JP2010068099A

JP2010068099A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2010068099A
Application number: JP2008230897A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Watanabe; 敬輔渡辺
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】受光部以外の部分に漏れ込んだ光に起因するノイズの影響を低減したい。
【解決手段】画素５０は、フォトダイオード部と、遮光された転送チャネルとを含み、フォトダイオード部において光電変換された電荷を転送チャネルを経由して外部に出力する。減算部６１は、フォトダイオード部が有効な状態の画素５０から出力される第１画素信号から、フォトダイオード部が無効な状態の画素５０から出力される第２画素信号を減算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関し、とくにノイズを除去する機能を備える撮像装置に関する。

デジタルカメラ、カメラ付携帯電話機、監視カメラ、車載カメラなどカメラを使用するアプリケーションが広く普及してきている。それに伴い、それらのカメラに搭載されるＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサやＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサなどの撮像装置の需要も増大している。

撮像装置の各画素内には、フォトダイオードなどの受光素子により光電変換される電荷をその画素の出力口まで転送するための転送チャネルが設けられる。撮像装置の中には、この転送チャネルで電子増倍が可能なものも提案されている。転送チャネルはその上面に遮光メタルが設置されることなどにより遮光されるが、隣接する受光素子への入射光が漏れ込んでくることがある。転送チャネルに光が入射すると光電効果により物質から電子がたたき出され、その電子がノイズ成分となる。

特許文献１は、遮光された光電変換部である光学的黒領域（オプティカルブラック（ＯＢ）領域）が設けられ、このＯＢ領域の画素から得られる出力信号を黒基準レベルとして使用することにより有効画素部の撮像信号を補正する機能を備える撮像装置において、ＯＢ領域に光が漏れ込んでいるかいないかを判定する技術を開示する。
特開２００８−４８２４４号公報

上述したように、受光素子に蓄積された電荷を転送する転送チャネルに光が漏れ込んでくるとその画素から出力される画素信号にノイズが含まれてしまう。すなわち、画素から、受光素子に入射された光量に対応する電荷量が純粋に反映されていない画素信号が出力されることになる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、受光部以外の部分に漏れ込んだ光に起因するノイズの影響を低減することができる撮像装置を提供することにある。

本発明のある態様の撮像装置は、光検出部と、遮光された転送チャネルとを含み、光検出部において光電変換された電荷を転送チャネルを経由して外部に出力する第１画素および第２画素と、光検出部が有効な状態の第１画素から出力される第１画素信号から、光検出部が無効な状態の第２画素から出力される第２画素信号を減算する減算部と、を備える。

本発明の別の態様もまた、撮像装置である。この装置は、光検出部と、遮光された転送チャネルとを含み、光検出部において光電変換された電荷を転送チャネルを経由して外部に出力する第１画素と、第１画素と光検出部を含まない以外、実質的に同じ構造の第２画素と、第１画素から出力される第１画素信号から、第２画素から出力される第２画素信号を減算する減算部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、受光部以外の部分に漏れ込んだ光に起因するノイズの影響を低減することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の全体構成を示す図である。図１は本実施の形態に係る撮像装置１００をＣＭＯＳイメージセンサで構成する例を示す。このＣＭＯＳイメージセンサは転送チャネル内の電子を増倍する機能を備えるものである。撮像装置１００は、撮像部５１、行選択レジスタ５２、列選択レジスタ５３、アンプ５４および信号処理部６０を備える。

撮像部５１はマトリクス状に配置された複数の画素５０を含む。行選択レジスタ５２は撮像部５１内から画素信号を読み出すべき行を順番に選択する。列選択レジスタ５３は撮像部５１内から画素信号を読み出すべき列を順番に選択する。行選択レジスタ５２および列選択レジスタ５３の選択動作により、撮像部５１内のマトリクス状に配置された複数の画素５０からそれぞれ出力される画素信号が順番に撮像部５１の外部に出力される。アンプ５４は、撮像部５１から列選択レジスタ５３を介して出力される画素信号を増幅して、信号処理部６０に出力する。信号処理部６０の詳細は後述する。

図２は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の、撮像部５１に含まれる画素５０の断面図（一般）である。図３は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の、撮像部５１に含まれる画素５０の断面図（具体）である。図２および図３において、ｐ型シリコン基板１の表面に、各画素をそれぞれ分離するための素子分離領域２が形成されている。また、素子分離領域２によって囲まれる各画素５０のｐ型シリコン基板１の表面には、ｎ⁻型不純物領域からなら転送チャネル３を挟むように所定の間隔を隔てて、光検出部（以下、フォトダイオード（ＰＢ）部４を採用する例で説明する。）およびｎ^＋型不純物領域からなるフローティングディフュージョン領域５が形成されている。

