(57)【要約】【課題】  撮像装置における画素混合の際に生じる不要な電子の流れが多く、転送効率が低かった。【解決手段】  撮像装置１０において、撮像部１２は、撮像期間における入射光を情報電荷に変換して蓄積する複数の受光画素を半導体基板上の受光領域に行列状に配置して形成される。蓄積部１４は、撮像部１２から垂直転送された情報電荷を一時的に蓄積する。水平転送部１６は、蓄積部１４に蓄積された情報電荷を行単位で水平転送する。駆動部１９は、垂直転送を制御する。駆動部１９は、撮像部１２に含まれる複数の受光画素のうちいずれかの受光画素の情報電荷が撮像期間の全期間において半導体基板に排出されるとともに、２つ以上の受光画素について電荷転送時に画素混合されるよう制御する。駆動部１９は、画素混合が撮像部１２と蓄積部１４の境界近傍でなされるよう制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像期間における入射光を情報電荷に変換して蓄積する複数の受光画素を半導体基板上の受光領域に行列状に配置して形成される撮像部と、
前記撮像部に含まれる前記複数の受光画素のうち少なくともいずれかの受光画素の情報電荷が前記撮像期間の全期間において前記半導体基板に排出されるとともに、前記複数の受光画素のうち２つ以上の受光画素について画素混合されるよう制御する駆動部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記駆動部は、前記画素混合が前記撮像部と蓄積部の境界近傍でなされるよう制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記駆動部は、前記画素混合が前記撮像部内でなされるよう制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像部上にカラーフィルタをさらに備え、
前記画素混合の単位となる前記２つ以上の受光画素のうち、前記カラーフィルタにおける特定の色彩に対応する受光画素が、前記撮像期間において入射光を情報電荷に変換して蓄積することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記画素混合の単位となる前記２つ以上の受光画素のうちいずれか１つの受光画素が前記撮像期間において入射光を情報電荷に変換して蓄積することを特徴とする請求項１から４に記載の撮像装置。
【請求項６】
撮像期間の全期間において、撮像部に含まれる複数の受光画素のうち少なくともいずれかの受光画素の情報電荷が半導体基板に排出されるよう制御するステップと、
前記複数の受光画素のうち２つ以上の受光画素について画素混合されるよう制御するステップと、
を備えることを特徴とする撮像装置駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関し、特にＣＣＤにおける画素圧縮の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラは、撮影時にシャッターが押されるまでの間、液晶画面にプレビューを表示するのが一般的である。プレビュー画面は被写体の動きを捉えた動画像であることが多いので、被写体画像を高速に取り込む必要がある。最近は多くのデジタルカメラにおいてＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）の画素数が１００万を超えており、全画素の電子を出力する場合にはそれだけ動作周波数を高めなければならない。
【０００３】
