JP5127536B2 - 固体撮像装置の駆動方法及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像装置、撮像システム、固体撮像装置の駆動方法に係る。

従来の撮像装置においては、入射光を光電変換する光電変換素子が、電荷を蓄積する蓄積部を兼ねる構成が一般に知られている。

これに対し、光電変換素子とは別に電荷蓄積部を設け、光電変換素子で発生した電荷を光電変換素子では蓄積せずに電荷蓄積領域に転送する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１の図６を引用したものを図１２に示す。この構成では、光電変換素子と電荷蓄積部との間の転送部に埋め込みチャネル構造のＭＯＳトランジスタを用いている。特許文献１によれば、光電変換素子は受光に必要な最低限の大きさに留めることが可能であるとしている。この構成により、面内すべての画素の蓄積の開始時刻と終了時刻を揃える面内同期型電子シャッタが実現できる。
特開２００６−２４６４５０号公報

しかしながら、特許文献１によれば図１２（ｅ）以降のタイミングにおいて光電変換素子で発生した電荷はオーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤ）に排出されてしまい、信号として利用するための検討が十分ではなかった。一般に、動画のように複数の画像を連続して取得する用途においては、１つの画像（フレーム）に対応する信号を蓄積部から読み出している期間に光電変換素子で発生した電荷も画像を形成する信号として用いることが求められている。特許文献１の技術では、この期間の信号を電源に排出しているために感度が十分でなくなったり、滑らかな動画にならなくなったりしてしまう可能性が考えられる。

一方、静止画像を撮影する際には、画像を形成する信号を出力する画素が電荷の蓄積を開始及び終了するタイミングを全ての画素で一致させることが求められる。

本発明の第１の側面である固体撮像装置の駆動方法は、入射光を光電変換する光電変換部と、該光電変換部と電荷を蓄積する蓄積部とを接続する第１の転送部と、前記蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、前記浮遊拡散部と第１の電源とを接続するリセット部と、前記光電変換部と第２の電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素であって、少なくとも前記画素が電荷を蓄積する期間において、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さが前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い画素を複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了とを複数の前記画素の行で共通に設定する第１の駆動モードと、前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了を前記画素の行毎に共通に設定する第２の駆動モードとを行い、前記第１の駆動モードにおいて、一行の前記画素から信号を読み出す期間に、前記複数の画素の行について、前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さを、前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁よりも高くし、前記第２の駆動モードにおいて、一行の前記画素から信号を読み出す期間に、前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁を、前記光電変換部よりも低くし、さらに、前記第２のポテンシャル障壁を前記蓄積部よりも低くすることを特徴とする。

本発明の第２の側面である撮像システムは、入射光を光電変換する光電変換部と、該光電変換部と電荷を蓄積する蓄積部とを接続する第１の転送部と、前記蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、前記浮遊拡散部と第１の電源とを接続するリセット部と、前記光電変換部と第２の電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素であって、少なくとも前記画素が電荷を蓄積する期間において、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さが前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い画素を複数配した画素部を有する固体撮像装置と、前記固体撮像装置を駆動するための制御信号を出力する制御部と、を備え、前記制御部は、前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了とを複数の前記画素で共通に設定する第１の駆動モードと、前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了を前記画素の行毎に共通に設定する第２の駆動モードとを備え、前記第１の駆動モードにおいて、一行の前記画素から信号を読み出す期間に、前記複数の画素の行について、前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さを、前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁よりも高くし、前記第２の駆動モードにおいて、一行の前記画素から信号を読み出す期間に、前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁を、前記光電変換部よりも低くし、さらに、前記第２のポテンシャル障壁を前記蓄積部よりも低くすること特徴とする。

本発明によれば面内同期型電子シャッタを実現できることに加え、例えば動画像を撮影する際に信号を蓄積部から読み出している期間に光電変換素子で発生する電荷を利用することに対応できる。

（第１の実施例）
本発明を適用できる第１の実施例を説明する。図１は固体撮像装置の概略ブロック図であり、複数の画素が行列状に配列された撮像領域１０１、垂直走査回路１０２及び水平走査回路１０３を含む。水平走査回路１０３は、撮像領域の画素の列に対応して設けられた信号線を順次走査することにより１行分の画素からの信号を出力回路１０４から出力させる。

図２は、撮像領域１０１に含まれる画素の等価回路図である。説明の簡略化のために撮像領域１０１に含まれる画素は３行×３列の計９画素での領域を例に取っているが、画素の数をこれに限定するものではない。光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）２のアノードは固定電位に接地され、カソードは第１の転送部である第１転送スイッチ８を介して蓄積部ＭＥＭの一方の端子に接続される。カソードはさらに第３の転送部である第３転送スイッチ１３を介してオーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤ）として機能する第２の電源である電源線と接続される。蓄積部ＭＥＭの他方の端子は固定電位に接地されている。蓄積部ＭＥＭの一方の端子はさらに第２の転送部である第２転送スイッチ９を介して増幅トランジスタ１２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタ１２のゲート端子はリセット部であるリセットトランジスタ１０を介して画素電源線に接続される。ここでは第１から第３の転送部がトランジスタで構成されている例を示している。図２では、ＯＦＤとして機能する電源線と画素電源線とを分けているが、これらは共通の電源に接続されてもよいし、異なる電源に接続されてもよい。

