JPS5911230B2 - 電荷結合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 たとえば電荷結合装置（ＣＣＤ）型のような電荷転送映
像感知アレーから読み出されたパタンの飛越走査によつ
て、解像度が向上し、モアレパタンが減少するという利
点が得られる。

この出願の発明は、そのようなパタンの垂直と水平の飛
越し走査を実施するのに適した装置に関するものである
。この発明の実施例の一つは、さらに、プル−１０ミン
グ（ ｂｌｏｏｍｉｎｇ）を減少させるように働かすこ
ともできる。この発明による電荷結合装置は、便宜上後
述する図示実施例で用いた数字符号を付けて説明すると
、電荷結合素子に、Ｌが複数列（Ｉ−１、工、１５１＋
１、Ｉ＋２、・・・・・・・・・ ）および複数行に配
列された電荷結合装置アレー１２と、このアレーから上
記の列方向に並列に転送される電荷を受入れるために上
記の電荷結合素子に近接して行をなすように配列された
複数の段（Ｊ、、Ｊ＋１、・・・・・・・・・）フ０
を有する電荷結合装置型出力レジスタ１４との組合せで
構成されている。

この出力レジスタ１４中の段の数は上記アレー中の列の
数の丁度２分の１に選ばれており、それらの各段は、第
１の電極８５、８９によつて制御されて一つの列（Ｉ＋
１）フ５ から電荷を受入れる第１の基板領域（（Ｊ＋
１ ）ａ）と、第２の電極８６、９０により制御されて
隣接列（工＋２）から電荷を受入れる第２の基板領域（
（Ｊ＋１）ｂ）とを持つていて、上記の一つの列と隣接
列の横断方向の寸法は出力レジスタの段９０の同じ方向
の寸法と等しいか或いはそれより小さくなるようにその
各電荷結合素子に、Ｌが互に隔てゝ配置されている。以
下、図面を参照して、この発明について説明する。

９５時として「フレーム転送」電荷結合型（ＣＣＤ）映
像感知装置と呼ばれる、第１図に示された従来装置は、
光感知アレー１０、このアレー１０と同数の位置または
段を持つ一時蓄積アレー１２、およびこれらのアレー１
０と１２の列の数に等しい数の段（Ｓｔａｇｅ）を持つ
出力レジスタ１４を備えている。

これらの構成要素１０，１２および１４のそれぞれは、
ときには、Ａ，．ＢおよびＣレジスタと呼ばれる。図示
の２相方式では、アレー１０と１２の各段または位置は
、２個の電極手段ＫとＬから成つている。第２図に示す
ように、２相方式の一つの電極手段たとえばＫは、１対
の電極ｋ１とＫ２から成つている。電極Ｋ，は、多結晶
シリコン（ＰＯｌｙｓｉｌｉｃＯｎ）で形成されたもの
であり、他方の電極ｋ１は、多結晶シリコンまたはアル
ミニウムで形成することができ、両者は、同じ電圧位相
φＡ１によつて駆動される。電極手段Ｌも同様の構成と
され、別の電圧位相φＡ２によつて駆動される。この図
および以下の各図において、基板はＮ型のものとされて
いるが、用いられる動作電圧が適当に選定されるなら、
代わりに、Ｐ型のものとしてもよい。従来の非飛越しモ
ードの動作においては、写真技術における「露出時間」
に相当する、いわゆる「集積（ＩｎｔｅｇｒａｔｉＯｎ
）」時間の間、電極手段Ｋは、ある電圧レベルに保持さ
れ、基板の表面に電位ウエル（くぼみ）が形成される。

