(57)【要約】【課題】  暗電流を抑制することができる撮像素子の駆動方法および撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】  撮影周期Ｔに対してフォトダイオードの電子シャッタ、読み出しゲート、蓄積用ＣＣＤセルＣ１，Ｃ２，…の転送電極Ｂ１〜Ｂ３を各々周期Ｔ／３で電気的に駆動し、周期Ｔの間にフォトダイオードからセルＣ１へ信号電荷（ａ），（ｂ），（ｃ）を３分割読み出ししつつ加算し、加算された信号電荷『（ａ）＋（ｂ）＋（ｃ）』を周期Ｔの間に１回だけセルＣ１からセルＣ２へ転送する。したがって、周期Ｔの１／３の時間ごとに転送電極Ｂ１〜Ｂ３のゲート電極が少なくとも１回リセット電圧になり、ゲート下の界面準位に存在する電子を空にするので、転送された結果の信号電荷に付加される暗電流を抑制することができる。【選択図】        図５
2007082082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段とを備えた撮像素子の駆動方法であって、撮影周期をＴとし、２以上をＮとしたときに、（Ａ）撮影周期Ｔに対して前記光電変換手段と電荷蓄積手段とを周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動し、（Ｂ）前記撮影周期Ｔの間に、光電変換手段からそれに隣接する電荷蓄積手段へ信号電荷をＮ回に分割して読み出し、（Ｃ）前記撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段では光電変換手段から分割して読み出された信号電荷を（Ｎ−１）回加算して再生し、（Ｄ）前記撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段で加算された信号電荷をさらに隣接する電荷蓄積手段に１回だけ転送するように撮像素子を駆動させることを特徴とする撮像素子の駆動方法。
【請求項２】
撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段とを備えるとともに、前記装置は、撮像素子を駆動制御する駆動制御手段を備え、撮影周期をＴとし、２以上をＮとしたときに、（ａ）撮影周期Ｔに対して前記光電変換手段と電荷蓄積手段とを周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動し、（ｂ）前記撮影周期Ｔの間に、光電変換手段からそれに隣接する電荷蓄積手段へ信号電荷をＮ回に分割して読み出し、（ｃ）前記撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段では光電変換手段から分割して読み出された信号電荷を（Ｎ−１）回加算して再生し、（ｄ）前記撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段で加算された信号電荷をさらに隣接する電荷蓄積手段に１回だけ転送する駆動制御を前記駆動制御手段が行うように構成する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】
この発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させて撮像を行う撮像素子の駆動方法および撮像素子を用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の撮像素子として、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)型固体撮像素子がある。近年、かかるＣＣＤ型固体撮像素子（以下、『ＣＣＤ』と略記する）において、高速撮像を可能にするために、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換部（例えばフォトダイオード）の傍らに、光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積部（例えば蓄積用ＣＣＤセル）を備える（例えば、特許文献１−３参照）。これらの光電変換部や電荷蓄積部をチップ上に配設している。
【０００３】
特許文献１，２では、『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』と呼ばれるＣＣＤを採用している。この斜行ＣＣＤ型固体撮像素子について、図２を参照して説明する。図２に示すように、ＣＣＤ１は、上述したフォトダイオード１１と蓄積用ＣＣＤセル１２とを複数個備えるとともに、これら蓄積用ＣＣＤセル１２内の信号電荷を図２に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤセル１３とを備えている。そして、フォトダイオード１１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤセル１２へ信号電荷を読み出す読み出しゲート１４を各フォトダイオード１１の傍らにそれぞれ配設している。その他に、垂直転送用ＣＣＤセル１３から転送された信号電荷を図２に示す水平方向に転送する水平転送用ＣＣＤセル１５を備えている。
【０００４】
この『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』では、ライン状の蓄積用ＣＣＤセル１２は斜め方向に延びている。このように斜め方向にすることで水平および垂直方向に平行して各フォトダイオード１１を並べて配設することができる。なお、ライン状の蓄積用ＣＣＤセル１２を垂直方向に延在するように構成すると、各フォトダイオードが斜め方向に配置されてしまう。この『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』では、各フォトダイオード１１が、かかる配置にならずに直方配列になる。
