(57)【要約】【課題】消費電力の増大、水平転送部の周波数の変更を避けながら、スミア等のノイズを低減する固体撮像装置及びその駆動方法と、該固体撮像装置を用いたカメラとを提供する。【解決手段】固体撮像装置は、複数の列を含む行列状に配列されたフォトダイオード４と、フォトダイオード４の列毎に設けられ、対応するフォトダイオード４の列に含まれる複数のフォトダイオード４から電荷を読み出すと共に、読み出した電荷を垂直方向に転送する複数の第１垂直ＣＣＤ１と、電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ２と、電荷を排出するためのドレイン７とを備える。第１垂直ＣＣＤ１により転送された電荷を、水平ＣＣＤ２及びドレイン７のいずれかに転送する転送部６と、転送部６から水平ＣＣＤ２及びドレイン７のいずれに電荷が転送されるかを制御する駆動制御部１５とを更に備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の列を含む行列状に配列された複数のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの列毎に設けられ、対応する前記フォトダイオードの列に含まれるそれぞれの前記フォトダイオードから電荷を読み出すと共に、読み出した前記電荷を垂直方向に転送する複数の第１垂直ＣＣＤと、
前記電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤと、
前記電荷を排出するためのドレインと、
前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を、前記水平ＣＣＤ及び前記ドレインのいずれかに転送する転送部と、
前記転送部から前記水平ＣＣＤ及び前記ドレインのいずれに前記電荷が転送されるかを制御する駆動制御部とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１の固体撮像装置において、
前記駆動制御部は、第１の駆動モード及び第２の駆動モードを備え、
前記第１の駆動モードにおいて、前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷の一部を前記ドレインに排出し、
前記第２の駆動モードにおいて、前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を実質的に全て前記水平ＣＣＤに転送し、
前記駆動制御部は、１フレーム期間内に、前記第１の駆動モードと前記第２の駆動モードとの切り替えを行なうことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２の固体撮像装置において、
前記駆動制御部は、高速転送モードを更に備え、
前記高速転送モードにおいて、前記第１垂直ＣＣＤは、前記第１の駆動モード及び前記第２の駆動モードに比べて高速に前記電荷を転送すると共に、前記水平ＣＣＤは、複数の前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を一度に転送し、
前記駆動制御部は、１フレーム期間内に、前記第１の駆動モードと、前記第２の駆動モードと、前記高速転送モードとの切り替えを行なうことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの固体撮像装置において、
前記駆動制御部は、全画素読み出し駆動及び間引き駆動を行ない、
前記全画素読み出し駆動において、前記第１垂直ＣＣＤは前記フォトダイオードの列の全ての前記フォトダイオードから電荷を読み出して転送し、
前記間引き駆動において、前記第１垂直ＣＣＤは、前記フォトダイオードの列のうち、隣接する所定個数の前記フォトダイオード毎に１つだけから電荷を読み出して転送すると共に、他の前記フォトダイオードに対応する空パケットを転送し、
前記間引き駆動において、前記空パケットの一部が前記ドレインに排出されることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの固体撮像装置において、
前記転送部は、１つ又は複数の前記第１垂直ＣＣＤ毎に対応して設けられ、
それぞれの前記転送部は、
分岐部及び前記分岐部と前記水平ＣＣＤとの間にポテンシャルバリアを形成する垂直ＣＣＤ最終ゲートを有する第２垂直ＣＣＤと、
前記分岐部と前記ドレインとの間にポテンシャルバリアを形成するドレインゲートとを備え、
前記第２垂直ＣＣＤは、対応する１つ又は複数の前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を前記水平ＣＣＤ及び前記ドレインのいずれかに転送することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５の固体撮像装置において、
前記転送部は、複数の前記第１垂直ＣＣＤ毎に対応して設けられ、
それぞれの前記転送部は、対応する前記複数の第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷をいずれも前記第２垂直ＣＣＤに転送する合流部を更に備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
請求項５又は６の固体撮像装置において、
前記駆動制御部は、前記ドレインゲートに印加する電圧又はパルスを制御することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つの固体撮像装置と、
入射光を前記固体撮像装置の撮像面に結像させるためのレンズを含む光学系と、
前記固体撮像装置を制御する制御部と、
前記固体撮像装置からの出力信号に対して処理を行なう画像処理部とを備えることを特徴とするカメラ。
【請求項９】
請求項８のカメラにおいて、
前記画像処理部は、前記固体撮像装置の前記水平ＣＣＤから出力される出力信号のうち、スミア成分が異なる信号間の差分を求めることによりスミア量を検出すると共に、前記スミア量に基づいて前記出力信号中のスミア成分を除去して画像信号を得ることを特徴とするカメラ。
