(57)【要約】【課題】高画質を実現できる撮像装置を提供する。【解決手段】各画素が情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極を備える撮像部２ｉを含み、画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を転送電極の作用により形成したポテンシャル井戸を利用して蓄積及び転送し、撮像時には実質的に互いに分離された複数のポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、転送時には複数のポテンシャル井戸のうち少なくとも２つに蓄積された情報電荷を加算合成して転送する撮像装置２００により上記課題を解決できる。【選択図】図１
2005252409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素を有し、各画素は情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極を備える撮像部を含み、
画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を転送電極の作用により形成したポテンシャル井戸を利用して蓄積及び転送する撮像装置であって、
撮像時には、実質的に互いに分離された複数のポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、
転送時には、前記複数のポテンシャル井戸のうち少なくとも２つに蓄積された情報電荷を加算合成して転送することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記複数のポテンシャル井戸のうち少なくとも２つに蓄積された情報電荷を転送方向に沿って加算合成して転送することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、
転送方向に沿って連続して配置された少なくとも２つの画素毎を組として、当該組とされた画素群に備えられた転送電極の各々を独立に制御する制御手段を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、
転送方向に沿って連続して配置された少なくとも２つの転送電極毎を組として、転送時には当該組とされた転送電極に実質的に同相のクロックパルスを供給する制御手段を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の撮像装置において、
各画素は、異なる２つ以上の波長領域のいずれかに応答して発生する情報電荷を蓄積するものであって、
転送時には、同一の波長領域に応答して情報電荷を発生させる少なくとも２つの画素に蓄積された情報電荷を加算合成して転送することを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項３に記載の撮像装置において、
各画素は、異なる２つ以上の波長領域のいずれかに応答して発生する情報電荷を蓄積するものであって、
各波長領域に対応する画素が転送方向に沿って所定の周期で繰り返し配置され、
前記制御手段は、同一の波長領域に対応する画素が配置された周期に１画素を加えた周期に含まれる画素群を組として、当該組に含まれる画素に備えられた転送電極の各々を独立に制御することを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項６に記載の撮像装置において、
前記制御手段は、転送時には、転送方向に沿って連続して配置された少なくとも２つの転送電極毎を組として、当該組とされた転送電極に実質的に同相のクロックパルスを供給することを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の撮像装置において、
各画素は、異なる２つ以上の波長領域のいずれかに応答して発生する情報電荷を蓄積するものであって、
転送時には、異なる波長領域に応答して情報電荷を発生させる少なくとも２つの画素に蓄積された情報電荷を加算合成して転送し、
転送後に前記加算合成された情報電荷に基づいて各波長成分の情報電荷に対応する信号を求める出力信号処理部を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
複数の画素を有し、外部からの光を受けて情報電荷を生成する撮像部を備え、
画素に入射される光に応答して発生した情報電荷をポテンシャル井戸を利用して蓄積及び転送する撮像装置の制御装置であって、
撮像時には、実質的に互いに分離された複数のポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積させ、
転送時には、前記複数のポテンシャル井戸のうち少なくとも２つに蓄積された情報電荷を加算合成させて転送させることを特徴とする撮像装置の制御装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の撮像装置の制御装置において、
転送時には蓄積された情報電荷を転送方向に沿って加算合成させて転送させることを特徴とする撮像装置の制御装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の撮像装置の制御装置において、
前記撮像部の各画素が、情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極を備える場合に、
転送方向に沿って連続して配置された少なくとも２つの画素毎を組として、当該組とされた画素群に備えられた転送電極の各々を独立に制御することを特徴とする撮像装置の制御装置。
【請求項１２】
請求項９又は１０に記載の撮像装置の制御装置において、
