(57)【要約】【課題】撮像領域から撮像画像信号を部分読出するとき、垂直電荷転送路の駆動周波数を高めることなく高フレームレートで撮像画像信号を読み出す。【解決手段】半導体基板の撮像領域に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素と、該画素で構成される画素列に沿って形成される垂直電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、撮像領域から撮像画像信号をインターレース読み出しして撮像領域の一部領域から読み出した撮像画像信号だけを使用するに際し、一部領域から読み出した信号電荷を垂直電荷転送路で転送するときに形成される空パケットを利用して撮像領域の残り領域から読み出した不要電荷を転送し廃棄する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の撮像領域に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素と、該画素で構成される画素列に沿って形成される垂直電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記撮像領域から撮像画像信号をインターレース読み出しして該撮像領域の一部領域から読み出した撮像画像信号だけを使用するに際し、該一部領域から読み出した信号電荷を前記垂直電荷転送路で転送するときに形成される空パケットを利用して前記撮像領域の残り領域から読み出した信号電荷（以下、不要電荷という。）を転送し廃棄するＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
半導体基板の撮像領域に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素と、該画素で構成される画素列に沿って形成される垂直電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の前記撮像領域の垂直方向の１／ｎの一部領域を有効撮像領域とし残り領域を無効撮像領域として該無効撮像領域の各画素から読み出した不要電荷と前記有効撮像領域の各画素から前記垂直電荷転送路に読み出した信号電荷とを該ＣＣＤ型固体撮像素子から出力させるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、１画面分の前記信号電荷及び前記不要電荷を少なくとも第１フレームと第２フレームとに分けて前記ＣＣＤ型固体撮像素子の各画素から前記垂直電荷転送路にインターレース読み出しするに当たり、第１フレームで前記垂直電荷転送路に読み出した前記信号電荷及び前記不要電荷を垂直方向に１／ｎ画面分だけ垂直転送した後に前記垂直電荷転送路の空パケット内に前記第２フレームの前記信号電荷及び前記不要電荷を読み出し、前記第１フレームの前記信号電荷又は前記不要電荷と前記第２フレームの前記信号電荷又は前記不要電荷とを並行して転送するＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記垂直電荷転送路には、前記信号電荷と前記不要電荷とが交互に配置され転送されるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記信号電荷のうちＡＦ動作に不要な信号電荷を前記不要電荷と混合するＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
請求項４に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記垂直電荷転送路から転送されてきた前記信号電荷及び前記不要電荷の転送を受けて水平方向に転送する水平電荷転送路上で、前記信号電荷と前記不要電荷とを交互に配列して転送するＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記ＡＦ動作に不要な信号電荷は赤色フィルタ又は青色フィルタを搭載した前記画素から読み出された信号電荷であり、前記ＡＦ動作で用いる信号電荷が緑色フィルタを搭載した前記画素から読み出された信号電荷であるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記一部領域とする位置を合焦対象とする被写体の位置によって切り替えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子と、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動方法を実行する制御手段とを備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のＣＣＤ型固体撮像素子は多画素化が進展し、１千万画素以上を搭載するのが普通になってきている。このため、撮像素子チップ表面に占める光電変換素子（フォトダイオード）の受光面積を広げ、垂直電荷転送路の占める割合を減らすべく、個々の垂直電荷転送路の幅は狭くなってきている。
【０００３】
垂直電荷転送路の幅が狭くなると、１回に転送できる電荷容量が減る。このため、従来はプログレッシブ読出（ノンインターレース読出）が主流であったが、近年では、マルチフィールド読出（インターレース読出）が主流になってきている。
【０００４】
つまり、近年のＣＣＤ型固体撮像素子は多画素化のために転送段数が多くなる一方、インターレース読出をせざるを得ないため、信号電荷の転送に時間がかかるようになってきている。
【０００５】
ＣＣＤ型固体撮像素子を搭載したデジタルカメラでは、被写体に合焦したか否かを判定して撮影レンズの合焦制御（ＡＦ（オートフォーカス）制御）を行うが、この判定で用いる画像データは、実際にＣＣＤ型固体撮像素子で受光した撮像画像データを用いる。
