JP4309737B2 - 撮像素子を駆動する駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子を駆動する駆動装置に関する。特に、個々の画素セルにおいて生成された電荷を、所定数ごとに足し合せて出力する場合であっても、ブルーミングを抑制する駆動装置に関する。

近年、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮像素子としてＣＣＤ（Charge Coupling Device）型イメージセンサが広く用いられている。ＣＣＤ型イメージセンサは、個々の画素セルが露光量に応じて生成した電荷を、所定のタイミングにおいてＣＣＤに読み出し、その後、ＣＣＤに転送させて外部へ出力するものである。この際に、ＣＣＤの転送効率を高めるため、１つのＣＣＤは複数の領域に分けられて、領域ごとに１つの信号に相当する信号電荷が収められて転送される。

このようにＣＣＤは、一度に複数の信号電荷を転送するため、一定条件下でブルーミングと呼ばれる現象が起こり、正常な画像データが得られなくなることがある。

ブルーミングとは、ＣＣＤの転送能力を超えて電荷が読み出された場合に、ＣＣＤ内部で電荷があふれ出し、隣接して転送されている他の信号電荷に影響を与える現象をいい、特に、撮像素子に強いスポット光が入射された場合に起きる。

このようなブルーミングの抑制手段として、画素セルに予めＣＣＤの転送能力を超えない範囲で飽和量が設定され、飽和量を超えて過剰に生成された電荷は排出される機構がある（オーバーフロードレイン構造）。

さらに、上記飽和量を固定的にせず、状況に応じて異ならせることによりブルーミング抑制の実効を図る技術も提供されている（特許文献１参照）。

一方、近年のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラの分野では、撮像素子の多画素化が図られている。例えば、５００万個の画素セルを有するＣＣＤ型イメージセンサであれば、垂直方向の画素セル数が約１９２０個、水平方向の画素セル数が約２５６０個となり、これらは、通常のＮＴＳＣ用のＣＣＤ型イメージセンサの１６倍程度となる。このため、単位時間当たりに処理すべき情報量が増加し、動画を撮影する場合にモニタへの表示が間に合わなくなる可能性がでてきている。

そこで、個々の画素セルにおいて生成された電荷を、所定数ごとにＣＣＤに読み出すことによって足し合せた後に出力する混合モードが考えられている。例えば、デジタルビデオカメラにおいて、静止画を撮影する場合には個々の画素セルの電荷を個別に出力する個別モードを適用し、動画を撮影する場合には混合モードを適用する。
特開昭６１−２６３７５号公報

しかしながら、上述の混合モードの場合には、所定数の画素セルの電荷を足し合せて１つの信号電荷とするため、ＣＣＤ型イメージセンサの駆動方法を個別モードの場合と同様にすれば、ブルーミングが起きやすくなるという問題がある。

そこで、本発明は、個別モードと混合モードとが選択的に切り替えて適用される撮像素子において、個別モードと混合モードとのいずれが選択されていたとしても、ブルーミングを抑制する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る駆動装置は、露光量に応じて画素セル毎に電荷を生成する撮像素子を、所定数の画素セルにおいて生成された電荷を、前記撮像素子の一時保持領域に読み出すことにより足し合せる混合モードを適用して駆動する駆動装置であって、個々の画素セルが受光量に応じて電荷を生成する蓄積期間において、個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を示す飽和量を、個々の画素セルにおいて生成された電荷を個別に読み出す個別モードを適用する場合の飽和量と同等に設定し、個々の画素セルにおいて生成された電荷を読み出す読出期間において、個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を示す飽和量を、前記個別モードを適用する場合における飽和量よりも少なく設定する設定手段と、前記個別モードを適用する場合よりも前記露光量を抑制する抑制手段とを備え、前記設定手段は、前記読出期間における飽和量の設定を、前記読出期間の開始タイミングに同期させて行う。

上記構成によれば、駆動装置は、混合モードの場合には個別モードの場合よりも、読出期間における飽和量を少なくすると共に、露光量を抑制する。ここで、駆動装置は、２つの観点によりブルーミングを抑制している。

一方は、混合モードの場合には個別モードの場合よりも個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を下げるという観点である。これによれば、混合モードの場合には、たとえ撮像素子に強いスポット光が入射されたとしても、個々の画素セルにおいて蓄積される電荷の上限が下げられているので、過剰な電荷が一時保持領域へ読み出されることがない。なお、設定手段の目的は、混合モードの場合であっても過剰な電荷が一時保持領域へ読み出されることを防止することなので、当該目的を達成するには、読出期間において上限を下げることで足りる。

また、他方は、混合モードの場合には個別モードの場合よりも個々の画素セルが生成する電荷量を抑制するという観点である。これによれば、混合モードの場合には、たとえ撮像素子に強いスポット光が入射されたとしても、個々の画素セルの露光量が抑制されているので、過剰な電荷を生成することがない。

これらにより、駆動装置は、一時保持領域において読み出される電荷があふれ出すブルーミングを抑制することができる。

また、前記設定手段は、さらに、個々の画素セルが受光量に応じて電荷を生成する蓄積期間において、前記飽和量を、前記個別モードを適用する場合の飽和量と同等に設定することとしてもよい。

上記構成によれば、蓄積期間においては、混合モードの場合と個別モードの場合とで飽和量が同等に設定される。

例えば、撮像素子が半導体基板に個々の画素セルを形成し、オーバーフロードレイン構造を有する仕様である場合、駆動装置は、半導体基板に異なる基板電圧を印加することにより、飽和量を設定することができる。しかし、半導体基板に異なる基板電圧を印加した場合、画素セルが形成している井戸型ポテンシャルの形状が変化し、それに伴い画素セルの分光特性が変化してしまう。この分光特性の変化は、画像の色再現性を悪化させる。

