JP2009130574A

JP2009130574A - 撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法

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Publication number: JP2009130574A
Application number: JP2007302739A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Oda; 和也小田; Satoru Wada; 和田　　哲
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP4848349B2

Abstract

【課題】２フィールドで全ての電荷を読み出し可能な固体撮像素子であって、片方のフィールドだけでもカラー画像データを生成することが可能な構成を持つ固体撮像素子の新しい駆動方法を提供する。
【解決手段】Ｒ光を検出する光電変換素子５１Ｒ、Ｇ光を検出する光電変換素子５１Ｇ、Ｂ光を検出する光電変換素子５１ＢからなるＲＧＢ光電変換素子群と、光の輝度成分を検出する光電変換素子５１ＷからなるＷ光電変換素子群とを備える固体撮像素子と、ＲＧＢ光電変換素子群から電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第一の駆動と、Ｗ光電変換素子群から電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第二の駆動とを分けて行う２フィールド駆動を行う際、第一の駆動又は第二の駆動において、光電変換素子から電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する駆動を行う撮像素子駆動部１０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、多数の光電変換素子を備え、前記多数の光電変換素子で発生した電荷を電荷転送路に読み出して転送し、転送した電荷に応じた信号を出力する電荷転送型の固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備える撮像装置に関する。

従来、赤色（Ｒ）の光を透過するＲカラーフィルタが受光面上方に設けられた光電変換素子と、緑色（Ｇ）の光を透過するＧカラーフィルタが受光面上方に設けられた光電変換素子と、青色（Ｂ）の光を透過するＢカラーフィルタが受光面上方に設けられた光電変換素子と、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタが受光面上方に設けられた光電変換素子とを二次元状に配列した固体撮像素子が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。

特開平１１−３５５７９０号公報特開２００７−２５８６８６号公報特開２００３−３１８３７５号公報

特許文献１〜３に開示されている固体撮像素子では、例えば、１フィールド目で、カラーフィルタが受光面上方に設けられた光電変換素子からカラー成分の電荷を読み出し、２フィールド目で、輝度フィルタが受光面上方に設けられた光電変換素子から輝度成分の電荷を読み出し、それぞれのフィールドで得られた撮像信号を処理することで、高画質の画像データを生成することが可能である。

本発明は、上記特許文献１〜３に挙げられるように、２フィールドで全ての電荷を読み出し可能な固体撮像素子であって、片方のフィールドだけでもカラー画像データを生成することが可能な構成を持つ固体撮像素子の新しい駆動方法を提案するものである。

本発明の撮像装置は、多数の光電変換素子を備え、前記多数の光電変換素子で発生した電荷を電荷転送路に読み出して転送し、転送した電荷に応じた信号を出力する電荷転送型の固体撮像素子を備える撮像装置であって、前記多数の光電変換素子が、第一の光電変換素子群と第二の光電変換素子群とからなり、前記第一の光電変換素子群が、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子で構成されており、前記第一の光電変換素子群から前記電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第一の駆動と、前記第二の光電変換素子群から前記電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第二の駆動とを分けて行う２フィールド駆動を行う際、前記第一の駆動と前記第二の駆動のいずれかにおいて、前記電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する駆動を行う駆動手段を備える。

本発明の撮像装置は、前記第二の光電変換素子群が、輝度成分と相関のある輝度フィルタが受光面上方に設けられた輝度検出用光電変換素子のみで構成されている。

本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記２フィールド駆動を行う際、前記第二の駆動において、前記電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する。

本発明の撮像装置は、前記多数の光電変換素子が半導体基板上に正方格子状に配列されており、前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが市松状に配置されている。

本発明の撮像装置は、前記第一の光電変換素子群に含まれる光電変換素子と前記第二の光電変換素子群に含まれる光電変換素子とが、それぞれ半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが、各光電変換素子の配列ピッチの１／２前記行方向及び前記列方向にずれて配置されている。

本発明の撮像装置は、前記第二の光電変換素子群が、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子で構成されており、前記第一の光電変換素子群に含まれる光電変換素子と前記第二の光電変換素子群に含まれる光電変換素子とが、それぞれ半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの配列と、前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの配列とが、それぞれ同じであり、前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが、各光電変換素子の配列ピッチの１／２前記行方向及び前記列方向にずれて配置されている。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子の電荷転送路が、垂直電荷転送路と水平電荷転送路からなり、前記固体撮像素子が、前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間に設けられた、前記垂直電荷転送路を転送されてきた電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に電圧を印加する電極とを備え、前記第一の光電変換素子群からの電荷が読み出される前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間にある前記電荷蓄積部上方の前記電極と、前記第二の光電変換素子群からの電荷が読み出される前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間にある前記電荷蓄積部上方の前記電極とには、それぞれ独立に電圧が印加可能であり、前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とのいずれかのみから信号を読み出す駆動を行う際、前記信号を読み出す必要のない光電変換素子群から電荷が読み出される前記垂直電荷転送路からの前記電荷を前記水平電荷転送路に転送しないように前記電極の電圧を制御する制御手段を備える。

