JP2008131331A - Driving method of solid-state imaging element, and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板表面に形成された複数の光電変換素子と、前記複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路と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を前記垂直電荷転送路に読み出すための電荷読出し領域とを含む固体撮像素子の駆動方法に関する。 The present invention provides a plurality of photoelectric conversion elements formed on the surface of a semiconductor substrate, a plurality of vertical charge transfer paths for transferring charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements in a vertical direction, and the plurality of photoelectric conversion elements. And a charge readout region for reading out the charge generated in each of the above to the vertical charge transfer path.
固体撮像素子の高感度化を実現する方法としては、複数の光電変換素子で発生した電荷に応じた信号をゲイン増幅する方法や、光電変換素子から垂直電荷転送路に電荷を読み出す際にインパクトイオン化現象を発生させて電荷の段階で増幅してしまう方法等が知られている。前者は、アンプノイズ等も増幅されてしまうため、S/Nが劣化してしまう。これに対し、後者はアンプを通過する前の段階で増幅が行われるため、S/Nを向上させることができ、高感度化を実現する上で注目すべき技術である。 As a method for realizing high sensitivity of the solid-state imaging device, a method of gain amplification of signals corresponding to charges generated by a plurality of photoelectric conversion elements, or impact ionization when reading charges from the photoelectric conversion elements to the vertical charge transfer path A method of generating a phenomenon and amplifying at a charge stage is known. In the former case, amplifier noise and the like are also amplified, so that the S / N deteriorates. On the other hand, since the latter is amplified at a stage before passing through the amplifier, the S / N can be improved and is a technique to be noted in realizing high sensitivity.
インパクトイオン化現象に関する記述のある文献としては、例えば特許文献1〜3が挙げられる。
For example,
本発明は、上記従来技術とは異なる新規の方法を提案するものであり、インパクトイオン化現象を用いた電荷増倍により、高感度と高S/Nを両立することが可能な固体撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。 The present invention proposes a novel method that is different from the above-described conventional technology, and drives a solid-state imaging device capable of achieving both high sensitivity and high S / N by charge multiplication using an impact ionization phenomenon. It aims to provide a method.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板表面に形成された複数の光電変換素子と、前記複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路と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を前記垂直電荷転送路に読み出すための電荷読出し領域とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、前記電荷読出し領域への読み出しパルスの供給を複数回行って、前記垂直電荷転送路に形成した電荷蓄積パケットに前記電荷を複数回に分けて読み出す駆動を行う電荷読み出しステップと、前記複数回の読み出しパルスのうちの任意の読み出しパルスの供給が完了してから、前記任意の読み出しパルスの次の読み出しパルスの供給を開始するまでの間に、前記次の読み出しパルスを供給したときに前記電荷蓄積パケットが空になるように、前記任意の読み出しパルスによって前記電荷蓄積パケットに読み出された電荷を前記垂直方向に転送する駆動を行う電荷転送ステップとを備える。 The solid-state imaging device driving method of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements formed on the surface of a semiconductor substrate, and a plurality of vertical charge transfer paths for transferring charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements in a vertical direction. A solid-state imaging device including a charge readout region for reading out the charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements to the vertical charge transfer path, and supplying a readout pulse to the charge readout region A charge reading step of performing a plurality of times to drive the charge accumulation packet formed in the vertical charge transfer path to read the charges in a plurality of times, and supplying an arbitrary read pulse of the plurality of read pulses. The charge storage is performed when the next read pulse is supplied during the period from completion until the start of supply of the next read pulse of the arbitrary read pulse. As packets is empty, and a charge transfer step of performing driving for transferring the arbitrary charge read to the charge storage packet by reading pulse to the vertical direction.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記複数回の読み出しパルスのうち、最後に供給する読み出しパルスを除く読み出しパルスの供給期間を、前記最後に供給する読み出しパルスの供給期間よりも短くする。 According to the solid-state imaging device driving method of the present invention, the supply period of the read pulse excluding the read pulse to be supplied last among the plurality of read pulses is shorter than the supply period of the read pulse to be supplied last.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記電荷読み出しステップにおける前記読み出しパルスの供給回数を撮影条件に応じて変更する。 In the solid-state imaging device driving method according to the present invention, the number of times of supply of the readout pulse in the charge readout step is changed according to imaging conditions.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記光電変換素子に蓄積可能な最大電荷量の電荷を転送するために最低限必要な前記電荷蓄積パケットの数をAとし、前記電荷読み出しステップにおける前記電荷蓄積パケットの数をBとしたとき、A>Bとする。 In the solid-state imaging device driving method according to the present invention, the minimum number of the charge accumulation packets required to transfer the maximum amount of charge that can be accumulated in the photoelectric conversion element is A, and the charge in the charge reading step is A. When the number of stored packets is B, A> B.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記Bの値を撮影条件に応じて変更する。 In the driving method of the solid-state imaging device of the present invention, the value B is changed according to the shooting conditions.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記光電変換素子に蓄積可能な最大電荷量の電荷を転送するために最低限必要な前記電荷蓄積パケットの数をAとし、前記電荷読み出しステップにおける前記電荷蓄積パケットの数をBとしたとき、A≧Bとなる条件を満たす範囲内で、前記Bの値を撮影条件に応じて変更する。 In the solid-state imaging device driving method according to the present invention, the minimum number of the charge accumulation packets required to transfer the maximum amount of charge that can be accumulated in the photoelectric conversion element is A, and the charge in the charge reading step is A. Assuming that the number of stored packets is B, the value of B is changed according to the shooting conditions within a range that satisfies the condition of A ≧ B.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記複数の光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換素子を含み、前記読み出しパルスの供給回数を、前記複数種類の光電変換素子毎に独立に制御する。 In the solid-state imaging device driving method of the present invention, the plurality of photoelectric conversion elements include a plurality of types of photoelectric conversion elements that detect light in different wavelength ranges, and the number of times of supply of the readout pulse is determined by the plurality of types of photoelectric conversion elements. Control is performed independently for each conversion element.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記複数の光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換素子を含み、前記読み出しパルスの供給回数と前記Bの値を、前記複数種類の光電変換素子毎に独立に制御する。 In the solid-state imaging device driving method according to the present invention, the plurality of photoelectric conversion elements each include a plurality of types of photoelectric conversion elements that detect light in different wavelength ranges, and the number of times of supplying the readout pulse and the value of B are calculated as follows: Control is performed independently for each of the plurality of types of photoelectric conversion elements.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板表面に形成された複数の光電変換素子と、前記複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路と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷を前記垂直電荷転送路に読み出すための電荷読出し領域とを含む固体撮像素子の駆動方法であって、前記電荷読出し領域への読み出しパルスの供給を行って、前記垂直電荷転送路に形成した電荷蓄積パケットに前記電荷を読み出す駆動を行う電荷読み出しステップを備え、前記光電変換素子に蓄積可能な最大電荷量の電荷を転送するために最低限必要な前記電荷蓄積パケットの数をAとし、前記電荷読み出しステップにおける前記電荷蓄積パケットの数をBとしたとき、A>Bとする。 The solid-state imaging device driving method of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements formed on the surface of a semiconductor substrate, and a plurality of vertical charge transfer paths for transferring charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements in a vertical direction. A solid-state imaging device including a charge readout region for reading out the charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements to the vertical charge transfer path, and supplying a readout pulse to the charge readout region And a charge read step for driving the charge storage packet formed in the vertical charge transfer path to read the charge, and at least necessary to transfer the maximum amount of charge that can be stored in the photoelectric conversion element. A> B, where A is the number of charge storage packets and B is the number of charge storage packets in the charge reading step.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記Bの値を撮影条件に応じて変更する。 In the driving method of the solid-state imaging device of the present invention, the value B is changed according to the shooting conditions.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記複数の光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換素子を含み、前記Bの値を、前記複数種類の光電変換素子毎に独立に制御する。 In the solid-state imaging device driving method according to the present invention, the plurality of photoelectric conversion elements each include a plurality of types of photoelectric conversion elements that detect light in different wavelength ranges, and the value of B is set as the plurality of types of photoelectric conversion elements. Control each independently.
