JP2003060185A - 固体撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 解像度の劣化を抑えつつ高速で連写可能な固
体撮像装置を提供する。 【解決手段】 二次元平面上において正方行列状に整列
配置された複数の光電変換素子であって、正方行列中市
松状に配置された第１の光電変換素子群と、正方行列中
第１の光電変換素子群と異なる位置に配置された第２の
光電変換素子群とを含む複数の光電変換素子と、第１の
光電変換素子群の上に各１ずつ形成され第１の色配列を
有する第１のカラーフィルタ群と、第２の光電変換素子
群の上に各１ずつ形成され第２の色配列を有する第２の
カラーフィルタ群とを有するカラーフィルタアレイと、
複数の光電変換素子上にそれぞれ設けられたマイクロレ
ンズと、第１及び第２の光電変換素子群全てから電荷を
読み出す第１モードと、第１の光電変換素子群のみから
電荷を読み出す第２モードとを選択的に実行できる駆動
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、固体撮像装置に関
し、特に高速連写を可能にする固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、メガピクセル級のデジタルスチル
カメラが盛んに製品化されている。このような高画素数
を有するデジタルスチルカメラでは、一般的な高精細静
止画モードと動画モードの他に、高速の駒送りが可能な
連写モードを備えたものが多くなってきている。例え
ば、メガピクセル級のデジタルスチルカメラにおいて
も、０．２秒間隔での連写が可能になってきている。今
後、デジタルスチルカメラの高画素密度化が進むにつれ
て画素サイズが小さくなる。高精細モードにおける画質
を保持するためには、垂直電荷転送チャネル（ＶＣＣ
Ｄ）の容量を小さくし、インタレース読み出し（画素部
の画素信号を２回に分けて読み出す方法）が必須になっ
てくる。

【０００３】ところが、連写モードにおいては、インタ
レース読み出しを行うと次の撮影までの時間が長くなり
すぎる。従って、２回以上に分けて画素読み出しを行う
インタレース読み出しではなく、１回での読み出し法
（同時読み出し法又はプログレッシブ読み出し法とも呼
ばれる）による画素読み出し法を用いるのが好ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１２は、一般的なＣ
ＣＤ固体撮像装置の構造を示す平面図である。

【０００５】図１２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。

【０００６】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、転送さ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。

【０００７】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、行方向にＧ、Ｂ、Ｇ、・・・と並ぶ行とが、列方向
に交互に配置されている。

【０００８】ＣＣＤ固体撮像装置Ａの各行に、Ｌ１から
Ｌ４までの４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。

【０００９】上記の構造を有するＣＣＤ固体撮像装置Ａ
の静止画モードによるインタレース読み出し動作につい
て説明する。

【００１０】例えばΦＶ１又はΦＶ２から読み出しパル
ス信号をそれと接続する電荷転送電極に印加することに
より、光電変換素子行Ｌ１及びＬ３の行（奇数行）の光
電変換素子行から、それぞれ、Ｇ、Ｂ、Ｇ、Ｂ、・・・
の信号電荷を読み出し、光電変換素子１０３から垂直電
荷転送チャネル１０５内に転送する。列方向に隣接する
垂直電荷転送電極に対してΦＶ１からΦＶ４までの電圧
を順次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１０７方向に向けて転送す
る。４相駆動方式により垂直電荷転送チャネル内の信号
電荷を水平電荷転送チャネル１０７の方向へ転送するこ
とができる。

【００１１】次に、ΦＶ２又はΦＶ４に対して読み出し
パルスを印加することにより、偶数行の光電変換素子行
Ｌ２及びＬ４から、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、Ｇ、Ｂの電荷と同様に水平
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】上記の駆動方法によれば、ＣＣＤ固体撮像
素子１中の全画素からの信号を２回に分けて読み出す。
この方法によれば、全画素の画素信号を読み出すことが
できるため高精細の画像を撮影することができる。

【００１３】動画モードにおいては、画質に関してはさ
ほど問題とはならない。従って、例えば光電変換素子行
Ｌ１の画素のみから信号を読み出せば良い（１／４間引
き読み出しの場合）。

【００１４】連写モードでは、画素信号の読み出し速度
を高速にする必要があるため、上記のインタレース法を
用いることが難しい。加えて、動画モードとは異なり解
像度をあまり落とすことも許されないため間引き読み出
し法を用いることは難しい。

【００１５】本発明の目的は、高精細静止画モードと連
写モードとの両方の読み出しモードに適した固体撮像装
置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、二次元平面上において正方行列状に整列配置された
複数の光電変換素子であって、前記正方行列中市松状に
配置された第１の光電変換素子群と、前記正方行列中前
記第１の光電変換素子群と異なる位置に配置された第２
の光電変換素子群とを含む複数の光電変換素子と、前記
第１の光電変換素子群の上に各１ずつ形成され第１の色
配列を有する第１のカラーフィルタ群と、前記第２の光
電変換素子群の上に各１ずつ形成され第２の色配列を有
する第２のカラーフィルタ群とを有するカラーフィルタ
アレイと、前記複数の光電変換素子上にそれぞれ設けら
れたマイクロレンズと、前記第１及び第２の光電変換素
子群全てから電荷を読み出す第１モードと、前記第１の
光電変換素子群のみから電荷を読み出す第２モードとを
選択的に実行できる駆動回路とを含む固体撮像装置が提
供される。

【００１７】上記固体撮像装置においては、第１及び第
２の光電変換素子群からの電荷を全て読み出す第１モー
ドと、前記第１の光電変換素子群からの電荷のみを読み
出す第２モードとに対応できる。

【００１８】前記第１のカラーフィルタ群は、それぞれ
異なる色の第１から第３までのカラーフィルタであっ
て、それらによりカラー画像を形成可能なカラーフィル
タが行方向に規則的に設けられて形成されており、前記
第２のカラーフィルタ群は、少なくとも第４のカラーフ
ィルタを含んで設けられて形成されているのが好まし
い。

