JP2009177601A - Imaging apparatus - Google Patents

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Masayuki Koyanagi
昌之 小柳
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inexpensively provide an imaging apparatus capable of preventing the deterioration of image quality by changing an OFD voltage in response to a photographing condition. <P>SOLUTION: A digital camera includes: a solid-state image sensor 5 having a photoelectric conversion element 21 formed in a p-well layer formed on a silicon substrate 20; an image sensor driving part 10 for driving the solid-state image sensor 5; and an overflow drain for discharging electric charges exceeding the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element 21 to the silicon substrate 20. The image sensor driving part 10 changes an overflow drain voltage, which is applied to the overflow drain for controlling the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element 21, according to set photography sensitivities. The setting value by each photography sensitivity of the overflow drain voltage is made to be a regular value. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板内に形成された光電変換素子を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段を有する撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element formed in a semiconductor substrate, and an imaging apparatus having a driving unit that drives the solid-state imaging device.

デジタルカメラでは撮影感度の設定が可能となっている。例えば、フィルム感度のＩＳＯ感度１００に相当する撮影感度で撮影を行う低感度撮影モードと、フィルム感度のＩＳＯ感度４００に相当する撮影感度で撮影を行う高感度撮影モードとを切り替え可能となっている。   The digital camera can set the shooting sensitivity. For example, it is possible to switch between a low-sensitivity shooting mode in which shooting is performed at a shooting sensitivity equivalent to ISO sensitivity 100 of film sensitivity and a high-sensitivity shooting mode in which shooting is performed at a shooting sensitivity equivalent to ISO sensitivity 400 of film sensitivity. .

撮影感度が高くなるにつれて固体撮像素子への入射光量が減るため、光電変換素子に蓄積される信号電荷量も撮影感度が高くなるにつれて減少し、それに応じて出力電圧も減少する。したがって、同じ量の暗電流が発生するとしても、低感度撮影モード時は信号電荷量が多く、高感度撮影モード時は信号電荷量が少ないため、高感度撮影モードは低感度撮影モードと比較してＳ／Ｎが劣化してしまう。   Since the amount of light incident on the solid-state image sensor decreases as the imaging sensitivity increases, the amount of signal charge accumulated in the photoelectric conversion element also decreases as the imaging sensitivity increases, and the output voltage also decreases accordingly. Therefore, even if the same amount of dark current occurs, the amount of signal charge is large in the low-sensitivity shooting mode and the amount of signal charge is small in the high-sensitivity shooting mode. S / N deteriorates.

そこで、高感度撮影モード時には、垂直電荷転送路での電荷の転送容量（垂直電荷転送路に電荷を蓄積するパケットを形成する転送電極の数）を、低感度撮影モード時における垂直電荷転送路での転送容量よりも小さくすることで、垂直電荷転送路で発生する暗電流を低減させ、画質の劣化を防ぐといったことが行われている（特許文献１参照）。   Therefore, in the high sensitivity shooting mode, the charge transfer capacity in the vertical charge transfer path (the number of transfer electrodes forming a packet for accumulating charges in the vertical charge transfer path) is set in the vertical charge transfer path in the low sensitivity shooting mode. By making it smaller than the transfer capacity, the dark current generated in the vertical charge transfer path is reduced to prevent the deterioration of image quality (see Patent Document 1).

このように、撮影感度に応じて垂直電荷転送路の転送容量を変更する場合、光電変換素子に蓄積された電荷量がその転送容量を超えないように、オーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤと略す）に印加するＯＦＤ電圧を制御して、光電変換素子が飽和するまでに蓄積することのできる（光電変換素子に最大限蓄積することのできる）電荷量（以下、飽和蓄積容量という）を変更する必要がある。デジタルカメラの製造メーカーでは、撮影モード毎のＯＦＤ電圧の情報が固体撮像素子の製造メーカーから提供され、この情報にしたがってＯＦＤ電圧の設定が行われる。   As described above, when the transfer capacity of the vertical charge transfer path is changed in accordance with the photographing sensitivity, an overflow drain (hereinafter abbreviated as OFD) is used so that the charge amount accumulated in the photoelectric conversion element does not exceed the transfer capacity. It is necessary to control the OFD voltage to be applied and change the amount of charge that can be accumulated until the photoelectric conversion element is saturated (maximum accumulation in the photoelectric conversion element) (hereinafter referred to as saturation storage capacity). is there. In the manufacturer of the digital camera, information on the OFD voltage for each photographing mode is provided from the manufacturer of the solid-state imaging device, and the OFD voltage is set according to this information.

