JPS606148B2 - Solid-state imaging method - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電荷転送素子を用いた固体撮像方式に係り、特
に多画素化による高解像度の画像を得るための撮像方式
に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a solid-state imaging system using a charge transfer device, and particularly to an imaging system for obtaining high-resolution images by increasing the number of pixels.

最近ファクシミリ等を中心とした画像エレクトロニクス
の分野においては高解像度の画質が要求されるようにな
ってきた。Recently, high-resolution image quality has been required in the field of image electronics, mainly for facsimiles and the like.

当初１柵当り４本の解像度から同１０本、さらにはそれ
以上が要求されるようになっておりセンサー部では従来
の５協奏子の画素数から１７２８あるいは２００項素子
以上の画素数の要求まで出ている。これらの多画素化に
よる高解像度化は例えばＣＣＤなどの電荷転送素子を用
いたセンサにおいては従来の画素の構造とするとＣＣＤ
を機成する半導体チップの長さ又は面積が増加すること
を意味する。The initial resolution of 4 lines per fence has increased to 10 lines and even more, and the sensor section has gone from the conventional 5-concert pixel count to 1728 or 200 elements or more. It's out. For example, in a sensor using a charge transfer element such as a CCD, high resolution due to the increase in the number of pixels is achieved by using a conventional pixel structure.
This means that the length or area of the semiconductor chip that makes it up increases.

これは、製造上からは歩留りの低下となり大きなチップ
を用いることは問題である。一方、チップの形状を同一
として画素の構造を縮少する方向があるが、上述の素子
数では瓜１製造工程での最小寸法が２一肌又は１仏の以
下となり現用の技術では追いつかず技術全般の向上を待
たなくては出釆ないという時間的な問題があり、さらに
製造工程での歩留まりの予測もつけられずに実用化は仲
々難かしい。以上の問題点を第１図乃至第３図を用いて
更に詳しく述べる。From a manufacturing standpoint, this is problematic because it reduces the yield and uses large chips. On the other hand, there is a direction to reduce the pixel structure by keeping the chip shape the same, but with the above-mentioned number of elements, the minimum size in the 1-melon manufacturing process is less than 21 skins or 1 Buddha, and current technology cannot keep up. There is a time issue in that it cannot be produced until general improvements are made, and furthermore, it is difficult to predict the yield rate in the manufacturing process, making it difficult to put it into practical use. The above problems will be described in more detail using FIGS. 1 to 3.

第１図はフレ−ム・トランスフア方式として知られるＣ
ＣＤの概略構成図である。Figure 1 shows C, which is known as the frame transfer method.
It is a schematic block diagram of CD.

被写体はしンズを通してイメージ部１１に結像され１／
６の皆間の蓄積時間の後に蓄積部１２へ高速にて短時間
に転送される。次の１′６の砂間にイメージ部１ １で
は蓄積が行なわれている間蓄積部１２では一行ずつ読み
出しレジスタ１３へ転送が行なわれ水平方向への転送に
より、アンプ１４を通して外部へ映像信号として読み出
される。第２図は第１図のイメージ部を転送方向に割っ
てみた場合でＰ形Ｓｉ基板２１とＳｉ０２層２２上にポ
リＳｉの２層電極が形成される。The subject is imaged on the image section 11 through the lens and 1/
After the storage time of 6, the data is transferred to the storage unit 12 at high speed in a short time. While storage is being carried out in the image section 11 in the next 1'6 space, the storage section 12 transfers line by line to the readout register 13, and by horizontal transfer, it passes through the amplifier 14 to the outside as a video signal. Read out. FIG. 2 shows the image part of FIG. 1 divided in the transfer direction, and a two-layer poly-Si electrode is formed on the P-type Si substrate 21 and the Si02 layer 22.

