JP2004194248A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静止画動画兼用の多画素のＣＣＤを用いた撮像装置の画質及び機能を向上する。
【解決手段】各画素ｅは、それぞれＲＧＢいずれかのカラーフィルタを備える。ＣＣＤ10の垂直転送路CVの上下に水平転送路CH1，CH2を設ける。垂直転送路CVは、上下に信号電荷を転送できる。ゲート電極により、垂直転送路CVを第１列群Ｉと第２列群IIとにグループ化する。各グループは、互いに反対方向に信号電荷を転送し、この転送方向を１フィールド毎に逆転する。上下の水平転送路CH1，CH2の出力を用い、スミアを抑制した画像を構成できる。ＣＰＵは、ＣＣＤ10を加算読み出しモードで駆動する。加算読み出しモードは、同色の画素ｅの信号電荷同士を複数加算することにより、フレームレートを向上できるとともに感度を向上できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷結合素子を備えた撮像素子及び撮像素子を備えた撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置のイメージセンサとして、ＣＣＤ(電荷結合素子、charge coupled device)固体撮像素子(以下、ＣＣＤと称する)が一般的に用いられている。このＣＣＤは、コストと性能とのバランスに優れるため、広く用いられている。
【０００３】
そして、ＣＣＤの受光面上には、格子状に配置され光の強弱に応じて信号電荷を蓄積する多数の受光素子部としての画素と、これら画素から信号電荷を読み出して転送する複数の垂直転送路と、各垂直転送路から転送された信号電荷を出力部へと転送する水平転送路とを備えている。
【０００４】
ここで、垂直転送路も光に対して感応するため、極めて強い光が結像している受光領域では、遮光構造を通り抜けた光により垂直転送路でノイズ電荷であるスミア電荷が発生する。そして、信号電荷が出力部まで転送されていく過程で、転送中の信号電荷にスミア電荷が加算され、出力される画像について、垂直転送路に沿った位置に高輝度部分が帯状に広がるスミア(smear)と呼ばれる現象が発生する問題を有している。
【０００５】
この点、高画質が求められる静止画の撮影については、機構的な遮光手段であるメカニカルシャッタを設ける構成が知られているが、コストが高い問題を有している。
【０００６】
また、動画については、通常のＣＣＤでは有効な手段がなく、スミアに対して通常は特に対策をとらないが、例えば、２個のＣＣＤを互いに天地逆に配置し、同じ光学系を通った結像光をプリズムなどで２分割してそれぞれのＣＣＤに結像させ、水平転送路とは逆方向に設けられたドレインにスミアを掃き出す動作を加えて、これら２枚の画像からスミアを除去した１枚の画像を得る方法が知られている(例えば、特許文献１参照。)。
【０００７】
しかしながら、このように２個のＣＣＤを用いる構成では、各ＣＣＤの面積及び構造は通常のＣＣＤとは製造コスト上は大きな差がないが、２個のＣＣＤを用いるため、コストが増加する問題を有している。また、２個のＣＣＤを用いる撮像装置は、電力消費が増加する。さらに、２個のＣＣＤ間で全く同じ受光画角を得るための多軸位置調整は高い精度を必要とし、結果的に著しいコストの上昇を招く。また、入射光を２つに分割するため、感度が半分に低下してしまい、特に、暗い状況でのシグナルノイズ比(S/N比: signal-to-noise ratio)が悪化し、画質の劣化を招く。また、２個のＣＣＤ間の感度、カラーの場合には、さらに分光透過特性などの特性差を補償するための調整工程が必要となり、コストの上昇を招く問題を有している。
【０００８】
この点、このスミアを防ぐ目的で、受光面とは別に全面が完全に遮光された画面１枚分の遮光蓄積部を備え、受光面上の遮光転送部の信号電荷を高速にこの遮光蓄積部に転送する構成を有する、フレームインターライントランスファ方式と呼ばれるＣＣＤが提案されている。
【０００９】
しかしながら、このようにフレームインターライントランスファ方式のＣＣＤでは、２画面分のチップ面積が必要な上、複雑な構造と特殊な高速駆動動作が必要になり、素子の製造コストの低減が困難である問題を有している。また、光学系の絞り機構と組み合わせることで、スミアを大幅に抑制できるものの、光の強さなどによっては、必ずしも十分にスミアを除去できない問題を有している。
【００１０】
一方、近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置において、従来の動画専用の撮像素子に代わり、静止画・動画兼用の撮像素子が多く用いられている。そして、このような静止画・動画兼用の撮像素子は、静止画像を高精細に撮影する目的で、従来の動画専用の撮像素子に較べて、画素数が著しく多く設定されたいわゆる多画素の撮像素子が用いられている。
【００１１】
そこで、このような多画素の撮像素子で静止画像を撮影すると、従来の動画専用の撮像素子で撮影した静止画像に較べて、緻密で高品位の、例えばＡ４サイズで印刷しても十分に鑑賞に堪えうる高画質画像を得ることができる。反面、このような多画素の撮像素子でそのまま動画を撮影しようとすると、画素数が多すぎるため、動画を構成する１コマ分の画像の読み出しにかかる時間が長くなり、滑らかな動画を得ることが難しくなる。この点、撮像素子そのものの動作速度及び撮像素子の周辺回路の動作速度など、撮像装置の全体の動作を高速化して対処する構成が考えられるが、このような高速化は著しいコストの上昇を招き、現実的ではない。
【００１２】
そこで、通常、多画素の撮像素子を用いる場合、静止画像の撮影時には全画素の画素信号を個別に読み出すが、動画像の撮影時には、一部の画素の信号を間引いて読み出す構成が採用されている。そして、固体撮像素子として、多画素のＣＣＤを用いる場合には、間引きの手法として、基本的には、垂直方法、すなわち、水平ラインを特定の割合で間引く手法が、現在一般的に採用されている。
【００１３】
また、このような間引き読み出しは、撮像素子そのものを撮影状況測定センサとして利用する場合にも用いられ、すなわち、静止画や動画の撮影に先立つ撮影状況予備測定など、撮影システム制御のためにも用いられている。
【００１４】
ここで、ＣＣＤについて詳細に説明すると、ＣＣＤは、画素を構成するフォトダイオードが２次元の格子状に配置されて撮像面を構成し、この撮像面上に光学系により結像された画像を、画素ごとの光の強弱に応じて各フォトダイオードに蓄積される電荷量の大小を信号として取り出す方式の撮像素子であり、信号電荷は、１画素分ずつ順番にＣＣＤ内部の出力回路へと送られ、１つの電荷電圧変換器により電荷信号量が電圧変化の信号へと変換された後、ＣＣＤの外部へと出力される。そして、このように各画素の信号電荷を出力回路へと導く動作を転送と称している。そして、２次元の長方形状に配置された画素の信号電荷を順番に出力回路へ転送する方式として一般的に行われている手法は、いわゆる垂直転送と水平転送とを組み合わせた手法である。ここで、撮像画面の上下方向を垂直、左右方向を水平とした場合、垂直転送とは、全ての画素の信号電荷を一斉に垂直方向でしかも上記の出力回路方向へ転送する動作であり、水平転送とは、上記の一段分の垂直転送により水平転送路へ送り込まれた垂直方向の最端部、すなわち最も出力回路に近い部分にあった１水平ライン分の信号電荷を、水平方向でしかも上記の出力回路方向へ一斉に転送する動作である。この時、水平転送路内の最端部、すなわち最も出力回路に近い部分にあった１画素分の信号電荷が、電荷電圧変換器へ送り込まれる。このように、水平転送を繰り返して水平転送路内の全ての信号電荷が電荷電圧変換され、出力が終了して水平転送路が空になると、再度上記の垂直転送が行われる。そして、次の垂直方向の最端部にある１水平ライン分の信号電荷が再び水平転送路へと送られた後、同様に水平転送により順に出力回路へと送られ出力される。このようにして、全画素の信号電荷の一斉垂直転送、水平転送路上の信号電荷の一斉水平転送とを順に繰り返すことにより、全ての画素を出力すると、１画面分の画素信号の出力が終了したことになり、電子画像を形成復元することができる。
【００１５】
また、各画素の信号電荷を転送する動作において、通常、垂直転送は、上記のように水平転送路方向へすなわち正方向へと信号電荷を転送する正転送とするが、ＣＣＤの原理上、垂直転送は、水平転送路とは逆方向へ、すなわち逆転転送(垂直逆転送)を行うことも可能である。しかしながら、ＣＣＤは、近年、画素数の増加にともなう画素の著しい微細化や、低消費電力化の傾向から、転送駆動電圧の低電圧化が進み、従来のように容易に効率良く垂直転送を行うことが困難になっている。そして、このような点を背景として、多画素のＣＣＤの中には、正方向の垂直転送の効率を追求した設計がなされ、この結果、逆転転送の転送効率は著しく低下したＣＣＤも用いられている。
【００１６】
そして、各種の方式のＣＣＤの内、上記の多画素のＣＣＤとして通常用いられるものは、インターライン型と呼ばれるＣＣＤで、このインターライン型のＣＣＤは、さらに、スキャンの方式により、インターレーススキャン方式のＣＣＤ(以下、インターレースＣＣＤ)と、プログレッシブスキャン方式のＣＣＤ(以下、プログレッシブＣＣＤ)とに大別される。そして、インターレースＣＣＤは、現在コストと性能とのバランスが最も良く、多画素撮像素子に適した構造として広く普及し採用されている。このインターレースＣＣＤでは、垂直転送路に保持できる信号電荷(画素信号電荷、電荷、画素電荷とも呼ばれる)の水平ライン数が、光電変換部であり１画素を構成するフォトダイオードの水平ライン数の半分であるため、全画素を独立に読み出すには、１フレームを２つのフィールドに分け、２度にわたり、偶数ラインと奇数ラインとを交互に、すなわちインターレースして読み出している。従って、フォトダイオード上の信号電荷の垂直転送路への電荷読出電極(信号電荷読出電極、電荷読出ゲート電極とも呼ばれる)は、偶数ライン用と奇数ライン用の２系統が用意されている。そして、インターレースＣＣＤでは、例えば、この電荷読出電極を、２系統から４系統に増やすことにより、一部のラインのみを選択的に、かつ、１フィールドでカラーフィルタの全組合せを垂直転送路へ読み出し、残りは読み出さないといったライン読み出しに選択性を持たせた構成が可能であり、容易にライン間引き機能が実現されている。また、このような多画素のインターレースＣＣＤの垂直転送は、４相駆動が一般的であり、ライン間引き機能の実現のためには、例えば、電荷読出電極の４系統を含め、垂直転送路の電極数が従来の４系統が６系統となる。
【００１７】
一方、このようなインターレースＣＣＤに対して、プログレッシブＣＣＤでは、フォトダイオードのライン数分だけ垂直転送路に信号電荷を保持できるため、１フレームの全てのラインを先頭から順番に読み出すことができる。従って、間引きをしなければ、電荷読出電極は１系統で構成可能であるが、間引き読み出しを行うためには、読み出しラインの選択性を実現するため、さらに１系統の電荷読出電極が追加される。そこで、プログレッシブＣＣＤの垂直転送は、電荷読出電極の合計２系統を含めると、４相駆動の場合は垂直転送路の電極数は従来の４系統が５系統になり、また、３相駆動の場合は従来の３系統が４系統になる。
【００１８】
そして、このような電荷読出電極構造の多系統化は、従来に較べて電極構造の増加分だけＣＣＤの内部配線の複雑化や外部ＣＣＤ駆動回路の増加などのマイナス面があるものの、より低コストの代替手法が他にないこともあり、ほとんどの多画素ＣＣＤで採用されている。
【００１９】
そして、従来、上記のように、ＣＣＤの全画素の信号電荷を独立に読み出して利用する全画素個別読み出しモードと、ＣＣＤの一部の画素の信号電荷のみを選択的に読み出し他の画素の信号電荷は利用せずに破棄する間引き読み出しモードとを切り替えて使用する撮像装置が知られている。すなわち、主に静止画の撮影用のスチルモードとしては、全画素個別読み出しモードを用い、高フレームレートの駆動が必要になる主に動画の撮影用あるいは撮影に先立つ予備測定用としては、間引き読み出しモードを利用している。
【００２０】
また、上記のような一般的なライン間引き読み出しに対し、プログレッシブＣＣＤについて、種々の水平ライン間引き、及びライン加算読み出しの方式が提案されている(例えば、特許文献２参照。)。これら方式としては、大別すると、(1)ｍライン中ｎラインのみを読み出す方式(ｍ＞ｎ，ｍ≧３)、(2)ｍライン中ｎラインの信号電荷を加算して読み出す手法(ｍ＞ｎ)、(3)垂直方向に連続するｑラインの画素信号を加算して出力する方式の３方式が示されている。そして、単純に不要ラインを間引いてしまう構成に対し、複数のライン間で信号電荷の加算を行いつつ、フレームレートの向上を図った構成が示されている。また、静止画の撮影時には、ＣＣＤの全画素の信号電荷を独立に読み出して利用するとともに、静止画あるいは動画の撮影時には、ＣＣＤの画素の一部を間引きして読み出し、あるいは、加算して読み出す構成が知られている(例えば、特許文献３参照。)。
【００２１】
しかしながら、上記従来のように、特定のラインのみを選択的に読み出し、残りを間引く手法により、動画の撮影時に単純にラインを間引くと、撮影した画像の垂直方向の空間周波数再現性が悪化し、モアレが発生して、画像の品位を著しく損ねる場合がある。すなわち、ラインを間引いた状態においては、垂直方向の空間サンプリング周波数及び開口率が相応分減少しているにも関わらず、撮影レンズのＭＴＦ(modulation transfer function、変調伝達関数)はそのままであるため、著しい折り返し歪みが発生する。この現象は、モアレと呼ばれ、例えば、目の細かな縞状の被写体が実際とは異なる太い目の粗い縞状に写ってしまう現象であり、撮像装置には好ましくない現象である。
【００２２】
また、このようなライン間引き読み出しを行うと、信号電荷の存在しない垂直転送路上に発生したスミア電荷は全て信号電荷に加算されるため、ＣＣＤの本来持っている実力以上にスミアが悪化する問題がある。
【００２３】
また、このような水平ラインの間引きを行っても、さらに画素数が必要以上に多い場合には、動画像において通常のテレビなどの受像装置に適合した、あるいは通常のテレビ以上のフレームレートを実現することは極めて困難である。
【００２４】
さらに、何らかの手法により、フレームレートを向上したとしても、高フレームレート化に伴い露光時間も短縮されるため、感度が低下する問題を有している。そして、暗い撮影状況において、間引き読み出しモードで動画を撮影すると、感度が足りずに、シグナルノイズ比の悪い画像となる。また、測光、測距などの本撮影に先立つ予備測定についても、感度が足りずに、精度が低下する。そして、このような予備測定時の感度不足を補助光の投光により補う場合は、コストが大きく、外形や消費電力も大きい、明るいランプを用いる必要が生じる。また、感度不足の場合、予備測定のための露光時間を、測定精度を短くしたまま短縮することはできないため、使用者が撮影を意図してから本撮影の露光開始までに要するいわゆるタイムラグが大きくなるおそれがある。
【００２５】
そして、このような現象を緩和するためには、フレームレートを向上する目的で単純にラインを間引くのではなく、特許文献２に示されるように、ライン加算を取り入れる構成が知られている。そして、ライン間引き後の空間サンプリング周波数上で撮影レンズのＭＴＦが高くても、ライン加算を行うと開口率が増加し、高域の空間周波数成分が減らされて、空間フィルタ処理と同じ効果が得られる。そして、この効果を最大限に作用させるためには、例えば、フレームレートを５倍にするために全ライン中４／５ラインを間引いて１／５ラインを読み出すのではなく、５ラインをカラーフィルタの同色同士で加算をして読み出すことにより、結局５倍のフレームレートで全画素を読み出すことに等しくなり、空間フィルタの効果は最大で、しかも全画素の信号電荷が撮像に寄与するので、開口率は静止画像撮影時と全く同じになる。
【００２６】
しかしながら、上記の特許文献２では、上記のように同色同士の複数ラインの加算により全画素の信号電荷を読み出す手法については提案されていない。連続するラインの信号電荷を垂直転送路上で加算し、あるいは水平転送路上で加算して、全画素を読み出す手法については言及されているが、この手法では、縦ストライプフィルタ配列以外のカラーＣＣＤの場合は、混色が生じ、色再現性に重大な弊害をもたらすばかりか、混色の組合せによっては、元の色を再現できないという問題を有している。ここで、上記特許文献２には示されていないが、この特許文献２記載の構成であえて、同色の複数ラインの加算による全画素読み出しを実現しようとすると、例えば、上記の５ライン加算の場合は、この公報機能のようにカラーフィルタ配列がベイヤー配列であるとすると、縦１列の色の組合せは２種類で、それぞれの色を個別に、さらに各色毎に５画素を個別に読み出す必要があるため、電荷読出電極は全部で１０系統が必要になり、垂直転送駆動の場合は、垂直転送電極としては合計１２系統を要する計算になる。そして、現存する３相垂直転送、間引き対応の３相多画素プログレッシブＣＣＤの垂直転送の電極は、上記のように４系統であるので、８系統分の外部垂直転送駆動回路を追加することになり、ＣＣＤ駆動回路の規模が著しく増大することになる。さらに、ＣＣＤの多画素化が進み、加算ライン数が増加すると、さらに垂直転送の電極の系統数が相応分増加する。そして、このような垂直転送の電極の系統数の増加は、コストや装置の小型化あるいは消費電力などの点から好ましくないものである。
【００２７】
また、上記のように、撮影状況がきわめて明るい場合は、例えば各画素から溢れだした信号電荷が垂直転送路に洩れ込みすじとなって現れるスミア(smear)が発生するが、通常の間引き読み出しモードに比して、画素を加算して読み出す加算読み出しモードでは、画像の品位を損ねる場合があり、特許文献３に示されるように、動画の撮影時には、間引き読み出しあるいは加算読み出しのいずれかと限定すると、画像の品位を損ねる場合がある。
【００２８】
【特許文献１】
特許第３１０８７０２号公報 (図１)
【００２９】
【特許文献２】
特開平１０−１３６２４４号公報 (図４、図６、図９)
【００３０】
【特許文献３】
特開平１０−２１０３６７号公報 (第３頁)
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、スミアの抑制については、静止画の撮影においてはメカニカルシャッタを設ける構成が知られているが、コストが高い問題を有している。また、動画について、２個のＣＣＤを用いる構成では、電力消費の上昇、感度の低下などを招くとともに、高精度の調整が必要になり、コストの大幅な上昇を招く問題を有している。また、フレームインターライントランスファ方式のＣＣＤを用いる構成では、素子の製造コストの低減が困難であるとともに、必ずしも十分にスミアを除去できない問題を有している。
【００３２】
また、動画及び静止画撮影兼用の多画素のＣＣＤを用いる場合に、動画の撮影時のフレームレートを維持するため、ライン間引き読み出しを行うと、モアレと呼ばれる著しい折り返しノイズが発生し、画質の低下の原因となる。
【００３３】
そして、このようなライン間引き読み出しを行うと、信号電荷の存在しない垂直転送路上に発生したスミア電荷は全て信号電荷に加算されるため、ＣＣＤが本来持っている実力以上にスミアが悪化する問題がある。
【００３４】
さらに、静止画の画質向上を図り、ＣＣＤの画素数を増やしていくと、画像の読み出しに時間がかかるようになり、間引き読み出しを行ったとしても、現行のテレビ規格のフレームレートに対応し、さらに現行のテレビ以上の高いフレームレートを実現することが困難になる。
【００３５】
また、ＣＣＤの多画素化を進める場合、ＣＣＤの製造コストを維持するため、ＣＣＤのチップサイズは変更しないのが普通であり、この場合、１画素当たりの面積はますます縮小され、この面積の縮小に伴い感度も低下する。上記のように、多画素化が進むと、フレームレートの維持や高速化がさらに困難になるが、たとえ何らかの手段で高フレームレートを実現しても、感度が低下するため、高フレームレート化による露光時間短縮に追随できなくなる問題を有している。
【００３６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、コストの上昇を抑制しつつ画質を向上できる撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の撮像素子は、所定のパターンで複数の色が配列されそれぞれ光電変換して信号電荷を蓄積する複数の画素と、これら画素から読み出した信号電荷を正方向及び逆方向に転送可能な電荷結合素子を備え、互いに反対方向に信号電荷を転送する複数グループにグループ化された複数の垂直転送路と、前記各画素から前記各垂直転送路に信号電荷を読み出し、これら信号電荷を前記各垂直転送路上を転送させるとともに所定の位置に保持可能な電圧が印加される複数系統の配線部と、前記各垂直転送路の一端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第１の出力部に出力する第１の水平転送路と、前記各垂直転送路の他端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第２の出力部に出力する第２の水平転送路とを具備したものである。
【００３８】
