(57)【要約】【課題】ＣＣＤ型固体撮像素子で電子増倍駆動を行うとき、ブルーミングの発生を抑制する。【解決手段】半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素４２の各々が被写体からの入射光量に応じた信号電荷を蓄積し、画素４２で構成される画素列に沿って形成された電荷転送路４３に該画素列４３のいずれかの画素４２から信号電荷を読み出し、読み出された該信号電荷を電荷転送路４３上に形成した電子増倍用電位井戸の中に落とし込んで電子増倍駆動を行うに際し、電荷転送路４３を構成する転送電極のうち、必ず、既に信号電荷が読み出された後の画素４２に隣接する転送電極を選び該転送電極に電子増倍用電圧を印加して電子増倍用電位井戸を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素の各々が被写体からの入射光量に応じた信号電荷を蓄積し、前記画素で構成される画素列に沿った埋め込みチャネル上に複数の転送電極が配列されることで形成される電荷転送部に該画素列のいずれかの画素から前記信号電荷を読み出し、読み出された該信号電荷を前記電荷転送部に形成した電子増倍用電位井戸の中に落とし込んで電子増倍駆動を行うに際し、電子増倍用電圧を印加して前記電子増倍用電位井戸を形成する転送電極として、常に、既に信号電荷が読み出された後の画素に隣接する転送電極を選ぶＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記電子増倍用電圧を印加する転送電極として読出電極兼用の転送電極とは別の転送電極を選ぶＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、１回の露光によって前記信号電荷を蓄積した前記複数の画素のうち半数の画素から第１フィールドで前記信号電荷を読み出すと共に前記電子増倍駆動を行い、残り半数の画素から第２フィールドで前記信号電荷を読み出すと共に前記電子増倍駆動を行うＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項４】
請求項３に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記第１フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率と、前記第２フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率とが同じであるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
請求項３に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記第１フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率と、前記第２フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率とが異なるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記信号電荷を前記電荷転送部に読み出す前に前記半導体基板に印加する電圧を上昇させるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記第１フィールドで前記信号電荷を読み出し出力させた後の前記第２フィールドによる前記信号電荷の読み出し前に、前記半導体基板に印加する電圧を上昇させるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記電子増倍駆動の像倍率に応じて前記半導体基板に印加する電圧の上昇幅を変化させるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成され各々が被写体からの入射光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の画素と、該画素で構成される画素列に沿った埋め込みチャネル上に複数の転送電極が配列されることで形成され該画素列のいずれかの画素から前記信号電荷が読み出される電荷転送部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子と、
前記画素列のいずれかの画素から前記信号電荷を前記電荷転送部に読み出し、読み出された該信号電荷を前記電荷転送部に形成した電子増倍用電位井戸の中に落とし込んで電子増倍駆動を行うに際し、電子増倍用電圧を印加して前記電子増倍用電位井戸を形成する転送電極として、常に、既に信号電荷が読み出された後の画素に隣接する転送電極を選ぶ駆動制御手段と
