(57)【要約】【課題】設計自由度が高く且つ低消費電力の固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子１０は、光電変換素子１０１から読み出された電荷をＹ方向に転送する列方向電荷転送部１０２と、列方向電荷転送部１０２の一端に接続され、列方向電荷転送部１０２を他端側から一端側に向かって転送されてきた電荷をＸ方向に転送する行方向電荷転送部１０３と、列方向電荷転送部１０２の他端に接続され、列方向電荷転送部１０２を一端側から他端側に向かって転送されてきた電荷をＸ方向に転送する行方向電荷転送部１０５と、行方向電荷転送部１０３を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力アンプ１０４と、行方向電荷転送部１０５を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力アンプ１０６とを備え、行方向電荷転送部１０５の電荷転送容量が、行方向電荷転送部１０３の電荷転送容量よりも大きい。【選択図】図１
2007074386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に配設された多数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、
前記光電変換素子から読み出された電荷を前記半導体基板上の特定方向に転送する電荷転送部と、
前記電荷転送部の一端に接続され、前記電荷転送部を他端側から前記一端側に向かって転送されてきた電荷を前記特定方向に交差する方向に転送する第一電荷転送部と、
前記電荷転送部の前記他端に接続され、前記電荷転送部を前記一端側から前記他端側に向かって転送されてきた電荷を前記特定方向に交差する方向に転送する第二電荷転送部と、
前記第一電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する第一信号出力部と、
前記第二電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する第二信号出力部とを備え、
前記第二電荷転送部の電荷転送容量が、前記第一電荷転送部の電荷転送容量よりも大きい固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを有する固体撮像装置であって、
前記駆動手段は、
前記電荷転送部の駆動を、前記電荷が前記他端側から前記一端側に向かって転送されるように駆動する第一駆動モードと、前記電荷が前記一端側から前記他端側に向かって転送されるように駆動する第二駆動モードとで選択的に切り替えて行う第一駆動部と、前記第一電荷転送部の駆動と前記第二電荷転送部の駆動とを選択的に切り替えて行う第二駆動部と、前記第一駆動部及び前記第二駆動部の動作制御を行う動作制御部とを含み、
前記動作制御部は、前記第一駆動部を前記第一駆動モードで動作させると共に、前記第二駆動部に前記第一電荷転送部の駆動を行わせる第１の動作制御と、前記第一駆動部を前記第二駆動モードで動作させると共に、前記第二駆動部に前記第二電荷転送部の駆動を行わせる第２の動作制御とのいずれかを選択して実行する固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像装置であって、
前記動作制御部は、撮影指示が行われた場合、前記撮影指示に応じた撮影にて前記光電変換素子に蓄積されると予測される電荷の電荷量（以下、予測電荷量という）にしたがって、前記第１の動作制御と前記第２の動作制御のいずれかを選択して実行する固体撮像装置。
【請求項４】
請求項３に記載の固体撮像装置であって、
前記動作制御部は、前記予測電荷量が前記第一電荷転送路の電荷転送容量を超えない場合、前記第１の動作制御を実行し、前記予測電荷量が前記第一転送路の電荷転送容量を超える場合、前記第２の動作制御を実行する固体撮像装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の固体撮像装置であって、
前記動作制御部は、前記撮影指示が行われてから前記撮影指示に応じた撮影によって前記固体撮像素子から信号が出力されるまでの期間を除く期間では、前記第２の動作制御を実行する固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に配設された多数の光電変換素子を有する固体撮像素子と、これを有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型固体撮像素子は、半導体基板上に配設された多数の光電変換素子と、光電変換素子から読み出された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部を転送されてきた電荷を水平方向に転送する水平転送部と、水平転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力アンプとを備える構成が一般的である。
