JP2005191943A - Solid-state imaging device and camera equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、受けた光を電気信号に変換し、映像信号として出力する固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device that converts received light into an electrical signal and outputs it as a video signal.
従来、受けた光を電気信号に変換し、映像信号として出力する固体撮像装置が知られており、この固体撮像装置から得た映像信号を静止画像として表示するディジタルスチルカメラ等のカメラが知られている。近年では、このような固体撮像装置を用いたカメラは、画質および機能のさらなる向上が要望され、画素の高密度化が進んでいる。 Conventionally, a solid-state imaging device that converts received light into an electrical signal and outputs it as a video signal is known, and a camera such as a digital still camera that displays a video signal obtained from the solid-state imaging device as a still image is known. ing. In recent years, a camera using such a solid-state imaging device has been demanded to further improve image quality and function, and the density of pixels has been increasing.
このような固体撮像装置において、モニタへの映像信号の出力スピードを向上させるために、信号電荷を読み出す画素を間引くことにより出力映像信号中の画素数を減らす駆動方法が、従来から提案されている。例えば特許文献1には、走査線数を1/2に間引く構成が開示されている。
しかしながら、上記した特許文献1等に記載された従来の技術では、走査線の間引き率が1/2であり、300万画素を超えるような高精細な固体撮像装置の場合、データ量の削減が十分ではない。このため、モニタ表示のための高いフレームレートの動画を得ることが困難であった。
However, in the conventional technique described in
本発明はこれらの問題を解決するために、少なくとも垂直方向の画素数を削減することにより、映像信号を高速に出力できる固体撮像装置を提供することを目的とする。 In order to solve these problems, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of outputting a video signal at high speed by reducing at least the number of pixels in the vertical direction.
上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像装置は、二次元配列された光電変換素子と、前記光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子を有する固体撮像装置であって、前記垂直転送部は、1つの光電変換素子毎に1つのシフトゲートを有し、かつ、垂直方向に連続するn(nは2以上の整数)個の光電変換素子を1ユニットとした場合、m(mは1以上の整数)ユニット分の垂直方向に連続した複数のゲートを1ゲート群とする繰り返しゲート構造を有し、各ゲート群における1ユニット内の少なくとも1つのシフトゲートが、同一ゲート群内の他のユニットにおいて対応するシフトゲートとは独立に駆動できるように分離して配線され、1回の読み出し時に、各ゲート群において、前記分離して配線されたシフトゲートと、同一ゲート群内の他のユニットの対応するシフトゲートとのいずれか一方に読み出し電圧を印加する駆動回路を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a two-dimensionally arranged photoelectric conversion element, a vertical transfer unit that reads a signal charge from the photoelectric conversion element and transfers it in a vertical direction, and the vertical A solid-state imaging device having a solid-state imaging device including a horizontal transfer unit that transfers signal charges received from a transfer unit in a horizontal direction, wherein the vertical transfer unit includes one shift gate for each photoelectric conversion element. And having n (n is an integer of 2 or more) photoelectric conversion elements that are continuous in the vertical direction as one unit, a plurality of m (m is an integer of 1 or more) units continuous in the vertical direction It has a repeated gate structure with one gate group as a gate group, and at least one shift gate in one unit in each gate group is independent of the corresponding shift gate in other units in the same gate group. In each gate group, one of the shift gates separated and wired and a corresponding shift gate of another unit in the same gate group at the time of one read One of them is provided with a drive circuit for applying a read voltage.
以上に説明したように、本発明によれば、画素数を削減することにより、映像信号を高速に出力できる固体撮像装置を提供できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of outputting a video signal at high speed by reducing the number of pixels.
本発明にかかる固体撮像装置は、二次元配列された光電変換素子と、前記光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子を有する固体撮像装置であって、前記垂直転送部は、1つの光電変換素子毎に1つのシフトゲートを有し、かつ、垂直方向に連続するn(nは2以上の整数)個の光電変換素子を1ユニットとした場合、m(mは1以上の整数)ユニット分の垂直方向に連続した複数のゲートを1ゲート群とする繰り返しゲート構造を有し、各ゲート群における1ユニット内の少なくとも1つのシフトゲートが、同一ゲート群内の他のユニットにおいて対応するシフトゲートとは独立に駆動できるように分離して配線され、1回の読み出し時に、各ゲート群において、前記分離して配線されたシフトゲートと、同一ゲート群内の他のユニットの対応するシフトゲートとのいずれか一方に読み出し電圧を印加する駆動回路を備えた構成である(第1の構成)。 A solid-state imaging device according to the present invention includes a two-dimensional array of photoelectric conversion elements, a vertical transfer unit that reads out signal charges from the photoelectric conversion elements and transfers them in the vertical direction, and a signal charge received from the vertical transfer unit horizontally. A solid-state imaging device having a solid-state imaging device including a horizontal transfer unit that transfers in a direction, wherein the vertical transfer unit has one shift gate for each photoelectric conversion element and is continuous in the vertical direction When n (n is an integer of 2 or more) photoelectric conversion elements to be made into one unit, a plurality of gates continuous in the vertical direction for m (m is an integer of 1 or more) units are used as a repeated gate. Having at least one shift gate in one unit in each gate group so that it can be driven independently from the corresponding shift gate in other units in the same gate group. Drive that applies a read voltage to one of the shift gates separated and wired in each gate group and the corresponding shift gate of another unit in the same gate group at the time of one read A configuration including a circuit (first configuration).
