(57)【要約】【課題】高画素数であっても、ラインメモリ等を用いずに水平加算することができる固体撮像素子およびその信号読出し方法を提供。【解決手段】CCD固体撮像素子10は、列方向に、たとえば赤青の順に並ぶ受光素子12にトランスファシフトゲート16の他にトランスファシフトゲート18を新たに設け、トランスファシフトゲート18から信号電荷を垂直転送路14に読み出し、読み出した信号電荷を転送させた信号電荷の色属性を行方向に同色の信号電荷を並べ、信号電荷の色として横ストライプ化し、水平転送路20で同色の信号電荷を条件に応じて加算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に入射光を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、該配列は一方の行における受光素子の配置間隔に対し他方の行の隣接する受光素子と相対的にほぼ1/2の配置間隔だけずらし、該受光素子それぞれに蓄積した信号電荷を読み出すゲート手段を設け、読み出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し、前記入射光の到来する方向に前記受光素子それぞれに対応させ配設される前記入射光を色分離する色分離手段を含む固体撮像素子において、該固体撮像素子は、
前記色分離手段に用いる配色が列方向に赤青および青赤のいずれか一方の順に並ぶ受光素子に新たなゲート手段が配設され、
前記新たなゲート手段から信号電荷を前記列転送手段に読み出し、読み出した信号電荷を転送させた前記信号電荷の色属性を行方向に同色の信号電荷を並べ、前記行転送手段で前記同色の信号電荷を条件に応じて加算することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
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、前記条件が動画モードで、静止画モードにおいて供給される駆動周波数を加算する前記信号電荷の数倍にした駆動周波数が供給されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
入射光の到来する方向に受光素子それぞれに対応させ前記入射光を色分離し、前記受光素子は一方の行における受光素子の配置間隔に対し他方の行の隣接する受光素子と相対的にほぼ1/2の配置間隔だけずらし、該受光素子それぞれに蓄積した信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を列方向に転送し、転送した信号電荷を水平に転送する信号読出し方法において、該方法は、
列方向に赤青および青赤のいずれか一方の順に並ぶ受光素子に新たなゲート手段が配設され、前記新たなゲート手段から信号電荷を読み出す第１の工程と、
読み出した信号電荷を同列における次の行に位置する受光素子まで転送する第２の工程と、
前記蓄積した信号電荷が残る受光素子から該信号電荷を読み出す第３の工程と、
読み出した信号電荷を行単位に転送させる第４の工程と、
転送した信号電荷を条件に応じて加算し出力する第５の工程とを含むことを特徴とする信号読出し方法。
【請求項４】
請求項３に記載した方法において、第５の工程は、前記条件が動画モードで、静止画モードにおいて供給される駆動周波数を加算する前記信号電荷の数倍にした駆動周波数が供給されることを特徴とする信号読出し方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載した方法において、該方法は、第５の工程の後、第１の工程と第３の工程の時間差に基づく信号電荷の減衰を予測する感度減衰率を用い、前記加算する信号電荷の数に応じて補正する第６の工程を含むことを特徴とする信号読出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその信号読出し方法に関するものである。とくに、固体撮像素子は、解像度の向上を図るため、高集積化させ、斜めに隣接する撮像デバイス、すなわち、画素を互いにその画素中心に対して1/2 ピッチずつずらして配する、いわゆる、ハニカム型に画素配置された電子スチルカメラ装置や画像入力装置等に関するものである。また、本発明の信号読出し方法は、信号電荷を横方向に並べて信号電荷を水平に混合する読み出し方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の固体撮像装置およびその信号読出し方法は、画素ずらし、いわゆるハニカム型に配された受光素子から色分解に用いた色すべてを含む撮像信号で、たとえば、AE（Automatic Exposure）制御できることが目的である。