そこで、本発明に係る駆動装置は、個々の画素セルが電荷を生成し蓄積する蓄積期間においては、個別モードの場合と混合モードの場合とで飽和量を同等とする。これにより、駆動装置は、撮像素子の分光特性の変化を防止し、高い色再現性を実現することができる。

また、前記設定手段は、前記所定数ごとに足し合わされた電荷が、前記一時保持領域における最大保持量を超えないように前記飽和量を設定することとしてもよい。

上記構成によれば、駆動装置は、個別モードの場合には個々の画素セルの電荷が最大保持量を超えないようにし、混合モードの場合には個々の画素セルの電荷が足しあわされても最大保持量を超えないようにすることができる。

したがって、駆動装置は、一時保持領域において読み出される電荷があふれ出すブルーミングを抑制することができる。

また、前記設定手段は、前記飽和量を、前記個別モードを適用する場合の飽和量の前記所定数分の一に設定することとしてもよい。

上記構成によれば、例えば、混合モードの場合に９つの画素セルの電荷を足し合せる場合、飽和量は個別モードの場合の１／９となる。これにより、駆動装置は、一時保持領域において読み出される電荷があふれ出すブルーミングを抑制することができる。

また、前記画素セルは、半導体基板に形成され、前記飽和量を超えて過剰に生成された電荷を、前記半導体基板に排出するオーバーフロードレイン構造を有し、前記飽和量は、前記半導体基板に供給される基板電圧に基づいて設定され、前記設定手段は、前記半導体基板に供給する基板電圧を、前記個別モードを適用する場合における基板電圧よりも高くすることとしてもよい。

上記構成によれば、駆動装置は、個々の画素セルにおいて飽和量を超えて過剰に生成された電荷を、半導体基板に排出することができる。

このように、過剰電荷を半導体基板に排出することにより、個々の画素セルにおける過剰電荷を処分することができる。

また、前記露光量は、個々の画素セルの受光量を蓄積期間において積分した値に相当し、前記抑制手段は、前記個別モードを適用する場合よりも、前記蓄積期間を短縮することとしてもよい。

上記構成によれば、駆動装置は、個々の画素セルにおける蓄積期間を短縮することにより、露光量を抑制する。これにより、駆動装置は、一時保持領域において読み出される電荷があふれ出すブルーミングを抑制することができる。

また、前記抑制手段は、前記個別モードを適用する場合の蓄積期間よりも短い蓄積期間を記憶している記憶手段と、個々の画素セルごとの電荷を全て排出するリセット手段と、前記リセット手段による電荷の排出時点から、前記記憶手段に記憶されている蓄積期間の経過後に、個々の画素セルにおいて生成された電荷を一時保持領域に読み出す読み出し手段とを備えることとしてもよい。

上記構成によれば、駆動装置は、個々の画素セルの電荷を全て排出した時点から、各モードに対応する蓄積期間の経過後に、個々の画素セルの電荷を読み出す。ここで、混合モードの場合には個別モードの場合よりも蓄積期間が短い。

したがって、駆動装置は、露光量を抑制することができる。

また、前記抑制手段は、前記個別モードを適用する場合の蓄積期間よりも短い蓄積期間を記憶している記憶手段と、前記記憶手段により記憶されている蓄積期間のみ開くことにより個々の画素セルに受光させるメカシャッタとを備えることとしてもよい。

上記構成によれば、駆動装置は、メカシャッタを各モードに対応する蓄積期間だけ開けて個々の画素セルに受光させる。ここで、混合モードの場合には個別モードの場合よりも蓄積期間が短い。

したがって、駆動装置は、露光量を抑制することができる。

また、前記露光量は、個々の画素セルの受光量を蓄積期間において積分した値に相当し、前記抑制手段は、前記混合モードの場合には、前記個別モードの場合よりも、前記受光量を少なくすることとしてもよい。

上記構成によれば、駆動装置は、個々の画素セルの受光量を少なくすることにより、露光量を抑制する。これにより、駆動装置は、一時保持領域において読み出される電荷があふれ出すブルーミングを抑制することができる。

また、前記抑制手段は、前記抑制手段は、前記個別モードを適用する場合の開口率よりも小さい開口率を記憶している記憶手段と、前記開口率に応じて開くことにより個々の画素セルに受光させる調節手段とを備えることとしてもよい。

上記構成によれば、駆動装置は、調節手段を各モードに対応する開口率に応じて開けて個々の画素セルに受光させる。ここで、混合モードの場合には個別モードの場合よりも開口率が小さい。

したがって、駆動装置は、露光量を抑制することができる。

また、前記抑制手段は、前記露光量を、前記個別モードを適用する場合の露光量の前記所定数分の一とすることとしてもよい。

上記構成によれば、例えば、混合モードの場合に９つの画素セルの電荷を足し合せる場合、露光量は個別モードの場合の１／９となる。これにより、駆動装置は、一時保持領域において読み出される電荷があふれ出すブルーミングを抑制することができる。

本発明に係る駆動方法は、露光量に応じて画素セル毎に電荷を生成する撮像素子を、所定数の画素セルにおいて生成された電荷を、前記撮像素子の一時保持領域に読み出すことにより足し合せる混合モードを適用して駆動する駆動方法であって、個々の画素セルが受光量に応じて電荷を生成する蓄積期間において、個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を示す飽和量を、個々の画素セルにおいて生成された電荷を個別に読み出す個別モードを適用する場合の飽和量と同等に設定し、個々の画素セルにおいて生成された電荷を読み出す読出期間において、個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を示す飽和量を、前記個別モードを適用する場合における飽和量よりも少なく設定する設定ステップと、前記個別モードを適用する場合よりも前記露光量を抑制する抑制ステップとを備え、前記設定ステップは、前記読出期間における飽和量の設定を、前記読出期間の開始タイミングに同期させて行う。

