(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写界からの入射光を信号電荷に変換する受光素子がアレイ状に配され、該受光素子のそれぞれに前記入射光を変換して得られる信号電荷を蓄積する露出を行い、前記受光素子から読み出された信号電荷を垂直方向に順次転送する垂直転送路と該垂直転送路に直交する水平方向に前記信号電荷を順次転送する水平転送路を経て前記露出により得られた信号電荷を電圧信号にして出力する撮像手段からの前記電圧信号を画像信号とし、該画像信号に信号処理を施す固体撮像装置において、該装置は、
前記水平転送路に供給される信号電荷を廃棄する該水平転送路に沿って形成された水平廃棄手段と、
該水平廃棄手段と前記水平転送路との間に配され、前記信号電荷を前記水平廃棄手段へ排出させたり保持したりする電荷廃棄調節手段と、
前記受光素子に対する前記露出の開始および終了、前記受光素子から前記垂直転送路への前記信号電荷の読出し、前記垂直転送路および前記水平転送路における前記信号電荷の転送、前記電荷廃棄調節手段の調節ならびに前記撮像手段の駆動を行わせるタイミング信号を生成するタイミング信号生成手段と、
該タイミング信号に応じて前記露出の開始前に蓄積した信号電荷を廃棄する信号電荷とした信号電荷の読出し、該廃棄する信号電荷の独立させた垂直転送、前記露出の終了にともなう前記受光素子に蓄積した信号電荷の読出し、かつ該信号電荷の孤立化、および前記信号電荷の廃棄／読出しを行う駆動信号を前記撮像手段に出力する駆動信号生成手段とを含み、
前記駆動信号生成手段は、前記受光素子からの信号電荷読出しが全画素読出しに対して間引いて前記信号電荷が読み出される間引き読出しにおいて、前記受光素子に隣接する垂直転送路に、あらかじめ前記信号電荷を読み出す信号電荷用のパケットと該信号電荷の読出しに通常寄与しない不要電荷用パケットを混在して形成させ、前記露出の開始前に前記不要電荷用パケットを前記間引き読出し受光素子の位置に移動させ、前記間引き読出し受光素子から読み出した信号電荷を不要電荷として前記不要電荷用パケットに読み出し、前記信号電荷用のパケットと前記不要電荷用パケットの分離状態を保って前記信号電荷用のパケットを前記間引き読出し受光素子の位置に移動させ、該受光素子から露出により得られた信号電荷を前記信号電荷用のパケットに読み出して、前記分離状態を保って両パケットを前記水平転送路に垂直転送させ、前記水平転送路に前記不要電荷用パケットの信号電荷の到達にともない前記電荷廃棄調節手段をオン動作させることにより前記水平転送路の不要電荷を前記水平廃棄手段に送って排出させ、さらに、前記水平転送路に前記露出により得られた信号電荷の到達にともない前記電荷廃棄調整手段をオフ動作させることにより前記水平転送路に露出によって得られた信号電荷を保持させ、該信号電荷を水平転送させる駆動信号を順次生成することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記駆動信号生成手段は、前記撮像手段を1/4間引き、1/6間引きおよび1/8間引きに応じて間引かれる受光素子間の前記垂直転送路に、前記不要電荷用パケットと前記信号電荷用パケットとを混在して生成し、駆動する位相に応じて前記不要電荷と露出による信号電荷とを区別して読み出し、前記垂直転送路を転送させる垂直駆動信号を生成することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、前記駆動信号生成手段は、前記不要電荷を読み出して垂直転送させて、前記水平転送路に達した不要電荷を前記電荷廃棄調整手段により排出させる駆動信号を供給する第１の駆動と、
前記露出により得られた信号電荷を垂直転送路に読み出して、該信号電荷を１周期分垂直駆動させて、前記水平転送路に達した前記露出により得られた信号電荷を、水平ブランキング期間になるまで前記電荷廃棄調整手段により保持して、前記露出により得られた信号電荷の読出しを待機させて、水平転送させる駆動信号を供給する第２の駆動とを交互に行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、前記駆動信号生成手段は、前記撮像手段を1/4間引きを行い、４相の垂直駆動信号を生成することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
被写界からの入射光を信号電荷に変換する受光素子をアレイ状に配し、該受光素子のそれぞれに前記入射光を変換して得られる信号電荷を蓄積する露出を行い、前記受光素子から読み出された信号電荷を垂直方向に順次転送する垂直転送と該垂直転送に対して直交する水平方向に前記信号電荷を順次転送する水平転送を経て前記露出により得られた信号電荷を電圧信号にして出力し、該電圧信号を画像信号とし、該画像信号に信号処理を施す固体撮像装置の制御方法において、該方法は、
前記受光素子からの信号電荷読出しが全画素読出しに対して間引いて前記信号電荷を読み出す間引き読出しにおいて、前記受光素子に隣接する垂直転送路に、あらかじめ前記信号電荷を読み出す信号電荷用のパケットと該信号電荷の読出しに通常寄与しない不要電荷用パケットを混在して形成させる第１の工程と、
前記露出の開始前に前記不要電荷用パケットを前記間引き読出し受光素子の位置に移動させ、前記間引き読出し受光素子から読み出した信号電荷を不要電荷として前記不要電荷用パケットに読み出す第２の工程と、
前記信号電荷用のパケットと前記不要電荷用パケットの分離状態を保って前記信号電荷用のパケットを前記間引き読出し受光素子の位置に移動させる第３の工程と、
前記間引き読出し受光素子から露出により得られた信号電荷を前記信号電荷用のパケットに読み出す第４の工程と、
