JP2009302243A - Imaging device and method of driving image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電荷転送型の撮像素子を有する撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus having a charge transfer type imaging device.
CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ等の電荷転送型の撮像素子において、従来、CCDの電荷転送チャネル内でアバランシェ増倍を生じさせて、電荷転送時に電荷の増倍を行うことで、感度を向上させる技術が知られている(例えば、特許文献1,2参照)
In charge transfer type imaging devices such as CCD (Charge Coupled Device) image sensors, conventionally, avalanche multiplication is generated in the charge transfer channel of the CCD, and sensitivity is increased by performing charge multiplication during charge transfer. The technique of making it known is known (for example, refer to
特許文献1,2には、水平CCDと垂直CCDのどちらにおいてアバランシェ増倍を生じさせるかは明記されていないが、垂直CCDにてアバランシェ増倍を生じさせることが設計上容易であると考えられる。一般にCCDイメージセンサでは、n型半導体基板上にpウェル層を形成し、このpウェル層にn型不純物を打ち込むことで垂直CCDの電荷転送チャネルを形成する。そして、電荷転送チャネルの形成後、電荷転送チャネル周辺のpウェル層にn型不純物を打ち込んでフォトダイオードを形成するといった製造工程が行われる。
このように、電荷転送チャネルの形成後にフォトダイオード形成のための工程が行われると、この工程の影響によって電荷転送チャネルの特性の均一性が損なわれてしまう。電荷転送チャネルの特性の均一性が損なわれてしまうと、電荷転送チャネルにてアバランシェ増倍を生じさせた場合に、電荷転送チャネルの位置によって増倍率にばらつきが生じてしまい、画像にムラが出てしまう。 As described above, when a process for forming a photodiode is performed after the charge transfer channel is formed, the uniformity of the characteristics of the charge transfer channel is impaired due to the influence of this process. If the uniformity of the characteristics of the charge transfer channel is impaired, when avalanche multiplication occurs in the charge transfer channel, the multiplication factor varies depending on the position of the charge transfer channel, resulting in unevenness in the image. End up.
又、近年の微細化により、電荷転送チャネルの幅は小さくなってきている。このため、電荷転送チャネルには電界が強くかかりにくくなっており、アバランシェ増倍を安定的に行うことが難しい。 In addition, with the recent miniaturization, the width of the charge transfer channel has been reduced. For this reason, an electric field is not easily applied to the charge transfer channel, and it is difficult to stably perform avalanche multiplication.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換素子で発生した電荷を場所によらず均一の増倍率で安定的に増倍して画像ムラを防ぐことが可能な撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an imaging apparatus capable of preventing image unevenness by stably multiplying charges generated in a photoelectric conversion element at a uniform multiplication factor regardless of location. The purpose is to provide.
本発明の撮像装置は、電荷転送型の撮像素子を有する撮像装置であって、前記撮像素子は、被写体からの光を受光する光電変換素子及び前記光電変換素子から読み出された電荷を転送する電荷転送路を含む受光部と、前記電荷転送路に接続され、前記電荷転送路から転送されてきた電荷を蓄積する電荷蓄積領域及び前記電荷蓄積領域上方に設けられた前記電荷蓄積領域での電荷蓄積動作を制御するための複数の蓄積制御電極を含む蓄積部とを含み、前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷転送路により転送して前記電荷蓄積領域に蓄積させた後、一部の前記蓄積制御電極に所定の電圧を印加して、前記電荷蓄積領域においてアバランシェ増倍を生じさせて該電荷を増倍する駆動を行う駆動手段を備える。 The imaging device of the present invention is an imaging device having a charge transfer type imaging device, and the imaging device receives a light from a subject and transfers a charge read from the photoelectric conversion device. A light receiving unit including a charge transfer path, a charge storage area connected to the charge transfer path and storing charges transferred from the charge transfer path, and charges in the charge storage area provided above the charge storage area A storage unit including a plurality of storage control electrodes for controlling the storage operation, and the charge generated in the photoelectric conversion element is transferred through the charge transfer path and stored in the charge storage region, Drive means for applying a predetermined voltage to the accumulation control electrode to cause avalanche multiplication in the charge accumulation region to increase the charge.
この構成により、光電変換素子が存在しない蓄積部において電荷の増倍が行われる。蓄積部は、電荷を蓄積できる構成であれば良いため、受光部のように構造が複雑とはならず、製造工程において特性にばらつきが生じにくい。したがって、蓄積部内のどの位置においても電荷の増倍率をほぼ均一にすることができ、画像ムラの発生を抑えることができる。又、蓄積部には光電変換素子を設ける必要がないため、電荷蓄積領域の幅を電荷転送路の幅よりも大きくすることが可能となる。このため、電荷蓄積領域には、アバランシェ増倍を生じさせるために必要な電圧が電荷転送路よりもかかりやすくなり、電荷転送路においてアバランシェ増倍を行うときと比べて、増倍を安定的に行うことができる。 With this configuration, charge multiplication is performed in the storage portion where there is no photoelectric conversion element. Since the storage portion only needs to have a structure capable of storing charges, the structure is not complicated like the light receiving portion, and variations in characteristics are less likely to occur in the manufacturing process. Therefore, the charge multiplication factor can be made almost uniform at any position in the storage unit, and the occurrence of image unevenness can be suppressed. Further, since it is not necessary to provide a photoelectric conversion element in the storage portion, the width of the charge storage region can be made larger than the width of the charge transfer path. For this reason, the voltage required to generate avalanche multiplication is more likely to be applied to the charge accumulation region than the charge transfer path, and the multiplication can be performed more stably than when avalanche multiplication is performed in the charge transfer path. It can be carried out.
