JP2006121458A - 電荷転送装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像装置の出力信号に重畳するノイズを低減する。
【解決手段】各ビットに対応付けられた複数の水平転送電極１４−１〜１４−６が設けられ、水平転送電極１４−１〜１４−６に水平クロックパルスを印加することによって情報電荷を水平方向へ転送する水平転送部２ｈと、この水平転送部２ｈから順次転送出力される情報電荷に応じた出力電圧を出力する出力部２ｄと、を備える固体撮像素子２と、水平転送電極１４−１〜１４−６に対して所定のタイミングで水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３を印加するドライバ２００と、出力部２ｄから出力される出力電圧をサンプリングするＡＦＥ２０２と、を備え、ＡＦＥ２０２は、水平転送電極１４−１〜１４−６に印加される水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３が変化する時点を避けて出力電圧をサンプリングすることによって上記課題を解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電荷転送装置及びその制御方法に関する。特に、出力信号に重畳するノイズを低減した電荷転送装置及びその制御方法に関する。

図３は、フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子を含む固体撮像装置の構成図である。フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子２は、撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄを含んで構成される。

ＣＣＤ固体撮像素子２の撮像部２ｉは、外部からの光を受けて、その入射光の強度に応じた量の情報電荷を生成する受光画素を備える。撮像部２ｉには、ドライバ１００から垂直クロックパルスが入力され、この垂直クロックパルスの変化に応じて撮像及び情報電荷の転送が行われる。情報電荷は垂直クロックパルスの印加によって蓄積部２ｓへ高速に転送される。蓄積部２ｓにはドライバ１００から垂直クロックパルス及び出力制御クロックが入力される。蓄積部２ｓでは、垂直クロックパルス及び出力制御クロックが印加されることによって、情報電荷が保持されると共に、水平転送部２ｈへ１行ずつ情報電荷が転送される。水平転送部２ｈにはドライバ１００から水平クロックパルスが入力される。水平転送部２ｈでは、水平クロックパルスを受けて、１画素単位で情報電荷が出力部２ｄへ転送される。出力部２ｄは１画素毎の情報電荷量を電圧値に変換し、その電圧値の変化がＣＣＤ出力とされる。

タイミングジェネレータを含むドライバ１００は、ＣＣＤ固体撮像素子２の各部へ垂直クロックパルス、水平クロックパルス等の制御クロックを出力する。また、アナログ・フロント・エンド回路（ＡＦＥ）１０２は、ＣＣＤ固体撮像素子２からの出力をサンプリングして画像信号として処理を行う。

図４に水平転送部２ｈの一部及び出力部２ｄの断面図を示す。水平転送部２ｈは、蓄積部２ｓの垂直シフトレジスタから出力される情報電荷を受けて転送する水平シフトレジスタを含んで構成される。水平シフトレジスタは、半導体基板６（またはＰウェル）の表面領域に形成されたＮウェル（ＮＷ）をチャネル領域４として、そのチャネル領域４上に絶縁膜を介して水平転送電極１４−１〜１４−６を配置した構成を有する。それぞれ互いに隣接する２つの水平転送電極１４−１，１４−２、水平転送電極１４−３，１４−４及び水平転送電極１４−５，１４−６の組が１つの画素（ビット）に対応し、それぞれの組が１つの垂直シフトレジスタに対応付けて配置される。

情報電荷は、垂直シフトレジスタのポテンシャル井戸を順次転送され、奇数列の垂直シフトレジスタと偶数列の垂直シフトレジスタとの情報電荷が交互に水平シフトレジスタの電極１４−１〜１４−６の下に形成されるポテンシャル井戸に読み出される。そして、転送電極１４−１〜１４−６に印加される水平クロックパルスをそれぞれ独立に制御することによって電荷を再配置した後に、図５のタイミングチャートに示すように、転送電極１４−１と１４−４、転送電極１４−２と１４−５及び転送電極１４−３と１４−６にそれぞれ異なる位相を有する３相の水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３が印加されることによって水平シフトレジスタのポテンシャル井戸が順次左方向に移動され、情報電荷は出力ゲート（ＯＧ）１６の下を経由してフローティングディフュージョン（ＦＤ）１８に転送される。

