JPH0683402B2

JPH0683402B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH0683402B2
Application number: JP4097600A
Authority: JP
Inventors: 光昭大嶋; 和文山口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-04-17
Filing date: 1992-04-17
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPH05115041A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はビデオカメラ等に用いる
電荷転送方式の固体撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビデオカメラ用の電荷転送素子型
（以下ＣＣＤと称する）撮像素子が実用化され、普及し
つつある。現在、ＣＣＤ方式は撮像管に比べ画素数が少
なく価格も高いため、ビデオカメラの撮像素子として撮
像管が大勢を占めている。しかし、半導体の高密度化に
伴い、ＣＣＤ方式の画素数は増加し、コストも下りつつ
ある。このため小型、軽量、長寿命、低消費電力等の長
所をもつＣＣＤ型撮像素子はビデオカメラ用の撮像素子
として主流になると期待されている。

【０００３】従来方式を現状のビデオカメラに用いる場
合に課題はない。民生用ビデオカメラは普及し始めたば
かりで、自動化が進んでいないからである。現在絞りが
自動化されているだけであるが、今後、２番目にホワイ
トバランスが、３番目に焦点が自動化されていく。これ
らの自動化が完成の域に達するには今後１０年を要す
る。この間、従来の構成で問題は発生しない。

【０００４】しかし、これらの自動化が完成したとして
も撮影技術をもたない消費者にとってビデオカメラの手
振れは将来大きな問題として残る。現在のところ全く顕
在化していないが第４番目の自動化技術として手振れ補
正が自動化されることが予見される。手振れ補正の方式
も機械方式、光学方式、メモリー方式等が考えられるが
撮像素子内で処理する方式の登場も予見できる。この遠
い将来の課題に対し従来のビデオカメラ用固体撮像素子
は全く対応していない。

【０００５】以下に代表的なインターライン方式とフレ
ーム転送方式の２つの例を用いて従来方式について説明
する。

【０００６】図１６は、従来のインターライン式のＣＣ
Ｄ固体撮像素子の構成を示す。ここでは、光検知用のフ
ォトダイオード等の光検知画素部７１と、情報転送用の
転送用画素部７２の対が水平方向と垂直方向のマトリク
ス状に配置されている。実際の固体撮像素子は水平方向
の４００〜８００行の画素と垂直方向の２５０〜５００
列の画素から構成される。又インターレース処理とモザ
イク状に配置されたカラーフィルタをもつ。しかし説明
を容易にするため画素数とインターレース処理とカラー
フィルタを省略し水平方向４行×垂直方向５列の場合の
図を用い動作原理を説明する。

【０００７】撮像部５の上面部に結像した光学像は各々
の光検知画素部７１上において光電変換され画素電荷と
なる。転送パルス回路７３からＴＶ信号の垂直同期信号
に基づき垂直同期パルスが全ての光検知画素部７１に印
加される。このパルスにより、１フィールドに１回各々
の画素電荷は例えば矢印７３ａに示すように光検知画素
部７１から転送用画素部７２へ全画素が一斉に転送され
る。

【０００８】垂直転送回路７５の第１垂直クロック回路
７５ａ及び第２垂直クロック回路７５ｂからＴＶ信号の
水平同期信号に連動した垂直転送クロックが出力され
る。この信号信号により各々の転送画素７２は、垂直転
送部７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ上を画面下方向に
垂直転送される。下方向に転送された各画素のうち最下
段の一ライン分の電荷は、水平方向に電荷転送する水平
転送部７６に一旦蓄積される。次に水平転送回路７７の
第１水平クロック回路７７ａ及び第２水平クロック回路
７７ｂの水平転送クロック信号に応じて、図の右方向に
転送され、信号出力回路７８に到達し、色復調の後、最
終的にカラーＴＶ信号として出力される。以上が従来の
インターライン方式の基本動作である。

【０００９】また従来の別の方式としてフレーム転送方
式のＣＣＤがある。これは受光領域の撮像部とは別に受
光領域外に蓄積部を設けたものである。基本的にはイン
ターライン方式と第１フィールド期間中にも光電変換さ
れた撮像部の全ての画素電荷は、ＴＶ信号の垂直同期信
号に連動して一斉に蓄積部に転送される。そして次の第
２フィールド期間中において蓄積部の中の画素電荷は、
順次、垂直転送と水平転送により外部にＴＶ信号として
出力される。また受光部と蓄積部の画素数は同じであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の構
成では光学像から光電変換された画素電荷はＴＶ信号の
１フィールド期間中は光検知画素７１に固定された状態
にある。上述のように従来のビデオカメラに用いる場
合、この構成で課題は発生しない。しかし遠い将来登場
する電子式手振れ補正機能付ビデオカメラに用いた場合
に新たな課題が発生する。手振れ等の外部条件の変化が
激しい場合１フィールドの短い時間中においてもビデオ
カメラのボディの揺れにより、光学像が撮像素子の結像
面上を高速で移動する。この場合１フィールドの最初の
時間における光学像の位置と１フィールドの最後の時間
における光学像の位置は異なる。従って前の光学像に基
づく画素電荷と移動後の光学像に基づく画素電荷が混合
されるため、ＴＶ信号の解像度が落ちてしまう。この像
流れにより美しい画像が得られないという問題点の発生
が予見される。

