JP3711072B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換部と、光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、信号電荷を検出する電荷検出部とを有する固体撮像素子を使用した撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体撮像素子として、インターライン転送方式のＣＣＤ撮像素子が知られている。このＣＣＤ撮像素子は、行列状に２次元配置され、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する複数個の光電変換素子（画素）と、光電変換素子の垂直列毎に設けられ、各光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤから転送される１ライン（行）分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤと、水平ＣＣＤによって転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する電荷検出部とを有している。
【０００３】
このＣＣＤ撮像素子の電荷検出部は、水平ＣＣＤから順次転送された信号電荷を信号電圧（電気信号）に変換するフローティングディフュージョン（ＦＤ）部と、電荷を排出するリセットドレイン（ＲＤ）部と、フローティングディフュージョン部内の電荷をリセットドレイン部に掃き捨てるリセットゲート（ＲＧ）部と、ソースホロア回路とからなるフローティングディフュージョンアンプ構成となっている。
【０００４】
図１２に、従来のＣＣＤ撮像素子の電荷検出部周辺の概略構成を示す。図１２には、水平ＣＣＤの最終転送段５、出力ゲート部４、フローティングディフュージョン部１、リセットゲート部３、リセットドレイン部２の断面構造を模式的に示し、ソースホロア回路６を回路図で示してある。ｎ型半導体基板１１上のｐウェル１２には、電荷転送路１３、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１４及びリセットドレイン領域１５が形成されている。また、電荷転送路１３の表面には水平ＣＣＤの転送ゲート５１、５２と出力ゲート４１が、フローティングディフュージョン領域１４とリセットドレイン領域１５の間にはリセット電極３０が、絶縁膜２０を介して形成されている。そして、フローティングディフュージョン領域１４は、ソースホロア回路６と接続される。
【０００５】
図１２のように構成された出力部においては、フローティングディフュージョン領域１４の信号電荷の変化量をΔＱ、電圧変化をΔＶ、静電容量をＣとすると、ΔＶ＝ΔＱ／Ｃとなり、ソースホロア回路６から出力される信号電圧の感度（電荷検出感度）は、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量Ｃに依存する。フローティングディフュージョン領域１４の静電容量Ｃは、フローティングディフュージョン部１及びその周辺部の構造に依存し、一定であるので、出力部の電荷検出感度は一定である。
【０００６】
したがって、高感度の撮影を行うために静電容量Ｃを小さくして電荷検出感度を上げた構造とすると、一定光量以上の入射光量に対する信号出力が一定となり、ダイナミックレンジが狭くなるという問題がある。電荷検出部の電荷検出感度を可変とすることにより、ダイナミックレンジを拡大するものとして、特開平１１−３３１７０６号公報に記載された固体撮像素子がある。
【０００７】
特開平１１−３３１７０６号公報に記載された固体撮像素子は、１画素読出しモードと複数画素読出しモードとで、電荷検出部の電荷検出感度を変更するものであり、電荷検出感度の変更を、事実上フローティングディフュージョン領域の大きさを変更することにより行うものである。この固体撮像素子は、ほぼ図１２に示したものと同様の構成を有し、フローティングディフュージョン領域とリセットドレイン領域の間に互いに隣接して複数のリセットゲートを設けている。そして、複数のリセットゲートを選択的に駆動して、フローティングディフュージョン領域の大きさを変更し、フローティングディフュージョン領域の静電容量Ｃを変更している。例えば、フローティングディフュージョン領域側のリセットゲートをリセットレベルに保持し、他のリセットゲートで電荷の蓄積、排出を制御するようにすると、リセットレベルに保持したリセットゲートの下方部分が事実上フローティングディフュージョン領域として機能するため、静電容量が増加し、電荷検出感度を低くすることができる。
【０００８】
しかし、上記固体撮像素子のリセットゲート部は、表面チャネル型であるので、Ｓ／Ｎが悪化するという問題点がある。すなわち、リセットゲートの下方部分を電荷が蓄積されるフローティングディフュージョン領域として使用するため、この領域の電荷が半導体表面のトラップに捕獲されて、リセット時でも蓄積信号電荷のリセットがスムーズに行われず、トラップされた電荷がフローティングディフュージョン領域に再度流入して出力信号に影響を及ぼす場合がある。
【０００９】
また、特開平１１−３３１７０６号公報には、上記固体撮像素子を撮像デバイスとして使用した、１画素読み出しモードと複数画素読み出しモードとを切り換え可能なカメラシステムが記載されているだけであり、このカメラシステムは、電荷検出感度が可変であるという特性を充分利用しているとはいえないものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、簡単な構成で電荷検出感度を変更することができる固体撮像素子を提供するものである。また、電荷検出感度の変更が可能な固体撮像素子を使用して、状況に応じて最適な撮像信号を得ることができる撮像装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、固体撮像素子と前記固体撮像素子に対する駆動信号を出力する駆動部を有する撮像装置であって、前記固体撮像素子は、光電変換部と、前記光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、前記信号電荷を検出する電荷検出部とを有し、前記電荷検出部は、前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部の電荷を排出するリセットドレイン部と、前記フローティングディフュージョン部と前記リセットドレイン部との間に設けられた埋め込みチャネル型リセットゲート部とを含み、前記リセットゲート部は、チャネル方向に互に隣接して設けられた、それぞれ独立して駆動可能な複数のリセット電極を有し、前記駆動部は、前記信号電荷がフローティングディフュージョン部から排出される前に、前記フローティングディフュージョン部に近い側の前記リセット電極の電位を、リセット電位とバリア電位との間で変化させるものである。このように構成すると、撮影画像信号のダイナミックレンジを広げることができる。また、本発明の撮像装置に使用する固体撮像素子は、半導体表面のトラップに捕獲された電荷がフローティングディフュージョン領域に再度流入して出力信号に影響を及ぼすことがなく、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、簡単な構成で電荷検出感度を変更することができる。