ここで、０１〜Ｊ４は４相駆動のクロックに対応する電
極を示す。図ではぐ．◇２に正の電圧を与え、０３，？
４はＯＶあるいは負の電圧を与えてポテンシャル井戸２
３を形成した状態を示す。以下の説明図ではポテンシャ
ル井戸を実線にて示す。第１図と第２図の関連を第３図
で説明する。Here, 01 to J4 indicate electrodes corresponding to four-phase drive clocks. In the diagram. ◇Apply a positive voltage to 2, 03,?
4 is potential well 2 by applying OV or negative voltage.
3 is shown. In the following explanatory diagrams, potential wells are shown by solid lines. The relationship between FIG. 1 and FIG. 2 will be explained with reference to FIG.

◇，，０２下にポテンシャル井戸を形成して被写体像の
蓄積を行なうのがＡフィールドであり、図中の斜線部は
蓄積された電荷を示す。１／６の砂の蓄積の後転送し、
次に◇３，？４下にポテンシャル井戸を形成するのが８
７ィールドである。The A field is where a potential well is formed under ◇,,02 to accumulate a subject image, and the shaded area in the figure shows the accumulated charges. Transfer after 1/6 sand accumulation,
Next ◇3,? 8 forms a potential well below 4.
7 fields.

標準のテレビ画像においては、第１図のイメージ部１１
の垂直方向には４電極１セルからなる画素を通常２５６
ケ配し２電極毎に用いて２フィールドからなる１フレー
ムを形成し実効的に第３図の下面に示す如く両者を合わ
せて５１２ケの画素を得ている。この５１２ケの画素は
走査線の５１２＆こ対応している。各画素は面積ないし
有効領域が等しい。この方式にて１０２く又は２０４損
素子とするためには「電極を極めて小さくするか又は電
極はそのままでチップの長さを大きくするしかない。前
者は前述したように２山肌ないしｌｒ肌の最４・寸法が
必要となり製造が難しい。後者はチップ面積が大きくな
ることでＳｉ基板の欠陥を含む率が多くなり歩蟹りの低
下を起こす。上記の欠点を除去する方法として現用の固
体糠像装置を用いて撮像方式に工夫をこらす方法がある
。In a standard television image, the image area 11 in FIG.
Normally, there are 256 pixels each consisting of 4 electrodes and 1 cell in the vertical direction.
Each two electrodes are used to form one frame consisting of two fields, and in effect, as shown on the bottom of FIG. 3, 512 pixels are obtained in total. These 512 pixels correspond to 512&co of scanning lines. Each pixel has the same area or effective area. In order to make a 102 or 204 loss element using this method, the only option is to make the electrode extremely small, or leave the electrode as it is but increase the length of the chip. 4.Difficult to manufacture due to the required dimensions.The latter increases the chip area and increases the number of defects in the Si substrate, causing a decrease in performance.Currently used solid bran imaging is a method to eliminate the above drawbacks. There is a method of using a device to improve the imaging method.

例えば、第４図は二次元のイメージセンサを一次元に並
べかえて高解像度化したもので概念図を示す。同図ａに
示したように例えば３行（１、０、ｍ）、６列（１、２
、３、４〜５、６）の画素からなる二次元センサがある
と、斜線で示したようなシャッターを設けて画素の一部
に光学像を結像させ、矢印の方向に被写体と相対運動を
させる。１、Ｄ、ｍの各行からの信号をメモリー装置に
て並べ換えて最終的に同図ｂで示すような多画素に対応
させる。For example, FIG. 4 shows a conceptual diagram of two-dimensional image sensors arranged one-dimensionally to increase resolution. As shown in figure a, for example, 3 rows (1, 0, m), 6 columns (1, 2
, 3, 4 - 5, 6) If there is a two-dimensional sensor consisting of pixels, a shutter as shown by diagonal lines is provided to form an optical image on a part of the pixel, and the relative movement to the subject is detected in the direction of the arrow. make them do The signals from rows 1, D, and m are rearranged in a memory device to finally correspond to a multipixel as shown in b in the same figure.

