JP2000253317A

JP2000253317A - 固体撮像装置及びその駆動方法

Info

Publication number: JP2000253317A
Application number: JP11054628A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kondo; 健一近藤; Makoto Hiramatsu; 誠平松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】従来フルフレーム型ＣＣＤを有するデジタル
カメラでは極めて困難であった、撮像素子自身の出力信
号によるＡＦ，ＡＥを、レリーズタイムラグ特性を劣化
させることなく実現すること。【解決手段】センサは、撮像面に結像される被写体の
光学像を電荷に変換するための、２次元に配置された複
数の画素により構成されたイメージエリア（１）と、イ
メージエリアにより変換された電荷の一部を保持可能
な、所定数の画素により構成されたストレージエリア
（２）と、前記イメージエリアと前記ストレージエリア
との間に構成され、前記イメージエリアから転送された
信号を排出する処理と、前記ストレージエリアに転送す
る処理とを切り換えて動作可能な中間転送部（５）と、
前記ストレージエリアに転送された電荷を少なくとも１
行ずつ出力するための水平転送部（３）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置とその
駆動方法に関し、更に詳しくは、特定部分の読み出しを
可能とする固体撮像装置及びその駆動方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータで画像を扱う用途が
飛躍的に増大している。それに伴い、コンピュータに画
像を取り込むためのデジタルカメラの製品化が活発にな
っている。このようなデジタルカメラに使用する固体撮
像素子としては、インターライントランスファ型ＣＣ
Ｄ、フレームトランスファ型ＣＣＤ、フルフレーム型Ｃ
ＣＤが主にもちいられる。このうち、フルフレーム型Ｃ
ＣＤは多画素且つ高感度であることが要求される静止画
撮影用デジタルカメラに用いられることが多く、大面積
多画素センサとしての用途に用いられている。

【０００３】このようなデジタルカメラの発展動向とし
て、静止画像を扱うカメラは多画素化への方向性をより
鮮明にしており、通常の動画像用カメラの撮像素子の画
素数が２５万から４０万画素であるのに対し、７０万画
素を超える撮像素子を搭載するカメラが数多く実用化さ
れている。さらにメガピクセル、例えば、１００万画
素、１５０万画素、２００万画素、４００万画素、６０
０万画素を有する高画素撮像素子を用いたカメラも製品
化されるに至っている。

【０００４】このようにセンサの多画素化が進むことに
より、ＣＣＤを使用する製品の動向が二つの方向に分か
れつつある。一方は撮像エリアの面積を広げずに画素数
のみを増やす方向であり、この方向では画素サイズの低
面積化にともなう感度低下を回避することが課題とな
る。インターライン型ＣＣＤの多くは、この方向に進ん
でいる。もう一方は、多画素化と同時に高感度化も要求
する方向であり、従来の銀塩スチールカメラに代わるも
のとしてデジタルスチールカメラを求めるものである。
この方面のニーズには、インターライン型ＣＣＤよりも
容易に製造できる、フルフレーム型ＣＣＤが多く用いら
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の高
画素センサにおいては以下の問題がある。

【０００６】従来の２７万画素から６０万画素くらいの
ＣＣＤでは、オートフォーカス（ＡＦ）の方法として、
レンズを所定量ずつ移動して、それぞれの移動位置でＣ
ＣＤの全画素読み出しを行い（ビデオムービーカメラ用
のインターライントランスファ型ＣＣＤでは、２画素加
算した上で読み出される）、読み出されたフレーム画像
信号の高周波成分の出力レベルがピークとなるレンズ位
置（フォーカス位置）の検出を行う、テレビオートフォ
ーカス（ＴＶ−ＡＦ）制御が行われていた。また、露出
制御としては、フレーム画像信号の特定領域の画像信号
の積分値が適正値となるように、絞りの開口を制御する
か、あるいはシャッター秒時を制御することで、オート
アイリス（ＡＥ）制御を行うことが多くなされている。

【０００７】しかし、メガピクセルのＣＣＤでは全画素
の読み出しにかかる時間が長くなるため、このような読
み出しを行ってＡＦ，ＡＥを実行するには極めて長い時
間を要し、カメラのレリーズタイムラグは実用に適さな
いほどに長くなる。したがって、このようなメガピクセ
ルのＣＣＤを持つデジタルスチールカメラでは、ＣＣＤ
のイメージ領域中、必要とされる領域のみの信号電荷を
繰返し読み出すことができるようにする必要がある。

【０００８】さて、上で述べたようにメガピクセル高感
度撮像素子としては、通常フルフレーム型撮像素子が用
いられる。しかしながらフルフレーム型ＣＣＤは電荷読
み出し時に入射光を遮断するためのシャッターを閉じて
おくことが必須である。このために撮像素子からの信号
に基づき、ＡＦ，ＡＥを行おうとすれば、撮像素子に被
写体像に応じた信号電荷を蓄積するための期間はシャッ
ターを開き、信号を読み出すときにはシャッターを閉じ
ることを繰り返し行わなければならない。これにより撮
影者は、撮影直前にシャッタ開閉の振動を複数回（十数
回から数十回）受けることとなる。更に、ＡＦ，ＡＥの
完了まできわめて時間がかかることとなり（先にあげた
メカニカルシャッターを必要としないインターライン型
ＣＣＤやフレームトランスファ型ＣＣＤに比べて、メカ
ニカルシャッターの開閉分が加わるために数倍の時間増
となる）、カメラの使用者にきわめて不快感を与えるこ
ととなる。またＡＦ，ＡＥのためにシャッターを開閉す
ることで製品の寿命を数十分の一以下と極端に短くする
こととなる。このため、フルフレーム型ＣＣＤを撮像素
子として持つデジタルカメラでは、撮像素子からの信号
に基づくＡＦ，ＡＥを行うことは製品の実用上、実現不
可能との判断から、通常、撮像用の撮像素子とは別に、
ＡＦのためのラインセンサとＡＥのための測光センサと
を持たせる。このためにラインセンサと測光センサへの
結像光学経路、また、それぞれのための回路が必要とな
るため、カメラの形状が大きくなり、価格もその分高く
なってしまう。