この固体撮像装置は、モード指定手段でモードを設定し、この指定したモードの信号を制御手段に供給する。この供給により制御手段は、駆動信号生成手段を制御して駆動信号を生成する。撮像手段には、同色のフィルタが列方向に配された色分解手段を介して入射光が供給される。撮像手段は、この入射光を各受光素子で光電変換し、指定のモードに応じて駆動信号生成手段から供給される駆動信号を信号読出し手段に供給し、信号電荷を飛越し転送した際に、色分解手段の色フィルタ配列を考慮してすべての色に関わる信号が読み出されることにより、高画素化された場合、色を限定することなく信号読出しの所要時間の短縮化を図っているので、この所要時間の短縮が要求される、たとえば、AE, AWB（Automatic White Balance）の調整制御で有効に機能させることができる。
【０００３】
このように静止画の全画素読出し時に高解像度を維持する上で、ハニカム配列やベイヤ配列等のように、たとえば三原色R, GおよびBをそれぞれ互い違いに配置させることが有効で、静止画撮影が主要なディジタルカメラで広く用いられている。
【０００４】
また、スルー画、AEおよびAF（Automatic Focus）等の動画モードでは、解像度よりも動きの滑らかさのように感覚的なものが重視されている。これにより、間引きおよび画素加算等の処理で読出し画素数を減らしフレームレートを向上させてきた。
【０００５】
【特許文献１】特開2000−224599号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの画素配列パターンでは、垂直および水平方向に異なる色が混在する。この混在ため得られる信号を垂直および水平方向に加算することは容易に行ない難い。垂直方向の画素加算は、混合できない行だけの読出しを禁止する。すなわち、トランスファシフトゲートパルスの印加をオフにする。このようにして読み出した同色の信号電荷は垂直転送路において加算される。
【０００７】
また、読み出す画素数を減らす間引きは、とくに、水平方向では難しい。この困難性を解消するため固体撮像素子は、ラインメモリ等を追加する構造を採用し信号電荷を加算してきた。
【０００８】
したがって、高画素数になればなるほど、水平方向の不要な画素数が増えることになる。この結果、画像処理後に水平方向にリサイズするなどの方法が採用されてきた。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、高画素数であっても、ラインメモリ等を用いずに水平加算することができる固体撮像素子およびその信号読出し方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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を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、この配列は一方の行における受光素子の配置間隔に対し他方の行の隣接する受光素子と相対的にほぼ1/2の配置間隔だけずらし、この受光素子それぞれに蓄積した信号電荷を読み出すゲート手段を設け、読み出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し、入射光の到来する方向に受光素子それぞれに対応させ配設される入射光を色分離する色分離手段を含む固体撮像素子において、この固体撮像素子は、色分離手段に用いる配色が列方向に赤青および青赤のいずれか一方の順に並ぶ受光素子に新たなゲート手段が配設され、新たなゲート手段から信号電荷を列転送手段に読み出し、読み出した信号電荷を転送させた信号電荷の色属性を行方向に同色の信号電荷を並べ、行転送手段で同色の信号電荷を条件に応じて加算することを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、列方向に赤青および青赤のいずれか一方の順に並ぶ受光素子に新たなゲート手段を設け、この新たなゲート手段から信号電荷を列転送手段に読み出し、読み出した信号電荷を転送させた信号電荷の色属性を行方向に同色の信号電荷を並べ、信号電荷の色として横ストライプ化し、行転送手段で同色の信号電荷を条件に応じて加算することで画素混合することができる。
【００１２】