【０００３】
上述した構成の固体撮像素子では、水平転送部の電荷転送容量を、光電変換素子に蓄積される電荷量が最大のときでも十分に電荷が転送できるように決めておく必要がある。又、水平転送部は、光電変換素子に蓄積される電荷量が少ないときの電荷転送効率が良くなるように設計しておくことが好ましい。しかし、電荷転送効率を優先すると、電荷転送容量が犠牲となり、この結果、光電変換素子の飽和容量を大きくすることができなくなってしまう。一方、電荷転送容量を優先すると、電荷転送効率の向上が難しくなる。このように、従来の固体撮像素子では、その設計に制限が生じていた。又、従来の固体撮像素子では、電荷量が少ないときでも、電荷量が最大のときと同じ駆動で水平転送部にて転送動作が行われるため、電荷量が少ないときの消費電力に無駄が生じていた。
【０００４】
従来、水平転送部を２つに分割し、片方の水平転送部の取り扱い電荷量を超えた電荷を、もう一方の水平転送部によって転送することで、ダイナミックレンジを拡大できるようにした固体撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８２８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、設計自由度が高く且つ低消費電力の固体撮像素子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】
【０００７】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に配設された多数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、前記光電変換素子から読み出された電荷を前記半導体基板上の特定方向に転送する電荷転送部と、前記電荷転送部の一端に接続され、前記電荷転送部を他端側から前記一端側に向かって転送されてきた電荷を前記特定方向に交差する方向に転送する第一電荷転送部と、前記電荷転送部の前記他端に接続され、前記電荷転送部を前記一端側から前記他端側に向かって転送されてきた電荷を前記特定方向に交差する方向に転送する第二電荷転送部と、前記第一電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する第一信号出力部と、前記第二電荷転送部を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する第二信号出力部とを備え、前記第二電荷転送部の電荷転送容量が、前記第一電荷転送部の電荷転送容量よりも大きい。
【０００８】
本発明の固体撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを有する固体撮像装置であって、前記駆動手段は、前記電荷転送部の駆動を、前記電荷が前記他端側から前記一端側に向かって転送されるように駆動する第一駆動モードと、前記電荷が前記一端側から前記他端側に向かって転送されるように駆動する第二駆動モードとで選択的に切り替えて行う第一駆動部と、前記第一電荷転送部の駆動と前記第二電荷転送部の駆動とを選択的に切り替えて行う第二駆動部と、前記第一駆動部及び前記第二駆動部の動作制御を行う動作制御部とを含み、前記動作制御部は、前記第一駆動部を前記第一駆動モードで動作させると共に、前記第二駆動部に前記第一電荷転送部の駆動を行わせる第１の動作制御と、前記第一駆動部を前記第二駆動モードで動作させると共に、前記第二駆動部に前記第二電荷転送部の駆動を行わせる第２の動作制御とのいずれかを選択して実行する。
【０００９】
本発明の固体撮像装置は、前記動作制御部が、撮影指示が行われた場合、前記撮影指示に応じた撮影にて前記光電変換素子に蓄積されると予測される電荷の電荷量（以下、予測電荷量という）にしたがって、前記第１の動作制御と前記第２の動作制御のいずれかを選択して実行する。
【００１０】
本発明の固体撮像装置は、前記動作制御部が、前記予測電荷量が前記第一電荷転送路の電荷転送容量を超えない場合、前記第１の動作制御を実行し、前記予測電荷量が前記第一転送路の電荷転送容量を超える場合、前記第２の動作制御を実行する。
