JP2004214363A - 固体撮像素子及びデジタルカメラ - Google Patents
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Abstract
【課題】垂直解像度が高く、広いダイナミックレンジの動画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子は、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置された多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の間隙を縫うように垂直方向に配列された複数の転送電極を有する垂直電荷転送路と、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第１の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第１の読み出しゲートと、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第２の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第２の読み出しゲートと、列方向に連続する４個の前記光電変換素子行に対応する前記第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートを独立して制御可能な制御部とを有する。
【選択図】 図１
【解決手段】固体撮像素子は、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置された多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の間隙を縫うように垂直方向に配列された複数の転送電極を有する垂直電荷転送路と、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第１の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第１の読み出しゲートと、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第２の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第２の読み出しゲートと、列方向に連続する４個の前記光電変換素子行に対応する前記第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートを独立して制御可能な制御部とを有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に広いダイナミックレンジの動画像と高解像度の静止画像を得られるＣＣＤ型転送路を有する固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
正方格子状に多数個配置された画素（フォトダイオード）を有する順次走査型の電荷結合素子型固体撮像素子（以下、ＣＣＤイメージセンサとする）を使用して、広いダイナミックレンジの動画像を得ることが行われている。例えば、垂直ブランキング期間内に異なる露光時間の画素の信号電荷を転送チャンネルに２回読み出し、各々垂直方向に近接する２画素の信号電荷を加算する。その後、１回目の読み出しを加算した信号電荷と２回目の読み出しを加算した信号電荷とを混合することなく転送して出力し（ＣＣＤ動作）、異なる露光時間の２個のＣＣＤ出力信号から１枚の画像信号を合成する（画像合成及び画像信号処理）。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−７５１１８号公報
【０００４】
図８は、上述の従来技術をいわゆる画素ずらし配列のＣＣＤイメージセンサ２００に適用した場合の従来例を表すブロック図である。
【０００５】
ＣＣＤイメージセンサ２００は、いわゆる画素ずらし配置に配置される多数個の光電変換素子１１２、光電変換素子列間に配置される転送チャンネル１１４と光電変換素子行間に配置される転送電極１１６とを含む垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）、及び、光電変換素子１１２から転送チャンネル１１４に電荷を読み出すためのゲート部１１１Ｇを含んで構成される。
【０００６】
光電変換素子１１２に光が入射すると、その光量に応じた量の信号電荷が、光電変換素子１１２に蓄積される。個々の画素（光電変換素子）１１２に蓄積された信号電荷は、この画素に対応するＶＣＣＤへ読出され、さらに、このＶＣＣＤによってＨＣＣＤ１１５へ転送される。１つの画素行に属する画素の各々に蓄積された電荷は、対応するＶＣＣＤへ同じタイミングで読出され、同じタイミングでＨＣＣＤ１１５へ転送される。
【０００７】
また、図８のＣＣＤイメージセンサ２００でも、垂直ブランキング期間内に２種類の異なる露光時間で画素（フォトダイオード）１１２に蓄積された信号電荷を、矢印で示すゲート部１１１Ｇを介して転送チャンネル１１４に読み出すこともできる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す例では、垂直方向に加算される画素同士が離れているため、転送チャンネル１１４内で、信号電荷を加算する場合には、ｎ行の光電変換素子１１２の信号電荷と加算されるのは、ｎ＋２行の光電変換素子１１２の信号電荷であり、画素加算をする光電変換素子の垂直方向のピッチが離れすぎてしまう。よって、得られる画像の垂直方向の解像度が大幅に劣化してしまい、正方格子配列のＣＣＤイメージセンサと同様の手法では、広いダイナミックレンジで高解像度の動画像を得ることは、非常に難しい。
【０００９】
本発明の目的は、垂直解像度が高く、広いダイナミックレンジの動画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供することである。
【００１０】
また、本発明のさらに他の目的は、垂直解像度が高く、高解像度の静止画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、固体撮像素子は、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置された多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の間隙を縫うように垂直方向に配列された複数の転送電極を有する垂直電荷転送路と、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第１の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第１の読み出しゲートと、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第２の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第２の読み出しゲートと、列方向に連続する４個の前記光電変換素子行に対応する前記第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートを独立して制御可能な制御部とを有する。
【００１２】
また、本発明の他の観点によれば、デジタルカメラは、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置された多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の間隙を縫うように垂直方向に配列された複数の転送電極を有する垂直電荷転送路と、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第１の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第１の読み出しゲートと、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第２の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第２の読み出しゲートと、列方向に連続する４個の前記光電変換素子行に対応する前記第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートを独立して制御可能な制御部とを有する固体撮像素子と、被写体を前記固体撮像素子に結像するための光学系と、前記固体撮像素子を駆動する駆動部と、前記固体撮像素子の出力を信号処理して画像信号を生成する信号処理部とを有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の電荷結合素子（ＣＣＤ）型固体撮像素子１の構成を表すブロック図である。半導体基板上の絶縁膜を剥がし、光電変換素子１２、転送電極１６を露出した状態を示す。なお、図１に示す構成は、後述の第１及び第２の実施例に共通のものである。