ここで、撮像部に含まれる複数の画素において光電変換で得た一部の電子を、電荷転送時において蓄積部で画素混合する際に基板へ排出することにより画素圧縮する技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】ハリー・Ｃ・ヴァン・クジック（Harry J. van Kujik）他、「センシティヴィティ・インプルーブメント・イン・プログレッシブスキャン・ＦＴ−ＣＣＤ・フォー・デジタルスチルカメラ・アプリケーションズ（Sensitivity improvement in progressive-scan FT-CCDs for digital still camera applications）」、ＩＥＥＥ、２０００年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蓄積部において一部の画素の電子を基板に排出する場合、その画素と垂直方向に隣接する画素をオフにする必要がある。しかし、そのオフする画素の制御は数画素おきに別の画素の制御と同期しているので、蓄積部全体に不要なオンオフ制御が行われてしまう。また、蓄積部における電荷転送時には、画素混合の際に生じる不要な電子の流れがその画素と同期する別の多数の画素でも生じてしまい、その結果、蓄積部全体の転送効率が低下する。
【０００５】
本発明は上記背景の下でなされたものであり、本発明の目的は、情報電荷の転送効率を維持しつつ特定の画素の情報電荷を排出させることができる撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の撮像装置は、撮像期間における入射光を情報電荷に変換して蓄積する複数の受光画素を半導体基板上の受光領域に行列状に配置して形成される撮像部と、撮像部に含まれる複数の受光画素のうち少なくともいずれかの受光画素の情報電荷が撮像期間の全期間において半導体基板に排出されるとともに、複数の受光画素のうち２つ以上の受光画素について画素混合されるよう制御する駆動部と、を備える。ここで、「全期間」は、１画面分の撮像開始から撮像終了までの期間を示す趣旨であり、実質的に撮像開始から撮像終了までに相当する期間も含む。
【０００７】
この態様によると、撮像期間の全期間にわたって特定の受光画素がオフされるので、そのオフされた受光画素には光電変換により得られた情報電荷、例えば電子が蓄積されない。このように、撮像期間に特定の受光画素から情報電荷を排出させることにより効率的な画素混合が可能となり、画素混合時には不要な情報電荷の流れが生じにくく、転送効率を良好に保つことができる。
【０００８】
本発明の別の態様は、撮像装置駆動方法である。この方法は、撮像期間の全期間において、撮像部に含まれる複数の受光画素のうち少なくともいずれかの受光画素の情報電荷が半導体基板に排出されるよう制御するステップと、複数の受光画素のうち２つ以上の受光画素について画素混合されるよう制御するステップと、を備える。
【０００９】
この態様においても、撮像期間の全期間にわたって光電変換により得られた情報電荷が特定の受光画素から排出される。したがって、効率的な画素混合が可能となり、画素混合時には不要な情報電荷の流れが生じにくく、転送効率を良好に保つことができる。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、撮像装置における情報電荷の転送効率を良好に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施例１）
図１は、実施例１における撮像装置のＣＣＤの構成を示す。本図は、撮像装置１０の構成を模式的に示す平面図である。撮像装置１０は、撮像部１２、蓄積部１４、水平転送部１６、出力部１８、および駆動部１９を備える。撮像装置１０は、フレーム転送型のＣＣＤイメージセンサである。撮像部１２は、撮像期間における入射光を情報電荷に変換する受光素子と、その情報電荷を蓄積するシフトレジスタと、を含む。受光素子とシフトレジスタで構成される複数の受光画素が半導体基板上の受光領域に行列状に配置されて撮像部１２が形成される。撮像部１２上にはカラーフィルタ１３が設けられる。
【００１３】
蓄積部１４は、撮像部１２から垂直転送された情報電荷を一時的に蓄積するシフトレジスタを含む複数の蓄積画素が半導体基板上の遮光領域に行列状に配置されて形成される。蓄積部１４を形成する蓄積画素の列数は、撮像部１２を形成する受光画素の列数と同数であり、受光画素と蓄積画素が列ごとに垂直方向に連続している。蓄積部１４は、一時的に蓄積した情報電荷を行単位で水平転送部１６へ転送する。水平転送部１６は、蓄積部１４に蓄積された情報電荷を行単位で蓄積部１４から受け取り、これらを水平転送する。出力部１８は、水平転送部１６から水平転送された情報電荷を出力する。駆動部１９は、撮像部１２および蓄積部１４にクロック信号を送ることにより、情報電荷の垂直転送を制御する。
