(57)【要約】【課題】固体撮像素子を構成する感光素子の従感光部の感度ばらつきの影響を回避する。【解決手段】フォトダイオード１２の露光中に、従感光部１６と垂直転送路（ＶＣＣＤ）４２との間に設けられたトランスファゲート４０を開放することによって、従感光部１６から垂直転送路４２へ電荷を移動させる。これによって従感光部１６の飽和量を超える電荷を従感光部１６および垂直転送路４２に蓄積する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に広い面積を有する主感光部および相対的に狭い面積を有する従感光部で構成される受光素子と、該受光素子によって蓄積された電荷を転送する転送路とを含む固体撮像素子の撮像方法において、該方法は、
該受光素子の露光中に該従感光部から該転送路へ電荷を移動させる工程を含み、
これによって該従感光部の飽和量を超える電荷を該従感光部および該転送路に蓄積することを特徴とする固体撮像素子の撮像方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記従感光部と前記転送路との間に設けられたトランスファゲートを開放することによって前記電荷を移動させる工程を実行することを特徴とする固体撮像素子の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルスチルカメラや画像入力装置に使用される固体撮像素子の撮像方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ；　ＣＣＤ）を利用した固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大するため、感度の異なる受光素子によって得られる２つの画像を用意する方法がある。高感度の受光素子によって得られる画像は、素子が少ない光量に対しても反応するため、相対的に暗い被写体でも鮮明になるが、所定の輝度を超過する明るい被写体に対しては素子が飽和して、白く「飛んで」しまい、鮮明にならない。一方、低感度の受光素子によって得られる画像では、暗い被写体は暗くつぶれてしまい鮮明にならないが、高感度の受光素子であれば飽和してしまう明るい被写体は鮮明になる。そこで、それら明暗差がある２つの画像の双方の長所を生かすように合成し、輝度分布のバラツキの大きいシーンであっても、すべての被写体を鮮明にするダイナミックレンジ拡大が可能である（例えば非特許文献１を参照）。
【０００３】
従来は、２板式、電子シャッタ単板式またはＣＣＤデバイス式などの方式（非特許文献１を参照）によって２つの画像を用意してダイナミックレンジ拡大を行っていたが、最近、フォトダイオードなどの受光素子を、相対的に広い面積を有する主感光部と、相対的に狭い面積を有する従感光部とに分割した固体撮像素子による方式が提案されている。主感光部はその広い面積のため感度が高く、一方、従感光部はその狭い面積のため感度が低い。したがって、受光素子が分割された固体撮像素子によれば、主／従感光部の感度差を利用し、主／従感光部のいずれからも選択的に画像信号を読み出し、適切に画像を組み合わせることで、ダイナミックレンジ拡大が可能である。
【０００４】
【非特許文献１】
竹村裕夫著、「ＣＣＤカメラ技術入門」、初版、株式会社コロナ社、１９９７年１２月、ｐ．１００−１０２。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常、フォトダイオードのマイクロレンズ上には開口マスクが被せられ、フォトダイオードの受光面積を調節することによって、受光量が調節されている。フォトダイオードが主／従感光部に分割されていない一体型の場合は、開ロマスクがフォトダイオードに対して多少合わせずれを生じていても、フォトダイオード全体の受光面積は開ロマスクの開口部より大きいため、合わせずれの影響は小さい。
【０００６】
しかしダイナミックレンジ拡大を行う目的でフォトダイオードを主／従感光部に分割している場合、低感度に設定された従感光部は、受光面積が相対的に小さい。そのため、製造工程において、とりわけ開口マスクの合わせずれを原因とする受光面積の変動によって、感度ばらつきが大きくなってしまう。
【０００７】
ダイナミックレンジは主／従感光部の感度差と各感光部の飽和量とで決定されるが、このように従感光画素の感度ばらつきが大きいと、ダイナミックレンジ拡大のための信号処理が不可能になるおそれがある。ここで「飽和量」とは、感光部が蓄積する信号電荷の容量を言う。露光時間が長いと飽和量を超える電荷が光電変換され、当該感光部に蓄積できない電荷はオーバフロードレーンによって抜き取られる。
【０００８】
