JP2009290722A

JP2009290722A - 固体撮像素子、固体撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法

Info

Publication number: JP2009290722A
Application number: JP2008143068A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sato; 優佐藤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-10

Abstract

【課題】水平電荷転送部で画素混合を行う際に、高速転送ができ、フレームレートを維持できる固体撮像素子、固体撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法を提供する。
【解決手段】光電変換素子で生成された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、各垂直電荷転送部から転送された電荷を出力側へ転送可能な第１水平電荷転送部と、第１水平電荷転送部で混合された電荷が転送され、該電荷を出力側へ転送可能な第２水平電荷転送部とを備え、第１水平電荷転送部と第２水平電荷転送部はそれぞれ、電荷蓄積領域又はバリア領域を含む電荷転送段を、水平方向に複数段有しており、第２水平電荷転送部の各電荷転送段が、第１水平電荷転送部の各電荷転送段に比べて転送方向の段数が少ない。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子、固体撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法に関する。

ＣＣＤ型固体撮像素子は、光電変換素子と、光電変換素子で生成された電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部を転送されてきた電荷を出力側に転送する水平電荷転送部とを備えている。光電変換素子は、撮像領域に複数配列され、それぞれの光電変換素子が入射光に応じて電荷を生成し、光電変換素子から読み出した電荷を垂直電荷転送部及び水平電荷転送部で転送して固体撮像素子から出力することで、出力された電荷を画素信号として用いて画像を形成する。

固体撮像素子によって静止画撮影を行う場合は、全ての光電変換素子からの信号電荷をそれぞれ画素信号として利用することが多いが、固体撮像素子を用いた電子スチルカメラにおけるモニタモード（カメラのモニタに撮影画像を表示するモード）や、動画撮影モード（記録画素数が一般に少ない。）では、垂直方向及び水平方向に間引いた信号を用いることで、撮像処理の高速化を図る。垂直方向の間引きは、光電変換素子から垂直電荷転送部への読み出しを間引いたり、垂直方向の複数の光電変換素子の電荷を垂直転送路で加算（混合）させたりすることによって実現される。また、水平方向の間引きは、垂直電荷転送部と水平電荷転送部との間に、信号電荷を一時蓄積するラインメモリを設け、垂直電荷転送部から水平電荷転送部への転送列を間引いたり、水平電荷転送部で複数の垂直電荷転送部から電荷を加算（混合）することによって実現される。

下記特許文献１は、垂直方向の奇数列の電荷を読み出す第１水平ＣＣＤと、垂直方向の偶数列の電荷を読み出す第２水平ＣＣＤとを備えた固体撮像装置に関する。しかし、水平ＣＣＤにおいて画素加算を行う動作の高速化については考慮されていない。