【０００９】本発明は上記問題点を鑑みてなされたもの
であり、高画素ＣＣＤ、特に、フルフレーム型ＣＣＤ撮
像素子の特定部分の読み出しを可能とする固体撮像装置
及びその駆動方法を提供し、これにより、従来のフルフ
レーム型ＣＣＤを有するデジタルカメラでは極めて困難
であった、撮像素子自身の出力信号によるＡＦ，ＡＥを
レリーズタイムラグ特性を劣化させることなく実現する
ことを目的とする。また、低輝度被写体の撮影時のＡ
Ｅ，ＡＦ特性の劣化を防止することも目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の固体撮像装置は、撮像面に結像される被写
体の光学像を電荷に変換するための、２次元に配置され
た複数の画素により構成されたイメージエリアと、前記
イメージエリアにより変換された電荷の一部を保持可能
な、所定数の画素により構成されたストレージエリア
と、前記イメージエリアと前記ストレージエリアとの間
に構成され、前記イメージエリアから転送された信号を
排出する処理と、前記ストレージエリアに転送する処理
とを切り換えて動作可能な中間転送部と、前記ストレー
ジエリアに転送された電荷を少なくとも１行ずつ出力す
るための水平転送部とを有する。

【００１１】好ましくは、前記ストレージエリアは、前
記イメージエリアと同列数であって、かつ前記イメージ
エリアよりも少ない行数となるように、画素を配置して
成り、更に好ましくは、前記ストレージエリアの行数
は、前記イメージエリアの行数の数パーセントである。

【００１２】また、前記ストレージエリアおよび前記中
間転送部は遮光されている。

【００１３】また、本発明の好適な一態様によれば、前
記イメージエリア、前記ストレージエリア、前記中間転
送部、および前記水平転送部は、バーチャルフェーズ構
造のＣＣＤにより構成されている。

【００１４】更に、本発明の好適な別の態様によれば、
前記イメージエリア、前記ストレージエリア、前記中間
転送部、および前記水平転送部は、フルフレーム型ＣＣ
Ｄ、フレームトランスファ型ＣＣＤ、またはフレームイ
ンターライン型ＣＣＤである。

【００１５】また、本発明の好適な一態様によれば、前
記中間転送部は、電荷を排出する場合は、前記ストレー
ジエリアに転送する場合よりも、ポテンシャル壁を低く
して電荷を排出する。

【００１６】また、本発明における上記構成を有する固
体撮像装置の駆動方法は、前記イメージエリアにおい
て、被写体の光学像に対応する電荷を蓄積する蓄積工程
と、前記イメージエリアに蓄積された電荷の内、前記ス
トレージエリアの所定数の画素分の電荷を、前記中間転
送部を介して選択的に前記ストレージエリアに転送し、
選択外の電荷を前記中間転送部において排出する選択転
送工程とを有する。

【００１７】上記構成および駆動方法によれば、イメー
ジエリアに僅かのラインを蓄積するためのストレージエ
リアを追加し、かつ、イメージエリアとストレージエリ
アの中間に中間転送部を設けたことで、メカニカルシャ
ッターを開放のままで、特定部分の繰り返し読み出しを
可能とした。これにより、従来フルフレーム型ＣＣＤを
有するデジタルカメラでは極めて困難であった、撮像素
子自身の出力信号によるＡＦ，ＡＥを、レリーズタイム
ラグ特性を劣化させることなく実現することが可能とな
る。

【００１８】本発明の好適な一態様によれば、前記選択
転送工程は、前記イメージエリアの第１の所定行数の画
素の電荷を排出する第１の排出工程と、第２の所定行数
の画素の電荷を、前記イメージエリアから前記ストレー
ジエリアに転送する電荷転送工程と、前記電荷転送工程
後に、前記イメージエリアに残された電荷を排出する第
２の排出工程とを有する。

【００１９】更に、本発明の好適な一態様によれば、前
記第１の排出工程と、前記電荷転送工程とを複数回繰り
返す。この動作により、一回の露光により得られる信号
電荷を部分的に数箇所から取り込むことが可能となり、
ＡＦ，ＡＥ動作における精度および速度を高めることが
可能となる。

【００２０】好ましくは、前記第１の所定行数は、前記
第１の排出工程の実行毎に変更可能であり、更に、前記
第２の所定行数は、前記電荷転送工程の実行毎に変更可
能である。

【００２１】また、前記電荷転送工程で転送される電荷
の行数は、ストレージエリアの行数に等しい。

【００２２】また、本発明の好適な一態様によれば、前
記電荷転送工程は、隣接する少なくとも２行分の電荷を
加算する工程と、前記加算した電荷を前記ストレージエ
リアに転送する工程とを有する。この駆動により、セン
サで複数行の電荷を加算し、加算された電荷に基づいて
ＡＦ，ＡＥを行うことにより、低輝度下においても精度
良くＡＦ，ＡＥを行うことができる。

【００２３】好ましくは、前記電荷の加算は、前記中間
転送部、前記ストレージエリア、前記イメージエリアの
いずれかで行われる。

【００２４】また、前記選択転送工程において、電荷を
排出する場合は、前記ストレージエリアに転送する場合
よりも、前記中間転送部のポテンシャル壁を低くして電
荷を排出する。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態を詳細に説明する。

