JP2008112814A

JP2008112814A - 固体撮像素子、撮像装置、及び固体撮像素子の駆動方法

Info

Publication number: JP2008112814A
Application number: JP2006294021A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Koshiba; 賢明小柴
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15

Abstract

【課題】垂直電荷転送部の駆動時間を短縮することが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】多数の光電変換素子５１と、多数の光電変換素子５１の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部５２と、複数の垂直電荷転送部５２を転送されてきた電荷を垂直方向に直交する水平方向に転送する水平電荷転送部５３とを有する固体撮像素子５であって、複数の垂直電荷転送部５２が、それぞれ転送容量の異なる複数種類の垂直電荷転送部５２を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記複数の垂直電荷転送部を転送されてきた電荷を前記垂直方向に直交する水平方向に転送する水平電荷転送部とを有するＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像素子に関する。

従来、ＣＣＤ型の固体撮像素子の高速駆動を実現するために、転送容量の異なる水平電荷転送部を複数設け、この複数の水平電荷転送部のいずれかを選択して電荷を転送することで、高速駆動を実現する技術が提案されている（特許文献１参照）。又、垂直電荷転送部を上下で２分割し、水平電荷転送部を受光領域の上下に１つずつ配置して、受光領域の上半分で読み出した電荷を上の水平電荷転送部で転送し、受光領域の下半分で読み出した電荷を下の水平電荷転送部で転送して高速駆動を実現する技術も提案されている（特許文献２参照）。

特開２００５−１０１９２６号公報特開２００５−２０２７５号公報

このように、水平電荷転送部を工夫することで高速駆動を実現する方法は種々提案されているが、固体撮像素子を高速で駆動するためには、垂直電荷転送部の駆動高速化も重要な要素となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、垂直電荷転送部の駆動時間を短縮することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々の側部に配置され、前記多数の光電変換素子の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部とを有する固体撮像素子であって、前記複数の垂直電荷転送部が、それぞれ転送容量の異なる複数種類の垂直電荷転送部を含む。

本発明の固体撮像素子は、前記多数の光電変換素子の各々の飽和容量が、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量に応じて異なる。

本発明の固体撮像素子は、前記多数の光電変換素子の各々の飽和容量が、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量が相対的に小さい場合は相対的に小さく、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量が相対的に大きい場合は相対的に大きくなっている。

本発明の固体撮像素子は、前記垂直電荷転送部の数が３つ以上であり、前記３つ以上の垂直電荷転送部が、転送容量が相対的に大きい大容量垂直電荷転送部と、転送容量が相対的に小さい小容量垂直電荷転送部とを含み、前記多数の光電変換素子の配列は、前記垂直方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列を前記水平方向に複数配列したものであり、前記３つ以上の垂直電荷転送部は、１つの前記光電変換素子列の両側部に前記大容量垂直電荷転送部と前記小容量垂直電荷転送部が配置され、且つ、隣接する２つの前記光電変換素子列の各々の両側部に配置される前記大容量垂直電荷転送部と前記小容量垂直電荷転送部の位置関係が逆になるように配置され、且つ、前記隣接する２つの光電変換素子列の間には前記垂直電荷転送部が１つ配置されるように設けられており、前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子の各々と、前記各々の両側部にある前記大容量垂直電荷転送部及び前記小容量垂直電荷転送部との間に、前記各々で発生した電荷を前記大容量垂直電荷転送部又は前記小容量垂直電荷転送部に読み出すための電荷読出し部を備える。

本発明の撮像装置は、多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々の側部に配置され、前記多数の光電変換素子の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部とを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを有する撮像装置であって、前記複数の垂直電荷転送部が、それぞれ転送容量の異なる複数種類の垂直電荷転送部を含み、前記駆動手段は、前記固体撮像素子を複数の駆動モードで駆動可能であり、前記複数の駆動モードが、転送容量の最も小さい種類の前記垂直電荷転送部で電荷を転送するために最低限必要な第一の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して、前記電荷を転送する高速駆動モードを含む。