【００１１】
本発明の固体撮像装置は、前記動作制御部が、前記撮影指示が行われてから前記撮影指示に応じた撮影によって前記固体撮像素子から信号が出力されるまでの期間を除く期間では、前記第２の動作制御を実行する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、設計自由度が高く且つ低消費電力の固体撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態では、固体撮像装置として、デジタルカメラを例にして説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの要部概略構成を示す図である。
図１に示すデジタルカメラ１は、固体撮像素子１０と、Ｈドライバ２０と、Ｖドライバ３０と、制御部４０と、ユーザインターフェース（ＩＦ）５０とを備える。又、デジタルカメラ１には、図示しないメカニカルシャッタも含まれる。
【００１５】
固体撮像素子１０は、半導体基板１００上の行方向（図中のＸ方向）とこれに直交する列方向（図中のＹ方向）に配設された多数の光電変換素子１０１と、多数の光電変換素子１０１の各々から読み出された電荷を半導体基板１００上の特定方向である列方向に転送する複数の列方向電荷転送部１０２と、各列方向電荷転送部１０２の一端に接続され、各列方向電荷転送部１０２をその他端側から一端側に向かって転送されてきた電荷を行方向に転送する行方向電荷転送部１０３と、行方向電荷転送部１０３を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力アンプ１０４と、各列方向電荷転送部１０２の他端に接続され、各列方向電荷転送部１０２をその一端側から他端側に向かって転送されてきた電荷を行方向に転送する行方向電荷転送部１０５と、行方向電荷転送部１０５を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力アンプ１０６とを備える。固体撮像素子１０は電子シャッタ機能を有するものとする。
【００１６】
列方向電荷転送部１０２は、特許請求の範囲の電荷転送部に相当する。行方向電荷転送部１０３は、特許請求の範囲の第一電荷転送部に相当する。行方向電荷転送部１０５は、特許請求の範囲の第二電荷転送部に相当する。出力アンプ１０４は、特許請求の範囲の第一信号出力部に相当する。出力アンプ１０６は、特許請求の範囲の第二信号出力部に相当する。
【００１７】
列方向電荷転送部１０２は、半導体基板１００上の列方向に延びる電荷転送チャネルと、その上に積層された多数の電荷転送電極とを含み、電荷転送電極にＶドライバ３０から例えば４相の駆動パルス（Ｖ１〜Ｖ４）が供給されることで、４相駆動される。この電荷転送電極の一部は、光電変換素子１０１から電荷を読み出すための読み出し電極も兼ねている。列方向電荷転送部１０２は、電荷転送電極に供給される４相の駆動パルスを制御することで、光電変換素子１０１から電荷を読み出すと共に、読み出された電荷を、一端側から他端側に向かって転送したり、他端側から一端側に向かって転送したりすることができる。
【００１８】
行方向電荷転送部１０３と行方向電荷転送部１０５は、それぞれ、半導体基板１００上の行方向に延びる電荷転送チャネルと、その上に積層された多数の電荷転送電極とを含み、電荷転送電極にＨドライバ２０から例えば２相の駆動パルス（Ｈ１，Ｈ２）が供給されることで、２相駆動される。
【００１９】
行方向電荷転送部１０５は、その電荷転送容量（１回の転送で転送することのできる電荷量）が、光電変換素子１０２の飽和容量と同じになっており、光電変換素子１０２が飽和した場合でも、そこに蓄積された電荷を十分に転送することが可能である。
【００２０】
行方向電荷転送部１０３は、その電荷転送容量が行方向電荷転送部１０５の電荷転送容量よりも小さくなっている。又、行方向電荷転送部１０３は、電荷量の小さい電荷を転送する際に、その電荷を効率良く転送できるように最適設計されている。
【００２１】
尚、図１では、行方向電荷転送部１０３及び行方向電荷転送部１０５が、それぞれ行方向に電荷を転送するものとしたが、これらは列方向電荷転送部１０２に交差する方向に電荷を転送するものであれば良い。
【００２２】
Ｈドライバ２０は、行方向電荷転送部１０３と行方向電荷転送部１０５にそれぞれ駆動パルス（Ｈ１，Ｈ２）を供給することで、その駆動を行うものである。Ｈドライバ２０は、制御部４０からの制御により、行方向電荷転送部１０３の駆動と、行方向電荷転送部１０５の駆動とを選択的に切り替えて行う。Ｈドライバ２０は、特許請求の範囲の第二駆動部に相当する。
