(57)【要約】【課題】動画読み出し駆動において、ラインでの間引き、加算による画素情報の低減と、それに応じた１ライン読み出し時間の短縮を可能とし、読み出しライン数を増やして、高画素センサにおける動画表示を実現する。【解決手段】ＣＣＤ撮像素子は、２次元的に配列された複数のホトダイオード（ＰＤ）１…１と、ＰＤ１…１のそれぞれの信号電荷を列方向に転送するＶＣＣＤ２と、ＶＣＣＤ２により列方向に転送された行方向のそれぞれの電荷を転送する第１ＨＣＣＤ３と、第１ＨＣＣＤ３に並列して設けられ、第１ＨＣＣＤ３よりも転送段数が少なく構成される第２ＨＣＣＤ５と、第１ＨＣＣＤ３から第２ＨＣＣＤ５へ信号電荷を転送するためのＨＣＣＤ間トランスファゲート７と、第１ＨＣＣＤ３より転送された電荷を電圧に変換して出力する第１の出力アンプ４と、第２ＨＣＣＤ５より転送された電荷を電圧に変換して出力する第２の出力アンプ６とを備える。【選択図】　図１
2004112304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される光信号を信号電荷に変換する複数の光電変換手段と、該光電変換手段により変換された信号電荷を転送する複数の転送手段とを有する固体撮像装置において、
該複数の転送手段のうちの１転送手段は、該複数の光電変換手段の全数又は所定数の信号電荷を読み出すものであり、
該複数の転送手段のうちの他の転送手段は、該１転送手段よりも少ない数の該複数の光電変換手段の信号電荷を読み出すものであることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
２次元的に配列され、入射される光信号を信号電荷に変換する複数の光電変換手段と、該光電変換手段により変換された行方向のそれぞれの信号電荷を転送する複数の転送手段とを有する固体撮像装置において、
該複数の転送手段は、互いに異なる転送段数で構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
２次元的に配列され、入射される光信号を信号電荷に変換する複数の光電変換手段と、
該複数の光電変換手段により変換された信号電荷を列方向に転送する垂直転送手段と、
該垂直転送手段により列方向に転送された行方向のそれぞれの信号電荷を転送する第１の水平転送手段と、
該第１の水平転送手段に並列して設けられ、該第１の水平転送手段よりも転送段数が少なく構成される第２の水平転送手段と、
該第１の水平転送手段から該第２の水平転送手段へ信号電荷を転送するための水平転送手段間転送手段と、
該第１の水平転送手段により転送された電荷を電圧に変換して出力する第１の出力手段と、
該第２の水平転送手段により転送された電荷を電圧に変換して出力する第２の出力手段とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項３記載の固体撮像装置において、
該垂直転送手段により転送される行方向のそれぞれの電荷の一部を除去するための水平電荷間引きドレインをさらに有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項３記載の固体撮像装置において、
該垂直転送手段により転送される行方向のそれぞれの電荷の一部を加算するための手段をさらに有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
２次元的に配列され、入射される光信号を信号電荷に変換する複数の光電変換手段と、
該複数の光電変換手段の行方向のそれぞれの信号電荷を列方向に転送する垂直転送手段と、
該垂直転送手段により転送された行方向のそれぞれの電荷を転送する第１の水平転送手段と、
該第１の水平転送手段に並列して設けられ、第１の水平転送段数より転送段数が少なく構成される第２の水平転送手段と、
該第１の水平転送手段から該第２の水平転送手段へ信号電荷を転送するための水平転送手段間転送手段と、
該第１の水平転送手段により転送された信号電荷を電圧に変換して出力する第１の出力手段と、
該第２の水平転送手段により転送された信号電荷を電圧に変換して出力する第２の出力手段とから構成される固体撮像素子を有する固体撮像装置であって、
該固体撮像素子の全画素の信号電荷を読み出して画像を形成する第１のモードと、
該固体撮像素子の全画素の信号電荷を加算、または間引き、あるいは加算と間引きをすることによりその画素数を減じて連続的に出力して動画像を生成する第２のモードとを備え、
該第１のモード時には該固体撮像素子の信号電荷を該第１の水平転送手段を介して該第１の出力手段から出力させ、該第２のモード時には該固体撮像素子の信号電荷を該第２の水平転送手段を介して該第２の出力手段から出力させることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
２次元的に配列され、入射される光信号を信号電荷に変換する複数の光電変換手段と、
該複数の光電変換手段の行方向のそれぞれの信号電荷を列方向に転送する垂直転送手段と、
該垂直転送手段により列方向に転送された行方向のそれぞれの電荷を転送する第１の水平転送手段と、
該第１の水平転送手段に並列して設けられ、該第１の水平転送手段よりも転送段が少なく構成される第２の水平転送手段と、
該第１の水平転送手段から該第２の水平転送手段へ信号電荷を転送するための水平転送手段間転送手段と、
該第１の水平転送手段により転送された信号電荷を電圧に変換して出力する第１の出力手段と、
