(57)【要約】【課題】ＯＦＤ電圧を撮影条件に応じて変更して画質の劣化を防ぐことが可能な撮像装置を低コストで提供する。【解決手段】シリコン基板２０上に形成されたｐウェル層内に形成された光電変換素子２１を含む固体撮像素子５と固体撮像素子５を駆動する撮像素子駆動部１０を有するデジタルカメラであって、光電変換素子２１の飽和蓄積容量を超えた電荷をシリコン基板２０に排出するためのオーバーフロードレインを備え、撮像素子駆動部１０は、光電変換素子２１の飽和蓄積容量を制御するための上記オーバーフロードレインに印加するオーバーフロードレイン電圧を、設定された撮影感度に応じて変更するものであり、上記オーバーフロードレイン電圧の撮影感度毎の設定値が規則的な値となっている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光電変換素子を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段を有する撮像装置であって、
前記光電変換素子の飽和蓄積容量を超えた電荷を前記半導体基板に排出するためのオーバーフロードレインを備え、
前記駆動手段は、前記光電変換素子の飽和蓄積容量を制御するための前記オーバーフロードレインに印加するオーバーフロードレイン電圧を、設定された撮影条件に応じて変更するものであり、
前記オーバーフロードレイン電圧の前記撮影条件毎の設定値が規則的な値となっている撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置であって、
前記オーバーフロードレイン電圧の前記撮影条件毎の設定値のうちのいずれかを基準値としたときに、前記基準値と前記基準値以外の前記設定値との差が規則的な値となっている撮像装置。
【請求項３】
請求項２記載の撮像装置であって、
前記差が、前記基準値で決まる前記光電変換素子の飽和蓄積容量と前記基準値以外の前記設定値で決まる前記光電変換素子の飽和蓄積容量との差分を、前記オーバーフロードレイン電圧の単位電圧あたりの前記光電変換素子の飽和蓄積容量の変化量で割った値となっている撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子が、前記光電変換素子で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部を含み、
前記駆動手段が、前記光電変換素子の飽和蓄積容量に応じて前記垂直電荷転送部での電荷の転送容量を変更する撮像装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記撮影条件が撮影感度である撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板内に形成された光電変換素子を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラでは撮影感度の設定が可能となっている。例えば、フィルム感度のＩＳＯ感度１００に相当する撮影感度で撮影を行う低感度撮影モードと、フィルム感度のＩＳＯ感度４００に相当する撮影感度で撮影を行う高感度撮影モードとを切り替え可能となっている。
【０００３】
撮影感度が高くなるにつれて固体撮像素子への入射光量が減るため、光電変換素子に蓄積される信号電荷量も撮影感度が高くなるにつれて減少し、それに応じて出力電圧も減少する。したがって、同じ量の暗電流が発生するとしても、低感度撮影モード時は信号電荷量が多く、高感度撮影モード時は信号電荷量が少ないため、高感度撮影モードは低感度撮影モードと比較してＳ／Ｎが劣化してしまう。
【０００４】
そこで、高感度撮影モード時には、垂直電荷転送路での電荷の転送容量（垂直電荷転送路に電荷を蓄積するパケットを形成する転送電極の数）を、低感度撮影モード時における垂直電荷転送路での転送容量よりも小さくすることで、垂直電荷転送路で発生する暗電流を低減させ、画質の劣化を防ぐといったことが行われている（特許文献１参照）。
【０００５】
このように、撮影感度に応じて垂直電荷転送路の転送容量を変更する場合、光電変換素子に蓄積された電荷量がその転送容量を超えないように、オーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤと略す）に印加するＯＦＤ電圧を制御して、光電変換素子が飽和するまでに蓄積することのできる（光電変換素子に最大限蓄積することのできる）電荷量（以下、飽和蓄積容量という）を変更する必要がある。デジタルカメラの製造メーカーでは、撮影モード毎のＯＦＤ電圧の情報が固体撮像素子の製造メーカーから提供され、この情報にしたがってＯＦＤ電圧の設定が行われる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２８６４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
