JP2007189634A

JP2007189634A - 撮像装置及びｃｃｄ型撮像素子の駆動方法並びに駆動装置

Info

Publication number: JP2007189634A
Application number: JP2006007811A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Hagiwara; 達也萩原
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】水平転送路出力段における転送効率の低下を回避すると共に出力段の低電圧駆動を実現する。
【解決手段】電荷転送路の端部８からの信号電荷を受け取る浮遊拡散部９と、浮遊拡散部９の信号電荷量に応じた電圧値信号を出力するアンプと、該出力アンプが前記電圧値信号を出力した後の浮遊拡散部９の信号電荷を廃棄するリセットドレイン部１２と、浮遊拡散部９とドレイン部１２との間に設けられリセットパルスに応じて浮遊拡散部９の信号電荷をドレイン部１２に廃棄するリセットゲート部１１とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、浮遊拡散部９の信号電荷をドレイン部１２に廃棄するときドレイン部１２に高電圧を印加し、該廃棄後であって次に浮遊拡散部９の信号電荷をドレイン部１２に廃棄する前に、ドレイン部１２への印加電圧を低電圧に変更する。
【選択図】図４

Description

本発明はＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラ等の撮像装置及びＣＣＤ型撮像素子の駆動方法並びに駆動装置に関する。

図５は、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。従来のＣＣＤ型固体撮像素子１の半導体基板表面部には多数の光電変換素子（フォトダイオード：ＰＤ）２がアレイ状に配列形成され、フォトダイオード２の各列の左隣には夫々垂直転送路（ＶＣＣＤ）３が形成され、垂直転送路３とその右列の各フォトダイオード２とは夫々トランスファーゲート（読み出しゲート（ＴＧ））４を介して接続されている。半導体基板下辺部には水平転送路（ＨＣＣＤ）５が形成されており、水平転送路５の端部に出力部６が設けられている。

斯かるＣＣＤ型固体撮像素子１では、シャッタ「開」期間の受光量に応じた信号電荷が各フォトダイオード２に蓄積される。そして、信号電荷の読み出し動作が開始すると、フォトダイオード２の蓄積電荷（信号電荷）はトランスファーゲート４を介して垂直転送路３に移動される。垂直転送路３に移動された信号電荷は、垂直転送パルスに従い垂直転送路３に沿って水平転送路５まで転送され、次に水平転送パルスに従い水平転送路５に沿って転送され、最後に、信号電荷量に応じた電圧値信号が出力部６から出力される。

図６は、図５に示すＣＣＤ型固体撮像素子の電位図（ポテンシャルプロファイル）である。垂直転送路（ＶＣＣＤ）３や水平転送路（ＨＣＣＤ）５等の各部の図示する電位（ポテンシャル）は、各部３，５，…に外部から電圧を印加していない状態における電位を示している。

信号電荷がフォトダイオード（ＰＤ）２に蓄積された後、トランスファーゲート（ＴＧ）４に読出電圧を印加すると、フランスファーゲート（ＴＧ）４の障壁が下がり、フォトダイオード（ＰＤ）２の蓄積電荷が垂直転送路（ＶＣＣＤ）３に移動する。

垂直転送路３を転送されてきた信号電荷は、垂直転送路３の端部において、水平転送路５のバリア（ＢＡ）５ａを通って水平転送路（ＨＣＣＤ）５に移動する。出力部６においては、水平転送路５から転送されてきた信号電荷がアウトプットゲート（ＯＧ：水平転送路最終段）部８を通ってフローティングディフュージョン（浮遊拡散層：ＦＤ）部９に移動し、ＦＤ部９の信号電荷量に比例する電圧値信号が、出力アンプ（ＡＭＰ）１０によって外部に出力される。

電圧値信号が出力アンプ１０から出力された後、リセット（ＲＳ）ゲート部１１にリセット電圧が印加されると、リセットゲート部１１の障壁が下がってＦＤ部９の信号電荷がリセットドレイン（ＲＤ）部１２に廃棄され、その後に、次の画素（フォトダイオード）の信号電荷がＦＤ部９に送られてくる様になっている。

図７は、出力部６の従来の駆動方法の説明図である。図７（ａ）に示されるように、リセットドレイン部１２には＋１５Ｖの直流電圧がリセットドレイン電圧ＶＲＤとして印加されており、リセットゲート部１１には、リセットパルス電圧が印加されている。

