JP4637033B2 - 出力２分岐型固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は電荷転送路（転送レジスタ）の出力端部を並列に２分岐したＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）タイプの固体撮像素子及び撮像装置に係り、特に、各出力分岐端に信号電荷を電荷残り無く高効率で振り分けることができる出力２分岐型固体撮像素子及び撮像装置に関する。

近年のＣＣＤタイプの固体撮像素子は、半導体微細加工技術の進歩に伴って多画素化が進み、数百万画素以上を搭載する様になってきている。このため、信号を読み出す水平転送路の転送駆動周波数を高くする必要が生じ、出力アンプから出力される電圧値信号の波形が乱れてしまうという問題が生じている。

そこで、水平転送路の出力端部を並列に分岐し、水平転送路の転送駆動は高周波信号で行い、水平転送路上を順次転送されてきた信号電荷を振り分け部（分岐部）で各分岐転送路に順次振り分けることで、分岐転送路の駆動周波数を水平転送路の駆動周波数より低くする技術が開発されてきている（例えば、特許文献１，２，３）。

特許文献１記載の従来技術は、水平転送路出力端部を３分岐し、Ｒ（赤色）信号電荷とＧ（緑色）信号電荷とＢ（青色）信号電荷を各分岐転送路に振り分け転送し出力する構成になっており、分岐転送路の駆動周波数を水平転送路の駆動周波数の１／３にしている。

しかし、ハイビジョン画質等の高精細画像を撮像できる数百万画素以上を搭載した固体撮像素子では、水平転送路はかなりの高周波信号で転送駆動する必要があるため、振り分け部において、転送効率を高く維持したまま（即ち、電荷転送残り無く）信号電荷を３方に綺麗に振り分けるのは困難である。

特許文献２，３記載の従来技術は、出力２分岐型の固体撮像素子を提案している。この出力２分岐型は、出力３分岐型に比較して信号電荷の分岐部における振り分けが容易であり、また、水平転送路の駆動周波数も分岐転送路の駆動周波数の２倍で済むという利点がある。

しかし、特許文献２，３には、カラー画像の信号電荷の転送についての記載はない。出力２分岐型固体撮像素子では、分岐部における電荷振り分けを高効率に行わないと、前段の例えば赤色に該当する信号電荷の電荷振り分け残りが、次段の例えば緑色に該当する信号電荷に混入してしまい、撮像画像の画質を劣化させてしまうという問題がある。

特開平５―３０８５７５号公報 特許第２９４９８６１号公報 特許第２６２４１３８号公報

出力２分岐型固体撮像素子は、分岐以後の駆動周波数を１／２に低下させことができるため水平転送路のデータレートを上げることができるという利点がある。しかし、電荷振り分けを高効率に行わないと、混色が発生し画質を劣化させてしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、電荷振り分けを高効率に行い撮像したカラー画像を画質良く再生することができる出力２分岐型固体撮像素子及び撮像装置を提供することにある。

本発明の出力２分岐型固体撮像素子は、第１色光の受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子と第２色光の受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子と第３色光の受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子とが二次元アレイ状に配列形成された半導体基板と、該半導体基板に形成され前記光電変換素子から読み出された前記信号電荷を出力端側に転送する電荷転送路と、該電荷転送路に沿って転送されてきた前記信号電荷を受け取り２つの分岐先のいずれか一方に交互に振り分ける分岐部とを備える出力２分岐型固体撮像素子であって、前記電荷転送路の端部のチャネル幅を片側から狭く絞り前記分岐部に接続する構成としたことを特徴とする。

本発明の出力２分岐型固体撮像素子は、前記第１色光が３原色のうちの赤色であり、前記第２色光が３原色のうちの緑色であり、前記第３色光が３原色のうちの青色であり、前記赤色と前記青色の各信号電荷を前記絞った側の分岐先に分岐する構成としたことを特徴とする。

本発明の出力２分岐型固体撮像素子は、前記分岐部の２つの分岐先の夫々に分岐転送路を設けたことを特徴とする。

本発明の出力２分岐型固体撮像素子は、前記分岐部に設ける分岐電極に固定電位を印加し該分岐部に流れ込んだ信号電荷がそのまま分岐先に流れ出る構成としたことを特徴とする。

本発明の出力２分岐型固体撮像素子は、前記分岐電極が扁平二等辺三角形状をなし底辺側が前記電荷転送路に連設され、二等辺の１辺が第１の分岐先に連設され、二等辺の他辺が第２の分岐先に連設されることを特徴とする。

