(57)【要約】【課題】垂直電荷転送路の転送効率改善を図り、撮像画像の画質向上を図る。【解決手段】半導体基板に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素及び該画素で構成される複数の画素列に沿って夫々形成された複数の垂直電荷転送路を有する固体撮像素子と、画素が検出した信号電荷を収納する信号パケット２１を垂直電荷転送路に形成し転送すると共に信号パケット２１の転送方向後段に信号パケット２１の転送で発生する転送残り電荷を拾う空パケット２２を形成し転送する撮像素子駆動手段とを備える。好適には、空パケット２２は、垂直電荷転送路の停止前に信号パケット２１に合流させ、垂直電荷転送路の停止中には空パケットを消失させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素及び該画素で構成される複数の画素列に沿って夫々形成された複数の垂直電荷転送路を有する固体撮像素子と、前記画素が検出した信号電荷を収納する信号パケットを前記垂直電荷転送路に形成し転送すると共に該信号パケットの転送方向後段に該信号パケットの転送で発生する転送残り電荷を拾う空パケットを形成し転送する撮像素子駆動手段とを備える撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置であって、前記固体撮像素子は、前記複数の垂直電荷転送路の転送方向端部に沿って形成された水平電荷転送路を備え、前記撮像素子駆動手段は、前記水平電荷転送路を転送駆動させるとき前記垂直電荷転送路の転送駆動を停止させ且つ前記水平電荷転送路の転送開始前に前記空パケットを前記転送残りの発生元となる前記信号パケットに合流させる撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の撮像装置であって、前記水平電荷転送路の転送期間中に前記垂直電荷転送路に形成される電位パケットは前記信号パケットだけとなる撮像装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の撮像装置であって、前記空パケットは、転送残りの発生元となる信号パケットと次の信号パケットとの間に複数設けられる撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の撮像装置であって、前記信号電荷量が多くなる撮影条件下では前記空パケットの容量を小さくし前記信号電荷量が少なくなる撮影条件下では前記空パケットの容量を大きくする撮像装置。
【請求項６】
半導体基板に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素及び該画素で構成される複数の画素列に沿って夫々形成された複数の垂直電荷転送路を有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記画素が検出した信号電荷を収納する信号パケットを前記垂直電荷転送路に形成し転送すると共に該信号パケットの転送方向後段に該信号パケットの転送で発生する転送残り電荷を拾う空パケットを形成し転送する固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
請求項６に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記固体撮像素子は、前記複数の垂直電荷転送路の転送方向端部に沿って形成された水平電荷転送路を備え、前記水平電荷転送路を転送駆動させるとき前記垂直電荷転送路の転送駆動を停止させ且つ前記水平電荷転送路の転送開始前に前記空パケットを前記転送残りの発生元となる前記信号パケットに合流させる固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
請求項７に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記水平電荷転送路の転送期間中に前記垂直電荷転送路に形成される電位パケットは前記信号パケットだけとなる固体撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記空パケットは、転送残りの発生元となる信号パケットと次の信号パケットとの間に複数設けられる固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１０】