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子の駆動方法に基づく駆動を行う駆動手段と、前記固体撮像素子とを備える。 The imaging device of the present invention includes a driving unit that performs driving based on a driving method of the solid-state imaging device, and the solid-state imaging device.
本発明によれば、インパクトイオン化現象を用いた電荷増倍により、高感度と高S/Nを両立することが可能な固体撮像素子の駆動方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the drive method of the solid-state image sensor which can make high sensitivity and high S / N compatible by charge multiplication using an impact ionization phenomenon can be provided.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態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。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a digital camera which is an example of an imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
The imaging system of the digital camera shown in the figure includes a
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。
A
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。
Further, the
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。
The electric control system of the digital camera further includes an analog
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。
Furthermore, the electric control system of this digital camera generates image data by performing
図2は、固体撮像素子5の平面模式図である。
固体撮像素子5は、半導体基板表面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101と、多数の光電変換素子101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路102(図2にでは1つだけ図示)と、複数の垂直電荷転送路102の各々を転送されてきた電荷を一時的に蓄積するラインメモリ105と、ラインメモリ105から出力された電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部(HCCD)103と、HCCD103を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部104とを含んで構成される。
FIG. 2 is a schematic plan view of the solid-
The solid-
多数の光電変換素子101は、水平方向に並ぶn個(nは2以上の自然数)の光電変換素子101からなる光電変換素子行を垂直方向にm(mは1以上の自然数)個配列した構成、又は、垂直方向に並ぶm個の光電変換素子101からなる光電変換素子列を水平方向にn個配列した構成となっている。奇数番目の光電変換素子行は、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された、所謂、ハニカム配列となっている。
A large number of
奇数番目の光電変換素子行は、緑色の波長域の光を検出する光電変換素子101(以下、G光電変換素子101という。図2では符号Gを記した)を水平方向に配列した行である。
The odd-numbered photoelectric conversion element rows are rows in which the photoelectric conversion elements 101 (hereinafter referred to as G
偶数番目の光電変換素子行には、青色の波長域の光を検出する光電変換素子101(以下、B光電変換素子101という。図2では符号Bを記した)と、赤色の波長域の光を検出する光電変換素子101(以下、R光電変換素子101という。図2では符号Rを記した)を、B光電変換素子101を先頭にして水平方向に交互に配列したBR光電変換素子行と、R光電変換素子101を先頭にして水平方向に交互に配列したRB光電変換素子行とが含まれ、これら2つの行が垂直方向に交互に配列されている。
The even-numbered photoelectric conversion element rows include a
各光電変換素子列には1つの垂直電荷転送路102が対応して設けられている。各垂直電荷転送路102には、ここに対応する光電変換素子列に含まれるm個の光電変換素子101から電荷が読み出されるようになっている。垂直電荷転送路102は、各光電変換素子列の側部に、光電変換素子101を避けるように垂直方向に蛇行して形成されている。
One vertical
各光電変換素子列とそれに対応する垂直電荷転送路102との間には、図中に矢印で模式的に示した電荷読み出し領域105が形成されており、この電荷読み出し領域105を介して、露光期間中に光電変換素子101で発生した電荷が、垂直電荷転送路102に読み出される。
Between each photoelectric conversion element array and the corresponding vertical
半導体基板表面上の水平方向には、各光電変換素子101を避けるように蛇行して垂直転送電極V1,V2,…,V8が敷設されている。垂直電荷転送路102は、その上に設けられ垂直方向に配置される垂直転送電極V1〜V8に、撮像素子駆動部10から出力される転送パルスが印加されることで駆動される。
In the horizontal direction on the surface of the semiconductor substrate, vertical transfer electrodes V1, V2,..., V8 are laid to meander to avoid the
垂直転送電極V1〜V8に印加する転送パルスは、ハイ(H)レベルとミドル(M)レベルとロー(L)レベルの3つのレベルをとることができる。Hレベルの転送パルスは、光電変換素子101から垂直電荷転送路102へ電荷を読み出すための読み出しパルスとなる。
The transfer pulse applied to the vertical transfer electrodes V1 to V8 can take three levels: a high (H) level, a middle (M) level, and a low (L) level. The H level transfer pulse serves as a read pulse for reading out charges from the
垂直転送電極V3は、BR光電変換素子行に対応して、BR光電変換素子行の上側部に配置されている。 The vertical transfer electrode V3 is disposed on the upper side of the BR photoelectric conversion element row corresponding to the BR photoelectric conversion element row.
垂直転送電極V4は、BR光電変換素子行に対応して、BR光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V4は、BR光電変換素子行の各光電変換素子101と、それに対応する垂直電荷転送路102との間にある電荷読み出し領域105とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V4に読み出しパルスを印加することで、BR光電変換素子行に含まれる各光電変換素子101で発生した電荷を、各光電変換素子101に対応する垂直電荷転送路102に読み出すことができる。
The vertical transfer electrode V4 is disposed on the lower side of the BR photoelectric conversion element row corresponding to the BR photoelectric conversion element row. The vertical transfer electrode V4 also overlaps with the
垂直転送電極V7は、RB光電変換素子行に対応して、RB光電変換素子行の上側部に配置されている。 The vertical transfer electrode V7 is disposed on the upper side of the RB photoelectric conversion element row corresponding to the RB photoelectric conversion element row.
垂直転送電極V8は、RB光電変換素子行に対応して、RB光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V8は、RB光電変換素子行の各光電変換素子101と、それに対応する垂直電荷転送路102との間にある電荷読み出し領域105とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V8に読み出しパルスを印加することで、RB光電変換素子行に含まれる各光電変換素子101で発生した電荷を、各光電変換素子101に対応する垂直電荷転送路102に読み出すことができる。
The vertical transfer electrode V8 is disposed on the lower side of the RB photoelectric conversion element row corresponding to the RB photoelectric conversion element row. The vertical transfer electrode V8 also overlaps with the
垂直転送電極V5は、奇数番目の光電変換素子行のうちの垂直転送電極V4と垂直転送電極V7の間に配置される光電変換素子行に対応して、この光電変換素子行の上側部に配置されている。 The vertical transfer electrode V5 is arranged on the upper side of the photoelectric conversion element row corresponding to the photoelectric conversion element row arranged between the vertical transfer electrode V4 and the vertical transfer electrode V7 in the odd-numbered photoelectric conversion element rows. Has been.