【請求項１０】
複数の列を含む行列状に配列されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの列毎に設けられ、対応する前記フォトダイオードの列に含まれる複数の前記フォトダイオードから電荷を読み出すと共に、読み出した前記電荷を垂直方向に転送する複数の第１垂直ＣＣＤと、
前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤと、
前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を排出するためのドレインと、
前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を、前記水平ＣＣＤ及び前記ドレインのいずれかに転送する転送部と、
前記転送部から前記水平ＣＣＤ及び前記ドレインのいずれに前記電荷が転送されるかを制御する駆動制御部とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷の一部を前記ドレインに排出する第１の駆動モードと、
前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を実質的に全て前記水平ＣＣＤに転送する第２の駆動モードとを備え、
１フレーム期間内に、前記第１の駆動モードと、前記第２の駆動モードとの切り替えを行なうことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１１】
請求項１０の固体撮像装置の駆動方法において、
高速転送モードを更に備え、
前記高速転送モードにおいて、前記第１垂直ＣＣＤは、前記第１の駆動モード及び前記第２の駆動モードに比べて高速に前記電荷を転送すると共に、前記水平ＣＣＤは、複数の前記第１垂直ＣＣＤにより転送された前記電荷を一度に転送し、
１フレーム期間内に、前記第１の駆動モードと、前記第２の駆動モードと、前記高速転送モードとの切り替えを行なうことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
請求項１０又は１１の固体撮像装置の駆動方法において、
全画素読み出し駆動及び間引き駆動を行ない、
前記全画素読み出し駆動において、前記第１垂直ＣＣＤは前記フォトダイオードの列の全ての前記フォトダイオードから電荷を読み出して転送し、
前記間引き駆動において、前記第１垂直ＣＣＤは、前記フォトダイオードの列のうち、隣接する所定個数の前記フォトダイオード毎に１つだけから電荷を読み出して転送すると共に、他の前記フォトダイオードに対応する空パケットを転送し、
前記間引き駆動において、前記空パケットの一部を前記ドレインに排出す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】
本開示は、固体撮像装置及びその駆動方法と該固体撮像装置を用いるカメラに関し、特に、間引き駆動におけるスミア、暗電流等のノイズを低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子を用いて静止画や動画を撮影する機器として、デジタルカメラ等が知られている。近年、固体撮像素子を用いたカメラは画質及び機能の更なる向上が求められている。
【０００３】
多くの固体撮像装置は複数の駆動モードを有する。高いフレームレートが求められるモニターモード等においては、読み出す画素を間引くことによって、出力映像信号中の画素数を減らす間引き駆動方法がとられている。間引き駆動を用いると、スミア、暗電流等のノイズ成分が増加し、画質に影響を与える。このことについて、図１９（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する（特許文献１を参照）。
【０００４】
図１９（ａ）及び（ｂ）において、フォトダイオード１０４が２次元状に配置され、その列毎に垂直転送部１０１が備えられている。フォトダイオード１０４から垂直転送部１０１に電荷が読み出され、垂直方向に転送された後、水平転送部１０２によって更に水平方向に転送される。その後、電荷検出部１０３に出力される。また、白抜きの丸（○）は垂直転送部１０１上におけるノイズ成分を示し、黒塗りの丸（●）は水平ブランキング期間１回に転送されるノイズ成分を含む信号成分を示す。
【０００５】
図１９（ａ）は、静止画撮像モード等に用いられる全画素読み出し駆動を示す。この場合、全画素（フォトダイオード１０４）について、光電変換された信号電荷（黒塗りの四角■により示す）を同一時刻に垂直転送部１０１に読み出す。更に、垂直転送部１０１中において混合することなく独立して垂直方向に転送し、続いて水平転送部１０２によって水平方向に転送し、電荷検出部１０３を介して読み出す。
【０００６】
全画素読み出し駆動の場合、１つの垂直転送部１０１における水平ブランキング期間あたりの転送画素数は、１画素である。また、１回に出力される信号画素数は１画素であり、出力信号に含まれるノイズ量は１パケット分である。尚、ここでは、全画素読み出し駆動であってもメカニカルシャッターは使わないことを前提としている。
【０００７】
これに対し、図１９（ｂ）は、モニターモード等に用いられる間引き読み出し駆動を示す。この場合、垂直方向について、例えば１画素おきに読み出しを間引く。つまり、奇数行の（図１９（ｂ）において奇数１、３、５……が振られた）画素（フォトダイオード１０４）の信号電荷のみを垂直転送部１０１に読み出す。垂直転送部１０１には、読み出しを間引いたことによって発生した空パケットが存在することになる。
【０００８】
読み出しの後、信号パケットと空パケットとを対にして垂直方向に転送し、更に、対になった２パケット分の電荷を水平転送部１０２中にて混合すると共に水平方向に転送し、電荷検出部１０３を介して読み出す。
【０００９】