転送方向に沿って連続して配置された少なくとも２つの転送電極毎を組として、転送時には当該組とされた転送電極に実質的に同相のクロックパルスを供給することを特徴とする撮像装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像画像の画質を向上した撮像装置及び撮像装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１７にＣＣＤ固体撮像素子を備えた撮像装置１００の構成を示す。撮像装置１００は、ＣＣＤ固体撮像素子１０２、タイミング制御回路１０４及び駆動ドライバ１０６を含んで構成される。ＣＣＤ固体撮像素子１０２は、撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄを有する。タイミング制御回路１０４は、所定の周波数のクロックパルス及び外部制御信号を受けて、ＣＣＤ固体撮像素子１０２の撮像、垂直転送、水平転送及び出力を制御する制御信号を生成する。制御信号は駆動ドライバ１０６に入力される。駆動ドライバ１０６は、タイミング制御回路１０４から制御信号を受けて、ＣＣＤ固体撮像素子１０２の撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄのそれぞれに対して必要なタイミングでクロックパルスを出力する。
【０００３】
ＣＣＤ固体撮像素子１０２は、駆動ドライバ１０６からのクロックを受けて、撮像、垂直転送、水平転送及び出力を行う。撮像部２ｉに入射された光が撮像部２ｉの各ビットを構成する受光画素により光電変換されて情報電荷が生成される。垂直転送クロックの印加によって、撮像部２ｉにおいて生成された情報電荷の２次元配列は撮像部２ｉの垂直シフトレジスタにより蓄積部２ｓに高速で転送される。これにより、１フレーム分の情報電荷が蓄積部２ｓの垂直シフトレジスタに保持される。続いて、情報電荷は１行分ずつ蓄積部２ｓから水平転送部２ｈへ転送される。さらに、水平転送クロックの印加によって、情報電荷は１画素単位で水平転送部２ｈから出力部２ｄへ転送される。出力部２ｄは１画素毎の電荷量を電圧値に変換し、その電圧値の変化がＣＣＤの出力とされる。
【０００４】
撮像部２ｉ及び蓄積部２ｓは、垂直方向（図１７の縦方向）に互いに平行に延伸された複数のチャネル領域とそれに交差する複数の転送電極とから構成される垂直シフトレジスタを含み、各シフトレジスタの各ビットはそれぞれ２次元行列として配置された受光画素の１つとして機能する。
【０００５】
撮像部２ｉは、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体基板９の表面領域に形成された複数のシフトレジスタから構成される。図１８（ａ）は従来の撮像部２ｉの一部を示す模式的な平面図、図１８（ｂ）及び図１８（ｃ）はそれぞれＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に沿った側断面図である。
【０００６】
図１８（ｂ）に示すように、Ｎ型半導体基板９内にＰウェル（ＰＷ）１１が形成され、その上にＮウェル１２が形成される。すなわち、Ｎ型の半導体基板９に、Ｐ型の不純物が添加されたＰウェル１１が形成される。このＰウェル１１の表面領域に、Ｎ型の不純物が高濃度に添加されたＮウェル１２が形成される。また、垂直シフトレジスタのチャネル領域間を分離するために、Ｎウェル１２に所定の間隔をもって互いに平行にＰ型の不純物をイオン注入することによってＰ型不純物領域からなる分離領域１４が形成される。Ｎウェル１２は、隣接する分離領域１４によって電気的に区画され、分離領域１４に挟まれた領域が情報電荷の転送経路であるチャネル領域２２となる。分離領域１４は、隣接するチャネル領域の間にポテンシャル障壁を形成し、各チャネル領域２２を電気的に分離する。
【０００７】
半導体基板９の表面上には絶縁膜１３が成膜される。この絶縁膜１３を介してチャネル領域２２の延伸方向に直交するように、ポリシリコン膜からなる複数の転送電極２４が互いに平行に配置される。従来の撮像部２ｉでは、隣接する３つの転送電極２４−１，２４−２，２４−３の組が１つの画素に相当する。
【０００８】
図１９に、撮像時におけるチャネル領域２２に沿ったＮウェル１２内のポテンシャル分布の様子を示す。撮像時には、１組の転送電極２４のうち１つの転送電極２４−２をオン状態にしてその転送電極２４−２下のチャネル領域２２にポテンシャル井戸５０を形成し、残りの転送電極２４−１，２４−３をオフ状態にすることによりオン状態の転送電極下のポテンシャル井戸５０に情報電荷を蓄積する。転送時には、図２０に示すように、１画素を構成する３つの転送電極２４−１，２４−２，２４−３の組み合わせ毎に３相の転送クロックφ１〜φ３が印加され、転送電極２４−１，２４−２，２４−３の下にあるチャネル領域２２のポテンシャルが制御されて情報電荷が転送される。
【０００９】
蓄積部２ｓも撮像部２ｉと同様に垂直シフトレジスタから構成される。蓄積部２ｓに含まれる垂直シフトレジスタは遮光され、各シフトレジスタの各ビットが情報電荷を蓄積する蓄積画素として機能する。
【００１０】
また、カラー画像を対象とするＣＣＤ固体撮像装置では、図６に示すように、垂直転送方向に沿って赤（Ｒ）を透過するフィルタと緑（Ｇ）を透過するフィルタとを交互に配置した列と、緑（Ｇ）を透過するフィルタと青（Ｂ）を透過するフィルタとを交互に配置した列と、を垂直転送方向と交差する方向に交互に配列することによってマトリクス状の画素配列を構成し、カラー画像の取得を可能としている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１６６２８４号公報
【特許文献２】特開平６−１１２４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の撮像装置及びその制御方法では、１つの転送電極毎に情報電荷を順次送り出して転送を行う。そのため、垂直転送時間が長くなり、高品質の画像を得ることができない問題が発生していた。
【００１３】
例えば、撮像部２ｉにメカシャッタが設けられていない場合、撮像部２ｉの各画素に入射し続ける光に応じて転送期間中にも電荷が発生し続ける。この電荷はスミアと呼ばれるノイズの原因となる。ノイズの原因となる電荷をスミア電荷と呼ぶ。撮像部２ｉから蓄積部２ｓへと情報電荷を転送する時間が長くなると共にスミア電荷量は増加し、撮影された画像に強いノイズとして残ることとなる。
