JP4758616B2

JP4758616B2 - リニアイメージセンサ

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Publication number: JP4758616B2
Application number: JP2004117962A
Authority: JP
Inventors: 孝夫都築
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: CN100413083C; TWI258859B; US7436450B2; JP2005303059A; TW200603396A; CN1684270A; US20050225663A1

Description

本発明はリニアイメージセンサに関するものであり、特にシャッター機能を有するリニアイメージセンサに関するものである。

従来、リニアイメージセンサが用いられるカラーリニアイメージセンサでは、複数色分のリニアイメージセンサが複数列配置されている。一般的には、各列のリニアイメージセンサに異なるカラーフィルタ（例えばＧＲＥＥＮ、ＢＬＵＥ、ＲＥＤ）が対応している。各列のリニアイメージセンサにはフォトダイオードなどの複数の受光素子が半導体基板上に列状に配置されている。この複数の受光素子が各画素に対応している。このようなリニアイメージセンサでは受光素子により光電変換された信号電荷を順次転送することにより、各画素に対応した映像信号が順次出力される。

シャッター機能を有するカラーリニアイメージセンサでは、この異なる色のカラーフィルタごとに、露光量が設定される。露光量の設定は、一般的にシャッターゲート、シャッタードレインを各列のリニアイメージセンサに設けることで行われる。この露光量の設定により、各色の適切な画像データを得ることが可能となる。

従来のリニアイメージセンサ構造ではイメージセンサの受光素子列に対して一方側にシャッターゲート、シャッタードレインが設けられ、他方側に電荷読み出し部、電荷転送部が設けられる構造である。高速化、高画質化が進む中で一方側からの信号読み出しのみでは、読み出し時間などが大きくなってしまうという問題があった。従来のリニアイメージセンサでは高速化に対応するために受光素子列をはさむように２つの電荷転送部を設け、２つの電荷転送部を利用して信号電荷を読み出す方式も提案されている。しかしこの方式ではシャッター構造を設けることが出来ず、高画質化に対応するのは困難であった。

このような技術に対して特許文献１に記載されている技術がある。特許文献１に記載の技術では、受光素子列の一方側に第１、第２の電荷転送部が並列に設けられている。この構造を用いて受光素子列に近い第１の電荷転送部が奇数番目の画素で発生した信号電荷を受け、受光素子列から遠い第２の電荷転送部が偶数番目の画素で発生した信号電荷を受けることで高速化に対応している。その一方で、各リニアセンサにシャッター構造部を設ける事によるライン間距離の増大を防ぐため、入射光に対する感度がそれぞれ異なる第１ないし第３のリニアイメージセンサが入射光に対して最も感度が高くなるものから順に外側から配置され、さらに入射光側となる入射光に対して最も感度が高くなるリニアイメージセンサにのみ露光量を調節するためのシャッターゲートおよびシャッタードレインが設けられている。
特開２０００−３２２１６号公報

上述のようにリニアイメージセンサの高速化を図った場合、更なる高画質化を求めることは困難であった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、リニアイメージセンサの高速化を図りつつ、高画質化を目的とするものである。

本発明に関わるリニアイメージセンサは、受光素子の信号電荷を読み出す読み出しゲートと、受光素子の蓄積電荷を制御するシャッター構造部を有するリニアイメージセンサであって、前記読み出しゲートおよび前記シャッター構造部が交互に複数配置された第１のゲート・シャッター列と、前記第１のゲート・シャッター列とは異なる順番で前記読み出しゲートおよび前記シャッター構造部が交互に配置された第２のゲート・シャッター列と、前記第１および第２のゲート・シャッター列の間に配置され、複数の前記受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記第１のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第１の電荷転送部と、前記第２のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第２の電荷転送部とを有する。このような構成により、リニアイメージセンサの高速化を図りつつ、高画質化にも対応が可能となる。

また前記シャッター構造部はシャッターゲートおよびシャッタードレインを有し、前記シャッターゲートに与えられるシャッター信号に基づいて前記受光素子列の蓄積電荷を制御することも可能である。これによりシャッター信号に応じて受光素子の蓄積電荷の制御が可能となる。

他方本発明にかかるカラーリニアイメージセンサでは、読み出しゲートおよびシャッター構造部が交互に複数配置された第１のゲート・シャッター列と、前記第１のゲート・シャッター列とは異なる順番で前記読み出しゲートおよび前記シャッター構造部が交互に配置された第２のゲート・シャッター列と、前記第１および第２のゲート・シャッター列の間に配置され、複数の受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記第１のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第１の電荷転送部と、前記第２のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第２の電荷転送部とを有する第１のリニアイメージセンサと、読み出しゲートおよびシャッター構造部が交互に複数配置された第３のゲート・シャッター列と、前記第３のゲート・シャッター列とは異なる順番で前記読み出しゲートおよび前記シャッター構造部が交互に配置された第４のゲート・シャッター列と、前記第３および第４のゲート・シャッター列の間に配置され、複数の受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記第３のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第３の電荷転送部と、前記第４のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第４の電荷転送部とを有する第２のリニアイメージセンサとを有し、前記第１のリニアイメージセンサのゲート構造部は第１のシャッター信号に応じて制御され、前記第２のリニアイメージセンサのゲート構造部は第２のシャッター信号に応じて制御される。このような構成とすることによりリニアイメージセンサごとに受光素子の蓄積電荷の制御が可能となる。

