JP2005286470A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 暗電流の発生を抑制して画質を向上させることが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】 低感度撮影モードが設定されているときは第１の読み出しモードで固体撮像素子を駆動し、高感度撮影モードが設定されているときは第２の読み出しモードで固体撮像素子を駆動する。第１の読み出しモードは、図５（ａ）のように、時刻ｔ１でφＶ１，φＶ２の電位をハイレベルＶＨにすると共に、奇数行のＰＤの読み出しゲートに読み出しパルスを印加する。これにより、奇数行のＰＤに対応する２つの垂直転送路２２によって１つの電位井戸Ｌ１が形成され、ここに信号電荷が読み出されて順次列方向に転送される。第２の読み出しモードは、図５（ｂ）のように、時刻ｔ１でφＶ１の電位をハイレベルＶＨにすると共に、奇数行のＰＤの読み出しゲートに読み出しパルスを印加する。これにより、奇数行のＰＤの読み出しゲートに対応する１つの垂直転送路２２によって１つの電位井戸Ｌ２が形成され、ここに信号電荷が読み出されて順次列方向に転送される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子に蓄積された信号電荷を列方向に転送する垂直転送路と、前記垂直転送路によって転送された信号電荷を前記行方向に転送する水平転送路と、前記行方向に転送された信号電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子によって被写体を撮像する撮像装置に関する。

一般に、固体撮像素子では、１つのフォトダイオード（ＰＤ）に蓄積することのできる最大の信号電荷量（以下、飽和信号電荷量という）が転送できるように、垂直転送路や水平転送路が設計されている。例えば、図８（ａ）に示す全画素読み出しのＣＣＤでは、ＰＤ８１から読み出した信号電荷を、ＰＤ８１に対応する３つの垂直転送路のうち一番上の垂直転送路８２に形成された電位井戸に読み出して転送を行う。このため、垂直転送路８２に形成された電位井戸に溜めることのできる信号電荷量（以下、容量という）は、ＰＤ８１の飽和信号電荷量と同等かそれ以上に設計されている。又、図８（ｂ）に示すインターレース駆動のＣＣＤでは、ＰＤ８３から読み出した信号電荷を、ＰＤ８３に対応する２つの垂直転送路８４，８５に形成された２つの電位井戸を結合した電位井戸に読み出して転送を行う。このため、２つの垂直転送路８４，８５の各々によって形成される電位井戸の容量の合計は、ＰＤ８３の飽和信号電荷量と同等かそれ以上に設計されている。又、図８（ｃ）に示すハニカム型のＣＣＤでは、ＰＤ８６から読み出した信号電荷を、ＰＤ８６に対応する４つの垂直転送路のうち、下の２つの垂直転送路８７，８８によって形成される２つの電位井戸を結合した電位井戸に読み出して転送を行う。このため、２つの垂直転送路８７，８８の各々によって形成される電位井戸の容量の合計は、ＰＤ８６の飽和信号電荷量と同等かそれ以上に設計されている。

従来、暗電流を抑制する手法として、特許文献１及び２記載のものが知られている。

特開平８−２７９６０８号公報 特開平９−１６３２３４号公報

図８に示すような固体撮像素子では、各ＰＤに飽和信号電荷量の信号電荷を蓄積することができる程度の露光時間で撮像を行った場合、各ＰＤに対応して形成される電位井戸の容量をフルに活用することができる。一方で、露光時間を例えば半分にした場合、各ＰＤには最大で飽和信号電荷量の半分の信号電荷しか蓄積されなくなるため、各ＰＤに対応して形成される電位井戸の容量に余裕が生じる。