特開平６−１１３２１２号公報

画素数の多い固体撮像素子で動画を撮像する場合に、間引き率や混合画素数を増やすことで、フレームレートを維持する必要がある。
水平電荷転送部は、印加する駆動電圧の電位レベルに応じて電荷蓄積領域又はバリア領域として動作する複数の電荷転送段を水平方向に並列した構成であり、印加電圧を駆動制御して電荷蓄積領域及びバリア領域の位置を切り替えることで電荷転送段に蓄積される電荷を出力端側へ転送する構成である。電荷を水平電荷転送部において画素混合する場合には、電荷転送段に一旦蓄積された電荷を水平転送して他の電荷転送段に移動し、移動後の電荷転送段において読み出された垂直電荷転送部とは別の垂直電荷転送部から転送される他の電荷と混合される。ここで、混合画素数を増やすと、水平電荷転送にかかる期間が長くなるため、フレームレートを維持することが困難になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、水平電荷転送部で画素混合を行う際に、高速転送ができ、フレームレートを維持できる固体撮像素子及び固体撮像素子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）光電変換素子と、
前記光電変換素子で生成された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
前記垂直電荷転送部から転送された電荷を水平方向に転送する第１水平電荷転送部と、
前記第１水平電荷転送部に保持された電荷が転送され、転送された電荷を水平方向に転送する第２水平電荷転送部と、とを備え、
前記第１水平電荷転送部と前記第２水平電荷転送部は、電荷蓄積領域とバリア領域を含む電荷転送段を、水平方向に複数段有しており、
前記第２水平電荷転送部は、前記第１水平電荷転送部が有している電荷転送段の段数より少ない電荷転送段を有している固体撮像素子。
（２）前記第１水平電荷転送部から前記第２水平電荷転送部への電荷転送を制御するレジスタ間ゲート部を備えた上記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）前記第１水平電荷転送段の各電荷転送段の２段に平行して、前記第２水平電荷転送部の各電荷転送段が１段設けられている上記（１）又は（２）に記載の固体撮像素子。
（４）前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれと前記第１水平電荷転送部とが接続する位置に形成された複数の電荷蓄積領域と、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれの上方に独立して設けられたメモリ電極とからなる電荷蓄積部を備える上記（１）から（３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）前記メモリ電極は、それぞれ独立に電圧を印加可能な第１メモリ電極と第２メモリ電極とを含む上記（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）上記（１）から（５）に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、
前記駆動手段は、前記複数の垂直電荷転送部に印加する駆動電圧と、前記第１水平電荷転送部の前記複数の電荷転送段のそれぞれに印加する電圧とを制御して、前記複数の垂直電荷転送部の転送方向端部に蓄積された電荷のうち同一色成分の複数の電荷を、前記第１水平電荷転送部で混合し、混合した電荷を、前記第２水平電荷転送部に転送する固体撮像装置。
（７）上記（５）に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、
前記第１水平電荷転送部の各電荷転送段に前記垂直電荷転送部が２つ接続され、前記駆動手段は、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれに電荷を蓄積させた後、前記第１メモリ電極及び前記第２メモリ電極に印加する電圧と、前記第１水平電荷転送部の前記複数の電荷転送段のそれぞれに印加する電圧とを制御して、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれに蓄積された電荷のうち同一色成分の複数の電荷を、前記第１水平電荷転送部で混合し、混合した電荷を前記第２水平電荷転送部に転送する固体撮像装置。
（８）光電変換素子と、
前記光電変換素子で生成された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
各垂直電荷転送部から転送された電荷を出力側へ転送可能な第１水平電荷転送部と、
前記第１水平電荷転送部から混合された電荷が転送され、該電荷を出力側へ転送可能な第２水平電荷転送部とを備え、前記第１水平電荷転送部及び前記第２水平電荷転送部がそれぞれ、印加電圧の電位レベルに応じて電荷蓄積領域又はバリア領域として動作する複数の電荷転送段を含み、前記第２水平電荷転送部の各電荷転送段が、前記第１水平電荷転送部の各電荷転送段に比べて転送方向の段数が少ない固体撮像素子の駆動方法であって、
前記第１水平電荷転送部に印加する電圧を制御することで、該第１水平電荷転送部に転送された電荷のうち同一色成分の電荷を複数混合し、混合した電荷を前記第２水平電荷転送部に転送する固体撮像素子の駆動方法。
（９）前記第１水平電荷転送段の各電荷転送段の２段に平行して、前記第２水平電荷転送部の各電荷転送段が１段設けられている上記（８）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（１０）前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれと前記第１水平電荷転送部とが接続する位置に形成された複数の電荷蓄積領域と、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれの上方に独立して設けられたメモリ電極とからなる電荷蓄積部を備える上記（８）又は（９）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（１１）前記メモリ電極は、それぞれ独立に電圧を印加可能な第１メモリ電極と第２メモリ電極とを含む上記（１０）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（１２）前記第１水平電荷転送部の各電荷転送段に前記垂直電荷転送部が２つ接続され、前記駆動手段は、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれに電荷を蓄積させた後、前記第１メモリ電極及び前記第２メモリ電極に印加する電圧と、前記第１水平電荷転送部の前記複数の電荷転送段のそれぞれに印加する電圧とを制御して、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれに蓄積された電荷のうち同一色成分の複数の電荷を、前記第１水平電荷転送部で混合し、混合した電荷を、前記第２水平電荷転送部に転送する上記（１１）に記載の固体撮像素子の駆動方法。

本発明の固体撮像素子は、第１水平電荷転送部と第２水平電荷転送部とを備えており、画素混合を行う場合に、第１水平電荷転送部に印加する電圧を制御することで、第１水平電荷転送部に転送された電荷のうち同一色成分の電荷を複数混合し、混合した電荷を第２水平電荷転送部に転送し、該第２水平電荷転送部から出力する。第２水平電荷転送部の各電荷転送段が、第１水平電荷転送部の各電荷転送段に比べて転送方向の段数が少ないため、混合した電荷を第２水平電荷転送部で高速に出力することができる。

本発明によれば、水平電荷転送部で画素混合を行う際に、高速転送ができ、フレームレートを維持できる固体撮像素子、固体撮像装置及び固体撮像素子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。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の固体撮像装置の全体構成の一例を示す平面模式図である。図２は、図１に示す固体撮像素子の概略構成を示す平面図である。図３は、図１に示す固体撮像素子の部分拡大図である。

