JP2008005213A - Solid-state imaging device and driving method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換により撮像を行う固体撮像装置およびその駆動方法に関し、特に、CCD(charge coupled device)型の固体撮像装置およびその駆動方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device that performs imaging by photoelectric conversion and a driving method thereof, and more particularly to a charge coupled device (CCD) type solid-state imaging device and a driving method thereof.
CCDイメージセンサに代表される従来の固体撮像装置には、カラー画像を得るために、可視光(波長:約380nm〜770nm)中の特定の波長帯の光を受光素子(フォトダイオード)に入射させるように、カラーフィルタ(例えば、赤、緑、青の3原色の光を透過させる原色カラーフィルタ)が設けられている。しかし、カラーフィルタは、赤外光(波長:約800nm〜1500nm)に対してはある程度の透過性を有し、受光素子は、可視光だけでなく赤外光にも感度を有するため、カラーフィルタに入射した赤外光の一部は、受光素子によって受光されてしまう。このため、デジタルカメラなどでは、不要な赤外光を遮断するために、IR(Infrared)カットフィルタを固体撮像装置の入射面側に配設している。 In a conventional solid-state imaging device typified by a CCD image sensor, light in a specific wavelength band in visible light (wavelength: about 380 nm to 770 nm) is incident on a light receiving element (photodiode) in order to obtain a color image. Thus, a color filter (for example, a primary color filter that transmits light of three primary colors of red, green, and blue) is provided. However, the color filter has a certain degree of transparency to infrared light (wavelength: about 800 nm to 1500 nm), and the light receiving element is sensitive not only to visible light but also to infrared light. Part of the infrared light incident on the light is received by the light receiving element. For this reason, in a digital camera or the like, an IR (Infrared) cut filter is disposed on the incident surface side of the solid-state imaging device in order to block unnecessary infrared light.
ところで、近年、固体撮像装置の用途が大きく広がり、固体撮像装置を、赤外光の受光センサとして積極的に利用する技術が出現している。下記の特許文献1,2には、発光部から赤外光を被写体に照射した後、被写体から反射されてくる反射光を、高速シャッタを介して固体撮像装置によって撮像することにより、被写体の距離情報を取得する技術が開示されている。特許文献1に記載の技術では、発光部からパルス状の赤外光を被写体に照射し、被写体距離に応じて遅延する各反射成分を受光することで、被写体の距離情報を取得している。一方、特許文献2に記載の技術では、赤外発光部からサイン波変調した赤外光を照射し、このサイン波に対して一定間隔で位相をずらした画像を取得することで被写体の距離情報を取得している。また、特許文献1,2では、可視光による通常の画像とともに、画像中の被写体の距離情報を取得することを目的としている。
しかしながら、上記の特許文献1,2に記載の技術では、赤外光の受光に用いられる固体撮像装置は、赤外光の受光のみを行うセンサとして構成されているため、可視光の通常画像を得るためには、通常の固体撮像装置が別途必要であるとともに、被写体光を可視光と赤外光とに分離し、各固体撮像装置へ導くためのプリズムなども必要である。 However, in the techniques described in Patent Documents 1 and 2 described above, the solid-state imaging device used for receiving infrared light is configured as a sensor that receives only infrared light. In order to obtain this, a normal solid-state imaging device is separately required, and a prism for separating the subject light into visible light and infrared light and guiding them to each solid-state imaging device is also required.
また、上記の特許文献1,2に記載の技術では、赤外光の照射後、所定の距離範囲の被写体からの反射される極短い時間幅の光のみを受光するために、高速動作を行う電気光学シャッタやイメージ・インテンシファイア等のシャッタ装置を用いて露光時間(シャッタ速度)を制御しているが、これらのシャッタ装置は、駆動時に高電圧が要され、また、高価であるといった欠点がある。 In the techniques described in Patent Documents 1 and 2 described above, high-speed operation is performed in order to receive only light with a very short time width reflected from a subject within a predetermined distance range after irradiation with infrared light. The exposure time (shutter speed) is controlled using a shutter device such as an electro-optical shutter or an image intensifier. However, these shutter devices require a high voltage during driving and are expensive. There is.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、単板構成にて可視光および赤外光を受光することができるとともに、上記のようなシャッタ装置を必要とせず、赤外光の露光時間を、可視光の露光時間とは独立して制御を行うことができる固体撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and can receive visible light and infrared light with a single plate configuration, and does not require the shutter device as described above, and exposure of infrared light. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device capable of controlling the time independently of the exposure time of visible light and a driving method thereof.
