JP2010098624A

JP2010098624A - 固体撮像素子及びその駆動方法、並びに撮像装置

Info

Publication number: JP2010098624A
Application number: JP2008269273A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Shiraishi; 雄一郎白石
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-30

Abstract

【課題】蓄積部の面積縮小を実現することが可能なＦＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子を提供する。
【解決手段】マトリクス状に配列された画素８と垂直転送部９とを有する撮像部４、遮光された蓄積部５、信号電荷を水平方向に転送する水平転送部６を備えると共に、水平方向と垂直方向をいずれも１／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）に圧縮する動作モード（動画撮影モード）時に、所定の垂直転送部（Ａ列）によって転送されたＮ画素分の信号電荷を、転送部７によって水平方向に配列して蓄積部５に転送する。
【選択図】図２（ａ）

Description

本発明は固体撮像素子及びその駆動方法、並びに撮像装置に関する。詳しくは、ＦＩＴ（ＦｒａｍｅＩｎｔｅｒｌｉｎｅＴｒａｎｓｆｅｒ）方式の固体撮像素子及びその駆動方法、並びにＦＩＴ方式の固体撮像素子を用いた撮像装置に係るものである。

ＣＣＤ固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）では、解像度が重視される静止画モード時は全画素を出力している。一方、フレームレートが重視される動画モード時は画素を間引いて出力したり、画素加算を行なったりすることで出力画素数を減らしてフレームレートを向上する技術が一般に用いられている。また、ＤＳＣ用ＣＣＤ固体撮像素子では、高画質の静止画の撮像を目的として多画素化が進められている。

ところで、多画素のＣＣＤ固体撮像素子では、セル（単位画素）のより微細化が進む中でスミアが懸念され、特に動画モード時やモニタリングモード時に問題となっている。即ち、静止画モード時はメカシャッターを使用するのが一般的であるために、スミアが発生することはないものの、メカシャッターを使用しない動画モード（モニタリングモード）時に発生するスミアの低減が大きな課題となっている。

なお、スミアとは、信号電荷を転送する垂直転送部に強い光が漏れ込んだ場合に、高輝度被写体の上下に明るい帯が走るＣＣＤ固体撮像素子固有の現象であり、信号電荷が垂直転送部に依存している期間が長いほど、スミアの影響を大きく受けることとなる。

さて、スミア低減対策としては、放送業務用ＣＣＤ固体撮像素子で使われているＦＩＴ方式が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
ここで、ＦＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子では、図６で示す様に、画素がマトリクス状（行列状）に配置されてなる撮像部１０１の下部に、垂直転送部で転送された信号電荷を一時的に蓄積する遮光された蓄積部１０２を有する。そして、各画素から垂直転送部に信号電荷を読み出した後、垂直転送部を高速転送動作させることで信号電荷を素早く蓄積部に移動させ、信号電荷が垂直転送部に依存している期間を短くすることによってスミアの低減を図っている。

具体的には、従来のＦＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子では、図７で示す様に、撮像部１０１に加えて蓄積部１０２を有し、また、水平転送部１０３を有する構成を採っている。

撮像部１０１は画素（光電変換素子を含む受光部）１０４と垂直転送部１０５とによって構成されている。また、画素１０４は、マトリクス状に配置され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換する。更に、垂直転送部１０５は、画素のマトリクス状配列に対して列毎に配置され、画素の各々で光電変換され、これら画素から読み出された信号電荷を列単位で垂直転送する。

ここで、垂直転送部１０５は第１の垂直転送電極Ｖ１〜第１０の垂直転送電極Ｖ１０によって駆動パルスが印加可能に構成されており、各垂直転送電極に所定の駆動パルスを印加することで、信号電荷が垂直転送されることとなる。なお、１つの画素に２つの垂直転送電極が対応して構成されている。

