JP2006254144A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】間引きの条件や転送不良による縦筋の発生を抑制することができる固体撮像素子を提供。
【解決手段】CCD固体撮像素子10は、一行単位に扱う受光素子12において、トランスファシフトゲート16だけを有する実線22（第１の行単位）と、トランスファシフトゲート16と対角する位置にトランスファシフトゲート18が配設される一点鎖線20（第２の行単位）とを含み、信号電荷を読み出す条件に応じて読み出すことにより、同一の垂直転送路14に卓越した色の信号電荷と微少な色の信号電荷とが並ぶことを回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。本発明の固体撮像素子は、たとえば電子スチルカメラ、画像入力装置、ムービカメラおよび携帯電話等の分野に適用される。

特許文献１の固体撮像素子は、互いに隣接する受光素子の行同士において、一方の行に位置する受光素子の配列が他方の行に位置する受光素子の配列に対して該配列間隔のほぼ1/2だけ相対的にずれて配置され、さらに行方向に隣接する受光素子間には２列分の垂直転送路が配置され、斜め方向に隣接する受光素子間には１列分の垂直転送路が配置されるように垂直転送路が受光素子間を蛇行するように半導体基板上に形成された構成を採用する。これにより、画像の空間的サンプリング点を最適化しかつ全画素同時読出しを可能にする。

この固体撮像素子は、受光無効領域の上下に位置する受光素子の信号を利用して無効領域の信号を、仮想画素として生成することで等価的に受光素子数の２倍の解像度が得られる信号処理を可能にし、モアレ等の偽信号が抑圧される。この固体撮像素子からは高品質撮像信号が得られる。

固体撮像素子は、上述の受光素子に配置することから、色フィルタやマイクロレンズの形状に対する選択肢が増加し、受光効率を向上でき、受光無効領域を極力排除し高集積化をもたらす。

また、この固体撮像素子は製造工程で発生する受光素子と垂直転送路との相対的位置ズレに起因する受光素子間の特性不均一をなくすことができる。製造は、従来の２層重ね合わせ電極構造の製造技術を利用して作成できるので容易である。

特開平10−136391号公報

ところで、この固体撮像素子は動画モードで信号電荷を間引いて読み出す。色フィルタ配列は、色フィルタセグメントR, GおよびBにおいて、たとえば従来からのG正方RB完全市松パターンを用いる。G正方RB完全市松パターンとは、色Gの色フィルタセグメントを正方格子に配し、さらに、色Gの正方格子の中心位置に色Rまたは色Bの色フィルタセグメントを配し色R/Bを完全市松パターンに配される。

ここで、信号電荷は、この色フィルタ配列において、色R, GおよびBすべてを含むように読み出す。したがって、この場合、２行を１行として扱う。

この色フィルタ配列で赤味の強い被写体や色温度の低いシーンでの撮影において、垂直方向に色Rと色Bが並んで読み出される。このとき信号電荷量は、色Rの信号電荷量に対して色Bの信号電荷量が非常に小さくなる。このような状況下でホワイトバランスを調整すると、色Bの信号には大きなゲインをかけることになる。ここで、信号電荷の転送不良によって色Rの信号電荷が微少な取り残しが生じることがある。この取り残された信号にも同じように大きなゲインがかけられる。この結果、画像には転送不良による赤い縦筋が発生し易くなる。