この結果、リセットパルスオン時の時刻ｔ１には、図７（ｂ）に示されるように、リセットゲート部１１の障壁が下がってＦＤ部９の電荷（この電荷は図示していない）がリセットドレイン部１２に流れ出して廃棄され、リセットパルスオフ時の時刻ｔ２には、図７（ｃ）に示されるように、リセットゲート部１１の障壁が上がり、ＯＧ部８から信号電荷がＦＤ部９に流れ込んでも、この信号電荷は障壁によって遮られ、ＦＤ部９に溜まることになる。

尚、従来のＣＣＤ型固体撮像素子に関連するものとして、下記の特許文献１がある。

特開平１１―８８７７１号公報

ＯＧ部８からＦＤ部９への信号電荷の転送効率は、ＯＧ部８のポテンシャルとＦＤ部９のポテンシャルとの差ΔＶｍに大きく依存するため、このポテンシャル差ΔＶｍを大きくとる方が有利となる。このため、従来から、ＦＤ部９のポテンシャル即ちリセットドレイン部１２に印加する電圧を高電圧（例えば＋１５Ｖ）にしている。

この様に、水平転送路の出力部における転送効率を高めるためにＣＣＤ型固体撮像素子の駆動電圧を高くせざるを得ず、ＣＣＤ型固体撮像素子を低電圧駆動する上での障害になっている。しかし、リセットドレイン部１２に印加する電圧を単に低電圧にすると、ＦＤ部９とＯＧ部８とのポテンシャル差も小さくなってしまい、転送効率の低下すなわち電荷取り残しを招いてしまう。

本発明の目的は、水平転送路の出力部における駆動電圧の低電圧化を図ると共に転送効率の低下を回避することができるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及びその装置並びに撮像装置を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、受光量に応じて光電変換素子が検出した信号電荷を受け取り転送する電荷転送路の端部に設けられ該端部からの前記信号電荷を受け取る浮遊拡散部と、該浮遊拡散部の信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する出力アンプ部と、該出力アンプ部が前記電圧値信号を出力した後の前記浮遊拡散部の信号電荷を廃棄するリセットドレイン部と、前記浮遊拡散部と前記リセットドレイン部との間に設けられリセットパルスに応じて前記浮遊拡散部の前記信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄するリセットゲート部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記浮遊拡散部の信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄するとき該リセットドレイン部に高電圧を印加し、該廃棄後であって次に前記浮遊拡散部の信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄する前に、前記リセットドレイン部への印加電圧を低電圧に変更することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置は、受光量に応じて光電変換素子が検出した信号電荷を受け取り転送する電荷転送路の端部に設けられ該端部からの前記信号電荷を受け取る浮遊拡散部と、該浮遊拡散部の信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する出力アンプ部と、該出力アンプ部が前記電圧値信号を出力した後の前記浮遊拡散部の信号電荷を廃棄するリセットドレイン部と、前記浮遊拡散部と前記リセットドレイン部との間に設けられリセットパルスに応じて前記浮遊拡散部の前記信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄するリセットゲート部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置において、前記リセットドレイン部に印加するリセットドレイン電圧をパルス電圧とし該パルス電圧の立ち下がりタイミングを前記リセットパルスの立ち下がりタイミングより所要時間遅延させて印加する駆動手段を備えることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置は、前記パルス電圧を前記リセットパルスから生成する手段を備えることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置は、前記パルス電圧を、直流電圧と、該直流電圧に重畳するパルス電圧部分とで構成され、該パルス電圧部分が、前記リセットパルスを所定時間遅延させた信号から生成されることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、受光量に応じて光電変換素子が検出した信号電荷を受け取り転送する電荷転送路の端部に設けられ該端部からの前記信号電荷を受け取る浮遊拡散部と該浮遊拡散部の信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する出力アンプ部と該出力アンプ部が前記電圧値信号を出力した後の前記浮遊拡散部の信号電荷を廃棄するリセットドレイン部と前記浮遊拡散部と前記リセットドレイン部との間に設けられリセットパルスに応じて前記浮遊拡散部の前記信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄するリセットゲート部とを有するＣＣＤ型固体撮像素子と、上記のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、浮遊拡散部の信号電荷をリセットドレイン部に廃棄するとき該リセットドレイン部に高電圧を印加するため、電荷転送路の端部（ＯＧ部）と浮遊拡散部との間のポテンシャル差を大きくとることができて転送効率の低下を抑制でき、また、浮遊拡散部の信号電荷をリセットドレイン部に廃棄した後、所定の短い時間後に、リセットドレイン部の印加電圧を低電圧に変更するため、ＣＣＤ型固体撮像素子の低電圧駆動が実現される。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能構成図である。このデジタルカメラは、撮像部２１と、撮像部２１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，撮像部２１の駆動制御を行う駆動部（リセットドレイン電圧ＶＲＤやリセットパルス電圧等を生成し出力するタイミングジェネレータＴＧを含む）２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュ２５とを備える。

