(57)【要約】【課題】低照度の被写体を撮像する際は撮像時の暗電流発生を抑制し、かつ、高照度の被写体を撮像する際は飽和レベルを増大させ、広い照度範囲での高品質な撮像を行う。【解決手段】ＣＣＤ素子１０の転送電極に印加する電圧を制御する電圧制御装置２０は、ＣＣＤ素子１０の出力信号を増幅するゲイン可変の増幅手段２４のゲインを制御するために積分器２６が出力するゲイン信号に基づいて電圧を制御する。電圧制御装置２０は、ゲイン信号が所定のレベルより小さい場合、画素に含まれる全ての転送電極にフラットバンド電圧を印加し、前記画素における暗電流の発生を抑制するオールゲートピニング駆動をさせ、ゲイン信号が所定のレベルより大きい場合、前記画素に含まれる少なくとも１の転送電極に前記フラットバンド電圧より大きい電圧を印加し、オンゲート駆動をさせる。【選択図】図５
2005304009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転送電極が設けられた画素を含み、撮像時に前記画素に入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積し、転送時に前記転送電極に電圧を印加することにより前記情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号を出力する電荷結合素子の転送電極に印加する電圧を制御する電圧制御装置であって、
前記画素に入射する光の強度に応じて前記電圧を制御し、撮像時における前記転送電極下方の前記情報電荷が流通する転送チャネル領域および半導体界面の電位を変化させることを特徴とする電圧制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電圧制御装置であって、
前記入射する光の強度が所定のしきい値光強度より小さい場合、前記画素に含まれる全ての転送電極にフラットバンド電圧を印加させるオールゲートピニング駆動を行い、前記画素における撮像時の暗電流の発生を抑制することを特徴とする電圧制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電圧制御装置であって、
前記入射する光の強度が所定のしきい値光強度より大きい場合、前記画素に含まれる少なくとも１の転送電極に前記フラットバンド電圧より大きい電圧を印加させるオンゲート駆動を行い、前記転送電極の下方に形成されるポテンシャル井戸の情報電荷蓄積容量を前記オールゲートピニング駆動時より大きくさせることを特徴とする電圧制御装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電圧制御装置と、
前記電圧制御装置により制御された電圧が転送電極に印加される電荷結合素子と、
前記電荷結合素子の出力信号を増幅し、出力するゲイン可変の増幅手段と、前記増幅手段の出力信号を取得し、前記増幅手段の出力信号強度を所定の大きさに制御するためのゲイン信号を前記増幅手段に出力する積分器とを有する信号処理手段と、
を備えた撮像装置であって、
前記電圧制御手段は、前記ゲイン信号を取得し、前記画素に入射する光の強度を反映した信号である前記ゲイン信号に基づいて前記電圧を制御することを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項３に記載の電圧制御装置と、
前記電圧制御装置により制御された電圧が転送電極に印加される電荷結合素子と、
前記電荷結合素子の出力信号を増幅し、出力するゲイン可変の増幅手段と、前記増幅手段の出力信号を取得し、前記増幅手段の出力信号強度を所定の大きさに制御するためのゲイン信号を前記増幅手段に出力する積分器とを有する信号処理手段と、
を備えた撮像装置であって、
前記電圧制御手段は、前記ゲイン信号を取得し、前記画素に入射する光の強度を反映した信号である前記ゲイン信号の大きさに基づいて前記オールゲートピニング駆動とオンゲート駆動とを切り換える電圧制御を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の撮像装置において、
前記信号処理手段は、前記受け取った信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換手段を備え、
前記オールゲートピニング駆動時における前記電荷結合素子出力の飽和電圧に前記増幅手段のゲインを乗じた信号強度が前記Ａ−Ｄ変換手段の最大入力レベルに所定のオフセット量を加えたレベルより小さい場合、前記電圧制御手段は、前記転送電極に前記オンゲート駆動電圧を印加し、
前記オールゲートピニング駆動時における前記電荷結合素子出力の飽和電圧に前記増幅手段のゲインを乗じた信号強度が前記Ａ−Ｄ変換手段の最大入力レベルに所定のオフセット量を加えたレベルより大きい場合、前記電圧制御手段は、前記転送電極に前記オールゲートピニング駆動電圧を印加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、
前記信号処理手段は、前記オンゲート駆動からオールゲートピニング駆動への移行時と、前記オールゲートピニング駆動からオンゲート駆動への移行時とにおいて、前記オフセット量が異なるように設定され、該移行のハンチング現象を防止することを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
