JP4777798B2 - 固体撮像装置とその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置とその駆動方法に関し、特に広ダイナミックレンジの固体撮像装置とその駆動方法に関する。

固体撮像装置に対する代表的な要求に、高分解能化と広ダイナミックレンジ化がある。高分解能は、画素を高集積化することによって達成され、現在は、１００万画素は普通の画素数になり、５００万画素以上の画素数も珍しくはない。高分解能化の要求はほぼ達成されたと考えることができる。

広ダイナミックレンジ化にはいくつかの制約が伴う。各画素は、通常ホトダイオードで形成される電荷蓄積領域に、入射光量に比例したキャリア（電子）を蓄積する。出力電圧は、蓄積電荷量に比例した値となる。電荷蓄積領域に蓄積できる電荷量は、ある値（飽和電荷量）までに制限される。画素を微細化すると、飽和電荷量も小さくなる傾向にある。検出できる蓄積電荷量の下限を改良しても、限度があり、1つの画素が検出できる受光量の範囲は制限される。広ダイナミックレンジを実現するためには、何らかの付加的な手段が必要となる。

特開昭５９−２１０７７５号は、第1、第２の撮像セルによって1つの画素を構成し、第２の撮像セルには第1の撮像セルより低い光感度を与え、両撮像セルの信号を混合して1画素の撮像信号を合成することを提案している。第２の撮像セルは、遮光膜の開口を小さくする、ＮＤフィルタ等の光減衰膜で覆う、等の手段で感度を低くする。

ハニカム配列の画素は、正方格子配列の第１の画素群の格子間位置に、正方格子配列の第２の画素群を配置する構成である。第１の画素群と第２の画素群とは，異なる行，異なる列を形成する。

特開２０００−２８９０５２号は、面積の大きな高感度受光素子と面積の小さな低感度受光素子とを1／２ピッチずらして配置してハニカム配列を構成し、高感度受光素子用垂直転送路、低感度受光素子用垂直転送路を蛇行して配置し、隣接する高感度受光素子と低感度受光素子とに色分解された同色入射光を照射し、出力信号を切り分けて信号処理し、高感度画像、低感度画像を生成することを提案する。

特開２０００−１３８８６８号は、第1の撮像を行い、画像信号をホトダイオードからＣＣＤに読み出し、メカシャッタなどを用いて第２の撮像を異なる条件で行い、ホトダイオードに信号電荷を保持したまま、第1の撮像による画像信号をＣＣＤから外部に出力し、第２の撮像による画像信号をホトダイオードからＣＣＤに読み出し、外部に出力することを提案する。同一のホトダイオードが２回連続的に撮像を行うので、高感度画素、低感度画素を用いる場合と較べて画素数は２倍になる。高感度画像と低感度画像とは、異なる時間に撮像される。低感度画像を高感度画像の後に撮像することにより、撮像時刻のずれは小さくなる。

特開２００４−１９３７６２号は、ハニカム配列された各画素を別個に読み出しできる高感度領域と低感度領域に分離し、各画素上に１つのカラーフィルタ、マイクロレンズを形成し、高感度領域、低感度領域を順次読み出し、高感度信号と低感度信号を合成して広ダイナミックレンジ画像を生成することを提案する。

特開２００４−２１４３６３号は、ハニカム配列の各画素から右側の転送路へも左側の転送路にも信号読み出し可能な構成とし、画素群上に補色系フィルタを形成し、長時間露光後隣接する２列の画素を間の転送路に読み出して加算し、信号電荷間にスペースを形成し、短時間露光後隣接する２列の画素を転送路に読み出して加算し、長時間露光の信号電荷、短時間露光の信号電荷を混合することなく転送、出力し、合成して広ダイナミックレンジの画像を生成することを提案する。

特開昭５９−２１０７７５号公報 特開２０００−２８９０５２号公報 特開２０００−１３８８６８号公報 特開２００４−１９３７６２号公報 特開２００４−２１４３６３号公報

