(57)【要約】【課題】固体撮像素子を用いた固体撮像装置においてゲインアップ時においても暗電流に起因する固定パターンノイズを低減させる。【解決手段】固体撮像素子１と信号処理回路２とＣＰＵ３とタイミング発生回路４と駆動回路５とをそなえ、ＣＰＵ３により、ゲインアップされているときはタイミング発生手段の駆動タイミングを変化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光素子と、前記受光素子からの電荷を受けて転送する垂直転送レジスタを有する固体撮像素子と、前記垂直レジスタを駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動タイミングを決定するタイミング発生手段と、前記固体撮像素子の出力に対し、信号処理を施す信号処理手段と、前記信号処理手段と、前記駆動手段と、前記タイミング発生手段の動作を制御する制御手段とを備え、前期信号処理手段の状態に対応して前記タイミング発生手段、および前記駆動手段の駆動条件を変化させることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記信号処理手段のゲインの状態に対応して、前記タイミング発生手段の動作を変化させることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記信号処理手段のゲインの状態に対応して、前記駆動手段の基板電圧を変化させることを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置にかかわり、例えばＣＣＤ等電荷結合素子をアレイ状に配置したいわゆる２次元撮像素子を用いた固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＣＤ構造を用いる電荷転送部を有するものとして、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＣＤリニアセンサ、およびＣＣＤ遅延線等が挙げられる。
【０００３】
その中でもＣＣＤイメージセンサ、、例えばフレームインターライン転送（ＦＩＴ）型イメージセンサにおいては、特開平８−２７９６０８号公報に記載されたものが知られている。
【０００４】
図５に従来のＦＩＴ型イメージセンサの構造を示しており、入射光量に応じた量の電荷に光電変換する受光部６が多数マトリクス状に配され、更にこれら多数の受光部６のうち、列方向に配列された受光部６に対して共通とされた垂直転送レジスタ７が多数本、行方向に配列されたイメージ部（撮像部）８と、この撮像部８に隣接して配され、撮像部８に形成されているような受光部６はなく、撮像部８における多数本の垂直転送レジスタ７のみが延長形成されたストレージ部（蓄積部）１０とを有する。また、蓄積部１０に隣接し、かつ多数本の垂直転送レジスタ９に対して共通とされた水平転送レジスタ１１が１本設けられている。
【０００５】
また、水平転送レジスタ１１の最終段には出力部１２が接続されている。出力１２は、水平転送レジスタ１１の最終段から転送されてきた信号電荷を電気信号（例えば電圧信号）に変換する例えばフローティング・ディフュージョン等で構成される電荷―電気信号変換部と、この電荷―電気信号部からの電気信号を増幅するアンプを有して構成されている。
【０００６】
そして、これら撮像部８における垂直転送パルスΦＶＡ１〜ΦＶＡ４及び蓄積部ΦＶＢ１〜ΦＶＢ４の供給によって、撮像部８および蓄積部１０における各垂直転送電極下のポテンシャル分布が順次変化し、これによって、信号電荷がそれぞれ撮像部８における垂直転送レジスタ７および蓄積部１０における垂直転送レジスタ９に沿って縦方向（水平転送レジスタ側）に転送されることになる。
【０００７】
特に、撮像部８においては、受光部６に蓄積されている信号電荷を図６に示す読み出し期間Ｐにおいて、まず、垂直転送レジスタ７に読み出し、その後、図６に示す期間ＦＳにおいて、上記垂直転送レジスタ７に転送された信号電荷を高速に蓄積部１０の垂直転送レジスタ９に転送する。
【０００８】
蓄積部１０は、期間ＦＳ内において垂直転送レジスタ９に転送された信号電荷を、その後の水平帰線期間ＨＢＬＫにおいて１行単位に第１の水平転送レジスタ１１側に転送する。
【０００９】
そして、次の水平転送期間ＨＢＬＫにおいて、信号電荷が順次対応する出力部１２側に転送され、出力部１２の出力端子１３より撮像信号Ｓとして取り出されることになる。つまり、ある水平転送期間から次の水平転送期間までの間信号電荷は、電極ΦＶＢ３，および電極ΦＶＢ４の下に蓄えられていることになる。
【００１０】
しかしながら、全ての固体撮像素子は暗電流の影響を受け、暗電流は熱励起による電子−正孔対の発生に起因し、光信号電荷の集積時間が長くなると、影響が大きくなる。以下に、暗電流の発生原因について説明する。
【００１１】
図７に示す従来構造の垂直転送レジスタ断面図において、１４はｎ型のシリコン基板、１５はＰウエル、１６はＮ型半導体層、１７はＳｉＯ２からなる絶縁膜（シリコン酸化膜）であり、この垂直転送レジスタはｎ型のシリコン基板１４にＰ型ウエル１５と基板表面にＮ型半導体層１６を設けた埋め込み型ｎチャンネル構造となっている。
【００１２】
また、ゲートの電極材料にはポリシリコンが使用され、１８は１層目のポリシリコン、１９は２層目のポリシリコンである。電極としての各ポリシリコン１８、１９は垂直転送レジスタの駆動端子に接続されている。
【００１３】
