JP2006157783A - Drive method of solid-state imaging element, and solid-state imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a method for driving a solid-state imaging device and a solid-state imaging device.
CCD型固体撮像素子をエリア・イメージセンサとして利用したデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置が急速に普及している。CCD型固体撮像素子においては、半導体基板の一表面に多数個の光電変換素子が複数行、複数列に亘って行列状に配置され、CCD(電荷結合素子)によって構成される垂直電荷転送素子(VCCD)が、例えば1つの光電変換素子列に1つずつ、この光電変換素子列に沿って配設される。また、CCDによって構成される水平電荷転送素子(HCCD)が、垂直電荷転送素子それぞれの出力端に配置されている。 Imaging devices such as digital still cameras and digital video cameras that use a CCD solid-state imaging device as an area image sensor are rapidly spreading. In a CCD type solid-state imaging device, a vertical charge transfer device (comprising a CCD (charge coupled device)) in which a large number of photoelectric conversion devices are arranged in a matrix over a plurality of rows and columns on one surface of a semiconductor substrate. VCCD) is disposed along one photoelectric conversion element array, for example, one for each photoelectric conversion element array. Further, a horizontal charge transfer element (HCCD) constituted by a CCD is disposed at the output end of each vertical charge transfer element.
また、カラー撮影に使用される単板式のCCD型固体撮像素子では、行列状に配置された多数個の光電変換素子の上方に色フィルタアレイが配置される。色フィルタアレイは、個々の光電変換素子の上方に1つずつ配置された色フィルタによって構成され、その種類として、3原色系の色フィルタアレイと、補色系の色フィルタアレイとがある。補色系の色フィルタアレイとしては、補色の色フィルタのみによって構成されるものと、補色の色フィルタと緑色の色フィルタとによって構成されるものとが知られている。色フィルタの色が、その画素の色となる。 In a single-plate CCD solid-state imaging device used for color photography, a color filter array is arranged above a large number of photoelectric conversion elements arranged in a matrix. The color filter array is composed of color filters arranged one above the individual photoelectric conversion elements, and there are three primary color system color filter arrays and complementary color system color filter arrays. As complementary color filter arrays, there are known a color filter array composed of only complementary color filters and a color filter array composed of complementary color filters and green color filters. The color of the color filter becomes the color of the pixel.
単板式のCCD型固体撮像素子における個々の画素は、フォトダイオードによって構成される光電変換素子と、その上方に配置された1つの色フィルタとを有する。必要に応じて、色フィルタ上にマイクロレンズが配置される。 Each pixel in the single-plate CCD type solid-state imaging device has a photoelectric conversion element constituted by a photodiode, and one color filter disposed above the photoelectric conversion element. A microlens is disposed on the color filter as necessary.
上記構成のCCD型固体撮像素子の構成において、素子上の画素に光が入射すると、その光量に応じた量の電荷が、この画素の光電変換素子に蓄積される。個々の画素(光電変換素子)に蓄積された電荷は、この画素に対応する垂直電荷転送素子へ読み出され、さらに、この垂直電荷転送素子によって水平電荷転送素子へ転送される。1つの画素行に属する画素の各々に蓄積された電荷は、対応する垂直電荷転送素子へ同じタイミングで読出され、同じタイミングで水平電荷転送素子へ転送される。水平電荷転送素子は、垂直電荷転送素子の各々から受け取った電荷を所定方向に順次転送し、出力する。 In the configuration of the CCD solid-state imaging device having the above configuration, when light enters a pixel on the device, an amount of charge corresponding to the amount of light is accumulated in the photoelectric conversion device of the pixel. The charge accumulated in each pixel (photoelectric conversion element) is read out to the vertical charge transfer element corresponding to this pixel, and further transferred to the horizontal charge transfer element by this vertical charge transfer element. The charges accumulated in each pixel belonging to one pixel row are read to the corresponding vertical charge transfer element at the same timing and transferred to the horizontal charge transfer element at the same timing. The horizontal charge transfer element sequentially transfers the charges received from each of the vertical charge transfer elements in a predetermined direction and outputs them.
水平電荷転送素子から出力された電荷は、上記の半導体基板に形成された出力回路部によって検出される。出力回路部は、検出した電荷に応じた信号電圧を生成し、この信号電圧を増幅して出力する。出力回路部によって検出された後の電荷は、例えば、ドレイン領域へ掃き出された後に電源電圧に吸収される。
このようなCCD型固体撮像素子を利用した撮像装置は、出力回路部から出力される信号電圧(画素信号;単位信号)を利用して画像信号を生成する。
The charges output from the horizontal charge transfer element are detected by the output circuit unit formed on the semiconductor substrate. The output circuit unit generates a signal voltage corresponding to the detected charge, amplifies the signal voltage, and outputs the amplified signal voltage. The charge detected by the output circuit unit is absorbed by the power supply voltage after being swept out to the drain region, for example.
An imaging apparatus using such a CCD solid-state imaging device generates an image signal using a signal voltage (pixel signal; unit signal) output from an output circuit unit.
エリア・イメージセンサとして利用される固体撮像素子としては、多数個の画素が正方格子状(行数と列数とが異なるものを含む。)に配置されたものが知られている。このような固体撮像素子に広く利用されている色フィルタの配列として、ベイヤー配列がある。ベイヤー配列は、R画素とG画素とを交互に繰り返し配置した画素行と、G画素とB画素とを交互に繰り返し配置した画素行とを交互に繰り返し形成したものである。また、奇数行、奇数列の画素と偶数行、偶数列の画素とを1/2ピッチずつずらした画素配列も知られており、このような画素配列の固体撮像素子では、図16に示すように、ベイヤー配列の行方向及び列方向を約45゜傾斜させた、所謂、GストライプR/B完全市松配列の色フィルタが利用される。 As a solid-state imaging device used as an area image sensor, a device in which a large number of pixels are arranged in a square lattice pattern (including those having different numbers of rows and columns) is known. As an array of color filters widely used in such a solid-state imaging device, there is a Bayer array. The Bayer array is formed by alternately repeating pixel rows in which R pixels and G pixels are alternately arranged and pixel rows in which G pixels and B pixels are alternately arranged. Also known is a pixel array in which pixels in odd-numbered rows and odd-numbered columns and pixels in even-numbered rows and even-numbered columns are shifted by ½ pitch. In a solid-state imaging device having such a pixel array, as shown in FIG. In addition, a so-called G stripe R / B color checkered color filter in which the row direction and the column direction of the Bayer array are inclined by about 45 ° is used.
上記配列の画素からなるCCD型の固体撮像素子の駆動方法として、通常は、全ての光電変換素子からの信号電荷をそれぞれ画素信号として利用するが、固体撮像素子を用いた電子スチルカメラにおけるモニターモード(カメラの表示部に撮影画像を表示するモード)や、動画撮影モード(記録画素数が一般に少ない)では、垂直方向及び水平方向に間引いた信号を得れば充分である。 As a driving method of a CCD type solid-state imaging device composed of pixels of the above arrangement, signal charges from all photoelectric conversion elements are usually used as pixel signals, but a monitor mode in an electronic still camera using a solid-state imaging device In (a mode in which a captured image is displayed on the display unit of the camera) and a moving image shooting mode (the number of recording pixels is generally small), it is sufficient to obtain signals that are thinned out in the vertical and horizontal directions.
その場合の垂直方向の間引きは、光電変換素子から垂直転送部への読み出しを間引いたり、垂直方向の複数の光電変換素子の電荷を垂直転送路で加算(混合)させたりすることによって実現される。また、水平方向の間引きは、垂直転送部と水平転送部との間に、信号電荷を一時蓄積するラインメモリを設け、垂直転送部から水平転送部への転送列を間引いたり、水平転送部で複数の垂直転送部から電荷を加算(混合)することによって実現される。信号電荷の加算を行うと、信号処理上1つの画素として扱われる信号量(電荷量)が増加しているので、撮影感度が向上する利点がある。
上記のように、水平転送部において信号電荷の加算を行う固体撮像素子は、例えば特許文献1に示されている。
In this case, thinning out in the vertical direction is realized by thinning out reading from the photoelectric conversion element to the vertical transfer unit or adding (mixing) charges of a plurality of photoelectric conversion elements in the vertical direction through the vertical transfer path. . In the horizontal thinning, a line memory for temporarily accumulating signal charges is provided between the vertical transfer unit and the horizontal transfer unit, and a transfer column from the vertical transfer unit to the horizontal transfer unit is thinned out. This is realized by adding (mixing) charges from a plurality of vertical transfer units. When signal charges are added, the signal amount (charge amount) handled as one pixel in signal processing is increased, so that there is an advantage that imaging sensitivity is improved.
As described above, for example, Patent Document 1 discloses a solid-state imaging device that adds signal charges in a horizontal transfer unit.