を備える撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の撮像装置であって、前記駆動制御手段は、前記電子増倍用電圧を印加する転送電極として読出電極兼用の転送電極とは別の転送電極を選ぶ撮像装置。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０に記載の撮像装置であって、前記駆動制御手段は、１回の露光によって前記信号電荷を蓄積した前記複数の画素のうち半数の画素から第１フィールドで前記信号電荷を読み出すと共に前記電子増倍駆動を行い、残り半数の画素から第２フィールドで前記信号電荷を読み出すと共に前記電子増倍駆動を行う撮像装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の撮像装置であって、前記駆動制御手段は、前記第１フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率と、前記第２フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率とが同じとする撮像装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の撮像装置であって、前記第１フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率と、前記第２フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率とを異ならせる撮像装置。
【請求項１４】
請求項９乃至請求項１３のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記駆動制御手段は、前記信号電荷を前記電荷転送部に読み出す前に前記半導体基板に印加する電圧を上昇させる撮像装置。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記駆動制御手段は、前記第１フィールドで前記信号電荷を読み出し出力させた後の前記第２フィールドによる前記信号電荷の読み出し前に、前記半導体基板に印加する電圧を上昇させる撮像装置。
【請求項１６】
請求項１４又は請求項１５に記載の撮像装置であって、前記駆動制御手段は、記電子増倍駆動の像倍率に応じて前記半導体基板に印加する電圧の上昇幅を変化させる撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子増倍駆動を行うＣＣＤ型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】
近年のデジタルカメラ（撮像装置）に用いられるＣＣＤ型固体撮像素子は多画素化が進展し、１０００万画素以上を搭載するのが普通となり、１画素１画素が微細化されている。
【０００３】
画素の微細化が進んだＣＣＤ型固体撮像素子では、１画素１画素が検出する信号電荷量は少なく、感度が低く明るい画像を撮像するのが困難である。そこで、下記の特許文献１，２に記載されている固体撮像素子では、各画素から垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）に読み出した信号電荷を、垂直電荷転送路上で電子増倍し、電荷量の増幅を行っている。
【０００４】
電子増倍とは、垂直電荷転送路上に形成された電位井戸内に増倍対象とする信号電荷（電子の場合で説明する。）を保持し、この電位井戸に電位障壁を介して隣接する深い電位井戸を形成し、電位障壁を消失させて信号電荷を深い電位井戸内に落とし込むことで、電子数の増倍を図ることをいう。１回の電子増倍駆動の像倍率は１．０１倍程度と低いが、これを５０回，１００回と繰り返すことで、所望の倍率とすることができる。
【０００５】
深い電位井戸は、その深い電位井戸を形成する箇所の垂直転送電極膜に、高電圧を印加することで形成する。しかし、この高電圧の印加により、別の不具合が発生する虞が生じる。
【０００６】
電子増倍駆動が必要になったのは、固体撮像素子の多画素化が進んだ結果であり、１画素１画素が微細化され感度が低下したためである。微細化が進んだ固体撮像素子では垂直電荷転送路の微細化も進み、また、画素と垂直電荷転送路との距離も非常に接近している。
【０００７】
このため、図１５に示す様に、ある垂直転送電極膜に高電圧を印加して深い電位井戸１を形成したとき、この垂直転送電極膜に隣接する画素（フォトダイオードＰＤ）２に飽和電荷量に近い信号電荷３が蓄積されていると、両者間の電位障壁４を超えて信号電荷が深い電位井戸１内に溢れ出てしまい、ブルーミングが発生する虞がある。このブルーミングが発生すると、撮影画像の画質を劣化させてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７―３２５１８１号公報
【特許文献２】特開２００８―２５２７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、電子増倍駆動時にブルーミングの発生を抑制することができるＣＣＤ型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】
