JP2008160674A - Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
【課題】動画撮像時等の高速撮像処理を行う場合に、駆動時間の短縮を実現することができる固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】本発明は、半導体基板表面に行方向とこれに直行する列方向に設けられた複数の光電変換素子と、光電変換素子で発生する信号電荷を列方向に転送する垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部からの電荷を行方向に転送する水平電荷転送部とを備え、複数の光電変換素子が、行方向とこれに直行する列方向とに正方格子状に配置された第1光電変換素子と、行方向とこれに直行する列方向とに正方格子状に配置された第2光電変換素子とを有し、第1光電変換素子と第2光電変換素子とが、同一の配列ピッチで、かつ、互いに配列ピッチの1/2だけ行方向及び列方向にずらして配置されており、高速撮像の処理時には、第1光電変換素子と第2光電変換素子とのうち一方のみの信号電荷を読み出すように制御する。
【選択図】図2Provided are a solid-state imaging device and a driving method of the solid-state imaging device capable of reducing the driving time when performing high-speed imaging processing such as when capturing a moving image.
The present invention relates to a plurality of photoelectric conversion elements provided in a row direction and a column direction orthogonal to the surface of a semiconductor substrate, and a vertical charge transfer unit that transfers signal charges generated in the photoelectric conversion elements in the column direction. And a horizontal charge transfer unit that transfers charges from the vertical charge transfer unit in the row direction, and a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a square lattice pattern in the row direction and the column direction perpendicular thereto. A photoelectric conversion element, and a second photoelectric conversion element arranged in a square lattice pattern in a row direction and a column direction perpendicular thereto, wherein the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element are arranged in the same array The signals are arranged at a pitch and shifted from each other in the row direction and the column direction by a half of the arrangement pitch, and at the time of high-speed imaging processing, only one of the signals of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element Control to read charge.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、半導体基板上にR(赤)、G(緑)、B(青)等の色成分をそれぞれ検出する光電変換部を備え、光電変換部で発生した信号電荷を出力する固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法に関する。 The present invention includes a photoelectric conversion unit that detects color components such as R (red), G (green), and B (blue) on a semiconductor substrate, and outputs a signal charge generated by the photoelectric conversion unit. And a driving method of the solid-state imaging device.
固体撮像装置に設けられる固体撮像素子は、半導体基板の表面の行方向とこれに直交する列方向に配置された複数の光電変換素子を備えている。各光電変換素子の上方に、R(赤)、G(緑)、B(青)等の色成分の光を透過するカラーフィルタが位置するよう、所定のカラー配列に従ってカラーフィルタ層が形成されている。固体撮像装置の駆動時には、複数の光電変換素子が入射光の光強度に応じて信号電荷に変換し、複数の垂直電荷転送部に移した後、それぞれの垂直電荷転送部に沿って水平電荷転送部へ垂直転送し、水平電荷転送部に蓄積された信号電荷を水平転送し、出力部から信号電荷に対応する電圧信号を出力する構成である。 A solid-state imaging device provided in a solid-state imaging device includes a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a row direction on the surface of a semiconductor substrate and a column direction orthogonal thereto. A color filter layer is formed according to a predetermined color arrangement so that a color filter that transmits light of color components such as R (red), G (green), and B (blue) is positioned above each photoelectric conversion element. Yes. When driving a solid-state imaging device, a plurality of photoelectric conversion elements convert to signal charges according to the light intensity of incident light, move to a plurality of vertical charge transfer units, and then transfer horizontal charges along each vertical charge transfer unit In this configuration, the signal charges accumulated in the horizontal charge transfer unit are horizontally transferred, and a voltage signal corresponding to the signal charge is output from the output unit.
固体撮像装置の駆動において、動画やオートフォーカスの動作時には、高速撮像処理を実行する必要があるため、通常、垂直転送路から転送される信号電荷の一部をラインメモリに一時的に蓄積し、所定のタイミングで水平電荷転送部へ転送することによって、水平電荷転送部において同色の信号電荷同士を加算(いわゆる水平混合)する処理が行われている(例えば、下記特許文献1参照)。 When driving a solid-state imaging device, it is necessary to execute high-speed imaging processing when moving images or autofocusing. Therefore, usually a part of the signal charge transferred from the vertical transfer path is temporarily stored in the line memory. A process of adding signal charges of the same color (so-called horizontal mixing) is performed in the horizontal charge transfer unit by transferring it to the horizontal charge transfer unit at a predetermined timing (see, for example, Patent Document 1 below).
しかし、水平電荷転送部において信号電荷を加算する場合には、ラインメモリの制御を行うとともに、水平電荷転送部を形成する水平転送レジスタにおいて信号電荷を混合させた後で転送を行うため時間がかかり、撮像処理の駆動時間の高速化を図る上で更なる改善の余地があった。 However, when adding signal charges in the horizontal charge transfer unit, it takes time to control the line memory and to transfer after mixing the signal charges in the horizontal transfer register forming the horizontal charge transfer unit. There is room for further improvement in speeding up the driving time of the imaging process.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、動画撮像時等の高速撮像処理を行う場合に、駆動時間の短縮を実現することができる固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to drive a solid-state imaging device and a solid-state imaging device capable of reducing the driving time when performing high-speed imaging processing such as when capturing a moving image. It is to provide a method.