上記構成の構成によれば、駆動方法は、混合モードの場合には個別モードの場合よりも、読み出し期間における飽和量を少なくすると共に、露光量を抑制する。この駆動方法の構成は、上述の駆動装置と同様の構成である。したがって、駆動方法は、駆動装置と同様の効果を発揮することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
＜概要＞
実施の形態１に係る駆動装置は、混合モードの場合には、個別モードの場合よりも、個々の画素セルに蓄積できる電荷の飽和量を少なくすると共に、個々の画素セルが電荷を生成し蓄積する蓄積期間を短縮する。これにより、混合モードを適用する場合であっても、駆動部は、ブルーミングを抑制することができる。

＜構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像素子とその駆動装置の全体構成を示す図である。

撮像素子１１０は、半導体基板に行列状に配列された複数の画素セルを備えている。各画素セルは、ＲＧＢのうちのいずれかの色フィルタを受光面に有しており、色フィルタを透過してきた光量に応じて電荷を生成し蓄積する。蓄積された電荷は、駆動部１２０から供給される駆動信号に従って、順次、アナログフロントエンド１３０に出力される。

駆動部１２０は、同期信号生成部１４２からの基準信号に基づいて、撮像素子１１０を駆動するための９種類の駆動信号を生成し、撮像素子１１０に供給する。ここで、基準信号としては、クロック信号（ＣＬＫ）、垂直同期信号（ＶＤ）、水平同期信号（ＨＤ）がある。また、撮像素子１１０の駆動モードには、個別モードと混合モードとがあり、駆動部１２０はこれらを選択的に切り替えて適用する。

個別モードとは、個々の画素セルにおいて生成された電荷を個別にアナログフロントエンド１３０に出力させるモードである。また、混合モードとは、個々の画素セルにおいて生成された電荷を所定数ごとに足し合せてアナログフロントエンド１３０に出力させるモードである。

駆動部１２０は、内部に個別モード駆動信号生成部１２１、混合モード駆動信号生成部１２２、セレクタ１２３を備えている。

個別モード駆動信号生成部１２１は、撮像素子１１０を個別モードにより駆動するための９種類の駆動信号を生成する。

混合モード駆動信号生成部１２２は、撮像素子１１０を混合モードにより駆動するための９種類の駆動信号を生成する。

セレクタ１２３は、個別モード駆動信号生成部１２１が生成した駆動信号と、混合モード駆動信号生成部１２２が生成した駆動信号とを選択的に切り替えて出力する。この切り替えは、制御部１４３からモードセレクト信号（Ｓｍ）を受け付けることによりなされる。

アナログフロントエンド１３０は、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ:Correlated Double Sampling）、自動利得調整回路（Auto Gain Control）ＡＤ変換回路からなり、撮像素子１１０が出力した電荷から信号処理部１４１が処理可能なデジタル信号を生成する。

信号処理部１４１は、アナログフロントエンド１３０から得られるデジタル信号をメモリ１４４を用いて処理して、輝度信号及び色相信号からなる画像データを生成する。メモリ１４４は、例えばＳＤＲＡＭである。

同期信号生成部１４２は、内部にクロックを有し、クロックにより生成された基準信号（ＣＬＫ、ＶＤ、ＨＤ）を駆動部１２０に供給する。

ユーザ操作部１５０は、ユーザからの操作（シャッタボタン押下、動画モード・静止画モードの切替など）を受け付けて制御部１４３に通知する。

測光部１６０は、撮像素子１１０の受光量を測定し、測定結果を制御部１４３に通知する。

制御部１４３は、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成され、ＲＯＭに記録されているプログラムを実行することにより各機能を実現する。例えば、ユーザから動画モードから静止画モードへの切替を受け付けた場合、駆動部１２０に個別モードを示すモードセレクト信号を出力する。これにより、駆動部１２０は、個別モードによる駆動のスタンバイ状態に入る。また、その後、ユーザのシャッタボタン押下を受け付けた場合、測光部１６０の測定結果により適正なシャッタスピードを選択して、駆動部１２０にシャッタスピードなどを示すパラメータ情報、及び、撮影開始のトリガ信号を出力する。これにより、駆動部１２０は、撮像素子１１０に駆動信号を供給して撮影が開始される。

以下、撮像素子１１０及び駆動部１２０の詳細な構成を説明する。

図２は、撮像素子１１０の平面構成を示す図である。

撮像素子１１０は、いわゆるインタライントランスファ方式のＣＣＤ型イメージセンサである。光電変換部１は、露光量に応じて電荷を生成するものである。各光電変換部１ａ、１ｂなどは、半導体基板上に行列状に配置されている。垂直ＣＣＤ２は、６種類の駆動信号φＶ１〜φＶ６により電荷を垂直方向に転送するものである。各垂直ＣＣＤ２ａ、２ｂなどは、光電変換部１の各列間に１本ずつ配置されている。水平ＣＣＤ３は、一般的な２相ＣＣＤであり、２種類の駆動信号φＨ１、φＨ２により電荷を水平方向に転送するものである。

これらにより、各光電変換部において蓄積されている電荷は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤにより順次アンプ４に転送されることとなる。アンプ４は、転送されてきた電荷に基づいて信号を生成、増幅し、ＯＵＴ端子を介してアナログフロントエンド１３０へ出力する。

なお、各光電変換部に表記された「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は、各画素セルの受光面に設けられた色フィルタの種別を示している。ここでは、色フィルタの配列方式としてはベイヤ配列が採用されている。

