(57)【要約】【課題】  画素信号の加算を含む信号電荷の読み出しを従来に比して少ない時間で行える固体撮像素子を提供すること。【解決手段】  各列の第２の転送ゲート群ＰＧに対して、信号電荷（画素信号）ＲＧ、ＧＢの加算のために転送休止期間を含む第２の垂直転送信号を印加する。垂直転送部５Ａ，５Ｂを列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが存在したとしても、第２の転送ゲート群ＰＧのところで転送休止期間を設けて先行する信号電荷パケットを保持して、後続する信号電荷パケットが追いつくまで待たせる。これにより、先行する信号電荷パケットと後続する信号電荷パケットとを連続させて一体のパケットにする。そのように信号電荷パケットを連続させた状態で第３の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２に転送し、第３の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２による垂直転送と水平転送部６による水平転送とを組み合わせることによって信号電荷の加算を行う。【選択図】図４Ａ
2005318240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第１の転送ゲート群と、第１の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記各列の第２の転送ゲート群に対して、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第１の転送ゲート群と、第１の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記各列の第３の転送ゲート群の少なくとも１列の転送群に、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第１の転送ゲート群と、第１の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記各列の第２の転送ゲート群に対して、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項４】
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第１の転送ゲート群と、第１の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記各列の第３の転送ゲート群の少なくとも１列の転送群に、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第１の転送ゲート群と、第１の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが無くなるように、上記各列の第２の転送ゲート群に、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項６】
請求項１、２または５に記載の固体撮像素子において、
上記受光画素上に赤色、緑色、青色のカラーフィルタがベイヤ方式で配列されており、
隣り合う２列の第３の転送ゲート群に対する第３の垂直転送信号の一つに、上記水平転送信号に同期して、信号電荷の加算のために上記垂直転送周期を単位とした転送休止期間を含めることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１、２、５または６に記載の固体撮像素子を備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体撮像素子及びその駆動方法に関し、特に全ての画素の情報を選択して読み出し画素信号を加算して出力できる固体撮像素子及びその駆動方法に関する。
【０００２】
また、この発明は、そのような固体撮像素子を備えた電子機器、例えばそのような固体撮像素子を組み込んで使用するビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯電話等に関する。
に関する。
【背景技術】
【０００３】
デジタルスチルカメラなどに用いられる全画素読み出し方式固体撮像素子は、例えば図９に概略構成を示すように、入射光を信号電荷に変換する行列状に配されたフォトダイオード１０１と、フォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷を読み出して列方向（垂直方向）に転送する垂直ＣＣＤ１０５と、垂直ＣＣＤ１０５からの信号電荷を行方向（水平方向）に転送する水平ＣＣＤ１０６と、転送されてきた信号電荷を増幅して出力する出力増幅器１０７とを備えている。フォトダイオード１０１上には赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタが、ベイヤ方式（Ｇフィルタを市松状に配置するとともに、Ｒ２５％・Ｇ５０％・Ｂ２５％という比率になるようにＲフィルタ、Ｂフィルタを列ごと配置したもの）にて配列されている。また、画像信号の基準レベルを形成するための光学的黒レベル領域１０２と、余剰電荷を掃き捨てるための垂直余剰電荷掃き出しドレイン１０３および水平余剰電荷掃き出しドレイン１０４が設けられている。さらに、転送タイミングの制御を含む素子全体の制御を行うために、制御部１９０が設けられている。
【０００４】
