JP2004357328A - カメラ、カメラの駆動方法および固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子スチルカメラでは垂直解像度が高くかつ高速な撮像信号を得る必要がある。
【解決手段】所定の繰り返し単位の読み出しゲート部に読み出しパルスを印加して垂直方向の一部のラインの画素のみから信号電荷を読み出し、出力する撮像信号のライン数を減らすライン間引き動作において、垂直転送駆動を行う際に、互いに逆相の垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′）とφＶ３（φＶ３′）、φＶ２とφＶ４との組み合わせによって垂直ＣＣＤ１３を駆動し、垂直転送クロックのオーバーラップ期間２ｘを長くとる。
【選択図】図９

Description

本発明は、カメラ、カメラの駆動方法および固体撮像装置に関し、特に電子スチルカメラ等のカメラ、当該カメラの駆動方法および当該カメラに用いて好適な固体撮像装置に関する。

ビデオカメラ等に使用されている従来の固体撮像装置、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device) 固体撮像装置は、インターレース方式の出力信号を発生するために、図１２に示すように、センサ部１０１において１／６０秒（１フィールド相当期間）だけ蓄積し、各センサ部１０１から読み出した信号電荷を垂直ＣＣＤ１０２中において垂直方向で隣り合う２画素間で混合し、また混合する垂直２画素の組み合わせを奇数フィールドと偶数フィールドとで変えるいわゆるフィールド読み出し方式によってインターレース走査を実現していた。

このフィールド読み出し方式の場合、各画素における信号電荷の蓄積時間が１／６０秒であり、図１３に示すように、１／３０秒の蓄積時間で偶数ラインの画素の信号電荷のみ、あるいは奇数ラインの画素の信号電荷のみを読み出すいわゆるフレーム読み出し方式の場合と比較して蓄積時間が半分であるため、動画像の撮像を良好に行うことができるという利点がある反面、垂直２画素の信号電荷を混合しているため垂直解像度が低いという欠点がある。したがって、高解像度が要求される電子スチルカメラの撮像方式としては適していない。

このため、電子スチルカメラでは、撮像素子としてメカニカルシャッタを使用したフレーム読み出し方式固体撮像装置（例えば、特許文献１参照）、あるいは図１４に示すように各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ中で混せずに独立に読み出すいわゆる全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置（例えば、特許文献１参照）が用いられている。これらの方式の固体撮像装置によれば、垂直解像度の低下を防止することはできるが、撮像信号を出力するためには、画素数が同じ場合に、フィールド読み出し方式固体撮像装置の２倍の時間を必要とする。

特開平０６−０８６１５２号公報 特開平０６−３５０９２３号公報

電子スチルカメラの場合、撮影時にピントを合わせたり、撮影時のカメラアングルを調整したりするために、撮像画像を表示するモニタ、例えば液晶モニタを設けることが多い。この液晶モニタは、１／６０秒のノンインターレース走査で画像を表示するのが一般的である。したがって、１／３０秒周期の撮像信号をそのまま液晶モニタに供給すると、図１５に示すように、表示画像の歪が発生する問題がある。

この問題を回避するためには、図１６に示すように、液晶（ＬＣＤ）モニタ１１１に対してＶ（ビデオ）ＲＡＭ（あるいはフレームメモリ）１１２を設け、このＶＲＡＭ１１２でフレームレートを変換する必要がある。すなわち、ＶＲＡＭ１１２に１／３０秒周期の撮像信号を供給する一方、このＶＲＡＭ１１２から１／６０秒周期のノンインターレース信号を導出し、これを液晶モニタ１１１に与える構成を採ることになる。

このように、全画素読み出し方式固体撮像装置は、垂直解像度が高いという点で、電子スチルカメラの撮像素子として好適である反面、通常のテレビジョンモニタに撮像画像を表示するのにＶＲＡＭあるいはフレームメモリが必要となるため、電子スチルカメラのコスト上昇を招くという問題があった。さらに、電子スチルカメラは自動焦点制御装置、自動アイリス制御装置、自動ホワイトバランス制御装置等の自動制御装置を備えているので、撮像素子の出力信号の周期が長いことは、これらの自動制御の応答を遅くするという問題があった。

