JPH0775404B2

JPH0775404B2 - 固体撮像素子の駆動方法

Info

Publication number: JPH0775404B2
Application number: JP1096712A
Authority: JP
Inventors: 栄一郎東; 利宏板垣
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1995-08-09
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPH02274183A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明はCCD固体撮像素子の駆動方法に係り、特に固体
撮像素子の撮像部の光電荷の排出駆動に関する。

（ロ）従来の技術従来、CCD固体撮像素子を用いた撮像装置に於いては、C
CDの動作原理を活用して電子的に露光制御を行うことが
考えられている。このような露光制御方法は、例えば特
開昭63−24764号公報に開示されている如く、垂直走査
期間毎の光電変換期間の途中でそれまで撮像部に蓄積し
た光電荷を転送排出し、残余の光電変換期間に光電変換
して得た光電荷を蓄積するように構成されており、光電
荷の排出のタイミングの変更に依って光電変換期間が伸
縮されるものである。

第６図は上述の如き露光制御を実施する際のブロック図
であり、第７図はこれに用いるフレームトランスファ型
CCDの模式図である。

フレームトランスファ型のCCD固体撮像素子（１）は、
第７図に示す如く撮像部（Ｉ）、蓄積部（Ｓ）及び水平
転送部（Ｈ）からなるもので、撮像部（Ｉ）で得られる
光電荷は、映像情報として一旦蓄積部（Ｓ）に転送蓄積
され、蓄積部（Ｓ）から水平転送部（Ｈ）を介し、出力
部（Ｆ）で電圧値に変換されて映像信号X_(t)として出力
される。この映像信号X_(t)は、信号処理回路（２）でサ
ンプルホールド、ガンマ補正等の処理が施され、ビデオ
信号Y_(t)として外部機器に出力される。

一方、CCD（１）はパルス駆動されるものであり、撮像
部（Ｉ）には順方向転送クロックφ_Ｆ或いは逆方向転送
クロックφ_Ｂが供給され、蓄積部（Ｓ）及び水平転送部
（Ｈ）には、蓄積転送クロックφ_Ｓ及び水平転送クロッ
クφ_Ｈが夫々供給される。即ち、逆方向転送クロックφ
_Ｂに依って、撮像部（Ｉ）の光電荷を蓄積部（Ｓ）とは
逆の方向（図中に破線で示す）に転送し、蓄積部（Ｓ）
と対向する側に設けられた排出ドレイン（Ｄ）に排出し
た後、所定の期間撮像部（Ｉ）に光電荷を蓄積し、この
光電荷を順方向転送クロックφ_Ｆに依って蓄積部（Ｓ）
へ（図中に実線で示す）転送する。そして、蓄積転送ク
ロックφ_Ｓに依って蓄積部（Ｓ）から水平ライン毎に水
平転送部（Ｈ）に光電荷が転送され、さらに水平転送部
クロックφ_Ｈに依って水平転送部（Ｈ）から出力部
（Ｆ）に転送される。

上述の順方向転送クロックφ_Ｆ及び逆方向転送クロック
φ_Ｂは、夫々読出クロック発生回路（３）及び排出クロ
ック発生回路（４）で作成されるもので、これらクロッ
ク発生回路（３）（４）には読出タイミング信号FT及び
排出タイミング信号BTが読出タイミング制御回路（５）
及び排出タイミング制御回路（６）から供給される。ま
た、露光量判定回路（７）は、CCD（１）から得られる
映像信号X_(t)の露光量を検知し、この露光量が適正範囲
以上であれば露光抑制信号CLOSE、適正範囲以下であれ
ば露光促進信号OPENを排出タイミング制御回路（６）に
与える。そして、排出タイミング制御回路（６）は、露
光抑制信号CLOSE、露光促進信号OPENに従って光電荷の
排出タイミングを設定する。

第８図は第６図の動作を示すタイミング図である。

読出タイミング信号FTは、垂直走査信号VDのブランキン
グ期間毎の所定のタイミングにタイミングパルスイを
有し、このタイミングパルスの入力で読出クロック発生
回路（５）がクロックパルスロを発生する。従って、
順方向転送クロックφ_Ｆは、垂直走査信号VDのブランキ
ング期間中にクロックパルスロを発生し、CCD（１）
の撮像部（Ｉ）の光電荷がブランキング期間中に蓄積部
（Ｓ）に転送される。