前記分離状態を保って両パケットを前記水平転送路に垂直転送させ、前記水平転送路に前記不要電荷用パケットの信号電荷の到達にともない前記水平転送路に沿って形成された電荷廃棄調節手段をオン動作させることにより前記水平転送路の不要電荷を前記水平廃棄手段に送って排出させる第５の工程と、
前記水平転送路に前記露出により得られた信号電荷の到達にともない前記電荷廃棄調整手段をオフ動作させることにより前記水平転送路に露出によって得られた信号電荷を保持させ、該信号電荷を水平転送させる第６の工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、該方法は、前記撮像手段を1/4間引き、1/6間引きおよび1/8間引きに応じて間引かれる受光素子間の前記垂直転送路に、前記不要電荷用パケットと前記信号電荷用パケットとを混在して生成し、駆動する位相に応じて前記不要電荷と露出による信号電荷とを区別して読み出し、前記垂直転送路を転送させる垂直駆動信号を生成する前記垂直転送を行うことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、第５の工程は、前記不要電荷を読み出して垂直転送させて、前記水平転送路に達した不要電荷を排出させ、
第６の工程は、前記露出により得られた信号電荷を垂直転送路に読み出して、該信号電荷を１周期分垂直駆動させて、前記水平転送路に達した前記露出により得られた信号電荷を、水平ブランキング期間になるまで保持して前記露出により得られた信号電荷の読出しを待機させた後、水平転送させることを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、該方法は、前記1/4間引きにおいて、４相駆動することを特徴とする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、固体撮像装置およびその制御方法に関し、たとえば電子シャッタを用いて露出時間を調節するディジタルカメラ、より具体的にはビデオカメラ、電子スチルカメラおよび画像入力装置等に適用して好適な固体撮像装置およびその固体撮像装置の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、特開昭63-105579号公報の固体撮像装置に示されるように、露出時間を所望の値にすることおよびこの露出時間制御に要する電力消費を抑えることのためにこの固体撮像装置を適用したCCD（Charge Coupled Device）型の画像センサにおいて、画像センサは、電子シャッタパルスを水平ブランキング（HBLK: Horizontal BLanKing）期間に印加して動作させている。これにより、得られる画像には、電子シャッタパルスを映像期間内に印加することで生じていた横線やムラの発生が避けられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した条件での電子シャッタパルスの印加は、最小の露出時間が1Hになり、画像センサはこの1H単位で露出制御が行われることになる。このことは、露出制御は露出時間が1H期間の整数倍でしか制御できないことを意味する。したがって、この条件を用いる画像センサは、厳密なシャッタ速度での露出制御ができない。さらに画像センサに一層の高画素化が施されると、画像センサの水平方向の画素数も高画素化にともない増加する。この増加は、出力する撮像信号の1H期間が長くなることを意味し、結果的に露出時間の制御単位がますます長くなってしまう。
【０００４】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、厳密な露出制御と露出タイミングの自由度を向上させても得られる画像を良好に生成することのできる固体撮像装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、被写界からの入射光を信号電荷に変換する受光素子がアレイ状に配され、この受光素子のそれぞれに入射光を変換して得られる信号電荷を蓄積する露出を行い、受光素子から読み出された信号電荷を垂直方向に順次転送する垂直転送路とこの垂直転送路に直交する水平方向に信号電荷を順次転送する水平転送路を経て露出により得られた信号電荷を電圧信号にして出力する撮像手段からの電圧信号を画像信号とし、この画像信号に信号処理を施す固体撮像装置において、この装置は、水平転送路に供給される信号電荷を廃棄するこの水平転送路に沿って形成された水平廃棄手段と、この水平廃棄手段と水平転送路との間に配し、信号電荷を水平廃棄手段へ排出させたり保持したりする電荷廃棄調節手段と、受光素子に対する露出の開始および終了、受光素子から垂直転送路への信号電荷の読出し、垂直転送路および水平転送路における信号電荷の転送、電荷廃棄調節手段の調節ならびに撮像手段の駆動を行わせるタイミング信号を生成するタイミング信号生成手段と、このタイミング信号に応じて露出の開始前に蓄積した信号電荷を廃棄する信号電荷とした信号電荷の読出し、この廃棄する信号電荷の独立させた垂直転送、露出の終了にともなう受光素子に蓄積した信号電荷の読出し、かつこの信号電荷の孤立化、および信号電荷の廃棄／読出しを行う駆動信号を撮像手段に出力する駆動信号生成手段とを含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の固体撮像装置は、タイミング信号生成手段で露出、信号電荷の読出し、信号電荷の転送、電荷廃棄調節手段の調節および撮像手段の駆動に関わるタイミング信号を生成し、駆動信号生成手段で生成する駆動信号を撮像手段に供給し、露出の前の信号電荷を廃棄する信号電荷として垂直転送路に読み出し、他の信号電荷と混在しないように独立に垂直転送し、露出終了で読み出した蓄積した信号電荷を読み出して孤立化させたまま垂直転送し、廃棄する信号電荷を電荷廃棄調節手段の動作に応じて水平廃棄手段に排出し、蓄積した信号電荷を水平転送路を介して出力することにより、露出に電子シャッタを用いなくても、露出開始前と終了後に信号電荷を読み出した信号電荷を混じらないように信号電荷の位置関係を保って垂直転送を行い、有用な露出時間の信号電荷を採り出すことができる。
