JP5044184B2 - Driving device and driving method of solid-state imaging device - Google Patents

Driving device and driving method of solid-state imaging device Download PDF

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本発明は、固体撮像素子の駆動装置及び駆動方法に関する。   The present invention relates to a driving device and a driving method for a solid-state imaging device.

カメラに装着されるCCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)やC−MOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子は、二次元マトリックス状に配列され、光を電気信号に変換する光電変換素子を備える。光電変換素子は、可視光領域(380nm〜650nm程度)から赤外光領域(650nm〜1100nm程度)までの光電変換感度を有する。したがって、カラー撮像を行うためには、光電変換素子の受光面側に原色(RGB)系又は補色(YMC)系のカラーフィルタを配置し、入射光をカラーフィルタで色分解して波長領域毎に光電変換を行う。   Imaging devices such as CCDs (Charge Coupled Devices) and C-MOSs (Complementary Metal Oxide Semiconductors) mounted on cameras are arranged in a two-dimensional matrix, and photoelectric conversion devices that convert light into electrical signals are arranged. Prepare. The photoelectric conversion element has a photoelectric conversion sensitivity from a visible light region (about 380 nm to 650 nm) to an infrared light region (about 650 nm to 1100 nm). Therefore, in order to perform color imaging, a primary color (RGB) or complementary color (YMC) color filter is disposed on the light receiving surface side of the photoelectric conversion element, and incident light is color-separated by the color filter for each wavelength region. Perform photoelectric conversion.

図9は、フレーム転送方式のCCD固体撮像素子2の構成図である。CCD固体撮像素子2は、撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dを含んで構成される。撮像部2iは、垂直方向に互いに平行に配置された複数の垂直シフトレジスタを備える。各垂直シフトレジスタの各ビットは受光画素を構成し、撮像時には外部から入射される光の強度に対応して生成される情報電荷を蓄積する。転送時には、転送電極に印加される垂直クロックパルスを受けて、各画素に蓄積された情報電荷を蓄積部2sに向けて転送する。蓄積部2sは、撮像部の各垂直シフトレジスタと連続するように互いに平行に配置された垂直シフトレジスタを備える。蓄積部2sは、転送電極に印加される垂直クロックパルスを受けて、撮像部2iから転送されてくる情報電荷を蓄積及び垂直方向へ転送する。水平転送部2hは、蓄積部2sの各垂直シフトレジスタの出力側に配置され、蓄積部2sの各垂直シフトレジスタの出力が各ビットに結合された水平シフトレジスタを備える。水平転送部2hは、蓄積部2sから転送出力される情報電荷を出力部2dへ順次転送する。出力部2dは、水平転送部2hの出力側に配置され、情報電荷を蓄積して電圧に変換する容量を備える。出力部2dは、水平転送部2hから転送出力される情報電荷を容量に蓄積し、その電荷量に応じた電圧に変換して出力信号として出力する。この出力信号の電圧値が画像信号となる。   FIG. 9 is a configuration diagram of a CCD solid-state imaging device 2 of a frame transfer method. The CCD solid-state imaging device 2 includes an imaging unit 2i, a storage unit 2s, a horizontal transfer unit 2h, and an output unit 2d. The imaging unit 2i includes a plurality of vertical shift registers arranged in parallel to each other in the vertical direction. Each bit of each vertical shift register constitutes a light receiving pixel, and accumulates information charges generated in accordance with the intensity of light incident from the outside during imaging. At the time of transfer, in response to a vertical clock pulse applied to the transfer electrode, information charges stored in each pixel are transferred toward the storage unit 2s. The accumulating unit 2s includes vertical shift registers arranged in parallel to each other so as to be continuous with the vertical shift registers of the imaging unit. In response to the vertical clock pulse applied to the transfer electrode, the storage unit 2s stores and transfers the information charges transferred from the imaging unit 2i in the vertical direction. The horizontal transfer unit 2h is provided on the output side of each vertical shift register of the storage unit 2s, and includes a horizontal shift register in which the output of each vertical shift register of the storage unit 2s is coupled to each bit. The horizontal transfer unit 2h sequentially transfers information charges transferred from the storage unit 2s to the output unit 2d. The output unit 2d is disposed on the output side of the horizontal transfer unit 2h and includes a capacitor that accumulates information charges and converts them into a voltage. The output unit 2d accumulates information charges transferred and output from the horizontal transfer unit 2h in a capacitor, converts the information charges into a voltage corresponding to the amount of charges, and outputs the voltage as an output signal. The voltage value of this output signal becomes an image signal.

図10の平面図に示すように、撮像部2iの各画素に原色(RGB)系のカラーフィルタのいずれか1つを設け、全体として赤(R)、緑(G)、青(B)の画素をモザイク状に配列することによってカラー撮像を行うこともできる。   As shown in the plan view of FIG. 10, any one of the primary color (RGB) color filters is provided for each pixel of the imaging unit 2 i, and as a whole, red (R), green (G), and blue (B) Color imaging can also be performed by arranging the pixels in a mosaic.

特開平10−224809号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-224809

撮像空間に明暗が大きくことなる領域があった場合、撮像画像におけるダイナミックレンジに問題が生ずる。すなわち、明るい領域に対応させて撮像期間を短く設定すると、撮像画像内の暗い領域に対応する情報電荷が十分に蓄積されずダイナミックレンジが十分に得られなくなる。一方、暗い領域に対応させて撮像期間を長く設定すると、撮像画像内の明るい領域に対応する情報電荷が飽和してしまい、ダイナミックレンジが十分に得られなくなる。   When there is a region where the contrast is greatly different in the imaging space, a problem occurs in the dynamic range in the captured image. That is, if the imaging period is set short corresponding to a bright area, information charges corresponding to a dark area in the captured image are not sufficiently accumulated and a dynamic range cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the imaging period is set to be long corresponding to the dark area, the information charge corresponding to the bright area in the captured image is saturated, and a sufficient dynamic range cannot be obtained.

本発明は、明るい領域及び暗い領域においてより良好なダイナミックレンジを得ることができる固体撮像素子の駆動装置及び駆動方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a driving device and a driving method for a solid-state imaging device capable of obtaining a better dynamic range in a bright region and a dark region.

本発明は、行列配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された情報電荷を列方向に順次転送する複数の垂直シフトレジスタと、を備え、同じ透過領域を有するカラーフィルタが前記光電変換素子の受光面に前記列方向に沿って所定の周期で配置された固体撮像素子、を駆動する駆動装置であって、前記光電変換素子を露光することによって情報電荷を生成する第1露光処理と、前記第1露光処理において前記光電変換素子の一部で生成された情報電荷を排出する電子シャッタ処理と、前記電子シャッタ処理において残された情報電荷を転送する転送処理と、前記転送処理後、前記転送された情報電荷が前記光電変換素子の一部に残された状態において前記光電変換素子を前記第1露光処理とは異なる時間だけ露光することによって情報電荷を生成する第2露光処理と、を行うことを特徴とする。 The present invention provides a color filter having a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a matrix and a plurality of vertical shift registers that sequentially transfer information charges generated by the photoelectric conversion elements in a column direction, and having the same transmission region. A driving device for driving a solid-state imaging device arranged on the light receiving surface of the photoelectric conversion device at a predetermined cycle along the column direction, wherein the information charge is generated by exposing the photoelectric conversion device. An exposure process; an electronic shutter process for discharging information charges generated by a part of the photoelectric conversion element in the first exposure process; a transfer process for transferring information charges remaining in the electronic shutter process; and the transfer after treatment, said transferred information charges exposes only a different time than the first exposure process the photoelectric conversion element in a state left on a part of the photoelectric conversion element Therefore a second exposure process of generating information charges, and performing.

ここで、前記電子シャッタ処理は、前記光電変換素子を前記列方向に沿って前記周期毎に組として、前記第1露光処理において生成された情報電荷を隔組毎に排出することが好適である。また、前記電子シャッタ処理は、1フレーム毎に情報電荷の排出対象となる前記光電変換素子の組を切り替えることが好適である。 Here, it is preferable that the electronic shutter process discharges the information charges generated in the first exposure process for each set, with the photoelectric conversion elements being set for each period along the column direction. . In the electronic shutter process, it is preferable to switch the set of the photoelectric conversion elements that are the discharge targets of information charges for each frame .

また、前記電子シャッタ処理は、前記カラーフィルタのうちいずれか1つの透過領域を有するカラーフィルタを選択し、前記選択されたカラーフィルタ以外の透過領域を有するカラーフィルタが配置された画素のうち一部の画素の情報電荷を排出する処理であり、前記転送処理は、前記電子シャッタ処理において残された情報電荷を合算するように前記電子シャッタ処理で残された情報電荷を転送する処理であり、さらに、前記転送処理後、前記光電変換素子を露光することによって情報電荷を生成する第3露光処理と、前記選択されたカラーフィルタが配置された画素のうち転送された画素の情報電荷を排出する第2の電子シャッタ処理と、前記第2の電子シャッタ処理において残された他の色の情報電荷を合算するように前記第2の電子シャッタ処理で残された情報電荷を転送する第2の転送処理と、を行い、前記第2の転送処理後、前記第2露光処理を行ってもよい。   In the electronic shutter process, a color filter having any one transmission region of the color filters is selected, and a part of pixels in which the color filter having a transmission region other than the selected color filter is arranged. And the transfer process is a process of transferring the information charges remaining in the electronic shutter process so as to add up the information charges remaining in the electronic shutter process. After the transfer process, a third exposure process for generating information charges by exposing the photoelectric conversion element, and a first exposure process for discharging information charges of the transferred pixels among the pixels in which the selected color filter is arranged. The second electronic shutter process and the second electronic shutter process so as to add the information charges of the other colors remaining in the second electronic shutter process. Perform a second transfer process of transferring the information charges left in Yatta process, and after the second transfer process may perform the second exposure process.

ここで、前記転送処理は、前記シャッタ処理において残された情報電荷を前記周期だけ前記列順方向又は逆方向に転送することが好適である。   Here, in the transfer process, it is preferable that the information charge remaining in the shutter process is transferred in the column forward direction or the reverse direction for the period.

また、前記第1露光処理における露光時間は前記第2露光処理における露光時間よりも長く設定されることが好適である。さらに、前記第3露光処理における露光時間は前記第2露光処理における露光時間よりも長く設定されることが好適である。   The exposure time in the first exposure process is preferably set longer than the exposure time in the second exposure process. Furthermore, it is preferable that the exposure time in the third exposure process is set longer than the exposure time in the second exposure process.

また、本発明は、行列配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された情報電荷を列方向に順次転送する複数の垂直シフトレジスタと、を備え、互いに異なる透過領域を有するカラーフィルタが前記光電変換素子の受光面に前記列方向に沿って所定の周期で配置された固体撮像素子、を駆動する駆動方法であって、前記光電変換素子を露光することによって情報電荷を生成する第1露光工程と、前記第1露光工程において前記光電変換素子の一部で生成された情報電荷を排出する電子シャッタ工程と、前記電子シャッタ処理において残された情報電荷を転送する転送工程と、前記転送処理後、前記転送された情報電荷が前記光電変換素子の一部に残された状態において前記光電変換素子を前記第1露光処理とは異なる時間だけ露光することによって情報電荷を生成する第2露光工程と、を行うことを特徴とする。
In addition, the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a matrix and a plurality of vertical shift registers that sequentially transfer information charges generated by the photoelectric conversion elements in a column direction, and have mutually different transmission regions. A color filter is a driving method for driving a solid-state imaging device arranged at a predetermined cycle along the column direction on the light receiving surface of the photoelectric conversion device, and generates information charges by exposing the photoelectric conversion device A first exposure step, an electronic shutter step for discharging information charges generated in a part of the photoelectric conversion element in the first exposure step, and a transfer step for transferring information charges left in the electronic shutter process. after the transfer process, but a different time than the first exposure process the photoelectric conversion element in a state left on a part of the transferred information charges said photoelectric conversion element A second exposure step of generating information charges by exposing, and performs.

