(57)【要約】【課題】必要に応じて撮像により得られた信号電荷を高解像度の画像信号としてを出力したり、あるいは撮像により得られた信号電荷を高フレームレートで画像信号として出力することができ、高解像度な静止画像が必要な場合にも、簡易的な動画像が必要な場合にも適応することができる固体撮像装置を実現する。【解決手段】垂直電荷転送部１０４と水平電荷転送部１０６とを有する固体撮像装置において、該水平電荷転送部１０６を、信号電荷を水平方向に転送する第１、第２の電荷転送部１０６ａ、１０６ｂを有し、該第１の電荷転送部１０６ａから該第２の電荷転送部１０６ｂに信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する複数の同色画素の信号電荷を加算する画素加算モードと、該垂直電荷転送部１０４から転送されてきた信号電荷を該第１および第２の電荷転送部１０６ａおよび１０６ｂにより並列して転送する画素並列読出しモードとを切り替えるようにした。【選択図】図１
2013026750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が配列された画素部を備え、各画素から読み出した信号電荷を画素信号として出力する固体撮像装置であって、
該複数の画素列の各々に対応させて設けられ、各画素列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、
該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを備え、
該水平電荷転送部は、
該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する第１の電荷転送部と、
該第１の水平転送部に沿って設けられ、該第１の水平転送部から読み出した信号電荷を水平方向に転送する第２の電荷転送部とを備え、
制御信号に基づいて、該第１の電荷転送部から該第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する複数の同色画素の信号電荷を加算する画素加算モードと、該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を該第１および第２の電荷転送部により並列して転送する画素並列転送モードとを切り替える固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部とを駆動制御する駆動制御部を備え、
該駆動制御部は、前記第１の電荷転送部と前記第２の電荷転送部とを別々の駆動信号により駆動制御するものである、固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記駆動制御部が、前記水平電荷転送部を前記画素加算モードと前記画素並列読出しモードのいずれの動作モードで動作させるかを、ユーザ操作により得られる指令信号に基づいて制御する、固体撮像装置。
【請求項４】
請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記第２の水平転送部に沿って設けられ、該第２の水平転送部から読み出した信号電荷を水平方向に転送する第３の電荷転送部を備え、
前記画素並列転送モードでは、
該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を該第１、第２、および第３の電荷転送部により並列して水平方向に転送する、固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記画素加算モードでは、前記第１の電荷転送部から前記第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する２つの同色画素の信号電荷を加算する、固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記画素加算モードでは、前記第１の電荷転送部から前記第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する３つの同色画素の信号電荷を加算する、固体撮像装置。
【請求項７】
垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する第１の電荷転送部と、該第１の水平転送部から読み出した信号電荷を水平方向に転送する第２の電荷転送部とを有する固体撮像装置を駆動する方法であって、
制御信号に基づいて、該第１の電荷転送部から該第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する複数の同色画素の信号電荷を加算する画素加算モードと、該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を該第１および第２の電荷転送部により並列して転送する画素並列転送モードとを切り替える固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置を備えた電子情報機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、その駆動方法および電子情報機器に関し、特に、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等における撮像デバイスとして用いられる固体撮像装置、およびその駆動方法およびこのような固体撮像装置を搭載した電子情報機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチルカメラの高画質化が急速に進んでおり、１００万画素以上の画素数を有する固体撮像装置、特にＣＣＤイメージセンサが広く使われるようになっている。このようなＣＣＤイメージセンサにおいては、全画素の信号電荷を独立に読み出すことによって静止画を得る駆動モード（スチルモード）と、液晶モニター等に動画を映し出す駆動モード（モニタリングモード）とを切り替えて用いることが一般的である。