そして、この構成では、配線部に電圧を印加することにより、所定のパターンで配列された複数の画素のうち、所定の色の複数の画素の信号電荷が各垂直転送路に読み出される。そして、これら読み出した信号電荷のうち、特定の画素の信号電荷を保持したまま、他の信号電荷を転送して、保持した信号電荷に転送した信号電荷を加算して、加算電荷を生成する。次いで、この所定の色の画素の加算電荷に加算しないように、転送と選択的な電荷読出とを組み合わせ、他の色の複数の画素の信号電荷を加算した加算電荷を生成する。そして、これら加算電荷を各垂直転送路により正方向及び逆方向に交互に転送することにより、これら信号電荷は、第１の水平転送路及び第２の水平転送路から各出力部を介して出力され、これら出力された信号を処理することにより、画像が得られる。そして、これら加算電荷を用いることにより、全画素を順次読み出し出力する状態に較べて、画素が間引かれ、フレームレートが向上する。さらに、画素の間引きは、全画素の読み出しを行い、同色の画素の信号電荷を複数加算して行うことが可能なため、単に画素を選択的に読み出す構成に較べて、画質が向上する。また、信号電荷を正方向及び逆方向に転送可能な垂直転送路と第１の水平転送路及び第２の水平転送路とを用いることにより、信号電荷の転送量が容易に向上するとともに、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向を制御可能になり、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることが防止される。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し、画質の向上が可能になる。
【００３９】
請求項２記載の撮像素子は、請求項１記載の撮像素子において、垂直転送路では、複数の信号電荷が加算された加算電荷が生成されるとともに、配線部及び垂直転送路は、同じ水平ラインを撮影した加算電荷について、第１の出力部に出力される加算電荷と、第２の出力部に出力される加算電荷とが略同時に出力されるように構成されたものである。
【００４０】
そして、この構成では、撮像素子から出力される信号から正確な画像を構成する処理が容易になる。
【００４１】
請求項３記載の撮像装置は、撮像素子と、この撮像素子を制御する制御手段とを具備し、前記撮像素子は、所定のパターンで複数の色が配列されそれぞれ光電変換して信号電荷を蓄積する複数の画素と、これら画素から信号電荷を読み出しこれら読み出した信号電荷を正方向及び逆方向に転送可能な電荷結合素子を備えた複数の垂直転送路と、前記各垂直転送路の一端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第１の出力部に出力する第１の水平転送路と、前記各垂直転送路の他端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第２の出力部に出力する第２の水平転送路とを具備し、前記制御手段は、前記同色の画素の信号電荷を前記各垂直転送路に読み出し、これら読み出した信号電荷のうち所定の画素の信号電荷について位置を保持させたまま、読み出した他の信号電荷を転送し、位置を保持した信号電荷に転送した信号電荷を加算した加算電荷を生成するとともに、前記各垂直転送路を複数のグループにグループ化し、一方のグループと他方のグループとで互いに反対方向に信号電荷を転送させ、それぞれ前記第１の水平転送路と第２の水平転送路とに信号電荷を転送させるものである。
【００４２】
そして、この構成では、制御手段の制御により、所定のパターンで配列された複数の画素のうち、所定の色の複数の画素の信号電荷が各垂直転送路に読み出される。そして、これら読み出した信号電荷のうち、特定の画素の信号電荷を保持したまま、他の信号電荷を転送して、保持した信号電荷に転送した信号電荷を加算して、加算電荷を生成する。次いで、この所定の色の画素の加算電荷に加算しないように、転送と選択的な電荷読出とを組み合わせ、他の色の複数の画素の信号電荷を加算した加算電荷を生成する。そして、これら加算電荷を各垂直転送路により正方向及び逆方向に交互に転送することにより、これら信号電荷は、第１の水平転送路及び第２の水平転送路から各出力部を介して出力され、これら出力された信号を処理することにより、画像が得られる。そして、これら加算電荷を用いることにより、全画素を順次読み出し出力する状態に較べて、画素が間引かれ、フレームレートが向上する。さらに、画素の間引きは、全画素の読み出しを行い、同色の画素の信号電荷を複数加算して行うことが可能なため、単に画素を選択的に読み出す構成に較べて、画質が向上する。また、信号電荷を正方向及び逆方向に転送可能な垂直転送路と第１の水平転送路及び第２の水平転送路とを用いることにより、信号電荷の転送量が容易に向上するとともに、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向を制御可能になり、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることが防止される。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し、画質の向上が可能になる。
【００４３】
請求項４記載の撮像装置は、請求項３記載の撮像装置において、制御手段は、各垂直転送路の転送方向を一画面毎に逆方向とするとともに、前記撮像素子の各出力部から出力された信号を処理して画像を構成するものである。
【００４４】
そして、この構成では、画素から読み出された信号電荷は、垂直転送路を一画面毎に逆方向に転送されるため、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向が制御され、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることが防止される。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し画質の向上が可能になる。
【００４５】
請求項５記載の撮像装置は、請求項４記載の撮像装置において、制御手段は、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定し、スミアのある信号を、他の画素の信号から補完するものである。
【００４６】
そして、この構成では、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアの抑制が可能になる。
【００４７】
請求項６記載の撮像装置は、請求項４または５記載の撮像装置において、制御手段は、第１の出力部から出力された加算電荷と、第２の出力部から出力された加算電荷とについて、同じ水平ラインを撮影した加算電荷同士の位置を合わせる補正を行うものである。
【００４８】
そして、この構成では、信号画素を同士を加算して加算電荷を生成した際に、垂直転送路毎に位置がずれた場合にも、正確な画像が構成される。
【００４９】
請求項７記載の撮像装置は、請求項６記載の撮像装置において、制御手段は、各垂直転送路を互いに交互に配置された第１列群と第２列群との２個のグループにグループ化し、これら第１列群と第２列群とで互いに反対方向に信号電荷を転送させ、それぞれ前記第１の水平転送路と第２の水平転送路とに信号電荷を転送させるとともに、第１列群の加算電荷と、第２列群の加算電荷とについて、前記垂直転送路から加算電荷一個分ずれて出力された加算電荷同士を、同じ水平ラインを撮影した加算電荷とみなす補正を行うものである。
【００５０】
そして、この構成では、信号画素を同士を加算して加算電荷を生成した際に、垂直転送路毎に位置がずれた場合にも、容易に比較的正確な画像が構成される。
【００５１】
請求項８記載の撮像装置は、請求項６記載の撮像装置において、制御手段は、各垂直転送路を互いに交互に配置された第１列群と第２列群との２個のグループにグループ化し、これら第１列群と第２列群とで互いに反対方向に信号電荷を転送させ、それぞれ前記第１の水平転送路と第２の水平転送路とに信号電荷を転送させるとともに、第１列群の加算電荷と、第２列群の加算電荷とについて、一列において加算して生成された加算電荷の数をｋ(但し、ｋ＞２の自然数)、第１列群のｎ番目の加算電荷をＡ(ｎ)、第２列群のｎ番目の加算電荷をＢ(ｎ)、としたとき、第１列群のＡ(ｎ)に対応する第２列群の仮想的な加算電荷Ｂniを、Ｂni＝(Ｂ(ｎ＋１)＋(ｋ−１)×Ｂ(ｎ))／ｋとの式により求めるものである。
【００５２】
そして、この構成では、信号画素を同士を加算して加算電荷を生成した際に、垂直転送路毎に位置がずれた場合にも、正確な画像が構成される。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の撮像素子及び撮像装置の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【００５４】
図２において、１は撮像装置で、この撮像装置１は、例えば、デジタルビデオカメラ、ムービーカメラ、あるいはカムコーダなどと呼ばれるもので、動画及び静止画である画像を撮影、記録し、また表示可能ないわゆる静止画動画兼用の装置である。
【００５５】
そして、この撮像装置１は、撮像素子としてのＣＣＤ10と、このＣＣＤ10を駆動する制御手段を構成するＣＣＤ駆動回路11、ＣＣＤ10の出力が入力される画像処理手段を構成する一対のアナログ処理回路12，13、これらアナログ処理回路12，13の出力が入力されるアナログデジタル(Ａ／Ｄ)変換器14，15、これらアナログデジタル変換器14，15の出力が入力されるメモリコントローラ18を備えている。さらに、このメモリコントローラ18には、画像データなどを一時的に保存するメモリ19、画像データを処理する制御手段を構成する画像処理回路20、制御手段を構成するＣＰＵ21、記録部インターフェース22が接続され、画像データが入出力される。また、このメモリコントローラ18には、このメモリコントローラ18の出力が入力される表示部インターフェース23が接続される。さらに、記録部インターフェース22には、画像データを記録再生する画像記録部25が接続され、表示部インターフェース23には、画像データや設定状態などを表示する画像表示部26が接続されている。さらに、ＣＣＤ駆動回路11、アナログ処理回路12，13、メモリコントローラ18、及び画像処理回路20などには、これらを制御するＣＰＵ21が接続されている。さらに、この撮像装置１には、図示しないが、レリーズボタンや切替スイッチなどの操作手段、電源装置、入出力装置、絞り機構や機械シャッタやレンズなどの光学系、及び筐体などを備えている。
【００５６】
そして、ＣＰＵ21は、いわゆるマイクロプロセッサであり、システム全体の制御を司るもので、本実施の形態では、絞り機構のＦ値制御、機械シャッタの開閉制御、レンズの焦点制御、ＣＣＤ駆動回路11の制御を介してのＣＣＤ10の駆動制御、アナログ処理回路12，13のゲインコントロールアンプの増幅度などの制御、画像処理回路20の制御、メモリコントローラ18を介してのメモリ19に記録されるデータの処理、メモリコントローラ18及び表示部インターフェース23を介しての画像表示部26への画像などの表示、及びメモリコントローラ18及び記録部インターフェース22を介しての画像記録部25への画像データの記録及び読み出しなどを行う。例えば、動画を撮影する場合、ＣＰＵ21は、機械シャッタを開放し、絞りのＦ値を制御することにより、ＣＣＤ10に入射する被写体光量を調整し、さらに、ＣＣＤ駆動回路11を介して、ＣＣＤ10の電子シャッタを変化させ、露光量を制御する。
【００５７】
また、ＣＣＤ10は、電荷転送型の固体撮像素子であり、電荷結合素子(charge coupled device)を用いたＣＣＤイメージセンサであり、図１に概略を示すように、受光面上に、２次元の格子状に配置された受光素子部でありそれぞれ光の強弱に応じて信号電荷を蓄積する光電変換手段であるフォトダイオードを備えた多数の画素ｅを備えている。そして、これら画素ｅの列同士の間には、これら画素ｅから信号電荷を読み出し、所定方向(以下、垂直方向あるいは上下方向と称する)に転送する複数の垂直転送路(垂直ＣＣＤ)CVすなわち第１ないし第８(n)の垂直転送路CV1〜CV8(n)を備えている。
【００５８】
さらに、このＣＣＤ10は、これら垂直転送路CVの上下の端部に接続され、すなわち受光面の下部と上部とに配置され、所定方向と直交する方向(以下、水平方向と称する)に信号電荷を転送する上下一対の水平転送路(水平ＣＣＤ)CHすなわち第１の水平転送路としての下部水平転送路CH1及び第２の水平転送路としての上部水平転送路CH2とを備えている。そこで、垂直転送路CV1〜CV8(n)を２個にグループ化し、各グループ毎に画素ｅの信号電荷を各水平転送路Ｈ1，Ｈ2に同時に、かつ順次方向を変えて出力できるようになっている。また、各水平転送路Ｈ1，Ｈ2の一端部である下流側の端部には、それぞれ第１の出力部としての下部出力部OP1と第２の出力部としての上部出力部OP2が設けられ、画像信号を構成するアナログの信号が同時に出力される。
【００５９】
さらに、このＣＣＤ10は、後述するように、いわゆるカラーベイヤー配列間引き対応で通常のカラーフィルタ配列のカラー単板、多画素インターライン型のインターレーススキャンＣＣＤで、静止画動画兼用を特徴とし、すなわち静止画動画兼用の撮像装置に用いられるもので、動画専用用途のＣＣＤに較べて画素数が著しく多く設定されている。そして、静止画撮影時には、メカニカルシャッタを併用する事で全画素を個別に読み出す全画素個別読み出しモードの他、動画撮影時などには、全水平ラインの例えば１／５の画素のみを選択的に間引いて読み出す間引き読み出しモード、及び、同色などの画素同士を加算して読み出す加算読み出しモードに切り替え可能であり、多画素であっても動画時のフレームレート（単位時間当たりのコマ数）を高く維持できるようになっている。
【００６０】
そして、この撮像装置１では、ＣＣＤ10は、ＣＣＤ駆動回路11の駆動信号により駆動され、ＣＣＤ10の下部出力部OP1から出力されたアナログ映像信号は、アナログ処理回路12に入力され、相関２重サンプリングによるノイズ除去やゲインコントロールアンプによる信号増幅などのアナログ処理が行われる。次いで、この信号は、アナログデジタル変換器14に入力され、アナログの信号からデジタルの信号(以後、デジタル画像データあるいは単に画像データと称する。)に変換される。次いで、このデジタル信号に変換された画像データは、メモリコントローラ18により、メモリ19に一時保存される。また、同様に、ＣＣＤ10の上部出力部OP2から出力されたアナログ映像信号は、アナログ処理回路13及びアナログデジタル変換器15を経て、メモリコントローラ18により、メモリ19に一時保存される。
【００６１】
次いで、画像処理回路20は、これら２個のグループに分割して保存された画像データから、完成した１画面のフィールドを再構成し、すなわち、ＣＣＤ10本来の画素ｅの配列の通りに、画像データを再現するとともに、この再現処理の前後あるいは同時に画像処理を行う。
【００６２】
そして、上記のように再構成され、画像処理を施された処理済の動画るあいは静止画の画像データは、メモリ19の一部をビデオメモリとして利用し再び一時記録された後、あるいは、上記の画像処理が終わった画素単位のデータから順次直ちに、表示部インターフェース23に送られ、画像表示部26により映像として表示される。また、場合によっては、使用者の操作などに従い、画像データ圧縮処理などを施された後、記録用の画像データとして、記録部インターフェース22を経由し、画像記録部25に記録される。ここで、画像記録部25は、磁気テープ、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、フラッシュメモリなどの不揮発性の記録媒体で構成され、また、これら記録媒体は、必要に応じて機器本体から着脱されるようになっている。
【００６３】
そして、このような構成により、以後詳細に説明するように、スミアのない高感度で高フレームレートの画像を得ることが可能になる。
【００６４】
すなわち、本実施の形態の構成及び効果の概略を説明すると、水平転送路CHを受光領域の上下に２系統備えるとともに、受光領域の画素ｅは、例えば、Ｎを正数としたとき、列番号４Ｎ−３及び４Ｎ−２と、４Ｎ−１及び４Ｎとの２組の縦列に、すなわち垂直転送路CVの２列毎にグループ化するとともに、これらグループ毎に転送方向を逆方向とし、下部水平転送路CH1及び上部水平転送路CH2にそれぞれ同時に転送できるＣＣＤ10を使用し、垂直転送路CVの転送方向をフィールド毎に前のフィールドとは逆方向とすることで、各水平転送路CHから出力される画像データ(列画像)毎のスミアの発生方向を固定し、スミアの発生領域を、下部水平転送路CH1から読み出された画像データと上部水平転送路CH2から読み出された画像データとで、例えば偶数番目のグループ列画像と奇数番目のグループ列画像とで互いに排他的とする。すなわち、フィールド毎に双方のグループに同時にスミアが発生している領域は存在しない状態を実現する。そして、受光面の上部あるいは下部に設けられた水平遮光ラインの信号状況からスミアの水平座標及び幅を特定し、そのスミア上を垂直方向に走査して明るさの変化からスミアの垂直座標上の発生基準位置を特定して、画面上のスミアの発生領域を正確に判断しつつ、双方にスミアの発生していない領域では、下部水平転送路CH1から読み出された画像データと、上部水平転送路CH2から読み出された画像データとを互いに内挿し、片方にスミアの発生している領域では、発生していない側の画像データのみを使用して補完処理を行って１枚のフィールド画像を完成させることで、画面全体にスミアのない良好な画像を提供できる。
【００６５】
同時に、画素(感光画素)ｅから垂直転送路CVへの電荷読み出し動作においては、特殊な電荷読み出し電圧制御と電荷転送動作とを組み合わせて同色の信号電荷を加算した加算電荷を生成する。すなわち、各縦列に複数配置されたカラーフィルタ画素のうち、先に一方の同色の信号電荷を全て垂直転送路CVに読み出した後、複数ある電荷読み出し電極のうち、特定の電荷読み出し電極に電荷読み出し電圧を加えたまま、垂直転送を行うことにより、垂直転送路CV上で同色同士のライン加算を行う。次に、垂直転送と複数ある電荷読み出し電極による選択読み出しを組み合わせて先に読み出され垂直転送路CV上で加算された一の色の信号電荷との混色を回避しながら、後に他の色のカラーフィルター画素の信号電荷を垂直転送路CVに読み出し、垂直転送路CV上でのライン加算、水平転送路CH上でのライン加算を組み合わせ、結果として、同色複数ライン足し合わせで全画素読み出しを行う。
【００６６】
また、垂直転送路CV上での反対方向への転送と各垂直転送路CV上での加算を組み合わせることにより加算電荷同士の重心位置が相対的にずれるが、例えば、互いに反対方向に転送される第１列群と第２列群とについて、(1)第１列群の所定のｎ番目の水平ラインの加算結果(ｎ)と、第２列群の一段ずれたｎ＋１番目の水平ラインの加算結果(ｎ＋１)とを同一水平ラインと見なすことにより、簡易的な対策が可能であり、また、(2)加算電荷数をｋ(ｋ＞２の自然数)、第２列群のｎ番目の水平ラインの加算結果を(ｎ)、第２列群の一段ずれたｎ＋１番目の水平ラインの加算結果を(ｎ＋１)、としたとき、第１列群のｎ番目の水平ラインの加算結果に対応する、第２列群の仮想加算結果(ｎa)を、(ｎa)＝((ｎ＋１)＋(ｋ−１)(ｎ))/ｋとの式により演算して正確な補正を行い、あるいは、(3)第１列群と第２列群との垂直転送方向の違いによる加算電荷の重心ずれを、垂直転送路ゲート電極の配置を第１列群と第２列群とで予めずらしておくことで解消することもできる。
【００６７】
この結果、動画及び静止画兼用の多画素ＣＣＤを用いた動画静止画撮影兼用の撮像装置において、現実的には有効な対策のなかった動画撮影時のスミアについて、スミアを除去して画質を向し上できる。そして、プログレッシブスキャンのＣＣＤであれば、特に高価な遮光手段であるメカシャッタなどを別途設けることなく、高画質の求められる静止画撮影に対応できる。
【００６８】
また、画素数が多くなっても容易にフレームレートを高く維持することができる。
【００６９】
さらに、スミアを除去できるので、動画撮影時などに、スミアの悪化するライン間引きやライン加算を行ったとしても、特には問題とはならない。
【００７０】
また、高フレームレートを維持しつつ、効果的にモアレを除去して画質を向上できる。
【００７１】
そして、ＣＣＤの多画素化に伴う低感度化と高フレームレート化とによる露光時間の不足傾向も解消できる。
【００７２】
また、簡略な構成でコストを抑制できる
このようにして、多画素ＣＣＤの動画撮影時に、スミアを解消して高画質化を実現できるとともに、モアレ(折り返しノイズ)を解消した高画質化、高フレームレート化、及び高感度化を容易に実現できる。
【００７３】
次に、スミアを除去する構成と、画素を加算して読み出す加算読み出しモードとについて、順次詳細に説明する。
【００７４】
まず、図３ないし図１６を参照して、スミアを除去する構成について説明する。なお、このスミアを除去する構成の説明においては、説明を簡略化するため、カラーフィルタを用いない単色で、加算を行わない全画素読み出しモードであり、かつ、１列毎に交互に１グループとして処理する構成について説明する。また、ここでは、図３に示すように、垂直転送路には、符号VV（VV1〜VV8）を付して説明する。
【００７５】
そして、ＣＣＤ10の各画素ｅは、多くが光の当たる感光画素ｅ1であるが、各列の上下の端部に位置して、遮光構造により光の当たらない遮光画素(水平遮光ライン)ｅ2が設けられている。
【００７６】
そして、この構成では、動画像の撮影において、各画素ｅから垂直転送路VVに一斉に読み出される信号電荷のうち、例えば、一画面としての第１フィールドでは、奇数列の垂直転送路VV1，VV3，VV5，VV7の信号電荷は下側に転送され、下部水平転送路Ｈ1を経て下部出力部OP1から出力される。同時に、偶数列の垂直転送路VV2，VV4，VV6，VV8の信号電荷は上側に転送され、上部水平転送路Ｈ2を経て上部出力部OP2から出力される。そして、引き続く一画面としての第２フィールドでは、第１フィールドとは逆に、奇数列の垂直転送路VV1，VV3，VV5，VV7の信号電荷は上側に転送され、上部水平転送路Ｈ2を経て上部出力部OP2から出力されるとともに、偶数列の垂直転送路VV2，VV4，VV6，VV8の信号電荷は下側に転送され、下部水平転送路Ｈ1を経て下部出力部OP1から出力される。続いて、以後、第３フィールドは第１フィールドと同様、第４フィールドは第２フィールドと同様、というように、奇数フィールドと偶数フィールドとで、垂直転送路VVの転送方向がフィールド毎に上下逆方向に交互に往復する動作を繰り返す。