また、電極手段Ｌは、電位ウエルの間に、電位障壁を形
成するように、ある電圧レベルに保持される。チヤンネ
ル「ストツプ」（はつきりとは示されてない）が現われ
て、一つのチヤンネルにある電荷が、隣接チヤンネルへ
移ることを防止する。このような条件の下で、放射エネ
ルギー像たとえば光像または赤外線像が、このアレーに
投射されると、それぞれの光感知位置において、電荷信
号の発生と累積が行なわれる。集積時間の間に、各位置
に累積される電荷キヤリアの数は、その位置に到達する
放射エネルギーの量に比例し、このエネルギー量は、放
射強度と集積期間の長さとに比例する。アレー１２とレ
ジスタ１４には、これらに放射が到達することを防ぐた
めに、適用なマスクが施される。集積時間が終ると、電
荷キヤリアは光感知アレー１０から、一時蓄積アレー１
２へ移される。この移送は、ここに図示した例では、２
組の２相電圧φＡｌ，φＡ２とφＢｌ，φＩを用いて行
なわれる。（本質的に同じ型のゲート構造を用いて、４
相動作も可能であろう。）この移送動作の間、φＡ１＝
φＢ１かつφＡ２＝φＢ２である。アレー１０によつて
検出された情報が、そつくりそのまま、一時蓄積アレー
１２に移送されたのち、これは、一時に１行ずつ、アレ
ー１２から、出力レジスタ１４へ移される。アレー１２
からレジスタ１４への信号の移送中、光感知アレー１０
は、再び、光像を受けとる状態とされる。レジスタ１４
へのアレー１２の内容の移送は、φＢ１とφＢ２の２位
相電圧によつて行われる。

情報の各行が並列にアレー１２から出力レジスタ１４に
移されたのち、この情報は、２位相電圧φＣ１とφＣ２
によつて、直列的に出力レジスタから出力リード２０へ
送り出される。これらの電圧は、当然、２位相電圧φＢ
１とφＢ２より遥かに高い周波数を持ち、これによつて
、レジスタ１４は、次の行の情報が到着するまでに、全
く空白状態にされる。実用上、商用テレビジヨンの１つ
の垂直消去時間に相当する時期すなわち、たとえば９０
０マイクロ秒の間に、光感知アレー１０の内容を、一時
蓄積アレー１２へ移してしまうことができる。

出力レジスタ１４は、たとえば１０マイクロ秒、すなわ
ち水平帰線期間内で、情報が詰め込まれ、また、その内
容は、水平線時間すなわち５０マイクロ秒の間に、一時
に１ビツトずつ、出力端子から送り出されるようにする
ことができる。第１図に示された装置から読み出された
情報の垂直飛越し走査は、「ＩＥＥＥＴｒａｎ８＆Ｃｔ
ｉＯｎＯｎＥｌｅｃｔｒＯｎｉｃＤｅｖｉｃｅｓＵＥＤ
−２０巻、第６号（１９７３年６月）に掲載されている
セキン（Ｃ．Ｈ．Ｓｅｑｕｉｎ）氏の「電荷結合映像装
置（Ｃｈａｒｇｅ−ＣＯｕｐｌｅｄＩｍａｇｉｎｇＤｅ
ｖｉｃｅｓ）」に述べられているものと同様の方法で実
施できる。

一つおきのフイールド時間の間、Ｋ電極手段の下で電荷
の集積が行われ、また、Ｋ電極手段間に障壁を作るよう
に、Ｌ電極手段はある電圧レベルに保持される。集積時
間の間に電荷が累積されたのち、この電荷は、そつくり
、アレー１０からアレー１２へ移され、次に、前に述べ
たように、１行ずつ、アレー１２からレジスタ１４へ移
される。アレー１２からの読み出しが行われている間、
光感知アレー１０は、第２のフイールドの情報の蓄積が
可能な状態になつている。この第２のフイールドの間で
は、電荷は、電極手段Ｋではなく、電極手段Ｌの下に蓄
積され、電極手段Ｋは、電極手段Ｌの間に障壁を形成す
るように、ある電圧に保持される。上記のような装置に
おいては、垂直飛越走査が行われるかどうかに関係なく
、出力レジスタ１４には、アレー中の列の数と同数の段
がある。

すなわち、第１図の例では、アレーにはＱ個の列があり
、レジスタ１４にはＱ個の段がある。Ｉを、１、２、・
・・・・・・・・Ｑの値を持つ整数として、アレーのＩ
番目の列の内容は、レジスタのＩ番目の段に移される。
アレー中に集積される情報の量は、従つて得られるパタ
ンの解像度は、アレー中の光感知位置（段）列すなわち
チヤンネルの数が多い程多くすなわち向上することは明
らかである。しかし、従来は上記の通り列数と出力レジ
スタの段数は１対１で対応しており、出力レジスタの段
の幅を狭めない限り列数を増加させ得ない。この発明は
、出力レジスタの段数がアレー中の列数よりも少ない、
換言すれば出力レジスタの段数に制限されずに列数を増
加させた、この種の装置を提供するものである。

