(57)【要約】【課題】動画モードにおけるスミアの発生を防止し、画質不良を抑制する固体撮像装置を提供する。【解決手段】タイミング発生回路２０は、水平転送部１４において第１混合パケットおよび第２混合パケットを生成するように、駆動信号を出力する。第１混合パケットには、水平転送部の所定段において同一列内の同色の２以上の信号パケットが混合され、第２混合パケットには、水平転送部の前記所定段以外の段において同一列内の同色の２以上の信号パケットと２以上のダミーパケットとが混合される。【選択図】図１
2008199419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配列された複数の受光素子と、
前記受光素子の列に対応して設けられ、前記複数の受光素子から読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のダミーパケットとを垂直転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部と、
前記複数の保持部または前記Ｍ列に対応する垂直転送部から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する水平転送部と、
前記垂直転送部、前記保持部および前記水平転送部を駆動する駆動部とを備え、
前記駆動部は、動画撮像モードにおいて、前記水平転送部において第１混合パケットおよび第２混合パケットを生成するように、前記複数の保持部から前記水平転送部への垂直転送を駆動し、
前記第１混合パケットには、水平転送部の所定段において同一列内の同色の２以上の信号パケットが混合され、
前記第２混合パケットには、水平転送部の前記所定段以外の段において同一列内の同色の２以上の信号パケットと、２以上のダミーパケットとが混合される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２混合パケットに混合されるダミーパケットの個数は、前記第２混合パケットに混合される信号パケットの個数以上である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２混合パケットに混合される信号パケットの個数は、前記第１混合パケットに混合される信号パケットの個数と同じである
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２混合パケットに混合される信号パケットと、前記第１混合パケットに混合される信号パケットとは、同じ行内かつ最も近い列内の同色の受光素子から読み出される
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部の最終転送段であり、Ｎ列離れた列毎に独立した転送電極を有する
ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部と水平転送部の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送する
ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１記載の前記固体撮像装置の駆動方法であって、
前記水平転送部から第１混合パケットおよび第２混合パケットを順次出力し、
第２混合パケットと第１混合パケットとの差分に基づいてノイズ成分量を算出し、
前記ノイズ成分量を用いて第１混合パケットに内在するノイズ成分を除去する
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
請求項１記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元に配列された複数の受光素子と複数の垂直転送部と１つの水平転送部とを有し、画像信号として出力する固体撮像装置、固体撮像素子の駆動方法およびカメラに関し、特に静止画撮像モードと動画撮像モードとを有する固体撮像装置、固体撮像素子の駆動方法およびカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、受けた光を電気信号に変換し、映像信号として出力する固体撮像素子が知られており、この固体撮像素子から得た映像信号を静止画像として表示するデジタルスチルカメラ等のカメラが知られている。近年では、このような固体撮像素子を用いたカメラは、画質および機能のさらなる向上が要望され、画素の高密度化が進んでいる。
【０００３】
このような固体撮像素子において、特にモニターモード等で出力スピードを向上させるために、信号電荷を読み出す画素を間引くことにより出力映像信号中の画素数を減らす駆動方法が、例えば特許文献１、２に開示されている。
【０００４】
しかし、このような間引き駆動において、スミアや暗電流等のノイズ成分が問題となる。このことについて図１１を用いて説明する。
【０００５】
図１１は特許文献３に開示された従来技術の課題を説明するための模式図である。図１１の模式図において、白抜きの丸（○）は垂直転送部１３上のノイズ成分を、黒塗りの丸（●）は水平ブランキング期間一回に転送されるノイズ成分を含む信号成分をそれぞれ示している。
【０００６】
静止画撮像モード等で用いられる全画素読み出し駆動では、図１１（ａ）に示すように、全画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）を同一時刻に垂直転送部１３に一斉に読み出し、当該垂直転送部１０１中で混合することなく独立に垂直方向に転送し、さらにその信号電荷を水平転送部１４により水平方向に転送し、電荷検出部１５を介して読み出すようにしている。
【０００７】
この全画素読み出し駆動（ａ）では、水平ブランキング期間当りの垂直転送部１本での転送画素数は１画素である。また、一回に出力される信号画素数は１画素であり、一回に出力されるノイズ量は垂直転送部１個分（１パケット分のノイズ量）である。なお、ここでは、全画素読み出しでも、メカシャッタを使わないことを前提としている。
【０００８】
一方、モニターモード等で用いられる間引き読み出し駆動では、図１１（ｂ）に示すように、例えば垂直方向において１画素おきに間引く場合には、奇数行（図中、１，３，５，・・・）の画素の信号電荷のみを垂直転送部１３に読み出す。このとき、垂直転送部１３には空パケットが存在する。そして、信号パケットと空パケットを対にして垂直方向に転送し、さらにその２パケット分の電荷を水平転送部１４中で混合して水平方向に転送し、電荷検出部１５を介して読み出すようにしている。
