JPS6038069B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体糠像装置に係り、特に電荷転送型二次元固
体撮像装置における信号転送読み出し方式及びその構成
に関する。

半導体基板上に複数個の光電変換素子を行列状に観談し
てなる固体撮像装置は、一般に二次元間体撮像装置とし
て知られており、この固体撮像装置は、各光電変換素子
に蓄積された信号電荷を読み出す手段によりＭＯＳ型、
電荷転送型等に大別することができる。

そして電荷転送型二次元間体撮像装置（以下固体撮像装
置と略称する）における信号電荷の読み出し方式として
、従来、インターライントランスフア方式、フレームト
ランスフア方式等が知られている。

第１図ａは従来のインターライントランスフア方式の平
面構成図で、同図ｂはその出力時系列例を示す。

第１図ａにおいてｌａ〜ｌｅ，２ａ〜２ｅ，３ａ〜３ｅ
は二次元状に配列された各光電変換素子を示し、４ａ〜
４ｅは第１の電荷転送用レジスタ群、５は第２の電荷転
送用レジスタ、６は信号電荷を電圧値又は電流値に変換
して出力する回路を示す。このような構成において、各
光電変換素子ｌａ〜ｌｅに入射した光が光電変換される
ことによって得られた信号電荷は、一定時間蓄積された
後第１のレジスタ群４ａ〜４ｅに移され、第２のレジス
夕５に向って転送される。

第１のレジスタ群４ａ〜４ｅが１段転送されると各光電
変換素子ｌａ〜ｌｅに対応した信号が第２のレジスタ５
へ転送され、第２のレジスタ５へ転送された信号群が図
示のように右方から左方へ向って転送されて光電変換素
子ｌａ〜ｌｅの信号順に出力回路６へ到達する。この間
第１のレジスタ群４ａ〜４ｅは停止状態にある。第２の
レジスタ５の信号電荷転送が終了すると、第１のレジス
タ群４ａ〜４ｅは再び１段の転送を行ない、光電変換素
子２ａ〜２ｅの信号群を第２のレジスタ５に転送し、こ
のレジスタ５によって光電変換素子２ａ〜２ｅの信号順
に出力回路６に送り出される。以下同様の動作を繰り返
すことにより、全光電変換素子の信号電荷が出力される
。第１図ｂは出力回路６より得られる出力信号の時系列
の一例を示すもので、７ａは光電変換素子ｌａによる光
電変換信号に対応し、以下同様に７ｂはｌｂ，７ｃはｌ
ｃ，……９ｅは３ｅに各々対応する。

ここで第１図ｂからもわかるように、出力信号の時系列
は光電変換素子ｌａ，ｌｂ，ｌｃ，Ｉｄ，ｌｅ，…・・
・の８項でこれら各素子から得られた信号の列となって
いる。

すなわち互いに隣り合う信号は各々第１のレジスタ４ａ
〜４ｅを挟んで配置された隣り合う光電変換素子の信号
出力となっている。従って信号時系列に沿った方向には
必ず光電変換の無効領域が存在し、イメージの読み残し
や解像力劣化の要因となる。また第１図ａに示す如き構
成を有するインターライントランスフア方式の間体撮像
装置においては、第１のレジスタ群４ａ〜４ｅと第２の
レジスタ５を駆動するに要する駆動パルスは各々異なり
、少なくとも２組の駆動パルス列を必要とする。

第２図ａ〜ｅはこれらの駆動パルスの一例を示したもの
で、同図ａは前記各光電変換素子ｌａ〜３ｅから第１の
レジスタ群４ａ〜４ｅへ信号電荷を移すための移送パル
スを示し、ｂ，ｃは第１のレジスタ群４ａ〜４ｅを駆動
するためのパルス列を示し、さらにｄ，ｅは第２のレジ
スタ５を駆動するためのパルス列を示す。

尚、同図ｆは信号電荷として電子を用いた場合の信号列
を示す。さらに第１図ａに示す如き固体撮擬装暦におい
ては、前記第１のレジスタ群４ａ〜４ｅの各々内で発生
する階電流、光漏洩等によるノイズ成分がＳ／Ｎの劣化
をもたらすという問題もある。このような問題のうちの
前記時系列方向の高解像度化を図る目的で第３図ａに示
す構成のものが知られている。同図においてｌａ〜ｌｅ
，２ａ〜２ｅ，３ａ〜３ｅは光電変換素子で、１０は素
子ｌａ〜ｌｅで構成される第１の素子列の信号電荷を転
送するための第１の転送レジスタ、１１は素子２ａ〜２
ｅで構成される第２の素子列の信号電荷を転送するため
の第２の転送レジスタ、また１２は素子３ａ〜３ｅで構
成される第３の素子列の信号電荷を転送するための第３
の転送レジスタである。また１３は出力回路を示す。こ
の構成において第１の光電変換素子列に蓄積された信号
電荷は第１のレジスタ１０へ、第２の光電変換素子列に
蓄積された信号電荷は第２のレジスタ１１へ、また第３
の光電変換素子列に蓄積された信号電荷は第３のレジス
タ１２へ各々同時に移送される。