【００２３】
Ｖドライバ３０は、列方向電荷転送部１０２に駆動パルス（Ｖ１〜Ｖ４）を供給することで、その駆動を行うものである。Ｖドライバ３０は、列方向電荷転送部１０２の駆動を、電荷が列方向電荷転送部１０２の他端から一端に向かう方向に転送されるように駆動パルスを供給して駆動する第一駆動モードと、電荷が列方向電荷転送部１０２の一端から前記他端に向かう方向に転送されるように駆動パルスを供給して駆動する第二駆動モードとで選択的に切り替えて行う。第一駆動モードと第二駆動モードの切り替え制御は、制御部４０によって行われる。Ｖドライバ３０は、特許請求の範囲の第一駆動部に相当する。
【００２４】
制御部４０は、固体撮像素子１０のメカニカルシャッタと電子シャッタの制御を行う。具体的には、ユーザＩＦ５０を介して行われた撮影指示に応じて、メカニカルシャッタと電子シャッタを所定期間開いて露光を行わせる。これにより、撮影指示に応じた撮影が固体撮像素子１０にて行われる。ここでいう撮影指示とは、露光の開始を指示することを意味し、ユーザＩＦ５０に含まれるレリーズボタンを押下することで、これを行うことができる。
【００２５】
制御部４０は、更に、Ｈドライバ２０とＶドライバ３０の動作制御も行う。具体的には、Ｈドライバ２０に対し、行方向電荷転送部１０３と行方向電荷転送部１０５のどちらを駆動させるかを指示したり、Ｖドライバ３０に対し、第一駆動モードと第二駆動モードのどちらで駆動させるかを指示したりすることで、Ｈドライバ２０とＶドライバ３０の動作を制御する。
【００２６】
上記動作制御には、第１の動作制御と第２の動作制御が含まれ、制御部４０は、これらのいずれかを選択して実行する。
【００２７】
第１の動作制御は、Ｖドライバ３０を第一駆動モードで動作させると共に、Ｈドライバ２０に行方向電荷転送部１０３の駆動を行わせる動作制御である。第２の動作制御は、Ｖドライバ３０を第二駆動モードで動作させると共に、Ｈドライバ２０に行方向電荷転送部１０５の駆動を行わせる動作制御である。
【００２８】
制御部４０は、撮影指示が行われた場合、その撮影指示に応じた撮影にて各光電変換素子１０１に蓄積されると予測される電荷の電荷量（以下、予測電荷量という）にしたがって、上記第１の動作制御と第２の動作制御とのいずれかを選択して実行する。制御部４０は、予測電荷量が行方向電荷転送部１０３の電荷転送容量を超えない場合には第１の動作制御を行い、予測電荷量が行方向電荷転送部１０３の電荷転送容量を超える場合には第２の動作制御を行う。
【００２９】
又、制御部４０は、撮影指示が行われてから、その撮影指示に応じた撮影によって固体撮像素子１０から信号が出力されるまでの期間（以下、撮影期間という）を除く期間では、第２の動作制御を行う。この期間に、第１の動作制御を行ってしまうと、行方向電荷転送部１０３の電荷転送容量を超える電荷が光電変換素子１０１に蓄積された場合、行方向電荷転送部１０３にて電荷漏れが発生してしまい、スルー画像を表示できなくなってしまう。このため、この期間では、第２の動作制御を行うことが好ましい。撮影期間を除く期間に固体撮像素子１０から得られる画像データは、転送効率が重要でないため、行方向電荷転送部１０５で電荷転送を行っても問題はない。
【００３０】
予測電荷量は、撮影環境によって予測可能である。例えば、撮影指示の直前に行われるＡＥ処理によって得られる露出値によって、制御部４０が予測電荷量を予測すれば良い。この場合は、各光電変換素子１０１から得られた電荷の電荷量の平均をとり、この平均値を予測電荷量としても良いし、露出値と予測電荷量とのテーブルを持っておき、このテーブルを基に予測電荷量を求めても良い。
【００３１】
又は、制御部４０が、デジタルカメラ１の使用者によって設定されたシャッタ速度や絞り値によって決まる露出値又は撮影モードによって予測電荷量を求めても良い。例えば、撮影モードが夜景モードや高感度モードの場合には、予測電荷量は小さく、長時間露光モードのときには、予測電荷量は大きい。このため、撮影モード毎に予測電荷量を予め設定したり、露出値毎に予測電荷量を予め設定したりしておくことで、予測電荷量を求めることが可能である。
【００３２】
ユーザインターフェース５０は、撮影モードを設定したり、撮影指示を行ったりするためのインターフェースである。本実施形態では、例えば、風景モードのとき、予測電荷量が行方向電荷転送部１０３の電荷転送容量を超え、夜景モードのとき、予測電荷量が行方向電荷転送部１０３の電荷転送容量を超えないものとする。
【００３３】
以下、図１に示すデジタルカメラ１の動作を説明する。
