JP2004312497A - 固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】長時間露光を行う場合であっても、また遮光膜の遮光特性不足や欠陥等があっても、正確な暗電流成分の除去を行うことを可能にする。
【解決手段】入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域１０と、暗電流基準信号を得るためのオプティカルブラック領域２０とを備えた固体撮像素子１において、オプティカルブラック領域２０を、第１領域と第２領域とからなる２種類の領域によって構成する。そして、第１領域は、遮光膜のみによって入射光が遮られ、第２領域は、その遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され、これらの両方によって入射光が遮られるようにする。
【選択図】 図２
【解決手段】入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域１０と、暗電流基準信号を得るためのオプティカルブラック領域２０とを備えた固体撮像素子１において、オプティカルブラック領域２０を、第１領域と第２領域とからなる２種類の領域によって構成する。そして、第１領域は、遮光膜のみによって入射光が遮られ、第２領域は、その遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され、これらの両方によって入射光が遮られるようにする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有効撮像領域とオプティカルブラック領域を備えた固体撮像素子、およびその固体撮像素子の駆動方法、並びにその固体撮像素子を備えて構成されたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の固体撮像素子は、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、その信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック（光学的黒）領域とを備えている。そして、有効撮像領域からの信号電荷は、そのオプティカルブラック領域からの信号を基準に演算処理されて暗電流成分が除去される。
【０００３】
オプティカルブラック領域は、その全面に遮光膜が形成されている点で、有効撮像領域とは異なる。すなわち、オプティカルブラック領域では、有効撮像領域とは異なり、受光部（電荷蓄積部）に対応した位置に開口が設けられておらず、受光部の上にも遮光膜が存在する。そして、信号出力時には、オプティカルブラック領域の電荷が、黒レベルの基準となる暗電流基準信号として読み出されるのである。
【０００４】
ところで、オプティカルブラック領域では、遮光膜によって入射光を遮り、これにより暗電流基準信号を得ているため、遮光膜の遮光特性不足や欠陥等があると、例えば高輝度被写体撮像時に遮光膜の光透過が生じてしまうおそれがある。このような遮光膜の光透過は、暗電流基準信号に光透過による成分が加わることになるので、正確な暗電流成分の除去が行われず、撮像結果に例えば横筋状のノイズの発生を招いてしまうことになる。
【０００５】
これに対し、有効撮像領域とオプティカルブラック領域とを備えた固体撮像素子としては、オプティカルブラック領域の受光部で発生した電荷を蓄積せずに半導体基板へ掃き出す構成のものも提案されている（例えば、特許文献１）。これは、露光蓄積時間が短く、しかも受光部の暗電流値が垂直転送レジスタ（ＣＣＤの場合）の暗電流値に比較して少ない場合に、主に受光部暗電流を除く垂直転送レジスタの暗電流値を暗電流基準信号として用いるものである。かかる構成の固体撮像素子は、オプティカルブラック領域の受光部で発生した電荷を暗電流基準信号として用いないため遮光膜の光透過に極めて強く、またＨＡＤ（Ｈｏｌｅ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ）センサ等の低暗電流構造の導入と相まって、現在主流のオプティカルブラック構造として採用されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２９１７３６１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、固体撮像素子は、例えばディジタルスチルカメラのように、長時間露光を行うものへの用途が増えつつある。そのため、従来構造の固体撮像素子では、以下に述べるような問題点が生じてしまうことが考えられる。
【０００８】
例えば、長時間露光を行う場合に、有効撮像領域における暗電流値は、Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）＋ｎ×Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）となる。ここで、Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）は垂直転送レジスタの暗電流値、Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）は受光部の暗電流値、ｎは長時間露光蓄積時間／通常露光蓄積時間の値である。なお、通常露光蓄積時間とは、一般的な固体撮像素子における露光蓄積時間をいい、具体的には１／３０秒がこれに相当する。
【０００９】
これに対して、特許文献１に開示された固体撮像素子では、オプティカルブラック領域の受光部で発生した電荷を暗電流基準信号として用いないため、垂直転送レジスタの暗電流値であるＤａｒｋ（Ｖｒｅｇ）のみを暗電流基準信号として用いることになる。ところが、ｎの値が大である場合には、Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）の値を無視することができない。具体的には、例えばディジタルスチルカメラでは、ｎの値として３０〜２００の要求がある。したがって、かかる固体撮像素子におけるオプティカルブラック構造は、長時間露光を行う場合には、正確な暗電流成分の除去が行われない可能性があり、必ずしも好適であるとは言えない。
【００１０】
この点については、オプティカルブラック領域の受光部で発生した電荷をも暗電流基準信号として用いることで、ｎの値が大であっても正確な暗電流成分の除去を行い得るようにすることが考えられる。ところが、その場合には、依然として遮光膜の遮光特性不足や欠陥等に関する問題を解決することができない。つまり、遮光性が完全である遮光膜を得ることは、現実的ではない。
【００１１】
そこで、本発明は、長時間露光を行う場合であっても、また遮光膜の遮光特性不足や欠陥等があっても、正確な暗電流成分の除去を行うことが可能な固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された固体撮像素子である。すなわち、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えた固体撮像素子において、前記オプティカルブラック領域は、第１領域と第２領域とからなり、前記第１領域は、遮光膜のみによって入射光が遮られ、前記第２領域は、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され、当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された固体撮像素子の駆動方法である。