JP2007267290A - 固体撮像素子およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直方向の間引き読み出しと画素加算を併用する駆動モードを有する固体撮像素子において、色系列ごとの平均露光時間を異ならせて、特定の色系列の感度を向上させることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】Ｂａｙｅｒ配列のカラーフィルタを有する固体撮像素子において、動画撮像時に読み出し対象となる画素を、２以上のＢ画素（第１の色系列の画素）を加算した画素重心と２以上のＲ画素（第２の色系列の画素）を加算した画素重心との距離が等間隔で並ぶように設定する。また、動画撮像時に読み出し対象となる画素に対しそれぞれ他の系統に対して独立して駆動可能な読み出しゲートを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法に関し、特にフォトダイオードから読み出した信号電荷を加算する技術に関する。

一般的な固体撮像素子であるＣＣＤの構成模式図を図７に示す。図７（ａ）は全体の構成の概略を示す図であり、図７（ｂ）は光電変換部であるフォトダイオードと垂直ＣＣＤの駆動ゲートとの配置関係を示す図であり、図７（ｃ）はフォトダイオード上に配置されたカラーフィルタの配列の一例を示す図である。

レンズ等（図示せず）によって集光された光は、行列状に配置された画素各々に設けられたフォトダイオード７００に入射して、信号電荷に変換される。通常、フォトダイオード７００からの電荷読み出しは行ごとに行われる。

信号電荷は、垂直ＣＣＤ７０１内で順次転送されて水平ＣＣＤ７０２に到達する。その後、信号電荷は、水平ＣＣＤ７０２内で転送されて、増幅部であるアンプ７０３に到達する。そして、信号電荷は、アンプ７０３で増幅されて画素信号として出力される。

垂直ＣＣＤ７０１には、転送チャネル上に絶縁膜を介して複数本のゲート７０４が垂直方向に配置されている。図７（ｂ）に示すように、１つのフォトダイオード７００に対して２本のゲートが設けられる。この２本のゲートのうちの一方は読み出し兼転送ゲートであり、他方は転送ゲートである。

図７（ｂ）に示す例では、印加される信号がそれぞれ異なる６本のゲートが周期的に並んでいる。図７（ｂ）において、φＶ１、φＶ３、φＶ５に対応する３種類のゲートは読み出し兼転送ゲート、φＶ２、φＶ４、φＶ６に対応する３種類のゲートは転送ゲートである。読み出し兼転送ゲートに高電圧が印加されるとフォトダイオード７００から信号電荷が読み出される。その後、φＶ１〜φＶ６に対応するゲートに異なるタイミングで信号が印加されて、図面の上方から下方に向かって電荷が移動する。

また、図７（ｃ）に示す配列は、Ｂａｙｅｒ配列と呼ばれる原色型カラーフィルタの配列である。Ｂａｙｅｒ配列では、２×２画素を一単位としてＲ、Ｇ、Ｂのフィルタが配列される。

固体撮像素子は、例えばデジタルスチルカメラに実装される。デジタルスチルカメラは、行ごとに信号電荷を読み出した後、各行から得られた画素信号を処理してカラー信号を得る。

近年、デジタルスチルカメラなどに実装される固体撮像素子は画素数が非常に多くなってきている。また、近年、デジタルスチルカメラには、静止画撮影だけでなく動画撮影の機能も要求されている。動画撮影の機能は、例えば静止画撮影前のモニタモードで使用される。このように画素数が非常に多く、静止画撮影と動画撮影の機能を備えるデジタルスチルカメラには、動画撮影を行う際に垂直方向の見かけの画素数を減らす技術が一般的に採用されている。すなわち、デジタルスチルカメラは、静止画を撮影する場合には全画素（全フォトダイオード）から信号電荷を読み出し、動画撮影を行う際には、フレームレートを高くするために、全画素の中から一部の画素を間引いて信号電荷を読み出し、その読み出した信号電荷を加算して垂直方向の見かけの画素数を減らしている。

さらに、近年では、複数の駆動モード、例えば３０ｆｐｓのモードでの駆動と６０ｆｐｓのモードでの駆動の両方とも実現できるデジタルスチルカメラが登場してきた。このように複数の駆動モードを実現できるデジタルスチルカメラでは、駆動モードに対応させて垂直方向の見かけの画素数を変えていることが多い。以下、この理由について簡単に説明する。