第１のレジスタ１０へ移送された信号電荷はこのレジス
タを駆動させることによって藤次出力回路１３へ送り出
されるが、第１のしジスター０‘こよる信号転送が終了
するまで第２、第３のレジスタ１１，１２は停止状態を
保つ。次に第２の転送レジスタ１１が駆動されてこのレ
ジス外こよる信号転送が行なわれ、その後第３の転送レ
ジスタ１２による転送が行なわれる。第３図ｂはこのよ
うな読み出し方式により得られる時系列信号の一例を示
すもので、１４ａ〜１４ｅ，１５ａ〜１５ｅ，１６ａ〜
１６ｅは各々第１、第２、第３の光電変換素子列に対応
する信号出力である。

このように、この方式によれば信号時系列方向の高解像
度化を達成できる。

しかしながら上記説明から明らかなように、例えば第１
のレジスタ１０による転送を行なう場合は、第２及び第
３のレジスタ１１，１２は所定時間停止を余儀なくされ
る。

従ってこの停止期間Ｔ，，Ｌ中にレジスタ内で発生した
階電流や光漏洩等（第３図ｂにて斜線部で示す部分）に
よるＳ／Ｎ劣化は第１図ａに示したインターライントラ
ンスフア方式より大きくなる。また第３図ａに示す方式
においては前述の説明からもわかるように光電変換素子
列数と同数組の異なる転送パルス列を必要とする。

第４図ａ〜ｇは３列構成の場合に必要な転送パルス群の
タイミングを示し、同図ａは光電変換素子からしジスタ
へ信号電荷を移すための移送パルス、ｂ，ｃは第１のレ
ジスタ１０を駆動するための転送パルス列（２相駆動の
場合）、ｄ，ｅは第２のレジスタ１１を駆動するための
転送パルス列、ｆ，ｇは第３のレジスタ１２を駆動する
ための転送パルス列である。尚図においてＴ，，Ｌは各
々第２、第３のレジスタ１１，１２の停止期間を示し、
また第４図ｈは得られる時系列信号の例を示す。一方、
フレームトランスフア方式（その原理説明は省略する）
においては、その動作原理上光電変換素子を転送レジス
タと兼ねる必要があり、そのため例えば高度のｐ−ｎ接
合形フオトダィオ−ド等の採用は困難である。

また電荷転送用パルス列として少なくとも３組必要であ
り、さらにレジスタ内での雑音発生は前記インターライ
ントランスフア方式と同様、Ｓ／Ｎ劣化の大きな要因と
なる。本発明は以上に述べたような従来技術の有する欠
点あるいは問題点をなくするためになされたもので、単
一パルス組で全信号電荷の読み出しを可能にするととも
にＳ／Ｎ劣化要因を取り除き、しかも信号時系列方向の
高解像度化を可能にした新規な信号読出し方式を有する
固体撮像装置を提供することを目的とする。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第５図ａは本発明の一実施例における平面構成図であり
、ｌａ〜ｌｅ，２ａ〜２８，３ａ〜３ｅは第１、第２，
第３の光電変換素子列に属する各光電変換素子である。
また１７，１８，１９は第１、第２、第３の光電変換素
子列の信号を受けそれを転送するための第１、第２、第
３の転送レジスタを示し、さらに２０，２１は本発明を
実現するための第１、第２の遅延転送レジスタを示す。
２２は出力回路である。

このような構成において、入射光により所定期間内に各
光電変換素子ｌａ〜３ｅ内で光露変換された信号電荷群
は、各光電変換列に対応した第１、第２、第３の転送レ
ジス夕１７，１８，１９へ同時に移送される。