【００１４】
また、従来技術のように、撮像部２ｉにおいて１組となる転送電極のうち１つのみをオン状態として撮像を行う場合では、撮像時におけるポテンシャル井戸に蓄積可能な電荷量は限られており、輝度が高い撮影対象物からの光を受けた場合等において十分な感度やダイナミックレンジを得ることができなかった。さらには、撮像期間中に発生する情報電荷量がポテンシャル井戸の容量を越えてしまい、得られた画像のダイナミックレンジが低下してしまう場合もあった。
【００１５】
本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、より高品質の画像を得ることができる撮像装置及び撮像装置の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素を有し、各画素は情報電荷の転送方向と交差する方向に向けて延伸された複数の転送電極を備える撮像部を含み、画素に入射される光に応答して発生した情報電荷を転送電極の作用により形成したポテンシャル井戸を利用して蓄積及び転送する撮像装置及び撮像装置の制御装置であって、撮像時には、実質的に互いに分離された複数のポテンシャル井戸に情報電荷を蓄積し、転送時には、前記複数のポテンシャル井戸のうち少なくとも２つに蓄積された情報電荷を加算合成して転送することを特徴とする。
【００１７】
すなわち、前記複数のポテンシャル井戸のうち少なくとも２つに蓄積された情報電荷を転送方向に沿って加算合成して転送することによって、転送時間を従来よりも短くすることができる。その結果、高速転送を実現でき、スミア電荷量を低減することができる。また、撮像時における感度及びダイナミックレンジを高くすることができる。
【００１８】
具体的には、転送方向に沿って連続して配置された少なくとも２つの画素毎を組として、当該組とされた画素群に備えられた転送電極の各々を独立に制御する制御手段（装置）を備える。この制御手段（装置）により、転送方向に沿って連続して配置された少なくとも２つの転送電極毎を組として、転送時には当該組とされた転送電極に実質的に同相のクロックパルスを供給することが好適である。これにより、前記複数のポテンシャル井戸のうち少なくとも２つに蓄積された情報電荷を転送方向に沿って加算合成して転送することが可能となる。
【００１９】
また、カラー画像の取得を目的とする撮像装置では、各画素は、異なる２つ以上の波長領域（色）のいずれかに応答して発生する情報電荷を蓄積するものであって、転送時には、同一の波長領域に応答して情報電荷を発生させる少なくとも２つの画素に蓄積された情報電荷を加算合成して転送することが好適である。
【００２０】
具体的には、各波長領域に対応する画素が転送方向に沿って所定の周期で繰り返し配置され、前記制御手段（装置）により、同一の波長領域に対応する画素が配置された周期に１画素を加えた周期に含まれる画素群を組として、当該組に含まれる画素に備えられた転送電極の各々を独立に制御することが好適である。このとき、前記制御手段（装置）は、転送方向に沿って連続して配置された少なくとも２つの転送電極毎を組として、当該組とされた転送電極に実質的に同相のクロックパルスを供給することにより高速転送を可能とする。
【００２１】
また、転送時には、異なる波長領域に応答して情報電荷を発生させる少なくとも２つの画素に蓄積された情報電荷を加算合成して転送しても良い。この場合、転送後に前記加算合成された情報電荷に基づいて各波長成分の情報電荷に対応する信号を求める出力信号処理部を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＣＣＤ固体撮像素子を含む撮像装置において、高品質の画像を得ることができる。例えば、撮像時における感度及びダイナミックレンジを高くすることができる。また、転送時に発生するスミアを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施の形態における撮像装置２００は、図１に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子２０２、タイミング制御回路２０４、駆動ドライバ２０６及び出力信号処理部２０８を含んで構成される。
【００２４】
ＣＣＤ固体撮像素子２０２は、撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄを有する。また、タイミング制御回路２０４は、所定の周波数のクロックパルス及び外部制御信号を受けて、ＣＣＤ固体撮像素子２０２の撮像、垂直転送、水平転送及び出力を制御する制御信号を生成する。これらの制御信号は、タイミング制御回路２０４から駆動ドライバ２０６へ入力される。駆動ドライバ２０６は、タイミング制御回路２０４から制御信号を受けて、ＣＣＤ固体撮像素子２０２の撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄに各々に対して必要なタイミングでクロックパルスを出力する。出力信号処理部２０８は、出力部２ｄから出力されたＣＣＤ固体撮像素子２０２の出力信号に対してスミア除去等の処理を施した後、装置外部へ出力信号を出力する。
【００２５】
撮像部２ｉ及び蓄積部２ｓは、従来技術と同様に、垂直方向（図１の縦方向）に互いに平行に延伸された複数のチャネル領域とそれに交差する複数の転送電極とから構成される垂直シフトレジスタを含み、各シフトレジスタの各ビットはそれぞれ２次元行列として配置された受光画素の１つとして機能する。
【００２６】
撮像部２ｉは、図２〜４に示すように、半導体基板１０の表面領域に形成された複数のシフトレジスタから構成される。図２は従来の撮像部２ｉの一部を示す模式的な平面図、図３及び図４はそれぞれ図２のＣ−Ｃ線及びＤ−Ｄ線に沿った側断面図である。
【００２７】