【０００９】
この間引き読み出し駆動（ｂ）では、水平ブランキング期間当りの垂直転送部１本での転送画素数は２画素である。また、一回に出力される信号画素数は１画素であり、一回に出力されるノイズ量は垂直転送部２個分（２パケット分のノイズ量）である。
【００１０】
上述した動作説明から明らかなように、間引き読み出しの駆動方法（ｂ）でノイズが助長されるのは、信号電荷が読み出されない空パケットが存在し、しかもこの空パケットにも垂直転送部１０１上のノイズ成分が蓄積されることから、水平転送部１４において垂直２画素（上下２パケット）間で混合を行うことにより、１画素分の信号成分に対して２パケット分のノイズ成分が加算され、Ｓ／Ｎが２倍（６ｄＢ）悪化することになるからである。
【００１１】
この問題を解決するための提案が従来よりなされており、上記特許文献３にその一手法が開示されている。この技術について以下に説明する。
【００１２】
図１２は従来技術に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。ここでは、例えば全画素読み出し駆動方式ＣＣＤ撮像素子において、全画素読み出しモードの他に、垂直方向において例えば１画素おきに画素情報を間引く処理を行う間引き読み出しモードをとり得る場合を例に挙げて説明するものとする。
【００１３】
図１２において、撮像部（撮像エリア）１１は、半導体基板上にマトリクス状に配列され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード等の複数個の受光素子（画素）１２と、これら複数個の受光素子１２の垂直列ごとにその配列方向に沿って設けられた複数本の垂直転送部１３とから構成されている。
【００１４】
複数本の垂直転送部１３は、各画素に１：１の対応関係を持って設けられた信号パケットと、これら信号パケットの垂直転送方向前方側に１個ずつ配された空パケットの集合（パケット列）からなり、各パケットの転送チャネル上には３つの転送電極（図示せず）が転送方向に配列されている。ここで、パケットとは、信号電荷の転送路上において、信号を転送する単位を言う。そして、垂直転送部１３は、例えば３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３によって転送駆動される。
【００１５】
すなわち、垂直転送部１３は、水平ブランキング期間において、１行（１ライン）分の信号電荷を、３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３に応じて１ラインずつ転送（以下、これをラインシフトと称す）する動作を行う。ここで、垂直転送部１３の転送電極の一部が読み出しゲート電極を兼ねていることから、垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３のうちのいずれか１つは、低レベル、中間レベルおよび高レベルの３値レベルをとり、その３値目の高レベルのパルスが読み出しパルスとなる。
【００１６】
ただし、３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３の各パケットへの与え方は、間引き読み出しモードでは全画素読み出しモードと異なる。すなわち、信号電荷の読み出しが間引かれる画素については、当然のことながら、読み出しパルスが与えられないことになる。また、垂直転送部１３において、全画素読み出しモードでは水平ブランキング期間に１回ラインシフトが行われるのに対して、１画素おきの間引き読み出し駆動では、水平ブランキング期間に２回ラインシフトが行われることになる。
【００１７】
撮像部１１の図面上の下側には、複数本の垂直転送部１３の転送方向側端部に隣接して水平転送部１４が配されている。この水平転送部１４は、間引き読み出しモードでは、信号成分とノイズ成分を対にして転送する必要があるために、水平方向の画素数の２倍の数（倍密度）のパケットの配置（パケット列）からなる構成となっている。そして、互いに逆相の水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２によって転送駆動される。この水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２は、水平転送部１４が倍密度で構成されていることから、その周波数も通常の２倍に設定されている。
【００１８】
水平転送部１４の転送先側の端部には、この水平転送部１４によって転送されてくる信号電荷を検出し、これを信号電圧に変換して出力する例えばフローティングディフュージョン・アンプ構成の電荷検出部１５が配されている。この電荷検出部１５は、水平転送部１４の最終出力ゲート１６に隣接して設けられたＦＤ（フローティングディフュージョン）部１７と、電荷を掃き出すＲＤ（リセットドレイン）部１８と、ＦＤ部１７の電荷をＲＤ部１８へ排出するＲＧ（リセットゲート）部１９とから構成されている。
【００１９】
この電荷検出部１５において、ＲＤ部１８には、所定のドレイン電圧Ｖｒｄが与えられている。また、ＲＧ部１９には、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と例えば同周期のリセットゲートパルスＲＧφが印加される。そして、ＦＤ部１７からは、信号電荷を信号電圧に変換して得られる信号出力Ｖｏｕｔが導出される。なお、垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２およびリセットゲートパルスＲＧφを含む各種のタイミング信号は、タイミング発生回路２０で生成される。
【００２０】
図１３に、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２、リセットゲートパルスＲＧφおよび信号出力Ｖｏｕｔのタイミング関係を示す。信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相はプリセット部、Ｄ相はデータ部であり、水平転送部１４が２パケットを１単位とした倍密度構成であることから、水平方向前方側のパケットの情報がＰ相に、後方側のパケットの情報がＤ相として出力されることになる。
【００２１】