【０００５】
ところで、信号電荷を転送させる転送電極（図２では図示省略）のゲート電極下で信号電荷が留まっている時間が長いと、図６に示すように、その電極下の界面準位が、熱励起により価電子帯ＥVより励起された電子でほとんど満たされた状態となる。そして、この電子は、さらに熱励起されることにより伝導帯ＥCに励起されて暗電流となる。この暗電流が信号電荷の転送の間に信号電荷に付加されて、暗電流によって信号電荷による出力信号のＳ／Ｎ比を劣化させる。
【０００６】
暗電流の原因としては、図６に示すように欠陥起因と直接遷移とによるものもあるが、ほとんどが上述した界面準位起因によるものである。そこで、ゲート電極がオン電圧（通常、Ｈｉｇｈ電圧）になっている時間、すなわちゲート電極下で信号電荷が留まっている時間を短くして、オフ電圧（通常、Ｌｏｗ電圧）に切り換えることで、界面準位が満たされるまでに電子をキャンセルして、暗電流を抑制している（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報（第２，５−９頁、図２−４，１０−１２）
【特許文献２】特開２０００−１６５７５０号公報（第３，６−１４頁、図１，４，５）
【特許文献３】米国特許第５３５５１６５号明細書
【特許文献４】特許第２５９９８１３号公報（第１−３頁、第１，３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』を用いた高速撮像のように撮影周期が短い（例えば１００μｓ以下）場合には、信号電荷が各ＣＣＤセル１２，１３を転送する速度が速く、転送電極のゲート電極下に信号電荷が留まる時間が短い。したがって、撮影周期に転送電極のゲートの切り換えを同期させれば上述した暗電流が抑制され、発生したとしても暗電流の量については無視できる程度である。
【０００８】
しかし、ビデオレートのように撮影周期が長い（例えば１ｍｓ以上）場合には、信号電荷が各ＣＣＤセル１２，１３を転送する速度が遅く、転送電極のゲート電極下に信号電荷が留まる時間も長くなる。したがって、撮影周期に転送電極のゲートの切り換えを同期させてもゲート電極がオン電圧（Ｈｉｇｈ）になっている時間そのものが長く、Ｓ／Ｎ比を劣化させる程度の量の暗電流が発生する。
【０００９】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、暗電流を抑制することができる撮像素子の駆動方法および撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段とを備えた撮像素子の駆動方法であって、撮影周期をＴとし、２以上をＮとしたときに、（Ａ）撮影周期Ｔに対して前記光電変換手段と電荷蓄積手段とを周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動し、（Ｂ）前記撮影周期Ｔの間に、光電変換手段からそれに隣接する電荷蓄積手段へ信号電荷をＮ回に分割して読み出し、（Ｃ）前記撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段では光電変換手段から分割して読み出された信号電荷を（Ｎ−１）回加算して再生し、（Ｄ）前記撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段で加算された信号電荷をさらに隣接する電荷蓄積手段に１回だけ転送するように撮像素子を駆動させることを特徴とするものである。
【００１１】
［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、撮影周期Ｔに対して光電変換手段と電荷蓄積手段とを各々周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動し、周期Ｔの間に光電変換手段からそれに隣接する電荷蓄積手段へ信号電荷をＮ分割で読み出しつつ加算し、加算された信号電荷を周期Ｔの間に１回だけ、その隣接する電荷蓄積手段から、さらに隣接する電荷蓄積手段へ転送する。したがって、周期Ｔの１／Ｎの時間ごとに電荷蓄積手段や光電変換手段に関する駆動が少なくとも１回リセットになり、ゲート下の界面準位に存在する電子を空にするので、転送された結果の信号電荷に付加される暗電流を抑制することができる。
【００１２】
また、撮影周期Ｔの時間が、暗電流の起因となる界面準位が電子で満たされる程度の時間の場合には、暗電流が発生しないような電子が満たされるまでの時間で撮影周期の時間を除算して得られた値（商）をＮとし、Ｎ回に分割して上述した（Ａ）駆動・（Ｂ）分割読み出し・（Ｃ）加算再生を行えばよい。そして、（Ｄ）で撮影周期Ｔの間に、さらに隣接する電荷蓄積手段に１回だけ転送すればよい。逆に、撮影周期Ｔの時間が、暗電流が発生しないような電子が満たされるまでの時間の場合には、Ｎ回に分割しなくても撮影周期Ｔの間に、光電変換手段からそれに隣接する電荷蓄積手段へ信号電荷を１回だけ読み出して、同じ撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段からの信号電荷をさらに隣接する電荷蓄積手段に１回だけ転送すればよく、分割読み出しや加算再生を行わなくてもよい。
【００１３】
