(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（以下、虚画素点位置という。）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とし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の中間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フォーカルプレーンシャッタと、該フォーカルプレーンシャッタが閉じた後に前記垂直転送路上の前記虚画素点位置に蓄積された信号電荷（以下、虚画素点電荷という。）を前記固体撮像素子から読み出した後に前記光電変換素子の信号電荷を前記固体撮像素子から読み出し該信号電荷と前記虚画素点電荷とから撮像画像データを生成する画像処理装置とを備える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、フォーカルプレーンシャッタを有するデジタルスチルカメラに好適な固体撮像素子及びデジタルスチルカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６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６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７（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７（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（以下、虚画素点位置という。）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としたことを特徴とする。
【００１０】
この構成により、虚画素点における受光量に応じた虚画素点データ（虚画素点電荷）を実際に得ることができ、この虚画素点データを用いて信号電荷による画像データを補正可能となる。
【００１１】
好適には、前記透孔が、隣接する前記４つの光電変換素子の真の中間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、上述した固体撮像素子と、該固体撮像素子の前部に装備されたフォーカルプレーンシャッタと、該フォーカルプレーンシャッタが閉じた後に前記垂直転送路上の前記虚画素点位置に蓄積された信号電荷（以下、虚画素点電荷という。）を前記固体撮像素子から読み出した後に前記光電変換素子の信号電荷を前記固体撮像素子から読み出し該信号電荷と前記虚画素点電荷とから撮像画像データを生成する画像処理装置とを備えることを特徴とする。
【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。尚、図２には図示を省略しているが、各フォトダイオードＰＤ（光電変換素子）の上部に、各画素色に対応する色フィルタが設けられる。
【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▼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（丸付き数字１）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▲２▼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▲１▼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▲１▼の下部位置から転送電極▲２▼の下部位置に移動し、以下同様にして、転送電極▲３▼へと進み、図６に示す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▼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４ａ，４ｂ，…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】
本実施形態では、この遮光膜５と、この下部に配置される転送電極▲１▼のうち、四周に配置された４つの画素の略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）の信号電荷を用いて画像データを生成する虚画素点の位置に、透孔（穴）７を開け、光が転送電極▲１▼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が混入すると、上述したように画質を劣化させることになる。しかし、本実施形態に係る固体撮像素子は、フォーカルプレーンシャッタを搭載したデジタルスチルカメラに装備されることを前提としており、信号電荷の転送中にあってはシャッタが閉じているため、外部の光がポテンシャル井戸内に入ることはない。
【００２２】
図３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手順を示すフローチャートであり、図４は、そのタイミングチャートである。通常のデジタルスチルカメラは、撮像開始は電子シャッタで行い、撮像終了はメカニカルシャッタで行うのが普通であるが、本実施形態に係るデジタルスチルカメラは、上述したようにフォーカルプレーンシャッタを搭載しており、撮像開始から撮像終了までを、フォーカルプレーンシャッタによるメカニカル制御で行うことを特徴としている。
【００２３】
このデジタルスチルカメラで撮像を行おうとして電源を投入し（ステップＳ１）、撮影者が２段式シャッタレリーズボタンに指を触れると、先ずＳ１スイッチがオンとなる（ステップＳ２）。これにより、固体撮像素子の駆動が開始され、垂直転送路の各転送電極▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼に高速の掃き出しパルスが順繰りに印加され、垂直転送路内に残留しているノイズ電荷が掃き出される（ステップＳ３）。この掃き出し処理と並行して、ステップＳ４で、外部センサに応じて自動露光処理，自動焦点処理が行われる。
【００２４】
ついで、撮影者がシャッタレリーズボタンを押し切ると、Ｓ２スイッチがオンとなる（ステップＳ５）。これにより、垂直転送路の掃き出し処理が終了し、透孔７が開けられている転送電極▲１▼に所定電圧が印加され、転送電極▲１▼の下にポテンシャル井戸が形成される（ステップＳ６）。
【００２５】
次に、フォーカルプレーンシャッタの先膜が走行して露光が開始され（ステップＳ７）、予め設定された露光時間が終了したか否かが判定され（ステップＳ８）、露光終了と判定されたときフォーカルプレーンシャッタの後膜が走行して実際の露光終了となる（ステップＳ９）。
【００２６】
この露光により、露光時間に応じた静止画の信号電荷がフォトダイオードＰＤに蓄積され、同時に、転送電極▲１▼のポテンシャル井戸内に露光時間に応じた電荷が蓄積される。この転送電極▲１▼のポテンシャル井戸内に入り込んだ電荷は、４つの画素に囲まれた虚画素点における信号電荷に相当する電荷であり、この電荷を固体撮像素子から読み出すことで、虚画素点の信号電荷（以下、虚画素点データという。）として利用することができる。
【００２７】
そこで本実施形態では、虚画素点データを先に垂直転送路に沿って転送させ、次いで水平転送路に沿って転送させることで固体撮像素子から読み出し（ステップＳ１０）、これをメモリ等に格納しておく。
【００２８】
次に、図示しない読み出し電極に読み出しパルスを印加し、画素（フォトダイオードＰＤ）の信号電荷（画像データ）を垂直転送路に読み出し、この信号電荷を垂直転送路，水平転送路と転送させて固体撮像素子から読み出し（ステップＳ１１）、これをメモリに格納する。
【００２９】
次のステップＳ１２では、メモリに格納された画像データと虚画素点データとを用いて画像処理を行い、処理結果として生成される画像データをメモリに記録（ステップＳ１３）して、本処理を終了する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
上述した実施形態では、図１に示す様に、４つの画素の中間位置より若干ずれた位置に透孔７を設けているが、これは、虚画素点データの転送を容易に行うためである。しかし、透孔７の位置を周りの４つの画素の真の中間位置に設けることも可能である。
【００３３】
図５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す平面図である。垂直転送路４ａ，４ｂ，４ｃの夫々の転送電極を、図５に示す様に、▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼▲５▼とする。透孔８を通して虚画素点データをポテンシャル井戸内に蓄積する場合、転送電極▲１▼，▲３▼，▲５▼に所定電圧を印加してポテンシャル井戸を形成し、転送電極▲２▼，▲４▼にはポテンシャル井戸が形成されないようにする。
【００３４】
これにより、透孔８を通して蓄積される虚画素点データは、転送電極▲１▼，▲３▼，▲５▼に蓄積されることとなる。この場合、各虚画素点データは、チャネルストップ５で仕切られた２つの隣接するポテンシャル井戸に分けて蓄積されるため、転送した後、隣接する２つの虚画素点データを加算した値が真の虚画素点データとなる。
【００３５】
また、この場合、転送電極は垂直転送方向に一個おきにポテンシャル井戸を形成しているため、水平転送路側の垂直転送電極から順に、所謂アコーディオン転送によって虚画素点データの転送を行うこととなる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、虚画素点における受光量に応じた虚画素点データを画像データとは別に得ることができるため、虚画素点データを使用して画素データを補正して高解像度，高精度の画像作成を行うことが可能となる。
【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】本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラの動作手順を示すフローチャートである。
【図４】図３に示すフローチャートに対応したタイミングチャートである。
【図５】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６】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７】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
【図１】
0003977123.tif 000002
【図２】
0003977123.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003977123.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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