本発明の出力２分岐型固体撮像素子は、前記光電変換素子が前記半導体基板にハニカム配列されていることを特徴とする。

本発明の出力２分岐型固体撮像素子は、信号電荷を前記半導体基板の表面に沿う１方向に転送する複数の垂直転送路と、該垂直転送路によって転送されてきた信号電荷を受け取り前記１方向に対して直角な方向に転送する水平転送路と、前記垂直転送路によって転送されてきた信号電荷を受け取り所要タイミングで前記水平転送路に出力するラインメモリとを備え、前記分岐部が前記水平転送路の端部に接続されることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、上記いずれかに記載の出力２分岐型固体撮像素子と、該出力２分岐型固体撮像素子から出力される前記第１色光，第２色光，第３色光毎の画像信号を積算しホワイトバランス補正を施す信号処理手段とを備えることを特徴とする。

本発明の出力２分岐型固体撮像素子は、電荷転送路端部で信号電荷の存在範囲を絞った後に分岐部で２つの分岐先に信号電荷を振り分ける構成のため、高効率で電荷振り分けを行うことができ、画質の高いカラー画像を再生することが可能となる。

また、電荷転送路端部のチャネル幅を片側から絞り、絞った側の分岐先に赤色，青色の信号電荷を振り分け、絞らない方の分岐先に緑色の信号電荷を振り分けることで、極めて小さな電荷振り分け残りが生じてもこれが固定パターンノイズとして画像上に現れるのを防止できる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの構成図である。図示するデジタルカメラは、撮影レンズ１０と、詳細は後述するＣＣＤタイプの固体撮像素子１００と、この両者の間に設けられた絞り１２と、赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。デジタルカメラの全体を統括制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ発光部１６及び受光部１７を制御し、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部１９を介し絞り１２の開口量を制御して露光量調整を行う。

また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して固体撮像素子１００を駆動し、撮影レンズ１０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。ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザからの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。

デジタルカメラの電気制御系は、固体撮像素子１００の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２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２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）２４に接続されたメモリ制御部２５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、測光データを積算しデジタル信号処理部２６が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部２８と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。

図２は、図１に示す固体撮像素子１００の平面模式図である。図示する固体撮像素子１００は出力２分岐型となっている。この固体撮像素子１００は、半導体基板上に多数のフォトダイオード（光電変換素子）１０１が二次元アレイ状に配列形成され、奇数行のフォトダイオード１０１に対して偶数行のフォトダイオード１０１が１／２ピッチづつずらして配置（所謂、ハニカム画素配列）されている。

各フォトダイオード１０１上に図示した「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色（赤＝Ｒ，緑＝Ｇ，青＝Ｂ）を表しており、各フォトダイオード１０１は、３原色のうちの１色の受光量に応じた信号電荷を蓄積する。尚、原色系カラーフィルタを搭載した例を説明するが、補色系カラーフィルタを搭載することでも良い。

半導体基板表面の水平方向には、各フォトダイオード１０１を避けるように蛇行して垂直転送電極が敷設されている。半導体基板には垂直方向に並ぶフォトダイオード列の側部に図示しない埋め込みチャネルが、フォトダイオード１０１を避けるように垂直方向に蛇行して形成されている。この埋め込みチャネルと、この上に設けられ垂直方向に蛇行して配置される垂直転送電極とで、垂直転送路（ＶＣＣＤ）１０２が形成される。

半導体基板の下辺部には、水平転送路（ＨＣＣＤ）１０３が設けられている。この水平転送路１０３も、埋め込みチャネルとその上に設けられた水平転送電極とで構成され、この水平転送路１０３は、撮像素子駆動部２０から出力される転送パルスＨＳ１，ＨＳ２によって２相駆動される。

水平転送路１０３の出力端部は、電荷振り分け部（電荷分岐部）１２０により、第１分岐転送路１０４と、第２分岐転送路１０５とに２分岐される。第１分岐転送路１０４，第２分岐転送路１０５の構成は水平転送路１０３と同様の構成（埋め込みチャネル及び転送電極）になっており、第１分岐転送路１０４の出力端部には、該出力端に転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を出力する第１出力アンプ１０６が設けられ、第２分岐転送路１０５の出力端部には、該出力端に転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を出力する第２出力アンプ１０７が設けられている。

第１分岐転送路１０４と第２分岐転送路１０５とは、撮像素子駆動部２０が水平転送路１０３を駆動する転送パルスＨＳ１，ＨＳ２を１／２に分周することで生成した転送パルスＨＰ１，ＨＰ２によって２相駆動される。