感度ばらつきの問題を解決するため、従感光部の飽和レベルを増大させる方法が考えられる。しかし主感光部の一部を利用して従感光部の電荷を蓄積する方法によると、主感光部の飽和レベルは削られ、その結果、高感度の主感光画素の再現域を狭くしてしまう。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、主感光画素の飽和レベルを削ることなく従感光画素の感度ばらつきの問題を解決する固体撮像素子の撮像方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、相対的に広い面積を有する主感光部および相対的に狭い面積を有する従感光部で構成される受光素子と、受光素子によって蓄積された電荷を転送する転送路とを含む固体撮像素子の撮像方法において、受光素子の露光中に従感光部から転送路へ電荷を移動させる工程を含む。
【００１１】
本発明によれば、従感光部の飽和量を超える電荷が従感光部および転送路に蓄積される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の撮像方法の実施例を詳細に説明する。各図面において本発明に直接関係のない要素は省略し、また、同様の要素は同一の参照符号によって表示するものとする。
【００１３】
図２は本発明による固体撮像素子の撮像方法を適用するデジタルスチルカメラ２のブロック図である。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）３はこれに接続された各種ユニットを制御する。光学系４はレンズ、自動露出（Ａｕｔｏ　Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）を行う絞り機構、自動焦点合わせ（Ａｕｔｏ　Ｆｏｃｕｓ）を行うフォーカス機構およびメカニカルシャッタを含み、これらは、ＣＰＵ　３からの光学系制御信号１３を受信するドライバ５によって駆動される。
【００１４】
固体撮像素子１０には主／従感光部１４、１６に分割されたにフォトダイオード１２が配列されていて、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）で構成される転送路４２、４４に沿って電荷を転送する。固体撮像素子１０は、ＣＰＵ　３に制御されるタイミング発生器６から水平同期信号、垂直同期信号および電子シャッタ用タイミングパルスなどを含む信号１５を受信するドライバ７によって駆動される。ドライバ７は受信した各種タイミングパルス１５に基づき、水平転送信号、垂直転送信号、電子シャッタ用パルスおよびオーバフロードレーン用の駆動信号１７を固体撮像素子１０に与えて固体撮像素子１０を駆動する。固体撮像素子１０からの出力信号１９は信号処理部８に送られ、信号処理部８はタイミング発生器６から相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ）用その他の制御信号２１を受信して信号１９をサンプリングし、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇｕｅ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）変換し、その他の信号処理を施す。信号処理された画像は、表示装置９に表示され、記録メディア１１に記録される。
【００１５】
図３は図２に示す固体撮像素子１０の部分概略図であり、本発明による撮像方法が適用される固体撮像素子の一例を示す。固体撮像素子１０では、複数のフォトダイオード１２が図３に示すように、同一の行方向に対する画素ピッチをＸｐに、同一の列方向に対する画素ピッチをＹｐにして配設され、さらに隣接するフォトダイオード同士の画素ピッチはそれぞれＸｐ／２、Ｙｐ／２にしてハニカム状に配設されている。このようは配設方法を、本文では、以下、画素ずらし配列と呼ぶ。画素ずらし配列により、フォトダイオード１２は稠密に配設される。またフォトダイオード１２の配設の間には、ＶＣＣＤ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　ＣＣＤ）で構成された垂直転送路４２が形成されている。垂直転送路４２は、画素ずらし配列された各フォトダイオード１２を迂回するため、蛇行して形成されている。
【００１６】
なおフォトダイオード１２は、画素ずらしを行わず格子状に配列してもよい。また、図３には簡単のため４個のフォトダイオードのみ示すが、実際は数十万から数百万画素に相当するフォトダイオードが配列されている。フォトダイオード１２は、図３に示すように、主感光部１４と従感光部１６とに分割されている。主感光部１４と従感光部１６とからは、独立に信号電荷を読み出し可能であり、読み出された信号電荷は垂直転送路（ＶＣＣＤ）４２によって転送される。
