JP2007110496A - 固体撮像素子の制御回路および固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】感度の異なる２種類の画素データを分離して読み出す固体撮像素子の制御回路および固体撮像素子の駆動方法を提供。
【解決手段】ディジタルカメラ10におけるTG制御回路24は、タイミング信号発生回路26をインタレース走査および全画素読出し走査のいずれかの走査に制御し、この制御に応じたタイミング信号86をドライバ28に出力する。ドライバ28はタイミング信号86に応じた駆動信号88を撮像部14の固体撮像素子に出力し、信号電荷を読み出す。とくに、インタレース走査する場合、撮像素子の主画素および副画素からの信号電荷の読出しを分離して読み出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子の制御回路および固体撮像素子の駆動方法に関するものである。本発明に係る固体撮像素子の制御回路は、たとえば広ダイナミックレンジの画素データを読み出すタイミング信号の生成を制御する技術に関する。また、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法は、とくに、広ダイナミックレンジを提供する固体撮像素子からの信号電荷を読み出す手順に関する。

特許文献１は固体撮像装置である。この固体撮像装置では広ダイナミックレンジを確保するため、感度の異なる２種類の画素を一つの画素に用いることが提案される。この画素は一つの画素を２つに分割し、各分割した領域を高感度および低感度に形成して、空間および時系列的にもずれのない高感度および低感度の画素データを出力する。これらの画素が２種類の画素データを出力することにより感度の異なる２つの画像が同時に得る。

垂直転送路に対向する画素同士で実現させると、カラーフィルタセグメントは、色Gの行および色B, Rの行、ならびに色Gの行および色R, Bの行を２行ずつ用いた一組が配列される。画素の読出しは、同一並びの組を同一フィールドとして行なう。
特開2003−218343号公報

ところで、この場合、インタレース読出ししても高感度および低感度の画素データを別々に読み出せない。したがって、この読出しには、２種類の画素データの一時格納にラインメモリが必要となる。このため、この固体撮像素子の使用はコストのアップを招いてしまう。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、感度の異なる２種類の画素データを分離して読み出す固体撮像素子の制御回路および固体撮像素子の駆動方法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、被写界からの入射光を光電変換する受光素子が入射光量に対して相対的に高感度な第１の受光素子と、第１の受光素子に比べて低感度な第２の受光素子とを２次元に配された固体撮像素子に蓄積された信号電荷の読出しを制御する固体撮像素子の制御回路において、この回路は、第１および第２の受光素子における信号電荷の読出しをインタレース走査および全画素読出し走査のいずれかの走査でタイミング信号を生成させるタイミング信号生成手段を制御し、この制御によりタイミング信号生成手段から生成したタイミング信号を、駆動信号を生成する駆動信号生成手段に供給し、この駆動信号生成手段に応じた駆動信号を前記固体撮像素子に出力して、この駆動信号に応じて第１および第２の受光素子から蓄積された信号電荷を読み出し、この回路は、インタレース走査で固体撮像素子から複数回に分割した信号電荷読出しを制御することを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子の制御回路は、タイミング信号発生手段をインタレース走査および全画素読出し走査のいずれかの走査に制御し、この制御に応じたタイミング信号を駆動信号発生手段に出力する。駆動信号発生手段はタイミング信号に応じた駆動信号を固体撮像素子に出力し、信号電荷を読み出す。このうち、とくに、インタレース走査する場合、固体撮像素子の主画素および副画素からの信号電荷を分離して読み出すことができる。

また、本発明は上述の課題を解決するために、被写界からの入射光を光電変換する受光素子が入射光量に対して相対的に高感度な第１の受光素子と、第１の受光素子に比べて低感度な第２の受光素子とを２次元に配された固体撮像素子に蓄積された信号電荷を読み出す固体撮像素子の駆動方法において、この方法は、第１および第２の受光素子における信号電荷の読出しをインタレース走査および全画素読出し走査のいずれかの走査に制御し、インタレース走査では複数回に分割した読出しを制御することを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子の駆動方法は、第１および第２の受光素子における信号電荷の読出しをインタレース走査および全画素読出し走査のいずれかの走査に制御するうち、とくに、インタレース走査により第１および第２の受光素子からの信号電荷を分離して読み出すことができる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の制御回路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の制御回路をディジタルカメラ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。