【００１６】
本発明の撮像装置における前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、信号電荷が有する色情報に応じて変化させるものである。また、前記色情報に応じた駆動パターンは、ホワイトバランスの調整時に利用されるものである。このように構成すると、ホワイトバランス処理を効率よく行うことができる。
【００１７】
本発明の撮像装置における前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、撮影画面毎に変化させるものである。このように構成すると、複数画面を合成して１画面を作る処理において、撮影画像信号のダイナミックレンジを広げることができる。
【００１８】
本発明の撮像装置における前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、撮像対象に応じて変化させるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の固体撮像素子の電荷検出部周辺の概略構成を示す図である。図１の固体撮像素子は、水平ＣＣＤ（転送路）の最終転送段５、出力ゲート部４、フローティングディフュージョン部１、リセットゲート部３、リセットドレイン部２、ソースホロア回路６を含み、リセットゲート部３を除き、図１２に示した撮像素子と同様の構成を有する。リセットゲート部３は、ｐウェル１２のフローティングディフュージョン領域１４とリセットドレイン領域１５の間に形成されたｎ型埋め込み領域１６と、埋め込み領域１６表面に絶縁膜２０を介して形成されたリセット電極３１、３２を含む。リセット電極３１、３２は、リセットゲート部３のチャネル方向に互に隣接して設けられ、独立して駆動可能なものである。
【００２０】
図１に示す固体撮像素子の駆動方法について説明する。固体撮像素子を高感度で駆動させる場合、図２に示すように、リセットドレイン部２側のリセット電極３２の端子ＲＳ２をハイレベル（リセットレベル）に固定し、フローティングディフュージョン部１側のリセット電極３１の端子ＲＳ１を、電荷転送部の駆動パルスＨlastに同期させて駆動する。このように駆動すると、端子ＲＳ２がハイレベルの時にリセット動作が行われた後、駆動パルスＨlastがローレベル（バリアレベル）になると、電荷転送路から信号電荷がフローティングディフュージョン領域１４に転送される。
【００２１】
この時の電荷検出部周辺のポテンシャル分布を図５（ｂ）に示す。この状態では、フローティングディフュージョン領域１４にのみ転送された信号電荷が蓄積されるので、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量は、フローティングディフュージョン部１の構造に依存したものとなり、この静電容量は、一般に小さい。したがって、フローティングディフュージョン領域１４と接続されたソースホロア回路６の端子Ｓから出力される電荷検出出力（ＣＣＤ ＯＵＴ）は、高い電荷検出感度で出力される。そして、この出力は、アナログ信号処理を経てデジタル信号処理を行うＤＳＰ（図示せず）に取り込まれる。
【００２２】
これに対して、固体撮像素子を低感度で駆動させる場合、図３に示すように、端子ＲＳ１をハイレベル（リセットレベル）に固定し、端子ＲＳ２を、電荷転送部の駆動パルスＨlastに同期させて駆動する。このように駆動すると、電荷転送路から信号電荷がフローティングディフュージョン領域１４に転送される時の電荷検出部周辺のポテンシャル分布は、図５（ａ）に示すものとなる。この状態では、転送された信号電荷がフローティングディフュージョン領域１４だけでなく、リセット電極３１下方部分にも蓄積されるので、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量は、図５（ｂ）の状態に比較して大きくなる。したがって、ソースホロア回路６の端子Ｓから出力される電荷検出出力（ＣＣＤ ＯＵＴ）は、図２の場合より低い電荷検出感度で出力される。
【００２３】
図３に示すような駆動を行うと、リセット電極３１の下方部分にも信号電荷が蓄積される。図１の固体撮像素子は、リセット電極３１、３２の下方部分にｎ型埋め込み領域１６を形成し、リセットゲート部３を埋め込みチャネル構造としてあるので、電荷は基板表面より若干深い部分蓄積される。したがって、リセット電極３２の端子ＲＳ２をハイレベルにしてリセット動作を行うと、蓄積された信号電荷をスムーズにリセットドレイン領域に排出することができ、トラップされた電荷がフローティングディフュージョン領域１４に再度流入して電荷検出出力に影響を及ぼすような状態の発生を避けることができる。
【００２４】
図１に示す固体撮像素子は、図２及び図３に示すようにリセット電極３１及び３２を個別に駆動して、電荷検出感度を変更するだけでなく、リセット電極３１及び３２を同時に駆動して、電荷検出出力にニー特性を持たせることもできる。
【００２５】
電荷検出感度にニー特性を持たせる場合、図４に示すように、端子ＲＳ１と端子ＲＳ２を、電荷転送部の駆動パルスＨlastに同期させて同時に駆動する。ただし、端子ＲＳ２は、図３の場合と同様、ハイレベルがリセットレベルとなり、ローレベルがバリアレベルとなるように駆動されるが、端子ＲＳ１は、ハイレベルがリセットレベルとなり、ローレベルがリセットレベルとバリアレベルの中間電位となるように駆動される。このような駆動をした場合、電荷転送路から信号電荷がフローティングディフュージョン領域１４に転送される時の電荷検出部周辺のポテンシャル分布は、図５（ｃ）に示すものとなる。図から明らかなように、転送される信号電荷が一定量以下の場合は、フローティングディフュージョン領域１４のみに蓄積されるので、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量は小さく、電荷検出感度は大となる。転送される信号電荷が一定量を超えると、リセット電極３１の下方部分にも蓄積されるため、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量が大きくなり、電荷検出感度は小となる。
【００２６】
したがって、信号電荷（入射光量）が少ない場合は検出感度が大で、信号電荷が大きい場合は検出感度が小となるニー特性を有する撮像信号を得ることができる。また、端子ＲＳ１の駆動信号の中間レベルを変化させると、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量が小さくなる蓄積電荷量が変化するので、検出感度を小さくする信号電荷量を任意に制御することができる。
【００２７】
図１の固体撮像素子は、埋め込み領域１６表面に絶縁膜２０を介して２つのリセット電極３１、３２を設けているが、リセット電極の数は、２つに限らない。図６は、リセット電極を３つ設けた固体撮像素子の電荷検出部断面とポテンシャル分布を示す図である。図６の固体撮像素子は、リセット電極３２に隣接してさらに別のリセット電極３３を有する他は、図１の固体撮像素子と同様である。
【００２８】
駆動方法も図１の固体撮像素子を同様であり、リセット電極３１、３２、３３のいずれか１つを、電荷転送部の駆動パルスＨlastに同期させて駆動し、残りのリセット電極をリセットレベルに固定すると、高感度、中感度、低感度の３段階の電荷検出感度で電荷検出出力を得ることができる。その場合の、電荷検出部周辺のポテンシャル分布を、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。