このような縦筋は、青味の強い被写体や色温度の高いシーンでの撮影においても転送不良があると、同じ原理により青筋が発生し易くなる。この縦筋は、静止画モードだけでなく、動画モードにおける奇数間引きで生じ易い。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、間引きの条件や転送不良による縦筋の発生を抑制することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、半導体基板上に入射光を光電変換により信号電荷を生成する複数の受光素子が配列され、この配列は一方の行における受光素子の配置間隔に対し他方の行の隣接する受光素子と相対的にほぼ1/2の配置間隔だけずらし、この受光素子それぞれに蓄積した信号電荷を列方向に転送させる列転送手段と、この列転送手段からの信号電荷を行方向に転送させる行転送手段とを有し、入射光の到来する方向に前記受光素子それぞれに対応させ配設される入射光を色分離する色分離手段を含む固体撮像素子において、受光素子は、前記色分離手段が用いる色すべてを含む複数の行を一行単位に扱い、この一行単位に扱う受光素子において、蓄積した信号電荷を列転送手段に読み出す第１のゲート手段だけが配設される第１の行単位と、一行単位に扱う受光素子において、第１のゲート手段と対角する位置に第２のゲート手段が配設される第２の行単位とを含み、この固体撮像素子は、信号電荷を読み出す条件に応じて読み出すことを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、一行単位に扱う受光素子において、第１のゲート手段だけを有する第１の行単位と、第１のゲート手段と対角する位置に第２のゲート手段が配設される第２の行単位とを含み、信号電荷を読み出す条件に応じて読み出すことにより、同一の垂直転送路に卓越した色の信号電荷と微少な色の信号電荷とが並ぶことを回避することができる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の一実施例を詳細に説明する。

本実施例は、本発明の固体撮像素子をCCD固体撮像素子10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号はその現れる接続線の参照番号で指示する。

CCD固体撮像素子10は、図１に示すように、受光素子12を画素ずらしさせて配置される。画素ずらしは、互いに隣接する受光素子12の行同士において、一方の行に位置する受光素子の配列が他方の行に位置する受光素子12の配列に対する配列間隔を1/2だけ相対的にずらされる。受光素子12はこの配置により稠密に配置される。通常、CCDには、受光素子12の間に垂直転送路14が形成される。

開口部を覆うカラーフィルタセグメントは、G正方格子RB完全市松パターンを用いる。受光素子12は画素に対応する。

受光素子12に蓄積した信号電荷は、フィールドシフトゲート16および18から読み出される。フィールドシフトゲート16は、通常右斜め下方側に設けられる。また、フィールドシフトゲート18は、奇数間引きで読み出される行における奇数行、すなわち色R, GおよびBの左斜め上方側に設けられる。フィールドシフトゲート18は、フィールドシフトゲート18の設ける側の対角に配設するとよい。

具体的に、図１の1/3間引きの場合、色R, GおよびBを含む一組、すなわち一点鎖線20と実線22で囲まれる２行を１行に扱う。一点鎖線20の行における各受光素子12にはフィールドシフトゲート16および18が形成される。また、実線22の行における各受光素子12にはフィールドシフトゲート16だけに形成されることが好ましい。このようにフィールドシフトゲート16および18を形成し信号電荷を読み出すと、色Rと色Bが読み出される垂直転送路14を別々にすることができる。すなわち、色Gを除き色Rだけと色Bだけを転送する。

垂直転送路14は、構成要素のCCDに転送電極が配設される。垂直転送路14には、色RおよびBの信号電荷が垂直方向に並べて読み出されない。読み出された信号電荷は通常の転送により水平転送路24に向けて転送される。

CCD固体撮像素子10は、複数の垂直転送路14と直交する水平転送路24を有する。CCD固体撮像素子10は、水平転送路24からの信号電荷を電圧に変換するアンプ26を含む。アンプ26は、フローティングディフュージョンアンプである。

また、静止画モードで信号電荷を読み出す場合も垂直転送路14に色RおよびBの信号電荷を垂直方向に並べて読み出さないようにすることが望まれる。図示しないがこれを実現するには、受光素子12に形成されるフィールドシフトゲートを、たとえば図１の実線22と一点鎖線20とが交互に配設させるとよい。

次にCCD固体撮像素子10の動作を簡単に説明する。図2(a)の垂直同期信号に同期させ、図2(b)に示すように、タイミングT1およびT2にてトランスファシフトゲートパルスTG1A, TG3A, TG4およびTG6を印加、すなわちオン状態にする。トランスファシフトゲートパルスTG1A, TG3A, TG4およびTG6を含む、図１の駆動信号V1A, V3A, V4およびV6がCCD固体撮像素子10に印加される。また、図2(b)に示すように、タイミングT1およびT2にてトランスファシフトゲートパルスTG1B, TG3B, TG5, TG7, TG2およびTG8をレベル“L”、すなわちオフ状態にする。