【００１４】
図２は、撮像部と蓄積部の境界近傍を拡大した平面図である。図示する通り、複数のゲート電極２４が垂直方向に配置され、水平方向には複数の画素分離ｐ型層２２が配置されている。複数のゲート電極２４は、基板上に形成された画素分離ｐ型層２２によって複数の領域に区画（以下、その区画された領域を「区画領域」という。）され、垂直方向に並んだ３つの区画領域が１つの画素２０におけるゲート電極を構成する。複数のゲート電極２４は、それぞれ０．７μｍのゲート長をもち、０．９μｍピッチで配置されている。本図の上側に位置する画素２０は、撮像部１２に含まれる受光画素であり、本図の下側に位置する画素２０は、蓄積部１４に含まれる蓄積画素である。
【００１５】
図３は、撮像部または蓄積部の断面構造を示す。図示する通り、ｎ型基板３０の上にｐ型層２８が形成され、さらにその上にｎ型層２６が形成され、３層構造となっている。ｎ型層２６の上に複数のゲート電極２４が配置され、３つのゲート電極２４が１つの画素２０を形成している。
【００１６】
図４は、実施例１の撮像部における撮像期間中のゲート電極の状態を模式的に示す。図示する領域には、第１〜１８ゲート電極３１〜４８が垂直に配置される。第１〜９ゲート電極３１〜３９は、順に第１〜９クロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ９として印加されるゲート電圧によりそれぞれオンオフ制御される。同様に、第１０〜１８ゲート電極４０〜４８もまた、順に第１〜９クロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ９として印加されるゲート電圧によりそれぞれオンオフ制御される。第１〜９クロック信号ＣＬＫ１〜ＣＬＫ９は駆動部１９により印加される。
【００１７】
第１〜３ゲート電極３１〜３３は、赤色のカラーフィルタに対応する一つの受光画素を形成する。同様に、第７〜９ゲート電極３７〜３９、第１３〜１５ゲート電極４３〜４５もまた、それぞれ赤色に対応する受光画素を形成する。第４〜６ゲート電極３４〜３６、第１０〜１２ゲート電極４０〜４２、第１６〜１８ゲート電極４６〜４８は、それぞれ緑色に対応する受光画素を形成する。このように、「赤−緑−赤−緑−赤−緑」の順に受光画素が配置され、図において上方に位置する「赤−緑−赤」の３画素が画素混合の対象となり、下方に位置する「緑−赤−緑」の３画素もまた画素混合の対象となる。
【００１８】
ここで、一般的な撮像装置は、撮像期間において、各受光画素に含まれる３つのゲート電極のうち中央のゲート電極にオンのゲート電圧が印加され、垂直方向における両側のゲート電極にオフのゲート電圧が印加される。図４を用いて説明すると、第２ゲート電極３２、第５ゲート電極３５、第８ゲート電極３８、第１１ゲート電極４１、第１４ゲート電極４４、第１７ゲート電極４７にオンのゲート電圧が印加されるのが一般的である。一方、本実施例の撮像装置１０においては、混合される３画素のうち１つの画素、特にその中央のゲート電極が撮像期間の全期間にわたってオフされたままとなる。図４を用いて説明すると、撮像期間中、第２ゲート電極３２および第１１ゲート電極４１が第２クロック信号ＣＬＫ２によってオンのゲート電圧が印加され、第８ゲート電極３８および第１７ゲート電極４７が第８クロック信号ＣＬＫ８によって常時オンとなるゲート電圧が印加され、第５ゲート電極３５および第１４ゲート電極４４が、撮像期間中はそれぞれ第５クロック信号ＣＬＫ５によって常時オフとなるゲート電圧が印加される。他のゲート電極もまた他のクロック信号によって常時オフとなるゲート電圧が印加される。
【００１９】
