JP2008092067A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像部の各受光素子から信号電荷を読み出す際に、読み出しゲート部に高電圧を印加してインパクトイオン化現象を発生させて増幅する固体撮像装置を提供。
【解決手段】固体撮像装置10は、システム制御部14が、撮影状況に応じて、撮像部28の垂直転送に暗電流が発生しやすいか否かを判定して、暗電流が発生しやすい場合に電位井戸容量が相対的に小さい少量転送モードを選択するときには低電圧モード108を設定して、撮像部28の読み出しゲート部におけるインパクトイオン化を抑制し、かつ撮像部28の垂直転送路における暗電流を低減して、また暗電流が少ない場合に少量転送モードよりも電位井戸容量が大きい転送モードを選択するときには高電圧モード108を設定して、インパクトイオン化を発生させて信号電荷を増幅し、かつ得られた信号電荷をもれなく垂直転送することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像部の各受光素子から信号電荷を読み出す際に、読み出しゲート部に高電圧を印加してインパクトイオン化現象を発生させて増幅する固体撮像装置に関するものである。

従来から、CCD（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子では、フォトダイオードなどの受光素子が入射光を光電変換して信号電荷を生成し、垂直転送路および水平転送路がこの信号電荷を垂直および水平転送して、さらに出力アンプがその信号電荷を電圧信号に変換して出力している。通常、受光素子と垂直転送路との間には、読み出しゲート部が設けられ、このような撮像素子を有する固体撮像装置では、その読み出しゲート部にタイミングゲート（TG）パルスを供給して、受光素子における信号電荷を垂直転送路に送り出している。

ところで、デジタルカメラによく用いられるインターライントランスファー型CCDにおいて、読み出しゲート部は、通常、高い正電圧パルスが印加されて信号電荷を受光素子から読み出し、また多画素微細化の傾向によりこのゲート部も微細化される。したがって、読み出しゲート部では、電位差／距離で算出される電界の値が大変大きくなり、すなわち強電界が生じやすい。受光素子および読み出しゲート部は、通常、pn接合して形成されるが、この接合部分で強電界が生じるとインパクトイオン化現象が発生する。

このように、画素ごとに固有のインパクトイオン化現象が発生すると、読み出しゲート部を介して読み出される信号電荷が増幅されて、CCDの共通アンプによる高画質化などの利点が崩れてしまうので、この現象を回避する技術が知られている。

たとえば、特許文献１に記載の個体撮像装置では、Ｎ型不純物拡散層の電荷蓄積部とＰ型不純物拡散層の読み出しチャンネル部との間の界面部に、電荷蓄積部より低い不純物濃度を有する他のＮ型不純物拡散層が形成されることによって、電荷蓄積部値読み出しチャネル部との間のpn接合部付近の電位が段階的に緩和されるため、暗電流の発生する部位が近くにあっても、アバランシェ増倍に近い現象がおこることなく、すなわち強電界によるインパクトイオン化現象が抑制される。

しかし、撮像装置では、撮影結果である信号電荷が小さい場合があり、このとき、出力アンプそのもののノイズがS/N比の支配要因となる。そこで、インパクトイオン化現象を利用することによりこのアンプの通過前に信号電荷を増幅して高S/N比を得る技術が知られている。

たとえば、特許文献２に記載の光電変換装置では、駆動手段がJ-FET型撮像素子におけるゲートやドレインの電極にパルス信号を印加して装置を駆動するもので、ゲート電圧およびドレイン電圧を高レベルにすることによりドレインとチャネルの端部との間の空乏層が高電界領域となり、インパクトイオン化現象が発生してドレインに流れる電子が増幅するので、出力アンプによる増幅の前に信号電荷を増幅させてS/N比を向上することができる。

これらの技術は、暗時ノイズ（遮光時ノイズ）の主成分がアンプノイズである場合では有効であるが、垂直転送路に暗電流が生じて暗時ノイズが悪化する場合には、暗電流を低減するために垂直転送路における信号電荷の転送容量を減少するように駆動する。

たとえば、特許文献３に記載の撮像装置では、低感度および高感度撮影モードが設定されるとき、それぞれ、第１および第２の読み出しモードで固体撮像素子を駆動するもので、第１の読み出しモードでは、入射光量が多いので電位井戸の容量が小さくなるように制御し、また、第２の読み出しモードでは、入射光量が少ないので電位井戸の容量が大きくなるように制御する。この装置では、光量に応じて信号電荷の転送容量を変更することによって、高い飽和電荷量と低暗電流とを両立することができる。
特開平8-340099号公報 特開平7-153988号公報 特開2005-286470号公報

しかしながら、特許文献２に記載されるように、インパクトイオン化現象を利用して信号電荷を増幅するときには、垂直転送路の転送可能容量を大きくする必要があるので、特許文献３に記載される技術によって暗電流を低減することができなくなる。

また、特許文献３では、垂直転送路に電荷を蓄積する電位井戸の容量を小さくするために、使用する垂直転送電極を減らすものであって、表面からの暗電流を低減するに過ぎない。