一般的には画像の解像度は高い方が良いが、３０ｆｐｓもしくは６０ｆｐｓあるいはそれ以上の高いフレームレートを確保するためには、多画素の固体撮像素子、特にＣＣＤにおいては垂直方向の解像度を落とす必要がある。一方、動画の画像の解像度は、スルー画像として使用する場合は水平ライン数がＱＶＧＡ相当の２４０Ｈライン程度、記録動画用として使用する場合は水平ライン数がＶＧＡ相当の４８０Ｈライン程度であるのが好ましいとされている。そのため、フレームレートの変化に応じて垂直方向の見かけの画素数を変化させている。また、垂直方向の見かけの画素数を減らすにあたって、上記した水平ライン数、フレームレート、および固体撮像素子の動作特性を考慮した上で設計がなされる。

また、画素使用率が低いとスミアと呼ばれる偽信号およびモアレと呼ばれる偽信号が現れやすくなる。そこで、一般的に、画素使用率を高めるために、垂直方向の画素を間引くだけでなく画素加算を行う。すなわち、画素を間引くことのみで見かけの画素数を減らそうとすると画素使用率が低下するので、間引く画素数を減らす代わりに、読み出した垂直方向の信号電荷を加算することで、垂直方向の見かけの画素数を減らしている。

画素を加算する場合には、加算後の画像において偽色の発生を防ぐために画素重心が均等に並ぶように加算対象（読み出し対象）の画素を選択することが望ましい。図８に垂直方向の画素加算の一例を示す。図８（ａ）に示すように加算対象の画素を選択したほうが、図８（ｂ）に示すように加算対象の画素を選択した場合よりも均等な画素重心分布となって偽色が発生しにくい。

また、信号電荷を加算すると、１画素あたりの出力感度が擬似的に高くなるという特徴がある。これは画素加算を行う場合と行わない場合とを比較すると、画素加算を行った方が同一出力を得るために要する露光時間を短くすることが可能となるからである。

デバイス設計にも関連するが、垂直方向の画素加算時にフォトダイオードから垂直ＣＣＤへ複数回に分けて信号電荷を読み出す構成の固体撮像素子が多い。このとき、上記のように感度が擬似的に高くなるため、加算対象画素の露光時間は全色系列間で一定時間に揃えることが望ましい。例えば、図７（ｃ）に示すＢａｙｅｒ配列の１単位の上側の行（Ｇｂ−Ｂ）を第１の色系列、下側の行（Ｒ−Ｇｒ）を第２の色系列とすると、これらの色系列間で露光時間に時間差があると、シャッタ速度に依存して色分光に違いが発生する。

これについて図９を用いて説明する。図９はシャッタタイミングと信号電荷読み出しタイミングとの関係を示した図であり、メカシャッタが閉じるタイミングと画素（フォトダイオード）から信号電荷を読み出すための信号がゲートに印加されるタイミングとの差が露光時間に当たる。図９（ａ）に示す低速度のシャッタ動作時には、露光時間が長いため、第１の色系列での露光時間と第２の色系列での露光時間との差は、露光時間そのものに対して小さいため問題にならないが、図９（ｂ）に示す高速度のシャッタ動作時には露光時間そのものが短くなるため、色系列ごとの露光時間差が影響し、出力画像の色再現性の劣化を引き起こす。

読み出し時の特性を均一にする必要もあって、複数種類の読み出し兼転送ゲートを駆動させて全画素の露光時間を揃えることは実際には難しい面があり、従来は、加算対象画素の露光時間の総量を各色系列間で一定に揃えることで見かけ上の露光時間の均等化を行う技術が提案されていた（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、昨今の微細化による開口部の縮小により、光の波長の関係でＲ画素の感度が他色画素に比べて低くなるという現象が起きており、色系列間の露光時間を一定に揃える方法では色分光に違いが発生するようになってきた。
特許３３４５１８２号

