JP2007020120A

JP2007020120A - Ｃｃｄイメージセンサ

Info

Publication number: JP2007020120A
Application number: JP2005202240A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Oda; 和也小田
Original assignee: Fujifilm Holdings Corp
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】混色による色変化を防止することができるＣＣＤイメージセンサを提供する。
【解決手段】ＣＣＤイメージセンサ２は、光電変換素子（ＰＤ）１０とＶＣＣＤ１２との間に読み出しゲート１１を備えるインターライントランスファ方式で構成されている。ＰＤ１０は、ハニカム状に配列されており、各ＰＤ１０は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれかの色の光を光電変換する。ＢのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１は第１転送電極１５ａ、ＲのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１は第２転送電極１５ｂ、ＧのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１は第３転送電極１５ｃによって制御されるように配置されている。ＣＣＤイメージセンサ２は、ＰＤ１０に蓄積された信号電荷をＲ、Ｇ、Ｂの色ごとに独立にＶＣＣＤ１２へ読み出すことが可能である。これにより、ＨＣＣＤ１３において色ごとに信号電荷を水平転送することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤイメージセンサに関し、特に読み出しゲートを有するインターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサに関する。

デジタルカメラやカメラ付き携帯電話などの撮影装置に搭載される固体撮像素子として、ＣＣＤイメージセンサが知られている。ＣＣＤイメージセンサは、行列状に２次元配置され、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する複数個の光電変換素子（フォトダイオード）と、光電変換素子の垂直列毎に設けられ、各光電変換素子からの信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤから転送される１水平ライン（行）分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤとを有し、信号電荷の電荷量に応じた撮像信号を出力する。

また、一般に、各光電変換素子は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれかの光を透過させるカラーフィルタを備えており、カラーフィルタを透過した特定の色の光を光電変換する。インターラントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した信号電荷を、光電変換素子から読み出しゲートを介して垂直ＣＣＤに読み出し（転送し）、垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤとによって出力回路まで転送を行う（例えば、特許文献１照）。
特開平１０−１３６３９１号公報

上記のインターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサにおいては、読み出しゲートは、水平方向に延在するように設けられた転送電極によって制御され、１つの水平ラインに並ぶ光電変換素子に蓄積された信号電荷は同時に垂直ＣＣＤへ読み出されるようになっている。

しかしながら、水平方向には、Ｒ、Ｇ、Ｂのうち少なくとも２種類（例えば、ＲとＢ）の光電変換素子が交互に配列されており、少なくとも２色の信号電荷が同時に垂直ＣＣＤへ読み出されて垂直転送が行われる。この結果、水平ＣＣＤでは、少なくとも２色の信号電荷が同時に水平転送されることとなるので、転送不良が生じた場合に混色が発生し、色変化が問題となる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、混色による色変化を防止することができるＣＣＤイメージセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のＣＣＤイメージセンサは、特定の色の光を光電変換する複数種類の光電変換素子が２次元状に配置され、前記光電変換素子から垂直ＣＣＤへ信号電荷を読み出す読み出しゲートを備えたインターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサにおいて、同じ色の光を光電変換する同じ種類の前記光電変換素子に接続された前記読み出しゲートが同一の転送電極によって制御されるように配置され、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を色ごとに独立に前記垂直ＣＣＤへ読み出すことが可能であることを特徴する。これにより、水平ＣＣＤにおいて色ごとに信号電荷を水平転送することができる。

なお、前記光電変換素子は、ハニカム状に２次元配列され、赤色の光を光電変換するものと、緑色の光を光電変換するものと、青色の光を光電変換するものとからなることが好ましい。

本発明のＣＣＤイメージセンサによれば、同じ色の光を光電変換する同じ種類の光電変換素子に接続された読み出しゲートが同一の転送電極によって制御されるように配置され、光電変換素子に蓄積された信号電荷を色ごとに独立に垂直ＣＣＤへ読み出すことが可能であるので、水平ＣＣＤにおいて色ごとに信号電荷を水平転送することができ、混色による色変化を防止することができる。

