(57)【要約】【課題】撮影状態に応じて、高速出力と高感度とを両立することができる固体撮像素子の駆動方法を提供する。【解決手段】複数の色に対応するカラーフィルタが形成された撮像領域に垂直方向及び水平方向に画素ごとに設けられた光電変換部を備え、各光電変換部に入射した光に応じて信号電荷を生成し、出力することでカラー画像を得る固体撮像装置の駆動方法であって、光電変換部で生成された信号電荷を読み出して、垂直電荷転送領域によって垂直方向に転送するステップと、垂直電荷転送領域から転送された信号電荷を水平電荷転送領域によって水平方向に転送するステップと、水平電荷転送領域において、位置が近く且つ同じ色の画素同士の信号電荷を加算して出力するステップとを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の色に対応するカラーフィルタが形成された撮像領域に垂直方向及び水平方向に画素ごとに設けられた光電変換部を備え、各光電変換部に入射した光に応じて信号電荷を生成し、出力することでカラー画像を得る固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部で生成された信号電荷を読み出して、垂直電荷転送領域によって垂直方向に転送するステップと、
前記垂直電荷転送領域から転送された信号電荷を水平電荷転送領域によって水平方向に転送するステップと、
前記水平電荷転送領域において、位置が近く且つ同じ色の画素同士の信号電荷を加算して出力するステップとを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
複数の色に対応するカラーフィルタが形成された撮像領域に垂直方向及び水平方向に画素ごとに設けられた光電変換部を備え、各光電変換部に入射した光に応じて信号電荷を生成し、出力することでカラー画像を得る固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部で生成された信号電荷を読み出して、垂直電荷転送領域によって垂直方向に転送するステップと、
前記垂直電荷転送領域から転送された信号電荷を水平電荷転送領域によって水平方向に転送するステップと、
前記水平電荷転送領域において同じ色の画素同士の信号電荷からなる出力信号群を形成し、色ごとに前記出力信号群を出力するステップとを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記カラーフィルタが、赤の波長の光を透過するフィルタと、緑の波長の光を透過するフィルタと、青の波長の光を透過するフィルタと、全ての波長の光を透過する輝度フィルタとからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来の固体撮像素子の構成を模式的に示した図である。図１０は、図９の固体撮像素子のカラーフィルタの配列パターンを示した図である。固体撮像素子１は、格子状に複数配列された、入射光を光電変換することで信号電荷を生成するフォトダイオードＰＤを有している。複数のフォトダイオードＰＤから信号電荷を読み出しゲートで読み出して垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）を有している。複数の垂直電荷転送部によって転送された信号電荷はそれぞれ、垂直方向端部から水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）に転送される。そして、水平電荷転送部で水平転送され、フローティングディフュージョンアンプＦＤなどの出力アンプから出力される。
【０００３】
現在、図１０に示すように、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ、青色画素Ｂに加え、輝度情報を取得するためのホワイト画素を格子状に配列させることで、色情報と輝度情報を同時に得ることができ、広いダイナミックレンジを実現できる構成が提案されている。従来、このような、カラー配列を有する撮像素子としては、例えば、下記特許文献に示すものがある。
【０００４】
上記のような撮像素子の駆動手順としては、ＶＣＣＤを構成する各垂直電荷転送電極に駆動電圧供給部Ｖ１〜Ｖ４から所定の駆動パルスを印加すことで、フォトダイオードＰＤから読み出しだ信号電荷を順次垂直方向に転送している。例えば、図９に示す固体撮像素子１では、配列されたフォトダイオードＰＤのうち同じ（水平方向に並んだ）列に位置する画素の信号電荷が垂直電荷転送部ＶＣＣＤに常に同時に読み出されて水平電荷転送部に転送される。
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００２４９３１号明細書