本発明の目的は、広ダイナミックレンジの画像を短時間で生成することである。

本発明の他の目的は、同時性を有する広ダイナミックレンジの画像を短時間で生成することである。

本発明の１観点によれば、
第１導電型の第１領域と、前記第１導電型領域に接して形成され、第１導電型と逆導電型である第２導電型を有する第２領域とを有する半導体基板と、
前記半導体基板に行列状に配置された多数の画素であって、第１の画素群と第２の画素群とを含み、第１の画素群の行と第２の画素群の行とが列方向に沿って隣接して配置され、各前記画素が前記第２領域中に形成された第１導電型の電荷蓄積領域を有する、多数の画素と、
各画素列に沿って、前記半導体基板に形成された垂直転送路と、
行方向に沿って前記半導体基板上方に形成され、垂直転送路を横断する転送電極と、
隣接する第１の画素群、第２の画素群の２画素上に同一色カラーフィルタが配置されるように、各画素上方に形成されたカラーフィルタ群と、
前記第１領域に逆バイアスパルスを印加することで前記第1の画素群と第２の画素群の画素を同一時刻に露光開始し，連続した第1の露光期間経過後の同一時刻に第１の画素群の画素を、信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで、露光終了し、連続した第２の露光期間経過後の同一時刻に第２の画素群の画素を、信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで、露光終了し、第２の露光期間が第１の露光期間よりも短い露光を行なう制御回路と、
を有する固体撮像装置
が提供される。

本発明の他の観点によれば、
第１導電型の第１領域と、前記第１導電型領域に接して形成され、第１導電型と逆導電型である第２導電型を有する第２領域とを有する半導体基板と、
前記半導体基板に行列状に配置された多数の画素であって、第１の画素群と第２の画素群とを含み、第１の画素群の行と第２の画素群の行とが列方向に沿って隣接して配置され、各前記画素が前記第２領域中に形成された第１導電型の電荷蓄積領域を有する、多数の画素と、
各画素列に沿って、前記半導体基板に形成された垂直転送路と、
行方向に沿って前記半導体基板上方に形成され、垂直転送路を横断する転送電極と、
隣接する第１の画素群、第２の画素群の２画素上に同一色カラーフィルタが配置されるように、各画素上方に形成されたカラーフィルタ群と、
を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
（ａ）前記第１領域に逆バイアスパルスを印加することで前記第1の画素群と第２の画素群の画素を同一時刻に露光開始する工程と、
（ｂ）露光開始後，連続した第1の露光期間経過後の同一時刻に、信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで、第１の画素群の画素を露光終了する工程と、
（ｃ）露光開始後，連続した第２の露光期間経過後の同一時刻に、信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで、第２の画素群の画素を露光終了する工程であって、第２の露光期間が第１の露光期間よりも短い工程と、
を含む固体撮像装置の駆動方法
が提供される。

広ダイナミックレンジの画像信号が、短時間で得られる。

画素構造は全画素共通でよいので、異なる画素構造を作成する場合と較べ、製造工程の歩留まり低下を防止できる。

露光時間を変えた２枚の画像を合成する方法は、簡単に蓄積電荷量の比を大きく変える事ができる。しかし、撮像時刻が異なる２枚の画像を合成すると、例えば被写体が動く場合には、正確な合成画像が再生できない。

高感度画素と低感度画素を用いる方法は、低照度（シャドウ）側での感度を犠牲にしないため、低感度画素において入射光を制限する方法が取られてきた。最も直接的な方法は、低感度画素上の遮光膜の開口面積を縮小することである。しかし、多画素化した撮像素子において開口面積を縮小すると、径０．７μｍ以下という入射波長に近い開口サイズをパターニングする必要がある。加工バラツキが生じると、高感度画素と低感度画素の感度比が大きく変動することになる。微細パターンを高精度に加工することは、製造歩留まりを低下させる原因になる。

低感度画素上にＮＤフィルタを形成する方法は、工程数が増加するのみでなく、全低感度画素上に均一な特性を有するＮＤフィルタを形成することも容易ではない。低感度画素上のマイクロレンズを除去する方法は、シェーディングを低減するためマイクロレンズの位置を画面内位置に応じてずらす、「マイクロレンズずらし」が採用できないという別の課題を生じる。車載モニタ等においては、６０ｄＢ〜１００ｄＢのダイナミックレンジの要求もある。このような広ダイナミックレンジを高感度画素と低感度画素で実現することは容易でない。

本発明者は、これらの事情を考慮し、同時性を有し、且つ広ダイナミックレンジの撮像を実現する新たな技術を考察した。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１Ａ，１Ｂは、正方（テトラゴナル）格子配列の画素行列とハニカム配列の画素行列を示す。