本発明の撮像装置は、前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタ配列がベイヤー配列となっている。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、多数の光電変換素子を備え、前記多数の光電変換素子で発生した電荷を電荷転送路に読み出して転送し、転送した電荷に応じた信号を出力する電荷転送型の固体撮像素子を駆動する方法であって、前記多数の光電変換素子が、第一の光電変換素子群と第二の光電変換素子群とからなり、前記第一の光電変換素子群が、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子で構成されており、前記第一の光電変換素子群から前記電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第一の駆動と、前記第二の光電変換素子群から前記電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第二の駆動とを分けて行う２フィールド駆動を行う際、前記第一の駆動と前記第二の駆動のいずれかにおいて、前記電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記第二の光電変換素子群が、輝度成分と相関のある輝度フィルタが受光面上方に設けられた輝度検出用光電変換素子のみで構成されている。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記２フィールド駆動を行う際、前記第二の駆動において、前記電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記多数の光電変換素子が半導体基板上に正方格子状に配列されており、前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが市松状に配置されている。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記第一の光電変換素子群に含まれる光電変換素子と前記第二の光電変換素子群に含まれる光電変換素子とが、それぞれ半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが、各光電変換素子の配列ピッチの１／２前記行方向及び前記列方向にずれて配置されている。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記第二の光電変換素子群が、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子で構成されており、前記第一の光電変換素子群に含まれる光電変換素子と前記第二の光電変換素子群に含まれる光電変換素子とが、それぞれ半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの配列と、前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの配列とが、それぞれ同じであり、前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが、各光電変換素子の配列ピッチの１／２前記行方向及び前記列方向にずれて配置されている。

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電荷転送路が、垂直電荷転送路と水平電荷転送路からなり、前記固体撮像素子が、前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間に設けられた、前記垂直電荷転送路を転送されてきた電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に電圧を印加する電極とを備え、前記第一の光電変換素子群からの電荷が読み出される前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間にある前記電荷蓄積部上方の前記電極と、前記第二の光電変換素子群からの電荷が読み出される前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間にある前記電荷蓄積部上方の前記電極とには、それぞれ独立に電圧が印加可能であり、前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とのいずれかのみから信号を読み出す駆動を実行する際、前記信号を読み出す必要のない光電変換素子群から電荷が読み出される前記垂直電荷転送路からの前記電荷を前記水平電荷転送路に転送しないように前記電極の電圧を制御する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタ配列がベイヤー配列となっている。

本発明によれば、２フィールドで全ての電荷を読み出し可能な固体撮像素子であって、片方のフィールドだけでもカラー画像データを生成することが可能な構成を持つ固体撮像素子の新しい駆動方法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の一構成例を示した平面模式図である。
固体撮像素子５は、半導体基板５０上の行方向Ｘとこれに直交するＹ方向とに正方格子状に配列されたＲ光を検出する光電変換素子５１Ｒ（図中に“Ｒ”の文字を付してある）、Ｇ光を検出する光電変換素子５１Ｇ（図中に“Ｇ”の文字を付してある）、Ｂ光を検出する光電変換素子５１Ｂ（図中に“Ｂ”の文字を付してある）からなるＲＧＢ光電変換素子群と、半導体基板５０上の行方向Ｘとこれに直交するＹ方向とに正方格子状に配列された光の輝度成分を検出する光電変換素子５１Ｗ（図中に“Ｗ”の文字を付してある）からなるＷ光電変換素子群とを備え、これらが、それぞれの光電変換素子配列ピッチの略１／２だけ、行方向Ｘ及び列方向Ｙにずれた位置に配置されている。尚、ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子とＷ光電変換素子群の各光電変換素子の配列ピッチは同じである。

ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子の上方にはカラーフィルタが設けられており、このカラーフィルタの配列はベイヤー配列となっている。

Ｗ光電変換素子群の各光電変換素子の上方には、光の輝度情報と相関のある分光特性を持ったフィルタすなわち輝度フィルタが設けられている。この輝度フィルタは、ＮＤフィルタや、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタ等が該当するが、光電変換素子の受光面上方に何も設けずに光が直接該受光面に入射する構成も、輝度フィルタを設けたということができる。

ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子と、Ｗ光電変換素子群の各光電変換素子とは、それぞれ同一構造となっている。

ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子の配列は、列方向Ｙに並ぶ光電変換素子５１Ｇと光電変換素子５１Ｒとからなる光電変換素子列であるＧＲ光電変換素子列と、列方向Ｙに並ぶ光電変換素子５１Ｂと光電変換素子５１Ｇとからなる光電変換素子列であるＢＧ光電変換素子列とを、行方向Ｘに交互に配列したものと言うことができる。又、ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子の配列は、行方向Ｘに並ぶ光電変換素子５１Ｇと光電変換素子５１Ｂとからなる光電変換素子行であるＧＢ光電変換素子行と、行方向Ｘに並ぶ光電変換素子５１Ｒと光電変換素子５１Ｇとからなる光電変換素子行であるＲＧ光電変換素子行とを、列方向Ｙに交互に配列したものと言うこともできる。

Ｗ光電変換素子群の各光電変換素子の配列は、列方向Ｙに並ぶ光電変換素子５１Ｗからなる光電変換素子列であるＷ光電変換素子列を行方向Ｘに複数配列したものと言うことができる。又、Ｗ光電変換素子群の各光電変換素子の配列は、行方向Ｘに並ぶ光電変換素子５１ＷからなるＷ光電変換素子行を、列方向Ｙに複数配列したものと言うこともできる。

各光電変換素子列の右側部には、各光電変換素子列に対応させて、各光電変換素子列を構成する光電変換素子に蓄積された電荷を列方向Ｙに転送するための垂直電荷転送路５４（図２では一部のみ図示してある）が形成されている。垂直電荷転送路５４は、例えば、ｎ型シリコン基板上に形成されたｐウェル層内に注入されたｎ型不純物によって形成されている。

垂直電荷転送路５４上方には、垂直電荷転送路５４に読み出された電荷の転送を制御するための８相の転送パルスが撮像素子駆動部１０によって印加される転送電極Ｖ１〜Ｖ８が形成されている。

転送電極Ｖ１〜Ｖ８は、それぞれ、各光電変換素子行の間を、これらを構成する光電変換素子を避けるように行方向Ｘに蛇行して配設されている。

各光電変換素子と、それに対応する垂直電荷転送路５４との間には、各光電変換素子で発生した電荷を、該垂直電荷転送路５４に読み出すための電荷読出し部５５が設けられている。電荷読出し部５５は、例えば、ｎ型シリコン基板上に形成されたｐウェル層の一部分によって形成されている。電荷読出し部５５は、各光電変換素子に対して同一の方向（図中の斜め右下方向）に設けられている。

光電変換素子５１Ｗに対応する電荷読出し部５５上方には転送電極Ｖ２又はＶ６が形成されており、ここに読み出しパルスを印加することで、光電変換素子５１Ｗで発生して蓄積された電荷を、該光電変換素子５１Ｗの右側部にある垂直電荷転送路５４に読み出すことができる。

ＧＢ光電変換素子行の各光電変換素子に対応する電荷読出し部５５上方には転送電極Ｖ４が形成されており、ここに読み出しパルスを印加することで、ＧＢ光電変換素子行の各光電変換素子で発生して蓄積された電荷を、各光電変換素子の右側部にある垂直電荷転送路５４に読み出すことができる。

ＲＧ光電変換素子行の各光電変換素子に対応する電荷読出し部５５上方には転送電極Ｖ８が形成されており、ここに読み出しパルスを印加することで、ＲＧ光電変換素子行の各光電変換素子で発生して蓄積された電荷を、各光電変換素子の右側部にある垂直電荷転送路５４に読み出すことができる。

垂直電荷転送路５４には、垂直電荷転送路５４を転送されてきた電荷を行方向Ｘに転送するための水平電荷転送路５７が接続され、水平電荷転送路５７には、水平電荷転送路５７を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプ５８が接続されている。

撮像素子駆動部１０は、ＲＧＢ光電変換素子群から電荷を読み出し、該電荷に応じた信号を出力させる第一の駆動と、Ｗ光電変換素子群から電荷を読み出し、該電荷に応じた信号を出力させる第二の駆動とを分けて行う２フィールド駆動を行う。この２フィールド駆動には、第二の駆動において、垂直電荷転送路５４に読み出した電荷のうち隣接する電荷同士を該垂直電荷転送路５４上で混合して転送する混合駆動と、第二の駆動において、垂直電荷転送路５４に読み出した電荷のうち隣接する電荷同士を該垂直電荷転送路５４上で混合しないで転送する通常駆動との２種類が含まれる。

