JP2007181107A

JP2007181107A - Ｃｃｄ固体撮像素子の駆動方法とそれを用いた撮像装置

Info

Publication number: JP2007181107A
Application number: JP2005379737A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hasuka; 剛蓮香
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】垂直最終段が複数列単位で列毎に独立の電極を備えたＣＣＤ固体撮像素子において、高いフォーカス精度が得られるオートフォーカス用の撮像出力を得るための駆動方法と、それを用いた撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像素子の各垂直ＣＣＤ２の垂直最終段に５列単位で他の列から独立した独立電極が備えられることによって振り分け転送部５が構成され、独立電極の信号電荷を選択的に排出可能なドレイン６Ａが設けられている。振り分け転送部５の５列の独立電極のうち、選択した２列の独立電極に対応する信号電荷を水平転送部４へ転送して水平転送部４内で混合すると共に、選択しなかった他の列の独立電極に対応する信号電荷をドレイン６Ａに排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次元マトリクス状に配列された複数の光電変換部に蓄積された信号電荷をＣＣＤ転送部に読み出して二次元の画像信号を得るように構成されたＣＣＤ固体撮像素子の駆動方法と、それを用いた撮像装置に関する。

ディジタルスチルカメラのような撮像装置に使用されるＣＣＤ固体撮像素子は、より高い解像度の画像を得るために画素数が年々増加しており、５００万画素以上のものが多くなってきている。このような高画素のＣＣＤ固体撮像素子で全画素の信号を出力しようとすれば、例えば３ｆｐｓ程度の遅いフレームレートになってしまい、電子ビューファインダー（ＥＶＦ）用の画像のようにリアルタイムで変化する画像を得ることができない。また、動画を記録する機能を有する撮像装置の場合に、滑らかな動画を得るためには３０ｆｐｓ程度以上のフレームレートが必要である。電子ビューファインダー（ＥＶＦ）用の画像や動画用の高いフレームレートの画像を高画素のＣＣＤ固体撮像素子から得るためには、画素信号を間引いたり、混合したりすることによって、画素数を低減することが行われている。

例えばその方法として、ＣＣＤ固体撮像素子の垂直転送部の最終段（垂直最終段）が複数列毎に同じ電極構成を有し、かつ、その複数列の中で垂直最終段から水平転送部への転送動作を列毎に制御可能とするために、他の列から独立した２本以上の独立電極を有し、例えば、ベイヤー配列のフィルターを有する単板式カラーＣＣＤ固体撮像素子のように１行の中で２色の画素が交互に並んでいる構成の場合に、１画素置きに同色の画素信号（電荷）を選択して垂直最終段から水平転送部へ転送する制御を水平転送部の転送動作に合わせて行うことにより、水平方向の画素数を低減することができる。この動作を（２ｎ＋１）回繰り返せば、水平方向の画素数を（２ｎ＋１）分の１に低減することができる。

また、その他の方法としては、特許文献１に示されているように、ＣＣＤ固体撮像素子は、転送段数が多い第１水平転送部と転送段数が少ない第２水平転送部とを備え、低フレームレートで高画素数の画像を得るときは第１水平転送部を使用し、高フレームレートで画素数を低減した電子ビューファインダー用の画像を得る場合は、第２水平転送部を使用することによって水平方向の画素信号を混合して画素数を低減する。第１水平転送部及び第２水平転送部は個別の出力アンプを備え、第１水平転送部から第２水平転送部への電荷転送を制御するトランスファーゲートが備えられている。

また、垂直方向に画素信号を間引いたり、混合したりすることによって画素数を低減することも広く行われている（例えば特許文献２参照）。
特開２００４−１１２３０４号公報特開平９−１８７９２号公報

上記のような従来技術に示された方法で画素数を低減した画像をオートフォーカス用の撮像出力として使用することが検討されている。この場合に、フレームレートを高めるために水平方向の画素数を低減し過ぎると、水平方向の空間周波数が低下し、オートフォーカスの精度が低下する問題がある。撮像出力信号に基づくオートフォーカスでは、撮像出力信号の水平方向の高周波数成分をフォーカス精度の向上のために使用するからである。したがって、垂直方向の画素数を大幅（例えば１／６又は１／１２）に低減してフレームレートを高めたオートフォーカス用の撮像出力を得ることになる。このような画像は、垂直方向の解像度が著しく低下しており、電子ビューファインダー用の画像や動画記録用の画像としては採用しにくいものである。