また、蓄積部１０２は、全面にわたって遮光されており、垂直転送部から転送された信号電荷を一時的に蓄積する領域である。
ここで、蓄積部１０２はマトリクス状に配置された複数の単位蓄積部１０６を有しており、各単位蓄積部１０６には、画素で光電変換され、垂直転送部を介して転送された信号電荷が蓄積可能に構成されている。

また、４行の蓄積部を１組（１ユニット）とし、各組（各ユニット）の第１行目の単位蓄積部には第１の蓄積部電極Ｖ１１によって電圧が印加可能に構成され、第２行目の単位蓄積部には第２の蓄積部電極Ｖ１２によって電圧が印加可能に構成されている。同様に、各組（各ユニット）の第３行目の単位蓄積部には第３の蓄積部電極Ｖ１３によって電圧が印加可能に構成され、第４行目の単位蓄積部には第４の蓄積部電極Ｖ１４によって電圧が印加可能に構成されている。

なお、図７では図示を省略しているものの、図中符号Ａで示す垂直転送部以外の垂直転送部によって転送される信号電荷を掃き捨てるためのドレイン領域が設けられている。即ち、５列の垂直転送部を１組（１ユニット）とし、各組（各ユニット）の符合Ａで示す垂直転送部以外の垂直転送部によって転送される信号電荷をドレイン領域に掃き捨て可能に構成されている。

水平転送部１０３は、蓄積部１０２からシフトされた信号電荷を順に水平転送可能に構成され、具体的には、水平方向に交互に第１の水平転送電極Ｈ１及び第２の水平転送電極Ｈ２が配置されている。これらの水平転送電極をコンプリメンタリ駆動することで、信号電荷は水平転送部を水平転送することとなる。
また、水平転送部の転送先側には電荷検出部（図示せず）が設けられており、電荷検出部は、例えばフローティングディフュージョンアンプによって構成されており、水平転送部によって順に転送されてくる信号電荷を信号電圧に変換して出力可能に構成されている。

上記の様に構成された従来のＣＣＤ固体撮像素子では、静止画モード時には、第１の垂直転送電極Ｖ１〜第１０の垂直転送電極Ｖ１０に図８（ａ）で示す駆動パルス（Ｖφ１〜Ｖφ１０）を印加する。また、第１の蓄積部電極Ｖ１１〜第４の蓄積部電極Ｖ１４に図８（ａ）で示す駆動パルス（Ｖφ１１〜Ｖφ１４）を印加する。更に、第１の水平転送電極Ｈ１に駆動パルスＨφ１を印加し、第２の水平転送電極Ｈ２に駆動パルスＨφ２を印加する（図８（ｃ）参照。）。なお、静止画モード時には、第１の垂直転送電極Ｖ１、第３の垂直転送電極Ｖ３、第５の垂直転送電極Ｖ５、第７の垂直転送電極Ｖ７及び第９の垂直転送電極Ｖ９に読み出し電圧を印加することで、全ての画素から信号電荷を読み出している。

こうした駆動パルスを印加することによって、先ず、全ての画素の信号電荷が垂直転送部に読み出され、読み出された信号電荷は垂直転送部の高速転送動作によって蓄積部までフレームシフト転送（高速転送）がなされることとなる。ここで、フレームシフト転送では各垂直転送部から対応する単位蓄積部列に信号電荷が転送されることとなる（図１０（ａ）参照。）。

その後、蓄積部の信号電荷は１ライン毎に垂直転送及び水平転送（ラインシフト）を繰り返すことで出力されることとなる。

なお、図８（ｂ）は静止画モード時におけるフレームシフト転送時の各駆動パルスのタイミングチャートの詳細を表したものであり、図８（ｃ）は静止画モード時におけるラインシフト時の各駆動パルスのタイミングチャートの詳細を表したものである。

