(57)【要約】【課題】ラインメモリから水平電荷転送部への電荷の転送を、該ラインメモリの飽和電荷容量を犠牲にすることなく改善し、転送効率を向上することができる固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供する。【解決手段】行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、光電変換素子に隣接して設けられ、光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平電荷転送部と、垂直電荷転送部と水平電荷転送部との間に設けられ、垂直電荷転送部から転送される電荷を一時的に蓄積し、水平電荷転送部に転送する電荷蓄積部と、を含む固体撮像素子の駆動方法であって、電荷蓄積部に対する駆動信号のローレベルを変えて駆動する。【選択図】図１０
2010004348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部との間に設けられ、前記垂直電荷転送部から転送される電荷を一時的に蓄積し、前記水平電荷転送部に転送する電荷蓄積部と、を含む固体撮像素子の駆動方法であって、
前記電荷蓄積部に対する駆動信号の、前記電荷蓄積部から前記水平電荷転送部に転送する際のローレベルを変えて駆動できる固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
前記駆動信号のローレベルを下げるように変えられる請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
前記電荷の量に応じて前記駆動信号のローレベルを変えられる請求項１又は２に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項４】
前記電荷を前記電荷蓄積部から選択的にわけて前記水平電荷転送部に転送する際に、最後の転送時だけ前記駆動信号のローレベルを変える請求項１から３に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部との間に設けられ、前記垂直電荷転送部から転送される電荷を一時的に蓄積し、前記水平電荷転送部に転送する電荷蓄積部と、を含む撮像装置であって、
前記電荷蓄積部に対する駆動信号の、前記電荷蓄積部から前記水平電荷転送部に転送する際のローレベルを変えて駆動できる撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換部と、複数の垂直電荷転送部と、水平電荷転送部と、垂直電荷転送部と水平電荷転送部との間に設けられ、水平電荷転送部に転送する電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部とを備える固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラなどの装置に採用される固体撮像素子においては、被写体の映像を２次元画像の画素毎に検出するために、多数の光電変換部（一般的にはフォトダイオード）が行方向及び列方向に２次元配置されている。撮像時に入射する光に応じて多数の光電変換部それぞれで電荷を生成し、これら電荷を転送して信号出力することで、出力された各電荷を画素とする画像が形成される。
【０００３】
固体撮像素子の各光電変換部から読み出される電荷は、垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）を介して列方向（垂直方向）に順次に転送された後、水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）を介して行方向（水平方向）に転送され、出力アンプから出力される。また、固体撮像素子は、垂直電荷転送部と水平電荷転送部との間に、垂直電荷転送部から転送された電荷を一時的に蓄積し、水平電荷転送部に転送するラインメモリなどの電荷蓄積部を備えたものがある。電荷蓄積部を備えた固体撮像素子としては、例えば下記特許文献に示すものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１８５８７０号公報
【特許文献２】特開２００２−１１２１１９号公報
【特許文献３】特開２００２−１１２１２２号公報
【０００５】