垂直転送路における暗電流は、垂直転送路における電位が不安定な状態で発生しやすい。特に、固体撮像素子に入射する光が少なくなり、ＰＤに蓄積される信号電荷が少なくなる場合（例えば、低ＩＳＯ感度撮影時や暗部撮影時）には、暗電流によるノイズが目立ってしまい画質が大きく劣化してしまう。上記のように、固体撮像素子に入射する光が少なくなる場合には、各ＰＤに対応して形成される電位井戸の容量に余裕が生じるため、このことを考慮して固体撮像素子を駆動することが暗電流の抑制に繋がる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、暗電流の発生を抑制して画質を向上させることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子に蓄積された信号電荷を列方向に転送する垂直転送路と、前記垂直転送路からの信号電荷を前記行方向に転送する水平転送路と、前記水平転送路からの信号電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子によって被写体を撮像する撮像装置であって、前記複数の光電変換素子の各々に対応させて前記垂直転送路に電位井戸を形成し、前記複数の光電変換素子の各々に蓄積された信号電荷を前記電位井戸に読み出し、前記信号電荷を読み出した電位井戸を順次前記列方向に移動させる駆動制御を行う駆動制御手段を備え、前記駆動制御手段は、撮像条件に基づく前記固体撮像素子への入射光量に応じて、前記電位井戸の容量を変更する。

この構成により、撮像条件に基づく固体撮像素子への入射光量に応じて、電位井戸の容量を変更することができる。例えば、固体撮像素子への入射光量が少なくなる場合には、光電変換素子に蓄積される信号電荷量が少なくなるため、電位井戸の容量を小さくすることが可能となり、暗電流の発生を抑えることができ、画質を向上させることができる。

又、本発明の撮像装置は、前記駆動制御手段が、前記電位井戸の前記列方向の幅及び前記電位井戸の深さの少なくとも一方を制御して前記電位井戸の容量を変更する。

この構成により、例えば、電位井戸の列方向の幅を相対的に狭くすることで暗電流の発生を抑制することができ、画質を向上させることができる。又、電位井戸の深さを浅くすることで電位井戸の電位を安定状態に近づかせることができ、暗電流の発生を抑えることができる。又、電位井戸の幅を狭くした上で、その電位井戸の深さを浅くすることで暗電流の発生をより抑えることができる。

又、本発明の撮像装置は、前記駆動制御手段が、前記固体撮像素子への入射光量が相対的に多くなる場合に前記電位井戸の容量を相対的に大きくなるように制御し、前記固体撮像素子への入射光量が相対的に少なくなる場合に前記電位井戸の容量を相対的に小さくなるように制御する。

又、本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子が、前記複数の光電変換素子の各々の飽和信号電荷量を越えた信号電荷を前記半導体基板に排出するオーバーフロードレインを含み、前記駆動制御手段により前記電位井戸の容量が相対的に小さくなるように制御される場合、撮像準備時に前記出力部から得られる信号に基づいて、前記相対的に小さい電位井戸の容量より多くの信号電荷を蓄積する光電変換素子があるか否かを判定する判定手段を備え、前記駆動制御手段は、前記相対的に小さい電位井戸の容量より多くの信号電荷を蓄積する光電変換素子があると判定された場合、前記複数の光電変換素子の各々に蓄積される信号電荷が前記相対的に小さい電位井戸の容量を越えないように前記オーバーフロードレインの電位を制御する。

この構成により、電位井戸の容量を小さくした場合におけるブルーミングの発生を抑制することができる。

本発明によれば、暗電流の発生を抑制して画質を向上させることが可能な撮像装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図１のデジタルカメラは、撮像部１と、アナログ信号処理部２と、Ａ／Ｄ変換部３と、駆動部４と、ストロボ５と、デジタル信号処理部６と、圧縮／伸張処理部７と、表示部８と、システム制御部９と、内部メモリ１０と、メディアインタフェース１１と、記録メディア１２と、操作部１３とを備える。デジタル信号処理部６、圧縮／伸張処理部７、表示部８、システム制御部９、内部メモリ１０、及びメディアインタフェース１１は、システムバス１４に接続されている。

撮像部１は、撮影レンズ等の光学系及び後述する固体撮像素子２０によって被写体の撮影を行うものであり、アナログの撮像信号を出力する。撮像部１には、固体撮像素子２０への光の入射の遮断制御を行うメカニカルシャッタも含まれている。アナログ信号処理部２は、撮像部１で得られた撮像信号に所定のアナログ信号処理を施す。Ａ／Ｄ変換部３は、アナログ信号処理部２で処理後のアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部３の出力は、いわゆるＲＡＷ画像データとしてデジタル信号処理部６に送られる。ＲＡＷ画像データは、撮像部１からの撮像信号の形式のままデジタル化したデジタル画像データである。