【０００７】
また、本発明は上述の課題を解決するために、被写界からの入射光を信号電荷に変換する受光素子をアレイ状に配し、この受光素子のそれぞれに入射光を変換して得られる信号電荷を蓄積する露出を行い、受光素子から読み出された信号電荷を垂直方向に順次転送する垂直転送とこの垂直転送に対して直交する水平方向に信号電荷を順次転送する水平転送を経て露出により得られた信号電荷を電圧信号にして出力し、この電圧信号を画像信号とし、この画像信号に信号処理を施す固体撮像装置の制御方法において、この方法は、受光素子からの信号電荷読出しに際して、信号電荷がそのまま読み出される読出し受光素子とこの読出し受光素子との間の間引かれる受光素子に隣接して垂直転送を行う領域に信号電荷を溜める複数のポテンシャル井戸を形成させる第１の工程と、露出の開始前に隣接する読出し受光素子から読み出した信号電荷を不要電荷として最初のポテンシャル井戸に読み出す第２の工程と、読み出しを行った最初のポテンシャル井戸を次のポテンシャル井戸の位置まで転送する駆動を行う第３の工程と、第３の工程から露出の終了まで垂直駆動を停止する第４の工程と、露出により得られた信号電荷を最初のポテンシャル井戸の位置に形成するポテンシャル井戸に読み出す第５の工程と、間引きの大きさに応じて複数回ずつ垂直転送を行い、水平転送を行う領域に不要電荷または露出により得られた信号電荷が達するかに応動して不要電荷の排出駆動または露出により得られた信号電荷の保持駆動を行い、さらに露出により得られた信号電荷を水平転送させる第６の工程とを含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の固体撮像装置の制御方法は、受光素子からの信号電荷読出し際して、信号電荷をそのまま読み出される読出し受光素子とこの読出し受光素子との間の間引かれる受光素子に隣接して垂直転送を行う領域に信号電荷を溜める複数のポテンシャル井戸を形成させ、露出の開始前に不要電荷を最初のポテンシャル井戸に読み出し、最初のポテンシャル井戸を次のポテンシャル井戸の位置まで転送して、この後露出の終了まで垂直駆動を停止し、露出により得られた信号電荷を最初のポテンシャル井戸の位置に形成するポテンシャル井戸に読み出して、間引きの大きさに応じて複数回ずつ垂直転送を行い、水平転送を行う領域に不要電荷または露出により得られた信号電荷が達するかに応動して不要電荷の排出または露出により得られた信号電荷の保持を行い、この保持された信号電荷を水平転送することにより、不要電荷と露出による信号電荷とを独立に扱えるようにポテンシャル井戸を形成して不要電荷だけを排出し、露出により得られた信号電荷を採り出している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の一実施例を詳細に説明する。
【００１０】
本実施例は、本発明の固体撮像装置をディジタルカメラ10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。ここで、信号の参照符号はその現れる接続線の参照番号で表す。
【００１１】
ディジタルカメラ10には、図２に示すように、光学レンズ系12、撮像部14、ドライバ16、前処理部18、システム制御部20、タイミング信号生成部22、信号処理部24、ストレージ部26およびモニタ28が備えられている。
【００１２】
光学レンズ系12は、たとえば、複数枚の光学レンズを組み合わせて構成されて図示しない絞り機構でつくるアイリスを介して入射光束が撮像部14に焦点を結ぶように結像させる。光学レンズ系12は、本撮像の前に行う予備の撮像から被写体とカメラ10との距離を求め、得られた距離に応じてピント調節する、AF（Automatic Focus：自動焦点）調節機構および入射光量を調節するAE（Automatic Exposure）調節機構を含んでいる。これらの調節機構は、ドライバ16から供給される駆動信号160に応動する。絞り機構は、具体的に図示しないが、絞り駆動回路からの駆動信号に応じてリング部を回転させる。リング部は羽根を部分的に重ならせてアイリスの形状を丸く形成し、アイリスの口径を変えている。絞り機構は、メカニカルシャッタ（図示せず）をレンズシャッタとして組み込んでもよい。
【００１３】
撮像部14には、光学ローパスフィルタ14a、色フィルタ14bおよび固体撮像素子14cが含まれている。光学ローパスフィルタ14aは入射光の空間周波数をナイキスト周波数以下にするフィルタである。色フィルタ14bは三原色RGBの色フィルタセグメントが固体撮像素子14cの個々の受光素子と一対一に所定の位置関係に配されたフィルタである。したがって、色フィルタ14bは固体撮像素子14cの受光素子の配置に依存する。色フィルタ14bは三原色RGBに限定するものでなく、補色系の色フィルタセグメントであってもよい。ただし、この場合、後段の信号処理には補色を原色に変換する処理が追加される。
【００１４】
固体撮像素子14cは、CCD型を用いる。固体撮像素子14cは光学レンズ系12、絞り機構のアイリスを通った入射光を光電変換して信号電荷を生成している。固体撮像素子14cは、図１に示すように、受光素子140、フィールドシフトゲート142、垂直転送CCD 144、水平転送CCD 146、水平ドレインゲート148および水平ドレイン150を含んでいる。図１の固体撮像素子14cは、IT（Interline Transfer)-CCDである。
【００１５】