フォトダイオード部４は、入射光量に応じて電子を生成するとともに、その生成された電子を蓄積する機能を有する。また、フォトダイオード部４は、素子分離領域２に隣接するとともに、転送チャネル３に隣接するように形成されている。フローティングディフュージョン領域５は、転送チャネル３の不純物濃度（ｎ⁻）よりも高い不純物濃度（ｎ^＋）を有する。また、フローティングディフュージョン領域５は、転送された電子による電荷信号を保持するとともに、この電荷信号を電圧に変換する機能を有する。また、フローティングディフュージョン領域５は、素子分離領域２に隣接するとともに、転送チャネル３に隣接するように形成されている。これにより、フローティングディフュージョン領域５は、転送チャネル３を介してフォトダイオード部４と対向するように形成されている。

転送チャネル３の上面上に、ゲート絶縁膜６が形成されている。また、ゲート絶縁膜６の上面上の所定領域には、所定の間隔を隔てて、転送ゲート電極７と、増倍ゲート電極８と、転送ゲート電極９と、転送ゲート電極１０と、読出ゲート電極１１とが、フォトダイオード部４側からフローティングディフュージョン領域５側に向かってこの順番に形成されている。すなわち、転送ゲート電極７は、フォトダイオード部４と隣接するように形成されている。また、転送ゲート電極７は、フォトダイオード部４と増倍ゲート電極８との間に形成されている。また、転送ゲート電極９は、増倍ゲート電極８と転送ゲート電極１０との間に形成されている。また、増倍ゲート電極８は、転送ゲート電極１０に対して読出ゲート電極１１およびフローティングディフュージョン領域５とは反対側に形成されている。また、読出ゲート電極１１は、転送ゲート電極１０とフローティングディフュージョン領域５との間に形成されている。また、読出ゲート電極１１は、フローティングディフュージョン領域５と隣接するように形成されている。

図２および図３には描かれていないが、転送チャネル３が遮光されるよう、転送ゲート電極７、増倍ゲート電極８、転送ゲート電極９、転送ゲート電極１０および読出ゲート電極１１の上面には転送チャネル３の全領域が覆われるような遮光部材が設置される。

図４は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の、撮像部５１に含まれる画素５０の平面図である。図４において、転送ゲート電極７、増倍ゲート電極８、転送ゲート電極９、転送ゲート電極１０および読出ゲート電極１１には、それぞれ、コンタクト部７ａ、８ａ、９ａ、１０ａおよび１１ａを介して、電圧制御のためのクロック信号Φ１、Φ２、Φ３、Φ４およびΦ５を供給する配線層２０、２１、２２、２３および２４が電気的に接続されている。なお、この配線層２０、２１、２２、２３および２４は、行毎に形成されているとともに、各行の複数の画素５０の転送ゲート電極７、増倍ゲート電極８、転送ゲート電極９、転送ゲート電極１０および読出ゲート電極１１にそれぞれ電気的に接続されている。また、フローティングディフュージョン領域５には、コンタクト部５ａを介して信号を取り出すための信号線２５が電気的に接続されている。なお、信号線２５は、列毎に形成されているとともに、各列の複数の画素５０のフローティングディフュージョン領域５に電気的に接続されている。

図３に戻り、転送ゲート電極７、９、１０および読出ゲート電極１１に、それぞれ、配線層２０、２２、２３および２４を介してクロック信号Φ１、Φ３、Φ４およびΦ５のオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合には、転送ゲート電極７、９、１０および読出ゲート電極１１に約２．９Ｖの電圧が印加されるように構成されている。これにより、転送ゲート電極７、９、１０および読出ゲート電極１１にクロック信号Φ１、Φ３、Φ４およびΦ５のオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合には、転送ゲート電極７、９、１０および読出ゲート電極１１下の転送チャネル３が約４Ｖの電位に調整された状態になるように構成されている。なお、転送ゲート電極７、９、１０および読出ゲート電極１１にクロック信号Φ１、Φ３、Φ４およびΦ５のオフ信号（Ｌレベルの信号）が供給されている場合には、転送ゲート電極７、９、１０および読出ゲート電極１１下の転送チャネル３が約１Ｖの電位に調整された状態となるように構成されている。