図の例では水平方向に６ビットしかなかった画素が二次
元から一次元への交換により３×６＝１８のビットに多
画素化された事になる。このような方法で実験的には２
８５０ビットの多画素が得られている。しかしながら第
４図の方法は多画素に極めて有用であるが一次元の画像
を得るのに二次元の素子を用いる必要がある他同図ａの
斜線を施したような光学的なマスクを用意して、この上
に被写体像を結像した後リレーレンズを用いてＣＣＤに
結像させるという光学系が必要になる。In the example shown in the figure, a pixel that had only 6 bits in the horizontal direction has been increased to 3×6=18 bits by exchanging from two dimensions to one dimension. In this way, experimentally 2
A multipixel of 850 bits is obtained. However, although the method shown in Figure 4 is extremely useful for multi-pixel applications, it requires the use of two-dimensional elements to obtain a one-dimensional image, and it also requires the preparation of an optical mask like the one shown with diagonal lines in Figure 4a. Therefore, an optical system is required that forms a subject image on this and then uses a relay lens to form the image on the CCD.

本発明は上記の欠点を無くした多画素化による高解像度
、高信頼性の撮像方式を提供することを目的とする。本
発明は従来使用されたＣＣＤを用いて多画素化を行なう
撮像方式であり、前述の欠点をすべて除去できる。It is an object of the present invention to provide a high-resolution, high-reliability imaging system by increasing the number of pixels that eliminates the above-mentioned drawbacks. The present invention is an imaging system that uses a conventionally used CCD to increase the number of pixels, and can eliminate all of the above-mentioned drawbacks.

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第５図は本発明の概念を説明するための図である。従来
、２電極を単位として用いていたのに代わり各電極を単
位として画素を構成する。FIG. 5 is a diagram for explaining the concept of the present invention. Instead of conventionally using two electrodes as a unit, each electrode is used as a unit to form a pixel.

従って、第１フィールド‘こおいてはめ，電極下に、第
２フィールドにはぐ２電極下に、第３フィールドにはぐ
３電極下に、第４フィールドではぐ４電極下に各々ポテ
ンシャル井戸を形成して被写体像の電荷蓄積を行なう。
第６図に示す如く、各フィールドでは適当時間の蓄積後
にイメージ部１１から蓄積部１２へ移し、さらに読み出
しレジスタ母３を通して、アンプ１４から外部へ出すが
、外部へメモリー３１を用意しておき、第５図の下部に
あるような実効画素となるように配置する。Therefore, potential wells are formed in the first field, under the electrode, in the second field, under the second electrode, in the third field, under the third electrode, and in the fourth field, under the fourth electrode. charge accumulation of the subject image.
As shown in FIG. 6, each field is stored for an appropriate period of time and then transferred from the image section 11 to the storage section 12, and then sent out from the amplifier 14 through the read register mother 3. However, an external memory 31 is prepared. The pixels are arranged so as to form effective pixels as shown in the lower part of FIG.

この４フィールド．１フレ−ムの方法によると、従釆の
画素数が２倍に増加しイメージ部については垂直方向に
て簡単に１０２■画素の多画素化が達成される。ただし
、第５図下部に示した実効画素に見られるように重量Ｓ
ｉ電極の構造により通常は電極毎に感光領域又は電極の
有効領域に差があり、読み出しのクロツクパルスを各フ
ィールド共、同一のパルス幅として読み出しでいると同
一の光信号でも画素毎に信号が異なり、フリッカなどの
偽信号となりやすい。These 4 fields. According to the one-frame method, the number of subordinate pixels is doubled, and the image portion can easily achieve a multipixel count of 102 pixels in the vertical direction. However, as seen in the effective pixel shown at the bottom of Figure 5, the weight S
Depending on the structure of the i-electrode, there is usually a difference in the photosensitive area or effective area of each electrode, and if the readout clock pulse is set to the same pulse width for each field, the signal will differ from pixel to pixel even if the same optical signal is used. , easy to generate false signals such as flicker.

この欠点は、クロツクパルスをそのま）とする場合には
、例えば蓄積時間を第１と第３フィールドについては第
２と第４フィールドより長くとる事で蓄積電荷量を増や
すことにより簡単に修正することが出来る。This drawback can be easily corrected by increasing the amount of accumulated charge, for example by making the accumulation time longer for the first and third fields than for the second and fourth fields, if the clock pulse is left unchanged. I can do it.

本発明の撮像方式の他の例を第８図に示す。Another example of the imaging method of the present invention is shown in FIG.