本発明は上記のような課題に鑑み、垂直最終段が複数列単位で列毎に独立の電極を備えたＣＣＤ固体撮像素子において、高いフォーカス精度が得られるオートフォーカス用の撮像出力を得るための駆動方法と、それを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明による固体撮像素子の駆動方法は、二次元に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部で光電変換された信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する複数列の垂直転送部と、前記複数列の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、前記垂直転送部を構成する複数の垂直転送段のうちの前記水平転送部に最も近い垂直転送段である垂直最終段が３列以上の複数列毎に同じ電極構成を有し、かつ、その複数列の中で垂直最終段から水平転送部への転送動作を列毎に制御可能とするために他の列から独立した複数の独立電極を有し、前記独立電極の信号電荷を選択的に排出可能なドレインを有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記垂直転送部の電極にパルス電圧を印加することによって前記光電変換部の信号電荷を前記垂直転送部に転送し、垂直転送部内で前記信号電荷を転送するステップと、前記垂直最終段の複数列の独立電極のうち、選択した２列の独立電極に対応する信号電荷を前記水平転送部へ転送して前記水平転送部内で混合すると共に、選択しなかった他の列の独立電極に対応する信号電荷を前記ドレインに排出するステップと、前記水平転送部内で信号電荷を転送し、出力アンプへ順次供給するステップとを備えている。

本発明による固体撮像素子の別の駆動方法は、二次元に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部で光電変換された信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する複数列の垂直転送部と、前記複数列の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、前記垂直転送部を構成する複数の垂直転送段のうちの前記水平転送部に最も近い垂直転送段である垂直最終段が３列以上の複数列毎に同じ電極構成を有し、かつ、その複数列の中で垂直最終段から水平転送部への転送動作を列毎に制御可能とするために他の列から独立した複数の独立電極を有し、前記水平転送部にコントロールゲートを備えたドレインが併設された固体撮像素子の駆動方法であって、前記垂直転送部の電極にパルス電圧を印加することによって前記光電変換部の信号電荷を前記垂直転送部に転送し、垂直転送部内で前記信号電荷を転送するステップと、前記垂直最終段の複数列の独立電極のうち、選択した２列以外の列の独立電極に対応する信号電荷を前記水平転送部へ転送すると共に前記コントロールゲートにパルス電圧を印加することによって前記水平転送部の電荷を一斉に前記ドレインへ排出するステップと、前記選択した２列の独立電極に対応する信号電荷を前記水平転送部へ転送して前記水平転送部内で混合するステップと、前記水平転送部内で信号電荷を転送し、出力アンプへ順次供給するステップとを備えている。

本発明の固体撮像素子の駆動方法によれば、水平方向に画素（信号電荷）の混合（加算）を行うことによってフレームレートを高めることができる。その際、水平方向に信号電荷を混合する画素の数を２画素とすることにより、水平方向の空間周波数の低下を抑えたオートフォーカス用の画像を得ることができる。

本発明の固体撮像素子の駆動方法の好ましい実施形態では、前記水平転送部内のすべての信号電荷の転送が終了するたびに、前記選択した２列の組合せを変更するステップを更に備えている。すべての行について水平方向に同じ位置の画素の信号電荷を混合するのではなく、対象の行が変わるたびに混合する画素の組合せを変えることにより、斜め方向の解像度を向上することができる。

また、本発明の撮像装置は、上記のような固体撮像素子の駆動方法を使用することによって得られた画像信号をオートフォーカス用の画像信号として用いる撮像装置であって、水平方向に信号電荷を混合するために選択する列の数を増減する機能を備え、前記固体撮像素子から得られた画像信号に基づいて光学系の焦点制御を実行すると共に固体撮像素子の駆動用パルス電圧を変化させる制御部を備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、必要なオートフォーカスの精度や得られるフレームレートに応じて水平方向に信号電荷を混合する画素の数を適宜変更することができる。この際に、例えば露出量の制御と、混合する画素の数の変更制御を連携させることができる。例えば、被写体が暗いために固体撮像素子から十分大きな撮像出力が得られず、したがって十分なレベルのフォーカス情報が得られない場合は、混合（加算）する画素の数を増やして、十分なレベルのフォーカス情報が得られるようにするといった制御が可能である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の概略構成を示す模式図である。図１に示す固体撮像素子は、複数の画素に対応するように二次元マトリクス状に配列された複数の光電変換部であるフォトダイオード１と、フォトダイオード１の各列に対応するように配置された複数列の垂直転送部である垂直ＣＣＤ（電荷結合素子）２とで撮像領域３が形成されている。各列の垂直ＣＣＤ２は水平転送部である水平ＣＣＤ４に接続されている。