【００１９】本発明のさらに他の観点によれば、二次元
平面上において正方行列状に整列配置された複数の光電
変換素子であって、前記正方行列中市松状に配置された
前記光電変換素子上にそれぞれ赤色、緑色又は青色のカ
ラーフィルタを有する第１の光電変換素子群と、前記正
方行列中前記第１の光電変換素子群と異なる位置に配置
された第２の光電変換素子群とを含む複数の光電変換素
子と、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１列について各１本ずつ形成され列方向に
延びる垂直電荷転送チャネルと、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）前記第１の光電変換素子群に
対してのみ電荷読み出しパルスを同時に印加して電荷信
号を読み出す工程と、（ｂ）前記（ａ）工程によって読
み出された前記電荷信号を、前記垂直電荷転送チャネル
及び前記水平電荷転送チャネルを介して外部に出力する
工程とを含む固体撮像装置の制御方法が提供される。

【００２０】上記の制御方法を用いれば、前記第１の光
電変換素子群からの電荷を同時に読み出すことができ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】発明者は、高精細静止画モードと
連写モードの両方のモードに適した固体撮像装置とし
て、以下のような新規な固体撮像装置を思い付いた。

【００２２】この新規な固体撮像装置においては、高精
細静止画モードはインタレース読み出しを行うことで全
画素の画像データ情報を確保する。一方、連写モードで
は全画素数の例えば半数の画素（光電変換素子）からの
信号を同時に読み出す。全画素中からその半分の画素を
選択する際に、連写時の画像の解像度を向上させるため
に、正方行列状に配置されている画素配列の中から、市
松状に配置された画素を選択することを思い付いた。
尚、本明細書において、上記のような選択画素の位置を
ハニカム配列の画素位置と称する。

【００２３】正方行列状に並ぶ画素の中からハニカム配
列の画素位置の画素信号を選択して読み出すと、全画素
読み出しの場合に比べると解像度はやや低下するもの
の、例えば１／４間引き読み出しの動画モードの場合に
比べれば解像度は良好になる。特に、ハニカム配列の画
素に対して補間処理を行うことにより正方格子状の画像
信号を得ると、解像度の低下の度合いを少なくできる。
例えば、単に画素サイズを１／２にした場合に比べて解
像度は約１．５倍に増加する。

【００２４】以下、上記の考察に基づいて本発明の第１
の実施の形態による固体撮像装置について、図１から図
８まで及び表１を参照して説明する。図１は、固体撮像
装置の機能フロック図である。図２は、固体撮像装置に
含まれるＣＣＤ固体撮像素子の概略的な平面図である。
図３は、図２の拡大図であり、隣接する２画素とそれぞ
れに対応する垂直電荷転送チャネルとを示す平面図であ
る。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ'線断面図である。図５
（Ａ）は、固体撮像素子に含まれる８行８列の光電変換
素子アレイと、この光電変換素子アレイ内の電荷を垂直
電荷転送チャネルに読み出し、垂直電荷転送チャネル内
において電荷を転送するための電荷転送電極及び電荷転
送電極に対して電荷の読み出し及び電荷の転送を行うた
めの信号電圧を印加するための駆動回路との概略構成を
模式的に示す図である。図５（Ｂ）は、上記の８行８列
の光電変換素子アレイの色フィルタ配列を示す図であ
る。図６は、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す固体撮像素子
における電荷読み出し及び電荷転送のためのタイミング
チャート図である。図６（Ａ）は全画素読み出しモード
（高精細静止画モード）、図６（Ｂ）は連写モード、図
６（Ｃ）は動画モードの場合のタイミングパルスの例を
示す。図７は、連写モードの際に選択的に読み出される
光電変換素子の配列を示す平面図である。図８は、動画
モードの際に選択的に読み出される光電変換素子の配列
を示す平面図である。

【００２５】図１に示すように、本発明の第１の実施の
形態による固体撮像装置Ｂは、ＣＣＤ固体撮像素子１
と、ＣＣＤ固体撮像素子１を駆動する駆動信号を発生す
る駆動信号発生装置２とを含む。さらに、固体撮像装置
Ｂは、ＣＣＤ固体撮像素子１から出力された信号の信号
処理を行い画像データを生成するための出力信号処理装
置３と、生成された画像データ等を記憶させる記憶装置
４と、得られた画像データに基づき画像を表示する例え
ば液晶表示装置などの画像表示装置５とを含む。さら
に、画像データを送受信するための伝送装置６や画像を
テレビに表示させるテレビ出力装置７などを任意に含ん
でいても良い。

【００２６】駆動信号発生装置２からＣＣＤ固体撮像素
子１に対して出力される駆動信号は、例えば、水平電荷
転送路又は垂直電荷転送路中の電荷を転送するための電
荷転送用信号や、出力アンプなどの駆動信号、ＣＣＤ固
体撮像素子１が形成されている半導体基板に対して縦型
オーバフロードレイン（ＶＯＦＤ）用の基板バイアス電
圧を与えるための信号などを含む。

【００２７】図２に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子１
は、半導体基板１０上に画定される２次元平面上に正方
行列状に整列配置された多数の光電変換素子１１と、光
電変換素子１１の列に近接して形成された垂直電荷転送
チャネル１５と、垂直電荷転送チャネル１５の一端に近
接して形成された水平電荷転送チャネル１７とを含む。
水平電荷転送チャネル１７の一端に出力アンプ２１が形
成されている。

【００２８】さらに、実際にはＣＣＤ固体撮像素子１
は、光電変換素子１１内に蓄積された電荷を読み出すと
ともに、垂直電荷転送チャネル１５内に読み出された電
荷を水平電荷転送チャネル１７の方向へ転送するための
電荷転送電極と、電荷転送電極に対して電荷を駆動する
ための駆動電圧信号を出力するための水平駆動部を有し
ている。

