JP4740781B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置の構造に関する。
近年、固体撮像装置はデジタルスチルカメラ（以下、ＤＳＣと称す）への応用を背景に多画素化が進み、すでに５００万画素以上の画素数を有するにいたっている。さらに、今後もその画素数が増加して行く傾向にある。
また、動画においても、地上デジタル放送の開始に伴い、ＨＤＴＶ用ディスプレイの普及が著しい状況にある。最も一般的なＨＤＴＶでは、１６：９の画角内に約２００万の画素情報が必要とされる。一方、固体撮像装置を用いたカメラでは、ＶＧＡレベルの動画撮像ができることが、ひとつのセールスポイントとなっている。ＶＧＡレベルで従来のＮＴＳＣ等のＴＶ画面に動画を表示するには充分な画質を得ることができる。しかし、高解像度のＨＤＴＶディスプレイに表示するに耐える動画を生成することは従来技術では困難である。
図１４は、従来のＨＤＴＶ動画の出力方法を説明するための固体撮像装置５１の概略平面図である。この例では、固体撮像装置５１は、３６４８画素、１３６８ラインの約５００万画素を有する。また、ここでは、画素ずらし構造の固体撮像装置、いわゆるＰＩＡＣＣＤ（Ｐｉｘｅｌ Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ Ａｒｒａｙ ＣＣＤ）における動画出力方法を説明する。
画素ずらし構造の固体撮像装置５１においては、画角４：３の場合、３６４８画素の信号が１ラインを構成し、図示しない垂直転送ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）内を転送される。このとき、ライン数は１３６８ラインとなる。
この画角から垂直方向の上下ライン（掃き出し領域）をカットすることで、１６：９のＨＤＴＶ用映像信号（切出し信号領域）を得ることができる。この場合の画素数は、３６４８画素×１０２６ラインのトータル３７５万画素になる。カットした上下のラインを高速転送ではき捨てるとしても、この画素数の信号を動画で必要とされる３０フレーム／秒（ｆｐｓ）で出力するためのデータレートは、１３５ＭＨｚ（ブランキング期間として１５〜３０％、好ましくは２０％を使用）になる。この周波数は、いわゆるＣＤＳ等のノイズ低減処理を極めて困難にし、現実的ではない。
そこで、本発明者により提案された水平加算方法（特許文献１参照）を用いて、水平方向に２画素を加算して出力することにより、１８２４画素×１０２６ラインの信号を得ることができる。これはＨＤＴＶ規格の１９２０画素×１０８０ラインに近似するので、一応ＨＤＴＶ動画となる。
しかし、この場合でもなお、７３ＭＨｚのデータレート（水平加算によりブランキング期間が３０％に拡大）で信号を出力しなければならず、上述したようにノイズ低減処理等を行うことが非常に困難である。これを回避するためには、例えば、２チャンネルで信号を並列に読み出す等の方法を用いることが考えられるが、並列読み出し等もまた容易ではない。加えて、水平加算された信号は、異なる位置で空間サンプリングされた信号の合成になるので、規格の画素数に対して余裕がなければ、その画質は相当に劣化してしまう。以上の問題、特に高データレートの問題は、画素数が多くなればなるほど、深刻になる。さらに、データレートアップに伴う消費電力の増加も深刻な問題となる。
本発明の目的は、画質劣化を伴わずに実用的なデータレートで動画を出力できる固体撮像装置を提供することである。
本発明の一観点によれば、第１の所定数の行及び第２の所定数の列の画素で構成するフレームの画像を出力する固体撮像装置は、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に複数行複数列にわたって配列され、それぞれが前記画素を構成し、入射光に応じて信号電荷を生成する多数個の光電変換素子と、各光電変換素子の列間に垂直方向に配列され、前記光電変換素子で生成される信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置と、前記光電変換素子から前記垂直電荷転送装置への信号電荷の転送を制御する転送ゲートと