【０００３】
モニタリングモードの機能を達成するためには毎秒３０枚程度のフレームレートが必要である。
【０００４】
しかしながら、ＣＣＤイメージセンサの駆動周波数特性の限界、あるいは低消費電力化を図るため、駆動周波数を高速にできず、ＣＣＤイメージセンサの多画素化に伴ってモニタリングモードでのフレームレートの確保が課題となる。
【０００５】
現在のところ、一般的に、１００万画素以上の画素数を有するＣＣＤイメージセンサにおいては、おもに下記の二つの方法でフレームレートを向上させる対応を行っている。
【０００６】
１つの方法としては、水平電荷転送部（以下、ＨＣＣＤ部ともいう。）と出力部とをそれぞれ複数設けることで、画素信号を出力するための周波数を減少させ、フレームレートを向上させる方法であり、例えば特許文献１に開示されている。
【０００７】
図１２は、従来の固体撮像装置として、ＨＣＣＤ部と出力部とを２つ設けた固体撮像装置を説明する図である。
【０００８】
この固体撮像装置２００は、画素が複数配列された画素部２０５を有しており、該画素部２０５には、複数の画素列２０２Ａ〜２０２Ｌのそれぞれに沿って配置された垂直電荷転送部（以下、ＶＣＣＤ部ともいう。）２０４Ａ〜２０４Ｌが設けられている。なお、ここでは、説明の都合上画素列およびＶＣＣＤ部は１２列分示している。
【０００９】
また、画素部２０５のＶＣＣＤ部の終端側には、第１のＨＣＣＤ部２０６ａおよび第２のＨＣＣＤ部２０６ｂが並行して設けられ、さらにこれらのＨＣＣＤ部２０６ａおよび２０６ｂの終端側には電荷蓄積部ＦＤＡが設けられ、この電荷転送部ＦＤＡの電位を増幅して出力する増幅部２０７ａおよび２０７ｂが設けられている。
【００１０】
ここで、各列のＶＣＣＤ部２０４Ａ〜２０４Ｌは、４相の垂直駆動信号ΦＶ１〜ΦＶ４により駆動され、第１のＨＣＣＤ部２０６ａは、４相の水平駆動信号ΦＨ１〜Ｈ４により駆動され、第２のＨＣＣＤ部２０６ｂは、４相の水平駆動信号ΦＨ５〜Ｈ８により駆動されるようになっている。
【００１１】
また、第１のＨＣＣＤ部２０６ａおよび第２のＨＣＣＤ部２０６ｂは、紙面の左から数えて偶数番目のＶＣＣＤ部２０４Ｂ、２０４Ｄ、２０４Ｆ、２０４Ｈ、２０４Ｊ、２０４Ｌに対向する部分で連結されており、偶数番目のＶＣＣＤ部２０４Ｄ、２０４Ｈ、２０４Ｌに対向する部分のゲート電極は転送信号ΦＨｔＡにより駆動され、偶数番目のＶＣＣＤ部２０４Ｂ、２０４Ｆ、２０４Ｊに対向する部分のゲート電極は転送信号ΦＨｔＢにより駆動されるようになっている。
【００１２】
このような構成の固体撮像装置２００では、画素部２０５の各ＶＣＣＤ部から第１のＨＣＣＤ部１０６ａに信号電荷が転送されてくると、水平駆動信号ΦＨ３、ΦＨ１、ΦＨｔＢ、ΦＨｔＡにより第１のＨＣＣＤ部２０６ａ、第２のＨＣＣＤ部２０６ｂ、および連結部２０６ｃ１、２０６ｃ２のゲート電極が駆動され、これにより奇数番目のＶＣＣＤ部２０４Ａ、２０４Ｃ、２０４Ｅ、２０４Ｇ、２０４Ｉ、２０４Ｊからの信号電荷は第１のＨＣＣＤ部２０６ａに保持され、偶数番目のＶＣＣＤ部２０４Ｂ、２０４Ｄ、２０４Ｆ、２０４Ｈ、２０４Ｋ、２０４Ｋからの信号電荷は第１のＨＣＣＤ部２０６ａと第２のＨＣＣＤ部２０６ｂとの連結部を介して第２のＨＣＣＤ部２０６ｂに保持される。
【００１３】
その後、第１のＨＣＣＤ部２０６ａが水平駆動信号ΦＨ１〜Ｈ４により、第２のＨＣＣＤ部２０６ｂが水平駆動信号ΦＨ５〜Ｈ８により駆動されて、第１のＨＣＣＤ部２０６ａに転送された信号電荷が電荷蓄積部ＦＤＡに転送され、同時に、第２のＨＣＣＤ部２０６ｂに転送された信号電荷が電荷蓄積部ＦＤＡに転送される。これにより、第１および第２の出力部２０７ａおよび２０７ｂから信号電荷に対応する画素信号が出力されることとなる。
【００１４】
このように図１２に示す固体撮像装置２００は、信号電荷を２つのＨＣＣＤ部に分けて配分して、２つの出力部から信号電荷に対応する画素信号を出力させることによって、駆動周波数を上げなくても２倍のスピードのフレームレートを実現させるものである。
【００１５】
なお、このように画素信号のＨＣＣＤ部による転送を２系統で行う方法は、上記特許文献１の以外の特許文献にも開示されている（特許文献２〜特許文献８）。
【００１６】
また、フレームレートを向上させる２つ目の方法としては任意の複数の画素の信号電荷を加算することにより、データ量を減少させることでフレームレートを向上させる方法であり、この方法は例えば特許文献９に開示されている。
【００１７】
図１３は、従来の固体撮像装置として、複数の画素の信号電荷を加算する画素加算方式の固体撮像装置を説明する図である。
【００１８】
図１３には、固体撮像装置の画素部と水平電荷転送部（ＨＣＣＤ部）との境界部分の構成が示されており、画素部領域では、画素を構成するフォトダイオード１の列毎に垂直電荷転送部（図１３を用いた説明では垂直レジスタという。）を構成する垂直チャネルが形成され、この垂直チャネル３の上側にはトランスファーゲート２が配置されている。ここではトランスファーゲート２として、１層目のゲート（点線で表示）と２層目のゲート（実線で表示）とが垂直転送方向に沿って交互にかつ隣接部分で重なるよう配置されており、１層目ゲートは駆動信号ΦＶ２、ΦＶ４、ΦＶ６により駆動され、また、２層目ゲートは駆動信号ΦＶ１、ΦＶ３、ΦＶ５により駆動されるようになっている。また、図１３中、Ｒ，Ｇ，Ｂは画素を構成するフォトダイオードに形成されているカラーフィルタの色を示しており、それぞれ、赤色、緑色、青色を示している。
【００１９】
また、水平電荷転送部（図１３を用いた説明では水平レジスタという。）では、垂直レジスタ３の延在方向と直交する方向に延びる水平レジスタ４が形成されている。この水平レジスタ４の画素部との反対側には掃き出しドレイン７が該水平レジスタ４に沿って配置されており、該水平レジスタ４の上側には１層目のゲート（点線で表示）と２層目のゲート（実線で表示）が水平転送方向に沿って交互にかつ隣接部分で重なるよう配置されている。
【００２０】