ここで、前記電子シャッタ工程は、前記光電変換素子を前記列方向に沿って前記周期毎に組として、前記第1露光工程において生成された情報電荷を隔組毎に排出することが好適である。また、前記電子シャッタ工程は、1フレーム毎に情報電荷の排出対象となる前記光電変換素子の組を切り替えることが好適である。 Here, it is preferable that the electronic shutter process discharges the information charges generated in the first exposure process for each set, with the photoelectric conversion elements being set for each period along the column direction. . In the electronic shutter process, it is preferable to switch the set of the photoelectric conversion elements that are targets for discharging information charges for each frame .

また、前記電子シャッタ工程は、前記カラーフィルタのうちいずれか1つの透過領域を有するカラーフィルタを選択し、前記選択されたカラーフィルタ以外の透過領域を有するカラーフィルタが配置された画素のうち一部の画素の情報電荷を排出する工程であり、前記転送工程は、前記電子シャッタ工程において残された情報電荷を合算するように前記電子シャッタ処理で残された情報電荷を転送する工程であり、さらに、前記転送工程後、前記光電変換素子を露光することによって情報電荷を生成する第3露光工程と、前記選択されたカラーフィルタが配置された画素のうち転送された画素の情報電荷を排出する第2の電子シャッタ工程と、前記第2の電子シャッタ工程において残された他の色の情報電荷を合算するように前記第2の電子シャッタ工程で残された情報電荷を転送する第2の転送工程と、を行い、前記第2の転送工程後、前記第2露光工程を行ってもよい。   In the electronic shutter process, a color filter having any one transmission region of the color filters is selected, and a part of pixels in which the color filter having a transmission region other than the selected color filter is arranged. The information charge of the pixel is discharged, and the transfer step is a step of transferring the information charge left in the electronic shutter process so as to add up the information charge left in the electronic shutter step. A third exposure step of generating information charges by exposing the photoelectric conversion elements after the transfer step; and a third exposure step of discharging information charges of transferred pixels among the pixels in which the selected color filter is arranged. The second electronic shutter step and the second electronic shutter step so as to add the information charges of other colors remaining in the second electronic shutter step. Perform a second transfer step of transferring the information charges left in Yatta step, after the second transfer step may perform the second exposure step.

ここで、前記転送工程は、前記シャッタ処理において残された情報電荷を前記周期だけ前記列順方向又は逆方向に転送することが好適である。   Here, in the transfer step, it is preferable that the information charges remaining in the shutter process are transferred in the column forward direction or the reverse direction for the period.

また、前記第1露光工程における露光時間は前記第2露光工程における露光時間よりも長く設定されることが好適である。さらに、前記第3露光工程における露光時間は前記第2露光工程における露光時間よりも長く設定されることが好適である。   The exposure time in the first exposure process is preferably set longer than the exposure time in the second exposure process. Furthermore, it is preferable that the exposure time in the third exposure step is set longer than the exposure time in the second exposure step.

本発明によれば、撮像画像のダイナミックレンジを高くすることができる。   According to the present invention, the dynamic range of a captured image can be increased.

本発明の実施の形態における固体撮像装置100は、図1に示すように、固体撮像素子10、クロック制御部12及び信号処理部14を含んで構成される。固体撮像装置100は、固体撮像素子10において入射光に応じた情報電荷を生成し、クロック制御部12から固体撮像素子10に供給されるクロック信号(φi,φs,φh,φr,φs)によって情報電荷を転送する。情報電荷は電気信号に変換されて信号処理部14へと順次出力され、信号処理部14においてノイズ除去等の処理が施される。   As illustrated in FIG. 1, the solid-state imaging device 100 according to the embodiment of the present invention includes a solid-state imaging device 10, a clock control unit 12, and a signal processing unit 14. The solid-state imaging device 100 generates information charges corresponding to incident light in the solid-state imaging device 10, and information is generated by clock signals (φi, φs, φh, φr, φs) supplied from the clock control unit 12 to the solid-state imaging device 10. Transfer charge. Information charges are converted into electrical signals and sequentially output to the signal processing unit 14, and the signal processing unit 14 performs processing such as noise removal.

本実施の形態では、固体撮像素子10はフレーム転送方式のCCD固体撮像素子であるものとして説明する。図9と同様に、撮像部10i、蓄積部10s、水平転送部10h及び出力部10dを備える。クロック制御部12は、フレームクロックパルス発生部、垂直クロックパルス発生部、補助クロックパルス発生部、水平クロックパルス発生部、リセットクロックパルス発生部及びサンプリングクロックパルス発生部を含んで構成される。   In the present embodiment, the solid-state imaging device 10 will be described as a frame transfer type CCD solid-state imaging device. Similarly to FIG. 9, the imaging unit 10i, the storage unit 10s, the horizontal transfer unit 10h, and the output unit 10d are provided. The clock controller 12 includes a frame clock pulse generator, a vertical clock pulse generator, an auxiliary clock pulse generator, a horizontal clock pulse generator, a reset clock pulse generator, and a sampling clock pulse generator.

撮像部10iは、垂直方向に互いに平行に配置された複数の垂直シフトレジスタを備える。各垂直シフトレジスタの各ビットは受光画素を構成し、撮像時には外部から入射される光の強度に対応して生成される情報電荷を蓄積する。本実施の形態における撮像部10iには、図10に示したように、各受光画素に対応付けて赤(R)、緑(G)、青(B)のカラーフィルタがモザイク状に配置されている。カラーフィルタRは、例えば、約350nmから約420nmに向けて透過率が徐々に下がり、約420nm〜約500nmの波長領域の光はほぼ透過させず、約500nmから透過率が再び上昇し、約550nmより長い波長の光に対して高い透過率を有する。カラーフィルタGは、例えば、約360〜約420nmの波長領域の光はほぼ透過させず、約420nmより長い波長の光から透過が増え、緑色である約520nmにピークを有し、約650nmに向けて透過率が徐々に低下し、約650nmより長波長領域では再び透過率が徐々に上昇し、約880nmより長波長の赤外光に対しては高い透過率を有する。カラーフィルタBは、例えば、約380nmより長い波長の光から透過が増え、青色である約460nmにピークを有し、約580nmに向けて透過率が低下し、約620nmより長波長領域では再び透過率が徐々に上昇し、約690nmで小さなピークを有し、約800nmより長波長の赤外光に対しては高い透過率を有する。一方、受光画素をシリコン光電変換素子で構成すると、約500nmに最大の感度を持ち、可視光領域の780nmを超え、1100nm程度の赤外領域まで感度を有する。撮像時には、外部から入射する光のうち各カラーフィルタの色の波長成分のみが透過されることによって、その波長成分の光の強度に応じた情報電荷が各画素に蓄積される。すなわち、垂直シフトレジスタの奇数列では転送方向に沿って赤(R)及び緑(G)に対応する情報電荷を蓄積する受光画素が交互に配置され、垂直シフトレジスタの偶数列では転送方向に沿って緑(G)及び青(B)に対応する情報電荷を蓄積する受光画素が交互に配置される。転送時には、フレームクロックパルス発生部から転送電極に印加される垂直クロックパルスφiを受けて、各画素に蓄積された情報電荷が蓄積部10sに向けて転送される。   The imaging unit 10i includes a plurality of vertical shift registers arranged in parallel to each other in the vertical direction. Each bit of each vertical shift register constitutes a light receiving pixel, and accumulates information charges generated in accordance with the intensity of light incident from the outside during imaging. As shown in FIG. 10, in the imaging unit 10i in the present embodiment, red (R), green (G), and blue (B) color filters are arranged in a mosaic pattern in association with each light receiving pixel. Yes. For example, the color filter R gradually decreases in transmittance from about 350 nm to about 420 nm, hardly transmits light in a wavelength region of about 420 nm to about 500 nm, and increases again from about 500 nm to about 550 nm. High transmittance for longer wavelength light. For example, the color filter G hardly transmits light in a wavelength region of about 360 to about 420 nm, increases transmission from light having a wavelength longer than about 420 nm, has a green peak at about 520 nm, and is directed toward about 650 nm. Thus, the transmittance gradually decreases, the transmittance gradually increases again in a wavelength region longer than about 650 nm, and has a high transmittance for infrared light having a wavelength longer than about 880 nm. For example, the color filter B has increased transmission from light having a wavelength longer than about 380 nm, has a peak at about 460 nm, which is blue, decreases in transmittance toward about 580 nm, and transmits again in a wavelength region longer than about 620 nm. The rate increases gradually, with a small peak at about 690 nm and a high transmission for infrared light longer than about 800 nm. On the other hand, when the light receiving pixel is composed of a silicon photoelectric conversion element, it has the maximum sensitivity at about 500 nm, and has sensitivity up to the infrared region of about 1100 nm, exceeding the visible light region of 780 nm. At the time of imaging, only the wavelength component of the color of each color filter is transmitted from the light incident from the outside, so that information charges corresponding to the light intensity of the wavelength component are accumulated in each pixel. That is, the light receiving pixels for accumulating information charges corresponding to red (R) and green (G) are alternately arranged along the transfer direction in the odd-numbered columns of the vertical shift register, and along the transfer direction in the even-numbered columns of the vertical shift register. Thus, light receiving pixels for accumulating information charges corresponding to green (G) and blue (B) are alternately arranged. At the time of transfer, in response to the vertical clock pulse φi applied to the transfer electrode from the frame clock pulse generator, the information charge stored in each pixel is transferred toward the storage unit 10s.

蓄積部10sは、撮像部10iの各垂直シフトレジスタと連続するように互いに平行に配置された垂直シフトレジスタを備える。蓄積部10sは、垂直クロックパルス発生部から転送電極に印加される垂直クロックパルスφsを受けて、撮像部10iから転送されてくる情報電荷を蓄積すると共に垂直方向へ転送する。水平転送部10hは、蓄積部10sの各垂直シフトレジスタの出力側に配置された水平シフトレジスタを備える。水平転送部10hは、水平クロックパルス発生部から水平転送電極へ印加される水平クロックパルスφhを受けて蓄積部10sから転送出力される情報電荷を出力部10dへ順次転送する。出力部10dは、水平転送部10hの出力側に配置された容量を備える。出力部10dは、リセットクロックパルス発生部及びサンプリングクロックパルス発生部からリセットクロックパルスφr及びサンプリングクロックパルスφsを受けて、水平転送部10hから転送出力される情報電荷をこの容量に蓄積し、蓄積された電荷量に応じた電圧に変換して出力信号として出力する。この出力信号の電圧値が画像信号となる。   The storage unit 10s includes vertical shift registers arranged in parallel to each other so as to be continuous with the vertical shift registers of the imaging unit 10i. The accumulating unit 10s receives the vertical clock pulse φs applied to the transfer electrode from the vertical clock pulse generating unit, accumulates information charges transferred from the imaging unit 10i, and transfers them in the vertical direction. The horizontal transfer unit 10h includes a horizontal shift register disposed on the output side of each vertical shift register of the storage unit 10s. The horizontal transfer unit 10h receives the horizontal clock pulse φh applied from the horizontal clock pulse generation unit to the horizontal transfer electrode, and sequentially transfers information charges transferred from the storage unit 10s to the output unit 10d. The output unit 10d includes a capacitor disposed on the output side of the horizontal transfer unit 10h. The output unit 10d receives the reset clock pulse φr and the sampling clock pulse φs from the reset clock pulse generation unit and the sampling clock pulse generation unit, and accumulates information charges transferred and output from the horizontal transfer unit 10h in this capacitor. The voltage is converted into a voltage corresponding to the amount of charge and output as an output signal. The voltage value of this output signal becomes an image signal.