このタイミングT1での信号電荷読出しは、図１の1/3間引き読出しに対応する。トランスファシフトゲートパルスTG1AおよびTG3Aの印加により実線22で囲まれた行における受光素子12から信号電荷を右斜め下方向の矢印が示す垂直転送路14に読み出す。また、トランスファシフトゲートパルスTG4およびTG6の印加により一点鎖線20で囲まれた行における受光素子12から信号電荷を左斜め上方向の矢印が示す垂直転送路14に読み出す。この読出しにより、色Rと色Bの信号電荷は同じ垂直転送路14に読み出されない。

読み出された垂直転送路14の信号電荷は、図３に示すように、駆動信号V1〜V8が印加される。ここで、駆動信号V1およびV3は、それぞれ、駆動信号V1AおよびV1B、ならびに駆動信号V3AおよびV3Bを含む信号を表す。これら４種類の駆動信号（V1,V5）、（V2,V6）、（V3,V7）および（V4,V8）を印加することで信号電荷が通常転送される。タイミングT3以降は水平転送される。

静止画モードの場合、一点鎖線20で示すように、受光素子12には、対角の位置にトランスファシフトゲート16および18が配設される。一点鎖線20と実線22とを交互に設けトランスファシフトゲートパルスTG1A, TG3A, TG4およびTG6を含む駆動信号V1A, V3A, V4およびV6を印加する。この構成で信号電荷の1/3読出しを行なう場合、トランスファシフトゲートパルスTG4A, TG4B, TG6AおよびTG6Bを新たに設定する。一点鎖線20の行には、たとえばトランスファシフトゲートパルスTG4AおよびTG6Aを含む駆動信号V4AおよびV6Aが供給される。この供給により読み出す行を選択することができる。この選択は撮影する色温度に応じて行なうとよい。すなわち、色温度が相対的に低い、赤味の強い場合や色温度が相対的に高い、青味の強い画像といったシーン判別に応じて選択的に用いることが好ましい。これ以外の選択では、通常の信号電荷読出しを行なうとよい。この読出しにより縦筋を大幅に低減することができる。

本発明に係る固体撮像素子を適用した実施例におけるCCD固体撮像素子の概略的な構成を示す図である。 図１のCCD固体撮像素子の信号電荷読出しを説明するタイミングチャートである。 図１のCCD固体撮像素子における信号電荷の転送を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

10 CCD固体撮像素子
12 受光素子
14 垂直転送路
16、18 フィールドシフトゲート
24 水平転送路
26 アンプ

Claims (4)

1. 半導体基板上に入射光を光電変換により信号電荷を生成する複数の受光素子が配列され、該配列は一方の行における受光素子の配置間隔に対し他方の行の隣接する受光素子と相対的にほぼ1/2の配置間隔だけずらし、該受光素子それぞれに蓄積した信号電荷を列方向に転送させる列転送手段と、該列転送手段からの信号電荷を行方向に転送させる行転送手段とを有し、前記入射光の到来する方向に前記受光素子それぞれに対応させ配設される前記入射光を色分離する色分離手段を含む固体撮像素子において、
   前記受光素子は、前記色分離手段が用いる色すべてを含む複数の行を一行単位に扱い、
   該一行単位に扱う受光素子において、蓄積した信号電荷を前記列転送手段に読み出す第１のゲート手段だけが配設される第１の行単位と、
   前記一行単位に扱う受光素子において、第１のゲート手段と対角する位置に第２のゲート手段が配設される第２の行単位とを含み、
   該固体撮像素子は、前記信号電荷を読み出す条件に応じて読み出すことを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記色分離手段は、前記入射光を赤色、青色および緑色に分離するセグメント手段において、前記緑色のセグメント手段を正方格子に配し、さらに、該正方格子の中心位置に前記赤色または前記青色のセグメント手段を配し前記赤色および前記青色で完全市松に配設されることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項２に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子は、動画モードにおいて、第２の行単位を奇数間引きにおける前記信号電荷を読み出す行に対応させ、前記赤色および前記青色を区別し読み出することを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項２に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子は、静止画モードにおいて、第１の行単位と第２の行単位とを交互に配設され、被写界のシーンが示す色温度に応じて前記赤色および前記青色を区別し読み出することを特徴とする固体撮像素子。

Images