(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に２次元平面を有する半導体基板と、
前記２次元平面内に形成され、複数の行と複数の列とを有する行列配列に配置された光電変換素子と、
前記光電変換素子の各列に隣接して、前記半導体基板に形成された各列当り１本の垂直電荷転送チャネルと、
前記垂直電荷転送チャネルの上方を横断し、光電変換素子の各行当り２本設けられている電荷転送電極と、
前記光電変換素子上方に、前記光電変換素子に1対１対応で形成された色フィルタのアレイであって、複数色のカラーフィルタを含み、列方向に沿って色配列の繰り返し単位を有し、各色配列の繰り返し単位は、ｎ行から構成される（ここで、ｎは1より大の整数）色フィルタアレイと、
（ｍ×ｎ）行の光電変換素子を1組とし、各組内の非等間隔の分布を有する第１群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出す第1読み出し動作と、第１読み出し動作後の、読み出した電荷をｊ×ｎ行転送する（ここで、ｊは１より大、かつｍより小の整数）ｊ×ｎ行転送動作と、前記第１群の光電変換素子行からｊ×ｎ行下流の、非等間隔の、第２群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出し、前記垂直電荷転送チャネル内で、読み出した電荷と転送された電荷との夫々同色の電荷を加算する第２読み出し動作とを含む、各組において垂直方向に関して等間隔に分布した非読み出し光電変換素子行を介した読み出し光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに加算読み出しする読み出し動作が可能な前記電荷転送電極の駆動回路と、
を有する固体撮像装置。
【請求項２】
前記電荷転送電極の駆動回路の前記第1及び第２の読み出し動作が、連続する２行を読み出す請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記ｎ行が２行であり、前記ｍが４であり、前記第１の読み出し動作が各組において異なる色配列の繰り返し単位から電荷を読み出す請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１読み出し動作が行われる色配列の繰り返し単位が中間に他の色配列の繰り返し単位を置く第１、第２の色配列の繰り返し単位であり、前記第1読み出し動作が、第1の色配列の繰り返し単位の第２行と第２の色配列の繰り返し単位の第1行に対して行なわれ、前記第２読み出し動作が、前記第1の色配列の繰り返し単位の第1行と前記第２の繰り返し単位の第２行に対して行なわれる請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記ｎ行が３行であり、前記ｍが６であり、前記第１読み出し動作が行われる色配列の繰り返し単位が各組当り３つの色配列の繰り返し単位であり、前記駆動回路がさらに前記第２の読み出し動作後の、加算された電荷をｊ×ｎ行転送するｊ×ｎ行転送動作と、前記第２群の光電変換素子行からｊ×ｎ行下流の、非等間隔の、第３群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出し、垂直電荷転送チャネル内で読み出した電荷と転送された電荷との夫々同色の電荷を加算する第３読み出し動作を実行可能な請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１読み出し動作が行われる色配列の繰り返し単位が中間に他の色配列の繰り返し単位を置く第１、第２の色配列の繰り返し単位であり、前記第1の読み出し動作が、第1、第２、第３の色配列の繰り返し単位のそれぞれ異なる行に対して行なわれ、前記第1、第２、第３読み出し動作により前記第1、第２、第３の色配列の繰り返し単位の第1行、第２行、第３行が読み出される請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
二次元平面上に行列状に整列配置された複数の光電変換素子と、該光電変換素子の上に各１づつ形成され、行方向に並ぶ第１の色配列と該第１の色配列と行方向に異なる色配列を有する第２の色配列を有する２行を１単位として列方向に同じ色配列が繰り返される色フィルタのアレイと、前記光電変換素子の列に近接して形成され、該光電変換素子の列の１本につき各１本ずつ形成された垂直電荷転送チャネルと、該垂直電荷転送チャネル上に形成され、前記光電変換素子の行の１本に対応して各２本形成された複数本の垂直電荷転送電極と、列方向に隣接する４行の光電変換素子の行に含まれる８本１組の垂直電荷転送電極のそれぞれに対して独立に電圧を印加できるとともに、前記１組の垂直電荷転送電極を含む列方向に隣接する２組１６本のうち、列方向に隣接する２行一対の第１の光電変換素子行対のうちの第１の色配列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送電極と、前記第１の光電変換素子行対から列方向に４光電変換素子行だけずれた位置に配置され列方向に隣接する２行一対の第２の光電変換素子行対のうちの第２の色配列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送電極と、から選択される各１本に対して独立に読み出しパルス電圧を印加できる駆動回路と、複数の前記垂直電荷転送チャネルの下端に設けられ、該垂直電荷転送チャネルから転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する水平電荷転送チャネルと、該水平電荷転送チャネルの一端に形成され該水平電荷転送チャネルからの電荷