【００２９】図３は、隣接する２つの光電変換素子１１
ａ、１１ｂを中心にした構造を示す平面図である。図４
は、図３のＩＶ−ＩＶ'線に沿う断面図である。

【００３０】図３及び図４に示すように、ｎ形のシリコ
ン半導体基板１０上にｐ形半導体領域１０ａが形成され
ている。ｐ形半導体領域１０ａに、光電変換素子１１を
形成する第１のｎ形半導体領域１１ａと第２のｎ形半導
体領域１１ｂとがある距離だけ隔てられて形成されてい
る。第１のｎ形半導体領域１１ａと第２のｎ形半導体領
域１１ｂとのそれぞれに近接して同じくｎ形半導体層に
より形成された垂直電荷転送チャネル１５（１５ａ及び
１５ｂ）が形成されている。ｎ形半導体領域１１ａと垂
直電荷転送チャネル１５ａとの間に第１読み出しゲート
領域２７ａが形成されている。ｎ形半導体領域１１ｂと
垂直電荷転送チャネル１５ｂとの間に第２読み出しゲー
ト領域２７ｂが形成されている。

【００３１】垂直電荷転送チャネル１５ａ及び垂直電荷
転送チャネル１５ｂ上に、水平方向に延びる第１電荷転
送電極３１と第２電荷転送電極３３とが、１光電変換素
子行当たり各１本ずつ交互に形成されている。第１電荷
転送電極３１は第１層目の多結晶シリコン層により、第
２電荷転送電極３３が第２層目の多結晶シリコン層によ
り形成されている。

【００３２】第１読み出しゲート領域２７ａは第１電荷
転送電極３１の下の領域に形成されており、第２読み出
しゲート領域２７ｂは第２電荷転送電極３３の下の領域
に形成されている。垂直電荷転送チャネル１５ａ及び１
５ｂと、第１電荷転送電極３１及び第２電荷転送電極３
３とを覆って、例えばタングステンにより遮光膜３０が
形成されている。遮光膜３０は、光電変換素子１１ａ及
び１１ｂの受光面上にそれぞれ開口３０ａ及び３０ｂを
有している。第１電荷転送電極３１、第２電荷転送電極
３３及び遮光膜３０は、それぞれが層間絶縁膜２８によ
って電気的に絶縁されている。

【００３３】層間絶縁膜２８上には、例えばＲＧＢの３
原色用のカラーフィルタ（図４においては、Ｇ用のカラ
ーフィルタ３５ａとＲ用のカラーフィルタ３５ｂとが示
されている）。他の光電変換素子上に、Ｂ用のカラーフ
ィルタも形成されている。カラーフィルタ３５ａ及び３
５ｂ上にカラーフィルタに起因する凹凸を平坦化するた
めの平坦化膜３７が形成されている。平坦化膜３７上
に、１光電変換素子に対して１つのマイクロレンズ４１
が形成されている。マイクロレンズ４１は、光電変換素
子１１の受光面に集光する機能を有する。

【００３４】図５（Ａ）を参照して、本実施の形態によ
る固体撮像装置の構造をより詳細に説明する。図５
（Ａ）は８行８列の光電変換素子１１と、１行の光電変
換素子に対して２本ずつ設けられた第１電荷転送電極３
１と第２電荷転送電極３３とを含む。８行の光電変換素
子行を図５（Ａ）において上から順にＬ１、Ｌ２、・・
・Ｌ８と称し、８列の光電変換素子列をＱ１、Ｑ２、・
・・Ｇ８と称する。

【００３５】第１行目の光電変換素子行Ｌ１上に第１及
び第２の電荷転送電極３１−１，３３−１が形成されて
いる。第１電荷転送電極３１−１は、光電変換素子１１
の１行中において、紙面における上側に形成されている
第１読み出しゲート２７ａを含む領域上に設けられてい
る。第２電荷転送電極３３−１は、光電変換素子１１の
１行中において下側に形成されている第２読み出しゲー
ト３７ｂを含む領域上に形成されている。一行中におい
て、読み出しゲートは交互に上側、下側に設けられてい
る。

【００３６】第２行目の光電変換素子行Ｌ２上に第１及
び第２の電荷転送電極３１−２，３３−２が形成されて
いる。第１電荷転送電極３１−２は、光電変換素子１１
の紙面における上側に形成されている第１読み出しゲー
ト２７ａを含む領域上に設けられている。第２電荷転送
電極３３−２は、光電変換素子１１の紙面における下側
に形成されている第２読み出しゲート３７ｂを含む領域
上に形成されている。第１行と比較すると、読み出しゲ
ートの上側、下側の配置は反転している。第３から第８
までの光電変換素子行Ｌ３からＬ８までに関しても同様
の構成を有している。

【００３７】読み出しゲートの位置は列方向に隣接する
光電変換素子行では異なっている。例えば第１光電変換
素子Ｌ１においては、左から１列目の光電変換素子Ｑ１
の読み出しゲート２７ａは第１電荷転送電極３１−１の
下に形成されており、左から２列目の光電変換素子Ｑ２
の読み出しゲート２７ｂは第２電荷転送電極３１−２の
下に形成されている。光電変換素子行Ｌ１において、光
電変換素子列Ｑ１からＱ８まで読み出しゲートの位置が
列（上下）方向に互い違いに位置する。第２の光電変換
素子行Ｌ２においても、光電変換素子列Ｑ１からＱ８ま
で読み出しゲートの位置が列（上下）方向に互い違いに
位置する。但し、光電変換素子行Ｌ１と光電変換素子行
Ｌ２とでは、第１読み出しゲート２７ａと第２読み出し
ゲート２７ｂとの位置が列方向に１列ずれている。すな
わち、光電変換素子行Ｌ２では、光電変換素子列Ｑ１に
おける読み出しゲートが第２電荷転送電極３３−２の下
の領域に形成されており、光電変換素子列Ｑ２における
読み出しゲートは、第１電荷転送電極３１−２の下の領
域に形成されている。