本発明の撮像装置は、前記受光部が、前記電荷転送路上方に設けられ、前記電荷転送路での電荷転送動作を制御するための複数の転送電極を含み、前記蓄積制御電極の前記電荷の転送方向の幅が、前記転送電極の前記電荷の転送方向の幅よりも大きくなっている。 In the imaging device of the present invention, the light receiving section is provided above the charge transfer path, and includes a plurality of transfer electrodes for controlling a charge transfer operation in the charge transfer path, and the charge of the accumulation control electrode The width in the transfer direction is larger than the width in the transfer direction of the charge of the transfer electrode.
この構成により、1つの光電変換素子に対応して電荷転送路上に形成される電荷蓄積パケットの容量を、電荷蓄積領域上において大きくすることができる。このため、電荷の増倍動作により発生した電荷のオーバーフローを防止することができる。又、蓄積制御電極の面積が転送電極よりも大きくなるため、蓄積制御電極の抵抗を下げることも可能となる。 With this configuration, the capacity of the charge accumulation packet formed on the charge transfer path corresponding to one photoelectric conversion element can be increased on the charge accumulation region. For this reason, it is possible to prevent the overflow of the charge generated by the charge multiplication operation. Further, since the area of the accumulation control electrode becomes larger than that of the transfer electrode, it is possible to reduce the resistance of the accumulation control electrode.
本発明の撮像装置は、前記複数の蓄積制御電極の形状がそれぞれ同一となっている。 In the imaging device of the present invention, the plurality of accumulation control electrodes have the same shape.
この構成により、いずれの蓄積制御電極下でも増倍動作を安定的に行うことができる。 With this configuration, the multiplication operation can be stably performed under any accumulation control electrode.
本発明の撮像装置は、前記駆動手段が、撮影条件に応じて前記所定の電圧を変更する。 In the image pickup apparatus of the present invention, the driving unit changes the predetermined voltage according to shooting conditions.
この構成により、撮影状況に応じて最適な増倍率を設定することができる。 With this configuration, it is possible to set an optimum multiplication factor according to the shooting situation.
本発明の撮像装置は、前記複数の蓄積制御電極のうち、少なくとも前記所定の電圧が印加される電極には、該電極上方から、該電圧を印加するための配線が、該電極の長手方向に一定間隔で接続されている。 In the imaging apparatus of the present invention, among the plurality of storage control electrodes, at least the electrode to which the predetermined voltage is applied has a wiring for applying the voltage from above the electrode in the longitudinal direction of the electrode. Connected at regular intervals.
この構成により、蓄積制御電極の全体に渡って均等に電圧が印加されるため、電荷の増倍率をより均一化することができる。 With this configuration, the voltage is applied evenly over the entire accumulation control electrode, so that the charge multiplication factor can be made more uniform.
本発明の撮像素子の駆動方法は、電荷転送型の撮像素子の駆動方法であって、前記撮像素子は、被写体からの光を受光する光電変換素子及び前記光電変換素子から読み出された電荷を転送する電荷転送路を含む受光部と、前記電荷転送路に接続され、前記電荷転送路から転送されてきた電荷を蓄積する電荷蓄積領域及び前記電荷蓄積領域上方に設けられた前記電荷蓄積領域での電荷蓄積動作を制御するための複数の蓄積制御電極を含む蓄積部とを含み、前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積領域に蓄積させた後、一部の前記蓄積制御電極に所定の電圧を印加して、前記電荷蓄積領域においてアバランシェ増倍を生じさせて該電荷を増倍する駆動を行う。 The image sensor driving method of the present invention is a charge transfer type image sensor driving method, wherein the image sensor receives a light from a subject and a charge read from the photoelectric converter. A light receiving section including a charge transfer path to transfer, a charge storage area connected to the charge transfer path and storing charges transferred from the charge transfer path, and the charge storage area provided above the charge storage area A storage unit including a plurality of storage control electrodes for controlling the charge storage operation of the first charge, and after the charge generated in the photoelectric conversion element is stored in the charge storage region, a part of the storage control electrodes is predetermined. Is applied to cause avalanche multiplication in the charge accumulation region to increase the charge.
本発明によれば、光電変換素子で発生した電荷を均一の増倍率で安定的に増倍して画像ムラを防ぐことが可能な撮像装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the imaging device which can multiply the electric charge which generate | occur | produced in the photoelectric conversion element stably with a uniform multiplication factor, and can prevent an image nonuniformity can be provided.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第一実施形態)
図1は、本発明の一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ1と、CCD型の撮像素子5と、この両者の間に設けられた絞り2と、赤外線カットフィルタ3と、光学ローパスフィルタ4とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a digital camera which is an example of an imaging apparatus for explaining an embodiment of the present invention.
