(57)【要約】【課題】ＦＰＮを増大させることなくＭＴＦ劣化を抑制し、かつ垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避したＴＤＩ方式リニアイメージセンサ及びその駆動方法を提供する。【解決手段】画素１を２次元アレイ状に配列し構成した光電変換部１１１と、水平転送部１１２との間に電荷転送部１１５を設け、また、光電変換部を水平転送方向に複数の画素ブロックに分割し、水平転送部には、光電変換部の画素ブロックから電荷転送部を介して画素信号電荷が供給される接続転送部１１２ａと、画素信号電荷が供給されない非接続転送部１１２ｂとを水平転送方向において交互に配置する。ここで非接続転送部は、一つの撮像周期内に画素信号電荷が存在しない画素ブランキング期間を生成する。【選択図】図１
2014158161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素を形成し垂直転送方向へ時間遅延積分動作にて画素信号電荷を転送する複数の光電変換部と、この光電変換部が送出する画素信号電荷を水平転送方向へ転送する水平転送部とを備えたＴＤＩ方式のリニアイメージセンサであって、
上記光電変換部と上記水平転送部との間に設けられ、光電変換部から水平転送部へ画素信号電荷の転送を行う電荷転送部をさらに備え、
上記光電変換部及び上記電荷転送部は、水平転送方向においてＮ個のブロックに分割され、ここでＮは２以上の正の整数であり、
上記水平転送部は、上記電荷蓄積部におけるブロックが接続される接続転送部と、上記電荷転送部において隣接する２つのブロックに対してどちらのブロックとも接続しない非接続転送部とを有し、水平転送方向において上記非接続転送部と上記接続転送部とを交互に配置し、水平転送方向への画素信号電荷の転送を一時停止することなく連続して行い、ここで上記非接続転送部は、隣接ブロック間に対応して配置され、一つの撮像周期内に上記画素信号電荷が存在しない画素ブランキング期間を生成する、
ことを特徴とするＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項２】
上記光電変換部における時間遅延積分動作は、Ｍ相の垂直転送クロック信号で駆動され、
上記光電変換部及び上記電荷転送部におけるブロック数Ｎは、上記Ｍ以上であり、ここでＭは２以上の正の整数である、
請求項１に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項３】
上記電荷転送部は、上記光電変換部において分割された各ブロックに対応して設けられ各ブロックが接続されるＮ個の斜め読み出し部と、各斜め読み出し部に対応して設けられ斜め読み出し部を経由した上記信号電荷を上記水平転送部へ送出するＮ個の電荷蓄積部とを有する、請求項１又は２に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載するＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法において、
上記リニアイメージセンサに備わる光電変換部において時間遅延積分動作にて生成された画素信号電荷を、光電変換部から電荷転送部を介して水平転送部へ転送し、
上記水平転送部を連続駆動して、上記光電変換部及び上記電荷転送部における分割されたブロックが送出する画素信号電荷間に画素信号を含まない画素ブランキング期間を形成した出力信号を上記水平転送部から送出する、
ことを特徴とするＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法。
【請求項５】
上記光電変換部が時間遅延積分動作を行うためこの光電変換部へ供給される垂直転送クロック信号において、この垂直転送クロック信号の電圧レベルが変化するタイミングを、上記画素ブランキング期間内に一致させる、請求項４に記載のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リモートセンシング等の分野で用いられるリニアイメージセンサ及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、この光検出器からの信号電荷の読出回路及び出力アンプを同じ基板上に備えたイメージセンサが多数開発されている。また、例えば人工衛星から地表を撮像する等の、対象を遠隔から測定する手段であるリモートセンシングでは、光検出器を１次元アレイ状に配置したリニアイメージセンサを人工衛星等に搭載して、アレイ方向と垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって、地表の２次元画像が撮影される。
【０００３】