一方、排出タイミング信号BTは、CCD（１）の露光量に
応じたタイミングにタイミングパルスハを有し、この
タイミングパルスに従って排出駆動のためのクロックパ
ルスニが発生する。即ち、排出タイミング信号BTのタ
イミングパルスは、露光量判定回路（７）の出力する露
光抑制信号COLSEに依ってタイミングが遅らせられ、露
光促進信号OPENに依って早められるように構成されてお
り、排出駆動が完了してから読出駆動の始まるまでの期
間に設定される光電変換期間Ｅは、CCD（１）の露光量
に応じて伸縮制御される。

（ハ）発明が解決しようとする課題上述のCCD（１）に於いては、撮像部（Ｉ）の光電荷を
排出している期間中にも蓄積部（Ｓ）の光電荷を順次転
送出力しているため、逆方向転送クロックφ_Ｂのクロッ
クパルスに依るノイズが蓄積部（Ｓ）から転送出力され
る光電荷に重畳する問題がある。そこで、そのクロック
パルスを水平走査信号HDのブランキング期間内に収めれ
ばノイズの重畳を防止できるが、垂直方向の画素数の多
いCCDに於いては、撮像部（Ｉ）の光電荷を全て排出せ
しめるために少なくとも数Ｈ時間（1Hは１水平走査期
間）必要であり排出駆動のクロックパルスを水平走査信
号HDのブランキング期間内に収めることは不可能であ
る。

また、撮像部（Ｉ）の光電荷を排出する場合には、読出
す場合と同様に全画素の光電荷を同時に排出できないた
めにスミアが発生することになる。この排出駆動時に発
生するスミアは、読出駆動時のスミアに重畳されるた
め、CCD（１）から得られる映像信号X_(t)のスミア成分
が増大することになる。

（ニ）課題を解決するための手段本発明は上述の課題を解決するためのもので、光電変換
に依り発生する光電荷を蓄積する複数のチャネル領域が
チャネルストップ領域で互いに分離されて配列されると
共に上記チャネル領域上に転送電極が設けられ、上記チ
ャネル領域中の過剰な光電荷を上記チャネルストップ領
域内に設けたオーバーフロードレインに受けるCCD固体
撮像素子の駆動方法に於いて、上記チャネル領域と上記
オーバーフロードレインとの間に電位障壁が形成される
際に上記転送電極に印加される第１の電位及び上記オー
バーフロードレインに印加される第２の電位に対し、上
記転送電極の電位を上記第１の電位より低電位とすると
共に上記オーバーフロードレインの電位を上記第２の電
位より高電位とすることで上記チャネル領域と上記オー
バーフロードレインとの間の電位障壁を消滅させ、上記
チャネル領域中の不要な光電荷を上記オーバーフロード
レインに排出せしめることを特徴とする。

（ホ）作用本発明に依れば、オーバーフロードレインの電位を高く
してチャネルストップ領域も含めてオーバーフロードレ
インのポテンシャルを深くすると共に、転送電極の電位
を低くしてチャネル領域のポテンシャルを浅くすること
で、オーバーフロードレインとチャネル領域との間のポ
テンシャル障壁（電位障壁）がなくなり、チャネル領域
にある光電荷がオーバーフロードレイン中に流れる。

このような光電荷の排出方法に依るとCCD固体撮像素子
の各チャネル領域中の光電荷が同時に且つ短時間で排出
されることになる。

（ヘ）実施例本発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図は、本発明駆動方法を採用するCCD固体撮像素子
の要部平面図であり、第２図は第１図Ｘ−Ｘ′線断面図
である。ここでは、クロスゲート構造のフレームトラン
スファ型CCDの撮像部が示してある。

Ｐ型の基板（10）の一面には、複数のチャネルストップ
領域（11）がLOCOSに依って平行に形成されており、こ
のチャネルストップ領域（11）の下にオーバーフロード
レイン（12）が形成されていると共に、各チャネルスト
ップ領域（11）の間にＮ型のチャネル領域（13）が拡散
に依って形成されている。そして、チャネルストップ領
域（11）と直交する方向に複数の下層電極（14）が等間
隔で平行に配列され、さらにチャネルストップ領域（1
1）に沿って複数の上層電極（15）が形成されている。
この上層電極（15）には、下層電極（14）の間隙を覆う
ような突出部が隣りの上層電極（15）と互い違いになる
ように形成されている。また、上層及び下層電極（14）
（15）で囲まれた開口部（16）には、P^-型の受光領域
（17）が形成されている。このようなクロスゲート構造
のCCD自体は、本願出願人に依る特公昭63−8625号公報
に記載のものと同一である。両電極（14）（15）は４相
の転送クロックφ_F1〜φ_F4でパルス駆動されるもので、
上層電極（15）には転送クロックφ_F1,φ_F3が交互に印
加され、下層電極（14）には転送クロックφ_F2,φ_F4が
印加される。さらにオーバーフロードレイン（12）に
は、オーバーフロードレイン（12）の電位を制御する制
御クロックφ_OFDが印加される。

