(57)【要約】【課題】画質を犠牲にすることなく静止画像を連写機能を用いて高速に撮像できる様にする。【解決手段】電荷転送路の出力回路１０４側の端部に第１のリセットドレイン１０３ａを設ける共に反対側の端部に第２のリセットドレイン１０３ｂを設け、電荷転送路１０３を出力回路側の第１電荷転送路１０３ｘと反対側の第２電荷転送路１０３ｙとに２分する。第１電荷転送路１０３ｘの転送電極接続構成を第１電荷転送路上の電荷を出力回路１０４側に転送する接続構成にすると共に、第２電荷転送路の転送電極接続構成を第２電荷転送路上の電荷を印加パルスの位相によって出力回路１０４側に転送し或いは第２リセットドレイン１０３ｂ方向に転送する接続構成にする。スミア電荷については電荷転送路を左右に分けて使用し掃き出す。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の受光面上に二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子と、前記受光面の１辺に沿って形成され各光電変換素子から読み出され転送されてきた信号電荷を出力回路側に転送する電荷転送路とを備える固体撮像素子において、前記電荷転送路の前記出力回路側の端部に第１のリセットドレインを設ける共に該電荷転送路の前記出力回路側の端部と反対側の端部に第２のリセットドレインを設け、該電荷転送路を前記出力回路側の第１電荷転送路と前記反対側の第２電荷転送路とに２分し、該第１電荷転送路の転送電極接続構成を該第１電荷転送路上の電荷を前記出力回路側に転送する接続構成にすると共に、前記第２電荷転送路の転送電極接続構成を該第２電荷転送路上の電荷を印加パルスの位相によって前記出力回路側に転送し或いは前記第２リセットドレイン方向に転送する接続構成にしたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法において、静止画像を撮像するとき前記光電変換素子が受光量に応じて蓄積した信号電荷を前記第１電荷転送路及び前記第２電荷転送路が共に前記出力回路側に転送し、該信号電荷の転送に先立って行うスミア電荷の掃き出し時には前記第１電荷転送路がスミア電荷を前記第１リセットドレインに掃き出し前記第２電荷転送路がスミア電荷を前記第２リセットドレインに掃き出すことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子と、静止画像を撮像するとき前記光電変換素子が受光量に応じて蓄積した信号電荷を前記第１電荷転送路及び前記第２電荷転送路が共に前記出力回路側に転送する転送パルスと該信号電荷の転送に先立って行うスミア電荷の掃き出し時には前記第１電荷転送路がスミア電荷を前記第１リセットドレインに掃き出し前記第２電荷転送路がスミア電荷を前記第２リセットドレインに掃き出す掃き出しパルスとを前記固体撮像素子に供給する駆動手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＣＤ（電荷結合素子：Charge Coupled Devices）型の固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置に係り、特に、高画質の静止画像を高速で連写することができる固体撮像素子及びその駆動方法並びに撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型固体撮像素子で静止画像を撮像する場合、デジタルスチルカメラに搭載されたメカニカルシャッタを閉じて露光が終了した後、垂直転送路（ＶＣＣＤ），水平転送路（ＨＣＣＤ）を高速掃き出し駆動して垂直転送路上のスミア電荷を掃き出し、その後に、フォトダイオードの蓄積電荷（信号電荷）を垂直転送路に読み出し、これを垂直転送路に沿って転送し、次に水平転送路に沿って転送することで、出力端に転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を、出力回路が撮像画像データとして読み出す様になっている。
【０００３】
近年のＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体微細加工技術の進展により数百万画素以上を搭載するのが普通になっており、それだけ固体撮像素子の駆動周波数、特に水平転送路の駆動周波数をより高速化しないと、撮像画像データを固体撮像素子から読み出すことが困難になってきている。例えば、連続する複数の静止画像を連写機能で撮像する場合、画素数が多い固体撮像素子では連写速度を速くするのが困難になってきている。
【０００４】