【００３８】奇数行奇数列又は偶数行偶数列に位置する
光電変換素子においては、読み出しゲートが、第１電荷
転送電極３１の下の領域に形成されている。一方、偶数
行奇数列又は奇数行偶数列に位置する光電変換素子にお
いては、読み出しゲートが、第２電荷転送電極３３の下
の領域に形成されている。第１電荷転送電極３１と第２
電荷転送電極３３との関係が逆でも良い。

【００３９】さらに、固体撮像素子１には、読み出しパ
ルス及び電荷転送パルスを発生する駆動信号発生回路２
３が設けられている。駆動信号発生回路２３は、第１の
パルス信号Ｓ１から第６のパルス信号Ｓ６までの６相の
駆動パルス信号を出力することができる。

【００４０】光電変換素子行Ｌ１から光電変換素子行Ｌ
４までを例にして、第１のパルス信号Ｓ１から第６のパ
ルス信号Ｓ６までのパルス信号がどのように光電変換素
子に印加されるかについて以下に説明する。

【００４１】まず、第１電荷転送電極３１−１を介し
て、第１光電変換素子行Ｌ１の上側に設けられている読
み出しゲート２７ａに対して第１のパルス信号Ｓ１とし
て、例えば電荷読み出し用のパルス電圧が与えられる。
第２電荷転送電極３１−１を介して、第１光電変換素子
行Ｌ１の下側に設けられている読み出しゲート２７ｂに
対して第３のパルス信号Ｓ３が与えられる。第１電荷転
送電極３１−２を介して、第２光電変換素子行Ｌ２の上
側に設けられている読み出しゲート２７ａに対して第５
のパルス信号Ｓ５が与えられる。第２電荷転送電極３３
−２を介して、第２光電変換素子行Ｌ２の下側に設けら
れている読み出しゲート２７ｂに対して第６のパルス信
号Ｓ６が与えられる。

【００４２】第１電荷転送電極３１−３を介して、第３
光電変換素子行Ｌ３の上側に設けられている読み出しゲ
ート２７ａに対して第２のパルス信号Ｓ２が与えられ
る。第２電荷転送電極３３−３を介して、第３光電変換
素子行Ｌ３の下側に設けられている読み出しゲート２７
ｂに対して第４のパルス信号Ｓ４が与えられる。第１電
荷転送電極３１−４を介して、第４光電変換素子行Ｌ４
の上側に設けられている読み出しゲート２７ａに対して
第５のパルス信号Ｓ５が与えられる。第２電荷転送電極
３３−４を介して、第４光電変換素子行Ｌ４の下側に設
けられている読み出しゲート２７ｂに対して第６のパル
ス信号Ｓ６が与えられる。６相駆動方式である。

【００４３】第１光電変換素子行Ｌ１には、第１のパル
ス信号Ｓ１と第３のパルス信号Ｓ３とが付与される。第
２光電変換素子行Ｌ２には、第５のパルス信号Ｓ５と第
６のパルス信号Ｓ６とが付与される。第３光電変換素子
行Ｌ３には、第２のパルス信号Ｓ２と第４のパルス信号
Ｓ４とが付与される。第４光電変換素子行Ｌ４には、第
５のパルス信号Ｓ５と第６のパルス信号Ｓ６とが付与さ
れる。すなわち、偶数行の光電変換素子行には第５のパ
ルス信号と第６のパルス信号とが付与され、奇数行の光
電変換素子行には、第１及び第３のパルス信号又は第２
及び第４のパルス信号のいずれかが付与される。

【００４４】図５（Ｂ）を参照して、本実施の形態によ
る固体撮像装置Ｂのカラーフィルタ配列を、図５（Ａ）
の８行８列の光電変換素子配列に対応させて説明する。

【００４５】図５（Ｂ）に示すように、８行８列の正方
行列状の光電変換素子配列において、ＲＧＢのカラーを
示すアルファベット記号に白抜きの丸印が付されている
光電変換素子の配列を以下のように決める。市松状の光
電変換素子の位置、具体的には奇数行（図ではＬ１とＬ
３とＬ５とＬ７）かつ偶数列（図ではＱ２とＱ４とＱ６
とＱ８）の光電変換素子と、偶数行（図ではＬ２とＬ４
とＬ６とＬ８）かつ奇数列（図ではＱ１とＱ３とＱ５と
Ｑ７）の光電変換素子との位置に、ＲＧＢのカラーフィ
ルタを設ける。市松状の光電変換素子の位置だけを考慮
するとその具体的な色配列は、ＧストライプＲＢ完全市
松の色配列である。この色配列は、いわゆるハニカムＣ
ＣＤのカラーフィルタ配列と同様の配列であり、ＲＧＢ
の３原色によりフルカラー画像を形成できる。尚、ハニ
カムＣＣＤのカラーフィルタ配列に関しては、例えば出
願人の先の出願である特願平１１−２８７３３２号を参
照することによりより詳細に理解できる。

【００４６】市松状に配置された上記のＲＧＢの色配列
の隙間（この隙間も市松状の配置を有している）の位
置、具体的には奇数行（図ではＬ１とＬ３とＬ５とＬ
７）かつ奇数列（図ではＱ１とＱ３とＱ５とＱ７）の光
電変換素子と、偶数行（図ではＬ２とＬ４とＬ６とＬ
８）かつ偶数列（図ではＱ２とＱ４とＱ６とＱ８）の光
電変換素子の位置に、全て同じ色のカラーフィルタが設
けられる。図５（Ｂ）の例では、隙間の光電変換素子の
位置には、全てＧのカラーフィルタが設けられる。