【００１１】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で１フィールドもしくは１フレームの受光期間中におい
ても手振れ補正信号等の外部制御信号に応じて受光中の
画素電荷を水平、垂直の双方向に転送制御可能とし、１
画素あたりの光学像移動周波数が１フィールドの周波数
より高い場合にも光学像に追従して電荷転送できるとと
もに素子数の少ない固体撮像装置を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明の固体撮像装置はマトリクス状に配置された光
学像を光電変換する光検知画素部と水平方向の双方向に
画素電荷を転送する水平方向画素電荷転送部と、垂直方
向の双方向に画素電荷を転送する垂直方向画素転送部を
有する受光部と、受光部からの転送された画素電荷群を
蓄積する蓄積部と、蓄積部から転送された画素電荷を出
力する画像出力部の構成を有している。

【００１３】

【作用】この構成によって手振れ補正信号等のの外部制
御信号に応じて、１フィールドもしくは１フレーム期間
中の光学像の光電変換中も光電変換している画素電荷を
受光部の第１水平方向電荷転送回路と第１垂直方向電荷
転送回路により垂直、水平の双方向の光学像に追従する
方向に、画素電荷を転送制御できる。このため、手振れ
等により光学像が受光面上を高速に移動しても光学像と
光電変換した画素電荷との対応関係は１フィールドの期
間中保たれる。このため手振れ補正等の画像補正を行っ
ても解像度や画質の劣化を防ぐことができる。叉蓄積部
の素子数を大幅に削減することもできる。

【００１４】

【実施例】（実施例１）以下本発明の実施例について図
面を参照しながら説明する。

【００１５】図１の撮像素子のブロック図は撮像部５及
び垂直水平転送回路及び垂直、水平制御回路１１ａ，水
平制御回路１１ｂ等の主要ブロックを示す。本発明の実
施例１の固体撮像素子は、従来方式であるフレーム転送
方式とよく似た構造のＣＣＤ撮像素子の構成の撮像部５
を用いている。図１に示すように撮像部５の上半分は光
電変換を行う光検知用画素７１がマトリックス状に配置
された受光部９０である。実際のＣＣＤは５００×５０
０以上の画素で構成されているが、図面での説明を容易
にするため画素数を削除したタテ６列ヨコ７列の画素の
図示を用いる。又外部回路として手振れ補正回路を組み
合わせた場合を想定する。受光部９０は各画素を垂直水
平の４方向に転送する受光部垂直水平転送回路９１に接
続されており、この受光部垂直水平転送回路９１は、カ
メラのピッチ方向の検知回路とヨー方向の検知回路に接
続することにより手振れ補正が可能となる。

【００１６】また、撮像部５の下半分は、受光部９０の
画素情報のうち補正に必要な画素情報のみが、外部のＴ
Ｖ周期信号の垂直同期信号に連動して垂直ブランキング
期間中に、受光部水平転送回路９１と垂直転送回路７５
により一斉に、下方向に転送さる。かくして第１フィー
ルド分の画素情報が蓄積部９２に蓄積される。図では、
蓄積部９２は水平３列、垂直３行のマトリックス状の画
素をもつ。ｔ＝ｔ1において第１フィールドの転送が完
了した状態を図２は示している。蓄積部９２の斜線の丸
印が、蓄積された第１フィールドの前のフィールドの第
０フィールドの画素情報を示す。

【００１７】この転送完了時には、受光部９０からの電
荷が、蓄積部９２に混入しないように転送部電荷除去回
路６６ｄにより、混入電荷を除去する等の手段がとられ
る。第１フィールドの読み出しが完了するまで、受光部
９０の転送制御とは独立して、蓄積部９２内の画素情報
の転送は垂直転送回路７５及び、水平転送回路７７によ
り行われ、出力回路７８により第１フィールドのＴＶ信
号として出力され、最終的にカラーＴＶ信号に復調され
る。

【００１８】ｔ＝ｔ２において、図３のように、垂直転
送回路７５により、第１フィールドの画素情報が垂直下
方向に転送され水平転送部７６に順次送り込まれた後、
水平転送回路７７により１ライン分が右方向に転送さ
れ、出力回路７８によりＴＶ信号の出力を開始する。

【００１９】ｔ＝ｔ3において図４に示すように第１フ
ィールド最後の走査線の走査を行いｔ＝ｔ4において図
５に示すように全ての画素情報の読み出しを完了し垂直
ブランキング期間に入る。この後、転送部電荷除去回路
６６ｄによる受光部９０から蓄積部９２への電荷の混入
防止機能を停止させ、受光部９０から蓄積部９２への電
荷の転送を可能とさせる。ｔ＝ｔ5において図６に示す
ように、受光部垂直転送回路９１と垂直転送回路７５に
より、受光部９０の第２フィールドの画素情報を垂直下
方向に転送させる。ｔ＝ｔ6において、図７に示すよう
に、第２フィールド受光期間中に受光部９０で受光した
画素情報のうち必要な第２フィールドの画素情報（番号
１〜９の丸印）を蓄積部９２へ転送完了し、再び転送部
電荷除去回路６６ｄにより、座標（３，６），（４，
６），（５，６）のセルの電荷除去の機能を作動させ、
受光部９０から蓄積部９２〜の電荷流入を防止する。こ
れにより、図２で示したｔ＝ｔ１の第１フィールドの走
査サイクルの最初の状態に戻り、その後前回と同様にし
て受光部９０と蓄積部９２は、次の垂直ブランキング期
間まで独立して、別々に電荷の転送を行う。

【００２０】従って、実施例３の場合、蓄積部９２の垂
直転送回路７５と水平転送回路７７は、揺動の画像補正
等の制御を主体的に行う機能はもたず、全くもっていな
い。揺動の画像補正の制御は受光部９０内で１フィール
ドもしくは１フレームの受光期間中に、受光部垂直水平
転送回路９１により行われる。

