(57)【要約】【課題】混色を防止する。【解決手段】行列状に配列された複数の光電変換部と、各列に配され、対応列の光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する垂直転送部と、各列の垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、光電変換部毎に配されたカラーフィルタと、各光電変換部から対応列の垂直転送部へ信号電荷を読み出す際に、各色の光電変換部に蓄積された信号電荷量を求め、信号電荷量が最も多い色の光電変換部の信号電荷を最初に読み出すように読み出し順序を制御する制御部を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配列された複数の光電変換部と、
各列に配され、対応列の光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する垂直転送部と、
各列の垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、
光電変換部毎に配されたカラーフィルタと、
各光電変換部から対応列の垂直転送部へ信号電荷を読み出す際に、各色の光電変換部に蓄積された信号電荷量を求め、信号電荷量が最も多い色の光電変換部の信号電荷を最初に読み出すように読み出し順序を制御する制御部と
を備える固体撮像装置。
【請求項２】
各カラーフィルタの色は、行方向と列方向に各２個単位で繰り返されている、
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
各カラーフィルタの色は、ベイヤー配列で配列されている、
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
各垂直転送部は、１画素１ゲート構造である、
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
各光電変換部に蓄積された信号電荷は、複数のフィールドに分けて読み出され、
前記制御部は、信号電荷量が最も多い色の光電変換部の信号電荷を最初のフィールドで読み出させる、
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
各光電変換部に蓄積された信号電荷は、静止画を撮影する静止画モードと、静止画を撮影する前に動画を撮影するプレビューモードとで異なる方式で読み出され、
前記制御部は、前記プレビューモードで撮影する場合には読み出し順序の制御を実行せず、前記静止画モードで撮影する場合に読み出し順序の制御を実行する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記静止画モードで撮影する場合に、それよりも前のプレビューモードで読み出された光電変換部の信号電荷量を色毎に測定し、測定結果に基づいて色毎の光電変換部の信号電荷量を求める、
請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置を用いた撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、行列状に配列された複数の光電変換部と各列に設けられた垂直転送部とを備えたＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置に関し、特に、光電変換部に蓄積された信号電荷を垂直転送部に読み出す技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、デジタルカメラやビデオカメラの撮像部、あるいはファックスやイメージスキャナの画像認識部を構成し、撮像素子としてはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサが広く用いられている。
従来例のＣＣＤ型イメージセンサを用いた固体撮像装置の平面構造について、図１の模式図を参照して説明する。ＣＣＤ型イメージセンサ１１は、単位画素ごとに光電変換部１２が設けられ行列状に複数配列されている。光電変換部１２の各列間に、垂直転送部１３が配列されて撮像領域が形成されている。各光電変換部１２に蓄積された電荷は垂直転送部１３へ移送され、垂直転送部１３により、水平転送部１４へ向けて垂直方向に並列転送される。従って水平転送部１４には、複数本の垂直転送部１３から１走査線に相当する信号電荷が順次転送される。水平転送部１４に達した電荷は水平方向へ転送されて、電荷検出部１５により信号電圧に変換され、出力アンプ１６で増幅された後、信号処理部１７にて画像信号を生成する。
垂直転送部１３は、タイミング発生回路１８から供給される、例えば４相の転送クロックφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４によって転送駆動される。これにより、垂直転送部１３に読み出された信号電荷は、水平ブランキング期間に１走査線に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送される。水平転送部１４は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１、φＨ２によって転送駆動される。これにより、１走査線分の信号電荷は、水平ブランキング期間後の水平走査期間において、順次水平方向に転送される。一例として図２にタイミングチャートを示す。特に指定が無ければ、図２に示すように転送クロックφＶ１から順次信号電荷の読み出しを行っていく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１１８２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光電変換部において蓄積された信号電荷を垂直転送部に読み出す場合には、読出対象の光電変換部に対応する転送電極に読出電圧（３値パルスのうちハイレベルのパルス：ＶＨ）を印加することになる。