本実施形態の出力２分岐型固体撮像素子１００は、各垂直転送路１０２の端部と水平転送路１０３との境界部分に、水平転送路１０３に沿うラインメモリ１０８を備える。

ラインメモリ１０８は、例えば特開２００２―１１２１１９号公報に記載されている様に、各垂直転送路１０２から受け取った信号電荷を一時蓄積し、水平転送路１０３に出力するタイミングを制御することで、信号電荷の水平方向の画素加算を行うため等に使用される。画素加算は、デジタルカメラで動画撮影を行うとき即ち縮小画像を出力するとき行い、静止画像を撮像する場合には画素加算は行わない。

本実施形態では、ラインメモリ１０８を設けた出力２分岐型固体撮像素子を図示したが、ラインメモリ１０８を用いずに、垂直転送路１０２を転送されてきた信号電荷を水平転送路１０３に直接受け渡す構成でも良い。また、ハニカム画素配置のカラー固体撮像素子１００について説明したが、フォトダイオードを正方格子状に配置し、カラーフィルタをベイヤー配列した固体撮像素子でも良い。

尚、「垂直」「水平」という用語を使用して説明したが、これは、半導体基板表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」という意味である。

図３は、図２に示す水平転送路１０３と分岐転送路１０４，１０５との接続部における電荷振り分け部１２０の詳細を示す表面模式図である。水平転送路１０３は、埋め込みチャネルと、その上に繰り返し積層された第１層電極１０３ａ及び第２層電極１０３ｂの組とから成り、第１層電極１０３ａ及び第２層電極１０３ｂの組のうち１つ置きの組に転送パルスＨＳ１が印加され、残りの１つ置きの組に、転送パルスＨＳ１と逆位相の転送パルスＨＳ２が印加される周知の構成になっている。

本実施形態の水平転送路１０３は、電荷振り分け部１２０に近づくに従って、埋め込みチャネルの幅が徐々に狭くなるように形成され、第１層電極１０３ａ，第２層電極１０３ｂの長さもこれに合わせて短く形成されている。図示する例では、水平転送路１０３の底辺１０３ｃに対して上辺１０３ｄが徐々に近づくように、幅が約１／２程度に狭められている。

水平転送路１０３と、分岐転送路１０４，１０５との間に、電荷振り分け部１２０が設けられる。この電荷振り分け部１２０は、幅狭に形成された埋め込みチャネル上に積層された第１層電極１２０ａ及び第２層電極１２０ｂでなる振り分け電極（分岐電極）を備える。

第１層電極１２０ａは扁平二等辺三角形の形状を為し、該扁平二等辺三角形の底辺部分に絶縁層を介して短冊状の第２層電極１２０ｂの端部分が重複積層される。この第１層電極１２０ａ及び第２層電極１２０ｂには、撮像素子駆動部２０から固定電圧ＨＳＬが印加される。

第１分岐転送路１０４は、振り分け電極１２０ａの１辺側に連設され、第２分岐転送路１０５は、振り分け電極１２０ａの他辺側に連設される。本実施形態の水平転送路１０３の端部１０３ｅ（図２参照）は、その電荷振り分け部１２０側近傍において、この１辺側すなわち片側でのみチャネル幅が徐々に絞られる構成としている。

第１分岐転送路１０４，第２分岐転送路１０５は共に、埋め込みチャネルと、その上に繰り返し積層された第１層電極及び第２層電極の組とで成り、第１層電極及び第２層電極の組のうち１つ置きの組に転送パルスＨＰ１が印加され、残りの１つ置きの組に、転送パルスＨＰ１と逆位相の転送パルスＨＰ２が印加される構成になっている。

そして、第１分岐転送路１０４の振り分け電極１２０ａに最隣接する第１層電極１０４ａ及び第２層電極１０４ｂに転送パルスＨＰ１が印加されるとき、第２分岐転送路１０５の振り分け電極１２０ａに最隣接する第１層電極１０５ａ及び第２層電極１０５ｂに転送パルスＨＰ２が印加される。

図４は、電荷振り分け部１２０における半導体基板の断面模式図（ａ）及びポテンシャル図（ｂ）を示している。

ｎ型半導体基板の表面部に形成されたｐウェル層には、ｎ型の埋め込みチャネル１３０が形成されている。そして、この半導体基板の表面には、図示しない絶縁層を介し第１層電極膜１０３ａ，１２０ａ，１０５ａ（第１分岐転送路の場合には１０４ａ）が積層されると共に、各第１層電極膜間に、図示しない絶縁層を介して第２層電極膜１０３ｂ，１２０ｂ，１０５ｂ（１０４ｂ）が積層される。

