JP2007201711A - 撮像装置及びｃｃｄ型固体撮像素子の電荷転送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトダイオードが検出した信号電荷を電荷転送路に形成した転送パケットで転送する際の混色，解像度の問題を回避する。
【解決手段】 光電変換素子（Ｒ，Ｂ）と電荷転送路とを備え該電荷転送路に形成した転送パケット内に光電変換素子が検出した信号電荷を読み出し転送するＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法において、信号電荷を収納し転送する転送パケット３０の後段に空パケット３２を形成し、転送パケット３０と空パケット３２とを対として電荷転送路に沿って転送させる。転送パケット３０の転送に伴って転送残りとなる電荷が発生してもこの転送残り電荷は空パケット３２に収納され転送されるため、次段の転送パケット３３内の信号電荷に混入する虞が小さくなる。
【選択図】 図４

Description

本発明は撮像装置及びＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）型固体撮像素子の電荷転送方法に係り、特に、複数画素の信号電荷を混合して固体撮像素子から出力させる撮像装置及び固体撮像素子の電荷転送方法に関する。

デジタルカメラ等の撮像装置には、静止画像を撮影する機能の他に、動画像を撮影する機能を搭載するものが多い。動画像を撮影する場合、静止画像に比べて縮小した画像データをＣＣＤ型固体撮像素子から読み出すが、このとき、ＣＣＤ型固体撮像素子に搭載されている全画素から信号電荷を読み出すのではなく、画素間引きを行って縮小画像データを読み出すことが行われている。

しかし、この画素間引きは、ＣＣＤ型固体撮像素子が折角受光した画素のうち信号電荷を読み出さない画素が発生することを意味し、出力画像データの感度を低下させる要因になっている。

そこで、画素間引きではなく、ＣＣＤ型固体撮像素子の全画素から信号電荷を読み出すに際し、同一色の複数画素の信号電荷を混合して固体撮像素子から読み出す方法が採用される（例えば、下記特許文献１）。この画素混合の方法によれば、無駄になる信号電荷が無くなるため、縮小画像データの感度を向上させることができるという利点がある。

特開２００５―１２３９９２号公報

ＣＣＤ型固体撮像素子で電荷転送を行う場合、１転送パケット（電位井戸）内に収納された信号電荷を次段に１００％転送することは物理的に不可能であり、電荷転送効率は例えば「９９．９…％」となる。即ち、信号電荷の転送残りが発生してしまう。この転送残りによる影響は、１パケット内に収納される信号電荷量が多いほど大きくなる。

上述した画素混合を行って縮小画像データをＣＣＤ型固体撮像素子から出力させる場合、１パケット内に収納され転送される信号電荷量は複数画素分となるため多くなる。連続する複数パケットで例えば多量の赤色信号電荷と青色信号電荷とを交互に収納し転送する場合、前段パケットの赤色（青色）信号電荷の転送残り電荷が後段パケットの青色（赤色）信号電荷に混入し、混色が発生してしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、画素混合を行いＣＣＤ型固体撮像素子から縮小画像データを読み出す際に電荷転送効率を改善し混色の影響を低減することができる撮像装置及びＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法は、光電変換素子と電荷転送路とを備え該電荷転送路に形成した転送パケット内に前記光電変換素子が検出した信号電荷を読み出し転送するＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法において、前記信号電荷を収納し転送する前記転送パケットの後段に空パケットを形成し、前記転送パケットと前記空パケットとを対として前記電荷転送路に沿って転送させることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法は、前記電荷転送路の転送終端部分において前記転送パケット内の信号電荷に前記対となる前記空パケット内の電荷を加算することを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法は、前記電荷転送路が垂直転送路であり前記転送手段部分が水平転送路であることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法は、前記転送パケット内に複数の前記光電変換素子の信号電荷を読み出し加算して転送することを特徴とする。

本発明の撮像装置は、光電変換素子と電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子と、上記のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法を実行させる駆動信号であって前記電荷転送路に前記転送パケット及び前記空パケットを形成して転送させる駆動信号を生成する駆動手段とを備えることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、前記ＣＣＤ型固体撮像素子が３原色カラーフィルタを搭載したハニカム画素配列のＣＣＤ型固体撮像素子であることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、動画像撮影指示が入力されたとき前記駆動手段が上記の電荷転送方法を実行して前記ＣＣＤ型固体撮像素子から縮小画像データを出力することを特徴とする。