画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましいが、光検出器の面積が縮小する分だけ入射光量が減少し、Ｓ／Ｎが劣化するという課題がある。そのＳ／Ｎを改善するための巧妙な手段としてＴＤＩ方式（Time Delay and Integration）のイメージセンサが開発されている。ＴＤＩ方式は、２次元イメージセンサであるＦＦＴ（フル・フレーム・トランスファ）型ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）を用い、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることで信号電荷の積分を行い、Ｓ／Ｎを改善する読出し方式である。リモートセンシングの場合、画像における垂直方向の電荷転送を衛星の移動速度に合わせることでＴＤＩ動作が実現できる。垂直ＣＣＤでＭ段のＴＤＩ動作を行うと、蓄積時間が実効的にＭ倍となるため、感度がＭ倍向上し、Ｓ／Ｎは√Ｍ倍に改善される。
【０００４】
一般的な２次元イメージセンサの場合、垂直方向の電荷転送は水平ブランキング期間に行われ、水平１ラインの信号読み出しごとに１段の垂直転送を行う。ところが、リモートセンシングに用いるＴＤＩ方式リニアイメージセンサにこの転送方法を適用すると、得られる画像がぼける、つまりＭＴＦ（Modulation Transfer Function）が劣化するという問題が生じる。一方、水平転送期間に複数回に分割して垂直転送を行うとＭＴＦ劣化は抑制されるが、垂直転送クロックの干渉によって信号出力にスパイク状のカップリングノイズが重畳するという問題が生じる。
この問題を解決するために、例えば特許文献１では、垂直転送クロックの立上り／立下り前後の一定期間、水平転送クロックを一時停止させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許３８６６６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献1に示したカップリングノイズの回避方法によると、信号電荷が水平転送される間に複数回にわたって水平転送が停止するため、水平ＣＣＤの一端から他端へと転送されるのに要する時間が、電荷パケットによって異なる場合が生じる。その結果、水平ＣＣＤで発生する暗時出力が電荷パケットごとに不均一になり、出力のＦＰＮ（Fixed Pattern Noise）が増大するといった問題があった。
【０００７】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、ＦＰＮを増大させることなくＭＴＦ劣化を抑制し、かつ垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避したＴＤＩ方式リニアイメージセンサ及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるＴＤＩ方式リニアイメージセンサは、画素領域と水平ＣＣＤとの間に、水平方向にそれぞれ複数段の垂直ＣＣＤで構成される、斜め読み出し部及び電荷蓄積部を有し、画素領域を水平方向に複数の画素ブロックに分割し、上記水平ＣＣＤ段数を水平画素数よりも多く配置する。また、斜め読み出し部と上記水平ＣＣＤとの接続部において、斜め読み出し部が接続されない水平方向に複数段のＣＣＤを非接続転送部として画素ブロック間に配置したものである。
また、上記一態様におけるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法は、上記一態様におけるＴＤＩ方式リニアイメージセンサを用い、水平転送期間に複数回に分割して垂直転送を行うとともに、信号出力のブランク期間において垂直転送クロックを切り替えるものである。
【０００９】
上述の構成を別表現で表すと、本発明の一態様におけるＴＤＩ方式リニアイメージセンサは、画素を形成し垂直転送方向へ時間遅延積分動作にて画素信号電荷を転送する複数の光電変換部と、この光電変換部が送出する画素信号電荷を水平転送方向へ転送する水平転送部とを備えたＴＤＩ方式のリニアイメージセンサであって、
上記光電変換部と上記水平転送部との間に設けられ、光電変換部から水平転送部へ画素信号電荷の転送を行う電荷転送部をさらに備え、
上記光電変換部及び上記電荷転送部は、水平転送方向においてＮ個のブロックに分割され、ここでＮは２以上の正の整数であり、
上記水平転送部は、上記電荷蓄積部におけるブロックが接続される接続転送部と、上記電荷転送部において隣接する２つのブロックに対してどちらのブロックとも接続しない非接続転送部とを有し、水平転送方向において上記非接続転送部と上記接続転送部とを交互に配置し、水平転送方向への画素信号電荷の転送を一時停止することなく連続して行い、ここで上記非接続転送部は、隣接ブロック間に対応して配置され、一つの撮像周期内に上記画素信号電荷が存在しない画素ブランキング期間を生成する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様におけるＴＤＩ方式リニアイメージセンサによれば、光電変換部及び電荷転送部は水平転送方向においてＮ個のブロックに分割し、水平転送部では接続転送部と非接続転送部とを交互に配置し、非接続転送部は画素ブランキング期間を生成する。よって、このＴＤＩ方式リニアイメージセンサによれば、ある画素ブロックと次の画素ブロックの信号出力期間の間に画素ブランキング期間を設けるのに、水平転送部における水平ＣＣＤ転送を一時停止する必要がない。よって、各画素信号の水平ＣＣＤ暗時出力成分が一定となり、ＦＰＮの増大が抑制される。