【００４７】本実施の形態による固体撮像装置Ｂの色配
列は正方行列状の配列である。市松状に配置されＲＧＢ
のカラーフィルタが設けられた各光電変換素子からの色
信号は、輝度信号と色差信号とを得るために用いること
ができる。その隙間に配置されＧのカラーフィルタが設
けられた光電変換素子からの色信号は、主として輝度信
号を得るために用いることができる。

【００４８】次に、本実施の形態による固体撮像装置の
読み出し動作について、表１と、図５（Ａ）及び
（Ｂ）、図６（Ａ）から（Ｃ）まで及び図８を参照して
説明する。

【００４９】まず表１を参照して、本実施の形態による
固体撮像装置の読み出し動作の概略について説明する。

【００５０】

【表１】

【００５１】表１に示すように、本実施の形態による固
体撮像装置は、３種類の読み出しモードを有している。
第１のモードは、高精細静止画モードである。このモー
ドは、精細な静止画を撮像するためのモードである。読
み出す画素は、固体撮像素子中の全画素である。読み出
し方法としては、複数回（通常は２回）の読み出しを行
うインタレース読み出し法を用いる。

【００５２】第２のモードは、連写モードである。この
モードは、高精細静止画モードよりは解像度の点では若
干劣るが、複数駒の静止画を高速撮像するのに適した読
み出しモードである。読み出す画素数は、例えば固体撮
像素子中の全画素数の１／２程度の画素数である。読み
出し方法は、１回だけの同時読み出しを行う方法であ
る。

【００５３】第３のモードは、動画モードである。この
モードは、高精細静止画モード及び連写モードに比べて
解像度の点で劣るが、例えばデジタルスチルカメラに備
えられた液晶表示装置などにムービーを表示させるのに
適している。読み出す画素の数は、固体撮像素子中の例
えば１／４の画素である。読み出し方法は、特定の光電
変換素子行の信号のみを読み出す、いわゆる間引き読み
出し方法である。

【００５４】図６は、固体撮像素子１中の光電変換素子
から信号電荷を読み出すとともに、読み出された電荷信
号を水平電荷転送チャネルに向けて転送するために電荷
転送電極に対して付与する信号のタイミングチャート図
である。図６（Ａ）は上記第１のモードで全画素データ
を読み出すためのタイミングチャート図であり、第１か
ら第６までの信号パルスＳ１からＳ６までを印加するタ
イミングを示す図である。図６（Ｂ）は上記第２のモー
ド（連写モード）で画素データを読み出すためのタイミ
ングチャート図であり、第１から第６までの信号パルス
Ｓ１からＳ６までを印加するタイミングを示す図であ
る。図６（Ｃ）は上記第３のモード（ムービーモード）
で画素データを読み出すためのタイミングチャート図で
あり、第１から第６までの信号パルスＳ１からＳ６まで
を印加するタイミングを示す図である。

【００５５】図５（Ａ）と図５（Ｂ）と図６（Ａ）とを
参照して第１モードの画素データ読み出し動作について
説明する。まず、時間ｔ１において、光電変換素子から
読み出しゲートを介して垂直電荷転送チャネルに電荷を
読み出すための読み出しパルス電圧、例えば１５Ｖの高
電圧パルスが、第１から第４までの信号パルスＳ１から
Ｓ４までとして与えられる。光電変換素子行Ｌ１からＬ
８までのうち奇数行Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５及びＬ７の光電変
換素子１１内の蓄積電荷が垂直電荷転送チャネルに読み
出される。

【００５６】時間ｔ２から時間ｔ３までの間は、垂直電
荷転送チャネル内に読み出される信号電荷を水平電荷転
送チャネルに向けて転送する期間である。信号を転送す
るための電荷転送用パルス電圧、例えば０Ｖと−８Ｖと
の電圧を電荷転送電極３１及び電荷転送電極３３に対し
て印加する。信号電荷は水平電荷転送チャネルの方向に
４相駆動方式により転送される。水平電荷転送チャネル
に転送された信号電荷は、例えば２相駆動方式により出
力アンプまで転送され、外部に出力される。

【００５７】時間ｔ４において、光電変換素子から読み
出しゲートを介して垂直電荷転送チャネルに電荷を読み
出すための読み出しパルス電圧、例えば１５Ｖの高電圧
が、第５及び第６の信号パルスＳ５及びＳ６までとして
与えられる。光電変換素子行Ｌ１からＬ８までのうち偶
数行Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６及びＬ８の光電変換素子１１内の
蓄積電荷が垂直電荷転送チャネルに読み出される。

【００５８】時間ｔ５から時間ｔ６までの間、電荷を転
送するための電荷転送用パルス電圧、例えば０Ｖと−８
Ｖとの電圧を電荷転送電極３１及び３３に対して印加す
る。信号電荷は水平電荷転送チャネルの方向に４相駆動
方式により転送される。水平電荷転送チャネルに転送さ
れた信号電荷は、例えば２相駆動方式により出力アンプ
まで転送され、外部に出力される。

【００５９】以上説明したように、２回読み出し（イン
タレース読み出し）法により固体撮像素子の全画素の画
素データを読み出すことができる。

【００６０】次に、図５（Ａ）と図６（Ｂ）と図７とを
参照して第２モードの画素データ読み出し動作について
説明する。まず、時間ｔ１において、光電変換素子から
読み出しゲートを介して垂直電荷転送チャネルに電荷を
読み出すための読み出しパルス電圧、例えば１５Ｖの高
電圧が、第３、第４及び第６の信号パルスＳ３、Ｓ４及
びＳ６として与えられる。図７に示すように、奇数行偶
数列と偶数行奇数列とに位置する光電変換素子１１ａ内
の蓄積電荷が選択的に読み出される。すなわち、正方行
列に対して破線で示した市松状に配置されているいわゆ
るハニカム配列の光電変換素子の位置から、ＲＧＢの画
素データが１回の読み出し動作により読み出される。垂
直電荷転送チャネル内に読み出された電荷は、同様に垂
直電荷転送チャネル内を水平電荷転送チャネルに向けて
転送される。