【００２１】次に受光部９０における画像補正制御の説
明をすると画像出力制御を変更したい場合、撮像部５上
の結像面上の最適揺動補正制御量に対応する電気信号
が、垂直制御回路１１ａ及び水平制御回路１１ｂから、
受光部垂直水平転送回路９１に送られる。

【００２２】この場合、従来例と実施例１が大きく違う
ところは、前者は、１フィールドもしくは１フレームの
走査期間中は、画素情報の垂直方向及び、水平方向の画
像補正のための各画素情報に基づく電荷の転送は行わ
ず、主として垂直ブランキング期間中に垂直方向、水平
方向の画像の補正のための電荷転送を行う事により画像
を補正していた。しかし実施例１の場合、主として１フ
ィールド又は１フレームの画素情報の受光期間中に図１
４（ａ）〜（ｅ）（後述する）に示すように垂直方向、
水平方向の画像制御信号に応じて、ＣＣＤ基板中のポテ
ンシャル井戸を垂直、水平方向の上下方向と水平方向の
左右方向の４方向に転送するリアルタイム電荷転送方式
をとっている。ここで、図２のように、受光部９０の水
平方向に７行、垂直方向に６列の光検知用画素７１があ
り、ある時間ｔ＝ｔ１において、７×６＝４２ヶの図中
丸印で示す画素情報を得ている。この画素情報のうち、
丸印の中に番号１〜９をつけた９つの画素の上に、点線
の長方形で示す範囲に得たい被写体の画素情報が結像し
ているとする。この場合、１〜９の各光検知部７１で光
電変換が行われ、各画素のポテンシャル井戸の中に、被
写体の画素情報の各画素分に対応した電荷が図１４
（ｂ）（後述する）に示すように、露光時間中に蓄積さ
れる。ここでは本発明のＣＣＤをビデオカメラの手振れ
補正検出回路と組み合せた例を用いて説明する。

【００２３】そして１フィールドの時間が完了しない
間、次の時間ｔ＝ｔ2に至るまでにカメラのヨー方向の
揺動が発生し、目標とする被写体の結像光学像が図３の
水平座標（４〜６）垂直座標（３〜５）の点線で示す範
囲に移動した場合、何も対策をとらなければ受光期間中
に通過した複数の画素情報が１つの画素に混合され、画
像がボヤけてしまう。本発明では、例えば手振れの水平
方向の水平補正量は水平制御回路１１ｂから出力され
る。この情報を基にして受光部垂直水平転送回路９１は
各画素中の電荷を水平方向に補正量だけ転送する。この
ため図２に示すｔ＝ｔ１の時、水平座標（３〜５）、垂
直座標（３〜５）にあった１〜９番の丸印で示す複写体
の画素情報に基づく各電荷は、前の実施例のようにすて
られる事なく、水平方向に転送され、図３に示すよう
に、目標とする被写体の光学像の移動に追従し、順次隣
のセルに引きつがれていく事になる。従って水平方向の
早い信号に対しても、転送素子の最大転送速度の範囲内
であれば被写体からの光の光電変換を前述の従来例のよ
うに高速シャッターを用いて中断させる必要はない。そ
して、この最大転送速度を仮に画素あたり１００nsとし
最終出力画面の一辺を５００画素とし、手振れによる揺
動の振巾の最悪値を画面の１００％と設定して計算して
みる。すると１秒内20000Hzという超高速の水平方向の
制御信号に、追従するという事になり、補正制御の周波
数特性を従来の他の手振れ補正方式に比べて著しい改善
が計れる。しかも感度の低下はない。当然垂直方向も全
く同じようにして、周波数特性の改善が計れる。このた
め、垂直方向、水平方向の補正制御周波数特性は著しく
改善され、補正量検知手段の周波数特性に限定されるの
みとなる。斜め方向の揺動等の画像補正は水平方向の補
正と垂直方向の補正の組み合せで高速に行える。この超
高速応答は揺動検出手段に応じて制御する方式の場合、
民生用ビデオカメラの手振れ補正等の様々な応用効果が
得られる。

【００２４】例えば、民生用途では現在規格統一が進め
られている電子カメラにおいてカメラ撮影に伴う手振れ
は、従来方式の固体撮像素子では１フィールドの走査時
間つまり１／60秒のシャッター速度のための手振れ対策
が問題となっている。従来例で説明したＣＣＤの場合露
光時間を短くするという対策が考えられる。しかし感度
が低下するという問題点がある。しかし、本発明の実施
例１の撮像素子を用いる事により、静止被写体撮影時の
カメラ振れに対しては、等価的にシャッター速度が最速
値で１０^-7ｓｅｃになった事を意味し、手振れセンサー
と組み合わせることにより実用上カメラ振れの全く起こ
らない電子カメラを実現できる。

【００２５】但し当然の事ながら、１フィールド露光方
式を用いれば動く被写体に対してはシャッター速度はあ
くまでも１／６０秒であり、動く被写体を静止させるに
は、電子的な手段により露光時間を短くするか移動物体
検知手段を設ける等の別の対策が必要となってくる。し
かし、ブレの原因の殆んどが手振れで発生し、スチルカ
メラの場合、特に望遠レンズを使った手持ち撮影時の殆
んどの画像ブレがカメラボディの動きに基づくものであ
るためカメラボディの位置を検知することにより大巾に
抑制できる。このためこの本発明による撮像素子は、そ
の高速応答特性により、静止被写体の超望遠レンズを使
った手持ち撮影をも可能とする電子カメラを実現できる
という可能性を提供する。又、この実施例の固体撮像素
子は手持ちの民生用ビデオカメラ以外にも放送局用のビ
デオカメラにも応用できる。例えばナイター中継のスロ
ービデオ画像をみても解る通り、例え丈夫な三脚を用い
ても、流し振りをした場合、各１枚１枚の画像が流れて
いる事がスロー再生時に見受けられる。しかしこの問題
点も本発明の固体撮像素子を用いることにより、ボール
等の動く被写体は改善されないがグランド等の背景等の
静止被写体は流れる事なく、ハッキリと補正される。従
って放送局用ビデオカメラに用いても流し撮り時の静止
被写体の１枚１枚の静止画像が、感度の低下なしに補正
される事になりスローモーションもしくは、スチル画面
放送時の画像流れを防止できるという効果が得られる。
以上のように電子カメラや放送局用カメラに用いてもこ
の固体撮像素子は風景、背景、建物等の静止被写体の撮
影時に効果がある。