デジタルスチルカメラが高画素化するのに伴い、その付加機能である動画撮影モードにおいて、高性能化を実現するための様々な技術が提案されている。とりわけ、動画撮影時のフレームレートの確保という問題は重要な課題であり。これに対しては、大きく分類して次のような３種類の技術が採用されている。第１の技術は、全画面のうちの任意の画素を間引いて読み出す方法である（間引く事により最終的な信号処理画素数を減少させ１画面を高速処理する）。しかしながら、上記１の技術は解像度の劣化と偽色信号の発生という問題を含んでいるため、殆どの場合、画角モニタリング用の駆動モードとしてのみ採用されている。また、第２の技術は撮像素子を任意の領域に分割して並列して読み出す方法である（複数の出力回路により並列に信号処理して高速化を実現する）。しかしながら、上記第２の技術も出力回路の特性の違いのために、読み出し領域境界部で画質が不連続となるという問題が発生する。最後に第３の技術は、任意の近接画素同士の情報を圧縮して読み出す方法である（規則に従って近接している画素信号同士を加算することによって読み出し信号数を減少させ高速処理を実現する）。ただし、上記第３の技術については素子駆動が複雑となり、ゲート端子数も増加するというデメリットもある。これらの技術のうち、現在最も有効な手段は第３の技術である。上記第３の技術に関する従来例について、その内容を説明する。
【０００５】
図５（ａ）はカラーフィルタがベイヤ方式で配列されている場合に、最初に得られる画素信号（元画素信号）を示している（図中の各領域内のＲＧＢがそれぞれの色の信号を表す。）。図５（ｂ）は４×４領域の４つの画素信号を加算して出力する場合に加算される画素信号の組合せ、図５（ｃ）は６×４領域の４つの画素信号を加算して出力する場合に加算される画素信号の組合せ、図５（ｄ）は８×４領域のうちの４つの画素信号を加算して出力する場合に加算される画素信号の組合せをそれぞれ例示している。
【０００６】
図６Ａ（０）乃至図６Ｂ（vii）は、図５（ｂ）に示した４×４領域の４つの画素信号を加算して出力する場合の駆動手順を示している。初期状態の画素信号（元画素信号）は図６Ａ（０）のようになっている。なお、加算される画素信号ＲＧＢには、元の行と列を表すために１１から４４までの添字を付している。図６Ａ（ｉ）に示すように、まず垂直方向に加算する画素を隣接させるように信号を読み出す、または、並べ換える。次に図６Ａ（ii）に示すように、３，４，７，８，９，１１，１２番目の列の画素信号を選択的に水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）に読み出す。次に図６Ａ（iii）に示すように、水平ＣＣＤに読み出された画素信号を水平方向へ２段転送する。次に図６Ｂ（iv）に示すように、各画素信号を垂直方向へ転送して、Ｒを４画素加算、Ｇを４画素加算するとともに、１，２，５，６，９，１０番列では信号を水平ＣＣＤへ読み出す。次に図６Ｂ（ｖ）に示すように、３，４，７，８，９，１１，１２番目の列の画素信号を選択的に水平ＣＣＤに読み出す。次に図６Ｂ（vi）に示すように、水平ＣＣＤに読み出された信号を水平方向へ２段転送する。次に図６Ｂ（vii）に示すように、各信号を垂直方向に転送して、Ｇを４画素加算、Ｂを４画素加算するとともに、１，２，５，６，９，１０番列では信号を水平ＣＣＤへ読み出す。このように、垂直転送と水平転送とを組み合わせることによって、画素信号を加算している。このような画素信号の加算例は、特許文献１、特許文献２に述べられている。
【特許文献１】特開平１１−５４７４１号公報
【特許文献２】特開２０００−１１５６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、現在の２次元ＣＣＤ（電荷結合素子）の読み出し方式にはインターライン方式と全画素読み出し方式があり、それぞれの用途に応じてデジタルスチルカメラに使用されている。インターライン方式ＣＣＤの場合には、セル微細化・高画素数化が進むに伴い、その読み出し方法も２フィールド読み出しから、３フィールド読み出しや４フィールド読み出しへと変化しており、垂直ＣＣＤの信号電荷パケットも数画素にまたがって存在している。これに対して、全画素読み出し方式ＣＣＤの場合には、垂直ＣＣＤの信号電荷パケットは必ず１画素当たり１パケットが存在する。例えば図７（ａ）に示すように、３フィールドインターライン方式ＣＣＤの場合には、垂直ＣＣＤの信号電荷パケットは３画素に対して１つ存在している。このため、３画素の内の２画素分の信号を垂直ＣＣＤへ読み出した場合にも、その２画素分の信号は１パケットの中に蓄積される。これに対して、図７（ｂ）に示すように、全画素読み出し方式ＣＣＤの場合には、垂直ＣＣＤの信号電荷パケットは１画素に対して１つ存在している。このため、３画素の内の２画素分の信号を垂直ＣＣＤへ読み出した場合には、信号が蓄積された２つのパケットに挟まれて空のパケットが１つ存在することになる。このような画素信号を加算するためには、図８Ａ乃至図８Ｂに示すように、空パケットの存在を考慮した転送過程が必要となる。
【０００８】
なお、図８Ａの左欄に示すように、隣り合う２列（これらをＡ列、Ｂ列とする。）の垂直ＣＣＤ１０５Ａ，１０５Ｂのうち水平ＣＣＤ１０６に接続される部位には、画素加算のために、これらの２列の間で互いに独立に転送動作が可能な転送ゲート群（Ｓ１Ａ〜Ｓ４），（Ｓ１Ｂ〜Ｓ４）がそれぞれ３段設けられている。各段は４つのゲートからなり、画素の１行に対応する。図８Ａ乃至図８Ｂでは、これらの３段の転送ゲート群をＳＧ１，ＳＧ２，ＳＧ３と表し、残りの段の転送ゲート群をＶＧ１，ＶＧ２，ＶＧ３，…と表している。
【０００９】
