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発明の名称 イメージセンサおよびデジタルカメラ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2003−219283(P2003−219283A)
公開日 平成15年7月31日(2003.7.31)
出願番号 特願2003−4703(P2003−4703)
出願日 平成15年1月10日(2003.1.10)
代理人 【識別番号】100075258
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 (外1名)
【テーマコード(参考)】
4M118
5C024
【Fターム(参考)】
4M118 AA04 AA05 AB01 BA10 DB06 DB09 DB10 FA06 FB09 
5C024 CX12 CX32 CY42 GY04 HX28 HX50 HX51 JX23
発明者 ジョン ポール シェファード / エリック ジョン メイセンザール / リチャード ブロリィ
要約 課題
電力消費を低減し且つ低暗電流を維持しながら一様な暗領域を生成する、過剰電荷の消去動作を有する電荷結合素子を提供する。

解決手段
蓄積モードクロックにて動作する電荷結合素子と、過剰電流の消去を開始するために二つ以上のフェーズの各フェーズに動作可能なクロックと、を有し、消去を開始するために、クロック信号が高レベルである時間がイメージ取り込み動作時と同じであり、クロック信号が低レベルである時間を、暗電流が増加を開始する最小幅とイメージ取り込み動作時の2倍との間の任意の時間で制御する。
特許請求の範囲
【請求項1】 蓄積モードクロックで動作し、かつ2相のクロック信号で駆動される電荷結合素子を備えるデジタルカメラにおいて、過剰電荷消去時に、クロック信号が高レベルである時間は画像読み出し動作時と実質的に同じであり、クロック信号が低レベルである時間は暗電流が実質的に増加を開始する時間と画像読み出し動作時の時間の2倍との間の任意の時間で制御できることを特徴とするデジタルカメラ。
【請求項2】 前記クロック信号が高レベルである時間は、前記電荷結合素子の幅の2乗に実質的に比例する、請求項1に記載のデジタルカメラ。
【請求項3】 蓄積モードクロックで動作し、かつ2相のクロック信号で駆動される電荷結合素子を備えるイメージセンサにおいて、過剰電荷消去時に、クロック信号が高レベルである時間は画像読み出し動作時と実質的に同じであり、クロック信号が低レベルである時間は暗電流が実質的に増加を開始する時間と画像読み出し動作時の時間の2倍との間の任意の時間で制御できることを特徴とするイメージセンサ。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にはイメージセンサの分野に関しており、より具体的には、電力消費を低減し且つ低暗電流を維持しながら一様な暗領域を生成することにより、改良された過剰電荷の消去動作を有するそのようなイメージセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、真の2フェーズCCD(電荷結合素子)とは、各画素上に2つの物理ゲートを有し、各ゲートが下地のシリコン内に形成されているデバイスを指す。これに関して、図1を参照すると、二相電圧線V1及びV2がある。この電荷結合の概念は、フレーム転送及びインターライン転送電荷結合素子イメージセンシングにて使用されている。
【0003】当該技術でよく知られているように、電荷結合素子1は複数の画素5を含み、入射した光エネルギーを獲得してそれを信号電荷に変換する。水平シフトレジスタ10は画素5から垂直方向に移動してきた電荷を受け取り、シフトレジスタ10は、さらなる処理のために最終的にはそれらを電荷結合素子1から送り出す。イメージ獲得を開始するときには、電荷結合素子1は、待機期間中に累積された過剰電荷を消去する必要がある。従来技術のデバイスでは、消去中のゲートの垂直クロック動作は以下のようになる。すなわち、デューティサイクルは50%であり、各クロックは、高及び低ゲート電圧で等しい時間tpである。加えて、V1の立ち上がりエッジはV2の立ち下がりエッジに一致し、その逆も成立する。これにより、消去の終了まで、V1及びV2が同時に低ゲート電圧になることが無い。理解の明瞭化のために、垂直クロック(図示せず)は、実質的に連続して動作し、電荷結合素子1から水平シフトレジスタ10を介して電荷を転送させる。
【0004】十分な理解のために且つ当業者により理解されるように、電荷結合素子1はそれから、イメージ読み出しの間に引き続いて読み出されるイメージを集積時間の間に獲得することができる。これらのサイクルのためのクロック動作は、当該技術ではよく知られているのでその全体は示していない。理解を明瞭化するために、いくつかの例示的なタイミングを示している。
【0005】また、電荷結合素子の蓄積モードクロック動作が一般に知られている(例えば、特許文献1および非特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】米国特許第5,115,458号明細書【非特許文献1】アルバート・J・P・トイビッセン(Albert J P Theuwissen)著、「電荷結合デバイスによる固体イメージング(Solid State Imaging withCharge Coupled Devices)」
