(57)【要約】【課題】信号出力の飽和ばらつきを低減する固体撮像装置の駆動方法を提供する。【解決手段】垂直転送ゲートへＭ相（Ｍは３以上の自然数）のミドルレベルとローレベルの２値の垂直転送パルスを印加することにより、水平転送停止中に行う通常の垂直転送において、水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積するゲートの最小数をＮ（Ｎは１以上の自然数）、Ｍ相の垂直転送パルスのうち、同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数をＩ（Ｉは１以上の自然数）としたとき、受光素子から読み出した信号電荷や垂直ＣＣＤが発生する不要電荷を、全て水平転送部に転送し、信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度、受光素子に蓄積された信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、Ｍ相の垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数Ｉを２以上で駆動する。【選択図】図３
2013017069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に複数個配列され光電変換した信号電荷を蓄積する受光素子と、
前記受光素子に蓄積された信号電荷を読み出し垂直方向に転送する垂直転送ゲートを有する垂直転送部と、
前記垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部と、
前記水平転送部からの信号電荷を受け出力信号に変換する出力部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記垂直転送ゲートへＭ相（Ｍは３以上の自然数）のミドルレベルとローレベルの２値の垂直転送パルスを印加することにより、水平転送停止中に行う通常の垂直転送において、
水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積するゲートの最小数をＮ（Ｎは１以上の自然数）、前記M相の前記垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数をＩ（Ｉは１以上の自然数）としたとき、
前記受光素子から読み出した前記信号電荷や垂直転送部が発生する不要電荷を、全て前記水平転送部に転送し、前記信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度前記受光素子に蓄積された前記信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、前記Ｍ相の前記垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数Ｉを２以上で駆動する
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
前記受光素子から読み出した前記信号電荷や垂直転送部が発生する不要電荷を、全て前記水平転送部に転送し前記信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度、前記受光素子に蓄積された前記信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、水平転送停止中に行う通常の垂直転送において水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積するゲートの最小数であるＮ以下で前記Ｍ相の前記垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数Ｉを２以上で駆動する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記受光素子から読み出した前記信号電荷や垂直転送部が発生する不要電荷を、全て前記水平転送部に転送し前記信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度、前記受光素子に蓄積された前記信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、前記Ｍ相の前記垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数ＩをＮで駆動する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記受光素子から読み出した前記信号電荷や垂直転送部が発生する不要電荷を、全て前記水平転送部に転送し、前記信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度、前記受光素子に蓄積された前記信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、水平転送停止中に行う通常の垂直転送において水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積するゲートの最小数であるＮ以下で前記Ｍ相の前記垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数Ｉを２以上（M−１）以下で駆動する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