第２図と同じく転送方向でＣＣＤを見た例である。イメ
ージ部１１と蓄積部１２および読み出しレジスター３か
らなるＣＣＤであるが、通常イメージ部と蓄積部はほゞ
同じ形状に構成されていることが多い。従って、従来、
半分のイメージ部に被写体像を結像していたのを、蓄積
部まで用いて結像する。蓄積期間においては第５図に示
したように、最初に◇，電極下での第１フィールドの蓄
積を行なうが、その後適当なシャツ夕４１により被写体
からの光を遮断し、この期間に読み出しレジス外こより
全面の一行毎の読み出しを行なう。シャツ夕がないと転
送が１行ずっとゆっくりしているのでその間に被写体像
が重なり画像がぶれたりぼけたりする。前記動作を４回
行なって１枚の画像信号を得る。シャツ夕の他に液晶に
よるシャツ夕を使っても良い。後者のシャツ夕では電子
的に制御できる点で利点が多い。この方式によるとさら
に画素数は倍となり、例えば一２０４知画素が達成され
る。以上述べたように、通常の標準テレビ方式の２フィ
ールド・１フレーム方式にとらわれずメモリーを用いて
４フィールド・１フレーム方式にて多画像化が可能とな
り、かつ解像度の優れた画像信号を得ることが出来る。This is an example in which the CCD is viewed in the transfer direction as in FIG. 2. The CCD consists of an image section 11, a storage section 12, and a readout register 3, and the image section and the storage section are usually constructed in almost the same shape. Therefore, conventionally,
The image of the subject is formed using the storage section instead of the half image section. During the accumulation period, as shown in FIG. 5, the first field is first accumulated under the electrode ◇, but after that, the light from the subject is blocked by an appropriate shield 41, and the readout register is closed during this period. The entire surface is read line by line from the outside. If there is no shirt, the transfer will be slow for one line, and the image of the subject will overlap during that time, resulting in blurred or blurred images. The above operation is performed four times to obtain one image signal. In addition to the shirt display, a shirt display using a liquid crystal display may be used. The latter type of shirt has many advantages in that it can be controlled electronically. According to this method, the number of pixels is further doubled, for example, to achieve 1204 pixels. As mentioned above, it is possible to use memory to create multiple images in a 4-field/1-frame format, instead of being limited to the 2-field/1-frame format of the standard television format, and to obtain an image signal with excellent resolution. I can do it.

本発明は上述したように２層ポリＳｉ電極を用いたＣＣ
Ｄであって、フレーム・トランスフア方式に極めて有効
な方法であるが、電極としてはポリＳｉに限らず透明電
極あるいはこれらの組み合わせであっても良い。また電
極側からの被写体像の結像のみならず、シリコン基板が
薄い場合には電極側からとせず、シリコン基板側から照
射しても良い。なお、実施例ではぐ，からめ４と順を追
って撮像したが、その逆でも良く又順序を適当に入れか
えても良い。本発明は二次元ＣＣＤを本来の二次元とし
て用いるものであり、第４図のような二次元を一次元に
逆に次元を落して使うものではなく、面単位で撮像する
ことが出釆る。As described above, the present invention is a CC using a two-layer poly-Si electrode.
D is an extremely effective method for the frame transfer method, but the electrode is not limited to poly-Si, but may also be a transparent electrode or a combination thereof. In addition to forming the object image from the electrode side, if the silicon substrate is thin, irradiation may be performed not from the electrode side but from the silicon substrate side. In the embodiment, the images were taken in the order of ``Gu'' and ``Karame 4'', but the order may be reversed or the order may be changed appropriately. The present invention uses a two-dimensional CCD as an original two-dimensional device, and it is not used by lowering the dimension from two-dimensional to one-dimensional as shown in Fig. 4, but it is possible to image in units of surfaces. .

したがって、ファクシミリのように少々時間がかかって
も、Ａ４原稿等を４フィールド・１フレームにて二次元
読み取りするには極めて有用な方法と装置となる。Therefore, even if it takes a little time like facsimile, it is an extremely useful method and apparatus for two-dimensionally reading an A4 document or the like in 4 fields/1 frame.