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、一導電型半導体基板の表層に形成された反対導電型ウェル層中に各部が形成されてなる固体撮像装置において、可視光の3原色のうちの第1色光を受光して信号電荷を蓄積する第1受光部と、前記3原色のうちの第2色光を受光して信号電荷を蓄積する第2受光部と、前記3原色のうちの第3色光を受光して信号電荷を蓄積する第3受光部と、赤外光を受光して信号電荷を蓄積する第4受光部と、前記第1〜第4受光部の信号電荷を前記一導電型半導体基板に掃き捨てる縦型オーバーフロードレインと、前記第4受光部の信号電荷を、掃き捨てゲートを介して前記反対導電型ウェル層に形成された一導電型のドレイン領域に掃き捨てる横型オーバーフロードレインと、前記第1〜第4受光部から信号電荷を読み出す読み出しゲートと、前記読み出しゲートによって読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から各信号電荷を受け取り、水平転送を行う水平転送部と、前記水平転送部によって水平転送された各信号電荷を電荷量に応じた画素信号に変換して出力を行う信号出力部と、を備えることを特徴とする。なお、一導電型とは、n型またはp型のいずれか一方の導電型であり、反対導電型とは、一導電型とは反対の導電型である。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device in which each part is formed in an opposite conductivity type well layer formed on a surface layer of one conductivity type semiconductor substrate. A first light receiving unit that receives the first color light and accumulates signal charges, a second light receiving unit that receives the second color light among the three primary colors and accumulates signal charges, and among the three primary colors A third light receiving portion that receives the third color light and accumulates signal charges, a fourth light receiving portion that receives infrared light and accumulates signal charges, and the signal charges of the first to fourth light receiving portions are A vertical overflow drain that sweeps away to one conductivity type semiconductor substrate, and a horizontal type that sweeps the signal charge of the fourth light receiving portion to a drain region of one conductivity type formed in the opposite conductivity type well layer via a sweep gate. An overflow drain and the first to fourth receptacles; A readout gate that reads out signal charges from the unit, a vertical transfer unit that vertically transfers the signal charges read out by the readout gate, a horizontal transfer unit that receives each signal charge from the vertical transfer unit and performs horizontal transfer, and And a signal output unit configured to convert each signal charge horizontally transferred by the horizontal transfer unit into a pixel signal corresponding to the charge amount and output the pixel signal. The one conductivity type is one of n-type and p-type conductivity, and the opposite conductivity type is the opposite conductivity type to the one conductivity type.
本発明の固体撮像装置において、前記掃き捨てゲートおよび前記読み出しゲートは、垂直転送部の転送電極によって制御されることが好ましい。また、前記第1〜第4受光部は、それぞれ4画素に1つの割合で均等に平面配列されていることが好ましい。また、前記ドレイン領域は、前記第1〜第4受光部の1垂直列を間に挟んで、前記垂直転送部と対向するように配置されていることが好ましい。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that the sweep gate and the readout gate are controlled by a transfer electrode of a vertical transfer unit. Further, it is preferable that the first to fourth light receiving portions are evenly arranged in a plane at a rate of one for every four pixels. The drain region is preferably arranged so as to face the vertical transfer unit with one vertical column of the first to fourth light receiving units interposed therebetween.
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、前記固体撮像装置の駆動方法において、前記縦型オーバーフロードレインによる前記第1〜第4受光部からの信号電荷の掃き捨て、前記横型オーバーフロードレインによる前記第4受光部からの信号電荷の掃き捨て、前記読み出しゲートによる前記第1〜第4受光部からの信号電荷の読み出しの順に前記固体撮像装置を駆動することにより、前記第1〜第3受光部による可視光の露光時間と、前記第4受光部による赤外光の露光時間とを異ならせることを特徴とする。 The solid-state imaging device driving method of the present invention is the solid-state imaging device driving method, wherein the vertical overflow drain sweeps out signal charges from the first to fourth light receiving units, and the horizontal overflow drain uses the horizontal overflow drain. By driving the solid-state imaging device in the order of sweeping out signal charges from the fourth light receiving unit and reading signal charges from the first to fourth light receiving units by the readout gate, the first to third light receiving units are driven. The visible light exposure time due to the above and the infrared light exposure time due to the fourth light receiving portion are made different.