図17は、図16に示す画素配列で構成され水平転送部にて信号電荷の加算を行う固体撮像素子の一例としての概略構成を平面的に示す図である。
この固体撮像素子1は、半導体基板表面に複数行、複数列に亘って行列状に配設された複数の光電変換素子2と、光電変換素子2に隣接して設けられ、光電変換素子2で発生した信号電荷を列方向Yに転送する複数の垂直転送部3と、光電変換素子1の信号電荷を垂直転送部3に読み出す電荷読み出し部4と、垂直転送部3の端部に設けられ、垂直転送部3からの信号電荷を一時蓄積するラインメモリ5と、ラインメモリ5からの信号電荷を行方向Xに転送する水平転送部6と、水平転送部6によって転送される信号電荷に応じた信号を出力する出力部7とを含む。なお、図17の符号は、その一部のみに代表して番号を付したものである。
FIG. 17 is a diagram illustrating a schematic configuration as an example of a solid-state imaging device that is configured by the pixel array illustrated in FIG. 16 and performs addition of signal charges in a horizontal transfer unit.
The solid-state imaging element 1 is provided adjacent to the photoelectric conversion elements 2 and the plurality of photoelectric conversion elements 2 arranged in a matrix over a plurality of rows and columns on the surface of the semiconductor substrate. A plurality of vertical transfer units 3 that transfer the generated signal charges in the column direction Y, a
光電変換素子2は、埋込型のフォトダイオードで実現され、入射光量に応じた信号電荷を発生し蓄積する。各光電変換素子2の上方には、色フィルタ(図示せず)が設けられ、各光電変換素子2は、フィルタの色に対応した分光感度の信号電荷を発生し蓄積する。色フィルタは、例えば赤色(以下、単に「R」と記述する場合もある)、緑色(以下、単に「G」と記述する場合もある)、青色(以下、単に「B」と記述する場合もある)の3原色で構成される。 The photoelectric conversion element 2 is realized by an embedded photodiode, and generates and accumulates signal charges corresponding to the amount of incident light. A color filter (not shown) is provided above each photoelectric conversion element 2, and each photoelectric conversion element 2 generates and accumulates signal charges having spectral sensitivity corresponding to the color of the filter. The color filter may be, for example, red (hereinafter may be simply described as “R”), green (hereinafter may be simply described as “G”), blue (hereinafter simply described as “B”). There are three primary colors.
垂直転送部3は、光電変換素子2から読み出された電荷を蓄積し、転送する垂直電荷転送チャネルと、その上方に設けられた垂直転送電極(図17においては、垂直電荷転送チャネル領域に対応する領域を概略的に垂直転送部3として表している。)を含む第1のタイプの電荷転送素子で構成される。光電変換素子2の信号電荷は、電荷読み出し部4を介して垂直転送部3に読み出される。光電変換素子2、垂直転送部3、電荷読み出し部4の形状及び配置、垂直転送電極(図示せず)の形状、配置等は、種々のものが周知であるので、詳細な記載は省略する。
The vertical transfer unit 3 stores a charge read out from the photoelectric conversion element 2 and transfers the vertical charge transfer channel and a vertical transfer electrode provided thereabove (corresponding to a vertical charge transfer channel region in FIG. 17). The region to be formed is schematically represented as a vertical transfer unit 3). The signal charge of the photoelectric conversion element 2 is read to the vertical transfer unit 3 through the
ラインメモリ5は、垂直転送部3に続く1つの電荷転送段として構成される。ラインメモリ5を構成する電荷転送段は、第2のタイプの電荷転送素子の電荷転送段と同様の構成を有し、上流の垂直転送部3側にn-型不純物添加領域、下流の水平転送部3側にn型不純物添加領域が形成されている。したがって、上流側に隣接する垂直転送部3の電荷転送段に信号電荷を蓄積した後、その電荷転送段に相対的に低いレベルの電圧を印加し、ラインメモリ5に相対的に高いレベルの電圧を印加することにより、垂直転送部3からの信号電荷をラインメモリ5に転送し、蓄積することができる。
The
水平転送部6は、第2のタイプの電荷転送素子で構成され、1つの垂直転送部3に対応して1つの電荷転送段を有する。そして、垂直転送部3の下流端に設けられたラインメモリ5に蓄積された信号電荷が対応する電荷転送段に転送され、蓄積され、出力部7に転送される。
The
ところで、図12に示すR、G、B各画素の配列の場合、図14に示すように、水平方向に対する画素加算は、G画素同士、R画素同士、及びG画素同士を加算するが、相対個数の多いG画素に対しては水平距離Lとなる隣接画素同士を加算するものの、相対個数の少ないR画素とB画素に対しては、水平距離2Lとなる水平1画素飛ばしの画素加算となっている。そのため、画素加算後の画像信号は、R画素、B画素に対する水平解像度が低下する。
In the case of the arrangement of R, G, and B pixels shown in FIG. 12, as shown in FIG. 14, pixel addition in the horizontal direction adds G pixels, R pixels, and G pixels. Although the adjacent pixels having the horizontal distance L are added to the G pixel having a large number, the pixel addition is performed by skipping one horizontal pixel having the
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、画素加算して画像を取り込む際に相対個数が少ない検出色の水平解像度の低下を抑制することのできる固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above situation, and provides a solid-state imaging device driving method and a solid-state imaging device capable of suppressing a decrease in horizontal resolution of detection colors with a small relative number when an image is captured by adding pixels. It is intended to provide.
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
(1) 複数の検出色のうちのいずれかの色の光に感応して電荷を発生する光電変換部を複数行、複数列に亘って行列状に配置した多数個の画素と、これら各画素に隣接して設けられ前記各画素が発生した電荷を列方向下流側に転送する複数の垂直転送部と、前記各垂直転送部の列方向下流側に配置され該垂直転送部から転送される前記電荷を行方向下流側に転送する水平転送部とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記複数の検出色は、対応する画素数が相対的に少ない1又は複数の第1の検出色と、対応する画素数が相対的に多い1又は複数の第2の検出色を含み、前記検出色の光に感応する画素は、それぞれ規則的に分散して配置されており、前記画素の電荷を転送するに際して、前記第1の検出色の画素の電荷については、他の画素の電荷との加算を行わず、前記第2の検出色の画素の電荷については、同一行に配列され近接する同色の画素同士の電荷を加算する固体撮像素子の駆動方法。
The above object of the present invention is achieved by the following configuration.
(1) A large number of pixels in which photoelectric conversion units that generate charges in response to light of any one of a plurality of detection colors are arranged in rows and columns, and each of these pixels A plurality of vertical transfer units that are provided adjacent to each other and transfer the charges generated by the respective pixels to the downstream side in the column direction, and are arranged on the downstream side in the column direction of the respective vertical transfer units and transferred from the vertical transfer unit A solid-state imaging device driving method including a horizontal transfer unit that transfers charges to the downstream side in the row direction, wherein the plurality of detection colors are one or a plurality of first detection colors having a relatively small number of corresponding pixels. And the pixels having one or a plurality of second detection colors having a relatively large number of corresponding pixels and sensitive to the light of the detection colors are regularly distributed, and the charge of the pixels For the charge of the pixel of the first detection color when transferring The solid-state imaging element driving method of adding the charges of pixels of the same color arranged in the same row and adjacent to each other for the charges of the pixels of the second detection color without adding the charges of the pixels of the second detection color.
この固体撮像素子の駆動方法によれば、各画素の光電変換部から電荷を読み出す際、複数の画素の電荷を加算して画像を取り込む電荷加算転送を行う場合であっても、対応する画素数が相対的に少ない第1の検出色(例えばR、B)の画素の電荷については、他の画素の電荷との加算を行わず、対応する画素数が相対的に多い第2の検出色(例えばG)の画素の電荷については、同一行に配列され近接する同色の画素同士の電荷を加算する。従って、比較的離れた位置に配置される相対個数が少ない検出色の画素は画素加算を行わず、比較的近い位置に配置される相対個数が多い検出色の画素は同一行の隣接画素同士で加算することで、水平解像度を低下させることなく、画素加算した画像信号を得ることができる。 According to this solid-state imaging device driving method, when reading out charges from the photoelectric conversion unit of each pixel, even if charge addition transfer is performed to add an image by adding charges from a plurality of pixels, For the charge of the pixel of the first detection color (for example, R, B) having a relatively small number, the charge of the other pixel is not added, and the second detection color (the number of corresponding pixels is relatively large). For example, for the charge of the pixel G), the charges of pixels of the same color arranged in the same row and adjacent to each other are added. Therefore, pixels with a relatively small number of detected colors arranged at relatively distant positions do not perform pixel addition, and pixels with a relatively large number of detected colors arranged at relatively close positions are adjacent pixels in the same row. By performing the addition, an image signal obtained by pixel addition can be obtained without reducing the horizontal resolution.