また、増倍ゲート電極８に配線層２１からクロック信号Φ２のオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合には、増倍ゲート電極８に約２４Ｖの電圧が印加されるように構成されている。これにより、増倍ゲート電極８にクロック信号Φ２のオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合には、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３が約２５Ｖの高い電位に調整された状態になるように構成されている。なお、増倍ゲート電極８にクロック信号Φ２のオフ信号（Ｌレベルの信号）が供給されている場合には、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３が約１Ｖの電位に調整された状態となるように構成されている。また、フォトダイオード部４およびフローティングディフュージョン領域５は、それぞれ、約３Ｖおよび約５Ｖの電位に調整された状態となるように構成されている。

これにより、図２に示すように、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３（電子蓄積部３ａ）は、転送ゲート電極１０にオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合に、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３（電子蓄積部（一時的蓄積井戸）３ａ）に電子を一時的に蓄積する電界が形成されるように構成されている。

また、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３（電子倍増部３ｂ）は、増倍ゲート電極８にオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合に、約２５Ｖの電位に調整されることによって、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３（電子倍増部（電荷集積井戸）３ｂ）に電子を衝突電離させて増倍（増加）する高電界が形成されるように構成されている。また、電子の衝突電離は、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３（電子倍増部３ｂ）と転送ゲート電極９下の転送チャネル３との境界部で発生するように構成されている。

また、転送ゲート電極７下の転送チャネル３は、転送ゲート電極７にオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合に、フォトダイオード部４に蓄積された電子を電子倍増部３ｂに転送する機能を有するとともに、転送ゲート電極７にオフ信号（Ｌレベルの信号）が供給されている場合に、フォトダイオード部４と電子倍増部３ｂとを区分するフォトダイオード分離障壁として機能する。

また、転送ゲート電極９下の転送チャネル３は、転送ゲート電極９にオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合に、電子蓄積部３ａに蓄積された電子を電子倍増部３ｂに転送するとともに、電子倍増部３ｂに蓄積された電子を電子蓄積部３ａに転送する機能を有する。また、転送ゲート電極９下の転送チャネル３は、転送ゲート電極９にオフ信号（Ｌレベルの信号）が供給されている場合に、電子蓄積部３ａと電子倍増部３ｂとを区分する電荷転送障壁として機能する。すなわち、転送ゲート電極９は、オン信号（Ｈレベルの信号）が供給されることにより、電子蓄積部３ａに蓄積された電子を電子倍増部３ｂに転送するとともに、電子倍増部３ｂに蓄積された電子を電子蓄積部３ａに転送することが可能なように構成されている。

また、読出ゲート電極１１下の転送チャネル３は、読出ゲート電極１１にオン信号（Ｈレベルの信号）が供給されている場合に、電子蓄積部３ａに蓄積された電子をフローティングディフュージョン領域５に転送する機能を有するとともに、読出ゲート電極１１にオフ信号（Ｌレベルの信号）が供給されている場合に、電子蓄積部３ａとフローティングディフュージョン領域５とを区分する機能を有する。すなわち、読出ゲート電極１１は、オン信号（Ｈレベルの信号）が供給されることにより、電子蓄積部３ａに蓄積された電子をフローティングディフュージョン領域５に転送することが可能なように構成されている。

図５は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の回路構成図（信号処理部６０の構成を除く）である。図５において、各列の信号線２５の一方端には、それぞれ、リセットゲートトランジスタ２６のソースが接続されている。このリセットゲートトランジスタ２６のゲートには、リセット信号が供給されるとともに、ドレインには、リセット電圧Ｖ_ＲＤ（約５Ｖ）が印加されている。これにより、リセットゲートトランジスタ２６は、画素５０のデータの読出し後に、信号線２５の電圧をリセット電圧Ｖ_ＲＤ（約５Ｖ）にリセットするとともに、画素５０のデータの読出し時に、フローティングディフュージョン領域５を電気的に浮いた状態（フローティング状態）に保持する機能を有する。

また、各列の信号線２５の他方端は、それぞれ、電圧変換トランジスタ２７のゲートに接続されている。この電圧変換トランジスタ２７のソースは、選択トランジスタ２８のドレインに接続されているとともに、ドレインには、電源電圧Ｖ_ＤＤが供給されている。選択トランジスタ２８のゲートには、列選択線が接続されているとともに、ソースには、出力線が接続されている。出力線には、１つのトランジスタ２９のドレインが接続されている。トランジスタ２９のソースは、接地されているとともに、ゲートには、転送ゲート電極９を定電流源として機能させるための所定の電圧が印加されている。また、各列の電圧変換トランジスタ２７と、トランジスタ２９とによって、ソースフォロワ回路が構成されている。

図１に戻り、信号処理部６０は、減算部６１、画素信号記憶部６２、露光時間制御部６３および画素信号予測部６４を含む。これらの構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