さらに、インパクトイオン化現象を利用する従来の撮像装置では、暗電流が多い撮影条件の場合には、その現象によってノイズが増加してしまう。

また、撮像素子ごとに異なる特性を有すると、インパクトイオン化現象によって増幅する信号電荷の増幅率は、撮像素子ごとに異なる場合がある。このとき、垂直転送路における電位井戸容量が一律であると、同じ撮影条件で撮影した場合でも、一方の撮像素子では得られた信号電荷を十分に垂直転送できるが、他方の撮像素子では垂直転送路で信号電荷がオーバーフローしてしまうことがある。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、撮像素子において信号電荷が出力アンプを通過する前に、暗電流の低減と、インパクトイオン化現象を利用した増幅とを、撮影状況に応じて好適に両立させる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、複数の画素に対応して行および列方向に配列されて、入射光を信号電荷に光電変換する複数の受光部と、これら複数の受光部で得られる信号電荷を行ごとに垂直転送する複数の垂直転送路と、この受光部に蓄積した信号電荷をこの受光部からこの垂直転送路に読み出す読み出しゲート部とを有して形成される撮像面を含む撮像手段と、この垂直転送路およびこの読み出しゲート部を駆動制御する垂直駆動手段とを含む固体撮像装置は、撮影状況の判定結果に応じて、この垂直転送路における電位井戸容量がそれぞれ異なる複数の転送モードのうち一の転送モードを選択して、この撮影状況が、この垂直転送路における暗電流が発生しやすい第１の撮影状況の場合には、この電位井戸容量が相対的に小さい第１の転送モードをこの転送モードとして選択し、またこの暗電流が少ない第２の撮影状況の場合には、この電位井戸容量が相対的に大きい第２の転送モードをこの転送モードとして選択し、この垂直駆動手段は、選択されたこの転送モードに応じた電位井戸容量をもたらす垂直駆動信号をこの垂直転送路に供給し、また、該装置は、この撮影状況の判定結果に応じて、この読み出しゲート部に印加する正電圧がそれぞれ異なる複数の電圧モードのうち一の電圧モードを設定して、この撮影状況が第１の撮影状況の場合には、インパクトイオン化を抑制させるような相対的に低い正電圧を示す第１の電圧モードをこの電圧モードとして設定し、また第２の撮影状況の場合には、インパクトイオン化を発生させるような相対的に高い正電圧を示す第２の電圧モードをこの電圧モードとして設定し、この垂直駆動手段は、設定されたこの電圧モードに応じた正電圧を印加するタイミングゲートパルスをこの読み出しゲート部に供給することを特徴とする。

このように本発明の固体撮像装置によれば、システム制御部が、撮影状況に応じて、撮像部の垂直転送に暗電流が発生しやすいか否かを判定して、暗電流が発生しやすい場合に電位井戸容量が相対的に小さい少量転送モードを選択するときには低電圧モードを設定して、撮像部の読み出しゲート部におけるインパクトイオン化を抑制し、かつ撮像部の垂直転送路における暗電流を低減して、また暗電流が少ない場合に少量転送モードよりも電位井戸容量が大きい転送モードを選択するときには高電圧モードを設定して、インパクトイオン化を発生させて信号電荷を増幅し、かつ得られた信号電荷をもれなく垂直転送することができる。

また、本発明の固体撮像装置は、システム制御部が、撮影状況として、撮像部の温度または撮像部を露光する時間を判定し、とくに露光時間を判定するときにはシャッタ時間を判定することができる。ここでは、撮像部が高温である場合および露光時間が長い低速シャッタの場合には暗電流が発生しやすいと判断し、また低温である場合および露光時間が短い高速シャッタの場合には暗電流が少ないと判断することができる。

さらに、本発明の固体撮像装置は、あらかじめインパクトイオン化率を測定してメモリに記憶し、このインパクトイオン化率に応じて転送モードを選択することができ、たとえば、低電圧モードの場合に得られる信号電荷量を基準として、高電圧モードの場合に得られる信号電荷量の増幅率をインパクトイオン化率とし、低電圧モード時のインパクトイオン化率を基準の1.0として、高電圧モード時のインパクトイオン化率を測定することができる。

原則として、高電圧モード時には電位井戸容量の大きい多量転送モードを選択するが、高電圧モード時のインパクトイオン化率が所定のしきい値より小さい場合には電位井戸容量が相対的に小さい第１の多量転送モードを選択し、それ以外の場合には第１の多量転送モードよりも電位井戸容量が大きい第２の多量転送モードを選択することにより、撮像部ごとにインパクトイオン化率が異なる場合でも、十分に垂直転送を行うことができる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の実施例を詳細に説明する。本実施例の固体撮像装置10は、図１に示すように、操作部12を操作することによりシステム制御部14およびタイミング発生器16で制御され、またシャッタ駆動部18、垂直駆動部20および水平駆動部22により駆動されて、被写界からの入射光を光学系24およびシャッタ26を介して取り込んでその被写界像を撮像部28で撮像する。なお、本発明の理解に直接関係のない部分は、図示を省略し、冗長な説明を避ける。

本装置10では、撮像部28で撮像した画像を前処理部32でアナログ信号処理してメモリ34に一時格納し、メモリ34から得られる画像信号を信号処理部36でディジタル信号処理して、記録部38に記録し、また表示部40で表示する。

本実施例ではとくに、本装置10は、撮像部28の各受光素子から信号電荷を得るために、読み出しゲート部にタイミングゲート（TG）パルスなどの読み出しゲートパルスを供給するものであり、このTGパルスの正電圧を高くすることによってインパクトイオン化現象を発生させて得られる信号電荷を増幅することができる。

本装置10のシステム制御部14は、このインパクトイオン化現象を制御するもので、環境や条件設定などの撮影状況に適合した正電圧値を垂直駆動部20に設定し、この駆動部20がその正電圧値に応じたTGパルスを読み出しゲート部に供給する。このように本装置10では、読み出しゲート部に印加する正電圧を可変制御してインパクトイオン化を発生または抑制して制御する。