選択トランジスタ１１は一方の主電極であるドレイン端子が画素電源線に、他方の主電極であるソース端子が増幅トランジスタ１２の一方の主電極であるドレインと接続されている。アクティブな信号ＳＥＬが入力されると選択トランジスタの両主電極は導通状態となる。これにより増幅トランジスタ１２は垂直信号線ＯＵＴに設けられた不図示の定電流源とでソースフォロワ回路を形成し、増幅トランジスタ１２の制御電極であるゲート端子の電位に応じた信号が垂直信号線ＯＵＴに現われる。垂直信号線ＯＵＴに現われた信号に基づいて固体撮像装置から信号が出力され、後述する信号処理回路部などを経て画像として表示される。また、増幅トランジスタ１２のゲート端子と、リセットトランジスタ１０及び第２転送スイッチ９の主電極とが共通に接続される浮遊拡散部であるノード（以下、ＦＤと称す）４は容量値を有しており、電荷を保持することができる。

次に、図２に示した画素を半導体基板上に形成する場合の断面図の一例を図１３に示す。図２の各構成部に対応する構成に同様の符号を付している。ここでは半導体領域の導電型は信号電荷として電子を用いる場合を例にとって説明する。ホールを用いる場合には各半導体領域の導電型を逆導電型とすればよい。

２０１はＰ型の半導体領域である。Ｎ型の半導体基板にＰ型の不純物イオンを注入して形成することもできるし、Ｐ型の半導体基板を用いてもよい。

２０２は光電変換部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第１の半導体領域）である。信号電荷である電子と同極性である。Ｐ型の半導体領域２０１（第２導電型の第２の半導体領域）の一部とＰＮ接合を構成する。

２０３はＮ型半導体領域２０２の表面に設けられたＰ型の半導体領域である。光電変換部を埋め込み型フォトダイオードとするために設けられ、界面準位の影響を低減し光電変換部表面で生じる暗電流の発生を抑制する。光電変換部は少なくとも第１の半導体領域と、該第１の半導体領域とＰＮ接合を形成する第２の半導体領域とを含んで構成される。

２０４は第２転送スイッチを構成する第２の転送電極である。第２の転送電極に供給する電圧によって、電荷保持部と電荷電圧変換部（後述の第４の半導体領域）の間のポテンシャル状態を制御可能である。第２の転送電極は、後述の第３の半導体領域と第４の半導体領域との間の第２の経路上に絶縁膜を介して配される。

２０５は蓄積部の一部を構成するＮ型の半導体領域（第１導電型の第３の半導体領域）である。光電変換部から転送された電荷を一定期間蓄積可能な構成となっている。２０６は制御電極である。第３の半導体領域上に絶縁膜を介して配され、第３の半導体領域の、絶縁膜界面近傍の領域のポテンシャル状態を制御可能である。蓄積部において電荷を保持する期間中に制御電極２０６に電圧を供給することにより、Ｎ型半導体領域２０５の表面酸化膜との界面近傍で生じる暗電流の影響を低減させることが可能である。後述するように、この時、供給される電圧は、第３の半導体領域と絶縁膜との界面にホールを集める必要があるため負電圧が好ましく、例えば−３Ｖ程度の電圧が供給される。この電圧は第３の半導体領域の不純物濃度により適宜変更される。

蓄積部ＭＥＭは、Ｎ型半導体領域２０５及び制御電極２０６を含んで構成される。

２０７は第１転送スイッチ８を構成する第１の転送電極である。光電変換部と電蓄積部との間の第１の経路のポテンシャル状態を制御可能である。第１の転送電極の下部で、２０２と２０５との間に２０２よりも濃度の低い半導体領域２１３を持つ。このような埋め込みチャネルを有する構成にすることで、図３で説明するようなポテンシャル関係を持たせることができる。

２０８はフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）である。電荷電圧変換部として機能する。増幅ＭＯＳトランジスタのゲートとプラグ２０９等を介して電気的に接続されている。

２１０は遮光膜である。入射光が電荷蓄積部へ侵入しないように配置されている。少なくとも蓄積部ＭＥＭを覆っていることが必要であるが、図示するように、第１の転送電極の全体及び第２の転送電極の一部の上部まで延在して配置されていると更に遮光機能が高まり好ましい。

２１１は第３転送スイッチを構成する電荷排出用の制御電極である。光電変換部とＯＦＤ領域との間の第３の経路のポテンシャル状態を制御可能である。電荷排出制御電極は第３の経路上に絶縁膜を介して配されている。入射光により光電変換部に生じた電荷をＯＦＤに排出可能なようにポテンシャル状態を制御する。２１１に供給する電圧により、光電変換部での蓄積期間（露光期間）の長さを制御可能である。