垂直転送電極V6は、奇数番目の光電変換素子行のうちの垂直転送電極V4と垂直転送電極V7の間に配置される光電変換素子行に対応して、この光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V6は、この光電変換素子行の各光電変換素子101と、それに対応する垂直電荷転送路102との間にある電荷読み出し領域105とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V6に読み出しパルスを印加することで、この光電変換素子行に含まれる各光電変換素子101で発生した電荷を、各光電変換素子101に対応する垂直電荷転送路102に読み出すことができる。
The vertical transfer electrode V6 corresponds to the photoelectric conversion element row disposed between the vertical transfer electrode V4 and the vertical transfer electrode V7 among the odd-numbered photoelectric conversion element rows, and is provided on the lower side of the photoelectric conversion element row. Has been placed. The vertical transfer electrode V6 also overlaps with the
垂直転送電極V1は、奇数番目の光電変換素子行のうちの垂直転送電極V3と垂直転送電極V8の間に配置される光電変換素子行に対応して、この光電変換素子行の上側部に配置されている。 The vertical transfer electrode V1 is arranged on the upper side of the photoelectric conversion element row corresponding to the photoelectric conversion element row arranged between the vertical transfer electrode V3 and the vertical transfer electrode V8 in the odd-numbered photoelectric conversion element rows. Has been.
垂直転送電極V2は、奇数番目の光電変換素子行のうちの垂直転送電極V3と垂直転送電極V8の間に配置される光電変換素子行に対応して、この光電変換素子行の下側部に配置されている。垂直転送電極V2は、この光電変換素子行の各光電変換素子101と、それに対応する垂直電荷転送路102との間にある電荷読み出し領域105とも重なっており、撮像素子駆動部10から垂直転送電極V2に読み出しパルスを印加することで、この光電変換素子行に含まれる各光電変換素子101で発生した電荷を、各光電変換素子101に対応する垂直電荷転送路102に読み出すことができる。
The vertical transfer electrode V2 corresponds to the photoelectric conversion element row arranged between the vertical transfer electrode V3 and the vertical transfer electrode V8 among the odd-numbered photoelectric conversion element rows, and is arranged on the lower side of the photoelectric conversion element row. Has been placed. The vertical transfer electrode V2 also overlaps with the
ラインメモリ105は、各VCCD102に対応するn個の電荷蓄積領域とその上方に設けられた駆動電極とで構成され、各電荷蓄積領域には、これに対応するVCCD102から転送された電荷が一時的に蓄積される。ラインメモリ105の駆動電極には、撮像素子駆動部10から出力される駆動パルスφLMが供給され、ラインメモリ105は、この駆動パルスφLMによって駆動される。
The
尚、「垂直」「水平」という用語を使用して説明したが、これは、半導体基板表面に沿う「1方向」「この1方向に対して略直角の方向」という意味である。 Although the terms “vertical” and “horizontal” have been used, this means “one direction” along the surface of the semiconductor substrate and “a direction substantially perpendicular to the one direction”.
撮像素子駆動部10は、光電変換素子101で発生した電荷を、インパクトイオン化現象を利用して増倍させて読み出す電荷増倍駆動モードで固体撮像素子5を駆動可能である。
The image sensor drive unit 10 can drive the solid-
電荷増倍駆動モード時、撮像素子駆動部10は、読み出し対象となる光電変換素子101で発生した電荷を、その光電変換素子101に対応する垂直電荷転送路102に読み出す際、電荷読出し領域105への読み出しパルスの供給を複数回行って、垂直電荷転送路102に形成した電荷蓄積パケットに電荷を複数回に分けて読み出す駆動を行う。以下では、静止画撮影時に4フィールドに分けて全ての光電変換素子101から電荷を読み出す場合を例にして、電荷増倍駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作を説明する。
In the charge multiplication drive mode, the image sensor driving unit 10 reads the charge generated in the
図3は、第一実施形態の固体撮像素子5の電荷増倍駆動モード時の1フィールド目の動作を説明するための図である。図3において、T1〜T10は時刻を示し、T1〜T10の各々の下に図示された図は、図2に示す固体撮像素子5の光電変換素子列のうち、G光電変換素子101が並ぶ光電変換素子列の一部を拡大したものであり、各時刻での垂直電荷転送路102の状態を示した図である。図3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は、図3に示した各時刻における垂直転送電極V1〜V8の波形を示した図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the first field in the charge multiplication drive mode of the solid-
露光期間中、垂直転送電極V1〜V8にはLレベルの転送パルスが印加されているものとする。露光期間終了後、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8,V1,V2,V3にMレベルの転送パルスを印加して、電荷転送チャネルに4つの電荷蓄積パケットを形成し、その後、垂直転送電極V2に読み出しパルスを印加して、この4つの電荷蓄積パケットに電荷を読み出す(時刻T1)。ここでは、4つの電荷蓄積パケットを形成しているが、ここで形成する電荷蓄積パケットの数は、読み出し対象となる光電変換素子101に蓄積可能な最大電荷量の電荷を転送するために最低限必要な数とすれば良い。つまり、電荷蓄積パケットの総容量が、読み出し対象となる光電変換素子101に蓄積可能な最大電荷量と同じであれば良い。尚、読み出し対象となる光電変換素子101に蓄積可能な最大電荷量の電荷を、1回の読み出し動作で垂直電荷転送路102に全て読み出すことを可能とする読み出しパルスの印加期間を“1”とすると、時刻T1における読み出しパルスの印加期間は、“1”よりも短い期間、例えば1/3とする。
It is assumed that an L level transfer pulse is applied to the vertical transfer electrodes V1 to V8 during the exposure period. After the exposure period, the image sensor driving unit 10 applies M-level transfer pulses to the vertical transfer electrodes V8, V1, V2, and V3 to form four charge accumulation packets in the charge transfer channel, and then performs vertical transfer. A read pulse is applied to the electrode V2 to read out charges from these four charge storage packets (time T1). Here, four charge storage packets are formed, but the number of charge storage packets formed here is the minimum in order to transfer the maximum amount of charge that can be stored in the
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8にLレベル、垂直転送電極V4〜V6にMレベルの転送パルスを印加し(時刻T2)、その後、垂直転送電極V1〜V4にLレベルの転送パルスを印加して、時刻T1で読み出した電荷を垂直方向に転送する(時刻T3)。 Next, the image sensor driving unit 10 applies the L level transfer pulse to the vertical transfer electrode V8 and the M level transfer pulse to the vertical transfer electrodes V4 to V6 (time T2), and then the L level to the vertical transfer electrodes V1 to V4. A transfer pulse is applied to transfer the charges read at time T1 in the vertical direction (time T3).
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8,V1,V2,V3にMレベルの転送パルスを印加して、電荷転送チャネルに4つの電荷蓄積パケットを形成する(時刻T4)。その後、垂直転送電極V2に読み出しパルスを印加して、この4つの電荷蓄積パケットに電荷を読み出す(時刻T5)。時刻T5における読み出しパルスの印加時間は、時刻T1のときよりも長く且つ“1”よりも短い期間、例えば1/2とする。 Next, the image sensor driving unit 10 applies M-level transfer pulses to the vertical transfer electrodes V8, V1, V2, and V3 to form four charge accumulation packets in the charge transfer channel (time T4). Thereafter, a read pulse is applied to the vertical transfer electrode V2 to read out charges from these four charge accumulation packets (time T5). The application time of the readout pulse at time T5 is longer than that at time T1 and shorter than “1”, for example, 1/2.
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8にLレベル、垂直転送電極V4にMレベルの転送パルスを印加し(時刻T6)、その後、垂直転送電極V1〜V4にLレベルの転送パルスを印加して、時刻T5で読み出した電荷を垂直方向に転送する(時刻T7)。 Next, the image sensor drive unit 10 applies the L level transfer pulse to the vertical transfer electrode V8 and the M level transfer pulse to the vertical transfer electrode V4 (time T6), and then the L level transfer pulse to the vertical transfer electrodes V1 to V4. And the charge read at time T5 is transferred in the vertical direction (time T7).