また、光電変換手段に隣接する電荷蓄積手段よりも後段の他の電荷蓄積手段、すなわち信号電荷の転送方向から見て下流側の他の電荷蓄積手段においても、加算された信号電荷の状態で（Ａ）のように各電荷蓄積手段を周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動してもよい。この場合には、光電変換手段に隣接する電荷蓄積手段よりも後段の他の電荷蓄積手段においても、周期Ｔの１／Ｎごとに電荷蓄積手段に関する駆動が少なくとも１回リセットになり、ゲート下の界面準位に存在する電子を空にするので、暗電流をより一層抑制することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する電荷蓄積手段とを備えるとともに、前記装置は、撮像素子を駆動制御する駆動制御手段を備え、撮影周期をＴとし、２以上をＮとしたときに、（ａ）撮影周期Ｔに対して前記光電変換手段と電荷蓄積手段とを周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動し、（ｂ）前記撮影周期Ｔの間に、光電変換手段からそれに隣接する電荷蓄積手段へ信号電荷をＮ回に分割して読み出し、（ｃ）前記撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段では光電変換手段から分割して読み出された信号電荷を（Ｎ−１）回加算して再生し、（ｄ）前記撮影周期Ｔの間に、その隣接する電荷蓄積手段で加算された信号電荷をさらに隣接する電荷蓄積手段に１回だけ転送する駆動制御を前記駆動制御手段が行うように構成することを特徴とするものである。
【００１５】
［作用・効果］請求項２に記載の発明によれば、上述した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の駆動制御を行う駆動制御手段を備えることで、暗電流を抑制することができるとともに、暗電流が抑制されたＳ／Ｎ比の高い出力信号を用いて撮像を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る撮像素子の駆動方法および撮像素子を用いた撮像装置によれば、撮影周期Ｔに対して光電変換手段と電荷蓄積手段とを各々周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動し、周期Ｔの間に光電変換手段からそれに隣接する電荷蓄積手段へ信号電荷をＮ分割で読み出しつつ加算し、加算された信号電荷を周期Ｔの間に１回だけ、その隣接する電荷蓄積手段から、さらに隣接する電荷蓄積手段へ転送する。したがって、周期Ｔの１／Ｎの時間ごとに電荷蓄積手段や光電変換手段に関する駆動が少なくとも１回リセットになり、ゲート下の界面準位に存在する電子を空にするので、転送された結果の信号電荷に付加される暗電流を抑制することができる。
【実施例】
【００１７】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図であり、図２は、ＣＣＤの構成を示すブロック図であり、図３はＣＣＤ内の信号電荷を転送する転送電極と各ＣＣＤセルとの関係を示すブロック図である。
【００１８】
実施例に係る撮像装置は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を信号電荷に変換するとともに電気信号に変換して被写体を撮像するように構成されている。すなわち、撮像装置は、図１に示すように、固体撮像素子（ＣＣＤ）１を備えるとともに、レンズ２と相関二重サンプリング部３とＡＤコンバータ４と画像処理演算部５とモニタ６と操作部７と制御部８とを備えている。さらに、撮像装置は、電源部９ａとタイミングジェネレータ９ｂとを備えている。固体撮像素子（ＣＣＤ）１は、この発明における撮像素子に相当する。
【００１９】
レンズ２は、被写体の光学像を取り込む。相関二重サンプリング部３は、ＣＣＤ１からの信号電荷を低雑音に増幅して電気信号に変換して取り出す。ＡＤコンバータ４は、その電気信号をディジタル信号に変換する。画像処理演算部５は、ＡＤコンバータ４でディジタル化された電気信号に基づいて被写体の２次元画像を作成するために各種の演算処理を行う。モニタ６は、その２次元画像を画面に出力する。操作部７は、撮像の実行に必要な種々の操作を行う。制御部８は、操作部７により設定された撮影条件などの操作にしたがって装置全体を統括制御する。
【００２０】
電源部９ａは、信号電荷を読み出す読み出しゲート１４（図２を参照）や、ＣＣＤ１内の信号電荷を転送する転送電極Ｂ１〜Ｂ３（図３を参照）などに電圧を印加する。タイミングジェネレータ９ｂは、電圧の印加のタイミングや撮像のタイミングやクロックなどを生成する。本実施例では、タイミングジェネレータ９ｂは、図５で後述するようにＣＣＤ１を駆動するように各電圧を制御して、電源部９ａは、そのタイミングジェネレータ９ｂに基づいて各電極に電圧を印加する。電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂは、この発明における駆動制御手段に相当する。
【００２１】
次に、ＣＣＤ１は、図２に示すように、入射光（被写体の光学像）を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させるフォトダイオード１１と、そのフォトダイオード１１から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の蓄積用ＣＣＤセル１２と、これら蓄積用ＣＣＤセル１２内の信号電荷を図２に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤセル１３とを備えている。フォトダイオード１１は、この発明における光電変換手段に相当し、蓄積用ＣＣＤセル１２および垂直転送用ＣＣＤセル１３は、この発明における電荷蓄積手段に相当する。
【００２２】
各フォトダイオード１１の傍らには読み出しゲート１４をそれぞれ配設しており、このフォトダイオード１１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤセル１２へ各読み出しゲート１４は信号電荷を読み出す。