本発明は、上記問題点に鑑み、垂直方向に画素加算を行う撮影モード（駆動モード）において、画素重心分布を均等に保ったまま露光時間に差をつけることにより、特定の色系列の画素の感度を向上させることが可能で、かつ高フレームレートを実現可能な固体撮像素子およびその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の固体撮像素子は、それぞれ光電変換部を有し行列状に配置された複数の画素と、それらの画素上に配置される第１の色系列と第２の色系列が列方向に交互に配列されたカラーフィルタと、前記光電変換部で蓄積された信号電荷を読み出して転送する垂直ＣＣＤと、前記垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を増幅部に転送する水平ＣＣＤと、を少なくとも備え、垂直方向に並ぶ前記第１および第２の色系列の各々の画素から信号電荷を間引いて読み出し、色系列ごとに前記垂直ＣＣＤ内で加算する駆動モードを有する固体撮像素子であって、前記駆動モード時に信号電荷が読み出される読み出し対象の画素は、加算後の色系列ごとの画素重心が垂直方向に均等に並ぶように配置され、前記垂直ＣＣＤは、前記駆動モード時に信号電荷を読み出すゲートとして、他の系統とは独立して駆動可能な４種類以上のゲートを有す、ことを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載の固体撮像素子は、請求項１記載の固体撮像素子であって、前記第１および第２の色系列の各々の読み出し対象の画素は、繰り返し単位となる所定数の画素ごとに２つ以上ずつ配置されており、その繰り返し単位ごとに信号電荷の加算が行われるように、他の系統とは独立して駆動可能な４種類以上のゲートが設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の固体撮像素子は、請求項１もしくは２のいずれかに記載の固体撮像素子であって、読み出し対象の画素は、互いに隣接しないよう配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載の固体撮像素子は、請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像素子であって、読み出し対象の画素の数が前記第１と第２の色系列との間で異なることを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載の固体撮像素子の駆動方法は、請求項１ないし４のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記駆動モード時に、露光開始から信号電荷を読み出すまでの時間が読み出し対象の画素の各々で異なるように信号電荷を読み出して、平均露光時間が前記第１と第２の色系列の読み出し対象の画素の間で異なるようにすることを特徴とする。

また、本発明の請求項６記載の固体撮像素子の駆動方法は、請求項５記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記第１もしくは第２の色系列の少なくとも一方の色系列の読み出し対象の画素のうちから信号電荷を読み出す画素を選択することを特徴とする。

本発明によれば、読み出しタイミングの制御により各読み出し対象の画素の露光時間を変えることができ、特定の色系列の画素の露光時間を長くすることにより感度を向上させることが可能で、かつ高フレームレートを実現できる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における固体撮像素子の構成を説明するための模式図を図１に示す。図１（ａ）は光電変換部であるフォトダイオードと垂直ＣＣＤの駆動ゲートとの配置関係を示す図であり、図１（ｂ）は垂直方向の加算対象画素（読み出し対象の画素）の配置を示す図である。

なお、本実施の形態１におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤは、図７に示したフォトダイオード７００および垂直ＣＣＤ７０１に対応しており、基本的な動作は上述の通りである。また、カラーフィルタの配列は図７（ｃ）に示した配列と同様である。

すなわち、画素は行列状に配置されており、それらの画素上には第１の色系列と第２の色系列が列方向に交互に配列されたカラーフィルタが配置される。また、垂直ＣＣＤは、フォトダイオードで蓄積された信号電荷を読み出して水平ＣＣＤへ転送する。通常、フォトダイオードからの電荷読み出しは行ごとに行われる。水平ＣＣＤは、垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を増幅部（アンプ）に転送する。アンプは、信号電荷を増幅して画素信号として出力する。また、当該固体撮像素子は、垂直方向に並ぶ第１および第２の色系列の各々の画素から信号電荷を間引いて読み出し、色系列ごとに垂直ＣＣＤ内で加算する駆動モードを有する。

図１（ａ）に示すように各画素にフォトダイオードが配置されており、フォトダイオードのそれぞれに読み出し兼転送ゲートと転送ゲートの２種類のゲートが配置されている。図１（ａ）において、φＶ１、φＶ３、φＶ５、φＶ１Ａ、φＶ１Ｃ、φＶ３Ａ、φＶ３Ｃに対応する７種類のゲートは読み出し兼転送ゲートであり、φＶ２、φＶ４、φＶ６に対応する３種類のゲートは転送ゲートである。

本実施の形態１における固体撮像素子の垂直ＣＣＤは６相駆動であり、φＶ１Ａ、φＶ１Ｃ、φＶ３Ａ、φＶ３Ｃに対応する読み出し兼転送ゲートは他の系統と独立して駆動可能となっている。これらのφＶ１Ａ、φＶ１Ｃ、φＶ３Ａ、φＶ３Ｃに対応するゲートが、加算対象画素（読み出し対象の画素）であるフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４に対応して設けられている。図１（ａ）に示す構成において、１２画素分を繰り返し単位として垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出しを行うことができる。

また、図１（ｂ）に示すように、加算対象画素ＰＤ１〜ＰＤ４は互いに隣接しないよう配置されており、かつ加算されるＰＤ１、ＰＤ２の中点とＰＤ３、ＰＤ４の中点との間の距離が等間隔となるように配置されている。すなわち、加算対象画素ＰＤ１〜ＰＤ４は、画素加算を行った後の画素重心が均等に並ぶように配置されている。