次に、上記構成の全画素読み出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子の各駆動モードの動作について、図１４、図１５の模式図を用いて説明する。なお、図１４、図１５の各模式図において、白抜きの丸（○）は垂直転送部１３上のノイズ成分を、黒塗りの丸（●）は水平ブランキング期間一回に転送されるノイズ成分を含む信号成分をそれぞれ示している。
【００２２】
先ず、モード切替え信号によって全画素読み出しモードが設定されると、タイミング発生回路２０は、当該モードに対応したタイミングの垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３を出力する。これにより、図１４の模式図において、全画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）が同一時刻に垂直転送部１３に一斉に読み出される（図１４（ａ））。
【００２３】
続いて、垂直転送部１３においてラインシフトが行われるのであるが、その前に、水平転送部１４は２パケットを１単位としていることから、このパケット対のうちの水平転送方向後方側のパケットに信号電荷を供給するために、水平転送部１４ではあらかじめ１ビット（１パケット）分のシフト（以下、これを１ビットシフトと称す）が行われる。その後、水平ブランキング期間内において１回ラインシフトが行われる。その結果、１ライン（１行）分の信号電荷が水平転送部１４にシフトされる（図１４（ｂ））。
【００２４】
このようにして、垂直転送部１３から水平転送部１４にシフトされた１ライン分の信号電荷は、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２にて水平方向に転送され、電荷検出部１５に画素単位で順に注入される。電荷検出部１５においては、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と同周期でリセットゲートパルスＲＧφがＲＧ部１９に印加されることにより、ＦＤ部１７の残留電荷をＲＤ１８に排出するリセット動作が行われる。
【００２５】
これにより、ＦＤ部１７からは、図１３に示す如き波形の信号出力Ｖｏｕｔが導出される。なお、全画素読み出しモードにおいては、先述した動作説明から明らかなように、前方側のパケットには垂直転送部１３から何ら情報が与えられないようになっている。したがって、信号出力Ｖｏｕｔにおいて、Ｐ相には何ら情報は乗らず、このＰ相は後述する信号処理の際の基準となり、またＤ相には信号成分の情報が乗ることになる。
【００２６】
一方、モード切替え信号によって間引き読み出しモードが設定されると、タイミング発生回路２０は、当該モードに対応したタイミングの垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３を出力する。これにより、図１５の模式図において、例えば偶数行（図中、２，４，……）の画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）のみが垂直転送部１３に読み出される（図１５（ａ））。
【００２７】
続いて、垂直転送部１３において、水平ブランキング期間内において１回目のラインシフトが行われる。これにより、水平転送部１４のパケット対のうちの水平転送方向前方側のパケットに、垂直転送部１３から１ライン分のノイズ成分の電荷が供給されることになる（図１５（ｂ））。その後引き続いて、水平転送部１４において、１ビットシフトが行われる。
【００２８】
次に、垂直転送部１３において、同じブランキング期間内において２回目のラインシフトが行われる。これにより、水平転送部１４のパケット対のうちの水平転送方向後方側のパケットに、垂直転送部１３から１ライン分の信号成分の電荷が供給されることになる（図１５（ｃ））。その結果、水平転送部１４上において、パケット対の前方にノイズ成分の電荷が、後方に信号成分の電荷がそれぞれ蓄積されることになる。
【００２９】
このようにして、水平ブランキング期間内においてラインシフトが２回行われることによって垂直転送部１３から水平転送部１４にシフトされたノイズ成分および信号成分の各電荷は対で水平方向に転送され、電荷検出部１５に順に注入される。電荷検出部１５では、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と同周期のリセットゲートパルスＲＧφによってリセット動作が行われ、その結果、図１３に示す如き波形の信号出力Ｖｏｕｔにおいて、Ｐ相にはノイズ成分の情報が乗り、Ｄ相には信号成分の情報が乗ることになる。
【００３０】
この電荷検出部１５において、水平転送部１４の転送周期と同周期でリセット動作が行われることにより、Ｐ相とＤ相の間でもリセット動作が行われることになる。その結果、Ｐ相には１パケット分のノイズ成分が乗り、Ｄ相には１パケット分の信号成分＋ノイズ成分が乗ることになる。
【００３１】
上述したように、全画素読み出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子において、間引き読み出しモード時に、信号パケットと空パケットの各電荷を組（本例では、対）にして水平転送し、この水平転送される電荷を順に電気信号に変換して空パケットのノイズ成分をＰ相に乗せ、信号パケットの信号成分をＤ相に乗せて出力することにより、画素情報と同一画素列、即ち水平方向の同アドレスのノイズ情報をその画素情報と組で得ることができる。
【００３２】
したがって、後段の信号処理系において、Ｄ相の信号成分とＰ相のノイズ成分との差分をとる処理を行うことで、信号成分に含まれるノイズ成分をキャンセルすることができる。ここで、空パケットのノイズ成分とは、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズのことを言う。
【００３３】
また、特許文献４には読み出し画素から読み出された信号成分＋スミア成分と、空パケットに含まれるスミア成分とを後段回路で差分してスミア成分を除去すること及び垂直転送路の最終部に転送阻止ゲートを設けることで垂直方向の間引きだけでなく水平方向の間引きにも対応できることが開示されている。
【特許文献１】特開平９−２９８７５５号公報
【特許文献２】特開平１１−２３４６８８号公報
【特許文献３】特開２０００−２９９８１７号公報
【特許文献４】特開２００５−３２８２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