チャネル領域（13）に光電荷を蓄積する際には、例えば
転送クロックφ_F1を正電位の高レベルに固定し、制御ク
ロックφ_OFDを低レベルに固定する。上層電極（15）の
電位を高くすると共にオーバーフロードレイン（12）の
電位を低くすることで、チャネル領域（13）のポテンシ
ャルは、第３図に実線で示す如くチャネル領域（13）の
ポテンシャルが深くなり、受光領域（17）とチャネルス
トップ領域（11）とのポテンシャルが浅くなってポテン
シャル障壁を形成する。従って、開口部（16）に入射さ
れた光に依り発生する光電荷は、ポテンシャルの勾配に
沿って受光領域（17）から電極（15）の下のチャネル領
域（13）内に流れ、チャネル領域（13）中に蓄積され
る。そして、両電極（14）（15）がパルス駆動されるこ
とで、光電荷は両電極（14）（15）に沿ってチャネルス
トップ領域（11）の間を蛇行しながら転送される。

一方、チャネル領域（13）内の不要な光電荷を排出させ
る際には、例えば転送クロックφ_F1を負電位すると共
に、制御クロックφ_OFDを高レベル（正電位）にする。
上層電極（15）を負電位にすることで第３図に破線で示
す如く、上層電極（15）の下のチャネル領域（13）のポ
テンシャルはチャネルストップ領域（11）のポテンシャ
ルより浅くなり、チャネル領域（13）とチャネルストッ
プ領域（11）との間のポテンシャル障壁はなくなる。従
って、受光領域（17）の光電荷は、チャネル領域（13）
及びチャネルストップ領域（11）を通過してオーバーフ
ロードレイン（12）に流れる。このとき、オーバーフロ
ードレイン（12）のポテンシャルが十分に深くなけれ
ば、受光領域（17）からの光電荷を十分に受けることが
できないため、オーバーフロードレイン（12）の電位を
高くしてポテンシャルを深くしている。また、オーバー
フロードレイン（12）の電位を高くすることに依り、こ
れに隣接するチャネルストップ領域（11）のポテンシャ
ルがチャネル領域（13）のポテンシャルと共に浅くなる
のを防止している。

以上のような光電荷の排出方法に依れば、第７図の如き
逆転送を用いた光電荷の排出方法に比して、光電荷の排
出経路が極めて短くなるために、短期間で排出動作を完
了すると共に、何れのチャネル領域（13）でも同一のタ
イミングで光電荷を排出できる。

第４図は、上述の駆動方法を採用してCCD固体撮像素子
の露光制御を行う際のブロック図である。この図に於い
て、CCD（１）、信号処理回路（２）及び露光制御回路
（７）は第６図と同一であり、同一部分には同一符号が
付してある。

CCD（１）の撮像部には順方向転送クロックφ_Ｆが読出
クロック発生回路（21）から供給され、オーバーフロー
ドレイン（12）には制御クロックφ_OFDが制御クロック
発生回路（22）から供給される。これらクロック発生回
路（21）（22）には、動作タイミング及び動作期間を設
定する読出タイミング信号FT及び排出期間設定信号DTが
夫々読出タイミング発生回路（23）及び排出期間設定回
路（24）から供給される。排出期間設定回路（24）は、
第６図の読出タイミング発生回路（６）と同様に動作す
るものであり、露光量判定回路（７）からの露光抑制信
号CLOSE及び露光促進信号OPENに従って排出期間を設定
する。