図2は、本実施の形態におけるCCD固体撮像素子10の撮像部10iの内部構造を示す平面図である。撮像部10iは、互いに平行に延伸された垂直シフトレジスタを複数含んで構成される。垂直シフトレジスタは以下のように形成される。N型半導体基板内にP型拡散層であるPウェル(PW)が形成され、その上にN型拡散層であるNウェルが形成される。また、垂直シフトレジスタの延伸方向に沿ってP型の不純物が添加された分離領域22が所定の間隔をもって互いに平行に設けられる。Nウェルは、隣接する分離領域22によって電気的に区画される。なお、P型半導体基板内にN型拡散層であるNウェル(NW)を形成し、その上にP型拡散層であるPウェルを形成し、垂直シフトレジスタの延伸方向に沿ってN型の不純物が添加された分離領域22が所定の間隔をもって互いに平行となるように設けてもよい。本実施の形態では、分離領域22に挟まれた領域が情報電荷の転送経路であるチャネル領域20となる。分離領域22は、隣接するチャネル領域の間にポテンシャル障壁を形成し、各チャネル領域20を電気的に分離する。さらに、半導体基板の表面上には絶縁膜が成膜される。この絶縁膜上にチャネル領域20の延伸方向に直交するようにポリシリコン膜からなる複数の転送電極24が互いに平行に配置される。   FIG. 2 is a plan view showing the internal structure of the imaging unit 10i of the CCD solid-state imaging device 10 in the present embodiment. The imaging unit 10i includes a plurality of vertical shift registers that are extended in parallel to each other. The vertical shift register is formed as follows. A P well (PW) which is a P type diffusion layer is formed in an N type semiconductor substrate, and an N well which is an N type diffusion layer is formed thereon. In addition, isolation regions 22 to which P-type impurities are added are provided in parallel to each other at a predetermined interval along the extending direction of the vertical shift register. The N well is electrically partitioned by the adjacent isolation region 22. An N well (NW), which is an N type diffusion layer, is formed in a P type semiconductor substrate, and a P well, which is a P type diffusion layer, is formed thereon, and an N type is formed along the extending direction of the vertical shift register. The isolation regions 22 to which impurities are added may be provided so as to be parallel to each other with a predetermined interval. In the present embodiment, the region sandwiched between the isolation regions 22 becomes the channel region 20 which is the information charge transfer path. The isolation region 22 forms a potential barrier between adjacent channel regions, and electrically isolates each channel region 20. Further, an insulating film is formed on the surface of the semiconductor substrate. On this insulating film, a plurality of transfer electrodes 24 made of a polysilicon film are arranged in parallel to each other so as to be orthogonal to the extending direction of the channel region 20.

本実施の形態では、垂直転送方向に沿って転送電極24−1〜24−12の12の電極が繰り返し配置される。また、垂直転送方向に沿って隣接する3つの転送電極24−1,24−2,24−3の組、3つの転送電極24−4,24−5,24−6の組、3つの転送電極24−7,24−8,24−9の組、及び、3つの転送電極24−10,24−11,24−12の組がそれぞれ1つの光電変換画素に対応する。これらの転送電極24−1〜24−12に対してそれぞれ独立に制御可能な12相の垂直クロックパルスφi1〜φi12をそれぞれ供給することによって、転送電極24−1〜24−12に対応する4つ画素での情報電荷の蓄積及び転送を独立に制御することができる。 In this embodiment, 12 electrodes of transfer electrodes 24-1 to 24-12 are repeatedly arranged along the vertical transfer direction. Also, a set of three transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3 adjacent in the vertical transfer direction, a set of three transfer electrodes 24-4, 24-5, 24-6, and three transfer electrodes A set of 24-7, 24-8, and 24-9, and a set of three transfer electrodes 24-10, 24-11, and 24-12 correspond to one photoelectric conversion pixel. By supplying 12-phase vertical clock pulses φi 1 to φi 12 that can be independently controlled to the transfer electrodes 24-1 to 24-12, respectively, the transfer electrodes 24-1 to 24-12 are supported. The accumulation and transfer of information charges in the four pixels can be controlled independently.

ただし、本発明の適用範囲は1画素が3つの転送電極で構成される場合に限定されるものではなく、1画素が2つ又は4つの転送電極で構成される場合にも適用することができる。また、蓄積部10sの垂直シフトレジスタも撮像部10iと同様に構成することができ、蓄積部10sの各垂直シフトレジスタは撮像部10iの各垂直シフトレジスタと連続するように配設される。   However, the scope of application of the present invention is not limited to the case where one pixel is composed of three transfer electrodes, and can also be applied to the case where one pixel is composed of two or four transfer electrodes. . In addition, the vertical shift register of the storage unit 10s can be configured in the same manner as the imaging unit 10i, and each vertical shift register of the storage unit 10s is arranged to be continuous with each vertical shift register of the imaging unit 10i.

次に、クロック制御部12について説明する。クロック制御部12は、外部から供給される一定周期のタイミングクロック信号SCLKを受けて、タイミングクロック信号SCLKをカウンタで計測することによって所定のタイミングでクロック信号φi,φs,φh,φr,φsを生成する。クロック信号φiは撮像部10i、クロック信号φsは蓄積部10s、クロック信号φhは水平転送部10h,クロック信号φr,φsは出力部10dへそれぞれ出力される。 Next, the clock control unit 12 will be described. Clock control unit 12 receives a timing clock signal S CLK having a predetermined period supplied from the outside, the clock signal at a predetermined timing by measuring a timing clock signal S CLK in counter φi, φs, φh, φr, φs Is generated. The clock signal φi is output to the imaging unit 10i, the clock signal φs is output to the storage unit 10s, the clock signal φh is output to the horizontal transfer unit 10h, and the clock signals φr and φs are output to the output unit 10d.

図3に、本実施の形態における撮像部10iに供給されるクロック信号φi1〜φi12のタイミングチャートを示す。また、図4は、図3の各時刻における各転送電極24−1〜24−12下に生成されるポテンシャル井戸の様子を示す。図3において、横軸は時間を表し、縦軸は転送電極24−1〜24−12にそれぞれ印加されるクロック信号φi1〜φi12の電位を表している。縦軸の下方向が基板電位に対して正電位、縦軸の上方向が基板電位に対して負電位を表す。図4において、横軸は奇数列及び偶数列の垂直シフトレジスタにおける転送方向に沿った位置を表し、縦軸は撮像部10iにおける半導体内部のポテンシャルを表す。縦軸の上方向が基板電位に対して負電位、縦軸の下方向が基板電位に対して正電位を表す。 FIG. 3 shows a timing chart of the clock signals φi 1 to φi 12 supplied to the imaging unit 10 i in the present embodiment. FIG. 4 shows the state of the potential well generated below each transfer electrode 24-1-24-12 at each time of FIG. In FIG. 3, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the potential of the clock signals φi 1 to φi 12 applied to the transfer electrodes 24-1 to 24-12, respectively. The downward direction of the vertical axis represents a positive potential with respect to the substrate potential, and the upward direction of the vertical axis represents a negative potential with respect to the substrate potential. In FIG. 4, the horizontal axis represents the positions along the transfer direction in the odd-numbered and even-numbered vertical shift registers, and the vertical axis represents the potential inside the semiconductor in the imaging unit 10i. The upward direction of the vertical axis represents a negative potential with respect to the substrate potential, and the downward direction of the vertical axis represents a positive potential with respect to the substrate potential.

時刻t0では、撮像部10iの全体に対する電子シャッタ処理が行われる。クロック制御部12は、カメラのシャッタボタンの操作に応じたシャッタ信号を外部から受けると、クロック信号φi1〜φi12の総てを負電位として、各転送電極24−1〜24−12をオフ状態とすることによって、撮像部10iの各画素に蓄積されていた情報電荷を半導体基板の深部へ排出する。これにより、次の撮像フレームの撮像の準備が完了する。 At time t0, an electronic shutter process is performed on the entire imaging unit 10i. When the clock control unit 12 receives a shutter signal according to the operation of the shutter button of the camera from the outside, the clock control unit 12 sets all the clock signals φi 1 to φi 12 to negative potentials and turns off the transfer electrodes 24-1 to 24-12. By setting the state, the information charges accumulated in each pixel of the imaging unit 10i are discharged to the deep part of the semiconductor substrate. Thereby, preparation for imaging of the next imaging frame is completed.

時刻t1〜t2では、撮像が行われる。各画素を構成する転送電極の組のうち1つ又は2つに正電位を印加してオン状態とすることによって、各画素の入射面に設けられたカラーフィルタを通過して入射する光の強度に応じた情報電荷が生成される。ここでは、転送電極24−1,24−2,24−3の組、3つの転送電極24−4,24−5,24−6の組、3つの転送電極24−7,24−8,24−9の組、及び、3つの転送電極24−10,24−11,24−12の組について転送電極24−2,24−5,24−8,24−11に正電位を印加することによって、図4に示すように、転送電極24−2,24−5,24−8,24−11下にポテンシャル井戸が生成され、各画素に入射する光の強度に応じた情報電荷が蓄積される。図4では、赤の波長領域に対応する情報電荷をRで表し、緑の波長領域に対応する情報電荷をG、青の波長領域に対応する情報電荷をBで表している。   Imaging is performed from time t1 to t2. The intensity of light incident through a color filter provided on the incident surface of each pixel by applying a positive potential to one or two of the pairs of transfer electrodes constituting each pixel to turn it on. An information charge corresponding to is generated. Here, a set of transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3, a set of three transfer electrodes 24-4, 24-5, 24-6, and three transfer electrodes 24-7, 24-8, 24 By applying a positive potential to the transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, and 24-11 for the set of −9 and the set of three transfer electrodes 24-10, 24-11, and 24-12 As shown in FIG. 4, potential wells are generated below the transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, and 24-11, and information charges corresponding to the intensity of light incident on each pixel are accumulated. . In FIG. 4, the information charge corresponding to the red wavelength region is represented by R, the information charge corresponding to the green wavelength region is represented by G, and the information charge corresponding to the blue wavelength region is represented by B.