一方、従来のＣＣＤ固体撮像素子では、動画モード時には、第１の垂直転送電極Ｖ１〜第１０の垂直転送電極Ｖ１０に図９（ａ）で示す駆動パルス（Ｖφ１〜Ｖφ１０）を印加する。また、第１の蓄積部電極Ｖ１１〜第４の蓄積部電極Ｖ１４に図９（ａ）で示す駆動パルス（Ｖφ１１〜Ｖφ１４）を印加する。更に、第１の水平転送電極Ｈ１に駆動パルスＨφ１を印加し、第２の水平転送電極Ｈ２に駆動パルスＨφ２を印加する（図９（ｃ）参照。）。なお、動画モード時には、第５の転送電極Ｖ５のみに読み出し電圧を印加することで、第５の転送電極Ｖ５に隣接する画素からのみ信号電荷を読み出すことによって、垂直方向の１／５の圧縮を実現している。

こうした駆動パルスを印加することによって、先ず、第５の転送電極Ｖ５に隣接する画素の信号電荷のみが垂直転送部に読み出され、読み出された信号電荷は垂直転送部の高速転送動作によって蓄積部までフレームシフト転送（高速転送）がなされることとなる。なお、フレームシフト転送時に、図中符合Ａで示す垂直転送部以外の垂直転送部によって転送された信号電荷をドレイン領域に掃き捨て、こうしたドレイン領域への掃き捨てによって水平方向の１／５の圧縮を実現している。ここで、フレームシフト転送では符合Ａで示す垂直転送部から対応する単位蓄積部列に信号電荷が転送されることとなり、信号電荷がドレイン領域へ掃き捨てられた垂直転送部に対応する単位蓄積部列には信号電荷は転送されることはない（図１０（ｂ）参照。）。

なお、図９（ｂ）は動画モード時におけるフレームシフト転送時の各駆動パルスのタイミングチャートの詳細を表したものであり、図９（ｃ）は動画モード時におけるラインシフト時の各駆動パルスのタイミングチャートの詳細を表したものである。

上記の通り、従来のＦＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子は、動画モード時におけるフレームシフト転送を高速で行なうことで、信号電荷が垂直転送部に依存している期間を短くすることができ、スミアの低減には極めて有効であると考えられる。
なお、仮にラインシフト転送に対して、フレームシフト転送の垂直転送スピードが１０倍であるとすると、発生するスミア量を１／１０に低減することができることとなる。

特開２００６−１２９１３７号公報

しかしながら、ＦＩＴ構造は、露光を行なうための撮像部と、撮像部から転送される信号数に相当する信号電荷を一時的に保持するための蓄積部が必要となるために、チップ面積が著しく大きくなってしまう。そしてチップ面積の大型化は、カメラの大型化、製造コストの増加等の原因となっている。

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、蓄積部の面積縮小が実現可能な固体撮像素子及びその製造方法、並びに蓄積部の面積縮小が実現可能な固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明の固体撮像素子は、マトリクス状に配列されて光電変換を行なう複数の画素と、該画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、信号電荷を蓄積する遮光された蓄積部と、一部の前記垂直転送部によって転送された信号電荷のみを出力する動作モード時に、前記垂直転送部から転送された信号電荷を、前記蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送する転送部と、前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備える。

ここで、一部の垂直転送部によって転送された信号電荷のみを出力する動作モード時に、垂直転送部から転送された信号電荷を、蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送する転送部によって、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
即ち、蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域のみならず蓄積部のうちドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域にも信号電荷を転送することで、蓄積部内の信号電荷の未蓄積領域を減少せしめることができる。結果として、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。

また、本発明の固体撮像素子は、マトリクス状に配列されて光電変換を行なう複数の画素と、該画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、信号電荷を蓄積する遮光された蓄積部と、水平方向と垂直方向をいずれも１／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）に圧縮する動作モード時に、所定の垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷を、水平方向に配列して前記蓄積部に転送する転送部と、前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備える。

ここで、水平方向と垂直方向をいずれも１／Ｎに圧縮する動作モード時に、所定の垂直転送部で転送されたＮ画素分の信号電荷を、水平方向に配列して蓄積部に転送する転送部によって、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
即ち、蓄積部のうち出力対象の信号電荷を転送する垂直転送部に対応した領域のみならず蓄積部のうち水平方向の間引きが行なわれた垂直転送部に対応した領域にも信号電荷を転送することで、蓄積部内の信号電荷の未蓄積領域を減少せしめることができる。結果として、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
なお、「所定の垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷」とは、水平方向の間引きの対象とはさていない出力対象の信号電荷を転送する垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷を意味している。

