专利名称：固态成象器件及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种能同时读取所有象素这种类型的固态成象器件，其中各单元象素的信号电荷可同时和独立地读取到一个垂直传送寄存器中，本发明还涉及驱动这种固态成象器件的方法。具体说，本发明涉及一种固态成象器件，其构制成可使排列在水平方向的信号电荷减少，并涉及驱动这种固态成象器件的方法。
近年来，要求能在个人计算机的监视器上更好地显示活动图象。但是，就目前的处理能力，很难在个人计算机上使活动图象显示得接近电视机那样的解象度。为显示取自例如CCD(电荷耦合器件)摄象机的影象数据，必须减少帧和降低帧速率，或者保持速率而减少影象数据。但是，在降低了帧速率的情况下，不能呈现平稳的活动。因此，通常是减少象素，即降低解象度。对于常规的影象变化过渡方法，曾有一种同时读取所有光电二极管的信号电荷然后在固态成象器件中将其减少的方法和一种在个人计算机上用软件进行处理以对其复制的方法。在说明常规的影象变化过渡方法之前，先描述一下常规的固态成象器件。
图1是所有象素读出型的常规固态成象器件整体结构的顶视图。如图1所示，常规的固态成象器件由以下部分形成光电二极管1，按阵列形式排列，用以将光转换成信号电荷；光的黑电平区2，用以形成影象信号的基准电平；垂直多余电荷扫除沟道3和水平多余电荷扫除沟道4，用以扫除多余的电荷；垂直传送寄存器5，用以读出和传送储存在光电二极管1中的信号电荷；以及水平传送寄存器6，用以接收通过垂直传送寄存器5传送来的信号电荷并将其传送到输出放大器7。在光电二极管1上，利用例如拜耳法(Bayer method)安设一些RGB(红、绿、蓝)滤色器。
图2和3是图1所示垂直传送寄存器5和水平传送寄存器6之间连接部分的电极结构示意图。其中图2是顶视图，图3是沿图2A-A′线剖视的剖面图。垂直传送寄存器5受4相时钟φV1、φV2、φφ3和φV4的驱动。时钟φV1所加的传送电极由第一多晶硅层形成。时钟φV2和φV4所加的传送电极由第二多晶硅层形成。时钟φV3所加的传送电极由第三多晶硅层形成。时钟φV1所加的最后一级传送电极形成了供水平传送寄存器6用的门。
水平传送寄存器6受2相时钟φH1和φH2的驱动。该水平传送寄存器6的所有传送电极的每个电极都由第二多晶硅层和第三多晶硅层形成。第二多晶硅层的一个电极部分形成了一储存部分，而第三多晶硅层的一个电极部分形成了一阻挡部分。在水平传送寄存器的时钟φH1保持其高电平的状态时，将垂直传送寄存器的信号电荷传送给水平传送寄存器。换句话说，如果在φH1保持其高电平的状态下φV1转为高电平，则信号电荷传送到φH1所加的传送电极下侧的传送过程开始进行。当φV1变为其低电平时，传送过程完成。
以下参照图4至6说明在垂直传送寄存器5和水平传送寄存器6之间的连接部分中常规固态成象器件的工作。图4示出加到垂直传送寄存器5的传送电极上的4相时钟φV1、φV2、φV3和φV4以及加到水平传送寄存器6的传送电极上的2相时钟φH1和φH2的脉冲定时。图5示出垂直传送寄存器5中的信号电荷是如何传送到水平传送寄存器6中的。图6示出水平传送寄存器6中的信号电荷是如何传送的。在t0期间，φV3和φV4所加的传送电极下储存的信号电荷开始传送到φH1所加的传送电极下侧，这时φV1变为其t1期间的高电平。如果φV3、φV4和φV1按所引次序变为低电平，则信号电荷被传送到φH1所加的电极下侧。以重复交替φH1和φH2的高/低电平，φH1所加的电极下储存的信号电荷相继传送到水平传送寄存器中。
这时，信号R1、G1、R2、G2、R3、G3、R4、G4按照RGB拜耳排列方式被传送，而不会破坏图6中所示的次序。输出放大器7的输出波形示于图7上。
