JP4630200B2

JP4630200B2 - 固体撮像素子および撮像装置

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Publication number: JP4630200B2
Application number: JP2006025915A
Authority: JP
Inventors: 和也小田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: US20060197859A1; JP2006287913A

Description

本発明は、固体撮像素子および撮像装置に関するものである。本発明の固体撮像素子は、たとえば入射光を複数の受光素子で受光し、入射光量に応じて電気信号を生成し、出力するセンサである。また、本発明の撮像装置は、たとえば固体撮像素子を用いて画像として情報を取り込み、記録する電子スチルカメラ、画像入力装置、ムービカメラおよび携帯電話等の分野における技術である。

特許文献１の固体撮像素子は、互いに隣接する受光素子の行同士において、一方の行における受光素子の配列が他方の行における受光素子の配列に対して該配列間隔のほぼ1/2だけ相対的にずれて配置され、さらに行方向に隣接する受光素子間には２列分の垂直転送路が配置され、斜め方向に隣接する受光素子間には１列分の垂直転送路が配置されるように垂直転送路が受光素子間を蛇行するように半導体基板上に形成された構成を採用する。これにより、画像の空間的サンプリング点を最適化しかつ全画素同時読出しを可能にする。

この固体撮像素子は、受光無効領域の上下に排泄された受光素子の信号を利用して無効領域の信号を、仮想画素として生成することで等価的に受光素子数の２倍の解像度が得られる信号処理を可能にし、モアレ等の偽信号が抑圧される。この固体撮像素子からは高品質撮像信号が得られる。

固体撮像素子は、上述の受光素子に配置することから、色フィルタやマイクロレンズの形状に対する選択肢が増加し、受光効率を向上でき、受光無効領域を極力排除し高集積化をもたらす。

また、この固体撮像素子は製造工程で発生する受光素子と垂直転送路との相対的位置ズレに起因する受光素子間の特性不均一をなくすことができる。製造は、従来の２層重ね合わせ電極構造の製造技術を利用して作成できるので容易である。
特開平10−136391号公報

ところで、固体撮像素子は、より一層の高画素化が望まれている。高画素化は、セルサイズが小さくなることを意味する。セルサイズの微細化は、受光素子と垂直転送路との間を分離するチャネルストップの占める割合および加工精度を劣化させてしまう。したがって、上述したような撮像信号の特性を維持させることが難しくなる。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、受光素子を高画素化し微細化しても従来の特性を維持することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、半導体基板上に入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の受光素子が配列され、この配列において、一の行における受光素子の配置間隔は隣接する他の行における受光素子の配置間隔に対して相対的にずれ、この受光素子のそれぞれに蓄積した信号電荷を列方向に転送させる列転送手段と、この列転送手段からの信号電荷を行方向に転送させる行転送手段とを有する固体撮像素子において、列転送手段は、受光素子のうちの一列おきの受光素子の一方の側に形成され、この固体撮像素子は、さらに、受光素子に蓄積された信号電荷を列転送手段に読み出すゲート手段を有し、このゲート手段は、列転送手段と接する側に受光素子のそれぞれと列転送手段との間に形成されることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、列転送手段を一列おきに形成することにより生じる列転送手段の空き領域を受光素子の感光領域として広げて用いることにより、高画素化しても信号電荷の十分な生成を可能にし、形成された列転送手段と受光素子それぞれの接する側に信号電荷を読み出すゲート手段が形成される、すなわち行毎に形成するゲート手段の位置を受光素子の右側または左側と交互に形成され、結果として形成された列転送手段を共用しても、左右両側の受光素子から読み出した信号電荷転送において混色なく信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を転送し、この信号電荷から画像を生成することによりこれまでの多画素化にともなう感光領域の縮小を改善することができ、得られる画像の画質劣化を防ぐことができる。