【００１４】
図２は、本実施例の固体撮像素子１の拡大断面図である。図１の線ｘ−ｙで切断した受光領域１０を示す。なお、図１の参照番号と同じ番号のものは同様の部材を示す。
【００１５】
固体撮像素子１は、多数の光電変換素子１２及び垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２１を含む受光領域１０、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）２２、出力部２３、オーバーフロードレイン電極端子２４、及び電極端子２５ａ〜２５ｈを含んで構成される。
【００１６】
固体撮像素子１の受光領域１０は、多数の光電変換素子１２（図２のｎ型不純物添加領域１２ａ及びｐ＋ 型不純物添加領域１２ｂを含む）をいわゆる画素ずらし配置に配置して構成されている。ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、２次元テトラゴナル行列の第１格子と、その格子間位置に格子点を有する第２格子とを合わせた配置を指す。例えば、奇数列（行）中の各光電変換素子１２に対し、偶数列（行）中の光電変換素子１２の各々が、光電変換素子１２の列（行）方向ピッチの約１／２、列（行）方向にずれ、光電変換素子列（行）の各々が奇数行（列）または偶数行（列）の光電変換素子２のみを含む。「画素ずらし配置」は、多数個の光電変換素子１２を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
【００１７】
なお、ピッチの「約１／２」とは、１／２を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外れてはいるものの、得られる固体撮像素子１２の性能およびその画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「光電変換素子行内での光電変換素子１２のピッチの約１／２」についても同様である。
【００１８】
各光電変換素子１２は、図２に示すようにｐ型ウェル１９内にｎ型領域１２ａを形成し、その表面にｐ型層１２ｂを形成した埋め込みフォトダイオードで形成される。
【００１９】
それぞれの光電変換素子１２の列間には、光電変換素子１２で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送するｎ型の転送チャネル領域１４が、光電変換素子１２の間隙を垂直方向に蛇行するように設けられている。画素ずらし配置により形成された空隙部に蛇行する転送チャネルが配置され、隣接する転送チャネルは光電変換素子を介して離れたり、チャネルストップ領域又はゲート領域１１Ｇを挟んで近接したりする。光電変換素子、転送チャネルによって、受光部の半導体基板のほとんどの面積が有効利用されている。
【００２０】
本実施例では、図２に示すように、フォトダイオード１２の両側に図中矢印で示すゲート領域１１Ｇａ、１１Ｇｂが配置され、両側の転送チャンネル１４ａ、１４ｂに電荷を読み出せる。各光電変換素子１２に対して２箇所ずつ設けられており、いずれかのゲート領域１１Ｇから、光電変換素子１２に蓄積される信号電荷が、転送チャンネル１４に読み出される。ゲート領域１１Ｇａ及び１１Ｇｂは、それぞれが光電変換素子１２の対向する辺に設けられており、各ゲート領域１１Ｇを介して、光電変換素子１２の信号電荷を異なる転送チャンネル１４に読み出すことができる。
【００２１】
このように、各光電変換素子１２毎に、転送チャンネル１４に対して、信号電荷を読み出す読み出しゲート領域１１Ｇを２箇所に設けることにより、斜め方向に隣り合う光電変換素子１２の信号電荷を、転送チャンネル１４内で加算することができる。
【００２２】
なお、本実施例では、説明の便宜上、偶数列の転送チャンネル１４を転送チャンネル１４ａとし、奇数列を転送チャンネル１４ｂとしているが、それらの構成及び機能は同一のものである。また、光電変換素子１２から転送チャンネル１４ａに信号電荷を読み出すためのゲート領域１１Ｇをゲート領域１１Ｇａとし、転送チャンネル１４ｂに信号電荷を読み出すためのゲート領域１１Ｇをゲート領域１１Ｇｂとしている。
【００２３】
転送チャンネル１４上方には、後述する絶縁膜（ゲート酸化膜）１５ａを挟んで、転送電極１６（第１層転送電極１６ｂ、１６ｃ及び第２層転送電極１６ａ、１６ｄ）が光電変換素子１２の間隙を蛇行するように水平方向に形成されている。転送電極のほとんど全部の面積が転送チャネル上に配置されている。
【００２４】
転送電極１６は、垂直転送チャネル１４とともに垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２１を形成し、光電変換素子１２で生じた信号電荷を電極端子２５ａ〜２５ｈを介して供給される後述するような８相駆動パルス（ΦＶ１Ａ〜ΦＶ４Ｂ）で読み出すとともに、垂直方向に転送する。転送電極１６の各々は、多層ポリシリコン電極（構造）で形成されている。多層ポリシリコン電極の形成方法は周知の例による。
【００２５】
垂直電荷転送路２１によって垂直方向に転送された信号電荷は、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）２２によって、水平方向に転送され、出力部２３を介して固体撮像素子１の外部に出力される。
【００２６】
オーバーフロードレイン電極端子２４は、光電変換素子１２に蓄積された信号電荷を、リセットするためのオーバーフロードレイン電極に信号を入力するための端子である。
【００２７】
図３は、本発明の第１の実施例による白黒用固体撮像装置を説明するための受光領域の拡大平面図及びタイミングチャートである。なお、図１及び図２の参照番号と同じ番号のものは同様の部材を示す。なお、図中の「Ｎ」及び「Ｍ」は、１以上の整数である。
【００２８】
各光電変換素子から右側又は左側の転送チャンネルのみに信号電荷を読み出せば、図８で説明したプログレッシブ読み出しによる全画素読み出しができる。
【００２９】
動画モードにおいては、通常間引き読み出しを行って画素数を減らしている。本実施例では、ＶＣＣＤ内で画素加算を行い、読み出し信号電荷数を半減するが、２回の撮像を行い、加算２画素あたり２つの信号電荷をＶＣＣＤ内で作り、ダイナミックレンジを拡大する。
【００３０】
図３（Ｂ）のタイミングｔ１〜タイミングｔ８のパルスは、垂直ブランキング期間（Ｖ−ＢＬＫ期間）内に印加される。なお、信号電荷は、有効走査期間内と、タイミングｔ３からタイミングｔ８までに光電変換素子１２に蓄積される。タイミングｔ３からタイミングｔ８までの期間は、有効走査期間よりも短く設定されている。よって、有効走査期間に蓄積される信号電荷は、長時間露光（ロングシャッター）による信号電荷であり、タイミングｔ３からタイミングｔ８までの期間に蓄積される信号電荷は、短時間露光（ショートシャッター）による信号電荷である。
【００３１】
図３（Ｂ）のタイミングｔ２において、読み出しパルスをΦＶ１Ａ、ΦＶ２Ａ、ΦＶ４Ａ、及びΦＶ３Ｂに対応する転送電極に印加し、有効走査期間内に蓄積された信号電荷（長時間露光による信号電荷）が、光電変換素子１２から、転送チャンネル１４に読み出される。この時、図中の矢印で示すように、ライン４Ｎ、４Ｎ−１、４Ｎ−４の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の奇数列（２Ｍ−３、２Ｍ−１、２Ｍ＋１、２Ｍ＋３…）に配置される転送チャンネル１４に長時間露光による信号電荷が読み出され、ライン４Ｎ−２、４Ｎ−３の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の偶数列（２Ｍ−２、２Ｍ、２Ｍ＋２、２Ｍ＋４…）に配置される転送チャンネル１４に長時間露光による信号電荷が読み出される。これにより、図中、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４に信号電荷が格納される。この時、斜線のハッチングを施した転送電極１６の下にある転送チャンネル１４は、バリアー領域として機能する。
【００３２】
ライン４Ｎ−２とライン４Ｎ−３の光電変換素子１２から読み出された信号電荷は、白抜きの２つの転送電極１６の直下にある偶数列の転送チャンネル１４内で、加算される。また、ライン４Ｎとライン４Ｎ−１の光電変換素子１２から読み出された信号電荷は、白抜きの４つの転送電極１６の直下にある奇数列の転送チャンネル１４内で、加算される。
【００３３】
以上のように、図３（Ｂ）に示すようなタイミングで読み出しパルスを与えることにより、斜め方向に隣接する光電変換素子１２の信号電荷を加算することができる。
【００３４】
転送チャンネル１４に格納された長時間露光による信号電荷は、その後のタイミングｔ３、ｔ４において、図中、点のハッチングを施した転送電極１６直下の転送チャンネル１４に転送される。こうすることにより、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４は、空になり、次の読み出しの信号電荷を格納することができるようになる。
