(57)【要約】【課題】撮像領域の多画素化が進展した場合であっても、サンプリング周波数に十分なマージンを確保することができ、ＣＤＳ処理時における混色発生を防止する。【解決手段】マトリクス状に二次元配列された複数の光電変換素子１と、前記二次元配列の列毎に配されて当該二次元配列の垂直方向へ電荷を転送する垂直転送レジスタ２と、前記垂直転送レジスタ２から電荷を受け取って前記二次元配列の水平方向へ転送する一つの水平転送レジスタ３と、各光電変換素子１のそれぞれに付設されているとともに前記二次元配列における同一行上に同一の色成分に対応するものが並ぶように配されたカラーフィルタとを備えて、固体撮像装置を構成する。【選択図】        図１
2004173132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に二次元配列された複数の光電変換素子と、
前記二次元配列の列毎に配されて当該二次元配列の垂直方向へ電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから電荷を受け取って前記二次元配列の水平方向へ転送する一つの水平転送レジスタと、
各光電変換素子のそれぞれに付設されているとともに、前記二次元配列における同一行上に同一の色成分に対応するものが並ぶように配されたカラーフィルタと
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記光電変換素子から前記垂直転送レジスタへの電荷の読み出しを、同一の色成分に対応するカラーフィルタが配された行別に行うための読み出し電極を備える
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】
マトリクス状に二次元配列された複数の光電変換素子と、
前記二次元配列の列毎に配されて当該二次元配列の垂直方向へ電荷を転送する垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタから電荷を受け取って前記二次元配列の水平方向へ転送する一つの水平転送レジスタと、
各光電変換素子のそれぞれに付設されているとともに、前記二次元配列における同一行上に同一の色成分に対応するものが並ぶように配されたカラーフィルタとを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換素子から前記垂直転送レジスタへの電荷の読み出しを、同一の色成分に対応するカラーフィルタが配された行別に行う
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記垂直転送レジスタから受け取った電荷を前記水平転送レジスタ内で混合する
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサに代表される電荷転送型の固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、カラー画像を撮像するための固体撮像装置としては、マトリクス状に二次元配列された複数の光電変換素子を備え、各光電変換素子に蓄積された電荷を垂直転送レジスタおよび水平転送レジスタによって転送する、という電荷転送型のものが知られている。そして、マトリクス状に二次元配列された各光電変換素子には、カラー画像の撮像を可能にするために、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）といった各色成分に対応したカラーフィルタ（例えばオンチップカラーフィルタ）が付設されている。
【０００３】
従来、二次元配列上におけるカラーフィルタの配置は、例えば図４に示すように、Ｇ色成分に対応したものが市松状に配されるとともに、Ｒ色成分およびＢ色成分に対応したものがそれぞれ垂直方向および水平方向の一画素おきに配されるという、いわゆるベイヤー方式が用いられている（例えば、特許文献１参照）。これにより、固体撮像装置の撮像領域では、各色成分のカラーフィルタが水平・垂直方向に２×２画素または２×４画素の繰り返し周期を持って配されることになる。なお、Ｇ色成分のみが市松状に配されるのは、分光特性の中でＧ色成分が略中央に位置するからであり、Ｇ色成分が輝度信号を生成する際の基準となる色成分だからである。
