(57)【要約】【課題】ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減する固体撮像装置の駆動方法および固体撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】固体撮像装置１において、画素１１に蓄積された信号電荷の垂直ＣＣＤ１３への読み出しを開始する前の第１期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極をＮ１個（Ｎ１は０以上の整数）にして垂直ＣＣＤ１３を駆動し、画素１１に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ１３に読み出して水平ＣＣＤ３へ転送する第２期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極をＮ１より大きいＮ２個（Ｎ２は１以上の整数）にして垂直ＣＣＤ１３を駆動する。【選択図】図１
2011049791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配列され光電変換によって生成された信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出して垂直方向に転送するための複数の垂直転送電極をそれぞれ有する複数の垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を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の駆動方法であって、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷の前記垂直転送部への読み出しを開始する前の第１期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極をＮ１個（Ｎ１は０以上の整数）にして前記垂直転送部を駆動し、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記垂直転送部に読み出して前記水平転送部へ転送する第２期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極をＮ１より大きいＮ２個（Ｎ２は１以上の整数）にして前記垂直転送部を駆動する
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
前記第１期間の終了後、前記第２期間の開始前の第３期間に、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極の数をＮ１個からＮ２個まで増加して前記垂直転送部を駆動する
請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
各列の前記複数の垂直転送電極は、連続するＬ個（Ｌは２以上の整数）の前記垂直転送電極ごとに複数の組に分けられ、
前記固体撮像装置の駆動方法は、
前記第２期間に、前記各組において前記垂直転送電極のそれぞれにＬ相の異なるタイミングの駆動パルスを印加し、
一の組におけるＬ個の前記垂直転送電極のうちのＭ番目の前記垂直転送電極に印加される読み出し用の駆動パルスを、他の組における対応する前記垂直転送電極に印加される読み出し用の駆動パルスと異なるタイミングで駆動することにより、前記一の組で読み出される信号電荷と前記他の組で読み出される信号電荷とを加算して前記水平転送部に転送する
請求項１または２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記複数の光電変換部は、各列において所定数の繰り返し単位の前記光電変換部ごとに複数のフィールドに分けられ、
前記固体撮像装置の駆動方法は、
前記複数のフィールドごとに、前記第２期間に、一の前記フィールドを構成する前記光電変換部に蓄積された信号電荷を他の前記フィールドと異なるタイミングで前記垂直転送部へ読み出して前記水平転送部に転送し、
前記第１期間にミドルレベルの電圧が印加されている前記垂直転送電極の数Ｎ１を前記複数のフィールドのそれぞれにおいて同一にして前記垂直転送部を駆動する
請求項１または２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
２次元状に配列され光電変換によって生成された信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出して垂直方向に転送するための複数の垂直転送電極をそれぞれ有する複数の垂直転送部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、
前記垂直転送部および前記水平転送部に前記信号電荷を転送するために電圧を印加して、前記垂直転送部および前記水平転送部を駆動する駆動制御部とを備え、
前記駆動制御部は、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷の前記垂直転送部への読み出しを開始する前の第１期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極をＮ１個（Ｎ１は０以上の整数）にして前記垂直転送部を駆動し、
前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記垂直転送部に読み出して前記水平転送部へ転送する第２期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極をＮ１より大きいＮ２個（Ｎ２は１以上の整数）にして前記垂直転送部を駆動する
