JP2010050146A - 固体撮像素子、撮像装置、及び撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メカニカルシャッタを用いることなく高速且つ滑らかな動画撮像と像ずれのない高品質の静止画撮像とを両立させることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】光電変換部３を含む画素部１００をアレイ状に多数配列した固体撮像素子であって、多数の画素部１００の各々は、光電変換部３で発生した電荷を全ての画素部１００で同じタイミングで蓄積するフローティングゲート（ＦＧ）１８を含み且つＦＧ１８に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すことが可能な第一の読み出し部２００を有し、多数の画素部１００の少なくとも一部は、前記電荷に応じた信号を画素部１００のライン毎に異なるタイミングで読み出す第二の読み出し部３００を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換部を含む画素部をアレイ状に多数配列した固体撮像素子に関する。

ＣＭＯＳ型の固体撮像素子は、低消費電力及び小型化が可能なことから、携帯電話機への搭載をきっかけに普及が進んでいる。しかし、一般的なＣＭＯＳ型の固体撮像素子を搭載するデジタルカメラ等の撮像装置では、固体撮像素子の露光期間がライン毎に異なる方式（ローリングシャッタ方式）を採用しているため、高速で変化する被写体を静止画撮像した場合、ライン毎の露光期間の開始タイミングの差に起因して撮影画像の歪み、いわゆる像流れが発生する（特許文献１参照）。

この像流れを防止するには、固体撮像素子を機械的に遮光する手段であるメカニカルシャッタを併用することが有効である。しかし、メカニカルシャッタを用いると、シャッタースピードをあまり早くすることができない上に、撮像装置の小型化及び低コスト化が困難となる。

メカニカルシャッタを用いずに像流れを防止する方法として、露光期間中に光電変換部で発生した１フレーム分の電荷を各画素部内に設けられた容量（メモリ）に同時に蓄積し、この容量内の電荷を電圧信号に変換して該電圧信号を外部に順次読み出す方法が提案されている（特許文献２参照）。

又、露光期間中に光電変換部で発生した１フレーム分の電荷を各画素部内に設けられたフローティングゲートに同時に蓄積し、ここに蓄積された電荷に応じた信号を外部に順次読み出す方法も提案されている（特許文献３参照）。

特許文献２の構成では、容量成分（Ｃ）に電荷を同時に蓄積するものの、その電荷に応じた信号の読み出しは全ての画素（光電変換部）で同時にはできず、信号をライン毎に順次読み出すことになる。この場合、先に読み出される画素と後に読み出される画素では、例えば暗電流の影響が異なり、これを補正しようとすると１画面分のフレームメモリが必要になり、コスト増となる。

これに対し、特許文献３の構成によれば、電荷が不揮発メモリに蓄積されるのでフレームメモリが不要となるが、動画撮像時に不揮発メモリに電荷を毎回記録し、読み出し及び消去を繰り返すと、消去時間がかかるのでその分、フレームレートを上げることが難しくなる。

E.R.Fossum,Proc.SPIE,Vol.1900,p2-14,1993 IEEE,Transactions on Electron Devices,Vol.50,No.1,p57-62,2003 特開２００２−２８０５３７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、メカニカルシャッタを用いることなくフレームレートを向上させた滑らかな動画撮像と像ずれのない高品質の静止画撮像とを両立させることが可能な固体撮像素子、これを備えた撮像装置、及びこれを用いた撮像方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、光電変換部を含む画素部をアレイ状に多数配列した固体撮像素子であって、多数の前記画素部の各々は、前記光電変換部で発生した電荷を全ての前記画素部で同じタイミングで蓄積する蓄積部を含み、前記蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すことが可能な第一の読み出し部を有し、多数の前記画素部の少なくとも一部は、前記蓄積部を含まず且つ前記電荷に応じた信号を単数又は複数の前記画素部毎に異なるタイミングで読み出す第二の読み出し部を有する。

この構成により、例えば静止画撮像時には、全ての画素部で露光期間を同一とし、露光期間中に各光電変換部で発生した電荷を蓄積部に一旦蓄積した後、蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を第一の読み出し部を介して順次読み出すグローバルシャッタ駆動が可能となり、動画撮像時には、例えばライン毎に露光期間をずらし、露光期間が終わったラインから順に、光電変換部で発生した電荷に応じた信号を第二の読み出し部を介して読み出すローリングシャッタ駆動が可能となる。このため、グローバルシャッタ駆動による高品質の静止画撮像と、ローリングシャッタ駆動による滑らかな動画撮像とをメカニカルシャッタを用いずに両立させることができる。

本発明の固体撮像素子は、前記第一の読み出し部が、不揮発性メモリ構造である。又、前記不揮発性メモリ構造が、前記蓄積部であるフローティングゲートを有するＭＯＳトランジスタ構造である。

この構成により、不揮発性メモリ構造によって蓄積された電荷が、ノイズ電荷（該電荷に応じた信号の読み出しが終わるまでの間に光電変換部で発生した暗電流や周辺の画素部から流入する電荷）の影響を受けにくくなる。このため、第一の読み出し部を介して信号を読み出して画像データを生成する場合には、暗電流や周辺画素部から流入する不要電荷の混入等に起因するノイズの発生を抑制した高品質の画像データを生成することができる。