撮影に際しては、駆動部４を介して光学系、メカニカルシャッタ、及び固体撮像素子２０の制御が行われる。固体撮像素子２０は、操作部１３の一部である２段レリーズボタン（図示せず）の操作による２段レリーズスイッチ（図示せず）のＳ２オンを契機として、所定のタイミングで、駆動部４に含まれるタイミングジェネレータ（図１ではＴＧと記載）からの駆動信号によって駆動される。駆動部４は、システム制御部９によって所定の駆動信号を出力する。

デジタル信号処理部６は、Ａ／Ｄ変換部３からのデジタル画像データに対して、操作部１３によって設定された動作モードに応じたデジタル信号処理を行う。デジタル信号処理部６が行う処理には、黒レベル補正処理（ＯＢ処理）、リニアマトリクス補正処理、ホワイトバランス調整処理、ガンマ補正処理、画像合成処理、同時化処理、及びＹ／Ｃ変換処理等が含まれる。デジタル信号処理部６は、例えばＤＳＰで構成される。

圧縮／伸張処理部７は、デジタル信号処理部６で得られたＹ／Ｃデータに対して圧縮処理を施すとともに、記録メディア１２から得られた圧縮画像データに対して伸張処理を施す。

表示部８は、例えばＬＣＤ表示装置を含んで構成され、撮影されてデジタル信号処理を経た画像データに基づく画像を表示する。記録メディア１２に記録された圧縮画像データを伸張処理して得た画像データに基づく画像の表示も行う。また、撮影時のスルー画像、デジタルカメラの各種状態、操作に関する情報の表示等も可能である。

内部メモリ１０は、例えばＤＲＡＭであり、デジタル信号処理部６やシステム制御部９のワークメモリとして利用される他、記録メディアに１２に記録される撮影画像データを一時的に記憶するバッファメモリや表示部８への表示画像データのバッファメモリとしても利用される。メディアインタフェース１１は、メモリカード等の記録メディア１２との間のデータの入出力を行うものである。

システム制御部９は、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、撮影動作を含むデジタルカメラ全体の制御を行う。

操作部１３は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うものであり、レリーズボタンもこれに含まれる。

図１に示すデジタルカメラは、撮影感度の設定が変更可能となっている。例えばフィルム感度でいえば、ＩＳＯ感度１００に相当する感度で撮影を行う低感度撮影モードと、ＩＳＯ感度２００、４００、８００に相当する感度で撮影を行う高感度撮影モードとを切換設定可能となっている。図１に示すデジタルカメラでは、例えば、露光時間等の撮像条件を変えることでＩＳＯ感度を変えており、ＩＳＯ感度が低いほど露光時間を長く設定し、ＩＳＯ感度が高いほど露光時間を短く設定している。

図２は、本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の概略構成を示す図である。
図２に示すように、固体撮像素子２０は、半導体基板上の行方向（図２のＸ方向）とこれに直交する列方向（図２のＹ方向）にマトリクス状に配列された複数の光電変換素子（例えば、フォトダイオード（ＰＤ））２１と、これらＰＤ２１から列毎に読み出された信号電荷をＹ方向に転送するＹ方向に延在する垂直転送路（Ｖ−ＣＣＤ）２２と、Ｖ−ＣＣＤ２２の出力に接続され、Ｖ−ＣＣＤ２２から移された信号電荷を各々Ｘ方向に転送する水平転送路（Ｈ−ＣＣＤ）２３と、Ｈ−ＣＣＤ２３の出力に接続され、転送されてきた信号電荷に応じた電圧信号を出力する出力部２４とを備える。

Ｖ−ＣＣＤ２２は、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって四相駆動されるようになっている。Ｈ−ＣＣＤ２３は、水平転送クロックφＨ１，φＨ２により二相駆動されるようになっている。

