(57)【要約】【課題】行列状に配列した複数の画素と、この画素に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタと、この垂直レジスタで転送された電荷を水平方向に転送する水平レジスタと、前記の各画素に蓄積された前記電荷を電子シャッタパルスに基づいて掃き出す電子シャッタ手段を有する固体撮像装置及びその行動方法において、任意に電子シャッタ手段を動作可能とした固体撮像装置及びその行動方法を提供する。【解決手段】電子シャッタ手段を動作させる場合に、垂直レジスタにおける電荷の転送を一時停止させる転送中断手段を設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配列した複数の画素と、この画素に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタと、前記の各画素に蓄積された前記電荷を電子シャッタパルスに基づいて掃き出す電子シャッタ手段を有する固体撮像装置において、
前記電子シャッタ手段を動作させる場合に、前記垂直レジスタにおける前記電荷の転送を一時停止させる転送中断手段を設けたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
行列状に配列した複数の画素と、この画素に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタと、前記の各画素に蓄積された前記電荷を電子シャッタパルスに基づいて掃き出す電子シャッタ手段を有する固体撮像装置の駆動方法において、
前記電子シャッタ手段を動作させる場合に、前記垂直レジスタにおける前記電荷の転送を一時停止させることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）と呼ばれている固体撮像装置では、電子シャッタパルスに基づいて基板に所定のバイアスを印加し、このバイアスによって各画素部分のフォトダイオードに蓄積された電荷を基板側に掃き捨てることができるように構成しており、この電荷の掃き捨て処理を電子シャッタと呼んでいる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
そして、この電子シャッタをどの時点で実施するかによって露光時間の調整を行い、良好な画像が得られるようにしている。
【０００４】
ところで、個体撮像装置では、撮像した全ての画素情報を出力しているとは限らず、撮像した画像中の必要な画像情報のみを出力するとともに、不要な画像情報は掃き捨て処理を行うようにしているものがある。具体的には、カムコーダ、デジタルカメラ等における手振れ補正機能等であり、撮像時には撮像対象周辺の画像も含めて大きな領域の画像を撮像し、撮像時の手振れ状態を検出する加速度センサや位置センサ等から得られた情報に基づいて画像調整を行って、必要な画像情報のみを出力するとともに、不要な画像情報を掃き捨てるようにしている。
【０００５】
このような掃き捨て処理の最中では、個体撮像装置における垂直ＣＣＤで構成した垂直レジスタを連続的に動作させて、個体撮像装置における水平ＣＣＤで構成した水平レジスタ付近、あるいは出力部方向にあるドレインに信号電荷の掃き捨てを行っている。
【０００６】
すなわち、通常では、画像情報としての信号電荷を垂直レジスタから水平レジスタに転送した後に、垂直レジスタを停止させて水平レジスタのみを駆動させることにより信号電荷を転送部に出力している。そのため、垂直レジスタは断続的に駆動しているが、掃き捨て処理の場合には、不要な信号電荷を転送させているだけであるので、信号電荷同士の混合等の信号劣化への配慮が不要であり、垂直レジスタを連続的に動作させることにより垂直レジスタに読み出されたある垂直区間の不要な信号電荷を速やかにドレインに転送し、掃き捨てるようにしている。
【０００７】
この不要な信号電荷の掃き捨て処理における垂直レジスタの連続的な動作によって必要な画像情報の信号電荷を垂直レジスタの転送方向に転送する動作を「フレームシフト」という。
【０００８】
このフレームシフト時に上記した電子シャッタパルスを発生させた場合には、縦型電子シャッタ構造であるため基板に印加したシャッタパルス電圧によって垂直レジスタの飽和信号量が低下することにより、多くの信号電荷を有していた垂直ＣＣＤにおいて信号電荷が上下方向の垂直ＣＣＤに漏れ出すことがあり、この漏れだした信号電荷によって画面上で線状の画像情報があるように見える、いわゆる縦筋ノイズが生起されるおそれがあることが知られている。
【０００９】
特に、昨今では、固体撮像装置における画素数の増大、及びそれにともなう画素の微細化によって垂直ＣＣＤも微細化されているために、１つの垂直ＣＣＤにおける飽和信号量を大きくすることが困難となっているので、１つの垂直ＣＣＤに溜めることができる飽和信号量と実際に溜める信号量との差に余裕が少なくなってきており、電子シャッタパルス印加による垂直レジスタの飽和信号量低下の影響は大きく、縦筋ノイズを生起しやすくなっている。
【００１０】
