JP2009239433A - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素混合モード時に、蓄積電荷量の飽和近傍で各画素の飽和レベルを一定に保ち、画質劣化を低減する。
【解決手段】複数のフォトダイオードの蓄積電荷は垂直ＣＣＤ，水平ＣＣＤへ向けて順次転送され撮像出力として出力される。この電荷移送期間の電荷蓄積読出しパルス２０ａ，２０ｂ，２０ｃの立ち上がり時間を基準に、電圧変動パルス２０＿１は、電圧変動開始間隔２０＿１ａ＿１，２０＿１ａ＿２，２０＿１ａ＿３の時間を確保し立ち上がる。また、電荷蓄積読出しパルス２０ａの立ち上がり時間を基準に、電圧変動パルス２０＿２は、電圧変動開始間隔２０＿２ａの時間を確保し立ち上がる。各電圧変動開始間隔が０ｓの時間に電圧変動パルス２０＿１および２０＿２の立ち上がりで、基板電圧Ｖｓｕｂを制御し、基板電圧Ｖｓｕｂの電圧降下の影響を少なくして、蓄積電荷量の飽和近傍における各画素の飽和レベルを一定に保ち、色再現性や画質劣化を低減する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関するものである。

近年、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像部、あるいはファックスやイメージスキャナの画像認識部を構成する固体撮像装置としてはＣＣＤ（Charge Coupled Device）型イメージセンサが広く用いられている。

また、固体撮像装置では、近年特に、ブルーミング特性が重要視されており、特許文献１，特許文献２には、基板電圧Ｖｓｕｂを適宜設定することにより素子の特性に適合したブルーミング特性を抑制する技術が開示されており、さらに、特許文献３には画素混合モード駆動時の過剰電荷排出部へ供給する制御電圧を電荷蓄積期間と電荷移送期間とで異ならせる技術が開示されている。
特開平７−２８４０２６号公報 特開昭６１−２６３７５号公報 特開２００５−８６６７２号公報

しかしながら、従来技術に示された固体撮像装置では、画素混合モードの各種混合方式の増加に伴い、ある画素混合駆動時に飽和に近い電荷量を蓄積した場合、各画素の飽和レベルが一定にならないという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、蓄積した電荷量の飽和近傍における、各画素の飽和レベルを一定に保つことができ、高速駆動を行えるＣＣＤにおける飽和時の転送において、飽和している信号が基板中に排出され、飽和信号量が消失し、画像劣化が発生することを防ぐ固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した固体撮像装置の駆動方法は、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出す読出部と、制御電圧により設定される飽和電荷量を超えた過剰電荷を光電変換部から排出する過剰電荷排出部と、過剰電荷排出部に制御電圧を供給する制御電圧供給部とを備え、光電変換部に蓄積された信号電荷を画素毎に個別に検出する全画素モードと、信号電荷を所定個数分加算混合して検出する画素混合モードとを、選択的に適用して駆動することが可能な固体撮像装置において、制御電圧供給部は、全画素モードによる駆動を行う場合の過剰電荷排出部へ供給する制御電圧を、光電変換部への電荷蓄積期間と読出部への電荷移送期間とで同等とし、画素混合モードによる駆動を行う場合の過剰電荷排出部へ供給する制御電圧を、電荷蓄積期間と電荷移送期間とで異ならせ、制御電圧を変化させる開始時間を電荷移送の開始時間と同時に開始させることを特徴とする。

また、請求項２〜５に記載した固体撮像装置の駆動方法は、請求項１の駆動方法において、初期画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させ、次画素の電荷移送開始時間前に制御電圧を一旦元に戻し、再度変化させること、さらに、初期画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させ、画素混合の最終画素の電荷移送終了後まで、電圧を保つこと、さらに、初期画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させ、画素混合の初期画素の電荷移送終了と同時に制御電圧を元に戻し、再度、次画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させること、さらに、初期画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させ、画素混合の最終画素の電荷移送終了後まで、電圧を保ち、電荷移送終了と同時に制御電圧を元に戻すことを特徴とする。

前記駆動方法によれば、画素混合モード時に、蓄積電荷量の飽和近傍における、各画素の飽和レベルを一定に保ち、色再現性を損なうことなく画質劣化を低減できる。

本発明によれば、画素混合モード時に、蓄積した電荷量の飽和近傍における、各画素の飽和レベルを一定に保ち、色再現性を損なわず、画質劣化を低減することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示した構造平面図である。図１において、１は光電変換部を形成するフォトダイオードであり、マトリクス状に複数配列されている。フォトダイオード１の各列間に、垂直ＣＣＤ２が配列されて撮像領域３が形成されている。各フォトダイオード１に蓄積された電荷は垂直ＣＣＤ２へ移送され、垂直ＣＣＤ２により、水平ＣＣＤ４へ向けて垂直方向に並列転送される。従って水平ＣＣＤ４には、複数本の垂直ＣＣＤ２から１走査線に相当する信号電荷が順次転送される。水平ＣＣＤ４に達した電荷は水平方向へ転送されて、電荷検出部５により信号電圧に変換され、出力アンプ６で増幅された後、撮像出力ＯＵＴとして導出される。以上の要素がｎ型基板７上に形成されている。