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図2には従来技術の電荷結合素子1が示されており、その暗領域が描かれている。そこに描かれているように、そのような従来技術のデバイスは非一様な暗領域(暗電流分布)15を含んでおり、外側又は周辺部が中央又は内側部よりも高い暗領域(暗電流分布)を有している。すなわち、そこには過剰電荷が多い。
【0008】現在の既知の電荷結合素子は満足が行くものではあるが、それらは欠点を有している。そのような従来技術のデバイスは、消去中の電力消費が高く、且つ非一様な暗領域を有している。そのような非一様な暗領域(暗電流分布)は非一様なバックグラウンドを生成し、それに対する補正が必要になり、また、より高い暗電流によるショット雑音がイメージ雑音に付加される。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の問題の一つ又はより多くを克服することを目的としている。簡単に要約すると、本発明の一つの局面によれば、本発明は、(a)画像イメージの電子的表現を獲得するための蓄積モードクロックにて動作する電荷結合素子と、(b)過剰電流の消去を開始するために前記二つ以上のフェーズの各フェーズに動作可能にそれぞれ接続された2つ以上のクロックと、を有し、消去を開始するために、画像イメージ読み出しの動作中と、前記クロックが高レベルである時間が実質的に同じであり、前記クロックが低レベルである時間tlowが画像イメージ読み出し動作中の通常の動作時間から暗電流が実質的に増加を開始する最小幅tminまで短縮されることができ、最小暗電流を保持しながら電力消費を低減し、実質的に一様の暗領域を有するデジタルカメラを含む。本発明における時間tlowは、従来技術におけるtlow=tpより大きい。時間tlowは、暗電流に顕著な影響を与えることなく消去時間の増加と消費電力の低減とを両立させるためにtminから通常の読み出し時間tlineの約2倍まで増加することができる。
【0010】本発明のこれら及び他の局面、目的、特徴、ならびに効果は、好適な実施形態の以下の詳細な説明及び添付の図面の参照によって、明瞭に理解され且つ把握できる。
【0011】
【発明の実施の形態】図3を参照すると、本発明の複数の画素25を有する2フェーズ電荷結合素子20が、そのクロック動作手法と共に示されている。画素25は行及び列のアレイに配置され、例示的な実施形態を描くための好適な実施形態では1900×2700であるが、他の構成もまた明らかに好ましい。2フェーズデバイスが示されているが、蓄積モードクロック動作ができるならば、二つよりも多いモードがあってもよい。蓄積モードは、特許文献1および非特許文献1の中に開示されており、ここでは論じない。
【0012】消去中の本発明の動作に関して、垂直クロック動作は、V1を所定の時間、好ましくは良好な垂直転送効率のために必要な最小時間の間、高レベルにクロックすることを含み、V2は、V1の立下りエッジにて所定の時間、やはり好ましくは良好な垂直転送効率のために必要な最小時間の間、高レベルにクロックされる。クロックV1及びV2が低レベルにある時間は、イメージ読み出し動作時の通常の動作時間から、暗電流が実質的に増加を開始する最小幅まで短縮されて、最小暗電流を保持しながら電力消費を低減する。例えば、イーストマン・コダック社のKAF−5101CEセンサでは、これらのクロックは好ましくは3μsだけ高レベルにクロックし、15μsだけ低レベルにクロックする駆動周期であった。クロック電圧が低レベルである時間は特定のイメージセンサに合わせて変化する。クロックが高レベルにある時間は、電荷結合素子の幅の2乗に実質的に比例し、イーストマン・コダック社のKAF−5101CEセンサでは3μsである。
【0013】水平シフトレジスタ30は、上記のクロック動作の結果として転送された電荷を受け取り、引き続いてそれらをそこから更なる処理のために転送する。
【0014】電荷結合素子20はそれから、画像イメージ読み出しの動作中に引き続いて読み出されるイメージを蓄積時間の間に獲得する。これらのサイクルのためのクロック動作は、当該技術ではよく知られているのでその全体が示されてはいない。理解を明瞭化するために、いくつかの例示的なタイミングを示す。
【0015】図4には、本発明の電荷結合素子20の模式図が示されており、その実質的に一様な暗電流は、一様な密度によって描かれている。したがって、獲得されたイメージの補正をほとんど必要とせず、且つイメージ内の雑音が低いので、有益である。
【0016】水平シフトレジスタの水平クロック動作が、イメージ読み出し(V1の立ち上がりエッジからV2の立ち下がりエッジ)の間の垂直転送時間の間を除いて、連続して動作できる。また、電荷結合素子の特定の使用にしたがって他のクロック動作手法を使用することもできる。
【0017】図5に、本発明の実施形態の一例として、電荷結合素子20を用いて商業的に実施可能なデジタルカメラ50を模式的に示す。
【0018】
【発明の効果】本発明は、消去時間は従来技術よりもわずかに長いものの、電力消費を低減し、低暗電流を維持しながら、暗領域が一様であるという効果を有する。




 

 


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