上述したように、撮像部５１に含まれる画素５０は、フォトダイオード部４と、遮光された転送チャネル３とを含み、フォトダイオード部４において光電変換された電荷を転送チャネル３を経由してその画素５０の外部に出力する。以下、撮像部５１に含まれる画素５０のうち、フォトダイオード部４が有効な状態の画素５０を第１画素５０、フォトダイオード部４が無効な状態の画素５０を第２画素５０と表記する。また、第１画素５０から出力される画素信号を第１画素信号および第２画素５０から出力される画素信号を第２画素信号と表記する。

画素信号記憶部６２は、アンプ５４から入力される画素信号を一時的に記憶する。減算部６１は、第１画素５０から出力される第１画素信号から、第２画素５０から出力される第２画素信号を減算する。画素信号記憶部６２は、撮像部５１内のすべての画素５０から出力される画素信号をすべて記憶してもよいし、撮像部５１内の第２画素５０から出力される第２画素信号のみを記憶してもよい。後者の場合で、かつ第１画素信号および第２画素信号が同一のフレーム期間に読み出される場合、行選択レジスタ５２および列選択レジスタ５３が第１画素５０より第２画素５０を先に選択することにより、第２画素信号が第１画素信号より先に読み出される必要がある。

転送チャネル３の上面には遮光部材が設置されるが、当然のことながら転送チャネル３に隣接するフォトダイオード部４の上面は露出しているため、そこから転送チャネル３に光が漏れ込んでくる場合がある。その場合、その光により転送チャネル３に電荷が発生し、フローティングディフュージョン領域５に転送されてくる電荷量は、フォトダイオード部４で発生した電荷量と転送チャネル３で発生した電荷量とを足したものとなる。すなわち、その画素５０から出力される画素信号には転送チャネル３で発生した電荷に対応するノイズ成分が含まれることになる。

減算部６１は、フォトダイオード部４で受光した成分と当該ノイズ成分の両方が含まれる第１画素信号から、フォトダイオード部４で受光した成分が含まれてなく、当該ノイズ成分のみが含まれる第２画素信号を減算することにより、第１画素信号から当該ノイズ成分をキャンセルすることができる。

つぎに、撮像部５１内から第２画素信号を取得する方法について説明する。第１の方法は、第２画素５０に含まれるフォトダイオード部４の露光時間をゼロに設定する方法である。たとえば、フォトダイオード部４と転送チャネル３との間を絶縁すればよい。また、フォトダイオード部４と転送チャネル３との間にトランジスタが挿入されてもよい。そのトランジスタがオンの状態でフォトダイオード部４と転送チャネル３とが導通し、オフの状態で絶縁する。露光時間制御部６３は、このトランジスタのゲートを制御することにより、フォトダイオード部４の露光時間を制御することができる。この場合、露光時間をゼロにすべき画素５０を動的に変更することが可能である。また、同一画素５０からフレーム期間に応じて、第１画素信号と第２画素信号とを選択的に取得することも可能である。

第２の方法は、第２画素５０に含まれるフォトダイオード部４を遮光する方法である。後述するように、フォトダイオード部４の表面に遮光部材を被せるとよい。

第３の方法は、第２画素５０にフォトダイオード部４を設けない方法である。フォトダイオード部４を設けない以外の構造は、第１画素５０と実質的に同じ構造とする。上記の説明では、第２画素５０をフォトダイオード部４が無効な状態の画素５０としたが、説明の便宜上、フォトダイオード部４が設けられない画素５０も第２画素５０に含めるとする。

第４の方法は、第２画素５０に含まれるフォトダイオード部４に蓄積された電荷をグラウンドなどの固定電位に放出する経路を設ける方法である。この経路はフォトダイオード部４から転送チャネル３に電荷が注入される前の位置に設ける必要がある。

撮像部５１内に第２画素５０を設ける位置および数は、設計者が任意に設定可能である。たとえば、撮像部５１を複数の領域に分割し、領域ごとに第２画素５０を少なくとも一つ設定してもよい。減算部６１は領域単位で第１画素５０から出力される第１画素信号から、第２画素５０から出力される第２画素信号を減算する。すなわち、ある領域に含まれる第１画素５０から出力される第１画素信号からは、その領域に含まれる第２画素５０から出力される第２画素信号が減算されることになる。なお、各領域の大きさ、各領域内における第２画素５０の位置も設計者が任意に設定することができる。

