JP4724513B2 - Ｃｃｄ型固体撮像素子及びその駆動方法並びにデジタルカメラ - Google Patents
Ｃｃｄ型固体撮像素子及びその駆動方法並びにデジタルカメラ Download PDFInfo
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Description
本発明はＣＣＤ（電荷結合素子）型の固体撮像素子等に係り、特に、〔１／１００００〕秒などの超高速シャッタを実現することが可能なＣＣＤ型固体撮像素子及びその駆動方法並びにデジタルカメラに関する。
例えばＩＴ（インタートランスファ）―ＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラで静止画像を撮像する場合、所要の露光量を得るために絞り開口量やシャッタ速度が決定される。シャッタ速度は、シャッタ「開」からシャッタ「閉」までの時間であるが、ＩＴ―ＣＣＤ型固体撮像素子を用いたデジタルカメラでは、オーバーフロードレイン機能によって固体撮像素子搭載のフォトダイオードの残留電荷を空にした時点を電子シャッタ「開」時点とし、その後にメカニカルシャッタが閉となってフォトダイオードが遮光された時点をシャッタ「閉」としている。
尚、従来技術に関連するものとして、下記特許文献１がある。
メカニカルシャッタでシャッタ「閉」時点を決定するカメラでは、シャッタ速度はメカニカルシャッタの動作速度に依存し制約されている場合が多く、〔１／２０００〕秒のシャッタ速度は実現できるが、〔１／１００００〕秒などの超高速シャッタを実現するのは困難である。
本発明の目的は、超高速シャッタを実現することが可能なＣＣＤ型固体撮像素子及びその駆動方法並びにデジタルカメラを提供することにある。
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板の表面にアレイ状に形成された複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードの受光電荷をトランスファーゲートを介して受け取り転送する垂直転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、前記フォトダイオードの受光電荷を前記半導体基板側に廃棄するとき前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げ且つ前記垂直転送路のポテンシャル井戸を底上げして該垂直転送路上の不要電荷も前記フォトダイオードを通し前記半導体基板側に廃棄することで電子シャッタ「開」とし、該電子シャッタ「開」以後に前記フォトダイオードに蓄積された受光電荷を前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げて該トランスファーゲートを介し前記垂直転送路に読み出した時点を電子シャッタ「閉」とする駆動手段を備えることを特徴とする。
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、インタートランスファ方式のＣＣＤであり、前記垂直転送路に読み出した受光電荷を転送する前に該垂直転送路上の１つ置きの電位井戸内の受光電荷を一旦該当のフォトダイオードに戻してから該垂直転送路に残った前記受光電荷の転送を行い、該転送後に、前記フォトダイオードに戻した前記受光電荷を該垂直転送路に読み出し該受光電荷を該垂直転送路で転送することを特徴とする。
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板の表面にアレイ状に形成された複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードの受光電荷をトランスファーゲートを介して受け取り転送する垂直転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記フォトダイオードの受光電荷を前記半導体基板側に廃棄するとき前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げ且つ前記垂直転送路のポテンシャル井戸を底上げして該垂直転送路上の不要電荷も前記フォトダイオードを通し前記半導体基板側に廃棄することで電子シャッタ「開」とし、該電子シャッタ「開」以後に前記フォトダイオードに蓄積された受光電荷を前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げて該トランスファーゲートを介し前記垂直転送路に読み出した時点を電子シャッタ「閉」とすることを特徴とする。
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、インタートランスファ方式のＣＣＤであり、前記垂直転送路に読み出した受光電荷を転送する前に該垂直転送路上の１つ置きの電位井戸内の受光電荷を一旦該当のフォトダイオードに戻してから該垂直転送路に残った前記受光電荷の転送を行い、該転送後に、前記フォトダイオードに戻した前記受光電荷を該垂直転送路に読み出し該受光電荷を該垂直転送路で転送することを特徴とする。
本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。
本発明のデジタルカメラは、前記電子シャッタ「閉」後に「閉」となるメカニカルシャッタを搭載したことを特徴とする。
本発明によれば、〔１／１００００〕秒などの超高速シッャタを実現することが可能となる。
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スチルカメラの構成図である。このデジタルスチルカメラは、撮影レンズ１０と、ＩＴ―ＣＣＤ型の固体撮像素子１１と、この両者の間に設けられたメカニカルシャッタ１２や図示しない絞りと、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。