出力部２４は、例えばフローティングディフュージョンアンプからなるが、フローティングディフュージョン構造ではなく、フローティングゲート構造等であってもよい。

固体撮像素子２０では、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４および水平転送クロックφＨ１，φＨ２の発生タイミングの制御により、後述する第１の読み出しモードと、第２の読み出しモードとに対応できるようになっている。上記垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４および水平転送クロックφＨ１，φＨ２の発生タイミングの制御は、図１に示す駆動部４がシステム制御部９の指示に応じて行う。

図３は、図２に示す固体撮像素子２０の破線で囲った領域２５の拡大図である。
固体撮像素子２０のＰＤ２１には、２つの垂直転送路２２（垂直転送電極）が対応しており、列方向に隣接する２つのＰＤ２１に対応する４つの垂直転送路２２に、それぞれ垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４が印加されるようになっている。奇数行のＰＤ２１の読み出しゲートは、垂直転送クロックφＶ１が印加される垂直転送路２２に対応する位置に設けられる。偶数行のＰＤ２１の読み出しゲートは、垂直転送クロックφＶ３が印加される垂直転送路２２に対応する位置に設けられる。尚、各ＰＤ２１の飽和信号電荷量は、１つの垂直転送路２２によって形成される電位井戸のうち、容量の最も大きい電位井戸に溜めることのできる信号電荷量の２倍となるように設計されている。飽和信号電荷量は、ＰＤ２１の大きさによって決まる値である。
又、各ＰＤ２１には、オーバーフロードレインが設けられている。このオーバーフロードレインの電位レベルは、各ＰＤ２１に飽和信号電荷量を越える信号電荷が発生した場合に、その信号電荷を半導体基板上に掃き出すことができる値（以下、この値をデフォルト値とする）になっている。オーバーフロードレインの電位レベルは、必要に応じて、駆動部４からのＯＦＤパルスにより制御される。

図４は、固体撮像素子２０の光電変換特性を示す図である。
図４に示すように、ＩＳＯ感度１００のときに固体撮像素子２０に入射する入射光量は符号Ａの範囲で示す量となり、ＩＳＯ感度２００のときに固体撮像素子２０に入射する入射光量はＡの半分の符号Ｂの範囲で示す量となり、ＩＳＯ感度４００のときに固体撮像素子２０に入射する入射光量はＡの１／４の符号Ｃの範囲で示す量となり、ＩＳＯ感度８００のときに固体撮像素子２０に入射する入射光量はＡの１／８の符号Ｄの範囲で示す量となる。ＩＳＯ感度が高くなるにつれて入射光量が減少するため、各ＰＤ２１に蓄積される信号電荷量もＩＳＯ感度が高くなるにつれて減少し、それに応じて出力電圧も減少する。

以下、固体撮像素子２０の駆動方法について説明する。
図５は、固体撮像素子２０駆動時の垂直転送路２２のポテンシャル図である。本実施形態では、固体撮像素子２０の駆動方法の一例として奇数行と偶数行とに分けて信号電荷の読み出しを行うインターレース駆動を行うが、低感度撮影モードで撮影が行われたときは、図５（ａ）に示す第１の読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動し、高感度撮影モードで撮影が行われたときは、図５（ｂ）に示す第２の読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動する。

