(57)【要約】【課題】全画素読み出し方式であっても、垂直転送部で同色複数画素の電荷の加算を行うことができるようにすること。【解決手段】本発明は、水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサＳが配置されるセンサ領域と、センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサＳで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される２本の垂直転送部１０、１１と、各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサＳで蓄積した電荷を２本の垂直転送部１０、１１の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部１０、１１で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う制御手段とを備える固体撮像装置およびその駆動方法である。また、この固体撮像装置を用いて画像を取り込み撮像装置でもある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサが配置されるセンサ領域と、
前記センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される２本の垂直転送部と、
前記各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサで蓄積した電荷を前記２本の垂直転送部の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う制御手段と
を備える固体撮像装置。
【請求項２】
前記センサ領域を構成する全ての画素センサで蓄積した画素を同じタイミングで対応する垂直転送部へ読み出す
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】
前記垂直方向に沿った画素列では、その画素列を構成する複数の画素センサの１つおきに同じ色のフィルタを備えている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサが配置されるセンサ領域と、
前記センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される２本の垂直転送部と、
前記センサ領域における各画素センサで蓄積した電荷を所定のタイミングで前記２本の垂直転送部へ読み出す制御を行う制御手段とを備える固体撮像装置の駆動方法において、
前記制御手段は、前記各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサで蓄積した電荷を前記２本の垂直転送部の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記制御手段は、前記センサ領域を構成する全ての画素センサで蓄積した画素を同じタイミングで対応する垂直転送部へ読み出す制御を行う
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサが配置されるセンサ領域と、
前記センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される２本の垂直転送部と、
前記各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサで蓄積した電荷を前記２本の垂直転送部の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う制御手段とを備える固体撮像装置を用いて画像の取り込みを行う
ことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平方向および垂直方向にマトリクス状に配置された複数の画素センサで蓄積した電荷を同じタイミングで読み出す全画素読み出し方式の固体撮像装置およびその駆動方法ならびに撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置自体の機能の多様化により、多画素出力、高フレームレート対応、動画対応などがデジタルスチルカメラ用途の固体撮像装置にも要求されてきている。特に、動画に対しては、多画素固体撮像装置に対する単なる間引き機能の付加だけでは、折り返しノイズ、偽信号等が増加するため、一般的に画質の劣化が激しい。これに対して、画素信号を加算処理し、実質上の画素数を減少させる方式は、間引き処理に比べ画質の劣化が少なくてすみ、高フレームレートを得る方式として注目されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、電荷の転送方式として、デジタルスチルカメラなどに採用される全画素読み出し方式では、全ての画素の電荷を同じタイミングで読み出すことから時間差なく信号を得ることができる（例えば、特許文献２、３参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１１５６４３号公報
【特許文献２】特開平９−１２９８６１号公報
【特許文献３】特開平７−５９０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、全画素読み出し方式の固体撮像装置の場合、特に垂直方向の信号加算に関しては、異なる色成分を持った画素信号が上下連続して隣り合うように読み出させるため、そのままの加算処理では異なる色成分の加算となってしまう。したがって、読み出し時に垂直方向の偶数ラインと奇数ラインとに時間差をつける必要がある。例えば、奇数ラインを先に読み出し、加算処理用に一部数サイクル垂直転送を行った後、偶数ラインを読み出し、同様の垂直転送を行い加算処理を行うようにしている。