上述した問題を解決する方法の一つとして、撮像素子の出力信号のデータレートを高くする方法が考えられる。しかしながら、撮像素子の出力信号のデータレートを高くするためには、サンプリングレート変換器を設ける必要があり、またクロック周波数が高くなるのに伴って、消費電力の増大、使用部品のコストの上昇、Ｓ／Ｎの劣化等の新たな問題が生じることになる。したがって、撮像信号のデータレートを上げるのは、好ましい方法とは言えない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、駆動系の構成を変更するのみの簡単な構成にて、より高速な撮像信号を得ることが可能なカメラ、カメラの駆動方法および固体撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、ライン間引き動作モードを含む複数の動作モードを有し、撮像信号を表示するモニタを備えたカメラにおいて、行列状に配列されて光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部の各々に対応して設けられ、各センサ部で光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部によって読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から移された信号電荷を水平転送する水平転送部とを具備する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の前記垂直転送部および前記水平転送部の各々を駆動するための転送クロックを生成するタイミングジェネレータと、前記タイミングジェネレータが生成する転送クロックから前記複数の動作モードの各々に対応した垂直転送クロックを選択して前記固体撮像素子に与えるクロック切替部と、前記クロック切替部が前記ライン間引き動作モードに応じた垂直転送クロックを前記固体撮像素子に与えた場合に、所定の繰り返し単位の前記読み出しゲート部に読み出しパルスを印加して前記垂直転送部中に信号電荷を含むパケットとその転送方向の後方に信号電荷を含まない空パケットとが存在する状態に前記複数のセンサ部の所定の繰り返し単位の垂直方向の一部のみから信号電荷を読み出すとともに、互いに逆相の垂直転送クロック対の組み合わせによって、前記垂直転送部を駆動しかつ前記垂直転送部中の信号電荷を含むパケットの情報とその後方の少なくともひとつの空パケットの情報とを前記水平転送部で混合すべく前記固体撮像素子を駆動する駆動部とを備え、前記ライン間引き動作モードで得られた撮像信号を前記モニタに表示するようにしている。

上記構成のカメラにおいて、所定の繰り返し単位の読み出しゲート部に読み出しパルスを印加し、複数のセンサ部のうちの垂直方向の一部のみから信号電荷を読み出すことで、特定のラインの画素の信号電荷のみを読み出す。これにより、垂直転送部中に信号電荷を含むパケットとその転送方向の後方に信号電荷を含まない空パケットとが存在する。そして、互いに逆相の垂直転送クロック対の組み合わせによって垂直転送部を駆動することで、垂直転送クロックのオーバーラップ期間を長くとった状態で垂直転送が行われ、水平転送部では垂直転送部中の信号電荷を含むパケットの情報とその後方の少なくとも１つの空パケットの情報とが混合される。これにより、出力する撮像信号のライン数が減り、より高速の撮像信号が得られる。

本発明によれば、固体撮像素子の駆動系の構成を変更するのみでライン間引き動作を実現できるため、簡単な構成にてより高速な撮像信号を得ることが可能となり、また垂直転送クロックのオーバーラップ期間を長くとった状態で垂直転送を行うことができるため、垂直転送部の転送効率を向上できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施形態では、インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合を例に採って説明するものとする。

図１は、本発明の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、行（垂直）方向および列（水平）方向にマトリクス状に配列され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する複数のセンサ部１１と、これらセンサ部１１の垂直列ごとに設けられ、各センサ部１１から読み出しゲート部１２によって読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直ＣＣＤ１３とによって撮像エリア１４が構成されている。

この撮像エリア１４において、センサ部１１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなっている。このセンサ部１１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部１２に後述する読み出しパルスが印加されることにより垂直ＣＣＤ１３に読み出される。垂直ＣＣＤ１３は、例えば４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４によって転送駆動され、読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。

ここで、垂直ＣＣＤ１３において、１相目および３相目の転送電極は、読み出しゲート部１２のゲート電極を兼ねている。このことから、４相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４のうち、１相目の転送クロックφＶ１と３相目の転送クロックφＶ３が低レベル（以下、“Ｌ”レベルと称す）、中間レベル（以下、“Ｍ”レベルと称す）および高レベル（以下、“Ｈ”レベルと称す）の３値をとるように設定されており、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスが読み出しゲート部１２の読み出しパルスとなる。

撮像エリア１４の図面上の下側には、水平ＣＣＤ１５が配されている。この水平ＣＣＤ１５には、複数本の垂直ＣＣＤ１３から１ラインに相当する信号電荷が順次転送される。水平ＣＣＤ１５は、例えば２相の水平転送クロックφＨ１，φＨ２によって転送駆動され、複数本の垂直ＣＣＤ１３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。

水平ＣＣＤ１５の転送先の端部には、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成の電荷電圧変換部１６が設けられている。この電荷電圧変換部１７は、水平ＣＣＤ１５によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力ＯＵＴとして導出される。以上により、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子１０が構成されている。

このＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動するための垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４および水平転送クロックφＨ１，φＨ２を含む各種のタイミング信号は、タイミングジェネレータ１７で生成される。このタイミングジェネレータ１７において、垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４については、第１の動作モード、即ち一例として各フィールドごとに垂直方向において１画素おきに信号電荷を読み出すフレーム読み出し動作モードと、第２の動作モード、即ち特定のラインの信号電荷のみを読み出すいわゆるライン間引き動作モードとを選択できるように、各動作モードに対応した２系統の垂直転送クロックφＶ１１〜φＶ１４，φＶ２１〜φＶ２４が生成される。