【００１０】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素の各々が被写体からの入射光量に応じた信号電荷を蓄積し、前記画素で構成される画素列に沿った埋め込みチャネル上に複数の転送電極が配列されることで形成される電荷転送部に該画素列のいずれかの画素から前記信号電荷を読み出し、読み出された該信号電荷を前記電荷転送部に形成した電子増倍用電位井戸の中に落とし込んで電子増倍駆動を行うに際し、電子増倍用電圧を印加して前記電子増倍用電位井戸を形成する転送電極として、常に、既に信号電荷が読み出された後の画素に隣接する転送電極を選ぶことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の撮像装置は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成され各々が被写体からの入射光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の画素と、該画素で構成される画素列に沿った埋め込みチャネル上に複数の転送電極が配列されることで形成され該画素列のいずれかの画素から前記信号電荷が読み出される電荷転送部とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子と、
前記画素列のいずれかの画素から前記信号電荷を前記電荷転送部に読み出し、読み出された該信号電荷を前記電荷転送部に形成した電子増倍用電位井戸の中に落とし込んで電子増倍駆動を行うに際し、電子増倍用電圧を印加して前記電子増倍用電位井戸を形成する転送電極として、常に、既に信号電荷が読み出された後の画素に隣接する転送電極を選ぶ駆動制御手段と
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電子増倍駆動時にブルーミングの発生を抑制することが可能となり、高品質な被写体画像を撮像することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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２とは別の画素配列，カラーフィルタ配列のＣＣＤ型固体撮像素子の説明図である。
【図４】図２の要部拡大図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電子増倍駆動方法の説明図である。
【図６】本発明の第１実施形態の電子増倍駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態の電子増倍駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態の電子増倍駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第４実施形態の電子増倍駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第５施形態の電子増倍駆動方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】基板電圧とフォトダイオード（画素）の飽和信号量との関係を示すグラフである。
【図１２】通常時（非増倍時）の基板電圧の決定方法を示すグラフである。
【図１３】１００ｍＶの飽和信号量となる基板電圧の決定方法を示すグラフである。
【図１４】２５０ｍＶの飽和信号量となる基板電圧の決定方法を示すグラフである。
【図１５】従来の電子増倍駆動におけるブルーミング発生の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置（デジタルカメラ）の機能ブロック図である。この撮像装置２０は、撮像部２１と、撮像部２１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等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２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変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，撮像部２１の駆動制御を行う駆動制御部（タイミングジェネレータを含む）２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュ２５とを備える。
【００１６】
撮像部２１は、撮影レンズ２１ａと、メカニカルシャッタ２１ｂ及び絞りと、ＣＣＤ型の固体撮像素子１００とを備え、固体撮像素子１００がアナログの画像データをアナログ信号処理部２２に出力する。この撮像部２１を駆動制御する駆動制御部２４は、撮影レンズ２１ａの望遠ズーム位置制御や焦点位置制御を行う他、メカニカルシャッタの開閉制御，絞りの開口量制御、ＣＣＤ型固体撮像素子１００の読出転送駆動制御及び電子増倍駆動制御（後述するＯＦＤ制御を含む）等を行う。
【００１７】