前記第1の構成において、n=m=3であることが好ましい(第2の構成)。 In the first configuration, it is preferable that n = m = 3 (second configuration).
前記第2の構成において、各ゲート群において、水平転送部側より第1のユニットおよび第3のユニット内で水平転送部側より第1のシフトゲートおよび第2のシフトゲートが、第2のユニットにおける第1のシフトゲートおよび第2のシフトゲートとは分離して配線されたことが好ましい(第3の構成)。 In the second configuration, in each gate group, the first unit from the horizontal transfer unit side and the first shift gate and the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the third unit are the second unit. It is preferable that the first shift gate and the second shift gate are wired separately from each other (third configuration).
前記第3の構成において、前記ゲート駆動回路が、(1)各ゲート群において、水平転送部側より第1のユニットおよび第3のユニット内で水平転送部側より第2のシフトゲートに読み出し電圧を印加すると共に、水平転送部側より第2のユニット内で水平転送部側より第1のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、(2)各ゲート群において、水平転送部側より第1のユニットおよび第3のユニット内で水平転送部側より第2のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、(3)各ゲート群において、水平転送部側より第2のユニット内で水平転送部側より第2のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードとを有することが好ましい(第4の構成)。 In the third configuration, the gate driving circuit is configured such that (1) in each gate group, a read voltage is applied to the first unit from the horizontal transfer unit side and to the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the third unit. And a mode in which a read voltage is applied to the first shift gate from the horizontal transfer unit side in the second unit from the horizontal transfer unit side, and (2) in each gate group, the first from the horizontal transfer unit side. A mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the second unit and the third unit; and (3) in each gate group, the horizontal transfer unit in the second unit from the horizontal transfer unit side. It is preferable to have a mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the side (fourth configuration).
前記第2の構成において、各ゲート群において、水平転送部側より第1のユニットおよび第3のユニット内で水平転送部側より第2のシフトゲートおよび第3のシフトゲートが、第2のユニットにおける第2のシフトゲートおよび第3のシフトゲートとは分離して配線されたことが好ましい(第5の構成)。 In the second configuration, in each gate group, the first unit from the horizontal transfer unit side and the second shift gate and the third shift gate from the horizontal transfer unit side in the third unit are the second unit. It is preferable that the second shift gate and the third shift gate are wired separately from each other (fifth configuration).
さらに、前記第5の構成において、前記ゲート駆動回路が、(1)各ゲート群において、水平転送部側より第1のユニットおよび第3のユニット内で水平転送部側より第2のシフトゲートに読み出し電圧を印加すると共に、水平転送部側より第2のユニット内で水平転送部側より第3のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、(2)各ゲート群において、水平転送部側より第1のユニットおよび第3のユニット内で水平転送部側より第2のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、(3)各ゲート群において、水平転送部側より第2のユニット内で水平転送部側より第2のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードとを有することが好ましい(第6の構成)。 Further, in the fifth configuration, the gate driving circuit is configured to: (1) in each gate group, the first unit from the horizontal transfer unit side and the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the third unit. A mode in which a read voltage is applied and a read voltage is applied to the third shift gate from the horizontal transfer unit side in the second unit from the horizontal transfer unit side; and (2) in each gate group, from the horizontal transfer unit side. A mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the first unit and the third unit; and (3) in each gate group, the horizontal level in the second unit from the horizontal transfer unit side. It is preferable to have a mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the transfer unit side (sixth configuration).
また、前記第1〜第6のいずれかの構成において、前記光電変換素子から読み出した信号電荷を前記垂直転送部の有効画素領域内で混合することが好ましい(第7の構成)。あるいは、前記第1〜第6のいずれかの構成において、前記光電変換素子から読み出した信号電荷を、前記垂直転送部の有効画素領域外で混合することも好ましい(第8の構成)。または、前記第1〜第6のいずれかの構成において、前記光電変換素子から読み出した信号電荷を前記水平転送部内で混合することも好ましい(第9の構成)。 In any of the first to sixth configurations, it is preferable that the signal charges read from the photoelectric conversion elements are mixed in an effective pixel region of the vertical transfer unit (seventh configuration). Alternatively, in any of the first to sixth configurations, it is also preferable to mix the signal charges read from the photoelectric conversion elements outside the effective pixel region of the vertical transfer unit (eighth configuration). Alternatively, in any one of the first to sixth configurations, it is also preferable to mix the signal charges read from the photoelectric conversion elements in the horizontal transfer unit (ninth configuration).
