JP2525646B2 - 固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は固体撮像素子の駆動方法に関し、特に電子ス
チルカメラに適用された際に好適となる固体撮像素子の
駆動方法に関する。

（従来技術） 従来、固体撮像素子を電子スチルカメラに適用した場
合、第６図に示すようなシーケンスにより、被写体の撮
像が行われている。

すなわち、シャッタ動作の直前に素子の空読み出しを
行って、素子内に溜まっている暗電荷の掃き出しを行
い、シャッタの開放により被写体像を露光して電荷蓄積
を行い、シャッタを閉じた時点でこの被写体の画像信号
を読み出している。

前記シーケンスのうち、暗電荷の掃き出しモードは、
カメラ電源の投入と同時に行われ、かつシャッタ操作の
直前まで繰り返し行われている。これにより、暗電荷の
混入によるS/Nの低下が常時阻止されて良好な画像信号
が得られる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、電子スチルカメラのように、撮影した
い１ショットのみが記録されれば良い場合、シャッタ開
放前に前記掃き出し動作を繰り返し実行する必要はな
い。

又、ビデオカメラではモニタ時にも素子を駆動して画
角設定を行う必要があるが、電子スチルカメラでは撮影
前に前記素子を駆動状態に置いて前記掃き出し動作を行
うと、消費電力は増大する。

なお、本発明者らは、既に、垂直電荷転送部が電荷転
送と同時にそれ自身光電変換機能を有し、電子スチルカ
メラに適用された際に、感度並びに解像度を共に向上で
きる固体撮像素子を提案した。

この固体撮像素子は、垂直電荷転送部上に一つの色の
カラーフィルタを配置し、感光領域には二色のカラーフ
ィルタを配置して三色の画像信号が面順次式に出力され
るように設けている。

このような面順次式出力の固体撮像素子を電子スチル
カメラに適用すれば、この固体撮像素子は、電荷掃出し
モードにおいて、各色の信号電荷を一度の掃き出し操作
で１フィールド期間に一斉に掃き出せるため、都合が良
い。

本発明の目的は、上記事情に基づいてなされたもの
で、電子スチルカメラに適用された際に消費電力を低減
できると共に、解像度及び感度の向上を共に得られる固
体撮像素子の駆動方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の上記目的は、少なくとも複数個の受光エレメ
ントからなる感光領域と、該受光エレメントの垂直１列
ごとに付属する垂直電荷転送部と、水平電荷転送部とを
有し、その際垂直電荷転送部は受光エレメントで形成さ
れた電荷を転送するだけでなく、自身で光電変換も行う
ことができ、かつ垂直電荷転送部において３原色または
補色のうちの１つの色の信号を形成し、受光エレメント
において残りの２つの色の信号を形成する色フィルタが
配置され、感光領域及び垂直電荷転送部がシャッタ動作
により所定期間だけ露光されて形成される各色の信号電
荷を面順次に出力する固体撮像素子の駆動方法におい
て、シャッタ操作が行われる以前の待機モードと、シャ
ッタ操作により発せられるトリガ信号により初めて素子
の駆動が開始されて受光エレメント及び垂直電荷転送部
で形成された全ての電荷を一斉に掃き出す掃出しモード
と、該電荷の掃き出し完了時点に同期してシャッタを開
放しかつ電荷転送用クロック信号を停止して電荷蓄積を
行う露光／蓄積モードと、シャッタ閉鎖後にまず垂直電
荷転送部の信号電荷を水平電荷転送部を介して外部に読
み出し、その後、受光エレメントの１つの色に対応した
１画面分の信号を、次に他の色に対応した１画面分の信
号を、それぞれ面順次に読み出す読出しモードとを順次
実行することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法によ
り達成される。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明が適用される固体撮像素子の概略構
成図であり、この素子はＲ、Ｇ、B3原色のカラー画像信
号を面順次式に出力する。

図において、受光部10は、点線の矩形で示すような垂
直方向に並べられた光電変換素子で形成される受光セル
郡からなる感光領域14と、該感光領域14の垂直１列毎に
付属する感光転送領域15から形成され、複数の感光領域
14と感光転送領域15が水平方向（図中、左右方向）に交
互に設けられている。

感光領域14の各受光セルの表面には、記号Ｇ及びＢで
示す緑色と青色フィルタが縦方向に交互に配置されてい
る。

感光転送領域15は、同図中、点線の矩形で示すよう
に、感光領域14の各受光セル毎に対応した転送セルから
成っており、各転送セルは光電変換機能を有すると共
に、相互の動作でもって信号電荷を下方向へ転送する機
能を有している。すなわち、感光転送領域15は自己操作
型撮像デバイスより成っている。

この感光転送領域15の表面には、記号Ｒで示す赤色フ
ィルタがストライプ状に配置されている。受光部10の出
力側には、電送ゲートTgを介して水平CCDから成る水平
電荷転送部11が配置されており、その出力端には駆動信
号φｓによって信号電荷を読み出す出力アンプ12が配置
されている。

