JP2009147884A - 固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子を、ノイズ低減を図りながら高速駆動する。
【解決手段】光電変換素子１２と、光電変換素子１２に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路１３と、各垂直電荷転送路１３の端部に設けられたラインメモリ１８と、該ラインメモリ１８から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路１５とを半導体基板１１内に備える固体撮像素子１０の駆動方法であって、水平電荷転送路１５による信号電荷の水平転送期間中に、垂直電荷転送路１３による信号電荷の垂直転送を行う駆動ステップを有し、この駆動ステップでは、垂直転送が終了した時点でハイレベルのパルスが印加されている転送電極への水平転送期間中におけるローレベルのパルスの総印加時間が、垂直転送が終了した時点でローレベルのパルスが印加されている転送電極への水平転送期間中におけるローレベルのパルスの総印加時間よりも短くなるように垂直転送を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、高速駆動が可能な固体撮像素子の駆動方法に関する。

ＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型の固体撮像素子は、例えば下記特許文献１に記載されている様に、垂直電荷転送路と水平電荷転送路とを備え、半導体基板表面部に二次元アレイ状に配列形成されたフォトダイオード（光電変換素子）から垂直電荷転送路に読み出された信号電荷を先ず垂直電荷転送路に沿って水平電荷転送路まで転送させ、次にこの信号電荷を水平電荷転送路に沿って電荷検出部及び出力アンプまで転送させ、電荷検出部まで転送されてきた信号電荷の各々の電荷量に応じた電圧値信号を出力アンプが出力する様になっている。

特許文献１には、ＣＣＤ型の固体撮像素子の駆動方法として、水平電荷転送路において信号電荷の転送を行っている水平転送期間中に、垂直電荷転送路での信号電荷の転送を行う方法が開示されている。

図４は、特許文献１に開示された信号電荷の転送タイミングを示すタイミングチャートである。
垂直電荷転送路には垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が印加されることで信号電荷の垂直方向への転送が行われ、水平電荷転送路には水平転送パルスφＨ１，φＨ２が印加されることで信号電荷の水平方向への転送が行われる。又、垂直電荷転送路と水平電荷転送路との間に設けられたラインメモリにラインメモリパルスφＬＭが印加されることで、ラインメモリから水平電荷転送路への電荷転送が制御される。

従来では、水平転送期間中に、転送パルスφＶ１〜φＶ４を図４に示すようなパターンで垂直電荷転送路に印加して垂直転送を実施している。

特開２００５−２６９０６０号公報

図４に示す例では、水平転送期間中に行う垂直転送が終了した時点で、転送パルスφＶ２が印加されている転送電極と垂直転送パルスφＶ３が印加されている転送電極に、それぞれハイレベル（例えば０Ｖ）の垂直転送パルスが印加されているため、これらの転送電極は、垂直電荷転送路に電荷を蓄積するためのパケットを形成するパケット電極として機能する。一方、垂直転送パルスφＶ１が印加されている転送電極と垂直転送パルスφＶ４が印加されている転送電極には、それぞれローレベル（例えば−８Ｖ）の垂直転送パルスが印加されているため、これらの転送電極は、パケットのバリアを形成するバリア電極として機能する。水平転送期間が終了してからは、水平ブランキング期間があるため、パケットに蓄積された電荷は水平ブランキング期間の間、そのパケット内で待機させられることになる。

一般に、垂直電荷転送路は、バリアを形成するための垂直転送パルス（ローレベルのパルス）の印加時間に応じてダメージが蓄積されることが知られている。垂直電荷転送路にダメージが蓄積されると、その垂直電荷転送路内に形成したパケット内の電荷を待機させているときに、パケット内にノイズ電荷が発生し、これが暗電流となって画質を劣化させてしまう。ノイズ電荷は垂直電荷転送路のダメージの蓄積量に応じて大きくなる。このため、垂直転送が終了した時点でパケット電極となる転送電極に対しては、ローレベルの転送パルスの総印加時間をなるべく短くすることが望ましい。一方で、垂直転送が終了した時点でバリア電極となる転送電極については、電荷を待機させている期間におけるノイズ電荷は画質にほとんど影響を与えないため、ローレベルの転送パルスの総印加時間は長くなっても良い。