上記のような構成の固体撮像素子を駆動する場合には、各光電変換部から垂直電荷転送部に電荷を読み出した後、垂直電荷転送部上を垂直方向に転送し、垂直電荷転送部から電荷を電荷蓄積部に転送し、電荷蓄積部で一時的に電荷を蓄積した後で水平電荷転送部に転送し、水平電荷転送部の転送方向の端部に設けられた出力アンプから出力する。
電荷蓄積部は、垂直電荷転送部の転送方向下流側に、該垂直電荷転送部の電荷転送チャネルと同じ導電型の電荷転送チャネル領域を含み、各電荷転送チャネル領域のそれぞれは水平電荷転送部に電気的に接続されるとともに、チャネルストップ領域により電気的に分離されている。電荷蓄積部の複数の電荷転送チャネルが、垂直電荷転送部の列に基づいて複数のグループに分けられ、垂直電荷転送部から転送されてきた電荷を一時的に蓄積し、垂直電荷転送部からグループ単位で選択的に水平電荷転送部へ電荷を転送する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記構成の固体撮像素子では、電荷蓄積部の次の２つの特性が、出力画像の画質に大きく影響する。
１つ目は、電荷蓄積部から水平電荷転送部への転送効率である。転送駆動時に電荷蓄積部に駆動パルスを印加してチャネル電位を変化させるとき、水平電荷転送部側のチャネル電位に対して十分に浅くできないと、電荷蓄積部に蓄積された電荷が水平電荷転送部へ円滑に移動しにくく、転送残りを生じる。特に、電荷蓄積部に一時的に蓄積される電荷が少ない場合、例えば、夜景シーン撮影等の外部からの受光する光の量が少ないため光電変換部で生成される電荷が少ない場合等に顕著となる。
２つ目は、電荷蓄積部の飽和電荷容量である。これが不足していると、電荷保持時に、電荷蓄積部に保持されるべき電荷が、水平電荷転送部との間の電位差を越えて、水平電荷転送部側に溢れてしまう。特に、電荷蓄積部に蓄積される電荷が多い場合、例えば、直射光や反射光が含まれる風景の撮影等の外部から受光する光の量が多いため光電変換部で生成される電荷が多い場合等に顕著となる。
この２つの特性は、特性劣化する電位条件が全く相反するため、両立し難い。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電荷蓄積部の飽和電荷容量を犠牲にすることなく水平電荷転送部への電荷の転送を改善し、転送効率を向上することができる固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部との間に設けられ、前記垂直電荷転送部から転送される電荷を一時的に蓄積し、前記水平電荷転送部に転送する電荷蓄積部と、を含む固体撮像素子の駆動方法であって、
前記電荷蓄積部に対する駆動信号の、前記電荷蓄積部から前記水平電荷転送部に転送する際のローレベルを変えて駆動できる固体撮像素子の駆動方法。
（２）前記駆動信号のローレベルを下げるように変えられる上記（１）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（３）前記電荷の量に応じて前記駆動信号のローレベルを変えられる上記（１）又は（２）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（４）前記電荷を前記電荷蓄積部から選択的にわけて前記水平電荷転送部に転送する際に、最後の転送時だけ前記駆動信号のローレベルを変える上記（１）から（３）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（５）行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部との間に設けられ、前記垂直電荷転送部から転送される電荷を一時的に蓄積し、前記水平電荷転送部に転送する電荷蓄積部と、を含む撮像装置であって、
前記電荷蓄積部に対する駆動信号の、前記電荷蓄積部から前記水平電荷転送部に転送する際のローレベルを変えて駆動できる撮像装置。
【０００９】
本発明の固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、電荷蓄積部から電荷を水平電荷転送部に転送するときに、該電荷蓄積部に入力する駆動信号の信号レベルを変えることができ、駆動信号が駆動パルスである場合には、該駆動パルスのローレベルを下げることができる。すると、電荷を転送する際には、駆動パルスに基づく電荷蓄積部の電位（ポテンシャル）が浅くなり、水平電荷転送部の電位との相対的な電位勾配が大きくなる。そして、電荷蓄積部に蓄積されている電荷が水平電荷転送部に転送しやすくなる。このため、電荷蓄積部に蓄積される電荷が少ない場合でも、駆動信号の信号レベルのローレベルを下げることによって転送効率を向上させることができる。