(57)【要約】  【課題】  フレームレートを劣化させることなく、モニタモード時の電荷転送不良を抑制することにより、高画質なモニタ表示を実現する固体撮像装置を提供する。  【解決手段】  ２次元状に複数個配列された光電変換素子と、光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部とを備え、前記光電変換素子を垂直方向に間引いて信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を水平ブランキング期間において前記垂直転送部から前記水平転送部へ複数段転送するモニタモードを、動作モードとして有する固体撮像装置に関する。モニタモードにおいて、前記垂直転送部によって１段の信号電荷転送が完了したとき（Ｔ２）から、次の段の信号電荷転送を開始するとき（Ｔ３）までの時間間隔を、垂直転送の１ステップに必要な時間（Ｖｓｔｅｐ）よりも長くする。【選択図】  図１
2006319640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配列され光電変換した信号電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子から蓄積された信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像装置であって、
前記光電変換素子を垂直方向に間引いて信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を水平ブランキング期間において前記垂直転送部から前記水平転送部へ複数段転送するモニタモードを、動作モードとして有し、
前記モニタモードにおいて、前記垂直転送部によって１段の信号電荷転送が完了した後、次の段の信号電荷転送を開始するまでの時間が、垂直転送クロックの周期よりも長くなるように、前記垂直転送部へ駆動信号を供給する駆動部を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記垂直転送部によって１段の信号電荷転送が完了した後、次の段の信号電荷転送を開始するまでの時間が、垂直転送の１ステップに必要な時間の３倍以上である、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記垂直転送部によって１段の信号電荷転送が完了した後、次の段の信号電荷転送を開始するまでの期間、垂直転送部へ供給される駆動信号が、水平転送期間に垂直転送部へ供給される駆動信号と同じである、請求項１に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、動作モードとしてモニタモードを有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像機器が一般に普及している。これらの撮像機器には、マトリクス状に配列された光電変換素子から電荷を読み出し、複数の垂直ＣＣＤ及び１以上の水平ＣＣＤを用いて順に転送出力する固体撮像装置を用いたものがある。
【０００３】
従来の固体撮像装置の動作モードとしては、静止画を出力するスチルモードと、動画またはモニタ画像を出力するためのモニタモードとがある。スチルモードでは、高解像度の静止画を出力するために、全ての光電変換素子の電荷が垂直ＣＣＤへ読み出され、転送出力される。しかし、このように全ての光電変換素子の電荷を転送出力する駆動方法によるとフレームレートが低くなるため、スチルモードと同じ駆動方法をモニタモードに適用することはできない。そこで、モニタモードでは、電荷を読み出すべき光電変換素子を垂直方向において間引くことにより、フレームレートを向上させている。
【０００４】
図７は、従来の固体撮像装置におけるモニタモードの動作例を示す模式図である。図７に示す従来の固体撮像装置は、１段あたりに６相の転送電極（Ｖ１〜Ｖ６）を備えた６相ＣＣＤである。また、この固体撮像装置は、光電変換素子上に、いわゆるベイヤ配列のカラーフィルタを備え、１段（垂直方向３画素）のうち１画素から電荷を読み出す。図７に示す固体撮像装置は、垂直方向６画素中同色２画素の電荷を読み出した後水平ＣＣＤで電荷を混合する構成となっており、１水平ブランキング期間に２段分の電荷を水平ＣＣＤへ送り込むよう動作する。図７において、カラーフィルタの色名（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に丸印を付した画素が、各段において電荷が読み出される画素である。なお、図７に示した構成では、図８に示すように、４枚ないし５枚の転送電極に信号電荷を蓄積しながら、垂直方向に電荷を転送する。図７は、垂直ＣＣＤへ読み出された電荷が垂直方向へそれぞれ適宜転送された後の状態を示しており、図７中の矢印は、各画素から読み出された電荷が垂直ＣＣＤにおけるどの転送電極に蓄積されているかを示す。
