JPH09205589A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各画素の飽和電荷量Ｑｓのムラが大きいこと
によって画像に固定パターンノイズが発生していた。 【解決手段】 各受光部１を感度が異なる２つの受光領
域１２ａ，１２ｂに分割し、各受光部１ごとに２つの受
光領域１２ａ，１２ｂの各々から読み出された信号電荷
のうち、隣り合う受光部の同じ感度の受光領域の信号電
荷同士を垂直転送レジスタ２-1〜２-n内で混合して垂直
転送し、かつ感度の異なる受光領域の信号電荷を振り分
け転送ゲート５によって２本の水平転送レジスタ３，４
に振り分けて別々に水平転送するとともに、電荷検出部
６，７で信号電圧に変換して外部の信号処理回路３０に
供給し、この信号処理回路３０において、高感度側の信
号をクリップした後低感度側の信号と加算してビデオ出
力信号とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関
し、特に光入力に対するダイナミックレンジが広いいわ
ゆる広ダイナミックレンジＣＣＤ(Charge Coupled Devi
ce) 固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ固体撮像装置では、マトリクス状
に２次元配置された各画素（受光部）において光電変換
されかつ蓄積された信号電荷が画素から溢れた後は、こ
の信号電荷に基づく信号出力が一定となるため、画素の
飽和レベル以上の入射光量に対応する信号出力が得られ
なく、したがって光入力に対するダイナミックレンジが
狭い。

【０００３】このダイナミックレンジを拡大するため
に、図１８に示すように、感度の異なる２種類の画素、
例えば高感度画素１０１と低感度画素１０２とを垂直方
向にて隣接して交互に配置し、高感度画素１０１の信号
電荷については画素内でリミッタを掛けてから垂直転送
レジスタ１０３に読み出し、当該レジスタ１０３内で高
感度画素１０１の信号電荷と低感度画素１０２の信号電
荷とを混合した後垂直転送し、さらに水平転送レジスタ
１０４にて水平転送して電荷検出部１０５に供給し、こ
こで電気信号に変換した後バッファ１０６を介して出力
するようにした構成の固体撮像装置がある（例えば、特
開平３−１１７２８１号公報参照）。

【０００４】かかるＣＣＤ固体撮像装置においては、入
射光量がある一定量以上になると、高感度画素１０１の
信号電荷にリミッタが掛かるため、この高感度画素１０
１の信号電荷と低感度画素１０２の信号電荷とを混合す
ることで、図１９に示すところの折れ線近似の入出力特
性が得られ、これによって広ダイナミックレンジ化が実
現される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高感度
画素１０１において、各画素ごとにリミッタを掛けるよ
うにした上記構成の従来のＣＣＤ固体撮像装置では、現
実には、画素ごとにオーバーフロー特性がばらつき、各
画素の飽和電荷量Ｑｓのムラが大きいため、図２０に示
すように、折れ線近似の入出力特性にオフセットが生じ
る。したがって、高感度画素１０１が飽和するような入
射光量の場合、各画素の飽和電荷量Ｑｓのムラが大きい
ことによって画像に固定パターンノイズ（固定パターン
のムラ）が発生するという問題があった。

【０００６】そこで、本発明は、各画素の飽和電荷量Ｑ
ｓのムラに起因する固定パターンノイズを発生すること
なく、ダイナミックレンジの拡大を可能とした固体撮像
装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置は、チャネルストップ領域によって少なくとも２分割
されかつ各々独立に開口を持つとともに各々の感度が異
なる複数の受光領域からなり、マトリクス状に２次元配
置された複数個の受光部と、この複数個の受光部の垂直
列ごとに配されかつ各受光部ごとに複数の受光領域の各
々から読み出された信号電荷のうち、隣り合う受光部の
同じ感度の受光領域の信号電荷同士を混合して垂直転送
する複数本の垂直転送レジスタと、この複数本の垂直転
送レジスタによって順に転送される感度の異なる受光領
域の信号電荷を別々に受けて水平転送する複数本の水平
転送レジスタと、この複数本の水平転送レジスタによっ
て転送された信号電荷を検出して電気信号に変換する複
数の電荷検出部と、この複数の電荷検出部の各出力信号
のうち、少なくとも最小感度の受光領域の信号電荷以外
の信号電荷に基づく出力信号をクリップし、このクリッ
プした信号と他の感度の受光領域の信号電荷に基づく出
力信号とを加算して出力する信号処理回路とを備えた構
成となっている。

【０００８】上記構成の固体撮像装置において、各受光
部の複数の受光領域の感度が各々異なることで、同じ入
射光に対して各受光領域で光電変換される電荷量が異な
る。これらの受光部からは、各受光部ごとに複数の受光
領域の各々の信号電荷が垂直転送レジスタに読み出され
る。この読み出された信号電荷のうち、隣り合う受光部
の同じ感度の受光領域の信号電荷同士が垂直転送レジス
タ内で混合された後垂直転送され、さらに複数本の水平
転送レジスタに感度の異なる受光領域に対応して振り分
けられて別々に水平転送され、電荷検出部で電気信号に
変換される。そして、信号処理回路では、電荷検出部の
各出力信号のうち、少なくとも最小感度の受光領域の信
号電荷以外の信号電荷に基づく出力信号がクリップさ
れ、しかる後他の感度の受光領域の信号電荷に基づく出
力信号と加算される。