【００７７】
ここで、例えば図４に示す画像データP0を本来の画像をとすると、メモリ19に一時保存された１フィールド分のデジタル画像データは、奇数フィールドを例にとると、図５(a)に示す奇数列の画像データP1と、図５(b)に示す偶数列の画像データP2との２個のグループに分割して保存される。そして、画像処理回路20は、従来の撮像装置が行うようないわゆる一般的な画像処理(以下、画像処理と称する)を行う前に、これら２個のグループの画像データP1，P2をメモリ19から読み出し、これら画像データP1，P2から完成した１画面のフィールドを再構成し、すなわち、ＣＣＤ10本来の画素ｅの配列の通りに、図４に示す画像データP0を再現する。なお、この画像処理は、上記のように画像データP0の再構成を完成させた後に行う方法の他、部分的に画像データP0を再構成しながら、同時に画像処理を行うこともできる。
【００７８】
なお、図５(a)及び図５(b)においては、奇数列の画像データP1と偶数列の画像データP2とを明確に表現するため、縦縞状に空白のデータ領域があるように表現したが、メモリ19の内部においては、有効な画像データが隙間なく連続して記録されており、このような空白のデータ領域は存在しない。
【００７９】
また、偶数列の画像データP2は、特に対処をせずにデータの出力順そのままにメモリ19に記録すると、本来、図６に示す画像データP2aのように、図５(b)に示す画像データP2に対して天地が逆の状態になるが、メモリコントローラ18がメモリ19への記録時あるいは読み出し時にメモリ19に与えるアドレスを上下が逆になるように配慮することにより、図５(b)に示す画像データP2と同じ状態、すなわち、奇数列の画像データP1と同じ方向の画像データとして取り扱うことが可能になっている。以下、説明を容易にするため、これらの処理については特に言及しない。
【００８０】
次に、スミアの出現形態及びその原理について説明する。
【００８１】
まず、図７に示す画像P10の撮影条件(シーン)のように、太陽など、画面内に著しく明るい輝点である高輝度部BSが存在するシーンを撮影する場合、すなわち、ＣＣＤ10の受光面に極めて強い光が結像している受光領域(輝点)が存在する場合、従来の一般的なＣＣＤにおける一方向のみの転送方法では、図９に示すように、欠陥であるスミアＳは高輝度部BSの上下両方に広がる。
【００８２】
一方、本実施の形態では、各垂直転送路VVについて、図３のＣＣＤ10の説明図における下部水平転送路Ｈ1と上部水平転送路Ｈ2とが交互に選択され、各垂直転送路VVの転送方向が１フィールド毎に上下逆転するため、図７に示す画像P10の撮影条件(シーン)のように、太陽など、画面内に著しく明るい輝点である高輝度部BSが存在するシーンを撮影する場合、すなわち、ＣＣＤ10の受光面に極めて強い光が結像している受光領域が存在する場合、得られる画像データは、例えば奇数フィールドの場合、図８(a)に示す奇数列の画像データP11と、図８(b)に示す偶数列の画像データP12とで、画面内の高輝度部BSに対してスミアＳの発生する方向が上下いずれか一方に固定される。例えば、図８(a)に示すように、奇数フィールドの場合、スミアＳ発生の方向は、奇数列では高輝度部BSから画面下方向へ向かい、図８(b)に示すように、偶数列では高輝度部BSから画面上方向へ向かう。また、偶数フィールドでは、これらの関係が逆になり、奇数列では高輝度部BSから画面上方向へ向かい、偶数列では高輝度部BSから画面下方向へ向かってスミアＳが発生する。このように、垂直転送路VVの転送方向をフィールド毎に交互に逆方向とすることにより、画面上の高輝度部BSに対するスミアＳの発生方向を、上下いずれか一方に固定できる。
【００８３】
ここで、本実施の形態の垂直転送路VVの動作によりスミアＳの発生方向を固定できる理由について説明する。
【００８４】
図１０及び図１２のＡないしＮは、図３に示すＣＣＤ10の内部構造のうち、画素ｅ及び垂直転送路VVのいずれか一つの奇数列を抜き出して描いたものである。また、画素ｅの信号電荷の転送状況をわかりやすくするために、下から順に１から１４の番号を付している。すなわち、ここでは、上下の端部の１と１４とが遮光画素ｅ2であり、他の２から１３の画素が感光画素ｅ1である。さらに、円により、スミアＳを発生するのに十分な光量を有する高輝度部BSを示しており、ここでは、９番の画素ｅ付近に高輝度の像が結像している状況を表している。
【００８５】
図１０は、垂直転送路VVを常に一方向すなわち下側に転送する従来の一般的な動作についての説明である。
【００８６】
まず、図１０(Ａ)の状態から、電荷読出パルスにより、図１０(Ｂ)に示すように、各画素ｅの信号電荷が一斉に垂直転送路VVに読み出される。次いで、図１０(Ｃ)に示すように、垂直転送路VV上を信号電荷が１段下側に転送され、さらに、図１０(Ｄ)に示すように、垂直転送路VV上を信号電荷が１段下側に転送される。ここで、１０番の画素ｅの信号電荷は、垂直転送路VVに読み出された時点では高輝度部BSの影響を受けていなかったものが、図１０(Ｃ)及び(Ｄ)に示すように垂直転送路VV内を移動する過程で高輝度部BSを通過する際に、本来の信号電荷にスミア(スミア電荷)Ｓが加わった状態に変化していることを示している。なお、スミアＳの混合した信号電荷は斜線で示している。さらに、図１０(Ｅ)，(Ｆ)，(Ｇ)に示すように、垂直転送を進めていくと、本来遮光されており図１０(Ｂ)に示す垂直転送路VVに読み出された直後では黒色で示すように信号電荷がほぼ０であった１４番の画素ｅの信号電荷も含めて、最初に高輝度部BSよりも上側にあった画素信号は、全て転送の過程でスミアＳが加算された状態になる。さらに、垂直転送を進めていくと、図１０(Ｈ)及び(Ｉ)に示すように垂直転送路VVの空の部分、すなわち、各画素ｅの信号電荷の転送が終わった領域にもスミアＳによる電荷が蓄積されていき、全ての画素ｅの信号電荷の読み出しが終了した時点では、図１０(Ｊ)に示すように高輝度部BSに対して下側の垂直転送路VVにはスミアＳが蓄積された状態になる。
【００８７】
なお、上記の図１０を用いた説明で、高輝度部BSの上側あるいは下側とは、図の描画方向、すなわち、光学系に対して配置されたＣＣＤ10の上下方向に対しての表現である。従って、光学系を通した被写体像は天地が逆となった状態でＣＣＤ10に結像されるため、実際に撮影される画像の画面の天地とは、上下関係が逆になっている。例えば、図１０のＡないしＪでは、高輝度部BSの上方向の９番から１４番の画素ｅにスミアＳが発生する状況を示したが、この時に得られる画像では、図１１のＦ1に示すように、画面の下方向にスミアＳの発生が見られることになる。以上、上記の図１０のＡないしＪでは、動画像を撮影した最初の１フィールド目である図１１のＦ1が得られるまでの状況を示した。
【００８８】
次に、図１０(Ｊ)の状態、すなわち、１フィールド目の全画素ｅの信号電荷の出力が終わった状態から、２フィールド目の各画素ｅの信号電荷の出力が行われる状況を説明する。すなわち、図１０(Ｊ)では、先に説明した動作により、垂直転送路VVの高輝度部BSの下側の領域には既にスミアＳによる電荷が存在している。ここで、図１０(Ｋ)に示すように、２フィールド目の各画素ｅの信号電荷が一斉に垂直転送路VVに読み出される。すると、１番から９番の画素ｅの信号電荷は、ここで既にスミアＳの影響を受けている状態になる。この状態から、図１０(Ｌ)，(Ｍ)ないし(Ｎ)に示すように、１フィールド目と同様に垂直転送を行い画素ｅの信号電荷を出力していくと、図１１のＦ2に示すように、全ての画素ｅの信号電荷がスミアＳの影響を受ける。以後は、図１０(Ｎ)の状態で読み出しが行われるため、３フィールド目以降も、同様の結果となる。
【００８９】
このように、従来の動作による動画の撮影では、垂直転送路VVのいずれか１点にでもスミアＳの発生源となる高輝度部BSが存在すると、その垂直転送路VVを通る全ての信号電荷がスミアＳの影響を受けることになる。このようにして、図９に示すように、高輝度部BSの上下に、スミアＳが広がってしまう。
【００９０】
次に、奇数フィールドと偶数フィールドとで垂直転送の方向を逆転させる本実施の形態の動作を図１２及び図１３を参照して説明する。ここで、図１２のＡは、図１０のＪの状態、すなわち、１フィールド目を出力した後、既に、図１３のＦ1に示す画像が得られた直後の状態を示している。そして、この図１２(Ａ)に示す状態から、図１２(Ｂ)に示すように、２フィールド目の各画素ｅの信号電荷を一斉に垂直転送路VVに読み出し、図１２(Ｃ)ないし(Ｊ)に示すように、今度は、１フィールド目とは逆方向に垂直転送を行っていく。このとき、高輝度部BSの上側に位置する１０番から１４番の画素ｅの信号電荷は、スミアＳの影響を全く受けることなく出力される。この時、図１３のＦ2に示すように、先のＦ1とは逆方向にスミアＳが発生した画像が得られる。さらに、３フィールド目では、図１２(Ｋ)ないし(Ｎ)に示すように、再び１フィールド目と同じ方向に垂直転送を行い、図１３のＦ3に示すように、先のＦ1と同方向にスミアＳが発生した画像が得られる。そして、このような動作を繰り返すことにより、奇数番目のフィールドと、偶数番目のフィールドとで、スミアＳの発生する方向を固定、すなわち上下のいずれか１方向に導くことができる。そして、以上の奇数列の説明と同様に、偶数列でも同様の動作でスミアＳの発生する方向を固定できる。なお、奇数列と偶数列とでは常に垂直転送の転送方向が逆転しているため、得られる画像上に発生するスミアＳの方向も逆になる。
【００９１】
続いて、本実施の形態によるスミア抑制動作について図１４及び図１５を参照して説明する。
【００９２】
図１４は、スミアＳの発生した奇数フィールドの奇数列の画像データP11に、後述する遮光画素(水平遮光ライン)ｅ2によるスミア検出状況の値ｅ2Ｌと、スミアＳが発生した列の垂直転送路VVに沿った輝度状況を示す値ｅＬのグラフとを組み合わせたものである。また、図１５は、スミアＳの発生した奇数フィールドの偶数列の画像データP12に、スミアＳが発生した列の垂直転送路VVに沿った輝度状況を示す値ｅＬのグラフとを組み合わせたものである。
【００９３】
すなわち、下部水平転送路Ｈ1から出力された信号電荷がアナログデジタル変換器14によりデジタル信号に変換された値である画像信号のうち、図３のＣＣＤ10の遮光画素(水平遮光ライン)ｅ2に相当する部分の画素ｅの画像信号は、上記のメモリ19の特定領域に記録される。ここで水平遮光ラインとは、ＣＣＤ10の受光面の上部及び下部に設けられたライン単位の遮光画素である。そして、これら水平遮光ラインは、本来は遮光されているため、この部分の信号レベルは暗黒に等しいが、ＣＣＤ10がスミアＳを発生している場合には、遮光部であっても先に説明した動作原理によりスミア電荷の影響を受け、スミアＳが発生した水平位置に等しい部分に、明るい信号出力ｅ2Ｌaが表れる。なお、このスミアＳの発生位置の検出は、上部水平転送路Ｈ2が選択されている時、すなわち、奇数フィールドの偶数列、あるいは、偶数フィールドの奇数列の画像で行う場合も、画面の上下関係を考慮すれば同様である。また、この図１４において、VVcはスミアＳの水平方向の中心線、ｅ2Ｌは画面下側の、すなわち、ＣＣＤ10上側の水平遮光ラインによるスミア検出状況、ｅＬは、スミアＳの水平方向の中心線VVc上を垂直方向に走査した画面上の輝度状況を示している。さらに、Ｗsは水平遮光ライン上に検出されたスミアＳの水平方向の幅、SLは左側のスミア境界、SRは右側のスミア境界、Ｄsはスミア基準レベルである。
【００９４】
そして、ＣＰＵ21は、水平遮光ラインの値ｅ2Ｌと、予め定められたスミア基準レベルＤsとを比較し、水平遮光ラインのデータのうち、スミア基準レベルＤsを超えた領域をスミアＳと判断し、このスミアＳの領域の水平方向の境界の位置SL，SRと幅Ｗsとから、発生しているスミアＳの水平方向の中心線VVcを求める。次に、メモリ19に記録されている画像データから、上記の水平方向の中心線VVc上で、画面の垂直方向に沿って画面下側から画像データP11を走査して輝度状況を示す値ｅＬを得る。このスミアＳの水平方向の中心線VVc上の値ｅＬのうち、最もレベルの高い領域ｅＬaを検知すると、そこから画面上側で画像データのレベルの落ち込む部分ｅＬbの位置をスミア発生源である高輝度部BSの上端Ｙsoと認識する。また、レベルの高い領域ｅＬaが画面の上端に接している場合は、高輝度部BSの上端Ｙsoは画面最上部と判断する。そして、ＣＰＵ21は、これら上端Ｙsoと、左右のスミア境界SL，SRとで囲まれた領域を、奇数フィールドの奇数列がスミアＳにより影響を受けている領域Ｓoと判断する。
【００９５】
次に、ＣＰＵ21は、図１６に示すように、奇数フィールドの偶数列の画像データP12について、先に得られたスミアＳの水平方向の中心線VVcを画面の上側から走査して、奇数列と同様の処理で、スミア発生源である高輝度部BSの下端Ｙseを検出し、さらに、この下端Ｙseと、左右のスミア境界SL，SRとで囲まれた領域を、奇数フィールドの偶数列がスミアＳにより影響を受けている領域Ｓ1と判断する。
【００９６】
次いで、ＣＰＵ21は、高輝度部BSの上端Ｙsoと下端Ｙseとから互いに等しい距離にある縦方向の位置を求め、高輝度部BSの垂直方向の中心線Ｈcとする。そして、このようにして得られたスミアＳの発生状況は、画像処理回路20に通知される。
【００９７】
そして、この画像処理回路20は、スミアＳの発生が検知されるまでは、通常の処理、すなわち、図５(a)に示す奇数列の画像データP1と、図５(b)に示す偶数列の画像データP2とを用いて、画面の全ての領域について単純に互いを内挿する方法で図４に示す画像データP0の画像を再現する。一方、ＣＰＵ21によりスミアＳの発生と発生状況とが知らされると、画像処理回路20は、通常処理から以下に説明するスミア抑制画像処理へと処理手法を切り替える。
【００９８】
すなわち、画面内の領域は、ＣＰＵ21からの通知により、スミアＳの発生のない領域、奇数列にスミアＳの発生している領域、及び偶数列にスミアＳの発生している領域に分類される。例えば、図１４及び図１５に示す例では、図１６に示すように、スミアＳの発生のない領域Ｉ，IIと、奇数列にスミアＳの発生している領域IIIと、偶数列にスミアＳの発生している領域IVとに分類される。なお、これら領域IIIと領域IVとの境界は、先に求めた高輝度部BSの垂直方向の中心線Ｈcである。そして、画像処理回路20は、スミアＳの発生のない領域Ｉ，IIについては、通常の処理により奇数列と偶数列とから画像の再現を行うが、奇数列にスミアＳの発生している領域IIIについては、偶数列のみから画像の再現を行い、偶数列にスミアＳの発生している領域IVについては、奇数列のみから画像の再現を行う。
【００９９】
すなわち、領域IIIは、奇数列のみにスミアＳが発生しており、偶数列の画像はスミアＳの影響を受けていない。そこで、この領域IIIでは、奇数列のデータを破棄して、偶数列のみから、例えば、線形補完法などの補間処理により、空白の奇数列データを演算により求め使用する。同様に、領域IVは、偶数列のみにスミアＳが発生しており、奇数列の画像はスミアＳの影響を受けていない。そこで、この領域IVでは、偶数列のデータを破棄して、奇数列のみから、例えば、線形補完法などの補間処理により、空白の偶数列データを演算により求め使用する。このようにして、奇数列の画像データと偶数列の画像データとからスミアＳの発生状況を考慮しつつ、画像再現を行うことにより、通常ではスミアＳが発生する撮影条件においても、スミアＳのない奇数フィールド画像を得ることができ、図７に示す画像P10を再現することができる。
【０１００】
そして、上記の奇数フィールドの説明と同様に、偶数フィールドにおいても、奇数列と偶数列との垂直転送方向が逆になることを考慮すれば、奇数フィールドと同じ手法により、スミア抑制処理の施された偶数フィールド画像を得ることができる。
【０１０１】
このように、ＣＣＤ10の、列毎に例えば奇数列と偶数列とで転送方向を反転可能な電極配線と、上部と下部とに出力部を２個設けた構造と、フィールド毎にすなわち奇数フィールドと偶数フィールドとで垂直転送方向を交互に逆転させる転送方法と、これらに応じた画像処理とにより、スミアＳを高輝度部BSの反対側に交互に発生させ、スミアＳの発生していない部分を利用して画像を構成することにより、従来の構成では画面の高輝度部BSから発生したスミアＳが主要被写体上に重なり被写体の判別を困難にするほどの撮影条件であっても、確実にスミアＳを除去することができ、すなわち効果的にスミアＳを抑制でき、容易に画質を向上できる。
【０１０２】
すなわち、(1)受光領域の上下に２系統の水平転送路Ｈ1，Ｈ2を設け、受光部の画素ｅは２組の垂直転送路VVの縦列、例えば偶数列と奇数列とに分けられていて、互いに同時に逆方向に、上部水平転送路Ｈ2と下部水平転送路Ｈ1とへ向けて信号電荷を転送できる垂直転送路VVを備えたＣＣＤ10を用い、(2)フィールド毎に各縦列の垂直転送路VVの垂直転送方向を前のフィールドとは逆方向にすることで、スミアＳの発生方向を高輝度部BSに対して上下いずれか一方向に固定でき、すなわち、偶数列の画像と奇数列の画像とで、スミアＳの発生位置を互いに排他的にできる。そして、(3)フィールドごとに、偶数列、奇数列の画像、いわば列画像上のスミアＳの発生状況を判別して、双方にスミアＳの無い領域では、上下の水平転送路Ｈ1，Ｈ2から出力された列画像を合成し、すなわち互いを内挿し、片方のみにスミアＳの発生している領域では、スミアＳが発生していない側の列画像のみを用いて補完処理を行い、１枚のフィールド画像を完成させる。そして、この(3)の動作を繰り返すことにより、スミアＳのない良好な連続したフィールド画像を得ることができる。
【０１０３】
また、スミアＳの発生状況の判別については、ＣＣＤ10は、受光領域に配置された感光画素ｅ1に加え、受光面の上部あるいは下部に光を遮光した遮光画素(水平遮光ライン)ｅ2を設けたため、この遮光画素ｅ2の信号状況から、スミアＳの水平座標及び幅を容易に特定できるとともに、このスミアＳ上を垂直方向に走査することにより、明るさの変化からスミアＳの垂直座標上の発生基準位置を特定し、すなわち、最も輝度の高い部分から落ち込む部分をスミアＳの境界として、垂直座標及び幅を容易に特定でき、画面上のスミアＳの発生領域を容易に正確に判断できる。
【０１０４】
さらに、このように、ＣＣＤ10に水平転送路Ｈ1，Ｈ2すなわち出力部を２個設けた構成を採ることにより、副次的に、１画素ｅ当たりの信号電荷の読み出し速度、すなわち、垂直転送路VVの転送速度、あるいは水平転送路Ｈ1，Ｈ2の転送速度を上げることなく、従来の２倍のフレームレート、すなわち、信号電荷の読み出し時間を従来の半分とすることができ、１秒あたりのコマ数を２倍にすることも容易に可能になる。さらに、この構成は、１秒あたりのコマ数を２倍にして動きの速い被写体を高い時間解像度で撮影できるほか、フレームレートは従来のままとした場合、１画素あたりの読み出し速度は従来のままにとどめても、従来の倍の画素数のＣＣＤまで扱うことができる。すなわち、より画素数の多い、空間解像度の高い高精細画像を容易に得ることにもつながり、スミアＳの抑制を含め、総合的に極めて高い画質を実現することができる。
【０１０５】
また、本実施の形態では、構造の複雑化を最小限に抑制し、製造コストなどコストの上昇を抑制できる。
【０１０６】
すなわち、チップ面積が倍になるフレームインターライントランスファ方式のＣＣＤに較べて、チップ面積は従来のままなので、コストの上昇を抑制できるとともに、スミアＳをより効果的に、ほぼ完全に除去できる。
【０１０７】
また、ＣＣＤを２個使用する構成に較べ、ＣＣＤ10は１個であるため、単純にコストを低減でき、また、ＣＣＤを２個使用する構成で必要な多軸調整による画角合わせ、及び２個のＣＣＤの特性差補償のための調整を不要にして、コストを削減できるとともに、２個目のＣＣＤによる消費電力の増加を抑制でき、さらに、入射光を分割することによる感度の低下も防止できる。
【０１０８】
さらに、スミアＳのない、高いフレームレートの動画像を得られるため、従来になく高速、高精度の自動露出制御や、オートフォーカスなどの機能動作を実現することも可能になる。
【０１０９】
なお、撮像装置１は、動画を撮影するデジタルビデオカメラについて説明したが、この構成に限られず、ＣＣＤを用いる機器に広く適用することができる。例えば、静止画を撮影可能なデジタルカメラについても、メカニカルシャッタなどを用いずに、スミアＳを低減できる。
【０１１０】
また、高輝度部BSを原因とするスミアＳの除去について説明したが、この構成に限られず、垂直転送路上の１点などに発生した障害により、この障害部分を超える信号電荷の転送に障害が生じている場合にも、この障害部分を除き、画像を取得することが可能になる。
【０１１１】
次に、ＣＣＤ10の詳細な構造とともにＣＣＤ10の動作を説明する。
【０１１２】
なお、以下に詳細に説明するが、第１及び第２の実施の形態は、原色ベイヤー配列のインターレースＣＣＤを用いたもの、第３及び第４の実施の形態は、原色ベイヤー配列のプログレッシブＣＣＤを用いたもの、第５及び第６の実施の形態は、インターレース補色線順次ＣＣＤを用いたものである。そして、各実施の形態において、それぞれ全画素個別読み出しモード、間引き読み出しモード、加算読み出しモードを切り替え可能、あるいは、全画素個別読み出しモードと加算読み出しモードとを切り替え可能なものであるが、加算読み出しモードを実現する構成として、第１、第４、第６の実施の形態は、垂直転送を正方向のみに転送(正転送)するとともに、水平転送路における加算を行うものであり、第２、第３、第５の実施の形態は、垂直転送を正転送のみならず逆転方向に転送(逆転転送)するものである。
【０１１３】
以下、インターレースＣＣＤを用いた第１及び第２の実施の形態に共通な構成を概説する。