なお、この水平レジスタ４における隣接する１層目のゲートと２層目のゲートとは対を成しており、垂直レジスタ３に対向する一対の１層目のゲートと２層目のゲートは水平駆動信号ΦＨ１により駆動され、隣接する垂直レジスタ４の間の領域に対向する一対の１層目のゲートと２層目のゲートは水平駆動信号ΦＨ２により駆動されるようになっている。
【００２１】
また、水平レジスタ４の転送側終端には、信号電荷を検出して画素信号を出力する電荷検出部５が設けられており、この電荷検出部５には、ここで検出された信号電荷を増幅して出力する出力アンプ６が設けられている。
【００２２】
さらに、上記画素部領域と水平レジスタ４との間にはダミー領域が設けられており、このダミー領域では、図１３のＡ−Ａ’線に沿った２列（紙面左から１列目と２列目）の垂直チャネル３と、Ｂ−Ｂ’線に沿った２列（紙面左から３列目と４列目）の垂直レジスタ３とで、信号電荷の垂直方向の転送が独立して行うことができるようになっている。つまり、Ａ−Ａ’線に沿った２列（紙面左から１列目と２列目）の垂直レジスタ３の上側に転送方向に配列されている２層目の３つのゲートには垂直駆動信号ΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３が印加され、Ｂ−Ｂ’線に沿った２列（紙面左から３列目と４列目）の垂直チャネル３の上側に転送方向に配列されている２層目の３つのゲートには、上記垂直駆動信号ΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３とは独立した垂直駆動信号ΦＶ１Ａ、ΦＶ２Ａ、ΦＶ３Ａが印加されるようになっている。
【００２３】
これにより、画素部領域の垂直レジスタは、水平レジスタ手前のダミー領域では、隣接する４列の垂直レジスタのうち、１番目及び２番目の垂直レジスタと、３番目及び４番目の垂直レジスタとでは、信号電荷を独立したタイミングで水平レジスタに転送可能となっている。
【００２４】
次に、図１４を用いてこのような構成の固体撮像装置の動作について説明する。
【００２５】
図１４（ａ）には、図１３に示す画素部領域の各画素で生成された信号電荷が水平レジスタ４の手前まで転送されていた状態を示している。
【００２６】
この状態で、右側の２つの垂直レジスタ３の最終段の信号電荷を、左側の２つの垂直レジスタ３の最終段の信号電荷の転送は行わずに水平レジスタ４に転送する（図１４(ｂ)）。
【００２７】
続いて、水平レジスタ４内で、垂直レジスタ３から受け取った右側の２つの垂直レジスタ３の最終段の信号電荷を、左側の２つの垂直レジスタ３の最終段の信号電荷が転送される位置まで移動させる（図１４(ｃ)）。
【００２８】
その後、左側の２つの垂直レジスタ３の最終段の信号電荷を、右側の２つの垂直レジスタ３の最終段の信号電荷の転送は行わずに水平レジスタ４に転送する（図１４(ｄ)）。
【００２９】
これにより垂直レジスタから水平レジスタへの読み出しにより、同色の画素の信号電荷が加算されて画素信号の圧縮が行われることとなる。
【００３０】
その後は、画素部における信号電荷を各垂直レジスタで１段水平レジスタ側にシフトさせ（図１４(ｅ)）、さらに、水平レジスタの駆動により、上記のように加算された信号電荷を水平レジスタの駆動により順次出力アンプ６に供給する（図１４(ｆ)）。
【００３１】
このように図１３に示す固体撮像装置２００ａは、任意の複数の画素の信号電荷を加算することにより、データ量を減少させることでフレームレートを向上させるものであり、この方法は例えば特許文献１０などにも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】特許第２９４７６９６号明細書
【特許文献２】特開平６−９７４１２号公報
【特許文献３】特開平８−４６１７９号公報
【特許文献４】特開平４−３６５２７５号公報
【特許文献５】特開平６−１１３２１２号公報
【特許文献６】特開平６−３３９０７７号公報
【特許文献７】特開平１−１３８７５０号公報
【特許文献８】特開昭６２−４３５９号公報
【特許文献９】特開平１１−５４７４１号公報
【特許文献１０】特開２０００−１１５６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
ところが、例えば図１２に示す固体撮像装置、つまり水平２線読み出し方式のＣＣＤイメージセンサでは出力回路が２つあり、それぞれの回路特性の差に起因する画質の差を合わせ込むことが非常に困難であるため、この出力回路の特性の合わせ込みにはかなり高度な技術と労力が必要となる。
【００３４】
また、図１３に示す画素加算方式のＣＣＤイメージセンサでは、画素情報を加算して圧縮するため、画素数（解像度）自体が減少してしまい、高解像度が必要な場合には使うことができないという問題がある。
【００３５】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、必要に応じて撮像により得られた信号電荷を高解像度の画像信号として出力したり、あるいは撮像により得られた信号電荷を高フレームレートで画像信号として出力することができ、高解像度な静止画像が必要な場合にも、簡易的な動画像が必要な場合にも適応することができる固体撮像装置、その駆動方法、およびこのような固体撮像装置を備えた電子情報機器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】
【００３６】