【００６１】読み出されたＲＧＢの画素データに基づい
て補間処理を行えば、読み出された光電変換素子の位置
に対して行方向及び列方向に隣接する位置における画素
データを推測演算することができる。このような補間処
理を行えば、図５（Ｂ）に示す高精細モードの静止画に
比べて解像度の劣化が少ない静止画を得ることができ
る。尚、連写モードにおいて上記の推測演算処理を行う
と、最終的な画像データの数は高精細モードの場合と同
じデータ数になる。データ数を減らしたい場合には、例
えば図７に色信号に対応する記号ＲＧＢが示されている
光電変換素子の画素データのみを用いて画像を形成すれ
ば良い。解像度と画像データ数とのトレードオフで、任
意の数の画像データを生成することができる。

【００６２】次に、図５（Ａ）と図６（Ｂ）と図８とを
参照して第３モードの画素データ読み出し動作について
説明する。時間ｔ１において、第１及び第３の信号パル
スＳ１及びＳ３として、光電変換素子から読み出しゲー
トを介して垂直電荷転チャネルに電荷を読み出すための
読み出しパルス電圧、例えば１５Ｖの高電圧が与えられ
る。図８に示すように、第１の光電変換素子行Ｌ１と第
５の光電変換素子行Ｌ５（白抜きの丸印で囲まれたＲＧ
Ｂ記号が配置されている位置）との光電変換素子１１か
らの蓄積電荷が選択的に読み出される。Ｇのみが並ぶ光
電変換素子行は選択しない。上記の光電変換素子行に
は、ＲＧＢのカラーフィルタを有する光電変換素子がそ
れぞれ配置されているため、輝度信号と色差信号とを得
ることができる。これらの信号に基づいてモニタ画像を
形成する。第３のモードを用いると４光電変換素子行中
の１光電変換素子行のみが画像データとして読み出され
るので、高速のデータ読み出しが可能となる。解像度は
劣るがムービーを表示する動画モニタ用の画像データと
しては十分なデータ数を有している。

【００６３】尚、間引き読み出しは、４光電変換素子行
に１行ごとに読み出す１／４間引き読み出しに限定され
るものではない。また、図７に示すハニカム状の光電変
換素子配置のうちから、ｎ行（ｎは２以上の整数）に１
行の割合で間引き読み出しを行っても良い。

【００６４】以上、本実施の形態による固体撮像装置に
おいては、正方格子状の光電変換素子配置のうち、ハニ
カム状の光電変換素子から画素データを読み出すことに
より、１回の読み出しで解像度の良好な静止画を得るこ
とができる。１回の読み出し工程により静止画を得るこ
とができるので高速の読み出しが可能となる。従って、
解像度をそれほど劣化させずに高速の連写が可能とな
る。光高精細モードの全画素読み出し（インタレース読
み出し）の場合と比較して、２倍以上の高速撮影が可能
となる。例えば、メガピクセル級の画像で１秒当たり５
駒の撮影を行うことができる。

【００６５】次に、本発明の第２の実施の形態による固
体撮像装置とその第１及び第２変形例について、図９か
ら図１１までを参照して説明する。図９から図１１まで
は、第１の実施の形態による固体撮像装置の図５（Ｂ）
に対応する図である。第２の実施の形態による固体撮像
装置は、第１の実施の形態による固体撮像装置とほぼ同
様の構造を有している。但し、カラーフィルタの色配列
が異なっている。

【００６６】図９（Ａ）は、本発明の第２の実施の形態
による固体撮像装置のカラーフィルタの配列を示す平面
図であり、図９（Ｂ）は第１の実施の形態の図４に対応
する断面図である。

【００６７】図９（Ａ）に示すように、本実施の形態に
よる固体撮像装置Ｃのカラー配列は、白抜きの丸印で囲
んだ光電変換素子に関しては、図５（Ｂ）に示す第１の
実施の形態による固体撮像装置Ｂのカラー配列と同様で
ある。但し、それ以外の光電変換素子では、緑色（Ｇ）
の代わりに白色（Ｗ）のカラーフィルタが配置してい
る。図９（Ｂ）に示すように、白色（Ｗ）の光電変換素
子上にマイクロレンズを設けない構造４１'としても良
い。

【００６８】本発明の第２の実施の形態の第１変形例に
よる固体撮像装置について、図１０を参照して説明す
る。第１変形例による固体撮像装置においては、図１０
に示すように、白抜きの丸印で囲んだ光電変換素子に関
しては、図５（Ｂ）に示す第１の実施の形態による固体
撮像装置Ｂのカラー配列と同様である。但し、それ以外
の光電変換素子には、ＲＧＢのカラーフィルタが配置さ
れている。図１０においては、偶数行の光電変換素子行
Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６及びＬ８に関してはＧのカラーフィル
タのみが配置されている。奇数行の光電変換素子行Ｌ
１、Ｌ３、Ｌ５及びＬ７に関しては、白抜きの丸印で囲
んだ光電変換素子と同じ色のカラーフィルタをその左隣
にも配置した色配列を有している。この構造は、連写モ
ードの際に選択され市松状に配置された光電変換素子の
間に、ハニカム配列を有するＲＧＢのカラー配列を有す
る光電変換素子を配置した構造となっている。