そこで、図６に示す様に、水平転送路を左右に分離し、受光面左半分１Ｌのフォトダイオード２Ｌが検出し垂直転送路３Ｌが転送してきた信号電荷は左側水平転送路４Ｌが左方向に転送して出力回路５Ｌが画像データを読み出し、受光面右半分１Ｒのフォトダイオード２Ｒが検出し垂直転送路３Ｒが転送してきた信号電荷は右側水平転送路４Ｒが右方向に転送して出力回路５Ｒが画像データを読み出す固体撮像素子が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４―１７２２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
斯かる固体撮像素子では、水平転送路の長さが半分となっているため、それだけ高速に撮像画像データを読み出すことができるという利点がある。しかし、同じ半導体チップ上に同一構造の出力回路５Ｌ，５Ｒを製造しても、その特性を同一に製造するのは困難である。このため、出力回路５Ｌから出力された左側画像データと、出力回路５Ｒから出力された右側画像データとを貼り合わせても、中央境界部に、出力回路５Ｌ，５Ｒの特性差が画像データのレベル差として現れてしまい、画質が劣化するという問題が生じる。
【０００７】
出力回路５Ｌ，５Ｒが同一特性となるように製造すれば問題はないが、回路素子夫々が同一特性となるように製造するにはコストが嵩み、また、２つの出力回路５Ｌ，５Ｒを設けると出力回路の占有面積が広くなり、配線も複雑になり、これも製造コストを上昇させてしまうという問題が生じる。
【０００８】
本発明の目的は、画質を犠牲にすることなく静止画像を連写機能を用いて高速に撮像することが可能な固体撮像素子及びその駆動方法並びに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】
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板の受光面上に二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子と、前記受光面の１辺に沿って形成され各光電変換素子から読み出され転送されてきた信号電荷を出力回路側に転送する電荷転送路とを備える固体撮像素子において、前記電荷転送路の前記出力回路側の端部に第１のリセットドレインを設ける共に該電荷転送路の前記出力回路側の端部と反対側の端部に第２のリセットドレインを設け、該電荷転送路を前記出力回路側の第１電荷転送路と前記反対側の第２電荷転送路とに２分し、該第１電荷転送路の転送電極接続構成を該第１電荷転送路上の電荷を前記出力回路側に転送する接続構成にすると共に、前記第２電荷転送路の転送電極接続構成を該第２電荷転送路上の電荷を印加パルスの位相によって前記出力回路側に転送し或いは前記第２リセットドレイン方向に転送する接続構成にしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、静止画像を撮像するとき前記光電変換素子が受光量に応じて蓄積した信号電荷を前記第１電荷転送路及び前記第２電荷転送路が共に前記出力回路側に転送し、該信号電荷の転送に先立って行うスミア電荷の掃き出し時には前記第１電荷転送路がスミア電荷を前記第１リセットドレインに掃き出し前記第２電荷転送路がスミア電荷を前記第２リセットドレインに掃き出すことを特徴とする。
【００１１】
本発明の撮像装置は、上記記載の固体撮像素子と、静止画像を撮像するとき前記光電変換素子が受光量に応じて蓄積した信号電荷を前記第１電荷転送路及び前記第２電荷転送路が共に前記出力回路側に転送する転送パルスと該信号電荷の転送に先立って行うスミア電荷の掃き出し時には前記第１電荷転送路がスミア電荷を前記第１リセットドレインに掃き出し前記第２電荷転送路がスミア電荷を前記第２リセットドレインに掃き出す掃き出しパルスとを前記固体撮像素子に供給する駆動手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電荷転送路を２分し、スミア電荷の掃き出し時には電荷転送長を半分にして行うため、スミア掃き出し時間が短縮され、高速な撮像が可能となる。また、撮像画像データは１つの出力回路によって読み出すため、画質を高く維持することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラの構成図である。図示するデジタルスチルカメラは、撮影レンズ１０と、ＣＣＤ型固体撮像素子１００と、この両者の間に設けられた絞り及びメカニカルシャッタ１２と、赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。デジタルカメラの全体を統括制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ発光部１６及び受光部１７を制御し、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０の位置をフォーカス位置に調整し、絞りシャッタ駆動部１９を介し絞りの開口量を制御して露光量調整を行うと共にシャッタ開閉制御を行う。