固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリクス状に配列された複数の光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出して、２次元の画像信号を得るように構成されたＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法および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、２次元状に複数個配列された光電変換部の出力信号を、複数の垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤを用いて順に出力する固体撮像素子を用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、従来の固体撮像装置１００の構成図であり、ホトダイオードを有する光電変換部である画素１１１と画素１１１に蓄積された信号電荷を読み出し垂直方向に転送する垂直転送ゲート１１２を有する垂直ＣＣＤ１１３とを備えた撮像領域２００と、垂直ＣＣＤ１１３から信号電荷を受け水平方向に転送する水平ＣＣＤ１０３と、水平ＣＣＤ１０３からの信号電荷を受け出力信号に変換するアンプ１０４と、出力信号の信号処理を行う信号処理部１０５と、垂直ＣＣＤ１１３と水平ＣＣＤ１０３に垂直転送パルスおよび水平転送パルスを印加する駆動制御部１０６とから構成される。
【０００４】
垂直ＣＣＤ１１３は、垂直転送電極（２組の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２）を備え、１画素当たり２個の２４周期で構成されるが、垂直ＣＣＤ１１３において垂直転送電極に読み出された信号電荷の垂直方向の転送は、２組の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２にそれぞれφＶ１〜φ１２の１２相のパルスが印加されることにより、信号電荷が水平ＣＣＤ３に転送される。ここで、１２ホトダイオードごとに信号電荷を選択的に読み出すためＶ９とＶ１１にあたる垂直転送電極は、それぞれＶ９Ａ、Ｖ９ＢとＶ１１Ａ、Ｖ１１Ｂに分かれている。
【０００５】
図１１は、従来の固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図を示した図であり、モニタモード（信号電荷加算モード）における転送パルスタイミングを示す。水平転送パルスφＨ１、φＨ２の停止期間に垂直転送パルスφＶ１〜１２によって、信号電荷が垂直ＣＣＤ１１３で垂直転送され、垂直転送が終了した後、水平転送パルスφＨ１、φＨ２によって、水平ＣＣＤ１０３にある信号電荷が水平ＣＣＤ１０３を水平転送され出力信号となる。図中の破線期間では画素１１１から垂直ＣＣＤ１１３へ信号電荷を読み出している。
【０００６】
画素１１１から垂直ＣＣＤ１１３への読み出しの詳細タイミングチャートを図１２に示している。垂直ＣＣＤ１１３は、各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２にミドルレベルの電圧を印加するとポテンシャルが低くなり信号電荷を蓄積でき、ローレベルの電圧を印加するとポテンシャルが高いピンニング状態になり信号電荷は蓄積できない。
【０００７】
まず、時刻ｔ＝ｔ０はミドルレベルの電圧を印加しているφＶ１〜φＶ６に対応する垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ６のポテンシャルが低く信号電荷を６ゲートで蓄積できる状態にある。時刻ｔ＝ｔ０からｔ１までの期間は、６ゲートで蓄積できる状態から４ゲートで信号電荷を蓄積できる状態に移行し４、５ゲートで蓄積できる状態で垂直方向に転送を行っている。
【０００８】
時刻ｔ＝ｔ１でφＶ９Ａがハイレベルとなりミドルレベルのポテンシャルよりさらに低くなり画素１１１の信号電荷が垂直ＣＣＤ１１３に読み出され垂直転送電極Ｖ９Ａ、Ｖ１０、Ｖ１１Ｂ、Ｖ１２に信号電荷を蓄積できる。同様に時刻ｔ＝ｔ２でφＶ１１Ａがハイレベルとなりミドルレベルのポテンシャルよりさらに低くなり画素１１１の信号電荷が垂直ＣＣＤ１１３に読み出され垂直転送電極Ｖ１１Ａ、Ｖ１２、Ｖ１、Ｖ２に信号電荷を蓄積できる。
【０００９】
さらに、時刻ｔ＝ｔ３時点でφＶ９Ｂがハイレベルとなりミドルレベルのポテンシャルよりさらに低くなり画素１１１の信号電荷が垂直ＣＣＤ１１３に読み出され垂直転送電極Ｖ９Ｂ、Ｖ１０、Ｖ１１Ａ、Ｖ１２に対応する垂直ＣＣＤ１１３に信号電荷を蓄積できるが、時刻ｔ＝ｔ１で読み出された信号電荷が垂直転送され垂直転送電極Ｖ９Ｂ、Ｖ１０、Ｖ１１Ａ、Ｖ１２に対応する垂直ＣＣＤ１１３に蓄積している状態で時刻ｔ＝ｔ３で読み出されるため、垂直転送電極Ｖ９ＡとＶ９Ｂに対応する垂直ＣＣＤ１１３に読み出した信号電荷が垂直ＣＣＤ１１３で信号加算する。
【００１０】
同様に時刻ｔ＝ｔ４では、垂直転送電極Ｖ１１ＡとＶ１１Ｂに対応する垂直ＣＣＤ１１３に読み出した信号電荷が垂直ＣＣＤ１１３で信号加算する。すなわち、図１２の読み出しタイミングチャートでは垂直ＣＣＤ１１３上で垂直方向に２画素の信号電荷加算を行っている。
【００１１】
画素１１１の有するホトダイオード、垂直ＣＣＤ１１３のポテンシャルについて図１３で説明する。ホトダイオードのポテンシャルは、周辺の垂直ＣＣＤ１１３のポテンシャルと連動すると考えられ、垂直ＣＣＤ１１３のポテンシャルによって、ホトダイオードのポテンシャルが上下し余剰になった信号電荷が基板に排出され、ホトダイオードの飽和特性が変化すると考えられる。
【００１２】
時刻ｔ＝ｔ０では、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ６がミドルレベル、他の６つの垂直転送電極はローレベル、時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４では４つの垂直転送電極がミドルレベル、８つの垂直転送電極がローレベルである。ミドルレベルの垂直転送電極が少ない時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４は垂直ＣＣＤ１１３のポテンシャルが高くホトダイオードのポテンシャルも高くなりホトダイオードの信号電荷の飽和量は低くなると考えられる。そのため、余剰の信号電荷が基板に排出される。
【００１３】