本発明によれば、信号電荷を転送する転送パケットの後段に必ず空パケットが転送されるため、転送残りとなる電荷が発生しても次段の空パケット内に収納されて転送され、その後段となる転送パケットの信号電荷に前々段の転送パケット内の信号電荷の転送残りが混入する虞は小さくなる。このため、２つの転送パケット（間に空パケットが必ず入っている）で異なる色の信号電荷を転送する場合には混色の問題が回避され、同色の信号電荷を転送する場合には解像度の問題が回避される。

また、転送パケットによって転送されてきた信号電荷に、これと対になる空パケット内の電荷（転送残りとなった電荷）を加算することで、電荷転送効率を実効的に向上させることが可能となる。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック構成図である。このデジタルカメラは、撮像部１と、撮像部１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２と、アナログ信号処理部２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）９からの指示によってＡ／Ｄ３，アナログ信号処理部２，撮像部１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）４と、ＣＰＵ９からの指示によって発光するフラッシュ５とを備える。

撮像部１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系１ａと、該光学レンズ系１ａを通った光を絞る絞り１ｂと、光学レンズ系１ａによって集光され絞り１ｂによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力するＣＣＤ型固体撮像素子１００とを備える。

本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部６と、画像データを静止画像であればＪＰＥＧ形式など，動画像であればＭＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）９と、フレームメモリ等の内部メモリ１０と、圧縮画像データ等を格納する記録メディア１２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部１１と、これらを相互に接続するバス２０とを備え、また、システム制御部９には、ユーザからの指示入力を行う操作部１３が接続されている。

図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子１００の表面模式図である。図示する例のＣＣＤ型固体撮像素子１００の半導体基板上には、アレイ状に配列形成されたフォトダイオード（光電変換素子）１０１（Ｒ），１０１（Ｇ），１０１（Ｂ）を備える。

そして、奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが１／２ピッチづつずらして配列され（所謂、ハニカム画素配列）、図示する例では、偶数行のフォトダイオードは全て緑色（Ｇ）のカラーフィルタが積層されたフォトダイオード１０１（Ｇ）で構成され、奇数行のフォトダイオードは交互に赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）のカラーフィルタが積層されたフォトダイオード１０１（Ｒ），１０１（Ｂ）で構成される。奇数行のカラーフィルタ配列は、Ｒ―Ｂ―Ｒ―…の配列とＢ―Ｒ―Ｂ―…の配列とが交互になっている。

垂直転送路１０２は、垂直方向に各フォトダイオード１０１を避けるように蛇行して配置されている。ＣＣＤ型固体撮像素子１００の下辺部には水平転送路１０４が設けられ、その出力部にアンプ１０５が設けられている。水平転送路１０４には水平転送パルスφＨ１，φＨ２が印加されて２相駆動される。

このＣＣＤ型固体撮像素子１００は、８相インターレス駆動される様に垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８が設けられている。各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８は、水平方向に各フォトダイオード１０１を避けるように蛇行して配置され、同一水平方向に並ぶ転送電極Ｖ１に垂直転送パルスφＶ１が、転送電極Ｖ２に垂直転送パルスφＶ２が、…、転送電極Ｖ８に垂直転送パルスφＶ８が印加される様になっている。

各垂直転送路１０２は、半導体基板表面部に形成された垂直方向に蛇行する埋め込みチャネルと、この埋め込みチャネル上には配列される各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８によって構成される。

各垂直転送パルスφＶ１〜φＶ８，水平転送パルスφＨ１，φＨ２および読出パルス等は、図１に示すシステム制御部９からの指示を受けて駆動部４がＣＣＤ型固体撮像素子１００に供給する。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いて説明したが、これは、半導体基板表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」という意味である。

今、ユーザが操作部１３から静止画像撮影指示を入力すると、システム制御部９は駆動部４に指令を出し、ＣＣＤ型固体撮像素子１００による撮影動作が行われ、次に、ＣＣＤ型固体撮像素子１００の各フォトダイオード１０１から信号電荷が垂直転送路１０２，水平転送路１０４と転送され、アンプ１０５から画像データとして出力される。

静止画像データは、画素混合されることなくアンプ１０５から出力され、図１のアナログ信号処理部２に取り込まれ、以後、周知の画像処理が施され、静止画像として記録メディア１２に格納される。

ユーザが操作部１３から動画像撮影指示を入力すると、システム制御部９はその旨の指令を駆動部４に出し、ＣＣＤ型固体撮像素子１００による動画撮影動作が行われる。そして駆動部４は、動画１フレーム分の撮影が終了する毎に、ＣＣＤ型固体撮像素子１００から動画像データを読み出す駆動信号をＣＣＤ型固体撮像素子１００に供給する。

図３は、動画像データ（縮小画像データ）読出駆動信号のうちの垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８に印加する垂直転送パルス（上段）と転送電極兼用の読出ゲートに印加する読出パルス（下段）のタイミングチャートを示す図である。