図１Ａの正方格子配列においては、多数の画素ＰＩＸは、横方向（水平方向）に一定のピッチＰ_Ｈ、縦方向（垂直方向）に一定のピッチＰ_Ｖで正方格子状に配列している。例えば、横方向ピッチＰ_Ｈと縦方向ピッチＰ_Ｖは等しい、Ｐ_Ｈ＝Ｐ_Ｖ。画素の横方向の並びを行、縦方向の並びを列と呼ぶ。画素上には、赤Ｒ，緑Ｇ，青Ｂの３原色のカラーフィルタが配置されている。以下、各画素をその上のカラーフィルタに従い、Ｒ，Ｇ，Ｂで呼ぶことがある。

列方向において、奇数列のＢ１，Ｂ２，Ｇ１，Ｇ２，偶数列のＧ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２のように、同色の画素が２つずつ並んで配列されている。横方向においては、２つずつの同色画素の組が、Ｂ１，Ｂ２の右隣にＧ１，Ｇ２，その右隣にＢ１，Ｂ２のように、同じ列方向位置に配置されている。上側の画素群Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を第１の画素群、下側の画素群Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を第２の画素群と呼ぶ。第１の画素群と第２の画素群の上下関係は反転してもよい。第１の画素群、第２の画素群は、基本的に同一の構成を有する。例えば、画素Ｒ１と画素Ｒ２とは同一面積、同一開口面積、同一接合深さ、同一飽和電荷量、同一光学系、（２個組の対において）同一フィルタを有する。

同一構成の画素とすることにより、異なる構成で感度を異ならせる場合と較べ、製造工程を簡略化し、高精度達成を容易にする。但し、第１の画素群と第２の画素群に対して同一の露光を行なえば、広ダイナミックレンジは得られない。

画素の各列に沿って（図では各列の右側に）、垂直電荷転送路ＶＣＣＤがそれぞれ１本配置されている。垂直電荷転送路ＶＣＣＤは、画素（行）当り３以上の転送段を有する。複数の垂直電荷転送路ＶＣＣＤの下端に、横方向に水平電荷転送路ＨＣＣＤが結合され、その一端に出力アンプＯＡが接続されている。転送路ＶＣＣＤ，ＨＣＣＤ上には、（読み出し電極を兼ねる）転送電極が配置される。各画素に蓄積された信号電荷は、画素ＰＩＸから垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出され、垂直電荷転送路を下向きに転送され、垂直電荷転送路下端から水平電荷転送路に送り込まれ、水平電荷転送路ＨＣＣＤを左向きに転送され、出力アンプを介して出力される。

図１Ｂのハニカム配列においては、第１種の画素群Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１が正方格子状に配置され、水平方向、垂直方向に約半ピッチずれた位置に第２の画素群Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２が配置される。第２の画素群も正方格子を構成する。第２の画素群は、正方格子状の第１の画素群の格子間位置に配置されるともいえる。第１の画素群、第２の画素群は、基本的に同一の構成を有する。例えば、画素Ｒ１と画素Ｒ２とは同一面積、同一開口面積、同一接合深さ、同一飽和電荷量、同一光学系、同一フィルタを有する。同一構成の画素とすることにより、異なる構成で感度を異ならせる場合と較べ、製造工程を簡略化し、高精度達成を容易にする。但し、第１の画素群と第２の画素群に対して同一の露光を行なえば、広ダイナミックレンジは得られない。

右上から左下に向かう対角線方向に沿って、同色の画素が２つずつ並んでいる。図示の配置においては、左下に第１の画素群Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１が配置され、右上に第２の画素群Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２が配置されている。この関係は反転してもよい。また、２つの同色画素を左上から右下に向かう対角線方向に並べてもよい。

第１の画素群の半ピッチを、改めてピッチとして、行、列を定義すると、各列、各行には、１つおきに画素が配置され、同一行、同一列には、第１の画素群または第２の画素群のみが配列されている。第１の画素群、第２の画素群はそれぞれ正方格子を構成している。第１の画素群の行、第２の画素群の行が列方向に交互に配列している点は図１Ａの正方格子配列と同様である。

なお、後述するように、各列に沿って垂直電荷転送路が蛇行して配置され、複数の垂直電荷転送路の一端に水平電荷転送路が結合される。垂直電荷転送路は、行当り２転送段を有し、画素当たり４転送段を有する。

図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、図１Ａに示した正方格子配列の固体撮像装置の構成をより詳細に示す。図２Ａに示すように、正方格子配列の画素ＰＩＸの各列右側に沿って垂直電荷転送路ＶＣＣＤが形成されている。垂直電荷転送路ＶＣＣＤは、画素当たり３転送段を有し、全画素同時読み出しが可能である。画素（１行）当たり３転送段を形成するために、１行当り３転送電極が必要である。