(2) (1)記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記垂直転送部から前記水平転送部への電荷の転送が、前記垂直転送部の前記列方向下流端に設けられた複数の電荷蓄積部に、前記電荷を一旦蓄積してから行われるものであり、前記電荷蓄積部に蓄積された前記第1の検出色の画素の電荷を、前記水平転送部へ転送するステップと、前記水平転送部に転送された電荷を、前記水平転送部内で下流側に転送するステップと、前記垂直転送部から前記電荷蓄積部に電荷を転送するステップと、前記電荷蓄積部に蓄積された前記第1の検出色の画素の電荷を、前記水平転送部内で下流側へ転送された前記第1の検出色の電荷と加算することなく前記水平転送部へ転送するステップと、前記電荷蓄積部に蓄積された前記第2の検出色の画素の電荷の一部を、前記水平転送部へ転送するステップと、前記水平転送部に転送された電荷を、前記水平転送部内で下流側に転送するステップと、前記電荷蓄積部に蓄積された前記第2の検出色の画素の電荷の残部を前記水平転送部へ転送し、前記水平転送部内で下流側へ転送された前記第2の検出色の電荷と加算するステップと、を含む固体撮像素子の駆動方法。 (2) In the driving method of the solid-state imaging device according to (1), a plurality of charge transfers from the vertical transfer unit to the horizontal transfer unit are provided at the column direction downstream end of the vertical transfer unit. Transferring the charges of the pixels of the first detection color accumulated in the charge accumulation unit to the horizontal transfer unit, which is performed after the charge is once accumulated in the charge accumulation unit; Transferring the charge transferred to the horizontal transfer unit downstream in the horizontal transfer unit; transferring the charge from the vertical transfer unit to the charge storage unit; and the first charge stored in the charge storage unit. Transferring the charge of a pixel of one detection color to the horizontal transfer unit without adding to the charge of the first detection color transferred downstream in the horizontal transfer unit; and storing in the charge storage unit Of the detected pixels of the second detection color Transferring a part of the load to the horizontal transfer unit, transferring the charge transferred to the horizontal transfer unit downstream in the horizontal transfer unit, and the first charge stored in the charge storage unit. Transferring the remaining charge of the pixels of the two detection colors to the horizontal transfer unit, and adding the charge to the second detection color transferred to the downstream side in the horizontal transfer unit. Driving method.
この固体撮像素子の駆動方法によれば、相対個数の多い検出色に対して、水平転送部の駆動により近接画素同士で電荷の位置が合わされて、水平転送部内で電荷の加算が行われる。 According to this driving method of the solid-state imaging device, for the detection colors having a large relative number, the positions of the charges are aligned between adjacent pixels by driving the horizontal transfer unit, and the charges are added in the horizontal transfer unit.
(3) (1)又は(2)記載の固体撮像素子の駆動方法であって、近接する同色の画素同士の電荷を加算して転送する電荷加算転送を選択的に行う固体撮像素子の駆動方法。 (3) The method for driving a solid-state imaging device according to (1) or (2), wherein the charge-adding transfer for selectively adding and transferring charges between adjacent pixels of the same color is selectively performed. .
この固体撮像素子の駆動方法によれば、特に画素加算が必要となる場合に電荷加算転送を行うことにより、画像信号取り出し後の後処理で画素加算のためのデータ演算が不要となり、画像信号の処理速度が向上する。 According to this solid-state image sensor driving method, by performing charge addition transfer particularly when pixel addition is required, post-processing after image signal extraction eliminates the need for data calculation for pixel addition. Processing speed is improved.
(4) (3)記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記電荷加算転送を前記固体撮像素子によって動画像を撮影し記録する場合に行う固体撮像素子の駆動方法。 (4) The solid-state imaging device driving method according to (3), wherein the charge addition transfer is performed when a moving image is captured and recorded by the solid-state imaging device.
この固体撮像素子の駆動方法によれば、動画像を撮影し記録する場合に電荷加算転送を行うことで、撮影時に生成される画像信号の後処理が軽減される。 According to this solid-state imaging device driving method, post-processing of an image signal generated at the time of shooting is reduced by performing charge addition transfer when shooting and recording a moving image.
(5) (3)又は(4)記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記電荷加算転送を前記固体撮像素子による撮影画像のモニター表示を行う場合に行う固体撮像素子の駆動方法。 (5) The method for driving a solid-state imaging device according to (3) or (4), wherein the charge addition transfer is performed when the captured image is displayed on the monitor by the solid-state imaging device.
この固体撮像素子の駆動方法によれば、モニター表示を行う場合に電荷加算転送を行うことで、表示時に出力されてくる画像信号の処理が軽減される。 According to this method for driving a solid-state imaging element, processing of an image signal output at the time of display is reduced by performing charge addition transfer when performing monitor display.
(6) 複数の検出色のうちのいずれかの色の光に感応して電荷を発生する光電変換部を複数行、複数列に亘って行列状に配置した多数個の画素と、これら各画素に隣接して設けられ前記各画素が発生した電荷を列方向下流側に転送する複数の垂直転送部と、前記各垂直転送部の列方向下流端に配置され該垂直転送部から転送される前記電荷を行方向下流側に転送する水平転送部と、を有する固体撮像素子と、(1)〜(5)のいずれか1項記載の駆動方法に基づく駆動を行うための駆動信号を出力する制御部と、を備えた固体撮像装置。 (6) A large number of pixels in which photoelectric conversion units that generate charges in response to light of any one of a plurality of detection colors are arranged in a matrix over a plurality of rows and columns, and each of these pixels A plurality of vertical transfer units that are provided adjacent to each other and transfer charges generated by the respective pixels to the downstream side in the column direction, and are arranged at the column direction downstream end of each of the vertical transfer units and transferred from the vertical transfer unit A solid-state imaging device having a horizontal transfer unit that transfers charges to the downstream side in the row direction, and a control for outputting a drive signal for performing drive based on the drive method according to any one of (1) to (5) A solid-state imaging device.
この固体撮像素子の駆動方法によれば、各画素の光電変換部から電荷を読み出す際、複数の画素の電荷を加算して画像を取り込む電荷加算転送を行う場合であっても、対応する画素数が相対的に少ない第1の検出色(例えばR、B)の画素の電荷については、他の画素の電荷との加算を行わず、対応する画素数が相対的に多い第2の検出色(例えばG)の画素の電荷については、同一行に配列され近接する同色の画素同士の電荷を加算する。これにより、相対個数が少ない検出色の水平解像度の低下を抑制した電荷加算転送が可能となる。 According to this solid-state imaging device driving method, when reading out charges from the photoelectric conversion unit of each pixel, even if charge addition transfer is performed to add an image by adding charges from a plurality of pixels, For the charge of the pixel of the first detection color (for example, R, B) having a relatively small number, the charge of the other pixel is not added, and the second detection color (the number of corresponding pixels is relatively large). For example, for the charge of the pixel G), the charges of pixels of the same color arranged in the same row and adjacent to each other are added. As a result, charge addition transfer can be performed while suppressing a decrease in horizontal resolution of detected colors with a small relative number.
本発明の固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置によれば、画素加算して画像を取り込む際に相対個数が少ない検出色の水平解像度の低下を抑制することができる。 According to the solid-state imaging device driving method and the solid-state imaging device of the present invention, it is possible to suppress a decrease in the horizontal resolution of detected colors with a small relative number when an image is captured by adding pixels.
以下、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法及び固体撮像装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、固体撮像装置の構成から説明する。
図1は、本実施形態による固体撮像装置の概略を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態による固体撮像装置100は、撮像光学系11、固体撮像素子13、駆動回路15、画像信号処理回路17、画像データ出力部19、表示部21、記録部23、制御部25、操作部27及びパルス信号発生部29を備えている。
Preferred embodiments of a solid-state imaging device driving method and a solid-state imaging device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
First, the configuration of the solid-state imaging device will be described.