また、本発明は上述の課題を解決するために、被写界からの入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光素子が配列され、この配列において、一の行における受光素子の配置間隔は隣接する他の行における受光素子の配置間隔に対して相対的にずれ、この受光素子のそれぞれに蓄積した信号電荷を列方向に転送させる列転送手段と、この列転送手段からの信号電荷を行方向に転送させる行転送手段とを含む固体撮像素子、この固体撮像素子を駆動させる駆動信号を生成し、この固体撮像素子に供給する駆動手段、この駆動手段に前記駆動信号の動作タイミングを持たせるタイミング生成手段、このタイミング生成手段の動作を制御する制御手段、この制御手段に動作を指示する操作手段、および固体撮像素子が出力する信号に信号処理を施す信号処理手段を含む撮像装置において、列転送手段は、受光素子のうちの一列おきの受光素子の一方の側に形成され、この固体撮像素子は、さらに、受光素子に蓄積された信号電荷を列転送手段に読み出すゲート手段を有し、このゲート手段は、列転送手段と接する側に受光素子のそれぞれと列転送手段との間に形成されることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、列転送手段を一列おきに形成され、この形成にともない生じた列転送手段の空き領域を受光素子の感光領域に適用した固体撮像素子を用いて、高画素化にともなう感光領域の縮小を補って信号電荷の十分な生成を可能にし、形成された列転送手段と受光素子それぞれの接する側に信号電荷を読み出すゲート手段が形成される、すなわち行毎に形成するゲート手段の位置を受光素子の右側または左側と交互に形成され、結果として形成された列転送手段を共用しても、左右両側の受光素子から読み出した信号電荷転送において混色なく信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を転送し、この信号電荷から画像を生成することにより、これまでの多画素化にともなう感光領域の縮小を改善し得られる画像の画質劣化を防ぐことができる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の実施例を詳細に説明する。

本実施例は、本発明の固体撮像素子をCCD（Charge Coupled Device）撮像素子10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号はその現れる接続線の参照番号で指示する。

CCD撮像素子10は、受光素子12を画素ずらしさせて配置される。画素ずらしは、互いに隣接する受光素子12の行同士において、一方の行における受光素子の配列が他方の行における受光素子12の配列に対する配列間隔を基本的に1/2だけ相対的にずらしてきた。受光素子12はこの配置により稠密に配置される。通常、CCDには、受光素子12の間に垂直転送路14が形成されてきた。

本実施例のCCD撮像素子10は、図１に示すように、従来の垂直転送路の形成に比べて一列おきに蛇行した垂直転送路14の形成だけに留める。すなわち、受光素子を垂直方向に並べた受光素子に対して一方の側に垂直転送路を形成してきた。この結果、本実施例のCCD撮像素子10における垂直転送路の本数は、従来の半分になる。CCD撮像素子10において従来、垂直転送路のあった、空き領域は、受光素子12における感光領域16に用いる。したがって、感光領域16は、従来の感光領域に比べて横方向に拡大され、感光面積が増大することになる。感光領域16の拡大は、受光素子12に蓄積する信号電荷の飽和量を増大させることができる。これは、CCD撮像素子10において高画質化を目的に画素数、すなわち受光素子を増やした際に従来の受光素子の感光領域が減ってしまうが、本実施例における受光素子12の感光領域16は感光面積の減少を補い、さらには生成する信号電荷量を増加させることが可能になる。換言すると、受光素子12において、たとえば従来の感光領域においてISO 200までの感度は、本実施例ではISO 80から100程度の信号電荷量にまで飽和量を向上させることが可能になる。

開口部は、従来と同じ構造である。また、開口部を覆うカラーフィルタセグメントは、G正方RB完全市松パターンを用いる。受光素子12は画素に対応する。開口形状が左右に拡大することにより、集光特性によるけられ量を小さくでき、シェーディングに強くすることができる。

ここで、隣接する画素の中心を結ぶ。従来の画素中心は、一点鎖線18が示すように45°傾けられた正方形を形成する。これに対して、本実施例のように拡大させるように受光素子12を形成すると、画素中心が形成する形状は、破線20で表わすような矩形になる。これは、同列とみなす受光素子12における画素ずらし量が従来の画素ピッチを半分とするのでなく、画素ピッチのほぼ1/3〜1/4程度にして受光素子12を形成することが好ましいことを示している。図１では、同列におけるたとえば色Gの受光素子12に対し色Rや色Bがほぼ1/3のずれ量になっている。

また、空き領域をすべて感光領域16に適用した場合に限定されるものでなく、共用し、読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路14に用いてもよい。この適用により垂直転送路14は、転送路の幅を広げ、信号電荷の転送量増大にも寄与させることができる。感光領域と転送幅とに寄与させる割合としてはたとえば均等にさせることが望ましい。