【０００６】
しかし、この場合、奇数ラインを読み出して以降、偶数ラインを読み出すまでの間に入射光量に大きな変化があると、加算後の画像にその状態が反映されてしまうため、全画素読み出しのメリットを十分に生かすことができないという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサが配置されるセンサ領域と、センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される２本の垂直転送部と、各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサで蓄積した電荷を２本の垂直転送部の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う制御手段とを備える固体撮像装置およびその駆動方法である。また、この固体撮像装置を用いて画像を取り込み撮像装置でもある。
【０００８】
このような本発明では、垂直方向に沿った各画素列について、各々２本の垂直転送部を備えているため、垂直方向に隣接する画素センサで蓄積した電荷を各々異なる垂直転送部へ同時に読み出すことができる。つまり、垂直方向に隣接する画素センサで色成分が異なっていても、各色成分毎に異なる垂直転送部へ同時に読み出して加算および転送を行うことができるようになる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、全画素読み出し方式の固体撮像装置において、読み出し時間差無しで垂直方向に沿った複数画素の電荷を加算することが可能となる。これにより、全画素読み出しにおける時間差のない高精細な画像を得られるというメリットとともに、従来の全画素読み出し方式よりも垂直転送にかける時間を短縮でき、固体撮像装置のフレームレートを向上させることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式図である。すなわち、この固体撮像装置は、水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサＳが配置されるセンサ領域と、センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサＳで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される２本の垂直転送部１０、１１とを備えている。
【００１１】
このような画素構成において、図示しない制御部により画素センサＳで蓄積した電荷の読み出し、転送等の制御を行っている。本実施形態では、制御部による電荷の読み出し、転送制御として、各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサＳで蓄積した電荷を２本の垂直転送部１０、１１の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部１０、１１で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する点に特徴がある。
【００１２】
図１に示す固体撮像装置では、センサ領域の垂直方向に沿った画素列の各画素センサが、１つおきに同じ色のフィルタを備えた構成となっている。つまり、画素列ｒ１では、図中上からＧ（緑）、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）…の順に対応し、画素列ｒ２では、図中上からＢ（青）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｇ（緑）…の順に対応しており、同様の並び順で繰り返されている。
【００１３】
このような画素センサＳの配置において、Ｇ（緑）に対応した画素センサＳでは各画素列の図中左側の垂直転送部１０へ電荷を読み出し、Ｒ（赤）およびＢ（青）に対応した画素センサＳでは各画素列の図中右側の垂直転送部１１へ電荷を読み出している。つまり、１本の画素列では２色に対応した画素センサＳが交互に並ぶため、各々の色成分に対応した画素センサＳでの蓄積電荷を両脇の各々異なる垂直転送部１０、１１へ読み出すことにより、一つの垂直転送部１０（もしくは垂直転送部１１）では同じ色成分に対応した電荷のみが転送されることになる。このため、同じタイミングで全ての画素センサＳの蓄積電荷を垂直転送部１０、１１へ読み出しても異なる色成分の電荷が混じることなく転送できるようになる。
【００１４】
また、各垂直転送部１０、１１には同じ色成分の電荷のみが読み出されることから、転送のタイミングを制御することで垂直方向に沿った同色に対応する複数画素センサＳでの電荷を垂直転送部１０、１１で加算することが可能となる。
【００１５】
このような構成により、本実施形態の固体撮像装置では、全画素読み出し方式でありながら垂直転送部１０、１１で複数画素センサＳの電荷を加算して出力することができ、時間差無しでの垂直同色加算を実現できるようになる。
【００１６】