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8,V1,V2,V3にMレベルの転送パルスを印加して、電荷転送チャネルに4つの電荷蓄積パケットを形成する(時刻T8)。その後、垂直転送電極V2に読み出しパルスを印加して、この4つの電荷蓄積パケットに電荷を読み出す(時刻T9)。時刻T9における読み出しパルスの印加時間は、時刻T5のときよりも長い期間、例えば1とする。 Next, the image sensor driving unit 10 applies M-level transfer pulses to the vertical transfer electrodes V8, V1, V2, and V3 to form four charge accumulation packets in the charge transfer channel (time T8). Thereafter, a read pulse is applied to the vertical transfer electrode V2 to read out charges from these four charge storage packets (time T9). The application time of the readout pulse at time T9 is set to a longer period than that at time T5, for example, 1.
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8にLレベル、垂直転送電極V4にMレベルの転送パルスを印加して、時刻T9で読み出した電荷と、垂直転送電極V5,V6下にある時刻T1,T5で読み出した電荷とを混合する(時刻T10)。そして、その後は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加することで、読み出した電荷を垂直方向に順次転送する。 Next, the image sensor drive unit 10 applies the L level transfer pulse to the vertical transfer electrode V8 and the M level transfer pulse to the vertical transfer electrode V4, and the charges read at time T9 and the vertical transfer electrodes V5 and V6 are below. The charges read at times T1 and T5 are mixed (time T10). After that, by applying a transfer pulse of a predetermined pattern to the vertical transfer electrodes V1 to V8, the read charges are sequentially transferred in the vertical direction.
このように、光電変換素子101からの電荷の読み出しを3回に分けて行うと共に、その3回の電荷読み出し時に垂直電荷転送路102に形成される電荷蓄積パケットが常に空の状態となるようにすることで、多数の電子からなる電荷を1回で読み出す場合に比べて、該多数の電子の各々が移動する際の電位差(電子が最初にあった位置の電位と、移動後の位置の電位との差)の平均を大きくすることができる。この結果、インパクトイオン化現象を発生させることができ、電荷を増倍することができる。
As described above, the charge is read out from the
この駆動方法では、電荷を3回に分けて読み出す必要があるため、1回目の電荷読み出し時に、読み出しパルスの印加時間を“1”としてしまうと、その時点で、光電変換素子101に蓄積されている全ての電荷が読み出されてしまい、2回目、3回目の電荷読み出し時には電荷が移動せず、電荷増倍効果を得られない可能性がある。本実施形態では、3回の電荷読み出しの各々における読み出しパルスの印加時間を、1回目と2回目では“1”よりも短くし、最後の読み出しでは“1”としている、つまり、最後の読み出し以外の読み出し時の読み出しパルスの印加時間を、最後の読み出し時のそれよりも短くしている。このため、次の電荷読み出し時に、光電変換素子101に電荷が残らないという状況を確実に防ぐことができる。又、最後の読み出し時には全ての電荷が読み出せるだけの時間、読み出しパルスが印加されるため、光電変換素子101に蓄積された全ての電荷をもれなく読み出すことができる。
In this driving method, since it is necessary to read out the charge in three steps, if the read pulse application time is set to “1” during the first charge read-out, the charge is accumulated in the
又、電荷を出力部104で信号に変換してから増幅する方法では、電荷に含まれるノイズ成分も増幅されるため、S/Nが劣化してしまうが、本駆動方法によれば、インパクトイオン化現象を利用して電荷増倍を行っているため、S/N劣化を防ぐことができる。
Further, in the method of amplifying the charge after converting it into a signal at the
尚、ここでは電荷の読み出しを3回に分けて行うものとしたが、3回に限らず、2回以上であれば効果を得ることができる。電荷の読み出しの回数を変えることで、電荷の増倍率を調整することも可能であるため、このことを利用して撮影ISO感度を変更することも可能である。例えば、内部メモリに、複数の撮影ISO感度の各々に応じた読み出し回数の情報を記憶しておき、撮像素子駆動部10が、設定された撮影ISO感度に応じた読み出し回数で固体撮像素子5を駆動するようにすれば良い。
Here, the charge is read out in three steps, but not limited to three times, the effect can be obtained as long as it is two or more times. Since the charge multiplication factor can be adjusted by changing the number of times of charge reading, it is also possible to change the photographing ISO sensitivity by using this fact. For example, information on the number of readings corresponding to each of a plurality of shooting ISO sensitivities is stored in the internal memory, and the image sensor driving unit 10 loads the solid-
又、高輝度の被写体を撮影するときに上述した電荷増倍駆動モードで駆動を行ってしまうと、電荷増倍による感度のばらつき、即ち、固定パターンノイズが発生してしまう。このため、電荷増倍駆動モードで常に固体撮像素子5を駆動することは好ましくない。そこで、本実施形態では、撮像素子駆動部10が、撮影ISO感度が所定値より低い場合は、光電変換素子101から1回で電荷を読み出す公知の駆動を行い、撮影ISO感度が所定値より高い場合は、設定された撮影ISO感度に応じて、上述した電荷増倍駆動モードで駆動を行うようにすることで、固定パターンのノイズの発生を抑えることができる。
In addition, when driving in the above-described charge multiplication drive mode when photographing a high-luminance subject, sensitivity variations due to charge multiplication, that is, fixed pattern noise occurs. For this reason, it is not preferable to always drive the solid-
(第二実施形態)
第一実施形態で説明した電荷増倍駆動モードでは、電荷を複数回に分けて読み出すため、1回の電荷読み出し時に垂直電荷転送路102に形成する電荷蓄積パケットの容量を、読み出し対象となる光電変換素子101に蓄積可能な最大電荷量より小さくしても問題はない。例えば、3回の電荷読み出し時の各々で垂直電荷転送路102に読み出される最大電荷量が、2つの電荷蓄積パケットの総容量と同じであるとすると、図3の時刻T1,T5,T9において、垂直転送電極V3,V8に印加する転送パルスをLレベルとしても問題はない。
(Second embodiment)
In the charge multiplication drive mode described in the first embodiment, since the charge is read out in a plurality of times, the capacity of the charge storage packet formed in the vertical
図5は、ある光電変換素子とそこから電荷が読み出される垂直電荷転送路とのポテンシャルを示した図である。
光電変換素子101のポテンシャルは、その周辺のポテンシャルが低いほど、その低いポテンシャルに引っ張られて、表面電位が上昇することが知られている。例えば、図3の時刻T1,T5,T9において、垂直転送電極V3,V8に相殺パルス(Lレベルの転送パルス)を印加して電荷蓄積パケットを4つから2つに減らすと、光電変換素子101周辺でポテンシャルが低くなる部分が増加するため、光電変換素子101のポテンシャルは、図5の破線で示すように表面電位が上昇する。相殺パルスを印加した状態で、垂直転送電極V2に読み出しパルスを印加すると、図5に示すように、相殺パルスを印加しない場合に比べ、光電変換素子101に蓄積された電荷が移動する際の電位差が大きくなる。このため、電荷増倍効果が得られ、相殺パルスを印加しない場合に比べて増倍率を大きくすることが可能となる。相殺パルスに起因する増倍率は、相殺パルスを印加する電極数が多い程、即ち電荷蓄積パケットの数が少ない程、大きくなる。
FIG. 5 is a diagram illustrating the potential of a certain photoelectric conversion element and a vertical charge transfer path from which charges are read.