フォトダイオード１の上層には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のカラーフィルタが所定の配列で備えられ、これによって単板式のカラー固体撮像素子が構成されている。本実施形態のカラーフィルタはベイヤー配列を有し、水平方向のある行ではＧ（Ｇｂ）とＢのカラーフィルタが交互に配置され、その隣接行ではＲとＧ（Ｇｒ）のカラーフィルタが交互に配置されている。図１において、例えば左上の４（２×２）画素に着目すると、右下及び左上の画素がＧ（Ｇｂ及びＧｒ）、左下の画素がＲ、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。

垂直ＣＣＤ２は、フォトダイオード１で光電変換された信号電荷を読み出して垂直方向へ（図１では下方へ）転送する働きを有し、各列の垂直ＣＣＤ２が複数の垂直転送段から構成されている。一つの垂直転送段は垂直方向に並んだフォトダイオード１の３行分に対応する。各フォトダイオード１に対応して２本の電極、したがって計６本の電極Ｖ１〜Ｖ６が一つの垂直転送段に対応している。また、第３電極Ｖ３は２本の独立した電極Ｖ３Ａと電極Ｖ３Ｂとに分けられ、垂直方向に沿って電極Ｖ３Ａと電極Ｖ３Ｂとが交互に配置されている。同様に第５電極は２本の独立した電極Ｖ５ＡとＶ５Ｂとに分けられ、垂直方向に沿って電極Ｖ５Ａと電極Ｖ５Ｂとが交互に配置されている。他の４本の電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４及びＶ６は各垂直転送段に共通である。

このような垂直ＣＣＤ２の電極構成により、３画素ごと、６画素ごと、９画素ごと、又は１２画素ごとに垂直方向の画素を間引く転送動作が可能になる。つまり、６種類８本の電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂ、Ｖ４、Ｖ５Ａ、Ｖ５Ｂ及びＶ６に印加するパルス電圧φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ、φＶ４、φＶ５Ａ、φＶ５Ｂ及びφＶ６を制御することによって、３画素ごと、６画素ごと、９画素ごと、又は１２画素ごとに選択したフォトダイオード１の信号電荷のみを垂直ＣＣＤ２へ転送することができる。動画の記録やオートフォーカス用の画像の取得のためにフレームレートを高くする必要があるときに、そのような画素の間引きが行われる。

図１に示すように、複数の垂直転送段のうちの水平ＣＣＤ４に最も近い垂直転送段である垂直最終段は、対応するフォトダイオード１（画素）が無く、複数列の垂直最終段で振り分け転送部５が構成されている。振り分け転送部５を構成する各列の垂直最終段の６本の電極Ｖ１〜Ｖ６のうち、第３電極Ｖ３及び第５電極Ｖ５は他の垂直転送段の電極から独立している。また、５列ごとに同じ電極構成が繰り返され、かつ、５列の中では各列の第３電極Ｖ３及び第５電極Ｖ５が他の４列から独立している。つまり、振り分け転送部５では、二種類各５本の独立電極Ｖ３１〜Ｖ３５及びＶ５１〜Ｖ５５が５列ごとに繰り返される電極構成になっている。他の４本の電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４及びＶ６は５列すべてに共通であり、かつ、他の垂直転送段の電極とも共通である。

このような垂直最終段（振り分け転送部５）の構成により、５列単位で垂直最終段から水平ＣＣＤ４への信号電荷の転送を列毎に制御することができる。したがって、最大５列単位で画素の間引き又は混合による水平方向の画素数の低減が可能になる。水平方向での画素信号の混合は、列ごとの水平ＣＣＤ４への電荷転送タイミングと水平ＣＣＤ４の電荷転送タイミングとを制御することにより行われ、最大５画素までの混合が可能である。