当該垂直ＣＣＤは、垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出し動作を行う駆動モード時には、同色系列であるＰＤ１とＰＤ２、および他の同色系列であるＰＤ３とＰＤ４からの信号電荷を垂直ＣＣＤ内でそれぞれ加算した後、図面の上方から下方に向かってＰＤ１とＰＤ２の加算信号とＰＤ３とＰＤ４の加算信号を移動させる。このように、当該垂直ＣＣＤには、垂直に並ぶ１２画素分の信号のうちから２つの信号を出力する、いわゆる垂直１／６間引き駆動方式（垂直方向の間引き率が１／６となる駆動方式）が採用されている。

図２に本実施の形態１における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す。例えば、時刻Ｔ１では、φＶ３〜φＶ６に対応するゲートには中間電圧（ＶＭレベルの電圧）が印加されており信号電荷の蓄積領域となっている。また、残りのφＶ１、φＶ２に対応するゲートには低電圧（Ｌｏｗレベルの電圧）が印加されておりバリア領域となっている。この状態で、φＶ３Ａに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）を印加して第１の色系列であるＰＤ１の信号電荷を読み出した後、φＶ１、φＶ３、φＶ２、φＶ４の順にゲートへの印加電圧レベルを制御して蓄積領域を移動させ、φＶ１、φＶ２、φＶ５、φＶ６に対応するゲートを蓄積領域、φＶ３、φＶ４に対応するゲートをバリア領域として、信号電荷を移動させる。この手順を繰り返すことで、間引き読み出し動作と蓄積領域の移動制御を行い、時刻Ｔ１からＴ３にかけて、ＰＤ１〜ＰＤ４の順に加算対象画素の読み出しと画素加算を行っている。

すなわち、図２に示すように、時刻Ｔ１においてφＶ３Ａに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ１から第１の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ２においてφＶ１Ａ、φＶ１Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ２から第１の色系列、ＰＤ３から第２の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ３においてφＶ３Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ４から第２の色系列の信号電荷が読み出される。

ＰＤ１からの信号電荷は、φＶ３Ａに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ４→φＶ５→φＶ６と転送された後、φＶ１Ａに対応するゲート下に読み出されたＰＤ２からの信号電荷と加算されて、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。同様に、ＰＤ３からの信号電荷は、φＶ１Ｃに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ２→φＶ３→φＶ４→φＶ５→φＶ６→φＶ１→φＶ２と転送された後、φＶ３Ｃに対応するゲート下に読み出されたＰＤ４からの信号電荷と加算されて、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。

このように、図１に示すゲート構成とすることで、当該垂直ＣＣＤは、１番目、２番目の読み出しで第１の色系列の信号電荷を２回、３番目、４番目の読み出しで第２の色系列の信号電荷を２回、計４回の読み出し動作を行う。

上記したタイミングで画素加算および間引き読み出し動作を行うことにより、図２に示すように第１の色系列の平均露光時間（ＰＤ１＋ＰＤ２）を短く、第２の色系列の平均露光時間（ＰＤ３＋ＰＤ４）を長くすることができ、第２の色系列の感度を第１の色系列の感度よりも向上させることができる。さらに垂直方向の間引き読み出しおよび画素加算により高フレームレートを実現できる。

なお、「加算対象画素の露光時間」とは、図９を用いて説明したように、メカシャッタが閉じるタイミングと加算対象画素（フォトダイオード）から信号電荷を読み出すための信号がゲートに印加されるタイミングとの差の時間である。また、「平均露光時間」とは、例えば、露光開始から時刻Ｔ１までの時間と、露光開始から時刻Ｔ２までの時間の平均値である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における固体撮像素子の構成を説明するための模式図を図３に示す。図３（ａ）は光電変換部であるフォトダイオードと垂直ＣＣＤの駆動ゲートとの配置関係を示す図であり、図３（ｂ）は垂直方向の加算対象画素（読み出し対象の画素）の配置を示す図である。

本実施の形態２は、第２の色系列であるＰＤ３、ＰＤ４の間に配置されたＰＤ５からも信号電荷を読み出し、その信号電荷をＰＤ３、ＰＤ４からの信号電荷と加算して出力している点が前述の実施の形態１と異なる。以下、この異なる点を中心に説明を行う。