特開２００５−２８６４７０号公報JP 2005-286470 A

固体撮像素子の製造メーカーでは、設定可能な撮影感度の数だけ、それに対応したＯＦＤ電圧を測定しておく必要がある。近年では撮影感度の高感度化が進んでいるため、ＯＦＤ電圧の測定回数もそれに応じて増える傾向にある。この結果、ＯＦＤ電圧の測定に要する時間が増大し、歩留まり低下による製造コストの増大が懸念される。   A manufacturer of a solid-state imaging device needs to measure the OFD voltage corresponding to the set number of imaging sensitivities. In recent years, since the photographing sensitivity has been increased, the number of times of measurement of the OFD voltage tends to increase accordingly. As a result, the time required for measuring the OFD voltage is increased, and there is a concern about an increase in manufacturing cost due to a decrease in yield.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＯＦＤ電圧を撮影条件に応じて変更して画質の劣化を防ぐことが可能な撮像装置を低コストで提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of changing the OFD voltage according to imaging conditions and preventing deterioration in image quality at a low cost.

本発明の撮像装置は、半導体基板上に形成された光電変換素子を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段を有する撮像装置であって、前記光電変換素子の飽和蓄積容量を超えた電荷を前記半導体基板に排出するためのオーバーフロードレインを備え、前記駆動手段は、前記光電変換素子の飽和蓄積容量を制御するための前記オーバーフロードレインに印加するオーバーフロードレイン電圧を、設定された撮影条件に応じて変更するものであり、前記オーバーフロードレイン電圧の前記撮影条件毎の設定値が規則的な値となっている。   An imaging apparatus according to the present invention is an imaging apparatus having a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element formed on a semiconductor substrate and a driving unit for driving the solid-state imaging device, wherein the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element is reduced. An overflow drain for discharging the excess charge to the semiconductor substrate is provided, and the driving means sets an overflow drain voltage to be applied to the overflow drain for controlling a saturated storage capacity of the photoelectric conversion element. The value is changed according to the conditions, and the set value of the overflow drain voltage for each photographing condition is a regular value.

本発明の撮像装置は、前記オーバーフロードレイン電圧の前記撮影条件毎の設定値のうちのいずれかを基準値としたときに、前記基準値と前記基準値以外の前記設定値との差が規則的な値となっている。   The imaging apparatus according to the present invention has a regular difference between the reference value and the set value other than the reference value when any of the set values of the overflow drain voltage for each imaging condition is set as a reference value. It has become a value.

本発明の撮像装置は、前記差が、前記基準値で決まる前記光電変換素子の飽和蓄積容量と前記基準値以外の前記設定値で決まる前記光電変換素子の飽和蓄積容量との差分を、前記オーバーフロードレイン電圧の単位電圧あたりの前記光電変換素子の飽和蓄積容量の変化量で割った値となっている。   In the imaging apparatus according to the aspect of the invention, the difference may be obtained by calculating a difference between a saturation storage capacity of the photoelectric conversion element determined by the reference value and a saturation storage capacity of the photoelectric conversion element determined by the set value other than the reference value, as the overflow. The value is obtained by dividing the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element per unit voltage of the drain voltage.

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子が、前記光電変換素子で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部を含み、前記駆動手段が、前記光電変換素子の飽和蓄積容量に応じて前記垂直電荷転送部での電荷の転送容量を変更する。   In the imaging device according to the aspect of the invention, the solid-state imaging device includes a vertical charge transfer unit that transfers charges generated in the photoelectric conversion device in a vertical direction, and the driving unit is configured according to a saturated storage capacity of the photoelectric conversion device. The charge transfer capacity in the vertical charge transfer unit is changed.

本発明の撮像装置は、前記撮影条件が撮影感度である。   In the imaging apparatus of the present invention, the imaging condition is imaging sensitivity.