図１に示す固体撮像素子１は、垂直方向Ｙと水平方向Ｘに正方格子状に配列された複数の光電変換素子ＰＤを備える。垂直方向Ｙに並ぶ光電変換素子からなる光電変換素子列には、その側部に、光電変換素子ＰＤから読み出した電荷を垂直方向Ｙに転送する垂直電荷転送部２０が設けられている。光電変換素子列を構成する各光電変換素子ＰＤと、該光電変換素子列に対応する垂直電荷転送部２０との間には、光電変換素子ＰＤに蓄積された電荷を該垂直電荷転送部１に読み出すための電荷読出し部６が形成されている。

垂直電荷転送部２０の終端には、電荷を一時的に蓄積可能な電荷蓄積部として機能するラインメモリＬＭが接続され、このラインメモリＬＭには、第１水平電荷転送部４０が接続されている。また、第１水平電荷転送部４０には、レジスタ間ゲート部５０を介して第２水平電荷転送部６０が接続されている。第１水平電荷転送部４０の水平方向Ｘの端部には、電荷を出力する出力アンプＡＭＰ１が設けられ、第２水平電荷転送部６０の水平方向Ｘの端部には、電荷を出力する出力アンプＡＭＰ２が設けられている。

固体撮像素子１を搭載する固体撮像装置１０には駆動部７０が設けられ、この駆動部７０が、垂直電荷転送部２０に転送パルスφＶ１〜φＶ４を供給し、第１水平電荷転送部４０に転送パルスφＨ１〜φＨ４を供給し、レジスタ間ゲート部５０に転送パルスφＨＧを供給し、第２水平電荷転送部６０に転送パルスφＨ１Ｔ，φＨ２Ｔを供給して、固体撮像素子１を駆動する。

図２に示す固体撮像素子は、複数の垂直電荷転送部２０と第１水平電荷転送部４０とが接続する部位に設けられた電荷蓄積領域５と、該電荷蓄積領域５上方に独立して設けられたメモリ電極３とからなるラインメモリＬＭとを備える。垂直電荷転送部２０、電荷蓄積領域５、及び第１水平電荷転送部４０は、例えばｎ型半導体基板上に形成されるｐウェル層内に形成されたｎ型の不純物層で構成されている。なお、本実施形態の構成において、ラインメモリＬＭを設けず、各垂直電荷転送部２０が第１水平電荷転送部４０に接続されている構成としてもよい。

第１水平電荷転送部４０上方には、逆Ｌ字型の電極４１と長方形の電極４２とをこの順番で水平方向Ｘに配列した電極組が水平方向Ｘに複数配列されている。この電極組は、転送パルスφＨ１が印加される電極組と、転送パルスφＨ２が印加される電極組と、転送パルスφＨ３が印加される電極組と、転送パルスφＨ４が印加される電極組とを含み、これらが水平方向Ｘに交互に配列されている。本実施形態の固体撮像素子は、転送パルスφＨ１が印加される電極組と転送パルスφＨ３が印加される電極組とに垂直電荷転送部４０が接続されている。

第１水平電荷転送部４０の各電極組に、ハイレベル又はローレベルの４相の転送パルスφＨ１〜φＨ４が印加されると、電極組のうち一部の下方の第１水平電荷転送部４０が電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域として動作し、電極組のうち残りの下方の第１水平電荷転送部４０が該電荷蓄積領域同士のバリア領域として動作する。このように、第１水平電荷転送部４０には、電極組の重なる部分に基づいて、印加電圧のレベルに応じてバリア領域又は電荷蓄積領域として動作する複数の電荷転送段が形成される。

第１水平電荷転送部４０の各電荷転送段には、垂直電荷転送部２０が電荷蓄積領域５を介して接続されている。

第１水平電荷転送部４０には、レジスタ間ゲート部５０を介して第２水平電荷転送部６０が接続されている。レジスタ間ゲート部５０は、駆動部によって転送パルスφＨＧが印加されることで、第１水平電荷転送部４０から第２水平電荷転送部６０への電荷の転送が制御される。

第２水平電荷転送部６０上方には、長方形の電極６１と長方形の電極６２とをこの順番で水平方向Ｘに配列した電極組が水平方向Ｘに複数配列されている。電極６１と長方形の電極６２のそれぞれの下方には、不純物濃度の異なる不純物領域が形成されている。この電極組は、転送パルスφＨ２Ｔが印加される電極組Ｔ１と、転送パルスφＨ１Ｔが印加される電極組Ｔ２とを含み、これらが水平方向Ｘに交互に配列されている。

