JPH09107505A

JPH09107505A - 撮像装置

Info

Publication number: JPH09107505A
Application number: JP7263184A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kondo; 健一近藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-10-11
Filing date: 1995-10-11
Publication date: 1997-04-22

Abstract

(57)【要約】【課題】高画質のフレームモード読み出し画像、およ
びフレームモードと同程度の画質のフィールドモード読
み出し画像を得る。【解決手段】ホトダイオード３のフレームモードでの
最大蓄積電荷量ｃと、各転送セル１、２に蓄積すること
ができる最大電荷量ａ、ｂの和（垂直転送部の最大転送
電荷量ａ＋ｂ）とが、ａ＋ｂ＝ｃ、または、ａ＋ｂ＝ｃ
＋α（αはスミア分など）を満たすように、画素面積配
分がなされている。フィールドモードでは、半導体基板
部の電位を制御してホトダイオード３の最大蓄積電荷量
を１／２にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＣＤのような撮
像素子を有する撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、集積回路技術の向上によるメモリ
ＩＣの小型化、高容量化および低コスト化によって、撮
像素子としてＣＤＤ（Charge Coupled Device ：電荷結
合素子）を用いたビデオカメラや電子カメラなどのディ
ジタル化された撮像装置が数多く開発され販売されてい
る。また、マルチメディア機器においては、ビデオ信号
に規制されないディジタル画像データが求められてい
る。例えば、ビデオ信号に規制されないデータを扱うよ
うにしたディジタルカメラが実現されている。このよう
なディジタルカメラに使用するＣＣＤなどの撮像素子
は、ビデオ信号に規制されないことから比較的高い自由
度で設計することが可能であるが、製品価格を抑制する
ためにはむしろビデオカメラ用の撮像素子をそのまま使
用する方が好ましい。そこで、ディジタルカメラに使用
したビデオムービーカメラ用撮像素子を、ビデオムービ
ーカメラに使用したときとは異なる方法で駆動すること
によって、より高画質の画像データを得ることが提案さ
れている。

【０００３】図５は、ビデオカメラ用ＣＣＤとして一般
的なインターライン型ＣＣＤの概略構成を示す図であ
る。補色市松色差順次方式の色フィルタ構成でホトダイ
オードなどの光電変換要素（画素）２４が配列された光
電変換部２０は、入射した光のうち透過した４つの特定
波長域の光（Ｍｇ，Ｇ，Ｃｙ，Ｙｅ）から電荷を発生す
る。各画素２４はアンチブルーミング機構として縦形オ
ーバーフロードレイン（ＶＯＤ：Vertical Overflow Dr
ain ）構造を採用している。垂直転送部（ＶＣＣＤ）２
１は、転送ゲート電極（転送セル）２５に４つの電荷転
送パルスＶ₁〜Ｖ ₄が印加されることによって画素２４
のそれぞれに蓄えられた電荷を読み出し、垂直方向に転
送する。水平転送部２２は、垂直転送部２１から転送さ
れてきた電荷を水平方向に転送する。フローティングデ
ィフュージョンアンプ（ＦＤＡ）２３は、水平転送部２
２から転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力す
る。

【０００４】図５に示すように、ＣＣＤからの撮像信号
は、一般に、１フィールド期間毎に全ラインの画素を走
査し、奇数フィールドと偶数フィールドとで１段ずらし
た画素ラインの信号電荷を例えば垂直ブランキング期間
中に垂直転送部２１の各転送段に転送し、垂直転送部２
１で上下２画素を加算して読み出すフィールドモード
（フィールド加算読み出し、または擬似インタレース読
み出し）によって読み出される。

【０００５】しかし、フィールドモードでは、１フィー
ルドのみの画像取り込みで画像を得ることから、撮像素
子が本来もつ最大解像度をはるかに下回る解像度の画像
しか得ることができない。そこで、一般に用いられるム
ービービデオカメラ用のインターライン型ＣＣＤを、図
５に示すように、個々の画素を加算することなく、１フ
ィールド期間毎に１ラインおきの画素をインターレース
走査して読み出すフレームモード（全画素フレーム読み
出し）で読み出すことが提案された。フレームモードで
は、例えば、奇数行の信号を最初のフィールド期間に読
み出し、次のフィールド期間に偶数行の信号を読み出
し、それぞれの信号をそのままメモリに取り込み、メモ
リに記憶された各画素データに撮像信号処理を行うこと
により、解像度の高い画像が得られる。

【０００６】次に、図５のＣＣＤの構造について、図６
を参照して説明する。図６（ａ）は、図５の１つの画素
２４とこれに対応する垂直転送部２１とを示す断面図で
ある。図６（ａ）には、１つの光電変換要素（画素）２
４と、これに隣接する垂直転送部（ＶＣＣＤ）２１とが
示されており、Ｎ型シリコン基板７１上の画素２４部分
には、下方から、Ｐ^-層７２、Ｐ^-層７２とともにホト
ダイオード（ＰＤ）を構成するＮ層７３、Ｐ⁺層７４お
よびシリコン酸化膜７５が順次形成されている。また、
Ｎ型シリコン基板７１上の垂直転送部２１部分には、下
方から、Ｐ^-層７２、Ｐ層７６、信号電荷の通路となる
Ｎ層７８、シリコン酸化膜７５および電荷転送パルスＶ
₁〜Ｖ₄が印加される遮光性の転送ゲート電極２５が順
次形成されている。また、Ｐ⁺層７４は、垂直転送部２
１に隣接する一端部分が他端部分よりも深く形成される
ことによって、チャネルストッパ７７を構成している。