以下、混合駆動時の動作を説明する。
露光期間が終了すると、撮像素子駆動部１０は、転送電極Ｖ４，Ｖ８に読み出しパルスを印加して、ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子で発生した電荷を、該各光電変換素子に対応する垂直電荷転送路５４に読み出す。そして、該電荷を水平電荷転送路５７まで転送し、該電荷を水平電荷転送路５７で出力アンプ５８まで転送し、ここから該電荷に応じた信号を出力させる。

次に、撮像素子駆動部１０は、転送電極Ｖ２，Ｖ６に読み出しパルスを印加して、Ｗ光電変換素子群の各光電変換素子で発生した電荷を、該各光電変換素子に対応する垂直電荷転送路５４に読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、垂直電荷転送路５４に読み出した電荷のうち、隣接する２つの電荷を垂直電荷転送路５４上で混合してから、混合後の電荷を水平電荷転送路５７まで転送し、該電荷を水平電荷転送路５７で出力アンプ５８まで転送し、ここから該電荷に応じた信号を出力させる。

このような駆動を行った場合、固体撮像素子５からは、図２中のＲＧＢ光電変換素子群を構成する光電変換素子の総数と同じ数のカラー信号と、図２中のＷ光電変換素子群を構成する光電変換素子の総数の半分の輝度信号とが得られる。

そこで、デジタル信号処理部１７が、カラー信号を１／２に間引いて輝度信号と同じ数にした後、カラー信号のある位置に、その位置にない色のカラー信号と輝度信号を、周囲のカラー信号及び輝度信号を用いて補間し、輝度信号のある位置に、その位置にないカラー信号を、周囲のカラー信号を用いて補間する信号処理を行うことで、固体撮像素子５の全光電変換素子数の半分の数の画素データからなるカラー画像データを生成することができる。

このような画素数の画像データは、例えば、通常駆動を行って得られたカラー信号と輝度信号をそれぞれ１／２に間引いた撮像信号からも生成することができる。混合駆動を行うことの利点は、輝度信号を間引いて総数を１／２にするのではなく、混合して１／２にしているために、輝度信号のレベルを上げることができ、より解像感の高い画像を生成することができることにある。

このように、混合駆動を行った場合に生成されるカラー画像データは画素数が少なくなるため、撮像素子駆動部１０は、ユーザから設定された解像度によって、上述した混合駆動を行うのか、通常駆動を行うのかを選択することで、撮影条件に応じた最適な駆動を実施することができる。又、上記混合駆動は、通常駆動と比べると、２フィールド目の駆動時間を短縮することができる。このため、連写モード等のように高速駆動が求められる場合には、混合駆動を選択して実行するといったことも可能となる。又、駆動時間を短縮することができるため、消費電力の低減も図ることができる。

尚、以上の説明では、混合駆動において、ＲＧＢ光電変換素子群から信号を出力させる際に、ＲＧＢ光電変換素子群を構成する全ての光電変換素子からカラー信号を出力させ、その後の信号処理でカラー信号の数を１／２にするものとしている。しかし、これに限らず、ＲＧＢ光電変換素子群から信号を出力させる際に、電荷を１／２に間引いて読み出す間引き駆動を行うようにしても良い。この場合には、更なる高速駆動が可能となる。

又、間引き駆動を行う場合には、カラー信号の間引き数に応じて、輝度信号の混合数を変えることが好ましい。例えばカラー信号を１／４に間引いて出力させる駆動を行った場合には、垂直電荷転送路５４に読み出された輝度成分の電荷のうち、隣接する４つの電荷を混合して転送するようにすれば良い。このように、カラー信号の間引き数に応じて輝度成分の電荷の混合数を変えることで、駆動を早めながら解像感を向上させることができるようになる。

又、以上の説明では、混合駆動において、Ｗ光電変換素子群から読み出した電荷を垂直電荷転送路５４で混合するものとしているが、Ｗ光電変換素子群から読み出した電荷ではなく、ＲＧＢ光電変換素子群から読み出した電荷のうちの隣接する同色成分の電荷同士を垂直電荷転送路５４で混合して転送するようにしても良い。この場合には、カラー信号の総数と同じになるように輝度信号を間引いてからカラー画像データを生成したり、カラー成分の電荷の混合数に応じて、Ｗ光電変換素子群から電荷を間引いて読み出すようにしたりすれば良い。

