(57)【要約】【課題】ＣＣＤ型固体撮像素子の省電力化を図る。【解決手段】半導体基板上にアレイ状に配列形成された複数の光電変換素子と、受光量に応じて各光電変換素子が検出した夫々の信号電荷を転送する転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、水平転送路１０３を複数区間Ａ，Ｂに分け各区間Ａ，Ｂ毎に独立に転送パルス（φＨ１Ａ，φＨ２Ａ）（φＨ１Ｂ，φＨ２Ｂ）を印加する転送パルス印加手段を設ける。区間Ｂで信号電荷の転送を行わない場合には、転送パルス（φＨ１Ｂ，φＨ２Ｂ）の印加を停止するため、消費電力の節減を図ることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にアレイ状に配列形成された複数の光電変換素子と、受光量に応じて各光電変換素子が検出した夫々の信号電荷を転送する転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、前記転送路を複数区間に分け各区間毎に独立に転送パルスを印加する転送パルス印加手段を備えることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子。
【請求項２】
前記転送路として垂直転送路と水平転送路とを備え、前記複数区間に分ける前記転送路が前記水平転送路であることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記信号電荷の転送を行わない前記区間に対する前記転送パルスの印加を停止することを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子と、請求項３に記載の駆動方法を実行する制御手段とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ型固体撮像素子等に係り、特に、低消費電力化を図ることができるＣＣＤ型固体撮像素子及びその駆動方法並びにデジタルカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のＣＣＤ型固体撮像素子は多画素化が進展し、数百万画素以上の有効画素を備えるものが普通になってきている。この様なＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラで撮影を行う場合、常に全有効画素を用いて撮影を行うのではなく、有効画素の一部、例えばＣＣＤ型固体撮像素子の受光面（撮像領域）の左半分の有効画素だけを用いて撮影を行えば済む場合も多い。
【０００３】
そこで、下記特許文献１記載のＣＣＤ型固体撮像素子では、水平転送路を４つに分割し、各分割水平転送路を用いて撮像画像データを読み出す様にしている。この構成により、特許文献１記載のＣＣＤ型固体撮像素子では、受光面全面を用いて撮影を行う場合、第１，第２，第３，第４の各分割水平転送路から夫々読み出した画像データを合成することで全受光面による撮像画像データを生成している。
【０００４】
また、受光面の左四分の一だけを用いて撮影を行う場合、第１分割水平転送路だけを用いて画像データを読み出し、受光面の左半分だけ用いて撮影を行う場合には、第１分割水平転送路から読み出した画像データと第２分割水平転送路から読み出した画像データとを合成している。
【０００５】
ＣＣＤ型固体撮像素子は、垂直転送路の動作クロックに対して水平転送路の動作クロックが極めて高く、水平転送路の電力消費の割合が大きい。このため、特許文献１記載のＣＣＤ型固体撮像素子は、部分的な画像を撮像する場合に、画像データの読み出しに使用しない分割水平転送路を停止させることができ、消費電力的に有利となる。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７８５７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水平転送路を複数に分割形成したＣＣＤ型固体撮像素子では、消費電力の低減を図ることができる一方、その製造が困難であるという別の問題がある。水平転送路は、垂直転送路から転送された信号電荷を信号出力部に転送し、信号出力部のフローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）を用いて信号電荷に応じた電圧値信号を出力する構成になっており、分割水平転送路を複数設けたＣＣＤ型固体撮像素子では、各分割水平転送路の出力部に、夫々、フローティングディフュージョンアンプを設けなければならない。
【０００８】