また、上記の目的を達成するために、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に配列された複数の画素で光電変換する工程と、前記画素の垂直列毎に設けられた垂直転送部によって前記画素で光電変換された信号電荷を垂直転送する工程と、所定の垂直転送部によって垂直転送された信号電荷をドレイン領域に捨てると共に、所定の垂直転送部以外の垂直転送部によって垂直転送された信号電荷を、遮光された蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送する工程と、前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する工程とを備える。

ここで、所定の垂直転送部以外の垂直転送部により垂直転送された信号電荷を、遮光された蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送することによって、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
即ち、蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域のみならず蓄積部のうちドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域にも信号電荷を転送することで、蓄積部内の信号電荷の未蓄積領域を減少せしめることができる。結果として、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
なお、「所定の垂直転送部以外の垂直転送部によって垂直転送された信号電荷」とは、ドレイン領域への掃き捨て対象になっていない出力対象の信号電荷を意味している。

また、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、マトリクス状に配列された複数の画素で光電変換する工程と、前記画素から同画素の垂直列毎に設けられた垂直転送部に、垂直方向の圧縮率が１／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）となる様に信号電荷を読み出し、読み出された信号電荷を垂直転送する工程と、水平方向の圧縮率が１／Ｎとなる様に所定の垂直転送部によって垂直転送された信号電荷をドレイン領域に捨てると共に、所定の垂直転送部以外の垂直転送部によって垂直転送されたＮ画素分の信号電荷を水平方向に配列して遮光された蓄積部に転送する工程と、前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する工程とを備える。

ここで、所定の垂直転送部以外の垂直転送部により垂直転送されたＮ画素分の信号電荷を水平方向に配列して遮光された蓄積部に転送することによって、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
即ち、蓄積部のうち出力対象の信号電荷を転送する垂直転送部に対応した領域のみならず蓄積部のうち水平方向の間引きが行なわれた垂直転送部に対応した領域にも信号電荷を転送することで、蓄積部内の信号電荷の未蓄積領域を減少せしめることができる。結果として、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
なお、「所定の垂直転送部以外の垂直転送部によって垂直転送されたＮ画素分の信号電荷」とは、水平方向の間引きの対象とはされていない出力対象の信号電荷を転送する垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷を意味している。

また、上記の目的を達成するために、本発明の撮像装置は、マトリクス状に配列されて光電変換を行なう複数の画素と、該画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、信号電荷を蓄積する遮光された蓄積部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を前記蓄積部に転送する転送部と、前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、一部の前記垂直転送部によって転送された信号電荷のみを出力する動作モード時に、前記垂直転送部から転送された信号電荷を、前記蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送すべく前記転送部を制御する制御部とを備える。

ここで、一部の垂直転送部によって転送された信号電荷のみを出力する動作モード時に、垂直転送部から転送された信号電荷を、蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送すべく転送部を制御する制御部によって、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
即ち、蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域のみならず蓄積部のうちドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域にも信号電荷を転送すべく転送部を制御することによって、蓄積部内の信号電荷の未蓄積領域を減少せしめることができる。結果として、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。

また、本発明の撮像装置は、マトリクス状に配列されて光電変換を行なう複数の画素と、該画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、信号電荷を蓄積する遮光された蓄積部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を前記蓄積部に転送する転送部と、前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、水平方向と垂直方向をいずれも１／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）に圧縮する動作モード時に、所定の垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷を、水平方向に配列して前記蓄積部に転送すべく前記転送部を制御する制御部とを備える。