第５図は、第４図の動作を示すタイミング図である。読
出タイミング信号FTは、第８図と同様に垂直走査信号VD
のブランキング期間の所定のタイミングにタイミングパ
ルスニを有しており、このタイミングパルスの入力で
読出クロック発生回路（21）はクロックパルスホを発
生する。排出期間設定信号DTは、垂直走査信号VDの立上
りのタイミングで低レベルとなり、垂直走査期間の特定
のタイミングで高レベルとなるもので、低レベルの期間
に於いて排出期間を設定する。即ち、排出期間設定信号
DTが低レベルの場合、水平走査信号HDのブランキング期
間に転送クロックφ_Ｆが負電位、制御クロックφ_OFDが
高レベルとなるように構成されており、排出期間設定信
号DTが低レベルの期間には、CCD（１）の撮像部の光電
荷がオーバーフロードレインに排出される。排出期間設
定信号DTの立上りのタイミングは、第８図に示す排出タ
イミング信号BTと同様に露光量判定回路（７）からの露
光抑制信号CLOSEで遅らせられ、露光促進信号OPENで早
められる。このような構成は、例えば水平走査信号HDで
カウントアップされるステップカウンタと、立上りのタ
イミングを水平走査線数で記憶し、露光抑制信号CLOSE
でカウントアップ、露光促進信号OPENでカウントダウン
されるアップダウンカウンタを用い、両カウンタの出力
の一致をコンパレータで検知する。そして、そのコンパ
レータの出力をフリップフロップのセット入力とし、垂
直走査信号VDの立上りをリセット入力として、そのフリ
ップフロップの出力を排出期間設定信号DTとすることで
実現できる。従って、CCD（１）の撮像部の光電荷は、
垂直走査信号VDの立上りのタイミングから、露光量に応
じて決まるタイミングまでの期間にオーバーフロードレ
インへ排出されることになり、この排出動作を終了して
から読出駆動の始まるまでの期間が光電変換期間Ｅとし
て設定される。この光電変換期間Ｅは、読出駆動タイミ
ングが固定されていることから、排出期間の伸縮に依っ
て決定される。ここで、転送クロックφ_Ｆと制御クロッ
クφ_OFDとを排出期間中に水平走査信号HDのブランキン
グ期間に同期して変動しているのは、CCD（１）から順
次出力される映像情報X_(t)に排出駆動のノイズが重畳す
るのを防止するためであり、何れか一方を固定しても差
支えない。

尚、本実施例に於いては、垂直走査信号VDの立上りから
露光量に応じて決まるタイミングまでの期間に排出期間
を設定しているが、排出駆動の終了時点が同じであれば
排出駆動の始まりは垂直走査信号VDの立上りタイミング
に一致させる必要はない。

（ト）発明の効果本発明に依れば、CCD固体撮像素子の撮像部の不要な光
電荷を極めて短い時間で且つ全画素の光電荷を同時に排
出することが可能になるため、水平走査信号のブランキ
ング期間内で光電荷を排出でき、スミアの低減された極
めて有効な電子シャッタを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明駆動方法を採用するCCD固体撮像素子
の要部平面図、第２図は第１図のＸ−Ｘ′線断面図、第
３図はポテンシャル図、第４図は本発明駆動方法を採用
した露光制御方法のブロック図、第５図はそのタイミン
グ図、第６図は従来の露光制御回路のブロック図、第７
図はフレームトランスファ型CCD固体撮像素子の模式的
平面図、第８図は第６図のタイミング図である。（１）……CCD固体撮像素子、（３）（21）……読出ク
ロック発生回路、（４）……排出クロック発生回路、
（５）（23）……読出タイミング発生回路、（７）……
露光量判定回路、（11）……チャネルストップ、（12）
……オーバーフロードレイン、（13）……チャネル領
域、（14）……下層電極、（15）……上層電極、（22）
……制御クロック発生回路、（24）……排出期間設定回
路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光電変換に依り発生する光電荷を蓄積する
複数のチャネル領域がチャネルストップ領域で互いに分
離されて配列されると共に、上記チャネル領域上に複数
の転送電極が配置され、上記チャネル領域中の過剰な光
電荷を上記チャネルストップ領域内に設けたオーバーフ
ロードレインに受けるCCD固体撮像素子の駆動方法に於
いて、上記チャネル領域と上記オーバーフロードレイン
との間に電位障壁を形成して上記光電荷を上記チャネル
領域内に蓄積する際に上記転送電極に印加する第１の電
位及び上記オーバーフロードレインに印加する第２の電
位に対し、上記転送電極に印加する電位を上記第１の電
位より低電位とすると共に上記オーバーフロードレイン
に印加する電位を上記第２の電位より高電位とすること
で上記チャネル領域と上記オーバーフロードレインとの
間の電位障壁を消滅させ、上記チャネル領域中の不要な
光電荷を上記オーバーフロードレインに排出せしめるこ
とを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】請求項第１項記載の固体撮像素子の駆動方
法に於いて、水平及び垂直方向に走査される固体撮像素
子の垂直走査期間中、垂直走査期間の始まりから途中ま
での第１の期間に上記チャネル領域の光電荷を上記オー
バーフロードレインに排出せしめた後、残余の第２の期
間に上記チャネル領域と上記オーバーフロードレインと
の間に電位障壁を形成して上記チャネル領域に光電荷を
蓄積し、この第２の期間に蓄積した光電荷から一画面分
の映像情報を得ることを特徴とする固体撮像素子の駆動
方法。
【請求項３】請求項第２項記載の固体撮像素子の駆動方
法に於いて、上記チャネル領域中の光電荷を水平走査の
帰線期間内に限って上記オーバーフロードレインに排出
せしめることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。