時刻t2では、撮像部10iの一部に対する電子シャッタ処理が行われる。垂直シフトレジスタの各列において同じ透過領域を有するカラーフィルタが配置される周期Tに対して、周期T毎に画素(光電変換素子)を組として、隔組毎(周期2T毎)に情報電荷が排出されるように電子シャッタ処理を行う。   At time t2, an electronic shutter process is performed on a part of the imaging unit 10i. With respect to the period T in which the color filters having the same transmission region are arranged in each column of the vertical shift register, the information charge is generated every other group (every period 2T) with a pixel (photoelectric conversion element) grouped every period T. An electronic shutter process is performed so as to be discharged.

本実施の形態では、図2に示すように、奇数列の垂直シフトレジスタでは周期T毎に赤(R)及び緑(G)のカラーフィルタが配置され、偶数列の垂直シフトレジスタでは周期T毎に青(B)及び緑(G)のカラーフィルタが配置されている。そこで、奇数列では、周期T毎に転送電極24−1〜24−6に対応する赤と緑の2つの画素を1つの組、転送電極24−7〜24−12に対応する赤と緑の2つの画素を1つの組とする。そして、隔組毎(周期2T毎)に転送電極24−7〜24−12に対応する組の情報電荷が排出されるように転送電極24−8,24−11をオフ状態とする。偶数列では、周期T毎に転送電極24−1〜24−6に対応する緑と青の2つの画素を1つの組、転送電極24−7〜24−12に対応する緑と青の2つの画素を1つの組とする。そして、隔組毎(周期2T毎)に転送電極24−7〜24−12に対応する組の情報電荷が排出されるように転送電極24−8,24−11をオフ状態とする。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, red (R) and green (G) color filters are arranged for each period T in the odd-numbered vertical shift register, and every even period T in the even-numbered vertical shift register. Are provided with blue (B) and green (G) color filters. Therefore, in the odd-numbered columns, two sets of red and green pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 are formed as one set for each period T, and red and green corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12. Two pixels are set as one set. Then, the transfer electrodes 24-8 and 24-11 are turned off so that the information charges corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 are discharged every interval (every 2T). In the even-numbered columns, two sets of green and blue pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 are formed as one set for each period T, and two green and blue pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 are set. A pixel is set as one set. Then, the transfer electrodes 24-8 and 24-11 are turned off so that the information charges corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 are discharged every interval (every 2T).

時刻t3〜t4では、情報電荷の転送処理が行われる。時刻t2における電子シャッタ処理で残された情報電荷が垂直転送方向に沿って周期Tだけ転送される。   From time t3 to t4, information charge transfer processing is performed. Information charges left by the electronic shutter processing at time t2 are transferred for a period T along the vertical transfer direction.

本実施の形態では、図2に示すように、転送電極24−1〜24−6に対応する奇数列の赤と緑の2つの画素及び偶数列の緑と青の画素に蓄積されている情報電荷が残されているので、これらの情報電荷を周期Tだけ、すなわち、時刻t2で情報電荷を排出した転送電極24−7〜24−12に対応する奇数列の赤と緑の2つの画素及び偶数列の緑と青の画素へ転送する。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, information stored in two odd-numbered red and green pixels and even-numbered green and blue pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6. Since the charges remain, these information charges are separated by only the period T, that is, two odd-numbered red and green pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 that have discharged the information charges at time t2. Transfer to even-numbered green and blue pixels.

時刻t4〜t5では、撮像が再度行われる。各画素を構成する転送電極の組のうち1つ又は2つに正電位を印加してオン状態とすることによって、各画素の入射面に設けられたカラーフィルタを通過して入射する光の強度に応じた情報電荷が生成される。ここでは、時刻t1〜t2と同様に、転送電極24−1,24−2,24−3の組、3つの転送電極24−4,24−5,24−6の組、3つの転送電極24−7,24−8,24−9の組、及び、3つの転送電極24−10,24−11,24−12の組について転送電極24−2,24−5,24−8,24−11に正電位を印加することによって、図4に示すように、転送電極24−2,24−5,24−8,24−11下にポテンシャル井戸が生成され、各画素に入射する光の強度に応じた情報電荷が蓄積される。   From time t4 to t5, imaging is performed again. The intensity of light incident through a color filter provided on the incident surface of each pixel by applying a positive potential to one or two of the pairs of transfer electrodes constituting each pixel to turn it on. An information charge corresponding to is generated. Here, similarly to the times t1 to t2, a set of transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3, a set of three transfer electrodes 24-4, 24-5, and 24-6, and three transfer electrodes 24 are used. −7, 24-8, 24-9, and three transfer electrodes 24-10, 24-11, 24-12, transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, 24-11 As shown in FIG. 4, a potential well is generated under the transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, and 24-11, thereby increasing the intensity of light incident on each pixel. The corresponding information charge is accumulated.

これにより、転送電極24−1〜24−6に対応する画素の組には時刻t4〜t5の間に各画素に入射した光の強度に応じた情報電荷が蓄積されることになる。また、転送電極24−7〜24−12に対応する画素の組には、時刻t1〜t2の間に転送電極24−1〜24−6に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷と、時刻t4〜t5の間に転送電極24−7〜24−12に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷と、が合算された量の情報電荷が蓄積されることになる。   As a result, information charges corresponding to the intensity of light incident on each pixel between times t4 and t5 are accumulated in a set of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6. In addition, in the group of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12, information corresponding to the intensity of light incident on the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 between the times t1 and t2. The amount of information charge that is the sum of the charge and the information charge corresponding to the intensity of light incident on the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 is accumulated between times t 4 and t 5. Become.

このとき、時刻t1〜t2の撮像時間T1よりも時刻t4〜t5の撮像時間T2が十分に短くなるように撮像時間を設定することによって、時刻t4〜t5の間に転送電極24−7〜24−12に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷は時刻t1〜t2の間に転送電極24−1〜24−6に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷よりも十分に小さくなるので、転送電極24−7〜24−12に対応する画素の組には、時刻t1〜t2の間に転送電極24−1〜24−6に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷が保持されているのと近似的に等価となる。   At this time, by setting the imaging time so that the imaging time T2 at the times t4 to t5 is sufficiently shorter than the imaging time T1 at the times t1 to t2, the transfer electrodes 24-7 to 24 are set between the times t4 and t5. The information charge corresponding to the intensity of light incident on the pixel corresponding to -12 is based on the information charge corresponding to the intensity of light incident on the pixel corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 between times t1 and t2. Therefore, the set of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 includes the light incident on the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 during the time t1 to t2. This is approximately equivalent to holding the information charge corresponding to the intensity.

これによって、時刻t5の時点では、転送電極24−1〜24−6に対応する画素の組には時刻t4〜t5の撮像時間T2に各画素に入射した光の強度に応じた情報電荷が保持され、転送電極24−7〜24−12に対応する画素の組には時刻t1〜t2の撮像時間T1に転送電極24−1〜24−6に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷が保持されていることになる。すなわち、転送電極24−1〜24−6に対応する画素の組には時刻t1〜t2の撮像時間T1に比べて十分短い時刻t4〜t5の撮像時間T2に転送電極24−1〜24−6に対応する画素の組で生成された情報電荷が保持され、転送電極24−7〜24−12に対応する画素の組には時刻t4〜t5の撮像時間T2に比べて十分長い時刻t1〜t2の撮像時間T1に転送電極24−1〜24−6に対応する画素の組で生成された情報電荷が保持される。   As a result, at the time t5, the information charge corresponding to the intensity of light incident on each pixel is held in the set of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 at the imaging time T2 from time t4 to t5. The set of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 corresponds to the intensity of light incident on the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 at the imaging time T1 from time t1 to t2. The information charge is held. That is, the transfer electrodes 24-1 to 24-6 have a sufficiently short imaging time T2 from time t4 to t5 compared to the imaging time T1 from time t1 to t2. The information charges generated in the set of pixels corresponding to are held, and the sets of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 have times t1 to t2 that are sufficiently longer than the imaging time T2 of times t4 to t5. The information charges generated by the set of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 at the imaging time T1 are held.

したがって、撮像画像のうち明るい領域については、転送電極24−1〜24−6に保持されている短い撮像時間に対応する情報電荷に基づいて画像を得ることによって十分なダイナミックレンジを得ることができる。一方、撮像画像のうち暗い領域については、転送電極24−7〜24−12に保持されている長い時間に対応する情報電荷に基づいて画像を得ることによって十分なダイナミックレンジを得ることができる。   Therefore, for a bright region in the captured image, a sufficient dynamic range can be obtained by obtaining an image based on information charges corresponding to a short imaging time held in the transfer electrodes 24-1 to 24-6. . On the other hand, for a dark region in the captured image, a sufficient dynamic range can be obtained by obtaining an image based on information charges corresponding to a long time held in the transfer electrodes 24-7 to 24-12.

時刻t1〜t2の撮像時間T1と時刻t4〜t5の撮像時間T2の比は、撮像画像内の明度のダイナミックレンジに応じて決定することが好ましい。クロック制御部12は、撮像画像の1フレーム内の明度のダイナミックレンジが大きい場合には比T1/T2が大きくなり、撮像画像の1フレーム内の明度のダイナミックレンジが小さい場合には比T1/T2が小さくなるようにクロック信号φiを制御することが好ましい。また、カメラにおいて画像の明るさのダイナミックレンジの設定が可能な場合には、その設定値に応じて比T1/T2を変更してもよい。   The ratio of the imaging time T1 from time t1 to t2 and the imaging time T2 from time t4 to t5 is preferably determined according to the dynamic range of lightness in the captured image. The clock control unit 12 increases the ratio T1 / T2 when the lightness dynamic range within one frame of the captured image is large, and the ratio T1 / T2 when the lightness dynamic range within one frame of the captured image is small. It is preferable to control the clock signal φi so that becomes small. If the dynamic range of image brightness can be set in the camera, the ratio T1 / T2 may be changed according to the set value.

時刻t5〜t6では、フレーム転送処理が行われる。時刻t5までに撮像部10iの各画素に蓄積された情報電荷が蓄積部10sへと転送される。フレーム・トランスファ方式のCCD固体撮像素子10では、蓄積部10sは、撮像部10iの画素数と同じ数の蓄積用画素を有しており、フレーム転送処理によって1フレーム分の情報電荷が撮像部10iから蓄積部10sへと転送される。   From time t5 to t6, frame transfer processing is performed. Information charges accumulated in each pixel of the imaging unit 10i by time t5 are transferred to the accumulation unit 10s. In the frame transfer type CCD solid-state imaging device 10, the storage unit 10s has the same number of storage pixels as the number of pixels of the image pickup unit 10i, and information charges for one frame are transferred to the image pickup unit 10i by frame transfer processing. To the storage unit 10s.

その後、再びカメラのシャッタボタンが押されると時刻t0の電子シャッタ処理に戻り、上記の処理を繰り返す。   Thereafter, when the shutter button of the camera is pressed again, the process returns to the electronic shutter process at time t0 and the above process is repeated.