時刻ｔ＝ｔ０ではミドルレベルの垂直転送電極が多く垂直ＣＣＤ１１３のポテンシャルがより低くなることからホトダイオードのポテンシャルがより低くなるためホトダイオードの信号電荷の飽和量は高くなることから、時刻ｔ＝ｔ０から時刻ｔ＝ｔ１の期間に基板にバイアスを印加することにより余剰の信号電荷の基板排出が行われるが、垂直転送による垂直ＣＣＤ１１３のポテンシャル変化ごとに、段階的な基板排出による信号電荷減少になると考えられるので、最初の読み出しを行う時刻ｔ＝ｔ１の信号電荷量が高く、以降ｔ＝ｔ２、ｔ３、ｔ４に読み出された信号電荷量が順に低くなり、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきの要因になると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−３０７９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記の特許文献１のように、基板バイアスによって、信号加算に応じた信号電荷飽和量を制御する場合、近年の光電変換部の微細化により、ホトダイオード周辺の垂直ＣＣＤのポテンシャル状態がホトダイオードのポテンシャルへ与える影響が増加し、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきが増加していくと考えられる。
【００１６】
本発明は、かかる課題を鑑み、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減する固体撮像装置の駆動方法および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】
【００１７】
上記の目的を達成するために、本発明の一形態における固体撮像装置の駆動方法は、前記光電変換部に蓄積された信号電荷の前記垂直転送部への読み出しを開始する前の第１期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極をＮ１個（Ｎ１は０以上の整数）にして前記垂直転送部を駆動し、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記垂直転送部に読み出して前記水平転送部へ転送する第２期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極をＮ１より大きいＮ２個（Ｎ２は１以上の整数）にして前記垂直転送部を駆動する。
【００１８】
この構成によれば、Ｎ１個の垂直転送電極にミドルレベルの電圧が印加されている第１期間よりＮ２個の垂直転送電極にミドルレベルの電圧が印加されている第２期間のほうが光電変換部の有するホトダイオードの信号電荷の飽和量が大きくなるので、第２期間での余剰電荷の基板排出による信号電荷量の減少を抑制して、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減することができる。
【００１９】
ここで、前記第１期間の終了後、前記第２期間の開始前の第３期間に、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極の数をＮ１個からＮ２個まで増加して前記垂直転送部を駆動してもよい。
【００２０】
この構成によれば、第２期間において、光電変換部に蓄積された信号電荷の読み出しを効率よく開始することができる。
【００２１】
ここで、各列の前記複数の垂直転送電極は、連続するＬ個（Ｌは２以上の整数）の前記垂直転送電極ごとに複数の組に分けられ、前記固体撮像装置の駆動方法は、前記第２期間に、前記各組において前記垂直転送電極のそれぞれにＬ相の異なるタイミングの駆動パルスを印加し、一の組におけるＬ個の前記垂直転送電極のうちのＭ番目の前記垂直転送電極に印加される読み出し用の駆動パルスを、他の組における対応する前記垂直転送電極に印加される読み出し用の駆動パルスと異なるタイミングで駆動することにより、前記一の組で読み出される信号電荷と前記他の組で読み出される信号電荷とを加算して前記水平転送部に転送してもよい。
【００２２】
この構成によれば、一の組で読み出される信号電荷と他の組で読み出される信号電荷とを加算して前記水平転送部に転送する場合に、第１期間より第２期間のほうが光電変換部の有するホトダイオードの信号電荷の飽和量が大きくなるので、第２期間での余剰電荷の基板排出による信号電荷量の減少を抑制して、動画を撮影する場合にホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減することができる。
【００２３】
ここで、前記複数の光電変換部は、各列において所定数の繰り返し単位の前記光電変換部ごとに複数のフィールドに分けられ、前記固体撮像装置の駆動方法は、前記複数のフィールドごとに、前記第２期間に、一の前記フィールドを構成する前記光電変換部に蓄積された信号電荷を他の前記フィールドと異なるタイミングで前記垂直転送部へ読み出して前記水平転送部に転送し、前記第１期間にミドルレベルの電圧が印加されている前記垂直転送電極の数Ｎ１を前記複数のフィールドのそれぞれにおいて同一として前記垂直転送部を駆動してもよい。
【００２４】
この構成によれば、フィールドごとで、第１期間より第２期間のほうが光電変換部の有するホトダイオードの信号電荷の飽和量が大きくなるので、第２期間での余剰電荷の基板排出による信号電荷量の減少を抑制して、静止画を撮影する場合にホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減することができる。また、フィールドごとの信号出力のばらつきを低減することができる。
【００２５】
また、上記の目的を達成するために、本発明の一形態における固体撮像装置は、２次元状に配列され光電変換によって生成された信号電荷を蓄積する複数の光電変換部と、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出して垂直方向に転送するための複数の垂直転送電極をそれぞれ有する複数の垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、前記垂直転送部および前記水平転送部に前記信号電荷を転送するために電圧を印加して、前記垂直転送部および前記水平転送部を駆動する駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、前記光電変換部に蓄積された信号電荷の前記垂直転送部への読み出しを開始する前の第１期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極をＮ１個（Ｎ１は０以上の整数）にして前記垂直転送部を駆動し、前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記垂直転送部に読み出して前記水平転送部へ転送する第２期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する前記垂直転送電極をＮ１より大きいＮ２個（Ｎ２は１以上の整数）にして前記垂直転送部を駆動する。