【００２６】＜第１の実施形態＞図１は本発明の実施の
形態におけるフルフレーム型ＣＣＤ撮像素子の構造図で
ある。

【００２７】１はｍ行×ｎ列の画素を有するイメージエ
リアであり、フルフレーム型ＣＣＤ、あるいはフレーム
トランスファＣＣＤと同様に感光するｎ本の垂直ＣＣＤ
（ＶＣＣＤ）により構成される。ＶＣＣＤは通常、２〜
４相駆動、あるいはバーチャルフェーズ構造として擬似
１相駆動となるように構成されるが、前者は画素部前面
をポリシリコンゲートで覆うこととなり、青領域の波長
の光に対する感度が悪くなる。バーチャールフェーズ構
造の場合、転送のためのクロックゲートは１相分でよ
く、バーチャルゲート部分にはゲート電極が存在しない
ために青領域の波長の光を充分に吸収し、電荷に変換す
ることが可能となる。また、バーチャルフェーズ構造と
することで、駆動のためのパルス数が少なくなり動作さ
せるのが簡単となるため、本発明のセンサは、バーチャ
ルフェーズＣＣＤであるとして説明を進める。なお、本
発明はバーチャルフェーズＣＣＤに限るものではなく、
他の駆動方式によるＶＣＣＤを用いたＣＣＤにも適用可
能であることは言うまでもない。そしてこのバーチャル
フェーズＣＣＤ（以下、特に断らない限り、単に「ＣＣ
Ｄ」と呼ぶ。）のｍ行×ｎ列のイメージエリア１におけ
るの電荷転送のためのパルスがΦＶＩである。

【００２８】２は、イメージエリア１のｍ行の中から、
任意のｐ行分の信号電荷を保持するための部分ストレー
ジエリアである。ｐは、ｍの数パーセント以下程度とな
るように設定されるため、この部分ストレージエリア２
を追加したことによる撮像素子のチップ面積の増加分は
極めて微量である。ＣＣＤのこのエリア２における電荷
転送のためのパルスがΦＶＳである。そして、このエリ
ア２の上部には、遮光のためのアルミ層が形成される。
３は、イメージエリア１で光電変換された信号電荷を一
行ずつ受け取り、出力アンプ４に出力するための水平Ｃ
ＣＤ（ＨＣＣＤ）であり、ΦＳは水平転送のためのパル
スである。なお、図１においては一行ずつ出力する構成
を示しているが、複数のＨＣＣＤを平行に配置すること
により、複数行ずつ読み出し可能な構成にすることも可
能である。

【００２９】４はＨＣＣＤ３から転送されてくる各画素
の信号電荷を電圧信号に変換するための出力アンプで、
通常、フローティングディフュージョンアンプで構成さ
れる。５は、イメージエリア１と部分ストレージエリア
２との中間に構成され、イメージエリア１からストレー
ジエリア２への転送セルであり、かつ、行方向に接続さ
れた各セル中のドレインによる中間ドレイン機能を有す
る中間ダンプラインである。バーチャルフェーズ・フレ
ームトランスファＣＣＤにおける中間ダンプラインにつ
いては、米国特許Ｎｏ．５，４０２，４５９において提
案されている。この場合の中間ダンプラインは、フレー
ムトランスファＣＣＤにおける電子シャッターを実現す
るために応用されるもので、本発明の撮像素子における
中間ダンプライン５とは目的効果を異にする。

【００３０】ここで、図１０にバーチャルフェーズＣＣ
Ｄの画素構造を示す。（ａ）は上部から見た構造図、
（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面の構造およびポテ
ンシャルプロフィールを示す。２０１は光透過性のある
ポリシリコンで形成されるクロックゲート電極であり、
この電極下の半導体表面がクロックフェーズ領域であ
る。クロックフェーズ領域はイオンの注入により２領域
に分けられ、一方が、クロックバリア領域２０２であ
り、もう一方がクロックバリアよりもポテンシャルが高
くなるようにイオンを注入することで形成される、クロ
ックウエル領域２０３である。２０４は半導体表面にｐ
^＋層を形成することでチャネルポテンシャルを固定する
ためのバーチャルゲートであり、この領域がバーチャル
フェーズ領域である。この領域もまた、ｐ^＋層より深い
層にｎ型イオンを注入することで２領域に分けられ、そ
の一方がバーチャルバリア領域２０５、もう一方がバー
チャルウエル領域２０６である。２０７は電極と半導体
の間に設けられる酸化膜などによる絶縁層である。２０
８は各ＶＣＣＤのチャネルを分離するためのチャネルス
トップである。

【００３１】なお、ここでは図示しないが、強い光が入
射した場合に電荷が隣接画素にあふれて擬似信号となる
ブルーミング現象の防御の機能も付加される。その代表
的な方法は、横形オーバーフロードレインを設ける方法
である。すなわち、各ＶＣＣＤに接してｎ^＋層よりなる
ドレインが設けられ、オーバーフロードレインと電荷転
送チャネルとの間にはオーバーフロードレインバリアが
設けられる。この構成では、オーバーフロードレインバ
リアの高さを超えるまで蓄積された電荷は、ドレインに
掃き捨てられることになる。

【００３２】ＶＣＣＤにおける電荷転送は、クロックゲ
ート電極２０１に任意のパルスを加えることでクロック
フェーズ相領域のポテンシャルをバーチャルフェーズ相
領域のポテンシャルに対して高低に動かすことで、電荷
を水平ＣＣＤの方向へ転送する。図１０（ｂ）の○によ
り、図１のイメージエリア１にかけられる駆動パルスΦ
ＶＩのポテンシャルが高い場合および低い場合のそれぞ
れについて、電荷の移動の概念を示す。

【００３３】以上は、イメージエリア１の画素構造であ
るが、部分ストレージエリア２の画素構造もこれに準ず
る。ただし、部分ストレージエリア２は、画素上部がア
ルミ遮光されているためブルーミングを防ぐ必要がない
ので、オーバーフロードレインは省略される。ＨＣＣＤ
も、また、バーチャルフェーズ構造を有するが、ＶＣＣ
Ｄからの電荷を受け取りかつそれを水平に転送すること
ができるように、複数のクロックフェーズ相領域とバー
チャルフェーズ相領域とが配置される。