It is known that the potential of the
本実施形態では、第一実施形態で説明した電荷を複数回に分けて読み出す方法と、相殺パルスを印加する方法とを組み合わせて、電荷の増倍率を大きくする駆動を、撮像素子駆動部10が行うものとしている。以下、電荷を複数回に分けて読み出す方法と相殺パルスを印加する方法とを組み合わせた駆動方法について説明する。以下では、静止画撮影時に4フィールドに分けて全ての光電変換素子101から電荷を読み出す場合を例にして、電荷増倍駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作を説明する。
In the present embodiment, the image sensor driving unit 10 performs driving for increasing the multiplication factor of the charge by combining the method of reading the charge described in the first embodiment in a plurality of times and the method of applying the cancellation pulse. To do. Hereinafter, a driving method combining a method of reading out charges in multiple times and a method of applying a canceling pulse will be described. Hereinafter, the operation of the image sensor drive unit 10 in the charge multiplication drive mode will be described by taking as an example a case where charges are read from all the
図6は、第二実施形態の固体撮像素子の電荷増倍駆動モード時の1フィールド目の動作を説明するための図である。図6において、T1〜T10は時刻を示し、T1〜T10の各々の下に図示された図は、図2に示す固体撮像素子5の光電変換素子列のうち、G光電変換素子101が並ぶ光電変換素子列の一部を拡大したものであり、各時刻での垂直電荷転送路102の状態を示した図である。図6において図2と同じ構成には同一符号を付してある。図7は、図6に示した各時刻における垂直転送電極V1〜V8の波形を示した図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the first field in the charge multiplication drive mode of the solid-state imaging device according to the second embodiment. In FIG. 6, T1 to T10 indicate times, and the diagram illustrated below each of T1 to T10 is a photoelectric in which the G
図6において図3と異なる点は、時刻T1,T5,T9において、読み出しパルスを印加する前に、垂直転送電極V3,V8に相殺パルス(Lレベルの転送パルス)を印加して、ここで形成する電荷蓄積パケットの数を4つから2つに減らした点である。それ以外の動作は第一実施形態と同様である。 6 differs from FIG. 3 in that, at time T1, T5, T9, before applying the readout pulse, a canceling pulse (L-level transfer pulse) is applied to the vertical transfer electrodes V3, V8, and is formed here. The number of charge accumulation packets to be reduced is reduced from four to two. Other operations are the same as those in the first embodiment.
このような駆動方法によれば、電荷を複数回に分けて読み出すことによって得られる電荷増倍効果に加え、相殺パルスを印加したことによる電荷増倍効果を得ることができるため、第一実施形態の駆動方法に比べて電荷増倍率を大きくすることができる。又、電荷の読み出し回数(=2以上の自然数)と、相殺パルスを印加する電極数(=0以上の自然数)との組み合わせで電荷増倍率を決めることができるため、第一実施形態よりも細かい電荷増倍率の設定が可能となる。 According to such a driving method, in addition to the charge multiplication effect obtained by reading out charges in multiple times, the charge multiplication effect obtained by applying the cancellation pulse can be obtained, so the first embodiment The charge multiplication factor can be increased as compared with the driving method. In addition, since the charge multiplication factor can be determined by a combination of the number of charge readouts (= 2 or more natural number) and the number of electrodes to which the cancellation pulse is applied (= 0 or more natural number), it is finer than the first embodiment. The charge multiplication factor can be set.
尚、本駆動方法によれば、電荷の読み出し回数と、電荷読み出し時に形成する電荷蓄積パケットの数との組み合わせで電荷の増倍率が決まるため、この組み合わせを変えることで、撮影ISO感度を変更することが可能である。撮影ISO感度が設定された場合、撮像素子駆動部10は、電荷の読み出し回数と電荷蓄積パケットの数を、設定された撮影ISO感度に応じて変更するようにすれば良い。 According to the present driving method, the charge multiplication factor is determined by the combination of the number of times of charge reading and the number of charge storage packets formed at the time of charge reading. By changing this combination, the imaging ISO sensitivity is changed. It is possible. When the shooting ISO sensitivity is set, the image sensor driving unit 10 may change the number of charge readouts and the number of charge accumulation packets according to the set shooting ISO sensitivity.
又、本実施形態では、撮像素子駆動部10が、電荷増倍駆動モード時に、電荷を複数回に分けて読み出す駆動方法と、相殺パルスを印加する駆動方法とを組み合わせて実行するものとしたが、もちろん、相殺パルスを印加する駆動方法のみを実行するようにしても、電荷増倍効果を得ることは可能である。この場合は、撮像素子駆動部10が、光電変換素子101から1回で電荷を読み出す公知の駆動を行うものとし、この駆動時に形成する電荷蓄積パケットの数を、設定された撮影ISO感度に必要な増倍率が得られるだけの数に設定して、固体撮像素子5を駆動するようにすれば良い。
In the present embodiment, the image sensor driving unit 10 executes a combination of a driving method for reading out charges in multiple times and a driving method for applying a cancellation pulse in the charge multiplication driving mode. Of course, it is possible to obtain the charge multiplication effect even if only the driving method of applying the cancellation pulse is executed. In this case, the imaging element driving unit 10 performs a known driving for reading out charges from the
相殺パルスを印加する駆動方法のみを実行する場合でも、この駆動方法を高輝度の被写体を撮影するときに実行してしまうと、固定パターンノイズが発生してしまう。そこで、この場合でも、撮像素子駆動部10が、撮影ISO感度が所定値より低い場合は、相殺パルスを印加しない公知の駆動を行い、撮影ISO感度が所定値より高い場合は、設定された撮影ISO感度に応じて、相殺パルスを印加する電極数を設定した駆動を行うようにすることで、固定パターンのノイズの発生を抑えることができる。 Even when only the driving method for applying the cancellation pulse is executed, if this driving method is executed when photographing a high-luminance object, fixed pattern noise is generated. Therefore, even in this case, when the imaging ISO sensitivity is lower than the predetermined value, the imaging element driving unit 10 performs known driving without applying the cancellation pulse, and when the imaging ISO sensitivity is higher than the predetermined value, the set imaging is performed. Generation of fixed pattern noise can be suppressed by performing driving in which the number of electrodes to which the cancellation pulse is applied is set according to the ISO sensitivity.
(第三実施形態)
第一実施形態と第二実施形態では、固体撮像素子5の光電変換素子101の配列がハニカム配列である例を説明したが、本発明は、光電変換素子101の配列が正方配列である場合でも、もちろん適用可能である。本実施形態では、固体撮像素子5を正方配列型にしたものに、本発明の電荷増倍駆動方法を適用した場合について説明する。
(Third embodiment)
In the first embodiment and the second embodiment, the example in which the arrangement of the
図8は、第三実施形態の固体撮像素子の平面模式図である。
図8に示す固体撮像素子は、半導体基板50表面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を備える。多数の光電変換素子51は、水平方向に並ぶn個(nは2以上の自然数)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m(mは1以上の自然数)個配列した構成、又は、垂直方向に並ぶm個の光電変換素子51からなる光電変換素子列を水平方向にn個配列した構成となっている。
FIG. 8 is a schematic plan view of the solid-state imaging device of the third embodiment.