従って、間引き読み出し駆動の場合、信号電荷が読み出されない空パケットが存在し、当該空パケットのノイズ成分が信号電荷に混合されることになる。この結果、１画素分の信号成分に対して２パケット分のノイズ成分が含まれることになり、Ｓ／Ｎ比が２倍（６ｄＢ）悪化することになる。
【００１０】
ここで、垂直転送と同方向に乗るスミア及び暗電流等のノイズ成分を除去するために、同一の水平転送部における遮光された領域（ＯＢ部）の画素情報を用いてスミア成分の除去を行なう方法が知られている。
【００１１】
また、特許文献１に開示された技術によると、空パケットの成分をプリセット相、信号パケットの成分をデータ相に乗せて出力させる。後段の信号処理系において、信号出力におけるデータ相の成分と、プリセット相の成分との差分を取ることにより、スミア量を検出してスミア及び暗電流等のノイズを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−２９９８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上に説明したような固体撮像装置において、高いフレームレートを実現するために、画面の上下の一部領域における信号を高速転送し、中央部の画像を切り出す駆動方法を用いることがある。この場合、高速転送が行なわれる領域と行なわれない領域とでは、転送時間が異なることから、スミア成分も異なる。これに起因して、ＯＢ部の画素情報を用いてスミア成分の除去を行なう場合、補正が過剰に行なわれてしまう。
【００１４】
また、特許文献１の技術によると、空パケットと信号パケットとを分離した状態にて水平転送を行なうので、水平転送部は、水平方向の画素に対して２倍の密度のパケット列にて構成される必要がある。この結果、垂直転送部の一列に対する水平転送部の面積が大きくなり、素子の微細化に不適である。また、水平転送部を水平方向の画素に対して２倍の密度とすると、フレームレートを維持するためには、水平転送部の駆動周波数を２倍に設定する必要がある。これは、駆動回路の複雑化及び消費電力の増大に繋がる。更に、１つの信号パケットに対して２つ（以上）の空パケットが存在する場合も考えられる。この場合、水平転送部を３倍（以上）の密度に設計しなければならず、微細化の困難、消費電力の増大及び転送効率の劣化等が更に問題となる。
【００１５】
以上に鑑み、本開示の目的は、消費電力の増大、水平転送部の周波数の変更を避けながら、スミア等のノイズを低減することができる固体撮像装置及びその駆動方法と、固体撮像装置を用いたカメラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の目的を達成するために、本開示の固体撮像装置は、複数の列を含む行列状に配列された複数のフォトダイオードと、フォトダイオードの列毎に設けられ、対応するフォトダイオードの列に含まれるそれぞれのフォトダイオードから電荷を読み出すと共に、読み出した電荷を垂直方向に転送する複数の第１垂直ＣＣＤと、電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤと、電荷を排出するためのドレインと、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を、水平ＣＣＤ及びドレインのいずれかに転送する転送部と、転送部から水平ＣＣＤ及びドレインのいずれに電荷が転送されるかを制御する駆動制御部とを備える。
【００１７】
このような固体撮像装置によると、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を選択的にドレインに排除し、水平ＣＣＤには転送されないようにすることができる。従って、間引き読み出し駆動の場合に発生する空パケットについて、信号電荷に混合するか、排除するかを選択することができる。これを利用すると、信号電荷に含まれるスミア成分が異なる出力信号を得て、それらの差分からスミア成分を検出することができ、更には信号成分のみを得ることができる。これにより、スミアが改善された画像信号を得ることができる。
【００１８】
更に、本開示の固体撮像装置の場合、水平方向の画素数に対して水平ＣＣＤの密度を高くすること（更に、水平ＣＣＤの密度に応じて駆動周波数を上げること）は不要である。従って、微細化に対応しやすく、且つ、消費電力の増大を抑制することができる。
【００１９】
尚、駆動制御部は、第１の駆動モード及び第２の駆動モードを備え、第１の駆動モードにおいて、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷の一部をドレインに排出し、第２の駆動モードにおいて、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を実質的に全て水平ＣＣＤに転送し、駆動制御部は、１フレーム期間内に、第１の駆動モードと第２の駆動モードとの切り替えを行なっても良い。
【００２０】
このような固体撮像装置において、第１の駆動モードにおいて空パケットをドレインに排出し、第２の駆動モードにおいては空パケットを排出せず信号電荷に混合することにより、前記のようにスミアが改善された画像信号を得ることができる。ここで、電荷を実質的に全て水平ＣＣＤに転送するとは、電荷の意図的な排除を行なわないことを意味する。
【００２１】
また、駆動制御部は、高速転送モードを更に備え、高速転送モードにおいて、第１垂直ＣＣＤは、第１の駆動モード及び第２の駆動モードに比べて高速に電荷を転送すると共に、水平ＣＣＤは、複数の第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を一度に転送し、駆動制御部は、１フレーム期間内に、第１の駆動モードと、第２の駆動モードと、高速転送モードとの切り替えを行なっても良い。
【００２２】