【０００６】
しかし、単に合焦したか否かの判定に用いるだけであるため、固体撮像素子の有効画素領域（撮像領域）全面で受光した撮像データを固体撮像素子から読み出す必要はなく、固体撮像素子の下半分、或いは上半分、或いは上中下に３等分した真ん中の撮像領域からだけ撮像画像データを部分読出すれば良い。
【０００７】
例えば、図２４に示すＣＣＤ型固体撮像素子１は、撮像領域のうち下半分を有効撮像領域２とし、上半分を無効撮像領域３として、有効撮像領域２の撮像画像データを取り出している。この例では、カラーフィルタ配列はベイヤ配列とする。
【０００８】
デジタルカメラのユーザは、特に、ＡＦ動作の高速性を要求するため、上記の部分読出で対応することになる。このとき、ＡＦ動作に使用しない無効撮像領域３の信号電荷（不要電荷）をどの様に読み出して廃棄するかが問題となる。
【０００９】
図２５は、図２４に示すＣＣＤ型固体撮像素子１の各画素から信号電荷をインターレース読み出し、転送する様子を示す図であり、垂直電荷転送路４を１本だけ例示する。この垂直電荷転送路４は４相駆動されるものとする。
【００１０】
先ず、垂直転送電極（読出電極兼用）Ｖ１Ａに読出パルスを印加することにより、第１フレームの画素の信号電荷を垂直電荷転送路４に読み出す。図２５の垂直電荷転送路４上には、信号電荷を「黒塗」５又は「○印」６で示している。黒塗６は、無効撮像領域３から読み出した信号電荷（不要電荷）を示し、○印６は有効撮像領域２から読み出した信号電荷を示している。
【００１１】
インターレース読出であるため、各信号電荷の間には、それぞれ空パケット７が１つできる。この状態で、第１フレームの転送と出力を行うと、図２６に示す様に、フレームの前半部分では有効撮像領域２の信号電荷６の転送及び信号出力（ＯＳ）が行われる。フレームの後半部分は、不要電荷５の転送及び信号出力（ＯＳ）が行われる。
【００１２】
この不要電荷５の排出のための垂直転送を、有効撮像領域の信号電荷６の垂直転送と同じ速度で行うと、時間がかかるため、従来は、特許文献１，２に記載されている様に、不要電荷５の垂直転送は駆動周波数を高めることで行い、時間短縮を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１―３３９６４１号公報
【特許文献２】特開平１１―１９１８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ＣＣＤ型固体撮像素子から撮像画像データを部分読出する場合、撮像画像データを使用しない領域の不要電荷を、従来は垂直電荷転送路の高速駆動で掃き出し、フレームレートを向上させているが、転送速度を増加させると転送効率不良が発生するため、フレームレートの大幅な向上が見込めないという課題がある。
【００１５】
本発明の目的は、撮像画像データを部分読出する場合に、垂直電荷転送路を高速駆動することなく不要電荷を掃き出すことができるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板の撮像領域に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素と、該画素で構成される画素列に沿って形成される垂直電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記撮像領域から撮像画像信号をインターレース読み出しして該撮像領域の一部領域から読み出した撮像画像信号だけを使用するに際し、該一部領域から読み出した信号電荷を前記垂直電荷転送路で転送するときに形成される空パケットを利用して前記撮像領域の残り領域から読み出した信号電荷（以下、不要電荷という。）を転送し廃棄することを特徴とする。
【００１７】
本発明の撮像装置は、上記載のＣＣＤ型固体撮像素子と、上記記載の駆動方法を実行する制御手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、有効撮像領域から読み出した信号電荷の転送時に垂直電荷転送路上に形成される空パケットを利用して無効撮像領域から読み出した不要電荷を転送し廃棄してしまうため、垂直電荷転送路の転送駆動周波数を高めることなく、高速に不要電荷の廃棄が可能となり、転送効率悪化を招くことなく、フレームレートを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック構成図である。
【図２】図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。
【図３】図２に示すＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法の第１実施形態の説明図である。
【図４】第１実施形態の駆動方法による垂直電荷転送路上での信号電荷，不要電荷の並びを示す図である。
【図５】第１実施形態の駆動方法によるラインメモリ，水平電荷転送路での駆動手順を説明する図である。
【図６】第１実施形態の駆動方法による全体動作のタイミングチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法における部分読出領域の説明図である。
【図８】第２実施形態の駆動方法による垂直電荷転送路の駆動手順を説明する図である。
【図９】第２実施形態の駆動方法による全体動作のタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法における部分読出領域の説明図である。
【図１１】第３実施形態の駆動方法による垂直電荷転送路の駆動手順を説明する図である。
【図１２】第３実施形態の駆動方法による全体動作のタイミングチャートである。
【図１３】図２に代わる別実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法による垂直電荷転送路の駆動手順を説明する図である。