なお、第１フィールドの信号をそのま）例えば感熱記録
ヘッドの対応する電極へ導いて印字し、次々に第２フィ
ールドから第４フィールドまで同様に印字して埋め込む
方法を用いればメモリーで並べる操作は必要としない。Note that if you use a method in which the signal of the first field is directly guided (for example) to the corresponding electrode of a thermal recording head and printed, and the second to fourth fields are printed and embedded in the same way, the operation of arranging them in memory is easy. do not need.

なお、上記実施例では二次元撮像について説明したが、
一次元素子による撮像にも応用できる事は明らかである
。また、基板はＳｉ結晶に限らずＧａ偽や１鷹ｂ等光電
変換可能で電荷転送出来るものならいずれでも良いこと
は勿論である。In addition, although two-dimensional imaging was explained in the above embodiment,
It is clear that this method can also be applied to imaging using primary elements. Further, the substrate is not limited to Si crystal, and of course, any material that can perform photoelectric conversion and charge transfer, such as Ga crystal or 1Takab crystal, may be used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図はフレーム・トランスフア方式の従来の固体撮像
装置の概略構成図「第２図は転送電極と通常の標準テレ
ビ方式におけるポテンシャル井戸の形成も示した図、第
３図は通常の標準テレビ方式におけるＡ、Ｂ２フィール
ドの動作例と実効画素の関係を示す図、第４図は二次元
撮像素子を実効的に一次元にて使用することにより多画
素化を行なう従来例を説明する図、第５図は本発明によ
る４フィールド１フレーム方式の説明図、第６図は本発
明の撮像方法にて映像信号を処理するメモリーを用いる
例を示した図「第７図は本発明の濠像方式に合った転送
電極の有効領域が等しい固体撮像装置の断面図と方式を
説明した図。 第８図はフレームトランスフア方式にて光学シャツ夕を
併用してイメージ部と蓄積部まで画素として用いた例を
示す図である。１１…・・・イメージ部、１２……蓄積
部、１３・・・…読み出しレジスタ、１４……アンプ、
２１……Ｐ形Ｓｉ基板、２２・…・・Ｓｊ０２層、２３
……ポテンシャル井戸、３１・・・・・・メモリ、４１
・・・・・０シャツ夕。 第１図第２図 第３図 第６図 第４図 第５図 第７図 第８図Figure 1 is a schematic diagram of a conventional solid-state imaging device using the frame transfer method. A diagram showing an example of the operation of fields A and B2 in the method and the relationship between effective pixels; FIG. 4 is a diagram illustrating a conventional example of increasing the number of pixels by effectively using a two-dimensional image sensor in one dimension; FIG. 5 is an explanatory diagram of the 4-field 1-frame system according to the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing an example of using a memory for processing video signals in the imaging method of the present invention. A diagram explaining the cross-sectional view and method of a solid-state imaging device in which the effective areas of the transfer electrodes are equal according to the method. Figure 8 shows a frame transfer method in which both the image section and the storage section are used as pixels using an optical filter. 11...image section, 12...accumulation section, 13...read register, 14...amplifier,
21...P-type Si substrate, 22...Sj02 layer, 23
...Potential well, 31...Memory, 41
...0 shirt evening. Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 6 Figure 4 Figure 5 Figure 7 Figure 8

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １ 二層の転送電極からなる４相駆動のフレームトラン
スフア方式の固体撮像素子を用いた撮像方式において、
１フイールド毎に特定の１電極下にポテンシヤル井戸を
形成して撮像及びその信号の読み出しを行ない、この操
作を繰り返すことによって４フイールド・１フレームの
画像を形成すると共に前記転送電極の有効領域の差に応
じて信号蓄積時間を制御するようにしたことを特徴とす
る固体撮像方式。1. In an imaging method using a four-phase drive frame transfer type solid-state imaging device consisting of two layers of transfer electrodes,
A potential well is formed under a specific electrode for each field to perform imaging and read out the signals, and by repeating this operation, images of 4 fields/1 frame are formed and the difference in the effective area of the transfer electrodes is A solid-state imaging system characterized in that signal accumulation time is controlled according to.