また、各垂直ＣＣＤに表記された「Ｖ１」「Ｖ２」・・・「Ｖ６」は、各領域に与えられる駆動信号の種類を示している。例えば、「Ｖ１」と表記されている領域には、駆動信号φＶ１が与えられる。水平ＣＣＤに表記された「Ｈ１」「Ｈ２」も同様に、各領域に与えられる駆動信号の種類を示している。

各垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤに与えられる駆動信号は、Ｖ１端子〜Ｖ６端子、Ｈ１端子、Ｈ２端子を介して駆動部１２０から供給される。

また、撮像素子１１０の半導体基板には、基板電圧Ｖsubが与えられる。

駆動部１２０が供給する駆動信号「φＶ１」〜「φＶ６」、「φＨ１」「φＨ２」「Ｖsub」は、個別モードの場合と、混合モードの場合とで異なる波形を示す。

φＶ１〜φＶ６は、「Ｌｏｗ」「Ｍｉｄ」「Ｈｉｇｈ」の３値を取りうる。「Ｈｉｇｈ」は、光電変換部１の電荷を垂直ＣＣＤが読み出すときのみ与えられる。「Ｌｏｗ」「Ｍｉｄ」は、垂直ＣＣＤが電荷を転送する場合に交互に与えられる。例えば、光電変換部１ａの電荷を垂直ＣＣＤ２ａが読み出す場合には、φＶ１を「Ｈｉｇｈ」とする。また、光電変換部１ｂの電荷を垂直ＣＣＤ２ａが読み出す場合には、φＶ３を「Ｈｉｇｈ」とする。なお、φＶ１は、光電変換部１ｄ、１ｆ、１ｇなどにも並列に与えられるため、φＶ１が「Ｈｉｇｈ」になれば、結果的に、光電変換部１ａの属する行、光電変換部１ｄの属する行など、２行おきの光電変換部の電荷が垂直ＣＣＤに読み出される。

図３は、図２のＡ−Ａ線における光電変換部１ａと垂直ＣＣＤ２ａを断面を示す図である。

図３によれば、ｎ型基板１１の上部にｐウェル１２が形成され、その中に光電変換部１ａ、及び垂直ＣＣＤ２ａが形成されている。さらにその上に、光電変換部１ａから読み出しを制御する電極と垂直ＣＣＤの転送電極とを兼ねた電極１４が形成されている。画素分離部１６は、隣接する画素セル間を電気的に分離する領域である。

光電変換部１ａは、入射光を受光すれば、その光量に応じて電荷を生成する。

電極１４には、３値の電圧（Ｌｏｗ、Ｍｉｄ、Ｈｉｇｈ）からなる駆動信号φＶ１が与えられ、電極１４に「Ｈｉｇｈ」が印加されたときに、光電変換部１ａの電荷は、読み出しゲート１３を通って、垂直ＣＣＤ２ａに読み出される。また、ｎ型基板１１に印加される基板電圧Ｖsubによりオーバーフローゲート１５が制御されている。

図４は、図３のＢ−Ｃ−Ｄ線に沿った電位分布を示す図である。

図４の縦軸は電位を、横軸は位置を示す。ただし、横軸は、Ｂ−Ｃ間においては水平方向の位置を示し、Ｃ−Ｄ間においては垂直方向の位置を示す。また、図面上部の「１１、１５、１ａ、１３、２ａ」の記載は、それぞれ図３の参照番号と対応している。

これによれば、光電変換部１ａには、読み出しゲート１３の電位２３ａと、オーバーフローゲート１５の電位２５ａとを障壁とする井戸型ポテンシャルが形成されていることがわかる。

光電変換部１ａにより生成された電荷（電子）２０は、井戸型ポテンシャルに蓄積される。

読み出しゲート１３及び垂直ＣＣＤ２ａは、電極１４に与えられる駆動信号φＶ１（＝Ｌｏｗ、Ｍｉｄ、Ｈｉｇｈ）に応じて、電位が変化する。

２３ａは、φＶ１＝Ｌｏｗの場合の読み出しゲート１３の電位を示す。２３ｂは、φＶ１＝Ｍｉｄの場合の読み出しゲート１３の電位を示す。また、２３ｃは、φＶ１＝Ｈｉｇｈの場合の読み出しゲート１３の電位を示す。光電変換部１ａに蓄積されている電荷は、φＶ１＝Ｈｉｇｈの場合にのみ、垂直ＣＣＤ２ａに読み出される。

２５ａは、基板電圧Ｖsub＝５Ｖの場合のオーバーフローゲート１５の電位を示す。２５ｂは、基板電圧Ｖsub＝１２Ｖの場合のオーバーフローゲート１５の電位を示す。また、２５ｃは、基板電圧Ｖsub＝２５Ｖの場合のオーバーフローゲート１５の電位を示す。

井戸型ポテンシャルでは、光電変換部１ａにより生成された電荷が、時間が経つにつれて徐々に蓄積され、電位２０ａが下がる（図４においては、２０ａが上方へ移動する。）。そして、電荷が過剰に生成された場合に、過剰電荷はオーバーフローゲート１５を超えてｎ型基板１１に排出される。即ち、基板電位Ｖsubにより、光電変換部１ａに蓄積できる電荷の飽和量を決定することができる。従って、基板電圧Ｖsubを適正に設定することにより、垂直ＣＣＤ２ａ内で過剰電荷があふれ出すブルーミングを抑制することができる。