本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素が配列された画素部を備え、各画素から読み出した信号電荷を画素信号として出力する固体撮像装置であって、該複数の画素列の各々に対応させて設けられ、各画素列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを備え、該水平電荷転送部は、該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する第１の電荷転送部と、該第１の水平転送部に沿って設けられ、該第１の水平転送部から読み出した信号電荷を水平方向に転送する第２の電荷転送部とを備え、制御信号に基づいて、該第１の電荷転送部から該第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する複数の同色画素の信号電荷を加算する画素加算モードと、該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を該第１および第２の電荷転送部により並列して転送する画素並列転送モードとを切り替えるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３７】
本発明は、上記固体撮像装置において、前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部とを駆動制御する駆動制御部を備え、該駆動制御部は、前記第１の電荷転送部と前記第２の電荷転送部とを別々の駆動信号により駆動制御するものであることが好ましい。
【００３８】
本発明は、上記固体撮像装置において、前記駆動制御部が、前記水平電荷転送部を前記画素加算モードと前記画素並列読出しモードのいずれの動作モードで動作させるかを、ユーザ操作により得られる指令信号に基づいて制御することが好ましい。
【００３９】
本発明は、上記固体撮像装置において、前記第２の水平転送部に沿って設けられ、該第２の水平転送部から読み出した信号電荷を水平方向に転送する第３の電荷転送部を備え、前記画素並列転送モードでは、該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を該第１、第２、および第３の電荷転送部により並列して水平方向に転送することが好ましい。
【００４０】
本発明は、上記固体撮像装置において、前記画素加算モードでは、前記第１の電荷転送部から前記第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する２つの同色画素の信号電荷を加算することが好ましい。
【００４１】
本発明は、上記固体撮像装置において、前記画素加算モードでは、前記第１の電荷転送部から前記第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する３つの同色画素の信号電荷を加算することが好ましい。
【００４２】
本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する第１の電荷転送部と、該第１の水平転送部から読み出した信号電荷を水平方向に転送する第２の電荷転送部とを有する固体撮像装置を駆動する方法であって、制御信号に基づいて、該第１の電荷転送部から該第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する複数の同色画素の信号電荷を加算する画素加算モードと、該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を該第１および第２の電荷転送部により並列して転送する画素並列転送モードとを切り替えるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４３】
本発明に係る電子情報機器は、上述した本発明に係る固体撮像装置を備えたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４４】
次に作用について説明する。
【００４５】
本発明においては、固体撮像装置を構成する水平電荷転送部を、垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する第１の電荷転送部と、該第１の水平転送部に沿って設けられ、該第１の水平転送部から読み出した信号電荷を水平方向に転送する第２の電荷転送部とを有するものとし、制御信号に基づいて、該第１の電荷転送部から該第２の電荷転送部に信号電荷を転送する際に、水平方向に隣接する複数の同色画素の信号電荷を加算する画素加算モードと、該垂直電荷転送部から転送されてきた信号電荷を該第１および第２の電荷転送部により並列して転送する画素並列転送モードとを切り替えるので、必要に応じて撮像により得られた信号電荷を高解像度の画像信号として出力したり、あるいは撮像により得られた信号電荷を高フレームレートで画像信号として出力することができ、高解像度な静止画像が必要な場合にも、簡易的な動画像が必要な場合にも適応することができる。
【発明の効果】
【００４６】
以上のように、本発明によれば、必要に応じて撮像により得られた信号電荷を高解像度の画像信号として出力したり、あるいは撮像により得られた信号電荷を高フレームレートで画像信号として出力することができ、高解像度な静止画像が必要な場合にも、簡易的な動画像が必要な場合にも適応することができる固体撮像装置、その駆動方法、およびこのような固体撮像装置を備えた電子情報機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本発明の実施形態１による固体撮像装置を説明する図であり、その全体構成を示している。
【図２】図２は、本発明の実施形態１による固体撮像装置を説明する図であり、垂直電荷転送部および水平電荷転送部におけるゲート電極の駆動信号を示している。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平電荷転送部での偶数列の信号電荷の加算動作を示している。
【図４】図４は、本発明の実施形態１による固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平電荷転送部での奇数列の信号電荷の加算動作を示している。
【図５】図５は、本発明の実施形態１による固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平電荷転送部での信号電荷を２つの電荷転送部により並列して水平方向に転送する動作を示している。