The imaging system of the illustrated digital camera includes a
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部11は、フラッシュ発光部12及び受光部13を制御し、レンズ駆動部8を制御して撮影レンズ1の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部9を介し絞り2の開口量を制御して露光量調整を行う。
A
又、システム制御部11は、撮像素子駆動部10を介して撮像素子5を駆動し、撮影レンズ1を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部11には、操作部14を通してユーザからの指示信号が入力される。
In addition, the
デジタルカメラの電気制御系は、更に、撮像素子5の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部6と、このアナログ信号処理部6から出力されたRGBの色信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路7とを備え、これらはシステム制御部11によって制御される。
The electric control system of the digital camera further includes an analog
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ16と、メインメモリ16に接続されたメモリ制御部15と、補間演算やガンマ補正演算,RGB/YC変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部17と、デジタル信号処理部17で生成された画像データをJPEG形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部18と、測光データを積算しデジタル信号処理部17が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部19と、着脱自在の記録媒体21が接続される外部メモリ制御部20と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部23が接続される表示制御部22とを備え、これらは、制御バス24及びデータバス25によって相互に接続され、システム制御部11からの指令によって制御される。
Furthermore, the electric control system of this digital camera generates image data by performing
図2は、図1に示すデジタルカメラの撮像素子5の概略構成を示す平面模式図である。
撮像素子5は、多数の光電変換素子110及び光電変換素子110から読み出された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路120を含む受光部100と、複数の垂直電荷転送路120に接続され、垂直電荷転送路120から転送されてきた電荷を蓄積する複数の電荷蓄積領域210を含む蓄積部200と、複数の電荷蓄積領域210から転送されてくる1行分の電荷を、垂直方向に直交する水平方向に転送する水平電荷転送路300と、水平電荷転送路300を転送されてきた電荷をその電荷量に応じた電圧信号に変換して出力する出力部400とを備える。
FIG. 2 is a schematic plan view showing a schematic configuration of the
The
光電変換素子110及び垂直電荷転送路120は、半導体基板内に形成されている。光電変換素子110の配列は、それぞれ同一ピッチで正方格子状に配列された多数の光電変換素子110からなる2つの光電変換素子群を、各光電変換素子群の配列ピッチの略1/2だけ垂直方向及び水平方向にずらして配置した、いわゆるハニカム配列となっている。以下では、垂直方向に並んだ複数の光電変換素子110からなる列を光電変換素子列といい、水平方向に並んだ複数の光電変換素子110からなる行を光電変換素子行という。
The
垂直電荷転送路120は、各光電変換素子列に対応させてその右側部に形成されている(図2では一部のみ図示してある)。垂直電荷転送路120は、例えば、n型シリコン基板上に形成されたpウェル層内に注入されたn型不純物によって形成されている。
The vertical
受光部100は、更に、垂直電荷転送路120上方に垂直方向に配列して設けられた複数種類(本実施形態では8種類とする)の転送電極V1〜V8を備える。転送電極V1〜V8は、それぞれ、各光電変換素子行の間を、これらを構成する光電変換素子110を避けるように水平方向に蛇行して配設されている。
The
転送電極V1〜V8には、垂直電荷転送路120に読み出された電荷の転送を制御するための8相の転送パルスが撮像素子駆動部10に含まれる第一のドライバによって印加される。
An 8-phase transfer pulse for controlling the transfer of the charges read out to the vertical
受光部100には、更に、各光電変換素子110と、それに対応する垂直電荷転送路120との間に、各光電変換素子110で発生した電荷を該垂直電荷転送路120に読み出すための電荷読出し部140が設けられている。電荷読出し部140は、例えば、n型シリコン基板上に形成されたpウェル層の一部分によって形成されている。図2の例では、電荷読出し部140は、各光電変換素子110に対して同一の方向(図中の斜め右下方向)に設けられている。
The
受光部100には、更に、素子分離領域130が形成されており、これにより、光電変換素子110と、それに対応しない垂直電荷転送路120とが分離されている。
In the
転送電極V2,V4,V6,V8は、それぞれ電荷読出し部140も覆うように形成されており、光電変換素子110から垂直電荷転送路120に電荷を読みだすための読み出し電極としても機能する。
The transfer electrodes V2, V4, V6, and V8 are formed so as to cover the
転送電極V2,V4,V6,V8には、それぞれ、垂直電荷転送路120に電荷を蓄積する電荷蓄積パケットを形成するためのミドルレベル(以下Mという,例えば0V)の転送パルスと、垂直電荷転送路120に該電荷蓄積パケットのバリアを形成するためのMよりもレベルの低いローレベル(以下Lという,例えば−8V)の転送パルスと、各光電変換素子110から垂直電荷転送路120に電荷を読み出すためのパルスであってMよりも高いレベル(例えば15V)の読み出しパルスとが印加可能となっている。転送電極V2,V4,V6,V8以外の転送電極V1,V3,V5,V7には、LとMの転送パルスが印加可能となっている。
The transfer electrodes V2, V4, V6, and V8 each have a middle level (hereinafter referred to as M, for example, 0V) transfer pulse for forming a charge accumulation packet for accumulating charges in the vertical
蓄積部200には、電荷蓄積領域210上方に、電荷蓄積領域210での電荷蓄積動作を制御するための複数種類(図2の例では8種類)の蓄積制御電極S1〜S8が垂直方向に配列して設けられている。蓄積制御電極S1〜S8は、それぞれ、水平方向に延びる直線状のものであり、全て同一形状となっている。又、蓄積制御電極S1〜S8の垂直方向の幅は、転送電極V1〜V8の垂直方向の幅よりも大きくなっている。又、1つの電荷蓄積領域210に対応して設けられる蓄積制御電極の数は、1つの垂直電荷転送路120に対応して設けられる転送電極の数と同じかそれ以上となっている。
