JP2007201800A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＣＤ型固体撮像素子の受光面全面のうちの所定部分領域の信号電荷だけを出力させる。
【解決手段】 半導体基板表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子１０１と、光電変換素子１０１の各々が受光量に応じて検出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送路１０２と、垂直転送路１０２の各々によって転送されてきた信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送路１０４と、垂直転送路１０２の各々の水平転送路１０４に接続される端部に設けられ垂直転送路１０２上の信号電荷を半導体基板に廃棄する電荷排出部１１０とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、複数の電荷排出部を水平転送路１０４に沿う方向にグループ分け（１１０Ｌ，Ｍ，Ｒ）すると共に電荷排出部をグループ毎に異なるタイミングφＶＤｒ１，２，３で駆動させる配線を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明はＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）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係り、特に、オートフォーカス処理やデジタルズーム処理等を高速に行うことが可能な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。

近年のＣＣＤ型固体撮像素子は多画素化が進展し、数百万画素以上を搭載するのが普通になってきている。この様なＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラでオートフォーカス（ＡＦ）処理を行う場合、画面全体の全画素の信号電荷を読み出してメモリに格納すると共にこのメモリから画面中央部の画像データのみ切り出してその画像のコントラストを求めるという処理を繰り返すことで、コントラストがピークを示すフォーカスレンズ位置を決めることになる。

このＡＦ処理はＣＣＤ型固体撮像素子の画素数が増大するほど時間がかかり、その間に被写体が動いてしまうという問題が生じる。そこで、下記特許文献１記載の従来技術では、ＣＣＤ型固体撮像素子の垂直転送路と水平転送路との接続部分に、垂直転送路の転送電極及び水平転送路の転送電極に接続された電荷排出部を設け、電荷転送路上の信号電荷を任意の列単位及び任意の行単位で基板側に廃棄できる様にしている。

そして、ＡＦ処理を行う場合には、ＡＦ処理に必要な画素の信号電荷のみをＣＣＤ型固体撮像素子から読み出し、他の画素の信号電荷は電荷排出部によって廃棄することで、高速なＡＦ処理を可能としている。

特開２００３―１５３０８６号公報

ＣＣＤ型固体撮像素子の受光面中の任意部分領域の信号電荷だけを読み出し他の画素の信号電荷をＣＣＤ型固体撮像素子から読み出す前に廃棄できれば、それだけ処理の簡易化と高速化を図ることが可能となる。

しかし、特許文献１に記載されている電荷排出部の構成は、特許文献１に従来技術として記載されている既存の電荷排出部の構成に比較して複雑なため、ＣＣＤ型固体撮像素子の製造コストが嵩み、また、電荷排出部の駆動タイミングを垂直転送路及び水平転送路の各転送タイミングと精度良く協調させなければならず、タイミングの設計が複雑になるという問題がある。

本発明の目的は、受光面中の部分領域の信号電荷だけを読み出すことを可能にする電荷排出部の構成を低コストで実現しその駆動タイミングの設計も容易にできるＣＣＤ型固体撮像素子及びその駆動方法並びにこのＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラを提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、該光電変換素子の各々が受光量に応じて検出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送路と、該垂直転送路の各々によって転送されてきた前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送路と、前記垂直転送路の各々の前記水平転送路に接続される端部に設けられ該垂直転送路上の前記信号電荷を前記半導体基板に廃棄する電荷排出部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、前記複数の電荷排出部を前記水平転送路に沿う方向にグループ分けすると共に前記電荷排出部を前記グループ毎に異なるタイミングで駆動させる配線を設けたことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、前記水平転送路が前記電荷排出部の前記グループ毎に分割して設けられることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、上記記載のＣＣＤ型固体撮像素子を駆動する駆動方法において、電荷排出電圧を該当する前記グループの前記電荷排出部に供給し該電荷排出電圧を印加しないグループの前記電荷排出部を有する前記垂直転送路上の前記信号電荷を前記水平転送路に移し水平方向に転送することを特徴とする。