本発明の撮像装置は、前記多数の光電変換素子の各々の飽和容量が、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量に応じて異なる。

本発明の撮像装置は、前記多数の光電変換素子の各々の飽和容量が、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量が相対的に小さい場合は相対的に小さく、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量が相対的に大きい場合は相対的に大きくなっている。

本発明の撮像装置は、前記垂直電荷転送部の数が３つ以上であり、前記３つ以上の垂直電荷転送部が、転送容量が相対的に大きい大容量垂直電荷転送部と、転送容量が相対的に小さい小容量垂直電荷転送部とを含み、前記多数の光電変換素子の配列は、前記垂直方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列を前記水平方向に複数配列したものであり、前記３つ以上の垂直電荷転送部は、１つの前記光電変換素子列の両側部に前記大容量垂直電荷転送部と前記小容量垂直電荷転送部が配置され、且つ、隣接する２つの前記光電変換素子列の各々の両側部に配置される前記大容量垂直電荷転送部と前記小容量垂直電荷転送部の位置関係が逆になるように配置され、且つ、前記隣接する２つの光電変換素子列の間には前記垂直電荷転送部が１つ配置されるように設けられ、前記固体撮像素子が、前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子の各々と、前記各々の両側部にある前記大容量垂直電荷転送部及び前記小容量垂直電荷転送部との間に、前記各々で発生した電荷を前記大容量垂直電荷転送部又は前記小容量垂直電荷転送部に読み出すための電荷読出し部を備え、前記駆動手段は、前記高速駆動モード時、露光期間終了後、前記小容量垂直電荷転送部に対して所定方向に隣接する光電変換素子列の光電変換素子から前記小容量垂直電荷転送部に電荷を読み出す駆動を行った後、前記第一の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送し、その後、前記小容量垂直電荷転送部に対して前記所定方向の反対方向に隣接する光電変換素子列の光電変換素子から前記小容量垂直電荷転送部に電荷を読み出す駆動を行った後、前記第一の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送する。

本発明の撮像装置は、前記複数の駆動モードが、前記大容量垂直電荷転送部で電荷を転送するために必要な前記第一の駆動電圧よりも高い第二の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して、前記電荷を転送する低速駆動モードを含み、前記駆動手段は、前記低速駆動モード時、露光期間終了後、前記大容量垂直電荷転送部に対して所定方向に隣接する光電変換素子列の光電変換素子から前記大容量垂直電荷転送部に電荷を読み出した後、前記第二の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送し、その後、前記大容量垂直電荷転送部に対して前記所定方向の反対方向に隣接する光電変換素子列の光電変換素子から前記大容量垂直電荷転送部に電荷を読み出した後、前記第二の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記固体撮像素子の駆動方法であって、転送容量の最も小さい種類の前記垂直電荷転送部で電荷を転送するために最低限必要な駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送するステップを有する。

本発明によれば、垂直電荷転送部の駆動時間を短縮することが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、ＣＣＤ型の固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備える。

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。

又、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。

デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備え、これらはシステム制御部１１によって制御される。

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。

図２は、図１に示す固体撮像素子５の概略構成を示す平面模式図である。
固体撮像素子５は、半導体基板５０上の垂直方向とこれに直交する水平方向に配列された多数の光電変換素子５１と、多数の光電変換素子５１の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）５２と、複数のＶＣＣＤ５２の各々を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）５３と、ＨＣＣＤ５３を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部５４とを含んで構成される。

多数の光電変換素子５１は、水平方向に並ぶ複数の光電変換素子５１からなる光電変換素子行を垂直方向に複数個配列した構成、又は、垂直方向に並ぶ複数の光電変換素子５１からなる光電変換素子列を水平方向に複数配列した構成となっている。