、前記転送ゲートに転送パルスを印加するための給電線を有する給電手段であって、前記多数個の光電変換素子の内、前記第１の所定数の行に対応する給電線と、それ以外の行に対応する給電線とが電気的に独立しており、前記第１の所定数の行の光電変換素子から信号電荷を前記垂直電荷転送装置に読み出し、それ以外の光電変換素子からは読み出しをしないように前記転送ゲートを制御することができる給電手段と、前記垂直電荷転送装置に読み出された前記第１の所定数の行の信号電荷の内、前記第２の所定数の列以外の信号電荷を排出するドレイン手段と、前記垂直電荷転送装置によって転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送装置と、前記水平方向に転送された信号電荷を出力する出力回路と、前記第２の所定数の列の信号電荷を前記垂直電荷転送装置から受け取る前記水平電荷転送装置の転送段と前記出力回路との間に、前記フレームの画像の少なくとも１行の信号電荷を蓄積可能な転送段数を有する水平付加転送路とを有する。
本発明によれば、画質劣化を伴わずに実用的なデータレートで動画を出力できる固体撮像装置を提供することができる。
図１は、本発明の実施例による固体撮像装置１の概略平面図である。
固体撮像装置１は、多数の光電変換素子１２及び光電変換素子で発生する信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置（ＶＣＣＤ）２４を含む受光領域２、転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送装置（ＨＣＣＤ）３及び出力アンプ４を含んで構成される。
また、本実施例の特徴は、後述する切出し領域２ｃ（図４）の切出しライン数（５４０ライン）と同一あるいはそれ以上の転送段数を有する垂直転送路を切出し領域２ｃとＨＣＣＤ３との間に形成するために、少なくとも１２６ライン以上を有する垂直付加転送路（アナログメモリ）５が設けられている。
さらに、切出し１画素ラインの画素数と同数あるいはそれ以上の転送段を出力回路４と切出し領域２ｃの間に確保するために、ＨＣＣＤ３後段に少なくｔも５２８転送段を有する水平付加転送段３ａが設けられている。
受光領域２は、多数の光電変換素子１２をいわゆる画素ずらし配置に配置して構成されている。ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、２次元テトラゴナル行列の第１格子と、その格子間位置に格子点を有する２次元テトラゴナル行列の第２格子とを合わせた配置を指す。例えば、奇数列（行）中の各光電変換素子１２に対し、偶数列（行）中の光電変換素子１２の各々が、光電変換素子１２の列（行）方向ピッチの約１／２、列（行）方向にずれ、光電変換素子列（行）の各々が奇数行（列）または偶数行（列）の光電変換素子２のみを含む。「画素ずらし配置」は、多数個の光電変換素子１２を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
なお、ピッチの「約１／２」とは、１／２を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外れてはいるものの、得られる固体撮像装置１２の性能およびその画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「光電変換素子行内での光電変換素子１２のピッチの約１／２」についても同様である。
それぞれの光電変換素子１２の列間には、光電変換素子１２で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送装置２４が、光電変換素子１２の間隙を垂直方向に蛇行するように設けられている。画素ずらし配置により形成された空隙部に蛇行する転送チャネルが配置され、隣接する転送チャネルは光電変換素子を介して離れたり、チャネルストップ領域１３（図２）を挟んで近接したりする。
垂直電荷転送装置２４は、図２に示す垂直転送チャネル１４と該垂直転送チャネル上方に、絶縁膜１０ａ（図３）を挟んで形成される転送電極１６ａ及び１６ｂ（図２）が光電変換素子１２の間隙を蛇行するように水平方向に形成されている。