本発明のデジタルカメラは、上記記載のＣＣＤ型固体撮像素子と、電荷排出電圧を該当する前記グループの前記電荷排出部に供給し該電荷排出電圧を印加しないグループの前記電荷排出部を有する前記垂直転送路上の前記信号電荷を前記水平転送路に移し水平方向に転送するＣＣＤ型固体撮像素子駆動部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光面全面のうちの所定部分領域だけの信号電荷を利用する場合に、電荷排出部への印加電圧（電荷排出電圧）をグループ毎に制御するだけで所望の部分領域のみの信号電荷だけを撮像素子から容易に読み出すことが可能となる。

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。

（第１実施形態）
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ブロック構成図である。このデジタルカメラは、撮像部１と、撮像部１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２と、アナログ信号処理部２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）３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）９からの指示によってＡ／Ｄ３，アナログ信号処理部２，撮像部１の駆動制御を行う駆動部（転送パルスφＨ，φＶおよびドレイン電圧制御パルスφＶＤｒの各タイミングを発生するジェネレータＴＧを含む。）４と、ＣＰＵ９からの指示によって発光するフラッシュ５とを備える。

撮像部１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系１ａと、該光学レンズ系１ａを通った光を絞る絞りやメカニカルシャッタ１ｂと、光学レンズ系１ａ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ＣＣＤ型固体撮像素子１００とを備える。

本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ３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６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７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８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）９と、フレームメモリ等の内部メモリ１０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア１２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１１と、これらを相互に接続するバス２０とを備え、また、システム制御部９には、ユーザからの指示入力を行う操作部１３が接続されている。

このデジタルカメラは、例えばＡＦ処理を行う場合に、システム制御部９が駆動部４に対してＣＣＤ型固体撮像素子１００の部分領域（フォーカスを合わす領域）からの部分画像データの読み出し指示を後述する様にして行う。そして、撮像レンズ１ａを構成するフォーカスレンズの位置を１ステップづつ移動させながら次々と撮像処理を行い、各撮像においてＣＣＤ型固体撮像素子１００の部分領域から読み出された部分画像データのコントラストを算出し、コントラストがピークを示すフォーカスレンズ位置を決定する。

図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１００の表面模式図である。図示する例のＣＣＤ型固体撮像素子の半導体基板上には、多数のフォトダイオード１０１が二次元アレイ状（図示の例では正方格子状）に配列形成されており、フォトダイオード１０１の各列に沿って垂直転送路（ＶＣＣＤ）１０２が形成されている。垂直転送路１０２は、駆動部４からの垂直転送パルスφＶによって駆動される。

半導体基板の下辺部には水平転送路（ＨＣＣＤ）１０４が設けられ、各垂直転送路１０２によって垂直方向に転送されてきた信号電荷を受け取り、この信号電荷を次に水平方向に転送し、出力段に設けられたアンプ１０５が信号電荷量に応じた電圧値信号を画像データとして出力する構成となっている。水平転送路１０４は、駆動部４からの水平転送パルスφＨによって駆動される。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いて説明しているが、これは、半導体基板の表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角方向」という意味である。

本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子１００には、垂直転送路１０２の端部かつ水平転送路１０４の手前側に、一行に並ぶ電荷排出部１１０（１１０Ｌ，１１０Ｍ，１１０Ｒ）が設けられている。

電荷排出部（垂直転送路ＶＣＣＤに設けられた電荷ドレイン部であるため、以下、Ｖドレインともいう。）１１０は、１列の垂直転送路１０２に対して１個づつ設けられるが、本実施形態では、全列の垂直転送路１０２を３等分し、左１／３領域にある電荷排出部を「１１０Ｌ」のグループ，真ん中１／３領域にある電荷排出部を「１１０Ｍ」のグループ，右１／３領域にある電荷排出部を「１１０Ｒ」のグループとしている。

電荷排出部１１０Ｌは駆動部４から出力されるタイミングφＶＤｒ１で駆動され、電荷排出部１１０ＭはタイミングφＶＤｒ２で駆動され、電荷排出部１１０ＲはタイミングφＶＤｒ３で駆動される。各タイミングφＶＤＲ１，２，３は、同一タイミングとなる場合もあり、異なるタイミングになる場合もある。

図３（ａ）は、電荷排出部１１０Ｌの拡大表面模式図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ―Ｂ線位置におけるポテンシャル図である。垂直転送路１０２は、半導体基板表面部に設けられた埋め込みチャネルと、その上に絶縁層を介して積層された垂直転送電極膜とで構成されるが、各垂直転送路１０２の水平転送路１０４に接続される垂直転送電極最終段位置において、少し離れた側部に高濃度不純物領域（ドレイン領域）１１０Ｄが設けられる。