本発明の固体撮像素子は、多数の前記画素部の一部のみが前記第二の読み出し部を有する。

この構成により、第二の読み出し部は一部の画素部にだけ設けられているため、第二の読み出し部のみを用いて信号を読み出した場合、得られる画像データの画素データ数は、第一の読み出し部のみを用いて信号を読み出した場合よりも少なくなる。そこで、画素データ数があまり必要とされない動画撮像時には第二の読み出し部から信号を読み出し、画素データ数が必要となる静止画撮像時には第一の読み出し部から信号を読み出す駆動を行うことで、高品質の静止画撮像と滑らかな動画撮像とを両立させることができる。特に、従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子では、動画撮像時のフレームレートを例えば３０ｆｐｓ以上にする場合、読み出しのためのクロック周波数が１００ＭＨｚ以上になり、消費電力が増大し、発熱のため実現が困難である。しかし、上記構成によれば、多数の画素部の少なくとも一部が第二の読み出し部を有し動画撮像時には一部の画素部のみから信号を読み出すようにすることができるため、上記高フレームレートを容易に実現することができる。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を有する撮像装置であって、動画撮像時には、前記動画撮像のための露光中に前記光電変換部で発生した電荷に応じた信号を前記第二の読み出し部を介して読み出し、静止画撮像時には、前記静止画撮像のための露光中に前記光電変換部で発生した電荷に応じた信号を前記第一の読み出し部を介して読み出す制御を行う制御手段を備える。

この構成により、動画撮像時には滑らかな撮像が可能となり、静止画撮像時には像ずれの抑制された高品質の撮像が可能となる。

本発明の撮像装置は、前記制御手段が、静止画撮像を行うための静止画撮像モードに設定されると前記固体撮像素子により動画撮像を開始し、前記動画撮像中に静止画撮像の指示がなされると前記固体撮像素子により静止画撮像を実施し、前記静止画撮像の終了後に前記動画撮像を再開する制御を行う。

この構成により、例えば動画像を表示するための撮像については滑らかに行うことができる一方、記録用の静止画撮像については、像ずれの抑制された高品質の撮像を行うことができる。このため、利用者は、違和感のない滑らかな動画像を確認しながら画角を決定して高品質の静止画撮像を実施することが可能となり、撮像装置の使い勝手を向上させることができる。

本発明の撮像装置は、前記制御手段が、前記静止画撮像が終了してから次の静止画撮像が実施されるまでの間に前記蓄積部に蓄積された電荷を消去する制御を行う。

この構成により、静止画撮像開始前には蓄積部の電荷が消去されていることになるため、静止画撮像を連続して行うことができる。

本発明の撮像装置は、前記制御手段が、前記動画撮像を再開後に静止画撮像の指示がなされないまま前記静止画撮像モードの終了指示がなされると、前記蓄積部に蓄積した電荷を消去せずに保持したまま前記静止画撮像モードを終了する制御を行う。

この構成により、静止画撮像モード終了後、電荷を保持している期間においてはいつでもその電荷から画像データを生成することができる。例えば、静止画撮像によって得られた画像データを再生し、再生された画像データに対して電子ズーム、トリミング、及び画像認識等の処理を行って所望の画像データを得たい場合、保持されている電荷から画像データを生成し、これに対して処理を行って所望の画像データを得ることができる。このため、圧縮後の画像データに対して処理を行う場合よりも高画質の画像データを生成することが可能となる。又、保持している電荷から処理内容に応じて画像データを作り直すことで、圧縮した後の画像データから新たに画像データを生成する場合に比べて処理負荷を抑えることができる。

本発明の撮像方法は、前記固体撮像素子を用いた撮像方法であって、動画撮像時には、前記動画撮像のための露光中に前記光電変換部で発生した電荷に応じた信号を前記第二の読み出し部を介して読み出し、静止画撮像時には、前記静止画撮像のための露光中に前記光電変換部で発生した電荷に応じた信号を前記第一の読み出し部を介して読み出す制御を行う。

本発明の撮像方法は、静止画撮像を行うための静止画撮像モードに設定されると前記固体撮像素子により動画撮像を開始し、前記動画撮像中に静止画撮像の指示がなされると前記固体撮像素子により静止画撮像を実施し、前記静止画撮像の終了後に前記動画撮像を再開する。

本発明の撮像方法は、前記静止画撮像が終了してから次の静止画撮像が実施されるまでの間に前記蓄積部に蓄積された電荷を消去する。

本発明の撮像方法は、前記動画撮像を再開後に静止画撮像の指示がなされないまま前記静止画撮像モードの終了指示がなされると、前記蓄積部に蓄積した電荷を消去せずに保持したまま前記静止画撮像モードを終了する。

本発明によれば、メカニカルシャッタを用いることなく滑らかな動画撮像と像ずれのない高品質の静止画撮像とを両立させることが可能な固体撮像素子、これを備えた撮像装置、及びこれを用いた撮像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、本発明の実施形態を説明するための撮像装置の概略構成を示す模式図である。
図１に示す撮像装置は、同一平面上の行方向とこれに直交する列方向にアレイ状（ここでは正方格子状）に配列された多数の画素部１００を備える。