【図１５】第４実施形態の駆動方法による垂直電荷転送路上での信号電荷，不要電荷の並びを示す図である。
【図１６】第４実施形態の駆動方法によるラインメモリ，水平電荷転送路での駆動手順を説明する図である。
【図１７】第４実施形態の駆動方法による全体動作のタイミングチャートである。
【図１８】本発明の第５実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法による垂直電荷転送路の駆動手順を説明する図である。
【図１９】第５実施形態の駆動方法による全体動作のタイミングチャートである。
【図２０】本発明の第６実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法による垂直電荷転送路の駆動手順を説明する図である。
【図２１】第６実施形態の駆動方法による全体動作のタイミングチャートである。
【図２２】本発明の第７実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法による垂直電荷転送路上での信号電荷，不要電荷の並びを示す図である。
【図２３】第７実施形態の駆動方法による水平電荷転送路での駆動手順を説明する図である。
【図２４】ＣＣＤ型固体撮像素子から部分読出する例を説明する図である。
【図２５】図２４の部分読出を行うときの垂直電荷転送路の信号電荷，不要電荷の並びの一例を示す図である。
【図２６】図２４の部分読出を行うときの全体動作のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。この撮像装置２０は、撮像部２１と、撮像部２１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，撮像部２１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュライト２５とを備える。
【００２２】
撮像部２１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系２１ａと、該光学レンズ系２１ａを通った光を絞る絞りやメカニカルシャッタ２１ｂと、光学レンズ系２１ａによって集光され絞りによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力するＣＣＤ型固体撮像素子３５とを備える。
【００２３】
撮像素子駆動部２４は、垂直転送パルスφＶｉ，水平転送パルスφＨｉ，読出パルス，ラインメモリ制御パルスφＬＭｉ，電子シャッタパルス（ＯＦＤパルス）等をＣＰＵ２９からの指示を受けて固体撮像素子３５に出力する。
【００２４】
本実施形態の撮像装置２０は更に、Ａ／Ｄ２３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、カメラ背面等に設けられメニュー画面やスルー画像，撮像画像を表示する液晶表示部２８と、撮像装置全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス３４とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。
【００２５】
図２は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子３５の表面模式図である。半導体基板４１の表面部には、二次元アレイ状に、図示する例では正方格子状に、複数の画素（フォトダイオード：ＰＤ）４２が配列形成されている。各画素４２上には原色系のＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）のカラーフィルタがベイヤ配列されている。
【００２６】
画素４２で構成される複数の画素列の夫々に沿って垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）４３が設けられ、各画素４２と垂直電荷転送路４３とは読出ゲート４４で接続されている。また、各垂直電荷転送路４３の転送方向端部に沿って例えば特開２００２―１１２１１９号公報や特開２００９―４９３５３号公報に記載されている様なラインメモリ（ＬＭ）４５が設けられ、このラインメモリ４５と並行に水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）４６が設けられている。水平電荷転送路４６の出力端部には、転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力するアンプ４７が設けられている。
【００２７】
ラインメモリ４５は、垂直電荷転送路４３に対応するバッファ領域（メモリ部）を備え、対応する垂直電荷転送路４３から転送されてきた信号電荷を一時保持し、図１の撮像素子駆動部２４から出力される単相のラインバッファ制御パルスφＬＭのタイミング制御により、保持している信号電荷を水平電荷転送路４６に転送する様に制御される。
【００２８】
水平電荷転送路４６は、本実施形態では、多数の直列の転送段で構成され、本実施形態では、撮像素子駆動部２４から出力される４相の転送パルスφＨ１〜φＨ４によって転送制御される。
【００２９】
なお、「水平」「垂直」という用語を用いて説明したが、これは半導体基板の表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」という意味に過ぎない。
【００３０】
図３〜図６は、本発明の第１実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法の説明図であり、図３，図４は垂直電荷転送路４３の転送状態、図５はラインメモリ（ＬＭ）４５から水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）４６への転送状態、図６は全体のタイミングチャートを夫々示す。本実施形態では、図２４に示した様に、ＣＣＤ型固体撮像素子３５の下半分を有効撮像領域、上半分を無効撮像領域とする。
