JP2009290721A - 撮像装置及び撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水平ブランキング期間を十分に短縮可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】複数の垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、電荷蓄積部から電荷を受け取り、転送する水平電荷転送部と、垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置であって、複数の垂直電荷転送電極のうち一部の電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する。
【選択図】図３

Description

本発明は、垂直電荷転送部（垂直シフトレジスタ）と水平電荷転送部（水平シフトレジスタ）との接続部分に転送電荷を一時蓄積保持するラインメモリを備えるＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型の撮像装置に関し、特に、高品質な画像を撮像することが可能なＣＣＤ型の撮像装置及び撮像装置の駆動方法に関する。

このような構成の撮像装置は、駆動時に、フォトダイオードなどの光電変換部から電荷を垂直電荷転送部に読み出し、垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に印加される駆動電圧を駆動制御し、ラインメモリに電荷を一旦蓄積させる。その後、ラインメモリから水平電荷転送部に電荷を転送し、該水平電荷転送部を駆動することで、出力部から電荷を転送する。ここで、撮像装置は、水平転送期間（出力期間）に水平電荷転送部を駆動し、水平電荷転送部の駆動を停止している水平ブランキング期間に垂直電荷転送部とラインメモリとを駆動している。これは、水平転送期間に垂直電荷転送路を駆動すると、垂直転送パルスのパルス立ち上がり及び立ち下がりのタイミングが水平転送期間に重なることに起因して、出力側にノイズの影響が現れてしまうためである。

従来、ラインメモリを有する固体撮像素子を駆動する撮像装置では、水平ブランキング期間にラインメモリから水平転送部へ電荷を転送し、その後、光電変換部から読み出した電荷を垂直電荷転送部で転送していた。このような駆動方法は、固体撮像素子の画素数が少なく、フレームレートが低い場合には十分であったが、固体撮像素子の高画素化を図る場合には、フレームレートを向上させることが難しくなる。そこで、下記特許文献に示すような駆動方法が提案されている。

図５は、提案されている駆動方法の動作の一例を示すタイミングチャートである。図５において、Ｖ１〜Ｖ８は、垂直電荷転送部を構成する垂直電荷転送電極を示し、ここでは、８相駆動を例に説明する。また、図５において、Ｔ０，Ｔ１及びＴ２は、時間軸を示している。縦軸のＶ１〜Ｖ８及び横軸の時間軸で示す欄のうち、空白の欄は、電荷が保持されている状態（又は、電荷を蓄積可能）を示し、塗りつぶされた欄は電荷が蓄積されない状態を示している。ラインメモリから水平電荷転送部へ電荷を転送する期間（図中のラインメモリ期間）と、垂直電荷転送部において電荷を垂直転送する期間とが一部重複するように駆動されている。こうすることで、水平ブランキング期間を短縮させることで、フレームレートを向上させている。

特開２００８−４２６２９号公報 特開２００７−３３５９７２号公報

上記の駆動方法によれば、フレームレートの高速化を図ることができるが、例えば動画モードの水平加算駆動のように、ラインメモリから水平電荷転送部への転送駆動を複数回行う場合のように、水平ブランキング期間が長くなると、所望のフレームレートを満たすことができなくなることがある点で、更なる改善の余地があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、水平ブランキング期間を十分に短縮可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）複数の垂直電荷転送部と、
各垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部から電荷を受け取り、転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置であって、
前記複数の垂直電荷転送電極のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する撮像装置。
（２）前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる上記（１）に記載の撮像装置。
（３）前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極の一つ手前の電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる上記（１）に記載の撮像装置。
（４）複数の垂直電荷転送部と、
各垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部から電荷を受け取り、出力側に転送する水平電荷転送部と、
前記垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の垂直電荷転送電極のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する撮像装置の駆動方法。
（５）前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる上記（４）に記載の撮像装置の駆動方法。
（６）前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極の一つ手前の電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる上記（４）に記載の撮像装置の駆動方法。

本発明は、部の垂直電荷転送電極から隣接する垂直電荷転送電極へ電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送電極によって電荷を転送する垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する期間の全部を収めることができる。このため、水平ブランキング期間を短縮することができる。こうすれば、動画モードの水平加算駆動のように、水平ブランキング期間にラインメモリから水平電荷転送部へ複数回転送を行う場合に、ラインメモリを駆動する期間を短縮することなく、水平ブランキング期間を短縮させることができ、画質を劣化させることなく、フレームレートを向上させることができる。