そして、ドレイン領域１１０Ｄと垂直転送路（ＶＣＣＤ）１０２との間の絶縁層の上にＭＯＳＦＥＴゲート１１０Ｆが設けられ、このＭＯＳＦＥＴゲート１１０Ｆにドレイン電圧φＶＤｒが印加されたタイミングで、ＭＯＳＦＥＴゲート１１０Ｆ脇の垂直転送路１０２にある信号電荷が、ドレイン領域１１０Ｄに排出される構成となっている。

この電荷排出部１１０の構成は、既存の電荷排出部（特許文献１に従来技術として記載されている電荷排出部）の構成と同じであるが、既存の電荷排出部が、横一行の全ての電荷排出部に対して同一タイミングのドレイン電圧が印加される構成になっているのに対し、本実施形態の電荷排出部は、電荷排出部１１０Ｌ，１１０Ｍ，１１０Ｒ毎にドレイン電圧φＶＤｒ１，２，３が印加され、電荷排出部１１０Ｌ，１１０Ｍ，１１０Ｒ毎に駆動される配線接続構成となっている。

図４は、本実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子１００のオートフォーカス（ＡＦ）時の駆動方法説明図である。ＣＣＤ型固体撮像素子１００によって撮像される全受光面５０に対して、焦点を合わせたい被写体画像が中央部の領域（合焦評価領域）５１にあるとする。焦点を合わせたい被写体画像が存在する合焦評価領域を、ユーザが図１の操作部１３から指定することでも良い。

図１のシステム制御部９は駆動部４に対して指令を出力し、この指令に基づき、駆動部４は、フォトダイオード１０１の信号電荷を垂直転送路１０２に読み出す読出パルスや、この信号電荷を垂直転送路１０２に沿って転送させる垂直転送パルスφＶ、水平転送路１０４に沿って転送させる水平転送パルスφＨをＣＣＤ型固体撮像素子１００に供給する。

これと同時に、駆動部４は、電荷排出部１１０Ｌ，１１０Ｒに対してドレイン電圧φＶＤｒ１，３を出力する。これにより、受光面５０の左側領域５２の信号電荷は、垂直転送路１０２の端部まで転送されてきた時点で電荷排出部１１０Ｌによって基板側に掃き捨てられ、受光面５０の右側領域５３の信号電荷は、垂直転送路１０２の端部まで転送されてきた時点で電荷排出部１１０Ｒによって基板側に掃き捨てられる。

受光面５０の中央領域においては、水平転送路１０４に近い側の領域５４の信号電荷が電荷排出部１１０Ｍまで転送される間は電荷排出部１１０Ｍに対してドレイン電圧φＶＤｒ２を出力して該領域５４の信号電荷を基板側に排出し、合焦評価領域５１の信号電荷が水平転送路１０４に移る直前にドレイン電圧φＶＤｒ２をオフとする。

そして、合焦評価領域５１の信号電荷が水平転送路１０４に移動され水平方向に転送された後の領域５５の信号電荷が電荷排出部１１０Ｍに達した後は、ドレイン電圧φＶＤｒ２を電荷排出部１１０Ｍに印加する。これにより、合焦評価領域５１の信号電荷だけが水平転送路１０４に移動し、アンプから信号電荷量に応じた電圧値信号が出力される。

システム制御部９は、撮像レンズ１ａを構成するフォーカスレンズ位置を１ステップづつ移動させながら合焦評価領域５１の部分画像データのコントラストを評価し、コントラストがピークとなるフォーカスレンズ位置を定める。

（第２実施形態）
図５は、本発明の別実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。図２に示す実施形態では、１本の長手の水平転送路１０４に対して電荷排出部１１０を、左側領域１１０Ｌ，中央領域１１０Ｍ，右側領域１１０Ｒの３グループに分けたが、本実施形態では、これらの電荷排出部１１０のグループ１１０Ｌ，１１０Ｍ，１１０Ｒに対応して、水平転送路を３つの短手の水平転送路１０４Ｌ，１０４Ｍ，１０４Ｒに分け、出力アンプ１０５Ｌ，１０５Ｍ，１０５Ｒも各水平転送路１０４Ｌ，１０４Ｍ，１０４Ｒ毎に設けた点が異なる。水平転送路を複数の水平転送路に分ける技術は、例えば特許第２７８５７８２号公報に記載されている。