【００２６】
この構成によれば、Ｎ１個の垂直転送電極にミドルレベルの電圧が印加されている第１期間よりＮ２個の垂直転送電極にミドルレベルの電圧が印加されている第２期間のほうが光電変換部の有するホトダイオードの信号電荷の飽和量が大きくなるので、第２期間での余剰電荷の基板排出による信号電荷量の減少を抑制して、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減することができる固体撮像装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の構成図
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動手順を示すフローチャート
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置のホトダイオードの周辺部におけるポテンシャル図
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図
【図８】本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動手順を示すフローチャート
【図９】本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置のホトダイオードの周辺部におけるポテンシャル図
【図１０】従来技術にかかる固体撮像装置の構成図
【図１１】従来技術にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図
【図１２】従来技術にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図
【図１３】従来技術にかかる固体撮像装置のホトダイオードの周辺部におけるポテンシャル図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明のより具体的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、ホトダイオードを有する光電変換部に蓄積された信号電荷の垂直ＣＣＤへの読み出しを開始する前の第１期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極をＮ１個（Ｎ１は０以上の整数）にして垂直転送部を駆動し、光電変換部に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出して水平ＣＣＤへ転送する第２期間では、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極をＮ１より大きいＮ２個（Ｎ２は１以上の整数）にして垂直転送部を駆動する固体撮像装置の駆動方法について、動画の撮影に適したモニタモード（信号電荷加算モード）での駆動を例として説明する。このような駆動方法によると、動画の撮影の場合に、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減することができる。
【００３１】
なお、第１の実施形態では、第１期間においてミドルレベルの電圧が印加される垂直転送電極の数Ｎ１をＮ１＝２、第２期間においてミドルレベルの電圧が印加される垂直転送電極の数Ｎ２をＮ２＝４とした場合を例にして説明する。
【００３２】
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置１の構成図である。図１に示すように、固体撮像装置１は、ホトダイオードを有する画素１１と画素１１に蓄積された信号電荷を読み出す垂直転送ゲート１２を有する複数の垂直ＣＣＤ１３とを備えた撮像領域２と、垂直ＣＣＤ１３から信号電荷を受け水平方向に転送する水平ＣＣＤ３と、水平ＣＣＤ３からの信号電荷を受け出力信号に変換するアンプ４と、出力信号の信号処理を行う信号処理部５と、垂直ＣＣＤ１３と水平ＣＣＤ３に垂直転送パルスおよび水平転送パルスを印加する駆動制御部６とから構成される。
【００３３】
垂直ＣＣＤ１３は、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２を備え、連続する１２個（Ｌ＝１２）の垂直転送電極ごとに２組に分けられている。また、１画素当たり２個の垂直転送電極が配置され、さらに奇数番号の各垂直転送電極は垂直転送ゲート１２を備え、駆動制御部６により各垂直転送電極に垂直転送パルス（電圧パルス）が印加されると垂直転送ゲート１２を介して画素１１から信号電荷が読み出される。読み出された信号電荷の垂直方向の転送は、駆動制御部６から２組の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２にそれぞれφＶ１〜φ１２の１２相の垂直転送パルスが異なるタイミングで印加されることにより、垂直ＣＣＤ１３に形成されるポテンシャル井戸が順に移動して、信号電荷が水平ＣＣＤ３に転送される。ここで、１２ホトダイオードごとに信号電荷を選択的に読み出すため１２個の垂直転送電極のうちの９番目、１１番目の垂直転送電極Ｖ９とＶ１１にあたる垂直転送電極（Ｍ＝９、１１）は、それぞれＶ９Ａ、Ｖ９Ｂ、Ｖ１１Ａ、Ｖ１１Ｂに分かれ、異なるタイミングで読み出し用の垂直転送パルスが印加される。なお、画素１１、垂直ＣＣＤ１３、水平ＣＣＤ３が、それぞれ本発明における光電変換部、垂直転送部、水平転送部に相当する。
【００３４】
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置１における垂直転送パルスタイミングの全体図を示した図であり、モニタモードにおける転送パルスタイミングを示す。水平転送パルスφＨ１、φＨ２の停止期間に垂直転送パルスφＶ１〜１２によって、信号電荷が垂直ＣＣＤ１３で垂直転送され、垂直転送が終了した後、水平転送パルスφＨ１、φＨ２によって、水平ＣＣＤ３にある信号電荷が水平ＣＣＤ３を水平転送され出力信号となる。図中の破線期間では画素１１から垂直ＣＣＤ１３へ信号電荷を読み出している。
【００３５】
