JP4658470B2 - 固体撮像素子、固体撮像装置及びカメラ - Google Patents
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Description
前記固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等のデジタルカメラに多く用いられているが、デジタルカメラに対する画質向上への要望は強く、固体撮像素子においては画素の高密度化が急激に進んでいる。
このため、固体撮像素子において、光電変換により発生した信号電荷を全て読み出さず、間引いて読み出すことにより、処理すべき画素数を減らす方法が提案されている。
例えば、特許文献1(特開平11−234688号公報)には、水平方向3画素を1ブロックとして、各ブロックにおける中央画素を除く2画素(両端の2画素)の信号電荷を固体撮像素子内で混合すると共に、ブロックの中央の1画素の信号電荷を、隣接するブロックの中央の1画素の信号電荷と混合することにより、固体撮像素子からの出力映像信号における水平方向の画素数を削減する駆動方法が開示されている。
(2)また、(1)の固体撮像素子は、前記垂直転送群において、2n+1個のうちn個の垂直転送部における水平転送部寄りの所定箇所の転送電極が独立転送電極であり、前記独立転送電極以外の転送電極は、接続転送電極であってもよい。
(3)また、(1)の固体撮像素子は、前記nが1であり、前記各垂直転送群は、3個の垂直転送部を含み、各垂直転送群の3個のうち1個の垂直転送部において、水平転送部寄りの所定箇所の転送電極が独立転送電極であってもよい。
(4)また、(3)の固体撮像素子は、前記3個のうち1個の垂直転送部において、少なくとも、水平転送部から数えて2番目及び4番目が独立転送電極であってもよい。
(5)また、(3)の固体撮像素子は、前記3個のうち1個の垂直転送部において、少なくとも、水平転送部から数えて3番目及び5番目が独立転送電極であってもよい。
(6)また、(1)の固体撮像素子は、前記行列状に配列された複数の光電変換部の行方向2個×列方向2個を1つの繰り返し単位として各光電変換部にカラーフィルタを配してもよい。
(7)また、(6)の固体撮像素子は、前記カラーフィルタは、前記行方向2個×列方向2個のうち1対角線上の2個が第1の色であり、他の2個が第2および第3の色であってもよい。
(8)本発明の固体撮像装置は、受光量に応じた電荷を生成して出力する固体撮像素子と、その制御部から成る固体撮像装置であって、前記固体撮像素子は、行列状に配列された複数の光電変換部と、列方向に配列された複数の垂直転送群と、前記複数の垂直転送群の電荷転送方向終端に沿って行方向に配された水平転送部とを備え、各光電変換部は、受光量に応じて電荷を生成し、各垂直転送群は、2n+1(nは1以上の整数)個の垂直転送部を含み、各垂直転送部は、列方向に配列された前記光電変換部に対応して配置され、列状に配置された複数の転送電極と、前記転送電極と同数であり対応する光電変換部から電荷を受け取り蓄積する電荷蓄積部とを含み、各転送電極は、当該転送電極の属する垂直転送群において、他の転送電極と接続されていない独立転送電極と他の転送電極と接続されている接続転送電極とのいずれかであり、前記2n+1個のうちn個の垂直転送部において、水平転送部寄りの所定箇所の転送電極が独立転送電極であり、前記水平転送部は、垂直転送部の各列に対し2枚ずつ行方向に配置された転送電極と、当該転送電極と同数の、行方向に配列され、電荷を受け取り蓄積する電荷蓄積部とを含み、各電荷蓄積部は、対応する転送電極に電圧が印加された場合に、蓄積している電荷を隣接する電荷蓄積部に転送し、前記制御部は、各転送電極に対し、(a)各垂直転送群の2n+1個のうち所定の出力方向から離れた側のn個の垂直転送部において、蓄積されている電荷のうち、前記水平転送部に最も近い電荷を前記水平転送部へ垂直転送、(b)前記水平転送部に転送された信号電荷を2n又は2n+1又は2n+2列分、前記出力方向に水平転送、(c)前記n列以外の水平転送部に最も近い信号電荷を、前記水平転送部へ垂直転送、(d)前記水平転送部内の信号電荷を4n+2相モードで水平転送、の順に行う制御用の電圧を印加する。
