JPS601791B2

JPS601791B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPS601791B2
Application number: JP54071417A
Authority: JP
Inventors: 英彦井上; 政信森下
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1979-06-07
Filing date: 1979-06-07
Publication date: 1985-01-17
Also published as: JPS55163968A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は遅延線として電荷転送素子を利用した遅延回路
を含む固体撮像装置の特性改善に関するものである。

被写体の光学像をテレビジョン信号に変換する撮像素子
として最近固体撮像素子が注目されている。

この固体撮像素子を用いたカラーカメラは固体撮像素子
を使用する数によって単板式カラーカメラ、２板式カラ
ーカメラ及び３板式カラーカメラの３つの方式に大別さ
れる、いずれの方式においてもカラーカメラの性能とし
て感度、解像度、Ｓ／Ｎ、安定度の良し悪しが、主に評
価の対象となる為にこれらの性能がより良く実現出来る
各種カメラが今までに数多〈提案されている。これらの
中で色信号の分離及び合成の為に固体撮像素子からの出
力信号と、この世力信号を１水平走査期間（以後ＩＨと
云う）遅延した信号とを用いる方式のカラーカメラがあ
る。

このカラー力メラの一例を第１図に、また、このカラー
カメラに用いるモザイク状の色フィルターを第２図に示
す。第２図においてＧと示したのは緑色の光を透過する
緑色フィルター１３で、Ｒと示したのは赤色の光を透過
する赤色フィルター１４で、Ｂと示したのは青色の光を
透過する青色フィルター１５である。ある一つの行（第
Ｎ行とする）では、ＧとＲとが１画素毎交互に並んでお
り、第Ｎ行の一つ前の行（第Ｎ−１行）と一つ後の行（
第Ｎ十１行）ではＧとＢとが１画素毎交互に並んでいる
。しかもＧだけに着目すると、第Ｎ行のＧは第Ｎ−１行
と第Ｎ＋１行のＧの間に、即ち、市松模様に配列されて
いる。この様にモザイク状色フィルターでは、高解像度
を必要とする色光、例えば緑色のフィルターを市松模様
に配列するのが一般的である。（例えば特開昭５１−１
１２２２８特関昭５３−７１５２２）第１図のカラー固
体撮像素子１は、第２図に示すモザイク状色フィルター
を備えた固体撮像素子で、この出力信号（以後源信号と
云う）はクランプ回路２とＩＨ遅延回路３に供給される
。ＩＨ遅延回路３は電荷転送素子を用いた遅延回路で、
この出力信号（以後ＩＨ遅延信号と云う）の形状は原信
号と同じ様にＰＡＭ（Ｐ山ｓｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏ
ｄ山ａｔｉｏｎ）信号となっている。

このＩＨ遅延信号はクランプ回路４に供給されて直流再
生された後、ゲート回路６、スイッチ回路８及びスイッ
チ回路９に供給される。一方クランプ回路２で直流再生
された原信号は、ゲート回路５、スイッチ回路８及びス
イッチ回路９に供給される。ゲート回路５では原信号か
らＧ信号だけをゲートし、ゲート回路６ではＩＨ遅延信
号からＧ信号だけをゲートして、これらのゲートしたＧ
信号を混合回路７で混合してＧ信号としている。一方Ｂ
信号は第２図に示すモザイク状色フィルター１２の構成
から判かる様に一行おきにしかカラー固体撮像素子１か
ら得られないので、Ｂ信号の無い行は、原信号をＩＨ遅
延したＩＨ遅延信号から得ている。即ち、スイッチ回路
８はＩＨ毎に原信号とＩＨ遅延信号とを切替える様に動
作し、スイッチ回路８の出力はサンプルホ−ルド回路１
川こ供給されて、Ｂ信号のみをサンプルホールドして連
続したＢ信号を得ている。Ｒ信号の合成もＢ信号と同様
にして得られるので説明を省略する。この様な構成でカ
ラー固体撮像素子１から色信号を分離し、合成する場合
に最も注意しなければならないのは、カラー団体撮像素
子１への入射光を遮断したときに得られる黒レベルがク
ランプ回路２の出力で得られる原信号とクランプ回路４
で得られるＩＨ遅延信号とで一致していなければならな
いということである。もし、これらの信号間で、何らか
の原因により黒レベルの不一致が生ずると、混合回路７
から得られるＧ信号はカラー固体撮像素子１の水平転送
周波数の１／２の周波数の同期性雑音を発生させること
になり、また、サンプルホールド回路１０から得られる
Ｂ信号及びサンプルホールド回路１１から得られるＲ信
号においては、水平走査周波数の１／２の周波数の同期
性雑音を発生させることになり、これらの色信号より合
成したカラーテレビジョン信号の画質を著しく劣化させ
ることになる。この原信号及びＩＨ遅延信号の黒レベル
の変動の原因としては、クランプ回路２及びクランプ回
路４の直流電圧の温度による変動、ＩＨ遅延回路３に使
用している電荷転送素子の時電流の温度による変動及び
この電荷転送素子の信号入力部における温度変動による
信号入力時性の変動などが挙げられる。