【図６】図６は、本発明の実施形態１の変形例による固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平電荷転送部での偶数列の画素の第１の加算動作を示している。
【図７】図７は、本発明の実施形態１の変形例による固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平電荷転送部での偶数列の画素の第２の加算動作を示している。
【図８】図８は、本発明の実施形態１の変形例による固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平電荷転送部での奇数列の画素の第１および第２の加算動作を示している。
【図９】図９は、本発明の実施形態２による固体撮像装置を説明する図であり、その全体構成を示している。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態２による固体撮像装置を説明する図であり、垂直電荷転送部および水平電荷転送部におけるゲート電極の駆動信号を示している。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態３として、実施形態１あるいは２の固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、従来の固体撮像装置として水平２線読出し方式のＣＣＤイメージセンサを説明する図であり、水平レジスタを２系統に分けて２つの出力部から画素信号を読み出す構成を示している。
【図１３】図１３は、従来の固体撮像装置として画素加算方式のＣＣＤイメージセンサを説明する図であり、画素信号の加算を行うゲート電極の構成を示している。
【図１４】図１４は、従来の固体撮像装置の動作を説明する図であり、垂直レジスタから水平レジスタに画素信号を転送するときに画素信号が加算される様子（図１４（ａ）〜図１４（ｆ））を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による固体撮像装置を説明する図であり、その全体構成を示し、図２は、該固体撮像装置における垂直電荷転送部および水平電荷転送部でのゲート電極の駆動信号を示している。図２では、右上がりのハッチングは赤色画素を示し、左上がりのハッチングは青色画素を示し、ドットは緑色画素を示している。
【００５０】
この実施形態１による固体撮像装置１００は、複数の画素１０８が配列された画素部１０５を備え、各画素から読み出した信号電荷を画素信号として出力する固体撮像装置である。この固体撮像装置１００は、該複数の画素列の各々に対応させて設けられ、各画素列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部（以下、ＶＣＣＤ部という。）１０４と、該ＶＣＣＤ部１０４から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部１０６と、該水平電荷転送部１０６から出力される信号電荷に対応する信号電圧を増幅して出力する出力回路１０７とを有している。
【００５１】
つまり、画素部１０５には、複数の画素列１０２Ａ〜１０２Ｌのそれぞれに沿って配置された垂直電荷転送部（以下、ＶＣＣＤ部ともいう。）１０４Ａ〜１０４Ｌが設けられている。なお、ここでは、説明の都合上、ＶＣＣＤ部として、１２列分のＶＣＣＤ部１０４Ａ〜１０４Ｌを示しているが、特に区別する必要のない場合は、図１に示すとおりＶＣＣＤ部１０４として説明する。
【００５２】
また、画素部１０５の各ＶＣＣＤ部の転送終端側には、上記水平電荷転送回路１０６を構成する第１のＨＣＣＤ部（電荷転送部）１０６ａおよび第２のＨＣＣＤ部（電荷転送部）１０６ｂが並行して設けられ、さらにこれらのＨＣＣＤ部１０６ａおよび１０６ｂの終端側には電荷蓄積部ＦＤＡが設けられ、この電荷転送部ＦＤＡの電位を増幅して出力する増幅部１０７ａおよび１０７ｂが設けられている。この増幅部１０７ａおよび１０７ｂは上記出力回路１０７を構成している。
【００５３】
また、この固体撮像装置１００では、該第１のＨＣＣＤ部１０６ａと該第２のＨＣＣＤ部１０６ｂとの間には、該第１のＨＣＣＤ部１０６ａから該第２のＨＣＣＤ部１０６ｂへの信号電荷の転送が行われるよう水平方向に繰り返し配置されているＶＣＣＤ部の繰り返しの１周期を単位としてｎ周期（ここでは２周期）毎にＨＣＣＤ間転送部１０６ｃ１、１０６ｃ２が設けられている。
【００５４】
また、第１のＨＣＣＤ部１０６ａおよび第２のＨＣＣＤ部１０６ｂは、紙面の左から数えて偶数番目のＶＣＣＤ部１０４Ｂ、１０４Ｄ、１０４Ｆ、１０４Ｈ、１０４Ｊ、１０４Ｌに対向する部分で、ＨＣＣＤ間転送部１０６ｃ１、１０６ｃ２により連結されており、この連結部には、駆動信号ΦＨｔＡおよびΦＨｔＢにより駆動される連結ゲート電極が配置されている。
【００５５】
なお、上記画素部１０５における画素１０８は、光電変換部としてのフォトダイオード１０２と、該フォトダイオード１０２で生成された信号電荷をフォトダイオード外部に読み出す読み出しゲート部１０３と、各画素列のＶＣＣＤ部の、フォトダイオード１０２に読み出しゲート１０２を介して対向する部分によって構成されている。
【００５６】
また、この固体撮像装置１００は、各画素列に対応するＶＣＣＤ部１０４、および読出しゲート部１０３を垂直転送制御信号Ｖｄにより駆動制御するとともに、上記第１および第２のＨＣＣＤ部１０６ａおよび１０６ｂ、並びにＨＣＣＤ間転送部１０６ｃ１および１０６ｃ２を水平転送制御信号Ｈｄにより駆動制御する駆動制御部１１０と、上記出力回路１０７から出力される画素信号Ｖに基づいて駆動制御部１１０を制御する出力制御部１２０と、該出力制御部１２０をユーザの操作信号Ｕｓに基づいて、動作モードが切り換わるよう制御する主制御部１３０と、該ユーザが入力操作により操作信号Ｕｓを出力する入力部１４０とを有している。
【００５７】