【０１１４】
図１に示すように、ＣＣＤ10の各画素ｅは、図３で説明した構成と同様に、多くが光の当たる感光画素ｅ1であるが、各列の上下の端部に位置して、遮光構造により光の当たらない遮光画素(水平遮光ライン)ｅ2が設けられている。なお、図１においては、説明を容易にするため、画素ｅの数を極端に少なく記載しているが、実際には、画素ｅの数は、例えば数万個から数百万個に設定される。さらに、画素ｅの数は、これらに限定されるものではなく、適宜設定される。
【０１１５】
さらに、いわゆるカラーベイヤー配列間引き対応インターライン型インターレーススキャンＣＣＤであり、すなわちベイヤ方式(原色方式)である本実施の形態では、各画素ｅには、図１、図１７及び図１８に示すように、Ｒ(赤)，Ｇ(緑)，Ｂ(青)のカラーフィルタが備えられ、奇数列の縦列のカラーフィルタの組み合わせがＲＧＲＧ…となり、Ｒが偶数番目、Ｇが奇数番目の水平ライン上にあり、偶数列の縦列のカラーフィルタの組み合わせがＧＢＧＢ…で、Ｇが偶数番目、Ｂが奇数番目の水平ライン上にあり、さらに、本実施の形態では、縦２列で一つの群を構成し、Ｎを正の整数とすると、４Ｎ−３(CV1，CV5，…)列及び４Ｎ−２(CV2，CV6，…)列で構成される第１列群Ｉと、４Ｎ−１(CV3，CV7，…)列及び４Ｎ(CV4，CV8，…)列で構成される第２列群IIとが交互に配置されている。なお、図１及び図３において、ｒ，ｇ，ｂは、Ｒ，Ｇ，Ｂと同一の赤、緑、青のカラーフィルタであるが、第１列群Ｉと第２列群IIとを区別するために符号を区別して付している。
【０１１６】
また、このＣＣＤ10の配線部としてのゲート配線27は、各垂直転送路を構成するゲート電極28に接続される垂直転送路ゲート信号配線を備えている。そして、加算されるラインの数によらず、ゲート電極28(すなわち垂直転送路ゲート信号配線)は、４系統の電荷読出電極V1A，V1B，V3A，V3Bに、電荷読出動作を伴わない垂直転送専用ゲート電極V2，V4を加え、合計６系統の垂直転送電極V1A，V1B，V2，V3A，V3B，V4を備えており、本数の点では、通常のインターレースＣＣＤと同様である。そして、各画素ｅに蓄積された信号電荷は、それぞれに隣接する垂直転送路CVの電荷読出電極にプラス電位の電荷読出電圧である信号電荷読出パルスが加わることで、垂直転送路CV側に読み出される。
【０１１７】
一方、ゲート電極28の配置は、従来の構成と異なり、第１列群Ｉと第２列群IIとで互いに異なり、これら第１列群Ｉと第２列群IIとで互いに反対方向に信号電荷を転送するように構成されている。すなわち、第１列群Ｉでは、ゲート電極28の配置は、図中上方から、V1A，V2，V3B，V4，V1B，V2，V3B，V4，V1B，V2，V3A，V4，V1B，V2，V3B，V4，V1B，V2，V3B，V4，…、となっているのに対し、第２列群IIでは、逆に、V1A，V4，V3B，V2，V1B，V4，V3B，V2，V1B，V4，V3A，V2，V1B，V4，V3B，V2，V1B，V4，V3B，V2，…、と配置されている。そこで、ＣＣＤ駆動回路11からの駆動信号により、図１及び図３に矢印で示すように、第１列群Ｉ上の信号電荷を下部水平転送路CH1側(図中下方)に転送するようにゲート電極28に電圧を加えると、自動的に、第２列群II上の信号電荷は、上部水平転送路CH2側(図中上方)に転送される。また、矢印とは反対に、第１列群Ｉ上の信号電荷を上部水平転送路CH2側(図中上方)に転送するようにゲート電極28に電圧を加えると、自動的に、第２列群II上の信号電荷は、下部水平転送路CH1側(図中下方)に転送される。
【０１１８】
なお、ゲート電極28の配置は、画素のカラーフィルタ配列、及びインターレース処理かプログレッシブ処理かなどに応じて設定され、また、上記のように、縦２列で一つの群を構成し、これら列群毎に転送方向を反転する構成に限られず、各列群でカラーを再現するのに支障がなければ、適宜の配列を、例えば、３列毎や、任意の列毎、あるいは、２列３列の繰り返し(CV1，CV2，CV6，CV7，…、とCV3，CV4，CV5，CV8，CV9，CV10，…)などとすることもできる。
【０１１９】
そして、電荷読出電極V1A，V1B，V3A，V3Bを含む合計６系統の垂直転送電極V1A，V1B，V2，V3A，V3B，V4には、ＣＣＤ駆動回路11から駆動信号が加えられるが、このＣＣＤ駆動回路11は、ＣＰＵ21から駆動モード切替信号が入力され、この駆動モード切替信号により、ＣＣＤ駆動回路11がＣＣＤ10の駆動動作モードを切り替えるようになっている。
【０１２０】
そして、本実施の形態では、間引き読み出しモード(第１の駆動)、加算読み出しモード(第２の駆動)、及び全画素個別読み出しモード(第３の駆動)が切り替えられるようになっている。
【０１２１】
次に、実際の信号読出動作について、全画素個別読み出しモードから説明する。
【０１２２】
まず、全画素ｅは、電子シャッタ動作により、不要な信号電荷がＣＣＤ10の基板部へ掃き捨てられて、図示しない光学系を介した露光に対して一斉に信号電荷の蓄積を開始する。そして、所定の露光時間が経過して露光が終了すると、図示しないメカニカルシャッタなどの遮光手段により各画素ｅへの光路が遮断され、各画素ｅは、以後全信号電荷が読み出し終わるまで暗黒状態で保持される。
【０１２３】
次に、図１９及び図２０を参照して電荷読出及び垂直転送の状態を説明する。これら図１９及び図２０は、図１７の一番左端の縦列(第１列群ＩのＲＧ列)における電荷読出と垂直転送の様子すなわち垂直転送波形とポテンシャルについて説明しているが、以下の説明において、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。また、これら図１９及び図２０において、V1A〜V4を付した波形は、各垂直転送路ゲート信号の電圧波形を示し、この電圧波形に直交する方向に示すＡ〜Ｇを付した波形は垂直転送路のポテンシャルを示している。また、図中、29は電荷読出パルス、30は読み出された信号電荷である。まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図１９のＡに示す状態から、図１９のＢに示すように、V3A，V3Bに電荷読出パルス29を加える。すると、図１９のＣに示すように、偶数ライン上の全ての信号電荷が垂直転送路CVへ読み出される。次いで、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図１９のＤ〜Ｇに示すように、読み出した信号電荷30を１段垂直転送し、最下部のラインの信号電荷を図示しない水平転送路CHに転送する。この後、水平転送により１ラインの信号電荷(画素電荷)を全て読み出す。次いで、１段垂直転送、水平転送を繰り返し偶数ラインの信号電荷を個別に全て読み出し、ＣＣＤ10の外部に出力して第１フィールドの読み出しを終了する。
【０１２４】
続いて、図２０のＡに示す各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態から、図２０のＢに示すように、V1A，V1Bに電荷読出パルス29を加える。すると、図２０のＣに示すように、奇数ライン上の全ての信号電荷が垂直転送路へ読み出される。次いで、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図２０のＤ〜Ｅに示すように、読み出した信号電荷30を１／２段垂直転送し、さらに、図２０のＦ〜Ｉに示すように、読み出した信号電荷30を１段垂直転送し、最下部のラインの信号電荷を図示しない水平転送路に転送する。この後、水平転送により１ラインの信号電荷(画素電荷)を全て読み出す。次いで、１段垂直転送、水平転送を繰り返し奇数ラインの信号電荷を個別に全て読み出し、ＣＣＤ10の外部に出力して第２フィールドの読み出しを終了する。
【０１２５】
このようにして、２フィールドにわたりＣＣＤ10上の信号電荷を読み出すことにより、全画素個別読み出しモードの読み出し動作が完了する。図２１に模式的に示すように、この全画素個別読み出しモードの動作は、外部遮光手段との併用により、２フィールドを使って全画素を個別に読み出すモードであり、１コマが偶数ラインと奇数ラインとで２分割されていることと、機械シャッタなどの物理的遮光手段の動作が伴うことに加え、非常に遅いフレームレートとなることから、動画像には向かないものの、いわゆる多画素ＣＣＤの全画素を全て独立で読み出すため、静止画としては高精細の画像を得ることができる。
【０１２６】
次に、本実施の形態のＣＣＤ10を用いて行われる１／５間引きモード、すなわち、４／５ラインを間引いて１／５ラインを読み出す間引き読み出しモードを説明する。
【０１２７】
この１／５間引きモードは、主に動画の撮影に用いられ、選択されるカラーフィルタの組み合わせ方が考慮されており、１フィールドでＲＧＢ全てのカラーフィルタ信号が揃うように配慮されている。そして、１度の露光、読み出しでＲＧＢが１フィールド内に揃うので、信号電荷の読み出し時にメカニカルシャッタなどの遮光手段による遮光動作を伴う必要もない。そして、このモードでは、V1A，V3Aのみに電荷読出パルスが与えられるので、これらV1A，V3Aに接続されないその他のフォトダイオードすなわち画素ｅの読み出しは行われない。すなわち、このＣＣＤ10は、V1Aが１０画素(ライン)ごとに１個(５の倍数の奇数ライン番号のＧ及びＢの画素)、V3Aが１０画素(ライン)ごとに１個(１０の倍数の水平ライン番号のＲ及びＢの画素)接続されているので、これらV1A，V3Aに隣接する一部の画素(図１７に網掛けで示すＲ0，Ｇ5，Ｒ10，Ｇ15，…，Ｇ0，Ｂ5，Ｇ10，Ｂ15，…，ｒ0，ｇ5，ｒ10，ｇ15，…，ｇ0，ｂ5，ｇ10，ｂ15，…)のみから選択的に信号電荷を読み出せるようにゲート電極28が配置されており、多画素ＣＣＤであっても、画素(ライン)の間引き読み出しを行うことにより、高いフレームレートが実現できるようになっている。
【０１２８】
この間引き読み出しモードは、概略としては、垂直転送路電極への電圧印加操作を行い、信号電荷の垂直転送路への読み出しを行い、以後、３段垂直転送、水平転送、２段垂直転送、水平転送を繰り返すことにより、全水平ラインの１／５、すなわち、全画素の１／５のみを選択的に読み出すことで１／５間引き読み出しが容易に実現できるようになっている。この間引き読み出しモードでは、全画素を個別に読み出す場合の５倍という高いフレームレートを特徴とし、一般的に、動画の撮影、表示に用いられる。また、この間引き読み出しモードは、静止画などの撮影時に、撮像装置１の使用者が、レリーズボタンを押動操作してから本撮影が行われる間での間に、例えば、被写体輝度測定、被写体距離測定などの予備測定用画像を高速に獲得する手段としても用いられる。
【０１２９】
以下、この読出動作を図２２を参照して説明する。図２２は、図１７の一番左端の縦列(第１列群ＩのＲＧ列)における電荷読出と垂直転送の様子について説明しているが、以下の説明において、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。さらに、この転送方向は、上記のように１画面としての１フィールド毎に反転され、スミアの除去が行われる。また、この図２２において、29aは、V3Aに加えられる電荷読出パルス、29bは、V1Aに加えられる電荷読出パルス、30aは、選択されて読み出されたＲＧラインの信号電荷、30bは、同じく選択されて読み出されたＧＢラインの信号電荷である。
【０１３０】
まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図２２のＡに示す状態から、図２２のＢに示すように、V3Aに電荷読出パルス29aを加える。すると、図２２のＣに示すように、ＲO、ＲlO、Ｒ20…、と１０ラインおきにＲの画素を含むラインの信号電荷30aが垂直転送路へ読み出される。次いで、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図２２のＤ〜Ｅに示すように、読み出した信号電荷30aを１／２段垂直転送し、さらに、図２２のＦに示すように、V1Aに電荷読出パルスを加える。すると、図２２のＧに示すように、Ｇ5、Ｇ15…、Ｂ5、Ｂ15…と、同様に１０ラインおきにＧの画素を含むラインの信号電荷30bが垂直転送路へ読み出される。この状態では、垂直転送路の電荷保持部５段の内、２段分にのみ信号電荷30a，30bが存在し、残りは空である。従って、この後は、垂直転送路３段転送後、水平転送、水平転送終了後、垂直転送路２段転送後、水平転送…の繰り返しで水平転送路へと順次垂直転送路上を信号電荷が転送されて行く。
【０１３１】
図２３に模式的に示すように、この動画モードの動作では、フレームレートは全画素個別読み出しモードの５倍の速度となるが、ラインを大幅に間引いているので、当然ながらこの動画モードにより得られた画像の垂直方向の空間周波数再現性は著しく悪化している。
【０１３２】
次に、加算読み出しモードについて説明する。
【０１３３】
この加算読み出しモードは、動画モード、同色５ライン足し合わせ全画素読出モード、あるいは同色加算全画素読み出しモードとも呼びうるもので、ＣＣＤ10は、各垂直転送路に沿って縦１列にある２色のカラーフィルタ画素のうち、先に一方の同色の信号電荷を全て垂直転送路へ読み出した後、複数系統ある電荷読出電極のうち、特定の系統の電荷読出電極に電荷読出電圧を印加したまま、垂直転送を行うことにより、この垂直転送路上で同色同士のライン加算を行う。さらに、垂直転送と、複数ある電荷読出電極による選択的な読出とを組み合わせて、先に読み出され垂直転送路上で加算されている信号電荷と、後に読み出す別の色のもう一方のラインの信号電荷との混色を回避させながら、もう一方のカラーフィルタ画素を含むラインの画素を垂直転送路に読み出して、１色目と同様に特定の電荷読出電極に電荷読出電圧を加えたまま垂直転送を行うことにより、あるいは、第２の転送路としての水平転送路上でのライン加算動作を組み合わせることにより、後から読み出された同色同士のライン加算を行い、結果として、同色同士を複数ラインで加算して全画素読出を行い、フレームレートを向上しつつ、垂直空間周波数再現性の向上、画素感度の向上といった動画の著しい画質向上などを実現でき、さらに、各種ＣＣＤにも適用可能であるとともに、構造の複雑化を抑制して製造コストの上昇を抑制できるものである。
【０１３４】
すなわち、多画素ＣＣＤで、垂直転送路へ電荷読出後に特定の読出電極に電圧印加状態のまま垂直転送を行うことで画素電荷混合を行い、高速高画質動画像を得ることができ、さらに、動画像の画質向上などを読み出しの手法のみで実現でき、動画の撮影、表示や本撮影前の予備測定に最適である。
【０１３５】
そして、電荷読出電極V1Aが５の倍数の奇数ライン番号のＧの画素の電荷読出電極、V1Bが残りのＧの画素すなわち残りの奇数番目の水平ラインの電荷読出電極、V3Aが１０の倍数の水平ライン番号のＲの画素の電荷読出電極、V3Bが残りのＲの画素すなわち残りの偶数番目の水平ラインの電荷読出電極であるとする。ちなみに、この場合、その１つ隣の縦列は、カラーフィルタの組み合わせがＧＢＧＢ…で、Ｇが偶数番目、Ｂが奇数番目の水平ライン上にある。すなわち、V1Aは５の倍数のライン番号のＢの画素、V3Aは１０の倍数の水平ライン番号のＧの画素の電荷読出電極になる。以下、ここでは、説明を簡略化するため、ＲＧＲＧの縦列について、同色加算全画素読み出し動作を説明する。
【０１３６】
まず、V3AとV3Bに電荷読出電圧を加えて、第１の色としてのＲ画素の信号電荷、即ち偶数ラインの信号電荷を全て垂直転送路へ読み出す。その後、V3Bの電圧はもとに戻すが、V3Aには電荷読出電圧を加えたまま垂直転送を４段分行う。すると、１０ライン毎（垂直転送路５段毎）に存在するV3Aの電極下ではポテンシャル井戸が深いままなので、この部分でV3Aの上方向に近接するＲ画素５画素分の信号電荷が同色同士で加算し、第１の加算電荷としてのＲの５画素加算電荷(5Ｒ)を生成する。その後、このＲの５画素加算電荷すなわち偶数ラインの５画素加算電荷を、混色を避ける為、V1A電極下へ垂直転送して一時待避させた後、V1Bにのみ電荷読出電圧を加えて、５の倍敷以外の第２の色としてのＧの画素、即ち５の倍数以外の奇数ラインの信号電荷を垂直転送路へ読み出す。すると、これらＧの画素の内、Ｒの５画素加算電荷の位置するV1A電極以外の場所の全ての信号電荷が読み出される。そして、１段垂直転送し、今度は、Ｒの５画素加算電荷をV1A電極から待避させ、V1Aに信号電荷読出電圧を加える。この結果、V1A電極下で、V1A電極のＧの信号電荷と、その１つ上の既に読み出されていて１段転送されたＧの信号電荷とが合計２画素分混合すなわち加算される。そして、同じくV1Aに電荷読出電圧を加えたまま、垂直転送を３段分行う。すると、１０ライン毎（垂直転送路５段毎）に存在するV1Aの電極下ではポテンシャル井戸が深いままなので、この部分でV1Aの上方向に近接する残りのＧ画素３画素分が加算され、同色同士５画素が足し合わされて、第２の加算信号電荷としてのＧの５画素加算電荷(5Ｇ)が生成される。
【０１３７】
この結果、垂直転送路には、5Ｇ、5Ｒ、空、空、空、5Ｇ、5Ｒ、空、空、空…の繰り返しで全画素が読み出された状態が作り出される。その後、垂直転送１段、水平転送、垂直転送５段、水平転送の繰り返しで外部へ信号を読み出すと、５倍のフレームレートで同色加算全画素読み出しが実現する。
【０１３８】
そして、図２４及び図２５に示すように、第１の実施の形態は、垂直転送路電極への電圧印加操作を行い、信号電荷の垂直転送路CVへの読み出しを行い、以後、１段垂直転送、水平転送、４段垂直転送、水平転送…を繰り返し、また、図３０及び図３１に示すように、第２の実施の形態は、垂直転送路電極への電圧印加操作を行い、信号電荷の垂直転送路への読み出しを行い、以後、４段垂直転送、水平転送、１段垂直転送、水平転送…を繰り返して、カラーフィルタ画素を混色させずに同色同士が５画素分加算されて、全画素分の信号電荷を、全画素を個別に読み出す場合の５倍のフレームレートで読み出すことを可能としている。このように、第１及び第２の実施の形態のいずれも、最終的には、上記の１／５の画素を選択した間引き読み出しモードに較べて、感度が５倍になったことと等価になり、かつ、上記の１／５の画素を選択した間引き読み出しモードとほぼ同様の出力形態で、同じフレームレートの画像信号を得ることができる。そして、この加算読み出しモードにおける駆動方法は、電荷読出パルス(図２４における31a、図３０における31a，32a)を出力したまま、垂直転送を行うことにより、垂直転送路上での複数画素の加算を行うことで実現されている。
【０１３９】
次いで、図２４ないし図２９を参照して、加算読み出しモードを実現する第１の実施の形態を説明する。
【０１４０】
そして、これら図２４及び図２５においては、図１７の一番左端の縦列(第１列群ＩのＲＧ列)における電荷読出と垂直転送の様子について説明しているが、以下の説明において、図１８に示すように、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。さらに、この転送方向は、上記のように１画面としての１フィールド毎に反転され、スミアの除去が行われる。また、図２４に示すV1A〜V4を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形と、図２５に示すV1A〜V4を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形とは、同一のものである。一方、この電圧波形に直交する方向に示すＡ〜Ｔを付した垂直転送路のポテンシャル状況を示す波形は、図２４が前半部分を示し、図２５が後半部分を示している。
【０１４１】
まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図２４のＡに示す状態から、図２４のＢに示すように、V3A，V3Bにそれぞれ電荷読出電圧としての電荷読出パルス31a，31bを与え、偶数ラインの信号電荷33のみを全て垂直転送路に読み出す。次に、図２４のＣ〜Ｈに示すように、V3Bの電荷読出パルス31bの印加は停止するが、V3Aには電荷読出パルス31aを加えたまま、４段分正方向に垂直転送を行う。すると、垂直転送を行っても、１０ラインおき、すなわち５段おきのV3Aの電極部分でポテンシャル井戸が深くなっているため、読み出された偶数ラインの信号電荷(画素電荷)は、V3A下の電荷保持部において、Ｒの画素の同色５画素分の信号電荷が混合すなわち加算される。そして、V3Aの電荷読出パルス31aの印加を停止した状態で、図２４のＩ及び図２５のＩに示すように、１段あたりに５画素分の信号電荷が足し合わされた第１の加算電荷としての５画素混合電荷34が保持された状態となる。
【０１４２】
そして、この図２４のＩ及び図２５のＩに示す状態から、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図２５のＪ〜Ｌに示すように、５画素混合電荷を水平転送路方向に２．５段分垂直転送し、V1A電極下に偶数ラインの５画素混合電荷を一時待避させる。この状態から、図２５のＭに示すように、V1Bに電荷読出パルス32bを与え、奇数ラインの信号電荷の４／５を読み出す。次いで、図２５のＮに示すように、このV1Bの電荷読出パルス32bの印加を停止した後、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図２５のＯ〜Ｒに示すように、偶数ラインの５画素混合電荷34及び奇数ラインの４／５の信号電荷を、一段分、水平転送路に向かって垂直転送する。
【０１４３】