２１２はＯＦＤを構成する一部（第５の半導体領域）、２１５は２１２へ電源電圧を供給するためのプラグであり、不図示の電源と接続されている。つまり、２１２や２１５を含めて第２の電源としている。

第１転送スイッチ８は、光電変換部と蓄積部とともにトランジスタを構成する。また、第２転送スイッチ９は蓄積部と浮遊拡散部４とともにトランジスタを構成する。そして第３転送スイッチ１３は、光電変換部と第２の電源とともにトランジスタを構成する。

図２および１３に示した単位画素が、複数、好ましくは二次元状に配されて、固体撮像装置が構成されている。画素はリセット部、増幅部、選択部などを複数の光電変換部で共有することも可能である。

以下ではまず、面内同期型電子シャッタを実現するための駆動方法を説明し、その後にローリング電子シャッタを実現するための駆動方法を説明する。

まず、面内同期型シャッタに係る画素の各部位のポテンシャルと、入力される信号について図３及び４を用いて説明する。図３においてＰＤを除く領域の上方に示した黒塗りの帯は、遮光するための部材を模式的に表している。具体的には、半導体基板上に設けられた配線などによって実現され、フォトダイオードのみに光が入射するようになっている。第１から第３転送スイッチ８、９、１３及びリセットトランジスタ１０の制御電極にアクティブな信号が入力されていないときのポテンシャル図を図３（ａ）に示す。なお、フォトダイオード２、蓄積部ＭＥＭ、及びＦＤ４には電荷が蓄積されていないものとする。ここでは、フォトダイオード２で発生し、蓄積部ＭＥＭに蓄積される電荷は電子であるので、図の下に行くほどポテンシャルが高くなる。図３において、第１から第３転送スイッチのチャネルのポテンシャル状態をそれぞれＴＸ１〜ＴＸ３で示している。これらには、図２で示した信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）、信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）、及び信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）が供給されるものとする。

本実施例においては画素に電荷を蓄積する期間において、第２及び第３転送スイッチにそれぞれ対応するＴＸ２及びＴＸ３のポテンシャルは第１転送スイッチに対応するＴＸ１のポテンシャルよりも低く、ＴＸ１のポテンシャルはＰＤのポテンシャルよりも低い。言い換えると、蓄積部ＭＥＭに蓄積される電荷である電子に対するＴＸ２及びＴＸ３に形成されるポテンシャル障壁の高さは、ＴＸ１のそれよりも高い。そして、電子に対するＴＸ１に形成されるポテンシャル障壁は、ＰＤで発生する電子の少なくとも一部はＰＤに蓄積されるようなポテンシャル状態にある。このようなポテンシャル関係になっているため、入射光によりフォトダイオードで電子が発生すると、ある程度以上の電子はＴＸ１の障壁を越えて電荷蓄積部蓄積部へと流れていく。すなわち、フォトダイオードで発生したある程度以上の電子はフォトダイオードで蓄積されることなく蓄積部ＭＥＭに流れることになる。

図３（ａ）は図４における時刻ｔ０の状態を示し、信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ）が非アクティブなレベルである。ここではＰＤ及び蓄積部ＭＥＭに保持された電荷量は問わない。この時点でＲＥＳ（ｎ）〜ＲＥＳ（ｎ＋２）はアクティブなレベルであるのでＦＤはリセット状態にある。

時刻ｔ１に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）、信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）、及び信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）が同時にアクティブとなり、図３（ｂ）に示す状態になる。この状態では、フォトダイオードで発生した電荷及び蓄積部ＭＥＭに保持されていた電荷はＯＦＤまたはＦＤを介して電源または画素電源線に排出される。

時刻ｔ２に信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）、信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）、及び信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）が同時に非アクティブなレベルに遷移することで、各画素の電荷蓄積動作が開始する。このときのポテンシャル状態を図３（ｃ）に示す。

図３（ｄ）は、時刻ｔ２から時間が経過し、フォトダイオードで電荷を蓄積している状態を示す。網掛けされている部分が光電変換により生じた電荷を表している。この状態では、フォトダイオードのポテンシャルが第１転送トランジスタのチャネルのポテンシャルと等しくなっており、これ以上電荷を蓄積できない。そのため、この時刻以降にフォトダイオードで発生した電荷はフォトダイオードに蓄積されずに第１転送トランジスタを介して蓄積部ＭＥＭへと流れていく。

図３（ｅ）は、時刻ｔ３の直前の時刻における画素のポテンシャル状態を表す図である。フォトダイオードで蓄積できなかった電荷が蓄積部にて保持されている様子を表している。

時刻ｔ３において第１転送トランジスタにアクティブな信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）が与えられると、図３（ｆ）に示す状態になる。フォトダイオードと蓄積部との間にあった、電子に対するポテンシャル障壁がなくなるので、フォトダイオードに蓄積されていた電荷も蓄積部へと転送される。