前記第1〜第9のいずれかの構成において、前記二次元配列された光電変換素子に対応して、垂直方向に2画素周期で色フィルタが配置されたカラーフィルタを備えたことが好ましい(第10の構成)。 In any one of the first to ninth configurations, it is preferable to include a color filter in which color filters are arranged in a vertical direction with a two-pixel cycle corresponding to the two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements (first). 10 configuration).
前記第1〜第9のいずれかの構成において、前記二次元配列された光電変換素子に対応して、垂直方向に2画素かつ水平方向に2画素の周期で色フィルタが配置されたカラーフィルタを備え、前記垂直転送部の有効画素領域外に、少なくとも一段の垂直最終転送段を備え、当該垂直最終転送段が、水平方向にk(kは2以上の整数)列毎に同じ転送電極構成を有し、前記k列のうち、一つの列以外の垂直最終転送段あるいは全ての列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を、当該k列における他の列とは独立して制御するために、前記他の列とは独立した転送電極が設けられたことが好ましい(第11の構成)。 In any one of the first to ninth configurations, a color filter in which color filters are arranged in a cycle of two pixels in the vertical direction and two pixels in the horizontal direction corresponding to the two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements. And at least one vertical final transfer stage outside the effective pixel area of the vertical transfer unit, and the vertical final transfer stage has the same transfer electrode configuration for every k (k is an integer of 2 or more) columns in the horizontal direction. A transfer operation from the vertical final transfer stage to the horizontal transfer unit in the vertical final transfer stage other than one column or the vertical final transfer stage of all the columns in the k columns. In order to control independently of the other columns, it is preferable that a transfer electrode independent of the other columns is provided (11th configuration).
前記第11の構成において、k=3であり、3列毎に、水平転送部の出力側から第2列および第3列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を、他の垂直最終転送段とは独立に制御するために、他の最終垂直転送段とは独立した転送電極が設けられたことが好ましい(第12の構成)。 In the eleventh configuration, k = 3, and every three columns from the output side of the horizontal transfer unit to the vertical final transfer stages of the second column and the third column, and from the vertical final transfer stage to the horizontal transfer unit In order to control this transfer operation independently of the other vertical final transfer stages, it is preferable that a transfer electrode independent of the other final vertical transfer stages is provided (a twelfth configuration).
また、本発明は、前記第1〜12のいずれかの構成にかかる固体撮像装置を備えたカメラとしても実施可能である。 The present invention can also be implemented as a camera including the solid-state imaging device according to any one of the first to twelfth configurations.
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の固体撮像装置(例えばCCDカメラ)の概略構成例を示すブロック図である。図1において、1は固体撮像素子であり、その出力は前処理LSI20により、CDS(相関二重サンプリング)やADC(アナログ・ディジタル変換)の処理を施される。前処理LSI20の出力は、ディジタル信号処理(DSP)LSI30により、画素補間や輝度・色差処理などが行われて映像信号として出力される。タイミングジェネレータ(TG)LSI40は、固体撮像素子1の駆動に用いられるタイミングパルスH1,H2,HL,V1〜V6を生成する。クロックドライバ(DR)LSI50は、V1〜V6から生成した駆動パルスφV1〜6を固体撮像素子1へ供給する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration example of a solid-state imaging device (for example, a CCD camera) according to the present embodiment. In FIG. 1,
タイミングジェネレータ40は、ディジタル信号処理LSI30から水平同期信号HD、垂直同期信号VD及びクロック信号の各パルスの供給を受け、上記タイミングパルスH1,H2、V1〜V4を生成して、信号処理パルスPROCを前処理LSI20及びディジタル信号処理LSI30へ供給する。ただし、水平及び垂直同期信号のパルスをタイミングジェネレータ40が生成する構成とする場合もある。
The
図2に、本実施形態にかかる固体撮像装置が備える固体撮像素子の概略構成を示す。本実施形態の固体撮像装置に用いられる固体撮像素子1は、二次元状に配列された光電変換素子2と、垂直転送部3と、水平転送部4と、電荷検出部5とを備えている。垂直転送部3および水平転送部4のそれぞれは、CCDにより構成される。垂直転送部3の構造については、後に詳しく説明する。水平転送部4は、2相のゲート(H1,H2)より構成される。
FIG. 2 shows a schematic configuration of a solid-state imaging device provided in the solid-state imaging device according to the present embodiment. A solid-