デジタルスチルカメラの全体を制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ用の発光部１６及び受光部１７を制御し、また、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、絞り開口量を制御し、シャッタ駆動部１９を介しメカニカルシャッタの閉時点を制御する。
また、ＣＰＵ１５は、固体撮像素子１１が形成されたチップ上に製造された撮像素子駆動部２０を介してＣＣＤ型固体撮像素子１１を詳細は後述するように駆動制御し、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。また、ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザ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。
デジタルスチルカメラの電気制御系は、固体撮像素子１１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の画像信号（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、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、メインメモリ２４に接続されたメモリ制御部２５と、画像処理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てホワイトバランスのゲインを調整させる積算部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ＣＣＤ型固体撮像素子１１の表面模式図である。固体撮像素子１１の半導体基板受光面には、多数のフォトダイオード（ＰＤ）４１が正方格子状に配列されており、各フォトダイオード列の右側には、フォトダイオード４１の受光電荷を受け取り垂直方向に転送する垂直転送路（ＶＣＣＤ）４２が形成され、固体撮像素子１１の下辺部には、各垂直転送路４２によって転送されてきた受光電荷を受け取り水平方向に転送する水平転送路４３が形成されている。
水平転送路４３によって転送されてきた受光電荷に応じた画像信号は、水平転送路４３の出力段に設けられたアンプ４４から図１のアナログ信号処理部２２に出力される。
図３は、図２に示す固体撮像素子１１のフォトダイオード及び垂直転送路の１列分の拡大模式図である。垂直転送路４２は、半導体基板の表面部に形成された埋め込みチャネルと、この埋め込みチャネル上に一列に配列形成された転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ１，……とにより構成される。
図示する例では、フォトダイオード１個に対して、２枚の転送電極が設けられており、各フォトダイオードと奇数番目の転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ１，…とがトランスファーゲート（以下、ＴＧという。）４５によって接続され、後述する様に、トランスファーゲート４５を介して受光電荷の授受がフォトダイオード４１と垂直転送路４２との間で行われる。
図４は、図３のIV―IV線位置におけるポテンシャル形状を用いて固体撮像素子１１の動作を説明する図である。図１に示すデジタルスチルカメラが静止画像を撮像する前には、メカニカルシャッタ１２は「開」状態となっており、図４（ａ）に示す様に、フォトダイオード４１には不要電荷５１が発生している。また、図示しない遮光膜で覆われている垂直転送路４２にも不要電荷５２が残留している。
ユーザがデジタルスチルカメラのレリーズボタンを押下すると、ＣＰＵ１５は撮像素子駆動部２０に指令を出力し、図４（ｂ）に示す様に、不要電荷５１，５２を共に半導体基板の裏側に廃棄させる。即ち、垂直転送路のポテンシャル井戸を底上げする電圧を転送電極に印加すると共にＴＧ４５の障壁高さを下げる電圧をＴＧ４５に印加し、更に、オーバーフロードレイン制御電圧を印加する。
これらの電圧印加による不要電荷の廃棄は一瞬で行われ、ポテンシャル形状が元に戻った瞬間（図４（ｃ））の電子シャッタ「開」からフォトダイオードは露光を開始し、露光期間中（図４（ｄ））に露光量に応じた受光電荷がフォトダイオードに蓄積される。
次にシャッタ「閉」とするのであるが、本実施形態では、図４（ｅ）に示す様に、ＣＰＵ１５が撮像素子駆動部２０に指令してＴＧへの印加電圧を制御し、ＴＧ位置における電位障壁を一瞬下げてフォトダイオードの蓄積電荷を垂直転送路に移動させ、次にＴＧの電位障壁を元に戻す（図４（ｆ））ことで、シャッタ「閉」を実現する。
ＴＧの電位障壁を元に戻した後、ＣＰＵ１５はメカシャッタ駆動部１９を制御してメカニカルシャッタ１２を閉じ、フォトダイオードへの入射光を遮断する。
この図４（ｆ）の状態を、図５に「ｆ状態」として示す。即ち、垂直転送路４２には、奇数番目の転送電極Ｖ１，Ｖ３，Ｖ１，…下に夫々電位井戸が形成され、各電位井戸内に、フォトダイオード（ＰＤ１〜ＰＤ５）の受光電荷が移動した状態となっている。
しかし、この図５の「ｆ状態」では、各受光電荷を水平転送路（ＨＣＣＤ）まで転送することはできない。各受光電荷を入れた電位井戸間に設けられた転送電極が１個しかないからである。
そこで、水平転送路への転送を可能にするため、本実施形態では、転送電極Ｖ３下に移動された受光電荷を、対応のフォトダイオード（ＰＤ２，ＰＤ４）に戻すことにする。