上述のカラーリニアイメージセンサでは、前記第１および第２のリニアイメージセンサ上にはそれぞれ異なる色のカラーフィルタが形成されており、前記第１のシャッター信号は前記第１のリニアイメージセンサ上に形成されたカラーフィルタに基づいて生成され、前記第２のシャッター信号は前記第２のリニアイメージセンサ上に形成されたカラーフィルタに基づいて生成される。この動作により、より適正な蓄積電荷の制御が可能となる。

他方、本発明の他のカラーリニアイメージセンサでは、読み出しゲートおよびシャッター構造部が交互に複数配置された第１のゲート・シャッター列と、前記第１のゲート・シャッター列とは異なる順番で前記読み出しゲートおよび前記シャッター構造部が交互に配置された第２のゲート・シャッター列と、前記第１および第２のゲート・シャッター列の間に配置され、複数の受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記第１のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第１の電荷転送部と、前記第２のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第２の電荷転送部とを有する第１のリニアイメージセンサと、複数の受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記受光素子列の一方側に並列に配置された第３の電荷転送部および第４の電荷転送部と、前記受光素子列の他方側の前記第１のリニアセンサ側にシャッター構造部を有する第２のリニアイメージセンサとを有する。これによりリニアイメージセンサの受光素子列間の距離を低減することが可能である。

さらに、前記カラーリニアイメージセンサは、複数の受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記受光素子列の一方側に並列に配置された第５の電荷転送部および第６の電荷転送部と、前記受光素子列の他方側の前記第１のリニアセンサ側にシャッター構造部を有する第３のリニアイメージセンサを有することが可能である。これにより第１のリニアイメージセンサと第２のリニアイメージセンサの受光素子列間の距離、第１のリニアイメージセンサと第３のリニアイメージセンサの受光素子列間の距離を低減することが可能である。

さらに、前記第１のリニアイメージセンサのシャッター構造部は第１のシャッター信号に応じて制御され、前記第２のリニアイメージセンサのシャッター構造部は第２のシャッター信号に応じて制御され、前記第３のリニアイメージセンサのシャッター構造部は第３のシャッター信号に応じて制御されるようにすることも可能である。これにより各リニアイメージセンサのシャッター動作を個々に制御可能となる。

本発明のリニアイメージセンサにより高速化を図りつつ、高画質化することが可能である。

発明の実施の形態１
以下図面を用いて本発明の実施の形態１に関するリニアイメージセンサについて詳細に説明する。図１は、実施の形態１の１列のリニアイメージセンサ１００の上面図を示す。図２は、図１におけるリニアイメージセンサ１００のＡ-Ａ’線の断面図を示す。図３は、図１に示すリニアイメージセンサ１００を図面上下方向に３列並列に配置し、カラーリニアイメージセンサとした構成の上面図を示す。図３から分かるように、このカラーリニアイメージセンサは同一構成のリニアイメージセンサ１００が並列に並べられた構成となっている。

以下図１を用いて１列のリニアイメージセンサ１００の構成について説明する。図１に示されるように、このリニアイメージセンサ１００は受光素子列１、読み出しゲート２、シャッターゲート３およびシャッタードレイン４、第１の電荷転送部５a、第２の電荷転送部５ｂ、第１の出力回路６aおよび第２の出力回路６ｂを有している。

受光素子列１は列状に並んで配置された複数の受光素子を有している。受光素子列１の個々の受光素子は、撮像画像の各画素に対応する信号電荷を出力する。読み出しゲート２は読み出し信号に応じて受光素子の信号電荷を電荷転送部５ａ、５ｂに読み出すためのゲートである。シャッターゲート３およびシャッターゲート４は、シャッター信号に応じてこのリニアイメージセンサ１００のシャッター動作を実行するシャッター構造部である。シャッター動作に関しては後述する。第１、第２の電荷転送部５ａ、５ｂは読み出しゲート２を介して読み出された信号電荷を順次出力回路６ａ、６ｂに転送する。出力回路６ａ、６ｂは浮遊拡散領域からなる信号電荷を信号電圧に変換する信号電荷検出部とソースフォロワ、インバータ等のアナログ回路からなる回路である。出力回路６ａ、６ｂは電荷転送部５ａ、５ｂより転送された信号電荷を出力電圧として出力する。