転送パルスφＨ２Ｔがハイレベル、転送パルスφＨ１Ｔがローレベルになると、電極組Ｔ１下方の第２水平電荷転送部６０は電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域として動作し、電極組Ｔ２下方の第２水平電荷転送部６０は該電荷蓄積領域同士のバリア領域として動作する。一方、転送パルスφＨ２Ｔがローレベル、転送パルスφＨ１Ｔがハイレベルになると、電極組Ｔ２下方の第２水平電荷転送部６０は電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域として動作し、電極組Ｔ１下方の第２水平電荷転送部６０は該電荷蓄積領域同士のバリア領域として動作する。このように、第２水平電荷転送部６０には、電極組Ｔ１と電極組Ｔ２との重なる部分により、印加電圧のレベルに応じてバリア領域又は電荷蓄積領域として動作する複数の電荷転送段が形成される。

固体撮像素子は、第２水平電荷転送部６０の各電荷転送段が、第１水平電荷転送部４０の各電荷転送段に比べて転送方向の段数が少ない構成である。本実施形態では、第１水平電荷転送段４０の各電荷転送段の２段に平行して、第２水平電荷転送部６０の各電荷転送段が１段設けられている。言い換えると、第２水平電荷転送部６０の各電荷転送段を構成する電極６１，６２の水平方向における幅寸法が第１水平電荷転送部４０の各電荷転送段を構成する電極４１，４２の（図２においてレジスタ間ゲート部５０に境界を有する端部の）幅寸法に対して２倍である。

固体撮像素子１は、ラインメモリＬＭに蓄積された電荷を第１水平電荷転送部４０に転送し、該第１水平電荷転送部４０に駆動パルスφＨ１〜φＨ４を印加することで、水平方向Ｘに電荷を転送し、出力アンプＡＭＰ１から出力することができる。また、後述するように第１水平電荷転送部４０で複数の電荷を混合し、混合した電荷をレジスタ間ゲート部５０を介して第２水平電荷転送部６０に転送し、該第２水平電荷転送部６０において電荷を水平方向Ｘに転送し、出力アンプＡＭＰ２から出力することもできる。

次に、本実施形態の固体撮像素子を用いて電荷を混合して出力する動作を説明する。図４は、第１水平電荷転送部において電荷の混合を行う動作を説明する図である。図５は、電荷の混合を行う際のタイミングチャートを示す。

動画モードのように、画質よりも撮像の速度が重視される場合には、電荷の混合により実質的に画素数を減らすことで、フレームレートの高速化が図られる。図４は、電荷の混合の動作の一例として、第１水平電荷転送部において２つの電荷を１つの電荷に混合する状態を示している。図４において、第１水平電荷転送部４０の空白の電荷転送段が電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域を示し、塗りつぶされた電荷転送段が電荷を蓄積された電荷転送段のバリア領域を示している。第２水平電荷転送部６０にいおいても同様である。なお、図４に示す構成では、説明の簡易化のためラインメモリＬＭを記載せず、説明を省略する。

図４に示すように、複数の垂直電荷転送部２０のそれぞれから電荷を垂直方向に転送し、各垂直電荷転送部２０の最終転送電極（ここでは、Ｖ４とする。）から電荷を第１水平電荷転送部４０に転送する。ここで、本実施形態では、φＨ１が接続された電荷転送段と、φＨ３が接続された電荷転送段とにそれぞれ電荷が蓄積される。そして、第１水平電荷転送部４０に印加する駆動パルスを制御し、φＨ２をハイレベルとし、φＨ３をローレベルとして更にφＨ２がローレベルに変化することで、φＨ３が接続された電荷転送段に蓄積された電荷がφＨ１が接続された電荷転送段に移動し、φＨ１が接続された電荷転送段に蓄積された電荷と混合される。ここで、混合される電荷は、同一色成分の複数の電荷である。電荷の色成分は、光電変換素子に基づいて決定される。例えば、固体撮像素子は、赤色の波長域の光を検出するＲ光電変換素子、緑色の波長域の光を検出するＧ光電変換素子、青色の波長域の光を検出するＢ光電変換素子を備えた構成の場合、同一色成分とは、Ｒ光電変換素子同士、Ｇ光電変換素子同士、Ｂ光電変換素子同士の電荷を混合する。Ｒ光電変換素子、Ｇ光電変換素子、Ｂ光電変換素子の配列は特に限定されない。

第１水平電荷転送部４０で電荷を混合した後、レジスタ間ゲート部に転送パルスφＨＧを印加し、混合された電荷がφＨ１が印加される電荷転送段から、レジスタ間ゲート部５０を介して第２水平電荷転送部の電荷転送段に移される。第２水平電荷転送部６０に駆動パルスφＨ１Ｔ，φＨ２Ｔを印加することで、電荷が出力アンプＡＭＰ２に転送される。