また、垂直ＣＣＤ２は、タイミング発生回路８から供給される、例えば４相の転送クロックφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４によって転送駆動される。これにより、垂直ＣＣＤ２に読み出された信号電荷は、水平ブランキング期間に１走査線に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送される。水平ＣＣＤ４は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１，φＨ２によって転送駆動される。これにより、１走査線分の信号電荷は、水平ブランキング期間後の水平走査期間において、順次水平方向に転送される。

また、ｎ型基板７は抵抗１１を介して接地されており、ｎ型基板７と抵抗１１の接続点に、標準電圧発生回路９がダイオード１０を介して接続されている。標準電圧発生回路９が発生する標準電圧は、基板電圧Ｖｓｕｂとしてｎ型基板７に印加される。基板電圧Ｖｓｕｂは、後述するように、フォトダイオード１に蓄積される信号電荷の飽和量を決定するために印加される電圧である。ＣＣＤ型イメージセンサの製造ばらつきに伴う、基板電圧Ｖｓｕｂにより形成されるポテンシャル障壁の高さのばらつきを考慮して、標準電圧は、個々の素子（チップ）毎に最適値に設定されている。

一方、電子シャッタ動作が可能なＣＣＤイメージセンサでは、タイミング発生回路８でシャッタパルスＳＰを生成し、このシャッタパルスＳＰがコンデンサ１２で直流カットされた後、ｎ型基板７に印加される。このとき、シャッタパルスＳＰの低レベルは、ダイオード１０によって標準電圧の直流レベルにクランプされる。

次に、図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った素子断面図である。図２において、ｎ型基板７の上部にｐウェル領域１７が形成され、その中にフォトダイオード１、および垂直ＣＣＤチャンネル２ａが形成されている。その上に、垂直ＣＣＤの転送電極とフォトダイオード１からの信号電荷の移送を制御する電極を兼ねた電極１８が形成されている。１９は素子分離領域である。この構造の素子は、３値のパルスによって駆動され、最も高い電圧が印加されたときに、フォトダイオード１から移送ゲート領域２４を通って、信号電荷が垂直ＣＣＤチャンネル２ａに移送される。

次に、図３は本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法であり、具体的には、ブルーミング抑制の動作を説明するための図である。なお、図３は、図２のＢ−Ｃ−Ｄ線に沿った電位分布を表わす図であり、図３の各領域は、対応するフォトダイオード１、移送ゲート領域２４、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ、ｐウェル領域１７、ｎ型基板７と同一の参照番号を用いて示す。

図３において、ｐウェル領域１７とｎ型基板７間には基板電圧Ｖｓｕｂが印加されているので、ｐｎ接合されたフォトダイオード１の下部のｐウェル領域１７は空乏化され、実線で示される電位分布において電位障壁が形成されている。また、移送ゲート領域２４の実線で示される電位は、信号電荷が移送されないときの状態を示す。信号電荷を移送するときは破線で示される電位になる。

移送ゲート領域２４が破線で示す電位になったときに、フォトダイオード１の電荷が垂直ＣＣＤチャンネル２ａへ移送されることにより、フォトダイオード１は電位２５ａで示す空の状態になる。移送期間が終了し蓄積期間が開始されると、入射する光により電荷が蓄積されるのに伴い、フォトダイオード１のポテンシャルの井戸は電位２５ｂに示すように浅くなっていく。電位２５ｂが、実線の電位分布におけるｐウェル領域１７の電位２６ａよりも下がると、過剰電荷がｐウェル領域１７を通過してｎ型基板７に排出される。このようにして、ｐウェル領域１７の電位障壁で決まる飽和電荷量を超えてフォトダイオード１に電荷が蓄積されたとき、過剰電荷がｎ型基板７に排出されることにより、ブルーミングが抑制される。基板電圧Ｖｓｕｂを高くすれば、電位分布は破線で示す状態になり、ｐウェル領域１７の電位２６ｂで示される飽和電荷量が低い値に設定される。基板電圧Ｖｓｕｂを適宜設定することにより、素子の特性に適合したブルーミング抑制効果を得ることができる。