図１に示されるように、図面左側から奇数番目の受光素子において、受光素子列１と第１の電荷転送部５ａの間に読み出しゲート２が配置され、受光素子列１と第２の電荷転送部５ｂの間にシャッターゲート３、シャッタードレイン４が配置されている。図１の左側から偶数番目の受光素子において、受光素子列１と第１の電荷転送部５ａの間にシャッターゲート３、シャッタードレイン４が配置され、受光素子列１と第２の電荷転送部５ｂの間に読み出しゲート２が配置されている。

つまり、受光素子列１の一方側（図１上側）には、読み出しゲート２とシャッター構造部が受光素子ごとに交互に形成された第１のゲート・シャッター列１１０ａが配置されている。そして電荷転送部５ａはゲート・シャッター列１１０ａの読み出しゲート２を介して与えられた信号電荷を転送することが可能である。受光素子列１の他方側（図１下側）には一方側と異なる順番で、読み出しゲート２とシャッター構造部が受光素子ごとに交互に形成された第２のゲート・シャッター列１１０ｂが配置されている。そして電荷転送部５ｂは第２のゲート・シャッター列１１０ｂの読み出しゲート２を介して与えられた信号電荷を転送することが可能である。この実施の形態１のリニアイメージセンサ１００は、受光素子列１が第１のゲート・シャッター列１１０ａおよび第２のゲート・シャッター列１１０ｂの間に配置され、この受光素子列１、第１のゲート・シャッター列１１０ａおよび第２のゲート・シャッター列１１０ｂが第１の電荷転送部５ａおよび第２の電荷転送部５ｂとの間に配置された構造といえる。

図２は、図１の左側から偶数番目の画素に対応するリニアイメージセンサ１００の断面構造を示している。図２に示されるように、このリニアイメージセンサ１００はＮ型基板７上に形成されたＰウェル８内に形成されている。このＰウェル８内には各素子にあわせたＰ型領域、Ｎ型領域が形成されている。これらの拡散領域上を含む基板表面上には熱酸化膜１４が形成されている。さらにその熱酸化膜１４、読み出しゲート２、電荷転送部５ａ、５ｂなどを含む基板上全面に層間絶縁膜１６が形成されている。

図２から分かるように受光素子列１はＰＮ接合を有するフォトダイオードで形成されている。具体的にはＰウェル８上にＮ型の不純物を導入することでＮ型領域９が形成されている。さらにそのＮ型領域９上、基板表面に近い部分にＰ型領域１０が形成されている。このＮ型領域９およびＰ型領域１０がフォトダイオードを形成している。

図２において、受光素子列１の左側（図１における下側）のＰウェル８上には熱酸化膜１４を介して多結晶シリコンからなる読み出しゲート２が形成されている。この読み出しゲート２の左側には多結晶シリコンからなる電荷転送用の電極１５ｂが形成される。この読み出しゲート２と電荷転送用電極１５ｂは一部が基板上に積層した形で形成されている。この読み出しゲート２と電荷転送用電極１５ｂとの間には熱酸化膜１４が形成され互いに絶縁されている。

この電荷転送用電極１５ｂの下部に相当するＰウェル８には表面付近にＮ型領域１１ｂが形成されている。この電荷転送用の電極１５ｂとＮ型領域１１ｂとで第２の電荷転送部（ＣＣＤシフトレジスタ）５ｂが形成される。この電荷転送用電極１５ｂよりもさらに左側の左端となる領域のＰウェル８にはチャネルストップ領域となるＰ＋領域１２が設けられている。

図２において、受光素子列１の右側（図１における上側）のＰウェル８上には熱酸化膜１４を介して多結晶シリコンからなるシャッターゲート３が形成されている。このシャッターゲート３の右側に相当するＰウェル８内の基板表面付近にはＮ型領域１３が形成されている。このＮ型領域１３がシャッタードレイン４を形成している。このシャッタードレイン４の右側にはチャネルストップ層となるＰ＋領域１７が形成されている。このチャネルストップ層となるＰ＋領域１７の右側にはＮ型領域１１ａおよびＮ型領域１１ａ上に熱酸化膜１４を介して形成された多結晶シリコンからなる電荷転送用電極１５ａが存在している。この電荷転送用電極１５ａとＮ型領域１１ａとで第１の電荷転送部５ａが形成されている。この電荷転送部５ａの右側の右端側のＰウェル８内にも左端同様、チャネルストップ層となるＰ＋領域１２が形成されている。なお図２は、図１の左から偶数番目の１つの受光素子に対応する領域の断面に関して説明したが、奇数番目の１つの受光素子に対応する領域は左右対称で同一の構造となっている。