又、以上の説明では、ＲＧＢ光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタが原色フィルタの例を示した。しかし、このカラーフィルタは、ＲＧＢ光電変換素子群から得られる信号のみでカラー画像データを生成することができるようなフィルタであれば良く、例えば補色フィルタを用いても構わない。

（第二実施形態）
第一実施形態で説明した混合駆動は、図２に示した構成の固体撮像素子に限らず、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子からなる光電変換素子群と、それとは別の光電変換素子群とを備え、これら光電変換素子群からの信号を別々に読み出すことが可能な固体撮像素子であれば適用することができる。本実施形態では、このような固体撮像素子として図２に示した構成以外の構成例について説明する。

図３は、本発明の第二実施形態の撮像装置に搭載される固体撮像素子の一構成例を示した平面模式図である。図３において図２に示した構成と同様の構成には同一符号を付してある。
図３に示す固体撮像素子５は、図２に示した固体撮像素子５のＷ光電変換素子群を構成する光電変換素子５１Ｗ上方に設けるフィルタを、ベイヤー配列であるカラーフィルタとしたものである。以下、このカラーフィルタが上方に設けられた光電変換素子からなる光電変換素子群をｒｇｂ光電変換素子群という。

図３に示すように、ｒｇｂ光電変換素子群は、Ｒカラーフィルタが上方に設けられた光電変換素子５１ｒと、Ｇカラーフィルタが上方に設けられた光電変換素子５１ｇと、Ｂカラーフィルタが上方に設けられた光電変換素子５１ｂとを含む。

ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子と、ｒｇｂ光電変換素子群の各光電変換素子は、それぞれ検出感度が異なり、例えばＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子の検出感度の方が低くなっている。光電変換素子の検出感度を変化させるには、光電変換素子の受光面の面積を変化させてもよいし、光電変換素子上方に設けたマイクロレンズによって、集光面積を変化させてもよいし、２つの光電変換素子の各々で露光時間を変えても良い。これらの方法は公知であるため、説明を省略する。

尚、図３に示した光電変換素子配列については、特開２００４−０５５７８６号公報にも詳細が開示されているので、これを参照されたい。

次に、撮像素子駆動部１０は、転送電極Ｖ２，Ｖ６に読み出しパルスを印加して、ｒｇｂ光電変換素子群の各光電変換素子で発生した電荷を、該各光電変換素子に対応する垂直電荷転送路５４に読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、垂直電荷転送路５４に読み出した電荷のうち、同色成分の隣接する２つの電荷を垂直電荷転送路５４上で混合してから、混合後の電荷を水平電荷転送路５７まで転送し、該電荷を水平電荷転送路５７で出力アンプ５８まで転送し、ここから該電荷に応じた信号を出力させる。

このような駆動を行った場合、固体撮像素子５からは、図３中のＲＧＢ光電変換素子群を構成する光電変換素子の総数と同じ数のカラー信号と、図３中のｒｇｂ光電変換素子群を構成する光電変換素子の総数の半分のカラー信号とが得られる。

そこで、デジタル信号処理部１７が、ＲＧＢ光電変換素子群から得られたカラー信号（ＲＧＢカラー信号という）を１／２に間引いて、ｒｇｂ光電変換素子群から得られたカラー信号（ｒｇｂカラー信号という）と同じ数にした後、ＲＧＢカラー信号とｒｇｂカラー信号の近接同色画素同士の信号を合成してダイナミックレンジを拡大する処理を行い、合成して得られたカラー信号を用いてカラー信号を補間する信号処理を行うことで、固体撮像素子５の全光電変換素子数の１／４の数の画素データからなるカラー画像データを生成することができる。

以上のように、Ｗ光電変換素子群をｒｇｂ光電変換素子群に変更した構成であっても、第一実施形態で述べた混合駆動を適用することができ、高速駆動、高解像感、広ダイナミックレンジ、低消費電力を実現するデジタルカメラを提供することができる。

尚、以上の説明では、ｒｇｂ光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタが原色フィルタの例を示した。しかし、このカラーフィルタは、ｒｇｂ光電変換素子群から得られる信号のみでカラー画像データを生成することができるようなフィルタであれば良く、例えば補色フィルタを用いても構わない。

又、以上の説明では、ＲＧＢ光電変換素子群からの電荷は混合せずに転送し、ｒｇｂ光電変換素子群からの電荷を混合して転送するようにしているが、これは逆であっても良い。

（第三実施形態）
本実施形態では、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子からなる光電変換素子群と、それとは別の光電変換素子群とを備え、これら光電変換素子群からの信号を別々に読み出すことが可能な固体撮像素子のもう１つの構成例を説明する。