同一フィールド期間内で複数回異なるタイミングで前記受光素子に蓄積された信号電荷を読み出す
ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れかの駆動方法を採用する固体撮像装置を備える
ことを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関し、特に、マトリクス状に配列された複数の光電変換部に蓄積された信号電荷を読み出して、二次元の画像信号を得るように構成されたＣＣＤ固体撮像装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像機器が一般に普及している。これらの撮像機器には、２次元状に複数個配列された受光素子の出力信号を、複数の垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤを用いて順に出力する固体撮像素子を用いたものがある。
例えば、図１１に示すように、固体撮像装置は、画素部９７を有し、当該画素部９７には、マトリクス状に配列された複数のホトダイオードと、当該ホトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出し垂直方向に転送する垂直ＣＣＤゲートを有する垂直ＣＣＤ９２と、を含み構成されている。また、固体撮像装置には、垂直ＣＣＤから信号電荷を受け水平方向に転送する水平ＣＣＤ９３と、水平ＣＣＤ９３からの信号電荷を受け出力信号に変換するアンプ９４と、出力信号の信号処理を行う信号処理部９５と、画素部９７の垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤ９３に垂直転送パルス及び水平転送パルスを供給する駆動制御部９６とから構成される。例えば、垂直ＣＣＤゲートは、１つのホトダイオード当たり２本の８本周期で構成される。
【０００３】
図１２は、従来の固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図を示した図であり、モニタモードにおける転送パルスタイミングを示す。
図１２に示すように、水平転送パルスφＨ１、φＨ２の停止期間に垂直転送パルスφＶ１〜８によって、信号電荷が垂直ＣＣＤで垂直転送され、垂直転送が終了した後、水平転送パルスφＨ１、φＨ２によって、水平ＣＣＤ９３にある信号電荷が水平ＣＣＤ９３を水平転送され出力信号となる。図中の破線で囲んだ期間Ｈではホトダイオードから垂直ＣＣＤへ信号電荷を読み出している。
【０００４】
ホトダイオードから垂直ＣＣＤへの読み出しの詳細タイミングチャートを図１３に示している。
図１３に示すように、垂直ＣＣＤはゲートにミドル（Ｍ）レベルの電圧を印加するとポテンシャルが低くなり信号電荷を蓄積でき、ロー（Ｌ）レベルではポテンシャルが高いピンニング状態になり信号電荷は蓄積できない。
【０００５】
（ｉ）  まず、ｔ＝ｔ０の時点はミドル（Ｍ）レベルの電圧を供給しているφＶ１〜φＶ３、φＶ５〜φＶ７の垂直ＣＣＤゲートＶ１〜Ｖ３、Ｖ５〜Ｖ７の垂直ＣＣＤがポテンシャルが低く、信号電荷をそれぞれ３つのゲートで蓄積できる状態にある。
（ｉｉ）  ｔ＝ｔ０〜ｔ１までの期間は、２、３ゲートで蓄積できる状態で垂直方向に転送を行っている。
【０００６】
（ｉｉｉ）  ｔ＝ｔ１時点で、φＶ５がハイ（Ｈ）レベルとなりミドル（Ｍ）レベルのポテンシャルよりさらに低くなりホトダイオードの信号電荷が垂直ＣＣＤに読み出されＶ５、Ｖ６に信号電荷を蓄積できる。
（ｉｖ）  同様にｔ＝ｔ２時点で、φＶ３がハイ（Ｈ）レベルとなりミドル（Ｍ）レベルのポテンシャルよりさらに低くなり、ホトダイオードの信号電荷が垂直ＣＣＤに読み出されＶ３、Ｖ４に信号電荷を蓄積できる。
【０００７】
（ｖ）  さらに、ｔ＝ｔ３時点で、φＶ１がハイ（Ｈ）レベルとなりミドル（Ｍ）レベルのポテンシャルよりさらに低くなり、ホトダイオードの信号電荷が垂直ＣＣＤに読み出されＶ１、Ｖ２に信号電荷を蓄積できるが、ｔ＝ｔ１で読み出された信号電荷が垂直転送されＶ１、Ｖ２ゲートに蓄積している状態でｔ＝ｔ３で読み出されるため、Ｖ５とＶ１ゲートで読み出した信号電荷が垂直ＣＣＤで信号加算する。
【０００８】
（ｖｉ）  同様にｔ＝ｔ４では、Ｖ３とＶ７ゲートで読み出した信号電荷が垂直ＣＣＤで信号加算する。
すなわち、図１３の読み出しタイミングチャートでは、垂直ＣＣＤ上で垂直方向に２つのホトダイオードの信号電荷加算を行っている。なお、垂直ＣＣＤ転送は垂直ＣＣＤゲートが８本周期であるが実質４相のパルスで転送動作を行っている。ホトダイオード、垂直ＣＣＤの詳細なポテンシャルについて図１４を用い説明する。
【０００９】