図１および図２の構造から分かるように、このリニアイメージセンサ１００は受光素子の奇数番目と偶数番目とでシャッターゲート３と読み出しゲート２が交互に配置される構成となっている。受光素子列１と第１の電荷転送部５ａとの間には、受光素子ごとに読み出しゲート２とシャッター構造部（シャッターゲート３およびシャッタードレイン４）とが交互に配置されている。リニアイメージセンサ１００の受光素子列１と第２の電荷転送部５ｂとの間には、読み出しゲート２とシャッター構造部とが、受光素子列１と第１の電荷転送部５ａの間とは異なる順番で、交互に配置されている。

図３には、上述のような１列分のリニアイメージセンサ１００が第１のリニアイメージセンサ１００ａ、第２のリニアイメージセンサ１００ｂ、第３のリニアイメージセンサ１００ｃとして並列に配置されたカラーリニアイメージセンサが示されている。図３ではリニアイメージセンサ１００ａがＢＬＵＥに、１００ｂがＧＲＥＥＮに、１００ｃがＲＥＤに対応している。なお図１に示されるように個々のリニアイメージセンサには、それぞれの読み出しゲート２を駆動する読み出し信号φＴＧ、シャッターゲートを駆動するシャッター信号φＳＴが供給されている。また電荷転送部５ａ、５ｂには転送を制御する転送信号φ１、φ２が供給されている。

前述したようにこのカラーリニアイメージセンサのカクリニアイメージセンサ１００はシャッター機能を実行するシャッター構造部（シャッターゲート３、シャッタードレイン４）を有している。ここで図３、図４を用いてこのようなシャッター構造部を用いてシャッター機能を実行する意味について説明する。

図３に示したように、リニアイメージセンサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃを半導体基板上に３列並列に配置し、各受光素子列１上に異なる色のカラーフィルタ（ＢＬＵＥ、ＧＲＥＥＮ、ＲＥＤ）をのせることによって形成されるカラーリニアイメージセンサを構成するような場合、それぞれの色によって露光量（フォトダイオードへの入射光量と蓄積時間の積）を調整する必要がある。

リニアイメージセンサ１００の性能を決める特性の一つに飽和出力電圧がある。一般にリニアイメージセンサ１００の出力信号電圧は、露光量（受光部への入射光量と蓄積時間の積）に対して比例する。しかしながらある一定の出力信号電圧以上は露光量が増加しても出力信号電圧は増加しなくなる。この値を飽和出力電圧（Ｖｓａｔ）という。（飽和出力電圧を与える露光量を飽和露光量という。）この値が大きいほど使用できる信号電圧振幅が大きくなり、ダイナミックレンジ（飽和露光量とノイズ、たとえば暗出力との比）も大きくなるため、リニアイメージセンサ１００としてはなるべく飽和出力電圧の大きいことが要求される。

さて、上述したようなカラーリニアイメージセンサの場合、３列のリニアイメージセンサ１００ａ〜１００ｃ上にカラーフィルタを形成しているため、それぞれのリニアイメージセンサ１００ａ〜１００ｃの飽和出力電圧は、受光素子１や電荷転送部５ａ、５ｂのサイズあるいはそれぞれの出力回路６ａ、６ｂにおいて最大信号電圧振幅を意図的に変えていない限りＲＧＢ３色で同一である。

また、上述したようにリニアイメージセンサ１００としての飽和出力電圧はなるべく大きい方がよいので、３色とも飽和出力電圧を同一にする方が自然である。ところが、上述したようなカラーリニアイメージセンサの場合、通常ＲＧＢ出力の感度（出力信号電圧／露光量）は３色で同一ではない。また、仮にある光源のもとでＲＧＢ出力の感度が同一であったとしても使用する光源が変わった場合、ＲＧＢ出力の感度は同一になるとは限らない。したがって、一般にカラーリニアイメージセンサの露光量と信号出力電圧の関係は、図４のようになる。図４ではＲＧＢ出力のうちＧＲＥＥＮが最大の感度を持ち、ＢＬＵＥが最小の感度を持つ場合を示している。図４からわかるように、ＲＧＢ出力の飽和出力電圧は本来同一であるにも関わらず、最大感度ＧＲＥＥＮ以外の出力はそれぞれＶｓａＲ、ＶｓａＢまでしか出力値を使用することが出来ない。なぜなら飽和露光量のＳＥＧ（ＧＲＥＥＮ出力の飽和出力電圧を与える露光量）を超えてこのカラーリニアイメージセンサを使用した場合、ＧＲＥＥＮ出力が飽和出力電圧ＶｓａＧを超えてしまい、ＧＲＥＥＮに関して正常な画像データを得ることが出来ないためである。あるいはＧＲＥＥＮに対応する信号を出力するリニアイメージセンサ１００ｂの受光素子部１ｂや電荷転送部５ａｂ、５ｂｂでオーバーフローした信号電荷が他の２色のリニアイメージセンサ（１００ａ、１００ｃ）の受光素子部１ａ、１ｃや電荷転送部５ａａ、５ａｃに流入して混色を起こす場合もあり得る。いずれにしてもこの例では、実質的な飽和出力電圧はＧＲＥＥＮが最大でＢＬＵＥが最小となるため色ごとにダイナッミクレンジが異なり画質に影響を与える。