【０００５】
図８は、上記従来の固体撮像装置において、水平ブランキング期間に垂直ＣＣＤの転送電極Ｖ１〜Ｖ６へ与えられる駆動信号を示す波形図である。図８に示すように、従来の固体撮像装置では、水平ブランキング期間に２段分の電荷を水平ＣＣＤへ送り込むが、１段目の転送と２段目の転送とは、間隔を置かずに連続して行われる。すなわち、１段目の転送が完了した直後（時刻ｔ２）に、２段目の転送が開始される。
【０００６】
なお、モニタモードにおいて、１水平ブランキング期間に２段以上の電荷を水平ＣＣＤへ送り込む固体撮像装置の例は、例えば特許文献１等にも開示されている。特許文献１に開示された固体撮像装置は、ライン間引きモードの場合の水平ブランキング期間の長さを、高解像度を要するフィールド読み出しモードの場合よりも長くすることにより、垂直転送クロックのオーバーラップ期間を長くして、転送効率を改善しようとするものである。
【特許文献１】特開２００２−１５２５９８号公報（第６頁、段落００４９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図８に示したように駆動される従来の固体撮像装置では、モニタモードにおいて、垂直ＣＣＤにおいて局所的な電荷転送不良が発生し、単色光を撮像した際に着色した縦線が発生するという現象が見られた。これは、図９に示すように、垂直ＣＣＤ内での電荷転送不良によって、複数段にわたる信号電荷が混合する「混色」が発生し、特定のラインにおいて色比率が異常値を示すことに起因する。なお、図９のグラフは、緑色の光を固体撮像装置へ照射してこれを撮像し、撮像された信号における色比率（Ｒ/Ｇ）を求めた結果である。
【０００８】
この現象は、特許文献１に開示された方法のように、垂直転送クロックのオーバーラップ期間を長くすることによってある程度は改善される。しかし、特許文献１に開示された方法では、水平同期期間が長くなってしまい、フレームレートが劣化するという別の課題が生じる。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑み、フレームレートを劣化させることなく、モニタモード時の電荷転送不良を抑制することにより、高画質なモニタ表示を実現する固体撮像装置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】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像装置は、マトリクス状に配列され光電変換した信号電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子から蓄積された信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像装置であって、前記光電変換素子を垂直方向に間引いて信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を水平ブランキング期間において前記垂直転送部から前記水平転送部へ複数段転送するモニタモードを、動作モードとして有し、前記モニタモードにおいて、前記垂直転送部によって１段の信号電荷転送が完了した後、次の段の信号電荷転送を開始するまでの時間が、垂直転送クロックの周期よりも長くなるように、前記垂直転送部へ駆動信号を供給する駆動部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、モニタモードにおいて、垂直転送時に１段の信号電荷転送が完了した後、次の段の信号電荷転送を開始するまでの時間が、垂直転送の１ステップに必要な時間の周期よりも長くなるように、前記垂直転送部へ駆動信号を供給することにより、垂直転送部下に配置されたｐウェルの電位変動が抑制される。これにより、上記の特許文献１に開示されたように水平ブランキング期間を長くする方法と比較して、フレームレートを劣化させることなく、信号電荷の転送不良を効果的に防止することが可能となる。この結果、高画質なモニタ表示を実現する固体撮像装置を提供できる。
【００１２】
上記の構成において、前記垂直転送部によって１段の信号電荷転送が完了した後、次の段の信号電荷転送を開始するまでの時間が、垂直転送の１ステップに必要な時間の３倍以上であることが好ましい。
【００１３】