In the
蓄積制御電極S1〜S8には、電荷蓄積領域210での電荷蓄積動作を制御するための8相の制御パルスが撮像素子駆動部10に含まれる第二のドライバによって印加される。尚、第一のドライバと第二のドライバはそれぞれ独立にパルスの印加を行う。
An 8-phase control pulse for controlling the charge accumulation operation in the
蓄積制御電極S1〜S8には、それぞれ、電荷蓄積領域210に電荷を蓄積する電荷蓄積パケットを形成するための上述したMの制御パルスと、該電荷蓄積パケットのバリアを形成するための上述したLの制御パルスとが印加可能となっている。更に、蓄積制御電極S1,S5には、それぞれ、電荷蓄積領域210においてアバランシェ増倍を生じさせるために必要なMよりも高いレベルの増倍パルスが印加可能となっている。
The accumulation control electrodes S1 to S8 each have the above-described M control pulse for forming a charge accumulation packet for accumulating charges in the
尚、蓄積部200は遮光膜によって遮光されており、光が入らない構成となっている。又、蓄積部200にも、受光部100と同様に素子分離領域130が設けられており、これにより、隣接する電荷蓄積領域210同士の分離が図られている。
Note that the
このように、撮像素子5は、FIT(Frame Interline Transfer)方式の撮像素子とほぼ同様の構成であり、受光部100の転送電極V1〜V8と、蓄積部200の蓄積制御電極S1〜S8とがそれぞれ独立に制御可能となっている点、それぞれの電極の垂直方向の幅が異なる点が、FIT方式の撮像素子と異なる点である。
As described above, the
以下、このように構成された撮像素子5の駆動方法について説明する。以下では、撮像素子5から2フィールドに分けて信号を読み出す2フィールド読み出し時の駆動方法を例にして説明する。
Hereinafter, a driving method of the
露光期間終了後、第一のドライバは、転送電極V2〜V7にMの転送パルスを印加し、転送電極V1,V8にLの転送パルスを印加して、転送電極V2〜V7下方の垂直電荷転送路120に電荷蓄積パケットを形成する。その後、転送電極V2と転送電極V4にそれぞれ読み出しパルスを印加し、転送電極V2及び転送電極V4に対応する光電変換素子110から、該光電変換素子110に対応する垂直電荷転送路120に電荷を読み出す。
After the exposure period, the first driver applies an M transfer pulse to the transfer electrodes V2 to V7, applies an L transfer pulse to the transfer electrodes V1 and V8, and transfers vertical charges below the transfer electrodes V2 to V7. A charge accumulation packet is formed in the
電荷を読み出した後、第一のドライバと第二のドライバは、それぞれ、転送電極V1〜V8に印加する転送パルスと、蓄積制御電極S1〜S8に印加する制御パルスを制御して、電荷蓄積パケット内の電荷を垂直方向に転送し、上記読み出された全ての電荷を、蓄積部200内の電荷蓄積領域210に一時的に蓄積させる。
After reading the charge, the first driver and the second driver control the transfer pulse applied to the transfer electrodes V1 to V8 and the control pulse applied to the storage control electrodes S1 to S8, respectively, and charge storage packets. The charge inside is transferred in the vertical direction, and all the read out charges are temporarily accumulated in the
尚、第一のドライバと第二のドライバは、蓄積部200に全ての電荷を蓄積するまでの期間では、転送電極V1〜V8のそれぞれに印加するパルスパターンが、蓄積制御電極S1〜S8のそれぞれに印加するパルスパターンと同じになるようにパルスを印加する。つまり、垂直電荷転送路120とそこに接続される電荷蓄積領域210とを併せた1本のチャネル領域を8相のパルスで駆動することで、光電変換素子110から読み出した電荷を電荷蓄積領域210まで転送して、ここに蓄積させる。ここまでは、FIT方式の撮像素子と同様の駆動である。
In the period until the first driver and the second driver store all the charges in the
図3は、図2に示す撮像素子の第一フィールドにおいて電荷の増倍を行う際の電荷蓄積領域210のポテンシャルの変化を示した図である。図3において“S1”〜“S8”の文字を付したブロックは、それぞれ蓄積制御電極S1〜S8を表している。
FIG. 3 is a diagram showing a change in the potential of the
光電変換素子110から読み出された全ての電荷を電荷蓄積領域210に蓄積させた時点で、電荷蓄積領域210下方のポテンシャルは、例えば図3の時刻t1に示すように、蓄積制御電極S2〜S7下方に電荷蓄積パケットが形成され、蓄積制御電極S1,S8下方にバリアが形成された状態となっている。
When all the charges read from the
この状態から、第二のドライバは、蓄積制御電極S5に短期間だけ増倍パルスを印加する。これにより、電荷蓄積領域210下方のポテンシャルは、図3の時刻t2に示すように、蓄積制御電極S5下方のポテンシャルだけが高くなり、この高くなった部分に、蓄積制御電極S2〜S7下方の電荷蓄積パケットにあった電荷が流れ込み、アバランシェ増倍が生じて電荷の増倍が行われる。
From this state, the second driver applies the multiplication pulse to the accumulation control electrode S5 only for a short period. As a result, as shown at time t2 in FIG. 3, only the potential below the storage control electrode S5 becomes higher in the potential below the
蓄積制御電極S5への増倍パルスの印加が終了すると、電荷蓄積領域210下方のポテンシャルは、図3の時刻t3に示すように、時刻t1の状態と同じ状態に戻る。
When the application of the multiplication pulse to the storage control electrode S5 is completed, the potential below the
第二のドライバは、時刻t1〜t3の駆動を複数回繰り返すことで、設定された増倍率で電荷を増倍する。 The second driver multiplies the charge at the set multiplication factor by repeating the driving at times t1 to t3 a plurality of times.