本発明によれば、ＯＦＤ電圧を撮影条件に応じて変更して画質の劣化を防ぐことが可能な撮像装置を低コストで提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the imaging device which can change OFD voltage according to imaging | photography conditions and can prevent deterioration of an image quality can be provided at low cost.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備える。 FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a digital camera which is an example of an imaging apparatus for explaining an embodiment of the present invention.
The imaging system of the illustrated digital camera includes a photographing lens 1, a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device 5, a diaphragm 2 provided between the two, an infrared cut filter 3, and an optical low-pass filter 4. With.

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。   A system control unit 11 that performs overall control of the electrical control system of the digital camera controls the flash light emitting unit 12 and the light receiving unit 13 and controls the lens driving unit 8 to adjust the position of the photographing lens 1 to the focus position and zoom. The exposure amount is adjusted by adjusting the aperture amount of the aperture 2 via the aperture drive unit 9.

又、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１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。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。   Further, the system control unit 11 drives the solid-state imaging device 5 via the imaging device driving unit 10 and outputs a subject image captured through the photographing lens 1 as a color signal. An instruction signal from the user is input to the system control unit 11 through the operation unit 14.

デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６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７とを備え、これらはシステム制御部１１によって制御される。   The electric control system of the digital camera further includes an analog signal processing unit 6 that performs analog signal processing such as correlated double sampling processing connected to the output of the solid-state imaging device 5, and RGB output from the analog signal processing unit 6. And an A / D conversion circuit 7 for converting the color signals into digital signals, which are controlled by the system control unit 11.

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。   Furthermore, the electric control system of this digital camera generates image data by performing main memory 16, memory control unit 15 connected to main memory 16, interpolation calculation, gamma correction calculation, RGB / YC conversion processing, and the like. A digital signal processing unit 17, a compression / decompression processing unit 18 that compresses image data generated by the digital signal processing unit 17 into a JPEG format or decompresses compressed image data, and a digital signal processing unit 17 that integrates photometric data. The integration unit 19 for obtaining the gain of white balance correction performed by the camera, the external memory control unit 20 to which the removable recording medium 21 is connected, and the display control unit 22 to which the liquid crystal display unit 23 mounted on the back of the camera is connected. These are connected to each other by a control bus 24 and a data bus 25, and are controlled by commands from the system control unit 11. That.

図１に示すデジタルカメラは、フィルムのＩＳＯ感度に相当する撮影感度を複数設定可能であり、設定された撮影感度に応じた駆動を撮像素子駆動部１０が行う。以下では、撮影感度が、ＩＳＯ１００，２００，４００，８００の４種類設定できるものとして説明する。   The digital camera shown in FIG. 1 can set a plurality of shooting sensitivities corresponding to the ISO sensitivity of the film, and the image sensor driving unit 10 performs driving according to the set shooting sensitivity. In the following description, it is assumed that the photographing sensitivity can be set to four types of ISO 100, 200, 400, and 800.

図２は、図１に示す固体撮像素子５の構成例を示す平面模式図である。図３は、図２の破線で示した領域２５の拡大図である。
図２に示す固体撮像素子５は、シリコン基板２０上に形成されたｐウェル層内の垂直方向Ｙとこれに直交する水平方向Ｘに格子状に配列されたｎ型不純物層からなる多数の光電変換素子２１と、多数の光電変換素子２１の各々で発生した電荷を垂直方向Ｙに転送する複数本の垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）２２と、複数本の垂直電荷転送部２２の各々を転送されてきた電荷を水平方向Ｙに転送する水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）２３と、水平電荷転送部２３を転送されてきた電荷を信号に変換して出力する出力部２４とを備える。 FIG. 2 is a schematic plan view showing a configuration example of the solid-state imaging device 5 shown in FIG. FIG. 3 is an enlarged view of a region 25 indicated by a broken line in FIG.
The solid-state imaging device 5 shown in FIG. 2 has a large number of photoelectric elements composed of n-type impurity layers arranged in a lattice pattern in a vertical direction Y in a p-well layer formed on a silicon substrate 20 and a horizontal direction X orthogonal thereto. Each of the conversion element 21, the plurality of vertical charge transfer units (VCCD) 22 that transfers charges generated in each of the large number of photoelectric conversion elements 21 in the vertical direction Y, and the plurality of vertical charge transfer units 22 is transferred. A horizontal charge transfer unit (HCCD) 23 that transfers the received charges in the horizontal direction Y and an output unit 24 that converts the charges transferred through the horizontal charge transfer unit 23 into signals and outputs the signals.