本発明の固体撮像素子は、単板構成にて、可視光および赤外光を受光することができるとともに、従来のようなシャッタ装置を用いることなく、電子シャッタ方式にて、赤外光の露光時間を、可視光の露光時間とは独立して制御を行うことができる。 The solid-state imaging device of the present invention can receive visible light and infrared light with a single plate configuration, and can also expose infrared light with an electronic shutter system without using a conventional shutter device. The time can be controlled independently of the exposure time of visible light.
図1において、本発明に係わる固体撮像装置10は、青色(B)光を受光してB信号電荷を蓄積するB受光部11aと、緑色(G)光を受光してG信号電荷を蓄積するG受光部11bと、赤色(R)光を受光してR信号電荷を蓄積するR受光部11cと、赤外(IR)光を受光してIR信号電荷を蓄積するIR受光部11dと、受光部11a〜11dから信号電荷を読み出す読み出しゲート(RG)12a〜12dと、信号電荷を垂直転送する垂直CCD13と、信号電荷を水平転送する水平CCD14と、信号電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプ15と、IR受光部11dに接続された掃き捨てゲート(EG)16と、IR受光部11dの信号電荷が掃き捨てられるドレイン領域17とから構成された、インターライン転送方式のCCDイメージセンサである。なお、EG16とドレイン領域17とによって横型オーバーフロードレイン(LOD)が構成されている。また、受光部11a〜11d下には、後述するpウェル層21の薄部21a〜21dとn型半導体基板20とによって縦型オーバーフロードレイン(VOD)が構成されている。
In FIG. 1, a solid-
受光部11a〜11dは、垂直方向(V方向)および水平方向(H方向)に沿って平面配列され、全体としては正方格子状配列となっている。B受光部11aには“B”、G受光部11bには“G”、R受光部11cには“R”、IR受光部11dには“IR”を付して配列順を示している。垂直方向には、B,IR,G,R,B,IR,・・・の順に受光部11a〜11dが配列されており、奇数行と偶数行とで配列周期が半周期(2画素分)ずれている。これにより、水平方向は、B受光部11aとG受光部11bとが交互に配列された奇数行と、IR受光部11dとR受光部11cとが交互に配列された偶数行とからなる。各受光部11a〜11dは、4画素に1つの割合で均等に配列されている。
The light receiving
垂直CCD13は、受光部11a〜11dの垂直列ごとに配設されており、垂直CCD13と各受光部11a〜11dとの間には、RG12a〜12dがそれぞれ設けられている。各受光部11a〜11dからは、B,G,R,IRの各信号電荷がRG12a〜12dを介して垂直CCD13に読み出される。垂直CCD13は、RG12a〜12dを介して読み出された各信号電荷を水平CCD14に向けて1行ずつ垂直転送を行う。垂直CCD13の垂直転送は、図2に示すように、画素の1水平行につき2本ずつ設けられた4種の垂直転送電極18a〜18dに印加される垂直転送パルスVφ1〜Vφ4により、4相駆動によって制御される。垂直転送電極18a〜18dのうち、第1相の垂直転送パルスVφ1が印加される垂直転送電極18aは、RG12a,12bの読み出しゲート電極として兼用されている。また、第3相の垂直転送パルスVφ3が印加される垂直転送電極18cは、RG12c,12dの読み出しゲート電極として兼用されている。さらに、第4相の垂直転送パルスVφ4が印加される垂直転送電極18dは、EG16の掃き捨てゲート電極として兼用されている。
The
水平CCD14は、水平転送電極(図示せず)に印加される水平転送パルスHφ1,Hφ2により2相駆動され、垂直CCD13から転送された1行分の信号電荷を、出力アンプ15に向けて水平転送する。出力アンプ15は、例えば、フローティング・ディフュージョン・アンプからなり、水平CCD14から転送された信号電荷を検出して電荷量に応じた電圧信号に変換し、各受光部11a〜11dに対応した画素信号を時系列的に出力する。
The
ドレイン領域17は、受光部11a〜11dの垂直列ごとに配設されており、同一列に属するIR受光部11dにRG12dを介して共通に接続されている。ドレイン領域17は、EG16を介してIR受光部11dに接続されており、IR受光部11dから信号電荷が掃き捨てられる。
The
なお、図1中の矩形領域19は、1つの画素(ピクセル)領域を示している。
Note that the
図3は、図1のI−I線に沿う、B受光部11aを含む画素の断面を示す。n型半導体基板(n型シリコン基板)20の表層には、pウェル層21が形成されており、pウェル層21の深部には、n型半導体層からなるB信号電荷蓄積部22が形成されている。B信号電荷蓄積部22は、遮光膜23の開口23a下に層状に広がっており、水平方向の一端は、pウェル層21の表面に達している。