また、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法によれば、水平転送部からの信号出力の画素ブランキング期間において光電変換部における垂直転送クロックを切り替えるため、垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの概略構成を示す素子平面図である。
【図２】図１に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサの画素領域の一部を拡大したレイアウト図である。
【図３】図１に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおいて、画素領域全体に均一光が入射した場合の水平１ライン分の出力を模式的に示した出力波形である。
【図４】図１に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法を説明するための、垂直転送クロックと信号出力期間のタイミングを模式的に示すタイミング図である。
【図５】本発明の実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサの概略構成を示す素子平面図である。
【図６】図５に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法を説明するための、垂直転送クロックと信号出力期間のタイミングを模式的に示すタイミング図である。
【図７】図１に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおける主に電荷転送部のレイアウト図である。
【図８】図１に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法を説明するためのタイミング図である。
【図９】図１に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＣＣＤ転送方法を示す図である。
【図１０】従来のＴＤＩ方式のイメージセンサの素子全体の平面構造を示すレイアウト図である。
【図１１】図１０に示すＴＤＩ方式のイメージセンサの画素領域の一部を拡大したレイアウト図である。
【図１２】従来のＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＣＣＤ転送方法を示す図である。
【図１３】従来のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの駆動方法と、φＶカップリングノイズの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態である、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ及びその駆動方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１３】
上記実施形態を説明するにあたり、その理解をより容易にするため、まず従来のＴＤＩ方式のイメージセンサの構成と駆動方法について、図面を用いて説明する。
図１０は、垂直ＣＣＤとして４相駆動ＣＣＤを用いた、従来のＴＤＩ方式のイメージセンサの素子全体の平面構造を示すレイアウト図である。また図１１は、図１０に示したＴＤＩ方式のイメージセンサの画素領域の一部を拡大したレイアウト図である。
図１０のレイアウトでは、Ｓｉ基板表面上に画素１が２次元アレイ状に配列されている。ここで、ＴＤＩ方式により時間遅延積分された信号電荷が水平ＣＣＤ２に向かって垂直方向（図面下方）へと転送され、さらに水平ＣＣＤ２で水平方向（図面右方）へと転送されて、出力アンプ６から読み出される。画素１と水平ＣＣＤ２との間には、電荷蓄積部４が設けられている。また、画素１のアレイを挟み水平ＣＣＤ２とは反対側（図面上方）に、不要な電荷を排出するための電荷排出ドレイン５が設けられている。図１０の例では、垂直方向のＴＤＩ転送には４相駆動ＣＣＤが用いられている。
【００１４】
図１１に示すように、Ｓｉ基板上には、ポリシリコンからなる転送電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ（総括して転送電極９と記す場合もある）が配置され、その下に転送チャネル（図示せず）が形成される。この転送チャネルは、Ｓｉ基板とは逆の導電型の不純物領域からなる分離領域１０で電気的に分離されている。４相駆動ＣＣＤでは４本１組の転送電極９ａ〜９ｄによって画素１が形成される。この転送電極９ａ〜９ｄには、金属配線７を介して、入力ピン８ａ〜８ｄからＣＣＤ転送クロックφＶ１〜φＶ４が与えられる。
【００１５】
次に、このように構成されたイメージセンサの駆動について説明する。
図１２の（ａ）は、４相駆動ＣＣＤの転送方向に沿った断面構造の模式図と、転送チャネルのポテンシャル変化のようすとを時系列に表した図であり、図１２の（ｂ）は４相駆動ＣＣＤに与えるクロック波形を示している。