【００６９】本発明の第２の実施の形態の第２変形例に
よる固体撮像装置について、図１１を参照して説明す
る。第２変形例による固体撮像装置においては、図１１
に示すように、白抜きの丸印で囲んだ光電変換素子に関
しては、図５（Ｂ）に示す第１の実施の形態による固体
撮像装置Ｂのカラー配列と同様である。それ以外の位置
に配置される光電変換素子にも、ＲＧＢのカラーフィル
タが配置されている。図１１においては、奇数行の光電
変換素子行Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５及びＬ７に関してはＲＢの
からフィルタの隙間にＧのカラーフィルタが配置されて
いる。偶数行の光電変換素子行Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６及びＬ
８に関しては、白抜きの丸印で囲んだＧの光電変換素子
の隙間にＲ又はＢの色フィルタを有する光電変換素子が
配置されている。この構造は、奇数列Ｑ１、Ｑ３、Ｑ
５、Ｑ７においてＧのカラーフィルタを有する光電変換
素子がストライプ状に配置されたＧストライプ配列を有
している。

【００７０】上記の第２の実施の形態による固体撮像装
置においても、第１の実施の形態による固体撮像装置と
同様に、連写モードにより得られた画像に関して高速で
かつ解像度の劣化を押さえた撮像が可能となる。

【００７１】尚、本実施の形態による固体撮像装置にお
いて示したカラーフィルタ配列は単なる例示であり、特
に、白抜きの丸印で囲まれていない光電変換素子に配置
するカラーフィルタに関しては、撮像された画像におけ
る解像度などに平面的な歪みが生じない限りにおいて
は、特に上記のカラーフィルタ配列のみに限定する趣旨
のものではない。

【００７２】また、上記実施の形態においてはＣＣＤ固
体撮像装置を例にして説明したが、ＣＭＯＳ型の固体撮
像装置にも適用可能である。また、カラーフィルタ配列
に関してはＲＧＢの３原色系を例にして説明したが、補
色系のカラーフィルタを有する固体撮像装置にも適用可
能である。例えば、請求項１に記載の固体撮像装置にお
いて、前記第１のカラーフィルタをシアンとイエローと
から選択されるいずれか一方のカラーフィルタとし、前
記第２のカラーフィルタをシアンとイエローとから選択
される他方のカラーフィルタとし、前記第３のカラーフ
ィルタを緑色のカラーフィルタとすれば良い。その他、
前記第１のカラーフィルタをマゼンダとシアンとから選
択されるいずれか一方のカラーフィルタとし、前記第２
のカラーフィルタをマゼンダとシアンとから選択される
他方のカラーフィルタとし、前記第３のカラーフィルタ
をイエローのカラーフィルタとしても良い。その他，Ｍ
ｇ−ＹｅとＣｙの組み合わせ、Ｃｙ−ＹｅとＷ（ホワイ
ト）の組み合わせでも良い。

【００７３】以上、本発明の実施の形態について例示し
たが、上記例示は制限的な意味を有さない。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
は自明であろう。

【００７４】

【発明の効果】本発明の固体撮像装置を用いると、高精
細静止画、連写モードにより得られる静止画及び動画を
簡単に得ることができる。特に、連写モードにおける解
像度の劣化を抑制しつつ、連写モードにおける撮影速度
を速めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態による固体撮像装
置の機能ブロック図である。

【図２】 本発明の第１の実施の形態による固体撮像装
置のうち主にＣＣＤ固体撮像素子の平面図である。

【図３】 図２の平面図の拡大図であり、主として隣接
する２つの光電変換素子の読み出しゲート構造を説明す
るための図である。

【図４】 図３のＩＶ−ＩＶ'線に沿う断面図である。

【図５】 図５（Ａ）は本発明の第１の実施の形態によ
る固体撮像装置のうち主にＣＣＤ固体撮像素子に含まれ
る８行８列の光電変換素子アレイと、この光電変換素子
アレイ内の電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出し、垂
直電荷転送チャネル内において電荷を転送するための垂
直電荷転送電極及び駆動電圧の概略構造を模式的に示す
図である。図５（Ｂ）は、上記の８行８列の光電変換素
子アレイの色フィルタ配列を示す図である。

【図６】 図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す固体撮像素子に
おける電荷読み出し及び電荷転送のためのタイミングチ
ャート図である。図６（Ａ）は全画素読み出しモード
（高精細静止画モード）、図６（Ｂ）は連写モード、図
６（Ｃ）は動画モードの場合のタイミングパルスを示
す。

【図７】 連写モードの際に選択的に読み出される光電
変換素子のみを示す平面図である。

【図８】 動画モードの際に選択的に読み出される光電
変換素子のみを示す平面図である。

【図９】 図９（Ａ）は、本発明の第２の実施の形態に
よる固体撮像装置のうち主にＣＣＤ固体撮像素子に含ま
れる８行８列の光電変換素子アレイの色フィルタ配列を
示す図である。図９（Ｂ）は、Ｗの光電変換素子上にマ
イクロレンズを設けない構造を示す断面図である。

【図１０】 本発明の第２の実施の形態の第１変形例に
よる固体撮像装置のうち主にＣＣＤ固体撮像素子に含ま
れる８行８列の光電変換素子アレイの色フィルタ配列を
示す図である。

【図１１】 本発明の第２の実施の形態の第２変形例に
よる固体撮像装置のうち主にＣＣＤ固体撮像素子に含ま
れる８行８列の光電変換素子アレイの色フィルタ配列を
示す図である。

