(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にマトリックス状に形成された複数の受光部と、この受光部から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、この複数の垂直レジスタによって転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平レジスタを有し、上記複数の垂直レジスタの中を転送される信号電荷を、行単位および列単位で排出することが可能な電荷排出手段と、この電荷排出手段で信号電荷が列単位で排出された行のうちの信号電荷が排出された列以外の残る列の信号電荷を読み出す電荷読み出し手段を備えた固体撮像装置において、
上記水平レジスタは、Ｎ型転送チャネルをもつ第１の下層電極,Ｎ−型転送チャネルをもつ第１の上層電極,Ｎ型転送チャネルをもつ第２の下層電極,Ｎ−型転送チャネルをもつ第２の上層電極を順に行方向に並べた電極組を各垂直レジスタの終端に備えるととともに、第１水平転送クロックおよびその反転パルスである第１反転水平転送クロックを夫々供給する第１信号線および第１反転信号線と、第２水平転送クロックおよびその反転パルスである第２反転水平転送クロックを夫々供給する第２信号線および第２反転信号線を備える一方、各垂直レジスタの終端付近を横切るようにドレインが配置され、
信号電荷を読み出すべき垂直レジスタの上記電極組は、第２の上層および下層電極を上記第１反転信号線に接続し、この第２の上層電極に上記ドレインに対応するゲートを接続し、第１の上層および下層電極を上記第１信号線に接続して第１電極組とする一方、
信号電荷を排出すべき垂直レジスタの上記電極組は、第２の上層および下層電極を上記第２反転信号線に接続し、この第２の上層電極に上記ドレインに対応するゲートを接続し、第１の上層および下層電極を上記第２信号線に接続して第２電極組とするとともに、
１行の信号電荷を各垂直レジスタの終端に転送する一連の垂直転送パルスに同期して立ち上がり,上記垂直転送パルスの継続時間に亘ってハイになる信号を、上記第１信号線および第２信号線に供給して、上記第１および第２電極組を介して、上記１行の信号電荷を総て水平レジスタに転送して格納し、
上記一連の垂直転送パルスに同期して立ち上がり,その継続時間に亘ってハイになる信号を上記第１信号線に、上記一連の垂直転送パルスに同期して立ち下がり,その継続時間に亘ってローになる信号を上記第２信号線に夫々供給して、上記１行の信号電荷のうち、上記第１電極組に係る信号電荷を水平レジスタに転送して格納し、上記第２電極組に係る信号電荷をドレインへ排出し、
上記一連の垂直転送パルスに同期して立ち下がり,その継続時間に亘ってローになる信号を上記第１および第２信号線に夫々供給して、上記第１および第２電極組を介して、上記１行の信号電荷を総てドレインへ排出することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、各垂直レジスタの終端における上記第１電極組および第２電極組の配置を変更することによって、任意の列の信号電荷を間引いて読み出せるようにしたことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像デバイスとして用いられる固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。これらのＣＣＤイメージセンサは、概ね、スチルモード、モニタリングモード、オートフォーカスモードの３つの駆動方法で用いられる。スチルモードは、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、モニタリングモードは、液晶モニター等に動画を映し出す駆動モード、オートフォーカスモードは、ＣＣＤイメージセンサの信号の一部を用いてオートフォーカスや露出の制御等を行なう駆動モードである。
【０００３】
モニタリングモードで駆動するには、毎秒３０枚程度のフレームレートが必要である。しかし、全フォトダイオードからの信号電荷をモニタ液晶に表示すると、多画素化が著しいＣＣＤイメージセンサに駆動周波数の限界があり、低消費電力化の要請があることから、モニタリングモードにおけるフレームレートが低下する。そこで一般に、１００万画素以上の画素数を有するＣＣＤイメージセンサでは、総ての列でなく、特定の列上のフォトダイオードからの信号電荷のみを読み出してライン数を間引いて表示することによって、フレームレートを向上させている。
また、オートフォーカスモードの駆動では、主に中央部のフォトダイオードからの信号電荷が制御処理に用いられ、かつ迅速な応答が要求される。そのため、モニタリングモードの場合と同様、中央部の特定列上のフォトダイオードからの信号電荷のみを読み出すことによって、高速処理を図っている。
【０００４】