また、本発明は上述の課題を解決するために、入射光の到来する方向に受光素子それぞれに対応させ前記入射光を色分離し、受光素子は一方の行における受光素子の配置間隔に対し他方の行の隣接する受光素子と相対的にほぼ1/2の配置間隔だけずらし、この受光素子それぞれに蓄積した信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を列方向に転送し、転送した信号電荷を水平に転送する信号読出し方法において、この方法は、列方向に赤青および青赤のいずれか一方の順に並ぶ受光素子に新たなゲート手段が配設され、新たなゲート手段から信号電荷を読み出す第１の工程と、読み出した信号電荷を同列における次の行に位置する受光素子まで転送する第２の工程と、蓄積した信号電荷が残る受光素子からこの信号電荷を読み出す第３の工程と、読み出した信号電荷を行単位に転送させる第４の工程と、転送した信号電荷を条件に応じて加算し出力する第５の工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の固体撮像素子の信号読み出し方法は、新たなゲート手段から信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を同列における次の行に位置する受光素子まで転送させ、蓄積した信号電荷が残る受光素子からこの信号電荷を読み出すことにより、信号電荷の色を同色にまとめ横ストライプ化し読み出した信号電荷を行単位に転送させ、転送した信号電荷を条件に応じて加算し出力することで水平加算を容易に実現しフレームレートも維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の一実施例を詳細に説明する。
【００１５】
本実施例は、本発明の固体撮像素子をCCD（Charge Coupled Device）固体撮像素子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。
【００１６】
CCD固体撮像素子10は、図１に示すように、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、一方の行に位置する受光素子の配列が他方の行に位置する受光素子12の配列に対する配列間隔を1/2だけ相対的にずらされる。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が形成される。
【００１７】
開口部を覆うカラーフィルタセグメントは、G正方格子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。
【００１８】
受光素子12に蓄積した信号電荷は、フィールドシフトゲート16および18から読み出される。フィールドシフトゲート16は、通常右斜め下方側に設けられる。また、フィールドシフトゲート18は、３列おきに色RおよびBを含む列の受光素子12における右斜め上方側に設けられる。換言すると、フィールドシフトゲート18は、色RおよびB列に関し一列おきに設けられる。フィールドシフトゲート18は、フィールドシフトゲート18の設ける側の同一方向の上側に配設するとよい。また、これ以外の場合としては、フィールドシフトゲート18は、３列おきの色BおよびRの列に設けてもよい。この受光素子12は、フィールドシフトゲート16および18と偶数個設ける。
【００１９】
垂直転送路14は、構成要素のCCDに転送電極が配設される。垂直転送路14には、色R, GおよびBの信号電荷が垂直方向に混色しないように読み出される。読み出された信号電荷は通常の転送により水平転送路20に向けて転送される。
【００２０】
CCD固体撮像素子10は、複数の垂直転送路14と直交する水平転送路20を有する。CCD固体撮像素子10は、水平転送路20からの信号電荷を電圧に変換するアンプ22を含む。アンプ22は、フローティングディフュージョンアンプである。
【００２１】
次にCCD固体撮像素子10の動作を簡単に説明する。図2(a)の垂直同期信号に同期させ、図2(b)に示すように、タイミングT1にてトランスファシフトゲートパルスTG2およびTG6を印加、すなわちオン状態にする。実際には、トランスファシフトゲートパルスTG2およびTG6を含む駆動信号V2およびV6がトランスファシフトゲート18に印加される。この結果、図３に示すように、色Rおよび色Bの信号電荷が読み出される。色Rおよび色Bの信号電荷は、それぞれ、左斜めのハッチングと右斜めハッチングで表す。
【００２２】
図２に戻って、図2(c)に示すように、タイミングT2にてトランスファシフトゲートパルスTG3, TG7, TG1, およびTG5を印加、すなわちオン状態にする。これに対して、図2(d)に示すトランスファシフトゲートパルスTG4およびTG8はレベル“L”で印加されない。受光素子12に蓄積した信号電荷は、タイミングT1から期間24の時間経過すると、消滅する。この消滅は、感度の減衰をもたらす。これを予測感度減衰率αとする。予測感度減衰率αについては後段でさらに説明する。
【００２３】