【００３４】中間ダンプライン５は、イメージエリア１
および部分ストレージエリア２と同様に、バーチャルフ
ェーズ相領域およびクロックフェーズ相領域より成る素
子を複数配置して構成される。すなわち１ライン（行）
分の転送段が設けられているわけである。そして、バー
チャルウエル領域に隣接させてドレインが設けられ、バ
ーチャルウエル領域とドレイン間にはドレインバリアが
設けられる。このバリアはイオン注入により予め特定の
高さにしておいてもよいし、バリア上にゲート電極を設
けて、バリアの高さを変更できるような構成とすること
もできる。そして、水平の各画素のドレインは、水平方
向に引き回される電極により接続される。この中間ダン
プライン５において、イメージエリア１中の必要な部分
の電荷以外はドレインに排出し、必要な部分の電荷のみ
をストレージエリア２に転送する。中間ダンプライン５
は全画素読み出し時は電荷の排出を行うことなく、単に
転送路として機能することとなる。

【００３５】中間ダンプライン５と部分ストレージエリ
ア２は、上部に遮光用のアルミ層が形成され遮光され
る。

【００３６】基本的にこの構成は通常のフルフレーム型
ＣＣＤに僅かのストレージ領域を追加し、イメージ部と
ストレージ部との間に中間ダンプラインを設けたもので
あり、これにより任意の場所の、繰り返し部分読み出し
が可能となる。

【００３７】ここで、イメージエリア１、中間ダンプラ
イン５、部分ストレージエリア２、ＨＣＣＤ３の各画素
の電荷飽和量は、全画素読み出し時にはイメージエリア＜中間ダンプライン＜部分ストレージエリア＜ＨＣＣＤ …（１）とされる。これは、電荷転送先の領域の画素の電荷飽和
容量が転送元の電荷飽和容量よりも小さいと、転送先の
画素電荷飽和量を超える電荷が転送され残ってしまい、
擬似信号が発生するので、これを防止するためである。
通常、ＨＣＣＤの電荷飽和容量は、イメージエリアの電
荷飽和容量の２倍以上に設定される。

【００３８】図１のＣＣＤを用いたデジタルカメラにお
けるＣＣＤの通常読み出し（画像撮影）について、図２
のタイミング図を参照して説明する。

【００３９】最初に、撮像素子の前面に設けられるメカ
ニカルシャッターが閉じられている状態で、センサのク
リア動作を行う（Ｔｃｌｅａｒ期間）。まず、ΦＶＩお
よびΦＶＭに高速なパルスが加えられる。このとき、Φ
ＶＳはＬｏｗレベルとなっており、イメージセンサ１か
ら中間ダンプライン５へと転送されてくる電荷の通路の
障壁として機能する状態にある。したがって、イメージ
エリア１から転送されてきた電荷は全て、中間ダンプラ
イン５のバーチャルウエルに蓄積される。そして、中間
ダンプライン５のバーチャルウエル内のドレインバリア
の高さを超える分は、ドレイン層に排出される。このと
きの動作はセンサのクリアが目的であることから、ドレ
インバリアの高さを決める電圧ＶＭＤは、ドレインバリ
アが低くなるように通常の読み出し転送時よりも高い電
圧が加えられるようにしてもよい。すなわち、中間ダン
プライン５の電荷飽和容量を極力低くしておくようにす
る。ここまでの駆動で、イメージエリア１の全電荷は中
間ダンプライン５のバーチャルウエルに転送され、ドレ
インバリアを超える分の電荷はドレインに排出される。

【００４０】ここまでの動作が完了すると、ΦＶＳにパ
ルスが加えられる。ΦＶＳのパルスの最初の数パルスに
同期して、ΦＶＭにもΦＶＳと同相のパルスが加えられ
る。これにより中間ダンプライン５内の残存電荷は、部
分ストレージエリア２へと転送され、引き続きｐライン
分の転送パルスを加えることで、部分ストレージ２の不
要電荷分と中間ダンプライン５の残存電荷はＨＣＣＤ３
を介して排出される。

【００４１】クリア動作が終了すると、直ちに、メカニ
カルシャッターが開かれ、適正露光量を得るための時間
に達するとシャッターは閉じられる。この期間を露光時
間（または蓄積時間）とする（Ｔｓｔｏｒａｇｅ期
間）。蓄積時間中、ＶＣＣＤの駆動は停止されている
（ΦＶＩ，ΦＶＭ，ΦＶＳはＬｏｗレベル）。ＣＣＤ全
面の不図示の結像レンズを通過してセンサ表面、すなわ
ちイメージエリア１に結像される光に応じて発生する信
号電荷は、各画素内のバーチャルウエルに蓄積される。
そして、ドレインバリアのポテンシャル障壁の高さを越
える電荷量になると、それ以上発生する電荷はドレイン
に捨てられる。なお、部分ストレージエリア２および中
間ダンプライン５は遮光されているので、ここでは各画
素は信号電荷のない空の状態である。

【００４２】シャッターが閉じられると、まず、ｐ＋１
ライン分の垂直転送がなされる。この動作によりイメー
ジエリア１の最初のライン（部分ストレージエリア２に
隣接するライン）は部分ストレージエリア２のＨＣＣＤ
に隣接するラインにまで転送される。この最初のｐライ
ン転送は連続的になされる。

【００４３】さて、ｐライン分の転送がなされた後、イ
メージエリア１の１ライン目から順次ＨＣＣＤに転送さ
れ、逐次ライン毎の信号が読み出される（Ｔｒｅａｄ期
間）。なお、クリア動作時には高くされた、中間ダンプ
ライン５のドレインバリアの高さを決める電圧ＶＭＤ
は、この期間中はイメージエリア１の電荷飽和容量より
も、中間ダンプライン５の飽和電荷容量の方がやや大き
くなるような電圧値に切換えられる。すなわち、条件１
を満たすようにする。

【００４４】さて、このようにして読み出された信号電
荷は、不図示のＣＤＳ回路、アンプ回路、Ａ／Ｄ変換回
路等からなる前段処理回路により、デジタル信号にさ
れ、画像信号処理される。なお、これらの処理は本発明
には直接関わりが無いので、詳しい説明は省略する。