本装置10は、さまざまな電圧モードのいずれかのモードを設定することができ、設定された電圧モードに応じた正電圧値を印加するTGパルスを生成する。本装置10は、たとえば、インパクトイオン化を抑制するときには低電圧モードを設定してTGパルスの正電圧を低くし、インパクトイオン化を発生するときには高電圧モードを設定してTGパルスの正電圧を高くする。本装置10は、たとえば、低電圧モードを設定する場合には通常の15 Vの正電圧を、高電圧モードを設定する場合には少し高い18 Vの正電圧を印加するTGパルスを生成する。

本実施例において、本装置10は、とくに、撮像部28の垂直転送路が信号電荷を転送するときの電位井戸容量、すなわち転送可能容量を撮影状況に応じて変えることができ、本実施例では、複数の転送モードのうち、一のモードを設定することができて、これら複数の転送モードごとに電位井戸容量が異なる。

本装置10は、たとえば、少なくとも2-3転送モード、3-4転送モードおよび4-5転送モードのいずれかが設定される。これらの2-3転送モード、3-4転送モードおよび4-5転送モードでは、それぞれ、水平走査中の待機電極として、２つ、３つおよび４つの電極が用いられる。

操作部12は、操作者の指示を入力する手操作装置であり、操作者の手操作状態、たとえばシャッタボタン（図示せず）のストローク操作に応じて、操作信号102をシステム制御部14に供給する機能を有する。なお、以下の説明において、各信号はその現れる接続線の参照番号で特定する。

システム制御部14は、操作部12から供給される操作信号102に応動して、本装置全体の動作を制御、統括する制御機能部で、中央演算処理装置（Central Processing Unit：CPU）を有して構成される。本実施例において、この制御部14は、操作信号102に応じて制御信号104を生成し、タイミング発生器16に供給して制御する。

また、システム制御部14は、接続線106によりバス44と接続し、バス44を介してメモリ34、信号処理部36、記録部38および表示部40と接続するもので、これら各部を制御する制御信号を生成してそれぞれに供給し、また各部から所要のデータを受け取ることができる。

本実施例のシステム制御部14は、撮影状況に応じて複数の転送モードのいずれかを選択し、その選択した転送モードでの撮影を指示して制御信号104を生成する。また、この制御部14は、撮影状況に応じて電圧モードを設定し、その電圧モードを示す制御信号108を生成して垂直駆動部20に供給する。

この制御部14は、たとえば、撮影状況が、撮像部28の垂直転送において暗電流の発生しやすい状況である場合には、暗電流を抑制するために電位井戸容量が相対的に小さい少量転送モードを選択し、かつ低電圧モードを設定するとよい。反対に、撮影状況が、その暗電流の発生が少ない状況である場合には、制御部14は、得られた信号電荷をもれなく転送するために少量転送モードよりも電位井戸容量が大きい多量転送モードを選択し、かつ信号電荷を増幅させるために高電圧モードを設定するとよい。

また、制御部14は、設定した転送モードに応じて電圧モードを設定してもよく、たとえば、少量転送モードを選択する場合は低電圧モードを設定し、また多量転送モードを選択する場合は高電圧モードを設定してよい。

タイミング発生器16は、図示しないが、本装置10を動作させる基本クロックを発生する発振器を有して、この基本クロックを各部に供給するものである。この発生器16は、システム制御部14から供給される制御信号104に応じてタイミング信号110、112および114を生成し、それぞれシャッタ駆動部18、垂直駆動部20および水平駆動部22に供給して制御するものでよい。

また、タイミング発生器16は、本実施例ではとくに、制御信号104によって転送モードを指示されて、この転送モードに応じたタイミング信号112を生成する。

シャッタ駆動部18は、シャッタ26を駆動する機能を有するもので、タイミング発生器16からのタイミング信号110に応じて駆動信号116を生成し、シャッタ26に供給して所望の露光時間が得られるようにその駆動を制御する。

垂直駆動部20は、撮像部28の垂直転送路を駆動する機能を有するもので、タイミング発生器16からのタイミング信号112に応じて、タイミングゲート（TG）パルス118および垂直駆動信号120を生成して撮像部28の読み出しゲート部および垂直転送路にそれぞれ供給し、それらの駆動を制御する。

本実施例ではとくに、垂直駆動部20は、タイミング信号112によって転送モードを指示されて、この転送モードに応じて位相の異なる垂直駆動信号120を生成する。また、この駆動部20は、システム制御部14から電圧モードを示す制御信号108を設定されて、この電圧モードの示す正電圧を印加するTGパルス118を生成する。

たとえば、撮像部28の垂直転送路が、図２に示すように、８相の垂直転送電極V1〜V8を有して構成される場合、垂直駆動部20は、これらの垂直転送電極V1〜V8のそれぞれに対して垂直駆動信号120として駆動信号φV1〜φV8を供給して垂直転送路を駆動させる。

垂直駆動部20は、1-2転送モード、2-3転送モード、3-4転送モードまたは4-5転送モードでの垂直転送を駆動するとき、それぞれ、図３、図４、図５または図６に示すように電位井戸容量の異なる垂直駆動信号φV1〜φV8を示す。これらの転送モードのうちで1-2転送モードが選択された場合に電位井戸容量が最も少なく、4-5転送モードが選択された場合に電位井戸容量が最も多い。

