JP2009089026A - Ｃｃｄ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＣＤ型固体撮像素子で、垂直電荷転送路上での電子増倍駆動を短時間に行う。
【解決手段】電荷転送路上に形成した障壁４２，４４間の井戸４１内に信号電荷を収納し、電荷転送路を構成する転送電極のうち障壁４２を越えた位置の所定電極を増倍用電極として増倍電圧を印加し井戸４１より深い増倍用電位井戸４３を形成し、障壁４２を消失させて井戸４１内の信号電荷を電位井戸４３内に落とし込むことで信号電荷の増倍を行うとき、障壁４４を用いて信号電荷を電位井戸４３の方向に押し出すように（状態Ｔ２，Ｔ３）、障壁４４を形成する転送電極の印加電圧を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、信号電荷の増倍駆動を行うＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置に関する。

図１０は、ＣＣＤ型固体撮像素子の説明図であり、図１０（ａ）は、半導体基板表面部に形成された奇数行の画素（光電変換素子（フォトダイオード：ＰＤ））１２に対して偶数行の画素の配列を１／２ピッチずらした所謂ハニカム画素配置の固体撮像素子を示し、図１０（ｂ）は各画素を正方格子状に配列した固体撮像素子を示している。

各画素列には隣接して垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１１が設けられており、各垂直電荷転送路１１の端部に沿って水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１３が設けられ、水平電荷転送路１３の出力端部に、信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像信号として出力するアンプ１４が設けられる。

図１１は、図１０に示す各画素の拡大図である。各画素１２には２枚の転送電極が隣接して設けられており、図示の例では、下側（水平電荷転送路側）の転送電極が読出電極を兼用している。

画素１２から検出電荷（信号電荷）を垂直電荷転送路１１に読み出し、この信号電荷を水平電荷転送路１３まで転送する様子を例示する図が図１２である。状態Ｔ０で読出電極Ｖ２下に読み出された信号電荷（電子）１６は、読出電極Ｖ２下に形成されている電位井戸（電荷パケット）１７内に収納されている。

この電荷パケット１７を、状態Ｔ１で電極Ｖ２，Ｖ３下に伸長し、次の状態Ｔ２で電極Ｖ３下に縮小し、次の状態Ｔ３で電極Ｖ３，Ｖ４下に伸長し、次の状態Ｔ４で電極Ｖ４下に収縮し、…という電荷パケット伸縮動作を繰り返すことで、信号電荷１６を水平電荷転送路１３まで転送する。電荷パケットを伸縮するための駆動パルスすなわち垂直転送パルスは、例えば０Ｖと−８Ｖの電圧で形成される。

尚、この例では、電荷パケットを１電極分→２電極分→１電極分→…と伸縮しているが、３電極分→４電極分→３電極分→…など、種々の形態がある。

近年のＣＣＤ型固体撮像素子は素子の微細化が進み、一画素一画素の飽和電荷量が小さくなってきており、暗いシーンを撮影すると、各画素に蓄積される信号電荷量は非常に小さくなってしまう。このため、信号増幅が必要となるが、ＣＣＤ型固体撮像素子の出力段に設けられたフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）１４やその後段回路はノイズの影響を受け易く、出力段で信号増幅してもＳ／Ｎの高い増幅出力を得ることはできない。

このため、ＣＣＤ型固体撮像素子の出力段ではなく、信号電荷転送経路の上流側で信号増幅を行うのが好ましく、下記の特許文献１記載の従来技術では、信号電荷を発生させる画素１２に近い垂直電荷転送路１１上で信号増幅を行っている。この信号増幅は、インパクトイオン化現象を利用することで行われる。

図１３は、垂直電荷転送路１１上で信号増幅を行う様子を示す説明図である。この信号増幅は、図１２で説明した信号電荷の転送前に行う。図示する例では、電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４下に形成した電荷パケット１８内に信号電荷を一旦蓄積し（状態Ｔ１）、この信号電荷をＶ６，Ｖ７下に形成した電荷パケット１９内に一時閉じ込める（状態Ｔ２）。そして、空いている電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４下に別の電荷パケット２０を形成する（状態Ｔ３）。この電荷パケット２０の中央の電極Ｖ３下の電位井戸１５をより深くしておく。