特許文献１に記載の駆動方法では、垂直転送終了時にバリア電極となる転送電極へのローレベルの転送パルスの総印加時間と、垂直転送終了時にパケット電極となる転送電極へのローレベルの転送パルスの総印加時間とがほぼ同じになっており、暗電流の観点から改善の余地がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、暗電流を抑制してＳ／Ｎを向上させることが可能な固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、各垂直電荷転送路の端部に設けられ該垂直電荷転送路の駆動とは独立に駆動される信号電荷一時蓄積部と、該信号電荷一時蓄積部から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路とが形成された半導体基板を含む固体撮像素子の駆動方法であって、前記固体撮像素子は、前記垂直電荷転送路上方に設けられた転送電極を含み、前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送期間中に、前記垂直電荷転送路に電荷蓄積パケットを形成するための第一のパルスと前記垂直電荷転送路に前記電荷蓄積パケットのバリアを形成するための第二のパルスとを含む転送パルスのパターンを前記転送電極に印加して前記垂直電荷転送路による信号電荷の垂直転送を行う駆動ステップを有し、前記駆動ステップでは、前記垂直転送が終了した時点で前記第一のパルスが印加されている前記転送電極への前記水平転送期間中における前記第二のパルスの総印加時間が、前記垂直転送が終了した時点で前記第二のパルスが印加されている前記転送電極への前記水平転送期間中における前記第二のパルスの総印加時間よりも短くなるように、前記垂直転送を行う。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記転送パルスのパルスエッヂ時毎に前記水平電荷転送路での水平転送を一時停止する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記水平転送を行う期間と次に水平転送を行う期間との間に設けられる水平ブランキング期間に、前記信号電荷一時蓄積部から信号電荷を前記水平電荷転送路に転送する。

本発明の固体撮像素子の駆動方法は、前記一時停止する期間を、少なくとも水平方向３段分の転送を行う期間とする。

本発明の撮像装置は、光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、各垂直電荷転送路の端部に設けられ該垂直電荷転送路の駆動とは独立に駆動される信号電荷一時蓄積部と、該信号電荷一時蓄積部から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路とが形成された半導体基板を含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、前記固体撮像素子は、前記垂直電荷転送路上方に設けられた転送電極を含み、前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送期間中に、前記垂直電荷転送路による信号電荷の垂直転送を行うための転送パルスのパターンであって、前記垂直電荷転送路に電荷蓄積パケットを形成するための第一のパルスと前記垂直電荷転送路に前記電荷蓄積パケットのバリアを形成するための第二のパルスとからなる転送パルスのパターンを生成して前記固体撮像素子に出力する駆動手段を備え、前記駆動手段は、前記垂直転送が終了した時点で前記第一のパルスが印加されている前記転送電極への前記水平転送期間中における前記第二のパルスの総印加時間が、前記垂直転送が終了した時点で前記第二のパルスが印加されている前記転送電極への前記水平転送期間中における前記第二のパルスの総印加時間よりも短くなるように、前記パターンを生成する。

本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記水平転送期間中、前記転送パルスのパルスエッヂ時毎に前記水平電荷転送路での水平転送を一時停止する水平転送パルスを生成して前記固体撮像素子に出力する。

本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、前記水平転送を行う期間と次に水平転送を行う期間との間に設けられる水平ブランキング期間に前記信号電荷一時蓄積部に駆動パルスを出力して該信号電荷一時蓄積部内の信号電荷を前記水平電荷転送路に転送する。

本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、少なくとも水平方向３段分の転送を行う期間だけ前記水平転送パルスの変化を停止させて前記一時停止を行う。

本発明によれば、暗電流を抑制してＳ／Ｎを向上させることが可能な固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供することができる。

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。

図１は、本発明の実施形態の撮像装置の模式図である。本実施形態の撮像装置は、固体撮像素子１０と、この固体撮像素子１０に駆動タイミングパルスを出力する駆動部２０とを備える。

固体撮像素子１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１上に二次元アレイ状（図示の例では正方格子状）に配列形成されたフォトダイオード（ＰＤ）１２と、各フォトダイオード列の側部に形成された垂直電荷転送路１３と、各フォトダイオード１２と垂直電荷転送路１３との間に設けられた読出ゲート１４とを備える。

垂直電荷転送路１３上方には、垂直電荷転送路１３に電圧を印加するための垂直転送電極が設けられている。図示する例では、垂直電荷転送路１３上方に設けられる垂直転送電極が、１フォトダイオード当たり４電極設けられ、４枚の各電極に垂直転送パルスφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が印加される構成（４相駆動の場合）になっている。