【００３１】
固体撮像素子３５からは、Ｒ（赤）信号，Ｇ（緑）信号，Ｂ（青）信号が出力されるが、被写体に合焦しているか否かの判定は、Ｇ信号だけを用いて被写体のコントラストを算出し、ＡＦ動作を行うため、Ｒ信号，Ｂ信号については、正確な信号量を読み出す必要がない。
【００３２】
先ず、図３に示す（１）で垂直転送電極（読出電極兼用）Ｖ１Ａに高電圧の読出パルスを印加する。これにより、第１フレームの画素の信号電荷が垂直電荷転送路に読み出される。この状態は、図２５と同じであり、垂直電荷転送路上には、信号電荷を入れた信号パケットと空パケットとが垂直方向に交互に並んでいる。図３では、有効撮像領域の画素から読み出された信号電荷に○印を付し、不要電荷（無効撮像領域から読み出し信号電荷）は黒塗りにしている。
【００３３】
次に、図３の（２）で、垂直電荷転送路の転送を１／２画面分実施する。これにより、第１フレームの有効撮像領域の信号電荷が水平電荷転送路側に転送されると共に、第１フレームの無効撮像領域から読み出された不要電荷が有効撮像領域内に入る。
【００３４】
次の（３）で、垂直転送電極（読出電極兼用）Ｖ１Ｂに高電圧の読出パルスを印加すると、第２フレームの画素の信号電荷が垂直電荷転送路に読み出されるが、このとき、第１フレームの、不要電荷の間に設けられている空パケット部分に信号電荷が読み出されるため、有効撮像領域の信号電荷が、無効撮像領域の不要電荷と混ざり合うことはない。
【００３５】
次に（４）で、垂直転送動作を１／２画面分実施する。これにより、第２フレームの有効撮像領域の信号電荷が水平電荷転送路側に出力されるが、これと平行して第１フレームの不要電荷も垂直電荷転送路から排出される。以降は（５）〜（８）のように、上記と同様の動作を繰り返す。
【００３６】
図４は、上述したような読出パルスの印加と垂直電荷転送路の転送動作とを繰り返すことで、垂直電荷転送路の転送方向端部側に転送されてきた信号電荷の様子を示す図である。ＲＧＲＧＲＧ…は、有効撮像領域から読み出された信号電荷の行であり、その間の行５１は、不要電荷が入っている行である。
【００３７】
この信号電荷行，不要電荷行の並びが順にラインメモリ（ＬＭ）４５，水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）４６に進んでくると、先ず図５の（１）に示す様に、信号電荷行ＲＧＲＧ…がラインメモリ４５に入ってくる。この信号電荷行がラインメモリ４５から水平電荷転送路４６に転送された状態が（２）であり、次の（３）で不要電荷のラインが垂直電荷転送路からラインメモリ４５に転送されてくる。
【００３８】
次に、ラインメモリ４５上の不要電荷を水平電荷転送路４６に転送するのであるが、全ての不要電荷を転送するのではなく、Ｒ信号が入っている水平転送段に対応するラインメモリのバッファ内にある不要電荷だけを水平電荷転送路４６に転送する（図５の（４）の状態）。これにより、不要電荷とＲ信号とが混ざってしまうが、上述した様に、ＡＦ動作で用いるのはＧ信号だけのため、本実施形態ではＲ信号（Ｂ信号）を入れたパケットを利用して不要電荷を廃棄してしまう。
【００３９】
次の図５の（５）では、水平電荷転送路を１段だけ転送する。これにより、（４）でラインメモリに残った不要電荷の位置と水平電荷転送路上の不要電荷の位置とが整列するため、残りの不要電荷を水平電荷転送路に転送する（図５の（６））。これにより、水平電荷転送路上には、Ｇ信号，不要電荷，Ｇ信号，不要電荷，…と並ぶことになる。これを転送し、アンプ４７から出力することになる。
【００４０】
以上述べた動作の全体を示す図が図６である。第１フレームで読み出す画素と、第２フレームで読み出す画素の２種類を切り替えながら、１／２画面分ずつ出力動作を行う。ＡＦ動作ではＧ信号のみを用いるため、無効撮像領域で発生する不要電荷を、本来はＲ信号，Ｂ信号が入る水平電荷転送路上のパケットに足し込んでも、ＡＦ動作に支障は来さない。
【００４１】
これにより、通常の水平電荷転送路の連続転送によって、Ｇ信号出力と不要電荷の排出を同時に行うことができる。そのため、不要電荷を排出するために垂直電荷転送路を高速駆動する必要がなく、垂直電荷転送路の駆動周波数を通常のモニタモード（全画面を出力）などと同じに設定することができる。
【００４２】
この結果、本実施形態では、転送効率の悪化を招くことがない。本実施形態のフレームレートは、通常のモニタモードのほぼ倍となる。例えば、６０ｆｐｓで動作する撮像素子の場合には、本実施形態の駆動方法を適用することで、１２０ｆｐｓを実現することが可能となる。これは、第１フレームと第２フレームのデータを転送完了するのに要する時間が、通常のモニタモードの１画面転送時間とほぼ同等であるためである。
【００４３】
図７〜図９は、本発明の第２の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法の説明図である。本実施形態で対象とするＣＣＤ型固体撮像素子は、図２で説明した画素が正方格子配列され、カラーフィルタがベイヤ配列された固体撮像素子である。本実施形態では、図７に示す様に、有効画素領域の上半分を有効撮像領域５３とし、下半分を無効撮像領域５４としている。
【００４４】
この第２の実施形態の動作も基本的には第１の実施形態と同様である。先ず図８の（１）で、読出電極Ｖ１Ａに読出パルスを印加し、有効撮像領域から信号電荷（○印を付してある。）を垂直電荷転送路に読み出し、無効撮像領域から不要電荷（黒塗り）を垂直電荷転送路に読み出す。信号電荷間や不要電荷間に空パケットが１つづつ形成されている。
【００４５】