本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ２３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２６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２７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２８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）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２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３１と、これらを相互に接続するバス４０とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。
【００１８】
図２は、図１に示す固体撮像素子１００の表面模式図である。本実施形態の固体撮像素子１００は、半導体基板の表面部に、複数のフォトダイオード（光電変換素子：画素）４２が二次元アレイ状に配列形成されている。図示する例では、奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチづつずらして形成された所謂ハニカム画素配列となっているが、画素配列は正方格子配列でも良い。
【００１９】
画素４２で構成される各画素列に沿って垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）４３が形成され、各垂直電荷転送路４３の転送方向端部に沿ってラインメモリ（ＬＭ）４４が形成され、ラインメモリ４４に並列に水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）４５が形成され、水平電荷転送路４５の転送方向端部に、転送されてきた信号電荷の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４６が設けられている。
【００２０】
垂直電荷転送路４３は、半導体基板内に形成された埋め込みチャネルと、半導体基板表面に形成されたゲート絶縁膜を介して前記埋め込みチャネル上に、該チャネルに沿って積層された一連の多数の転送電極膜とで構成される。個々の１枚の転送電極膜とその下の埋め込みチャネル部分とを電荷転送部といい、この電荷転送部の連続したものを電荷転送路という。
【００２１】
ラインメモリ４４は、垂直電荷転送路４３毎の信号電荷一時蓄積用のバッファ４４ａを備え、例えば特開２００６―１５７６２４号公報に記載されている様に、垂直電荷転送路４３から送られてきた信号電荷を一時的に保持し、この信号電荷を水平電荷転送路４５に転送するときのタイミングを制御することで、水平方向の画素加算（信号電荷の混合）を行う機能を有する。
【００２２】
図２に示す「Ｒ」「ｒ」「Ｇ」「ｇ」「Ｂ」「ｂ」はカラーフィルタの色（Ｒ，ｒ＝赤、Ｇ，ｇ＝緑、Ｂ，ｂ＝青）を示している。Ｒ，ｒの色の区別はなく、Ｇ，ｇとＢ，ｂも同様である。
【００２３】
本実施形態の固体撮像素子１００では、奇数行の画素行の各々の画素にはＲＧＢのカラーフィルタがベイヤ配列され、偶数行の画素行の各々の画素にはｒｇｂのカラーフィルタがベイヤ配列されている。
【００２４】
従って、図２の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８のうち読出電極兼用転送電極Ｖ２に読出パルスを印加して…Ｂ□Ｇ□Ｂ□Ｇ□…の信号電荷を垂直電荷転送路４３に読み出し、これを２段分転送してから読出電極兼用転送電極Ｖ４に読出パルス印加すると、上記の□位置にｇ，ｂ，ｇ，…の信号電荷が読み出され、１行分として、…ｂＢｇＧｂＢｇＧ…の信号電荷が並ぶことになる。これをラインメモリ４４まで転送し、上述したように水平電荷転送路への転送タイミングを制御することで、ｂ＋Ｂ，ｇ＋Ｇ，ｂ＋Ｂ，ｇ＋Ｇの画素加算を行うことが可能となる。
【００２５】
画素加算を行うことで、高感度な被写体画像を撮像することが可能となる。また、ｒ，ｇ，ｂの画素（奇数行の画素）の露光時間を例えば短時間とし、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素（偶数行の画素）の露光時間を例えば長時間とすれば、両者を加算した信号電荷により広ダイナミックレンジの被写体画像を撮像することが可能となる。
【００２６】
図３は、本発明の別実施形態に係る固体撮像素子の説明図であり、画素配列，カラーフィルタ配列のみを示し、電荷転送路等は省略している。この固体撮像素子１１０は、各画素が正方格子配列されており。奇数行の画素行の各画素に三原色のカラーフィルタＲＧＢがベイヤ配列され、偶数行の画素行の各画素にも三原色のカラーフィルタｒｇｂがベイヤ配列されている。
【００２７】
この画素配列，カラーフィルタ配列によれば、垂直方向に連続する同色画素（Ｒ画素とｒ画素，Ｇ画素とｇ画素，Ｂ画素とｂ画素）を加算することで、上記と同様に高感度撮影や広ダイナミックレンジ撮影が可能となる。
【００２８】
なお、本発明は電子増倍駆動方法に特徴があり、ＣＣＤ型であればどの様な画素配列，カラーフィルタ配列であっても適用できるものであり、図２，図３の画素配列，カラーフィルタ配列に限定されるものではなく、他の配列でも良い。
【００２９】
図４は、本発明の実施形態に係る電子増倍駆動方法の説明図であり、図２の部分拡大図である。画素４２Ｘから読み出した信号電荷を、垂直方向後段の画素４２Ｙに隣接する転送電極４３Ｘで電子増倍を行う場合、必ず、画素４２Ｙの信号電荷を垂直電荷転送路に読み出し転送した後に行うものとする。