この装置によれば、集積可能な情報量を多くすると共に
解像度を高めることができる。第３図は、この発明によ
る一実施例装置を使用して垂直飛越走査を行う場合の動
作の概略を示す。

各電極手段は、単一のプロツクで表わされている。各プ
ロツクの主部に符号Ｋ２または１２が付してあるが、そ
の下に電荷が蓄積される。また、各プロツクの小部分に
は符号ｋ１または１１が付されているが、その下に電位
障壁が形成される。第３ａ図は、集積時間における状況
を示す。第４図は、ａで、同じことを示す。この集積時
間の間、φＡ１とφＡ２の電位は、各多結晶シリコン電
極の下に電荷が蓄積されるように、選ばれている。すな
わち、１２電極とＫ２電極の下に、電荷が蓄積される。
アルミニウム電極ｋ１と１１は、基板から充分な間隔を
置いて配置されており、用いられるφＡ１とφＡ２の電
位において、第４図に示されるように、電位ウエルの間
に、電位障壁が形成される。この実施例においては、集
積時間中に、従来のものの、２倍の数の電位ウエルが存
在することに注意されたい。すぐあとで述べるように、
集積のあとで、各対のウエルに存在する電荷は、それぞ
れ単一のウエルにまとめられる。このことは、当）初の
各電位ウエルは、比較的に浅い（各対の電荷信号がのち
にまとめて収容される電位ウエルの深さの半分より多く
ない）ものでなければならないことを意味する。

これらの浅いウエルを生じさせるのに要する電圧は比較
的に低く、このことは、動作上の重要な利点である。集
積期間に低い電圧を用いると、「暗電流（（Ｋｒｋｃｕ
ｒｒｅｎｔ）」は比較的に小さくなる。（暗電流とは、
関係のある放射以外の原因によつて生じる電荷信号の発
生を云う。これは、たとえば熱によつて生じ、これによ
つて、再生像中に、雑音の一つの形である「白色ビデオ
欠陥」と呼ばれるものが生じる。）集積期間中に用いら
れる電圧が増せば、暗電流スパイクが、非常に急速にか
つ非直線的に増加することが実験的にわかつた。第３ｃ
図と第４図ｂは、フイールド１で示される一つおきのフ
イールドの情報が得られる様子を表わす。

集積期間の終りに、位相１の電極Ｋに与えられる電圧は
高くされ、位相２の電極Ｌに与えられる電圧は、そのま
まに維持される。このことが、第５図の波形中に「Ｋウ
エルへの電荷の移送」と注記された矢印で示されている
。この電圧レベルの変化の結果として、前にＬ電極の下
に在つた電荷が、第３ｃ図の交叉ハツチングで示される
ように、Ｋ電極の下へ移される。上に述べたフイールド
が飛越したフイールドは、同様にして得られる。

第３ａ図と第４図ａで示されるように、第２の集積期間
に、同じようにして電荷が蓄積され、この電荷が、第３
ｂ図と第４図ｃに示されるように、移送される。この移
送は、Ｌ電極に与えられる電圧を増加し、かつＫ電極に
与えられる電圧をそのままに保持することによつて行わ
れる。このことが第５図に、「Ｌウエルへの電荷の移送
］と注記のある矢印で示されている。第４図の最后の部
分ｄは、上に述べたようにして得られる垂直飛越走査の
概略を表わす。符号Ｘは、仮に「フイールド２」とされ
たフイールドの［重心」を、また符号０は、仮に「フイ
ールド１」とされたフイールドの「重心」を表わす。こ
Ｘで言うフイールドの「重心」とは次のように定義され
るものである。