時刻ｔ４では信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）が非アクティブになるとともに、第３転送トランジスタに与えられる信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）がアクティブとなり、さらに、信号ＲＥＳ（ｎ）が非アクティブになる。これにより、図３（ｇ）に示す状態となる。このとき、フォトダイオードと蓄積部ＭＥＭとの間には電子に対するポテンシャル障壁があり、さらにフォトダイオードとＯＦＤとの間の電子に対するポテンシャル障壁がなくなるので、フォトダイオードで発生する電荷は全てＯＦＤに流れていく。言い換えると、光が入射しても画像を形成する信号として反映されないので、光を遮っているのと同義と見なせる状態になっている。これにより、撮像面内における蓄積時間の同時性を確保できる。

時刻ｔ５に信号ＴＸ２（ｎ）がパルス状にアクティブとなると、ｎ行目の画素の蓄積部ＭＥＭに蓄積されていた電荷がＦＤへと転送される。図３（ｈ）は時刻ｔ５に信号ＴＸ２（ｎ）がアクティブとなっている期間の様子を表し、図３（ｉ）はその後に信号ＴＸ２（ｎ）が非アクティブとなったときの様子を表す。信号ＳＥＬ（ｎ）がハイレベルとなるとＦＤの電位に応じた信号が垂直信号線に出力されるので、時刻ｔ６で再び信号ＲＥＳ（ｎ）がアクティブになる前に出力部から出力したり、垂直信号線に対応して設けられた不図示のメモリに保持させたりする必要がある。時刻ｔ７までの間にｎ＋１行目及びｎ＋２行目についても同様の動作が行われ、全ての画素の信号が読み出される。そして、時刻ｔ８に、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）が非アクティブとなり、一連の動作が終了する。

以上によって、面内同期型シャッタ動作を実現することができる。このため、撮像面内における蓄積時間の同時性を求められるスチルカメラなどの静止画を撮影する用途に適した駆動方法であると言える。

次に、図２の画素を有する本実施例に係る固体撮像装置において、ローリング電子シャッタを実現するための駆動方法を図５及び図６を用いて説明する。

図５（ａ）は、図６の時刻ｔ０における画素のポテンシャル状態を表す図であり、図３（ａ）と同様の状態である。ここでも、ＰＤ及び蓄積部に保持された電荷量は問わない。この時点で信号ＲＥＳ（ｎ）〜ＲＥＳ（ｎ＋２）はアクティブなレベルであるのでＦＤはリセット状態にある。

時刻ｔ１において信号ＴＸ１（ｎ）及び信号ＴＸ２（ｎ）が同時にアクティブになるので、ｎ行目の画素のフォトダイオード及び蓄積部ＭＥＭに蓄積された電荷がＦＤに転送される。時刻ｔ１において信号ＴＸ１（ｎ）及び信号ＴＸ２（ｎ）がアクティブになった状態に対応するのが図５（ｂ）である。信号ＲＥＳ（ｎ）はハイレベルであるため、フォトダイオード及び蓄積部ＭＥＭに蓄積された電荷は画素電源線に排出される。ｎ＋１行目及びｎ＋２行目の画素については、入力される信号のレベルに変化はないので図５（ａ）と同様の状態にある。ただし、入射光は各ＰＤに照射されているのでそれぞれのＰＤや蓄積部には電荷が蓄積されていることが考えられる。

時刻ｔ２において信号ＴＸ１（ｎ）及び信号ＴＸ２（ｎ）が非アクティブレベルに遷移するとｎ行目の画素は図５（ｃ）に示す状態となり、蓄積時間が開始する。

時刻ｔ３では信号ＴＸ１（ｎ＋１）及び信号ＴＸ２（ｎ＋１）が、時刻ｔ４では信号ＴＸ１（ｎ＋２）及び信号ＴＸ２（ｎ＋２）がそれぞれパルス状にハイレベルとなり、ｎ＋１行目およびｎ＋２行目の画素の蓄積時間が開始する。

蓄積時間中においては、フォトダイオードで変換された電荷が一定量を超えると、図５（ｄ）の状態を経て図５（ｅ）のようにフォトダイオードで発生した電荷が蓄積部ＭＥＭに転送されてそこで蓄積される。

時刻ｔ５に先立って、信号ＲＥＳ（ｎ）が非アクティブとなり、ＦＤのリセット状態が解除される。そして時刻ｔ５において信号ＲＥＳ（ｎ）が非アクティブレベルの状態で信号ＴＸ１（ｎ）及び信号ＴＸ２（ｎ）がアクティブレベルに遷移すると、図５（ｆ）に示すような状態となり、ｎ行目の画素のフォトダイオード及び蓄積部ＭＥＭに蓄積された電荷がＦＤに転送される。