しかし、同じ半導体チップ上であっても複数のフローティングディフュージョンアンプの特性を同一に製造するのは困難であり、製造コストが嵩むことになる。また、各分割水平転送路から読み出した画像データを貼り合わせて合成すると、合成した撮像画像のつなぎ目箇所での輝度段差が目立ってしまうため、画像データの補正処理が必要になってしまう。
【０００９】
本発明の目的は、分割形成した転送路を用いることなく、転送路の電力消費の低減を図ることができるＣＣＤ型固体撮像素子及びその駆動方法並びにデジタルカメラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板上にアレイ状に配列形成された複数の光電変換素子と、受光量に応じて各光電変換素子が検出した夫々の信号電荷を転送する転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子において、前記転送路を複数区間に分け各区間毎に独立に転送パルスを印加する転送パルス印加手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子は、前記転送路として垂直転送路と水平転送路とを備え、前記複数区間に分ける前記転送路が前記水平転送路であることを特徴とする。
【００１２】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記信号電荷の転送を行わない前記区間に対する前記転送パルスの印加を停止することを特徴とする。
【００１３】
本発明のデジタルカメラは、上記記載のＣＣＤ型固体撮像素子と、上記記載の駆動方法を実行する制御手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、信号電荷を転送しない区間の転送路の転送動作を停止させるため、消費電力の低減を図ることが可能となり、また、信号電荷の転送を行う区間は、転送路の全長より短いため、転送時間の短縮を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの機能ブロック構成図である。このデジタルカメラは、撮像部１と、撮像部１から出力されるアナログの画像データを相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２と、アナログ信号処理部２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）９からの指示によってＡ／Ｄ３，アナログ信号処理部２，撮像部１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）４と、ＣＰＵ９からの指示によって発光するフラッシュ５とを備える。
【００１７】
撮像部１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系１ａと、該光学レンズ系１ａを通った光を絞る絞り１ｂと、光学レンズ系１ａによって集光され絞り１ｂによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力するＣＣＤ型固体撮像素子１００とを備える。
【００１８】
本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）９と、フレームメモリ等の内部メモリ１０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア１２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部１１と、これらを相互に接続するバス２０とを備え、また、システム制御部９には、ユーザからの指示入力を行う操作部１３が接続されている。
【００１９】
図２は、ＣＣＤ型固体撮像素子１００の表面模式図である。本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子１００は、半導体基板表面部にアレイ状（図示の例では正方格子状）に配列形成された多数のフォトダイオード（光電変換素子：ＰＤ）１０１と、図示の例では各フォトダイオード列の左隣に夫々形成された垂直転送路（ＶＣＣＤ）１０２と、垂直転送路１０２から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）１０３と、水平転送路１０３の出力部に設けられたフローティングディフュージョンアンプ１０４とを備える。
【００２０】
このＣＣＤ型固体撮像素子１００では、各フォトダイオード１０１の受光量に応じて各フォトダイオード１０１に信号電荷が蓄積され、この信号電荷が読出パルスによって隣接の垂直転送路１０２に読み出される。垂直転送路１０２上の各信号電荷は、垂直転送路１０２が垂直転送パルスによって駆動されることで、垂直方向に転送される。