(9)また、(8)の固体撮像装置は、前記垂直転送群において、2n+1個のうちn個の垂直転送部における水平転送部寄りの所定箇所の転送電極が独立転送電極であり、前記独立転送電極以外の転送電極は、接続転送電極であってもよい。
(10)また、(8)の固体撮像装置は、前記制御部は、更に、各垂直転送部における各転送電極に対し、列方向1個おきの2m+1(mは1以上の自然数)個の各光電変換部に蓄積された電荷を加える前記制御用の電圧を印加してもよい。
(11)また、(8)の固体撮像装置は、前記nが1であり、前記各垂直転送群は、3個の垂直転送部を含み、前記3個のうち1個の垂直転送部において、水平転送部寄りの所定箇所の転送電極が独立転送電極であり、前記制御部は、各転送電極に対し、(a)各垂直転送群の3個のうち所定の出力方向から離れた側の1個の垂直転送部において、蓄積されている電荷のうち、前記水平転送部に最も近い電荷を前記水平転送部へ垂直転送、(b)前記水平転送部に転送された信号電荷を2又は3又は4列分、前記出力方向に水平転送、(c)前記1列以外の水平転送部に最も近い信号電荷を、前記水平転送部へ垂直転送、(d)前記水平転送部内の信号電荷を6相モードで水平転送、の順に行う制御用の電圧を印加してもよい。
(12)また、(8)の固体撮像装置は、前記制御部は、更に、各垂直転送部における各転送電極に対し、列方向1個おきの3個の各光電変換部に蓄積された電荷を加えて垂直転送する制御用の電圧を印加してもよい。
(13)また、(8)の固体撮像装置は、前記制御部は、更に、各垂直転送部における各転送電極に対し、列方向1個おきの3個の各光電変換部に蓄積された電荷のうち、列方向の並び順で中央の光電変換部の電荷を破棄し、破棄していない電荷を加えて垂直転送する制御用の電圧を印加してもよい。
(14)また、(8)の固体撮像装置は、前記制御部は、更に、各垂直転送部における各転送電極に対し、列方向1個おきの3個の各光電変換部に蓄積された電荷のうち、列方向の並び順で中央以外の電荷を破棄し、破棄していない電荷を垂直転送する制御用の電圧を印加してもよい。
(15)また、(8)の固体撮像装置は、前記行列状に配列された複数の光電変換部に関し、行方向2個×列方向2個の計4個を1つの繰り返し単位として各光電変換部にカラーフィルタを配してもよい。
(16)また、(15)の固体撮像装置は、前記カラーフィルタは、前記4個のうち1対角線上の2個が第1の色であり、他の2個が第2および第3の色であってもよい。
(17)また、(8)の固体撮像装置は、前記行列状に配列された複数の光電変換部に関し、行方向2個×列方向4個の計8個を1つの繰り返し単位として各光電変換部にカラーフィルタを配し、前記制御部は、更に、各垂直転送部における各転送電極に対し、列方向に隣接する2個の光電変換部を繰り返し単位として、当該繰り返し単位毎に光電変換部に含まれる電荷を加える前記制御用の電圧を印加してもよい。
(18)本発明のカメラは、(1)乃至(7)のいずれかに記載の固体撮像素子を備える。
(19)本発明のカメラは、(8)乃至(17)のいずれかに記載の固体撮像装置を備える。
この構成によれば、固体撮像素子から高速にデータが出力されるので、高速動作が可能となり、かつ、画質に優れたデジタルカメラを実現できる。
本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る固体撮像素子1の概略構成を示す図である。
固体撮像素子1は、二次元状に配列され、画素に対応する光電変換部2と、垂直転送部3と、水平転送部4とを備える。
光電変換部2の各々には、図1に示すように、赤(R)、緑(G)、青(B)の三色のカラーフィルタを、垂直、水平方向共に2画素おきに周期的に配置する。
カラーフィルタは、垂直方向2画素×水平方向2画素の計4画素を1つの繰り返し単位とし、図1に示すように左下の画素がR、右下および左上の画素がG、右上の画素がBとなるベイヤ配列をとる。
図1中のGbは、Bに水平方向に隣接するGであることを示し、同様にGrはRに水平方向に隣接するGであることを示す。
垂直転送部3は、CCD(Charge Coupled Device)で構成し、画素1列分の電荷を転送するものであり、画素の列と同数あるものとする。
水平転送部4は、CCD(Charge Coupled Device)で構成し、各垂直転送部によって転送された電荷を、図1中に示す出力方向へと転送する。