各光電変換素子列には、１つのＶＣＣＤ５２が対応して設けられ、各ＶＣＣＤ５２には、ここに対応する光電変換素子列に含まれる複数の光電変換素子５１から電荷が読み出されるようになっている。

半導体基板５０表面の水平方向には、各光電変換素子５１を避けるように多数の垂直転送電極（図示せず)が敷設されている。半導体基板５０には各光電変換素子列の側部に図示しない電荷転送チャネルが垂直方向に延びて形成されている。この電荷転送チャネルと、この上に設けられ垂直方向に配置される垂直転送電極とでＶＣＣＤ５２が形成される。ＶＣＣＤ５２は、撮像素子駆動部１０から出力される垂直転送パルスφＶによって駆動される。

各光電変換素子列の複数の光電変換素子５１の各々とそれに対応するＶＣＣＤ５２の電荷転送チャネルとの間には電荷読み出し領域（図示せず)が形成されており、この電荷読み出し領域を介して、露光期間中に光電変換素子５１で発生した電荷が、その光電変換素子５１に対応するＶＣＣＤ５２の電荷転送チャネルに読み出される。

電荷読み出し領域上方には、ここに読み出し電圧を印加するための読み出し電極（図示せず)が形成され、電荷読み出し領域とその上方の読み出し電極とによって電荷読出し部５３が構成される。読み出し電極は、上記多数の垂直転送電極の一部と兼用されており、この一部の垂直転送電極に読み出し電圧が撮像素子駆動部１０から供給されることで、電荷読み出し部５３が駆動される。

複数のＶＣＣＤ５２には、転送容量が相対的に大きい大容量ＶＣＣＤ５２と、転送容量が相対的に小さい小容量ＶＣＣＤ５２との２種類が含まれる。大容量ＶＣＣＤ５２と小容量ＶＣＣＤ５２は、例えば同数設けられ、水平方向に交互に配列されている。

ＶＣＣＤ５２の転送容量は、電荷転送チャネルを構成する不純物イオンの注入条件を変えたり、電荷転送チャネルと駆動電極が重なる領域の面積を変えたりすることで、変化させることができる。図２では、大容量ＶＣＣＤ５２と小容量ＶＣＣＤ５２とを、ＶＣＣＤ５２の水平方向の幅を変えることで区別してある。大容量ＶＣＣＤ５２は水平方向の幅を太くし、小容量ＶＣＣＤ５２は水平方向の幅を細くして図示している。

大容量ＶＣＣＤ５２と小容量ＶＣＣＤ５２とは、転送容量が異なるため、電荷の転送に最低限必要な駆動電圧の振幅が異なる。具体的には、転送容量が小さいほど、駆動電圧の振幅も小さくてすむ。例えば、大容量ＶＣＣＤ５２で電荷を転送するためには駆動電圧が最低限５Ｖ必要で、小容量ＶＣＣＤ５２で電荷を転送するためには駆動電圧が最低限３Ｖ必要であるものとした場合、各駆動電圧の波形は図３に示したようになる。

図３に示したように、転送容量が大きいＶＣＣＤは転送に必要な５Ｖに達するまでｔ２秒かかっているのに対し、転送容量が小さいＶＣＣＤはｔ１秒で３Ｖに達することができている。即ち、転送容量が小さいＶＣＣＤの方が、電荷を転送する所望電圧に（ｔ２−ｔ１）秒早く到達することができ、それだけ早い電荷転送が可能となる。このようなことから、本実施形態のデジタルカメラでは、転送容量の最も小さい小容量ＶＣＣＤ５２で電荷を転送するために最低限必要な第一の駆動電圧で複数のＶＣＣＤ５２を駆動して、多数の光電変換素子５１で発生した電荷を転送して高速転送を可能とする高速駆動モードを設定可能としている。