本実施の形態２における垂直ＣＣＤは、前述した実施の形態１と同様に６相駆動である。また、図３（ａ）に示すように、加算対象画素（読み出し対象の画素）であるＰＤ３〜ＰＤ５は、互いに隣接しないように１つおきに配置されている。また、図３（ｂ）に示すように、加算対象画素ＰＤ１〜ＰＤ５は、加算されるＰＤ１、ＰＤ２の中点とＰＤ３〜ＰＤ５の中点との間の距離が等間隔となるように配置されている。すなわち、前述した実施の形態１と同様に、加算対象画素（読み出し対象の画素）ＰＤ１〜ＰＤ５は、色系列ごとに画素加算を行った後の画素重心が均等に並ぶよう配置されている。また、本実施の形態２における垂直ＣＣＤには、ＰＤ５に対応して、他の系統と独立して駆動可能な読み出し兼転送ゲート（φＶ５Ｃに対応するゲート）が設けられている。図３（ａ）に示す構成において、実施の形態１と同様に、１２画素分を繰り返し単位として垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出しを行うことができる。

当該垂直ＣＣＤは、垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出し動作を行う駆動モード時には、同色系列であるＰＤ１とＰＤ２、および他の同色系列であるＰＤ３〜ＰＤ５からの信号電荷を垂直ＣＣＤ内でそれぞれ加算した後、図面の上方から下方に向かってＰＤ１とＰＤ２の加算信号とＰＤ３〜ＰＤ５の加算信号を移動させる。このように、当該垂直ＣＣＤには、垂直に並ぶ１２画素分の信号のうちから２つの信号を出力する、いわゆる垂直１／６間引き駆動方式が採用されている。

図４に本実施の形態２における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す。例えば、時刻Ｔ１では、φＶ３〜φＶ６に対応するゲートには中間電圧（ＶＭレベルの電圧）が印加されており信号電荷の蓄積領域となっている。また、残りのφＶ１、φＶ２に対応するゲートには低電圧（Ｌｏｗレベルの電圧）が印加されておりバリア領域となっている。この状態で、φＶ３Ａに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）を印加して第１の色系列であるＰＤ１の信号電荷を読み出した後、φＶ１、φＶ３、φＶ２、φＶ４の順にゲートへの印加電圧レベルを制御して蓄積領域を移動させ、φＶ１、φＶ２、φＶ５、φＶ６に対応するゲートを蓄積領域、φＶ３、φＶ４に対応するゲートをバリア領域として、信号電荷を移動させる。この手順を繰り返すことで、間引き読み出し動作と蓄積領域の移動制御を行い、時刻Ｔ１からＴ４にかけて、ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ５、ＰＤ４の順に加算対象画素の読み出しと画素加算を行っている。

すなわち、図４に示すように、時刻Ｔ１においてφＶ３Ａに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ１から第１の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ２においてφＶ１Ａ、φＶ１Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ２から第１の色系列、ＰＤ３から第２の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ３においてφＶ５Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ５から第２の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ４においてφＶ３Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ４から第２の色系列の信号電荷が読み出される。

ＰＤ１からの信号電荷は、φＶ３Ａに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ４→φＶ５→φＶ６と転送された後、φＶ１Ａに対応するゲート下に読み出されたＰＤ２からの信号電荷と加算されて、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。同様に、ＰＤ３からの信号電荷は、φＶ１Ｃに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ２→φＶ３→φＶ４と転送された後、φＶ５Ｃに対応するゲート下に読み出されたＰＤ５からの信号電荷と加算される。さらに、φＶ６→φＶ１→φＶ２と転送された後、φＶ３Ｃに対応するゲート下に読み出されたＰＤ４からの信号電荷と加算されて、垂直ＣＣＤ内で転送されていく。

このように、図３に示すゲート構成とすることで、当該垂直ＣＣＤは、１番目、２番目の読み出しで第１の色系列の信号電荷を２回、３番目、４番目、５番目の読み出しで第２の色系列の信号電荷を３回、計５回の読み出し動作を行う。

上記したタイミングで画素加算および間引き読み出し動作を行うことにより、図４に示すように第１の色系列の平均露光時間（ＰＤ１＋ＰＤ２）を短く、第２の色系列の平均露光時間（ＰＤ３＋ＰＤ４＋ＰＤ５）を長くすることができ、第２の色系列の感度を第１の色系列の感度よりも向上させることができる。さらに垂直方向の間引き読み出しおよび画素加算により高フレームレートを実現できる。

上記実施の形態１、２によれば、加算対象画素が互いに隣接しないように配置されているので、隣接するフォトダイオードのポテンシャルの影響を除去でき、フォトダイオードの出力レベルがＫｎｅｅ領域となっても使用することができ、広いダイナミックレンジを実現できる。