第２図は前記受光部10の構成を示している。

フィルタＲ下の感光転送領域15には水平方向に延設さ
れた複数本のポリシリコン転送電極18,19が設けられて
おり、２相駆動（φV₁〜φV₂）されて電荷を下方向へ順
次転送する。一方、感光領域14のフィルタＧ及びＢの下
の受光セル表面は前記転送電極18,19が開口されて設け
られていない、その代わり、各感光領域14上には垂直方
向に沿って第３の薄いポリシリコン電極20が設けられて
いる。

又、点線で示すチャンネルストッパで囲まれた受光セ
ルと感光転送領域15を形成する転送セルとの間には、図
には示していないが、固定したポテンシャル障壁が形成
され、転送セルで発生した信号電荷を受光セルへ移さな
いように設けている。

すなわち、前記ポテンシャル障壁を境にしてポテンシ
ャル井戸が上下動する受光セル及び転送セルにおいて、
受光セルは電荷蓄積時に前記第３の薄いポリシリコン電
極20により電圧φｐが印加されて前記障壁よりも深く設
けられて信号電荷を蓄積し、電荷転送時には前記障壁よ
りも低いレベルに設けられて電荷を転送セルヘフィール
ドシフトさせる。

一方、転送セルは蓄積時よりもポテンシャル井戸が浅
い電荷転送時においてもポテンシャルレベルが前記障壁
よりも低く成らないように設けてある。

又、前記固体撮像素子は、長波長光（色Ｒ）のフィル
タが感光転送領域上に配置されており、この長波長光の
フィルタによって形成される信号電荷が、感光領域に配
置される他の中波長光（色Ｇ）及び短波長光（色Ｂ）の
フィルタによって形成される信号電荷に先立って最先に
読み出される。

これは、長波長の光信号電荷は、光の漏れ込みや基板
深部で発生したキャリアの拡散が大きく、他の受光セル
への影響が大きいことによる。

第３図乃至第５図は、前記固体撮像素子を電子スチル
カメラに適用した際の駆動タイミングを示しており、こ
れにより、本発明に基づく素子の駆動方法を説明する。

第３図から明らかなように、電子スチルカメラに適用
された際の素子の駆動シーケンスは、待機モード、掃出
しモード、露光／蓄積モード及び読出しモードから構成
される。

前記待機モードは、カメラの電源が投入されず、従っ
て、固体撮像素子も駆動しないで撮影が行われない状態
を示している。

本発明の特長の一つは、撮影者がこの状態でシャッタ
手段を操作することにより初めて素子の駆動が開始され
て撮影が実行されることにある。

すなわち、シャッタボタンが操作されると、この操作
により発せられるトリガ信号により、僅かの時間だけ遅
延して素子は駆動し、掃出しモードが実行される。

掃出しモードは、感光転送領域15及び感光領域下で発
生した暗電荷を一括し、かつ同時に垂直電荷転送部15か
ら水平電荷転送部11に転送して行う。このため、感光領
域14下の色Ｇ及びＢの信号電荷は、第２図に示した第３
の電極20が“L"レベルに設けられると共に、対応する受
光セルの転送電極18,19をそれぞれのタイミングに従っ
て“H"レベルに設けることにより一斉にフィールドシフ
トされ、感光転送領域15に生じた力Ｒの信号電荷と共に
垂直転送され、更に水平転送されて掃き出される。

受光部10の全ての暗電荷の掃き出しが終わると、この
時点に同期してカメラはシャッタが開放し、露光／蓄積
モードに移る。

露光／蓄積モードは、任意に設定された所定期間だけ
シャッタが開くことにより行われ、この間、第２図に示
した転送電極18,19の何れか一方の電極（本実施例では
電極18）と、第３の電極20は電圧が印加された“H"レベ
ルに設けられて電荷の蓄積が行われる。そしてこの間、
電荷転送用のクロック信号φp,φV₁及びφV₂は何れも停
止されて、前記各電極のそれぞれの状態を維持し、電荷
のフィールドシフト及び垂直電送を行わない。

尚、この電荷蓄積時に“L"レベルに設けられる他方電
極（本実施例では電極19）は、垂直方向における転送セ
ル間のポテンシャル障壁として作用するものである。

所定期間の露光が行われてシャッタが閉じると、読出
しモードに移って各色に対応してフィルタ下に発生した
信号電荷を面順次式に読み出す。

第４図は読出しモードにおける読出しタイミングを示
している。

まず、感光転送領域15の転送電極18（φV₁）下に蓄積
された色Ｒの信号電荷が読み出される。その際、第５図
に示すように、電極20（φｐ）は“H"はレベルに維持さ
れており、感光領域下に発生するＧ及びＢの信号電荷は
そのまま蓄積状態に置かれている。転送電18下の転送セ
ルに蓄積された色Ｒの信号電荷は、転送電極18,19が交
互に駆動（φV₁〜φV₂）して下方向に１行毎に転送さ
れ、水平CCDに送られる。