図２Ｂは、転送電極を構成する３層ポリシリコン電極を示す。下層ポリシリコン電極ＥＬ，中層ポリシリコン電極ＥＭ，上層ポリシリコン電極ＥＵが酸化シリコン膜等の絶縁膜を介して積層され、３層ポリシリコン電極を構成している。３層ポリシリコン電極は、上下画素間の配線領域を通り、垂直電荷転送路上では各転送段上にそれぞれ配置されるようにパターニングされる。垂直電荷転送路は駆動信号φ１、φ２、φ３で３相駆動される。読み出し電圧を兼ねる駆動信号は、２つの配線で供給される。第１の画素群と第２の画素群を別タイミングで読み出し可能なように、例えば駆動信号φ２を、φ２Ａとφ２Ｂの２種で構成し、奇数行と偶数行にそれぞれ供給する。例えば、列方向に沿って、中層ポリシリコン電極ＥＭには、駆動信号φ２Ａとφ２Ｂの配線が交互に接続される。

図２Ｃは、画素構造を示す断面図である。ｎ型シリコン基板１１の上に、低濃度ｐ型ウェル１２がエピタキシャル成長またはエピタキシャル成長とイオン注入で形成されている。ｐ型ウェル１２内にイオン注入でｎ型領域１３が形成され、ホトダイオードの電荷蓄積領域を構成する。ｎ型基板１１、ｐ型ウェル１２、ｎ型領域１３は、縦型バイポーラ接合トランジスタ構造を形成し、ｎ型領域１３に蓄積される電子に対して、ｐ型ウェル１２がポテンシャルバリアを形成する。ｎ型基板１１にオーバーフロードレイン電圧ＶＯＤを印加することでバリア高を調節でき、基板１１に蓄積電荷を引き抜くこともできる（基板抜きシャッタ）。

各列はイオン注入で形成される高濃度ｐ型チャネルストップ領域１５で電気的に分離される。ｐ型領域を挟んで電荷蓄積領域１３と対向するように、垂直電荷転送路のｎ型チャネル領域１４がイオン注入で形成される。シリコン表面に酸化シリコン膜、ＯＮＯ膜（酸化膜/窒化膜/酸化膜の積層）等の絶縁膜１６が形成され、その上に駆動電圧φｉが印加されるポリシリコンの転送電極１９が化学気相堆積（ＣＶＤ）とパターニング等で形成される。図示した転送電極１９は、読み出し電極を兼ねる転送電極（図２Ｂにおける中層ポリシリコン電極ＥＭ）であり、チャネル領域１４上方から電荷蓄積領域１３に向かって延在する。なお、画素の断面構造はハニカム配置の場合も基本的には同一である。

図３Ａは、正方格子配列を有する固体撮像装置の駆動信号のタイミングチャートである。上からオーバーフロードレイン電圧ＶＯＤ，第２の画素群の垂直駆動信号φ２Ｂ，第１の画素群の垂直駆動信号φ２Ａ，水平駆動信号φＨを示す。図３Ｂ−３Ｅは、図３Ａに示すタイミングｔ２、ｔ３、ｔ４．ｔ５での電荷の様子を示す概略的平面図である。タイミングｔ１−ｔ２に、オーバーフロードレイン電圧ＶＯＤが高電圧となり、各画素ＰＩＸの蓄積電荷は基板に引き抜かれ、画素ＰＩＸがクリアされて新たな露光が開始される。駆動信号φ２Ｂはタイミングｔ３で高電位の読出電圧となり、その後タイミングｔ４で駆動信号φ２Ａが高電位の読出電圧となる。

図３Ｂに示すように、タイミングｔ２からｔ３に至るまでの短期間ｔＳ、全画素ＰＩＸで入射光に応じた信号電荷の蓄積が行われる。タイミングｔ３で駆動信号φ２Ｂが読み出し電圧となり、φ２Ｂを印加された画素ＰＩＸから垂直電荷転送路ＶＣＣＤに短期間ｔＳの蓄積電荷が読み出される。φ２Ａを印加された画素では読み出しは生ぜず、入射光に応じた電荷蓄積が継続する。

図３Ｃに示すようにタイミングｔ３−ｔ４では、入射光に応じた信号電荷の蓄積が行われる。垂直電荷転送路ＶＣＣＤは、タイミングｔ３で読み出した電荷を保持する。

図３Ａに示すように、タイミングｔ４で駆動信号φ２Ａが読み出し電圧になる。図３Ｄに示すように、タイミングｔ４で駆動信号φ２Ａが読み出し電圧となり、φ２Ａを印加された画素ＰＩＸから垂直電荷転送路ＶＣＣＤにタイミングｔ２からｔ４までの長期間ｔＬの蓄積電荷が読み出される。