【００３０】
電子増倍を行う転送電極４３Ｘは、読出電極兼用転送電極４３Ｙとは異なる転送電極とするのが好ましい。信号電荷を読み出した後に画素（フォトダイオード）に不要電荷が発生した場合、読出電極下に電子増倍用電位井戸を形成すると、この不要電荷が読み出されてしまうが、読出電極以外の転送電極下に電子増倍用電位井戸を形成すれば、この様な不具合は発生しない。
【００３１】
図５は、図４のIV―IV線位置に沿うポテンシャル図であり図１５に対応する図である。画素４２Ｙは空であるため、隣接転送電極４３Ｘに高電圧（電子増倍用電圧：例えば＋１５Ｖ）を印加して深い電位井戸を形成しても、ブルーミングは発生しない。なお、図５（図１５も同様）の画素４２Ｙの左側は、画素４２Ｙの深さ方向のポテンシャルを表し、基板電位（オーバーフロードレイン電圧：ＯＦＤ電圧）を示している。
【００３２】
そこで、本実施形態における電子増倍駆動は、電子増倍用の深い電位井戸を形成するための高電圧印加電極を、必ず、空となっている画素に隣接する転送電極で行うことを特徴とする。
【００３３】
即ち、図２において、転送電極Ｖ５に高電圧を印加する電子増倍時には、読出電極を電極Ｖ６とする画素に信号電荷が無い状態にしておく。例えば、読出電極Ｖ２と読出電極Ｖ４で信号電荷を読み出したときは、電極Ｖ１と電極Ｖ３に高電圧を印加して深い電位井戸を形成し、電子増倍を行う。電極Ｖ６と電極Ｖ８で信号電荷を読み出した際も、同様に、電極Ｖ５と電極Ｖ７に高電圧を印加して深い電位井戸を形成し、電子増倍を行う。
【００３４】
これにより、電子増倍駆動時には、図１５に示す様な状態が自動的に回避されて常に図５の状態となり、電子増倍駆動時にフォトダイオード（ＰＤ）から垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）への意図せぬ電荷の漏れ混みを防ぐことができる。
【００３５】
図６は、上述した第１実施形態に係る電子増倍駆動時の処理手順を示すフローチャートである。図２に示す固体撮像素子１００から信号電荷を２フィールド読出するときに実行される。第１フィールド目にＢＧＢＧ画素行とｂｇｂｇ画素行の信号電荷の読出と電子増倍駆動と転送出力が行われ、第２フィールド目にＧＲＧＲ画素行とｇｒｇｒ画素行の信号電荷の読出と電子増倍駆動と転送出力が行われる。
【００３６】
固体撮像素子の露光を開始し、メカシャッタ２１ｂの「閉」で露光終了となる（ステップＳ１）。次のステップＳ２では、第１フィールド目の信号電荷が垂直電荷転送路４３に読み出され、ステップＳ３で電子増倍駆動Ｉが行われる。この電子増倍駆動Ｉとは、第１フィールド目の信号電荷に対する電子増倍駆動であり、上述した例では電極Ｖ１，Ｖ３を用いた電子増倍駆動のことである。
【００３７】
次のステップＳ４で増倍後の信号電荷の水平電荷転送路４５への垂直転送と水平電荷転送路４５による出力アンプ４６への水平転送を行い、ステップＳ５で、出力アンプ４６から撮像画像データの出力を行う。
【００３８】
次のステップＳ６では、第２フィールド目の信号電荷が垂直電荷転送路４３に読み出され、ステップＳ７で電子増倍駆動IIが行われる。電子増倍駆動IIとは、第２フィールド目の信号電荷に対する電子増倍駆動であり、上述した例では電極Ｖ５，Ｖ７を用いた電子増倍駆動のことである。電子増倍駆動Ｉ，IIは共に、夫々５０回，１００回という複数回の増倍を含む。
【００３９】
次のステップＳ８で増倍後の信号電荷の水平電荷転送路４５への垂直転送と水平電荷転送路４５による出力アンプ４６への水平転送を行い、ステップＳ９で、出力アンプ４６から撮像画像データの出力を行い、この処理を終了する。
【００４０】
図７は、本発明の第２実施形態に係る電子増倍駆動の処理手順を示すフローチャートであり、図６のフローチャートと同じ処理ステップには同一ステップ番号を付してその詳細な説明は省略し、異なるステップについて説明する。
【００４１】
本実施形態では、ステップＳ１〜ステップＳ７までの処理は図６の実施形態と同じであるが、ステップＳ７の次に電子増倍駆動Ｉを行い（ステップＳ１１）、その後にステップＳ８，Ｓ９と進む点が異なる。
【００４２】
即ち、第２フィールド目の信号電荷は、ステップＳ７で電子増倍駆動IIを行い、次に電子増倍駆動Ｉ（第１フィールド目の信号電荷については出力が終わっているため、第１フィールド目の画素は空であり、該画素の隣で行う電子増倍駆動Ｉが可能）を行う点が図６の実施形態と異なる。
【００４３】
電子増倍駆動Ｉと電子増倍駆動IIの電子像倍率が同じであるとすると、第１フィールド目の信号電荷に対して第２フィールド目の信号電荷は２倍に増幅されたことになる。
【００４４】
例えば図３の画素配列，カラーフィルタ配列で、第１フィールド目で大文字ＲＧＢで記載した画素から信号電荷を読み出し、第２フィールド目で小文字ｒｇｂで記載した画素から信号読み出す場合、図７の実施形態を適用すると、同色２画素の画素加算（Ｒ＋ｒ，Ｇ＋ｇ，Ｂ＋ｂ）を行うと、像倍率の異なる２面の画像（大文字ＲＧＢの画素による画像と小文字ｒｇｂの画素による画像）から広ダイナミックレンジの画像を生成することが可能となる。
【００４５】