読出電圧を印加すると、読出対象の光電変換部のポテンシャルが変調され、信号電荷が光電変換部から垂直転送部に移送される。ところが、読出電圧は比較的高い電圧なので、転送電極に読出電圧を印加した場合に、それに隣接する読出対象ではない光電変換部（以下、「非読出対象の光電変換部」という）のポテンシャルも変調されることがある。この場合、非読出対象の光電変換部に蓄積された信号電荷の一部が漏出し、垂直転送部に入り込んで読出対象の光電変換部の信号電荷と混合され、垂直方向で混色が生じてしまう。特に、近年、固体撮像装置の小型化と高画素化が進み、画素寸法が縮小している中、この現象による画像劣化の問題がさらに発生しやすくなる。
【０００５】
そこで、本発明は、読出電圧の影響により非読出対象の光電変換部の信号電荷が漏出する事態をできるだけ防止できる固体撮像装置およびそれを用いた撮像システム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】
【０００６】
本発明に係る固体撮像装置は、行列状に配列された複数の光電変換部と、各列に配され、対応列の光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する垂直転送部と、各列の垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、光電変換部毎に配されたカラーフィルタと、各光電変換部から対応列の垂直転送部へ信号電荷を読み出す際に、各色の光電変換部に蓄積された信号電荷量を求め、信号電荷量が最も多い色の光電変換部の信号電荷を最初に読み出すように読み出し順序を制御する制御部とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
読出対象の光電変換部に対する読出電圧の影響により非読出対象の光電変換部のポテンシャルが変調された場合、非読出対象の光電変換部に蓄積された信号電荷量（以下、「蓄積電荷量」ともいう）が多いほど、信号電荷が漏出する事態が生じやすい。上記構成によれば、蓄積電荷量が最も多い光電変換部、即ち、信号電荷が最も漏出しやすい光電変換部を最初に読出対象としている。したがって、蓄積電荷量が最も多い光電変換部がその信号電荷を蓄積した状態で別の光電変換部に対して読出電圧が印加されるということがなく、読出電圧の影響により非読出対象の光電変換部の信号電荷が漏出する事態をできるだけ防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来のＣＣＤ型イメージセンサの全体構成を示す概念図
【図２】図１のＣＣＤ型イメージセンサの動作を示すタイミングチャート
【図３】本発明の実施の形態に係るＣＣＤ型イメージセンサの全体構成を示す概念図
【図４】図３のＣＣＤ型イメージセンサにおける垂直転送部および光電変換部のレイアウトを示す図
【図５】図３のＣＣＤ型イメージセンサにおいて光電変換部毎に配されたカラーフィルタのレイアウトを示す図
【図６】Ｒ、Ｇ、Ｂの各画素の出力値の一例を示す図
【図７】各フィールドと読出電圧が印加される駆動信号との対応表
【図８】図３のＣＣＤ型イメージセンサの動作を示すタイミングチャートであり、（ａ）はＧ画素、Ｂ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している場合、（ｂ）はＲ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している場合
【図９】図３のＣＣＤ型イメージセンサの動作を示すフローチャート
【図１０】Ｒ画素の蓄積電荷量が最も多い場合における各画素の信号電荷の読み出しを模式的に示す図
【図１１】従来技術と本実施の形態とを対比するための図
【図１２】本発明の変形例における垂直転送部および光電変換部のレイアウトを示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明の実施の形態に係るＣＣＤ型イメージセンサの全体構成を示す概念図である。
ＣＣＤ型イメージセンサ３１は、単位画素ごとに光電変換部３２が設けられ行列状に複数配列されている。光電変換部３２の各列間に、垂直転送部３３が配列されて撮像領域が形成されている。各光電変換部３２に蓄積された信号電荷は垂直転送部３３へ移送され、垂直転送部３３により、水平転送部３４へ向けて垂直方向に並列転送される。従って水平転送部３４には、複数本の垂直転送部３３から１走査線に相当する信号電荷が順次転送される。水平転送部３４に達した信号電荷は水平方向へ転送されて、電荷検出部３５により信号電圧に変換され、出力アンプ３６で増幅された後、信号処理部３７にてホワイトバランス、ガンマ補正、ノイズ除去などの画像処理が行われ、画像信号に変換される。信号処理部３７は、画像処理を行うだけでなく、タイミング発生回路３８の駆動モードを制御する制御部としても機能する。駆動モードの制御については後で詳細に説明する。
【００１０】
図４は、図３のＣＣＤ型イメージセンサにおける垂直転送部および光電変換部のレイアウトを示す図である。本実施の形態では、１個の光電変換部３２に対して１個の垂直転送電極４１が設けられた、いわゆる１画素１ゲート構造が採用されている。図４（ｂ）に示すように、水平方向（行方向）に隣接する垂直転送電極４１どうしは連結部４２を介して電気的に接続されている。垂直方向に隣接する光電変換部３２の間には、ポテンシャルバリアを形成するために垂直分離部が形成される。各連結部４２は、各垂直転送部の上部に設けられる。
【００１１】