本発明によれば、水平ブランキング期間を十分に短縮可能な撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明のＣＣＤ型の撮像装置の一実施形態を示す概略構成図である。図示する撮像装置は、固体撮像素子１０と、撮像素子駆動回路３０とを含む。

固体撮像素子１０は、ｎ型半導体基板１１の表面部に、行方向及び列方向に配列された多数のフォトダイオード１２を備える。図示する例では、偶数行のフォトダイオード１２に対して奇数行のフォトダイオード１２が１／２ピッチずつずらして形成され、所謂、ハニカム画素配列となっている。フォトダイオード１２は、入射する光に応じて光電変換によって電荷を生成する光電変換素子として機能する。

尚、本実施形態は、ハニカム画素配列の固体撮像素子を例に説明するが、例えば正方格子配列の固体撮像素子にも適用可能である。

各フォトダイオード１２内に記載したＲ，Ｇ，Ｂはそれぞれ、当該フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色（Ｒ＝赤，Ｇ＝緑，Ｂ＝青）を示している。

水平方向に隣接する各フォトダイオード１２間には、垂直方向に蛇行して延びる垂直電荷転送部（垂直シフトレジスタ：ＶＣＣＤ）１３が形成され、半導体基板１１の下辺部には、各垂直電荷転送部１３の端部に連絡するラインメモリ１４が設けられる。ラインメモリ１４が、各垂直電荷転送部１３によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部として機能する。

垂直電荷転送部１３は、半導体基板１１のｐウェル層に形成されたｎ型の埋め込みチャネルと、この埋め込みチャネル上に絶縁膜を介して設けられた複数の垂直転送電極とで構成される。

ラインメモリ１４は、半導体基板１１のｐウェル層に形成されたｎ型の不純物領域と、この不純物領域の上に絶縁膜を介して設けられた電極ＬＭとで構成される。ラインメモリ１４の不純物領域は、素子分離部によって各垂直電荷転送路対応に区画されている。

ラインメモリ１４には、水平電荷転送部（水平シフトレジスタ：ＨＣＣＤ）１５が併設されている。水平電荷転送部１５も、ｐウェル層に形成されたｎ型の埋め込みチャネルと、この埋め込みチャネル上に絶縁膜を介して設けられた水平転送電極Ｈ１，Ｈ２とで構成される。水平電荷転送部１５の出力側には出力アンプ１６が設けられている。

各フォトダイオード１２が受光量に応じて蓄積した電荷は、隣接の垂直電荷転送部１３に読み出されたあとラインメモリ１４方向に転送され、ラインメモリ１４に一時蓄積される。この電荷は、ラインメモリ１４の電極ＬＭに保持された後、所定のタイミングで水平電荷転送部１５に転送され、水平電荷転送部１５に移された電荷は、水平電荷転送部１５に沿って出力端まで転送される。そして、水平電荷転送部の出力端に設けられた出力アンプ１６が、電荷量に応じた電圧値信号を出力する。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いているが、これは単に「一方向」「この一方向に対して略直角の方向」という意味である。

撮像素子駆動回路３０は、垂直電荷転送部１３を構成する複数の垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ８に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段として機能する。撮像素子駆動回路３０は、このＣＣＤ型固体撮像装置が組み込まれるデジタルカメラ等の装置側に設けられる制御ＣＰＵからの指示を受けて、ＣＣＤ型固体撮像素子１０の垂直電荷転送路１３を駆動する垂直転送パルスφＶ１〜φＶ８、水平電荷転送部１５を駆動する水平転送パルスφＨ１，φＨ２、ラインメモリ１４の電極ＬＭを駆動するパルスφＬＭを生成し、ＣＣＤ型固体撮像素子１０に出力する。

図２は、図１に示す点線矩形枠II内の拡大模式図である。ハニカム配列されたフォトダイオード１２の各列の側部には、垂直方向に蛇行する垂直電荷転送部１３が設けられる。図示するＶ１，Ｖ２，…，Ｖ８は、垂直電荷転送部１３に設けられる垂直転送電極である。

ラインメモリ１４に最も近いフォトダイオード１２に対しラインメモリ１４を近接して設けず、所定距離だけ離れた位置に設けているのは、この所定距離の間で、各列の垂直電荷転送部１３の間隔を等間隔にし、ラインメモリ１４や水平電荷転送部１５に接続するためである。この所定距離の間における垂直電荷転送部の延長部分にも、垂直電荷転送電極Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８が設けられる。