読出パルスがハイレベルＶＨとなったとき、当該読出パルスが印加された転送電極（読出ゲート）の電位井戸が深くなり、対応のフォトダイオード１０１から信号電荷が垂直転送路上の電位井戸（パケット）内に読み出される。

例えば時刻Ｔ３において、転送電極Ｖ４，Ｖ８（図３ではＶ４Ａ，Ｖ８Ｂと記載している。これは、本実施形態では、垂直方向同一色の４画素分の信号電荷を加算するため、全垂直転送電極Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８をＡグループ，Ｂグループ，Ｃグループ，Ｄグループの４グループに分け、Ｖ１Ａ，Ｖ２Ａ，…Ｖ８Ａ，…Ｖ１Ｂ，Ｖ２Ｂ，…Ｖ８Ｂ，…Ｖ１Ｄ，Ｖ２Ｄ，…Ｖ８Ｄとしているためである。図３上段では、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ＝Ｘとしている。）に読出パルスが印加される。

この時刻Ｔ３では、図３上段に示す様に、垂直転送電極Ｖ５，Ｖ６にローレベルＶＬが印加されているため、垂直転送電極Ｖ５，Ｖ６のポテンシャルが高くなってバリアとなり、連続する垂直転送電極Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の６電極分にミドルレベルＶＭが印加されているため、１つの連続する転送パケット（電位井戸）が形成されている。この転送パケット内に、該当するフォトダイオード１０１から信号電荷が読み出される。

図２に示す様に、緑色（Ｇ）のフォトダイオード１０１（Ｇ）が接する垂直転送電極はＶ４とＶ８であるため、垂直転送電極Ｖ８に読出パルスが印加されると、垂直転送電極Ｖ８に接する緑色のフォトダイオード１０１（Ｇ）から信号電荷が垂直転送路の該当パケット内に読み出される。

同様に、転送電極Ｖ２，Ｖ６に読出パルスが印加されると、電極Ｖ２，Ｖ６に接する赤色，青色のフォトダイオード１０１（Ｒ），１０１（Ｂ）から信号電荷が垂直転送路の該当パケット内に読み出される。

図２に示す実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子１００では、各フォトダイオード１０１を列方向に見たとき、…，Ｒ，Ｂ，Ｒ，Ｂ，…が並ぶ列と、Ｇ，Ｇ，Ｇ，…が並ぶ列とが交互に配置される。…，Ｒ，Ｂ，Ｒ，Ｂ，…が並ぶ列の垂直転送路におけるパケットの転送と、Ｇ，Ｇ，…が並ぶ列の垂直転送路におけるパケットの転送について説明する。

図４は、…，Ｒ，Ｂ，Ｒ，Ｂ，…が並ぶ列（以下、ＲＢラインという。）の垂直転送路における転送の様子を示す図であり、図５は、Ｇ，Ｇ，Ｇ，…が並ぶ列（以下、Ｇラインという。）の垂直転送路における転送の様子を示す図である。垂直転送路における垂直転送電極への垂直転送パルスの印加は、図３上段に示すタイミングで行われる。

図４に示す様に、例えば、Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の連続する６電極分の転送パケット３０が形成（電極Ｖ４，Ｖ５がバリア）されており、時刻Ｔ１に、このパケット３０内に青色（Ｂ４）信号電荷が読み出される。転送パケット３０は、図３上段に示す垂直転送パルスに従って、６電極分→５電極分→６電極分→…と伸縮が繰り返されることで水平転送路１０４の方向に進む。

転送パケット３０が垂直方向に移動し青色（Ｂ６）のフォトダイオード１０１（Ｂ）の脇に来た時刻Ｔ１７において、このフォトダイオード１０１（Ｂ６）の信号電荷がこの転送パケット３０内に読み出され、Ｂ４＋Ｂ６の２画素分の信号電荷の画素混合が行われる。同様に、時刻Ｔ３３で、垂直方向に並ぶ次の青色（Ｂ８）の信号電荷がこのパケット３０内に読み出され、時刻Ｔ４９で、次の青色（Ｂ１０）の信号電荷がこのパケット３０内に読み出される。

この結果、この転送パケット３０内には、４画素分（Ｂ４＋Ｂ６＋Ｂ８＋Ｂ１０）の青色の信号電荷が混合される。尚、転送パケット３０から４パケット後段のパケット３１内の画素混合を（−Ｂ４−Ｂ２＋Ｂ０＋Ｂ３）と図示しているが、「−」は減算を意味するのではなく、図４に示すより更に上にある画素（Ｂ４，Ｂ２）の信号電荷を加算していることを意味する。