を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含む固体撮像装置の制御方法であって、ａ）隣接する２組の第１から第１６までの１６本の垂直電荷転送電極のうち、列方向に隣接する第１の光電変換素子行対のうち選択されたいずれか一方の光電変換素子行に属する垂直電荷転送電極と、前記第１の光電変換素子行対から列方向に４光電変換素子行分ずれた位置に形成され列方向に隣接する第２の光電変換素子行対のうち前記第１の光電変換素子行対において選択された光電変換素子行と異なる行方向の色配列を有する光電変換素子行に属する垂直電荷転送電極とに対して読み出しパルス電圧を印加する工程と、ｂ）前記ａ）工程において読み出された信号電荷を、前記水平電荷転送チャネルに向けて列方向に４光電変換素子行分転送する工程と、ｃ）前記第１の光電変換素子行対及び前記第２の光電変換素子行対に含まれる光電変換素子行のうち前記ａ）工程において読み出されなかった光電変換素子行に属する垂直電荷転送電極に対して読み出しパルス電圧を印加する工程と、ｄ）前記ｃ）工程において読み出された電荷を前記ａ）工程において読み出された電荷とともに前記水平電荷転送チャネルに向けて転送する工程とを含む固体撮像装置の制御方法。
【請求項８】
表面に２次元平面を有する半導体基板と、前記２次元平面内に形成され、複数の行と複数の列とを有する行列配列に配置された光電変換素子と、前記光電変換素子の各列に隣接して、前記半導体基板に形成された各列当り１本の垂直電荷転送チャネルと、前記垂直電荷転送チャネルの上方を横断し、光電変換素子の各行当り２本設けられている電荷転送電極と、前記光電変換素子上方に、前記光電変換素子に1対１対応で形成された色フィルタのアレイであって、複数色のカラーフィルタを含み、列方向に沿って色配列の繰り返し単位を有し、各繰り返し単位は、ｎ行から構成される（ここで、ｎは1より大の整数）色フィルタアレイと、を有する固体撮像装置の制御方法であって、
（ａ）（ｍ×ｎ）行の光電変換素子行を１組とし、各組内の非等間隔の分布を有する第１群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出す第1読み出し動作と、
（ｂ）第１読み出し動作後の、読み出した電荷をｊ×ｎ行転送する（ここで、ｊは１より大、かつｍより小の整数）ｊ×ｎ行転送動作と、
（ｃ）前記第１群の光電変換素子行からｊ×ｎ行下流の、非等間隔の、第２群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出し、前記垂直電荷転送チャネル内で、読み出した電荷と転送された電荷との夫々同色の電荷を加算する第２読み出し動作と、
を含み、各組において垂直方向に関して等間隔に分布した非読み出し光電変換素子行を介した読み出し光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに加算読み出しする読み出し動作が可能な固体撮像装置の制御方法。
【請求項９】
前記第1及び第２の読み出し動作が、連続する２行を読み出す請求項８記載の固体撮像装置の制御方法。
【請求項１０】
前記ｎ行が２行であり、前記ｍが４であり、前記第１の読み出し動作が各組において異なる繰り返し単位から電荷を読み出す請求項８または９記載の固体撮像装置の制御方法。
【請求項１１】
前記第１読み出し動作が行われる色配列の繰り返し単位が中間に他の色配列の繰り返し単位を置く第１、第２の色配列の繰り返し単位であり、前記第1読み出し動作が、第1の色配列の繰り返し単位の第２行と第２の色配列の繰り返し単位の第1行に対して行なわれ、前記第２読み出し動作が、前記第1の色配列の繰り返し単位の第1行と前記第２の色配列の繰り返し単位の第２行に対して行なわれる請求項１０記載の固体撮像装置の制御方法。
【請求項１２】
前記ｎ行が３行であり、前記ｍが６であり、前記第１読み出し動作が行われる色配列の繰り返し単位が各組当り３繰り返し単位であり、さらに
（ｄ）前記第２の読み出し動作後の、加算された電荷をｊ×ｎ行転送するｊ×ｎ行転送動作と、
（ｅ）前記第２群の光電変換素子行からｊ×ｎ行下流の、非等間隔の、第３群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出し、垂直電荷転送チャネル内で読み出した電荷と転送された電荷との夫々同色の電荷を加算する第３読み出し動作と、
を含む請求項８記載の固体撮像装置の制御方法。
【請求項１３】
前記第１読み出し動作が行われる色配列の繰り返し単位が中間に他の色配列の繰り返し単位を置く第１、第２の色配列の繰り返し単位であり、前記第1の読み出し動作が、第1、第２、第３の色配列の繰り返し単位のそれぞれ異なる行に対して行なわれ、前記第1、第２、第３読み出し動作により前記第1、第２、第３の色配列の繰り返し単位の第1行、第２行、第３行が読み出される請求項１２記載の固体撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動画撮影モードを備えたデジタルスチルカメラに用いられる固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置の動画撮影技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置を用いたデジタルスチルカメラにおいて、動画出力による画像確認（いわゆるムービーモード）機能が不可欠になってきている。固体撮像装置の画素数は、年々増加の一途を辿っている。１９９６年に３３万画素程度だった固体撮像装置の画素数は、１９９７年には８０万画素程度に、１９９８年には１３０万画素から１５０万画素程度になり、そして２０００年には３００万画素を超えるものが製品化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような高画素数化の流れの中で、従来と同じ画質の動画出力機能を維持することは困難になってきた。高画素化されたデジタルスチルカメラにおいて画質を維持するためには、画素数に比例して駆動周波数を増加させる必要があるが、実際には動作周波数を上げることは難しい。回路の動作周波数を増加させると、消費電力増大によりカメラの駆動用バッテリーの保持時間が短くなる。加えて画像にノイズが発生しやすくなる。