垂直転送路14は、前述したように従来のCCD撮像素子に比べて半分だけ形成される。垂直転送路14を有効に用いるため、受光素子12のトランスファゲート22は、共用する垂直転送路14と接する側に形成される。トランスファゲート22は、本実施例において黒丸の記号で表す。

CCD撮像素子10の水平転送路24は、複数の垂直転送路14と直交させ、垂直転送路14から転送された信号電荷をさらに高速転送する機能を有する。水平転送路24は、信号電荷をアンプ26に向けて転送出力する。

アンプ26は、供給される信号電荷をアナログ電圧に変換する機能を有する。アンプ26は、フローティングディフュージョンアンプである。

さらに、最適化したCCD撮像素子10を図２に示す。図２のCCD撮像素子10は、受光素子12と垂直転送路14の形状を最適化し、前述したように、双方の面積比が同じになるように設計された。これにより画素中心を結ぶ形状は、従来と同様の形状になる。また、感光領域16への寄与を優先させる場合、受光素子12は前述した画素ずらし量が有効である。

次に本発明を適用したCCD撮像素子10の動作について図３を用いて説明する。従来のCCD撮像素子は、蓄積した信号電荷を全画素読出しで一度に読み出してきた。本実施例のCCD撮像素子10は、垂直転送路14が従来の半分だけ形成されることから、全画素読出しさせることはできない。受光素子12からの信号電荷は、受光素子12が垂直転送路14の左右のどの位置にあるかにより区別して読み出される。このとき垂直転送路14は、共用して利用される。このように信号電荷を読み出すことにより垂直転送路14における信号電荷の混色も避けられる。

図１や図２のCCD撮像素子10において、たとえば垂直転送路14の左側に位置する、色Gの受光素子12を第１フィールドとして読み出し、垂直転送路14の右側に位置する、色R/Bの受光素子12を第２フィールドとして読み出す。前者の垂直転送路14への信号電荷読出しは駆動信号V1で行ない、後者の信号電荷読出しは駆動信号V3で行なう。これ以外の期間30は、これまでと同様に垂直転送路14に読み出した信号電荷を水平転送路24に向けて転送し、さらに図示しないが、水平転送路24の信号電荷を水平転送する。

駆動信号V1およびV3における読出しは、供給されるフィールドシフトゲートパルスの印加で行なわれる。フィールドシフトゲートパルスは、時刻T1で低レベル（L）、時刻T2で中間レベル（M）、時刻T3で高レベル（H）、再び中間レベル（M）を経て時刻T4で低レベル（L）となる波形のうち、時刻T3のパルスが対応する。駆動信号V3では、時刻T5〜T8が上述した時刻T1〜T4に対応している。

通常の垂直転送における駆動信号V1〜V4を図４に示す。図４の駆動信号V1〜V4は図３における期間30の一部分を時間的に拡大させて、表示したものである。駆動信号V1〜V4は、たとえば８つの相P1〜P8に区分して表わすことができる。読み出された信号電荷は、駆動信号V1〜V4の印加により転送される。

この信号電荷の転送移動を図５のポテンシャル図で示す。駆動信号V1〜V4は、転送電極E1〜E4にそれぞれ供給される。転送電極E1〜E4は、図１や図２に示したように垂直転送路14のCCDに対応し接続されている。駆動信号V1〜V4がそれぞれ対応する転送電極E1〜E4に供給されると、図５のポテンシャル図に示すように、垂直転送路14にポテンシャル井戸、すなわちパケットが形成される。より具体的には、時刻T3で転送電極E1にフィールドシフトゲートパルスが印加されると、色Gの信号電荷が読み出される。また、時刻T7で転送電極E3にフィールドシフトゲートパルスが印加されると、色R/Bの信号電荷が読み出される。読み出された信号電荷は、駆動信号V1〜V4が供給されることにより垂直転送路14内を水平転送路24に向かって順に転送させられる。

本実施例で信号電荷は、２フィールドで全画素を読み出すことができる。このように従来の受光素子の配列や構造を、多フィールド読出しに切り換えることにより、素子分離の領域を少なくすることができる。

