JP2009253617A - 撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速駆動ができ、ノイズも抑制できる撮像装置を提供する。
【解決手段】光電変換素子と、この各々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ラインメモリと、ラインメモリ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固体撮像素子と、駆動手段（ＴＧ、ドライバ回路）を有する撮像装置であって、駆動手段は、水平電荷転送路による水平転送期間中に垂直電荷転送路による信号電荷の垂直転送を行うと共に、水平転送期間において、垂直転送を行うための垂直転送パルスφＶ系のパルス変化点に対応させた所定期間Ａだけ、水平電荷転送路による信号電荷の水平転送を行うための水平転送パルスφＨ１，Ｈ２の周波数を所定期間Ａ以外の期間よりも遅くする。
【選択図】図３

Description

本発明は、多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々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を含む電荷転送型（ＣＣＤ型）の固体撮像素子と、この固体撮像素子を駆動する駆動手段とを有する撮像装置に関する。

ＣＣＤ型の固体撮像素子を駆動する場合、通常は、図４に示す様に、水平ブランキング期間と水平転送期間（出力期間）とを交互に設け、水平ブランキング期間では、垂直電荷転送路に垂直転送パルスφＶ系（４相駆動であればφＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４）を印加して信号電荷の垂直方向への転送を１段だけ行い、次の水平転送期間では、水平転送パルスφＨ１，φＨ２を水平電荷転送路に印加して水平電荷転送路上の信号電荷を水平方向に転送し、水平電荷転送路上の１行分の信号電荷を全て出力した後、次の水平ブランキング期間に入るという動作を繰り返す。

この図４に示す駆動方法では、水平転送期間（出力期間）の間、垂直電荷転送路の転送駆動を停止させているため、全信号電荷を固体撮像素子から読み出すまでに時間がかかってしまうという問題がある。

そこで、下記の特許文献１記載の駆動方法では、図５に示す様に、水平転送期間（出力期間）でも垂直電荷転送路に垂直転送パルスφＶ系を変化させて垂直転送を行い、垂直転送パルスφＶ系の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジ（パルス変化点）の時のみ、所要時間だけ水平転送を停止させて出力を一時停止させ、全信号電荷を固体撮像素子から読み出す時間の短縮を図っている。

特開２００８―２８６４６号公報

図５に示した駆動方法の場合、水平転送期間中も、垂直転送パルスφＶ系のパルスエッジ時から所定期間（例えば４クロック期間）だけ、転送パルスφＨ１，φＨ２が一時停止状態となり、この一時停止期間には信号電荷の出力が一時停止される。

図５の最下段に示す「Ｉdrv」は、水平転送パルスφＨ１，φＨ２を生成する水平ドライバ回路のドライバ電流を示すグラフである。ドライバ電流Ｉdrvは、水平転送パルスφＨ１，φＨ２の停止中は小さくなり、水平転送パルスφＨ１，φＨ２がオンオフを繰り返す状態のときには大きくなる。このため、図５の場合、ドライバ電流Ｉdrvは、水平転送期間中、一時停止期間に合わせて、パルス的に立ち上がったり立ち下がったりすることになる。

特許文献１記載の駆動方法（図５）で、垂直転送パルスのパルスエッジ時に水平転送を停止させるのは、水平電荷転送路での転送不良や出力アンプに乗るノイズを低減するためである。この駆動方法によれば、垂直転送パルスのパルス変化時に水平転送を一時的に停止させることで撮像信号の固体撮像素子からの出力を一時的に停止させ、撮像信号に乗るノイズの低減や信号電荷の転送不良の防止を図ることができる。しかし、撮影画像の更なる高画質化を図るためには、より一層のノイズ低減を図ることが望まれる。

ＣＣＤ型の固体撮像素子を搭載する撮像装置は、アナログ回路とデジタル回路とが混在する回路構成になっており、固体撮像素子に供給される転送パルスはデジタル回路で生成され、これをドライバ回路で所要電圧にまで昇圧して固体撮像素子に印加する様になっている。固体撮像素子から出力される撮像信号、すなわち信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号はアナログ信号であり、このアナログ信号を利得制御したり相関二重サンプリング処理したりする回路はアナログ回路である。

デジタル回路系のドライバ回路のドライブ電流Ｉdrvが、図５に示す様に、パルス的に大きく変化し、この変化が繰り返されると、変化の影響がアース（グランド）線を介してアナログ回路系にも影響を与え、これがノイズの原因になってしまう虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高速駆動することができ、しかも、撮像信号に乗るノイズや信号電荷の転送不良も抑制することができる撮像装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々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を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを有する撮像装置であって、前記駆動手段は、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と共に、前記水平転送期間において、前記垂直転送を行うための垂直転送パルスのパルス変化点に対応させた所定期間だけ、前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送を行うための水平転送パルスの周波数を前記所定期間以外の期間よりも遅くする。