【０００９】本発明による他の固体撮像装置は、チャネ
ルストップ領域によって少なくとも２分割されかつ各々
独立に開口を持つとともに各々の感度が異なる複数の受
光領域からなり、マトリクス状に２次元配置された複数
個の受光部と、この複数個の受光部の垂直列ごとに配さ
れかつ各受光部ごとに複数の受光領域の各々から読み出
された信号電荷のうち、隣り合う受光部の同じ感度の受
光領域の信号電荷同士を混合して垂直転送する複数本の
垂直転送レジスタと、この複数本の垂直転送レジスタに
よって順に転送される感度の異なる受光領域の信号電荷
を別々に受けて水平転送する複数本の水平転送レジスタ
と、この複数本の水平転送レジスタによって転送された
信号電荷のうち、少なくとも最小感度の受光領域の信号
電荷以外の信号電荷をクリップし、このクリップした信
号電荷と他の感度の受光領域の信号電荷とを混合して出
力する出力部とを備えた構成となっている。

【００１０】上記構成の他の固体撮像装置において、先
の固体撮像装置の場合と同様に、各受光部ごとに複数の
受光領域の各々から読み出された信号電荷のうち、隣り
合う受光部の同じ感度の受光領域の信号電荷同士が垂直
転送レジスタ内で混合された後垂直転送され、さらに複
数本の水平転送レジスタに感度の異なる受光領域に対応
して振り分けられて別々に水平転送される。そして、出
力部では、水平転送された信号電荷のうち、少なくとも
最小感度の受光領域の信号電荷以外の信号電荷がクリッ
プされ、しかる後他の感度の受光領域の信号電荷とを混
合される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の
一実施形態を示す概略構成図である。図１において、入
射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換しかつ
蓄積する複数個の受光部（画素）１がマトリクス状に２
次元配置されている。これらの受光部１は、チャネルス
トップ領域１１によって例えば２分割された２つの受光
領域１２ａ，１２ｂによって構成されている。

【００１２】この２つの受光領域１２ａ，１２ｂには、
図２に示すように、入射光を取り込むための開口１３
ａ，１３ｂが独立に設けられている。開口１３ａ，１３
ｂの各開口面積Ｓａ，Ｓｂは互いに異なり、例えばＳａ
＜Ｓｂとなるように設定されている。これにより、開口
面積の大きい受光領域１２ｂの方が、同じ入射光に対し
て取り込む光量が多くなるため、受光領域１２ｂの方が
受光領域１２ａよりも感度が高くなる。また、高感度側
の受光領域１２ｂの上にのみオンチップレンズ１４を配
することで、感度差はさらに大きなものとなる。

【００１３】なお、本例では、２つの受光領域１２ａ，
１２ｂの感度を異ならせるために、開口１３ａ，１３ｂ
の各開口面積Ｓａ，Ｓｂを異ならせ、さらに感度の高い
方にのみオンチップレンズ１４を配する構成としたが、
開口面積Ｓａ，Ｓｂを異ならせるだけ、あるいは一方に
のみオンチップレンズ１４を配するだけでも、２つの受
光領域１２ａ，１２ｂ間に感度差を持たせることは可能
である。さらに、２つの受光領域１２ａ，１２ｂの上に
色フィルタを配し、各色フィルタの透過率を異ならせた
り、２つの受光領域１２ａ，１２ｂの上の積層膜の膜厚
を変えて透過率を異ならせるなどによっても、２つの受
光領域１２ａ，１２ｂに感度差を持たせることが可能で
ある。

【００１４】上記構成の各受光部１に対し、その垂直列
ごとにｎ本の垂直転送レジスタ２-1〜２-nが配されてい
る。垂直転送レジスタ２-1〜２-nの平面パターンを図３
に、そのＸ‐Ｘ′線断面を図４にそれぞれ示す。図３お
よび図４において、転送チャネル２１に沿ってチャネル
ストップ領域２２が形成されている。また、転送チャネ
ル２１の上方には、ゲート絶縁膜（ＳｉＯ₂ ）２３を介
して第１層，第２層，第３層のポリシリコン(1Poly,2Po
ly,3Poly) からなる転送電極２４，２５，２６が、転送
電極２４→転送電極２６→転送電極２５の順で転送方向
に繰り返して配置されている。

【００１５】上記構成の垂直転送レジスタ２-1〜２-n
は、例えば６相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６によ
って駆動される。この６相の垂直転送クロックφＶ１〜
φＶ６は、１個の受光部１に対応して設けられた３個の
転送電極２４，２６，２５について、垂直転送方向にお
いて隣り合う２画素分を対とし、この６個の転送電極を
１単位として与えられる。

【００１６】すなわち、一方の受光部１に対応する第１
層の転送電極２４には１相目の垂直転送クロックφＶ１
が、第３層の転送電極２６には２相目の垂直転送クロッ
クφＶ２が、第２層の転送電極２５には３相目の垂直転
送クロックφＶ３がそれぞれ印加され、他方の受光部１
に対応する第１層の転送電極２４には４相目の垂直転送
クロックφＶ４が、第３層の転送電極２６には５相目の
垂直転送クロックφＶ５が、第２層の転送電極２５には
６相目の垂直転送クロックφＶ６がそれぞれ印加され
る。この垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６は３値レベル
をとり、これによって３つの転送電極２４，２５，２６
のいずれの電極でも信号電荷を読み出せるようになって
いる。

【００１７】この垂直転送レジスタ２-1〜２-nにおい
て、各受光部１ごとに２つの受光領域１２ａ，１２ｂの
各々から順に読み出された信号電荷のうち、隣り合う受
光部の同じ感度の受光領域の信号電荷同士が混合され
る。このとき、感度の異なる受光領域の各信号電荷は、
垂直転送レジスタ２-1〜２-n内に交互に配置される。そ
して、垂直転送レジスタ２-1〜２-nは、混合した各信号
電荷を水平ブランキング期間の一部において順にシフト
しつつ垂直方向に転送する。この信号電荷の読み出し、
混合および垂直転送の具体的な動作については、後で詳
細に説明する。

