(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ光電変換機能と電荷蓄積機能を有し、２次元的に配列された複数の単位画素と、
前記単位画素の各列に沿って配置され、各単位画素から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、
前記垂直転送レジスタの両端部に隣接して水平方向に設けられ、各垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送レジスタと、
前記複数の水平転送レジスタによって転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する出力部とを具備し、
前記複数の垂直転送レジスタは、単位画素の各列毎に互いに逆方向の転送方向を有し、第１の転送方向を有する第１の垂直転送レジスタの信号電荷を、その最終転送段に接続される第１の水平転送レジスタによって転送し、第２の転送方向を有する第２の垂直転送レジスタの信号電荷を、その最終転送段に接続される第２の水平転送レジスタによって転送する固体撮像素子であって、
各単位画素の蓄積時間を画素行単位で変化させる行制御手段を有し、
前記単位画素の露光途中に各垂直転送レジスタへの信号電荷の読み出しを行うことにより、少なくとも転送方向が異なる画素列毎に蓄積時間の異なる信号電荷を各垂直転送レジスタによって出力し、かつ垂直方向に隣接する単位画素毎に蓄積時間の異なる信号電荷を出力する、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元イメージセンサとして用いられる固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来のＣＣＤを用いた２次元イメージセンサの具体例を示す概略平面図である。
この２次元イメージセンサは、複数のフォトダイオード（フォトセンサ）１と、複数の垂直転送レジスタ２と、１つの水平転送レジスタ３と、１つの出力部４とを半導体素子チップ上に形成したものである。
フォトダイオード１は、２次元的に配列され、それぞれ光電変換機能と電荷蓄積機能を有する単位画素を構成するものであり、受光量に応じた信号電荷を蓄積するものである。
【０００３】
垂直転送レジスタ２は、各フォトダイオード１の各列に沿って配置され、各フォトダイオード１から読み出した信号電荷を垂直方向の一方向（矢印ａ方向）に転送するものである。
水平転送レジスタ３は、垂直転送レジスタ２の最終転送段に隣接して水平方向に設けられ、各垂直転送レジスタ２によって転送された信号電荷を水平方向に転送するものである。
出力部４は、水平転送レジスタ３によって転送された信号電荷を撮像信号に変換して出力するものであり、信号電荷を取り出すためのＦＤ（フローティングデフュージョン）部および電荷−電圧（電流）変換を行うＦＤアンプ等によって構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような固体撮像素子において、出力画像のダイナミックレンジを拡大するために、フォトセンサにおける電荷蓄積時間の異なる複数の信号を加算する方法が考えられている。
そして、このような電荷蓄積時間の異なる複数の信号を加算する方法を単一の撮像素子で実施する場合、例えば異なる２種類の蓄積時間の画像を交互に出力して加算する方法では、加算する信号に時間的遅れが生じているので、特に動く被写体が不自然な画となってしまう。
【０００５】
そこで、このような不具合を改善するために、全画素読み出しで出力ライン毎（すなわち垂直転送方向に隣接する画素毎）に異なる蓄積時間の信号を出力する例もあるが、これでは水平転送方向の蓄積時間については一律となるので、加算する信号が２種類程度と少なくなり、精度のよい画像を作ることは困難であった。
また、フォトセンサ上に複数の減光フィルタ等を設けることで、多段階の露光状態を実現している例もあるが、製造方法が複数であり、しかも各フォトセンサ毎の減光比が固定であるので、撮像対象の状況に最適な露光の設定ができない等の問題点があった。
【０００６】
そこで本発明の目的は、単一の撮像素子によって少なくとも水平方向に隣接する画素について電荷蓄積時間の異なる信号を自在に生成して加算でき、出力画像のダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、それぞれ光電変換機能と電荷蓄積機能を有し、２次元的に配列された複数の単位画素と、前記単位画素の各列に沿って配置され、各単位画素から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、前記垂直転送レジスタの両端部に隣接して水平方向に設けられ、各垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を水平方向に転送する複数の水平転送レジスタと、前記複数の水平転送レジスタによって転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する出力部とを具備し、前記複数の垂直転送レジスタは、単位画素の各列毎に互いに逆方向の転送方向を有し、第１の転送方向を有する第１の垂直転送レジスタの信号電荷を、その最終転送段に接続される第１の水平転送レジスタによって転送し、第２の転送方向を有する第２の垂直転送レジスタの信号電荷を、その最終転送段に接続される第２の水平転送レジスタによって転送する固体撮像素子であって、各単位画素の蓄積時間を画素行単位で変化させる行制御手段を有し、前記単位画素の露光途中に各垂直転送レジスタへの信号電荷の読み出しを行うことにより、少なくとも転送方向が異なる画素列毎に蓄積時間の異なる信号電荷を各垂直転送レジスタによって出力し、かつ垂直方向に隣接する単位画素毎に蓄積時間の異なる信号電荷を出力することを特徴とする。