埋め込みチャネル１３０の第２層電極膜１０３ｂ，１２０ｂ，１０５ｂ（１０４ｂ）直下には、ｐ⁻領域１３１が形成される。そして、電荷振り分け部１２０及び第１，第２分岐転送路１０４，１０５の部分において、電荷振り分け部１２０及び第１，第２分岐転送路１０４，１０５の電位を所要電位に制御するｎ型層１３２が埋め込まれる。

斯かる構成の固体撮像素子１００では、図２に示す各フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が垂直転送路１０２に読み出され、垂直方向に転送される。垂直方向に転送されてきた信号電荷が水平転送路１０３に移されると、水平転送路１０３には、水平転送パルスＨＳ１，ＨＳ２が印加され、水平転送路１０３上の全信号電荷が、水平転送路１０３に沿って電荷振り分け部１２０に順次転送される。

図５は、水平転送パルスＨＳ２と、分岐転送路１０４，１０５に印加される転送パルスＨＰ１，ＨＰ２のタイミングチャートである。電荷振り分け部１２０に最隣接する第１層電極１０３ａ，第２層電極１０３ｂに転送パルスＨＳ２が印加されると、その電位は、図４（ｂ）に矢印Ａで示すように、上下する。

電荷振り分け部１２０の振り分け電極１２０ａ，１２０ｂには固定電圧ＨＳＬが印加されており、電荷振り分け部１２０の電位は固定となっている。この状態で、電荷振り分け部１２０に最隣接する第１層電極１０３ａ，第２層電極１０３ｂの印加電圧が０Ｖになると、第１層電極１０３ａ下の電位は振り分け部１２０ｂの電位より小さくなり（図４（ｂ）で上方向）、３．３Ｖになると第１層電極１０３ａ下の電位は振り分け部１２０ｂの電位より高くなる（図４（ｂ）で下方向）。

水平転送路に沿って転送されてきた信号電荷は、電荷振り分け部１２０に近づくに従って、チャネル幅が狭くなるため狭い領域に閉じ込められていく。そして、電荷振り分け部１２０に最隣接する水平転送路１０３の第１層電極１０３ａ，第２層電極１０３ｂの印加電圧が０Ｖになると（図４（ｂ）の矢印Ａの上側に持ち上げられると）、第１層電極１０３ａ下に保持されていた信号電荷は、図４（ｂ）に「イ」と示したように、電荷振り分け部１２０に流れ込む。

第１分岐転送路１０４と第２分岐転送路１０５は、転送パルスＨＳ１，ＨＳ２の１／２の周波数の転送パルスＨＰ１，ＨＰ２で駆動されている。電荷振り分け部１２０に最隣接する水平転送路１０３の第１層電極１０３ａの印加電圧が０Ｖになったとき、電荷振り分け部１２０に最隣接する第２分岐転送路１０５の第１層電極１０５ａ，第２層電極１０５ｂには３．３Ｖの電圧が印加されており、第１分岐転送路１０４の第１層電極１０４ａ，第２層電極１０４ｂには０Ｖの電圧が印加されている。

即ち、第２分岐転送路１０５の電位は高く（図４（ｂ）の状態Ｍ）、第１分岐転送路１０４の電位は低く（図４（ｂ）の状態Ｌ）なっている。このため、電荷振り分け部１２０に流れ込んだ信号電荷は、電荷振り分け部１２０を通ってそのまま第２分岐転送路１０５に流れ込む（図４（ｂ）の「ロ」）。

次の転送パルスＨＳ２に従って水平転送路１０３から電荷振り分け部１２０に流れ込んだ信号電荷は、今度は、第１分岐転送路１０４の電位が高く（図４（ｂ）の状態Ｍ）、第２分岐転送路１０５の電位が低い（図４（ｂ）の状態Ｌ）ため、第１分岐転送路１０４に流れ込む。

図６，図７は、水平転送路１０３から各分岐転送路１０４，１０５に転送される信号電荷の順序を例示する模式図である。「Ｒ」とは赤色フィルタを搭載したフォトダイオードから読み出された信号電荷であり、「Ｇ」とは緑色フィルタを搭載したフォトダイオードから読み出された信号電荷である。水平転送路１０３に沿って、Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｒ，Ｇ…の順序で信号電荷が転送されている。

この信号電荷の転送により、タイミングＴ＝２でＧ信号電荷が先ず電荷振り分け部１２０に流れ込むと、このＧ信号電荷は、電荷振り分け部１２０を通り、第２分岐転送路１０５に流れ込むことになる。

次のタイミングＴ＝３で、今度は、Ｒ信号電荷が電荷振り分け部１２０の隣接位置まで転送され、Ｔ＝４でＲ信号電荷が電荷振り分け部１２０に流れ込むと、このＲ信号電荷は、電荷振れ分け部１２０を素通りして第１分岐転送路１０４に流れ込むことになる。