【００１８】垂直転送レジスタ２-1〜２-nの転送方向の
前方には、感度の異なる２つの受光領域１２ａ，１２ｂ
に対応して２本の水平転送レジスタ３，４が配されてい
る。この２本の水平転送レジスタ３，４は、２相の水平
転送クロックφＨ１，φＨ２によって駆動され、垂直転
送レジスタ２-1〜２-nから順に転送される感度の異なる
受光領域の１ライン分の信号電荷を別々に受け、水平ブ
ランキング期間の後の水平走査期間において順次水平方
向に転送する。

【００１９】例えば、垂直転送レジスタ２-1〜２-n側の
水平転送レジスタ３は、隣り合う受光部１の低感度の受
光領域１２ａの信号電荷同士を混合して得られる２画素
分の信号電荷を順に転送し、もう一方の水平転送レジス
タ４は、隣り合う受光部１の高感度の受光領域１２ｂの
信号電荷同士を混合して得られる２画素分の信号電荷を
順に転送する。この２本の水平転送レジスタ３，４に対
する信号電荷の振り分けは、両水平転送レジスタ３，４
間に配された振り分け転送ゲート５によって行われる。

【００２０】すなわち、図５に示すように、垂直転送レ
ジスタ２-1〜２-nから一方の水平転送レジスタ３に転送
された信号電荷は、振り分け転送ゲート５によって制御
されるチャネル領域５１を通って他方の水平転送レジス
タ４に移される構造となっている。振り分け転送ゲート
５は、振り分けゲートパルスφＨＨＧによって開閉制御
される。なお、チャネル領域５１の両側にはチャネルス
トップ部５２が形成され、それに対応する水平転送レジ
スタ３から水平転送レジスタ４への電荷転送を阻止して
いる。

【００２１】具体的には、図５において、低感度の受光
領域１２ａについての信号電荷を○印で示し、高感度の
受光領域１２ｂについての信号電荷を●印で示した場
合、信号電荷○は垂直転送レジスタ２-1〜２-nから水平
転送レジスタ３に移されると、そのまま水平転送レジス
タ３において水平転送される。一方、信号電荷●は垂直
転送レジスタ２-1〜２-nから水平転送レジスタ３に移さ
れると、さらに振り分け転送ゲート５によってチャネル
領域５１を介して水平転送レジスタ４に移され、そのま
ま水平転送レジスタ４において水平転送される。

【００２２】水平転送レジスタ３，４の転送先の端部に
はそれぞれ、例えばフローティング・ディフュージョン
・アンプ構成の電荷検出部６，７が設けられている。こ
の電荷検出部６，７は、水平転送レジスタ３，４によっ
て水平転送された信号電荷を検出して信号電圧に変換す
る。この２つの信号電圧は、バッファ８，９を介して信
号出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２として外部へ出力される。な
お、６相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ６、２相の水
平転送クロックφＨ１，φＨ２および振り分けゲートパ
ルスφＨＨＧなどの各種のタイミング信号は、タイミン
グジェネレータ１０で生成される。

【００２３】２つの信号出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２のう
ち、信号出力ＯＵＴ１は低感度の受光領域１２ａの信号
電荷に基づく信号電圧であり、信号出力ＯＵＴ２は高感
度の受光領域１２ｂの信号電荷に基づく信号電圧であ
る。この信号出力ＯＵＴ１，ＯＵＴ２は外部の信号処理
回路３０に供給される。この信号処理回路３０の具体的
な回路構成の一例を図６に示す。

【００２４】図６において、信号出力ＯＵＴ１はサンプ
ルホールド（Ｓ／Ｈ）回路３１でサンプルホールドされ
た後、スライス回路３２において所定のスライスレベル
Ｅ１でスライスされる。このスライス回路３２の出力信
号は、ビデオアンプ３３で増幅されて加算器３４の一方
の入力となる。また、信号出力ＯＵＴ２はサンプルホー
ルド回路３５でサンプルホールドされ、クリップ回路３
６で所定のクリップレベルＥ２にクリップされた後、加
算器３４の他方の入力となる。加算器３４は両入力信号
を加算してビデオ出力信号とする。図７に、入射光量に
対するビデオ出力信号の特性を示す。

【００２５】上述したように、高感度の受光領域１２ｂ
の信号電荷に基づく出力信号を所定のクリップレベルＥ
２にクリップした後、所定のスライスレベルＥ１でスラ
イスされかつビデオアンプ３３で増幅された低感度の受
光領域１２ａの信号電荷に基づく出力信号と加算し、ビ
デオ出力として導出するようにしたことにより、高感度
の受光領域１２ｂの信号電荷に基づく出力信号に対して
共通のクリップレベルＥ２でクリップが掛けられるた
め、画素間の特性バラツキに起因して画像に固定パター
ンのムラが発生するのを抑制できる。

【００２６】なお、画素の配列構成において、各受光部
１を２つに分割し、低感度の受光領域１２ａと高感度の
受光領域１２ｂとを垂直転送方向において交互に配置し
た構成の本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置は、図１
８に示したように、高感度画素１０１と低感度画素１０
２とを垂直転送方向において交互に配置した構成の従来
のＣＣＤ固体撮像装置と概念的には同じである。ところ
が、本実施形態においては、１つの受光部（画素）１を
チャネルストップ領域１１で分割した構成を１つの特長
としている。

【００２７】このように、１つの受光部１をチャネルス
トップ領域１１で分割し、低感度の受光領域１２ａと高
感度の受光領域１２ｂとを垂直転送方向において交互に
配置した構成を採ることにより、画素の微細加工が可能
となる。これにより、ＣＣＤ固体撮像装置の多画素化お
よび小型化が図れる。