次に、図４を用いて、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法において、画素混合モード駆動時の過剰電荷排出部へ供給する制御電圧を、電荷蓄積期間と電荷移送期間とで異ならせる動作（制御電圧を異ならせる開始時間、終了時間）について説明する。

画素混合時の電荷蓄積読出しパルス２０ａ，２０ｂ，２０ｃの「Ｈ」期間が電荷移送期間となる。「Ｈ」期間に基板電圧Ｖｓｕｂを変化させるパルスとして、各混合画素の電荷移送期間が終了すると、「Ｌ」期間となる電圧変動パルス２０＿１、および混合画素の最終画素移送期間が終了するまで「Ｈ」期間を保ち、終了後「Ｌ」期間となる電圧変動パルス２０＿２をもとに説明する。

電圧変動パルス２０＿１の立ち上がり時間は、電荷蓄積読出しパルス２０ａ，２０ｂ，２０ｃの立ち上がり時間を基準に、電圧変動開始間隔２０＿１ａ＿１，２０＿１ａ＿２，２０＿１ａ＿３の時間を確保するように立ち上がる。また、電圧変動パルス２０＿２の立ち上がり時間は、電荷蓄積読出しパルス２０ａの立ち上がり時間を基準に、電圧変動開始間隔２０＿２ａの時間を確保するように立ち上がる。

電圧変動開始間隔２０＿１ａ＿１＝２０＿１ａ＿２＝２０＿１ａ＿３＝２０＿２ａ＝０ｓの時間に電圧変動パルス２０＿１および２０＿２が立ち上がるパルスで、基板電圧Ｖｓｕｂを制御し、電荷移送期間に基板電圧Ｖｓｕｂの電圧降下の影響を少なくする。

しかし、タイミング生成が困難な場合には、電圧変動開始間隔２０＿１ａ＿１，２０＿１ａ＿２，２０＿１ａ＿３および２０＿２ａが、第１画素目の電荷蓄積読出しパルス２０ａの立ち上がり時間と第２画素目の電荷蓄積読出しパルス２０ｂの立ち上がり時間の間隔、約８μｓの間隔２０＿ａｂを確保して、電圧変動開始間隔（２０＿１ａ＿１＝２０＿１ａ＿２＝２０＿１ａ＿３＝２０＿２ａ）＝２０＿ａｂの時間に電圧変動パルス２０＿１および２０＿２が立ち上がるパルスで、基板電圧Ｖｓｕｂを制御し、電荷移送期間に基板電圧Ｖｓｕｂの電圧降下を発生させないようにすることでも、さほど各画素の飽和レベルの不一致に影響がないことが確認されている。

つまり、電圧変動開始間隔２０＿１ａ＿１，２０＿１ａ＿２，２０＿１ａ＿３および２０＿２ａが、第１画素目の電荷蓄積読出しパルス２０ａの立ち上がり時間と第２画素目の電荷蓄積読出しパルス２０ｂの立ち上がり時間の間隔、約８μｓの間隔２０＿ａｂを確保して、電圧変動開始間隔０ｓ≦２０＿１ａ＿１＝２０＿１ａ＿２＝２０＿１ａ＿３＝２０＿２ａ≦２０＿ａｂの時間に電圧変動パルス２０＿１および２０＿２が立ち上がるパルスであってもよい。

また、立ち下がる終了時間としては電圧変動パルス２０＿１の場合、電荷蓄積読出しパルス２０ａ，２０ｂの立ち下がり時間から０ｓ≦２０＿１ｂであればよく、０ｓに近いほど、垂直ＣＣＤ転送による飽和電荷の消失の影響が少ない。また、電圧変動パルス２０＿２の場合の立ち下がる終了時間は、最終の電荷蓄積読出しパルス２０ｃの立ち下がり時間からは０ｓ≦２０＿１ｃであればよい。

このような制御電圧Ｖｓｕｂを電圧変動パルス２０＿１，２０＿２により変化させる駆動を行うことにより、飽和近傍における各画素の飽和レベルを一定に保ち、色再現性を損なわず、画質劣化を低減することができる。

以上のことから、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、図３に示す移送ゲート領域２４を破線で示す電位にして信号電荷を移送する期間中においては、フォトダイオード１で発生した電荷は、蓄積された電荷による電位２５ｂが、ｐウェル領域１７の電位２６ａよりも低くなる電荷量に達するまで、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ，移送ゲート領域２４，フォトダイオード１に蓄積され、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ内の隣接した領域とのバリヤーが電位２６ａよりも高いと、過剰電荷がｎ型基板７に溢れ始める前に、垂直ＣＣＤチャンネル２ａ内の隣接した領域に電荷が溢れ出し、フォトダイオード１から信号電荷を移送する期間中は、事実上ブルーミング抑制作用が機能しなくなることを防止することができる。