図８は垂直転送レジスタの基本構造として良く知られているものである。図中の（ａ）はポリシリコンゲート電極レベルに高レベル、（ｂ）はポリシリコンゲートに低レベルのパルスを印加した時の状態を示している。ここで、垂直転送レジスタの暗電流はほとんど（ａ）状態における絶縁膜１７とシリコン基板１４の界面から発生することが知られている。これは、暗電流の発生源となる準位が界面に集中しているからである。
【００１４】
一方、（ｂ）のポリシリコンゲート電極に低レベルのパルスを印加したときには、シリコン基板１４表面のポテンシャルが十分浅いため。表面には垂直転送レジスタに隣接したチャンネルストップ（図示略）より供給された正孔が蓄積された状態となっている。この結果、界面準位が正孔で満たされ、界面準位からの電子（すなわち暗電流）の発生が抑制される。このため、（ｂ）状態での暗電流の発生は（ａ）状態に比べ十分無視できるものである。
【００１５】
つまり、図６に示すＬＳ期間のほとんどの期間でハイレベルになっているΦＶＢ３，ΦＶＢ４の下に電荷が蓄えられている期間における暗電流が支配的となる。
【００１６】
このような固体撮像素子を用いた固体撮像装置の一般的な機能としてゲインアップ機能がある。この機能は、夜間等の撮影に用いられるもので、信号のゲインを標準撮影状態より大きくすることにより、暗い撮影環境下においても撮像を可能にするものである。
【００１７】
【特許文献１】
特開平８−２７９６０８号公報［０００２］〜［００１４］
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では固体撮像素子の高感度化のために、電荷―電気信号変換効率を高めていった結果、暗電流も増幅してしまっていた。その結果、変換効率を高める以前に比べ、暗電流に起因する固定パターンノイズが増加するという問題点があった。また、この固定パターンノイズは前述したゲインアップ機能を使用した時には特に大きな問題となってきている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、ゲインアップの状況に対応して固体撮像素子の駆動条件を変化させる。具体的には、ＬＳ期間に蓄積するゲート数を通常ゲイン時よりも少なくなるように設定する。
【００２０】
これにより、ゲインアップ時の暗電流の発生量を低減させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、複数の受光素子と、前記受光素子からの電荷を受けて転送する垂直転送レジスタを有する固体撮像素子と、前記垂直レジスタを駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動タイミングを決定するタイミング発生手段と、前記固体撮像素子の出力に対し、信号処理を施す信号処理手段と、前記信号処理手段と、前記駆動手段と、前記タイミング発生手段の動作を制御する制御手段とを備えており、前期信号処理手段の状態に対応して前記タイミング発生手段、および前記駆動手段の駆動条件を変化させるという作用を有する。
【００２２】
請求項２に記載の発明は、複数の受光素子と、前記受光素子からの電荷を受けて転送する垂直転送レジスタを有する固体撮像素子と、前記垂直レジスタを駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動タイミングを決定するタイミング発生手段と、前記固体撮像素子の出力に対し、信号処理を施す信号処理手段と、前記信号処理手段と、前記駆動手段と、前記タイミング発生手段の動作を制御する制御手段とを備えており、前記信号処理手段のゲインの状態に対応して、前記タイミング発生手段の動作を変化させるという作用を有する。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、複数の受光素子と、前記受光素子からの電荷を受けて転送する垂直転送レジスタを有する固体撮像素子と、前記垂直レジスタを駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動タイミングを決定するタイミング発生手段と、前記固体撮像素子の出力に対し、信号処理を施す信号処理手段と、前記信号処理手段と、前記駆動手段と、前記タイミング発生手段の動作を制御する制御手段とを備えており、前記信号処理手段のゲインの状態に対応して、前記駆動手段の基板電圧を変化させるという作用を有する。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図６、および図８を用いて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は請求項１ないし請求項２に対応する本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図であり、図２は本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置のゲインアップ時の固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【００２６】
図１において固体撮像素子１は、例えば図５に示すような一般的な構造のＣＣＤであり、その出力は信号処理回路２に接続されている。信号処理回路２はＣＰＵ３により通常ゲイン、およびゲインアップ等の信号処理を施し出力する。
【００２７】
また、タイミング発生回路４はＣＰＵ３により、通常時は図６に示すような、従来通りの固体撮像素子の動作を行い、ゲインアップ時は図２に示すような動作を行うように切り換えられる。駆動回路５は、タイミング発生回路４より入力されたタイミング信号を所望の電圧に変換し、その他いくつかの直流電圧信号を固体撮像素子１にあたえ、固体撮像素子１を動作させる。
【００２８】