以下では、撮像素子駆動部１０による固体撮像素子５の駆動方法について説明する。
撮像素子駆動部１０は、露光中に各光電変換素子５１で発生する電荷量が閾値（＝小容量ＶＣＣＤ５２の転送容量）よりも少ないと判断された場合、高速駆動モードで固体撮像素子５を駆動し、該電荷量が閾値よりも多いと判断された場合、高速駆動モードよりも電荷転送速度の遅い低速駆動モードで固体撮像素子５を駆動する。つまり、撮影条件によって、高速駆動モードと低速駆動モードを切り替える。露光中に各光電変換素子５１で発生する電荷量は、例えば、シャッタースピード、露光前に取得した画像データによって得られる被写体の平均輝度、及びＩＳＯ感度等の情報によってシステム制御部１１が判断し、撮像素子駆動部１０に通知する。

高速駆動モード時、撮像素子駆動部１０は、露光期間終了後、電荷読出し部５３の読み出し電極に読み出し電圧を印加して、各光電変換素子５１で発生した電荷を、各光電変換素子５１に対応するＶＣＣＤ５２に読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、多数の垂直転送電極に、小容量ＶＣＣＤ５２での電荷転送に最低限必要な第一の駆動電圧を印加して複数のＶＣＣＤ５２を駆動し、ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷を垂直方向に転送する。このとき、大容量ＶＣＣＤ５２も第一の駆動電圧で駆動されるが、第一の駆動電圧は、大容量ＶＣＣＤ５２での電荷転送に必要な第二の駆動電圧よりも低いため、大容量ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷は転送不良となり、大容量ＶＣＣＤ５２から得られる信号は無効となる。

続いて、撮像素子駆動部１０は、ＨＣＣＤ５３、出力部５４を駆動し、小容量ＶＣＣＤ５２を転送された電荷を水平方向に転送し、その電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる。このような駆動により、小容量ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷に応じた信号のみを有効信号として外部に出力させることができる。

一方、低速駆動モード時、撮像素子駆動部１０は、露光期間終了後、電荷読出し部５３の読み出し電極に読み出し電圧を印加して、各光電変換素子５１で発生した電荷を、各光電変換素子５１に対応するＶＣＣＤ５２に読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、多数の垂直転送電極に大容量ＶＣＣＤ５２での電荷転送に必要な第二の駆動電圧を印加して複数のＶＣＣＤ５２を駆動し、ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷を垂直方向に転送する。このとき、小容量ＶＣＣＤ５２も第二の駆動電圧で駆動されるため、小容量ＶＣＣＤ５２にて電荷の転送は可能であるが、露光で発生した電荷量が小容量ＶＣＣＤ５２の転送容量よりも多いため、電荷を正確に転送することはできず、小容量ＶＣＣＤ５２から得られる信号は無効となる。

続いて、撮像素子駆動部１０は、ＨＣＣＤ５３、出力部５４を駆動し、大容量ＶＣＣＤ５２を転送された電荷を水平方向に転送し、その電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる。このような駆動により、大容量ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷に応じた信号のみを有効信号として外部に出力させることができる。

以上のように、本実施形態のデジタルカメラによれば、各光電変換素子５１に蓄積される電荷量が閾値よりも少ない場合は、高速駆動モードで固体撮像素子５が駆動されるため、ＶＣＣＤ５２での電荷転送時間を短縮することができると共に、消費電力を削減することができる。又、各光電変換素子５１に蓄積される電荷量が閾値よりも多い場合は、第二の駆動モードで固体撮像素子５が駆動されるため、電荷量が多くなった場合でも問題なく撮像を行うことができる。

（第二実施形態）
本実施形態では、第一実施形態で説明したデジタルカメラの変形例について説明する。
図４は、図１に示した固体撮像素子５の第二実施形態における平面模式図である。図４において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図４において図２と異なる点は、多数の光電変換素子５１の各々の飽和容量が、各々で発生した電荷が読み出されるＶＣＣＤ５２の種類が大容量ＶＣＣＤ５２である場合は相対的に大きく、各々で発生した電荷が読み出されるＶＣＣＤ５２の種類が小容量ＶＣＣＤ５２である場合は相対的に小さくなっている点である。