画素１１から垂直ＣＣＤ１３への読み出しの詳細タイミングチャートを図３に、駆動手順を示すフローチャートを図４に示している。垂直ＣＣＤ１３は、駆動制御部６から出力される垂直転送パルス（電圧パルス）により駆動され、各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２にミドルレベルの電圧を印加するとポテンシャルが低くなり信号電荷を蓄積でき、ハイレベルの電圧を印加すると垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルがさらに低くなり画素１１から垂直ＣＣＤ１３に信号電荷が読み出される。また、各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２にローレベルの電圧を印加すると垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルが高いピンニング状態になり信号電荷は蓄積できない。
【００３６】
まず、図３において、時刻ｔ＝ｔ０は、画素１１に蓄積された信号電荷の垂直ＣＣＤ１３への読み出しを開始する前の第１期間の一時点を示している。
【００３７】
図３に示すように、時刻ｔ＝ｔ０でミドルレベルの電圧に設定された垂直転送パルスφＶ１とφＶ２が垂直転送電極Ｖ１とＶ２に印加されてミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を２個にして垂直ＣＣＤ１３が駆動され、垂直転送電極Ｖ１とＶ２に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルが低くなる。このとき、垂直ＣＣＤ１３は、信号電荷を２個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で保持できる状態にある（ステップＳ１０）。
【００３８】
その後、ミドルレベルの電圧に設定された垂直転送パルスφＶ３が垂直転送電極Ｖ３に印加されてミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を３個にして垂直ＣＣＤ１３が駆動される。そして、垂直転送電極Ｖ３に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルが低くなり、信号電荷を３個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で保持できる状態となる。
【００３９】
このようにして、第１期間の終了後、第２期間の開始時である時刻ｔ＝ｔ１までの第３期間に、ミドルレベルの電圧に設定された垂直転送パルスが印加される垂直転送電極を徐々に増加してミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を２個から４個まで増加して垂直ＣＣＤ１３が駆動される。そして、２個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できる状態（Ｎ１＝２）から、４個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できる状態（Ｎ２＝４）に移行する（ステップＳ１１）。また、第２期間の開始前に、画素１１に信号電荷が蓄積される。
【００４０】
時刻ｔ＝ｔ１は、画素１１に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ１３へ読み出す第２期間が開始する時である。図３に示すように、時刻ｔ＝ｔ１で垂直転送パルスφＶ９Ａがハイレベルの電圧となり、垂直転送パルスφＶ９Ａが印加される垂直転送電極Ｖ９Ａに対応する垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルはミドルレベルのポテンシャルよりさらに低くなる。そして、画素１１の信号電荷が垂直転送ゲート１２を介して垂直ＣＣＤ１３に読み出され、垂直転送電極Ｖ９Ａ、Ｖ１０、Ｖ１１Ｂ、Ｖ１２に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３に信号電荷が保持される（ステップＳ１２）。保持された信号電荷は、４個または５個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で保持されながら垂直方向に転送される。
【００４１】
同様に、時刻ｔ＝ｔ２で垂直転送パルスφＶ１１Ａがハイレベルの電圧となり、垂直転送パルスφＶ１１Ａが印加される垂直転送電極Ｖ１１Ａに対応する垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルはミドルレベルのポテンシャルよりさらに低くなる。そして、画素１１の信号電荷が垂直転送ゲート１２を介して垂直ＣＣＤ１３に読み出され、垂直転送電極Ｖ１１Ａ、Ｖ１２、Ｖ１、Ｖ２に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３に信号電荷が保持される（ステップＳ１３）。保持された信号電荷は、４個または５個の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で保持されながら垂直方向に転送される。
【００４２】
さらに、時刻ｔ＝ｔ３で垂直転送パルスφＶ９Ｂがハイレベルの電圧となり、垂直転送パルスφＶ９Ｂが印加される垂直転送電極Ｖ９Ｂに対応する位置の垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルはミドルレベルのポテンシャルよりさらに低くなる。そして、画素１１の信号電荷が垂直転送ゲート１２を介して垂直ＣＣＤ１３に読み出され、垂直転送電極Ｖ９Ｂ、Ｖ１０、Ｖ１１Ａ、Ｖ１２に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３に信号電荷が保持される（ステップＳ１４）。このとき、時刻ｔ＝ｔ１で読み出された信号電荷は、垂直転送電極Ｖ９Ｂ、Ｖ１０、Ｖ１１Ａ、Ｖ１２に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３まで垂直転送されて保持されている状態であるため、時刻ｔ＝ｔ１で垂直転送パルスφＶ９Ａにより読み出された信号電荷と時刻ｔ＝ｔ３で垂直転送パルスφＶ９Ｂにより読み出された信号電荷とが加算され、水平ＣＣＤ３に転送される。
【００４３】