FIG. 3 shows a cross section of the pixel including the B
B信号電荷蓄積部22とその下のpウェル層21との界面に形成されるpn接合部22aが、B光を光電変換してB信号電荷を生成するフォトダイオードとなっている。このpn接合部22aは、波長が短く、pウェル層21の表面からの侵入距離が短いB光に対して高い感度を有するように、比較的浅い位置に形成されている。pウェル層21は、B信号電荷蓄積部22下において薄く形成されており、この薄部21aが、VODの電位障壁として機能する。n型半導体基板20に、基板電圧としてVODパルスが印加されると、薄部21aの電位障壁が低下し、B信号電荷蓄積部22内の信号電荷がn型半導体基板20へ掃き出される。
A
開口23a下のpウェル層21の表層には、暗電流成分の発生を抑制するために高濃度にp型不純物が注入されたp+層24が形成されている。また、遮光膜23下のpウェル層21の表層には、n型半導体層からなる転送チャネル25、およびn+型半導体層からなるドレイン領域17が形成されており、転送チャネル25とドレイン領域17とは、p+型半導体層からなる画素分離部26によって分離されている。
In the surface layer of the
転送チャネル25は、pウェル層21を介してB信号電荷蓄積部22と離間しており、この離間部分および転送チャネル25の上方には、全面に形成された透明なゲート絶縁膜27を介して、前述の垂直転送電極18aが形成されている。転送チャネル25は、垂直方向(図1のV方向)に延設されており、その上方に交差する垂直転送電極18a〜18dとによって、前述の4層駆動の垂直CCD13を構成している。また、転送チャネル25とB信号電荷蓄積部22との離間部分は、その上方の垂直転送電極18aとによって、前述のRG12aを構成している。B信号電荷蓄積部22のB信号電荷は、垂直転送電極18aに高電圧の読み出しパルスが印加されると、上記離間部分を介して転送チャネル25に移送され、垂直転送電極18a〜18cに印加される垂直転送パルスVφ1〜Vφ4に応じて転送チャネル25内を移動する。
The
ドレイン領域17は、遮光膜23下に延設されたp+層24の延設部分24aを介してB信号電荷蓄積部22と離間されており、この離間部分およびドレイン領域17の上方には、ゲート絶縁膜27を介して、前述の垂直転送電極18aが形成されている。p+層24の延設部分24aは、チャネルストッパとして機能するため、垂直転送電極18aに読み出しパルスが印加されたとしても、その部分にチャネルは形成されず、B信号電荷蓄積部22内の信号電荷がドレイン領域17へ掃き出されることはない。
The
遮光膜23は、層間絶縁膜28を介して、垂直転送電極18a〜18d上を覆っており、前述のフォトダイオードに光を入射させる開口23aが形成されている。遮光膜23および開口23aから露出したゲート絶縁膜27の上には、透明絶縁体からなる平坦化層29が形成されている。そして、平坦化層29の上には、波長に応じて選択的に光を透過させる分光層30が形成されている。
The
分光層30は、画素ごとに区分けされた複数種類の光学フィルタによって構成されており、本画素の平坦化層29上には、可視光からB光(波長:約400nm〜500nm)のみを透過させるBフィルタ30aと、IR光(波長:約800nm〜1500nm)を遮断するIRカットフィルタ30bとが順に積層されている。さらに、分光層30の上には、開口23a内へ光を集光するためのマイクロレンズ31が形成されている。
The
図4は、図1のII−II線に沿う、G受光部11bを含む画素の断面を示す。本画素は、信号電荷蓄積部と光学フィルタの構成以外は、図3と同一であるため、異なる部分のみについて説明を行う。
FIG. 4 shows a cross section of the pixel including the G
本画素において、開口23a下のpウェル層21中には、G信号電荷蓄積部32が形成されている。G信号電荷蓄積部32とその下のpウェル層21との界面に形成されるpn接合部32aが、G光を光電変換してG信号電荷を生成するフォトダイオードとなっている。このpn接合部32aは、B光より波長が長く、pウェル層21内へより深く侵入するG光に対して高い感度を有するように、上記のpn接合部22aより深い位置に形成されている。pウェル層21は、G信号電荷蓄積部32下において薄く形成されており、この薄部21bが、VODの電位障壁として機能する。n型半導体基板20にVODパルスが印加されると、薄部21bの電位障壁が低下し、G信号電荷蓄積部32内の信号電荷がn型半導体基板20へ掃き出される。
In this pixel, a G signal
G信号電荷蓄積部32は、端部が表面に達しており、転送チャネル25とpウェル層21を介して離間している。この離間部分は、その上方の垂直転送電極18aとによって、RG12bを構成している。また、G信号電荷蓄積部32は、チャネルストッパとして機能するp+層24の延設部分24aを介してドレイン領域17から離間されており、G信号電荷蓄積部32内の信号電荷がドレイン領域17へ掃き出されることはない。
