JPH0795828B2 - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電荷転送形固体撮像装置に係り、特に低スメア
かつ高S/Nに好適な固体撮像装置の駆動法に関する。

〔発明の背景〕

二次元固体撮像装置は、小型，軽量，メンテナンスフリ
ー，低消費電力等の利点を有しており、電子管撮像デバ
イスにかわり次期撮像デバイスとして期待されている。
しかしながら、明るい被写体を写したときに、再生画の
上下に尾を引く垂直スメア現象が生じ、高照度における
画質劣化の原因となる。この垂直スメアを低減する優れ
た方法として、小沢他,1984年テレビジヨン学会全国大
会予稿集3-15,P67〜68に記載のスメア差動方式がある。
この方式は、垂直スメア電荷と、垂直スメアの重畳され
た信号電荷を同時に読み出し、両者の差をとることによ
り、スメアの重畳されない信号電荷を出力するものであ
る。本方式により、垂直スメアは実用上問題ないレベル
まで低減できるが、演算処理によりランダム雑音が増加
し、S/N比が劣化するという問題が残されていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、特にインターライン型CCD固体撮像装
置において、前述のスメア差動法を、ランダム雑音の増
加なく行い、低スメアかつ高感度な固体撮像装置を提供
することにある。

〔発明の概要〕

一般に、スメア差動法を行う時、独立に読まれるスメア
電荷量をGq_s、信号に混入したスメア電荷量をq_sとする
と、差動演算によりスメアを除去し、真の信号電荷を得
るためには、独立に読まれるスメア電荷量を1/G倍し、
スメアの重畳された信号電荷より引けばよい。このと
き、独立に読まれるスメア電荷量に混入したランダム雑
音電荷量をn_s、スメア電荷の重畳された信号電荷に混入
したランダム雑音電荷量をｎとすると、真の信号電荷に
混入するランダム雑音量n_tは、式（１）で表わすことが
できる。

すなわち、 だけ、ランダム雑音が増加する。したがつて、独立に読
まれるスメア電荷量を、信号に混入したスメア電荷量よ
り大きくすることにより（Ｇ＞１）、ランダム雑音の増
加を防ぐことができる。そして、本発明においては、イ
ンターライン型CCD固体撮像装置において、独立に読ま
れるスメア電荷量を信号に混入したスメア電荷量より大
きくするために、垂直電荷転送素子を、各水平走査期間
内にスメア電荷の混入したＮ個（N:正の整数）の光信号
電荷をそれぞれ蓄積するＮ個の電極とスメア電荷を蓄積
する１個の電極と空の状態にある１個の電極とのＮ＋２
電極からなる組の複数組をもって構成し、各水平帰線期
間内に上記空の状態にある電極に電荷転送方向に見てそ
の直ぐ後方の電極に蓄積されている第１の電荷を移し、
次に該第１の電荷の移動によって空の状態になった電極
にさらにその直ぐ後方の電極に蓄積されている第２の電
荷を移し、一般に第ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の電荷の移動によ
って空の状態になった電極に第ｎ＋１の電荷を移す動作
を繰り返し、かつ、上記した各水平走査期間内に空の状
態にある電極の電荷転送方向に見て直ぐ後方に上記した
スメア電荷を蓄積する電極を配置し、各水平帰線期間内
には先ず上記スメア電荷を蓄積する電極に蓄積されてい
るスメア電荷を上記空の状態にある電極に移す動作を行
なうようにしている。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示すインターライン型CC
D固体撮像装置の構成図である。

第１図において、１−1,1−２は光ダイオード、２′は
イオン注入領域８を備えた３重転送動作を行わせる垂直
CCD、２′−1,2′−２…は垂直CCD2′を構成する電極、
３′−1,3′−2,3′−３は垂直CCD2′が送つてきた３種
類の信号電荷Q_A,Q_B,q_sを受け入れて、各電荷を出力４ー
1,4−2,4−３に向けて転送する水平CCD、５′−1,5′−
2,5′−3,5′−４は垂直CCD2′を駆動する垂直クロツク
パルス発生器である。ここで、水平CCD3′を駆動する水
平クロツクパルスは、図面を簡単化するために記載が省
略されているが、２相でも、あるいは３相,4相でもよ
い。垂直CCD2′を構成する４つの電極２′−1,2′−2,
2′−3,2′−４のうちの３つの電極の下には、２系列の
信号電荷Q_A,Q_Bとスメアq_sが蓄積され、残る１つの電極
は空の状態に置かれる。そして、後述する３重転送モー
ドにより、信号電荷Q_A,Q_B,q_sは水平CCD3′−1,3′−2,
3′−３に送り込まれる。

