JP2002270809A - 固体撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

固体撮像装置及びその制御方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 動画モードにおける撮影時の感度を向上さ
せ、動画モードにおいても明るい画像を表示できるよう
にすることである。偽色の影響を低減する。 【解決手段】 行列状に配置された光電変換素子を含
み、2行を1単位として列方向に同じ色配列が繰り返さ
れる固体撮像装置であり、光電変換素子列に近接して各
1本ずつ形成された垂直電荷転送チャネルと、光電変換
素子行の1本に対応して各2本形成された垂直電荷転送
電極と、列方向に隣接する8本ごとを1組としてそれぞ
れに対して独立に電圧を印加できるとともに、隣接する
2組16本のうち列方向に隣接する2光電変換素子行に
対応する垂直電荷転送電極と、2光電変換素子行から列
方向に3光電変換素子行分ずれた位置に形成され列方向
に隣接する2光電変換素子行とに対応する垂直電荷転送
電極と、のうち1光電変換素子行に含まれる少なくとも
各1本の垂直電荷転送電極に対して独立に読み出しパル
ス電圧を印加できる駆動回路とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、動画撮影モードを
備えたデジタルスチルカメラに用いられる固体撮像装置
に関し、特に固体撮像装置の動画撮影技術に関する。
【0002】
【従来の技術】固体撮像装置を用いたデジタルスチルカ
メラにおいて、動画出力による画像確認(いわゆるムー
ビーモード)機能が不可欠になってきている。固体撮像
装置の画素数は、年々増加の一途を辿っている。199
6年に33万画素程度だった固体撮像装置の画素数は、
1997年には80万画素程度に、1998年には13
0万画素から150万画素程度になり、そして2000
年には300万画素を超えるものが製品化されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような高画素数化
の流れの中で、従来と同じ画質の動画出力機能を維持す
ることは困難になってきた。高画素化されたデジタルス
チルカメラにおいて画質を維持するためには、画素数に
比例して駆動周波数を増加させる必要があるが、実際に
は動作周波数を上げることは難しい。回路の動作周波数
を増加させると、消費電力増大によりカメラの駆動用バ
ッテリーの保持時間が短くなる。加えて画像にノイズが
発生しやすくなる。
【0004】動作周波数を上げずに固体撮像装置の画素
数を多くしようとすれば、動画を撮影する際にフレーム
レートを下げざるを得なくなる。フレームレートを維持
するために、読み出し時の画素の間引きの割合を大きく
すると、偽色が発生しやすくなる。
【0005】図8は、間引き読み出し動作の一例として
示した動画用の読み出し技術の原理を示す平面図であ
る。
【0006】図8に示すように、CCD固体撮像装置A
は、半導体基板の2次元表面101に、行列状に形成さ
れた多数の光電変換素子103を有している。光電変換
素子103のうち1列分の光電変換素子列に対してそれ
ぞれ1本ずつ、光電変換素子103に蓄積された電荷を
垂直方向に運ぶための垂直電荷転送チャネル層105が
設けられている。
【0007】垂直電荷転送チャネル105の一端に、垂
直電荷転送チャネル105から転送されてきた電荷を受
けて、それを水平方向に転送する水平電荷転送チャネル
107が設けられている。水平電荷転送チャネル107
の一端には、運ばれた電荷信号を増幅して外部に出力す
る出力アンプ111が設けられている。
【0008】CCD固体撮像装置Aの色配列は、いわゆ
るベイヤー配列である。ベイヤー配列では、列方向に
G、R,G、・・・と並ぶ列と、この列と隣接するB、
G、B、G、・・・と並ぶ列とが、行方向に交互に配置
されている。行方向にR,G、R,G、・・・と並ぶ行
と、この行と行方向に隣接するG、B、G、・・・と並
ぶ行とが、列方向に交互に配置されている。
【0009】図8に示す各行に、L1からL8までの8
行で一単位の符号を付す。垂直電荷転送チャネル105
上に、1つの光電変換素子行について各2本づつ設けら
れ、ΦV1からΦV4までの4種類の電圧を独立して印
加できる垂直電荷転送電極が設けられている。
【0010】上記の構造を有するCCD固体撮像装置A
の動画モードによる1/4間引き読み出し動作について
説明する。
【0011】光電変換素子行L5と光電変換素子行L2
とから、それぞれ、G、B、G、B、・・・と、R、
G、R、G、・・・の信号電荷を読み出し、垂直電荷転
送チャネル105内に転送する。読み出した信号電荷
を、垂直電荷転送電極に順次駆動電圧を印加することに
より、水平電荷転送チャネル107の方向へ向けて、4
相駆動方式により転送する。
【0012】光電変換素子行について8行を1単位とす
ると、そのうちの2行分の画素の画素信号が読み出され
る。すなわち、全画素の1/4の画素からの信号を読み
出す。これを1/4間引き読み出しと称する。この方法
によれば、静止画の読み出し法として用いられる全画素
読み出しの場合の4倍の速度で、撮像を行うことができ
る。
【0013】ところが、上記の方法を用いると信号量も
1/4となるので、感度が低くなるという問題がある。
動画モードの場合のフレームレートは、1/30秒であ
る。このフレームレートを維持するためには、特に暗い
場所において感度不足になりやすい。静止画モードと異
なり、動画モードにおいてはフラッシュ撮影も難しく、
また、長時間露光による撮影も難しい。
【0014】加えて、光電変換素子行L2と光電変換素
子行L5とからの信号のみを読み出すため、信号を読み
出す光電変換素子行(読み出し光電変換素子行)間の行
間隔、すなわち、信号を読み出さない光電変換素子行