図１２は、ＣＣＤイメージセンサの駆動方法の従来例を示す概略図である。このＣＣＤイメージセンサは、４相駆動垂直レジスタをもつプログレッシブスキャン方式を採用し、フォトダイオード５１、トランスファゲート５２、垂直レジスタ５３および水平レジスタ５４を備えるとともに、電荷排出部５７に接続されて不要な電荷を行単位で排出するドレイン５６と電荷の排出を制御するコントロールゲート５５を、垂直レジスタ５３と水平レジスタ５４との境界部に設けて、フレームレートを向上させている。なお、５８は、水平レジスタ５４から出力される信号電荷を検出する電荷検出部である。
他の従来例として、上記ドレイン５６とコントロールゲート５５を、水平レジスタ５４に下縁に隣接して設けたＣＣＤイメージセンサや、不要な電荷を排出するドレインとコントロールゲートを、特定の垂直列の端部と水平レジスタとの間に設け、垂直レジスタから水平レジスタへの信号電荷の転送を禁止し、列単位で画素を間引いて、フレームレートを向上させるＣＣＤイメージセンサがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＣＣＤイメージセンサの駆動方法は、マトリックス状に配置されたフォトダイオード５１,５１,…からの信号電荷を行単位では高い自由度で間引くことができる。ところが、フォトダイオードからの信号電荷を列単位で間引こうとすると、不要な電荷を排出するドレインと電荷の排出を制御するコントロールゲートを、間引くべき信号電荷に対応したフォトダイオード列の下端に設ける必要がある。換言すれば、不要電荷排出用のドレインおよびコントロールゲートのための電極形成用パターンを、間引くべき列の位置に合わせて変更して設ける必要があり、このようなパターン形成位置の変更は、ＣＣＤイメージセンサの製造工程の初期に行なわなければならない。
従って、間引くべき列が異なる場合、その列の位置に応じてドレインとコントロールゲートを設けた専用のＣＣＤイメージセンサが必要となり、逆に、専用のＣＣＤイメージセンサでは、間引かれる列が固定されていて変更できないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、信号電荷の間引きの方法に応じてドレインおよびコントロールゲートの位置を変更することなく、工程の僅かな変更と駆動タイミングの変更のみで、任意の箇所と任意の数で信号電荷を間引くことができ、多彩な読み出しモードとフレームレートを実現できる自由度の高い読み出しを行なうことができる固体撮像装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、  半導体基板上にマトリックス状に形成された複数の受光部と、この受光部から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直レジスタと、この複数の垂直レジスタによって転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平レジスタを有し、上記複数の垂直レジスタの中を転送される信号電荷を、行単位および列単位で排出することが可能な電荷排出手段と、この電荷排出手段で信号電荷が列単位で排出された行のうちの信号電荷が排出された列以外の残る列の信号電荷を読み出す電荷読み出し手段を備えた固体撮像装置において、上記水平レジスタは、Ｎ型転送チャネルをもつ第１の下層電極,Ｎ−型転送チャネルをもつ第１の上層電極,Ｎ型転送チャネルをもつ第２の下層電極,Ｎ−型転送チャネルをもつ第２の上層電極を順に行方向に並べた電極組を各垂直レジスタの終端に備えるととともに、第１水平転送クロックおよびその反転パルスである第１反転水平転送クロックを夫々供給する第１信号線および第１反転信号線と、第２水平転送クロックおよびその反転パルスである第２反転水平転送クロックを夫々供給する第２信号線および第２反転信号線を備える一方、各垂直レジスタの終端付近を横切るようにドレインが配置され、信号電荷を読み出すべき垂直レジスタの上記電極組は、第２の上層および下層電極を上記第１反転信号線に接続し、この第２の上層電極に上記ドレインに対応するゲートを接続し、第１の上層および下層電極を上記第１信号線に接続して第１電極組とする一方、信号電荷を排出すべき垂直レジスタの上記電極組は、第２の上層および下層電極を上記第２反転信号線に接続し、この第２の上層電極に上記ドレインに対応するゲートを接続し、第１の上層および下層電極を上記第２信号線に接続して第２電極組とするとともに、１行の信号電荷を各垂直レジスタの終端に転送する一連の垂直転送パルスに同期して立ち上がり,上記垂直転送パルスの継続時間に亘ってハイになる信号を、上記第１信号線および第２信号線に供給して、上記第１および第２電極組を介して、上記１行の信号電荷を総て水平レジスタに転送して格納し、上記一連の垂直転送パルスに同期して立ち上がり,その継続時間に亘ってハイになる信号を上記第１信号線に、上記一連の垂直転送パルスに同期して立ち下がり,その継続時間に亘ってローになる信号を上記第２信号線に夫々供給して、上記１行の信号電荷のうち、上記第１電極組に係る信号電荷を水平レジスタに転送して格納し、上記第２電極組に係る信号電荷をドレインへ排出し、上記一連の垂直転送パルスに同期して立ち下がり,その継続時間に亘ってローになる信号を上記第１および第２信号線に夫々供給して、上記第１および第２電極組を介して、上記１行の信号電荷を総てドレインへ排出することを特徴とする。