請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記信号電荷量が多くなる撮影条件下では前記空パケットの容量を小さくし前記信号電荷量が少なくなる撮影条件下では前記空パケットの容量を大きくする固体撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子を搭載した撮像装置に係り、特に、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）の転送効率向上を図った撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型の固体撮像素子では、画素（フォトダイオード）が被写体からの受光量に応じて検出した信号電荷を垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）に読み出し、垂直電荷転送路上で信号電荷を入れた電位井戸（信号パケット）を水平電転送路（ＨＣＣＤ）方向に転送し、次に、水平電荷転送路に沿って信号電荷を転送することにより、信号電荷量に応じた撮像画像信号を固体撮像素子から出力する。
【０００３】
垂直電荷転送路に沿って信号パケットを転送するときに、信号パケットの他に空パケットを形成して転送する技術が、特許文献１，２に記載されている。ＣＣＤ型の固体撮像素子では、受光量に応じた信号電荷を検出し出力するが、この検出信号にノイズが混入してしまう。ノイズとしては、スミア電荷や暗電流電荷がある。
【０００４】
そこで、特許文献１，２に記載の従来技術では、信号電荷の転送中に混入してしまうノイズ電荷がどの程度あるかを、空パケットの転送により知り、ノイズ補正を行う様にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００―２９９８１７号公報
【特許文献２】特開２００１―１１９６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
垂直電荷転送路で信号パケットを転送するとき、信号パケット内の信号電荷を水平電荷転送路まで１００％転送することは物理的に不可能であり、転送残りが必ず生じる。つまり、転送効率は１００％ではない。
【０００７】
しかし、転送効率を高くしないと、受光量に応じた画像信号を得ることができず、画像品質を劣化させてしまう。このため、物理的に転送効率が高くなるように固体撮像素子を製造することになるが、製造技術だけで対処すると、製造コストが嵩んでしまうという問題が生じる。
【０００８】
そこで、信号パケットの後段に空パケットを転送させ、転送残りとなる電荷を空パケットで集め、これを信号パケット内の信号電荷に加算することで、実効的に転送効率を高めるのが好適と考えられる。
【０００９】
しかしながら、特許文献１，２に記載されている様に、空パケットを送ることで、空パケット内には、転送残りの信号電荷の他に、ノイズ電荷も混入してしまい、単に空パケットを転送しただけでは、ノイズの発生が多くなる撮影条件下ではノイズ電荷の混入を避けることができず、撮像画像が劣化してしまう。
【００１０】
本発明の目的は、垂直電荷転送路の転送効率向上を図ることができ、撮像画像の画質改善を図ることが可能な撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の撮像装置は、半導体基板に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素及び該画素で構成される複数の画素列に沿って夫々形成された複数の垂直電荷転送路を有する固体撮像素子と、前記画素が検出した信号電荷を収納する信号パケットを前記垂直電荷転送路に形成し転送すると共に該信号パケットの転送方向後段に該信号パケットの転送で発生する転送残り電荷を拾う空パケットを形成し転送する撮像素子駆動手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素及び該画素で構成される複数の画素列に沿って夫々形成された複数の垂直電荷転送路を有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記画素が検出した信号電荷を収納する信号パケットを前記垂直電荷転送路に形成し転送すると共に該信号パケットの転送方向後段に該信号パケットの転送で発生する転送残り電荷を拾う空パケットを形成し転送することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、垂直電荷転送路の転送効率向上を図ることができ、撮像画像の画質改善を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の表面模式図である。
【図３】図１に示す撮像装置が実行する固体撮像素子駆動方法の説明図である。
【図４】本発明の別実施形態の固体撮像素子駆動方法の説明図である。
【図５】本発明の更に別実施形態の固体撮像素子駆動方法の説明図である。
【図６】図５（ａ）（ｂ）の場合分けを行う処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の撮像装置（図示する例ではデジタルスチルカメラ）の機能ブロック図である。この撮像装置は、撮像部１と、撮像部１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ）等のアナログ処理するアナログ信号処理部２と、アナログ信号処理部２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）９からの指示によってＡ／Ｄ変換部３，アナログ信号処理部２，撮像部１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）４と、ＣＰＵ９からの指示によって発光するフラッシュ５とを備える。