受光素子140は、アレイ状に配置された感光部で、入射光を信号電荷に変換する機能を有している。受光素子140には、たとえばホトダイオードが用いられる。受光素子140は入射光の強さに応じて信号電荷に変換し、この信号電荷を時間とともに蓄積させていく。
【００１６】
フィールドシフトゲート142は、受光素子140の信号電荷が垂直転送CCD 144に漏れないように閉状態にして遮蔽し、信号電荷を垂直転送CCD 144に読み出す際にゲートを開状態にして信号電荷を垂直転送CCD 144に移動させる機能を有するゲートである。すなわち、フィールドシフトゲート142は、ドライバ16からフィールドシフトパルス（FS: Field Shift pulse）がゲートをオン状態になるように印加された際にゲートを開放し、これ以外のときにはゲートを閉じている。
【００１７】
垂直転送CCD 144には、一つの受光素子140に隣接して２つずつCCDが形成されている。各CCDには電極（図示せず）が形成されている。図２の垂直転送CCD 144内にはどんな駆動信号が供給されるかの対応関係が付け易いようにするため電極の参照符号を付して表している。電極V3A, V4, V1B, V2, V3B, V1Aには、垂直駆動信号φV3A, φV4, φV1B, φV2, φV3B, φV1Aのいずれか一つが供給されている。ここで、本実施例の垂直駆動信号φV3AとφV3B、ならびにφV1BとφV1Aは、それぞれ同じ位相を持つ駆動信号である。したがって、垂直転送CCD 144には、ドライバ16から４種類に位相のずれた４相駆動信号が供給されている。この４相駆動による動作については後段で詳述する。
【００１８】
水平転送CCD 146は、垂直転送CCD 144から供給された信号電荷のうち、不要電荷でなく、露出時間に蓄積した信号電荷を水平転送して出力する。水平転送CCD 146には、ドライバ16からたとえば、２相の水平転送駆動信号162aが供給される。これにより水平転送CCD 146は、信号電荷を出力アンプ（図示せず）に向かって転送させている。
【００１９】
水平ドレインゲート148は、水平転送CCD 146と水平ドレイン150との間に設けたゲートである。水平ドレインゲート148には、ドライバ16から水平ドレインゲートパルス162bをオン状態にするレベルのパルスが供給される。この供給に応動して水平ドレインゲート148はゲートを開放し、水平転送CCD 146の信号電荷を水平ドレイン150に排出する。この排出は水平転送CCD 146に供給される信号電荷が不要電荷のときに行われる。また、水平ドレインゲート148はこれ以外のタイミングで水平ドレインゲート148をオフ状態にするレベルが水平ドレインゲートパルス162bとして供給されている。不要電荷を一度にまとめて廃棄するため、水平ドレインゲート148は水平転送CCD 146（φH）に沿って形成されている。
【００２０】
水平ドレイン150は、信号電荷のうち供給される不要電荷を固体撮像素子14cが載っている基板に捨て去るように形成されている。水平ドレイン150は水平転送CCD 146と平行に形成されている。
【００２１】
固体撮像素子14cは、静止画撮像（スチル）において画素すべてを読み出すように駆動して撮像信号14dを生成する。また、固体撮像素子14cは、動画（ムービ）撮像やモニタ28へのスルー画表示を行う場合、本実施例では1/4間引きを行った撮像信号14dを出力する。撮像信号14dは、撮像部14の図示しない出力アンプにおいて信号電荷（Q)を電圧信号（V)に変換して得られたアナログ信号である。撮像部14は、得られた撮像信号14dを前処理部18に出力する。
【００２２】
ところで、電子シャッタを水平ブランキング期間外で制御する場合、動画撮像で問題になることが知られている。動画表示を行うため表示速度が優先される。このとき得られる画像には、たとえば横線やムラ等が生じてしまう。静止画撮像は、１枚の画像を生成するために露出後に転送路にある不要電荷等を基板等に掃き出してから信号電荷を読み出すので画像に横線やムラ等を生じる問題はない。本実施例の固体撮像素子14cは、動画撮像時に上述した画質劣化をもたらす電子シャッタを用いずに撮像信号14dを読み出し、水平ブランキング期間外での露出制御を行わせる。固体撮像素子14cからの信号電荷読出しについては後段でさらに説明する。
【００２３】
図２に戻って、ドライバ16は、システム制御部20からの制御信号200と、タイミング信号生成部22からのタイミング信号220とを基に駆動信号160, 162を生成する。駆動信号160は、前述した光学レンズ系12のAF, AEを行うように各調節機構に供給される。また、駆動信号162は、垂直駆動信号φV3A, φV4, φV1B, φV2, φV3B, φV1A, 水平駆動信号162aおよび水平ドレインゲートパルス162bを撮像部14の固体撮像素子14cに供給する。ドライバ16は、後段でさらに説明するが垂直駆動信号φV3A, φV4, φV1B, φV2, φV3B, φV1Aで垂直CCD 144を４相駆動し、水平駆動信号162aで水平CCD 146を２相駆動し、水平ドレインゲートパルス162bで水平ドレインゲート148のゲートを開閉させている。
【００２４】
このとき、固体撮像素子14cが動画撮像として1/4間引き読出しを行う場合、図１に示すようにハッチングした受光素子140から信号電荷を読み出す。このハッチングした受光素子140を垂直方向に見て、受光素子140の間の垂直CCD 144には２つのポテンシャル井戸を形成させる。露出前に蓄積した信号電荷は、不要電荷として垂直CCD 144のポテンシャル井戸の一つにフィールドシフトして読み出す。ドライバ16は、露光終了までにこのポテンシャル井戸を垂直方向に移動させて、露出終了後に得られる蓄積した信号電荷と混じらないようにする。このポテンシャル井戸の移動は、単なる移動でなく、ドライバ16は、もう一つのポテンシャル井戸がハッチングした受光素子140に達し、かつ次のフィールドシフトパルスが供給される露出の終了まで停止させるように駆動信号を固体撮像素子14cに供給する。