【０００７】図６（ｂ）は、図６（ａ）のＩＩ−ＩＩ線
に沿ったポテンシャル図である。図６（ｂ）の斜線部で
示す画素２４のＰＮ接合部に蓄積される電荷蓄積容量
は、シリコン基板７１の電位Ｖ_subと、転送ゲート電極
２５に印加される電荷転送パルスＶ₁〜Ｖ₄の転送電位
とで決められる。例えば、シリコン基板７１の電位Ｖ_su
_bが高くなるほど電荷が蓄積されるＰＮ接合部のシリコ
ン基板７１側のポテンシャル障壁が低くなり、画素２４
の電荷蓄積容量が減少する。また、転送電位が高くなる
ほど電荷が蓄積されるＰＮ接合部の垂直転送部２１側の
ポテンシャル障壁が低くなり、画素２４の電荷蓄積容量
が減少する。

【０００８】また、シリコン基板７１の電位Ｖ_subをΔ
Ｖだけ高くすることにより、ＰＮ接合部のシリコン基板
７１側のポテンシャル障壁がなくなるので、ＰＮ接合部
に蓄積されていた電荷はすべてシリコン基板７１方向に
掃き捨てられる。このような電子シャッター機能によ
り、画素への蓄積電荷量を調節することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したような、
汎用的なビデオカメラ用のＣＣＤ撮像素子は、フィール
ドモードでの駆動を前提としているため、フィールドモ
ードで最適となるようにダイナミックレンジが設定され
ている。従って、このようなＣＣＤを用いてフレーム読
み出しを行うと、垂直転送部２１の容量を有効に生かせ
ないために、ＣＣＤ撮像素子のダイナミックレンジがフ
ィールド読み出しのときよりも狭くなってしまう。つま
り、画素２４の１個分の最大電荷蓄積容量（飽和電荷
量）が垂直転送部２１の転送ゲート電極２５の１段分の
最大電荷蓄積容量（最大電荷転送量）よりも小さい（１
／２程度）ために、フレームモードでは転送ゲート電極
２５部分よりも先に画素２４部分の電荷が飽和してしま
い、フィールドモードよりも飽和レベルが低くなる。

【００１０】このように、汎用ＣＣＤ撮像素子では、２
画素分のダイナミックレンジに対して転送ゲート電極２
５の１段分のダイナミックレンジが対応しているので、
フレームモードにおいてフィールドモードと同等のダイ
ナミックレンジを確保することができず、ダイナミック
レンジがほぼ半減してしまう。そのため、特に、垂直高
解像度を実現するためにフレーム読み出しを行い静止画
像を記憶する電子カメラでは、ダイナミックレンジの減
少によってフィールドモードでのＡＧＣゲインよりも倍
程度高くゲインをかけることになり、結果として画像の
Ｓ／Ｎ比が著しく悪化することになる。もともとがフィ
ールドモードでの特性のみを考慮した設計のＣＣＤ撮像
素子であれば、これは致命的な画質劣化につながる。

【００１１】この問題を解決すべく、フレームモードで
のダイナミックレンジを増加させるための発明が、本出
願人により出願されている（特願平６−１３７３１８号
（平成６年６月２０日出願）など）。これらの発明で
は、主として基板電位Ｖ_subおよび電荷転送パルスＶ₁
〜Ｖ₄の転送電位の大きさをモード切り換えに合わせて
調節することで、フレームモードでのダイナミックレン
ジをフィールドモードでのダイナミックレンジに近づけ
るようにしている。従って、これらの発明を用いたディ
ジタルカメラでは、フレームモードでの画素の飽和電荷
量を撮像素子の飽和電荷量として撮像素子以外の回路処
理を設定するので、カメラとしての飽和電荷量はフィー
ルドモードでもフレームモードでも同じになる。

【００１２】ただし、この場合でも、フィールドモード
とフレームモードとの感度の違いはそのままであるの
で、それぞれのモードでの露光量は露光絞りの開口また
は露光時間を変えることで１段切り換えられる。このよ
うにすれば、フィールドモードでもフレームモードでも
標準信号電圧レベルを同等にし、Ｓ／Ｎ比のほぼ等しい
画像を得ることができる。従って、本来フィールドモー
ドでの読み出しがなされるように設計されたタイプのＣ
ＣＤ撮像素子であっても、フレームモードでの読み出し
において実用上何ら問題のないレベルの画質が得られ
る。