タイミングT1とT2の期間24において、垂直転送路14に読み出した色Rおよび色Bの信号電荷が、図４に示すように、CCDを４つ移動する。移動に際して垂直転送路14には、図５に示すように、生成された垂直タイミング信号VT1〜VT8に応じた駆動信号V1〜V8が供給される。垂直タイミング信号VT1〜VT8は、図示しないドライバに供給される。ドライバでは、垂直タイミング信号VT1〜VT8の極性が反転して垂直転送路14の転送電極に印加される。図５の矢印S1およびS2は、それぞれ図３および図４の状態になる。
【００２４】
矢印S2の状態以降において、タイミングT2のトランスファシフトゲートパルスTG3, TG7, TG1, およびTG5が印加されると、まだ読み出されていない受光素子12が、蓄積した信号電荷を垂直転送路14に出力する。この状態を図６に示す。色Gの信号電荷は、縦ストライプで表す。この読出しにより、行毎に色R, GおよびBが順に得られる。垂直転送路14上で横ストライプ化される。
【００２５】
タイミングT2以降、図７に示す垂直タイミング信号VT1〜VT8が供給される。図７のタイミングチャートにおいて図６の状態は、矢印S3のタイミングまでの状態である。図６に示した信号電荷は、図７に示した４種類の駆動信号（V1,V5）、（V2,V6）、（V3,V7）および（V4,V8）を印加することで信号電荷が垂直転送される。この垂直転送により垂直転送路14の最下段に位置する信号電荷が水平転送路20に移動される。水平転送路20に移動した信号電荷は、順次水平転送される。このように水平転送後、再び垂直転送と水平転送を次の垂直同期信号が供給されるまで、すなわち図２に示した期間26にわたって転送される。
【００２６】
ところで、水平転送を図８に示すように行なう。水平転送は、図8(a)および(b)に示すように、２相の水平駆動信号H1およびH2により行なわれる。図8(c)のようにリセット信号が供給されると、水平転送路20は、同色の信号電荷を混色することなく、転送し出力する。リセット信号の周波数は不変にする。
【００２７】
なお、動画モードでは、原発駆動周波数を静止画の原発駆動周波数をN倍にする。ここで、Nは加算する水平画素数である。図8(d)および(e)のリセット信号は、それぞれ、原発駆動周波数を２倍および３倍に切り替えることにより、原発駆動周波数の１/2および1/3になる。この結果、リセット信号が非混合に比べて１個および２個省略される。この省略により、同色の信号電荷が２画素および３画素ずつ画素混合される。実質暦に、信号電荷を読み出すフレームレートは、２倍および３倍に向上させることができる。フレームレートは、維持することができる。
【００２８】
水平転送路20は、信号電荷をアンプ22に供給する。アンプ22は、信号電荷をアナログ電圧信号に変換する。さらに、アナログ電圧信号をディジタル化した後、動画モードにおける読出し時間差による画素データの減衰を補正する。予測感度減衰率α、加算する画素数Nが偶数と奇数の場合に応じて次の補正係数を画素データに乗算する。補正係数は、画素数Nが偶数の場合、2/(1+α)とする。また、補正係数は、画素数Nが奇数の場合、2/{N+1+α(N-1)}ならびに2/{N-1+α(N+1)}とする。このように補正係数をかけて感度低下を補正することができる。
【００２９】
なお、静止画モードではフィールドシフトゲート16だけから従来のように信号電荷を読み出すとよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る固体撮像素子を適用した実施例におけるCCD固体撮像素子の概略的な構成を示す図である。
【図２】図１のCCD固体撮像素子の信号電荷読出しを説明するタイミングチャートである。
【図３】図１のCCD固体撮像素子におけるタイミングT1での信号電荷読出しを説明する図である。
【図４】図３の信号電荷読出し状態からの転送を説明する図である。
【図５】図４のCCD固体撮像素子における信号電荷を転送する上で用いられる垂直タイミング信号を説明するタイミングチャートである。
【図６】図１のCCD固体撮像素子におけるタイミングT2での信号電荷読出しを説明する図である。
【図７】図６の信号電荷を転送する上で用いられる垂直タイミング信号を説明するタイミングチャートである。
【図８】図１のCCD固体撮像素子における水平転送路の信号電荷読出しを説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３１】
10  CCD固体撮像素子
12  受光素子
14  垂直転送路
16、18  フィールドシフトゲート
20  水平転送路
22  アンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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