本実施形態の固体撮像素子５では、例えば、小容量ＶＣＣＤ５２に電荷が読み出される光電変換素子５１の飽和容量が、小容量ＶＣＣＤ５２の転送容量と同じに設定され、大容量ＶＣＣＤ５２に電荷が読み出される光電変換素子５１の飽和容量が、大容量ＶＣＣＤ５２の転送容量と同じに設定されている。光電変換素子５１の飽和容量は、開口面積や不純物濃度等を変えることで調整することができる。

固体撮像素子５を図４に示すような構成にした場合、各光電変換素子５１に入射する光量が多い場合でも少ない場合でも、多数の光電変換素子５１の各々で発生した電荷を、多数のＶＣＣＤ５２でオーバーフローさせることなく転送することが可能となる。このため、撮像素子駆動部１０は、第一実施形態のように撮影条件に応じて高速駆動モードと低速駆動モードを切り替えるのではなく、電荷転送時間を短くしたい場合（例えば、動画撮影時や連写撮影時や電池残量不足時等）には、高速駆動モードで固体撮像素子５を駆動し、それ以外の場合には低速駆動モードで固体撮像素子５を駆動するといった具合に、撮影モードに応じて駆動モードを切り替える。撮影モードによって駆動モードを切り替えられるため、第一実施形態に比べて切り替えの処理が容易となる。

又、図４に示す固体撮像素子５を低速駆動モードで駆動した場合は、多数の光電変換素子５１の全てから有効な信号を得ることができる。このため、例えば、大容量ＶＣＣＤ５２に対応する光電変換素子５１から得られた信号と、小容量ＶＣＣＤ５２に対応する光電変換素子５１から得られた信号とを合成してダイナミックレンジの拡大を図るといったことも可能となる。

（第三実施形態）
第一実施形態と第二実施形態で説明した固体撮像素子５の構成では、光電変換素子５１の総数の半分の解像度しか得ることができない。そこで、本実施形態では、光電変換素子５１の総数と同じ解像度を得ることが可能な固体撮像素子５の構成の変形例と、その固体撮像素子５の駆動方法について説明する。

図５は、図１に示した固体撮像素子５の第三実施形態における平面模式図である。図５において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図５に示す固体撮像素子５は、図２に示す固体撮像素子５と異なる点が２つある。１つは、図２の出力部５４に最も近い位置にある大容量ＶＣＣＤ５２に対応する光電変換素子列の左側部に、小容量ＶＣＣＤ５２を設けて、１つの光電変換素子列の両側部に大容量ＶＣＣＤ５２と小容量ＶＣＣＤ５２が配置され、且つ、隣接する２つの光電変換素子列の各々の両側部に配置される大容量ＶＣＣＤ５２及び小容量ＶＣＣＤ５２の位置関係が逆になるように配置され、且つ、隣接する２つの光電変換素子列の間にはＶＣＣＤ５２が１つ配置されるような条件を満たした点である。この条件は、光電変換素子列が少なくとも２つ、ＶＣＣＤ５２が少なくとも３つ存在していれば満たすことが可能である。

もう１つは、ある光電変換素子５１に注目したときに、注目した光電変換素子５１と、その側部にある大容量ＶＣＣＤ５２との間に、注目した光電変換素子５１で発生した電荷をその大容量ＶＣＣＤ５２に読み出すための電荷読出し部５３Ｂを設け、注目した光電変換素子５１と、その側部にある小容量ＶＣＣＤ５２との間に、注目した光電変換素子５１で発生した電荷をその小容量ＶＣＣＤ５２に読み出すための電荷読出し部５３Ｓを設けた点である。