【００２６】そして、別途設けた高速の画像認識手段を
用いればカメラボディや光学系を機械的に動かす事な
く、動く被写体を追う事ができるため、画像認識手段が
低コストになれば、動く被写体の像も高速に画像補正で
きるようになるという将来的な可能性がある。

【００２７】動作原理の説明に戻ると、さらに感度を上
げるためには、各画素の受光部やセルの間にある各転送
用セル上に透明の電極やレンズを採用する等の手段によ
り光電変換機能を絶え間なくもたせるようにできる。こ
のことにより、１フィールドもしくは１フレームの期間
中に移動する光学像の光電変換が全く中断されず、連続
的に光学像が隣のセルに順次引きつがれてゆく。このた
め画像範囲の制御による感度の低下がより少なくなると
いう効果が得られる。

【００２８】又この水平方向の図２から図３に示すよう
な電荷転送に伴い、図２で水平座標６、垂直座標１〜６
にあった電荷は、図３では、水平座標７、垂直座標１〜
６に合流させられ、場合によりオーバーフローしてブル
ーミング等により画質を劣下させる。従って周辺の画素
部に設けた電荷除去部から電荷除去回路６６により、転
送に応じて、周辺部の電荷を除去している。この事によ
り転送に伴なう周辺部の電荷のオーバーフローが防止さ
れ画質劣下が防止されるという効果が得られる。この場
合この回路を設けず、周辺部のセルに電荷放出部を設け
て基板等に電荷を常時放出させてもよい。但し、上述の
ように座標（３、６）（４、６）（５、６）の３つの画
素部は、受光期間中は受光部９０からの電荷が画素情報
の蓄積部９２に流れこまないように、転送部電荷除去回
路６６ｄにより電荷の転送阻止もしくは、電荷の除去を
行なう事により、電荷もれによる出力画像の劣下を防ぐ
という重要な効果がある。

【００２９】垂直方向の画像補正に関して説明すると、
同一のフィールドもしくは同一フレームの走査時間内の
ｔ＝ｔ₂からｔ＝ｔ₃に至るまでに、図４の点線矢印で示
すように被写体の光学像が垂直方向の図の上方向に移動
した場合、水平方向の補正と同様にして、最適補正量の
情報が垂直制御回路１１ａより、受光部垂直水平転送回
路９１にあたえられる。被写体像を光電変換した番号１
〜９の丸印で示す画素情報は、水平方向の場合と同様に
して、受光部垂直水平転送回路９１により、図４のよう
に、被写体像の対応する部分に転送され、被写体像の各
画素の情報は、１フィールドもしくは１フレームの間中
断する事なく光電変換され続ける。こうして垂直方向、
水平方向の制御を繰り返しながら、１フィールドもしく
は１フレームの画素情報の受光が完了したｔ＝ｔ₄にお
いて図５に示すように丸印１〜９で示す画素情報は、点
線長方形で示す被写体の結像部の位置とは関係なしに、
受光部垂直水平転送回路９１により、水平座標３〜５の
部分に高速に水平転送された後、転送部電荷除去回路６
６ｄによって電荷の転送を阻止していた座標（３、６）
（４、６）（５、６）の画素部を開き受光部９０から、
蓄積部９２への画素情報の転送を可能とし受光部垂直水
平転送回路９１と、垂直転送回路７５により、垂直方向
の図の下方向に丸印１〜９で示す画素情報を転送し、ｔ
＝ｔ₅において図６に示すように、受光部９０から蓄積
部９２へと、被写体の画素情報は転送され、ｔ＝ｔ₆に
おいて、図７に示すように、被写体の全ての画素情報
は、蓄積部９２への転送を同じ垂直ブランキング期間に
完了し、転送部電荷除去回路６６ｄにより受光部９０か
ら蓄積部９２への電荷の混入は防止されるため、受光部
９０と蓄積部９２の電荷は独立して別々に転送され蓄積
部９２内の前のフィールドもしくは前のフレームの画素
情報（丸印の番号１〜９）は図２で示すｔ＝ｔ₁と同じ
く垂直方向及び水平方向の電荷の転送により画素情報を
読み出し出力回路７８からは画像信号が出力される。一
方受光部９０では、図７の長方形の点線で示す範囲に撮
影対象の被写体が結像し、その部分の光検知用画素（丸
印１１〜１８番）には、被写体の各画素の光量に対応し
た電荷の蓄積が開始される。そして、前述の如く、カメ
ラボディの揺動に応じて、蓄積電荷は前のフィールドに
おける制御と同様、画像の揺動を補正する方向に受光部
垂直水平転送回路９１により転送制御される。