【００２９】
図６（ａ）は、リセット電極３１の端子ＲＳ１とリセット電極３２の端子ＲＳ２をリセットレベルに固定し、リセット電極３３の端子ＲＳ３を駆動パルスＨlastに同期させて駆動する場合のポテンシャル分布を示す。この場合、転送された信号電荷がリセット電極３１、３２の下方部分にも蓄積されるので、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量は大きくなり、電荷検出感度は低くなる。端子ＲＳ２と端子ＲＳ３をリセットレベルに固定し、端子ＲＳ１を駆動パルスＨlastに同期させて駆動する場合、図６（ｃ）に示すポテンシャル分布となり、図５（ｂ）と同様、高い電荷検出感度が得られる。また、端子ＲＳ１と端子ＲＳ３をリセットレベルに固定し、端子ＲＳ２を駆動パルスＨlastに同期させて駆動すると、図６（ｂ）に示すポテンシャル分布となり、図から明らかなように、図６（ａ）の場合の感度と図６（ｃ）の場合の感度の中間の電荷検出感度が得られる。
【００３０】
また、リセット電極３１と３２、又はリセット電極３２と３３、あるいは３つのリセット電極３１、３２、３３を同時に駆動して、図１の固体撮像素子と同様、電荷検出出力にニー特性を持たせることもできる。図６（ｄ）は、端子ＲＳ３をリセットレベルに固定し、端子ＲＳ１と端子ＲＳ２を駆動パルスＨlastに同期させて駆動する場合のポテンシャル分布を示す。図から明らかなように、この場合、図１の固体撮像素子を図４に示すような駆動する場合と同様の特性が得られる。３つのリセット電極３１、３２、３３を同時に駆動する場合、図６（ｅ）に示すポテンシャル分布となり、電荷検出感度が２箇所で変化するニー特性が得られる。
【００３１】
以上説明したように、本発明の固体撮像素子は、電荷検出感度を変更することができるが、リセット電極の大きさ、埋め込み領域１６の誘電率等制御することによって、その大きさも任意のものに設計可能である。したがって、駆動するリセット電極に応じて、電荷検出感度を等比級数的に変化させると、後述するように、同一の画素の検出出力を複数の検出感度で求めて信号処理をする場合、簡単な演算で、広ダイナミックレンジの画像信号を得ることができる。例えば、図６（ａ）及び（ｂ）の場合の電荷検出感度を、図６（ｃ）の場合の電荷検出感度の１／４、及び１／１６となるように設計する。
【００３２】
次に、図１又は図６に示す固体撮像素子を使用した撮像装置について、説明する。図７は、固体撮像素子を使用した撮像装置の１つであるデジタルカメラの概略構成を示す図である。図７のデジタルカメラは、レンズ部１１０、固体撮像素子１２０、及び駆動部１３０を含む撮像部、アナログ信号処理部１４０、Ａ／Ｄ変換部１５０、デジタル信号処理部１６０、画像メモリ１７０、及び圧縮伸張処理部１８０を含む信号処理部、メディアインタフェース２００及び画像モニタ２１０を含む出力部、操作部２２０、並びにデジタルカメラ全体を制御する制御部１９０を含んで構成される。
【００３３】
レンズ部１１０を通った光は、図１又は図６に示す固体撮像素子１２０の上に焦点を結び、入射光の光量に応じた信号電荷が複数個の光電変換素子に蓄積される。その際、駆動部３を介してレンズ部１及び図示しない絞りの制御が行われる。固体撮像素子１２０は、撮影モード時は、所定のタイミングで、タイミングジェネレータ（図示せず）を含む駆動部１３０によって駆動され、信号電荷に応じた撮影画像信号を出力しする。そして、操作部２２０のレリーズボタン（図示せず）の押下を契機として、撮影処理が行われる。
【００３４】
駆動部１３０は、制御部１９０の制御のもと、レンズ部１１０の駆動信号及び固体撮像素子１２０の駆動信号を出力する。この駆動信号は、レンズ部１１０及び固体撮像素子１２０を直接駆動する信号でも、直接駆動する信号に対する制御信号でもよい。例えば、固体撮像素子のリセット電極に印加するリセット信号の場合、電圧レベルが制御された信号を出力してよいし、タイミング信号のみを出力して電圧レベルは固体撮像素子内部又は外部で作成したものを利用するようにしてもよい。駆動部１３０による固体撮像素子１２０の駆動については後述する。
【００３５】
撮影画像信号は、アナログ信号処理部１４０によってアナログ信号処理された後、Ａ／Ｄ変換部１５０でデジタル信号に変換され、デジタル信号処理部１６０によるデジタル信号処理を経て画像メモリ１７０に一時的に記録される。デジタル信号処理部１６０が行う処理には、ホワイトバランス調整、Ｙ／Ｃ処理、γ補正処理等が含まれる。デジタル画像処理を経た撮影画像情報に基づく画像を、画像モニタ２１０に表示する場合は、画像メモリ１７０の内容を読み出して画像モニタ２１０に送られる。レリーズボタンの押下により撮影処理が行われる場合、画像メモリ１７０の撮影画像情報は、圧縮伸張処理部１８０で圧縮処理され、メディアインタフェース２００を経て、図示しないメモリカード等の記録メディアに記録される。
【００３６】
記録メディアに記録された画像情報に基づく画像を画像モニタ２１０に表示させる場合は、記録メディアから読取った画像情報を圧縮伸張処理部１８０で伸張処理して出力用メモリ１７０に書込み、画像モニタ２１０に送る。
【００３７】
これらの動作は、操作部２２０からの操作信号に応じて、システム制御部１９０の制御のもとに行われる。システム制御部１９０は、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、内部にプログラム、動作に必要な各種データを記憶するメモリ、及びワークメモリを備える。
【００３８】
操作部１２は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うもので、撮影時の撮影方法、撮影条件、撮影画像情報の処理方法の設定、及びメディアに記憶した画像情報に対する指示操作（例えば表示、情報付加等）を行う。操作部１２は、それぞれの機能に対応する操作部材を設けてもよいが、画像モニタ１１の表示と連動して操作部材を共用してもよい。
【００３９】
続いて、駆動部１３０による固体撮像素子１２０の駆動について説明する。駆動部１３０は、次の（１）〜（５）に示す駆動信号（駆動パターン）の内の、１又は複数のものを制御部１９０の制御に基づいて出力するように構成される。
【００４０】
（１）電荷検出感度の選択
図１に示す固体撮像素子を利用した場合は２段階、図６に示す固体撮像素子を利用した場合は３段階の電荷検出感度を選択することができる。この場合、図２、図３、図５（ａ）（ｂ）及び図６（ａ）（ｂ）（ｃ）を用いて説明したように、複数のリセット電極の内のいずれか１つを、転送信号に同期して駆動し、他のリセット電極は、リセットレベルに固定する。
【００４１】
（２）ニー特性の付加