ここで、大容量ＶＣＣＤ５２の水平方向右側に隣接する電荷読出し部５３Ｂを右電荷読出し部５３Ｂとし、大容量ＶＣＣＤ５２の水平方向左側に隣接する電荷読出し部５３Ｂを左電荷読出し部５３Ｂとし、小容量ＶＣＣＤ５２の水平方向右側に隣接する電荷読出し部５３Ｓを右電荷読出し部５３Ｓとし、小容量ＶＣＣＤ５２の水平方向右側に隣接する電荷読出し部５３Ｓを左電荷読出し部５３Ｓと定義する。

このように定義した場合、右電荷読出し部５３Ｓと左電荷読出し部５３Ｓと右電荷読出し部５３Ｂと左電荷読出し部５３Ｂとでそれぞれ独立に読み出し電圧を供給できるように、多数の垂直転送電極が配設されている。

以下では、図５に示した固体撮像素子５の駆動方法について説明する。
撮像素子駆動部１０は、露光中に各光電変換素子５１で発生する電荷量が閾値（＝小容量ＶＣＣＤ５２の転送容量）よりも少ないと判断される場合、高速駆動モードで固体撮像素子５を駆動し、該電荷量が閾値よりも多いと判断される場合、高速駆動モードよりも電荷転送速度の遅い低速駆動モードで固体撮像素子５を駆動する。つまり、撮影条件によって、高速駆動モードと低速駆動モードを切り替える。露光中に各光電変換素子５１で発生する電荷量は、例えば、シャッタースピード、撮像前に取得した画像データによって得られる被写体の平均輝度、及びＩＳＯ感度等の情報によってシステム制御部１１が判断し、撮像素子駆動部１０に通知する。

高速駆動モード時、撮像素子駆動部１０は、露光期間終了後、左電荷読出し部５３Ｓの読み出し電極に読み出し電圧を印加して、小容量ＶＣＣＤ５２に対して図５中の水平方向左に隣接する光電変換素子列の光電変換素子５１から、該小容量ＶＣＣＤ５２に電荷を読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、多数の垂直転送電極に、小容量ＶＣＣＤ５２での電荷転送に最低限必要な第一の駆動電圧を印加して複数のＶＣＣＤ５２を駆動し、小容量ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷を垂直方向に転送する。次に、撮像素子駆動部１０は、ＨＣＣＤ５３、出力部５４を駆動して、小容量ＶＣＣＤ５２を転送された電荷を水平方向に転送し、その電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる。

次に、撮像素子駆動部１０は、右電荷読出し部５３Ｓの読み出し電極に読み出し電圧を印加して、小容量ＶＣＣＤ５２に対して図５中の水平方向右に隣接する光電変換素子列の光電変換素子５１から、該小容量ＶＣＣＤ５２に電荷を読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、多数の垂直転送電極に第一の駆動電圧を印加して複数のＶＣＣＤ５２を駆動し、小容量ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷を垂直方向に転送する。次に、撮像素子駆動部１０は、ＨＣＣＤ５３、出力部５４を駆動して、小容量ＶＣＣＤ５２を転送された電荷を水平方向に転送し、その電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる。

このような駆動により、光電変換素子５１の総数と同じ数の撮像信号を得ることができ、光電変換素子５１の総数と同じ解像度を実現することができる。

一方、低速駆動モード時、撮像素子駆動部１０は、露光期間終了後、左電荷読出し部５３Ｂの読み出し電極に読み出し電圧を印加して、大容量ＶＣＣＤ５２に対して図５中の水平方向左に隣接する光電変換素子列の光電変換素子５１から、該大容量ＶＣＣＤ５２に電荷を読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、多数の垂直転送電極に、大容量ＶＣＣＤ５２での電荷転送に必要な第二の駆動電圧を印加して複数のＶＣＣＤ５２を駆動し、大容量ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷を垂直方向に転送する。次に、撮像素子駆動部１０は、ＨＣＣＤ５３、出力部５４を駆動して、大容量ＶＣＣＤ５２を転送された電荷を水平方向に転送し、その電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる。