まず、初期状態では、Ａ列、Ｂ列とも、転送ゲート群ＶＧ１にＲおよびＧ信号パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ２に空パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ３にＲおよびＧ信号パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ４にＧおよびＢ信号パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ５に空パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ６にＧおよびＢ信号パケットがあるものとする（図７（ｂ）中に示したのと同じ状態）。なお、ＲおよびＧ信号におけるＧは、Ｒフィルタ列のＧ信号を指し、ＧおよびＢ信号におけるＢは、Ｂ（青）フィルタ列のＧ信号を指す（以下同様。）。
【００１０】
初期状態から垂直方向に３段転送を行うと、タイミングｔｙ’，ｔｚ’を経てタイミングｔ０’の状態となる。次に、Ｂ列の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２，ＳＧ３のみ垂直方向に３段転送を行うと、各２画素分のＲおよびＧ信号がＨＣＣＤ１０６に読み出される（タイミングｔ３’の状態）。次に、これを水平方向に２段転送させ（タイミングｔ４’の状態）、さらにＡ列、Ｂ列とも垂直方向に３段転送を行うと、各４画素分のＲおよびＧ信号がそれぞれ加算される（タイミングｔ５’，ｔ６’を経てタイミングｔ７’の状態となる。）。次に、Ｂ列の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２，ＳＧ３のみ垂直方向に３段転送を行うと、各２画素分のＧおよびＢ信号がＨＣＣＤ１０６に読み出される（タイミングｔ１０’の状態）。次に、これを水平方向に２段転送させ（タイミングｔ１１’の状態）、さらにＡ列、Ｂ列とも垂直方向に３段転送を行うと、各４画素分のＧおよびＢ信号がそれぞれ加算された状態となる（タイミングｔ１２’，ｔ１３’を経てタイミングｔ１４’の状態となる。）。このように垂直転送１２段分と水平転送４段分とを組み合わせることによって、１サイクル分の画素加算が完了する（後述する図３（ｃ）と同一の状態となる。）。
【００１１】
しかしながら、上述の画素加算のための転送過程は垂直転送１２段分と水平転送４段分とを要するため、時間が長くかかるという問題がある。このように画素加算に長時間かかると、上記固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラ等の動画撮影時にフレームレートの高速化が妨げられる。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、画素信号の加算を含む信号電荷の読み出しを従来に比して少ない時間で行うことができる固体撮像素子及びその駆動方法を提供することにある。
【００１３】
また、この発明の課題は、そのような固体撮像素子を備えた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、この発明の固体撮像素子は、
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第1の転送ゲート群と、第1の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記各列の第２の転送ゲート群に対して、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする。
【００１５】
この発明の固体撮像素子では、上記各列の第２の転送ゲート群に対して、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加する。したがって、垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが存在したとしても、第２の転送ゲート群のところで転送休止期間を設けて先行する信号電荷パケットを保持して、後続する信号電荷パケットが追いつくまで待たせることができる。そのようにした場合、先行する信号電荷パケットと後続する信号電荷パケットとを連続させて一体のパケットにすることができる。そのように信号電荷パケットを連続させた状態で第３の転送ゲート群に転送し、第３の転送ゲート群による垂直転送と水平転送部による水平転送とを組み合わせることによって信号電荷の加算（画素加算）を行えば、加算された信号電荷を従来に比して少ない時間で出力することができる。
【００１６】
この結果、この固体撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ等では、動画撮影時のフレームレートを高速化することができる。また、少ないクロック数で駆動が可能となるため、規定時間内での垂直転送信号（クロック）同士の重なりを多くとることができ、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
【００１７】
別の局面では、この発明の固体撮像素子は、
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第1の転送ゲート群と、第1の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記各列の第３の転送ゲート群の少なくとも１列の転送群に、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする。
【００１８】
この発明の固体撮像素子では、上記各列の第３の転送ゲート群の少なくとも１列の転送群に、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加する。したがって、上記第２の転送ゲート群を通して信号電荷パケットを連続させた状態で第３の転送ゲート群に転送し、第３の転送ゲート群による垂直転送と水平転送部による水平転送とを組み合わせることによって信号電荷の加算（画素加算）を行えば、加算された信号電荷を従来に比して少ない時間で出力することができる。