光電変換素子2としては、フォトダイオードが用いられる。光電変換素子2の各々には、赤(R)、緑(G)、青(B)の三色のカラーフィルタが配置されている。本実施形態では、垂直・水平方向共に2画素おきに、RGBのそれぞれのフィルタが周期的に配置されている。例えば、図2に示すように、垂直方向2画素×水平方向2画素の計4画素を単位とすれば、左下の画素がR、右下および左上の画素がG、右上の画素がBとなるように、カラーフィルタが配置されている。
A photodiode is used as the
固体撮像素子1において、光電変換素子2のそれぞれには、垂直転送部3の2つのゲートが接続されており、これら2つのゲートのいずれか一方が、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出すシフトゲートである。例えば、図2に示した例では、V1〜V6の6つのゲートのうち、奇数番号のゲートがシフトゲートであるものとする。図2において、同一種のゲートは共通に電気接続するよう配線されており、他のゲートとは独立して駆動される。例えば、V1と表示されたゲートは、全て共通の配線がなされている。ただし、後述するように、V3とV3A、またはV5とV5Aとは、分離して配線されており、互いに独立に駆動される。
In the solid-
垂直転送部3は、垂直方向に連続するn(nは2以上の整数)個の光電変換素子2を一つのユニットとして、かつ、m(mは1以上の整数)ユニット分の垂直方向に連続した複数のゲートを1ゲート群とする繰り返しゲート構造を有する。図2に示した例では、n=m=3であり、垂直方向に連続する9画素分の光電変換素子2に接続された18本のゲートが、1ゲート群を構成する。
The
さらに、垂直転送部3では、各ゲート群における1ユニット内の少なくとも1つのシフトゲートが、同一ゲート群内の他のユニットにおいて対応するシフトゲートとは独立に駆動できるように、分離して配線されている。図2の例では、例えば、1つのゲート群を構成する3ユニットのうちの真ん中のユニットにおいて、3本のシフトゲート(V1、V3、V5)のうちのV3とV5が、同一ゲート群内の他の2ユニットにおいて対応するシフトゲートとは分離して配線されている。すなわち、図2の左下に示したゲート群31について説明すると、ゲート群31を構成するユニット31a、31b、31cのうち、真ん中のユニット31bは、V1,V3,V5Aの3本のシフトゲートを有するのに対して、ユニット31aおよび31cのシフトゲートは、V1,V3A,V5である。V3とV3Aとは互いに分離して配線され、V5とV5Aも互いに分離して配線されている。
Further, in the
固体撮像素子1において、前述のゲート駆動回路より、1回の読み出し時に、各ゲート群において、前記分離して配線されたシフトゲートと、同一ゲート群内の他のユニットの対応するシフトゲートとのいずれか一方に読み出しパルス(読み出し電圧)を印加することにより、以下に説明するような画素間引きが実現する。
In the solid-
図3は、図2に示した構成を有する固体撮像素子1において、光電変換素子2のフォトダイオードから信号電荷を間引いて読み出す方法を説明する概念図である。なお、図3では、説明の簡略化のため、1列の光電変換素子についてのみ画素の読み出し状況を示している。
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a method of thinning out and reading out signal charges from the photodiode of the
例えば、垂直方向に1/9の割合で画素を間引く場合、シフトゲートV3のみに読み出しパルスを印加することにより、図3の最も左側の列に示すように、1つのゲート群に属する9つの画素のうち、水平転送部4側(図3において下側)から数えて5番目の画素の信号電荷だけが、光電変換素子2から読み出される。
For example, when thinning out pixels at a rate of 1/9 in the vertical direction, by applying a read pulse only to the shift gate V3, as shown in the leftmost column of FIG. 3, nine pixels belonging to one gate group Among them, only the signal charge of the fifth pixel counted from the
また、垂直方向に2/9の割合で画素を間引く場合は、シフトゲートV3Aのみに読み出しパルスを印加することにより、図3の左から2列目に示すように、1つのゲート群に属する9つの画素のうち、水平転送部4側から数えて2番目と8番目の2画素分の信号電荷が、光電変換素子2から読み出される。
When pixels are thinned out at a rate of 2/9 in the vertical direction, a readout pulse is applied only to the shift gate V3A, so that 9 pixels belonging to one gate group as shown in the second column from the left in FIG. Among the two pixels, the signal charges for the second and eighth pixels counted from the
また、垂直方向に3/9の割合で画素を間引く場合は、シフトゲートV3AとV5Aに読み出しパルスを印加することにより、図3の左から3列目に示すように、1つのゲート群に属する9つの画素のうち、水平転送部4側から数えて2番目、4番目、8番目の3画素分の信号電荷が、光電変換素子2から読み出される。
Further, when pixels are thinned out at a ratio of 3/9 in the vertical direction, a readout pulse is applied to the shift gates V3A and V5A, thereby belonging to one gate group as shown in the third column from the left in FIG. Among the nine pixels, signal charges for the second, fourth, and eighth three pixels counted from the
従って、ゲート駆動回路から垂直転送部3へ印加する読み出しパルスのパターンを切替えることにより、1/9間引き、2/9間引き、3/9間引きの3つの動作モードを実現することができる。
Therefore, three operation modes of 1/9 thinning, 2/9 thinning, and 3/9 thinning can be realized by switching the pattern of the read pulse applied from the gate drive circuit to the
ここで、上述の3つの動作モードのうち、3/9間引きモードの場合の固体撮像装置の動作について、図4〜図8を参照しながら、さらに詳しく説明する。 Here, the operation of the solid-state imaging device in the 3/9 thinning-out mode among the three operation modes described above will be described in more detail with reference to FIGS.