図２は、本発明の第１の実施例による固体撮像装置１の受光領域２の一部の拡大平面図である。半導体基板上の絶縁膜を剥がし、光電変換素子１２、転送電極１６を露出した状態を示す。
図３は、本発明の第１の実施例による固体撮像装置１の拡大断面図である。なお、この断面図は、図２に示す一点鎖線ｘ−ｙで固体撮像装置１を切断したものである。
以下の説明においては、同じ導電型を有する不純物添加領域間での不純物濃度の大小を区別するために、不純物濃度が相対的に低いものから順番に、ｐ−型不純物添加領域、ｐ型不純物添加領域、ｐ＋ 型不純物添加領域、あるいはｎ− 型不純物添加領域、ｎ型不純物添加領域、ｎ＋型不純物添加領域と表記する。ｐ− 型不純物添加領域１１ｂをエピタキシャル成長法によって形成する場合以外、全ての不純物添加領域は、イオン注入とその後の熱処理とによって形成することが好ましい。
半導体基板１１は、例えばｎ−型シリコン基板１１ａと、その一表面に形成されたｐ−型不純物添加領域１１ｂとを有する。ｐ− 型不純物添加領域１１ｂは、ｎ−型シリコン基板１１ａの一表面にｐ型不純物をイオン注入した後に熱処理を施すことによって、あるいは、ｐ型不純物を含有したシリコンをｎ型シリコン基板１１ａの一表面上にエピタキシャル成長させることによって形成される。
次いで、後に形成される１列の光電変換素子列に１本ずつ対応して、ｐ− 型不純物添加領域１１ｂにｎ型不純物添加領域（垂直転送チャネル）１４が例えば、０．５μｍの幅で形成される。個々の垂直転送チャネル１４は、その全長に亘ってほぼ均一な不純物濃度を有し、対応する光電変換素子列に沿って延在する。
次に、チャネルストップ領域１３が、垂直転送チャネル１４の隣（読出しゲート用チャネル領域１１ｃとなる箇所の反対側）に形成される。チャネルストップ領域１３は、例えばｐ＋型不純物添加領域、或いは、トレンチアイソレーション又は局所酸化（ＬＯＣＯＳ）によって構成される。
後に形成される各光電変換素子１２（ｎ型不純物添加領域１２ａ）の右側縁部に沿って、ｐ型不純物添加領域１１ｃが一部残される。各ｐ型不純物添加領域１１ｃは、読出しゲート用チャネル領域１１ｃとして利用される。
次に、酸化膜（ＯＮＯ膜）１５を、半導体基板１１の表面に形成する。ＯＮＯ膜は、例えば、膜厚が２０〜７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜（熱酸化膜）と、膜厚が３０〜８０ｎｍ程度のシリコン窒化膜と、膜厚が１０〜５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜とを、半導体基板１１上にこの順番で堆積させた積層膜によって構成される。図２においては、便宜上、１つの層で酸化膜１５を表している。なお、上記の酸化膜１５は、ＯＮＯ膜の代わりに単層の酸化膜（ＳｉＯ２）で形成することもできる。
次に、電極形成工程を行う。この工程では、酸化膜１５上に、転送電極（多層ポリシリコン電極）１６を形成する。半導体基板１の表面上に形成された酸化膜１５の上に第１の多結晶Ｓｉ層１６ａを０．２μｍ〜３μｍ（例えば、１μｍ）の厚さで堆積し、第１の多結晶Ｓｉ層１６ａ表面に、ホトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ（露光、現像）によって所定のパターンにホトレジスト膜をパターニング後、これをマスクとして異方性の強い（マスク面に垂直方向のエッチング速度の大きな）ドライエッチング（塩素系ガス等使用）によりマスクレス領域（マスクの存在しない領域）の第１の多結晶層１６ａをエッチオフし、ホトレジスト膜を除去する。これにより、第１層ポリシリコン電極１６ａが形成される。
次に、Ｓｉ表面を酸化しＳｉＯ2 膜（第２の酸化膜）を第１層ポリシリコン電極１６ａの上に３００Å〜１０００Åの膜厚で形成する。さらに、第２の酸化膜上に減圧ＣＶＤ法等を用いて第２の多結晶Ｓｉ層１６ｂを０．２μｍ〜３μｍ（例えば、１μｍ）の厚さで堆積する。引続き、フォトリソグラフィを用いて第２の多結晶Ｓｉ層１６ｂのパターニングを行い、第２層ポリシリコン電極１６ｂが形成される。なお、この部分の断面においては、第２層ポリシリコン電極１６ｂのみが垂直転送チャネル１４の上方に存在する。また、２本の垂直転送チャネル１４がチャネルストップ領域１３を介して隣り合う構造を有している。