【００３０】以上が実施例１の基本的な動作の説明であ
る。次にこの受光部垂直水平転送回路９１の動作原理を
各セルの拡大図を用いてさらに詳細に説明する。

【００３１】図８は水平方向に７列、垂直方向に６列並
んだ各画素の拡大図で各画素は図に示すように、全て対
象構造となっており、座標（７、１）に示すようにＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｈ，Ｉの９つのセルから構成され
ている。このうち斜線で示すＡ，Ｃ，Ｇ，ＩのセルはＰ
型もしくはＮ型等の不純物の拡散等によりチャンネルス
トッパーが設けられた電荷転送禁止領域９３でありＥの
セルは、光検知用の光検知画素部７１であり、この横断
画面は図１４（ａ）に示すようにＰ型もしくはＮ型の半
導体基板９４の上にＳｉＯ₂等の薄い絶縁膜９５を介し
て電極９６ｅが設けられ、この電極９６ｅは共通クロッ
ク回路９１ａに接続されている。Ｄ，Ｆのセルは水平転
送用のセルで上面には、図１４（ａ）に示すように、水
平転送用の電極９６ｄ，９６ｆが設けられ、電極９６ｄ
は、第１水平クロック回路９１ｂに接続され、電極９６
ｆは、第２水平クロック回路９１Ｃに接続されている。
各時点における界面ポテンシャルによる、電荷井戸の状
態を示したのが、図１４（ｂ）〜（ｅ）（後述する）で
ある。図に示すように、結像した光学像により図１４
（ｂ）では、光検知部のＥのセルの井戸に光電変換によ
り丸印で示すように電荷が蓄積されつつある状態を示し
ている。Ｐ型基板の場合、マイナリティキャリアである
電子が光電変換により蓄積される。そして、Ｂ，Ｈ，の
セルが上下の垂直転送を行う垂直転送用セルで、図１５
（ａ）の横断面図に示すように、絶縁膜９５を介して電
極９６ｂ，９６ｈが上部に設けられており、被写体の光
学像により光電変換された電荷が井戸の中に図１５
（ｂ）に示すように蓄積される。

【００３２】次に具体的な垂直水平の四方向の転送動作
を説明する。図２に示したｔ＝ｔ₁における状態を拡大
したものが図９で、水平座標３〜５、垂直座標３〜５の
範囲にある点線の長方形部が、撮影目的の被写体の背景
を含む結像範囲を示し被写体の各画素情報板は、光検知
用画素により光電変換され、番号１〜９の丸印が各画素
に対応する電荷を示している。この横断面図を示したの
が、図１４（ａ）で図１４（ｂ）はこの場合の界面ポテ
ンシャル状態を示している。上述のようにＰ型基板の場
合電子が転送電荷となり、電極９６にＬＯＷの電圧を加
えるとポテンシャル井戸が浅くなる。従って図１４
（ｂ）では、電極９６ｆ、９６ｄがＬＯＷで電極９６ｅ
がＨｉｇｈになっておりＥのセルと隣のＥのセルに４、
５の丸印で示す画素情報が蓄積されている。この状態を
上面からみた図が図９である。上述のように電極をＬＯ
Ｗにすると、電荷の転送が阻止される。ここでは説明を
容易にするために前の実施例と同様に、このＬＯＷにし
た電極部を四角印で示す。従って、以下図９〜（ｆ）の
図の四角印の部分のセルは電荷の転送が阻止される事を
意味するものとする。ここで、図９の１〜９の画素情報
は、まわりを四角印で示すＬＯＷ電位の電極のセルで囲
まれており、蓄積電荷の転送は阻止されている。座標
（５、４）の丸印の番号４の画素部を撮像部５の基板の
図の水平方向の断面図が図１４（ａ）であり、その界面
ポテンシャル状態を示したのが図１４（ｂ）で、各画素
の電荷は電荷井戸の中に、閉じ込められて、水平方向に
は動けない。又、同じ画素の基板の垂直方向の断面図が
図１５（ａ）であり、ポテンシャルの状態を示したのが
図１５（ｂ）で、各画素は、電荷井戸の中に閉じ込めら
れ、垂直方向に動けない状態にある。