【００２８】また、垂直転送方向で隣り合う２画素（受
光部）間において同じ感度を有する受光領域の信号電荷
同士を混合するようにしたことにより、垂直方向の解像
度が半分に低下するものの、従来のフィールド読み出し
およびフレーム読み出しを実現できることになる。

【００２９】以下、２つの受光領域１２ａ，１２ｂから
の信号電荷の読み出し、混合および垂直転送の具体的な
動作につき、フィールド読み出しとフレーム読み出しと
に場合分けして説明する。なお、図３に示す垂直転送レ
ジスタ２-1〜２-nにおいて、６相の垂直転送クロックφ
Ｖ１〜φＶ６は、先述したように３値レベルをとる。す
なわち、高レベル（以下、“Ｈ”レベルと記す）、中間
レベル（以下、“Ｍ”レベルと記す）、低レベル（以
下、“Ｌ”レベルと記す）の３値をとり、これによって
３つの転送電極２４，２５，２６のいずれの電極でも信
号電荷の読み出しが可能な構成となっている。

【００３０】先ず、フィールド読み出しの場合の奇数フ
ィールドの動作について、図８のタイミングチャートを
参照し、図９の動作説明図に基づいて説明する。先ず、
垂直ブランキング期間において、垂直転送クロックφＶ
３，φＶ６が“Ｈ”レベルになると、隣り合う２画素の
各々において第２層の転送電極２５の下のポテンシャル
が深くなるため、高感度の受光領域１２ｂに蓄積された
信号電荷（図中、○印で示し、以下同様とする）が転送
電極２５の下に読み出される（ｔ＝ｔ１）。このとき、
垂直転送クロックφＶ１，φＶ２，φＶ４およびφＶ５
が共に“Ｌ”レベルにある。

【００３１】その後、垂直転送クロックφＶ３，φＶ４
およびφＶ５が順に“Ｍ”レベルを経て“Ｌ”レベルに
遷移する。すなわち、垂直転送クロックφＶ３が“Ｈ”
レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時間後
“Ｌ”レベルに遷移する。次に、垂直転送クロックφＶ
４が垂直転送クロックφＶ３の“Ｍ”レベルの期間内に
“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時
間後“Ｌ”レベルに遷移する。続いて、垂直転送クロッ
クφＶ５が垂直転送クロックφＶ４の“Ｍ”レベルの期
間内に“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに
一定時間後“Ｌ”レベルに遷移する。

【００３２】このように、垂直転送クロックφＶ３，φ
Ｖ４およびφＶ５が順に“Ｍ”レベルを経由して“Ｌ”
レベルに遷移することにより、垂直転送クロックφＶ３
が印加された転送電極２５の下の信号電荷が垂直転送さ
れる。このとき、垂直転送クロックφＶ６が継続して
“Ｍ”レベルにあることから、垂直転送クロックφＶ５
が“Ｍ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移した時点（ｔ＝
ｔ２）で、垂直転送クロックφＶ３が印加された転送電
極２５の下から転送された信号電荷が、垂直転送クロッ
クφＶ６が印加された転送電極２５の下に移され、よっ
て隣り合う２画素間において高感度側の信号電荷同士が
混合される。

【００３３】次に、垂直転送クロックφＶ２およびφＶ
４が“Ｈ”レベルになると、２画素の一方の第３層の転
送電極２６および他方の第１層の転送電極２４の下のポ
テンシャルが深くなるため、低感度の受光領域１２ａに
蓄積された信号電荷（図中、×印で示し、以下同様とす
る）が転送電極２６，２４の下に読み出される（ｔ＝ｔ
３）。このとき、垂直転送クロックφＶ１，φＶ３およ
びφＶ５が共に“Ｌ”レベルにあり、垂直転送クロック
φＶ６が“Ｍ”レベルにある。

【００３４】その後、垂直転送クロックφＶ２およびφ
Ｖ３が順に“Ｍ”レベルを経て“Ｌ”レベルに遷移す
る。すなわち、垂直転送クロックφＶ２が“Ｈ”レベル
から“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時間後“Ｌ”レ
ベルに遷移する。次に、垂直転送クロックφＶ３が垂直
転送クロックφＶ２の“Ｍ”レベルの期間内に“Ｌ”レ
ベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時間後
“Ｌ”レベルに遷移する。

【００３５】このように、垂直転送クロックφＶ２およ
びφＶ３が順に“Ｍ”レベルを経由して“Ｌ”レベルに
遷移することにより、垂直転送クロックφＶ２が印加さ
れた転送電極２６の下の信号電荷が垂直転送される。こ
のとき、垂直転送クロックφＶ４が継続して“Ｍ”レベ
ルにあることから、垂直転送クロックφＶ３が“Ｍ”レ
ベルから“Ｌ”レベルに遷移した時点（ｔ＝ｔ４）で、
垂直転送クロックφＶ２が印加された転送電極２６の下
から転送された信号電荷が、垂直転送クロックφＶ４が
印加された転送電極２４の下に移され、よって隣り合う
２画素間において低感度側の信号電荷同士が混合され
る。

【００３６】この状態では、垂直方向において隣り合う
２画素間で混合された同じ感度の受光領域同士の信号電
荷、即ち高感度側の信号電荷○と低感度側の信号電荷×
とが１ラインごとに交互に配置されることになる。以
降、ラインシフト期間に移行して垂直転送が行われる。
そして、図１において、低感度側の信号電荷×が水平転
送レジスタ３に、高感度側の信号電荷○が水平転送レジ
スタ３および振り分け転送ゲート５を介して水平転送レ
ジスタ４にそれぞれライン単位で移され、その後水平転
送される。