次の（２）で１／２画面分だけ垂直転送を行うと、下半分の不要電荷が水平電荷転送路側に出力され、上半分の信号電荷が無効撮像領域５４内に入ってくる。そして、図８の（３）で、読出電極Ｖ１Ｂに読出パルスを印加すると、第２フレームの画素から垂直電荷転送路に信号電荷，不要電荷が読み出される。このとき、不要電荷は、（２）で転送されてきた信号電荷間の空パケット内に読み出されるため、信号電荷と不要電荷とが混ざることはない。
【００４６】
以上の動作を繰り返すことで、第１実施形態と同様に、垂直電荷転送路の転送駆動周波数を高めることなく、不要電荷の掃き出しを高速に行うことが可能となる。
【００４７】
本実施形態では、図９に示す様に、最初に不要電荷が連続して出力されるが、以後は、「不要電荷，Ｇ信号，不要電荷，Ｇ信号，…」が出力される。
【００４８】
図１０〜図１２は、本発明の第３の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法の説明図である。本実施形態で対象とするＣＣＤ型固体撮像素子は、図２で説明した画素が正方格子配列され、カラーフィルタがベイヤ配列された固体撮像素子である。本実施形態では、図１０に示す様に、有効画像領域を垂直方向に上中下に３等分し、真ん中を有効撮像領域５５とし、上下を無効撮像領域５６，５７としている。
【００４９】
まず図１１の（１）で読出電極Ｖ１Ａに読出パルスを印加し、第１フレームの画素の信号電荷を垂直電荷転送路に読み出す。なお、有効撮像領域から読み出された信号電荷に○印を付し、無効撮像領域から読み出された不要電荷は黒塗りとしている。
【００５０】
このとき、垂直電荷転送路には、垂直方向に１つ置きに空パケットができる。次の（２）で、垂直転送を１／３画面分だけ実施する。これにより、下側の無効撮像領域５７から読み出された不要電荷だけが水平電荷転送路側に出力される。
【００５１】
次の（３）で、読出電極Ｖ１Ｂに読出パルスを印加すると、第２フレームの画素の信号電荷，不要電荷が垂直電荷転送路に読み出される。この読出時には、第１フレームの空パケット部分に電荷を読み出すので、信号電荷が不要電荷と混ざり合うことはない。
【００５２】
次に（４）で垂直転送を１／３画面分だけ実施する。これにより、第１フレームの有効撮像領域の信号電荷が水平電荷転送路側に出力される。以降は、（５）〜（８）のように、上記と同様の動作を繰り返す。
【００５３】
水平電荷転送路の動作などは第１の実施形態と同様であるため、説明と図示は省略する。以上述べた動作全体を示す図が図１２であり、第１フレームで読み出す画素と、第２フレームで読み出す画素の２種類を切り替えながら、１／３画面分ずつ出力動作を行う。
【００５４】
本実施形態におけるフレームレートは、通常のモニタモードのほぼ３倍となる。例えば６０ｆｐｓで動作する撮像素子の場合、本実施形態の駆動方法で駆動させると、１８０ｆｐｓを実現することができる。これは、３フレーム分のデータを転送完了するのに要する時間が、通常のモニタモードの１画面転送時間とほぼ同等であるためである。
【００５５】
本実施形態によれば、フレームレートが通常のモニタモードのほぼ３倍となる一方で、不要電荷を排出するために垂直電荷転送路を高速転送する必要がなく、垂直転送パルスの駆動周波数を通常モニタモード（全画面を出力）などと同じに設定することができ、転送効率の悪化を招くことがない。
【００５６】
図１３は、図２とは画素配列，カラーフィルタ配列が異なるＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。
【００５７】
半導体基板の表面部には複数の画素（光電変換素子：フォトダイオードＰＤ）１０１が二次元アレイ状に配列形成されている。そして、奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずらして形成されている。
【００５８】
偶数行（又は奇数行）の画素（第１画素群）だけを見てみれば、各画素（光電変換素子）は正方格子配列されており、この正方格子配列に対して、カラーフィルタ（Ｒ＝赤，Ｇ＝緑，Ｂ＝青）がベイヤ配列されている。また、奇数行（又は偶数行）の画素（第２画素群）だけ見れば、各画素は正方格子配列されており、この正方格子配列に対して、カラーフィルタ（ｒ＝赤，ｇ＝緑，ｂ＝青）がベイヤ配列されている。
【００５９】
大文字のＲＧＢと小文字のｒｇｂは、色として同じであるが、第１画素群と第２画素群とを区別しやすくするために使い分けているだけである。この様に、本実施形態の固体撮像素子１００のカラーフィルタ配列は、第１画素群と第２画素群とが半導体基板の表面部の同じ領域に重ねてかつ斜め方向に１画素分だけずらして配列される。
【００６０】
なお、図１３では、Ｇフィルタが右斜め上方向に延びる配列となっているが、第１画素群と第２画素群とを重ね合わせ１／２画素ピッチだけ水平方向，垂直方向にずらす方向を変えると、Ｇフィルタは左斜め上方向に延びる配列となる。この配列でも、本発明の各実施形態は適用可能である。
【００６１】
図１３の固体撮像素子１００は、各画素列に沿って、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１０２が各画素１０１を避けるように蛇行して形成され、各垂直電荷転送路１０２の転送方向端部に沿って、水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１０３が設けられ、水平電荷転送路１０３の出力部に、転送されてきた電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像データとして出力するアンプ１０４が設けられている。
【００６２】
本実施形態も図２の固体撮像素子と同様に、各垂直電荷転送路１０２の転送方向端部と水平電荷転送路１０３との間に、各垂直電荷転送路対応のバッファ領域を持つラインメモリ１０５が設けられている。