【００４５】次に、本センサを用いたデジタルカメラの
ＡＦ，ＡＥのために行われる、部分読み出しについて、
図３乃至図５を参照して説明する。

【００４６】通常、フルフレーム型ＣＣＤでは、転送時
にはシャッターを閉じておかなければならない。これは
電荷読み出し中の入射光量による信号電荷の発生量が極
めて高く、蓄積期間中に得られた画像信号に大きな偽信
号を乗せることとなるからである。これは、通常インタ
ーライン型ＣＣＤで見られるスミア現象（画像上、被写
体の高輝度点の上下に白い筋が生じる）と同じものが、
通常の輝度レベルでも現れることであり、劣悪な画像と
なる。このために、シャッターレスで画像を読み出そう
とするならば、インターライン型ＣＣＤやフレームトラ
ンスファ型ＣＣＤのように、全画素分の遮光された蓄積
部を持つことが必要とされるのである。

【００４７】フルフレーム型ＣＣＤは、読み出し時には
必ずメカニカルシャッターを閉じることを前提として、
蓄積領域を無くすことでセンサの面積を半減し、低価格
なセンサを実現したものである。これに対して、本発明
のセンサは、僅かのライン分の電荷蓄積エリアを設けた
ことで、イメージエリア１の一部の信号の読み出しがメ
カニカルシャッター開放状態でも行えるようにしたもの
であり、これにより、撮像素子から得られる信号そのも
のを用い、かつ、短時間でＡＦ，ＡＥを実行することが
可能となる。

【００４８】図３は、本発明の第１の実施形態にかかる
部分読み出し駆動を実現するタイミング図、図４は図３
に示す期間Ｔｃｆから期間Ｔｔの最初の部分を詳細に示
すタイミング図であり、図５は図４の期間Ｔｃｆおよび
Ｔ１乃至Ｔ４のタイミングにおける、中間ダンプライン
５とその前後の部分のポテンシャルプロフィールを示す
図である。以下、図３乃至図５を参照して説明する。

【００４９】まず、蓄積時間Ｔｓの後、イメージエリア
１の転送電極と中間ダンプライン５の転送電極に、イメ
ージエリア１の行数分（ｍ行）のパルス（ΦＶＩ，ΦＶ
Ｍ）が加えられる。このイメージエリア１のｍ行分の電
荷転送中の任意の行数のところから、部分ストレージエ
リア２の転送電極にΦＶＳ、ＨＣＣＤ３の転送電極にΦ
Ｓが、それぞれ、ΦＶＩ，ΦＶＭパルスと同相のパルス
で（図４参照）、ｐ＋１パルス加えられる。ここで、ｐ
は部分ストレージエリア２の転送段数、すなわち、ライ
ン数である。

【００５０】ここで、ΦＶＳ，ΦＳにパルスが加えられ
る前であって、ΦＶＩ，ΦＶＭのみにパルスが加えられ
ている期間Ｔｃｆでは、この間に加えられたパルス数分
だけのイメージエリア１のラインの信号電荷が中間ダン
プライン５のクロックウエルに蓄積され、クロックウエ
ルの飽和容量（すなわちドレインバリアの高さ）を越え
る分の電荷はドレインに排出される。すなわち、必要な
部分の前段の信号電荷クリアがなされる。図５の網掛け
された楕円は、この時に中間ダンプライン５のバーチャ
ルウエルに蓄積された電荷塊を表す。また白抜き楕円
は、各画素の電荷塊を表す。このように部分ストレージ
エリア２のクロックバリア領域が壁となり、前段の不要
電荷分は中間ダンプライン５に蓄積され、中間ダンプラ
イン５のドレインバリア（図５では中間ダンプライン５
のウエルに点線で示される）を越える電荷は、ドレイン
に排出される。

【００５１】前段クリアが終了すると、期間Ｔｔにおい
て、ΦＶＳ，ΦＳにｐ＋１パルスが加えられる。これに
より、前段クリア動作で中間ダンプライン５に残された
電荷（中間ダンプライン５のドレインバリアを越えなか
った残余電荷）が部分ストレージエリア２を通過してＨ
ＣＣＤ３に転送されると共に、イメージエリア１の必要
部分ｐラインの信号電荷は部分ストレージエリア２に蓄
積される。なお、期間Ｔｃｆにおける最後の状態から、
期間Ｔｔにおいて最初の４パルスが印加された時の電荷
の転送の様子は、図５のＴ１からＴ４に示す通りであ
る。

【００５２】このようなイメージエリア１の必要部分の
信号電荷を部分ストレージエリア２へ転送終了すると、
それに引き続いて、期間Ｔｃｒでイメージエリア１の必
要信号ラインより後段の信号電荷のクリアが継続して行
われる。

【００５３】後段のクリアが終了すると、必要信号電荷
の読み出し動作が開始される（Ｔｒ）。この読み出し期
間中にΦＶＩにパルスは加えられない。ここで、メカニ
カルシャッターは開放状態であるので、後段クリア終了
直後からイメージエリア１の信号電荷の蓄積を開始する
ることができる。つまり、これ以降にイメージエリア１
内各画素に発生した信号は、それぞれの画素内に蓄積さ
れる。

【００５４】また、後段クリアが終了すると、ＨＣＣＤ
３による電荷の転送が開始される。まず、前段クリアの
残余電荷の読み出しがなされ、これが終了すると、部分
ストレージエリア２に蓄積された信号電荷の内の最初の
ラインの信号電荷がＨＣＣＤ３に転送されて読み出さ
れ、終了後、次の信号ラインがＨＣＣＤ３に転送され読
み出される。以下同様にして、必要ライン、（ｐ−１）
ライン分の信号電荷の読み出しが完了するまで繰り返
す。そして、特定の蓄積時間（露光時間）Ｔｓ後に再
び、前段クリア（Ｔｃｆ）、必要信号電荷の部分ストレ
ージエリア２への転送（Ｔｔ）、後段クリア（Ｔｃ
ｒ）、部分ストレージエリア２の電荷の読み出し（Ｔ
ｒ）とが順次繰り返される。なお、この部分読み出しに
おいて、イメージエリア１の読み出し領域を適宜変更す
ることも可能である。