時刻ｔ５に信号ＴＸ１（ｎ）及び信号ＴＸ２（ｎ）が非アクティブレベルになると、図５（ｇ）に示す状態となる。ここで信号ＳＥＬ（ｎ）がアクティブレベルになるとＦＤの電位に応じた信号が垂直信号線に出力されるので、再び信号ＲＥＳ（ｎ）がアクティブレベルに遷移する前に出力部から出力したり、垂直信号線に対応して設けられた不図示のメモリに保持させたりする必要がある。

ｎ＋１行目及びｎ＋２行目の画素についても同様の動作が順次行われ、図２に示す３行×３列の画素全てからの信号が垂直信号線に出力される。

先に説明した面内同期型電子シャッタに係る動作と大きく異なるのは、フォトダイオード及び蓄積部からの電荷をＦＤに転送する動作が、行毎に順次行われている点である。面内同期型電子シャッタでは、撮像領域の画素で共通に蓄積時間が設定されていたのに対し、ローリング電子シャッタによる動作では、蓄積時間が行毎に設定される。この駆動方法では行毎に蓄積の開始及び終了のタイミングが異なる（行順次蓄積）。また、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）が常に非アクティブであることであるため、フォトダイオードで発生した電荷がＯＦＤに排出されること、すなわち捨てられることがない。したがって、時刻ｔ５からの期間にＦＤの電位に対応した信号が読み出される期間にフォトダイオードで発生した電荷は次のフレームの信号として用いることができるので、動画のようなアプリケーションに適していると言える。

また、この駆動方法は、例えばＯＦＤが垂直オーバーフロードレインのように信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）を全て同時にしか駆動できないような構成の固体撮像装置でも利用できるので、駆動回路の構成を簡単にできるという利点がある。

さて、上では第１転送トランジスタに埋め込みチャネル型トランジスタを用いた画素を有する撮像装置に係る２つの駆動方法、言い換えると２つの駆動モードに係る動作を説明してきた。以降では、これらの２つの駆動モードをどのように切り替えるかを、図７及び８を用いて説明する。

図７は撮像システムの概略構成を示す図であり、は、例えば、光学部７１１、固体撮像装置７００、信号処理回路部７０８、記録・通信部７０９、タイミング発生器７０６、ＣＰＵ７０７、再生・表示部７１０、操作部７１２を含む。

レンズなどの光学系である光学部７１１は、被写体からの光を固体撮像装置７００の、複数の画素が２次元状に配列された画素部７０１に結像させ、被写体の像を形成する。画素部には先述の有効画素領域が含まれる。固体撮像装置７００は、タイミング発生器７０６からの信号に基づくタイミングで、画素部７０１に結像された光に応じた信号を出力する。

固体撮像装置７００は、図１の撮像領域に対応する画素部７０１及び、画素部７０１の各画素から垂直信号線に出力された信号を一時的に保持する保持部を備える水平読み出し回路７０５を含む。水平読み出し回路７０５には、図１の出力回路１０４に対応する出力部が含まれても良い。固体撮像装置７００はさらに画素部の画素の行を選択する垂直走査回路７０２及び、水平読み出し回路７０５からセンサ信号出力として信号を出力するように制御する水平走査回路７０３とを含む。

固体撮像装置７００から出力された信号は、信号処理部である信号処理回路部７０８に入力され、信号処理回路部７０８が、プログラムなどによって定められた方法に従って、入力された電気信号に対してＡＤ変換などの処理を行う。信号処理回路部７０８での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部７０９に送られる。記録・通信部７０９は、画像を形成するための信号を再生・表示部７１０に送り、再生・表示部１７０に動画や静止画像が再生・表示させる。記録通信部７０９は、信号処理回路部７０８からの信号を受けて、制御部であるＣＰＵ７０７とも通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。

ＣＰＵ７０７は、撮像システムの動作を統括的に制御するものであり、光学部７１１、タイミング発生器７０６、記録・通信部７０９、及び再生・表示部７１０の駆動を制御するための制御信号を出力する。また、ＣＰＵ７０７は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システムの動作を制御するのに必要なプログラムなどが記録される。ＣＰＵ７０７は、駆動モード指示信号及び撮影指示信号をタイミング発生器７０６に対して出力する。なお、駆動モード指示信号及び撮影指示信号は互いに異なる信号ではなく、単一の信号であっても良い。

タイミング発生器７０６はＣＰＵから駆動モード指示信号及び撮影指示信号を受けると、その信号に応じた駆動モードで固体撮像装置７００を動作させるように、垂直走査回路７０２及び水平走査回路７０３に対して信号を供給する。

例えばＣＰＵ７０７が、面内同期型電子シャッタに係る駆動モードにより撮影を行うようにタイミング発生器７０６に駆動モード指示信号及び撮影指示信号を供給する。これによりタイミング発生器７０６は面内同期型電子シャッタに係る動作を行うための信号を固体撮像装置７００に供給する。これを受けて固体撮像装置７００は例えば図４に示したタイミングで駆動され、撮像面内で蓄積時刻が同時である信号を信号処理回路部７０８へと出力する。