図２は、図１に示す画素部の概略構成を示す模式図である。図３は、図２に示した画素部１００の等価回路を示した図である。
画素部１００の半導体基板（例えばｐ型シリコン基板）１内には、ｐｎ接合フォトダイオード（ＰＤ）等の光電変換部３が形成されている。又、半導体基板１には、光電変換部３で発生した電荷に応じた電圧信号（以下、撮像信号ともいう）を外部に読み出すことが可能な第一の読み出し部２００と、第一の読み出し部２００とは異なる構成の第二の読み出し部３００とが形成されている。

第一の読み出し部２００は、書き込みトランジスタ（以下、ＷＴという）１６と、読み出しトランジスタ（以下、ＲＴという）１７とを備える。ＷＴ１６とＲＴ１７とは、光電変換部３の左隣に少し離間して設けられた素子分離領域５によって分離されている。

ＷＴ１６は、光電変換部３と、光電変換部３の左に離間して設けられたドレイン領域８と、光電変換部３とドレイン領域８との間の半導体基板１上方に設けられたゲート電極１２とを備える。ＷＴ１６は、光電変換部３をソース領域とするＭＯＳトランジスタ構造となっている。ドレイン領域８には一定電圧を供給可能な電源が接続されている。

ＲＴ１７は、素子分離領域５の左隣に設けられたソース領域６と、ソース領域６の左隣に少し離間して設けられたドレイン領域７と、ソース領域６とドレイン領域７との間の半導体基板１上方に設けられたゲート電極１１とを備えたＭＯＳトランジスタ構造となっている。ソース領域６は接地されている。

光電変換部３とドレイン領域７との間の半導体基板１上方には絶縁膜２を介して電気的に浮遊した電極であるフローティングゲート（以下、ＦＧという）１８が設けられている。ＦＧ１８上には絶縁膜９が形成され、この上にゲート電極１１，１２が設けられている。尚、ＦＧ１８は、ＷＴ１６とＲＴ１７とで共通の一枚構成に限らず、ＷＴ１６とＲＴ１７とでそれぞれ分離して設け、分離した２つの浮遊ゲートを配線によって電気的に接続した構成としても良い。

第一の読み出し部２００では、まず、ＷＴ１６のドレイン領域８に所定の電圧を印加した状態でゲート電極１２に例えば７Ｖ〜１５Ｖの書き込みコントロール電圧（ＷＣＧ）を印加して、光電変換部３で発生する電荷をＦＧ１８に注入した後、ＲＴ１７のドレイン領域７に例えば３．３Ｖのドレイン電圧を印加した状態で、連続的又は階段状に増加する読み出しコントロール電圧（ＲＣＧ）をＲＴ１７のゲート電極１１に印加し、ＲＴ１７のチャネル領域が導通したときのＲＣＧの値（＝ＲＴ１７の閾値電圧）を検出することで、この検出したＲＣＧの値を、ＦＧ１８に蓄積された電荷に応じた撮像信号として外部に読み出すことが可能になっている。

尚、ＷＴ１６とＲＴ１７を有する第一の読み出し部２００の構成は、特許文献３にも詳細が記載されているので、これを参照されたい。

第二の読み出し部３００は、光電変換部３の右隣に少し離間して設けられたフローティングディフュージョン（ＦＤ）４と、光電変換部３とＦＤ４との間の半導体基板１上方に絶縁膜２を介して設けられた転送電極１０と、ＦＤ４の電位をリセットするためのリセットトランジスタ１３と、ＦＤ４に蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力する出力トランジスタ１４と、出力トランジスタ１４から出力される電圧信号を信号出力線に出力するための選択トランジスタ１５とを備える。

トランジスタ１３，１４，１５は、ＦＤ４に蓄積され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ための出力回路であり、図２に示したような３トランジスタ構成に限らず、４トランジスタ構成等のＣＭＯＳセンサで用いられている一般的な構成を採用することができる。

第二の読み出し部３００では、転送電極１０に電圧ＲＥＡＤを印加することで光電変換部３に蓄積されていた電荷をＦＤ４に転送した後、ＦＤ４に蓄積された電荷を出力トランジスタ１４で電圧信号に変換して選択トランジスタ１５から出力させることで、光電変換部３に蓄積された電荷に応じた撮像信号を読み出すことが可能となっている。

図１に戻り、撮像装置は、第一の読み出し部２００を制御する第一読み出し制御部７０と、第二の読み出し部３００を制御する第二読み出し制御部８０と、ＲＴ１７の閾値電圧を検出する読み出し回路２０と、画素部１００のリセットトランジスタ１３のリセット動作によるリセットノイズを除去するための相関二重サンプリング処理及びアナログの撮像信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換処理を行うＣＤＳ／ＡＤ２１と、トランジスタ３０と、シフトレジスタ（ＳＲ）５０と、シフトレジスタの出力に接続された出力バッファ６０と、第一読み出し制御部７０、第二読み出し制御部８０、読み出し回路２０、ＣＤＳ／ＡＤ２１、シフトレジスタ５０、及び出力バッファ６０等、撮像装置内の各部を統括制御する制御部９０とを備える。

本実施形態では、例えばシフトレジスタ５０、出力バッファ６０、及び制御部９０を除く部分を１チップ化し、１チップ化された部分を固体撮像素子と呼ぶが、固体撮像素子には少なくとも多数の画素部１００が含まれていれば良い。