同様に時刻ｔ＝ｔ４で垂直転送パルスφＶ１１Ｂがハイレベルの電圧となり、垂直転送パルスφＶ１１Ｂが印加される垂直転送電極Ｖ１１Ｂに対応する位置の垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルはミドルレベルのポテンシャルよりさらに低くなる。そして、画素１１の信号電荷が垂直転送ゲート１２を介して垂直ＣＣＤ１３に読み出され、垂直転送電極Ｖ１１Ｂ、Ｖ１２、Ｖ１、Ｖ２に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３に信号電荷が保持される（ステップＳ１５）。このとき、時刻ｔ＝ｔ２で読み出された信号電荷は、垂直転送電極Ｖ１１Ｂ、Ｖ１２、Ｖ１、Ｖ２に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３まで垂直転送されて保持されている状態であるため、時刻ｔ＝ｔ２で垂直転送パルスφＶ１１Ａにより読み出された信号電荷と時刻ｔ＝ｔ４で垂直転送パルスφＶ１１Ｂにより読み出された信号電荷とが加算され、水平ＣＣＤ３に転送される。
【００４４】
すなわち、図３の読み出しタイミングチャートでは垂直ＣＣＤ１３上で垂直方向に組ごとに読み出された２画素分の信号電荷加算を行って、加算された信号電荷が水平ＣＣＤ３に転送される。
【００４５】
垂直転送が終了した後、水平転送パルスφＨ１、φＨ２によって、水平ＣＣＤ３にある信号電荷が水平転送され（ステップＳ１６）、アンプ４により出力信号に変換される。
【００４６】
ここで、画素１１の有するホトダイオード、垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルについて図５で説明する。ホトダイオードのポテンシャルは、周辺の垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルと連動すると考えられ、垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルによって、ホトダイオードのポテンシャルが上下し余剰になった信号電荷が基板に排出され、ホトダイオードの飽和特性が変化すると考えられる。
【００４７】
時刻ｔ＝ｔ０では、垂直転送電極Ｖ１とＶ２がミドルレベル、他の１０個の垂直転送電極はローレベル、時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４では４個の垂直転送電極がミドルレベル、８個の垂直転送電極がローレベルである。
【００４８】
図５に示すように、ミドルレベルの垂直転送電極が多い時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４は垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルがより低くなることから、ホトダイオードのポテンシャルは周辺の垂直ＣＣＤ１３に連動してより低くなり、ホトダイオードの信号電荷の飽和量は高くなる。また、時刻ｔ＝ｔ０ではミドルレベルの垂直転送電極が少ないため垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルが高くなることから、ホトダイオードのポテンシャルも高くなり、ホトダイオードの信号電荷の飽和量は低くなると考えられる。
【００４９】
よって、第１期間の時刻ｔ＝ｔ０で余剰の信号電荷を基板に排出して信号電荷量を低下させ、時刻ｔ＝ｔ０以降ミドルレベルの垂直転送電極を増やし垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルを低くすることで、ホトダイオードのポテンシャルが連動して低下し、ホトダイオードの飽和特性が向上する。このように駆動することで、時刻ｔ＝ｔ０以降ホトダイオードの信号電荷が余剰電荷として基板に排出されることはなく、時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の信号電荷読み出し時の信号出力の飽和量のばらつきを抑制できる。
【００５０】
なお、第１の実施形態では、読み出しを開始するまでの第１期間に２個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できるように、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を２個にして垂直ＣＣＤ１３を駆動し、画素１１から垂直ＣＣＤ１３へ信号電荷を読み出し水平ＣＣＤ３へ転送する第２期間に４個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できるように、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を４個にして垂直ＣＣＤ１３を駆動したが、第２期間をＮ２個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸（Ｎ２は１以上の整数）で信号電荷を保持できる状態としたとき、第１期間はＮ２以下のＮ１個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できる状態であればよく、第１期間に全ての垂直転送電極にローレベルの垂直転送パルスを印加してＮ１＝０として、垂直ＣＣＤ１３に信号電荷を保持できない状態にしてもよい。
【００５１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、静止画の撮影に適し、全画素の信号電荷を画素ごとに読み出すスチルモード（フレーム読み出しモード）での駆動を例として説明する。このような駆動方法によると、静止画の撮影の場合に、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを低減することができる。
【００５２】
なお、第２の実施形態では、第１期間においてミドルレベルの電圧が印加される垂直転送電極の数Ｎ１をＮ１＝６、第２期間においてミドルレベルの電圧が印加される垂直転送電極の数Ｎ２をＮ２＝１０とした場合を例にして説明する。
【００５３】
本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の構成は、第１の実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００５４】
図６は、本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置１における垂直転送パルスタイミングの全体図を示した図であり、スチルモードにおける１フィールドの転送パルスタイミングを示す。スチルモードでは、全画素の信号電荷を画素ごとに読み出すのだが、一定周期で信号電荷を読み出し、複数のフィールドに分けて信号出力とすることが一般的である。