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
(1)半導体基板と、前記半導体基板表面に行方向とこれに直行する列方向に設けられた複数の光電変換素子と、前記光電変換素子で発生する信号電荷を列方向に転送する垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部からの電荷を前記行方向に転送する水平電荷転送部と、を備え、前記複数の光電変換素子が、行方向とこれに直行する列方向とに正方格子状に配置された第1光電変換素子と、行方向とこれに直行する列方向とに正方格子状に配置された第2光電変換素子とを有し、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とが、同一の配列ピッチで、かつ、互いに配列ピッチの1/2だけ行方向及び列方向にずらして配置されており、高速撮像の処理時に、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とのうち一方のみの信号電荷を読み出すように制御する駆動部が設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
(2)前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とのうち、一方が相対的に高感度の光電変換を行う複数の高感度光電変換素子であって、且つ、他方が相対的に低感度の光電変換を行う複数の低感度光電変換素子であることを特徴とする上記(1)に記載の固体撮像装置。
(3)前記垂直電荷転送部は、前記光電変換素子同士の間を列方向に配設された複数の垂直電荷転送電極と、前記光電変換部で発生した信号電荷を前記垂直電荷転送電極に読み出す電荷読み出し領域とを有す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。
(4)前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を一時的に蓄積するラインメモリを有することを特徴とする上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(5)前記第1光電変換素子に対応して赤、緑、青のカラーフィルタがベイヤー配列で形成され、かつ、前記第2光電変換素子に対応して赤、緑、青等のカラーフィルタがベイヤー配列で形成されていることを特徴とする上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(6)高速撮像の処理時に、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とのうち信号電荷を読み出さなかった光電変換素子のスミア電荷を少なくとも一回掃き出す処理を行うように制御することを特徴とする上記(1)から(5)のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
(7)半導体基板と、前記半導体基板表面に行方向とこれに直行する列方向に設けられた複数の光電変換素子と、前記光電変換素子で発生する信号電荷を列方向に転送する垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部からの電荷を前記行方向に転送する水平電荷転送部と、を備え、前記複数の光電変換素子が、行方向とこれに直行する列方向とに正方格子状に配置された第1光電変換素子と、行方向とこれに直行する列方向とに正方格子状に配置された第2光電変換素子とを有し、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とが、同一の配列ピッチで、かつ、互いに配列ピッチの1/2だけ行方向及び列方向にずらして配置された固体撮像装置の駆動方法であって、高速撮像の処理時に、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とのうち一方のみの信号電荷を読み出すように制御する駆動部が設けられていることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
(8)前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とのうち、一方が相対的に高感度の光電変換を行う複数の高感度光電変換素子であって、且つ、他方が相対的に低感度の光電変換を行う複数の低感度光電変換素子であり、高速撮像の処理時に前記複数の高感度光電変換素子の信号電荷のみを読み出すことを特徴とする上記(7)に記載の固体撮像装置の駆動方法。
(9)前記垂直電荷転送部は、前記光電変換素子同士の間を列方向に配設された複数の垂直電荷転送電極と、前記光電変換部で発生した信号電荷を前記垂直電荷転送電極に読み出す電荷読み出し領域とを有し、高速撮像の処理時に、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とのうち一方のみの信号電荷を前記読み出し領域によって前記垂直電荷転送電極へ読み出すことを特徴とする上記(7)に記載の固体撮像装置の駆動方法。
(10)前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を一時的に蓄積するラインメモリを有することを特徴とする上記(7)から(9)のいずれか1つに記載の固体撮像装置の駆動方法。
(11)前記第1光電変換素子に対応して赤、緑、青のカラーフィルタがベイヤー配列で形成され、かつ、前記第1光電変換素子に対応して赤、緑、青等のカラーフィルタがベイヤー配列で形成されていることを特徴とする上記(7)から(10)のいずれか1つに記載の固体撮像装置の駆動方法。
(12)高速撮像の処理時に、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とのうち信号電荷を読み出さなかった光電変換素子のスミア電荷を少なくとも一回掃き出す処理を行うように制御することを特徴とする上記(7)から(11)のいずれか1つに記載の固体撮像装置の駆動方法。
The above object of the present invention is achieved by the following configurations.
(1) A semiconductor substrate, a plurality of photoelectric conversion elements provided on the semiconductor substrate surface in a row direction and a column direction perpendicular thereto, and vertical charge transfer for transferring signal charges generated in the photoelectric conversion elements in the column direction And a horizontal charge transfer unit that transfers charges from the vertical charge transfer unit in the row direction, and the plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a square lattice pattern in the row direction and the column direction perpendicular thereto. A first photoelectric conversion element disposed; and a second photoelectric conversion element disposed in a square lattice pattern in a row direction and a column direction perpendicular to the first photoelectric conversion element, the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element The elements are arranged at the same arrangement pitch and shifted in the row direction and the column direction by a half of the arrangement pitch with each other, and the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element are processed during high-speed imaging processing. Read the signal charge of only one of the conversion elements The solid-state imaging device, wherein a driving unit that controls the Suyo is provided.