前記制御部は、固体撮像素子1と一体的に形成しても良い。
本実施形態では、垂直転送部3の垂直方向における画素3行分の部分を垂直転送段と称し、また、水平転送部4に最も近い垂直転送段を、垂直最終段と称する。
このような構成とすることにより、垂直転送部3内で、1画素おきの3行分の画素を加算でき、転送段の容量を大きくできるという利点がある。
また、固体撮像素子1の垂直転送部3は、3列単位で垂直転送群を構成しており、各垂直転送群中の各垂直転送部を、前記出力方向に近いものから順に、第1列、第2列、第3列とする。
図2は、信号電荷を混合する画素の組み合わせを模式的に示した図である。
また、画素201(G11)、画素202(G12)、画素203(G13)のように、1画素おきに3つずつの同色を示す画素を1つの混合画素群とする。
固体撮像素子1は、各混合画素群の各画素に対応する電荷を混合する。
画素201乃至203から構成される混合画素群の重心と、画素204乃至206から構成される混合画素群の重心とは、等間隔となる。
このように、水平方向において交互に配置された2色の画素を、1画素おきに3つずつ組み合わせて混合すれば、混合後の各色の画素重心が等間隔となるので、モワレや偽信号が生じない。
<2.構成>
図3は、固体撮像素子1におけるゲート電極の具体的配置の一例を示す図である。
図3は、図1における垂直最終段と、その直前の垂直転送段に相当する部分を示す。
図3に示すように、チャネルストップ331乃至335の間に形成された転送路341乃至344が、垂直転送部に相当する。
第3列の垂直最終段において、水平転送部4に近い側から2番目および4番目の電極である第3相および第5相は、他の垂直転送段、垂直最終段における他の列(第1列及び第2列)のいずれとも独立して転送動作を行わせるために、島状に分離したパターン形状とし、前述の共通電極と異なる独立電極として構成する。
同様に、電極313は、列301及び列302の転送電極であり制御信号φV5により制御される電極312とは独立しており、制御信号φVC2により制御される。
図4は、図3に示したような電極の構造を模式的に示した図である。
図4において、VCCD転送段、VCCD最終段中の長方形(例えば電極401)のそれぞれが電極を示し、黒丸(例えば接続点402)は接続点を示し、前記黒丸と黒丸の間の実線(例えば結線403)は結線を示しており、前記接続点及び前記結線を介して結ばれている電極同士には、同じ制御信号が印加されることとなる。
同様に、V2〜V6、VC1、VC2はそれぞれ電極を示し、φV2〜φV6、φVC1、φVC2はそれぞれ電極に印加される信号を示す。
垂直転送部3における垂直最終段以外の転送段は、V2、V4、およびV6の3枚の転送電極が、同一層の電極膜(第1層目電極)によって全列にわたる共通電極として形成されている。
前記制御部は、固体撮像素子1に対し、信号電荷転送のための制御信号としてφV1〜φV6、φVC1、φVC2、φH1〜φH6を出力する。
<3.動作>
図5は、前記制御部が垂直転送部3及び水平転送部4に印加する制御信号である駆動波形のタイミングチャートと、前記タイミングチャートに応じた転送電荷の様子を示す図である。
図7乃至図11は、前記制御部により制御された場合の固体撮像素子1の動作を模式的に示す状態遷移図である。
以下、前記制御部が、前記駆動波形を固体撮像素子1に与えた場合の固体撮像素子1の動作を、図5乃至図11を用いて説明する。
図5において、V1〜V6、及びVC1〜VC2のそれぞれに与えられる駆動パルスが高レベルの場合に、当該電極下のMOSキャパシタはストレージ部となり、駆動パルスが低レベルの場合に、当該電極下のMOSキャパシタはバリア部となる。
図5(a)において、黒いバーで示す部分は、電極下に信号電荷が存在していることを示す。
タイミングt500では、第3列においては、VC1、V4下に信号電荷が存在し、第1列及び第2列においては、V3、V4下に信号電荷が存在している。
前記制御部は、t501において、VC2に印加するφVC2を高レベルとし、これにより、第3列の信号電荷は、VC1、V4、VC2下に跨って存在することとなる。
前記制御部は、t502において、φVC1を低レベルとし、これにより、第3列の前記信号電荷は、V4及びVC2下に移動する。