すなわち、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えるとともに、当該オプティカルブラック領域が、遮光膜のみによって入射光が遮られる第１領域と、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られる第２領域とからなる固体撮像素子に対して、前記第１領域から得られる信号と、前記第２領域から得られる信号と、前記減光膜の所定減光率とを基に、前記遮光膜での光透過成分がない暗電流信号を演算により求め、当該暗電流信号を前記基準信号として用いて、前記有効撮像領域にて得られた信号電荷から暗電流成分を除去することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出されたカメラシステムである。すなわち、光電変換を行う固体撮像素子と、当該固体撮像素子からの出力に対する信号処理を行う制御回路とを備えたカメラシステムにおいて、前記固体撮像素子は、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えるとともに、当該オプティカルブラック領域が、遮光膜のみによって入射光が遮られる第１領域と、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られる第２領域とからなるものであり、前記制御回路は、前記第１領域から得られる信号と、前記第２領域から得られる信号と、前記減光膜の所定減光率とを基に、前記遮光膜での光透過成分がない暗電流信号を演算により求める演算手段と、前記演算手段が求めた暗電流信号を前記基準信号として用いて、前記固体撮像素子の有効撮像領域にて得られた信号電荷から暗電流成分を除去する信号処理手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
上記構成の固体撮像素子、および上記手順による固体撮像素子の駆動方法、並びに上記構成のカメラシステムによれば、固体撮像素子のオプティカルブラック領域が２種類の領域、すなわち第１領域および第２領域からなり、第１領域では遮光膜のみによって、また第２領域では遮光膜および減光膜の両方によって、入射光が遮られる。ここで、遮光膜とは、入射光を遮る目的で形成された膜をいう。一方、減光膜とは、入射光に対して所定減光率で減光した光を透過させる目的で形成された膜をいう。この減光膜における所定減光率は固定値である。したがって、その所定減光率を用いて第１領域から得られる信号と第２領域から得られる信号との比較演算を行えば、遮光膜に遮光特性不足や欠陥等があっても、その遮光膜における光透過成分を算出し得る。そして、算出した光透過成分を基にすることで、オプティカルブラック領域での光透過成分がない場合における暗電流成分が求まる。
また、遮光膜における光透過成分を算出し得ることから、遮光膜に遮光特性不足や欠陥等があっても、オプティカルブラック領域に蓄積された電荷を暗電流基準信号として用いることでき、光透過成分の影響を除去するために例えばＣＣＤ構造における垂直転送レジスタの暗電流値といった一部の暗電流値のみを暗電流基準信号として用いる必要がない。したがって、露光時間の長短にかかわらず、有効撮像領域における信号電荷の読み出し態様に即した暗電流基準信号を基にして、その信号電荷から暗電流成分を除去し得るようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムについて説明する。
【００１７】
先ず、カメラシステムについて説明する。ここで説明するカメラシステムは、固体撮像素子を用いて被写体を撮像するもので、例えばディジタルスチルカメラのように固体撮像素子の長時間露光による静止画の撮像に対応し得るものである。ここで、長時間露光とは、動画を撮像する場合の一般的な固体撮像素子での露光蓄積時間である１／３０秒に対し、ｎ倍（ｎは３０〜２００）程度の露光蓄積時間で露光を行うことをいう。
【００１８】
図１は、長時間露光を行うカメラシステムの概略構成の一例を示す説明図である。図例のように、ここで説明するカメラシステムは、光電変換を行う固体撮像素子１を備えている。そして、被写体２が光学系３およびアイリス系４を経て固体撮像素子１に結像されて、その固体撮像素子１にて光学像が電気信号（画像信号）に変換されるようになっている。
【００１９】
固体撮像素子１にて得られた画像信号の一部は、検波回路５に供給されて、その振幅レベルが検出される。そして、その検出出力およびその検出出力と基準レベル電圧ＶＲＥＦとの比較回路６での比較結果を基に、アイリス系４を駆動する駆動モータ７ａのドライバ７ｂが、アイリス系４の開口、すなわち絞りの制御を行って、画像信号の振幅レベルが所定レベルとなるようにする。さらには、検波回路５での検出出力および比較回路６での比較結果を基に、固体撮像素子１の駆動する制御する駆動回路８が、その固体撮像素子１での電圧変換効率を制御して、これによっても画像信号の振幅レベルが所定レベルとなるようにする。
【００２０】
また、固体撮像素子１の後段には、その固体撮像素子１にて得られた画像信号に対して、所定の信号処理を行う制御回路９が設けられている。制御回路９が行う信号処理としては、その一つとして、例えば暗電流成分の除去処理が挙げられる。
【００２１】
通常、固体撮像素子では光を遮断した状態でも時間の経過とともに電荷が蓄積されてくる。このように光に関係なく蓄積される電荷を暗電流という。暗電流が一様であれば、電気的に補正・除去することができる。すなわち、暗電流の基準値を検出し、この値をクランプしてそこからの変化量を求めることで、信号成分だけが得られることになる。これが、暗電流成分の除去処理である。
【００２２】
このような暗電流成分の除去処理を行うために、制御回路９は、例えばＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって構成することが考えられる。ただし、制御回路９は、必ずしもＤＳＰである必要はなく、同様の機能を発揮し得るものであれば、アナログ回路からなるものであっても、あるいはアナログ回路とデジタル回路の組み合わせからなるものであっても構わない。また、制御回路９は、所定の信号処理として、暗電流成分の除去処理に加えて、それ以外の各種処理を行うものであってもよいことは勿論である。
【００２３】
次に、以上のような構成のカメラシステムにて用いられる固体撮像素子１、すなわち本発明に係る固体撮像素子について説明する。図２は、本発明に係る固体撮像素子の概略構成の一例を示す模式図である。図例のように、ここで説明する固体撮像素子１は、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域１０と、その信号電荷から暗電流成分を除去するための暗電流基準信号を得るためのオプティカルブラック（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ、以下「ＯＢ」と略す）領域２０とを備えている。ＯＢ領域２０は、有効撮像領域１０の周囲を囲むように配設され、水平（Ｈ）方向の両端に合わせて２０〜５０画素程度、垂直（Ｖ）方向の両端に合わせて１０〜２０画素程度配設されている。そして、有効撮像領域１０からの信号電荷が、ＯＢ領域２０からの暗電流基準信号を基準に演算処理されて、これにより暗電流成分の除去処理がされ得るようになっている。
【００２４】
なお、固体撮像素子１では、有効撮像領域１０およびＯＢ領域２０の他にも、水平転送レジスタ３０やフローティングディフュージョンアンプ４０等を備えているが、これらについては従来と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００２５】