図３Ａに示すように、タイミングｔ５以後、垂直電荷転送路では駆動（転送）信号φ１、φ２、φ３が印加され垂直転送が行われる。水平電荷転送路では、２相駆動信号φＨ１、φＨ２が印加される。

図３Ｅに示すように、垂直電荷転送路ＶＣＣＤで電荷転送が行われ，短期間露光の蓄積電荷の行、長期間露光の蓄積電荷の行が交互に水平電荷転送路ＨＣＣＤに供給される。水平電荷転送路ＨＣＣＤは、ＶＣＣＤから供給される電荷を１行ずつ出力アンプに向かって転送する
図４Ａは、固体撮像装置のシステム構成を示す。駆動信号を発生する制御回路ＣＴＬは撮像チップとは別のチップに形成しても、同一チップに集積化してもよい。固体撮像素子１０からの出力信号は、出力調整部２０に供給され、選択部２１で短時間露光の信号電荷は直接、長時間露光の信号電荷は信号スライス部２２でチョッピングされ、飽和電圧を揃えて、メモリを備えた出力合成部２４に送られ、行単位で加算が行われる。同色の２画素の出力信号が加算され、合成信号ＳＣが出力される。

図４Ｂは、合成信号の性質を示すグラフである。横軸は露光エネルギ密度（照度）を示し、縦軸は出力信号および合成信号の電圧を示す。短期間露光の出力信号をｔＳで示し、長期間露光の出力信号をｔＬで示す。長期間露光ｔＬでは、電荷蓄積期間が長いので、露光エネルギ密度が低くても出力信号は速やかに立ち上がる。速やかな立ち上がりは、速い飽和となる。飽和エネルギより大きい露光エネルギ密度の識別はできない。短期間露光ｔＳでは、電荷蓄積期間が短いので、露光エネルギ密度の増加に対する出力信号の増加は緩やかであり、飽和する露光エネルギ密度は高くなる。合成信号ＳＣは、長期間露光の出力信号ｔＬと短期間露光の出力信号ｔＳを加算するので、立ち上がりは速く，飽和は高エネルギ密度の信号が得られる。長期間露光の出力信号が飽和する露光エネルギ密度を基準とすると、広ダイナミックレンジ化が達成できる。

短期間露光と長期間露光とは重複して行なわれ、出力信号は同時に出力されるので、同時性の高い、広ダイナミックレンジの画像を短時間で得られる。車輌用衝突防止モニタなど、相対的に高速度で移動する物体のモニタ等にも適した特性が得られる。短期間と長期間の比を選択することにより、所望のダイナミックレンジを得ることができる。例えば、戸外の監視用モニタ等の感度、ダイナミックレンジを外界や対象物の明るさに応じて調整することもできる。

なお、短期間露光と長期間露光とを同時に開始し、短期間露光終了の後長期間露光を終了する場合を説明したが、短期間露光の期間が長期間露光の期間に含まれるなら同様の効果を得られる。各画素ごとまたは各行ごとにクリア機構を設ければ、露光開始を選択的に行うことができる。

図５Ａ，５Ｂはハニカム配列の画素を有する固体撮像素子の構成、動作を示す。

図５Ａに示すように、ハニカム配列の画素は、第１の正方格子配列の第１の画素群の画素ＰＩＸ１とその格子間位置に配置される第２の正方格子配列の第２の画素群の画素ＰＩＸ２から構成される。各画素列に沿って垂直電荷転送路ＶＣＣＤが蛇行しつつ、縦方向に延在し、列間にはチャネルストッパＣＳが形成されている。水平方向に隣接する画素間には、２つのＶＣＣＤが配置され、斜め方向に隣接する画素間には１つのＶＣＣＤが配置される。

各画素ＰＩＸの上側、下側を回り込むように２電極が配置され、垂直電荷転送路ＶＣＣＤと交差して水平方向に延在する。各列において、画素ＰＩＸは１つ置きに配置されているので、１画素当たり２行の４電極が４転送段を形成する。４相駆動信号φ１、φ２、φ３、φ４が、繰り返し転送電極に印加される。なお、ハニカム配列の固体撮像素子の構成、製造技術に関しては例えば、特許文献１−５、特開平１０−１３６３９１号、特開２００１−１１１０２７号（ＵＳＰ６，９１４，６３３）の実施例の欄の記載を参照できる。