次の状態Ｔ４で、両電荷パケット１９，２０間の電極Ｖ５下の障壁を下げることで、電荷パケット１９内の信号電荷が深い電位井戸１５内に流れ落ち、アバランシェ効果により電子量が増倍される。

一回の電子増倍の増倍率が「１．０１」倍と微小であっても、例えば１００回繰り返すと２．７倍となる。そこで、状態Ｔ５で、増倍された信号電荷を電極Ｖ６，Ｖ７下に形成した電荷パケット１９内に移動させ、再び状態Ｔ３→Ｔ４→Ｔ５→Ｔ３→…と繰り返すことで、所望の電子増倍率を得る。

特開２００２―２９０８３６公報

電子増倍を行う場合、図１３で説明した電極Ｖ３下に深い電位井戸を形成する必要があり、電子増倍毎に高電圧を電極Ｖ３に印加することになる。電子増倍は、上述した様に、１００回とか５０回とか何回も繰り返し行わなければならないため、１回毎の電子増倍に要する時間を短時間に行う必要がある。しかし、単に電極Ｖ３に高電圧を印加し深い電位井戸を形成しただけでは、パケット１９内の全ての電子を速やかに深い電位井戸１５内に移動させることができないという問題がある。

また、電子増倍を行うために深い電位井戸１５を造り、電子をこの電位井戸１５内に移動させるとき、移動制御がうまくいかないと、この電位井戸１５形成箇所を飛び越えてしまう電子が発生する。この電子は電子増倍されないことになり、精度の高い電子増倍の実現を阻害する要因になってしまうという問題がある。

更に、半導体装置の製造技術の精度が高くなったとはいえ、或る電極箇所で１００回電子増倍を繰り返したとき得られる電子増倍率と、別の電極箇所で１００回電子増倍を繰り返したとき得られる電子増倍率とを高精度に一致させることは困難である。つまり、固体撮像素子固有の電子増倍率のバラツキが発生してしまい、これが固定パターンノイズとなって撮像画像の品質を劣化させてしまうという問題がある。

本発明の目的は、短時間に電子増倍駆動を行うことができ、また、電子増倍されない電子の発生を抑制して精度の高い電子増倍を実現することができ、更に、素子固有の電子増倍率のバラツキを抑制することが可能なＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の各光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、前記電荷転送路上に形成した第１電位障壁，第２電位障壁間の第１電位井戸内に前記信号電荷を収納し、前記電荷転送路を構成する転送電極のうち前記第１電位障壁を越えた位置の所定電極を増倍用電極とし該増倍用電極に増倍電圧を印加することで前記第１電位井戸より深い増倍用電位井戸を形成し、前記第１電位障壁を消失させて前記第１電位井戸内の前記信号電荷を前記増倍用電位井戸内に落とし込むことで該信号電荷の増倍を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記第１電位障壁を消失させ前記信号電荷を前記増倍用電位井戸内に落とし込むとき、前記第２電位障壁を用いて前記信号電荷を前記増倍用電位井戸の方向に押し出すように該第２電位障壁を形成する前記転送電極の印加電圧を制御することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記押し出すときに、前記第２電位障壁の前記信号電荷の側の壁端部を形成する前記転送電極の印加電圧を制御し、該壁端部の障壁高さを該第２電位障壁の障壁高さより高くすることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記押し出すときに、前記第２電位障壁の前記信号電荷の側の壁端部と前記増倍用電位井戸との間の井戸の深さを規定する前記転送電極の印加電圧を制御し、該井戸の深さを、前記第２電位障壁より低い高さに持ち上げることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記第１電位井戸から見て前記増倍用電位井戸を越えた場所に空の第２電位井戸を形成することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記第２電位井戸を形成する前記転送電極には前記増倍用電位井戸を形成する高電圧の印加を行わないことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記増倍した前記信号電荷と前記第２電位井戸内の信号電荷とを加算することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記増倍後の前記信号電荷と前記第２電位井戸内の信号電荷とを加算した後、再び前記増倍を行うことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、転送パルスφＶｉ，φＶｉ＋１，φＶｉ＋２，…φＶｉ＋ｊ（ｉ，ｊは任意）が印加される連続する転送電極Ｖｉ，Ｖｉ＋１，Ｖｉ＋２，…Ｖｉ＋ｊを１ラインの転送電極群とし、該転送電極群が前記電荷転送路に沿って複数ラインに渡り繰り返し設けられる場合に、或るラインの中に前記増倍用電位井戸を形成して前記増倍を行った後、該増倍後の前記信号電荷を前記転送の方向の次のラインに転送した後、該次のラインの中に前記増倍用電位井戸を形成して再度前記増倍を行うことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、転送パルスφＶｉ，φＶｉ＋１，φＶｉ＋２，…φＶｉ＋ｊ（ｉ，ｊは任意）が印加される連続する転送電極Ｖｉ，Ｖｉ＋１，Ｖｉ＋２，…Ｖｉ＋ｊを１ラインの転送電極群とし、該転送電極群が前記電荷転送路に沿って複数ラインに渡り繰り返し設けられる場合に、或るラインの中に前記増倍用電位井戸を形成して前記増倍を行った後、該ラインの中で、前記増倍用電位井戸を形成する前記増倍用電極を切り替えながら前記増倍を繰り返すことを特徴とする。