次に、ｐ− 型不純物添加領域１１ｂの所定箇所を、イオン注入によりｎ型不純物添加領域１２ａに転換する。なお、ｎ型不純物添加領域１２ａは、電荷蓄積領域として機能する。転換したｎ型不純物添加領域１２ａの表層部をイオン注入によりｐ＋型不純物添加領域１２ｂに転換することによって、埋込み型のフォトダイオードである光電変換素子１２を形成する。
次に、多層ポリシリコン電極１６及びシリコン基板１１前面を覆うように絶縁膜１０を形成し、タングステン、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン等の金属や、これらの金属の２種以上からなる合金等をＰＶＤまたはＣＶＤによって絶縁膜１０上に堆積させることで遮光膜（図示せず）を形成する。この遮光膜は、各転送電極１６等を平面視上覆って、光電変換素子１２以外の領域で無用の光電変換が行われるのを防止する。各光電変換素子１２へ光が入射することができるように、遮光膜は、個々の光電変換素子１２の上方に開口部を１つずつ有する。さらに、遮光膜の上に、パッシベーション層、平坦化絶縁層、カラーフィルタ層、第２の平坦化膜、マイクロレンズを形成する。
図４（Ａ）は、本発明の第１の実施例による固体撮像装置１における画像切出し方法を説明するための平面図である。
図４（Ａ）に示すように、第１の実施例の固体撮像装置１は、水平３６４８画素、垂直１３６８ラインの約５００万画素の受光領域２を有する。本実施例では、この受光領域２の中から、ＨＤＴＶ用の動画像として、水平１９２０画素、垂直５４０ラインの信号を切出し領域２ｃから読み出す。切出し領域２ｃは受光領域２のほぼ中央に位置するので、切出し領域２ｃ以下のＶＣＣＤ２４における垂直転送段数は４１４ラインとなってしまう。
そこで、上述したように、受光領域２とＨＣＣＤ３との間に１２６ライン以上の垂直付加転送段５を設けて、切出し領域２ｃの下段に５４０ラインの垂直転送段を確保する。また、切出し領域２ｃの１画素ライン（１９２０画素）以上の水平転送段を確保するために５２８段以上の水平付加転送路３ａが設けられている。
なお、本実施例では、画素ずらし構造の受光領域２を用いており、この画素ずらし構造における垂直転送では、画素ラインの画素数の半数が１転送段として転送されるため、切出し領域２ｃより出力段方向には水平画素数１９２０画素の半数である９６０画素（転送段）が必要となる。
なお、図４（Ａ）にＶＣＣＤ２４の給電ブロック図を示す。図の切出し領域２ｃに対応する光電変換素子１２からＶＣＣＤ２４への転送制御電極（ゲート電極）への給電線４１を他の領域の給電線４０と電気的に独立形成することにより、切出し領域２ｃに含まれるラインの信号だけを光電変換素子１２からＶＣＣＤ２４に選択的に転送することができる。なお、この図４（Ａ）に示す給電ブロックは、本発明のすべての実施例において適用可能である。
図４（Ｂ）は、本発明の第１の実施例による切出し画像の転送概念図である。
まず、撮像面の中心領域から３６４８画素×５４０ラインの第１フレームの信号を選択的に光電変換素子１２からＶＣＣＤ２４に読み出す。このような選択読み出し（選択転送）は、ＶＣＣＤ２４の読み出しゲート電極の配線を独立に形成することにより容易に実現できる。その後、ＶＣＣＤ２４に読み出された第１フレームの信号を図４（Ｂ）に示す位置（切出し領域２ｃの直下）まで垂直方向に転送する。
次に、第１フレームの信号を読み出したのと同じ画素の信号を第２フレームの信号として選択的にＶＣＣＤ２４に読み出し、図４（Ｂ）に示す状態とする。すなわち、第１フレームの信号及び第２フレームの信号がＶＣＣＤ２４内で上下に
連続して蓄積されている状態とする。
連続して蓄積されている状態とする。
続いて、第１フレームの第１ラインをＨＣＣＤ３に転送する。ここで、本実施例では、１画素ライン（３６４８画素）のうちＨＤＴＶ動画に使用する画素の信号（１９２０画素）だけをＨＣＣＤ３に転送し、左右の不要信号電荷は後述するＶドレイン２５（図８）等のドレイン２６から排出される。