The end portion of the G signal
そして、本画素の平坦化層29上には、可視光からG光(波長:約500nm〜600nm)のみを透過させるGフィルタ30cと、前述のIRカットフィルタ30bとが順に積層されており、IRカットフィルタ30bの上には、マイクロレンズ31が積層されている。
On the
図5は、図1のIII−III線に沿う、R受光部11cを含む画素の断面を示す。本画素は、信号電荷蓄積部と光学フィルタの構成以外は、図3,4と同一であるため、異なる部分のみについて説明を行う。
FIG. 5 shows a cross section of the pixel including the R
本画素において、開口23a下のpウェル層21中には、R信号電荷蓄積部33が形成されている。R信号電荷蓄積部33とその下のpウェル層21との界面に形成されるpn接合部33aが、R光を光電変換してR信号電荷を生成するフォトダイオードとなっている。このpn接合部33aは、G光より波長が長く、pウェル層21内へより深く侵入するR光に対して高い感度を有するように、上記のpn接合部32aより深い位置に形成されている。pウェル層21は、R信号電荷蓄積部33下において薄く形成されており、この薄部21cが、VODの電位障壁として機能する。n型半導体基板20にVODパルスが印加されると、薄部21cの電位障壁が低下し、R信号電荷蓄積部33内の信号電荷がn型半導体基板20へ掃き出される。
In this pixel, an R signal
R信号電荷蓄積部33は、端部が表面に達しており、転送チャネル25とpウェル層21を介して離間している。この離間部分は、その上方の垂直転送電極18cとによって、RG12cを構成している。また、R信号電荷蓄積部33は、チャネルストッパとして機能するp+層24の延設部分24aを介してドレイン領域17から離間されており、R信号電荷蓄積部33内の信号電荷がドレイン領域17へ掃き出されることはない。
The end of the R signal
そして、本画素の平坦化層29上には、可視光からR光(波長:約600nm〜700nm)のみを透過させるRフィルタ30dと、前述のIRカットフィルタ30bとが順に積層されており、IRカットフィルタ30bの上には、マイクロレンズ31が積層されている。
On the
図6は、図1のIV−IV線に沿う、IR受光部11dを含む画素の断面を示す。本画素は、信号電荷蓄積部と光学フィルタの構成、およびEG16が設けられていること以外は、図3〜図5と同一であるため、異なる部分のみについて説明を行う。
FIG. 6 shows a cross section of the pixel including the IR
本画素において、開口23a下のpウェル層21中には、IR信号電荷蓄積部34が形成されている。IR信号電荷蓄積部34とその下のpウェル層21との界面に形成されるpn接合部34aが、IR光を光電変換してIR信号電荷を生成するフォトダイオードとなっている。このpn接合部33aは、R光より波長が長く、pウェル層21内へより深く侵入するIR光に対して高い感度を有するように、上記のpn接合部33aより深い位置に形成されている。pウェル層21は、IR信号電荷蓄積部34下において薄く形成されており、この薄部21dが、VODの電位障壁として機能する。n型半導体基板20にVODパルスが印加されると、薄部21dの電位障壁が低下し、IR信号電荷蓄積部34内の信号電荷がn型半導体基板20へ掃き出される。
In this pixel, an IR signal
IR信号電荷蓄積部34は、2つの端部が表面に達しており、転送チャネル25側の端部は、転送チャネル25とpウェル層21を介して離間している。この離間部分は、その上方の垂直転送電極18cとによって、RG12dを構成している。また、IR信号電荷蓄積部34のドレイン領域17側の端部も同様に、ドレイン領域17とpウェル層21を介して離間している。この離間部分には、チャネルストッパ(p+層24の延設部分24a)は形成されておらず、この離間部分とその上方の垂直転送電極18dとによって、EG16を構成している。垂直転送電極18dに高電圧のLODパルスが印加されると、この離間部分の電位障壁が低下し、IR信号電荷蓄積部34内の信号電荷がドレイン領域17に掃き出される。
The IR signal
そして、本画素の平坦化層29上には、IR光(波長:約800nm〜1500nm)を透過させ、可視光をカットする赤外光透過・可視光カットフィルタ30eと、透明膜30fとが順に積層されており、透明膜30fの上には、マイクロレンズ31が積層されている。なお、透明膜30fは、マイクロレンズ31下を平坦化するために設けたものであるが、透明膜30fを設けず、分光層30を構成する各光学フィルタの厚さを調節することによって、マイクロレンズ31下の平坦化を行ってもよい。また、マイクロレンズ31の下に、分光層30の上面全体を覆う平坦化層を別途設けてもよい。
An infrared light transmission / visible light cut
