JP2007088750A - Ccd solid-state imaging element and drive method thereof, and digital camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はCCD(電荷結合素子)型の固体撮像素子等に係り、特に、〔1/10000〕秒などの超高速シャッタを実現することが可能なCCD型固体撮像素子及びその駆動方法並びにデジタルカメラに関する。 The present invention relates to a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device, and more particularly to a CCD type solid-state imaging device capable of realizing an ultrafast shutter such as [1/10000] seconds, a driving method thereof, and a digital camera. About.
例えばIT(インタートランスファ)―CCD型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラで静止画像を撮像する場合、所要の露光量を得るために絞り開口量やシャッタ速度が決定される。シャッタ速度は、シャッタ「開」からシャッタ「閉」までの時間であるが、IT―CCD型固体撮像素子を用いたデジタルカメラでは、オーバーフロードレイン機能によって固体撮像素子搭載のフォトダイオードの残留電荷を空にした時点を電子シャッタ「開」時点とし、その後にメカニカルシャッタが閉となってフォトダイオードが遮光された時点をシャッタ「閉」としている。 For example, when a still image is captured by a digital camera equipped with an IT (intertransfer) -CCD type solid-state imaging device, the aperture opening amount and the shutter speed are determined in order to obtain a required exposure amount. The shutter speed is the time from the shutter “open” to the shutter “closed”, but in a digital camera using an IT-CCD solid-state image sensor, the residual charge of the photodiode mounted on the solid-state image sensor is emptied by the overflow drain function. The time when the electronic shutter is set to “open”, and the time when the mechanical shutter is closed and the photodiode is shielded from light is set to “close”.
尚、従来技術に関連するものとして、下記特許文献1がある。 In addition, there exists the following patent document 1 as a thing relevant to a prior art.
メカニカルシャッタでシャッタ「閉」時点を決定するカメラでは、シャッタ速度はメカニカルシャッタの動作速度に依存し制約されている場合が多く、〔1/2000〕秒のシャッタ速度は実現できるが、〔1/10000〕秒などの超高速シャッタを実現するのは困難である。 In a camera that determines the time when the shutter is closed by a mechanical shutter, the shutter speed is often restricted depending on the operation speed of the mechanical shutter, and a shutter speed of [1/2000] seconds can be realized. It is difficult to realize a very high speed shutter such as [10000] seconds.
本発明の目的は、超高速シャッタを実現することが可能なCCD型固体撮像素子及びその駆動方法並びにデジタルカメラを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a CCD solid-state imaging device capable of realizing an ultra-high-speed shutter, a driving method thereof, and a digital camera.
本発明のCCD型固体撮像素子は、半導体基板の表面にアレイ状に形成された複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードの受光電荷をトランスファーゲートを介して受け取り転送する垂直転送路とを備えるCCD型固体撮像素子において、前記フォトダイオードの受光電荷を前記半導体基板側に廃棄するとき前記垂直転送路上の不要電荷も前記半導体基板側に廃棄することで電子シャッタ「開」とし、前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げて前記電位シャッタ「開」以後に前記フォトダイオードに蓄積された受光電荷を該トランスファーゲートを介し前記垂直転送路に読み出した時点を電子シャッタ「閉」とする駆動手段を備えることを特徴とする。 A CCD type solid-state imaging device of the present invention is a CCD type comprising a plurality of photodiodes formed in an array on the surface of a semiconductor substrate, and a vertical transfer path for receiving and transferring the received light charges of each photodiode via a transfer gate. In the solid-state imaging device, when the received light charge of the photodiode is discarded to the semiconductor substrate side, unnecessary electric charges on the vertical transfer path are also discarded to the semiconductor substrate side to make the electronic shutter “open”, and the potential barrier of the transfer gate And a driving means for closing the electronic shutter when the received light charge accumulated in the photodiode after the potential shutter is opened is read to the vertical transfer path through the transfer gate. And
本発明のCCD型固体撮像素子は、インタートランスファ方式のCCDであり、前記垂直転送路に読み出した受光電荷を転送する前に該垂直転送路上の1つ置きの電位井戸内の受光電荷を一旦該当のフォトトランジスタに戻してから該垂直転送路に残った前記受光電荷の転送を行い、該転送後に、前記フォトトランジスタに戻した前記受光電荷を該垂直転送路に読み出し該受光電荷を該垂直転送路で転送することを特徴とする。 The CCD type solid-state imaging device of the present invention is an inter-transfer type CCD, and once the received light charges read to the vertical transfer path are transferred, the received charges in every other potential well on the vertical transfer path are once matched. After the transfer, the received charge remaining in the vertical transfer path is transferred to the phototransistor. After the transfer, the received charge returned to the phototransistor is read to the vertical transfer path and the received charge is transferred to the vertical transfer path. It is characterized by transferring by.