駆動信号φ１とφ３が読み出し信号を兼ねるとする。φ３が読み出し電圧になると、矢印で示すように第２の画素群の画素ＰＩＸ２の蓄積電荷が右側に隣接するＶＣＣＤに読み出される。

図５Ｂは、その後、他の駆動信号φ１が読み出し電圧になった時を示す。第１の画素群の画素ＰＩＸ１の蓄積電荷が右側に隣接するＶＣＣＤに読み出される。第１の画素群の信号電荷は第２の画素群の信号電荷とは異なるＶＣＣＤに読み出される。４相駆動を開始する前に電荷位置を調整すると、同一行に第１の画素群の電荷と第２の画素群の電荷が交互に配置されるようになる。

図６Ａは、ハニカム配列の固体撮像素子の駆動信号のタイミングチャートを示し、図６Ｂ−６Ｅは、図６Ａ中に示されるタイミングｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５での電荷の様子を示す概略的平面図である。なお、図６Ｂ−６Ｅにおいては、行方向位置、列方向位置を判り易くするように、蛇行するＶＣＣＤを直線的に示している。

図６Ａに示すタイミングｔ１−ｔ２に、オーバーフロードレイン電圧ＶＯＤが高電圧となり、各画素の蓄積電荷は基板に引き抜かれ、全画素ＰＩＸがクリアされて新たな露光が開始される。駆動信号φ３はタイミングｔ３で高電位となり、その後タイミングｔ４で駆動信号φ１が高電位となる。

図６Ｂに示すように、タイミングｔ２からｔ３に至るまでの短期間ｔＳ、全画素ＰＩＸで入射光に応じた信号電荷の蓄積が行われる。タイミングｔ３で駆動信号φ３が読み出し電圧となり、φ３を印加された第２の画素群の画素ＰＩＸ２から垂直電荷転送路ＶＣＣＤに短期間ｔＳの蓄積電荷が読み出される。φ１を印加された画素では読み出しは生ぜず、入射光に応じた電荷蓄積が継続する。

図６Ｃに示すようにタイミングｔ３−ｔ４では、入射光に応じた信号電荷の蓄積が行われる。垂直電荷転送路ＶＣＣＤは、タイミングｔ３で読み出した電荷を保持する。

図６Ａに示すように、タイミングｔ４で駆動信号φ１が読み出し電圧になる。
図６Ｄに示すように、タイミングｔ４で駆動信号φ１が読み出し電圧となり、φ１を印加された画素ＰＩＸ１から垂直電荷転送路ＶＣＣＤにタイミングｔ２からｔ４までの長期間ｔＬの蓄積電荷が読み出される。

図６Ａに示すように、タイミングｔ５以後、垂直電荷転送路では４層駆動信号φ１、φ２、φ３、φ４が印加され垂直転送が行われる。水平電荷転送路では、２相駆動信号φＨ１、φＨ２が印加される。

図６Ｅに示すように、垂直電荷転送路ＶＣＣＤで電荷転送が行われ，短期間露光の蓄積電荷、長期間露光の蓄積電荷が交互に配列された２画素行分の電荷行が水平電荷転送路ＨＣＣＤに供給される。水平電荷転送路ＨＣＣＤは、ＶＣＣＤから供給される２画素行分の電荷行を出力アンプに向かって転送する。

固体撮像装置のシステムは、図４Ａに示したものと同様でよいが、選択部２１は、行毎の切り替えではなく、電荷毎の切り替えを行い、２行分の信号画素行を各行に分離する。合成部２４は、信号画素を一旦メモリし、対応する２画素毎に加算する。
出力信号と合成信号の特性は図４Ｂに示したものと同様である。

図７Ａは、変形例の駆動信号のタイミングチャートを示す。図３Ａに示したタイミングチャートと比較すると、ストロボ等の補助光源発光信号ＳＴＲが追加されている。ストロボ発光信号ＳＴＲは、短期間露光ｔＳが修了した後、即ちタイミングｔ３以後、長期間露光ｔＬが終了する前、即ちタイミングｔ４以前にトリガされる。

短期間露光には影響を与えず、長期間露光の積分露光エネルギを増大させることができる。なお、ストロボ発光により光量は確保できるので、長期間露光の蓄積電荷読み出しは補助光源発光後の任意のタイミングまで早めてもよい。その他の点は、図３Ａと同様である。

