JPS622509B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は２次元固体撮像装置に関するものであ
る。 ２次元撮像装置のうち、近年極めて顕著な注目
を集めているものに電荷注入形の２次元固体撮像
装置（Charge Injection Device：以下CIDと略
称する）がある。このCIDは第１図に見られるご
とく、それぞれ10V、20V程度の電圧が印加され
る一対の絶縁電極２Ｘ，２Ｙからなる画素１を絶
縁膜で覆われた半導体基板上に２次元的に配設し
たものである。その受光面５０上に投影された結
像光の光励起から生じる半導体基板内電荷４は、
まず電極２Ｙ直下の電位の井戸（以下単に井戸と
略記する）３ｂ中に蓄積される。しかるのちに垂
直方向のシフトレジスタ２０からの電圧操作によ
つてＹ母線に接続された電極２Ｙ直下の井戸をい
つせいに消滅せしめるならば、該電荷４は電極２
Ｘ直下の井戸３ａへ一挙に移され、この時の状態
は第１図中の３段目の画素群に見ることができ
る。この電荷４が移された瞬間に電極２Ｘ上には
イメージ電荷が発生し、該イメージ電荷はＸ母線
と電子スイツチ１１，１２，１３，１４を介して
検出増幅器７の出力端子に読み出される。ここで
１０は水平方向のシフトレジスタ、９は各画素の
電極２Ｘに電圧Ｖ_Sを印加するリセツトスイツ
チ、X₁〜X₄，Y₁〜Y₄はそれぞれＸ母線群および
Ｙ母線群を表す。 該CIDの１フレームの撮像が終われば、前述し
た光励起によつて生じた電荷を保有している井戸
を消滅せしめる。かくすれば該電荷は基板中に注
入されて消滅するから次の１フレームの撮像に備
えて作られる新たな井戸の中には、改めて光励起
による電荷が蓄積される。 こうしたことから、以下では前記電極２Ｙを蓄
積電極と、また電極２Ｘを検出電極と呼ぶことに
する。そしてまたこうした第１図に示したCIDの
受光面５０は実際には縦横の各母線と一体化して
作られる。このために前記母線X₁〜X₄を縦母
線、また母線Y₁〜Y₄を横母線と呼ぶことにす
る。 上記のごとき２次元固体撮像装置たるCIDでは
検出増幅器（センスアンプ）７をはじめとする周
辺回路を同一基板上に一体化して形成することも
できるのであるが、この検出増幅器７の周波数応
答性には限界があり、たとえばその上限は1MHz
の値に止まる。このことは、該検出増幅器によつ
ては１μsecより短時間の信号読み出しが困難で
あることを意味し、CIDの高速駆動は第１図のご
とき構成によつては不可能であることになる。 CIDの高速読み出しを実現するためには第２図
ａに示すごとく各画素中の検出電極２Ｘを横方向
に並列つないだ横母線Y₁，Y₂，Y₃………Ｙ_oのそ
れぞれに検出増幅器A₁，A₂，A₃………Ａ_oを接続
し、該検出増幅器群の各出力に受光面５０中にお
ける縦１列分の画素群からの信号電荷を並列に出
力せしめるという方法が考えられる。しかし比較
的大きな面積を占有する上記検出増幅器を多数受
光面５０と同一基板上に配設するならば、検出増
幅器アレイの占める面積の方が受光面５０よりも
大きくなつてしまい小型化が困難となる上に配線
が輻湊し、リード線数が画素数よりも多くなつて
しまうという欠点がある。 そこで考えられるのが第２図ｂに示したごとく
横母線Y₁，Y₂，Y₃………Ｙ_oをマルチプレクサ３
０に接続して該母線群の切替え操作を行わせた
後、その出力を単一の検出増幅器A₀でシリアル
に読み出すという方法である。この方法はマルチ
プレクサ３０が単なるスイツチであつて大きな面
積を占有しないという点から、CIDの小型化とい
う問題を解決するものであるが、検出増幅器A₀
を用いてシリアル読み出しを行わねばならないと
いう点から、前記したように高速駆動の面で問題
が生じる。ただし第２図ｂ中における４０は、マ
ルチプレクサ３０を制御するアドレスカウンタで
ある。 上記のような問題を解決する構成として第３図
ａに示したようなマルチプレクサを複数個用い、
各横母線Y₁₁〜Y₁₅までを第１のマルチプレクサ３
０ａに、また各横母線Y₂₁〜Y₂₅までを第２のマル
チプレクサ３０ｂに、それぞれ接続し、上記第
１、第２のマルチプレクサ３０ａ，３０ｂをそれ
ぞれ第１の検出増幅器A₁₀ならびに第２の検出増
幅器A₂₀につないで、信号電荷を両検出増幅器
A₁₀，A₂₀に分担させて読み出すことが考えられ
る。この方式によれば検出増幅器に要求される応
答性は検出増幅器したがつてマルチプレクサの逆