本発明のCCD型固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板の表面にアレイ状に形成された複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードの受光電荷をトランスファーゲートを介して受け取り転送する垂直転送路とを備えるCCD型固体撮像素子の駆動方法において、前記フォトダイオードの受光電荷を前記半導体基板側に廃棄するとき前記垂直転送路上の不要電荷も前記半導体基板側に廃棄することで電子シャッタ「開」とし、前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げて前記電位シャッタ「開」以後に前記フォトダイオードに蓄積された受光電荷を該トランスファーゲートを介し前記垂直転送路に読み出した時点を電子シャッタ「閉」とすることを特徴とする。 A method for driving a CCD solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of photodiodes formed in an array on the surface of a semiconductor substrate, and a vertical transfer path for receiving and transferring received light charges of each photodiode via a transfer gate. In the driving method of the CCD type solid-state imaging device provided, when the received light charge of the photodiode is discarded to the semiconductor substrate side, the unnecessary charge on the vertical transfer path is also discarded to the semiconductor substrate side to make the electronic shutter `` open '', The electronic shutter is “closed” when the potential barrier of the transfer gate is temporarily lowered and the light-receiving charge accumulated in the photodiode after the potential shutter is opened is read to the vertical transfer path through the transfer gate. It is characterized by.
本発明のCCD型固体撮像素子の駆動方法は、インタートランスファ方式のCCDであり、前記垂直転送路に読み出した受光電荷を転送する前に該垂直転送路上の1つ置きの電位井戸内の受光電荷を一旦該当のフォトトランジスタに戻してから該垂直転送路に残った前記受光電荷の転送を行い、該転送後に、前記フォトトランジスタに戻した前記受光電荷を該垂直転送路に読み出し該受光電荷を該垂直転送路で転送することを特徴とする。 The driving method of the CCD type solid-state imaging device of the present invention is an inter-transfer type CCD, and before transferring the received light charges read to the vertical transfer path, the received light charges in every other potential well on the vertical transfer path. Is transferred back to the corresponding phototransistor and then the received light charge remaining on the vertical transfer path is transferred.After the transfer, the received light charge returned to the phototransistor is read to the vertical transfer path and the received charge is transferred to the phototransistor. The transfer is performed using a vertical transfer path.
本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載のCCD型固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。 A digital camera according to the present invention is equipped with any one of the CCD solid-state imaging devices described above.
本発明のデジタルカメラは、前記電子シャッタ「閉」後に「閉」となるメカニカルシャッタを搭載したことを特徴とする。 The digital camera according to the present invention includes a mechanical shutter that is “closed” after the electronic shutter is “closed”.
本発明によれば、〔1/10000〕秒などの超高速シッャタを実現することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize an ultrafast shutter such as [1/10000] seconds.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラの構成図である。このデジタルスチルカメラは、撮影レンズ10と、IT―CCD型の固体撮像素子11と、この両者の間に設けられたメカニカルシャッタ12や図示しない絞りと、赤外線カットフィルタ13と、光学ローパスフィルタ14とを備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a digital still camera according to an embodiment of the present invention. This digital still camera includes a photographing
デジタルスチルカメラの全体を制御するCPU15は、フラッシュ用の発光部16及び受光部17を制御し、また、レンズ駆動部18を制御して撮影レンズ10の位置をフォーカス位置に調整し、絞り開口量を制御し、シャッタ駆動部19を介しメカニカルシャッタの閉時点を制御する。
The
また、CPU15は、固体撮像素子11が形成されたチップ上に製造された撮像素子駆動部20を介してCCD型固体撮像素子11を詳細は後述するように駆動制御し、撮影レンズ10を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。また、CPU15には、操作部21を通してユーザの指示信号が入力され、CPU15はこの指示に従って各種制御を行う。
Further, the
デジタルスチルカメラの電気制御系は、固体撮像素子11の出力に接続されたアナログ信号処理部22と、このアナログ信号処理部22から出力されたRGBの画像信号(色信号)をデジタル信号に変換するA/D変換回路23とを備え、これらはCPU15によって制御される。