本発明の撮像装置は、ＣＣＤ型固体撮像素子と、上述したいずれかに記載の駆動方法でＣＣＤ型固体撮像素子を駆動する撮像素子駆動手段とを搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、短時間に電子増倍駆動を行うことができ、また、電子増倍されない電子の発生を抑制して精度の高い電子増倍を実現することができ、更に、素子固有の電子増倍率のバラツキを抑制することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を実施するデジタルカメラ（撮像装置）の機能ブロック構成図である。このデジタルカメラは、撮像部２１と、撮像部２１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，撮像部２１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュ２５とを備える。

撮像部２１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系２１ａと、該光学レンズ系２１ａを通った光を絞る絞りやメカニカルシャッタ２１ｂと、光学レンズ系２１ａによって集光され絞りによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力するＣＣＤ型固体撮像素子４０とを備える。

本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ２３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部２８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス３４とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。

斯かるデジタルカメラで、例えばユーザが操作部３３から「高感度撮影指示」を入力した場合には、ＣＰＵ２９は、駆動部２４に対して電子増倍指示を行い、これにより、駆動部２４は、以下に述べる実施形態で説明する駆動方法でＣＣＤ型固体撮像素子４０を駆動し、撮像で得られた極めて少ない信号電荷量を垂直電荷転送路上で増倍させ、出力させる。

図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子４０は、図１０（ａ）（ｂ）で説明したものと同様の構成になっており、フォトダイオード（ＰＤ：画素）１２と、各画素１２から読み出された信号電荷を転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１１及び水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１３と、転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を出力するアンプ１４とを備え、駆動部２４からの駆動制御により、信号電荷を垂直電荷転送路１１上で電子増倍する様になっている。

図示は省略しているが、各垂直電荷転送路１１の転送方向端部と水平電荷転送路１３との間に、水平方向の画素加算を行うために、例えば特開２００２―１１２１１９号公報に記載されている様に、各垂直電荷転送路１１から受け取った信号電荷を一時保存し、水平電荷転送路１３に転送するラインメモリ（ＬＭ）と呼ばれるバッファを設ける場合もある。

尚、以下の説明では、図１０（ａ）に示す構成のＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明するが、図１０（ｂ）のＣＣＤ型固体撮像素子にも同様に適用できる。