図３及び図４に示すように、本実施の形態における撮像部２ｉは従来の撮像装置における撮像部と同様の断面構造を有する。すなわち、Ｎ型半導体基板９内にＰウェル（ＰＷ）１１が形成され、その上にＮウェル１２が形成され、このＰウェル１１の表面領域にＮ型の不純物が高濃度に添加されたＮウェル１２が形成される。さらに、Ｎウェル１２に所定の間隔をもって互いに平行にＰ型不純物領域からなる分離領域１４が形成される。分離領域１４は、隣接するチャネル領域の間にポテンシャル障壁を形成し、これらの分離領域１４に挟まれた領域が電気的に区画され、情報電荷の転送経路であるチャネル領域２２となる。
【００２８】
また、半導体基板９の表面上には絶縁膜１３が成膜される。図２に示すように、この絶縁膜１３を挟んでチャネル領域２２の延伸方向に直交するように、ポリシリコン膜等からなる複数の転送電極３０（３０−１〜３０−９）が互いに平行に繰り返し配置される。
【００２９】
本実施の形態では、カラー画像を撮影対象とする撮像装置２００について説明を行う。カラー画像を撮影対象とする撮像装置２００では、異なる色の波長成分に応答して発生した情報電荷を蓄積する画素が所定の周期で繰り返し配置されたマトリックス状の画素配列の構成となる。例えば、図５に示すように、垂直転送方向に沿って連続する３つの転送電極をそれぞれ１組として赤（Ｒ）を透過するフィルタ３２−Ｒと緑（Ｇ）を透過するフィルタ３２−Ｇとを交互に配置した列３４−１と、青（Ｂ）を透過するフィルタ３２−Ｂと緑（Ｇ）を透過するフィルタ３２−Ｇとを交互に配置した列３４−２と、を垂直転送方向と交差する方向に交互に配列する。これによって、図６に示すように、各々が複数の電極（ここでは３つ）の電極によって制御されるＲ，Ｇ，Ｂの画素がマトリクス状に配置された画素配列が構成される。
【００３０】
従来の撮像部２ｉでは、隣接する３つの転送電極２４−１，２４−２，２４−３の組が１つの画素に相当し、転送電極２４−１，２４−２，２４−３の各々に対して３相のクロックパルスφ１，φ２，φ３を供給することにより、撮像部２ｉの撮像及び転送を制御していた。本実施の形態では、転送方向に沿って同一の波長領域（色）に対応する画素が配置される周期に１画素を加えた周期に含まれる画素群を１組として、１組に含まれる転送電極の各々に異なるクロックパルスを供給することによって制御を行う。例えば、図５の画素配置に対しては、転送方向に沿って同一の色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の波長領域に対応する画素が２画素周期で配置されているので、２画素＋１画素＝３画素分の転送電極を１組として制御する。すなわち、転送方向に沿って連続する９つの転送電極３０−１〜３０−９を１つの組として、転送電極３０−１〜３０−９の各々に対して異なるクロックパルスを供給し、転送方向に沿って連続する３つの画素に配置された転送電極３０−１〜３０−９の各々を独立に制御することによって撮像部２ｉにおける撮像及び転送を制御する。
【００３１】
撮像装置２００における撮像（情報電荷の蓄積）及び情報電荷の転送は、タイミング制御回路２０４を用いて転送電極３０−１〜３０−９に印加される電圧を制御することによって行うことができる。そこで、図７に撮像から転送までのタイミングチャートを示し、転送電極の制御について説明を行う。また、図８には、時刻Ｔ1〜Ｔ9における各転送電極３０−１〜３０−９下におけるポテンシャルの変化の様子を示す。横軸は撮像部２ｉにおける転送方向に沿った位置を示し、縦軸が各位置でのポテンシャルを示す。このとき、図中の下が正電位側、上が負電位側となる。
【００３２】
駆動ドライバ２０６は、タイミング制御回路２０４からの制御信号を受けて、クロックパルスφ1〜φ9をそれぞれ転送電極３０−１〜３０−９に印加する。ＣＣＤ固体撮像素子２０２のＮ型半導体基板（Ｎ−ＳＵＢ）１０は基板電位Ｖsubに固定される。
【００３３】
時刻Ｔ0は、撮像前の初期状態である。このとき、クロックパルスφ1〜φ9の総てがオフとされ、図８に示すように、転送電極３０−１〜３０−９下にはポテンシャル井戸は形成されず、電荷は基板１０へ排出される。
【００３４】
時刻Ｔ1では、１組とされた画素群のうち両端の画素にポテンシャル井戸が形成されるようにクロックパルスが制御される。ここでは、クロックパルスφ2，φ8がオンとされ、転送電極３０−２及び３０−８下にポテンシャル井戸が形成される。オン状態となった転送電極３０−２及び３０−８の周囲に入射した光に応じて発生した情報電荷はこれらのポテンシャル井戸に蓄積される。
【００３５】
本実施の形態では、転送方向に沿って同一の波長領域に対応する画素が配置される周期に１画素を加えた周期の画素を１組として転送電極へのクロックパルスの制御を行っているため、１組の画素では同一の波長成分に対応して発生した情報電荷が蓄積されることとなる。例えば、図５に示したＣＣＤ固体撮像素子２０２の列３４−１では、図８に示すように、左からＲ，Ｇ，Ｒの組とＧ，Ｒ，Ｇの組とが繰り返し配置され、Ｒ，Ｇ，Ｒの組では両端のＲに対応する画素に赤の波長成分に応じて発生した情報電荷が蓄積され、Ｇ，Ｒ，Ｇの組では両端のＧに対応する画素に緑の波長成分に応じて発生した情報電荷が蓄積される。他の列についても同様である。
【００３６】
ここでは、両端以外の画素についてはクロックパルスをオフに維持することによって撮像時に常に情報電荷が基板１０へ排出されるように制御したが、これに限定されるものでない。例えば、図９に示すように、時刻Ｓ0においてクロックパルスφ2，φ8と共にクロックパルスφ5を一旦オンとして情報電荷を蓄積し、撮像が終了する時刻Ｓ1においてクロックパルスφ5をオフに戻して情報電荷を排出させることにより、電子的なシャッタ動作を行わせても良い。
【００３７】
時刻Ｔ2及びＴ3では、情報電荷の再配列が行われる。１組の画素群において両端の画素のポテンシャル井戸に蓄積された情報電荷が１つのポテンシャル井戸に纏められる。時刻Ｔ2では、クロックパルスφ2，φ8に加えて、クロックパルスφ3〜φ7がオンとされ、転送電極３０−２及び３０−８下のポテンシャル井戸に蓄積されていた情報電荷が加算合成される。続いて、時刻Ｔ3では、クロックパルスφ2，φ3，φ7，φ8がオフとされ、転送電極３０−４〜３０−６の下に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷が再配置される。
