(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直ＣＣＤと、前記センサ部から前記垂直ＣＣＤへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子と、
垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に印加する第１の読み出しパルスと、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに印加する第２の読み出しパルスとを選択的に発生するとともに、前記第１の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第２の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも１個発生するタイミング発生回路と
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記電荷掃き捨て構造は、電子シャッタ構造である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記電荷掃き出しパルスは、前記固体撮像素子の基板バイアス電圧に重畳されて基板に印加される
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直ＣＣＤと、前記センサ部から前記垂直ＣＣＤへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子を備え、垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に第１の読み出しパルスを印加し、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに第２の読み出しパルスを印加する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記第１の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第２の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも１個発生する
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記電荷掃き出しパルスを前記固体撮像素子の基板バイアス電圧に重畳して基板に印加する
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直ＣＣＤと、前記センサ部から前記垂直ＣＣＤへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子と、
垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に印加する第１の読み出しパルスと、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに印加する第２の読み出しパルスとを選択的に発生するとともに、前記第１の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第２の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも１個発生するタイミング発生回路と
を備えた固体撮像装置を有する
ことを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法、並びにカメラに関し、特にビデオカメラや電子スチルカメラ等の映像機器における撮像デバイスとして用いて好適な固体撮像装置およびその駆動方法、並びにビデオカメラや電子スチルカメラ等のカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオカメラ等に使用されている従来の固体撮像装置、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device) 固体撮像装置は、インターレース方式の出力信号を発生するために、図１０に示すように、センサ部１０１において１／６０秒（１フィールド相当期間）だけ蓄積し、各センサ部１０１から読み出した信号電荷を垂直ＣＣＤ１０２中において垂直方向前後の２画素間で混合して出力し、また混合する垂直方向前後２画素の組み合わせをフィールドごとで変えるいわゆるフィールド読み出し方式によってインターレース走査を実現していた。
【０００３】
このフィールド読み出し方式の場合、各画素における信号電荷の蓄積時間が１／６０秒であり、図１１に示すように、１／３０秒の蓄積時間で奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールドごとに交互に読み出すいわゆるフレーム読み出し方式の場合と比較して蓄積時間が半分であるため、動画像の撮像を良好に行うことができるという利点がある反面、垂直方向にて２画素の信号電荷を混合しているために垂直解像度が低いという欠点がある。したがって、高解像度が要求される電子スチルカメラの撮像方式としては適していない。
【０００４】
このため、電子スチルカメラでは、近年、図１２に示すように、各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ中で混合せずに同一時刻に独立に読み出すいわゆる全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置が用いられている。この全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置によれば、画素数を同じとした場合、フィールド読み出し方式固体撮像装置の２倍の垂直解像度を実現できる。その反面、撮像信号を出力するのに、他の読み出し方式の２倍の時間を要することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電子スチルカメラの場合、撮影時にピントを合わせたり、撮影時のカメラアングルを調整するために、撮像画像を表示するモニタを設けることが多い。全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置を撮像デバイスとして用いた電子スチルカメラにおいて、モニタに映像を映し出すためには、撮像信号を出力するのに、他の読み出し方式の２倍の時間を要することから、高速に撮像信号を出力する必要がある。
【０００６】