第１水平電荷転送部４０と第２水平電荷転送部６０とを備えており、混合を行う場合に、第１水平電荷転送部４０に印加する電圧を制御することで、第１水平電荷転送部４０に転送された電荷のうち同一色成分の電荷を複数混合し、混合した電荷を第２水平電荷転送部６０に転送し、該第２水平電荷転送部６０から出力する。第２水平電荷転送部６０の各電荷転送段が、第１水平電荷転送部４０の各電荷転送段に比べて転送方向の段数が少ないため、混合した電荷を第２水平電荷転送部６０で高速に出力することができる。

本実施形態は、２つの電荷を混合する、いわゆる２画素混合を例に説明したが、混合する画素数はこれに限定されない。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す平面図である。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図６に示す固体撮像素子は、図１に示す固体撮像素子において、それぞれ異なる電荷転送段に接続され、且つ、互いに隣接する２つの電荷蓄積領域５の各々の上方のメモリ電極３同士を一体化した構成となっている。

図６に示すように、それぞれ異なる電荷転送段に接続された隣接する２つの電荷蓄積領域５上方には、この２つの電荷蓄積領域５を覆う１枚構成のメモリ電極３ａ（第１メモリ電極）又はメモリ電極３ｂ（第２メモリ電極）が形成されている。メモリ電極３ａ，３ｂにはそれぞれ独立に電圧を印可能である。メモリ電極３ａとメモリ電極３ｂは、水平方向Ｘに交互に並べて配列されている。メモリ電極３ａにはラインメモリパルスφＬＭ２が印加され、メモリ電極３ｂにはラインメモリパルスφＬＭ１が印加されるようになっている。ラインメモリパルスφＬＭ１，φＬＭ２は、それぞれハイレベルとローレベルの状態をとることができる。

次に、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法について説明する。図７から図１４は、図６に示す固体撮像素子の水平電荷転送部での８つの電荷を混合する際の動作状態を示すものであり、各図左側に時刻毎の水平電荷転送部の電荷転送段のポテンシャルを示し、各図右側に、その時刻のラインメモリパルスφＬＭ１，φＬＭ２、及び、転送パルスφＨ１Ｔ，φＨ２Ｔ，φＨ１Ａ，φＨ２Ａ，φＨ３Ａ，φＨ４，φＨ５，φＨ１Ｂ，φＨ２Ｂ，φＨ３Ｂのレベルを示し、「１」は、そのパルスがハイレベルであることを示し、「０」は、そのパルスがローレベルであることを示している。図１５は、第１水平電荷転送部から第２水平電荷転送部に電荷を転送する際の、第１水平電荷転送部及び第２水平電荷転送部の各電荷転送段のポテンシャルを示している。

本実施形態の固体撮像素子の第１水平電荷転送部４０は、電極組Ｈ１Ａ，Ｈ２Ａ，Ｈ３Ａ，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ４，Ｈ１Ｂ，Ｈ２Ｂ，Ｈ３Ｂがこの順番に並べた電極組群を水平方向に繰り返し並べた配置である。電極組Ｈ１Ａ，Ｈ２Ａ，Ｈ３Ａ，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ４，Ｈ１Ｂ，Ｈ２Ｂ，Ｈ３Ｂには、それぞれ、転送パルスφＨ１Ａ，φＨ２Ａ，φＨ３Ａ，φＨ４，φＨ５，φＨ４，φＨ５，φＨ４，φＨ１Ｂ，φＨ２Ｂ，φＨ３Ｂが印加される。

ここで、ラインメモリには、各垂直電荷転送部から電荷が転送されて蓄積された状態であり、図６に示す固体撮像素子において、各電極組のメモリ電極３ｂ（図７においてＬ１）には全てＧの電荷が蓄積され、電極組Ｈ１Ａ，Ｈ３Ａ，Ｈ５，Ｈ１Ｂ，Ｈ３Ｂのメモリ電極３ａにはＲの電荷が蓄積され、電極組Ｈ２Ａ，Ｈ４Ｈ２Ｂのメモリ電極３ａにはＢの電荷が蓄積されている。また、丸で囲って示す数字は、ＲＧＢそれぞれの混合された電荷の数を示している。

時刻ｔ３で、ラインメモリパルスφＬＭ２をハイレベルからローレベルにして、かつ、転送パルスφＨ３Ａ，φＨ５，φＨ１Ｂ，φＨ３Ｂをハイレベルにすることで、メモリ電極３ａから電荷転送段Ｈ３Ａ，Ｈ５，Ｈ１Ｂ，Ｈ３Ｂの下方の電荷蓄積領域にＲの電荷を転送する。