数だけ楽になる上に小型化の点も満足するように
思われるが、たとえば並列に読み出される画素が
Y₁₁母線につながものとY₂₁母線につながるものと
なり、その間Y₁₂，Y₁₃，Y₁₄，Y₁₅およびY₂₂，
Y₂₃，Y₂₄，Y₂₅の各母線につながる各画素の電荷
は読み出されないことになる。同様にY₁₂母線に
つながるものとY₂₂母線につながるものとが並列
に読み出されると、その間Y₁₃，Y₁₄，Y₁₅，Y₁₁お
よびY₂₃，Y₂₄，Y₂₅，Y₂₁の各母線につながる画素
の電荷は読み出さないということが起こり、受光
面５０中の読み出されるべき画素に間隔が開いて
しまつて、そのために再生画像の画質が損われて
しまうという欠点がある。 このために互いに間隔を置かず、隣り同志の母
線につながる画素を一まとめにして並列にかつ順
序立てて読み出すことが理想的であり、たとえ
ば、Y₁₁，Y₁₂，Y₁₃なる母線につながる各画素を
一度並列に読み出し、次にY₁₄，Y₁₅，Y₂₁なる母
線につながる各画素を一度に並列に読み出して次
にはY₂₂，Y₂₃，Y₂₄つながる各画素を一度に並列
に読み出すということをすれば、事実上この読み
出し方式は通常のXY走査における線幅を太くし
て読み出したものと同様となり、再生画質を損う
ことはない。 すなわち一度に並列に読み出す母線（画素）を
互いに隣接するもの同志とすることは再生画質の
維持上重要なことである。 本発明はこうした点に鑑みてなされたもので各
検出電極から読み出すべき画素電荷を伝える行ま
たは列方向の複数の母線をｋ個（ｋ≧２）のマル
チプレクサで選択し、各マルチプレクサに対応し
て設けられた検出増幅器から信号を並列的に読み
出すようにした構成において、前記複数の母線の
うちｋ本おきに位置する母線を前記各マルチプレ
クサに順次接続し、互いに隣接する母線が選択さ
れるよう構成したことを特徴する２次元固体撮像
装置を提供せんとするものであつて以下図面を用
いて詳記する。 第３図ｂは本発明に係るCIDの信号電荷の読み
出し方法の基本的系統図を示したもので、これに
よれば複数のマルチプレクサ３０ａ，３０ｂ，３
０ｃはセレクト入力端子S₁，S₂を備えたアドレス
カウンタ４０によつて制御されるようになつてお
り、上記端子S₁，S₂への論理入力によつて選択さ
れるＹ母線の関係は次表に示す真理値表に従うこ
とは容易に理解される。

【表】 すなわち、アドレスカウンタ４０の入力端子
S₁，S₂に０、０なる入力が加えられると、マルチ
プレクサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃの各第１入力線
がそれぞれ検出増幅器A₁₀，A₂₀，A₃₀に接続され
るのでY₁₁，Y₁₂，Y₁₃なる互いに隣接する母線が
選択され、入力端子S₁，S₂に０、１なる入力が加
えられるマルチプレクサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ
の各第２入力線がそれぞれ検出増幅器A₁₀，
A₂₀，A₃₀に接続されてY₁₄，Y₂₁，Y₂₂なる互いに
隣接する母線が選択される。以下同様にしてS₁，
S₂に１、０が加わるとY₂₃，Y₂₄，Y₃₁が選択さ
れ、１、１が加わればY₃₂，Y₃₃，Y₃₄が選択され
る。こうして並列に読み出された信号電荷は各検
出増幅器A₁₀，A₂₀，A₃₀の各出力端子OUT１，
OUT２，OUT３に同時に出力される。 第４図は本発明に係るCIDの実際の系統図であ
つて、前記第３図ａ，ｂと同一部位には同一符号
を付す。同図ではマルチプレクサ３０ａ，３０
ｂ，３０ｃの内容をやや詳しくスイツチ用電界効
果トランジスタ（以下スイツチ用MOSTと略称
する）Q₁₁〜Q₁₄、およびQ₂₁，Q₂₂………、なら
びにQ₃₁，Q₃₂………で示すと共に検出増幅器
A₁₀，A₂₀，A₃₀がたとえば電荷増幅器で形成され
ていることを示しているが、SW₁，SW₂，SW₃は
上記電荷増幅器の帰還容量のリセツトスイツチ用
MOSTである。該リセツトスイツチ用の各
MOSTのゲート端子は共通に接続されて端子２
６につながれているが、該端子２６にはCID受光
面５０のマトリツクス状に配設されている画素１
からの信号電荷を検出する直前に上記帰還容量中
に残留している電荷を消滅させるため、上記スイ
ツチ用MOSTを閉状態となす目的のリセツトス
イツチΦ_Sが加えられる。また端子２５は上記増
幅器の入力回路を介して横母線Y₁，Y₂，Y₃……
…に電圧Ｖ_Sを印加するためのものである。また