【０００４】
また、このような固体撮像装置からの信号出力は、通常、相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ；以下「ＣＤＳ」と略す）処理を経た後に、アナログ／ディジタル変換等による量子化処理が施されることが多い（例えば、特許文献２参照）。ＣＤＳ処理は、一回目のサンプリングの後、時間をずらした二回目のサンプリングを行うことで位相合わせを行うとともに、複数のサンプリングデータに係る相関性を利用した演算処理を行うもので、ノイズの除去や抑圧等を目的として用いられる。例えば、ＣＤＳ処理では、図５（ａ）に示すような固体撮像装置からの信号出力ＣＣＤ−ｏｕｔに対して、プリチャージ（Ｐｒｅｃｈａｒｇｅ）相サンプリング用のサンプルホールド信号ＳＨＰ（図５（ｂ）参照）と、データ（Ｄａｔａ）相サンプリング用のサンプルホールド信号ＳＨＤ（図５（ｃ）参照）とを用いてサンプリングし、その結果から図６（ａ）に示すようなＣＤＳ出力Ｓ／Ｈ−ｏｕｔを得る。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３０７０９５号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３８１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなベイヤー方式による固体撮像装置では、各色成分のカラーフィルタが水平・垂直方向に２×２画素または２×４画素の繰り返し周期を持って配されることから、その信号出力ＣＣＤ−ｏｕｔが水平方向に２画素繰り返しで変調される。これは、均一な色・明るさの光が照射された状況であっても、各色成分のカラーフィルタが異なる分光透過特性を持つためである。したがって、その信号出力ＣＣＤ−ｏｕｔがＣＤＳ処理を経ると、連続する２画素の信号が互いに干渉して、例えば図６（ｂ）中に破線で示すように、ＣＤＳ出力Ｓ／Ｈ−ｏｕｔに混色状態が発生してしまい、その結果ラインクロールと呼ばれる画質の低下を招いてしまうおそれがある。
【０００７】
特に、撮像領域の多画素化が強く求められている近年では、多画素化により画素サイズが縮小し、また多画素化に伴って信号周波数も高くなるため、ＣＤＳ処理時に混色が発生する可能性が高くなっている。多画素化・高周波数化等が進むと、ＣＤＳ処理に用いるサンプルホールド信号ＳＨＰ，ＳＨＤも短周期化するが、これに信号出力ＣＣＤ−ｏｕｔのレベル変化の急峻さが追い付かないからである。
【０００８】
これに対しては、混色を防止するという観点から例えば各光電変換素子への入射光を制御するオンチップレンズを設けたり、色フィルタの配置を光の入射経路を考慮して調整したりすることも考えられる。ところが、これらの技術では、撮像領域の多画素化によって画素サイズが縮小すると、十分な精度での配置や調整等が困難になり、必ずしも十分な混色防止効果が得られるとは限らない。また、多画素化によって信号周波数が高くなり、さらに色フィルタは補色から原色へと変調度が高くなる傾向にあるため、ＣＤＳ処理での混色改善には効果が期待できない。
【０００９】
そこで、本発明は、撮像領域の多画素化が進展した場合であっても、サンプリング周波数に十分なマージンを確保することができ、ＣＤＳ処理時における混色防止に非常に有効である固体撮像装置及びその駆動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、上記目的を達成するために案出された固体撮像装置で、マトリクス状に二次元配列された複数の光電変換素子と、前記二次元配列の列毎に配されて当該二次元配列の垂直方向へ電荷を転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタから電荷を受け取って前記二次元配列の水平方向へ転送する一つの水平転送レジスタと、各光電変換素子のそれぞれに付設されているとともに、前記二次元配列における同一行上に同一の色成分に対応するものが並ぶように配されたカラーフィルタとを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