図５は、図３のＣＣＤ型イメージセンサにおいて光電変換部毎に配されたカラーフィルタのレイアウトを示す図である。本実施の形態では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）の各色のカラーフィルタが行方向および列方向に２個単位で繰り返し配置された、いわゆるベイヤー配列が採用されている。以降、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタが配された光電変換部をそれぞれＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素と称する。
【００１２】
本実施の形態では、信号処理部３７は、動画を撮影するプレビューモードにおいて、フレーム毎に各光電変換部３２に蓄積された信号電荷量、すなわち、図５に示すＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素に蓄積された信号電荷量を画素毎に測定する。さらに、信号処理部３７は、Ｒ画素の中での最大値、Ｇ画素の中での最大値およびＢ画素の中での最大値をそれぞれ検出し、それらを比較して、信号電荷量が最も多い画素の色を特定する。図６に一例として、あるフレームにおけるＲ、Ｇ、Ｂの各画素の最大出力値を示す。この例では、Ｒ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している。
【００１３】
また、本実施の形態では、静止画モードでは、各画素の信号電荷は第１から第４までの４つのフィールドに分けて読み出される。そして、Ｇ画素、Ｂ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している場合、図７（ａ）の対応表に示すように、第１フィールドではΦＶ１に読出電圧ＶＨを印加し、第２フィールドではΦＶ２に読出電圧ＶＨを印加し、第３フィールドではΦＶ３に読出電圧ＶＨを印加し、第４フィールドではΦＶ４に読出電圧ＶＨを印加する。一方、Ｒ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している場合、図７（ｂ）の対応表に示すように、第１フィールドではΦＶ２に読出電圧ＶＨを印加し、第２フィールドではΦＶ３に読出電圧ＶＨを印加し、第３フィールドではΦＶ４に読出電圧ＶＨを印加し、第４フィールドではΦＶ１に読出電圧ＶＨを印加する。
【００１４】
図８は、図３のＣＣＤ型イメージセンサの動作を示すタイミングチャートであり、（ａ）はＧ画素、Ｂ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している場合、（ｂ）はＲ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している場合を示す。
プレビューモードから静止画モードに移行する際に（時刻ｔ８１）、信号処理部３７は、移行直前の１フレームを用いて各色の画素に蓄積された信号電荷量を測定する。そして、最も多くの信号電荷を蓄積している画素を特定し、その色の画素が第１フィールドで読み出されるようにタイミング発生回路３８を制御する。つまり、信号処理部３７は、各色の画素の蓄積電荷量に応じて読み出し順序を入れ替える制御を行う。図８（ａ）に示すように、Ｇ画素またはＢ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している場合は、第１フィールドでΦＶ１に読出電圧ＶＨが印加される。一方、図８（ｂ）に示すように、Ｒ画素が最も多くの信号電荷を蓄積している場合は、第１フィールドでΦＶ２に読出電圧ＶＨが印加される。
【００１５】
従来のイメージセンサでは、読み出し順序は固定的であり、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素のいずれの蓄積電荷量が最大でも、図２に示す駆動モード（ΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４の順に読出電圧を印加する）で各画素の信号電荷を読み出している。これに対し、本実施の形態では、読み出し順序は変動的であり、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素のどの蓄積電荷量が最大であるかに応じて、図８（ａ）に示す駆動モード（ΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４の順に読出電圧を印加する）と図８（ｂ）に示す駆動モード（ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４、ΦＶ１の順に読出電圧を印加する）とを選択的に入れ替えて各画素の信号電荷を読み出している。
【００１６】
図９は、図３のＣＣＤ型イメージセンサの動作を示すフローチャートである。
まず、電源がＯＮになれば、信号処理部３７は、タイミング発生回路３８にプレビューモードを指示する（ステップＳ１）。これを受けて、タイミング発生回路３８は、プレビューモードで垂直転送部３３および水平転送部３４を駆動する。プレビューモードでは、全画素の信号電荷を読み出すのではなく、信号電荷の間引きや信号電荷の混合などが行われる。
【００１７】
信号処理部３７は、プレビューモードで撮影された動画のフレーム毎に、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素に蓄積された信号電荷の各電荷量の最大値を測定し（ステップＳ２）、測定結果をメモリに記憶する（ステップＳ３）。