The electric control system of the digital still camera converts the analog
更に、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、メインメモリ24に接続されたメモリ制御部25と、画像処理を行うデジタル信号処理部26と、撮像画像をJPEG画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部27と、測光データを積算してホワイトバランスのゲインを調整させる積算部28と、着脱自在の記録媒体29が接続される外部メモリ制御部30と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部31が接続される表示制御部32とを備え、これらは、制御バス33及びデータバス34によって相互に接続され、CPU15からの指令によって制御される。
Furthermore, the electric control system of the digital still camera includes a
図2は、図1に示すCCD型固体撮像素子11の表面模式図である。固体撮像素子11の半導体基板受光面には、多数のフォトダイオード(PD)41が正方格子状に配列されており、各フォトダイオード列の右側には、フォトダイオード41の受光電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送路(VCCD)42が形成され、固体撮像素子11の下辺部には、各垂直転送路42によって転送されてきた受光電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送路43が形成されている。
FIG. 2 is a schematic view of the surface of the CCD solid-
水平転送路43によって転送されてきた受光電荷に応じた画像信号は、水平転送路43の出力段に設けられたアンプ44から図1のアナログ信号処理部22に出力される。
An image signal corresponding to the received light charges transferred through the horizontal transfer path 43 is output from the
図3は、図2に示す固体撮像素子11のフォトダイオード及び垂直転送路の1列分の拡大模式図である。垂直転送路42は、半導体基板の表面部に形成された埋め込みチャネルと、この埋め込みチャネル上に一列に配列形成された転送電極V1,V2,V3,V4,V1,……とにより構成される。
FIG. 3 is an enlarged schematic view of one row of the photodiodes and vertical transfer paths of the solid-
図示する例では、フォトダイオード1個に対して、2枚の転送電極が設けられており、各フォトダイオードと奇数番目の転送電極V1,V3,V1,…とがトランスファーゲート(以下、TGという。)45によって接続され、後述する様に、トランスファーゲート45を介して受光電荷の授受がフォトダイオード41と垂直転送路42との間で行われる。
In the illustrated example, two transfer electrodes are provided for one photodiode, and each photodiode and odd-numbered transfer electrodes V1, V3, V1,... Are referred to as transfer gates (hereinafter referred to as TG). ) 45, and as will be described later, the received charge is transferred between the
図4は、図3のIV―IV線位置におけるポテンシャル形状を用いて固体撮像素子11の動作を説明する図である。図1に示すデジタルスチルカメラが静止画像を撮像する前には、メカニカルシャッタ12は「開」状態となっており、図4(a)に示す様に、フォトダイオード41には不要電荷51が発生している。また、図示しない遮光膜で覆われている垂直転送路42にも不要電荷52が残留している。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the solid-
ユーザがデジタルスチルカメラのレリーズボタンを押下すると、CPU15は撮像素子駆動部20に指令を出力し、図4(b)に示す様に、不要電荷51,52を共に半導体基板の裏側に廃棄させる。即ち、垂直転送路のポテンシャル井戸を底上げする電圧を転送電極に印加すると共にTG45の障壁高さを下げる電圧をTG45に印加し、更に、オーバーフロードレイン制御電圧を印加する。
When the user presses the release button of the digital still camera, the
これらの電圧印加による不要電荷の廃棄は一瞬で行われ、ポテンシャル形状が元に戻った瞬間(図4(c))の電子シャッタ「開」からフォトダイオードは露光を開始し、露光期間中(図4(d))に露光量に応じた受光電荷がフォトダイオードに蓄積される。 Unnecessary charges are discarded by applying these voltages in an instant. The photodiode starts exposure from the electronic shutter “open” at the moment when the potential shape returns to its original state (FIG. 4C), and during the exposure period (FIG. 4). 4 (d)), the received light charge corresponding to the exposure amount is accumulated in the photodiode.
次にシャッタ「閉」とするのであるが、本実施形態では、図4(e)に示す様に、CPU15が撮像素子駆動部20に指令してTGへの印加電圧を制御し、TG位置における電位障壁を一瞬下げてフォトダイオードの蓄積電荷を垂直転送路に移動させ、次にTGの電位障壁を元に戻す(図4(f))ことで、シャッタ「閉」を実現する。
Next, the shutter is closed, but in this embodiment, as shown in FIG. 4E, the
TGの電位障壁を元に戻した後、CPU15はメカシャッタ駆動部19を制御してメカニカルシャッタ12を閉じ、フォトダイオードへの入射光を遮断する。
After returning the potential barrier of the TG, the
この図4(f)の状態を、図5に「f状態」として示す。即ち、垂直転送路42には、奇数番目の転送電極V1,V3,V1,…下に夫々電位井戸が形成され、各電位井戸内に、フォトダイオード(PD1〜PD5)の受光電荷が移動した状態となっている。
The state of FIG. 4F is shown as “f state” in FIG. That is, in the
しかし、この図5の「f状態」では、各受光電荷を水平転送路(HCCD)まで転送することはできない。各受光電荷を入れた電位井戸間に設けられた転送電極が1個しかないからである。 However, in the “f state” of FIG. 5, it is not possible to transfer each received light charge to the horizontal transfer path (HCCD). This is because there is only one transfer electrode provided between the potential wells in which each received charge is placed.