スミア成分を除去するために、遮光された画素からの信号を利用することが知られている。しかしながら、高速転送モードを用いる場合、通常の転送モードとは転送時間が異なるのでスミア成分も異なり、遮光された画素を利用する補正が行なえない。これに対し、本開示の固体撮像装置の場合、空パケットを利用してスミア成分の除去を行なうので、高速転送を含む駆動を行なう場合にも他の場合と同様に補正を行なうことができる。
【００２３】
また、駆動制御部は、全画素読み出し駆動及び間引き駆動を行ない、全画素読み出し駆動において、第１垂直ＣＣＤはフォトダイオードの列の全てのフォトダイオードから電荷を読み出して転送し、間引き駆動において、第１垂直ＣＣＤは、フォトダイオードの列のうち、隣接する所定個数のフォトダイオード毎に１つだけから電荷を読み出して転送すると共に、他のフォトダイオードに対応する空パケットを転送し、間引き駆動において、空パケットの一部がドレインに排出されても良い。
【００２４】
このようにして、間引き駆動行なう場合にもスミアが改善された画像信号を得ることができる。
【００２５】
また、転送部は、１つ又は複数の第１垂直ＣＣＤ毎に対応して設けられ、それぞれの転送部は、分岐部及び分岐部と水平ＣＣＤとの間にポテンシャルバリアを形成する垂直ＣＣＤ最終ゲートを有する第２垂直ＣＣＤと、分岐部とドレインとの間にポテンシャルバリアを形成するドレインゲートとを備え、第２垂直ＣＣＤは、対応する１つ又は複数の第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を水平ＣＣＤ及びドレインのいずれかに転送するのであっても良い。
【００２６】
このようにすると、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を、ドレイン及び水平ＣＣＤのいずれかに転送することができる。
【００２７】
また、転送部は、複数の第１垂直ＣＣＤ毎に対応して設けられ、それぞれの転送部は、対応する複数の第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷をいずれも第２垂直ＣＣＤに転送する合流部を更に備えていても良い。
【００２８】
このようにすると、複数の第１垂直ＣＣＤに対して１つの転送部を備える構造となり、ドレインを形成するためのスペースを確保することができる。従って、微細化に対応した本開示の固体撮像装置を実現できる。
【００２９】
また、駆動制御部は、ドレインゲートに印加する電圧又はパルスを制御しても良い。
【００３０】
転送部のドレインゲートを制御するために、このようにしても良い。
【００３１】
次に、本開示のカメラは、本開示のいずれか１つの固体撮像装置と、入射光を固体撮像装置の撮像面に結像させるためのレンズを含む光学系と、固体撮像装置を制御する制御部と、固体撮像装置からの出力信号に対して処理を行なう画像処理部とを備える。
【００３２】
尚、画像処理部は、固体撮像装置の水平ＣＣＤから出力される出力信号のうち、スミア成分が異なる信号間の差分を求めることによりスミア量を検出すると共に、スミア量に基づいて出力信号中のスミア成分を除去して画像信号を得ても良い。
【００３３】
このようなカメラによると、高いフレームレートが求められるモニターモード等においても、スミアが抑制された高画質な画像を得ることができる。
【００３４】
次に、本開示の固体撮像装置の駆動方法は、複数の列を含む行列状に配列されたフォトダイオードと、フォトダイオードの列毎に設けられ、対応するフォトダイオードの列に含まれる複数のフォトダイオードから電荷を読み出すと共に、読み出した電荷を垂直方向に転送する複数の第１垂直ＣＣＤと、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤと、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を排出するためのドレインと、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を、水平ＣＣＤ及びドレインのいずれかに転送する転送部と、転送部から水平ＣＣＤ及びドレインのいずれに電荷が転送されるかを制御する駆動制御部とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷の一部をドレインに排出する第１の駆動モードと、第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を実質的に全て水平ＣＣＤに転送する第２の駆動モードとを備え、１フレーム期間内に、第１の駆動モードと、第２の駆動モードとの切り替えを行なう。
【００３５】
このような固体撮像装置の駆動方法によると、スミアが改善された画像信号を得ることができる。
【００３６】
尚、高速転送モードを更に備え、第１垂直ＣＣＤは、第１の駆動モード及び第２の駆動モードに比べて高速に電荷を転送すると共に、水平ＣＣＤは、複数の第１垂直ＣＣＤにより転送された電荷を一度に転送し、１フレーム期間内に、第１の駆動モードと、第２の駆動モードと、高速転送モードとの切り替えを行なっても良い。
【００３７】
このようにすると、高速転送を含む駆動を行なう場合にも補正を行なうことができる。
【００３８】
また、全画素読み出し駆動及び間引き駆動を行ない、全画素読み出し駆動において、第１垂直ＣＣＤはフォトダイオードの列の全てのフォトダイオードから電荷を読み出して転送し、間引き駆動において、第１垂直ＣＣＤは、フォトダイオードの列のうち、隣接する所定個数のフォトダイオード毎に１つだけから電荷を読み出して転送すると共に、他のフォトダイオードに対応する空パケットを転送し、間引き駆動において、空パケットの一部をドレインに排出しても良い。
【００３９】