固体撮像素子の製造メーカーでは、設定可能な撮影感度の数だけ、それに対応したＯＦＤ電圧を測定しておく必要がある。近年では撮影感度の高感度化が進んでいるため、ＯＦＤ電圧の測定回数もそれに応じて増える傾向にある。この結果、ＯＦＤ電圧の測定に要する時間が増大し、歩留まり低下による製造コストの増大が懸念される。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＯＦＤ電圧を撮影条件に応じて変更して画質の劣化を防ぐことが可能な撮像装置を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、半導体基板上に形成された光電変換素子を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段を有する撮像装置であって、前記光電変換素子の飽和蓄積容量を超えた電荷を前記半導体基板に排出するためのオーバーフロードレインを備え、前記駆動手段は、前記光電変換素子の飽和蓄積容量を制御するための前記オーバーフロードレインに印加するオーバーフロードレイン電圧を、設定された撮影条件に応じて変更するものであり、前記オーバーフロードレイン電圧の前記撮影条件毎の設定値が規則的な値となっている。
【００１０】
本発明の撮像装置は、前記オーバーフロードレイン電圧の前記撮影条件毎の設定値のうちのいずれかを基準値としたときに、前記基準値と前記基準値以外の前記設定値との差が規則的な値となっている。
【００１１】
本発明の撮像装置は、前記差が、前記基準値で決まる前記光電変換素子の飽和蓄積容量と前記基準値以外の前記設定値で決まる前記光電変換素子の飽和蓄積容量との差分を、前記オーバーフロードレイン電圧の単位電圧あたりの前記光電変換素子の飽和蓄積容量の変化量で割った値となっている。
【００１２】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子が、前記光電変換素子で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部を含み、前記駆動手段が、前記光電変換素子の飽和蓄積容量に応じて前記垂直電荷転送部での電荷の転送容量を変更する。
【００１３】
本発明の撮像装置は、前記撮影条件が撮影感度である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＯＦＤ電圧を撮影条件に応じて変更して画質の劣化を防ぐことが可能な撮像装置を低コストで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】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備える。
【００１７】
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。
【００１８】
又、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。
【００１９】
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備え、これらはシステム制御部１１によって制御される。
【００２０】
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。
【００２１】
図１に示すデジタルカメラは、フィルムのＩＳＯ感度に相当する撮影感度を複数設定可能であり、設定された撮影感度に応じた駆動を撮像素子駆動部１０が行う。以下では、撮影感度が、ＩＳＯ１００，２００，４００，８００の４種類設定できるものとして説明する。
【００２２】
図２は、図１に示す固体撮像素子５の構成例を示す平面模式図である。図３は、図２の破線で示した領域２５の拡大図である。
図２に示す固体撮像素子５は、シリコン基板２０上に形成されたｐウェル層内の垂直方向Ｙとこれに直交する水平方向Ｘに格子状に配列されたｎ型不純物層からなる多数の光電変換素子２１と、多数の光電変換素子２１の各々で発生した電荷を垂直方向Ｙに転送する複数本の垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）２２と、複数本の垂直電荷転送部２２の各々を転送されてきた電荷を水平方向Ｙに転送する水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）２３と、水平電荷転送部２３を転送されてきた電荷を信号に変換して出力する出力部２４とを備える。
【００２３】
図３に示すように、垂直電荷転送部２２は、シリコン基板２０上のｐウェル層内に形成されたｎ型不純物領域からなる図示しない電荷転送チャネルと、この電荷転送チャネル上方に垂直方向Ｙに配列して形成された多数の転送電極２２ａとにより構成されている。各光電変換素子２１には３つの転送電極２２ａが対応して設けられている。垂直方向Ｙに隣接する２つの光電変換素子２１の各々に対応する計６つの転送電極２２ａには、それぞれ転送パルスφＶ１〜φＶ６が撮像素子駆動部１０から印加され、これにより垂直電荷転送部２２は６相駆動される。