ここで、垂直転送制御信号Ｖｄは、上記ＶＣＣＤ部を駆動する４相の垂直駆動信号ΦＶ１〜ΦＶ４と、読出しゲート１０３を駆動する読出しゲート駆動信号（図示せず）とを含んでいる。また、上記水平転送制御信号Ｈｄは、第１のＨＣＣＤ部１０６ａを駆動する４相の水平駆動信号ΦＨ１〜Ｈ４と、第２のＨＣＣＤ部１０６ｂを駆動する４相の水平駆動信号ΦＨ５〜Ｈ８と、偶数番目のＶＣＣＤ部１０４Ｄ、１０４Ｈ、１０４Ｌに対向する部分の連結ゲート電極を駆動する転送信号ΦＨｔＡと、偶数番目のＶＣＣＤ部１０４Ｂ、１０４Ｆ、１０４Ｊに対向する部分のゲート電極は転送信号ΦＨｔＢとを含んでいる。
【００５８】
このような構成の本実施形態１の固体撮像装置１００は、画素部の複数の画素列に対応するＶＣＣＤ部１０４から水平電荷転送回路１０６に転送されてきた信号電荷を、該水平電荷転送回路１０６を構成する第１のＨＣＣＤ部１０６ａおよび第２のＨＣＣＤ部１０６ｂの少なくとも一方を用いて水平方向に転送するものであり、この実施形態１の固体撮像装置１００は、２つのＨＣＣＤ部１０６ａおよび１０６ｂを用いて読み出す水平２線読み出しモード（並列転送モード）と、第１のＨＣＣＤ部１０６ａから第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに信号電荷を転送する際に信号電荷の加算（画素加算）を行って第２のＨＣＣＤ部１０６ｂ線のみから信号電荷を読み出す画素加算モードとを有している。
【００５９】
次に動作について説明する。
【００６０】
この実施形態１の固体撮像装置１００では、駆動制御部１１０からの垂直転送制御信号ＶｄによりＶＣＣＤ部１０４が駆動され、駆動制御部１１０からの水平転送制御信号ＨｄによりＨＣＣＤ部１０６が駆動されると、画素部１０５のフォトダイオード１０２で得られた信号電荷がＶＣＣＤ部１０４からＨＣＣＤ部１０６に転送されて出力回路１０３から画素信号として出力される。
【００６１】
このように信号電荷を読み出す動作は、この実施形態１の固体撮像装置１００では、水平２線読み出しモードと画素加算モードとのいずれかのモードで行われる。
【００６２】
まず、ユーザが入力部１４０の操作により、画素加算モードを選択した場合の動作について図３および図４を用いて説明する。
【００６３】
なお、図３では、画素部１０５の第１のＨＣＣＤ部１０６ａの近傍部分のみ示し、また、時間の経過（タイミングｔ１〜ｔ５）での第１および第２のＨＣＣＤ部における信号電荷〔１〕〜〔１２〕の位置を示している。
【００６４】
また、図４では、時間の経過（タイミングｔ６〜ｔ１０）での第１および第２のＨＣＣＤ部における信号電荷〔１〕〜〔１２〕の位置を示している。
【００６５】
タイミングｔ１では、各画素列１０２Ａ〜１０２Ｋに対応するＶＣＣＤ部１０４Ａ〜１０４Ｋから転送されてきた信号電荷〔１〕〜〔１２〕は、第１のＨＣＣＤ部１０６ａに保持され、次のタイミングｔ２では、緑色画素の信号電荷〔４〕、〔８〕、〔１２〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに移動する。その後、ＨＣＣＤ部１０６ｂが駆動されて緑色画素の信号電荷〔４〕、〔８〕、〔１２〕が移動して、タイミングｔ３では、緑色画素の信号電荷〔４〕、〔８〕、〔１２〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂにて、第１のＨＣＣＤ部１０６ａにおける緑色画素の信号電荷〔２〕、〔６〕、〔１０〕の先のゲート電極の位置まで移動する。
【００６６】
次のタイミングｔ４では、第１のＨＣＣＤ部１０６ａにおける緑色画素の信号電荷〔２〕、〔６〕、〔１０〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに転送され、さらに次のタイミングｔ５で緑色画素の信号電荷〔２〕、〔６〕、〔１０〕と緑色画素の信号電荷〔４〕、〔８〕、〔１２〕とがそれぞれ加算されて、加算信号電荷〔２＋４〕、〔６＋８〕、〔１０＋１２〕となる。
【００６７】
その後、加算信号電荷〔２＋４〕、〔６＋８〕、〔１０＋１２〕が、ＨＣＣＤ部１０６ｂにて１周期分だけ転送方向に移動し（タイミングｔ６）、さらに赤色画素の信号電荷〔３〕、〔７〕、〔１１〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに転送される（タイミングｔ７）。
【００６８】
その後、第２のＨＣＣＤ部１０６ｂにて信号電荷が１周期分だけ転送され（タイミングｔ８）、さらに次のタイミングｔ９で、第１のＨＣＣＤ部１０６ａから第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに赤色画素の信号電荷〔１〕、〔５〕、〔９〕が転送され、続くタイミングｔ１０で、緑色画素の信号電荷〔１〕、〔５〕、〔９〕と赤色画素の信号電荷〔３〕、〔７〕、〔１１〕とがそれぞれ加算されて、加算信号電荷〔１＋３〕、〔５＋７〕、〔９＋１１〕となる。
【００６９】
このようにして、第１のＨＣＣＤ部１０６ａから第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに信号電荷を転送する際に、同色の画素の信号電荷を加算することにより、単一の出力部から信号電荷に対応する画素信号を出力することが可能となり、出力部の特性のバラツキによる画質の劣化を防止することができる。
【００７０】
次に、ユーザが入力部１４０の操作により、水平２線読み出しモードを選択した場合の動作について図５を用いて説明する。
【００７１】
なお、図５では、画素部１０５の第１のＨＣＣＤ部１０６ａの近傍部分のみ示している。
【００７２】
この水平２線読み出しモードでは各画素列１０２Ａ、１０２Ｃ、１０２Ｅ、１０２Ｇ、１０２Ｉ、１０２Ｋに対応するＶＣＣＤ部１０４Ａ、１０４Ｃ、１０４Ｅ、１０４Ｇ、１０４Ｉ、１０４Ｋから転送されてきた信号電荷〔１〕、〔３〕、〔５〕、〔７〕、〔９〕、〔１１〕は、第１のＨＣＣＤ部１０６ａに保持され、各画素列１０２Ｂ、１０２Ｄ、１０２Ｆ、１０２Ｈ、１０２Ｊ、１０２Ｌに対応するＶＣＣＤ部１０４Ｂ、１０４Ｄ、１０４Ｆ、１０４Ｈ、１０４Ｊ、１０４Ｌから転送されてきた信号電荷〔２〕、〔４〕、〔６〕、〔８〕、〔１０〕、〔１２〕は、第１のＨＣＣＤ部１０６ａからＶＣＣＤ間転送部１０６ｃ１、１０６ｃ２を通過して第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに転送される（タイミングｔ１）。