また、例えばＣＰＵ７０７が、ローリング電子シャッタに係る駆動モードにより撮影を行うようにタイミング発生器７０６に駆動モード指示信号及び撮影指示信号を供給する。これによりタイミング発生器７０６はローリング電子シャッタに係る動作を行うための信号を固体撮像装置７００に供給する。これを受けて固体撮像装置７００は例えば図６に示したタイミングで駆動され、撮像面内での蓄積時刻が画素の行毎に異なる信号を信号処理回路部７０８へと出力する。

操作部７１２はユーザが操作するインターフェースであり、ユーザが操作することに応じた操作信号をＣＰＵ７０７へと出力する。より具体的には、動画を撮影するモードや静止画を撮影するモードなどを切り替えたり、シャッタのタイミングを決定したりすることができる。

再生・表示部７１０は入力された画像データを画像として表示するためのもので、例えば記録・通信部７０８を介して不図示の記録媒体に保持された画像データを画像として表示することができる。また、後述する電子ビューファインダ（ＥＶＦ）として用いる場合には、記録・通信部７０８を介することなく信号処理回路部７０８から供給された画像データを画像として表示することができる。

図８は、撮像システムの概略動作を示すためのフローチャートである。

まず、ステップＳ０においては固体撮像装置７００が待機状態にあるとする。

ステップＳ１において、操作部７１２からＣＰＵ７０７に操作信号が入力される。操作信号が面内同期型電子シャッタによる撮影を指示することに対応した信号であればステップＳ２−Ａへと進み、面内同期型電子シャッタ動作を行う第１の駆動モードによる動作が開始する。一方、操作信号がローリング電子シャッタによる撮影を支持することに対応した信号であればステップＳ２−Ｂへと進み、ローリング電子シャッタ動作を行う第２の駆動モードによる動作が開始する。

最初に、操作信号が面内同期型電子シャッタによる撮影を指示することに対応した信号である場合を説明する。

ステップＳ２−Ａにおいて、面内同時リセットが行われ撮像面内の画素が同時にリセットされる。これは、図４における時刻ｔ１〜ｔ２に対応する。そして画素のリセットが終了すると（図４における時刻ｔ２）、画素の蓄積時間が開始する。

ここからある時間が経過すると、図４における時刻ｔ３に対応したステップＳ３−Ａにおいて、画素のＰＤに蓄積された電荷が蓄積部ＭＥＭへと同時に転送される。

続くステップＳ４−Ａは、図４における時刻ｔ５〜ｔ７の動作に対応するもので、ＦＤに保持された電荷に応じた信号が、画素の行毎に垂直信号線に出力される、すなわち読み出される期間である。

そして、全ての行の画素からの信号が出力され終わると（ステップＳ５−Ａ）ステップＳ０へと戻り、固体撮像装置７００は再び待機状態となる。

次に、操作信号がローリング電子シャッタ動作による撮影を指示することに対応した信号である場合を説明する。

ステップＳ２−Ｂにおいて、画素の行毎のリセットが行われる。これは、図６における時刻ｔ１から、時刻ｔ４におけるリセット動作の終了までに対応する。

続くステップＳ３−Ｂにおいて、図６の時刻ｔ５から始まる動作が開始し、画素の行毎に信号が垂直信号線に出力される。

そして、全ての行の画素からの信号が出力され終わると（ステップＳ４−Ｂ）ステップＳ０へと戻り、固体撮像装置７００は再び待機状態となる。ここで、ローリング電子シャッタによる動作は先述のとおり、動画のように連続して画像を取得する用途に好適に用いることができるので、ステップＳ４−Ｂの後にステップＳ２−Ｂに進めることで、連続して撮影を行うことが考えられる。そして、ステップＳ２−ＢからステップＳ４−Ｂまでの動作を繰り返し、例えば撮影を停止するような操作信号がＣＰＵ７０７に入力されるとステップＳ４−Ｂの後にステップＳ０へと戻る。

また、第２の駆動モードによる動作で動画を撮影している期間に、第１の駆動モードによる動作へ切り替えることが考えられる。図８では、ステップＳ３−Ｂに係る動作を行っている期間に、第１の駆動モードへの切り替えを指示する操作信号がＣＰＵ７０７に入力された場合を示している。ステップＳ３−Ｂの途中で駆動モードの切り替えを指示する操作信号がＣＰＵ７０７に入力されると、即座にステップＳ１−Ａへと進み、撮像面内の画素が同時にリセットされる。

一方、図４の動作から明らかなように、時刻ｔ４〜時刻ｔ８の期間においてはＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）はアクティブなレベルにあるのでこの期間にＰＤで発生する電荷が画素で蓄積されることはない。したがって、第１の駆動モードの途中から第２の駆動モードに切り替える動作は行わない。特に第１の駆動モードを静止画の撮影に用いる場合に、ステップＳ４−Ｂの途中から第２の駆動モードに切り替えると、１画面分の信号が出力されないので、ここで得られる信号は画像としては利用できないことになる。そのような事態を避けるためにも、第１の駆動モードにおけるステップＳ４−Ａから第２の駆動モードへの切り替えは避ける必要がある。

