JP2005064828A - 固体撮像装置およびその駆動方法ならびに撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】全画素読み出し方式であっても、垂直転送部で同色複数画素の電荷の加算を行うことができるようにすること。
【解決手段】本発明は、水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサSが配置されるセンサ領域と、センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサSで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される2本の垂直転送部10、11と、各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサSで蓄積した電荷を2本の垂直転送部10、11の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部10、11で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う制御手段とを備える固体撮像装置およびその駆動方法である。また、この固体撮像装置を用いて画像を取り込み撮像装置でもある。
【選択図】図1

Description

本発明は、水平方向および垂直方向にマトリクス状に配置された複数の画素センサで蓄積した電荷を同じタイミングで読み出す全画素読み出し方式の固体撮像装置およびその駆動方法ならびに撮像装置に関する。
固体撮像装置自体の機能の多様化により、多画素出力、高フレームレート対応、動画対応などがデジタルスチルカメラ用途の固体撮像装置にも要求されてきている。特に、動画に対しては、多画素固体撮像装置に対する単なる間引き機能の付加だけでは、折り返しノイズ、偽信号等が増加するため、一般的に画質の劣化が激しい。これに対して、画素信号を加算処理し、実質上の画素数を減少させる方式は、間引き処理に比べ画質の劣化が少なくてすみ、高フレームレートを得る方式として注目されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、電荷の転送方式として、デジタルスチルカメラなどに採用される全画素読み出し方式では、全ての画素の電荷を同じタイミングで読み出すことから時間差なく信号を得ることができる(例えば、特許文献2、3参照。)。
特開2000−115643号公報 特開平9−129861号公報 特開平7−59012号公報
しかしながら、全画素読み出し方式の固体撮像装置の場合、特に垂直方向の信号加算に関しては、異なる色成分を持った画素信号が上下連続して隣り合うように読み出させるため、そのままの加算処理では異なる色成分の加算となってしまう。したがって、読み出し時に垂直方向の偶数ラインと奇数ラインとに時間差をつける必要がある。例えば、奇数ラインを先に読み出し、加算処理用に一部数サイクル垂直転送を行った後、偶数ラインを読み出し、同様の垂直転送を行い加算処理を行うようにしている。
しかし、この場合、奇数ラインを読み出して以降、偶数ラインを読み出すまでの間に入射光量に大きな変化があると、加算後の画像にその状態が反映されてしまうため、全画素読み出しのメリットを十分に生かすことができないという問題が生じる。
本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサが配置されるセンサ領域と、センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される2本の垂直転送部と、各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサで蓄積した電荷を2本の垂直転送部の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う制御手段とを備える固体撮像装置およびその駆動方法である。また、この固体撮像装置を用いて画像を取り込み撮像装置でもある。
このような本発明では、垂直方向に沿った各画素列について、各々2本の垂直転送部を備えているため、垂直方向に隣接する画素センサで蓄積した電荷を各々異なる垂直転送部へ同時に読み出すことができる。つまり、垂直方向に隣接する画素センサで色成分が異なっていても、各色成分毎に異なる垂直転送部へ同時に読み出して加算および転送を行うことができるようになる。
本発明では、全画素読み出し方式の固体撮像装置において、読み出し時間差無しで垂直方向に沿った複数画素の電荷を加算することが可能となる。これにより、全画素読み出しにおける時間差のない高精細な画像を得られるというメリットとともに、従来の全画素読み出し方式よりも垂直転送にかける時間を短縮でき、固体撮像装置のフレームレートを向上させることも可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図1は、本実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式図である。すなわち、この固体撮像装置は、水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサSが配置されるセンサ領域と、センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサSで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される2本の垂直転送部10、11とを備えている。