また、電荷蓄積部に蓄積される電荷が多い場合には、電荷蓄積部に電荷を蓄積させる期間は電荷蓄積部に入力される駆動パルスのローレベルの信号レベルを上げるように変えることで、電荷蓄積部の電位が深くなり、電荷蓄積部の飽和電荷量を実質的に多くすることができ、電荷が水平電荷転送部へ漏れ出ることを防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電荷蓄積部の飽和電荷容量を犠牲にすることなく、電荷蓄積部から水平電荷転送部への電荷の転送を改善し、転送効率を向上することができる固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、固体撮像素子を備えた撮像装置の概略構成を示す図である。なお、固体撮像素子を備えた撮像装置としては、例えば、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどであり、本実施形態の説明では、デジタルカメラを例に説明する。
【００１２】
図１に示すように、撮像装置は、撮影レンズ１と、固体撮像素子５と、該撮影レンズ１と固体撮像素子５との間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備えている。
【００１３】
また、撮像装置は、電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１を備えている。システム制御部１１は、フラッシュの発光部１２及び受光部１３の制御、レンズ駆動部８、絞り制御部９、撮像素子駆動部１０の制御を行う。レンズ駆動部８は、撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりするものであり、絞り駆動部９は、絞り２の開口量を制御して露光量の調整を行うものである。また、撮像素子駆動部１０は、固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して入射した光に基づく撮像信号を出力させるものである。さらに、システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。
【００１４】
また、撮像装置は、アナログ信号処理部６、Ａ／Ｄ変換回路７を備えており、これらもシステム制御部１１によって制御される。アナログ信号処理部６は、固体撮像素子５から出力される撮像信号をアナログ処理するものであり、アナログ信号処理部６と、該アナログ信号処理部６から撮像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備えている。アナログ信号処理部６と、Ａ／Ｄ変換回路７とはシステム制御部１１によって制御される。なお、固体撮像素子５は、ＲＧＢの原色フィルタを有するものであるので、Ａ／Ｄ変換回路７は、それぞれの色信号を示すデジタル信号である。
【００１５】
さらに、撮像装置は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データ（画像データ）を積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備えており、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。
【００１６】
図２は、固体撮像素子を概略的に示す平面図である。
図２に示すように、固体撮像素子５は、半導体基板５１表面の撮像領域に行方向及び列方向に正方格子状に配列された、複数の光電変換部ＰＤを備えている。光電変換部ＰＤの各列に対応し、各光電変換部ＰＤから読み出された電荷を垂直方向に転送するための垂直電荷転送部５２が設けられていて、また、各光電変換部ＰＤに蓄積された電荷を垂直電荷転送部５２に読み出すための電荷読み出し部５３が設けられている。さらに、垂直電荷転送部５２を転送されてきた電荷を水平方向に転送するための水平電荷転送部５６と、水平電荷転送部５６を転送されてきた電荷を電圧信号に変換する電荷検出部５７と電圧信号を出力する出力アンプ５９とを備えている。例えば、電荷検出部５７は、フローティングデフュージョン領域であり、出力アンプ５９は、フローティングデフュージョン領域の電圧を増幅するソースフォロアアンプである。なお、本実施形態では、光電変換部ＰＤが半導体基板５１表面に略正方向子状に配置されている例を説明するが、光電変換部ＰＤの配列はこれに限定されず、光電変換部ＰＤの各列が、隣り合う列に対して垂直方向に１／２ピッチづつずらして配置されていてもよい。