【００２４】
転送パルスφＶ１〜φＶ６は、それぞれローレベルとそれよりも高いハイレベルとをとることができる。ハイレベルの転送パルスが印加された転送電極２２ａ下方の電荷転送チャネルには、電荷を蓄積可能なパケットが形成され、ローレベルの転送パルスが印加された転送電極２２ａ下方の電荷転送チャネルには、該パケットのバリアが形成される。
【００２５】
水平電荷転送部２３も、垂直電荷転送部２２と同様に、シリコン基板２０上のｐウェル層内に形成されたｎ型不純物領域からなる図示しない電荷転送チャネルと、この電荷転送チャネル上方に水平方向Ｘに配列して形成された図示しない多数の転送電極とにより構成されている。この多数の転送電極には、それぞれ転送パルスφＨ１，φＨ２が撮像素子駆動部１０から印加され、これにより水平電荷転送部２３は２相駆動される。
【００２６】
光電変換素子２１下方のｐウェル層は、光電変換素子２１の飽和蓄積容量を超える電荷をシリコン基板２０に排出するためのオーバーフロードレインとして機能する。ｐウェル層には撮像素子駆動部１０からＯＦＤ電圧φＯＦＤが印加される。このＯＦＤ電圧の大きさによって、オーバーフロードレインのバリア電位を制御することができ、光電変換素子２１の飽和蓄積容量を変更することが可能となっている。
【００２７】
撮影感度は、高感度になるにしたがって入射光量が減るため、高感度になるにしたがって光電変換素子２１の飽和蓄積容量を少なくすることができる。例えば、撮影感度が１００のときに最低限必要な飽和蓄積容量（以下、必要飽和という）を信号電圧に換算して４００ｍＶとしたとき、撮影感度が２００のときには必要飽和を４００ｍＶ／２＝２００ｍＶとすることができ、撮影感度が４００のときには必要飽和を４００ｍＶ／４＝１００ｍＶとすることができ、撮影感度が８００のときには必要飽和を４００ｍＶ／８＝５０ｍＶとすることができる。
【００２８】
本実施形態では、ある撮影感度に設定されると、光電変換素子２１の飽和蓄積容量が、その撮影感度のときの必要飽和となるようにＯＦＤ電圧が制御される。
【００２９】
又、垂直電荷転送部２２で電荷を転送しているときに発生する暗電流を抑制するために、必要飽和に応じて、垂直電荷転送部２２での電荷の転送容量を変更することが好ましい。この転送容量は、電荷の転送時に１つの光電変換素子２１に対応して形成すべきパケット数（ハイレベルの転送パルスを印加する転送電極２２ａの数）のことである。電荷を転送する際には、パケット数をｎ個→（ｎ＋１）個→ｎ個→（ｎ＋１）個→・・・のように１個だけ増減させながら電荷の転送が行われる。このため、光電変換素子２１に蓄積された電荷を漏れなく転送できるようにするには、転送容量はｎパケット分必要となり、この個数ｎが転送容量となる。
【００３０】
垂直電荷転送部２２での電荷の転送容量は、撮影感度毎の必要飽和に応じて決めることができる。例えば、撮影感度１００のときの転送容量は、４００ｍＶ分の電荷を漏れなく転送することができる最小の容量とすれば良い。本実施形態では、ある撮影感度に設定されると、垂直電荷転送部２２での転送容量が、その撮影感度のときの必要飽和分の電荷を漏れなく転送することができる最小の容量となるように、転送パルスφＶ１〜φＶ６が制御される。
【００３１】
図４は、撮影感度毎の転送容量（パケット数）、必要飽和、及びＯＦＤ電圧の設計例を示した図である。以下では、図４に示した設計例の設計方法を説明する。
【００３２】
固体撮像素子５の製造メーカーは、撮影感度（１００，２００，４００，８００）とそれに応じた必要飽和（４００，２００，１００，５０）を決めた後、その必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧と、その必要飽和分の電荷を漏れなく転送することのできる最小の転送容量（パケット数）とを決める。パケット数については、１パケットあたりの容量と必要飽和とその飽和ムラとを考慮して決めることができる。
【００３３】
ＯＦＤ電圧については、まず、４つある撮影感度のいずれかを基準の撮影感度として選択し、基準の撮影感度のときの必要飽和を実現するために必要なＯＦＤ電圧値を実測によって求める。ここでは、撮影感度１００を基準とし、必要飽和４００ｍＶを実現するためのＯＦＤ電圧を実測し、これをＯＦＤ電圧の基準値Ｖrefとする。又、ＯＦＤ電圧を単位電圧（ここでは例えば１Ｖとする）変化させたときに、光電変換素子２１の飽和蓄積容量がどれくらい変化するかを実測しておく。この実測値をΔＶとする。
【００３４】
基準値ＶrefとΔＶを実測した後は、以下の式（１）にしたがって基準以外の撮影感度での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧を計算により求める。
【００３５】
算出対象となる撮影感度での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧
＝Ｖref＋｛（基準となる撮影感度での必要飽和−算出対象となる撮影感度での必要飽和）／ΔＶ｝・・・（１）
【００３６】
事前に決定しておいた必要飽和と、実測した基準値Ｖref（ここでは６Ｖとする）とΔＶ（ここでは５０ｍＶとする）を式（１）に代入すると、
撮影感度２００での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧は、６＋｛（４００−２００）／５０｝＝１０Ｖとなり、
撮影感度４００での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧は、６＋｛（４００−１００）／５０｝＝１２Ｖとなり、
撮影感度８００での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧は、６＋｛（４００−５０）／５０｝＝１３Ｖとなる。
【００３７】
このようにして、各撮影感度に設定されたときの必要飽和、ＯＦＤ電圧、パケット数を設計する。
【００３８】
本実施形態のデジタルカメラは、図４に示すような設計例にしたがって製造されたものである。このため、撮影感度が１００に設定されると、ＯＦＤ電圧が６Ｖに制御されると共に、転送時の最少パケット数が４つとなるように転送パルスφＶ１〜φＶ６のパターンが制御される。又、撮影感度が２００に設定されると、ＯＦＤ電圧が１０Ｖに制御されると共に、転送時の最少パケット数が３つとなるように転送パルスφＶ１〜φＶ６のパターンが制御される。又、撮影感度が４００に設定されると、ＯＦＤ電圧が１２Ｖに制御されると共に、転送時の最少パケット数が２つとなるように転送パルスφＶ１〜φＶ６のパターンが制御される。又、撮影感度が８００に設定されると、ＯＦＤ電圧が１３Ｖに制御されると共に、転送時の最少パケット数が１つとなるように転送パルスφＶ１〜φＶ６のパターンが制御される。
【００３９】
以上のように、撮影感度毎のＯＦＤ電圧を全て実測するのではなく、１つのみを実測して、その他は実測値を基にした計算によって求めているため、更なる高感度化が進んだ場合でも、デジタルカメラの製造に要する時間の増大を防ぐことができ、製造コストを削減することができる。
【００４０】
又、本実施形態のデジタルカメラによれば、ＯＦＤ電圧で決まる飽和蓄積容量に応じて垂直電荷転送部２２の転送容量も変更されるため、暗電流による画質劣化を防ぐこともできる。
【００４１】
尚、以上の説明では、撮影感度毎に、転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧を設計するものとしたが、撮影感度ではなく、入射光量に応じて転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧を設計するようにしても良い。例えば、露出値毎に転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧のデータを持っておき、撮影時に設定された露出値に応じて転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧を変更した駆動を行うようにしても良い。
【００４２】
又、以上の説明では、光電変換素子２１の下にオーバーフロードレインを有する縦型オーバーフロードレイン機構を例にしたが、光電変換素子２１の隣にオーバーフロードレインを有する横型オーバーフロードレイン機構であっても良い。
【００４３】
又、以上の説明では、固体撮像素子５がＣＣＤ型のものとしたが、これはＭＯＳ型であっても良い。即ち、垂直電荷転送部２２、水平電荷転送部２３、及び出力部２４の代わりに、光電変換素子２１に蓄積された電荷を信号電圧に変換して出力するＭＯＳ回路を設けた構成であっても良い。
【００４４】
又、上述した計算方法で求めた撮影感度２００，４００，８００のそれぞれに対応するＯＦＤ電圧での光電変換素子２１の飽和蓄積容量の実測値と、図４に示した必要飽和の設計値とは、ＶrefやΔＶに含まれる測定誤差等のために完全に一致するわけではないが、その誤差は無視できる程度に微小である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図
【図２】図１に示す固体撮像素子５の構成例を示す平面模式図
【図３】図２の破線で示した領域２５の拡大図
【図４】撮影感度毎の転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧の設計例を示した図
【符号の説明】
【００４６】
５  固体撮像素子
１０  撮像素子駆動部
２０  シリコン基板
２１  光電変換素子
２２  垂直電荷転送部
２３  水平電荷転送部
２４  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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