電荷検出感度にニー特性を付加する場合は、図４、図５（ｃ）及び図６（ｄ）（ｅ）を用いて説明したように、フローティングディフュージョン部１に近い側に配置された少なくとも１つのリセット電極を、リセット電位と、リセット電位及びバリア電位の間の中間電位との間で、残りのリセット電極と同期して駆動する。１段階のニー特性を得る場合は、図１の固体撮像素子を利用して、リセット電極３１をリセット電位及びバリア電位の間の中間電位との間で、リセット電極３２とともに電荷転送部の駆動パルスに同期させて駆動する（図５（ｃ）参照）。また、図６の固体撮像素子を利用し、リセット電極３３をリセットレベルに固定し、リセット電極３１と３２を図１のものと同様に駆動してもよい（図６（ｄ）参照）。２段階のニー特性を得る場合は、図６に示す固体撮像素子を利用し、リセット電極３１と３２をリセット電位及びバリア電位の間の中間電位との間で、リセット電極３３とともに電荷転送部の駆動パルスに同期させて駆動する（図６（ｅ）参照）。なお、この場合、リセット電極３１の中間電位は、リセット電極３２の中間電位よりも高く設定される。
【００４２】
（３）画素の色情報に応じた検出感度の変更
光電変換素子で検出された信号電荷が有する色情報に応じて、画素毎に電荷検出感度を変更することもできる。その場合の、固体撮像素子の駆動信号の例を図８及び図９に示す。
【００４３】
図８は、図１に示す固体撮像素子を利用した場合の例で、色情報が緑（Ｇ）の画素を低感度で、色情報が赤（Ｒ）と青（Ｂ）の画素を高感度で検出するものである。図８のＲＳ１及びＲＳ２に示すようなパターンでリセット電極３１及び３２を駆動すると、図から明らかなように、色情報が緑（Ｇ）の画素の検出時は、リセット電極３１がリセットレベルになっているので、低感度となり、色情報が赤（Ｒ）と青（Ｂ）の画素の検出時は、リセット電極がバリア電極となっているので、高感度となる。
【００４４】
図９は、図６に示す固体撮像素子を利用した場合の例で、色情報が緑（Ｇ）の画素を低感度で、色情報が赤（Ｒ）の画素を中感度で、青（Ｂ）の画素を高感度で検出するものである。図から明らかなように、色情報毎にバリア電極として動作する電極が異なり、電荷検出感度が３段階に変化する。
【００４５】
色情報による電荷検出感度の変更は、ホワイトバランスを調整する機能に利用することができる。すなわち、撮影画像信号のホワイトバランスを調整する場合、色毎の電荷検出信号の差が大きい場合には、ホワイトバランスが取りにくいので、色毎の電荷検出を変更してホワイトバランスが取り易い撮影画像信号とするものである。
【００４６】
（４）１画素２信号の検出
１画素につき、複数の感度で検出した撮影画像信号を取得する場合、フローティングディフュージョン部１に蓄積された信号電荷がリセットドレイン部２に排出される前に、リセット電極の駆動パターンを変更し、変更の前後で２回、検出出力をＤＳＰに取り込む。
【００４７】
図１０は、高検出感度で検出後、低検出感度とする場合の駆動信号のタイミングチャートである。リセット電極３１と３２をリセットレベルにして蓄積電荷排出後、リセット電極３１と３２をともにバリアレベルにして高感度の検出を行い、次いで、リセット電極３１のみをリセットレベルにして、低感度の検出を行う。また、図１１は、低感度で検出後、高感度とする場合の駆動信号のタイミングチャートである。この場合、蓄積電荷排出後、リセット電極３２のみをバリアレベルにして、低感度の検出を行い、続いてリセット電極３１もバリアレベルとして、高感度の検出を行う。どちらの方法を用いてもよいが、電荷量が多い場合は、先に高感度検出を行うと、飽和量を超えた電荷が排出されるので、低感度検出を先にするのが好ましい。
【００４８】
１画素について複数の検出感度で検出すると、その検出信号を感度に合わせて加算することにより、ダイナミックレンジの広い撮像信号を得ることができる。また、その場合、固体撮像素子の電荷検出感度を、等比級数的に変化させると、例えば、低感度を高感度の１／４あるいは１／１６となるように設計すると、加算した撮像信号を演算する場合の演算が簡単になる。
【００４９】
（５）撮影画面毎の検出感度の変更
電荷検出感度の変更は、撮影画面毎に変更することもできる。この場合、複数画面の対応が素毎に加算処理を行うことにより、上記（４）のものと同様、ダイナミックレンジの広い撮像信号を得ることができる。
【００５０】
なお、上記した（１）〜（５）の駆動信号（駆動パターン）は、自動的に又は操作部２２０による設定された撮影モード（撮影対象、撮影状況）によって、選択される。例えば、ニー特性の付加及び付加するニー特性のパターンは、撮影状況（夜間撮影、照明の状態）等によって選択される。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、簡単な構成で電荷検出感度を変更することができる固体撮像素子を提供することができる。また、電荷検出感度の変更が可能な固体撮像素子を使用して、状況に応じて最適な撮像信号を得ることができる撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の固体撮像素子の電荷検出部周辺の概略構成を示す図
【図２】図１の固体撮像素子を高感度で駆動する場合のタイミングチャート
【図３】図１の固体撮像素子を低感度で駆動する場合のタイミングチャート
【図４】図１の固体撮像素子をニー特性を持たせて駆動する場合のタイミングチャート
【図５】図１の固体撮像素子の電荷検出部周辺のポテンシャル分布を示す図
【図６】３つのリセット電極を有する固体撮像素子の電荷検出部周辺のポテンシャル分布を示す図
【図７】デジタルカメラの概略構成を示す図
【図８】色情報毎に２段階に電荷検出感度を変更して駆動する場合のタイミングチャート
【図９】色情報毎に３段階に電荷検出感度を変更して駆動する場合のタイミングチャート
【図１０】同一画素内で電荷検出感度を変更して駆動する場合のタイミングチャートの一例
【図１１】同一画素内で電荷検出感度を変更して駆動する場合のタイミングチャートの他の例
【図１２】従来のＣＣＤ撮像素子の電荷検出部周辺の概略構成を示す図
【符号の説明】
１・・・フローティングディフュージョン部
２・・・リセットドレイン部
３・・・リセットゲート部
４・・・出力ゲート部
５・・・水平ＣＣＤ（転送路）の最終転送段
６・・・ソースホロア回路
１１・・・ｎ型半導体基板
１２・・・ｐウェル
１３・・・電荷転送路
１４・・・フローティングディフュージョン領域
１５・・・リセットドレイン領域
１６・・・埋め込み領域
２０・・・絶縁膜
３０、３１、３２、３３・・・リセット電極
５１、５２・・・転送ゲート
１１０・・・レンズ部
１２０・・・固体撮像素子
１３０・・・駆動部
１４０・・・アナログ信号処理部
１５０・・・Ａ／Ｄ変換部
１６０・・・デジタル信号処理部
１７０・・・メモリ
１８０・・・圧縮伸張処理部
１９０・・・システム制御部
２００・・・メディアインタフェース
２１０・・・画像モニタ
２２０・・・操作部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換部と、光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、信号電荷を検出する電荷検出部とを有する固体撮像素子を使用した撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体撮像素子として、インターライン転送方式のＣＣＤ撮像素子が知られている。このＣＣＤ撮像素子は、行列状に２次元配置され、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する複数個の光電変換素子（画素）と、光電変換素子の垂直列毎に設けられ、各光電変換素子から読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤから転送される１ライン（行）分の信号電荷を水平転送する水平ＣＣＤと、水平ＣＣＤによって転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する電荷検出部とを有している。
