(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の行方向及び列方向に所定の配列間隔で形成されると共に前記行方向の配列が１行置きに１／２ピッチづつずらして配置された複数の光電変換素子と、該光電変換素子間の前記列方向に沿ってジグザグ形状に設けられ前記光電変換素子による信号電荷が読み出され転送される複数の垂直転送路と、該垂直転送路の上部を覆う遮光膜とを備えた固体撮像素子において、前記行方向及び前記列方向に隣接する４つの前記光電変換素子に挟まれる領域における前記垂直転送路上の位置の前記遮光膜及び該垂直転送路の転送電極に透孔を設け該転送電極に所定電圧を印加することで該転送電極下に形成されるポテンシャル井戸に前記透孔を通して光を入射させる構成にすると共に、前記垂直転送路と水平転送路との接続部分に、該垂直転送路を転送されてきた電荷を所定ライン数分だけストレージしてから前記水平転送路に送るストレージ部を設けたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記透孔が、隣接する前記４つの光電変換素子の真ん中位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前部に装備されたメカニカルシャッタと、該メカニカルシャッタが開いた状態で動画を撮像するとき前記垂直転送路を静止画像の転送速度よりも高速駆動して動画を構成する有効ラインの信号電荷だけを前記ストレージ部に取り込ませる制御手段を備えたことを特徴とするデジタルスチルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデジタルスチルカメラに用いられる固体撮像素子に係り、特に、高精細高画質の静止画像が撮影できると共にスミアの少ない動画像も撮影可能なデジタルスチルカメラ及び固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、例えば特開平１０―１３６３９１号公報に記載されている従来の固体撮像素子の平面図である。この固体撮像素子は、所謂、ハニカム画素配置と呼ばれ、多数のグリーン（Ｇ）の色フィルタを持つフォトダイオード（光電変換素子）が縦横に所定間隔で配置され、その各行，各列の各フォトダイオードに対して、１／２ピッチづつずらした位置に、ブルー（Ｂ）とレッド（Ｒ）の各色フィルタを持つフォトダイオードが交互に配置される構造となっている。
【０００３】
図示する例では、「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」と記載された８角形の枠が夫々レッド，グリーン，ブルーの色フィルタを示し、対応するフォトダイオードは、その下側（紙面の下側）に配置される。
【０００４】
各フォトダイオードに蓄積された電荷は、矢印ａに示す様に各フォトダイオードの脇に形成されている垂直転送路２０に読み出され、この電荷は、矢印ｂに示す様に垂直転送路２０に沿って転送されて水平転送路２１に至り、今度は矢印ｃに示す様に水平転送路２１に沿って転送され、固体撮像素子から読み出される。
【０００５】
固体撮像素子の後段に配置されている図示しない画像処理装置は、例えば、図７に示す「Ｒ」の画素位置から読み出されたＲ信号電荷量ばかりでなく、このＲ画素の周りに配置されているＧ画素から読み出されたＧ信号電荷量から、Ｒ画素位置におけるＧ信号電荷量の大きさを推定し、同様に、Ｒ画素周りに配置されているＢ画素から読み出されたＢ信号電荷量からＲ画素位置におけるＢ信号電荷量の大きさを推定する。すなわち、各画素位置におけるＲ，Ｇ，Ｂの３色の信号電荷量を求め、画素数の解像度で撮像画像が得られるようにしている。
【０００６】
更に、図８（ａ）に示す様に、画素が配置されていない場所ｋの信号電荷量を、その周りのＲ，Ｇ，Ｂの画素信号を補間演算することで推定し、このｋ点（以下、虚画素点という。）における推定電荷量を用いることで、図８（ｂ）に示す様に、虚画素点における画像データを生成し固体撮像素子の画素数より解像度の高い画像が得られるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した様に、従来は、虚画素点ｋにおける信号電荷を、周りの画素信号から推定し、解像度の高い画像が得られるようにしている。