(2) Among the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element, one is a plurality of high-sensitivity photoelectric conversion elements that perform relatively high-sensitivity photoelectric conversion, and the other is relatively The solid-state imaging device according to (1) above, which is a plurality of low-sensitivity photoelectric conversion elements that perform low-sensitivity photoelectric conversion.
(3) The vertical charge transfer unit reads a plurality of vertical charge transfer electrodes arranged in the column direction between the photoelectric conversion elements and the signal charge generated in the photoelectric conversion unit to the vertical charge transfer electrode. The solid-state imaging device according to (1) or (2), further comprising a charge readout region.
(4) The solid-state imaging device according to any one of (1) to (3), further including a line memory that temporarily stores the signal charge transferred from the vertical charge transfer unit.
(5) Red, green, and blue color filters are formed in a Bayer array corresponding to the first photoelectric conversion elements, and red, green, and blue color filters are formed corresponding to the second photoelectric conversion elements. The solid-state imaging device according to any one of (1) to (4), wherein the solid-state imaging device is formed in a Bayer array.
(6) At the time of high-speed imaging processing, control is performed so as to perform a process of sweeping out smear charges of the photoelectric conversion elements that have not read out the signal charges out of the first photoelectric conversion elements and the second photoelectric conversion elements. The solid-state imaging device according to any one of (1) to (5), characterized in that:
(7) Semiconductor substrate, a plurality of photoelectric conversion elements provided in a row direction and a column direction perpendicular to the semiconductor substrate surface, and vertical charge transfer for transferring signal charges generated in the photoelectric conversion elements in the column direction And a horizontal charge transfer unit that transfers charges from the vertical charge transfer unit in the row direction, and the plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a square lattice pattern in the row direction and the column direction perpendicular thereto. A first photoelectric conversion element disposed; and a second photoelectric conversion element disposed in a square lattice pattern in a row direction and a column direction perpendicular to the first photoelectric conversion element, the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element The element is a driving method of a solid-state imaging device in which the elements are arranged at the same arrangement pitch and are shifted from each other by ½ of the arrangement pitch in the row direction and the column direction. The photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element The driving method of the solid-state imaging device, wherein a driving unit for controlling so as to read out signal charges of one only is provided.
(8) Of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element, one is a plurality of high-sensitivity photoelectric conversion elements that perform relatively high-sensitivity photoelectric conversion, and the other is relatively A plurality of low-sensitivity photoelectric conversion elements that perform low-sensitivity photoelectric conversion, and reading out only signal charges of the plurality of high-sensitivity photoelectric conversion elements during processing of high-speed imaging, the solid-state imaging according to (7) above Device driving method.
(9) The vertical charge transfer unit reads a plurality of vertical charge transfer electrodes arranged in the column direction between the photoelectric conversion elements, and signal charges generated in the photoelectric conversion unit to the vertical charge transfer electrodes. A charge readout region, and during high-speed imaging processing, signal charge of only one of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element is read out to the vertical charge transfer electrode by the readout region. The driving method of the solid-state imaging device according to (7) above.
(10) The driving of the solid-state imaging device according to any one of (7) to (9), further including a line memory for temporarily storing the signal charge transferred from the vertical charge transfer unit. Method.
(11) Red, green, and blue color filters are formed in a Bayer array corresponding to the first photoelectric conversion elements, and red, green, blue, and other color filters are formed corresponding to the first photoelectric conversion elements. The solid-state imaging device driving method according to any one of (7) to (10), wherein the driving method is a Bayer array.
(12) At the time of high-speed imaging processing, control is performed so as to perform a process of sweeping out smear charges of the photoelectric conversion elements that have not read out the signal charges out of the first photoelectric conversion elements and the second photoelectric conversion elements. The method for driving a solid-state imaging device according to any one of (7) to (11) above, characterized in that:
本発明は、高速撮像の処理時にのみ、第1光電変換素子と第2光電変換素子のいずれかで信号電荷を読み出すことで、従来のように全部の画素を読み出して水平電荷転送部で信号電荷を混合する際の処理にかかる時間を省くことができ、撮像処理にかかる時間を短縮することができる。例えば、静止画のように画質を優先した撮像を行う場合には、第1光電変換素子及び第2光電変換素子の両方から信号電荷を読み出し、水平電荷転送部で水平混合を行うことでダイナミックレンジの広い撮像画像を生成することができ、また、動画やオートフォーカス時のように、高速処理を優先して撮像を行う場合には、第1光電変換素子及び第2光電変換素子の一方から信号電荷を読み出して撮像画像を生成することができる。このように、使用者の撮像の目的に応じて、適した撮像処理を実行することができ、特に高速撮像の処理時には、処理時間の短縮を図ることができる。 The present invention reads out signal charges with either the first photoelectric conversion element or the second photoelectric conversion element only at the time of high-speed imaging processing, so that all pixels are read out as in the prior art, and the signal charge is read by the horizontal charge transfer unit. It is possible to save the time required for the processing when mixing the images, and to shorten the time required for the imaging processing. For example, when imaging with priority on image quality, such as a still image, the signal charge is read from both the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element, and the horizontal charge transfer unit performs horizontal mixing to obtain a dynamic range. A wide range of captured images can be generated, and when imaging is performed with priority given to high-speed processing, such as during moving images or autofocus, a signal is output from one of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element. A charge image can be read to generate a captured image. As described above, it is possible to execute an appropriate imaging process according to the purpose of the user's imaging, and it is possible to shorten the processing time particularly during the high-speed imaging process.