【０００４】
動作周波数を上げずに固体撮像装置の画素数を多くしようとすれば、動画を撮影する際にフレームレートを下げざるを得なくなる。フレームレートを維持するために、読み出し時の画素の間引きの割合を大きくすると、偽色が発生しやすくなる。
【０００５】
図８は、間引き読み出し動作の一例として示した動画用の読み出し技術の原理を示す平面図である。
【０００６】
図８に示すように、ＣＣＤ固体撮像装置Ａは、半導体基板の２次元表面１０１に、行列状に形成された多数の光電変換素子１０３を有している。光電変換素子１０３のうち１列分の光電変換素子列に対してそれぞれ１本ずつ、光電変換素子１０３に蓄積された電荷を垂直方向に運ぶための垂直電荷転送チャネル層１０５が設けられている。
【０００７】
垂直電荷転送チャネル１０５の一端に、垂直電荷転送チャネル１０５から転送されてきた電荷を受けて、それを水平方向に転送する水平電荷転送チャネル１０７が設けられている。水平電荷転送チャネル１０７の一端には、運ばれた電荷信号を増幅して外部に出力する出力アンプ１１１が設けられている。
【０００８】
ＣＣＤ固体撮像装置Ａの色配列は、いわゆるベイヤー配列である。ベイヤー配列では、列方向にＧ、Ｒ，Ｇ、・・・と並ぶ列と、この列と隣接するＢ、Ｇ、Ｂ、Ｇ、・・・と並ぶ列とが、行方向に交互に配置されている。行方向にＲ，Ｇ、Ｒ，Ｇ、・・・と並ぶ行と、この行と行方向に隣接するＧ、Ｂ、Ｇ、・・・と並ぶ行とが、列方向に交互に配置されている。
【０００９】
図８に示す各行に、Ｌ１からＬ８までの８行で一単位の符号を付す。垂直電荷転送チャネル１０５上に、１つの光電変換素子行について各２本づつ設けられ、ΦＶ１からΦＶ４までの４種類の電圧を独立して印加できる垂直電荷転送電極が設けられている。
【００１０】
上記の構造を有するＣＣＤ固体撮像装置Ａの動画モードによる１／４間引き読み出し動作について説明する。
【００１１】
光電変換素子行Ｌ５と光電変換素子行Ｌ２とから、それぞれ、Ｇ、Ｂ、Ｇ、Ｂ、・・・と、Ｒ、Ｇ、Ｒ、Ｇ、・・・の信号電荷を読み出し、垂直電荷転送チャネル１０５内に転送する。読み出した信号電荷を、垂直電荷転送電極に順次駆動電圧を印加することにより、水平電荷転送チャネル１０７の方向へ向けて、４相駆動方式により転送する。
【００１２】
光電変換素子行について８行を１単位とすると、そのうちの２行分の画素の画素信号が読み出される。すなわち、全画素の１／４の画素からの信号を読み出す。これを１／４間引き読み出しと称する。この方法によれば、静止画の読み出し法として用いられる全画素読み出しの場合の４倍の速度で、撮像を行うことができる。
【００１３】
ところが、上記の方法を用いると信号量も１／４となるので、感度が低くなるという問題がある。動画モードの場合のフレームレートは、１／３０秒である。このフレームレートを維持するためには、特に暗い場所において感度不足になりやすい。静止画モードと異なり、動画モードにおいてはフラッシュ撮影も難しく、また、長時間露光による撮影も難しい。
【００１４】
加えて、光電変換素子行Ｌ２と光電変換素子行Ｌ５とからの信号のみを読み出すため、信号を読み出す光電変換素子行（読み出し光電変換素子行）間の行間隔、すなわち、信号を読み出さない光電変換素子行（非読み出し光電変換素子行）数が２行と４行との繰り返しとなり、信号を読み出す光電変換素子行が列方向に等間隔に並ばない。従って偽色が発生しやすくなる。偽色の影響は、間引き読み出しにより読み出されなかった画素数の増加により増加する。
【００１５】
また、デジタルスチルカメラにおける偽色に関する特有の問題として、光学ローパスフィルタの不整合の問題がある。光学ローパスフィルタは、偽色の発生を低減する目的で設けられる。ところが、デジタルスチルカメラの場合には、静止画の撮影に合わせて光学ローパスフィルタの複屈折のピッチが決められている。
【００１６】
従って、動画用に上記のような不均等な間引き読み出しを行った場合には、読み出しピッチが上述のように等間隔にならず、静止画用の光学ローパスフィルタのピッチと合わなくなる。固体撮像装置に含まれる画素数が増えるほど、動画撮影時の読み出し画素ピッチと光学ローパスフィルタのピッチとの不整合が増大する傾向になる。
【００１７】
本発明の目的は、動画モードにおける撮影時の感度を向上させ、動画モードにおいても明るい画像を表示できるようにすることである。偽色の影響を低減することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の１観点によれば、
表面に２次元平面を有する半導体基板と、
前記２次元平面内に形成され、複数の行と複数の列とを有する行列配列に配置された光電変換素子と、
前記光電変換素子の各列に隣接して、前記半導体基板に形成された各列当り１本の垂直電荷転送チャネルと、
前記垂直電荷転送チャネルの上方を横断し、光電変換素子の各行当り２本設けられている電荷転送電極と、
前記光電変換素子上方に、前記光電変換素子に1対１対応で形成された色フィルタのアレイであって、複数色のカラーフィルタを含み、列方向に沿って色配列の繰り返し単位を有し、各色配列の繰り返し単位は、ｎ行から構成される（ここで、ｎは1より大の整数）色フィルタアレイと、