このようにして、間引き駆動行なう場合にもスミアが改善された画像信号を得ることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本開示の技術によると、駆動周波数及び水平転送部の密度の変更を伴わずに、スミア成分及び暗電流成分等のノイズを低減することができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することができる。また、当該固体撮像装置を利用し、高画質の画像を得られるカメラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本開示の一実施形態の例示的固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１における転送部付近についてより詳しく示すブロック図である。
【図３】図３は、一実施形態の固体撮像装置について、第１の駆動モードにおけるタイミングチャートである。
【図４】図４は、一実施形態の固体撮像装置について、第２の駆動モードにおけるタイミングチャートである。
【図５】図５は、一実施形態の固体撮像装置について、第３の駆動モードにおいてストレージゲートまで電荷が転送された状態を示すブロック図である。
【図６】図６は、図５に示す状態の後、信号パケットと空パケットが混合された状態を示すブロック図である。
【図７】図７は、図６に示す状態の後、垂直ＣＣＤの一方の混合信号を水平ＣＣＤに転送した状態を示すブロック図である。
【図８】図８は、図７に示す状態の後、残されたもう一方の混合信号を水平ＣＣＤに転送した状態を示すブロック図である。
【図９】図９は、図８に示す状態の後、ストレージゲートまで電荷が転送された状態を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、図９に示す状態の後、垂直ＣＣＤの一方の信号電荷を水平ＣＣＤに転送した状態を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す状態の後、残されたもう一方の信号電荷を水平ＣＣＤに転送した状態を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す状態の後、空パケットの信号を第２垂直ＣＣＤまで転送した状態を示すブロック図
【図１３】図１３は、図１２に示す状態の後、ドレインに空パケットの信号を排出した状態を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す状態の後、ストレージゲートまで電荷が転送された状態を示すブロック図である。
【図１５】図１５は、図１４に示す状態の後、空パケットが混合される信号電荷と混合されない信号電荷を示すブロック図である。
【図１６】図１６は、出力信号を処理する後段回路の構成を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、本開示の実施形態の第１の変形例において、空パケットが混合される信号電荷と混合されない信号電荷を示すブロック図である。
【図１８】図１８は、本開示の実施形態の第２の変形例において、空パケットが混合される信号電荷と混合されない信号電荷を示すブロック図である。
【図１９】図１９（ａ）及び（ｂ）は、背景技術の固体撮像装置について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下に、本開示の一実施形態における固体撮像装置及びその駆動方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４３】
図１は、本実施形態の例示的固体撮像装置５０の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、固体撮像装置５０において、フォトダイオード４が複数の列を含む行列状に設けられている。それぞれのフォトダイオード４の列に対し、第１垂直ＣＣＤ１が設けられている。第１垂直ＣＣＤ１は、対応する列のフォトダイオード４から読み出し部５を介して電荷を読み出し、読み出された電荷を垂直方向に転送する。
【００４４】
複数（図１の例では２つ）の第１垂直ＣＣＤ１毎に転送部６が設けられ、転送部６は、対応する第１垂直ＣＣＤ１によって転送された電荷を水平ＣＣＤ２及びドレイン７のいずれかに転送する。水平ＣＣＤ２は、転送部６から転送された電荷を水平方向に転送する。当該電荷は、信号出力部３を通じて出力される。
【００４５】
転送部６の近辺について、図２により詳しく示している。転送部６は、対応する複数の第１垂直ＣＣＤ１から電荷を受け取る合流部１１と、合流部１１から水平ＣＣＤ２又はドレイン７に電荷を転送する第２垂直ＣＣＤ１０と、各第１垂直ＣＣＤ１から電荷を受け取るためのストレージゲート８及びホールドゲート９とを備える。更に、転送部６は、第２垂直ＣＣＤ１０とドレイン７との間にポテンシャルバリアを形成するドレインゲート１２を備える。尚、図２ではフォトダイオード４及び読み出し部５を省略している。
【００４６】
第２垂直ＣＣＤ１０は、ドレイン７及び水平ＣＣＤ２のいずれにも電荷を転送できる分岐部１３、及び、当該分岐部１３と水平ＣＣＤ２との間にポテンシャルバリアを形成する垂直ＣＣＤ最終ゲート１４を有する。
【００４７】
また、図１に示すように、固体撮像装置５０はタイミング発生回路１５を備える。タイミング発生回路１５は、駆動パルス生成部（図示省略）により供給された駆動パルスを制御する。具体的な駆動パルスは、第１垂直ＣＣＤ１を駆動するパルスφＶ１〜パルスφＶｘ、ストレージゲート８を制御するパルスφＶＳＴＬ及びパルスφＶＳＴＲ、ホールドゲート９を制御するパルスφＶＨＬＬ及びパルスφＶＨＬＲ、合流部１１を制御するパルスφＶＪＣ、ドレインゲート１２を制御するパルスφＶＤＧ、分岐部１３を制御するパルスφＶＢＲ、垂直ＣＣＤ最終ゲート１４を制御するパルスφＶＬ、水平ＣＣＤ２を駆動するパルスφＨ１及びパルスφＨ２である。
【００４８】
本実施形態では、２つの第１垂直ＣＣＤ１に対して１つの転送部６が設けられている。そのうち一方の第１垂直ＣＣＤ１にパルスφＶＳＴＬ及びパルスφＶＨＬＬが対応し、他方の第１垂直ＣＣＤ１にパルスφＶＳＴＲ及びパルスφＶＨＬＲが対応する。
【００４９】
また、ドレインゲート１２については、パルス印加により３値制御される。つまり、タイミング発生回路１５により供給され、ドレインゲート１２を駆動するパルスφＶＤＧは、３値の駆動パルスである。