なお、図７の実施形態において、電子増倍駆動IIを行った後に電子増倍駆動Ｉを行っているが、１回づつの電子増倍駆動IIと電子増倍駆動Ｉとを何回も交互に行っても良い。
【００４６】
図８は、本発明の第３実施形態に係る電子増倍駆動時の処理手順を示すフローチャートである。図６の実施形態と同じ処理ステップには同じステップ番号を付してその詳細な説明は省略し、異なるステップについて説明する。
【００４７】
本実施形態の処理手順では、図６の処理のステップＳ１とステップＳ２との間にステップＳ１２を実行し、ＯＦＤ電圧を上昇させる処理を行う点が図６の実施形態と異なる。
【００４８】
図５において、ＯＦＤ（基板）電圧を上昇させると、矢印Ａ１に示す様に基板電位は上昇し、これに伴って、基板とフォトダイオード（ＰＤ）との間の電位障壁も矢印Ａ２に示す様に低下する。これにより、フォトダイオード（ＰＤ）の飽和電荷量が減少されることになる。
【００４９】
本実施形態でステップＳ１２を設けた理由は次の通りである。電子増倍を行う際、増えた電子によって、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）の許容電荷量を超える事態が発生する虞がある。斯かる事態が発生すると、垂直転送方向で信号電荷が混ざり合い、解像度の低下など画質劣化が生じてしまう。
【００５０】
そこで図７のステップＳ１２で、信号電荷の読出前にＯＦＤ電圧を上昇させ、フォトダイオード（ＰＤ）の飽和電荷量を減少させ、フォトダイオードから読み出した信号電荷の電子増倍を行っても、垂直電荷転送路の許容電荷量を超えないようにする。
【００５１】
これにより、画質劣化を回避することができる。この場合、クリップレベル（白飛びする信号量）を、上昇させた後のＯＦＤ電圧での飽和電荷量（ＰＤ）を電子増倍したもの以下にするため、飽和不足に陥る心配はない。
【００５２】
図９は、本発明の第４実施形態に係る電子増倍駆動時の処理手順を示すフローチャートである。図６の実施形態と同じ処理ステップには同じステップ番号を付してその詳細な説明は省略し、異なるステップについて説明する。
【００５３】
本実施形態の処理手順では、図６の処理のステップＳ５とステップＳ６との間にステップＳ１３を実行し、ＯＦＤ電圧を上昇させる処理を行う点が図６の実施形態と異なる。
【００５４】
図８の実施形態では、ステップＳ１２で一律にＯＦＤ電圧を上昇させるため、もともとのフォトダイオード（ＰＤ）の飽和電荷量を全て使い切るような広いダイナミックレンジの画像を得ることが難しい。
【００５５】
そこで本実施形態では、第１フィールド目の信号電荷を読み出す際にはＯＦＤ電圧を上昇させずに、第２フィールド目の信号電荷を読み出す前にＯＦＤ電圧を上昇させる。この場合、第１フィールドでＯＦＤ電圧を上昇させる前の飽和信号量を生かした高輝度側（低感度側）の画像を得る事ができ、第２フィールドでは電子増倍効果による低輝度側（高感度側）の画像を得ることができる。
【００５６】
図１０は、本発明の第５実施形態に係る電子増倍駆動時の処理手順を示すフローチャートである。図９の実施形態の処理に対し、ステップＳ３を削除した点が異なる。
【００５７】
第１フィールドの画素（フォトダイオード）を長時間露光して高輝度画像（低感度画像）を得、第２フィールドの画素（フォトダイオード）を短時間露光して低輝度画像（高感度画像）を得ると、第１フィールドの画素には充分な信号電荷量が得られるため、電子増倍を行う必要がなくなる。また、第１フィールドの信号電荷を電子増倍すると、ブルーミングが発生する虞が発生する。そこで本実施形態では、ステップＳ３を削除している。
【００５８】
ＯＦＤ電圧をどの程度にすれば良いかは、次の様にして決めることができる。図１１は、基板電圧とフォトダイオードの飽和信号量（飽和電荷量）の関係を示すグラフであり、図１２〜図１４は、図１１のグラフから飽和信号量と基板電圧を決める関係を示すグラフである。
【００５９】
図１２によれば、飽和信号量を５００ｍＶと決めた時には基板電圧が４Ｖとなり、図１３によれば、飽和信号量を１００ｍＶまで下げるには基板電圧を９Ｖまで上げればよいことが分かる。また、図１４によれば、飽和信号量を２５０ｍＶまで下げるには基板電圧を１２Ｖまで上げればよいことが分かる。
【００６０】
垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）の容量として、５００ｍＶは転送できるように設計，製造されているＣＣＤ型固体撮像素子を用いた撮像システムを例に説明する。
【００６１】
撮像システム側で、１倍のゲインをかけたときのクリップレベルが５００ｍＶとしたとき、２．５倍のゲインを撮像システム側でかけると、２００ｍＶがクリップレベルとなる。このまま２倍の電子増倍を行うとき、電子増倍した結果で２００ｍＶを確保できれば良い。そこで、垂直電荷転送路での許容電荷量を超えるのを避けるため、基板電圧を、飽和出力が１００ｍＶとなる１２Ｖに上げるのが通常である。
【００６２】
しかし、実際には、２５０ｍＶを２倍電子増倍した結果の５００ｍＶでも垂直電荷転送路で転送することができる。つまり、基板電圧を１２Ｖまで上げずに９Ｖまで上げるだけでよい。同様に、電子増倍率が４倍の時は１２５ｍＶまで飽和信号量を下げるようにＯＦＤ電圧を調整する。このような制御を行い、基板電圧を必要以上に高くしないようにすることで、省電力化を図ることが可能となる。