【００３７】続いて、フィールド読み出しの場合の偶数
フィールドの動作について、図１０のタイミングチャー
トを参照し、図１１の動作説明図に基づいて説明する。
垂直ブランキング期間において、垂直転送クロックφＶ
３，φＶ６が“Ｈ”レベルになると、隣り合う２画素の
各々において第２層の転送電極２５の下のポテンシャル
が深くなるため、高感度の受光領域１２ｂに蓄積された
信号電荷が転送電極２５の下に読み出される（ｔ＝ｔ
５）。このとき、垂直転送クロックφＶ１，φＶ２，φ
Ｖ４およびφＶ５が共に“Ｌ”レベルにある。

【００３８】その後、垂直転送クロックφＶ６，φＶ１
およびφＶ２が順に“Ｍ”レベルを経て“Ｌ”レベルに
遷移する。すなわち、垂直転送クロックφＶ６が“Ｈ”
レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時間後
“Ｌ”レベルに遷移する。次に、垂直転送クロックφＶ
１が垂直転送クロックφＶ６の“Ｍ”レベルの期間内に
“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時
間後“Ｌ”レベルに遷移する。続いて、垂直転送クロッ
クφＶ２が垂直転送クロックφＶ１の“Ｍ”レベルの期
間内に“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに
一定時間後“Ｌ”レベルに遷移する。

【００３９】このように、垂直転送クロックφＶ６，φ
Ｖ１およびφＶ２が順に“Ｍ”レベルを経由して“Ｌ”
レベルに遷移することで、垂直転送クロックφＶ６が印
加された転送電極２５の下の信号電荷が垂直転送され
る。このとき、垂直転送クロックφＶ３が継続して
“Ｍ”レベルにあることから、垂直転送クロックφＶ２
が“Ｍ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移した時点（ｔ＝
ｔ６）で、垂直転送クロックφＶ６が印加された転送電
極２５の下から転送された信号電荷が、垂直転送クロッ
クφＶ３が印加された転送電極２５の下に移され、よっ
て奇数フィールドの場合と異なる組み合わせにおいて隣
り合う２画素間で高感度側の信号電荷同士が混合され
る。

【００４０】次に、垂直転送クロックφＶ１およびφＶ
５が“Ｈ”レベルになると、隣り合う２画素の一方の第
１層の転送電極２４および他方の第３層の転送電極２６
の下のポテンシャルが深くなるため、低感度の受光領域
１２ａに蓄積された信号電荷が転送電極２４，２６の下
に読み出される（ｔ＝ｔ７）。このとき、垂直転送クロ
ックφＶ２，φＶ４およびφＶ６が共に“Ｌ”レベルに
あり、垂直転送クロックφＶ３が“Ｍ”レベルにある。

【００４１】その後、垂直転送クロックφＶ５およびφ
Ｖ６が順に“Ｍ”レベルを経て“Ｌ”レベルに遷移す
る。すなわち、垂直転送クロックφＶ５が“Ｈ”レベル
から“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時間後“Ｌ”レ
ベルに遷移する。次に、垂直転送クロックφＶ６が垂直
転送クロックφＶ５の“Ｍ”レベルの期間内に“Ｌ”レ
ベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時間後
“Ｌ”レベルに遷移する。

【００４２】このように、垂直転送クロックφＶ５およ
びφＶ６が順に“Ｍ”レベルを経由して“Ｌ”レベルに
遷移することにより、垂直転送クロックφＶ５が印加さ
れた転送電極２６の下の信号電荷が垂直転送される。こ
のとき、垂直転送クロックφＶ１が継続して“Ｍ”レベ
ルにあることから、垂直転送クロックφＶ６が“Ｍ”レ
ベルから“Ｌ”レベルに遷移した時点（ｔ＝ｔ８）で、
垂直転送クロックφＶ５が印加された転送電極２６の下
から転送された信号電荷が、垂直転送クロックφＶ１が
印加された転送電極２４の下に移され、よって奇数フィ
ールドの場合と異なる組み合わせにおいて隣り合う２画
素間で低感度側の信号電荷同士が混合される。以降、ラ
インシフト期間に移行し、奇数フィールドの場合と同様
にして垂直転送および水平転送が行われる。

【００４３】次に、フレーム読み出しの場合の奇数フィ
ールドの動作について、図１２のタイミングチャートを
参照し、図１３の動作説明図に基づいて説明する。先
ず、垂直ブランキング期間において、垂直転送クロック
φＶ６が“Ｈ”レベルになると、垂直方向において１画
素おきの第２層の転送電極２５の下のポテンシャルが深
くなるため、高感度の受光領域１２ｂに蓄積された信号
電荷が、１画素おきに転送電極２５の下に読み出される
（ｔ＝ｔ１）。このとき、垂直転送クロックφＶ１〜φ
Ｖ５が共に“Ｌ”レベルにある。

【００４４】その後、垂直転送クロックφＶ６，φＶ１
およびφＶ２が順に“Ｍ”レベルを経て“Ｌ”レベルに
遷移する。すなわち、垂直転送クロックφＶ６が“Ｈ”
レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時間後
“Ｌ”レベルに遷移する。次に、垂直転送クロックφＶ
１が垂直転送クロックφＶ６の“Ｍ”レベルの期間内に
“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時
間後“Ｌ”レベルに遷移する。続いて、垂直転送クロッ
クφＶ２が垂直転送クロックφＶ１の“Ｍ”レベルの期
間内に“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに
一定時間後“Ｌ”レベルに遷移する。