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と、前記多数の光電変換素子の各々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を含む固体撮像素子の駆動方法であって、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と共に、前記水平転送期間において、前記垂直転送を行うための垂直転送パルスのパルス変化点に対応させた所定期間だけ、前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送を行うための水平転送パルスの周波数を前記所定期間以外の期間よりも遅くする。

本発明によれば、高速駆動することができ、しかも、撮像信号に乗るノイズや信号電荷の転送不良も抑制することができる撮像装置及びその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。

図１は、本発明の実施形態である撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１に示す撮像装置１は、ＣＣＤ型の固体撮像素子１０と、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）回路２０と、中央制御装置（ＭＰＵ）３０とを備える。

ＡＦＥ回路２０は、固体撮像素子１０から出力された撮像信号に対して利得制御や相関二重サンプリング処理を施した後、処理後のアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部（ＡＤＣ）２１と、固体撮像素子１０を駆動する駆動手段とで構成される。

駆動手段は、ＭＰＵ３０からの指示を受けて各種パルス信号を生成するタイミングジェネレータ（ＴＧ）２２と、タイミングジェネレータ２２から受けとったパルス信号を所要電圧パルス信号に昇圧するドライバ回路２３とを備える。

図示する例では、ドライバ回路２３は４つのドライバ回路２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２４ｄを備える。ドライバ回路２３ａはラインメモリ駆動パルスφＬＭを生成し、ドライバ回路２３ｂは水平転送パルスφＨ１，φＨ２を生成し、ドライバ回路２３ｃは読出パルスや垂直転送パルスφＶ系を生成し、ドライバ回路２３ｄはリセットゲートパルスφＲＧを生成し、それぞれ生成したパルスを固体撮像素子１０に供給する。

図２は、図１に示す固体撮像素子１０の概略構成を示す平面模式図である。
固体撮像素子１０は、半導体基板１１表面に二次元アレイ状（図示の例では正方格子状）に配列形成された多数の光電変換素子（フォトダイオード（ＰＤ））１２と、各フォトダイオード列に対応してその側部に形成され、対応するフォトダイオード列の各フォトダイオード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。図示する例では、垂直電荷転送路１３上に設けられる垂直転送電極は、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、垂直電荷転送路１３による信号電荷の垂直転送を行うための垂直転送パルス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。

更に、この固体撮像素子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上には、１垂直電荷転送路１３当たり２枚の水平転送電極が設けられ、２枚の各電極に、水平電荷転送路１５による信号電荷の水平転送を行うための水平転送パルス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、この固体撮像素子１０は、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の駆動とは独立に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。

また、この固体撮像素子１０は、電荷検出部１６に蓄積された信号電荷をリセットするためのリセットゲートパルスφＲＧを電荷検出部１６に印加可能となっている。

尚、ここでは「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１０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１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、読み出しパルスがドライバ回路２３から印加されたときに、読出ゲート１４を通して該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（垂直方向）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水平方向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（水平方向）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から出力されると、リセットゲートパルスφＲＧによってこの信号電荷が廃棄され、その後、次の信号電荷が電荷検出部１６に入り、という動作が水平電荷転送路１５上の信号電荷が無くなるまで繰り返される（水平転送期間）。そして、次の水平転送期間が始まる前に、水平ブランキング期間が設けられる。

撮像装置１の基本とする固体撮像素子１０の駆動方法は、特許文献１記載の駆動方法、すなわち図５に示す駆動方法と同じである。つまり、撮像装置１の駆動手段は、水平転送期間中も垂直電荷転送路１３での信号電荷の転送を行うものとしている。

図５に記載の駆動方法では、垂直転送パルスのパルスエッジ時毎に水平転送パルスの供給を停止して水平方向への電荷転送を停止させたが、本実施形態の撮像装置１では、垂直転送パルスのパルスエッジ時毎に水平転送パルスの供給を停止させるのではなく、水平転送パルスの周波数を、垂直転送パルスのパルスエッジ時以外のときの周波数よりも遅くするようにしている。

図３は、本実施形態の撮像装置１のドライバ回路２３が固体撮像素子１０に印加するパルス（φＶ系、φＬＭ、φＲＧ、φＨ１，Ｈ２）の各波形のタイミングチャートと、ドライバ電流Ｉdrvの変化を示した図である。図３では、φＶ系として一つの波形だけ図示してある。