読み出し回路２０は、列方向に並ぶ複数の画素部１００で構成される各列に対応して設けられており、対応する列の各画素部１００のドレイン領域７と第一読み出し制御部７０とに接続されている。

読み出し回路２０は、例えば、ＲＴ１７のドレイン領域７にドレイン電圧を印加すると共に、ＲＴ１７のゲート電極１１に第一読み出し制御部７０を介して読み出しコントロール電圧ＲＣＧを印加し、その結果得られるゲート電極１１の電位に対するドレイン領域７の電流値からＲＴ１７の閾値電圧Ｖｔｈを検出する。

また、他の例として、読み出し回路２０は、図１（ｂ）に示すように、読み出し制御部２０ａと、センスアンプ２０ｂと、プリチャージ回路２０ｃと、ランプアップ回路２０ｄと、トランジスタ２０ｅ，２０ｆとを備えた構成となっている。

読み出し制御部２０ａは、画素部１００から信号を読み出す際、トランジスタ２０ｆをオンしてプリチャージ回路２０ｃから画素部１００のドレイン領域７にドレイン電圧を供給する（プリチャージ）。次に、トランジスタ２０ｅをオンして画素部１００のドレイン領域７とセンスアンプ２０ｂを導通させる。

センスアンプ２０ｂは、画素部１００のドレイン領域７の電圧を監視し、この電圧が変化したことを検出し、ランプアップ回路２０ｄにその旨を通知する。例えば、プリチャージ回路２０ｃによってプリチャージされたドレイン電圧が降下したことを検出しセンスアンプ出力を反転させる。

ランプアップ回路２０ｄは、Ｎ−ｂｉｔカウンタを内蔵しており、第一読み出し制御部７０を介して画素部１００のゲート電極１１に漸増または漸減するランプ波形電圧（ＲＣＧ）を供給すると共に、ランプ波形電圧の値に対応するカウント値（Ｎ個の１、０の組み合わせ）を出力する。

ゲート電極１１の電圧がＲＴ１７の閾値電圧を越えるとＲＴ１７が導通し、このとき、プリチャージされていたドレイン領域７の電位が降下する。これがセンスアンプ２０ｂによって検出されて反転信号が出力される。ランプアップ回路２０ｄは、この反転信号を受けた時点におけるランプ波形電圧の値に対応するカウント値を保持（ラッチ）する。これにより、デジタル値（１，０の組み合わせ）として閾値電圧の変化（撮像信号）を読み出すことができる。

水平シフトレジスタ５０により１つの水平選択トランジスタ３０が選択されると、その水平選択トランジスタ３０に接続されたランプアップ回路２０ｄで保持されているカウンタ値が信号線４０に出力され、これが撮像信号として出力バッファ６０から出力される。

第一読み出し制御部７０は、各画素部１００のＷＴ１６のゲート電極１２に書き込みコントロール電圧ＷＣＧを同時に印加して、各光電変換部３で発生して蓄積された電荷をＦＧ１８に同じタイミングで蓄積させる蓄積制御と、読み出し回路２０から供給される読み出しコントロール電圧ＲＧＣのＲＴ１７のゲート電極１１への印加をライン毎に独立して行うＲＧＣ印加制御と、各画素部１００のＦＧ１８内に蓄積された電荷を一括消去する電荷消去制御とを行う。ＷＣＧは、図示しないチャージポンプ回路によって電源電圧から昇圧して発生させることができる。

電荷の消去の方法としては、例えば、ゲート電極１２及びゲート電極１１に負の電圧を印加すると共に、半導体基板１に正の電圧を印加することで、ＦＧ１８内の電荷を半導体基板１内に引き抜く方法がある。

第二読み出し制御部８０は、光電変換部３内の電荷をＦＤ４に転送するための電圧ＲＥＡＤをゲート電極１０に印加する制御と、リセットトランジスタ１３を制御するための電圧ＲＳＴをリセットトランジスタ１３のゲートに印加する制御と、選択トランジスタ１５を制御するための電圧ＳＥＬＥＣＴを選択トランジスタ１５のゲートに印加する制御とを行う。

ＣＤＳ／ＡＤ２１は、画素部１００の各列に対応して設けられており、対応する列の各画素部１００の選択トランジスタ１５の出力と接続されている。

トランジスタ３０は、読み出し回路２０の出力にその入力が接続された状態と、ＣＤＳ／ＡＤ２１の出力にその入力が接続された状態とを切り替え可能となっており、読み出し回路２０動作時には読み出し回路２０の出力にその入力が接続され、ＣＤＳ／ＡＤ２１動作時にはＣＤＳ／ＡＤ２１の出力にその入力が接続されるように制御部９０によって制御される。

制御部９０は、撮像装置が静止画撮像モードに設定されると固体撮像素子により動画撮像を開始し、その動画撮像中に静止画撮像の指示が利用者によりなされると、固体撮像素子により静止画撮像を実施するように各部を制御する。尚、ここで言う動画撮像とは、例えば１／３０秒や１／６０秒等の微小時間毎に固体撮像素子から撮像信号を出力させ続ける撮像のことを言う。

制御部９０は、動画撮像のための露光期間中に光電変換部３で発生した電荷に応じた撮像信号を第二の読み出し部３００を介して読み出し、静止画撮像のための露光期間中に光電変換部３で発生した電荷に応じた撮像信号を第一の読み出し部２００を介して読み出すように各部を制御する。