【００１７】
図４は図３に示すフォトダイオード１２の光電変換特性を示すグラフである。実線１８、２０はそれぞれ主感光部１４、従感光部１６の光電変換特性を示している。図４では主感光部の感度１、飽和１に対し、従感光部の感度を１／１６、飽和レベルを１／４に設定している。
【００１８】
主感光部１４は従感光部１６より相対的に面積が広く感度が高いため、主画素再現域２２における輝度に対して、従感光部１６の光電変換特性を示す実線２０より高い出力を示す。しかし輝度が主画素再現域２２を超えると主感光部１４は飽和し、それ以上の輝度に対しては飽和した一定レベル２４の出力しか示すことができない。
【００１９】
一方、従感光部１６は相対的に面積が狭く感度が低いため、主画素再現域２２における輝度に対して４倍の情報量を有する、従画素再現域２６にわたって有効な出力を示す。
【００２０】
一般に、主感光部１４の感度および飽和量に対して従感光部１６の感度を１／ａ、飽和量を１／ｂに設定すると、従感光部１６によって得られる再現域は、主感光部１４のそれのａ／ｂ倍になる。例えば図４のように、主感光部１４の感度に対して従感光部１６の感度を１／１６に設定し、飽和信号レベルを主感光部のそれの１／４に設定したとすると、１６／４＝４であるから４倍、すなわち設定通りであれば４００％の輝度情報が得られる。これは、実線２０に示す光電変換特性が得られ、従画素再現域２６は主画素再現域２２の４倍となることを意味する。
【００２１】
このように、本来は、２つの感度の異なる情報１８、２０を合成してダイナミックレンジ拡大を実現し、４００％の明るさを再現しようとするのが狙いである。
【００２２】
図５は図４に示す光電変換特性に影響を及ぼすマスクずれを示す模式図である。フォトダイオード１２に開口マスク３０を被せた２つの実例を、フォトダイオード１２Ａ、１２Ｂとして示す。フォトダイオード１２Ａは適切に開口マスク３０が設定され、主／従感光部１４Ａ、１６Ａが正しく分割された場合を示す。しかし、フォトダイオード１２Ｂに示すように、垂直方向に開口マスク３０がずれたために主／従感光部の境界３１の位置が偏った場合、従感光部１６Ｂは適切な従感光部１６Ａより面積が狭くなる。言い換えれば面積の大きさによって決定される感度が、適切な従感光部１６Ａより低下する。また、開口マスク３０の合わせずれは、図５に示す例とは逆に、従感光部１６が相対的に広い受光面積を有するように生じて従感光部１６の感度が適切なものより高くなる場合もあり得る。
【００２３】
このようなマスクずれにより従感光部１６の感度がばらついた場合、図４の点線３２、３４で示すように、従感光部１６が再現できる明るさ情報は、適切な特性２０に対して、大きく異なってしまう。点線３２は図５に示したように従感光部１６の受光面積が相対的に狭くなって感度が低くなる場合を示し、点線３４は図５に示したものとは逆に従感光部１６の受光面積が広くなって感度が高くなる場合を示す。
【００２４】
従感光部１６の設定感度が±２５％ばらついたとすると、従感光部１６の感度は１／１２〜１／２０になる。一方、従感光部１６の飽和レベルについては、主感光部１４のそれの１／４のレベル２８で情報がクリップされ、飽和レベル２８は一定であるため、従感光部１６の従感光部１６で取得できる輝度情報は、感度１／１２の場合は１２／４＝３で３００％となり、点線３４で示す光電変換特性となる。一方、感度１／２０の場合は２０／４＝５で５００％となり、点線３２で示す光電変換特性となる。ダイナミックレンジ拡大を行う上で問題となるのは前者のように従感光部１６の感度が１／１２にばらついた場合（特性３４）であり、設定通りに４００％の輝度情報を取得しようとすれば、従感光部１６の飽和レベルは、一点鎖線３６で示すように、主感光部１４の１／３まで増大させる必要がある。
【００２５】
逆に、実線２０の感度が点線３２に示すように低下する方向にばらついた場合は、それほど問題とはならない。信号処理の補正係数（ゲイン）を可変とし、ゲインを高くすることで、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ　Ｒａｔｉｏ）の観点からは不利となるものの、点線３２を実線２０と同様の光電変換特性に修正することができるからである。そこで、本発明で解決しようとするのは、点線３４で示すように、従感光部１６の感度が不測に向上した場合である。
【００２６】
マスクずれの発生自体を防止することは困難であるため、マスクずれによる感度ばらつきが生じることを前提として、本発明では、主感光部１４の飽和レベル２４には影響を与えることなく、従感光部１６の飽和レベルを、図４に示す通常のレベル２８から、少なくとも一点鎖線３６で示すレベルまで向上させることによって、感度ばらつきの問題を解決する。このように従感光部１６の飽和レベルが上がれば、当初予定していた従感光部１６の有する４００％の従画素再現域２６が確保できるからである。詳細については、後述する図１に基づいて説明する。