電荷の増倍が終了すると、第二のドライバは、蓄積制御電極S1〜S8を8相のパルスで制御して、1行分の電荷を水平電荷転送路300に転送する。そして、転送された電荷は、撮像素子駆動部10に含まれるHドライバの駆動によって出力部400まで転送され、ここから電圧信号に変換されて出力される。
When the charge multiplication is completed, the second driver controls the accumulation control electrodes S1 to S8 with an eight-phase pulse and transfers the charge for one row to the horizontal
第二のドライバは、1行分の電荷に応じた電圧信号の出力が終了すると、次の1行分の電荷を水平電荷転送路300に転送するといった駆動を、蓄積部200内にある電荷がなくなるまで繰り返し行う。読み出された全ての電荷に応じた電圧信号が出力されると、第一フィールドが終了する。
When the output of the voltage signal corresponding to the charge for one row is completed, the second driver performs driving such that the next row of charge is transferred to the horizontal
第二のフィールドが開始されると、第一のドライバは、転送電極V1,V2,V3,V6,V7,V8にMの転送パルスを印加し、転送電極V4,V5にLの転送パルスを印加して、転送電極V1,V2,V3,V6,V7,V8下方の垂直電荷転送路120に電荷蓄積パケットを形成する。その後、転送電極V6と転送電極V8にそれぞれ読み出しパルスを印加し、転送電極V6及び転送電極V8に対応する光電変換素子110から、該光電変換素子110に対応する垂直電荷転送路120に電荷を読み出す。
When the second field is started, the first driver applies an M transfer pulse to the transfer electrodes V1, V2, V3, V6, V7, and V8, and applies an L transfer pulse to the transfer electrodes V4 and V5. Then, a charge accumulation packet is formed in the vertical
電荷を読み出した後、第一のドライバと第二のドライバは、それぞれ、転送電極V1〜V8に印加する転送パルスと、蓄積制御電極S1〜S8に印加する制御パルスを制御して、電荷蓄積パケット内の電荷を垂直方向に転送し、上記読み出された全ての電荷を、蓄積部200内の電荷蓄積領域210に一時的に蓄積させる。
After reading the charge, the first driver and the second driver control the transfer pulse applied to the transfer electrodes V1 to V8 and the control pulse applied to the accumulation control electrodes S1 to S8, respectively, and charge storage packets. The charge inside is transferred in the vertical direction, and all the read out charges are temporarily accumulated in the
図4は、図2に示す撮像素子の第二フィールドにおいて電荷の増倍を行う際の電荷蓄積領域210のポテンシャルの変化を示した図である。図4において“S1”〜“S8”の文字を付したブロックは、それぞれ蓄積制御電極S1〜S8を表している。
FIG. 4 is a diagram showing a change in potential of the
光電変換素子110から読み出された全ての電荷を電荷蓄積領域210に蓄積させた時点で、電荷蓄積領域210下方のポテンシャルは、例えば図4の時刻t1に示すように、蓄積制御電極S1,S2,S3,S6,S7,S8下方に電荷蓄積パケットが形成され、蓄積制御電極S4,S5下方にバリアが形成された状態となっている。
When all the electric charges read from the
この状態から、第二のドライバは、蓄積制御電極S1に短期間だけ増倍パルスを印加する。これにより、電荷蓄積領域210下方のポテンシャルは、図4の時刻t2に示すように、蓄積制御電極S1下方のポテンシャルだけが高くなり、この高くなった部分に、蓄積制御電S1,S2,S3,S6,S7,S8下方の電荷蓄積パケットにあった電荷が流れ込み、アバランシェ増倍が生じて電荷の増倍が行われる。
From this state, the second driver applies the multiplication pulse to the accumulation control electrode S1 only for a short period. As a result, as shown in time t2 in FIG. 4, only the potential below the storage control electrode S1 becomes higher as the potential below the
蓄積制御電極S1への増倍パルスの印加が終了すると、電荷蓄積領域210下方のポテンシャルは、図4の時刻t3に示すように、時刻t1の状態と同じ状態に戻る。
When the application of the multiplication pulse to the storage control electrode S1 is completed, the potential below the
第二のドライバは、時刻t1〜t3の駆動を複数回繰り返すことで、設定された増倍率で電荷を増倍する。 The second driver multiplies the charge at the set multiplication factor by repeating the driving at times t1 to t3 a plurality of times.