図３に示すように、垂直電荷転送部２２は、シリコン基板２０上のｐウェル層内に形成されたｎ型不純物領域からなる図示しない電荷転送チャネルと、この電荷転送チャネル上方に垂直方向Ｙに配列して形成された多数の転送電極２２ａとにより構成されている。各光電変換素子２１には３つの転送電極２２ａが対応して設けられている。垂直方向Ｙに隣接する２つの光電変換素子２１の各々に対応する計６つの転送電極２２ａには、それぞれ転送パルスφＶ１〜φＶ６が撮像素子駆動部１０から印加され、これにより垂直電荷転送部２２は６相駆動される。   As shown in FIG. 3, the vertical charge transfer unit 22 includes a charge transfer channel (not shown) formed of an n-type impurity region formed in a p-well layer on the silicon substrate 20 and a vertical direction Y above the charge transfer channel. It consists of a number of transfer electrodes 22a formed in an array. Each photoelectric conversion element 21 is provided with three transfer electrodes 22a. Transfer pulses φV1 to φV6 are applied from the image sensor driving unit 10 to a total of six transfer electrodes 22a corresponding to each of two photoelectric conversion elements 21 adjacent in the vertical direction Y, whereby the vertical charge transfer unit 22 6-phase driven.

転送パルスφＶ１〜φＶ６は、それぞれローレベルとそれよりも高いハイレベルとをとることができる。ハイレベルの転送パルスが印加された転送電極２２ａ下方の電荷転送チャネルには、電荷を蓄積可能なパケットが形成され、ローレベルの転送パルスが印加された転送電極２２ａ下方の電荷転送チャネルには、該パケットのバリアが形成される。   Each of the transfer pulses φV1 to φV6 can take a low level and a higher level than that. A packet capable of storing charges is formed in the charge transfer channel below the transfer electrode 22a to which the high-level transfer pulse is applied, and the charge transfer channel below the transfer electrode 22a to which the low-level transfer pulse is applied A barrier for the packet is formed.

水平電荷転送部２３も、垂直電荷転送部２２と同様に、シリコン基板２０上のｐウェル層内に形成されたｎ型不純物領域からなる図示しない電荷転送チャネルと、この電荷転送チャネル上方に水平方向Ｘに配列して形成された図示しない多数の転送電極とにより構成されている。この多数の転送電極には、それぞれ転送パルスφＨ１，φＨ２が撮像素子駆動部１０から印加され、これにより水平電荷転送部２３は２相駆動される。   Similarly to the vertical charge transfer unit 22, the horizontal charge transfer unit 23 also includes a charge transfer channel (not shown) formed of an n-type impurity region formed in a p-well layer on the silicon substrate 20 and a horizontal direction above the charge transfer channel. It is composed of a large number of transfer electrodes (not shown) formed in an X array. Transfer pulses [phi] H1 and [phi] H2 are applied to the large number of transfer electrodes from the image sensor driving unit 10, respectively, whereby the horizontal charge transfer unit 23 is driven in two phases.

光電変換素子２１下方のｐウェル層は、光電変換素子２１の飽和蓄積容量を超える電荷をシリコン基板２０に排出するためのオーバーフロードレインとして機能する。ｐウェル層には撮像素子駆動部１０からＯＦＤ電圧φＯＦＤが印加される。このＯＦＤ電圧の大きさによって、オーバーフロードレインのバリア電位を制御することができ、光電変換素子２１の飽和蓄積容量を変更することが可能となっている。   The p-well layer below the photoelectric conversion element 21 functions as an overflow drain for discharging charges exceeding the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element 21 to the silicon substrate 20. The OFD voltage φOFD is applied to the p-well layer from the image sensor driving unit 10. The barrier potential of the overflow drain can be controlled by the magnitude of the OFD voltage, and the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element 21 can be changed.