図５（ａ）に示す第１の読み出しモードの動作
デジタルカメラにおける露光時間は、通常は、電子シャッタ開のタイミング（このときメカニカルシャッタは開状態）から、メカニカルシッャタ閉までの間である。図５（ａ）に示すインターレース読み出しでは、露光により、固体撮像素子２０の各ＰＤ２１に信号電荷が蓄積される。この信号電荷の蓄積後、直ぐに信号電荷を読み出すのではなく、その前に、掃き出しパルスで垂直転送路２２を高速駆動する。これにより、垂直転送路２２に残っている電荷やノイズ電荷が掃き出され、垂直転送路２２が綺麗にされる。掃き出し期間の終了後、時刻ｔ１でφＶ１，φＶ２の電位をハイレベルＶＨにすると共に、奇数行のＰＤ２１の読み出しゲートに読み出しパルスを印加する。これにより、奇数行のＰＤ２１に対応する２つの垂直転送路２２に電位井戸Ｌ１が形成され、その電位井戸Ｌ１に信号電荷が読み出される。次に、時刻ｔ２でφＶ３の電位をハイレベルＶＨにし、時刻ｔ３でφＶ１の電位をローレベルＶＬにすることで、信号電荷を蓄積した電位井戸Ｌ１が列方向に転送される。偶数行のＰＤ２１に蓄積された信号電荷も同様に、奇数行のＰＤ２１に蓄積された信号電荷の転送後に掃き出し期間が設けられ、この掃き出し期間の終了後、偶数行のＰＤ２１に対応する２つの垂直転送路２２に電位井戸Ｌ１が形成され、その電位井戸Ｌ１に信号電荷が読み出されて順次転送される。

図５（ｂ）に示す第２の読み出しモードの動作
図５（ｂ）に示すインターレース読み出しでは、掃き出し期間の終了後、時刻ｔ１でφＶ１の電位をハイレベルＶＨにすると共に、奇数行のＰＤ２１の読み出しゲートに読み出しパルスを印加する。これにより、奇数行のＰＤ２１の読み出しゲートに対応する１つの垂直転送路２２に電位井戸Ｌ２が形成され、その電位井戸Ｌ２に信号電荷が読み出される。次に、時刻ｔ２でφＶ２の電位をハイレベルＶＨにし、時刻ｔ３でφＶ１の電位をローレベルＶＬにすることで、信号電荷が蓄積された電位井戸Ｌ２が列方向に転送される。偶数行のＰＤ２１に蓄積された信号電荷も同様に、奇数行のＰＤ２１に蓄積された信号電荷の転送後に掃き出し期間が設けられ、この掃き出し期間の終了後、偶数行のＰＤ２１の読み出しゲートに対応する１つの垂直転送路２２に電位井戸Ｌ２が形成され、その電位井戸Ｌ２に信号電荷が読み出されて順次転送される。

図５（ａ）の第１の読み出しモードでは、電位井戸Ｌ２の２倍の容量を持つ電位井戸Ｌ１にＰＤ２１の信号電荷を読み出すため、ＰＤ２１の飽和信号電荷量の信号電荷を全て読み出して転送することができる。低感度撮影モードで撮影が行われた場合には、ＰＤ２１に蓄積される信号電荷量が飽和信号電荷量に到達することもあり得るため、低感度撮影モード時には第１の読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動することが有効である。
一方、図５（ｂ）の第２の読み出しモードでは、電位井戸Ｌ１の１／２の容量を持つ電位井戸Ｌ２にＰＤ２１の信号電荷を読み出すため、ＰＤ２１の飽和信号電荷量の半分の信号電荷しか読み出すことができない。ところが、高感度撮影モードで撮影が行われた場合には、ＰＤ２１に蓄積される信号電荷は、図４に示したように飽和信号電荷量の半分以下となる。このため、図５（ｂ）のように、１つの垂直転送路２２に形成される電位井戸Ｌ２で信号電荷の読み出し及び転送を充分に行うことが可能である。又、垂直転送路２２における暗電流は、電位井戸が形成された状態で発生しやすくなるが、図５（ｂ）の場合では、垂直転送路２２に形成される電位井戸の大きさの占める割合が図５（ａ）の場合よりも少なくなるため、図５（ａ）の場合より暗電流の発生を抑えることができる。逆に、図５（ａ）の場合では、暗電流が発生しやすくなってしまうが、低感度撮影モード時は信号電荷量が多くなるため、暗電流が発生してもＳＮ比は大きく劣化しない。一方、高感度撮影モード時は信号電荷量が少なくなるため、暗電流が発生するとＳＮ比が大きく劣化してしまう。そこで、このＳＮ比の劣化を防ぐために、高感度撮影モード時には第２の読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動することが有効である。