しかし、この虚画素点ｋにおける信号電荷量は、あくまでも周りの画素信号から推定したものであり、この推定値は実際の信号電荷量とは異なるため、推定値を用いたとしても全てのシーンにおいて解像度を向上させる効果が得られないという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、虚画素点における推定値の精度を上げることができ、高解像度，高精度の画像を得ることが可能な固体撮像素子とこの固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する固体撮像素子は、半導体基板上の行方向及び列方向に所定の配列間隔で形成されると共に前記行方向の配列が１行置きに１／２ピッチづつずらして配置された複数の光電変換素子と、該光電変換素子間の前記列方向に沿ってジグザグ形状に設けられ前記光電変換素子による信号電荷が読み出され転送される複数の垂直転送路と、該垂直転送路の上部を覆う遮光膜とを備えた固体撮像素子において、前記行方向及び前記列方向に隣接する４つの前記光電変換素子に挟まれる領域における前記垂直転送路上の位置の前記遮光膜及び該垂直転送路の転送電極に透孔を設け該転送電極に所定電圧を印加することで該転送電極下に形成されるポテンシャル井戸に前記透孔を通して光を入射させる構成にすると共に、前記垂直転送路と水平転送路との接続部分に、該垂直転送路を転送されてきた電荷を所定ライン数分だけストレージしてから前記水平転送路に送るストレージ部を設けたことを特徴とする。
【００１０】
この構成により、光電変換素子（主画素）から得られた情報と、透孔を通した光により得られた虚画素点の情報とを用いて高精細高画質の静止画像を得ることが可能となる。また、各主画素のうち有効ラインの信号電荷だけで構成される動画像を読み出すときは、垂直転送路を転送されてきた電荷のうち動画像を構成する有効ラインの信号電荷のみをストレージ部に取り込むことで、垂直転送路の転送速度を高速化でき、これにより、動画像に混入するスミアを低減することが可能となる。
【００１１】
好適には、上記において、前記透孔が、隣接する前記４つの光電変換素子の真ん中位置に設けられることを特徴とする。
【００１２】
上記目的を達成するデジタルスチルカメラは、上記の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前部に装備されたメカニカルシャッタと、該メカニカルシャッタが開いた状態で動画を撮像するとき前記垂直転送路を静止画像の転送速度よりも高速駆動して動画を構成する有効ラインの信号電荷だけを前記ストレージ部に取り込ませる制御手段を備えたことを特徴とする。この構成により、透孔を設けた固体撮像素子で動画を撮影したときでも透孔によるスミアの影響を小さくできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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に搭載された固体撮像素子（この例ではＣＣＤ）の一部平面図であり、図２は、図１のII―II線断面図である。本実施形態に係る固体撮像素子のｎ型半導体基板１には、その上部にｐウェル２が形成され、このｐウェル２に、ハニカム配置の各画素（フォトダイオードＰＤ）３ｒ，３ｇ，３ｂが形成される。また、各フォトダイオードＰＤ（光電変換素子）の上部には、図２に示されるように、各画素色に対応する色フィルタ１０と、マイクロレンズ１１が設けられる。図３は、その分解図である。
【００１５】
各画素３ｒ，３ｇ，３ｂの間には、列方向にジグザグ形状に延びる垂直転送路４ａ，４ｂ，４ｃ，…が形成され、各垂直転送路を構成する転送電極が、各画素の両脇に２づつ形成される（図２に、▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼▲５▼で示す）。この転送電極に所定電圧が印加されたとき、図２に示されるように、当該転送電極の下部位置のｐウェル２にポテンシャル井戸が形成される。
【００１６】
図１に示す例では、画素３ｂの信号電荷が垂直転送路４ｂに読み出され、画素３ｇの信号電荷が垂直転送路４ｃに読み出され、転送される。転送される信号電荷は、例えば、画素３ｂから転送電極▲３▼の下部に形成されたポテンシャル井戸に読み出される（この読み出しは、図示しない読み出し電極に読み出し電圧を印加することで行われる。）。
【００１７】
そして次に、転送電極▲４▼に所定電圧を印加してポテンシャル井戸を形成してから転送電極▲３▼への所定電圧印加を停止してポテンシャル井戸を無くすことで、この信号電荷は、転送電極▲３▼の下部位置から転送電極▲４▼の下部位置に移動し、以下同様にして、転送電極▲５▼へと進み、水平転送路まで転送されることとなる。即ち、図１に示す例では、転送電極▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼▲５▼に順繰りに所定電圧を印加することで、信号電荷の垂直方向への転送が行われる。
【００１８】
尚、図１，図２に示す例では、隣接する垂直転送路４ｂ，４ｃ間をチャネルストップ５で分離しており、これにより、垂直転送路４ｂ，４ｃ間のポテンシャル井戸が分離されるようになっている。他の隣接する垂直転送路間も同様である。
【００１９】