このような構成により、間引きの方法に応じてドレインとゲートの位置を変えることなく、水平レジスタの第１信号線および第２信号線に供給する水平転送信号のハイ,ローのタイミングを変更するだけで、信号電荷を読み出すべき行および列の位置と数を任意に変更でき、多彩な読み出しモードと種々のフレームレートを実現でき、自由度の高い間引き読み出しが可能になる。
【０００８】
一実施形態では、各垂直レジスタの終端における上記第１電極組および第２電極組の配置を変更することによって、任意の列の信号電荷を間引いて読み出せるようにしている。
これにより、信号電荷を間引くべき列の垂直レジスタの電極組を、第２信号線および第２反転信号線に接続して第２電極組とするだけで、任意の列単位の間引き読み出しができるＣＣＤイメージセンサを実現することができる。
【０００９】
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の固体撮像装置としてのＣＣＤイメージセンサの第１の実施形態を示す概略構成図である。このＣＣＤイメージセンサは、４相駆動垂直レジスタを有し、プログレッシブスキャン方式を採用したインターライン転送型のもので、マトリックス状に配置された受光部としてのフォトダイオード１、このフォトダイオード１からの信号電荷を伝えるトランスファゲート２と、トランスファゲート２を介して受けた信号電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタ３と、第１の相φH1A,φH1Bの電極１０a,b;１０e,fと第２の相φH2A(φH1Aの反転パルス),φH2B(φH1B反転パルス)の電極１０c,d;１０g,hが交互に繰り返し配列されてなり、垂直レジスタ３から受けた信号電荷を水平方向へ転送する水平レジスタ４を備えている。なお、本実施形態では、便宜上７行６列に配置されたフォトダイオード１,１,…について説明する。
【００１１】
上記垂直レジスタ３は、垂直転送クロックφV1〜φV4が入力される４つの垂直転送電極９a〜９d(図２参照)からなり、クロックφV1が入力される垂直転送電極９aは、トランスファゲート２を兼ねている。そして、図３の時刻ｔ0で垂直転送クロックφV1に読出しパルスVHが立つと、総てのフォトダイオード１から信号電荷がトランスファゲート２を経て垂直レジスタ３に読み出され、図３の時刻ｔ1〜ｔ2に示される波形とタイミングで垂直転送クロックφV1〜φV4が入力されると、読み出された各信号電荷が垂直レジスタ３中を垂直下方へ１段転送されるようになっている。
【００１２】
上記水平レジスタ４は、２相の水平転送クロックφH1,φH2(φH1の反転パルス)により２端子で駆動されていた図１２の従来例と異なり、第１信号線に供給されるクロックφH1A、第１反転信号線に供給されるφH1Aの反転パルスであるクロックφH2A、第２信号線に供給されるクロックφH1B、第２反転信号線に供給されるφH1Bの反転パルスであるクロックφH2Bの４つの水平転送クロックで駆動される。そして、図３の時刻ｔ2直後に各水平転送クロックが反転すると、１行分の信号電荷を水平左方へ転送し、転送された信号電荷は、電荷検出部８によって順次信号電圧に変換されて、図示しない信号処理回路などに出力される。
上記水平レジスタ４は、図２でも述べるように、各垂直レジスタ３の下端に、第１の下層,上層電極１０a,b(１０e,f)と第２の下層,上層電極１０c,d(１０g,h)を順に行方向に並べた電極組を備え、信号電荷を読み出すべき垂直レジスタ(第１,４列)の電極組は、第２の下層,上層電極１０c,dを第１反転信号線(φH2A)に、第１の下層,上層電極１０a,bを第１信号線(φH1A)に夫々接続して第１電極組とする一方、信号電荷を排出すべき垂直レジスタ(第２,３,５,６列)の電極組は、第２の下層,上層電極１０g,hを第２反転信号線(φH2B)に、第１の下層,上層電極１０e,fを第２信号線(φH1B)に夫々接続して第２電極組としている。
上述の信号電荷の１段垂直転送と１行分の水平転送が、図３に示すように、フォトダイオード１の行数だけ(本実施形態では７回)繰り返されて、１フレーム分の信号電圧が得られる。
【００１３】
各垂直レジスタ３と水平レジスタ４の間には、図１に示すように、垂直レジスタ３の中を転送される信号電荷を行単位および列単位で排出する電荷排出手段としてのゲート５とドレイン６とを備えた電荷排出部７が設けられている。各ゲート５は、図２に示されているように、第１反転信号線(φH2A)に接続された第２の上層電極１０dまたは第２反転信号線(φH2B)に接続された第２の上層電極１０hに接続される。垂直レジスタ３からの信号電荷は、第１水平転送クロックφH1Aがハイレベル(Ｈレベル)で、第１反転水平転送クロックφH2Aがローレベル(Ｌレベル)の場合、または第２水平転送クロックφH1Bがハイレベル(Ｈレベル)で、第２反転水平転送クロックφH2Bがローレベル(Ｌレベル)の場合、水平レジスタ４へ転送され、逆に、第１水平転送クロックφH1AがＬレベルで、第１反転水平転送クロックφH2AがＨレベルの場合、または第２水平転送クロックφH1BがＬレベルで、第２反転水平転送クロックφH2BがＨレベルの場合、ドレイン６へ排出されるようになっている。