FIG. 1 is a block diagram illustrating an outline of the solid-state imaging device according to the present embodiment. As shown in the figure, the solid-
撮像光学系11は、固体撮像素子13上に光学像を結像させる。この撮像光学系11は、例えば光学レンズ、絞り、オプティカルローパスフィルタ等を含んで構成される。なお、図中の矢印Lは光を示している。
The imaging
固体撮像素子13は、例えばCCDイメージセンサからなり、撮像光学系11が結像した光学像を電気信号に変換する。この固体撮像素子13は、光電変換素子、垂直電荷転送素子(VCCD)、水平電荷転送素子(HCCD)、出力部及び色フィルタアレイを含んで構成される。固体撮像素子13の詳細については後述する。
The solid-
駆動回路15は、固体撮像素子13の動作に必要な駆動信号及び制御信号を固体撮像素子13に供給する。この駆動回路15は、例えば垂直ドライバ、水平ドライバ、DC電源等を含んで構成される。また、撮像光学系11の光学レンズや絞りを制御する回路も必要に応じて含まれる。
The
画像信号処理回路17は、固体撮像素子13で生成された画像信号を受け取り、これに種々の処理を施して画像データを生成する。この画像信号処理回路17は、例えばアナログ/デジタル変換器、CDS回路(相関二重サンプリング回路)、色分離回路、ディレーライン等を含んで構成される。
The image
画像データ出力部19は、画像信号処理回路17から出力された画像データを受け取り、この画像データをフレームメモリ等の記憶媒体に記憶する。
The image
表示部21は、画像データ出力部19から供給される画像データに基づいて、静止画または動画を表示する。この表示部21は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置を含んで構成される。
The
記録部23は、画像データ出力部19から供給される画像データを、例えばメモリカード等の記録媒体に記録する。
The
制御部25は、駆動回路15、画像信号処理回路17及び画像データ出力部19等の動作を制御する駆動信号を出力する。この制御部25は、例えば中央演算処理装置(CPU)によって構成される。そして、制御部25の内部には、モード選択部26が含まれる。
The
モード選択部26は、固体撮像装置100の撮像モードを選択するための選択スイッチである。固体撮像装置100は、例えば、少なくとも2つの撮像モード、即ち、静止画を撮像して記録する静止画記録モードと、動画または静止画を撮像する際に表示部21に画像を表示するモニターモードとを有する。このモード選択部26は、固体撮像装置100の使用者によって操作部27を介して操作されたり、他の設定によって自動的にいずれかのモードが選定されるようになっている。
The
パルス信号発生部29は、装置内の動作タイミングの統一をとるためのパルス信号を生成し、駆動回路15、画像信号処理回路17及び制御部25等に供給する。このパルス信号発生部29は、例えば、一定の周期でパルスを発生する原発振、タイミングジェネレータ等を含んで構成される。
The
固体撮像装置100の一構成要素である固体撮像素子13は、複数の光電変換素子に蓄積された電荷をこの固体撮像素子13内で垂直加算及び水平加算できるCCDイメージセンサである。以下、CCDイメージセンサの構成について、詳細な例を挙げて説明する。
The solid-
図2は、本実施形態による固体撮像素子13における光電変換素子、垂直電荷転送素子、CCDラインメモリ部、水平電荷転送素子及び出力部の平面配置を概略的に示す部分平面図である。
FIG. 2 is a partial plan view schematically showing a planar arrangement of the photoelectric conversion element, the vertical charge transfer element, the CCD line memory unit, the horizontal charge transfer element, and the output unit in the solid-
図2に示すように、本実施形態の固体撮像素子13においては、多数個の光電変換素子31が画素ずらし配置されている。同図においては、便宜上、赤色フィルタを記号Rで示し、緑色フィルタを記号G1またはG2で示し、青色フィルタを記号Bで示している。
As shown in FIG. 2, in the solid-
図2に示した色フィルタアレイは、緑色フィルタG1のみによって構成された第1色フィルタ列FC1と、青色フィルタBと赤色フィルタRとが交互に配置された第2色フィルタ列FC2と、緑色フィルタG2のみによって構成された第3色フィルタ列FC3と、赤色フィルタRと青色フィルタBとが交互に配置された第4色フィルタ列FC4とが、紙面の左から右へ向かってこの順番で繰り返し配置されている。また、第2色フィルタ列FC2における赤色フィルタRと青色フィルタBとの配置は、第4色フィルタ列FC4における赤色フィルタRと青色フィルタBとの配置と逆になっている。そして、各色フィルタG1、R、G2及びBは、画素ずらし配置されて、色フィルタ列方向及び色フィルタ行方向にずれている。 The color filter array shown in FIG. 2 includes a first color filter row FC1 composed only of a green filter G1, a second color filter row FC2 in which blue filters B and red filters R are alternately arranged, and a green filter. A third color filter row FC3 constituted only by G2 and a fourth color filter row FC4 in which red filters R and blue filters B are alternately arranged are repeatedly arranged in this order from the left to the right of the drawing. Has been. In addition, the arrangement of the red filter R and the blue filter B in the second color filter array FC2 is opposite to the arrangement of the red filter R and the blue filter B in the fourth color filter array FC4. The color filters G1, R, G2, and B are arranged so as to be shifted in pixels, and are shifted in the color filter column direction and the color filter row direction.
なお、第1色フィルタ列FC1を構成する緑色フィルタG1と、第3色フィルタ列FC3を構成する緑色フィルタG2とは、参照符号を便宜的に変えただけであり、両者は同じ材料によって形成されている。 The green color filter G1 constituting the first color filter row FC1 and the green color filter G2 constituting the third color filter row FC3 are merely made by changing reference numerals for convenience, and both are formed of the same material. ing.
ここで、「画素ずらし配置」とは、本明細書においては下記の配置を意味する。即ち、奇数番目に当たる光電変換素子列の各光電変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子列の光電変換素子の各々が、光電変換素子列内での光電変換素子のピッチの約1/2、列方向にずれ、奇数番目に当たる光電変換素子行の各光電変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子行の光電変換素子の各々が、光電変換素子行内での光電変換素子のピッチの約1/2、行方向にずれ、光電変換素子列の各々が奇数行または偶数行の光電変換素子のみを含むような、多数個の光電変換素子の配置を意味する。「画素ずらし配置」は、複数行、複数列に亘って行列状に形成された多数個の光電変換素子の一形態である。 Here, the “pixel shifting arrangement” means the following arrangement in this specification. That is, for each photoelectric conversion element in the odd-numbered photoelectric conversion element array, each photoelectric conversion element in the even-numbered photoelectric conversion element array is approximately 1/2 the pitch of the photoelectric conversion elements in the photoelectric conversion element array, For each photoelectric conversion element in the photoelectric conversion element row corresponding to the odd-numbered photoelectric conversion element row, the photoelectric conversion elements in the even-numbered photoelectric conversion element row are approximately 1 / th of the pitch of the photoelectric conversion elements in the photoelectric conversion element row. 2. It means an arrangement of a large number of photoelectric conversion elements that are shifted in the row direction and each of the photoelectric conversion element columns includes only odd-numbered or even-numbered photoelectric conversion elements. “Pixel shifting arrangement” is one form of a large number of photoelectric conversion elements formed in a matrix over a plurality of rows and columns.
図2に示すように、1つの画素列(光電変換素子列)には1つずつ、この画素列に沿って蛇行した垂直転送部33が配置される。個々の垂直転送部33は、半導体基板35に形成された垂直電荷転送チャネル37と、半導体基板35上に電気的絶縁膜(図示せず)を介して配置された多数本の第1垂直転送電極41、第2垂直転送電極43と、第1〜第3補助転送電極45〜47と、第1、第2転送制御電極LM1,LM2と、第1、第2水平転送電極Ha,Hbとを含む。
As shown in FIG. 2, one
なお、本明細書においては、電荷転送素子によって転送される電荷の移動を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。 In this specification, the movement of the charges transferred by the charge transfer element is regarded as one flow, and the relative positions of the individual members and the like are set to “what upstream”, “ It is specified as “downstream” or the like.