また、上記実施の形態１、２によれば、第２の色系列の信号量を第１の色系列の信号量よりも大きくすることができ、かつ露光時間の調節もできるので、相対感度の調節が可能となる。フォトダイオードの色感度の設定は製造プロセス等によって異なってくるため、例えば、ＲＧＢのうちＲの感度が低くなるよう設定されたフォトダイオードが使用される場合、上記したように信号量を相対的に増加させることにより、色再現性を向上させることができる。

なお、信号量を相対的に変化させるだけであれば、上記実施の形態１にて説明した構成において、ＰＤ１かＰＤ２の一方のみから信号電荷を読み出すようにしてもよい。ただし、その場合全体の信号量が低下するため、感度は低下する。また、これとは反対に第１の色系列の信号量を第２の色系列の信号量よりも低下させることも可能であり、例えば、上記実施の形態１にて説明した構成において、ＰＤ３かＰＤ４の一方のみから信号電荷を読み出すようにするか、上記実施の形態２にて説明した構成において、ＰＤ３〜ＰＤ５のうちのいずれか１つのみから信号電荷を読み出すようにすればよい。加算対象画素には独立して駆動可能なゲートを対応させているため、このような駆動も可能である。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における固体撮像素子の構成を説明するための模式図を図５に示す。図５（ａ）は光電変換部であるフォトダイオードと垂直ＣＣＤの駆動ゲートとの配置関係を示す図であり、図５（ｂ）は垂直方向の加算対象画素（読み出し対象の画素）の配置を示す図である。

なお、本実施の形態３におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤは、図７に示したフォトダイオード７００および垂直ＣＣＤ７０１に対応しており、基本的な動作は上述の通りである。また、カラーフィルタの配列は図７（ｃ）に示した配列と同様である。

すなわち、画素は行列状に配置されており、それらの画素上には第１の色系列と第２の色系列が列方向に交互に配列されたカラーフィルタが配置される。また、垂直ＣＣＤは、フォトダイオードで蓄積された信号電荷を読み出して水平ＣＣＤへ転送する。通常、フォトダイオードからの電荷読み出しは行ごとに行われる。水平ＣＣＤは、垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を増幅部（アンプ）に転送する。アンプは、信号電荷を増幅して画素信号として出力する。また、当該固体撮像素子は、垂直方向に並ぶ第１および第２の色系列の各々の画素から信号電荷を間引いて読み出し、色系列ごとに垂直ＣＣＤ内で加算する駆動モードを有する。

図５（ａ）に示すように各画素にフォトダイオードが配置されている。図５（ａ）において、ＰＤ１０〜ＰＤ１６は加算対象画素（読み出し対象の画素）であり、互いに隣接しないよう配置されている。これらのフォトダイオードのうち、ＰＤ１０〜Ｐ１２は第１の色系列の画素に該当し、ＰＤ１３〜Ｐ１６は第２の色系列の画素に該当する。

また、フォトダイオードのそれぞれに読み出し兼転送ゲートと転送ゲートの２種類のゲートが配置されている。図５（ａ）において、φＶ１、φＶ３、φＶ５、φＶ７、φＶ９、φＶ１Ａ、φＶ１Ｃ、φＶ３Ａ、φＶ３Ｃ、φＶ５Ｃ、φＶ７Ａ、φＶ９Ｃに対応する１２種類のゲートは読み出し兼転送ゲートであり、φＶ２、φＶ４、φＶ６、φ８、φ１０に対応する５種類のゲートは転送ゲートである。

本実施の形態３における固体撮像素子の垂直ＣＣＤは１０相駆動であり、φＶ１Ａ、φＶ１Ｃ、φＶ３Ａ、φＶ３Ｃ、φＶ５Ｃ、φＶ７Ａ、φＶ９Ｃに対応する読み出し兼転送ゲートは他の系統と独立して駆動可能となっている。第１の色系列のＰＤ１０〜Ｐ１２には、φＶ３Ａ、φＶ７Ａ、φＶ１Ａに対応するゲートが設けられており、第２の色系列のＰＤ１３〜Ｐ１６には、φＶ１Ｃ、φＶ５Ｃ、φＶ９Ｃ、φＶ３Ｃに対応するゲートが設けられている。図５（ａ）に示す構成において、２０画素分を繰り返し単位として垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出しを行うことができる。

また、図５（ｂ）に示すように、本実施の形態３においても、上記実施の形態１、２と同様に、第１の色系列の画素重心と第２の色系列の画素重心が均等に並ぶように加算対象画素ＰＤ１０〜ＰＤ１６は配置されている。