転送電極が設けられた画素を含み、撮像時に前記画素に入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積し、転送時に前記転送電極に電圧を印加することにより前記情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号を出力する電荷結合素子の転送電極に印加する電圧を制御する電圧制御方法であって、
前記画素に入射する光の強度情報を取得する入射光強度取得ステップと、
前記取得した入射光強度に応じて前記電圧を制御する電圧制御ステップと、
を含み、
撮像時における前記転送電極下方の前記情報電荷が流通する転送チャネル領域および半導体界面の電位を変化させることを特徴とする電圧制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載の電圧制御方法であって、
前記電圧制御ステップにおいて、前記入射する光の強度が所定のしきい値光強度より小さい場合、前記画素に含まれる全ての転送電極にフラットバンド電圧を印加させるオールゲートピニング駆動をさせることを特徴とする電圧制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の電圧制御方法であって、
前記電圧制御ステップにおいて、前記入射する光の強度が所定のしきい値光強度より大きい場合、前記画素に含まれる少なくとも１の転送電極に前記フラットバンド電圧より大きい電圧を印加させるオンゲート駆動を行い、前記転送電極の下方に形成されるポテンシャル井戸の情報電荷蓄積容量を前記オールゲートピニング駆動時より大きくさせることを特徴とする電圧制御方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の電圧制御方法であって、
前記電荷結合素子の出力信号を増幅し、増幅信号を出力する信号増幅ステップと、
前記増幅信号を取得し、前記増幅ステップにおける増幅信号強度を所定の大きさに制御するためのゲイン信号を前記増幅手段に出力するゲイン信号生成ステップと、
を含み、
前記電圧制御ステップは、前記画素に入射する光の強度を反映した信号である前記ゲイン信号に基づいて前記オールゲートピニング駆動とオンゲート駆動とを切り換えるステップであることを特徴とする電圧制御方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電圧制御方法において、
前記増幅信号を取得し、デジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換ステップを含み、
前記電圧制御ステップは、前記オールゲートピニング駆動時における前記電荷結合素子出力の飽和電圧に前記増幅手段のゲインを乗じた信号強度が前記Ａ−Ｄ変換手段の最大入力レベルに所定のオフセット量を加えたレベルより小さい場合、前記転送電極に前記オンゲート駆動電圧を印加し、
前記オールゲートピニング駆動時における前記電荷結合素子出力の飽和電圧に前記増幅手段のゲインを乗じた信号強度が前記Ａ−Ｄ変換手段の最大入力レベルに所定のオフセット量を加えたレベルより大きい場合、前記転送電極に前記オールゲートピニング駆動電圧を印加するステップであることを特徴とする電圧制御方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電圧制御方法において、
前記電圧制御ステップにおいて、前記オンゲート駆動からオールゲートピニング駆動への移行時と、前記オールゲートピニング駆動からオンゲート駆動への移行時とにおいて、前記オフセット量が異なり、該移行のハンチング現象を防止することを特徴とする電圧制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷結合素子の転送電極に印加する電圧を制御する電圧制御装置、特に被写体の照度に応じて電荷結合素子特性を制御する電圧制御装置、この電圧制御装置を備えた撮像装置、および電圧制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷結合素子を含む半導体固体撮像素子で撮像される画像の品質は、光電変換される情報電荷量とランダムノイズとの比によって決められる。また、半導体固体撮像素子で撮像できる被写体の照度範囲は、主に飽和信号量によって決められる。室内や夜間等の暗く照度が低い被写体の撮像においては、光電変換される情報電荷量が少ないため、情報電荷量に対する暗電流ショット・ノイズの相対的な割合が増え、画像信号のＳＮ比が悪くなる。一方、晴天の屋外等の明るく照度が高い被写体の撮像においては、光電変換される情報電荷量が多く、情報電荷量が蓄積容量を超えて飽和が起こり、「白飛び」が発生しやすい。
【０００３】
ここで、暗電流ショット・ノイズの発生について説明する。図１は、電荷結合素子撮像領域の断面構造を概念的に示す図である。ｎ型Ｓｉ基板２００上にｐウェル２０２が形成され、ｐウェル２０２の転送電極φ１からφ４（クロック名と転送電極名に同一の呼称を使用する）の下にはｎ層２０４が形成されて、ｎｐｎ構造が形成されている。基板２００表面と、転送電極との間には、絶縁のためＳｉ酸化膜が挿入されている。