【００１９】
この結果、この固体撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ等では、動画撮影時のフレームレートを高速化することができる。また、少ないクロック数で駆動が可能となるため、規定時間内での垂直転送信号（クロック）同士の重なりを多くとることができ、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
【００２０】
この発明の固体撮像素子の駆動方法は、
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第1の転送ゲート群と、第1の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記各列の第２の転送ゲート群に対して、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする。
【００２１】
この発明の固体撮像素子の駆動方法では、上記各列の第２の転送ゲート群に対して、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加する。したがって、垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが存在したとしても、第２の転送ゲート群のところで転送休止期間を設けて先行する信号電荷パケットを保持して、後続する信号電荷パケットが追いつくまで待たせることができる。そのようにした場合、先行する信号電荷パケットと後続する信号電荷パケットとを連続させて一体のパケットにすることができる。そのように信号電荷パケットを連続させた状態で第３の転送ゲート群に転送し、第３の転送ゲート群による垂直転送と水平転送部による水平転送とを組み合わせることによって信号電荷の加算（画素加算）を行えば、加算された信号電荷を従来に比して少ない時間で出力することができる。
【００２２】
この結果、この駆動方法によって駆動される固体撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ等では、動画撮影時のフレームレートを高速化することができる。また、少ないクロック数で駆動が可能となるため、規定時間内での垂直転送信号（クロック）同士の重なりを多くとることができ、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
【００２３】
別の局面では、この発明の固体撮像素子の駆動方法は、
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第1の転送ゲート群と、第1の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記各列の第３の転送ゲート群の少なくとも１列の転送群に、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする。
【００２４】
この発明の固体撮像素子の駆動方法では、上記各列の第３の転送ゲート群の少なくとも１列の転送群に、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加する。したがって、上記第２の転送ゲート群を通して信号電荷パケットを連続させた状態で第３の転送ゲート群に転送し、第３の転送ゲート群による垂直転送と水平転送部による水平転送とを組み合わせることによって信号電荷の加算（画素加算）を行えば、加算された信号電荷を従来に比して少ない時間で出力することができる。
【００２５】
この結果、この駆動方法によって駆動される固体撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ等では、動画撮影時のフレームレートを高速化することができる。また、少ないクロック数で駆動が可能となるため、規定時間内での垂直転送信号（クロック）同士の重なりを多くとることができ、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
【００２６】
別の局面では、この発明の固体撮像素子は、
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、上記受光画素から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第1の転送ゲート群と、第1の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第２の転送ゲート群と、第２の転送ゲート群から電荷を受けて垂直方向に電荷を転送する第３の転送ゲート群からなり、第３の転送ゲート群は少なくとも２列の転送ゲート群によって構成され、上記垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが無くなるように、上記各列の第２の転送ゲート群に、転送休止期間を含む垂直転送信号を印加することを特徴とする。
【００２７】
この発明の固体撮像素子では、上記垂直転送部を列方向に転送される複数信号電荷パケットの間に空パケットが無くなるように、その垂直転送部の第２の転送ゲート群に対する第２の垂直転送信号に上記転送休止期間を設ける。したがって、垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが存在したとしても、第２の転送ゲート群のところで先行する信号電荷パケットを保持して、後続する信号電荷パケットが追いつくまで待たせることができる。その結果、先行する信号電荷パケットと後続する信号電荷パケットとを連続させて一体のパケットにすることができる。そのように信号電荷パケットを連続させた状態で第３の転送ゲート群に転送し、第３の転送ゲート群による垂直転送と水平転送部による水平転送とを組み合わせることによって信号電荷の加算（画素加算）を行えば、加算された信号電荷を従来に比して少ない時間で出力することができる。