（ｍ×ｎ）行の光電変換素子を1組とし、各組内の非等間隔の分布を有する第１群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出す第1読み出し動作と、第１読み出し動作後の、読み出した電荷をｊ×ｎ行転送する（ここで、ｊは１より大、かつｍより小の整数）ｊ×ｎ行転送動作と、前記第１群の光電変換素子行からｊ×ｎ行下流の、非等間隔の、第２群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出し、前記垂直電荷転送チャネル内で、読み出した電荷と転送された電荷との夫々同色の電荷を加算する第２読み出し動作とを含む、各組において垂直方向に関して等間隔に分布した非読み出し光電変換素子行を介した読み出し光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに加算読み出しする読み出し動作が可能な前記電荷転送電極の駆動回路と、
を有する固体撮像装置
が提供される。
【００１９】
本発明の他の観点によれば、二次元平面上に行列状に整列配置された複数の光電変換素子と、該光電変換素子の上に各１づつ形成され、行方向に並ぶ第１の色配列と該第１の色配列と行方向に異なる色配列を有する第２の色配列を有する２行を１単位として列方向に同じ色配列が繰り返される色フィルタのアレイと、前記光電変換素子の列に近接して形成され、該光電変換素子の列の１本につき各１本ずつ形成された垂直電荷転送チャネルと、該垂直電荷転送チャネル上に形成され、前記光電変換素子の行の１本に対応して各２本形成された複数本の垂直電荷転送電極と、列方向に隣接する４行の光電変換素子の行に含まれる８本１組の垂直電荷転送電極のそれぞれに対して独立に電圧を印加できるとともに、前記１組の垂直電荷転送電極を含む列方向に隣接する２組１６本のうち、列方向に隣接する２行一対の第１の光電変換素子行対のうちの第１の色配列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送電極と、前記第１の光電変換素子行対から列方向に４光電変換素子行だけずれた位置に配置され列方向に隣接する２行一対の第２の光電変換素子行対のうちの第２の色配列を有する光電変換素子行に含まれる垂直電荷転送電極と、から選択される各１本に対して独立に読み出しパルス電圧を印加できる駆動回路と、複数の前記垂直電荷転送チャネルの下端に設けられ、該垂直電荷転送チャネルから転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する水平電荷転送チャネルと、該水平電荷転送チャネルの一端に形成され該水平電荷転送チャネルからの電荷を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含む固体撮像装置の制御方法であって、ａ）隣接する２組の第１から第１６までの１６本の垂直電荷転送電極のうち、列方向に隣接する第１の光電変換素子行対のうち選択されたいずれか一方の光電変換素子行に属する垂直電荷転送電極と、前記第１の光電変換素子行対から列方向に４光電変換素子行分ずれた位置に形成され列方向に隣接する第２の光電変換素子行対のうち前記第１の光電変換素子行対において選択された光電変換素子行と異なる行方向の色配列を有する光電変換素子行に属する垂直電荷転送電極とに対して読み出しパルス電圧を印加する工程と、ｂ）前記ａ）工程において読み出された信号電荷を、前記水平電荷転送チャネルに向けて列方向に４光電変換素子行分転送する工程と、ｃ）前記第１の光電変換素子行対及び前記第２の光電変換素子行対に含まれる光電変換素子行のうち前記ａ）工程において読み出されなかった光電変換素子行に属する垂直電荷転送電極に対して読み出しパルス電圧を印加する工程と、ｄ）前記ｃ）工程において読み出された電荷を前記ａ）工程において読み出された電荷とともに前記水平電荷転送チャネルに向けて転送する工程とを含む固体撮像装置の制御方法が提供される。
【００２０】
本発明のさらに他の観点によれば、
表面に２次元平面を有する半導体基板と、前記２次元平面内に形成され、複数の行と複数の列とを有する行列配列に配置された光電変換素子と、前記光電変換素子の各列に隣接して、前記半導体基板に形成された各列当り１本の垂直電荷転送チャネルと、前記垂直電荷転送チャネルの上方を横断し、光電変換素子の各行当り２本設けられている電荷転送電極と、前記光電変換素子上方に、前記光電変換素子に1対１対応で形成された色フィルタのアレイであって、複数色のカラーフィルタを含み、列方向に沿って色配列の繰り返し単位を有し、各繰り返し単位は、ｎ行から構成される（ここで、ｎは1より大の整数）色フィルタアレイと、を有する固体撮像装置の制御方法であって、
（ａ）（ｍ×ｎ）行の光電変換素子行を１組とし、各組内の非等間隔の分布を有する第１群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出す第1読み出し動作と、
（ｂ）第１読み出し動作後の、読み出した電荷をｊ×ｎ行転送する（ここで、ｊは１より大、かつｍより小の整数）ｊ×ｎ行転送動作と、
（ｃ）前記第１群の光電変換素子行からｊ×ｎ行下流の、非等間隔の、第２群の光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに読み出し、前記垂直電荷転送チャネル内で、読み出した電荷と転送された電荷との夫々同色の電荷を加算する第２読み出し動作と、
を含み、各組において垂直方向に関して等間隔に分布した非読み出し光電変換素子行を介した読み出し光電変換素子行から電荷を垂直電荷転送チャネルに加算読み出しする読み出し動作が可能な固体撮像装置の制御方法