本実施例のディジタルカメラ10は、図１に示すように、光学系12、撮像部14、前処理部16、信号処理部18、操作部20、システム制御部22、TG（Timing Generator）制御回路24、タイミング信号発生器26、ドライバ28、メディアI/F回路30、メディア32およびモニタ34を含む。

光学系12は、被写界からの入射光を撮像部14にて図示しないが操作部20の操作に応じた画像を結像させる機能を有する。光学系12は操作部20のズーム操作や半押し操作に応じて画角や焦点距離を調整する。

撮像部14には、入射光の到来方向に受光素子の配設位置に対応させて色フィルタセグメントが配される。撮像部14の撮像素子36は、入射光を色分解し、この分解された色成分の光を受光素子で信号電荷に変換し、電気信号を出力する機能を有する。本実施例の撮像素子36は、図２に示すように三原色R, GおよびBの色フィルタセグメントを同一水平方向の画素ピッチPPに対して隣接する行の画素を1/2画素ピッチ分ずらして配される。撮像素子36には、相対的に感度の高い高感度画素38と相対的に感度の低い低感度画素40の２種類を用いる。

感度を異ならせるため、本実施例の撮像素子36は、図３に示すように、オンチップレンズであるマイクロレンズ42および44を用いて、入射光の集光力に差を設ける。撮像素子36は、このマイクロレンズ42および44を形成することにより感度差をつける。高感度画素38および低感度素子40は、図3(a)の破断線3A-3Aおよび図3(b)の破断線3B-3Bに沿った断面図を簡単に示す。高感度画素38および低感度素子40は、基板46内に入射光を光電変換する感光層48を形成する。次に感光層48の直上を透明部材50で覆う。また、感光層48の両側における直上にはそれぞれ電極52を形成する。さらに、電極52は、入射光を遮光する遮光部材54で覆うように形成し、全面を透明部材50で平滑化する。平滑化した上に各分高感度特性を有するカラーフィルタセグメント56を形成する。カラーフィルタセグメント56上には、図3(a)および図3(b)に示すように曲率の異なるマイクロレンズ42および44を形成する。

なお、電極52の直下には、図示しないが電極に供給される駆動信号のレベルに応じて垂直転送路が形成される。

このように高感度画素としては、レンズ口径が大きく集光力のあるマイクロレンズを入射光側に形成することが望ましい。また、低感度画素は、通常のレンズ口径よりも小さいマイクロレンズを用いる。

図２に戻って、高感度および低感度画素は、一行または一列毎に配設される。高感度および低感度画素は、主画素および副画素とも呼ぶ。色フィルタセグメントは、たとえば高感度および低感度画素を一組とする右斜め同色の２画素を配する。この配列にともない色フィルタセグメントは、２行を色Gおよび色B、隣接する２行を色Rおよび色Gにする。

撮像素子36は、高感度画素38および低感度素子40と垂直転送路58との間にフィールドシフトゲート60を形成する。垂直転送路54は、高感度画素38および低感度素子40が画素ずらし配設されたことにより蛇行するように形成される。

撮像素子36は信号電荷の読出しは、主画素および副画素の２行を第１フィールドとし、主画素および副画素に隣接する２行を第２フィールドとする。本実施例では、第１フィールドの信号読出しを区別する。すなわち、垂直駆動信号を供給する電極は主画素に対してV3AおよびV3B、副画素に対してV1AおよびV1Bに分けられる。このような電極形成をすることにより信号読出しにおいて主画素および副画素の一方の電極だけに垂直駆動信号を供給すると、撮像素子36は信号読出しにおいて垂直間引きが可能になる。また、全画素読出しする場合、撮像素子36には、区別することなく、同じ垂直駆動信号φV1およびφV3が供給される。撮像素子36の信号読出しについては後段で説明する。撮像素子36の信号読出しは、２フィールドに限定されるものでなく、ｎ（ｎ≧2）回分割を各フィールドとして読み出したり、間引き読み出ししたりすることができる。撮像部14は撮像素子36から読み出したアナログ画像信号62を前処理部16に出力する。