【００２８】
この結果、この固体撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ等では、動画撮影時のフレームレートを高速化することができる。また、少ないクロック数で駆動が可能となるため、規定時間内での垂直転送信号（クロック）同士の重なりを多くとることができ、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
【００２９】
一実施形態の固体撮像素子では、
上記受光画素上に赤色、緑色、青色のカラーフィルタがベイヤ方式で配列されており、
隣り合う２列の第３の転送ゲート群に対する第３の垂直転送信号の一つに、上記水平転送信号に同期して、信号電荷の加算のために上記垂直転送周期を単位とした転送休止期間を含めることを特徴とする。
【００３０】
この一実施形態の固体撮像素子では、赤色、緑色、青色のカラーフィルタがベイヤ方式で配列されている場合に、上記色毎に加算された信号電荷を従来に比して少ない時間で出力することができる。
【００３１】
別の局面では、この発明の固体撮像素子は、
入射光を光電変換して信号電荷を発生する行列状に配された複数の受光画素と、
任意の行の受光画素からの信号電荷を垂直転送信号に従って列方向に転送する複数列の垂直転送部と、
上記各垂直転送部と結合され、上記各垂直転送部からの信号電荷を水平転送信号に従って行方向に転送して出力する水平転送部とを有し、
上記各列の垂直転送部は、転送方向上流側から下流側へ順に設けられた互いに独立の垂直転送信号に従って動作する第１の転送ゲート群、第２の転送ゲート群および第３の転送ゲート群からなり、かつ、隣り合う少なくとも２列の第３の転送ゲート群は互いに独立の垂直転送信号に従って動作するようになっており、
上記各列の第１の転送ゲート群に対して、垂直転送周期毎に信号電荷を順次列方向に転送させるための第１の垂直転送信号を印加し、上記各列の第２の転送ゲート群に対して、上記垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの配列に応じて上記垂直転送周期を単位とした転送休止期間を含む第２の垂直転送信号を印加し、また、上記隣り合う少なくとも２列の第３の転送ゲート群に対する第３の垂直転送信号の少なくとも一つに、信号電荷の加算のために上記水平転送信号に同期し上記垂直転送周期を単位とした転送休止期間を含める制御を行う制御部を備えたことを特徴とする。
【００３２】
なお、垂直転送信号が「独立」であるとは、転送ゲート群単位で定められるものとする。例えば、或る転送ゲート群の一部転送ゲートと別の転送ゲート群の一部転送ゲートとの間に同じ信号が印加されたとしても、それらの転送ゲート群が全体としてそれぞれ信号電荷を独立のタイミングで列方向に転送できれば、「独立の垂直転送信号」であるものとする。
【００３３】
この発明の固体撮像素子によれば、制御部が上記各列の第２の転送ゲート群に対して、上記垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの配列に応じて垂直転送周期を単位とした転送休止期間を含む第２の垂直転送信号を印加する。したがって、垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが存在したとしても、第２の転送ゲート群のところで転送休止期間を設けて先行する信号電荷パケットを保持して、後続する信号電荷パケットが追いつくまで待たせることができる。そのようにした場合、先行する信号電荷パケットと後続する信号電荷パケットとを連続させて一体のパケットにすることができる。そのように信号電荷パケットを連続させた状態で第３の転送ゲート群に転送し、第３の転送ゲート群による垂直転送と水平転送部による水平転送とを組み合わせることによって信号電荷の加算（画素加算）を行えば、加算された信号電荷を従来に比して少ない時間で出力することができる。
【００３４】
この結果、この固体撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ等では、動画撮影時のフレームレートを高速化することができる。また、少ないクロック数で駆動が可能となるため、規定時間内での垂直転送信号（クロック）同士の重なりを多くとることができ、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
【００３５】
一実施形態の固体撮像素子では、上記制御部は、上記垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが無くなるように、その垂直転送部の第２の転送ゲート群に対する第２の垂直転送信号に上記転送休止期間を設けることを特徴とする。
【００３６】
この一実施形態の固体撮像素子では、上記制御部は、上記垂直転送部を列方向に転送される複数信号電荷パケットの間に空パケットが無くなるように、その垂直転送部の第２の転送ゲート群に対する第２の垂直転送信号に上記転送休止期間を設ける。したがって、垂直転送部を列方向に転送される複数の信号電荷パケットの間に空パケットが存在したとしても、第２の転送ゲート群のところで先行する信号電荷パケットを保持して、後続する信号電荷パケットが追いつくまで待たせることができる。その結果、先行する信号電荷パケットと後続する信号電荷パケットとを連続させて一体のパケットにすることができる。
【００３７】
一実施形態の固体撮像素子では、
上記受光画素上に赤色、緑色、青色のカラーフィルタがベイヤ方式で配列されており、