第２図は、本発明による垂直CCDの３重転送動作を示す
説明図である。

第２図（ａ）に示すように、クロツクパルス発生器５′
−１〜５′−４の各ラインには、各電極２′−1,2′−
2,2′−3,2′−4,2′−１…が順次接続されている。第
２図（ｃ）に示すパルスタイミングのt₁〜t_nの時刻にお
ける各電極２′−1,2′−2,2′−3,2′−4,…の下のポ
テンシヤルが、第２図（ｂ）に示され、各電極の位置は
第２図（ａ）に対応している。

第２図（ｂ）により、３重転送動作を説明する。

（ｉ）ｔ＝t₁:1フイールド期間に入射した光によつて、
光ダイオード１−1,1−２に蓄積された信号電荷Q_A,Q
_Bは、高電圧のクロツクパルスによつて導通状態にある
（ポテンシヤルの低下した）転送ゲート７−1,7−２を
通して垂直CCD2′側に送り込まれ、電極２′−1,2′−
３の下に蓄積される。

（ii）ｔ＝t₂：信号電荷Q_Aは電極２′−１が低電圧とな
つたことにより、電極２′−１下から電極２′−２下へ
垂直CCD2′内を１電極分移動する。

（iii）ｔ＝t₃：電極２′−１に印加されるクロツクパ
ルスは高電圧になり、各電極下のポテンシヤルは低くな
るが、各電極下の一部に形成されたイオン注入層８の形
成する障壁V_Bにより、電荷Q_A,Q_Bは時間ｔ＝t₂のときと
同一電極下に蓄積される。

（iv）ｔ＝t₄：垂直走査期間に入るので、電荷Q_A,Q_Bが
水平CCDに向けて転送される。なお、ｔ＝t₁,t₂は、垂直
帰線期間内の時刻である。

先ず、電極２′−４に低電圧が加わり、電極２′−４に
蓄積されていたスメア電荷q_sか電極２′−１の下に転送
され、電極２′−１下のスメアｑ′_ｓと加算される。こ
こで、スメア電荷は、光入射によつて発生した電荷が垂
直CCD側に漏洩することにより発生するもので、これ以
降の転送期間中（t₄〜t_n）にも漏洩してくるため、時間
の経過とともにスメア電荷量は多くなる。一方、この漏
洩電荷はどの電極にも入り込むので、信号Q_A,Q_Bにもス
メア電荷が混入し、信号中のスメア成分は時間の経過と
ともにやはり大きくなる。

（ｖ）ｔ＝t₅：これまでに電極２′−３に蓄積された電
荷Q_Bが、電極２′−３の電圧が低電圧となり、高電圧の
加わつた電極２′−４の下に転送される。

（vi）ｔ＝t₆：電極２′−３が高電圧，電極２′−２が
低電圧となり、電極２′−２に蓄積されていた電荷Q_Aは
電極２′−３の下に転送される。

以上の時間t₄〜t₆の動作により、電荷Q_B,Q_A,q_sは電極１
個分だけ、水平CCD3′側に転送されることになる。

以下、同様に、３つの信号Q_B,Q_A,q_sは水平CCD3′側に転
送され、垂直CCD2′の最終電極に到達したQ_B,Q_A,q_sが各
々の水平CCD3′−1,3′−2,3′−３に送り込まれる。水
平CCD3′への電荷の送り込みは水平帰線期間内に行わ
れ、水平走査期間に入ると、信号Q_B,Q_A,q_sは水平CCD内
を同時に出力４−1,4−2,4−３に向けて転送される。な
お、水平CCD3′−1,3′−2,3′−３は、各信号に対して
１個ずつ与えらているので、水平CCDの電荷は従来にお
ける水平CCDと同じ単一転送動作（３重転送動作に対す
る通常動作の表現）で転送させればよい。

さて、以上の動作において垂直走査期間内の垂直CCD2′
内の電荷転送は、連続して行われるわけではない。すな
わち、水平走査期間内においては、垂直CCD内の電荷
は、図２（ｂ）ｔ＝t₃の状態で静止している。水平帰線
期間内において、ｔ＝t₄〜t₆の動作を４回繰り返すこと
により、３つの信号Q_B,Q_A,q_sが水平CCD3′側に転送され
るとともに、一組のQ_B（ｎ），Q_A（ｎ），q_s（ｎ）が水
平CCDに送り込まれる。このサイクルがくり返され、全
画素の読み出しが行われる。現行のNTSC方式において
は、水平走査期間が約63.5μsecであり、10μsec程度の
水平帰線期間に比して長く、スメア電荷は、大略、垂直
CCD2′内の電荷転送の生じてないｔ＝t₃の状態にある期
間において、垂直CCDに混入してくる。その結果、一走
査期間内においては４電極下にはほとんど等量のスメア
電荷が混入する。従つて、本実施例に述べた如く、水平
帰線期間内に、まず、スメア電荷の転送を行い、２電極
分のスメアを集めることにより単独に読み出されるスメ
ア電荷量を信号に混入するスメア電荷のほぼ２倍にする
ことができ、スメア差動に伴うS/N劣化を防ぐことがで
きる。信号電荷に混入するランダム雑音n_sとスメア電荷
に混入するランダム雑音量ｎを等しいとすると、本実施
例の駆動法によれば、S/N劣化は式（１）より1dBとな
る。一方、本実施例の駆動法を採用しない場合には、逆
に２組の信号電荷中の１つの信号電荷には単独に読み出
されるスメア電荷の２倍のスメアが混入する。この結
果、S/N劣化は7dBにも及ぶ。従つて、スメア差動法を行
う時、本実施例の駆動法により、約6dBの感度向上を図
ることができる。