ここで、水平方向と垂直方向をいずれも１／Ｎに圧縮する動作モード時に、所定の垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷を、水平方向に配列して蓄積部に転送すべく転送部を制御する制御部によって、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
即ち、蓄積部のうち出力対象の信号電荷を転送する垂直転送部に対応した領域のみならず蓄積部のうち水平方向の間引きが行なわれた垂直転送部に対応する領域にも信号電荷を転送すべく転送部を制御することによって、蓄積部内の信号電荷の未蓄積領域を減少せしめることができる。結果として、蓄積部の有効活用が実現し、蓄積部の縮小が可能となる。
なお、「所定の垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷」とは、水平方向の間引きの対象とはされていない出力対象の信号電荷を転送する垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷を意味している。

本発明の固体撮像素子及びその駆動方法、並びに撮像装置では、蓄積部の面積縮小を実現することができ、カメラの小型化や製造コストの低減に寄与することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＣＤ固体撮像装置を説明するための模式図であり、ここで示すＣＣＤ固体撮像装置１は、ＣＣＤ固体撮像素子２及びタイミング発生回路（ＴＧ：ＴｉｍｉｎｇＧｅｎｅｒａｔｏｒ）３を有する。

ＣＣＤ固体撮像素子は、図２（ａ）で示す様に、ＦＩＴ方式のデバイス構成を採っており、撮像部４に加えて蓄積部５を有し、また、水平転送部６及び転送部７を有する構成を採っている。

撮像部４は画素（光電変換素子を含む受光部）８と垂直転送部９とによって構成されている。また、画素８は、マトリクス状に配置され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換する。更に、垂直転送部９は、画素のマトリクス状配列に対して列毎に配置され、画素の各々で光電変換され、これら画素から読み出された信号電荷を列単位で垂直転送する。

ここで、垂直転送部は第１の垂直転送電極Ｖ１〜第１０の垂直転送電極Ｖ１０によって駆動パルスが印加可能に構成されており、各垂直転送電極に所定の駆動パルスを印加することで、信号電荷が垂直転送されることとなる。なお、１つの画素に２つの垂直転送電極が対応した構成されている。

また、蓄積部５は、全面にわたって遮光されており、垂直転送部から転送された信号電荷を一時的に蓄積する領域である。
ここで、蓄積部５はマトリクス状に配置された複数の単位蓄積部１１を有しており、各単位蓄積部には、画素で光電変換され、垂直転送部及び転送部を介して転送された信号電荷が蓄積可能に構成されている。

また、４行の単位蓄積部を１組（１ユニット）とし、各組（各ユニット）の第１行目の単位蓄積部には第１の蓄積部電極Ｖ１１によって電圧が印加可能に構成され、第２行目の単位蓄積部には第２の蓄積部電極Ｖ１２によって電圧が印加可能に構成されている。同様に、各組（各ユニット）の第３行目の単位蓄積部には第３の蓄積部電極Ｖ１３によって電圧が印加可能に構成され、第４行目の単位蓄積部には第４の蓄積部電極Ｖ１４によって電圧が印加可能に構成されている。

更に、撮像部４と蓄積部５との間には、本発明の特徴部分ともいえる転送部７が設けられている。なお、転送部７についても、蓄積部と同様に全面にわたって遮光されている。

転送部７は、水平方向に交互に配置された第１の転送電極ＨＶ１及び第２の転送電極ＨＶ２と、これら第１の転送電極ＨＶ１と第２の転送電極ＨＶ２よりも蓄積部側に配置された第３の転送電極ＨＶ−Ｇａｔｅによって駆動パルスが印加可能に構成されている。また、転送部７は、第１の転送電極ＨＶ１と第２の転送電極ＨＶ２よりも撮像部側に配置された第４の転送電極ＨＶ４、第５の転送電極ＨＶ５及び第６の転送電極ＨＶ６によっても駆動パルスが印加可能に構成されている。

なお、第４の転送電極ＨＶ４は符合Ａで示す垂直転送部の最終段に隣接して設けられており、第５の転送電極ＨＶ５は符合Ａで示す垂直転送部以外の垂直転送部の最終段に隣接して設けられている。また、第６の転送電極ＨＶ６は第５の転送電極の蓄積部側に隣接して設けられている。