このように、垂直転送路14を従来の半分にし、複数のフィールドに分けて信号電荷を読み出すことにより、素子分離領域を少なくでき、高画素化にともなう受光素子が小型化しても受光素子の開口形状を大きく維持することができる。これにより、高画素化しても十分な信号電荷が得られ、画質劣化に対応し高画質な画像を得ることができる。

次に本発明に係る固体撮像素子を適用した他の実施例としてCCD撮像素子10の概略的な構成を図６に示す。CCD撮像素子10は、共通する構成要素に先の実施例と同じ参照符号を付す。本実施例のCCD撮像素子10も、一列おきに蛇行した垂直転送路14を設ける点および色フィルタ配列にG正方RB完全市松パターンを用いる点で先の実施例に同じである。また、CCD撮像素子10は、垂直転送路のあった、空き領域を感光領域16に用いる点でも同じである。したがって、感光領域16は、従来の感光領域に比べて横方向に拡大されている。

受光素子12は画素に対応し、その開口部は、基本的に従来と同じ構造である。本実施例の受光素子12は、開口形状を単に左右に拡大するだけでなく、集光特性によるけられ量が小さくでき、シェーディングに強くするという特徴を有する。これについてはさらに後段で説明する。

垂直転送路14は、上述したように従来のCCD撮像素子に比べて半分だけ形成される。垂直転送路14は、構成要素のCCDに転送電極E1〜E4が単位に対応する。垂直転送路14を有効に用いるため、受光素子12のトランスファゲート22は、垂直転送路14と接する側に形成される。トランスファゲート22は、黒丸の記号で表す。

ただし、本実施例におけるトランスファゲート22は、従来のように所定の位置に形成されるものではない。これは、G正方RB完全市松パターンの色フィルタセグメントにおいて、一本の垂直転送路14は、図６に示したように４つの受光素子を一つの組単位に扱うことに基づく。本実施例におけるこの組は、上下に配した色Gの受光素子12とこれに直交する、左右それぞれの水平方向に配した色Rおよび色Bの受光素子12とを有する組単位である。この組単位を太線32で示す。また、図示しないが、もう一つの組としては、上下に配した色Gの受光素子12とこれに直交する、左右それぞれの水平方向に配した色Bおよび色Rの受光素子12でもよい。

太線32で示す組単位として扱うため、本実施例では、４つの受光素子12におけるトランスファゲート22を先の実施例と異なる位置に形成する点に特徴がある。図６に示すように、上側に位置する色Gの受光素子12のトランスファゲート22は、オフ/オンに応じて蓄積した信号電荷を転送電極E4のCCDに出力する。一本の垂直転送路14で信号電荷を転送させる場合、本来、色Rの受光素子12は、左側に隣接する垂直転送路14に出力するようにトランスファゲート22が形成される。これに対して、本実施例において色Rの受光素子12のトランスファゲート22は、本来、形成する上述した位置と逆の位置に形成され、オフ/オンに応じて蓄積した信号電荷を転送電極E2のCCDに出力する。

色Bの受光素子12のトランスファゲート22は、転送電極E1のオフ/オンに応じて蓄積した信号電荷を転送電極E4のCCDに出力する。さらに、下側に位置する色Gの受光素子12のトランスファゲート22は、転送電極E3のオフ/オンに応じて蓄積した信号電荷を転送電極E2のCCDに出力する。

CCD撮像素子10は、複数の垂直転送路14と直交する水平転送路24を設け、垂直転送路14から供給された信号電荷を水平転送路24に向けて転送する。水平転送路24に転送された信号電荷は、アンプ26に向けて水平転送される。アンプ26は、フローティングディフュージョンアンプである。

さらに、CCD撮像素子10を図７に示す。図７のCCD撮像素子10は、受光素子12と垂直転送路14の形状を最適化し、双方の面積比が同じになるように設計することが好ましい。これにより前述したように画素中心を結ぶ形状は、従来と同様の形状にすることができる。

また、図７のCCD撮像素子10は、組単位の色フィルタセグメントを同色にし、この組単位を基にしたG正方RB完全市松パターンを形成している点に特徴がある。実画素数の解像度が1/4および1/2程度のいずれかで済む場合、受光素子12からの信号電荷読出しを４画素および２画素のいずれかに応じて読み出す。垂直転送路14では、この読出しに応じて信号電荷を合成する。この場合、垂直転送路14で合成しても読み出される信号電荷が同色であるから、混色を防ぐことができる。