前処理部16は、供給されるアナログ画像信号62に対してノイズ除去およびディジタル化を施す機能を有する。CDS（Correlated Double Sampling）はアナログ画像信号62に含まれるノイズを除去し、A/D変換器に送る。A/D変換器はノイズ除去されたアナログ画像信号をディジタル化する。前処理部16は、ディジタル化した画像データ64をバス66および信号線68を介して出力する。

信号処理部18は、供給されるディジタル画像データ64に同時化、Y/C信号変換、圧縮/伸長変換、表示変換等を処理する機能を有する。信号処理部18は、記録圧縮モードで供給されるディジタル画像データ64に同時化、Y/C信号変換および圧縮/伸長変換を順に施す。信号処理部18は、記録RAWモードで供給されるディジタル画像データ64に何も信号処理せず出力する。スルー画をモニタ34に表示させる場合、信号処理部18はディジタル画像データ64に同時化、Y/C信号変換および表示変換を施し、表示画像データ70をモニタに出力する。

信号処理部18は、記録圧縮モードや記録RAWモードでは処理した画像データを信号線68、バス66および信号線72を介してメディアI/F回路30に出力する。メディアI/F回路30は画像データ74をメディア32に出力する。また、再生ではメディア32から画像データ74を読み出してメディアI/F回路30に出力する。メディアI/F回路30は、供給される画像データ74を信号線72、バス66および信号線68を介して信号処理部18に出力する。信号処理部18は、画像データ74に記録モードに応じた変換を施して、表示変換した表示画像データ70をモニタ34に出力する。

操作部20は、ディジタルカメラ10における動作指示を指示する機能を有する。操作部20は、レリーズシャッタボタンの押圧操作、半押し/全押しや記録モードに応じた操作信号76をシステム制御部22に出力する。

システム制御部22は、信号処理部18、TG制御回路24およびメディアI/F回路30を制御する制御信号を生成する機能を有する。システム制御部22は、操作信号76に応じた制御信号78および80を生成する。システム制御部22は、TG制御回路24を制御する制御信号78を生成し、TG制御回路24に出力する。また、システム制御部22は、信号処理部18およびメディアI/F回路30を制御する制御信号80を生成し、制御信号80を出力する。

TG制御回路24は、タイミング信号発生器26での信号生成を間引きか否かに応じて生成させる機能および副画素フィールドの読出しに応じてドライバ28からの駆動信号を変調させる制御機能を有する。TG制御回路24は、タイミング信号発生器26での信号生成に対する制御信号82を生成し、出力する。制御信号82は、主画素および副画素をそれぞれ異なる複数のフィールドで読み出したり、主画素だけを異なるフィールドで読み出したり、主画素および副画素を別なフィールドで全画素同時読出ししたり、間引き読出し等を制御するものである。制御信号82は、制御信号78の制御に応じて生成し、制御信号78は操作信号76に応じてどのような読出しにするか指示されるものである。

また、TG制御回路24は、駆動信号、とくに副画素の読出しにおける基板電位を変調させる制御信号84を生成し、出力する。この変調は、副画素読出しに限定されるものでなく、主画素読出しにおいても可能である。このとき、変調させる基板電位はそれぞれ差異を設けることが好ましい。

タイミング信号発生器26は、全画素読出しおよび間引き読出しに応じたタイミング信号を生成する機能を有する。タイミング信号発生器26は、たとえば垂直同期信号VD、水平同期信号HD、掃出し信号（OFD: Over-Flow Drain）、垂直タイミング信号および水平タイミング信号を生成し、ドライバ28にタイミング信号86として出力する。