【００４５】このように、垂直転送クロックφＶ６，φ
Ｖ１およびφＶ２が順に“Ｍ”レベルを経由して“Ｌ”
レベルに遷移することにより、垂直転送クロックφＶ６
が印加された転送電極２５の下の信号電荷が垂直転送さ
れる。このとき、垂直転送クロックφＶ３が“Ｍ”レベ
ルにあることから、垂直転送クロックφＶ２が“Ｍ”レ
ベルから“Ｌ”レベルに遷移した時点（ｔ＝ｔ２）で、
垂直転送クロックφＶ６が印加された転送電極２５の下
から転送された信号電荷が、垂直転送クロックφＶ３が
印加された転送電極２５の下に移され、ここに蓄積され
る。

【００４６】次に、垂直転送クロックφＶ５が“Ｈ”レ
ベルになると、先に読み出された高感度の受光領域１２
ｂの画素の第３層の転送電極２６の下のポテンシャルが
深くなるため、当該画素の低感度の受光領域１２ａに蓄
積された信号電荷が転送電極２６の下に読み出される
（ｔ＝ｔ３）。このとき、垂直転送クロックφＶ１，φ
Ｖ２およびφＶ４が共に“Ｌ”レベルにあり、垂直転送
クロックφＶ３およびφＶ６が共に“Ｍ”レベルにあ
る。

【００４７】また、垂直転送クロックφＶ５が“Ｍ”レ
ベルになると、垂直転送クロックφＶ５が印加された転
送電極２６の下のポテンシャルおよび垂直転送クロック
φＶ６が印加された転送電極２５の下のポテンシャルが
同レベルとなるため、低感度の受光領域１２ａから読み
出された信号電荷×は、転送電極２６および転送電極２
５の下に蓄えられる。そして、垂直転送クロックφＶ５
が“Ｌ”レベルになると、転送電極２６の下のポテンシ
ャルが浅くなり、低感度の受光領域１２ａの信号電荷×
は転送電極２５の下に蓄えられる（ｔ＝ｔ４）。

【００４８】この状態においては、垂直方向において１
画素おきに読み出された高感度側の信号電荷○と低感度
側の信号電荷×とが１ラインごとに交互に配置されるこ
とになる。以降、ラインシフト期間に移行して垂直転送
が行われる。そして、図１において、低感度側の信号電
荷×が水平転送レジスタ３に、高感度側の信号電荷○が
水平転送レジスタ３および振り分け転送ゲート５を介し
て水平転送レジスタ４にそれぞれライン単位で移され、
その後水平転送される。

【００４９】次に、フレーム読み出しの場合の偶数フィ
ールドの動作について、図１４のタイミングチャートを
参照し、図１５の動作説明図に基づいて説明する。先
ず、垂直ブランキング期間において、垂直転送クロック
φＶ３が“Ｈ”レベルになると、奇数フィールドの場合
と１ラインずれた画素の第２層の転送電極２５の下のポ
テンシャルが深くなるため、高感度の受光領域１２ｂに
蓄積された信号電荷が、１画素おきに転送電極２５の下
に読み出される（ｔ＝ｔ５）。このとき、垂直転送クロ
ックφＶ１，φＶ２，φＶ４，φＶ５及びφＶ６が共に
“Ｌ”レベルにある。

【００５０】その後、垂直転送クロックφＶ３，φＶ４
およびφＶ５が順に“Ｍ”レベルを経て“Ｌ”レベルに
遷移する。すなわち、垂直転送クロックφＶ３が“Ｈ”
レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時間後
“Ｌ”レベルに遷移する。次に、垂直転送クロックφＶ
４が垂直転送クロックφＶ３の“Ｍ”レベルの期間内に
“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに一定時
間後“Ｌ”レベルに遷移する。続いて、垂直転送クロッ
クφＶ５が垂直転送クロックφＶ４の“Ｍ”レベルの期
間内に“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移し、さらに
一定時間後“Ｌ”レベルに遷移する。

【００５１】このように、垂直転送クロックφＶ３，φ
Ｖ４およびφＶ５が順に“Ｍ”レベルを経由して“Ｌ”
レベルに遷移することにより、垂直転送クロックφＶ３
が印加された転送電極２５の下の信号電荷が垂直転送さ
れる。このとき、垂直転送クロックφＶ６が“Ｍ”レベ
ルにあることから、垂直転送クロックφＶ５が“Ｍ”レ
ベルから“Ｌ”レベルに遷移した時点（ｔ＝ｔ６）で、
垂直転送クロックφＶ３が印加された転送電極２５の下
から転送された信号電荷が、垂直転送クロックφＶ６が
印加された転送電極２５の下に移され、ここに蓄積され
る。

【００５２】次に、垂直転送クロックφＶ２が“Ｈ”レ
ベルになると、先に読み出された高感度の受光領域１２
ｂの画素の第３層の転送電極２６の下のポテンシャルが
深くなるため、当該画素の低感度の受光領域１２ａに蓄
積された信号電荷が転送電極２６の下に読み出される
（ｔ＝ｔ７）。このとき、垂直転送クロックφＶ１，φ
Ｖ４およびφＶ５が共に“Ｌ”レベルにあり、垂直転送
クロックφＶ３およびφＶ６が共に“Ｍ”レベルにあ
る。