蓄積部10sに蓄積された情報電荷は、蓄積部10sに印加されるクロック信号φsに応じて1行ずつ水平転送部10hへ転送される。水平転送部10hに転送された情報電荷は、水平転送部10hに印加されるクロック信号φhに応じて1画素ずつ出力部10dへ転送される。出力部10dでは、1画素毎に情報電荷量が電荷量に応じた電圧値に変換されて出力信号として信号処理部14へ出力される。このような処理が繰り返されることによって1フレーム分の出力信号が出力される。   The information charges stored in the storage unit 10s are transferred to the horizontal transfer unit 10h line by line in accordance with the clock signal φs applied to the storage unit 10s. The information charges transferred to the horizontal transfer unit 10h are transferred to the output unit 10d pixel by pixel in accordance with the clock signal φh applied to the horizontal transfer unit 10h. In the output unit 10d, the information charge amount is converted into a voltage value corresponding to the charge amount for each pixel and output to the signal processing unit 14 as an output signal. By repeating such processing, an output signal for one frame is output.

1フレーム分の出力信号を各行毎に組み合わせると、時刻t1〜t2の長い撮像時間T1で撮像された画像Xと、時刻t4〜t5の短い撮像時間T2で撮像された画像Yとを得ることができる。信号処理部14は、例えば、画像内において所定の明度B1以上の領域については画像Xからその領域に対応する信号を抽出し、他の領域は画像Yからその領域に対応する信号を抽出して組み合わせる。これは、画像全体としては比較的暗く、その画像内に明度の高い領域が含まれているときに、画像の明度のダイナミックレンジを広くする場合に好適な処理である。または、画像内において所定の明度B2以下の領域については画像Yからその領域に対応する信号を抽出し、他の領域は画像Xからその領域に対応する信号を抽出して組み合わせる。これは、画像全体としては比較的明るく、その画像内に明度の低い領域が含まれているときに、画像の明度のダイナミックレンジを広くする場合に好適な処理である。   When the output signals for one frame are combined for each row, an image X captured at a long imaging time T1 from time t1 to t2 and an image Y captured at a short imaging time T2 from time t4 to t5 can be obtained. it can. For example, the signal processing unit 14 extracts a signal corresponding to the area from the image X for an area having a predetermined brightness B1 or more in the image, and extracts a signal corresponding to the area from the image Y for the other areas. combine. This is a process suitable for widening the dynamic range of lightness of an image when the entire image is relatively dark and a region with high lightness is included in the image. Alternatively, a signal corresponding to the region is extracted from the image Y for a region having a predetermined brightness B2 or less in the image, and a signal corresponding to the region is extracted from the image X and combined for the other regions. This is a process suitable for widening the dynamic range of lightness of an image when the entire image is relatively bright and the image includes a low-lightness area.

また、上記撮像処理を行う際に、1フレーム毎に情報電荷を残す画素の組を切り替えることも好適である。上記処理では、時刻t3の電子シャッタ処理において転送電極24−1〜24−6に対応する画素の組の情報電荷を残すように処理を行った。次のフレームの撮像時においては、図5に示すように、時刻t3の電子シャッタ処理において転送電極24−7〜24−12に対応する画素の組の情報電荷を残し、時刻t4の転送処理において残した情報電荷を転送電極24−1〜24−6に対応する画素の組へ転送し、時刻t4〜t5の撮像処理において再度情報電荷の蓄積を行う。これにより、1フレーム毎のインタレース撮像を行うことが可能となり、動画撮影等において見かけ上の空間的分解能を落とすことなく画像の明度のダイナミックレンジを高めることができる。   In addition, when performing the imaging process, it is also preferable to switch the group of pixels that leave information charges for each frame. In the processing described above, processing was performed so as to leave information charges of a set of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 in the electronic shutter processing at time t3. At the time of imaging the next frame, as shown in FIG. 5, the information charge of the pixel group corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 is left in the electronic shutter process at time t3, and the transfer process at time t4 is performed. The remaining information charges are transferred to the set of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6, and the information charges are stored again in the imaging process at times t4 to t5. As a result, interlaced imaging can be performed for each frame, and the dynamic range of image brightness can be increased without reducing the apparent spatial resolution in moving image shooting or the like.

<変形例>
図6に、本実施の形態における撮像部10iに供給されるクロック信号φi1〜φi12のタイミングチャートを示す。また、図7は、図6の各時刻における各転送電極24−1〜24−12下に生成されるポテンシャル井戸の様子を示す。図6において、横軸は時間を表し、縦軸は転送電極24−1〜24−12にそれぞれ印加されるクロック信号φi1〜φi12の電位を表している。縦軸の下方向が基板電位に対して正電位、縦軸の上方向が基板電位に対して負電位を表す。図7において、横軸は奇数列及び偶数列の垂直シフトレジスタにおける転送方向に沿った位置を表し、縦軸は撮像部10iにおける半導体内部のポテンシャルを表す。縦軸の上方向が基板電位に対して負電位、縦軸の下方向が基板電位に対して正電位を表す。
<Modification>
FIG. 6 shows a timing chart of the clock signals φi 1 to φi 12 supplied to the imaging unit 10 i in the present embodiment. FIG. 7 shows the state of the potential well generated below each transfer electrode 24-1-24-12 at each time of FIG. In FIG. 6, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the potentials of the clock signals φi 1 to φi 12 applied to the transfer electrodes 24-1 to 24-12, respectively. The downward direction of the vertical axis represents a positive potential with respect to the substrate potential, and the upward direction of the vertical axis represents a negative potential with respect to the substrate potential. In FIG. 7, the horizontal axis represents the positions along the transfer direction in the odd-numbered and even-numbered vertical shift registers, and the vertical axis represents the potential inside the semiconductor in the imaging unit 10 i. The upward direction of the vertical axis represents a negative potential with respect to the substrate potential, and the downward direction of the vertical axis represents a positive potential with respect to the substrate potential.

時刻t0では、撮像部10iの全体に対する電子シャッタ処理が行われる。クロック制御部12は、カメラのシャッタボタンの操作に応じたシャッタ信号を外部から受けると、クロック信号φi1〜φi12の総てを負電位として、各転送電極24−1〜24−12をオフ状態とすることによって、撮像部10iの各画素に蓄積されていた情報電荷を半導体基板の深部へ排出する。これにより、次の撮像フレームの撮像の準備が完了する。 At time t0, an electronic shutter process is performed on the entire imaging unit 10i. When the clock control unit 12 receives a shutter signal according to the operation of the shutter button of the camera from the outside, the clock control unit 12 sets all the clock signals φi 1 to φi 12 to negative potentials and turns off the transfer electrodes 24-1 to 24-12. By setting the state, the information charges accumulated in each pixel of the imaging unit 10i are discharged to the deep part of the semiconductor substrate. Thereby, preparation for imaging of the next imaging frame is completed.

時刻t1〜t2では、撮像が行われる。各画素を構成する転送電極の組のうち1つ又は2つに正電位を印加してオン状態とすることによって、各画素の入射面に設けられたカラーフィルタを通過して入射する光の強度に応じた情報電荷が生成される。ここでは、転送電極24−1,24−2,24−3の組、3つの転送電極24−4,24−5,24−6の組、3つの転送電極24−7,24−8,24−9の組、及び、3つの転送電極24−10,24−11,24−12の組について転送電極24−2,24−5,24−8,24−11に正電位を印加することによって、図7に示すように、転送電極24−2,24−5,24−8,24−11下にポテンシャル井戸が生成され、各画素に入射する光の強度に応じた情報電荷が蓄積される。図7では、赤の波長領域に対応する情報電荷をRで表し、緑の波長領域に対応する情報電荷をG、青の波長領域に対応する情報電荷をBで表している。   Imaging is performed from time t1 to t2. The intensity of light incident through a color filter provided on the incident surface of each pixel by applying a positive potential to one or two of the pairs of transfer electrodes constituting each pixel to turn it on. An information charge corresponding to is generated. Here, a set of transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3, a set of three transfer electrodes 24-4, 24-5, 24-6, and three transfer electrodes 24-7, 24-8, 24 By applying a positive potential to the transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, and 24-11 for the set of −9 and the set of three transfer electrodes 24-10, 24-11, and 24-12 As shown in FIG. 7, potential wells are generated under the transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, and 24-11, and information charges corresponding to the intensity of light incident on each pixel are accumulated. . In FIG. 7, the information charge corresponding to the red wavelength region is represented by R, the information charge corresponding to the green wavelength region is represented by G, and the information charge corresponding to the blue wavelength region is represented by B.

時刻t2では、撮像部10iの一部に対する電子シャッタ処理が行われる。垂直シフトレジスタの各列において同じ透過領域を有するカラーフィルタが配置される周期Tに対して、垂直シフトレジスタの転送方向に沿って周期2T毎の画素(光電変換素子)を組として、各組に含まれるカラーフィルタのうちいずれか1つの透過領域を有するカラーフィルタを選択し、選択されたカラーフィルタ以外の透過領域を有するカラーフィルタが配置された画素のうち一部の画素の情報電荷が排出されるように電子シャッタ処理を行う。   At time t2, an electronic shutter process is performed on a part of the imaging unit 10i. With respect to a period T in which color filters having the same transmission region are arranged in each column of the vertical shift register, pixels (photoelectric conversion elements) every period 2T along the transfer direction of the vertical shift register are grouped into each group. A color filter having any one transmission region is selected from among the included color filters, and information charges of some of the pixels in which color filters having transmission regions other than the selected color filter are arranged are discharged. An electronic shutter process is performed as described above.

本実施の形態では、図2に示すように、奇数列の垂直シフトレジスタでは周期T毎に赤(R)及び緑(G)のカラーフィルタが配置され、偶数列の垂直シフトレジスタでは周期T毎に青(B)及び緑(G)のカラーフィルタが配置されている。そこで、奇数列では、周期2T毎に転送電極24−1〜24−12に対応する赤と緑の4つの画素を1つの組とする。各組に含まれるカラーフィルタのうち緑のカラーフィルタを選択すると、選択された緑ではない赤のカラーフィルタが配置された転送電極24−1〜24−3に対応する画素及び転送電極24−7〜24−9に対応する画素のうち一部、すなわち転送電極24−7〜24−9に対応する画素をオフ状態として、その画素に蓄積されている情報電荷が排出されるように電子シャッタ処理を行う。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, red (R) and green (G) color filters are arranged for each period T in the odd-numbered vertical shift register, and every even period T in the even-numbered vertical shift register. Are provided with blue (B) and green (G) color filters. Therefore, in the odd-numbered columns, four pixels of red and green corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-12 are set as one set every cycle 2T. When a green color filter is selected from among the color filters included in each set, the pixel and the transfer electrode 24-7 corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-3 in which the selected non-green red color filter is arranged. Electronic shutter processing so that a part of the pixels corresponding to .about.24-9, that is, the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-9 are turned off, and the information charges accumulated in the pixels are discharged. I do.

同様に、偶数列では、周期2T毎に転送電極24−1〜24−12に対応する緑と青の4つの画素を1つの組とする。各組に含まれるカラーフィルタのうち青のカラーフィルタを選択すると、選択された青ではない緑のカラーフィルタが配置された転送電極24−1〜24−3に対応する画素及び転送電極24−7〜24−9に対応する画素のうち一部、すなわち転送電極24−7〜24−9に対応する画素をオフ状態として、その画素に蓄積されている情報電荷が排出されるように電子シャッタ処理を行う。   Similarly, in the even-numbered column, four pixels of green and blue corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-12 are set as one set for every period 2T. When a blue color filter is selected from among the color filters included in each set, the pixel and the transfer electrode 24-7 corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-3 in which the selected green color filter other than blue is arranged. Electronic shutter processing so that a part of the pixels corresponding to .about.24-9, that is, the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-9 are turned off, and the information charges accumulated in the pixels are discharged. I do.