各垂直転送パルスはローレベル（Ｌ）とハイレベル（Ｈ）をとることができる。ハイレベルの垂直転送パルスが印加された垂直転送電極下方の垂直電荷転送路１３には、電荷を蓄積するための電荷蓄積パケットが形成され、ローレベルの垂直転送パルスが印加された垂直転送電極下方の垂直電荷転送路１３には、該電荷蓄積パケットのバリアが形成されることになる。

更に、固体撮像素子１０は、半導体基板１１の下辺部に設けられた水平電荷転送路１５と、水平電荷転送路１５の出力部に設けられた電荷検出部１６及び出力アンプ１７とを備える。

水平電荷転送路１５上方には、１垂直電荷転送路当たり２枚の水平転送電極が設けられ、２枚の各電極に水平転送パルスφＨ１，φＨ２が夫々印加される構成（２相駆動の場合）になっている。

また、固体撮像素子１０は、上記の特許文献１記載の固体撮像素子と同様に、各垂直電荷転送路１３の端部と水平電荷転送路１５との境界部分に、各垂直電荷転送路１３によって転送されてきた信号電荷を受け取って一時蓄積し、垂直電荷転送路１３の駆動タイミングとは異なるタイミングで駆動されるバッファ用のラインメモリ（信号電荷一時蓄積部）１８を備える。

駆動部２０は、図示しない外部のＣＰＵ（例えば、デジタルカメラの制御ＣＰＵ）からの指示を受けて垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４，水平転送パルスφＨ１，φＨ２，ラインメモリ駆動パルスφＬＭ，読み出しパルス等の駆動パルスを生成し、固体撮像素子１０に出力する。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いて説明したが、これは、固体撮像素子の受光面に沿う「１方向」「この１方向に略直交する方向」という意味に過ぎない。

斯かる構造の撮像装置では、各フォトダイオード１２が被写体からの入射光の光量に応じた信号電荷を蓄積し、読み出しパルスが駆動部２０から印加されたとき読出ゲート１４を通して信号電荷がフォトダイオード１２から隣接の垂直電荷転送路１３に読み出される。

垂直電荷転送路１３に垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４が印加されると、信号電荷は水平電荷転送路１５の方向に転送され、各垂直電荷転送路１３の端部まで転送されてきた横一行分の信号電荷はラインメモリ１８に移され、一時蓄積される。

ラインメモリ１８に駆動パルスφＬＭが印加されると、ラインメモリ１８上の信号電荷が水平電荷転送路１５に移される。ラインメモリ１８を制御することで、水平方向の信号電荷の画素加算が可能となる。

水平電荷転送路１５に水平転送パルスφＨ１，φＨ２が印加されると、水平電荷転送路１５に沿って信号電荷が電荷検出部１６の方向に転送される。パルスφＨ１に対してパルスφＨ２は反転したパルスとなっており、或る１枚の水平転送電極下に形成された電位パケット内に収納された信号電荷は、パルスφＨ１，φＨ２が反転すると、隣接する水平転送電極下に形成された電位パケット内に転送される。即ち、１段分の水平方向への転送が行われ、次にパルスφＨ１，φＨ２が反転すると、次の１段分の水平方向への転送が行われる。

水平方向への信号電荷の転送が行われ、電荷検出部１６に入った信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号が出力アンプ１７から出力され、この信号電荷が廃棄された後、次の信号電荷が電荷検出部１６に入り、という動作（水平転送期間）が水平電荷転送路１５上の信号電荷が無くなるまで繰り返される。そして、次の水平転送期間が始まる前に、短い水平ブランキング期間が設けられる。

図２は、駆動部２０が固体撮像素子１０を駆動する各駆動パルスのタイミングチャートである。本実施形態では、水平転送期間と水平ブランキング期間とが交互に設けられている。図３は、図２に示す破線Ａで囲った部分の拡大図である。

図２に示す駆動例では、垂直転送期間を水平転送期間と区別することなく、水平転送期間中に垂直転送も行うものとしている。つまり、垂直電荷転送路１３と水平電荷転送路１５とは同時に動作している。これにより、固体撮像素子１０の高速駆動が可能となる。