まず、図4に示すように光電変換素子2に信号電荷が蓄積された状態から、シフトゲートV3AおよびV5Aに読み出しパルスを印加することにより、図5に示すように、1つのゲート群に属する9つの画素のうち、水平転送部4側から数えて2番目、4番目、8番目の3画素分の信号電荷を、光電変換素子2から垂直転送部3へ読み出す。
First, as shown in FIG. 4, by applying a read pulse to the shift gates V3A and V5A from the state in which the signal charge is accumulated in the
次に、図6〜図8に示すように、垂直転送部3へ垂直転送パルスを印加することにより、読み出した信号電荷を、水平転送部4へ向けて一段ずつ転送する。これにより、水平転送部4において、1つのゲート群に属する9つの画素のうち、水平転送部4側から数えて2番目、4番目、8番目の3画素分の信号電荷が混合されることとなる。なお、図4〜図8から分かるように、固体撮像素子1のカラーフィルタ配列が、水平方向2画素周期、垂直方向2画素周期であるので、水平転送部4内で混合される3画素分の信号電荷は同色である。このように、同色画素の信号電荷を混合することにより、さらにフレームレートを上げることができると共に、感度の劣化を抑制することができる。
Next, as shown in FIGS. 6 to 8, by applying a vertical transfer pulse to the
次に、図9に示すように、水平転送部4へ水平転送パルスを印加することにより、水平転送部4内で信号電荷を水平方向へ1列分転送する。
Next, as shown in FIG. 9, by applying a horizontal transfer pulse to the
以降、図6〜図9と同様の動作を、垂直転送部3へ読み出した信号電荷が全て水平転送部4へ転送されるまで繰り返すことにより、1画面の画像出力が完了する。
Thereafter, the same operations as in FIGS. 6 to 9 are repeated until all the signal charges read out to the
以上の動作を繰り返し行うことにより、動画像を出力することができる。 A moving image can be output by repeating the above operation.
なお、2/9間引きモードの場合も、上記と同様の動作により、同一ゲート群から読み出された同色の2画素を、水平転送部4内で混合することができる。
In the 2/9 thinning mode, two pixels of the same color read from the same gate group can be mixed in the
なお、図4〜図9に示した動作を実現するためのタイミングチャートを、図10〜図12に示す。図10に示すHDは水平同期信号、VDは垂直同期信号であり、φV1〜V6は、垂直転送部3のゲートV1〜V6のそれぞれに供給される信号である。また、図11において、H1,H2は、水平転送部4のゲートに供給される信号である。
Note that timing charts for realizing the operations shown in FIGS. 4 to 9 are shown in FIGS. In FIG. 10, HD is a horizontal synchronization signal, VD is a vertical synchronization signal, and φV1 to V6 are signals supplied to the gates V1 to V6 of the
図12に示すように、垂直転送部3のうちシフトゲートV3AおよびV5Aにそれぞれ高電圧(約15V)の読み出しパルスP1,P2をそれぞれ印加することにより、前述したように、1ゲート群に属する9画素のうちの3画素の信号電荷が、光電変換素子2から垂直転送部3へ読み出される。
As shown in FIG. 12, by applying high voltage (about 15V) read pulses P 1 and P 2 to the shift gates V3A and V5A of the
また、2/9間引きモードの場合は、図13に示すように、垂直転送部3のうちシフトゲートV3Aのみに高電圧(約15V)の読み出しパルスP1を印加することにより、前述したように、1ゲート群に属する9画素のうちの2画素の信号電荷が、光電変換素子2から垂直転送部3へ読み出される。
Further, in the case of the 2/9 thinning mode, as shown in FIG. 13, by applying a high voltage (about 15 V) read pulse P 1 only to the shift gate V3A in the
さらに、1/9間引きモードの場合は、図14に示すように、垂直転送部3のうちシフトゲートV3のみに高電圧(約15V)の読み出しパルスP3を印加することにより、前述したように、1ゲート群に属する9画素のうちの1画素の信号電荷が、光電変換素子2から垂直転送部3へ読み出される。
Further, in the case of the 1/9 thinning mode, as shown in FIG. 14, by applying a high voltage (about 15 V) read pulse P 3 only to the
なお、図4〜図9は、同一ゲート群から読み出した3画素分の信号電荷を、水平転送部4内で混合する例を示したが、ゲート構造によっては、垂直転送部3内で画素混合を行うことも可能である。例えば、図2に示した構成において、1つのゲート群31のうちユニット31aおよびユニット31bのいずれか一方におけるシフトゲートV3Aを、V3Aとは分離させてV3Bとすれば良い。そして、図5に示したように読み出し対象の画素を全て同時に読み出すのではなく、光電変換素子2からの信号電荷の読み出しと、垂直転送とを交互に行う。すなわち、1ゲート群における一画素から信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を垂直転送し、残りの読み出し対象の画素と同じ段まで転送された時点で、残りの画素からの信号電荷の読み出しを行い、この垂直転送と読み出しとを繰り返すことにより、垂直転送部3内で画素混合を行うことができる。
4 to 9 show an example in which signal charges for three pixels read from the same gate group are mixed in the