しかし、特許文献３、４に開示された上述の方法では以下に示す問題が生じる。
第１に特許文献３に開示された方法では水平方向で画素を間引く駆動方法に対応できない。例えば、水平方向に１画素おきに画素を読み出す場合を考えてみる。上述の駆動方法によれば、垂直転送部から水平転送部に信号電荷を転送した後、水平転送部で電荷を１ビット分シフトし、次に空パケットのノイズ成分を垂直転送部から水平転送部における電荷の入ったパケットの後段のパケットに送ってノイズ成分と信号成分との分離を図るものである。しかし、水平方向に画素を間引く場合には、信号が読み出された同一行に信号パケットと空パケットが交互に存在し、さらに信号が読み出されない間引き行はすべて空パケットという配列になる。よって、この方法のように垂直転送部から水平転送部に信号を転送した後、ビットシフトを行ったとしても信号パケットと空パケットとの分離がうまく行われない。
【００３５】
第２に特許文献３に開示された方法では水平転送部を水平方向の画素数の倍密度のパケット列からなる構成とする必要があるため、垂直転送路の１列に対する水平転送路の面積が大きくなってしまい、素子の微細化に適さない。また、飽和電荷量に対し大きすぎる容量を持つことになるため、高速転送時に信号なまりを生じるおそれがある。
【００３６】
第３に特許文献３に開示された方法では水平転送部の駆動周波数を通常の２倍に設定する必要があるため、駆動回路が複雑化するだけでなく消費電力の増大にもつながる。
【００３７】
第４に、特許文献４に開示された方法では信号パケットと空パケットを別々に水平転送する必要があり、水平転送数の削減による高速駆動が不可能である。また、水平転送パケットを倍密度にする方法は、特許文献３と同様の課題を有する。
【００３８】
また、水平方向の間引き数に応じて転送阻止ゲートを設け、同一垂直転送列の信号パケットと空パケットを分離する技術が開示されているが、転送阻止ゲートに阻止された電荷を排出するための技術については開示が無く、この電荷の排出ができなければ水平方向の間引きは実現できない。例えば、転送阻止ゲートの近傍に排出用のドレインを設けるか、阻止された電荷を別に水平転送して排出することが考えられるが、前者では構造的に微細化に対応困難であること、後者では、不要電荷排出のための水平転送が別に必要になるため高速化に不向きであることから現実的な方法ではない。また、転送阻止ゲートによって水平転送部に送られない信号成分はそのまま捨てられるため、この信号成分を画質向上等のために有効利用することもできない。
【００３９】
そこで、本発明は、水平方向で画素を間引く駆動モードにおいても大幅にスミア等のノイズを低減して高画質の画像が得られる固体撮像装置およびその駆動方法を提供とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は行列状に配列された複数の受光素子と、前記受光素子の列に対応して設けられ、動画撮像モードにおいて前記複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のダミーパケットとを垂直転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部と、前記複数の保持部または前記Ｍ列に対応する垂直転送部から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する水平転送部と、前記垂直転送部、前記保持部および前記水平転送部を駆動する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記動画撮像モードにおいて、前記水平転送部において第１混合パケットおよび第２混合パケットを生成するように、前記複数の保持部から前記水平転送部への垂直転送を駆動し、前記第１混合パケットには、水平転送部の所定段において同一列内の同色の２以上の信号パケットが混合され、前記第２混合パケットには、水平転送部の前記所定段以外の段において同一列内の同色の２以上の信号パケットと、２以上のダミーパケットとが混合される。この構成によれば、固体撮像装置から第２混合パケットおよび第１混合パケットが出力されるので、固体撮像装置後段の信号処理において、第２混合パケットと第１混合パケットとの減算処理に基づいて、第１混合パケットからノイズ成分除去を可能にする。これによりスミア等のノイズを低減することにより画質を向上させることができる。
【００４１】
ここで、前記第２混合パケットに混合されるダミーパケットの個数は、前記第２混合パケットに混合される信号パケットの個数以上であるようにしてもよい。この構成によれば、第２混合パケットにおけるダミーパケットの個数が信号パケットの個数以上なので、上記の減算処理におけるノイズ成分量の方が有効な信号成分量よりも多いので、ノイズ成分量の算出の精度をより良くすることができる。
【００４２】
ここで、前記第２混合パケットに混合される信号パケットの個数は、前記第１混合パケットに混合される信号パケットの個数と同じであるようにしてもよい。この構成によれば、第１混合パケットに係数を乗じる必要がなく、第２混合パケットから第１混合パケットを単純に引き算すれば、ノイズ成分量の算出でき、つまり上記減算処理を簡単にすることができる。
【００４３】
ここで、前記第２混合パケットに混合される信号パケットと、前記第１混合パケットに混合される信号パケットとは、同じ行内かつ最も近い列内の同色の受光素子から読み出されるようにしてもよい。この構成によれば、第１混合パケットと第２混合パケットの信号成分の誤差を小さくすることができ、ノイズ成分量の算出の精度をより良くすることができる。
【００４４】
ここで、前記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部の最終転送段であり、Ｎ列離れた列毎に独立した転送電極を有するようにしてもよい。この構成によれば、毎Ｎ列中のＭ列以外の垂直転送部の最終転送段に、独立した転送電極を設け、独立して駆動することにより、スミア等のノイズを低減する上記の混合を実現することができる。
【００４５】
ここで、前記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部と水平転送部の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送するようにしてもよい。この構成によれば、毎Ｎ列中のＭ列以外の垂直転送部と水平転送部の間に独立して保持および転送する保持部を設けるので、転送駆動が簡単になり、フレームレートの高速化に適している。