【０００３】
このＣＣＤ撮像素子の電荷検出部は、水平ＣＣＤから順次転送された信号電荷を信号電圧（電気信号）に変換するフローティングディフュージョン（ＦＤ）部と、電荷を排出するリセットドレイン（ＲＤ）部と、フローティングディフュージョン部内の電荷をリセットドレイン部に掃き捨てるリセットゲート（ＲＧ）部と、ソースホロア回路とからなるフローティングディフュージョンアンプ構成となっている。
【０００４】
図１２に、従来のＣＣＤ撮像素子の電荷検出部周辺の概略構成を示す。図１２には、水平ＣＣＤの最終転送段５、出力ゲート部４、フローティングディフュージョン部１、リセットゲート部３、リセットドレイン部２の断面構造を模式的に示し、ソースホロア回路６を回路図で示してある。ｎ型半導体基板１１上のｐウェル１２には、電荷転送路１３、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１４及びリセットドレイン領域１５が形成されている。また、電荷転送路１３の表面には水平ＣＣＤの転送ゲート５１、５２と出力ゲート４１が、フローティングディフュージョン領域１４とリセットドレイン領域１５の間にはリセット電極３０が、絶縁膜２０を介して形成されている。そして、フローティングディフュージョン領域１４は、ソースホロア回路６と接続される。
【０００５】
図１２のように構成された出力部においては、フローティングディフュージョン領域１４の信号電荷の変化量をΔＱ、電圧変化をΔＶ、静電容量をＣとすると、ΔＶ＝ΔＱ／Ｃとなり、ソースホロア回路６から出力される信号電圧の感度（電荷検出感度）は、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量Ｃに依存する。フローティングディフュージョン領域１４の静電容量Ｃは、フローティングディフュージョン部１及びその周辺部の構造に依存し、一定であるので、出力部の電荷検出感度は一定である。
【０００６】
したがって、高感度の撮影を行うために静電容量Ｃを小さくして電荷検出感度を上げた構造とすると、一定光量以上の入射光量に対する信号出力が一定となり、ダイナミックレンジが狭くなるという問題がある。電荷検出部の電荷検出感度を可変とすることにより、ダイナミックレンジを拡大するものとして、特開平１１−３３１７０６号公報に記載された固体撮像素子がある。
【０００７】
特開平１１−３３１７０６号公報に記載された固体撮像素子は、１画素読出しモードと複数画素読出しモードとで、電荷検出部の電荷検出感度を変更するものであり、電荷検出感度の変更を、事実上フローティングディフュージョン領域の大きさを変更することにより行うものである。この固体撮像素子は、ほぼ図１２に示したものと同様の構成を有し、フローティングディフュージョン領域とリセットドレイン領域の間に互いに隣接して複数のリセットゲートを設けている。そして、複数のリセットゲートを選択的に駆動して、フローティングディフュージョン領域の大きさを変更し、フローティングディフュージョン領域の静電容量Ｃを変更している。例えば、フローティングディフュージョン領域側のリセットゲートをリセットレベルに保持し、他のリセットゲートで電荷の蓄積、排出を制御するようにすると、リセットレベルに保持したリセットゲートの下方部分が事実上フローティングディフュージョン領域として機能するため、静電容量が増加し、電荷検出感度を低くすることができる。
【０００８】
しかし、上記固体撮像素子のリセットゲート部は、表面チャネル型であるので、Ｓ／Ｎが悪化するという問題点がある。すなわち、リセットゲートの下方部分を電荷が蓄積されるフローティングディフュージョン領域として使用するため、この領域の電荷が半導体表面のトラップに捕獲されて、リセット時でも蓄積信号電荷のリセットがスムーズに行われず、トラップされた電荷がフローティングディフュージョン領域に再度流入して出力信号に影響を及ぼす場合がある。
【０００９】
また、特開平１１−３３１７０６号公報には、上記固体撮像素子を撮像デバイスとして使用した、１画素読み出しモードと複数画素読み出しモードとを切り換え可能なカメラシステムが記載されているだけであり、このカメラシステムは、電荷検出感度が可変であるという特性を充分利用しているとはいえないものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、簡単な構成で電荷検出感度を変更することができる固体撮像素子を提供するものである。また、電荷検出感度の変更が可能な固体撮像素子を使用して、状況に応じて最適な撮像信号を得ることができる撮像装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、固体撮像素子と前記固体撮像素子に対する駆動信号を出力する駆動部を有する撮像装置であって、前記固体撮像素子は、光電変換部と、前記光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、前記信号電荷を検出する電荷検出部とを有し、前記電荷検出部は、前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部の電荷を排出するリセットドレイン部と、前記フローティングディフュージョン部と前記リセットドレイン部との間に設けられた埋め込みチャネル型リセットゲート部とを含み、前記リセットゲート部は、チャネル方向に互に隣接して設けられた、それぞれ独立して駆動可能な複数のリセット電極を有し、前記駆動部は、前記信号電荷がフローティングディフュージョン部から排出される前に、前記フローティングディフュージョン部に近い側の前記リセット電極の電位を、リセット電位とバリア電位との間で変化させるものである。このように構成すると、撮影画像信号のダイナミックレンジを広げることができる。また、本発明の撮像装置に使用する固体撮像素子は、半導体表面のトラップに捕獲された電荷がフローティングディフュージョン領域に再度流入して出力信号に影響を及ぼすことがなく、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、簡単な構成で電荷検出感度を変更することができる。
【００１６】
本発明の撮像装置における前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、信号電荷が有する色情報に応じて変化させるものである。また、前記色情報に応じた駆動パターンは、ホワイトバランスの調整時に利用されるものである。このように構成すると、ホワイトバランス処理を効率よく行うことができる。
【００１７】
本発明の撮像装置における前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、撮影画面毎に変化させるものである。このように構成すると、複数画面を合成して１画面を作る処理において、撮影画像信号のダイナミックレンジを広げることができる。
【００１８】