図４は、本発明の第三実施形態の撮像装置に搭載される固体撮像素子の一構成例を示した平面模式図である。尚、図４では、光電変換素子の配列のみを示してある。
図４に示す固体撮像素子は、Ｒカラーフィルタが上方に設けられた光電変換素子６１Ｒと、Ｇカラーフィルタが上方に設けられた光電変換素子６１Ｇと、Ｂカラーフィルタが上方に設けられた光電変換素子６１Ｂと、輝度フィルタが上方に設けられた光電変換素子６１Ｗとが半導体基板上の水平方向とこれに直交する垂直方向に正方格子状に配列されたものとなっている。光電変換素子６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂと、光電変換素子６１Ｗとは市松状に配置されている。

図４には図示していないが、図４の垂直方向に並ぶ光電変換素子からなる光電変換素子列の右隣には、この光電変換素子列の各光電変換素子で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送路が設けられ、該垂直電荷転送路の終端には、該垂直電荷転送路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路が設けられ、該水平電荷転送路の終端には、該水平電荷転送路を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力アンプが設けられている。

図４に示す固体撮像素子は、光電変換素子６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂからの電荷の読み出しと、光電変換素子６１Ｗからの電荷の読み出しとを独立に行うことができるように、各光電変換素子から垂直電荷転送路に電荷を読み出すための電荷読み出し領域が形成されている。

尚、図４に示した固体撮像素子の詳細については、特開２００３−３１８３７５号公報に記載されているので、これを参照されたい。

このような構成の固体撮像素子であっても、上述した混合駆動を適用することができる。即ち、第１フィールドで光電変換素子６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂから電荷を読み出して転送し、第２フィールドで光電変換素子６１Ｗから電荷を読み出して転送するものとし、どちらかのフィールドにおいて、隣接する同色成分の電荷同士を垂直電荷転送路上で混合して転送するようにすれば良い。

（第四実施形態）
第一実施形態や第二実施形態で説明した構成の固体撮像素子では、ＲＧＢ光電変換素子群に対応する垂直電荷転送路と、Ｗ光電変換素子群（又はｒｇｂ光電変換素子群）に対応する垂直電荷転送路とが別になっている。このため、一方の光電変換素子群から電荷を読み出して転送しているときには、他方の光電変換素子群に対応する垂直電荷転送路には電荷が存在しないことになる。しかし、該垂直電荷転送路の駆動は他の垂直電荷転送路と同様に行われるため、水平電荷転送路５７には該垂直電荷転送路から暗電流成分等のノイズ電荷が転送されてしまう。つまり、水平電荷転送路５７に１ライン分の電荷が転送された状態では、その電荷の並びが、信号電荷とノイズ電荷の繰り返しとなる。この状態で電荷が水平方向に転送されると、信号電荷にノイズ電荷が漏れこんでしまい、ＳＮ比が劣化してしまう。そこで、本実施形態では、このようなノイズ電荷の漏れこみを防止するための固体撮像素子の構成について説明する。

図５は、本発明の第四実施形態の撮像装置に搭載される固体撮像素子の構成例を示す平面模式図である。図５において図２と同様の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の垂直電荷転送路５４と水平電荷転送路５７との間に、電荷を一時的に蓄積するための電荷蓄積部６０を設け、ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子に対応する垂直電荷転送路５４に接続された電荷蓄積部６０上方に、この電荷蓄積部６０のポテンシャルを制御するための電極５９ａを設け、Ｗ光電変換素子群の各光電変換素子に対応する垂直電荷転送路５４に接続された電荷蓄積部６０上方に、この電荷蓄積部６０のポテンシャルを制御するための電極５９ｂを設けた構成となっている。