上記構成の固体撮像装置および上記手順の固体撮像装置の駆動方法によれば、同一の色成分のカラーフィルタが二次元配列における同一行上、すなわち二次元配列の水平方向に並んでいるため、水平転送レジスタは、各垂直転送レジスタが光電変換素子から読み出した電荷をそれぞれ受け取って水平方向へ転送する際に、これら垂直転送レジスタの数分だけ同じ色成分についての電荷を連続して転送することになる。したがって、水平転送レジスタからの信号出力に対して、例えばＣＤＳ処理を行う場合であっても、同一色成分の信号が連続することから、混色が発生し難くなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る固体撮像装置について説明する。なお、当然のことではあるが、本発明は、以下に述べる実施の形態に限定されるものではない。
【００１３】
ここでは、カラー画像（静止画または動画）を撮像するカメラシステムに搭載される固体撮像装置を例に挙げて説明する。図１は、本発明に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す模式図である。図例のように、ここで説明する固体撮像装置は、その撮像領域に、マトリクス状に二次元配列された複数の光電変換素子１を備えている。そして、各光電変換素子１には、カラー画像の撮像を可能にするために、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色成分に対応したカラーフィルタ（例えばオンチップカラーフィルタ）が付設されている。
【００１４】
図２は、カラーフィルタの配置例を示す模式図である。カラーフィルタは、従来のようなベイヤー方式で配置されているのではなく、各色成分別にそれぞれ異なる行上に並ぶ、いわゆる横ストライプのカラー配列を用いて配されている。具体的には、図例のように、Ｇ色成分に対応したカラーフィルタが二次元配列の水平方向に並び、その隣（例えば二次元配列の下方隣）ではＲ色成分に対応したカラーフィルタが二次元配列の水平方向に並び、さらにその隣ではＢ色成分に対応したカラーフィルタが二次元配列の水平方向に並ぶ、といった具合である。
【００１５】
また、図１に示すように、固体撮像装置の撮像領域には、各光電変換素子１の二次元配列の列毎に、垂直転送レジスタ２が配設されている。これらの垂直転送レジスタ２は、光電変換素子１に蓄積された電荷を、二次元配列の垂直方向へ転送するものである。そのために、垂直転送レジスタ２には電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が付設されており、これらに所定のタイミングで順次電圧を印加することによって、各光電変換素子１からの電荷の読み出しおよび読み出した電荷の垂直方向への転送を行い得るようになっている。ただし、電極Ｖ２については、カラーフィルタの色成分別、すなわち二次元配列の行別に電荷の読み出しを行い得るように、各色成分別に電荷を印加するための電極Ｖ２Ｒ，Ｖ２Ｇ，Ｖ２Ｂが設けられている。
【００１６】
さらに、固体撮像装置は、各垂直転送レジスタ２から電荷を受け取って二次元配列の水平方向へ転送するために、一つの水平転送レジスタ３を備えている。この水平転送レジスタ３には電極Ｈ１，Ｈ２が付設されており、これらに所定のタイミングで順次電圧を印加することによって、各垂直転送レジスタ２から受け取った電荷の水平方向への転送を行い得るようになっている。なお、水平転送レジスタ３の後段には、例えばＣＤＳ回路やＡ／Ｄ変換回路といった信号処理回路（ただし不図示）が設けられており、その信号処理回路が水平転送レジスタ３から出力される信号電荷に対してＣＤＳ処理等の信号処理を行うようになっている。
【００１７】
このような構成の固体撮像装置では、各光電変換素子１に電荷が蓄積されると、所定のタイミングでその電荷が垂直転送レジスタ２へ読み出され、各列の垂直転送レジスタ２が揃って垂直方向への電荷の転送を行う。そして、水平転送レジスタ３が各垂直転送レジスタ２から電荷を受け取って、その電荷を水平方向へ転送する。
【００１８】