図１４では、基板電位がその基板の抵抗成分と垂直ＣＣＤゲートとの容量結合によって均衡した電位になることでホトダイオードのポテンシャルや基板ポテンシャルが上下し変化することや周辺の垂直ＣＣＤのポテンシャルの影響を受けることにより余剰になった信号電荷が基板に排出され、ホトダイオードの飽和特性が変化することを示している。図１４（ａ）では模式的にホトダイオード、および垂直ＣＣＤから構成される画素部９７おいて、基板が画素部中央部を中心に画素部周辺部との間に抵抗成分が存在し、画素部９７が垂直ＣＣＤゲートと容量結合していることを示している。また、画素部９７周辺部のホトダイオード９１は、画素部９７を含むウェル周辺でウェル電位を固定している箇所と距離が近いことから基板電圧供給源との距離が近く抵抗成分が少ないため基板電圧が直接的に印加されるが、画素部中央部のホトダイオードは、基板電圧供給源との距離があるため抵抗成分が増し、垂直ＣＣＤゲートとの間には容量結合成分が存在するため、画素部９７中央部では画素部９７周辺部より大きい抵抗成分と垂直ＣＣＤゲートとの容量結合により基板電位が画素部９７周辺部より垂直転送パルスの影響を受けやすいと考えられる。
【００１０】
そして、ポテンシャル図では図１４（ｂ）のように示すことができると考える。即ち、画素部周辺部は、破線で示すポテンシャルになり、飽和特性が小さくなり画素部中央部では、実線で示すポテンシャルとなり、垂直転送パルスの影響を受けポテンシャルの変動が起こりやすいと考えられる。
また、周辺の垂直ＣＣＤのポテンシャルの影響について図１３のタイミングチャートの垂直転送パルスで考えるとｔ＝ｔ０の時点では、Ｖ１〜Ｖ３、Ｖ５〜Ｖ７の各ゲートがミドル（Ｍ）レベル、他の２つのゲートはロー（Ｌ）レベル、ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４時点では４つのゲートがミドル（Ｍ）レベル、４つのゲートがロー（Ｌ）レベルである。ミドル（Ｍ）レベルのゲートが少ないｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４時は垂直ＣＣＤのポテンシャルが高くホトダイオードのポテンシャルも高くなりホトダイオードの信号電荷の飽和量は低くなり、ポテンシャル図の破線のポテンシャルになり、余剰の信号電荷が基板に排出されると考えられる。
【００１１】
ｔ＝ｔ０時では、ミドル（Ｍ）レベルのゲートが多く垂直ＣＣＤのポテンシャルがより低くなることからホトダイオードのポテンシャルが実線のように低くなるため、ホトダイオードの信号電荷の飽和量は高くなることから、ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ１の期間に余剰の信号電荷の基板排出が行われるが、垂直転送による垂直ＣＣＤのポテンシャル変化毎に段階的な基板排出による信号電荷減少になると考えられるので最初の読み出しを行うｔ＝ｔ１時点の信号電荷量が高く、以降ｔ２、ｔ３、ｔ４時点に読み出された信号電荷量が順に低くなり、信号出力の飽和ばらつきの要因になると考えられる。
【００１２】
一方、特許文献１には、信号加算に対して信号電荷飽和量に応じた基板バイアスを設定し、信号電荷の飽和量を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−３０７９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の特許文献１のように基板バイアスによって、信号加算に応じた信号電荷飽和量に制御する場合、１ホトダイオードの当たりの信号電荷飽和量を小さくすることになる。また、近年の受光素子の微細化により、画素部の中央部と周辺部の違いやホトダイオード周辺の垂直ＣＣＤのポテンシャル状態が与えるホトダイオードのポテンシャルへの影響が増加していると考えられる。
【００１５】
以上のことから、ホトダイオードの信号電荷飽和量を小さくする上記従来のＣＣＤ固体撮像装置のモニタモードの駆動では、顕著に垂直ＣＣＤのポテンシャルによるホトダイオードの信号電荷量低下の割合が近年の受光素子の微細化に伴い増加し信号出力の飽和のばらつきが増加していくと考えられる。
本発明は、かかる課題を鑑み、信号出力の飽和ばらつきを低減する固体撮像装置の駆動方法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】
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、２次元状に複数個配列され光電変換した信号電荷を蓄積する受光素子と、受光素子に蓄積された信号電荷を読み出し垂直方向に転送する垂直転送ゲートを有する垂直転送部と、垂直転送部から信号電荷を受け水平方向に転送する水平転送部と、水平転送部からの信号電荷を受け出力信号に変換する出力部とを備えた固体撮像装置を駆動する方法であって、垂直転送ゲートへＭ相（Ｍは３以上の自然数）のミドルレベルとローレベルの２値の垂直転送パルスを印加することにより、水平転送停止中に行う通常の垂直転送において水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積するゲートの最小数をＮ（Ｎは１以上の自然数）、前記Ｍ相の前記垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数をＩ（Ｉは１以上の自然数）としたとき、受光素子から読み出した信