以下、図１に示すデジタルカメラの撮影時の動作について説明する。
図６は、図１に示すデジタルカメラの動作手順を示すフローチャートである。
ユーザがレリーズボタンを半押しすると、２段スイッチのＳ１がオンとなる（ステップＳ１）。スイッチＳ１がオンされると、システム制御部９は撮像部１を制御して仮撮像を行い、仮撮像により得られた画像データに基づいて測光と測距を行い（ステップＳ２）、設定されている撮影感度が一定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ３）。

設定されている撮影感度が一定値よりも低い、即ち、撮影感度がＩＳＯ感度１００であった場合（ステップＳ３：ＮＯ）、システム制御部９は、図５（ａ）に示す第１の読み出しモードを選択する（ステップＳ７）。一方、設定されている撮影感度が一定値よりも高い、即ち、撮影感度がＩＳＯ感度２００、ＩＳＯ感度４００、及びＩＳＯ感度８００のいずれかであった場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、システム制御部９は、図５（ｂ）に示す第２の読み出しモードを選択する（ステップＳ４）。

図５（ｂ）に示す第２の読み出しモードを選択後、システム制御部９は、電位井戸Ｌ２の容量より多くの信号電荷を蓄積するＰＤ２１があるか否かをステップＳ２で測定した明るさに基づいて判定する。測定した明るさが所定値を越えており、電位井戸Ｌ２の容量より多くの信号電荷を蓄積するＰＤ２１があると判定した場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、システム制御部９は、各ＰＤ２１に蓄積される信号電荷が電位井戸Ｌ２の容量を越えないようにＯＦＤバイアスを制御する。具体的には、オーバーフロードレインの電位レベルを、デフォルト値よりも所定量上昇させる（ステップＳ６）。これにより、各ＰＤ２１には、電位井戸Ｌ２の容量以上の信号電荷が蓄積されなくなる。このため、電位井戸Ｌ２に信号電荷を読み出した際に、その信号電荷が電位井戸Ｌ２から溢れ出てしまうのを防ぐことができ、ブルーミングの発生を抑えることができる。
システム制御部９は、測定した明るさが所定値を超えておらず、電位井戸Ｌ２の容量より多くの信号電荷を蓄積するＰＤ２１がないと判定した場合（ステップＳ５：ＮＯ）、オーバーフロードレインの電位レベルをデフォルト値のままとする。又、システム制御部９は、ステップＳ７で第１の読み出しモードを選択した場合は、オーバーフロードレインの電位レベルをデフォルト値のままとする。尚、ステップＳ５及びＳ６の処理は省略しても良い。

ステップＳ８では、システム制御部９が、２段レリーズボタンが全押しされるのを待機し、全押しされると２段スイッチのＳ２がオンとなり、本撮像処理を実行する（ステップＳ９）。本撮像処理では、設定されているＩＳＯ感度に応じた露光時間でメカニカルシャッタの開閉が行われ、測距値に応じた合焦位置に撮影レンズの繰り出しが行われ、被写体にピントのあった状態での信号電荷が固体撮像素子２０の各ＰＤ２１に蓄積される。

本撮像処理後、システム制御部９は、ステップＳ４又はＳ７で選択した読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動し（ステップＳ１０）、信号電荷に応じた電圧信号を固体撮像素子２０から得る。電圧信号を取得した後は、取得した電圧信号をデジタル変換して内部メモリ１０に格納し、デジタル信号処理部６にて各種画像処理を施した後（ステップＳ１１）、画像処理後のＹ／Ｃデータを記録メディア１２に記憶して処理を終了する。

尚、上記では、ＩＳＯ感度２００設定時における電位井戸Ｌ２の容量と、ＩＳＯ感度４００設定時における電位井戸Ｌ２の容量とは同じとなっているが、図４に示したように、ＩＳＯ感度が高くなればなる程、各ＰＤ２１に蓄積される信号電荷量は少なくなるため、実際には、ＩＳＯ感度４００設定時における電位井戸Ｌ２の容量は、ＩＳＯ感度２００設定時における電位井戸Ｌ２の容量の半分あれば十分である。同様に、ＩＳＯ感度８００設定時における電位井戸Ｌ２の容量は、ＩＳＯ感度２００設定時における電位井戸Ｌ２の容量の１／４あれば十分である。