２系統の垂直転送クロックのうち、フレーム読み出し動作モード用垂直転送クロックφＶ１１〜φＶ１４は、図２（Ａ）示すように、互いにπ／２だけ位相がずれた負の垂直転送クロックφＶ１１，φＶ１２と、この垂直転送クロックφＶ１１，φＶ１２の各々の立ち下がりよりもπ／４だけ早く立ち上がりかつ各々の立上がりよりもπ／４だけ遅く立ち下がる正の垂直転送クロックφＶ１３，φＶ１４として生成される。

一方、ライン間引き動作モード用垂直転送クロックφＶ２１〜φＶ２４は、図２（Ｂ）に示すように、互いにπ／２だけ位相がずれた負の垂直転送クロックφＶ２１，φＶ２２と、この垂直転送クロックφＶ２１，φＶ２２の各々と逆相の正の垂直転送クロックφＶ２３，φＶ２４として生成される。すなわち、互いに逆相の垂直転送クロックφＶ２１とφＶ２３が対になり、φＶ２２とφＶ２４が対になる。なお、図２は、ラインシフト期間における波形図である。

この２系統の垂直転送クロックφＶ１１〜φＶ１４，φＶ２１〜φＶ２４は、信号切り換え回路１８に供給される。信号切り換え回路１８は、外部から与えられるモード信号に応じて、２系統の垂直転送クロックφＶ１１〜φＶ１４，φＶ２１〜φＶ２４のいずれか一方を選択し、実際に垂直ＣＣＤ１３を駆動する垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４としてＣＣＤ固体撮像素子１０に与える。具体的には、モード信号がフレーム読み出し動作モードを示す場合には垂直転送クロックφＶ１１〜φＶ１４を選択し、モード信号がライン間引き動作モードを示す場合には垂直転送クロックφＶ２１〜φＶ２４を選択する。

図３は、撮像エリア１４の具体的な構成の一例を示す平面パターン図であり、図４にそのＸ‐Ｘ′矢視断面を示す。先ず、垂直ＣＣＤ１３は、Ｎ型基板２１上にＰ型ウェル２２を介して形成されたＮ型不純物からなる転送チャネル２３と、この転送チャネル２３の上方にその転送方向に繰り返して配列された４相の転送電極２４-1〜２４-4とから構成されている。

これらの転送電極２４-1〜２４-4において、２相目の転送電極２４-2と４相目の転送電極２４-4が１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）によって形成され、１相目の転送電極２４-1と３相目の転送電極２４-3が２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す）によって形成された２層電極構造となっている。なお、転送電極２４-1〜２４-4の材質は、必ずしもポリシリコンに限定されるものではない。

また、１相目，３相目の転送電極２４-1，２４-3の下方の領域において、信号電荷の転送方向（図３の左側から右側への方向）の上流側の略半分の領域の基板表面側にはＰ^-型の不純物層２５が形成されている。これにより、１相目，３相目の転送電極２４-1，２４-3の下方の領域の転送チャネル２３には、信号電荷の転送方向に向けて下る傾斜のポテンシャル勾配が形成される。その結果、転送電極２４-1，２４-3の下に転送された信号電荷は、そのポテンシャル勾配によって転送電極２４-2，２４-4の下に徐々に移動する。

転送電極２４-1〜２４-4を形成する１層目，２層目のポリシリコン層には、センサ部１１上において、ポリシリコン開口部２６が設けられている。また、転送電極２４-1〜２４-4の上方は、アルミニウムからなる遮光膜２７によって覆われている。この遮光膜２７には、センサ部１１上において、ポリシリコン開口部２６よりも内側にセンサ開口２８が形成されている。この遮光膜２７の材質としては、アルミニウム以外の材質が用いられる場合もある。

図５は、垂直ＣＣＤ１３における転送電極２４-1〜２４-4の配線パターン図である。本配線系においては、ライン間引き動作を可能とするためには、１相目の垂直転送クロックφＶ１および３相目の垂直転送クロックφＶ３の配線に工夫が凝らされている。具体的には、本実施形態では、一例として、１ラインおきのライン間引き動作を実現するために、１相目および３相目の垂直転送クロックとしてそれぞれ２系統の垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′およびφＶ３，φＶ３′が用意され、さらに垂直転送クロックを伝送するために計６本のバスライン３１〜３６が配線されている。

そして、垂直転送クロックφＶ１を伝送するバスライン３１には１相目の転送電極２４-1が７画素おきに接続され、垂直転送クロックφＶ１′を伝送するバスライン３２にはバスライン３１に接続された以外の１相目の転送電極２４-1が１画素おきに接続され、垂直転送クロックφＶ２を伝送するバスライン３３には２相目の転送電極２４-2が１画素おきに接続されている。

また、垂直転送クロックφＶ３を伝送するバスライン３４には３相目の転送電極２４-3が７画素おきに接続され、垂直転送クロックφＶ３′を伝送するバスライン３５にはバスライン３４に接続された以外の３相目の転送電極２４-3が１画素おきに接続され、垂直転送クロックφＶ４を伝送するバスライン３６には４相目の転送電極２４-4が１画素おきに接続されている。

垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′およびφＶ３，φＶ３′は、先述したように、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスがセンサ部１１から信号電荷を読み出すときに読み出しゲート部１２を駆動する読み出しパルスとなる。そして、フレーム読み出し動作モードの際には、図６（Ａ）に示すように、垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′およびφＶ３，φＶ３′の各々に読み出しパルスが立つのに対して、ライン間引き動作モードの際には、図６（Ｂ）に示すように、垂直転送クロックφＶ１およびφＶ３のみに読み出しパルスが立つ。

この垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′およびφＶ３，φＶ３′により、垂直方向における２画素を１ラインとすると、１ラインおきに信号電荷を読み出すライン間引き動作が実現される。なお、フレーム読み出し動作モードのときには、垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′の読み出しパルスは第１フィールド（奇数又は偶数フィールド）で発生され、垂直転送クロックφＶ３，φＶ３′の読み出しパルスは第２フィールド（偶数又は奇数フィールド）で発生される。また、ライン間引き動作モードのときには、第１，第２フィールド共に垂直転送クロックφＶ１，φＶ３に読み出しパルスが立つ。

これに対応して、図１のタイミングジェネレータ１７からは、フレーム読み出し動作モード用として垂直転送クロックφＶ１１，φＶ１１′，φＶ１２，φＶ１３，φＶ１３′，φＶ１４が発生され、ライン間引き動作モード用として垂直転送クロックφＶ２１，φＶ２１′，φＶ２２，φＶ２３，φＶ２３′，φＶ２４が発生される。ただし、上述したように、ライン間引き動作モードの際には、１相目，３相目の垂直転送クロックとしてφＶ２１およびφＶ２３のみが発生され、φＶ２１′およびφＶ２３′は発生されない。

次に、上記構成の本実施形態に係る固体撮像装置において、フレーム読み出し動作モードおよびライン間引き動作モードにおける信号電荷の読み出しおよび垂直転送の各動作について説明する。

なお、各動作モードの切り換えは、図１において、クロック切り換え回路１８に対して外部からモード信号が与えられ、クロック切り換え回路１８がこのモード信号に応じてフレーム読み出し動作モード時にはタイミングジェネレータ１７で発生される垂直転送クロックφＶ１１〜φＶ１４を、ライン間引き動作モード時には垂直転送クロックφＶ２１〜φＶ２４をそれぞれ選択し、垂直ＣＣＤ１３を駆動する垂直転送クロックφＶ１〜φＶ４としてＣＣＤ固体撮像素子１０に与えることによって行われる。

先ず、フレーム読み出し動作モードの際の信号電荷の読み出しおよび垂直転送の各動作について、図７のタイミングチャートおよび図８のポテンシャル図を参照して説明する。なお、図８において、右側から左側への方向を電荷転送方向とする。図５において、各センサ部１１からの信号電荷の読み出しに際し、第１フィールドでは、１相目の転送電極２４-1に対して、図６（Ａ）に示す垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′を印加する。これにより、１相目の読み出しゲート部１２に対して実線で示した読み出しパルスが与えられるため、垂直方向において１画素おきにセンサ部１１から信号電荷が垂直ＣＣＤ１３に読み出される。

この読み出された信号電荷は、垂直ＣＣＤ１３の転送動作により、水平ブランキング期間に１ラインずつ垂直転送される。このラインシフト期間に移行する直前の時点ｔ０では、１相目の垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′および２相目の垂直転送クロックφＶ２が共に“Ｍ”レベルであることから、１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下のポテンシャルが深くなってパケットが形成され、このパケットに各信号電荷Ｑｓが蓄積されている。

そして、ラインシフト動作が開始され、３相目の垂直転送クロックφＶ３，φＶ３′が“Ｌ”レベルから“Ｍ”レベルに遷移すると（時点ｔ１）、３相目の転送電極２４-3の下のポテンシャルが深くなる。これにより、１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下のパケットに蓄積されていた信号電荷Ｑｓが３相目の転送電極２４-3の下まで移動する。次に、１相目の垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′が“Ｌ”レベルに遷移すると（時点ｔ２）、１相目の転送電極２４-1の下のポテンシャルが浅くなるため、信号電荷Ｑｓが２相目，３相目の転送電極２４-2，２４-3の下に蓄積される。

続いて、４相目の垂直転送クロックφＶ４が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移すると（時点ｔ３）、４相目の転送電極２４-4の下のポテンシャルが深くなる。これにより、２相目，３相目の転送電極２４-2，２４-3の下に蓄積されていた信号電荷Ｑｓが４相目の転送電極２４-4の下まで移動する。次に、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｌ”レベルに遷移すると（時点ｔ４）、２相目の転送電極２４-2の下のポテンシャルが浅くなるため、信号電荷Ｑｓが３相目，４相目の転送電極２４-3，２４-4の下に蓄積される。