時刻t3〜t4では、情報電荷の転送処理が行われる。時刻t2における電子シャッタ処理で残された情報電荷が同じ組内の他の情報電荷と合算されるように垂直転送方向に沿って周期Tだけ転送される。   From time t3 to t4, information charge transfer processing is performed. The information charges left by the electronic shutter processing at time t2 are transferred for a period T along the vertical transfer direction so that they are added together with other information charges in the same set.

本実施の形態では、図7に示すように、奇数列では転送電極24−1〜24−6に対応する2つの画素、及び、転送電極24−10〜24−12に対応する1つの画素の情報電荷が残されている。そこで、転送電極24−4〜24−6に対応する画素に残されている情報電荷を転送電極24−10〜24−12に対応する画素へと転送して、時刻t2の電子シャッタ処理で選択された色(奇数列では緑、偶数列では青)に対応する情報電荷を合算させる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 7, two pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 and one pixel corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 are included in the odd-numbered columns. Information charges remain. Therefore, the information charges remaining in the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-4 to 24-6 are transferred to the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 and selected by the electronic shutter process at time t2. The information charges corresponding to the selected colors (green for odd columns and blue for even columns) are summed.

時刻t4〜t5では、撮像が再度行われる。各画素を構成する転送電極の組のうち1つ又は2つに正電位を印加してオン状態とすることによって、各画素の入射面に設けられたカラーフィルタを通過して入射する光の強度に応じた情報電荷が生成される。ここでは、時刻t1〜t2と同様に、転送電極24−1,24−2,24−3の組、3つの転送電極24−4,24−5,24−6の組、3つの転送電極24−7,24−8,24−9の組、及び、3つの転送電極24−10,24−11,24−12の組について転送電極24−2,24−5,24−8,24−11に正電位を印加することによって、図4に示すように、転送電極24−2,24−5,24−8,24−11下にポテンシャル井戸が生成され、各画素に入射する光の強度に応じた情報電荷が蓄積される。   From time t4 to t5, imaging is performed again. The intensity of light incident through a color filter provided on the incident surface of each pixel by applying a positive potential to one or two of the pairs of transfer electrodes constituting each pixel to turn it on. An information charge corresponding to is generated. Here, similarly to the times t1 to t2, a set of transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3, a set of three transfer electrodes 24-4, 24-5, and 24-6, and three transfer electrodes 24 are used. −7, 24-8, 24-9, and three transfer electrodes 24-10, 24-11, 24-12, transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, 24-11 As shown in FIG. 4, a potential well is generated under the transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, and 24-11, thereby increasing the intensity of light incident on each pixel. The corresponding information charge is accumulated.

これにより、転送電極24−1〜24−3に対応する画素には、時刻t1〜t5の間に画素に入射した光の強度に応じた情報電荷が合算されて蓄積されることになる。転送電極24−4〜24−6及び転送電極24−7〜24−9に対応する画素には、時刻t4〜t5の間に画素に入射した光の強度に応じた情報電荷が蓄積されることになる。転送電極24−10〜24−12に対応する画素には、時刻t1〜t2の間に転送電極24−4〜24−6に対応する画素で生成された情報電荷と転送電極24−10〜24−12に対応する画素で生成された情報電荷、及び、時刻t4〜t5において転送電極24−10〜24−12に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷が合算されて蓄積されることになる。   As a result, the information charges corresponding to the intensity of the light incident on the pixels during the times t1 to t5 are accumulated and accumulated in the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-3. In the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-4 to 24-6 and the transfer electrodes 24-7 to 24-9, information charges corresponding to the intensity of light incident on the pixels are accumulated between times t4 and t5. become. For the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12, the information charges generated in the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-4 to 24-6 and the transfer electrodes 24-10 to 24-24 between the times t1 and t2. The information charge generated by the pixel corresponding to -12 and the information charge corresponding to the intensity of light incident on the pixel corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 at time t4 to t5 are added and accumulated. Will be.

時刻t5では、撮像部10iの一部に対する電子シャッタ処理が再度行われる。垂直シフトレジスタの各列において同じ透過領域を有するカラーフィルタが配置される周期Tに対して、垂直シフトレジスタの転送方向に沿って周期2T毎の画素(光電変換素子)を組として、各組に含まれるカラーフィルタのうち時刻t2の電子シャッタ処理で選択されたカラーフィルタが配置された画素のうち一部の画素の情報電荷が排出されるように電子シャッタ処理を行う。   At time t5, electronic shutter processing is performed again on a part of the imaging unit 10i. With respect to a period T in which color filters having the same transmission region are arranged in each column of the vertical shift register, pixels (photoelectric conversion elements) every period 2T along the transfer direction of the vertical shift register are grouped into each group. The electronic shutter process is performed so that the information charges of some of the pixels in which the color filter selected by the electronic shutter process at time t2 is arranged among the color filters included are discharged.

本実施の形態では、奇数列では、時刻t2では各組に含まれるカラーフィルタのうち緑のカラーフィルタが選択されたので、選択された緑のカラーフィルタが配置された転送電極24−4〜24−6に対応する画素及び転送電極24−10〜24−12に対応する画素のうち一部、すなわち転送電極24−4〜24−6に対応する画素をオフ状態として、その画素に蓄積されている情報電荷が排出されるように電子シャッタ処理を行う。このとき、時刻t3からの転送処理において情報電荷の転送先となった転送電極24−10〜24−12に対応する画素ではない画素を選択して情報電荷を排出させる。   In the present embodiment, since the green color filter is selected from among the color filters included in each set at time t2 in the odd-numbered columns, the transfer electrodes 24-4 to 24 in which the selected green color filter is arranged. Among the pixels corresponding to -6 and the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12, that is, the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-4 to 24-6 are turned off and stored in the pixels The electronic shutter process is performed so that the information charges that are present are discharged. At this time, a pixel that is not a pixel corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 that is the transfer destination of the information charge in the transfer process from time t3 is selected and the information charge is discharged.

同様に、偶数列では、時刻t2では各組に含まれるカラーフィルタのうち青のカラーフィルタが選択されたので、選択された青のカラーフィルタが配置された転送電極24−4〜24−6に対応する画素及び転送電極24−10〜24−12に対応する画素のうち一部、すなわち転送電極24−4〜24−6に対応する画素をオフ状態として、その画素に蓄積されている情報電荷が排出されるように電子シャッタ処理を行う。このとき、時刻t3からの転送処理において情報電荷の転送先となった転送電極24−10〜24−12に対応する画素ではない画素を選択して情報電荷を排出させる。   Similarly, in the even-numbered column, since the blue color filter is selected from among the color filters included in each set at time t2, the transfer electrodes 24-4 to 24-6 in which the selected blue color filter is disposed are used. Information charges accumulated in the corresponding pixel and a part of the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12, that is, the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-4 to 24-6 are turned off. The electronic shutter process is performed so as to be discharged. At this time, a pixel that is not a pixel corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 that is the transfer destination of the information charge in the transfer process from time t3 is selected and the information charge is discharged.

時刻t6〜t7では、情報電荷の転送処理が再度行われる。時刻t5における電子シャッタ処理で残された情報電荷が同じ組内の他の情報電荷と合算されるように垂直転送方向に沿って周期Tだけ転送される。   From time t6 to t7, the information charge transfer process is performed again. The information charges left by the electronic shutter processing at time t5 are transferred for a period T along the vertical transfer direction so that they are added together with other information charges in the same set.

本実施の形態では、図7に示すように、奇数列では転送電極24−1〜24−3に対応する1つの画素、及び、転送電極24−7〜24−12に対応する2つの画素の情報電荷が残されている。そこで、転送電極24−1〜24−3に対応する画素に残されている情報電荷を転送電極24−7〜24−9に対応する画素へと転送して、時刻t5の電子シャッタ処理で選択された色(奇数列では赤、偶数列では緑)に対応する情報電荷を合算させる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 7, one pixel corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-3 and two pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-12 in the odd columns. Information charges remain. Therefore, the information charges remaining in the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-3 are transferred to the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-9 and selected by the electronic shutter process at time t5. The information charges corresponding to the selected colors (red for odd columns and green for even columns) are summed.

時刻t7〜t8では、撮像が再度行われる。各画素を構成する転送電極の組のうち1つ又は2つに正電位を印加してオン状態とすることによって、各画素の入射面に設けられたカラーフィルタを通過して入射する光の強度に応じた情報電荷が生成される。ここでは、時刻t1〜t2と同様に、転送電極24−1,24−2,24−3の組、3つの転送電極24−4,24−5,24−6の組、3つの転送電極24−7,24−8,24−9の組、及び、3つの転送電極24−10,24−11,24−12の組について転送電極24−2,24−5,24−8,24−11に正電位を印加することによって、図4に示すように、転送電極24−2,24−5,24−8,24−11下にポテンシャル井戸が生成され、各画素に入射する光の強度に応じた情報電荷が蓄積される。   From time t7 to t8, imaging is performed again. The intensity of light incident through a color filter provided on the incident surface of each pixel by applying a positive potential to one or two of the pairs of transfer electrodes constituting each pixel to turn it on. An information charge corresponding to is generated. Here, similarly to the times t1 to t2, a set of transfer electrodes 24-1, 24-2, 24-3, a set of three transfer electrodes 24-4, 24-5, and 24-6, and three transfer electrodes 24 are used. −7, 24-8, 24-9, and three transfer electrodes 24-10, 24-11, 24-12, transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, 24-11 As shown in FIG. 4, a potential well is generated under the transfer electrodes 24-2, 24-5, 24-8, and 24-11, thereby increasing the intensity of light incident on each pixel. The corresponding information charge is accumulated.

このとき、時刻t1〜t2の撮像時間T3と時刻t4〜t5の撮像時間T4との合計時間よりも時刻t7〜t8の撮像時間T5が短くなるように撮像時間を設定することが好ましい。これによって、時刻t7〜t8の間に転送電極24−1〜24−6に対応する2つの画素に入射した光の強度に応じた情報電荷は時刻t1〜t5の間に生成されて転送電極24−7〜24−12に対応する2つの画素に保持されている情報電荷よりも十分に小さくなる。   At this time, it is preferable to set the imaging time so that the imaging time T5 from time t7 to t8 is shorter than the total time of the imaging time T3 from time t1 to t2 and the imaging time T4 from time t4 to t5. As a result, information charges corresponding to the intensity of light incident on the two pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 between the times t7 and t8 are generated between the times t1 and t5 and transferred to the transfer electrode 24. This is sufficiently smaller than the information charge held in the two pixels corresponding to −7 to 24-12.