本発明の撮像装置における前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、撮像対象に応じて変化させるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の固体撮像素子の電荷検出部周辺の概略構成を示す図である。図１の固体撮像素子は、水平ＣＣＤ（転送路）の最終転送段５、出力ゲート部４、フローティングディフュージョン部１、リセットゲート部３、リセットドレイン部２、ソースホロア回路６を含み、リセットゲート部３を除き、図１２に示した撮像素子と同様の構成を有する。リセットゲート部３は、ｐウェル１２のフローティングディフュージョン領域１４とリセットドレイン領域１５の間に形成されたｎ型埋め込み領域１６と、埋め込み領域１６表面に絶縁膜２０を介して形成されたリセット電極３１、３２を含む。リセット電極３１、３２は、リセットゲート部３のチャネル方向に互に隣接して設けられ、独立して駆動可能なものである。
【００２０】
図１に示す固体撮像素子の駆動方法について説明する。固体撮像素子を高感度で駆動させる場合、図２に示すように、リセットドレイン部２側のリセット電極３２の端子ＲＳ２をハイレベル（リセットレベル）に固定し、フローティングディフュージョン部１側のリセット電極３１の端子ＲＳ１を、電荷転送部の駆動パルスＨlastに同期させて駆動する。このように駆動すると、端子ＲＳ２がハイレベルの時にリセット動作が行われた後、駆動パルスＨlastがローレベル（バリアレベル）になると、電荷転送路から信号電荷がフローティングディフュージョン領域１４に転送される。
【００２１】
この時の電荷検出部周辺のポテンシャル分布を図５（ｂ）に示す。この状態では、フローティングディフュージョン領域１４にのみ転送された信号電荷が蓄積されるので、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量は、フローティングディフュージョン部１の構造に依存したものとなり、この静電容量は、一般に小さい。したがって、フローティングディフュージョン領域１４と接続されたソースホロア回路６の端子Ｓから出力される電荷検出出力（ＣＣＤ ＯＵＴ）は、高い電荷検出感度で出力される。そして、この出力は、アナログ信号処理を経てデジタル信号処理を行うＤＳＰ（図示せず）に取り込まれる。
【００２２】
これに対して、固体撮像素子を低感度で駆動させる場合、図３に示すように、端子ＲＳ１をハイレベル（リセットレベル）に固定し、端子ＲＳ２を、電荷転送部の駆動パルスＨlastに同期させて駆動する。このように駆動すると、電荷転送路から信号電荷がフローティングディフュージョン領域１４に転送される時の電荷検出部周辺のポテンシャル分布は、図５（ａ）に示すものとなる。この状態では、転送された信号電荷がフローティングディフュージョン領域１４だけでなく、リセット電極３１下方部分にも蓄積されるので、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量は、図５（ｂ）の状態に比較して大きくなる。したがって、ソースホロア回路６の端子Ｓから出力される電荷検出出力（ＣＣＤ ＯＵＴ）は、図２の場合より低い電荷検出感度で出力される。
【００２３】
図３に示すような駆動を行うと、リセット電極３１の下方部分にも信号電荷が蓄積される。図１の固体撮像素子は、リセット電極３１、３２の下方部分にｎ型埋め込み領域１６を形成し、リセットゲート部３を埋め込みチャネル構造としてあるので、電荷は基板表面より若干深い部分蓄積される。したがって、リセット電極３２の端子ＲＳ２をハイレベルにしてリセット動作を行うと、蓄積された信号電荷をスムーズにリセットドレイン領域に排出することができ、トラップされた電荷がフローティングディフュージョン領域１４に再度流入して電荷検出出力に影響を及ぼすような状態の発生を避けることができる。
【００２４】
図１に示す固体撮像素子は、図２及び図３に示すようにリセット電極３１及び３２を個別に駆動して、電荷検出感度を変更するだけでなく、リセット電極３１及び３２を同時に駆動して、電荷検出出力にニー特性を持たせることもできる。
【００２５】
電荷検出感度にニー特性を持たせる場合、図４に示すように、端子ＲＳ１と端子ＲＳ２を、電荷転送部の駆動パルスＨlastに同期させて同時に駆動する。ただし、端子ＲＳ２は、図３の場合と同様、ハイレベルがリセットレベルとなり、ローレベルがバリアレベルとなるように駆動されるが、端子ＲＳ１は、ハイレベルがリセットレベルとなり、ローレベルがリセットレベルとバリアレベルの中間電位となるように駆動される。このような駆動をした場合、電荷転送路から信号電荷がフローティングディフュージョン領域１４に転送される時の電荷検出部周辺のポテンシャル分布は、図５（ｃ）に示すものとなる。図から明らかなように、転送される信号電荷が一定量以下の場合は、フローティングディフュージョン領域１４のみに蓄積されるので、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量は小さく、電荷検出感度は大となる。転送される信号電荷が一定量を超えると、リセット電極３１の下方部分にも蓄積されるため、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量が大きくなり、電荷検出感度は小となる。
【００２６】
したがって、信号電荷（入射光量）が少ない場合は検出感度が大で、信号電荷が大きい場合は検出感度が小となるニー特性を有する撮像信号を得ることができる。また、端子ＲＳ１の駆動信号の中間レベルを変化させると、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量が小さくなる蓄積電荷量が変化するので、検出感度を小さくする信号電荷量を任意に制御することができる。
【００２７】
図１の固体撮像素子は、埋め込み領域１６表面に絶縁膜２０を介して２つのリセット電極３１、３２を設けているが、リセット電極の数は、２つに限らない。図６は、リセット電極を３つ設けた固体撮像素子の電荷検出部断面とポテンシャル分布を示す図である。図６の固体撮像素子は、リセット電極３２に隣接してさらに別のリセット電極３３を有する他は、図１の固体撮像素子と同様である。
【００２８】
駆動方法も図１の固体撮像素子を同様であり、リセット電極３１、３２、３３のいずれか１つを、電荷転送部の駆動パルスＨlastに同期させて駆動し、残りのリセット電極をリセットレベルに固定すると、高感度、中感度、低感度の３段階の電荷検出感度で電荷検出出力を得ることができる。その場合の、電荷検出部周辺のポテンシャル分布を、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。
【００２９】
図６（ａ）は、リセット電極３１の端子ＲＳ１とリセット電極３２の端子ＲＳ２をリセットレベルに固定し、リセット電極３３の端子ＲＳ３を駆動パルスＨlastに同期させて駆動する場合のポテンシャル分布を示す。この場合、転送された信号電荷がリセット電極３１、３２の下方部分にも蓄積されるので、フローティングディフュージョン領域１４の静電容量は大きくなり、電荷検出感度は低くなる。端子ＲＳ２と端子ＲＳ３をリセットレベルに固定し、端子ＲＳ１を駆動パルスＨlastに同期させて駆動する場合、図６（ｃ）に示すポテンシャル分布となり、図５（ｂ）と同様、高い電荷検出感度が得られる。また、端子ＲＳ１と端子ＲＳ３をリセットレベルに固定し、端子ＲＳ２を駆動パルスＨlastに同期させて駆動すると、図６（ｂ）に示すポテンシャル分布となり、図から明らかなように、図６（ａ）の場合の感度と図６（ｃ）の場合の感度の中間の電荷検出感度が得られる。