次に本発明を適用したCCD撮像素子10の動作を説明する。従来のCCD撮像素子は、蓄積した信号電荷を全画素読出しで一度に読み出す。しかしながら、本実施例のCCD撮像素子10は、垂直転送路14が従来の半分であることから、前述したように、全画素読出しさせることはできない。転送においては駆動信号V1〜V4が転送電極E1〜E4に印加される。受光素子12からの信号電荷読出しは、本実施例ではフィールドシフトパルスを各フィールドに供給される駆動信号V3, V1, V2およびV4の順に印加される。この印加はハイレベルに応じて行なわれる。読み出した信号電荷は、通常の転送により水平転送路24に読み出される。したがって、図６の色フィルタパターンの場合、１フレームの画像を得るために４フィールドを要して全画素の信号電荷がCCD撮像素子10から読み出される。

これに対して、図７に示したように、太線32における４つ受光素子を単位に色フィルタセグメントを配設された場合、駆動信号V1〜V4のすべてにフィールドシフトパルスを同時に印加するように読出し駆動を制御する。また、信号電荷読出しでは、駆動信号V1およびV3にフィールドシフトパルスを同時に印加するように読出し駆動を制御する。これらの信号電荷読出しは、記録モードに連動させることが好ましい。

この信号電荷読出しは、垂直転送路14にて信号電荷を混合するとともに、従来のCCD固体撮像素子と同じ色の順に読み出すことができることから、これまでの信号処理、すなわち前処理、AF（Automatic Exposure）、AF（Automatic Focus）および動画モード（MOVE；スルー画表示モード）で対処できる点で有利である。とくに、解像力が要求されない前処理段階で信号電荷を混合することで感度を向上させることができ、信号電荷の読み出し時間も短縮させることができる。すなわち、図７の信号電荷読出しは、図６の信号電荷読出しに比べて1/4の時間で済む。

さらに、図７に示した色フィルタ配列を適用した場合、CCD撮像素子10は、図８に示すようにマイクロレンズ34の配設する位置を受光素子12の開口形状および形成する位置に対して合わせ込むことが望ましい。具体的には、受光素子12からの信号電荷読出しとその混合をズーム位置に応じて行なう。一般的に、CCD撮像素子10を搭載したディジタルカメラは、被写界からの入射光を取り込み結像させる光学系にズーム機構を有するものが多い。標準位置において入射光が結像する結像面と射出瞳の縁を通った光線との成す角が狭くなる傾向にあるとき、鋭角、すなわちワイドスコープ側にあるという。また、この成す角が広くなる傾向にあるとき、鈍角、すなわちテレスコープ側にあるという。

ここで、本実施例の受光素子12における開口形状は、従来の正八角形に比べて感光領域の大きい、横方向に広がった六角形の形状である。たとえば図８の中央に位置する同一行、水平方向に並んだ受光素子12に対するマイクロレンズ34は、図８の隣接する他の行におけるマイクロレンズ34の位置に比べて若干左側にずらして形成されている。すなわち結像面の中心に向けてずらし形成される。この形成により、斜めに入射した光を受光素子12の感光領域から外れることなく、入射させることができる。また、同一列、垂直方向に並んだ受光素子12は、中央付近にあるため感光領域それぞれをすべて覆うようにマイクロレンズ34が形成される。図８における受光素子12の形成位置は、CCD撮像素子10の中央右端側が想定されるからである。

鋭角時には、図７における駆動信号V1およびV2にフィールドシフトゲートパルスを同時に転送電極E1およびE2からトランスファゲート22に印加される。この印加により受光素子12に蓄積した信号電荷が読み出され信号電荷が合成または混合される。また、鈍角時には、図７における駆動信号V3およびV4にフィールドシフトゲートパルスを同時に印加される。この印加により受光素子12に蓄積した信号電荷が読み出され信号電荷が合成または混合される。