号電荷や垂直転送部（垂直ＣＣＤ）が発生する不要電荷を、全て水平転送部に転送し信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度、受光素子に蓄積された信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、Ｍ相の垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数Iを２以上で駆動することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、上記において、受光素子から読み出した信号電荷や垂直転送部（垂直ＣＣＤ）が発生する不要電荷を、全て水平転送部に転送し、信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度、受光素子に蓄積された信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、水平転送停止中に行う通常の垂直転送において水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積するゲートの最小数前記Ｎ以下でＭ相の垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数Ｉを２以上で駆動することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、上記において、受光素子から読み出した信号電荷や垂直転送部（垂直ＣＣＤ）が発生する不要電荷を、全て水平転送部に転送し、信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度、受光素子に蓄積された信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、前記Ｍ相の垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数ＩをＮで駆動することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、上記において、受光素子から読み出した信号電荷や垂直転送部（垂直ＣＣＤ）が発生する不要電荷を、全て水平転送部に転送し、信号電荷の垂直転送を行う期間が終了し、再度、受光素子に蓄積された信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、水平転送停止中に行う通常の垂直転送において水平転送を行う期間に信号電荷を蓄積するゲートの最小数前記Ｎ以下でＭ相の前記垂直転送パルスのうち同時にミドルレベルからローレベルに変化させるパルスの最大数Ｉを２以上（Ｍ−１）以下で駆動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、垂直転送期間を終了し信号電荷の読み出しを開始するまでの期間、余剰電荷の基板排出でホトダイオードの信号電荷飽和量を低下させ、読み出し期間のホトダイオードの信号電荷飽和量を増加することで、読み出し期間での余剰電荷の基板排出による信号電荷量減少を抑制でき信号出力の飽和ばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を模式的に示す模式ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図である。
【図４】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の模式図であり、（ｂ）は、ポテンシャル図である。
【図５】変形例１に係る固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図である。
【図６】変形例２に係る固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の模式図であり、（ｂ）は、ポテンシャル図である。
【図１０】変形例３に係る固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図である。
【図１１】従来の固体撮像装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図１２】従来の固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図である。
【図１３】従来の固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの詳細図である。
【図１４】（ａ）は、従来の固体撮像装置の模式図であり、（ｂ）は、ポテンシャル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明のより具体的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成図である。