【００２３】
各蓄積用ＣＣＤセル１２についてはそれぞれをライン状に接続して構成しており、ライン状の蓄積用ＣＣＤセル１２を複数本分配設している。フォトダイオード１１から発生した信号電荷を、隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２に順次に転送しながら各蓄積用ＣＣＤセル１２に蓄積する。そして、蓄積用ＣＣＤセル１２から順次に転送された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤセル１３に合流させる。垂直転送用ＣＣＤセル１３から転送されたこの信号電荷を水平転送用ＣＣＤセル１５に転送する。
【００２４】
フォトダイオード１１を２次元状に配置しており、水平および垂直方向に平行して各フォトダイオード１１を並べて配設する関係上、ライン状の蓄積用ＣＣＤセル１２は斜め方向に延びている。本実施例に係るＣＣＤ１は、いわゆる『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』と呼ばれているものである。なお、ＣＣＤ１の全体構成については従来と同じである。
【００２５】
本実施例では、蓄積用ＣＣＤセル１２および垂直転送用ＣＣＤセル１３は、図３に示すように、３相駆動でＣＣＤ１が駆動されるように構成されている。すなわち、フォトダイオード１１に隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２を含めて、各蓄積用ＣＣＤセル１２は転送方向に３つの領域にそれぞれ区分され、図中の左端の領域に転送電極Ｂ１のゲート電極が位置し、図中の中央の領域に転送電極Ｂ２のゲート電極が位置し、図中の右端の領域に転送電極Ｂ３のゲート電極が位置する。
【００２６】
なお、図３ではフォトダイオード１１周辺の蓄積用ＣＣＤセル１２のみを図示しているが、垂直転送用ＣＣＤセル１３も蓄積用ＣＣＤセル１２と同様に転送電極Ｂ１〜Ｂ３のゲート電極が垂直転送用ＣＣＤセル１３を区分する各領域にそれぞれ位置する。また、図３中の『ＴＧ』は、読み出しゲート１４用の転送電極を示し、図３中の『ＰＤ』は、フォトダイオード１１を示す。また、図３では、フォトダイオード１１に隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２をセルＣ１とするとともに、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）よりも後段の他の蓄積用ＣＣＤセル１２、すなわち信号電荷の転送方向から見て下流側の他の蓄積用ＣＣＤセル１２について、セルＣ１側から順にセルＣ２，セルＣ３，セルＣ４とする。
【００２７】
また、図２では図示を省略したが、図３に示すように、蓄積用ＣＣＤセル１２側とは逆側に各フォトダイオード１１の傍らにはオーバーフローゲートＯＦＧをそれぞれ配設するとともに、各オーバーフローゲートＯＦＧの傍らにはオーバーフロードレインＯＦＤをそれぞれ配設している。オーバーフローゲートＯＦＧおよびオーバーフロードレインＯＦＤを配設するのは以下の理由による。
【００２８】
すなわち、フォトゲート１１に強い光が入射して、信号電荷がフォトゲート１１の電荷収容能力以上になると、過剰な電荷がフォトゲート１１の作る電荷井戸（ポテンシャル）から溢れ、周りのフォトゲート１１に漏れ込む。その結果、漏れ込みによって偽信号となって画像に現れる。このような現象は『ブルーミング』と呼ばれている。
【００２９】
そこで、かかる『ブルーミング』を防止すべく周辺への電子の漏れを防止するために、溢れ出た電荷の余剰分を排出するオーバーフロードレインＯＦＤを配設している。オーバーフローゲートＯＦＧは、フォトダイオード１１から電荷の余剰分をオーバーフロードレインＯＦＤに排出するために読み出すゲートである。
【００３０】
図３に示した、これらの読み出しゲート１４や転送電極Ｂ１〜Ｂ３やオーバーフローゲートＯＦＧに印加される電圧は、電源部９ａによって供給される。また、これらの電圧の制御はタイミングジェネレータ９ｂによって行われる。
【００３１】
次に、ＣＣＤ１の駆動処理について図４、図５のタイミングチャートを参照して説明する。図４は、本実施例の比較のための従来の駆動処理に関するタイミングチャートであって、図５は、本実施例に係る駆動処理に関するタイミングチャートである。図４および図５は、縦軸が時間軸であって、各図面の右側は各電圧の印加状態を示し、各図面の左側はポテンシャル（ウェル）の形成状態を示す。また、各図では、信号電荷が読み出される順に信号電荷を『（ａ）』，『（ｂ）』，『（ｃ）』，『（ｄ）』，『（ｅ）』，…とし、右斜線および左斜線がクロスしたハッチングをオーバーフローゲートＯＦＧによって形成されるウェルとし、左斜線のハッチングをフォトダイオード１１によって光電変換された信号電荷とし、右斜線のハッチングを読み出しゲート１４および各転送電極Ｂ１〜Ｂ３によって形成されるウェルとし、フォトダイオード１１（各図では『ＰＤ』）における細かい右斜線のハッチングを露光中とする。また、本実施例では、Ｎ＝３とし、撮影周期をＴとする。
【００３２】
従来では、図４に示すように、先ず、電子シャッタ（図示省略）を駆動させてフォトダイオード１１を遮光状態から露光可能な状態（図４中の『ＰＤ』の細かい右斜線のハッチングを参照）にして、フォトダイオード１１による光電変換を行う。撮影周期Ｔの間に、光から信号電荷にフォトダイオード１１によって光電変換している状態で、読み出しゲート１４のゲート電極（図４中の『ＴＧ』を参照）を『Ｈｉｇｈ』にするとともに、転送電極Ｂ１を『Ｈｉｇｈ』にする。すると、読み出しゲート１４によってウェル（図４中の『ＴＧ』の右斜線のハッチングを参照）が形成されるとともに、転送電極Ｂ１によってウェル（図４中の『Ｃ１』の『Ｂ１』の右斜線のハッチングを参照）が形成される。そして、この撮影周期Ｔの間に、フォトダイオード１１（図４中の『ＰＤ』の左斜線のハッチングを参照）からそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（図４中の『Ｃ１』の『Ｂ１』の右斜線のハッチングを参照）へ読み出しゲート１４は信号電荷（ａ）を読み出す。