電荷の増倍が終了すると、第二のドライバは、蓄積制御電極S1〜S8を8相のパルスで制御して、1行分の電荷を水平電荷転送路300に転送する。そして、転送された電荷はHドライバの駆動によって出力部400まで転送され、ここから電圧信号に変換されて出力される。
When the charge multiplication is completed, the second driver controls the accumulation control electrodes S1 to S8 with an eight-phase pulse and transfers the charge for one row to the horizontal
第二のドライバは、1行分の電荷に応じた電圧信号の出力が終了すると、次の1行分の電荷を水平電荷転送路300に転送するといった駆動を、蓄積部200内にある電荷がなくなるまで繰り返し行う。読み出された全ての電荷に応じた電圧信号が出力されると、第二フィールドが終了する。
When the output of the voltage signal corresponding to the charge for one row is completed, the second driver performs driving such that the next row of charge is transferred to the horizontal
以上のように、本実施形態のデジタルカメラでは、光電変換素子110が存在しない蓄積部200において電荷の増倍が行われる。蓄積部200は、電荷を蓄積できる構成であれば良いため、受光部100のように構造が複雑とはならず、製造工程において特性にばらつきが生じにくい。つまり、受光部100では、垂直電荷転送路120を形成後に、光電変換素子110を形成する工程を行う必要があるため、垂直電荷転送路120の特性にばらつきが生じてしまうが、蓄積部200は、電荷蓄積領域210のみを形成すれば良いため、電荷蓄積領域210の特性を均一にすることができる。したがって、蓄積部200内のどの位置においても電荷の増倍率をほぼ均一にすることができ、画像ムラの発生を抑えることができる。
As described above, in the digital camera of this embodiment, charge multiplication is performed in the
又、本実施形態の撮像素子5では、電荷蓄積領域210の水平方向の幅が垂直電荷転送路120の水平方向の幅よりも大きくなっている。このため、電荷蓄積領域210には、垂直電荷転送路120よりも増倍パルスがかかりやすくなっており、垂直電荷転送路120においてアバランシェ増倍を行うときと比べて、電荷の増倍を安定的に行うことができる。
In the
又、本実施形態の撮像素子5では、蓄積制御電極S1〜S8の垂直方向の幅が、転送電極V1〜V8の垂直方向の幅よりも大きくなっている。このため、電荷蓄積領域210に形成される1つの電荷蓄積パケットの容量を、垂直電荷転送路120に形成される1つの電荷蓄積パケットの容量よりも大きくすることができる。したがって、電荷の増倍動作により発生した電荷のオーバーフローを防止することができる。
In the
又、蓄積制御電極S1〜S8の面積が転送電極V1〜V8よりも大きくなるため、蓄積制御電極S1〜S8の抵抗を下げることも可能となる。 Further, since the areas of the accumulation control electrodes S1 to S8 are larger than those of the transfer electrodes V1 to V8, it is possible to reduce the resistance of the accumulation control electrodes S1 to S8.
更に、蓄積制御電極S1〜S8の垂直方向の幅と転送電極V1〜V8の垂直方向の幅が同じ場合と比較すると、図3や図4に示したような、電荷増倍時のバリアの垂直方向の長さを大きくすることができる。このため、図3及び図4の時刻t2の状態から時刻t3の状態に戻す際に、隣の電荷蓄積パケットまで電荷が飛び越えてしまうのを抑制することができ、混色等を防ぐことも可能となる。 Further, when compared with the case where the vertical width of the storage control electrodes S1 to S8 and the vertical width of the transfer electrodes V1 to V8 are the same, the vertical of the barrier at the time of charge multiplication as shown in FIGS. The length of the direction can be increased. Therefore, when returning from the state at time t2 in FIG. 3 and FIG. 4 to the state at time t3, it is possible to prevent the electric charge from jumping to the adjacent charge accumulation packet, and it is possible to prevent color mixing and the like. Become.
又、本実施形態の撮像素子5によれば、蓄積制御電極S1〜S8の形状がそれぞれ同一となっているため、いずれの蓄積制御電極下でも増倍動作を安定的に行うことができる。
Further, according to the
尚、以上の説明では、転送電極V1〜V8と、蓄積制御電極S1〜S8とにそれぞれ独立にパルスが印加されるものとしている。しかし、増倍パルスが印加される蓄積制御電極S1,S5以外の蓄積制御電極S2,S3,S4,S6,S7,S8は、それぞれ転送電極V2,V3,V4,V6,V7,V8と同じパルスパターンが印加されるため、これらを共通配線で第一のドライバに接続し、蓄積制御電極S1,S5だけを第二のドライバによって独立にパルスを印加するようにしても良い。 In the above description, it is assumed that pulses are applied independently to the transfer electrodes V1 to V8 and the accumulation control electrodes S1 to S8. However, the storage control electrodes S2, S3, S4, S6, S7, and S8 other than the storage control electrodes S1 and S5 to which the multiplication pulse is applied are the same pulses as the transfer electrodes V2, V3, V4, V6, V7, and V8, respectively. Since the pattern is applied, these may be connected to the first driver by common wiring, and only the storage control electrodes S1 and S5 may be independently pulsed by the second driver.