たとえば、1-2転送では、水平駆動信号（HD）124が作動してから、垂直駆動信号を与える電極数を１から２に変化させて信号電荷を垂直転送し、電極数を再び２に戻してこの動作を繰り返す。同様に、2-3転送モード、3-4転送モードまたは4-5転送モードでは、垂直駆動信号を与える電極数を、２から３、３から４、または４から５にそれぞれ変化させる。

水平駆動部22は、撮像部28の水平転送路を駆動する機能を有するもので、タイミング発生器16からのタイミング信号114に応じて水平駆動信号124を生成し、水平転送路に供給してその駆動を制御する。

光学系24およびシャッタ26は、所望の被写界像を取り込んで撮像部28に入射する光入射機構である。

この光学系12は、レンズを有して構成されて、被写界像の画角および焦点距離を調整することができる。

また、シャッタ26は、電子シャッタおよびメカニカルシャッタなどのいずれのシャッタが適用されてもよく、シャッタ駆動部18からの駆動信号116に応じて動作して、たとえば所望の露光時間を得て、被写界像の光量を調整することができる。

撮像部28は、図示しないが、撮影画像の１画面を形成する撮像面50、および水平転送路を含んで構成され、その撮像面50に結像される被写界像を電気信号126に変換して前処理部32に供給する。撮像部28は、たとえば、電荷結合素子（Charge Coupled Device：CCD）などのイメージセンサでよい。

この撮像面50は、図２に示すように、複数の画素に対応する各受光素子52が行および列方向に配列されて形成され、各受光素子52は、列ごとに垂直転送路54に接続されて構成される。各受光素子52は、たとえば、行方向および列方向に１つおきに位置をずらして、ハニカム配列で配列されてよい。また、各受光素子52は、光学系24およびシャッタ26を介して得られる入射光を信号電荷に光電変換するものである。本実施例の撮像面50は、実際には多数の受光素子52を含むことができるが、図２では複雑化を避けるため、少数の受光素子52しか図示しない。同様に、撮像面50は、実際には多数の垂直転送路54を含むことができる。

この垂直転送路54は、たとえば８相の垂直転送電極V1〜V8を有して構成され、それぞれ、垂直駆動部20から垂直駆動信号120として駆動信号φV1〜φV8を入力して駆動する。

また、撮像部28は、各受光素子と垂直転送路との間に読み出しゲート部を設けて、読み出しゲート部を閉じて各受光素子に信号電荷を蓄積し、垂直駆動部20からのTGパルス118に応じて読み出しゲート部を開いて、蓄積された信号電荷を垂直転送路に読み出す。

この垂直転送路は、各受光素子から得られた信号電荷を垂直駆動部20からの垂直駆動信号120に応じて垂直方向にシフトして行ごとに水平転送路に転送する。水平転送路は、水平駆動信号124に応じて各行の信号電荷を水平方向にシフトして出力回路（図示せず）に供給し、ここで被写界像を示すアナログ電気信号126を生成する。

また、前処理部32は、撮像部28から供給されるアナログ電気信号126にアナログ信号処理を施すもので、たとえば、相関二重サンプリングや自動利得制御などのアナログ信号処理を施し、さらに、アナログ・ディジタル変換してディジタル画像信号128を生成し、メモリ34に出力して記憶する。

メモリ34は、供給されるディジタル信号128を一時格納し、出力する機能を有する。このメモリ34は、接続線130によりバス44と接続し、バス44を介してシステム制御部14、信号処理部36、記録部38および表示部40と接続する。メモリ34は、たとえば、システム制御部14に制御されることによって、格納している画像信号130をバス44を介して信号処理部36、記録部38および表示部40に供給することができる。

信号処理部36は、接続線132によりバス44と接続し、バス44を介してシステム制御部14、メモリ34、記録部38および表示部40と接続する。この信号処理部36は、システム制御部14に制御されて、メモリ34に記憶されたディジタル画像信号130を接続線132によって入力してディジタル信号処理を施すものである。信号処理部28は、たとえばオフセット補正、ホワイトバランス補正、ガンマ補正および同時化処理などのディジタル信号処理をディジタル画像信号132に施すものでよく、処理後のディジタル画像信号132を再度メモリ34に供給して記憶してよい。

記録部38は、接続線134によりバス44と接続し、メモリ34に記憶された画像信号130や信号処理部36で信号処理された画像信号132を記録するものである。この記録部38は、たとえばカードインタフェースおよびメモリカードを有して構成され、画像信号をカードインタフェースを介してメモリカードに記録するもので、メモリカードは、着脱可能でもよい。

また、表示部40は、接続線136によりバス44と接続し、メモリ34に記憶された画像信号130や信号処理部36で信号処理された画像信号132を入力して、液晶モニタなどに表示するものである。

次に、本実施例の固体撮像装置10において、撮影状況に応じて暗電流を抑制して撮影する動作を、図７のタイミングチャートを参照しながら説明する。

まず、操作者が所望の被写界を撮影するために操作部12のシャッタボタンを押圧すると、撮像を指示する操作信号102がシステム制御部14に供給される。

この制御部14では、暗電流を抑制するために、電位井戸容量が小さい少量転送モード、たとえば2-3転送モードが選択されていて、また低電圧モード、たとえば15 Vの正電圧を設定する制御信号108が生成されて垂直駆動部20に供給される。