【００３３】
この蓄積用ＣＣＤセル１２（図４中の『Ｃ１』を参照）の内部では、撮影周期Ｔに対して各転送電極Ｂ１〜Ｂ３を図４に示すタイミングで『Ｌｏｗ』から『Ｈｉｇｈ』に切り換えて電気的に駆動することで、各転送電極Ｂ１〜Ｂ３によってウェル（図４中の『Ｃ１』の『Ｂ１』〜『Ｂ３』の右斜線のハッチングを参照）がそれぞれ形成される。そして、この蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）ではフォトダイオード１１から読み出された信号電荷（ａ）を内部で、転送電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の順に撮影周期Ｔで１回だけ転送する。
【００３４】
そして、転送電極Ｂ３まで転送された信号電荷（ａ）については、この蓄積用ＣＣＤセル１２（図４中の『Ｃ１』を参照）にさらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（図４中の『Ｃ２』を参照）に転送する。この転送についても撮影周期Ｔの間に行われる。以下、フォトダイオード１１に隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）と同様の手順で、さらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）内部で、転送電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の順に撮影周期Ｔで１回だけ転送し、この蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）にさらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ３）に転送する。後段の各蓄積用ＣＣＤセル１２、垂直転送用ＣＣＤセル１３においても同じ手順で信号電荷（ａ）の転送を行う。
【００３５】
このように、撮影周期Ｔに対して電子シャッタ（図示省略）や読み出しゲート１４や転送電極Ｂ１〜Ｂ３を電気的に駆動することで、撮影周期Ｔに対してフォトダイオード１１とそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル（セルＣ１）とを電気的に駆動する。そして、信号電荷（ａ）については撮影周期Ｔの間に、フォトダイオード１１からそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）へ信号電荷を１回だけ読み出して、同じ撮影周期Ｔの間に、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）からの信号電荷（ａ）をさらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）に１回だけ転送する。以下、同様の手順で、撮影周期Ｔの間に、隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２または垂直転送用ＣＣＤセル１３に信号電荷（ａ）を１回だけ転送する。信号電荷（ａ）の読み出しから撮影周期Ｔ後に読み出される信号電荷（ｂ）、信号電荷（ｂ）の読み出しから、さらに撮影周期Ｔ後に読み出される信号電荷（ｃ）についても、同じ手順で読み出し・転送が撮影周期Ｔの間に１回ずつ行われる。
【００３６】
なお、フォトダイオード１１が信号電荷を光電変換する以外の状態は遮光状態である。この遮光状態の間にオーバーフローゲートＯＦＧのゲート電極を『Ｈｉｇｈ』にして、フォトダイオード１１からの電荷の余剰分をオーバーフロードレインＯＦＤに排出する。
【００３７】
この従来の図４では、高速撮像のように短い撮影周期Ｔ（例えば１００μｓ以下）の時間が、すなわち暗電流が発生しないような界面準位が電子で満たされるまでの時間の場合には、Ｎ（本実施例では３）回に分けなくても撮影周期Ｔの間に、フォトダイオード１１からそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）へ信号電荷を１回だけ読み出して、同じ撮影周期Ｔの間に、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）からの信号電荷さらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）に１回だけ転送すればよい。したがって、図５で後述するフォトダイオード１１に隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）内部での転送や加算（ビニング）を行わなくてもよい。なお、本実施例では３相駆動でＣＣＤ１を駆動するので、従来においても各ＣＣＤセル１２，１３内部で転送が転送電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の順に撮影周期Ｔで行われる。
【００３８】