【００６３】
図１４〜図１７は、図１３のＣＣＤ型固体撮像素子１００を用い、図２４に示す様に、有効画素領域の下半分を有効撮像領域としてＡＦ動作用の信号を読み出す本発明の第４の実施形態の説明図である。
【００６４】
図１４は、垂直電荷転送路の駆動タイミングを示す図である。図１３では、垂直電荷転送路は蛇行して配置されるが、図１４では、これをストレートな形状で示している。垂直電荷転送路の奇数列と偶数列では、画素（フォトダイオード）から信号電荷を読み出す際に読出パルスを印加する電極が異なる。このため、図１４では、垂直電荷転送路の奇数列と偶数列を別々に表記している。
【００６５】
先ず、（１）で読出電極Ｖ１Ａに読出パルスを印加し、第１フレームの画素の信号電荷を垂直電荷転送路に読み出す。この読み出しにより、奇数列の垂直電荷転送路の各パケットは信号電荷と不要電荷とで全て埋まってしまう。有効撮像領域から読み出された信号電荷を○印を付して示し、無効撮像領域から読み出された不要電荷を黒塗りで示している。
【００６６】
一方、偶数列の垂直電荷転送路上の各パケットは、全て空パケットである。次の（２）で垂直転送を１／２画面分だけ実施する。これにより、第１フレームの有効撮像領域の信号電荷が水平電荷転送路側に出力される。
【００６７】
次の（３）で読出電極Ｖ１Ｂに読出パルスを印加すると、第２フレームの画素の信号電荷，不要電荷が垂直電荷転送路に読み出される。この読出動作では、偶数列の垂直電荷転送路に信号電荷，不要電荷が読み出されるので、信号電荷と不要電荷とが混ざり合うことはない。
【００６８】
次の（４）で、垂直転送を１／２画面分だけ実施する。これにより、第２フレームの有効撮像領域の信号電荷と第１フレームの無効撮像領域の不要電荷とが水平電荷転送路側に出力される。以降は、（５）〜（８）に示す様に、上記と同様の動作を繰り返す。
【００６９】
図１５は、水平電荷転送路側，ラインメモリ側に転送された垂直電荷転送路上の信号電荷，不要電荷の状態を示す図である。図１４で説明した様に、奇数列の垂直電荷転送路が信号電荷ＲＧＢを転送しているときは、偶数列の垂直電荷転送路は不要電荷を転送しているため、図１５に示す様に、ある列には信号電荷だけが転送され、隣の列には不要電荷だけが転送されてくることになる。
【００７０】
図１６は、ラインメモリ１０５と水平電荷転送路１０３の転送駆動方法を示す図である。先ず（１）で、垂直電荷転送路からラインメモリへと信号を１ライン（１行分）転送する。これにより、ラインメモリの各バッファ内には１つ置きに信号電荷が、残りの１つ置きに不要電荷が入る。信号電荷だけみると、ＲＧＲＧ…と交互配列になっている。
【００７１】
次の（２）では、そのうちの一部の信号（図示する例では、Ｒ信号とこれに連続する不要電荷）を水平電荷転送路に転送する。次の（３）（４）では水平電荷転送路上の不要電荷だけを水平方向に転送して水平電荷転送路上のＲ信号と加算してしまい、（５）で、水平電荷転送路上の不要電荷の位置がラインメモリ上の不要電荷と整列する位置まで水平転送して電荷位置の調整を行う。
【００７２】
次の（６）では、ラインメモリに残っているＧ信号と不要電荷を水平電荷転送路に転送する。これにより、Ｇ信号は水平電荷転送路に移り、不要電荷は、水平電荷転送路上の不要電荷と加算される。
【００７３】
その後（７）で、次行の信号電荷（Ｂ信号）と不要電荷がラインメモリ１０５に転送されると共に水平電荷転送路を転送し、（８）で、ラインメモリ上のＢ信号とこれに隣接する不要電荷を水平電荷転送路に転送する。この不要電荷は、水平電荷転送路上の不要電荷と加算される。
【００７４】
その後、（９）で水平転送を２段行い、（１０）でラインメモリ上に残っているＧ信号と不要電荷とを水平電荷転送路に転送すると、不要電荷が加算され、水平電荷転送路上には、「Ｇ信号，Ｇ信号，不要電荷，不要電荷，Ｇ信号，Ｇ信号，不要電荷，不要電荷，…」と、ＡＦ動作で用いる２つのＧ信号と、２つの不要電荷とが交互に並んだ状態となる。
【００７５】
その後は、水平電荷転送路を連続転送することで、Ｇ信号と不要電荷とを交互に連続的に固体撮像素子の外部に出力する。以上述べた動作の全体を示す図が図１７である。
【００７６】
本実施形態によれば、不要電荷を垂直電荷転送路から排出するために垂直電荷転送路を高周波駆動する必要がなく、垂直電荷転送路の駆動周波数を通常のモニタモード（全画面を出力）などと同じに設定することができ、転送効率を悪化させることがない。
【００７７】
本実施形態におけるフレームレートは、通常のモニタモードのほぼ倍となる。例えば６０ｆｐｓで動作する撮像素子の場合は、上記実施形態を適用することで、１２０ｆｐｓを実現することができる。これは、第１実施形態と同様に、第１フレームと第２フレームのデータを転送完了するのに要する時間が、通常のモニタモードの１画面転送時間とほぼ同等であるからである。
【００７８】
図１８，図１９は、本発明の第５の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法の説明図である。本実施形態で用いるＣＣＤ型固体撮像素子を図１３の撮像素子であり、本実施形態では、第４の実施形態とは逆に、図７に示す様に、有効画素領域の上半分を有効撮像領域、下半分を無効撮像領域としている。
【００７９】
図１８に垂直電荷転送路の状態変化を示す様に、本実施形態の動作は、第４の実施形態と基本的には同じであり、まず（１）で読出電極Ｖ１Ａに読出パルスを印加し、第１フレームの画素から電荷を奇数列目の垂直電荷転送路に読み出す。このとき、本実施形態では、第４の実施形態とは逆に、下半分が不要電荷（黒塗り）となり、上半分が信号電荷（○印を付す）となる。
【００８０】