第１フレームの第１ラインがＨＣＣＤ３内を図４（Ｂ）に示す位置（出力回路４の直前）まで転送された時点で、第２ラインの信号のうちＨＤＴＶ動画に使用する画素の信号（１９２０画素）だけをＨＣＣＤ３に転送する。この動作を繰り返すことにより、ＨＤＴＶ動画信号を無駄な時間を必要とせずに出力することが可能となる。
出力された信号は、周知のハニカム補間処理によって、１９２０Ｈ×１０８０Ｖの画像として生成される。この画像を３０ｆｐｓの動画とするためのデータレートは、約３７ＭＨｚ（ブランキング期間を２０％とした場合）である。このデータレートであればＣＤＳ等のノイズ低減処理を容易に行うことができ、１線読み出しが可能となる。なお、再生されるＨＤＴＶ動画は、全画素読み出しを行った際の静止画に比べて２倍にズームアップされたものとなる。
以上説明した例では、５００万画素の固体撮像装置１を用いたが、この第１の実施例を最適に実施するためには、切出し領域２ｃとＨＣＣＤ３間に、切出し領域のライン数（切出しライン数）とほぼ同数の非切出しラインが存在する静止画用画素数を選択することが好ましい。このようにすることで、垂直付加転送路５を省略することができる。
例えば、ＨＤＴＶ動画を上述したように中心領域から切出すことを前提とすると、垂直ライン数が１０８０ｉで必要な５４０ラインの３倍＋αになる。これを４：３の静止画角に展開すると、Ｇｒｅｅｎのみの垂直ライン数が１６２０ラインで水平画素数が２１６０となり、ＧＲＢトータルでは、２１６０×１６２０×２＝６，９９８，４００となり、約７００万画素が必要であることがわかる。すなわち、第１の実施例における最適画素数（垂直付加転送段が不要となる画素数）は、７００万画素＋αとなる。なお、この場合でも、水平負荷転送段３ａは必要であり、その転送段数は３６０段である。
図５は、本発明の第２の実施例による固体撮像装置１０２における画像切出し方法を説明するための平面図である。
図５に示すように、第１の実施例の固体撮像装置１０２は、水平４６１６画素、垂直１７３２ラインの約８００万画素の受光領域２を有する。第２の実施例では、この受光領域２の中から、ＨＤＴＶ用の動画像として、水平１９２０画素、垂直５４０ラインの信号を切出し領域２ｃから読み出す。切出し領域２ｃは受光領域２のほぼ中央に位置するので、切出し領域２ｃ以下のＶＣＣＤ２４における垂直転送段数は５９６ラインある。従って、切出し領域２ｃ以下のＶＣＣＤ２４に１フレームの信号をすべて蓄積することができるので、第１の実施例とは異なり、垂直付加転送段を省略することができる。
また、第１の実施例に比して、水平画素数が増えたことで、切出し領域２ｃの１画素ライン（１９２０画素）以上の水平転送段を確保するための水平付加転送路３ａは、２８６段で充分となっている。
なお、垂直付加転送段５が不要になったこと及び水平付加転送段３ａの段数が減少したこと以外の構成及び転送方法は第１の実施例と同様であるので、その説明は省略する。
図６は、本発明の第２の実施例の第１の変形例による固体撮像装置１１２の平面図である。
この第１の変形例においても、切出し領域２ｃ及び切出し映像の転送等は第２の実施例と同一である。第２の実施例においては、全画素の信号を読み出す場合も、水平付加転送路３ａを介して出力回路４に転送されるので、水平付加転送路３ａの転送段の分だけ余分な時間を費やして転送されることとなり、読み出し時間を伸張させてしまう。
そこで、この第２の実施例の第１の変形例では、切出し信号を読み出す際には、上述の第２の実施例と同様に、図中左側にＨＣＣＤ３で水平転送し、水平付加転送路３ａを介して第１の出力回路４ａに出力し、全画素信号の場合は、ＨＣＣＤ３の転送方向を右側に切り替え、全信号を右方向に転送して、直接第２の出力回路４ｂに転送する。これにより、全画素信号は水平付加転送路３ａを介さずに転送することができるので、余計な転送時間を必要としない。
なお、ＨＣＣＤ３の転送方向反転動作はＨＣＣＤ３を構成する電極に印加する転送パルスを変更する周知の方法で実現することができる。
図７は、本発明の第２の実施例の第２の変形例による固体撮像装置１２２の平面図である。