しかし、ビデオレートのように長い撮影周期Ｔ（例えば１ｍｓ以上）の時間が、暗電流の起因となる界面準位が電子で満たされる程度の時間の場合には、暗電流が発生しないような電子が満たされるまでの時間で撮影周期Ｔの時間を除算して得られた値（商）をＮとし、Ｎ回に分割して、図５に示すように読み出し・内部での加算再生が行われ、通常の撮影周期Ｔでさらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２や後段の各ＣＣＤセル１２，１３に１回だけ転送される。
【００３９】
例えば、撮影周期Ｔが１ｍｓであって、この１ｍｓ程度の時間で界面準位が電子で満たされ、１ｍｓを３で除算した約０．３３ｍｓ程度の時間では界面準位が電子で満たされないとする。この場合には、暗電流が発生しないような電子が満たされるまでの時間（約０．３３ｍｓ（＝１／３ｍｓ））で撮影周期Ｔの時間（１ｍｓ）を除算して得られた値が３となるので、上述したようにＮを３とする。
【００４０】
より具体的に説明すると、図５に示すように、先ず、電子シャッタ（図示省略）を駆動させてフォトダイオード１１を遮光状態から露光可能な状態（図５中の『ＰＤ』の細かい右斜線のハッチングを参照）にして、フォトダイオード１１による光電変換を行う。撮影周期Ｔに対してＮ回に分割された撮影周期Ｔ／Ｎ（本実施例ではＴ／３）の間に、フォトダイオード１１（図５中の『ＰＤ』の左斜線のハッチングを参照）からそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（図５中の『Ｃ１』の『Ｂ１』の右斜線のハッチングを参照）へ読み出しゲート１４は信号電荷（ａ）を読み出す。信号電荷（ａ）の読み出しから分割撮影周期Ｔ／Ｎ後に、同じ分割撮影周期Ｔ／Ｎの間に信号電荷（ｂ）の読み出しを行い、その信号電荷（ｂ）の読み出しから、さらに分割撮影周期Ｔ／Ｎ後に信号電荷（ｃ）の読み出しを行う。つまり、撮影周期Ｔの間に、フォトダイオード１１からそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）へ信号電荷を信号電荷（ａ），（ｂ），（ｃ）の順にＮ回（本実施例では３回）に分割して読み出す。
【００４１】
そして、分割撮影周期Ｔ／Ｎの間に、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）ではフォトダイオード１１から読み出された信号電荷（ａ）を内部で、転送電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の順に転送した後に、再度転送電極Ｂ２，Ｂ１の順に転送する。つまり、撮影周期Ｔの間に、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）ではフォトダイオード１１から読み出された信号電荷をＮ回（本実施例では３回）分転送する。この転送については、撮影周期Ｔに対して転送電極Ｂ１〜Ｂ３を図５に示すタイミングで分割撮影周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動することで実現することができる。
【００４２】
信号電荷（ａ）が再度に転送電極Ｂ１に転送されたタイミングに合わせて、光から信号電荷（ｂ）にフォトダイオード１１によって光電変換している状態で、読み出しゲート１４のゲート電極（図５中の『ＴＧ』を参照）を『Ｈｉｇｈ』にする。すると、フォトダイオード１１からそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）へ読み出しゲート１４は信号電荷（ｂ）を読み出す。そして、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）では、内部での信号電荷（ａ）と新たに読み出された信号電荷（ｂ）とを分割撮影周期Ｔ／Ｎの間に加算する。この信号電荷の加算を、本明細書中では『ビニング』と定義づける。
【００４３】
加算された信号電荷（図５中では『（ａ）＋（ｂ）』）を、分割撮影周期Ｔ／Ｎの間にその隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）内部で、転送電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の順に転送した後に、再度転送電極Ｂ２，Ｂ１の順に転送する。以下、信号電荷（ａ）と同様の手順で、加算された信号電荷『（ａ）＋（ｂ）』が再度に転送電極Ｂ１に転送されたタイミングに合わせて、光から信号電荷（ｃ）にフォトダイオード１１によって光電変換している状態で、読み出しゲート１４のゲート電極を『Ｈｉｇｈ』にする。すると、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）では、内部での信号電荷『（ａ）＋（ｂ）』と新たに読み出された信号電荷（ｃ）とを分割撮影周期Ｔ／Ｎの間に加算（ビニング）する。つまり、撮影周期Ｔの間に、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）では、同じ蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）内部での信号電荷と新たに読み出された信号電荷とを（Ｎ−１）回（本実施例では２（＝３−１）回）分加算（ビニング）する。加算された結果の信号電荷は、図５に示すように、『（ａ）＋（ｂ）＋（ｃ）』となって再生される。
【００４４】
そして、撮影周期Ｔの間に、その隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）で加算された信号電荷（図５中では『（ａ）＋（ｂ）＋（ｃ）』）をさらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル（セルＣ２）に１回だけ転送する（図５中の『転送』を参照）。
【００４５】