t504において、φV4が低レベルにされることにより、第3列の前記信号電荷は、VC2、V6、H3下に跨って存在することとなる。
t505において、φVC2が低レベルにされることにより、第3列の前記信号電荷は、V6、H3下に存在することとなる。
これは、図7中矢印で示したように、第3列の垂直最終段のみの信号電荷(B13及びG13)が、水平転送部4へ転送されたことを示す。
図6(2)は、t507とt508の間を拡大したタイミングチャートであり、t620乃至t624は、それぞれタイミングを表す。
t620においては、前記転送された第3列の信号電荷は、H3の下に存在する。
t621において、φH4が高レベルになることにより、t621とt622の間においては、H3の下の信号電荷が、H4の下に移動する。
t622において、φH5が高レベルになることにより、t622とt623の間においては、H4の下の信号電荷が、H5の下に移動する。
t624において、φH1が高レベルになることにより、t624以後においては、H6の下の信号電荷は、H1の下に移動する。
以上のようにして、図8に示すように、水平転送部4の信号電荷(B13、G13)を、図8に示す出力方向へ2画素分転送されることとなる。
ここで、図5に示すように、φV4を低レベルにするタイミング(t504)よりも前に、φV2を高レベルにしている(t503)。
t503において、φV2を高レベルとすることにより、第1列及び第2列では、信号電荷の蓄積電極が時刻t503以前においてはV3、V4となり、時刻t503〜t504の期間においてはV2、V3、V4となり、時刻t504〜t505の期間にV2、V3となる。
第1列及び第2列に関し、t500においてV3、V4下に存在していた信号電荷は、前記制御部からの制御によって、t515においてHCCDへと転送される。
また、t509からt519の間において、図9に示すように、3列単位の垂直最終段のうち、第1列と第2列の垂直最終段を最終段以外もともども垂直方向に1段の駆動することとなり、図9中に矢印で表したように、残りの第1列と第2列の垂直最終段の信号電荷を、水平転送部4へ転送するとともに、垂直転送段内では全画素の電荷が1段順方向に転送される。
次に、t519からt520の間に、前記制御部が、図6(1)に示すパルスを発生し、水平転送CCDを6相駆動することにより、図10中の矢印で示すように出力方向に2画素分の転送が行われ、また、G11,B11の信号電荷は転送させることなく同一ゲート下に停留するため、図11に示すとおり、G11とG12とG13との3画素分の信号電荷、および、B11とB12とB13との信号電荷が、水平転送部4内でそれぞれ混合される。
t601において、前述のように、図10に示す2画素分の信号電荷は、H1の下に移動しており、単独の信号電荷は、H5の下に移動している。
t602において、φH2が高レベルになることにより、前記2画素分の信号電荷は、H1、H2、H3の下に跨って存在することとなる。
t604において、φH2が低レベルになることにより、前記3画素分の信号電荷は、H3、H4、H5の下に跨って存在することになる。
t605以降は、水平転送部4内の電荷を、順次、電荷の出力方向へ転送していくための単純な制御信号の繰り返しであり、出力すべき信号電荷の出力が全て終わるまで、前記制御部から固体撮像素子1へと繰り返し入力される。
また、図11に示したように、緑の混合画素群と青の混合画素群とが等間隔になるので、モワレや偽信号が生じない。
以後、上述と同様の電荷転送動作を繰り返し、図2に示す全画素分の信号電荷について、水平転送部4に近い方から順に1行分ずつ順次出力する。
図12〜図14は、本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合パターンの一例を示す図である。
この場合、R、G、Bのそれぞれについての混合画素群の重心は、図12に示すように、等間隔となる。
この場合、垂直方向において1行おきの3行分の信号電荷を混合する方法は、例えば、以下のとおりである。
(1)まず、2行おきの1/3の画素の信号電荷を垂直転送部3へ読み出し、2画素分垂直転送する。
(3)さらに、残りの画素の信号電荷を垂直転送部3へ読み出し、1画素おきの3画素の信号電荷を混合する。