図４は、本実施形態の撮像装置の静止画撮像モード時の動作の概略を示した図である。
図４に示すように、制御部９０は、利用者の操作によって撮像装置が静止画撮像モードに設定されると、まず、固体撮像素子により動画撮像を開始する。尚、この動画撮像によって撮像装置内部で生成される画像データはモニタ表示用や撮像条件設定用に用いられ、外部出力可能な記録媒体には記録されない。動画撮像中にシャッターボタンが全押しされてシャッタートリガが立ち上がる（静止画撮像の指示がなされる）と、制御部９０は固体撮像素子により静止画撮像を実施する。そして、静止画撮像が終了して静止画撮像終了フラグが第一読み出し制御部７０から入力されると、制御部９０は動画撮像を再開する。

図５は、本実施形態の撮像装置の動画撮像時の動作を示したタイミングチャートである。
静止画撮像モードに設定されて動画撮像を開始すると、制御部９０は、１ライン目の各画素部１００の露光開始前までは、１ライン目の各画素部１００の第二の読み出し部３００に供給する電圧ＲＥＡＤ及び電圧ＲＳＴをハイレベルにして光電変換部３で発生する電荷をＦＤ４に転送し、ＦＤ４からリセットトランジスタ１３のドレインへとこの電荷を排出する。これにより、電子シャッタ機能を実現する。

１ライン目の各画素部１００の露光期間の開始タイミングになると、制御部９０は、１ライン目の各画素部１００の第二の読み出し部３００に供給する電圧ＲＥＡＤ及び電圧ＲＳＴをローレベルにして電子シャッタを開いた状態とし、１ライン目の各画素部１００の光電変換部３に電荷を蓄積させる。

露光期間の終了前になると、制御部９０は、１ライン目の各画素部１００の第二の読み出し部３００に供給する電圧ＳＥＬＥＣＴをハイレベルにして、１ライン目の各画素部１００の第二の読み出し部３００から撮像信号を出力可能な状態にする。

電圧ＳＥＬＥＣＴをハイレベルにすると同時に、制御部９０は、１ライン目の各画素部１００に供給する電圧ＲＳＴをハイレベルにし、ＦＤ４の電位をリセットする。次に、制御部９０は、電圧ＲＳＴをローレベルに戻してリセット動作を終了させる。このリセット動作により、ＦＤ４にはリセットノイズが蓄積された状態となる。

このリセットノイズは、出力トランジスタ１４によって電圧信号に変換されて選択トランジスタ１５から出力され、ＣＤＳ／ＡＤ２１に入力される。図中のＳｉｇｎａｌ ＯｕｔｐｕｔがＣＤＳ／ＡＤ２１に入力される撮像信号を示しており、リセット動作完了後、撮像信号のレベルはＦＤ４の電位に応じて“ＶＲＳＴ”のレベルにまで上昇して安定する。制御部９０は、リセット動作の終了後、撮像信号のレベルが安定した時点でＣＤＳ／ＡＤ２１にサンプルホールド信号（Ｓ＆Ｈ１）を供給し、“ＶＲＳＴ”のレベルの撮像信号をサンプリングして保持させる。

１ライン目の各画素部１００の露光期間の終了タイミングになると、制御部９０は、１ライン目の各画素部１００に供給する電圧ＲＥＡＤをハイレベルにし、該露光期間に１ライン目の各画素部１００の光電変換部３で発生した電荷をＦＤ４に転送する。

次に、制御部９０は、１ライン目の各画素部１００に供給する電圧ＲＥＡＤをローレベルに戻して電荷の転送を完了する。電荷の転送が完了すると、ＣＤＳ／ＡＤ２１に入力される撮像信号のレベルは“ＶＲＳＴ”からＦＤ４の電位に応じて“Ｖｓｉｇ”のレベルまで下降して安定する。制御部９０は、撮像信号のレベルが安定した時点でＣＤＳ／ＡＤ２１にサンプルホールド信号（Ｓ＆Ｈ２）を供給し、“Ｖｓｉｇ”のレベルの撮像信号をサンプリングして保持させる。

ＣＤＳ／ＡＤ２１では、保持した“ＶＲＳＴ”から“Ｖｓｉｇ”が減算されてリセットノイズが除去され、リセットノイズ除去後の撮像信号がデジタル信号に変換され、シフトレジスタ５０の制御により出力バッファ６０から後段の信号処理回路へと順次出力される。

制御部９０は、２ライン目以降についても上述したシーケンス（但し、露光開始タイミングをライン毎にずらす）を繰り返し行う。このように、本実施形態の撮像装置の動画撮像時の動作は、一般的なＣＭＯＳセンサをローリングシャッタ方式で駆動したときと同様である。

動画撮像中にシャッタートリガが立ち上がると、制御部９０は静止画撮像を実施する。そして、第一読み出し制御部７０から静止画撮像終了フラグが出力されると、制御部９０は動画撮像を再開する。

図６は、本実施形態の撮像装置の静止画撮像時の動作を示したタイミングチャートである。
静止画撮像モード時に行われる動画撮像中に、静止画撮像のための撮像条件の設定指示（シャッターボタンの半押し）がなされると、制御部９０は、固体撮像素子から出力されてくる撮像信号に基づいてＡＥ，ＡＦを行い撮像条件の設定を行う。