【００２５】
露出後に、ドライバ16は、蓄積した信号電荷をフィールドシフトしてこのポテンシャル井戸に読み出す。ドライバ16は、露出前の不要電荷と露出により得られた信号電荷が混合しないようにしながら垂直転送を行わせる。そして、ドライバ16は、水平転送CCD 146に不要電荷が達した際に水平ドレインゲートパルス162bを水平ドレインゲート148に供給する。このとき水平ドレインゲート148は、ゲートを開いて不要電荷を水平ドレイン150に排出する。
【００２６】
また、ドライバ16は、水平転送CCD 146に露出により得られた信号電荷が達した際に水平ドレインゲート148をオフ状態にする水平ドレインゲートパルス162bを印加してゲートを閉じ、水平転送CCD 146には水平転送駆動信号162a（φH）を供給する。水平転送CCD 146は、垂直転送CCD 144から供給された信号電荷を図示しない出力アンプに向けて転送する。
【００２７】
前処理部18には、図示しないが、相関二重サンプリング回路（CDS：Correlated Double Sampling）、自動ゲインコントロール（AGC：Automatic Gain Control）アンプ、および A/D変換部（ADC：Analog to Digital Converter）が含まれている。前処理部18は、システム制御部20からの制御信号202を受け、タイミング信号生成部22から供給される各種のタイミング信号220に応じて動作する。
【００２８】
相関二重サンプリング回路は、供給される撮像信号14dが含む低周波のノイズ成分を除去する。ノイズ除去された信号は、AGCアンプで制御信号202に応じて増幅することにより波形整形される。A/D変換部は、供給されるアナログ信号をディジタル信号18aに変換して信号処理部24に出力する。
【００２９】
信号処理部24は、画像信号処理部で、RISC（Reduced Instruction Set Computer：縮小命令セットコンピュータ）チップである。このチップ内には、図示しない信号発生回路、メモリ、ガンマ補正回路、評価値算出部、画素補間処理回路、色差マトリクス処理回路、および圧縮／伸長処理回路が含まれている。
【００３０】
信号処理部24には、システム制御部20からの制御信号204が供給され、図示しない信号発生回路は制御信号204に応動して動作する。信号発生回路は、複数の周波数を生成することができるPLL（Phase Locked Loop） 回路を有している。信号発生回路は、源発の発振周波数を基準クロックとして逓倍して複数種類のクロック信号24aを生成し、システム制御部20およびタイミング信号生成部22に出力する。
【００３１】
メモリは、ディジタルデータに変換した画像データ18aを入力し、一時的に記憶し、ガンマ補正回路に画像データとして出力する。メモリは、繰り返し読出しを行う場合、不揮発性メモリを用いることが好ましい。ガンマ補正回路には、たとえばガンマ補正用のルックアップテーブルが含まれている。ガンマ補正回路は、画像処理における前処理の一つとして供給される画像データをテーブルのデータを用いてガンマ補正する。ガンマ補正回路は、ガンマ補正した画像データをそれぞれ評価値算出部および画素補間処理回路に供給する。
【００３２】
評価値算出部には、絞り値・シャッタ速度、ホワイトバランス（White Balance：以下、WBという）調整値および階調補正値を算出する演算回路が含まれている。評価値算出部は、上述した回路にて、供給される画像データを基に適切な各パラメータを演算処理により算出する。これらの算出結果は、パラメータ24bとしてシステム制御部20に供給される。
【００３３】
なお、評価値算出部は、信号処理部24への配設に限定することなく、システム制御部20に配設するようにしてもよい。この場合、信号処理部24は、ガンマ補正した画像データをシステム制御部20に供給する。
【００３４】
画素補間処理回路は、画素データを補間生成して算出する機能を有している。撮像部14は単板の色フィルタ14bを用いているため、実際の色フィルタセグメントの色以外の色が撮像素子から得られない。そこで、画素補間処理回路は、この得られない色の画素データを補間により生成する。画素補間処理回路は、プレーンな画像データを色差マトリクス処理回路に供給する。
【００３５】
なお、画素補間処理回路は、生成した画素データを広帯域化する機能を含んでもよい。また、画素補間処理回路は、ハニカムタイプの固体撮像素子14cを撮像部14に用いている場合、このガンマ補正した画像データを用いて実際に画素の存在する位置（実画素）や画素の存在しない位置（仮想画素）に三原色RGBの画素データを補間処理により生成する。
【００３６】
色差マトリクス処理回路は、画素補間処理回路から供給される画像データと所定の係数を用いて輝度データYと色データCb, Crを生成する。生成した画像データは、圧縮／伸長処理回路に供給される。
【００３７】
圧縮／伸長処理回路は、静止画や動画（ムービ）モードにおいて供給される画像データ（Y/C）にJPEG（Joint Photographic coding Experts Group）等の規格で圧縮処理を施す。圧縮／伸長処理回路は、圧縮処理した画像データ24cをストレージ部26に送って記録する。圧縮／伸長処理部は、ストレージ部26に記録した画像データ24cを読み出して伸長処理を施す。この伸長処理は、圧縮処理の逆処理である。
【００３８】