が提供される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して、発明者が考案した固体撮像装置及びその制御方法について、その原理を簡単に説明する。
【００２２】
図１に、発明者が考案した固体撮像装置の原理図を示す。図１に示す光電変換素子の色配列は、ベイヤー配列である。ベイヤー配列は、固体撮像装置における色フィルタの配列の代表的な配列であり、列方向に２画素ピッチで同色の画素が並ぶ配列の範疇に入る。
【００２３】
図１に示すように、固体撮像装置Ｂは、行方向の色配列が、２光電変換素子行ごとに異なっている。８光電変換素子行を一単位とした場合、同じ一単位が上下方向（垂直方向）に繰り返された構造を有している。説明を簡単化するために、８行単位の各行にＬ１からＬ８までの符号を付した。これら各光電変換素子行には、垂直電荷転送チャネル内の電荷を転送するため１光電変換素子行につき上下２本ずつ垂直電荷転送電極が設けられている。
【００２４】
図１に示す固体撮像装置において、列方向に隣接する２行分の光電変換素子行、例えば光電変換素子行Ｌ１と光電変換素子行Ｌ２及び光電変換素子行Ｌ５と光電変換素子行Ｌ６との４行の光電変換素子行から電荷の読み出しを行う。
【００２５】
まず、光電変換素子行Ｌ１と光電変換素子行Ｌ６とに属する光電変換素子に蓄積されている電荷を垂直電荷転送チャネル内に読み出す。次に、読み出した信号電荷を、水平電荷転送チャネルの方向に向けてそれぞれ４光電変換素子行分転送する。この際、光電変換素子行Ｌ１から読み出された電荷は、５行目の光電変換素子行Ｌ５まで転送される。光電変換素子行Ｌ１と光電変換素子行Ｌ５の信号電荷は行方向の色配列が同じである。６行目の光電変換素子行Ｌ６から読み出された電荷も垂直方向に４光電変換素子行分だけ転送され、２行目の光電変換素子行Ｌ２まで転送される。光電変換素子行Ｌ２と光電変換素子行Ｌ６の信号電荷も行方向に色配列が同じである。
【００２６】
この状態で２回目の読み出し動作を行えば、同色信号を加算することができる。すなわち、光電変換素子行Ｌ２と光電変換素子行Ｌ５に属する光電変換素子から信号電荷を読み出せば、同色の信号電荷が垂直電荷転送チャネル内において加算される。加算された２画素分の信号電荷を、その後、水平電荷転送チャネルに向けて転送する。
【００２７】
以上に説明した動作により、８光電変換素子行Ｌ１からＬ８までのうち列方向に隣接する第１及び第２の光電変換素子行Ｌ１及びＬ２と、同じく列方向に隣接する第５及び第６の光電変換素子行Ｌ５及びＬ６との信号電荷を読み出す。非読み出し行は、第３及び第４の光電変換素子行Ｌ３及びＬ４と第７及び第８の光電変換素子行Ｌ７及びＬ８である。読み出し光電変換素子行と非読み出し光電変換素子行とが、列方向に２行間隔で等間隔に配置される。
【００２８】
上記の固体撮像素子においては、水平電荷転送チャネルに転送される前に、垂直電荷転送チャネル内において同色の信号電荷が２画素分加算される。従って、信号量、すなわち感度が２倍になり、明るい動画像が得られる。
【００２９】
また、読み出し行と非読み出し行とが列方向に等間隔で並んでいる（この場合には２行ごとに並んでいる）。従って、偽色の影響が小さくなる。加えて、静止画撮影に合わされた光学ローパスフィルタのピッチと動画モードにおける読み出し光電変換素子行のピッチを整合させることができるため、良好な動画像が得られる。
【００３０】
尚、上記の読み出し方法は、対象とする光電変換素子行から４画素分列方向にずれた光電変換素子行との間に間隔と等しいピッチを有する光学ローパスフィルタを用いて、あたかも光学的な２重画像を形成したような読み出し方法と考えることもできる。
【００３１】
上記の原理に基づく本発明の一実施の形態による固体撮像装置及びその制御方法について、図２から図５までを参照して説明する。
【００３２】
図２は、本実施の形態による固体撮像装置の構造を示す平面図であり、図３（Ａ）は、図２の部分的な拡大図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ'線に沿う断面図である。図４は、固体撮像装置の電荷駆動部に印加する駆動信号のタイミングチャートである。図５は、図４のタイミングで駆動された場合の信号電荷の読み出し及び転送の様子を示す図である。
【００３３】
図２に示すように、ＣＣＤ固体撮像装置Ｂは、２次元平面を画定する半導体基板１上に、光電変換素子（フォトダイオード）３が行列状に形成されている。列方向に並ぶ光電変換素子列に近接して、１光電変換素子列に対して１本づつの垂直電荷転送チャネル５が垂直方向（列方向）に向けて延びている。光電変換素子３と垂直電荷転送チャネル５との間に読み出しゲート３ａが形成されている。
【００３４】
垂直電荷転送チャネルの一端に、水平方向（行方向）に延びる水平電荷転送チャネル７が形成されている。水平電荷転送チャネル７の一端に、電荷信号を増幅して出力するための出力アンプ１０が形成されている。
【００３５】
複数本の垂直電荷転送チャネル５上には、１つの光電変換素子３に対して上下２本の垂直電荷転送電極１１ａ、１１ｂが形成されている。水平電荷転送チャネル７には、ポテンシャルウェル層７ａとポテンシャルバリア層７ｂとが水平方向に交互に形成されている。各垂直電荷転送チャネル５の一端は、ポテンシャルウェル層７ａと接続されている。ポテンシャルウェル層７ａ上とポテンシャルバリア層７ｂ上には、それぞれ水平電荷転送電極１５ａと１５ｂとがそれぞれ形成されている。
【００３６】
垂直電荷転送電極１１ａと１１ｂとに電荷を転送するための電圧を印加すると、垂直電荷転送チャネル５内の電子は水平電荷転送チャネル７に向けて転送される。
【００３７】