次に、図7は、以上のように構成された固体撮像装置10が組み込まれた撮影装置を例示している。撮影装置40は、各部を統括的に制御する制御部41と、被写体に向けてIR光を発するIR発光部42と、被写体光を集光して固体撮像装置10に入射させるレンズ43と、前述の固体撮像装置10と、固体撮像装置10を駆動するための各種の駆動パルスを発生するタイミングジェネレータ(TG)44と、固体撮像装置10から出力された撮像信号を信号処理して、可視光画像とIR画像とを生成する信号処理部45と、信号処理部45によって生成された可視光画像とIR画像とを記録するメモリ46とから構成されている。
Next, FIG. 7 illustrates an imaging device in which the solid-
IR発光部42は、IR光を発光するLED(発光ダイオード)やレーザダイオードなどの光源42aと、光源42aを駆動するドライバ42bと、光源42aから発光されるIR光をパルス状に変調する変調器42cとから構成されており、パルス状のIR光(以下、IRパルスと称す。)を生成し、被写体に照射する。なお、変調器42cを設けず、ドライバ42bによる光源42aの駆動信号を変調することによりIRパルスを生成することも可能である。 The IR light emitting unit 42 is a light source 42a such as an LED (light emitting diode) or a laser diode that emits IR light, a driver 42b that drives the light source 42a, and a modulator that modulates IR light emitted from the light source 42a in a pulse shape. 42c, and generates pulsed IR light (hereinafter referred to as IR pulse) and irradiates the subject. Note that it is also possible to generate an IR pulse by modulating the drive signal of the light source 42a by the driver 42b without providing the modulator 42c.
レンズ43は、可視光からなる通常の被写体光とともに、被写体から反射されるIRパルスを固体撮像装置10に入射させる。同図に示すように、被写体が複数の距離位置に存在する場合には、固体撮像装置10へのIRパルスの入射タイミングは、各距離に応じて分散される。光源42aおよび固体撮像装置10から、ある1つの被写体までの距離をL、光速をcとすると、光源42aがIRパルスを発してから固体撮像装置10に入射されるまでの飛程時間(TOF:Time of Flight)τは、τ=2L/cと表される。
The
TG44は、固体撮像装置10を後述するタイミングで駆動し、所定の飛程時間τで被写体から反射されてくるIRパルスを受光するとともに、通常の被写体光(可視光)の受光も行い、固体撮像装置10は、IR光の画素信号と可視光(B,G,R)の画素信号とが混合された撮像信号を、画素ごとに時系列的に出力する。信号処理部45は、図8に示すように、固体撮像装置10から出力された撮像信号に対して、ゲイン補正、A/D変換、画素補間処理を順に行い、B,G,Rの画素信号から可視光画像を生成するとともに、IRの画素信号から距離画像(所定の距離位置にある被写体像)を生成し、両画像データをメモリ46に書き込む。
The
図9は、TG44から固体撮像装置10に入力される駆動パルスのうちの、VODパルス、LODパルス、読み出しパルスと、固体撮像装置10から出力される撮像信号と、IR発光部42から発せられるIRパルスとの各タイミングを示している。各パルスは、1フレーム期間(1垂直走査期間)ごとに発生される。このタイミングチャートに基づいて、固体撮像装置10の動作を説明する。
FIG. 9 shows the VOD pulse, LOD pulse, and readout pulse among the driving pulses input from the
まず、固体撮像装置10にVODパルスが入力されると、前述のpウェル層21の薄部21a〜21dの電位障壁が低下し、各受光部11a〜11dの信号電荷蓄積部22,32〜34に存在する信号電荷がn型半導体基板20に掃き捨てられ、信号電荷蓄積部22,32〜34が全て空の状態となる。このとき、各受光部11a〜11dには、被写体光として可視光が入射されており、VODパルスの入力にともなって、露光(信号電荷の蓄積)が開始する。
First, when a VOD pulse is input to the solid-