本発明によれば、動画撮像時等の高速撮像処理を行う場合に、駆動時間の短縮を実現することができる固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device and a driving method for the solid-state imaging device that can realize a reduction in driving time when performing high-speed imaging processing such as when capturing a moving image.
以下、本発明の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。図示するデジタルカメラは、撮影レンズ20と、CCD型の固体撮像素子100と、この両者の間に設けられた絞り22と、赤外線カットフィルタ23と、光学ローパスフィルタ24とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a functional block diagram of a digital camera according to an embodiment of the present invention. The digital camera shown in the figure includes a
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するCPU25は、フラッシュ発光部26及び受光部27を制御し、レンズ駆動部28を制御して撮影レンズ20の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行い、絞り駆動部29を介し絞り22の開口量を制御して露光量調整を行う。
The
また、CPU25は、撮像素子駆動部30を介して固体撮像素子100を駆動し、撮影レンズ20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。CPU25には、操作部31を通してユーザからの指示信号が入力され、また、固体撮像素子100の温度を検出する温度センサ32からの検出信号が入力され、CPU25はこれらの信号に従って各種制御を行う。
Further, the
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子100の出力に接続されたアナログ信号処理部33と、このアナログ信号処理部33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34とを備え、これらはCPU25によって制御される。
The electric control system of the digital camera further includes an analog
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ(フレームメモリ)36に接続されたメモリ制御部37と、補間演算やガンマ補正演算,RGB/YC変換処理等を行うデジタル信号処理部38と、撮像画像をJPEG画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部39と、測光データを積算しデジタル信号処理部38が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部40と、着脱自在の記録媒体41が接続される外部メモリ制御部42と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部43が接続される表示制御部44とを備え、これらは、制御バス46及びデータバス47によって相互に接続され、CPU25からの指令によって制御される。
Furthermore, the electric control system of the digital camera includes a
図2は、図1に示す固体撮像素子100の平面模式図である。
固体撮像素子100は、半導体基板上の垂直方向とこれに直交する水平方向に配列された複数の光電変換素子101と、複数の光電変換素子101の各々で発生した電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部(VCCD)102と、複数の垂直電荷転送部102の各々を転送されてきた電荷を一時的に蓄積するラインメモリ105と、ラインメモリ105から出力された電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部(HCCD)103と、水平電荷転送部103を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部104とを備えている。
なお、本実施形態では、半導体基板の垂直方向を行方向とし、水平方向を列方向としている。
FIG. 2 is a schematic plan view of the solid-
The solid-
In the present embodiment, the vertical direction of the semiconductor substrate is the row direction, and the horizontal direction is the column direction.
多数の光電変換素子101は、水平方向に並ぶn個(nは2以上の自然数)の光電変換素子101からなる光電変換素子行を垂直方向にm(mは2以上の自然数)個配列した構成、又は、垂直方向に並ぶm個の光電変換素子101からなる光電変換素子列を水平方向にn個配列した構成となっている。奇数番目の光電変換素子行は、偶数番目の光電変換素子行に対して、各光電変換素子行の光電変換素子配列ピッチの略1/2だけ水平方向にずらして配置された、所謂、ハニカム配列となっている。
The large number of
言い換えると、複数の光電変換素子101は、垂直方向(行方向)とこれに直行する水平方向(列方向)とに正方格子状に配置された第1光電変換素子と垂直方向とこれに直行する水平方向とに正方格子状に配置された第2光電変換素子とを有しており、第1光電変換素子と第2光電変換素子とが、同一の配列ピッチで、かつ、互いに配列ピッチの1/2だけ行方向及び列方向にずらして配置されている。本実施形態では、奇数番目の列に配置された光電変換素子を第1光電変換素子とし、偶数番目の列に配置された光電変換素子を第2光電変換素子とした。しかし、偶数番目の列に配置された光電変換素子を第1光電変換素子とし、奇数番目の列に配置された光電変換素子を第2光電変換素子としてもよい。
In other words, the plurality of
本実施形態では、奇数番目の光電変換素子列を構成する光電変換素子101は、検出感度が相対的に高い高感度の高感度光電変換素子である。奇数番目の光電変換素子列には、緑色の波長域の光を検出する高感度の光電変換素子101(以下、G光電変換素子101という。図2では符号Gを記した)と、赤色の波長域の光を検出する高感度の光電変換素子101(以下、R光電変換素子101という。図2では符号Rを記した)を、G光電変換素子101を先頭にして垂直方向に交互に配列している列と、青色の波長域の光を検出する高感度の光電変換素子101(以下、B光電変換素子101という。図2では符号Bを記した)とG光電変換素子101とをB光電変換素子101を先頭にして垂直方向に交互に配列した行とが含まれ、これら2つの列が水平方向に交互に配列されている。
In the present embodiment, the