また、振り分け転送部５の各列の垂直最終段には、信号電荷を排出するドレイン６Ａが併設されている。図１に示す固体撮像素子では、電極Ｖ３（Ｖ３１〜Ｖ３５）からＶ６にかけてドレイン６Ａが併設されている。電極Ｖ３１〜Ｖ３５及び電極Ｖ５１〜Ｖ５５に印加されるパルス電圧φＶ３１〜φＶ３５及びφＶ５１〜φＶ５５で個別に選択された部分の信号電荷をドレイン６Ａに排出することができる。共通電極であるＶ１は個別に選択する機能はないので、ドレイン６Ａが併設されていない。電極の総数の増加が許される場合は、Ｖ１も列ごとの独立電極（Ｖ１１〜Ｖ１５）とし、電荷をドレイン６Ａへ排出できるように構成してもよい。

各画素を構成するフォトダイオード１に蓄積された電荷は、電極Ｖ１〜Ｖ６に印加されるパルス電圧φＶ１〜φＶ６によって選択的に（必要に応じて間引かれて）垂直ＣＣＤ２へ転送され、水平ＣＣＤ４に向かって垂直ＣＣＤ２内を転送される。各列の垂直ＣＣＤ２内を転送されて振り分け転送部５に達した各画素の信号電荷は、水平方向での画素の混合を行わない場合は、一斉に水平ＣＣＤ４へ並列転送される。つまり、水平ＣＣＤ４には複数列の垂直ＣＣＤ２から１行に相当する信号電荷が順次転送されて来る。水平ＣＣＤ４に転送された１行に相当する信号電荷は、水平ＣＣＤ４の電極Ｈ１及びＨ２に印加される二相のパルス電圧φＨ１及びφＨ２によって順次（図１では左方向へ）転送され、出力アンプ７で増幅されて時系列の出力信号ＯＵＴとなる。

水平方向での画素の混合を行う場合は、振り分け転送部５に達した各画素の信号電荷は、上述のように電極Ｖ３１〜Ｖ３５及び電極Ｖ５１〜５５に印加されるパルス電圧φＶ３１〜φＶ３５及びφＶ５１〜φＶ５５によって選択的に水平ＣＣＤ４へ並列転送される。その転送タイミングを水平ＣＣＤ４の転送タイミングと合わせることによって、水平ＣＣＤ４内での信号電荷の混合が行われる。これについては、後で例を挙げて説明する。

図１に示すように、水平ＣＣＤ４にはドレイン６Ｂが併設されている。本実施形態の固体撮像素子におけるドレイン６Ｂは、水平ＣＣＤ４に過剰な信号電荷が転送された場合に、過剰分の信号電荷を排出するための一般的なものである。

次に、図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を説明するための模式図である。図１の模式図において、振り分け転送部５及び水平ＣＣＤ４における信号電荷の転送の例を矢印線等で示したものが図２である。図２において、○で囲まれた＋の記号は、信号電荷が混合（加算）されることを意味する。図２を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法、すなわち電荷転送方法を以下に説明する。

各フォトダイオード１から垂直ＣＣＤ２へ転送され、垂直ＣＣＤ２内を振り分け転送部５へ転送されて来た信号電荷は、一斉に水平ＣＣＤ４に転送される（水平方向での画素の混合を行わない場合）。あるいは列ごとに転送するか転送しないか制御され、選択された列の信号電荷のみが水平ＣＣＤ４に転送される（水平方向での画素の混合を行う場合）。水平ＣＣＤ４への転送を選択されなかった信号電荷は、垂直ＣＣＤ２における電荷転送用のパルス電圧と異なるパルス電圧を振り分け転送部５の電極Ｖ３１〜Ｖ３５及びＶ５１〜Ｖ５５に印加することによって、ドレイン６Ａに排出される。