【００３８】
このように、撮像時において１組の画素群のうち少なくとも２つ以上の画素に蓄積された情報電荷を再配置によって１つのポテンシャル井戸に纏めることによって、撮像時における感度及びダイナミックレンジを高くすることができる。
【００３９】
時刻Ｔ4以降では、１組の画素群に対して１つのポテンシャル井戸に纏められた情報電荷が転送される。このとき、転送方向に沿って連続する少なくとも２つの転送電極に対して同相のクロックパルスを供給することにより転送が行われる。ここでは、各画素に配置された３つの転送電極の組毎に対して同相のクロックパルスを供給することによって転送が行われる。
【００４０】
例えば、図５に示したＣＣＤ固体撮像素子２０２では、図７に示すように、クロックパルスφ1〜φ3，φ4〜φ6，φ7〜φ9の組がそれぞれ同相で駆動され、図８に示すように連続して配置されている転送電極３０−１〜３０−３，３０−４〜３０−６，３０−７〜３０−９の組をそれぞれ１つの転送単位として情報電荷が順次転送される。
【００４１】
具体的には、図７に示すように、時刻Ｔ4ではクロックパルスφ1〜φ3がオフ、クロックパルスφ4〜φ9がオンとされ、時刻Ｔ5ではクロックパルスφ1〜φ6がオフ、クロックパルスφ7〜φ9がオンとされる。これによって、図８に示すように、転送電極３０−４〜３０−６下に形成されていたポテンシャル井戸に蓄積されていた情報電荷が転送電極３０−７〜３０−９下に新たに形成されたポテンシャル井戸に転送される。時刻Ｔ6ではクロックパルスφ4〜φ6がオフ、クロックパルスφ1〜φ3及びφ7〜φ9がオンとされ、時刻Ｔ7ではクロックパルスφ4〜φ9がオフ、クロックパルスφ1〜φ3がオンとされる。これによって、図８に示すように、転送電極３０−７〜３０−９下に形成されていたポテンシャル井戸に蓄積されていた情報電荷が転送電極３０−１〜３０−３下に新たに形成されたポテンシャル井戸に転送される。同様に、１画素に配置された転送電極の組毎に同相のクロックパルスを印加していくことによって情報電荷を順次転送することができる。他の列についても同様に転送が行われる。
【００４２】
なお、クロックパルスφ1〜φ3，φ4〜φ6，φ7〜φ9の組がそれぞれ同相で駆動される場合を示したが、実質的に同相として駆動されれば良く、図１０に示すように、転送方向に沿ってポテンシャルが滑らかに変動するようにそれぞれの組の中で転送電極に供給するクロックパルスに遅延を持たせても良い。このように遅延を持たせることで、滑らかに情報電荷を転送することが可能となる。
【００４３】
このように、転送時において、複数の転送電極を１組として制御を行うことによって、撮像部２ｉから情報電荷を高速に転送することができる。その結果、転送時に発生するスミアを抑制することができる。例えば、本実施の形態のように３つの転送電極を１組に纏めて制御した場合には従来の制御方法と比べて約３倍の転送速度で転送を行うことができる。同様の転送方法は、蓄積部２ｓに対しても適用することができる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態によれば、ＣＣＤ固体撮像素子を含む撮像装置において、高品質の画像を得ることができる。
【００４５】
本実施の形態では、連続する９つの転送電極３０−１〜３０−９を１つの組として、転送電極３０−１〜３０−９の各々に対して異なるクロックパルスを供給することによって撮像部２ｉにおける撮像（情報電荷の蓄積）及び情報電荷の転送を制御したが、もちろん従来と同様に、１つの画素に対応する転送電極３０−１〜３０−３，３０−４〜３０−６，３０−７〜３０−９をそれぞれ１組として転送電極３０−１，３０−４，３０−７と転送電極３０−２，３０−５，３０−８と転送電極３０−３，３０−６，３０−９とをそれぞれ同相のクロックパルスで制御することもできる。このように、連続する複数の画素に跨る転送電極を１組とした制御と１つの画素に対応する転送電極を１組とした制御とを切り替えることによって、低解像度の高速転送と高解像度の低速転送とを切り替えて撮影及び転送を行うこともできる。
【００４６】
また、撮像部２ｉに機械的なシャッタが設けられている場合、動画のように低解像度の高速転送を連続して行うときにはシャッタを開放したまま連続して撮像を行うことができる。このような場合、蓄積部２ｓには従来のように撮像部２ｉと同一の画素数を配列する必要はなく、蓄積部２ｓの蓄積画素を纏めて、加算合成された情報電荷を蓄積できる容量を有する画素を配列することも可能である。例えば、撮像部２ｉにおいて転送方向に沿って３画素を纏めて情報電荷の蓄積を行う場合、蓄積部２ｓの転送方向に沿った画素数を従来の１／３にすることができる。従って、従来の蓄積部２ｓに比べて画素数を減らすことができ、ＣＣＤ固体撮像素子２０２の構成をより小型化することができる。また、蓄積部２ｓの転送電極の制御もより簡易化することができる。なお、高解像度の静止画を撮影する場合には、従来通り３つの転送電極から構成される１画素単位の撮像を行い、撮像が終了した時点において機械的シャッタを閉じ、撮像部２ｉから直接水平転送部２ｈへと情報電荷を順次転送することによって高解像度の画像を得ることもできる。
【００４７】
なお、上記実施の形態では９つの転送電極を１組として、異なる９つのクロックパルスを供給することにより制御を行ったが、これに限定されるものではない。例えば、制御可能なクロックパルスの数を増やすことによって、より圧縮された画像をより高速に転送することも可能である。
【００４８】
また、本実施の形態では、フレームトランスファー型のＣＣＤ固体撮像素子を含む撮像装置を対象としたが本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、インターライン型のＣＣＤ固体撮像素子を含む撮像装置にも適用することができる。