次いで、図２５のＳに示すように、V1Aに電荷読出パルス32aを与え、奇数ラインの残りの１／５ラインの電荷を垂直転送路へ読み出す。次いで、図２５のＴに示すように、V1Aの電荷読出パルス32aの印加を停止した後、この図２５のＴに示すV1Aの電極下では、奇数ラインのうち、隣接する２画素分が混合され、残りの奇数ラインの電荷保持部には１画素分の信号電荷が読み出され保持された状態となる。この状態で、５Ｒ，２Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，５Ｒ，２Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，…の繰り返しの形で、全画素の信号電荷が垂直転送路へ一部加算され読み出された状態になる。
【０１４４】
さらに、この後の垂直転送及び水平転送は図２６ないし図２８に示すように行われる。すなわち、図２６(Ａ)は、図２５のＴに示す垂直転送路の状態を示している。また、図２６ないし図２８の41は垂直転送路を示し、42は水平転送路を示している。そして、この図２６(Ａ)の段階では、上記の読み出し動作の過程の結果により、既に水平転送路42には、偶数ラインの５画素混合電荷(Ｒ0+Ｒ2+Ｒ4+Ｒ6+Ｒ8)34が存在している。そこで、図２６(Ｂ)に示すように、この５画素混合電荷(Ｒ0+Ｒ2+Ｒ4+Ｒ6+Ｒ8)34を水平転送で読み出した後、図２６(Ｃ)に示すように、水平転送を止めたまま垂直転送を行い、水平転送路で奇数ラインの加算すなわち画素混合を行う。また、この図２６(Ｃ)に示す状態では、水平転送路上の信号電荷（Ｇ1+Ｇ3）は、画面の端部のため、足し合わせが足りず、不完全な混合画素数となっている。そこで、図２７(Ｄ)に示すように、この電荷（Ｇ1+Ｇ3）を水平転送出力したのち、図２７(Ｅ)に示すように、１段分垂直転送を行って、５画素が足し合わされた偶数ラインの５画素混合電荷(Ｒ10+Ｒ12+Ｒ14+Ｒ16+Ｒ18)34を水平転送路へ転送する。
【０１４５】
そして、図２７(Ｆ)に示すように、この５画素混合電荷(Ｒ10+Ｒ12+Ｒ14+Ｒ16+Ｒ18)34を水平転送により出力する。次いで、図２８(Ｇ)に示すように、１段分垂直転送を行って、奇数ラインの２画素を足し合わせた信号電荷（Ｇ5+Ｇ7）を水平転送路へ転送する。次いで、図２８(Ｈ〜Ｉ)に示すように、水平転送を行わないうちに、引き続き３段分の垂直転送を行い、水平転送路上で奇数ラインの加算を行い、第２の加算電荷としての５画素加算信号電荷である５画素混合電荷(Ｇ5+Ｇ7+Ｇ9+Ｇ11+Ｇ13)44を生成する。
【０１４６】
そして、この信号電荷を水平転送で出力した後は、上記と同様に、１段垂直転送、水平転送、４段垂直転送、水平転送…との動作を繰り返し、画像信号を外部へ読み出す。このように、垂直転送路41に全画素が一部加算されて読み出された後は、垂直転送路41を１段、４段の繰り返しで転送動作させることにより、結果として、静止画の５倍のフレームレートで全画素信号を読み出すことができる。
【０１４７】
そして、図２９は、この加算読み出しモードにより、最終的に足し合わされて読み出された画素の組み合わせを模式的に示している。
【０１４８】
なお、信号電荷の本来の配列は、Ｇ1〜3→Ｒ0〜8→Ｇ5〜13→Ｒ10〜18→Ｇ15〜23→Ｒ20〜28…となるべきところ、この図２９から分かるように、この第１の実施の形態では、Ｒ0〜8→Ｇ1〜3→Ｒ10〜18→Ｇ5〜13→Ｒ20〜28→Ｇ15〜23…との順で５画素混合電荷である加算信号が出され、偶数ラインと奇数ラインとの位置関係が逆転しており、入力ライン順の偶数奇数を入れ替える操作が必要になる。そして、このような現象は、この実施の形態に示すＣＣＤ10の後段に配置される画像処理などを司るＣＣＤ10外部の構成要素により、例えば、１ライン分の画像データを記録できる処理装置としてのラインバッファを設け、あるいは、メモリ19を利用して、先に出力されたライン信号を一時保持し、次のライン信号を先に通過させ、偶数ラインと奇数ラインとの信号を入れ替える処理などを行うことで、補償することができる。
【０１４９】
このように、本実施の形態によれば、インターレースＣＣＤでは、ほとんどのカラーフィルタ配列において、電荷読出の手法を変更するだけで、いわば高フレームレート同色加算全画素読み出しを実現できる。この結果、コストが上昇することなく、あるいはコストの上昇を抑制しつつ、動画像の画質を著しく向上できるとともに、加算読み出しによる高感度化効果に伴い、動画の撮影条件を、特に暗いシーンなどで大きく広げることができる。また、ＣＣＤの画素数の増加に伴い、ラインの加算数が増加しても、垂直転送電極の数は変わらず、コストの上昇を抑制できる。
【０１５０】
また、本実施の形態では、垂直転送路において、信号電荷を水平転送路方向である正方向のみに転送すれば良く、逆転転送する必要がないため、逆転転送の転送効率が著しく低下したＣＣＤについても対応でき、汎用性を向上できる。
【０１５１】
次に、第２の実施の形態について説明する。なお、この第２の実施の形態のＣＣＤ10の内部構成及びＣＣＤ10の駆動を含む基本動作は、上記の第１の実施の形態と全く同様である。そして、この実施の形態では、同色５ライン足し合わせ全画素読出駆動において、第１の実施の形態で必要となったＣＣＤ10外部の構成要素によるライン入れ替え処理を、ＣＣＤ10の駆動手法を工夫することにより不要とすることができるものである。
【０１５２】
以下、第２の実施の形態による加算読み出しモード(同色５ライン足し合わせ全画素読出モード)について、図３０及び図３１を参照して説明する。これら図３０及び図３１においては、図１７の一番左端の縦列(第１列群ＩのＲＧ列)における電荷読出と垂直転送の様子について説明しているが、以下の説明において、図１８に示すように、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。さらに、この転送方向は、上記のように１画面としての１フィールド毎に反転され、スミアの除去が行われる。
【０１５３】
また、図３０に示すV1A〜V4を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形と、図３１に示すV1A〜V4を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形とは、同一のものである。一方、この電圧波形に直交する方向に示すＡ〜Ｓを付した垂直転送路のポテンシャル状況を示す波形は、図３０が前半部分を示し、図３１が後半部分を示している。
【０１５４】
まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図３０のＡに示す状態から、図３０のＢに示すように、V3A，V3Bにそれぞれ電荷読出パルス31a，31bを与え、偶数ラインの信号電荷のみを全て垂直転送路に読み出す。次に、図３０のＣ〜Ｈに示すように、V3Bの電荷読出パルス31bの印加は停止するが、V3Aには電荷読出パルス31aを加えたまま、４段分正方向に垂直転送を行う。すると、垂直転送を行っても、１０ラインおき、すなわち５段おきのV3Aの電極部分でポテンシャル井戸が深くなっているため、読み出された偶数ラインの信号電荷(画素電荷)は、V3A下の電荷保持部において、Ｒの画素の同色５画素分の信号電荷が混合すなわち加算される。そして、V3Aの電荷読出パルス31aの印加を停止した状態で、図３０のＩ及び図３１のＩに示すように、１段あたりに５画素分の信号電荷が足し合わされた５画素混合電荷34が保持された状態となる。
【０１５５】
そして、この図３０のＩ及び図３１のＩに示す状態から、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図３１のＪ〜Ｋに示すように、５画素混合電荷34を水平転送路とは逆方向に２．５段分垂直転送、すなわち逆転転送し、V1A電極下に偶数ラインの５画素混合電荷34を一時待避させる。この状態から、図３１のＬに示すように、V1Bに電荷読出パルス32bを与え、奇数ラインの信号電荷の４／５を読み出す。次いで、図３１のＭに示すように、このV1Bの電荷読出パルス32bの印加を停止した後、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図３１のＮ〜Ｏに示すように、偶数ラインの５画素混合電荷34及び奇数ラインの４／５の信号電荷を、一段分、正方向にすなわち水平転送路に向かって垂直転送する。
【０１５６】
次いで、図３１のＰに示すように、V1Aに電荷読出パルス32aを与え、奇数ラインの残りの１／５ラインの信号電荷を垂直転送路へ読み出す。すると、この図３１のＰに示すV1Aの電極下では、奇数ラインのうち、隣接する２画素分が混合され、残りの奇数ラインの電荷保持部には１画素分の信号電荷が読み出され保持された状態となる。この状態から、図３１のＱ〜Ｒに示すように、V1Aに電荷読出パルス32aを加えたまま、各信号電荷を正方向に３段分垂直転送する。すると、図３１のＲに示すように、V1Aの電極下の電荷保持部において、Ｇの画素同色５画素分の信号電荷が加算され、５画素混合電荷44が生成される。そして、V1Aの電荷読出パルス32aの印加を停止した後、図３１のＳに示すように、１段あたりに偶数ライン、奇数ラインそれぞれの信号電荷が同色同士で５画素分足し合わされた５画素混合電荷34，44が保持された状態となる。
【０１５７】
さらに、この後の垂直転送及び水平転送は図３２ないし図３４に示すように行われる。すなわち、図３２(Ａ)は、図３１のＳに示す垂直転送路の状態を示している。また、図３２ないし図３４の41は垂直転送路を示し、42は水平転送路を示している。図３０及び図３１に示す工程では、垂直転送路41で複数ラインを足し合わせているが、端部、例えば水平転送路42側である一番下側のライン43では、全ての有効画素の足し合わせはできず、不完全な画素混合状況が発生している。そこで、まず、このライン43の不完全な混合画素を垂直転送、水平転送で外部に読み出す。この後、図３２(Ｂ)に示すように、最初の有効な５画素混合ラインを水平転送路に転送する。この５画素混合ラインの上部には、空の電荷保持部が３段分存在するため、ここで直ちに水平転送を行わず、図３２（Ｃ）、図３３(Ｄ)、及び図３３(Ｅ)に示すように、３段分垂直転送を行う。即ち、最初の有効ラインを水平転送路に転送した分を含めると、水平転送を行う前に４段の垂直転送を行う。その後、図３３(Ｆ)に示すように、水平転送を行って、最初の有効５画素混合ラインを読み出し、次に、図３４(Ｇ)に示すように、１段分垂直転送を行って、次の有効５画素混合ラインを水平転送路に転送する。そして、今回は、図３４(Ｈ)に示すように、直ぐ上に有効ラインが存在するため、直ちに水平転送を行い、図３４(Ｉ)に示すように、１段分垂直転送を行う。
【０１５８】
そして、以後、４段垂直転送、水平転送、１段垂直転送、水平転送、…との動作を繰り返し、画像信号を外部へ読み出す。このように、垂直転送路で全画素が読み出され同色同士足し合わされた後は、垂直転送路は４段、１段の繰り返しで正方向に転送動作させることにより、結果として、静止画の５倍のフレームレートで全画素信号を読み出すことができる。
【０１５９】
なお、図３５は、この加算読み出しモードにより、最終的に足し合わされて読み出された画素の組み合わせを模式的に示している。このように、本実施の形態では、電荷読出の過程で垂直転送の方向の反転である逆転転送の動作を行うことにより、ラインの読み出し順の補正が可能になり、外部構成要素などによるライン入れ替え処理の必要もなく、コストを低減することが容易になる。
【０１６０】
また、この第２の実施の形態では、偶数ラインのみならず奇数ラインも垂直転送路上でライン加算動作を完結させているが、第１の実施の形態と同様に、奇数ラインの加算動作は、垂直転送路上での加算と水平転送路上での加算とを組み合わせて実現することもできる。
【０１６１】
また、第１の実施の形態においても、奇数ラインの加算動作を、この第２の実施の形態のように、垂直転送路上で完結させることもできる。すなわち、本願で説明する各実施の形態において、奇数ラインの加算動作は、垂直転送路上で完結させてもよく、また、垂直転送路上での加算と水平転送路上での加算とを組み合わせて実現することができる。
【０１６２】
このように、加算読み出しは、原色ベイヤー配列に限られず、１つの縦ラインのカラーフィルタが２組以下であれば、どのようなフィルタ配列であっても適用可能であり、あらゆるカラーフィルタ配列のカラー単板、動画静止画兼用、間引き対応の多画素インターラインＣＣＤにおいて、副次的な混色を回避させた複数ライン加算による高速全画素読み出しを、ライン加算数の増加とともに垂直転送電極数を増加させることなく、あらゆる数のライン加算において、同一最低限の垂直転送電極構成で実現できるものである。すなわち、第４の実施の形態に示すフィルタ配列など以外にも、現存するほとんど全てのフィルタ配列において適用可能である。また、同一色の画素同士の画素加算を行う際に、垂直転送路における逆点転送を行い、ＣＣＤから出力した後の処理を容易にする構成を採ることもでき、また、逆転転送の効率が悪いＣＣＤなどにおいては、正方向のみに転送することもできるものである。
【０１６３】
なお、上記の原色ベイヤー配列のインターレースＣＣＤについての第１及び第２の実施の形態の説明では、第１列群ＩのＲＧ列について説明したが、第１列群ＩのＧＢ列についても同様の加算が行われ、加算結果である加算電荷は同じ水平転送路Ｈを用いて画像信号が出力される。一方、第２列群IIのｒｇ列及びｇｂ列については、信号電荷は反対方向に転送しながら加算され、加算電荷は反対方向に転送される。ここで、第１列群Ｉの信号電荷と、第２列群IIの信号電荷とは、反対方向に転送しながら加算されるため、同一の水平ライン上に位置する画素ｅの信号電荷の組み合わせで加算電荷が構成されないとともに、各水平転送路Ｈ1，Ｈ2から出力されるタイミングも異なる。このように、信号電荷を加算するとともに垂直転送路の列毎に互いに反対方向に転送する構成では、ＣＣＤ10より後段の画像処理あるいはＣＣＤ10自体の構成により、いわば、第１列群Ｉと第２列群IIとの加算電荷の重心位置補正(重心位置の整合処理)を行うことにより、より品質の高い画像を構成可能になる。
【０１６４】
そして、このような重心位置のずれは全ての列群で生じるが、例えば、Ｒ(ｒ)の画素について着目し、左から１番目の縦列である第１列群ＩのＲＧ列のＲの加算電荷と、左から３番目の縦列である第２列群IIのｒｇ列のｒの加算電荷について説明すると、図３６に示すように、破線で囲まれたＲ(ｒ)の画素の信号電荷がそれぞれ加算される。ここで、同じ水平ライン上にある画素Ｒ10及びｒ10を含む加算電荷である第１列群Ｉの加算電荷２と第２列群IIの加算電荷２とを比較すると、第１列群Ｉの加算電荷２では、画素Ｒ14が重心位置となり、第２列群IIの加算電荷２では画素ｒ６がそれぞれ重心位置となる。そして、画素Ｒ14と画素ｒ６とは垂直方向に８画素分離れているため、これら第１列群Ｉと第２列群IIとから最終的に画像を再生する場合に、第１列群Ｉの加算電荷２と第２列群IIの加算電荷２とを同一水平ライン上の画素して扱うと、画像の品質が相対的に低下する。この点、第１列群Ｉの加算電荷１の重心位置は画素Ｒ4であり、第１列群Ｉの加算電荷２よりも相対的に第２列群IIの加算電荷２の重心位置の画素ｒ６に近い。そこで、第１列群Ｉの加算電荷１と第２列群IIの加算電荷２とを同一の水平ライン上にある画素と見なして画像を再生することがより適切である。
【０１６５】
すなわち、一般化して表現すると、この加算電荷の重心位置補正の第１の構成によれば、第１列群Ｉの加算電荷〔ｎ〕と、第２列群IIの加算電荷〔ｎ＋１〕とを同一水平ラインとして処理することにより、簡略に画像の品質を向上できる。
【０１６６】
また、第１列群Ｉと第２列群IIとの加算電荷重心位置補正については、上記の第１の構成の他、他の構成を採ることもできる。
【０１６７】
例えば、第２の構成としては、同じく図３６に示すように、第１列群Ｉの加算電荷２の垂直重心位置の画素Ｒ14に対応する第２列群IIのｒ14に垂直重心をもつ加算電荷を、第２列群IIの加算電荷２及び３から求めることにより、より正確に加算電荷の重心位置補正を行い、画像の品質を向上できる。
【０１６８】
すなわち、第１の構成に示すように、第２列群IIの加算電荷２の重心位置の画素ｒ６は、第１列群Ｉの加算電荷２の重心位置の画素Ｒ14から８画素分離れており、これを重心距離８と称する。これに対し、第２列群IIの加算電荷３の重心位置の画素ｒ16は、画素Ｒ14から２画素分の距離にあり、重心距離は２である。以上から、第２列群IIの２個の重心距離による加重平均を以下の演算式により求め、この結果を第１列群Ｉの加算電荷２の重心位置すなわち同一水平ラインに対応する第２列群IIの仮想加算電荷２aとする。
【０１６９】
式: (第２列群IIの仮想加算電荷２a)＝((２×第２列群IIの加算電荷３)＋(８×第２列群IIの加算電荷２))／１０
さらに、この式を、加算する画素数をｋとして一般化すると、第１列群Ｉの加算電荷〔ｎ〕の垂直位置に相当する第２列群IIの仮想加算電荷〔ｎa〕は、
式: (第２列群IIの仮想加算電荷〔ｎa〕)＝((第２列群IIの加算電荷〔ｎ＋１〕)＋((ｋ−１)×第２列群IIの加算電荷〔ｎ〕))／ｋ
との演算式で求められる。
【０１７０】
なお、この式は、ＲＧ(rg)列のＲ及びｒの画素に限られず、Ｇ及びｇの画素についても適用でき、また、ＧＢ(gb)列の画素にも適用できる。
【０１７１】
また、上記の説明では、第１列群Ｉを基準として第２列群IIの仮想加算電荷を求めたが、第２列群IIを基準として、第１列群Ｉの仮想加算電荷を求めることもできる。
【０１７２】
また、上記の第１及び第２の構成は、第１列群Ｉを正転すなわち下部水平転送路Ｈ1に転送し、第２列群IIを逆転すなわち上部水平転送路Ｈ2に転送する際の状態を説明したが、転送方向を逆転、すなわち、第１列群Ｉを逆転し第２列群IIを正転する際の画素加算手法については、a)上記の動作を上下方向を逆転させて実行する他、b)信号電荷の加算は、第１列群Ｉを正転する際と全く同じ動作で実行し、加算が完了した後の各水平転送路への転送のみを逆転させることもできる。
【０１７３】
ここで、b)の動作の場合は、加算電荷を構成する信号電荷の組み合わせが正転時と逆転時とで同一であるため、加算電荷の重心位置補正の処理は、上記の第１及び第２の構成と同一の構成を実行できる。一方、a)の動作の場合は、加算電荷を構成する信号電荷の組み合わせが正転時と逆転時とで異なる。例えば、第１列群Ｉを逆転し第２列群IIを正転する際の第２列群IIの加算結果は、第１列群Ｉを正転し第２列群IIを逆転する際の第１列群Ｉの加算結果と同一の組み合わせになる。従って、例えば、第１列群Ｉの正転時を基準に重心位置補正を実行した場合、第１列群Ｉの逆転時には、第２列群IIを基準として第１列群Ｉの加算電荷から仮想加算電荷を求めるなどの重心位置補正を実行することができる。
【０１７４】
また、上記のb)の動作の場合は、ゲート電極28の配置を考慮することにより、図３７に示すように、複雑な演算の必要なく、例えば、第１列群Ｉの加算電荷と第２列群IIの加算電荷とを同一水平ラインとして処理することにより、簡略に画像の品質を向上できる。さらに、ゲート電極28の配置を考慮することにより、重心位置補正の処理を不要にすることもできる。
【０１７５】
次に、第３及び第４の実施の形態である、間引き対応のプログレッシブスキャン方式ＣＣＤ(プログレッシブＣＣＤ)を用いた構成について概説する。
【０１７６】
そして、プログレッシブＣＣＤでは、図３８に示すように、３相垂直転送構造の場合、通常の間引き対応では、電荷読出電極の数はV2A，V2Bの２系統で、垂直転送電極はV1，V2A，V2B，V3の合計４系統のところが、本構成を実現するために電荷読出電極がV2A，V2B，V2C，V2Dの４系統となり、垂直転送電極はこれら電荷読出電極にV1，V3を加えた合計６系統に増加させる必要があるが、どのような数のライン加算であっても、この系統の数が増えることはない。
【０１７７】
なお、４相垂直転送構造の場合、通常の間引き対応では電荷読出電極の数はV2A，V2Bの２系統で、垂直転送電極の合計はV1，V2A，V2B，V3，V4の合計５系統のところが、本構成を実現するために電荷読出電極がV1，V2A，V2B，V3の４系統となり垂直転送電極はこれら電荷読出電極にV1，V3，V4を加えた合計７系統に増加させる必要があるが、どのような数のライン加算であっても、この系統の数が増えることはない。
【０１７８】
すなわち、プログレッシブＣＣＤの場合、電荷読出電極はV2A，V2B，V2C，V2Dの4系統を設ける。そして、ある縦列のカラーフィルタの組み合わせがＲＧＲＧ…となり、Ｒが偶数番目、Ｇが奇数番目の水平ライン上にあり、電荷読出電極V2Aが１０の倍数のライン番号のＲの画素、V2Bが残りのＲ画素すなわち残りの偶数番目の水平ラインの電荷読出電極、V2Cが５の倍数の奇数ライン番号のＧの画素、V2Dが残りのＧの画素すなわち残りの偶数番目の水平ラインの電荷読出電極であるとする。
【０１７９】
まず、V2AとV2Bに電荷読出電圧を加えて、Ｒの画素すなわち偶数ラインの信号電荷を全て垂直転送路へ読み出す。その後、V2Bの電圧は元に戻すが、V2Aには電荷読出電圧を加えたまま垂直転送を８段分行う。すると、１０ライン毎に存在するV2Aの電極下ではポテンシャル井戸が深いままなので、この部分でV2Aの上方向に近接するＲ画素５画素分の信号電荷が同色同士で足し合わされ、第１の加算電荷としてのＲの５画素加算電荷(5Ｒ)が生成される。
【０１８０】
この後、このＲの５画素加算電荷すなわち偶数ラインの５画素加算電荷を、４段水平転送路とは逆方向に転送し待避させた後、今度は、V2C，V2Dに電荷読出電圧を加えてＧの画素すなわち奇数ラインの信号電荷を全て垂直転送路へ読み出す。偶数ラインの時と同様に、V2Dの電圧は元に戻すが、V2Cには電荷読出電圧を加えたまま、垂直転送を８段分行う。すると、V2Cの電極下でその上方向に近接するＧ画素５画素分の信号電荷が同色同士で足し合わされ、第２の加算電荷としてのＧの５画素加算電荷(5Ｇ)が生成される。
【０１８１】
この結果、垂直転送路には、下側から順に、5Ｇ、5Ｒ、空、空、空、空、空、空、空、空、5Ｇ、5Ｒ、空、空…の状態で、全画素が読み出された状態が作り出される。そして、この以後は、１段垂直転送、水平転送、９段垂直転送、水平転送…の繰り返しで画素信号をＣＣＤの外部へ読み出せば、５倍のフレームレートで、同色加算全画素読み出しを実現できる。