このような画素構成において、図示しない制御部により画素センサSで蓄積した電荷の読み出し、転送等の制御を行っている。本実施形態では、制御部による電荷の読み出し、転送制御として、各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサSで蓄積した電荷を2本の垂直転送部10、11の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部10、11で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する点に特徴がある。
図1に示す固体撮像装置では、センサ領域の垂直方向に沿った画素列の各画素センサが、1つおきに同じ色のフィルタを備えた構成となっている。つまり、画素列r1では、図中上からG(緑)、R(赤)、G(緑)、R(赤)…の順に対応し、画素列r2では、図中上からB(青)、G(緑)、B(青)、G(緑)…の順に対応しており、同様の並び順で繰り返されている。
このような画素センサSの配置において、G(緑)に対応した画素センサSでは各画素列の図中左側の垂直転送部10へ電荷を読み出し、R(赤)およびB(青)に対応した画素センサSでは各画素列の図中右側の垂直転送部11へ電荷を読み出している。つまり、1本の画素列では2色に対応した画素センサSが交互に並ぶため、各々の色成分に対応した画素センサSでの蓄積電荷を両脇の各々異なる垂直転送部10、11へ読み出すことにより、一つの垂直転送部10(もしくは垂直転送部11)では同じ色成分に対応した電荷のみが転送されることになる。このため、同じタイミングで全ての画素センサSの蓄積電荷を垂直転送部10、11へ読み出しても異なる色成分の電荷が混じることなく転送できるようになる。
また、各垂直転送部10、11には同じ色成分の電荷のみが読み出されることから、転送のタイミングを制御することで垂直方向に沿った同色に対応する複数画素センサSでの電荷を垂直転送部10、11で加算することが可能となる。
このような構成により、本実施形態の固体撮像装置では、全画素読み出し方式でありながら垂直転送部10、11で複数画素センサSの電荷を加算して出力することができ、時間差無しでの垂直同色加算を実現できるようになる。
図2は、他の構成を説明する模式図である。この固体撮像装置では、先と同様に、垂直方向に沿った画素センサSで構成される画素列の1本に対応してその画素列の両脇に2本の垂直転送部10、11が各々形成されているが、電荷の読み出し方向が異なるものである。すなわち、この例では、画素センサSにおける垂直方向の位置によって読み出し方向が決まる構成で、例えば垂直方向1段目の画素センサSにおいては各々左側にある垂直転送部10へ読み出し、垂直方向2段目の画素センサSにおいては各々右側にある垂直転送部11へ読み出している。読み出し方向の設定は、各画素センサS間のチャネルストップ領域の形状や電極の形状を変えることで対応できる。
図3は、図1に示す読み出し方向の場合の具体的な画素構造を示す模式図である。すなわち、この画素構造では、画素センサSの両側に垂直転送部10、11がそれぞれ読み出しゲート領域(図中○印参照)およびチャネルストップ領域CS2を間に挟んで配置される。同様の画素センサSを数画素並べた際には、垂直転送部10、11同士が隣り合うことになるため、信号の混合を防止するために、その中間にチャネルストップ領域CS1を設けている。
このような画素構造にした場合、垂直転送電極は第1電極D1および第2電極D2の2層によって構成され、上記の2本の垂直転送部10、11に対して共通のクロックを印加するものとする。また、各画素センサSにおいては、チャネルストップ領域CS2が形成されていない部分に対応する側の垂直転送部10、11へ電荷が読み出されるものとする(図中矢印参照)。
次に、この固体撮像装置の通常撮像時の動作(駆動方法)を図4のポテンシャル図に沿って説明する。本実施形態の固体撮像装置では、垂直加算機能を使用することを前提としているため、垂直転送クロックは、Vφ1〜Vφ8の8相駆動となる。
読み出しクロックは、Vφ1、Vφ3、Vφ5、Vφ7に印加されるため、印加時のポテンシャルは、図4のように表せる。なお、図4では、垂直転送クロックの上段が左側の垂直転送部10の場合、下段が右側の垂直転送部11の場合を示している。このときの信号の動きとしては、図3で示す部位にて説明すると、画素センサS1−1の電荷が右側の垂直転送部11に読み出され(図中矢印参照)、画素センサS1−2の電荷が左側の垂直転送部10に読み出され(図中矢印参照)、画素センサS1−3の電荷が右側の垂直転送部11に読み出され(図中矢印参照)、画素センサS1−4の電荷が左側の垂直転送部10に読み出される(図中矢印参照)。
また、画素センサS2−1の電荷が右側の垂直転送部10に読み出され(図中矢印参照)、画素センサS2−2の電荷が左側の垂直転送部11に読み出され(図中矢印参照)、画素センサS2−3の電荷が右側の垂直転送部10に読み出され(図中矢印参照)、画素センサS2−4の電荷が左側の垂直転送部11に読み出される(図中矢印参照)。