【０００４】
上記のような断面構造を備える電荷結合素子において、撮像時には、一般に転送電極φ１，φ３に画素分離を行うような負電圧を印加し、転送電極φ２，φ４にオンゲート電圧と呼ばれる電荷蓄積するような正電圧を印加させる。このオンゲート電圧印加時の、図１のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’線におけるポテンシャルプロフィールを図２に示す。ゲートφ２下のＢ−Ｂ’線のポテンシャル井戸（深さＤon）に電荷が蓄積され、ｘ方向のどの点においてもＢ−Ｂ’線よりポテンシャルが高いＡ−Ａ’線のポテンシャル、すなわちゲートφ１，φ３により電荷分離が行われる。ポテンシャル井戸は、ゲート下のＳｉＯ２−Ｓｉ界面の空乏層に連続して形成されるため、界面準位から発生した電荷がポテンシャル井戸に蓄積される。この情報電荷と無関係な電荷の流入により暗電流ショット・ノイズが発生し、白色雑音となって画像信号のＳＮ比が悪くなる。
【０００５】
そこで、照度が低い被写体の撮像時における画像信号のＳＮ比を改善するための暗電流の発生を抑制する方法として、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：以下、ＣＣＤという）をオールゲートピニング（Ａｌｌ  Ｇａｔｅ  Ｐｉｎｎｉｎｇ：以下、ＡＧＰという）駆動する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ここで、ＡＧＰ駆動とその作用について説明する。図３は、電荷結合素子撮像領域の断面構造を概念的に示す図である。ｎ型Ｓｉ基板３００上にｐウェル３０２が形成され、ｐウェル３０２の転送電極φ１〜φ４（クロック名と転送電極名に同一の呼称を使用する）の下にはｎ層３０４が形成されて、ｎｐｎ構造が形成されている。図１に示した構造との差異は、不純物分布およびゲート電圧の大きさの違いにある。転送電極φ１の下にはｎ+層３０６が形成される。ｎ+層３０６の不純物濃度はｎ層３０４よりも高い。基板３００表面と、転送電極との間には、絶縁のためＳｉ酸化膜が挿入されている。
【０００７】
上記のような断面構造を備えるＣＣＤにおいて、転送電極に印加させる電圧（ゲート電圧）が零の場合、金属である転送電極と、半導体であるＳｉ基板３００とのフェルミ準位における電子のエネルギー差により、Ｓｉ酸化膜界面のＳｉのエネルギーバンドが曲げられて空乏層が形成される。このＳｉのエネルギーバンドの曲がりは、転送電極に印加する電圧により変更することができる。Ｓｉ酸化膜界面のＳｉのエネルギーバンドを平らにさせる転送電極電圧をフラットバンド電圧といい、転送電極にフラットバンド電圧を印加する駆動方法をＡＧＰ駆動という。
【０００８】
フラットバンド電圧印加時の、図３のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’線におけるポテンシャルプロフィールを図４に示す。転送電極φ２，φ４には電荷を蓄積されるような電圧が印可され、ＢＢ０Ｂ１に示されるポテンシャル井戸（深さＤAGP）が形成されて電荷蓄積が可能となり、転送電極φ１，φ３には画素分離を行うような電圧が印加され、ＡＡ１Ａに示されるようにＳｉ界面からＳｉ内部に向かって一様にポテンシャルが低下するように不純物分布が設計されている。
【０００９】
電荷蓄積時の転送電極電圧をフラットバンド電圧とするＡＧＰ駆動を行うことにより、転送電極下のＳｉ酸化膜−Ｓｉ界面が非空乏化、すなわち界面がピニング状態となる。したがって、界面から発生した暗電流は界面近傍に形成されるホール群で中和されて、基板内部に形成されるポテンシャル井戸への界面準位からの電荷の流入が回避され、白色雑音の発生が抑制される。さらにＡＧＰ駆動を行うことにより個々の画素の暗電流が抑制されるのみならず、ＣＣＤの備える複数の画素間の暗電流ムラも低減することができる。
【００１０】
【特許文献１】特許第２６０４２５０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、ＣＣＤの転送電極をＡＧＰ駆動することにより、白色雑音の発生を抑制できるものの、ＡＧＰ駆動時の情報電荷を蓄積するポテンシャル井戸の深さＤAGPは、オンゲート駆動時のポテンシャル井戸の深さＤonと比べて浅くなる。したがって、画素に太陽や輝度が高い照明等からの強い光が入射した場合、発生した情報電荷量がポテンシャル井戸に蓄積可能な飽和レベルを超えてしまい、階調情報が得られず画像信号のダイナミックレンジが低下してしまう。その結果、いわゆる白飛び等が発生し、画像の品質が低下してしまう問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、低照度の被写体を撮像する際は撮像時の暗電流発生を抑制し、かつ、高照度の被写体を撮像する際は飽和レベルを増大させ、広い照度範囲での高品質な撮像をすることができる電荷結合素子の転送電極電圧制御装置および電圧制御方法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】
【００１３】