このように受光素子12を形成する位置に応じてマイクロレンズ34の形成する位置をずらすことにより、入射角度による周辺画素領域で影響を緩和し、入射光の色シェーディングの発生を防止または改善することができる。とくに、動画モードではリアルタイムの読出しや信号処理が要求されることから、混合読出しによる時間の短縮も効果的である。

次にCCD撮像素子10を適用したディジタルカメラ40について簡単に説明する。ディジタルカメラ40は、図９に示すように、光学系42、撮像部44、前処理部46、信号処理部48、システム制御部50、操作部52、タイミング信号発生器54、ドライバ56、モニタ58、ストレージIF（InterFace）回路60およびストレージ62を含む。

光学系42は、被写界からの入射光を操作部52の操作に応じた画角の画像にして撮像部44の撮像面に結像させる機能を有する。光学系42は操作部52のズーム操作や半押し操作に応じて画角や焦点距離を調整する。

撮像部44には、前述したCCD撮像素子10が配設される。ここで、CCD撮像素子10に用いる色フィルタセグメントには、図１、図２、図６および図７に示したパターンのいずれかが用いられる。図１、図２および図６の色フィルタパターンを用いた撮像部44は、解像度を重視した画像を取得する場合に有効で、たとえば２または４フィールドで全画素の信号電荷を出力する。また、図７の色フィルタパターンを用いた撮像部44は、混色しないように信号電荷が同時に垂直転送路14に読み出し、転送出力することから、図６に示した色フィルタパターンの撮像部44に比べて1/4、すなわち１フィールドで信号電荷を短時間に読み出すことができる。ただし、この色フィルタパターンでは、本来有する４つ画素として有する空間位置情報が一つの位置情報に集約されてしまう。このことにより画像の解像度は前者の画像が有する空間情報に基づく解像度に比べて低下してしまう。

後者の色フィルタパターンの撮像部44が配設されている場合、このように解像度を重視するモード/重視しないモードに分けて動作させることが好ましい。解像度を重視する場合、たとえば静止画モードで、たとえば２フィールド読出しするとよい。また、解像度を重視しない場合、AE、AFおよび動画モード（MOVE）のそれぞれにてこの信号電荷を組単位に同時読出しさせることが望ましい。このようなモード切換えは、後述するように、操作部52で設定する。

撮像部44は、ドライバ56から供給される駆動信号V1〜V4を含む各種の信号によって動作させられる。ドライバ56は、タイミング信号発生器54からのタイミング信号66に応じて各種の駆動信号を生成する機能を有する。撮像部44は、図示しないCCD撮像素子10で得たアナログ電気信号64を前処理部46に出力する。

前処理部46はアナログフロントエンド（AFE）機能を有する。この機能は、相関二重サンプリング（CDS）によりアナログ電気信号64に対するノイズ除去と、このノイズ除去したアナログ電気信号64をディジタル化、すなわちA/D変換とを有するものである。前処理部46は、ディジタル化した画像データ66をバス68および信号線70を介して信号処理部48に出力する。

信号処理部48は、供給される画像データを基に同時化し、同時化した画像データを用いY/C信号を生成する機能を有する。また、信号処理部48は、生成したY/C信号をたとえば液晶モニタ用の信号に変換する機能も有する。さらに、信号処理部48は、記録モードに応じて生成したY/C信号に対する圧縮や圧縮された信号を元に伸長し復元再生する機能を有する。記録モードには、JPEG（Joint Photographic Experts Group）、MPEG（Moving Picture Experts Group）およびRAWモード等がある。信号処理部48は、記録モードに処理された画像データを信号線70、バス68および信号線72からメディアI/F回路60に供給する。また、信号処理部48は、液晶モニタ用の信号74をモニタ58に出力する。

システム制御部50は、後述する操作部52からの操作信号76に応じた各種の制御信号を生成する機能を有する。システム制御部50は、とくに、静止画モード、AEモードおよびAFモード等の各種設定に応じて制御信号を生成する機能を有する。システム制御部50は、信号処理部48で得られた評価データを取り込む。評価データは、信号線70、バス68および信号線78を介してシステム制御部50に取り込まれる。システム制御部50は、設定モード、評価データに応じた制御信号80をタイミング信号発生器54に生成し、出力する。