そこで、シャッター構造部を利用すると同一の光量で各色毎に蓄積時間をコントロールすることが出来る。つまり受光素子、カラーフィルタの特性などに基づいてシャッターゲート３を制御することで飽和出力電圧に達してしまった受光素子の蓄積電荷をシャッタードレイン４に排出することが出来る。各色ごとに飽和出力電圧に達する露光量に基づいてシャッターゲート３を制御するタイミングを変えてやることにより、リニアイメージセンサ１００が複数列並んだカラーリニアイメージセンサでも全てのリニアイメージセンサ１００で大きなダイナミックレンジを得ることが可能となる。

図４に示した飽和出力電圧の特性を持つカラーリニアイメージセンサを例としてその駆動方法を図５に示す。図５は各リニアイメージセンサに供給される読み出し信号、シャッター信号、出力電圧の関係を表す図である。また図２には、断面構造にあわせたチャネル電位の状態と信号電荷Ｑの状態が示されている。以下に図２および図５を用いて具体的なシャッター動作を説明する。以下に示す方法により各色のシャッターゲート３にかかるシャッター信号を調整することによって３色ともに最適の露光量を得られ、３色共通の飽和出力電圧まで使用することが可能となる。

以下の動作の説明では、図５に示されたパルス状の読み出し信号φＴＧａ、φＴＧｂ、φＴＧｃおよびシャッター信号φＳＴａ、φＳＴｂ、φＳＴｃは各リニアイメージセンサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃにおいて図２に対応する素子に与えられるものとして説明する。

（１）信号電荷の蓄積
シャッターゲート３ｂに供給されるシャッター信号φＳＴｂと読み出しゲート２ｂに供給される読み出し信号φＴＧｂが共にＬＯＷレベルのとき（図５のｔ１ｂ期間）、ＧＲＥＥＮの信号電荷が蓄積される。同様にＲＥＤ、ＢＬＵＥに相当するリニアイメージセンサ１００ａ、１００ｃでもパルスφＳＴｃとパルスφＴＧｃ、パルスφＳＴａとφＴＧａが共にＬＯＷレベルのとき（図２のｔ１ｃおよびｔ１ａ期間）ＢＬＵＥ、ＲＥＤの信号電荷が蓄積される。

（２）信号電荷の排出
読み出し信号φＴＧｂがＬＯＷレベルのままで、シャッター信号φＳＴｂがＨＩＧＨレベルのとき（図２のｔ２ｂ期間）、受光素子１ｂとシャッタードレイン４ｂが導通状態となる。よって受光素子１ｂ内の信号電荷Ｑｂがシャッタードレイン４ｂに排出され、受光素子部１ｂの電荷はゼロになる。なおこのとき、図１で左から奇数番目の受光素子に蓄積された電荷は、図１の下側のシャッタードレインに電荷を排出する。図１で左から偶数番目の受光素子に蓄積された電荷は図１の上側のシャッタードレインに電荷を排出する。（図１の矢印を参照）

その後、再び読み出し信号φＴＧｂとシャッター信号φＳＴｂがＬＯＷレベルになると再び信号電荷の蓄積が開始される。（図５中のｔ３ｂ期間）これと同様にＢＬＵＥ、ＲＥＤに対応する部分でも読み出し信号φＴＧａ、φＴＧｃがＬＯＷレベルのままで、シャッター信号φＳＴａ、φＳＴｃがＨＩＧＨレベルのとき（図５のｔ２ａ、ｔ２ｃ期間）、信号電荷Ｑａ、Ｑｃがシャッタードレイン４ａ、４ｃに排出され、受光素子１ａ、１ｃの電荷はゼロになる。なおこのシャッター信号φＳＴａ、φＳＴｃがＨＩＧＨレベルとなるタイミングはリニアイメージセンサ１００の特性に基づいて決定可能であり、それぞれのリニアイメージセンサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃにおいて独立に決定可能である。その後、再びパルスφＴＧａとパルスφＳＴａ、パルスφＴＧｃとφＳＴｃがＬＯＷレベルになると信号電荷が蓄積される。（図５中のｔ３ａ、ｔ３ｃ期間）