この第２の変形例においても、切出し領域２ｃ及び切出し映像の転送等は第２の実施例と同一である。この第２の実施例の第２の変形例では、切出し信号を読み出す際には、上述の第２の実施例と同様に、図中下側にＶＣＣＤ２４で垂直転送した後に、左側に第１のＨＣＣＤ３１で水平転送し、水平付加転送路３ａを介して第１の出力回路４ａに出力し、全画素信号の場合は、図中上側にＶＣＣＤ２４で垂直転送した後に、第２のＨＣＣＤ３２で全信号を左方向に転送して、直接第２の出力回路４ｂに転送する。これにより、全画素信号は水平付加転送路３ａを介さずに転送することができるので、余計な転送時間を必要としない。
図８は、本発明の全実施例におけるＶＣＣＤドレイン２５を説明するための図である。図８（Ａ）は、ＶＣＣＤドレイン２５の配置を示す平面図である。図８（Ｂ）は、ＶＣＣＤ２５の構成を示す拡大平面図である。
ＶＣＣＤドレイン２５は、画素ラインの中で切出し領域２ｃの画素に対応する信号電荷だけをＨＣＣＤ３に転送し、それ以外の信号電荷を消去するためのものである。ＶＣＣＤドレイン２５は、少なくとも切出し領域２ｃに対応しないＶＣＣＤ２４の末端（ＨＣＣＤ３側）に、それぞれ２本のＶＣＣＤ２４に対応して一つが設けられている。なお、垂直付加転送路５が設けられている場合は、垂直付加転送路５末端にＶＣＣＤドレイン２５を設置してもよい。
切出し読み出しを行う際は、制御電極２７をオン状態に設定して、ゲートを開き、図中白い矢印で示すように、ＶＣＣＤ２４で転送された信号電荷をドレイン２６に排出し、ＨＣＣＤ３に信号電荷が流れ出ることを防止する。一方、全画素信号の読み出しを行う際は、制御電極２７をオフ状態に設定し、ゲートを閉じて、図中黒い矢印で示すように、信号電荷がドレイン２６に排出されることを防ぐ。
なお、ＨＣＣＤ３の切出し領域２ｃに対応するブロックの給電線４３とそれ以外の領域に対応するブロックの給電線４２とを電気的に独立させることで、切出しライン以外の信号電荷がＶＣＣＤ２４からＨＣＣＤ３へもれ出ることを確実に防ぐことができる。
図９は、本発明の第３の実施例による固体撮像装置１０３における画像切出し方法を説明するための平面図である。
図９に示すように、第３の実施例の固体撮像装置１は、水平４６１６画素、垂直１７３２ラインの約８００万画素の受光領域２を有する。この第３の実施例は、第２の実施例の構成から水平付加転送路３ａを省略したものである。
８００万画素を有する固体撮像装置１０３の場合、切出し領域２ｃの左端から出力回路４までの転送段は６８０段になる。切出し画素数は１９２０画素であるので、ＧとＲＢがそれぞれ９６０画素である。まずＧだけを含む第１ラインがＨＣＣＤ３に転送され、ＨＣＣＤ３内を左方に転送される。ＲＢの第２ラインをＨＣＣＤ３に転送する時点では第１ラインの最後尾は少なくとも切出し領域２ｃに対応するＨＣＣＤ３の外に出ていなければならない。従って、全９６０画素からＨＣＣＤ３内に残存している６８０画素を引いた残りの２８０画素は、出力回路４に出力されなければならない。ＨＣＣＤ３に転送される期間はＨＣＣＤ３の水平転送動作を停止状態にしなければならず、実質的にこの期間が水平ブランキング期間となる。本来、ブランキング期間は１フレームと次のフレームとの間になければならず、この第３の実施例の構成では、１フレームの画像をブランキング期間で分断する状態となる。この不具合を解消するためのブランキングタイミング修正回路４５を図１０に示す。
図１０は、本発明の第３の実施例によるブランキングタイミング修正回路４５の機能を表すブロック図である。
ブランキングタイミング修正回路４５は、上述したような第３の実施例による固体撮像装置１０３の構成によって出力されるブランキング期間で分断されたフレーム信号を修正する回路である。
まず、ブランキング期間で分断されたフレーム信号をフレームメモリ・信号処理回路４６に書き込んだ後に、コントローラ４７で信号部分だけを所定の周波数で選択的に読み出すことで、図中下側に示すように、フレーム間にブランキング期間を有する通常の信号を得ることができる。
なお、上述の第３の実施例では、水平付加転送路を全部省略したが、一部を省略した構成にも適用することができる。
図１１は、本発明の第４の実施例による固体撮像装置１０４における画像切出し方法を説明するための平面図である。