なお、垂直転送段を3画素分とする電極構造(6相)の場合、上記動作が可能である。
例えば、図13に示すように、図12に示した9画素から、垂直方向における真ん中の行を間引いた、合計6画素を一つの混合画素群としても良い。
また、図14に示すように、垂直方向における3行中の2行を間引き、水平方向における3画素のみを一つの混合画素群としても良い。
上述のように、行を間引くことによって垂直方向の画素数も削減することにより、さらに信号出力スピードを向上させることができる。
この場合、読み出されなかった信号電荷は、フォトダイオードから基板等に排出する構成とすれば良い。
全画素ナイキスト周波数Fは、全画素サンプリング周波数fと、F=1/2×fの関係がある。
間引き等により通常の1/3の周波数でサンプリングする場合、ナイキスト周波数1/3Fを境に高域成分が折り返されるため、2/3Fの成分がDC成分に加わる。
この場合、ナイキスト周波数は1/3Fとなり、2/3Fの成分が約0.25のため、DCへ折り返り偽信号を発生する。
図15のg3は、本発明における1画素おきの3画素混合の場合の周波数応答である。
図15に示すように、固体撮像素子1によれば、モワレや偽信号が少ない高品質な画像信号を得ることができる。
なお、上述の実施形態では、水平方向に3画素を混合するための構成および駆動方法について説明したが、本発明は、3画素以上の奇数画素の混合に適用することが可能であり、5画素以上の混合を実現するための構成および駆動方法については、当業者であれば本実施形態の説明から理解できるであろう。
さらに、カラーフィルタを用いないモノクロ画像の固体撮像素子にも適用できる。
また、本実施形態で説明した固体撮像素子をデジタルカメラに適用すれば、固体撮像素子から高速にデータが出力されるので、高速動作が可能であり、かつ、画質に優れたデジタルカメラを実現できる。本発明の高速動作と通常の全画素読み出し動作を切り替えて使用することができるため、動画(高速動作)モードと静止画(全画素読み出し動作)モードを兼ね備えたデジタルカメラを実現できる。
本デジタルカメラは、被写体からの入射光を固体撮像素子1の撮像面に結像するためのレンズなどを含む光学系31と、固体撮像素子1の駆動を制御する制御部32と、固体撮像素子1からの出力信号に対して様々な信号処理を施す画像処理部33とを備えている。
<4.変形例>
なお、本発明を上記の実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記の実施の形態に限定されないのはもちろんである。
以下のような場合も本発明に含まれる。
(1)本実施形態において、垂直最終段が図4で示した電極構成を有する場合について説明してきたが、他の電極構成であってもよい。
例えば、図4で示した電極構成は、図17に示すように、垂直最終段の第1列および第2列も、第3相および第5相を独立電極(VC3、VC4、VC5、VC6)として構成しても良い。
なお、垂直転送部3が6相駆動の場合、垂直最終段の第3列(あるいは第1〜第3列の全て)における6枚の電極のうち、2枚あるいは3枚が、独立電極であることが好ましい。
これら2枚あるいは3枚の独立電極は、互いに隣接していてもかまわないが、製造プロセスを考慮すれば、独立電極間に少なくとも1枚の共通電極が介在している方が好ましい。
また、本実施形態では、6相駆動の電極構造を例示したが、3相または4相であっても構わない。
(2)本実施形態では、垂直転送群が垂直転送部を3個含み、前記3個の垂直転送部うち1個が独立電極を含む例について説明してきたが、垂直転送群に含まれる垂直転送部の数が2n+1(nは1以上の整数)であり、前記2n+1個の垂直転送部のうち、n個以上が独立電極を含めばよい。
(3)第3列の垂直最終段において、水平転送部から数えて2番目及び4番目の電極が独立電極である例について説明してきたが、水平転送部から数えて3番目及び5番目が独立転送電極であってもよい。
(4)本発明は、上記に示す方法であるとしてもよい。また、これらの方法をコンピュータにより実現するコンピュータプログラムであるとしてもよいし、前記コンピュータプログラムからなるデジタル信号であるとしてもよい。
また、本発明は、マイクロプロセッサとメモリとを備えたコンピュータシステムであって、前記メモリは、上記コンピュータプログラムを記憶しており、前記マイクロプロセッサは、前記コンピュータプログラムに従って動作するとしてもよい。