例えば、電極Ｖ３１、Ｖ３３、Ｖ５１及びＶ５３に印加するパルス電圧φＶ３１、φＶ３３、φＶ５１及びφＶ５３は、ドレイン６に信号電荷を排出しないように垂直ＣＣＤ２の電荷転送用のパルス電圧とし、他の電極Ｖ３２、Ｖ３４、Ｖ３５、Ｖ５２、Ｖ５４及びＶ５５に印加するパルス電圧φＶ３２、φＶ３４、φＶ３５、φＶ５２、φＶ５４及びφＶ５５は、ドレイン６に信号電荷を排出するパルス電圧とする。これにより、水平方向の５列中の２列に対応する画素の信号電荷だけを選択して水平ＣＣＤ４へ転送し、水平ＣＣＤ４内で混合（加算）することができる。図２は、電極Ｖ３３の箇所の信号電荷が水平ＣＣＤ４へ転送された後に水平ＣＣＤ４が２画素分の転送を行い、更に電極Ｖ３１の箇所の信号電荷が水平ＣＣＤ４へ転送されることによって、それら２画素の信号電荷が混合される様子を示している。このような駆動によって、水平ＣＣＤ４には信号電荷がないパケットが５画素周期に４つできる。次の行の信号電荷を空いているパケットに転送していくことによって水平ＣＣＤ４には５行分の信号電荷を転送できる。５行分の信号電荷を１度の水平ＣＣＤ４の全段転送で出力信号ＯＵＴとできるので、垂直方向に１／５間引きした場合と同様にほぼ５倍の高速なフレームレートを実現できる。垂直方向に間引きした場合と比較して水平方向の信号電荷混合動作に時間を要するため５倍のフレームレートにはならない。

また、水平方向の画素（信号電荷）の混合を隣り合う同色の２画素に関して行うので、空間周波数が高く維持され、高周波数成分を失っていない画像出力が得られるので、この画像出力をオートフォーカス用の画像として使用すれば高速で高精度のオートフォーカスが可能となる。

また、すべての行について電極Ｖ３１及びＶ３３に対応する２画素の混合、そして電極Ｖ５１及びＶ５３に対応する２画素の混合を行うのではなく、行ごとに混合する画素の組合せを変えてもよい。つまり、ある行で電極Ｖ３１及びＶ３３に対応する２画素の混合、そして電極Ｖ５１及びＶ５３に対応する２画素の混合を行えば、隣接する行では電極Ｖ３２及びＶ３４に対応する２画素の混合、そして電極Ｖ５２及びＶ５４に対応する２画素の混合を行い、これを交互に繰り返す。こうすることにより、斜め方向の解像度を向上することができる。

なお、すべての行で例えば電極Ｖ３１及びＶ３３に対応する２画素の混合、そして電極Ｖ５１及びＶ５３に対応する２画素の混合を行い、他の画素の信号電荷をドレイン６Ａに排出する場合は、解像度が低下してしまうことになる。

これを回避するには、ある行で電極Ｖ３１及びＶ３３に対応する２画素の混合、そして電極Ｖ５１及びＶ５３に対応する２画素の混合を行えば、次の行では電極Ｖ３４及びＶ３１に対応する２画素の混合、そして電極Ｖ５４及びＶ５１に対応する２画素の混合を行う。更に次の行ではＶ３２及びＶ３４に対応する２画素の混合、そしてＶ５２及びＶ５４に対応する２画素の混合を行う。こうすることにより、斜め方向の電荷信号が失われないので斜め方向の解像度低下を防止できる。

また、１行の信号電荷すべてを排出するように電極Ｖ３１〜Ｖ３５及び電極Ｖ５１〜５５に印加されるパルス電圧φＶ３１〜φＶ３５及びφＶ５１〜φＶ５５を設定すれば、垂直方向の信号電荷を間引きする機能を振り分け転送部５で実現することが可能である。

上記のように、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法によれば、５列単位で繰り返される電極構成の振り分け転送部５によって、５列中の２列分の画素のみを選択して、それら２画素の信号電荷の混合を水平ＣＣＤ４内で行い、他の列の画素の信号電荷はドレイン６Ａに排出する。これにより、水平方向の高周波数成分が残存するオートフォーカス用の画像を得ることができ、それを用いて高いフォーカス精度のオートフォーカスを実現することができる。