図３は、有効撮像部の断面構造の一例を示す断面図である。有効撮像領域１０では、シリコン基板１００の表面にｎ＋型の不純物拡散領域１０１が形成されており、このｎ＋型の不純物拡散領域１０１が形成された領域が受光部として機能する。また、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１に隣接して、読み出し部１０２が形成され、その読み出し部１０２に隣接してチャンネル層１０３が形成されている。このチャンネル層１０３は、電荷を転送する垂直転送レジスタとして機能するものであり、その上の転送電極１０４により駆動される。そして、有効撮像領域１０では、受光部を構成するｎ＋型の不純物拡散領域１０１上が開口している。すなわち、遮光膜１０５は、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１上には形成されていない。この遮光膜１０５は、入射光を遮る目的で形成された膜をいい、具体的にはアルミニウム等の金属薄膜が挙げられる。なお、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１上には、平坦化膜１０６を介して、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれかの色成分に対応したカラーフィルタ１０７が配設されている。
【００２６】
一方、ＯＢ領域２０は、２種類の領域、すなわち第１領域および第２領域からなる。図４は、ＯＢ領域における第１領域の断面構造の一例を示す断面図である。図例のように、第１領域２１では、全面に遮光膜１０５が形成されている。すなわち、有効撮像領域１０と同じ構造にそれぞれ形成されたｎ＋型の不純物拡散領域１０１、読み出し部１０２、チャンネル層１０３、転送電極１０４等の各部が、全て遮光膜１０５によって覆われている。したがって、第１領域２１では、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１への入射光が、遮光膜１０５によって遮られることになる。
【００２７】
また、図５は、ＯＢ領域における第２領域の断面構造の一例を示す断面図である。図例のように、第２領域２２では、上述した第１領域２１と略同様に構成されているが、遮光膜１０５のさらに上方に平坦化膜１０６を介して減光膜として機能するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ１０８が配設されている点で異なる。したがって、第２領域２２では、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１への入射光が、遮光膜１０５およびＮＤフィルタ１０８によって遮られることになる。
【００２８】
ＮＤフィルタ１０８は、光の可視スペクトル部分の各波長に対して略均等な吸収をする（非選択性の透過率）フィルタであり、光の波長成分を変化させることなく減光させるものである。すなわち、入射光に対して所定減光率で減光した光を透過させる目的で形成された膜をいう。具体的には、カラーフィルタ１０７と同様に、光吸収性のある樹脂材料による膜に顔料を混在させたものが挙げられる。このような構成のＮＤフィルタ１０８においては、当該ＮＤフィルタ１０８を形成する際の顔料の種類、樹脂中顔料密度、樹脂膜厚等を適宜変えることで、その減光率を調整することが可能である。減光率は、例えば顔料として黒色の無機顔料を用い、カラーフィルタ１０７と同様の膜厚で形成した場合に、１／５〜１／１００の間の値となる減光特性が得られる。減光率の値としては、当該値の制御性の良好さやフィルタ形成の容易さ等の理由から１／５〜１／１００の間に設定することが望ましいが、その範囲内の値であればどの値に設定しても構わない。つまり、ＮＤフィルタ１０８は、上記範囲内で所望の減光率となるように、顔料の種類、樹脂中顔料密度、樹脂膜厚等を適宜調整して形成すればよい。これにより、その減光率の値が予めわかっている、すなわち所定減光率の減光膜として機能するＮＤフィルタ１０８が得られることになる。
【００２９】
このような第１領域２１および第２領域２２からなるＯＢ領域２０は、以下に述べるような平面的なパターン構成を有している。図６〜８は、２種類の領域からなるＯＢ領域のパターン構成例を示す図であり、図２におけるＡ部の拡大図である。パターン構成としては、例えば図６に示すように、第１領域２１と第２領域２２とが、画素毎、すなわち各領域２１，２２におけるｎ＋型の不純物拡散領域１０１毎に、交互に市松状（チェッカーパターン状）に配されたものが挙げられる。また、例えば図７に示すように、第１領域２１と第２領域２２とが、画素毎に、交互に筋状（ストライプパターン状）に配されたものであってもよい。さらには、例えば図８に示すように、第１領域２１と第２領域２２とが、複数の画素からなるブロック毎に、交互にチェッカーパターン状（またはストライプパターン状）に配されたものも考えられる。
【００３０】
このように、ＯＢ領域２０のパターン構成は、有効撮像領域１０およびＯＢ領域２０におけるそれぞれのｎ＋型の不純物拡散領域１０１から例えば水平走査ライン毎に信号電荷を水平転送レジスタ３０へ読み出す固体撮像素子１であれば、同一の水平走査ライン上に必ず第１領域２１と第２領域２２とが混在しているように、チェッカーパターン状またはストライプパターン状に配されている。これと同様に、例えば垂直走査ライン毎に信号電荷を読み出すものであれば、同一の垂直走査ライン上に必ず第１領域２１と第２領域２２とが混在しているものとする。
【００３１】
ここで、このようなパターン構成のＯＢ領域２０の製造方法について簡単に説明する。ＯＢ領域２０の第２領域２２におけるＮＤフィルタ１０８は、有効撮像領域１０におけるカラーフィルタ１０７と同様の成膜手順によって形成すればよい。また、第１領域２１と第２領域２２とのパターン分けは、周知のリソグラフィー技術を利用して実現すればよい。
【００３２】
次に、以上のような構成の固体撮像素子１を用いたカメラシステムにおける処理動作例、すなわち本発明に係る固体撮像素子の駆動方法について説明する。ここでは、信号電荷を固体撮像素子１の水平走査ライン毎に読み出す場合を例に挙げて説明する。
【００３３】
カメラシステムでは、被写体２が固体撮像素子１に結像されて、長時間露光に対応した所定の露光蓄積時間（１／３０秒のｎ倍、ｎは３０〜２００）信号電荷が蓄積されると、その蓄積された信号電荷が画像信号として読み出されて、制御回路９へ送出される。このとき、信号電荷の読み出しは水平走査ライン毎に行われるので、１ライン分の中には有効撮像領域１０からの読み出し結果とＯＢ領域２０からの読み出し結果とが含まれ、さらにＯＢ領域２０からの読み出し結果には、第１領域２１からの読み出し結果と第２領域２２からの読み出し結果とが含まれる。
【００３４】
ここで、ＯＢ領域２０からの読み出し結果を「黒信号」とし、第１領域２１からの黒信号を「Ｏｕｔ１」とすると、当該Ｏｕｔ１は、上述の長時間露光に対応した露光条件の下では、以下の（１）式によって求めることができる。
【００３５】
Ｏｕｔ１＝Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）＋ｎ×Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）＋Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）…（１）
（ただし、Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）は遮光膜１０５における光透過による成分）
【００３６】
一方、第２領域２２からの黒信号を「Ｏｕｔ２」とすると、当該Ｏｕｔ２は、上述の長時間露光に対応した露光条件の下では、以下の（２）式によって求めることができる。
【００３７】
Ｏｕｔ２＝Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）＋ｎ×Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）＋Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）×α…（２）
（ただし、αはＮＤフィルタ１０８における減光率）
【００３８】