すなわちフイールド２について見れば、絵素領域ａ？．
Ｄ，．ｃとＤ．ｅとｆ１・・・・・・・・・をそれぞれ
合成して各単一の合成絵素領域として見たとき、各絵素
領域の中間点（上記符号Ｘの位置）をその合成絵素領域
の「重心」と称する。同様にフイールド１について見れ
ば、絵素領域ｂとｃの中間点、ｄとｅの中間点、ｆとｇ
の中間点、・・・・・・・・・（上記符号０の位置）を
それぞれ合成絵素領域ｂ＋Ｃ，ｄ＋Ｅ，ｆ＋Ｇ，・・・
・・・・・・の「重心」と称する。第６図は、この発明
における水平飛越走査を行うための構成の概略を示す。

この図には、アレー１２の最後の２行の一部と、出力レ
ジスタ１４の一部とが示されている。従来のものでは、
チヤンネルごとに一つのレジスタ段がある。この発明の
構成では、２個のチヤンネルについて１個のレジスタ段
が、すなわち、チヤンネルごとに、２分の１のレジスタ
段が設けられる。その動作が第７図に表わされている。
最初は、電圧φＣ１とφＣ２は、比較的に高く、基板に
対して比較的に近い電極のそれぞれの下に電位ウエルが
形成され、これらのウエルの間に、すなわち、基板から
比較的離れた電極のそれぞれの下に、電位障壁が形成さ
れる。このときの表面電位分布は、第７図のａで示され
るようになる。一つの行の情報が出力レジスタ−移され
ると、各電位ウエルは、列から移された電荷の量で決ま
る程度まで満たされる。フイールド１の一つの水平線が
、出力レジスタ１４へ最初に移送された後、φ。

１とφＣ２の電圧は初めに少し減じられ（ウエルと障壁
の表面電位はともに低下するが、各ウエルの相対的深さ
は、変らない）、それから電圧φ。

１は増加されるが、電圧φ。

２は、減じられた値にとどめられる。

この結果、第７図ｂに示すように、出力レジスタの段の
半分の部分（後部にａを付して示す）から、レジスタの
次の半段（後にｂを付して示す）へ電荷が移される。た
とえば、半段Ｊ＆と半段Ｊｂのそれぞれの内容が、半段
Ｊｂにおいて、一つの電位ウエルにまとめられる。こう
して累積された電荷は、次に、第９図にその概略を示す
ように、出力レジスタから、高速度で送り出される。こ
の過程は、フイールド１の全部が、１行ずつ出力レジス
タ−移され、次に、出力レジスタから、直列的に送り出
されてしまうまで続く。上述のフイールドを差引いたフ
イールドは、上に述べたのと同じような方法で構成され
る。

第２の集積期間の終つたのちの、当初の移送は、第７図
ａで示されるものと同じである。しかし、累積された電
荷は、次に、「ｂ」を付した前の半段から、「ａ」を付
した次の半段の下へ移される。たとえば、第１図のｃに
示されるように、半段（Ｊ一１）ｂの内容は、半段Ｊａ
に移送される。この移送は、初めにφＣ１とφ。２を減
じ、次にφ。

１をそのままにして、φＣ２を相対的に高めることで行
われる。

この過程は、フイールド２の全体が１行ずつ出力レジス
タに移され、次に出力レジスタから直列的に送り出され
てしまうまで続行される。第７図のｄは、上に述べたよ
うにして得られる水平飛越走査を表わす。

符号０は、交互に現われる仮に「フイールド１」とした
フイールドの「重心」を、また符号Ｘは、同じく「フイ
ールド２」の重心」を表わす。第８図は、前の図よりも
実際に近い形で、出力レジスタを示している。

一時蓄積アレー１２の最終の行の多結晶シリコン電極が
符号８０で示されている。この電極の一部に、第２の電
極８２が重ねられている。この第２の電極８２は、たと
えば、多結晶シリコンまたはアルミニウムで作ることが
できる。出力レジスタは、多結晶シリコンまたはアルミ
ニウムの電極たとえば８４−８７と、多結晶シリコン電
極たとえば８８−９１から成つている。出力レジスタに
はまた、浮（ＦｌＯａｔｉｎｇ）拡散領域９２、ドレン
拡散領域９４およびゲート電極９６も含まれている。以
下の第８図の構成の動作の説明においては、第８図と第
９図の両面を参照する必要がある。