【００５０】
尚、図１に示すレイアウトは、微細プロセスを想定しており、ドレインゲート１２及びドレイン７を設けるスペースを確保するために、複数の第１垂直ＣＣＤ１に対して１つの転送部６が設けられた構造（複数の第１垂直ＣＣＤ１を１つの合流部１１によって束ねた構造）になっている。しかしながら、セルサイズが十分に大きく、ドレインゲート１２及びドレイン７を設けるスペースが確保できるのであれば、１つの第１垂直ＣＣＤ１に対して１つの転送部６を設ける構造としても良い。
【００５１】
次に、固体撮像装置５０の駆動モードに関して説明する。固体撮像装置５０は、少なくとも第１の駆動モード及び第２の駆動モードにおいて動作することができる。
【００５２】
第１の駆動モード及び第２の駆動モードにおいて、いずれも、１つの列に含まれるフォトダイオード４のうち、隣接する所定個数（具体例としては、２つ）毎に１つのフォトダイオード４だけから電荷を読み出す間引き駆動を行なう。
【００５３】
更に、第１の駆動モードは、読み出しを行なわないフォトダイオード４に由来する空パケットに含まれるスミア成分をドレイン７に排出し、信号電荷と混合させない駆動モードである。図３は、この場合の転送部６の動作を示すタイミングチャートである。
【００５４】
第１の駆動モードでは、信号電荷と空パケットとを常に分離された状態に維持し、交合させることなく、信号電荷のみを水平ＣＣＤ２に転送する。残された空パケット成分については、図２に示す第２垂直ＣＣＤ１０にまで転送した後、ドレインゲート１２にHighレベルのパルス（φＤＶＧ）を印加することによって、ドレイン７に排出する。このように、信号電荷と空パケットの信号とを混合することなく、信号電荷のみを信号出力部３から出力することができる。
【００５５】
これに対し、第２の駆動モードは、空パケットに含まれるスミア成分をドレイン７に排出せず、信号電荷に混合する駆動モードである。スミア成分と信号電荷との混合は、水平ＣＣＤ２、又は、水平ＣＣＤ２と第１垂直ＣＣＤ１との間の繋ぎ部（ストレージゲート８）において行なわれる。図４は、この場合の転送部６の動作を示すタイミングチャートである。
【００５６】
第２の駆動モードでは、信号電荷と空パケットとをストレージゲート８において混合し、当該混合した信号が水平ＣＣＤ２に転送される。尚、図４においてもドレインゲート１２にはHighレベルのパルス（φＤＶＧ）の印加は行なわれているが、これは、ミドル電圧に保持された電極にて発生した暗電流をドレイン７に排出するために行なわれており、空パケットの信号が排出されるのではない。
【００５７】
このように、第２の駆動モードでは、信号電荷と空パケットととが混合された信号が水平ＣＣＤ２に転送される。従って、第２の駆動モードにて出力される信号は、第１の駆動モードにて出力される信号よりも、スミア成分を１パケット分多く含む。
【００５８】
本実施形態の固体撮像装置５０において、以上の第１の駆動モード及び第２の駆動モードの切り替えを１フレーム期間内に行なう。この切り替えを含む駆動を第３の駆動モードとする。第３の駆動モードでは、１フレーム期間内に出力される信号には２種類存在する。つまり、信号電荷、又は、信号電荷と空パケットととが混合された信号が出力される。
【００５９】
以下に、第２の駆動モードから第１の駆動モードに切り替えを行なう場合を例として、第３の駆動モードにおける信号電荷２０及び空パケット２１の転送について更に説明する。ここでは、水平方向に２画素加算を行なう例を説明する。図５〜図１５は、固体撮像装置５０における電荷の転送について、タイミング毎に示す。２つのフォトダイオード４毎に１つだけ読み出す間引き駆動であるから、第１垂直ＣＣＤ１には、黒塗りの丸（●）により示す信号電荷２０と、白抜きの丸（○）により示す空パケット２１とが交互に並んでいる。尚、図５〜図１１ではフォトダイオード４及び読み出し部５を省略している。
【００６０】
図５は、第２の駆動モードにおいて、信号電荷２０がストレージゲート８まで転送されてきた状態を示す。これは、図４のｔ＝０のタイミングである。
【００６１】
この後、図６の状態（図４のｔ＝１のタイミング）とする。つまり、パルスφＶｘにより、信号電荷２０が保持されたストレージゲート８に後段の空パケット２１を転送し、信号電荷２０と空パケット２１とを混合する。
【００６２】
続いて、図７の状態（図４のｔ＝２のタイミング）とする。つまり、１つの転送部６に対して２つずつ設けられているストレージゲート８の一方から、混合された信号電荷２０及び空パケット２１を水平ＣＣＤ２に転送する。図４のｔ＝２のタイミングである。転送は、パルスφＶＳＴＲ、パルスφＶＨＬＲ、パルスφＶＪＣ、パルスφＶＤＧ、パルスφＶＢＲ及びパルスφＶＬにより行なわれる。
【００６３】
続いて、図８の状態（図４のｔ＝３）とする。つまり、水平混合を行なうために水平ＣＣＤ２を転送方向に１ビットシフト（パルスφＨ１及びパルスφＨ２を用いる）した後、電荷が残されている側のストレージゲート８から、混合された信号電荷２０及び空パケット２１を水平ＣＣＤ２に転送する。転送は、パルスφＶＳＴＬ、パルスφＶＨＬＬ、パルスφＶＪＣ、パルスφＶＤＧ、パルスφＶＢＲ及びパルスφＶＬにより行なわれる。これにより、図５の状態において２つのストレージゲート８に保持されていた信号電荷２０と、それぞれの後段の空パケット２１の信号との計４つの信号が、水平ＣＣＤ２において混合される。
【００６４】
この後、水平ＣＣＤ２を動作させて水平転送を行ない、信号検出を行なう。
【００６５】
続いて、第２の駆動モードから第１の駆動モードに切り替えて、信号の転送を続ける。第１の駆動モードにおいては、空パケット２１はドレイン７に排出し、信号電荷２０のみを水平ＣＣＤ２に転送する。
【００６６】
図９は、第１垂直ＣＣＤ１を駆動して再びストレージゲート８に信号電荷２０を転送した状態（図３のｔ＝４のタイミング）を示す。
【００６７】