又、以上の説明では、図3及び図4の時刻t1の状態から、蓄積制御電極S1,S5にそれぞれ増倍パルスを印加するものとしたが、これに限らない。例えば、図3を例にすると、蓄積制御電極S2,S3,S4,S6,S7のいずれかに増倍パルスを印加するようにしても良いし、蓄積制御電極S2,S3,S4,S5,S6,S7のうちの複数個(但し、5個以下)の電極に増倍パルスを印加するようにしても良いし、蓄積制御電極S8又はS1に増倍パルスを印加するようにしても良い。 In the above description, the multiplication pulse is applied to the storage control electrodes S1 and S5 from the state at time t1 in FIGS. 3 and 4, but the present invention is not limited to this. For example, taking FIG. 3 as an example, a multiplication pulse may be applied to one of the accumulation control electrodes S2, S3, S4, S6, S7, or the accumulation control electrodes S2, S3, S4, S5, S6. , S7, a multiplication pulse may be applied to a plurality (but not more than 5) of electrodes, or a multiplication pulse may be applied to the storage control electrode S8 or S1.
又、第二のドライバが、増倍パルスを印加する回数や、増倍パルスを印加する電極数等を、撮影条件(被写体の明るさや、設定された撮影感度)等に応じて変更するようにしても良い。このようにすることで、増倍率が低くても良いときには消費電力を削減したり、撮影完了までの時間を短くしたりすることができ、効率的な制御が可能となる。 In addition, the second driver changes the number of times the multiplication pulse is applied, the number of electrodes to which the multiplication pulse is applied, etc. according to the photographing conditions (the brightness of the subject, the set photographing sensitivity), etc. May be. In this way, when the multiplication factor may be low, the power consumption can be reduced and the time until the completion of photographing can be shortened, thereby enabling efficient control.
又、以上の説明では、受光部100にある光電変換素子110の配列をハニカム配列としているが、これに限らず、公知の様々な配列を採用することができる。例えば、図5に示すように、光電変換素子110を正方格子状に配列した構成であっても良い。
In the above description, the arrangement of the
(第二実施形態)
本実施形態では、第一実施形態で説明した撮像素子5の蓄積制御電極S1〜S8にパルスを印加するための配線の接続の仕方について説明する。
(Second embodiment)
In the present embodiment, a method of connecting wirings for applying pulses to the accumulation control electrodes S1 to S8 of the
図6は、本発明の第二実施形態の撮像素子の概略構成を示す図である。図6において図2と同じ構成には同一符号を付してある。
蓄積制御電極S1〜S8の各々と第二のドライバとを接続する場合、蓄積制御電極S1〜S8の各々の端部に配線を接続するのが一般的である。しかし、蓄積制御電極S1〜S8は水平方向に細長い形状となっているため、蓄積制御電極S1〜S8の中央部では、端部と比べて抵抗が高くなってしまう。この結果、同じ蓄積制御電極下であっても、増倍パルスのかかり具合が中央に行くほど悪くなり、場所によって増倍率が変化して画像ムラが発生してしまう。
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of an image sensor according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same components as those in FIG.
When connecting each of the storage control electrodes S1 to S8 and the second driver, it is common to connect a wiring to each end of the storage control electrodes S1 to S8. However, since the accumulation control electrodes S1 to S8 have a shape elongated in the horizontal direction, the resistance at the central portion of the accumulation control electrodes S1 to S8 is higher than that at the end. As a result, even under the same accumulation control electrode, the degree of application of the multiplication pulse becomes worse as it goes to the center, and the multiplication factor changes depending on the location, resulting in image unevenness.
そこで、本実施形態では、図6に示すように、増倍パルスが印加される蓄積制御電極S1,S5については、その電極上方から、制御パルス及び増倍パルスを印加するための配線220,230を、その電極の長手方向(水平方向)に一定間隔で接続するものとしている。蓄積制御電極S1,S5以外の蓄積制御電極については、従来同様、端部に配線を接続するものとしている。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, for the storage control electrodes S1 and S5 to which the multiplication pulse is applied,
図6に示すように、配線220は、蓄積制御電極S1〜S8とその上の遮光膜との間に設けられており、水平方向に延びる配線220aと、この配線220aから分岐された垂直方向に延びる配線220bとから構成されている。配線220bは、各電荷蓄積領域210の上を這うように設けられており、各電荷蓄積領域210の上方にある蓄積制御電極S1と重なる部分で、この蓄積制御電極S1と電気的に接続されている。
As shown in FIG. 6, the
又、配線230は、蓄積制御電極S1〜S8と遮光膜との間に設けられており、水平方向に延びる配線230aと、この配線230aから分岐された垂直方向に延びる配線230bとから構成されている。配線230bは、各電荷蓄積領域210の上を這うように設けられており、各電荷蓄積領域210の上方にある蓄積制御電極S5と重なる部分で、この蓄積制御電極S5と電気的に接続されている。
The
以上のように、本実施形態の撮像素子5によれば、増倍パルスを印加する蓄積制御電極に、水平方向で均一に増倍パルスを印加することが可能となる。このため、画像ムラの発生を防止することができる。又、蓄積部200は、受光部100のように光電変換素子110が存在しないため、配線220,230の引き回しが容易となる。又、光電変換素子110が存在しない分、配線220,230の太さを確保することができるため、配線220,230の低抵抗化を実現することもできる。
As described above, according to the
尚、以上の説明では、増倍パルスが印加される蓄積制御電極のみに、その上方から長手方向に一定間隔で配線を接続する構成としたが、他の蓄積制御電極についても同様の方法で配線を接続するようにしても良い。 In the above description, the wiring is connected to the accumulation control electrode to which the multiplication pulse is applied only at a predetermined interval in the longitudinal direction from above, but the other accumulation control electrodes are wired in the same manner. May be connected.