クランプ回路における直流電圧の温度変動による同期性
雑音の発生はクランプ回路２またはクランプ回路４の単
独の直流電圧の温度変動値がそのまま同期性雑音のレベ
ルとなるのではなく、これらのクランプ回路による直流
電圧の温度変動値の差が同期性雑音のレベルとなる。従
つて、クランプ回路２とクランプ回路４を構成する部品
、特に温度の影響を受けやすい半導体部品について温度
特性の揃ったものを使用し、プリント板に実装する場合
にも、これらの部品を出来るだけ接近して配置すること
により実用上問題のない程度の同期雑音レベルにまで減
少させることができる。しかし、ＩＨ遅延線による黒レ
ベルの温度変動はその変動値そのものが、同期性雑音レ
ベルとなるので極力少ないレベルに押さえる必要がある
。

電荷転送素子で発生する階電流の常温での値は電荷転送
素子を製作するときの諸条件、駆動周波数により異るが
、数ｍＶから数１仇ｈＶの値である。この階電流の温度
に対する変化の割合は１０２０の温度上昇で約２倍の割
合で増加する。従って、例えば常温で１肌Ｖの階電流が
あるとすると１０００の温度上昇で２皿Ｖとなり、前述
の同期性雑音が１０ｈＶ増加することになる。これは原
信号の標準信号レベルを２０皿Ｖとすれば、同期性雑音
のＳ／Ｎは２母旧となり、同期性雑音のＳ／Ｎの許容限
界は一般には４ＭＢと云われているから、この値はかな
り悪いものであり、実用上問題となってくる。また、電
荷転送素子の信号入力部においても電荷転送素子の材料
が半導体であるから温度によって入力特性が変化するこ
ともある。この様に固体撮像素子からのＰＡＭ信号と、
この信号を電荷転送素子を用いてＩＨ遅延させたＰＡＭ
信号とをＰＡＭ信号のままで、演算する場合にはＩＨ遅
延線として用いた電荷転送素子の黒レベルの温度変動が
同期性雑音を発生させ、従って、テレビジョン信号の画
質を劣化させる大きな原因となっていた。

本発明の目的は、この様な欠点を改善した固体撮像装置
を提供するもので、その動作原理について詳細に説明す
る。

電荷転送素子へ信号を入力する方法としては、これまで
にダイナミック電流注入法、ダイオードカットオフ法、
電位平衡法などが知られている。

（例えば、Ｃ．Ｒ．ＳＥＱＵ州ＡＮＤＭ．Ｆ．ＴＯＭＰ
ＳＥＴＴ著ＣＨＡＲＧＥＴＲＡＮＳＦＥＲＤＥＶＥＩ
ＣＥＳＰ４８〜Ｐ５２）第３図は、これらの信号入力
法を説明する図である。第３図Ａは、ダイナミック電流
注入法と呼ばれるもので、ゲート電極ＩＧに一定電圧を
印加し、信号は入力ダィオード‘こ印加されるが、もち
ろん信号をゲート電極ＩＧに印加し、一定電圧を入力ダ
ィオード‘こ印加してもよい。