そこで、本実施形態では、システム制御部９が、図６のステップＳ１０で固体撮像素子２０を第２の読み出しモードで駆動する際に、電位井戸Ｌ２の深さを制御して、電位井戸Ｌ２の容量をＩＳＯ感度に応じて可変制御しても良い。
例えば、図７（ａ）に示すように、ＩＳＯ感度２００に設定されているときは、各ＰＤ２１の読み出しゲートに対応する垂直転送路２２に形成される電位井戸Ｌ２の底の電位はＶＨとなっているが、ＩＳＯ感度４００やＩＳＯ感度８００に設定されているときは、この電位ＶＨを、図７（ｂ）に示すようにＶＬとＶＨとの間のミディアムレベルの電位ＶＭにする。電位井戸Ｌ２の底の電位がＶＭになることで、電位井戸Ｌ２の容量が小さくなるが、信号電荷量はＩＳＯ感度２００に設定されているときよりも少なくなっているため支障はない。又、電位井戸Ｌ２の底の電位がＶＬに近づくほど電位は安定するため、これにより、暗電流の発生をより抑えることができる。尚、ＩＳＯ感度８００に設定されているときの電位井戸Ｌ２の底の電位ＶＭは、ＩＳＯ感度４００に設定されているときの電位井戸Ｌ２の底の電位ＶＭと同じか、又はそれよりも低くすることが好ましい。

この場合、デジタルカメラでは、ＩＳＯ感度４００，８００のそれぞれに応じて、電位井戸Ｌ２の底の電位ＶＭを予め決めておき、図６のステップＳ４とステップＳ５との間において、システム制御部９が、設定されている撮影感度に応じた電位ＶＭを選択する。そして、ステップＳ５の判定で、上記選択した電位ＶＭによって決まる電位井戸Ｌ２の容量より多くの信号電荷を蓄積するＰＤ２１があるか否かを判定し、選択した電位ＶＭによって決まる電位井戸Ｌ２の容量より多くの信号電荷を蓄積するＰＤ２１があると判定した場合には、各ＰＤ２１に蓄積される信号電荷が、選択した電位ＶＭによって決まる電位井戸Ｌ２の容量を越えないようにＯＦＤバイアスを制御する。更に、ステップＳ１０で、上記選択した電位ＶＭに基づいて垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４の電位の制御を行う。

又、上記では、低感度撮影モードが設定されているときに第１の読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動し、高感度撮影モードが設定されているときに第２の読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動しているが、低感度撮影モードが設定されているときに第１の読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動し、高感度撮影モードが設定されているときも、第２の読み出しモードの代わりに第１の読み出しモードで固体撮像素子２０を駆動するようにしても良い。但し、高感度撮影モードが設定されているときには、電位井戸Ｌ１の底の電位をＶＨからＶＭに変更する制御を行う。このようにすることでも、暗電流の発生を抑制することができ、画質を向上させることが可能である。この場合の電位井戸Ｌ１の底の電位ＶＭは、電位井戸Ｌ１の容量が、ＩＳＯ感度２００，４００，８００のいずれかが設定されたときの各ＰＤ２１に蓄積される信号電荷量の最大値と同じになるように設定しておく。そして、システム制御部９が、設定されているＩＳＯ感度に応じたＶＭを選択すれば良い。
又、この場合のデジタルカメラの動作は、図６に示すフローにおいて、ステップＳ４でシステム制御部９が第１の読み出しモードを選択し、その後、設定されているＩＳＯ感度に応じた電位ＶＭを選択する。そして、ステップＳ５で、選択した電位ＶＭによって決まる電位井戸Ｌ１の容量より多くの信号電荷を蓄積するＰＤ２１があるか否かを判定し、選択した電位ＶＭによって決まる電位井戸Ｌ１の容量より多くの信号電荷を蓄積するＰＤ２１がある判定した場合には、各ＰＤ２１に蓄積される信号電荷が、選択した電位ＶＭによって決まる電位井戸Ｌ１の容量を越えないようにＯＦＤバイアスを制御する。更に、ステップＳ１０で、上記選択した電位ＶＭに基づいて垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４の電位の制御を行う。