続いて、１相目の垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′が“Ｍ”レベルに遷移すると（時点ｔ５）、１相目の転送電極２４-1の下のポテンシャルが深くなる。これにより、３相目，４相目の転送電極２４-3，２４-4の下に蓄積されていた信号電荷Ｑｓが１相目の転送電極２４-1の下まで移動する。次に、３相目の垂直転送クロックφＶ３，φＶ３′が“Ｌ”レベルに遷移すると（時点ｔ６）、３相目の転送電極２４-3の下のポテンシャルが浅くなるため、信号電荷Ｑｓが４相目，１相目の転送電極２４-4，２４-1の下に蓄積される。

続いて、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｍ”レベルに遷移すると（時点ｔ７）、２相目の転送電極２４-2の下のポテンシャルが深くなる。これにより、４相目，１相目の転送電極２４-4，２４-1の下に蓄積されていた信号電荷Ｑｓが２相目の転送電極２４-2の下まで移動する。次いで、４相目の垂直転送クロックφＶ４が“Ｌ”レベルに遷移すると（時点ｔ８）、４相目の転送電極２４-4の下のポテンシャルが浅くなるため、信号電荷Ｑｓが１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下に蓄積される。

以上のラインシフト期間における一連の垂直転送動作により、センサ部１１の各々から読み出され、かつ１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下のパケットに蓄積された信号電荷Ｑｓが、１ラインだけシフトされて次の１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下のパケットに順に蓄積される。このとき、撮像エリア１４の最下端の１ライン分の信号電荷は水平ＣＣＤ１５に転送される。そして、水平ＣＣＤ１５に移された１ライン分の信号電荷は、水平ブランキング期間後の水平走査期間において、水平ＣＣＤ１５の転送駆動によって順次水平方向に転送される。

なお、上述した動作説明では、第１フィールドの場合について説明したが、第２フィールドの場合には、３相目の転送電極２４-3に対して、図６（Ａ）に示す垂直転送クロックφＶ３，φＶ３′を印加することで、３相目の読み出しゲート部１２に対して点線で示した読み出しパルスが与えられるため、垂直方向において１画素おきに、第１フィールドの場合とは異なるセンサ部１１から信号電荷が垂直ＣＣＤ１３に読み出される。そして、以降の垂直転送動作は第１フィールドの場合と同様にして行われる。

次に、ライン間引き動作モードの際の信号電荷の読み出しおよび垂直転送の各動作について、図９のタイミングチャートおよび図１０のポテンシャル図を参照して説明する。なお、図１０において、右側から左側への方向を電荷転送方向とする。先ず、図５において、各センサ部１１からの信号電荷の読み出しに際し、第１，第２フィールド共に、１相目の転送電極２４-1および３相目の転送電極２４-3に対して、図６（Ｂ）に示す垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′およびφＶ３，φＶ３′を印加する。

このとき、図６（Ｂ）から明らかなように、垂直転送クロックφＶ１，φＶ３には読み出しパルスが立つが、垂直転送クロックφＶ１′，φＶ３′には読み出しパルスが立たない。したがって、垂直転送クロックφＶ１，φＶ３が印加される転送電極２４-1，２４-3の読み出しゲート部１２に対してのみ読み出しパルスが与えられるため、その転送電極に対応するセンサ部１１からのみ信号電荷が垂直ＣＣＤ１３に読み出される。

この読み出された信号電荷は、垂直ＣＣＤ１３の転送動作により、水平ブランキング期間に１ラインずつ垂直転送される。このラインシフト期間に移行する直前の時点ｔ０では、１相目の垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′および２相目の垂直転送クロックφＶ２が共に“Ｍ”レベルであることから、１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下のポテンシャルが深くなってライン単位で交互にパケットＡ，Ｂが形成され、読み出された信号電荷ＱｓはパケットＡに蓄積され、パケットＢは空パケットとなる。

そして、ラインシフト動作が開始され、１相目の垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′が“Ｌ”レベルに、３相目の垂直転送クロックφＶ３，φＶ３′が“Ｍ”レベルにそれぞれ遷移すると（時点ｔ１）、１相目の転送電極２４-1の下のポテンシャルが浅くなると同時に、３相目の転送電極２４-3の下のポテンシャルが深くなる。これにより、１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下のパケットＡに蓄積されていた信号電荷Ｑｓが、２相目，３相目の転送電極２４-2，２４-3の下に移動し、ここに蓄積される。

次いで、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｌ”レベルに、４相目の垂直転送クロックφＶ４が“Ｍ”レベルにそれぞれ遷移すると（時点ｔ２）、２相目の転送電極２４-2の下のポテンシャルが浅くなると同時に、４相目の転送電極２４-4の下のポテンシャルが深くなる。これにより、２相目，３相目の転送電極２４-2，２４-3の下に蓄積されていた信号電荷Ｑｓが３相目，４相目の転送電極２４-3，２４-4の下に移動し、ここに蓄積される。