（３）信号電荷の読み出し
そして、シャッター信号φＳＴｂがＬＯＷレベルの状態で、読み出し信号φＴＧｂがＨＩＧＨレベルになると（図５のｔ４ｂ期間）ＧＲＥＥＮの信号電荷Ｑｂが読み出しゲート２ｂを経由してリニアイメージセンサ１００ｂの第２の電荷転送部５ｂｂに送られる。なおこのとき、図１で左から奇数番目の受光素子に蓄積された電荷は、図１の上側の電荷転送部５ａｂに信号電荷を転送する。その後、第２の電荷転送部５ｂｂから第２の出力回路６ｂｂを通って外部に出力される。この出力される信号は図５にＶｓｉｇＢで示されている。同様に、シャッター信号φＳＴａとφＳＴｃがＬＯＷレベルで、読み出し信号φＴＧａとφＴＧｃがＨＩＧＨレベルになると、ＢＬＵＥとＲＥＤの信号電荷Ｑａ、Ｑｃがそれぞれの電荷転送部から出力回路を介して出力される。

以上に詳細に説明したように、この実施の形態１の第１乃至第３のリニアイメージセンサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃでは受光素子列１で発生した信号電荷のうち、図１中の左端より奇数番目の画素で発生したものは図１上部の電荷転送部５ａへ転送される。偶数番目の画素で発生したものは下部の転送部５ｂへ転送される。（図１の矢印参照）このように振り分けられた信号電荷は、転送信号φ１、φ２の２層駆動の電荷転送部５ａ、５ｂ（ＣＣＤシフトレジスタ）によって順次出力回路６ａ、６ｂに転送される。よって高速に信号電荷を転送することが可能となる。

また、各色に対応する信号電荷はそれぞれのリニアイメージセンサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃが有するシャッター構造により、各色別に受光素子の電荷排出のタイミングが制御できる。つまり、各色独立に露光量（蓄積電荷）が制御されている。したがってカラーリニアイメージセンサとしてより高い画質を実現することが出来る。

なお、上述したような複数列のリニアイメージセンサ１００を有するカラーリニアイメージセンサでは、被写体上の所定の場所における画像に対する情報を複数列分得る必要がある。そのため、被写体の所定の場所を１本目の受光素子列１が走査してから２本目の受光素子列１が走査し終わるまで情報を外部で記憶し、そろえてから信号処理を行う必要がある。このため外部メモリが必要となる。この必要な外部メモリの量は隣り合うリニアイメージセンサ１００の受光素子列間の距離（ライン間距離）に依存する。

ここで従来技術におけるライン間距離と本実施の形態におけるライン間距離を用いて必要なメモリ量に関して説明する。カラーリニアイメージセンサが高解像度のスキャナや、コピー機に用いられる１０６００画素クラスのリニアイメージセンサでは、リニアイメージセンサを受光素子列の配列方向（主走査方向）に対して垂直に（副走査方向）機械的な走査を行っている。この場合、グレースケール（黒から白までの階調）を１２ビットとすると、必要なメモリの容量は以下の数式の
Ｃ＝１０６００×１２×（Ｍ＋１）ビット・・・（１）
となる。ここでＭは２つの受光素子列のライン間距離を走査回数で表したものである。

例えば従来技術のような受光素子列の両側に電荷転送部が設けられシャッター構造部を有していない場合を考える。この場合、ライン間距離としては配置される構成要素は電荷転送部２列、読み出しゲート２列、素子分離領域および受光素子列の１列分となる。ここで例として電荷転送部の列幅を１０μｍ、読み出しゲートの幅を４μｍ、素子分離領域の幅を２μｍ、受光素子列の幅を１０μｍとするとライン間距離は、
ライン間距離＝２０＋８＋２＋１０＝４０μｍ
となる。

また従来技術のような受光素子列の一方側に第１、第２の電荷転送部を並列に設ける構造に対して、その電荷転送部が形成される反対側にシャッター構造部が用いられた場合を計算する。受光素子と受光素子の間に配置される構成要素は、電荷転送部２列、読み出しゲート１列、シャッターゲート１列、電荷転送部間を転送するゲート１列、シャッタードレイン１列、素子分離領域、受光素子列１列分となる。前述の素子と重複する部分には同一の例の列幅を用いて、シャッターゲートの幅は４μｍ、シャッタードレインの幅は２μｍ、電荷転送部間を転送するゲートの幅を１０μｍとすると、
ライン間距離＝２０＋４＋４＋１０＋４＋２＋１０＝５４μｍ
となる。

それに対し、この実施の形態のカラーリニアイメージセンサにおいては、ライン間距離の間に存在する構成要素は、電荷転送部２列、読み出しゲート一列分、その読み出しゲート一列分の幅にほぼ等しいシャッターゲート１列およびシャッタードレイン１列を合わせた構造、素子分離領域１列、受光素子１列分となる。ここでこの実施の形態では、読み出しゲート一列分、その読み出しゲート一列分の幅にほぼ等しいシャッターゲート１列およびシャッタードレイン１列を合わせた構造をそれぞれ８μｍあわせて１６μｍとすると、
ライン間距離＝２０＋１６＋２＋１０＝４８μｍ
となる。