(非読み出し光電変換素子行)数が2行と4行との繰り
返しとなり、信号を読み出す光電変換素子行が列方向に
等間隔に並ばない。従って偽色が発生しやすくなる。偽
色の影響は、間引き読み出しにより読み出されなかった
画素数の増加により増加する。
【0015】また、デジタルスチルカメラにおける偽色
に関する特有の問題として、光学ローパスフィルタの不
整合の問題がある。光学ローパスフィルタは、偽色の発
生を低減する目的で設けられる。ところが、デジタルス
チルカメラの場合には、静止画の撮影に合わせて光学ロ
ーパスフィルタの複屈折のピッチが決められている。
【0016】従って、動画用に上記のような不均等な間
引き読み出しを行った場合には、読み出しピッチが上述
のように等間隔にならず、静止画用の光学ローパスフィ
ルタのピッチと合わなくなる。固体撮像装置に含まれる
画素数が増えるほど、動画撮影時の読み出し画素ピッチ
と光学ローパスフィルタのピッチとの不整合が増大する
傾向になる。
【0017】本発明の目的は、動画モードにおける撮影
時の感度を向上させ、動画モードにおいても明るい画像
を表示できるようにすることである。偽色の影響を低減
することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、二次元平面上に行列状に整列配置された複数の光電
変換素子と、該光電変換素子の上に各1づつ形成され、
行方向に並ぶ第1の色配列と該第1の色配列と行方向に
異なる色配列を有する第2の色配列を有する2行を1単
位として列方向に同じ色配列が繰り返される色フィルタ
のアレイと、前記光電変換素子の列に近接して形成さ
れ、該光電変換素子の列の1本につき各1本ずつ形成さ
れた垂直電荷転送チャネルと、該垂直電荷転送チャネル
上に形成され、前記光電変換素子の行の1本に対応して
各2本形成された複数本の垂直電荷転送電極と、列方向
に隣接する4行の光電変換素子の行に含まれる8本1組
の垂直電荷転送電極のそれぞれに対して独立に電圧を印
加できるとともに、前記1組の垂直電荷転送電極を含む
列方向に隣接する2組16本のうち、列方向に隣接する
2行一対の第1の光電変換素子行対のうちの第1の色配
列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送電極
と、前記第1の光電変換素子行対から列方向に4光電変
換素子行だけずれた位置に配置され列方向に隣接する2
行一対の第2の光電変換素子行対のうちの第2の色配列
を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送電極
と、から選択される各1本に対して独立に読み出しパル
ス電圧を印加できる駆動回路と、複数の前記垂直電荷転
送チャネルの下端に設けられ、該垂直電荷転送チャネル
から転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する
水平電荷転送チャネルと、該水平電荷転送チャネルの一
端に形成され該水平電荷転送チャネルからの電荷を増幅
して外部に読み出す出力アンプとを含む固体撮像装置が
提供される。
【0019】本発明の他の観点によれば、二次元平面上
に行列状に整列配置された複数の光電変換素子と、該光
電変換素子の上に各1づつ形成され、行方向に並ぶ第1
の色配列と該第1の色配列と行方向に異なる色配列を有
する第2の色配列を有する2行を1単位として列方向に
同じ色配列が繰り返される色フィルタのアレイと、前記
光電変換素子の列に近接して形成され、該光電変換素子
の列の1本につき各1本ずつ形成された垂直電荷転送チ
ャネルと、該垂直電荷転送チャネル上に形成され、前記
光電変換素子の行の1本に対応して各2本形成された複
数本の垂直電荷転送電極と、列方向に隣接する4行の光
電変換素子の行に含まれる8本1組の垂直電荷転送電極
のそれぞれに対して独立に電圧を印加できるとともに、
前記1組の垂直電荷転送電極を含む列方向に隣接する2
組16本のうち、列方向に隣接する2行一対の第1の光
電変換素子行対のうちの第1の色配列を有する光電変換
素子行に含まれる垂直電荷転送電極と、前記第1の光電
変換素子行対から列方向に4光電変換素子行だけずれた
位置に配置され列方向に隣接する2行一対の第2の光電
変換素子行対のうちの第2の色配列を有する光電変換素
子行に含まれる垂直電荷転送電極と、から選択される各
1本に対して独立に読み出しパルス電圧を印加できる駆
動回路と、複数の前記垂直電荷転送チャネルの下端に設
けられ、該垂直電荷転送チャネルから転送された電荷を
受けてこれを水平方向に転送する水平電荷転送チャネル
と、該水平電荷転送チャネルの一端に形成され該水平電
荷転送チャネルからの電荷を増幅して外部に読み出す出
力アンプとを含む固体撮像装置の制御方法であって、
a)隣接する2組の第1から第16までの16本の垂直
電荷転送電極のうち、列方向に隣接する第1の光電変換
素子行対のうち選択されたいずれか一方の光電変換素子
行に属する垂直電荷転送電極と、前記第1の光電変換素
子行対から列方向に4光電変換素子行分ずれた位置に形
成され列方向に隣接する第2の光電変換素子行対のうち
前記第1の光電変換素子行対において選択された光電変
換素子行と異なる行方向の色配列を有する光電変換素子
行に属する垂直電荷転送電極とに対して読み出しパルス
電圧を印加する工程と、b)前記a)工程において読み
出された信号電荷を、前記水平電荷転送チャネルに向け
て列方向に4光電変換素子行分転送する工程と、c)前
記第1の光電変換素子行対及び前記第2の光電変換素子
行対に含まれる光電変換素子行のうち前記a)工程にお
いて読み出されなかった光電変換素子行に属する垂直電
荷転送電極に対して読み出しパルス電圧を印加する工程
と、d)前記c)工程において読み出された電荷を前記
a)工程において読み出された電荷とともに前記水平電
荷転送チャネルに向けて転送する工程とを含む固体撮像
装置の制御方法が提供される。