又、上記では、図２に示した固体撮像素子２０を例にして説明したが、本出願人等が先に提案した例えば特開平１０―１３６３９１号公報に記載される固体撮像素子、即ち、各行に配置したＰＤを垂直方向に隣接する行のＰＤに対して１／２ピッチづつずらしたハニカム画素配置と呼ばれる固体撮像素子にも本発明は適用可能である。

又、上記では、ＩＳＯ感度に応じて駆動方法を切り替えているが、この他に、本撮像前に被写体の明るさを測定しておき、この明るさに応じて駆動方法を切り替えても良い。例えば、暗部撮影時には、固体撮像素子２０への入射光量が相対的に少なくなるため第２の読み出しモードで駆動し、明るいところでの撮像時には、固体撮像素子２０への入射光量が相対的に多くなるため第１の読み出しモードで駆動するといったことも可能である。

本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の概略構成を示す図 図２に示す固体撮像素子の破線で囲った領域の拡大図 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラに搭載される固体撮像素子の光電変換特性を示す図 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラに搭載される固体撮像素子駆動時の垂直転送路のポテンシャル図 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの動作フローを示す図 本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラに搭載される固体撮像素子のＰＤとＶＣＣＤのポテンシャル図 従来の固体撮像素子を説明するための図

符号の説明

１ 撮像部
２ アナログ信号処理部
３ Ａ／Ｄ変換部
４ 駆動部
５ ストロボ
６ デジタル信号処理部
７ 圧縮／伸張処理部
８ 表示部
９ システム制御部
１０ 内部メモリ
１１ メディアインタフェース
１２ 記録メディア
１３ 操作部
１４ システムバス

Claims (4)

1. 半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子に蓄積された信号電荷を列方向に転送する垂直転送路と、前記垂直転送路からの信号電荷を前記行方向に転送する水平転送路と、前記水平転送路からの信号電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子によって被写体を撮像する撮像装置であって、
   前記複数の光電変換素子の各々に対応させて前記垂直転送路に電位井戸を形成し、前記複数の光電変換素子の各々に蓄積された信号電荷を前記電位井戸に読み出し、前記信号電荷を読み出した電位井戸を順次前記列方向に移動させる駆動制御を行う駆動制御手段を備え、
   前記駆動制御手段は、撮像条件に基づく前記固体撮像素子への入射光量に応じて、前記電位井戸の容量を変更する撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置であって、
   前記駆動制御手段は、前記電位井戸の前記列方向の幅及び前記電位井戸の深さの少なくとも一方を制御して前記電位井戸の容量を変更する撮像装置。
3. 請求項１又は２記載の撮像装置であって、
   前記駆動制御手段は、前記固体撮像素子への入射光量が相対的に多くなる場合に前記電位井戸の容量を相対的に大きくなるように制御し、前記固体撮像素子への入射光量が相対的に少なくなる場合に前記電位井戸の容量を相対的に小さくなるように制御する撮像装置。
4. 請求項３記載の撮像装置であって、
   前記固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子の各々の飽和信号電荷量を越えた信号電荷を前記半導体基板に排出するオーバーフロードレインを含み、
   前記駆動制御手段により前記電位井戸の容量が相対的に小さくなるように制御される場合、撮像準備時に前記出力部から得られる信号に基づいて、前記相対的に小さい電位井戸の容量より多くの信号電荷を蓄積する光電変換素子があるか否かを判定する判定手段を備え、
   前記駆動制御手段は、前記相対的に小さい電位井戸の容量より多くの信号電荷を蓄積する光電変換素子があると判定された場合、前記複数の光電変換素子の各々に蓄積される信号電荷が前記相対的に小さい電位井戸の容量を越えないように前記オーバーフロードレインの電位を制御する撮像装置。

Images