ドライバ28は、供給されるタイミング信号86に応じた駆動信号を生成する機能を有する。ドライバ28は、とくに、垂直駆動信号φV1A, φV1B, φV2, φV3A, φV3B, φV4, φV5, φV6, φV7およびφV8、ならびに副画素の読出しで変調した基板電位と掃出し信号との組合せ、すなわちOFD信号を駆動信号88として撮像素子36に出力する。

なお、本実施例では撮像素子36は、受光素子から読み出した信号電荷を８相駆動で垂直転送させる。信号電荷を格納するパケットの容積は、たとえば４相駆動のパケット容量に比べて小さい。このことから、信号電荷を読み出した際に蓄積した信号電荷がパケットの容積に収まりきらなくなり、信号電荷が溢れてしまう。この状態を回避するためフィールドシフトゲートに隣接する垂直転送路の上側に位置する領域もパケットを形成させると、パケットの容積を大きくすることができる。このようなパケット形成に対応するように駆動信号V2A, V2B, V8AおよびV8Bが考慮され、印加されることによりパケットが生成される。

メディアI/F回路30は、システム制御部22から供給される制御信号80に応じてメディア32とインタフェースさせ、データ通信する機能を有する。メディア32は、供給されるデータの書込み/詠出しによりデータを扱う機能を有する。メディア32には、半導体メモリを用いることが好ましい。モニタ34は、液晶表示型のディスプレイを用いることが望ましい。

次に本発明を適用したディジタルカメラ10の動作について説明する。主画素の第１および第２フィールドを読み出す場合に供給される垂直駆動信号を図４に示す。図4(a)に示す主画素の第１フィールドは、図２に示した主画素のフィールドシフトゲート60に供給する垂直駆動信号φV3AおよびφV3Bをレベル“VH”にする。また、パケット容積の不足に対応して、垂直駆動信号φV2AおよびφV2Bもレベル“VH”にするとともに、垂直駆動信号φV1AおよびφV1Bをレベル“VM”にする。これにより第１フィールドの信号電荷読出しにおいてポテンシャルは最も深い２パケットと中程度に深い１パケットを形成する。

主画素の第２フィールドを図4(b)に示す。図２に示した主画素のフィールドシフトゲート60に供給する垂直駆動信号はφV7であり、この信号をレベル“VH”にする。この場合もパケット容積の不足に対応して、垂直駆動信号φV6もレベル“VH”にして、垂直駆動信号φV5をレベル“VM”にする。これにより第２フィールドの信号電荷読出しにおけるポテンシャルも最も深い２パケットと中程度に深い１パケットを形成する。

次に副画素の第１および第２フィールドを読み出す場合に供給される垂直駆動信号を図５に示す。図5(a)に示す副画素の第１フィールドは、図２に示した主画素のフィールドシフトゲート60に供給する垂直駆動信号φV1AおよびφV1Bをレベル“VH”にする。また、パケット容積の不足に対応して、垂直駆動信号φV8AおよびφV8Bもレベル“VH”にするとともに、垂直駆動信号φV7をレベル“VM”にする。これにより第１フィールドの信号電荷読出しにおいてポテンシャルは最も深い２パケットと中程度に深い１パケットを形成する。

同様に、副画素の第２フィールドを図5(b)に示す。図２に示した主画素のフィールドシフトゲート60に供給する垂直駆動信号はφV5であり、この信号をレベル“VH”にする。この場合もパケット容積の不足に対応して、垂直駆動信号φV4もレベル“VH”にして、垂直駆動信号φV3AおよびφV3Bをレベル“VM”にする。これにより第２フィールドの信号電荷読出しにおけるポテンシャルも最も深い２パケットと中程度に深い１パケットを形成する。