該第２の水平転送手段により転送された信号電荷を電圧に変換して出力する第２の出力手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
該垂直転送手段により転送された行方向のそれぞれの電荷を該第１の水平転送手段に転送し、
その後に、該行方向のそれぞれの電荷を、加算、または間引き、あるいは加算と間引きをして転送するように駆動して、該水平転送手段間転送手段を通して該第２の水平転送手段に転送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から６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置、その駆動方法、及び撮像システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータで画像を扱う用途が飛躍的に増大している。ここにおいて、コンピュータに画像を取り込むためのデジタルカメラの製品化が活発になっている。このようなデジタルカメラの撮像素子の発展動向として、静止画像を扱うデジタルスチールカメラ（ＤＳＣ）は多画素化への方向性を追求しており、通常、動画像用（ビデオムービー）カメラの撮像素子の画素数が２５万から４０万画素で標準化されているのに対し、デジタルスチールカメラでは１３０万から５００万画素といった高画素撮像素子を用いたカメラが製品化されており、画素数競争はとどまる様相を見せないでいる。
【０００３】
ＤＳＣの多くは、ファインダーとしては静止画撮影に用いる撮像素子（ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ）を動画駆動させ、これを画像処理して、電子ビューファインダ（ＥＶＦ）表示する方法を採用している。光学ファインダーも併用されるが、ＤＳＣというとＥＶＦによる撮影が当然というようなスタイルが浸透している。また、このようなＥＶＦをもつＤＳＣはビデオ出力をも有し、ＮＴＳＣ、ＰＡＬなどのテレビジョン規格に対応するビデオ信号を出力するようになっている。
【０００４】
さて、このようなＥＶＦ動画、ＮＴＳＣ・ＰＡＬビデオ信号の画像表示のために必要な画像信号の画素数は、静止画像よりもはるかに少ないものとなる。
【０００５】
まず、表示の規格の明確である表示ライン数と表示サイクルをみると、ＥＶＦでは表示するライン数は２２０〜２４０本程度、ＮＴＳＣで２４０本、ＰＡＬで２８０本程度である。また、画像の表示サイクルは、ＥＶＦでは規定がないが、２５か３０Ｆｒａｍｅ（フレーム）／Ｓｅｃ（秒）で表示されることが多く、ＮＴＳＣでは３０Ｆｒａｍｅ／Ｓｅｃ、ＰＡＬでは２５Ｆｒａｍｅ／Ｓｅｃが必要になる。ＥＶＦ表示のための液晶表示装置（ＬＣＤ）は、通常、ＮＴＳＣかＰＡＬのビデオ信号を得てＬＣＤ表示のための信号に変換する前段回路を有している。したがって、ＥＶＦのために必要な信号ライン数は、ＰＡＬかＮＴＳＣのライン数ということになる。
【０００６】
さて、ＤＳＣで用いる撮像素子では、総画素数が２００万から５００万の場合、１２００ラインから２０００ラインとなる。また、全画素を読み出す時間は、１００〜２５０ｍｓ、４〜１０Ｆｒａｍｅ／Ｓｅｃ程度となる。これは撮像素子の読み出し速度を１画素を５０ｎｓで読み出すものとした場合である。現状のＣＣＤ撮像素子の読み出し周波数は、２０ＭＨｚ前後であるので、この程度になる。
【０００７】
仮に、ハイビジョン放送用のカメラなみにこの倍の速度で駆動したとしても８〜２０Ｆｒａｍｅ／Ｓｅｃであり、撮像素子から全画素読み出しを繰り返すのではＥＶＦ表示、ファインダー画像のビデオ出力、動画像記録に必要とされる駒数がでない。また、読み出し駆動周波数を高くするとカメラの消費電力が増大することとなり、またこのために自己発生する熱により撮像素子の暗電流を増加させ、画質を劣化させることともなる。
【０００８】
そこで、ＥＶＦ、あるいはビデオ表示のための画像のために必要なライン数に対して撮像素子のライン数がはるかに多いのだから、撮像素子は、読み出すライン数を減じて読み出す動画読み出し方法ができるような構造にされ、動画像読み出し駆動方法が提供されることとなる。このような動画像読み出し駆動により出力される１フレーム中のライン数は２００〜３００ライン程度とされるが、それは、間引き（読み出しをしないラインの信号電荷はセンサ内で除去される）か、ライン加算（２ライン程度のラインの同列の画素を転送ＣＣＤ内などで加え合わす）か、その併用により出力ライン数を減らす手段によりなされている。
【０００９】
ＤＳＣに用いられる撮像素子としては、インターライン型ＣＣＤ（電荷結合素子）撮像素子（以下、「ＩＴ−ＣＣＤ」）が多く用いられる。このＩＴ−ＣＣＤの概略の構成図を図５に示す。
【００１０】
図５において、１は、イメージエリア内に結像された光情報を電荷に変換するためのホトダイオード（ＰＤ）であり、イメージエリア内に縦横に配列される。
また、ＰＤ１は、上部に各色成分の光を透過するためのカラーフィルターが形成される。このカラーフィルターは、ＤＳＣでは、原色（赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂ）を２×２画素内に配列し、これを基本単位として繰り返し配列する、所謂ベイヤー配列に構成されることが多い（図５は、ベイヤー配列で図示される）。
【００１１】
また、２は、ＰＤ１からの信号電荷を受けて、垂直方向に転送するための垂直転送ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）で、ＰＤ１の列毎に隣接して構成される。通常、ＶＣＣＤ２は、４相駆動方式にされ、１画面を奇数行によるフィールドと偶数行によるフィールドとして、別々に２フィールドで１フレーム画像の読み出しを行う２フィールド読み出し方式で画像信号がよみだされる。