上記制御部は、隣り合う２列の第３の転送ゲート群に対する第３の垂直転送信号の一つに、上記水平転送信号に同期して、信号電荷の加算のために上記垂直転送周期を単位とした転送休止期間を含めることを特徴とする。
【００３８】
この一実施形態の固体撮像素子では、赤色、緑色、青色のカラーフィルタがベイヤ方式で配列されている場合に、上記色毎に加算された信号電荷を従来に比して少ない時間で出力することができる。
【００３９】
また、この発明の電子機器は、上記発明の固体撮像素子を備えたことを特徴とする。そのような電子機器としては、例えばそのような固体撮像素子を組み込んで使用するビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯電話等が挙げられる。
【００４０】
この発明の電子機器によれば、上記固体撮像素子による作用効果を奏することができる。例えば、上記発明の固体撮像素子を備えたデジタルスチルカメラでは、動画撮影時のフレームレートを高速化することができる。また、少ないクロック数で駆動が可能となるため、規定時間内での垂直転送信号（クロック）同士の重なりを多くとることができ、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、この発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
【００４２】
この発明の一実施形態の全画素読み出し方式固体撮像素子は、図９に示したのと同じ概略構成を有している。すなわち、この一実施形態の全画素読み出し方式固体撮像素子は、入射光を信号電荷に変換する行列状に配された受光画素としてのフォトダイオードと、任意の行のフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷を読み出して列方向（垂直方向）に転送する垂直転送部としての垂直ＣＣＤ１０５と、垂直ＣＣＤ１０５からの信号電荷を行方向（水平方向）に転送する水平転送部としての水平ＣＣＤ１０６と、転送されてきた信号電荷を増幅して出力する出力増幅器１０７を備えている。フォトダイオード１０１上には赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタが、ベイヤ方式（Ｇフィルタを市松状に配置するとともに、Ｒ２５％・Ｇ５０％・Ｂ２５％という比率になるようにＲフィルタ、Ｂフィルタを列ごと配置したもの）にて配列されている。また、画像信号の基準レベルを形成するための光学的黒レベル領域１０２と、余剰電荷を掃き捨てるための垂直余剰電荷掃き出しドレイン１０３および水平余剰電荷掃き出しドレイン１０４が設けられている。さらに、転送タイミングの制御を含む素子全体の制御を行うために、制御部１９０が設けられている。
【００４３】
なお、以下の説明では、従来例における要素との区別のために、隣り合う２列の垂直ＣＣＤを符号５Ａ，５Ｂで表し、水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤとも表す。）を符号６で表すものとする。
【００４４】
図１は、この一実施形態の固体撮像素子における垂直ＣＣＤの構成を示している。図示のように、カラーフィルタのベイヤ配列に対応して、対をなす２列（これらをＡ列、Ｂ列とする。）の垂直ＣＣＤ５Ａ，５Ｂが複数並べて配列されている。図４Ａの左欄に示すように、Ａ列の垂直ＣＣＤ５Ａは、複数段の第１の転送ゲート群１，２，３，４と、この第１の転送ゲート群の転送方向下流側に設けられた１段の第２のゲート群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と、この第２の転送ゲート群と水平ＣＣＤ６との間に設けられた２段の第３の転送ゲート群Ｓ１Ａ，Ｓ２，Ｓ３Ａ，Ｓ４とからなっている。一方、Ｂ列の垂直ＣＣＤ５Ｂは、Ａ列のものと同じ複数段の第１の転送ゲート群１，２，３，４と、この第１の転送ゲート群の転送方向下流側に設けられたＡ列のものと同じ１段の第２のゲート群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と、この第２の転送ゲート群と水平ＣＣＤ６との間に設けられた２段の第３の転送ゲート群Ｓ１Ｂ，Ｓ２，Ｓ３Ｂ，Ｓ４とからなっている。
【００４５】
なお、上述の各転送ゲート群における各段は４つのゲートからなり、画素の１行に対応する。
【００４６】
図２は、上記制御部１９０による制御波形を示している。
【００４７】
各列の垂直ＣＣＤ５Ａ，５Ｂに含まれた第１の転送ゲート群１，２，３，４は、それぞれ図２中に示す第１の垂直転送信号ΦＶ１，ΦＶ２，ΦＶ３，ΦＶ４に従って動作する。また、各列の垂直ＣＣＤ５Ａ，５Ｂに含まれた第２のゲート群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、それぞれ第１の垂直転送信号とは独立の第２の垂直転送信号ΦＶＰ１，ΦＶＰ２，ΦＶＰ３，ΦＶＰ４に従って動作する。また、垂直ＣＣＤ５Ａに含まれた第３の転送ゲート群Ｓ１Ａ，Ｓ２，Ｓ３Ａ，Ｓ４は、それぞれ第１および第２の垂直転送信号とは独立の第３の垂直転送信号ΦＶＳ１ａ，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３ａ，ΦＶＳ４に従って動作する。垂直ＣＣＤ５Ｂに含まれた第３の転送ゲート群Ｓ１Ｂ，Ｓ２，Ｓ３Ｂ，Ｓ４は、それぞれ第１および第２の垂直転送信号とは独立の第３の垂直転送信号ΦＶＳ１ｂ，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３ｂ，ΦＶＳ４に従って動作する。第３の垂直転送信号（ΦＶＳ１ａ，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３ａ，ΦＶＳ４）と（ΦＶＳ１ｂ，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３ｂ，ΦＶＳ４）とは全体として独立であり、それに応じて、Ａ列の第３の転送ゲート群（Ｓ１Ａ，Ｓ２，Ｓ３Ａ，Ｓ４）とＢ列の第３の転送ゲート群（Ｓ１Ｂ，Ｓ２，Ｓ３Ｂ，Ｓ４）とは全体としてそれぞれ信号電荷を独立のタイミングで転送できる。