为了在个人计算机监视器上实现平稳移动的活动图象，如前所述，必须减少象素和降低影象的解象度。作为降低解象度的方法，有一种在外部存储器中暂时记录影象数据，然后重新安排数据使得相同颜色的滤色象素彼此靠近，并作为一个象素来处理相同颜色的相邻数据的方法，还有一种减少相同颜色的相邻数据之一的方法。
以下描述降低器件本身内解象度的方法。例如，在水平解象度降低了1/2的情况下，用到这样一种方法，例如，留下影象的中央而扫除掉左右侧处影象的一半，如图8所示。在此方法中，每条水平线上的前1/4部分以正常速度的两倍速度传送，因为它属扫除区域9，而该数据通过输出放大器然后被废弃。接下去的中央1/2部分以正常速度传送，因为它属于有效区域8，于是可获得影象数据。后1/4部分以与前1/4部分相同的高速度传送，然后也被废弃。
在上述以软件方式降低水平方向解象度的常规方法中，必须在外部存储器中暂时记录影象，然后以高速重新安排数据。因此，在设备的处理速度不能适应时，就不能相应地保持帧速率，因而产生缺陷。
另外，在器件本身中降低解象度的情况下，必须以高速驱动方式传送要扫除掉的1/2影象数据。因此，器件要求有多余的性能，使生产效率下降。此外，驱动电路的能量消耗变大，从设备角度看，有性能降低的缺点。
本发明的目的在于提供一种固态成象器件，其能降低器件内的解象度而不须要高速驱动。
为了解决上述问题，本发明提供了一种固态成象器件，包括多个光电二极管，以阵列形式排列；第一种垂直传送寄存器和第二种垂直传送寄存器，交替配置成靠近多个光电二极管；以及一个水平传送寄存器，用以将由垂直传送寄存器传送来的信号电荷传送到输出放大器；其中，在垂直传送寄存器的相对于水平传送寄存器的连接部分中，面对水平传送寄存器，有一个第一层的第一传送电极、一个第二层的第一传送电极、一个第三层的第一传送电极、一个第二层的第二传送电极、一个第三层的第二传送电极、和一个第一层的第二传送电极，它们按所引次序邻近配置，并且其中第二层的第一传送电极和第三层的第一传送电极配置在第一种垂直传送寄存器中，处在低于其本身的各层传送电极上；而第二层的第二传送电极和第三层的第二传送电极配置在第二种垂直传送寄存器中，处在低于其本身的各层传送电极上。
另外，本发明提供了一种驱动固态成象器件的方法，该固态成象器件包括多个光电二极管，以阵列形式排列；第一种垂直传送寄存器和第二种垂直传送寄存器，配置成靠近多个光电二极管；以及一个水平传送寄存器，用以将由垂直传送寄存器传送来的信号电荷传送到输出放大器。所述方法包括以下步骤将垂直传送寄存器的信号电荷传送到水平传送寄存器中。该传送信号电荷的步骤又包括以下两个步骤以牵制住(pin)第二种垂直传送寄存器的信号电荷的状态将第一种垂直传送寄存器的信号电荷传送到水平传送寄存器中；然后，只传送第二种垂直传送寄存器的信号电荷到水平传送寄存器中。
对于上述本发明，在垂直传送寄存器相对于水平传送寄存器的连接部分中，其他信号电荷预先传送到水平传送寄存器，而一部分信号电荷被牵制住，然后将保留的信号电荷传送给水平传送寄存器。因此，在水平传送寄存器中，一部分信号电荷可以加到其他信号电荷上，或者被扫除掉。于是，本发明可以减少水平方向上的象素数目，可以降低固态成象器件中的解象度而无须高速驱动。
在信号电荷加到水平传送寄存器中的一个实施例里，信号电荷增加到已进行解象度变化过渡后的至少两倍。因此，灵敏度和饱和度输出可得到明显改善。但是，如果一起使用电子快门，则可进行解象度的变化过渡而不改变灵敏度和动态范围。另外，在使用水平溢流沟道门的一个实施例中，可进行解象度的变化过渡而不改变灵敏度。