【００１３】しかし、上述のような撮像装置では、フィ
ールドモードで読み出した画像の画質が、本来フィール
ドモードよりダイナミックレンジが低くなる分、標準信
号レベルが低くなることで、その分Ｓ／Ｎ比も低くなる
ため、本来フィールドモードで読み出した画像で得られ
るべき画質よりも悪くなる。また、フレームモードで読
み出した画像の使用用途の幅広さのためにさらに高画質
が求められており、そのために、フレームモードでの読
み出しが主体であって、高画質のフレーム読み出し画像
が得られ、且つフィールドモード読み出しでもフレーム
モード読み出しに匹敵する画質が得られるフィールド読
み出し−フレーム読み出し兼用のインターライン型ＣＣ
Ｄイメージセンサが求められている。

【００１４】そこで、本発明の目的は、インターライン
型ＣＣＤイメージセンサを備えた撮像装置において、高
画質のフレーム読み出し画像が得られるとともに、フィ
ールドモード読み出しとフレームモード読み出しとで同
程度の画質を得ることができるフィールド読み出し−フ
レーム読み出し兼用の撮像装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の撮像装置は、半導体基板部の上に形成さ
れた複数の光電変換要素からなる光電変換部と、前記光
電変換部からの電荷を一方向に転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部からの電荷を前記一方向と交差する方向
に転送する水平転送部とを備えたインターライン型ＣＣ
Ｄ撮像素子を有する撮像装置であって、前記撮像素子
が、１フィールド期間ごとに水平方向の全ラインの前記
光電変換要素の信号電荷を前記垂直転送部を走査するこ
とで上下２ラインを加算して読み出すフィールドモード
と、１フィールド期間ごとに水平方向の１ラインおきの
前記光電変換要素の信号電荷をインターレース走査して
読み出すフレームモードとの２つのモードで駆動される
撮像装置において、前記光電変換要素の前記フレームモ
ードでの飽和電荷量と前記垂直転送部の最大電荷転送量
との比が実質的に１：１となるように、前記光電変換要
素と前記垂直転送部とが面積配分されている。

【００１６】また、請求項２の撮像装置は、半導体基板
部の上に形成された複数の光電変換要素からなる光電変
換部と、前記光電変換部からの電荷を一方向に転送する
垂直転送部と、前記垂直転送部からの電荷を前記一方向
と交差する方向に転送する水平転送部とを備えたインタ
ーライン型ＣＣＤ撮像素子を有する撮像装置であって、
前記撮像素子が、１フィールド期間ごとに水平方向の全
ラインの前記光電変換要素の信号電荷を前記垂直転送部
を走査することで上下２ラインを加算して読み出すフィ
ールドモードと、１フィールド期間ごとに水平方向の１
ラインおきの前記光電変換要素の信号電荷をインターレ
ース走査して読み出すフレームモードとの２つのモード
で駆動される撮像装置において、前記光電変換要素の前
記フレームモードでの飽和電荷量に特定量の光が前記光
電変換要素に入射したときの偽信号電荷量を加算した電
荷量と、前記垂直転送部の最大電荷転送量との比が実質
的に１：１となるように、前記光電変換要素と前記垂直
転送部とが面積配分されている。

【００１７】また、請求項３の撮像装置は、半導体基板
部の上に形成された複数の光電変換要素からなる光電変
換部と、前記光電変換部からの電荷を一方向に転送する
垂直転送部と、前記垂直転送部からの電荷を前記一方向
と交差する方向に転送する水平転送部とを備えたインタ
ーライン型ＣＣＤ撮像素子を有する撮像装置であって、
前記撮像素子が、１フィールド期間ごとに水平方向の全
ラインの前記光電変換要素の信号電荷を前記垂直転送部
を走査することで上下２ラインを加算して読み出すフィ
ールドモードと、１フィールド期間ごとに水平方向の１
ラインおきの前記光電変換要素の信号電荷をインターレ
ース走査して読み出すフレームモードとの２つのモード
で駆動される撮像装置において、前記光電変換要素の前
記フレームモードでの飽和電荷量と前記垂直転送部の最
大電荷転送量との比が実質的に１：１となるように、前
記光電変換要素および前記垂直転送部の前記半導体基板
部内の電位が制御されている。

【００１８】また、請求項４の撮像装置は、半導体基板
部の上に形成された複数の光電変換要素からなる光電変
換部と、前記光電変換部からの電荷を一方向に転送する
垂直転送部と、前記垂直転送部からの電荷を前記一方向
と交差する方向に転送する水平転送部とを備えたインタ
ーライン型ＣＣＤ撮像素子を有する撮像装置であって、
前記撮像素子が、１フィールド期間ごとに水平方向の全
ラインの前記光電変換要素の信号電荷を前記垂直転送部
を走査することで上下２ラインを加算して読み出すフィ
ールドモードと、１フィールド期間ごとに水平方向の１
ラインおきの前記光電変換要素の信号電荷をインターレ
ース走査して読み出すフレームモードとの２つのモード
で駆動される撮像装置において、前記光電変換要素の前
記フレームモードでの飽和電荷量に特定量の光が前記光
電変換要素に入射したときの偽信号電荷量を加算した電
荷量と、前記垂直転送部の最大電荷転送量との比が実質
的に１：１となるように、前記光電変換要素および前記
垂直転送部の前記半導体基板部内の電位が制御されてい
る。