1つの画素行(光電変換素子行)の下流側には、第1、第2垂直転送電極41,43が1本ずつ配置される。第1垂直転送電極41の各々は、光電変換素子31から垂直転送部33への電荷転送を制御する読出しゲートも構成する。
The first and second
図3は、図2に示した固体撮像素子13における1個の画素とその周辺を概略的に示す断面図である。同図には、図1においては図示を省略した光遮蔽膜及びパッシベーション膜、並びにこれらよりも半導体基板からみて上方に配置される部材が示されている。図3に示した構成要素のうちで既に図2に示した構成要素については、図2で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one pixel and its periphery in the solid-
図3に示すように、光電変換素子31は、半導体基板35上のp型不純物添加領域35bの所定箇所にn型不純物添加領域31aを設け、このn型不純物添加領域31a上にp+ 型不純物添加領域31bを設けることによって形成された埋込型のフォトダイオードによって構成される。n型不純物添加領域31aは、電荷蓄積領域として機能する。
As shown in FIG. 3, in the
各光電変換素子31(n型不純物添加領域31a)における図3での右側縁部に沿って、p型不純物添加領域35bが1箇所ずつ露出している。p型不純物添加領域35bにおけるこの領域が、読出ゲート52用のチャネル領域52aとして利用される。垂直電荷転送チャネル37とこれに対応する光電変換素子31とは、チャネル領域52aを介して隣接する。
One p-type
電気的絶縁膜53は、例えば単層のシリコン酸化物膜、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜との積層膜等によって形成される。
The electrical insulating
第1垂直転送電極41の表面には、熱酸化膜などによって構成された電気的絶縁膜IFが形成される。図3では見えていない第2垂直転送電極43及び補助転送電極45〜47についても同様である。
On the surface of the first
チャネル領域52aが形成されている箇所を除き、チャネルストップ領域CSが各光電変換素子31の平面視上の周囲、各垂直電荷転送チャネル37の平面視上の周囲及び水平電荷転送チャネル55(図2参照)の平面視上の周囲に形成される。このチャネルストップ領域CSは、例えばp型不純物添加領域35bの所定箇所にp+ 型不純物添加領域を設けることによって形成される。p+ 型不純物添加領域におけるp型不純物の濃度は、p型不純物添加領域におけるp型不純物の濃度よりも高い。
Except for the location where the
各不純物添加領域は、例えばイオン注入とその後のアニールとによって形成することができる。p型不純物添加領域35bは、例えばエピタキシャル成長法によって形成することもできる。
Each impurity added region can be formed by, for example, ion implantation and subsequent annealing. The p-type impurity added
垂直電荷転送素子(以下、垂直転送部と呼ぶ)33、水平電荷転送素子(以下、水平転送部と呼ぶ)57、及び出力回路部59(図2参照)を覆うようにして、光遮蔽膜61が形成される。この光遮蔽膜61は、個々の光電変換素子31の上方に開口部61aを1つずつ有する。個々の光電変換素子31表面において開口部61a内に平面視上位置する領域が、この光電変換素子31における光入射面となる。
A
光遮蔽膜61は、例えばアルミニウム、クロム、タングステン、チタン、モリブデン等の金属材料や、これらの金属の2種以上からなる合金材料を用いて形成される。
The
そして、パッシベーション膜63が、光遮蔽膜61と、開口部61aから露出している電気的絶縁膜53を覆い、その下の部材を保護する。このパッシベーション膜63は、例えば、シリコン窒化物、シリコン酸化物等によって形成される。
The
さらに、第1の平坦化膜65が、パッシベーション膜63を覆う。第1の平坦化膜65は、後述するマイクロレンズ72用の焦点調節層としても利用される。必要に応じて、第1の平坦化膜65中にインナーレンズが形成される。この第1の平坦化膜65は、例えばフォトレジスト等の透明樹脂を例えばスピンコート法によって所望の厚さに塗布することによって形成される。
Further, the
個々の光電変換素子31上には色フィルタが1つずつ配置され、特定の検出色の光電変換部が形成されている。色フィルタは、光電変換素子31の検出色を設定するもので、第1の平坦化膜65上に形成される。図3においては、3個の緑色フィルタ67が示されている。
One color filter is arranged on each
色フィルタは、例えば、所望色の顔料もしくは染料を含有させた樹脂(カラーレジン)の層を、フォトリソグラフィ法等の方法によって所定箇所に形成することによって作製することができる。 The color filter can be produced, for example, by forming a resin (color resin) layer containing a pigment or dye of a desired color at a predetermined location by a method such as a photolithography method.
色フィルタの上には、第2の平坦化膜69が各色フィルタ上に形成されて、マイクロレンズ72を形成するための平坦面を形成する。第2の平坦化膜69は、例えばフォトレジスト等の透明樹脂を例えばスピンコート法によって所望の厚さに塗布することによって形成される。
A
マイクロレンズ72が、第2の平坦化膜69上に形成される。このマイクロレンズ72は、個々の光電変換素子31の上方に1個ずつ配置される。マイクロレンズ72は、例えば、屈折率が概ね1.3〜2.0の透明樹脂(フォトレジストを含む)からなる層をフォトリソグラフィ法等によって所定形状に区画した後、熱処理によって各区画の透明樹脂層を溶融させ、表面張力によって角部を丸め込ませた後に冷却すること等によって得られる。1つの区画が1つのマイクロレンズ72となる。
A
図4は図2に示した固体撮像素子における水平転送部を概略的に示す部分拡大平面図である。同図に示すように、水平転送部57は、光電変換素子の行方向に帯状に延在する1本の水平電荷転送チャネル55と、この水平電荷転送チャネル55上に形成された多数個の第1、第2水平転送電極Ha,Hbとを有する。個々の第1水平転送電極Haは、平面視上、矩形を呈する。また、個々の第2水平転送電極Hbは、平面視上、逆L字状を呈する。
4 is a partially enlarged plan view schematically showing a horizontal transfer unit in the solid-state imaging device shown in FIG. As shown in the figure, the
これらの第1及び第2水平転送電極Ha,Hbは、電気的絶縁膜53を介して半導体基板35上に形成されており、例えば、ポリシリコン層からなる。
The first and second horizontal transfer electrodes Ha and Hb are formed on the
図5は、図2に示す固体撮像素子のA−A断面を示す説明図である。なお、図5においては、垂直転送部、ラインメモリ、水平転送部の各電極及び不純物領域相互の位置関係を示すもので、各要素の寸法(例えば、第1水平転送電極Ha下方のn型不純物領域等の寸法)は、正確ではない。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing an AA cross section of the solid-state imaging device shown in FIG. FIG. 5 shows the positional relationship between the electrodes and impurity regions of the vertical transfer unit, line memory, and horizontal transfer unit, and the dimensions of each element (for example, n-type impurities below the first horizontal transfer electrode Ha). The dimensions of the area etc.) are not accurate.
チャネルストップ領域CS(図3参照)に区画された垂直電荷転送チャネル37(一部のみ番号を付してある。)上には、図2に示すように、最下流の光電変換素子に対応する垂直転送電極V1から図中下方に向けて順番に、垂直転送電極V2、V3、V4が設けられ、続いて転送制御電極LM(この例では、第1転送制御電極LM1と第2転送制御電極LM2が設けられるが、同じ電圧が印加されるので、単に「LM」と記述する。)が設けられる。図5の断面図に示すように。垂直電荷転送チャネル37は、n型不純物領域で形成され、垂直電荷転送チャネル37に続いて転送制御電極LMのn-型不純物領域71、n型不純物領域73が設けられる。
On the vertical charge transfer channel 37 (partially numbered) partitioned in the channel stop region CS (see FIG. 3), as shown in FIG. 2, corresponds to the most downstream photoelectric conversion element. Vertical transfer electrodes V2, V3, and V4 are provided in order from the vertical transfer electrode V1 downward in the figure, and subsequently, transfer control electrodes LM (in this example, the first transfer control electrode LM1 and the second transfer control electrode LM2). However, since the same voltage is applied, it is simply described as “LM”). As shown in the cross-sectional view of FIG. The vertical
水平転送部57は、前述したように、行方向に帯状に延在する1本の水平電荷転送チャネル55と、水平電荷転送チャネル55の上方に形成された多数個の第1水平転送電極Haと第2水平転送電極Hbとを有する。第1水平転送電極Haは、水平電荷転送チャネルのn型不純物領域75上方に設けられ、第2水平転送電極Hbは、水平電荷転送チャネルのn-型不純物領域77上方に設けられる。第2水平転送電極Hbは、第2転送制御電極LM2と第1水平転送電極Haとの間の領域に回り込んでおり、回り込んだ部分の下方もn-型不純物領域となっている。
As described above, the
垂直転送電極V1、V2、V3、V4は、4相の駆動パルスφV1〜φV4で駆動され、水平転送電極Ha,Hbは、4相の駆動パルスφH1〜φH4で駆動される。同じ電荷転送機能を有する垂直転送電極Ha、Hbには、同一の駆動パルスが印加されるので、必要に応じて、垂直転送電極HaとHbを、対応する印加される駆動パルスφH1〜φH4に合わせ、H1〜H4と記述する。 The vertical transfer electrodes V1, V2, V3 and V4 are driven by four-phase drive pulses φV1 to φV4, and the horizontal transfer electrodes Ha and Hb are driven by four-phase drive pulses φH1 to φH4. Since the same drive pulse is applied to the vertical transfer electrodes Ha and Hb having the same charge transfer function, the vertical transfer electrodes Ha and Hb are adjusted to the corresponding applied drive pulses φH1 to φH4 as necessary. , H1-H4.
ここで、基本的な電荷の転送方法について説明する。
図6は、図5に示した部分の不純物領域の電位レベルを、垂直転送電極V1〜V4、転送制御電極LM、及び水平転送電極H1,H4,H3に印加される駆動パルスのレベルの変化(a)〜(e)に対応させて示した説明図である。図6における「H」は、対応する電極に相対的に高いレベル(以下、単に「ハイレベル」と記述する。)の電圧が印加されている状態(以下、単に「ハイレベル」と記述する。)を示し、「L」は、対応する電極に相対的に低いレベルの電圧が印加されている状態(以下、単に「ローレベル」と記述する。)を示す。
Here, a basic charge transfer method will be described.