【００４９】
＜変形例１＞
上記実施の形態では、撮像時において１組とされた画素群の両端の画素のみに情報電荷を蓄積し、それらの情報電荷を纏めて転送した。一方、以下のように、両端以外の画素についても情報電荷を蓄積し、それらの情報電荷を纏めて転送することもできる。
【００５０】
図１１に撮像から転送までのタイミングチャートを示し、転送電極の制御について説明を行う。また、図１２には、時刻Ｔ1〜Ｔ9における各転送電極３０−１〜３０−９下におけるポテンシャルの変化の様子を示す。横軸は撮像部２ｉにおける転送方向に沿った位置を示し、縦軸が各位置でのポテンシャルを示す。このとき、図中の下が正電位側、上が負電位側となる。
【００５１】
駆動ドライバ２０６は、タイミング制御回路２０４からの制御信号を受けて、クロックパルスφ1〜φ9をそれぞれ転送電極３０−１〜３０−９に印加する。ＣＣＤ固体撮像素子２０２のＮ型半導体基板（Ｎ−ＳＵＢ）１０は基板電位Ｖsubに固定される。
【００５２】
時刻Ｔ0では、クロックパルスφ1〜φ9の総てがオフとされ、図１１に示すように、転送電極３０−１〜３０−９下にはポテンシャル井戸は形成されず、電荷は基板１０へ排出される。
【００５３】
時刻Ｔ1では、１組とされた画素群の総ての画素にポテンシャル井戸が形成されるようにクロックパルスが制御される。ここでは、クロックパルスφ2，φ5，φ8がオンとされ、転送電極３０−２、３０−５、３０−８下にポテンシャル井戸が形成される。オン状態となった転送電極３０−２、３０−５、３０−８の周囲に入射した光に応じて発生した情報電荷はこれらのポテンシャル井戸に蓄積される。
【００５４】
例えば、図５に示したＣＣＤ固体撮像素子２０２の列３４−１では、図１２に示すように、左からＲ，Ｇ，Ｒの組とＧ，Ｒ，Ｇの組とが繰り返し配置されることとなるので、Ｒ，Ｇ，Ｒの組ではＲ，Ｇ，Ｒに対応する画素にそれぞれ赤、緑、赤の波長成分に応じて発生した情報電荷が蓄積され、Ｇ，Ｒ，Ｇの組ではＧ，Ｒ，Ｇに対応する画素にそれぞれ緑、赤、緑の波長成分に応じて発生した情報電荷が蓄積される。
【００５５】
時刻Ｔ2及びＴ3では、情報電荷の再配列が行われる。１組の画素群において両端の画素のポテンシャル井戸に蓄積された情報電荷が１つのポテンシャル井戸に纏められる。時刻Ｔ2では、クロックパルスφ2，φ5，φ8に加えて、クロックパルスφ3，φ4，φ6，φ7がオンとされ、転送電極３０−２，３０−５，３０−８下のポテンシャル井戸に蓄積されていた情報電荷が加算合成される。続いて、時刻Ｔ3では、クロックパルスφ2，φ3，φ7，φ8がオフとされ、転送電極３０−４〜３０−６の下に形成されたポテンシャル井戸に情報電荷が再配置される。
【００５６】
以下は、上記実施の形態の時刻Ｔ4以降と同様に情報電荷を転送することができる。これによって、１組の画素群に蓄積された情報電荷は異なる波長成分（色）に対応する情報電荷が加算合成された合成画像信号として出力部２ｄから出力される。出力信号処理部２０８では、これらの合成画像信号から色分離処理を行う。
【００５７】
ここで、１組とされた画素群を纏めて第ａ行と表すと、第ａ行と第（ａ＋１）行の合成画像信号のうち、同じ列に対応する信号値は、同じ波長成分（色）が混合され、かつ、その混合比が互いに相違するものとなる。出力信号処理部２０８では、これを利用して色分離を行う。
【００５８】
以下、撮像部２ｉの第α行第β列の画素に対応する信号値を、当該画素の色Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応させて記号 Ｒ（α，β）、Ｇ（α，β）、Ｂ（α，β）で表し、また第ａ行の出力画像信号において撮像部２ｉにおける第ｂ列に対応する画像信号値を記号Ｄ（ａ，ｂ）で表す。
【００５９】
図６の画素の配列では、加算合成して得られる画像信号値には、色混合割合が異なる次の４種類が存在する。
【００６０】
【数１】
2005252409.tif 000003
【００６１】
出力信号処理部２０８は、（１）〜（４）式で与えられる混色の信号値に基づいて、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色成分毎に分離された画像信号を生成する。奇数列については（１）及び（２）式を用い、また偶数列については（３）及び（４）式を用い、それぞれ列方向に連続する２組の画素群、ここでは６画素にて得られた情報電荷に基づいて、それらの画素からなる画素領域の位置に対応したサンプリング点での色成分信号値を求める。
【００６２】
この色分離処理の具体例として、奇数列上の連続６画素からなる画素領域に対する処理を説明する。（１）及び（２）式の表現に合わせて、処理対象の画素領域を第（２μ−１）列の第（６λ−５）〜６λ行に位置する６画素からなる領域とする。出力信号処理部２０８は処理対象の画素領域を代表するサンプリング点Ｐ（２λ−１，２μ−１）でのＲ信号値〈Ｒ〉（≡〈Ｒ（２λ−１，２μ−１）〉）とＧ信号値〈Ｇ〉（≡〈Ｇ（２λ−１，２μ−１）〉）とを求める。このとき、当該画素領域内でのＲ及びＧのそれぞれの値を一定値〈Ｒ〉，〈Ｇ〉とみなす近似の下では、数式（１）及び（２）は数式（５）及び（６）に書き換えられる。
【００６３】
【数２】
2005252409.tif 000004
【００６４】
これらより、当該画素領域のサンプリング点での信号値〈Ｒ〉，〈Ｇ〉は、以下の数式（７）及び（８）を用いて求めることができる。
【００６５】
【数３】
2005252409.tif 000005
【００６６】
出力信号処理部２０８は、（７）及び（８）式を計算して〈Ｇ〉，〈Ｒ〉を求める。偶数列（第２μ列）の第（６λ−５）〜６λ行に位置する６画素からなる画素領域に対するサンプリング点Ｐ（２λ−１，２μ）でのＢ，Ｇそれぞれの信号値〈Ｂ〉，〈Ｇ〉は、（３）及び（４）式に基づいて同様にして決定される。このようにして、合成画像信号の第（２λ−１）行と第２λ行とから列毎に信号値の組〈Ｇ〉及び〈Ｒ〉、又は〈Ｂ〉及び〈Ｇ〉が求められる。
【００６７】