次に、撮像素子駆動部１０は、右電荷読出し部５３Ｂの読み出し電極に読み出し電圧を印加して、大容量ＶＣＣＤ５２に対して図５中の水平方向右に隣接する光電変換素子列の光電変換素子５１から、該大容量ＶＣＣＤ５２に電荷を読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、多数の垂直転送電極に第二の駆動電圧を印加して複数のＶＣＣＤ５２を駆動し、大容量ＶＣＣＤ５２に読み出された電荷を垂直方向に転送する。次に、撮像素子駆動部１０は、ＨＣＣＤ５３、出力部５４を駆動して、大容量ＶＣＣＤ５２を転送された電荷を水平方向に転送し、その電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させる。

以上のように、本実施形態のデジタルカメラによれば、第一実施形態及び第二実施形態のデジタルカメラよりも解像度を向上させることができる。第一実施形態及び第二実施形態の場合、図５に示した固体撮像素子５と同じ解像度を得るためには、固体撮像素子５の素子面積を２倍にする必要があり、小型化への弊害となるが、本実施形態によれば、素子面積を大きくすることなく十分な解像度を得ることができ、小型化に有利である。

尚、第一実施形態と第二実施形態では、複数のＶＣＣＤ５２が、大容量ＶＣＣＤ５２と小容量ＶＣＣＤ５２との転送容量の異なる２種類のＶＣＣＤを含むものとしたが、これは２種類に限らない。例えば、複数のＶＣＣＤ５２が、それぞれ転送容量の異なる３種類以上のＶＣＣＤを含む構成としても良い。

又、第一実施形態〜第三実施形態では、固体撮像素子５の構成が、光電変換素子５１の配列が正方格子配列であり、ＶＣＣＤ５２が直線状であるものとして説明したが、図２，３，５において、多数の光電変換素子５１の配列を、奇数番目の光電変換素子行を、偶数番目の光電変換素子行に対して、各光電変換素子行の光電変換素子配列ピッチの略１／２だけ水平方向にずらして配置したハニカム配列とし、ＶＣＣＤ５２を、各光電変換素子列を避けるように垂直方向に蛇行して形成した、例えば特開平１０−１３６３９１号公報に開示されたような構成としても、本発明の駆動方法を適用可能である。

本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図図１に示す固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図ＶＣＣＤの駆動電圧波形を示した図図１に示した固体撮像素子の第二実施形態における平面模式図図１に示した固体撮像素子の第三実施形態における平面模式図