【００３３】以上の説明からｔ＝ｔ₁において各画素の
電荷は、水平方向にも垂直方向にも固定されている。

【００３４】では次は、外部状況の変化により被写体の
画像が図３に示したようにｔ＝ｔ₂に至るまでに、図の
右方向に移動しこれを、水平方向の検出手段が検知しこ
の情報に基づき、画像の右方向の移動に追従させなが
ら、図の同じく右方向に電荷を転送させる時の、各電極
に与える電圧を変化させる事により各電荷を右方向に水
平転送する動作原理を説明する。電極は１セル毎に転送
され、図９のｔ＝ｔ₁の状態から、まず図１０の１セル
分だけ動く。水平方向の電荷転送期間中は垂直方向への
転送電荷の漏れを防止するために、第１垂直クロック回
路９１ｄと第２垂直クロック回路９１はＬＯＷの電位を
発生し、図１５（ａ）に示す第１垂直転送電極９６ｂと
第２垂直電極９６ｅはＬＯＷ電位となりポテンシャルの
状態は図１５（ｂ）のようになり、ＤのセルとＦのセル
の間のＥに井戸ができ、セルＢ、Ｈの電荷は水平転送さ
れる状態となる。電荷の水平方向の転送期間中は、この
状態が維持されるためセル、Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｄ，Ｅ，Ｆと
連続した水平転送部が、撮像素子上に、電子的に形成さ
れる事になる。従って、後は図１４（ｂ）〜（ｅ）で示
すように第１水平クロック回路９１ｂ，共通クロック回
路９１ａ、第２水平クロック回路９１ｃの動作電圧を変
化させ各電極の部分のセル、Ｄ，Ｅ，Ｆの部分の電極の
電位を変化させる。最初の状態は、図１４（ｂ）に示す
ように、Ｄ＝ＬＯＷ、Ｅ＝Ｈｉｇｈ，Ｆ＝ＬＯＷのた
め、井戸の中に番号４、５の画素情報に基づく電荷は固
定されている。次に、Ｄ＝ＬＯＷ，Ｅ＝Ｈｉｇｈ，Ｆ＝
Ｈｉｇｈにすると、図１４（ｃ）に示すように井戸が、
右方向に拡大し電荷が右方向に移る。次に、徐々にＥの
電位を下げる事により、電荷は右方向へ移動し、図１４
（ｃ）の状態から図１４（ｄ）に示すように、Ｄ＝ＬＯ
Ｗ，Ｅ＝ＬＯＷ、Ｆ＝Ｈｉｇｈになり、Ｆのセルの下の
みに井戸が形成され、Ｅのセルから右隣りのＦのセルへ
と、１セル分の電荷の水平転送サイクルは完了する。こ
の後は、図１４（ｅ）に示すようにＤの電位をＨｉｇｈ
にして、Ｄ＝Ｈｉｇｈ，Ｅ＝ＬＯＷ，Ｆ＝Ｈｉｇｈの構
成により、井戸を右方向に拡げＦのセルから右隣のＤの
セルへの電荷の水平転送サイクルを開始し上述のように
同じ転送原理によりＦのセルから右隣のＤのセルへ電荷
を転送する。この状態を示したのが図１０で点線長方形
で示す被写体の光学像に追従している。従って本来光検
知用のＥのセルだけでなく、本来電荷転送用のＦのセル
や、Ｄのセルを透過構造電極採用等の手段により光検知
構造とする事により電荷転送中も光電変換は、中断され
ず転送に伴う感度の低下を防止するという重要な効果が
得られ、ビデオカメラや、電子スチルカメラ等にこの撮
像素子を採用する事により、暗いところでも、純電子的
な画像補正効果のある撮影装置が得られる。そして次の
水平転送サイクルにより、Ｄのセルから右隣りのＥのセ
ルへ各々の画素の各々の電荷の転送を行ない、１画素分
の電荷の画素水平転送サイクルは完了し図１１に示すよ
うに、点線長方形で示す被写体の結像した光学像に追従
しながら被写体の各画素に対応する各セル部の電荷は右
方向に水平方向に転送される。逆に左方向に水平転送し
たい場合は、右方向の各セル電荷の水平転送サイクルと
逆の動作を行えば、左方向に各電荷は転送される。具体
的に、Ｆのセルから左隣のＥのセルへの転送サイクルを
示すと、まず図１４（ｄ）のような状態になるように、
Ｄ＝ＬＯＷ，Ｅ＝ＬＯＷ，Ｆ＝Ｈｉｇｈの電位を信号の
タイミングチャート上で、作り出し、次に図１４（ｃ）
の状態にし、次に図１４（ｂ）の状態にする事により下
のセルから、左隣りのＥのセルへの電荷の水平転送サイ
クルは完了する。このようにして、右方向の水平転送と
同様にして、左方向の水平転送が可能となり、水平方向
の左右の画像補正制御信号に対しても、本実施例の撮像
素子は、左右にしかも、感度の低下なしに画像補正でき
るという効果が得られる。この水平転送サイクルの期間
中は上述のように垂直方向のセルＢとＨへの電荷の漏れ
を防ぐため第３２図（ｂ）の垂直方向のポテンシャル図
に示すようにＢとＨのセルはＬＯＷ電圧となっている。
この事により水平方向補正中の垂直方向への電荷の漏れ
を防ぎ、画像補正しても画像の鮮明度を劣下させないと
いう効果が得られる。

【００３５】今度は、垂直方向の画像補正をするための
垂直方向の電荷の垂直転送を説明する。まず、図３に示
すｔ＝ｔ₂の状態から外部条件の変化により、図４に示
すｔ＝ｔ₃の状態、つまり被写体の光学像が、垂直の上
方向に、移動した場合、この移動に追従して電荷を垂直
方向の上方向へ転送する垂直転送サイクルを述べる。基
本的な動作原理は電荷の水平転送サイクルと同じであ
り、垂直方向の場合は、図１４（ｂ）の水平方向ポテン
シャル図に示すようにＤのセルとＦのセルの電位を、垂
直転送サイクルの期間内、ＬＯＷにして垂直転送電荷の
水平方向への漏れを防止する。このことにより、撮像素
子上には垂直方向の上下双方向に電荷を転送する垂直転
送部が電子的に形成された事になる。この状態で、図１
１に示す受光部拡大図の番号４、番号７の画素のポテン
シャル図を示したのが図１５（ｂ）であり、図１５
（ａ）に示すように第１垂直クロック回路９１ｄと、共
通クロック回路９１ａ、第２垂直クロック回路９１ｅに
より、各電極を介して電位を与えられており、この場
合、Ｂ＝ＬＯＷ，Ｅ＝Ｈｉｇｈ，Ｈ＝ＬＯＷとなってお
り、番号１、番号４、番号７の電荷は、Ｅの小さい井戸
の中に固定されている。上述のようにＤ＝ＬＯＷ，Ｆ＝
ＬＯＷとなり水平方向の電荷の漏れは防止されている。
次に図１４（ｃ）のポテンシャル図に示すようにＢ＝Ｈ
ｉｇｈ，Ｅ＝Ｈｉｇｈ，Ｈ＝ＬＯＷにすることによりＥ
のセルにあった井戸が、上方向に隣接するＢのセルへと
拡大され、これに伴ない、番号１、番号４、番号７の各
電荷は、垂直方向の上方向へと移動する。次に、水平転
送サイクルと同様ＥのセルにＬＯＷの電圧を徐々に与え
る事により番号１、番号４、番号７の各電荷はさらに上
方向への転送を続け、図１５（ｄ）に示すように、元の
Ｅのセルの上方向のＢのセルに、ほぼ完全に転送されセ
ルの垂直転送サイクルは完了する。この状態の受光部拡
大図を示したのが図１２である。さらに図１５（ｅ）に
示すようにＢのセルから上に隣接するＨのセルへの垂直
転送サイクルを開始し、最終的に図１３の受光部拡大図
に示すように１画素分の上方向の垂直転送サイクルを完
了する。下方向の垂直転送サイクルは、転送クロック信
号のタイミングチャートを変更し、図１５（ｄ）のポテ
ンシャル図になるように、印加電圧を加え次に図１４
（ｃ）のポテンシャル状態にし、図１４（ｂ）のポテン
シャル状態にする事により下方向の垂直電荷転送が可能
となる。こののち、主に垂直ブランキング期間中に受光
部９０内の画素情報を含む電荷は、蓄積部９２に転送さ
れ画像信号として出力される事は、詳しく述べた。