次に、図２および図６を用いて通常時、およびゲインアップ時の動作についてさらに詳しく説明する。
【００２９】
通常時は図６に示すように受光部から垂直転送レジスタへの電荷読み出し期間Ｐ、および撮像部から蓄積部へと高速に信号電荷を転送するＦＳ期間以外、および蓄積部の垂直転送レジスタから水平転送レジスタへの電荷の転送期間以外の期間すべてにおいてΦＶＢ３、およびΦＶＢ４がハイレベルのポテンシャルに固定されている。つまり、信号電荷は大多数の期間これらの２つの電極の下に蓄えられていることになる。よってこれらの２つの電極の下で暗電流が多く混入されることになる。
【００３０】
一方、ゲインアップ時は図２に示すように受光部から垂直転送レジスタへの電荷読み出し期間Ｐ、および撮像部から蓄積部へと高速に信号電荷を転送するＦＳ期間以外、および蓄積部の垂直転送レジスタから水平転送レジスタへの電荷の転送期間以外の期間すべてにおいてΦＶＢ４のみがハイレベルのポテンシャルに固定されている。つまり、つまり、信号電荷は大多数の期間１つの電極ΦＶＢ４の下に蓄えられていることになる。すなわち、通常時に比べて少ないゲート電極信号電荷を蓄えるため、暗電流の混入が少なくなる。
【００３１】
ただし、蓄積するゲート数が少なくなっているため蓄えられる電荷の量が少なくなり、所謂ダイナミックレンジが減少するが、元々ゲインアップ時は暗い被写体を撮像する場合に用いられる機能であるため、問題とはならない。
【００３２】
このように本実施の形態１によれば、ゲインアップ時には通常時に比べ少ないゲート数で電荷を蓄積するようにしたので、ゲインアップ時において暗電流の混入を低減させることが可能になり、固定パターンノイズの少ない良好な映像を提供することが可能となる。
【００３３】
なお、本実施の形態１においてはＦＩＴ−ＣＣＤを用いた固体撮像素子の場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばＩＴ−ＣＣＤ等の異なる固体撮像素子を用いた場合においても広く適用できる。
【００３４】
（実施の形態２）
図３は固体撮像素子に印加する駆動電圧である基板電圧と、固体撮像素子から出力される信号の最大電圧である飽和電圧との関係を示す図である。図３に示すように、基板電圧が低いほど飽和電圧は増加する。すなわちこの固体撮像素子を用いた固体撮像装置のダイナミックレンジは増大する。
【００３５】
一方、ＣＣＤ等の固体撮像素子にはハロゲンランプや太陽等の高輝度の被写体を撮像した際に、画面上で高輝度被写体より下側の領域の画素に信号が漏れ出す現象（以下Ｖタレと称す）が発生する。これは基板電圧が高いほど改善され、また、垂直転送レジスタの蓄積ゲート枚数が多いほど改善される（図４）。
【００３６】
そこで、本実施例では図１に示すような固体撮像装置において、ゲインアップ時に固体撮像素子の蓄積ゲート数を減らすとともに固体撮像装置に印加する基板電圧も変化させる。つまり、ゲインアップには通常時よりも高い電圧を加えるように動作させる。
【００３７】
このように本実施の形態２によれば、ゲインアップ時には通常時に比べ少ないゲート数で電荷を蓄積するとともに、異なった基板電圧印加するようににしたので、ゲインアップ時において、暗電流の混入を低減させることが可能になり、固定パターンノイズの少ない良好な映像を提供することが可能となるとともに、高輝度被写体を撮像した際のＶタレについても良好に抑圧できる。
【００３８】
なお、本実施の形態２においては実施の形態１と同様、ＦＩＴ−ＣＣＤを用いた固体撮像素子の場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばＩＴ−ＣＣＤ等の異なる固体撮像素子を用いた場合においても広く適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、信号処理回路の状態によって最適な固体撮像素子の駆動条件を別々に設定するため、前記信号処理の状態毎に良好な映像信号が得られるという有利な効果がある。
【００４０】
また、特にゲインアップ時に顕著になる暗電流の固定パターンノイズを良好に低減できるという有利な効果がある。
【００４１】
また、通常時、およびゲインアップ時の両方の状態においても、高輝度被写体を撮像してもＶタレの少ない良好な映像を得られるという有利な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による固体撮像装置を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態による固体撮像装置のゲインアップ時の動作を示すタイミングチャート
【図３】ＣＣＤの基板電圧と飽和電圧の関係を示す図
【図４】ＣＣＤの基板電圧とＶタレレベルの関係を示す図
【図５】従来のイメージセンサを示す構造図
【図６】従来のイメージセンサの動作を示すタイミングチャート
【図７】従来の垂直転送レジスタの構造を示す断面図
【図８】従来のイメージセンサのポテンシャルを示す図
【符号の説明】
１  固体撮像素子
２  信号処理回路
３  ＣＰＵ
４  タイミング発生回路
５  駆動回路
６  受光部
７、９  垂直転送レジスタ
８  撮像部
１０  蓄積部
１１  水平転送レジスタ
１２  出力部
１３  出力端
１４  ｎ型シリコン基板
１５  Ｐ型ウエル
１６  Ｎ型半導体層
１７  絶縁膜（シリコン酸化膜）
１８  １層目ポリシリコンゲート
１９  ２層目ポリシリコンゲート
【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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