制御部14では、操作部12からの操作信号102に応じて、2-3転送モードでの撮像を指示する制御信号104が生成されてタイミング発生器16に供給され、この発生器16では、この制御信号104に応じて、撮像を指示するタイミング信号110および114が生成されてシャッタ駆動部18および水平駆動部22に供給され、とくに、2-3転送モードでの撮像を指示するタイミング信号112が生成されて垂直駆動部20に供給される。

シャッタ駆動部18では、このタイミング信号110に応じて、図７に示すように、時刻t202でシャッタを開放する駆動信号116がシャッタ26に供給されて、被写界からの入射光が撮像部28に供給され、被写界像に応じた信号電荷が各受光素子に蓄積される。

垂直駆動部20では、撮像指示のタイミング信号112に応じて、時刻t204で垂直同期信号VDが発生する。また、水平駆動部22では、撮像指示のタイミング信号114に応じて、水平駆動信号124が生成され、ここでは２相の水平駆動信号φH1およびφH2が生成されて撮像部28の水平転送路に供給され、まずスミア掃き出しが行われる。

この時刻t204における垂直同期信号VDに応じて、垂直駆動部20では、低電圧モードの制御信号108に基づいてTGパルス118が生成され、また時刻t206で15 Vの正電圧を印加するTGパルス118が、撮像部28の垂直転送電極V1およびV3に設けられた読み出しゲート部に供給される。図７では、この正電圧を示すパルスは、便宜上、垂直駆動信号φV1〜φV8に記載するが、これは、正電圧パルスが垂直転送電極V1〜V8ごとに供給されることを示す。

これによって電極V1およびV3における読み出しゲート部が開き、電極V1およびV3の行の各受光素子に蓄積された信号電荷が垂直転送路に送られるが、読み出しゲート部に印加される正電圧が15 Vであるのでインパクトイオン化が抑制されて、信号電荷は増幅されない。

また、垂直駆動部20では、図４に示すように、2-3転送モードに応じた垂直駆動信号120として駆動信号φV1〜φV8が生成されて垂直転送路に供給される。電極V1およびV3の各行から垂直転送路に読み出された信号電荷は、この駆動信号120に応じて垂直方向にシフトされて水平転送路に送られ、さらに、水平駆動信号124に応じて水平転送される。

次に、垂直駆動部20では、時刻t208で発生する垂直同期信号VDに応じて、時刻t210で低電圧モード108に基づいて15 VのTGパルス118が生成され、垂直転送電極V5およびV7に設けられた読み出しゲート部に供給される。

これによって、電極V5およびV7の行の各受光素子における信号電荷は、上記と同様にして、増幅されずに垂直転送路に送られ、また、2-3転送モードの垂直駆動信号120に応じて垂直方向にシフトされて水平転送路に送られ、さらに、水平駆動信号124に応じて水平転送される。

このようにして、水平転送路で水平転送された信号電荷は、アナログ電気信号126に変換されて前処理部32に供給され、ここでアナログ処理されてディジタル画像信号128が生成され、メモリ34に格納される。

本実施例において、図７では、電極V1、V3、V5およびV7だけに正電圧を印加するTGパルス118を供給しているが、その後、電極V2、V4、V6およびV8にも正電圧を印加するTGパルス118を供給する。

また、メモリ34に格納されたディジタル画像信号130は、たとえばシステム制御部14に制御されて、信号処理部36でディジタル信号処理され、記録部38で記録され、または表示部40で画像表示される。このようにして実施例の本装置10による撮影動作が終了する。

次に、本実施例の固体撮像装置10において、撮影状況に応じてインパクトイオン化を発生させて撮影する動作を、図８のタイミングチャートを参照しながら説明する。この図８については、図７の動作例と共通する点は省略し、異なる点のみを説明する。

まず、システム制御部14では、信号電荷をもれなく転送するために電位井戸容量が大きい多量転送モード、たとえば3-4転送モードが選択され、また、インパクトイオン化を発生させるために高電圧モード、たとえば18 Vの正電圧を設定する制御信号108が生成される。

また、この制御部14では、撮像を指示する操作信号102に応じて、3-4転送モードでの撮像を指示する制御信号104が生成され、またタイミング発生器16において、この制御信号104に応じて、3-4転送モードでの撮像を指示するタイミング信号112が生成される。

この場合、垂直駆動部20では、時刻t214における垂直同期信号VDに応じて、時刻t216で高電圧モードの制御信号108に基づいて18 Vの正電圧を印加するTGパルス118が生成され、まず撮像部28の垂直転送電極V1およびV3に設けられた読み出しゲート部に供給される。

これによって電極V1およびV3における読み出しゲート部が開き、電極V1およびV3の行の各受光素子に蓄積された信号電荷が垂直転送路に送られ、このとき、読み出しゲート部に18 Vの電圧が印加されてインパクトイオン化が発生し、信号電荷が増幅される。

また、垂直駆動部20では、図５に示すように、3-4転送モードに応じた垂直駆動信号120が生成されて垂直転送路に供給され、電極V1およびV3の各行から読み出された信号電荷は、この駆動信号120に応じて垂直方向にシフトされる。

このように本実施例において、インパクトイオン化によって増幅された信号電荷は、3-4転送モードによって転送可能容量を大きくしたので、もれなく垂直転送することができる。

次に、垂直駆動部20では、時刻t218で発生する垂直同期信号VDに応じて、時刻t220で高電圧モード108に基づいて18 VのTGパルス118が生成され、垂直転送電極V5およびV7に設けられた読み出しゲート部に供給される。