４相駆動ＣＣＤの転送電極９ａ〜９ｄに、入力ピン８ａ〜８ｄから図１２の（ｂ）に示す転送クロックφＶ１〜φＶ４を与えると、時刻ｔ１〜ｔ５における転送チャネルのポテンシャル分布は図１２の（ａ）のようになる。ここで、ＣＣＤ転送クロックのＨｉｇｈ電圧をＨ、Ｌｏｗ電圧をＬとする。図１２の（ａ）に示すように、転送電極９のうち電圧Ｈが印加された転送電極の下にポテンシャル井戸１１が形成される。ここで当該イメージセンサへの光入射によって発生した信号電荷を１２とすると、ＣＣＤの転送動作によってポテンシャル井戸１１が図面右方へと移動するのに伴って、信号電荷１２は図面右方へと電荷転送される。このとき、被写体像の移動速度とＣＣＤ転送速度とを一致させることによりＴＤＩ（時間遅延積分）動作が実現でき、被写体像による光入射によって発生した信号電荷１２は、その像位置に対応したポテンシャル井戸１１に蓄積されながら垂直転送される。
【００１６】
一般的な２次元イメージセンサの場合、垂直方向への電荷転送は水平ブランキング期間に行われ、水平方向１ラインの信号読み出しごとに１段の垂直転送を行う。
一方、リモートセンシングに用いるＴＤＩ方式リニアイメージセンサにこの一般的な転送方法を適用した場合には、検出器面上に投影された被写体像と垂直転送されるポテンシャル井戸との位置関係に最大で１ライン分のずれが発生し、人工衛星の進行方向に沿ったＭＴＦが劣化する、つまり画像がボケる、という問題が生じる。これは、被写体像の移動が連続的で滑らかであるのに対して、ＣＣＤ転送によるポテンシャル井戸の移動が段階的であることに起因する。
【００１７】
被写体像とポテンシャル井戸との乖離を最小限にしてＭＴＦの劣化を抑制するためには、例えば、４相駆動ＣＣＤで各相の実効的な電極長（つまり転送電極の転送方向長さの内、ゲートオーバーラップ等を除いた電極長、以下、単に「電極長」と記す）を互いに等しくするとともに、図１２の（ｂ）に示す転送クロックにおいて、時刻ｔ１〜ｔ５が等間隔になるように設定するとよい。このとき、信号読み出し期間（つまり撮像周期）中に垂直転送を複数回（この例では４回）に分けて行うことで、被写体像とポテンシャル井戸との乖離を小さくすることができ、ＭＴＦ劣化が抑制される。
【００１８】
しかしながら、信号読み出し期間中に垂直方向の電荷転送を行うと、信号出力にカップリングノイズが重畳するといった別の問題が発生する。その模様について、以下で図面を用いて説明する。
図１３は、垂直転送に４相駆動ＣＣＤを用いたＴＤＩ方式リニアイメージセンサの、垂直転送クロックと信号出力のタイミングとを模式的に示すタイミング図である。図１３の（ａ）に示すように、１撮像周期に垂直転送を１／４段ずつ４回に分けて行うことで、ＭＴＦの劣化を抑制している。このとき、センサの出力波形は、図１３の（ｂ）に示すように、信号出力期間中の時刻Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３において垂直転送クロックが切り替わるため、これらの駆動クロックの干渉によって信号出力にスパイク状のカップリングノイズが重畳する問題が発生する。
【００１９】
このような問題の対策として、上記特許文献１では、垂直転送クロックの立上り／立下り前後の一定期間、水平転送クロックを一時停止させることで、カップリングノイズの重畳を回避する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献1に示したカップリングノイズの回避方法によると、信号電荷が水平転送される間に複数回にわたって水平転送が停止するため、水平ＣＣＤの一端から他端へと転送されるのに要する時間が、電荷パケットによって異なる場合が生じる。その結果、水平ＣＣＤで発生する暗時出力が電荷パケットごとに不均一になり、出力のＦＰＮが増大する。
【００２０】
以下に説明する本実施の形態におけるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ及びその駆動方法は、このような問題を解決するための構成を備える。
【００２１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の概略構成を示す素子平面図である。当該リニアイメージセンサ１０１は、基本的な構成部分として、光電変換部１１１、水平転送部１１２、及び電荷転送部１１５を備え、さらに上述した従来の電荷排出ドレイン５及び出力アンプ６を有する。
図１の素子平面図において、Ｓｉ基板表面上に画素１が２次元アレイ状に配列されている。この画素１を２次元アレイ状に配列した部分が光電変換部１１１に相当し、時間遅延積分（ＴＤＩ）動作にて画素信号電荷を垂直転送方向へ転送する。また光電変換部１１１は、上述した金属配線７及び入力ピン８を有する。本発明の実施の形態１の例では、光電変換部１１１は、垂直駆動に４相駆動ＣＣＤを用いており、画素１は４本１組の転送電極で構成され、既に説明した場合と同様に、金属配線７を介して入力ピン８ａ〜８ｄから、４相のＣＣＤ転送クロックφＶ１〜φＶ４が与えられる。尚、上述のように垂直転送方向が当該イメージセンサ１０１の移動方向に対応する。
【００２２】
図２は、図１に示したＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の画素領域の一部を拡大したレイアウト図である。図２に示したＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の画素レイアウトは、図１１に示した従来の場合と同様である。