The solid-state imaging device shown in FIG. 8 includes a large number of
奇数番目の光電変換素子行は、緑色の波長域の光を検出するG光電変換素子51と、青色の波長域の光を検出するB光電変換素子51とを交互に配列したものとなっている。偶数番目の光電変換素子行は、赤色の波長域の光を検出するR光電変換素子51と、G光電変換素子51とを交互に配列したものとなっている。
The odd-numbered photoelectric conversion element rows are formed by alternately arranging G
各光電変換素子列の側部には、各光電変換素子列に対応して垂直電荷転送路52が形成されている。垂直電荷転送路52は、それに対応する光電変換素子列の光電変換素子51で発生した電荷を垂直方向に転送する。
A vertical
各光電変換素子列の光電変換素子51とそれ対応する垂直電荷転送路52との間には、光電変換素子51で発生した電荷をそれに対応する垂直電荷転送路52に読み出すための電荷読み出し領域53が設けられている。
Between the
半導体基板50表面上の水平方向には、各光電変換素子51を避けるように図示しない垂直転送電極V1,V2,…,V8が敷設されている。垂直電荷転送路52は、その上に設けられ垂直方向に配置される垂直転送電極V1〜V8に、撮像素子駆動部10から出力される転送パルスが印加されることで駆動される。垂直転送電極V1〜V4は、奇数番目の光電変換素子行の光電変換素子51に対応し、垂直転送電極V5〜V8は、偶数番目の光電変換素子行の光電変換素子51に対応している。
Vertical transfer electrodes V1, V2,..., V8 (not shown) are laid in the horizontal direction on the surface of the
垂直転送電極V1は、奇数番目の光電変換素子行の光電変換素子51とそれに対応する垂直電荷転送路52との間の電荷読み出し領域53とも重なっており、垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加することで、奇数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、その光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52に読み出すことができる。
The vertical transfer electrode V1 also overlaps the
垂直転送電極V5は、偶数番目の光電変換素子行の光電変換素子51とそれに対応する垂直電荷転送路52との間の電荷読み出し領域53とも重なっており、垂直転送電極V5に読み出しパルスを印加することで、偶数番目の光電変換素子行の光電変換素子51で発生した電荷を、その光電変換素子51に対応する垂直電荷転送路52に読み出すことができる。
The vertical transfer electrode V5 also overlaps the
次に、電荷増倍駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作について説明する。以下では、静止画撮影時に2フィールドに分けて全ての光電変換素子51から電荷を読み出す場合を例にして、電荷増倍駆動モード時の撮像素子駆動部10の動作を説明する。
Next, the operation of the image sensor drive unit 10 in the charge multiplication drive mode will be described. Hereinafter, the operation of the image sensor drive unit 10 in the charge multiplication drive mode will be described by taking as an example a case where charges are read from all the
図9は、第三実施形態の固体撮像素子の1フィールド目における動作を説明するための図である。図9において、T1〜T10は時刻を示し、T1〜T10の各々の下に図示された図は、図8に示す固体撮像素子の光電変換素子列のうち、G光電変換素子51とR光電変換素子51が並ぶ光電変換素子列の一部を拡大したものであり、各時刻での垂直電荷転送路52の状態を示した図である。図9において図8と同じ構成には同一符号を付してある。図10は、図9に示した各時刻における垂直転送電極V1〜V8の波形を示した図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining the operation in the first field of the solid-state imaging device of the third embodiment. In FIG. 9, T1 to T10 indicate times, and the diagram illustrated below each of T1 to T10 is the G
露光期間中、垂直転送電極V1〜V8にはLレベルの転送パルスが印加されているものとする。露光期間終了後、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8,V1,V2,V3にMレベルの転送パルスを印加して、電荷転送チャネルに4つの電荷蓄積パケットを形成し、その後、垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加して、この4つの電荷蓄積パケットに電荷を読み出す(時刻T1)。ここでは、4つの電荷蓄積パケットを形成しているが、ここで形成する電荷蓄積パケットの数は、読み出し対象となる光電変換素子51に蓄積可能な最大電荷量の電荷を転送するために最低限必要な数とすれば良い。つまり、電荷蓄積パケットの総容量が、読み出し対象となる光電変換素子51に蓄積可能な最大電荷量と同じであれば良い。尚、読み出し対象となる光電変換素子51に蓄積可能な最大電荷量の電荷を、1回の読み出し動作で垂直電荷転送路52に全て読み出すことを可能とする読み出しパルスの供給期間を“1”とすると、時刻T1における読み出しパルスの印加期間は、“1”よりも短い期間、例えば1/3とする。
It is assumed that an L level transfer pulse is applied to the vertical transfer electrodes V1 to V8 during the exposure period. After the exposure period, the image sensor driving unit 10 applies M-level transfer pulses to the vertical transfer electrodes V8, V1, V2, and V3 to form four charge accumulation packets in the charge transfer channel, and then performs vertical transfer. A read pulse is applied to the electrode V1 to read out charges from these four charge storage packets (time T1). Here, four charge storage packets are formed, but the number of charge storage packets formed here is the minimum in order to transfer the maximum charge amount that can be stored in the
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V4〜V6にMレベルの転送パルスを印加し(時刻T2)、その後、垂直転送電極V1〜V4,V8にLレベルの転送パルスを印加して、時刻T1で読み出した電荷を垂直方向に転送する(時刻T3)。 Next, the image sensor driving unit 10 applies an M level transfer pulse to the vertical transfer electrodes V4 to V6 (time T2), and then applies an L level transfer pulse to the vertical transfer electrodes V1 to V4 and V8. The charges read at time T1 are transferred in the vertical direction (time T3).
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8,V1,V2,V3にMレベルの転送パルスを印加して、電荷転送チャネルに4つの電荷蓄積パケットを形成する(時刻T4)。その後、垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加して、この4つの電荷蓄積パケットに電荷を読み出す(時刻T5)。時刻T5における読み出しパルスの印加時間は、時刻T1のときよりも長く且つ“1”よりも短い期間、例えば1/2とする。 Next, the image sensor driving unit 10 applies M-level transfer pulses to the vertical transfer electrodes V8, V1, V2, and V3 to form four charge accumulation packets in the charge transfer channel (time T4). Thereafter, a read pulse is applied to the vertical transfer electrode V1 to read out charges from these four charge storage packets (time T5). The application time of the readout pulse at time T5 is longer than that at time T1 and shorter than “1”, for example, 1/2.
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V4にMレベルの転送パルスを印加し(時刻T6)、その後、垂直転送電極V1〜V4,V8にLレベルの転送パルスを印加して、時刻T5で読み出した電荷を垂直方向に転送する(時刻T7)。 Next, the image sensor driving unit 10 applies an M level transfer pulse to the vertical transfer electrode V4 (time T6), and then applies an L level transfer pulse to the vertical transfer electrodes V1 to V4 and V8. The charges read at T5 are transferred in the vertical direction (time T7).
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V8,V1,V2,V3にMレベルの転送パルスを印加して、電荷転送チャネルに4つの電荷蓄積パケットを形成する(時刻T8)。その後、垂直転送電極V1に読み出しパルスを印加して、この4つの電荷蓄積パケットに電荷を読み出す(時刻T9)。時刻T9における読み出しパルスの印加時間は、時刻T5のときよりも長い期間、例えば“1”とする。 Next, the image sensor driving unit 10 applies M-level transfer pulses to the vertical transfer electrodes V8, V1, V2, and V3 to form four charge accumulation packets in the charge transfer channel (time T8). Thereafter, a read pulse is applied to the vertical transfer electrode V1 to read out charges from these four charge storage packets (time T9). The application time of the readout pulse at time T9 is longer than that at time T5, for example, “1”.