ある行の電荷信号が、最終の多結晶シリコン電極８０に
達すると、転送電極８２に、たとえば、第９図の１００
で示されるような負の電圧パルスφＢＣが与えられる。
このパルス１００は、φＢ２が負である間に負となり、
φＢ２が相対的に正となつた後まで、負にとどまる。こ
のようなタイミングによつて、出力レジスタにいつたん
移された電荷が拡がつて、チヤンネルに戻ることが防が
れる。負パルスφＢＣの少なくとも一部分の間、φＢ１
とφＢ２の双方が負である。このことによつて、負パル
スφＢＣの終端でその行の電荷の出力レジスタ１４への
移送が確実となる。１００での電圧レベルは、電極８２
の下の電位ウエルが、出力レジスタの多結晶シリコン電
極の下のそれよりは浅く、しかも、多結晶シリコン電極
８０の下のそれよりは深くなるようなものとすることが
できる。

パルス１００が終つたのち、φ。

２電圧は相対的に正となり、φ。

１電圧は、相対的に負に維持される。

その結果として、φ。２電圧によつて駆動される半段の
内容が、φ０１電圧の与えられている電極の下へ移され
る。

このことは、第７図に表わされた動作とは多少異なるが
、その効果は同じである。第７図では、符号ｂを付した
すべての電極の下の表面電位ぱ、初めに高い、初めにφ
ｃ１とφＣ２を減じて、「ｂ」を付した電極の下の表面
電位を低下させ、次に位相電圧の一方を増加させ（すな
わち、さらに負にして）、同時に他方の位相電圧を、そ
の減じられた値にとどまらせることによつて、電荷のま
とめが行われる。これに対して、第９図では、位相電圧
の一方を減じ（すなわち、相対的により正にして）、他
方の位相電圧をそのまま維持することによつて、まとめ
が行われる。すぐ上で述べた電荷のまとめが行われたの
ち、これらのまとめられた電荷は、レジスタ１４から高
速度で送り出される。

電荷が浮動拡散領域９２に到着するたびに、出力リード
１０２に一つの信号が現われ、出力増幅段（図示されて
ない）へ導かれる。ある短い時間ののち、ゲート電極９
６が付勢され、浮動拡散領域９２とドレン拡散領域９４
の間に導通チヤンネルが形成される。これによつてドレ
ン拡散領域９２が基準レベルにりセツトされる。その後
の動作は、第９図の波形から明らかであろう。フイール
ド２を形成する各行の出力レジスタ−の移送の開始は、
φＢＣパルス１０４で示されている。

符号ｂを付した二つの半段から、符号ａを符した半段へ
転送される電荷のまとめは、第９図のφ。２の領域１０
６で表わされるようにして行われる。

残りの動作は、第９図から明らかであろう。第１０図は
、第３図乃至第５図に関連して述べた垂直飛越動作の間
におけるブルーミング（ＢｌＯＯｍｉｎｇ）を減少させ
るための構成を表わす。

この基板も、また、Ｎ型のものと仮定する。第１０図の
構成では、集積期間中、アルミニウム電極は、基板内に
多数キヤリア（電子）の累積を生じさせるのに充分な、
相対的に正である電圧Ｖにつ保持される。

この電圧Ｖは、０ボルトの値（基板が０ボルトであると
して）、または、比較的小さい正の値（たとえば、１〜
５ボルト）のものとすることができる。もし、注記され
ているように、強い放射が入射すると、少数キヤリアの
あるものは、電位ウエルを溢れて、隣の電位ウエルへ流
れようとするはずであるが、第１０図に点線の矢印で示
されているように、アルミニウム・ゲートの下の蓄積領
域において、多数キヤリアとの再結合を始める。前に述
べたように、電荷信号をまとめて伝播させることを望む
場合には、機械的スイツチで表わされているように、各
アルミニウム電極は、多相電圧端子に接続されている。
実用上は、当然、機械的スイッチの代わりに、電子的な
スイツチと回路が用いられる。これまでの説明は、水平
と垂直の双方の電荷パタン飛越走査に関して行つてきた
が、この発明の装置は、双方の組合わせででも、あるい
はそれぞれ独立の方式にも実施できることが理解される
はずである。