本発明の電圧制御装置は、転送電極が設けられた画素を含み、撮像時に前記画素に入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積し、転送時に前記転送電極に電圧を印加することにより前記情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号を出力する電荷結合素子の転送電極に印加する電圧を制御する電圧制御装置であって、前記画素に入射する光の強度に応じて前記電圧を制御し、撮像時における前記転送電極下方の前記情報電荷が流通する転送チャネル領域および半導体界面の電位を変化させる。
【００１４】
また、本発明の他の態様によれば、前記入射する光の強度が所定のしきい値光強度より小さい場合、前記画素に含まれる全ての転送電極にフラットバンド電圧を印加させるオールゲートピニング駆動を行い、前記画素における撮像時の暗電流の発生を抑制する。
【００１５】
また、本発明の他の態様によれば、前記入射する光の強度が所定のしきい値光強度より大きい場合、前記画素に含まれる少なくとも１の転送電極に前記フラットバンド電圧より大きい電圧を印加させるオンゲート駆動を行い、前記転送電極の下方に形成されるポテンシャル井戸の情報電荷蓄積容量を前記オールゲートピニング駆動時より大きくさせる。
【００１６】
また、本発明の撮像装置は、前記電圧制御装置により制御された電圧が転送電極に印加される電荷結合素子と、前記電荷結合素子の出力信号を増幅し、出力するゲイン可変の増幅手段と前記増幅手段の出力信号を取得し、前記増幅手段の出力信号強度を所定の大きさに制御するためのゲイン信号を前記増幅手段に出力する積分器とを有する信号処理手段と、を備えた撮像装置であって、前記電圧制御手段は、前記ゲイン信号を取得し、前記画素に入射する光の強度を反映した信号である前記ゲイン信号に基づいて前記電圧を制御する。
【００１７】
また、本発明の他の態様によれば、前記電圧制御装置により制御された電圧が転送電極に印加される電荷結合素子と、前記電荷結合素子の出力信号を増幅し、出力するゲイン可変の増幅手段と前記増幅手段の出力信号を取得し、前記増幅手段の出力信号強度を所定の大きさに制御するためのゲイン信号を前記増幅手段に出力する積分器とを有する信号処理手段と、を備えた撮像装置であって、前記電圧制御手段は、前記ゲイン信号を取得し、前記画素に入射する光の強度を反映した信号である前記ゲイン信号の大きさに基づいて前記オールゲートピニング駆動とオンゲート駆動とを切り換える電圧制御を行う。
【００１８】
また、本発明の他の態様によれば、前記信号処理手段は、前記受け取った信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換手段を備え、前記オールゲートピニング駆動時における前記電荷結合素子出力の飽和電圧に前記増幅手段のゲインを乗じた信号強度が前記Ａ−Ｄ変換手段の最大入力レベルに所定のオフセット量を加えたレベルより小さい場合、前記電圧制御手段は、前記転送電極に前記オンゲート駆動電圧を印加し、前記オールゲートピニング駆動時における前記電荷結合素子出力の飽和電圧に前記増幅手段のゲインを乗じた信号強度が前記Ａ−Ｄ変換手段の最大入力レベルに所定のオフセット量を加えたレベルより大きい場合、前記電圧制御手段は、前記転送電極に前記オールゲートピニング駆動電圧を印加する。
【００１９】
また、本発明の他の態様によれば、前記信号処理手段は、前記オンゲート駆動からオールゲートピニング駆動への移行時と、前記オールゲートピニング駆動からオンゲート駆動への移行時とにおいて、前記オフセット量が異なるように設定され、該移行のハンチング現象を防止する。
【００２０】
また、本発明の電圧制御方法は、転送電極が設けられた画素を含み、撮像時に前記画素に入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積し、転送時に前記転送電極に電圧を印加することにより前記情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号を出力する電荷結合素子の転送電極に印加する電圧を制御する電圧制御方法であって、前記画素に入射する光の強度情報を取得する入射光強度取得ステップと、前記取得した入射光強度に応じて前記電圧を制御する電圧制御ステップと、を含み、撮像時における前記転送電極下方の前記情報電荷が流通する転送チャネル領域および半導体界面の電位を変化させる。
【００２１】
また、本発明の他の態様によれば、前記電圧制御ステップにおいて、前記入射する光の強度が所定のしきい値光強度より小さい場合、前記画素に含まれる全ての転送電極にフラットバンド電圧を印加させるオールゲートピニング駆動をさせる。
【００２２】
また、本発明の他の態様によれば、前記電圧制御ステップにおいて、前記入射する光の強度が所定のしきい値光強度より大きい場合、前記画素に含まれる少なくとも１の転送電極に前記フラットバンド電圧より大きい電圧を印加させるオンゲート駆動を行い、前記転送電極の下方に形成されるポテンシャル井戸の情報電荷蓄積容量を前記オールゲートピニング駆動時より大きくさせる。
【００２３】
また、本発明の他の態様によれば、前記電荷結合素子の出力信号を増幅し、増幅信号を出力する信号増幅ステップと、前記増幅信号を取得し、前記増幅ステップにおける増幅信号強度を所定の大きさに制御するためのゲイン信号を前記増幅手段に出力するゲイン信号生成ステップと、を含み、前記電圧制御ステップは、前記画素に入射する光の強度を反映した信号である前記ゲイン信号に基づいて前記オールゲートピニング駆動とオンゲート駆動とを切り換えるステップである。