【００３０】
また、リセット電極３１と３２、又はリセット電極３２と３３、あるいは３つのリセット電極３１、３２、３３を同時に駆動して、図１の固体撮像素子と同様、電荷検出出力にニー特性を持たせることもできる。図６（ｄ）は、端子ＲＳ３をリセットレベルに固定し、端子ＲＳ１と端子ＲＳ２を駆動パルスＨlastに同期させて駆動する場合のポテンシャル分布を示す。図から明らかなように、この場合、図１の固体撮像素子を図４に示すような駆動する場合と同様の特性が得られる。３つのリセット電極３１、３２、３３を同時に駆動する場合、図６（ｅ）に示すポテンシャル分布となり、電荷検出感度が２箇所で変化するニー特性が得られる。
【００３１】
以上説明したように、本発明の固体撮像素子は、電荷検出感度を変更することができるが、リセット電極の大きさ、埋め込み領域１６の誘電率等制御することによって、その大きさも任意のものに設計可能である。したがって、駆動するリセット電極に応じて、電荷検出感度を等比級数的に変化させると、後述するように、同一の画素の検出出力を複数の検出感度で求めて信号処理をする場合、簡単な演算で、広ダイナミックレンジの画像信号を得ることができる。例えば、図６（ａ）及び（ｂ）の場合の電荷検出感度を、図６（ｃ）の場合の電荷検出感度の１／４、及び１／１６となるように設計する。
【００３２】
次に、図１又は図６に示す固体撮像素子を使用した撮像装置について、説明する。図７は、固体撮像素子を使用した撮像装置の１つであるデジタルカメラの概略構成を示す図である。図７のデジタルカメラは、レンズ部１１０、固体撮像素子１２０、及び駆動部１３０を含む撮像部、アナログ信号処理部１４０、Ａ／Ｄ変換部１５０、デジタル信号処理部１６０、画像メモリ１７０、及び圧縮伸張処理部１８０を含む信号処理部、メディアインタフェース２００及び画像モニタ２１０を含む出力部、操作部２２０、並びにデジタルカメラ全体を制御する制御部１９０を含んで構成される。
【００３３】
レンズ部１１０を通った光は、図１又は図６に示す固体撮像素子１２０の上に焦点を結び、入射光の光量に応じた信号電荷が複数個の光電変換素子に蓄積される。その際、駆動部３を介してレンズ部１及び図示しない絞りの制御が行われる。固体撮像素子１２０は、撮影モード時は、所定のタイミングで、タイミングジェネレータ（図示せず）を含む駆動部１３０によって駆動され、信号電荷に応じた撮影画像信号を出力しする。そして、操作部２２０のレリーズボタン（図示せず）の押下を契機として、撮影処理が行われる。
【００３４】
駆動部１３０は、制御部１９０の制御のもと、レンズ部１１０の駆動信号及び固体撮像素子１２０の駆動信号を出力する。この駆動信号は、レンズ部１１０及び固体撮像素子１２０を直接駆動する信号でも、直接駆動する信号に対する制御信号でもよい。例えば、固体撮像素子のリセット電極に印加するリセット信号の場合、電圧レベルが制御された信号を出力してよいし、タイミング信号のみを出力して電圧レベルは固体撮像素子内部又は外部で作成したものを利用するようにしてもよい。駆動部１３０による固体撮像素子１２０の駆動については後述する。
【００３５】
撮影画像信号は、アナログ信号処理部１４０によってアナログ信号処理された後、Ａ／Ｄ変換部１５０でデジタル信号に変換され、デジタル信号処理部１６０によるデジタル信号処理を経て画像メモリ１７０に一時的に記録される。デジタル信号処理部１６０が行う処理には、ホワイトバランス調整、Ｙ／Ｃ処理、γ補正処理等が含まれる。デジタル画像処理を経た撮影画像情報に基づく画像を、画像モニタ２１０に表示する場合は、画像メモリ１７０の内容を読み出して画像モニタ２１０に送られる。レリーズボタンの押下により撮影処理が行われる場合、画像メモリ１７０の撮影画像情報は、圧縮伸張処理部１８０で圧縮処理され、メディアインタフェース２００を経て、図示しないメモリカード等の記録メディアに記録される。
【００３６】
記録メディアに記録された画像情報に基づく画像を画像モニタ２１０に表示させる場合は、記録メディアから読取った画像情報を圧縮伸張処理部１８０で伸張処理して出力用メモリ１７０に書込み、画像モニタ２１０に送る。
【００３７】
これらの動作は、操作部２２０からの操作信号に応じて、システム制御部１９０の制御のもとに行われる。システム制御部１９０は、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、内部にプログラム、動作に必要な各種データを記憶するメモリ、及びワークメモリを備える。
【００３８】
操作部１２は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うもので、撮影時の撮影方法、撮影条件、撮影画像情報の処理方法の設定、及びメディアに記憶した画像情報に対する指示操作（例えば表示、情報付加等）を行う。操作部１２は、それぞれの機能に対応する操作部材を設けてもよいが、画像モニタ１１の表示と連動して操作部材を共用してもよい。
【００３９】
続いて、駆動部１３０による固体撮像素子１２０の駆動について説明する。駆動部１３０は、次の（１）〜（５）に示す駆動信号（駆動パターン）の内の、１又は複数のものを制御部１９０の制御に基づいて出力するように構成される。
【００４０】
（１）電荷検出感度の選択
図１に示す固体撮像素子を利用した場合は２段階、図６に示す固体撮像素子を利用した場合は３段階の電荷検出感度を選択することができる。この場合、図２、図３、図５（ａ）（ｂ）及び図６（ａ）（ｂ）（ｃ）を用いて説明したように、複数のリセット電極の内のいずれか１つを、転送信号に同期して駆動し、他のリセット電極は、リセットレベルに固定する。
【００４１】
（２）ニー特性の付加
電荷検出感度にニー特性を付加する場合は、図４、図５（ｃ）及び図６（ｄ）（ｅ）を用いて説明したように、フローティングディフュージョン部１に近い側に配置された少なくとも１つのリセット電極を、リセット電位と、リセット電位及びバリア電位の間の中間電位との間で、残りのリセット電極と同期して駆動する。１段階のニー特性を得る場合は、図１の固体撮像素子を利用して、リセット電極３１をリセット電位及びバリア電位の間の中間電位との間で、リセット電極３２とともに電荷転送部の駆動パルスに同期させて駆動する（図５（ｃ）参照）。また、図６の固体撮像素子を利用し、リセット電極３３をリセットレベルに固定し、リセット電極３１と３２を図１のものと同様に駆動してもよい（図６（ｄ）参照）。２段階のニー特性を得る場合は、図６に示す固体撮像素子を利用し、リセット電極３１と３２をリセット電位及びバリア電位の間の中間電位との間で、リセット電極３３とともに電荷転送部の駆動パルスに同期させて駆動する（図６（ｅ）参照）。なお、この場合、リセット電極３１の中間電位は、リセット電極３２の中間電位よりも高く設定される。
【００４２】
（３）画素の色情報に応じた検出感度の変更
光電変換素子で検出された信号電荷が有する色情報に応じて、画素毎に電荷検出感度を変更することもできる。その場合の、固体撮像素子の駆動信号の例を図８及び図９に示す。
【００４３】