ここで、基板電圧Ｖsubの適正値（光電変換部１ａの電荷の飽和量）は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤが電荷を転送できる最大転送量により決めることができる。個別モードの場合であれば、光電変換部１ａの電荷の飽和量をＣＣＤの最大転送量と同等又はそれ以下とすればよい。また、混合モードの場合であれば、電荷を足し合せる数に応じて光電変換部１ａの電荷の飽和量を少なくすればよい。例えば、９つの光電変換部の電荷を足し合せる場合、各光電変換部の電荷の飽和量を個別モードの場合の１／９とすることが考えられる。

また、オーバーフローゲート１５は、光電変換部１ａに蓄積されている電荷を全てｎ型基板１１に排出するリセット機能も有する（Ｖsub＝２５Ｖのとき）。この場合の基板電圧Ｖsubの適正値は、オーバーフローゲート１５の電位が井戸型ポテンシャルの底の電位と同等又はそれ以上となる電圧とすればよい。

本実施の形態では、上述の方法により、個別モードの場合の基板電圧Ｖsubを５Ｖ、混合モードの場合の基板電圧Ｖsubを１２Ｖと設定している。また、リセット機能を動作させる場合の基板電圧Ｖsubを２５Ｖと設定している。

次に、駆動部１２０が駆動信号を生成する回路、特に、基板電圧Ｖsubを生成する回路について説明する。

図５は、駆動部１２０が基板電圧Ｖsubを生成する回路を示す図である。

図５（ａ）は、カウンタを示す図である。

駆動部１２０は、カウンタ１２４を内蔵している。カウンタ１２４は、同期信号生成部１４２からのクロック信号（ＣＬＫ）を数え上げ、所定のカウント値（２、４、１８、２０、２２、２４）において、各々の出力端子からＨｉｇｈレベルを出力する。また、カウンタ１２４は、垂直同期信号（ＶＤ）の立ち上がりエッジにおいてリセットされる。

図５（ｂ）は、Ｖsub出力回路を示す図である。

１２５ａ〜１２５ｄは２入力１出力のセレクタであり、制御部１４３からのモードセレクト信号（Ｓｍ）に基づいて出力を切り替える。ここで、１２５ａに入力されている「２」「１８」は、カウンタ１２４の出力端子を意味する（他も同様）。また、モードセレクト信号が「０」の場合、個別モードを示し、モードセレクト信号が「１」の場合、混合モードを示すものとする。

１２６ａ、１２６ｂはラッチ回路であり、セット端子（Ｓ）にＨｉｇｈレベルが入力されてからリセット端子（Ｒ）にＨｉｇｈレベルが入力されるまでの期間、出力端子（Ｑ）からＨｉｇｈレベルを出力する。それ以外の期間にはＬｏｗレベルを出力する。

Ｔｒ１、Ｔｒ２は、スイッチングトランジスタであり、ラッチ回路の出力がＨｉｇｈレベルの場合に導通し、Ｌｏｗレベルの場合に非導通となる。

Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、予期せぬ電圧による電流の逆流を防止するダイオード、Ｃ１、Ｃ２は、パルス成分のみを出力するためのコンデンサ、Ｒは接地抵抗である。

次に、撮像素子の駆動タイミングについて説明する。

図６は、撮像素子の駆動タイミングを示す図である。

ＣＬＫ、ＶＤ、ＨＤは、同期信号生成部１４２により生成され、駆動部１２０に入力される信号である。

ＣＬＫは、例えば、１２ＭＨｚのクロック信号である。

ＶＤは、クロック信号を分周して生成される垂直同期信号である。駆動部１２０は、１ＶＤ期間に、垂直ＣＣＤにおいて全ての行の転送を終了させる。

ＨＤは、クロック信号を分周して生成される水平同期信号である。駆動部１２０は、１ＨＤ期間に、水平ＣＣＤにおいて全ての列の転送を終了させる。

φＶ１、φＶ３、Ｖsubは、駆動部１２０が生成する９種類の駆動信号のうちの３つの駆動信号である。駆動部１２０は、この他に、φＶ２、φＶ４、φＶ５、φＶ６、φＨ１、φＨ２を生成するが、ここでは説明を省略する。

φＶ１は、読み出しゲート１３及び各垂直ＣＣＤを駆動するための駆動信号であり、３値の電圧パルス（Ｌｏｗ、Ｍｉｄ、Ｈｉｇｈ）からなる。

既に図４を用いて説明したように、φＶ１＝Ｈｉｇｈの場合に、読み出しゲート１３の電位が２３ｃまで上がり、それまでに光電変換部に蓄積されている電荷が垂直ＣＣＤに読み出される。このφＶ１＝Ｈｉｇｈとなる立ち上がりエッジにおいて、読出期間が開始する。その後、垂直ＣＣＤに読み出された電荷は、φＶ１〜φＶ６がＬｏｗとＭｉｄとを交互に繰り返すことにより、垂直に転送されて水平ＣＣＤにまで達する。水平ＣＣＤに移送された後は、水平に転送され、信号としてアナログフロントエンド１３０に出力される。

Ｖsubは、オーバーフローゲート１５を駆動するための駆動信号であり、５Ｖ、１２Ｖ、２５Ｖの３値の電圧パルスからなる。また、Ｖsubは、個別モードと混合モードとで駆動タイミング及び波形が異なり、この点が本実施の形態の特徴部分である。

個別モードの場合には、Ｖsubは、通常５Ｖであるが、カウント値が２の時点で２５Ｖになる。これによりリセット機能が動作し、それまでに光電変換部に蓄積されている電荷は、全て、ｎ型基板１１に排出される。そしてＶsubは、カウント値が４の時点で再び５Ｖに戻る。カウント値が４の時点からカウント値が２２の時点までが蓄積期間となる。この蓄積期間に光電変換部において生成され蓄積された電荷が、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤに読み出された後に転送され信号として出力される。