次に、シャッターボタンが全押しされてシャッタートリガが立ち上がると、制御部９０は、上記設定した撮像条件で静止画撮像を開始する。

具体的に、制御部９０は、上記設定した撮像条件に基づく露光期間の開始前までは、各画素部１００の第二の読み出し部３００に供給する電圧ＲＥＡＤ及び電圧ＲＳＴをハイレベルにして光電変換部３で発生する電荷をＦＤ４に転送し、ＦＤ４からリセットトランジスタ１３のドレインへとこの電荷を排出する。これにより、電子シャッタ機能を実現する。尚、電子シャッタ機能は、光電変換部３で発生した電荷を半導体基板１に掃き捨てることで実現しても良い。

シャッタートリガが立ち上がって露光期間の開始タイミングになると、制御部９０は、各画素部１００の第二の読み出し部３００に供給する電圧ＲＥＡＤ及び電圧ＲＳＴをローレベルにして電子シャッタを開いた状態とし、各画素部１００に供給するＷＣＧをハイレベルにする。そして、露光期間の終了タイミングになると、制御部９０は、各画素部１００に供給するＷＣＧをローレベルに戻す。このような動作により、露光期間中に各画素部１００の光電変換部３で発生した電荷が各画素部１００のＦＧ１８に蓄積される。

露光期間の終了後、制御部９０は、各画素部１００のドレイン領域７にドレイン電圧を印加して、ドレイン領域７をプリチャージする。図６に示す“Ｄｒａｉｎ（Ｓｉｇ）”は、ＲＴ１７のドレイン領域７の電位変化を示したものである。

次に、制御部９０は、１ライン目の各画素部１００にＲＣＧの供給を開始する。ＲＣＧの供給開始後、１ライン目の各画素部１００のＲＴ１７のチャネル領域が導通すると、図６に示したようにドレイン領域７の電位が下降する。読み出し回路２０では、この電位が下降したときのＲＣＧの値に対応するカウンタ値が保持される。そして、シフトレジスタ５０の制御により、保持されたカウンタ値が、１ライン目の各画素部１００から得られた撮像信号として順次出力される。制御部９０は、２ライン目以降についてもＲＣＧの供給を順次行って、各ラインから撮像信号を順次出力させる。

全ての画素部１００からの撮像信号が出力バッファ６０から出力されて静止画撮像が終了すると、制御部９０は、次の静止画撮像に備えて、各画素部１００のＦＧ１８に蓄積されている電荷を一括消去する。この電荷の一括消去が完了すると、第一読み出し制御部７０により静止画撮像終了フラグが出力され、このフラグを受けた制御部９０は動画撮像を再開する。

尚、ここまでの説明では、静止画撮像時と動画撮像時のそれぞれでの撮像信号の読み出し処理を、１ライン毎にタイミングをずらして行うものとしたが、多数の画素部１００の各々毎にタイミングをずらして撮像信号の読み出しを行ったり、複数ライン毎にタイミングをずらして撮像信号の読み出しを行ったりするようにしても良い。複数ライン毎にタイミングをずらして撮像信号を読み出す場合には、その複数ラインの各画素部１００から独立して撮像信号が読み出せるように、読み出し回路２０、ＣＤＳ／ＡＤ２１を設けておけば良い。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、静止画撮像時には、全ての画素部１００で露光期間を同一とし、露光期間中に各光電変換部３で発生した電荷をＦＧ１８に一旦蓄積した後、ＦＧ１８に蓄積された電荷に応じた撮像信号を順次読み出すグローバルシャッタ駆動が可能となる。また、動画撮像時には、ライン毎に露光期間をずらし、露光期間が終わったラインから順に光電変換部３で発生した電荷に応じた撮像信号を読み出すローリングシャッタ駆動が可能となる。このため、メカニカルシャッタを用いることなく、グローバルシャッタ駆動による像ずれのない高品質の静止画撮像と、ローリングシャッタ駆動による滑らかな動画撮像とを両立させることができる。

又、本実施形態の撮像装置は、静止画撮像モード時に行われる動画撮像時にはローリングシャッタ駆動による滑らかな動画撮像を行い、静止画撮像時にはグローバルシャッタ駆動による像ずれのない高品質な静止画撮像を行う。このため、違和感のない滑らかな動画像をモニタで確認しながら画角を決定して高品質の静止画撮像を実施することが可能となり、使い勝手を向上させることができる。

尚、以上の説明では、静止画撮像時に、全ての画素部１００から撮像信号の読み出しを完了した時点でＦＧ１８内の電荷を一括消去するようにした。しかし、ＦＧ１８内の電荷を消去するタイミングはこれに限らず、静止画撮像が終了してから次の静止画撮像が実施されるまでの間であれば良い。例えば、静止画撮像を行う直前（図６のＷＣＧを立ち上げる直前）であっても良い。この場合、第一読み出し制御部７０は、例えば全ての画素部１００からの撮像信号が固体撮像素子外部に出力された時点で静止画撮像終了フラグを出力すれば良い。