以下、同様にして、図示する実施形態では、Ｇ信号電荷は全て第２分岐転送路１０５側に流れ込み、第２分岐転送路１０５の出力に設けられた出力アンプ１０７によって電圧値信号が読み出される。Ｒ信号電荷は全て第１分岐転送路１０４側に流れ込み、第１分岐転送路１０４の出力に設けられた出力アンプ１０６によって電圧値信号が読み出される。

この様に、本実施形態の出力２分岐型固体撮像素子１００では、電圧値信号は水平転送路１０３の１／２の駆動周波数で転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた信号として出力されるため、水平転送路１０３を高速駆動しても、出力データの波形が乱れることは無い。

また、水平転送路１０３に沿って転送されてきた信号電荷の存在領域を狭めてから電荷振り分け部１２０に流し込む構成のため、しかも、電荷振り分け部１２０の電位を固定電位とし、電荷振り分け部１２０の電位井戸の幅（信号電荷が流れる方向の長さ）を狭くした扁平二等辺三角形状としているため、電荷残り無く高効率で（等価的に高い電荷転送効率でという意味であるが、本実施形態では、電荷振り分け電極を固定電位とし転送パルスで駆動する構成にしていないため「転送効率」という用語は用いない。）、信号電荷を第１分岐転送路１０４または第２分岐転送路１０５に振り分けることが可能となる。

図６，図７に示す様に、本実施形態では、第１分岐転送路１０４に設ける転送電極の段数に対し、第２分岐転送路１０５に設ける転送電極の段数を１段多くしている。これは、第１分岐転送路１０４と第２分岐転送路１０５とを同一の転送パルスＨＰ１，ＨＰ２で駆動し、第１分岐転送路１０４によって出力端まで転送されてきたＲ信号電荷の電圧値信号をアンプ１０６によって読み出すとき、同時に、第２分岐転送路１０５によって出力端まで転送されてきたＧ信号電荷の電圧値信号をアンプ１０７によって読み出すことができる様にするためである。

これにより、固体撮像素子から読み出されたアナログの画像データをアナログフロントエンドで相関二重サンプリングするときの位相調整が１系統で済むようになる。

また、電圧値信号を読み出した後の信号電荷を、第１分岐転送路１０４，第２分岐転送路で同時に同一リセット信号を用いてリセットドレインに廃棄することが可能となる。尚、信号電荷をリセットドレインに廃棄するとき、信号電荷の存在範囲が狭い方が良い。このため、第１分岐転送路１０４，第２分岐転送路１０５の出力端部の幅を狭める様に構成する。

図８は、図２の固体撮像素子１００でラインメモリ１０８を用い奇数行（ＲＢラインとＧラインの２行を１行とみなす）のフォトダイオードから読み出された信号電荷を２回に分けて出力し、偶数行（ＢＲラインとＧラインの２行を１行とみなす）のフォトダイオードから読み出された信号電荷を２回に分けて出力するときの電荷転送及び電荷振り分けの様子を示す図である。

ラインメモリ１０８上には、奇数行のフォトダイオードから読み出された信号電荷が「Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，…」と並んでいる。第１転送では、この信号の並びから「Ｒ，Ｇ」の並び部分だけを水平転送路に移して転送し、第２転送では、残りの「Ｂ，Ｇ」の並び部分を水平転送路に移して転送を行う。

奇数行のフォトダイオードから読み出された信号電荷の出力が終わった後は、ラインメモリ１０８上には、偶数行のフォトダイオードから読み出された信号電荷が「Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，…」と並んでいる。第１転送では、この信号の並びから「Ｂ，Ｇ」の並び部分だけを水平転送路に移して転送し、第２転送では、残りの「Ｒ，Ｇ」の並び部分を水平転送路に移して転送を行う。

これらの各電荷転送，出力に際し、本実施形態では、Ｇ信号電荷に関しては必ず電荷振り分け部１２０が第２分岐転送路１０５側に分岐し、Ｒ信号電荷及びＢ信号電荷に関しては必ず第１分岐転送路１０４に分岐する様に、転送パルスＨＳ１，ＨＳ２，ＨＰ１，ＨＰ２のタイミング制御を行う。

同一製造プロセスにより同一半導体基板上に同一構造の出力アンプ１０６，１０７を製造する場合であっても、その特性を同一にすることは困難である。しかし、本実施形態の様に、同一色の信号電荷の電圧値信号は必ず同じ出力アンプから読み出される構成とすることで、各出力アンプ間のゲイン差を吸収することが可能となる。