混合モードの場合には、個別モードの場合に比べて、リセット機能を動作させる時点が遅く、カウント値が１８の時点でＶsubを２５Ｖとし、カウント値が２０の時点で再び５Ｖとする。これにより、混合モードの場合には、個別モードの場合よりも蓄積期間が短縮され、光電変換部が生成し蓄積する電荷が少なくなる。

ここで、混合モードの場合には、個別モードの場合に比べて電荷を足し合せる数に応じて蓄積期間を短縮する。例えば、９つの光電変換部の電荷を足し合せる場合、蓄積期間を個別モードの場合の１／９とする。

また、混合モードの場合には、Ｖsubを、カウント値が２２の時点から２４の時点まで１２Ｖとする。この期間は、φＶ１がＨｉｇｈとなる期間に同期している。つまり、光電変換部の電荷が垂直ＣＣＤに読み出されるときに、光電変換部の電荷の飽和量を個別モードの場合の１／９としている。

このように、本実施の形態では、駆動部１２０は、混合モードの場合には個別モードの場合よりも、読出期間における飽和量を少なくすると共に、蓄積期間を短縮する。ここで、駆動部１２０は、２つの観点によりブルーミングを抑制している。

一方は、混合モードの場合には個別モードの場合よりも個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を下げるという観点である。これによれば、混合モードの場合には、たとえ撮像素子１１０に強いスポット光が入射されたとしても、個々の画素セルにおいて蓄積される電荷の上限が下げられているので、過剰な電荷が垂直ＣＣＤへ読み出されることがない。

他方は、混合モードの場合には個別モードの場合よりも個々の画素セルが生成する電荷量を抑制するという観点である。これによれば、混合モードの場合には、たとえ撮像素子１１０に強いスポット光が入射されたとしても、個々の画素セルの蓄積期間が短縮されているので、過剰な電荷を生成することがない。

これらにより、駆動部１２０は、垂直ＣＣＤにおいて電荷があふれ出すブルーミングを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、混合モードの場合には、読み出し期間においてのみ基板電圧Ｖsubを１２Ｖとし、蓄積期間においては個別モードの場合と同様に基板電圧Ｖsubを５Ｖとしている。

駆動装置１２０は、ｎ型基板１１に異なる基板電圧Ｖsubを印加することにより、井戸型ポテンシャルの飽和量を設定することができる。しかし、ｎ型基板１１に異なる基板電圧Ｖsubを印加した場合、井戸型ポテンシャルの形状が変化し、それに伴い画素セルの分光特性が変化してしまう。この分光特性の変化は、画像の色再現性を悪化させる。

そこで、本実施の形態では、駆動装置１２０は、個々の画素セルが電荷を生成し蓄積する蓄積期間においては、個別モードの場合と混合モードの場合とで飽和量を同等とする。これにより、駆動装置は、撮像素子の分光特性の変化を防止し、高い色再現性を実現することができる。

なお、分光特性の変化を防止するという観点では、蓄積期間において、基板電圧Ｖsubが個別モードと混合モードとで同等であれば足りる。したがって、本実施の形態では、駆動信号φＶ１がＨｉｇｈからＭｉｄに変化する時点（カウンタ値２４）と、基板電圧Ｖsubが１２Ｖから５Ｖに変化する時点（カウンタ値２４）とが一致しているが、これに限らない。例えば、基板電圧Ｖsubの１２Ｖから５Ｖに変化する時点はカウンタ値２４よりも遅くてもかまわないし、次の蓄積期間が始まるまでずっと１２Ｖを保持していてもかまわない。
（実施の形態２）
＜概要＞
実施の形態２に係る駆動装置は、実施の形態１と同様に、混合モードの場合には、個別モードの場合よりも、個々の画素セルに蓄積できる電荷の飽和量を少なくすると共に、個々の画素セルが電荷を生成し蓄積する蓄積期間を短縮する。ただし、実施の形態１では、蓄積期間の短縮方法として基板電圧Ｖsubのリセット機能を利用しているが、実施の形態２では、メカシャッタを利用する。

＜構成＞
図７は、本発明の実施の形態２に係る撮像素子とその駆動装置の全体構成を示す図である。

実施の形態２に係る駆動装置は、実施の形態１の駆動装置に対してメカシャッタ２６０、アクチュエータ２７０を加えた構成となっている。また、メカシャッタ２６０及びアクチュエータ２７０を加えたことに伴い、駆動部２２０の機能が実施の形態１と異なる。それ以外の構成は、実施の形態１と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

メカシャッタ２６０は、機械式のシャッタであり、アクチュエータ２７０により開閉駆動される。メカシャッタ２６０は、撮像素子１１０への入射光を開状態のとき通過させ、閉状態のとき遮光する。

アクチュエータ２７０は、駆動部２２０から供給される駆動信号Ｓｄにより、メカシャッタ２６０を開閉駆動する。具体的には、駆動信号ＳｄがＨｉｇｈレベルのときメカシャッタ２６０を開状態とし、駆動信号ＳｄがＬｏｗレベルのときメカシャッタ２６０を閉状態とする。

駆動部２２０は、実施の形態１における駆動部１２０の機能に加えて、駆動信号Ｓｄを生成して出力する機能を有する。

図８は、駆動部２２０が基板電圧Ｖsubと駆動信号Ｓｄとを生成する回路を示す図である。

図８（ａ）は、カウンタを示す図である。

駆動部２２０は、カウンタ２２４を内蔵している。カウンタ２２４は、同期信号生成部１４２からのクロック信号（ＣＬＫ）を数え上げ、所定のカウント値（２、４、２０、２２、２４）において、各々の出力端子からＨｉｇｈレベルを出力する。また、カウンタ２２４は、垂直同期信号（ＶＤ）の立ち上がりエッジにおいてリセットされる。