6 shows changes in the level of the drive pulse applied to the vertical transfer electrodes V1 to V4, the transfer control electrode LM, and the horizontal transfer electrodes H1, H4, and H3. It is explanatory drawing shown corresponding to a)-(e). “H” in FIG. 6 is described as a state where a relatively high level voltage (hereinafter simply referred to as “high level”) is applied to the corresponding electrode (hereinafter simply referred to as “high level”). “L” indicates a state in which a relatively low level voltage is applied to the corresponding electrode (hereinafter, simply referred to as “low level”).
図6(a)は、電極V1、V4、H1、H7がローレベル、電極V2、V3、LM、H4がハイレベルとなっており、垂直転送部33の信号電荷が電極V2、V3の下方に蓄積されている状態を示す。この状態から、図6(b)に示すように、電極V4をハイレベルにすると、電極V4下方のバリア領域がなくなるので、信号電荷は転送制御電極LM下方のラインメモリ(以降は、単にラインメモリLMとも記述する)に移動する。
In FIG. 6A, the electrodes V1, V4, H1, and H7 are at the low level, and the electrodes V2, V3, LM, and H4 are at the high level, and the signal charge of the
次いで、図6(c)に示すように、電極V4をローレベルにしてバリア領域を形成して垂直転送部33への電荷移動を禁止した後、電極H1をハイレベルにする。しかし、転送制御電極LMと水平転送部57との間にはn-不純物領域が存在するので、ラインメモリの信号電荷は移動しない。図6(d)に示すように転送制御電極LMをローレベルにすると、信号電荷は電極H1下方に移動する。この状態が、垂直転送部33から水平転送部57に信号電荷が移動した状態である。
Next, as shown in FIG. 6C, the electrode V4 is set to the low level to form a barrier region to inhibit the charge transfer to the
水平転送部57における電荷移動は、隣接する電極のレベルを変化させ、上流側をローレベルにすることによって行う。図6(e)に示すように、電極H1、H4が共にローレベルの場合も、図6(d)と同様に信号電荷は移動しない。図6(d)の状態から電極H1をローレベルにしたり、図6(e)の状態から電極H4をハイレベルにする等して、上流側の電極をローレベル、下流側の電極をハイレベルにすると、上流側に蓄積された信号電荷は下流側に移動する。
The charge transfer in the
以上説明したラインメモリから水平転送部57及び水平転送部57内の電荷移動は、転送制御電極LM及び水平転送電極H1〜H4(Ha,Hb)に印加する電圧のレベルを制御することにより、電荷の移動を自由に制御できる。
The charge transfer in the
次に、上記構成の固体撮像装置100を用いて、水平方向に信号電荷を加算して間引く場合の動作について説明する。
本発明に係る画素加算の方法は、複数の異なる検出色のうち相対個数の少ない第1の色の画素(R画素とB画素)に対しては、画素加算を行わず、相対個数の多い第2の色の画素(G画素)に対しては、該画素と、該画素と同一行内に配列され近接する同色の画素とを画素加算する。
Next, an operation when thinning out by adding signal charges in the horizontal direction using the solid-
The pixel addition method according to the present invention does not perform pixel addition on a first color pixel (R pixel and B pixel) with a small relative number among a plurality of different detection colors, and has a large relative number. For a pixel of two colors (G pixel), the pixel is added to the pixel of the same color that is arranged in the same row as the pixel and is adjacent thereto.
図7は固体撮像素子の画素の平面配置を概略的に示す説明図である。同図においては、縦方向が垂直電荷転送方向、横方向が水平電荷転送方向に相当する。この固体撮像素子は、多数個の緑色画素G、青色画素B、赤色画素Rが画素ずらし配置された、所謂、GストライプRB市松配列の画素配列を有している。個々の画素は、光電変換素子と、この光電変換素子の上方に配置された色フィルタを有する。図7に示した画素の形状は、この画素が有する色フィルタの輪郭を模式的に示したものである。なお、ここでは説明を簡単にするため、図2に示した「G1」と「G2」の記述は単に「G」と書き改めることにする。 FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing a planar arrangement of pixels of the solid-state imaging device. In the figure, the vertical direction corresponds to the vertical charge transfer direction, and the horizontal direction corresponds to the horizontal charge transfer direction. This solid-state imaging device has a so-called G stripe RB checkered pixel arrangement in which a large number of green pixels G, blue pixels B, and red pixels R are arranged in a shifted manner. Each pixel has a photoelectric conversion element and a color filter arranged above the photoelectric conversion element. The shape of the pixel shown in FIG. 7 schematically shows the outline of the color filter that the pixel has. Here, in order to simplify the description, the descriptions of “G1” and “G2” shown in FIG. 2 are simply rewritten as “G”.
前述の固体撮像装置100を用いて図7に示す画素配列に対して水平方向に2画素加算を行う際、G画素に対しては実線で囲まれている画素同士を画素加算し、R画素とB画素に対しては画素加算を行わない。即ち、G画素についてのみ同一行内の隣接する画素との画素加算を行う。
When two pixels are added in the horizontal direction to the pixel array shown in FIG. 7 using the above-described solid-
上記の画素加算を施すことにより、R画素、B画素に対しては、従前では同一行内で近接する同色画素同士を加算して、1画素飛ばしの距離L毎に加算を行っていたが、相対個数が多く隣接画素までの距離の短いG画素に対してのみ画素加算を行うことで、画像全体の水平解像度の低下を抑えて、水平転送画素数を全画素の1/2にすることができる。 By applying the above pixel addition, for the R pixel and the B pixel, the same color pixels that are adjacent in the same row are added to each other, and the addition is performed for each distance L of skipping one pixel. By performing pixel addition only for G pixels that are large in number and short in distance to adjacent pixels, it is possible to suppress the decrease in the horizontal resolution of the entire image and reduce the number of horizontal transfer pixels to ½ of all pixels. .
次に、上記の画素加算を行うための固体撮像素子の駆動方法を図8〜図10に基づいて説明する。
図8〜図11は、垂直転送部の垂直転送電極V4(図9,図11では省略)、ラインメモリの転送制御電極LM、及び水平転送部の水平転送電極H1〜H4に印加される駆動パルスφV4,φLM,φH1〜φH4のタイミングチャート、及び駆動パルスの状態に対応したラインメモリ及び水平転送部の状態を示す説明図である。
Next, a driving method of the solid-state imaging device for performing the above pixel addition will be described with reference to FIGS.
8 to 11 show driving pulses applied to the vertical transfer electrode V4 (not shown in FIGS. 9 and 11) of the vertical transfer unit, the transfer control electrode LM of the line memory, and the horizontal transfer electrodes H1 to H4 of the horizontal transfer unit. FIG. 4 is a timing chart of φV4, φLM, φH1 to φH4, and an explanatory diagram showing the state of a line memory and a horizontal transfer unit corresponding to the state of drive pulses.
この例では、説明のため便宜的に水平転送電極12列分の垂直転送部に対応する垂直転送電極V4、ラインメモリLM、及び水平転送部57のみを示してある。なお、符号、番号は、一部のみに付してある。
In this example, for convenience of explanation, only the vertical transfer electrode V4, the line memory LM, and the
まず、図8に示す時刻t1は、垂直転送電極V4をハイレベルからローレベルにして、垂直転送部からの1行分の信号電荷をラインメモリLMに蓄積した状態である。このタイミングでは、駆動パルスφLMがハイレベルに、駆動パルスφH1〜φH4がローレベルに保持される。 First, at time t1 shown in FIG. 8, the vertical transfer electrode V4 is changed from the high level to the low level, and the signal charge for one row from the vertical transfer unit is accumulated in the line memory LM. At this timing, the drive pulse φLM is held at a high level, and the drive pulses φH1 to φH4 are held at a low level.
次いで、ラインメモリLMに蓄積された信号電荷の水平転送部57への転送、及び水平転送部57内の転送を行うが、まず、水平転送電極H1に対応する列の信号電荷(赤色フィルタに対応した分光感度の検出光に対応した信号電荷であり、以下「R電荷」と記述する。同様に、緑色フィルタに対応する信号電荷は「G電荷」、青色フィルタに対応する信号電荷は「B電荷」と記述する。)を転送する。
Next, the signal charges stored in the line memory LM are transferred to the
水平転送電極H1に対応する列のR電荷の水平転送部57への転送は、駆動パルスφH1をハイレベルとし、駆動パルスφLMをローレベルとすることによって行う(時刻t2参照)。次いで、駆動パルスφLMをハイレベルにして、ラインメモリLMに蓄積された他の信号電荷の移動ができない状態にした後、水平転送部57のR電荷を、水平転送電極H4下方まで転送する(時刻t3参照)。
The transfer of the R charges in the column corresponding to the horizontal transfer electrode H1 to the
次いで、水平転送電極H2に対応する列のG電荷の転送を行うため、駆動パルスφH2をハイレベルにし、駆動パルスφLMをローレベルにして、その電荷を水平転送部57に転送する(時刻t4参照)。 Next, in order to transfer the G charge in the column corresponding to the horizontal transfer electrode H2, the drive pulse φH2 is set to the high level, the drive pulse φLM is set to the low level, and the charge is transferred to the horizontal transfer unit 57 (see time t4). ).