図２は、本発明の第１実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を説明するタイミングチャートであり、電子増倍駆動を行うときの各垂直電荷転送路に沿う電位井戸の状態変化を示している。

図中の白抜き八角形は、信号電荷が垂直電荷転送路１１に読み出されたフォトダイオードを示し、黒色八角形は、まだ信号電荷が蓄積され読み出されていないフォトダイオードを示している。

また、図中の電位井戸内の白丸は信号電荷（この例では電子）を示し、また、斜線を施した領域も信号電荷（電子）が存在する領域を示している。

更に、図中のＶ１〜Ｖ８は転送パルスφＶｉ（ｉ＝１〜８）を印加する転送電極を示すが、Ｖ１ＡとＶ１Ｂ，Ｖ２ＡとＶ２Ｂ，Ｖ３ＡとＶ３Ｂ，Ｖ４ＡとＶ４Ｂは、夫々、同一パルスが印加される場合もあり、異なるパルスが印加される場合もあることを示している。電子増倍駆動時には、異なるパルスが印加される。

今、転送電極Ｖ１Ａ，Ｖ２Ａ，Ｖ３Ａ，Ｖ４Ａ脇のフォトダイオード１２から信号電荷が隣接の垂直電荷転送路１１に読み出され、この信号電荷を状態Ｔ０に示す様に、電極Ｖ６，Ｖ７下に形成した電位井戸４１内に閉じ込め、また、電極Ｖ２Ｂに高電圧（例えば＋１５Ｖ）を印加してこの電極Ｖ２Ｂ下に深い電位井戸４３を形成する。

そして、信号電荷を収納した電極Ｖ６，Ｖ７下の電位井戸４１と、電極Ｖ２Ｂ下の深い電位井戸４３との間を仕切る障壁４２（電極Ｖ８に例えば−８Ｖを印加することで形成される障壁）を消失させる。例えば、電極Ｖ８の印加電圧を０Ｖとすることで消失させる。

これにより、状態Ｔ１に示す様に、電位井戸内４１内の信号電荷は、深い電位井戸４３方向に流れ出し、電位井戸４３内に落ち込むことになる。

状態Ｔ０，Ｔ１では、電位井戸４１を形成するために電極Ｖ５，Ｖ４Ａに−８Ｖを印加して障壁４４を形成していたが、次の状態Ｔ２では、電極Ｖ５の電位井戸４３側に隣接する電極Ｖ６にも−８Ｖを印加して電極Ｖ６下の障壁の高さを高くする。これにより、電位井戸４３方向に流れ出した信号電荷は、障壁４４によって更に電位井戸４３方向に押し出される。

次の状態Ｔ３では、電極Ｖ６の電位井戸４３側に隣接する電極Ｖ７にも−８Ｖを印加して電極Ｖ７下の障壁高さを高くする。これにより、電位井戸４３方向に流れる信号電荷は更に障壁４４によって電位井戸４３方向に押し出され、速やかに電位井戸４３内に落ち込むことになる。このように、電子増倍時に信号電荷を深い電位井戸方向に押し出すように駆動するため、増倍駆動時間の短縮を図ることが可能となる。

電位井戸４３方向への障壁４４の押し出しは、図示の例では、電極Ｖ１Ｂ，Ｖ８の２電極分を残して止める。障壁４４による信号電荷の押し出しを、少なくとも１電極分は残して止めないと、電位井戸４３形成用の電極Ｖ２Ｂと、その隣接電極Ｖ１Ｂとの間の電位差が大きくなりすぎ（＋１５−（−８Ｖ）＝＋２３Ｖ）、静電破壊の原因になってしまう。このため、電位井戸４３の間際までの障壁４４の押し出しは行わない。

次の状態Ｔ４では、今回の増倍駆動が終了したため、深い電位井戸を消失させ（電極Ｖ２Ｂへの印加電圧を＋１５Ｖから０Ｖに戻す。）、次の状態Ｔ４では、障壁４４の位置を、電極Ｖ５，Ｖ４Ａ下に戻す。以下、状態Ｔ０に戻し、上記の動作を繰り返す。