そこで、通常、垂直レジスタにおける電荷の転送時には電子シャッタパルスの発生を禁止し、垂直レジスタの飽和信号量が低下することを抑制して縦筋ノイズの生起を防止している。
【特許文献１】特開平１０−１３７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、垂直レジスタにおける電荷の転送時において電子シャッタパルスの発生を禁止した場合には、所要の露光時間となるように電子シャッタパルスの発生させることができない場合があり、画質の向上が阻害されるという問題があった。
【００１２】
特に、昨今では固体撮像装置の高機能化にともなって画素数が増大することにより垂直レジスタにおける電荷の転送に多大な時間を要することとなっている一方で、露光時間を自在に設定可能であることが要求されており、所要の露光時間となるように電子シャッタパルスを発生可能とする必要があった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の固体撮像装置では、行列状に配列した複数の画素と、この画素に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタと、各画素に蓄積された電荷を電子シャッタパルスに基づいて掃き出す電子シャッタ手段を有する固体撮像装置において、電子シャッタ手段を動作させる場合に、垂直レジスタにおける電荷の転送を一時停止させる転送中断手段を設けた。
【００１４】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、行列状に配列した複数の画素と、この画素に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタと、各画素に蓄積された電荷を電子シャッタパルスに基づいて掃き出す電子シャッタ手段を有する固体撮像装置の駆動方法において、電子シャッタ手段を動作させる場合に、垂直レジスタにおける電荷の転送を一時停止させるものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の発明によれば、行列状に配列した複数の画素と、この画素に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタと、この垂直レジスタで転送された電荷を水平方向に転送する水平レジスタと、各画素に蓄積された電荷を電子シャッタパルスに基づいて掃き出す電子シャッタ手段を有する固体撮像装置において、電子シャッタ手段を動作させる場合に、垂直レジスタにおける電荷の転送を一時停止させる転送中断手段を設けたことによって、従来であれば垂直レジスタの飽和信号量が低下して縦筋ノイズが生起する可能性があるために電子シャッタ手段で電子シャッタパルスを発生させることができなかったフレームシフトでの垂直レジスタによる電荷転送期間中においても、電荷の転送を停止させて電子シャッタ手段を動作させることができる。したがって、露光時間の設定可能な範囲を広げて任意の露光時間を設定可能とすることができる。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、行列状に配列した複数の画素と、この画素に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタと、この垂直レジスタで転送された電荷を水平方向に転送する水平レジスタと、各画素に蓄積された電荷を電子シャッタパルスに基づいて掃き出す電子シャッタ手段を有する固体撮像装置の駆動方法において、電子シャッタ手段を動作させる場合に、垂直レジスタにおける電荷の転送を一時停止させることによって、請求項１記載の発明と同様に、従来であれば垂直レジスタの飽和信号量が低下して縦筋ノイズが生起する可能性があるために電子シャッタ手段で電子シャッタパルスを発生させることができなかったフレームシフトでの垂直レジスタによる電荷転送期間中においても、電荷の転送を停止させて電子シャッタ手段を動作させることができる。したがって、露光時間の設定可能な範囲を広げて任意の露光時間を設定可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の固体撮像装置及びその駆動方法では、行列状に配列した複数の画素と、この画素に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタと、この垂直レジスタで転送された電荷を水平方向に転送する水平レジスタと、各画素に蓄積された電荷を電子シャッタパルスに基づいて掃き出す電子シャッタ手段を有する固体撮像装置において、電子シャッタ手段を動作させる場合に、垂直レジスタにおける電荷の転送、すなわちフレームシフトを一時停止させるように構成しているものである。
【００１８】
したがって、垂直レジスタによる電荷転送の期間中であっても、電荷転送を一時停止することにより垂直レジスタの飽和信号量低下を生起することなく電子シャッタ手段を動作させて電荷の掃き出し処理を行うことができるので、露光時間の設定可能な範囲を広げて利便性を向上させることができるとともに、高機能化を図ることができる。