【００２７】
図６は図２に示す固体撮像素子の一例を示す構成図である。固体撮像素子１０を構成するフォトダイオード１２はＲ（Ｒｅｄ）、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（Ｂｌｕｅ）いずれかのカラーフィルタを有し、各フォトダイオード１２は図３において説明したように主／従感光部１４、１６に分割されている。主／従感光部１４、１６と垂直転送路４２との間には、主／従感光部１４、１６それぞれから独立に信号電荷を読み出し可能とする、主感光部読み出し用トランスファゲート３８と、従感光部読み出し用トランスファゲート４０とが設けられている。垂直転送路４２はＶＣＣＤで構成されていて、固体撮像素子１０が画素ずらし配列を採用しているため、垂直転送路４２は、各フォトダイオード１２間を蛇行するように設けられている。なお図６では１つのＧ画素フォトダイオードの構成要素を符号１２、３８、４０を用いて代表的に示しているが、他のフォトダイオードについても同一の符号を用いて示すものとする。
【００２８】
垂直転送路４２には、これを構成するＶＣＣＤに接続された、図示しない垂直転送パルス用電極Ｖ１〜Ｖ８が設けられていて、電極Ｖ１〜Ｖ８は４層駆動式垂直転送パルスをＶＣＣＤ　４２に与えることにより、電荷の転送を行う。図６中、右端のＧ画素列について説明すると、各トランスファゲート３８、４０と同位置にある電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６は、トランスファゲート３８、４０にフィールドシフトパルスを与えて主／従感光部１４、１６からＶＣＣＤ　４２に電荷をフィールドシフトする役目を兼用する。図６に示す固体撮像素子１０はさらに水平転送路４４を備え、これは垂直転送された電荷を水平に転送して出力する。
【００２９】
図１は図６の直線Ｂ−Ｂによって固体撮像素子１０を切断した断面図であり、Ｒ画素フォトダイオード１２の断面を示す。すなわち、同Ｒ画素フォトダイオード１２の従感光部１６からトランスファゲート４０を介してＶＣＣＤ　４２に到るまでのフィールドシフトが行われる状態を示す断面図である。本発明では、以下の方法により、マスクずれによる従感光部１６の感度ばらつきの問題を解決する。すなわち、図１（ａ）に示す従感光部１６により蓄積された信号電荷５０を、図１（ｂ）の矢印５１で示すように、フォトダイオード１２の露光中にＶＣＣＤ　４２に移動させる。これにより、従感光部１６の飽和量を超える電荷を、従感光部１６および転送路４２に蓄積する。これによって従感光部１６の飽和量は実質的に増大することとなり、感度ばらつきの影響を回避する事ができる。
【００３０】
通常の撮像の場合は、図１（ａ）に示すように、所定の露光時間が経過するまで、電荷５０は専らフォトダイオード１２の従感光部１６に蓄積され、露光時間の経過後に初めてトランスファゲート４０を開放して電荷５０をＶＣＣＤ　４２へフィールドシフトする。しかし、本発明では、図１（ｂ）に示すように、露光時間中に従感光部１６のトランスファゲート４０を開放し、露光中に電荷をＶＣＣＤ　４２に流れこませる。かかる方法により、通常であれば従感光部１６にのみ蓄積される電荷５０がＶＣＣＤ　４２にも蓄積され、従感光部１６の飽和量が実質的に増大することとなる。
【００３１】
以下、本発明の動作を図７および図８を参照して説明する。図７は図６に示す直線Ａ−Ａによって固体撮像素子１０を切断した断面図であり、垂直転送路４２に形成される電荷蓄積用のポテンシャルの模式図である。すなわち、図６の右端に垂直方向に配列されたＧ画素の従感光部１６からトランスファゲート４０を介して垂直転送路４２に出力された電荷が、垂直転送路４２に形成されたポテンシャルによって水平転送路４４まで転送される状態を示す断面図である。図８は、主／従感光部１４、１６について行われる露光および電荷転送のタイミングチャートである。
【００３２】
まず、図８（ｅ）に示すように、静止画撮影時の露光直前の期間５２に、垂直転送路４２を高速に駆動して、不要電荷を排出する。これは、ドライバ７によって駆動される図８（ｂ）に示す電子シャッタによって行う。期間５２では、光学系４に含まれドライバ５によって駆動される図８（ａ）に示すメカニカルシャッタは開いているため、フォトダイオード１２は露出しているが、電子シャッタの動作により、不要電荷の排出が行われる。
【００３３】