また図２に示すように、Ｓｉ基板上にポリシリコンからなる転送電極９ａ〜９ｄが交互に配置され、その下に転送チャネル（図示せず）が形成される。転送チャネルは、Ｓｉ基板と逆導電型の不純物領域からなる分離領域１０で電気的に分離されている。上述の繰り返しになるが、４相駆動ＣＣＤでは４本１組の転送電極９ａ〜９ｄによって画素１が形成される。この転送電極９ａ〜９ｄには、金属配線７を介して、入力ピン８ａ〜８ｄからＣＣＤ転送クロックφＶ１〜φＶ４が与えられる。その垂直転送動作は、従来のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの垂直転送動作と同様である。
【００２３】
よって光電変換部１１１では、ＴＤＩ方式により時間遅延積分された、各画素の信号電荷が水平転送部１１２に向かって垂直方向（図面下方）へと転送される。転送された画素信号電荷は、電荷転送部１１５を介して水平転送部１１２へ転送され、さらに水平転送部１１２で水平方向（図面右方）へと転送されて、出力アンプ６から読み出されることになる。
【００２４】
さらに本実施形態１のリニアイメージセンサ１０１では、光電変換部１１１における２次元アレイ状に配列された画素１は、水平転送方向において４つの画素ブロック１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄに区画され分割されている。尚、区画、分離されるブロックの数は、本実施形態の４つに限定されず、２以上の正の整数値であればよい。また光電変換部１１１を駆動するＣＣＤ転送クロックの相数との関係では、ブロック数を例えばクロック相数以上とすることができる。
【００２５】
また、リニアイメージセンサ１０１では、光電変換部１１１と水平転送部１１２との間に電荷転送部１１５を設けている。
この電荷転送部１１５は、複数段の垂直ＣＣＤで構成される斜め読み出し部１１３、及び電荷蓄積部１１４を有する。
ここで、斜め読み出し部１１３及び電荷蓄積部１１４についても、光電変換部１１１の４つの画素ブロック１１１ａ〜１１１ｄに対応して、水平転送方向において４組の、斜め読み出し部１１３ａ及び電荷蓄積部１１４ａ，斜め読み出し部１１３ｂ及び電荷蓄積部１１４ｂ，斜め読み出し部１１３ｃ及び電荷蓄積部１１４ｃ，並びに、斜め読み出し部１１３ｄ及び電荷蓄積部１１４ｄに分割して構成されている。よって、光電変換部１１１における分割数が変化すれば、それに応じて斜め読み出し部１１３及び電荷蓄積部１１４の分割数も変更される。
そして電荷蓄積部１１４ａ〜１１４ｄは、それぞれ水平転送部１１２に接続されている。
【００２６】
水平転送部１１２は、ＣＣＤで構成され、また、斜め読み出し部１１３及び電荷蓄積部１１４の組が接続されない水平ＣＣＤ１１２ｂが、斜め読み出し部１１３及び電荷蓄積部１１４の組が接続される水平ＣＣＤ１１２ａの間に本実施形態では複数段ずつ形成される。即ち、水平ＣＣＤ１１２ｂは、電荷転送部１１５において隣接する２つのブロック、例えば斜め読み出し部１１３ａ及び電荷蓄積部１１４ａと、斜め読み出し部１１３ｂ及び電荷蓄積部１１４ｂとのブロック、に対してどちらのブロックとも接続しない非接続転送部（以下「非接続転送部１１２ｂ」と記す場合もある）に相当し、隣接ブロック間に対応して配置される。この非接続転送部１１２ｂは、後述するように、一つの撮像周期内に画素信号電荷が存在しない画素ブランキング期間を生成する。また、本実施形態では、非接続転送部１１２ｂは複数設けられるが、光電変換部１１１における画素ブロック数に応じて、最低一つでもよい。
尚、斜め読み出し部１１３及び電荷蓄積部１１４の組が接続される水平ＣＣＤ１１２ａは、接続転送部１１２ａと記す場合もある。
このように、接続転送部１１２ａと非接続転送部１１２ｂとが水平転送方向において交互に連続して配置され、全体として１本の水平転送部１１２を構成している。
【００２７】
また、画素１アレイの水平転送部１１２とは反対側の端（図面上方）には、不要な電荷を排出するための電荷排出ドレイン５が設けられている。
【００２８】
図７には、図１に示した本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１について、光電変換部１１１及び水平転送部１１２も含めて、上述した電荷転送部１１５部分のレイアウト図を示す。図７は、特に、隣接した２つの斜め読み出し部１１３と、これに続く２つの電荷蓄積部１１４から、水平ＣＣＤの接続転送部１１２ａと非接続転送部１１２ｂへの接続部付近のレイアウトの詳細を示す素子表面図である。
【００２９】
図７において、光電変換部１１１の画素１の部分で光電変換が行われる。また図示していないが、画素１以外の、斜め読み出し部１１３、電荷蓄積部１１４、水平転送部（水平ＣＣＤ）１１２、及びこれ以外の周辺回路領域には、被写体からの光が入射しないように素子表面側に遮光膜が形成される。