電極５９ａには制御パルスφＬＭ２が印加され、電極５９ｂには制御パルスφＬＭ１が印加されるようになっている。

以下、混合駆動時の動作を説明する。
露光期間が終了すると、撮像素子駆動部１０は、転送電極Ｖ４，Ｖ８に読み出しパルスを印加して、ＲＧＢ光電変換素子群の各光電変換素子で発生した電荷を、該各光電変換素子に対応する垂直電荷転送路５４に読み出す。そして、該電荷を電荷蓄積部６０を介して水平電荷転送路５７まで転送し、該電荷を水平電荷転送路５７で出力アンプ５８まで転送し、ここから該電荷に応じた信号を出力させる。電荷蓄積部６０に蓄積された電荷は、制御パルスφＬＭ１，φＬＭ２をローレベルにすることで水平電荷転送路５７に転送することができる。
尚、電荷を水平電荷転送路５７に転送する際、撮像素子駆動部１０は、制御パルスφＬＭ１をハイレベルに維持し、制御パルスφＬＭ２だけをローレベルとハイレベルに切り替えることで、電極５９ａ下方の電荷蓄積部６０に蓄積されたカラー成分の電荷を水平電荷転送路５７に転送しつつ、電極５９ｂ下方の電荷蓄積部６０に蓄積されたノイズ電荷を水平電荷転送路５７に転送しないように制御する。

次に、撮像素子駆動部１０は、転送電極Ｖ２，Ｖ６に読み出しパルスを印加して、Ｗ光電変換素子群の各光電変換素子で発生した電荷を、該各光電変換素子に対応する垂直電荷転送路５４に読み出す。次に、撮像素子駆動部１０は、垂直電荷転送路５４に読み出した電荷のうち、隣接する２つの電荷を垂直電荷転送路５４上で混合してから、混合後の電荷を、電荷蓄積部６０を介して水平電荷転送路５７まで転送し、該電荷を水平電荷転送路５７で出力アンプ５８まで転送し、ここから該電荷に応じた信号を出力させる。
尚、電荷を水平電荷転送路５７に転送する際、撮像素子駆動部１０は、制御パルスφＬＭ２をハイレベルに維持し、制御パルスφＬＭ１だけをローレベルとハイレベルに切り替えることで、電極５９ｂ下方の電荷蓄積部６０に蓄積された輝度成分の電荷を水平電荷転送路５７に転送しつつ、電極５９ａ下方の電荷蓄積部６０に蓄積されたノイズ電荷を水平電荷転送路５７に転送しないように制御する。

このような駆動を採用することで、水平電荷転送路５７上にノイズ電荷が転送されなくなるため、ＲＧＢ光電変換素子群から得られた信号のＳＮ比と、Ｗ光電変換素子群から得られた信号のＳＮ比とが劣化してしまうのを防ぐことができる。

尚、図５に示したＷ光電変換素子群をｒｇｂ光電変換素子群に変更した構成でも、同様に、ＳＮ比の劣化を防止することができる。

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一構成例を示した平面模式図本発明の第二実施形態の撮像装置に搭載される固体撮像素子の一構成例を示した平面模式図本発明の第三実施形態の撮像装置に搭載される固体撮像素子の一構成例を示した平面模式図本発明の第四実施形態の撮像装置に搭載される固体撮像素子の構成例を示す平面模式図

符号の説明

５固体撮像素子
５０半導体基板
５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ，５１Ｗ光電変換素子
５５電荷読出し部
５４垂直電荷転送路
５７水平電荷転送路
５８出力アンプ
Ｖ１〜Ｖ８転送電極