以上述べた実施形態では、信号電荷を深い電位井戸内に落とし込んで増倍駆動を行うとき、信号電荷を増倍用電位井戸の方向に押し出す駆動を行うので、短時間に増倍駆動ができ、ＣＣＤ型固体撮像素子から撮像画像信号を出力させる時間を速めることが可能となる。

（第１実施形態の第１変形例）
図３は、図２で説明した第１実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法の第１変形例を示す図である。以下、図２の実施形態と異なる部分のみ説明する。

この変形例では、状態Ｔ２，状態Ｔ３で信号電荷を電位井戸４３方向に押し出し駆動するとき、押し出しに用いる障壁４４の電位井戸４３側の障壁部分４４ａを、障壁４４より若干高くする。例えば、この部分の障壁４４ａを形成する電極に、−９Ｖの電圧を印加する。

この駆動方法を採用することで、電位井戸４１内の信号電荷を確実に電位井戸４３方向に押し出すことが可能となる。

（第１実施形態の第２変形例）
図４は、図３で説明した変形例に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法の別の変形例を示す図である。以下、図３の変形例と異なる部分のみ説明する。

この変形例では、状態Ｔ３で、障壁４４を電位井戸４３の方向に押し出し、信号電荷を電位井戸４３内に落とし込む所まで同じである。図２の状態Ｔ３でも説明したが、障壁４４の押し出しを電位井戸４３の間際まで行ってしまうと、隣接電極Ｖ２Ｂ，Ｖ１Ｂ間に高電位差が発生するため好ましくない。しかし、この部分（電極Ｖ１Ｂ，Ｖ８下）４５の電位井戸の深さを浅くする（電位井戸４３に対してより高くする）ことで、より速やかに信号電荷を電位井戸４３内に落とし込むことが可能である。

そこで、本変形例では、状態Ｔ３の次のＴ４で、電極Ｖ１Ｂ，Ｖ８の電位ポテンシャルを静電破壊が起きない高さにする。例えば障壁４４の高さは電極に−８Ｖを印加することで形成されるが、このときの電極Ｖ１Ｂ，Ｖ８には、例えば−６Ｖとか−４Ｖとかの電圧を印加するに止め、信号電荷の速やかな電位井戸４３への落ち込みを加速する。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を説明するタイミングチャートであり、図５（ａ）は従来方法、図５（ｂ）は本実施形態の方法を示す図である。

従来の駆動方法では、インターレース方式でフォトダイオードの蓄積電子を垂直電荷転送路上に読み出し、垂直電荷転送路上の電極Ｖ６，Ｖ７下に形成した電位井戸４１内に信号電荷を収納し、電極２Ａ，２Ｂ下に深い電位井戸４３を形成して、電子増倍を行っていた。

しかし、この場合、図５（ａ）に矢印ａで示す様に、電位井戸４１内の電子を電位井戸４３との間の障壁を消失させて電位井戸４３内に流し込むとき、前段の電位井戸４１内の電子内に飛び込んでしまう電子が発生する虞がある。前段の電子内に次段の電子が紛れ込むと、混色等の原因となり、精度の高い撮像画像信号を得ることができない。

そこで、本実施形態では、この前段への電子の紛れ込みを防止する対策を施すために、フォトダイオード１２からの信号電荷の読み出しを４フィールド読み出しとし、電子増倍するときに、前段に紛れ込む虞がある箇所に空パケット４６を設けておき、深い電位井戸４３を飛び越えて前段方向に飛んだ電子をこの空パケット４６で捕捉し、前々段への信号電子の紛れ込みを回避することとしている。

第１実施形態を示す図２〜図４にも、この空パケットを図示している。電子の空パケット４６内への飛び越しは、障壁４２の消失時ばかりでなく、障壁４４を用いた信号電子の押し込み動作時にも発生する可能性があり、この空パケット４６を設ける効果は、第１実施形態に併用するとより大きい。しかし、押し込み動作を行わない電子増倍駆動方法に適用しても効果がある。