このとき、ＮＤフィルタ１０８における減光率αは、当該ＮＤフィルタ１０８を形成する際の顔料の種類、樹脂中顔料密度、樹脂膜厚等によって特定される。すなわち、減光率αは、既知の固定値である。したがって、その減光率αを用いて、第１領域２１からの黒信号Ｏｕｔ１と第２領域２２からの黒信号Ｏｕｔ２との比較演算を行えば、遮光膜１０５における光透過による成分Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）を算出し得るようになる。具体的には、以下の（３）式によってＩ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）を求めることができる。
【００３９】
Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）＝（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）／（１−α）…（３）
【００４０】
そして、算出した光透過成分Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）を基にすれば、これより正味の黒信号であるところのＤａｒｋ（Ｖｒｅｇ）＋ｎ×Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）の値が得られるようになる。すなわち、ＯＢ領域２０での光透過成分がない場合における暗電流自体が得られる。
【００４１】
このことから、制御回路９では、１ライン分の画像信号を受け取ると、第１領域２１からの黒信号Ｏｕｔ１と、第２領域２２からの黒信号Ｏｕｔ２と、ＮＤフィルタ１０８における減光率αとを基に、上述した（１）〜（３）式による演算を行って、遮光膜１０５での光透過成分がない場合における暗電流値を求める。この演算は、制御回路９がＤＳＰからなる場合には、そのＤＳＰにおける演算処理機能を用いて行えばよい。
【００４２】
具体的には、ＮＤフィルタ１０８における減光率α＝１／１０、標準露光時間としてｎ＝１である場合を例に考える。このとき、入射光量が飽和出力の１００倍光量（飽和出力５００ｍＶ）＝５００００ｍＶ、遮光膜１０５の光透過特性＝０．０１％（対入射光量）、第１領域２１への光透過出力＝５００００ｍＶ×０．０１％＝５ｍＶ、第２領域２２への光透過出力＝５ｍＶ×０．１＝０．５ｍＶ、垂直転送レジスタの暗電流値＝１ｍＶ、標準露光時（１／３０秒）の受光部暗電流＝０．２ｍＶとすると、（１）式からＯｕｔ１＝１ｍＶ＋０．２ｍＶ＋５ｍＶ＝６．２ｍＶとなる。また、（２）式からＯｕｔ２＝１ｍＶ＋０．２ｍＶ＋０．５ｍＶ＝１．７ｍＶとなる。減光率αが既知の固定値（α＝１／１０）であれば、（３）式より、Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）＝（６．２ｍＶ−１．７ｍＶ）／（１−０．１）＝５ｍＶとなり、これにより正味の暗電流成分が求まるわけである。
【００４３】
なお、ここで挙げた（１）〜（３）式および具体的な数値は、単なる一具体例に過ぎず、これに限定されるものではない。すなわち、制御回路９は、第１領域２１からの黒信号Ｏｕｔ１と、第２領域２２からの黒信号Ｏｕｔ２と、ＮＤフィルタ１０８における減光率αとを基に、遮光膜１０５での光透過成分がない正味の暗電流成分を求めるものであれば、他の演算式等を用いるものであっても構わない。
【００４４】
また、制御回路９では、暗電流成分を求める演算を行うのにあたって、第１領域２１からの黒信号Ｏｕｔ１および第２領域２２からの黒信号Ｏｕｔ２を基にするが、これらの黒信号Ｏｕｔ１，Ｏｕｔ２は、それぞれ一つの画素から得られたものであってもよいし、複数の画素から得られたものを基にしたもの（例えば、その平均値）であってもよい。一つの画素から得られたものであれば、演算処理にあたっての負荷軽減が図れ、結果として処理の迅速化を実現し得るようになる。また、複数のから得られたものであれば、黒信号に生じる誤差要因を極力排除することができ、結果として演算結果に対する信頼性（精度）向上が図れるようになる。
【００４５】
そして、演算処理によって正味の暗電流成分を求めた後は、制御回路９は、その暗電流成分を暗電流クランプの基準信号として用いる。すなわち、その暗電流成分の値を用いて、同一ライン上の有効撮像領域１０にて得られた信号電荷から暗電流成分を除去する。ここで行う暗電流成分の除去処理自体については、従来と略同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００４６】
以上のように、本実施形態で説明した固体撮像素子１、およびその駆動方法、並びに当該固体撮像素子１を用いたカメラシステムによれば、固体撮像素子１のＯＢ領域２０が第１領域２１および第２領域２２からなり、第１領域２１では遮光膜１０５のみによって、また第２領域２２では遮光膜１０５およびＮＤフィルタ１０８の両方によって、それぞれ入射光が遮られる。そのため、ＮＤフィルタ１０８の減光率を用いて、これら２種類のＯＢ領域２０からの信号の比較演算を行うことで、遮光膜１０５における光透過成分を算出し、その結果から光透過成分のない正味の暗電流信号を得ることができる。
【００４７】
したがって、本実施形態においては、光透過成分のない正味の暗電流信号を得て、これを暗電流クランプの基準信号として用いることで、例えば高輝度被写体撮像時であっても、遮光膜１０５における遮光特性不足や欠陥等が暗電流成分の除去処理に影響を及ぼすのを回避することができ、その結果クランプミスのない画像信号が得られるようになる。さらには、例えば長時間露光時であっても、光透過成分の影響を除去するために一部の暗電流値（Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）等）のみを暗電流基準信号として用いる必要がないため、露光時間の長短にかかわらず、有効撮像領域１０における信号電荷の読み出し態様に即した暗電流基準信号を基にして、その信号電荷から暗電流成分を除去し得るようになり、この点によってもクランプミスのない画像信号が得られるようになる。
【００４８】
なお、本実施形態では、本発明の好適な実施具体例について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。
【００４９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、長時間露光を行う場合であっても、また遮光膜の遮光特性不足や欠陥等があっても、適正な暗電流基準信号が得られ、これを基に正確な暗電流成分の除去を行うことが可能となる。したがって、例えばディジタルスチルカメラとして用いる場合であっても、正確な暗電流成分の除去が行えることから、高輝度被写体撮像時や長時間露光時等においても良好な画質の撮像結果を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る、長時間露光を行うカメラシステムの概略構成の一例を示す説明図である。
【図２】本発明に係る固体撮像素子の概略構成の一例を示す模式図である。
【図３】図２の固体撮像素子における有効撮像部の断面構造の一例を示す断面図である。
【図４】図２の固体撮像素子におけるＯＢ領域の断面構造で、当該ＯＢ領域における第１領域の断面構造の一例を示す断面図である。
【図５】図２の固体撮像素子におけるＯＢ領域の断面構造で、当該ＯＢ領域における第２領域の断面構造の一例を示す断面図である。
【図６】２種類の領域からなるＯＢ領域のパターン構成の第１例を示す図であり、図２の固体撮像素子におけるＡ部の拡大図である。
【図７】２種類の領域からなるＯＢ領域のパターン構成の第２例を示す図であり、図２の固体撮像素子におけるＡ部の拡大図である。
【図８】２種類の領域からなるＯＢ領域のパターン構成の第３例を示す図であり、図２の固体撮像素子におけるＡ部の拡大図である。
【符号の説明】