画素信号予測部６４は、第２画素５０に隣接または近接する複数の第１画素５０から出力される第１画素信号から、第２画素５０に有効な状態のフォトダイオード部４が存在したならばその第２画素５０から出力されるべき画素信号を予測する。以下、この画素信号を予測画素信号と表記する。たとえば、画素信号予測部６４は第２画素５０の両隣の第１画素５０から出力される２つの第１画素信号の平均をその第２画素の予測画素信号としてもよい。また、第２画素５０の周囲を囲んでいる８つの画素５０から出力される８つの第１画素信号の平均をその第２画素の予測画素信号としてもよい。ここでの第１画素信号は、第２画素信号が減算された後の信号であってもよいし、減算される前の信号であってもよい。

したがって、撮像部５１内における第２画素５０の位置を決定する際、上記予測画素信号の基礎とすべき画素信号を取得する位置の画素５０が第２画素５０ではなく、第１画素５０になるようにする必要がある。すなわち、その位置に第２画素５０が設定されてしまうと、上記予測画素信号の精度が低下してしまう。

第１画素信号および第２画素信号は、撮像部５１内から同一フレーム期間に取得されてもよいし、それぞれ別のフレーム期間に取得されてもよい。後者の場合、同一の画素５０から第１画素信号および第２画素信号を両方、取得することが可能となる。たとえば、露光時間制御部６３が撮像部５１内の、すべてまたは一部の画素５０に含まれるフォトダイオード部４の露光時間をゼロにする期間を作ることにより、それらの画素５０から第２画素信号を取得することができる。露光時間制御部６３がフォトダイオード部４と転送チャネル３との間に設けられたトランジスタのゲートを制御することにより、同一画素５０において第１画素信号を取得するフレーム期間と、第２画素信号を取得するフレーム期間とを設けることができる。

減算部６１は、所定のフレーム期間に生成された第１画素信号から、別のフレーム期間に生成された第２画素信号を減算することができる。第１画素信号を取得するフレーム期間および第２画素信号を取得するフレーム期間はどちらが先でもよいが、両者のフレーム期間はできるだけ近接していることが好ましい。

図６は、第１画素５０を模式的に示す図である。転送チャネル３および素子分離領域２の上面には遮光メタル５５が設置される。フォトダイオード部４の上面は露出される。波線の矢印はフォトダイオード部４に入射される光を示し、実線の矢印は転送チャネル３に漏れ込む光を示す。第１画素５０では、波線の矢印で示す光に起因するフォトダイオード部４に蓄積された電荷と、実線の矢印で示す光に起因する転送チャネル３に蓄積された電荷と、を合わせた電荷に対応する電圧が第１画素信号として外部に読み出される。

図７は、第２画素５０（その１）を模式的に示す図である。図７に示す第２画素５０は、フォトダイオード部４の露光時間がゼロに制御される点以外は、図６に示す第１画素５０と同様である。フォトダイオード部４の露光時間がゼロに制御される第２画素５０では、実線の矢印で示す光に起因する、転送チャネル３に蓄積された電荷に対応する電圧が第２画素信号として外部に読み出される。

図８は、第２画素５０（その２）を模式的に示す図である。図８に示す第２画素５０は、フォトダイオード部４の表面に遮光部材５６が被されている点以外は、図６に示す第１画素５０と同様である。フォトダイオード部４の表面に遮光部材５６が被されている第２画素５０では、実線の矢印で示す光に起因する転送チャネル３に蓄積された電荷に対応する電圧が第２画素信号として外部に読み出される。

図９は、第２画素５０（その３）を模式的に示す図である。図９に示すフォトダイオード部４が設けられない第２画素５０は、フォトダイオード部４が設けられない点以外は、図６に示す第１画素５０と同様である。フォトダイオード部４が設けならない第２画素５０では、実線の矢印で示す光に起因する転送チャネル３に蓄積された電荷に対応する電圧が第２画素信号として外部に読み出される。

図１０は、撮像部５１内に設定される第２画素５０の配置例（その１）を示す図である。図１０において、斜線が引かれた四角が第２画素５０を示し、空白の四角が第１画素５０を示している。図１０は、撮像部５１の画素領域が同一形状および同一面積の、４つの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４に分割された例を示す。各領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４の中心位置の画素が、第２画素５０に設定されている。撮像部５１の画素領域において４つの第２画素５０が分散されて配置されるため、それらの第２画素の予測画素信号をそれらの第２画素に隣接または近接する第１画素から精度よく生成することができる。