偶数番目の光電変換素子列を構成する光電変換素子101は、検出感度が相対的に低い低感度の光電変換素子である。偶数番目の光電変換素子列には、緑色の波長域の光を検出する低感度の光電変換素子101(以下、g光電変換素子101という。図2では符号gを記した)と、赤色の波長域の光を検出する低感度の光電変換素子101(以下、r光電変換素子101という。図2では符号rを記した)を、g光電変換素子101を先頭にして垂直方向に交互に配列した行と、青色の波長域の光を検出する低感度の光電変換素子101(以下、b光電変換素子101という。図2では符号bを記した)とg光電変換素子101を、b光電変換素子101を先頭にして垂直方向に交互に配列した行とが含まれ、これら2つの行が水平方向に交互に配列されている。
The
また、本実施形態の固体撮像素子100のカラーフィルタのカラー配列は、第1光電変換素子(G光電変換素子101,R光電変換素子101,B光電変換素子101)に対応して赤、緑、青等のカラーフィルタがベイヤー配列で形成され、また、第2光電変換素子(g光電変換素子101,r光電変換素子101,b光電変換素子101)に対応して赤、緑、青等のカラーフィルタがベイヤー配列で形成されている。このようにベイヤー配列を2つ組み合わせたカラーパターンであることからダブルベイヤー(配列)とも称される。
In addition, the color arrangement of the color filters of the solid-
光電変換素子の検出感度を変化させるには、光電変換素子の受光面の面積を変化させてもよいし、光電変換素子上方に設けたマイクロレンズによって、集光面積を変化させてもよいし、低感度の光電変換素子101と高感度の光電変換素子101とで露光時間を変化させてもよいし、出力部104において低感度の光電変換素子101から得られた電荷と高感度の光電変換素子101から得られた電荷の増幅率をそれぞれ変えてもよい。
To change the detection sensitivity of the photoelectric conversion element, the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion element may be changed, or the light collection area may be changed by a microlens provided above the photoelectric conversion element, The exposure time may be changed between the low-sensitivity
各光電変換素子列には、1つのVCCD102が対応して設けられ、各VCCD102には、ここに対応する光電変換素子列に含まれるm個の光電変換素子101から電荷が読み出されるようになっている。
Each photoelectric conversion element array is provided with one
各光電変換素子列とそれに対応するVCCD102の電荷転送チャネルとの間には、図中に矢印で模式的に示した電荷読み出し領域が形成されており、この電荷読み出し領域を介して、露光期間中に各光電変換素子101で発生した信号電荷が、VCCD102の電荷転送チャネルに読み出される。
Between each photoelectric conversion element array and the charge transfer channel of the
半導体基板表面の水平方向には、各光電変換素子101を避けるように蛇行して垂直電荷転送電極V1,V2,…,V8が敷設されている。半導体基板には各光電変換素子列の側部に図示しない電荷転送チャネルが、光電変換素子101を避けるように垂直方向に蛇行して形成されている。この電荷転送チャネルと、この上に設けられ垂直方向に配置される垂直電荷転送電極V1〜V8とでVCCD102が形成される。VCCD102は、撮像素子駆動部10から出力される垂直転送パルスφVによって転送駆動される。ラインメモリ105に最も近いVCCD102の垂直電荷転送電極はV8となっている。垂直電荷転送電極V1〜V8には、それぞれ垂直転送パルスφV1〜φV8が供給される。
Vertical charge transfer electrodes V1, V2,..., V8 are laid in a horizontal direction on the surface of the semiconductor substrate so as to avoid each
ラインメモリ105は、各VCCD102に対応するn個の電荷蓄積領域とその上方に設けられた駆動電極とで構成され、各電荷蓄積領域には、これに対応するVCCD102から転送された電荷が一時的に蓄積される。ラインメモリ105の駆動電極には、撮像素子駆動部10から出力される駆動パルスφLMが供給され、ラインメモリ105は、この駆動パルスφLMによって駆動される。
The
HCCD103は、図示しない電荷転送チャネルとその上に設けられた電極とで構成される。HCCD103は、撮像素子駆動部10から出力される水平転送パルスφH1,φH2,φH3,φH4によって4相駆動される。HCCD103は、ラインメモリの各電荷蓄積領域に対応するn個の電荷転送段で構成され、各電荷転送段には、これに対応する電荷蓄積領域に蓄積された電荷が転送される。
The
各電荷転送段は、同一の駆動パルスが供給される一対の電極と、その一対の電極下方の電荷転送チャネルとで構成されている。各電荷転送段を構成する一対の電極には、水平転送パルスφH1が供給される電極H1と、水平転送パルスφH2が供給される電極H2と、水平転送パルスφH3が供給される電極H3と、水平転送パルスφH4が供給される電極H4とが含まれる。電極H1〜H4の配列は、例えば、電極H1〜H4をこの順に水平方向に配列したパターンを、水平方向に繰り返して配列したものとなっている。 Each charge transfer stage includes a pair of electrodes to which the same drive pulse is supplied and a charge transfer channel below the pair of electrodes. A pair of electrodes constituting each charge transfer stage includes an electrode H1 to which a horizontal transfer pulse φH1 is supplied, an electrode H2 to which a horizontal transfer pulse φH2 is supplied, an electrode H3 to which a horizontal transfer pulse φH3 is supplied, and a horizontal And the electrode H4 to which the transfer pulse φH4 is supplied. The arrangement of the electrodes H1 to H4 is, for example, a pattern in which the electrodes H1 to H4 are arranged in this order in the horizontal direction and are repeatedly arranged in the horizontal direction.