水平電荷転送チャネル７内に転送された電子は、水平電荷転送電極１５ａと１５ｂとに電圧を印加していくことにより、出力アンプ１０の方向に向けて転送される。
【００３８】
尚、図２では、垂直電荷転送チャネル５と水平電荷転送チャネル７との間には、垂直電荷転送電極（ΦＶ４）までが示されている。実際には、さらに、垂直電荷転送電極ΦＶ５からΦＶ８までと、電荷を垂直電荷転送チャネルから水平電荷転送チャネルまで転送するための電荷転送部とを設けることにより、図４に示すタイミングチャート図に基づく電荷の読み出し、転送を行うことができる。図１の概念図においても同様である。
【００３９】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、図２に示す固体撮像装置の部分拡大図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ'線に沿う断面図である。
【００４０】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、ｎ型半導体基板１上に、ｐ型半導体層２３が形成されている。ｐ型半導体層２３に、ｎ型半導体層２およびｎ型半導体層５が形成されている。ｎ型半導体層２とｐ型半導体層２３とによりｐ−ｎ接合を有する光電変換素子（フォトダイオード）３が形成される。
【００４１】
ｎ型半導体層５は、光電変換素子３に蓄積されている電荷を転送するための垂直電荷転送チャネルを形成する。垂直電荷転送チャネル５上に、第１の絶縁膜３０を介して多結晶シリコンにより形成された電荷転送電極１１ｂが形成されている。
【００４２】
第１の電荷転送電極１１ａと第２の電荷転送電極１１ｂとが垂直方向に交互に形成され、垂直電荷転送チャネル５とともに、垂直電荷転送路を形成している。垂直電荷転送路は、光電変換素子３に蓄積されていた電荷を水平電荷転送チャネル７（図２）に向けて転送する。
【００４３】
第１および第２の電荷転送電極１１ａ、１１ｂを覆って半導体基板１上に第１の層間絶縁膜３１が形成されている。第１の層間絶縁膜３１の上に、個々の光電変換素子３の受光面に開口部を有する導電性遮光膜４１が形成されている。導電性遮光膜４１は、垂直電荷転送路（５、１１ａ、１１ｂ）などの非受光面上を覆う。
【００４４】
絶縁膜３１および遮光膜４１を覆うように第２の層間絶縁膜（平坦化膜）３７が形成されている。平坦化膜３７の上にカラーフィルタ４５およびマイクロレンズ５１が形成されている。
【００４５】
マイクロレンズ５１により集光された光は、光電変換素子３内に入射する。導電性遮光膜４１は、光電変換素子３以外の領域における入射光の影響を低減する。
【００４６】
図２に戻って、光電変換素子３の受光部左側には、垂直電荷転送電極１１ａ及び１１ｂに電荷転送電圧を印加する垂直駆動回路Ｃが設けられている。垂直駆動回路Ｃは、光電変換素子行Ｌ１から光電変換素子行Ｌ４までと光電変換素子行Ｌ５から光電変換素子行Ｌ８までの４行を１単位として、垂直電荷転送電極１１ａ及び１１ｂのそれぞれにΦＶ１からΦＶ８までの電圧を印加することができる。いわゆる８相駆動方式による電荷転送を行う。ΦＶ１とΦＶ３とに関しては、ΦＶ１ＡとΦＶ１Ｂ（光電変換素子行Ｌ１から光電変換素子行Ｌ４まで）及びΦＶ３ＡとΦＶ３Ｂ（光電変換素子行Ｌ５から光電変換素子行Ｌ８まで）とで別の電圧（読み出し電圧）を印加することができるようになっており、それぞれの行から電荷を独立に読み出すことができる。
【００４７】
図２、図４及び図５を参照して、固体撮像装置の動作について説明する。時間Ｔ１において、垂直駆動回路Ｃが、ΦＶ１ＡとΦＶ３Ｂとに高電圧（読み出し電圧）、例えば１６Ｖを印加する。第１光電変換素子行Ｌ１において行方向にＧＢＧＢＧＢ・・・と並ぶ信号電荷が、垂直電荷転送チャネル内に読み出される（符号▲１▼）。第６光電変換素子行Ｌ６において行方向にＲＧＲＧＲＧ・・・と並ぶ信号電荷が、垂直電荷転送チャネル内に読み出される（符号▲１▼）。
【００４８】
時間Ｔ２から時間Ｔ５までの間において、上記の読み出し動作により読み出された信号電荷を水平電荷転送チャネルの方向に向けて８相駆動方式により転送する。電荷を転送するための電圧は、例えば０Ｖと−８Ｖである。第１の光電変換素子行Ｌ１から読み出された信号電荷ＧＢＧＢＧＢ・・・は、第５の光電変換素子行Ｌ５の位置まで転送される（符号▲２▼）。第６の光電変換素子行Ｌ６から読み出された信号電荷ＲＧＲＧＲＧ・・・は、第２の光電変換素子行Ｌ２の位置まで転送される（符号▲２▼）。
【００４９】
この状態において、垂直電荷転送チャネル内に存在する上記の信号電荷は、読み出しゲートを介してそれと近接する行方向の位置に存在する光電変換素子に蓄積されている電荷と同色の電荷である。
【００５０】
時間Ｔ６において、垂直駆動回路Ｃが、ΦＶ１ＢとΦＶ３Ａとに高電圧（読み出し電圧）、例えば１６Ｖを印加する。上記の電荷転送動作によって転送された信号電荷ＧＢＧＢＧＢ・・・及びＲＧＲＧＲＧ・・・と、光電変換素子から読み出された信号電荷ＧＢＧＢＧＢ・・・及びＲＧＲＧＲＧ・・・とが垂直電荷転送チャネル内において合流する（符号▲３▼）。同色の信号電荷が合流するため、電荷の加算が行われたことになる。ＲＲ、ＧＧ及びＢＢの電荷が垂直電荷転送チャネル内に存在することになる。
【００５１】
加算された電荷は、垂直駆動回路Ｃから電荷転送電極に出力される駆動信号により、さらに水平電荷転送チャネルに向けて転送される。水平電荷転送チャネル内に転送された信号電荷は、水平電荷転送チャネル内を出力アンプに向けて転送され、出力アンプにおいて増幅された後に外部に出力される。実際には、ΦＶ８が印加される垂直電荷転送電極まで電荷を転送した後、周知の電荷転送部、例えば、垂直電荷転送電極と同様の電極に独立した電荷転送用のパルス信号を印加することにより、垂直電荷転送チャネル内の電荷を水平電荷転送チャネル内へと転送すれば良い。垂直電荷転送チャネルから水平電荷転送チャネルへの電荷転送時に、水平電荷転送チャネルの電荷転送を開始すればよい。