操作部52は、図示しない電源スイッチ、ズームボタン、メニュー表示切換スイッチ、選択キー、動画モード設定部、連写速度設定部およびレリーズシャッタボタンを含む。操作部52は、ユーザの操作指示としての操作信号76をシステム制御部50に送る機能を有する。電源スイッチは、ディジタルカメラ40の電源投入/退避をもたらすものである。ズームボタンは、被写体を含む被写界の画角を変更し、この変更に応じた被写体の焦点距離を調整するものである。メニュー表示切換スイッチは、液晶モニタに表示されるメニューを切り換えて、選択カーソルを移動させるスイッチで、たとえば十字キー等がある。選択キーは、選択したメニュー項目を選択するキーである。

動画モード設定部は、動画を液晶モニタに表示させるか否かを決定する、たとえばフラグの値で設定する。この設定によりディジタルカメラ40は、モニタ58に取り込んだ被写界像をスルー画表示させる。

レリーズシャッタボタンは、半押し/全押し操作に応じてディジタルカメラ40の動作タイミングや動作モードを選択する機能を有する。レリーズシャッタボタンは、半押し操作に応じてディジタルカメラ40をAEモードおよびAFモードに動作させる。これらの動作は動画表示で得られる画像を用いて適正とする絞り、シャッタ速度および合焦距離を求める。また、レリーズシャッタボタンは、全押し操作により記録開始/記録終了のタイミングをシステム制御部50に送り、ディジタルカメラ40の設定モードに応じた動作タイミングを提供する。設定モードには、静止画記録および動画記録等がある。

タイミング信号発生器54は、撮像部44用の垂直および水平同期信号、フィールドシフトゲート信号、垂直および水平タイミング信号、ならびにOFD（Over-Flow Drain）信号等、各種のタイミング信号を生成する機能を有する。この機能は、システム制御部50からの制御信号80に応じて各種のタイミング信号82を生成する。タイミング信号発生器54は、各種のタイミング信号82をドライバ56に出力する。

ドライバ56は、供給される各種のタイミング信号82を用い、駆動モードに応じた垂直および水平駆動信号等を生成する機能を有する。ドライバ56は供給される制御信号に応じた駆動信号84を撮像部44の図示しない前述したCCD撮像素子に出力する。また、ドライバ56は供給される制御信号に応じて光学系42が形成する被写界、すなわち視野を狭く拡大する望遠側に動作させたり、視野を広げる広角に動作させたりするズーム動作の駆動信号も生成し、図示しないが、光学系42のズーム機構に出力する。

メディアI/F回路60は、たとえば扱う記録媒体に応じて画像データの記録/再生を制御するインタフェース制御機能を有する。メディアI/F回路60は、画像データ86を半導体記録媒体であるPC（Personal Computer）カードに対する書込み/読出し制御したりUSB（Universal Serial Bus）コントローラの内蔵にともないの書込み/読出し制御したりすることができる。ストレージ62には、各種の半導体カードの規格がある。

モニタ58には、液晶モニタ等が用いられる。モニタ58は、信号処理部48から供給される画像信号74を表示する。

次にディジタルカメラ40におけるCCD撮像素子10の動作について簡単に説明する。撮像部44には、図１、図２、図６および図７に示したCCD撮像素子10のいずれかが搭載される。ここで、前述したように搭載されるCCD撮像素子10の種類に応じて重視する項目が異なり、結果として制御するモードが異なる。

図１および図２のCCD撮像素子を用いる撮像部44は、静止画の撮影において解像度を重視して、２フィールド読出しで駆動する。図６のCCD撮像素子を適用した撮像部44は、４フィールド読出しで駆動する。また、図７のCCD撮像素子を適用した撮像部44は、同時読出しが可能なことから１フィールド読出しできる。このように配設するCCD撮像素子に応じて信号電荷の読出しに特徴があることから、操作部52は、その特徴を活かすようにプログラムを組んで、設定する。

システム制御部50には、操作部52からの指示信号である操作信号76が供給される。システム制御部50は、操作信号76に応じた制御信号80を生成し、タイミング信号発生器54に供給する。タイミング信号発生器54は、制御に応じたタイミング信号82をドライバ56に出力する。ドライバ56は、供給されるタイミング信号82に応じた駆動信号84を撮像部44に供給して、動作させる。