【0020】上記の固体撮像装置の制御技術によれば、
水平電荷転送チャネルに転送される前に、垂直電荷転送
チャネル内において同色の信号電荷が2画素分加算され
る。従って、信号量、すなわち感度が2倍になり、明る
い動画像が得られる。また、信号を読み出す光電変換素
子行と、信号を読み出さない光電変換素子行とが、行方
向に等間隔で並ぶ。従って、偽色の影響が小さくなる。
加えて、静止画撮影に合わされた光学ローパスフィルタ
のピッチと動画モードにおける読み出し光電変換素子行
のピッチとが整合する。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、図1を参照して、発明者が
考案した固体撮像装置及びその制御方法について、その
原理を簡単に説明する。
【0022】図1に、発明者が考案した固体撮像装置の
原理図を示す。図1に示す光電変換素子の色配列は、ベ
イヤー配列である。ベイヤー配列は、固体撮像装置にお
ける色フィルタの配列の代表的な配列であり、列方向に
2画素ピッチで同色の画素が並ぶ配列の範疇に入る。
【0023】図1に示すように、固体撮像装置Bは、行
方向の色配列が、2光電変換素子行ごとに異なってい
る。8光電変換素子行を一単位とした場合、同じ一単位
が上下方向(垂直方向)に繰り返された構造を有してい
る。説明を簡単化するために、8行単位の各行にL1か
らL8までの符号を付した。これら各光電変換素子行に
は、垂直電荷転送チャネル内の電荷を転送するため1光
電変換素子行につき上下2本ずつ垂直電荷転送電極が設
けられている。
【0024】図1に示す固体撮像装置において、列方向
に隣接する2行分の光電変換素子行、例えば光電変換素
子行L1と光電変換素子行L2及び光電変換素子行L5
と光電変換素子行L6との4行の光電変換素子行から電
荷の読み出しを行う。
【0025】まず、光電変換素子行L1と光電変換素子
行L6とに属する光電変換素子に蓄積されている電荷を
垂直電荷転送チャネル内に読み出す。次に、読み出した
信号電荷を、水平電荷転送チャネルの方向に向けてそれ
ぞれ4光電変換素子行分転送する。この際、光電変換素
子行L1から読み出された電荷は、5行目の光電変換素
子行L5まで転送される。光電変換素子行L1と光電変
換素子行L5の信号電荷は行方向の色配列が同じであ
る。6行目の光電変換素子行L6から読み出された電荷
も垂直方向に4光電変換素子行分だけ転送され、2行目
の光電変換素子行L2まで転送される。光電変換素子行
L2と光電変換素子行L6の信号電荷も行方向に色配列
が同じである。
【0026】この状態で2回目の読み出し動作を行え
ば、同色信号を加算することができる。すなわち、光電
変換素子行L2と光電変換素子行L5に属する光電変換
素子から信号電荷を読み出せば、同色の信号電荷が垂直
電荷転送チャネル内において加算される。加算された2
画素分の信号電荷を、その後、水平電荷転送チャネルに
向けて転送する。
【0027】以上に説明した動作により、8光電変換素
子行L1からL8までのうち列方向に隣接する第1及び
第2の光電変換素子行L1及びL2と、同じく列方向に
隣接する第5及び第6の光電変換素子行L5及びL6と
の信号電荷を読み出す。非読み出し行は、第3及び第4
の光電変換素子行L3及びL4と第7及び第8の光電変
換素子行L7及びL8である。読み出し光電変換素子行
と非読み出し光電変換素子行とが、列方向に2行間隔で
等間隔に配置される。
【0028】上記の固体撮像素子においては、水平電荷
転送チャネルに転送される前に、垂直電荷転送チャネル
内において同色の信号電荷が2画素分加算される。従っ
て、信号量、すなわち感度が2倍になり、明るい動画像
が得られる。
【0029】また、読み出し行と非読み出し行とが列方
向に等間隔で並んでいる(この場合には2行ごとに並ん
でいる)。従って、偽色の影響が小さくなる。加えて、
静止画撮影に合わされた光学ローパスフィルタのピッチ
と動画モードにおける読み出し光電変換素子行のピッチ
を整合させることができるため、良好な動画像が得られ
る。
【0030】尚、上記の読み出し方法は、対象とする光
電変換素子行から4画素分列方向にずれた光電変換素子
行との間に間隔と等しいピッチを有する光学ローパスフ
ィルタを用いて、あたかも光学的な2重画像を形成した
ような読み出し方法と考えることもできる。
【0031】上記の原理に基づく本発明の一実施の形態
による固体撮像装置及びその制御方法について、図2か
ら図5までを参照して説明する。
【0032】図2は、本実施の形態による固体撮像装置
の構造を示す平面図であり、図3(A)は、図2の部分
的な拡大図、図3(B)は図3(A)のIIIb−II
Ib'線に沿う断面図である。図4は、固体撮像装置の
電荷駆動部に印加する駆動信号のタイミングチャートで
ある。図5は、図4のタイミングで駆動された場合の信
号電荷の読み出し及び転送の様子を示す図である。
【0033】図2に示すように、CCD固体撮像装置B
は、2次元平面を画定する半導体基板1上に、光電変換
素子(フォトダイオード)3が行列状に形成されてい
る。列方向に並ぶ光電変換素子列に近接して、1光電変
換素子列に対して1本づつの垂直電荷転送チャネル5が
垂直方向(列方向)に向けて延びている。光電変換素子
3と垂直電荷転送チャネル5との間に読み出しゲート3
aが形成されている。
【0034】垂直電荷転送チャネルの一端に、水平方向
(行方向)に延びる水平電荷転送チャネル7が形成され
ている。水平電荷転送チャネル7の一端に、電荷信号を
増幅して出力するための出力アンプ10が形成されてい
る。
【0035】複数本の垂直電荷転送チャネル5上には、
1つの光電変換素子3に対して上下2本の垂直電荷転送
電極11a、11bが形成されている。水平電荷転送チ
ャネル7には、ポテンシャルウェル層7aとポテンシャ
ルバリア層7bとが水平方向に交互に形成されている。
各垂直電荷転送チャネル5の一端は、ポテンシャルウェ