このため、全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置において、高速に撮像信号を出力する方法として、垂直方向の一部の画素列のみから信号電荷を読み出すいわゆる間引き読み出し駆動が、本出願人により特願平８−７８３１５号明細書にて提案されている。この間引き読み出し駆動において、間引かれた画素列では電荷が取り残されることになる。したがって、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへの移行を考えた場合、全画素読み出し駆動で読み出された信号電荷に、その取り残された電荷が混ざってしまう可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行した際に、間引き読み出し駆動で取り残された電荷が混入することなく、全画素読み出しによる各画素の信号電荷を得ることが可能な固体撮像装置およびその駆動方法、並びにカメラを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像装置は、複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直ＣＣＤと、前記センサ部から前記垂直ＣＣＤへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子と、垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に印加する第１の読み出しパルスと、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに印加する第２の読み出しパルスとを選択的に発生するとともに、前記第１の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第２の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも１個発生するタイミング発生回路とを備えた構成となっている。
【０００９】
本発明による駆動方法は、複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直ＣＣＤと、前記センサ部から前記垂直ＣＣＤへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子を備え、垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に第１の読み出しパルスを印加し、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに第２の読み出しパルスを印加する固体撮像装置において、前記第１の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第２の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも１個発生するようにする。
【００１０】
上記構成の固体撮像装置およびその駆動方法において、第１の読み出しパルスの発生直後で、且つ第２の読み出しパルスの発生前に、電荷掃き出しパルスを少なくとも１個発生することで、間引き読み出し駆動の際に間引かれた画素列で読み出されず、取り残された信号電荷が一斉に掃き捨てられる。したがって、全画素読み出し駆動に移行した際に、そこで読み出される信号電荷への混入等の影響を避けることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、例えばインターライン転送方式ＣＣＤ固体撮像素子に適用された本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【００１２】
図１において、行（垂直）方向および列（水平）方向にマトリクス状に配列され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する複数のセンサ部１１と、これらセンサ部１１の垂直列ごとに設けられ、各センサ部１１から読み出しゲート部１２によって読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤ１３とによって撮像エリア１４が構成されている。
【００１３】
この撮像エリア１４において、センサ部１１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなっている。このセンサ部１１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部１２に後述する読み出しパルスＸＳＧが印加されることにより垂直ＣＣＤ１３に読み出される。垂直ＣＣＤ１３は、例えば３層電極３相（φＶ１〜φＶ３）駆動の構成となっており、各センサ部１１から読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。
【００１４】
ここで、垂直ＣＣＤ１３において、２相目（φＶ２）の転送電極は、読み出しゲート部１２のゲート電極を兼ねている。このことから、３相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ３のうち、２相目の垂直転送クロックφＶ２が低レベル（以下、“Ｌ”レベルと称す）、中間レベル（以下、“Ｍ”レベルと称す）および高レベル（以下、“Ｈ”レベルと称す）の３値をとるように設定されており、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスが読み出しゲート部１２に印加される読み出しパルスＸＳＧとなる。
【００１５】
撮像エリア１４の図面上の下側には、水平ＣＣＤ１５が配されている。この水平ＣＣＤ１５には、複数本の垂直ＣＣＤ１３から１ラインに相当する信号電荷が順次転送される。水平ＣＣＤ１５は、例えば２層電極２相（φＨ１，φＨ２）駆動の構成となっており、複数本の垂直ＣＣＤ１３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。
【００１６】
水平ＣＣＤ１５の転送先の端部には、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成の電荷電圧変換部１６が設けられている。この電荷電圧変換部１６は、水平ＣＣＤ１５によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力ＯＵＴとして導出される。以上により、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子１０が構成されている。