以上のとおり、本実施形態にかかる固体撮像装置によれば、垂直方向の画素数を3/9、2/9または1/9に間引くことにより、高いフレームレートの動画像を出力することが可能となる。さらに、同一ゲート群から読み出した複数の同色画素の信号電荷を、水平転送部内または垂直転送部内で混合することにより、画素を間引いても感度の高い画像を得ることができる。 As described above, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, it is possible to output a moving image with a high frame rate by thinning the number of pixels in the vertical direction to 3/9, 2/9, or 1/9. It becomes. Furthermore, by mixing the signal charges of a plurality of pixels of the same color read from the same gate group in the horizontal transfer unit or the vertical transfer unit, an image with high sensitivity can be obtained even if the pixels are thinned out.
なお、本実施形態では、1ユニットの画素数を3、1ゲート群のユニット数を3とした例について主に説明したが、本発明のゲート構造はこの具体例にのみ限定されるものではない。また、本実施形態では、ベイヤ配列のカラーフィルタを備えた構成を例示したが、カラーフィルタを有しない固体撮像装置にも本発明を適用できる。 In this embodiment, the example in which the number of pixels in one unit is 3 and the number of units in the gate group is 3 has been mainly described. However, the gate structure of the present invention is not limited to this specific example. . Further, in the present embodiment, the configuration including the Bayer array color filter is illustrated, but the present invention can also be applied to a solid-state imaging device having no color filter.
(第2の実施形態)
本実施形態にかかる固体撮像装置は、水平方向についても画素混合を行うことにより、より高いフレームレートを実現し得る構成である。
(Second Embodiment)
The solid-state imaging device according to the present embodiment has a configuration capable of realizing a higher frame rate by performing pixel mixing in the horizontal direction.
このため、図15に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置における固体撮像素子11は、垂直転送部3の有効画素領域と水平転送部4との間に、垂直最終転送段6を備えた構成である。垂直最終転送段6は、垂直転送部3の有効画素領域と同様に、V1〜V6の6相のゲートから構成されている。ただし、垂直最終転送段6のゲートには、光電変換素子2は接続されていない。
Therefore, as shown in FIG. 15, the solid-
垂直最終転送段6は、k(kは2以上の整数)列単位の繰り返し構造を有する。図15に示す例では、k=3である。固体撮像素子11は、前記k列のうち、一つの列以外の垂直最終転送段あるいは全ての列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を当該k列における他の列とは独立して制御するために、前記他の列とは独立した転送電極が設けられている。図15に示す例では、垂直最終転送段6において、水平転送部4の出力側(電荷検出部5に近い側)から順に第1列、第2列、第3列とすると、第2列および第3列の垂直最終転送段は、同じ列の有効画素領域の垂直転送ゲート並びに他の列の垂直最終転送段のいずれとも別個に独立して転送を行えるように、それぞれ構成されている。
The vertical
つまり、垂直最終転送段6の第1列は、水平転送部4に近い側から順に、V6,V5,V4,V3,V2,V1のゲートから構成されているのに対して、第2列は、V6,V5R,V4,V3R,V2,V1から構成され、第3列は、V6,V5L,V4,V3L,V2,V1から構成されている。なお、V3R,V3L,V5R,V5Lのいずれも、V3,V3A,V5,V5Aとは分離された配線である。
That is, the first column of the vertical
このような構成により、固体撮像素子11は、例えば、第1列および第3列の垂直最終転送段に信号電荷を保持したままで、第2列の垂直最終転送段の信号電荷のみを水平転送部4へ転送することができる。また、第1列および第2列の垂直最終転送段に信号電荷を保持したままで、第3列の垂直最終転送段の信号電荷のみを水平転送部4へ転送することができる。
With such a configuration, for example, the solid-
ここで、このような構造を有する固体撮像素子11の動作について、図16〜図23を参照しながら説明する。
Here, the operation of the solid-
まず、図16に示すように光電変換素子2に信号電荷が蓄積された状態から、シフトゲートV3AおよびV5Aに読み出しパルスを印加することにより、図17に示すように、1つのゲート群に属する9つの画素のうち、水平転送部4側から数えて2番目、4番目、8番目の3画素分の信号電荷を、光電変換素子2から垂直転送部3へ読み出す。
First, as shown in FIG. 17, by applying a read pulse to the shift gates V3A and V5A from the state where the signal charges are accumulated in the
次に、垂直転送部3へ垂直転送パルスを印加して、読み出した信号電荷を、水平転送部4へ向けて一段ずつ転送する。ここで、図18に示すように、垂直最終転送段6に到達した信号電荷のうち、第1列の信号電荷のみが水平転送部4へ送られ、第2列および第3列の信号電荷は、垂直最終転送段6に留まることとなる。
Next, a vertical transfer pulse is applied to the
次に、図19に示すように、水平転送部4へ水平転送パルスを印加することにより、水平転送部4内で信号電荷を水平方向へ2列分転送する。
Next, as shown in FIG. 19, by applying a horizontal transfer pulse to the
次に、図20に示すように、垂直最終転送段6における第2列の信号電荷のみを、水平転送部4へ転送する。