フローティングディフュージョン１８はＮ^＋拡散層である。時刻ｔ_０において、これに隣接するリセットゲート（ＲＧ）２２に印加されたリセットクロックφ_Ｒをオンすると、フローティングディフュージョン１８に転送された情報電荷がドレイン領域２０へ排出される。時刻ｔ_１において、リセットクロックφ_Ｒをオフに戻すと、フローティングディフュージョン１８の電位は電圧Ｖ_ｒｅｆに設定される。ＡＦＥ１０２は、サンプリング信号Ｓ_ｒｅｆがハイレベルの期間、すなわち、この時刻ｔ_１から所定の待機時間後の所定時間Ｔ_１の期間において電圧Ｖ_ｒｅｆを基準電圧としてサンプリングする。時刻ｔ_２以降において、フローティングディフュージョン１８に水平シフトレジスタから情報電荷を転送すると、その電荷量に応じてフローティングディフュージョン１８の電位が変動する。ＡＦＥ１０２は、サンプリング信号Ｓ_ｏｕｔがハイレベルの期間、すなわち、時刻ｔ_３から所定時間Ｔ_２の期間において、フローティングディフュージョン１８の電位を出力電圧としてサンプリングする。基準電圧と出力電圧との差が画像信号を示す電圧値となる。

特開平１０−２９０００３号公報

しかしながら、上記従来技術のＣＣＤ固体撮像素子では、図５に示すように、ＡＦＥ１０２がフローティングディフュージョン１８の電位をサンプリングする時間Ｔ_２の期間においても、水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ３が変化するので、水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ３の変化するタイミングでは、フローティングディフュージョン１８の電位にノイズが重畳する問題があった。その結果、画像信号を示す電圧値もノイズ重畳の影響を受け、撮像画像の画質が劣化する問題を生じていた。

本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、出力信号に重畳するノイズを低減し、得られる画像の画質を向上した電荷転送装置及びその制御方法に関する。

本発明は、複数の転送電極が設けられ、当該転送電極にクロックパルスを印加することによって情報電荷を転送するシフトレジスタと、前記シフトレジスタから順次転送出力される情報電荷に応じた出力電圧を出力する出力部と、を備えた電荷転送素子と、前記転送電極に対して所定のタイミングでクロックパルスを印加するドライバと、前記出力部から出力される出力電圧をサンプリングするサンプリング回路と、を備える電荷転送装置であって、前記サンプリング回路は、前記転送電極に印加されるクロックパルスが変化する時点を避けて前記出力電圧をサンプリングすることを特徴とする。

ここで、前記ドライバは、前記複数の転送電極に対して、互いに異なる位相を有する多相のクロックパルスであって互いに等位相で変化しないクロックパルスを印加することが好適である。例えば、前記ドライバは、前記複数の転送電極に対して、互いに異なる位相を有する３相のクロックパルスであって、そのうち２相のクロックパルスが互いに略逆位相で変化するクロックパルスを印加する。

また、本発明は、複数の転送電極が設けられ、当該転送電極にクロックパルスを印加することによって情報電荷を転送するシフトレジスタと、前記シフトレジスタから順次転送出力される情報電荷に応じた出力電圧を出力する出力部と、を備えた電荷転送素子を制御する電荷転送装置の制御方法であって、前記転送電極に対して所定のタイミングでクロックパルスを印加し、前記転送電極に印加されるクロックパルスが変化する時点を避けて前記出力電圧をサンプリングすることを特徴とする。

本発明によれば、電荷転送素子から出力される出力信号に重畳するノイズを低減することができる。これにより、撮像画像の画質を向上することができる。

本発明の実施の形態における固体撮像素子及びその制御方法について図を参照して以下に説明する。本実施の形態における固体撮像装置は、図１に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子２、ドライバ２００及びアナログ・フロント・エンド回路（ＡＦＥ）２０２を含んで構成される。本実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子２は、図３及び図４に示した従来のＣＣＤ固体撮像素子２と同様の構成を有するので説明は省略する。

タイミングジェネレータを含むドライバ２００は、ＣＣＤ固体撮像素子２の各部へ垂直クロックパルス、水平クロックパルス、リセットクロック等の制御クロックを出力する。また、ＡＦＥ２０２は、ＣＣＤ固体撮像素子２からの出力をサンプリングして処理を行う。本実施の形態では、ドライバ２００及びＡＦＥ２０２による、情報電荷の水平転送及び出力のサンプリングに特徴を有する。