【００３５】
次に、タイミングｔ７において、再度、読み出しパルスをΦＶ１Ａ、ΦＶ２Ａ、ΦＶ４Ａ、及びΦＶ３Ｂに対応する転送電極に印加し、タイミングｔ３からタイミングｔ８までに蓄積された信号電荷（短時間露光による信号電荷）が、光電変換素子１２から、転送チャンネル１４に読み出される。この時、図中の矢印で示すように、ライン４Ｎ、４Ｎ−１、４Ｎ−４の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の奇数列（２Ｍ−３、２Ｍ−１、２Ｍ＋１、２Ｍ＋３…）に配置される転送チャンネル１４に短時間露光による信号電荷が読み出され、ライン４Ｎ−２、４Ｎ−３の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の偶数列（２Ｍ−２、２Ｍ、２Ｍ＋２、２Ｍ＋４…）に配置される転送チャンネル１４に短時間露光による信号電荷が読み出される。なお、タイミングｔ６〜タイミングｔ９の動作は、タイミングｔ１〜タイミングｔ５までの動作と同一である。
【００３６】
タイミングｔ７における読み出しパルスの印加直後は、点のハッチングを施した転送電極１６直下の転送チャンネル１４にタイミングｔ２において読み出された加算信号電荷（２画素加算された長時間露光による信号電荷）が格納されており、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４には、タイミングｔ３からタイミングｔ８までに蓄積された加算信号電荷（２画素加算された短時間露光による信号電荷）が、格納されている。
【００３７】
その後の、長時間露光による加算信号電荷及び短時間露光による加算信号電荷は、それぞれ独立して（混ざり合うことなく）、垂直方向に転送され、ＨＣＣＤ２２等を介して外部に出力される。
【００３８】
以上のように、本発明の第１の実施例によれば、転送チャンネル１４内で、斜め方向に近接する２つの光電変換素子１２に蓄積される信号電荷を加算することができる。また、長時間露光の加算信号電荷と、短時間露光の加算信号電荷を同時に、かつ独立に転送し、出力することができる。よって、垂直解像度の高い広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【００３９】
図４は、本発明の第２の実施例を説明するための受光領域の拡大平面図及びタイミングチャートである。なお、図１、図２及び図３の参照番号と同じ番号のものは同様の部材を示す。
【００４０】
上述の第１の実施例では、各フィールド（垂直ブランキング期間）毎に同じ画素の組が加算されていたが、この第２の実施例では、１フィールドごとに加算する画素の組み合わせを変えてインターレース走査を行う。
【００４１】
これは、図３（Ｂ）に示す第１の実施例によるタイミングと、図４（Ｂ）に示すタイミングを交互に変えることで実現することができる。すなわち、上述した第１の実施例による動作を１回行った後、図４（Ｂ）に示すタイミングに基づく動作を１回行い、その後、これを繰り返すことにより、異なる画素の組み合わせによる加算信号電荷を転送・出力する。
【００４２】
以下に、図４（Ｂ）のタイミングに基づく動作を説明する。
【００４３】
図４（Ｂ）のタイミングｔ１３〜タイミングｔ１８のパルスは、垂直ブランキング期間（Ｖ−ＢＬＫ期間）内に印加される。なお、信号電荷は、有効走査期間内（図３のタイミングｔ８〜タイミングｔ１１）と、タイミングｔ１３からタイミングｔ１７までに光電変換素子１２に蓄積される。タイミングｔ１３からタイミングｔ１７までの期間は、有効走査期間よりも短く設定されている。よって、有効走査期間に蓄積される信号電荷は、長時間露光（ロングシャッター）による信号電荷であり、タイミングｔ１３からタイミングｔ１７までの期間に蓄積される信号電荷は、短時間露光（ショートシャッター）による信号電荷である。
【００４４】
図４（Ｂ）のタイミングｔ１２において、読み出しパルスをΦＶ１Ａ、ΦＶ３Ａ、ΦＶ４Ａ、及びΦＶ２Ｂに対応する転送電極に印加し、有効走査期間内に蓄積された信号電荷（長時間露光による信号電荷）が、光電変換素子１２から、転送チャンネル１４に読み出される。この時、図中の矢印で示すように、ライン４Ｎ＋１、４Ｎ、４Ｎ−３、４Ｎ−４の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の奇数列（２Ｍ−３、２Ｍ−１、２Ｍ＋１、２Ｍ＋３…）に配置される転送チャンネル１４に長時間露光による信号電荷が読み出され、ライン４Ｎ−１、４Ｎ−２の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の偶数列（２Ｍ−２、２Ｍ、２Ｍ＋２、２Ｍ＋４…）に配置される転送チャンネル１４に長時間露光による信号電荷が読み出される。これにより、図中、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４に信号電荷が格納される。この時、斜線のハッチングを施した転送電極１６の下にある転送チャンネル１４は、バリアー領域として機能する。
【００４５】
ライン４Ｎ−１とライン４Ｎ−２の光電変換素子１２から読み出された信号電荷は、白抜きの転送電極１６の直下にある偶数列の転送チャンネル１４内で、加算される。また、ライン４Ｎとライン４Ｎ＋１の光電変換素子１２から読み出された信号電荷は、白抜きの転送電極１６の直下にある奇数列の転送チャンネル１４内で、加算される。
【００４６】
以上のように、図４（Ｂ）に示すようなタイミングで読み出しパルスを与えることにより、図３に示した光電変換素子１２の組み合わせとは異なる組み合わせで、斜め方向に隣接する光電変換素子１２の信号電荷を加算することができる。
【００４７】
転送チャンネル１４に格納された長時間露光による信号電荷は、その後のタイミングｔ１４からｔ１５において、図中、点のハッチングを施した転送電極１６直下の転送チャンネル１４に転送される。こうすることにより、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４は、空になり、次の読み出しの信号電荷を格納することができるようになる。
【００４８】
次に、タイミングｔ１６において、再度、タイミングｔ１２と同様の動作を行い、点のハッチングを施した転送電極１６直下の転送チャンネル１４にタイミングｔ１２において読み出された加算信号電荷（２画素加算された長時間露光による信号電荷）が格納されており、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４には、タイミングｔ１３からタイミングｔ１７までに蓄積された加算信号電荷（２画素加算された短時間露光による信号電荷）が、格納されている。
【００４９】
その後の、長時間露光による加算信号電荷及び短時間露光による加算信号電荷は、それぞれ独立して（混ざり合うことなく）、垂直方向に転送され、ＨＣＣＤ２２等を介して外部に出力される。
【００５０】
以上のように、本発明の第２の実施例によれば、第１の組み合わせ（図３の組み合わせ）による２つの光電変換素子の信号電荷を転送チャンネル１４内で加算し、その後、第２の組み合わせ（図４）による２つの光電変換素子の信号電荷を転送チャンネル１４内で加算することができる。また、それぞれの組み合わせにつき、長時間露光の加算信号電荷と、短時間露光の加算信号電荷を同時に、かつ独立に転送し、出力することができる。よって、垂直解像度の高い広いダイナミックレンジのインターレース動画像を得ることができる。
【００５１】
図５は、本発明の第１又は第２実施例による固体撮像素子１を用いたデジタルカメラのシステム構成例を表す概略的ブロック図である。
【００５２】
デジタルカメラ１００は、例えば、受光領域１０を含む固体撮像素子１、レンズ等を含む光学系１０１、制御部１０２、駆動部１０３、アナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１０４、信号処理部１０５等を含んで構成される。
【００５３】
制御部１０２は、光学系１０１、駆動部１０３、ＡＤＣ１０４及び信号処理部１０５に対して制御信号を供給する。光学系１０１は、入射する入射光（画像）を、固体撮像素子１の受光領域１０に結像するように設定されている。
【００５４】
駆動部１０３は、制御部１０２から供給される制御信号に基づき、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示す駆動パルス群（ΦＶ１Ａ〜ΦＶ４Ｂ）及び駆動に必要な他のパルス群を固体撮像素子に供給するとともに、ＡＤＣ１０４に対して、アナログデジタル変換用の駆動パルス群を供給する。
【００５５】
固体撮像素子１は、入射光を長時間露光と短時間露光で信号電荷に変換して、駆動部１０３から供給される駆動パルス群（ΦＶ１Ａ〜ΦＶ４Ｂ）及び駆動に必要な他のパルス群に基づき、画素加算を行い、長時間露光の加算信号電荷と短時間露光の加算信号電荷を独立して、ＡＤＣ１０４に出力する。
【００５６】
ＡＤＣ１０４は、固体撮像素子１からのＣＣＤ出力（長時間露光の加算信号電荷と短時間露光の加算信号電荷を）を、駆動部１０３から供給される駆動パルス群に基づき、アナログ電荷信号からデジタル画像信号に変換する。