これにより、第２ゲート電極３２、第８ゲート電極３８、第１１ゲート電極４１、第１７ゲート電極４７には、撮像期間中に入射光が変換された情報電荷が蓄積される。一方、その他のゲート電極、特に第５ゲート電極３５、第１４ゲート電極４４においては、撮像期間の全期間にわたって情報電荷が基板に排出される。すなわち、本実施例では、画素混合の単位となる３画素のうち１画素には電子が蓄積されないので、２画素分の電子だけが電荷転送時に混合される。これにより、画素混合の際に基板への過剰な電子の排出が生じにくく、容易に画素圧縮でき、また圧縮した分、蓄積部１４を小さくできる。
【００２０】
また、画素混合の単位となる３つの受光画素のうち、カラーフィルタ１３における特定の色彩に対応する受光画素が、撮像期間において入射光を情報電荷に変換して蓄積する。本図の場合は、上側の３画素においては、赤色に対応する受光画素のみが電子を蓄積し、その蓄積された電子が混合される。下側の３画素においては、緑色に対応する受光画素のみが電子を蓄積し、蓄積された電子が混合される。このように、画素混合の単位である３画素において、同色の画素同士が混合されるので、異なる色同士が混合されることがなく、色再現性を損なわない。
【００２１】
次に、撮像部１２で蓄積された情報電荷を蓄積部１４へ転送する過程を説明する。まず、一般的な撮像装置における情報電荷の転送過程とその問題点を説明した後で、本実施例の撮像装置１０における情報電荷の転送過程を説明する。
【００２２】
図５は、一般的な撮像装置における情報電荷の転送過程を示すタイムチャートである。本図では、垂直方向に配置された領域５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６の順に情報電荷を転送する過程が示される。領域５０、５２、５４は撮像部の一部であり、領域５６、５８、６０は蓄積部の一部である。領域５４と領域５６の間の２点鎖線が撮像部と蓄積部の境界である。
【００２３】
領域５０には、転送クロック信号φ１がハイになったときに一つ前の領域から情報電荷７０が移動し、転送クロック信号φ１がハイの状態で転送クロック信号φ２がハイになると情報電荷７０のうち約半分が領域５０から領域５２に移動する。転送クロック信号φ２がハイの状態で転送クロック信号φ１がローになると、情報電荷７０の残り半分が領域５０から領域５２に移動する。このようなクロック制御を繰り返すことにより、情報電荷７０は領域５０、５２、５４、５６と順に転送される。
【００２４】
情報電荷７０が領域５６まで転送された後、転送クロック信号φＳ１がハイの状態で転送クロック信号φＳ２がハイになると、情報電荷７０のうち約半分が領域５６から領域５８へ移動する。転送クロック信号φＳ２がハイの状態で転送クロック信号φＳ１がローになると、情報電荷７０の残り半分が領域５６から領域５８へ移動する。転送クロック信号φＳ２は、画素混合の対象である情報電荷７４が第５領域５８に転送されるまでハイの状態となる。転送クロック信号φ３およびφＳ２がハイの状態で転送クロック信号φＳ１がハイになると、領域５４から領域５８の間で電子の流れが生じた後、転送クロック信号φＳ２がハイの状態のまま転送クロック信号φ３、φＳ１がローになると、情報電荷７４が領域５８へすべて移動し、情報電荷７０と情報電荷７４が混合される。一方、情報電荷７２が領域５０、領域５２、領域５４と順に転送されたとき、領域５６はオフのままなので、情報電荷７２は転送クロック信号φ３がローになったときに領域５４から基板へ排出される。
【００２５】
ここで、転送クロック信号φＳ２がハイの状態で転送クロック信号φＳ１をハイにして情報電荷７０と情報電荷７４を混合するとき、領域５６と領域５８の間で不要な電子の流れが生じる。蓄積部１４においては、３領域おきに同じ転送クロック信号が印加されて同期するので、領域５６と領域５８の間で生じた不要な電子の流れは、領域６２と領域６４の間等、３領域ごとに生じる。したがって、蓄積部１４の全体的に同様の不要な電子の流れが生じてしまい、転送効率が低下する。
【００２６】