図１１は、撮像部５１内に設定される第２画素５０の配置例（その２）を示す図である。図１１は、撮像部５１の画素領域が形状および面積が異なる、５つの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４およびＲ５に分割された例を示す。各領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４およびＲ５の重心位置または重心に隣接する位置が、第２画素５０に設定されている。図１１においても５つの第２画素５０が分散されて配置されるため、それらの第２画素５０の予測画素信号をそれらの第２画素５０に隣接または近接する第１画素５０から精度よく生成することができる。

信号処理部６０内の図示しない領域設定部は、以下に示す手順で撮像部５１内の画素領域を複数の領域に分割することができる。まず、当該領域設定部は露光時間制御部６３に撮像部５１内の全画素５０に含まれるフォトダイオード部４の露光時間をゼロに設定させ、全画素５０から第２画素信号を取得する。当該領域設定部は第２画素信号の分布から、第２画素信号が一定の範囲のばらつきである連続した領域を一つの領域に設定する。上記一定の範囲は、設計者が実験やシミュレーションにより求めることができる。これにより、第１画素５０から出力される第１画素信号は、環境条件が近い第２画素５０から出力される第２画素信号により補正されることが可能となり、ノイズ除去の精度が向上する。なお、全画素５０から出力される第２画素信号のばらつきは、光源の位置や温度などの外部環境により変動するため、上記領域の分割は所定の時間ごとに繰り返し実行されてもよい。

図５に戻り、本実施の形態に係る撮像装置１００の読出動作について説明する。まず、所定の行の配線層２４に、Ｈレベルの信号を供給することにより、撮像部５１の１行分の各画素５０の読出ゲート電極１１をオン状態にするとともに、所定の行の配線層２３に、Ｌレベルの信号を供給することにより、撮像部５１の１行分の各画素５０の転送ゲート電極１０をオフ状態にする。これにより、１行分の各画素５０の電子蓄積部３ａに蓄積された電子が各画素５０のフローティングディフュージョン領域５に読み出される。したがって、各列の信号線２５には、所定の行の各画素５０の信号に応じた電位が現れる。なお、この状態では、選択トランジスタ２８がオフ状態であるため、電圧変換トランジスタ２７およびトランジスタ２９からなるソースフォロワ回路には電流は流れない。

次に、列選択線に順次Ｈレベルの信号を供給することによって、選択トランジスタ２８を順次オン状態にする。これにより、各列の電圧変換トランジスタ２７および選択トランジスタ２８と、トランジスタ２９とを介して、順次電流が流れるので、各電圧変換トランジスタ２７のオン状態（各電圧変換トランジスタ２７のゲート電位（信号線２５の電位））に応じて各画素５０毎の信号が出力される。そして、全ての出力が終了した後、リセットゲートトランジスタ２６のゲートにＨレベルのリセット信号を供給することにより、リセットゲートトランジスタ２６をオン状態にすることによって、信号線２５の電位を約５Ｖにリセットする。上記の動作を繰り返すことによって、本実施の形態に係る撮像装置１００の読出動作が行われる。

図１２は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の、電子の転送動作を説明するための信号波形図である。図１３は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の、電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。次に、図１２および図１３を参照して、本実施の形態に係る撮像装置１００の、電子の転送動作について説明する。

まず、図１２の期間Ａにおいて、図１３に示すように、転送ゲート電極７をオン状態にすることにより、転送ゲート電極７下の転送チャネル３が約４Ｖの電位に調整された状態になる。このとき、フォトダイオード部４が約３Ｖの電位に調整されているので、フォトダイオード部４により生成されるとともに、蓄積された電子がフォトダイオード部４から転送ゲート電極７下の転送チャネル３に転送される。その後、増倍ゲート電極８をオン状態にすることにより、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３が約２５Ｖの電位に調整された状態になる。このとき、転送ゲート電極７下の転送チャネル３が約４Ｖの電位に調整されているので、転送ゲート電極７下の転送チャネル３に転送された電子が増倍ゲート電極８下の転送チャネル３に転送される。その後、転送ゲート電極７をオフ状態にすることにより、転送ゲート電極７下の転送チャネル３が約１Ｖの電位に調整された状態になる。

次に、図１２の期間Ｂにおいて、図１３に示すように、転送ゲート電極９をオン状態にするとともに、増倍ゲート電極８をオフ状態にすることにより、転送ゲート電極９下の転送チャネル３が約４Ｖの電位に調整された状態となるとともに、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３が約１Ｖの電位に調整された状態になる。このため、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３に蓄積された電子は、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３の電位（約１Ｖ）よりも高い（約４Ｖ）に調整されている転送ゲート電極９下の転送チャネル３へと転送される。