当該垂直ＣＣＤは、垂直方向の画素加算および垂直方向の間引き読み出し動作の駆動モード時には、同色系列であるＰＤ１０〜ＰＤ１２、および他の同色系列であるＰＤ１３〜ＰＤ１６からの信号電荷を垂直ＣＣＤ内でそれぞれ加算した後、図面の上方から下方に向かってＰＤ１０〜ＰＤ１２の加算信号とＰＤ１３〜ＰＤ１６の加算信号を移動させる。このように、当該垂直ＣＣＤには、垂直に並ぶ２０画素分の信号より２つの信号を出力する、いわゆる垂直１／１０間引き駆動方式が採用されている。

図６に本実施の形態３における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す。例えば、時刻Ｔ３では、φＶ１〜φＶ７に対応するゲートには中間電圧（ＶＭレベルの電圧）が印加されており信号電荷の蓄積領域となっている。また、残りのφＶ８〜φＶ１０に対応するゲートには低電圧（Ｌｏｗレベルの電圧）が印加されておりバリア領域となっている。この状態で、例えば、φＶ１Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）を印加して第２の色系列であるＰＤ１３の信号電荷を読み出した後、φＶ８、φＶ１、φＶ９、φＶ２の順にゲートへの印加電圧レベルを制御して蓄積領域を移動させ、φＶ３〜φＶ９に対応するゲートを蓄積領域、φＶ１０、φＶ１、φＶ２に対応するゲートをバリア領域として、信号電荷を移動させる。この手順を繰り返すことで、間引き読み出し動作と蓄積領域の移動制御を行い、時刻Ｔ１からＴ６にかけて、ＰＤ１０〜ＰＤ１６の順に加算対象画素の読み出しと画素加算を行っている。

すなわち、図６に示すように、時刻Ｔ１においてφＶ３Ａに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ１０から第１の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ２においてφＶ７Ａに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ１１から第１の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ３においてφＶ１Ａ、φＶ１Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ１２から第１の色系列、ＰＤ１３から第２の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ４においてφＶ５Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ１４から第２の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ５においてφＶ９Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ１５から第２の色系列の信号電荷が読み出される。次に、時刻Ｔ６においてφＶ３Ｃに対応するゲートに高電圧（Ｈｉｇｈレベルの電圧）が印加されてＰＤ１６から第２の色系列の信号電荷が読み出される。

ＰＤ１０からの信号電荷は、φＶ３Ａに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ４→φＶ５→φＶ６と転送された後、φＶ７Ａに対応するゲート下に読み出されたＰＤ１１からの信号電荷と加算される。その後、垂直ＣＣＤ内をφＶ８→φＶ９→φＶ１０と転送された後、φＶ１Ａに対応するゲート下に読み出されたＰＤ１２からの信号電荷と加算され、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。同様に、ＰＤ１３からの信号電荷は、φＶ１Ｃに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ２→φＶ３→φＶ４と転送された後、φＶ５Ｃに対応するゲート下に読み出されたＰＤ１４からの信号電荷と加算される。その後、垂直ＣＣＤ内をφＶ６→φＶ７→φＶ８と転送された後、φＶ９Ｃに対応するゲート下に読み出されたＰＤ１５からの信号電荷と加算さる。その後、垂直ＣＣＤ内をφＶ１０→φＶ１→φＶ２と転送された後、φＶ３Ｃに対応するゲート下に読み出されたＰＤ１６からの信号電荷と加算されて、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。

このように、図５に示すゲート構成とすることで、当該垂直ＣＣＤは、１番目、２番目、３番目の読み出しで第１の色系列の信号電荷を３回、４番目、５番目、６番目、７番目の読み出しで第２の色系列の信号電荷を４回、計７回の読み出し動作を行う。

上記したタイミングで画素加算および間引き読み出し動作を行うことにより、図６に示すように第１の色系列の平均露光時間（ＰＤ１０＋ＰＤ１１＋ＰＤ１２）を短く、第２の色系列の平均露光時間（ＰＤ１３＋ＰＤ１４＋ＰＤ１５＋ＰＤ１６）を長くすることができ、第２の色系列の感度を第１の色系列の感度よりも向上させることができる。さらに垂直方向の間引き読み出しおよび画素加算により高フレームレートを実現できる。

本実施の形態３によれば、第２の色系列の信号量を第１の色系列の信号量よりも大きくすることができ、かつ露光時間の調節もできるので、相対感度の調節が可能となる。フォトダイオードの色感度の設定は製造プロセス等によって異なってくるため、例えば、ＲＧＢのうちＲの感度が低くなるよう設定されたフォトダイオードが使用される場合、上記したように信号量を相対的に増加させることにより、色再現性を向上させることができる。