そして、第５の転送電極及び第６の転送電極に隣接してドレイン領域Ｄが設けられており、符合Ａで示す垂直転送部以外の垂直転送部によって転送される信号電荷はドレイン領域に掃き捨て可能に構成されている。
即ち、本実施例では、５列の垂直転送部を１組（１ユニット）とし、各組（各ユニット）の符合Ａで示す垂直転送部以外の垂直転送部によって転送される信号電荷はドレイン領域Ｄに掃き捨て可能に構成することで、水平方向の１／５の圧縮率を実現している。

更に、第１の転送電極ＨＶ１及び第２の転送電極ＨＶ２には、イオン注入によって、各電極の紙面右側領域にポテンシャル差によるインプラバリアを形成している（図２（ｂ）参照。）。このことによって、第３の転送電極に低レベル電位（Ｌレベル電位）を印加し、第１の転送電極と第２の転送電極をコンプリメンタリ駆動することで、信号電荷は第１の転送電極と第２の転送電極によって水平転送され、紙面左方向に転送されることとなる。

また、第３の転送電極ＨＶ−Ｇａｔｅに高レベル電位（Ｈレベル電位）を印加すると共に、第２の転送電極ＨＶ２にＬレベル電位を印加した状態で、第１の転送電極ＨＶ１がＨレベル電位からＬレベル電位に遷移すると、信号電荷は垂直方向に転送される（図２（ｃ）参照。）。

水平転送部６は、蓄積部からシフトされた信号電荷を順に水平転送可能に構成され、具体的には、水平方向に交互に第１の水平転送電極Ｈ１及び第２の水平転送電極Ｈ２が配置されている。これら第１の水平転送電極Ｈ１と第２の水平転送電極Ｈ２をコンプリメンタリ駆動することで、信号電荷は水平転送部を水平転送することとなる。なお、水平転送部の転送先側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によって構成された電荷検出部１０が設けられており、水平転送部によって順に転送されてくる信号電荷を信号電圧に変換して出力可能に構成されている。

上記の様に構成されたＣＣＤ固体撮像装置では、静止画モード時には、タイミング発生回路から図３（ａ）で示す駆動パルスがＣＣＤ固体撮像素子に印加されることとなる。

具体的には、第１の垂直転送電極Ｖ１〜第１０の垂直転送電極Ｖ１０に駆動パルス（Ｖφ１〜Ｖφ１０）が印加され、第１の蓄積部電極Ｖ１１〜第４の蓄積部電極Ｖ１４に駆動パルス（Ｖφ１１〜Ｖφ１４）が印加されることとなる。また、第１の転送電極ＨＶ１に駆動パルスφＨＶ１が印加され、第２の転送電極ＨＶ２に駆動パルスφＨＶ２が印加され、第３の転送電極ＨＶ−Ｇａｔｅに駆動パルスφＨＶ−Ｇａｔｅが印加される。更に、第４の転送電極ＨＶ４に駆動パルスＶφ１が印加され、第５の転送電極ＨＶ５に駆動パルスφＶｓｔが印加され、第６の転送電極ＨＶ６に駆動パルスφＶｈｏｌｄが印加される。

なお、静止画モード時には、第１の垂直転送電極Ｖ１、第３の垂直転送電極Ｖ３、第５の垂直転送電極Ｖ５、第７の垂直転送電極Ｖ７及び第９の垂直転送電極Ｖ９に読み出し電圧を印加することで、全ての画素から信号電荷を読み出している。

静止画モード時にこうした駆動パルスを印加することによって、先ず、全ての画素の信号電荷が垂直転送部に読み出され、読み出された信号電荷は垂直転送部の高速転送動作によって蓄積部までフレームシフト転送（高速転送）されることとなる。ここで、フレームシフト転送では各垂直転送部から対応する単位蓄積部列に信号電荷が転送されることとなる（図５（ａ）参照。）。