【００５３】また、垂直転送クロックφＶ２が“Ｍ”レ
ベルになると、垂直転送クロックφＶ２が印加された転
送電極２６の下のポテンシャルおよび垂直転送クロック
φＶ３が印加された転送電極２５の下のポテンシャルが
同レベルとなるため、低感度の受光領域１２ａから読み
出された信号電荷×は、転送電極２６および転送電極２
５の下に蓄えられる。そして、垂直転送クロックφＶ２
が“Ｌ”レベルになると、転送電極２６の下のポテンシ
ャルが浅くなり、低感度の受光領域１２ａの信号電荷×
は転送電極２５の下に蓄えられる（ｔ＝ｔ８）。以降、
ラインシフト期間に移行し、奇数フィールドの場合と同
様にして垂直転送および水平転送が行われる。

【００５４】図１６は、本発明の他の実施形態を示す概
略構成図であり、図中、図１と同等部分には同一符号を
付して示してある。図１６において、マトリクス状に２
次元配置された各受光部１が感度の異なる２つの受光領
域１２ａ，１２ｂからなり、また各受光部１ごとに２つ
の受光領域１２ａ，１２ｂの各々から読み出された信号
電荷のうち、隣り合う受光部の同じ感度の受光領域の信
号同士を垂直転送レジスタ２-1〜２-n内で混合して垂直
転送するとともに、振り分け転送ゲート５によって２本
の水平転送レジスタ３，４に振り分けて別々に水平転送
するまでの構成は、先の実施形態の場合と全く同じであ
る。

【００５５】そして、以下に述べる点で先の実施形態と
異なっている。すなわち、本実施形態においては、高感
度の受光領域１２ｂの信号電荷を水平転送する水平転送
レジスタ７の出力端部の横にリミッタ６１を設けるとと
もに、２本の水平転送レジスタ３，４に対して電荷検出
部６２およびバッファ６３を共通に設けた構成となって
いる。電荷検出部６２は、例えばフローティング・ディ
フュージョン・アンプ構成となっており、水平転送レジ
スタ３によって水平転送された低感度の受光領域１２ａ
の信号電荷と、水平転送レジスタ４によって水平転送さ
れかつリミッタ６１でクリップされた高感度の受光領域
１２ｂの信号電荷とを受け、両信号電荷を混合しかつ信
号電圧に変換して出力する。

【００５６】図１７に、リミッタ６１の具体的な構成の
一例を、図１６のＹ‐Ｙ′線断面にて示す。図１７にお
いて、Ｐ型ウェル領域６４の表面側に形成されたＮ型不
純物層によって水平ＣＣＤチャネル６５が形成され、そ
の上にゲート絶縁膜６６を介して水平転送電極６７が配
されることにより、水平転送レジスタ４の出力端部が構
成されている。この水平転送レジスタ４の出力端部に隣
接して、Ｎ^- 型不純物層からなるオーバーフローバリア
６８とＮ型不純物層からなるドレイン６９が設けられて
おり、このオーバーフローバリア６８およびドレイン６
９によってリミッタ６１が構成されている。ドレイン６
９には、所定の直流電圧Ｅ０が印加されている。

【００５７】上記構成のリミッタ６１において、Ｎ^- 型
不純物層の濃度などによってオーバーフローバリア６８
のポテンシャルの高さが決まり、このポテンシャルの高
さがクリップレベルとなる。そして、水平転送レジスタ
４において、高感度の受光領域１２ｂの信号電荷が順に
転送され、リミッタ６１の横のパケットに蓄積されたと
き、その電荷量がクリップレベルを越えると、その越え
た分の電荷がドレイン６９に捨てられることで、高感度
の受光領域１２ｂの信号電荷に対してリミッタが掛けら
れる。なお、図１７において、水平転送レジスタ４の転
送方向は紙面に対して直角な方向である。

【００５８】上述したように、本実施形態に係るＣＣＤ
固体撮像装置では、各受光部１ごとに２つの受光領域１
２ａ，１２ｂの各々から読み出された信号電荷のうち、
隣り合う受光部の同じ感度の受光領域の信号同士を垂直
転送レジスタ２-1〜２-n内で混合して垂直転送し、かつ
振り分け転送ゲート５によって２本の水平転送レジスタ
３，４に振り分けて別々に水平転送するとともに、高感
度の受光領域１２ｂの信号電荷についてはリミッタ６１
でクリップし、しかる後電荷検出部６２のフローティン
グ・ディフュージョン容量で低感度の受光領域１２ａの
信号電荷と混合するようにしたことにより、高感度の受
光領域１２ｂの各信号電荷に対して共通のリミッタ６１
でリミッタが掛けられるので、画素間の特性バラツキに
起因して画像に固定パターンのムラが発生するのを抑制
できる。

【００５９】なお、本実施形態では、リミッタ６１によ
って水平転送レジスタ７内で高感度の受光領域１２ｂの
信号電荷に対してリミッタを掛ける構成としたが、電荷
検出部６２内で高感度の受光領域１２ｂの信号電荷に対
してリミッタを掛けることも可能である。

【００６０】すなわち、２本の水平転送レジスタ３，４
から電荷検出部６２へ、低感度の受光領域１２ａの信号
電荷と高感度の受光領域１２ｂの信号電荷とを高感度側
を先行させた形で交互に転送するようにする一方、電荷
検出部６２では、フローティング・ディフュージョン容
量をリセットするリセットパルスとして、クランプレベ
ルを含む３値レベルを設定し、そのクランプレベルにて
水平転送レジスタ４から先に転送される高感度側の信号
電荷をクリップし、その後水平転送レジスタ３から転送
される低感度側の信号電荷と混合し、信号電圧に変換し
て出力するようにすれば良い。