【００４６】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、請求項１記載の前記固体撮像装置の駆動方法であって、前記水平転送部から第１混合パケットおよび第２混合パケットを順次出力し、第２混合パケットと第１混合パケットとの差分に基づいてノイズ成分量を算出し、前記ノイズ成分量を用いて第１混合パケットに内在するノイズ成分を除去する。
【００４７】
また、本発明のカメラは、上記固体撮像装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の固体撮像装置、その駆動方法およびカメラによれば、スミア等のノイズを低減することにより画質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
（実施の形態１）
本実施の形態における固体撮像装置は、複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部を備え、動画撮像モードにおいて、水平転送部において第１混合パケットおよび第２混合パケットを生成するように、複数の保持部から前記水平転送部への垂直転送を駆動する。ここで、第１混合パケットには、水平転送部の所定段において同一列内の同色の２以上の信号パケットが混合される。第２混合パケットには、水平転送部の前記所定段以外の段において同一列内の同色の２以上の信号パケットと２以上のダミーパケットとが混合される。また、信号パケットは、複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の垂直転送段をいう。ダミーパケットは、受光素子から信号電荷を読み出されないで本来空きの複数の垂直転送段をいう。
【００５０】
さらに、第２混合パケットと第１混合パケットの減算処理によって、第１混合パケットからスミアや暗電流に起因するノイズ成分除去を可能にする。これにより画質を向上させることができる。
【００５１】
また、本実施の形態における保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部の最終転送段であり、Ｎ列離れた列毎に独立した転送電極を有している。この独立の転送電極に印加される駆動パルスにより、Ｎ列離れた列毎に独立に垂直転送すること、上流からの垂直転送された、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合すること、混合されたパケットを保持することができるように構成されている。
【００５２】
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。同図の固体撮像装置は、静止画撮像モードの他に動画撮像モードで動作する。動画撮像モードでは、垂直方向および水平方向にＮ（例えば３）画素中のＭ（例えば２）画素を間引いた解像度の動画を撮像する。この動画撮像モードでは、信号パケットと、ノイズを含むダミーパケットとを交互（必ずしも１対１の交互ではない）に垂直転送する駆動が含まれる。同図の固体撮像装置は、複数の受光素子１２と、複数の垂直転送部１３と、水平転送部１４と、電荷検出部１５と、タイミング発生回路２０とを備える。
【００５３】
複数の受光素子１２は、行列状に配置され、例えばベイヤー配列などでカラーフィルタが配置されている。
【００５４】
複数の垂直転送部１３は、複数の受光素子１２の各列に対応して設けられ、動画撮像モードにおいて前記複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のダミーパケットとを垂直転送する。
【００５５】
前記複数の垂直転送部の毎Ｎ（ここでは３）列中のＭ（ここでは１）列以外の列の各最終段２１は、上記の保持部として機能し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能になっている。同図の左側の垂直転送部１３から順に１列（またはＲ列）、２列（Ｌ列）、３列（Ｂ列）、１列（Ｒ列）、２列（Ｌ列）、３列（Ｂ列）・・・と呼ぶものとする。本実施の形態では各Ｒ列および各Ｌ列の最終転送段は、それぞれの上流側の全転送段とは独立して駆動される転送電極を有している。各Ｂ列の最終転送段は、その上流側の全転送段とは共通に駆動される転送電極を有する。つまり、各Ｒ列および各Ｌ列の最終転送段は独立に駆動可能になっている。
【００５６】
水平転送部１４は、複数の垂直転送部１３から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する。
【００５７】
電荷検出部１５は、水平転送部１４から水平転送された信号電荷を電圧に変換するために、水平転送部１４最終段から信号電荷を取り出す出力ゲート１６、出力ゲート１６からの信号電荷を保持するＦＤ（フローティングディフュージョン）部１７、ＦＤ部１７をリセット時に掃きだすＲＤ（リセットドレイン）部１８、リセット電圧をＦＤ部１７に印加するためのＲＧ（リセットゲート）部１９を有している。
【００５８】
タイミング発生回路２０は、複数の垂直転送部１３、水平転送部１４を駆動する。特に、タイミング発生回路２０は、動画撮像モードにおいて各最終段２１において同一列内の信号パケットおよび複数のダミーパケットを１つのパケットに混合し、混合したパケットの信号電荷を各最終段に保持させ、さらに、同じ色に対応する信号電荷信号を保持する他の最終段のパケットを水平転送部１４で混合するように水平転送部１４および最終段を駆動する。
【００５９】
図２は、実施の形態１における固体撮像装置の電極構成例を示すブロック図である。同図において、６相の転送電極Ｖ１〜Ｖ６は、各垂直転送部上に設けられ、６相の駆動信号が印加される。偶数相の電極Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６は、垂直転送用の駆動信号が印加される転送電極である。奇数相の電極Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４は、垂直転送用の駆動信号が印加される転送電極であるとともに、受光素子からの読み出し電極をも兼用している。
【００６０】