又、駆動部２０は、水平転送期間中に行う垂直転送が終了した時点でハイレベルの垂直転送パルスが印加されている垂直転送電極（図１の例ではφＶ２，φＶ３が印加されている垂直転送電極）への該水平転送期間中におけるローレベルの垂直転送パルスの総印加時間ａが、該垂直転送が終了した時点でローレベルの垂直転送パルスが印加されている垂直転送電極（図１の例ではφＶ１，φＶ４が印加されている垂直転送電極）への該水平転送期間中におけるローレベルの垂直転送パルスの総印加時間ｂよりも短くなるように、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４のパターンを生成し、これを水平転送期間中に固体撮像素子１０に出力するものとしている。

このようにすることで、垂直転送終了時点でφＶ２，φＶ３が印加されている垂直転送電極下方の垂直電荷転送路１３に蓄積されるダメージを減らすことができ、この結果、この垂直転送電極下方に形成したパケットで電荷を待機させているときに発生するノイズ電荷を低減することができ、Ｓ／Ｎ向上を図ることができる。一方、垂直転送終了時点でφＶ１，φＶ４が印加されている垂直転送電極下方の垂直電荷転送路１３に蓄積されるダメージは増大するが、この垂直転送電極は、電荷を待機させるときにはバリアを形成する電極となるため、この垂直転送電極下方の垂直電荷転送路１３から発生するノイズ電荷は画質にほとんど影響を与えることがない。

尚、総印加時間ａは、短ければ短いほど、暗電流抑制効果が得られるため好ましい。ただし、総印加時間ａの下限値は、水平転送期間の長さと所望する垂直転送効率とによって決まる最低限必要な値にしておく必要がある。又、総印加時間ａの上限値は、画質に影響がないと判断できる程度に暗電流が低減できるような値であれば良く、例えば総印加時間ｂの３／４や１／２等の値に設定しておくことが好ましい。

図２の駆動パターンで示したように、水平転送期間に垂直転送を行うと出力にノイズが乗ってしまう虞がある。

そこで、本実施形態では、垂直転送パルスの各々のパルス立ち上がりタイミング，立ち下がりタイミングにおいて、夫々、一時的に所定の短期間だけ水平転送を停止する様にしている（図３参照）。ノイズ低減のためには、少なくとも水平転送方向１段分の転送は必ず一時停止させる必要がある。好ましくは、図３に示す様に、３段分の転送を一時停止させる。

図３には、垂直転送パルスφＶ３のパルス立ち下がり部分のみを示しているが、垂直電荷転送路１３を４相駆動する場合には、パルスφＶ１〜φＶ４の各パルス立ち上がり，立ち下がり（パルスエッヂ）は図２に示したように計８箇所あり、この８箇所だけ、１回の水平転送期間中に一時停止を行う。８相駆動の場合には、計１６箇所だけ一時停止を行う。これにより、ノイズが出力に乗ってしまう事態が回避される。

そして、水平転送期間が終了するたびに、水平電荷転送路１５を停止し（水平ブランキング期間）、この水平転送停止期間中にラインメモリ１８を駆動して、次の水平転送期間で電荷検出部１６に転送する信号電荷をラインメモリ１８から水平電荷転送路１５に移す。本実施形態では、水平ブランキング期間中に行う動作がラインメモリ１８の駆動だけであるので、水平ブランキング期間が短縮でき、固体撮像素子１０の高速駆動が実現される。

水平電荷転送路１５の転送パルスφＨ１，φＨ２は高速パルスであるため、１回の水平転送期間に垂直転送に伴う８回や１６回の一時停止を行っても、遅延時間はほんの一瞬であり、高速化を阻害することはない。

以上述べた様に、本実施形態によれば、高速駆動が可能なため、数百万画素以上を搭載した固体撮像素子からも高速に撮像画像データを読み出すことができ、しかも、ノイズの重畳が抑制されるため、高画質な撮像画像データを読み出すことが可能となる。又、電荷を待機させているときにその電荷にノイズ電荷が混入するのを極力抑えることができるため、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

尚、図２に示したような駆動は、高速動作が要求される動画撮影モード等においてのみ実施し、静止画撮影モード等のその他の撮影モードにおいては、通常通り、垂直転送期間を設け、水平転送期間とは別に垂直転送を行う通常駆動を実施するようなことが考えられる。通常駆動において電荷の待機期間中にローレベルの垂直転送パルスを印加する垂直転送電極を、図２の駆動において垂直転送パルスφＶ１，φＶ４が印加される垂直転送電極と同じにしておくことで、垂直転送のためのパルスパターンを撮影モード毎に共通で利用することができるようになる。