【００５５】このような部分読み出しによって得た信号
をＡＦ，ＡＥのための信号として利用することで、撮像
用のＣＣＤそのものから得られる信号を使ってカメラの
ＡＦ，ＡＥ動作を行うことが可能となる。このような部
分読み出しの間、メカニカルシャッターは開放状態にさ
れる。それが可能であるのは、所望のライン分の信号電
荷を蓄積するための部分ストレージエリア２が遮光され
ており、中間ダンプライン５のドレインにより電荷クリ
ア動作を行うことによるものある。そして、部分ストレ
ージエリア２の増加は極めて少ないものであることか
ら、撮像素子のチップサイズは従来とそれほどに変わら
ないので、通常のフルフレーム型ＣＣＤとほぼ変わらな
いコストで製造することが可能であり、また、従来のフ
ルフレーム型ＣＣＤを用いたデジタルカメラで必要であ
った、ＡＦ，ＡＥのためのセンサが不必要となり、更に
は、回路規模、カメラ本体の大きさの低減とコストの低
下をもたらすことができる。

【００５６】このようにフルフレーム型ＣＣＤに僅かの
ストレージエリアを追加することで、従来のフルフレー
ム型ＣＣＤでは困難であった、画像取り込み用の撮像素
子から得られる信号電荷を使用してＡＦ，ＡＥ（すなわ
ちＴＴＬ）を行うことが可能となる。

【００５７】＜第２の実施形態＞上記第１の実施形態で
は部分読み出し領域が可変であると述べたが、第２の実
施形態では、短周期でのイメージエリア中の複数部分の
信号を読み出す。なお、第２の実施形態においても、第
１の実施形態で説明したものと同様のＣＣＤを用いるた
め、説明を省略する。

【００５８】図６は、本発明の第２の実施形態における
駆動方法による信号電荷の読み出しを説明するタイミン
グ図である。図６においては、図３に示す駆動方法では
１箇所であった部分領域転送期間を２箇所に分割してい
る。したがって、部分読み出しのための部分クリア、部
分蓄積の動作は、前段クリア期間Ｔｃｆ、前段部分蓄積
期間Ｔｔｆ、中間クリア期間Ｔｃｍ、後段部分蓄積期間
Ｔｔｒ、後段クリア期間Ｔｃｒの順に行われる。ただ
し、これにかかる時間は図３に示す第１の駆動方法と変
わることはない。この複数箇所に分割して行われる読み
出しでは、前段部分蓄積Ｔｔｆと後段部分蓄積Ｔｔｒと
の間の中間クリア期間Ｔｃｍで中間ダンプライン５に残
された残留電荷が、前段部分電荷と後段部分電荷の間に
残される形で部分ストレージエリア２に蓄積されるの
で、前段部分蓄積時間Ｔｔｆおよび後段部分蓄積期間Ｔ
ｔｒで得られるイメージセンサ１の合計有効ライン数
は、ｐ−１ラインとなる。

【００５９】さて、この図では一回の蓄積動作で得られ
た信号電荷の内、イメージセンサ１の２部分の信号電荷
を読み込む場合の動作を示したが、読み出し部分をさら
に増やすこともできる。同様にして、ΦＶＳ，ΦＳのパ
ルスの数をさらに分割すればよいのである。この場合、
分割された領域のそれぞれ中間に、１ライン分のクリア
残余電荷のラインができる。したがって、部分ストレー
ジエリア２のライン数ｐ、分割領域数ｎｉ、有効ライン
数ｅｌとの関係はｅｌ＝ｐ−（ｎｉ−１）となる。

【００６０】このように、本発明の第２の実施形態によ
れば、第１の実施形態と同様の効果に加え、一回の露光
により得られる信号電荷を部分的に数箇所から取り込む
ことが容易になる。これにより、ＡＦ，ＡＥ動作におけ
る精度および速度を高めることが可能となる。

【００６１】更に、得られた複数領域のデータに、例え
ば主被写体領域およびその他の領域などに分類して重み
付けを行ってＡＦ，ＡＥを行うことも可能である。そう
することにより、ＡＦ，ＡＥの精度を更に高めることが
可能となる。

【００６２】＜第３の実施形態＞次に、本発明の第３の
実施形態について説明する。

【００６３】ＡＦは、暗所で撮影する場合においても明
所同様の精度が必要となる。しかし、上記第１および第
２の実施形態と同様にＣＣＤを駆動をしたのでは、信号
電荷量が足りず、信号とノイズの比が悪化し十分なＡＦ
精度が得られない。

【００６４】この問題を回避するために、被写体の輝度
が下がってくると蓄積時間Ｔｓが延長される。ただし、
蓄積時間Ｔｓがあまりに長くなりすぎると、信号読み出
しの周期が低くなり、ＡＦの動作が遅くなり、デジタル
カメラの機動性を損なうこととなる。また、別の方法と
してアンプゲインを上げることもなされるが、ゲイン増
加分に比例してノイズも増加することからＳ／Ｎの改善
にはならず、ＡＦ精度の改善量も低い。

【００６５】したがって、第３の実施形態においては、
輝度が低く、かつ、蓄積時間Ｔｓが規定値内の最大であ
るのに撮像素子からの出力が低いと判断された場合に
は、撮像素子の複数ラインの加算がなされる。

【００６６】画素加算をすることはＡＥにとっても有効
な意味を有する。すなわち、ＡＥにおいては任意の測光
領域の光量から適正露光量となる絞り値（Ａｖ）と露光
時間（Ｔｖ）を制御するのであるが、測光領域は適当な
面積を必要とする。そして、高度の処理をする場合は、
複数箇所の測光領域を設け、これの重み付けをすること
もなされる。本発明では複数箇所の領域のデータを一度
に取得できるが、取り込み箇所数が増えるほど、それぞ
れの取り込み領域の面積が減少することとなる。しかし
ながら、画素加算をすることで取り込み幅を増やすこと
が可能となるわけである。このことは、１領域の取り込
みでも同様であり、加算段数に比例して取り込み領域は
増える。ＡＥのためのデータはその領域のデータの積分
値として扱われるので、加算することによる機能上の問
題はない。この点、ＡＦでは周波数成分の抽出と言える
ことから、上に挙げた加算のメリットがある一方、加算
段数を増やすと高周波成分を損なう問題も生じる。しか
し、これも４ライン分ぐらいの加算までは実用上問題と
なることは無く、低Ｓ／Ｎでの感度増加のメリットを得
ることができる。