図８（ｂ）は、基板電圧Ｖsubの出力回路を示す図である。

本実施の形態では、リセット機能が不要なので、基板電圧Ｖsubの出力回路は、図５（ｂ）に示す出力回路のうちの２５Ｖを出力するブロックが省略された形となっている。

図８（ｃ）は、駆動信号Ｓｄの出力回路を示す図である。

２２５ａ、２２５ｂは２入力１出力のセレクタであり、制御部１４３からのモードセレクト信号に基づいて出力を切り替える。

２２６ｂはラッチ回路であり、セット端子（Ｓ）にＨｉｇｈレベルが入力されてからリセット端子（Ｒ）にＨｉｇｈレベルが入力されるまでの期間、出力端子（Ｑ）からＨｉｇｈレベルを出力する。それ以外の期間にはＬｏｗレベルを出力する。

次に、撮像素子の駆動タイミングについて説明する。

図９は、撮像素子の駆動タイミングを示す図である。

ＣＬＫ、ＶＤ、ＨＤ、φＶ１、φＶ３は、図６に示すものと同等なので、ここでは説明を省略する。

個別モードの場合には、駆動信号Ｓｄはカウント値が２の時点からカウント値が２０までの期間、Ｈｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間ではＬｏｗレベルとなる。また、Ｖsubは、常時５Ｖとなっている。

混合モードの場合には、駆動信号Ｓｄはカウント値が２の時点からカウント値が４までの期間、Ｈｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間ではＬｏｗレベルとなる。また、Ｖsubは、カウント値が２２の時点からカウント値が２４の時点までの期間、１２Ｖとなり、それ以外の期間では５Ｖとなる。

このように、混合モードの場合には、個別モードの場合よりもメカシャッタ２６０が開状態となる期間（蓄積期間）を短縮している。この点において、実施の形態２の短縮方法は、リセット機能を動作させて蓄積期間を短縮する実施の形態１と異なる。

なお、本実施の形態では、個別モードの場合と混合モードの場合とで、いずれの場合にも読出期間がカウント値２２の時点において開始される。これは、Ｖsub、Ｓｄ以外の駆動信号を個別モードの場合と混合モードの場合とで共用するための措置である。他の駆動信号を共用することにより、駆動部の２２０の内部回路構成を簡易にする効果がある。ただ、駆動部２２０の回路構成を簡易にするよりも、読出のスピードを重視する場合には、混合モードの場合、蓄積期間の終了時点（カウント値４）の直後（例えば、カウント値が６の時点）に読出期間を開始してもよい。
（実施の形態３）
＜概要＞
実施の形態３に係る駆動装置は、混合モードの場合には、個別モードの場合よりも、個々の画素セルに蓄積できる電荷の飽和量を少なくすると共に、個々の画素セルの受光量を少なくする。これにより、混合モードを適用する場合であっても、駆動部は、ブルーミングを抑制することができる。

＜構成＞
図１０は、本発明の実施の形態３に係る撮像素子とその駆動装置の全体構成を示す図である。

実施の形態３に係る駆動装置は、実施の形態１の駆動装置に対して絞り３８０、アクチュエータ３９０を加えた構成となっている。また、絞り３８０及びアクチュエータ３９０を加えたことに伴い、駆動部３２０が実施の形態１と機能が異なる。それ以外の構成は、実施の形態１と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

絞り３８０は、アクチュエータ３９０により開閉駆動され、開口面積を連続的に変化させることにより、撮像素子１１０の受光量を調節する。

アクチュエータ３９０は、制御部１４３から供給されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）電圧により、絞り３８０を開閉駆動する。具体的には、ＰＷＭ電圧は、０Ｖから１２Ｖまでの連続した電圧であり、０Ｖのとき絞り３８０を全開状態とし、１２Ｖのとき絞り３８０を全閉状態とする。絞り３８０の開口面積とＰＷＭ電圧との関係が線形か非線形かは、絞り３８０及びアクチュエータ３９０の特性により異なる。

駆動部３２０は、実施の形態２における駆動部２２０の機能から、駆動信号Ｓｄを生成して出力する機能を省いた形となっている。

図１１は、個別モードの場合と混合モードの場合とのそれぞれにおける開口面積と蓄積期間との対応を示す図である。

なお、ここでは、混合モードの場合、９つの画素セルの電荷を足し合せることを前提条件としている。

図１１に示すように、混合モードの場合には、個別モードの場合よりも開口面積が１／９になっている。また、蓄積期間については同等である。この点で、実施の形態３に係る駆動部は、実施の形態１及び実施の形態２に係る駆動部と異なる。

このように、混合モードの場合には、個別モードの場合よりも絞り３８０により開口面積を１／９とすることで、撮像素子１１０への入射光を減少させて、各画素セルが生成する電荷を抑制することができる。

なお、駆動装置がメカシャッタと絞りとの両方を備えていれば、それらの組み合わせにより露光量を抑制してもよい。例えば、図１２に示すように、混合モードの場合には、個別モードの場合よりも開口面積を１／３、蓄積期間を１／３とすることにより、露光量を１／９としてもよい。