また、電荷移送期間中もブルーミング抑制作用を機能させるために、フォトダイオード１への電荷蓄積期間と電荷移送期間とにｎ型基板７へ異なる電位を与える構成が記載されている。すなわち、信号電荷の電荷蓄積期間のほとんどはｐウェル領域１７を従来と同じ低レベルの電位２６ａの状態とし、電荷移送期間中に、高レベルの電位２６ｂの状態として、電荷移送期間には、過剰電荷を排出する電位２６ｂよりも浅い（低い）電荷は、フォトダイオード１に蓄積されずにｎ型基板７に排出され、ブルーミング抑制作用が機能する。ただし、垂直ＣＣＤ２の隣接領域とのバリヤーは、電位２６ｂより低くする必要がある。

すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、蓄積までの時間が長い場合、制御電圧の電圧降下の影響で必要な電圧が印加できず、必要以上の電荷排出を行ってしまい、飽和電子数が減少すること、また、画素混合時には第１画素目と最終画素までの間で制御電圧の電圧降下が発生するため、画素毎の飽和レベルが異なることを防ぐことができる。

さらに、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、各画素の飽和レベルを異ならせないために、電圧降下がない電圧を供給する必要がなく、また、制御電圧の開始時間について制限を加えることを必要としないという長所を備えている。

また、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、低抵抗配線により高速の垂直ＣＣＤ転送が可能となった素子において、第１画素目の電荷を読み出し後、高速な垂直ＣＣＤ転送を行う場合、２，３画素目が飽和状態にあると、１画素目の転送によって、基板上へ飽和電荷が消失し、画質劣化が発生することを抑えることができる長所を備えている。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、画素混合モード時に、蓄積した電荷量の飽和近傍における、各画素の飽和レベルを一定に保ち、色再現性を損なわず、画質劣化を低減することができ、固体撮像装置（ＣＣＤ）を使用するカメラを搭載した製品に有用である。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示した構造平面図 本実施形態に係る図１のＡ−Ａ’線に沿った素子断面図 本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を説明する図 本実施形態に係る固体撮像装置における駆動方法の駆動タイミングチャート

符号の説明

１ フォトダイオード
２ 垂直ＣＣＤ
２ａ 垂直ＣＣＤチャンネル
３ 撮像領域
４ 水平ＣＣＤ
５ 電荷検出部
６ 出力アンプ
７ ｎ型基板
８ タイミング発生回路
９ 標準電圧発生回路
１０ ダイオード
１１ 抵抗
１２ コンデンサ
１３ 切替回路
１４，１５，１６ 端子
１７ ｐウェル領域
１８ 電極
１９ 素子分離領域
２０＿１，２０＿２ 電圧変動パルス
２０＿１ａ＿１，２０＿１ａ＿２，２０＿１ａ＿３，２０＿２ａ，２０＿ａｂ 電圧変動開始間隔
２０＿１ｂ，２０＿１ｃ 電圧変動終了間隔
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 電荷蓄積読出しパルス
２４ 移送ゲート領域
２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ 電位

Claims (5)

1. 入射光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出す読出部と、制御電圧により設定される飽和電荷量を超えた過剰電荷を前記光電変換部から排出する過剰電荷排出部と、前記過剰電荷排出部に前記制御電圧を供給する制御電圧供給部とを備え、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を画素毎に個別に検出する全画素モードと、信号電荷を所定個数分加算混合して検出する画素混合モードとを、選択的に適用して駆動することが可能な固体撮像装置において、
   前記制御電圧供給部は、前記全画素モードによる駆動を行う場合の前記過剰電荷排出部へ供給する制御電圧を、前記光電変換部への電荷蓄積期間と前記読出部への電荷移送期間とで同等とし、前記画素混合モードによる駆動を行う場合の前記過剰電荷排出部へ供給する制御電圧を、前記電荷蓄積期間と前記電荷移送期間とで異ならせ、制御電圧を変化させる開始時間を前記電荷移送の開始時間と同時に開始させることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 初期画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させ、次画素の電荷移送開始時間前に制御電圧を一旦元に戻し、再度変化させることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
3. 初期画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させ、画素混合の最終画素の電荷移送終了後まで、電圧を保つことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 初期画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させ、画素混合の初期画素の電荷移送終了と同時に制御電圧を元に戻し、再度、次画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 初期画素の電荷移送開始時間には制御電圧を変化させ、画素混合の最終画素の電荷移送終了後まで、電圧を保ち、電荷移送終了と同時に制御電圧を元に戻すことを特徴とする１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。

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