【００１２】
図５のＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、ＶＣＣＤ２の４相の電極のそれぞれである。通常、電極Ｖ１は、ＲとＧのラインのＰＤからＶＣＣＤ２（隣接するＶ１ゲート下）への読み出し機能も併設される。電極Ｖ３は、ＢＧのラインのＰＤ１からの電荷読み出しが併設される。
【００１３】
また、３は、ＶＣＣＤ２の１ライン毎の電荷を受け、水平方向に転送するための水平転送ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）であり、これは、通常２相駆動に構成される。
【００１４】
さらに、４は、ＨＣＣＤ３から転送される信号電荷を電圧信号に変換して出力する出力アンプである。
【００１５】
上にも述べたが、従来、このような撮像素子は、奇数、偶数ラインによる２フィールドを順じに読み出すフィールド読み出し駆動される。
【００１６】
図５に示すセンサの場合、最初のフィールドでＲＧラインによりなる第１のフィールドの読み出しが行われる。Ｖ１ゲートに高電圧を加えると、ＲＧラインの各電荷はＶＣＣＤ２のＶ１電極下に転送される、その後、電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を位相を変えて、中間電圧−低電圧のパルスを加えることで、ＨＣＣＤ３に転送し、ＨＣＣＤ３から１ライン毎に出力アンプに転送され出力される。ＶＣＣＤ２は、ＨＣＣＤ３が１ラインの信号読み出しを終了する毎に１ライン分の電荷がＨＣＣＤ３に転送されるように駆動される。
【００１７】
第１のフィールド（ＲＧラインにより構成される１フィールド画面分）の電荷の読み出しが終了すると（ＶＣＣＤ２内の電荷がすべて読み出されると）、次に、ＧＢラインにより構成される１フィールド画面分の信号電荷の全てが、ＶＣＣＤ２に転送される。これは、電極Ｖ３に高電圧を加えることで行われる。ＶＣＣＤ２に転送された電荷は、ＲＧラインによる第１フィールドと同様にして駆動されることで出力される。
【００１８】
さて、先に述べたように、ＤＳＣでは、このようなＩＴ−ＣＣＤが主に用いられているわけであるが、画素数が大きくなることで、動画時のフレーム読み出し速度をいかに確保するかということが問題となってきた。
【００１９】
そこで、１フレームの読み出しライン数を動画時において減ずる方法が考案されるところとなった。現在、実際の製品で用いられている方式としては、電極Ｖ１、Ｖ３をそれぞれ２つに分けて、電極Ｖ１、Ｖ１’、Ｖ３、Ｖ３’として、全画素読み出し時は、電極Ｖ１とＶ１’、電極Ｖ３とＶ３’は同一の駆動パルスを加えて動かし、動画時には、電極Ｖ１とＶ３にはＰＤからＶ−ＣＣＤへの読み出しのための高電圧を加えるが、電極Ｖ１’とＶ３’には読み出しの高電圧を加えないことで、電極Ｖ１’、Ｖ３’につながるＰＤの電荷は読み出さない方法である。
【００２０】
この方法において、読み出されなかったＰＤの信号電荷は、ＩＴ−ＣＣＤでは通常設けられる電子シャッターとアンチブルーミングのための縦型オーバーフロードレイン（ＶＯＤ）構造による電子シャッター動作により、センサーチップの深さ方向に、はき捨てられる。この方法は、現在、製品化されているＤＳＣ用ＣＣＤ撮像素子に実際に採用されているところであるが、特許としては特開平１０−２５６５５２号公報の第５の実施例（第３９図、請求項１９）にみることができる。なお、製品における実施例としては、こうして間引かれて残ったラインで、水平ＣＣＤ内で連続する２ラインの電荷を加算している。
【００２１】
さて、このようにして動画のために出される信号電荷は、２００〜３００ラインくらいの特定数となる。これはセンサの構成上できまってしまう。一方、ＤＳＣとしては、先に述べたようにＥＶＦ、ビデオ（ＮＴＳＣ、ＰＡＬ等）など複数の動画駆動モードを有するが、それぞれ必要なライン数が異なる。このため、撮像素子から動画用に出力される信号は、一旦メモリーに取り込まれ、信号処理の過程で、必要なライン数に補間処理などによるリサイズ処理をして、それぞれの出力端より出力されることになる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例のＤＳＣ用の固体撮像素子においては、以下の問題がある。
【００２３】
１）画素数が大きくなると、動画時の間引き率が増加して動画画質の劣化も大きくなる。
【００２４】
２）画素数が大きくなると、動画時の出力ライン数が少なくなる。
【００２５】
この２点の問題に関して、以下説明する。
【００２６】
撮像素子の出力ライン数をへらす場合、間引きよりも加算の方が画質的には好ましい。間引きをすると輝度・色のモアレが増加し、斜めのエッジ部のギザギザ感は間引き量が多いほど増加する。しかしながら、市場に出ているＤＳＣ用ＣＣＤ製品での３０Ｆｒａｍｅ／Ｓｅｃを実現する駆動の実施例としては以下のようになる。
【００２７】
２００万画素では、４ライン中、１ライン読み出し、３ライン除去により、
３００万画素では、６ライン中、２ライン加算読み出し、４ライン除去により、
４００万画素では、８ライン中、２ライン加算読み出し、６ライン除去により、
５００万画素では、８ライン中、２ライン加算読み出し、６ライン除去により、
それぞれ実現される。
【００２８】