【００５７】
信号処理部１０５は、少なくとも、長時間露光の加算信号電荷に基づくデジタル画像信号と短時間露光の加算信号電荷に基づくデジタル画像信号を処理して、１枚の画像（１画面分の画像）を生成する。
【００５８】
なお、上述の第１及び第２の実施例では、広いダイナミックレンジの画像を得るために長時間露光と短時間露光の信号電荷を同時に独立して出力する例を挙げたが、これらの実施例を変形することにより、スミアを低減することもできる。
【００５９】
この場合には、読み出し回数を１回として、長時間露光の信号電荷を転送し、上述の実施例で短時間露光の信号電荷を転送した電荷の井戸を空のままにして出力する。こうすることにより、該空の井戸には、スミアに相当する電位が蓄積される。そのため、信号処理部１０５において、長時間露光の信号電荷の列方向に近接する空の井戸の出力信号を減算することにより、スミア補正を行うことができる。この場合に動作タイミングは、図３（Ｂ）の動作タイミングにおいて、タイミングｔ７の読み出しパルスを出力しないようにする。また、図４（Ｂ）の動作タイミングにおいて、タイミングｔ１６の読み出しパルスを出力しないようにする。
【００６０】
上述の第１及び第２の実施例では、白黒センサを使用した例を説明したが、図２で光電変換素子１２の上方にモザイク状のカラーフィルタを設けたカラーセンサを使用することにより、カラー画像を得ることができる。
【００６１】
図６は、本発明の実施例による固体撮像素子に補色系のカラーフィルタを設けた場合の画素の平面配置を概略的に示す。同図に示すように、この固体撮像素子２では、多数個の緑色画素Ｇ、マゼンタ色画素Ｍ、シアン色画素Ｃおよび黄色画素Ｙが画素ずらし配置されている。
【００６２】
個々の画素行は、マゼンタ色画素Ｍと緑色画素Ｇとが交互に繰り返し配置された第１類画素行ＰＲ１、黄色画素Ｙとシアン色画素Ｃとが交互に繰り返し配置された第２類画素行ＰＲ２、マゼンタ色画素Ｍと緑色画素Ｇとの配置が第１類画素行ＰＲ１での配置と逆になっている第３類画素行ＰＲ３、または、黄色画素Ｙとシアン色画素Ｃとの配置が第２類画素行ＰＲ２での配置と逆になっている第４類画素行ＰＲ４に分類することができる。
【００６３】
第１類画素行ＰＲ１、第２類画素行ＰＲ２、第３類画素行ＰＲ３および第４類画素行ＰＲ４が、下流側（図６の紙面下側）から上流側（図６の紙面上側）へ向かってこの順番で繰り返し配置されている。紙面最下段の第１類画素行ＰＲ１が、最も下流の画素行に相当する。
【００６４】
なお、本明細書においては、画素（光電変換素子）から後述する単位信号生成部（出力回路部）への電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定するものとする。
【００６５】
固体撮像素子２は通常の全画素読み出しでカラー静止画を撮像することができる。この場合、緑色、シアン色、黄色、マゼンダ色の４個の独立な色に対する色信号が得られるので、これらの色信号から静止画のカラー画像が生成できる。
【００６６】
図７は、固体撮像素子２を用いて本発明の第１の実施例による２画素加算を行ったとき画素加算の組み合わせの一例を示す。
【００６７】
図７において２点鎖線で囲まれている２つの画素同士を画素加算する。第１類画素行ＰＲ１（図６参照）と第２類画素行ＰＲ２（図６参照）との間では、マゼンタ色画素Ｍと黄色画素Ｙとを対象に、また、緑色画素Ｇとシアン色画素Ｃとを対象に、２画素加算が行わる。第３類画素行ＰＲ３（図６参照）と第４類画素行ＰＲ４（図６参照）との間では、シアン色画素Ｃとマゼンタ色画素Ｍとを対象に、また、黄色画素Ｙと緑色画素Ｇとを対象に、２画素加算が行わる。
【００６８】
図７の説明で明らかなように、２画素加算の場合、４種類の加算信号（緑色画素Ｇ＋シアン色画素Ｃ、マゼンタ色画素Ｍ＋黄色画素Ｙ、緑色画素Ｇ＋黄色画素Ｙ、マゼンタ色画素Ｍ＋シアン色画素Ｃ）が出力信号として得られる。これらの４種の加算信号は色差線順次方式カラーフィルタ配列を持つＣＣＤセンサの出力信号と同じであり、これらの加算信号からカラー画像信号が生成できる。
【００６９】
また、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）では、読み出しパルスを４個同時に出力したが、それぞれの位相を変えて出力するようにしてもよい。さらに、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）では、全てのパルスを垂直ブランキング期間内に出力されるものとしたが、一部のパルスが垂直ブランキング期間外に出力されるようにしてもよい。
【００７０】
また、露光時間は、オーバーフロードレインにパルスを印加することで、調整が可能である。このようにすることで、長時間露光時間のみ、または長時間露光時間と短時間露光時間の双方の制御を行うことができる。
【００７１】
以上実施例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。例えば、種々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、垂直解像度が高く、広いダイナミックレンジの動画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供することができる。
【００７３】
また、本発明によれば、垂直解像度が高く、高解像度の静止画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電荷結合素子（ＣＣＤ）型固体撮像素子１の構成を表すブロック図である。
【図２】本実施例の固体撮像素子１の拡大断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例を説明するための受光領域の拡大平面図及びタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２の実施例を説明するための受光領域の拡大平面図及びタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１又は第２実施例による固体撮像素子１を用いたデジタルカメラのシステム構成例を表す概略的ブロック図である。
【図６】本発明の実施例による固体撮像素子に補色系のカラーフィルタを設けた場合の画素の平面配置を概略的に示す。
【図７】本発明の第１の実施例による２画素加算を行った場合における画素加算の組み合わせの一例を示す。
【図８】画素ずらし配列のＣＣＤイメージセンサに従来の２画素加算を適用した場合の従来例を表すブロック図である。
【符号の説明】
１、２…固体撮像素子、１０…受光領域、１３…半導体基板、１１Ｇ…ゲート領域、１２…光電変換素子、１４…転送チャンネル、１５…絶縁膜、１６…転送電極、１７…遮光膜、１８…平坦化層、１９…ｐ型ウェル、２０…マイクロレンズ、２１…ＶＣＣＤ、２２…ＨＣＣＤ、２３…出力部、２４…オーバーフロードレイン電極端子、２５…電極端子、１００…デジタルカメラ、１０１…光学系、１０２…制御部、１０３…駆動系、１０４…ＡＤＣ、１０５…信号処理部
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に広いダイナミックレンジの動画像と高解像度の静止画像を得られるＣＣＤ型転送路を有する固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
正方格子状に多数個配置された画素（フォトダイオード）を有する順次走査型の電荷結合素子型固体撮像素子（以下、ＣＣＤイメージセンサとする）を使用して、広いダイナミックレンジの動画像を得ることが行われている。例えば、垂直ブランキング期間内に異なる露光時間の画素の信号電荷を転送チャンネルに２回読み出し、各々垂直方向に近接する２画素の信号電荷を加算する。その後、１回目の読み出しを加算した信号電荷と２回目の読み出しを加算した信号電荷とを混合することなく転送して出力し（ＣＣＤ動作）、異なる露光時間の２個のＣＣＤ出力信号から１枚の画像信号を合成する（画像合成及び画像信号処理）。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−７５１１８号公報
【０００４】
図８は、上述の従来技術をいわゆる画素ずらし配列のＣＣＤイメージセンサ２００に適用した場合の従来例を表すブロック図である。
【０００５】
ＣＣＤイメージセンサ２００は、いわゆる画素ずらし配置に配置される多数個の光電変換素子１１２、光電変換素子列間に配置される転送チャンネル１１４と光電変換素子行間に配置される転送電極１１６とを含む垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）、及び、光電変換素子１１２から転送チャンネル１１４に電荷を読み出すためのゲート部１１１Ｇを含んで構成される。
【０００６】