【００３６】従来方式は、移動速度の大きい光学像の移
動に対しては、光検知画素７１に電荷放出手段を設け、
変化速度が速くなるに伴い電荷放出時間を永くする方式
をとっている。逆のいい方をすれば光検知画素７１の光
電変換に伴う電荷蓄積時間を短くする。つまり揺動等に
よる光学像の移動が速いほどシャッター速度を速くしハ
ッキリした補正画面が得られる反面、露光時間が短くな
るため、感度がその分だけ下がる。昼間時の戸外撮影時
には支障とならないが、夜間の室内撮影時に問題とな
る。ＣＣＤの原理を説明すると、電荷転送型撮像板は基
板中の電荷井戸つまりバケツを上部に設けた電極の印加
電圧を変化させる、移動させ井戸のつまりバケツ中の電
荷を転送する。ちょうどバケツで電荷を順次転送するの
と似ている。従来のＣＣＤ撮像素子は、１フレームもし
くは１フィールド単位の露光時間の間、光電変換に伴い
発生した電荷を固定したバケツの中に蓄積する方法であ
った。露光時間中はバケツの位置は移動させない。そし
て、インターライン方式では、垂直ブランキング期間中
に、光検知用画素７１のバケツ内に、たまった電荷を全
てのバケツの電荷を隣接して設けられたバケツである転
送用画素７２に転送する。一方フレーム転送方式では、
１フレーム分の全ての画素のバケツを一斉に別に設けた
フレーム蓄積部に一度に転送する。

【００３７】従来のＣＣＤでは通常の露光時間である１
フレームもしくは１フィールドの走査期間の１／３０秒
もしくは１／６０秒で手振れが補正できない場合、揺動
の速度に応じて、露光時間を短縮させる方式が考えられ
る。つまり、揺動が速いと、光検知画素部７１のバケツ
の中に貯った不要な電荷を捨てる訳で、この分感度が低
下する事になる。実施例３の方式は、この感度の低下を
防ぐために１フィールドもしくは１フレームの走査期間
中も揺動等の検知信号に応じてリアルタイムで各光検知
画素７１のバケツの中に貯った各画素情報の電荷を垂直
方向の双方向、つまり上下方向、そして水平方向の双方
向、つまり左右方向に、あたかもバケツリレーの如く電
荷を従来の撮像素子の１方向の転送方向ではなく水平垂
直の双方向に制御回路により転送する方式である。結像
した光学像の揺動に伴う撮像部５の結像面上の移動を追
いながら、各々のバケツ内の電荷が１フィールドもしく
は１フレームの期間中に補正する方向にリアルタイムで
移動する。このため、垂直同期信号より速い周波数の揺
動等により結像画像が高速に移動しても、電荷の転送速
度の範囲内なら追従するためビデオカメラの殆どの手振
れを補正できる。１フィールドもしくは１フレーム間の
画素情報の光電変換に伴い発生する電荷は従来のＣＣＤ
ではすてる必要があるが、本発明ではすてる事なく、効
率的に１フィールドもしくは１フレームの間蓄積できる
ため、手振れ補正のための画像制御に伴う感度の低下を
防ぐ事ができるという効果が得られる。