図２は、他の構成を説明する模式図である。この固体撮像装置では、先と同様に、垂直方向に沿った画素センサＳで構成される画素列の１本に対応してその画素列の両脇に２本の垂直転送部１０、１１が各々形成されているが、電荷の読み出し方向が異なるものである。すなわち、この例では、画素センサＳにおける垂直方向の位置によって読み出し方向が決まる構成で、例えば垂直方向１段目の画素センサＳにおいては各々左側にある垂直転送部１０へ読み出し、垂直方向２段目の画素センサＳにおいては各々右側にある垂直転送部１１へ読み出している。読み出し方向の設定は、各画素センサＳ間のチャネルストップ領域の形状や電極の形状を変えることで対応できる。
【００１７】
図３は、図１に示す読み出し方向の場合の具体的な画素構造を示す模式図である。すなわち、この画素構造では、画素センサＳの両側に垂直転送部１０、１１がそれぞれ読み出しゲート領域（図中○印参照）およびチャネルストップ領域ＣＳ２を間に挟んで配置される。同様の画素センサＳを数画素並べた際には、垂直転送部１０、１１同士が隣り合うことになるため、信号の混合を防止するために、その中間にチャネルストップ領域ＣＳ１を設けている。
【００１８】
このような画素構造にした場合、垂直転送電極は第１電極Ｄ１および第２電極Ｄ２の２層によって構成され、上記の２本の垂直転送部１０、１１に対して共通のクロックを印加するものとする。また、各画素センサＳにおいては、チャネルストップ領域ＣＳ２が形成されていない部分に対応する側の垂直転送部１０、１１へ電荷が読み出されるものとする（図中矢印参照）。
【００１９】
次に、この固体撮像装置の通常撮像時の動作（駆動方法）を図４のポテンシャル図に沿って説明する。本実施形態の固体撮像装置では、垂直加算機能を使用することを前提としているため、垂直転送クロックは、Ｖφ１〜Ｖφ８の８相駆動となる。
【００２０】
読み出しクロックは、Ｖφ１、Ｖφ３、Ｖφ５、Ｖφ７に印加されるため、印加時のポテンシャルは、図４のように表せる。なお、図４では、垂直転送クロックの上段が左側の垂直転送部１０の場合、下段が右側の垂直転送部１１の場合を示している。このときの信号の動きとしては、図３で示す部位にて説明すると、画素センサＳ１−１の電荷が右側の垂直転送部１１に読み出され（図中矢印参照）、画素センサＳ１−２の電荷が左側の垂直転送部１０に読み出され（図中矢印参照）、画素センサＳ１−３の電荷が右側の垂直転送部１１に読み出され（図中矢印参照）、画素センサＳ１−４の電荷が左側の垂直転送部１０に読み出される（図中矢印参照）。
【００２１】
また、画素センサＳ２−１の電荷が右側の垂直転送部１０に読み出され（図中矢印参照）、画素センサＳ２−２の電荷が左側の垂直転送部１１に読み出され（図中矢印参照）、画素センサＳ２−３の電荷が右側の垂直転送部１０に読み出され（図中矢印参照）、画素センサＳ２−４の電荷が左側の垂直転送部１１に読み出される（図中矢印参照）。
【００２２】
したがって、いずれの垂直転送部１０、１１内の読み出しパケットも、その前後に空パケットを有していることになるため、読み出し時には、Ｖφ２、Ｖφ６を同時にＨレベルにしておく。こうすることで、読み出し直後の垂直レジスタ内の取り扱い電荷量を十分確保することが出来る。
【００２３】
次に、垂直加算を行う場合の動作（駆動方法）を図５のポテンシャル図に沿って説明する。読み出しクロックは、通常転送時と変わりなく、Ｖφ１、Ｖφ３、Ｖφ５、Ｖφ７に印加されるため、印加時のポテンシャルは、図５のように表される。なお、図５も図４と同様に、垂直転送クロックの上段が左側の垂直転送部１０の場合、下段が右側の垂直転送部１１の場合を示している。
【００２４】
この際、通常時のＶφ２、Ｖφ６に加えて、Ｖφ４をＨレベルにしておくことによって、垂直同色２画素分の電荷を垂直転送部１０、１１内で加算することができる。
【００２５】
このように、全画素読み出し方式の固体撮像装置においても、本実施形態の構造を用いることにより、タイミング変更によって従来構造では不可能な時間差無しの垂直同色２画素加算を実現できる。
【００２６】
また、本発明による構造に変更することによって、１画素当たりの垂直転送電極を２枚に減少させることが出来るため、従来の垂直４相駆動の全画素読み出し方式に比べ、同一の垂直転送サイクル数で、たとえば垂直１０００ライン分を垂直転送するところを、半減の５００ライン分を転送する時間ですむため高速化にも対応することが可能となる。
【００２７】
なお、本実施形態では、制御部によるタイミング制御によって垂直同色２画素加算のほか、３画素、４画素加算など２画素加算以外であっても実現可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
上記説明した本実施形態に係る固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に適用可能である。つまり、撮像装置では、レンズ等の光学系、画像信号処理部、記録媒体等を備え、光学系を介して本実施形態の固体撮像装置で画像の取り込みを行い、画像信号処理部で所定の信号処理を施した状態で記録媒体への画像記録を行うことになる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式図である。
【図２】他の構成を説明する模式図である。
【図３】具体的な画素構造を示す模式図である。
【図４】通常撮像時のポテンシャル図である。
【図５】垂直加算時のポテンシャル図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…垂直転送部、１１…垂直転送部、Ｄ１…第１電極、Ｄ２…第２電極、Ｓ…画素センサ、ｒ１…画素列、ｒ２…画素列
【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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