符号の説明

５固体撮像素子
５１光電変換素子
５２垂直電荷転送部
５３水平電荷転送部
５４出力部

Claims

多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々の側部に配置され、前記多数の光電変換素子の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部とを有する固体撮像素子であって、
前記複数の垂直電荷転送部が、それぞれ転送容量の異なる複数種類の垂直電荷転送部を含む固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記多数の光電変換素子の各々の飽和容量が、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量に応じて異なる固体撮像素子。
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記多数の光電変換素子の各々の飽和容量が、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量が相対的に小さい場合は相対的に小さく、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量が相対的に大きい場合は相対的に大きくなっている固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記垂直電荷転送部の数が３つ以上であり、
前記３つ以上の垂直電荷転送部が、転送容量が相対的に大きい大容量垂直電荷転送部と、転送容量が相対的に小さい小容量垂直電荷転送部とを含み、
前記多数の光電変換素子の配列は、前記垂直方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列を前記水平方向に複数配列したものであり、
前記３つ以上の垂直電荷転送部は、１つの前記光電変換素子列の両側部に前記大容量垂直電荷転送部と前記小容量垂直電荷転送部が配置され、且つ、隣接する２つの前記光電変換素子列の各々の両側部に配置される前記大容量垂直電荷転送部と前記小容量垂直電荷転送部の位置関係が逆になるように配置され、且つ、前記隣接する２つの光電変換素子列の間には前記垂直電荷転送部が１つ配置されるように設けられており、
前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子の各々と、前記各々の両側部にある前記大容量垂直電荷転送部及び前記小容量垂直電荷転送部との間に、前記各々で発生した電荷を前記大容量垂直電荷転送部又は前記小容量垂直電荷転送部に読み出すための電荷読出し部を備える固体撮像素子。
多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々の側部に配置され、前記多数の光電変換素子の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部とを含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを有する撮像装置であって、
前記複数の垂直電荷転送部が、それぞれ転送容量の異なる複数種類の垂直電荷転送部を含み、
前記駆動手段は、前記固体撮像素子を複数の駆動モードで駆動可能であり、前記複数の駆動モードが、転送容量の最も小さい種類の前記垂直電荷転送部で電荷を転送するために最低限必要な第一の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して、前記電荷を転送する高速駆動モードを含む撮像装置。
請求項５記載の撮像装置であって、
前記多数の光電変換素子の各々の飽和容量が、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量に応じて異なる撮像装置。
請求項６記載の撮像装置であって、
前記多数の光電変換素子の各々の飽和容量が、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量が相対的に小さい場合は相対的に小さく、前記各々で発生した電荷が読み出される前記垂直電荷転送部の転送容量が相対的に大きい場合は相対的に大きくなっている撮像装置。
請求項５記載の撮像装置であって、
前記垂直電荷転送部の数が３つ以上であり、
前記３つ以上の垂直電荷転送部が、転送容量が相対的に大きい大容量垂直電荷転送部と、転送容量が相対的に小さい小容量垂直電荷転送部とを含み、
前記多数の光電変換素子の配列は、前記垂直方向に配列された複数の光電変換素子からなる光電変換素子列を前記水平方向に複数配列したものであり、
前記３つ以上の垂直電荷転送部は、１つの前記光電変換素子列の両側部に前記大容量垂直電荷転送部と前記小容量垂直電荷転送部が配置され、且つ、隣接する２つの前記光電変換素子列の各々の両側部に配置される前記大容量垂直電荷転送部と前記小容量垂直電荷転送部の位置関係が逆になるように配置され、且つ、前記隣接する２つの光電変換素子列の間には前記垂直電荷転送部が１つ配置されるように設けられ、
前記固体撮像素子が、前記光電変換素子列を構成する複数の光電変換素子の各々と、前記各々の両側部にある前記大容量垂直電荷転送部及び前記小容量垂直電荷転送部との間に、前記各々で発生した電荷を前記大容量垂直電荷転送部又は前記小容量垂直電荷転送部に読み出すための電荷読出し部を備え、
前記駆動手段は、前記高速駆動モード時、露光期間終了後、前記小容量垂直電荷転送部に対して所定方向に隣接する光電変換素子列の光電変換素子から前記小容量垂直電荷転送部に電荷を読み出す駆動を行った後、前記第一の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送し、その後、前記小容量垂直電荷転送部に対して前記所定方向の反対方向に隣接する光電変換素子列の光電変換素子から前記小容量垂直電荷転送部に電荷を読み出す駆動を行った後、前記第一の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送する撮像装置。
請求項８記載の撮像装置であって、
前記複数の駆動モードが、前記大容量垂直電荷転送部で電荷を転送するために必要な前記第一の駆動電圧よりも高い第二の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して、前記電荷を転送する低速駆動モードを含み、
前記駆動手段は、前記低速駆動モード時、露光期間終了後、前記大容量垂直電荷転送部に対して所定方向に隣接する光電変換素子列の光電変換素子から前記大容量垂直電荷転送部に電荷を読み出した後、前記第二の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送し、その後、前記大容量垂直電荷転送部に対して前記所定方向の反対方向に隣接する光電変換素子列の光電変換素子から前記大容量垂直電荷転送部に電荷を読み出した後、前記第二の駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送する撮像装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
転送容量の最も小さい種類の前記垂直電荷転送部で電荷を転送するために最低限必要な駆動電圧で前記複数の垂直電荷転送部を駆動して前記電荷を転送するステップを有する固体撮像素子の駆動方法。