【００１４】
図２は、電荷排出部７の具体的な構造例を示す平面図である。図２において、垂直レジスタ３上には、４相の垂直転送クロックφV1〜φV4が印加される垂直転送電極９a〜９dが、垂直レジスタ３に直交する方向に上下に配置されている。垂直転送クロックφV2,φV4が印加される垂直転送電極９b,９d(図中の一点鎖線で示す)は、１層目のポリシリコンで、垂直転送クロックφV3が印加される垂直転送電極９c(図中の二点鎖線で示す)は、２層目のポリシリコンで、垂直転送クロックφV1が印加される垂直転送電極９a(図中の実線で示す)は、３層目のポリシリコンで夫々形成される。
【００１５】
一方、水平レジスタ４は、各垂直レジスタ３に連結される夫々４つの水平転送電極からなる電極組で構成され、図中左端の垂直レジスタ３には水平転送電極１０a,１０b,１０c,１０dが、右隣の垂直レジスタ３には水平転送電極１０e,１０f,１０g,１０hが、夫々連結される。また、水平転送電極１０a,１０b(図１の１０a,b)には、第１信号線を経て第１水平転送クロックφH1Aが、水平転送電極１０c,１０d(図１の１０c,d)には、第１反転信号線を経てその反転クロックである第１反転水平転送クロックφH2Aが、水平転送電極１０e,１０f(図１の１０e,f)には、第２信号線を経て第２水平転送クロックφH1Bが、水平転送電極１０g,１０h(図１の１０g,h)には、第２反転信号線を経てその反転クロックである第２反転水平転送クロックφH2Bが夫々入力される。
４つの電極からなる電極組のうち図中の二点鎖線で示す水平転送電極１０a,１０c;１０e,１０gは、第１,第２の下層電極として２層目のポリシリコンで形成され、その下方のチャネルをＮ型転送チャネルとする一方、図中の実線で示す水平転送電極１０b,１０d;１０f,１０hは、第１,第２の上層電極として３層目のポリシリコンで形成され、その下方のチャネルをＮ−型チャネルとして、各転送クロックのゲート下ポテンシャルに段差を設けて２相駆動できるようにしている。
【００１６】
ゲート５とドレイン６とからなる上記電荷排出部７(図中の破線で示す)は、各垂直レジスタ３を転送されてきた行方向に並ぶ信号電荷を選択的に間引いて排出する。なお、フォトダイオード１は、図１に示すように、カラーフィルタで一般的な原色ベイヤ配列で配置されている。
図１,２に示す例では、各垂直レジスタ３の下端に行方向に並ぶ信号電荷を３画素ごとに２画素、間引くため、残すべき画素に対応する左端列の垂直レジスタ３に連結する電極組は、第１の下層,上層電極１０a,１０bを、第１水平転送クロックφH1Aを供給する第１信号線に、第２の下層,上層電極１０c,１０dを、第１反転水平転送クロックφH2Aを供給する第１反転信号線に接続して第１電極組としている。また、排出すべき画素に対応する隣の２列の垂直レジスタに連結する電極組は、第１の下層,上層電極１０e,１０gを、第２水平転送クロックφH1Bを供給する第２信号線に、第２の下層,上層電極１０f,１０hを、第２反転水平転送クロックφH2Bを供給する第２反転信号線に接続して第２電極組としている。
各ゲート５は、図２の示す如く、垂直転送電極９dに開口(ヴィアホール)を設けることによってドレイン６に接続されるとともに、同じポリシリコン層で一体に形成され、各電極組の第２の上層電極１０d,１０h…に接続されて、第１または第２反転水平転送クロックφH2A,φH2Bが入力される。各ドレイン６には、そのポテンシャルが垂直レジスタ３のポテンシャルよりも深くなるように電圧ＶDが印加される。
【００１７】
上記ゲート５には、第２の上層電極１０d,１０hを介して第１または第２反転水平転送クロックφH2A,φH2Bが印加されるが、この反転水平転送クロックφH2A,φH2Bの電圧が“Ｌ”レベル、第１の下層,上層電極１０a,１０b;１０e,１０fに印加される第１または第２水平転送クロックφH1A,φH1Bの電圧が“Ｈ”レベルのとき、ゲート５のポテンシャルが垂直レジスタ３のポテンシャルよりも浅くなり、第１の上層電極１０b,１０fのポテンシャルが垂直レジスタ３のポテンシャルよりも深くなることにより、垂直レジスタ３を転送されてきた信号電荷は、そのまま水平レジスタ４へ転送される。
一方、第２の上層電極１０d,１０hに印加される第１または第２反転水平転送クロックφH2A,φH2Bの電圧が“Ｈ”レベル、第１の下層,上層電極１０a,１０b;１０e,１０fに印加される水平転送クロックφH1A,φH1Bの電圧が“Ｌ”レベルのときは、ゲート５のポテンシャルが垂直レジスタ３のポテンシャルよりも深くなり、第１の上層電極１０b,１０fのポテンシャルが垂直レジスタ３のポテンシャルよりも浅くなることにより、垂直レジスタ３を転送されてきた信号電荷は、ゲート５よりもさらに深いポテンシャルになっているドレイン６へ排出される。