次に、１相目の垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′が“Ｍ”レベルに、３相目の垂直転送クロックφＶ３，φＶ３′が“Ｌ”レベルにそれぞれ遷移すると（時点ｔ３）、１相目の転送電極２４-1の下のポテンシャルが深くなると同時に、３相目の転送電極２４-3の下のポテンシャルが浅くなる。これにより、３相目，４相目の転送電極２４-3，２４-4の下に蓄積されていた信号電荷Ｑｓが、４相目，１相目の転送電極２４-4，２４-1の下に移動し、ここに蓄積される。

次いで、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｍ”レベルに、４相目の垂直転送クロックφＶ４が“Ｌ”レベルにそれぞれ遷移すると（時点ｔ４）、２相目の転送電極２４-2の下のポテンシャルが深くなると同時に、４相目の転送電極２４-4の下のポテンシャルが浅くなる。これにより、４相目，１相目の転送電極２４-4，２４-1の下に蓄積されていた信号電荷Ｑｓが、１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下のパケットＢに移動し、ここに蓄積される。

以上のラインシフト期間における一連の垂直転送動作により、センサ部１１の各々から読み出され、かつ１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下のパケットＡに蓄積された信号電荷Ｑｓが、１ラインだけシフトされて次の１相目，２相目の転送電極２４-1，２４-2の下の空パケットＢに、空パケットＢの無信号がパケットＡにそれぞれ順に蓄積される。なお、本例では、第１，第２フィールド共に同一の行の画素から信号電荷を読み出すとしたが、垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′）〜φＶ４を伝送するバスラインの配線を変更することにより、フレーム読み出しの場合のように、信号電荷を読み出す行を第１フィールドと第２フィールドとで変更することも可能である。

ところで、上述したライン間引き動作により、信号電荷Ｑｓを含むパケットＡの前方および後方に信号電荷を含まない空パケットＢが存在する場合、各ラインから信号電荷Ｑｓを出力するためには、各水平ブランキング期間内に、空パケット分だけ上述したラインシフトの回数を増やす必要がある。上述した如き１ラインおきの間引きの例の場合には、図９のラインシフト期間および図１０に示すシフト動作を２回繰り返す必要がある。

このように、ライン間引き動作において、各水平ブランキング期間内に空パケット分だけラインシフトの回数を増やすことで、各水平ブランキング期間内に水平ＣＣＤ１５においてパケットＡの信号電荷Ｑｓと空パケットＢの無信号とが混合される。これにより、無信号の期間が除去されるため、各ラインごとに信号電荷Ｑｓが出力されることになる。

このライン間引き動作モードにおけるラインシフトにおいて、本発明では、上述したことから明らかなように、１相目の垂直転送クロックφＶ１，φＶ１′と３相目の垂直転送クロックφＶ３，φＶ３′とを逆相、２相目の垂直転送クロックφＶ２と４相目の垂直転送クロックφＶ４とを逆相とし（図９を参照）、コンプリメント２相駆動としたが、ここで、フレーム読み出し動作モードの場合と同様に、図７に示す如き位相関係にある垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′）〜φＶ４を用いた４相駆動の場合について考える。

図７に示す垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′）〜φＶ４において、各クロック相互間の位相差がπ／４であることから、各クロックのオーバーラップ期間ｘがラインシフト回数の増加分だけ短くなってしまう。ここで、垂直ＣＣＤ１３の各転送電極２４-1〜２４-4には、撮像エリア１４の両側から垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′）〜φＶ４が伝送されることから、撮像エリア１４の中央部分では伝搬遅延によって垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′）〜φＶ４の振幅が低下してしまい、垂直ＣＣＤ１３の取り扱い電荷量が減少したり、転送効率が劣化したりしてしまうことになる。

これに対して、本発明のように、ライン間引き動作モードの際の垂直ＣＣＤ１３の駆動をコンプリメント２相駆動とすることにより、垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′），φＶ３（φＶ３′）と垂直転送クロックφＶ２，φＶ４との位相差がπ／２であることから、両クロックのオーバーラップ期間が４相駆動の場合の２倍の２ｘとなる。この垂直転送クロックのオーバーラップ期間が長い方が信号電荷の転送にとって有利である。

すなわち、ライン間引き動作モードでの転送動作についてさらに詳細に説明するならば、１相目，３相目の転送電極２４-1，２４-3の下には、図４で説明したように、電荷転送方向に向けて下る傾斜のポテンシャル勾配が形成されていることから、１相目，３相目の転送電極２４-1，２４-3の下の信号電荷Ｑｓが、そのポテンシャル勾配によってオーバーラップ期間２ｘに２相目，４相目の転送電極２４-2，２４-4側に移動する。

このことから、垂直転送クロックのオーバーラップ期間２ｘが長ければ、１相目，３相目の転送電極２４-1，２４-3の下の信号電荷Ｑｓの大部分が、２相目，４相目の転送電極２４-2，２４-4側に移動できることになる。そして、次の転送タイミングでは、伝搬遅延によって垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′）〜φＶ４の振幅が低下したとしても、信号電荷Ｑｓが確実に２相目，３相目の転送電極２４-2，２４-3の下および４相目，１相目の転送電極２４-4，２４-1の下に転送される。したがって、コンプリメント２相駆動の場合のように、垂直転送クロックのオーバーラップ期間が長い方が信号電荷Ｑｓの転送にとって有利であり、４相駆動の場合よりも転送効率を改善できることとなる。