しかし、ＴＧ制御によるシャッタ「閉」からメカニカルシャッタ閉までの間にフォトダイオードに電荷が蓄積されている可能性があるため、図４（ｇ）に示す様に、オーバーフロードレイン制御を行って、フォトダイオードの不要電荷を半導体基板側に廃棄する。
そして、その後に、フォトダイオード（ＰＤ２，ＰＤ４）のＴＧ電位障壁を下げると共に転送電極Ｖ３の印加電圧を制御して電位井戸を底上げし、図４（ｈ）に示す様に、転送電極Ｖ３下の受光電荷をフォトダイオード側に戻す。これにより、図５の「ｈ状態」に示す様に、垂直転送路上に残った受光電荷の水平転送路への転送が可能になる。
この水平転送路への受光電荷の転送が終了した後は、図４（ｈ）でフォトダイオード側に戻した受光電荷を、再び垂直転送路に戻し（図５の「ｉ状態」）、水平転送路まで転送する。
以上述べた様に、本実施形態に係る固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラでは、シャッタ「開」とシャッタ「閉」を共に電子シャッタで構成したので、〔１／１００００〕秒という超高速シャッタでも実現可能となる。
尚、上述した実施形態では、ＩＴ―ＣＣＤ型の固体撮像素子を例に説明したが、プログレッシブ読出可能な垂直転送路を持つＣＣＤ型固体撮像素子にも本発明を適用可能である。この場合には、垂直転送路に読み出した受光電荷をフォトダイオードに戻す必要がないのは言うまでもない。
本発明に係る固体撮像素子は、超高速シャッタを実現できるため、高速度撮影可能なデジタルカメラに適用すると有用である。
１１ 固体撮像素子
１２ メカニカルシャッタ
１５ ＣＰＵ
２０ 撮像素子駆動部
４１ フォトダイオード（ＰＤ）
４２ 垂直転送路（ＶＣＣＤ）
４３ 水平転送路（ＨＣＣＤ）
４５ トランスファーゲート（ＴＧ）
１２ メカニカルシャッタ
１５ ＣＰＵ
２０ 撮像素子駆動部
４１ フォトダイオード（ＰＤ）
４２ 垂直転送路（ＶＣＣＤ）
４３ 水平転送路（ＨＣＣＤ）
４５ トランスファーゲート（ＴＧ）
Claims (6)
- 半導体基板の表面にアレイ状に形成された複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードの受光電荷をトランスファーゲートを介して受け取り転送する垂直転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、前記フォトダイオードの受光電荷を前記半導体基板側に廃棄するとき前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げ且つ前記垂直転送路のポテンシャル井戸を底上げして該垂直転送路上の不要電荷も前記フォトダイオードを通し前記半導体基板側に廃棄することで電子シャッタ「開」とし、該電子シャッタ「開」以後に前記フォトダイオードに蓄積された受光電荷を前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げて該トランスファーゲートを介し前記垂直転送路に読み出した時点を電子シャッタ「閉」とする駆動手段を備えることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子。
- インタートランスファ方式のＣＣＤであり、前記垂直転送路に読み出した受光電荷を転送する前に該垂直転送路上の１つ置きの電位井戸内の受光電荷を一旦該当のフォトダイオードに戻してから該垂直転送路に残った前記受光電荷の転送を行い、該転送後に、前記フォトダイオードに戻した前記受光電荷を該垂直転送路に読み出し該受光電荷を該垂直転送路で転送することを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
- 半導体基板の表面にアレイ状に形成された複数のフォトダイオードと、各フォトダイオードの受光電荷をトランスファーゲートを介して受け取り転送する垂直転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法において、前記フォトダイオードの受光電荷を前記半導体基板側に廃棄するとき前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げ且つ前記垂直転送路のポテンシャル井戸を底上げして該垂直転送路上の不要電荷も前記フォトダイオードを通し前記半導体基板側に廃棄することで電子シャッタ「開」とし、該電子シャッタ「開」以後に前記フォトダイオードに蓄積された受光電荷を前記トランスファーゲートの電位障壁を一時下げて該トランスファーゲートを介し前記垂直転送路に読み出した時点を電子シャッタ「閉」とすることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
- インタートランスファ方式のＣＣＤであり、前記垂直転送路に読み出した受光電荷を転送する前に該垂直転送路上の１つ置きの電位井戸内の受光電荷を一旦該当のフォトダイオードに戻してから該垂直転送路に残った前記受光電荷の転送を行い、該転送後に、前記フォトダイオードに戻した前記受光電荷を該垂直転送路に読み出し該受光電荷を該垂直転送路で転送することを特徴とする請求項３に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
- 請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。
- 前記電子シャッタ「閉」後に「閉」となるメカニカルシャッタを搭載したことを特徴とする請求項５に記載のデジタルカメラ。
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2005
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