撮像部２１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系２１ａと、該光学レンズ系２１ａを通った光を絞る絞りやメカニカルシャッタ２１ｂと、光学レンズ系２１ａによって集光され絞りによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力する図５で説明した様なＣＣＤ型固体撮像素子１とを備える。

本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ２３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部２８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス４０とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。

図２は、駆動部２４内に設けられる本実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動装置の要部回路図である。本実施形態では、＋１２Ｖの直流電圧をリセットドレイン電圧ＶＲＤとして生成し図２の要部回路４１に入力すると共に、従来と同様に生成したリセットパルスφＲＳを図２に要部回路４１に入力する。

そして、図２の要部回路４１から出力されるリセットドレイン電圧ＲＤを図６に示すリセットドレイン部１２に印加し、図２の要部回路４１から出力されるリセットパルスＲＳを図６に示すリセットゲート部１１に印加する。

図２の要部回路４１は、入力されるリセットパルスφＲＳをそのままリセットパルスＲＳとして出力する信号線４２と、入力リセットパルスφＲＳを取り込み振幅減衰を行う振幅減衰部４３と、振幅減衰部４３の出力信号を所定時間だけ遅延する遅延部４４と、入力されるリセットドレイン電圧（＋１２Ｖの直流電圧）ＶＲＤと９遅延部４４の出力とを加算し加算結果をリセットドレイン電圧ＲＤとして出力する加算部４５とを備える。

図３は、図２に示す要部回路４１から出力されるリセットドレイン電圧ＲＤと、リセットパルスＲＳの波形図である。リセットパルスＲＳは入力リセットパルスφＲＳと同じである。

このリセットパルスφＲＳの振幅を減衰して（例えば＋３Ｖの振幅に減衰する。）、所定時間遅延させた信号を、入力リセットドレイン電圧ＶＲＤに加算すると、＋１２Ｖの直流電圧にパルス的に上記の＋３Ｖが加算された電圧値信号がリセットドレイン電圧ＲＤとして出力される。この加算された＋３Ｖのパルスの立ち下がりタイミングは、リセットパルスＲＳの立ち下がりタイミングより所定時間遅れた状態となる。

斯かるリセットパルスＲＳとリセットドレイン電圧ＲＤをＣＣＤ型固体撮像素子に印加すると、その出力部６の動作は図４に示す様になる。

先ず、図３の時刻Ｔ１（リセットドレイン電圧ＲＤのパルス部分がオン、リセットパルスがオンの状態）では、図４（ａ）に示す様に、リセットドレイン部１２には＋１５Ｖの高電圧が印加され、リセットゲート部１１の障壁が下がっているため、ＯＧ部（例えば、＋７〜８Ｖが印加される）８とＦＤ部９とのポテンシャル差はΔＶｍと大きくなっている。

次の時刻Ｔ２（リセットドレイン電圧ＲＤのパルス部分がオン、リセットパルスがオフの状態）では、図４（ｂ）に示す様に、リセットゲート部１１に印加されるリセットパルスの高電圧部分がリセットドレイン電圧ＲＤのパルス部分より先行して立ち下がりリセットゲート部１１の障壁が高くなる。これにより、ＯＧ部８とＦＤ部９とのポテンシャル差はΔＶｍに維持される。

次の時刻Ｔ３（リセットドレイン電圧ＲＤのパルス部分がオフ、リセットパルスがオフの状態）では、図４（ｃ）に示す様に、リセットドレイン部１２への印加電圧が＋１２Ｖに下げられる。この結果、リセットドレイン部１２のポテンシャルは低くなるが、ＦＤ部９のポテンシャルは、リセットゲート部１１の電位障壁によって維持され、ＯＧ部８とＦＤ部９とのポテンシャル差はΔＶｍに維持される。