ここで前述の式（１）に当てはめて、それぞれの場合の必要な外部メモリの容量を計算する。受光素子列の両側から電荷転送されるが、シャッター構造部がない場合に必要な外部メモリの容量は６３６０００ビットとなる。受光素子列の一方側に第１、第２の電荷転送部を並列に設ける構造に対して、その電荷転送部が形成される反対側にシャッター構造部が用いられた場合に必要な外部メモリの容量は８１４０８０ビットとなる。これらに対し、この実施の形態で必要な外部メモリの容量は、７３７７６０ビットとなる。

必要な外部メモリが最も少ないのはシャッター構造部を備えない例であるが、前述の通りシャッター機能を有さないカラーリニアイメージセンサではその露出量の調整を行うことが出来ない。この実施の形態のカラーイメージスキャナは、シャッター機能を有しながら十分に必要な外部メモリを低減できる。

また、ここでは詳述はしないが副走査方向へ機械的な走査を行うカラーリニアイメージセンサでは、色ずれという現象も存在する。例えば、１回の走査に対して同一量の走査ずれＹが存在する場合を考えると１本目が走査した場所から２本目が走査する場所までのずれの総和ＹＡは、
ＹＡ＝Ｍ × Ｙ …（２）
となる。ここでＭは２つの受光素子列のライン間距離を走査回数で表したものである。

こちらも式（２）からわかるように色ずれを小さくするためには、ライン間距離を短くして１本目が走査してから２本目が走査するまでの走査回数を少なくする必要がある。この色ずれの式からも分かるように、この実施の形態のカラーリニアイメージセンサの高速化を図りつつ、外部メモリの低減を図るには、出来る限りライン間距離を小さくする必要がある。

以上詳細に説明したように、本発明の実施の形態１に関わるカラーリニアイメージセンサでは高速化を実現しつつ、確実にシャッター機能を実行することが出来る。また高速化とシャッター機能を実現しつつも、そのライン間距離、外部メモリの増加を抑えることができる。具体的には一列の受光素子列の奇数番目と偶数番目との各画素でシャッター構造部と読み出しゲート２が交互に配置される構成となっていることで、各画素に対して確実にシャッター機能を実行することが出来る。さらにこの構成により出力信号の高速化を図ることが可能となる。また高速化、高画質化を図りながらライン間距離の増加を低く抑えることが可能である。

発明の実施の形態２
以下、図面を参照して実施の形態２について説明する。図６は実施の形態２を示す上面図である。実施の形態２の特徴は、実施の形態１に詳述した図１に示されるリニアイメージセンサ１００と受光素子列の一方側に第１、第２の電荷転送部を並列に設ける構造のリニアイメージセンサ７００との配置を工夫することにより、各受光素子間のライン間距離を小さくしている点にある。

ここで実施の形態２に用いられるリニアイメージセンサ７００の構成について、図７を用いて説明する。リニアイメージセンサ７００は、受光素子列７１の一方側（図面上側）に第１の読み出しゲート７２ａ、電荷転送部間の転送用ゲート７２ｂ、第１の電荷転送部７５ａおよび第２の電荷転送部７５ｂが配置されている。受光素子列７１の他方側にはシャッター構造部（シャッターゲート７３、シャッターゲート７４）が配置されている。

図６に示されるように、実施の形態２のカラーリニアイメージセンサは、各色（例えばＧＲＥＥＮ、ＲＥＤ、ＢＬＵＥ）に対応するリニアイメージセンサ１００、７００が並列に３列並んだ構成となっている。この実施の形態２のカラーリニアイメージセンサは図１に示されたリニアイメージセンサ１００を一つ、図７に示されたリニアイメージセンサ７００を２つ有している。

図６から分かるように、この実施の形態のカラーリニアイメージセンサでは図面上下方向に３列並んだリニアイメージセンサの中央に図１に相当する第１のリニアイメージセンサ１００ｂが配置されている。また図面上側の第２のリニアイメージセンサ７００ａは、７００ａの受光素子列とリニアイメージセンサ１００ｂとの間にシャッター構造部が配置される。リニアイメージセンサ７００ａの第１、第２の電荷転送部７５ａ、７５ｂは、７００ａの受光素子列に対してリニアイメージセンサ１００ｂの反対側に並列に配置されている。また図面下側の第３のリニアイメージセンサ７００ｃは、７００ｃの受光素子列とリニアイメージセンサ１００ｂとの間にシャッター構造部が配置される。リニアイメージセンサ７００ｃの第１、第２の電荷転送部は、７００ｃの受光素子列に対してリニアイメージセンサ１００ｂの反対側に並列に配置されている。

つまり、この実施の形態２のカラーリニアイメージセンサでは受光素子列に対して一方側にそれぞれ第１、第２の電荷転送部を有する同一構成の第２、第３のリニアイメージセンサ７００ａ、７００ｃが、図１の構造のリニアイメージセンサ１００ｂを中心に対称に配置されている。そしての実施の形態２のカラーリニアイメージセンサでは２つのリニアイメージセンサ７００ａ、７００ｃはそれぞれの第１、第２の電荷転送部が第１のリニアイメージセンサに対して外側に向くように配置されている。