そこで、水平転送路への転送を可能にするため、本実施形態では、転送電極V3下に移動された受光電荷を、対応のフォトダイオード(PD2,PD4)に戻すことにする。 Therefore, in order to enable transfer to the horizontal transfer path, in the present embodiment, the light-receiving charge that has been moved below the transfer electrode V3 is returned to the corresponding photodiode (PD2, PD4).
しかし、TG制御によるシャッタ「閉」からメカニカルシャッタ閉までの間にフォトダイオードに電荷が蓄積されている可能性があるため、図4(g)に示す様に、オーバーフロードレイン制御を行って、フォトダイオードの不要電荷を半導体基板側に廃棄する。 However, since there is a possibility that electric charge is accumulated in the photodiode between the shutter “closed” by the TG control and the mechanical shutter closed, the overflow drain control is performed as shown in FIG. Unnecessary charges of the diode are discarded on the semiconductor substrate side.
そして、その後に、フォトダイオード(PD2,PD4)のTG電位障壁を下げると共に転送電極V3の印加電圧を制御して電位井戸を底上げし、図4(h)に示す様に、転送電極V3下の受光電荷をフォトダイオード側に戻す。これにより、図5の「h状態」に示す様に、垂直転送路上に残った受光電荷の水平転送路への転送が可能になる。 After that, the TG potential barrier of the photodiodes (PD2, PD4) is lowered and the voltage applied to the transfer electrode V3 is controlled to raise the potential well. As shown in FIG. Return the received charge to the photodiode side. As a result, as shown in the “h state” in FIG. 5, the received light charge remaining on the vertical transfer path can be transferred to the horizontal transfer path.
この水平転送路への受光電荷の転送が終了した後は、図4(h)でフォトダイオード側に戻した受光電荷を、再び垂直転送路に戻し(図5の「i状態」)、水平転送路まで転送する。 After the transfer of the received charge to the horizontal transfer path is completed, the received charge returned to the photodiode side in FIG. 4H is returned to the vertical transfer path (“i state” in FIG. 5), and the horizontal transfer is performed. Transfer to the road.
以上述べた様に、本実施形態に係る固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラでは、シャッタ「開」とシャッタ「閉」を共に電子シャッタで構成したので、〔1/10000〕秒という超高速シャッタでも実現可能となる。 As described above, in the digital still camera equipped with the solid-state imaging device according to the present embodiment, both the shutter “open” and the shutter “closed” are constituted by the electronic shutter, and therefore, an ultrafast shutter of [1/10000] seconds. But it will be possible.
尚、上述した実施形態では、IT―CCD型の固体撮像素子を例に説明したが、プログレッシブ読出可能な垂直転送路を持つCCD型固体撮像素子にも本発明を適用可能である。この場合には、垂直転送路に読み出した受光電荷をフォトダイオードに戻す必要がないのは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the IT-CCD type solid-state image pickup device has been described as an example. However, the present invention can also be applied to a CCD type solid-state image pickup device having a progressive transfer readable vertical transfer path. In this case, needless to say, it is not necessary to return the received light charges read out to the vertical transfer path to the photodiode.
本発明に係る固体撮像素子は、超高速シャッタを実現できるため、高速度撮影可能なデジタルカメラに適用すると有用である。 Since the solid-state imaging device according to the present invention can realize an ultra-high-speed shutter, it is useful when applied to a digital camera capable of high-speed shooting.
11 固体撮像素子
12 メカニカルシャッタ
15 CPU
20 撮像素子駆動部
41 フォトダイオード(PD)
42 垂直転送路(VCCD)
43 水平転送路(HCCD)
45 トランスファーゲート(TG)
11 Solid-
20 Image
42 Vertical transfer path (VCCD)
43 Horizontal transfer path (HCCD)
45 Transfer gate (TG)
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