なお、図６Ａに示すハニカム配列の撮像装置の場合も、短期間露光ｔＳ後長期間露光ｔＬ終了前に補助光源を発光させることができる。短期間露光と長期間露光の開始タイミングが異なる場合は、補助光源の発光は短期間露光期間外で、長期間露光期間内に行なえばよい。

図７Ｂは、補助光源を発光させた時の特性を示すグラフである。短期間露光ｔＳの特性は、補助光源発光の影響を受けない。長期間露光ｔＬの特性は、図４Ｂの特性と比較すると、低照度側にシフトすると考えられよう。合成信号も図４Ｂの場合より、低照度側にシフトする。ダイナミックレンジをさらに拡げることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、２画素を１組として、露光期間が２種類の並行露光を行なう場合を説明したが、３画素（３行）以上を１組として、露光期間が３種類以上の並行露光を実行してもよい。その他、種々の変更、改良、組合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。

図１Ａ，１Ｂは、正方格子配列の画素行列とハニカム配列の画素行列を示す概略平面図である。 図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、図１Ａに示した正方格子配列の固体撮像装置の構成をより詳細に示す概略平面図及び断面図である。 図３Ａは、正方格子配列固体撮像装置の駆動信号のタイミングチャート、図３Ｂ−３Ｅは、図３Ａに示すタイミングｔ２、ｔ３、ｔ４．ｔ５での電荷の様子を示す概略的平面図である。 図４Ａ、４Ｂは、固体撮像装置のシステム構成を示すブロック図、出力信号、合成信号の特性を示すグラフである。 図５Ａ，５Ｂはハニカム配列の画素を有する固体撮像素子の構成、動作を示す概略平面図である。 図６Ａは、ハニカム配列の固体撮像素子の駆動信号のタイミングチャート、図６Ｂ−６Ｅは、図６Ａ中に示されるタイミングｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５での電荷の様子を示す概略的平面図である。 図７Ａ、７Ｂは、補助光源を用いる変形例の駆動信号のタイミングチャート、および補助光源を発光させた時の特性を示すグラフである。

符号の説明

ＶＣＣＤ 垂直電荷転送路
ＨＣＣＤ 水平電荷転送路
ＰＩＸ 画素
Ｒ 赤色フィルタ（画素）
Ｇ 緑色フィルタ（画素）
Ｂ 青色フィルタ（画素）
ＯＡ 出力アンプ
ＥＬ 下層ポリシリコン電極
ＥＭ 中層ポリシリコン電極
ＥＵ 上層ポリシリコン電極
ＶＯＤ オーバーフロードレイン電圧
φ （垂直）駆動信号
φＨ （水平）駆動信号
ｔＳ 短期間（露光）
ｔＬ 長期間（露光）
ＣＴＬ 制御回路
１０ 固体撮像素子
１１ ｎ型シリコン基板
１２ ｐ型ウェル
１３ ｎ型領域（電荷蓄積領域）
１４ ｎ型チャネル領域
１６ 絶縁膜
１９ 転送（ポリシリコン）電極
２０ 出力調整部
２１ 選択部
２２ 信号スライス部
２４ 出力合成部

Claims (14)