こうして、水平転送クロックφH1A(φH1B)の電圧レベルの“Ｈ”,“Ｌ”に応じて画素に対応する信号電荷を垂直列単位で水平レジスタに転送,ドレインへ排出して、選択的に間引くことができるのである。本実施形態では、行方向に並ぶ信号電荷を、３列ごとに１列選んで水平レジスタ４へ転送し、残る２列についてはドレイン６へ排出することができる。
【００１８】
図１,２で述べたＣＣＤイメージセンサの駆動方法を、全画素読み出し(スチルモード)と画素間引きの２つのモードについて、図３〜図５のタイミングチャートを参照しつつ説明する。
全画素読み出しモードの駆動タイミングを示す図３において、時刻ｔ0で垂直転送クロックφV1に“Ｈ”の読み出しパルスＶHが印加されると、全画素のフォトダイオード１から信号電荷が垂直レジスタ３に読み出される。時刻ｔ1〜ｔ2で一連の垂直転送クロックφV1〜φV4が印加されると、信号電荷は垂直レジスタ３を１段下方へ転送されるが、このとき、第１,第２水平転送クロックφH1A,φH1Bは“Ｈ”レベル、第１,第２反転水平転送クロックφH2A,φH2Bは“Ｌ”レベルなので、１行目の信号電荷は、水平方向に間引かれることなく水平レジスタ４に総て転送される。
【００１９】
次に、時刻ｔ2〜ｔ3で第１,第２水平転送クロックのレベルが反転すると、１行分の信号電荷は水平に転送されて、電荷検出部８から信号電圧になって出力される。さらに、時刻ｔ3〜ｔ4で、時刻ｔ1〜ｔ2と同じパターンの垂直,水平転送信号φV1〜φV4,φH1A〜φH2Bが印加されて、２行目の信号電荷が、垂直レジスタ３から水平レジスタ４に行方向に間引かれることなく転送され、時刻ｔ4〜ｔ5で、時刻ｔ2〜ｔ3と同じパターンの垂直,水平転送信号の印加により電荷検出部８から信号電圧となって出力される。このような信号電荷の転送を、フォトダイオードアレイの行数(本実施形態では７回)だけ繰り返すことによって、全画素の信号電荷が読み出される。
【００２０】
図４は、画素間引き読み出しモードの駆動タイミングを示し、図５(Ａ)は、その際の画素のカラーフィルタ配列と水平レジスタの電極構成を、図５(a)〜(k)は、水平レジスタのポテンシャル図を夫々示している。
図４において、時刻ｔ0で垂直転送信号φV1に読み出しパルスＶHが印加されると、全画素のフォトダイオード１から信号電荷が垂直レジスタ３に読み出される。時刻ｔ1〜ｔ2で、図３の時刻ｔ1〜ｔ2と同じパターンの一連の垂直転送クロックφV1〜φV4が印加されると、信号電荷は垂直レジスタ３を１段下方へ転送されるが、このとき、図３の場合に対して、第１水平転送クロックφH1Aは“Ｈ”レベル(φH2Aは“Ｌ”レベル)で同じであるが、第２水平転送クロックφH1Bが“Ｌ”レベル(φH2Bが“Ｈ”レベル)に反転している。従って、図５(Ａ)に示す１行目の信号電荷のうちＲ11,Ｇ14は水平レジスタ４に転送されるが、他の信号電荷Ｇ12,Ｒ13,Ｒ15,Ｇ16はドレイン６に排出される。
【００２１】
図４の時刻ｔ3で、φH1Aが“Ｌ”レベル(φH2Aが“Ｈ”レベル)に反転すると、水平レジスタ４に転送された信号電荷のＲ11,Ｇ14は水平方向に半ビットシフトされる一方、垂直レジスタ３の下端にある２行目の信号電荷は、φH1Aが“Ｌ”,φH2Aが“Ｈ”,φH1Bが“Ｌ”,φH2Bが“Ｈ”なので、総てドレイン６へ排出される。次に、時刻ｔ3〜ｔ4で、水平転送クロックのレベルを維持したまま、時刻ｔ1〜ｔ2と同じパターンの一連の垂直転送クロックφV1〜φV4を２回印加して、垂直レジスタ中の信号電荷を下方へ２段転送するとともに、これら２,３行目の２行分の画素に相当する信号電荷を総てドレイン６へ排出する。
時刻ｔ4で、φH1Aが“Ｈ”レベル(φH2Aが“Ｌ”レベル)に戻ると、時刻ｔ1と同じクロック状態となり、時刻ｔ1〜ｔ2と同じパターンの一連の垂直転送クロックの印加が終わる時刻ｔ5では、４行目の信号電荷のうちＧ41,Ｂ44は水平レジスタ４に転送され、他の信号電荷Ｂ42,Ｇ43,Ｇ45,Ｂ46はドレイン６に排出される。
【００２２】
時刻ｔ6で、φH1Bが“Ｈ”レベル(φH2Bが“Ｌ”)に反転すると、水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ11,Ｇ14が、図５(e)に示すように半ビットシフトし、時刻ｔ7で、再びφH1Bが“Ｌ”レベル(φH2Bが“Ｈ”レベル)に戻り、かつ、φH1Aφが“Ｌ”レベル(H2Aが“Ｈ”レベル)に反転すると、水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ11,Ｇ41,Ｇ14,Ｂ44が、図５(f)に示すように更に半ビットシフトするとともに、垂直レジスタ３の下端にある１行分の信号電荷を総てドレイン６へ排出する準備ができた時刻ｔ3と同じ状態になる。