垂直最終段以外の垂直転送段および３列(Ｂ列)の垂直最終段の６相の転送電極には、６相の共通の駆動信号が印加される。１列（Ｌ列）の電極Ｖ３１、Ｖ５１には、電極Ｖ３、Ｖ５とは独立した駆動信号を印加することができる。２列（Ｒ列）の電極Ｖ３２、Ｖ５２にも、電極Ｖ３、Ｖ５とは独立した駆動信号を印加することができる。これにより各１列および各２列の最終転送段は独立に駆動可能になっている。
【００６１】
図３は、実施の形態１におけるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。本デジタルカメラは、被写体からの入射光を固体撮像素子１の撮像面に結像するためのレンズ３１などを含む光学系と、固体撮像素子１の駆動を制御する制御部３２と、固体撮像素子１からの出力信号に対して様々な信号処理を施す画像処理部３３とを備えている。
【００６２】
画像処理部３３は、メモリを備え、第２混合パケットと第１混合パケットとを用いたノイズ減算処理によって、第１混合パケットからスミアや暗電流に起因するノイズ成分を除する。
【００６３】
以上のように構成された本実施の形態における固体撮像装置について、その動作を説明する。
【００６４】
図４Ａ〜図４Ｄは、動画撮像モードにおける信号パケットおよびダミーパケットの転送および混合の具体例を示す図である。ここでは、縦２画素を混合する間引き読み出しのケースについて記す。
【００６５】
図４Ａにおいて、上段の１２３１２３・・・はそれぞれＲＬＢＲＬＢ・・・列を表している。複数の垂直転送部１３のうち、９行１２列までの一部分のみを示している。Ｒ（１、１）は、下から第１行目、左から第１列目の赤色を示す信号電荷を保持する信号パケットを表している。Ｄ（９、１）は、第９行目、第１列目の有効な信号電荷を持たないダミーパケットを表している。Ｇ、Ｂは緑色、青色に対応する信号パケットを表す。なお、図４Ｂ〜図４Ｄでも図４Ａにおける元の転送パケットの座標を記してある。
【００６６】
図４Ｄは、図４Ａの状態から、転送と混合によって、水平転送部１４において第１混合パケットおよび第２混合パケットを生成した状態を示す。図４Ｂ、図４Ｃは、途中の状態を示している。
【００６７】
図中、実線○印を付与してあるＲ（１、３）、Ｒ（２、３）は、１つの第１混合パケットに混合される信号パケットの一例を示している。破線○印を付与してあるＲ（１、５）、Ｒ（２、５）、Ｄ（０、５）、Ｄ（３、３）は、１つの第２混合パケットに混合される信号パケットまたはダミーパケットの一例を示している。
【００６８】
図４Ｄに示すように、水平転送部１４中の二重丸を付与した段は、それぞれ第１混合パケットを、三角印を付与した段は、それぞれ第２混合パケットを示している。×印を付与した段は、動画モードでは不要な混合パケットを示している。第２混合パケットの信号電荷量から第１混合パケットの信号電荷量を引き算することにより、ダミーパケット２個分のノイズ量を算出することができる。なぜなら、第２混合パケット中の信号パケットと第１混合パケット中の信号パケットが同じ行内の最近傍の列なのでほぼ近似した信号電荷量であり、誤差が小さいとみなせるからである。
【００６９】
図４Ｄでは、第２混合パケットに混合されるダミーパケットの個数は、前記第２混合パケットに混合される信号パケットの個数と同数の２であるが、前者が後者以上であることが望ましい。第２混合パケットにおけるダミーパケットの個数が信号パケットの個数以上あるいは多いほど、ノイズ成分量の方が有効な信号成分量よりも多いので、ノイズ成分量の算出の精度をより良くすることができる。なぜなら、ノイズ成分量の方が有効な信号成分量よりも多くすれば、ノイズ成分量に対する、有効な信号成分量の誤差を相対的に小さくできるからである。
【００７０】
図５は、図４Ａ〜図４Ｄの転送を駆動するタイミング発生回路２０の動作を示すフローチャートである。
【００７１】
図５のステップＳ５Ａにおいてタイミング発生回路２０は、複数の受光素子１２から垂直転送部１３へ読み出しを行う。これにより図４Ａの状態となる。図４Ａでは水平転送部１４の全段はまだ空の状態である。第０行目に相当するＤ（０、１）、Ｄ（０、２）等のダミーパケットは、光学的黒画素またはダミー画素から読み出されたダミー信号とする。
【００７２】
ステップＳ５Ｂにおいてタイミング発生回路２０は、最終段も含めＲＬＢ全列を１段垂直転送するよう駆動する。これにより図４Ｂの状態となる。図４Ｂでは、最終段の信号パケットとダミーパケットとが水平転送部１４に転送されている。
【００７３】
ステップＳ５Ｃにおいてタイミング発生回路２０は、最終段も含めＲＬＢ全列を１段垂直転送するよう駆動する。これにより、水平転送部１４の各段に、垂直最終段からの信号パケットが垂直加算される。これにより図４Ｃの状態となる。
【００７４】
ステップＳ５Ｄにおいてタイミング発生回路２０は、水平転送部１４を２段水平転送するように駆動する。さらに、ステップＳ５Ｅにおいてタイミング発生回路２０は、Ｂ列を垂直１段転送し、Ｒ、Ｌ列は最終段で垂直混合するよう駆動する。これにより図４Ｄの状態となる。
【００７５】
さらに、ステップＳ５Ｆ、Ｓ５Ｇにおいてタイミング発生回路２０は、水平転送部１４を１行分順次水平転送するよう駆動し、複数の垂直転送部１３に未転送の信号パケットが残っていれば、ステップＳ２Ｂに戻って、上記動作を繰り返す。
【００７６】
図６は、画像処理部３３におけるノイズ減算処理を示すフローチャート図である。同図のノイズ減算処理は、図５のステップＳ５Ｆにおける１行分の水平転送により出力される第１混合パケットおよび第２混合パケットを用いてなされる。
【００７７】
まず、画像処理部３３は、第１混合パケットの信号レベルを検出し（Ｓ８１）、その第１混合パケットに直近の第２混合パケットの信号レベルを検出する（Ｓ８２）。
【００７８】
画像処理部３３は、第１混合パケットの信号レベルと、第２混合パケットの信号レベルとを減算することにより、第１混合パケットに含まれるノイズレベルを検出する（Ｓ８３）。図４Ｄの例では、第２混合パケットは、信号パケット２つとダミーパケット２つからなるので、パケット２つ分の有効な信号と、パケット４つ分のノイズ成分を含むことになる。また、第１混合パケットは、信号パケット２つからなるので、パケット２つ分の有効な信号と、パケット２つ分のノイズ成分を含むことになる。この第１混合パケットと第２混合パケットとが直近のパケットである場合には、第１、第２混合パケットの１パケット当たりの有効な信号レベルはほぼ同じとみなせるし、１パケット当たりのノイズ成分レベルもほぼ同じとみなせる。それゆえ、両者の差分は２パケット分のノイズ成分を表しているとみなせる。さらに、画像処理部３３は、第１混合パケットの信号レベルから、ノイズ成分レベルを減算する（Ｓ８４）。