【００５２】
尚、信号電荷を加算することにより電荷量が多くなりすぎ、垂直電荷転送チャネルから電荷が溢れ出すおそれがある。そこで、ｎ型半導体基板１（図３）に基板電位を印加できるようにしておく。いわゆる垂直オーバーフロードレイン（ＶＯＦＤ）構造を形成している。ＶＯＦＤ構造において、基板電圧により基板と光電変換素子との間のポテンシャルバリアを予め低くしておけば、光電変換素子内に蓄積できる最大電荷量を少なくすることが可能である。光電変換素子内に蓄積できる信号電荷量を調整することにより、垂直電荷転送チャネル内で信号電荷が加算された際に、電荷が垂直電荷転送チャネル外に溢れ出すのを防止することができる。
【００５３】
上記の固体撮像装置においては、水平電荷転送チャネルに転送される前に、垂直電荷転送チャネル内において同色の信号電荷が２光電変換素子分加算される。従って、信号量、すなわち感度が２倍になり、明るい動画像が得られる。
【００５４】
さらに、８行を一単位とした場合に、４行離れた光電変換素子行から読み出した信号同士を加算するので、列方向に等間隔な位置から信号を読み出すことになる。従って、偽色の影響が小さくなる。加えて、読み出し信号が印加される光電変換素子行のピッチと静止画撮影に合わされた光学ローパスフィルタのピッチとが整合するため、良好な動画像が得られる。
【００５５】
尚、全画素読み出しを行う静止画モードにおいては、１光電変換素子行おきに読み出しパルス信号を印加して、信号電荷を読み出す。読み出した信号電荷を全て水平電荷転送チャネル内に転送すれば良い。静止画モードにおいては、信号電荷の加算処理を行わない。従って、ＶＯＦＤ構造において、例えば光電変換素子内に蓄積できる最大電荷量が２程度になるように、動画モードの場合よりも基板電圧を低くしておけば良い。
【００５６】
本実施の形態による固体撮像装置の制御技術は、列方向に２画素ごとに同色の画素が繰り返されている固体撮像装置に適用すると好適である。
【００５７】
図６（Ａ）から図６（Ｊ）までに、本実施の形態による固体撮像装置に適用可能な色配列の例を示す。図６（Ａ）に示すベイヤー配列の他に、図６（Ｂ）のインタライン配列、図６（Ｃ）のＧストライプＲＢ市松、図６（Ｄ）のＧストライプＲＢ完全市松、図６（Ｅ）のストライプ、図６（Ｆ）のフレーム色差順次、図６（Ｇ）のＭＯＳ型、図６（Ｈ）の改良ＭＯＳ型、図６（Ｉ）の補色系フレームインターリーブ、図６（Ｊ）の補色系ストライプなどが挙げられる。
【００５８】
次に、本実施の形態による固体撮像装置の制御技術の変形例による制御技術について図７を参照して説明する。簡単のため、図７には色配列と垂直電荷転送電極と垂直電荷転送電極に電荷の読み出し電圧及び駆動電圧を印加するための回路とを示している。
【００５９】
図７に示す固体撮像装置Ｄは、ＧＲＢを１単位として列方向に繰り返される色配列と、それと行方向に隣接し列方向ＲＢＧが繰り返される色配列とを有している。さらにそれと隣接する行には、列方向ＢＧＲが繰り返される色配列が設けられている。この色配列は、いわゆる斜めストライプと呼ばれる色配列である。
【００６０】
図７には、第１の光電変換素子行Ｌ１から第１８の光電変換素子行Ｌ１８までとさらに次の第３の光電変換素子行Ｌ３までのみが示されているが、実際には、同じ色配列が繰り返される。第１の光電変換素子行Ｌ１から第１８の光電変換素子行Ｌ１８までの１８行の光電変換素子行が一単位となる。Ｌ１からＬ１８までの光電変換素子行は、第１から第６までの光電変換素子行Ｌ１からＬ６と、Ｌ７からＬ１２と、Ｌ１３からＬ１８までの３群に分けて考えることができる。
【００６１】
各１群の光電変換素子行には、上から順にΦＶ１からΦＶ１２までの１２通りの駆動信号が独立して印加できるように駆動回路Ｄ'が設けられている。いわゆる１２相駆動方式である。上記光電変換素子行のうち、光電変換素子行Ｌ１からＬ３まで、Ｌ７からＬ９まで及びＬ１３からＬ１５までの光電変換素子行が読み出し光電変換素子行であり、光電変換素子行Ｌ４からＬ６、Ｌ１０からＬ１２まで及びＬ１６からＬ１８までが非読み出し光電変換素子行である。３光電変換素子行を一対とする読み出し行の光電変換素子行対中の光電変換素子には、他の読み出し行に含まれる光電変換素子対中の同色配列の光電変換素子行とは独立に読み出し電圧が印加できるようになっている。
【００６２】
例えば、図７において、光電変換素子行Ｌ１には信号電圧Φ１Ａの電圧が、光電変換素子行Ｌ７にはΦ１Ｂが、光電変換素子行Ｌ１３にはΦ１Ｃが独立に印加できるようになっている。Ａ，Ｂ，Ｃと分けたのは、光電変換素子Ｌ１とＬ７とＬ１３とにそれぞれ異なるタイミングで電荷の読み出しパルス信号を印加できるようにするためである。
【００６３】
尚、光電変換素子Ｌ２とＬ８とＬ１４についても、独立に読み出し電圧Φ３Ａ、Φ３Ｂ、Φ３Ｃが印加できる。光電変換素子Ｌ３とＬ９とＬ１５についても、独立に読み出し電圧Φ５Ａ、Φ５Ｂ、Φ５Ｃが印加できる。
【００６４】
上記の固体撮像装置においては、例えば図の左側の光電変換素子列では、光電変換素子行Ｌ１の例えばＧ信号は、読み出し信号により垂直電荷転送チャネル５内に転送される。読み出されたＧ信号を、垂直電荷転送チャネル５内において６光電変換素子行分下方に転送する。ここで、光電変換素子行Ｌ７からＧ信号を読み出すと新たなＧ信号が垂直電荷転送チャネル５内に転送され、２光電変換素子分のＧ信号が加算される。加算された２光電変換素子分のＧ信号を、垂直電荷転送チャネル５内において６光電変換素子行分下方に転送する。ここで、光電変換素子行Ｌ１３からＧ信号を読み出すと新たなＧ信号が垂直電荷転送チャネル５内に転送され、転送されてきた２画素分のＧ信号と加算される。光電変換素子行Ｌ１３において３光電変換素子分のＧ信号が形成される。３光電変換素子分のＧ信号は、水平電荷転送チャネルに転送される。