本実施形態の撮像装置では、動画撮像再開後、静止画撮像の指示がなされずに静止画撮像モードが終了されることもある。そこで、このような場合を想定し、ＦＧ１８内の電荷の消去は上述したように静止画撮像の直前に行うものとし、動画撮像再開後、静止画撮像の指示がなされずに静止画撮像モードが終了された場合には、各画素部１００のＦＧ１８内の電荷を消去せずに保持したまま静止画撮像モードを終了させることが好ましい。動画撮像再開後に静止画撮像の指示がない場合は、ＦＧ１８内の電荷を消去する必要性はない。むしろ、これを消去せずに保持しておくことで、静止画撮像モード終了後、ＦＧ１８に電荷を保持している期間においてはいつでもその電荷から画像データを生成することができるようになり、下記に示すような利点が得られる。

静止画撮像によって得られた画像データを再生し、再生された画像データに対して電子ズーム、トリミング、及び画像認識等の処理を行って所望の画像データを得たい場合に、ＦＧ１８に保持されている電荷から画像データを生成し、これに対して処理を行って所望の画像データを得ることができる。このため、圧縮後の画像データに対して処理を行う場合よりも高画質の画像データを生成することが可能となる。又、ＦＧ１８に保持している電荷から処理内容に応じて画像データを作り直すことで、圧縮した後の画像データから新たに画像データを生成する場合に比べて処理負荷を抑えることもできる。

又、以上の説明では、第一の読み出し部２００の構成として、ＦＧ１８を有する不揮発メモリ構造を採用しているが、この構成はこれに限らない。第一の読み出し部２００は、各画素部１００の光電変換部３で発生した電荷を全ての画素部１００で同じタイミングで蓄積する蓄積部を持ち、この蓄積部に一旦電荷を蓄積してから、該電荷に応じた電圧信号を外部に出力することのできる回路構成であれば何でも良い。例えば、特許文献２に示したような回路構成を採用することもできる。

第一の読み出し部２００として、図２に示したような不揮発メモリ構造を採用した場合、ＦＧ１８に蓄積された電荷が周囲のノイズ電荷（光電変換部３で発生する暗電流や周辺画素部から流れ込む電荷等）の影響を受けにくいという利点がある。このため、静止画撮像時には、暗電流や周辺画素部から流入する不要電荷の混入等に起因するノイズの発生を抑制した高品質の画像データを生成することが可能となる。

本実施形態の固体撮像素子は、全ての画素部１００に第一の読み出し部２００と第二の読み出し部３００を設けているため、動画撮像時も、静止画撮像時と同じ画素データ数の画像データが生成可能である。近年の多画素化を考えて、画素部１００の数を例えば１０００万としたとき、本実施形態の撮像装置によれば、固体撮像素子から定期的に得られる動画像と記録される静止画像とがそれぞれ１０００万画素となる。しかし、例えば携帯電話機等では、１００万画素を超える動画像の表示は画質、動きの滑らかさ及び消費電力の観点から必ずしも必要ではない。他方、記録する静止画像は、プリント画質や情報精度の点でより多くの画素数が求められる。このように、動画と静止画に求められる要求仕様に大きな開きが生じている。このため、このような要求仕様に対応した撮像装置が求められる。

そこで、図１に示す多数の画素部１００の一部のみに、第一の読み出し部２００と第二の読み出し部３００を設け、それ以外の画素部１００には第一の読み出し部２００のみを設けた構成とすることが好ましい。このようにすることで、静止画は最大記録画素数で記録することができると共に、動画表示は必要最小限の画素数のみで行うことができる。したがって、図１に示す構成よりも動画表示を高速且つ低消費電力で行うことができる。

図７は、第一の読み出し部２００と第二の読み出し部３００を設ける画素部１００の配置例を示した図である。
図７に示す配置例は、画素部１００を行方向と列方向に正方格子状に多数配置したものとなっている。各画素部１００の光電変換部３上方にはカラーフィルタが形成されており、このカラーフィルタの配列はベイヤー配列となっている。図７において“Ｒ”を付した画素部１００は、光電変換部３上方に赤色の光を透過するフィルタが設けられたものであり、“Ｇ”を付した画素部１００は、光電変換部３上方に緑色の光を透過するフィルタが設けられたものであり、“Ｂ”を付した画素部１００は、光電変換部３上方に青色の光を透過するフィルタが設けられたものである。

図７に示した配置例では、９つの画素部１００を１ブロックとして多数の画素部１００を複数ブロックに分割し、各ブロックの真ん中にある画素部１００（図７で網掛けをした画素部）にのみ、第一の読み出し部２００と第二の読み出し部３００を設け、それ以外の画素部１００には第一の読み出し部２００のみ設けるものとしている。このような構成の場合、制御部９０は、静止画撮像モード時の動画撮像時には図７中の網掛けをした画素部１００のみから、該画素部１００に含まれる第二の読み出し部３００を介して撮像信号を読み出し、静止画撮像時には、図７に示した全ての画素部１００から、該画素部１００に含まれる第一の読み出し部２００を介して撮像信号を読み出す制御を行う。

図７に示した構成によれば、動画撮像時に固体撮像素子から出力される撮像信号の配列がベイヤー配列に対応した配列になる。このため、静止画撮像時と動画撮像時とで信号処理を大きく変更せずにすむといった利点がある。