【００５５】
本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の場合は、撮像領域２の複数の画素１１は、各列において６個ずつの繰り返し単位で６のフィールドに分けられ、６画素ごとに異なるタイミングで信号電荷を読み出し、６フィールドの信号出力で１枚の画像が構成される。
【００５６】
図６は、垂直転送パルスφＶ３により垂直転送電極Ｖ３で信号電荷を読み出すフィールドのタイミングの全体図を示している。水平転送パルスφＨ１、φＨ２の停止期間に垂直転送パルスφＶ１〜１２によって、信号電荷が垂直ＣＣＤ１３で垂直転送され、垂直転送が終了した後、水平転送パルスφＨ１、φＨ２によって、水平ＣＣＤ３にある信号電荷が水平ＣＣＤ３を水平転送され出力信号となる。図中の破線期間では画素１１から垂直ＣＣＤ１３へ垂直転送パルスφＶ３により信号電荷を読み出している。
【００５７】
画素１１から垂直ＣＣＤ１３への読み出しの詳細タイミングチャートを図７に、駆動手順を示すフローチャートを図８に示している。垂直ＣＣＤ１３は、駆動制御部６から出力される垂直転送パルス（電圧パルス）により駆動され、各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２にミドルレベルの電圧を印加するとポテンシャルが低くなり信号電荷を蓄積でき、ハイレベルの電圧を印加すると垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルがさらに低くなり画素１１から垂直ＣＣＤ１３に信号電荷が読み出される。また、各垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ１２にローレベルの電圧を印加するとポテンシャルが高いピンニング状態になり信号電荷は蓄積できない。
【００５８】
まず、図７において、時刻ｔ＝ｔ０は、画素１１に蓄積された信号電荷の垂直転送電極への読み出しを開始する前の第１期間の一時点を示している。
【００５９】
図７に示すように、時刻ｔ＝ｔ０でミドルレベルの電圧に設定された垂直転送パルスφＶ１〜φＶ６が垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ６に印加されてミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を６個にして垂直ＣＣＤ１３が駆動され、対応する垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルが低くなる。このとき、垂直ＣＣＤ１３は、信号電荷を６個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で保持できる状態にある（ステップＳ２０）。
【００６０】
その後、ミドルレベルの電圧に設定された垂直転送パルスφＶ７が垂直転送電極Ｖ７に印加されてミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を７個にして垂直ＣＣＤ１３が駆動される。そして、垂直転送電極Ｖ７に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルが低くなり、信号電荷を７個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で保持できる状態となる。
【００６１】
このようにして、第１期間の終了後、第２期間の開始時である時刻ｔ＝ｔ１までの第３期間に、ミドルレベルの電圧に設定された垂直転送パルスが印加される垂直転送電極を徐々に増加してミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を６個から１０個まで増加して垂直ＣＣＤ１３が駆動される。そして、６個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できる状態（Ｎ１＝６）から１０個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できる状態（Ｎ２＝１０）に移行する（ステップＳ２１）。また、第２期間の開始前に、画素１１に信号電荷が蓄積される。
【００６２】
時刻ｔ＝ｔ１は、画素１１に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ１３へ読み出す第２期間の開始する時である。図７に示すように、時刻ｔ＝ｔ１で垂直転送パルスφＶ３がハイレベルの電圧となり、垂直転送パルスφＶ３が印加される垂直転送電極Ｖ３に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルはミドルレベルのポテンシャルよりさらに低くなる。そして、画素１１の信号電荷が垂直転送ゲート１２を介して垂直ＣＣＤ１３に読み出され、垂直転送電極Ｖ３〜Ｖ１２に対応する位置の垂直ＣＣＤ１３に信号電荷が保持される（ステップＳ２２）。保持された信号電荷は、１０個または１１個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で保持されながら垂直方向に転送される。
【００６３】
垂直転送が終了した後、水平転送パルスφＨ１、φＨ２によって、水平ＣＣＤ３にある信号電荷が水平ＣＣＤ３を水平転送され（ステップＳ２３）、アンプ４により出力信号に変換される。
【００６４】
ここで、１フィールド分の画素１１の信号電荷の読み出しが終了し、以降は、同様に垂直転送電極Ｖ１、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９Ａ／Ｂ、Ｖ１１Ａ／Ｂに対応する位置の垂直ＣＣＤ１３に画素１１の信号電荷がフィールドごとに順次読み出され、垂直転送、水平転送されて、アンプ４により出力信号に変換される（ステップＳ２４）。このときに、第１期間にミドルレベルの電圧パルスが印加される垂直転送電極の数Ｎ１を、複数のフィールドのそれぞれにおいて同一の値にして垂直ＣＣＤ１３を駆動することで、フィールド間の信号出力の飽和量のばらつきを抑制できる。
【００６５】