次いで、駆動パルスφLMをハイレベルに戻し、駆動パルスφH1,φH3をハイレベル、駆動パルスφH2,φH4をローレベルにして水平転送電極H2,H4下方のR電荷、G電荷を同時に転送する(時刻t5参照)。さらに、駆動パルスφH1〜φH4の極性を反転させて、水平転送部57で転送されるG電荷が水平転送電極H4下方の位置に達するまで、水平転送部57のR電荷、G電荷を共に転送する(時刻t6参照)。
Next, the drive pulse φLM is returned to the high level, the drive pulses φH1 and φH3 are set to the high level, the drive pulses φH2 and φH4 are set to the low level, and the R charges and G charges below the horizontal transfer electrodes H2 and H4 are simultaneously transferred (time t5). reference). Further, the polarities of the drive pulses φH1 to φH4 are inverted, and both the R charge and the G charge of the
ここで、ラインメモリLMに蓄積された水平転送電極H4に対応する列の信号電荷はG電荷であるので、駆動パルスφH4をハイレベルにし、駆動パルスφLMをローレベルにして、その電荷を水平転送部57に転送すると、G電荷同士の加算(「2G」と記述する)ができることになる(時刻t7参照)。なお、ここでは以降のシーケンスと共通化を図るため、駆動パルスφH2に対してもハイレベルにしてある。このG電荷の加算が、図7に示すG画素の対81に対応する画素加算となる。
Here, since the signal charge in the column corresponding to the horizontal transfer electrode H4 stored in the line memory LM is G charge, the drive pulse φH4 is set to high level and the drive pulse φLM is set to low level to transfer the charge horizontally. When transferred to the
次いで、水平転送電極H1〜H4に対して駆動パルスφH1〜φH4の極性を反転することを繰り返し、水平転送部57のR電荷、2G電荷を出力回路部59(図2参照)まで転送する(時刻t8〜t9参照)。このとき、ラインメモリLMには、水平転送電極H3に対応する列にB電荷が残されている。
Next, the polarity of the drive pulses φH1 to φH4 is repeatedly inverted with respect to the horizontal transfer electrodes H1 to H4, and the R charges and 2G charges of the
この残されたB電荷を、駆動パルスφH3をハイレベルにし、駆動パルスφLMをローレベルにして水平転送部57に転送する(時刻t10参照)。そして、水平転送部57のB電荷を水平転送電極H2下方まで転送する(時刻t11参照)。
The remaining B charges are transferred to the
この状態で、垂直転送電極V4をハイレベルからローレベルにして、垂直転送部から次の1行分の信号電荷をラインメモリLMに蓄積する(時刻t12参照)。
そして、駆動パルスφH4をハイレベルにし、駆動パルスφLMをローレベルにして、水平転送電極H4に対応する列の信号電荷であるG電荷を水平転送部57に転送する(時刻t13参照)。
In this state, the vertical transfer electrode V4 is changed from the high level to the low level, and the signal charge for the next row is accumulated in the line memory LM from the vertical transfer unit (see time t12).
Then, the drive pulse φH4 is set to the high level, the drive pulse φLM is set to the low level, and the G charge, which is the signal charge in the column corresponding to the horizontal transfer electrode H4, is transferred to the horizontal transfer unit 57 (see time t13).
さらに、水平転送電極H1〜H4に対して駆動パルスφH1〜φH4の極性を反転することを繰り返し、水平転送部57のB電荷及びG電荷を、G電荷が水辺転送電極H2下方に到達するまで転送する(時刻t14〜t15参照)。
Further, the polarity of the drive pulses φH1 to φH4 is repeatedly inverted with respect to the horizontal transfer electrodes H1 to H4, and the B charge and G charge of the
そして、ラインメモリLMに蓄積された水平転送電極H2に対応する列の信号電荷はG電荷であるので、駆動パルスφH2をハイレベルにし、駆動パルスφLMをローレベルにして、その電荷を水平転送部57に転送すると、G電荷同士の加算ができる(時刻t16参照)。このG電荷の加算が、図7に示すG画素の対83に対応する画素加算となる。
Since the signal charge in the column corresponding to the horizontal transfer electrode H2 stored in the line memory LM is G charge, the drive pulse φH2 is set to high level, the drive pulse φLM is set to low level, and the charge is transferred to the horizontal transfer unit. When transferred to 57, G charges can be added (see time t16). This addition of G charges is a pixel addition corresponding to the
これにより、水平転送部57には、2Gの電荷とBの電荷とが水平転送電極を1つ飛ばしに繰り返し配置される。
そして、水平転送電極H1〜H4に対して駆動パルスφH1〜φH4の極性を反転することを繰り返し、水平転送部57の2G電荷、B電荷を出力回路部59(図2参照)まで転送する(時刻t17〜t18参照)。このとき、ラインメモリLMには、水平転送電極H1に対応する列にR電荷が、水平転送電極H3に対応する列にB電荷が残されている。
As a result, the 2G charge and the B charge are repeatedly arranged in the
Then, the polarity of the drive pulses φH1 to φH4 is repeatedly inverted with respect to the horizontal transfer electrodes H1 to H4, and 2G charges and B charges of the
この残されたR電荷及びB電荷を、駆動パルスφH1及びφH3をハイレベルにし、駆動パルスφLMをローレベルにして水平転送部57に転送する(時刻t19参照)。これにより、水平転送部57には、Rの電荷とGの電荷とが水平転送電極を1つ飛ばしに繰り返し配置される。
そして、水平転送電極H1〜H4に対して駆動パルスφH1〜φH4の極性を反転することを繰り返し、水平転送部57のR電荷及びB電荷を出力回路部59(図2参照)まで転送する(時刻t20参照)。
The remaining R charge and B charge are transferred to the
Then, the polarity of the drive pulses φH1 to φH4 is repeatedly inverted with respect to the horizontal transfer electrodes H1 to H4, and the R charge and B charge of the
このとき、ラインメモリLMには残された電荷はなく、前述の時刻t1からの処理が繰り返される。 At this time, there is no charge left in the line memory LM, and the above-described processing from time t1 is repeated.
つまり、水平転送部57の1回目の電荷読み出しは、R電荷、2G電荷の繰り返しで、2回目の電荷読み出しは2G電荷、B電荷の繰り返し、3回目の電荷読み出しはR電荷、B電荷の繰り返しとなる。そして、4回目の電荷読み出しは1回目と同様で、5回目の電荷読み出しは2回目と同様となり、これが繰り返される。
That is, the first charge reading of the
このようにラインメモリLM及び水平転送部57を制御することにより、水平転送部57内で所望の電荷同士を加算(水平加算)することができる。
出力回路部59は、水平転送部57から受け取った電荷に基づいて、画像信号(信号電圧)を順次出力する。図1に示した画像信号処理回路17は、これらの画像信号(信号電圧)を利用して画像データを生成する。画像信号処理回路17で生成された画像データは、画像データ出力部19へ送られて、フレームメモリ等の記憶媒体に一旦記憶される。その後、画像データ出力部19から表示部21へ画像データが供給され、表示部21が画像を表示する。
By controlling the line memory LM and the
The
また、全画素読み出しを行い高解像度の画像データを得る静止画記録等の場合には、画素加算を行わない。その場合には、固体撮像装置100が、画素加算の実行・非実行を選択的に設定する機能を有することで、撮像装置の多様な使用状態に適切に対応することができる。つまり、近接するG色の画素同士を画素加算して、画像信号の生成に供される各画素位置における単位信号を生成する電荷加算転送モードと、各色の画素それぞれかに蓄積された電荷を個別に読み出して、単位信号を生成する個別読み出しモードとを選択的に行うモード選択部26(図1参照)を備えた構成にする。
In addition, pixel addition is not performed in the case of still image recording or the like in which all pixels are read to obtain high-resolution image data. In that case, the solid-
これにより、固体撮像装置100のモード選択部26で、固体撮像装置の使用条件に即したモードを選択し、電荷加算転送と、通常の電荷転送とを選択的に切り換えることで、使用状態に適した画像読み出しが行える。特に画素加算が必要となる場合に、固体撮像素子側で電荷加算転送を実施することで、画像信号取り出し後の後処理で、データを画素加算のために演算する必要がなくなり、処理速度を向上することができる。
Accordingly, the
以上説明した固体撮像素子の駆動方法によれば、G画素は同一行の水平隣同士の画素加算が行われ、R、B画素は画素加算されずに出力される。よって、R、B画素を水平方向に1画素飛ばしで画素加算を行う従来方法と比較して、水平解像度の低下を改善できる。また、水平転送画素数が従来方法と同じであるために、高いフレームレートで電荷読み出しが可能となる。さらに、複数のG画素同士の電荷を加算するため、高感度化の効果も得られる。また、全画素読み出しに対して、水平転送画素数を1/2にすることができ、水平解像度の低下を抑えた高速駆動が可能となる。また、水平転送部の駆動は4相駆動で行うことができ、簡便な水平転送駆動制御で済む。 According to the driving method of the solid-state imaging device described above, the G pixels are subjected to horizontal pixel addition in the same row, and the R and B pixels are output without pixel addition. Therefore, the reduction in the horizontal resolution can be improved as compared with the conventional method in which pixel addition is performed by skipping R and B pixels in the horizontal direction by one pixel. In addition, since the number of horizontal transfer pixels is the same as that in the conventional method, charge readout can be performed at a high frame rate. Furthermore, since the charges of a plurality of G pixels are added, an effect of increasing sensitivity can be obtained. In addition, the number of horizontal transfer pixels can be halved for all pixel readout, and high-speed driving can be performed while suppressing a decrease in horizontal resolution. Further, the horizontal transfer unit can be driven by four-phase drive, and simple horizontal transfer drive control is sufficient.