１…固体撮像素子、９…制御回路、１０…有効撮像領域、２０…ＯＢ領域、２１…第１領域、２２…第２領域、１０５…遮光膜、１０８…ＮＤフィルタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、有効撮像領域とオプティカルブラック領域を備えた固体撮像素子、およびその固体撮像素子の駆動方法、並びにその固体撮像素子を備えて構成されたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の固体撮像素子は、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、その信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック（光学的黒）領域とを備えている。そして、有効撮像領域からの信号電荷は、そのオプティカルブラック領域からの信号を基準に演算処理されて暗電流成分が除去される。
【０００３】
オプティカルブラック領域は、その全面に遮光膜が形成されている点で、有効撮像領域とは異なる。すなわち、オプティカルブラック領域では、有効撮像領域とは異なり、受光部（電荷蓄積部）に対応した位置に開口が設けられておらず、受光部の上にも遮光膜が存在する。そして、信号出力時には、オプティカルブラック領域の電荷が、黒レベルの基準となる暗電流基準信号として読み出されるのである。
【０００４】
ところで、オプティカルブラック領域では、遮光膜によって入射光を遮り、これにより暗電流基準信号を得ているため、遮光膜の遮光特性不足や欠陥等があると、例えば高輝度被写体撮像時に遮光膜の光透過が生じてしまうおそれがある。このような遮光膜の光透過は、暗電流基準信号に光透過による成分が加わることになるので、正確な暗電流成分の除去が行われず、撮像結果に例えば横筋状のノイズの発生を招いてしまうことになる。
【０００５】
これに対し、有効撮像領域とオプティカルブラック領域とを備えた固体撮像素子としては、オプティカルブラック領域の受光部で発生した電荷を蓄積せずに半導体基板へ掃き出す構成のものも提案されている（例えば、特許文献１）。これは、露光蓄積時間が短く、しかも受光部の暗電流値が垂直転送レジスタ（ＣＣＤの場合）の暗電流値に比較して少ない場合に、主に受光部暗電流を除く垂直転送レジスタの暗電流値を暗電流基準信号として用いるものである。かかる構成の固体撮像素子は、オプティカルブラック領域の受光部で発生した電荷を暗電流基準信号として用いないため遮光膜の光透過に極めて強く、またＨＡＤ（Ｈｏｌｅ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ）センサ等の低暗電流構造の導入と相まって、現在主流のオプティカルブラック構造として採用されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２９１７３６１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、固体撮像素子は、例えばディジタルスチルカメラのように、長時間露光を行うものへの用途が増えつつある。そのため、従来構造の固体撮像素子では、以下に述べるような問題点が生じてしまうことが考えられる。
【０００８】
例えば、長時間露光を行う場合に、有効撮像領域における暗電流値は、Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）＋ｎ×Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）となる。ここで、Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）は垂直転送レジスタの暗電流値、Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）は受光部の暗電流値、ｎは長時間露光蓄積時間／通常露光蓄積時間の値である。なお、通常露光蓄積時間とは、一般的な固体撮像素子における露光蓄積時間をいい、具体的には１／３０秒がこれに相当する。
【０００９】
これに対して、特許文献１に開示された固体撮像素子では、オプティカルブラック領域の受光部で発生した電荷を暗電流基準信号として用いないため、垂直転送レジスタの暗電流値であるＤａｒｋ（Ｖｒｅｇ）のみを暗電流基準信号として用いることになる。ところが、ｎの値が大である場合には、Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）の値を無視することができない。具体的には、例えばディジタルスチルカメラでは、ｎの値として３０〜２００の要求がある。したがって、かかる固体撮像素子におけるオプティカルブラック構造は、長時間露光を行う場合には、正確な暗電流成分の除去が行われない可能性があり、必ずしも好適であるとは言えない。
【００１０】
この点については、オプティカルブラック領域の受光部で発生した電荷をも暗電流基準信号として用いることで、ｎの値が大であっても正確な暗電流成分の除去を行い得るようにすることが考えられる。ところが、その場合には、依然として遮光膜の遮光特性不足や欠陥等に関する問題を解決することができない。つまり、遮光性が完全である遮光膜を得ることは、現実的ではない。
【００１１】
そこで、本発明は、長時間露光を行う場合であっても、また遮光膜の遮光特性不足や欠陥等があっても、正確な暗電流成分の除去を行うことが可能な固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された固体撮像素子である。すなわち、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えた固体撮像素子において、前記オプティカルブラック領域は、第１領域と第２領域とからなり、前記第１領域は、遮光膜のみによって入射光が遮られ、前記第２領域は、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され、当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された固体撮像素子の駆動方法である。すなわち、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えるとともに、当該オプティカルブラック領域が、遮光膜のみによって入射光が遮られる第１領域と、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られる第２領域とからなる固体撮像素子に対して、前記第１領域から得られる信号と、前記第２領域から得られる信号と、前記減光膜の所定減光率とを基に、前記遮光膜での光透過成分がない暗電流信号を演算により求め、当該暗電流信号を前記基準信号として用いて、前記有効撮像領域にて得られた信号電荷から暗電流成分を除去することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出されたカメラシステムである。すなわち、光電変換を行う固体撮像素子と、当該固体撮像素子からの出力に対する信号処理を行う制御回路とを備えたカメラシステムにおいて、前記固体撮像素子は、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えるとともに、当該オプティカルブラック領域が、遮光膜のみによって入射光が遮られる第１領域と、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られる第２領域とからなるものであり、前記制御回路は、前記第１領域から得られる信号と、前記第２領域から得られる信号と、前記減光膜の所定減光率とを基に、前記遮光膜での光透過成分がない暗電流信号を演算により求める演算手段と、前記演算手段が求めた暗電流信号を前記基準信号として用いて、前記固体撮像素子の有効撮像領域にて得られた信号電荷から暗電流成分を除去する信号処理手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