電荷転送素子に入力される信号電荷量は、いずれの場合
も入力ダイオードｍとゲート電極ＩＧの電圧差によって
決まる。第３図Ｂはダイオードカットオフ法、または電
圧入力法と呼ばれるもので、入力ダィオード‘こ信号を
印加し、ゲート電極にパルスを印加し、入力ダイオード
ｍと転送電極ぐ２の間をこのパルスによって開閉し、入
力ダイオードＩＤと転送電Ｚ極少２の電位差に相当する
信号電荷を電荷転送素子に注入する方法である。第３図
Ｃは電荷平衡法または電荷プリセット法と呼ばれるもの
で、入力ダイオードＩＤにパルスを印加し、第１ゲート
電極ＧＩに一定電圧を印加し、第２ゲート電極Ｇ２１
に信号を印加し、第１ゲート電極ＧＩと第２ゲート電極
Ｇ２の電位差に相当する信号電荷を、入力ダイオードＩ
Ｄに印加したパルスによって入力ダイオードＩＤから電
荷転送素子に注入する方法である。従って、例えば、こ
の電位平衡法において２第２ゲート電極Ｇ２に印加する
信号をクランプ回路を介して第２ゲート電極Ｇ２に印加
するものとすれば信号の無いときにクランプ回路によっ
て与えられた直流電圧と第１ゲート電極ＧＩに印放され
た一定電圧との電位差に相当する一定電樹（以２後バイ
アス電荷という）が電荷転送素子に入力されることにな
る。このバイアス電荷量はクランプ回路によって与えら
れる直流電圧または第１ゲート電極ＧＩに印加された一
定電圧を変えることによって自由に変えることが出釆る
。従って、電荷３転送素子内で温度によって変化した階
電流に相当する電荷量を、上記のバイアス電荷によって
打ち消すことが出来る。これを第４図により更に詳細に
説明する。第４図は電荷転送素子を電位平衡法によって
信号を入力したときの入出力特性で横軸３は、第２ゲー
ト電極Ｇ２と第１ゲート電極の電位差（以後Ｇ２一ＧＩ
という）で、縦軸は出力信号の振中である。曲線Ａは常
温における特性曲線で、曲線Ｂは常温よりも高いある温
度ＴＨにおける特性曲線で曲線Ａよりも（Ｖ。，−ＶＤ
ｏ）に相当する分だけ、上方に平行移動している。ここ
でＶ。ｏは常温における階電流に相当する電圧レベル、
Ｖ。，は温度ＴＨにおける晴電流に相当する電圧レベル
である。今常温において（Ｇ２−ＧＩ）をＶＧに設定し
たとすると、そのときの出力レベルはＶｏとなる。この
Ｖｏは階電流分のＶ。ｏとバイアス電荷分との和になっ
ている。即ち、バイアス電荷は（Ｖｏ−Ｖ。ｏ）に相当
する量だけ注入されていることになる。この状態で温度
がＴＨになったとすると、入出力特性は曲線Ｂになるか
ら出力レベルはＶ，となる。即ち、温度上昇によって階
電流が（Ｖ。，−Ｖ。ｏ）増加したことにより出力レベ
ルが（Ｖ，一Ｖｏ）増加したことになる。この増加分を
減らす為には（Ｇ２−ＧＩ）を減少させ、第３図のＶＧ
にすれば、曲線Ｂで常温における出力レベルと同じＶ′
ｏを得ることが出来、階電流の温度変化による変動分を
打ち消して、常に同一の出力レベルを得ることが出来る
。また、電荷転送素子で発生する階電流を検出する為に
は電荷転送素子に入力される固体撮像素子の出力信号の
うち、映像情報信号を含まない部分で、更に固体撮像素
子で発生する賭電流を、ほとんど含まない部分に相当す
る電荷転送素子の出力信号をゲートしなければならない
。

この様な信号は帰線消去期間内に存在する。即ち、固体
撮像素子を駆動するとき水平転送レジス外ま常に動作さ
せておき、垂直転送レジスタは垂直帰線消去期間の所定
期間は動作を止めて垂直転送レジスタからは水平転送レ
ジスタに信号が送られない様にしておくと、この期間に
固体撮像素子から出力される信号は映像情報を含まず、
情電流もほとんど含まない信号となっている。更に水平
転送レジスタの素子数が対応する垂直転送レジスタ列よ
りも多くなっている閏体撮像素子においては、垂直転送
レジスタ列に対応しない部分の水平転送レジスタの素子
より得られる信号は映像情報を含まず階電流も殆んど含
まない信号となっている。この信号は通常水平婦線消去
期間に存在する様に水平転送レジスタのクロックパルス
の周波数を決めている。従って、電荷転送素子で発生す
る階電流は固体撮像素子の出力信号の帰線消去期間の所
定の期間に存在する映像情報を含まず、階電流もほとん
ど含まない部分に相当する電荷転送素子の出力信号をゲ
ートし、積分することによって脂電流を直流電圧として
検出することが出来る。このとき垂直婦線消去期間（又
は水平帰線消去期間）に検出する場合には検出の繰返し
周期が１垂直走査期間（又は１水平走査期間）毎となる
ので、積分するときの時定数を検出の繰返し周期よりも
充分大きくする必要がある。以上、説明したように電荷
転送素子の出力信号の帰線消去期間内の信号の一部分を
ゲートして電荷転送素子内で発生する暗電流を検出して
、そのレベルに応じた直流電圧に変換して第１ゲート電
極に印加するか、または入力信号をクランプするための
クランプ回路を介して第２ゲート電極Ｇ２に印加するこ
とによって、階電流の変化分を自動的に補償することが
出来る。