ル層7aと接続されている。ポテンシャルウェル層7a
上とポテンシャルバリア層7b上には、それぞれ水平電
荷転送電極15aと15bとがそれぞれ形成されてい
る。
【0036】垂直電荷転送電極11aと11bとに電荷
を転送するための電圧を印加すると、垂直電荷転送チャ
ネル5内の電子は水平電荷転送チャネル7に向けて転送
される。
【0037】水平電荷転送チャネル7内に転送された電
子は、水平電荷転送電極15aと15bとに電圧を印加
していくことにより、出力アンプ10の方向に向けて転
送される。
【0038】尚、図2では、垂直電荷転送チャネル5と
水平電荷転送チャネル7との間には、垂直電荷転送電極
(ΦV4)までが示されている。実際には、さらに、垂
直電荷転送電極ΦV5からΦV8までと、電荷を垂直電
荷転送チャネルから水平電荷転送チャネルまで転送する
ための電荷転送部とを設けることにより、図4に示すタ
イミングチャート図に基づく電荷の読み出し、転送を行
うことができる。図1の概念図においても同様である。
【0039】図3(A)および図3(B)は、図2に示
す固体撮像装置の部分拡大図であり、図3(A)は平面
図、図3(B)は図3(A)のIIIb−IIIb'線
に沿う断面図である。
【0040】図3(A)および図3(B)に示すよう
に、n型半導体基板1上に、p型半導体層23が形成さ
れている。p型半導体層23に、n型半導体層2および
n型半導体層5が形成されている。n型半導体層2とp
型半導体層23とによりp−n接合を有する光電変換素
子(フォトダイオード)3が形成される。
【0041】n型半導体層5は、光電変換素子3に蓄積
されている電荷を転送するための垂直電荷転送チャネル
を形成する。垂直電荷転送チャネル5上に、第1の絶縁
膜30を介して多結晶シリコンにより形成された電荷転
送電極11bが形成されている。
【0042】第1の電荷転送電極11aと第2の電荷転
送電極11bとが垂直方向に交互に形成され、垂直電荷
転送チャネル5とともに、垂直電荷転送路を形成してい
る。垂直電荷転送路は、光電変換素子3に蓄積されてい
た電荷を水平電荷転送チャネル7(図2)に向けて転送
する。
【0043】第1および第2の電荷転送電極11a、1
1bを覆って半導体基板1上に第1の層間絶縁膜31が
形成されている。第1の層間絶縁膜31の上に、個々の
光電変換素子3の受光面に開口部を有する導電性遮光膜
41が形成されている。導電性遮光膜41は、垂直電荷
転送路(5、11a、11b)などの非受光面上を覆
う。
【0044】絶縁膜31および遮光膜41を覆うように
第2の層間絶縁膜(平坦化膜)37が形成されている。
平坦化膜37の上にカラーフィルタ45およびマイクロ
レンズ51が形成されている。
【0045】マイクロレンズ51により集光された光
は、光電変換素子3内に入射する。導電性遮光膜41
は、光電変換素子3以外の領域における入射光の影響を
低減する。
【0046】図2に戻って、光電変換素子3の受光部左
側には、垂直電荷転送電極11a及び11bに電荷転送
電圧を印加する垂直駆動回路Cが設けられている。垂直
駆動回路Cは、光電変換素子行L1から光電変換素子行
L4までと光電変換素子行L5から光電変換素子行L8
までの4行を1単位として、垂直電荷転送電極11a及
び11bのそれぞれにΦV1からΦV8までの電圧を印
加することができる。いわゆる8相駆動方式による電荷
転送を行う。ΦV1とΦV3とに関しては、ΦV1Aと
ΦV1B(光電変換素子行L1から光電変換素子行L4
まで)及びΦV3AとΦV3B(光電変換素子行L5か
ら光電変換素子行L8まで)とで別の電圧(読み出し電
圧)を印加することができるようになっており、それぞ
れの行から電荷を独立に読み出すことができる。
【0047】図2、図4及び図5を参照して、固体撮像
装置の動作について説明する。時間T1において、垂直
駆動回路Cが、ΦV1AとΦV3Bとに高電圧(読み出
し電圧)、例えば16Vを印加する。第1光電変換素子
行L1において行方向にGBGBGB・・・と並ぶ信号
電荷が、垂直電荷転送チャネル内に読み出される(符号
)。第6光電変換素子行L6において行方向にRGR
GRG・・・と並ぶ信号電荷が、垂直電荷転送チャネル
内に読み出される(符号)。
【0048】時間T2から時間T5までの間において、
上記の読み出し動作により読み出された信号電荷を水平
電荷転送チャネルの方向に向けて8相駆動方式により転
送する。電荷を転送するための電圧は、例えば0Vと−
8Vである。第1の光電変換素子行L1から読み出され
た信号電荷GBGBGB・・・は、第5の光電変換素子
行L5の位置まで転送される(符号)。第6の光電変
換素子行L6から読み出された信号電荷RGRGRG・
・・は、第2の光電変換素子行L2の位置まで転送され
る(符号)。
【0049】この状態において、垂直電荷転送チャネル
内に存在する上記の信号電荷は、読み出しゲートを介し
てそれと近接する行方向の位置に存在する光電変換素子
に蓄積されている電荷と同色の電荷である。
【0050】時間T6において、垂直駆動回路Cが、Φ
V1BとΦV3Aとに高電圧(読み出し電圧)、例えば
16Vを印加する。上記の電荷転送動作によって転送さ
れた信号電荷GBGBGB・・・及びRGRGRG・・
・と、光電変換素子から読み出された信号電荷GBGB
GB・・・及びRGRGRG・・・とが垂直電荷転送チ
ャネル内において合流する(符号)。同色の信号電荷
が合流するため、電荷の加算が行われたことになる。R
R、GG及びBBの電荷が垂直電荷転送チャネル内に存
在することになる。
【0051】加算された電荷は、垂直駆動回路Cから電
荷転送電極に出力される駆動信号により、さらに水平電
荷転送チャネルに向けて転送される。水平電荷転送チャ
ネル内に転送された信号電荷は、水平電荷転送チャネル
内を出力アンプに向けて転送され、出力アンプにおいて
増幅された後に外部に出力される。実際には、ΦV8が