なお、本実施形態の固体撮像素子では、振り分け転送部５の独立電極が５列単位で繰り返される構成としているが、本発明は５列単位に限らず、３列以上の複数列毎に繰り返される構成の固体撮像素子に適用することができる。また水平方向に２画素の信号電荷を混合しているが、フレームレートに余裕がある場合は水平方向の画素混合をしないでそのまま出力した画像信号をオートフォーカス用の画像信号として使用してもよい。また、水平方向に３画素以上の信号電荷を混合してもよい。必要なオートフォーカスの精度や得られるフレームレートに応じて、水平方向に混合する画素の数を適宜変更することが可能である。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の概略構成を示す模式図である。本実施形態の固体撮像素子が図１に示した第１の実施形態に係る固体撮像素子と異なる点に絞って説明する。本実施形態の固体撮像素子は、振り分け転送部５において信号電荷を選択的に排出するためのドレインは備えられていない。その代わりに、水平ＣＣＤ４に併設されたドレイン６ＢにコントロールゲートＤＣが設けられている。コントロールゲートＤＣに印加するパルス電圧φＤＣによって、コントロールゲートＤＣの下のポテンシャルを下げれば、水平ＣＣＤ４にあるすべての電荷をドレイン６Ｂに排出することが可能である。もちろん、水平ＣＣＤ４に過剰な信号電荷が転送されたときに、過剰分の信号電荷を排出する機能をドレイン６Ｂが有することは第１の実施形態に係る固体撮像素子と同様であるが、その機能に加えて上記のようなコントロールゲートＤＣによる機能が付加されている。

次に、図４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を説明するための模式図である。図３の模式図において、振り分け転送部５及び水平ＣＣＤ４における信号電荷の転送の例を矢印線等で示したものが図４である。図４において、○で囲まれた＋の記号は、信号電荷が混合（加算）されることを意味する。図４を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法、すなわち電荷転送方法を以下に説明する。

まず、各フォトダイオード１から垂直ＣＣＤ２へ転送され、垂直ＣＣＤ２内を振り分け転送部５へ転送されて来た信号電荷は、一斉に水平ＣＣＤ４に転送される（水平方向での画素の混合を行わない場合）。あるいは列ごとに転送する画素（有効画素）と排出する画素とが選択される（水平方向での画素の混合を行う場合）。排出する画素の信号電荷が先に水平ＣＣＤ４に転送され、上記のようなコントロールゲートＤＣの機能によって水平ＣＣＤ４の全信号電荷がドレイン６Ｂへ排出される。続いて、転送する画素（有効画素）の信号電荷が水平ＣＣＤ４に転送され、混合される。

図４に示す例では、先に、電極Ｖ３２、Ｖ３４、Ｖ３５、Ｖ５２、Ｖ５４及びＶ５５に転送用パルス電圧φＶ３２、φＶ３４、φＶ３５、φＶ５２、φＶ５４及びφＶ５５を印加して、これらの電極に対応する信号画素を水平ＣＣＤ４に転送した後、コントロールゲートＤＣにパルス電圧φＤＣを印加して水平ＣＣＤ４の信号電荷を一斉にドレイン６へ排出する。次に、電極Ｖ３１、Ｖ３３、Ｖ５１及びＶ５３に転送用パルス電圧φＶ３１、φＶ３３、φＶ５１及びφＶ５３を印加する。これにより、５列中の２列に対応する画素の信号電荷だけを水平ＣＣＤ４へ転送し、水平ＣＣＤ４内で混合（加算）することができる。図４は、電極Ｖ３３の箇所の信号電荷が水平ＣＣＤ４へ転送された後に水平ＣＣＤ４が２画素分の転送を行い、更に電極Ｖ３１の箇所の信号電荷が水平ＣＣＤ４へ転送されることによって、それら２画素の信号電荷が混合される様子を示している。このような駆動によって、水平ＣＣＤ４には信号電荷がないパケットが５画素周期に４つできる。次の行の信号電荷を空いているパケットに転送していくことによって水平ＣＣＤ４には５行分の信号電荷を転送できる。５行分の信号電荷を１度の水平ＣＣＤ４の全段転送で出力信号ＯＵＴとできるので、垂直方向に１／５間引きした場合と同様にほぼ５倍の高速なフレームレートを実現できる。垂直方向に間引きした場合と比較して水平方向の信号電荷混合動作に時間を要するため５倍のフレームレートにはならない。

なお、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、すべての行について電極Ｖ３１及びＶ３３に対応する２画素の混合、そして電極Ｖ５１及びＶ５３に対応する２画素の混合を行うのではなく、行ごとに混合する画素の組合せを変えてもよい。こうすることにより、斜め方向の解像度を向上することができる。また、本実施形態では、１行分の信号電荷すべての排出をコントロールゲートＤＣに印加するパルス電圧φＤＣによって制御できるので、垂直方向での画素の間引きを簡単に行うことができる。