空パケット４６内に捕捉された電子が、他の電位井戸内に移動してしまうのは好ましくない。このため、空パケット４６を形成する電極Ｖ６，Ｖ７（この電極は電位井戸４１を形成する電極でもある。）に、高電圧を印加して空パケット上に強電界が発生しない様にするのが望ましい。

空パケット４６に捕捉された電子は、増倍駆動後に、増倍された元の電子と一緒にすることで、撮像画像信号の精度を上げることができる。

（第２実施形態の変形例）
図６は、本発明の第２実施形態の変形例に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を説明するタイミングチャートである。本変形例の駆動方法では、電子増倍した後、空パケット４６内の電子を増倍後の電子と一緒にして再び増倍駆動を行うという動作を繰り返すことで、より撮像画像信号の信頼性を上げる駆動を行う。

図６は、図２に示す状態Ｔ０と、状態Ｔ５、及びその後の状態Ｔ６，Ｔ７を示している。図６の状態Ｔ１〜Ｔ４は、図２と同じ（空パケット内に電子を示している点のみ異なる。）である。

図示する例では、状態Ｔ０で障壁４２を消失させ電位井戸４１内の電子を深い電位井戸４３方向に流すとき、ある確率で空パケット４６内に電子４７が飛び込むことになる。あるいは、図６には図示しない状態Ｔ２，Ｔ３で電子を電位井戸４３方向に押し出したとき、ある確率で空パケット４６内に電子４７が飛び込むことになる。

状態Ｔ４から状態Ｔ５と進み、電子増倍が終わった後、本実施形態では、増倍後の電子を収納した電位井戸４１と空パケット４６とを分離する障壁（電極Ｖ５，Ｖ４Ｂ下の障壁）４８を消失させる共に、空パケット４６の反対側の障壁（電極Ｖ８下の障壁）４９を電位井戸４１方向に移動させる（状態Ｔ６）ことで、状態Ｔ７に示す様に、増倍後の電子と空パケット４６内の電子４７を電位井戸４１内で一緒にすることができる。

そして、再び状態Ｔ０に戻し、次の電子増倍動作を行う。これにより、空パケット内に飛び越した電子に対しても電子増倍を行うことができ、撮像画像信号の精度を更に向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を説明する図である。ＣＣＤ型固体撮像素子の垂直電荷転送路上で電子増倍駆動を行う場合、その増倍率には場所に依存したバラツキが生じる。このバラツキを抑制しないと、バラツキ分が撮像画像信号に重畳して画質を劣化させる原因になる虞がある。

上述した各実施形態で説明した様に、垂直電荷転送路上のある場所Ａに形成した深い電位井戸４３を使って電子増倍駆動を行った後、この増倍駆動で増えた電子を、次に、次ライン（垂直電荷転送路の転送電極は、Ｖ１〜Ｖ８の繰り返しとなっており、次の電極Ｖ１〜Ｖ８のライン）の場所Ｂにシフト（転送）させ、この場所Ｂに形成した深い電位井戸４３を使って電子増倍駆動を行う、という動作を繰り返す。

電子増倍を１回行う度にラインシフトを行うことでも良く、また、或る場所で所定複数回だけ電子増倍駆動を行い、次のラインシフトした場所で再び所定複数回の電子増倍駆動を行う、という動作を繰り返すことでも良い。

この様に電子増倍駆動を行う場所をラインシフトしながら繰り返すことで、本実施形態では、電子増倍率の場所依存によるバラツキを抑制することが可能となり、固定パターンノイズを低減することができる。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を説明する図である。上述した図２の第１実施形態では、電極Ｖ２Ｂ下に形成した深い電位井戸４３を使って何回も電子増倍駆動を行った。