【００６５】
同様の読み出し動作と電荷転送動作を他の光電変換素子についても行う。
【００６６】
光電変換素子行Ｌ２のＲ信号は、図示されていない上の光電変換素子行（Ｌ１４）から読み出されて下方に転送されてきたＲ信号と加算され２光電変換素子分のＲ信号が形成される。さらに、このＲ信号は、下方に転送され、図示されている光電変換素子Ｌ８とのＲ信号と加算される。３光電変換素子分のＲ信号が光電変換素子行Ｌ８において形成される。３光電変換素子分のＲ信号は水平電荷転送チャネルに転送される。
【００６７】
同様に、光電変換素子行Ｌ３のＢ信号は、図示されていない上の光電変換素子行（Ｌ９）と光電変換素子行（Ｌ１５）とのＢ信号とが加算されて形成されている２光電変換素子分のＢ信号とさらに加算されて、光電変換素子行Ｌ３において、３光電変換素子分のＢ信号となる。３光電変換素子分のＢ信号は水平電荷転送チャネルに転送される。尚、図示されている光電変換素子行Ｌ９から読み出されたＢ信号は、図示されている光電変換素子行Ｌ１５のＢ信号と加算されて２光電変換素子分のＢ信号となる。さらに、これら２光電変換素子分の信号は、下方に図示されている光電変換素子行Ｌ３のＢ信号と加算されて３光電変換素子分のＢ信号となる。３光電変換素子分のＢ信号は水平電荷転送チャネルに転送される。
【００６８】
尚、図中に付した▲１▼、▲２▼及び▲３▼の符号は、読み出し電圧を印加する順番を例示したものである。
【００６９】
以上に説明した動作により、１８行を１単位とした光電変換素子行のうち列方向に隣接する第１から第３までの光電変換素子行と、同じく列方向に隣接する第７から第９までの光電変換素子行と、同じく列方向に隣接する第１３から第１５までの光電変換素子行と、の３光電変換素子行対における同色信号を加算できる。図７の構造では、列方向に隣接する３行の読み出し光電変換素子行と同じく列方向に隣接する３行の非読み出し光電変換素子行とが、等間隔に配置されている。
【００７０】
実際の読み出し方法は、上記の実施の形態による読み出し方法を３行分の光電変換素子行対を一単位とした場合に適用したものである。この読み出し方法は、対象とする光電変換素子行から列方向に６画素分ずれた光電変換素子行との間の間隔と等しいピッチを有する光学ローパスフィルタを用いて、あたかも光学的な２重画像を形成したような読み出し方法と言うこともできる。
【００７１】
上記の固体撮像素子においては、水平電荷転送チャネルに転送される前に、垂直電荷転送チャネル内において同色の信号電荷が２画素分（合計３画素分）の加算がなされる。従って、信号量、すなわち感度が２倍になり、明るい動画像が得られる。
【００７２】
また、読み出し行（群）と非読み出し行（群）とが行方向に等間隔で並んでいる。従って、偽色の影響が小さくなる。
【００７３】
以上説明したように、固体撮像装置における色配列の１ユニットを、２行、３行とすることができる。すなわち、ｎ行（ｎは２以上の整数）を１ユニットとする色配列にまで拡大することが可能である。
【００７４】
尚、本実施の形態による固体撮像装置の制御技術は、例えば、ＭＯＳ型固体撮像装置にも適用できることは言うまでもない。
【００７５】
以上、実施の形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明あろう。
【００７６】
【発明の効果】
デジタルスチルカメラのムービーモードにおける感度を向上させつつ、偽色を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の固体撮像装置の制御技術の原理を説明するための平面図である。
【図２】  本発明の一実施の形態による固体撮像装置の構造を示す平面図である。
【図３】  図３（Ａ）は、図２の部分拡大図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ'線に沿う断面図である。
【図４】  本発明の一実施の形態による固体撮像装置の制御方法を示すタイミングチャートである。
【図５】  図４に示すタイミングチャートに沿って動作させた場合の電荷転送の様子を示す模式的な図である。
【図６】  図６（Ａ）から図６（Ｊ）までは、本発明の一実施の形態による固体撮像装置に適用できる色フィルタの配列の例を示す平面図である。
【図７】  本発明の一実施の形態の変形例による固体撮像装置の構造を示す平面図である。
【図８】  従来の間引き読み出し法による固体撮像装置の制御方法を説明するための平面図である。
【符号の説明】
Ａ  固体撮像装置
Ｃ  制御回路
１  半導体基板
３  光電変換素子
３ａ  読み出しゲート
５  垂直電荷転送チャネル
７  水平電荷転送チャネル
１０  出力アンプ
１１ａ、１１ｂ  垂直電荷転送電極
１５ａ、１５ｂ  水平電荷転送電極
Ｖｓｕｂ  基板電圧
４５  カラーフィルタ
Ｇ  緑色画素
Ｒ  赤色画素
Ｂ  青色画素
Ｙ  黄色画素
Ｗ  白色画素
Ｍ  マゼンダ画素
【図１】
0004139088.tif 000002
【図２】
0004139088.tif 000003
【図３】
0004139088.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004139088.tif 000006
【図６】
0004139088.tif 000007
【図７】
0004139088.tif 000008
【図８】
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