読み出した信号電荷は図６に示す垂直駆動信号を供給することにより図示しない水平転送路に向けて転送される。転送は、レベル“VL”および“VM”の変化に応じて形成されるパケットの変位により行なわれる。時系列的には、時刻T1にて垂直駆動信号φV8AおよびφV8Bがレベル“VM”に変化することにより対応する垂直転送路58にパケットを形成する。このパケット形成後、時刻T2にて垂直駆動信号φV1AおよびφV1Bがレベル“VM”に変化する。この変化により垂直転送路58には、垂直駆動信号φV3AおよびφV3Bが供給される位置から垂直駆動信号φV8AおよびφV8Bがレベル“VL”になる時刻T3までパケットが形成される。時刻T3にて垂直駆動信号φV8AおよびφV8Bがレベル“VL”になることでポテンシャル障壁が形成され、信号電荷を６パケット分に蓄積する。また、時刻T3ではポテンシャル障壁を隔てた垂直駆動信号φV1AおよびφV1Bから垂直駆動信号φV5まで５パケット分パケットが形成される。このようにパケットを形成して読み出した信号電荷を順次水平転送路に向けて転送する。

次にディジタルカメラ10における一連の動作を説明する。ディジタルカメラ10は操作部20のレリーズシャッタボタンを全押しされると、操作信号76（S2）がシステム制御部22に供給される。システム制御部22は、制御信号78をTG制御回路24に出力する。TG制御回路24は、制御信号82をタイミング信号発生回路26に供給する。タイミング信号発生器26は、図7(a)および(b)の垂直同期信号VD、水平同期信号HDおよびOFDを含むタイミング信号86を出力する。図7(c)のOFDは、ドライバ28から電子シャッタとして出力される。電子シャッタが出力されない期間が露光時間90に相当する。図7(d)の出力は、露光終了まで高速掃出し92を設ける。信号電荷を読み出す直前の高速掃出し92は、垂直転送路58および図示しない水平転送路に蓄積されている信号電荷を捨てるためのものである。

露出した後、図4(a)に示した信号電荷読出しにより主画素第１フィールドの信号電荷を読み出して、図６の転送駆動により信号電荷を混色させることなく転送する。主画素第１フィールドの信号電荷読出し94である。再び高速掃出し92を実施し、この後、図4(b)に示した信号電荷読出しにより主画素第２フィールドの信号電荷を読み出す。これが主画素第２フィールドの信号電荷読出し96である。

次に副画素フィールドを読み出す前に、TG制御回路24は制御信号84をドライバ28に出力する。ドライバ28は、高速掃出し中から副画素フィールドの信号電荷読出し終了までOFD電圧を上昇または変調させる。これにより各転送路に残った信号電荷を掃き出させている。このOFD電圧を上昇させる上昇電圧期間98を設けることにより副画素としての飽和出力が抑圧される。副画素における第１および第２フィールドの区別なく、全画素同時読出し（副画素フィールド100）を行なっても、ブルーミング等を生じさせないようにすることができる。このように主画素と副画素とからの信号電荷読出しを異なるフィールドで読み出すことができる。

また、OFD電圧の上昇は、副画素フィールド読出しを含む期間98に限定されるものでなく、図8(c)に示すように、主画素フィールドを含む期間102においても行なうようにしてもよい。図8(d)の出力は、主画素においてもフィールドを区別せず、単に主画素フィールド104として信号電荷を読み出す。期間102のOFD電圧106は、期間98のOFD電圧108の方を高く設定する。

なお、OFD電圧は、デバイスの特性により通常、上昇させる値が決まっている。本実施例におけるOFD電圧の上昇は、通常のOFD電圧よりも段階的に主画素、副画素で異なる飽和抑圧電圧として設定することが好ましい。

また、本実施例はディジタルカメラに限定されるものでなく、携帯電話機に適用できることは言うまでもない。

本発明に係る固体撮像素子の制御回路を適用したディジタルカメラにおける概略的な構成を示すブロック図である。 図１の撮像部に用いる固体撮像素子の受光素子および垂直転送路の要部平面図である。 図２の受光素子における主画素および副画素の切断面を示す概略的な断面図である。 図１のディジタルカメラにおける主画素フィールド毎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のディジタルカメラにおける副画素フィールド毎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のディジタルカメラにおける垂直転送の信号電荷転送を説明するタイミングチャートである。 図１のディジタルカメラにおける副画素フィールドの飽和抑圧電圧を説明するタイミングチャートである。 図１のディジタルカメラにおける主および副画素フィールドの異なる飽和抑圧電圧を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