このとき、撮像領域では、同一の色成分のカラーフィルタが二次元配列における同一行上、すなわち二次元配列の水平方向に並んでいる。そのため、水平転送レジスタ３では、各垂直転送レジスタ２から電荷を受け取って水平方向へ転送する際に、これら垂直転送レジスタ２の数分だけ同じ色成分についての電荷を連続して転送することになる。例えば、Ｇ色成分のカラーフィルタが並ぶ行の各光電変換素子１からは、蓄積電荷が略同時にそれぞれに対応する垂直転送レジスタ２へ読み出される。そして、Ｇ色成分についての電荷を受け取った各垂直転送レジスタ２は、それぞれが同期して垂直方向への電荷転送を行う。したがって、水平転送レジスタ３では、各垂直転送レジスタ２からＧ色成分についての電荷を略同時に受け取る。これにより、水平転送レジスタ３は、各垂直転送レジスタ２の数分だけ同一色成分についての電荷を連続して転送することになるのである。
【００１９】
その後は、水平転送レジスタ３の後段の処理回路が、その水平転送レジスタ３から出力される信号電荷に対する処理を行う。このとき、水平転送レジスタ３からは垂直転送レジスタ２の数分だけ同じ色成分についての信号電荷が連続して出力される。したがって、後段の処理回路では、例えばＣＤＳ回路がＣＤＳ処理を行う場合であっても、混色が発生し難くなる。
【００２０】
具体的には、例えばＣＤＳ処理であれば、図３に示すような信号処理を行うことになる。図３は、本発明に係る固体撮像装置からの出力信号に対する信号処理の一例を示す模式図である。上述したように、水平転送レジスタ３からは、各垂直転送レジスタ２の数分だけ同一色成分についての信号電荷が連続して出力される。すなわち、水平転送レジスタ３からの信号出力ＣＣＤ−ｏｕｔは、図３（ａ）に示すように、Ｇ色成分についてのもの（図中の実線参照）、あるいはＲ色成分若しくはＢ色成分についてのもの（図中の破線参照）が連続する。
【００２１】
そのために、その信号出力ＣＣＤ−ｏｕｔに対して、サンプルホールド信号ＳＨＰ（図３（ｂ）参照）とサンプルホールド信号ＳＨＤ（図３（ｃ）参照）とを用いてサンプリングしても、その結果から図３（ｄ）に示すような同一の出力レベルが連続するＣＤＳ出力Ｓ／Ｈ−ｏｕｔを得られるようになる。つまり、従来のようにサンプルホールド信号ＳＨＰ，ＳＨＤの周期毎に異なる出力レベルが交互に繰り返されることがない。
【００２２】
したがって、本実施形態で説明した固体撮像装置を用いれば、サンプルホールド信号ＳＨＰ，ＳＨＤが短周期化しても、ＣＤＳ出力Ｓ／Ｈ−ｏｕｔに混色状態が発生してしまうのを回避することができ、結果としてラインクロールと呼ばれる画質の低下を招いてしまうこともなくなる。つまり、信号出力ＣＣＤ−ｏｕｔの変調が抑制されるため、ＣＤＳ回路起因のラインクロールが低減されることになる。しかも、カラーフィルタを横ストライプ状に配置するだけでよいため、混色防止のために十分な精度での配置や特別な調整等を要することもない。
【００２３】
これらのことから、本実施形態における固体撮像装置では、カラー画像を撮像するカメラシステムに搭載した場合であっても、そのカメラシステムを構成するＣＤＳ回路に要求されるサンプリング周波数のマージンに余裕ができる。そのため、撮像領域の多画素化が進展しても、サンプリング周波数に十分なマージンを確保することができ、ＣＤＳ処理時における混色防止に非常に有効なものとなる。
【００２４】
ところで、本実施形態における固体撮像装置では、上述したように、横ストライプ状に配置された各色成分別に電極Ｖ２Ｒ，Ｖ２Ｇ，Ｖ２Ｂが設けられている。そのため、例えば各電極Ｖ２Ｒ，Ｖ２Ｇ，Ｖ２Ｂに略同時に電圧を印加して、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色成分についての電荷を全て垂直転送レジスタ２へ読み出すようにすれば、いわゆる全画素読み出しに対応することが可能となる。この場合であっても、水平転送レジスタ３は、各垂直転送レジスタ２の数分だけ同一色成分についての電荷を連続して転送することになるので、ＣＤＳ出力Ｓ／Ｈ−ｏｕｔに混色状態が発生してしまうのを回避することができる。
【００２５】
また、これとは別に、各色成分別に電極Ｖ２Ｒ，Ｖ２Ｇ，Ｖ２Ｂが設けられていることから、これらのうちのいずれかに選択的に電圧を印加することも可能である。すなわち、光電変換素子１から垂直転送レジスタ２への電荷の読み出しを、特定の色成分に対応するカラーフィルタが配された行についてのみ行うこともできる。この場合には、選択された同一色成分についての電荷のみ転送することになるので、いうまでもなく混色状態の発生を回避することができる。
【００２６】