【００７９】
以上のように、固体撮像装置から出力される第２混合パケットと第１混合パケットとを用いたノイズ減算処理によって、第１混合パケットからスミアや暗電流に起因するノイズ成分を除去することができ、画質を向上させることができる。
【００８０】
なお、図４Ｄでは、第２混合パケットは、信号パケット２つとダミーパケット２つからなり、第２混合パケットは、信号パケット２つからなる場合を示したが、第２混合パケット含まれるダミーパケットの個数は、第２混合パケットに含まれる信号パケットの個数よりも多い方が望ましい。例えば、第２混合パケットが、信号パケット３つとダミーパケット６つからなる場合には、信号３つ分と、ノイズ９つ分を含むことになる。また、第１混合パケットが、信号パケット３つからなる場合には、信号３パケット分と、ノイズ２パケット分を含む。この第１混合パケットと第２混合パケットとが直近のパケットである場合には、第１、第２混合パケットの有効な信号３つ分はほぼ同じとみなせる。この場合、両者の差分はノイズ６パケット分を表すとみなせる。この場合、Ｓ８３の減算処理におけるノイズ成分量の方が有効な信号成分量よりも多いので、第１、第２混合パケットの信号パケット間の有効な信号量が相対的に小さくなり、ノイズ成分量の算出の精度をより良くすることができる。
【００８１】
また、第２混合パケットに混合される信号パケットと、第１混合パケットに混合される信号パケットとは、図４Ａの状態で同じ行内かつ最も近い列内の同色の受光素子から読み出された信号パケットであることが望ましい。こうすれば、第１、第２混合パケットの信号パケット間の有効な信号量の誤差が小さくなり、ノイズ成分量の算出の精度をより良くすることができる。
【００８２】
さらに、第２混合パケットに混合される信号パケットの個数は、前記第１混合パケットに混合される信号パケットの個数と同じであることが望ましい。こうすれば、第１混合パケットに係数を乗じることなく、第２混合パケットから第１混合パケットを単純に引き算すれば、ノイズ成分量の算出でき、つまり上記減算処理を簡単にすることができる。
【００８３】
（実施の形態２）
本実施の形態では、垂直転送部１３の最終段が何れも独立した転送電極を持たず、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部と水平転送部の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送するホールド部を、上記の保持部として備える構成について説明する。
【００８４】
図７は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。同図は、図１と比較して、全垂直転送部１３の最終段２１が独立した転送電極を持たない点と、複数のホールド部２１ａが追加されている点が異なる。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
【００８５】
複数のホールド部２１ａは、複数の垂直転送部１３の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の垂直転送部１３と水平転送部１４の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送する。機能的には、図１の最終段２１もホールド部２１ａもほぼ同じである。
【００８６】
タイミング発生回路２０は、複数の垂直転送部１３、水平転送部１４の駆動に加えて複数のホールド部２１ａも駆動する。特に、タイミング発生回路２０は、動画撮像モードにおいて、水平転送部１４において第１混合パケットおよび第２混合パケットを生成するように、複数のホールド部から水平転送部への垂直転送を駆動する。
【００８７】
図８は、実施の形態２における固体撮像装置の電極構成例を示すブロック図である。同図は、図２と比較して、垂直転送部１３の最終段２１の上の６相電極の代わりに、ホールド部２１ａ上の電極ＶＳ１、ＶＢ２を備える点が異なる。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
【００８８】
電極ＶＳ１は、ストレージ電極であり、ホールド部に信号電荷を保持するか否かを制御するための駆動信号が印加される。電極ＶＢ２はバリア電極であり、ホールド部から水平転送部１４に信号電荷を転送するか否かを制御するための駆動信号が印加される。
【００８９】
また、本実施の形態におけるカメラの構成は、図３と同様であるので説明を省略する。
以上のように構成された本実施の形態における固体撮像装置について、その動作を説明する。
【００９０】
図９Ａ〜図９Ｅは、動画撮像モードにおける信号パケットおよびダミーパケットの転送および混合の具体例を示す図である。
【００９１】
図９Ａにおいて、図４Ａと同様に、上段の１２３１２３・・・はそれぞれＲＬＢＲＬＢ・・・列を表している。垂直転送部とともにホールド部２１ａの様子も図示している。なお、図９Ｂ〜図９Ｅでも図９Ａにおける元の座標を記してある。
【００９２】
図９Ｅは、図４Ａの状態から、転送と混合によって、水平転送部１４において第１混合パケットおよび第２混合パケットを生成した状態を示す。図９Ｂ〜図９Ｄは、途中の状態を示している。
【００９３】
図中、実線○印を付与してあるＲ（１、３）、Ｒ（２、３）は、１つの第１混合パケットに混合される信号パケットの一例を示している。破線○印を付与してあるＲ（１、５）、Ｒ（２、５）、Ｄ（０、５）、Ｄ（３、３）は、１つの第２混合パケットに混合される信号パケットまたはダミーパケットの一例を示している。
【００９４】
図１０は、図９Ａ〜図９Ｅの転送を駆動するタイミング発生回路２０の動作を示すフローチャートである。
【００９５】
図１０のステップＳ８Ａにおいてタイミング発生回路２０は、複数の受光素子１２から垂直転送部１３へ読み出しを行う。これにより図９Ａの状態となる。図９Ａでは水平転送部１４の全段はまだ空の状態である。ホールド部中の第０行目に相当するＤ（０、１）、Ｄ（０、２）等のダミーパケットは、光学的黒画素またはダミー画素から読み出されたダミー信号とする。
【００９６】
ステップＳ８Ｂにおいてタイミング発生回路２０は、ホールド部２１ａから水平転送部１４へ信号電荷を転送するよう駆動する。これにより図９Ｂの状態となる。図４Ｂでは、最終段の信号パケットとダミーパケットとが水平転送部１４に転送されている。