次に、撮像素子駆動部10は、垂直転送電極V4にMレベルの転送パルスを印加して、時刻T9で読み出した電荷と、垂直転送電極V5,V6下にある時刻T1,T5で読み出した電荷とを混合する(時刻T10)。そして、その後は、垂直転送電極V1〜V8に所定パターンの転送パルスを印加することで、読み出した電荷を垂直方向に順次転送する。 Next, the image sensor drive unit 10 applies an M-level transfer pulse to the vertical transfer electrode V4, and charges read at time T9 and charges read at times T1 and T5 below the vertical transfer electrodes V5 and V6. Are mixed (time T10). After that, by applying a transfer pulse of a predetermined pattern to the vertical transfer electrodes V1 to V8, the read charges are sequentially transferred in the vertical direction.
このように、固体撮像素子が正方配列型であっても、本発明を適用可能である。 Thus, the present invention can be applied even if the solid-state imaging device is a square array type.
(第四実施形態)
第四実施形態では、第三実施形態の駆動方法に相殺パルスを印加する方法を組み合わせた駆動方法を説明する。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, a driving method in which a method of applying a cancellation pulse is combined with the driving method of the third embodiment will be described.
図11は、第四実施形態の固体撮像素子の1フィールド目における動作を説明するための図である。図11において、T1〜T10は時刻を示し、T1〜T10の各々の下に図示された図は、図8に示す固体撮像素子の光電変換素子列のうち、G光電変換素子51とR光電変換素子51とが並ぶ光電変換素子列の一部を拡大したものであり、各時刻での垂直電荷転送路52の状態を示した図である。図11において図8と同じ構成には同一符号を付してある。図12は、図11に示した各時刻における垂直転送電極V1〜V8の波形を示した図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining the operation in the first field of the solid-state imaging device of the fourth embodiment. In FIG. 11, T1 to T10 indicate times, and the figure shown below each of T1 to T10 is a G
図11において図9と異なる点は、時刻T1,T5,T9において、読み出しパルスを印加する前に、垂直転送電極V3,V8に相殺パルス(Lレベルの転送パルス)を印加して、ここで形成する電荷蓄積パケットの数を4つから2つに減らした点である。それ以外の動作は第三実施形態と同様である。このように、固体撮像素子が正方配列型であっても、本発明を適用可能である。 11 differs from FIG. 9 in that, at time T1, T5, T9, before applying the readout pulse, a canceling pulse (L level transfer pulse) is applied to the vertical transfer electrodes V3, V8, and is formed here. The number of charge accumulation packets to be reduced is reduced from four to two. Other operations are the same as in the third embodiment. Thus, the present invention can be applied even if the solid-state imaging device is a square array type.
(第五実施形態)
本実施形態では、第一実施形態〜第四実施形態において、固体撮像素子の構成を、異なる波長域の光を検出する光電変換素子毎に独立に電荷を読み出せるものとし、異なる波長域の光を検出する光電変換素子毎で、電荷増倍率を独立に制御できるようにした例について説明する。
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, in the first embodiment to the fourth embodiment, the solid-state imaging device is configured such that charges can be read independently for each photoelectric conversion element that detects light in different wavelength regions, and light in different wavelength regions is used. An example in which the charge multiplication factor can be independently controlled for each photoelectric conversion element that detects the above will be described.
図13は、第五実施形態の固体撮像素子の平面模式図である。図13において図8と同じ構成には同一符号を付してある。
図13に示す固体撮像素子では、多数の光電変換素子51の配列を、R光電変換素子51が水平方向に配列されたR光電変換素子行と、G光電変換素子51が水平方向に配列されたG光電変換素子行と、B光電変換素子51が水平方向に配列されたB光電変換素子行とをこの順に垂直方向に並べたパターンを垂直方向に繰り返し配列したものとしている。
FIG. 13 is a schematic plan view of the solid-state imaging device of the fifth embodiment. In FIG. 13, the same components as those in FIG.
In the solid-state imaging device shown in FIG. 13, a large number of
又、R光電変換素子51に隣接する電荷読み出し領域53と、G光電変換素子51に隣接する電荷読み出し領域53と、B光電変換素子51に隣接する電荷読み出し領域53とは、それぞれ独立に読み出しパルスを印加できるように、垂直転送電極が設けられている。
The
このような構成の固体撮像素子では、電荷増倍駆動モード時、撮像素子駆動部10が、1フィールド目でR光電変換素子51から電荷を読み出し、2フィールド目でG光電変換素子51から電荷を読み出し、3フィールド目でB光電変換素子51から電荷を読み出して、全ての光電変換素子51から電荷を読み出すようにする。各フィールドにおける駆動方法は、第一実施形態や第二実施形態で説明した方法を採用する。そして、電荷増倍率(電荷の読み出し回数、又は、電荷の読み出し回数及び相殺パルスを印加する電極数の組み合わせ)を各フィールドで独立に制御する。例えば、ある撮影条件において、感度が落ちる光電変換素子51と感度が上がる光電変換素子51とがあった場合には、感度が落ちる光電変換素子51から電荷を読み出すフィールド時の電荷増倍率を相対的に高くし、感度が上がる光電変換素子51から電荷を読み出すフィールド時の電荷増倍率を相対的に低くするといった駆動を行う。
In the solid-state imaging device having such a configuration, in the charge multiplication drive mode, the imaging device driving unit 10 reads charges from the R
図14は、第五実施形態の固体撮像素子の駆動方法を説明するためのフローチャートである。
撮影モードに設定され、事前撮像によって得られた画像データや受光部13からの測光データによって、積算部19により被写体の色温度が算出される(ステップS1)。システム制御部11は、検出された色温度が第一の所定値(例えば2500K)よりも小さい場合(ステップS2:YES)、この場合は、B光電変換素子51の感度がR光電変換素子51の感度に比べて低くなるため、B光電変換素子51の電荷増倍率をR光電変換素子51の電荷増倍率よりも大きくするような駆動パターン1で固体撮像素子を駆動するように撮像素子駆動部10に指示を出す(ステップS3)。
FIG. 14 is a flowchart for explaining a driving method of the solid-state imaging device according to the fifth embodiment.
The color temperature of the subject is calculated by the integrating
一方、検出された色温度が第一の所定値(例えば2500K)よりも大きい場合(ステップS2:NO)、更に色温度が第二の所定値(例えば9000K)よりも大きいか否かが判定される(ステップS4)。色温度が第二の所定値よりも大きい場合(ステップS4:YES)、この場合は、R光電変換素子51の感度がB光電変換素子51の感度に比べて低くなるため、R光電変換素子51の電荷増倍率をB光電変換素子51の電荷増倍率よりも大きくするような駆動パターン2で固体撮像素子を駆動するように撮像素子駆動部10に指示を出す(ステップS5)。色温度が第二の所定値よりも小さい場合(ステップS4:NO)は、R光電変換素子51とG光電変換素子51とB光電変換素子51とで電荷増倍率を同一とした駆動パターン3で固体撮像素子を駆動するように撮像素子駆動部10に指示を出す(ステップS6)。
On the other hand, when the detected color temperature is higher than a first predetermined value (for example, 2500K) (step S2: NO), it is further determined whether or not the color temperature is higher than a second predetermined value (for example, 9000K). (Step S4). When the color temperature is higher than the second predetermined value (step S4: YES), in this case, the sensitivity of the R
ステップS3,S5,S6の後で撮影指示がなされると、撮像素子駆動部10はシステム制御部11から指示された駆動パターンで固体撮像素子を駆動する(ステップS7)。 When a shooting instruction is issued after steps S3, S5, and S6, the image sensor drive unit 10 drives the solid-state image sensor with the drive pattern instructed by the system control unit 11 (step S7).