なお、ここで示した各ステップは例示的なものであり、これに限定するものではない。

次に、面内同期型電子シャッタ動作を行う第１の駆動モードによる動作と、ローリング電子シャッタ動作を行う第２の駆動モードのそれぞれの好適な適用例を説明する。

第１の駆動モードは、撮像面内の画素における電荷蓄積動作が同時に行われることから、静止画の撮影や、ストロボ調光などの用途に適している。

一方、第２の駆動モードは、先述した動画像の撮影や、ＥＶＦ表示に用いるための撮影に適しており、ＡＥ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ；自動露出）に用いる動作としても利用できる。なお、ＡＦ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｏｃｕｓ；オートフォーカス）に用いる動作としては、第１の駆動モードでも第２の駆動モードでも良い。

以上説明した本発明の第１の実施例によれば、面内同期型電子シャッタを実現できるほか、ローリング電子シャッタも実現でき、用途に応じて切り替えることができる。

（第２の実施例）
第１の実施例におけるローリング電子シャッタを行う駆動方法では、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）は常に非アクティブなレベルにあった。本実施例においては、信号ＴＸ３（ｎ）〜ＴＸ３（ｎ＋２）を、対応する行の信号ＴＸ１（ｎ）〜ＴＸ１（ｎ＋２）及び信号ＴＸ２（ｎ）〜ＴＸ２（ｎ＋２）と同じタイミングでパルス状にアクティブにする。

図９に本実施例に係る駆動タイミングを示す。図６に係る駆動タイミングと異なるのは、時刻ｔ１〜ｔ４において、信号ＴＸ１及び信号ＴＸ２がパルス状にアクティブなレベルになることと同時に信号ＴＸ３もパルス状にアクティブなレベルになる点である。

本実施例に係る動作を第１の実施例における図６に係る動作と置き換えることにより、フォトダイオードに残存する電荷が次の期間に影響を及ぼすことを抑制することができる。

本実施例における駆動方法では、フォトダイオードで発生した電荷をＯＦＤを介して排出しており、面内同期型電子シャッタ動作における排出方法と同様の手順で電荷が排出される。このため、両モードにおける画質が揃うので、例えば図９に係る動作で動画を撮影している途中に図４に係る動作で静止画を取得しても、得られる画像の見え方に不自然さが生じにくくなると言う効果がある。

（その他）
上述の各実施例においては、第１の転送部をトランジスタからなる第１の転送スイッチとして、そのゲートに入力される信号に応じて駆動されるものを説明した。そのため、蓄積期間において光電変換素子に蓄積された電荷はＦＤへと転送されるので、信号として用いることができる。しかしながら、第１の転送部のポテンシャルをアクティブに制御しないことも考えられる。その場合には、蓄積時間において光電変換素子に蓄積された電荷は信号として用いられなくなるので、例えば低照度の被写体を撮影する際には信号が得られない。したがって、十分な照度の被写体を撮影する場合のように、光電変換素子に蓄積された電荷量の影響が大きくない用途では第１の転送部のポテンシャル状態をアクティブに制御しなくても良い。

図１０に、第１の駆動モードに係る動作と第２の駆動モードに係る動作とを連続して行う場合のタイミング図を示す。各駆動モードにおける動作はそれぞれ図４及び図６に示す動作と同様である。

また、図１１には、第２の駆動モードに係る動作と第１の駆動モードに係る動作とを連続して行う場合のタイミング図を示す。各駆動モードにおける動作はそれぞれ図９及び図４に示す動作と同様である。

固体撮像装置の概略構成を示す図 画素の等価回路図 面内同期型電子シャッタ動作における画素のポテンシャル状態を示す図 面内同期型電子シャッタ動作に係るタイミング図 第１の実施例におけるローリング電子シャッタ動作における画素のポテンシャルを示す図 第１の実施例におけるローリング電子シャッタ動作に係るタイミング図 撮像システムの概略構成を示す図 撮像システムの動作を示すフローチャート 第２の実施例におけるローリング電子シャッタ動作に係るタイミング図 駆動モードの切り替わりを示すタイミング図 駆動モードの切り替わりを示すタイミング図 特許文献１の図６を引用した図 図２に係る画素の断面図