図１に示すように、固体撮像装置においては、マトリクス状に複数のホトダイオード１が形成されている。そして、ホトダイオード１の各列間には、各々がＹ軸方向に延伸された垂直ＣＣＤ２が設けられている。垂直ＣＣＤ２は、ホトダイオード１に蓄積された信号電荷を読み出し垂直方向に転送する垂直ＣＣＤゲートを有する。垂直ＣＣＤ２の各Ｙ軸方向下端部分には、Ｘ軸方向に延伸された水平ＣＣＤ３が設けられている。水平ＣＣＤ３は、垂直ＣＣＤ２から信号電荷を受け水平方向に転送する。
【００２３】
水平ＣＣＤ３のＸ軸方向左端部分には、アンプ４が設けられ、アンプ４には、信号処理部５が接続されている。アンプ４は、水平ＣＣＤ３からの信号電荷を受け出力信号に変換する。また、信号処理部５は、出力信号の信号処理を行う。
固体撮像装置には、上記の他に、垂直ＣＣＤ２と水平ＣＣＤ３に垂直転送パルス及び水平転送パルスを供給する駆動制御部６が設けられている。ここで、垂直ＣＣＤゲートは、１つのホトダイオード当たり２本の８本周期で構成される。
【００２４】
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図を示した図であり、モニタモードにおける転送パルスタイミングを示す。
図２に示すように、水平転送パルスφＨ１、φＨ２の停止期間に、垂直転送パルスφＶ１〜８によって、信号電荷が垂直ＣＣＤ２で垂直転送され、垂直転送が終了した後、水平転送パルスφＨ１、φＨ２によって、水平ＣＣＤ３にある信号電荷が水平ＣＣＤ３を水平転送され出力信号となる。
【００２５】
図中の破線で囲み示す期間Ａではホトダイオード１から垂直ＣＣＤ２へ信号電荷を読み出している。ホトダイオード１から垂直ＣＣＤ２への読み出しの詳細タイミングチャートを図３に示している。なお、垂直ＣＣＤ２は、ゲートにミドル（Ｍ）レベルの電圧を印加するとポテンシャルが低くなり信号電荷を蓄積でき、ロー（Ｌ）レベルではポテンシャルが高いピンニング状態になり信号電荷は蓄積できない。
【００２６】
（ｉ）  まず、図３に示すように、ｔ＝ｔ０の時点はミドル（Ｍ）レベルの電圧を供給しているφＶ１〜φＶ３、φＶ５〜φＶ７の垂直ＣＣＤゲートＶ１〜Ｖ３、Ｖ５〜Ｖ７の垂直ＣＣＤ２がポテンシャルが低く、信号電荷を３つのゲートで蓄積できる状態にある（丸印Ｂ１〜Ｂ６）。
（ｉｉ）  次に、ｔ＝ｔＬに、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６、Ｖ７ゲートが同時にロー（Ｌ）レベルに変化する（丸印Ｂ７〜Ｂ１０）。ミドル（Ｍ）レベルのゲートがＶ１、Ｖ５の２ゲートだけになり、かつ、前述のように、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６、Ｖ７が同時にロー（Ｌ）レベルに変化する。ホトダイオード１、垂直ＣＣＤ２の詳細なポテンシャルについては、後述する。
【００２７】
（ｉｉｉ）  ｔ＝ｔ１時点で、φＶ５がハイ（Ｈ）レベルとなり（丸印Ｂ１１）、ミドル（Ｍ）レベルのポテンシャルよりさらに低くなりホトダイオード１の信号電荷が垂直ＣＣＤ２に読み出されＶ５、Ｖ６に信号電荷を蓄積できる。
（ｉｖ）  同様にｔ＝ｔ２時点で、φＶ３がハイ（Ｈ）レベルとなりミドル（Ｍ）レベルのポテンシャルより（丸印Ｂ１２）、さらに低くなり、ホトダイオード１の信号電荷が垂直ＣＣＤ２に読み出されＶ３、Ｖ４に信号電荷を蓄積できる。
【００２８】
（ｖ）  さらに、ｔ＝ｔ３時点で、φＶ１がハイ（Ｈ）レベルとなり（丸印Ｂ１３）、ミドル（Ｍ）レベルのポテンシャルよりさらに低くなり、ホトダイオード１の信号電荷が垂直ＣＣＤ２に読み出されＶ１、Ｖ２に信号電荷を蓄積できるが、ｔ＝ｔ１で読み出された信号電荷が垂直転送されＶ１、Ｖ２ゲートに蓄積している状態でｔ＝ｔ３で読み出されるため、Ｖ５とＶ１ゲートで読み出した信号電荷が垂直ＣＣＤ２で信号加算する。
【００２９】
（ｖｉ）  同様にｔ＝ｔ４では、φＶ７がハイ（Ｈ）レベルとなり（丸印Ｂ１４）、ミドル（Ｍ）レベルのポテンシャルよりさらに低くなり、Ｖ３とＶ７ゲートで読み出した信号電荷が垂直ＣＣＤ２で信号加算する。
次に、ホトダイオード１、垂直ＣＣＤ２の詳細なポテンシャルについて、図４を用い説明する。
【００３０】
図４では、基板電位がその基板の抵抗成分と垂直ＣＣＤゲートとの容量結合によって均衡した電位になることでホトダイオード１のポテンシャルや基板ポテンシャルが上下し変化することや周辺の垂直ＣＣＤ２のポテンシャルの影響を受けることにより余剰になった信号電荷が基板に排出され、ホトダイオード１の飽和特性が変化することをポテンシャル図、固体撮像装置の模式図で示している。図４（ａ）では、模式的にホトダイオード１、垂直ＣＣＤ２を形成する画素部７おいて、基板が画素部中央部を中心に画素部周辺部との間に抵抗成分が存在し、画素部７が垂直ＣＣＤゲートと容量結合していることを示している。
【００３１】
また、画素部周辺部のホトダイオード１は、画素部７を含むウェル周辺でウェル電位を固定している箇所と距離が近いことから基板電圧供給源との距離が近く抵抗成分が少ないため基板電圧が直接的に印加されるが、画素部中央部のホトダイオード１は、基板電圧供給源との距離があるため抵抗成分が増し、垂直ＣＣＤゲートとの間には容量結合成分が存在するため、画素部中央部では画素部周辺部より大きい抵抗成分と垂直ＣＣＤゲートとの容量結合により基板電位が画素部周辺部より垂直転送パルスの影響を受けやすいと考えられる。