図３に示すように、１水平期間（水平同期信号ＨＤの立ち下がりから次の立ち下がりまでの期間）の最初には、水平ブランキング期間が設けられ、その後が水平転送期間（＝出力期間）となる。この水平転送期間中に、垂直転送パルスφＶ系のパルス変化点に対応して、水平転送パルスφＨ１，Ｈ２の周波数を、他の期間よりも遅くして信号電荷の転送速度を遅くする期間Ａ（図３では１箇所のみ図示）が設けられている。期間Ａは、垂直転送パルスφＶ系が変化した時点を含む所定期間であれば良く、垂直転送パルスφＶ系が変化した時点から、水平電荷転送路１５による信号電荷の１段分の転送期間を期間Ａとしても良いし、図３に示したように、垂直転送パルスφＶ系が変化する時点の前後１段分の転送期間を期間Ａとしても良い。

図３では、１つの垂直転送パルス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、水平転送期間中における垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４の各パルス立ち上がり，立ち下がり（パルス変化点）は計８箇所あり、この８箇所に対応させて期間Ａを設け、期間Ａにおける水平転送パルスの周波数を、それ以外の期間における周波数よりも遅くする駆動を行う。８相駆動の場合には、計１６箇所だけ期間Ａを設ける。

そして、水平転送期間を終了するたびに、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に転送すべき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、図４の駆動と比較して水平ブランキング期間を短縮することができ、固体撮像素子１０の高速駆動を実現することができる。

尚、水平転送パルス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回の水平転送速度の減速を行っても、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。

このように、本実施形態の撮像装置１では、水平転送期間において、垂直転送パルスの変化点に対応させて水平転送パルスφＨ１，Ｈ２の周波数を遅くする期間Ａを設けるようにしている。この期間Ａにおいては、ドライバ回路２３ｂから固体撮像素子１０に水平転送パルスφＨ１，Ｈ２が供給されているため、図３に示したように、ドライバ電流Ｉｄｒｖは、期間Ａ以外の水平転送期間のときと同じレベルとなる。したがって、垂直転送パルスのパルス変化点に対応させて、水平転送パルスφＨ１，Ｈ２の供給を停止する期間を設ける図５の場合と比較して、水平転送期間におけるドライバ電流Ｉｄｒｖの変化を少なくすることができる。この結果、ドライバ電流Ｉｄｒｖの変化に起因するノイズを減らすことができ、高画質化を実現することが可能となる。

又、本実施形態の撮像装置は、固体撮像素子１０に供給する水平転送パルスφＨ１，Ｈ２の周波数を、水平転送期間のうち期間Ａのときだけ他の期間よりも遅くしている。このため、期間Ａにおいては、他の期間よりも水平電荷転送路１５の信号電荷の転送効率を上げることができ、垂直転送パルスのパルスエッジによって水平電荷転送路１５において転送漏れが発生した場合でも、転送効率の向上によってこの転送漏れ分を少なくすることができる。この結果、高画質化を実現することが可能となる。

又、本実施形態の撮像装置によれば、垂直転送パルスの変化点に対応した期間において水平転送を停止することなく、ゆっくりと水平転送を継続しているため、図５に示した駆動に比べて水平転送期間を短縮することができる。

本発明の実施形態である撮像装置の概略構成を示すブロック図 図１の撮像装置の固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図 本発明の実施形態の撮像装置によるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動タイミングチャート 一般的なＣＣＤ型固体撮像素子の駆動タイミングチャート 特許文献１記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動タイミングチャート

符号の説明

１ 撮像装置
１２ 光電変換素子
１３ 垂直電荷転送路
１５ 水平電荷転送路
１８ ラインメモリ
２２ ＴＧ
２３ ドライバ回路

Claims (2)

1. 多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々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を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを有する撮像装置であって、
   前記駆動手段は、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と共に、前記水平転送期間において、前記垂直転送を行うための垂直転送パルスのパルス変化点に対応させた所定期間だけ、前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送を行うための水平転送パルスの周波数を前記所定期間以外の期間よりも遅くする撮像装置。
2. 多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の各々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を含む固体撮像素子の駆動方法であって、
   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と共に、前記水平転送期間において、前記垂直転送を行うための垂直転送パルスのパルス変化点に対応させた所定期間だけ、前記水平電荷転送路による信号電荷の水平転送を行うための水平転送パルスの周波数を前記所定期間以外の期間よりも遅くする固体撮像素子の駆動方法。

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