以上の説明は電位平衡法による信号入力の場合の晴電流
の温度補償について述べたが、第３図による信号入力法
の説明からも明らかな様にダイナミック電流注入法やダ
イオードカットオフ法でも同様にＢ音電流の補償が出来
るし、更に脂電流の温度補償のみならず、バイアス電荷
を注入する信号入力特性の温度変化によるバイアス電荷
量の変化分をも補償することが出来る。

以下、本発明について実施例を示す図面を参照して説明
する。

第５図は本発明の一実施例を示す図で、固体撮像素子を
１個用いたカラー固体撮像装置の色分離の部分だけを示
したもので、信号処理回路及びカラーエンコーダー回路
は省略してある。カラー固体撮像素子１６の出力信号（
以後原信号と云う）は、増中器１７と原信号を微小時間
遅延する為の遅延回路２１に供給される。この遅延回路
２１はＩＨ遅延線として用いている電荷転送素子２３に
効率良く原信号を入力する為に電荷転送素子２３に印加
される転送パルス（図示せず）や、サンプリングパルス
（電荷転送素子２３の端子４１を通して入力ダイオード
に印加される）との位相を調整するものであるが、源信
号の極性を反転する為の反転増中器も含まれている。遅
延回路２１の出力信号はクランプ回路２２に供給されて
いて増中器３１の出力である直流電圧にクランプされて
、電荷転送素子２３の端子４３を通して第２ゲート電極
に供給される。第１ゲート電極には端子４２を通して基
準電圧発生回路３３から一定の直流電圧が印加され、入
力ダイオードには端子４１を通してサンプリングパルス
が印加される。電荷転送素子２３の入力部におけるこの
様な信号入力の方法は前述した電位平衡法による入力方
法で、バイアス電荷の量はカラー固体撮像素子１６へ入
射される光を断にして基準電圧発生回路３２の直流電圧
を可変することによって任意に設定出来る。このバイア
ス電荷を注入する目的は第４図に示す様な電位平衡法に
よる入出力特性から判る様に入力電圧が小さい部分則ち
入力電荷量が少ない部分では良好な信号の直線性が得ら
れない為に動作点を良好な直線性が得られる部分に設定
する為と前述した様に、温度変化によって変化した階電
流の変化分や入力部における信号入力特性の変化分を打
ち消す為である。電荷転送素子２３の端子４４には原信
号が、ＩＨ遅延したＩＨ遅延信号が得られ、穣衡増中器
２４を通って増中器２５とクランプ回路２８ではＩＨ遅
延信号に含まれている温度などの周囲条件の変化によっ
ても変化しない基準レベルをバイアス電荷を与える為の
基準電圧発生回路３２からの基準電圧にクランプしてゲ
ート回路２９に供給する。ゲート回路２９では端子４５
に供給されたゲートパルス（垂直帰線消去期間または水
平帰線消去期間にのみ存在する）によってＩＨ遅延信号
に含まれる電荷転送素子内で発生した階電流及びバイア
ス電荷に相当する信号をゲートし、このゲートした信号
を、積分及び保持回路３０で、この信号に相当する直流
電圧に変換し保持して増中器３１で反転増中しクランプ
回路２２に供給する。従って、もし電荷転送素子２３の
出力信号に含まれる階電流が温度によって増加（または
減少：以下同じ）すると、積分及び保持回路３０の出力
直流電圧が増加（減少）し、この電圧が増中器３１で反
転増中されてクランプ回路２２を介して端子４３から第
２ゲート電極に印加され、第１ゲート電極と第２ゲート
電極の電位差が小さく（大きく）なる様に、即ちバイア
ス電荷の注入量が少なく（多く）なる様に動作し、出力
信号を減少（増加）させ、階電流の変化分を打ち消すこ
とが出来る。即ち、カラー固体撮像素子１６への入射光
を遮断したときに、ＩＨ遅延信号の基準レベルからの黒
部分の信号レベル（黒レベル）を常に一定とすることが
出来る。

このような補償を受けたＩＨ遅延信号は増中器２５を通
って、クランプ回路２６に供給される。一方、増中器１
７で増中された原信号は・クランプ回路１８に供給され
る。クランプ回路１８では原信号にある直流電圧を印加
し、クランプ回路２６ではＩＨ遅延信号にある直流電圧
を印加して、両信号の黒レベル差間に差が無い様にクラ
ンプ回路１８またはクランプ回路２６のクランプ電圧を
調整する。この様に調整された原信号及びＩＨ遅延信号
から緑信号、青信号及び赤信号を分離するのであるが分
離の方法については、第１図で説明した方法と同じであ
るので説明を省略する。