このように、異なる波長域の光を検出する光電変換素子毎で独立に電荷増倍率を制御することで、色温度が極端に低い場合や極端に高い場合に、感度が低くなる光電変換素子から得られる信号に高いゲインをかけてホワイトバランス調整を行う必要がなくなり、S/N劣化を防ぐことができる。 In this way, by controlling the charge multiplication factor independently for each photoelectric conversion element that detects light in different wavelength ranges, it is possible to reduce the sensitivity when the color temperature is extremely low or extremely high. It is not necessary to perform white balance adjustment by applying a high gain to the obtained signal, and S / N deterioration can be prevented.
5 固体撮像素子
101 光電変換素子
102 垂直電荷転送路
105 電荷読み出し領域
V1〜V8 垂直転送電極
5 Solid-
Claims (12)
前記電荷読出し領域への読み出しパルスの供給を複数回行って、前記垂直電荷転送路に形成した電荷蓄積パケットに前記電荷を複数回に分けて読み出す駆動を行う電荷読み出しステップと、
前記複数回の読み出しパルスのうちの任意の読み出しパルスの供給が完了してから、前記任意の読み出しパルスの次の読み出しパルスの供給を開始するまでの間に、前記次の読み出しパルスを供給したときに前記電荷蓄積パケットが空になるように、前記任意の読み出しパルスによって前記電荷蓄積パケットに読み出された電荷を前記垂直方向に転送する駆動を行う電荷転送ステップとを備える固体撮像素子の駆動方法。 A plurality of photoelectric conversion elements formed on the surface of the semiconductor substrate, a plurality of vertical charge transfer paths for transferring charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements in a vertical direction, and generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements A solid-state imaging device including a charge readout region for reading out the generated charge into the vertical charge transfer path,
A charge reading step of performing a drive for reading the charge in a plurality of times by supplying the read pulse to the charge reading region a plurality of times, and charging the charge accumulation packet formed in the vertical charge transfer path in a plurality of times;
When the next read pulse is supplied between the completion of the supply of an arbitrary read pulse of the plurality of read pulses and the start of the supply of the next read pulse after the arbitrary read pulse A solid-state image sensor driving method comprising: a charge transfer step of driving to transfer the charge read to the charge storage packet by the arbitrary read pulse in the vertical direction so that the charge storage packet is empty .
前記複数回の読み出しパルスのうち、最後に供給する読み出しパルスを除く読み出しパルスの供給期間を、前記最後に供給する読み出しパルスの供給期間よりも短くする固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 1,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein a supply period of a read pulse excluding a read pulse supplied last among the plurality of read pulses is shorter than a supply period of a read pulse supplied last.
前記電荷読み出しステップにおける前記読み出しパルスの供給回数を撮影条件に応じて変更する固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the number of times of supply of the readout pulse in the charge readout step is changed according to imaging conditions.
前記光電変換素子に蓄積可能な最大電荷量の電荷を転送するために最低限必要な前記電荷蓄積パケットの数をAとし、前記電荷読み出しステップにおける前記電荷蓄積パケットの数をBとしたとき、A>Bとする固体撮像素子の駆動方法。 It is a drive method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 1 to 3,
When the minimum number of the charge storage packets necessary for transferring the maximum amount of charge that can be stored in the photoelectric conversion element is A, and the number of the charge storage packets in the charge reading step is B, A A method for driving the solid-state imaging device, where> B.
前記Bの値を撮影条件に応じて変更する固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 4,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the value of B is changed according to imaging conditions.
前記光電変換素子に蓄積可能な最大電荷量の電荷を転送するために最低限必要な前記電荷蓄積パケットの数をAとし、前記電荷読み出しステップにおける前記電荷蓄積パケットの数をBとしたとき、A≧Bとなる条件を満たす範囲内で、前記Bの値を撮影条件に応じて変更する固体撮像素子の駆動方法。 It is a drive method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 1 to 3,
When the minimum number of the charge storage packets necessary for transferring the maximum amount of charge that can be stored in the photoelectric conversion element is A, and the number of the charge storage packets in the charge reading step is B, A A method for driving a solid-state imaging device, wherein the value of B is changed in accordance with imaging conditions within a range that satisfies a condition of ≧ B.
前記複数の光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換素子を含み、
前記読み出しパルスの供給回数を、前記複数種類の光電変換素子毎に独立に制御する固体撮像素子の駆動方法。 It is a drive method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 1 to 3,
The plurality of photoelectric conversion elements include a plurality of types of photoelectric conversion elements that detect light in different wavelength ranges,
A method for driving a solid-state imaging element, wherein the number of times of supplying the readout pulse is controlled independently for each of the plurality of types of photoelectric conversion elements.
前記複数の光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換素子を含み、
前記読み出しパルスの供給回数と前記Bの値を、前記複数種類の光電変換素子毎に独立に制御する固体撮像素子の駆動方法。 It is a drive method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 4 to 6,
The plurality of photoelectric conversion elements include a plurality of types of photoelectric conversion elements that detect light in different wavelength ranges,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the number of read pulses supplied and the value B are independently controlled for each of the plurality of types of photoelectric conversion devices.
前記電荷読出し領域への読み出しパルスの供給を行って、前記垂直電荷転送路に形成した電荷蓄積パケットに前記電荷を読み出す駆動を行う電荷読み出しステップを備え、
前記光電変換素子に蓄積可能な最大電荷量の電荷を転送するために最低限必要な前記電荷蓄積パケットの数をAとし、前記電荷読み出しステップにおける前記電荷蓄積パケットの数をBとしたとき、A>Bとする固体撮像素子の駆動方法。 A plurality of photoelectric conversion elements formed on the surface of the semiconductor substrate, a plurality of vertical charge transfer paths for transferring charges generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements in a vertical direction, and generated in each of the plurality of photoelectric conversion elements A solid-state imaging device including a charge readout region for reading out the generated charge into the vertical charge transfer path,
A charge reading step of supplying a read pulse to the charge reading region to drive the charge storage packet formed in the vertical charge transfer path to read the charge;
When the minimum number of the charge storage packets necessary for transferring the maximum amount of charge that can be stored in the photoelectric conversion element is A, and the number of the charge storage packets in the charge reading step is B, A A method for driving the solid-state imaging device, where> B.
前記Bの値を撮影条件に応じて変更する固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving a solid-state imaging device according to claim 9,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the value of B is changed according to imaging conditions.
前記複数の光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換素子を含み、
前記Bの値を、前記複数種類の光電変換素子毎に独立に制御する固体撮像素子の駆動方法。 It is a drive method of the solid-state image sensing device according to claim 9 or 10,
The plurality of photoelectric conversion elements include a plurality of types of photoelectric conversion elements that detect light in different wavelength ranges,
A method for driving a solid-state imaging element, wherein the value of B is controlled independently for each of the plurality of types of photoelectric conversion elements.
前記固体撮像素子とを備える撮像装置。 Driving means for performing driving based on the driving method of the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 11,
An imaging apparatus comprising the solid-state imaging device.
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