なお、「垂直」「水平」という用語を使用して説明したが、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。 Although the terms “vertical” and “horizontal” have been used, this means “one direction” along the surface of the semiconductor substrate and “a direction substantially perpendicular to the one direction”.
このように構成された固体撮像素子100では、ラインメモリ105に、隣接する2つの光電変換素子行から得られた電荷を一度に蓄積することができる。R光電変換素子101から得られる電荷を“R”とし、G光電変換素子101から得られる電荷を“G”とし、B光電変換素子101から得られる電荷を“B”とし、r光電変換素子101から得られる電荷を“r”とし、g光電変換素子101から得られる電荷を“g”とし、b光電変換素子101から得られる電荷を“b”とすると、ラインメモリ105の各電荷蓄積領域に電荷が蓄積された状態での電荷の配列は、RrGgRrGgRrGg・・・、又は、GgBbGgBbGgBb・・・のように、ある電荷に注目したときに、その注目した電荷に隣接する2つの電荷のうち、一方の電荷がその注目した電荷と同一色成分となり、他方の電荷がその注目した電荷と異なる色成分となった配列となる。
In the solid-
次に、電荷を加算して読み出すための駆動方法を説明する。本実施形態の固体撮像装置は、静止画などの高画質を優先させた通常撮像の駆動処理と、動画やオートフォーカス動作時などの高速処理を優先させた高速撮像の駆動処理とを有している。通常撮像の駆動処理と高速撮像の駆動処理との切り替えは、使用者が操作部31を操作することで入力した信号などに応じて切り替えることができる。例えば、使用者が、動画の撮像を行う旨の操作を行うと、信号が撮像素子駆動部30に信号が入力されて高速撮像の駆動処理に設定される。
Next, a driving method for adding and reading charges will be described. The solid-state imaging device according to the present embodiment includes a normal imaging driving process that prioritizes high image quality such as a still image, and a high-speed imaging driving process that prioritizes high-speed processing such as a moving image or autofocus operation. Yes. Switching between the normal imaging driving process and the high-speed imaging driving process can be switched according to a signal input by the user operating the
最初に、通常撮像の駆動処理について説明する。
図3は、図2に示した固体撮像素子100において、通常撮像の駆動処理での駆動方法を説明するための図である。図4は、図3に示す時刻t1〜t4に応じた水平転送パルスφH1〜H4及び駆動パルスφLMのパルス波形を示すタイミングチャートである。 図3には、ラインメモリ105の各電荷蓄積領域を長方形状のブロックで示し、各電荷蓄積領域の下に、これに対応するHCCD105の電荷転送段を長方形状のブロックで示し、各電荷転送段の上方に、各電荷転送段を構成する電極H1〜H4を記した。
First, normal imaging drive processing will be described.