【００６７】以上のようなＡＦ，ＡＥにおける機能アッ
プを実現するための部分読み出し時における画素加算駆
動が第３の実施形態である。

【００６８】第３の実施形態における画素加算駆動を、
図７および図８を用いて説明する。なお、第３の実施形
態においても、第１の実施形態で説明したものと同様の
ＣＣＤを用いるため、説明を省略する。また、基本的な
動作は第１の実施形態の図３または第２の実施形態の図
６に示すものと同様であるが、図３のＴｔ期間、および
図６のＴｔｆ，Ｔｔｒ期間における信号ΦＶＳおよびΦ
Ｓのパルスタイミングが異なる。

【００６９】図７は２ライン加算の場合の駆動タイミン
グを示すタイミング図である。同図において、部分スト
レージエリア２への転送期間はＴｔで示されているが、
図６に示すＴｔｆ，Ｔｔｒ期間においても同様に行われ
る。図７に示すように、第３の実施形態においてはＴｔ
期間におけるΦＶＳ，ΦＳのパルスが、ΦＶＩまたはΦ
ＶＭと比べて１パルスおきに間引かれている。この時の
時刻Ｔ１からＴ４におけるポテンシャルプロフィールを
図８に示す。この２つの図からわかるように、このよう
な駆動とすることで、部分ストレージエリア２のクロッ
クバリア領域が壁となり、２画素分の電荷の加算を行っ
た後に、部分ストレージエリア２への転送が繰返しなさ
れる。図８中の網掛けされた楕円は２画素分の電荷が加
算された後の電荷を示すものであり、Ｔ４の時点で中間
ダンプライン５のバーチャルフェーズ領域で２画素の電
荷加算が行われ、次の電極電圧の変化でそれが部分スト
レージエリア２のクロックウエルに入る。

【００７０】なお、加算するライン数は２ラインに限る
ものではなく、例えば、４ラインずつ加算しても良い。

【００７１】図９は４画素（ライン）加算の場合のタイ
ミング図である。２画素加算と同様にストレージ部のク
ロックフェーズ相領域を壁として、中間ダンプライン５
のバーチャルウエルで加算がなされる。

【００７２】なお、これ以外の加算方法として、すでに
本発明者がＩＬＦ−１４１１で示したと同様な手法での
ストレージ部の最初段のクロックウエルでの加算、ま
た、イメージエリア１の最終段のバーチャルウエルでの
加算（この場合は中間ダンプのクロックフェーズ相領域
を壁として行う）も可能である。

【００７３】本発明では、ＩＬＦ−１４１１で示した撮
像素子に対して中間ダンプライン５を設けたことが特徴
となる。ＩＮＦ−１４１１での加算モードはイメージ部
の各画素に隣接してアンチブルーミングのためのオーバ
ーフロードレイン（横形オーバーフロードレイン）が構
成されているものを前提としている。だが、アンチブル
ーミングの方式としては横形オーバーフロードレイン構
造以外にアンチブルーミングゲート方式や縦形オーバー
フロードレイン方式がとられる。これらの方式ではＩＬ
Ｆ−１４１１で示したセンサ構造では、部分読み出しの
画素加算を行うことはできない。そこで本発明の中間ダ
ンプライン５を持たせることで画素加算が可能となるの
である。また、すでに述べたような１サイクルでの複数
箇所のストレージ部への読み込みも中間ダンプライン５
を用いることにより可能となる。

【００７４】このように、センサで電荷加算駆動を行う
ことで、ＡＦ，ＡＥを低輝度下においても精度良く行う
ことができる。

【００７５】なお、ここで説明した画素加算方式はフル
フレーム型ＣＣＤに限らず、フレームトランスファ型Ｃ
ＣＤ、あるいは、フレームインターライン型ＣＣＤにお
いても有効である。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、フ
ルフレーム型ＣＣＤ撮像素子に僅かのラインを蓄積する
ためのストレージエリアを追加し、かつ、イメージエリ
アとストレージエリアの中間にダンプラインを設けたこ
とで、メカニカルシャッターを開放のままで、特定部分
の繰り返し読み出しを可能とした。これにより、従来フ
ルフレーム型ＣＣＤを有するデジタルカメラでは極めて
困難であった、撮像素子自身の出力信号によるＡＦ，Ａ
Ｅを、レリーズタイムラグ特性を劣化させることなく実
現することが可能となった。

【００７７】また、一回の露光により得られる信号電荷
を部分的に数箇所から取り込むことにより、ＡＦ，ＡＥ
動作における精度および速度を高めることが可能とな
る。

【００７８】また、センサで複数行の電荷を加算し、加
算された電荷に基づいてＡＦ，ＡＥを行うことにより、
低輝度下においても精度良くＡＦ，ＡＥを行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の固体撮像素子の構造を示
す図である。