なお、本実施例においては、電荷を蓄積する電極の電圧
を高くして転送を行つているために、電極の電圧の低い
空の電極下の半導体表面のポテンシヤルを基板電位より
低くすることができる。その結果、暗電流を低減でき
る。

また、本発明は、水平CCDの構成・駆動法によらず適用
できるのはいうまでもない。さらに、 第１図においては、垂直CCD内において、一水平走査期
間においては読み出される電荷が、水平CCDに近い側よ
り（q_s,Q_B,Q_A）の順に並んでいる場合を述べたが（Q_B,q
_s,Q_A），（Q_B,Q_A,q_s）の順に並んでいても良い。

第３図に本発明の別の実施例を示す。第３図において、
第１図と同じものには同一符号を付してある。垂直CCD
2′が３電極で構成されている点が第１図と異なる。本
実施例では水平ブランキング期間において、まずスメア
電荷を空の電極に移動し、つぎに、スメア電荷が移動
し、空になつた電極に信号電荷を移すことにより、単独
で読まれるスメア電荷量を信号に混入するスメア電荷量
の２倍とし、差動に伴うS/N劣化を1dBにとどめることが
できる。

なお、本発明は一般にＮ個の信号電荷とＭ個のスメア電
荷を運ぶ場合にも適用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、スメア差動に伴うランダム雑音の増加
を1dBにすることができるので、低スメアかつ高S/Nの固
体撮像装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す電荷転送形固体撮像装
置の基本構成を示す図、第２図は本発明の垂直CCDの３
重転送動作を示す図、第３図は本発明の他の実施例を示
す電荷転送形固体撮像装置の基本構成を示す図である。 １−1,1−２……光ダイオード、２′……垂直CCD、２′
−1,2′−2,2′−3,2′−４……電極、３′−1,3′−2,
3′−3,3″−2,3″……水平CCD、4,4−1,4−2,4−３…
…出力端子、７−1,7−２……転送ゲート、５−1,5−2,
6−1,6−２……クロツクパルス発生器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小池 紀雄 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 秋山 俊之 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−150384（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−117980（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一半導体基板上に、２次元状に配列され
   た光電変換素子群と、該光電変換素子群に蓄積された光
   信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送素子
   と、該垂直電荷転送素子より転送された光信号電荷を各
   水平走査期間内に一度水平方向に転送して出力する水平
   電荷転送素子とを集積化し、上記水平電荷転送素子の出
   力端以降に転送されてきた光信号電荷から上記垂直電荷
   転送素子内での電荷転送中に混入したスメア電荷分を差
   し引く引き算器を配置してなる電荷転送型固体撮像装置
   において、上記各垂直電荷転送素子を各水平走査期間内
   にスメア電荷の混入したＮ個（N:正の整数）の光信号電
   荷をそれぞれ蓄積するＮ個の電極とスメア電荷を蓄積す
   るＭ個の電極と空の状態にある１個の電極とのＮ＋Ｍ＋
   １電極からなる組の複数組をもって構成し、各水平帰線
   期間内に上記空の状態にある電極に電荷転送方向に見て
   その直ぐ後方の電極に蓄積されている第１の電荷を移
   し、次に該第１の電荷の移動によって空の状態になった
   電極にさらにその直ぐ後方の電極に蓄積されている第２
   の電荷を移し、一般に第ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の電荷の移動
   によって空の状態になった電極に第ｎ＋１の電荷を移す
   動作を繰り返し、かつ、上記した各水平走査期間内に空
   の状態にある電極の電荷転送方向に見て直ぐ後方に上記
   したスメア電荷を蓄積するＭ個の電極のうちのいずれか
   １電極を配置し、各水平帰線期間内には先ず上記スメア
   電荷を蓄積する１電極に蓄積されているスメア電荷を上
   記空の状態にある電極に移す動作を行なうようにしたこ
   とを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 【請求項２】上記のスメア電荷を蓄積する電極の個数Ｍ
   がＭ＝１であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の固体撮像装置の駆動方法。