図１１に示すように、第４の実施例の固体撮像装置１０４は、第２の実施例と同様に水平４６１６画素、垂直１７３２ラインの約８００万画素の受光領域２を有する。第４の実施例では、この受光領域２の中から、ＨＤＴＶ用の動画像として、水平１９２０画素、垂直５４０ラインの信号を切出し領域２ｃから読み出す。切出し領域２ｃは受光領域２のほぼ中央に位置するので、切出し領域２ｃ以下のＶＣＣＤ２４における垂直転送段数は５９６ラインある。従って、切出し領域２ｃ以下のＶＣＣＤ２４に１フレームの信号をすべて蓄積することができるので、第２の実施例と同様に、垂直付加転送段を省略することができる。
第２の実施例との違いは、受光領域２を図中一転鎖線で示すように中心から左右に分割し、それぞれの領域の信号をＶＣＣＤ２４で垂直転送した後に、各領域に対応するＨＣＣＤ３１又はＨＣＣＤ３２で左右別方向に水平転送して、出力回路４ａ又は４ｂから出力することである。
このように構成することで、水平方向の切出されない部分のＨＣＣＤ３の転送段を左右ともにラインバッファとして利用できるので、水平付加転送段を省略するか又は転送段を大幅に削減することができる。この第４の実施例では、８００万画素の固体撮像装置１０４を例としているので、切出されないＨＣＣＤ３の転送段が６７４段以上となり、必要最小限の４８０画素の信号を転送及び蓄積するのに充分な余裕を有する。
図１２は、本発明の第４の実施例の変形例による固体撮像装置１０５の平面図である。
この例では、切出す水平画素と切り出されない水平画素がほぼ同数となっている。この場合、水平付加転送段を設ける必要がなく、かつ最小限の水平転送段の構成である。第４の実施例との違いは、切出さない領域の垂直転送段が９０段不足するので、その分９０ラインの垂直付加転送路５を設けているところである。この垂直付加転送路５の付加によるチップサイズの増加は、例えば、１転送段長を３μｍとした場合、０．２７ｍｍに過ぎず、問題とはならない。
図１３は、本発明の第５の実施例による固体撮像装置１０５における画像切出し方法を説明するための平面図である。
図１３に示すように、第５の実施例の固体撮像装置１０５は、水平３８４０画素、垂直１４４０ラインの約５５０万画素の受光領域２を有する。第４の実施例との違いは、受光領域２を図中一転鎖線で示すように中心から上下左右に４分割し、それぞれの領域の信号をＶＣＣＤ２４で上下に垂直転送した後に、各領域に対応するＨＣＣＤ３１〜ＨＣＣＤ３４で左右別方向に水平転送して、出力回路４ａ〜４ｄで出力することである。
このように構成することで、水平方向の切出されない部分のＨＣＣＤ３の転送段を左右ともにラインバッファとして利用できるので、水平付加転送段を省略するか又は転送段を大幅に削減することができる。また、垂直方向の切出されない部分のＶＣＣＤ２４の転送段を上下ともにラインバッファとして利用することができるので、垂直付加転送路５をも省略するか大幅に削減することができる。領域を分割する回数に反比例して、切出し領域を読み出すのに必要な時間が短くなるので、第５の実施例では第１の実施例に比べてフレームレートが４倍になる。
以上、本発明の実施例によれば、変換素子１２からＶＣＣＤ２４への信号電荷の転送を制御する転送ゲートに転送パルスを印加するための給電ラインを、部分的に読み出す画素ラインとそれ以外の画素ラインとで電気的に分離して独立に制御できるようにしたので、ＶＣＣＤ２４に読み出す画素数を必要最小限に抑えることができる。また、水平１ラインを構成する複数画素の内、部分的に読み出す画素の信号電荷だけをＨＣＣＤ３に転送し、それ以外の信号電荷を排出することのできるドレイン構造を有するので、ＨＣＣＤ３に転送する画素数を必要最小限に抑えることができる。よって、必要な部分の信号だけを部分的に選択的に出力することができる。
さらに、本発明の実施例によれば、選択され多画素で構成される第１のフレーム信号と後続の第２のフレーム信号とをＶＣＣＤ２４及び付加転送路内に同時に蓄積することができるように、必要に応じて付加転送路を設けているので、ＶＣＣＤ２４の空転送を無くし、無駄な転送時間を排除することができる。また、ＨＣＣＤ３と出力回路４との間に所定の信号電荷を蓄積することのできる転送段を有した水平付加転送路を設けたので、ＨＣＣＤ３の空転送を無くし、無駄な転送時間を排除することができる。よって、最低限のデータレートで必要な画素の信号を出力することができる。