なお、図３（ｂ）は静止画モード時におけるフレームシフト転送時の各駆動パルスのタイミングチャートの詳細を表したものであり、図３（ｃ）は静止画モード時におけるラインシフト時の各駆動パルスのタイミングチャートの詳細を表したものである。

一方、上記の様に構成されたＣＣＤ固体撮像装置では、動画モード時には、タイミング発生回路から図４（ａ）で示す駆動パルスがＣＣＤ固体撮像素子に印加されることとなる。

なお、動画モード時には、第５の転送電極Ｖ５のみに読み出し電圧を印加することで、第５の転送電極Ｖ５に隣接する画素からのみ信号電荷を読み出すことによって、垂直方向の１／５の圧縮を実現している。

こうした駆動パルスを印加することによって、先ず、第５の転送電極Ｖ５に隣接する画素の信号電荷のみが垂直転送部に読み出され、読み出された信号電荷は垂直転送部の高速転送動作によって蓄積部までフレームシフト転送（高速転送）がなされることとなる。なお、フレームシフト転送時に、図中符合Ａで示す垂直転送部以外の垂直転送部によって転送された信号電荷をドレイン領域に掃き捨て、こうしたドレイン領域への掃き捨てによって水平方向の１／５の圧縮を実現している。

また、フレームシフト転送では、符合Ａで示す垂直転送部によって転送された５画素分の信号電荷が転送部で水平方向に並び替えられ、並び替えられた後に垂直方向に転送されることで単位蓄積部に信号電荷が転送されることとなる（図５（ｂ）参照。）。

なお、図４（ｂ）は動画モード時におけるフレームシフト転送時の各駆動パルスのタイミングチャートの詳細を表したものであり、図４（ｃ）は動画モード時におけるラインシフト時の各駆動パルスのタイミングチャートの詳細を表したものである。

ここで、本実施例では、水平方向及び垂直方向の圧縮率が１／５である場合を例に挙げて説明を行なっているが、圧縮率は必ずしも１／５である必要がないのは勿論である。

また、水平方向の全ての単位蓄積部に信号電荷を転送するために、５画素分の信号電荷を水平方向に配列する場合を例に挙げて説明を行なっているが、水平方向に配列する画素数は必ずしも５画素である必要は無く、４画素、３画素若しくは２画素であっても良い。但し、最も有効に蓄積部を利用するためには、水平方向の全ての単位蓄積部に信号電荷が転送される様に水平方向に配列するのが望ましく、水平方向に１／５で圧縮している本実施例の場合には５画素分の信号電荷を水平方向に配列することが望ましい。

上記した本発明を適用したＣＣＤ固体撮像装置では、動画モード時のフレームシフト転送の際に、符合Ａで示す垂直転送部によって転送された５画素分の信号電荷を転送部で水平方向に並び替えた後に垂直方向に転送することとなる。このことによって、間引きの対象となる列（符合Ａで示す垂直転送部以外の垂直転送部に対応する列）の単位蓄積部を有効に利用することができ、蓄積部の縮小化が実現する。

具体的には、水平方向（横方向）に５画素分の信号電荷を並べ、並び替え前と比較して水平方向の画素数を５倍とすることで、同量の信号電荷を蓄積するのに垂直方向（縦方向）に必要とされる蓄積部面積を１／５とすることができる。

例えば、水平４０００画素、垂直３０００画素の１２００万画素のＣＣＤ固体撮像素子について、全画素に相当する蓄積部を設ける場合には、１２００万画素相当分の蓄積部が必要となる。
また、水平方向及び垂直方向を共に１／５に圧縮し、圧縮後の画素数に相当する蓄積部を設ける場合で、水平方向の配列を行なわない場合には、２４０万画素相当分の蓄積部が必要となる。即ち、水平４０００画素×垂直６００画素（３０００画素×１／５＝６００画素）＝２４０万画素相当分の蓄積部が必要となる。