【００１９】
以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置Ａの一例を示す概略説明図である。本実施形態の固体撮像装置Ａは、固体撮像素子10と、タイミング発生回路20と、基板バイアス発生回路30とで構成している。
【００２０】
固体撮像素子10には、垂直方向と水平方向とに行列状に配列した複数の画素11と、この画素11に蓄積した電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤで構成した垂直レジスタ12と、この垂直レジスタ12で転送された電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤで構成した水平レジスタ13を設けている。
【００２１】
特に、画素11は受光領域14に配置しており、受光領域以外には適宜の遮光膜を設けて遮光するようにしている。画素11はＰＮ接合のフォトダイオードで形成しており、このフォトダイオードで蓄積した電荷は、各画素11と垂直レジスタ12との間に設けた読出ゲート15によって垂直レジスタ12への読み出しが制御されている。
【００２２】
本実施形態の固体撮像素子10では、垂直レジスタ12は、蓄積領域12aと、適宜の遮光膜で遮光された遮光領域12bとで構成しており、読出ゲート15の制御によって蓄積領域12aに読み出した電荷を遮光領域12bに垂直レジスタ12を連続的に動作させることで高速転送させ、高速なフレームシフトを行っている。なお、垂直レジスタ12は蓄積領域12aと遮光領域12bとで構成する場合に限定するものではなく、蓄積領域12aのみで垂直レジスタ12を構成していてもよい。
【００２３】
水平レジスタ13の出力側には電荷電圧変換部16を設け、各画素11から転送されてきた電荷量に基づいた電圧への変換を行って画像信号を生成し、出力端子17から画像信号を出力可能としている。
【００２４】
固体撮像素子10には、この固体撮像素子10の動作を制御するための制御信号を入力するためのタイミング発生回路20を接続している。特に、タイミング発生回路20では、垂直レジスタ12における電荷の転送を行うための第１垂直転送クロックφＶ１、第２垂直転送クロックφＶ２、第３垂直転送クロックφＶ３、第４垂直転送クロックφＶ４を生成して、それぞれ第１垂直転送クロック入力端子18a、第２垂直転送クロック入力端子18b、第３垂直転送クロック入力端子18c、第４垂直転送クロック入力端子18dから固体撮像素子10に入力している。さらに、タイミング発生回路20では、水平レジスタ13における電荷の転送を行うための第１水平転送クロックφＨ１と、第２水平転送クロックφＨ２を生成して、それぞれ第１水平転送クロック入力端子18e、第２水平転送クロック入力端子18fから固体撮像素子10に入力している。
【００２５】
また、固体撮像素子10には、この固体撮像素子10を構成している半導体基板に所定のバイアスを印加して、各画素11に蓄積された電荷を半導体基板に掃き捨てる電子シャッタを行うための、基板バイアス発生回路30を接続している。
【００２６】
基板バイアス発生回路30は、タイミング発生回路20から出力された電子シャッタパルスSPに基づいて所定のバイアスをバイアス入力端子19から入力している。図１中、31はクランプ用ダイオード、32は電子シャッタパルスSPの直流カット用のコンデンサ32、33は抵抗である。
【００２７】
固体撮像素子10には、図２に示すように、転送中断手段であるフレームシフト中断制御回路40を設けている。
【００２８】
フレームシフト中断制御回路40は、垂直レジスタ12における電荷の転送であるフレームシフトの実行回数をカウントしながら所定の転送停止条件までフレームシフトを行った後に、所定の転送停止条件に基づいてフレームシフトを所定の転送状態で停止させるように垂直転送パルスの制御を行う垂直転送パルス出力回路50と、電子シャッタパルスSPを出力するタイミングを指定するシャッタデータに基づいて、電子シャッタパルスが発生される時間範囲を指定する制御信号を出力する電子シャッタパルス用の制御信号出力回路60とから構成している。
【００２９】
垂直転送パルス出力回路50には、フレームシフトの転送回数をカウントする転送回数カウンタ51と、１回あたりのフレームシフトの期間をカウントする転送期間カウンタ52とを設けている。
【００３０】
転送回数カウンタ51は、ロードデータの入力にともなって実行するフレームシフトの回数をカウントしており、転送回数カウンタ51のカウント値と、制御条件に基づいてマイコン70から入力された転送停止条件とを第１比較器53で比較し、この第１比較器53において転送回数カウンタ51が転送停止条件となった場合には、第１比較器53がアクティブとなってイネーブル信号を出力し、このイネーブル信号を第１ＯＲゲート54に入力し、この第１ＯＲゲート54によって転送回数カウンタ51を非アクティブとして転送回数カウンタ51を停止させている。
【００３１】
つまり、所望のフレームシフトの転送回数となった場合に、転送回数カウンタ51は動作を停止する。