以下、時刻ｔ7〜ｔ11では、時刻ｔ3〜ｔ7と同じ動作が行なわれ、まず時刻ｔ7〜ｔ8の２段垂直転送で、５行目,６行目の信号電荷が、総てドレイン６へ排出され、次いで時刻ｔ8〜ｔ11で、７行目の信号電荷のうちＲ71,Ｒ74のみが、図５(h)に示すように、水平レジスタ４に転送された後、水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ11,Ｇ41,Ｇ14,Ｂ44が、図５(i)に示すように半ビットシフトし、更に水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ11,Ｇ41,Ｒ71,Ｇ14,Ｂ44,Ｇ74が、図５(j)に示すように半ビットシフトする。この一連の動作で時刻ｔ12に至ると、図５(ｋ)に示すように、水平レジスタ４には、３列ごとに１列選ばれた列上で行方向に並ぶ信号電荷から３画素ごとに１画素選ばれた６つの信号電荷が、Ｒ11,Ｇ41,Ｒ71,Ｇ14,Ｂ44,Ｇ74と順に並び、時刻ｔ12〜ｔ13で、図示の垂直,水平転送クロックが印加されると、上記信号電荷が、１行分の水平転送によって電荷検出部８へ出力され、電圧信号に変換される。以降、垂直、水平方向の信号電荷の間引きおよび転送の動作が１フレーム単位、つまり７行ごとに繰り返される。
【００２３】
上述の画素間引き読み出しモードでは、画素間引きにより行方向に１／３、列方向に１／３の率で画素を読み出すことにより、フレームレートを全画素読み出しモードの約９倍に上げることができる。上記実施形態のＣＣＤイメージセンサの構成によれば、垂直,水平転送電極の駆動タイミングを切り替えるだけで、全画素読み出しモードと画素間引き読み出しモードを選択でき、画素間引き読み出しモードで高いフレームレートを実現することができる。
【００２４】
図６は、本発明のＣＣＤイメージセンサの第２の実施形態を示す概略構成図である。このＣＣＤイメージセンサは、行方向に並ぶ水平転送電極の５つごとに１つの電極に第１水平転送クロックφH1Aおよび第１反転水平転送クロックφH2Aを印加し、残る５つの電極には、第２水平転送クロックφH1Bおよび第２反転水平転送クロックφH2Bを印加するようにした点が図１で述べた第１実施形態と異なる。図６の例では、左端およびそれから５つ目の水平電極に、第１水平転送クロックφH1Aおよび第１反転水平転送クロックφH2Aが印加されている。
【００２５】
全画素読み出しモードの駆動タイミングは、図３で示した第１実施形態の場合と全く同じであり、時刻ｔ0の読み出しパルスＶHの印加に続いて、時刻ｔ1〜ｔ2の垂直転送と時刻ｔ2〜ｔ3の水平転送が交互に７回繰り返されて、１フレーム分の信号電荷が得られる。
図７は、図６のＣＣＤイメージセンサにおける画素間引き読み出しモードの駆動タイミングを示している。この駆動タイミングが図４で述べた第１実施形態のそれと異なるのは、図４の時刻ｔ4〜ｔ8と同じパターンの一連の垂直,水平転送動作の繰り返しが、時刻ｔ12〜ｔ16,ｔ16〜ｔ20で示すように２回増えている点だけである。従って、本実施形態の画素間引き読み出しモードでは、第１実施形態で述べたと同じ動作によって、間引きによって列方向に１／３、行方向に１／５の率で画素が選び出され、１行分の信号電荷として電荷検出部８に送られるから、フレームレートを全画素読み出しモードの約１５倍に上げることができる。
また、図示しないが、時刻ｔ3〜ｔ4,ｔ7〜ｔ8,ｔ11〜ｔ12,ｔ15〜ｔ16,ｔ19〜ｔ20における各垂直転送クロックφV1φ〜V4のパルス数を２つから４つにすることによって、間引きによって列方向に１／５、行方向に１／５の率で画素を読み出して、全画素読み出しモードの約２５倍にフレームレートを上げることができる。
【００２６】
このように、水平転送電極への水平転送クロックの印加形態を、例えばＣＣＤイメージセンサの製造中の電極組と信号線の接続態様を変更することによって、行方向の間引きの形態を自由に変えて、印加すべき水平転送クロックと垂直転送クロックのタイミングの組み合わせを変更するだけで、列方向の間引きの形態を自由に変えることができる。
【００２７】
図８は、本発明のＣＣＤイメージセンサの第３の実施形態を示す概略構成図である。このＣＣＤイメージセンサは、オートフォーカスや露出の制御のモードにおいて、画素領域の中央部などの１部のみから信号電荷を読み出す場合に用いられる。上記ＣＣＤイメージセンサは、行方向に並ぶ水平転送電極の中央の２つには、第１水平転送クロックφH1Aおよび第１反転水平転送クロックφH2Aを印加する一方、その両側の各２つには、第２水平転送クロックφH1Bおよび第２反転水平転送クロックφH2Bを印加するようにした点が図１の第１実施形態と異なる。
【００２８】
全画素読み出しモードの駆動タイミングは、図３で示した第１実施形態の場合と全く同じであるので、説明を省略する。
図９は、図８のＣＣＤイメージセンサにおける画素間引き読み出しモードの駆動タイミングを示し、図１０(Ａ)は、その際の画素のカラーフィルタ配列と水平レジスタの電極構造を、図１０(a)〜(j)は、水平レジスタのポテンシャル図を夫々示している。
図９において、時刻ｔ0で垂直転送信号φV1に読み出しパルスＶHが印加されると、全画素のフォトダイオード１から信号電荷が垂直レジスタ３に読み出される。時刻ｔ1〜ｔ2で、図３の時刻ｔ1〜ｔ3と同じパターンの垂直転送クロックφV1〜φV4が２回印加されると、信号電荷は垂直レジスタ３を２段下方へ転送されるが、このとき、反転水平転送クロックφH2A,φH2Bが“Ｈ”レベル、水平転送クロックφH1A,φH1Bが“Ｌ”レベルであるので、図８の電極組の第１の上層および下層電極が総て“Ｌ”レベルになって、１行目と２行目の画素の信号電荷は総てドレイン６へ排出される。