FIG. 3 is a diagram for explaining a driving method in the normal imaging driving process in the solid-
露光期間が終了すると、各光電変換素子101から電荷をVCCD102に読み出し、これらを垂直方向に転送するようVCCD102を駆動する。そして、隣接する2つの光電変換素子行から得られた電荷(・・・gRrGgRrG・・・)を、Hの駆動パルスφLMが供給されているラインメモリ105に蓄積する(時刻t1)。このとき、電極H1〜H4に供給される水平転送パルスφH1〜φH4はHとなっている。
When the exposure period ends, the charges are read from the
次に、駆動パルスφLMをLにして、各電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、それに対応する電荷転送段に移動させる(時刻t2)。次に、駆動パルスφLMをHにして、ラインメモリ105に、VCCD102からの電荷が蓄積できる状態に戻しておく(時刻t3)。次に、HCCD103に転送された電荷のうち、隣接する同一色成分の2つの電荷のうちのHCCD103の電荷転送方向上流側にある電荷のみを水平方向に転送するために、水平転送パルスφH1,φH3をLにして、電極H1下にあった電荷gを電極H4下に転送し、電極H3下にあった電荷rを電極H2下に転送する(時刻t4)。時刻t4の駆動により、電荷Rに電荷rが加算され、電荷Gに電荷gが加算される。電荷加算後は、水平転送パルスφH1〜φH4をL,Hで切り替えていくことで、加算した電荷を順次水平方向に転送する。
Next, the drive pulse φLM is set to L, and the charge accumulated in each charge accumulation region is moved to the corresponding charge transfer stage (time t2). Next, the drive pulse φLM is set to H, and the
加算した電荷を水平方向に転送した後、又は、その途中で、VCCD102を駆動して、隣接する2つの光電変換素子行から得られた電荷(・・・bGgBbGgB・・・)をラインメモリ105に蓄積する。そして、時刻t2〜t4と同様に駆動パルスφLMと水平転送パルスφH1〜φH4を供給することで、電荷Gに電荷gを加算し、電荷Bに電荷bを加算する。電荷加算後は、水平転送パルスφH1〜φH4をL,Hで切り替えていくことで、加算した電荷を順次水平方向に転送する。このような駆動を繰り返すことで、全ての光電変換素子101から信号電荷を読み出す。
After the added charge is transferred in the horizontal direction, or during the transfer, the
次に、最初に、高速撮像の駆動処理について説明する。
図5は、図2に示した固体撮像素子100において、高速撮像の駆動処理での駆動方法を説明するための図である。図5に示すように、固体撮像素子は、低感度光電変換素子の列LL1〜LL4と、高感度光電変換素子の列HL1〜HL4とを水平方向の交互に配置した状態を模式的に示している。また、HCCD103が、水平方向に配設された複数の水平転送レジスタH1A,H2A,H1B,H2Bで構成されている。水平転送レジスタH1A,H1Bと、水平転送レジスタH2A,H2Bとにそれぞれ同一の水平転送パルスが供給される。
Next, high-speed imaging drive processing will be described first.
FIG. 5 is a diagram for explaining a driving method in the high-speed imaging driving process in the solid-
固体撮像装置は、高速撮像の処理時には、撮像素子駆動部30によって第1光電変換素子と第2光電変換素子とのうち一方のみの信号電荷を読み出すように制御することが可能である。本実施形態では、高感度撮像素子である第1光電変換素子から信号電荷を読み出し、低感度撮像素子である第2光電変換素子からは振動電荷を読み出さない。
The solid-state imaging device can be controlled to read out signal charges of only one of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element by the imaging
図2を参照すると、高速撮像の駆動時には、垂直電荷転送電極V3及びV7にそれぞれ垂直転送パルスφV3及びV7が供給される。すると、G光電変換素子101、R光電変換素子101、B光電変換素子101から信号電荷が電荷読み出し領域によって読み出され、電荷転送チャネルを介してVCCD102に転送され、垂直転送された信号電荷がHCCD103に順次転送される。
Referring to FIG. 2, during high-speed imaging driving, vertical transfer pulses φV3 and V7 are supplied to the vertical charge transfer electrodes V3 and V7, respectively. Then, the signal charges are read out from the G
すると、図5に示すように、高感度光電変換素子の列HL1〜HL4に高感度光電変換素子から読み出した信号電荷が蓄積され、水平転送レジスタに、各高感度光電変換素子に蓄積された信号電荷が転送される。そして、水平転送レジスタに転送された信号電荷を順次水平方向に転送する。このような駆動を繰り返すことで、全ての高感度光電変換素子101からの信号電荷を読み出す。
Then, as shown in FIG. 5, the signal charges read from the high-sensitivity photoelectric conversion elements are accumulated in the columns HL1 to HL4 of the high-sensitivity photoelectric conversion elements, and the signals accumulated in the respective high-sensitivity photoelectric conversion elements are stored in the horizontal transfer register. Charge is transferred. Then, the signal charges transferred to the horizontal transfer register are sequentially transferred in the horizontal direction. By repeating such driving, signal charges from all high-sensitivity
高速撮像の駆動時には、低感度撮像素子の信号電荷を読み出さないため、低感度撮像素子の信号電荷と、高感度撮像素子の信号電荷とをHCCD103において水平混合を行わないため、ラインメモリ105による制御を行う必要がない。
When driving at high speed imaging, the signal charge of the low-sensitivity image sensor is not read out. Therefore, the signal charge of the low-sensitivity image sensor and the signal charge of the high-sensitivity image sensor are not mixed horizontally in the
図6は、本発明の高速撮像の駆動方法と通常撮像の駆動方法とにおいて、撮像処理にかかる時間を示すタイミングチャートである。
図6(a)は、通常撮像の駆動時に全画素の読み出しを行っている。この場合、全ての光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直転送路を経由して水平転送路に転送しており、水平転送路において水平混合を行う。このため、通常撮像の駆動時には、光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直転送路へ転送する時間と、垂直転送路において水平混合する時間と、混合した信号電荷を水平転送レジスタを制御して水平方向に転送する時間とを含む処理時間がかかることとなる。
FIG. 6 is a timing chart showing the time required for imaging processing in the driving method for high-speed imaging and the driving method for normal imaging according to the present invention.