ここで、センサの読み出しクロック周波数は、２００万から４００万画素までは同じであるが、５００万画素では周波数を上げている（４００万と５００万の画素比程度）。通常、電荷の加算をする場合、ＤＳＣ用のＣＣＤセンサではＨＣＣＤで加算する。そして加算する画素数として実現されるのは２画素分くらいであり、それ以上はその他の問題も生じることからあまり行われない。そこで、これ以上加算ラインを増やせないことから、画素数が増えると間引きライン数を増やさざるを得ないのである。
【００２９】
通常、動画読み出し駆動では１フィールドがベイヤー配列で出力されるように読み出される。これは、使用用途として、ＥＶＦなど即時性が求められる用途に使用されるためである。ＥＶＦでは、１フィールドの読み出しの連続を表示するのである。（静止画の場合、１フレームの情報をメモリに一旦蓄えた上で処理するので、第１フィールドでは、ＲＧのみのライン、次のフィールドではＧＢのみのラインを読み出すという、信号処理に必要な情報を逐次に読み出すことは、かならずしも必要ではない。しかし、ＥＶＦは即時性がもとめられるので、ＲＢのラインの次は、ＧＢのラインを読み出し、この段階で画像処理と表示ができるようにするわけである。）
このようにするため、ベイヤー配列で２フィールド読み出し方式のＣＣＤセンサの場合の、間引きの基本単位は２の倍数となるので、たとえば８ラインを間引きの基本サイクルとする場合の上は１０ラインの間引きサイクルとなる。
【００３０】
５００万画素センサのライン数は約２０００ラインだから、８ライン単位だと出力は２５０ライン、１０ライン単位だと出力は２００ラインとなるのである。
【００３１】
同じ駆動周波数であれば、単純に見積もっても、同一の画像表示サイクルを実現するためには、画素数に比例して間引き率を増やさねばならない。上の各画素数でみても、２００万画素は１／４ライン（４倍速）、画素数１．５倍の３００万画素数で１／６ライン（６倍速）、２倍の４００万画素で１／８ライン（８倍速）としている。
【００３２】
ただし、５００万画素では１／１０ライン（１０倍速）が必要となるのであるが、この場合、出力ライン数は２００ラインとなり、先に説明した動画表示に必要なライン数２４０〜２５０本よりはるかに少ないライン数となることから、センサの駆動速度を早くすることで、間引き率を変えないようにしているわけである。
【００３３】
仮に、間引き率を上げた場合、２００ラインの画像を２４０〜２５０ラインにリサイズすることが必要となる。しかし、その場合、もともと１／８ラインにすることで、画質が劣化している上に、これを拡大することで、さらに画質を劣化させることとなる。また、ライン数拡大の処理はライン数縮小よりも、処理がはるかに煩雑となる。
【００３４】
ちなみに、上の画素数の撮像素子のもともとのライン数と動画時ライン数は、おおよそ、以下のとおりである。
【００３５】
２００万画素では、ライン数１２００本、動画時ライン数３００本、
３００万画素では、ライン数１５００本、動画時ライン数２５０本、
４００万画素では、ライン数１７００本、動画時ライン数２１０本、
５００万画素では、ライン数２０００本、動画時ライン数２５０本、
となっている。
【００３６】
従って、４００万画素では、動画表示ラインより少ないライン数ではあるが、わずかではあるので、表示上の画角がわずかに減るだけであることからそのままとしているのである。これよりもライン数が減れば、拡大のリサイズは必須となる。ただし、ライン数が減りすぎると、ファインダーの画質としては情報にものたりなさを感じてくるようになり、減りすぎると、被写体の認識が難しくなってくる。ＥＶＦ画像として望まれる画像おしては、やはり２４０本ほしいところである。
【００３７】
画質面からは、動画に必要なライン数以上の情報からの縮小リサイズの方（実行的な間引き率を下げる）が好ましいわけであるが、３００万画素以上の撮像素子では、必要ラインを確保するのがやっとの状況なのである。加算ライン数を増やすことは実効的な間引き率を下げることとはなるが、先にも述べたが、センサ製造上の制約がある。
【００３８】
さて、このように間引きライン数を増やすことで、５００万画素までは、ＥＶＦ（またはビデオ）動画を可能としてきたが、これ以上の画素数のエリアセンサを実現するためには、間引き率を変更することが困難となる。なぜなら、画素数増加に応じて、１ラインの画素数が増加し、したがって１ラインの読み出し時間が長くなるからである。
【００３９】
このため、同一駆動周波数で、かつ、３０Ｆｒａｍｅ／Ｓｅｃ速度を実現する場合にライン数は２００本以下になってくる。ライン数を減らさないためには、駆動周波数を早くするしかないこととなるが、高速駆動すれば、それだけ消費電力を増加させることとなる。また、駆動速度と読み出しライン数（画素数）は単純に比例関係になく高速化するほど効率がおちる欠点もある。すなわち、センサ１ラインの読み出し時間は、１ライン中の画素電荷を読み出す時間とＶＣＣＤからＨＣＣＤに転送する時間とで構成されており、前者は画素数に比例するが、後者は一定時間であるため、高速化するほど後者の時間の比率が増え、高速化しても１ラインの読み出し時間はあまり増えないこととなるのである。
【００４０】
しからば、駒速を落とすかということになるが、表示サイクルが減ると画像が間欠に表示される感じはいなめず、シャッターチャンスを見失うこととなる。
【００４１】
現状、６００万画素くらいまでは従来の方法で何とか実現できるが、それ以上の画素数の撮像素子では、ＥＶＦ（またはビデオ）動画が実現できなくなるといえる。
【００４２】
また、再々述べるが、実効的な間引き率が大きいと画質劣化も大きくなることから、上の３００〜６００万画素のセンサでも、実効的な間引き率を低くすることが好ましいのであり、読み出しライン数を増やすことは望まれることなのである。