【００２９】
図９の時刻ｔ3で、φH1Aが“Ｈ”レベル(φH2Aが“Ｌ”レベル)に反転し、時刻ｔ3〜ｔ4で、一連の垂直転送クロックφV1〜φV4が１回印加されると、垂直レジスタ３の下端にある３行目の信号電荷は、水平レジスタ４に対しては電極組の第１の上層および下層が“Ｈ”レベルである中央の２つの電極組に対応する信号電荷Ｒ33,Ｇ34のみが、図１０(a)に示すように転送され、電極組の第１の上層および下層電極が“Ｌ”レベルである他の水平転送電極対に対応する信号電荷Ｒ31,Ｇ32,Ｒ35,Ｇ36は、総てドレイン６へ排出される。
時刻ｔ4〜ｔ6で、水平転送電極に、図９に示す各水平転送クロックφH1A〜φH2Bのレベルが３回反転すると、水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ33,Ｇ34が、図１０(a)〜(c)に示すように１ビット半シフトし、時刻ｔ7で、φH1Aが“Ｈ”レベル,φH2Aが“Ｌ”レベルに反転し、時刻ｔ7〜ｔ8で、一連の垂直転クロックφV1〜φV4が１回印加されると、４行目の信号電荷のうち中央部の信号電荷Ｇ43,Ｂ44のみが、図１０(d)に示すように水平レジスタ４に転送され、他の信号電荷Ｇ41,Ｂ42,Ｇ45,Ｂ46は、ドレイン６に排出される。
【００３０】
時刻ｔ9で、第２水平転送クロックφH1Bが“Ｈ”レベル(φH2Bが“Ｌ”レベル)に反転すると、水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ33,Ｇ34が、図１０(e)に示すように水平方向に半ビットシフトし、次いで、時刻ｔ10までに各水平転送クロックφH1A〜φH2Bのレベルが３回反転すると、水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ33,Ｇ34,Ｇ43,Ｂ44が、図１０(f)に示すように水平方向へ１ビット半シフトする。
そして、時刻ｔ11で、φH1Aが“Ｈ”レベル(φH2Aが“Ｌ”レベル)に反転し、時刻ｔ12までに一連の垂直転クロックφV1〜φV4が１回印加されると、垂直レジスタ３を１段下方へ転送される５行目の信号電荷のうち中央部の信号電荷Ｒ53,Ｇ54のみが、図１０(g)に示すように水平レジスタ４に転送され、他の信号電荷Ｒ51,Ｇ52,Ｒ55,Ｇ56はドレイン６に排出される。そして、時刻ｔ13で、水平転送クロックφH1B,φH2Bが反転すると、水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ33,Ｇ34,Ｇ43,Ｂ44は、図１０(h)に示すように水平方向に半ビットシフトし、時刻ｔ14までに、各水平転送クロックφH1A〜φH2Bが反転を３回繰り返すと、水平レジスタ４中の信号電荷Ｒ33,Ｇ34,Ｇ43,Ｂ44,Ｒ53,Ｇ54gが、図１０(i)に示すように水平方向に１ビット半シフトする。
【００３１】
次に、時刻ｔ14〜ｔ15で、一連の垂直転クロックφV1〜φV4が２回印加されると、垂直レジスタ３を２段下方へ転送される６行目,７行目の信号電荷は、水平転送クロックφH2A〜φH2Bのレベルが時刻ｔ1〜ｔ2と同じなので、総てドレイン６へ排出される。
以上の読み出し動作により、時刻ｔ15で、水平レジスタ４には図１０(j)に示すように、図８の画素のうち中央３行２列からの信号電荷Ｒ33,Ｇ34,Ｇ43,Ｂ44,Ｒ53,Ｇ54が順に配列されている。最後に、時刻ｔ15〜ｔ16で、通常の水平転送が行なわれ、画素の中央部の上記３行２列の信号電荷が、電荷検出部８を経て１ラインの転送時間内で出力される。この実施形態の間引き読み出しモードでは、全画素読み出しモードの約７倍のフレームレートで画素部の中央部３行２列の信号を出力することができる。
このように、上記ＣＣＤイメージセンサの構成によれば、駆動タイミングを切り替えるだけで、全画素読み出しモードと画素部中央部の読み出しモードを選択できる。ＣＣＤイメージセンサの信号を用いてオートフォーカスや露出の制御を行う場合、主として画素中央部の電荷信号が処理に用いられるので、上記画素中央部の読み出しモードにより、高い応答速度でオートフォーカスや露出の制御を行なうことができる。
【００３２】
図１１は、本発明のＣＣＤイメージセンサの第４の実施形態を示す概略構成図である。このＣＣＤイメージセンサは、既述の実施形態１と３を組み合わせて、駆動タイミングを切り替えるだけで、全画素読み出しモード、間引き読み出しモード、中央部読み出しモードの３種類の読み出しを可能にしている。上記ＣＣＤイメージセンサは、図示のように水平転送クロックをφH1C,H2C,φH1D,φH2D,φH1E,φH2E,φH1F,φH2Fの４組に分けた点が図１の第１実施形態と異なる。
【００３３】