また、信号処理部24は、生成した画像データや再生にともなって伸長した画像データ（Y/C）24cに対してRGB変換を行い、このRGB変換した画像データをアナログ信号に変換する。信号処理部24は、アナログ信号に変換した画像信号24dをモニタ28に出力する。信号処理部24は、画像データを外部の機器と入出力する場合、図示しないが外部I/F回路を配するとよい。外部I/F回路としては、たとえば、PIO (Programmed Input/Output)、UART (Universal Asynchronous Receive-Transceiver：非同期シリアル通信用送受信回路)、USB（Universal Serial Bus)、IEEE1394規格（the Institute of Electrical and Electronics Engineers：米国電気電子技術者協会)に基づくインタフェース等がある。
【００３９】
PIOは、入出力をプログラムで変更することのできるインターフェース部である。UARTは、シリアル・インターフェースに用いられるデバイスである。このデバイスは、供給されるパラレル信号をシリアル信号に変換したり、シリアル・デバイスから送られるシリアル信号をパラレル信号に変換する機能を有している。IEEE1394規格のI/Fは、たとえば400Mbpsまでのデータ転送をサポートしている。
【００４０】
システム制御部20は、カメラ全体の汎用な部分やディジタル処理を行う部分を制御するマイクロコンピュータまたはCPU（Central Processing Unit）である。システム制御部20は、図示しないキー操作部から供給されるタイミング信号、モード信号および選択信号をトリガ信号として受けて、このトリガ信号の受信状態を考慮し、キー操作部が操作されたとき、たとえば省エネルギーモードへの移行処理をリセットする。
【００４１】
システム制御部20は、ドライバ16、前処理部18および信号処理部24を制御する他、ストレージ部26も制御している。撮像においてシステム制御部20は、撮像モードで図示しないレリーズシャッタボタンが半押し（S1）や全押し（S2）されたことを受けて、信号処理部24に制御信号204を供給する。このとき、システム制御部20は、信号処理部24内の信号発生回路に対する制御や各種の信号処理を施す制御を考慮した制御信号204を出力する。
【００４２】
システム制御部20には、信号発生回路から供給されるクロック信号24aが供給される。そして、システム制御部20には、信号処理部24で求めた各種パラメータの情報24bも供給される。システム制御部20は、クロック信号24aに基づいて動作させるように各種パラメータに対応するように制御信号200, 202, 204, 206を生成し、制御信号200, 202, 204, 206をそれぞれ、ドライバ16、前処理部18、タイミング信号生成部22および信号処理部24に供給する。
【００４３】
タイミング信号生成部22は、クロック信号24aを基準にシステム制御部20から供給される制御信号206に応じてタイミング信号を生成する。タイミング信号は、垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、水平転送信号および水平ドレインゲートパルス等がある。タイミング信号生成部22は、これら生成したタイミング信号220, 222, 224を動作に応じてドライバ16、前処理部18および信号処理部24に供給している。
【００４４】
ストレージ部26は、半導体メモリ等を記録媒体として用いて、供給される画像データ24cを記録する。記録媒体には、光ディスクや光磁気ディスクを用いてもよい。ストレージ部26は、各記録媒体に適したピックアップやピックアップと磁気ヘッドを組み合わせて記録再生用ヘッドを用いてデータの書込み／読出しを行う。データの書込み／読出しは、図示しないがシステム制御部20の制御に応じて行われる。
【００４５】
モニタ28は、信号処理部24から供給される画像信号24dを表示させる。モニタ28には、一般的に液晶モニタが用いられる。モニタ28は、液晶モニタに限定されず、小型、画像の確認および電力の消費が抑えられる表示機器であれば用いられる。
【００４６】
このように構成してこれまでの信号電荷の廃棄を行ってきた電子シャッタを用いることなく、不要電荷と露出による信号電荷とを区別するポテンシャル井戸をドライバ16から供給される垂直駆動信号により生成し、これらの信号電荷を読み出すフィールドシフトを露光開始直前と露光終了直後に行い、不要電荷だけを水平ドレインゲート148を介して水平ドレイン150に排出し、信号電荷を水平転送CCD 146から読み出す。これにより、電子シャッタの供給がなくなるので、水平ブランキング期間に電子シャッタを入れる制約がなくなる。したがって、露出のタイミングに自由度を持たせ、画像に生じていた横線やムラ等の画質劣化を避けることができる。
【００４７】
次にディジタルカメラ10における固体撮像素子14cの動作について説明する（図３〜図９を参照）。固体撮像素子14cには、垂直同期信号（VD)や水平同期信号（HD)の他に、前述した垂直駆動信号φV1A, φV1B, φV2, φV3A, φV3BおよびφV4, 水平駆動信号φH（162a)ならびに水平ドレインゲートパルス162bが供給される。水平同期信号は、垂直同期信号の立上りや立下りに同期している（図3(a), (b)を参照）。本実施例では、図１に示すようにハッチングした受光素子140から信号電荷を読み出す。この信号電荷読出しのため、ドライバ16は図示しない電極V1Aに正極性のフィールドシフトパルス（FS)を供給している（図3(c)を参照）。
【００４８】