【０００８】
本発明の固体撮像素子では、各垂直転送レジスタの電荷転送方向を単位画素の各列毎に互いに逆方向とし、各単位画素の露光途中に各垂直転送レジスタへの信号電荷の読み出しを行うことにより、少なくとも転送方向が異なる画素列毎および垂直方向に隣接する単位画素毎に蓄積時間の異なる信号電荷を各垂直転送レジスタによって出力するようにしたことから、電荷蓄積時間の異なる複数の信号を加算して出力画像のダイナミックレンジを拡大する方法を採用した場合に、少なくとも水平方向に隣接する画素について電荷蓄積時間の異なる信号を自在に生成して加算できる。
したがって、単一の撮像素子によって動画像の劣化等を招くことなく、簡易な構成により、後段で加算する信号の種類を増加することができ、出力画像のダイナミックレンジを拡大することができるとともに、精度のよい画像を作ることが可能となる。
なお、従来の全画素読み出しで出力ライン毎に異なる蓄積時間の信号を出力する方法と組み合わせることにより、加算する信号の種類をさらに増加することかでき、精度のよい画像を作ることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子の実施の形態例について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態によるＣＣＤを用いた２次元イメージセンサの具体例を示す概略平面図である。
この２次元イメージセンサは、複数のフォトダイオード（フォトセンサ）１１と、複数の垂直転送レジスタ１２と、２つの水平転送レジスタ１３と、２つの出力部１４とを半導体素子チップ上に形成したものであり、図６に示す従来例との相違点は、垂直転送レジスタ１２の転送方向をフォトダイオード１１の１画素列おきに逆方向（矢印ａ、ｂ方法）とし、それぞれの信号電荷を別々の水平転送レジスタ１３および出力部１４によって転送、出力するものである。
なお、矢印ａ方向（第１の垂直転送方向）に転送した信号電荷の経路を第１の垂直転送レジスタ１２Ａ、第１の水平転送レジスタ１３Ａ、第１の出力部１４Ａとし、矢印ｂ方向（第２の垂直転送方向）に転送した信号電荷の経路を第２の垂直転送レジスタ１２Ｂ、第２の水平転送レジスタ１３Ｂ、第２の出力部１４Ｂととする。
【００１１】
フォトダイオード１１は、２次元的に配列され、それぞれ光電変換機能と電荷蓄積機能を有する単位画素を構成するものであり、受光量に応じた信号電荷を蓄積するものである。
垂直転送レジスタ１２Ａ、１２Ｂは、各フォトダイオード１１の各列に沿って配置され、各フォトダイオード１１から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する。
水平転送レジスタ１３Ａ、１３Ｂは、垂直転送レジスタ１２Ａ、１２Ｂの最終転送段に隣接して水平方向に設けられ、各垂直転送レジスタ１２Ａ、１２Ｂによって転送された信号電荷を水平方向に転送するものである。
出力部１４Ａ、１４Ｂは、水平転送レジスタ１３Ａ、１３Ｂによって転送された信号電荷を撮像信号に変換して出力するものであり、信号電荷を取り出すためのＦＤ（フローティングデフュージョン）部および電荷−電圧（電流）変換を行うＦＤアンプ等によって構成されている。
【００１２】
ここで、第１の垂直転送レジスタ１２Ａによって矢印ａ方向（第１の垂直転送方向）に転送された信号電荷は、第１の水平転送レジスタ１３Ａによって水平方向に転送され、第１の出力部１４Ａによって出力される。
また、第２の垂直転送レジスタ１２Ｂによって矢印ｂ方向（第２の垂直転送方向）に転送された信号電荷は、第２の水平転送レジスタ１３Ｂによって水平方向に転送され、第２の出力部１４Ｂによって出力される。
そして、各出力部１４Ａ、１４Ｂからの出力信号を後段の処理回路（図示せず）で加算することにより、画像信号のダイナミックレンジを増大させるような構成となっている。
【００１３】
図２は、本実施の形態によるイメージセンサにおける垂直転送レジスタの転送電極構造の一例を示す平面図である。
図示の例は、転送電極を下層（第１層目）電極膜１６と上層（第２層目）電極膜１７の２層構造で設けたものであるが、上層電極膜１７のパターンは、画素行列の水平方向および垂直方向に隣接する４つのフォトセンサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の電荷読み出しを、それぞれ独立したタイミングで制御できるように、４つの電極パターンＶ１Ａ、Ｖ３Ｂ、Ｖ３Ａ、Ｖ１Ｂで構成されている。
なお、下層電極膜１６のパターンは、２つの独立した電極パターンＶ２、Ｖ４で構成されている。
【００１４】
次に、このような固体撮像素子の駆動方法について従来の駆動方法と比較して説明する。
図３は、従来のイメージセンサにおける信号電荷の蓄積／転送の時間的関係を示すタイミングチャートであり、図４は、本例のイメージセンサにおける信号電荷の蓄積／転送の時間的関係を示すタイミングチャートである。