これによって、電極V5およびV7の行の各受光素子における信号電荷は、上記と同様にして、増幅されて垂直転送路に送られ、また、3-4転送モードの垂直駆動信号120に応じて垂直方向にシフトされる。

ところで、本装置10は、温度センサ42を有して撮像部28の温度、またはその周囲の温度を検知し、その温度データ140をシステム制御部14に知らせることができる。本実施例のシステム制御部14は、この温度データ140を用いて撮影状況を判定することができるので、温度データ140に応じた転送モードを選択することができ、その転送モードでの撮影を指示して制御信号104を生成する。

また、システム制御部14は、温度センサ42で検知した温度データ140に応じて電圧モードを設定することができ、その電圧モードを示す制御信号108を生成する。

システム制御部14は、たとえば、温度データ140が所定のしきい値よりも高温である場合には暗電流が発生しやすいと判断して、暗電流を抑制するために少量転送モードを選択し、かつ撮像部28の各受光素子から信号電荷を読み出す際にインパクトイオン化を抑制するために低電圧モードを設定する。また、この制御部14は、温度データ140が所定のしきい値よりも低温である場合には暗電流が少ないと判断して、得られた信号電荷をもれなく転送するために多量転送モードを選択し、かつ信号電荷を読み出す際にインパクトイオン化を発生させるために高電圧モードを設定する。

このように、本実施例の本装置10において、撮像部28またはその周囲の温度データ140を用いて撮影状況を判定する場合の撮影動作を図９のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、操作者が所望の被写界を撮影するために操作部12のシャッタボタンを押圧すると、撮像が開始して（S302）、撮像を指示する操作信号102がシステム制御部14に供給される。

システム制御部14では、たとえば、この操作信号102に応じて温度センサ42を制御することによって、温度データ140が得られる（S304）。

また、この制御部14では、この温度データ140が所定のしきい値より大きいか否かが判定され（S306）、大きい場合にはステップS308に進み、それ以外の場合にはステップS310に進む。

ステップS308におけるシステム制御部14では、撮像部28の垂直転送に暗電流が発生しやすいと判断されて、低電圧モードが設定され、かつ少量転送モードが選択される（S312）。本実施例では、ステップS308で低電圧モードとして15 Vを設定する制御信号108が生成され、かつステップS312で少量転送モードとして2-3転送モードでの撮影を指示する制御信号104が生成される。

その後、この制御信号108が垂直駆動部20に供給され、また制御信号104がタイミング発生器16に供給される。この発生器16で制御信号104に応じたタイミング信号が生成される以降は、図７を参照して説明した動作例と同様に動作して被写界の撮像が行われる（S316）。

他方、ステップS310におけるシステム制御部14では、撮像部28の垂直転送に暗電流が少ないと判断されて、高電圧モードが設定され、かつ多量転送モードが選択される（S314）。本実施例では、ステップS310で高電圧モードとして18 Vを設定する制御信号108が生成され、かつステップS314で多量転送モードとして3-4転送モードでの撮影を指示する制御信号104が生成される。

その後、ステップS316にすすみ、制御信号108が垂直駆動部20に供給され、また制御信号104がタイミング発生器16に供給されて、被写界の撮像が行われる。

さらに、本装置10のシステム制御部14は、撮像部28を露光する時間が長い場合に暗電流が増加すると判断し、また短い場合に暗電流が少ないと判断してもよい。

システム制御部14は、露光時間が長い場合には、暗電流を抑制するために少量転送モードを選択して制御信号104を生成し、かつ信号電荷読み出し時のインパクトイオン化を抑制するために低電圧モードを設定して制御信号108を生成する。また、この制御部14は、露光時間が短い場合には得られた信号電荷をもれなく転送するために多量転送モードを選択して制御信号104を生成し、かつ信号電荷読み出し時にインパクトイオン化を発生させるために高電圧モードを設定して制御信号108を生成する。

本装置10は、たとえば、シャッタ速度モードを設定可能にして撮影を行い、システム制御部14は、このシャッタ速度モードに応じて露光時間を判断することができる。本実施例の本装置10は、高速シャッタや低速シャッタなどのさまざまなシャッタ速度モードのいずれかのモードを設定することができる。

システム制御部14は、たとえば、シャッタ速度モードが所定のしきい値よりも低速である場合には露光時間が長いと判断し、またシャッタ速度モードが所定のしきい値よりも高速である場合には露光時間が短いと判断してよい。

このように、本実施例の本装置10において、撮像部28の露光時間、すなわちシャッタ速度モードを用いて撮影状況を判定する場合の撮影動作を図10のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、図９のステップS302と同様にして、操作者が所望の被写界を撮影するために操作部12のシャッタボタンを押圧すると、撮像が開始して（S402）、撮像を指示する操作信号102がシステム制御部14に供給される。

ここで、システム制御部14では、本装置10に設定されているシャッタモードが判定され（S404）、高速シャッタモードが設定されている場合にはステップS408に進み、また低速シャッタモードが設定されている場合にはステップS406に進む。

ステップS406におけるシステム制御部14では、図９のステップS308と同様に、暗電流が発生しやすいと判断されて、15 Vの低電圧モードが設定され、かつ少量転送モードとして2-3転送モードが選択される（S410）。

他方、ステップS408におけるシステム制御部14では、図９のステップS310と同様に、暗電流が少ないと判断されて、18 Vの高電圧モードが設定され、かつ多量転送モードとして3-4転送モードが選択される（S412）。