【特許文献２】特開２００２−１１２１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記固体撮像素子のように、同じ列のＲ，Ｇ，Ｂ画素とＷ画素との信号電荷を同時に読み出すと、静止画撮像時に高い感度で撮像を行うことができる一方で、動画撮像時のように高速出力を行うができない点で改善の余地があった。このため、ＲＧＢ画素及びＷ画素から信号電荷を取得して撮像を行う構成の撮像素子において、高速出力と高感度とを両立させた撮像を行うことができるように駆動したいという要求があった。
また、上記構成の撮像素子では、静止画撮像時に出力信号が「Ｇ画素、Ｗ画素、Ｒ画素、Ｗ画素」や、「Ｗ画素、Ｇ画素、Ｗ画素、Ｒ画素」というように、各出力信号が隣接する出力信号と異なる色情報であり、水平電荷転送部ＨＣＣＤにおいて転送不良が生じた場合に、異なる色情報の出力信号同士が混ざり合うことで画質が劣化する要因となる点で改善の余地があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、撮影状態に応じて、高速出力と高感度とを両立することができる固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）複数の色に対応するカラーフィルタが形成された撮像領域に垂直方向及び水平方向に画素ごとに設けられた光電変換部を備え、各光電変換部に入射した光に応じて信号電荷を生成し、出力することでカラー画像を得る固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部で生成された信号電荷を読み出して、垂直電荷転送領域によって垂直方向に転送するステップと、
前記垂直電荷転送領域から転送された信号電荷を水平電荷転送領域によって水平方向に転送するステップと、
前記水平電荷転送領域において、位置が近く且つ同じ色の画素同士の信号電荷を加算して出力するステップとを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
（２）複数の色に対応するカラーフィルタが形成された撮像領域に垂直方向及び水平方向に画素ごとに設けられた光電変換部を備え、各光電変換部に入射した光に応じて信号電荷を生成し、出力することでカラー画像を得る固体撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部で生成された信号電荷を読み出して、垂直電荷転送領域によって垂直方向に転送するステップと、
前記垂直電荷転送領域から転送された信号電荷を水平電荷転送領域によって水平方向に転送するステップと、
前記水平電荷転送領域において同じ色の画素同士の信号電荷からなる出力信号群を形成し、色ごとに前記出力信号群を出力するステップとを有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
（３）前記カラーフィルタが、赤の波長の光を透過するフィルタと、緑の波長の光を透過するフィルタと、青の波長の光を透過するフィルタと、全ての波長の光を透過するフィルタとからなることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【０００９】
本発明は、撮像時に光電変換部で生成された、色画素に対応する信号電荷を垂直電荷転送領域に読み出し、垂直電荷転送領域によって垂直転送し、その最終段から水平電荷転送領域に転送する。そして、水平電荷転送領域によって水平転送し、該水平電荷転送領域の端部から出力することでカラー画像を生成する。固体撮像装置を駆動させる際に、水平電荷転送領域によって撮像領域における配置位置が近い、同じ色の画素同士の信号電荷を加算して出力する。こうすれば、動画撮像時には、赤，緑，青の画素に対応した色信号のみを信号加算して出力することができるため、信号処理数を減らして高速出力することができる。
また、撮像駆動時に水平電荷転送領域において転送不良が生じた場合に、水平電荷転送領域において同じ色の画素同士の信号電荷からなる出力信号群を出力する手順を行うことで、画素単位で赤，緑，青及び白の画素に応じた信号電荷を転送する手順に比べて、信号電荷同士が混ざり合うことを抑制することができる。このため、転送不良に起因する画質の低下を抑えることでより高い画質の画像を得やすくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、撮影状態に応じて、高速出力と高感度とを両立することができる固体撮像素子の駆動方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる固体撮像装置の概略的な構成を示す図である。
固体撮像装置１０は、シリコンなどの半導体基板上に、撮像領域が区画され、該撮像領域の垂直方向（図１中の上下方向）及び水平方向（図１中の左右方向）に複数の光電変換部ＰＤが配列されている。光電変換部ＰＤは、被写界からの入射光を光電変換し、該入射光に応じた信号電荷を生成する構成で、例えば、フォトダイオードなどによって構成することができる。