また、前記垂直転送部によって１段の信号電荷転送が完了した後、次の段の信号電荷転送を開始するまでの期間、垂直転送部へ供給される駆動信号が、水平転送期間に垂直転送部へ供給される駆動信号と同じであることが好ましい。垂直転送部下に配置されたｐウェルの電位変動をより効果的に抑制できるからである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、フレームレートを劣化させることなく、モニタモード時の電荷転送不良を抑制することにより、高画質なモニタ表示を実現する固体撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図２は、本実施形態の固体撮像装置の概略構成例を示すブロック図である。図２において、固体撮像素子１の出力は前処理回路２０により、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）やＡＤＣ（アナログ・ディジタル変換）の処理を施される。前処理回路２０の出力は、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）回路３０により、画素補間や輝度・色差処理などが行われて映像信号として出力される。タイミングジェネレータ（ＴＧ）４０は、固体撮像素子１の駆動に用いられるタイミングパルスＰH1，ＰH2，ＰV1〜ＰV6を生成する。クロックドライバ５０（駆動部）は、タイミングジェネレータ４０で生成されたタイミングパルスに基づいて駆動信号φＶ１〜φＶ６を生成し、固体撮像素子１へ供給する。
【００１７】
タイミングジェネレータ４０は、ディジタル信号処理回路３０から水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤおよびクロック信号の各パルスの供給を受け、上記タイミングパルスを生成すると共に、信号処理パルスＰＲＯＣを前処理回路２０及びディジタル信号処理回路３０へ供給する。ただし、水平同期信号および垂直同期信号をタイミングジェネレータ４０が生成する構成とする場合もある。
【００１８】
図３に、本実施形態にかかる固体撮像素子１の概略構成を示す。本実施形態の固体撮像素子１は、マトリクス状に配列された光電変換素子２と、垂直転送部３と、水平転送部４と、電荷検出部５とを備えている。垂直転送部３および水平転送部４のそれぞれは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）により構成される。図３に示した例では、垂直転送部３は、Ｖ１〜Ｖ６の６相の転送電極を有し、水平転送部４は、Ｈ１，Ｈ２の２相の転送電極を有するが、本発明はこの構成にのみ限定されるものではない。なお、図３では、撮像領域（光電変換素子２が設けられている領域）の垂直転送部３のみを図示したが、垂直転送部３と水平転送部４との間に蓄積領域が設けられた構成としても良い。
【００１９】
光電変換素子２としては、例えばフォトダイオードが用いられる。光電変換素子２の各々には、図３に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色のカラーフィルタが規則的に配置されている。本実施形態では、垂直・水平方向共に２画素おきに、ＲＧＢのそれぞれのフィルタが、いわゆるベイヤ配列を構成している。すなわち、図３に示すように、垂直方向２画素×水平方向２画素の計４画素を単位とすれば、左下の画素がＲ、右下および左上の画素がＧ、右上の画素がＢとなるように、カラーフィルタが配置されている。
【００２０】
固体撮像素子１において、光電変換素子２のそれぞれには、垂直転送部３の転送電極が２つずつ接続されている。各光電変換素子２に接続された２つの転送電極のいずれか一方が、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出すシフトゲートである。例えば、図３では、Ｖ１〜Ｖ６の６つの転送電極のうち、奇数番号の転送電極がシフトゲートであるものとする。図３において、同一種の転送電極は共通に電気接続するよう配線され、他の転送電極とは独立して駆動される。例えば、Ｖ１と表示された転送電極は、全て共通の配線がなされており、Ｖ２〜Ｖ６の転送電極とは独立して駆動される。ただし、モニタモードにおいて垂直方向に画素を間引くために、Ｖ３ＡとＶ３Ｂ、Ｖ５ＡとＶ５Ｂとは、互いに分離して配線されており、互いに独立に駆動される。つまり、モニタモードにおいては、Ｖ３Ａ，Ｖ５Ａに読み出し電圧を印加することにより、Ｖ３Ａ，Ｖ５Ａが接続されているフォトダイオードのみから信号電荷が読み出される。なお、図３において、モニタモードにおいて信号電荷が読み出される光電変換素子２にハッチングを付した。
【００２１】