図１において、インターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサ２は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する複数個の光電変換素子（ＰＤ）１０と、ＰＤ１０に蓄積された信号電荷を読み出す（転送する）読み出しゲート１１と、ＰＤ１０の垂直列毎に設けられ、ＰＤ１０から読み出しゲート１１を介して読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）１２と、ＶＣＣＤ１２から転送される信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）１３と、ＨＣＣＤ１３によって転送された信号電荷を信号電圧（撮像信号）に変換して出力する出力回路としてのフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）１４とによって構成されている。

ＰＤ１０は、外形が八角形であり、所定のピッチでハニカム状に２次元配列されている。ＰＤ１０上には、カラーフィルタ２４（図２参照）が積層されており、ＰＤ１０は特定の色の光を光電変換する。なお、図中のＲＧＢの表記はカラーフィルタ２４の色配置を示しており、Ｒを付したＰＤ１０は赤色の光を、Ｇを付したＰＤ１０は緑色の光を、Ｂを付したＰＤ１０は青色の光を透過させるカラーフィルタ２４を備える。この色配置は、いわゆるベイヤー配列を転送方向に関して４５°傾けたものであって、垂直方向および垂直方向に関して、ＲおよびＢが交互に並ぶラインと、Ｇが並ぶラインとが交互に存在する。

ＶＣＣＤ１２は、図中点線で示すように垂直方向に延び、ＲおよびＢのＰＤ１０が読み出しゲート１１を介して接続されたものと、ＧのＰＤ１０が読み出しゲート１１を介して接続されたものとが交互に配列されている。各ＶＣＣＤ１２は、水平方向に延びる４種類の転送電極１５ａ〜１５ｄによって電荷転送動作が制御され、４相駆動により信号電荷を転送する。ＶＣＣＤ１２は、読み出しゲート１１を介して、各ＰＤ１０から信号電荷を受け取り、図中上方から下方に向けて信号電荷を順次転送していく。ＲおよびＢのＰＤ１０に蓄積された信号電荷と、ＧのＰＤ１０に蓄積された信号電荷とは異なるＶＣＣＤ１２で転送される。

読み出しゲート１１は、ＰＤ１０とＶＣＣＤ１２との間に設けられており、ＢのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１は第１転送電極１５ａ、ＲのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１は第２転送電極１５ｂ、ＧのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１は第３転送電極１５ｃによって制御される。つまり、第１〜第３転送電極１５ａ〜１５ｃは、ＶＣＣＤ１２の垂直転送動作の制御と、読み出しゲート１１の読み出し動作の制御とに兼用される。読み出しゲート１１によるＰＤ１０からＶＣＣＤ１２への信号電荷の読み出しは、第１〜第３転送電極１５ａ〜１５ｃに所定の高電圧を印加することでなされる。

ＨＣＣＤ１３は、ＶＣＣＤ１２の最終段に接続されている。ＨＣＣＤ１３は、各ＶＣＣＤ１２から受け取った信号電荷を、図中右方から左方に向けてＦＤＡ１４へシリアルに転送する。

図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面を示す図２において、ＰＤ１０、読み出しゲート１１、およびＶＣＣＤ１２の具体的な構成を説明する。ｎ型半導体基板２０上にはｐ型ウェル層２１が形成されており、ｐ型ウェル層２１の表層にはｎ型層２２が形成されている。ｐ型ウェル層２１とｎ型層２２とによってＰＤ１０が構成され、ｎ型層２２の上方には、ＢＰＳＧなどからなる平坦化層２３を介してカラーフィルタ２４およびマイクロレンズ２５が形成されている。

また、ｐ型ウェル層２１の表層にはｎ型層２６がｎ型層２２から離間するように形成されており、ｎ型層２６の上方には、ポリシリコンからなる第１〜第４転送電極１５ａ〜１５ｄが形成されている。ｎ型層２６および第１〜第４転送電極１５ａ〜１５ｄによってＶＣＣＤ１２が構成され、ＶＣＣＤ１２は、第１〜第４転送電極１５ａ〜１５ｄの上方に形成された遮光膜２７によって遮光されている。