【００１５】
また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して固体撮像素子１００を駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザからの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。
【００１６】
デジタルスチルカメラの電気制御系は、固体撮像素子１００の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。
【００１７】
更に、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）２４に接続されたメモリ制御部２５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、測光データを積算しデジタル信号処理部２６が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部２８と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。
【００１８】
図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１００の平面模式図である。本実施形態に係る固体撮像素子１００は、半導体基板上に正方格子状に複数のフォトダイオード（ＰＤ）１０１が配列形成され、各フォトダイオード列の側部には垂直転送路（ＶＣＣＤ）１０２が形成されている。
【００１９】
半導体基板受光面の下辺部には、各垂直転送路１０２によって転送されてきた信号電荷を受け取り水平方向に転送する１本の水平転送路（ＨＣＣＤ）１０３が下辺部に沿うように形成され、該水平転送路１０３の出力端部には、信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を出力する出力回路１０４と、電圧値信号が読み出された信号電荷を廃棄するリセットドレイン部１０３ａとが設けられている。
【００２０】
本実施形態の水平転送路１０３は、詳細は後述するように、半導体基板に設けた埋め込みチャネルとその上に絶縁層を介して積層された多数の第１層電極膜，第２層電極膜の組とでなる周知の構成を基本としているが、出力回路１０４が設けられる出力端部と反対側の末尾部分にもリセットドレイン１０３ｂを設けている。
【００２１】
斯かる固体撮像素子１００は、図１に示す撮像素子駆動部２０から出力される垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４によって垂直転送路１０２が駆動され、撮像素子駆動部２０から出力される水平転送路パルスφＨ１〜φＨ４によって水平転送路１０３が駆動される。
【００２２】
尚、「垂直」「水平」という用語を使用して説明したが、これは、半導体基板表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」という意味である。
【００２３】
図３は、水平転送路の水平方向に沿う第１層電極膜，第２層電極膜の断面模式図及びポテンシャル図である。本実施形態の水平転送路１０３の第１層電極膜ａ，第２層電極膜ｂの接続構成は、図２の固体撮像素子の受光面中央線に対し出力端部側と、これと反対側の末尾側とにおいて異なっている。
【００２４】
出力端側（出力回路１０４が設けられる側）においては、周知の水平転送路と同様に、第１層電極膜ａとこれに隣接する第２層電極膜ｂとが１組として接続されて同一転送パルスが印加される構成となっている。即ち、１つ置きの組に転送パルスＨ１が印加され、残りの１つ置きの組に、転送パルスＨ１と逆位相の転送パルスＨ２が印加される。
【００２５】
そして、出力端部においてはアウトプットゲート（ＯＧ）電極ｃ及びリセット（ＲＳ）電極ｄが設けられ、ＯＧ電極ｃ下を通りフローティングとディフュージョン（ＦＤ）部に転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号が出力回路１０４によって読み出され、電圧値信号が読み出された信号電荷が、リセット電極ｄにリセット電圧が印加されたときリセットドレイン（ＲＤ）に廃棄される構成になっている。
【００２６】
尚、図３には、転送パルスＨ１を印加する電極ａ，ｂの組１つと転送パルスＨ２を印加する電極ａ，ｂの組１つしか図示していないが、実際には多数の組が連続する。
【００２７】
出力端側と反対側においては、第１層電極膜ａと，隣接する第２層電極膜ｂとに別々のパルス電圧が印加される様になっており、中央線Ａから末尾側の各電極ａ，ｂ，ａ，ｂ，…に対して、パルス電圧Ｈ２，Ｈ３，Ｈ１，Ｈ４，Ｈ２，…（図３には、５電極しか図示していないが、実際には多数の電極が連続する。）が印加される。末端部にリセットドレイン（ＲＤ）１０３ｂが設けられる。