これによって、時刻t8の時点では、転送電極24−1〜24−6に対応する画素の組には時刻t7〜t8の撮像時間T5に各画素に入射した光の強度に応じた情報電荷が保持される。転送電極24−7〜24−9に対応する画素には、時刻t1〜t2の撮像時間T3に転送電極24−1〜24−3に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷、時刻t4〜t5の撮像時間T4に転送電極24−1〜24−3に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷、時刻t4〜t5の撮像時間T4に転送電極24−7〜24−9に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷、及び、時刻t7〜t8の撮像時間T5に転送電極24−7〜24−9に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷を合算した情報電荷が保持されていることになる。転送電極24−10〜24−12に対応する画素には、時刻t1〜t2の撮像時間T3に転送電極24−4〜24−6に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷、時刻t1〜t2の撮像時間T3に転送電極24−10〜24−12に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷、時刻t4〜t5の撮像時間T4に転送電極24−10〜24−12に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷、及び、時刻t7〜t8の撮像時間T5に転送電極24−10〜24−12に対応する画素に入射した光の強度に応じた情報電荷を合算した情報電荷が保持されていることになる。   As a result, at the time t8, the information charge corresponding to the intensity of light incident on each pixel is held in the set of pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-6 at the imaging time T5 from time t7 to t8. Is done. Information charges corresponding to the intensity of light incident on the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-3 at the imaging time T3 from time t1 to t2 are included in the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-9. Information charges corresponding to the intensity of light incident on the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-3 at the imaging time T4 from time t4 to t5, and transfer electrodes 24-7 to 24 at the imaging time T4 from time t4 to t5. According to the information charge corresponding to the intensity of light incident on the pixel corresponding to -9 and the intensity of light incident on the pixel corresponding to the transfer electrodes 24-7 to 24-9 at the imaging time T5 from time t7 to t8 Thus, the information charge obtained by adding the information charges is held. The information corresponding to the intensity of light incident on the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-4 to 24-6 at the imaging time T3 from time t1 to t2 is included in the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12. Information charges according to the intensity of light incident on the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 at the imaging time T3 from time t1 to t2, and the transfer electrodes 24-10 to 24 at the imaging time T4 from time t4 to t5. According to the information charge corresponding to the intensity of light incident on the pixel corresponding to -12 and the intensity of light incident on the pixel corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 at the imaging time T5 from time t7 to t8. Thus, the information charge obtained by adding the information charges is held.

したがって、本変形例においても、撮像画像のうち明るい領域については、転送電極24−1〜24−6に保持されている短い撮像時間に対応する情報電荷に基づいて画像を得ることによって十分なダイナミックレンジを得ることができる。一方、撮像画像のうち暗い領域については、転送電極24−7〜24−12に保持されている長い時間に対応する情報電荷に基づいて画像を得ることによって十分なダイナミックレンジを得ることができる。   Therefore, also in this modification, for a bright region in the captured image, sufficient dynamics can be obtained by obtaining an image based on information charges corresponding to a short imaging time held in the transfer electrodes 24-1 to 24-6. You can get a range. On the other hand, for a dark region in the captured image, a sufficient dynamic range can be obtained by obtaining an image based on information charges corresponding to a long time held in the transfer electrodes 24-7 to 24-12.

本変形例においても、時刻t1〜t2の撮像時間T3と時刻t4〜t5の撮像時間T4との和に対する時刻t7〜t8の撮像時間T5の比は、撮像画像内の明度のダイナミックレンジに応じて決定することが好ましい。クロック制御部12は、撮像画像の1フレーム内の明度のダイナミックレンジが大きい場合には比(T3+T4)/T5が大きくなり、撮像画像の1フレーム内の明度のダイナミックレンジが小さい場合には比(T3+T4)/T5が小さくなるようにクロック信号φiを制御することが好ましい。また、カメラにおいて画像の明るさのダイナミックレンジの設定が可能な場合には、その設定値に応じて比(T3+T4)/T5を変更してもよい。   Also in this modification, the ratio of the imaging time T5 from time t7 to t8 to the sum of the imaging time T3 from time t1 to t2 and the imaging time T4 from time t4 to t5 depends on the dynamic range of brightness in the captured image. It is preferable to determine. The clock controller 12 increases the ratio (T3 + T4) / T5 when the brightness dynamic range within one frame of the captured image is large, and the ratio (T3 + T4) / T5 when the brightness dynamic range within one frame of the captured image is small. It is preferable to control the clock signal φi so that T3 + T4) / T5 becomes small. If the dynamic range of image brightness can be set in the camera, the ratio (T3 + T4) / T5 may be changed according to the set value.

また、時刻t1〜t2の撮像時間T3と時刻t4〜t5の撮像時間T4を略等しく設定することが好適である。そのように設定することによって、画像内の各色に対する撮像時間を均一にすることができる。   In addition, it is preferable that the imaging time T3 from time t1 to t2 and the imaging time T4 from time t4 to t5 are set to be approximately equal. By setting as such, the imaging time for each color in the image can be made uniform.

時刻t8〜t9では、フレーム転送処理が行われる。時刻t8までに撮像部10iの各画素に蓄積された情報電荷が蓄積部10sへと転送される。フレーム・トランスファ方式のCCD固体撮像素子10では、蓄積部10sは、撮像部10iの画素数と同じ数の蓄積用画素を有しており、フレーム転送処理によって1フレーム分の情報電荷が撮像部10iから蓄積部10sへと転送される。   From time t8 to t9, frame transfer processing is performed. Information charges accumulated in each pixel of the imaging unit 10i by time t8 are transferred to the accumulation unit 10s. In the frame transfer type CCD solid-state imaging device 10, the storage unit 10s has the same number of storage pixels as the number of pixels of the image pickup unit 10i, and information charges for one frame are transferred to the image pickup unit 10i by frame transfer processing. To the storage unit 10s.

その後、再びカメラのシャッタボタンが押されると時刻t0の電子シャッタ処理に戻り、上記の処理を繰り返す。   Thereafter, when the shutter button of the camera is pressed again, the process returns to the electronic shutter process at time t0 and the above process is repeated.

蓄積部10sに蓄積された情報電荷は、蓄積部10sに印加されるクロック信号φsに応じて1行ずつ水平転送部10hへ転送される。水平転送部10hに転送された情報電荷は、水平転送部10hに印加されるクロック信号φhに応じて1画素ずつ出力部10dへ転送される。出力部10dでは、1画素毎に情報電荷量が電荷量に応じた電圧値に変換されて出力信号として信号処理部14へ出力される。このような処理が繰り返されることによって1フレーム分の出力信号が出力される。   The information charges stored in the storage unit 10s are transferred to the horizontal transfer unit 10h line by line in accordance with the clock signal φs applied to the storage unit 10s. The information charges transferred to the horizontal transfer unit 10h are transferred to the output unit 10d pixel by pixel in accordance with the clock signal φh applied to the horizontal transfer unit 10h. In the output unit 10d, the information charge amount is converted into a voltage value corresponding to the charge amount for each pixel and output to the signal processing unit 14 as an output signal. By repeating such processing, an output signal for one frame is output.

本変形例においても、1フレーム分の出力信号を各行毎に組み合わせると、より長い撮像時間で撮像された画像Xと、より短い撮像時間で撮像された画像Yとを得ることができる。信号処理部14は、例えば、画像内において所定の明度B1以上の領域については画像Xからその領域に対応する信号を抽出し、他の領域は画像Yからその領域に対応する信号を抽出して組み合わせる。これは、画像全体としては比較的暗く、その画像内に明度の高い領域が含まれているときに、画像の明度のダイナミックレンジを広くする場合に好適な処理である。または、画像内において所定の明度B2以下の領域については画像Yからその領域に対応する信号を抽出し、他の領域は画像Xからその領域に対応する信号を抽出して組み合わせる。これは、画像全体としては比較的明るく、その画像内に明度の低い領域が含まれているときに、画像の明度のダイナミックレンジを広くする場合に好適な処理である。   Also in this modified example, when the output signals for one frame are combined for each row, an image X captured with a longer imaging time and an image Y captured with a shorter imaging time can be obtained. For example, the signal processing unit 14 extracts a signal corresponding to the area from the image X for an area having a predetermined brightness B1 or more in the image, and extracts a signal corresponding to the area from the image Y for the other areas. combine. This is a process suitable for widening the dynamic range of lightness of an image when the entire image is relatively dark and a region with high lightness is included in the image. Alternatively, a signal corresponding to the region is extracted from the image Y for a region having a predetermined brightness B2 or less in the image, and a signal corresponding to the region is extracted from the image X and combined for the other regions. This is a process suitable for widening the dynamic range of lightness of an image when the entire image is relatively bright and the image includes a low-lightness area.

また、上記撮像処理を行う際に、1フレーム毎に情報電荷を残す画素の組を切り替えることも好適である。例えば、次のフレームの撮像時においては、図8に示すように、時刻t2の電子シャッタ処理において転送電極24−1〜24−3に対応する画素の情報電荷を排出させ、時刻t3〜t4の転送処理において残した情報電荷を転送電極24−10〜24−12に対応する画素から次の組の転送電極24−4〜24−6へ転送し、時刻t4〜t5の撮像処理において再度情報電荷の蓄積を行い、時刻t5の電子シャッタ処理において転送電極24−10〜24−12に対応する画素の情報電荷を排出させ、時刻t6〜t7の転送処理において残した情報電荷を転送電極24−7〜24−9に対応する画素から次の組の転送電極24−1〜24−3へ転送し、時刻t7〜t8の撮像処理において再度情報電荷の蓄積を行う。これにより、1フレーム毎のインタレース撮像を行うことが可能となり、動画撮影等において見かけ上の空間的分解能を落とすことなく画像の明度のダイナミックレンジを高めることができる。   In addition, when performing the imaging process, it is also preferable to switch the group of pixels that leave information charges for each frame. For example, at the time of imaging of the next frame, as shown in FIG. 8, the information charges of the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-1 to 24-3 are discharged in the electronic shutter process at time t2, and The information charge remaining in the transfer process is transferred from the pixel corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 to the next set of transfer electrodes 24-4 to 24-6, and the information charge is again performed in the imaging process from time t4 to t5. , The information charges of the pixels corresponding to the transfer electrodes 24-10 to 24-12 are discharged in the electronic shutter process at time t5, and the information charges left in the transfer process at time t6 to t7 are transferred to the transfer electrode 24-7. Are transferred from the pixels corresponding to .about.24-9 to the next set of transfer electrodes 24-1 to 24-3, and information charges are accumulated again in the imaging process at times t7 to t8. As a result, interlaced imaging can be performed for each frame, and the dynamic range of image brightness can be increased without reducing the apparent spatial resolution in moving image shooting or the like.

以上、固体撮像素子10としてCCDを例に説明したが、電荷の転送方法はどのような方法であってもよく、例えば、FT(フレーム・トランスファ)方式、IT(インターライン・トランスファ)方式、FIT(フレーム・インターライン・トランスファ)方式のCCDとすることができる。また、本発明の光電変換素子は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)でも同様に構成することができる。   Although the CCD has been described as an example of the solid-state imaging device 10, any charge transfer method may be used. For example, the FT (frame transfer) method, the IT (interline transfer) method, the FIT A CCD of a (frame interline transfer) system can be used. In addition, the photoelectric conversion element of the present invention can be configured in the same manner even in a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the solid-state imaging device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における撮像部の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the imaging part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における撮像部へのクロック信号φiのタイミングチャートである。6 is a timing chart of a clock signal φi to the imaging unit in the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における撮像部でのポテンシャルの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the potential in the imaging part in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における撮像部でのポテンシャルの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the potential in the imaging part in embodiment of this invention. 本発明の変形例における撮像部へのクロック信号φiのタイミングチャートである。It is a timing chart of clock signal (phi) i to the imaging part in the modification of this invention. 本発明の変形例における撮像部でのポテンシャルの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the potential in the imaging part in the modification of this invention. 本発明の変形例における撮像部でのポテンシャルの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the potential in the imaging part in the modification of this invention. 背景技術における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the solid-state imaging device in background art. 撮像部におけるカラーフィルタの配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the color filter in an imaging part.