【００１６】
撮像部１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系１ａと、該光学レンズ系１ａを通った光を絞る絞りやメカニカルシャッタ１ｂと、光学レンズ系１ａによって集光され絞りによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力するＣＣＤ型の固体撮像素子１００とを備える。
【００１７】
本実施形態の撮像装置は更に、Ａ／Ｄ変換部３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）９と、フレームメモリ等の内部メモリ１０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア１２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部１１と、これらを相互に接続するバス２０とを備え、また、システム制御部９には、ユーザからの指示入力を行う操作部（シャッタボタンを含む）１３が接続されている。
【００１８】
図２は、図１に示すＣＣＤ型の固体撮像素子１００の表面模式図である。固体撮像素子１００の半導体基板表面部には、二次元アレイ状に複数のフォトダイオード（画素）１０１が配列形成され、各画素列に沿って垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１０２が形成され、各垂直電荷転送路１０２の転送方向端部に沿って水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１０４が形成され、水平電荷転送路１０４の出力端部に、転送されてきた信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力するアンプ１０５が設けられている。
【００１９】
本実施形態の固体撮像素子１００では、各画素１０１が、奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずつずらして形成され、所謂ハニカム画素配列となっているが、本発明はハニカム画素配列に限るものではなく、正方格子配列のＣＣＤ型固体撮像素子にも適用可能である。
【００２０】
図中の各画素１０１上に記載したＲ，Ｇ，Ｂは、カラーフィルタ（赤，緑，青）を示しており、各画素１０１から左斜め下方向に図示した矢印は、その画素１０１から隣接の垂直電荷転送路１０２に信号電荷を読み出す方向を示している。
【００２１】
垂直電荷転送路１０２は、半導体基板表面部に形成された図示しない埋め込みチャネルと、その上にゲート絶縁膜を介して形成したポリシリコン膜でなる転送電極とで構成され、図２には、転送電極が垂直方向に多段に形成されている状態を示している。
【００２２】
夫々の垂直転送電極は、横一行に連続して設けられており、左右端（図示する例では左端）から転送パルスが印加される様になっている。図示する例の固体撮像素子１００は、１６相駆動される配線接続構成となっており、各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１６に、夫々φＶ１〜φＶ１６の転送パルスが印加される。即ち、転送電極Ｖｉに、転送パルスφＶｉが印加される。転送パルスφＶ１〜φＶ１６は、図１のＣＰＵ９の指示により撮像素子駆動部４が生成し、固体撮像素子１００の対応する転送電極に供給される。
【００２３】
尚、「垂直」「水平」という用語を用いて説明しているが、これは、固体撮像素子を形成した半導体基板の表面に沿う「一方向」「この一方向に対して略直角の方向」という意味に過ぎない。
【００２４】
図３は、固体撮像素子の駆動方法説明図であり、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ１６によって駆動される垂直電荷転送路の状態変化を示す図である。上段は、信号パケット及び空パケットの形成及び転送の様子を示し、下段は、上段の状態を実現する各転送電極への転送パルスの波形（印加電圧）を示している。
【００２５】
図中の低電圧Ｌ（例えば−８Ｖ）が印加されている電極をＶＬ電極とし、中電圧Ｍ（例えば±０Ｖ）が印加されている電極をＶＭ電極としており、中電圧が印加されている電極下に電位パケットが形成される。
【００２６】
図に示す時刻ｔ１では、電極Ｖ５〜Ｖ９がＶＭ電極となっており、この下に電位パケット（黒塗り部分）が形成される。この電位パケット内に信号電荷が入れられ、信号パケット２１となる。これと同時に、電極Ｖ１，Ｖ２もＶＭ電極となっており、この下に電位パケット（斜線部分）が形成される。この電位パケットは、画素１０１の検出電荷を入れない空パケット２２である。