図３に示すように、従来のイメージセンサは、各フォトセンサから垂直転送レジスタに読み出した直後から次の読み出しまで、蓄積と電荷の転送が平行して行われている。
一方、本例のイメージセンサでは、水平転送レジスタ１３Ａ、１３Ｂが２本存在し、並列して動かすことが可能なため、各フォトセンサで光電変換した信号電荷を出力する期間は従来の１／２で済み、例えば従来が１／６０秒で出力していた場合には、本例では１／１２０秒で出力できる。
【００１５】
これを利用して、図４に示すように、残りの１／１２０秒の期間、例えば１／２４０秒後に、図２に示す読み出し電極のＶ１Ｂ、Ｖ３Ｂをハイにして、フォトセンサＳ２、Ｓ４に蓄積した電荷を垂直転送部に読み出し、速やかに電荷掃き捨てを行なうことも可能となる。
これにより、フォトセンサＳ２、Ｓ４には、１／２４０秒間蓄積した電荷が貯められることになるが、フォトセンサＳ１、Ｓ３にはＶ１Ｂ、Ｖ３Ｂが隣接していないため、電荷蓄積は１／６０秒間行なわれており、これらを一斉に読み出せば、異なる蓄積時間の信号を同時に出力することになる。
さらに本例では、読み出し電極を４種類独立に動作できるので、信号電荷の蓄積時間を、例えばフォトセンサＳ１は１／６０秒、フォトセンサＳ２は１／１２０秒、フォトセンサＳ３は１／２４０秒、フォトセンサＳ４は１／４８０秒というように、４段階に変えられるので従来の２種類の蓄積時間から画像を作る場合より、自然な画像を得ることが可能となる。
【００１６】
なお、以上の説明は、画像信号の各ラインを垂直方向に隣接する２つの画素行を用いて作成するインターレース読み出し構造を前提とした固体撮像素子を例としているので、例えばフォトセンサＳ１とフォトセンサＳ３、フォトセンサＳ２とフォトセンサＳ４は読み出し時に信号電荷を混合してしまい、独立して読み出すことはできない。
そこで、全画素情報を独立して読み出し場合として、垂直転送用の電極膜を３相駆動方式とした例を図５に示す。
すなわち、この図５に示す例は、転送電極を下層（第１層目）電極膜２６と中層（第２層目）電極膜２７と上層（第３層目）電極膜２８の３層構造で設けたものであり、上層電極膜２８を４つの独立した電極パターンＶ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ１Ｃ、Ｖ１Ｄで構成されている。
なお、下層電極膜２６は１つの電極パターンＶ３で構成され、中層電極膜２７は１つの電極パターンＶ２で構成されている。
このような電極構造であれば、４種類の異なる蓄積時間の情報を独立に、しかも時間的なズレなしに出力することができる。
【００１７】
以上のように、本例の２次元イメージセンサでは、電荷蓄積時間の可変が容易であり、撮像する対象の状況に応じて、それぞれに最適な露光時間を選ぶことができる。
また、信号電荷としての読み出し期間が従来の１／２となるので、読み出し期間中に信号電荷に混入するスミアの量も１／２となり、低スミア化も同様に実現できることとなる。
この結果、本実施の形態を適用することにより、以下のような特徴的な作用効果を得ることができる。
（１）蓄積時間の異なる信号電荷を同時に読み出し可能である。
（２）最大４段階の異なった蓄積時間の信号電荷を出力可能である。
（３）蓄積時間（露光状態）が可変である。
（４）インターレース読み出し構造と全画素読み出し構造のどちらでも適応できる。
（５）低スミア化が実現できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子では、各垂直転送レジスタの電荷転送方向を単位画素の各列毎に互いに逆方向とし、各単位画素の露光途中に各垂直転送レジスタへの信号電荷の読み出しを行うことにより、少なくとも転送方向が異なる画素列毎および垂直方向に隣接する単位画素毎に蓄積時間の異なる信号電荷を各垂直転送レジスタによって出力するようにしたことから、電荷蓄積時間の異なる複数の信号を加算して出力画像のダイナミックレンジを拡大する方法を採用した場合に、電荷蓄積時間の異なる信号を自在に生成することが可能となる。
このため、動画像の劣化等を招くことなく、簡易な構成により、後段で加算する信号の種類を増加することができ、出力画像のダイナミックレンジを拡大することができるとともに、精度のよい画像を作ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるＣＣＤを用いた２次元イメージセンサの具体例を示す概略平面図である。
【図２】図１に示すイメージセンサにおける垂直転送レジスタの転送電極構造の一例を示す平面図である。
【図３】従来のイメージセンサにおける信号電荷の蓄積／転送の時間的関係を示すタイミングチャートである。
【図４】図１に示すイメージセンサにおける信号電荷の蓄積／転送の時間的関係を示すタイミングチャートである。
【図５】図１に示すイメージセンサにおける垂直転送レジスタの転送電極構造の他の例を示す平面図である。
【図６】従来のＣＣＤを用いた２次元イメージセンサの具体例を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１１……フォトダイオード、１２Ａ、１２Ｂ……垂直転送レジスタ、１３Ａ、１３Ｂ……水平転送レジスタ、１４Ａ、１４Ｂ……出力部。
【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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