【００１７】
上記構成のＣＣＤ固体撮像素子１０において、センサ部１１に蓄積される信号電荷量は、基板側のポテンシャルバリアの高さによって決定される。このポテンシャルバリアの高さは、基板に印加されるバイアス電圧によって決まる。このため、ＣＣＤ固体撮像素子１０の基板には、各デバイスごとに決まる所定レベルの基板バイアス電圧Ｖｓｕｂが印加されている。
【００１８】
また、センサ部１１に蓄積されている電荷を例えば基板に一斉に掃き捨てる場合には、高い電圧の電荷掃き出しパルスＸＳＵＢをコンデンサＣを介して基板バイアス電圧Ｖｓｕｂに重畳し、基板に印加する。これにより、基板側のポテンシャルバリアが崩れるため、センサ部１１に蓄積された信号電荷が基板に掃き捨てられる。この電荷掃き出しパルスＸＳＵＢは、通常、電子シャッタなどの機能において、センサ部１１への信号電荷の蓄積時間、即ち露光時間を制御するシャッタパルスとして用いられる。
【００１９】
このＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動するための垂直転送クロックφＶ１〜φＶ３、水平転送クロックφＨ１，φＨ２および電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを含む各種のタイミング信号は、タイミング発生回路１７で生成される。このタイミング発生回路１７の回路構成の一例を図２に示す。図２において、タイミング発生回路１７は、分周器２１、デコーダ２２、パルス発生器２３およびメモリ２４から構成されている。
【００２０】
分周器２１は、水平分周器２１１および垂直分周器２１２から構成され、原発振器２５から与えられる所定周波数の基準パルスを各分周器２１１，２１２で分周する。デコーダ２２は、水平デコーダ２２１および垂直デコーダ２２２から構成され、各分周器２１１，２１２から得られたパルスを各デコーダ２２１，２２２でカウントしてデコード値を生成する。パルス発生器２３は、マイコン２６から与えられ、メモリ２４に保持されたデータによる制御を受けながら、各デコーダ２２１，２２２から得られたデコード値を用いて電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを含む各種のタイミング信号を生成する。
【００２１】
また、このタイミング発生回路１７は、外部から与えられるモード信号に応じて、全画素の信号電荷を同一時刻に独立に読み出す全画素読み出しモードと、垂直方向の一部の画素列のみから信号電荷を読み出す間引き読み出しモードをとり得る構成となっている。そして、２相目の垂直転送クロックφＶ２については、この２つのモードに対応するために２系統のクロック（φＶ２，φＶ２′）を発生する。
【００２２】
図３は、単位画素の具体的な構成の一例を示す平面パターン図であり、図４にそのＸ‐Ｘ′矢視断面を示す。先ず、垂直ＣＣＤ１３は、Ｎ型基板３１上にＰ型ウェル３２を介して形成されたＮ型不純物からなる転送チャネル３３と、この転送チャネル３３の上方にその転送方向に繰り返して配列された３相の転送電極３４-1〜３４-3とから構成されている。これら転送電極３４-1〜３４-3において、１相目の転送電極３４-1は１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）によって形成され、２相目の転送電極３４-2は２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す）によって形成され、３相目の転送電極３４-3は３層目のポリシリコン（図中、破線で示す）によって形成されている。
【００２３】
図５は、垂直ＣＣＤ１３における転送電極３４-1〜３４-3の配線パターン図である。本配線系においては、間引き読み出し駆動を可能とするために、２相目の垂直転送クロックφＶ２の配線に工夫が凝らされている。具体的には、先述したように、２相目の垂直転送クロックとして２系統の垂直転送クロックφＶ２，φＶ２′が用意され、さらに垂直転送クロックφＶ１，φＶ２，φＶ２′，φＶ３を伝送するために計４本のバスライン４１〜４４が配線されている。なお、図６に、ラインシフト期間における垂直転送クロックφＶ１，φＶ２，φＶ２′，φＶ３の位相関係を示す。
【００２４】
そして、垂直転送クロックφＶ１，φＶ３を伝送するバスライン４１，４４には、全画素の１相目の転送電極３４-1，３４-3が接続されている。また、垂直転送クロックφＶ２を伝送するバスライン４２には、前後する３画素を単位Ａとしてこれら画素の２相目の転送電極３４-2が４画素おきに接続され、垂直転送クロックφＶ２′を伝送するバスライン４３には、バスライン４２に接続された画素以外の４画素を単位Ｂとしてこれら画素の２相目の転送電極３４-2が３画素おきに接続されている。
【００２５】
垂直転送クロックφＶ２，φＶ２′は、先述したように、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスがセンサ部１１から信号電荷を読み出すときに読み出しゲート部１２のゲート電極に印加される読み出しパルスＸＳＧとなる。そして、全画素読み出しモードの際には、図７（Ａ）に示すように、垂直転送クロックφＶ２，φＶ２′の双方に読み出しパルスＸＳＧが立つのに対し、間引き読み出しモードの際には、図７（Ｂ）に示すように、垂直転送クロックφＶ２のみに読み出しパルスＸＳＧが立つ。
【００２６】
すなわち、全画素読み出しモードでは、垂直転送クロックφＶ２，φＶ２′の双方に読み出しパルスＸＳＧが立つことで、全画素から信号電荷が読み出されることになる。一方、間引き読み出しモードでは、垂直転送クロックφＶ２のみに読み出しパルスＸＳＧが立つことで、３ラインを単位として４ラインおきに信号電荷が読み出されることになる。換言すれば、４ラインを単位として３ラインおきに信号電荷の読み出しが間引かれることになる。
【００２７】
なお、本例では、一例として、カラー方式ＣＣＤ固体撮像素子において、色フィルタのカラーコーディングに対応して、３ラインを単位として４ラインおきに間引き読み出しを行う場合を例にとって示したが、これに限定されるものではなく、４ラインを単位として２ラインおき、あるいは２ラインを単位として１ラインおきなど、図５の垂直転送クロックφＶ２，φＶ２′の配線パターンを変更するのみで、任意の間引き読み出しの設定が可能である。
【００２８】