【００２７】
次の時刻ｔ２では、信号パケット２１の形成電極（ＶＭ電極）はＶ５〜Ｖ１０と１電極分だけ水平電荷転送路側に伸び、次の時刻ｔ３では、信号パケット２１の形成電極はＶ６〜Ｖ１０と反水平電荷転送路側が１電極分だけ縮まる。これにより、信号パケット２１は、１電極分、水平電荷転送路側に転送されたことになる。
【００２８】
これと同時に、時刻ｔ２では、空パケット２２の形成電極はＶ１〜Ｖ３と１電極分だけ水平電荷転送路側に伸び、次の時刻ｔ３では、空パケット２２の形成電極はＶ２，Ｖ３と反水平電荷転送路側が１電極分だけ縮まる。これにより、信号パケット２１の伸縮と同時に、空パケット２２も１電極分だけ伸縮し、水平電荷転送路側に転送されることになる。
【００２９】
この様にして信号パケット２１が水平電荷転送路の方向に転送され、その後段に２電極分の間隔を開けて空パケット２２が転送されることにより、信号パケット２１の転送に伴って発生する転送残り電荷は空パケット２２に拾われて水平電荷転送路の方向に転送されることになる。
【００３０】
そして、時刻ｔ１１になると、信号パケット２１の形成電極はＶ１０〜Ｖ１４の５電極分となる。この状態になると、水平電荷転送路直前まで転送されてきた部分の信号パケット（図３には図示せず）の信号電荷は水平電荷転送路に転送されることになる。水平電荷転送路は、受け取った信号電荷を、水平転送パルスφＨ１，φＨ２に基づいて出力アンプ側に転送することになる。
【００３１】
水平電荷転送路に水平転送パルスφＨ１，φＨ２が印加され、水平電荷転送路が転送駆動されている最中は、垂直電荷転送路は停止状態に維持され、信号パケット２１の電極Ｖ１０〜Ｖ１４の形成状態が維持される。
【００３２】
この状態に入るとき、即ち、時刻ｔ１１で信号パケット２１は停止状態に入るが、時刻ｔ１２，ｔ１３，ｔ１４，ｔ１５，ｔ１６と、空パケット２２の転送は続行され、空パケット２２が信号パケット２１に合流されてから、空パケット２２の転送も停止される。つまり、空パケット２２の転送で拾われた転送残り電荷は、信号パケット２１内の元の信号電荷と混合され、実効的に転送効率が高くなる。
【００３３】
水平電荷転送路が転送駆動されている最中は、空パケット２２の存在は消失し、信号パケット２１のみが垂直電荷転送路上で待機状態となる。水平電荷転送路の転送駆動が終了し、時刻ｔａ（図３の左端側）で信号パケット２１の転送が開始されるとき、その直前で電極Ｖ７，Ｖ８がＶＭ電極とされて空パケット２２が形成され、以後、上記と同様にして、信号パケット２１の転送と並行して、直後の後段に空パケット２２が同期して転送される。
【００３４】
この様に、本実施形態では、水平ブランキング期間（＝垂直転送期間）に、垂直電荷転送路に多数形成される信号パケット２１の各々に対して、その直後に空パケット２２を形成して垂直電荷転送路を駆動するため、実効的に転送効率の向上が図られ、撮像画像の画質改善を図ることが可能となる。
【００３５】
しかも、水平電荷転送路の転送駆動開始の直前までに、空パケット２２を、転送残りの発生元となる信号パケット２１に合流させてしまい、水平電荷転送路の駆動中すなわち垂直電荷転送路の停止中は、空パケット２２を消失させるため、更なる画質改善を図ることが可能となる。
【００３６】
その理由は、垂直電荷転送路の停止中に空パケット２２が存在すると、その空パケット２２内に暗電流ノイズ電荷が蓄積されてしまい、この暗電流ノイズが信号電荷に混入すると、撮像画像のＳ／Ｎを劣化させてしまうためである。
【００３７】
図４は、本発明の別実施形態の駆動方法説明図であり、図の見方は図３と同じである。図３で説明した実施形態では、信号パケット２１に対して１つの空パケット２２を直後の後段に転送させ、１つの空パケット２２で転送残り電荷を拾い集め、これを信号パケット２１に合流させた。
【００３８】
これに対し、本実施形態では、空パケット２２の後に別の空パケット２３を形成して転送する構成している。即ち、信号パケット２１の転送残りを空パケット２２で拾い、空パケットで拾い集めた電荷の転送残りを２つ目の空パケット２３で拾い集める構成としている。これにより、実効的な転送効率の更なる向上を図ることが可能となる。
【００３９】
勿論、この場合にも、水平電荷転送路の駆動直前（＝垂直電荷転送路の停止直前）に、図示する様に２つの空パケット２２，２３を共に信号パケット２１に合流させてしまい、垂直電荷転送路の停止中に空パケットが無い状態にする。即ち、信号パケット２１だけとする。
【００４０】
図５は、本発明の別の実施形態の駆動方法説明図である。図の見方は図３と同じである。図５（ａ）に示す様に、信号パケット２１を形成する電極数を多くして容量「大」とし多量の信号電荷を転送できる構成とした場合、空パケット２２の電極数が多くとれない場合が生じる。しかし、信号電荷量が多い場合（飽和量が多い駆動時）には、転送効率が少し程度低くてもあまり問題はない。