これに対し、本実施形態では、図８に示す様に、電極Ｖ２Ｂ下に形成した深い電位井戸４３を使って初回の電子増倍駆動を行い、次に、隣接する電極Ｖ３Ｂ下に形成した深い電位井戸５３を使って次回の電子増倍駆動を行い、次に、隣接する電極Ｖ４Ｂ下に形成した電位井戸５４を使って次々回の電子増倍駆動を行う、という動作を繰り返す。

電子増倍駆動を１００回繰り返す場合、深い電位井戸を形成するために高電圧を印加する転送電極を同一ライン上で順に切り替えても良く、また、１回毎に深い電位井戸を形成する位置を切り替えるのではなく、所定複数回毎に切り替えても良い。あるいは、上述した第３実施形態と組合せ、ラインシフトしながら深い電位井戸形成用の電極を切り替えても良い。

この様にすることで、同じ場所で電子増倍駆動を繰り返す場合に比較して、固定パターンノイズを、（１／√Ｎ）に低減することが可能となる。

図９は、第４実施形態の効果を説明する図であり、図１０（ａ）の一部拡大図である。図１０（ａ）の転送電極Ｖ１〜Ｖ８は、図１０（ｂ）と異なり、隣接する電極同士が垂直に接する境界箇所（例えば電極Ｖ１Ａ／Ｖ２Ａ間）と斜めに接する境界箇所（例えば電極Ｖ４Ａ／Ｖ５間）とがある。

増倍駆動時の電荷移動ルート、特に深い電位井戸に流れ込む境目における電位差は、電子増倍率に大きく影響する。境界が垂直か斜めかによって、電極に印加する電圧が同じでも、境界を挟む両電極間の電位差すなわち電界の強度が異なってしまうことが原因である。

第４実施形態の様に、電子増倍を行う度に、或いは、所定複数回の電子増倍毎に、増倍駆動する場所（電極）を移動することで、この電子増倍率の電極依存性を無くすことができ、均一な電子増倍率を得ることが可能となる。

以上の説明は、図１０（ａ）に示す例であるが、図１０（ｂ）に示すＣＣＤ型固体撮像素子でも、電位井戸形成用の転送電極が読み出し電極兼用の転送電極であるか、転送電極専用の電極であるかによって、電子増倍率が異なってくる。

読み出し電極兼用電極は、読み出し電圧という高電圧印加用に製造されているため、高電圧印加が容易であり深い電位井戸の形成が容易である。これに対し、転送電極専用の電極はあまり高電圧を印加することを前提としていない作りのため、同じ高電圧を印加しても、読み出し電極兼用電極と比較して形成される電位井戸の深さが異なってしまうことがある。

従って、図１０（ｂ）のＣＣＤ型固体撮像素子においても、第４実施形態の適用は効果があり、固定パターンノイズの低減の他、電子増倍率の場所依存性を低減することが可能となる。

尚、第１実施形態〜第４実施形態までを個別に説明したが、これらの実施形態のいずれか複数あるいは全部を適用してＣＣＤ型固体撮像素子を駆動することで、電子増倍駆動の安定化，高信頼化，高精度化，低ノイズ化等を一層図れるようになることはいうまでもない。

本発明に係る駆動方法は、電子増倍を短時間に且つ精度良く行うことができ、電子増倍率の場所依存性を低減することができ、電子増倍率の場所依存による固体パターンノイズの低減を図ることができるため、高感度撮影を行うデジタルカメラに搭載するＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法として有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る駆動方法を示すタイミングチャートである。 図２に示す駆動方法の第１変形例を示すタイミングチャートである。 図３に示す駆動方法の第２変形例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る駆動方法を説明する図である。 図５に示す駆動方法の変形例を説明するタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係る駆動方法の説明図である。 本発明の第４実施形態に係る駆動方法の説明図である。 図８に示す第４実施形態の効果説明図である。 ハニカム画素配列（ａ）と正方格子配列（ｂ）のＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 ＣＣＤ型固体撮像素子の読出電極説明図である。 ＣＣＤ型固体撮像素子の垂直電荷転送の様子を示す図である。 電子像倍駆動の説明図である。