上記ＣＣＤイメージセンサにおいて、全画素読み出しモードは、図１１の水平転送パルスφH1C,φH1D,φH1E,φH1Fに、第１実施形態の図３の水平転送パルスφH1Aと同じ駆動パルスを与え、図１１の水平転送パルスφH2C,φH2D,φH2E,φH2Fに図３の水平転送パルスφH2Aと同じ駆動パルスを与えることによって行なわる。
間引き読み出しモードは、図１１のφH1C,φH1Eに図４のφH1Aと、図１１のφH2C,φH2Eに図４のφH2Aと、図１１のφH1D,φH1Fに図４のφH1Bと、図１１のφH2D,φH2Fに図４のφH2Bと夫々同じ駆動パルスを与えることによって行なわれる。これによって、列方向に１／３、行方向に１／３の画素を間引くことができ、全画素読み出しモードの約９倍にフレームレートを上げることができる。
また、中央部読み出しモードは、図１１のφH1E,φH1Fに図９のφH1Aと、図１１のφH2E,φH2Fに図９のφH2Aと、図１１のφH1C,φH1Dに図９のφH1Bと、図１１のφH2C,φH2DにφH2Bと夫々同じ駆動パルスを与えることによって行なわれ、これによって、全画素読み出しモードの約７倍のフレームレートで画素中央部の３行２列の信号を出力することができる。
【００３４】
上記構成のＣＣＤイメージセンサによれば、駆動タイミングを切り替えることによって、読み出しモードとして、全画素読み出し、間引き読み出し、画素中央部読み出しの３つを選択できる。例えば、デジタルスチルカメラにおいてこの３種類の読み出しモードを用いれば、全画素の信号電荷を独立に読み出して静止画を得るスチルモード駆動、液晶モニター等に動画を映し出すモニタリングモード駆動、オートフォーカスや露出の制御を行う場合のオートフォーカスモード駆動を容易に使い分けることができる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、一般的なカラーフィルタ配列の一つである原色ベイヤ配列について本発明を説明したが、本発明は、２行２列以外の繰り返しで配列されたフィルタにも適用できる。また、本発明は、上記実施形態で述べた４相駆動垂直レジスタをもつプログレッシブスキャン方式のインターライン転送型ＣＣＤイメージセンサに限らず、４相駆動垂直レジスタ以外、あるいはインターライン転送型以外のＣＣＤイメージセンサにも適用できる。さらに、プログレッシブスキャン方式に限らずインターレース方式のＣＣＤイメージセンサについても、フレームを構成する各フィールドに本発明を適用することによって同じ効果が得られる。本発明は、上記実施形態で述べた以外の電荷排出手段やＣＣＤイメージセンサ駆動方法を適用することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の固体撮像装置によれば、受光部からの信号電荷の間引きの方法に応じてドレインとコントロールゲートの構成を変えることなく、製造工程での電極組と信号線の接続態様の僅かな変更と駆動タイミングの変更のみによって、列方向の読み出しライン数、行方向の読み出し画素数または読み出し位置を変更でき、多彩な読み出しモードとフレームレートを選択できる自由度の高い固体撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態のＣＣＤイメージセンサを示す概略構成図である。
【図２】  上記第１実施形態のＣＣＤイメージセンサの水平レジスタ近傍の詳細図である。
【図３】  上記第１実施形態のＣＣＤイメージセンサの全画素読み出しモードにおける駆動タイミング図である。
【図４】  上記第１実施形態のＣＣＤイメージセンサの間引き読み出しモードにおける駆動タイミング図である。
【図５】  上記第１実施形態のＣＣＤイメージセンサの間引き読み出しモードを説明するＣＣＤイメージセンサの概略構成図およびポテンシャル図である。
【図６】  本発明の第２実施形態のＣＣＤイメージセンサを示す概略構成図である。
【図７】  上記第２実施形態のＣＣＤイメージセンサの間引き読み出しモードにおける駆動タイミング図である。
【図８】  本発明の第３実施形態のＣＣＤイメージセンサを示す概略構成図である。
【図９】  上記第３実施形態のＣＣＤイメージセンサの中央部読み出しモードにおける駆動タイミング図である。
【図１０】  上記第３実施形態のＣＣＤイメージセンサの中央部読み出しモードを説明するＣＣＤイメージセンサの概略構成図およびポテンシャル図である。
【図１１】  本発明の第４実施形態のＣＣＤイメージセンサを示す概略構成図である。
【図１２】  従来のＣＣＤイメージセンサを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  フォトダイオード
２  トランスファゲート
３  垂直レジスタ
４  水平レジスタ
５  ゲート
６  ドレイン
７  電荷排出部
８  電荷検出部
９a〜９d  垂直転送電極
１０a,b〜１０g,h  水平転送電極
φV1〜φV4  垂直転送クロック
φH1A〜φH2B  垂直転送クロック
【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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