【００１９】また、請求項５の撮像装置は、前記半導体
基板部の電位Ｖ_subおよび前記垂直転送部のゲート電極
の電位の少なくともいずれか一方を制御することによ
り、前記比が実質的に１：１となるように微調整を行う
ことができるように構成されている。

【００２０】また、請求項６の撮像装置は、前記フィー
ルドモードにおいては、前記光電変換要素の前記フレー
ムモードでの飽和電荷量を１／２倍した量と前記垂直転
送部の最大電荷転送量との比が実質的に１：１となるよ
うに、前記半導体基板部の電位Ｖ_subが制御される。

【００２１】また、請求項７の撮像装置は、前記フィー
ルドモードにおいては、前記光電変換要素の前記フレー
ムモードでの飽和電荷量を１／２倍した量に特定量の光
が前記光電変換要素に入射したときの偽信号電荷量を加
算した電荷量と、前記垂直転送部の最大電荷転送量との
比が実質的に１：１となるように、前記半導体基板部の
電位Ｖ_subが制御される。

【００２２】また、請求項８の撮像装置は、前記フィー
ルドモードでの前記特定量の光は、前記フレームモード
に対して実質的に１／２倍に設定される。

【００２３】また、請求項９の撮像装置は、前記特定量
の光が前記光電変換要素に入射したときの偽信号電荷を
前記撮像素子から除去することができるように構成され
ている。

【００２４】また、請求項１０の撮像装置は、前記偽信
号電荷は実効的な偽信号量である。

【００２５】請求項１、３の発明によると、光電変換要
素と垂直転送部との面積配分または半導体基板部の電位
によって光電変換要素のフレームモードでの飽和電荷量
と垂直転送部の最大電荷転送量との比を実質的に１：１
にしているので、事実上画素面積を増加させることがで
きて感度が向上し、また、フレームモードでの取り扱い
電荷量が増加するので、高品位のフレームモード読み出
し画像が得られる。

【００２６】また、請求項２、４の発明によると、光電
変換要素と垂直転送部との面積配分または半導体基板部
の電位によって光電変換要素のフレームモードでの飽和
電荷量に特定量の光が光電変換要素に入射したときの偽
信号電荷量を加算した電荷量と、垂直転送部の最大電荷
転送量との比が実質的に１：１にしているので、偽信号
電荷が存在する場合であってもこれに適した処理を行う
ことができるようになるので、高品位のフレームモード
読み出し画像が得られる。

【００２７】また、請求項５の発明によると、半導体基
板部の電位Ｖ_subを制御することにより前記比が実質的
に１：１となるように微調整を行うことができるので、
撮像素子の製造時のばらつきがあっても確実に前記比を
１：１にすることができる。

【００２８】また、請求項６および７の発明によると、
半導体基板部の電位Ｖ_subをフィールドモードでの処理
に適した電位に制御するので、フィールドモード読み出
しでの画質を向上させることができ、フィールドモード
読み出しとフレームモード読み出しとで同程度の画質を
得ることができる。

【００２９】また、請求項８の発明によると、フィール
ドモードでの特定量の光がフレームモードの実質的に１
／２倍に設定されることにより、フィールドモードとフ
レームモードとで同等のＳ／Ｎ比の画像を得ることがで
きる。

【００３０】また、請求項９、１０の発明によると、特
定量の光が光電変換要素に入射したときの偽信号電荷を
撮像素子から除去することができるので、特定量の光が
入射したときに発生するスミアなど偽信号電荷分だけ実
信号飽和レベルを増加させることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を一実施形態につき
図面を参照して説明する。

【００３２】図１は、本発明の一実施形態のディジタル
カメラの概略構成を示すブロック図である。図１におい
て、光学レンズ３１は、被写体からの光を撮像素子３３
の撮像面に結像する。シャッタ３２は、機械的（メカニ
カル）なものであり、撮像素子３３に入射する光線の入
射時間を制御する。撮像素子３３は、図２に示すような
補色市松色差順次方式の色フィルタ構成で配列されたイ
ンターライン型ＣＤＤであり、被写体からの光の光信号
を電気信号に変換する。タイミング信号発生回路（Ｔ
Ｇ）３４は、撮像素子３３を動作させるために必要なタ
イミング信号を発生する。駆動電圧設定回路３５は、撮
像素子３３を駆動するための駆動電圧を発生する。撮像
素子駆動回路３６は、タイミング信号発生回路３４から
の信号を撮像素子３３の駆動に必要なレベルに増幅す
る。