これにより、例えば図３の左下に示すように、モニタモードの場合、Ｖ１〜Ｖ６の６相の転送電極からなる転送電極群３１ａにおいては、Ｖ５Ａが接続されているＲの光電変換素子２から信号電荷が読み出される。同じくＶ１〜Ｖ６の６相の転送電極からなる転送電極群３１ｂにおいては、Ｖ３Ａが接続されているＲの光電変換素子２から信号電荷が読み出される。そして、１水平ブランキング期間内に、転送電極群３１ａにおいて読み出された１画素分の信号電荷（Ｒの信号電荷）が１段目として転送され、転送電極群３１ｂにおいて読み出された１画素分の信号電荷（Ｒの信号電荷）が２段目として転送される。そして、これら同色の２段分の信号電荷は、水平転送部４で混合される。同様に、図３に示す転送電極群３１において読み出された２段分の信号電荷が、それぞれ水平転送部４で混合されることとなる。
【００２２】
図１は、本実施形態にかかる固体撮像素子１において、水平ブランキング期間に転送電極Ｖ１〜Ｖ６へ与えられる駆動信号（φＶ１〜φＶ６）を示す波形図である。図１に示すように、本実施形態にかかる固体撮像素子１では、水平転送期間では、転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４にミドルレベルの電圧（ＶM）が印加され、転送電極Ｖ５，Ｖ６にローレベルの電圧（ＶL）が印加されているが、水平ブランキング期間に入った後、時刻Ｔ１において、転送電極Ｖ５への印加電圧がミドルレベル（ＶM）に立ち上がることにより、垂直転送が開始される。なお、ミドルレベルの電圧（ＶM）は、光電変換素子２から信号電荷を読み出す際に転送電極Ｖ３Ａ，Ｖ５Ａへ印加されるハイレベルの電圧（ＶH）よりも低い電圧である。
【００２３】
時刻Ｔ１の直後は、転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５にミドルレベルの電圧（ＶM）が印加され、転送電極Ｖ６にローレベルの電圧（ＶL）が印加されることにより、転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５の５枚に信号電荷が蓄積されている。そして、時刻Ｔ１の次の垂直転送クロックにより、転送電極Ｖ１への印加電圧がミドルレベル（ＶM）からローレベル（ＶL）へ切り替わる。これにより、転送電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５の４枚に信号電荷が蓄積される。さらに、次の垂直転送クロックにより、転送電極Ｖ６への印加電圧がローレベル（ＶL）からミドルレベル（ＶM）へ切り替わる。これにより、転送電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６の５枚に信号電荷が蓄積される。
【００２４】
このように、垂直転送クロック毎に、４枚ないし５枚の転送電極に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する。そして、図１に示す時刻Ｔ２において、１段目の信号電荷が、水平転送部４へ送り込まれる。
【００２５】
固体撮像素子１は、時刻Ｔ２において１段目の信号電荷の転送が完了すると、時刻Ｔ３まで、垂直転送を停止する。図１の例では、時刻Ｔ２からＴ３までの時間は、垂直転送の１ステップに必要な時間（図１に示すＶｓｔｅｐ）の３倍に相当する。なお、時刻Ｔ２からＴ３までの間、垂直転送部３の各転送電極に印加される電圧は、水平転送期間と同様に、転送電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４に対してミドルレベル（ＶM）、転送電極Ｖ５，Ｖ６に対してローレベル（ＶL）である。時刻Ｔ３になると、時刻Ｔ１と同様に、転送電極Ｖ５への印加電圧がミドルレベル（ＶM）に立ち上がることにより、２段目の信号電荷の垂直転送が開始される。以降、１段目の転送と同様に、４枚ないし５枚の転送電極に蓄積された信号電荷を垂直方向に順次転送することにより、時刻Ｔ４において、２段目の信号電荷が水平転送部４へ送り込まれる。
【００２６】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子１では、水平ブランキング期間において複数段の電荷転送を行う際に、１段の電荷転送が完了した後、次の段の電荷転送を開始するまでの時間が、垂直転送の１ステップに必要な時間（Ｖｓｔｅｐ）よりも長く確保されている。これにより、局所的な転送不良の発生が防止される。その結果、図４に示すように、色比率が一定となり、縦線が生じない高画質のモニタ画像を得ることができる。
【００２７】
このように、本実施形態にかかる固体撮像素子１において局所的な転送不良を抑制できる理由は、次のとおりである。
【００２８】