このように、撮影周期Ｔに対して電子シャッタ（図示省略）や読み出しゲート１４や転送電極Ｂ１〜Ｂ３を分割撮影周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動することで、撮影周期Ｔに対してフォトダイオード１１とそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル（セルＣ１）とを分割撮影周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動する。そして、加算された結果の信号電荷『（ａ）＋（ｂ）＋（ｃ）』については、フォトダイオード１１に隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）と同様の手順で、さらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）内部で、転送電極Ｂ１〜Ｂ３の分割撮影周期Ｔ／Ｎごとの電気的な駆動に合わせて、転送電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ２，Ｂ１の順に分割撮影周期Ｔ／Ｎの間にＮ回分行う。そして、この蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）にさらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ３）に転送する。後段の各ＣＣＤセル１２，１３においても同じ手順で信号電荷『（ａ）＋（ｂ）＋（ｃ）』の転送を行う。ただし、後段の各ＣＣＤセル１２，１３ではビニング動作を行わずに、そのビニング動作を行うという点については、フォトダイオード１１に隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）と異なる。
【００４６】
信号電荷（ｃ）の読み出しから分割撮影周期Ｔ／Ｎ後に読み出される信号電荷（ｄ）、信号電荷（ｄ）の読み出しから、さらに分割撮影周期Ｔ／Ｎ後に読み出される信号電荷（ｅ）についても、同じ手順でＮ回に分割して駆動・分割読み出し・加算再生が撮影周期Ｔの間に行われる。
【００４７】
このように、各蓄積用ＣＣＤセル１２内の転送電極Ｂ１〜Ｂ３は、（セルＣ１も含む）各ＣＣＤセル１２，１３内で信号電荷を転送しつつ各ウェルで記憶する機能を有する。また、蓄積用ＣＣＤセル１２（または垂直転送用ＣＣＤセル１３）の転送電極Ｂ３とそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（または垂直転送用ＣＣＤセル１３）の転送電極Ｂ１とは、各転送電極Ｂ３，Ｂ１をともに『Ｈｉｇｈ』に切り換えることで、互いに隣接するセル間でウェルが形成され、そのウェルを介して蓄積用ＣＣＤセル１２（または垂直転送用ＣＣＤセル１３）での信号電荷を隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（または垂直転送用ＣＣＤセル１３）に転送する機能を有する。
【００４８】
上述したＣＣＤ１の駆動方法およびＣＣＤ１を用いた撮像装置によれば、撮影周期Ｔに対してフォトダイオード１１の電子シャッタ（図示省略）、読み出しゲート１４、蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１，セルＣ２，…）の転送電極Ｂ１〜Ｂ３を分割撮影周期Ｔ／Ｎ（本実施例では３）で電気的に駆動することで、撮影周期Ｔに対してフォトダイオード１１と蓄積用ＣＣＤセル１２とを各々周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動する。この撮影周期Ｔの間にフォトダイオード１１からそれに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）へ信号電荷（ａ），（ｂ），（ｃ）をＮ分割（本実施例では３分割）読み出ししつつ加算し、加算された信号電荷『（ａ）＋（ｂ）＋（ｃ）』を撮影周期Ｔの間に１回だけその隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ１）からさらに隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）へ転送する。したがって、周期Ｔの１／Ｎの時間ごとに蓄積用ＣＣＤセル１２に関する駆動（ここでは転送電極Ｂ１〜Ｂ３のゲート電極）が少なくとも１回リセット電圧になり、ゲート下の界面準位に存在する電子を空にするので、転送された結果の信号電荷に付加される暗電流を抑制することができる。
【００４９】
本実施例では、フォトダイオード１１に隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）のみならず、その蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）よりも後段の他のＣＣＤセル１２，１３、すなわち信号電荷の転送方向から見て下流側の他のＣＣＤセル１２，１３においても、加算された信号電荷の状態で、各ＣＣＤセル１２，１３内部で、転送電極Ｂ１〜Ｂ３の分割撮影周期Ｔ／Ｎごとの電気的駆動に合わせて、撮影周期Ｔの間で転送電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ２，Ｂ１の順にＮ回分転送を行っている。つまり、他のＣＣＤセル１２，１３においても、加算された信号電荷の状態で各ＣＣＤセル１２，１３を撮影周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動して、各ＣＣＤセル１２，１３内部で転送電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ２，Ｂ１の順に転送を行っている。この場合には、後段の各ＣＣＤセル１２，１３においても、撮影周期Ｔの１／Ｎごとに各ＣＣＤセル１２，１３に関する駆動（ここでは転送電極Ｂ１〜Ｂ３のゲート電極）が少なくとも１回リセットになり、ゲート下の界面準位に存在する電子を空にするので、転送された結果の信号電荷に付加される暗電流をより一層抑制することができる。