次に、図１２の期間Ｃにおいて、図１３に示すように、転送ゲート電極１０をオン状態にするとともに、転送ゲート電極９をオフ状態にすることにより、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３が約４Ｖの電位に調整された状態となるとともに、転送ゲート電極９下の転送チャネル３が約１Ｖの電位に調整された状態になる。このため、転送ゲート電極９下の転送チャネル３に転送された電子は、転送ゲート電極９下の転送チャネル３の電位（約１Ｖ）よりも高い電位（約４Ｖ）に調整されている転送ゲート電極１０下の転送チャネル３へと転送される。これにより、フォトダイオード部４から転送された電子が一時的に転送ゲート電極１０下の転送チャネル３（電子蓄積部（一時的蓄積井戸）３ａ）に蓄積される。その後、後述する電子の増倍動作が複数回（たとえば、約４００回）繰り返し行われる。これにより、フォトダイオード部４から転送された電子が約２０００倍に増倍される。

次に、図１２の期間Ｄにおいて、図１３に示すように、電子が一時的に転送ゲート電極１０下の転送チャネル３（電子蓄積部３ａ）に蓄積された状態で、読出ゲート電極１１をオン状態にするとともに、転送ゲート電極１０をオフ状態にすることにより、読出ゲート電極１１下の転送チャネル３が約４Ｖの電位に調整された状態となるとともに、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３が約１Ｖの電位に調整された状態となる。このため、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３（電子蓄積部３ａ）に蓄積された電子は、約４Ｖの電位に調整された読出ゲート電極１１下の転送チャネル３を介して、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３の電位（約１Ｖ）よりも高い電位（約５Ｖ）に調整されているフローティングディフュージョン領域５へと転送される。

図１４は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の、電子の増倍動作を説明するための信号波形図である。図１５は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００の、電子の倍増動作を説明するためのポテンシャル図である。次に、図１４および図１５を参照して、本実施の形態に係る撮像装置１００の、電子の増倍動作について説明する。

まず、電子の倍増動作は、図１３の期間Ｃの転送動作の後、図１４の期間Ｅにおいて、図１５に示すように、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３（電子蓄積部３ａ）に電子が蓄積された状態で、増倍ゲート電極８をオン状態にすることにより、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３（電子倍増部３ｂ）が約２５Ｖの高い電位に調整された状態となる。

次に、図１４の期間Ｆにおいて、図１５に示すように、転送ゲート電極９をオン状態にするとともに、転送ゲート電極１０をオフ状態にすることにより、転送ゲート電極９下の転送チャネル３が約４Ｖの電位に調整された状態となるとともに、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３が約１Ｖの電位に調整された状態となる。このため、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３に蓄積された電子は、転送ゲート電極１０下の転送チャネル３の電位（約１Ｖ）よりも高い電位（約４Ｖ）に調整されている転送ゲート電極９下の転送チャネル３へと転送される。また、転送ゲート電極９下の転送チャネル３に転送された電子は、転送ゲート電極９下の転送チャネル３の電位（約４Ｖ）よりも高い電位（約２５Ｖ）に調整されている増倍ゲート電極８下の転送チャネル３へと転送される。そして、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３（電子倍増部３ｂ）に転送された電子が増倍ゲート電極８下の転送チャネル３と転送ゲート電極９下の転送チャネル３との境界部を移動中に高電界からエネルギを得る。そして、高いエネルギを有する電子は、シリコン原子と衝突して電子と正孔とを生成する。その後、衝突電離により生成された電子は、電界により増倍ゲート電極８下の転送チャネル３（電子倍増部３ｂ）に蓄積される。

次に、図１４の期間Ｇにおいて、図１５に示すように、転送ゲート電極９をオフ状態にすることにより、転送ゲート電極９下の転送チャネル３が約１Ｖの電位に調整された状態になる。

次に、上記した図１３の期間ＢおよびＣの電子の転送動作を行うことにより、増倍ゲート電極８下の転送チャネル３(電子倍増部(電荷集積井戸）３ｂ)に蓄積された電子が転送ゲート電極１０下の転送チャネル３（電子蓄積部（一時的蓄積井戸）３ａ）に転送される。その後、上記した期間Ｅ〜Ｇの増倍動作および期間ＢおよびＣの転送動作を複数回（たとえば、約４００回）繰り返し行うことにより、フォトダイオード部４から転送された電子が約２０００倍に増倍される。