Next, as shown in FIG. 20, only the signal charges in the second column in the vertical
さらに、図21に示すように、水平転送部4へ水平転送パルスを印加することにより、水平転送部4内で信号電荷を水平方向へ2列分転送する。
Furthermore, as shown in FIG. 21, by applying a horizontal transfer pulse to the
次に、図22に示すように、垂直最終転送段6における第3列の信号電荷のみを、水平転送部4へ転送する。
Next, as shown in FIG. 22, only the signal charges in the third column in the vertical
以上の図18〜図22と同様の動作を繰り返すことにより、垂直方向3画素、水平方向3画素の合計9画素分の信号電荷を混合することができる。これにより、フレームレートをさらに向上させることができる。また、本実施形態で説明した具体例によれば、図22等から分かるように、緑の混合画素と青の混合画素が等間隔になるので、モワレや偽信号が生じないという効果もある。 By repeating the same operations as those in FIGS. 18 to 22, signal charges for a total of nine pixels of three pixels in the vertical direction and three pixels in the horizontal direction can be mixed. Thereby, the frame rate can be further improved. Further, according to the specific example described in the present embodiment, as can be seen from FIG. 22 and the like, since the green mixed pixel and the blue mixed pixel are equally spaced, there is an effect that moire and false signals do not occur.
なお、図16〜図22の動作を実現するための、タイミングチャートを、図23および図24に示す。なお、図24において、HLは、水平CCDの最終ゲートに供給される信号を表す。 Note that timing charts for realizing the operations of FIGS. 16 to 22 are shown in FIGS. In FIG. 24, HL represents a signal supplied to the final gate of the horizontal CCD.
なお、ここでは、水平方向に3列分の画素を混合するための構成およびタイミングチャートを示したが、水平方向において混合する画素数は3に限定されない。水平方向の混合は、3画素以上の奇数画素を対象として適用することが可能であり、5画素以上の混合を実現するための構成および駆動方法については、当業者であれば本実施形態の説明から理解できるであろう。 Here, the configuration and timing chart for mixing pixels for three columns in the horizontal direction are shown, but the number of pixels to be mixed in the horizontal direction is not limited to three. The mixing in the horizontal direction can be applied to odd-numbered pixels of 3 pixels or more, and the configuration and driving method for realizing mixing of 5 pixels or more will be described by those skilled in the art in the description of this embodiment. You can understand from.
また、本発明は、図15に示したようなフィルタ配列の固体撮像素子に限定されるものではなく、他の配列にも適用可能である。さらに、カラーフィルタを用いないモノクロ画像の固体撮像素子にも適用できる。 Further, the present invention is not limited to the solid-state imaging device having the filter arrangement as shown in FIG. 15, but can be applied to other arrangements. Furthermore, the present invention can also be applied to a monochrome image solid-state imaging device that does not use a color filter.
第1の実施形態または第2の実施形態にかかる固体撮像装置をディジタルカメラに適用すれば、固体撮像素子から高速にデータが出力されるので、高速動作が可能であり、かつ、画質に優れたディジタルカメラを実現できる。また、上述の実施形態で説明した間引きモードによる高速動作と通常の全画素読み出し動作とを切り替えて使用できるようにすれば、動画(高速動作)モードと静止画(全画素読み出し動作)モードを兼ね備えたディジタルカメラを実現できる。 If the solid-state imaging device according to the first embodiment or the second embodiment is applied to a digital camera, data is output at high speed from the solid-state imaging device, so that high-speed operation is possible and image quality is excellent. A digital camera can be realized. If the high-speed operation in the thinning mode described in the above embodiment and the normal all-pixel reading operation can be switched and used, the moving image (high-speed operation) mode and the still image (all-pixel reading operation) mode are combined. A digital camera can be realized.