【００２４】
また、本発明の他の態様によれば、前記増幅信号を取得し、デジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換ステップを含み、前記電圧制御ステップは、前記オールゲートピニング駆動時における前記電荷結合素子出力の飽和電圧に前記増幅手段のゲインを乗じた信号強度が前記Ａ−Ｄ変換手段の最大入力レベルに所定のオフセット量を加えたレベルより小さい場合、前記転送電極に前記オンゲート駆動電圧を印加し、前記オールゲートピニング駆動時における前記電荷結合素子出力の飽和電圧に前記増幅手段のゲインを乗じた信号強度が前記Ａ−Ｄ変換手段の最大入力レベルに所定のオフセット量を加えたレベルより大きい場合、前記転送電極に前記オールゲートピニング駆動電圧を印加するステップである。
【００２５】
また、本発明の他の態様によれば、前記電圧制御ステップにおいて、前記オンゲート駆動からオールゲートピニング駆動への移行時と、前記オールゲートピニング駆動からオンゲート駆動への移行時とにおいて、前記オフセット量が異なり、該移行のハンチング現象を防止する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、電荷結合素子を含む撮像装置において、広い被写体照度範囲で高品質な画像信号を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００２８】
図５は、本発明の実施形態に係る撮像装置１００のＣＣＤ素子１０に接続される装置の構成を示すブロック図である。撮像装置１００は、レンズ等の光学系（図示せず）を通して集光された入射光の光電変換を行い画像信号を生成するＣＣＤ素子１０と、ＣＣＤ素子１０からの画像信号のデジタル信号処理を行うための前段に設けられアナログ信号処理を行うアナログフロントエンド回路（ＡＥ）２２と、ＡＥ２２で生成された信号に応じてＣＣＤ素子１０を駆動するための電圧制御装置２０と、を含む。ＣＣＤ素子１０には、光電変換期間を制限するための電子シャッター（図示せず）を備える。
【００２９】
ＣＣＤ素子１０は、転送電極が設けられた画素を含み、撮像時に前記画素に入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積し、転送時に前記転送電極に電圧を印加することにより前記情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号を出力する。本実施形態において、ＣＣＤ素子１０は、フレーム・トランスファ方式（Ｆｒａｍｅ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ；ＦＴ）であって、光電変換および垂直転送を行う撮像領域１２と、撮像領域１２から垂直転送された電荷を蓄積する蓄積領域１４と、蓄積領域１４に蓄積された電荷を順に水平転送する水平レジスタ１６と、転送された電荷を電圧信号に変換する出力部１８とを備える。
【００３０】
撮像領域１２および蓄積領域１４は、垂直方向（図１の縦方向）に延伸され、電荷が流通するチャネル領域とそれに交差する転送電極とから構成される垂直シフトレジスタを含む。撮像領域１２の各垂直シフトレジスタの各ビットはそれぞれ受光画素として機能する。蓄積領域１４の垂直シフトレジスタの各垂直シフトレジスタの各ビットは、それぞれ遮光され情報電荷を蓄積する蓄積画素として機能する。
【００３１】
また、撮像領域１２の１つの画素に含まれる少なくとも１つの転送電極の下方のチャネル領域には、Ｐ型またはＮ型不純物がドーピングされ、ポテンシャルのバリアを形成させている。このポテンシャルバリアの形成される領域と形成されていない領域とにより浅いポテンシャル井戸が形成される。後述するように不純物濃度は、転送電極への電圧（フラットバンド電圧）印加により界面のエネルギーバンドが平らにできるように決められる。
【００３２】
ＣＣＤ素子１０の転送電極には、電源から電力の供給を受けた電圧制御装置２０がそれぞれ電気的に接続される。電圧制御装置２０は、後述する所定の制御信号に応じてＣＣＤ素子１０の転送電極に印加する電圧を変化させ、ＣＣＤ素子１０の撮像、垂直転送および水平転送動作を駆動する。転送電極は、半導体上にゲート絶縁膜を介して配置される。
【００３３】
ＣＣＤ素子１０の出力部１８は、ＡＥ２２に電気的に接続される。ＡＥ２２は、出力部１８の出力信号を受け取り後段のＡ−Ｄコンバータに入力する画像信号の入力レベルを所定のレベルまで増幅するゲイン制御できる増幅手段であるオートゲインアンプ（Ａｕｔｏ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＡＧＣ）２４と、ＡＧＣ２４の出力信号を受け取りその信号を積分し、ＡＧＣ２４の出力信号強度に応じたゲイン信号を生成する積分器２６と、ＡＧＣ２４の出力信号を受け取りその信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換手段であるＡ−Ｄコンバータ２８とを含む。デジタル信号に変換された信号は、出力部（図示せず）から後続の画像信号処理を行うデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）に送られる。ＡＥ２２は、ＡＧＣ２４の前段の入力信号に含まれるノイズを除去して信号成分のみを得るためのＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路等のサンプリング手段を備えることも好ましい。