時刻ｔ４からｔ１７で、図示するように転送パルスを制御することで、隣接する７つのＲ電荷を水平電荷転送部２０上で混合する。混合されたＲ電荷は、電荷転送段Ｈ２Ａの下方の電荷蓄積領域に保持される。

次に、時刻ｔ１８で、ラインメモリパルスφＬＭ１をハイレベルからローレベルにして、かつ、転送パルスφＨ４，φＨ２Ｂをハイレベルにすることで、メモリ電極３ｂから電荷転送段Ｈ４，Ｈ２Ｂの下方の電荷蓄積領域にＧの電荷を転送する。

時刻ｔ１９からｔ３２で、図示するように転送パルスを制御することで、隣接する７つのＧ電荷を水平電荷転送部２０上で混合する。混合されたＧ電荷は、電荷転送段Ｈ３Ａの下方の電荷蓄積領域に保持される。

次に、時刻ｔ３３で、ラインメモリパルスφＬＭ２をハイレベルからローレベルにして、かつ、転送パルスφＨ４，φＨ２Ｂをハイレベルにすることで、メモリ電極３ａから電荷転送段Ｈ４，Ｈ２Ｂの下方の電荷蓄積領域にＢの電荷を転送する。

時刻ｔ３４からｔ４６で、図示するように転送パルスを制御することで、隣接する７つのＢ電荷を水平電荷転送部２０上で混合する。混合されたＢ電荷は、電荷転送段Ｈ４の下方の電荷蓄積領域に保持される。

時刻ｔ４７で、ラインメモリパルスφＬＭ１をハイレベルからローレベルにして、かつ、転送パルスφＨ５，φＨ１Ｂをハイレベルにすることで、メモリ電極３ｂから電荷転送段Ｈ５，Ｈ１Ｂの下方の電荷蓄積領域にＧの電荷を転送する。

時刻ｔ４８から５０で、電荷転送段Ｈ２Ａに保持されている混合された７つのＲの電荷を電荷転送段Ｈ１Ａに転送し、該電荷転送段Ｈ１Ａで更にメモリ電極３ａから転送されたＲの電荷と混合する。こうすることで、電荷転送段Ｈ１Ａに８つの混合された電荷が保持される。

時刻ｔ５０から５３で、電荷転送段Ｈ３Ａに保持されている混合された７つのＧの電荷を電荷転送段Ｈ２Ａに転送し、該電荷転送段Ｈ２Ａで更にメモリ電極３ｂから転送されたＧの電荷と混合する。こうすることで、電荷転送段Ｈ２Ａに８つの混合された電荷が保持される。

時刻ｔ５３から５５で、電荷転送段Ｈ４に保持されている混合された７つのＢの電荷を電荷転送段Ｈ３Ａに転送される。

時刻ｔ５５から７０で、時刻４７において電荷転送段Ｈ５，Ｈ１Ｂの下方の電荷蓄積領域に転送されたＧの電荷が、順次転送されるとともに、隣接する６つのＧ電荷が混合され、時刻ｔ７０において電荷転送段Ｈ３Ａに隣接する電荷転送段Ｈ４に保持される。また、時刻ｔ５５において、電荷転送段Ｈ１Ａに保持されていた混合されたＲ電荷と、電荷転送段Ｈ２Ａに保持されていた混合されたＧ電荷とがそれぞれ転送され、混合されたＲ電荷がローレベルに維持されバリア領域を形成する電荷転送段Ｈ５に挟まれた電荷転送段Ｈ４に移動し、混合されたＧ電荷が電荷転送段Ｈ４に隣接する電荷転送段Ｈ１Ｂに移動する。

時刻ｔ６１において、混合された７つのＢの電荷が電荷転送段Ｈ２Ａに移動し、メモリ電極３ａから転送されるＢの電荷が更に混合され、８つのＢの電荷となる。時刻ｔ６３から７０で、混合されたＢの電荷は電荷転送段Ｈ３Ｂに移動する。

時刻ｔ７３において、電荷転送段Ｈ１Ａ及びＨ３Ａにメモリ電極３ｂからＧの電荷が転送される。ここで、電荷転送段Ｈ３Ａに予め保持されている６つのＧの電荷が存在するため、７つのＧの電荷となる。

時刻ｔ７３から７５で、電荷転送段Ｈ３Ａに保持されている７つのＧの電荷を電荷転送段Ｈ１Ａに転送し、該電荷転送段Ｈ１Ａの１つのＧの電荷と混合することで、８つのＧの電荷となる。