いずれの場合であっても、光電変換素子１から垂直転送レジスタ２への電荷の読み出しについては、各色成分別の電極Ｖ２Ｒ，Ｖ２Ｇ，Ｖ２Ｂによって、同一の色成分に対応する行別に独立して制御することが可能である。つまり、撮像領域を色成分毎の複数フィールドに分割して、例えば信号蓄積時間をフィールド単位で可変制御したり、特定の色成分についての信号電荷に対してのみ所定の信号処理を行ったりすることが、容易に実現可能となる。
【００２７】
したがって、本実施形態における固体撮像装置では、フィールド毎に色信号を分離することが、固体撮像装置単体の状態で可能になる。そのため、例えば信号処理を用いずに色別画像を取り出すカメラシステムに搭載して非常に好適である。
【００２８】
さらには、特定の色成分に対応する行についてのみ電荷の読み出しを行う場合であれば、その電荷を水平転送レジスタ３内で混合するといったことも可能となる。具体的には、通常は垂直転送レジスタ２に与えるラインシフトパルス数１発に対して水平転送レジスタ３による電荷転送が１Ｈ（水平）ライン分行われるが、例えば垂直転送レジスタ２のラインシフトパルス数発に対して水平転送レジスタ３による電荷転送が１Ｈライン分行われるようにする。このようにすれば、水平転送レジスタ３内での電荷の混合機能が実現されるので、感度向上と出力画素数をバランスさせた可変出力が可能になる。
【００２９】
したがって、本実施形態における固体撮像装置では、読み出しを色毎に独立して制御した上で、水平転送レジスタ３内での加算を行うことで、出力画素数と感度を適切なところでバランスさせることが可能になる。そのため、例えばレジスタ内での電荷混合により出力データ数を減らした高速度撮像カメラシステムに搭載して非常に好適である。
【００３０】
なお、本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサに代表される電荷転送型のものに本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はそのＣＣＤ型固体撮像装置に限らず、ＭＯＳ型固体撮像装置や増幅型固体撮像装置等であっても、カラーフィルタを色分解に用いたものであれば、全く同様に適用することが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る固体撮像装置およびその駆動方法によれば、水平転送レジスタからの信号出力に対してＣＤＳ処理を行う場合であっても、同一色成分の信号が連続することから混色状態が発生してしまうのを回避することができ、ラインクロールと呼ばれる画質の低下を招いてしまうこともない。したがって、撮像領域の多画素化が進展しても、サンプリング周波数に十分なマージンを確保することができ、ＣＤＳ処理時における混色防止に非常に有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の概略構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る固体撮像装置におけるカラーフィルタの配置例を示す模式図である。
【図３】本発明に係る固体撮像装置からの出力信号に対する信号処理の一例を示す模式図であり、（ａ）は水平転送レジスタからの信号出力を示す図、（ｂ）はプリチャージ相サンプリング用のサンプルホールド信号を示す図、（ｃ）はデータ相サンプリング用のサンプルホールド信号を示す図、（ｄ）はＣＤＳ処理後におけるＣＤＳ出力を示す図である。
【図４】従来の固体撮像装置におけるカラーフィルタの配置例を示す模式図である。
【図５】従来の固体撮像装置からの出力信号の一例を示す模式図であり、（ａ）は水平転送レジスタからの信号出力を示す図、（ｂ）はプリチャージ相サンプリング用のサンプルホールド信号を示す図である。
【図６】従来の固体撮像装置からの出力信号に対する信号処理の一例を示す模式図であり、（ａ）はＣＤＳ処理後におけるＣＤＳ出力を示す図、（ｂ）はＣＤＳ出力に混色が発生した状態を示す図である。
【符号の説明】
１…光電変換素子、２…垂直転送レジスタ、３…水平転送レジスタ
【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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