図５は、垂直転送部３の転送方向に沿った断面図である。図５に示すように、垂直転送部３は、ｎ型の半導体基板１１上に、ｐウェル１２と、ｎ型の埋め込みチャネル１３が形成され、その表面に、転送電極Ｖ１〜Ｖ６が設けられた構成である。ｐウェル１２はＧＮＤ接続されているが、画素領域周辺でＧＮＤ配線と接続されていること、および高抵抗であることから、転送電極Ｖ１〜Ｖ６へ印加されるパルスの影響を受けやすい。このため、水平ブランキング期間に複数段の垂直転送を連続して行う場合、従来のように１段目の転送完了直後に続けて２段目の転送を行うと、図６（ａ）に示すように、転送電極Ｖ１〜Ｖ６へ印加されるパルスに影響されてｐウェル１２の電位が揺らぎ、かつ、そのゆらぎの振幅が徐々に大きくなると考えられる。このようにｐウェル１２の電位が揺らぐと、垂直転送部３内で垂直方向へ転送されるべき信号電荷の一部が残ってしまい、混色が生じることとなる。
【００２９】
一方、本実施形態にかかる固体撮像素子１では、１段の電荷転送が完了した後、次の段の電荷転送を開始するまでの時間を、垂直転送クロックの周期よりも長く確保することにより、図６（ｂ）に示すように、１段目の転送によって発生したｐウェル１２の電位の揺らぎが、２段目の転送開始時までに収束する。これにより、信号電荷の転送不良による混色を効果的に防止することができる。
【００３０】
発明者らの実験によれば、１段の電荷転送が完了してから次の段の電荷転送を開始するまでの時間を、垂直転送クロックの周期の少なくとも３倍とすることが、モニタモードにおける局所的な転送不良を解消する上で効果的であることが分かった。また、１段の電荷転送が完了してから次の段の電荷転送を開始するまでの時間の上限については、モニタモードの水平ブランキング期間がスチルモードの場合よりも長くならないことを条件として決定すれば良い。水平ブランキング期間が長くなると、前述したように、フレームレートが劣化するからである。
【００３１】
なお、本実施形態では、１水平ブランキング期間に垂直方向３画素分を１段として、２段転送を行う例を示したが、１水平ブランキング期間に３段以上の転送を行う場合にも本発明を適用できる。この場合、１段の電荷転送が完了してから次の段の電荷転送を開始するまでの時間間隔は、一定であっても良いし、一定でなくても良い。例えば後の転送になるほど、前の転送完了時からの時間間隔を長くすることも考えられる。
【００３２】
なお、上記の実施形態では、ベイヤ配列のカラーフィルタを有する固体撮像素子を例示した。しかし、これはあくまで一例であって、本発明は、任意のカラーフィルタを備えた固体撮像素子に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に適用できる固体撮像装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる固体撮像装置において、水平ブランキング期間に垂直転送部の転送電極へ与えられる駆動信号を示す波形図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる固体撮像装置が備える固体撮像素子の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる固体撮像装置における撮像信号の色比率分布を示すグラフである。
【図５】垂直転送部の転送方向に沿った断面図である。
【図６】水平ブランキング期間のｐウェル電位の変遷を示す概念図であり、（ａ）は、従来の固体撮像装置におけるｐウェル電位、（ｂ）は本発明の一実施形態にかかる固体撮像装置におけるｐウェル電位を示す。
【図７】従来の固体撮像装置におけるモニタモードの動作例を示す模式図である。
【図８】従来の固体撮像装置において、水平ブランキング期間に垂直転送部の転送電極へ与えられる駆動信号を示す波形図である。
【図９】従来の固体撮像装置における撮像信号の色比率分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１      固体撮像素子
２      光電変換素子
３      垂直転送部
４      水平転送部
５      電荷検出部
１１    ｎ型半導体基板
１２    ｐウェル
１３    ｎ型埋め込みチャネル
２０    前処理回路
３０    ディジタル信号処理回路
４０    タイミングジェネレータ
５０    クロックドライバ
【図１】
2006319640.tif 000003
【図２】
2006319640.tif 000004
【図３】
2006319640.tif 000005
【図４】
2006319640.tif 000006
【図５】
2006319640.tif 000007
【図６】
2006319640.tif 000008
【図７】
2006319640.tif 000009
【図８】
2006319640.tif 000010
【図９】
2006319640.tif 000011