上記構成の固体撮像素子、および上記手順による固体撮像素子の駆動方法、並びに上記構成のカメラシステムによれば、固体撮像素子のオプティカルブラック領域が２種類の領域、すなわち第１領域および第２領域からなり、第１領域では遮光膜のみによって、また第２領域では遮光膜および減光膜の両方によって、入射光が遮られる。ここで、遮光膜とは、入射光を遮る目的で形成された膜をいう。一方、減光膜とは、入射光に対して所定減光率で減光した光を透過させる目的で形成された膜をいう。この減光膜における所定減光率は固定値である。したがって、その所定減光率を用いて第１領域から得られる信号と第２領域から得られる信号との比較演算を行えば、遮光膜に遮光特性不足や欠陥等があっても、その遮光膜における光透過成分を算出し得る。そして、算出した光透過成分を基にすることで、オプティカルブラック領域での光透過成分がない場合における暗電流成分が求まる。
また、遮光膜における光透過成分を算出し得ることから、遮光膜に遮光特性不足や欠陥等があっても、オプティカルブラック領域に蓄積された電荷を暗電流基準信号として用いることでき、光透過成分の影響を除去するために例えばＣＣＤ構造における垂直転送レジスタの暗電流値といった一部の暗電流値のみを暗電流基準信号として用いる必要がない。したがって、露光時間の長短にかかわらず、有効撮像領域における信号電荷の読み出し態様に即した暗電流基準信号を基にして、その信号電荷から暗電流成分を除去し得るようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムについて説明する。
【００１７】
先ず、カメラシステムについて説明する。ここで説明するカメラシステムは、固体撮像素子を用いて被写体を撮像するもので、例えばディジタルスチルカメラのように固体撮像素子の長時間露光による静止画の撮像に対応し得るものである。ここで、長時間露光とは、動画を撮像する場合の一般的な固体撮像素子での露光蓄積時間である１／３０秒に対し、ｎ倍（ｎは３０〜２００）程度の露光蓄積時間で露光を行うことをいう。
【００１８】
図１は、長時間露光を行うカメラシステムの概略構成の一例を示す説明図である。図例のように、ここで説明するカメラシステムは、光電変換を行う固体撮像素子１を備えている。そして、被写体２が光学系３およびアイリス系４を経て固体撮像素子１に結像されて、その固体撮像素子１にて光学像が電気信号（画像信号）に変換されるようになっている。
【００１９】
固体撮像素子１にて得られた画像信号の一部は、検波回路５に供給されて、その振幅レベルが検出される。そして、その検出出力およびその検出出力と基準レベル電圧ＶＲＥＦとの比較回路６での比較結果を基に、アイリス系４を駆動する駆動モータ７ａのドライバ７ｂが、アイリス系４の開口、すなわち絞りの制御を行って、画像信号の振幅レベルが所定レベルとなるようにする。さらには、検波回路５での検出出力および比較回路６での比較結果を基に、固体撮像素子１の駆動する制御する駆動回路８が、その固体撮像素子１での電圧変換効率を制御して、これによっても画像信号の振幅レベルが所定レベルとなるようにする。
【００２０】
また、固体撮像素子１の後段には、その固体撮像素子１にて得られた画像信号に対して、所定の信号処理を行う制御回路９が設けられている。制御回路９が行う信号処理としては、その一つとして、例えば暗電流成分の除去処理が挙げられる。
【００２１】
通常、固体撮像素子では光を遮断した状態でも時間の経過とともに電荷が蓄積されてくる。このように光に関係なく蓄積される電荷を暗電流という。暗電流が一様であれば、電気的に補正・除去することができる。すなわち、暗電流の基準値を検出し、この値をクランプしてそこからの変化量を求めることで、信号成分だけが得られることになる。これが、暗電流成分の除去処理である。
【００２２】
このような暗電流成分の除去処理を行うために、制御回路９は、例えばＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって構成することが考えられる。ただし、制御回路９は、必ずしもＤＳＰである必要はなく、同様の機能を発揮し得るものであれば、アナログ回路からなるものであっても、あるいはアナログ回路とデジタル回路の組み合わせからなるものであっても構わない。また、制御回路９は、所定の信号処理として、暗電流成分の除去処理に加えて、それ以外の各種処理を行うものであってもよいことは勿論である。
【００２３】
次に、以上のような構成のカメラシステムにて用いられる固体撮像素子１、すなわち本発明に係る固体撮像素子について説明する。図２は、本発明に係る固体撮像素子の概略構成の一例を示す模式図である。図例のように、ここで説明する固体撮像素子１は、入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域１０と、その信号電荷から暗電流成分を除去するための暗電流基準信号を得るためのオプティカルブラック（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ、以下「ＯＢ」と略す）領域２０とを備えている。ＯＢ領域２０は、有効撮像領域１０の周囲を囲むように配設され、水平（Ｈ）方向の両端に合わせて２０〜５０画素程度、垂直（Ｖ）方向の両端に合わせて１０〜２０画素程度配設されている。そして、有効撮像領域１０からの信号電荷が、ＯＢ領域２０からの暗電流基準信号を基準に演算処理されて、これにより暗電流成分の除去処理がされ得るようになっている。
【００２４】
なお、固体撮像素子１では、有効撮像領域１０およびＯＢ領域２０の他にも、水平転送レジスタ３０やフローティングディフュージョンアンプ４０等を備えているが、これらについては従来と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００２５】
図３は、有効撮像部の断面構造の一例を示す断面図である。有効撮像領域１０では、シリコン基板１００の表面にｎ＋型の不純物拡散領域１０１が形成されており、このｎ＋型の不純物拡散領域１０１が形成された領域が受光部として機能する。また、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１に隣接して、読み出し部１０２が形成され、その読み出し部１０２に隣接してチャンネル層１０３が形成されている。このチャンネル層１０３は、電荷を転送する垂直転送レジスタとして機能するものであり、その上の転送電極１０４により駆動される。そして、有効撮像領域１０では、受光部を構成するｎ＋型の不純物拡散領域１０１上が開口している。すなわち、遮光膜１０５は、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１上には形成されていない。この遮光膜１０５は、入射光を遮る目的で形成された膜をいい、具体的にはアルミニウム等の金属薄膜が挙げられる。なお、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１上には、平坦化膜１０６を介して、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれかの色成分に対応したカラーフィルタ１０７が配設されている。
【００２６】
一方、ＯＢ領域２０は、２種類の領域、すなわち第１領域および第２領域からなる。図４は、ＯＢ領域における第１領域の断面構造の一例を示す断面図である。図例のように、第１領域２１では、全面に遮光膜１０５が形成されている。すなわち、有効撮像領域１０と同じ構造にそれぞれ形成されたｎ＋型の不純物拡散領域１０１、読み出し部１０２、チャンネル層１０３、転送電極１０４等の各部が、全て遮光膜１０５によって覆われている。したがって、第１領域２１では、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１への入射光が、遮光膜１０５によって遮られることになる。
【００２７】
また、図５は、ＯＢ領域における第２領域の断面構造の一例を示す断面図である。図例のように、第２領域２２では、上述した第１領域２１と略同様に構成されているが、遮光膜１０５のさらに上方に平坦化膜１０６を介して減光膜として機能するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ１０８が配設されている点で異なる。したがって、第２領域２２では、ｎ＋型の不純物拡散領域１０１への入射光が、遮光膜１０５およびＮＤフィルタ１０８によって遮られることになる。