撮影感度は、高感度になるにしたがって入射光量が減るため、高感度になるにしたがって光電変換素子２１の飽和蓄積容量を少なくすることができる。例えば、撮影感度が１００のときに最低限必要な飽和蓄積容量（以下、必要飽和という）を信号電圧に換算して４００ｍＶとしたとき、撮影感度が２００のときには必要飽和を４００ｍＶ／２＝２００ｍＶとすることができ、撮影感度が４００のときには必要飽和を４００ｍＶ／４＝１００ｍＶとすることができ、撮影感度が８００のときには必要飽和を４００ｍＶ／８＝５０ｍＶとすることができる。   Since the incident light quantity decreases as the imaging sensitivity increases, the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element 21 can be reduced as the sensitivity increases. For example, when the minimum required storage capacity (hereinafter referred to as required saturation) is 400 mV when converted to a signal voltage when the imaging sensitivity is 100, the required saturation is 400 mV / 2 = 200 mV when the imaging sensitivity is 200. When the photographing sensitivity is 400, the required saturation can be 400 mV / 4 = 100 mV, and when the photographing sensitivity is 800, the necessary saturation can be 400 mV / 8 = 50 mV.

本実施形態では、ある撮影感度に設定されると、光電変換素子２１の飽和蓄積容量が、その撮影感度のときの必要飽和となるようにＯＦＤ電圧が制御される。   In the present embodiment, when a certain shooting sensitivity is set, the OFD voltage is controlled so that the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element 21 becomes the required saturation at the shooting sensitivity.

又、垂直電荷転送部２２で電荷を転送しているときに発生する暗電流を抑制するために、必要飽和に応じて、垂直電荷転送部２２での電荷の転送容量を変更することが好ましい。この転送容量は、電荷の転送時に１つの光電変換素子２１に対応して形成すべきパケット数（ハイレベルの転送パルスを印加する転送電極２２ａの数）のことである。電荷を転送する際には、パケット数をｎ個→（ｎ＋１）個→ｎ個→（ｎ＋１）個→・・・のように１個だけ増減させながら電荷の転送が行われる。このため、光電変換素子２１に蓄積された電荷を漏れなく転送できるようにするには、転送容量はｎパケット分必要となり、この個数ｎが転送容量となる。   Further, in order to suppress dark current generated when charges are transferred by the vertical charge transfer unit 22, it is preferable to change the charge transfer capacity of the vertical charge transfer unit 22 according to the required saturation. This transfer capacity is the number of packets (the number of transfer electrodes 22a to which a high level transfer pulse is applied) to be formed corresponding to one photoelectric conversion element 21 at the time of charge transfer. When transferring the charges, the charges are transferred while increasing or decreasing the number of packets by one, such as n → (n + 1) → n → (n + 1) →. For this reason, in order to be able to transfer the charges accumulated in the photoelectric conversion element 21 without leakage, the transfer capacity is required for n packets, and this number n becomes the transfer capacity.

垂直電荷転送部２２での電荷の転送容量は、撮影感度毎の必要飽和に応じて決めることができる。例えば、撮影感度１００のときの転送容量は、４００ｍＶ分の電荷を漏れなく転送することができる最小の容量とすれば良い。本実施形態では、ある撮影感度に設定されると、垂直電荷転送部２２での転送容量が、その撮影感度のときの必要飽和分の電荷を漏れなく転送することができる最小の容量となるように、転送パルスφＶ１〜φＶ６が制御される。   The charge transfer capacity in the vertical charge transfer unit 22 can be determined according to the necessary saturation for each photographing sensitivity. For example, the transfer capacity at a photographing sensitivity of 100 may be a minimum capacity that can transfer charges of 400 mV without leakage. In the present embodiment, when a certain shooting sensitivity is set, the transfer capacity in the vertical charge transfer unit 22 is the minimum capacity that can transfer the necessary saturation charge at the shooting sensitivity without omission. In addition, the transfer pulses φV1 to φV6 are controlled.

図４は、撮影感度毎の転送容量（パケット数）、必要飽和、及びＯＦＤ電圧の設計例を示した図である。以下では、図４に示した設計例の設計方法を説明する。   FIG. 4 is a diagram showing a design example of transfer capacity (number of packets), required saturation, and OFD voltage for each photographing sensitivity. Hereinafter, a design method of the design example shown in FIG. 4 will be described.

固体撮像素子５の製造メーカーは、撮影感度（１００，２００，４００，８００）とそれに応じた必要飽和（４００，２００，１００，５０）を決めた後、その必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧と、その必要飽和分の電荷を漏れなく転送することのできる最小の転送容量（パケット数）とを決める。パケット数については、１パケットあたりの容量と必要飽和とその飽和ムラとを考慮して決めることができる。   The manufacturer of the solid-state imaging device 5 determines the photographing sensitivity (100, 200, 400, 800) and the necessary saturation (400, 200, 100, 50) corresponding thereto, and then the OFD voltage for realizing the necessary saturation. And the minimum transfer capacity (number of packets) that can transfer the necessary saturation charge without leakage. The number of packets can be determined in consideration of the capacity per packet, the required saturation, and the saturation unevenness.

