説明する。

固体撮像装置の受光面上に入力した光信号は、ホトダイ
オード１１に信号電荷として蓄えられ。

垂直ＣＣＤ２２を経由して水平ＣＣＤ２３に移されて。

出カバソファや出力増幅器１７から順次出力される。

ここで水平方向を考えたときに、ホトダイオード１１が
２個に対してＣＣＤ２２が１個しかないことが、第２１
図に示す従来例と異る特徴になっている。すなわち水平
方向の２個のホトダイオード１１に蓄積されていた信号
電荷は、１つにまとめられて垂直ＣＣＤ２２で運ばれる
２本実施例における動作および効果は第５図に示す第２
実施例からの類推で得られる。これに加えて本実施例の
場合は、第２１図の従来例に較べて垂直ＣＣＤ２２の数
が半分になっていることから、ホトダイオード１１の面
積を従来例よりも大きく取ることが可能であり、ひいて
は光信号に対する感度の向上をはかることができる。

本発明の第４実施例を第１４図により説明する。

本実施例は第５図に示す第２実施例と第２０図に示す従
来例とを合わせた構造を用いている。スイッチ１２およ
びスイッチ１３は幾通りかの動作が可能であり、それぞ
れ各光電変換索子１１の蓄積電荷を独立に読み出す従来
型の動作、およびこれらの蓄積電荷を複数個まとめて読
み出す動作に対応している。すなわち、垂直レジスタ１
８および水平レジスタ１９に適当な信号を与えることに
よって、信号電荷を加え合わせる光電変換素子の数は任
意に制御できる。本実施例によると、前記実施例と同様
に信号電荷利用率の向上がはかれるほか、撮像画が暗く
素子への入力光が少ない場合には、より多くの光電変換
素子に蓄積された信号電荷を加えてから読み出すことに
より、固体撮像装置の解像度と引換えに装置の感度を上
げることができる。これは第１４図に示すＭＯ８型固体
撮像装置の雑音の多くは、水平信号線１４につながる全
容量に比例しているため、信号電荷を加え合わせて１つ
にすると。

信号量は増加する一方、雑音量は１光電変換素子分の信
号電荷を読み出した場合と、同等レベルにすることが可
能であるためである。なお、第１４図の光電変換素子部
分を第１５図に示すが、上記第１５図における光電変換
素子１１はＰＮ接合型でもＭＯＳ型でもよい。なお、図
中２７はＭＯＳ）−ランジスタの不純物拡散層を示して
いる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による固体撮像装置は、同一半導体
基板上に２次元状に配置した光電変換素子と、該光電変
換素子に￥４Ｍした光信号電荷を読み出すための、垂直
ならびに水平走査回路よりなる固体撮像装置において、
ｎ×ｍ個（ｎは水平方向個数、ｍは重置方向個数、ｎ〉
２）の光電変換素子の光信号電荷を同時に読み出し、か
つ同時に読み出すｎ×ｍ個の光信号電荷の組合わせを、
ｒ回のフィールドごとに異るようにする手段を設けたこ
とにより、４フイールドによる完全な画像を構成する方
法を用いても、光の利用率を低下させることなく、また
装置外部にブリフィルタが不要になり、高感度で高解像
度を有する固体撮像装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像装置の第１実施例を示す
回路模式図、第２図は上記実施例の各スイッチのそれぞ
れの動作における状態を示す図、第３図は上記実施例の
出力信号を時系列に示す図、第４図は上記実施例に適用
できるカラーフィルタの配置例を示す図、第５図は本発
明による固体撮像装置の第２実施例を示す回路構成図、
第６図は上記第２実施例における光電変換素子近傍の構
造図、第７図は上記光電変換素子近傍のＡＢＣ断面図、
第８図は上記光電変換素子近傍のＡＢＤ断面図、第９図
は上記光電変換素子の他の例におけるＡＢＣ断面図、第
１０図は上記例におけるＡＢＤ断面図、第１１図は本発
明の第３実施例を示す構造図、第１２図は上記第３実施
例のＥＦ断面図、第１３図は上記ＥＦ断面図の他の例を
示す図、第１４図は本発明による固体撮像装置の第４実
施例を示す構成図、第１５図は上記第４実施例における
光電変換素子近傍の構造図、第１６図は高品位テレビジ
ョンシステムの画面分割方法を示す図、第１７図は上゛
記分割と伝送の原理を示す図、第１８図は画像信号帯域
圧縮法の説明図で、（ａ）は原画、（ｂ）は伝送画、（
ｃ）は再生画をそれぞれ示す図、第１９図は本発明の分
割と伝送の原理を示す図で、（ａ）は受光面に蓄積され
た信号電荷、（ｂ）は伝送画、（ｃ）は再生画をそれぞ
れ示す図、第２０図は固体撮像装置の従来例を示す構造
図、第２１図は固体撮像装置の他の従来例を示す構造図
である。１・・・水平シフトレジスタ２・・・垂直シフトレジスタ４・・・垂直スイッチ　　　５．１６・・・垂直信号線
６．１５・・・水平スイッチ　１１・・・光電変換素子
（Ｐ）１２．１３・・・選択スイッチ１７・・・出力バッファまたは出力増幅器１８・・・垂
直レジスタ　　　１９・・・水平レジスタ２１・・・基
板

Claims

【特許請求の範囲】

（１）同一半導体基板上に２次元状に配置された光電変
換素子と、該光電変換素子に蓄積した光信号電荷を読み
出すための、垂直ならびに水平走査回路よりなる固体撮
像装置において、ｎ×ｍ個（ｎは水平方向個数、ｍは垂
直方向個数、ｎ≧２）の光電変換素子の光信号電荷を同
時に読み出し、かつ同時に読み出すｎ×ｍ個の光信号電
荷の組合わせを、ｒ回のフィールドごとに異るようにす
る手段を設けたことを特徴とする固体撮像装置。
（２）上記フィールドごとに異るようにする手段は、光
信号読み出しのための垂直ならびに水平走査機能による
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載した固体撮像装置。
（３）上記ｎ×ｍ個の光電変換素子は、垂直ならびに水
平方向に隣接する２×２のマトリクス状の４個の光電変
換素子であって、上記４個の光信号の組合わせを連続す
る４回のフィールドごとに異るように読み出すことを特
徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載した
固体撮像装置。
（４）上記フィールドごとに異るようにする手段は、水
平方向に隣接する少なくとも２つ以上の光電変換素子に
蓄積された光信号電荷を、上記光電変換素子上において
混合する手段であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載した固体撮像装置。
（５）上記光電変換素子上において混合する手段は、光
信号電荷を読み出す光電変換素子の組合わせを変える機
能を有するものであることを特徴とする特許請求の範囲
第４項に記載した固体撮像装置。