【００１７】
光電変換部ＰＤは、半導体基板５１に構成されたフォトダイオードであり、それぞれの光電変換部ＰＤの光電変換領域に入射した光の強さと露光時間の長さとで定まる光量に応じた電荷を生成する。
【００１８】
各垂直電荷転送部５２は、光電変換部ＰＤと隣り合う位置に、垂直方向（ここでは、図２中の矢印Ｙ方向）に延設されており、１列分の光電変換部ＰＤのそれぞれから信号を受け取った後、列毎に電荷を列方向に順次に転送する。
【００１９】
垂直電荷転送部５２の転送方向の端部には、電荷蓄積部として機能するラインメモリＬＭが接続されており、垂直電荷転送部５２から転送されてきた電荷がラインメモリＬＭ上に一時的に蓄積される。ラインメモリＬＭに蓄積された電荷は、駆動信号φＬＭに応じてラインメモリＬＭから水平電荷転送部５６に選択的に転送される。水平電荷転送部５６に転送された電荷は、該水平電荷転送部５６の駆動によって行方向に転送され、電荷検出部５７で電圧に変換され、出力アンプ５９から出力信号として出力される。
【００２０】
垂直電荷転送部５２は垂直電荷駆動信号φＶで駆動され、ラインメモリＬＭはメインメモリ駆動信号φＬＭで駆動され、水平電荷転送部５６は水平電荷駆動信号φＨで駆動される。垂直電荷駆動信号φＶ，ラインメモリ駆動信号φＬＭ，水平電荷駆動信号φＨはそれぞれ、タイミング信号発生回路によって生成される。
【００２１】
図３は、図２に示す垂直電荷転送部５２及び水平電荷転送部５６の一部拡大図である。垂直電荷転送部５２は、それぞれ、半導体基板５１に形成された垂直電荷転送チャネル６２と、半導体基板５１上にゲート絶縁膜を介して形成された複数の垂直電荷転送電極を備えている。なお、図３では、２つの垂直電荷転送電極５２ａ，５２ｂのみを示している。複数の垂直電荷転送電極５２ａ，５２ｂに所定の電圧を印加して各垂直電荷転送チャネル６２に所定の電位分布を形成し、各電極に印加する電圧を順次に切り替えることで、垂直電荷転送部５２それぞれが、各光電変換部ＰＤから読み出した電荷を列方向に順次に転送する。複数の垂直電荷転送電極５２ａ，５２ｂには、配置された位置に応じて４相や８相などの垂直電荷駆動信号φＶが入力される。
【００２２】
図３に示すように、ラインメモリＬＭは、垂直電荷転送部５２に続く１つの電荷転送段として構成され、この電荷転送段は、半導体基板に形成されたｎ型不純物領域と、該ｎ型不純物領域上に設けられたメモリ電極５４とで構成されている。ラインメモリＬＭには、垂直電荷転送部５２からラインメモリＬＭへの電荷の転送、及び、該ラインメモリＬＭに蓄積された電荷の水平電荷転送部５６への転送を制御するため、駆動信号φＬＭが入力される。
【００２３】
水平電荷転送部５６は、矢印Ｘ方向に帯状に延在する１本の水平電荷転送チャネル６６と、この水平電荷転送チャネル６６の上方に形成された水平転送電極５６１ａ〜５６４ａ，５６１ｂ〜５６４ｂを有している。水平電荷転送部５６の水平電荷転送チャネル６６は、電位が相対的に深い領域（電極５６１ａ〜５６４ａの下部チャネル）と相対的に浅い領域（電極５６１ｂ〜５６４ｂの下部チャネル）とが交互に形成されている。このチャネル電位の違いは、構造上の不純物濃度の違いや絶縁膜の厚さの違いによって作られるか、または、印加する電圧差などによって作られる。水平転送電極５６１ａ〜５６４ａ，５６１ｂ〜５６４ｂは、水平電荷転送チャネル６６の長手方向に交互に配設されている。本実施形態では、各水平転送電極５６１ａ〜５６４ａが平面視で矩形に形成され、各水平転送電極５６１ｂ〜５６４ｂが平面視で逆Ｌ字形に形成されている。電極５６１ａと５６１ｂとの組、電極５６２ａと５６２ｂとの組といったように２つづつの電極が組となり、同相の駆動信号が入力される。電位が浅い領域は深い領域に対し、ポテンシャルバリアとなって電子の移動を制限するので、２相以上の水平電荷駆動信号φＨによって図３の右から左方向に電子が転送される。
【００２４】
垂直電荷転送部５２の垂直電荷転送チャネル６２上には、転送方向に沿って垂直電荷転送電極５２ａ，５２ｂが設けられ、続いてラインメモリＬＭのメモリ電極５４が設けられている。垂直電荷転送チャネル６２はｎ型不純物領域で形成されている。垂直電荷転送電極５２ａ，５２ｂに駆動信号φＶを印加し、垂直電荷転送電極５２ｂ下部のチャネルから電荷をラインメモリＬＭに移動する。ラインメモリＬＭに移動した電荷は、ラインメモリ駆動信号φＬＭによって変化するラインメモリＬＭのチャネル電位と水平電荷駆動信号φＨによって変化する水平転送部チャネル電位の関係で、ラインメモリＬＭに留まるか、水平電荷転送部５６に移動するか決まる。