【００４３】
本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、例えば動画読み出し駆動等において、ラインでの間引き、加算による画素情報の低減と、それに応じた１ライン読み出し時間の短縮を可能とし、読み出しライン数を増やし、例えば高画素センサにおける動画表示を実現することを目的とする。
【００４４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、以下の固体撮像装置、その駆動方法、及び撮像システムにより実現される。
【００４５】
すなわち、複数の光電変換手段と複数の転送手段を有する固体撮像装置において、該複数の転送手段のうちの１転送手段は、該複数の光電変換手段の全数又は所定数の信号電荷を読み出すものであり、他の転送手段は該１転送手段より少ない数の該光電変換手段の信号電荷を読み出す出力線であることを特徴とする固体撮像装置において実現される。
【００４６】
また、２次元的に配列された複数の光電変換手段と複数の転送手段を有する２次元固体撮像装置において、該複数の転送手段の出力段数が互いに異なることを特徴とする固体撮像装置において実現される。
【００４７】
また、２次元的に配列された複数の光電変換手段と、該複数の光電変換手段のそれぞれの信号電荷を列方向に転送する垂直転送手段と、該垂直転送手段より転送された行方向のそれぞれの電荷を転送する第１の水平転送手段と、該第１の水平転送手段に並列してもうけられ、第１の水平転送段数より転送段数が少なく構成される第２の水平転送手段と、該第１の水平転送手段から該第２の水平転送手段へ信号電荷を転送するための水平転送手段間転送手段と、該第１の水平転送手段より転送された電荷を電圧に変換して出力する第１の出力手段と、該第２の水平転送手段より転送された電荷を電圧に変換して出力する第２の出力手段とにより構成される固体撮像装置において実現される。
【００４８】
また、上記の固体撮像装置で、該垂直転送手段より転送される行方向のそれぞれの電荷の一部を除去するための水平電荷間引きドレインを有する固体撮像装置において実現される。
【００４９】
また、上記の固体撮像装置で、該垂直転送手段より転送される行方向のそれぞれの電荷の一部を加算するための手段を有する固体撮像装置において実現される。
【００５０】
また、２次元的に配列された複数の光電変換手段と、該複数の光電変換手段のそれぞれの信号電荷を列方向に転送する垂直転送手段と、該垂直転送手段より転送された行方向のそれぞれの電荷を転送する第１の水平転送手段と、該第１の水平転送手段に並列してもうけられ、第１の水平転送段数より転送段が少ない転送段数に構成される第２の水平転送手段と、該第１の水平転送手段から該第２の水平転送手段へ信号電荷を転送するための水平転送手段間転送手段と、該第１の水平転送手段より転送された電荷を電圧に変換して出力する第１の出力手段と、該第２の水平転送手段より転送された電荷を電圧に変換して出力する第２の出力手段とにより構成される固体撮像装置において、該垂直転送手段からの行のそれぞれの電荷は、該第１の水平転送手段に転送され、その後に、該垂直転送手段より転送された行方向のそれぞれの電荷を加算、あるいは間引き、あるいは加算と間引き転送するように駆動して、該水平転送手段間転送手段手段を通して、該第２の水平転送手段に転送する駆動方法において実現される。
【００５１】
また、２次元的に配列された複数の光電変換手段と、該複数の光電変換手段のそれぞれの信号電荷を列方向に転送する垂直転送手段と、該垂直転送手段より転送された行方向のそれぞれの電荷を転送する第１の水平転送手段と、該第１の水平転送手段に並列してもうけられ、第１の水平転送段数より転送段数が少なく構成される第２の水平転送手段と、該第１の水平転送手段から該第２の水平転送手段へ信号電荷を転送するための水平転送手段間転送手段と、該第１の水平転送手段より転送された電荷を電圧に変換して出力する第１の出力手段と、該第２の水平転送手段より転送された電荷を電圧に変換して出力する第２の出力手段とにより構成される固体撮像素子を有する固体撮像装置であり、該固体撮像装置は該撮像素子の全画素電荷を読み出して画像を形成する第１のモードと、該固体撮像装置は該撮像素子の全画素を加算、あるいは間引き、あるいは加算と間引きをすることにより画素数を減じて連続的に出力して動画像を生成する第２のモードとを有し、該第１のモード時には、該固体撮像素子の信号電荷は該第１の水平転送手段を介して第１の出力手段より出力され、該第２のモード時には、該固体撮像素子の信号電荷は該第２の水平転送手段を介して第２の出力手段より出力されることを特徴とする固体撮像装置において実現される。
【００５２】
また、上記の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システムにおいて実現される。
【００５３】
以上の手段により、本発明では、動画読み出し駆動等において、ラインでの間引き、加算による画素情報の低減と、それに応じた１ライン読み出し時間の短縮を可能とし、読み出しライン数を増やすことができ、例えば高画素センサにおける動画表示を実現するものである。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００５５】
［第１実施例］