光電変換素子１１２に光が入射すると、その光量に応じた量の信号電荷が、光電変換素子１１２に蓄積される。個々の画素（光電変換素子）１１２に蓄積された信号電荷は、この画素に対応するＶＣＣＤへ読出され、さらに、このＶＣＣＤによってＨＣＣＤ１１５へ転送される。１つの画素行に属する画素の各々に蓄積された電荷は、対応するＶＣＣＤへ同じタイミングで読出され、同じタイミングでＨＣＣＤ１１５へ転送される。
【０００７】
また、図８のＣＣＤイメージセンサ２００でも、垂直ブランキング期間内に２種類の異なる露光時間で画素（フォトダイオード）１１２に蓄積された信号電荷を、矢印で示すゲート部１１１Ｇを介して転送チャンネル１１４に読み出すこともできる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す例では、垂直方向に加算される画素同士が離れているため、転送チャンネル１１４内で、信号電荷を加算する場合には、ｎ行の光電変換素子１１２の信号電荷と加算されるのは、ｎ＋２行の光電変換素子１１２の信号電荷であり、画素加算をする光電変換素子の垂直方向のピッチが離れすぎてしまう。よって、得られる画像の垂直方向の解像度が大幅に劣化してしまい、正方格子配列のＣＣＤイメージセンサと同様の手法では、広いダイナミックレンジで高解像度の動画像を得ることは、非常に難しい。
【０００９】
本発明の目的は、垂直解像度が高く、広いダイナミックレンジの動画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供することである。
【００１０】
また、本発明のさらに他の目的は、垂直解像度が高く、高解像度の静止画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、固体撮像素子は、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置された多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の間隙を縫うように垂直方向に配列された複数の転送電極を有する垂直電荷転送路と、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第１の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第１の読み出しゲートと、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第２の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第２の読み出しゲートと、列方向に連続する４個の前記光電変換素子行に対応する前記第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートを独立して制御可能な制御部とを有する。
【００１２】
また、本発明の他の観点によれば、デジタルカメラは、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置された多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の間隙を縫うように垂直方向に配列された複数の転送電極を有する垂直電荷転送路と、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第１の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第１の読み出しゲートと、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第２の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第２の読み出しゲートと、列方向に連続する４個の前記光電変換素子行に対応する前記第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートを独立して制御可能な制御部とを有する固体撮像素子と、被写体を前記固体撮像素子に結像するための光学系と、前記固体撮像素子を駆動する駆動部と、前記固体撮像素子の出力を信号処理して画像信号を生成する信号処理部とを有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の電荷結合素子（ＣＣＤ）型固体撮像素子１の構成を表すブロック図である。半導体基板上の絶縁膜を剥がし、光電変換素子１２、転送電極１６を露出した状態を示す。なお、図１に示す構成は、後述の第１及び第２の実施例に共通のものである。
【００１４】
図２は、本実施例の固体撮像素子１の拡大断面図である。図１の線ｘ−ｙで切断した受光領域１０を示す。なお、図１の参照番号と同じ番号のものは同様の部材を示す。
【００１５】
固体撮像素子１は、多数の光電変換素子１２及び垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２１を含む受光領域１０、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）２２、出力部２３、オーバーフロードレイン電極端子２４、及び電極端子２５ａ〜２５ｈを含んで構成される。
【００１６】
固体撮像素子１の受光領域１０は、多数の光電変換素子１２（図２のｎ型不純物添加領域１２ａ及びｐ＋ 型不純物添加領域１２ｂを含む）をいわゆる画素ずらし配置に配置して構成されている。ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、２次元テトラゴナル行列の第１格子と、その格子間位置に格子点を有する第２格子とを合わせた配置を指す。例えば、奇数列（行）中の各光電変換素子１２に対し、偶数列（行）中の光電変換素子１２の各々が、光電変換素子１２の列（行）方向ピッチの約１／２、列（行）方向にずれ、光電変換素子列（行）の各々が奇数行（列）または偶数行（列）の光電変換素子２のみを含む。「画素ずらし配置」は、多数個の光電変換素子１２を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
【００１７】
なお、ピッチの「約１／２」とは、１／２を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外れてはいるものの、得られる固体撮像素子１２の性能およびその画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「光電変換素子行内での光電変換素子１２のピッチの約１／２」についても同様である。
【００１８】
各光電変換素子１２は、図２に示すようにｐ型ウェル１９内にｎ型領域１２ａを形成し、その表面にｐ型層１２ｂを形成した埋め込みフォトダイオードで形成される。
【００１９】
それぞれの光電変換素子１２の列間には、光電変換素子１２で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送するｎ型の転送チャネル領域１４が、光電変換素子１２の間隙を垂直方向に蛇行するように設けられている。画素ずらし配置により形成された空隙部に蛇行する転送チャネルが配置され、隣接する転送チャネルは光電変換素子を介して離れたり、チャネルストップ領域又はゲート領域１１Ｇを挟んで近接したりする。光電変換素子、転送チャネルによって、受光部の半導体基板のほとんどの面積が有効利用されている。
【００２０】
本実施例では、図２に示すように、フォトダイオード１２の両側に図中矢印で示すゲート領域１１Ｇａ、１１Ｇｂが配置され、両側の転送チャンネル１４ａ、１４ｂに電荷を読み出せる。各光電変換素子１２に対して２箇所ずつ設けられており、いずれかのゲート領域１１Ｇから、光電変換素子１２に蓄積される信号電荷が、転送チャンネル１４に読み出される。ゲート領域１１Ｇａ及び１１Ｇｂは、それぞれが光電変換素子１２の対向する辺に設けられており、各ゲート領域１１Ｇを介して、光電変換素子１２の信号電荷を異なる転送チャンネル１４に読み出すことができる。
【００２１】
このように、各光電変換素子１２毎に、転送チャンネル１４に対して、信号電荷を読み出す読み出しゲート領域１１Ｇを２箇所に設けることにより、斜め方向に隣り合う光電変換素子１２の信号電荷を、転送チャンネル１４内で加算することができる。
【００２２】
なお、本実施例では、説明の便宜上、偶数列の転送チャンネル１４を転送チャンネル１４ａとし、奇数列を転送チャンネル１４ｂとしているが、それらの構成及び機能は同一のものである。また、光電変換素子１２から転送チャンネル１４ａに信号電荷を読み出すためのゲート領域１１Ｇをゲート領域１１Ｇａとし、転送チャンネル１４ｂに信号電荷を読み出すためのゲート領域１１Ｇをゲート領域１１Ｇｂとしている。
【００２３】
転送チャンネル１４上方には、後述する絶縁膜（ゲート酸化膜）１５ａを挟んで、転送電極１６（第１層転送電極１６ｂ、１６ｃ及び第２層転送電極１６ａ、１６ｄ）が光電変換素子１２の間隙を蛇行するように水平方向に形成されている。転送電極のほとんど全部の面積が転送チャネル上に配置されている。
【００２４】