次に、電子シャッタの動作を終了させて露光時間ｔを開始する。露光時間ｔの開始と同時または開始直後に、従感光部１６のトランスファゲート４０に隣接するＶＣＣＤ　４２、すなわち図７に示す電極Ｖ２およびＶ６が接続されるＶＣＣＤ　４２にポテンシャル５４を形成させて停止させる。そして、従来であれば露光期間ｔの経過後にフィールドシフトするトランスファゲート４０を、図８に点線５５で示すタイミングで、露光期間中に開放し、従感光部１６のトランスファゲート４０に隣接するＶＣＣＤ　４２に、光電変換された電荷５０を流れ込ませ、蓄積させるように制御する。なおトランスファゲート４０を開放するタイミング５５は一例を示したものにすぎない。従感光部１６が必要とする飽和量およびＶＣＣＤ　４２に蓄積可能な電荷量などの諸条件に応じて、露光時間ｔの範囲で、自由に変更してよい。このようにして電荷５０がＶＣＣＤ　４２に流れ込んだ状態を示すのが図７（ａ）である。
【００３４】
次に、メカニカルシャッタが図８に示すタイミング５７において閉じられることにより露光時間ｔが終了した後の期間５６には、ＶＣＣＤ　４２内に蓄積された電荷５０を、従感光部１６の情報として読み出す。図８（ｃ）に示す駆動パルスＡを電極Ｖ２、Ｖ６に与えてトランスファゲート４０に隣接するＶＣＣＤ　４２を駆動し、図８（ｄ）に示す駆動パルスＢを電極Ｖ１、Ｖ５に与えてトランスファゲート３８に隣接するＶＣＣＤ　４２を駆動し、順次、電荷５０を垂直転送する。この様子を示したのが図７（ｂ）ないし（ｈ）である。矢印５９で示すように、垂直転送された信号電荷５０は、水平転送路４４にラインシフトされる。
【００３５】
従感光部１６の電荷の転送が終了すると、図８（ｅ）の期間５８において、図８（ｄ）に示すように、引き続き駆動パルスＢを電極Ｖ１およびＶ５に与えて主感光部１４のトランスファゲート３８に隣接するＶＣＣＤ　４２を駆動し、主感光部１４の信号電荷を読み出す。
【００３６】
以上、本発明について実施例を用いて説明したが、本発明の内容は以上の実施例に限定されるものではない。すなわち、従感光部のみに蓄積されていた電荷を垂直転送路にも蓄積して従感光部の飽和量を実質的に増大させるという本発明の基本的な思想に則っている限り、いかなる改変を加えてもよい。
【００３７】
例えば以上の実施例では、図７（ａ）に示すように、従感光部１６の電荷を、電極Ｖ２またはＶ６が接続された部分のＶＣＣＤのみで受け付けるものであった。しかし電荷を蓄積するＶＣＣＤの範囲は拡張してもよい。例えば、露光中に電荷を受け付けるポテンシャル５４を設定するＶＣＣＤを、当初から、ちょうど図７（ｃ）に示す範囲にまで拡張してもよい。これにより、従感光部１６の飽和量は実質的にさらに増大し、感度ばらつきが大きい場合にも対応できることとなる。
【００３８】
本発明の基本的な思想は、固体撮像素子のうち主感光部以外の部分に、従感光部で光電変換された電荷を露光中に移動させて従感光部の実質的な飽和量を増大させることである。したがって、従感光部に蓄積された電荷を露光中に移動させる部位は、垂直転送路に限られるものではない。例えば水平転送路を部分的に使用する方法も考えられる。その他電荷を蓄積可能なあらゆる部位を使用してよいし、固体撮像素子の外部にそのような電荷蓄積用の場所を設けてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
このように本発明によれば、従感光部の飽和レベルを実質的に増大させることができる。これにより、従感光部の感度ばらつきの問題を、主感光部の飽和レベルを削ることなく解決できる。したがって、主感光部の性能劣化を生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図６の直線Ｂ−Ｂによって固体撮像素子を切断した断面図である。
【図２】本発明による固体撮像素子の撮像方法を適用するデジタルスチルカメラのブロック図である。
【図３】本発明による撮像方法が適用される固体撮像素子の一例を示す部分概略図である。
【図４】図３に示すフォトダイオードの光電変換特性を示すグラフである。
【図５】図４に示す光電変換特性に影響を及ぼすマスクずれを表す模式図である。
【図６】本発明による撮像方法を適用する固体撮像素子の一例を示す構成図である。
【図７】図６に示す直線Ａ−Ａによって固体撮像素子を切断した断面図である。
【図８】図３に示す主／従感光部について行われる露光および電荷転送のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０　固体撮像素子
１２　フォトダイオード
１４　主感光部
１６　従感光部
３０　開口マスク
３８、４０　トランスファゲート
４２　垂直転送路
４４　水平転送路
【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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