固体撮像素子から出力されるＲ，Ｇ，Ｂ毎の画像データから１枚の撮像画像を再生する場合、図１に示すデジタル信号処理部２６は、ホワイトバランス補正を行う。ホワイトバランス補正とは、本来「白」である画像を様々な色の光源下で撮像しても「白」の撮像画像として表現されるように補正するものであり、１枚の撮像画像を構成するＲ，Ｇ，Ｂの画像データ全てを混合したとき、混合結果が「無彩色」となるようにＲ，Ｇ，Ｂ毎のゲイン調整を行うものである。

２つの出力アンプ１０６，１０７間にゲイン差が存在していても、同じ色の色データが同じアンプから出力されていれば、ホワイトバランス補正を行うことで、アンプ間のゲイン差は吸収されてしまい、ゲイン差が画像データに表れることのない良好な画質のカラー画像データを再生することが可能となる。

図９は、各画素（フォトダイオード）が正方格子状に配列され、カラーフィルタがベイヤー配列されている固体撮像素子の信号電荷を各フォトダイオードから読み出し、水平転送路，第１分岐転送路，第２分岐転送路と転送する場合の各色信号電荷の転送及び電荷振り分けの様子を示す図である。

この固体撮像素子の場合、奇数行のフォトダイオードから読み出された信号電荷は、水平転送路上で「Ｒ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，…」と並び、偶数行のフォトダイオードから読み出された信号電荷は、水平転送路上で「Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｂ，…」と並ぶことになる。

奇数行の信号電荷を転送し出力するときは、第２分岐転送路１０５にＧ信号電荷を振り分けると共にＲ信号電荷を第１分岐転送路１０４に振り分ける。また、偶数行の信号電荷を転送し出力するときは、第２分岐転送路１０５にＧ信号電荷を振り分けると共にＢ信号電荷を第１分岐転送路１０４に振り分ける。

これにより、Ｇ信号電荷の電圧値信号は必ず出力アンプ１０７によって読み出され、Ｒ信号電荷及びＢ信号電荷の夫々の電圧値信号は必ず出力アンプ１０６によって読み出され、ホワイトバランス補正を行うことで、アンプ１０６，１０７間のゲイン差は吸収される。

図１０は、図２のラインメモリを用いないハニカム画素配列の固体撮像素子で各画素から読み出した信号電荷を水平転送路，第１分岐転送路，第２分岐転送路と転送する場合の各色信号電荷の転送及び電荷振り分けの様子を示す図である。

この固体撮像素子の場合、水平方向に蛇行配置された奇数行（ＲＢラインとＧラインの２行を１行とみなす）のフォトダイオードから読み出された信号電荷は、水平転送路上で「Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，…」と並び、偶数行（ＢＲラインとＧラインの２行を１行とみなす）のフォトダイオードから読み出された信号電荷は、水平転送路上で「Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，…」と並ぶことになる。

奇数行の信号電荷を転送し出力するときは、第２分岐転送路１０５にＧ信号電荷を振り分けると共に、Ｒ信号電荷とＢ信号電荷を第１分岐転送路１０４に振り分ける。また、偶数行の信号電荷を転送し出力するときは、第２分岐転送路１０５にＧ信号電荷を振り分けると共に、Ｂ信号電荷とＲ信号電荷を第１分岐転送路１０４に振り分ける。

即ち、偶数行，奇数行に関わらず、Ｇ信号電荷の電圧値信号は必ず出力アンプ１０７によって読み出され、Ｒ信号電荷，Ｂ信号電荷の電圧値信号は必ず出力アンプ１０６によって読み出される構成としている。

この結果、本実施形態でも、ホワイトバランス補正をとることで、アンプ１０６，１０７間のゲイン差は吸収される。

図１１は、本発明の別実施形態に係る固体撮像素子の説明図である。上述した各実施形態に係る固体撮像素子では、水平転送路の出力端部を分岐部（電荷振り分け部）を介して２分岐し、各分岐路に電荷転送路（第１分岐転送路，第２分岐転送路）を設けたが、本実施形態の固体撮像素子では、分岐部で２分岐した信号電荷の電荷量を、そのまま出力アンプ１０６，１０７で電圧値信号に変換し出力する構成になっている。

この構成においても、同じ色の信号電荷を同一アンプから出力するため、アンプ間のゲイン差をホワイトバランス補正で吸収することができる。

上述した各実施形態では、Ｒ信号及びＢ信号を必ず第１出力アンプ１０６から読み出し、Ｇ信号は必ず第２出力アンプ１０７から読み出す構成としている。その理由は、以下の通りである。