さらに、本発明の実施例では、画素ずらし構造の固体撮像装置を採用することで、部分的に出力された映像信号を、信号処理（ハニカム信号処理）によって、２倍の画素数に伸張することができるので、実際に１フレームとして再生される画素数の半分の画素数を出力すればよく、同一データレートでフレームレートを２倍にすることができる。したがって、最小画素数で、高い画質を得ることができる。
なお、上述の実施例では、ＨＤＴＶ動画の切出しを説明したが、切出しサイズはこれに限らず、任意のサイズで行うことができる。また、画像の切出しは動画に限定されるものではなく、当然に静止画にも適用可能である。例えば、電子ズーム画像の読み出しとしても利用可能である。この場合、連写スピードを飛躍的に高めることができる。
なお、実施例ではＣＣＤ型固体撮像装置を例に説明したが、これに限らず、例えば、ＣＭＯＳが他個体撮像装置においても、本発明の画像切出しの考え方を適用することができる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１１２、１２２、１１４…固体撮像装置、２…受光領域、３、３１、３２…ＨＣＣＤ、３ａ…水平不可転送路、４…周辺回路、５…垂直不可転送路、１１…半導体基板、１２…光電変換素子、１３…チャネルストップ領域、１４…転送チャネル、１５…絶縁膜、１６ａ…第１層転送電極、１６ｂ…第２層転送電極、２４…垂直電荷転送装置、ＶＣＣＤドレイン、２６…ドレイン、２７…制御電極、４５…ブランキングタイミング修正回路、４６…フレームメモリ・信号処理回路、４７…コントローラ、４０、４１…ＶＣＣＤ給電線、４２、４３…ＨＣＣＤ給電線
Claims (3)
- 第１の所定数の行及び第２の所定数の列の画素で構成するフレームの画像を出力する固体撮像装置であって、
２次元表面を画定する半導体基板と、
前記半導体基板の受光領域に複数行複数列にわたって配列され、それぞれが前記画素を構成し、入射光に応じて信号電荷を生成する多数個の光電変換素子と、
各光電変換素子の列間に垂直方向に配列され、前記光電変換素子で生成される信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置と、
前記光電変換素子から前記垂直電荷転送装置への信号電荷の転送を制御する転送ゲートと、
前記転送ゲートに転送パルスを印加するための給電線を有する給電手段であって、前記多数個の光電変換素子の内、前記第１の所定数の行に対応する給電線と、それ以外の行に対応する給電線とが電気的に独立しており、前記第１の所定数の行の光電変換素子から信号電荷を前記垂直電荷転送装置に読み出し、それ以外の光電変換素子からは読み出しをしないように前記転送ゲートを制御することができる給電手段と、
前記垂直電荷転送装置に読み出された前記第１の所定数の行の信号電荷の内、前記第２の所定数の列以外の信号電荷を排出するドレイン手段と、
前記垂直電荷転送装置によって転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送装置と、
前記水平方向に転送された信号電荷を出力する出力回路と、
前記第２の所定数の列の信号電荷を前記垂直電荷転送装置から受け取る前記水平電荷転送装置の転送段と前記出力回路との間に、前記フレームの画像の少なくとも１行の信号電荷を蓄積可能な転送段数を有する水平付加転送路と
を有する固体撮像装置。 - さらに、前記垂直電荷転送装置と協働して、連続する２つの前記フレームの画像を同時に蓄積可能な転送段数を有する垂直付加転送路を有する請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記多数個の光電変換素子は、正方行列の第１正方格子と前記第１正方格子の格子間位置に格子点を有する第２正方格子とのそれぞれの格子点に配置される請求項１又は２記載の固体撮像装置。
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