In FIG. 6A, all pixels are read out during normal imaging driving. In this case, signal charges are read from all the photoelectric conversion elements and transferred to the horizontal transfer path via the vertical transfer path, and horizontal mixing is performed in the horizontal transfer path. For this reason, during normal imaging driving, the signal charge is read from the photoelectric conversion element and transferred to the vertical transfer path, the time for horizontal mixing in the vertical transfer path, and the mixed signal charge is controlled by controlling the horizontal transfer register. Processing time including time for transferring in the direction is required.
図6(b)は、高速撮像の駆動時に、第1光電変換素子及び第2光電変換素子のうち高感度光電変換素子の信号電荷のみの読み出しを行っている。この場合、高感度光電変換素子から信号電荷を読み出すが、低感度光電変換素子からは信号電荷を読み出さないため、水平転送路には高感度光電変換素子の信号電荷だけが転送されるため、水平転送路において水平混合が行われず、水平転送される。このため、高速撮像の処理時には、光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直転送路へ転送する時間と、水平転送路に蓄積された信号電荷を水平転送レジスタを制御して水平方向に転送する時間とを含む処理時間がかかり、処理時間を垂直転送路において水平混合する時間の分だけ、通常撮像の処理時間に比べて短くすることができる。 In FIG. 6B, only the signal charge of the high-sensitivity photoelectric conversion element out of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element is read out during high-speed imaging driving. In this case, the signal charge is read from the high-sensitivity photoelectric conversion element, but since the signal charge is not read from the low-sensitivity photoelectric conversion element, only the signal charge of the high-sensitivity photoelectric conversion element is transferred to the horizontal transfer path. Horizontal mixing is not performed in the transfer path, and horizontal transfer is performed. For this reason, during high-speed imaging processing, the time for reading the signal charge from the photoelectric conversion element and transferring it to the vertical transfer path, and the time for transferring the signal charge accumulated in the horizontal transfer path in the horizontal direction by controlling the horizontal transfer register And the processing time can be made shorter than the processing time for normal imaging by the time required for horizontal mixing in the vertical transfer path.
なお、高速撮像の駆動時においても、太陽などの強い光源を撮像した場合に、低感度光電変換素子にスミア電荷が発生することがある。このため、図7に示すように、高速撮像の駆動時に、高感度光電変換素子から読み出した信号電荷を全て水平転送した後に、信号電荷の読み出しを行っていない低感度光電変換素子からなる列についても、スミア掃き出しのために少なくとも1回の転送を行うことが好ましい。こうすることで、低感度光電変換素子に発生したスミア電荷を除去することができるため、画質の劣化を防止することができる。 Even when driving at a high speed, smear charges may be generated in the low-sensitivity photoelectric conversion element when a strong light source such as the sun is imaged. For this reason, as shown in FIG. 7, for high-speed imaging driving, after all the signal charges read from the high-sensitivity photoelectric conversion elements are horizontally transferred, the columns of the low-sensitivity photoelectric conversion elements that have not been read out. However, it is preferable to perform at least one transfer for smear sweeping. By doing so, it is possible to remove smear charges generated in the low-sensitivity photoelectric conversion element, so that it is possible to prevent deterioration in image quality.
30 撮像素子駆動部
100 固体撮像素子
101 光電変換素子
102 垂直転送部(VCCD)
103 水平転送部(HCCD)
105 ラインメモリ
30 Image
103 Horizontal transfer unit (HCCD)
105 line memory
Claims (12)
前記半導体基板表面に行方向とこれに直行する列方向に設けられた複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生する信号電荷を列方向に転送する垂直電荷転送部と、
前記垂直電荷転送部からの電荷を前記行方向に転送する水平電荷転送部と、を備え、
前記複数の光電変換素子が、行方向とこれに直行する列方向とに正方格子状に配置された第1光電変換素子と、行方向とこれに直行する列方向とに正方格子状に配置された第2光電変換素子とを有し、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とが、同一の配列ピッチで、かつ、互いに配列ピッチの1/2だけ行方向及び列方向にずらして配置されており、
高速撮像の処理時に、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とのうち一方のみの信号電荷を読み出すように制御する駆動部が設けられていることを特徴とする固体撮像装置。 A semiconductor substrate;
A plurality of photoelectric conversion elements provided in a row direction and a column direction perpendicular to the row direction on the surface of the semiconductor substrate;
A vertical charge transfer unit that transfers signal charges generated in the photoelectric conversion elements in a column direction;
A horizontal charge transfer unit that transfers charges from the vertical charge transfer unit in the row direction,
The plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a square lattice form in a row direction and a column direction perpendicular to the first photoelectric conversion element arranged in a square lattice form in the row direction and the column direction perpendicular thereto. The first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element are shifted in the row direction and the column direction by the same arrangement pitch and by a half of the arrangement pitch. Arranged,
A solid-state imaging device, comprising: a drive unit that controls to read out only one of the signal charges of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element during high-speed imaging processing.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006349505A JP2008160674A (en) | 2006-12-26 | 2006-12-26 | Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9100558B2 (en) | 2011-12-27 | 2015-08-04 | Fujifilm Corporation | Color imaging element and imaging apparatus |
-
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- 2006-12-26 JP JP2006349505A patent/JP2008160674A/en not_active Withdrawn
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