図６は、本実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動タイミングを示す波形図である。本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子では、図４の領域５２の信号電荷は、垂直転送路１０２によって転送されてくるが、これらは電荷排出部１１０Ｌで廃棄される。また同様に、領域５３の信号電荷も電荷排出部１１０Ｒで廃棄される。従って、水平転送路１０４Ｌ，１０４Ｒは転送駆動する必要が無いため、休止される。

領域５４，５１，５５の信号電荷は、垂直転送路に沿って水平転送路１０４Ｍに転送されるが、このとき領域５４，５５の信号電荷は電荷排出部１１０Ｍで廃棄され、この廃棄中は、水平転送路１０４Ｍは休止される。そして、合焦評価領域５１の信号電荷が水平転送路１０４Ｍに移されるとき水平転送路１０４Ｍは転送動作を開始し、水平転送路１０４Ｍに移された信号電荷は水平方向に転送され、出力アンプ１０５Ｍが信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する。

この様に、本実施形態では、合焦に不要な画素の信号電荷の水平転送路における転送を休止するため、省電力を図ることが可能となり、また、合焦評価領域５１に対応した水平転送路１０４Ｍのみ転送駆動を行うため、水平転送路１０４Ｍから画像データを出力する時間を第１実施形態に比較して更に短縮することが可能となる。

尚、上述した各実施形態では、ＡＦ動作時に合焦評価領域の部分画像のみをＣＣＤ型固体撮像素子から読み出したが、例えばデジタルズームした画像（図４の受光面全面の画像ではなく、部分画像）をＣＣＤ型固体撮像素子から読み出す場合にも適用可能である。

本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子は多画素化が図られても省電力高速駆動が可能となるため、デジタルカメラ等に搭載するＣＣＤ型固体撮像素子として有用である。

本発明の第１実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。 図１に示す第１実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 （ａ）は図２に示す要部の拡大表面模式図である。 （ｂ）は図３（ａ）のＢ―Ｂ線断面位置のポテンシャル図である。 本発明の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の動作説明図である。 本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動タイミング波形図である。

符号の説明

４ 駆動部
９ システム制御部
１００ ＣＣＤ型固体撮像素子
１０１ フォトダイオード（光電変換素子）
１０２ 垂直転送路（ＶＣＣＤ）
１０４，１０４Ｌ，１０４Ｍ，１０４Ｒ 水平転送路（ＨＣＣＤ）
１０５，１０５Ｌ，１０５Ｍ，１０５Ｒ 出力アンプ
１１０ 電荷排出部
１１０Ｌ，１１０Ｍ，１１０Ｒ 電荷排出部のグループ
１１０Ｄ ドレイン部
１１０Ｆ ＭＯＳＦＥＴゲート
ＶＤｒ１，ＶＤｒ２，ＶＤｒ３ ドレイン電圧（電荷排出電圧）

Claims (4)

1. 半導体基板表面部に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、該光電変換素子の各々が受光量に応じて検出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送路と、該垂直転送路の各々によって転送されてきた前記信号電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送路と、前記垂直転送路の各々の前記水平転送路に接続される端部に設けられ該垂直転送路上の前記信号電荷を前記半導体基板に廃棄する電荷排出部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、前記複数の電荷排出部を前記水平転送路に沿う方向にグループ分けすると共に前記電荷排出部を前記グループ毎に異なるタイミングで駆動させる配線を設けたことを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子。
2. 前記水平転送路が前記電荷排出部の前記グループ毎に分割して設けられることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子を駆動する駆動方法において、電荷排出電圧を該当する前記グループの前記電荷排出部に供給し該電荷排出電圧を印加しないグループの前記電荷排出部を有する前記垂直転送路上の前記信号電荷を前記水平転送路に移し水平方向に転送することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
4. 請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子と、電荷排出電圧を該当する前記グループの前記電荷排出部に供給し該電荷排出電圧を印加しないグループの前記電荷排出部を有する前記垂直転送路上の前記信号電荷を前記水平転送路に移し水平方向に転送するＣＣＤ型固体撮像素子駆動部とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。

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