次に、垂直ＣＣＤ１３の取り扱い電荷量について考える。４相駆動の場合は、図１１（Ａ）の状態まで信号電荷Ｑｓを蓄積できるのに対して、コンプリメント２相駆動の場合は、信号電荷Ｑｓを蓄積しているパケットの両隣りのポテンシャルが同時に動いてしまうので、図１１（Ｂ）に示したような状態が一時的に生じてしまい、理論的には変わらないものの、タイミングずれなどによって４相駆動の場合よりも多少減少する傾向にある。

しかしながら、ライン間引き動作の場合には、信号電荷Ｑｓを含むパケットＡの後方に空パケットＢがあるので、パケットＡで信号電荷Ｑｓが溢れても、後ろの空パケットＢで溢れなければ、最終的に各パケットＡ，Ｂの電荷を水平ＣＣＤ１５において混合するため問題とはならず、よって垂直ＣＣＤ１３の取り扱い電荷量が減少することはない。

なお、本実施形態では、ライン間引き動作モードにおいて、１ラインおきに間引く場合を例に採って説明したが、これに限定されるものではなく、その間引き方は任意であり、要は、所定の繰り返し単位の読み出しゲート部１２に読み出しパルスを印加して、一部のラインの画素の信号電荷のみを垂直ＣＣＤ１３に読み出すようにすれば良い。

このように、所定の繰り返し単位の読み出しゲート部１２に読み出しパルスを印加して、一部のラインの画素の信号電荷のみを垂直ＣＣＤ１３に読み出すことにより、出力する撮像信号のライン数を減らして、より高速の撮像信号を得る動作、即ちライン間引き動作を行うことにより、データレートを高速にせずに、より高速の撮像信号、例えばＮＴＳＣ方式に対応した出力信号を得ることが可能となる。

また、ライン間引き動作モードの際には、垂直ＣＣＤ１３をコンプリメント２相駆動としたことにより、垂直転送クロックのオーバーラップ期間を長くすることができるため、撮像エリア１４の中央部分において伝搬遅延によって垂直転送クロックφＶ１（φＶ１′）〜φＶ４の振幅が低下したとしても、垂直ＣＣＤ１３の取り扱い電荷量を維持しつつ垂直ＣＣＤ１３の転送効率を向上できる。

なお、上記実施形態では、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、インターライン転送方式以外の方式のＣＣＤ固体撮像素子、さらにはＣＣＤ以外を用いた固体撮像素子にも同様に適用可能である。

また、上記実施形態においては、垂直ＣＣＤが４相駆動の場合を例に採って説明したが、本発明は４相駆動に限定されるものではない。すなわち、６相駆動、８相駆動など偶数相の駆動方式であれば、所定の繰り返し単位の読み出しゲート部に読み出しパルスを印加して、一部のラインの画素の信号電荷のみを垂直ＣＣＤに読み出すライン間引き動作が可能である。

本発明の一実施形態を示す概略構成図である。 ４相の垂直転送クロックの波形図である。 撮像エリアの構成の一例を示す平面パターン図である。 図３のＸ‐Ｘ′矢視の断面構造図である。 垂直ＣＣＤにおける転送電極の配線パターン図である。 読み出しパルスの波形図である。 フレーム読み出し動作モード時のタイミングチャートである。 フレーム読み出し動作モード時のポテンシャル図である。 ライン間引き動作モード時のタイミングチャートである。 ライン間引き動作モード時のポテンシャル図である。 垂直ＣＣＤの取り扱い電荷量の説明図である。 フィールド読み出し方式の説明図である。 フレーム読み出し方式の説明図である。 全画素読み出し方式の説明図である。 撮像素子の出力とモニタ表示との関係を示す図である。 表示系にＶＲＡＭを用いた場合の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０…ＣＣＤ固体撮像素子、１１…センサ部、１２…読み出しゲート部、１３…垂直ＣＣＤ、１５…水平ＣＣＤ、１７…タイミングジェネレータ、１８…クロック切り換え回路、２１…Ｎ型基板、２３…転送チャネル、２４-1 〜２４-4 …転送電極

Claims (5)