【００３２】
そして、ポテンシャル図では図４（ｂ）のように示すことができると考える。図４（ｂ）に示すように、画素部周辺部は、破線のポテンシャルになり、飽和特性が小さくなり画素部中央部では、画素部周辺部との間の抵抗成分と垂直ＣＣＤゲートとの容量結合で実線のポテンシャルとなり、そして垂直転送パルスの影響を受けポテンシャルの変動が起こりやすいと考えられる。
【００３３】
また、ｔ＝ｔＬにおいて画素部の中央部、周辺部それぞれのホトダイオード１のポテンシャルは垂直ＣＣＤゲートとの容量結合により急峻に変化し図の一点鎖線、２点鎖線のように高くなり余剰電荷が基板に排出されると考えられる。
ｔ＝ｔ０の時点では、Ｖ１〜Ｖ３、Ｖ５〜Ｖ７の各ゲートがミドル（Ｍ）レベル、他の２つのゲートはロー（Ｌ）レベルであり、ホトダイオード１のポテンシャルは低く、ｔ＝ｔＬ時点では、２つのゲート（Ｖ１、Ｖ４）がミドル（Ｍ）レベル、６つのゲート（Ｖ２〜Ｖ４、Ｖ６〜Ｖ８）がロー（Ｌ）レベルでうち２つのゲート（Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６、Ｖ７）が急峻にロー（Ｌ）レベルに変化するためホトダイオード１のポテンシャルが急峻に高くなり、図の一点鎖線、２点鎖線のように余剰電荷が基板に排出されると考えられる。
【００３４】
以降、ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ４の期間は、ｔ＝ｔＬ時点よりは、ミドル（Ｍ）レベルの垂直ＣＣＤゲートが増えるため、ホトダイオード１のポテンシャルが低く、飽和特性が高い状態で信号電荷読み出しが行われる。
本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、信号電荷がｔ＝ｔＬで一旦減少してから飽和特性が高い状態で垂直転送と信号電荷読み出しを行うため、信号電荷の基板排出が抑制でき、画素部中央部と周辺部との飽和特性差が小さくなり、また、ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４で読み出す信号電荷の飽和特性差も小さくでき、画素部７の飽和特性ばらつきを抑制できると考えられる。
【００３５】
なお、垂直ＣＣＤ転送はゲートが８本周期であるが実質４相のパルスで転送動作を行っている。
［変形例１］
上記第１の実施形態では、４相パルスの垂直転送が完了し、垂直ＣＣＤゲート３つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態から、一旦、ｔ＝ｔＬ時点で２つのゲートをミドル（Ｍ）レベルからロー（Ｌ）レベルに同時に変化させ、１つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態にしてから、再度、３つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態に戻して信号電荷の読み出しを行っているが、図５に示すような変形例１に係る固体撮像装置の駆動方法を採用することも可能である。
【００３６】
図５のタイミングチャートのように、ｔ＝ｔＬ後、再度、３つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態ではなく、２つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態に戻してもよい（丸印Ｃ１、Ｃ２が相違点）。このような駆動方法を採用する場合には、モニタモードでは常時光が入射しているため光量が多い場合、ｔ＝ｔＬ時点で余剰電荷の基板排出を行っても信号電荷読み出しまでの期間で、再び信号電荷が増えるので、少ないゲート数で信号電荷を蓄積できる状態にすることで、信号電荷読み出し前のホトダイオード１のポテンシャルを高くすることにより余剰電荷を基板に排出でき、画素部中央部と周辺部との飽和特性差がを抑制できると考えられる。
【００３７】
［変形例２］
また、上記第１の実施形態では、４相パルスの垂直転送が完了し、垂直ＣＣＤゲートにおける３つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態から、一旦、ｔ＝ｔＬ時点で２つのゲートをミドル（Ｍ）レベルからロー（Ｌ）レベルに同時に変化させ、１つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態にしてから、再度、３つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態に戻して信号電荷の読み出しを行っているが、図６に示すような変形例２に係る固体撮像装置の駆動方法を採用することも可能である。
【００３８】
図６のタイミングチャートのように、ｔ＝ｔＬ時点で、Ｖ１〜Ｖ３、ｖ５〜Ｖ７の６つのゲートを同時にロー（Ｌ）レベルに変化させ信号電荷を蓄積できない状態にしてもよい（丸印Ｄ１、Ｄ２が相違点）。このように、同時にロー（Ｌ）レベルにするゲート数が多いほうが、ｔ＝ｔＬ時点での余剰電荷の基板排出がより多くなり、画素部の飽和特性ばらつきをより抑制できると考えられる。
【００３９】