次に（２）で垂直転送を１／２画面分だけ実施すると、（１）で読み出された不要電荷の部分が水平電荷転送路側に掃き出され、（１）で読み出された信号電荷の部分が無効撮像領域内に入ってくる。次に（３）で読出電極Ｖ１Ｂに読出パルスを印加すると、第２フレームの画素から電荷が偶数列目の垂直電荷転送路に読み出される。無効撮像領域内の信号電荷は奇数列目にあり、読み出される不要電荷は偶数列目であるため、両者が混合されることはない。
【００８１】
次に（４）で、垂直転送を１／２画面分だけ実施すると、第１フレームの有効撮像領域の信号電荷と、第２フレームの無効撮像領域の不要電荷とが水平電荷転送路側に出力される。以下、（５）〜（８）の様に上記と同様の動作を繰り返し、ラインメモリ，水平電荷転送路を第４実施形態と同様に駆動することで、図１９の全体動作のタイミングチャートに示される様に、２つのＧ信号と２つの不要電荷とが交互に出力されることになる。
【００８２】
本実施形態は、第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
図２０，図２１は、本発明の第６の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法の説明図である。本実施形態で用いるＣＣＤ型固体撮像素子は図１３の撮像素子であり、本実施形態では、図１０に示す様に、有効画素領域を垂直方向に上中下と３分割し、真ん中の領域を有効撮像領域、上下領域を無効撮像領域としている。
【００８４】
本実施形態では、まず図２０の（１）で読出電極Ｖ１Ａに読出パルスを印加し、第１フレームの画素から電荷を奇数列の垂直電荷転送路に読み出す。次に、（２）で垂直転送を１／３画面分だけ行うと、不要電荷が水平電荷転送路側に出力される。
【００８５】
次の（３）で読出電極Ｖ１Ｂに読出パルスを印加すると、偶数列目の垂直電荷転送路に第２フレームの画素から電荷が読み出されることになる。このとき、有効撮像領域内には第１フレームの不要電荷が来ているが、それは奇数列目の垂直電荷転送路であるため、有効撮像領域の信号電荷が不要電荷と混じることはない。
【００８６】
次の（４）で、垂直転送を１／３画面分だけ実施して下１／３の電荷を水平電荷転送路側に出力させ、次の（５）で第１フレームの画素から電荷を奇数列目の垂直電荷転送路に読み出す。このとき、奇数列目の下１／３の垂直電荷転送路には上１／３の無効撮像領域の不要電荷が来ているため、下１／３の無効撮像領域の不要電荷と混合されることになる。しかし、有効撮像領域から読み出される信号電荷は、偶数列目の不要電荷と混合されることはない。
【００８７】
以下、同様に（６）（７）（８）と繰り返し、図１６で説明したラインメモリ，水平電荷転送路での同様の転送駆動を行うことにより、有効撮像領域の信号電荷のうちＧ信号を不要電荷と混ぜることなく出力させる。
【００８８】
本実施形態によれば、不要電荷を排出するために垂直電荷転送路を高周波駆動する必要が無く、垂直電荷転送路の駆動周波数を通常モニタモード（全画面を出力）などと同じに設定することができ、転送効率悪化を招来することがない。また、本実施形態におけるフレームレートは、通常のモニタモードのほぼ３倍となるため、例えば６０ｆｐｓで動作する撮像素子の場合は、上述した駆動方法を適用することで１８０ｆｐｓを実現することができる。
【００８９】
上述した第１〜第６の実施形態では、ラインメモリを搭載したＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法を説明したが、ラインメモリを持たないＣＣＤ型固体撮像素子でも同様の駆動を実現することができる。
【００９０】
図２２，図２３は、本発明の第７の実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子駆動方法の説明図である。本実施形態では、ラインメモリを持たないＣＣＤ型固体撮像素子が対象となっており、図２２には、垂直電荷転送路に転送されてきた信号電荷，不要電荷を示している。図４に対応する図であるが、本実施形態では、ラインメモリ（図４の符号４５の部分）が無い。
【００９１】
図２２に示す様に、不要電荷だけの行と、信号電荷だけの行とが交互に垂直電荷転送路によって転送されてきている。図２３の（１）の初期状態では水平電荷転送路の直前の垂直電荷転送路の転送段に不要電荷が並んでいる。
【００９２】
次の（２）で、１行分だけ垂直方向に転送すると、不要電荷が垂直電荷転送路の各転送段に移ることになる。次の（３）では、図２２に示す転送電極Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４に転送パルスを印加することで、水平電荷転送路の転送電極Ｈ１下に、不要電荷を集めてしまう。
【００９３】
そして、次の（４）で、垂直電荷転送路の最終段にある次行の信号電荷を水平電荷転送路に転送すると、Ｇ信号だけが不要電荷と混じることなく水平電荷転送路に転送され、Ｒ信号は水平電荷転送路上の不要電荷と混合される。
【００９４】
これにより、水平電荷転送路上には、Ｇ信号，不要電荷，Ｇ信号，不要電荷，…と並び、ＡＦ動作に必要なＧ信号を得ることができると共に、不要電荷を通常の転送動作によって排出することが可能となる。
【００９５】
この第７の実施形態によれば、第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる他に、ラインメモリが不要なためＣＣＤ型固体撮像素子の構成が簡単化されて製造コストが低減され、また、駆動に必要なパルスの種類も少なくて済み、開発コストも低減する。
【００９６】
上述した実施形態では、有効画素領域（撮像領域）の上半分領域，下半分領域，３等分した真ん中領域を有効撮像領域にした例について説明したが、同様の動作により、４等分した一番上の領域，２番目の領域，…などとすることも可能であり、どの領域を有効撮像領域とするかは、焦点合わせをする被写体位置によって適宜変更し部分読出する位置を切り替える制御を、図１のシステム制御部２９が行うのが良い。