【００３２】
また、転送回数カウンタ51には、転送期間カウンタ52の出力を後述する第１デコーダ55でデコードして生成したデコード出力信号を、ＮＯＴゲート58を介して第１ＯＲゲート54に入力しており、このデコード出力信号をイネーブル信号を決定する一信号として入力している。
【００３３】
転送期間カウンタ52は、図４に示すように、フレームシフトを実行する第１垂直転送クロックφＶ１、第２垂直転送クロックφＶ２、第３垂直転送クロックφＶ３、第４垂直転送クロックφＶ４の各状態の組み合わせで構成される８つの状態をカウントしているものである。
【００３４】
すなわち、８つの状態とは、本実施形態では以下のようにしている。
「０」の状態：φＶ１＝High、φＶ２＝Low、φＶ３＝Low、φＶ４＝High
「１」の状態：φＶ１＝High、φＶ２＝High、φＶ３＝Low、φＶ４＝Low
「２」の状態：φＶ１＝High、φＶ２＝High、φＶ３＝Low、φＶ４＝Low
「３」の状態：φＶ１＝Low、φＶ２＝High、φＶ３＝High、φＶ４＝Low
「４」の状態：φＶ１＝Low、φＶ２＝High、φＶ３＝High、φＶ４＝Low
「５」の状態：φＶ１＝Low、φＶ２＝Low、φＶ３＝High、φＶ４＝High
「６」の状態：φＶ１＝Low、φＶ２＝Low、φＶ３＝High、φＶ４＝High
「７」の状態：φＶ１＝High、φＶ２＝Low、φＶ３＝Low、φＶ４＝High。
【００３５】
転送期間カウンタ52では、フレームシフトの回数分だけ、「０」の状態から「７」の状態までのカウントを繰り返す。
【００３６】
第１デコーダ55は、図４に示すように、「０」から「６」の状態では、「Low」を出力し、「７」の状態の時に「High」を出力している。
【００３７】
第１デコーダ55の出力は、転送期間カウンタ52を「７」の状態で停止させるために用いているものであり、第１デコーダ55の出力を第１ＡＮＤゲート56に入力し、この第１ＡＮＤゲート56の出力を、第１比較器53の出力信号が入力されている第２ＯＲゲート57に入力し、この第２ＯＲゲート57によるイネーブル信号の入力にともなって、転送期間カウンタ52を「７」の状態で停止させることができるようにしている。
【００３８】
「７」の状態で停止させるのは、画素、及び垂直レジスタ12で暗電流の抑制や転送効率の向上等を考慮した場合、「７」の状態である電圧及びタイミングが多くの固体撮像素子の構成では最適と考えられるからである。なお、場合によっては「７」の状態以外の状態で停止させてもよい。
【００３９】
第１デコーダ55の出力は出力調整回路59に入力し、この出力調整回路59で第１〜４垂直転送クロックφＶ１〜４の出力を調整することにより垂直転送パルスの制御を行っている。
【００４０】
制御信号出力回路60には、基準点からのシャッタ位置を水平同期信号（ＨＤ）の周期（通常転送時での一回のフレームシフトにおける転送期間、通常のライン転送の転送期間）を１単位として数えるシャッタカウンタ61と、露光条件に基づいてマイコン70から入力されたシャッタデータとを第２比較器62で比較し、電子シャッタパルスの発生される可能性のある期間を指定する制御信号を垂直転送パルス出力回路50に出力するようにしている。
【００４１】
ここで、シャッタカウンタ61は1水平期間に１回のみアクティブになるものとしている。すなわち、マイコン70における演算結果において、1水平期間におけるｐ番目の水平同期信号に基づいて電子シャッタパルスを発生させるのであれば、第２比較器62では、図４に示すように、1水平期間におけるｐ番目の水平同期信号とｐ＋１番目の水平同期信号との間のみを「High」とした制御信号を出力するようにしている。なお、シャッタカウンタ61では、自身の出力を第２デコーダ63でデコードし、デコード値出力をイネーブル信号としてカウントアップするようにしている。
【００４２】
制御信号出力回路60が出力した制御信号は第１ＯＲゲート54に入力し、この第１ＯＲゲート54によって転送回数カウンタ51を非アクティブとして転送回数カウンタ51を停止させるようにしている。さらに、制御信号出力回路60が出力した制御信号は第１ＡＮＤゲート56にも入力し、第１ＡＮＤゲート56にさらに第１デコーダ55の出力信号を入力して、転送期間カウンタ52を「７」の状態で停止させることができるようにしている。
【００４３】
フレームシフト中断制御回路40は上記したように構成しており、このフレームシフト中断制御回路40は固体撮像素子10の周辺回路部分に設けてもよいし、タイミング発生回路20に設けてもよい。
【００４４】
最後に、フレームシフト中断制御回路40の動作について説明する。図３は、本実施形態の固体撮像装置Ａにおける垂直方向の駆動タイミングを表しており、フレームシフト期間中に電子シャッタパルスを発生させる場合の垂直方向のタイミングを表している。
【００４５】
このように、電子シャッタパルスはVΦを停止させている1水平期間で発生させており、通常のライン転送時に発生させる回路と同じものを利用可能としている。
【００４６】