画素１において、分離領域１０で挟まれた領域が信号電荷の転送チャネルを形成している。斜め読み出し部１１３では、転送チャネルを曲げて斜めにレイアウトすることによって、２組の水平ＣＣＤの接続転送部１１２ａの間に非接続転送部１１２ｂを形成することを可能にする。一般に水平ＣＣＤは２層駆動ＣＣＤが用いられることが多く、図７の例ではφＨ１とφＨ２との２つの転送電極を１組として（ゲートとしては４つのゲートで）１段の水平ＣＣＤを構成している。またこの例では、１組の非接続転送部１１２ｂは、５段の水平ＣＣＤで形成されている。
水平ＣＣＤにおける接続転送部１１２ａは、１画素あたりに１段の水平ＣＣＤで形成される。すなわち、光電変換部１１１を複数のブロックに分割した場合、１つのブロックあたりの水平画素数と、これに接続される水平ＣＣＤの接続転送部１１２ａの水平ＣＣＤ段数とは等しい。したがって、水平ＣＣＤ全体としてみると、トータルの水平ＣＣＤ段数は、トータルの水平画素数よりも非接続転送部１１２ｂの段数分だけ多くなる。
【００３０】
以上のように構成された本実施の形態１におけるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の動作、つまり駆動方法について、以下に説明する。
光電変換部１１１は、既に説明したように本実施形態では４相のＣＣＤ転送クロックの供給に従い、時間遅延積分動作にて各画素１の画素信号電荷を垂直転送方向へ転送する。電荷転送部１１５は、転送されてきた画素信号電荷を水平転送部１１２へ送出する。水平転送部１１２には、上述のように、接続転送部１１２ａ同士の間に非接続転送部１１２ｂが設けられていることから、水平１ラインの画素信号電荷は、４つのブロックに分割されて出力され、各ブロック間には画像ブランキング期間が生じる。このような画素信号電荷の出力動作について、図３及び図４を参照してさらに詳しく以下に説明する。
【００３１】
図３は、図１に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１において、画素領域全体に均一光が入射した場合の水平１ライン分の出力を模式的に示した出力波形である。画素１からの信号は、出力アンプ６から時系列に読み出されるが、上述のように光電変換部１１１及び電荷転送部１１５は、水平転送方向において複数のブロックに分割され、かつ水平転送部１１２には、接続転送部１１２ａと非接続転送部１１２ｂとが水平転送方向において交互に連続して配置されている。よって水平１ラインの画素信号電荷は、本例では４つのブロック１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄに分割されて出力され、各ブロック間には画像ブランキング期間１５２が生じる。ここで、出力信号１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、それぞれ画素ブロック１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄで発生し時間遅延積分された出力信号である。即ち、一つの撮像周期の間、つまり水平１ラインの画素信号読み出しが完了するまでの間、つまり一つの水平転送期間に、信号１５１ｄ，ブランキング，信号１５１ｃ，ブランキング，信号１５１ｂ，ブランキング，信号１５１ａといった順序で、出力アンプに近い側から時系列に画素信号が出力される。
【００３２】
この読み出し動作において、一つの撮像周期の間、つまり水平１ラインの画素信号読み出しが完了するまでの間、水平転送部１１２は一時停止することなく連続駆動させる。そのため、各画素信号に重畳する水平ＣＣＤの暗時出力成分は一定となる。また、水平転送部１１２のＣＣＤを連続駆動することで、水平転送クロックは通常のクロックでよく、複雑なパターンを必要としないという効果もある。
【００３３】
また図４は、図１に示すＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の駆動方法を説明するための、垂直転送クロックと信号出力期間のタイミングを模式的に示すタイミング図である。本実施の形態１におけるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１は、垂直転送に４相駆動ＣＣＤを用いており、φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４の４組の垂直転送クロックによってＣＣＤ転送を行う。ここで、垂直転送クロックのＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとが切り替わるタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４を時間的に等間隔にすることで、ＴＤＩ動作におけるＭＴＦの劣化を抑制できる。
このとき、図４に示すように、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４が、出力アンプ６から出力される画素信号出力における画素ブランキング期間１５２内に入るように、光電変換部１１１における画素ブロック１１１ａ〜１１１ｄの水平転送方向における分割幅を設定することによって、画素信号出力へのカップリングノイズの重畳を回避することができる。
【００３４】
次に、光電変換部１１１から水平転送部１１２までの信号転送動作について説明する。