転送電極１６は、垂直転送チャネル１４とともに垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２１を形成し、光電変換素子１２で生じた信号電荷を電極端子２５ａ〜２５ｈを介して供給される後述するような８相駆動パルス（ΦＶ１Ａ〜ΦＶ４Ｂ）で読み出すとともに、垂直方向に転送する。転送電極１６の各々は、多層ポリシリコン電極（構造）で形成されている。多層ポリシリコン電極の形成方法は周知の例による。
【００２５】
垂直電荷転送路２１によって垂直方向に転送された信号電荷は、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）２２によって、水平方向に転送され、出力部２３を介して固体撮像素子１の外部に出力される。
【００２６】
オーバーフロードレイン電極端子２４は、光電変換素子１２に蓄積された信号電荷を、リセットするためのオーバーフロードレイン電極に信号を入力するための端子である。
【００２７】
図３は、本発明の第１の実施例による白黒用固体撮像装置を説明するための受光領域の拡大平面図及びタイミングチャートである。なお、図１及び図２の参照番号と同じ番号のものは同様の部材を示す。なお、図中の「Ｎ」及び「Ｍ」は、１以上の整数である。
【００２８】
各光電変換素子から右側又は左側の転送チャンネルのみに信号電荷を読み出せば、図８で説明したプログレッシブ読み出しによる全画素読み出しができる。
【００２９】
動画モードにおいては、通常間引き読み出しを行って画素数を減らしている。本実施例では、ＶＣＣＤ内で画素加算を行い、読み出し信号電荷数を半減するが、２回の撮像を行い、加算２画素あたり２つの信号電荷をＶＣＣＤ内で作り、ダイナミックレンジを拡大する。
【００３０】
図３（Ｂ）のタイミングｔ１〜タイミングｔ８のパルスは、垂直ブランキング期間（Ｖ−ＢＬＫ期間）内に印加される。なお、信号電荷は、有効走査期間内と、タイミングｔ３からタイミングｔ８までに光電変換素子１２に蓄積される。タイミングｔ３からタイミングｔ８までの期間は、有効走査期間よりも短く設定されている。よって、有効走査期間に蓄積される信号電荷は、長時間露光（ロングシャッター）による信号電荷であり、タイミングｔ３からタイミングｔ８までの期間に蓄積される信号電荷は、短時間露光（ショートシャッター）による信号電荷である。
【００３１】
図３（Ｂ）のタイミングｔ２において、読み出しパルスをΦＶ１Ａ、ΦＶ２Ａ、ΦＶ４Ａ、及びΦＶ３Ｂに対応する転送電極に印加し、有効走査期間内に蓄積された信号電荷（長時間露光による信号電荷）が、光電変換素子１２から、転送チャンネル１４に読み出される。この時、図中の矢印で示すように、ライン４Ｎ、４Ｎ−１、４Ｎ−４の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の奇数列（２Ｍ−３、２Ｍ−１、２Ｍ＋１、２Ｍ＋３…）に配置される転送チャンネル１４に長時間露光による信号電荷が読み出され、ライン４Ｎ−２、４Ｎ−３の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の偶数列（２Ｍ−２、２Ｍ、２Ｍ＋２、２Ｍ＋４…）に配置される転送チャンネル１４に長時間露光による信号電荷が読み出される。これにより、図中、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４に信号電荷が格納される。この時、斜線のハッチングを施した転送電極１６の下にある転送チャンネル１４は、バリアー領域として機能する。
【００３２】
ライン４Ｎ−２とライン４Ｎ−３の光電変換素子１２から読み出された信号電荷は、白抜きの２つの転送電極１６の直下にある偶数列の転送チャンネル１４内で、加算される。また、ライン４Ｎとライン４Ｎ−１の光電変換素子１２から読み出された信号電荷は、白抜きの４つの転送電極１６の直下にある奇数列の転送チャンネル１４内で、加算される。
【００３３】
以上のように、図３（Ｂ）に示すようなタイミングで読み出しパルスを与えることにより、斜め方向に隣接する光電変換素子１２の信号電荷を加算することができる。
【００３４】
転送チャンネル１４に格納された長時間露光による信号電荷は、その後のタイミングｔ３、ｔ４において、図中、点のハッチングを施した転送電極１６直下の転送チャンネル１４に転送される。こうすることにより、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４は、空になり、次の読み出しの信号電荷を格納することができるようになる。
【００３５】
次に、タイミングｔ７において、再度、読み出しパルスをΦＶ１Ａ、ΦＶ２Ａ、ΦＶ４Ａ、及びΦＶ３Ｂに対応する転送電極に印加し、タイミングｔ３からタイミングｔ８までに蓄積された信号電荷（短時間露光による信号電荷）が、光電変換素子１２から、転送チャンネル１４に読み出される。この時、図中の矢印で示すように、ライン４Ｎ、４Ｎ−１、４Ｎ−４の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の奇数列（２Ｍ−３、２Ｍ−１、２Ｍ＋１、２Ｍ＋３…）に配置される転送チャンネル１４に短時間露光による信号電荷が読み出され、ライン４Ｎ−２、４Ｎ−３の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の偶数列（２Ｍ−２、２Ｍ、２Ｍ＋２、２Ｍ＋４…）に配置される転送チャンネル１４に短時間露光による信号電荷が読み出される。なお、タイミングｔ６〜タイミングｔ９の動作は、タイミングｔ１〜タイミングｔ５までの動作と同一である。
【００３６】
タイミングｔ７における読み出しパルスの印加直後は、点のハッチングを施した転送電極１６直下の転送チャンネル１４にタイミングｔ２において読み出された加算信号電荷（２画素加算された長時間露光による信号電荷）が格納されており、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４には、タイミングｔ３からタイミングｔ８までに蓄積された加算信号電荷（２画素加算された短時間露光による信号電荷）が、格納されている。
【００３７】
その後の、長時間露光による加算信号電荷及び短時間露光による加算信号電荷は、それぞれ独立して（混ざり合うことなく）、垂直方向に転送され、ＨＣＣＤ２２等を介して外部に出力される。
【００３８】
以上のように、本発明の第１の実施例によれば、転送チャンネル１４内で、斜め方向に近接する２つの光電変換素子１２に蓄積される信号電荷を加算することができる。また、長時間露光の加算信号電荷と、短時間露光の加算信号電荷を同時に、かつ独立に転送し、出力することができる。よって、垂直解像度の高い広いダイナミックレンジの動画像を得ることができる。
【００３９】
図４は、本発明の第２の実施例を説明するための受光領域の拡大平面図及びタイミングチャートである。なお、図１、図２及び図３の参照番号と同じ番号のものは同様の部材を示す。
【００４０】
上述の第１の実施例では、各フィールド（垂直ブランキング期間）毎に同じ画素の組が加算されていたが、この第２の実施例では、１フィールドごとに加算する画素の組み合わせを変えてインターレース走査を行う。
【００４１】
これは、図３（Ｂ）に示す第１の実施例によるタイミングと、図４（Ｂ）に示すタイミングを交互に変えることで実現することができる。すなわち、上述した第１の実施例による動作を１回行った後、図４（Ｂ）に示すタイミングに基づく動作を１回行い、その後、これを繰り返すことにより、異なる画素の組み合わせによる加算信号電荷を転送・出力する。
【００４２】
以下に、図４（Ｂ）のタイミングに基づく動作を説明する。
【００４３】
図４（Ｂ）のタイミングｔ１３〜タイミングｔ１８のパルスは、垂直ブランキング期間（Ｖ−ＢＬＫ期間）内に印加される。なお、信号電荷は、有効走査期間内（図３のタイミングｔ８〜タイミングｔ１１）と、タイミングｔ１３からタイミングｔ１７までに光電変換素子１２に蓄積される。タイミングｔ１３からタイミングｔ１７までの期間は、有効走査期間よりも短く設定されている。よって、有効走査期間に蓄積される信号電荷は、長時間露光（ロングシャッター）による信号電荷であり、タイミングｔ１３からタイミングｔ１７までの期間に蓄積される信号電荷は、短時間露光（ショートシャッター）による信号電荷である。
【００４４】
図４（Ｂ）のタイミングｔ１２において、読み出しパルスをΦＶ１Ａ、ΦＶ３Ａ、ΦＶ４Ａ、及びΦＶ２Ｂに対応する転送電極に印加し、有効走査期間内に蓄積された信号電荷（長時間露光による信号電荷）が、光電変換素子１２から、転送チャンネル１４に読み出される。この時、図中の矢印で示すように、ライン４Ｎ＋１、４Ｎ、４Ｎ−３、４Ｎ−４の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の奇数列（２Ｍ−３、２Ｍ−１、２Ｍ＋１、２Ｍ＋３…）に配置される転送チャンネル１４に長時間露光による信号電荷が読み出され、ライン４Ｎ−１、４Ｎ−２の光電変換素子１２からは、各光電変換素子の偶数列（２Ｍ−２、２Ｍ、２Ｍ＋２、２Ｍ＋４…）に配置される転送チャンネル１４に長時間露光による信号電荷が読み出される。これにより、図中、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４に信号電荷が格納される。この時、斜線のハッチングを施した転送電極１６の下にある転送チャンネル１４は、バリアー領域として機能する。