1. 第１導電型の第１領域と、前記第１導電型領域に接して形成され、第１導電型と逆導電型である第２導電型を有する第２領域とを有する半導体基板と、
   前記半導体基板に行列状に配置された多数の画素であって、第１の画素群と第２の画素群とを含み、第１の画素群の行と第２の画素群の行とが列方向に沿って隣接して配置され、各前記画素が前記第２領域中に形成された第１導電型の電荷蓄積領域を有する、多数の画素と、
   各画素列に沿って、前記半導体基板に形成された垂直転送路と、
   行方向に沿って前記半導体基板上方に形成され、垂直転送路を横断する転送電極と、
   隣接する第１の画素群、第２の画素群の２画素上に同一色カラーフィルタが配置されるように、各画素上方に形成されたカラーフィルタ群と、
   前記第１領域に逆バイアスパルスを印加することで前記第1の画素群と第２の画素群の画素を同一時刻に露光開始し，連続した第1の露光期間経過後の同一時刻に第１の画素群の画素を、信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで、露光終了し、連続した第２の露光期間経過後の同一時刻に第２の画素群の画素を、信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで、露光終了し、第２の露光期間が第１の露光期間よりも短い露光を行なう制御回路と、
   を有する固体撮像装置。
2. 前記各垂直電荷転送路の１端に結合され、垂直電荷転送路を転送された信号電荷を受けることができる水平電荷転送路をさらに有する請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記多数の画素が正方格子状に配列され、前記垂直転送路が１画素当り、３転送段以上を有し、全画素同時読み出し可能である請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記制御回路は、信号電荷を前記垂直転送路に読み出した後、前記垂直転送路を駆動し、前記第１の画素群の信号電荷の行と前記第２の画素群の信号電荷の行とを交互に前記水平電荷転送路に出力する機能を有する請求項３記載の固体撮像装置。
5. 第１の画素群が、正方格子状に配列され、前記第２の画素群が前記第１の画素群の格子間位置に配置されて全体としてハニカム配列を構成し、前記第１の画素群と前記第２の画素群が異なる行、異なる列を構成し、前記垂直転送路が１画素当り、４転送段以上を有し、全画素同時読み出し可能である請求項１または２記載の固体撮像装置。
6. 前記制御回路は、信号電荷を前記垂直転送路に読み出した後、前記垂直転送路を駆動し、前記第１の画素群の信号電荷と前記第２の画素群の信号電荷を水平方向に交互に配列した信号電荷行を前記水平電荷転送路に出力する機能を有する請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記制御回路が、前記第２の画素群の露光期間外、かつ前記第１の画素群の露光期間内に補助光源を発光させる機能を有する請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像装置。
8. 第１導電型の第１領域と、前記第１導電型領域に接して形成され、第１導電型と逆導電型である第２導電型を有する第２領域とを有する半導体基板と、
   前記半導体基板に行列状に配置された多数の画素であって、第１の画素群と第２の画素群とを含み、第１の画素群の行と第２の画素群の行とが列方向に沿って隣接して配置され、各前記画素が前記第２領域中に形成された第１導電型の電荷蓄積領域を有する、多数の画素と、
   各画素列に沿って、前記半導体基板に形成された垂直転送路と、
   行方向に沿って前記半導体基板上方に形成され、垂直転送路を横断する転送電極と、
   隣接する第１の画素群、第２の画素群の２画素上に同一色カラーフィルタが配置されるように、各画素上方に形成されたカラーフィルタ群と、
   を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   （ａ）前記第１領域に逆バイアスパルスを印加することで前記第1の画素群と第２の画素群の画素を同一時刻に露光開始する工程と、
   （ｂ）露光開始後，連続した第1の露光期間経過後の同一時刻に、信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで、第１の画素群の画素を露光終了する工程と、
   （ｃ）露光開始後，連続した第２の露光期間経過後の同一時刻に、信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで、第２の画素群の画素を露光終了する工程であって、第２の露光期間が第１の露光期間よりも短い工程と、
   を含む固体撮像装置の駆動方法。
9. 前記固体撮像装置が、前記各垂直電荷転送路の１端に結合され、垂直電荷転送路を転送された信号電荷を受けることができる水平電荷転送路をさらに有し、
   （ｄ）前記垂直転送路を駆動し、前記垂直電荷転送路を転送された信号電荷を前記水平電荷転送路に順次出力する工程
   をさらに含む請求項８記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. 前記多数の画素が正方格子状に配列され、前記垂直転送路が１画素当り、３転送段以上を有する請求項９記載の固体撮像装置の駆動方法。
11. 前記工程（ｄ）は、信号電荷を前記垂直転送路に読み出した後、前記垂直転送路を駆動し、前記第１の画素群の信号電荷の行と前記第２の画素群の信号電荷の行とを交互に前記水平電荷転送路に出力する請求項１０記載の固体撮像装置の駆動方法。
12. 第１の画素群が、正方格子状に配列され、前記第２の画素群が前記第１の画素群の格子間位置に配置されて全体としてハニカム配列を構成し、前記第１の画素群と前記第２の画素群が異なる行、異なる列を構成し、前記垂直転送路が１画素当り、４転送段以上を有する請求項９記載の固体撮像装置の駆動方法。
13. 前記工程（ｄ）は、信号電荷を前記垂直転送路に読み出した後、前記垂直転送路を駆動し、前記第１の画素群の信号電荷と前記第２の画素群の信号電荷を水平方向に交互に配列した信号電荷の行を順次前記水平電荷転送路に出力する請求項１２記載の固体撮像装置の駆動方法。
14. （ｅ）前記第２の画素群の露光期間外、かつ前記第１の画素群の露光期間内に補助光源を発光させる工程をさらに含む請求項８〜１３のいずれか１項記載の固体撮像装置の駆動方法。

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