图1是常规固态成象器件的顶视图；图2是常规固态成象器件的电极结构的顶视图；图3是沿图2A-A′线剖视的剖面图；图4是常规固态成象器件的驱动脉冲定时图；图5是常规固态成象器件中从垂直传送寄存器将信号电荷传送到水平传送寄存器的传送状态的示意图；图6是常规固态成象器件中水平传送寄存器内信号电荷传送状态的示意图；图7是常规固态成象器件中输出信号的波形图；图8是常规固态成象器件中解象度变化过渡的示意图；图9是本发明第一实施例中电极结构的顶视图；图10A是沿图9A-A′线剖视的剖面图；图10B是沿图9B-B′线剖视的剖面图；图11是本发明第一实施例中驱动脉冲的定时图；图12是本发明第一实施例中从垂直传送寄存器将信号电荷传送到水平传送寄存器的传送状态的示意图；图13是本发明第一实施例中水平传送寄存器内信号电荷传送状态的示意图；图14是本发明第一实施例中输出信号的波形图；图15是本发明第二实施例中固态成象器件电极结构的示意图；图16A是沿图15A-A′线剖视的剖面图；图16B是沿图15B-B′线剖视的剖面图；图17是本发明第二实施例中驱动脉冲的定时图；图18是本发明第二实施例中从垂直传送寄存器将信号电荷传送到水平传送寄存器的传送状态的示意图19是本发明第二实施例中水平传送寄存器内信号电荷传送状态的示意图；图20是本发明第二实施例中输出信号的波形图。
以下结合附图详细描述本发明的最佳实施例。
图9本发明第一实施例的固态成象器件中垂直传送寄存器和水平传送寄存器之间连接部分的电极结构的顶视图。图10A和10B分别为沿图9A-A′和B-B′线剖视的剖面图。在垂直传送寄存器5相对于水平传送寄存器的连接部分中，时钟φV1、φV2A、φV3A、φV2B、φV3B和φV1A所加的传送电极按所引次序排列。最后的φV1A所加的传送电极形成为水平传送寄存器6的门。在图9所示的垂直传送寄存器5的部分上游侧，φV1、φV2、φV3和φV4所加的传送电极按所引次序以与图2所示常规器件相同方式重复排列。
在水平传送寄存器6中，借助3相时钟，即φH1A、φH1B和φH2，进行传送。除了从垂直传送寄存器传送到水平传送寄存器的信号电荷所处的前半位置上之外φH1A和φH1B有相同相的脉冲。当φV1A和φH1A为高而φH1B和φH2为低时，水平传送寄存器6接收φH1A所加的传送电极下侧上的信号电荷。当φV1A和φH1B为高而φH1B和φH2为低时，水平传送寄存器6接收φH1B所加的传送电极下侧上的信号电荷。这时，φH1A可以为高也可以为低。
如图10A和10B所示，φV1和φV1A所加传送电极由第一多晶硅层形成，φV2A和φV2B所加传送电极由第二多晶硅层形成，φV3A和φV3B所加传送电极由第三多晶硅层形成。
水平传送寄存器6的所有传送电极，其每一个电极都由多晶硅的第二层和第三层形成。第二多晶硅层的电极部分形成了一储存部分，而第三多晶硅层的电极部分形成了一阻挡部分。水平传送寄存器6中传送电极的本身结构不同于常规器件的结构。
以下结合图11至13说明在垂直传送寄存器5和水平传送寄存器6之间的连接部分中本发明的固态成象器件的工作情况。以后，位于沿图9A-A′线延伸一侧的两个通道称为A通道，而沿B-B′线延伸一侧的两个通道称为B通道。图11示出加到垂直传送寄存器5的传送电极上的时钟φV1、φV2A、φV3A、φV2B、φV3B和φV1A的脉冲定时，以及加到水平传送寄存器6的传送电极上的时钟φH1A、φH1B和φH2的脉冲定时。图12示出垂直传送寄存器5中信号电荷是如何传送到水平传送寄存器6中的。图13示出水平传送寄存器6中的信号电荷是如何传送的。
正在t0结束之前，通过垂直传送寄存器5传送的信号电荷储存在φV1、φV2A、φV3A、φV2B和φV3B的传送电极下面。当φV1在t1期间转为低时，储存在φV1的传送电极下面的信号电荷传送到φV2A、φV3A、φV2B和φV3B的传送电极的下侧。在A通道，信号电荷这时储存在φV2B和φV3B的传送电极下面。在B通道，信号电荷这时储存在φV2A和φV3A的传送电极下面。这里，储存在两个A通道中φV2B和φV3A的传送电极下面的信号电荷称为R1和G1，储存在两个B通道中φV2A和φV3A的传送电极下面的信号电荷称为R2和G2(见图13)。在t2期间，时钟φV1A变高。接着，φV2B变低。由于φH1A处于其高电平和φH2处于其低电平，因此储存在A通道中φV2B和φV3B的传送电极下面的信号电荷R1和G1开始传送到φH1A的传送电极的下侧。在t3期间，φV3B变低。接着，在t4期间，φV1A变低。结果，在A通道中信号电荷R1和G1完全传送到φH1A的电极下侧。于是在t5、t6和t7期间，储存在φH1A的传送电极下面的信号电荷R1和G1传送到水平传送寄存器内。在t8期间，各信号电荷到达φH1B的传送电极下侧处(见图13)。