【００２１】
各垂直転送路１０２端部の水平方向横一ライン分の各信号電荷が垂直転送パルスによって垂直方向に１垂直転送電極分だけ転送されると、この横一ライン分の信号電荷が水平転送路１０３に移動する。そして、水平転送路１０３が水平転送パルスによって駆動されることで、横一ライン分の各信号電荷がアンプ１０４側に順に送られ、各信号電荷に応じた電圧値信号が順にアンプ１０４から出力される。その後に、各垂直転送路１０２に次の垂直転送パルスが印加され、各垂直転送路１０２上の各信号電荷が垂直方向に１垂直転送電極分だけ転送される、という動作が繰り返される。
【００２２】
尚、「垂直」「水平」という用語を用いているが、これは単に「一方向」「この一方向に対して略直角の方向」という意味である。
【００２３】
図３は、本実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子１００の概念説明図である。本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子１００では、全受光面（撮像領域）１１０を、左半分（受光面のうちアンプ１０４が設けられた側の半分）の撮像領域Ａと、右半分の撮像領域Ｂとに分け、水平転送路１０３を、撮像領域Ａに対応する区間Ａと、撮像領域Ｂに対応する区間Ｂと分けている。
【００２４】
図４（ａ）は、図３に示す水平転送路１０３の詳細説明図である。水平転送路１０３の最終段にはアウトプットゲート（ＯＧ）部１０５が設けられ、次段にフローティングディフュージョン（ＦＤ）部１０６が設けられ、このＦＤ部１０６にアンプ１０４が接続されている。ＦＤ部１０６の次段にはリセットゲート（ＲＧ）部１０７を介してリセットドレイン（ＲＤ）部１０８が設けられている。
【００２５】
水平転送路１０３によって転送されＦＤ部１０６に移動して来た信号電荷の電圧値信号がアンプ１０４で読み出された後、その信号電荷は、リセットゲート（ＲＧ）部１０７にリセットパルスが印加され障壁が下がることでリセットドレイン（ＲＤ）部１０８に廃棄される。その後に、次の信号電荷がＦＤ部１０６に移動され、その電圧値信号がアンプ１０４によって出力される。
【００２６】
水平転送路１０３は、周知の様に、不純物濃度が高濃度の部分と、不純物濃度が低濃度の部分とが交互に繰り返される埋め込みチャネルと、各高濃度の部分，各低濃度の部分の夫々の上に形成された水平転送電極とによって構成される。
【００２７】
そして、従来は、図４（ｂ）に示されるように、２つ置きの隣接する２つの水平転送電極に転送パルスφＨ１が印加され、残りの水平転送電極にφＨ１と逆位相の転送パルスφＨ２が印加される構成になっている。
【００２８】
これに対し、本実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子１００では、図４（ａ）に示すように、区間Ａにおいては、２つの置きの隣接する２つの水平転送電極に転送パルスφＨ１Ａが印加され、残りの水平転送電極にφＨ１Ａと逆位相の転送パルスφＨ２Ａが印加される様に転送パルス印加用配線が設けられると共に、区間Ｂにおいても、２つ置きの隣接する２つの水平転送電極に転送パルスφＨ１Ｂが印加され、残りの水平転送電極にφＨ１Ｂと逆位相の転送パルスφＨ２Ｂが印加される様に転送パルス印加用配線が設けられる構成になっている。そして、図示の例では、区間Ｂの区間Ａ側端部の隣接２電極にφＨ１Ｂが印加され、区間Ａの区間Ｂ側端部の隣接２電極にφＨ２Ａが印加される様に区間Ａ，Ｂ間の境界部分が構成されている。
【００２９】
即ち、本実施形態では、水平転送路１０３の全長に沿って区間Ｂの端から区間Ａの端（ＯＧ部）まで信号電荷がスムースに転送できる様に転送パルスの印加が可能で、しかも、区間Ａに対する転送パルスと区間Ｂに対する転送パルスとが独立に印加可能となっている。
【００３０】
図５は、図４（ａ）で説明したφＨ１Ａ，φＨ２Ａ，φＨ１Ｂ，φＨ２Ｂの波形図であり、図６は、図５の転送パルスφＨ１Ａ，φＨ２Ａ，φＨ１Ｂ，φＨ２Ｂで図４（ａ）の水平転送路を駆動するときの信号電荷の移動説明図である。
【００３１】
例えば、図３に示す全受光面（撮像領域１１０）を用いて撮像する様にユーザが図１の操作部１３から指示入力してシャッタボタン（図示せず）を押下すると、各フォトダイオード１０１の信号電荷が垂直転送路１０２に読み出され、各垂直転送路１０２によって水平転送路１０３の区間Ａ，区間Ｂに転送されてくる。
【００３２】