また、図９に示す動作例と同様にして、その後のステップS414では、設定された電圧モードを示す制御信号108が垂直駆動部20に供給され、また選択された転送モードでの撮影を指示する制御信号104がタイミング発生器16に供給されて、被写界の撮像が行われる。

ところで、本実施例における本装置10は、あらかじめインパクトイオン化率を測定してメモリに記憶し、このインパクトイオン化率に応じて転送モードを選択するように構成されてもよい。

本装置10では、撮像部28の各受光素子から信号電荷を読み出すとき、それぞれの読み出しゲート部に対して、低電圧または高電圧を印加して、それぞれ、読み出される信号電荷に作用するインパクトイオン化を抑制または発生させる。すなわち、低電圧および高電圧モードにおいて、同じ被写界を同じ条件で撮像すると、低電圧モードの場合よりも、高電圧モードの場合のほうが、得られる信号電荷量が多い。

ここで、低電圧モードの場合に得られる信号電荷量を基準として、高電圧モードの場合に得られる信号電荷量の増幅率をインパクトイオン化率とする。したがって、低電圧モード設定時のインパクトイオン化率を基準の1.0とすると、高電圧モード設定時には、1.0を超えるインパクトイオン化率が得られる。

また、撮像部28は、個々に異なる特性を有するので、同じ被写界を同じ条件で撮像して、同じ値の正電圧を読み出しゲート部に印加しても、得られる信号電荷量は、撮像部28によって異なり、インパクトイオン化率が撮像部28によって異なることがある。

たとえば、撮像部28として製造されたCCD AとCCD Bとが異なる特性を有するとき、2-3転送モードの垂直駆動信号120および15 Vの低電圧モードのTGパルス118を供給して、同じ条件で撮像して得られる信号電荷量は異なることがある。ただし、CCD AもCCD Bも、基準となる低電圧モードにおけるインパクトイオン化率は、ともに1.0である。

また、CCD AおよびCCD Bに、18Vの高電圧モードのTGパルス118を供給しても、同じ条件で撮像して得られる信号電荷量は、同様に異なる。ただし、CCD AおよびCCD Bは、基準となる低電圧モードにおける信号電荷量が異なるので、それぞれの高電圧モードにおけるインパクトイオン化率も異なり、たとえばCCD Aのインパクトイオン化率が1.8で、CCD Bのインパクトイオン化率が1.4であるかもしれない。

本装置10では、高電圧モードが設定されるような場合では、多量転送モードが選択されるが、高電圧モード設定時のインパクトイオン化率がより大きい場合にはそれが低い場合よりも、転送可能容量もより大きくする必要がある。

ただし、撮像部28ごとに高電圧モードのインパクトイオン化率が異なるので、すべての撮像部28に適合するように、多量転送モードをあらかじめ一つだけ決めることが難しい。たとえば、多量転送モードを3-4転送モードとしてあらかじめ決めておくと、インパクトイオン化率が1.4のCCD Bでは、信号電荷を十分に垂直転送することができるが、インパクトイオン化率が1.8のCCD Aでは、転送容量が足りなくなることがある。

また、多量転送モードをより大きくして4-5転送モードとしてあらかじめ決めておくと、このCCD Aで十分な垂直転送が可能となるが、CCD Bでは、多くの暗電流が発生することがある。

本実施例の本装置10は、撮像部28の高電圧モードのインパクトイオン化率をあらかじめ測定してメモリ34に記憶し、システム制御部14がこのインパクトイオン化率を判定して、その判定結果に応じて転送モードを選択することができる。

本装置10は、たとえば、工場出荷などの初期設定時や起動時などにおいて、システム制御部14がこのインパクトイオン化率を測定するとよい。インパクトイオン化率の測定方法は、上記に示すとおり、低電圧モードのインパクトイオン化率を基準値1.0として、低電圧モードと高電圧モードとの信号電荷量の増幅率を測定するものでよい。

また、システム制御部14は、本実施例ではとくに、多量転送モードを選択するときに、メモリ34に記憶されたインパクトイオン化率を所定のしきい値と比較して判定し、その判定結果に応じて複数の多量転送モードのうち一の転送モードを選択することができる。

この制御部14は、このインパクトイオン化率が所定のしきい値よりも小さい場合には電位井戸容量が相対的に小さい第１の多量転送モードを選択し、またそれ以外の場合には第１の多量転送モードよりも電位井戸容量が大きい第２の多量転送モードを選択するものでよく、たとえば、インパクトイオン化率が1.5よりも小さい場合に3-4転送モードを選択し、それ以外の場合に4-5転送モードを選択してよい。

このように、本実施例の本装置10において、インパクトイオン化率に応じて転送モードを選択する動作を図11のフローチャートを参照しながら説明する。ここで、本装置10にはCCD AまたはCCD Bの撮像部28が適用される。

まず、図９のステップS302と同様にして、本装置10の撮像動作が開始する（S502）。

システム制御部14では、撮影状況が判定され、たとえば、温度センサ42から温度データ140が得られ（S504）、この温度データ140が所定のしきい値より大きいか否かが判定される（S506）。

ステップS506の判定の結果、温度データ140が所定のしきい値より大きい場合にはステップS508に進み、また小さい場合にはステップS510に進む。

ステップS508におけるシステム制御部14では、撮像部28の垂直転送に暗電流が発生しやすいと判断されて、15 Vの低電圧モードが設定され、かつ少量転送モードとして2-3転送モードが選択される（S512）。