４画素分の信号電荷の加算が終了した後は、垂直転送路上での転送のみを行い、信号読出は行わない。図５に示すＧラインの垂直転送路における転送も、図４で説明したＲＢラインにおける転送と同様であり、垂直方向に並ぶ４画素分のＧ信号電荷が混合され、転送される。

図４，図５に示す様に、本実施形態では、１つの転送パケット内に４画素分の信号電荷を加算混合して転送する構成となっているが、更に、図３に示す様に、画素混合を行うため垂直転送パルスのタイミングと読出パルスのタイミングとを調整し、４画素分の画素混合を行った転送パケットの後段パケットを必ず空パケットとしている。即ち、図４で説明すると、転送パケット３０の後段パケット３２を空パケットとして転送している。図５においても同様である。

この結果、青色信号電荷を収納した転送パケット３０の転送の繰り返しによって転送残りの電荷が発生しても、この転送残りの電荷は、後段の空パケット３２内に収納されて転送されることになる。つまり、転送パケット３０による転送残りの電荷は、空パケット３２内に収納されてしまい、その後段の赤色信号電荷転送用パケット３３に混入する虞は極めて小さくなる。

この結果、本実施形態では、混色の問題（単板式のカラーＣＣＤ型固体撮像素子のＲＢラインのため「混色」として表現しているが、Ｇラインや単色を検出するＣＣＤ型固体撮像素子であれば「解像度」低下の問題となる。）を回避することができる。

そして、転送パケット３０の青色信号電荷を水平転送路１０４に移すとき、転送パケット３０の青色信号電荷に次の空パケット３２内の信号電荷を加算すれば、転送パケット３０の転送で取り残された信号電荷を加算することになり、結果として垂直転送路における電荷転送効率を向上させることになる。

以上述べた様に、本実施形態によれば、画素混合した信号電荷を転送パケットで転送するとき、この転送パケットの後段パケットを必ず空パケットとしたため、混色（解像度）の問題を回避することが可能となる。また、転送パケットの信号電荷と、その後段の空パケットで拾った電荷とを加算することで、電荷転送効率を向上させることが可能となる。

尚、上述した実施形態では、フォトダイオードをハニカム画素配列したＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明したが、フォトダイオードを正方格子配列したＣＣＤ型固体撮像素にも適用可能である。

本発明に係る撮像装置及びＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法は異なる転送パケットで転送する信号電荷の混合を回避できると共に電荷転送効率を向上させることができ、動画撮影機能を有するデジタルカメラ等に適用すると有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。 図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子から画素混合した縮小画像データを読み出す駆動信号のタイミングチャートを示す図である。 ＲＢラインの垂直転送路の転送の様子を示す図である。 Ｇラインの垂直転送路の転送の様子を示す図である。

符号の説明

１ 撮像部
４ 駆動部
９ システム制御部
３０ 転送パケット
３２ 空パケット
１００ ＣＣＤ型固体撮像素子
１０１ フォトダイオード
１０１（Ｒ） 赤色フォトダイオード
１０１（Ｇ） 緑色フォトダイオード
１０１（Ｂ） 青色フォトダイオード
１０２ 垂直転送路
１０４ 水平転送路
Ｖ１〜Ｖ８ 垂直転送電極

Claims (7)

1. 光電変換素子と電荷転送路とを備え該電荷転送路に形成した転送パケット内に前記光電変換素子が検出した信号電荷を読み出し転送するＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法において、前記信号電荷を収納し転送する前記転送パケットの後段に空パケットを形成し、前記転送パケットと前記空パケットとを対として前記電荷転送路に沿って転送させることを特徴とするＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法。
2. 前記電荷転送路の転送終端部分において前記転送パケット内の信号電荷に前記対となる前記空パケット内の電荷を加算することを特徴とする請求項１記載のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法。
3. 前記電荷転送路が垂直転送路であり前記転送手段部分が水平転送路であることを特徴とする請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法。
4. 前記転送パケット内に複数の前記光電変換素子の信号電荷を読み出し加算して転送することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法。
5. 光電変換素子と電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子と、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の電荷転送方法を実行させる駆動信号であって前記電荷転送路に前記転送パケット及び前記空パケットを形成して転送させる駆動信号を生成する駆動手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
6. 前記ＣＣＤ型固体撮像素子が３原色カラーフィルタを搭載したハニカム画素配列のＣＣＤ型固体撮像素子であることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 動画像撮影指示が入力されたとき前記駆動手段が請求項４記載の電荷転送方法を実行して前記ＣＣＤ型固体撮像素子から縮小画像データを出力することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の撮像装置。

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