【００３４】
積分器２６の出力端子は、ＡＧＣ２４の増幅手段に電気的に接続される。ＡＧＣ２４の増幅手段のゲインは、積分器２６から出力されたゲイン信号によりＡＧＣ２４の出力信号強度が所定の強度となるように制御される。たとえば、暗い被写体を撮影する場合、ＣＣＤ素子１０の撮像領域１２において光電変換される電荷量は小さいため、出力部１８から出力される出力信号の強度は小さい。そのような場合、Ａ−Ｄコンバータ２８において精度の高いアナログ−デジタル変換を行うためにＡ−Ｄコンバータ２８に入力される信号強度が所定の強度となるようにＡＧＣ２４が、積分器２６からのゲイン信号に応じて信号強度を増幅する。
【００３５】
ゲイン信号は、ＡＧＣ２４の出力を一定にするためのゲインを制御する信号であるから、ＣＣＤ素子１０の出力強度に応じた信号である。したがって、ゲイン信号は、ＣＣＤ素子１０の撮像領域１２の画素に入射する光の強度に応じた信号となっている。
【００３６】
電圧制御装置２０は、積分器２６の出力端子に電気的に接続され、ゲイン信号を画素に入射する光の強度に応じた信号として受け取る。本発明に特徴的なことは、電圧制御装置２０が、画素に入射する光の強度に応じて撮像時における転送電極に印加する電圧を制御することである。転送電極に印加する電圧を変化させることにより、転送電極下方の、情報電荷が流通する転送チャネル領域および、半導体と絶縁膜との界面の電位を変化させることができる。
【００３７】
被写体が暗くＣＣＤ素子１０の画素に入射する光の強度が予め定められた所定のしきい値光強度より小さい場合、電圧制御装置２０は、ＣＣＤ素子１０に含まれる撮像領域１２の画素に含まれる全ての転送電極にフラットバンド電圧を印加させる。全ての転送電極にフラットバンド電圧を印加させるＡＧＰ駆動により、転送電極下のＳｉ酸化膜−Ｓｉ界面が非空乏化、すなわち界面がピニング状態となる。したがって、界面から発生した暗電流は界面近傍に形成されるホール群で中和されて、基板内部に形成されるポテンシャル井戸への界面準位からの電荷の流入が回避され、白色雑音の発生が抑制される。さらにＡＧＰ駆動を行うことにより個々の画素の暗電流が抑制されるのみならず、ＣＣＤの備える複数の画素間の暗電流ムラも低減することができる。
【００３８】
撮像期間にポテンシャル井戸に蓄積された情報電荷は、転送期間に撮像領域１２から蓄積領域１４に転送される。転送期間中は、電圧制御装置２０は、転送電極にポテンシャル井戸の深さを順に変化さる所定の転送電圧を印加させる。
【００３９】
一方、被写体が明るくＣＣＤ素子１０の画素に入射する光の強度が大きい場合、撮像時において光電変換により多くの電荷が転送チャネル領域に発生する。発生する情報電荷量がポテンシャル井戸に蓄積可能な飽和レベルを超えると、階調情報が得られず画像信号のダイナミックレンジが低下してしまう。その結果、いわゆる白飛び等が発生し、画像の品質が低下してしまう。
【００４０】
そこで、ＣＣＤ素子１０の画素に入射する光の強度が予め定められた所定のしきい値光強度を超えた場合、電圧制御装置２０は、画素に含まれる少なくとも１の転送電極にフラットバンド電圧より大きい電圧を印加させ、画素のチャネル領域に電位井戸を形成させるオンゲート駆動を行う。オンゲート駆動により、前記転送電極の下方に形成されるポテンシャル井戸の情報電荷蓄積容量を前記オールゲートピニング駆動時より大きくさせる。したがって、オンゲート駆動時には、ＡＧＰ駆動時と比べより多くの情報電荷を蓄積することができるため、情報電荷蓄積の飽和レベルが向上する。このため、オンゲート駆動によれば、ＡＧＰ駆動時には情報電荷の飽和が生じ階調情報が得られなかった明るい被写体に対しても階調情報が得られ、画像信号のダイナミックレンジが向上する。その結果、いわゆる白飛び等の発生が抑制でき、画像の品質を向上することができる。
【００４１】
このオンゲート駆動時には、半導体の界面はピンニング状態とはなっていないので、暗電流の発生量はＡＧＰ駆動時と比べて多い。しかしながら、被写体が明るいため情報電荷の発生量が暗電流の発生量と比べて多く、また、ＡＧＣ２４のゲインも小さいため暗電流成分が画像情報の中で目立つことはない。
【００４２】
本実施形態に係る撮像装置１００によれば、電圧制御装置２０は、被写体が暗く画素に入射する光の強度が所定のしきい値光強度より小さい場合、ＣＣＤ素子１０をＡＧＰ駆動して、被写体が明るく画素に入射する光の強度が所定のしきい値より大きい場合、オンゲート駆動させる。したがって、被写体が暗くＡＧＣのゲインが大きくなり暗電流成分が目立つ状況では暗電流の発生を抑制し、被写体が明るく情報電荷の飽和が起こりやすい状況では情報電荷の蓄積容量を大きくすることができ、広い照度範囲で高品質な撮像をすることができる。
【００４３】