ｎ型層２６とｎ型層２２との間は、ｐ型ウェル層２１またはｐ⁺層２８によって電気的に分離されている。ｐ型ウェル層２１で分離された領域上には、第１転送電極１５ａが延在しており、この領域は、読み出しゲート１１として機能する。また、ｐ⁺層２８は、チャネルストップとして機能する。

マイクロレンズ２５およびカラーフィルタ２４を介してＰＤ１０に被写体光が入射されると、ｎ型層２２とｐ型ウェル層２１との接合部で電子−正孔対が生成され、ｎ型層２２には信号電荷として電子が蓄積される。第１転送電極１５ａに所定の正の高電圧が印加されると、読み出しゲート１１の電子に対する障壁ポテンシャルが低下し、ｎ型層２２に蓄積された電子がｎ型層２６に転送される。ｎ型層２６に読み出された電子は、第１〜第４転送電極１５ａ〜１５ｄの周知の電圧制御により垂直転送される。

同図は、ＢのＰＤ１０を例示したものであるので、カラーフィルタ２４は青色光を透過させ、読み出しゲート１１は第１転送電極１５ａによって制御されている。図示は省略するが、ＲおよびＧのＰＤ１０についても同様である。

次に、上記構成を有するＣＣＤイメージセンサ２の動作を図３のフローチャートに基づいてついて説明する。ＣＣＤイメージセンサ２に被写体光が入射されると、各ＰＤ１０が入射光を光電変換し、生成された信号電荷を蓄積する。電荷蓄積が所定時間行われた後、まず、第１転送電極１５ａに読み出しパルス（高電圧パルス）を印加して、ＢのＰＤ１０から信号電荷をＶＣＣＤ１２に読み出す。次いで、第１〜第４転送電極１５ａ〜１５ｄに垂直転送パルスを入力、ＨＣＣＤ１３に水平転送パルスを入力することで、読み出したＢの信号電荷を垂直転送するとともに、水平転送を行う。このとき、ＦＤＡ１４から信号電荷の電荷量に応じた撮像信号が出力される。この垂直および水平転送動作を全ての水平ラインについて行う。

次いで、第２転送電極１５ｂに読み出しパルスを印加して、ＲのＰＤ１０から信号電荷をＶＣＣＤ１２に読み出し、同様に、垂直・水平転送を全ての水平ラインについて行う。そして、第３転送電極１５ｃに読み出しパルスを印加して、ＧのＰＤ１０から信号電荷をＶＣＣＤ１２に読み出し、同様に、垂直・水平転送を全ての水平ラインについて行う。

このように、ＣＣＤイメージセンサ２は、信号電荷をＲＧＢの色ごとに独立にＰＤ１０からＶＣＣＤ１２へ読み出すことができるので、ＶＣＣＤ１２からＨＣＣＤ１３へ転送する信号電荷を色ごとにわけ、色ごとに信号電荷を水平転送することが可能となる。これにより、混色による色変化を防止される。

ＣＣＤイメージセンサ２を搭載するデジタルカメラには、図４に示すように、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）３０、オートゲインコントロール・アンプ（ＡＧＣ）３１、およびＡ／Ｄ変換器３２からなるアナログ信号処理回路が設けられる。ＣＤＳ３０は、ＣＣＤイメージセンサ２から出力された撮像信号からアンプ雑音とリセット雑音とを除去する。ＡＧＣ３１は、プログラマブルにゲインを変更できる信号増幅器であって、操作部（図示せず）によって設定されたＩＳＯ感度の設定値が入力され、ゲインをこの設定値に応じた値とする。Ａ／Ｄ変換器３２は、雑音除去とゲイン調整とが施された撮像信号をデジタル信号に変換する。デジタル化された撮像信号（ＲＡＷデータ）は、デジタル信号回路に送信され、所定の処理が施された後、画像データとして記録される。

ＩＳＯ感度を設定可能としたデジタルカメラの場合には、図５のフローチャートに示すように、ＣＣＤイメージセンサ２の電荷転送動作をＩＳＯ感度の設定値に応じて切り替えることが好ましい。ＰＤ１０によって電荷蓄積が所定時間行われた後、ＩＳＯ感度の設定値が所定値（例えばＩＳＯ８００）より大きい場合には、色ごとの信号電荷の読み出し（図３の色分離読み出し）、および垂直・水平転送を行う。