1. ライン間引き動作モードを含む複数の動作モードを有し、撮像信号を表示するモニタを備えたカメラにおいて、
   行列状に配列されて光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部の各々に対応して設けられ、各センサ部で光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部によって読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から移された信号電荷を水平転送する水平転送部とを具備する固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前記垂直転送部および前記水平転送部の各々を駆動するための転送クロックを生成するタイミングジェネレータと、
   前記タイミングジェネレータが生成する転送クロックから前記複数の動作モードの各々に対応した垂直転送クロックを選択して前記固体撮像素子に与えるクロック切替部と、
   前記クロック切替部が前記ライン間引き動作モードに応じた垂直転送クロックを前記固体撮像素子に与えた場合に、所定の繰り返し単位の前記読み出しゲート部に読み出しパルスを印加して前記垂直転送部中に信号電荷を含むパケットとその転送方向の後方に信号電荷を含まない空パケットとが存在する状態に前記複数のセンサ部の所定の繰り返し単位の垂直方向の一部のみから信号電荷を読み出すとともに、互いに逆相の垂直転送クロック対の組み合わせによって、前記垂直転送部を駆動しかつ前記垂直転送部中の信号電荷を含むパケットの情報とその後方の少なくともひとつの空パケットの情報とを前記水平転送部で混合すべく前記固体撮像素子を駆動する駆動部とを備え、
   前記ライン間引き動作モードで得られた撮像信号を前記モニタに表示するようにした
   ことを特徴とするカメラ。
2. 固体撮像素子の行列状に配置された複数のセンサ部において光電変換によって得られた信号電荷を、所定の繰り返し単位の垂直方向のラインの一部のみから読み出して、垂直転送部において、前記信号電荷を含むパケットとその転送方向の後方に前記信号電荷を含まない空パケットとが存在する状態にし、互いに逆相の垂直転送クロック対の組み合わせによって前記垂直転送部で垂直転送を行い、かつ前記垂直転送部中の信号電荷を含むパケットの情報とその後方の少なくともひとつの空パケットの情報とを水平転送時に混合すべく前記固体撮像素子を駆動することによって撮像信号を得る
   ことを特徴とするカメラの駆動方法。
3. 光電変換によって得た信号電荷を垂直転送し、更に水平転送して撮像信号として出力する固体撮像素子を有するカメラの駆動方法であって、
   前記固体撮像素子の行列状に配置された複数のセンサ部の所定の繰り返し単位の垂直方向の一部のみから、垂直転送部において、信号電荷を含むパケットとその転送方向の後方に信号電荷を含まない空パケットとが存在する状態に信号電荷を読み出し、
   ２ｎ（ｎは２以上の自然数）相の駆動パルスにより、前記信号電荷を含むパケットの一単位ごとに、垂直転送方向において前記信号電荷を含むパケットより前方に存在する転送チャネルをオンするのと同時に、前記信号電荷を含むパケットより後方に存在する転送チャネルをオフするように垂直転送を行う
   ことを特徴とするカメラの駆動方法。
4. ライン間引き動作モードを含む複数の動作モードを有し、撮像信号を表示するモニタを備えたカメラにおいて、
   行列状に配列されて光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部の各々に対応して設けられ、各センサ部で光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部によって読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から移された信号電荷を水平転送する水平転送部とを具備する固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前記垂直転送部および前記水平転送部の各々を駆動するための転送クロックを生成するタイミングジェネレータと、
   前記タイミングジェネレータが生成する転送クロックから前記複数の動作モードの各々に対応した垂直転送クロックを選択して前記固体撮像素子に与えるクロック切替部と、
   前記クロック切替部が前記ライン間引き動作モードに応じた垂直転送クロックを前記固体撮像素子に与えた場合に、所定の繰り返し単位の前記読み出しゲート部に読み出しパルスを印加して、前記複数のセンサ部のうちの垂直方向の一部のみから、前記垂直転送部に信号電荷を含むパケットとその転送方向の後方に前記信号電荷を含まない空パケットとが存在する状態に信号電荷を読み出し、２ｎ（ｎは２以上の自然数）相の駆動パルスにより、前記信号電荷を含むパケットの一単位ごとに、垂直転送方向において前記信号電荷を含むパケットより前方に存在する転送チャネルをオンするのと同時に、前記信号電荷を含むパケットより後方に存在する転送チャネルをオフするように垂直転送を行う前記固体撮像素子を駆動する駆動部とを有し、
   前記ライン間引き動作モードで得た撮像信号を前記モニタに表示するようにした
   ことを特徴とするカメラ。
5. 行列状に配列されて光電変換を行う複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部の各々に対応して設けられ、各センサ部で光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記読み出しゲート部によって読み出された信号電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から移された信号電荷を水平転送する水平転送部とを具備する固体撮像素子と、
   所定の繰り返し単位の前記読み出しゲート部に読み出しパルスを印加して、前記複数のセンサ部のうちの垂直方向の一部のみから、前記垂直転送部に信号電荷を含むパケットとその転送方向の後方に信号電荷を含まない空パケットとが存在する状態に信号電荷を前記垂直転送部に読み出すとともに、２ｎ（ｎは２以上の自然数）相の駆動パルスにより、前記信号電荷を含むパケットの一単位ごとに、垂直転送方向において前記信号電荷を含むパケットより前方に存在する転送チャネルをオンするのと同時に、前記信号電荷を含むパケットより後方に存在する転送チャネルをオフするように垂直転送を行う前記固体撮像素子を駆動する駆動系と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
   

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