図８は、図７に示した本発明の実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１を駆動するための、垂直転送クロック（φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４）及び電荷蓄積部１１４の制御クロック（φＳＴ、φＳＣ）を示すクロックタイミング図である。図８において、図中に点線を付して示したｔは、垂直転送クロックが切り替わる時刻を表しており、それぞれが図４に示したｔ１〜ｔ４の一つに対応する。
また図９は、図７に示したＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の電荷転送方法を説明するための、垂直転送チャネルに沿ったポテンシャルダイアグラムである。図９において、ａ１〜ａ８は、図８中に点線で示した時刻に対応し、各時刻におけるポテンシャル井戸と転送される信号電荷の状態を模式的に表している。
図９に示すように、垂直転送クロックφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４によって画素部の垂直転送が行われるのと全く同様にして、斜め読み出し部１１３の電荷転送が行われる。まず時刻ａ１では、φＶ２ゲート下とφＶ３ゲート下にポテンシャル井戸が形成され、ここに電荷が蓄積されている。このとき、φＳＴゲート下にもポテンシャル井戸が形成されるが、井戸は空の状態になっている。次に時刻ａ２では、光電変換部１１１と斜め読み出し部１１３のポテンシャル井戸が、φＶ３ゲート下とφＶ４ゲート下へとシフトする。このとき、φＳＴゲート下にあるポテンシャル井戸は隣接するφＶ４ゲート下のポテンシャル井戸と一続きになり、この井戸全体に信号電荷が広がる。次に時刻ａ３でポテンシャル井戸がゲート一つ分だけシフトし、さらに、時刻ａ４において、斜め読み出し部１１３を転送された電荷が蓄積ゲートφＳＴ下のポテンシャル井戸に蓄えられる。次に、時刻ａ５で蓄積制御ゲートφＳＣが開くと、φＳＴ下に蓄積されていた信号電荷が水平ＣＣＤへと移動し、最終的に時刻ａ８で水平転送部１１２への転送が完了する。なお、図９には示していないが、電荷が水平ＣＣＤへと転送完了してから次に蓄積制御ゲートφＳＣが開くまでの期間内に、水平ＣＣＤ動作により１ライン分の画素信号が出力アンプへと転送されて読み出される。
【００３５】
上述の実施形態１では、光電変換部１１１を構成する垂直ＣＣＤが４相駆動のＴＤＩ方式リニアイメージセンサの場合について示したが、３相駆動あるいは５相駆動など、他の相数で駆動される垂直ＣＣＤを用いる場合でも同様である。つまり、相数とブロック数との関係について上述したように、３相駆動の場合は画素領域を、３つ以上、例えば３つのブロックに分割するようにレイアウトおよび駆動クロックを設定すれば良く、５相駆動の場合は画素領域を、５つ以上、例えば５つのブロックに分割すれば良い。
この構成により、１撮像周期あたりの垂直転送クロックの切り替わりタイミングの回数よりも、１撮像周期あたりに形成される画素信号のブランキング期間の出現回数を多くすることができる。その結果、３相駆動あるいは５相駆動など、他の相数で駆動される垂直ＣＣＤを用いる場合でも、垂直転送クロックの切り替わりタイミングを画素ブランキング期間内に設定することが可能になり、画素信号出力へのカップリングノイズの重畳を回避することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１によれば、信号出力期間に画素ブランキング期間１５２を設けるのに水平転送部１１２における転送動作を一時停止する必要がないため、各画素信号の水平ＣＣＤ暗時出力成分が一定となり、ＦＰＮの増大が抑制される。
【００３７】
また本実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の駆動方法によれば、信号出力の画素ブランキング期間１５２において垂直転送クロックを切り替えるため、ＭＴＦの劣化を抑制しながら、垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避することができる。
そのため、本実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１およびその駆動方法を用いた撮像システムにおいては、φVカップリングノイズの影響を除去するための画像補正が容易になり、画像処理部の小型化及び省電力化を図ることも可能となる。
【００３８】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２の概略構成を示す素子平面図である。また図６は、図５に示したＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２の駆動方法を説明するための、垂直転送クロックと信号出力期間のタイミングとを模式的に示したタイミング図である。
【００３９】
上述した実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１と、本実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２との違いは、図５に示すように、画素領域の水平転送方向における画素ブロックの分割数であり、本実施の形態２では８つの画素ブロックに分割されている。その他の構成は、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の場合と同様である。