10 ディジタルカメラ
12 光学系
14 撮像部
16 前処理部
18 信号処理部
20 操作部
22 システム制御部
24 TG制御回路
26 タイミング信号発生器
28 ドライバ
30 メディアI/F回路
32 メディア
34 モニタ

Claims (11)

1. 被写界からの入射光を光電変換する受光素子が入射光量に対して相対的に高感度な第１の受光素子と、第１の受光素子に比べて低感度な第２の受光素子とを２次元に配された固体撮像素子に蓄積された信号電荷の読出しを制御する固体撮像素子の制御回路において、該回路は、
   第１および第２の受光素子における信号電荷の読出しをインタレース走査および全画素読出し走査のいずれかの走査でタイミング信号を生成させるタイミング信号生成手段を制御し、
   該制御により前記タイミング信号生成手段から生成したタイミング信号を、駆動信号を生成する駆動信号生成手段に供給し、
   該駆動信号生成手段に応じた駆動信号を前記固体撮像素子に出力して、該駆動信号に応じて第１および第２の受光素子から蓄積された信号電荷を読み出し、
   該回路は、前記インタレース走査で前記固体撮像素子から複数回に分割した信号電荷読出しを制御することを特徴とする固体撮像素子の制御回路。
2. 請求項１に記載の回路において、該回路は、第１の受光素子と第２の受光素子とからの信号電荷読出しを異なるフィールドで読み出すことを特徴とする固体撮像素子の制御回路。
3. 請求項１または２に記載の回路において、該回路は、前記駆動信号生成手段を第２の受光素子からの信号電荷読出しに応じて基板電位を変調させ、前記全画素同時読出しに制御することを特徴とする固体撮像素子の制御回路。
4. 請求項１、２または３に記載の回路において、該回路は、前記タイミング信号発生手段を制御し、第１の受光素子と第２の受光素子とからの信号電荷読出しを少なくとも、３フィールド以上のフィールドで読み出すことを特徴とする固体撮像素子の制御回路。
5. 請求項１、２、３または４に記載の回路において、該回路は、前記駆動信号生成手段を第１の受光素子からの信号電荷読出しに応じて前記基板電位を変調させ、前記全画素同時読出しの制御によりすべての信号電荷読出しを２フィールドで読み出すことを特徴とする固体撮像素子の制御回路。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の回路において、該回路は、前記固体撮像素子を携帯電話機への適用にともない信号電荷読出しの制御に配設されることを特徴とする固体撮像素子の制御回路。
7. 被写界からの入射光を光電変換する受光素子が入射光量に対して相対的に高感度な第１の受光素子と、第１の受光素子に比べて低感度な第２の受光素子とを２次元に配された固体撮像素子に蓄積された信号電荷を読み出す固体撮像素子の駆動方法において、該方法は、
   第１および第２の受光素子における信号電荷の読出しをインタレース走査および全画素読出し走査のいずれかの走査に制御し、
   前記インタレース走査では複数回に分割した読出しを制御することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
8. 請求項７に記載の方法において、該方法は、第１の受光素子と第２の受光素子とからの信号電荷読出しを異なるフィールドで読み出すことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
9. 請求項７または８に記載の方法において、該方法は、第２の受光素子からの信号電荷読出しに応じて基板電位を変調させ、全画素同時読出しに制御することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
10. 請求項７、８または９に記載の方法において、該方法は、第１の受光素子と第２の受光素子とからの信号電荷読出しを少なくとも、３フィールド以上のフィールドで読み出すことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
11. 請求項７、８、９または10に記載の方法において、該方法は、第１の受光素子からの信号電荷読出しに応じて前記基板電位を変調させ、前記全画素同時読出しの制御によりすべての信号電荷読出しを２フィールドで読み出すことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。