(5)上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。
2 光電変換部
3 垂直転送部
4 水平転送部
310 電極
311 電極
312 電極
313 電極
331 チャネルストップ
332 チャネルストップ
333 チャネルストップ
334 チャネルストップ
335 チャネルストップ
341 転送路
342 転送路
343 転送路
344 転送路
401 電極
402 接続点
403 結線
Claims (6)
- 受光量に応じた電荷を生成して出力する固体撮像素子と、その制御部から成る固体撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、
行列状に配列された複数の光電変換部と、
列方向に配列された複数の垂直転送群と、
前記複数の垂直転送群の電荷転送方向終端に沿って行方向に配された水平転送部とを備え、
各光電変換部は、受光量に応じて電荷を生成し、
各垂直転送群は、3個の垂直転送部を含み、
各垂直転送部は、列方向に配列された前記光電変換部に対応して配置され、列状に配置された複数の転送電極と、前記転送電極と同数であり対応する光電変換部から電荷を受け取り蓄積する電荷蓄積部とを含み、各電荷蓄積部は、対応する転送電極に印加された電圧に基づいて、蓄積している電荷を隣接する電荷蓄積部に転送し、
前記複数の転送電極は、他の転送電極に接続されていない独立転送電極と、他列の垂直転送部に配置された転送電極と接続された接続転送電極とから成り、
前記3個のうち1個の垂直転送部において、水平転送部寄りの所定箇所の転送電極が独立転送電極であり、かつ前記独立転送電極以外の転送電極は、接続転送電極であって、
前記水平転送部は、垂直転送部の各列に対し2枚ずつ行方向に配置された転送電極と、前記転送電極と同数の、行方向に配列され、電荷を受け取り蓄積する電荷蓄積部とを含み、
各電荷蓄積部は、対応する転送電極に電圧が印加された場合に、蓄積している電荷を隣接する電荷蓄積部に転送し、
前記制御部は、各転送電極に対し、
(a)各垂直転送群の3個のうち所定の出力方向から離れた側の1個の垂直転送部において、蓄積されている電荷のうち、前記水平転送部に最も近い電荷を前記水平転送部へ垂直転送し、
(b)前記水平転送部に転送された信号電荷を2又は3又は4列のうちいずれかに相当する分、前記出力方向に水平転送し、
(c)前記出力方向から離れた側の1個の垂直転送部以外の水平転送部に最も近い信号電荷を、前記水平転送部へ垂直転送し、
(d)前記水平転送部内の信号電荷を6相モードで水平転送する
の順に行う制御用の電圧を印加する
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記3個のうち1個の垂直転送部において、少なくとも、水平転送部から数えて2番目及び4番目が独立転送電極である
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記3個のうち1個の垂直転送部において、少なくとも、水平転送部から数えて3番目及び5番目が独立転送電極である
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記行列状に配列された複数の光電変換部の行方向2個×列方向2個を1つの繰り返し単位として各光電変換部にカラーフィルタを配する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記カラーフィルタは、前記行方向2個×列方向2個のうち1対角線上の2個が第1の色であり、他の2個が第2および第3の色である
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記制御部は、更に、各垂直転送部における各転送電極に対し、列方向1個おきの3個の各光電変換部に蓄積された電荷を加える前記制御用の電圧を印加する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
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