【００３３】前置処理回路３７は、内部に撮像素子３３
の出力ノイズ除去のためのＣＤＳ（相関２重サンプリン
グ）回路やＡＧＣ（自動利得制御）回路を含む回路であ
る。Ａ／Ｄ変換器３８は、前置処理回路３７から出力さ
れるアナログ信号をディジタル信号に変換する。撮像信
号処理回路３９は、ディジタル化された信号を撮像信号
処理する。記録媒体インターフェイス（Ｉ／Ｆ）４１
は、記録媒体４０に記録のための信号を送る。操作部４
２は、カメラの撮像開始や撮像素子３３の読み出しモー
ドを撮影者が制御するためのものである。設定切換回路
４３は、操作部４２によって設定された撮像素子３３の
読み出しモードに応じて、タイミング信号発生回路３４
の信号タイミングの設定のための信号を出力する。ＥＶ
Ｆ（ビューファインダ）４４は、撮像信号処理回路３９
からの画像信号をディスプレイに表示する。バスコント
ローラ４５は、ディジタル信号を一時記憶するバッファ
メモリ４６とのデータの送受を行う。

【００３４】次に、本実施形態のディジタルスチルカメ
ラの動作についての一例を説明する。

【００３５】まず、撮影者が操作部４２の第１スイッチ
をオンすることにより、ＥＶＦ４４に画像を映し出すた
めのファインダモードが起動され、撮像信号の読み出し
速度を速くすることのできるフィールドモードによる撮
像動作が始まる。すると、シャッタ３２が絞り（図示せ
ず）とタイミング信号発生回路３４からの電子シャッタ
制御用パルスとにより撮像素子３３への露光量を制御す
る。

【００３６】そして、撮像素子３３から読み出された信
号は、前置処理回路３７でＣＤＳ処理やゲインコントロ
ールなどの信号処理を施される。この際、ゲインコント
ロール回路のゲインは、撮像素子３３の感度で決められ
るので、カメラの製造時に設定される。前置処理回路３
７の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器３８でディジタル信号に
変換され、バスコントローラ４５を経て撮像信号処理回
路３９に供給される。撮像信号処理回路３９で処理され
た信号は動画像としてＥＶＦ４４に出力され、撮影者は
撮像範囲や被写体の状況を確認することができる。

【００３７】次に、撮影者が操作部４２の第２スイッチ
をオンすることにより、記録媒体４０に画像を記録する
ための記録媒体記憶モードが起動され、フレーム読み出
しによる撮像動作が始まる。フレーム読み出しでは、ま
ず、撮像素子３３への露光が開始され、所望の露光量を
得るとシャッタ３２が閉じられる。シャッタ３２が閉じ
られると、最初に例えば電荷転送ゲートＶ₃に読み出し
電圧を印加することにより、図５のようにカラーフィル
タが配置された撮像素子３３からして奇数ラインの画素
（Ｃｙ，Ｙｅ）が垂直転送部２１に読み出され、垂直転
送部２１の各電極に転送パルスを印加することでこの信
号を順次転送して出力する。

【００３８】読み出した撮像出力に対して前置処理回路
３７でＣＤＳ処理やゲインコントロールなどの信号処理
を施す。ゲインコントロールは、撮像素子３３の飽和電
圧が増大したことから、フィールド読み出しのときと同
じかまたはわずかに高めのゲインに設定される。前置処
理回路３７の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器３８でディジタ
ル信号に変換され、バスコントローラ４５を経てバッフ
ァメモリ４６に記憶される。

【００３９】図２は、フレームモードで読み出された撮
像信号のバッファメモリ４６への記憶の概念図である。
図２（ａ）に示すように、奇数ラインの画素（Ｃｙ，Ｙ
ｅ）２４から読み出された信号は、１ラインおきにとび
とびにメモリマップ上に記憶される。そして、奇数ライ
ンの画素の記憶が終わると、図２（ｂ）に示すように偶
数ラインの画素（Ｍｇ，Ｇ）２４が電荷転送ゲートＶ₁
で読み出され、前置処理回路３７やＡ／Ｄ変換器３８を
介してバッファメモリ４６の１ラインおきにメモリマッ
プ上に記憶される。

【００４０】以上のようにして撮像素子３３から得られ
た撮像信号のバッファメモリ４６への書き込みが終わる
と、所定の手順で画像データが読み出され、撮像信号処
理回路３９で所定の処理をされ、フレーム映像出力とし
て記録媒体Ｉ／Ｆ４１で特定フォーマットへの変換処理
がされた後、記録媒体４０に静止画像として記録され
る。

【００４１】次に、図１の撮像素子３３における画素配
分について、これを図式化した図３を参照して説明す
る。なお、図３において、撮像素子全体の概略構成は、
図５および図６で説明したのと同じである。

【００４２】図３において、垂直転送部を構成する２つ
の転送セル１、２は、１つのホトダイオード（画素）３
に対向して設けられている。ホトダイオード３は、読み
出しゲートおよびチャネルストップからなる分離部４で
取り囲まれている。ここで、ａ、ｂは、垂直転送部の駆
動中に各転送セル１、２に蓄積することができる最大電
荷量であり、ｃはホトダイオード３の最大蓄積電荷量で
ある。