しかし、画素部の暗電流が多いため、信号電荷が少ない場合の撮像画質に課題があり、暗電流の信号電荷の垂直転送が必要な場合などは、上記第１の実施形態のｔ＝ｔＬ時点のように、最低１つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態にして暗電流の垂直転送を行うほうが好ましい。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法について、図７から図９を用い説明する。
【００４０】
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成は、基本的に、上記第１の実施形態と同様である。本実施形態では、上記第１の実施形態に対し、異なる駆動方法を採用する駆動制御部２６が構成上の相違点である。なお、本実施形態に係る駆動方法においても、垂直転送ゲートは、１ホトダイオード当たり２本の８本周期で構成されるが、垂直ＣＣＤ２の転送は、φＶ１〜φ８の８相のパルスで転送される。
【００４１】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における垂直転送パルスタイミングの全体図を示した図であり、スチルモードにおける１フィールドの転送パルスタイミングを示す。スチルモードでは、全ホトダイオードの信号電荷を読み出し信号毎に出力信号に変換するのだが一定周期で信号電荷を読み出し、複数のフィールドに分けて信号出力とすることが一般的である。
【００４２】
図７に示すように、本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の場合は、４つのホトダイオード毎に信号電荷を読み出し、４フィールドの信号出力で１枚の画像が構成される。図７は、φＶ３の垂直ＣＣＤゲートＶ３で信号電荷を読み出すフィールドのタイミングチャートを示している。
水平転送パルスφＨ１、φＨ２の停止期間に垂直転送パルスφＶ１〜８によって、信号電荷が垂直ＣＣＤ２で垂直転送され、垂直転送が終了した後、水平転送パルスφＨ１、φＨ２によって、水平ＣＣＤ３にある信号電荷が水平ＣＣＤ３を水平転送され出力信号となる。
【００４３】
図中の破線で囲み示す期間Ｅでは、ホトダイオード１から垂直ＣＣＤ２へ、Ｖ３のゲートの信号電荷を読み出している。ホトダイオード１から垂直ＣＣＤ２への読み出しの詳細タイミングチャートを、図８に示している。
垂直ＣＣＤ２は、ゲートにミドルレベルの電圧を印加するとポテンシャルが低くなり信号電荷を蓄積でき、ローレベルではポテンシャルが高いピンニング状態になり信号電荷は蓄積できない。
【００４４】
図８に示すように、まず、ｔ＝ｔ０の時点は、ミドル（Ｍ）レベルの電圧を供給しているφＶ１〜φＶ４のゲートＶ１〜Ｖ４の垂直ＣＣＤ２がポテンシャルが低く、信号電荷を４つのゲートで蓄積できる状態にある（丸印Ｆ１〜Ｆ４）。次にｔ＝ｔＬの時点で、Ｖ１、Ｖ２の各ゲートが同時にロー（Ｌ）レベルに変化する（丸印Ｆ５、Ｆ６）。ミドル（Ｍ）レベルのゲートがＶ３、Ｖ４の２つのゲートだけになり、且つ、Ｖ１、Ｖ２の各ゲートが同時にロー（Ｌ）レベルに変化する。
【００４５】
ホトダイオード１、垂直ＣＣＤ２の詳細なポテンシャルについて図９を用い説明する。
図９では、基板電位がその基板の抵抗成分と垂直ＣＣＤゲートとの容量結合によって均衡した電位になることでホトダイオード１のポテンシャルや基板ポテンシャルが上下し変化することや、周辺の垂直ＣＣＤ２のポテンシャルの影響を受けることにより余剰になった信号電荷が基板に排出され、ホトダイオード１の飽和特性が変化することをポテンシャル図、固体撮像装置の模式図で示している。
【００４６】
図９（ａ）では模式的にホトダイオード１、垂直ＣＣＤ２を形成する画素部７おいて、基板が画素部中央部を中心に画素部周辺部との間に抵抗成分が存在し、画素部７が垂直ＣＣＤゲートと容量結合していることを示している。また、画素部周辺部のホトダイオード１は、画素部７を含むウェル周辺でウェル電位を固定している箇所と距離が近いことから、基板電圧供給源との距離が近く抵抗成分が少ないため、基板電圧が直接的に印加されるが、画素部中央部のホトダイオード１は、基板電圧供給源との距離があるため抵抗成分が増し、垂直ＣＣＤゲートとの間には容量結合成分が存在するため、画素部中央部では画素部周辺部より大きい抵抗成分と垂直ＣＣＤゲートとの容量結合により基板電位が画素部周辺部より垂直転送パルスの影響を受けやすいと考えられる。
【００４７】
そして、ポテンシャル図では図９（ｂ）のように示すことができると考える。図９（ｂ）に示すように、画素部周辺部は、破線のポテンシャルになり、飽和特性が小さくなり画素部中央部では、画素部周辺部との間の抵抗成分と垂直ＣＣＤゲートとの容量結合で実線のポテンシャルとなり、そして垂直転送パルスの影響を受けポテンシャルの変動が起こりやすいと考えられる。
【００４８】
また、ｔ＝ｔＬの時点において、画素部の中央部、周辺部それぞれのホトダイオード１のポテンシャルは、垂直ＣＣＤゲートとの容量結合により急峻に変化し、図の一点鎖線、２点鎖線のように高くなり、余剰電荷が基板に排出されると考えられる。