なお、このようなディジタルカメラは、固体撮像素子にカラーフィルタが設けられた構成であっても良いし、固体撮像素子にはカラーフィルタを設けず、ダイクロイックミラーを用いて分光することによりカラー映像を得る、いわゆる三板式カメラであっても良い。前述したように、固体撮像素子にカラーフィルタが設けられている場合は、同色フィルタの画素同士を水平方向において混合することが好ましく、三板式カメラの場合は、互いに隣接する複数画素を混合することが好ましい。 Note that such a digital camera may have a configuration in which a color filter is provided in a solid-state image sensor, or a color image is not provided in the solid-state image sensor but is spectrally separated using a dichroic mirror. A so-called three-plate camera may be used. As described above, when a color filter is provided in the solid-state imaging device, it is preferable to mix pixels of the same color filter in the horizontal direction. In the case of a three-plate camera, a plurality of adjacent pixels are mixed. Is preferred.
本発明は、少なくとも垂直方向の画素数を削減することにより、高フレームレートで動画像を出力できる固体撮像装置に利用可能である。 The present invention is applicable to a solid-state imaging device that can output a moving image at a high frame rate by reducing the number of pixels in the vertical direction at least.
1,11 固体撮像素子
2 光電変換部
3 垂直転送部
4 水平転送部
5 電荷検出部
6 垂直最終転送段
20 前処理LSI
30 ディジタル信号処理LSI
40 タイミングジェネレータLSI
50 クロックドライバLSI
DESCRIPTION OF
30 Digital signal processing LSI
40 Timing Generator LSI
50 Clock driver LSI
Claims (13)
前記光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子を有する固体撮像装置であって、
前記垂直転送部は、1つの光電変換素子毎に1つのシフトゲートを有し、かつ、垂直方向に連続するn(nは2以上の整数)個の光電変換素子を1ユニットとした場合、m(mは1以上の整数)ユニット分の垂直方向に連続した複数のゲートを1ゲート群とする繰り返しゲート構造を有し、
各ゲート群における1ユニット内の少なくとも1つのシフトゲートが、同一ゲート群内の他のユニットにおいて対応するシフトゲートとは独立に駆動できるように分離して配線され、
1回の読み出し時に、各ゲート群において、前記分離して配線されたシフトゲートと、同一ゲート群内の他のユニットの対応するシフトゲートとのいずれか一方に読み出し電圧を印加する駆動回路を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 Two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements;
A vertical transfer unit that reads out signal charges from the photoelectric conversion elements and transfers them in the vertical direction;
A solid-state imaging device having a solid-state imaging device including a horizontal transfer unit that transfers signal charges received from the vertical transfer unit in a horizontal direction,
When the vertical transfer unit has one shift gate for each photoelectric conversion element and n photoelectric conversion elements continuous in the vertical direction (n is an integer of 2 or more) are one unit, m (M is an integer of 1 or more) having a repeating gate structure in which a plurality of gates continuous in the vertical direction for one unit is a gate group,
At least one shift gate in one unit in each gate group is wired separately so that it can be driven independently from the corresponding shift gate in other units in the same gate group,
A drive circuit for applying a read voltage to one of the shift gates arranged separately and the corresponding shift gate of another unit in the same gate group in each gate group at the time of one reading. A solid-state imaging device characterized by the above.
前記垂直転送部の有効画素領域外に、少なくとも一段の垂直最終転送段を備え、当該垂直最終転送段が、水平方向にk(kは2以上の整数)列毎に同じ転送電極構成を有し、
前記k列のうち、一つの列以外の垂直最終転送段あるいは全ての列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を、当該k列における他の列とは独立して制御するために、前記他の列とは独立した転送電極が設けられた、請求項1〜9のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 Corresponding to the two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements, a color filter in which color filters are arranged in a cycle of 2 pixels in the vertical direction and 2 pixels in the horizontal direction,
The vertical transfer unit includes at least one vertical final transfer stage outside the effective pixel area of the vertical transfer unit, and the vertical final transfer stage has the same transfer electrode configuration for every k (k is an integer of 2 or more) columns in the horizontal direction. ,
Among the k columns, the vertical final transfer stage other than one column or the vertical final transfer stages of all the columns are transferred from the vertical final transfer stage to the horizontal transfer unit with other columns in the k column. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 9, wherein a transfer electrode independent of the other columns is provided in order to control the first and second columns independently.
The camera provided with the solid-state imaging device as described in any one of Claims 1-12.
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