図１は、本発明の第１実施例に係るＣＣＤ撮像素子（固体撮像装置）の構成を示すものである。第１実施例のＣＣＤ撮像素子は、インターライン型ＣＣＤ（ＩＴ−ＣＣＤ）に適用したものである。なお、図１において、従来例と同様のＩＴ−ＣＣＤ構成については同一符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
【００５６】
図１に示すＣＣＤ撮像素子において、１は、イメージエリア内に結像された光情報を電荷に変換するための光電変換素子としてのホトダイオード（ＰＤ）であり、イメージエリア内に縦横に配列される。また、このＰＤ１は、上部に各色成分の光を透過するためのカラー（色）フィルターが形成され、記号Ｒ、Ｇ、Ｂは、色フィルターの種類であり、ベイヤー配列にされている。
【００５７】
また、２は、ＰＤ１からの信号電荷を受けて、垂直方向に転送するための垂直転送手段としての垂直転送ＣＣＤ（以下、「ＶＣＣＤ」）で、ＰＤ１の列毎に隣接して構成され、これも従来例と同様に４相駆動構成である。図１では、４つの電極、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の配線は、省略したが、これらは図５に示す従来例と同様の構成である。
【００５８】
また、３は、ＶＣＣＤ２の１ライン毎の電荷を受け、水平方向に転送するための第１の水平転送手段としての従来と同様の水平転送ＣＣＤ（以下、「第１ＨＣＣＤ」）であり、２相駆動に構成されている。配線は、これも略したが、従来例と同様の構成である。
【００５９】
また、４も、第１の出力手段としての従来例と同様の出力アンプ（以下、「第１出力アンプ」）で、第１ＨＣＣＤ３から転送される信号電荷を電圧信号（ＣＣＤ出力１）に変換して出力するものである。
【００６０】
図１において、本発明の特徴をなす構成要素として、第１の水平出力系（第１ＨＣＣＤ３とＣＣＤ出力１）に沿って走る第２の水平出力系が設けられる。すなわち、５は、第２の水平出力系をなす第２の水平転送手段としての水平転送ＣＣＤ（以下、「第２ＨＣＣＤ」）であり、第１ＨＣＣＤ３と同様に２相駆動に構成されるが、その転送段数は、第１ＨＣＣＤ３の１／３段にされる。第２ＨＣＣＤ５により読み出される信号電荷は、第２の出力手段としての出力アンプ（以下、「第２出力アンプ」）６にて、電圧信号に変換されてＣＣＤ出力２として読み出される。
【００６１】
また、７は、第１ＨＣＣＤ３から第２ＨＣＣＤ５へ電荷を転送するための水平転送手段間転送手段としてのＨＣＣＤ間トランスファゲートである。このＨＣＣＤ間トランスファゲート７は、第１ＨＣＣＤ３の３段（電極Ｈ１、Ｈ２の一組を１段と呼ぶ。これは、１カラム（列）の電荷が次のカラムの位置に移動するということである）に１経路、設けられる（すなわち、第２ＨＣＣＤ５の１段に１経路）。このＨＣＣＤ間トランスファゲート７上の電極にパルス加えると、このＨＣＣＤ間トランスファゲート７に隣接する第１ＨＣＣＤ３のセル内の信号電荷が、このＨＣＣＤ間トランスファゲート７に隣接する第２ＨＣＣＤ５のセル内に転送されるように内部電位は構成される。
【００６２】
また、８は、３カラム中の１カラムの電荷を排除するための水平電荷間引きドレインである。図１ではＶＣＣＤ２の図中左側のカラムから数えて、２、５、８、…カラムと、中２カラム置きのＶＣＣＤ２下の第１ＨＣＣＤ３のセルに対応して設けられる。これにより、間引かれるＶＣＣＤ２の電荷が、そのＶＣＣＤ２に隣接する第１ＨＣＣＤ３のセル内に入ったあと、不図示の第１ＨＣＣＤ３のドレインに接するセルと水平電荷間引きドレイン８の間に設けられるドレインゲートを開けることで、間引くべき信号電荷は、この水平電荷間引きドレイン８に掃き捨てられる。
【００６３】
ここで、第１の実施例のＣＣＤ撮像素子の読み出し動作を説明する。この読み出し動作は、静止画を読み出すモードと、動画を読み出すモードとに応じて個別に実行される。
【００６４】
まず、静止画の読み出し（全画素読み出し）時には、従来例と同様の動作をさせて、第１の出力系、すなわち第１ＨＣＣＤ３、第１出力アンプ４により信号電荷の読み出しがされる。このとき、ＨＣＣＤ間トランスファゲート７とドレインゲートは、壁となる電位に固定される。また、第２ＨＣＣＤ５は停止状態とされる。
【００６５】
次いで、動画の読み出し時には、以下の動作が行われる。
【００６６】
まず、ＶＣＣＤ２からの１ライン分の信号電荷は、従来例のＣＣＤ撮像素子、あるいは本実施例のＣＣＤ撮像素子の静止画読み出しモードと同様に、第１ＨＣＣＤ３に転送される。この第１ＨＣＣＤ３に１ライン分の信号電荷が転送された後、ドレインゲートがこれに隣接した第１ＨＣＣＤ３のセル内の電荷を間引きドレイン８に掃き捨てるように駆動され、これと同時に、ＨＣＣＤ間トランスファーゲート７は、これに隣接する第１ＨＣＣＤ３のセル内の信号電荷を、これに隣接する第２ＨＣＣＤ５のセル内に転送するように駆動される。
【００６７】
このとき、第１ＨＣＣＤ３においては、電荷が蓄積されているセル内の電極（この電極を従来例の配線と同様にＨ１と呼ぶ）はこの転送を行うために駆動されるが、ＶＣＣＤ２と接していない側の電極（Ｈ２と呼ぶ）は壁となる電位に固定される。
【００６８】
また、第２ＨＣＣＤ５も、同様でＨＣＣＤ間トランスファーゲート７に接するセル内の電極（ＨＨ１と呼ぶ）は、ＨＣＣＤ間トランスファーゲート７を介して転送される電荷を受け取るように駆動される（なお、ＨＣＣＤ間トランスファーゲート７に接していない側の電極は、ＨＨ２と呼ぶ）。
【００６９】
このように動作することで、第１ＨＣＣＤ３に転送された１ラインの電荷中、１、４、７…カラムの信号電荷は第２ＨＣＣＤ５に転送され（図１中の矢印ａ１参照）、２、５、８…カラムの電荷は、水平電荷間引きドレイン８に排除され（図１中の点線矢印ａ２参照）、３、６、９…カラムの電荷は第１ＨＣＣＤ３のＶＣＣＤ２に接するセル内に蓄積されたままとなる。