そして第１のレジスタ１７に移送された信号電荷列は第
１のレジスタ１７の転送動作により図示の如く左から右
方向へ転送され、出力回路２２によりＭ頃次出力される
。この期間第２、第３のレジスタ！８，１９へ移送され
た各信号電荷列は、各々第１、第２の遅延レジスタ２０
，２１へ転送される。ここで第１、第２の遅延レジスタ
２０，２１の転送段数を第１のレジスタ１７の転送段数
以上設けておくことにより、第１のレジスター７に移送
された信号電荷が全て出力回路２２に到達した後、第２
のレジスタ１８に移送された信号が第１の遅延レジスタ
２０を通過して出力回路２２に到達する。また第２の光
電変換素子列が順次出力回路２２に送り出されている期
間に、第３の光電変換素子列の信号電荷は、順次第２の
遅延レジスタ２１を介して第１の遅延レジスタ２０１こ
送り出される。従って第２の光電変換素子列の信号電荷
が全て出力回路２２に到達した後に第３の光電変換素子
列の信号が出力回路２２に到達する。尚、第１の遅延レ
ジスタ２０の最終段は第１のレジスタ１７の所定の転送
段にて転送電荷を第１のレジスタ１７の所定の転送段に
て転送電荷を合成するよう接続され、また同様に第２の
遅延レジスタ２１の最終段は第１の遅延レジスタ２０の
所定の転送段に接続されるが、この接続方法は公知のマ
ルチプレックス方法を適用することにより容易に行い得
る。

第５図ｂは第５図ａの構成による園体撮像装置の時系列
出力を図式化して示すもので、２３ａ〜２３ｅは光電変
換素子ｌａ〜ｌｅからの出力信号列、２４ａ〜２４ｅは
２ａ〜２ｅからの出力信号列、２５ａ〜２５ｅは３ａ〜
３ｅからの出力信号列を示す。

第５図ａと第５図ｂとを対応すれば明らかなように、各
光電変換素子列ごとの信号時系列方向には信号論出し手
段等（電荷転送装置等）が介在せず、従って各光電変換
素子を密に配列することができ、信号時系列方向の高解
像度化が容易に達成できる。

さらに、出力回路へ運ばれるレジスタ内障電流や光漏洩
による雑音電荷は、これらのレジスタが信号電荷の有無
にかかわらず常に転送動作状態を保てば常に全レジスタ
内の１段転送時間中の発生量の合計量として全ての時系
列出力に一定量含まれる。

すなわち各レジスタ１７〜２１で発生した雑音電荷を考
えてみた場合、レジスタ２１はしジスタ１９を含み、レ
ジスタ２０はしジスタ１９，２１，１８を含み、出力回
路２２はしジスタ１７〜２１を含むことになり、常に合
計量として出力される。従って雑音電荷は、少なくとも
読出し期間中は定常的に１ま）・一定量が出力回路２２
に送り込まれ、一定の出力レベル（直流レベル）を保つ
。このようにほぼ一定レベルの雑音成分に信号電荷が重
畳されて出力されるため雑音電荷による直流レベルを相
殺することにより、容易に信号成分のみを検出すること
ができる。第６図は第５図ａに示した本発明の一実施例
における転送パルス列及び出力パルス列の一例を示すも
のである。

同図ａは各光電変換素子列から対応する転送レジス夕へ
信号電荷を移送するための移送パルス、同図ｂ，ｃは転
送レジスタ１７，１９及び遅延レジスタ２０，２１を駆
動するための転送パルス、同図ｄは出力波形を示す。本
発明においては第６図ｂ，ｃに示すただ一組の転送パル
スにより全レジスタを駆動することによって全信号電荷
を読み出すことができる。従ってレジスタ駆動用の回路
は従来に比べ極めて簡単にすることができる。第７図ａ
は本発明の他の実施例を示す平面構成図である。

同図においてｌａ〜ｌｅ，２ａ〜２ｅ，３ａ〜３ｅは各
々光電変換素子、２６は電荷転送用レジスタ、２２は出
力回路である。この実施例においては、転送レジスタ２
６は蛇行状の単一レジスタで構成され、各光電変換素子
の信号電荷は各々対応するレジスタの転送段に移送され
、出力回賂２２に向って順次転送される。また本実施例
においては素子列ｌａ〜ｌｅと素子列２ａ〜２ｅは互い
に信号時系列が反転し、素子列３ａ〜３ｅとｌａ〜ｌｅ
は同一となる。従って本実施例によって得られる時系列
信号は、第７図ｂに示すように、素子列ｌａ〜ｌｅに対
応する出力２８ａ〜２８ｅ、素子列２ｅ〜２ａに対応す
る出力２９ｅ〜２９ａ、素子列３ａ〜３ｅに対応する出
力３０ａ〜３０ｅの願となる。すなわち隣り合う素子列
の信号時系列は逆方向となる。しかしこれに対しては、
出力信号に適宜の処理を施すことにより実質上支障なく
取り扱える。本実施例においては転送レジスタを遅延線
としても利用するため、レジスタの占める面積を最小限
に小さくでき、チップサイズの縮小化が殴れる。