【００２８】
ＮＤフィルタ１０８は、光の可視スペクトル部分の各波長に対して略均等な吸収をする（非選択性の透過率）フィルタであり、光の波長成分を変化させることなく減光させるものである。すなわち、入射光に対して所定減光率で減光した光を透過させる目的で形成された膜をいう。具体的には、カラーフィルタ１０７と同様に、光吸収性のある樹脂材料による膜に顔料を混在させたものが挙げられる。このような構成のＮＤフィルタ１０８においては、当該ＮＤフィルタ１０８を形成する際の顔料の種類、樹脂中顔料密度、樹脂膜厚等を適宜変えることで、その減光率を調整することが可能である。減光率は、例えば顔料として黒色の無機顔料を用い、カラーフィルタ１０７と同様の膜厚で形成した場合に、１／５〜１／１００の間の値となる減光特性が得られる。減光率の値としては、当該値の制御性の良好さやフィルタ形成の容易さ等の理由から１／５〜１／１００の間に設定することが望ましいが、その範囲内の値であればどの値に設定しても構わない。つまり、ＮＤフィルタ１０８は、上記範囲内で所望の減光率となるように、顔料の種類、樹脂中顔料密度、樹脂膜厚等を適宜調整して形成すればよい。これにより、その減光率の値が予めわかっている、すなわち所定減光率の減光膜として機能するＮＤフィルタ１０８が得られることになる。
【００２９】
このような第１領域２１および第２領域２２からなるＯＢ領域２０は、以下に述べるような平面的なパターン構成を有している。図６〜８は、２種類の領域からなるＯＢ領域のパターン構成例を示す図であり、図２におけるＡ部の拡大図である。パターン構成としては、例えば図６に示すように、第１領域２１と第２領域２２とが、画素毎、すなわち各領域２１，２２におけるｎ＋型の不純物拡散領域１０１毎に、交互に市松状（チェッカーパターン状）に配されたものが挙げられる。また、例えば図７に示すように、第１領域２１と第２領域２２とが、画素毎に、交互に筋状（ストライプパターン状）に配されたものであってもよい。さらには、例えば図８に示すように、第１領域２１と第２領域２２とが、複数の画素からなるブロック毎に、交互にチェッカーパターン状（またはストライプパターン状）に配されたものも考えられる。
【００３０】
このように、ＯＢ領域２０のパターン構成は、有効撮像領域１０およびＯＢ領域２０におけるそれぞれのｎ＋型の不純物拡散領域１０１から例えば水平走査ライン毎に信号電荷を水平転送レジスタ３０へ読み出す固体撮像素子１であれば、同一の水平走査ライン上に必ず第１領域２１と第２領域２２とが混在しているように、チェッカーパターン状またはストライプパターン状に配されている。これと同様に、例えば垂直走査ライン毎に信号電荷を読み出すものであれば、同一の垂直走査ライン上に必ず第１領域２１と第２領域２２とが混在しているものとする。
【００３１】
ここで、このようなパターン構成のＯＢ領域２０の製造方法について簡単に説明する。ＯＢ領域２０の第２領域２２におけるＮＤフィルタ１０８は、有効撮像領域１０におけるカラーフィルタ１０７と同様の成膜手順によって形成すればよい。また、第１領域２１と第２領域２２とのパターン分けは、周知のリソグラフィー技術を利用して実現すればよい。
【００３２】
次に、以上のような構成の固体撮像素子１を用いたカメラシステムにおける処理動作例、すなわち本発明に係る固体撮像素子の駆動方法について説明する。ここでは、信号電荷を固体撮像素子１の水平走査ライン毎に読み出す場合を例に挙げて説明する。
【００３３】
カメラシステムでは、被写体２が固体撮像素子１に結像されて、長時間露光に対応した所定の露光蓄積時間（１／３０秒のｎ倍、ｎは３０〜２００）信号電荷が蓄積されると、その蓄積された信号電荷が画像信号として読み出されて、制御回路９へ送出される。このとき、信号電荷の読み出しは水平走査ライン毎に行われるので、１ライン分の中には有効撮像領域１０からの読み出し結果とＯＢ領域２０からの読み出し結果とが含まれ、さらにＯＢ領域２０からの読み出し結果には、第１領域２１からの読み出し結果と第２領域２２からの読み出し結果とが含まれる。
【００３４】
ここで、ＯＢ領域２０からの読み出し結果を「黒信号」とし、第１領域２１からの黒信号を「Ｏｕｔ１」とすると、当該Ｏｕｔ１は、上述の長時間露光に対応した露光条件の下では、以下の（１）式によって求めることができる。
【００３５】
Ｏｕｔ１＝Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）＋ｎ×Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）＋Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）…（１）
（ただし、Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）は遮光膜１０５における光透過による成分）
【００３６】
一方、第２領域２２からの黒信号を「Ｏｕｔ２」とすると、当該Ｏｕｔ２は、上述の長時間露光に対応した露光条件の下では、以下の（２）式によって求めることができる。
【００３７】
Ｏｕｔ２＝Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）＋ｎ×Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）＋Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）×α…（２）
（ただし、αはＮＤフィルタ１０８における減光率）
【００３８】
このとき、ＮＤフィルタ１０８における減光率αは、当該ＮＤフィルタ１０８を形成する際の顔料の種類、樹脂中顔料密度、樹脂膜厚等によって特定される。すなわち、減光率αは、既知の固定値である。したがって、その減光率αを用いて、第１領域２１からの黒信号Ｏｕｔ１と第２領域２２からの黒信号Ｏｕｔ２との比較演算を行えば、遮光膜１０５における光透過による成分Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）を算出し得るようになる。具体的には、以下の（３）式によってＩ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）を求めることができる。
【００３９】
Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）＝（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）／（１−α）…（３）
【００４０】
そして、算出した光透過成分Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）を基にすれば、これより正味の黒信号であるところのＤａｒｋ（Ｖｒｅｇ）＋ｎ×Ｄａｒｋ（ｓｅｎｓｏｒ）の値が得られるようになる。すなわち、ＯＢ領域２０での光透過成分がない場合における暗電流自体が得られる。
【００４１】
このことから、制御回路９では、１ライン分の画像信号を受け取ると、第１領域２１からの黒信号Ｏｕｔ１と、第２領域２２からの黒信号Ｏｕｔ２と、ＮＤフィルタ１０８における減光率αとを基に、上述した（１）〜（３）式による演算を行って、遮光膜１０５での光透過成分がない場合における暗電流値を求める。この演算は、制御回路９がＤＳＰからなる場合には、そのＤＳＰにおける演算処理機能を用いて行えばよい。
【００４２】