【００５０】
このようなＣＣＤ１を撮像装置に用いるために、装置は、上述した駆動・分割読み出し・加算（ビニング）再生の駆動制御を行う電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂを備えている。このような電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂを備えることで、暗電流を抑制することができる。そして、暗電流が抑制されたＳ／Ｎ比の高い出力信号（ここでは電気信号）を用いて被写体の２次元画像を作成することができるとともに、そのＳ／Ｎ比の高い画像を得た状態で撮像を行うことができる。
【００５１】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００５２】
（１）上述した実施例では、光電変換手段としてフォトダイオードを例に採って説明したが、これに限定されない。例えば、フォトゲートを光電変換手段として用いてもよい。
【００５３】
（２）上述した実施例では、『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』を例に採って説明したが、ライン状の蓄積用ＣＣＤセルを垂直方向に延在するように構成した撮像素子にもこの発明は適用することができる。
【００５４】
（３）上述した実施例では、Ｎ＝３であったが、Ｎが２以上であれば、Ｎの値については特に限定されない。また、界面準位が電子で満たされる時間がＣＣＤの構造などで変動するので、暗電流が発生しないような界面準位が電子で満たされるまでの時間と、暗電流の起因となる界面準位が電子で満たされる程度の時間とを考慮して、Ｎを決定すればよい。
【００５５】
（４）上述した実施例のように、ビデオレートのように撮影周期Ｔが長い場合には、図５に示すように、撮影周期Ｔに対して周期Ｔ／Ｎでの電気的に駆動、撮影周期Ｔの間にＮ分割での読み出し・加算再生を行い、一方、高速撮像のように撮影周期Ｔが短い場合には、図４に示すように、Ｎ回に分割しなくても撮影周期Ｔの間に読み出し・転送を行うというように撮影に合わせて自在に切り換えてもよい。
【００５６】
（５）上述した実施例では、フォトダイオード１１に隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）のみならず、その蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）よりも後段の他のＣＣＤセル１２，１３においても、加算された信号電荷の状態で各ＣＣＤセル１２，１３を周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動したが、隣接する蓄積用ＣＣＤセル１２（セルＣ２）以外の後段の他のＣＣＤセル１２，１３については、必ずしも周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動する必要がなく、撮影周期Ｔで電気的に駆動してもよい。ただし、後段のＣＣＤセル１２，１３においても転送電極Ｂ１〜Ｂ３を撮影周期Ｔの１／Ｎごとにリセットして、ゲート下の界面準位に存在する電子を空にして暗電流を抑制することを考慮すれば、後段のＣＣＤセル１２，１３でも、加算された信号電荷について各ＣＣＤセル１２，１３を周期Ｔ／Ｎで電気的に駆動するのがより好ましい。
【００５７】
（６）この発明では、いずれの撮像方式においても適用することができる。撮像方式としては、主にＩＬ(Interline)方式、ＦＴ(Frame Transfer)方式、ＦＦＴ(Full Frame Transfer)方式、ＦＩＴ(Frame Interline Transfer)方式などがある。これらの方式に合わせて撮像素子の構造も変化する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施例に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図である。
【図２】実施例に係るＣＣＤの構成を示すブロック図である。
【図３】ＣＣＤ内の信号電荷を転送する転送電極と各ＣＣＤセルとの関係を示すブロック図である。
【図４】本実施例の図５の比較のための従来の駆動処理に関するタイミングチャートである。
【図５】本実施例に係る駆動処理に関するタイミングチャートである。
【図６】暗電流が発生するときのメカニズムを模式的に表した説明図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  …  ＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）
９ａ  …  電源部
９ｂ  …  タイミングジェネレータ
１１  …  フォトダイオード
１２  …  蓄積用ＣＣＤセル
１３  …  垂直転送用ＣＣＤセル
１４  …  読み出しゲート
Ｔ  …  撮影周期
Ｂ１〜Ｂ３  …  転送電極
【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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【図６】
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