印加される垂直電荷転送電極まで電荷を転送した後、周
知の電荷転送部、例えば、垂直電荷転送電極と同様の電
極に独立した電荷転送用のパルス信号を印加することに
より、垂直電荷転送チャネル内の電荷を水平電荷転送チ
ャネル内へと転送すれば良い。垂直電荷転送チャネルか
ら水平電荷転送チャネルへの電荷転送時に、水平電荷転
送チャネルの電荷転送を開始すればよい。
【0052】尚、信号電荷を加算することにより電荷量
が多くなりすぎ、垂直電荷転送チャネルから電荷が溢れ
出すおそれがある。そこで、n型半導体基板1(図3)
に基板電位を印加できるようにしておく。いわゆる垂直
オーバーフロードレイン(VOFD)構造を形成してい
る。VOFD構造において、基板電圧により基板と光電
変換素子との間のポテンシャルバリアを予め低くしてお
けば、光電変換素子内に蓄積できる最大電荷量を少なく
することが可能である。光電変換素子内に蓄積できる信
号電荷量を調整することにより、垂直電荷転送チャネル
内で信号電荷が加算された際に、電荷が垂直電荷転送チ
ャネル外に溢れ出すのを防止することができる。
【0053】上記の固体撮像装置においては、水平電荷
転送チャネルに転送される前に、垂直電荷転送チャネル
内において同色の信号電荷が2光電変換素子分加算され
る。従って、信号量、すなわち感度が2倍になり、明る
い動画像が得られる。
【0054】さらに、8行を一単位とした場合に、4行
離れた光電変換素子行から読み出した信号同士を加算す
るので、列方向に等間隔な位置から信号を読み出すこと
になる。従って、偽色の影響が小さくなる。加えて、読
み出し信号が印加される光電変換素子行のピッチと静止
画撮影に合わされた光学ローパスフィルタのピッチとが
整合するため、良好な動画像が得られる。
【0055】尚、全画素読み出しを行う静止画モードに
おいては、1光電変換素子行おきに読み出しパルス信号
を印加して、信号電荷を読み出す。読み出した信号電荷
を全て水平電荷転送チャネル内に転送すれば良い。静止
画モードにおいては、信号電荷の加算処理を行わない。
従って、VOFD構造において、例えば光電変換素子内
に蓄積できる最大電荷量が2程度になるように、動画モ
ードの場合よりも基板電圧を低くしておけば良い。
【0056】本実施の形態による固体撮像装置の制御技
術は、列方向に2画素ごとに同色の画素が繰り返されて
いる固体撮像装置に適用すると好適である。
【0057】図6(A)から図6(J)までに、本実施
の形態による固体撮像装置に適用可能な色配列の例を示
す。図6(A)に示すベイヤー配列の他に、図6(B)
のインタライン配列、図6(C)のGストライプRB市
松、図6(D)のGストライプRB完全市松、図6
(E)のストライプ、図6(F)のフレーム色差順次、
図6(G)のMOS型、図6(H)の改良MOS型、図
6(I)の補色系フレームインターリーブ、図6(J)
の補色系ストライプなどが挙げられる。
【0058】次に、本実施の形態による固体撮像装置の
制御技術の変形例による制御技術について図7を参照し
て説明する。簡単のため、図7には色配列と垂直電荷転
送電極と垂直電荷転送電極に電荷の読み出し電圧及び駆
動電圧を印加するための回路とを示している。
【0059】図7に示す固体撮像装置Dは、GRBを1
単位として列方向に繰り返される色配列と、それと行方
向に隣接し列方向RBGが繰り返される色配列とを有し
ている。さらにそれと隣接する行には、列方向BGRが
繰り返される色配列が設けられている。この色配列は、
いわゆる斜めストライプと呼ばれる色配列である。
【0060】図7には、第1の光電変換素子行L1から
第18の光電変換素子行L18までとさらに次の第3の
光電変換素子行L3までのみが示されているが、実際に
は、同じ色配列が繰り返される。第1の光電変換素子行
L1から第18の光電変換素子行L18までの18行の
光電変換素子行が一単位となる。L1からL18までの
光電変換素子行は、第1から第6までの光電変換素子行
L1からL6と、L7からL12と、L13からL18
までの3群に分けて考えることができる。
【0061】各1群の光電変換素子行には、上から順に
ΦV1からΦV12までの12通りの駆動信号が独立し
て印加できるように駆動回路D'が設けられている。い
わゆる12相駆動方式である。上記光電変換素子行のう
ち、光電変換素子行L1からL3まで、L7からL9ま
で及びL13からL15までの光電変換素子行が読み出
し光電変換素子行であり、光電変換素子行L4からL
6、L10からL12まで及びL16からL18までが
非読み出し光電変換素子行である。3光電変換素子行を
一対とする読み出し行の光電変換素子行対中の光電変換
素子には、他の読み出し行に含まれる光電変換素子対中
の同色配列の光電変換素子行とは独立に読み出し電圧が
印加できるようになっている。
【0062】例えば、図7において、光電変換素子行L
1には信号電圧Φ1Aの電圧が、光電変換素子行L7に
はΦ1Bが、光電変換素子行L13にはΦ1Cが独立に
印加できるようになっている。A,B,Cと分けたの
は、光電変換素子L1とL7とL13とにそれぞれ異な
るタイミングで電荷の読み出しパルス信号を印加できる
ようにするためである。
【0063】尚、光電変換素子L2とL8とL14につ
いても、独立に読み出し電圧Φ3A、Φ3B、Φ3Cが
印加できる。光電変換素子L3とL9とL15について
も、独立に読み出し電圧Φ5A、Φ5B、Φ5Cが印加
できる。
【0064】上記の固体撮像装置においては、例えば図
の左側の光電変換素子列では、光電変換素子行L1の例
えばG信号は、読み出し信号により垂直電荷転送チャネ
ル5内に転送される。読み出されたG信号を、垂直電荷
転送チャネル5内において6光電変換素子行分下方に転
送する。ここで、光電変換素子行L7からG信号を読み
出すと新たなG信号が垂直電荷転送チャネル5内に転送
され、2光電変換素子分のG信号が加算される。加算さ