【００２５】
垂直電荷駆動信号φＶ，ラインメモリ駆動信号φＬＭ，水平電荷駆動信号φＨはそれぞれ、電極に印加する電圧が相対的に高いレベル（Ｈｉｇｈ）、及び、相対的に低いレベル（Ｌｏｗ）をとる。
【００２６】
次に、本発明にかかる固体撮像素子の通常時の転送動作を説明する。
図４は、図３のＡ−Ａ線断面における駆動信号と電位の状態を表す図である。図５は、図４に示す転送動作時に入力される駆動信号（駆動パルス）のタイミングチャートである。ここで、φＨ２は、水平電荷転送電極５６２ａ，５６２ｂの組に入力される水平電荷駆動信号である。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、水平電荷転送部のチャネルとラインメモリのチャネルとの電位はそれぞれ、ハイレベルの駆動パルスが印加されると電位が深くなり、ローレベルの駆動パルスが印加されると電位が浅くなる。電荷を構成する電子はマイナスの極性を有するため、電位の浅い方から電位の深い方へ向かって移動する。
【００２８】
図４（ｂ）及び図５に示すように、ローレベルの水平電荷駆動信号φＨを印加し、駆動信号φＬＭをハイレベルからローレベルに切り替えると（ｔ１→ｔ２）、ラインメモリ部のチャネルの電位が深い位置から浅い位置に変位する。図４（ｂ）の破線は時刻ｔ１の電位を示し、実線は時刻ｔ２の電位を示す。水平電荷転送部のチャネルの電位が浅い位置にあり、ラインメモリのチャネルの電位が水平電荷転送部のチャネルのバリア部の電位より深い位置にあると、ラインメモリに蓄積されている電荷が水平電荷転送部のチャネルへ移動することなく、ラインメモリに保持される。このときの水平電荷転送部のチャネルとラインメモリのチャネルの電位差をΔＶａとすると、電位差ΔＶａが大きいほど、ラインメモリに蓄積できる電荷量を多くすることができる。
【００２９】
図４（ｃ）及び図５に示すように、ハイレベルの水平電荷駆動信号φＨを印加し、ラインメモリ駆動信号φＬＭをハイレベルからローレベルに切り替えると（ｔ３→ｔ４）、水平電荷転送部のチャネルのバリア部の電位が、ラインメモリのチャネルの電位より深くなるため、ラインメモリに蓄積されている電荷が水平電荷転送部のチャネルへ移動する。このときの水平電荷転送部のチャネルのバリア部とラインメモリのチャネルとの電位差をΔＶｂとすると、電子差ΔＶｂが大きいほど、両チャネル間の電位勾配が大きくなって電荷が移動しやすく、転送効率の向上が図れる。
【００３０】
本実施形態の固体撮像素子は、ラインメモリから水平電荷転送部に電荷を転送するときに、該ラインメモリに入力する駆動信号の電圧レベルを変調することができる。図４及び図５の通常の駆動動作、すなわち、ラインメモリの駆動信号の電圧レベルを固定した駆動動作では（ΔＶａ＋ΔＶｂ＝一定）、ラインメモリに蓄積可能な電荷量の増大とラインメモリから水平電荷転送部への電荷転送の転送効率の向上とは相反する関係にあり、両立させることができない。そこで、ラインメモリに蓄積可能な電荷量の増大を重視する場合と電荷転送の転送効率を向上を重視する場合とで、ラインメモリに入力する駆動信号の電圧レベルを変えることで両立を図ることができる。
【００３１】
図６，７及び８は水平電荷転送部及びラインメモリに印加する駆動信号と電位の状態を表す図であり、各図（ａ）は、図３のＡ−Ａ線断面で示す状態の水平電荷転送部のチャネルの状態を示し、各図（ｂ）はこのＢ−Ｂ線断面で示す水平電荷転送部のチャネル状態を示している。図９は、図６から８に示す転送動作時に入力される駆動信号（駆動パルス）のタイミングチャートである。図９の駆動パルスφＨ２は、電極５６２ａと電極５６２ｂとの組に入力される水平電荷駆動信号を示し、駆動パルスφＨ４は、電極５６４ａと電極５６４ｂとの組に入力される水平電荷駆動信号を示している。
【００３２】
図６（ａ）及び（ｂ）は、図９の時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間においてラインメモリに電荷を保持する状態を示している。時点ｔ１の電位が破線で示され、時点ｔ２の電位が実線で示されている。そして、どちらの状態でも、電荷がラインメモリに保持されたままである。この期間では、各水平電荷転送路のいずれもローレベルの駆動パルスが印加されて、それぞれのチャネルの電位は浅くなっており、ラインメモリに通常のローレベルＬ１の駆動パルスを印加しても、各ラインメモリに蓄積された電荷は、水平電荷転送路のポテンシャルをバリアとして、ラインメモリに保持される。