另一方面，在t1至t8的间隔期间，在B通道中，φV3A和φV3B保持在高电平。结果，信号电荷R2和G2连续保持在时钟φV3A和φV3B的传送电极下面。在t9期间。φV1A再转为高。当φV2A变低时，φH1B处于其高电平，而φH2处于其低电平。结果，储存在φV2A和φV3A的传送电极下面的信号电荷R2和G2开始传送到φH1B的传送电极的下侧。在t10期间，时钟φV3A变低，而在t11期间，φV1A变低。结果，信号电荷完全传送到φH1B的传送电极的下侧。这时，信号电荷R1和G1已储存在φH1B的传送电极下面。因此，通过这种运作，在这些传送电极下面形成了加信号R1+R2和G1+G2。在这种情况下，如图14所示波形的信号从放大器的输出端输出。因此，水平方向上的象素数目变为1/2。于是，水平解象度降低到1/2。
在上述第一实施例中，时钟φV1A的脉冲辐度是与其他时钟的脉冲辐度相同的。不过，也可使φV1A的辐度等于其他时钟辐度的1/2，并且可以使信号电荷仅在φV3B或φV3A转为低时经过φV1A的传送电极下侧传送到水平传送寄存器中。在这种情况下，可使时钟φH1A和φH1B成为相同相的脉冲，并可使水平传送送寄存器成为完全的2相时钟传送型的。此外，可不加时钟φV1A，而一直将一中间电位的电压加到时钟φV1A已施加的垂直传送寄存器的最后的传送电极上。
图15是本发明第二实施例的固态成象器件中垂直传送寄存器和水平传送寄存器之间连接部分的电极结构的顶视图。图16A和16B是分别沿图15A-A′线和B-B′线剖视的剖面图。本实施例中，垂直传送寄存器和水平传送寄存器本身在连接部分有与图9、10A和10B所示前一实施例类似的结构。本实施例与前一实施例的区别在于有一个溢流沟道门(以后简称为“HOFD”)设在水平传送寄存器6的一部分上，如图15下部所表示的。通过启动溢流沟道门，水平传送寄存器中的信号电荷可传送到设置在靠近水平传送寄存器6的一个水平多余电荷扫除沟道4中。
以下参照图17至19说明此第二实施例的固态成象器件的工作情况。
t0至t4期间的工作情况与第一实施例的相同。在t5和t6期间，HOFD门处在开状态。于是，储存在φH1A的传送电极下面的信号电荷R1和G1被扫除而引出到水平多余电荷扫除沟道4中。在t8期间，φH1B变高。在t9期间，φV1A变高。接着，φV2A变低。由于φH2处在其低电平，储存在φV2A和φV3A的传送电极下面的信号电荷R2和G2开始传送到φH1B的传送电极的下侧。在t10期间，φV3A变低。接着，在t11期间，φV1A变低。结果，信号电荷完全传送到φH1B的传送电极的下侧。以这种方式，四个顺序的象素信号R1、G1、R2、G2中的R1和G1被扫除和引出。在φH1B的传送电极下面，只存有R2和G2。
在这种情况下，从放大器的输出端输出如图20所示波形的信号。也就是说，水平方向上的象素数目变为1/2。因此，无须以高速驱动水平传送寄存器也能将水平解象度降低到1/2。
以上描述了假定滤色器以拜耳形式排列的实施例，但是，本发明不限于这种排列，也可采用任意排列的滤色器。另外，在上述实施例中，水平方向上顺序的四个象素中的两个象素预先传送到水平传送寄存器中，但是，本发明中，这些象素数目不限于前述数值，而是可根据是否存在滤色器、滤色器的结构和降低所需解象度的程度来适当确定。
权利要求