符号の説明

２ フォトダイオード（ＰＤ）
４ 浮遊拡散領域（ＦＤ）
８ 第１転送スイッチ
９ 第２転送スイッチ
１０ リセットトランジスタ
１１ 選択トランジスタ
１２ 増幅トランジスタ
１３ 第３転送スイッチ
２１ 画素
１００ 固体撮像装置
１０１ 撮像領域
１０２ 垂直走査回路
１０３ 水平走査回路
１０４ 出力回路
７００ 固体撮像装置
７０１ 画素部
７０２ 垂直走査回路
７０３ 水平走査回路
７０５ 水平読み出し回路
７０６ タイミング発生器
７０７ ＣＰＵ
７０８ 信号処理回路部
７０９ 記録・通信部
７１０ 再生・表示部
７１１ 光学部
７１２ 操作部

Claims (13)

1. 入射光を光電変換する光電変換部と、
   該光電変換部と電荷を蓄積する蓄積部とを接続する第１の転送部と、
   前記蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、
   前記浮遊拡散部と第１の電源とを接続するリセット部と、
   前記光電変換部と第２の電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素であって、少なくとも前記画素が電荷を蓄積する期間において、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さが前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い画素を複数配した画素部を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了とを複数の前記画素の行で共通に設定する第１の駆動モードと、
   前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了を前記画素の行毎に共通に設定する第２の駆動モードとを行い、
   前記第１の駆動モードにおいて、一行の前記画素から信号を読み出す期間に、前記複数の画素の行について、前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さを、前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁よりも高くし、
   前記第２の駆動モードにおいて、一行の前記画素から信号を読み出す期間に、前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁を前記光電変換部よりも低くし、さらに、前記第２のポテンシャル障壁を前記蓄積部よりも低くすること特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
2. 前記第１転送部は、前記光電変換部と前記蓄積部とともに第１のトランジスタを構成し、
   前記第２の転送部は、前記蓄積部と前記浮遊拡散部とともに第２のトランジスタを構成し、
   前記第３の転送部は、前記光電変換部と前記第２の電源とともに第３のトランジスタを構成し、それぞれのチャネルのポテンシャル状態を制御することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
3. 前記第２の駆動モードにおいて、前記光電変換素子で光電変換された電荷を前記第１の転送部、前記第２の転送部、及び前記リセット部を介して前記第１の電源に排出することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 前記第２の駆動モードにおいて、前記蓄積部に蓄積された電荷に対する前記第１及び第２の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さを低くすることに同期して、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さを低くし、前記複数の画素の行毎に駆動することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記第１の駆動モードにより静止画を撮影し、前記第２の駆動モードにより動画を撮影することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. 前記第１の転送部は埋め込みチャネル型トランジスタからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
7. 前記第２の駆動モードにおいて、前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁を前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁よりも高くすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
8. 入射光を光電変換する光電変換部と、
   該光電変換部と電荷を蓄積する蓄積部とを接続する第１の転送部と、
   前記蓄積部と浮遊拡散部とを接続する第２の転送部と、
   前記浮遊拡散部と第１の電源とを接続するリセット部と、
   前記光電変換部と第２の電源とを接続する第３の転送部と、を含む画素であって、少なくとも前記画素が電荷を蓄積する期間において、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さが前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さよりも低い画素を複数配した画素部を有する固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置を駆動するための制御信号を出力する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了とを複数の前記画素の行で共通に設定する第１の駆動モードと、前記画素における電荷を蓄積する動作の開始と終了を前記画素の行毎に共通に設定する第２の駆動モードとを備え、
   前記第１の駆動モードにおいて、一行の前記画素から信号を読み出す期間に、前記複数の画素の行について、前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さを、前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁よりも高くし、
   前記第２の駆動モードにおいて、一行の前記画素から信号を読み出す期間に、前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁を前記光電変換部よりも低くし、さらに、前記第２のポテンシャル障壁を前記蓄積部よりも低くすること特徴とする撮像システム。
9. 前記第１転送部は、前記光電変換部と前記蓄積部とともに第１のトランジスタを構成し、
   前記第２の転送部は、前記蓄積部と前記浮遊拡散部とともに第２のトランジスタを構成し、
   前記第３の転送部は、前記光電変換部と前記第２の電源とともに第３のトランジスタを構成し、前記制御信号に基づいてそれぞれのチャネルのポテンシャル状態が制御されることを特徴とする請求項８に記載の撮像システム。
10. 前記第２の駆動モードにおいて、前記光電変換素子で光電変換された電荷は前記第１の転送部、前記第２の転送部、及び前記リセット部を介して前記第１の電源に排出されることを特徴とする請求項８又は９に記載の撮像システム。
11. 前記第２の駆動モードにおいて、前記制御部は、前記蓄積部に蓄積された電荷に対する前記第１及び第２の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さを低くすることに同期して、前記蓄積部に蓄積される電荷に対する前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁の高さを低くし、前記複数の画素の行毎に駆動されるように前記制御信号を出力することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の撮像システム。
12. 前記第１の転送部は埋め込みチャネル型トランジスタの一部であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の撮像システム。
13. 前記第２の駆動モードにおいて、前記第３の転送部に形成されるポテンシャル障壁を前記第１の転送部に形成されるポテンシャル障壁よりも高くすることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載の撮像システム。

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