固体撮像素子１が起動して撮影モードに設定されると、制御部４０によって第２の動作制御が実行される。このため、撮影モード中の撮影期間を除く期間において各光電変換素子１０１に蓄積された電荷は、列方向電荷転送部１０２に読み出され、この電荷が列方向電荷転送部１０２の一端側から他端側に向かう列方向に転送され、列方向電荷転送部１０２を転送された電荷が行方向電荷転送部１０５で行方向に転送され、行方向電荷転送部１０５を転送された電荷に応じた信号が出力アンプ１０６から出力される。これにより、撮影モード中にスルー画像を表示することができる。
【００３４】
次に、ユーザインターフェース５０によって風景モードが設定された後、使用者によって撮影指示が行われる。風景モードに設定されていることから、この撮影指示に応じた撮影における予測電荷量は、行方向電荷転送部１０３の電荷転送容量を超えると判断される。このため、制御部４０は、第２の動作制御を継続して行う。これにより、撮影指示に応じた撮影によって光電変換素子１０１に蓄積された電荷は列方向電荷転送部１０２に読み出され、この電荷が列方向電荷転送部１０２の一端側から他端側に向かう列方向に転送され、列方向電荷転送部１０２を転送された電荷が行方向電荷転送部１０５で行方向に転送され、行方向電荷転送部１０５を転送された電荷に応じた信号が出力アンプ１０６から出力される。この時点で、撮影期間が終了する。
【００３５】
この撮影によって光電変換素子１０１に蓄積された電荷が、光電変換素子１０１の飽和容量と同じであっても、行方向電荷転送部１０５の電荷転送容量は該飽和容量と同じであるため、この電荷を行方向電荷転送部１０５にて十分に転送することが可能となる。
【００３６】
一方、ユーザインターフェース５０によって夜景モードが設定された後、使用者によって撮影指示が行われた場合は、夜景モードに設定されていることから、この撮影指示に応じた撮影における予測電荷量は、行方向電荷転送部１０３の電荷転送容量を超えないと判断される。このため、制御部４０は、第１の動作制御を実行する。これにより、撮影指示に応じた撮影によって光電変換素子１０１に蓄積された電荷は列方向電荷転送部１０２に読み出され、この電荷が列方向電荷転送部１０２の他端側から一端側に向かう列方向に転送され、列方向電荷転送部１０２を転送された電荷が行方向電荷転送部１０３で行方向に転送され、行方向電荷転送部１０３を転送された電荷に応じた信号が出力アンプ１０４から出力される。この時点で、撮影期間が終了する。撮影期間が終了すると、制御部４０は第２の動作制御を実行する。
【００３７】
この撮影によって光電変換素子１０１に蓄積された電荷の電荷量が非常に小さい場合でも、行方向電荷転送部１０３は、電荷量が小さいときの転送効率が高くなるように最適設計されているため、この電荷を行方向電荷転送部１０３にて効率良く転送することが可能となる。
【００３８】
以上のように、本実施形態のデジタルカメラ１によれば、行方向電荷転送部１０３と行方向電荷転送部１０５を設け、これらを予測電荷量に応じて選択的に切り替えて使用できるようにしたため、光電変換素子１０１の飽和容量を増加させた場合でも、予測電荷量が少ない場合の電荷転送効率を低下させることなく、その増加に対応することができるようになる。従来の固体撮像素子では、光電変換素子の飽和容量を増加させると、予測電荷量が少ない場合の電荷転送効率を向上させるのが困難であったが、本実施形態によれば、このような心配がない。このため、固体撮像素子１０の設計自由度を上げることが可能となる。
【００３９】
又、本実施形態のデジタルカメラ１によれば、行方向電荷転送部１０５の電荷転送容量よりも極端に小さな電荷量を転送する際は、行方向電荷転送部１０５ではなく行方向電荷転送部１０３を用いてその電荷を転送するため、行方向電荷転送部１０５にて無駄な電力が消費されることがなく、低消費電力化を実現することができる。
【００４０】
尚、図１では、Ｈドライバ２０を１つのブロックで示したが、行方向電荷転送部１０３を駆動するＨドライバと、行方向電荷転送部１０５を駆動するＨドライバとの２つのＨドライバを設け、この２つのＨドライバの動作のオンオフ制御を制御部４０が行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態を説明するためのデジタルカメラの概略構成を示す図
【符号の説明】
【００４２】
１  デジタルカメラ
１０  固体撮像素子
２０  Ｈドライバ
３０  Ｖドライバ
４０  制御部
５０  ユーザＩＦ
１００  半導体基板
１０１  光電変換素子
１０２  列方向電荷転送部
１０３，１０５  行方向電荷転送部
１０４，１０６  出力アンプ
【図１】
2007074386.tif 000003