1.一种固态成象器件，包括多个光电二极管，以阵列形式排列；第一种垂直传送寄存器和第二种垂直传送寄存器，交替配置成靠近所述多个光电二极管；一个水平传送寄存器，用以将由所述垂直传送寄存器传送来的信号电荷传送到一个输出放大器上；以及一个第一层的第一传送电极、一个第二层的第一传送电极、一个第三层的第一传送电极、一个第一层的第二传送电极、一个第二层的第二传送电极和一个第三层的第二传送电极，配置在所述垂直传送寄存器的相对于所述水平传送寄存器的连接部分中，其中所述传送电极面对着所述水平传送寄存器按以下次序配置第一层的第一传送电极、第二层的第一传送电极、第三层的第一传送电极、第二层的第二传送电极、第三层的第二传送电极和第一层的第二传送电极，并且其中第二层的第一传送电极和第三层的第一传送电极配置在所述第一种垂直传送寄存器中，处在低于其本身的各层传送电极上；而第二层的第二传送电极和第三层的第二传送电极配置在所述第二种垂直传送寄存器中，处在低于其本身的各层传送电极上。
2.如权利要求1所述的固态成象器件，其特征在于，在2n个顺序配置的垂直传送寄存器中，设在所述输出放大器侧的n个顺序的垂直传送寄存器用作第二种垂直传送寄存器，而其余的垂直传送寄存器用作第一种垂直传送寄存器，其中n为正整数。
3.如权利要求1所述的固态成象器件，其特征在于，所述水平传送寄存器在每个传送级都有一储存部分和一阻挡部分，并且该水平传送寄存器是一个基本上为2相时钟传送型的寄存器。
4.如权利要求1所述的固态成象器件，其特征在于，在所述第一层的第一传送电极、第二层的第一传送电极、第三层的第一传送电极、第二层的第二传送电极、第三层的第二传送电极和第一层的第二传送电极上加有相上有差别的时钟脉冲。
5.如权利要求1所述的固态成象器件，其特征在于，在所述水平传送寄存器对着连接垂直传送寄存器一侧的一侧上，设有通过一个溢流沟道门的一个多余电荷扫除沟道。
6.一种驱动固态成象器件的方法，其中固态成象器件包括多个光电二极管，以阵列形式排列；第一种垂直传送寄存器和第二种垂直传送寄存器，配置成靠近所述多个光电二极管；和一个水平传送寄存器，用以将由所述垂直传送寄存器传送来的信号电荷传送到一个输出放大器上，所述方法包括将所述垂直传送寄存器的信号电荷传送到所述水平传送寄存器的步骤，该传送信号电荷的步骤包括以下两个步骤以牵制住第二种垂直传送寄存器的信号电荷的状态将第一种垂直传送寄存器的信号电荷传送到所述水平传送寄存器中；然后，只传送第二种垂直传送寄存器的信号电荷到所述水平传送寄存器中。
7.如权利要求6所述的驱动固态成象器件的方法，其特征在于，还包括以下步骤只传送第一种垂直传送寄存器的信号电荷到所述水平传送寄存器中；然后将信号电荷传送到接收第二种垂直传送寄存器的信号电荷的传送电极的下侧；以及再将第二种垂直传送寄存器的信号电荷传送到所述水平传送寄存器而使两种信号电荷混合。
8.如权利要求6所述的驱动固态成象器件的方法，其特征在于，基本上以2相时钟驱动所述水平传送寄存器，但在传送所述第一种垂直传送寄存器的信号电荷到所述水平传送寄存器时，将接收所述第二种垂直传送寄存器的信号电荷传送的所述水平传送寄存器的传送级保持在低电平。
全文摘要
在垂直传送寄存器与水平传送寄存器6的连接部分,使时钟ΦV1、ΦV2A、ΦV3A、ΦV2B、ΦV3B和ΦV1A所加传送电极按所引次序排列。在寄存器6中,借助3相时钟ΦH1A、ΦH1B和ΦH2传送。A－A′通道和相当各通道的信号电荷通过启动时钟而先传到寄存器6的ΦH1A的电极下侧。电荷向右传到ΦH1B的电极下侧。接着B－B′通道和相当各通道的电荷送到寄存器6的ΦH1B的电极下侧并与先传来的电荷混合。于是,可减少象素和降低解象度而无须高速驱动。
文档编号H04N5/335GK1208256SQ9811626
公开日1999年2月17日 申请日期1998年8月7日 优先权日1997年8月7日
发明者川村智浩 申请人:日本电气株式会社