他方、ステップS510におけるシステム制御部14では、撮像部28の垂直転送に発生する暗電流が少ないと判断されて、18 Vの高電圧モードが設定され、またメモリ34から高電圧モードのインパクトイオン化率が得られる（S514）。

次に、この制御部14では、ステップS514で得たインパクトイオン化率が判定され（S516）、所定のしきい値よりも小さい場合には第１の多量転送モードとして3-4転送モードが選択され（S518）、それ以外の場合には第２の多量転送モードとして4-5転送モードが選択される（S520）。

また、図９に示す動作例と同様にして、その後のステップS522では、設定された電圧モードを示す制御信号108が垂直駆動部20に供給され、また選択された転送モードでの撮影を指示する制御信号104がタイミング発生器16に供給されて、被写界の撮像が行われる。

本発明に係る固体撮像装置の一実施例を示すブロック図である。 図１に示す実施例の固体撮像装置における撮像部の撮像面を概要的に示す図である。 図１に示す実施例の固体撮像装置の1-2転送モードでの垂直駆動に係る動作手順を示すタイミングチャートである。 図１に示す実施例の固体撮像装置の2-3転送モードでの垂直駆動に係る動作手順を示すタイミングチャートである。 図１に示す実施例の固体撮像装置の3-4転送モードでの垂直駆動に係る動作手順を示すタイミングチャートである。 図１に示す実施例の固体撮像装置の4-5転送モードでの垂直駆動に係る動作手順を示すタイミングチャートである。 図１に示す実施例の固体撮像装置の低電圧モードにおける動作手順を示すタイミングチャートである。 図１に示す実施例の固体撮像装置の高電圧モードにおける動作手順を示すタイミングチャートである。 図１に示す実施例の固体撮像装置の動作手順を示すフローチャートである。 図１に示す実施例の固体撮像装置の動作手順を示すフローチャートである。 図１に示す実施例の固体撮像装置の動作手順を示すフローチャートである。

符号の説明

10 固体撮像装置
12 操作部
14 システム制御部
16 タイミング発生器
18 シャッタ駆動部
20 垂直駆動部
22 水平駆動部
24 光学系
26 シャッタ
28 撮像部
32 前処理部
34 メモリ
36 信号処理部
38 記録部
40 表示部
42 温度センサ
44 バス

Claims (6)

1. 複数の画素に対応して行および列方向に配列されて、入射光を信号電荷に光電変換する複数の受光部と、
   該複数の受光部で得られる信号電荷を行ごとに垂直転送する複数の垂直転送路と、
   前記受光部に蓄積した信号電荷を該受光部から前記垂直転送路に読み出す読み出しゲート部とを有して形成される撮像面を含む撮像手段と、
   前記垂直転送路および前記読み出しゲート部を駆動制御する垂直駆動手段とを含む固体撮像装置において、該装置は、
   撮影状況の判定結果に応じて、前記垂直転送路における電位井戸容量がそれぞれ異なる複数の転送モードのうち一の転送モードを選択して、
   該撮影状況が、前記垂直転送路における暗電流が発生しやすい第１の撮影状況の場合には、前記電位井戸容量が相対的に小さい第１の転送モードを前記転送モードとして選択し、また前記暗電流が少ない第２の撮影状況の場合には、第１の転送モードよりも前記電位井戸容量が大きい第２の転送モードを前記転送モードとして選択し、
   前記垂直駆動手段は、選択された前記転送モードに応じた電位井戸容量をもたらす垂直駆動信号を前記垂直転送路に供給し、
   また、該装置は、前記撮影状況の判定結果に応じて、前記読み出しゲート部に印加する正電圧がそれぞれ異なる複数の電圧モードのうち一の電圧モードを設定して、
   前記撮影状況が第１の撮影状況の場合には、インパクトイオン化を抑制させるような相対的に低い正電圧を示す第１の電圧モードを前記電圧モードとして設定し、また第２の撮影状況の場合には、第１の電圧モードよりも高い正電圧を示してインパクトイオン化を発生させるような第２の電圧モードを前記電圧モードとして設定し、
   前記垂直駆動手段は、設定された前記電圧モードに応じた正電圧を印加するタイミングゲートパルスを前記読み出しゲート部に供給することを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、該装置は、前記撮影状況として前記撮像手段に関する温度データを判定して、該温度データが高温を示す場合は第１の撮影状況であり、前記温度データが低温を示す場合は第２の撮影状況であると判定することを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の固体撮像装置において、該装置は、前記撮像面を露光する露光時間を判定して、該露光時間が長い場合は第１の撮影状況であり、前記露光時間が短い場合は第２の撮影状況であると判定することを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３に記載の固体撮像装置において、該装置は、前記撮像手段におけるシャッタ速度を判定して、該シャッタ速度が低速の場合は前記露光時間が長い第１の撮影状況であり、前記シャッタ速度が高速の場合は前記露光時間が短い第２の撮影状況であると判定することを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１に記載の固体撮像装置において、該装置は、前記撮像手段に特有のインパクトイオン化率をあらかじめ測定して記憶し、該インパクトイオン化率に応じて前記転送モードを選択することを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項５に記載の固体撮像装置において、該装置は、前記転送モードとして第２の転送モードを選択するとき、前記インパクトイオン化率が所定のしきい値より小さい場合には前記電位井戸容量が相対的に小さい第１の多量転送モードを選択し、それ以外の場合には第１の多量転送モードよりも前記電位井戸容量が大きい第２の多量転送モードを選択することを特徴とする固体撮像装置。