【００４８】
なお、垂直転送信号が「独立」であるとは、転送ゲート群単位で定められるものとする。例えば、Ａ列の第３の転送ゲート群Ｓ１Ａ，Ｓ２，Ｓ３Ａ，Ｓ４の一部転送ゲートＳ２，Ｓ４とＢ列の第３の転送ゲート群Ｓ１Ｂ，Ｓ２，Ｓ３Ｂ，Ｓ４の一部転送ゲートＳ２，Ｓ４とに対して同じ信号ΦＶＳ２，ΦＶＳ４が印加される。しかし、第３の垂直転送信号（ΦＶＳ１ａ，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３ａ，ΦＶＳ４）と（ΦＶＳ１ｂ，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３ｂ，ΦＶＳ４）とは全体として独立であり、それぞれ信号電荷を独立のタイミングで転送するために用いられる。
【００４９】
各転送信号の波形におけるフラットな期間は、転送が行われない転送休止期間を表している。
【００５０】
また、図２中に示すＨＤは１水平転送周期を定める信号、ΦＨ１およびΦＨ２は水平ＣＣＤを駆動する水平転送信号、ΦＲＳはフォトダイオードをドレイン電位に揃えるリセット信号、ＯＳは出力ゲート駆動する信号をそれぞれ表している。
【００５１】
図３（ａ）は、この固体撮像素子で、ベイヤ方式で配列されたカラーフィルタに対応して、最初に得られる画素信号（元画素信号）を示している（図中の各領域内のＲＧＢがそれぞれの色の信号を表す。）。図３（ｂ）は図３（ａ）のものを６×４領域に分割して、それぞれの領域の中から４つずつ選択される各色（Ｒ、Ｂ、Ｇ（Ｒ列のＧ）、Ｇ（Ｂ列のＧ））の画素信号を、グレーの網掛けを付して示している。また、図３（ｃ）は画素加算が完了した状態で出力されるべき信号（出力信号）を示している。この出力信号では、１ビット出力中に同色４画素分の信号が加算されている。
【００５２】
図４Ａ乃至図４Ｂは、この固体撮像素子で、図３（ｂ）に示したように選択的に読み出された画素信号から、図３（ｃ）に示したように加算された信号を得るための転送過程を示している。
【００５３】
なお、図４Ａ乃至図４Ｂでは、第１の転送ゲート群の各段をそれぞれＶＧ１，ＶＧ２，ＶＧ３，…と表し、第２の転送ゲート群（１段）をＰＧと表し、第３の転送ゲート群の各段をＳＧ１，ＳＧ２と表している。
【００５４】
まず、初期状態では、Ａ列、Ｂ列とも、転送ゲート群ＶＧ１にＲおよびＧ信号パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ２に空パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ３にＲおよびＧ信号パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ４にＧおよびＢ信号パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ５に空パケットがあり、転送ゲート群ＶＧ６にＧおよびＢ信号パケットがあるものとする（図７（ｂ）中に示したのと同じ状態）。なお、ＲおよびＧ信号におけるＧは、Ｒフィルタ列のＧ信号を指し、ＧおよびＢ信号におけるＢは、Ｂ（青）フィルタ列のＧ信号を指す（以下同様。）。
【００５５】
初期状態から、Ａ列、Ｂ列とも、垂直方向に１段転送を行うと、第２の転送ゲート群ＰＧにＲおよびＧ信号パケットが保持された状態となる（タイミングｔｘの状態）。
【００５６】
次に、Ａ列、Ｂ列とも、第２の転送ゲート群ＰＧでは転送休止期間を設けてＲおよびＧ信号パケットを保持しながら、第１の転送ゲート群の各段ＶＧ１，ＶＧ２，ＶＧ３，…のみそれぞれ垂直方向に１段転送を行う。すると、タイミングｔｙの状態に示すように、第２の転送ゲート群ＰＧに保持された先行するＲおよびＧ信号パケットに対して転送ゲート群ＶＧ１に転送されてきた後続するＲおよびＧ信号パケットが追いつく。つまり、それらの間の空パケットが無くなり、連続した一体のパケットができる。
【００５７】
次に、Ａ列、Ｂ列とも、垂直方向に２段転送を行うと、タイミングｔｚを経てタイミングｔ０の状態となる。
【００５８】
次に、Ａ列、Ｂ列とも、第２の転送ゲート群ＰＧでは転送休止期間を設けてＲおよびＧ信号パケットを保持しながら、第１の転送ゲート群ＶＧ１，ＶＧ２，ＶＧ３，…が垂直方向に１段転送を行うと同時に、Ｂ列の第３の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２が垂直方向に１段転送を行う。すると、タイミングｔ１の状態に示すように、第２の転送ゲート群ＰＧに保持された先行するＧおよびＢ信号パケットに対して転送ゲート群ＶＧ１に転送されてきた後続するＧおよびＢ信号パケットが追いつく。つまり、それらの間の空パケットが無くなり、連続した一体のパケットができる。また、Ｂ列の第３の転送ゲート群ＳＧ２にあったＲおよびＧ信号がＨＣＣＤ６に読み出される。
【００５９】
次に、Ｂ列の第３の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２のみ垂直方向に１段転送を行うと、Ｂ列の第３の転送ゲート群ＳＧ２にあったＲおよびＧ信号がＨＣＣＤ６に読み出されて、各２画素分のＲおよびＧ信号がそれぞれ加算される（タイミングｔ２の状態）。
【００６０】