【００６３】
なお、図６〜図１０を用いて各々実施形態を説明したが、複数の実施形態を組み合わせて実施することも可能である。例えば図７の実施形態にＯＦＤ電圧制御を組み合わせることも可能である。
【００６４】
以上述べた実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素の各々が被写体からの入射光量に応じた信号電荷を蓄積し、前記画素で構成される画素列に沿った埋め込みチャネル上に複数の転送電極が配列されることで形成される電荷転送部に該画素列のいずれかの画素から前記信号電荷を読み出し、読み出された該信号電荷を前記電荷転送部に形成した電子増倍用電位井戸の中に落とし込んで電子増倍駆動を行うに際し、電子増倍用電圧を印加して前記電子増倍用電位井戸を形成する転送電極として、常に、既に信号電荷が読み出された後の画素に隣接する転送電極を選ぶことを特徴とする。
【００６５】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、前記電子増倍用電圧を印加する転送電極として読出電極兼用の転送電極とは別の転送電極を選ぶことを特徴とする。
【００６６】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、１回の露光によって前記信号電荷を蓄積した前記複数の画素のうち半数の画素から第１フィールドで前記信号電荷を読み出すと共に前記電子増倍駆動を行い、残り半数の画素から第２フィールドで前記信号電荷を読み出すと共に前記電子増倍駆動を行うことを特徴とする。
【００６７】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、前記第１フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率と、前記第２フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率とが同じであることを特徴とする。
【００６８】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、前記第１フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率と、前記第２フィールドで読み出した前記信号電荷の前記電子増倍駆動の像倍率とが異なることを特徴とする。
【００６９】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、前記信号電荷を前記電荷転送路に読み出す前に前記半導体基板に印加する電圧を上昇させることを特徴とする。
【００７０】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、前記第１フィールドで前記信号電荷を読み出し出力させた後の前記第２フィールドによる前記信号電荷の読み出し前に、前記半導体基板に印加する電圧を上昇させることを特徴とする。
【００７１】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、前記電子増倍駆動の像倍率に応じて前記半導体基板に印加する電圧の上昇幅を変化させることを特徴とする。
【００７２】
以上述べた実施形態によれば、微細化の進んだＣＣＤ型固体撮像素子であっても感度が高く、あるいは広ダイナミックレンジで、かつブルーミングの発生が抑制された高品質な被写体画像を撮像することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、微細化された固体撮像素子であっても信号量を増やすことができ、しかもブルーミングも発生しないため、ＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話機、ＰＤＡやノートパソコン等のカメラ付電子装置、内視鏡等の撮像装置一般に適用すると有用である。
【符号の説明】
【００７４】
１  電子増倍用の深い電位井戸
２，４２  フォトダイオード（ＰＤ：画素）
３  信号電荷
４  電位障壁
４３  垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
４４  ラインメモリ（ＬＭ）
４５  水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
１００，１１０  ＣＣＤ型固体撮像素子
Ｒ，ｒ  赤色フィルタ
Ｇ，ｇ  緑色フィルタ
Ｂ，ｂ  青色フィルタ
【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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【図１４】
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【図１５】
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