図１２は、電荷振り分け部１２０の近傍の模式図である。水平転送路１０３の端部１０３ｅは、電荷振り分け部１２０に近づくに従って、片側から、即ち第１分岐転送路１０４側からそのチャネル幅が狭められている。

図中の「×」印は、徐々に狭められた水平転送路の重心位置の変化を示しており、各水平転送電極下に蓄えられ転送される信号電荷は、理想的には、各場所において、重心位置を中心に分布することになる。

しかし、信号電荷は質量を有し、チャネル幅が狭められ重心位置が移動しても、瞬時に重心位置の移動に従って移動できる訳ではない。このため、水平転送路端部１０３ｅの各場所における信号電荷の分布中心は、幾何学的な重心位置よりずれることになる。図示する例では、信号電荷の分布中心は、第１分岐転送路１０４側に若干ずれることになる。

このことは、分岐部１２０に流れ込んだ信号電荷が、第１分岐転送路１０４側に流れやすく、第２分岐転送路１０５側に流れにくくなることを意味している。即ち、ほんの僅かではあるが、第１分岐転送路１０４に流れ込む信号電荷に比べ、第２分岐転送路１０５に流れ込む信号電荷の方が、電荷残りが生じる可能性が高いことを意味する。

カラー画像を撮像しその信号電荷を分岐部１２０で振り分ける出力２分岐型固体撮像素子では、分岐部１２０の分岐で電荷残りが「有る」ことを前提としたとき、各分岐転送路にどの色の信号電荷を振り分ける方がカラー画像の再生に有利であるかを考慮する必要がある。

例えば、赤色の被写体を撮像したとする。撮像したカラー画像のＧ信号電荷を転送し分岐する場合、その前段がＲ信号電荷の場合とＢ信号電荷の場合の２通りが生じる。

被写体が赤色であるためＲ信号電荷の電荷量は多くこのため電荷残りも多くなる。Ｂ信号電荷の電荷量は小さくその電荷残りは少ない。つまり、Ｒ信号電荷の後段となるＧ信号電荷の方が、Ｒ信号電荷の電荷残りが混入するため、Ｂ信号電荷の後段となるＧ信号電荷より電荷量が多くなってしまう。

赤色の被写体画像を撮像したため、本来、Ｇ信号電荷は場所によらず一定電荷量になるはずであるが、電荷残りの存在により、Ｇ信号電荷量が場所に依存して変動することになる。これは、撮像画像中にＧ信号が配置される市松模様の固定パターノイズとして観察されてしまい、画質を劣化させる要因となる。

そこで、上述した各実施形態では、分岐部における電荷残りが「有る」ことを前提とし、これを積極的に利用するために、水平転送路端部のチャネル幅を片側から絞り、絞った方の第１分岐転送路１０４に赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の信号電荷を振り分け、チャネル幅を絞らない方の第２分岐転送路１０５に緑色（Ｇ）の信号電荷を振り分ける構成としている。

この様な信号振り分けの構成とすることで、Ｇ信号電荷のＲ信号電荷，Ｂ信号電荷への漏れ込み即ち「色回り」が発生するが、この色回りは、上述した市松模様の固定パターンノイズに比べて視覚的に判別しずらく、画質に与える影響は極めて小さい。

図１３は、本発明の別実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態の固体撮像素子２００では、水平転送路端部１０３ｆのチャネル幅を両側から絞って電荷振り分け部１２０に接続する構成とし、その他の構成は図２の構成と同じであるため、同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

上述した各実施形態では、水平転送路端部のチャネル幅を片側から絞り、絞った側の分岐転送路にＲ信号電荷，Ｂ信号電荷を振り分けたが、これは、上記した様に、極めて小さな電荷残りまで考慮したためである。

水平転送路１０３上を転送してきた信号電荷を分岐部１２０で振り分ける場合、電荷残り無く高効率に振り分けるには、信号電荷の存在範囲をなるべく狭くした方が有利である。

そこで、本実施形態では、水平転送路端部１０３ｆのチャネル幅を両側から絞っている。この様にすることで、図１２で説明した信号電荷の分布中心は、幾何学的重心位置と重なり、第１分岐転送路１０４，第２分岐転送路１０５への電荷振り分けが均一となる。