信号電荷を垂直転送路に沿って転送させる場合、ポテンシャル井戸に光が入射すると、信号電荷中にノイズ電荷が混入して画質を劣化させることになる。このため、転送電極４ａ，４ｂ，…の上部には、図２に示す様に、遮光膜６が設けられ、信号電荷の転送中に光がポテンシャル井戸に入射しない様にしている。
【００２０】
しかし、本実施形態では、色フィルタ１０と遮光膜６、及び、この下部に配置される転送電極のうち、四周に配置された４つの画素の中間位置となる位置、すなわち、フォトダイオードは存在しないが周りの画素（フォトダイオードＰＤ）の信号電荷を用いて画像データを生成する虚画素点ｋ（図８参照）の位置に、透孔（穴）８を開け、光が転送電極４のポテンシャル井戸に入射する様にしている。
【００２１】
転送中の信号電荷に、光入射によるノイズ電荷が混入すると、画質が劣化してしまうが、本実施形態では、後述するように、静止画用の信号電荷をフォトダイオードから読み出して転送するときはメカニカルシャッタを閉じた状態で転送を行うため、信号電荷にノイズは混入しない。
【００２２】
また、動画用の信号電荷を転送するときは、メカニカルシャッタを開けた状態で転送を行わざるを得ないため、光入射によるノイズ電荷の混入は避けられない。しかし、本実施形態では、このノイズ電荷が少なくなるように、後述するように垂直転送路の転送速度を高速化して対処し、更に、図４に示す様に、垂直転送路４ａ，４ｂ，…と水平転送路１２との間にストレージ部１３を設けて対処している。ストレージ部１３は、図示する例では、４ライン分のデータ蓄積が可能となっている。
【００２３】
このストレージ部１３は、垂直転送路４ａ，４ｂ，…から送られてきたラインの信号電荷を蓄積し、順次、水平転送路１２までシフトさせる構成となっている。静止画を撮像した場合には、全画素の信号電荷を垂直転送路に読み出し、順次、ストレージ部１３を通して水平転送路１２まで転送することになる。
【００２４】
これに対し、動画の場合には、静止画ほどの高精細画像は必要でないため、間引きした画素データのみで動画の１フレーム画像を構成することになる。例えば図７で、第１行の画素の信号電荷と、第４行の画素の信号電荷と、……を読み出して動画の各フレーム画像を構成することになる。この場合、第２行，第３行，…，第５行，第６行，…に相当する各無効ラインの信号も垂直転送路４ａ，４ｂ，…に沿って転送されてくるため、この無効ラインの信号はストレージ部１３に入る直前で固体撮像素子の基板背面側に廃棄してしまい、有効ラインの信号のみをストレージ部１３に取り込み、水平転送路１２までシフトする構成としている。
【００２５】
このように垂直転送路の転送速度を高速化することで透孔８を通して光に晒される時間を短時間化でき、このため、透孔８を通して垂直転送路に入り込むノイズ電荷を小さくすることが可能となる。例えば、固体撮像素子の主画素の全ラインに対して動画像として読み出すライン数を１／４とし、ストレージ部１３に設けるライン数を４本とすれば、垂直転送路の転送速度を、静止画像を読み出すときの通常の転送速度に対して４倍に高速化でき、これにより、スミアを１／４にすることができる。
【００２６】
図５は、上述した固体撮像素子を装備したデジタルスチルカメラにおける撮像タイミングを示すチャートである。このタイミングチャートに従って、静止画像の取り込みと、動画像の取り込みを説明する。先ず、静止画像の取り込みについて説明する。
【００２７】
静止画像の取り込みは、電子シャッタの「開」からメカニカルシッャタの「閉」までの露光時間中に各画素（フォトダイオード）に蓄積された信号電荷を読み出すことで行われる。しかし、本実施形態の固体撮像素子では、虚画素点における蓄積電荷も利用するため、メカニカルシャッタ閉によって、先ず、図５のパルスａでストレージ部１３の残留信号をライン数分だけシフトさせて廃棄してしまう。
【００２８】
次に、垂直転送路４ａ，４ｂ，…とストレージ部１３とを同期させて所定周期の転送パルスによって転送を行い、虚画素点の蓄積電荷を水平転送路１２にまで転送し、次に水平転送路１２に沿って転送することで、固体撮像素子から読み出す。
【００２９】
尚、この虚画素点の蓄積電荷が該当する転送電極の下に良好に蓄積されるように、虚画素点の電荷蓄積を行うときは、該当する転送電極（図１の例えば転送電極▲２▼▲４▼）の下にポテンシャル井戸が形成される状態で各転送電極の駆動パルスを停止状態とする。この場合、転送電極▲２▼でいえば、チャネルストップ５で分けられた左右の転送電極▲２▼の蓄積電荷の合計が、この虚画素点の蓄積電荷となる。
【００３０】
虚画素点の電荷読み出しが終了したら、次に、読み出しパルスｂを読み出しゲートに印加し、フォトダイオードの信号電荷を垂直転送路に読み出す。そして、この信号電荷を所定周期の転送パルスによって転送し、固体撮像素子から読み出す。
【００３１】