【００３３】
図７（ａ）及び（ｂ）は、図９の時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間を示している。図７（ａ）及び（ｂ）では、時点ｔ３での電位が破線、時点ｔ４での電位が実線で示されている。この期間では、水平電荷駆動信号φＨ２がハイレベルに水平電荷駆動信号φＨ４がローレベルになった状態で、ラインメモリには、通常のローレベルＬ１の駆動パルスが印加される。すると、図７（ｂ）の水平電荷転送路にローレベルの駆動パルスが印加された方はラインメモリ内の電荷は保持されたままであるが、図７（ａ）水平電荷転送路にハイレベルの駆動パルスが印加された方はラインメモリ内の電荷は、水平電荷転送部側に移動する。
【００３４】
図８（ａ）及び（ｂ）は、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間を示している。時点ｔ５での電位が破線、時点ｔ６での電位が実線で示されている。駆動パルスφＨ４はハイレベルの状態であり、印加される水平電荷転送路は、電荷が転送される状態である。ここで、図示されない他のラインメモリにおいて電荷を保持する状態にする必要がなく、この期間での転送が最後であれば、電荷の転送効率の向上を重視することが好ましい。そこで、ラインメモリには、通常のローレベルＬ１の駆動パルスの信号の値を下げるように変調された、ローレベルＬ２の駆動パルスが印加される。ローレベルＬ２の駆動パルスを印加すると、ラインメモリのチャネルの電位が、通常のローレベルＬ１の駆動パルスを印加したときに比べて浅くなる。そして、水平電荷転送部とラインメモリとの間に、図７（ａ）に示す電位差よりも大きい電位差を発生させることができ、電荷をより一層円滑に移動させることができる。
【００３５】
図６から図８に示す駆動動作のように、電荷を電荷蓄積部から複数回にわけて水平電荷転送部に転送する際には、それ以降にラインメモリに保持される電荷が存在しないことを鑑みて最後の転送時だけ電荷の転送のみを重視して駆動信号を変調すればよく、こうすることで、転送効率を向上することができる。
【００３６】
また、電荷の転送効率を向上を重視する場合としては、上記のように複数回にわけて転送する場合の他に、光電変換部で生成される電荷が少ない場合、例えば、夜景シーン撮影等の外部から受光する光の量が少ないため光電変換部で生成される電荷が少ない場合が含まれる。転送電荷が少ない場合は、ラインメモリから水平電荷転送部へ電荷を転送する際に転送のこりが生じる可能性があるので、上記のようにラインメモリの駆動信号を変調して駆動することで、転送効率を向上することができる。
【００３７】
つまり、本実施形態の固体撮像素子は、ラインメモリに蓄積される電荷の量に応じて駆動信号を変調することができる。
【００３８】
次に、電荷の量に応じて駆動信号を変調する駆動動作を説明する。
図１０，１１及び１２は水平電荷転送部及びラインメモリの駆動信号と電位の状態を表す図である。図１３は、図１１及び１２に示す転送動作時に入力される駆動信号（駆動パルス）のタイミングチャートである。図１１（ａ）及び図１２（ａ）はそれぞれ、図１３の時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間の動作状態を示し、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）はそれぞれ、図１３の時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間の動作状態を示している。
【００３９】
図１０は、ラインメモリに入力される駆動信号を変調する状態を示している。駆動信号を変調することで、ラインメモリに電荷を保持する状態の、水平電荷転送部及びラインメモリのチャネルの電位差ΔＶａと、ラインメモリから電荷を転送する状態の、水平電荷転送部及びラインメモリのチャネルの電位差ΔＶｂと変えて、電荷量に応じた転送動作を行う。
【００４０】
図１１（ａ）に示すように、ラインメモリに蓄積されている電荷が大きい場合にラインメモリに電荷を保持させる際には、両チャネルの電位差ΔＶａを大きくなるように駆動パルスφＬＭを変調し、ラインメモリに保持できる電荷の量を増加させる。そして、図１１（ｂ）に示すようにラインメモリに蓄積されている電荷を転送させる際には、駆動信号を変調することなく、通常のローレベルの値で駆動信号を印加することで電荷を転送できる。なお、水平電荷転送部に電荷を転送する際には、駆動信号を変調し、通常のローレベルの値より小さい値に変調した駆動信号を印加することで、転送効率を向上させることもできる。