次に、これを水平方向に２段転送させ（タイミングｔ３の状態）、Ａ列、Ｂ列とも垂直方向に２段転送を行うと、Ａ列の第３の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２にあったＲおよびＧ信号がそれぞれＨＣＣＤ６に読み出されて、各４画素分のＲおよびＧ信号が加算された状態となる（タイミングｔ４を経てタイミングｔ５の状態となる。）。
【００６１】
次に、Ｂ列の第３の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２が垂直方向に１段転送を行う。すると、タイミングｔ６の状態に示すように、Ｂ列の第３の転送ゲート群ＳＧ２にあったＧおよびＢ信号がＨＣＣＤ６に読み出される。なお、このとき同時に、注目していない信号電荷パケットのために、Ａ列、Ｂ列とも、第２の転送ゲート群ＰＧでは転送休止期間を設けて信号パケットを保持しながら、第１の転送ゲート群ＶＧ１，ＶＧ２，ＶＧ３，…が垂直方向に１段転送を行う。すると、第２の転送ゲート群ＰＧに保持された先行する信号パケットに対して転送ゲート群ＶＧ１に転送されてきた後続する信号パケットが追いつく。つまり、それらの間の空パケットが無くなり、連続した一体のパケットができる。
【００６２】
次に、Ｂ列の第３の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２が垂直方向に１段転送を行う。すると、Ｂ列の第３の転送ゲート群ＳＧ２にあったＧおよびＢ信号がＨＣＣＤ６に読み出されて、各２画素分のＧおよびＢ信号が加算される（タイミングｔ７の状態）。
【００６３】
次に、これを水平方向に２段転送させ（タイミングｔ８の状態）、Ａ列、Ｂ列とも垂直方向に２段転送を行うと、Ａ列の第３の転送ゲート群ＳＧ１，ＳＧ２にあったＧおよびＢ信号がそれぞれＨＣＣＤ６に読み出されて、各４画素分のＧおよびＢ信号が加算された状態となる（タイミングｔ９を経てタイミングｔ１０の状態となる。）。
【００６４】
このように垂直転送８段分と水平転送２段分とを組み合わせることによって、１サイクル分の画素加算が完了する（図３（ｃ）と同一の状態となる。）。
【００６５】
このように、この固体撮像素子では、第２の転送ゲート群ＰＧのところで先行する信号電荷パケット待機させ、信号電荷パケットを連続させた状態で第３の転送ゲート群に転送しているので、加算された画素信号（信号電荷）を従来に比して少ない時間で出力することができる。従来例では、１サイクル分の画素加算は垂直転送１２段分と水平転送４段分との組合せであった。したがって、この実施形態の固体撮像素子によれば、約１．５倍の高速化を実現できる。
【００６６】
この結果、この固体撮像素子を備えたデジタルスチルカメラ等の電子機器では、動画撮影時のフレームレートを高速化することができる。また、少ないクロック数で駆動が可能となるため、規定時間内での垂直転送信号（クロック）同士の重なりを多くとることができ、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
この発明の固体撮像素子は、デジタルカメラだけでなく、ビデオカメラ、携帯電話等に組み込まれて使用され得る。そして、画素信号の加算を含む信号電荷の読み出しを従来に比して少ない時間で行うことができ、フレームレートを高速化することができる。また、信号転送劣化等に起因する画質の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の一実施形態の固体撮像素子の垂直転送ＣＣＤの構成を示す図である。
【図２】上記固体撮像素子における各部の動作タイミングを示す図である。
【図３】上記固体撮像素子における画素信号の加算の仕方の概略を示す図である。
【図４Ａ】選択的に読み出された画素信号から、加算された信号を得るための転送過程を示す図である。
【図４Ｂ】選択的に読み出された画素信号から、加算された信号を得るための転送過程を示す図である。
【図５】固体撮像素子における画素信号の様々な加算の仕方の概略を示す図である。
【図６Ａ】従来の固体撮像素子における、選択的に読み出された画素信号から、加算された信号を得るための転送過程を示す図である。
【図６Ｂ】従来の固体撮像素子における、選択的に読み出された画素信号から、加算された信号を得るための転送過程を示す図である。
【図７】従来のインターライン方式ＣＣＤと全画素読み出し方式ＣＣＤの、垂直ＣＣＤ、パケット、画素を比較して示す図である。
【図８Ａ】従来の固体撮像素子における、選択的に読み出された画素信号から、加算された信号を得るための転送過程を示す図である。
【図８Ｂ】従来の固体撮像素子における、選択的に読み出された画素信号から、加算された信号を得るための転送過程を示す図である。
【図９】全画素読み出し方式固体撮像素子の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
５Ａ，５Ｂ  垂直ＣＣＤ
６  水平ＣＣＤ
ＰＧ  第２の転送ゲート群
ＳＧ１，ＳＧ２  第３の転送ゲート群
ＶＧ１，ＶＧ２，ＶＧ３，…  第１の転送ゲート群
【図１】
2005318240.tif 000003
【図２】
2005318240.tif 000004
【図３】
2005318240.tif 000005
【図４Ａ】
2005318240.tif 000006
【図４Ｂ】
2005318240.tif 000007
【図５】
2005318240.tif 000008
【図６Ａ】
2005318240.tif 000009
【図６Ｂ】
2005318240.tif 000010
【図７】
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【図８Ａ】
2005318240.tif 000012
【図８Ｂ】
2005318240.tif 000013
【図９】
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