本実施の形態における固体撮像素子の制御方法は、図２に示すタイミングチャートのように行われる。

情報電荷は、垂直シフトレジスタのポテンシャル井戸を順次転送され、奇数列の垂直シフトレジスタと偶数列の垂直シフトレジスタとの情報電荷が交互に水平シフトレジスタの電極１４−１〜１４−６の下に形成されるポテンシャル井戸に読み出される。そして、転送電極１４−１〜１４−６に印加される水平クロックパルスをそれぞれ独立に制御することによって電荷を再配置した後に、図２のタイミングチャートに示すように、転送電極１４−１と１４−４、転送電極１４−２と１４−５及び転送電極１４−３と１４−６にそれぞれ異なる位相を有する３相の水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３が印加されることによって水平シフトレジスタのポテンシャル井戸が順次左方向に移動され、情報電荷は出力ゲート（ＯＧ）１６の下を経由してフローティングディフュージョン（ＦＤ）１８に転送される。

本実施の形態では、水平クロックパルスφ_Ｈ１とφ_Ｈ３とが逆位相で印加され、その変化の時点を避けてＡＦＥ２０２でのサンプリングが行われる。

時刻ｔ_０より前の時刻では、水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２がローレベル、φ_Ｈ３がハイレベルであり、フローティングディフュージョン１８には水平転送部２ｈから転送された情報電荷が蓄積されている状態であるとする。

時刻ｔ_０では、水平クロックパルスφ_Ｈ２がハイレベルに戻されるリセットゲート（ＲＧ）２２に印加されたリセットクロックφ_Ｒがオンされる。ドレイン領域２０は正の電位に維持されており、フローティングディフュージョン１８に蓄積されていた情報電荷がドレイン領域２０へ排出される。

時刻ｔ_１では、水平クロックパルスφ_Ｈ１がハイレベルとされ、φ_Ｈ３がローレベルとされると共に、リセットクロックφ_Ｒがオフに戻される。フローティングディフュージョン１８に蓄積されていた情報電荷はドレイン領域２０に排出されたので、フローティングディフュージョン１８の電位はフローティングディフュージョン１８が空となったときの電圧Ｖ_ｒｅｆとなる。ＡＦＥ２０２は、サンプリング信号Ｓ_ｒｅｆがハイレベルの期間、すなわち、時刻ｔ_１から所定の待機時間を経た時刻ｔ_２からサンプリングを開始し、所定期間Ｔ_１だけフローティングディフュージョン１８の電位Ｖ_ｒｅｆを基準電圧としてサンプリングする。

ＡＦＥ２０２のサンプリングが終了すると、サンプリングが終了した時点から若干の待機時間を置いた時刻ｔ_３に水平クロックパルスφ_Ｈ２がローレベルとされる。これにより、水平転送部２ｈの水平シフトレジスタのポテンシャル井戸から情報電荷が出力ゲート（ＯＧ）１６の下を経由してフローティングディフュージョン（ＦＤ）１８に送出される。情報電荷の送出に伴って、フローティングディフュージョン１８の電位が情報電荷量に応じた電位に変更される。

その後、時刻ｔ_４では、水平クロックパルスφ_Ｈ１がローレベルとされ、φ_Ｈ３がハイレベルとされる。このとき、水平クロックパルスφ_Ｈ２はローレベルに維持され、フローティングディフュージョン１８の電位も時刻ｔ_３における電位に維持される。

ＡＦＥ２０２は、サンプリング信号Ｓ_ｏｕｔがハイレベルの期間、すなわち、時刻ｔ_４から所定の待機時間を経た時刻ｔ_５からサンプリングを開始し、所定期間Ｔ_２だけフローティングディフュージョン１８の出力電圧Ｖ_ｏｕｔをサンプリングする。ＡＦＥ２０２では、所定期間Ｔ_２にサンプリングした出力電圧と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの差を画像信号として処理する。

このとき、所定期間Ｔ_２は、時刻ｔ_４において水平クロックパルスφ_Ｈ１とφ_Ｈ３とが変更された時刻より後の時点から次に水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３が変更されるより前の時点までに設定することが好適である。すなわち、水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３が変更される時点を避けて、ＡＦＥ２０２によってフローティングディフュージョン１８の電位をサンプリングすることが好適である。