また、本実施形態の固体撮像素子では、振り分け転送部５の独立電極が５列単位で繰り返される構成としているが、本発明は５列単位に限らず、３列以上の複数列毎に繰り返される構成の固体撮像素子に適用することができる。また水平方向に２画素の信号電荷を混合しているが、フレームレートに余裕がある場合は水平方向の画素混合をしないでそのまま出力した画像信号をオートフォーカス用の画像信号として使用してもよい。また、水平方向に３画素以上の信号電荷を混合してもよい。必要なオートフォーカスの精度や得られるフレームレートに応じて、水平方向に混合する画素の数を適宜変更することが可能である。

上記のように、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法によれば、５列単位で繰り返される電極構成の振り分け転送部５によって、５列中の２列分の画素の信号電荷の混合を水平ＣＣＤ４内で行い、他の列の画素の信号電荷は水平ＣＣＤ４に併設されたドレイン６Ｂに排出する。これにより、水平方向の高周波数成分が残存するオートフォーカス用の画像を得ることができ、それを用いて高いフォーカス精度のオートフォーカスを実現することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る撮像装置であるディジタルカメラの構成を示すブロック図である。このディジタルカメラは、レンズユニット８００、ＣＣＤ固体撮像素子２００、ＣＤＳ・ＡＧＣ・ＡＤＣ回路３００、ＤＳＰ回路４００、ＴＧ回路５００、φＨドライバ６００及びφＶドライバ７００を有する。

ＣＣＤ固体撮像素子２００は、第１又は第２の実施形態で説明した駆動方法が可能な構造を有する。ＣＤＳ・ＡＧＣ・ＡＤＣ回路３００は、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路、ＡＧＣ（自動利得制御）回路及びＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換）回路がまとめられた集積回路である。ＤＳＰ回路４００は、オートフォーカス（ＡＦ）ブロック４０１とＣＰＵ（中央処理ユニット）４０２を含む制御部に相当するディジタル処理プロセッサである。ＴＧ回路５００は、各種タイミング信号を発生するタイミングジェネレータである。φＨドライバ６００は、ＴＧ回路５００からのタイミング信号にしたがって、ＣＣＤ固体撮像素子２００の水平ＣＣＤに電荷信号転送用のパルス電圧を与えるドライバである。φＶドライバ７００は、ＴＧ回路５００からのタイミング信号にしたがって、ＣＣＤ固体撮像素子２００の垂直ＣＣＤに電荷信号転送用のパルス電圧を与えるドライバである。

レンズユニット８００を通った光はＣＣＤ固体撮像素子２００に入射し、各画素を走査した時系列の電気信号に相当する撮像出力に変換される。ＣＣＤ固体撮像素子２００から出力された撮像出力は、ＣＤＳ・ＡＧＣ・ＡＤＣ回路３００で相関二重サンプリング、自動利得制御及びＡ／Ｄ変換の各処理が施されてディジタル信号となり、ＤＳＰ４００に与えられる。

ＤＳＰ４００の中のＡＦブロック４０１では、撮像出力のディジタル信号から高周波数成分を抜き出し、ＣＰＵ４０２にフォーカス情報として与える。ＣＰＵ４０２は、与えられたフォーカス情報に基づいて、ＴＧ回路５００に対してＣＣＤ駆動信号に関する指示を与えると共に、レンズユニット８００に対してフォーカスの指示を行う。

φＨドライバ６００及びφＶドライバ７００は、ＴＧ５００の出力に基づいて、ＣＣＤ固体撮像素子２００の水平ＣＣＤ及び垂直ＣＣＤの駆動に必要なパルス電圧を発生してＣＣＤ固体撮像素子２００に供給する。ＣＣＤ固体撮像素子２００は、第１又は第２の実施形態で説明したような構造を有し、水平方向に複数画素の信号電荷の混合（加算）を行うことができる。第１又は第２の実施形態で説明したように、水平方向に混合する画素の数は、必要なオートフォーカスの精度や得られるフレームレートに応じて適宜変更することが可能である。

例えば、被写体が暗いためにＣＣＤ固体撮像素子２００から十分大きな撮像出力が得られず、したがって十分なレベルのフォーカス情報が得られない場合は、ＤＳＰ４００の中のＣＰＵ４０２がＴＧ５００に駆動変更の指示を与え、水平方向に加算する画素の数を増加させる。こうすることにより、ＣＣＤ固体撮像素子２００から得られる撮像出力のレベルが大きくなり、したがって十分大きいレベルのフォーカス情報を得ることができる。