符号の説明

１１ 垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
１２ 画素（フォトダイオード）
１３ 水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
２１ 撮像部
２４ 撮像素子駆動部
２９ システム制御部
４１ 増倍対象電荷を収納した電位井戸
４２，４８ 障壁
４３，５３，５４，５５ 電子増倍用に形成した深い電位井戸
４４ 電子押し出し用の障壁
４４ａ 障壁の押出部
４６ 空パケット
４７ 飛び越した電子
Ｖ１〜Ｖ８ 転送電極群

Claims (10)

1. 二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子の各光電変換素子列に並列に設けられた電荷転送路に前記光電変換素子から信号電荷を読み出し、前記電荷転送路上に形成した第１電位障壁，第２電位障壁間の第１電位井戸内に前記信号電荷を収納し、前記電荷転送路を構成する転送電極のうち前記第１電位障壁を越えた位置の所定電極を増倍用電極とし該増倍用電極に増倍電圧を印加することで前記第１電位井戸より深い増倍用電位井戸を形成し、前記第１電位障壁を消失させて前記第１電位井戸内の前記信号電荷を前記増倍用電位井戸内に落とし込むことで該信号電荷の増倍を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記第１電位障壁を消失させ前記信号電荷を前記増倍用電位井戸内に落とし込むとき、前記第２電位障壁を用いて前記信号電荷を前記増倍用電位井戸の方向に押し出すように該第２電位障壁を形成する前記転送電極の印加電圧を制御することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
2. 前記押し出すときに、前記第２電位障壁の前記信号電荷の側の壁端部を形成する前記転送電極の印加電圧を制御し、該壁端部の障壁高さを該第２電位障壁の障壁高さより高くすることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
3. 前記押し出すときに、前記第２電位障壁の前記信号電荷の側の壁端部と前記増倍用電位井戸との間の井戸の深さを規定する前記転送電極の印加電圧を制御し、該井戸の深さを、前記第２電位障壁より低い高さに持ち上げることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
4. 前記第１電位井戸から見て前記増倍用電位井戸を越えた場所に空の第２電位井戸を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
5. 前記第２電位井戸を形成する前記転送電極には前記増倍用電位井戸を形成する高電圧の印加を行わないことを特徴とする請求項４に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
6. 前記増倍した前記信号電荷と前記第２電位井戸内の信号電荷とを加算することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
7. 前記増倍後の前記信号電荷と前記第２電位井戸内の信号電荷とを加算した後、再び前記増倍を行うことを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
8. 転送パルスφＶｉ，φＶｉ＋１，φＶｉ＋２，…φＶｉ＋ｊ（ｉ，ｊは任意）が印加される連続する転送電極Ｖｉ，Ｖｉ＋１，Ｖｉ＋２，…Ｖｉ＋ｊを１ラインの転送電極群とし、該転送電極群が前記電荷転送路に沿って複数ラインに渡り繰り返し設けられる場合に、或るラインの中に前記増倍用電位井戸を形成して前記増倍を行った後、該増倍後の前記信号電荷を前記転送の方向の次のラインに転送した後、該次のラインの中に前記増倍用電位井戸を形成して再度前記増倍を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
9. 転送パルスφＶｉ，φＶｉ＋１，φＶｉ＋２，…φＶｉ＋ｊ（ｉ，ｊは任意）が印加される連続する転送電極Ｖｉ，Ｖｉ＋１，Ｖｉ＋２，…Ｖｉ＋ｊを１ラインの転送電極群とし、該転送電極群が前記電荷転送路に沿って複数ラインに渡り繰り返し設けられる場合に、或るラインの中に前記増倍用電位井戸を形成して前記増倍を行った後、該ラインの中で、前記増倍用電位井戸を形成する前記増倍用電極を切り替えながら前記増倍を繰り返すことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
10. ＣＣＤ型固体撮像素子と、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の駆動方法でＣＣＤ型固体撮像素子を駆動する撮像素子駆動手段とを搭載したことを特徴とする撮像装置。

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