本発明の活用例として、個別モードと混合モードとを選択的に切り替えて適用するデジタルビデオカメラ及びデジタルスチルカメラに利用することができる。本発明によれば、混合モードが適用されている場合であっても、ブルーミングを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る撮像素子とその駆動装置の全体構成を示す図である。 撮像素子１１０の平面構成を示す図である。 図２のＡ−Ａ線における光電変換部１ａと垂直ＣＣＤ２ａを断面を示す図である。 図３のＢ−Ｃ−Ｄ線に沿った電位分布を示す図である。 駆動部１２０が基板電圧Ｖsubを生成する回路を示す図である。 撮像素子の駆動タイミングを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る撮像素子とその駆動装置の全体構成を示す図である。 駆動部２２０が基板電圧Ｖsubと駆動信号Ｓｄとを生成する回路を示す図である。 撮像素子の駆動タイミングを示す図である。 本発明の実施の形態３に係る撮像素子とその駆動装置の全体構成を示す図である。 個別モードの場合と混合モードの場合とのそれぞれにおける開口面積と蓄積期間との対応を示す図である。 個別モードの場合と混合モードの場合とのそれぞれにおける開口面積と蓄積期間との対応を示す図である。

符号の説明

１ 光電変換部
２ 垂直ＣＣＤ
３ 水平ＣＣＤ
４ アンプ
１１ ｎ型基板
１２ ｐウェル
１３ 読み出しゲート
１４ 電極
１５ オーバーフローゲート
１６ 画素分離部
１１０ 撮像素子
１２０ 駆動部
１２１ 個別モード駆動信号生成部
１２２ 混合モード駆動信号生成部
１２３ セレクタ
１３０ アナログフロントエンド
１４１ 信号処理部
１４２ 同期信号生成部
１４３ 制御部
１４４ メモリ
１５０ ユーザ操作部
１６０ 測光部
２６０ メカシャッタ
２７０ アクチュエータ
３９０ アクチュエータ










1

Claims (11)

1. 露光量に応じて画素セル毎に電荷を生成する撮像素子を、所定数の画素セルにおいて生成された電荷を、前記撮像素子の一時保持領域に読み出すことにより足し合せる混合モードを適用して駆動する駆動装置であって、
   個々の画素セルが受光量に応じて電荷を生成する蓄積期間において、個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を示す飽和量を、個々の画素セルにおいて生成された電荷を個別に読み出す個別モードを適用する場合の飽和量と同等に設定し、
   個々の画素セルにおいて生成された電荷を読み出す読出期間において、個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を示す飽和量を、前記個別モードを適用する場合における飽和量よりも少なく設定する設定手段と、
   前記個別モードを適用する場合よりも前記露光量を抑制する抑制手段とを備え、
   前記設定手段は、前記読出期間における飽和量の設定を、前記読出期間の開始タイミングに同期させて行うこと
   を特徴とする駆動装置。
2. 前記設定手段は、
   前記所定数ごとに足し合わされた電荷が、前記一時保持領域における最大保持量を超えないように前記飽和量を設定すること
   を特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記設定手段は、
   前記飽和量を、前記個別モードを適用する場合の飽和量の前記所定数分の一に設定すること
   を特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記画素セルは、半導体基板に形成され、前記飽和量を超えて過剰に生成された電荷を、前記半導体基板に排出するオーバーフロードレイン構造を有し、
   前記飽和量は、前記半導体基板に供給される基板電圧に基づいて設定され、
   前記設定手段は、
   前記半導体基板に供給する基板電圧を、前記個別モードを適用する場合における基板電圧よりも高くすること
   を特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
5. 前記露光量は、個々の画素セルの受光量を蓄積期間において積分した値に相当し、
   前記抑制手段は、
   前記個別モードを適用する場合よりも、前記蓄積期間を短縮すること
   を特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
6. 前記抑制手段は、
   前記個別モードを適用する場合の蓄積期間よりも短い蓄積期間を記憶している記憶手段と、
   個々の画素セルごとの電荷を全て排出するリセット手段と、
   前記リセット手段による電荷の排出時点から、前記記憶手段に記憶されている蓄積期間の経過後に、個々の画素セルにおいて生成された電荷を一時保持領域に読み出す読み出し手段と
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
7. 前記抑制手段は、前記個別モードを適用する場合の蓄積期間よりも短い蓄積期間を記憶している記憶手段と、
   前記記憶手段により記憶されている蓄積期間のみ開くことにより個々の画素セルに受光させるメカシャッタと
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
8. 前記露光量は、個々の画素セルの受光量を蓄積期間において積分した値に相当し、
   前記抑制手段は、
   前記混合モードの場合には、前記個別モードの場合よりも、前記受光量を少なくすること
   を特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
9. 前記抑制手段は、
   前記抑制手段は、
   前記個別モードを適用する場合の開口率よりも小さい開口率を記憶している記憶手段と、
   前記開口率に応じて開くことにより個々の画素セルに受光させる調節手段と
   を備えることを特徴とする請求項８に記載の駆動装置。
10. 前記抑制手段は、
    前記露光量を、前記個別モードを適用する場合の露光量の前記所定数分の一とすること
    を特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
11. 露光量に応じて画素セル毎に電荷を生成する撮像素子を、所定数の画素セルにおいて生成された電荷を、前記撮像素子の一時保持領域に読み出すことにより足し合せる混合モードを適用して駆動する駆動方法であって、
    個々の画素セルが受光量に応じて電荷を生成する蓄積期間において、個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を示す飽和量を、個々の画素セルにおいて生成された電荷を個別に読み出す個別モードを適用する場合の飽和量と同等に設定し、
    個々の画素セルにおいて生成された電荷を読み出す読出期間において、個々の画素セルに蓄積できる電荷の上限を示す飽和量を、前記個別モードを適用する場合における飽和量よりも少なく設定する設定ステップと、
    前記個別モードを適用する場合よりも前記露光量を抑制する抑制ステップとを備え、
    前記設定ステップは、前記読出期間における飽和量の設定を、前記読出期間の開始タイミングに同期させて行うこと
    を特徴とする駆動方法。

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