【００２８】
斯かる構成の本実施形態に係る固体撮像素子１００を搭載した図１に示すデジタルスチルカメラで、静止画像を撮像する場合には、次の様に動作する。
【００２９】
静止画像を撮像するときの露光時間は、「電子シャッタ開」から「メカニカルシャッタ１２の閉」までの期間となる。メカニカルシャッタ閉になると、撮像素子駆動部２０が垂直転送路１０２，水平転送路１０３に掃き出しパルスを印加し、垂直転送路１０２上のスミア電荷の掃き出しが行われる。垂直転送路１０２上のスミア電荷は、垂直転送路１０２上を高速に送られ、水平転送路１０３に移される。
【００３０】
水平転送路１０３には、撮像素子駆動部２０から図４（ａ）に示す掃き出しパルスが印加される。図４（ａ）に示す掃き出しパルスＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４は、Ｈ１＝Ｈ３，Ｈ２＝Ｈ４となっており、Ｈ２はＨ１の逆位相となっている。
【００３１】
即ち、図５（ａ）に示すように、受光面左側半分のスミア電荷は、垂直転送路１０２から水平転送路１０３の左半分（第１水平転送路１０３ｘ）の上に移され、水平転送路１０３を左側（出力回路１０４側）に転送され、出力回路１０４によって信号が読み出されることなく、リセットドレイン（ＲＤ）１０３ａに廃棄される。
【００３２】
受光面右半分のスミア電荷は、垂直転送路１０２から水平転送路１０３の右半分（第２水平転送路１０３ｙ）の上に移され、水平転送路１０３を右側（末尾側）に転送され、リセットドレイン（ＲＤ）１０３ｂに廃棄される。即ち、スミア電荷の掃き出しを行う場合には、水平転送路上の転送長が半分となるため、高速掃き出しが可能となる。
【００３３】
次に、撮像素子駆動部２０から出力される読み出しパルスに従って、各フォトダイオード１０１から垂直転送路１０２に信号電荷が読み出され、垂直転送路１０２に沿って信号電荷が水平転送路１０３に転送される。このとき、水平転送路１０３には、図４（ｂ）に示す水平転送パルスＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が印加される。
【００３４】
水平転送パルスＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４は、図４（ａ）に示す掃き出しパルスと比較して、パルスＨ３とパルスＨ４の位相が逆転している。即ち、Ｈ１＝Ｈ４，Ｈ２＝Ｈ３となっている。これにより、水平転送路１０３上の転送方向は、図５（ｂ）に示す様に、水平転送路の全長において同一方向すなわち出力回路１０４側への転送となり、受光面全面の各信号電荷の画像データ（電圧値信号）は、１つの出力回路１０４によって読み出されることになる。
【００３５】
連続する静止画像を連写機能で連写する場合には、上述した静止画像の撮像動作を繰り返すことになる。この場合、本実施形態の固体撮像素子では、スミア掃き出し時間が短時間となるため、それだけ連写速度を高速にすることが可能になる。しかも、画像データの出力は１つの出力回路１０４で行うため、２つの出力回路を設ける場合に比較して回路面積等が有利となり、また、画質低下もなく、配線も容易となるため、低コストで実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子は、画質の高い静止画像を高速に撮像することができるため、連写機能を搭載したデジタルスチルカメラに搭載すると有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラの機能構成図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の表面模式図である。
【図３】図２に示す水平転送路の転送電極部分の断面模式図（ａ）及びポテンシャル図（ｂ）である。
【図４】図３に示す水平転送路に供給する掃き出しパルス（ａ）と転送パルス（ｂ）の波形図である。
【図５】図３に示す水平転送路で転送されるスミア電荷（ａ）と信号電荷（ｂ）の転送方向を示す図である。
【図６】従来の固体撮像素子の表面式図である。
【符号の説明】
【００３８】
２０  撮像素子駆動部
１００  固体撮像素子
１０１  フォトダイオード
１０２  垂直転送路（ＶＣＣＤ）
１０３  水平転送路（ＨＣＣＤ）
１０３ａ，１０３ｂ  リセットドレイン
１０３ｘ  第１水平転送路
１０３ｙ  第２水平転送路
１０４  出力回路
ａ  第１層電極膜
ｂ  第２層電極膜
【図１】
2007228263.tif 000003
【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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