図４は、本実施形態の固体撮像装置Ａにおける水平方向の駆動タイミングを表している。転送期間カウンタ52は、第１比較器53の出力がアクティブになるまで図４のt0〜t1の動作を繰り返し続けるようにしている。
【００４７】
ここで、フレームシフト期間中に電荷掃き捨てパルスを発生させる場合を考える。すなわち、マイコン70における演算結果に基づいて、フレームシフト期間中に制御信号出力回路60のシャッタカウンタ61におけるカウント値が第２比較器62に設定された値と一致し、制御信号出力回路60が垂直転送パルス出力回路50に対して制御信号を出力する。
【００４８】
垂直転送パルス出力回路50では、制御信号が第１ＯＲゲート54に入力されることによって転送回数カウンタ51を停止させるとともに、制御信号を第１ＡＮＤゲート56に入力している(t2)。
【００４９】
このとき、第１比較器53は非アクティブのままなので転送期間カウンタ52は動作し続け、転送期間カウンタ52が「７」の状態に達することにより第１デコーダ55から「High」の出力信号が出力される。
【００５０】
この出力信号が第１ＡＮＤゲート56に入力されることにより第１ＡＮＤゲート56から「High」の出力信号が出力され、この出力信号を第２ＯＲゲート57に入力して、第２ＯＲゲート57によって転送期間カウンタ52を非アクティブとして転送期間カウンタ52を停止させている(t3)。
【００５１】
このように、転送期間カウンタ52を一巡させてから停止させることによって、１回のフレームシフトを完結させることができる。
【００５２】
転送回数カウンタ51と転送期間カウンタ52の両方のカウンタが停止している間に、所要の水平同期信号に基づいて、別途に設けた電子シャッタパルス発生回路によって、図４に示すように電子シャッタパルスを発生させている。
【００５３】
電子シャッタパルスが発生された後、制御信号出力回路60のシャッタカウンタ61においてカウントアップが生じることにより、第２比較器62の出力が非アクティブとなって制御信号出力回路60から出力される制御信号が「Low」となる(t4)。
【００５４】
この「Low」となった制御信号が第１ＯＲゲート54に入力されるとともに、ＮＯＴゲート58によって「Low」とされた第１デコーダ55の反転出力信号が第１ＯＲゲート54に入力され、さらに、第１ＯＲゲート54には第１比較器53から「Low」の信号が入力されることによって転送回数カウンタ51は動作を再開する。
【００５５】
また、「Low」となった制御信号に基づいて転送期間カウンタ52が動作を再開する(t5)。以後の動作、すなわち図４におけるt5〜t6における動作は、電荷掃き捨てパルスが発生する前の動作（t0〜t1）と同じになり、フレームシフトが終了するまでt5〜t6における動作を繰り返す。
【００５６】
以上のように、電子シャッタパルスを出力するタイミングを指定するシャッタデータに基づいて、フレームシフトを所定回数行った後にフレームシフトを停止させるように転送中断手段を構成したことによって、シャッタデータに基づいてフレームシフトを任意に停止させることができ、縦筋ノイズが生起することなく所望のタイミングで電子シャッタ手段を動作させ、任意の露光時間を設定可能とすることができる。
【００５７】
しかも、フレームシフトの停止を、通常、電子シャッタ手段の動作制御に用いる水平同期信号に基づいて、所要の１水平同期期間で行うことにより、フレームシフトが行われる垂直レジスタの動作のタイミングと、水平レジスタとの動作タイミングとが完全に同期されていなくても、常に同じ水平同期期間において電子シャッタ手段を動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の概略説明図である。
【図２】垂直レジスタ転送中断回路の概略説明図である。
【図３】垂直方向の駆動タイミングを示したタイミングチャートである。
【図４】水平方向の駆動タイミングを示したタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００５９】
Ａ  固体撮像装置
10  固体撮像素子
20  タイミング発生回路
30  基板バイアス発生回路
11  画素
12  垂直レジスタ
13  水平レジスタ
14  受光領域
15  読出ゲート
12a 蓄積領域
12b 遮光領域
16  電荷電圧変換部
17  出力端子
40  フレームシフト中断制御回路
50  垂直転送パルス出力回路
51  転送回数カウンタ
52  転送期間カウンタ
53  第１比較器
54  第１ＯＲゲート
55  第１デコーダ
56  第１ＡＮＤゲート
57  第２ＯＲゲート
58  ＮＯＴゲート
59  出力調整用フリップフロップ
60  制御信号出力回路
61  シャッタカウンタ
62  第２比較器
63  第２デコーダ
70  マイコン
【図１】
2005244564.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005244564.tif 000005
【図４】
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