時刻ｔ７６において、ローレベルの電荷転送段Ｈ３Ａをバリア領域とする電荷転送段Ｈ４に、混合されたＲの電荷が保持され、電荷転送段Ｈ５をバリア領域とする電荷転送段Ｈ４に、混合されたＧの電荷が保持され、ローレベルの電荷転送段Ｈ２Ｂをバリア領域とする電荷転送段Ｈ３Ｂに混合されたＢの電荷が保持され、電荷転送段Ｈ５をバリア領域とする、電荷転送段Ｈ４に混合されたＧの電荷が保持される。そして、時刻ｔ７６から時刻ｔ７９で、混合された電荷が電荷転送段を２つ移動する。

図１５に示すように、第１水平電荷転送部の電荷転送段の配列された順に繰り返して、第１水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ａ，Ｈ２Ａが第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｔに接続され、第１水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ３Ａ，Ｈ４が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ２Ｔに接続され、第１水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ５，Ｈ４が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｔに接続され、第１水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ５，Ｈ４が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ２Ｔに接続され、第１水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｂ，Ｈ２Ｂが第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｔに接続され、第１水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ３Ｂ，Ｈ４が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ２Ｔに接続され、第１水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ５，Ｈ４が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｔに接続され、第１水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ５，Ｈ４が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ２Ｔに接続されている。

時刻ｔ７９において電荷転送段Ｈ１Ａに保持されている混合されたＲの電荷が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｔに転送され、電荷転送段Ｈ５に保持されている混合されたＧの電荷が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｔに転送され、電荷転送段Ｈ１Ｂに保持されている混合されたＢの電荷が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｔに転送され、電荷転送段Ｈ５に保持されている混合されたＧの電荷が第２水平電荷転送部の電荷転送段Ｈ１Ｔに転送される。こうすることで、第２水平電荷転送部に、８つ混合されたＧの電荷を２組と、８つ混合されたＲの電荷と、８つ混合されたＢの電荷と、を転送することができる。

混合された電荷を第２水平電荷転送部に転送した後、該第２水平電荷転送部に転送パルスφＨ１Ｔ，Ｈ２Ｔを印加することで、混合されたＲＧＢの各電荷を転送し、出力アンプＡＭＰ２から出力する。

本実施形態の固体撮像素子は、図１５に示すように、第１水平電荷転送部の電荷転送段の２段に平行して、前記第２水平電荷転送部の各電荷転送段が１段設けられている。このため、第２水平電荷転送部は、電荷を水平方向へ転送する速度が、第１水平電荷転送部に比べて２倍となる。また、第２水平電荷転送部で混合した電荷を転送している間に、第１水平電荷転送部において上述したように電荷の混合を行うことで、動画モード時に高いフレームレートを実現することができる。

第１実施形態の固体撮像装置の全体構成の一例を示す平面模式図である。図１に示す固体撮像素子の概略構成を示す平面図である。図１に示す固体撮像素子の部分拡大図である。第１水平電荷転送部において電荷の混合を行う動作を説明する図である。電荷の混合を行う際のタイミングチャートを示す。第２実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す平面図である。時刻ｔ１からｔ１０における、図６に示す固体撮像素子に供給するラインメモリパルス及び転送パルスのポテンシャルと位相とを示している。時刻ｔ１１からｔ２０における、図６に示す固体撮像素子に供給するラインメモリパルス及び転送パルスのポテンシャルと位相とを示している。時刻ｔ２１からｔ３０における、図６に示す固体撮像素子に供給するラインメモリパルス及び転送パルスのポテンシャルと位相とを示している。時刻ｔ３１からｔ４０における、図６に示す固体撮像素子に供給するラインメモリパルス及び転送パルスのポテンシャルと位相とを示している。時刻ｔ４１からｔ５０における、図６に示す固体撮像素子に供給するラインメモリパルス及び転送パルスのポテンシャルと位相とを示している。時刻ｔ５１からｔ６０における、図６に示す固体撮像素子に供給するラインメモリパルス及び転送パルスのポテンシャルと位相とを示している。時刻ｔ６１からｔ７０における、図６に示す固体撮像素子に供給するラインメモリパルス及び転送パルスのポテンシャルと位相とを示している。時刻ｔ７１からｔ７９における、図６に示す固体撮像素子に供給するラインメモリパルス及び転送パルスのポテンシャルと位相とを示している。第１水平電荷転送部から第２水平電荷転送部に電荷を転送する際の、第１水平電荷転送部及び第２水平電荷転送部の各電荷転送段のポテンシャルを示している。