Claims

多数の光電変換素子を備え、前記多数の光電変換素子で発生した電荷を電荷転送路に読み出して転送し、転送した電荷に応じた信号を出力する電荷転送型の固体撮像素子を備える撮像装置であって、
前記多数の光電変換素子が、第一の光電変換素子群と第二の光電変換素子群とからなり、
前記第一の光電変換素子群が、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子で構成されており、
前記第一の光電変換素子群から前記電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第一の駆動と、前記第二の光電変換素子群から前記電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第二の駆動とを分けて行う２フィールド駆動を行う際、前記第一の駆動と前記第二の駆動のいずれかにおいて、前記電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する駆動を行う駆動手段を備える撮像装置。
請求項１記載の撮像装置であって、
前記第二の光電変換素子群が、輝度成分と相関のある輝度フィルタが受光面上方に設けられた輝度検出用光電変換素子のみで構成されている撮像装置。
請求項２記載の撮像装置であって、
前記駆動手段が、前記２フィールド駆動を行う際、前記第二の駆動において、前記電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する撮像装置。
請求項２又は３記載の撮像装置であって、
前記多数の光電変換素子が半導体基板上に正方格子状に配列されており、
前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが市松状に配置されている撮像装置。
請求項２又は３記載の撮像装置であって、
前記第一の光電変換素子群に含まれる光電変換素子と前記第二の光電変換素子群に含まれる光電変換素子とが、それぞれ半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、
前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが、各光電変換素子の配列ピッチの１／２前記行方向及び前記列方向にずれて配置されている撮像装置。
請求項１記載の撮像装置であって、
前記第二の光電変換素子群が、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子で構成されており、
前記第一の光電変換素子群に含まれる光電変換素子と前記第二の光電変換素子群に含まれる光電変換素子とが、それぞれ半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、
前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの配列と、前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの配列とが、それぞれ同じであり、
前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが、各光電変換素子の配列ピッチの１／２前記行方向及び前記列方向にずれて配置されている撮像装置。
請求項５又は６記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子の電荷転送路が、垂直電荷転送路と水平電荷転送路からなり、
前記固体撮像素子が、前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間に設けられた、前記垂直電荷転送路を転送されてきた電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に電圧を印加する電極とを備え、
前記第一の光電変換素子群からの電荷が読み出される前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間にある前記電荷蓄積部上方の前記電極と、前記第二の光電変換素子群からの電荷が読み出される前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間にある前記電荷蓄積部上方の前記電極とには、それぞれ独立に電圧が印加可能であり、
前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とのいずれかのみから信号を読み出す駆動を行う際、前記信号を読み出す必要のない光電変換素子群から電荷が読み出される前記垂直電荷転送路からの前記電荷を前記水平電荷転送路に転送しないように前記電極の電圧を制御する制御手段を備える撮像装置。
請求項１〜７のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタ配列がベイヤー配列となっている撮像装置。
多数の光電変換素子を備え、前記多数の光電変換素子で発生した電荷を電荷転送路に読み出して転送し、転送した電荷に応じた信号を出力する電荷転送型の固体撮像素子を駆動する方法であって、
前記多数の光電変換素子が、第一の光電変換素子群と第二の光電変換素子群とからなり、
前記第一の光電変換素子群が、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子で構成されており、
前記第一の光電変換素子群から前記電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第一の駆動と、前記第二の光電変換素子群から前記電荷を読み出して該電荷に応じた信号を出力させる第二の駆動とを分けて行う２フィールド駆動を行う際、前記第一の駆動と前記第二の駆動のいずれかにおいて、前記電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する固体撮像素子の駆動方法。
請求項９記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記第二の光電変換素子群が、輝度成分と相関のある輝度フィルタが受光面上方に設けられた輝度検出用光電変換素子のみで構成されている固体撮像素子の駆動方法。
請求項１０記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記２フィールド駆動を行う際、前記第二の駆動において、前記電荷転送路に読み出した電荷のうち、隣接する同色成分の電荷同士を該電荷転送路上で混合して転送する固体撮像素子の駆動方法。
請求項１０又は１１記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記多数の光電変換素子が半導体基板上に正方格子状に配列されており、
前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが市松状に配置されている固体撮像素子の駆動方法。
請求項１０又は１１記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記第一の光電変換素子群に含まれる光電変換素子と前記第二の光電変換素子群に含まれる光電変換素子とが、それぞれ半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、
前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが、各光電変換素子の配列ピッチの１／２前記行方向及び前記列方向にずれて配置されている固体撮像素子の駆動方法。
請求項９記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記第二の光電変換素子群が、カラー画像データを生成するのに必要な色成分の光を検出する光電変換素子で構成されており、
前記第一の光電変換素子群に含まれる光電変換素子と前記第二の光電変換素子群に含まれる光電変換素子とが、それぞれ半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、
前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの配列と、前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの配列とが、それぞれ同じであり、
前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とが、各光電変換素子の配列ピッチの１／２前記行方向及び前記列方向にずれて配置されている固体撮像素子の駆動方法。
請求項１３又は１４記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記固体撮像素子の電荷転送路が、垂直電荷転送路と水平電荷転送路からなり、
前記固体撮像素子が、前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間に設けられた、前記垂直電荷転送路を転送されてきた電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に電圧を印加する電極とを備え、
前記第一の光電変換素子群からの電荷が読み出される前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間にある前記電荷蓄積部上方の前記電極と、前記第二の光電変換素子群からの電荷が読み出される前記垂直電荷転送路と前記水平電荷転送路との間にある前記電荷蓄積部上方の前記電極とには、それぞれ独立に電圧が印加可能であり、
前記第一の光電変換素子群と前記第二の光電変換素子群とのいずれかのみから信号を読み出す駆動を実行する際、前記信号を読み出す必要のない光電変換素子群から電荷が読み出される前記垂直電荷転送路からの前記電荷を前記水平電荷転送路に転送しないように前記電極の電圧を制御する固体撮像素子の駆動方法。
請求項９〜１５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、
前記第一の光電変換素子群を構成する光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタ配列がベイヤー配列となっている固体撮像素子の駆動方法。