【００４３】ここで、従来の画素面積配分について説明
する。従来においては、上述のように２画素の信号電荷
が加算されるフィールドモードでの使用を前提としてい
たので、ほぼ、ａ＋ｂ＝２ｃ（１）となるように画素内の面積配分を設定していた。ここ
で、ａ＋ｂは垂直転送部の最大転送電荷量を意味する。

【００４４】ところが、実際の使用に当たっては、
（１）式は、ａ＋ｂ＝２ｃ＋α （２）となるように調整される。ここで、αはスミア分やホト
ダイオード３から垂直転送部への読み出し期間中に光電
変換される電荷分などであって、対ブルーミンブ特性を
標準光量の何倍に設定するかによって値が異なる。従っ
て、画素内の面積配分を決めるに当たっては、上記αの
値を考慮した（２）式が適用されることが好ましい。

【００４５】もっとも、実際に製造される撮像素子はプ
ロセスのばらつきにより設計どおりにはならないので、
例えば縦形オーバーフロードレイン構造の撮像素子の場
合であれば、基板電圧Ｖ_subを制御して（２）式の関係
が成り立つように調節する。もし、横形オーバーフロー
ドレイン構造であれば、オーバーフローコントロールゲ
ートの電圧を変えることで、同様に調節することが可能
である。

【００４６】これに対して、本実施形態では、ａ＋ｂ＝ｃ（３）またはａ＋ｂ＝ｃ＋α （４）となるように画素の面積配分がなされる。ここで、ａ、
ｂは、垂直転送部の駆動中に各転送セル１、２に蓄積す
ることができる最大電荷量であり、ｃはホトダイオード
３のフレームモードでの最大蓄積電荷量である。

【００４７】このような画素面積配分とすることで、ホ
トダイオード３の面積を従来よりも大幅に増加させるこ
とができ、これによって感度も向上する。さらに、フレ
ームモード読み出しでの取扱い電荷量が増加するので、
ディジタルカメラのフレームモードでの画像は高品位な
画質となる。なお、このとき製造時のばらつき制御が、
オーバーフロードレインのレベルを変えてホトダイオー
ド３の飽和容量を調節することによってなされるのは、
上述したのと同様である。なお、オーバーフロードレイ
ンを変えることでの調節が通常なされるが、本出願人に
よる特願平６−１３７３１８号などで示されている垂直
転送パルスのハイ側レベルを変えることにより、これを
調節することもできる。

【００４８】次に、本実施形態のように（３）式または
（４）式の関係を満たす面積配分のＣＣＤ撮像素子を使
用した撮像装置において、フィールドモード読み出しの
手順を説明する。

【００４９】本実施形態でのフィールドモード読み出し
は、ホトダイオード３の飽和容量がフレームモード読み
出しのときの１／２になるように調整して行われる。こ
の調整は、具体的には、例えば縦形オーバーフロードレ
イン構造のＣＣＤ撮像素子の場合であれば基板電位Ｖ
_subを制御することによって実現される。つまり、図６
（ｂ）に示すように、基板電位Ｖ_subを大きくすると、
ホトダイオード３の飽和容量が減少するので、この飽和
容量をフレームモード読み出しのときの１／２に調整す
ることができる。また、例えば横形オーバーフロードレ
イン構造のＣＣＤ撮像素子の場合であれば、オーバーフ
ローコントロールゲートの電圧を高くすることで調整す
ることができる。

【００５０】ただし、この場合、もしもホトダイオード
３の飽和容量がフレームモード読み出しのときの１／２
を超えると、垂直転送部で加算された電荷量が垂直転送
部の最大転送電荷量ａ＋ｂを超えることになり、この超
えた分の電荷が電荷転送時に前後の転送セル１、２にこ
ぼれ、ブルーミング現象が生じてしまう。したがって、
ホトダイオード３の飽和容量はフレームモード読み出し
のときの１／２以下となるように調整しなければならな
いが、飽和容量を最大とするためには１／２を大幅に下
回らないようになるべく１／２近傍に調節することが好
ましい。

【００５１】次に、本実施形態における光量とＣＣＤ撮
像素子の出力との関係について、図４を参照して説明す
る。

【００５２】図４において、横軸は光量を表し、縦軸は
撮像素子の出力を表す。また、ａはフィールドモード読
み出しでの光量と撮像素子の出力との関係を示し、ｂは
フレームモード読み出しでの光量と撮像素子の出力との
関係を示す。図４から明らかなように、フィールドモー
ド読み出しはフレームモード読み出しに対してほぼ２倍
の感度を有しているが、両者の飽和レベルは同じであ
る。

【００５３】この撮像素子では、フィールドモード読み
出しでもフレームモード読み出しでも、標準電圧は同じ
電圧値で処理が行われる。従って、フレームモード読み
出しでのカメラの露光量は、フィールドモード読み出し
でのほぼ２倍になるように切り換えられる。このように
して撮像される画像は、フィールドモード読み出しでも
フレームモード読み出しでもほぼ同等のＳ／Ｎ比の画質
を得ることができる。