【００９７】
以上述べた様に、実施形態によるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板の撮像領域に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素と、該画素で構成される画素列に沿って形成される垂直電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、前記撮像領域から撮像画像信号をインターレース読み出しして該撮像領域の一部領域から読み出した撮像画像信号だけを使用するに際し、該一部領域から読み出した信号電荷を前記垂直電荷転送路で転送するときに形成される空パケットを利用して前記撮像領域の残り領域から読み出した信号電荷（以下、不要電荷という。）を転送し廃棄することを特徴とする。
【００９８】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板の撮像領域に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素と、該画素で構成される画素列に沿って形成される垂直電荷転送路とを備えるＣＣＤ型固体撮像素子の前記撮像領域の垂直方向の１／ｎの一部領域を有効撮像領域とし残り領域を無効撮像領域として該無効撮像領域の各画素から読み出した信号電荷（以下、不要電荷という。）と前記有効撮像領域の各画素から前記垂直電荷転送路に読み出した信号電荷とを該ＣＣＤ型固体撮像素子から出力させるＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法であって、１画面分の前記信号電荷及び前記不要電荷を少なくとも第１フレームと第２フレームとに分けて前記ＣＣＤ型固体撮像素子の各画素から前記垂直電荷転送路にインターレース読み出しするに当たり、第１フレームで前記垂直電荷転送路に読み出した前記信号電荷及び前記不要電荷を垂直方向に１／ｎ画面分だけ垂直転送した後に前記垂直電荷転送路の空パケット内に前記第２フレームの前記信号電荷及び前記不要電荷を読み出し、前記第１フレームの前記信号電荷又は前記不要電荷と前記第２フレームの前記信号電荷又は前記不要電荷とを並行して転送することを特徴とする。
【００９９】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法の前記垂直電荷転送路には、前記信号電荷と前記不要電荷とが交互に配置され転送されることを特徴とする。
【０１００】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記信号電荷のうちＡＦ動作に不要な信号電荷を前記不要電荷と混合することを特徴とする。
【０１０１】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記垂直電荷転送路から転送されてきた前記信号電荷及び前記不要電荷の転送を受けて水平方向に転送する水平電荷転送路上で、前記信号電荷と前記不要電荷とを交互に配列して転送することを特徴とする。
【０１０２】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記ＡＦ動作に不要な信号電荷は赤色フィルタ又は青色フィルタを搭載した前記画素から読み出された信号電荷であり、前記ＡＦ動作で用いる信号電荷が緑色フィルタを搭載した前記画素から読み出された信号電荷であることを特徴とする。
【０１０３】
また、実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、前記一部領域とする位置を合焦対象とする被写体の位置によって切り替えることを特徴とする。
【０１０４】
また、実施形態の撮像装置は、上記記載の固体撮像素子と、上記のいずれかに記載の駆動方法を実行する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０１０５】
以上述べた実施形態によれば、撮像領域の各画素の信号をインターレース読み出しして前記撮像領域の一部領域の画素からの信号だけを利用するに際し、該一部領域から読み出した信号を転送するときの空きパケットを利用して前記撮像領域の残りの領域の画素から読み出した信号（不要電荷）を転送し廃棄するため、転送駆動周波数を高めることなく、不要電荷の廃棄を高速に行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子の駆動方法は、部分読出するときに垂直電荷転送路を高周波駆動しなくても高速に不要電荷の掃き出し可能となって転送効率の悪化を招かないため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話機、ＰＤＡやノートパソコン等のカメラ付電子装置、内視鏡等の撮像装置一般に適用すると有用である。
【符号の説明】
【０１０７】
２０  撮像装置
２４  撮像素子駆動手段を含む駆動部
３５，１００  ＣＣＤ型固体撮像素子
４２，１０１  画素（フォトダイオード）
４３，１０２  垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
４５，１０５  ラインメモリ（ＬＭ）
４６，１０３  水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
Ｒ  赤色フィルタ，赤色信号電荷
Ｇ  緑色フィルタ，緑色信号電荷
Ｂ  青色フィルタ，青色信号電荷
【図１】
2011071890.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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