このような構成にした場合、リニアイメージセンサ７００ａの受光素子列とリニアイメージセンサ１００ｂの受光素子列との間に存在する構成は、リニアイメージセンサ７００のシャッター構造部（シャッターゲート、シャッタードレイン）、素子分離領域、リニアイメージセンサ１００ｂの電荷転送部、リニアイメージセンサ１００ｂの読み出しゲートあるいはシャッター構造部となる。なおこれはリニアイメージセンサ７００ｃの受光素子列とリニアイメージセンサ７００ｃの受光素子列１との間に存在する構成に関しても上下対称で同様である。

それぞれの部分構造の幅として、リニアイメージセンサ７００ａのシャッター構造部を４＋４＝８μｍ、素子分離領域を２μｍ、電荷転送部を１０μｍ、リニアイメージセンサ１００ｂの読み出しゲートあるいはシャッター構造部を８μｍとして受光素子列の幅１０μｍを考慮すると、ライン間距離は
ライン間距離＝１０＋８＋４＋４＋２＋１０＝３８μｍ
となる。

このライン間距離の結果から明らかなように、実施の形態２の配置を用いてカラーリニアイメージセンサを構成することにより、シャッター構造部を有さないカラーリニアイメージセンサの場合と同様のライン間距離とすることが出来る。したがって、必要な外部メモリをさらに削減することが可能となる。またライン間距離に基づく色むらの低減も可能となる。

以上詳細に説明したように実施の形態２のカラーリニアイメージセンサによれば、高速化を図りつつ、外部メモリの容量を削減することが可能となる。また各ラインにシャッター構造部を設けているので蓄積時間に基づく露光量のコントロールが可能である。さらに、ライン間距離が減少することにより、それに基づく色むらも低減できるので更なる高画質化が可能となる。

なお、以上説明した各実施の形態においては、カラーリニアイメージセンサを構成するリニアイメージセンサがＧＲＥＥＮ，ＲＥＤ，ＢＬＵＥについてのものとして説明したが、リニアイメージセンサの種類はこれに限定されるものではなく、当然、さらに多数設けられてよい。

実施の形態１の１列のリニアイメージセンサを示す上面図である。図１におけるリニアイメージセンサのＡ-Ａ‘線の断面図である。図１に示すリニアイメージセンサを３列並列に並べ、カラーリニアイメージセンサとした構成の上面図である。カラーリニアイメージセンサの露光量と信号出力電圧の関係を示す図である。各リニアイメージセンサに供給される読み出し信号、シャッター信号、出力電圧の関係を表す図である。実施の形態２を示す上面図である。実施の形態２に使用されるリニアイメージセンサを示す上面図である。

符号の説明

１受光素子列
２読み出しゲート
３シャッターゲート
４シャッタードレイン
５ａ、５ｂ電荷転送部
６ａ、６ｂ出力回路
１００リニアイメージセンサ
１１０ａ、１１０ｂゲート・シャッター列
７００リニアイメージセンサ

Claims

読み出しゲートおよびシャッター構造部が交互に複数配置された第１のゲート・シャッター列と、前記第１のゲート・シャッター列とは異なる順番で前記読み出しゲートおよび前記シャッター構造部が交互に配置された第２のゲート・シャッター列と、前記第１および第２のゲート・シャッター列の間に配置され、複数の受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記第１のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第１の電荷転送部と、前記第２のゲート・シャッター列の前記読み出しゲートを介して読み出された信号電荷を転送する第２の電荷転送部とを有する第１のリニアイメージセンサと、
複数の受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記受光素子列の一方側に並列に配置された第３の電荷転送部および第４の電荷転送部と、前記受光素子列の他方側の前記第１のリニアイメージセンサ側にシャッター構造部を有する第２のリニアイメージセンサとを有するカラーリニアイメージセンサ。
前記カラーリニアイメージセンサは、複数の受光素子が列状に配置された受光素子列と、前記受光素子列の一方側に並列に配置された第５の電荷転送部および第６の電荷転送部と、前記受光素子列の他方側の前記第１のリニアイメージセンサ側にシャッター構造部を有する第３のリニアイメージセンサを有することを特徴とする請求項１記載のカラーリニアイメージセンサ。
前記第１のリニアイメージセンサのシャッター構造部は第１のシャッター信号に応じて制御され、前記第２のリニアイメージセンサのシャッター構造部は第２のシャッター信号に応じて制御され、前記第３のリニアイメージセンサのシャッター構造部は第３のシャッター信号に応じて制御されることを特徴とする請求項２記載のカラーリニアイメージセンサ。