なお、上述の画素加算方法における画素配列は画素ずらし配置であったが、本発明はこれに限らず、所謂、正方格子配列であっても適用することができる。また、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、任意の配列に対する適用も可能である。
また、本実施形態では、R画素、G画素、B画素を基本色とする固体撮像素子を例示しているが、これに限らず、マゼンダ色、シアン色、イエロー色、さらにはエメラルド色等の他の色を用いて構成したものに対しても適用することができ、同様の作用効果が奏される。
Although the pixel arrangement in the above-described pixel addition method is a pixel-shifted arrangement, the present invention is not limited to this, and a so-called square lattice arrangement can also be applied. In addition, application to any arrangement is possible without departing from the gist of the present invention.
Further, in the present embodiment, a solid-state imaging device having R pixels, G pixels, and B pixels as basic colors is illustrated, but the present invention is not limited to this, and magenta, cyan, yellow, and even emerald colors are used. The present invention can also be applied to those configured using other colors, and the same effects can be obtained.
11 撮像光学系
13 固体撮像素子
15 駆動回路
17 画像信号処理回路
19 画像データ出力部
21 表示部
23 記録部
25 制御部
26 モード選択部
27 操作部
29 パルス信号発生部
31 光電変換素子
33 垂直電荷転送素子(垂直転送部)
57 水平電荷転送素子(水平転送部)
59 出力回路部
81 G画素の対
83 G画素の対
100 固体撮像装置
FC1 第1色フィルタ列
FC2 第2色フィルタ列
FC3 第3色フィルタ列
FC4 第4色フィルタ列
LM1 第1転送制御電極
LM2 第2転送制御電極
LM 転送制御電極
Ha 第1水平転送電極
Hb 第2水平転送電極
V1 垂直転送電極
V2 垂直転送電極
V3 垂直転送電極
V4 垂直転送電極
DESCRIPTION OF
57 Horizontal charge transfer device (horizontal transfer unit)
59 Output circuit unit 81 G pixel pair 83
Claims (6)
前記複数の検出色は、対応する画素数が相対的に少ない1又は複数の第1の検出色と、対応する画素数が相対的に多い1又は複数の第2の検出色を含み、
前記検出色の光に感応する画素は、それぞれ規則的に分散して配置されており、
前記画素の電荷を転送するに際して、前記第1の検出色の画素の電荷については、他の画素の電荷との加算を行わず、前記第2の検出色の画素の電荷については、同一行に配列され近接する同色の画素同士の電荷を加算する固体撮像素子の駆動方法。 A plurality of pixels in which a photoelectric conversion unit that generates a charge in response to light of any one of a plurality of detection colors is arranged in rows and columns and adjacent to each of these pixels. A plurality of vertical transfer units that transfer the charges generated by the pixels to the downstream side in the column direction, and the charges transferred from the vertical transfer units arranged on the downstream side in the column direction of the vertical transfer units. A solid-state imaging device driving method having a horizontal transfer unit for transferring to the downstream side in the direction,
The plurality of detection colors include one or a plurality of first detection colors with a relatively small number of corresponding pixels and one or a plurality of second detection colors with a relatively large number of corresponding pixels,
The pixels sensitive to the light of the detection color are regularly distributed and arranged,
When transferring the charge of the pixel, the charge of the pixel of the first detection color is not added to the charge of the other pixel, and the charge of the pixel of the second detection color is in the same row. A method for driving a solid-state imaging device, in which the charges of pixels of the same color arranged in close proximity are added.
前記垂直転送部から前記水平転送部への電荷の転送が、前記垂直転送部の前記列方向下流端に設けられた複数の電荷蓄積部に、前記電荷を一旦蓄積してから行われるものであり、
前記電荷蓄積部に蓄積された前記第1の検出色の画素の電荷を、前記水平転送部へ転送するステップと、
前記水平転送部に転送された電荷を、前記水平転送部内で下流側に転送するステップと、
前記垂直転送部から前記電荷蓄積部に電荷を転送するステップと、
前記電荷蓄積部に蓄積された前記第1の検出色の画素の電荷を、前記水平転送部内で下流側へ転送された前記第1の検出色の電荷と加算することなく前記水平転送部へ転送するステップと、
前記電荷蓄積部に蓄積された前記第2の検出色の画素の電荷の一部を、前記水平転送部へ転送するステップと、
前記水平転送部に転送された電荷を、前記水平転送部内で下流側に転送するステップと、
前記電荷蓄積部に蓄積された前記第2の検出色の画素の電荷の残部を前記水平転送部へ転送し、前記水平転送部内で下流側へ転送された前記第2の検出色の電荷と加算するステップと、
を含む固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 1,
Charge transfer from the vertical transfer unit to the horizontal transfer unit is performed after the charge is temporarily stored in a plurality of charge storage units provided at the column direction downstream end of the vertical transfer unit. ,
Transferring the charges of the pixels of the first detection color accumulated in the charge accumulation unit to the horizontal transfer unit;
Transferring the charges transferred to the horizontal transfer unit downstream in the horizontal transfer unit;
Transferring charges from the vertical transfer unit to the charge storage unit;
The charge of the pixel of the first detection color accumulated in the charge accumulation unit is transferred to the horizontal transfer unit without being added to the charge of the first detection color transferred downstream in the horizontal transfer unit. And steps to
Transferring a part of the charges of the pixels of the second detection color accumulated in the charge accumulation unit to the horizontal transfer unit;
Transferring the charges transferred to the horizontal transfer unit downstream in the horizontal transfer unit;
The remaining charge of the pixel of the second detection color accumulated in the charge accumulation unit is transferred to the horizontal transfer unit and added to the charge of the second detection color transferred downstream in the horizontal transfer unit. And steps to
A method for driving a solid-state imaging device including:
近接する同色の画素同士の電荷を加算して転送する電荷加算転送を選択的に行う固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
A driving method of a solid-state imaging device that selectively performs charge addition transfer in which charges of adjacent pixels of the same color are added and transferred.
前記電荷加算転送を前記固体撮像素子によって動画像を撮影し記録する場合に行う固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 3,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the charge addition transfer is performed when a moving image is captured and recorded by the solid-state imaging device.
前記電荷加算転送を前記固体撮像素子による撮影画像のモニター表示を行う場合に行う固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 3 or 4,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the charge addition transfer is performed when a captured image is displayed on the monitor by the solid-state imaging device.
これら各画素に隣接して設けられ前記各画素が発生した電荷を列方向下流側に転送する複数の垂直転送部と、
前記各垂直転送部の列方向下流端に配置され該垂直転送部から転送される前記電荷を行方向下流側に転送する水平転送部と、を有する固体撮像素子と、
請求項1〜請求項5のいずれか1項記載の駆動方法に基づく駆動を行うための駆動信号を出力する制御部と、を備えた固体撮像装置。 A plurality of pixels in which a plurality of rows and a plurality of photoelectric conversion units that generate charges in response to light of any one of a plurality of detection colors are arranged in rows and columns;
A plurality of vertical transfer units that are provided adjacent to each of the pixels and transfer charges generated by the pixels to the downstream side in the column direction;
A solid-state imaging device having a horizontal transfer unit disposed at the column direction downstream end of each vertical transfer unit and transferring the charge transferred from the vertical transfer unit to the downstream side in the row direction;
A solid-state imaging device comprising: a control unit that outputs a driving signal for performing driving based on the driving method according to claim 1.
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---|---|---|---|---|
JP2013223020A (en) * | 2012-04-13 | 2013-10-28 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Single-plate color image pickup device |
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-
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