図８は、図１に示す固体撮像素子を利用した場合の例で、色情報が緑（Ｇ）の画素を低感度で、色情報が赤（Ｒ）と青（Ｂ）の画素を高感度で検出するものである。図８のＲＳ１及びＲＳ２に示すようなパターンでリセット電極３１及び３２を駆動すると、図から明らかなように、色情報が緑（Ｇ）の画素の検出時は、リセット電極３１がリセットレベルになっているので、低感度となり、色情報が赤（Ｒ）と青（Ｂ）の画素の検出時は、リセット電極がバリア電極となっているので、高感度となる。
【００４４】
図９は、図６に示す固体撮像素子を利用した場合の例で、色情報が緑（Ｇ）の画素を低感度で、色情報が赤（Ｒ）の画素を中感度で、青（Ｂ）の画素を高感度で検出するものである。図から明らかなように、色情報毎にバリア電極として動作する電極が異なり、電荷検出感度が３段階に変化する。
【００４５】
色情報による電荷検出感度の変更は、ホワイトバランスを調整する機能に利用することができる。すなわち、撮影画像信号のホワイトバランスを調整する場合、色毎の電荷検出信号の差が大きい場合には、ホワイトバランスが取りにくいので、色毎の電荷検出を変更してホワイトバランスが取り易い撮影画像信号とするものである。
【００４６】
（４）１画素２信号の検出
１画素につき、複数の感度で検出した撮影画像信号を取得する場合、フローティングディフュージョン部１に蓄積された信号電荷がリセットドレイン部２に排出される前に、リセット電極の駆動パターンを変更し、変更の前後で２回、検出出力をＤＳＰに取り込む。
【００４７】
図１０は、高検出感度で検出後、低検出感度とする場合の駆動信号のタイミングチャートである。リセット電極３１と３２をリセットレベルにして蓄積電荷排出後、リセット電極３１と３２をともにバリアレベルにして高感度の検出を行い、次いで、リセット電極３１のみをリセットレベルにして、低感度の検出を行う。また、図１１は、低感度で検出後、高感度とする場合の駆動信号のタイミングチャートである。この場合、蓄積電荷排出後、リセット電極３２のみをバリアレベルにして、低感度の検出を行い、続いてリセット電極３１もバリアレベルとして、高感度の検出を行う。どちらの方法を用いてもよいが、電荷量が多い場合は、先に高感度検出を行うと、飽和量を超えた電荷が排出されるので、低感度検出を先にするのが好ましい。
【００４８】
１画素について複数の検出感度で検出すると、その検出信号を感度に合わせて加算することにより、ダイナミックレンジの広い撮像信号を得ることができる。また、その場合、固体撮像素子の電荷検出感度を、等比級数的に変化させると、例えば、低感度を高感度の１／４あるいは１／１６となるように設計すると、加算した撮像信号を演算する場合の演算が簡単になる。
【００４９】
（５）撮影画面毎の検出感度の変更
電荷検出感度の変更は、撮影画面毎に変更することもできる。この場合、複数画面の対応が素毎に加算処理を行うことにより、上記（４）のものと同様、ダイナミックレンジの広い撮像信号を得ることができる。
【００５０】
なお、上記した（１）〜（５）の駆動信号（駆動パターン）は、自動的に又は操作部２２０による設定された撮影モード（撮影対象、撮影状況）によって、選択される。例えば、ニー特性の付加及び付加するニー特性のパターンは、撮影状況（夜間撮影、照明の状態）等によって選択される。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、簡単な構成で電荷検出感度を変更することができる固体撮像素子を提供することができる。また、電荷検出感度の変更が可能な固体撮像素子を使用して、状況に応じて最適な撮像信号を得ることができる撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の固体撮像素子の電荷検出部周辺の概略構成を示す図
【図２】図１の固体撮像素子を高感度で駆動する場合のタイミングチャート
【図３】図１の固体撮像素子を低感度で駆動する場合のタイミングチャート
【図４】図１の固体撮像素子をニー特性を持たせて駆動する場合のタイミングチャート
【図５】図１の固体撮像素子の電荷検出部周辺のポテンシャル分布を示す図
【図６】３つのリセット電極を有する固体撮像素子の電荷検出部周辺のポテンシャル分布を示す図
【図７】デジタルカメラの概略構成を示す図
【図８】色情報毎に２段階に電荷検出感度を変更して駆動する場合のタイミングチャート
【図９】色情報毎に３段階に電荷検出感度を変更して駆動する場合のタイミングチャート
【図１０】同一画素内で電荷検出感度を変更して駆動する場合のタイミングチャートの一例
【図１１】同一画素内で電荷検出感度を変更して駆動する場合のタイミングチャートの他の例
【図１２】従来のＣＣＤ撮像素子の電荷検出部周辺の概略構成を示す図
【符号の説明】
１・・・フローティングディフュージョン部
２・・・リセットドレイン部
３・・・リセットゲート部
４・・・出力ゲート部
５・・・水平ＣＣＤ（転送路）の最終転送段
６・・・ソースホロア回路
１１・・・ｎ型半導体基板
１２・・・ｐウェル
１３・・・電荷転送路
１４・・・フローティングディフュージョン領域
１５・・・リセットドレイン領域
１６・・・埋め込み領域
２０・・・絶縁膜
３０、３１、３２、３３・・・リセット電極
５１、５２・・・転送ゲート
１１０・・・レンズ部
１２０・・・固体撮像素子
１３０・・・駆動部
１４０・・・アナログ信号処理部
１５０・・・Ａ／Ｄ変換部
１６０・・・デジタル信号処理部
１７０・・・メモリ
１８０・・・圧縮伸張処理部
１９０・・・システム制御部
２００・・・メディアインタフェース
２１０・・・画像モニタ
２２０・・・操作部
Claims (5)
- 固体撮像素子と前記固体撮像素子に対する駆動信号を出力する駆動部を有する撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、光電変換部と、前記光電変換部からの信号電荷を転送する電荷転送部と、前記信号電荷を検出する電荷検出部とを有し、
前記電荷検出部は、前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部の電荷を排出するリセットドレイン部と、前記フローティングディフュージョン部と前記リセットドレイン部との間に設けられた埋め込みチャネル型リセットゲート部とを含み、前記リセットゲート部は、チャネル方向に互に隣接して設けられた、それぞれ独立して駆動可能な複数のリセット電極を有し、
前記駆動部は、前記信号電荷がフローティングディフュージョン部から排出される前に、前記フローティングディフュージョン部に近い側の前記リセット電極の電位を、リセット電位とバリア電位との間で変化させるものである撮像装置。 - 請求項１記載の撮像装置であって、
前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、信号電荷が有する色情報に応じて変化させるものである撮像装置。 - 請求項２記載の撮像装置であって、
前記色情報に応じた駆動パターンは、ホワイトバランスの調整時に利用されるものである撮像装置。 - 請求項１記載の撮像装置であって、
前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、撮影画面毎に変化させるものである撮像装置。 - 請求項１記載の撮像装置であって、
前記駆動部は、前記複数のリセット電極の駆動パターンを、撮像対象に応じて変化させるものである撮像装置。
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