また、本実施の形態３においても、加算対象画素のうちから実際に信号電荷を読み出す画素を選択できるようにすれば、各色系列の平均露光時間を変えつつ、画素の加算比率を自由に切り替えることができる。例えば、ＰＤ１０〜１６のうち、ＰＤ１１、ＰＤ１３、ＰＤ１６からの信号電荷の読み出しを行わないようにすれば、第１の色系列であるＰＤ１０とＰＤ１２の加算信号と第２の色系列であるＰＤ１４とＰＤ１５の加算信号の出力を得ることができる。また、ＰＤ１４、ＰＤ１２、ＰＤ１６からの信号電荷の読み出しを行わないようにすれば、第１の色系列であるＰＤ１０とＰＤ１１の加算信号と第２の色系列であるＰＤ１３とＰＤ１５の加算信号の出力を得ることができる。

また、本実施の形態３によれば、加算対象画素が互いに隣接しないように配置されているので、隣接するフォトダイオードのポテンシャルの影響を除去でき、フォトダイオードの出力レベルがＫｎｅｅ領域となっても使用することができ、広いダイナミックレンジを実現できる。

なお、上記実施の形態１〜３では６相駆動の垂直ＣＣＤと１０相駆動の垂直ＣＣＤを例に説明を行ったが、これに限定されるものではなく、間引き読み出し動作時に独立して駆動できるゲートが４種類以上ある多相駆動の垂直ＣＣＤを備えた固体撮像素子に適用できる。

また、上記実施の形態１〜３においては、原色系カラーフィルタ配列のＢａｙｅｒ配列を例にとって説明したが、補色系カラーフィルタ配列であってもよい。

本発明にかかる固体撮像素子およびその駆動方法によれば、露光時間に差をつけて特定の色系列の画素の感度を向上させることが可能となるので、静止画撮像および動画撮像機能を有する撮像装置に適用すると好適である。

本発明の実施の形態１における固体撮像素子の構成を説明するための模式図 本発明の実施の形態１における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す図 本発明の実施の形態２における固体撮像素子の構成を説明するための模式図 本発明の実施の形態２における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す図 本発明の実施の形態３における固体撮像素子の構成を説明するための模式図 本発明の実施の形態３における固体撮像素子の画素加算および間引き読み出し動作時のタイミングチャートを示す図 一般的な固体撮像素子であるＣＣＤの構成模式図 従来の垂直方向の画素加算の一例を示す図 一般的なシャッタタイミングと信号電荷読み出しタイミングとの関係を示す図

符号の説明

７００ フォトダイオード
７０１ 垂直ＣＣＤ
７０２ 水平ＣＣＤ
７０３ アンプ
７０４ ゲート

Claims (6)

1. それぞれ光電変換部を有し行列状に配置された複数の画素と、それらの画素上に配置される第１の色系列と第２の色系列が列方向に交互に配列されたカラーフィルタと、前記光電変換部で蓄積された信号電荷を読み出して転送する垂直ＣＣＤと、前記垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を増幅部に転送する水平ＣＣＤと、を少なくとも備え、垂直方向に並ぶ前記第１および第２の色系列の各々の画素から信号電荷を間引いて読み出し、色系列ごとに前記垂直ＣＣＤ内で加算する駆動モードを有する固体撮像素子であって、
   前記駆動モード時に信号電荷が読み出される読み出し対象の画素は、加算後の色系列ごとの画素重心が垂直方向に均等に並ぶように配置され、前記垂直ＣＣＤは、前記駆動モード時に信号電荷を読み出すゲートとして、他の系統とは独立して駆動可能な４種類以上のゲートを有す、
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１および第２の色系列の各々の読み出し対象の画素は、繰り返し単位となる所定数の画素ごとに２つ以上ずつ配置されており、その繰り返し単位ごとに信号電荷の加算が行われるように、他の系統とは独立して駆動可能な４種類以上のゲートが設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 読み出し対象の画素は、互いに隣接しないよう配置されていることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載の固体撮像素子。
4. 読み出し対象の画素の数が前記第１と第２の色系列との間で異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、前記駆動モード時に、露光開始から信号電荷を読み出すまでの時間が読み出し対象の画素の各々で異なるように信号電荷を読み出して、平均露光時間が前記第１と第２の色系列の読み出し対象の画素の間で異なるようにすることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
6. 前記第１もしくは第２の色系列の少なくとも一方の色系列の読み出し対象の画素のうちから信号電荷を読み出す画素を選択することを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の駆動方法。
   
   

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