具体的には、ＮＤフィルタ１０８における減光率α＝１／１０、標準露光時間としてｎ＝１である場合を例に考える。このとき、入射光量が飽和出力の１００倍光量（飽和出力５００ｍＶ）＝５００００ｍＶ、遮光膜１０５の光透過特性＝０．０１％（対入射光量）、第１領域２１への光透過出力＝５００００ｍＶ×０．０１％＝５ｍＶ、第２領域２２への光透過出力＝５ｍＶ×０．１＝０．５ｍＶ、垂直転送レジスタの暗電流値＝１ｍＶ、標準露光時（１／３０秒）の受光部暗電流＝０．２ｍＶとすると、（１）式からＯｕｔ１＝１ｍＶ＋０．２ｍＶ＋５ｍＶ＝６．２ｍＶとなる。また、（２）式からＯｕｔ２＝１ｍＶ＋０．２ｍＶ＋０．５ｍＶ＝１．７ｍＶとなる。減光率αが既知の固定値（α＝１／１０）であれば、（３）式より、Ｉ（ｂｙ ｌｉｇｈｔ）＝（６．２ｍＶ−１．７ｍＶ）／（１−０．１）＝５ｍＶとなり、これにより正味の暗電流成分が求まるわけである。
【００４３】
なお、ここで挙げた（１）〜（３）式および具体的な数値は、単なる一具体例に過ぎず、これに限定されるものではない。すなわち、制御回路９は、第１領域２１からの黒信号Ｏｕｔ１と、第２領域２２からの黒信号Ｏｕｔ２と、ＮＤフィルタ１０８における減光率αとを基に、遮光膜１０５での光透過成分がない正味の暗電流成分を求めるものであれば、他の演算式等を用いるものであっても構わない。
【００４４】
また、制御回路９では、暗電流成分を求める演算を行うのにあたって、第１領域２１からの黒信号Ｏｕｔ１および第２領域２２からの黒信号Ｏｕｔ２を基にするが、これらの黒信号Ｏｕｔ１，Ｏｕｔ２は、それぞれ一つの画素から得られたものであってもよいし、複数の画素から得られたものを基にしたもの（例えば、その平均値）であってもよい。一つの画素から得られたものであれば、演算処理にあたっての負荷軽減が図れ、結果として処理の迅速化を実現し得るようになる。また、複数のから得られたものであれば、黒信号に生じる誤差要因を極力排除することができ、結果として演算結果に対する信頼性（精度）向上が図れるようになる。
【００４５】
そして、演算処理によって正味の暗電流成分を求めた後は、制御回路９は、その暗電流成分を暗電流クランプの基準信号として用いる。すなわち、その暗電流成分の値を用いて、同一ライン上の有効撮像領域１０にて得られた信号電荷から暗電流成分を除去する。ここで行う暗電流成分の除去処理自体については、従来と略同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００４６】
以上のように、本実施形態で説明した固体撮像素子１、およびその駆動方法、並びに当該固体撮像素子１を用いたカメラシステムによれば、固体撮像素子１のＯＢ領域２０が第１領域２１および第２領域２２からなり、第１領域２１では遮光膜１０５のみによって、また第２領域２２では遮光膜１０５およびＮＤフィルタ１０８の両方によって、それぞれ入射光が遮られる。そのため、ＮＤフィルタ１０８の減光率を用いて、これら２種類のＯＢ領域２０からの信号の比較演算を行うことで、遮光膜１０５における光透過成分を算出し、その結果から光透過成分のない正味の暗電流信号を得ることができる。
【００４７】
したがって、本実施形態においては、光透過成分のない正味の暗電流信号を得て、これを暗電流クランプの基準信号として用いることで、例えば高輝度被写体撮像時であっても、遮光膜１０５における遮光特性不足や欠陥等が暗電流成分の除去処理に影響を及ぼすのを回避することができ、その結果クランプミスのない画像信号が得られるようになる。さらには、例えば長時間露光時であっても、光透過成分の影響を除去するために一部の暗電流値（Ｄａｒｋ（Ｖｒｅｇ）等）のみを暗電流基準信号として用いる必要がないため、露光時間の長短にかかわらず、有効撮像領域１０における信号電荷の読み出し態様に即した暗電流基準信号を基にして、その信号電荷から暗電流成分を除去し得るようになり、この点によってもクランプミスのない画像信号が得られるようになる。
【００４８】
なお、本実施形態では、本発明の好適な実施具体例について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。
【００４９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、長時間露光を行う場合であっても、また遮光膜の遮光特性不足や欠陥等があっても、適正な暗電流基準信号が得られ、これを基に正確な暗電流成分の除去を行うことが可能となる。したがって、例えばディジタルスチルカメラとして用いる場合であっても、正確な暗電流成分の除去が行えることから、高輝度被写体撮像時や長時間露光時等においても良好な画質の撮像結果を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る、長時間露光を行うカメラシステムの概略構成の一例を示す説明図である。
【図２】本発明に係る固体撮像素子の概略構成の一例を示す模式図である。
【図３】図２の固体撮像素子における有効撮像部の断面構造の一例を示す断面図である。
【図４】図２の固体撮像素子におけるＯＢ領域の断面構造で、当該ＯＢ領域における第１領域の断面構造の一例を示す断面図である。
【図５】図２の固体撮像素子におけるＯＢ領域の断面構造で、当該ＯＢ領域における第２領域の断面構造の一例を示す断面図である。
【図６】２種類の領域からなるＯＢ領域のパターン構成の第１例を示す図であり、図２の固体撮像素子におけるＡ部の拡大図である。
【図７】２種類の領域からなるＯＢ領域のパターン構成の第２例を示す図であり、図２の固体撮像素子におけるＡ部の拡大図である。
【図８】２種類の領域からなるＯＢ領域のパターン構成の第３例を示す図であり、図２の固体撮像素子におけるＡ部の拡大図である。
【符号の説明】
１…固体撮像素子、９…制御回路、１０…有効撮像領域、２０…ＯＢ領域、２１…第１領域、２２…第２領域、１０５…遮光膜、１０８…ＮＤフィルタ
Claims (3)
- 入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えた固体撮像素子において、
前記オプティカルブラック領域は、第１領域と第２領域とからなり、
前記第１領域は、遮光膜のみによって入射光が遮られ、
前記第２領域は、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され、当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られる
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えるとともに、当該オプティカルブラック領域が、遮光膜のみによって入射光が遮られる第１領域と、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られる第２領域とからなる固体撮像素子に対して、
前記第１領域から得られる信号と、前記第２領域から得られる信号と、前記減光膜の所定減光率とを基に、前記遮光膜での光透過成分がない暗電流信号を演算により求め、
当該暗電流信号を前記基準信号として用いて、前記有効撮像領域にて得られた信号電荷から暗電流成分を除去する
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 光電変換を行う固体撮像素子と、当該固体撮像素子からの出力に対する信号処理を行う制御回路とを備えたカメラシステムにおいて、
前記固体撮像素子は、
入射光に応じた信号電荷を得るための有効撮像領域と、当該信号電荷から暗電流成分を除去する際の基準信号を得るためのオプティカルブラック領域とを備えるとともに、
当該オプティカルブラック領域が、遮光膜のみによって入射光が遮られる第１領域と、前記遮光膜に重ねて所定減光率の減光膜が形成され当該遮光膜および当該減光膜によって入射光が遮られる第２領域とからなるものであり、
前記制御回路は、
前記第１領域から得られる信号と、前記第２領域から得られる信号と、前記減光膜の所定減光率とを基に、前記遮光膜での光透過成分がない暗電流信号を演算により求める演算手段と、
前記演算手段が求めた暗電流信号を前記基準信号として用いて、前記固体撮像素子の有効撮像領域にて得られた信号電荷から暗電流成分を除去する信号処理手段とを備える
ことを特徴とするカメラシステム。
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