これにより、次にＯＧ部８からＦＤ部９に信号電荷が流れ込む際の転送効率は高く維持される。しかも、リセットドレイン電圧ＲＤは、＋１５Ｖより低電圧化されパルス的に＋３Ｖをリセットドレイン電圧に重畳する構成のため、ＣＣＤ型固体撮像素子の低電圧駆動が実現され、デジタルカメラの省電力化につながる。

尚、図３に示す実施形態では、リセットドレイン電圧ＲＤのパルス部分の立ち上がりタイミングをリセットパルスの立ち上がりタイミングより遅くしているが、図３に一点鎖線で示す様に、リセットドレイン電圧ＲＤのパルス部分の立ち上がりタイミングをリセットパルスの立ち上がりタイミングに先行させる構成にしても良い。

本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法等は、出力段における低電圧駆動を実現できるため、デジタルカメラ等に搭載するＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法等として有用である。

本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動装置を搭載したデジタルカメラの機能構成図である。図１に示す駆動部の要部回路図である。図２の要部回路で生成したリセットドレイン電圧ＲＤとリセットパルスＲＳの波形図である。図３に示すリセットドレイン電圧ＲＤとリセットパルスＲＳとで駆動したＣＣＤ型固体撮像素子の出力部の動作説明図である。一般的なＣＣＤ型固体撮像素子の説明図である。図５に示すＣＣＤ型固体撮像素子の電荷が流れる通路のポテンシャル図である。従来のＣＣＤ型固体撮像素子の出力部の動作説明図である。

符号の説明

１ＣＣＤ型固体撮像素子
５水平転送路
６出力部
８アウトプットゲート部（ＯＧ部）
９フローティングディフュージョン部（浮遊拡散層：ＦＤ部）
１０出力アンプ
１１リセットゲート部（ＲＳ部）
１２リセットドレイン部（ＲＤ部）
４１駆動部の要部回路
４３振幅減衰部
４４信号遅延部
４５加算部

Claims

受光量に応じて光電変換素子が検出した信号電荷を受け取り転送する電荷転送路の端部に設けられ該端部からの前記信号電荷を受け取る浮遊拡散部と、該浮遊拡散部の信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する出力アンプ部と、該出力アンプ部が前記電圧値信号を出力した後の前記浮遊拡散部の信号電荷を廃棄するリセットドレイン部と、前記浮遊拡散部と前記リセットドレイン部との間に設けられリセットパルスに応じて前記浮遊拡散部の前記信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄するリセットゲート部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記浮遊拡散部の信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄するとき該リセットドレイン部に高電圧を印加し、該廃棄後であって次に前記浮遊拡散部の信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄する前に、前記リセットドレイン部への印加電圧を低電圧に変更することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
受光量に応じて光電変換素子が検出した信号電荷を受け取り転送する電荷転送路の端部に設けられ該端部からの前記信号電荷を受け取る浮遊拡散部と、該浮遊拡散部の信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する出力アンプ部と、該出力アンプ部が前記電圧値信号を出力した後の前記浮遊拡散部の信号電荷を廃棄するリセットドレイン部と、前記浮遊拡散部と前記リセットドレイン部との間に設けられリセットパルスに応じて前記浮遊拡散部の前記信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄するリセットゲート部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置において、前記リセットドレイン部に印加するリセットドレイン電圧をパルス電圧とし該パルス電圧の立ち下がりタイミングを前記リセットパルスの立ち下がりタイミングより所要時間遅延させて印加する駆動手段を備えることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置。
前記パルス電圧を前記リセットパルスから生成する手段を備えることを特徴とする請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置。
前記パルス電圧は、直流電圧と、該直流電圧に重畳するパルス電圧部分とで構成され、該パルス電圧部分が、前記リセットパルスを所定時間遅延させた信号から生成されることを特徴とする請求項３に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置。
受光量に応じて光電変換素子が検出した信号電荷を受け取り転送する電荷転送路の端部に設けられ該端部からの前記信号電荷を受け取る浮遊拡散部と該浮遊拡散部の信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する出力アンプ部と該出力アンプ部が前記電圧値信号を出力した後の前記浮遊拡散部の信号電荷を廃棄するリセットドレイン部と前記浮遊拡散部と前記リセットドレイン部との間に設けられリセットパルスに応じて前記浮遊拡散部の前記信号電荷を前記リセットドレイン部に廃棄するリセットゲート部とを有するＣＣＤ型固体撮像素子と、請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動装置とを備えることを特徴とする撮像装置。