【００１２】
撮像領域の光入射側の面には、図示しないカラーフィルタが設けられている。カラーフィルタは、図１０に示すカラーフィルタと同様に、赤色，緑色，青色の波長の光を透過するフィルタと、輝度情報を所得するため、全ての波長の光を透過する輝度フィルタとを所定のパターンで配列した構成を有している。図１において、赤色のフィルタの位置に対応する光電変換部ＰＤを「Ｒ」で示し、緑色のフィルタの位置に対応する光電変換部ＰＤを「Ｇ」で示し、青色のフィルタの位置に対応する光電変換部ＰＤを「Ｂ」で示し、輝度フィルタの位置に対応する光電変換部ＰＤを「Ｗ」で示している。本実施形態では、カラーフィルタと、そのカラーフィルタに対応する光電変換部とを総称して画素とし、色ごとに赤（Ｒ）画素，緑（Ｇ）画素，青（Ｂ）画素，白（Ｗ）画素と区別する。
【００１３】
垂直方向に並んだ光電変換素子ＰＤの列同士の間には、垂直方向に延設された垂直電荷転送部１１がそれぞれ設けられている。それぞれの垂直電荷転送部１１の垂直方向の転送側の端部が共通の水平電荷転送部２１に接続されている。垂直電荷転送部１１の半導体基板表面には垂直電荷転送チャネル１２が形成され、水平電荷転送部２１の半導体基板表面には水平電荷転送チャネル２２が形成されている。
【００１４】
垂直電荷転送部１１は、光電変換素子ＰＤから信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する。垂直電荷転送部１１は、複数段からなる垂直電荷転送電極１３，１４を垂直方向に対して並列し、垂直方向端部には、補助転送電極１５，１６が形成され、補助転送電極の転送側にはラインメモリ１７が形成されている。信号電荷を転送する際には、各垂直電荷転送電極１３，１４及び補助転送電極１５，１６に所定のタイミングで垂直転送信号Ｖ１〜４を入力することで、信号電荷を垂直電荷転送部１１に沿って転送し、ラインメモリ１７で一旦蓄積した後で、該ラインモリ１７から水平電荷転送部２１へ転送する。
【００１５】
垂直電荷転送電極１３，１４のそれぞれには、駆動時に光電変換部ＰＤから信号電荷を読み出すための読み出し部１８が形成されている。本実施形態の固体撮像装置１０は、垂直電荷転送電極１３の読み出し部１８が、Ｒ画素、Ｂ画素、Ｇ画素に対応する光電変換部ＰＤから信号電荷を読み出し、垂直電荷転送電極１４の読み出し部１８が、Ｗ画素に対応する光電変換部ＰＤから信号電荷を読み出す構成である。読み出し部１８の半導体基板表面には、図示しない読み出し領域が形成されている。
【００１６】
水平電荷転送部２１は、ポリシリコンによって形成された第１ゲート電極２３と第２ゲート電極２４とからなる水平電荷転送電極を備え、第１ゲート電極２３と第２ゲート電極２４とを水平方向に対して交互に配置した構成である。第１ゲート電極２３と第２ゲート電極２４とのうち、一方がストレージ電極として機能し、他方がバリア電極として機能する。本実施形態では、第１ゲート電極２３及び第２ゲート電極２４には２相の水平転送信号Ｈ１，Ｈ２が入力され、信号電荷が水平電荷転送部の転送方向端部に設けられたフローティングディフュージョンアンプなどの出力アンプへ水平転送され、出力アンプで電圧変換されて出力信号として出力される。
【００１７】
図２は、本実施形態の固体撮像装置の駆動時に、垂直電荷転送部及び水平電荷転送部に印加される転送信号のタイミングチャートである。図３は、駆動時に信号電荷が転送される状態を説明する図である。なお、図３において、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素それぞれから読み出された信号電荷をそれぞれ丸で囲うことで示している。
固体撮像装置１０の駆動時には、先ず、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の各光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を読み出し部１８を介して垂直電荷転送部１１に読み出す。そして、垂直電荷転送部１１の垂直電荷転送電極１３，１４に垂直転送信号Ｖ１〜４を入力し、信号電荷を垂直電荷転送部１１に沿って垂直方向に転送する。垂直電荷転送部１１で転送された信号電荷は、該垂直電荷転送部１１の転送方向端部の補助転送電極１５，１６を介してラインメモリ１７に蓄積される。図２に示すように、ラインメモリ１７には、所定のタイミングで読み出しパルス信号ＬＭが入力され、ラインメモリ１７にLowレベルの電圧が印加され、かつ、水平電荷転送部にHighレベルの電圧が印加ている場合に、該ラインメモリ１７から水平電荷転送部２１に信号電荷が転送される。
【００１８】