本発明に係る固体撮像素子は、ハイビジョン画質等の高精細画像を撮像することが可能なデジタルカメラに搭載すると、有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。 図１に示す出力２分岐型固体撮像素子の表面模式図である。 図２に示す電荷振り分け部（分岐部）の詳細表面模式図である。 図２に示す電荷振り分け部の断面模式図（ａ）及びのそのポテンシャル図（ｂ）である。 図４に示す電荷振り分け部を駆動する転送パルスのタイミングチャートである。 図２に示す水平転送路から各分岐転送路に転送される信号電荷の色順序を例示する模式図である。 図２に示す水平転送路から各分岐転送路に転送される信号電荷の色順序を例示する図６に続く模式図である。 図２に示す固体撮像素子（ハニカム画素配列され且つラインメモリを持つ固体撮像素子）の水平転送路，第１分岐転送路，第２分岐転送路における各色信号電荷の転送及び電荷振り分けの様子を示す図である。 本発明の別実施形態に係る固体撮像素子（カラーフィルタがベイヤー配列された固体撮像素子）の水平転送路，第１分岐転送路，第２分岐転送路における各色信号電荷の転送及び電荷振り分けの様子を示す図である。 本発明の更に別実施形態に係る固体撮像素子（ハニカム画素配列されラインメモリを持たない固体撮像素子）の水平転送路，第１分岐転送路，第２分岐転送路における各色信号電荷の転送及び電荷振り分けの様子を示す図である。 本発明の更に別実施形態に係る固体撮像素子（分岐転送路を持たない固体撮像素子）の水平転送路，分岐部における各色信号電荷の転送及び電荷振り分けの様子を示す図である。 図３に示す固体撮像素子のチャネル幅の絞り方と電荷振り分けの説明図である。 本発明の更に別実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。

符号の説明

１００，２００ 固体撮像素子
１０１ フォトダイオード
１０２ 垂直転送路（ＶＣＣＤ）
１０３ 水平転送路（ＨＣＣＤ）
１０３ａ，１０４ａ，１０５ａ 転送路の第１層電極膜
１０３ｂ，１０４ｂ，１０５ｂ 転送路の第２層電極膜
１０３ｅ，１０３ｆ 水平転送路端部（チャネル幅を絞った部分）
１０４ 第１分岐転送路
１０５ 第２分岐転送路
１０６，１０７ 出力アンプ
１０８ ラインメモリ
１２０ 電荷振り分け部（分岐部）
１２０ａ 分岐部における扁平三角形状の電荷振り分け電極（第１層電極）
１２０ｂ 分岐部の電荷振り分け電極（第２層電極）

Claims (8)

1. 第１色光の受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子と第２色光の受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子と第３色光の受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換素子とが二次元アレイ状に配列形成された半導体基板と、該半導体基板に形成され前記光電変換素子から読み出された前記信号電荷を出力端側に転送する電荷転送路と、該電荷転送路に沿って転送されてきた前記信号電荷を受け取り２つの分岐先のいずれか一方に交互に振り分ける分岐部とを備える出力２分岐型固体撮像素子であって、前記電荷転送路の端部のチャネル幅を片側から狭く絞り前記分岐部に接続する構成としたことを特徴とする出力２分岐型固体撮像素子。
2. 前記第１色光が３原色のうちの赤色であり、前記第２色光が３原色のうちの緑色であり、前記第３色光が３原色のうちの青色であり、前記赤色と前記青色の各信号電荷を前記絞った側の分岐先に分岐する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の出力２分岐型固体撮像素子。
3. 前記分岐部の２つの分岐先の夫々に分岐転送路を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の出力２分岐型固体撮像素子。
4. 前記分岐部に設ける分岐電極に固定電位を印加し該分岐部に流れ込んだ信号電荷がそのまま分岐先に流れ出る構成としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の出力２分岐型固体撮像素子。
5. 前記分岐電極が扁平二等辺三角形状をなし底辺側が前記電荷転送路に連設され、二等辺の１辺が第１の分岐先に連設され、二等辺の他辺が第２の分岐先に連設されることを特徴とする請求項４に記載の出力２分岐型固体撮像素子。
6. 前記光電変換素子が前記半導体基板にハニカム配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の出力２分岐型固体撮像素子。
7. 信号電荷を前記半導体基板の表面に沿う１方向に転送する複数の垂直転送路と、該垂直転送路によって転送されてきた信号電荷を受け取り前記１方向に対して直角な方向に転送する水平転送路と、前記垂直転送路によって転送されてきた信号電荷を受け取り所要タイミングで前記水平転送路に出力するラインメモリとを備え、前記分岐部が前記水平転送路の端部に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の出力２分岐型固体撮像素子。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の出力２分岐型固体撮像素子と、該出力２分岐型固体撮像素子から出力される前記第１色光，第２色光，第３色光毎の画像信号を積算しホワイトバランス補正を施す信号処理手段とを備えることを特徴とする撮像装置。

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