一方、ＩＳＯ感度の設定値が所定値より小さい場合には、ＲＧＢの全ての信号電荷をＰＤ１０からＶＣＣＤ１２へ読み出す周知の全画素読み出しを行った後、垂直・水平転送を行う。色分離読み出しは、全画素読み出しの約３倍の時間が要されるため、色分離読み出しの実施を、混色による影響が顕著に現れる高ＩＳＯ感度時に限定することで、効率化が図られる。

上記実施形態では、図１に示すように、ＢのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１を第１転送電極１５ａ、ＲのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１を第２転送電極１５ｂ、ＧのＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１を第３転送電極１５ｃによって制御するようにしているが、本発明はこれに限定されず、同じ色の光を光電変換するＰＤ１０に接続された読み出しゲート１１が同じ転送電極で制御され、ＰＤ１０に蓄積された信号電荷が色ごとにそれぞれ独立にＶＣＣＤ１２へ読み出すことが可能となっていればよい。

また、上記実施形態では、図３に示す色分離読み出しにおいて、Ｂ、Ｒ、Ｇの順に信号電荷を読み出すようにしているが、本発明はこれに限定されず、この順序は適宜変更してよい。

また、上記実施形態では、図５において、色ごとに信号電荷をそれぞれ独立に読み出す色分離読み出しと、全ての色の信号電荷を一斉に読み出す全画素読み出しとを例示しているが、この他、ＢおよびＧの信号電荷、または、ＲおよびＢの信号電荷を同時に読み出して垂直・水平転送を行った後、残りの信号電荷を読み出すようにしてもよい。図６のフローチャートは、ＢおよびＧの信号電荷を同時に読み出して垂直・水平転送を行った後、Ｒの信号電荷の読み出しを行うようにした例である。ＲとＢとは色の変調度が大きく、転送不良によって混色した場合に色変化の影響が顕著であるため、少なくとも上記のようにＲとＢの信号電荷の読み出しを独立に行うことで、大きな色変化を防ぐことができる。

また、上記実施形態では、ＰＤ１０をハニカム状に配置しているが、本発明はこれに限定されず、ＰＤ１０を正方配列としてもよく、ＣＣＤイメージセンサ２は、少なくともインターライントランスファ方式として構成されていればよい。

また、上記実施形態では、カラーフィルタ２４をＲ、Ｇ、Ｂの３種類としているが、本発明はこれに限定されず、カラーフィルタ２４の種類は適宜変更してよい。例えば、カラーフィルタ２４をＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の３種類としてもよい。

ＣＣＤイメージセンサの構成を模式的示す概略図である。図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。ＣＣＤイメージセンサの動作を示すフローチャートである。デジタルカメラに設けられるアナログ信号処理回路を示すブロック図である。ＩＳＯ感度を設定可能としたデジタルカメラに搭載されたＣＣＤイメージセンサの動作を示すフローチャートである。Ｒの信号電荷の読み出しのみを個別に行うようにした例を示すフローチャートである。

符号の説明

２ＣＣＤイメージセンサ
１０光電変換素子（ＰＤ）
１１読み出しゲート
１２垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）
１３水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）
１５ａ第１転送電極
１５ｂ第２転送電極
１５ｃ第３転送電極
１５ｄ第４転送電極
２４カラーフィルタ

Claims

特定の色の光を光電変換する複数種類の光電変換素子が２次元状に配置され、前記光電変換素子から垂直ＣＣＤへ信号電荷を読み出す読み出しゲートを備えたインターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサにおいて、
同じ色の光を光電変換する同じ種類の前記光電変換素子に接続された前記読み出しゲートが同一の転送電極によって制御されるように配置され、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を色ごとに独立に前記垂直ＣＣＤへ読み出すことが可能であることを特徴とするＣＣＤイメージセンサ。
前記光電変換素子は、ハニカム状に２次元配列され、赤色の光を光電変換するものと、緑色の光を光電変換するものと、青色の光を光電変換するものとからなることを特徴とする請求項１記載のＣＣＤイメージセンサ。