ｔ＝ｔ０の時点では、Ｖ１〜Ｖ４の各ゲートがミドル（Ｍ）レベル、他の４つのゲートはロー（Ｌ）レベルであり、ホトダイオード１のポテンシャルは低く、ｔ＝ｔＬの時点では、２つのゲートがミドル（Ｍ）レベル、ゲートがロー（Ｌ）レベルでうち、２つのゲートが急峻にロー（Ｌ）レベルに変化するため（図８の丸印Ｆ５、Ｆ６）、ホトダイオード１のポテンシャルが急峻に高くなり、図の一点鎖線、２点鎖線のように余剰電荷が基板に排出されると考えられる。
【００４９】
以降、ｔ＝ｔＬからｔ＝ｔ１の期間は、ｔ＝ｔＬの時点よりは、ホトダイオード１のポテンシャルが低く、飽和特性が高い状態で信号電荷読み出しが行われる。信号電荷がｔ＝ｔＬで、一旦、減少してから飽和特性が高い状態で垂直転送と信号電荷読み出しを行うため、信号電荷の基板排出が抑制でき、画素部中央部と周辺部との飽和特性差が小さくなり、また、他フィールドにおいても同様なタイミングで信号電荷を読み出すことでフィールド間の信号出力の飽和ばらつきを抑制できると考えられる。
【００５０】
［変形例３］
上記第２の実施形態では、８相パルスの垂直転送が完了し、垂直ＣＣＤゲート４ゲートで信号電荷を蓄積できる状態から、一旦、ｔ＝ｔＬの時点で２つのゲートをミドル（Ｍ）レベルからロー（Ｌ）レベルに同時に変化させ（図８の丸印Ｆ５、Ｆ６）、２つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態にしてから、再度、４つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態に戻して（図８の丸印Ｆ７、Ｆ８）、信号電荷の読み出しを行っているが、図１０示すような変形例３に係る固体撮像装置の駆動方法を採用することも可能である。
【００５１】
図１０に示すタイミングチャートのように、ｔ＝ｔＬの時点より前に、垂直ＣＣＤゲートの３つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態にしてから（丸印Ｇ１〜Ｇ３）、一旦、ｔ＝ｔＬの時点で、２つのゲートをミドル（Ｍ）レベルからロー（Ｌ）レベルに同時に変化させ（丸印Ｇ４、Ｇ５）、１つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態にしてから（丸印Ｇ６）、再度、３つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態に戻してもよく（丸印Ｇ７、Ｇ８）、ｔ＝ｔＬの時点より前に、少ないゲート数で信号電荷を蓄積できる状態にすることで、ホトダイオード１のポテンシャルが高くなり、余剰電荷が基板に排出されてから、ｔ＝ｔＬの時点の２つのゲートをミドル（Ｍ）レベルからロー（Ｌ）レベルに同時に変化による余剰電荷基板排出が行われることから、余剰電荷の合計の基板排出量が多くなり、画素部中央部と周辺部との飽和特性差がさらに小さくなり、また、他フィールドにおいても同様なタイミングで信号電荷を読み出すことでフィールド間の信号出力の飽和ばらつきを抑制できると考えられる。
【００５２】
また、上記第２の実施形態では、８相パルスの垂直転送が完了し、垂直ＣＣＤゲート４ゲートで信号電荷を蓄積できる状態から、一旦、ｔ＝ｔＬの時点で２つのゲートをミドル（Ｍ）レベルからロー（Ｌ）レベルに同時に変化させ、２つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態にしてから、再度、４つのゲートで信号電荷を蓄積できる状態に戻して信号電荷の読み出しを行っているが、ｔ＝ｔＬの時点で、４つのゲートを同時にロー（Ｌ）レベルに変化させ、信号電荷を蓄積できない状態にしてもよく、同時にロー（Ｌ）レベルにするゲート数が多いほうが、ｔ＝ｔＬの時点での余剰電荷の基板排出がより多くなり画素部の飽和特性ばらつきをより抑制できると考えられる。
【００５３】
しかし、画素部の暗電流が多いため信号電荷が少ない場合の撮像画質に課題があり暗電流の信号電荷の垂直転送が必要な場合などは、第１の実施形態のｔ＝ｔｌ時点のように最低１ゲートで信号電荷を蓄積できる状態にして暗電流の垂直転送を行うほうが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、一体型ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に適用できる固体撮像装置であって、垂直ＣＣＤの信号電荷転送によるホトダイオードの信号電荷減少を抑制し、信号出力の飽和ばらつきを抑制することができる固体撮像装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  ホトダイオード
２  垂直ＣＣＤ
３  水平ＣＣＤ
４  出力アンプ
５  信号処理部
６  駆動制御部
７  画素部
【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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【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】
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【図１４】
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