次いで、IR発光部42から、パスル幅t1のIRパルスが発せられる。この後、時間t2経過後に、LODパルスが固体撮像装置10に入力され、これにより、IR受光部11dのIR信号電荷蓄積部34内の信号電荷がEG16を介してドレイン領域17に掃き捨てられる。この時点からIR受光部11dの露光が開始し、時間t3経過後に読み出しパルスが固体撮像装置10に入力される。この読み出しパルスにより、各受光部11a〜11dの信号電荷蓄積部22,32〜34に蓄積された信号電荷がRG12a〜12dを介して垂直CCD13に転送される。この時点で、全ての受光部11a〜11dの露光が終了し、時間t3がIR受光部11dの露光時間(信号電荷蓄積時間)、また、VODパルスが入力されてから読み出しパルスが入力されるまでの時間t4がB,G,R受光部11a〜11cの露光時間となる。なお、IR受光部11dの露光時間t3は、被写体から反射されるIRパルスの1パスル分の受光を行うように、パスル幅t1とほぼ等しい値に設定されている。
Next, an IR pulse having a pulse width t 1 is emitted from the IR light emitting unit 42. Thereafter, after the elapse of time t 2 , the LOD pulse is input to the solid-
この後、不図示の垂直・水平転送パルスが固体撮像装置10に入力されるとともに、出力アンプ15から撮像信号が出力される。この信号電荷の読み出しおよび転送の方式は、いわゆる「全画素読み出し方式」であり、1垂直転送期間に出力される撮像信号は、B,G,R,IRの各画素信号からなる。そして、各フレーム期間において、IRパルスの発光タイミングを決定する時間t2を変えながら撮像を繰り返す。時間t2は、上記の飛程時間τに対応し、異なる距離位置の距離画像が順に取得される。ここで上記と同様に、高速をc、撮影装置40から距離画像を取得する被写体までの距離をLとすると、時間t2は、L=c・t2/2の関係より、t2=2L/cと決定される。
Thereafter, a vertical / horizontal transfer pulse (not shown) is input to the solid-
以上説明したように、固体撮像装置10は、単板構成にて、可視光とともにIR光を受光することができる。また、IR受光部11dにのみLODを設け、VODとは独立した電荷排出を可能としているので、IR光の露光時間を、可視光の露光時間とは独立して制御することができる。
As described above, the solid-
また、固体撮像装置10を、可視光およびIR光の受光を目的とした撮影装置に適用することにより、装置のコンパクト化および低コスト化を図ることができる。さらに、上記の撮影装置40によって取得された被写体画像と距離画像とを用いて画像処理を行うことで、画像から人物のみを抽出して背景を入れ替えるといった、従来はクロマキー技術にて実施していた画像合成を、特別な設備を用意せずに容易に行うことができ、また、3次元画像の作成なども可能となる。
Further, by applying the solid-
なお、上記実施形態では、LODを構成するドレイン領域17を、受光部11a〜11dの垂直列ごとに配設し、同一列のIR受光部11dに共通に接続しているが、本発明はこれに限定されず、ドレイン領域17の形態は適宜変更してよく、例えば、各IR受光部11dに個別にドレイン領域17を設けてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、受光部11a〜11dを全体として正方格子状に平面配列しているが、本発明はこれに限定されず、水平方向に隣接する受光部の垂直列を垂直方向に半ピッチ(画素配列ピッチの半分)だけずらして配列した、いわゆるハニカム配列としてもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、光電変換によって生成される電子−正孔対のうち電子を信号電荷として扱うように、半導体基板内の各部の導電型を設定しているが、本発明はこれに限定されず、電子とは反対の極性の正孔を信号電荷として扱うように、半導体基板内の各部の導電型を、上記とは反対の導電型としてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the conductivity type of each part in a semiconductor substrate is set so that an electron may be handled as a signal charge among the electron-hole pairs produced | generated by photoelectric conversion, this invention is limited to this. Instead, the conductivity type of each part in the semiconductor substrate may be the conductivity type opposite to the above so that holes having the opposite polarity to the electrons are handled as signal charges.