ＯＦＤ電圧については、まず、４つある撮影感度のいずれかを基準の撮影感度として選択し、基準の撮影感度のときの必要飽和を実現するために必要なＯＦＤ電圧値を実測によって求める。ここでは、撮影感度１００を基準とし、必要飽和４００ｍＶを実現するためのＯＦＤ電圧を実測し、これをＯＦＤ電圧の基準値Ｖrefとする。又、ＯＦＤ電圧を単位電圧（ここでは例えば１Ｖとする）変化させたときに、光電変換素子２１の飽和蓄積容量がどれくらい変化するかを実測しておく。この実測値をΔＶとする。   For the OFD voltage, first, one of the four imaging sensitivities is selected as the reference imaging sensitivity, and an OFD voltage value necessary to realize the necessary saturation at the reference imaging sensitivity is obtained by actual measurement. Here, the OFD voltage for realizing the required saturation of 400 mV is measured using the photographing sensitivity 100 as a reference, and this is used as the reference value Vref of the OFD voltage. Further, it is measured how much the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element 21 changes when the OFD voltage is changed by a unit voltage (for example, 1 V here). This measured value is assumed to be ΔV.

基準値ＶrefとΔＶを実測した後は、以下の式（１）にしたがって基準以外の撮影感度での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧を計算により求める。   After actually measuring the reference values Vref and ΔV, an OFD voltage for realizing necessary saturation at a photographing sensitivity other than the reference is calculated according to the following equation (1).

算出対象となる撮影感度での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧
＝Ｖref＋｛（基準となる撮影感度での必要飽和−算出対象となる撮影感度での必要飽和）／ΔＶ｝・・・（１） OFD voltage for realizing necessary saturation at the photographing sensitivity to be calculated = Vref + {(required saturation at the reference photographing sensitivity−necessary saturation at the photographing sensitivity to be calculated) / ΔV} (1) )

事前に決定しておいた必要飽和と、実測した基準値Ｖref（ここでは６Ｖとする）とΔＶ（ここでは５０ｍＶとする）を式（１）に代入すると、
撮影感度２００での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧は、６＋｛（４００−２００）／５０｝＝１０Ｖとなり、
撮影感度４００での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧は、６＋｛（４００−１００）／５０｝＝１２Ｖとなり、
撮影感度８００での必要飽和を実現するためのＯＦＤ電圧は、６＋｛（４００−５０）／５０｝＝１３Ｖとなる。 Substituting the necessary saturation determined in advance, the measured reference value Vref (here 6V) and ΔV (here 50mV) into equation (1),
The OFD voltage for realizing the required saturation at the photographing sensitivity 200 is 6 + {(400−200) / 50} = 10V,
The OFD voltage for realizing the necessary saturation at the photographing sensitivity 400 is 6 + {(400−100) / 50} = 12V,
The OFD voltage for realizing the required saturation at the photographing sensitivity 800 is 6 + {(400−50) / 50} = 13V.

このようにして、各撮影感度に設定されたときの必要飽和、ＯＦＤ電圧、パケット数を設計する。   In this way, the required saturation, OFD voltage, and number of packets are set when each imaging sensitivity is set.