【０１８２】
次に、ＣＣＤ10の第３の実施の形態を図３８ないし図４５を参照して説明する。この第３の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成に準じ、構成図は図１と同一であるが、本実施の形態は、図３８に内部構造を示すように、ＣＣＤ10として、いわゆるカラーベイヤー配列の間引き対応のインターライン型プログレッシブスキャンＣＣＤを適用したものである。
【０１８３】
すなわち、この第３の実施の形態においても、ＣＣＤ10は、静止画、動画兼用を特徴とし、動画専用用途のＣＣＤに較べて画素数が著しく多いため、静止画撮影時には全画素を順番に個別に読み出すが、動画撮影時には水平ラインを５画素同色同士を加算して読み出すようになっており、多画素であっても動画時のフレームレートを高く維持する工夫がされている。
【０１８４】
そして、このＣＣＤ10は、ＣＣＤ駆動回路11により駆動され、画像信号を出力する。そして、ＣＣＤ駆動回路11がＣＣＤ10に与える駆動信号には、後述する垂直転送路ゲート信号V1，V2A，V2B，V2C，V2D，V3、が含まれている。また、ＣＣＤ駆動回路11には、駆動モード切替信号が入力され、この駆動モード切替信号により、ＣＣＤ駆動回路11はＣＣＤ10の駆動動作モードを切り替える。
【０１８５】
また、ＣＣＤ10は、光電変換手段としてのフォトダイオードを備えた画素ｅと、これら画素ｅに接続された垂直転送路CVと、これら垂直転送路CVにそれぞれ接続された垂直転送路のゲート配線27とを備えている。
【０１８６】
また、各画素ｅは、二次元的に所定のパターンで配列され、本実施の形態では、原色ベイヤー配列すなわち原色方式であるベイヤ方式で、所定の縦列のカラーフィルタの組み合わせがＲＧＲＧ…となり、Ｒが偶数番目、Ｇが奇数番目の水平ライン上にあり、この縦列に隣接する縦列のカラーフィルタの組み合わせがＧＢＧＢ…で、Ｇが偶数番目、Ｂが奇数番目の水平ライン上にある。
【０１８７】
そして、各画素ｅに蓄積された信号電荷は、それぞれに隣接するゲート電極28にプラス電位の電荷読出電圧である電荷読出パルスが加わることで、垂直転送路CV側に読み出される。そして、ＣＣＤ10のこのような電荷読出動作を伴うゲート電極28の組み合わせは、V2A，V2B，V2C，V2Dの４系統であり、これら４系統の電極に、電荷読出動作を伴わない垂直転送専用ゲート電極V1，V3を加え、合計６系統のゲート電極28が存在し、それぞれ垂直転送路ゲート信号配線27に接続されている。
【０１８８】
なお、本実施の形態のＣＣＤ10は一例として５ライン加算の構成を示しているにすぎず、実際には、V2A，V2Cに相当する電極をカラーフィルタを考慮しつつ何ラインごとに配置するかで、様々なライン加算数のＣＣＤを実現することも可能である。本実施の形態では、ライン加算数がどのように増加しても、ゲート電極28の数が増えることはなく、コストを抑制することができる。
【０１８９】
次に、実際の信号読出動作について、全画素個別読み出しモードから説明する。
【０１９０】
まず、全画素ｅは、電子シャッタ動作により、不要な信号電荷がＣＣＤ10の基板部へ掃き捨てられて、光学系を介した露光に対して一斉に信号電荷の蓄積を開始する。そして、所定の露光時間が経過して露光が終了すると、全画素ｅの信号電荷が垂直転送路CVへと読み出される。
【０１９１】
次に、図４０を参照して、電荷読出及び垂直転送の状態について説明する。図４０は、図３８の一番左端の縦列(第１列群ＩのＲＧ列)における電荷読出と垂直転送の様子について説明しているが、以下の説明において、図３９に示すように、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。さらに、この転送方向は、上記のように１画面としての１フィールド毎に反転され、スミアの除去が行われる。
【０１９２】
また、この図４０において、V1〜V3を付した波形は、各垂直転送路ゲート信号の電圧波形を示し、この電圧波形に直交する方向に示すＡ〜Ｉを付した波形は垂直転送路のポテンシャルを示している。また、図中、51a，51b，51c，51dは電荷読出パルス、52は読み出された信号電荷である。まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図４０のＡに示す状態から、図４０のＢに示すように、V2A，V2B，V2C，V2Dに電荷読出パルス51a，51b，51c，51dを加える。すると、図４０のＣに示すように、全ての信号電荷52が垂直転送路へ読み出される。次いで、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図４０のＤ〜Ｉに示すように、読み出した信号電荷52を１段垂直転送し、最下部のラインの信号電荷を図示しない水平転送路に転送する。この後、水平転送により１ラインの信号電荷を全て読み出す。次いで、１段垂直転送、水平転送を繰り返し、水平ラインの信号電荷を先頭から順番に１ラインずつ個別に全て読み出し、ＣＣＤ10の外部に出力することにより、全画素個別読み出しモードの読み出しを終了する。すなわち、全画素個別読み出しモードは、１フレームで全画素を先頭から順番に個別に読み出すモードであり、１コマの画素数が非常に多くなるため、非常に遅いフレームレートとなり、動画には向かないものの、多画素ＣＣＤの全画素を全て独立で読み出すため、静止画としては申し分のない高精細の画像を得ることができる。
【０１９３】
次に、本実施の形態による加算読み出しモードについて、図４１及び図４２を参照して説明する。
【０１９４】
これら図４１及び図４２においては、図３８の一番左端の縦列(第１列群ＩのＲＧ列)における電荷読出と垂直転送の様子について説明しているが、以下の説明において、図３９に示すように、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。さらに、この転送方向は、上記のように１画面としての１フィールド毎に反転され、スミアの除去が行われる。
【０１９５】
また、図４１に示すV1〜V3を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形と、図４２に示すV1〜V3を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形とは、同一のものである。一方、この電圧波形に直交する方向に示すＡ〜Ｙを付した垂直転送路のポテンシャル状況を示す波形は、図４１が前半部分を示し、図４２が後半部分を示している。
【０１９６】
まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図４１のＡに示す状態から、図４１のＢに示すように、V2A，V2Bにそれぞれ電荷読出パルス51a，51bを与え、偶数ラインの信号電荷52のみを全て垂直転送路に読み出す。次に、図４１のＣ〜Ｋに示すように、V2Bの電荷読出パルス51bの印加は停止するが、V2Aには電荷読出パルス51aを加えたまま、８段分正方向に垂直転送を行う。すると、垂直転送を行っても、１０段おきのV2Aの電極部分でポテンシャル井戸が深くなっているため、読み出された偶数ラインの信号電荷(画素電荷)は、V2A下の電荷保持部において、Ｒの画素の同色５画素分の信号電荷が混合すなわち加算される。そして、V2Aの電荷読出パルス51aの印加を停止した状態で、図４１のＬ及び図４２のＬに示すように、１段あたりに５画素分の信号電荷が足し合わされた５画素混合電荷54が保持された状態となる。
【０１９７】
そして、この図４２のＬに示す状態から、V1〜V3に所定の電圧を加えて、図４２のＭ〜Ｒに示すように、５画素混合電荷54を水平転送路方向の反対方向に４段分垂直転送すなわち逆転転送し、V2B電極下に５画素混合電荷54を一時待避させる。この状態から、図４２のＳに示すように、V2C，V2Dに電荷読出パルス51c，51dを与え、奇数ラインの信号電荷を垂直転送路に読み出す。次いで、図４２のＴ〜Ｘに示すように、V2Cの電荷読出パルス51cを加えたまま、V2Dの電荷読出パルス51dの印加は停止した状態で、V1〜V3に所定の電圧を加えて、垂直転送路の各信号電荷52を水平転送路に向かって正方向に８段分垂直転送する。すると、垂直転送をおこなっても、１０段おきのV2Cの電極部分でポテンシャル井戸が深くなっているため、読み出された奇数ラインの信号電荷は、V2C下の電荷保持部において、Ｇの画素の同色５画素分の信号電荷が混合すなわち加算される。そして、V2Cの電荷読出パルス51cの印加を停止した状態で、図４２のＹに示すように、１段あたりに５画素分の信号電荷が足し合わされた５画素混合電荷55が保持された状態となる。そして、この図４２のＹに示す状態では、図４３(Ａ)にも示すように、奇数ラインの５画素混合電荷55のすぐ上に、先に読み出され混合されていた偶数ラインの５画素混合電荷54が存在している。そこで、図４３(Ｂ)及び(Ｃ)に示すように、最初の５画素混合電荷55を水平転送路に読み出し出力した後は、図４４(Ｄ)ないし図４５(Ｉ)に示すように、１段垂直転送、水平転送、９段垂直転送、水平転送、…の繰り返しで、同色の５画素混合電荷54，55を読み出すことができる。
【０１９８】
なお、この実施の形態では、原色ベイヤー配列を例にあげて説明したが、これに限られず、１つの縦ラインのカラーフィルタが２組以下であれば、どのようなフィルタ配列であっても適用可能である。すなわち、第４の実施の形態に示すフィルタ配列以外にも、現存するほとんど全てのフィルタ配列において適用可能である。
【０１９９】
すなわち、この実施の形態のように、プログレッシブＣＣＤでは、読み出し電極を４系統とすることにより、あらゆるカラーフィルタ配列で上記と同様の効果を得ることができる。また、この構成では、通常の構成に較べ、垂直転送電極の数が２系統増加するが、ＣＣＤの画素数の増加に伴いラインの加算数が増加しても、垂直転送電極の数はこれ以上増加せず、コストの上昇を抑制できる。
【０２００】
また、この実施の形態では、垂直転送路上で偶数ラインの５画素混合電荷を生成した後に、第２の実施の形態で示した手法により、すなわち、垂直転送路で逆転転送を行い、ＣＣＤ10の内部で出力ライン順の偶数奇数逆転を補償しているが、次に示す第４の実施の形態のように、第１の実施の形態と同様に、正方向の垂直転送のみで全ての画素混合を実現し、画像処理などを司るＣＣＤ外部の構成要素によりライン順を補償することもできる。さらに、この実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、奇数ライン側の画素混合は、水平転送路上で行うこともできる。
【０２０１】
次に、本発明の第４の実施の形態を図４６ないし図５０を参照して説明する。
【０２０２】
なお、この第４の実施の形態のＣＣＤ10の内部構成及びＣＣＤ10の駆動を含む基本動作は、図３８に示す第３の実施の形態と同様であり、全画素個別読み出しモードの動作の説明は省略する。そして、この実施の形態は、垂直転送路において、信号電荷を水平転送路方向である正方向のみに転送すれば良く、逆転転送する必要がないため、逆転転送の転送効率が著しく低下したＣＣＤについても対応でき、汎用性を向上できるとともに、水平転送路での加算を取り入れることにより、読み出し動作に要する時間を第３の実施の形態に較べて若干短くすることができる。
【０２０３】
次に、本実施の形態による動画モード、すなわち加算読み出しモードについて、図４６及び図４７を参照して説明する。
【０２０４】
これら図４６及び図４７においては、図３８の一番左端の縦列(第１列群ＩのＲＧ列)における電荷読出と垂直転送の様子について説明しているが、以下の説明において、図３９に示すように、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。さらに、この転送方向は、上記のように１画面としての１フィールド毎に反転され、スミアの除去が行われる。
【０２０５】
また、図４６に示すV1〜V3を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形と、図４７に示すV1〜V3を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形とは、同一のものである。一方、この電圧波形に直交する方向に示すＡ〜Ｕを付した垂直転送路のポテンシャル状況を示す波形は、図４６が前半部分を示し、図４７が後半部分を示している。
【０２０６】
まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図４６のＡに示す状態から、図４６のＢに示すように、V2A，V2Bにそれぞれ電荷読出パルス51a，51bを与え、偶数ラインの信号電荷52のみを全て垂直転送路に読み出す。次に、図４６のＣ〜Ｋに示すように、V2Bの電荷読出パルス51bの印加は停止するが、V2Aには電荷読出パルス51aを加えたまま、８段分正方向に垂直転送を行う。すると、垂直転送を行っても、１０段おきのV2Aの電極部分でポテンシャル井戸が深くなっているため、読み出された偶数ラインの信号電荷(画素電荷)は、V2A下の電荷保持部において、Ｒの画素の同色５画素分の信号電荷が混合すなわち加算される。そして、V2Aの電荷読出パルス51aの印加を停止した状態で、図４６のＬ及び図４７のＬに示すように、１段あたりに５画素分の信号電荷が足し合わされた５画素混合電荷54が保持された状態となる。
【０２０７】
そして、この図４７のＬに示す状態から、V1〜V3に所定の電圧を加えて、図４７のＭ〜Ｒに示すように、５画素混合電荷54を水平転送路方向すなわち正方向に６段分垂直転送し、V2B電極下に５画素混合電荷54を一時待避させる。この状態から、図４７のＳに示すように、V2C，V2Dに電荷読出パルス51c，51dを与え、奇数ラインの信号電荷を垂直転送路に読み出す。次いで、図４７のＴに示すように、これらV2C，V2Dの電荷読出パルス51c，51dの印加を停止する。この状態で、図４７のＵに示すように、最下段の一部を除き、５Ｒ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，５Ｒ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，…の繰り返しの形で、全画素の信号電荷が垂直転送路へ読み出された状態になる。
【０２０８】
さらに、この後の垂直転送及び水平転送は図４８及び図４９に示すように行われる。すなわち、図４８(Ａ)は、図４７のＵに示す垂直転送路の状態を示している。また、図４８及び図４９の61は垂直転送路を示し、62は水平転送路を示している。そして、この図４８(Ａ)の段階では、上記の読み出し動作の過程の結果により、既に水平転送路62には、偶数ラインの５画素混合電荷(Ｒ0+Ｒ2+Ｒ4+Ｒ6+Ｒ8)63が存在している。そこで、図４８(Ｂ)に示すように、この５画素混合電荷(Ｒ0+Ｒ2+Ｒ4+Ｒ6+Ｒ8)63を水平転送で読み出した後、図４８(Ｃ)に示すように、水平転送を止めたまま垂直転送を行い、水平転送路で奇数ラインの加算すなわち画素混合を行う。また、図４８(Ｃ)に示す状態では、水平転送路上の信号電荷（Ｇ1+Ｇ3）は、画面の端部のため、足し合わせが足りず、不完全な混合画素数となっている。そこで、図４９(Ｄ)に示すように、この信号電荷（Ｇ1+Ｇ3）を水平転送出力したのち、図４９(Ｅ)に示すように、１段分垂直転送を行って、５画素が足し合わされた偶数ラインの５画素混合電荷(Ｒ10+Ｒ12+Ｒ14+Ｒ16+Ｒ18)63を水平転送路へ転送する。
【０２０９】
そして、図４９(Ｆ)に示すように、この５画素混合電荷(Ｒ10+Ｒ12+Ｒ14+Ｒ16+Ｒ18)63を水平転送により出力する。次いで、図５０(Ｇ)に示すように、１段分垂直転送を行って、信号電荷（Ｇ5）を水平転送路へ転送し、続いて、図５０(Ｈ)に示すように、水平転送を行わないうちに、引き続き８段分の垂直転送を行い、水平転送路上で奇数ラインの加算を行い、第２の加算電荷としての５画素加算信号電荷である５画素混合電荷(Ｇ5+Ｇ7+Ｇ9+Ｇ11+Ｇ13)64を生成する。
【０２１０】
そして、図５０(Ｉ)に示すように、この信号電荷を水平転送で出力した後は、上記と同様に、１段垂直転送、水平転送、９段垂直転送、水平転送…との動作を繰り返し、画像信号を外部へ読み出す。このように、垂直転送路61に全画素が一部加算されて読み出された後は、垂直転送路61を１段、９段の繰り返しで転送動作させることにより、結果として、静止画の５倍のフレームレートで全画素信号を読み出すことができる。
【０２１１】
なお、この第４の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、５画素混合電荷である加算信号について、信号電荷の配列が偶数ラインと奇数ラインとで位置関係が逆転している。そして、このような現象は、この実施の形態に示すＣＣＤ10の後段に配置される画像処理などを司るＣＣＤ10外部の構成要素により、例えば、１ライン分の画像データを記録できる処理装置としてのラインバッファを設け、先に出力されたライン信号を一時保持し、次のライン信号を先に通過させ、偶数ラインと奇数ラインとの信号を入れ替える処理などを行うことで、補償することができる。
【０２１２】
そして、この第３及び第４の実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と同様に、上記の第１及び第２の構成あるいはＣＣＤ10の配線の変更により、第１列群Ｉと第２列群IIとの加算電荷の重心位置補正(重心位置の整合処理)を実行することにより、より品質の高い画像を構成できる。また、第１列群Ｉの逆転時の処理についても、a)正転時の動作を上下方向を逆転させて実行する他、b)信号電荷の加算は、第１列群Ｉを正転する際と全く同じ動作で実行し、加算が完了した後の各水平転送路への転送のみを逆転させることもできる。
【０２１３】
次に、図５１ないし図５８に示す第５及び第６の実施の形態である、インターレース補色線順次を用いた構成について概説する。
【０２１４】
すなわち、図５１ないし図５８に示す第５及び第６の実施の形態のように、例えば、Ｙｅ(イエロー)，Ｍｇ(マゼンダ)，Ｃｙ(シアン)，Ｇ(グリーン)のフィルタを用いる色差線順次方式(補色方式)のように、特定の意図的色混合(フィルタペア形成)を前提としたカラーフィルタ配列のカラー単板、動画静止画兼用、間引き対応の多画素インターラインＣＣＤに適用することもできる。この多画素インターラインＣＣＤでは、先に一方のフィルタペアを垂直転送路上に形成した後、特定の電荷読出電極に電荷読出電圧を加えたまま垂直転送をすることにより、複数の同色フィルタペアのライン加算を行い、次に、残されたラインによるカラーフィルタペアを、先のフィルタペアとの混色を回避させつつ垂直転送路へ読み出し形成し、再度特定の電荷読出電極に電荷読出電圧を加えたまま垂直転送をすることにより、複数の同色フィルタペア同士をライン加算して、結果として、同色複数フィルタペアのライン加算で全画素読出を行い、予め意図している後段の画像処理に支障を来すことなく、フレームレート向上、垂直空間周波数再現性向上、感度向上といった、動画像の著しい画質向上を実現できる。
【０２１５】
すなわち、ライン混合により輝度、色差信号を容易に生成できるカラーフィルタ配列のカラー単板、動画静止画兼用、間引き対応多画素インターライン・インターレーススキャンＣＣＤにおいても、上記動作を応用して、後段の画像処理に影響を与えることなく、同色フィルタペア同士を複数加算して全画素読み出しを実現できる。
【０２１６】
次に、本発明の第５の実施の形態を図５１ないし図５５を参照して説明する。この第５の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成に準じ、構成図は図１と同一であるが、本実施の形態では、図５１に内部構造を示すように、ＣＣＤとして、いわゆる色差線順次方式(補色方式)の間引き対応のカラーのインターライン型インターレーススキャンＣＣＤに適用したものである。
【０２１７】
すなわち、この第５の実施の形態では、ＣＣＤ10は、静止画、動画兼用を特徴とし、動画専用用途のＣＣＤに較べて画素数が著しく多いため、静止画撮影時には、メカニカルシャッタを併用することで、全画素を個別に読み出すが、動画撮影時には画素混合を行うことにより、全画素を静止画の４倍のフレームレートで読み出すことができる。また、このカラーフィルタ配列は、動画時には意図的に異なる色のフィルタ画素を混色させることにより、以後の画像処理を容易にすることができる。すなわち、上下に隣接する画素同士を足し合わせることにより、Ｙｅ+Ｍｇ，Ｙｅ+Ｇ，Ｃｙ+Ｇ，Ｃｙ+Ｍｇの４通りのフィルタペア信号を取り出すことができる。そして、
(Ｙｅ+Ｍｇ)+(Ｃｙ+Ｇ)＝２Ｒ+３Ｇ+２Ｂ≒輝度信号Ｙ１
(Ｙｅ+Ｇ)+(Ｃｙ+Ｍｇ)＝２Ｒ+３Ｇ+２Ｂ≒輝度信号Ｙ２
(Ｃｙ+Ｇ)−(Ｙｅ+Ｍｇ)＝Ｇ−２Ｒ ≒色差信号Ｃｒ
(Ｙｅ+Ｇ)−(Ｃｙ+Ｍｇ)＝Ｇ−２Ｂ ≒色差信号Ｃｂ
のように、それぞれフィルタペア信号を加算あるいは減算することにより、輝度信号、色差信号の近似信号をごく容易に生成できる。このため、このようなカラーフィルタ配列は、一般的には、ムービー用途のカラーＣＣＤフィルタ配列として普及定着している。
【０２１８】
そして、ＣＣＤは、図５１に内部構造を示すように、光電変換手段としてのフォトダイオードを備えた画素ｅと、これら画素ｅに接続された垂直転送路CVと、これら垂直転送路CVにそれぞれ接続されたゲート配線27とを備えている。
【０２１９】
また、画素ｅは、それぞれ画素を構成し、二次元的に所定のパターンで配列され、本実施の形態では、上記のようにカラーフィルタの配列は色差線順次方式(補色方式)で、所定の縦列のカラーフィルタの組み合わせが、Ｙｅ，Ｍｇ，Ｙｅ，Ｇ…となり、Ｍｇ及びＧが偶数番目の水平ライン上に位置している。そして、この縦列に隣接する縦列のカラーフィルタの組み合わせがＣｙ，Ｍｇ，Ｃｙ，Ｇ…となり、Ｍｇ及びＧが偶数番目の水平ライン上に位置している。