【００５４】上述のように、フィールドモード読み出し
に対してフレームモード読み出しの標準光量がほぼ２倍
になることは、実効上のスミアもフィールドモード読み
出しに対してフレームモード読み出しでほぼ２倍になる
ことを意味する。従って、画素面積が上記（４）式のよ
うに調節されているならば、ａ＋ｂ＝ｃ／２＋α／２（５）となるようにαを１／２倍として、フィールドモード読
み出し時の飽和容量を大きく設定しておくこともでき
る。

【００５５】次に、本実施形態のディジタルカメラの有
効な使用方法について説明する。

【００５６】図１で説明したディジタルカメラのフィー
ルドモード読み出しは、主としてＥＶＦ４４に信号を提
供することを目的として行われるものである。この場
合、撮像素子３３の出力は、ビデオムービー信号として
繰り返し出力されることが望まれる。このため、フィー
ルドモード読み出し時にはシャッタ３２は常時開放され
る。

【００５７】一方、フレームモード読み出しでは、シャ
ッタ３２は開放されたままで、撮像素子３３に電子シャ
ッタパルスが加えられて画素のホトダイオードが空にさ
れる。しかる後、適正露光量を得るとシャッタ３２が閉
じられる。シャッタ３２が閉じられると、その直後に垂
直転送部内のスミア成分を除去すべく垂直転送部の転送
段数以上の高速転送（ＶＣＣＤクリア）がなされ、これ
が終了してから画素からの信号電荷の読み出しおよび転
送が行われる。

【００５８】このようなメカニカルなシャッタ３２を使
用したカメラでは、シャッタ３２を開放するフィールド
モード読み出し時に（５）式のように設定され、かつ、
シャッタ３２を閉じた後にＶＣＣＤクリアでスミア成分
を除去したフレームモード読み出し時に（３）式のよう
に設定されるように、それぞれのモードに合わせて基板
電位Ｖ_subを制御することで、撮像素子３３のダイナミ
ックレンジを最大限大きくした条件での使用が可能にな
る。

【００５９】なお、本実施形態においては、図４からも
分かるように、フィールドモード読み出しのダイナミッ
クレンジがフレームモード読み出しの場合の半分程度と
なる。しかしながら、本実施形態の撮像装置が主として
対象とする画像はフレームモードで撮像されること、お
よびフィールドモード読み出しの出力はＥＶＦ４４に供
給されるのがほとんどであることから、この点は実際の
使用に当たり問題とはならない。また、どうしてもフィ
ールドモード読み出しのダイナミックレンジを増加させ
たいのであれば、上述のαをフレームモード時の半分の
値とした設定や、フィールドモード読み出しの場合の標
準信号レベルをフレームモード読み出しの場合よりも低
くする設定によって、画質を同程度に保持しつつダイナ
ミックレンジを増加させることも可能である。さらに、
ホトダイオードと垂直転送部との最大転送電荷量の比
を、垂直転送部の最大転送電荷量が多少大きくなるよう
にあらかじめ設定しておく（αを大きめに設定する）の
も有効な手段である。

【００６０】さて、以上では、（３）（４）式の関係を
満たすのに面積配分によったが、半導体製造における不
純物濃度、不純物の打ち込み深さなどを制御することに
より半導体基板内の電位を制御することによって、
（３）（４）式の関係を満たすようにすることもでき
る。また、面積配分および半導体基板内の電位制御の両
方の手段により、（３）（４）式の関係を満たすように
してもよい。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による
と、、フィールド読み出し−フレーム読み出し兼用の撮
像装置において、高画質のフレームモード読み出し画像
が得られるとともに、フィールドモード読み出しとフレ
ームモード読み出しとで同程度の画質を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の撮像装置の概略構成を示
すブロック図である。

【図２】図１のバッファメモリ４６への記録状態を示す
図である。

【図３】本実施形態の画素の面積配分を説明するための
図である。

【図４】本実施形態の撮像装置における光量−出力の特
性図である。

【図５】インターライン型ＣＣＤの概略構成を示す図で
ある。

【図６】縦形オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造の
ＣＣＤ撮像素子の画素の断面図およびポテンシャル図で
ある。