これにより、ラインメモリ１４の各電極ＬＭ（分離して図示しているが、同一パルスφＬＭで駆動される。）が水平方向に等間隔で並び、各電極ＬＭは、水平電荷転送部１５に等間隔に交互に設けられる水平転送電極Ｈ１，Ｈ２に整列することになる。

次に、本実施形態の撮像装置の動作を図２に基づいて説明する。垂直電荷転送部（垂直シフトレジスタ）１３で電荷転送を行うと、２行分の各フォトダイオードの電荷が各垂直電荷転送部１３からラインメモリ１４に転送され、蓄積保持される。

次に、ラインメモリ１４上の電荷のうち、奇数列目の電荷が水平電荷転送部（水平シフトレジスタ）１５に転送され、次に、水平電荷転送部１５がこの電荷を出力段側に転送する。これにより、奇数列目の各電荷の電荷量に応じた画像信号が出力アンプから出力される。

次に、空になった水平電荷転送部１５上に偶数列目の電荷をラインメモリ１４から水平電荷転送部１５に転送する。そして、水平電荷転送部１５がこの電荷を出力段側に転送する。これにより、偶数列目の各電荷の電荷量に応じた画像信号が出力アンプから出力される。

以上の動作を、繰り返すことにより、各行のフォトダイオード１２の電荷に応じた画像信号が出力される。

本実施形態の撮像装置は、垂直電荷転送部１２を構成する複数の垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ８のうち、一部の垂直電荷転送電極からそれと隣接する垂直電荷転送電極へ電荷を転送するタイミングを調整することを特徴とする。

図３は、撮像装置の転送の状態を示すタイミングチャートである。各垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ８には、ミドルレベル（Ｍ）とローレベル（Ｌ）とのうちいずれかの電位レベルの駆動電圧が所定のタイミングで印加される。ラインメモリには、ハイレベル（Ｈ）とローレベル（Ｌ）とのうちいずれかの電位レベルの駆動電圧が所定のタイミングで印加される。図３において、斜線で示すエリアは、電荷が保持されている状態を示し、空白のエリアは、電荷が保持されていない状態を示している。ラインメモリの電位レベルがハイレベルの場合には電荷が蓄積保持され、ローレベルの場合には蓄積されている電荷が水平電荷転送部へ転送可能になる。水平ブランキング期間中は、水平電荷転送部の電位レベルがハイレベル（Ｈ）で維持され、ラインメモリを介して垂直電荷転送部から電荷が転送可能な状態となる。

図３に示すように、垂直電荷転送部が転送駆動される期間である垂直転送期間Ｔ１の開始前までは、垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４にミドルレベルの駆動電圧が印加され、垂直電荷転送電極Ｖ５〜Ｖ８にはローレベルの駆動電圧が印加されている。つまり、垂直電荷転送部には、垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ４の４電極分の電位パケットが形成され、該電位パケットに電荷が蓄積されている。また、垂直転送期間Ｔ１の開始時は、ラインメモリにはハイレベルの駆動電圧が印加されている。

垂直転送期間Ｔ１の開始後、垂直電荷転送電極Ｖ５の電位レベルをローレベルからミドルレベルに切り替えるタイミングで、垂直電荷転送部上の電位パケットがＶ垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ５の５電極分となる。その後、垂直電荷転送電極Ｖ１の電位レベルをミドルレベルからローレベルに切り替えるタイミングで、垂直電荷転送部上の電位パケットがＶ垂直電荷転送電極Ｖ２〜Ｖ５の４電極分となる（期間ｔ０）。

続いて、期間ｔ１においても期間ｔ０と同様に、垂直電荷転送電極Ｖ６の電位レベルをローレベルからミドルレベルに切り替え、その後、垂直電荷転送電極Ｖ２の電位レベルをミドルレベルからローレベルに切り替える。こうすることで、垂直電荷転送部上の電位パケットは、４電極、５電極、４電極と変化しながら、かつ、垂直電荷転送部上の位置が変化する。