れた2光電変換素子分のG信号を、垂直電荷転送チャネ
ル5内において6光電変換素子行分下方に転送する。こ
こで、光電変換素子行L13からG信号を読み出すと新
たなG信号が垂直電荷転送チャネル5内に転送され、転
送されてきた2画素分のG信号と加算される。光電変換
素子行L13において3光電変換素子分のG信号が形成
される。3光電変換素子分のG信号は、水平電荷転送チ
ャネルに転送される。
【0065】同様の読み出し動作と電荷転送動作を他の
光電変換素子についても行う。
【0066】光電変換素子行L2のR信号は、図示され
ていない上の光電変換素子行(L14)から読み出され
て下方に転送されてきたR信号と加算され2光電変換素
子分のR信号が形成される。さらに、このR信号は、下
方に転送され、図示されている光電変換素子L8とのR
信号と加算される。3光電変換素子分のR信号が光電変
換素子行L8において形成される。3光電変換素子分の
R信号は水平電荷転送チャネルに転送される。
【0067】同様に、光電変換素子行L3のB信号は、
図示されていない上の光電変換素子行(L9)と光電変
換素子行(L15)とのB信号とが加算されて形成され
ている2光電変換素子分のB信号とさらに加算されて、
光電変換素子行L3において、3光電変換素子分のB信
号となる。3光電変換素子分のB信号は水平電荷転送チ
ャネルに転送される。尚、図示されている光電変換素子
行L9から読み出されたB信号は、図示されている光電
変換素子行L15のB信号と加算されて2光電変換素子
分のB信号となる。さらに、これら2光電変換素子分の
信号は、下方に図示されている光電変換素子行L3のB
信号と加算されて3光電変換素子分のB信号となる。3
光電変換素子分のB信号は水平電荷転送チャネルに転送
される。
【0068】尚、図中に付した、及びの符号は、
読み出し電圧を印加する順番を例示したものである。
【0069】以上に説明した動作により、18行を1単
位とした光電変換素子行のうち列方向に隣接する第1か
ら第3までの光電変換素子行と、同じく列方向に隣接す
る第7から第9までの光電変換素子行と、同じく列方向
に隣接する第13から第15までの光電変換素子行と、
の3光電変換素子行対における同色信号を加算できる。
図7の構造では、列方向に隣接する3行の読み出し光電
変換素子行と同じく列方向に隣接する3行の非読み出し
光電変換素子行とが、等間隔に配置されている。
【0070】実際の読み出し方法は、上記の実施の形態
による読み出し方法を3行分の光電変換素子行対を一単
位とした場合に適用したものである。この読み出し方法
は、対象とする光電変換素子行から列方向に6画素分ず
れた光電変換素子行との間の間隔と等しいピッチを有す
る光学ローパスフィルタを用いて、あたかも光学的な2
重画像を形成したような読み出し方法と言うこともでき
る。
【0071】上記の固体撮像素子においては、水平電荷
転送チャネルに転送される前に、垂直電荷転送チャネル
内において同色の信号電荷が2画素分(合計3画素分)
の加算がなされる。従って、信号量、すなわち感度が2
倍になり、明るい動画像が得られる。
【0072】また、読み出し行(群)と非読み出し行
(群)とが行方向に等間隔で並んでいる。従って、偽色
の影響が小さくなる。
【0073】以上説明したように、固体撮像装置におけ
る色配列の1ユニットを、2行、3行とすることができ
る。すなわち、n行(nは2以上の整数)を1ユニット
とする色配列にまで拡大することが可能である。
【0074】尚、本実施の形態による固体撮像装置の制
御技術は、例えば、MOS型固体撮像装置にも適用でき
ることは言うまでもない。
【0075】以上、実施の形態に沿って本発明を説明し
たが、本発明はこれらに制限されるものではない。その
他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当
業者には自明あろう。
【0076】
【発明の効果】デジタルスチルカメラのムービーモード
における感度を向上させつつ、偽色を防止することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の固体撮像装置の制御技術の原理を説
明するための平面図である。
【図2】 本発明の一実施の形態による固体撮像装置の
構造を示す平面図である。
【図3】 図3(A)は、図2の部分拡大図であり、図
3(B)は、図3(A)のIIIb−IIIb'線に沿
う断面図である。
【図4】 本発明の一実施の形態による固体撮像装置の
制御方法を示すタイミングチャートである。
【図5】 図4に示すタイミングチャートに沿って動作
させた場合の電荷転送の様子を示す模式的な図である。
【図6】 図6(A)から図6(J)までは、本発明の
一実施の形態による固体撮像装置に適用できる色フィル
タの配列の例を示す平面図である。
【図7】 本発明の一実施の形態の変形例による固体撮
像装置の構造を示す平面図である。
【図8】 従来の間引き読み出し法による固体撮像装置
の制御方法を説明するための平面図である。
【符号の説明】
A 固体撮像装置 C 制御回路 1 半導体基板 3 光電変換素子 3a 読み出しゲート 5 垂直電荷転送チャネル 7 水平電荷転送チャネル 10 出力アンプ 11a、11b 垂直電荷転送電極 15a、15b 水平電荷転送電極 Vsub 基板電圧 45 カラーフィルタ G 緑色画素 R 赤色画素 B 青色画素 Y 黄色画素 W 白色画素 M マゼンダ画素
フロントページの続き Fターム(参考) 2H048 BB02 BB06 BB08 BB47 4M118 AA01 AA04 AA10 AB01 BA13 CA03 FA06 FA13 GB03 GC07 GC08 GC20 GD04 5C065 AA01 BB19 DD02 EE03

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二次元平面上に行列状に整列配置された