【００４１】
図１２（ｂ）に示すように、ラインメモリに蓄積されている電荷が小さい場合にラインメモリの電荷を転送させるには、両チャネルの電位差ΔＶｂが大きくなるように、ローレベルの値が小さく変調された駆動パルスφＬＭを入力し、両チャネル間の電位勾配を大きくすることで電荷の転送効率を向上させる。一方で、図１２（ａ）に示すように、ラインメモリに電荷を保持させる状態の両チャネルの電位差ΔＶａが小さくなるが、電荷が小さいため水平電荷転送部に漏れ出ることなく保持することができる。
【００４２】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、ラインメモリから電荷を水平電荷転送部に転送するときにラインメモリに入力する駆動パルスのローレベルを変調し、駆動信号の値を下げることができる。そうすると、駆動パルスに基づくラインメモリの電位が浅くなり、水平電荷転送部の電位との相対的な電位勾配が大きくなる。すると、電荷蓄積部に蓄積されている電荷が水平電荷転送部に転送しやすくなる。このため、ラインメモリに蓄積される電荷が少ない場合に、駆動パルスを変調することによって転送効率を向上させることができる。また、ラインメモリに蓄積される電荷が多い場合には、ラインメモリに電荷を蓄積させる期間はラインメモリに入力される駆動パルスのローレベルの値を上げるように変調することで、ラインメモリの電位が深くなり、ラインメモリに蓄積できる電荷量を実質的に増加させることができ、電荷が水平電荷転送部へ漏れ出ることを防止することができる。
【００４３】
本発明にかかる駆動方法を用いた固体撮像素子は、撮像時に使用者の操作又は自動制御によって、通常モードと、駆動信号を変調するモードとを切り替えることもできる。駆動信号を変調するモードに設定すれば、ラインメモリに蓄積される電荷量が少ない場合に、電荷の転送効率を向上させることができる。また、ラインメモリに一時的に蓄積される電荷量が多い場合には、駆動信号を変調することで、ラインメモリに蓄積できる電荷量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】固体撮像素子を備えた撮像装置の概略構成を示す図である。
【図２】固体撮像素子を概略的に示す平面図である。
【図３】図２に示す垂直電荷転送部及び水平電荷転送部の一部拡大図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面における信号電圧と電位の状態を表す図である。
【図５】図４に示す転送動作時に入力される駆動信号（駆動パルス）のタイミングチャートである。
【図６】水平電荷転送部及びラインメモリの信号電圧と電位の状態を表す図である（図９に示す時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間）。
【図７】水平電荷転送部及びラインメモリの信号電圧と電位の状態を表す図である（図９に示す時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間）。
【図８】水平電荷転送部及びラインメモリの信号電圧と電位の状態を表す図である（図９に示す時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間）。
【図９】図６から８に示す転送動作時に入力される駆動信号（駆動パルス）のタイミングチャートである。
【図１０】水平電荷転送部及びラインメモリの信号電圧と電位の状態を表す図である。
【図１１】電荷が大きい場合の、水平電荷転送部及びラインメモリの信号電圧と電位の状態を表す図である。
【図１２】電荷が小さい場合の、水平電荷転送部及びラインメモリの信号電圧と電位の状態を表す図である。
【図１３】図１１及び１２に示す転送動作時に入力される駆動信号（駆動パルス）のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
５    固体撮像素子
５２    垂直電荷転送部
５４    ラインメモリ（電荷蓄積部）
５６    水平電荷転送部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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