【００７０】
次に、第１ＨＣＣＤ３の３、６、９…カラムのＶＣＣＤ２に接したセル内の電荷が、ＨＣＣＤ間トランスファーゲート７に接したセル内まで転送するように（図１中の矢印ａ３参照）、第１ＨＣＣＤ３が駆動され、引き続き、ＨＣＣＤ間トランスファーゲート７を介して第２ＨＣＣＤ５のＨＣＣＤ間トランスファーゲート７に接しているセル内に転送するように（図１中の矢印ａ４参照）、第１ＨＣＣＤ３の電極Ｈ１、第２ＨＣＣＤ５の電極ＨＨ１、ＨＣＣＤ間トランスファーゲート７が駆動される（このとき、第１ＨＣＣＤ３の電極Ｈ２、第２ＨＣＣＤ５の電極ＨＨ２は、壁となる電位状態に固定される）。
【００７１】
ここで、第２ＨＣＣＤ５のＨＣＣＤ間トランスファーゲート７に接するセル内には、カラム１と３の両電荷、カラム４と６の両電荷、カラム７と９の両電荷、…の両電荷が互いに加算されて蓄積されることとなる。
【００７２】
こうして、ＣＣＤ撮像素子の横側情報が１／３にされた信号電荷は、第２ＨＣＣＤ５を駆動することで、第２出力アンプ６から順次出力される。このとき、第２ＨＣＣＤ５は、第１ＨＣＣＤ３の１／３の段数であり、第１ＨＣＣＤ３から読み出す場合の１／３の時間で１ラインの情報を出力することとなる。なお、第２ＨＣＣＤ５駆動時のライン出力駆動中は、第１ＨＣＣＤ３が停止していることはいうまでもない。
【００７３】
さて、このような方法で、１ラインの読み出し時間は１／３に短縮されるわけであるが、第１ＨＣＣＤ３から第２ＨＣＣＤ５への移動と電荷加算のための時間の増加はあるが、ＨＣＣＤ、ＨＣＣＤ間トランスファーゲート７の容量は軽いため、この駆動時間はきわめて短く、ＨＣＣＤで数段分の転送をする時間程度ですみ、１ライン読み出し時間に対してきわめて微量な時間にしかすぎない。
【００７４】
このようにして、横側の間引き加算をし、かつ、ＥＶＦ時専用の読み出し系をもうけることで読み出し時間を間引き加算で縮小した分の読み出し時間を短縮することができるようになり、これまで、読み出し時間短縮のための加算間引きを縦側にのみに負わせていたのを横側にも振り分けることとなり、縦側の間引き率を下がることができ、横側もそれと同程度の間引きをすることで、バランスのとれた縦横の間引き率となることで、ＥＶＦ、ビデオ駆動時の画質劣化の低減がはかれる。これにより、従来例では成立しなかった６００万画素以上のエリアセンサにおいても、ＥＶＦやビデオのための動画駆動を可能にすることができる。また、補足として、上の横側の間引き加算では同色の加算で同色間の別の色を間引き、ＣＣＤ出力としてはベイヤー配列になるので、その出力に対する信号処理の構成を変える必要もない。
【００７５】
すなわち、本実施例によれば、静止画読み出し用のＨＣＣＤと動画読み出し用のＨＣＣＤを別々にもつことにより、動画読み出しおける、ライン内の間引き、加算による画素情報の縮小と、それに応じた１ライン読み出し時間の短縮が可能となる。これにより、動画時の読み出しライン数を増やすことができ、従来方式では６００万画素以上の高画素センサにおいてきわめて困難であったおける動画表示を容易に実現できるようになり、６００万画素以上のＤＳＣにおいてもＥＶＦ機能つきの製品を可能とするのである。また、６００万画素以下のセンサにおいても、従来、縦側のみに負わせていた間引きを横側とで配分することで、動画での画質の劣化を低減することができるのである。
【００７６】
［第２実施例］
図２は、本発明の第２実施例に係るＣＣＤ撮像素子（固体撮像装置）の構成を示すものである。図２において、１〜８で示す構成要素は、図１に示す第１実施例の構成と同様であり、相違するところは、３、６、９…カラムの電荷も、水平電荷間引きドレイン８に排除する（図２中の点線矢印ａ５参照）構造になっていることである。従って、この第２実施例の構造によれば、図１の構成で必要とされている１、４、７…カラムの電荷と３、６、９…カラムの電荷をそれぞれ加算する時間が不要となる。
【００７７】
図１に示す第１実施例の構造を選ぶか、図２に示す第２実施例の構造を選ぶかは、ＥＶＦ時に必要な感度により決めればよい。図１に示す第１実施例の構造では、横同色２画素加算をすることで、図２に示す第２実施例の構造と比べ感度は倍になる。
【００７８】
また、図２に示す第２実施例の構成でも、不図示のドレインゲートを２、５、８、…カラムのためのものと、３、６、９…カラムのものを別々にして、２画素加算時は、３、６、９…カラムのためのドレインゲートは壁電位に固定して、他の電極は第１実施例と同様に駆動し、加算しない場合は、２、５、８…カラムのためのドレインゲートと、３、６、９…カラムのためのドレインゲートとを同じに駆動することで使い分けることも可能である。
【００７９】
なお、言うまでもないことであるが、この第２実施例の構造でも、出力画像はベイヤー配列で出力され、１ラインの読み出し時間は１／３に短縮される。
【００８０】
［第３実施例］
図３は、本発明の第３実施例に係るＣＣＤ撮像素子（固体撮像装置）の構成を示すものである。図３において、１〜８で示す構成要素は、図１、図２の構成と同様であり、相違するところは、２カラム読み出し（図３中の矢印ａ６、ａ７参照）、２カラム間引き（図３中の矢印ａ８、ａ９参照）の構造になっていることである。すなわち、図３において、１、２、５、６、９、１０…カラムの各信号電荷は、それぞれ第２ＨＣＣＤ５に転送され、３、４、７、８、１１、１２…カラムの各信号電荷は、それぞれ間引きドレイン８に掃き捨てられる。