水平CCDは二相駆動（φH₁〜φH₂）して電荷を水平方
向に高速転送し、出力アンプ12に供給する。出力アンプ
12は読出しタイミング（φｓ）に従って１行分の信号電
荷を順次読み出す。そして、感光転送領域15の各転送セ
ルに発生した色Ｒの信号電荷は、前記動作の繰り返しに
よって1/60秒間に全て読み出され、フレームメモリ等の
記憶手段に記録される。

次に、感光領域14の色Ｇに対応した受光セルの信号電
荷が読み出される。すなわち、第５図に示す通り、電極
20（φｐ）が“L"レベルに設けられると共に、この受光
セルに対応した電送電極18（φV₁）が“H"レベルに設け
られると、色Ｇの信号電荷は感光領域14から感光転送領
域15にフィールドシフトされる。フィールドシフトされ
た色Ｇの信号電荷は、Ｒ信号の場合と同様、転送電極1
8,19により垂直転送され、水平CCDを介して出力アンプ1
2に供給されて読み出される。そして、1/60秒間に一画
面分の全ての色Ｇの信号電荷は読み出され、同様に記憶
手段に記録される。

色Ｇの信号電荷の読み出しが終了すると、最後に感光
領域の色Ｂに対応した受光セルの信号電荷が読み出され
る。すなわち、第５図において、電極20（φｐ）が“L"
レベルに設けられると共に、色Ｂのフィルタに対応した
受光セル上の転送電極19（φV₂）が“H"レベルに設けら
れることにより、色Ｂの信号電荷はフィールドシフトさ
れる。フィールドシフトされた色Ｂの信号電荷は、先の
色Ｒ及びＧの信号電荷と同様に転送電極18,19により垂
直転送され、更に、水平CCDを介して1/60秒間に一画面
分の画像として全て読み出される。

以上のようにして面順次式に読み出され、かつ記憶手
段に記録された色Ｒ、Ｇ及びＢの各信号電荷は、記憶手
段から取り出す際に３フィールド分の信号電荷が１画面
を構成するように合成して出力される。

尚、既に参照した第５図は、第３図の各モードでの電
極φｐの動作と、垂直並びに水平転送電極の動作タイミ
ングを示している。

尚、前記実施例では、フォトキャパシタタイプのCCD
を示したが、本発明は、PN接合を用いた受光セルを有す
るCCDにも適用できる。

（発明の効果） 以上記載したとおり、本発明の固体撮像素子の駆動方
法によれば、電子スチルカメラに適用されて被写体像を
撮像する場合、シャッタボタンを操作する以前の非撮影
時には駆動されない停止状態に設けられているので、消
費電力の低減化が図れる。

又、本発明を面順次式の出力が得られる固体撮像素子
に適用し、この素子を電子スチルカメラに用いることに
より、解像度及び感度の向上が共に得られる。

又、このような面順次出力の固体撮像素子を用いるこ
とにより、シャッタ操作をトリガ信号として全受光領域
のＲ、Ｇ、Ｂの暗電荷の掃き出しを、１フィールド期間
（1/60秒）で完了できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例による固体撮像素子の構成を
示す概略構成図、第２図は第１図の受光部の構造を表面
より示した要部表面図、第３図乃至第５図は本発明の駆
動方法を説明するタイミング図、第６図は素子の信号読
み出しシーケンスを説明する図である。 10:受光部、11:水平電荷転送部 12:出力アンプ、14:感光領域 15:感光転送領域 18,19:転送電極、20:第３の電極 R:赤フィルタ、G:緑フィルタ B:青フィルタ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも複数個の受光エレメントからな
   る感光領域と、該受光エレメントの垂直１列ごとに付属
   する垂直電荷転送部と、水平電荷転送部とを有し、その
   際垂直電荷転送部は受光エレメントで形成された電荷を
   転送するだけでなく、自身で光電変換も行うことがで
   き、かつ垂直電荷転送部において３原色または補色のう
   ちの１つの色の信号を形成し、受光エレメントにおいて
   残りの２つの色の信号を形成する色フィルタが配置さ
   れ、感光領域及び垂直電荷転送部がシャッタ動作により
   所定期間だけ露光されて形成される各色の信号電荷を面
   順次に出力する固体撮像素子の駆動方法において、シャ
   ッタ操作が行われる以前の待機モードと、シャッタ操作
   により発せられるトリガ信号により初めて素子の駆動が
   開始されて受光エレメント及び垂直電荷転送部で形成さ
   れた全ての電荷を一斉に掃き出す掃出しモードと、該電
   荷の掃き出し完了時点に同期してシャッタを開放しかつ
   電荷転送用クロック信号を停止して電荷蓄積を行う露光
   ／蓄積モードと、シャッタ閉鎖後にまず垂直電荷転送部
   の信号電荷を水平電荷転送部を介して外部に読み出し、
   その後、受光エレメントの１つの色に対応した１画面分
   の信号を、次に他の色に対応した１画面分の信号を、そ
   れぞれ面順次に読み出す読出しモードとを順次実行する
   ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。