また図示を省略するが、実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２における画素レイアウトは、実施の形態１のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１における画素レイアウトと同様であり、垂直転送に４相駆動ＣＣＤを用いている。
【００４０】
次に、図６を用いて実施の形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２の駆動方法を説明する。
本実施形態２のＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２の駆動方法では、φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４の４組の垂直転送クロックのうち隣接した少なくとも２組の垂直転送クロックが全てのタイミングにおいて完全にＨｉｇｈレベルとなるように垂直転送クロックを駆動する。例えば、垂直転送クロックφＶ１、φＶ２の組と、垂直転送クロックφＶ２、φＶ３の組との２組において、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の間、両組がＨレベルになる。
この駆動方法により、転送ゲート下に形成されるポテンシャル井戸の転送方向長さが常にゲート２つ分以上確保されるため、光電変換部１１１を構成する垂直ＣＣＤの最大転送電荷量を大きくすることができる。このとき、４相１組の転送ゲートの電極長を互いに等しくするとともに、垂直転送クロックの切り替わりタイミングｔ１〜ｔ８を時間的に等間隔にすることで、ＴＤＩ動作におけるＭＴＦの劣化を抑制することができる。
【００４１】
このとき、図６に示すように、垂直転送クロックのＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとが切り替わるタイミングは、１撮像周期あたり８回出現するが、図５に示す素子レイアウトにより、つまり水平転送方向において光電変換部１１１及び電荷転送部１１５を８つの画素ブロックに分割することにより、出力アンプ６が送出する信号出力の画素ブランキング期間１５２も８回出現する。そのため、垂直転送クロックの切り替わりタイミングを画素ブランキング期間１５２に合わせるように、光電変換部１１１における画素ブロックの分割幅を設定することによって、信号出力へのカップリングノイズの重畳を回避することができる。
画素ピッチが小さいＴＤＩ方式リニアイメージセンサにおいて、垂直ＣＣＤの最大転送電荷量を確保したい場合などに、この方法が有効である。
【００４２】
以上述べたように、本実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２によれば、本実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１と同様にして、ＦＰＮの増大が抑制可能である。
また本実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２の駆動方法によれば、本実施の形態１によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０１の駆動方法と同様にして、ＭＴＦの劣化を抑制しながら、垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避することができる。そのため、本実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２、及びその駆動方法を用いた撮像システムにおいても、φVカップリングノイズの影響を除去するための画像補正が容易になり、画像処理部の小型化及び省電力化を図ることが可能である。
【００４３】
また、本実施の形態２によるＴＤＩ方式リニアイメージセンサ１０２及びその駆動方法によれば、信号出力の画素ブランキング期間１５２の１撮像周期あたりの出現頻度を増加させたため、垂直ＣＣＤの最大転送電荷量を大きくするような駆動方法とした場合でも、垂直転送クロックによるカップリングノイズの影響を回避することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  画素、  ６  出力アンプ、  
１０１，１０２  ＴＤＩ方式リニアイメージセンサ、１１１  光電変換部、
１１２  水平転送部、  １１２ａ  接続転送部、  １１２ｂ  非接続転送部、
１１３  斜め読み出し部、  １１４  電荷蓄積部、
１１５  電荷転送部、  １５２  画素ブランキング期間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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