ここで、供給するフィールドシフトパルスは、水平同期信号（HD)のブランキング期間に供給してきたオーバフロードレイン（OFD）信号を電子シャッタとして入れる制限をなくし、映像信号の期間内であっても供給できるようにしている点に特徴がある（図3(c)の時刻T0を参照）。固体撮像素子14cは、時刻T0〜T1までの間を露出時間EX1として信号電荷の蓄積を行う。時刻T1で供給されるフィールドシフトパルスでフィールドシフトゲート142を開き、露出により得られた信号電荷を垂直転送CCD 144に読み出す。
【００４９】
時刻T1の時間領域を拡大すると、図４に示す垂直駆動信号φV1Aは、タイミングP1, P2の関係にあることがわかる。タイミングP1では、図5(a)に示すポテンシャル井戸を形成している。すなわち、電極V1AおよびV2の直下に空きパケットを移動させ、電極V1AおよびV2の不要電荷を電極V1BおよびV2の直下に移動させる。この移動にともない４相駆動が１回行われる。
【００５０】
また、このとき水平転送CCD 146に近い電極V1AおよびV2からの不要電荷は、水平転送CCD 146に達する。この不要電荷の到達に対応して水平ドレインゲート148には、ドライバ16からオンするように水平ドレインゲートパルス162bが供給される。水平ドレインゲート148は、ゲートを開いて転送された不要電荷を水平ドレイン150に排出する。タイミングP2では、電極V1AおよびV2の直下の空きパケットに露出により蓄積した信号電荷100, 102を読み出す。
【００５１】
なお、この他の図4(a)〜(g)の垂直駆動信号φV1B, φV2, φV3A, φV3B, およびφV4は、基準レベルの電圧にある。
【００５２】
次に時刻T2およびT3の時間領域にて順次に垂直転送を行う（図３を参照）。時刻T2の時間領域を拡大すると、図６に示すタイミング関係で垂直駆動信号が供給される。タイミングP3〜P10までそれぞれ垂直駆動信号φV1B, φV2, φV3AおよびφV3BならびにφV4を供給して垂直転送CCD 144を４相駆動する。タイミングP5で図５に示すように信号電荷100は水平転送CCD 146に達する。図5(c)〜(j)のポテンシャルからわかるように、垂直転送CCD 144における４相駆動が１周期分行われ水平ブランキング期間になるまで信号電荷の読出しを待機させている。そして、水平同期信号が水平ブランキング期間にあるタイミングP11でドライバ16は、水平駆動信号φHを水平転送CCD 146に供給する。図5(k)の水平転送CCD 146は、１ライン目の信号電荷100を読み出す。
【００５３】
次に２ライン目の信号電荷102を読み出す際に、図３の時刻T3の時間領域を拡大すると、タイミングP12〜P19でそれぞれ垂直駆動信号φV1B, φV2, φV3AおよびφV3BならびにφV4を供給して垂直転送CCD 144を４相駆動する。タイミングP14〜P19まで水平転送CCD 146には不要電荷が保持され４相駆動が１周期分完了したとき、水平ドレインゲートパルス162bが水平ドレインゲート148をオン状態になるように印加される（図8(i)のタイミングP20を参照）。このとき水平転送CCD 146に蓄積した不要電荷が水平ドレインゲート148を通って水平ドレイン150に捨てられる。タイミングP21で水平ドレインゲートパルス162bが水平ドレインゲート148をオフ状態、すなわちゲートを閉じる（図７のタイミングP21および図8(j)を参照）。
【００５４】
図７に示す時刻T3のタイミングP22〜P29まで垂直転送CCD 144は、タイミングP12〜P19の駆動と同様に４相駆動される。この間のポテンシャル井戸の移動は図9(a)〜(h)に示されている。そして、タイミングP29で水平ブランキング期間になったとき、水平転送CCD 146に転送された２ライン目の信号電荷102が水平駆動信号φH（図7(h)および図9(h)を参照）の供給により読み出される。
【００５５】
図３のタイミングチャートに戻って、時刻T4は、次の露出の開始にあたり(c)の垂直駆動信号φV1Aにフィールドシフトパルスを印加する（図7(b)を参照）。この印加は、間引き読出しに用いられる受光素子140に隣接した垂直転送CCD 144に空きパケットが配置されるならば、水平ブランキング期間でなくてもかまわない。フィールドシフトパルスは、OFD信号による電子シャッタと同様の機能を持つことにより露出前の不要電荷を空きパケットにシフトさせる。以後露出は時刻T5のフィールドシフトパルスが印加されるまで続く。この露出期間がEX2である。
【００５６】
時刻T4の時間領域を拡大すると、図７(b)のタイミングP30でフィールドシフトパルスが垂直駆動信号φV1Aに含まれている。このとき、不要電荷110, 112が垂直転送CCD 144の空きパケットに読み出される（図9(i)を参照）。
【００５７】
この結果、露出後の読み出しを垂直転送駆動に着目してみると、ドライバ16は１ライン目の信号電荷読出しまでに垂直転送駆動を１回行わせ、さらに２ライン目以降の垂直転送駆動を２回ずつ行わせて各ラインの信号電荷を水平転送CCD 146に供給していることがわかる。
【００５８】
このように、垂直転送CCD 144に形成するポテンシャル井戸を空きパケットとして露出前に読み出した不要電荷が露出後に読み出す露出による蓄積した信号電荷とを混合しないように垂直転送し、垂直駆動を１周期分行って水平転送CCD 146に達した不要電荷を水平ドレインゲート148を開状態にする水平ドレインゲートパルス162bを印加して不要電荷を水平ドレイン150に排出させ、不要電荷を読み出した位置に空きパケットを用意して蓄積した信号電荷を読み出し、垂直駆動を１周期分行って水平転送CCD 146に達した蓄積した信号電荷を水平転送して読み出す駆動を交互に行って、不要電荷を廃棄し、信号電荷を読み出すことができ、画像を劣化させる横線や画像ムラ等を生じさせなく、良好な画像を得ることができる。また、電子シャッタを用いることないことから、これまでの露出開始を水平ブランキング期間に限定された露出をこのブランキング外で行えるように露光制御に自由度を持たせることができる。