また同様に、合成画像信号の第２λ行と第（２λ＋１）行とからも列毎に信号値の組〈Ｇ〉及び〈Ｒ〉、又は〈Ｂ〉及び〈Ｇ〉が求められる。このように色分離処理に用いる２行からなる合成画像信号の組を１行ずつずらして当該色分離処理を行うことにより、合成画像信号と同等行数の色成分信号が得られる。
【００６８】
＜変形例２＞
また、上記実施の形態における撮像装置の制御を応用することによって、撮像時にポテンシャル井戸の飽和レベルを超える情報電荷が発生するような強い光が入射している場合においてもポテンシャル井戸が飽和しない場合に得られるべき理想的な情報電荷量を求めることもできる。
【００６９】
図１３に撮像時及び再配列時におけるタイミングチャートを示し、転送電極の制御について説明を行う。また、図１４には、時刻Ｔ1〜Ｔ3における各転送電極３０−１〜３０−９下におけるポテンシャルの変化の様子を示す。横軸は撮像部２ｉにおける転送方向に沿った位置を示し、縦軸が各位置でのポテンシャルを示す。このとき、図中の下が正電位側、上が負電位側となる。
【００７０】
駆動ドライバ２０６は、タイミング制御回路２０４からの制御信号を受けて、クロックパルスφ1〜φ9をそれぞれ転送電極３０−１〜３０−９に印加する。ＣＣＤ固体撮像素子２０２のＮ型半導体基板（Ｎ−ＳＵＢ）１０は基板電位Ｖsubに固定される。
【００７１】
時刻Ｔ0では、クロックパルスφ1〜φ9の総てがオフとされ、図１４に示すように、転送電極３０−１〜３０−９下にはポテンシャル井戸は形成されず、電荷は基板１０へ排出される。時刻Ｔ1では、１組とされた画素群のうち一端の画素にポテンシャル井戸が形成されるようにクロックパルスが制御される。ここでは、クロックパルスφ2のみがオンとされ、転送電極３０−２下にポテンシャル井戸が形成される。オン状態となった転送電極３０−２の周囲に入射した光に応じて発生した情報電荷はこれらのポテンシャル井戸に蓄積される。次に、時刻Ｔ2では、１組とされた画素群のうち両端の画素にポテンシャル井戸が形成されるようにクロックパルスが制御される。ここでは、クロックパルスφ2に加えてφ8がオンとされ、転送電極３０−２及び３０−８下にポテンシャル井戸が形成される。オン状態となった転送電極３０−２及び３０−８の周囲に入射した光に応じて発生した情報電荷はこれらのポテンシャル井戸に蓄積される。時刻Ｔ3では、情報電荷の再配列が行われる。以下は、上記実施の形態の時刻Ｔ4以降と同様に情報電荷を転送することができる。
【００７２】
すなわち、撮像時において転送電極３０−２の下には撮像期間Ｔと等しいオンゲート期間ＴHだけポテンシャル井戸が形成され、転送電極３０−８の下にはオンゲート期間ＴHより短いオンゲート期間ＴLだけポテンシャル井戸が形成される。
【００７３】
このとき、タイミング制御回路２０４は、前回のフレームにおける最大信号強度に応じてオンゲート期間ＴH及びＴLを制御することが好適である。最大信号強度が小さいほどオフゲート期間が長くなるように、最大信号強度が大きいほどオンゲート期間が長くなるように制御を行う。これは、連続して撮像される画像に含まれる最大信号強度は大きく変化しない傾向があることを利用して撮像期間の制御を行うものである。なお、前回の撮像から長時間が経過した場合や確実に十分なダイナミックレンジを確保したい場合には、一旦予備的に１フレームの画像を撮像及び出力して最大信号強度を検出し、その最大信号強度に基づいて撮像期間の設定を行った後に本番としての撮像を行うものとすることが好ましい。
【００７４】
撮像部２ｉの画素に入射される光が弱い場合、図１５に示すように、単位時間当たりに各画素のポテンシャル井戸に蓄積される情報電荷（図１５のラインＥの傾き）は小さくなる。このような場合、オンゲート期間ＴH及びＴLで蓄積される情報電荷ＱH,total及びＱL,totalは各ポテンシャル井戸の飽和レベルＱmaxよりも小さくなり、十分なダイナミックレンジを確保することができる。
【００７５】
撮像部２ｉの画素に入射される光が強い場合、図１６に示すように、単位時間当たりに画素に蓄積される情報電荷（図１６のラインＦの傾き）は大きくなり、長いオンゲート期間ＴHだけオン状態となる転送電極３０−２の下のポテンシャル井戸に蓄積される情報電荷ＱH,totalはポテンシャル井戸の飽和レベルを超える。一方、短いオンゲート期間ＴLだけオン状態となる転送電極３０−７の下のポテンシャル井戸に蓄積される情報電荷ＱL,totalはポテンシャル井戸の飽和レベルを超えない。従って、情報電荷ＱH,totalとＱL,totalとの和である出力情報電荷量Ｑtotalは、図１６のラインＧのようにニー特性を示す。
【００７６】
撮像部２ｉの画素に入射される光が弱い場合、長いオンゲート期間ＴHで蓄積された情報電荷量ＱH,totalは出力情報電荷量Ｑtotalから数式（９）を用いて算出することができる。同様に、短いオンゲート期間ＴLで蓄積された情報電荷量ＱL,totalは出力情報電荷量Ｑtotalから数式（１０）を用いて算出することができる。ただし、このようにして算出された情報電荷量ＱH,totalが飽和レベルＱmaxを超える値として算出された場合には情報電荷量ＱH,total及び情報電荷量ＱL,totalは数式（１１）及び（１２）によりそれぞれ再計算する必要がある。ＣＣＤ固体撮像素子２０２の撮像部２ｉにおける飽和レベルＱmaxは予め求めておくことができる。
【００７７】
【数４】
2005252409.tif 000006
【００７８】
転送時に撮像部２ｉで発生するスミア電荷の影響が無いと仮定すると、短いオンゲート期間ＴLに蓄積された情報電荷量ＱL,totalと、ポテンシャル井戸が飽和しない程度の十分な容量を有している場合に長いオンゲート期間ＴHにおいて１画素分のポテンシャル井戸に蓄積されるべき理想的な情報電荷Ｑidealとの比ＱL,total／Ｑidealはオンゲート期間の比ＴL／ＴHに等しくなる。従って、理想的な情報電荷量Ｑidealは数式（１３）及び（１４）に基づいて算出することができる。
【００７９】
【数５】
2005252409.tif 000007
【００８０】