【００３８】以上のように、本実施例の撮像素子及び制
御回路を用いる事により、結像光学像を、通常のビデオ
カメラの使用条件で考えられるもっとも速い結像光学像
の移動速度よりはるかに速い速度で、正確に追従する。
このため高速の画面補正に対しても追従し補正効果があ
る固体撮像素子が、感度の低下なしに得られる。実施例
の説明で、述べたように著しい周波数応答と、感度の維
持が純電子的に可能になるという効果が得られる。な
お、実施例では垂直の双方向の画素電荷転送と水平の双
方向の画素電荷転送の４方向の画素電荷転送の例を示し
たが、垂直もしくは水平の双方向の画素電荷転送を行な
っても、一次元ではあるが同様の効果が得られる。また
従来のふれーむ転送型のＣＣＤの場合、受光部と蓄積部
の画素数は同じである。しかし本発明を用いることによ
り図１に示したように受光部の画素数に比べて蓄積部の
画素数を大巾に削減できる。このためチップ面積を顕著
に小さくできるという効果がある。例えば手振れ補正に
用いる場合、上下左右に５０％の補正範囲が求められ
る。この場合、本発明の固体撮像装置を用いると蓄積部
の画素数を従来方式の４分の１に削減できる。なお、受
光部と蓄積部の行と列の数を一致させてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明は、
手振れ補正信号等の外部制御信号に応じて１フィールド
の期間中においても受光部の垂直転送部や水平転送部の
垂直、水平双方向の電荷転送制御をリアルタイムに行い
画素電荷を上下左右に任意に移動させるとともに受光部
の全画素情報の中から任意の範囲内の画素情報がとり出
せる。このため、手振れ補正回路を外部に設けることに
より産業用、民生用のビデオカメラの撮像部の手振れ等
の補正を撮像素子内で処理できる。このため、従来のビ
デオカメラ用ＣＣＤを用いた手振れ補正処理方式に比べ
ると撮像部内部で画素電荷を直接移動できるため垂直同
期信号より高速の手振れ補正信号に追従応答するという
著しい効果がある。このため、従来のビデオカメラ用Ｃ
ＣＤを用いた電子補正方式では不可能であった。高速の
手振れ補正時における画質劣化。がなくなるという効果
がある。また産業用、民生用のビデオカメラでの従来で
行なわれていた機械式、光学式の手振れ補正を画質を落
とさずに純電子的に行なえるため信頼性向上、小型軽量
化等の効果がある。また受光部に比べて電荷蓄積部の素
子数を少なくする構成をとっているため、１チップＣＣ
Ｄの素子数を大巾に減らせるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における固体撮像装置の
ブロック図

【図２】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図３】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図４】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図５】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図６】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図７】本発明の第１の実施例における電荷転送の動作
原理図

【図８】本発明の第１の実施例における固体撮像装置の
受光部の拡大図

【図９】本発明の第１の実施例の拡大した受光部におけ
る電荷転送の動作原理図

【図１０】本発明の第１の実施例の拡大した受光部にお
ける電荷転送の動作原理図

【図１１】本発明の第１の実施例の拡大した受光部にお
ける電荷転送の動作原理図

【図１２】本発明の第１の実施例の拡大した受光部にお
ける電荷転送の動作原理図

【図１３】本発明の第１の実施例の拡大した受光部にお
ける電荷転送の動作原理図

【図１４】（ａ）本発明の第１の実施例における水平方
向の電荷転送部の横断面図（ｂ）本発明の第１の実施例の水平方向の電荷転送原理
を示す界面ポテンシャル図（ｃ）本発明の第１の実施例の水平方向の電荷転送原理
を示す界面ポテンシャル図（ｄ）本発明の第１の実施例の水平方向の電荷転送原理
を示す界面ポテンシャル図（ｅ）本発明の第１の実施例の水平方向の電荷転送原理
を示す界面ポテンシャル図

【図１５】（ａ）本発明の第１の実施例の固体撮像装置
の垂直方向の横断面図（ｂ）本発明の第１の実施例の垂直方向の電荷転送原理
を示す界面ポテンシャル図（ｃ）本発明の第１の実施例の垂直方向の電荷転送原理
を示す界面ポテンシャル図（ｄ）本発明の第１の実施例の垂直方向の電荷転送原理
を示す界面ポテンシャル図（ｅ）本発明の第１の実施例の垂直方向の電荷転送原理
を示す界面ポテンシャル図

【図１６】従来の例として説明する固体撮像素子のブロ
ック図

【符号の説明】

５撮像部１１ａ，１１ｂ垂直、水平制御回路６５基準時間信号部６６電荷除去回路７１光検知画素７２転送用画素７３転送パルス回路７４ａ〜７４ｄ垂直転送部７５垂直転送回路７６水平転送部７７水平転送回路７８信号出力回路８０水平転送制御回路８１出力制御ＳＷ８２リセットＳＷ９０受光部９１受光部垂直水平転送回路９２蓄積部９４撮像素子基板９５絶縁層９６電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平方向の複数の行と垂直方向複数の列か
らなるマトリクス状に配置され光電変換により画素情報
の光を各画素に対応する画素電荷に変換する光検知画素
部と、前記光検知画素部を一部として有し前記画素電荷
を垂直方向に転送する第１垂直方向電荷転送部と、前記
光検知画素部を一部として有し前記画素電荷群を水平方
向に転送する第１水平方向電荷転送部を有する受光部
と、前記第１垂直方向電荷転送部の一部もしくは全部と
結合した第２垂直方向電荷転送部と前記第２垂直方向電
荷転送部と結合した第２水平方向電荷転送部とが配置さ
れ前記受光部から列方向に転送された前記画素電荷群を
蓄積及び出力する蓄積部と、前記蓄積部の前記第２水平
方向電荷転送部から行単位にかつ行方向に転送された画
素電荷を出力する画像出力部からなり、外部のＴＶ信号
の垂直同期信号に連動させてかつ一回、前記受光部から
前記蓄積部に一括して転送された画素電荷群を、前記画
像出力部に転送し前記画像出力部より連続ＴＶ信号とし
て出力する電荷転送素子において、前記第１水平方向電
荷転送部及び前記第１垂直方向電荷転送部上の前記画素
電荷群を外部の画像補正信号に応じて水平双方向と垂直
双方向に転送することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】主として蓄積部から画像出力部へ連続的に
画素電荷を転送し前記画像出力部より連続ＴＶ信号を出
力している期間中に、受光部に於ける垂直双方向と水平
双方向の画素電荷転送を行うことを特徴とする請求項１
記載の固体撮像装置。
【請求項３】電荷除去回路を設けるとともに受光部の周
辺部に電荷除去部を設け、転送された画素電荷の一部を
前記電荷除去回路からの制御信号により除去することを
特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。