第６図は本発明の他の実施例を示す図で、第５図で説明
した実施例との相違点は、クランプ回路２２に供給する
制御電圧を発生させる方法が異ることにあり、第５図と
同一構成要素は同一記号で示している。

即ち、電荷転送素子２３の端子４４に得られたＩＨ遅延
信号は緩衡増中器２４を通ってゲート回路４７に供給さ
れる。このとき緩衝増中器２４は直結増中器で、端子４
４で得られたＩＨ遅延信号の直流成分もそのまま伝達す
るものである。しかし、この直流成分が周囲温度の変動
によって変化する場合には、クランプ回路４６を介して
ゲート回路４７に供給する必要がある。ゲート回路４７
では端子５１に供給されたゲ−トパルス（垂直帰線消去
期間または水平消去期間のみ存在する）によって、ＩＨ
遅延信号に含まれる電荷転送素子２３の暗電流信号をゲ
ートし、このゲートされた信号は積分及び保持回路４８
で晴電流に相当する直流電圧に変換され保持されて差動
増中器４９の１つの入力端子に供給される。差動増中器
４９のもう一つの入力端子には、バイアス電荷量を設定
するための基準直流電圧が基準電圧発生回路５０から供
給される。この２つの入力信号の差信号が増中されてク
ランプ回路２２に供給される。従って、もし電荷転送素
子２３の出力信号に含まれる賭電流が温度変動によって
変化すると、この変化に応じて差動増中器４９の出力の
直流電圧が変化し、クランプ回路２２及び端子４３を介
して電荷転送素子２３の第２ゲート電極に印加されて、
階電流の変化分を打ち消す様に動作する。制御電圧を発
生させる部分以外は第１の実施例と同じであるので説明
を省略する。以上、説明した様に本発明によれば、遅延
線として用いた電荷転送素子の温度変動による出力しベ
ル変動が無くなり、常に安定した出力信号が得られ、同
期性ノイズの軽減された画質の良い固体撮像装置を実現
することが出来る。なお、本発明に用いることの出来る
電荷転送素子は二次元固体撮像素子と同一チップ上に形
成されたものでも、別のチップに形成されたものでも良
い。

また、ゲート回路と積分及び保持回路はサンプルホール
ド回路でも良いことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術を説明する為のカラー固体撮像装置の
一例のブロック図、第２図はモザイク状色フ．ィルター
の配列図、第３図Ａ〜Ｃは霞滴転送素子の信号入力法を
説明するための図、第４図は電荷転送素子の入出力特性
を示す図、第５図は本発明による固体撮像装置の第１の
実施例のブロック図、第６図は第２の実施例のブロック
図である。１．．．．．．カラー固体撮像素子、２，４…・・・ク
ラップ回路、３・・・・・・ＩＨ遅延回路、５，６…・
・・ゲート回路、７……混合回路、８，９……スイッチ
回路、１０，１１……サンプルホールド回路、１２・・
…・モザイク状フィルター、１３・・・・・・緑色フィ
ルター、１４・・・・・・赤色フィルター、１５・・・
・・・青色フィルター、１６…・・・カラー固体撮像素
子、１７，２５…・・・増中器、１８，２６・・・・・
・クランプ回路、１９，２７……ゲート回路、２０……
混合回路、２１・・・…遅延回路、２２・・…・クラン
プ回路、２３・・・・・・電荷転送素子、２４…・・・
穣衡増中器、２８……クランプ回路、２９……ゲート回
路、３０・・・・・・積分及び保持回路、３１…・・・
増中器、３２，３３…・・・基準電圧発生回路、３４，
３６・・・・・・スイッチ回路、３５，３７・…・・サ
ンプルホールド回路、３８，３９，４０，４１，４２，
４３，４４，４５・・・・・・端子、４６・・・・・・
クランプ回路、４７・・・・・・ゲート回路、４８・・
・・・・積分及び保持回路、４９・…・・差動増中器、
５０・・・・・・基準電圧発生回路、５１・・・・・・
端子。オー図才２図才３図才４図才５図才６図

Claims

【特許請求の範囲】

１二次元固体撮像素子より得られた映像信号と、この
信号を１水平走査期間遅延させる電荷転送素子を含む遅
延回路からの遅延信号とから映像信号を合成する固体映
像装置において、前記遅延信号の帰線消去期間内の一部
分をゲートし、このゲートした信号を直流電圧に変換す
る手段を有し、該変換された直流電圧をクランプ回路を
介して前記電荷転送素子に供給するようにしたことを特
徴とする固体撮像装置。