したがって、いずれの垂直転送部10、11内の読み出しパケットも、その前後に空パケットを有していることになるため、読み出し時には、Vφ2、Vφ6を同時にHレベルにしておく。こうすることで、読み出し直後の垂直レジスタ内の取り扱い電荷量を十分確保することが出来る。
次に、垂直加算を行う場合の動作(駆動方法)を図5のポテンシャル図に沿って説明する。読み出しクロックは、通常転送時と変わりなく、Vφ1、Vφ3、Vφ5、Vφ7に印加されるため、印加時のポテンシャルは、図5のように表される。なお、図5も図4と同様に、垂直転送クロックの上段が左側の垂直転送部10の場合、下段が右側の垂直転送部11の場合を示している。
この際、通常時のVφ2、Vφ6に加えて、Vφ4をHレベルにしておくことによって、垂直同色2画素分の電荷を垂直転送部10、11内で加算することができる。
このように、全画素読み出し方式の固体撮像装置においても、本実施形態の構造を用いることにより、タイミング変更によって従来構造では不可能な時間差無しの垂直同色2画素加算を実現できる。
また、本発明による構造に変更することによって、1画素当たりの垂直転送電極を2枚に減少させることが出来るため、従来の垂直4相駆動の全画素読み出し方式に比べ、同一の垂直転送サイクル数で、たとえば垂直1000ライン分を垂直転送するところを、半減の500ライン分を転送する時間ですむため高速化にも対応することが可能となる。
なお、本実施形態では、制御部によるタイミング制御によって垂直同色2画素加算のほか、3画素、4画素加算など2画素加算以外であっても実現可能である。
上記説明した本実施形態に係る固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に適用可能である。つまり、撮像装置では、レンズ等の光学系、画像信号処理部、記録媒体等を備え、光学系を介して本実施形態の固体撮像装置で画像の取り込みを行い、画像信号処理部で所定の信号処理を施した状態で記録媒体への画像記録を行うことになる。
本実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式図である。 他の構成を説明する模式図である。 具体的な画素構造を示す模式図である。 通常撮像時のポテンシャル図である。 垂直加算時のポテンシャル図である。
符号の説明
10…垂直転送部、11…垂直転送部、D1…第1電極、D2…第2電極、S…画素センサ、r1…画素列、r2…画素列

Claims (6)

  1. 水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサが配置されるセンサ領域と、
    前記センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される2本の垂直転送部と、
    前記各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサで蓄積した電荷を前記2本の垂直転送部の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う制御手段と
    を備える固体撮像装置。
  2. 前記センサ領域を構成する全ての画素センサで蓄積した画素を同じタイミングで対応する垂直転送部へ読み出す
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記垂直方向に沿った画素列では、その画素列を構成する複数の画素センサの1つおきに同じ色のフィルタを備えている
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  4. 水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサが配置されるセンサ領域と、
    前記センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される2本の垂直転送部と、
    前記センサ領域における各画素センサで蓄積した電荷を所定のタイミングで前記2本の垂直転送部へ読み出す制御を行う制御手段とを備える固体撮像装置の駆動方法において、
    前記制御手段は、前記各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサで蓄積した電荷を前記2本の垂直転送部の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  5. 前記制御手段は、前記センサ領域を構成する全ての画素センサで蓄積した画素を同じタイミングで対応する垂直転送部へ読み出す制御を行う
    ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置の駆動方法。
  6. 水平方向および垂直方向に沿って各々複数の画素センサが配置されるセンサ領域と、
    前記センサ領域における垂直方向に沿った複数の画素センサで構成される画素列の各々に対応して各画素列の両脇に形成される2本の垂直転送部と、
    前記各画素列における垂直方向で隣接する各画素センサで蓄積した電荷を前記2本の垂直転送部の各々異なる方へ同じタイミングで読み出すとともに、各垂直転送部で複数画素センサ分の電荷を加算して転送する制御を行う制御手段とを備える固体撮像装置を用いて画像の取り込みを行う
    ことを特徴とする撮像装置。
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