この後、図１０の状態（図３のｔ＝５のタイミング）とする。つまり、１つの転送部６に対して２つずつ設けられているストレージゲート８の一方から、信号電荷２０を水平ＣＣＤ２まで転送する。第２の駆動モードとは異なり、空パケット２１の混合は行なわないので、信号電荷２０のみが水平ＣＣＤ２に転送される。転送は、パルスφＶＳＴＲ、パルスφＶＨＬＲ、パルスφＶＪＣ、パルスφＶＤＧ、パルスφＶＢＲ及びパルスφＶＬにより行なわれる。
【００６８】
この後、図１１の状態（図３のｔ＝６のタイミング）とする。つまり、水平混合を行なうために水平ＣＣＤ２を転送方向に１ビットシフト（パルスφＨ１及びパルスφＨ２を用いる）した後、電荷が残されている側のストレージゲート８から、信号電荷２０を水平ＣＣＤ２に転送する。転送は、パルスφＶＳＴＬ、パルスφＶＨＬＬ、パルスφＶＪＣ、パルスφＶＤＧ、パルスφＶＢＲ及びパルスφＶＬにより行なわれる。
【００６９】
この後、図１２の状態（図３のｔ＝７のタイミング）とする。つまり、空パケット２１を第２垂直ＣＣＤ１０（分岐部１３）まで転送し、空パケット２１の信号成分をドレイン７に排出する準備を行なう。転送は、パルスφＶＳＴＬ及びパルスφＶＳＴＲ、パルスφＶＨＬＬ及びパルスφＶＨＬＲ、パルスφＶＪＣ、パルスφＶＢＲにより行なわれる。またこの際、垂直ＣＣＤ最終ゲート１４にはLow レベルのパルスφＶＬを与えてバリアゲートとし、空パケット２１が信号電荷２０と混合するのを避ける。
【００７０】
更に、水平ＣＣＤ２を駆動して信号電荷２０を転送し、信号検出を行なう。
【００７１】
この後、図１３に示すように、ドレインゲート１２にHighレベルのパルスφＶＤＧが印加され、第２垂直ＣＣＤ１０（分岐部１３）からドレイン７に空パケット２１が排出される。これは、図１２の後に第１の駆動モードから第２の駆動モードに再び切り替えた場合は図３のｔ＝８のタイミングである。また、切り替えを行なわず、第１の駆動モードのまま動作を続ける場合は図４のｔ＝８のタイミングである。
【００７２】
この後、図１４に示すように、再び信号電荷２０をストレージゲート８にまで転送する。以後は、これまでに説明した第１の駆動モード及び第２の駆動モードを切り替えながら電荷の転送を行なう。
【００７３】
図１５には、第３の駆動モードとして、第１の駆動モードと第２の駆動モードとを交互に切り替える場合を示す。２２として示す信号電荷及び空パケットは混合されて出力され、２３として示す信号電荷は単独に（空パケットと混合されることなく）出力される。２４として示す空パケットは、ドレイン７に排出される。
【００７４】
次に、図１６を参照して、信号出力部３（図１を参照）から出力された出力信号を処理する後段回路について説明する。
【００７５】
前述の通り、第１の駆動モードによる出力信号３１は信号電荷２０のみを含み、第２の駆動モードによる出力信号３２は混合された信号電荷２０及び空パケット２１を含む。第１及び第２の駆動モードを切り替える第３の駆動モードの場合、これら二種の出力信号３１及び３２が出力される。
【００７６】
ここで、信号電荷２０には、フォトダイオード４において入射光に基づいて生じた信号成分と、スミア成分とが含まれる。また、空パケット２１は、実質的にスミア成分である。従って、第２の駆動モードの出力信号３２（信号電荷２０＋空パケット２１）は、信号成分と、２パケット分の（つまり、２倍の）スミア成分とを含む。
【００７７】
このことから、出力信号３１と出力信号３２との差分を取ることにより、スミア成分の量を検出することができる。
【００７８】
第１の駆動モードについては、この場合の出力信号３１からスミア成分を減算することにより、スミアが補正された信号成分を得ることができる。
【００７９】
第２の駆動モードについては、この場合の出力信号３２から、スミア成分の２倍の量を減算することにより、スミアが補正された信号成分を得ることができる。
【００８０】
以上のようにして、第１及び第２の駆動モードのいずれにおいても、スミアが補正された信号成分を得ることができる。このようなスミアが補正された信号成分を画像信号として用いることにより、高画質な画像を得ることができる。
【００８１】
ここで、水平ＣＣＤ２のパケット列は、水平方向の画素数と同等の密度であれば良い。従って、垂直転送部の一列に対する水平転送部の面積を大きくすることは不要であり、且つ、水平ＣＣＤ２の駆動周波数を高くすることも不要である。
【００８２】
（第１の変形例）
次に、本実施形態の変形例を説明する。
【００８３】
これまでに説明した通り、信号電荷２０及び空パケット２１が混合した信号と、信号電荷２０のみの信号との差分を取ることにより、空パケット２１の信号が検出される。空パケット２１の信号とは、スミア成分及び暗電流等のノイズ成分である。このことから、差分を取る信号の組み合わせを増やすことにより、情報量を増やして、より正確にスミア成分を検出することができる。第１の変形例として、これについて説明する。
【００８４】
先に説明した図１５の場合、２３の信号電荷に対し、信号電荷と空パケットとの混合成分である２２が上下に２つ存在するので、２つの組み合わせによりスミアを検出することができる。
【００８５】
これに対し、図２のように複数の第１垂直ＣＣＤ１が１つの転送部６に束ねられている水平インターレース構造の場合、図１７のように、同一の水平ライン上の空パケットを必ずしも排出しないことも可能である。つまり、同一の水平ラインにおいて、ドレイン７に排出される空パケットと、ドレイン７に排出されない（信号電荷に混合される）空パケットとが混在するような動作も可能である。
【００８６】
図１７において、２３の信号電荷に着目すると、上下に加えて左右にも、信号電荷と空パケットとの混合成分である２２が存在する。これにより、上下の組み合わせによる差分に加えて、左右の組み合わせによる差分を取ることもできるので、より正確にスミア成分を検出して補正を行なうことができる。
【００８７】
尚、以上では、信号電荷に色情報が無いものとして説明した。しかしながら、ベイヤー配列の画素配置等、信号電荷に色情報が有る場合にも適用できる。つまり、色情報が同じである信号電荷について、空パケットの混合を選択的に行ない、出力される信号のスミア量に際を設ける。これにより、それぞれの色の信号について、スミア量を検出し、補正することができる。