図１に示すシステム制御部９は駆動部４に対して指令を出力し、先ず、φＨ１Ａ＝φＨ１Ｂ、φＨ２Ａ＝φＨ２Ｂとして水平転送路１０３が駆動される。これにより、時刻ｔ１→ｔ２→ｔ３→ｔ４→ｔ５と経過するに従って、図６に示す様に、区間Ａ及び区間Ｂの各信号電荷ｋが水平転送路１０３に沿って転送される。時刻ｔ５における転送が行われると、区間Ｂ上にあった信号電荷は全て区間Ａ側に転送されてしまう。従って、それ以後に区間Ｂを駆動すると、その区間Ｂにおける転送動作は、空パケットの転送のみとなり、電力消費が無駄となる。
【００３３】
そこで、本実施形態では、システム制御部９が駆動部４に対して制御指令を出力し、時刻ｔ６以降にφＨ１Ｂ，φＨ２Ｂを停止させ、区間Ａのみの電荷転送を行わせる。これにより、水平転送路１０３で消費される電力の節減を図ることが可能となる。
【００３４】
図３で説明した撮像領域Ａのみで撮影を行う様にユーザが指示入力すると、システム制御部９は駆動部４に指令を出力し、区間Ａでのみ水平転送路１０３の駆動が行われる。水平転送路１０３の駆動時間（転送時間）は、水平転送路上の全信号電荷がアンプ１０４によって読み出される時間であるため、区間Ａのみ水平転送路１０３を駆動する場合には、区間Ａ，区間Ｂの両方を駆動して信号電荷を読み出す時間に比べて半分で済む。即ち、消費電力の低減だけでなく、転送時間の高速化を図ることも可能となる。
【００３５】
撮像領域Ａのみで撮影を行う場合でも、被写界からの受光は撮像領域１１０の全受光面で行われ、全フォトダイオード１０１に信号電荷が蓄積され、撮像領域Ｂにおいても、信号電荷の垂直転送路１０２への読み出しと、垂直転送路１０２上の転送は撮像領域Ａと同様に行われる。しかし、垂直転送路１０２の転送クロックは水平転送路に比べて低クロックであるため、領域Ｂにおける垂直転送路の無駄な転送動作による消費電力は僅かであり、問題にはならない。
【００３６】
撮像領域Ｂにおける信号電荷が垂直転送路１０２から水平転送路１０３の区間Ｂに移動して区間Ａの信号電荷に影響が及ぶおそれがある場合には、垂直転送路と水平転送路との境界部分に信号電荷廃棄部（信号電荷を半導体基板側に流して廃棄するドレイン部）を設けておき、撮像領域Ｂにおける信号電荷をこのドレイン部で廃棄してしまう構成にすればよい。
【００３７】
尚、上述した実施形態では、水平転送路を２つの区間に分けて夫々の区間毎に転送パルスを独立に印加する構成としたが、３つ以上の区間に分けて各区間毎に転送パルスを独立に印加する構成とすることで、更にきめ細かな制御が可能となることはいうまでもない。また、水平転送路を複数区間に分け夫々の区間毎に転送パルスを独立に印加する構成としたが、垂直転送路を複数区間に分けて夫々の区間毎に垂直転送パルスを独立に印加する構成とすることも可能である。
【００３８】
以上述べた様に、本実施形態によるＣＣＤ型固体撮像素子によれば、水平転送路の転送駆動に要する消費電力の節減を図ることが可能となり、また、転送時間の多くを占める水平転送路の転送時間の短縮を図ることも可能となる。また、出力アンプは１個だけであるため、製造が容易となり、従来技術で説明した画像データの合成処理も不要となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子は、消費電力の低減と転送時間の短縮を図ることができ、デジタルカメラに搭載する固体撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。
【図２】図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。
【図３】図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子の概念説明図である。
【図４】（ａ）本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の水平転送路の説明図である。  （ｂ）従来のＣＣＤ型固体撮像素子の水平転送路の説明図である。
【図５】図４（ａ）に示す水平転送路に印加する転送パルスの波形図である。
【図６】図５に示す転送パルスを用いて駆動される図４（ａ）の水平転送路における信号電荷の転送の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  撮像部
１００  ＣＣＤ型固体撮像素子
１０１  フォトダイオード
１０２  垂直転送路
１０３  水平転送路
１０４  アンプ
１１０  撮像領域（全受光面）
φＨ１Ａ，φＨ２Ａ  区間Ａの水平転送パルス
φＨ１Ｂ，φＨ２Ｂ  区間Ｂの水平転送パルス
【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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