なお、以上の説明では、静止画撮像モード時に行う動画撮像時にローリングシャッタ駆動を行うものとしたが、このローリングシャッタ駆動は、動画撮像モード時に行う動画撮像（固体撮像素子から微少時間間隔で連続的に出力されてくる撮像信号から生成した画像データを外部出力可能な記録媒体に記録する撮像）時において実施しても良い。

また、以上の説明では、ＷＴ１６及びＲＴ１７の２つのトランジスタによって、電荷の書き込み及び信号の読み出し機能を実現しているが、この機能は１つのトランジスタによって実現しても良い。この場合は、例えばＲＴ１７を省略してＷＴ１６のドレイン領域８に読み出し回路２０を接続し、第一読み出し制御部７０がＷＴ１６のゲート電極１２にＲＣＧも印加できるような構成とすれば良い。１つのトランジスタにした場合は、ＦＧ１８を窒化膜にし、ゲート電極１２を該窒化膜上に直接形成したＭＮＯＳ型のトランジスタ構造や、ゲート電極１２と該窒化膜の間に酸化膜を更に設けたＭＯＮＯＳ型のトランジスタ構造であっても良い。ＭＮＯＳ型の場合は窒化膜と酸化膜からなるゲート酸化膜中のトラップ準位が、ＭＯＮＯＳ型の場合は窒化膜が、それぞれ電荷を蓄積する蓄積部として機能する。

本発明の実施形態を説明するための撮像装置の概略構成を示す平面模式図 図１に示す画素部の概略構成を示す模式図 図２に示した画素部の等価回路を示した図 本実施形態の撮像装置の静止画撮像モード時の動作の概略を示した図 本実施形態の撮像装置の動画撮像時の動作を示したタイミングチャート 本実施形態の撮像装置の静止画撮像時の動作を示したタイミングチャートである。 画素部の配置例を示した図

符号の説明

３ 光電変換部
１８ フローティングゲート
１００ 画素部
２００ 第一の読み出し部
３００ 第二の読み出し部

Claims (12)

1. 光電変換部を含む画素部をアレイ状に多数配列した固体撮像素子であって、
   多数の前記画素部の各々は、前記光電変換部で発生した電荷を全ての前記画素部で同じタイミングで蓄積する蓄積部を含み、前記蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すことが可能な第一の読み出し部を有し、
   多数の前記画素部の少なくとも一部は、前記蓄積部を含まず且つ前記電荷に応じた信号を単数又は複数の前記画素部毎に異なるタイミングで読み出す第二の読み出し部を有する固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記第一の読み出し部が不揮発性メモリ構造である固体撮像素子。
3. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   前記不揮発性メモリ構造が、前記蓄積部であるフローティングゲートを有するＭＯＳトランジスタ構造である固体撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   多数の前記画素部の一部のみが前記第二の読み出し部を有する固体撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子を有する撮像装置であって、
   動画撮像時には、前記動画撮像のための露光中に前記光電変換部で発生した電荷に応じた信号を前記第二の読み出し部を介して読み出し、静止画撮像時には、前記静止画撮像のための露光中に前記光電変換部で発生した電荷に応じた信号を前記第一の読み出し部を介して読み出す制御を行う制御手段を備える撮像装置。
6. 請求項５記載の撮像装置であって、
   前記制御手段が、静止画撮像を行うための静止画撮像モードに設定されると前記固体撮像素子により動画撮像を開始し、前記動画撮像中に静止画撮像の指示がなされると前記固体撮像素子により静止画撮像を実施し、前記静止画撮像の終了後に前記動画撮像を再開する制御を行う撮像装置。
7. 請求項６記載の撮像装置であって、
   前記制御手段が、前記静止画撮像が終了してから次の静止画撮像が実施されるまでの間に前記蓄積部に蓄積された電荷を消去する制御を行う撮像装置。
8. 請求項７記載の撮像装置であって、
   前記制御手段が、前記動画撮像を再開後に静止画撮像の指示がなされないまま前記静止画撮像モードの終了指示がなされると、前記蓄積部に蓄積した電荷を消去せずに保持したまま前記静止画撮像モードを終了する制御を行う撮像装置。
9. 請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子を用いた撮像方法であって、
   動画撮像時には、前記動画撮像のための露光中に前記光電変換部で発生した電荷に応じた信号を前記第二の読み出し部を介して読み出し、静止画撮像時には、前記静止画撮像のための露光中に前記光電変換部で発生した電荷に応じた信号を前記第一の読み出し部を介して読み出す制御を行う撮像方法。
10. 請求項９記載の撮像方法であって、
    静止画撮像を行うための静止画撮像モードに設定されると前記固体撮像素子により動画撮像を開始し、前記動画撮像中に静止画撮像の指示がなされると前記固体撮像素子により静止画撮像を実施し、前記静止画撮像の終了後に前記動画撮像を再開する撮像方法。
11. 請求項１０記載の撮像方法であって、
    前記静止画撮像が終了してから次の静止画撮像が実施されるまでの間に前記蓄積部に蓄積された電荷を消去する撮像方法。
12. 請求項１１記載の撮像方法であって、
    前記動画撮像を再開後に静止画撮像の指示がなされないまま前記静止画撮像モードの終了指示がなされると、前記蓄積部に蓄積した電荷を消去せずに保持したまま前記静止画撮像モードを終了する撮像方法。

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