【符号の説明】

１、２転送セル３ホトダイオード３１光学レンズ３２シャッタ３３撮像素子３４タイミング信号発生回路（ＴＧ）３５駆動電圧設定回路３６撮像素子駆動回路３７前置処理回路３８Ａ／Ｄ変換器３９撮像信号処理回路４０記録媒体４１記録媒体インターフェイス（Ｉ／Ｆ）４２操作部４３設定切換回路４４ＥＶＦ（ビューファインダ）４５バスコントローラ４６バッファメモリ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板部の上に形成された複数の光
電変換要素からなる光電変換部と、前記光電変換部から
の電荷を一方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送
部からの電荷を前記一方向と交差する方向に転送する水
平転送部とを備えたインターライン型ＣＣＤ撮像素子を
有する撮像装置であって、前記撮像素子が、１フィール
ド期間ごとに水平方向の全ラインの前記光電変換要素の
信号電荷を前記垂直転送部を走査することで上下２ライ
ンを加算して読み出すフィールドモードと、１フィール
ド期間ごとに水平方向の１ラインおきの前記光電変換要
素の信号電荷をインターレース走査して読み出すフレー
ムモードとの２つのモードで駆動される撮像装置におい
て、前記光電変換要素の前記フレームモードでの飽和電荷量
と前記垂直転送部の最大電荷転送量との比が実質的に
１：１となるように、前記光電変換要素と前記垂直転送
部とが面積配分されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】半導体基板部の上に形成された複数の光
電変換要素からなる光電変換部と、前記光電変換部から
の電荷を一方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送
部からの電荷を前記一方向と交差する方向に転送する水
平転送部とを備えたインターライン型ＣＣＤ撮像素子を
有する撮像装置であって、前記撮像素子が、１フィール
ド期間ごとに水平方向の全ラインの前記光電変換要素の
信号電荷を前記垂直転送部を走査することで上下２ライ
ンを加算して読み出すフィールドモードと、１フィール
ド期間ごとに水平方向の１ラインおきの前記光電変換要
素の信号電荷をインターレース走査して読み出すフレー
ムモードとの２つのモードで駆動される撮像装置におい
て、前記光電変換要素の前記フレームモードでの飽和電荷量
に特定量の光が前記光電変換要素に入射したときの偽信
号電荷量を加算した電荷量と、前記垂直転送部の最大電
荷転送量との比が実質的に１：１となるように、前記光
電変換要素と前記垂直転送部とが面積配分されているこ
とを特徴とする撮像装置。
【請求項３】半導体基板部の上に形成された複数の光
電変換要素からなる光電変換部と、前記光電変換部から
の電荷を一方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送
部からの電荷を前記一方向と交差する方向に転送する水
平転送部とを備えたインターライン型ＣＣＤ撮像素子を
有する撮像装置であって、前記撮像素子が、１フィール
ド期間ごとに水平方向の全ラインの前記光電変換要素の
信号電荷を前記垂直転送部を走査することで上下２ライ
ンを加算して読み出すフィールドモードと、１フィール
ド期間ごとに水平方向の１ラインおきの前記光電変換要
素の信号電荷をインターレース走査して読み出すフレー
ムモードとの２つのモードで駆動される撮像装置におい
て、前記光電変換要素の前記フレームモードでの飽和電荷量
と前記垂直転送部の最大電荷転送量との比が実質的に
１：１となるように、前記光電変換要素および前記垂直
転送部の前記半導体基板部内の電位が制御されているこ
とを特徴とする撮像装置。
【請求項４】半導体基板部の上に形成された複数の光
電変換要素からなる光電変換部と、前記光電変換部から
の電荷を一方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送
部からの電荷を前記一方向と交差する方向に転送する水
平転送部とを備えたインターライン型ＣＣＤ撮像素子を
有する撮像装置であって、前記撮像素子が、１フィール
ド期間ごとに水平方向の全ラインの前記光電変換要素の
信号電荷を前記垂直転送部を走査することで上下２ライ
ンを加算して読み出すフィールドモードと、１フィール
ド期間ごとに水平方向の１ラインおきの前記光電変換要
素の信号電荷をインターレース走査して読み出すフレー
ムモードとの２つのモードで駆動される撮像装置におい
て、前記光電変換要素の前記フレームモードでの飽和電荷量
に特定量の光が前記光電変換要素に入射したときの偽信
号電荷量を加算した電荷量と、前記垂直転送部の最大電
荷転送量との比が実質的に１：１となるように、前記光
電変換要素および前記垂直転送部の前記半導体基板部内
の電位が制御されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】前記半導体基板部の電位Ｖ_subおよび前
記垂直転送部のゲート電極の電位の少なくともいずれか
一方を制御することにより、前記比が実質的に１：１と
なるように微調整を行うことができるように構成されて
いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記
載の撮像装置。
【請求項６】前記フィールドモードにおいては、前記
光電変換要素の前記フレームモードでの飽和電荷量を１
／２倍した量と前記垂直転送部の最大電荷転送量との比
が実質的に１：１となるように、前記半導体基板部の電
位Ｖ_subが制御されることを特徴とする請求項１または
３に記載の撮像装置。
【請求項７】前記フィールドモードにおいては、前記
光電変換要素の前記フレームモードでの飽和電荷量を１
／２倍した量に特定量の光が前記光電変換要素に入射し
たときの偽信号電荷量を加算した電荷量と、前記垂直転
送部の最大電荷転送量との比が実質的に１：１となるよ
うに、前記半導体基板部の電位Ｖ_subが制御されること
を特徴とする請求項２または４に記載の撮像装置。
【請求項８】前記フィールドモードでの前記特定量の
光は、前記フレームモードに対して実質的に１／２倍に
設定されることを特徴とする請求項７に記載の撮像装
置。
【請求項９】前記特定量の光が前記光電変換要素に入
射したときの偽信号電荷を前記撮像素子から除去するこ
とができるように構成されていることを特徴とする請求
項２、４または７に記載の撮像装置。
【請求項１０】前記偽信号電荷は実効的な偽信号量で
あることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。