ここで、画素１１のホトダイオード、垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルについて図９で説明する。ホトダイオードのポテンシャルは、周辺の垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルと連動すると考えられ、垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルによって、ホトダイオードのポテンシャルが上下し余剰になった信号電荷が基板に排出され、ホトダイオードの飽和特性が変化すると考えられる。
【００６６】
時刻ｔ＝ｔ０では、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ６がミドルレベル、他の６個の垂直転送電極はローレベル、時刻ｔ＝ｔ１では１０個の垂直転送電極がミドルレベル、２個の垂直転送電極がローレベルである。
【００６７】
図８に示すように、ミドルレベルの垂直転送電極が多い時刻ｔ＝ｔ１は垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルがより低くなることから、ホトダイオードのポテンシャルは周囲の垂直ＣＣＤ１３に連動してより低くなり、ホトダイオードの信号電荷の飽和量は高くなる。また、時刻ｔ＝ｔ０ではミドルレベルの垂直転送電極が少ないため垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルが高くなることから、ホトダイオードのポテンシャルも高くなり、ホトダイオードの信号電荷の飽和量は低くなると考えられる。
【００６８】
よって、第１期間の時刻ｔ＝ｔ０で余剰の信号電荷を基板に排出して信号電荷量を低下させ、時刻ｔ＝ｔ０以降ミドルレベルの垂直転送電極を増やし垂直ＣＣＤ１３のポテンシャルを低くすることで、ホトダイオードのポテンシャルが連動して低下し、ホトダイオードの飽和特性が向上する。このように駆動することで、時刻ｔ＝ｔ０以降ホトダイオードの信号電荷が余剰電荷として基板に排出されることはなくなる。
【００６９】
また、垂直転送電極Ｖ１、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９Ａ／Ｂ、Ｖ１１Ａ／Ｂに対応する垂直ＣＣＤ１３に画素１１の信号電荷をフィールドごとに読み出すときに、第１期間にミドルレベルの電圧パルスが印加される垂直転送電極の数Ｎ１を、複数のフィールドのそれぞれにおいて同一の値に設定することで、フィールド間の信号出力の飽和量のばらつきを抑制できる。
【００７０】
なお、第２の実施形態では、読み出しを開始するまでの第１期間に６個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できるように、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を６個にして垂直ＣＣＤ１３を駆動し、画素１１から垂直ＣＣＤ１３へ信号電荷を読み出し水平ＣＣＤ３へ転送する第２期間に１０個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できるように、ミドルレベルの電圧が印加されている連続する垂直転送電極を１０個にして垂直転送電極を駆動したが、第２期間をＮ２個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸（Ｎ２は１以上の整数）で信号電荷を保持できる状態としたとき、第２期間はＮ２以下のＮ１個分の垂直転送電極の長さに相当するポテンシャル井戸で信号電荷を保持できる状態であればよく、第１期間に全ての垂直転送電極にローレベルの垂直転送パルスを印加してＮ１＝０として、垂直ＣＣＤ１３に信号電荷を保持できない状態にしてもよい。
【００７１】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
【００７２】
例えば、第１期間および第２期間にミドルレベルの垂直転送パルスが印加される垂直転送電極の数Ｎ１、Ｎ２は、上記した数に限らず、その他の数に設定されてもよい。また、第１期間に全ての垂直転送電極にローレベルの垂直転送パルスを印加してＮ１＝０として、垂直ＣＣＤに信号電荷を保持できない状態に設定されてもよい。
【００７３】
また、上記した実施形態では、モニタモードにおいて、垂直転送部を連続する１２個の垂直転送部ごとに２組に分けた構成としたが、連続する垂直転送部の個数Ｌは、その他の個数に設定されてもよい。また、上記した実施形態では、１２個の垂直転送電極のうちの９番目および１１番目の垂直転送電極をＭ番目として説明したが、Ｍの値はその他の値に設定されてもよい。
【００７４】
また、スチルモードにおけるフィールドの数は、６フィールドに限らずその他のフィールドの数に設定されてもよい。
【００７５】
また、本発明にかかる固体撮像装置には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明にかかる固体撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。例えば、本発明にかかる固体撮像装置を内蔵するカメラも本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、一体型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であって、垂直ＣＣＤの信号電荷転送によるホトダイオードの信号電荷減少を抑制し、ホトダイオードにより光電変換された信号電荷に対応する信号出力の飽和量のばらつきを抑制することができる固体撮像装置の駆動方法および固体撮像装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１、１００  固体撮像装置
３、１０３  水平ＣＣＤ（水平転送部）
６、１０６  駆動制御部
１１、１１１  画素（光電変換部）
１３、１１３  垂直ＣＣＤ（垂直転送部）
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９Ａ、Ｖ９Ｂ、Ｖ１０、Ｖ１１Ａ、Ｖ１１Ｂ、Ｖ１２  垂直転送電極
【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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【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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