5 撮像素子
10 撮像素子駆動部
100 受光部
110 光電変換素子
120 垂直電荷転送路
200 蓄積部
210 電荷蓄積領域
S1〜S8 蓄積制御電極
5
Claims (6)
前記撮像素子は、被写体からの光を受光する光電変換素子及び前記光電変換素子から読み出された電荷を転送する電荷転送路を含む受光部と、前記電荷転送路に接続され、前記電荷転送路から転送されてきた電荷を蓄積する電荷蓄積領域及び前記電荷蓄積領域上方に設けられた前記電荷蓄積領域での電荷蓄積動作を制御するための複数の蓄積制御電極を含む蓄積部とを含み、
前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷転送路により転送して前記電荷蓄積領域に蓄積させた後、一部の前記蓄積制御電極に所定の電圧を印加して、前記電荷蓄積領域においてアバランシェ増倍を生じさせて該電荷を増倍する駆動を行う駆動手段を備える撮像装置。 An imaging device having a charge transfer type imaging device,
The image pickup device is connected to the charge transfer path, a light receiving unit including a photoelectric conversion element that receives light from a subject, a charge transfer path that transfers charges read from the photoelectric conversion element, and the charge transfer path A charge storage region for storing the charge transferred from the storage unit, and a storage unit including a plurality of storage control electrodes for controlling a charge storage operation in the charge storage region provided above the charge storage region,
After the charge generated in the photoelectric conversion element is transferred through the charge transfer path and accumulated in the charge accumulation region, a predetermined voltage is applied to some of the accumulation control electrodes to increase the avalanche in the charge accumulation region. An image pickup apparatus including a drive unit that performs a drive to increase the electric charge by generating a double.
前記受光部が、前記電荷転送路上方に設けられ、前記電荷転送路での電荷転送動作を制御するための複数の転送電極を含み、
前記蓄積制御電極の前記電荷の転送方向の幅が、前記転送電極の前記電荷の転送方向の幅よりも大きくなっている撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1,
The light receiving portion is provided above the charge transfer path, and includes a plurality of transfer electrodes for controlling a charge transfer operation in the charge transfer path;
An imaging device in which a width of the charge transfer direction of the accumulation control electrode is larger than a width of the transfer electrode in the charge transfer direction.
前記複数の蓄積制御電極の形状がそれぞれ同一となっている撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1 or 2,
An imaging apparatus in which the plurality of accumulation control electrodes have the same shape.
前記駆動手段が、撮影条件に応じて前記所定の電圧を変更する撮像装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3,
An imaging apparatus in which the driving means changes the predetermined voltage in accordance with imaging conditions.
前記複数の蓄積制御電極のうち、少なくとも前記所定の電圧が印加される電極には、該電極上方から、該電圧を印加するための配線が、該電極の長手方向に一定間隔で接続されている撮像装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4,
Among the plurality of accumulation control electrodes, at least the electrode to which the predetermined voltage is applied is connected with wiring for applying the voltage from above the electrode at regular intervals in the longitudinal direction of the electrode. Imaging device.
前記撮像素子は、被写体からの光を受光する光電変換素子及び前記光電変換素子から読み出された電荷を転送する電荷転送路を含む受光部と、前記電荷転送路に接続され、前記電荷転送路から転送されてきた電荷を蓄積する電荷蓄積領域及び前記電荷蓄積領域上方に設けられた前記電荷蓄積領域での電荷蓄積動作を制御するための複数の蓄積制御電極を含む蓄積部とを含み、
前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積領域に蓄積させた後、一部の前記蓄積制御電極に所定の電圧を印加して、前記電荷蓄積領域においてアバランシェ増倍を生じさせて該電荷を増倍する駆動を行う撮像素子の駆動方法。 A method for driving a charge transfer type imaging device,
The image pickup device is connected to the charge transfer path, a light receiving unit including a photoelectric conversion element that receives light from a subject, a charge transfer path that transfers charges read from the photoelectric conversion element, and the charge transfer path A charge storage region for storing the charge transferred from the storage unit, and a storage unit including a plurality of storage control electrodes for controlling a charge storage operation in the charge storage region provided above the charge storage region,
After accumulating the charge generated in the photoelectric conversion element in the charge accumulation region, a predetermined voltage is applied to some of the accumulation control electrodes to cause avalanche multiplication in the charge accumulation region and A driving method of an image sensor that performs driving for multiplication.
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