【０２２０】
そして、画素ｅに蓄積された信号電荷は、それぞれに隣接するゲート電極28にプラス電位の電荷読出電圧である電荷読出パルスが加わることで、垂直転送路CV側に読み出される。そして、ＣＣＤ10のこのような電荷読出動作を伴うゲート電極28の組み合わせは、図５１に示すように、V1A，V1B，V1C，V3A，V3B，V3Cの６系統であり、これら６系統の電極に、電荷読出動作を伴わない垂直転送専用ゲート電極V2，V4を加え、合計８系統のゲート電極28が存在し、それぞれ垂直転送路ゲート信号配線27に接続されている。
【０２２１】
なお、上記の実施の形態のＣＣＤは一例として４ライン加算(同色フィルタペア２組加算)の場合を示しているが、実際には、V1A，V3Aに相当する電極をカラーフィルタを考慮しつつ何ライン毎に配置するかにより、様々なライン加算数のＣＣＤを実現することができる。さらに、ライン加算数がどのように増加しても、ゲート電極28の数が増えることはない。
【０２２２】
そして、この実施の形態においては、信号読出動作は、第１の実施の形態同様に、静止画撮影時(全画素個別読み出しモード)では、１画面を偶数ラインと奇数ラインとの２フィールドに分けて、全画素を独立に読み出す。一方、動画撮影時(動画モード)では、上記のフィルタペアを、他のフィルタペアとの混色を避けつつ足し合わせて、全画素信号を４倍のフレームレートで高速に読み出す。
【０２２３】
なお、静止画撮影時の動作は、上記の各実施の形態と同様に全画素を独立に読み出すもので、説明を省略する。
【０２２４】
そして、動画撮影時など、同色フィルタペアを２組足し合わせて全画素を読み出すモードについて、以下、図５３ないし図５５を参照して電荷読出及び垂直転送の状態について説明する。すなわち、図５３及び図５４では、図５１の一番左端の縦列(第１列群ＩのＹｅ，Ｍｇ，Ｙｅ，Ｇ列)における電荷読出と垂直転送の様子について説明しているが、以下の説明において、図５２に示すように、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。さらに、この転送方向は、上記のように１画面としての１フィールド毎に反転され、スミアの除去が行われる。また、図５３に示すV1A〜V4を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形と、図５４に示すV1A〜V4を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形とは、同一のものである。一方、この電圧波形に直交する方向に示すＡ〜Ｕを付した垂直転送路のポテンシャル状況を示す波形は、図５３が前半部分を示し、図５４が後半部分を示している。
【０２２５】
まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図５３のＡに示す状態から、図５３のＢに示すように、V3Cのみに電荷読出パルス71を加え、Ｍｇ(マゼンダ)の存在するラインの信号電荷を全て垂直転送路に読み出す。次に、図５３のＣに示すように、V3Cの電荷読出パルスの印加を停止した状態で、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図５３のＣ〜Ｅに示すように、水平転送路方向とは逆方向に１／２段分垂直転送、すなわち逆転転送する。次いで、図５３のＦに示すように、V1A，V1Bに電荷読出パルスを加える。すると、ＭｇとＹｅ(イエロー)との信号電荷が足し合わされて、フィルタペア信号Ｍｇ+Ｙｅが形成される。次いで、図５３のＧに示すように、V1Aに電荷読出パルスを加えたまま、V1Bの電荷読出パルスの印加を停止した後、さらに、図５３のＨ〜Ｊに示すように、２段分逆方向に垂直転送すなわち逆転転送を行う。すると、８ラインごとに存在するV1Aの電極下では、ポテンシャル井戸が深くなっているため、２組の同色のフィルタペア信号Ｍｇ+ＹｅがV1A下の電荷保持部において混合される。すなわち、この電荷保持部では、４画素分の画素信号信号電荷が加算された状態になる。この後、図５３のＫ及び図５４のＫに示すように、V1Aの電荷読出パルスの印加を停止すると、V1Aの電極下に、２組の同色のフィルタペア信号が加算され、保持された状態になる。さらに、この状態から、図５４のＬに示すように、V1Cに電荷読出パルスを加え、Ｇ(グリーン)の上側のＹｅの信号電荷を読み出す。次いで、図５４のＭ〜Ｏに示すように、V1Cの電荷読出パルスの印加を停止し、水平転送路方向すなわち正方向に１／２段分垂直転送を行った後、図５４のＰに示すように、V3A，V3Bに電荷読出パルスを加える。すると、ＧとＹｅとの信号電荷が足し合わされて、フィルタペア信号Ｇ+Ｙｅが形成される。さらに、この状態で、図５４のＱに示すように、V3Aに電荷読出パルスを加えたまま、V3Bの電荷読出パルスの印加を停止した後、さらに、図５４のＲ〜Ｔに示すように、水平転送路方向すなわち正方向に２段分垂直転送を行う。すると、８ラインごとに存在するV3Aの電極下では、ポテンシャル井戸が深くなっているため、２組の同色のフィルタペア信号Ｇ+ＹｅがV3A下の電荷保持部において混合される。すなわち、この電荷保持部では、４画素分の画素信号電荷が加算された状態になる。この後、図５４のＵに示すように、V3Aの電荷読出パルスの印加を停止すると、V3Aの電極下に、２組の同色のフィルタペア信号が加算され、保持された状態になる。
【０２２６】
この後、図５５に読み出される画素の状況を示すように、まず、垂直転送路の信号電荷(Ｇ0+Ｙｅ1)+(Ｇ4+Ｙｅ5)を水平転送路に転送し、水平転送する。この後、３段分垂直転送して信号電荷(Ｍｇ2+Ｙｅ3)+(Ｍｇ6+Ｙｅ7)を水平転送路に読み出し、水平転送する。以後、同様に、一段分垂直転送、水平転送、３段分垂直転送、水平転送、…を繰り返し、静止画の４倍のフレームレートでライン混合された全画素電荷信号を読み出していくことができる。
【０２２７】
なお、この実施の形態では、垂直転送路で逆転転送を行うことで画素混合を実現しているが、以下に示す第６の実施の形態では、上記の各実施の形態と同様に、逆転転送を伴わなくとも、垂直転送路での正方向の転送のみで画素混合、この場合は同色フィルタペア信号同士の混合を実現でき、すなわち、正方向の垂直転送のみで全ての画素混合を実現し、画像処理などを司るＣＣＤ外部の構成要素によりライン順を補償できる。さらに、この実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、奇数ライン側の画素混合は、水平転送路上で行うこともできる。
【０２２８】
次に、本発明の第６の実施の形態を図５６ないし図５８を参照して説明する。
【０２２９】
そして、この第６の実施の形態のＣＣＤ10の内部構成及びＣＣＤ10の駆動を含む基本動作は、図５１に示す第５の実施の形態と同様であり、全画素個別読み出しモードの動作の説明は省略する。そして、この実施の形態は、垂直転送路において、信号電荷を水平転送路方向である正方向のみに転送すれば良く、逆転転送する必要がないため、逆転転送の転送効率が著しく低下したＣＣＤについても対応でき、汎用性を向上できるとともに、水平転送路での加算を取り入れることにより、読み出し動作に要する時間を第５の実施の形態に較べて若干短くすることができる。また、この６の実施の形態では、第５の実施の形態に対し、フィルタペア加算の組み合わせが変更されている。
【０２３０】
そして、動画撮影時など、同色フィルタペアを２組足し合わせて全画素を読み出すモードについて、以下、図５６ないし図５８を参照して電荷読出及び垂直転送の状態について説明する。すなわち、図５６及び図５７では、図５１の一番左端の縦列(第１列群ＩのＹｅ，Ｍｇ，Ｙｅ，Ｇ列)における電荷読出と垂直転送の様子について説明しているが、以下の説明において、図５２に示すように、第１列群Ｉにおいては、同様の動作が行われるとともに、第２列群IIについては、反対方向すなわち上側に向かう動作が行われている。さらに、この転送方向は、上記のように１画面としての１フィールド毎に反転され、スミアの除去が行われる。また、図５６に示すV1A〜V4を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形と、図５７に示すV1A〜V4を付した各垂直転送路ゲート信号の電圧波形とは、同一のものである。一方、この電圧波形に直交する方向に示すＡ〜Ｖを付した垂直転送路のポテンシャル状況を示す波形は、図５６が前半部分を示し、図５７が後半部分を示している。
【０２３１】
まず、初期状態として、各垂直転送路ゲート信号及びポテンシャル状態がそれぞれ図５６のＡに示す状態から、図５６のＢに示すように、V1Cのみに電荷読出パルス81を加え、Ｙｅの１／２、すなわちＧの上側のＹｅの信号電荷を垂直転送路に読み出す。次に、図５６のＣに示すように、V1Cの電荷読出パルスの印加を停止した状態で、V1A〜V4に所定の電圧を加えて、図５６のＣ〜Ｄに示すように、水平転送路方向に１／２段分垂直転送する。次いで、図５６のＥに示すように、V3A，V3Bに電荷読出パルスを加える。すると、ＹｅとＧとの信号電荷が足し合わされて、フィルタペア信号Ｇ+Ｙｅが形成される。次いで、図５６のＦに示すように、V3Aに電荷読出パルスを加えたまま、V3Bの電荷読出パルスの印加を停止した後、さらに、図５６のＧ〜Ｉに示すように、２段分垂直転送を行う。すると、８ラインごとに存在するV3Aの電極下では、ポテンシャル井戸が深くなっているため、２組の同色のフィルタペア信号Ｇ+ＹｅがV3A下の電荷保持部において混合される。すなわち、この電荷保持部では、４画素分の画素信号電荷が加算された状態になる。この後、図５６のＪ及び図５７のＪに示すように、V3Aの電荷読出パルスの印加を停止すると、V3Aの電極下に、２組の同色のフィルタペア信号が加算され、保持された状態になる。さらに、この状態から、図５７のＫ〜Ｐに示すように、水平転送路方向すなわち正方向に１．５段分垂直転送を行い、V1C電極下にフィルタペア信号を一時待避させる。この状態から、図５７のＱに示すように、V1A，V1Bに電荷読出パルスを与え、Ｙｅの１／２、すなわちＭｇの上側のＹｅの信号電荷を垂直転送路に読み出す。次いで、図５７のＲに示すように、これらV1A，V1Bの電荷読出パルスの印加を停止する。次いで、図５７のＳ〜Ｔに示すように、１／２段分垂直転送を行う。そして、図５７のＵに示すように、V3Cに電荷読出パルスを加える。すると、ＹｅにＭｇの信号電荷が足し合わされて、フィルタペア信号Ｍｇ+Ｙｅが形成される。次いで、図５７のＶに示すように、V3Cの電荷読出パルスの印加を停止すると、V3Cの電極下に、Ｍｇ+Ｙｅが保持された状態になる。
【０２３２】
この後、図５８に読み出される画素の状況を示すように、まず、すでに水平転送路上にある信号電荷(Ｇ0+Ｙｅ1)+(Ｇ4+Ｙｅ5)を水平転送し出力した後、信号電荷(Ｍｇ2+Ｙｅ3)を垂直転送、水平転送で出力する。以後、１段垂直転送、水平転送、３段垂直転送、水平転送を繰り返し、静止画の４倍のフレームレートでライン混合された全画素電荷信号を読み出していくことができる。
【０２３３】
なお、この第６の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、５画素混合電荷である加算信号について、信号電荷の配列が偶数ラインと奇数ラインとで位置関係が逆転している。そして、このような現象は、この実施の形態に示すＣＣＤ10の後段に配置される画像処理などを司るＣＣＤ10外部の構成要素により、例えば、１ライン分の画像データを記録できる処理装置としてのラインバッファを設け、先に出力されたライン信号を一時保持し、次のライン信号を先に通過させ、偶数ラインと奇数ラインとの信号を入れ替える処理などを行うことで、補償することができる。
【０２３４】
また、上記の第５及び第６の実施の形態では、１例としてインターレースＣＣＤについて説明したが、第１及び第２の実施の形態と第３の実施の形態との相関、及びこれら実施の形態の動作を考慮すれば、プログレッシブＣＣＤについても容易に適用できることは明らかである。ちなみに、プログレッシブＣＣＤの場合、垂直転送路ゲート電極(読み出し電極)28は、第３の実施の形態同様４系統で実現可能となる。
【０２３５】
このように、ムービーカメラなどで広く採用されている、ライン混合前提のフィルタ配列の場合は、読み出し電極が６系統必要になるが、効果は上記の各実施の形態と同様であり、同じくラインの加算数により対応でき、垂直転送電極の数は変わらず、コストの上昇を抑制できる。
【０２３６】
そして、この第５及び第５の実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と同様に、第１及び第２の構成あるいはＣＣＤ10の配線の変更により、第１列群Ｉと第２列群IIとの加算電荷の重心位置補正(重心位置の整合処理)を実行することにより、より品質の高い画像を構成できる。但し、第１列群Ｉの逆転時の処理については、カラーフィルタの配列の関係から、a)正転時の動作を上下方向を逆転させて実行する構成はできず、b)信号電荷の加算は、第１列群Ｉを正転する際と全く同じ動作で実行し、加算が完了した後の各水平転送路への転送のみを逆転させる構成を採ることになる。
【０２３７】
なお、上記の各実施の形態において、水平転送路を利用したいわば第２の加算は、垂直転送を正転送のみとした構成、あるいは、垂直転送が正転送のみならず逆転転送を含む構成のいずれとも組み合わせることができる。
【０２３８】
さらに、垂直転送を正転送のみとした構成についても、水平転送路を利用した加算を用いず、垂直転送路を用いて加算を完了することも可能である。なお、インターレース補色線順次ＣＣＤにおいて、正転送の垂直転送で加算を完了する構成については、第６の実施の形態の構成とは異なる電極配線が用いられる。
【０２３９】
また、上記の各実施の形態では、例えば５個の画素の信号電荷を加算して加算電荷としたが、この構成に限られず、垂直方向に連続しない２個以上の画素の信号電荷を加算すれば、フレームレートの向上、画質の向上などの効果を奏することができる。
【０２４０】
また、上記の実施の形態では、全画素の信号電荷を読み出して利用したが、有効画素から外れた一部の信号電荷を読み出さず、また、読み出した信号電荷を利用しないことなどもできる。
【０２４１】
なお、上記の各実施の形態のＣＣＤ10は一例を示しているにすぎず、実際にはV1A，V3Aに相当する電極をカラーフィルタを考慮しつつ何ラインごとに配置するかで、色々な間引き率に対応したＣＣＤが存在している。ちなみに、上記の電極構成では容易に実現できない高度に複雑な読み出し動作を実現しようとして安易に電荷読出動作を伴うゲート電極28の組み合わせ数を増やすと、ＣＣＤの内部配線が複雑になるばかりでなく、増加したゲート配線27の数分だけ外部駆動回路が必要になり、コスト増、装置の大型化、消費電力の増加などの弊害をもたらす。
【０２４２】
また、ＣＣＤ10の駆動方法である上記の各読み出しモードについては、自動に、あるいは手動操作により、切り替え、画質の向上などを図ることができる。
【０２４３】
例えば、動画撮影時あるいは低解像度の静止画の撮影時に、間引き読み出しモードと加算読み出しモードとを、被写体光量を判定条件として、撮像装置１自体が自動的に切り替えて撮影などを行うことができる。例えば、動画撮影の初期状態として、ＣＰＵ21は、ＣＣＤ10を高感度な加算読み出しモードで動作させるとともに、状況が明るくなり、ＣＣＤ10の電子シャッタのシャッタスピードが一定値以上高速になった場合には、加算読み出しモードから間引き読み出しモードへと切り替え、スミアによる画像品位の劣化を低く抑えることができる。すなわち、撮影状況の明るさにより、撮影条件が暗い場合は、加算読み出しモード、明るい場合は、従来の間引き読み出しモードへ切り替えることにより、暗い場合には感度増による画質向上効果を、明るい場合にはスミアによる画像品位の劣化を抑制した少なくとも現状通りの画質を得ることができる。
【０２４４】
また、本撮影用のＣＣＤ10で測距や測光動作を兼用する構成では、静止画撮影あるいは動画撮影の本撮影の前の予備測定(予備撮影)として、間引き読み出しモードと加算読み出しモードとを相互に切り替えて用いることもできる。そして、この構成では、加算読み出しモードではＣＣＤ10の感度が実質的に向上する点を利用し、間引き読み出しモードでは正確な予備測定ができないような非常に暗い撮影条件においても、きわめて正確な予備測定を行うことができる。
【０２４５】
また、静止画撮影あるいは動画撮影の本撮影の前の予備測定(予備撮影)において、加算読み出しモードの高感度の利点を生かし、予備測定の動作時の垂直同期信号周期を例えば半分に減して設定し、さらに、画面の中心部分など一部分のみを読み出すことにより、予備測定のための露光時間を例えば半分として、予備測定にかかる時間を短くし、使用者が撮影を意図した瞬間と、実際に本撮影動作に移り露光が開始されるまでの間の時間差(タイムラグ)を従来の構成より小さくして、なお従来と同等の予備測定精度を維持することもできる。なお、この構成では、加算読み出しモードを使用する他、撮影状況が十分に明るい場合は、あえて間引き読み出しモードを選択的に使用することもできる。
【０２４６】
また、混色を回避し同色同士の画素の信号電荷を加算する加算読み出しモードの他、あえて混色を生じる加算を行う混色加算読み出しモードを利用することもできる。すなわち、混色加算読み出しモードは、予備測定において、意図的に異なる色の画素の信号電荷混ぜて読み出し、輝度信号により近い信号を出力して、測距すなわちオートフォーカスに利用するもので、例えば、原色ベイヤー配列のＣＣＤにおいて、偶数ラインのＲ(赤)の画素の信号電荷を全て垂直転送路(垂直レジスタ)に読み出し、この後、このＲの信号電荷を１／２段垂直転送した状態で、奇数ラインのＧ(緑)の画素の信号電荷を垂直転送路上に読み出すことにより、Ｒの信号電荷とＧの信号電荷とを混合し、さらに、垂直転送を行い、水平転送路(水平レジスタ)上で任意のライン数を加算する手法により実現され、また、電荷読出パルスを印加したまま、垂直転送を行う手法により実現される。すなわち、これらの方法では、Ｒ+Ｇの混合した信号電荷と、Ｇ+Ｂの混合した信号電荷とを生成できるとともに、高速なフレームレートを実現できる。
【０２４７】
そして、静止画撮影あるいは動画撮影の本撮影の前の予備測定(予備撮影)において、同一のＣＣＤ10を３種以上の複数の読み出しモード、例えば、間引き、同色加算、混色加算の３種の読み出しモードを切り替えて用い、予備測定のデータとして有効なデータを確保することにより、精度の高い予備測定を高速に行い、本撮影における画像の品位を向上することもできる。
【０２４８】
例えば、予備測定において、ＣＣＤ10の駆動を間引き読み出しモードに設定して測光処理を行い、撮影状況(被写体)が規定値よりも明るければ間引き読み出しモードのままとし、規定値よりも暗ければ加算読み出しモードに設定して、測光結果を反映したホワイトバランス測定用の露光条件を設定する。次いで、ホワイトバランス処理(ＡＷＢ)を行い、被写体の色に著しい偏りが認められた場合は、すなわち、ホワイトバランスずれ量が既定値より大きいと判定された場合は、ＣＣＤ10の駆動を混色加算読み出しモードに設定し、これら測光結果及びホワイトバランスの測定結果を反映した測距用露光条件を設定し、この状態で、測距処理を行う。また、ホワイトバランスずれ量が既定値以下である場合は、従前の読み出しモードを維持し、測距用露光条件を設定して、測距処理を行う。例えば、被写体が十分に明るく、かつ、色の偏りもない場合には、ＣＣＤ10の駆動は当初から間引き読み出しモードのまま維持されている。そして、これらの測光、ホワイトバランス及び測距の結果を反映した本撮影用の露光条件を設定し、本撮影を行う。そして、この構成では、ホワイトバランスの予備測定は、混色のない、間引き読み出しモード及び加算読み出しモードのいずれかを選択して行うことにより、色の分離性を保つことができるとともに、暗い撮影条件であっても、感度を向上できる加算読み出しモードを利用できるため、きわめて正確にホワイトバランスを設定でき、画像の品質を向上できる。さらに、被写体の色の偏りを認めた際には、混色加算読み出しモードを用いることにより、測距演算を容易に正確に実行することが可能になり、測距を正確にできる。すなわち、カラーのＣＣＤ10では、著しい色の偏りがある被写体を撮影した場合、間引き読み出しモード、あるいは混色なしの加算読み出しモードでは、画素毎(色毎)のレベル差が非常に大きくなり、測距演算に適さない状態になる場合がある。この場合、あえて混色加算を行うことで、画素毎のレベル差を抑制することができ、測距測定を正確に行うことができる。また、この構成においても、上記の各構成と同様に、画面中の特定の部分を抜き出して利用することで、予備測定を高速化することもできる。
【０２４９】
また、静止画撮影あるいは動画撮影の本撮影時において、非常に細かい横縞状の被写体があった場合、細かい縞が太い縞のように撮影されたり、白黒がくっきりした境界部分に本来存在しない偽色が見えたりするモアレと呼ばれる現象を、加算読み出しモードを用いて抑制することもできる。例えば、間引き読み出しモードでの動画撮影時に、ＣＰＵ21が高速フーリエ変換(ＦＦＴ)などの方法で画面垂直方向の色差成分の空間周波数分布を分析し、色差成分の比較的高周波成分に一定量以上の成分分布が認められた場合には、モアレ発生の危険があると判断して、ＣＣＤ10の駆動を間引き読み出しモードから加算読み出しモードに切り替え、低域通過フィルタに等しい効果を有する加算読み出しモードを利用してモアレを抑制できる。また、使用者が、許容できないモアレの発生を認めた場合に手動で間引き読み出しモードから加算読み出しモードに切り替えることもできる。
【０２５０】