本実施形態のデジタルカメラは、図４に示すような設計例にしたがって製造されたものである。このため、撮影感度が１００に設定されると、ＯＦＤ電圧が６Ｖに制御されると共に、転送時の最少パケット数が４つとなるように転送パルスφＶ１〜φＶ６のパターンが制御される。又、撮影感度が２００に設定されると、ＯＦＤ電圧が１０Ｖに制御されると共に、転送時の最少パケット数が３つとなるように転送パルスφＶ１〜φＶ６のパターンが制御される。又、撮影感度が４００に設定されると、ＯＦＤ電圧が１２Ｖに制御されると共に、転送時の最少パケット数が２つとなるように転送パルスφＶ１〜φＶ６のパターンが制御される。又、撮影感度が８００に設定されると、ＯＦＤ電圧が１３Ｖに制御されると共に、転送時の最少パケット数が１つとなるように転送パルスφＶ１〜φＶ６のパターンが制御される。   The digital camera of this embodiment is manufactured according to a design example as shown in FIG. For this reason, when the imaging sensitivity is set to 100, the OFD voltage is controlled to 6V, and the pattern of the transfer pulses φV1 to φV6 is controlled so that the minimum number of packets at the time of transfer is four. When the photographing sensitivity is set to 200, the OFD voltage is controlled to 10V, and the pattern of transfer pulses φV1 to φV6 is controlled so that the minimum number of packets at the time of transfer is three. When the photographing sensitivity is set to 400, the OFD voltage is controlled to 12V, and the pattern of transfer pulses φV1 to φV6 is controlled so that the minimum number of packets at the time of transfer is two. When the photographing sensitivity is set to 800, the OFD voltage is controlled to 13V and the pattern of transfer pulses φV1 to φV6 is controlled so that the minimum number of packets at the time of transfer is one.

以上のように、撮影感度毎のＯＦＤ電圧を全て実測するのではなく、１つのみを実測して、その他は実測値を基にした計算によって求めているため、更なる高感度化が進んだ場合でも、デジタルカメラの製造に要する時間の増大を防ぐことができ、製造コストを削減することができる。   As described above, since all of the OFD voltages for each photographing sensitivity are not actually measured, only one is actually measured, and the others are obtained by calculation based on the actually measured values. Even in this case, an increase in time required for manufacturing the digital camera can be prevented, and the manufacturing cost can be reduced.

又、本実施形態のデジタルカメラによれば、ＯＦＤ電圧で決まる飽和蓄積容量に応じて垂直電荷転送部２２の転送容量も変更されるため、暗電流による画質劣化を防ぐこともできる。   Further, according to the digital camera of the present embodiment, the transfer capacity of the vertical charge transfer unit 22 is also changed according to the saturation storage capacity determined by the OFD voltage, so that it is possible to prevent image quality deterioration due to dark current.

尚、以上の説明では、撮影感度毎に、転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧を設計するものとしたが、撮影感度ではなく、入射光量に応じて転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧を設計するようにしても良い。例えば、露出値毎に転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧のデータを持っておき、撮影時に設定された露出値に応じて転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧を変更した駆動を行うようにしても良い。   In the above description, the transfer capacity, the required saturation, and the OFD voltage are designed for each imaging sensitivity. However, the transfer capacity, the required saturation, and the OFD voltage are designed according to the amount of incident light, not the imaging sensitivity. You may make it do. For example, the transfer capacity, necessary saturation, and OFD voltage data are stored for each exposure value, and the transfer capacity, necessary saturation, and OFD voltage are changed according to the exposure value set at the time of shooting. Also good.

又、以上の説明では、光電変換素子２１の下にオーバーフロードレインを有する縦型オーバーフロードレイン機構を例にしたが、光電変換素子２１の隣にオーバーフロードレインを有する横型オーバーフロードレイン機構であっても良い。   In the above description, a vertical overflow drain mechanism having an overflow drain under the photoelectric conversion element 21 is taken as an example. However, a horizontal overflow drain mechanism having an overflow drain adjacent to the photoelectric conversion element 21 may be used.

又、以上の説明では、固体撮像素子５がＣＣＤ型のものとしたが、これはＭＯＳ型であっても良い。即ち、垂直電荷転送部２２、水平電荷転送部２３、及び出力部２４の代わりに、光電変換素子２１に蓄積された電荷を信号電圧に変換して出力するＭＯＳ回路を設けた構成であっても良い。   In the above description, the solid-state imaging device 5 is a CCD type, but it may be a MOS type. That is, instead of the vertical charge transfer unit 22, the horizontal charge transfer unit 23, and the output unit 24, a MOS circuit that converts the charge accumulated in the photoelectric conversion element 21 into a signal voltage and outputs the signal voltage may be provided. good.

又、上述した計算方法で求めた撮影感度２００，４００，８００のそれぞれに対応するＯＦＤ電圧での光電変換素子２１の飽和蓄積容量の実測値と、図４に示した必要飽和の設計値とは、ＶrefやΔＶに含まれる測定誤差等のために完全に一致するわけではないが、その誤差は無視できる程度に微小である。   Also, the actual measurement value of the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element 21 at the OFD voltage corresponding to each of the imaging sensitivities 200, 400, and 800 obtained by the above-described calculation method and the required saturation design value shown in FIG. , Vref and ΔV do not completely match due to measurement errors and the like, but the errors are negligibly small.