ここで、シャッターボタンが押されると（ステップＳ４：ＹＥＳ）、直前のフレームの測定結果をメモリから読み出す（ステップＳ５）。そして、直前のフレームでＧ画素またはＢ画素の蓄積電荷量が最も多い場合（ステップＳ６：ＮＯ）、信号処理部３７は、タイミング発生回路３８に第１駆動モードを指示する（ステップＳ７）。第１駆動モードとは、図７（ａ）の対応表に示したとおり、ΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４の順に読出電圧を印加するモードである。一方、直前のフレームでＲ画素の蓄積電荷量が最も多い場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、信号処理部３７は、タイミング発生回路３８に第２駆動モードを指示する（ステップＳ８）。第２駆動モードとは、図７（ｂ）の対応表に示したとおり、ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４、ΦＶ１の順に読出電圧を印加するモードである。
【００１８】
静止画の撮影が完了すれば（ステップＳ９：ＹＥＳ）、信号処理部３７は、再び、タイミング発生回路３８にプレビューモードを指示する（ステップＳ１）。
図１０は、Ｒ画素の蓄積電荷量が最も多い場合における各画素の信号電荷の読み出しを模式的に示す図である。
図１０（ａ）に示すように、第１フィールドでΦＶ２に読出電圧ＶＨが印加されることにより、Ｒ、Ｇ行の画素の信号電荷が垂直転送部３３に読み出され、順次出力される（図８（ｂ）における時刻ｔ８２からｔ８３）。次に、図１０（ｂ）に示すように、第２フィールドでΦＶ３に読出電圧ＶＨが印加されることによりＧ、Ｂ行の画素の信号電荷が垂直転送部３３に読み出され、順次出力される（図８（ｂ）における時刻ｔ８３からｔ８４）。ΦＶ３に対応する垂直転送電極に読出電圧ＶＨを印加すると、ΦＶ２に対応する光電変換部に蓄積された信号電荷が混色成分となり得るが、ΦＶ２に対応する光電変換部に蓄積された信号電荷は既に読み出しが完了し、信号電荷が無くなっているため、混色が発生しない。次に、図１０（ｃ）に示すように、第３フィールドでΦＶ４に読出電圧ＶＨが印加されることによりＲ、Ｇ行の画素の信号電荷が垂直転送部３３に読み出され、順次出力される（図８（ｂ）における時刻ｔ８４からｔ８５）。このときも、ΦＶ３に対応する光電変換部に蓄積された信号電荷は既に読み出しが完了しているので、混色が発生しない。次に、図１０（ｄ）に示すように、第４フィールドでΦＶ１に読出電圧ＶＨが印加されることによりＧ、Ｂ行の画素の信号電荷が垂直転送部３３に読み出され、順次出力される（図８（ｂ）における時刻ｔ８５からｔ８６）。
【００１９】
従来のＣＣＤ型イメージセンサでは、読み出し順序が固定的であるため混色が生じるおそれがある。図１１（ａ）に示すように、第１フィールドでＧ画素の光電変換部３２ａの信号電荷が読み出されると、読出電圧ＶＨの影響によりＲ画素の光電変換部３２ｄとＧ画素の光電変換部３２ａとの間の垂直分離部のポテンシャルが変調される。このときＲ画素の光電変換部３２ｄに蓄積されている信号電荷が多い場合、その一部が漏出して、Ｇ画素の光電変換部３２ａの信号電荷に入り込み、混色を生じるおそれがある。これに対し、本実施の形態のＣＣＤ型イメージセンサでは、Ｇ画素の光電変換部３２ａの信号電荷を読み出すときには、Ｒ画素の光電変換部３２ｄの信号電荷は既に読み出されているので、混色を生じるおそれがない。
【００２０】
なお、上記の読み出し順序は、一例であり、この読み出し順序に限る必要は無い。例えばＲ画素が最も多くの電荷を蓄積していることから、ΦＶ４、ΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３の順序で読み出しを行った場合でも同様の効果を得ることができる。
また、上記実施の形態は、ベイヤー配列、１画素１ゲート構造、垂直４相駆動、水平２相駆動、４フィールド読み出し、信号処理部での信号電荷量の測定方法、など具体的に例示しているが、本発明はこの構成に限るものではなく、それぞれが異なる構成であってもかまわない。例えば、図１２に示すように、１個の光電変換部５２に対して２個の垂直転送電極５４、５５を備えた１画素２ゲート構造でも同様の効果を得ることができる。
【００２１】
また、直前のフレームを用いて各画素の蓄積電荷量を測定しているが、これに限らず、別途、各画素の蓄積電荷量を検出するセンサーを設けることとしてもよい。
以上のように、本実施の形態によれば、混色による画質劣化を低減することが可能となり、微細化技術を探求していくことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、特に、デジタルカメラ等の撮像システムに有用である。
【符号の説明】
【００２３】
１１    ＣＣＤ型イメージセンサ
１２    光電変換部
１３    垂直転送部
１４    水平転送部
１５    電荷検出部
１６    出力アンプ
１７    信号処理部
１８    タイミング発生回路
３１    ＣＣＤ型イメージセンサ
３２    光電変換部
３３    垂直転送部
３４    水平転送部
３５    電荷検出部
３６    出力アンプ
３７    信号処理部
３８    タイミング発生回路
４１    垂直転送電極
４２    連結部
５２    光電変換部
５４、５５    垂直転送電極
【図１】
2013005335.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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【図７】
2013005335.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2013005335.tif 000012
【図１１】
2013005335.tif 000013
【図１２】
2013005335.tif 000014