【００８１】
よって、第３実施例の構造によれば、第２ＨＣＣＤ５の転送段数は、第１ＨＣＣＤ３の１／２とされることで、１ラインの読み出し時間は１／２に短縮される。
【００８２】
なお、上記第１実施例では、１ラインの隣接する３カラムのうち、２カラム加算、１カラム間引きにより、１ラインの読み出し時間が全画素読み出し時よりも１／３に短縮され、上記第２実施例では、１ラインの隣接する３カラムのうち、２カラム間引き（２画素加算時は、第１実施例と同様に２カラム加算、１カラム間引き）により、１ラインの読み出し時間が全画素読み出し時よりも１／３に短縮され、上記第３実施例では、１ラインの隣接する４カラムのうち、２カラム間引きにより、１ラインの読み出し時間が全画素読み出し時よりも１／２に短縮されるが、本発明は、これらの構成及び駆動方法に限らず、読み出し対象カラム、間引き対象カラム、及び加算対象カラムの構成及び駆動方法は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、適宜変形して実施可能である。
【００８３】
次に、上記第１〜第３実施例のＣＣＤ撮像素子（固体撮像装置）を用いた撮像システム（撮像装置）について説明する。図４に基づいて、本発明の固体撮像装置をデジタルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。図４は、本発明の固体撮像装置をデジタルカメラに適用した場合を示すブロック図である。
【００８４】
図４において、１０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の光学像を固体撮像素子１０４に結像させるレンズ、１０３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、１０６は固体撮像素子１０４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１０８は固体撮像素子１０４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、１１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１１２は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
【００８５】
ここで、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について、説明する。
【００８６】
まず、バリア１０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００８７】
それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換された後、信号処理部１０７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１０９は絞りを制御する。
【００８８】
次いで、固体撮像素子１０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００８９】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子１０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ−Ｄ変換され、信号処理部１０７を通り全体制御・演算１０９によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部１１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１２に記録される。又外部Ｉ／Ｆ部１１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ラインでの間引き、加算による画素情報の低減と、それに応じた１ライン読み出し時間の短縮を可能とし、読み出しライン数を増やすことができ、例えば高画素センサにおける動画表示を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る固体撮像装置（ＣＣＤ撮像素子）を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る固体撮像装置（ＣＣＤ撮像素子）を示す構成図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る固体撮像装置（ＣＣＤ撮像素子）を示す構成図である。
【図４】本発明の第１〜第３実施例の固体撮像装置（ＣＣＤ撮像素子）をデジタルカメラ（撮像装置）に適用した場合を示すブロック図である。
【図５】従来例の固体撮像装置（ＣＣＤ撮像素子）を示す構成図である。
【符号の説明】
１　ホトダイオード（ＰＤ）
２　垂直転送ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）
３　第１水平転送ＣＣＤ（第１ＨＣＣＤ）
４　第１出力アンプ
５　第２水平転送ＣＣＤ（第２ＨＣＣＤ）
６　第２出力アンプ
７　ＨＣＣＤ間トランスファゲート
８　水平電荷間引きドレイン
【図１】
2004112304.tif 000003
【図２】
2004112304.tif 000004
【図３】
2004112304.tif 000005
【図４】
2004112304.tif 000006
【図５】
2004112304.tif 000007