【図２】本発明の実施の形態にかかる固体撮像素子の画
像撮影における駆動タイミング図である。

【図３】本発明の第１の実施形態にかかるＡＦ，ＡＥ時
の固体撮像素子の部分読み出し駆動タイミング図であ
る。

【図４】本発明の第１の実施形態にかかるＡＦ，ＡＥ時
の固体撮像素子の部分読み出し駆動タイミング図であ
る。

【図５】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像素子
の駆動ポテンシャル図である。

【図６】本発明の第２の実施形態にかかるＡＦ，ＡＥ時
の固体撮像素子の部分読み出し駆動タイミング図であ
る。

【図７】本発明の第３の実施形態にかかるＡＦ，ＡＥ時
の固体撮像素子の部分読み出し駆動タイミング図であ
る。

【図８】本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像素子
の駆動ポテンシャル図である。

【図９】本発明の第３の実施形態にかかるＡＦ，ＡＥ時
の固体撮像素子の別の部分読み出し駆動タイミング図で
ある。

【図１０】固体撮像素子の画素構造を示す図である。

【符号の説明】

１イメージエリア２部分ストレージエリア３ＨＣＣＤ４出力アンプ５中間ダンプライン２０１クロックゲート電極２０２クロックバリア領域２０３クロックウェル領域２０４バーチャルゲート２０５バーチャルバリア領域２０６バーチャルウェル領域２０７絶縁層２０８チャンネルストップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA01 AA10 AB01 BA12 BA13 DA23 DB01 DB05 DB06 DB08 FA06 FA14 FA38 GA10 GB11 5C024 AA01 BA01 CA00 CA13 FA01 GA15 GA17 GA26 GA42 JA10 JA21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像面に結像される被写体の光学像を電
荷に変換するための、２次元に配置された複数の画素に
より構成されたイメージエリアと、前記イメージエリアにより変換された電荷の一部を保持
可能な、所定数の画素により構成されたストレージエリ
アと、前記イメージエリアと前記ストレージエリアとの間に構
成され、前記イメージエリアから転送された信号を排出
する処理と、前記ストレージエリアに転送する処理とを
切り換えて動作可能な中間転送部と、前記ストレージエリアに転送された電荷を少なくとも１
行ずつ出力するための水平転送部とを有することを特徴
とする固体撮像装置。
【請求項２】前記ストレージエリアは、前記イメージ
エリアと同列数であって、かつ前記イメージエリアより
も少ない行数となるように、画素を配置して成ることを
特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】前記ストレージエリアの行数は、前記イ
メージエリアの行数の数パーセントであることを特徴と
する請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】前記ストレージエリアおよび前記中間転
送部は遮光されていることを特徴とする請求項１乃至３
のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】前記イメージエリア、前記ストレージエ
リア、前記中間転送部、および前記水平転送部は、バー
チャルフェーズ構造のＣＣＤにより構成されていること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮
像装置。
【請求項６】前記イメージエリア、前記ストレージエ
リア、前記中間転送部、および前記水平転送部は、フル
フレーム型ＣＣＤであることを特徴とする請求項１乃至
５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】前記イメージエリア、前記ストレージエ
リア、前記中間転送部、および前記水平転送部は、フレ
ームトランスファ型ＣＣＤであることを特徴とする請求
項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】前記イメージエリア、前記ストレージエ
リア、前記中間転送部、および前記水平転送部は、フレ
ームインターライン型ＣＣＤであることを特徴とする請
求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】前記中間転送部は、電荷を排出する場合
は、前記ストレージエリアに転送する場合よりも、ポテ
ンシャル壁を低くして電荷を排出することを特徴とする
請求項１乃至８のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】撮像面に結像される被写体の光学像を
電荷に変換するための、２次元に配置された複数の画素
により構成されたイメージエリアと、前記イメージエリ
アにより変換された電荷の一部を保持可能な、所定数の
画素により構成されたストレージエリアと、前記イメー
ジエリアと前記ストレージエリアとの間に構成され、前
記イメージエリアから転送された信号を排出する処理
と、前記ストレージエリアに転送する処理とを切り換え
て動作可能な中間転送部と、前記ストレージエリアに転
送された電荷を少なくとも１行ずつ出力するための水平
転送部とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記イメージエリアにおいて、被写体の光学像に対応す
る電荷を蓄積する蓄積工程と、前記イメージエリアに蓄積された電荷の内、前記ストレ
ージエリアの所定数の画素分の電荷を、前記中間転送部
を介して選択的に前記ストレージエリアに転送し、選択
外の電荷を前記中間転送部において排出する選択転送工
程とを有することを特徴とする駆動方法。
【請求項１１】前記選択転送工程は、前記イメージエリアの第１の所定行数の画素の電荷を排
出する第１の排出工程と、第２の所定行数の画素の電荷を、前記イメージエリアか
ら前記ストレージエリアに転送する電荷転送工程と、前記電荷転送工程後に、前記イメージエリアに残された
電荷を排出する第２の排出工程とを有することを特徴と
する請求項１０に記載の駆動方法。
【請求項１２】前記第１の排出工程と、前記電荷転送
工程とを複数回繰り返すことを特徴とする請求項１１に
記載の駆動方法。
【請求項１３】前記第１の所定行数は、前記第１の排
出工程の実行毎に変更可能であることを特徴とする請求
項１１または１２に記載の駆動方法。
【請求項１４】前記第２の所定行数は、前記電荷転送
工程の実行毎に変更可能であることを特徴とする請求項
１１乃至１３のいずれかに記載の駆動方法。
【請求項１５】前記電荷転送工程で転送される電荷の
行数は、ストレージエリアの行数に等しいことを特徴と
する請求項１１乃至１４のいずれかに記載の駆動方法。
【請求項１６】前記電荷転送工程は、隣接する少なくとも２行分の電荷を加算する工程と、前記加算した電荷を前記ストレージエリアに転送する工
程とを有することを特徴とする請求項１１乃至１５のい
ずれかに記載の駆動方法。
【請求項１７】前記電荷の加算は、前記中間転送部で
行われることを特徴とする請求項１６に記載の駆動方
法。
【請求項１８】前記電荷の加算は、前記ストレージエ
リアで行われることを特徴とする請求項１６に記載の駆
動方法。
【請求項１９】前記電荷の加算は、前記イメージエリ
アで行われることを特徴とする請求項１６に記載の駆動
方法。
【請求項２０】前記選択転送工程において、電荷を排
出する場合は、前記ストレージエリアに転送する場合よ
りも、前記中間転送部のポテンシャル壁を低くして電荷
を排出することを特徴とする請求項１０乃至１９のいず
れかに記載の駆動方法。