また、露光量自動調整処理の１回ごとに、あるいは複数回に１回、モアレ発生判定処理へ移行し、画面のモアレ発生状況を評価して、モアレ発生の危険がない場合には、ＣＣＤ10の駆動を間引き読み出しモードに設定し、モアレ発生の危険を検知した場合には、ＣＣＤ10の駆動を加算読み出しモードに設定することにより、従来のライン間引きに起因するモアレの発生を自動的に効果的に抑制でき、さらに、抑制の有無を手動で切り替え可能とすることにより、操作者の意図を反映させることもできる。
【０２５１】
また、間引き読み出しモード及び加算読み出しモードのそれぞれの状態でモアレ発生の判定を行う場合、同じ被写体に対して、加算読み出しモードによる画像の方が、間引き読み出しモードによる画像よりも、モアレの検出レベルは低くなるため、それぞれの駆動方式による獲得画面の特質を考慮して判定レベルを設定することにより、モアレの判定を正確にできる。
【０２５２】
また、比較的に暗い撮影状況で、従来の間引き読み出しモードを利用して例えば高速連写などにより動きの速い被写体の連続写真を撮影する場合、感度不足のため、高速シャッタを切ることができず、動きのぶれた画像となることがあるが、このような撮影条件において、加算読み出しモードを用いることにより、高速シャッタを組み合わせることが可能になり、被写体のぶれのない鮮明な連続写真を得ることができる。
【０２５３】
また、ＣＰＵ21に制御されてＣＣＤ10の基板バイアス電圧を切り替える飽和抑制手段としての基板バイアス電圧切替回路を備えることにより、いわゆるブルーミング(blooming)の除去を容易にできる。すなわち、ＣＣＤ10の駆動を加算読み出しモードとし、複数の信号電荷をＣＣＤ内部で混合して読み出す場合、垂直転送路あるいは水平転送路の電荷転送容量が問題となることが考えられる。例えば、５画素分の信号電荷を加算する場合、各転送路の転送容量は、光電変換手段としての一画素ｅの飽和蓄積電荷量の５倍必要となるが、垂直水平転送路上で信号電荷がオーバーフローすると、固体撮像素子の各画素の信号電荷が溢れて隣接する画素に洩れ込み、例えばハイライト部の像が広がって見えるいわゆるブルーミングを発生することがある。この対策としては、垂直転送路及び水平転送路の電荷転送容量を、画素混合される量に見合った容量として設計し製造されたＣＣＤを使用することも考えられるが、専用のＣＣＤが必要になり、製造コストが上昇する。そこで、通常の設計のＣＣＤ10を用いるとともに、同色の加算読み出しモードあるいは混色加算読み出しモードなど、画素混合を行う場合であって、かつ、ＣＰＵ21により被写体の明るさの条件が一定レベル以上と判定された場合には、ブルーミングの危険があると判断し、ＣＰＵ21の制御により基板バイアス電圧切替回路がＣＣＤ10の基板バイアス電圧を通常より相応に高い電圧に切り替え、画素ｅの飽和蓄積電荷量を制限することにより、製造コストの上昇を抑制しつつ、水平転送路及び垂直転送路で発生するブルーミングを抑制し、画像の品位を向上できる。
【０２５４】
さらに、加算読み出しモードは、間引き読み出しモードに較べて、相対感度を著しく向上できるため、暗時画質の向上、暗時予備測定の高精度化、予備測定の高速化に加え、撮像装置の、特に電子スチルカメラの電子ビューファインダ用として最適な画像データを提供できる。すなわち、電子ビューファインダ(Electric View Finder : ＥＶＦ)は、ＣＣＤを通常動画モードすなわち間引き読み出しモードで駆動し、電子表示装置にリアルタイムの動画映像を表示する機構であり、現在ほとんど全ての電子スチルカメラが表示再生用の液晶モニタ(ＬＣＤモニタ)を搭載しているため、この液晶モニタをファインディングに利用することが可能であり、この点で、電子ビューファンインダが一般的に用いられている。また、電子スチルカメラに限らず、カメラが高倍率ズームを搭載した場合は、ズームに連動しない光学ファインダは視差(パララクス)が大きくなり使用できなくなる。そこで、現在、一般消費者(コンシューマー)向けの電子スチルカメラの内、一眼レフタイプ以外の高倍率ズーム搭載機は、全て電子ビューファンインダを採用している。さらに、これら高倍率ズーム搭載機の中には、光学ファインダを廃止し、液晶モニタのみによるファインダ動作に限定したものや、あるいは、液晶モニタとは別にファインダ専用の小型の液晶モニタに接眼光学系を組み合わせ、いわゆるムービーカメラと同様の電子ビューファンインダを設けた構成が用いられている。そして、光学ファインダを備えない電子スチルカメラでは、電子ビューファンインダのみでファインディングを行うことになるが、比較的感度の低い多画素ＣＣＤを用いる場合には、通常の間引き読み出しモードを利用した動画撮影によるファインダ動作では、暗い場面ではファインディングが困難になる問題がある。すなわち、ムービーカメラであれば、電子ビューファンインダに表示できない場面は撮影もできない場面であるため、問題は生じないが、電子スチルカメラの場合には、例えばストロボを用いた撮影も可能であり、どのように暗い状況でも、電子ビューファンインダは画角調整ができる程度の画像を表示する必要がある。この点、加算読み出しモードでは、全画素が撮像に寄与するため、当該ＣＣＤを用いた場合の最大レベルまで感度を向上させることができ、上記の加算読み出しモードのＣＣＤと電子ビューファンインダとを組み合わせることにより、暗い環境でも被写体を確認できるファインダシステムを提供できる。
【０２５５】
【発明の効果】
請求項１記載の撮像素子によれば、加算電荷を用いることにより、全画素を順次読み出し出力する状態に較べて、画素を間引き、フレームレートを向上できる。さらに、画素の間引きは、全画素の読み出しを行い、同色の画素の信号電荷を複数加算して行うことが可能なため、単に画素を選択的に読み出す構成に較べて、画質を向上できる。また、信号電荷を正方向及び逆方向に転送可能な垂直転送路と第１の水平転送路及び第２の水平転送路とを用いることにより、信号電荷の転送量を容易に向上できるとともに、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向を制御可能になり、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることを防止できる。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し、画質を向上できる。
【０２５６】
請求項２記載の撮像素子によれば、請求項１記載の効果に加え、垂直転送路では、複数の信号電荷が加算された加算電荷が生成されるとともに、配線部及び垂直転送路は、同じ水平ラインを撮影した加算電荷について、第１の出力部に出力される加算電荷と、第２の出力部に出力される加算電荷とが略同時に出力されるように構成されたことにより、撮像素子から出力される信号から正確な画像を構成する処理を容易にできる。
【０２５７】
請求項３記載の撮像装置によれば、加算電荷を用いることにより、全画素を順次読み出し出力する状態に較べて、画素を間引き、フレームレートを向上できる。さらに、画素の間引きは、全画素の読み出しを行い、同色の画素の信号電荷を複数加算して行うことが可能なため、単に画素を選択的に読み出す構成に較べて、画質を向上できる。また、信号電荷を正方向及び逆方向に転送可能な垂直転送路と第１の水平転送路及び第２の水平転送路とを用いることにより、信号電荷の転送量を容易に向上できるとともに、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向を制御可能になり、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることを防止できる。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し、画質を向上できる。
【０２５８】
請求項４記載の撮像装置によれば、請求項３記載の効果に加え、画素から読み出された信号電荷は、垂直転送路を一画面毎に逆方向に転送されるため、垂直転送路の一部分で転送中の信号電荷に他の信号が加わるスミアが生じる場合にも、このスミアの発生方向を制御でき、この垂直転送路で転送する全ての信号電荷にスミアが生じることを防止できる。そこで、出力された信号を処理することにより、スミアを抑制し画質を向上できる。
【０２５９】
請求項５記載の撮像装置によれば、請求項４記載の効果に加え、制御手段は、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定し、スミアのある信号を、他の画素の信号から補完するため、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアを抑制できる。
【０２６０】
請求項６記載の撮像装置によれば、請求項４または５記載の効果に加え、制御手段は、第１の出力部から出力された加算電荷と、第２の出力部から出力された加算電荷とについて、同じ水平ラインを撮影した加算電荷同士の位置を合わせる補正を行うため、信号画素を同士を加算して加算電荷を生成した際に、垂直転送路毎に位置がずれた場合にも、正確な画像を構成できる。
【０２６１】
請求項７記載の撮像装置によれば、請求項６記載の効果に加え、制御手段は、各垂直転送路を互いに交互に配置された第１列群と第２列群との２個のグループにグループ化し、これら第１列群と第２列群とで互いに反対方向に信号電荷を転送させ、それぞれ前記第１の水平転送路と第２の水平転送路とに信号電荷を転送させるとともに、第１列群の加算電荷と、第２列群の加算電荷とについて、垂直転送路から加算電荷一個分ずれて出力された加算電荷同士を、同じ水平ラインを撮影した加算電荷とみなす補正を行うため、信号画素を同士を加算して加算電荷を生成した際に、垂直転送路毎に位置がずれた場合にも、容易に比較的正確な画像を構成できる。
【０２６２】
請求項８記載の撮像装置によれば、請求項６記載の効果に加え、制御手段は、各垂直転送路を互いに交互に配置された第１列群と第２列群との２個のグループにグループ化し、これら第１列群と第２列群とで互いに反対方向に信号電荷を転送させ、それぞれ前記第１の水平転送路と第２の水平転送路とに信号電荷を転送させるとともに、第１列群の加算電荷と、第２列群の加算電荷とについて、一列において加算して生成された加算電荷の数をｋ(但し、ｋ＞２の自然数)、第１列群のｎ番目の加算電荷をＡ(ｎ)、第２列群のｎ番目の加算電荷をＢ(ｎ)、としたとき、第１列群のＡ(ｎ)に対応する第２列群の仮想的な加算電荷Ｂniを、Ｂni＝(Ｂ(ｎ＋１)＋(ｋ−１)×Ｂ(ｎ))／ｋとの式により求めるため、信号画素を同士を加算して加算電荷を生成した際に、垂直転送路毎に位置がずれた場合にも、正確な画像を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像素子の一実施の形態を示す説明図である。
【図２】同上撮像素子を備えた撮像装置の構成図である。
【図３】本発明の撮像素子のスミアを除去する動作を説明する説明図である。
【図４】同上撮像装置により撮像する画像の説明図である。
【図５】同上撮像装置により撮像した画像データの説明図である。
(a)は奇数フィールドの奇数列の画像データ
(b)は奇数フィールドの偶数列の画像データ
【図６】同上撮像装置により撮像した奇数フィールドの偶数列の画像データの説明図である。
【図７】同上撮像装置により撮像する画像の説明図である。
【図８】同上撮像装置により撮像した画像データの説明図である。
(a)は奇数フィールドの奇数列の画像データ
(b)は奇数フィールドの偶数列の画像データ
【図９】スミアが発生した画像データの説明図である。
【図１０】スミアが発生する過程を示す説明図である。
【図１１】同上スミアが発生する過程を示す説明図である。
【図１２】本発明の撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１３】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１４】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１５】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１６】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１７】本発明の撮像素子の内部構造を示す一部の説明図である。
【図１８】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図１９】本発明の撮像装置のＣＣＤの全画素個別読み出しモードを示す説明図である。
【図２０】同上撮像装置のＣＣＤの全画素個別読み出しモードを示す説明図である。
【図２１】同上撮像装置のＣＣＤの全画素個別読み出しモードの概略を示す説明図である。
【図２２】本発明の撮像装置のＣＣＤの間引き読み出しモードを示す説明図である。
【図２３】同上撮像装置のＣＣＤの間引き読み出しモードの概略を示す説明図である。
【図２４】本発明の撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図２５】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図２６】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図２７】同上図２６に続く説明図である。
【図２８】同上図２７に続く説明図である。
【図２９】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードの概略を示す説明図である。
【図３０】本発明の撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードの第２の実施の形態を示す説明図である。
【図３１】同上図３０に続く説明図である。
【図３２】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図３３】同上図３２に続く説明図である。
【図３４】同上図３３に続く説明図である。
【図３５】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードの概略を示す説明図である。
【図３６】本発明の撮像装置の加算電荷の重心位置補正の第１の構成を示す説明図である。
【図３７】本発明の撮像装置の加算電荷の重心位置補正の第３の構成を示す説明図である。
【図３８】本発明の撮像装置のＣＣＤの第３の実施の形態を示すＣＣＤの内部構造の一部の説明図である。
【図３９】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図４０】同上ＣＣＤの全画素個別読み出しモードを示す説明図である。
【図４１】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図４２】同上図４１に続く説明図である。
【図４３】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図４４】同上図４３に続く説明図である。
【図４５】同上図４４に続く説明図である。
【図４６】本発明の撮像装置のＣＣＤの第４の実施の形態を示す加算読み出しモードを示す説明図である。
【図４７】同上図４６に続く説明図である。
【図４８】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図４９】同上図４８に続く説明図である。
【図５０】同上図４９に続く説明図である。
【図５１】本発明の撮像装置のＣＣＤの第５の実施の形態を示すＣＣＤの内部構造の一部の説明図である。
【図５２】同上撮像素子の動作を示す説明図である。
【図５３】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図５４】同上図５３に続く説明図である。
【図５５】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードのライン読み出し加算の概略を示す説明図である。
【図５６】本発明の撮像装置のＣＣＤの第６の実施の形態を示すＣＣＤの加算読み出しモードを示す説明図である。
【図５７】同上図５６に続く説明図である。
【図５８】同上撮像装置のＣＣＤの加算読み出しモードのライン読み出し加算の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 撮像装置
10 撮像素子としてのＣＣＤ
11 制御手段を構成するＣＣＤ駆動回路
20 制御手段を構成する画像処理回路
21 制御手段を構成するＣＰＵ
27 配線部としてのゲート配線
33 信号電荷
34 第１の加算電荷としての５画素混合電荷
44 第２の加算電荷としての５画素混合電荷
CH 水平転送路
CH1 第１の水平転送路としての下部水平転送路
CH2 第２の水平転送路としての上部水平転送路
CV，VV 垂直転送路
ｅ 画素
Ｉ グループを構成する第１列群
II グループを構成する第２列群
OP1 第１の出力部としての下部出力部
OP2 第２の出力部としての上部出力部
Ｓ スミア

Claims (8)

1. 所定のパターンで複数の色が配列されそれぞれ光電変換して信号電荷を蓄積する複数の画素と、
   これら画素から読み出した信号電荷を正方向及び逆方向に転送可能な電荷結合素子を備え、互いに反対方向に信号電荷を転送する複数グループにグループ化された複数の垂直転送路と、
   前記各画素から前記各垂直転送路に信号電荷を読み出し、これら信号電荷を前記各垂直転送路上を転送させるとともに所定の位置に保持可能な電圧が印加される複数系統の配線部と、
   前記各垂直転送路の一端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第１の出力部に出力する第１の水平転送路と、
   前記各垂直転送路の他端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第２の出力部に出力する第２の水平転送路と
   を具備したことを特徴とする撮像素子。
2. 垂直転送路では、複数の信号電荷が加算された加算電荷が生成されるとともに、配線部及び垂直転送路は、同じ水平ラインを撮影した加算電荷について、第１の出力部に出力される加算電荷と、第２の出力部に出力される加算電荷とが略同時に出力されるように構成された
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
3. 撮像素子と、この撮像素子を制御する制御手段とを具備し、
   前記撮像素子は、所定のパターンで複数の色が配列されそれぞれ光電変換して信号電荷を蓄積する複数の画素と、これら画素から信号電荷を読み出しこれら読み出した信号電荷を正方向及び逆方向に転送可能な電荷結合素子を備えた複数の垂直転送路と、前記各垂直転送路の一端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第１の出力部に出力する第１の水平転送路と、前記各垂直転送路の他端部から信号電荷が転送され、これら転送された信号電荷を転送して第２の出力部に出力する第２の水平転送路とを具備し、
   前記制御手段は、前記同色の画素の信号電荷を前記各垂直転送路に読み出し、これら読み出した信号電荷のうち所定の画素の信号電荷について位置を保持させたまま、読み出した他の信号電荷を転送し、位置を保持した信号電荷に転送した信号電荷を加算した加算電荷を生成するとともに、前記各垂直転送路を複数のグループにグループ化し、一方のグループと他方のグループとで互いに反対方向に信号電荷を転送させ、それぞれ前記第１の水平転送路と第２の水平転送路とに信号電荷を転送させる
   ことを特徴とする撮像装置。
4. 制御手段は、各垂直転送路の転送方向を一画面毎に逆方向とするとともに、前記撮像素子の各出力部から出力された信号を処理して画像を構成する
   ことを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
5. 制御手段は、画素から読み出された信号電荷以外の信号が加えられたスミアのある信号を判定し、スミアのある信号を、他の画素の信号から補完する
   ことを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
6. 制御手段は、第１の出力部から出力された加算電荷と、第２の出力部から出力された加算電荷とについて、同じ水平ラインを撮影した加算電荷同士の位置を合わせる補正を行う
   ことを特徴とする請求項４または５記載の撮像装置。
7. 制御手段は、各垂直転送路を互いに交互に配置された第１列群と第２列群との２個のグループにグループ化し、これら第１列群と第２列群とで互いに反対方向に信号電荷を転送させ、それぞれ前記第１の水平転送路と第２の水平転送路とに信号電荷を転送させるとともに、第１列群の加算電荷と、第２列群の加算電荷とについて、前記垂直転送路から加算電荷一個分ずれて出力された加算電荷同士を、同じ水平ラインを撮影した加算電荷とみなす補正を行う
   ことを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
8. 制御手段は、各垂直転送路を互いに交互に配置された第１列群と第２列群との２個のグループにグループ化し、これら第１列群と第２列群とで互いに反対方向に信号電荷を転送させ、それぞれ前記第１の水平転送路と第２の水平転送路とに信号電荷を転送させるとともに、第１列群の加算電荷と、第２列群の加算電荷とについて、
   一列において加算して生成された加算電荷の数をｋ(但し、ｋ＞２の自然数)、
   第１列群のｎ番目の加算電荷をＡ(ｎ)、
   第２列群のｎ番目の加算電荷をＢ(ｎ)、
   としたとき、
   第１列群のＡ(ｎ)に対応する第２列群の仮想的な加算電荷Ｂniを、
   Ｂni＝(Ｂ(ｎ＋１)＋(ｋ−１)×Ｂ(ｎ))／ｋ
   との式により求める
   ことを特徴とする請求項６記載の撮像装置。

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