【００４１】
しかし、信号電荷量が少ない場合（飽和量が少ない駆動時）、例えば、高ＩＳＯ感度による撮影時には、信号電荷量自体が少ない。この場合に、図５（ａ）に示すような広い信号パケット（転送容量が大）２１を形成して転送し、その後段の空パケットの電極数を少ないまま（転送容量が小）にしておくと、転送効率の若干の低下が大きな画質低下につながってしまう。
【００４２】
そこで、本実施形態では、図５（ｂ）に示す様に、高ＩＳＯ感度による撮影時つまり低感度，高ゲイン時の様に信号電荷量自体が少なくなる場合には、信号パケット２１の電極数を少なくし（転送容量を小）、代わりに空パケット２２の形成電極数を多くする（転送容量を大）。これにより、転送残りを多く拾い集めることができ、少量の信号電荷の転送時でも転送効率の向上を図ることが可能となり、高ＩＳＯ感度時の画質向上を図ることが可能となる。
【００４３】
尚、図５（ｂ）では、１つの空パケットの転送容量を大きくした例を説明したが、図４と同様に、２つの空パケットを１つの信号パケットの後段に形成し、実効的に空パケットの転送容量を大きくしても良い。
【００４４】
図６は、図５（ａ）の状態で転送を行うか、図５（ｂ）の状態で転送を行うかの判断処理を行う処理手順を示すフローチャートである。先ず、撮影照度を測定し、その照度が低照度つまり信号電荷量が少なくなるか多くなるかを判定する（ステップＳ１）。
【００４５】
低照度でなく或る程度の信号電荷量が見込める場合（ステップＳ１の判定結果が否定ＮＯ）には、ステップＳ２に進み、図５（ａ）に示す様に、空パケットの転送容量を少なく（形成電極数を少なく）し、信号パケットの転送容量を大きくして、転送を行う。
【００４６】
低照度の場合（ステップＳ１の判定結果が肯定ＹＥＳ）には、ステップＳ３に進み、図５（ｂ）に示す様に、空パケットの転送容量を大きく（形成電極数を多く）し、信号パケットの転送容量を少なくして、転送を行う。
【００４７】
この様に、本発明の実施形態は、半導体基板に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素及び該画素で構成される複数の画素列に沿って夫々形成された複数の垂直電荷転送路を有する固体撮像素子を搭載した撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法であって、前記画素が検出した信号電荷を収納する信号パケットを前記垂直電荷転送路に形成し転送すると共に該信号パケットの転送方向後段に該信号パケットの転送で発生する転送残り電荷を拾う空パケットを形成し転送することを特徴とする。
【００４８】
また、上記において、前記固体撮像素子は、前記複数の垂直電荷転送路の転送方向端部に沿って形成された水平電荷転送路を備え、前記水平電荷転送路を転送駆動させるとき前記垂直電荷転送路の転送駆動を停止させ且つ前記水平電荷転送路の転送開始前に前記空パケットを前記転送残りの発生元となる前記信号パケットに合流させることを特徴とする。
【００４９】
また、上記において、前記水平電荷転送路の転送期間中に前記垂直電荷転送路に形成される電位パケットは前記信号パケットだけとなることを特徴とする。
【００５０】
また、上記において、前記空パケットは、転送残りの発生元となる信号パケットと次の信号パケットとの間に複数設けられることを特徴とする。
【００５１】
また、上記において、前記信号電荷量が多くなる撮影条件下では前記空パケットの容量を小さくし前記信号電荷量が少なくなる撮影条件下では前記空パケットの容量を大きくすることを特徴とする。
【００５２】
これにより、垂直電荷転送路の転送効率の改善を図ることができ、画質を向上させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る固体撮像素子の駆動方法は、転送効率の改善を図ることができ、撮像画像の画質を向上させることができるため、デジタルカメラ（デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ，カメラ付携帯電話機を含む）等に適用すると有用である。
【符号の説明】
【００５４】
１  撮像部
４  駆動部（撮像素子駆動手段を含む）
６  デジタル信号処理部（ＤＳＰ）
９  制御部（ＣＰＵ）
１００  ＣＣＤ型の固体撮像素子
１０１  画素（フォトダイオード）
１０２  垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
１０４  水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
１０５  出力アンプ
Ｖ１〜Ｖ１６  垂直転送電極
φＶ１〜φＶ１６  垂直転送パルス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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