符号の説明Explanation of symbols

2 固体撮像素子、2i 撮像部、2s 蓄積部、2h 水平転送部、2d 出力部、10 固体撮像素子、10i 撮像部、10d 出力部、10h 水平転送部、10s 蓄積部、12 クロック制御部、14 信号処理部、20 チャネル領域、22 分離領域、24 転送電極、100 固体撮像装置。   2 solid-state imaging device, 2i imaging unit, 2s storage unit, 2h horizontal transfer unit, 2d output unit, 10 solid-state imaging device, 10i imaging unit, 10d output unit, 10h horizontal transfer unit, 10s storage unit, 12 clock control unit, 14 Signal processing unit, 20 channel region, 22 separation region, 24 transfer electrode, 100 solid-state imaging device.

Claims (14)

行列配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された情報電荷を列方向に順次転送する複数の垂直シフトレジスタと、を備え、同じ透過領域を有するカラーフィルタが前記光電変換素子の受光面に前記列方向に沿って所定の周期で配置された固体撮像素子、を駆動する駆動装置であって、
前記光電変換素子を露光することによって情報電荷を生成する第1露光処理と、
前記第1露光処理において前記光電変換素子の一部で生成された情報電荷を排出する電子シャッタ処理と、
前記電子シャッタ処理において残された情報電荷を転送する転送処理と、
前記転送処理後、前記転送された情報電荷が前記光電変換素子の一部に残された状態において前記光電変換素子を前記第1露光処理とは異なる時間だけ露光することによって情報電荷を生成する第2露光処理と、
を行うことを特徴とする駆動装置。
A plurality of photoelectric conversion elements arranged in a matrix and a plurality of vertical shift registers that sequentially transfer information charges generated by the photoelectric conversion elements in a column direction, and a color filter having the same transmission region is the photoelectric conversion element A solid-state imaging device arranged at a predetermined period along the column direction on the light receiving surface of the driving device,
A first exposure process for generating information charges by exposing the photoelectric conversion element;
An electronic shutter process for discharging information charges generated in a part of the photoelectric conversion element in the first exposure process;
A transfer process for transferring information charges left in the electronic shutter process;
After the transfer process, the information charge is generated by exposing the photoelectric conversion element for a time different from the first exposure process in a state where the transferred information charge remains in a part of the photoelectric conversion element. Two exposure processes;
A driving device characterized in that
請求項1に記載の駆動装置であって、
前記電子シャッタ処理は、前記光電変換素子を前記列方向に沿って前記周期毎に組として、前記第1露光処理において生成された情報電荷を隔組毎に排出することを特徴とする駆動装置。
The drive device according to claim 1,
The electronic shutter process is configured to discharge the information charges generated in the first exposure process for each set, with the photoelectric conversion elements being set for each period along the column direction.
請求項2に記載の駆動装置であって、
前記電子シャッタ処理は、1フレーム毎に情報電荷の排出対象となる前記光電変換素子の組を切り替えることを特徴とする駆動装置。
The drive device according to claim 2,
The driving apparatus characterized in that the electronic shutter process switches the set of the photoelectric conversion elements that are the discharge targets of information charges for each frame.
請求項1に記載の駆動装置であって、
前記電子シャッタ処理は、前記カラーフィルタのうちいずれか1つの透過領域を有するカラーフィルタを選択し、前記選択されたカラーフィルタ以外の透過領域を有するカラーフィルタが配置された画素のうち一部の画素の情報電荷を排出する処理であり、
前記転送処理は、前記電子シャッタ処理において残された情報電荷を合算するように前記電子シャッタ処理で残された情報電荷を転送する処理であり、
さらに、前記転送処理後、前記光電変換素子を露光することによって情報電荷を生成する第3露光処理と、
前記選択されたカラーフィルタが配置された画素のうち一部の画素の情報電荷を排出する第2の電子シャッタ処理と、
前記第2の電子シャッタ処理において残された情報電荷を合算するように前記第2の電子シャッタ処理で残された情報電荷を転送する第2の転送処理と、を行い、
前記第2の転送処理後、前記第2露光処理を行うことを特徴とする駆動装置。
The drive device according to claim 1,
In the electronic shutter process, a color filter having any one transmission region of the color filters is selected, and some of the pixels in which color filters having a transmission region other than the selected color filter are arranged Is a process of discharging the information charge of
The transfer process is a process of transferring the information charges remaining in the electronic shutter process so as to add up the information charges remaining in the electronic shutter process,
A third exposure process for generating information charges by exposing the photoelectric conversion element after the transfer process;
A second electronic shutter process for discharging information charges of some of the pixels in which the selected color filter is disposed;
Performing a second transfer process for transferring the information charges remaining in the second electronic shutter process so as to add up the information charges remaining in the second electronic shutter process;
A driving apparatus that performs the second exposure process after the second transfer process.
請求項1〜4のいずれか1つに記載の駆動装置であって、
前記転送処理は、前記シャッタ処理において残された情報電荷を前記周期だけ前記列順方向又は逆方向に転送することを特徴とする駆動装置。
It is a drive device as described in any one of Claims 1-4, Comprising:
The transfer process transfers the information charges remaining in the shutter process in the column forward direction or the reverse direction for the period.
請求項1〜5のいずれか1つに記載の駆動装置であって、
前記第1露光処理における露光時間は前記第2露光処理における露光時間よりも長く設定されることを特徴とする駆動装置。
It is a drive device as described in any one of Claims 1-5, Comprising:
The driving apparatus according to claim 1, wherein an exposure time in the first exposure process is set longer than an exposure time in the second exposure process.
請求項4に記載の駆動装置であって、
前記第3露光処理における露光時間は前記第2露光処理における露光時間よりも長く設定されることを特徴とする駆動装置。
The drive device according to claim 4,
An exposure time in the third exposure process is set longer than an exposure time in the second exposure process.
行列配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された情報電荷を列方向に順次転送する複数の垂直シフトレジスタと、を備え、同じ透過領域を有するカラーフィルタが前記光電変換素子の受光面に前記列方向に沿って所定の周期で配置された固体撮像素子、を駆動する駆動方法であって、
前記光電変換素子を露光することによって情報電荷を生成する第1露光工程と、
前記第1露光工程において前記光電変換素子の一部で生成された情報電荷を排出する電子シャッタ工程と、
前記電子シャッタ処理において残された情報電荷を転送する転送工程と、
前記転送処理後、前記転送された情報電荷が前記光電変換素子の一部に残された状態において前記光電変換素子を前記第1露光処理とは異なる時間だけ露光することによって情報電荷を生成する第2露光工程と、
を行うことを特徴とする駆動方法。
A plurality of photoelectric conversion elements arranged in a matrix and a plurality of vertical shift registers that sequentially transfer information charges generated by the photoelectric conversion elements in a column direction, and a color filter having the same transmission region is the photoelectric conversion element A solid-state imaging device arranged at a predetermined cycle along the column direction on the light receiving surface, and a driving method for driving the solid-state imaging device,
A first exposure step of generating information charges by exposing the photoelectric conversion element;
An electronic shutter step of discharging information charges generated in a part of the photoelectric conversion element in the first exposure step;
A transfer step of transferring information charges left in the electronic shutter process;
After the transfer process, the information charge is generated by exposing the photoelectric conversion element for a time different from the first exposure process in a state where the transferred information charge remains in a part of the photoelectric conversion element. Two exposure steps;
The driving method characterized by performing.
請求項8に記載の駆動方法であって、
前記電子シャッタ工程は、前記光電変換素子を前記列方向に沿って前記周期毎に組として、前記第1露光工程において生成された情報電荷を隔組毎に排出することを特徴とする駆動方法。
The driving method according to claim 8, wherein
The electronic shutter step includes discharging the information charges generated in the first exposure step for each set, with the photoelectric conversion elements being set for each cycle along the column direction.
請求項9に記載の駆動方法であって、
前記電子シャッタ工程は、1フレーム毎に情報電荷の排出対象となる前記光電変換素子の組を切り替えることを特徴とする駆動方法。
The driving method according to claim 9, wherein
The driving method according to claim 1, wherein the electronic shutter step switches a set of the photoelectric conversion elements that are targets of discharging information charges for each frame.
請求項8に記載の駆動方法であって、
前記電子シャッタ工程は、前記カラーフィルタのうちいずれか1つの透過領域を有するカラーフィルタを選択し、前記選択されたカラーフィルタ以外の透過領域を有するカラーフィルタが配置された画素のうち一部の画素の情報電荷を排出する工程であり、
前記転送工程は、前記電子シャッタ工程において残された情報電荷を合算するように前記電子シャッタ処理で残された情報電荷を転送する工程であり、
さらに、前記転送工程後、前記光電変換素子を露光することによって情報電荷を生成する第3露光工程と、
前記選択されたカラーフィルタが配置された画素のうち一部の画素の情報電荷を排出する第2の電子シャッタ工程と、
前記第2の電子シャッタ工程において残された情報電荷を合算するように前記第2の電子シャッタ工程で残された情報電荷を転送する第2の転送工程と、を行い、
前記第2の転送工程後、前記第2露光工程を行うことを特徴とする駆動方法。
The driving method according to claim 8, wherein
The electronic shutter process selects a color filter having any one transmission area from among the color filters, and a part of pixels in which a color filter having a transmission area other than the selected color filter is arranged The process of discharging the information charge of
The transfer step is a step of transferring the information charges left in the electronic shutter process so as to add up the information charges left in the electronic shutter step,
Furthermore, after the transfer step, a third exposure step of generating information charges by exposing the photoelectric conversion element,
A second electronic shutter process for discharging information charges of some of the pixels in which the selected color filter is disposed;
Performing a second transfer step of transferring the information charges left in the second electronic shutter step so as to add up the information charges left in the second electronic shutter step;
A driving method comprising performing the second exposure step after the second transfer step.
請求項8〜10のいずれか1つに記載の駆動方法であって、
前記転送工程は、前記シャッタ処理において残された情報電荷を前記周期だけ前記列順方向又は逆方向に転送することを特徴とする駆動方法。
It is a drive method as described in any one of Claims 8-10, Comprising:
In the driving method, the information charge remaining in the shutter process is transferred in the column forward direction or the reverse direction for the period.
請求項8〜11のいずれか1つに記載の駆動方法であって、
前記第1露光工程における露光時間は前記第2露光工程における露光時間よりも長く設定されることを特徴とする駆動方法。
It is a drive method as described in any one of Claims 8-11, Comprising:
The driving method according to claim 1, wherein an exposure time in the first exposure step is set longer than an exposure time in the second exposure step.
請求項11に記載の駆動方法であって、
前記第3露光工程における露光時間は前記第2露光工程における露光時間よりも長く設定されることを特徴とする駆動方法。
It is a drive method of Claim 11, Comprising:
The driving method characterized in that the exposure time in the third exposure step is set longer than the exposure time in the second exposure step.
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