本発明の実施形態の固体撮像装置の模式図である。 図１の撮像装置の駆動タイミングチャートである。 図２に示す破線Ａで囲った部分の拡大図である。 従来の撮像装置の駆動タイミングチャートである。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１１ 半導体基板
１２ フォトダイオード（光電変換素子）
１３ 垂直電荷転送路
１４ 読出ゲート
１５ 水平電荷転送路
１６ 電荷検出部
１７ 出力アンプ
１８ ラインメモリ（信号電荷一時蓄積部）
２０ 駆動部
φＶ１〜φＶ４ ４相駆動の場合の垂直転送パルス
φＨ１，φＨ２ ２相駆動の場合の水平転送パルス
φＬＭ ラインメモリ駆動パルス

Claims (8)

1. 光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、各垂直電荷転送路の端部に設けられ該垂直電荷転送路の駆動とは独立に駆動される信号電荷一時蓄積部と、該信号電荷一時蓄積部から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路とが形成された半導体基板を含む固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記固体撮像素子は、前記垂直電荷転送路上方に設けられた転送電極を含み、
   前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送期間中に、前記垂直電荷転送路に電荷蓄積パケットを形成するための第一のパルスと前記垂直電荷転送路に前記電荷蓄積パケットのバリアを形成するための第二のパルスＬを含む転送パルスのパターンを前記転送電極に印加して前記垂直電荷転送路による信号電荷の垂直転送を行う駆動ステップを有し、
   前記駆動ステップでは、前記垂直転送が終了した時点で前記第一のパルスが印加されている前記転送電極への前記水平転送期間中における前記第二のパルスの総印加時間が、前記垂直転送が終了した時点で前記第二のパルスが印加されている前記転送電極への前記水平転送期間中における前記第二のパルスの総印加時間よりも短くなるように、前記垂直転送を行う固体撮像素子の駆動方法。
2. 請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記転送パルスのパルスエッヂ時毎に前記水平電荷転送路での水平転送を一時停止する固体撮像素子の駆動方法。
3. 請求項１又は２記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記水平転送を行う期間と次に水平転送を行う期間との間に設けられる水平ブランキング期間に、前記信号電荷一時蓄積部から信号電荷を前記水平電荷転送路に転送する固体撮像素子の駆動方法。
4. 請求項１〜３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、
   前記一時停止する期間を、少なくとも水平方向３段分の転送を行う期間とする固体撮像素子の駆動方法。
5. 光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、各垂直電荷転送路の端部に設けられ該垂直電荷転送路の駆動とは独立に駆動される信号電荷一時蓄積部と、該信号電荷一時蓄積部から移された信号電荷を出力端側に転送する水平電荷転送路とが形成された半導体基板を含む固体撮像素子を有する撮像装置であって、
   前記固体撮像素子は、前記垂直電荷転送路上方に設けられた転送電極を含み、
   前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送期間中に、前記垂直電荷転送路による信号電荷の垂直転送を行うための転送パルスのパターンであって、前記垂直電荷転送路に電荷蓄積パケットを形成するための第一のパルスと前記垂直電荷転送路に前記電荷蓄積パケットのバリアを形成するための第二のパルスとからなる転送パルスのパターンを生成して前記固体撮像素子に出力する駆動手段を備え、
   前記駆動手段は、前記垂直転送が終了した時点で前記第一のパルスが印加されている前記転送電極への前記水平転送期間中における前記第二のパルスの総印加時間が、前記垂直転送が終了した時点で前記第二のパルスが印加されている前記転送電極への前記水平転送期間中における前記第二のパルスの総印加時間よりも短くなるように、前記パターンを生成する撮像装置。
6. 請求項５記載の撮像装置であって、
   前記駆動手段が、前記水平転送期間中、前記転送パルスのパルスエッヂ時毎に前記水平電荷転送路での水平転送を一時停止する水平転送パルスを生成して前記固体撮像素子に出力する撮像装置。
7. 請求項５又は６記載の撮像装置であって、
   前記駆動手段が、前記水平転送を行う期間と次に水平転送を行う期間との間に設けられる水平ブランキング期間に前記信号電荷一時蓄積部に駆動パルスを出力して該信号電荷一時蓄積部内の信号電荷を前記水平電荷転送路に転送する撮像装置。
8. 請求項５〜７のいずれか１項記載の撮像装置であって、
   前記駆動手段が、少なくとも水平方向３段分の転送を行う期間だけ前記水平転送パルスの変化を停止させて前記一時停止を行う撮像装置。

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