【００６１】なお、上記各実施形態においては、各受光
部１を感度が異なる受光領域に２分割した構成の場合に
ついて説明したが、２分割に限定されるものではなく、
感度が異なる３つ以上の受光領域に分割することも可能
である。この場合、水平転送レジスタも各感度に対応し
た信号電荷を別々に転送する必要があることから、受光
領域の分割数に対応した本数だけ必要となる。また、リ
ミッタを掛けるに当たっては、少なくとも最小感度の受
光領域の信号電荷以外の信号電荷、若しくはそれに基づ
く信号に対して行うようにすれば良い。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各受光部を感度が異なる複数の受光領域に分割し、各受
光部ごとに複数の受光領域の各々から読み出された信号
電荷のうち、隣り合う受光部の同じ感度の受光領域の信
号電荷同士を垂直転送レジスタ内で混合して垂直転送
し、かつ感度の異なる受光領域の信号電荷を複数本の水
平転送レジスタで別々に水平転送するとともに、少なく
とも最小感度の受光領域の信号電荷以外の信号電荷、若
しくはそれに基づく信号をクリップし、他の感度の受光
領域の信号電荷、若しくはそれに基づく信号とを混合若
しくは加算して出力するようにしたことにより、高感度
側の各信号電荷若しくはそれに基づく信号に対して共通
のクランプレベルにてクランプが行われるので、各画素
の飽和電荷量Ｑｓのムラに起因する固定パターンノイズ
を発生することなく、ダイナミックレンジを拡大できる
ことになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。

【図２】受光部の構成の一例を示す概略構成図である。

【図３】垂直転送レジスタの構成の一例を示す平面パタ
ーン図である。

【図４】図３のＸ‐Ｘ′線断面図である。

【図５】振り分け転送ゲートの一例を示す概略構成図で
ある。

【図６】信号処理回路の一例を示すブロック図である。

【図７】本実施形態に係る入出力特性図である。

【図８】フィールド読み出しにおける奇数フィールドの
タイミングチャートである。

【図９】フィールド読み出しにおける奇数フィールドの
動作説明図である。

【図１０】フィールド読み出しにおける偶数フィールド
のタイミングチャートである。

【図１１】フィールド読み出しにおける偶数フィールド
の動作説明図である。

【図１２】フレーム読み出しにおける奇数フィールドの
タイミングチャートである。

【図１３】フレーム読み出しにおける奇数フィールドの
動作説明図である。

【図１４】フレーム読み出しにおける偶数フィールドの
タイミングチャートである。

【図１５】フレーム読み出しにおける偶数フィールドの
動作説明図である。

【図１６】本発明の他の実施形態を示す概略構成図であ
る。

【図１７】リミッタの構成の一例を示す断面図（図１６
のＹ‐Ｙ′線断面図）である。

【図１８】従来例を示す概略構成図である。

【図１９】折れ線近似の入出力特性図である。

【図２０】オフセットが生じたときの入出力特性図であ
る。

【符号の説明】

１ 受光部（画素） ２-1〜２-n 垂直転送レジスタ ３，４ 水平転送レジスタ ５ 振り分け転送ゲート ６，７ 電荷検出部 １０ タイミングジェネレータ １１ チャネルストップ領域 １２ａ 低感度の受光
領域 １２ｂ 高感度の受光領域 ２１ 転送チャネル ２４，２５，２６ 転送電極 ３０ 信号処理回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャネルストップ領域によって少なくと
   も２分割されかつ各々独立に開口を持つとともに各々の
   感度が異なる複数の受光領域からなり、マトリクス状に
   ２次元配置された複数個の受光部と、 前記複数個の受光部の垂直列ごとに配されかつ各受光部
   ごとに前記複数の受光領域の各々から読み出された信号
   電荷のうち、隣り合う受光部の同じ感度の受光領域の信
   号電荷同士を混合して垂直転送する複数本の垂直転送レ
   ジスタと、 前記複数本の垂直転送レジスタによって順に転送される
   感度の異なる受光領域の信号電荷を別々に受けて水平転
   送する複数本の水平転送レジスタと、 前記複数本の水平転送レジスタによって転送された信号
   電荷を検出して電気信号に変換する複数の電荷検出部
   と、 前記複数の電荷検出部の各出力信号のうち、少なくとも
   最小感度の受光領域の信号電荷以外の信号電荷に基づく
   出力信号をクリップし、このクリップした信号と他の感
   度の受光領域の信号電荷に基づく出力信号とを加算して
   出力する信号処理回路とを備えたことを特徴とする固体
   撮像装置。
2. 【請求項２】 チャネルストップ領域によって少なくと
   も２分割されかつ各々独立に開口を持つとともに各々の
   感度が異なる複数の受光領域からなり、マトリクス状に
   ２次元配置された複数個の受光部と、 前記複数個の受光部の垂直列ごとに配されかつ各受光部
   ごとに前記複数の受光領域の各々から読み出された信号
   電荷のうち、隣り合う受光部の同じ感度の受光領域の信
   号電荷同士を混合して垂直転送する複数本の垂直転送レ
   ジスタと、 前記複数本の垂直転送レジスタによって順に転送される
   感度の異なる受光領域の信号電荷を別々に受けて水平転
   送する複数本の水平転送レジスタと、 前記複数本の水平転送レジスタによって転送された信号
   電荷のうち、少なくとも最小感度の受光領域の信号電荷
   以外の信号電荷をクリップし、このクリップした信号電
   荷と他の感度の受光領域の信号電荷とを混合して出力す
   る出力部とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記出力部は、前記複数本の水平転送レ
   ジスタによって転送された信号電荷のうち、少なくとも
   最小感度の受光領域の信号電荷以外の信号電荷をクリッ
   プする単一のリミッタと、前記リミッタでクリップされ
   た信号電荷と他の感度の受光領域の信号電荷とを混合
   し、これを電気信号に変換する単一の電荷検出部とから
   なることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。