【００４５】
ライン４Ｎ−１とライン４Ｎ−２の光電変換素子１２から読み出された信号電荷は、白抜きの転送電極１６の直下にある偶数列の転送チャンネル１４内で、加算される。また、ライン４Ｎとライン４Ｎ＋１の光電変換素子１２から読み出された信号電荷は、白抜きの転送電極１６の直下にある奇数列の転送チャンネル１４内で、加算される。
【００４６】
以上のように、図４（Ｂ）に示すようなタイミングで読み出しパルスを与えることにより、図３に示した光電変換素子１２の組み合わせとは異なる組み合わせで、斜め方向に隣接する光電変換素子１２の信号電荷を加算することができる。
【００４７】
転送チャンネル１４に格納された長時間露光による信号電荷は、その後のタイミングｔ１４からｔ１５において、図中、点のハッチングを施した転送電極１６直下の転送チャンネル１４に転送される。こうすることにより、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４は、空になり、次の読み出しの信号電荷を格納することができるようになる。
【００４８】
次に、タイミングｔ１６において、再度、タイミングｔ１２と同様の動作を行い、点のハッチングを施した転送電極１６直下の転送チャンネル１４にタイミングｔ１２において読み出された加算信号電荷（２画素加算された長時間露光による信号電荷）が格納されており、白抜きの転送電極１６の直下にある転送チャンネル１４には、タイミングｔ１３からタイミングｔ１７までに蓄積された加算信号電荷（２画素加算された短時間露光による信号電荷）が、格納されている。
【００４９】
その後の、長時間露光による加算信号電荷及び短時間露光による加算信号電荷は、それぞれ独立して（混ざり合うことなく）、垂直方向に転送され、ＨＣＣＤ２２等を介して外部に出力される。
【００５０】
以上のように、本発明の第２の実施例によれば、第１の組み合わせ（図３の組み合わせ）による２つの光電変換素子の信号電荷を転送チャンネル１４内で加算し、その後、第２の組み合わせ（図４）による２つの光電変換素子の信号電荷を転送チャンネル１４内で加算することができる。また、それぞれの組み合わせにつき、長時間露光の加算信号電荷と、短時間露光の加算信号電荷を同時に、かつ独立に転送し、出力することができる。よって、垂直解像度の高い広いダイナミックレンジのインターレース動画像を得ることができる。
【００５１】
図５は、本発明の第１又は第２実施例による固体撮像素子１を用いたデジタルカメラのシステム構成例を表す概略的ブロック図である。
【００５２】
デジタルカメラ１００は、例えば、受光領域１０を含む固体撮像素子１、レンズ等を含む光学系１０１、制御部１０２、駆動部１０３、アナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１０４、信号処理部１０５等を含んで構成される。
【００５３】
制御部１０２は、光学系１０１、駆動部１０３、ＡＤＣ１０４及び信号処理部１０５に対して制御信号を供給する。光学系１０１は、入射する入射光（画像）を、固体撮像素子１の受光領域１０に結像するように設定されている。
【００５４】
駆動部１０３は、制御部１０２から供給される制御信号に基づき、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示す駆動パルス群（ΦＶ１Ａ〜ΦＶ４Ｂ）及び駆動に必要な他のパルス群を固体撮像素子に供給するとともに、ＡＤＣ１０４に対して、アナログデジタル変換用の駆動パルス群を供給する。
【００５５】
固体撮像素子１は、入射光を長時間露光と短時間露光で信号電荷に変換して、駆動部１０３から供給される駆動パルス群（ΦＶ１Ａ〜ΦＶ４Ｂ）及び駆動に必要な他のパルス群に基づき、画素加算を行い、長時間露光の加算信号電荷と短時間露光の加算信号電荷を独立して、ＡＤＣ１０４に出力する。
【００５６】
ＡＤＣ１０４は、固体撮像素子１からのＣＣＤ出力（長時間露光の加算信号電荷と短時間露光の加算信号電荷を）を、駆動部１０３から供給される駆動パルス群に基づき、アナログ電荷信号からデジタル画像信号に変換する。
【００５７】
信号処理部１０５は、少なくとも、長時間露光の加算信号電荷に基づくデジタル画像信号と短時間露光の加算信号電荷に基づくデジタル画像信号を処理して、１枚の画像（１画面分の画像）を生成する。
【００５８】
なお、上述の第１及び第２の実施例では、広いダイナミックレンジの画像を得るために長時間露光と短時間露光の信号電荷を同時に独立して出力する例を挙げたが、これらの実施例を変形することにより、スミアを低減することもできる。
【００５９】
この場合には、読み出し回数を１回として、長時間露光の信号電荷を転送し、上述の実施例で短時間露光の信号電荷を転送した電荷の井戸を空のままにして出力する。こうすることにより、該空の井戸には、スミアに相当する電位が蓄積される。そのため、信号処理部１０５において、長時間露光の信号電荷の列方向に近接する空の井戸の出力信号を減算することにより、スミア補正を行うことができる。この場合に動作タイミングは、図３（Ｂ）の動作タイミングにおいて、タイミングｔ７の読み出しパルスを出力しないようにする。また、図４（Ｂ）の動作タイミングにおいて、タイミングｔ１６の読み出しパルスを出力しないようにする。
【００６０】
上述の第１及び第２の実施例では、白黒センサを使用した例を説明したが、図２で光電変換素子１２の上方にモザイク状のカラーフィルタを設けたカラーセンサを使用することにより、カラー画像を得ることができる。
【００６１】
図６は、本発明の実施例による固体撮像素子に補色系のカラーフィルタを設けた場合の画素の平面配置を概略的に示す。同図に示すように、この固体撮像素子２では、多数個の緑色画素Ｇ、マゼンタ色画素Ｍ、シアン色画素Ｃおよび黄色画素Ｙが画素ずらし配置されている。
【００６２】
個々の画素行は、マゼンタ色画素Ｍと緑色画素Ｇとが交互に繰り返し配置された第１類画素行ＰＲ１、黄色画素Ｙとシアン色画素Ｃとが交互に繰り返し配置された第２類画素行ＰＲ２、マゼンタ色画素Ｍと緑色画素Ｇとの配置が第１類画素行ＰＲ１での配置と逆になっている第３類画素行ＰＲ３、または、黄色画素Ｙとシアン色画素Ｃとの配置が第２類画素行ＰＲ２での配置と逆になっている第４類画素行ＰＲ４に分類することができる。
【００６３】
第１類画素行ＰＲ１、第２類画素行ＰＲ２、第３類画素行ＰＲ３および第４類画素行ＰＲ４が、下流側（図６の紙面下側）から上流側（図６の紙面上側）へ向かってこの順番で繰り返し配置されている。紙面最下段の第１類画素行ＰＲ１が、最も下流の画素行に相当する。
【００６４】
なお、本明細書においては、画素（光電変換素子）から後述する単位信号生成部（出力回路部）への電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定するものとする。
【００６５】
固体撮像素子２は通常の全画素読み出しでカラー静止画を撮像することができる。この場合、緑色、シアン色、黄色、マゼンダ色の４個の独立な色に対する色信号が得られるので、これらの色信号から静止画のカラー画像が生成できる。
【００６６】
図７は、固体撮像素子２を用いて本発明の第１の実施例による２画素加算を行ったとき画素加算の組み合わせの一例を示す。
【００６７】
図７において２点鎖線で囲まれている２つの画素同士を画素加算する。第１類画素行ＰＲ１（図６参照）と第２類画素行ＰＲ２（図６参照）との間では、マゼンタ色画素Ｍと黄色画素Ｙとを対象に、また、緑色画素Ｇとシアン色画素Ｃとを対象に、２画素加算が行わる。第３類画素行ＰＲ３（図６参照）と第４類画素行ＰＲ４（図６参照）との間では、シアン色画素Ｃとマゼンタ色画素Ｍとを対象に、また、黄色画素Ｙと緑色画素Ｇとを対象に、２画素加算が行わる。
【００６８】
図７の説明で明らかなように、２画素加算の場合、４種類の加算信号（緑色画素Ｇ＋シアン色画素Ｃ、マゼンタ色画素Ｍ＋黄色画素Ｙ、緑色画素Ｇ＋黄色画素Ｙ、マゼンタ色画素Ｍ＋シアン色画素Ｃ）が出力信号として得られる。これらの４種の加算信号は色差線順次方式カラーフィルタ配列を持つＣＣＤセンサの出力信号と同じであり、これらの加算信号からカラー画像信号が生成できる。
【００６９】
また、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）では、読み出しパルスを４個同時に出力したが、それぞれの位相を変えて出力するようにしてもよい。さらに、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）では、全てのパルスを垂直ブランキング期間内に出力されるものとしたが、一部のパルスが垂直ブランキング期間外に出力されるようにしてもよい。
【００７０】
また、露光時間は、オーバーフロードレインにパルスを印加することで、調整が可能である。このようにすることで、長時間露光時間のみ、または長時間露光時間と短時間露光時間の双方の制御を行うことができる。