    複数の光電変換素子と、 該光電変換素子の上に各1づつ形成され、行方向に並ぶ
    第1の色配列と該第1の色配列と行方向に異なる色配列
    を有する第2の色配列を有する2行を1単位として列方
    向に同じ色配列が繰り返される色フィルタのアレイと、 前記光電変換素子の列に近接して形成され、該光電変換
    素子の列の1本につき各1本ずつ形成された垂直電荷転
    送チャネルと、 該垂直電荷転送チャネル上に形成され、前記光電変換素
    子の行の1本に対応して各2本形成された複数本の垂直
    電荷転送電極と、 列方向に隣接する4行の光電変換素子の行に含まれる8
    本1組の垂直電荷転送電極のそれぞれに対して独立に電
    圧を印加できるとともに、前記1組の垂直電荷転送電極
    を含む列方向に隣接する2組16本のうち、列方向に隣
    接する2行一対の第1の光電変換素子行対のうちの第1
    の色配列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転
    送電極と、前記第1の光電変換素子行対から列方向に4
    光電変換素子行だけずれた位置に配置され列方向に隣接
    する2行一対の第2の光電変換素子行対のうちの第2の
    色配列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送
    電極と、から選択される各1本に対して独立に読み出し
    パルス電圧を印加できる駆動回路と、 複数の前記垂直電荷転送チャネルの下端に設けられ、該
    垂直電荷転送チャネルから転送された電荷を受けてこれ
    を水平方向に転送する水平電荷転送チャネルと、 該水平電荷転送チャネルの一端に形成され該水平電荷転
    送チャネルからの電荷を増幅して外部に読み出す出力ア
    ンプとを含む固体撮像装置。
  2. 【請求項2】 さらに、前記光電変換素子内に蓄積可能
    な電荷量を変調できる変調手段を備えている請求項1に
    記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項3】 二次元平面上に行列状に整列配置された
    複数の光電変換素子と、 該光電変換素子の上に各1づつ形成され、行方向に並び
    行方向に色配列の異なる第1から第n(nは2以上の整
    数)までの色配列を有するn行を1単位として列方向に
    同じ色配列が繰り返される色フィルタのアレイと、 前記光電変換素子の列に近接して形成され、該光電変換
    素子の列の1本につき各1本ずつ形成された垂直電荷転
    送チャネルと、 該垂直電荷転送チャネル上に形成され、前記光電変換素
    子の行の1本に対応して各2本形成された複数本の垂直
    電荷転送電極と、 列方向に隣接する2×n行の光電変換素子行に含まれる
    4×n本1組の垂直電荷転送電極のそれぞれに対して独
    立に電圧を印加できるとともに、前記1組の垂直電荷転
    送電極を含む隣接するn組8×n本のうち、列方向に隣
    接するn行一対の第1の光電変換素子行対のうちから選
    ばれ第1の色配列を有する第1の光電変換素子行と、前
    記第1の光電変換素子行対から列方向に順次(2×n)
    光電変換素子行分だけずれた位置に順次形成された第2
    から第nまでのn行一対の光電変換素子行とのうちに含
    まれ、光電変換素子行対ごとに異なる行方向の色配列を
    有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送電極に対
    して独立に読み出しパルス電圧を印加できる駆動回路
    と、 複数の前記垂直電荷転送チャネルの下端に設けられ、該
    垂直電荷転送チャネルから転送された電荷を受けてこれ
    を水平方向に転送する水平電荷転送チャネルと、 該水平電荷転送チャネルの一端に形成され該水平電荷転
    送チャネルからの電荷を増幅して外部に読み出す出力ア
    ンプとを含む固体撮像装置。
  4. 【請求項4】 さらに、前記光電変換素子内に蓄積でき
    る電荷量をn倍に変調できる変調手段を備えている請求
    項3に記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項5】 二次元平面上に行列状に整列配置された
    複数の光電変換素子と、該光電変換素子の上に各1づつ
    形成され、行方向に並ぶ第1の色配列と該第1の色配列
    と行方向に異なる色配列を有する第2の色配列を有する
    2行を1単位として列方向に同じ色配列が繰り返される
    色フィルタのアレイと、前記光電変換素子の列に近接し
    て形成され、該光電変換素子の列の1本につき各1本ず
    つ形成された垂直電荷転送チャネルと、該垂直電荷転送
    チャネル上に形成され、前記光電変換素子の行の1本に
    対応して各2本形成された複数本の垂直電荷転送電極
    と、列方向に隣接する4行の光電変換素子の行に含まれ
    る8本1組の垂直電荷転送電極のそれぞれに対して独立
    に電圧を印加できるとともに、前記1組の垂直電荷転送
    電極を含む列方向に隣接する2組16本のうち、列方向
    に隣接する2行一対の第1の光電変換素子行対のうちの
    第1の色配列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電
    荷転送電極と、前記第1の光電変換素子行対から列方向
    に4光電変換素子行だけずれた位置に配置され列方向に
    隣接する2行一対の第2の光電変換素子行対のうちの第
    2の色配列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷
    転送電極と、から選択される各1本に対して独立に読み
    出しパルス電圧を印加できる駆動回路と、複数の前記垂
    直電荷転送チャネルの下端に設けられ、該垂直電荷転送
    チャネルから転送された電荷を受けてこれを水平方向に
    転送する水平電荷転送チャネルと、該水平電荷転送チャ
    ネルの一端に形成され該水平電荷転送チャネルからの電
    荷を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含む固体撮
    像装置の制御方法であって、 a)隣接する2組の第1から第16までの16本の垂直
    電荷転送電極のうち、列方向に隣接する第1の光電変換
    素子行対のうち選択されたいずれか一方の光電変換素子
    行に属する垂直電荷転送電極と、前記第1の光電変換素
    子行対から列方向に4光電変換素子行分ずれた位置に形
    成され列方向に隣接する第2の光電変換素子行対のうち
    前記第1の光電変換素子行対において選択された光電変
    換素子行と異なる行方向の色配列を有する光電変換素子
    行に属する垂直電荷転送電極とに対して読み出しパルス
    電圧を印加する工程と、 b)前記a)工程において読み出された信号電荷を、前
    記水平電荷転送チャネルに向けて列方向に4光電変換素
    子行分転送する工程と、 c)前記第1の光電変換素子行対及び前記第2の光電変
    換素子行対に含まれる光電変換素子行のうち前記a)工
    程において読み出されなかった光電変換素子行に属する
    垂直電荷転送電極に対して読み出しパルス電圧を印加す
    る工程と、 d)前記c)工程において読み出された電荷を前記a)
    工程において読み出された電荷とともに前記水平電荷転
    送チャネルに向けて転送する工程とを含む固体撮像装置
    の制御方法。
  6. 【請求項6】 さらに、前記固体撮像装置は、前記光電
    変換素子内に蓄積できる電荷量を変調できる変調手段を
    備えており、 前記a)工程の前に、 x)前記変調手段により前記光電変換素子内に蓄積でき
    る電荷量を1/2光電変換素子分に変調する工程を含む
    請求項5に記載の固体撮像装置の制御方法。
  7. 【請求項7】 二次元平面上に行列状に整列配置された
    複数の光電変換素子と、該光電変換素子の上に各1づつ
    形成され、行方向に並び行方向に色配列の異なる第1か
    ら第n(nは2以上の整数)までの色配列を有するn行
    を1単位として列方向に同じ色配列が繰り返される色フ
    ィルタのアレイと、前記光電変換素子の列に近接して形
    成され、該光電変換素子の列の1本につき各1本ずつ形
    成された垂直電荷転送チャネルと、該垂直電荷転送チャ
    ネル上に形成され、前記光電変換素子の行の1本に対応
    して各2本形成された複数本の垂直電荷転送電極と、列
    方向に隣接する2×n行の光電変換素子行に含まれる4
    ×n本1組の垂直電荷転送電極のそれぞれに対して独立
    に電圧を印加できるとともに、前記1組の垂直電荷転送
    電極を含む隣接するn組8×n本のうち、列方向に隣接
    するn行一対の第1の光電変換素子行対のうちから選ば
    れ第1の色配列を有する第1の光電変換素子行と、前記
    第1の光電変換素子行対から列方向に順次(2×n)光
    電変換素子行分だけずれた位置に順次形成された第2か
    ら第nまでのn行一対の光電変換素子行とのうちに含ま
    れ、光電変換素子行対ごとに異なる行方向の色配列を有
    する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送電極に対し
    て独立に読み出しパルス電圧を印加できる駆動回路と、
    複数の前記垂直電荷転送チャネルの下端に設けられ、該
    垂直電荷転送チャネルから転送された電荷を受けてこれ
    を水平方向に転送する水平電荷転送チャネルと、該水平
    電荷転送チャネルの一端に形成され該水平電荷転送チャ
    ネルからの電荷を増幅して外部に読み出す出力アンプと
    を含む固体撮像装置の制御方法であって、 a)前記1組の垂直電荷転送電極を含む隣接する2組8
    ×n本のうち、列方向に隣接するn行一対の第1の光電
    変換素子行対のうちから選ばれる第1の色配列を有する
    第1の光電変換素子行と、前記第1の光電変換素子行対
    から列方向に(2×n)光電変換素子行分だけずれた位
    置に順次形成された第2から第nまでのn行一対の光電
    変換素子行対とのうちに含まれ、光電変換素子行対ごと
    に行方向に異なる色配列を有する光電変換素子行に含ま
    れる垂直電荷転送電極に対して独立に読み出しパルス電
    圧を印加する工程と、 b)前記a)工程において読み出された信号電荷を、前
    記水平電荷転送チャネルに向けて列方向に2×n光電変
    換素子行分だけ転送する工程と、 c)前記第1から第nまでの光電変換素子行対のうち、
    前記a)工程において読み出されなかった光電変換素子
    行に属する垂直電荷転送電極について、前記a)工程及
    び前記b)工程と同様の読み出し工程と同様の転送工程
    とを順次行う工程とを含む固体撮像装置の制御方法。
  8. 【請求項8】 さらに、前記固体撮像装置は、前記光電
    変換素子内に蓄積できる電荷量を変調できる変調手段を
    備えており、 前記a)工程の前に、 x)前記変調手段により前記光電変換素子内に蓄積でき
    る電荷量を1/n光電変換素子分に変調する工程を含む
    請求項7に記載の固体撮像装置の制御方法。
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