以後、時刻ｔ_０〜ｔ_５の制御を繰り返すことにより、水平転送されてきた情報電荷に応じた画像信号を１画素ずつ順次出力することができる。

また、本実施の形態では、水平クロックパルスφ_Ｈ１とφ_Ｈ３とを完全な逆位相のクロックパルスとしたが、水平クロックパルスφ_Ｈ１とφ_Ｈ３との変化点を完全に一致させる必要はなく、近接するように設定し、水平クロックパルスφ_Ｈ１とφ_Ｈ３とが変化する時点を避けてサンプリングを行っても良い。

以上のように、水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ３とをほぼ同時に変化させ、フローティングディフュージョン１８の電位がサンプリングされる期間Ｔ_２に水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３のいずれもが変化しないように制御することによって、水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ３の変化の影響を受けてフローティングディフュージョン１８の電位のサンプリング値にノイズが重畳することを避けることができる。その結果、画像信号へのノイズ重畳の影響を避けることができ、撮像画像の画質の劣化を防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、３相の水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３を用いた固体撮像素子の制御を例に説明を行ったが、これに限定されるものではなく、さらに多相の水平クロックパルスを用いた場合においても、水平クロックパルスを互いに等位相で変化させず、水平クロックパルスの変化点を近接させ、水平クロックパルスが変化する時点を避けてサンプリングを行うことによって同様の作用・効果を得ることができる。

但し、水平クロックパルスの相数が多くなるにつれて、水平クロックパルスの変化点が増加するので水平クロックパルスの変化点を近接させることが困難となる。従って、３相の水平クロックパルスφ_Ｈ１，φ_Ｈ２，φ_Ｈ３を用いた水平転送に本発明を適用することが好ましい。

本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における固体撮像素子の制御のタイミングチャートを示す図である。 従来の固体撮像装置の構成を示す図である。 ＣＣＤ固体撮像素子の水平転送部及び出力部の構成を示す断面図である。 従来の固体撮像素子の制御のタイミングチャートを示す図である。

符号の説明

２ｉ 撮像部、２ｈ 水平転送部、２ｓ 蓄積部、２ｄ 出力部、４ チャネル領域、６ 半導体基板、１４ 水平転送電極、１８ フローティングディフュージョン、２０ ドレイン領域、１００，２００ ドライバ、１０２，２０２ アナログ・フロント・エンド回路。

Claims (4)

1. 複数の転送電極が設けられ、当該転送電極にクロックパルスを印加することによって情報電荷を転送するシフトレジスタと、
   前記シフトレジスタから順次転送出力される情報電荷に応じた出力電圧を出力する出力部と、を備えた電荷転送素子と、
   前記転送電極に対して所定のタイミングでクロックパルスを印加するドライバと、
   前記出力部から出力される出力電圧をサンプリングするサンプリング回路と、
   を備える電荷転送装置であって、
   前記サンプリング回路は、前記転送電極に印加されるクロックパルスが変化する時点を避けて前記出力電圧をサンプリングすることを特徴とする電荷転送装置。
2. 請求項１に記載の電荷転送装置において、
   前記ドライバは、前記複数の転送電極に対して、互いに異なる位相を有する多相のクロックパルスであって互いに等位相で変化しないクロックパルスを印加することを特徴とする電荷転送装置。
3. 請求項２に記載の電荷転送装置において、
   前記ドライバは、前記複数の転送電極に対して、互いに異なる位相を有する３相のクロックパルスであって、そのうち２相のクロックパルスが互いに略逆位相で変化するクロックパルスを印加することを特徴とする電荷転送装置。
4. 複数の転送電極が設けられ、当該転送電極にクロックパルスを印加することによって情報電荷を転送するシフトレジスタと、
   前記シフトレジスタから順次転送出力される情報電荷に応じた出力電圧を出力する出力部と、を備えた電荷転送素子を制御する電荷転送装置の制御方法であって、
   前記転送電極に対して所定のタイミングでクロックパルスを印加し、
   前記転送電極に印加されるクロックパルスが変化する時点を避けて前記出力電圧をサンプリングすることを特徴とする電荷転送装置の制御方法。

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