図６は、実施例１における情報電荷の転送過程を示すタイムチャートである。本図では、垂直方向に配置された第１領域８０、第２領域８２、第３領域８４、第４領域８６、第５領域８８、第６領域９０、第７領域９２、第８領域９４、第９領域９６の順に情報電荷を転送する過程が示される。第１領域８０、第２領域８２、第３領域８４は撮像部１２の一部であり、第４領域８６、第５領域８８、第６領域９０は蓄積部１４の一部である。第３領域８４と第４領域８６の間の２点鎖線が撮像部１２と蓄積部１４の境界である。第１転送クロック信号φ１、第２転送クロック信号φ２、第３転送クロック信号φ３、第４転送クロック信号φＳ１、第５転送クロック信号φＳ２、第６転送クロック信号φＳ３は駆動部１９により各領域へ印加される。
【００２７】
第１領域８０には、第１転送クロック信号φ１がハイになったときに一つ前の領域から情報電荷１００が移動し、第１転送クロック信号φ１がハイの状態で第２転送クロック信号φ２がハイになると情報電荷１００のうち約半分が第１領域８０から第２領域８２に移動する。第２転送クロック信号φ２がハイの状態で第１転送クロック信号φ１がローになると、情報電荷１００の残り半分が第１領域８０から第２領域８２に移動する。このようなクロック制御を繰り返すことにより、情報電荷１００は第１領域８０、第２領域８２、第３領域８４、第４領域８６と順に転送される。
【００２８】
本実施例では、撮像期間中に撮像部１２内で特定の画素から電子が排出されるので、電荷転送時には撮像部１２と蓄積部１４の境界で画素排出が不要となる。したがって、画素混合、ここでは情報電荷１００と情報電荷１０２の画素混合が撮像部１２と蓄積部１４の境界、すなわち第３領域８４と第４領域８６の間でなされる。情報電荷１００が第４領域８６まで転送された後、情報電荷１００と情報電荷１０２が混合されるまでの間、第４転送クロック信号φＳ１はハイに保たれる。第４転送クロック信号φＳ１がハイに保たれる間、第３転送クロック信号φ３は２回ハイになるので、第３領域８４と第４領域８６の間に不要な電子の流れが生じる。しかし、第３領域８４から３領域目に位置する第６領域９０には、第３転送クロック信号φ３と同期しない第６転送クロック信号φＳ３が印加されている。したがって、第３領域８４と第４領域８６の間に生じる不要な電子の流れは、３領域離れた第６領域９０と第７領域９２の間には生じず、蓄積部１４全体としても同様の電子の流れは繰り返されない。このように、本実施例においては、不要な電子の流れを少なくし、転送効率を良好に保つことができる。
【００２９】
（実施例２）
本実施例における撮像装置は、３画素のうち２画素について撮像期間中に情報電荷を基板に排出する点で、３画素のうち１画素についてのみ撮像期間中に情報電荷を排出する実施例１と異なる。以下、実施例１との相違点を中心に説明し、他の共通する構成については説明を省略する。
【００３０】
図７は、実施例２の撮像部における撮像期間中のゲート電極の状態を模式的に示す。一般的な撮像装置における撮像部の場合、撮像期間中はすべての画素がオンされるので、第２ゲート電極３２、第５ゲート電極３５、第８ゲート電極３８、第１１ゲート電極４１、第１４ゲート電極４４、第１７ゲート電極４７にオンのゲート電圧が印加される。一方、本実施例の撮像装置１０における撮像部１２では、画素混合の単位となる３画素のうち１画素のみオンされる。すなわち、撮像期間中は、第８ゲート電極３８および第１７ゲート電極４７のみが第８クロック信号ＣＬＫ８によって常時オンとなるゲート電圧が印加され、他のゲート電極、特に第２ゲート電極３２および第１１ゲート電極４１は第２クロック信号ＣＬＫ２によって常時オフのゲート電圧が印加され、第５ゲート電極３５および第１４ゲート電極４４は第５クロック信号ＣＬＫ５により常時オフのゲート電圧が印加される。
【００３１】
これにより、第８ゲート電極３８と第１７ゲート電極４７を含む各受光画素には、撮像期間中に入射光が変換された情報電荷が蓄積される。一方、その他のゲート電極、特に第２ゲート電極３２、第５ゲート電極３５、第１１ゲート電極４１、第１４ゲート電極４４を含む各受光画素では、撮像期間の全期間にわたって情報電荷が基板に排出される。
【００３２】