【００８８】
また、以上では、第１の駆動モードと第２の駆動モードとを水平ブランキング期間の開始時に毎回切り替える例を主に説明した。しかしながら、第１の駆動モードと第２の駆動モードとを常に交互に切り替えることは必須ではない。必要とする組み合わせの量（スミア成分を求めるための情報量）及びスミア成分を検出する画素の位置等に応じて、切り替えを行なえばよい。
【００８９】
（第２の変形例）
次に、高いフレームレートを実現するために、必要な画素領域だけを切り出し、画面の上下等のについては高速転送を行なう第２の変形例を説明する。
【００９０】
近年、固体撮像装置の多画素化が進んでいる。この結果、特に、動画を撮影する場合等において、有効画素領域内の一部領域（通常は中央領域）の画素情報のみによって要求される画素数が得られる（つまり、有効画素領域内の全ての画素情報を得る必要はない）ことが多い。この場合、画像として用いない領域（有効画素領域のうち、中央領域を挟む両側の領域）について、フォトダイオード４から読み出された電荷を通常よりも速い転送速度にて垂直方向に転送（高速転送）する。更に、複数行の電荷を水平ＣＣＤ２によって一度に転送させると共に、不要な電荷を排出すると、より高いフレームレートを実現することができる。
【００９１】
本実施形態の固体撮像装置５０において、高速転送を行なう場合の電荷の様子を図１８に示す。
【００９２】
固体撮像装置において、有効画素領域の一部を遮光し、遮光領域とする場合がある。遮光領域においては入射光が電気信号に変換されることが無いので、遮光領域（有効画素領域のうち上下の領域に存在する）に対応する遮光パケット２５については、スミア及び暗電流等のノイズ成分のみが含まれる。
【００９３】
高速転送を行なわない場合、このような遮光領域の信号を用いて、信号電荷に含まれるスミア成分を補正することができる。
【００９４】
しかしながら、高フレームレートを実現するために、有効画素領域を挟む両側の領域について高速転送を行なう場合、高速転送を行なう領域と、通常の転送を行なう領域とでは、転送時間が異なり、スミア成分も異なるようになる。つまり、高速転送領域４２に含まれる信号と、通常転送領域４３に含まれる信号とでは、スミア量が異なる。従って、高速転送領域４２に含まれる遮光領域４１の遮光パケット２５を、通常転送領域４３に含まれる信号のスミア成分を補正するために用いることはできない。
【００９５】
これに対し、本実施形態の固体撮像装置５０の場合、空パケットを利用してスミア成分を補正する。従って、通常転送領域４３（必要な画像を得るための領域）に含まれる空パケットを用いて補正を行なうことができるので、高速転送を伴う場合にもスミアの補正が可能である。図１８の場合であれば、通常転送領域４３において、２３の信号電荷と、信号電荷と空パケットとの混合成分である２２との差分からスミア成分を検出し、補正に用いればよい。
【００９６】
尚、図１８では、通常転送領域４３よりも水平ＣＣＤ２側の高速転送領域４２を示しているが、水平ＣＣＤ２とは反対側に位置する高速転送領域４２についても同様である。
【００９７】
（固体撮像装置を用いるカメラ）
以上に説明した固体撮像装置５０及び図１６等に説明した後段回路（画像処理部）に加えて、固体撮像装置５０を制御する制御部（ＣＰＵ；Central Processing Unit 等）と、被写体からの入射光を固体撮像装置の撮像面に結像するためのレンズ等を含む光学系とを含むカメラを構成することができる。制御部は、固体撮像装置５０の駆動モード（第１の駆動モード、第２の駆動モード、高速転送）等を制御する機能を有する。
【００９８】
以上、本開示の固体撮像装置及びその駆動方法と、固体撮像装置を用いるカメラとについて、実施形態及び変形例を説明したが、これらの記載だけに限定されるものではない。技術的趣旨を逸脱しない範囲において、以上の実施形態及び変形例に各種変形を施して得られる形態、構成要素を任意に組み合わせて実現される形態についても、技術内容に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本開示の固体撮像装置及びその駆動方法によると、スミアを大きく抑制した信号成分を得ることができ、更には本開示の固体撮像装置を用いるカメラにより高画質の画像を得ることができるので、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、医療用内視鏡等にも有用である。
【符号の説明】
【０１００】
１      第１垂直ＣＣＤ
２      水平ＣＣＤ
３      信号出力部
４      フォトダイオード
５      読み出し部
６      転送部
７      ドレイン
８      ストレージゲート
９      ホールドゲート
１０      第２垂直ＣＣＤ
１１      合流部
１２      ドレインゲート
１３      分岐部
１４      垂直ＣＣＤ最終ゲート
１５      タイミング発生回路
２０      信号電荷
２１      空パケット
２５      遮光パケット
３１      出力信号
３２      出力信号
４１      遮光領域
４２      高速転送領域
４３      通常転送領域
５０      固体撮像装置
【図１】
2012235246.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2012235246.tif 000015
【図１４】
2012235246.tif 000016
【図１５】
2012235246.tif 000017
【図１６】
2012235246.tif 000018
【図１７】
2012235246.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2012235246.tif 000021