符号の説明

１固体撮像素子
１０固体撮像装置
２０垂直電荷転送部
４０第１水平電荷転送部
５０レジスト間ゲート部
６０第２水平電荷転送部
ＰＤ光電変換素子

Claims

光電変換素子と、
前記光電変換素子で生成された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
前記垂直電荷転送部から転送された電荷を水平方向に転送する第１水平電荷転送部と、
前記第１水平電荷転送部に保持された電荷が転送され、転送された電荷を水平方向に転送する第２水平電荷転送部と、とを備え、
前記第１水平電荷転送部と前記第２水平電荷転送部は、電荷蓄積領域とバリア領域を含む電荷転送段を、水平方向に複数段有しており、
前記第２水平電荷転送部は、前記第１水平電荷転送部が有している電荷転送段の段数より少ない電荷転送段を有している固体撮像素子。
前記第１水平電荷転送部から前記第２水平電荷転送部への電荷転送を制御するレジスタ間ゲート部を備えた請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第１水平電荷転送段の各電荷転送段の２段に平行して、前記第２水平電荷転送部の各電荷転送段が１段設けられている請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれと前記第１水平電荷転送部とが接続する位置に形成された複数の電荷蓄積領域と、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれの上方に独立して設けられたメモリ電極とからなる電荷蓄積部を備える請求項１から３のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記メモリ電極は、それぞれ独立に電圧を印加可能な第１メモリ電極と第２メモリ電極とを含む請求項４に記載の固体撮像素子。
請求項１から５に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、
前記駆動手段は、前記複数の垂直電荷転送部に印加する駆動電圧と、前記第１水平電荷転送部の前記複数の電荷転送段のそれぞれに印加する電圧とを制御して、前記複数の垂直電荷転送部の転送方向端部に蓄積された電荷のうち同一色成分の複数の電荷を、前記第１水平電荷転送部で混合し、混合した電荷を、前記第２水平電荷転送部に転送する固体撮像装置。
請求項５に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、
前記第１水平電荷転送部の各電荷転送段に前記垂直電荷転送部が２つ接続され、前記駆動手段は、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれに電荷を蓄積させた後、前記第１メモリ電極及び前記第２メモリ電極に印加する電圧と、前記第１水平電荷転送部の前記複数の電荷転送段のそれぞれに印加する電圧とを制御して、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれに蓄積された電荷のうち同一色成分の複数の電荷を、前記第１水平電荷転送部で混合し、混合した電荷を前記第２水平電荷転送部に転送する固体撮像装置。
光電変換素子と、
前記光電変換素子で生成された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
各垂直電荷転送部から転送された電荷を出力側へ転送可能な第１水平電荷転送部と、
前記第１水平電荷転送部から混合された電荷が転送され、該電荷を出力側へ転送可能な第２水平電荷転送部とを備え、前記第１水平電荷転送部及び前記第２水平電荷転送部がそれぞれ、印加電圧の電位レベルに応じて電荷蓄積領域又はバリア領域として動作する複数の電荷転送段を含み、前記第２水平電荷転送部の各電荷転送段が、前記第１水平電荷転送部の各電荷転送段に比べて転送方向の段数が少ない固体撮像素子の駆動方法であって、
前記第１水平電荷転送部に印加する電圧を制御することで、該第１水平電荷転送部に転送された電荷のうち同一色成分の電荷を複数混合し、混合した電荷を前記第２水平電荷転送部に転送する固体撮像素子の駆動方法。
前記第１水平電荷転送段の各電荷転送段の２段に平行して、前記第２水平電荷転送部の各電荷転送段が１段設けられている請求項８に記載の固体撮像素子の駆動方法。
前記複数の垂直電荷転送部のそれぞれと前記第１水平電荷転送部とが接続する位置に形成された複数の電荷蓄積領域と、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれの上方に独立して設けられたメモリ電極とからなる電荷蓄積部を備える請求項８又は９に記載の固体撮像素子の駆動方法。
前記メモリ電極は、それぞれ独立に電圧を印加可能な第１メモリ電極と第２メモリ電極とを含む請求項１０に記載の固体撮像素子の駆動方法。
前記第１水平電荷転送部の各電荷転送段に前記垂直電荷転送部が２つ接続され、前記駆動手段は、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれに電荷を蓄積させた後、前記第１メモリ電極及び前記第２メモリ電極に印加する電圧と、前記第１水平電荷転送部の前記複数の電荷転送段のそれぞれに印加する電圧とを制御して、前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれに蓄積された電荷のうち同一色成分の複数の電荷を、前記第１水平電荷転送部で混合し、混合した電荷を、前記第２水平電荷転送部に転送する請求項１１に記載の固体撮像素子の駆動方法。