ここで、ＣＣＤ素子１０の撮像領域１２における転送電極下方のチャネル領域の不純物濃度分布について説明する。不純物濃度分布は、転送電極にフラットバンド電圧が印加されるＡＧＰ駆動時において、画素に含まれる少なくとも１の転送電極下方のＳｉ基板表面から少し基板に入ったところにポテンシャル井戸が形成されると共に、画素分離を行う前記１以外の転送電極への電圧印加により、図４のＡＡ１Ａ’線で示すようにＳｉ基板表面から内部に向かって一様にポテンシャルが低下するように決められる。この条件を満足する不純物濃度分布とフラットバンド電圧との組み合わせは多様であり、当業者には明らかである。また、明らかなように不純物濃度分布は相対的なものであり、図２および図４に示すポテンシャルプロフィールが得られる不純物濃度分布が得られれば、不純物の導電型に関わらず実施することができる。
【００４４】
また、本実施形態に係る撮像装置１００において、所定のしきい値光強度より小さい場合、フラットバンド電圧を全ての転送電極に印加させるものとしたが、印加電圧はＳｉ酸化膜界面のＳｉのエネルギーバンドを完全に平らにさせるほどではなく、零電圧とした場合のＳｉ酸化膜界面のＳｉのエネルギーバンドの傾きより小さくさせる電圧としてもよい。その場合であっても、印加電圧を零電圧とした時よりも暗電流を抑制することができる。
【００４５】
印加電圧は、ＣＣＤ素子１０に要求されるポテンシャル井戸の深さ、すなわち情報電荷の蓄積容量と許容できる暗電流量により決められる。同様にオンゲート駆動における画素の各転送電極に印加する電圧もそれぞれ、ＣＣＤ素子１０に要求される飽和電荷量に応じて適宜決められる。
【００４６】
電圧制御装置２０は、画素に入射する光の強度に応じた信号として、ＡＧＣ２４のゲインを制御するためのゲイン信号を受け取る構成としたが、電圧制御装置２０の制御信号は画素に入射する光の強度に応じた信号であれば、ゲイン信号に限らない。撮像装置１００は、画素に入射する光の強度に応じた信号を生成する光強度検知器を撮像素子と独立して備え、電圧制御装置２０は、その信号に応じて転送電極に印加する電圧を制御しても良い。
【００４７】
次に、電圧制御装置２０がＡＧＰ駆動とオンゲート駆動とを切り換える、しきい値であるしきい値光強度について説明する。しきい値光強度は、撮像装置１００に要求される仕様等によってＣＣＤ素子１０およびＡＥ２２のＡ−Ｄコンバータ２８の特性、撮像信号に許容される暗電流ノイズ割合、飽和限界照度等から決められる。
【００４８】
ここで、ＡＥ２２のＡ−Ｄコンバータ２８において、画像信号の精度の高いアナログ−デジタル変換をするためには、Ａ−Ｄコンバータ２８の入力レベル信号が、最大出力レベルに対応する入力レベル信号である最大入力レベル信号より大きく、Ａ−Ｄコンバータ２８のダイナミックレンジを有効に活用することが好ましい。また、Ａ−Ｄコンバータ２８の入力レベル信号レベルを最大入力レベルにさらにマージンを加えたレベルとすることにより、画素ごとの飽和レベルムラを解消することができる。
【００４９】
Ａ−Ｄコンバータ２８には、ＡＧＣ２４によりＣＣＤ素子１０の出力信号が増幅された増幅信号が入力される。一方、ＣＣＤ素子１０の最大出力レベルは、撮像領域１２の飽和レベルによって決まる。したがって、ＣＣＤ素子１０のＡＧＰ駆動時における最大出力レベルをＢ、ＡＧＣ２４の増幅ゲインをＧ、Ａ−Ｄコンバータ２８の最大入力レベルをＣとすると、
Ｂ×Ｇ＞Ｃ＋ａ    （１）
を満たす条件でＡＧＰ駆動すれば、Ａ−Ｄコンバータ２８のダイナミックレンジを有効に活用できる。ここで、ａは、オフセットのマージン量である。一方、被写体が明るくＧが小さい時には（１）を満たさなくなる。その場合、オンゲート駆動に切り換えれば良い。
【００５０】
したがって、（１）をＡＧＰ駆動とオンゲート駆動とを切り換える、しきい値光強度とすることが好ましい。
【００５１】
さらに、ＡＧＰ駆動とオンゲート駆動との移行のハンチング現象を抑制するためにＡＧＰ駆動からオンゲート駆動に移行するレベルと、オンゲート駆動からＡＧＰ駆動に移行するレベルとを異なるように設定することが好ましい。その設定は、（１）におけるオフセットマージン量をａおよびｂ（ａ＞ｂ）として、オンゲート駆動からＡＧＰ駆動への移行を
Ｂ×Ｇ＞Ｃ＋ａ    （１）
とし、ＡＧＰ駆動からオンゲート駆動への移行を、
Ｂ×Ｇ＜Ｃ＋ｂ    （２）
とする。
【００５２】
図６に被写体の明るさが時間と共に変化していった場合の、ＡＧＰ駆動とオンゲート駆動との切り換えタイミングを示す図である。図６（ａ）は、横軸に時間、縦軸に明るさをとり、被写体の明るさをプロットした図である。図６（ｂ）は、横軸に時間をとり、ＡＧＣ２４の増幅ゲインＧをプロットした図である。図６（ｃ）は、横軸に時間をとり、Ａ−Ｄコンバータ２８の最大入力レベルをプロットした図である。図６（ａ），（ｂ），（ｃ）の時間軸はそれぞれ揃えられている。オンゲート駆動時における最大出力レベルをＡ、ＡＧＰ駆動時における最大出力レベルをＢ、Ａ−Ｄコンバータ２８の最大入力レベルをＣでそれぞれ示している。オンゲート駆動とＡＧＰ駆動との蓄積容量の大きさの違いによりＡ＞Ｂである。ＡおよびＢのレベルは、ＣＣＤ装置１０の仕様により予め既知となっている。
【００５３】
図６（ａ）に示すように、被写体の明るさは、初期状態（時間０）において最も明るく、時間と共に暗くなった後、再び明るくなっていくものとしている。
【００５４】