本発明の実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the digital camera which is an example of the imaging device for describing embodiment of this invention 図１に示す固体撮像素子５の構成例を示す平面模式図FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration example of the solid-state imaging device 5 shown in FIG. 図２の破線で示した領域２５の拡大図Enlarged view of the region 25 indicated by the broken line in FIG. 撮影感度毎の転送容量、必要飽和、及びＯＦＤ電圧の設計例を示した図Diagram showing design examples of transfer capacity, required saturation, and OFD voltage for each shooting sensitivity

符号の説明Explanation of symbols

５ 固体撮像素子
１０ 撮像素子駆動部
２０ シリコン基板
２１ 光電変換素子
２２ 垂直電荷転送部
２３ 水平電荷転送部
２４ 出力部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Solid-state image sensor 10 Image sensor drive part 20 Silicon substrate 21 Photoelectric conversion element 22 Vertical charge transfer part 23 Horizontal charge transfer part 24 Output part

Claims (5)

半導体基板上に形成された光電変換素子を含む固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段を有する撮像装置であって、
前記光電変換素子の飽和蓄積容量を超えた電荷を前記半導体基板に排出するためのオーバーフロードレインを備え、
前記駆動手段は、前記光電変換素子の飽和蓄積容量を制御するための前記オーバーフロードレインに印加するオーバーフロードレイン電圧を、設定された撮影条件に応じて変更するものであり、
前記オーバーフロードレイン電圧の前記撮影条件毎の設定値が規則的な値となっている撮像装置。 An imaging apparatus having a solid-state imaging device including a photoelectric conversion element formed on a semiconductor substrate, and a driving means for driving the solid-state imaging device,
An overflow drain for discharging charges exceeding the saturated storage capacity of the photoelectric conversion element to the semiconductor substrate;
The drive means changes an overflow drain voltage applied to the overflow drain for controlling a saturated storage capacity of the photoelectric conversion element according to a set photographing condition.
An imaging apparatus in which a set value of the overflow drain voltage for each imaging condition is a regular value. 請求項１記載の撮像装置であって、
前記オーバーフロードレイン電圧の前記撮影条件毎の設定値のうちのいずれかを基準値としたときに、前記基準値と前記基準値以外の前記設定値との差が規則的な値となっている撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1,
Imaging in which the difference between the reference value and the set value other than the reference value is a regular value when any of the set values of the overflow drain voltage for each imaging condition is set as a reference value apparatus. 請求項２記載の撮像装置であって、
前記差が、前記基準値で決まる前記光電変換素子の飽和蓄積容量と前記基準値以外の前記設定値で決まる前記光電変換素子の飽和蓄積容量との差分を、前記オーバーフロードレイン電圧の単位電圧あたりの前記光電変換素子の飽和蓄積容量の変化量で割った値となっている撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 2,
The difference between the saturated storage capacity of the photoelectric conversion element determined by the reference value and the saturation storage capacity of the photoelectric conversion element determined by the set value other than the reference value is calculated as a unit per unit voltage of the overflow drain voltage. An imaging apparatus having a value divided by the amount of change in saturation storage capacity of the photoelectric conversion element. 請求項１〜３のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記固体撮像素子が、前記光電変換素子で発生した電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部を含み、
前記駆動手段が、前記光電変換素子の飽和蓄積容量に応じて前記垂直電荷転送部での電荷の転送容量を変更する撮像装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The solid-state imaging device includes a vertical charge transfer unit that transfers charges generated in the photoelectric conversion device in a vertical direction,
An imaging apparatus in which the driving unit changes a charge transfer capacity in the vertical charge transfer unit according to a saturated storage capacity of the photoelectric conversion element. 請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像装置であって、
前記撮影条件が撮影感度である撮像装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4,
An imaging apparatus in which the imaging condition is imaging sensitivity.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014053694A (en) * 2012-09-05 2014-03-20 Canon Inc Solid-state image sensor
WO2022201861A1 (en) * 2021-03-24 2022-09-29 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Imaging element and imaging device

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