【００９７】
ステップＳ８Ｃにおいてタイミング発生回路２０は、ホールド部にホールドさせずにＲＬＢ全列を１段垂直転送するよう駆動する。これにより図９Ｃの状態となる。図９Ｃでは、垂直転送部１３からホールド部２１ａを介して信号パケットとダミーパケットとが水平転送部１４に転送された結果を示している。
【００９８】
ステップＳ８Ｄにおいてタイミング発生回路２０は、ホールド部にホールドさせずにＲＬＢ全列を１段垂直転送するよう駆動する。これにより図９Ｄの状態となる。図９Ｄでは、垂直転送部１３からホールド部２１ａを介して信号パケットとダミーパケットとが水平転送部１４に転送された結果を示している。
【００９９】
ステップＳ８Ｅにおいてタイミング発生回路２０は、水平転送部１４を２段水平転送するように駆動する。さらに、ステップＳ８Ｆにおいてタイミング発生回路２０は、Ｒ、Ｌ列をホールドしたままでＢ列を垂直１段転送するよう駆動する。これにより図９Ｅの状態となる。
【０１００】
さらに、ステップＳ８Ｆ、Ｓ８Ｇにおいてタイミング発生回路２０は、水平転送部１４を１行分順次水平転送するよう駆動し、複数の垂直転送部１３に未転送の信号パケットが残っていれば、ステップＳ２Ｂに戻って、上記動作を繰り返す。
【０１０１】
ステップＳ８Ｆの１行分の水平転送の期間、画像処理部３３はノイズ減算処理を行う。このノイズ減算処理は、実施の形態１に示した図６と同じである。
【０１０２】
以上説明してきたように、本実施の形態の固体撮像装置は、毎Ｎ列中のＭ列以外の垂直転送部と水平転送部の間に独立して保持および転送するホールド部を有するので、実施の形態１と同様に、動画撮像モードにおいて、スミア等のノイズを低減でき、しかも、ノイズ低減処理により画質を向上させることができる。加えて、転送駆動が簡単になり、フレームレートの高速化に適している。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、半導体基板上に形成された複数の受光素子を有する固体撮像装置、その固体撮像装置を有するカメラに適しており、例えば、ＣＣＤイメージセンサ、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、監視カメラ、ノートパソコンに内蔵のカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１における固体撮像装置の電極構成例を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１におけるカメラの構成を示すブロック図である。
【図４Ａ】実施の形態１における画素混合の説明図である。
【図４Ｂ】実施の形態１における画素混合の説明図である。
【図４Ｃ】実施の形態１における画素混合の説明図である。
【図４Ｄ】実施の形態１における画素混合の説明図である。
【図５】実施の形態１における画素混合を駆動するフローチャート図である。
【図６】実施の形態１におけるノイズ減算処理を示すフローチャート図である。
【図７】本発明の実施の形態２における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態２における固体撮像装置の電極構成例を示すブロック図である。
【図９Ａ】実施の形態２における画素混合の説明図である。
【図９Ｂ】実施の形態２における画素混合の説明図である。
【図９Ｃ】実施の形態２における画素混合の説明図である。
【図９Ｄ】実施の形態２における画素混合の説明図である。
【図９Ｅ】実施の形態２における画素混合の説明図である。
【図１０】実施の形態２における画素混合を駆動するフローチャート図である。
【図１１】従来技術の画素読み出し駆動を説明するための模式図である。
【図１２】従来技術に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
【図１３】水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２、リセットゲートパルスＲＧφおよび信号出力Ｖｏｕｔのタイミング関係を示す図である。
【図１４】全画素読み出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子の各駆動モードの動作を示す図である。
【図１５】全画素読み出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子の各駆動モードの動作を示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１  固体撮像素子
１２  受光素子
１３  垂直転送部
１４  水平転送部
１５  電荷検出部
１６  出力ゲート
１７  ＦＤ（フローティングディフュージョン）部
１８  ＲＤ（リセットドレイン）部
１９  ＲＧ（リセットゲート）部
２０  タイミング発生回路
２１  最終段
２１ａ  ホールド部
３１  レンズ
３２  制御部
３３  画像処理部
【図１】
2008199419.tif 000003
【図２】
2008199419.tif 000004
【図３】
2008199419.tif 000005
【図４Ａ】
2008199419.tif 000006
【図４Ｂ】
2008199419.tif 000007
【図４Ｃ】
2008199419.tif 000008
【図４Ｄ】
2008199419.tif 000009
【図５】
2008199419.tif 000010
【図６】
2008199419.tif 000011
【図７】
2008199419.tif 000012
【図８】
2008199419.tif 000013
【図９Ａ】
2008199419.tif 000014
【図９Ｂ】
2008199419.tif 000015
【図９Ｃ】
2008199419.tif 000016
【図９Ｄ】
2008199419.tif 000017
【図９Ｅ】
2008199419.tif 000018
【図１０】
2008199419.tif 000019
【図１１】
2008199419.tif 000020
【図１２】
2008199419.tif 000021
【図１３】
2008199419.tif 000022
【図１４】
2008199419.tif 000023
【図１５】
2008199419.tif 000024