【００７１】
以上実施例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。例えば、種々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、垂直解像度が高く、広いダイナミックレンジの動画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供することができる。
【００７３】
また、本発明によれば、垂直解像度が高く、高解像度の静止画像が得られる画素ずらし構造のＣＣＤ型固体撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電荷結合素子（ＣＣＤ）型固体撮像素子１の構成を表すブロック図である。
【図２】本実施例の固体撮像素子１の拡大断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例を説明するための受光領域の拡大平面図及びタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２の実施例を説明するための受光領域の拡大平面図及びタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１又は第２実施例による固体撮像素子１を用いたデジタルカメラのシステム構成例を表す概略的ブロック図である。
【図６】本発明の実施例による固体撮像素子に補色系のカラーフィルタを設けた場合の画素の平面配置を概略的に示す。
【図７】本発明の第１の実施例による２画素加算を行った場合における画素加算の組み合わせの一例を示す。
【図８】画素ずらし配列のＣＣＤイメージセンサに従来の２画素加算を適用した場合の従来例を表すブロック図である。
【符号の説明】
１、２…固体撮像素子、１０…受光領域、１３…半導体基板、１１Ｇ…ゲート領域、１２…光電変換素子、１４…転送チャンネル、１５…絶縁膜、１６…転送電極、１７…遮光膜、１８…平坦化層、１９…ｐ型ウェル、２０…マイクロレンズ、２１…ＶＣＣＤ、２２…ＨＣＣＤ、２３…出力部、２４…オーバーフロードレイン電極端子、２５…電極端子、１００…デジタルカメラ、１０１…光学系、１０２…制御部、１０３…駆動系、１０４…ＡＤＣ、１０５…信号処理部
Claims (7)
- ２次元表面を画定する半導体基板と、
前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置された多数個の光電変換素子と、
各光電変換素子の間隙を縫うように垂直方向に配列された複数の転送電極を有する垂直電荷転送路と、
前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第１の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第１の読み出しゲートと、
前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第２の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第２の読み出しゲートと、
列方向に連続する４個の前記光電変換素子行に対応する前記第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートを独立して制御可能な制御部と
を有する固体撮像素子。 - ２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置された多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の間隙を縫うように垂直方向に配列された複数の転送電極を有する垂直電荷転送路と、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第１の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第１の読み出しゲートと、前記複数個の光電変換素子の各々に対応し、該対応する光電変換素子に蓄積される信号電荷を、第２の行方向に隣接する前記垂直電荷転送路に読み出す第２の読み出しゲートと、列方向に連続する４個の前記光電変換素子行に対応する前記第１の読み出しゲート及び第２の読み出しゲートを独立して制御可能な制御部とを有する固体撮像素子と、
被写体を前記固体撮像素子に結像するための光学系と、
前記固体撮像素子を駆動する駆動部と、
前記固体撮像素子の出力を信号処理して画像信号を生成する信号処理部と
を有するデジタルカメラ。 - 前記駆動部は、前記固体撮像素子を駆動するため、（４Ｎ−３）行と（４Ｎ−２）行の前記光電変換素子の長時間露光の信号電荷を偶数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、（４Ｎ−１）行と（４Ｎ）行の前記光電変換素子の長時間露光の信号電荷を奇数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、その所定時間後に、（４Ｎ−３）行と（４Ｎ−２）行の前記光電変換素子の短時間露光の信号電荷を偶数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、（４Ｎ−１）行と（４Ｎ）行の前記光電変換素子の短時間露光の信号電荷を奇数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、前記加算された長時間露光と短時間露光の信号電荷を混合することなく転送して独立に出力させる第１のパルス群を発生可能であり、
前記信号処理部は、前記固体撮像素子から出力される前記加算された長時間露光と短時間露光の信号電荷を信号処理して１枚の画像を生成する第１の信号処理を行うことが可能である請求項２記載のデジタルカメラ。 - 前記駆動部は、前記固体撮像素子を駆動するため、第１の期間内には、前記第１のパルス群を発生し、第２の期間内には、（４Ｎ−２）行と（４Ｎ−１）行の前記光電変換素子の長時間露光の信号電荷を偶数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、（４Ｎ＋１）行と（４Ｎ）行の前記光電変換素子の長時間露光の信号電荷を奇数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、その所定時間後に、（４Ｎ−２）行と（４Ｎ−１）行の前記光電変換素子の短時間露光の信号電荷を偶数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、（４Ｎ＋１）行と（４Ｎ）行の前記光電変換素子の短時間露光の信号電荷を奇数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、前記加算された長時間露光と短時間露光の信号電荷を混合することなく転送して独立に出力させる第２のパルス群を発生可能であり、
前記信号処理部は、前記第１及び第２の駆動パルスに基づき前記固体撮像素子から出力される前記加算された長時間露光と短時間露光の信号電荷を信号処理して１枚の画像を生成する第２の信号処理を行うことができる請求項３記載のデジタルカメラ。 - 前記駆動部は、前記固体撮像素子を駆動するため、（４Ｎ−３）行と（４Ｎ−２）行の前記光電変換素子の長時間露光の信号電荷を偶数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、（４Ｎ−１）行と（４Ｎ）行の前記光電変換素子の長時間露光の信号電荷を奇数列の前記垂直電荷転送路に読み出して加算し、信号電荷が無い空の井戸と加算された信号電荷がある井戸が混合しないように転送し、それぞれ独立に出力させる第３のパルス群を発生可能であり、
前記信号処理部は、前記第３の駆動パルスに基づき前記固体撮像素子から出力される前記加算された信号電荷から該信号電荷の列方向に近接する空の井戸で転送されるスミア電荷を減算し、信号処理して画像を生成する第３の信号処理を行うことができる請求項２記載のデジタルカメラ。 - 前記駆動部は、前記固体撮像素子を駆動するため、（２Ｎ−１）行の前記光電変換素子の信号電荷を奇数列の前記垂直電荷転送路に読み出し、（２Ｎ）行の前記光電変換素子の信号電荷を偶数列の前記垂直電荷転送路に読み出し、各信号電荷を独立に転送し出力させる第４のパルス群を発生可能であり、
前記信号処理部は、前記第４の駆動パルスに基づき前記固体撮像素子から出力される前記独立して出力される信号電荷を信号処理して画像を生成する第４の信号処理を行うことができる請求項２記載のデジタルカメラ。 - 前記駆動部は、請求項３から６に記載の前記第１〜第４のパルス群の中から一つを選択的に発生可能であり、
前記信号処理部は、前記駆動部が選択するパルス群に対応する請求項３から６に記載の前記第１〜第４の信号処理を行うことが可能な請求項２記載のデジタルカメラ。
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