予め１画素当たりのポテンシャル井戸の飽和レベルＱmax（又は、飽和レベルＱmaxに相当する出力信号値）を調べておくことによって、撮像期間に蓄積されるべき理想的な出力情報電荷量Ｑitotalを求めることができる。
【００８１】
そこで、ＣＣＤ固体撮像素子２０２からの出力信号に基づいて出力信号処理部２０８で以下の処理を行うことによって理想的な出力信号Ｓidealを求めることができる。すなわち、理想的な出力信号Ｓidealは情報電荷量Ｑitotalに比例する信号であるので、情報電荷量Ｑitotalに所定の係数を掛けることにより出力信号Ｓidealを算出することができる。
【００８２】
以上のように、本変形例２によれば、１組の画素群において異なるオンゲート期間ＴH及びＴLで情報電荷を蓄積することによって、撮像部２ｉの画素に入射される光が強い場合でも、光の強度に応じた正しい情報電荷量や出力信号を求めることができる。従って、画像信号において十分なダイナミックレンジを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施の形態における撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子の撮像部の内部構成の平面図を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子の撮像部の内部構成の断面図を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子の撮像部の内部構成の断面図を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子のカラーフィルタの配置を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子のカラーフィルタの配列を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子に供給されるクロックパルスのタイミングチャートを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における各転送電極下のポテンシャルの状態変化を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子に供給されるクロックパルスのタイミングチャートの別例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子の各転送電極下のポテンシャルの状態変化を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態の変形例１におけるＣＣＤ固体撮像素子に供給されるクロックパルスのタイミングチャートを示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態の変形例１における各転送電極下のポテンシャルの状態変化を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態の変形例２におけるＣＣＤ固体撮像素子に供給されるクロックパルスのタイミングチャートを示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態の変形例２における各転送電極下のポテンシャルの状態変化を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態の変形例２における撮像期間における情報電荷の蓄積の様子を説明する図である。
【図１６】本発明の実施の形態の変形例２における撮像期間における情報電荷の蓄積の様子を説明する図である。
【図１７】従来の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１８】従来のＣＣＤ固体撮像素子の撮像部の内部構成の平面図を示す図である。
【図１９】撮像時における情報電荷の蓄積を説明する図である。
【図２０】従来のＣＣＤ固体撮像素子における撮像時及び転送時に転送電極へ供給されるクロックパルスのタイミングチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
２ｄ  出力部、２ｉ  撮像部、２ｈ  水平転送部、２ｓ  蓄積部、９  半導体基板、１０  半導体基板（Ｎ−ＳＵＢ）、１１，１２  ウェル、１３  絶縁膜、１４  分離領域、２２  チャネル領域、２４  転送電極、３０  転送電極、３２  フィルタ、３４  画素の列、５０  ポテンシャル井戸、１００  撮像装置、１０２  ＣＣＤ固体撮像素子、１０４  タイミング制御回路、１０６  駆動ドライバ、２００  撮像装置、２０２  ＣＣＤ固体撮像素子、２０４  タイミング制御回路、２０６  駆動ドライバ、２０８  出力信号処理部。
【図１】
2005252409.tif 000008
【図２】
2005252409.tif 000009
【図３】
2005252409.tif 000010
【図４】
2005252409.tif 000011
【図５】
2005252409.tif 000012
【図６】
2005252409.tif 000013
【図７】
2005252409.tif 000014
【図８】
2005252409.tif 000015
【図９】
2005252409.tif 000016
【図１０】
2005252409.tif 000017
【図１１】
2005252409.tif 000018
【図１２】
2005252409.tif 000019
【図１３】
2005252409.tif 000020
【図１４】
2005252409.tif 000021
【図１５】
2005252409.tif 000022
【図１６】
2005252409.tif 000023
【図１７】
2005252409.tif 000024
【図１８】
2005252409.tif 000025
【図１９】
2005252409.tif 000026
【図２０】
2005252409.tif 000027