次に、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行するときの動作について、図８のタイミングチャートに基づいて説明する。なお、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへの移行は、外部からタイミング発生回路１７に対してモード切り換えのためのモード信号が与えられることによって行われる。タイミング発生回路１７は、モード信号が与えられると、間引き読み出しモードでは垂直転送クロックφＶ２にのみ読み出しパルスＸＳＧを立てるようにしていたのに対し、全画素読み出しモードでは垂直転送クロックφＶ２，φＶ２′の双方に読み出しパルスＸＳＧを立てるようにする。
【００２９】
ここで、間引き読み出しモードにおいては、先述したように、間引かれた画素列では信号電荷が読み出されず、取り残されることになる。したがって、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行した際に、間引き読み出し駆動によって取り残された信号電荷が、全画素読み出し駆動で読み出された信号電荷に混入し、ノイズとなる可能性がある。
【００３０】
そこで、タイミング発生回路１７では、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する際に、その直前の露光期間において、電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを、信号電荷の読み出し直後、即ち読み出しパルスＸＳＧの発生直後に１個発生し、間引き読み出し駆動によって取り残された信号電荷を基板に掃き捨てるようにする。なお、発生する電荷掃き出しパルスＸＳＵＢは１個に限られるものではなく、必要に応じて複数個連続して発生するようにしても良い。複数個発生することで、取り残された信号電荷をより確実に掃き捨てることができる。
【００３１】
また、電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを、信号電荷の読み出し直後に発生させるのは、この電荷掃き出しパルスＸＳＵＢが、先述したように、通常電子シャッタ等の機能において、露光時間の制御に用いられることへの配慮からである。信号電荷の読み出し直後であれば、露光時間を充分に長く設定できるため、電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを連続して複数個発生した場合であっても、その発生の差によっても露光時間そのものへの影響が少なくて済むことになる。
【００３２】
このように、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する直前の露光期間において、電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを信号電荷の読み出し直後に少なくとも１個発生するようにしたことで、間引き読み出し駆動の際に間引かれた画素列に取り残された信号電荷を基板に掃き捨てることができるので、その後に全画素読み出し駆動に移行した際に、そこで読み出される信号電荷への混入等の影響を避けることができる。
【００３３】
また、タイミング発生回路１７では、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する直前の露光期間においてのみならず、図９のタイミングチャートに示すように、間引き読み出しモードの期間中においても、信号電荷の読み出し直後、即ち読み出しパルスＸＳＧの発生直後に電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを少なくとも１個発生するようにする。
【００３４】
これによれば、例えば突発的に非常に大きな光量が入射した場合などに有効なものとなる。すなわち、突発的に非常に大きな光量が入射した場合などにおいては、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する直前の露光期間だけで信号電荷の掃き出しを行ったのでは、間引き読み出し駆動によって取り残された信号電荷が画素中で溢れ、他の画素に流れ込む懸念があるが、間引き読み出し駆動中でも取り残された信号電荷の掃き出しを行うことで、信号電荷の溢れなどの問題を解消できることになる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の読み出しパルスの発生直後で、且つ第２の読み出しパルスの発生前に、電荷掃き出しパルスを少なくとも１個発生するようにしたことにより、間引き読み出し駆動の際に間引かれた画素列で読み出されず、取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てることができるので、全画素読み出し駆動に移行した際に、そこで読み出される信号電荷への混入等の影響を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】タイミング発生回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】単位画素の構成の一例を示す平面パターン図である。
【図４】図３のＸ‐Ｘ′矢視の断面構造図である。
【図５】垂直ＣＣＤの配線パターン図である。
【図６】３相垂直転送クロックの位相関係を示すタイミングチャートである。
【図７】読み出しパルスＸＳＧを説明するためのタイミングチャートであり、（Ａ）は全画素読み出しモードの場合を、（Ｂ）は間引き読み出しモードの場合をそれぞれ示している。
【図８】本発明に係る動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明に係る動作の他の例を示すタイミングチャートである。
【図１０】フィールド読み出し方式の説明図である。
【図１１】フレーム読み出し方式の説明図である。
【図１２】全画素読み出し方式の説明図である。
【符号の説明】
１１  センサ部    １３  垂直ＣＣＤ    １４  撮像エリア
１５  水平ＣＣＤ    １６  電荷電圧変換部    １７  タイミング発生回路
【図１】
0003906496.tif 000002
【図２】
0003906496.tif 000003
【図３】
0003906496.tif 000004
【図４】
0003906496.tif 000005
【図５】
0003906496.tif 000006
【図６】
0003906496.tif 000007
【図７】
0003906496.tif 000008
【図８】
0003906496.tif 000009
【図９】
0003906496.tif 000010
【図１０】
0003906496.tif 000011
【図１１】
0003906496.tif 000012
【図１２】
0003906496.tif 000013