本発明は上記第１及び第２の実施例に限定されるもので
はなく、例えば第５図ａに示した実施例において第２の
遅延レジスタ２１の最終転送をレジスタ１８の初段に接
続することも可能であり、またレジスタ１７，１８，１
９の少なくとも１つを遅延レジスタとして兼用すること
もできる。

前者の実施例を第８図に示す。第８図において３１，３
２（斜線部）が第１、第２の遅延レジスタで、また第１
、第２、第３のレジスタ１７，１８，１９を遅延レジス
タとして兼用するようにされている。以上詳しく説明し
たように、本発明によれば、単一パルス組で全信号電荷
の読み出しを可能にするとともに、レジスタ内階電流や
光漏洩による雑音電荷が常に一定で出力回路に送り込ま
れるようにしてその除去を容易にし、さらに信号時系列
方向の高解像度化を可能にする。

尚前記各実施例では光電変換素子列を３列として説明し
たが、実際にはさらに多くの列が並べられたものである
ことは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来のインターライントランスフア方式によ
る固体線像装置の平面構成図、同図ｂはその出力信号の
時系列の一例を示す図、第２図ａ〜ｅは第１図ａに示す
固体撮像装置における駆動パルスを示す図、同図ｆはそ
の出力信号列を示す図、第３図ａは高解像度化を図った
従来のインターライン方式による固体撮像装置の平面構
成図、同図ｂはその出力信号の時系列の一例を示す図、
第４図ａ〜ｇは第３図ａに示す固体撮像装置における駆
動パルスを示す図、同図ｈはその出力信号例を示す図、
第５図ａは本発明による固体撮像袋層の一実施例の平面
構成図、同図ｂはその出力信号の時系列の一例を示す図
、第６図ａ〜ｃは本発明による固体撮像装置における駆
動パルスを示す図、同図ｄはその出力信号例を示す図、
第７図ａは本発明による固体撮像装置の他の実施例の平
面構成図、同図ｂ‘まその出力信号の時系列の一例を示
す図、第８図は本発明による固体撮像装置のさらに他の
実施例の平面構成図である。 ｌａ〜ｌｅ，２ａ〜２ｅ，３ａ〜３ｅ・・…・光蟹変換
素子、１７，１８，１９，２６・・・・・・転送レジス
タ、２０，２１，３１，３２……遅延レジスタ、２２・
・・・・・・・・出力回路。 第１図 第２図 第３図 第４図 第６図 第５図 第？図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板上に複数列並べられた光電変換素子によ
   つて光電変換された各電荷信号を、前記各列に隣接して
   設けられた電荷転送用レジスタを介して出力回路に送り
   出すように構成された二次元固体撮像装置において、互
   いに隣り合う前記電荷転送用レジスタの転送終段同志を
   、前記電荷転送用レジスタの転送段数以上の転送段数を
   有する電荷転送遅延レジスタにより接続し、この遅延レ
   ジスタ及び前記電荷転送レジスタの各々に共通する一組
   の転送パルスを印加することにより、任意の光電変換素
   子列から得られた各電荷信号の全てが前記出力回路に送
   り出された後、次に読み出されるべき光電変換素子列か
   ら得られた各電荷信号が前記遅延レジスタを介して前記
   出力回路に送り込まれるようにしたことを特徴とする固
   体撮像装置。 ２ 半導体基板上に複数列並べられた光電変換素子によ
   つて光電変換された各電荷信号を、前記各列に隣接して
   設けられた電荷転送用レジスタを介して出力回路に送り
   出すように構成された二次元固体撮像装置において、任
   意の光電変換素子列に隣接する電荷転送用レジスタの転
   送初段と次に読み出されるべき光電変換素子列に隣接す
   る電荷転送用レジスタの転送終段とを電荷転送可能に接
   続する手段を設け、この手段及び前記電荷転送用レジス
   タの各々に共通する一組の転送パルスを印加することに
   より、任意の光電変換素子列から得られた各電荷信号の
   全てが前記出力回路に送り出された後、次に読み出され
   るべき光電変換素子列かち得られた各電荷信号が前記任
   意の電荷転送用レジスタを介して前記出力回路に送り込
   まれるようにしたことを特徴とする固体撮像装置。