【００５９】
なお、本実施例は、固体撮像素子14cを動画撮像モードでの1/4間引き読出しを４相駆動により行う場合について説明したが、これに限定されるものでなく、1/6, 1/8間引き等においてポテンシャル井戸を間引きに応じて生成し、駆動する位相を考慮して不要電荷と露出による信号電荷とを区別して採り出すことによっても同様に電子シャッタを用いない露出制御を行うことができることは言うまでもない。
【００６０】
以上のように構成することにより、電子シャッタを用いることなく、不要電荷を廃棄することができ、露出による信号電荷を確実に得ることができる。この信号電荷を基に撮像信号、さらに画像データを生成しても得られる画像に横線やムラ等を生じさせることなく、良好な画像を得ることができる。
【００６１】
また、電子シャッタを用いないことから、これまでの露出制御にあった1H単位という限定もなくなり、水平ブランキング期間外での露光制御も行うことができるようになる。この1Hに関係のない露光制御によって、固体撮像素子が高画素化しても問題なく厳密なシャッタ速度で露出を自由に撮像することができる。
【００６２】
【発明の効果】
このように本発明の固体撮像装置によれば、タイミング信号生成手段で露出、信号電荷の読出し、信号電荷の転送、電荷廃棄調節手段の調節および撮像手段の駆動に関わるタイミング信号を生成し、駆動信号生成手段で生成する駆動信号を撮像手段に供給し、露出の前の信号電荷を廃棄する信号電荷として垂直転送路に読み出し、他の信号電荷と混在しないように独立に垂直転送し、露出終了で読み出した蓄積した信号電荷を読み出して孤立化させたまま垂直転送し、廃棄する信号電荷を電荷廃棄調節手段の動作に応じて水平廃棄手段に排出し、蓄積した信号電荷を水平転送路を介して出力し、露出に電子シャッタを用いなくても、読み出した信号電荷を混じらないように信号電荷の位置関係を保って垂直転送を行うことにより、廃棄する信号電荷、すなわち不要電荷を廃棄することができ、露出による信号電荷を確実に得ることができ、得られる画像に横線やムラ等を生じさせることなく、良好な画像を得ることができ、電子シャッタを用いないことから、これまでの露出制御にあった1H単位に限定されることなく、水平ブランキング期間外での露光制御も行うことができ、これにより固体撮像素子が高画素化しても問題なく厳密なシャッタ速度で露出を自由に撮像することができる。
【００６３】
また、本発明の固体撮像装置の制御方法によれば、受光素子からの信号電荷読出し際して、信号電荷をそのまま読み出される読出し受光素子とこの読出し受光素子との間の間引かれる受光素子に隣接して垂直転送を行う領域に信号電荷を溜める複数のポテンシャル井戸を形成させ、露出の開始前に不要電荷を最初のポテンシャル井戸に読み出し、最初のポテンシャル井戸を次のポテンシャル井戸の位置まで転送して、この後露出の終了まで垂直駆動を停止し、露出により得られた信号電荷を最初のポテンシャル井戸の位置に形成するポテンシャル井戸に読み出して、間引きの大きさに応じて複数回ずつ垂直転送を行い、水平転送を行う領域に不要電荷または露出により得られた信号電荷が達するかに応動して不要電荷の排出または露出により得られた信号電荷の保持を行い、さらに保持された信号電荷を水平転送し、不要電荷と露出により得られた信号電荷とを独立に扱えるようにポテンシャル井戸を形成して不要電荷だけを排出し、露出により得られた信号電荷を採り出すことにより、良好な画像を得ることができ、電子シャッタを用いないことにより、これまでの露出制御における限定をなくし、水平ブランキング期間外での露光制御を行うことができ、固体撮像素子が高画素化しても問題なく厳密なシャッタ速度で露出を自由に撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置を適用したディジタルカメラにおける固体撮像素子の概略的な構成を示す図である。
【図２】図１の固体撮像素子を搭載したディジタルカメラの概略的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１のドライバから固体撮像素子に供給されるタイミング信号および駆動信号のタイミング関係を説明するタイミングチャートである。
【図４】図３の時刻T1の時間領域を拡大したタイミング信号および駆動信号のタイミングチャートである。
【図５】図３の時刻T1の時間領域に形成されるポテンシャル井戸と駆動を説明するタイミングチャートである。
【図６】図３の時刻T2の拡大した時間領域におけるタイミング信号および駆動信号のタイミングチャートである。
【図７】図３の時刻T3, T4の拡大した時間領域におけるタイミング信号および駆動信号のタイミングチャートである。
【図８】図３の時刻T3の時間領域に形成されるポテンシャル井戸と駆動を説明するタイミングチャートである。
【図９】図８に続く時刻T3およびT4の時間領域に形成されるポテンシャル井戸と駆動を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
10  ディジタルカメラ
12  光学レンズ系
14  撮像部
14c 固体撮像素子
16  ドライバ
20  システム制御部
22  タイミング信号生成部
140 受光素子
142 フィールドシフトゲート
144 垂直転送CCD
146 水平転送CCD
148 水平ドレインゲート
150 水平ドレイン
【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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