また、この情報を露出量の制御にも使用することが可能である。例えば、ＣＰＵ４０２が、水平方向に混合する画素の数を低減すると共に露出量を増加する指示をＴＧ５００に与えることによって、適正露出量で十分大きな撮像出力を得ることができる。

また、オートフォーカスを実行中は、ＣＣＤ固体撮像素子２００を高いフレームレートで駆動するので、フレームレートを低下させずにベストフォーカス決定までの時間を短縮することができる。しかも、フォーカス精度の高い撮像出力が可能である。

本発明の固体撮像素子の駆動方法および撮像装置は、オートフォーカス機能を有するディジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、医療用内視鏡等の用途に適用することができ、高速で精度の高いオートフォーカスを可能にする。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の概略構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を説明するための模式図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の概略構成を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を説明するための模式図である。本発明の第３の実施形態に係る撮像装置であるディジタルカメラの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１フォトダイオード（光電変換部）
２垂直ＣＣＤ（垂直転送部）
３撮像領域
４水平ＣＣＤ（水平転送部）
５振り分け転送部（垂直最終段）
６Ａ、６Ｂドレイン
７出力アンプ
２００ＣＣＤ固体撮像素子
３００ＣＤＳ・ＡＧＣ・ＡＤＣ回路
４００ＤＳＰ回路（制御部）
５００タイミング発生回路
６００ φＨドライバ
７００ φＶドライバ
８００レンズユニット

Claims

二次元に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部で光電変換された信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する複数列の垂直転送部と、前記複数列の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、前記垂直転送部を構成する複数の垂直転送段のうちの前記水平転送部に最も近い垂直転送段である垂直最終段が３列以上の複数列毎に同じ電極構成を有し、かつ、その複数列の中で垂直最終段から水平転送部への転送動作を列毎に制御可能とするために他の列から独立した複数の独立電極を有し、前記独立電極の信号電荷を選択的に排出可能なドレインを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
前記垂直転送部の電極にパルス電圧を印加することによって前記光電変換部の信号電荷を前記垂直転送部に転送し、垂直転送部内で前記信号電荷を転送するステップと、
前記垂直最終段の複数列の独立電極のうち、選択した２列の独立電極に対応する信号電荷を前記水平転送部へ転送して前記水平転送部内で混合すると共に、選択しなかった他の列の独立電極に対応する信号電荷を前記ドレインに排出するステップと、
前記水平転送部内で信号電荷を転送し、出力アンプへ順次供給するステップと
を備えていることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
二次元に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部で光電変換された信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する複数列の垂直転送部と、前記複数列の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、前記垂直転送部を構成する複数の垂直転送段のうちの前記水平転送部に最も近い垂直転送段である垂直最終段が３列以上の複数列毎に同じ電極構成を有し、かつ、その複数列の中で垂直最終段から水平転送部への転送動作を列毎に制御可能とするために他の列から独立した複数の独立電極を有し、前記水平転送部にコントロールゲートを備えたドレインが併設された固体撮像素子の駆動方法であって、
前記垂直転送部の電極にパルス電圧を印加することによって前記光電変換部の信号電荷を前記垂直転送部に転送し、垂直転送部内で前記信号電荷を転送するステップと、
前記垂直最終段の複数列の独立電極のうち、選択した２列以外の列の独立電極に対応する信号電荷を前記水平転送部へ転送すると共に前記コントロールゲートにパルス電圧を印加することによって前記水平転送部の電荷を一斉に前記ドレインへ排出するステップと、
前記選択した２列の独立電極に対応する信号電荷を前記水平転送部へ転送して前記水平転送部内で混合するステップと、
前記水平転送部内で信号電荷を転送し、出力アンプへ順次供給するステップと
を備えていることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
前記水平転送部内のすべての信号電荷の転送が終了するたびに、前記選択した２列の組合せを変更するステップを更に備えている
請求項１又は２記載の固体撮像素子の駆動方法。
請求項１から３のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法を使用することによって得られた画像信号をオートフォーカス用の画像信号として用いる撮像装置であって、水平方向に信号電荷を混合するために選択する列の数を増減する機能を備え、前記固体撮像素子から得られた画像信号に基づいて光学系の焦点制御を実行すると共に固体撮像素子の駆動用パルス電圧を変化させる制御部を備えていることを特徴とする撮像装置。