このように構成することにより素子分離領域を少なくでき、高画素化にともなう受光素子が小型化しても受光素子の開口形状を大きく維持することを可能にする。これにより、高画素化しても十分な信号電荷が得られ、画質劣化に対応し高画質な画像を得ることができる。この際に使用するCCD撮像素子の種類に応じて動作させると、複数のフィールドに分けて信号電荷を読み出したり、１フィールドで読み出したりすることができる。すなわち、解像度重視したディジタルカメラやこのディジタルカメラより解像度が劣るものの、信号電荷読出しに関しては高速な読み出しを可能にするディジタルカメラを提供することができる。

なお、本発明に係る撮像装置は、ディジタルカメラ40への適用に限定されるものでなく、ディジタルカメラ40の構成要素を含む携帯電話機、画像入力装置等に適用できることは言うまでもない。

本発明の固体撮像素子を適用した実施例におけるCCD撮像素子の概略的な構成を示す図である。図１のCCD撮像素子を最適化した概略的な構成を示す図である。図１および図２のCCD撮像素子に印加する駆動信号を説明するタイミングチャートである。図３に示した通常読出しにおいて印加する駆動信号を説明するタイミングチャートである。図３で示した駆動信号に応じたパケットの形成とその移動を説明するポテンシャル図である。本発明に係る固体撮像素子を適用した他の実施例におけるCCD固体撮像素子の概略的な構成を示す図である。図６のCCD固体撮像素子における色フィルタ配列の異なる構成を示す図である。図７のCCD固体撮像素子による色シェーディング対応を説明する図である。本発明の撮像装置を適用したディジタルカメラの概略的な構成を示すブロック図である。

符号の説明

10 CCD撮像素子
12 受光素子
14 垂直転送路
16 感光領域
22 トランスファゲート
24 水平転送路
26 アンプ

Claims

半導体基板上に入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の受光素子が配列され、該配列において、一の行における受光素子の配置間隔は隣接する他の行における受光素子の配置間隔に対して相対的にずれ、該受光素子のそれぞれに蓄積した信号電荷を列方向に転送させる列転送手段と、該列転送手段からの信号電荷を行方向に転送させる行転送手段とを有する固体撮像素子において、
前記列転送手段は、前記受光素子のうちの一列おきの受光素子の一方の側に形成され、
該固体撮像素子は、さらに、前記受光素子に蓄積された信号電荷を前記列転送手段に読み出すゲート手段を有し、
該ゲート手段は、前記列転送手段と接する側に前記受光素子のそれぞれと前記列転送手段との間に形成され、
該固体撮像素子は、同一の行における受光素子の配置間隔を基準にして、前記相対的にずれた配置間隔は前記基準のほぼ1/3ないし1/4の範囲にあることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子は、前記信号電荷を多フィールドで読み出すことを特徴とする固体撮像素子。
被写界からの入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光素子が配列され、該配列において、一の行における受光素子の配置間隔は隣接する他の行における受光素子の配置間隔に対して相対的にずれ、該受光素子のそれぞれに蓄積した信号電荷を列方向に転送させる列転送手段と、該列転送手段からの信号電荷を行方向に転送させる行転送手段とを含む固体撮像素子、該固体撮像素子を駆動させる駆動信号を生成し、該固体撮像素子に供給する駆動手段、該駆動手段に前記駆動信号の動作タイミングを持たせるタイミング生成手段、該タイミング生成手段の動作を制御する制御手段、該制御手段に動作を指示する操作手段、および前記固体撮像素子が出力する信号に信号処理を施す信号処理手段を含む撮像装置において、
前記列転送手段は、前記受光素子のうちの一列おきの受光素子の一方の側に形成され、
前記固体撮像素子は、さらに、前記受光素子に蓄積された信号電荷を前記列転送手段に読み出すゲート手段を有し、
該ゲート手段は、前記列転送手段と接する側に前記受光素子のそれぞれと前記列転送手段との間に形成され、
前記固体撮像素子は、同一の行における受光素子の配置間隔を基準にして、前記相対的にずれた配置間隔は前記基準のほぼ1/3ないし1/4の範囲にあることを特徴とする撮像装置。
請求項３に記載の装置において、前記固体撮像素子は、前記信号電荷を多フィールドで読み出すことを特徴とする撮像装置。