水平電荷転送部１１に信号電荷が転送された後、第１ゲート電極２３及び第２ゲート電極２４に水平転送信号Ｈ１，Ｈ２が入力され、信号電荷が水平転送される。本実施形態では、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の光電変換部ＰＤのみから信号電荷を読み出し、Ｗ画素の光電変換部ＰＤからは信号電荷を読み出しを行わない。本実施形態の固体撮像装置１０の構成では、静止画撮像時には、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素から色情報を取得し、Ｗ画素から輝度情報を所得することで、高画質のカラー画像を生成することが可能である。一方で、動画撮像時には、上記の駆動タイミングとすることで、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素のみを読み出し、かつ、位置の最も近い画素同士を加算して出力することができるため、出力する信号数を削減することができ、高速読み出しを実現することができる。また、信号加算することで、感度が倍となるため、Ｗ画素を用いないことでの感度低下を補うことができる。
【００１９】
本実施形態では、撮像領域において互いの配置の位置が近い、同色の画素の信号電荷を水平電荷転送部２１において信号加算している。具体的には、複数の垂直電荷転送部１１のうち、第１垂直電荷転送列と該第１垂直電荷転送列に隣り合う第２垂直電荷転送列からＢ画素及びＧ画素の信号電荷が水平電荷転送部２１に読み出され、該第２垂直電荷転送列に隣り合う第３，４垂直電荷転送列からＧ画素及びＲ画素が水平電荷転送部２１に読み出される。そして、水平電荷転送部２１において第１垂直電荷転送列と第２垂直電荷転送列とから読み出したＧ画素同士の信号電荷を信号加算し、また、Ｂ画素同士の信号電荷を信号加算する。同様に、水平電荷転送部２１において第３垂直電荷転送列と第４垂直電荷転送列とから読み出したＧ画素同士の信号電荷を信号加算し、また、Ｒ画素同士の信号電荷を信号加算する。信号加算した後、出力アンプから信号出力する。このため、出力される信号は、同色の画素同士が加算された信号電荷からなる出力信号となる。
【００２０】
図４は、駆動時において、信号電荷が転送される別の状態を説明する図である。本実施形態の固体撮像装置１０の構成では、白黒（モノクロ）画像で撮像する機能や、静止画撮像時などに焦点位置を確定するためのオートフォーカス機能（ＡＦ）を有するデジタルカメラ等の撮像装置に搭載される場合に、Ｗ画素によって輝度情報のみを取得することができる。このとき、輝度情報のみからなる画像を形成したうえで、焦点位置情報を決定し、その後で、通常の静止画撮像を開始する処理が実行可能である。なお、輝度情報のみを取得する処理は、オートフォーカス機能の処理に限定されず、他の機能においても使用することもできる。
【００２１】
図４に示す駆動状態では、先ず、Ｗ画素の各光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を読み出し部１８を介して垂直電荷転送部１１に読み出す。そして、垂直電荷転送部１１の垂直電荷転送電極１３，１４に垂直転送信号Ｖ１〜４を入力し、信号電荷を垂直電荷転送部１１に沿って垂直方向に転送する。垂直電荷転送部１１で転送された信号電荷は、該垂直電荷転送部１１の転送方向端部の補助転送電極１５，１６を介してラインメモリ１７に蓄積される。図２に示すように、ラインメモリ１７には、所定のタイミングで読み出しパルス信号ＬＭが入力され、蓄積された信号電荷が水平電荷転送部１１に転送される。
【００２２】
水平電荷転送部１１に信号電荷が転送された後、第１ゲート電極２３及び第２ゲート電極２４に水平転送信号Ｈ１，Ｈ２が入力され、信号電荷が水平転送される。本実施形態では、Ｗ画素の光電変換部ＰＤのみから信号電荷を読み出す。水平電荷転送部２１において第１垂直電荷転送列と第２垂直電荷転送列とから読み出したＷ画素同士の信号電荷を信号加算する。同様に、水平電荷転送部２１において第３垂直電荷転送列と第４垂直電荷転送列とから読み出したＷ画素同士の信号電荷を信号加算する。信号加算した後、信号電荷を出力アンプから信号出力する。このため、出力される信号は、画素の位置が近いＷ画素がそれぞれ同色同士が加算された信号電荷からなる出力信号となる。
【００２３】
図５は、図３の駆動状態で信号電荷を転送した場合の信号加算について模式的に示す図である。信号加算した場合に、加算されたＲ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の色配列がベイヤー配列になるため、加算後においても高い解像度を得ることができる。
【００２４】