虚画素点データの使用方法としては、例えば、従来と同様に光電変換素子の信号電荷を用いて虚画素点における信号電荷を推定し、この推定した値を、虚画素点データを用いて補正する。あるいは、この虚画素点データは、色フィルタを通さない信号電荷であるため、これを輝度データとし、画素から読み出した画像データを輝度データで補正するなど、虚画素点データの使用方法として種々の方法が考えられる。
【００３２】
透孔８の大きさを主画素（フォトダイオードＰＤ）の面積より小さくすることで、主画素から得られた画像が高感度な画像であるのに対し、透孔８（虚画素）を通して得た画像は低感度の画像となるため、この２枚の画像から広ダイナミックレンジを持つ画像を生成することが可能となる。即ち、デジタルスチルカメラの広ダイナミックレンジ化を図ることが可能となる。
【００３３】
このように、本実施形態では、虚画素点の位置に穴を開けるという簡単な構造で、虚画素点における実情報を得ることができるため、この虚画素点データを使用して偽信号を低減したり、画像の解像度をアップさせることが可能となる。
【００３４】
次に、動画像の取り込みについて説明する。動画を撮像する場合には、メカニカルシッャタは「開」となっており、電子シャッタだけで露光時間が決まり、各画素には信号電荷が蓄積される。動画像を構成する画素の信号電荷は、垂直同期信号ＶＤに同期した読み出しパルスｃによって垂直転送路に読み出されるが、各パルスｃに先行して、先ず、掃出パルスｄによって垂直転送路４上とストレージ部１３上の残留ノイズが掃き出され、その後に、読み出しパルスｃによって動画を構成する有効ラインの主画素の信号電荷が垂直転送路４に読み出される。
【００３５】
垂直転送路４に読み出された信号電荷は、次に高速転送パルスｅによってストレージ部１３まで高速転送され、ここで、動画を構成する有効ラインの信号電荷のみがストレージ部１３に取り込まれる。そして、ストレージ部１３は、所定周期の転送パルスｆによって信号電荷を水平転送路１２にまでシフトさせ、水平転送路１２を転送された信号電荷が固体撮像素子から読み出される。
【００３６】
垂直転送路に読み出された信号電荷をストレージ部１３まで転送する転送パルスｅは高速パルスであるため、信号電荷は短時間にストレージ部１３まで運ばれる。この時間が短ければ、垂直転送路の転送中に透孔８を通して入り込むノイズ電荷量は少なくなり、動画の画質を劣化させるまでには至らない。このため、動画像に入り込むスミアは少なくなり、また、動画を表示するデジタルスチルカメラの背面表示部の表示画像の画質劣化も小さくなる。
【００３７】
上述した実施形態では、透孔８を周り４つの画素３ｒ，３ｇ，３ｂの真ん中に設けた例を示している。しかし、必ずしも周り４つの画素３ｒ，３ｇ，３ｂの真ん中に透孔８を設ける必要はなく、転送を簡単に行うために、透孔をずらした位置に設けることも可能である。図６は、透孔７を少しずらした位置に設け、一つの転送電極内に入る様にしている。このようにすることで、垂直転送路の転送方向４つの転送電極の一つに虚画素点の電荷を蓄積でき、虚画素点データの転送パルスの作成が容易となる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、高精細高画質の静止画像が撮像可能となり、しかも、動画を撮像したときもスミアを小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の一部平面図である。
【図２】図１のII―II線断面図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子の分解図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子の垂直転送路とストレージ部と水平転送路との関係図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の動作タイミングチャートである。
【図６】本発明の別実施形態に係る固体撮像素子の一部平面図である。
【図７】従来のハニカム画素配置した固体撮像素子の平面図である。
【図８】虚画素点におけるデータ補間の説明図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
３ｒ，３ｇ，３ｂ  光電変換素子（画素：フォトダイオードＰＤ）
４ａ，４ｂ，４ｃ  垂直転送路（垂直転送電極列）
５  チャネルストップ
６  遮光膜
７，８  透孔
１０  色フィルタ
１１  マイクロレンズ
１２  水平転送路
１３  ストレージ部
【図１】
0003977145.tif 000002
【図２】
0003977145.tif 000003
【図３】
0003977145.tif 000004
【図４】
0003977145.tif 000005
【図５】
0003977145.tif 000006
【図６】
0003977145.tif 000007
【図７】
0003977145.tif 000008
【図８】
0003977145.tif 000009