【００７３】
この状態で、第１および第２のＨＣＣＤ部１０６ａおよび１０６ｂが水平転送駆動信号ΦＨ１〜ΦＨ４、およびΦＨ５〜ΦＨ８により駆動されると、各ＨＣＣＤ部では信号電荷が水平転送方向に転送されることとなり、それぞれの出力部１０７ａおよび１０７ｂから出力される。
【００７４】
このように本実施形態１の固体撮像装置においては、画素加算モードでは、第１のＨＣＣＤ部から第２のＨＣＣＤ部へ電荷を転送するゲートを水平方向にｎ周期で別配線により駆動される構成とし、任意の信号電荷を第１のＨＣＣＤ部から第２のＨＣＣＤ部へ転送した後に、第２のＨＣＣＤ部の信号電荷を第１のＨＣＣＤ部の同色信号電荷の隣接位置へ移動させ、第１のＨＣＣＤ部と第２のＨＣＣＤ部との同色画素の信号電荷同士を、第２のＨＣＣＤ部で合流させることで画素加算駆動を容易に実現することによって、一方のＨＣＣＤ部のみに画素加算した信号電荷が蓄積され、単一出力回路のみでの信号処理が可能となる。
【００７５】
また、水平２線読み出しモードでは画質の劣化を招くことなく、フレームレートを高めることができる。
【００７６】
なお、上記実施形態１の固体撮像装置では、画素加算モードでは、隣接する同色の２画素の信号電荷を加算する場合について説明したが、隣接する同色の３画素の信号電荷を加算するようにしてもよい。
【００７７】
以下、画素加算モードで、隣接する同色の３画素の信号電荷を加算する場合について、図６〜図８を用いて簡単に説明する。なお、図６では、画素部１０５の第１のＨＣＣＤ部１０６ａの近傍部分のみ示している。
【００７８】
タイミングｔ１では、各画素列１０２Ａ〜１０２Ｌに対応するＶＣＣＤ部１０４Ａ〜１０４Ｌから転送されてきた信号電荷〔１〕〜〔１２〕は、第１のＨＣＣＤ部１０６ａに保持され、次のタイミングｔ２では、緑色画素の信号電荷〔６〕、〔１２〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに移動する。その後、ＨＣＣＤ部１０６ｂが駆動されて緑色画素の信号電荷〔６〕、〔１２〕が１周期分だけ移動して、タイミングｔ３では、緑色画素の信号電荷〔６〕、〔１２〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂにて、第１のＨＣＣＤ部１０６ａにおける緑色画素の信号電荷〔４〕、〔１０〕の１つ先のゲート電極の位置まで移動する。
【００７９】
次のタイミングｔ４では、第１のＨＣＣＤ部１０６ａにおける緑色画素の信号電荷〔４〕、〔１０〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに転送され、さらに次のタイミングｔ５で緑色画素の信号電荷〔４〕、〔１０〕と緑色画素の信号電荷〔６〕、〔１２〕とがそれぞれ加算されて、加算信号電荷〔４＋６〕、〔１０＋１２〕となる。
【００８０】
その後、加算信号電荷〔４＋６〕、〔１０＋１２〕が、ＨＣＣＤ部１０６ｂにて１周期分だけ転送方向に移動し（タイミングｔ６）、さらに第１のＨＣＣＤ部１０６ａにおける緑色画素の加算信号電荷〔２〕、〔８〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに転送され（タイミングｔ７）、さらに次のタイミングｔ８で緑色画素の信号電荷〔４＋６〕、〔１０＋１２〕と緑色画素の信号電荷〔２〕、〔８〕とがそれぞれ加算されて、加算信号電荷〔２＋４＋６〕、〔８＋１０＋１２〕となる。
【００８１】
さらに赤色画素の信号電荷〔５〕、〔７〕が第１のＨＣＣＤ部１０６ａから第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに転送される（タイミングｔ９）。
【００８２】
その後、第２のＨＣＣＤ部１０６ｂにて信号電荷が１周期分だけ転送され（タイミングｔ１０）、さらに次のタイミングｔ１１で、第１のＨＣＣＤ部１０６ａから第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに赤色画素の信号電荷〔３〕、〔９〕が転送され、さらに、赤色画素の信号電荷〔５〕、〔１１〕と赤色画素の信号電荷〔３〕、〔９〕とがそれぞれ加算されて、加算信号電荷〔３＋５〕、〔９＋１１〕となり、１周期分だけ移動する（タイミングｔ１２）。
【００８３】
その後、第１のＨＣＣＤ部１０６ａにおける緑色画素の加算信号電荷〔１〕、〔７〕が第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに転送され（タイミングｔ１３）、さらに次のタイミングｔ１４で、赤色画素の信号電荷〔３＋５〕、〔９＋１１〕と赤色画素の信号電荷〔１〕、〔７〕とがそれぞれ加算されて、加算信号電荷〔１＋３＋５〕、〔７＋９＋１１〕となる。
【００８４】
このようにして、第１のＨＣＣＤ部１０６ａから第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに信号電荷を転送する際に、同色の画素の信号電荷を加算することにより、単一の出力部から信号電荷に対応する画素信号を出力することが可能となり、出力部の特性のバラツキによる画質の劣化を防止することができるとともに、データ量を１／３に減少させることができる。
（実施形態２）
図９は、本発明の実施形態２による固体撮像装置を説明する図であり、その全体構成を示し、図１０は、この実施形態２による固体撮像装置における垂直電荷転送部および水平電荷転送部でのゲート電極の構成を示している。なお、図９では、右上がりのハッチングは赤色画素を示し、左上がりのハッチングは青色画素を示し、ドットは緑色画素を示している。
【００８５】