本実施例では、画素混合の単位となる３画素のうち２画素には撮像期間中に電子が蓄積されないので、実質的には撮像期間中に撮像部１２において画素混合がなされたことと等しい結果となる。したがって、電荷転送時には特に画素混合の動作を必要とせず、３画素のうち１画素分の電子だけをそのまま蓄積部１４へ垂直転送すれば足りる。これにより、画素混合による基板への過剰な電子の排出が生じず、容易に画素圧縮することができる。
【００３３】
なお、比較的明るい条件下での撮像であれば３画素のうち２画素を撮像期間中に排出して１画素のみの情報電荷を転送するだけでも十分に明るい画像が得られるので、画質を維持したまま画素圧縮をすることができる。
【００３４】
図８は、実施例２における情報電荷の転送過程を示すタイムチャートである。第１０〜１８領域８０〜９６の配置や、情報電荷１００が第１領域８０から第４領域８６へ転送される過程は、実施例１における図６と同様である。
【００３５】
情報電荷１００が第４領域８６まで転送された後、第４転送クロック信号φＳ１、第５転送クロック信号φＳ２、第６転送クロック信号φＳ３が順次ハイになり、情報電荷１００は第４領域８６から第６領域９０まで転送される。第６領域９０まで転送された情報電荷１００を次の第７領域９２に転送するために、第７領域９２に印加される第４転送クロック信号φＳ１がハイになるまで第６転送クロック信号φＳ３もハイに保たれ、第４転送クロック信号φＳ１、第５転送クロック信号φＳ２、第６転送クロック信号φＳ３が順次ハイになって情報電荷１００は第６領域９０から第９領域９６へ転送される。
【００３６】
本実施例では、撮像期間中に撮像部１２内で画素混合の単位である３画素のうち２画素から電子が排出され、１画素にしか電子が蓄積されないので、電荷転送時には撮像部１２と蓄積部１４の境界や蓄積部１４内で画素排出の動作が不要となる。したがって、一般的な撮像装置や実施例１で生じるような領域間の不要な電子の流れが生じず、蓄積部１４全体の転送効率が高い。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、変形例を挙げる。
【００３８】
実施例においては、本発明の撮像装置を、赤−緑−赤−緑−赤−緑の順に配置された複数の画素における情報電荷の転送および画素混合に利用する構成を例示した。変形例においては、青−緑−青−緑−青−緑の順に配置された複数の画素における電荷の転送および画素混合に本発明の撮像装置を応用してもよい。この場合もまた、情報電荷の転送効率を良好に保つことができる。
【００３９】
各実施例においては、図６および図８に示されるように、撮像期間中に電子が排出された画素についても各転送クロック信号をハイにして転送制御する例を説明した。変形例においては、撮像期間中に電子が排出された画素については各転送クロック信号をローのままにして転送制御しない構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１における撮像装置のＣＣＤの構成を示す図である。
【図２】撮像部と蓄積部の境界近傍を拡大した平面図である。
【図３】撮像部または蓄積部の断面構造を示す図である。
【図４】実施例１の撮像部における撮像期間中のゲート電極の状態を模式的に示す図である。
【図５】一般的な撮像装置における情報電荷の転送過程を示すタイムチャートである。
【図６】実施例１における情報電荷の転送過程を示すタイムチャートである。
【図７】実施例２の撮像部における撮像期間中のゲート電極の状態を模式的に示す図である。
【図８】実施例２における情報電荷の転送過程を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１０  撮像装置、  １２  撮像部、  １３  カラーフィルタ、  １４  蓄積部、  １６  水平転送部、  １９  駆動部、  ２０  画素、  １００  情報電荷、  １０２  情報電荷。
【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】
2005268242.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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