また、本実施形態は、図３に示す読み出し手順を用いて第１フィールドの読み出しを行い、かつ、図４に示す読み出し手順を用いて第２フィールドの読み出しを行うことで画素を間引いた高速連射の静止画モードを実現することができる。図６は、信号配列を模式的に示す図である。図６に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素がベイヤー配列となり、また、Ｗ画素はベイヤー配列された各Ｒ，Ｇ，Ｂ画素に対応して配置されるため、高解像度と高感度を両立した静止画撮像を実行することができる。
【００２５】
次に、本発明にかかる固体撮像装置の駆動方法の第２実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。なお、本実施形態の固体撮像装置の構成は、上記第１実施形態の構成と同じである。
【００２６】
図７は、本実施形態の固体撮像装置の駆動時に、垂直電荷転送部及び水平電荷転送部に印加される転送信号のタイミングチャートである。図８は、駆動時に信号電荷が転送される状態を説明する図である。
固体撮像装置１０の駆動時には、先ず、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の各光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を読み出し部１８を介して垂直電荷転送部１１に読み出す。そして、垂直電荷転送部１１の垂直電荷転送電極１３，１４に垂直転送信号Ｖ１〜４を入力し、信号電荷を垂直電荷転送部１１に沿って垂直方向に転送する。垂直電荷転送部１１で転送された信号電荷は、該垂直電荷転送部１１の転送方向端部の補助転送電極１５，１６を介してラインメモリ１７に蓄積される。ラインメモリ１７には、所定のタイミングで読み出しパルス信号ＬＭが入力されることで、該ラインメモリ１７から水平電荷転送部２１に信号電荷が転送される。
【００２７】
水平電荷転送部１１に信号電荷が転送された後、第１ゲート電極２３及び第２ゲート電極２４に水平転送信号Ｈ１，Ｈ２が入力され、信号電荷が水平転送される。本実施形態では、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素の光電変換部ＰＤのみから信号電荷を読み出し、Ｗ画素の光電変換部ＰＤからは信号電荷を読み出しを行わない。
【００２８】
本実施形態では、上記の駆動タイミングで信号電荷の読み出した場合に、フィールドの１ラインにおいて出力される信号電荷が同色の画素の信号電荷のみからなる出力信号群を形成する。そして、色ごとに出力信号群を出力する。従来では、転送不良に起因して水平電荷転送部の転送効率が悪い場合には、異なる画素同士の信号電荷が水平電荷転送部において混ざり合うことで混色が発生していた。そこで、本実施形態の駆動方法によれば、転送不良が発生しても、水平電荷転送部において混ざり合うことを抑制することができ、画質の劣化を抑えた、高画質の画像を得ることが可能となる。なお、図４に示す駆動方法を用いたフィールドにおいては、全ての出力信号がホワイトとなるため、駆動タイミングは本実施形態のものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明にかかる固体撮像装置の概略的な構成を示す図である。
【図２】本実施形態の固体撮像装置の駆動時に、垂直電荷転送部及び水平電荷転送部に印加される転送信号のタイミングチャートである。
【図３】駆動時に信号電荷が転送される状態を説明する図である。
【図４】駆動時において、信号電荷が転送される別の状態を説明する図である。
【図５】図３の駆動状態で信号電荷を転送した場合の信号加算について模式的に示す図である。
【図６】信号配列を模式的に示す図である。
【図７】本実施形態の固体撮像装置の駆動時に、垂直電荷転送部及び水平電荷転送部に印加される転送信号のタイミングチャートである。
【図８】駆動時に信号電荷が転送される状態を説明する図である。
【図９】従来の固体撮像素子の構成を模式的に示した図である。
【図１０】図９の固体撮像素子のカラーフィルタの配列パターンを示した図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０    固体撮像装置
１１    垂直電荷転送部
１３，１４    垂直電荷転送電極
２１    水平電荷転送部
２３，２４    水平電荷転送電極
ＰＤ    光電変換部
【図１】
2009117979.tif 000003
【図２】
2009117979.tif 000004
【図３】
2009117979.tif 000005
【図４】
2009117979.tif 000006
【図５】
2009117979.tif 000007
【図６】
2009117979.tif 000008
【図７】
2009117979.tif 000009
【図８】
2009117979.tif 000010
【図９】
2009117979.tif 000011
【図１０】
2009117979.tif 000012