10 固体撮像装置
11a B受光部(第1受光部)
11b G受光部(第2受光部)
11c R受光部(第3受光部)
11d IR受光部(第4受光部)
12a〜12d 読み出しゲート
13 垂直CCD(垂直転送部)
14 水平CCD(水平転送部)
15 出力アンプ(信号出力部)
16 掃き捨てゲート
17 ドレイン領域
18a〜18d 垂直転送電極
20 n型半導体基板(一導電型半導体基板)
21 pウェル層(反対導電型ウェル層)
21a〜21d 薄部
22 B信号電荷蓄積部
22a,32a,33a,34a pn接合部
25 転送チャネル
30a Bフィルタ
30b IRカットフィルタ
30c Gフィルタ
30d Rフィルタ
30e 赤外光透過・可視光カットフィルタ
30f 透明膜
32 G信号電荷蓄積部
33 R信号電荷蓄積部
34 IR信号電荷蓄積部
40 撮影装置
42 IR発光部
10 Solid-
11b G light receiving part (second light receiving part)
11c R light receiving part (third light receiving part)
11d IR light receiving part (fourth light receiving part)
12a to
14 Horizontal CCD (Horizontal transfer unit)
15 Output amplifier (signal output part)
16
21 p-well layer (opposite conductivity type well layer)
21a to 21d Thin part 22 B signal
Claims (5)
可視光の3原色のうちの第1色光を受光して信号電荷を蓄積する第1受光部と、
前記3原色のうちの第2色光を受光して信号電荷を蓄積する第2受光部と、
前記3原色のうちの第3色光を受光して信号電荷を蓄積する第3受光部と、
赤外光を受光して信号電荷を蓄積する第4受光部と、
前記第1〜第4受光部の信号電荷を前記一導電型半導体基板に掃き捨てる縦型オーバーフロードレインと、
前記第4受光部の信号電荷を、掃き捨てゲートを介して前記反対導電型ウェル層に形成された一導電型のドレイン領域に掃き捨てる横型オーバーフロードレインと、
前記第1〜第4受光部から信号電荷を読み出す読み出しゲートと、
前記読み出しゲートによって読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から各信号電荷を受け取り、水平転送を行う水平転送部と、
前記水平転送部によって水平転送された各信号電荷を電荷量に応じた画素信号に変換して出力を行う信号出力部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 In the solid-state imaging device in which each part is formed in the opposite conductivity type well layer formed on the surface layer of the one conductivity type semiconductor substrate,
A first light receiving unit that receives first color light of the three primary colors of visible light and accumulates signal charges;
A second light receiving unit that receives the second color light of the three primary colors and accumulates signal charges;
A third light receiving unit that receives the third color light of the three primary colors and accumulates signal charges;
A fourth light receiving unit that receives infrared light and accumulates signal charges;
A vertical overflow drain for sweeping signal charges of the first to fourth light receiving parts to the one-conductivity-type semiconductor substrate;
A lateral overflow drain that sweeps the signal charge of the fourth light receiving portion to a drain region of one conductivity type formed in the opposite conductivity type well layer via a sweep gate;
A read gate for reading signal charges from the first to fourth light receiving parts;
A vertical transfer unit that vertically transfers signal charges read by the read gate;
A horizontal transfer unit that receives each signal charge from the vertical transfer unit and performs horizontal transfer;
A signal output unit that converts each signal charge horizontally transferred by the horizontal transfer unit into a pixel signal corresponding to the amount of charge and outputs the pixel signal; and
A solid-state imaging device comprising:
前記縦型オーバーフロードレインによる前記第1〜第4受光部からの信号電荷の掃き捨て、前記横型オーバーフロードレインによる前記第4受光部からの信号電荷の掃き捨て、前記読み出しゲートによる前記第1〜第4受光部からの信号電荷の読み出しの順に前記固体撮像装置を駆動することにより、前記第1〜第3受光部による可視光の露光時間と、前記第4受光部による赤外光の露光時間とを異ならせることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 In the driving method of the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4,
Signal charges from the first to fourth light receiving portions are swept away by the vertical overflow drain, signal charges from the fourth light receiving portion are swept by the horizontal overflow drain, and the first to fourth by the read gate. By driving the solid-state imaging device in the order of reading out signal charges from the light receiving unit, the exposure time of visible light by the first to third light receiving units and the exposure time of infrared light by the fourth light receiving unit are obtained. A method for driving a solid-state imaging device, characterized by differentiating.
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