この実施形態２による固体撮像装置１００ｂは、実施形態１の固体撮像装置１００ａにおける水平電荷転送回路１０６および出力回路１０７に代えて、第１のＨＣＣＤ部１１６ａ、第２のＨＣＣＤ部１１６ｂ、および第３のＨＣＣＤ部１１６ｃを有する水平電荷転送部１１６と、該各ＨＣＣＤ部から転送されてくる信号電荷に対応する画素信号を増幅する第１〜第３の出力部１１７ａ〜１１７ｃを有する出力回路１１７を備えたものであり、その他の構成は、実施形態１の固体撮像装置と同一である。
【００８６】
このような構成の固体撮像装置１００ａでは、実施形態１の固体撮像装置１００における水平２線読み出しモードに代わる水平３線読出しモードで信号電荷を読み出すことができる。なお、画素加算モードでは、水平転送駆動信号ΦＨ１〜ΦＨ４、およびΦＨ５〜ΦＨ８のタイミングを変えることで、実施形態１で説明した隣接する同色の２画素の信号電荷を加算する２画素加算、あるいは実施形態１の変形例で説明した隣接する同色の３画素の信号電荷を加算する３画素加算を行うことができる。
【００８７】
以下、この実施形態２に固体撮像装置１００ａにおける水平３線読出しモードについて図１０を用いて説明する。
【００８８】
この水平３線読み出しモードでは各画素列１０２Ａ、１０２Ｅ、１０２Ｇ、１０２Ｋに対応するＶＣＣＤ部１０４Ａ、１０４Ｅ、１０４Ｇ、１０４Ｋから転送されてきた信号電荷〔１〕、〔５〕、〔７〕、〔１１〕は、第１のＨＣＣＤ部１０６ａに保持され、各画素列１０２Ｂ、１０２Ｄ、１０２Ｈ、１０２Ｊに対応するＶＣＣＤ部１０４Ｂ、１０４Ｄ、１０４Ｈ、１０４Ｊから転送されてきた信号電荷〔２〕、〔４〕、〔８〕、〔１０〕は、第１のＨＣＣＤ部１０６ａからＶＣＣＤ間転送部１１６ｃ１、１１６ｃ２を通過して第２のＨＣＣＤ部１０６ｂに転送され、各画素列１０２Ｃ、１０２Ｆ、１０２Ｉ、１０２Ｌに対応するＶＣＣＤ部１０４Ｃ、１０４Ｆ、１０４Ｉ、１０４Ｌから転送されてきた信号電荷〔３〕、〔６〕、〔９〕、〔１２〕は、第１のＨＣＣＤ部１０６ａから第２のＨＣＣＤ部１０６ｂを通過して第３のＨＣＣＤ部１１６ｃに転送される（タイミングｔ１）。
【００８９】
この状態で、第１〜第３のＨＣＣＤ部１１６ａ〜１１６ｃが水平転送駆動信号ΦＨ１〜ΦＨ４、ΦＨ５〜ΦＨ８、およびΦＨ９〜ΦＨ１２により駆動されると、各ＨＣＣＤ部では信号電荷が水平転送方向に転送されることとなり、それぞれの出力部１１７ａ〜１１７ｃから出力される。
【００９０】
このように水平３線読み出しモードでは画質の劣化を招くことなく、フレームレートを３倍に高めることができる。
【００９１】
さらに、上記実施形態１および２では、特に説明しなかったが、上記実施形態１および２の固体撮像装置の少なくともいずれかを撮像部に用いた、例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの、画像入力デバイスを有した電子情報機器について以下簡単に説明する。
（実施形態３）
図１１は、本発明の実施形態３として、実施形態１あるいは２の固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【００９２】
図１１に示す本発明の実施形態３による電子情報機器９０は、本発明の上記実施形態１および２の固体撮像装置の少なくともいずれかを、被写体の撮影を行う撮像部９１として備えたものであり、このような撮像部による撮影により得られた高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部９２と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示部９３と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信部９４と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有している。
【００９３】
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、固体撮像装置、その駆動方法、および電子情報機器の分野において、必要に応じて撮像により得られた信号電荷を高解像度の画像信号としてを出力したり、あるいは撮像により得られた信号電荷を高フレームレートで画像信号として出力することができ、高解像度な静止画像が必要な場合にも、簡易的な動画像が必要な場合にも適応することができる固体撮像装置、その駆動方法、およびこのような固体撮像装置を備えた電子情報機器を実現することができる。
【符号の説明】
【００９５】
９０  電子情報機器
９１  撮像部
９２  メモリ部
９３  表示部
９４  通信部
９５  画像出力部
１００、１００ａ  固体撮像装置
１０２Ａ〜１０２Ｌ  画素列
１０３  読出しゲート部
１０４、１０４Ａ〜１０４Ｌ  垂直電荷転送部
１０５  画素部
１０６  水平電荷転送回路
１０７  出力回路
１０８  画素
１０６ａ，１１６ａ  第１のＨＣＣＤ部（第１の電荷転送部）
１０６ｂ、１１６ｂ  第２のＨＣＣＤ部（第２の電荷転送部）
１１６ｃ  第３のＨＣＣＤ部（第３の電荷転送部）
１０７  出力回路
１０７ａ、１０７ｂ  増幅部
１１０  駆動制御部
１２０  出力制御部
１３０  主制御部
１４０  入力部
【図１】
2013026750.tif 000003
【図２】
2013026750.tif 000004
【図３】
2013026750.tif 000005
【図４】
2013026750.tif 000006
【図５】
2013026750.tif 000007
【図６】
2013026750.tif 000008
【図７】
2013026750.tif 000009
【図８】
2013026750.tif 000010
【図９】
2013026750.tif 000011
【図１０】
2013026750.tif 000012
【図１１】
2013026750.tif 000013
【図１２】
2013026750.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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