【図１２】 一般的なＣＣＤ固体撮像素子の構造と電荷
読み出し方法を示す平面図である

【符号の説明】

Ｂ 固体撮像装置 １ ＣＣＤ固体撮像装置 ２ 駆動信号発生装置 １０ 半導体基板 １１ 光電変換素子 １５ 垂直電荷転送チャネル １７ 水平電荷転送チャネル ２１ 出力アンプ ２７ａ 第１読み出しゲート領域 ２７ｂ 第２読み出しゲート領域 ３０ 遮光膜 ３１ 第１電荷転送電極 ３３ 第２電荷転送電極 ２８ 層間絶縁膜 ３５ カラーフィルタ ３７ 平坦化膜 ４１ マイクロレンズ Ｌ１ 光電変換素子行 Ｑ１ 光電変換素子列

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA10 AB01 BA13 CA03 DA05 DB03 DB09 EA07 FA02 FA06 FA13 FA31 GB03 GB08 GB11 GC08 GC14 GC15 GD04 GD07 5C024 CX00 EX43 EX52 GY01 GZ42 JX26 5C065 BB48 EE03 EE20 GG26

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二次元平面上において正方行列状に整列
   配置された複数の光電変換素子であって、前記正方行列
   中市松状に配置された第１の光電変換素子群と、前記正
   方行列中前記第１の光電変換素子群と異なる位置に配置
   された第２の光電変換素子群とを含む複数の光電変換素
   子と、 前記第１の光電変換素子群の上に各１ずつ形成され第１
   の色配列を有する第１のカラーフィルタ群と、前記第２
   の光電変換素子群の上に各１ずつ形成され第２の色配列
   を有する第２のカラーフィルタ群とを有するカラーフィ
   ルタアレイと、 前記複数の光電変換素子上にそれぞれ設けられたマイク
   ロレンズと、 前記第１及び第２の光電変換素子群全てから電荷を読み
   出す第１モードと、前記第１の光電変換素子群のみから
   電荷を読み出す第２モードとを選択的に実行できる駆動
   回路とを含む固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記第１のカラーフィルタ群は、それぞ
   れ異なる色の第１から第３までのカラーフィルタであっ
   て、それらによりカラー画像を形成可能なカラーフィル
   タが行方向に規則的に設けられて形成されており、 前記第２のカラーフィルタ群は、少なくとも第４のカラ
   ーフィルタを含んで設けられて形成されている請求項１
   に記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記第４のカラーフィルタは、緑色のカ
   ラーフィルタである請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記第４のカラーフィルタは、白色のカ
   ラーフィルタである請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記白色のカラーフィルタ上にマイクロ
   レンズを有していない領域が設けられている請求項４に
   記載の固体撮像装置。
6. 【請求項６】 前記第２のカラーフィルタ群は、前記第
   １から第３までのカラーフィルタが行方向に規則的に設
   けられて形成されている請求項２に記載の固体撮像装
   置。
7. 【請求項７】 さらに、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１列について各１本ずつ
   形成され列方向に延びる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行方向に延びる複
   数本の垂直電荷転送電極であって、前記光電変換素子の
   １行に対して列方向に隣接する位置に形成される第１の
   垂直電荷転送電極と第２の垂直電荷転送電極とからなる
   １単位ずつが形成される垂直電荷転送電極と、 前記第１及び第２の光電変換素子と前記垂直電荷転送チ
   ャネルとの間であって、前記第１の垂直電荷転送電極下
   と前記第２の垂直電荷転送電極下との一方及び他方に形
   成される読み出しゲート領域であって、前記第１の光電
   変換素子群から電荷を読み出すための第１の読み出しゲ
   ート領域と、前記第２の光電変換素子群から電荷を読み
   出すための第２の読み出しゲート領域と、を含む読み出
   しゲート領域と、 前記第１の垂直電荷転送電極と前記第２の垂直電荷転送
   電極とに対して独立に読み出しパルス電圧を印加するこ
   とができる駆動電圧発生回路と、 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
   ンプとを含む請求項１から６までのいずれか１項に記載
   の固体撮像装置。
8. 【請求項８】 前記光電変換素子行において行方向に隣
   接する光電変換素子は、前記第１の読み出しゲート領域
   と前記第２の読み出しゲート領域とのいずれか一方のみ
   を有している請求項７に記載の固体撮像装置。
9. 【請求項９】 列方向に隣接する２つの前記光電変換素
   子行において、前記第１読み出しゲート領域と前記第２
   読み出しゲート領域とが、前記２つの光電変換素子行の
   間において行方向に延びる仮想線に対して略線対称の位
   置に設けられている請求項７又は８に記載の固体撮像装
   置。
10. 【請求項１０】 前記駆動電圧発生回路は、列方向に隣
    接する第１から第４までの４行分の光電変換素子行を１
    単位とし、 前記第１及び第３の光電変換素子行又は前記第２及び第
    ４の光電変換素子行のいずれかの上に形成される前記第
    １及び第２の垂直電荷転送電極に対して共通の電荷読み
    出し用パルス信号を印加することができるとともに、残
    りの光電変換素子行に形成される前記第１及び第２の垂
    直電荷転送電極に対してそれぞれ独立に電荷読み出し用
    のパルス信号を印加することができる請求項１から９ま
    でのいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 【請求項１１】 二次元平面上において正方行列状に整
    列配置された複数の光電変換素子であって、前記正方行
    列中市松状に配置された前記光電変換素子上にそれぞれ
    赤色、緑色又は青色のカラーフィルタを有する第１の光
    電変換素子群と、前記正方行列中前記第１の光電変換素
    子群と異なる位置に配置された第２の光電変換素子群と
    を含む複数の光電変換素子と、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１列について各１
    本ずつ形成され列方向に延びる垂直電荷転送チャネル
    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）前記第１の光電変換素子群に対してのみ電荷読み
    出しパルスを同時に印加して電荷信号を読み出す工程
    と、 （ｂ）前記（ａ）工程によって読み出された前記電荷信
    号を、前記垂直電荷転送チャネル及び前記水平電荷転送
    チャネルを介して外部に出力する工程とを含む固体撮像
    装置の制御方法。