マルチプレクサ中のどのスイツチ用MOSTが閉
じるかによつてどの横母線Y₁，Y₂，Y₃………に
つながる画素１中の検出電極から信号電荷が読み
出されるかが決まるのであるが、このスイツチ用
MOSTの制御はバスライン３１ａ，３１ｂ，３
１ｃを介してアドレスカウンタ４０から送られる
指令信号によつて行われる。そして上記の指令信
号はアドレスカウンタ４０の入力端子S₁〜S₆に加
えられるデイジタル信号によつて変化するので、
結局この入力端子S₁〜S₆に加わるデイジタル信号
とそれによつて選択される横母線との関係を表す
論理テーブルはたとえば次表のごとくなる。

【表】 ここで各行のデイジタル信号で選択される横母
線はたがいに一部重畳している。たとえば、第１
行のデイジタル信号00000によつてY₁，Y₂，Y₃が
同時選択されるが、このうちY₂，Y₃は第２行の
デイジタル信号010000によつても選択され、さら
に該第２行目のデイジタル信号で選択される
Y₃，Y₄は第３行目のデイジタル信号010100によ
つても選択される。 このような重畳選択には特に意味はなく各横１
行のデイジタル信号で隣接する数行の横母線が選
択されうることを示すために記したものである。
したがつてもし各横１行を重複選択せずに受光面
５０をXY走査させようとするのならば、第１行
目のデイジタル信号00000の次には第４行目のデ
イジタル信号010101を端子S₁〜S₆に入力し、さら
にその次には第７行目のデイジタル信号101010を
導入すればよい。かくすれば第１行のデイジタル
信号でY₁，Y₂，Y₃が選択され、その次の第２行
のデイジタル信号でY₄，Y₅，Y₆が選択され、さ
らにそれに続くデイジタル信号でY₇，Y₈，Y₉が
選択されるので上記した重複選択を起こさずに、
XY走査を行わせることができる。 ところで一般にパターン認識などの技法上から
見れば、一つの画像を形成する各画素の近接して
存在するもの同志は相関が高く、逆に隔離して存
在するもの同志は相関が低いという性質がある。
したがつて画像処理を行うにあたつては隣接する
画素の信号を取り出すことが重要であつて、こう
した目的に対しては上記テーブルのデイジタル信
号を任意の行から連続して加える方が都合がよい
場合もある。 なお、マルチプレクサの入力は、各群中の母線
数に必ずしも対応させる必要はなく、第５図のよ
うに各群中複数本の母線を同一のマルチプレクサ
に接続して前述したと同様の手法で並列読み出し
を行うことも可能である。 以上に述べた本発明に係る固体撮像装置によれ
ば、XY走査も可能であるし、重複読み出しも不
可能でなくなるために実用上多大の効果が期待で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的なCIDの構造を示す図、第２図
ａは各横母線にそれぞれ検出増幅器を接続してな
るCIDの信号電荷の並列読み出し方式を示す図、
第２図ｂは各横母線からの信号出力を、マルチプ
レクサを介して単一の検出増幅器で読み出す方式
を示す図、第３図ａおよびｂは複数のマルチプレ
クサにそれぞれれの検出増幅器を用いて信号電荷
を並列に読み出す方式を示す図、第４図は本発明
の実施例を示す図、また第５図は本発明の変形実
施例を示す図である。 １：画素、１０：シフトレジスタ、２５，２
６：端子、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ：マルチプレ
クサ、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ：バスライン、４
０：アドレスカウンタ、５０：受光面、A₁₀，
A₂₀，A₃₀：電荷増幅器、Q₁₁〜Q₁₄，Q₂₁，Q₂₂，
………Q₃₁，Q₃₂………：スイツチ用MOST、S₁
〜S₆：アドレスカウンタの端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板上に蓄積電極と検出電極とからな
   る画素をマトリツクス状に配設し、該各電極から
   画素電荷を読み出す行または列方向のどちらか一
   方の複数の母線をｋ個（ｋ≧２）のマルチプレク
   サで選択し、各マルチプレクサに対応して設けら
   れた検出増幅器から信号を並列的に読み出すよう
   にした構成において、 前記複数の母線のうちｋ本おきに位置する母線
   を前記各マルチプレクサに順次接続し、互いに隣
   接する母線が選択されるよう構成したことを特徴
   とする２次元固体撮像装置。