以上では、この発明について、Ｎ型の基板を用いるＣＣ
Ｄ映像感知装置によつて述べたが、この発明は、Ｐ型基
板を用いる感知装置にも同様に適用可能であり、また、
主として表面チヤンネル方式に適用される第１０図の実
施例は別として、表面チヤンネル型と埋込みチヤンネル
型の双方のＣＣＤに適用できる。

この発明の原理ぱ、同じようなゲート構成をもつて製作
できる４相方式にも適用できる。２相電極構造を持つ特
定の形のものを例として、この発明を説明したが、多く
の他の改変が可能である。

たとえば、各対をなす２個の電極を異なつた直流電圧バ
イアス・レベルに置くことによつて、非対称電位ウエル
が得られる。また、アルミニウム電極と基板との間隔を
、多結晶シリコン電極と基板との間隔に等しくし、ある
いはこれより大きくすることもできる。また、各電極対
中の一方の電極の下の基板内に電荷を置くか、あるいは
、電極対をなす一方の電極の下と他方の電極の下とにそ
れぞれ異なつた値を持つ電荷を置いた適当な絶縁物を用
いることによつても、上記非対称電位ウエルが得られる
。また、アルミニウム以外の金属を用いてもよい。全て
の電極に多結晶シリコンを用いる場合には、ソースおよ
びドレン拡散領域と基板とに対しても、また、各電極に
対しても、アルミニウム接続体を用いてもよい。上に述
べたようなアレーの動作において、フイールドをテレビ
ジヨン受像管のような表示装置上に表示するときは、各
フイールドに対する集積期間中の各フイールドの重心と
同じ相対位置に、フイールドが現われるようにすること
が重要である。

このことは、従来の商用テレビジヨンでなされているこ
とと同様である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知の電荷結合型（ＣＣＤ）映像感知装置の
概略を示す図、第２図は、第１図の装置の一つのチヤン
ネルの一部の断面図、第３ａ図、３ｂ図および３ｃ図は
、この発明の装置において、垂直飛越走査を行う場合の
動作の概略を説明するための図、第４図は、垂直飛越走
査についてさらに説明を加えるための、電極と表面位分
布を示す図、第５図は、第４図に示した動作で用いられ
る波形の図、第６図は、この発明の装置の要部構成の一
部を示す平面図、第７図は、第６図の出力レジスタの電
極構成と、動作時に得られる電位分布を示す概略図、第
８図は、この発明の一実施例において用いることができ
る出力レジスタの、いくらか単純化し、かつより現実的
に表わした図、第９図は、この発明の装置の一例動作に
用いられる波形の図、第１０図は、この発明の装置の一
実施例において、ブルーミング制御を行うときの電極構
成と電位分布を示す概略図である。 図において、１０・・・・・・光感知アレー、１２・・
・・・・一時蓄積アレー、１４・・・・・・出力レジス
タ、２０・・・・・・出力リード、φＡ１〜φＣ２・・
・・・・与えられる２相電圧、ＬとＫ・・・・・・電極
、ＪａとＪｂ・・・・・・出力レジスタの１段を構成す
る半段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電荷結合素子が複数列および複数行に配列された電
   荷結合装置アレーと、このアレーからその列方向に並列
   に転送される電荷を受入れるための上記電荷結合素子に
   近接して行状に配列された段を有する電荷結合装置型出
   力レジスタとの組合せよりなり、上記出力レジスタ中の
   段の数は上記アレー中の列の数の２分の１であり、その
   各段は、第１の電極によつて制御されて一つの列から電
   荷を受入れる第１の基板領域と、第２の電極により制御
   されて隣接列から電荷を受入れる第２の基板領域とを有
   し、上記一つの列および隣接列はそれらの横断方向寸法
   が上記出力レジスタの段の上記横断方向寸法に対応する
   横方向寸法と同等またはそれより小となるようにその電
   荷結合素子が隔置されていることを特徴とする電荷結合
   装置。