次に、期間ｔ１に続く期間ｔ２では、最終電極Ｖ８に印加する駆動電圧の電位レベルをローレベルに維持した状態で、垂直電荷転送電極Ｖ３〜Ｖ５の電位レベルをミドルレベルからローレベルに切り替える動作を順に行う。すると、垂直電荷転送部上の電位パケットは、５電極から、４電極、３電極、２電極と電極数が少なくなるように順次変化する。このとき、最終電極Ｖ８に印加する駆動電圧の電位レベルをローレベルに維持されているため、最終電極Ｖ８が垂直電荷転送部上の電位パケットとラインメモリとの間でバリアとなり、電位パケットに蓄積された電荷がラインメモリへ転送されることなく、該電位パケットにおいて保持される。期間ｔ２終了後、最終電極Ｖ８に印加する駆動電圧の電位レベルがローレベルからミドルレベルに切り替えられ、最終電極Ｖ８に垂直電荷転送電極Ｖ６，Ｖ７に蓄積されている電荷の一部が蓄積される。その後、ラインメモリの駆動電圧がハイレベルに切り替えられるタイミングで、ラインメモリを介して水平電荷転送部に電荷が転送される。

このように、期間ｔ２では、最終電極Ｖ８に印加する駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させた分だけ長くなり、この結果、垂直電荷転送期間Ｔ１が長くなる。

図５に示す従来のタイミングチャートを参照すると、最終電極Ｖ８に印加する駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングは、他の垂直電荷転送電極と同じである。このため、水平ブランキング期間は、期間Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２までの期間となる。このとき、ラインメモリの駆動期間は、期間Ｔ０と期間Ｔ１の一部にわたって設けられる。一方で、図３に示す駆動手順とすれば、最終電極Ｖ８に電荷を転送する期間ｔ２のみを長くしたことでその分だけ垂直電荷転送期間Ｔ１を長くすることができ、ラインメモリ駆動期間を全て垂直電荷転送期間Ｔ１内に収めることができる。このため、従来の駆動手順に比べて、水平ブランキング期間を短縮することができる。こうすれば、動画モードの水平加算駆動のように、水平ブランキング期間にラインメモリから水平電荷転送部へ複数回転送を行う場合に、ラインメモリを駆動する期間を短縮することなく、水平ブランキング期間を短縮させることができ、画質を劣化させることなく、フレームレートを向上させることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、上記実施形態では、垂直電荷転送電極のうち、最終電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くしたが、駆動方法の手順としてはこれに限定されない。

図４は、駆動手順の他の例を示すタイミングチャートである。図４に示すように、垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ８のうち、最終電極Ｖ８の一つ手前の垂直電荷転送電極Ｖ７に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させてもよい。こうすれば、期間ｔ１を長くしてその分だけ、垂直電荷転送期間Ｔ１を長くすることができる。このように、垂直電荷転送電極Ｖ１〜Ｖ８のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間Ｔ１を長くすることで、該垂直電荷転送期間Ｔ１内にラインメモリから水平電荷転送部へ電荷を転送するラインメモリ駆動期間を収めることができる。

本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型の撮像装置の概略構成図である。 図１に示す点線矩形枠II内の拡大模式図である。 本発明の撮像装置の転送の状態を示すタイミングチャートである。 本発明の撮像装置の転送の状態の他の例を示すタイミングチャートである。 従来提案されている駆動方法の動作の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１２ 垂直電荷転送部
１４ ラインメモリ
１５ 水平電荷転送部
Ｖ１〜Ｖ８ 垂直電荷転送電極

Claims (6)

1. 複数の垂直電荷転送部と、
   各垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部から電荷を受け取り、転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置であって、
   前記複数の垂直電荷転送電極のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する撮像装置。
2. 前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極の一つ手前の電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる請求項１に記載の撮像装置。
4. 複数の垂直電荷転送部と、
   各垂直電荷転送部によって転送されてきた電荷を受け取り、一時的に保持する電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部から電荷を受け取り、出力側に転送する水平電荷転送部と、
   前記垂直電荷転送部を構成する複数の垂直電荷転送電極に電荷を転送させるための駆動電圧を印加する駆動手段とを備えた撮像装置の駆動方法であって、
   前記複数の垂直電荷転送電極のうち、一部の垂直電荷転送電極に電荷を転送するタイミングを遅延させて垂直電荷転送期間を長くすることで、該垂直電荷転送期間内に電荷蓄積部から水平電荷転送部へ電荷を転送する撮像装置の駆動方法。
5. 前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる請求項４に記載の撮像装置の駆動方法。
6. 前記複数の垂直電荷転送電極のうち、転送の最終段に位置する最終電極の一つ手前の電極に印加される前記駆動電圧の電位レベルを切り替えるタイミングを遅延させる請求項４に記載の撮像装置の駆動方法。

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