以上説明したように本実施の形態によれば、第１画素５０から出力される第１画素信号から、第２画素５０から出力される第２画素信号を減算することにより、転送チャネル３に漏れ込んだ光に起因するノイズの影響を低減することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上記実施の形態では、転送チャネル３で電子増倍するタイプのＣＭＯＳイメージセンサについて説明したが、転送チャネル３で電子増倍しない一般的なＣＭＯＳイメージセンサについても、本発明が適用可能である。また、ＣＣＤイメージセンサについても本発明が適用可能である。ＣＣＤイメージセンサでは、各画素５０のフォトダイオード部４に蓄積された電荷は、転送チャネル３を経由した後、隣の画素に電荷のままの状態でバケツリレーの要領で順次転送され、撮像部５１の外で電圧に変換される。ＣＣＤイメージセンサについても、各画素５０内の転送チャネル３に漏れ込む光に起因するノイズをキャンセルするという本発明の原理を適用できることに変わりない。

また、上記実施の形態では減算部６１および画素信号記憶部６２を信号処理部６０内に設ける構成を説明したが、減算部６１および画素信号記憶部６２を列毎に設けてもよい。

また、上記実施の形態でおいて第１画素信号と第２画素信号をそれぞれ別のフレーム期間で取得する例を説明したが、その説明では第１画素信号を取得するフレーム期間と第２画素信号を取得するフレーム期間が同じ時間であることを前提した。この点、それぞれのフレーム期間が異なる時間の場合、減算部６１はつぎのように演算する。まず、減算部６１は、第２フレーム期間で取得される第２画素信号を第２フレーム期間の時間で割ることにより、単位時間あたりの第２画素信号を算出する。つぎに、減算部６１は第１フレーム期間で取得される第１画素信号から、算出された単位時間あたりの第２画素信号に第１フレーム期間の時間を掛けた信号を減算する。これにより、第１フレーム期間の時間と第２フレーム期間の時間が異なっていても、第１画素信号から精度よくノイズを除去することができる。

本発明の実施の形態に係る撮像装置の全体構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る撮像装置の、撮像部に含まれる画素の断面図（一般）である。本発明の実施の形態に係る撮像装置の、撮像部に含まれる画素の断面図（具体）である。本発明の実施の形態に係る撮像装置の、撮像部に含まれる画素の平面図である。本発明の実施の形態に係る撮像装置の回路構成図（信号処理部の構成を除く）である。第１画素を模式的に示す図である。第２画素（その１）を模式的に示す図である。第２画素（その２）を模式的に示す図である。第２画素（その３）を模式的に示す図である。撮像部内に設定される第２画素の配置例（その１）を示す図である。撮像部内に設定される第２画素の配置例（その２）を示す図である。本発明の実施の形態に係る撮像装置の、電子の転送動作を説明するための信号波形図である。本発明の実施の形態に係る撮像装置の、電子の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。本発明の実施の形態に係る撮像装置の、電子の増倍動作を説明するための信号波形図である。本発明の実施の形態に係る撮像装置の、電子の倍増動作を説明するためのポテンシャル図である。

符号の説明

５０画素、５１撮像部、５２行選択レジスタ、５３列選択レジスタ、５４アンプ、６０信号処理部、６１減算部、６２画素信号記憶部、６３露光時間制御部、６４画素信号予測部、１００撮像装置。

Claims

光検出部と、遮光された転送チャネルとを含み、前記光検出部において光電変換された電荷を前記転送チャネルを経由して外部に出力する第１画素および第２画素と、
前記光検出部が有効な状態の第１画素から出力される第１画素信号から、前記光検出部が無効な状態の第２画素から出力される第２画素信号を減算する減算部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
前記第２画素に含まれる光検出部は、露光時間がゼロに設定されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記第２画素に含まれる光検出部は、遮光されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
光検出部と、遮光された転送チャネルとを含み、前記光検出部において光電変換された電荷を前記転送チャネルを経由して外部に出力する第１画素と、
前記第１画素と前記光検出部を含まない以外、実質的に同じ構造の第２画素と、
前記第１画素から出力される第１画素信号から、前記第２画素から出力される第２画素信号を減算する減算部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
前記減算部は、所定のフレーム期間に生成された前記第１画素信号から、別のフレーム期間に生成された前記第２画素信号を減算することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
前記第２画素に隣接または近接する複数の第１画素から出力される第１画素信号から、前記第２画素に有効な状態の光検出部が存在したならば前記第２画素から出力されるべき画素信号を予測する画素信号予測部をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
前記第１画素および前記第２画素を含む撮像部が複数の領域に分割され、前記領域ごとに前記第２画素が少なくとも一つ設定され、
前記減算部は、前記領域単位で、前記第１画素から出力される第１画素信号から、前記第２画素から出力される第２画素信号を減算することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
前記転送チャネルは、前記光検出部において光電変換された電子を増倍することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の撮像装置。