初期状態において、（２）の条件を満たすため、電圧制御装置２０は、ＣＣＤ素子１０の転送電極をオンゲート駆動している。また、Ｇは最小ゲインとなっている。図６（ｃ）に示すようにＡ−Ｄコンバータ２８の最大入力レベルは、オンゲート駆動の飽和レベルＡとなる。このとき、ＣＣＤ装置１００の画素に単位時間当たりの入射する光量を減らすため、撮像装置１００の電子シャッターは、露光時間を短くしている。電子シャッターの露光時間は、例えば、ＧとＡ−Ｄコンバータ２８の入力レベルとによって決められる。
【００５５】
時間と共に被写体が暗くなると、電子シャッターは画素に入射する光量を増やすために露光時間を長くしてゆく。被写体が所定の明るさとなる時間ｔ１で電子シャッターは全開となる。
【００５６】
さらに被写体が暗くなると、ＡＧＣ２４が動作を始め、図６（ｂ）に示すゲインＧが最小ゲインから次第に大きくなる。ＡＧＰ駆動における最大出力レベルＢにゲインＧを乗じたレベルＢ×Ｇが、ａを第１のオフセットマージンとして、Ｃ＋ａより大きくなる時間ｔ２において、電圧制御装置２０は、オンゲート駆動からＡＧＰ駆動に切り換える。
【００５７】
さらに被写体が暗くなると、ＡＧＣ２４のゲインは最大ゲインとなる。それ以上暗くなった場合には、Ｂ×Ｇは、図６（ｃ）に示すようにもはや明るさによらず、一定となる。
【００５８】
次に、被写体の明るさが明るくなってゆくと、ＡＧＣ２４のゲインは、図６（ｂ）に示すように最大ゲインから減少していき、ＡＧＰ駆動における最大出力レベルＢにゲインＧを乗じたレベルＢ×Ｇが、図６（ｃ）に示すように、ｂを第２のオフセットマージンとして、Ｃ＋ｂより小さくなる時間ｔ３において、電圧制御装置２０は、ＡＧＰ駆動からオンゲート駆動に切り換える。
【００５９】
ＡＧＰ駆動とオンゲート駆動との切り換えは、画像信号のフレーム切り換え時に行うことが好ましい。切り替えをフレーム切り換え時に行うことにより、１フレーム内で信号強度が変化してしまうことが無く、被写体の明るさに応じて的確に動作を切り換えることができる。
【００６０】
本実施形態に係る撮像装置１００によれば、ＡＧＰ駆動とオンゲート駆動との切り換えレベルが、オンゲート駆動からＡＧＰ駆動への移行時と、ＡＧＰ駆動からオンゲート駆動への移行時とで異なるので、切り替えのハンチング現象を抑制することができる。
【００６１】
本実施形態において、ａ＞ｂとしたが、ａ＜ｂとしても同様にハンチング現象を抑制することができる。また、ａおよびｂの値は、撮像装置の仕様、電圧制御装置の電圧制御応答時間等によって適宜決められる。また、本実施形態において、Ａ＞Ｃ＞Ｂとしたが、Ｃのレベルはこの関係で無く、Ａ＜ＣであってもＢ＞Ｃであっても、（１）および（２）の関係を満たせば、ＡＧＰ駆動とオンゲート駆動との切り換えにおいて、Ａ−Ｄコンバータ２８のダイナミックレンジを有効に活用できる。
【００６２】
また、本実施形態に係る撮像装置１００において、ＣＣＤ素子１０をＦＴ方式としたが、ＦＴ方式に限らず、ＣＣＤであればどのような方式のものにも適用できる。例えば、垂直転送レジスタと独立した光電変換部を備えたＩＴ（インターライン・トランスファ）方式、ＦＩＴ（フレーム・インターライン・トランスファ）方式の転送時の転送電圧の振幅制御に適用できる。
【００６３】
また、本実施形態に係る撮像装置１００において、画素に入射する光の強度に応じてＡＧＰ駆動とオンゲート駆動とを切り換えるものとしたが、同様の切り替え基準によりＡＧＰ駆動の代わりにオンゲート駆動において撮像のフレームレートを長くすることとしても良い。フレームレートを長くすることにより暗電流は増加するが、感度を高めることができ、暗い被写体に対して対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】電荷結合素子撮像領域の断面構造を概念的に示す図である。
【図２】オンゲート電圧印加時の、図１におけるＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’線のポテンシャルプロフィールを示す図である。
【図３】ＡＧＰ駆動を行う電荷結合素子の撮像領域における断面構造を概念的に示す図である。
【図４】フラットバンド電圧印加時の、図３におけるＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’線のポテンシャルプロフィールを示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る撮像装置１００のＣＣＤ素子１０に接続される装置の構成を示すブロック図である。
【図６】被写体の明るさが時間と共に変化していった場合の、ＡＧＰ駆動とオンゲート駆動との切り換えタイミングを示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  ＣＣＤ素子、１２  撮像領域、１４  蓄積領域、１６  水平レジスタ、１８  出力部、２０  電圧制御装置、２４  増幅手段、２６  積分器、２８  Ａ−Ｄコンバータ、１００  撮像装置、２００，３００  基板、２０２，３０２  ｐウェル、２０４，３０４  ｎ層。
【図１】
2005304009.tif 000003
【図２】
2005304009.tif 000004
【図３】
2005304009.tif 000005
【図４】
2005304009.tif 000006
【図５】
2005304009.tif 000007
【図６】
2005304009.tif 000008