これに対して、水平方向及び垂直方向をともに１／５に圧縮し、圧縮後の画素数に相当する蓄積部を設ける場合で、水平方向の配列を行なった場合には、４８万画素相当分の蓄積部で足りることとなる。即ち、水平８００画素（４０００画素×１／５＝８００画素）×垂直６００画素（３０００画素×１／５＝６００画素）＝４８万画素相当分の蓄積分で足りることとなる。即ち、全画素相当分の蓄積部の１／２５であり、水平方向の配列をしない場合の蓄積部の１／５で足りることとなる。

以上の通り、本発明を適用したＣＣＤ固体撮像装置では、ＦＩＴ構造の従来のＣＣＤ固体撮像装置と同等のスミア特性を担保しつつも、蓄積部の面積を大幅に削減することができる。

また、水平方向に５画素分の信号電荷を並べ、並べ替え前と比較して水平方向の画素数を５倍として、垂直方向の画素数を１／５としており、ラインシフト時間の縮小も実現する。即ち、１ラインシフトによって５倍の信号電荷を転送することができるために、同数の信号量を転送するにあたって、ラインシフトに要する時間は１／５に縮小することができる。

本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＣＤ固体撮像装置を説明するための模式図である。ＣＣＤ固体撮像素子の構成を説明するための模式図である。ポテンシャル差によるインプラバリアの形成を説明するための模式図である。信号電荷の垂直方向への転送を説明するための模式図である。静止画モード時に印加する各駆動パルスのタイミングチャートである。静止画モード時におけるフレームシフト転送時の各駆動パルスのタイミングチャートである。静止画モード時におけるラインシフト時の各駆動パルスのタイミングチャートである。動画モード時に印加する各駆動パルスのタイミングチャートである。動画モード時におけるフレームシフト転送時の各駆動パルスのタイミングチャートである。動画モード時におけるラインシフト時の各駆動パルスのタイミングチャートである。静止画モード時の信号電荷の転送状態を説明するための模式図である。動画モード時の信号電荷の転送状態を説明するための模式図である。従来のＦＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子を説明するための模式図（１）である。従来のＦＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子を説明するための模式図（２）である。従来のＣＣＤ固体撮像素子の静止画モード時に印加する各駆動パルスのタイミングチャートである。従来のＣＣＤ固体撮像素子の静止画モード時におけるフレームシフト転送時の各駆動パルスのタイミングチャートである。従来のＣＣＤ固体撮像素子の静止画モード時におけるラインシフト時の各駆動パルスのタイミングチャートである。従来のＣＣＤ固体撮像素子の動画モード時に印加する各駆動パルスのタイミングチャートである。従来のＣＣＤ固体撮像素子の動画モード時におけるフレームシフト転送時の各駆動パルスのタイミングチャートである。従来のＣＣＤ固体撮像素子の動画モード時におけるラインシフト時の各駆動パルスのタイミングチャートである。従来のＣＣＤ固体撮像素子の静止画モード時の信号電荷の転送状態を説明するための模式図である。従来のＣＣＤ固体撮像素子の動画モード時の信号電荷の転送状態を説明するための模式図である。

符号の説明

１ＣＣＤ固体撮像装置
２ＣＣＤ固体撮像素子
３タイミング発生回路
４撮像部
５蓄積部
６水平転送部
７転送部
８画素
９垂直転送部
１１単位蓄積部

Claims

マトリクス状に配列されて光電変換を行なう複数の画素と、該画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、
信号電荷を蓄積する遮光された蓄積部と、
一部の前記垂直転送部によって転送された信号電荷のみを出力する動作モード時に、前記垂直転送部から転送された信号電荷を、前記蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送する転送部と、
前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備える
固体撮像素子。
マトリクス状に配列されて光電変換を行なう複数の画素と、該画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、
信号電荷を蓄積する遮光された蓄積部と、
水平方向と垂直方向をいずれも１／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）に圧縮する動作モード時に、所定の垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷を、水平方向に配列して前記蓄積部に転送する転送部と、
前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備える
固体撮像素子。
前記転送部は、ドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域にも信号電荷を転送する
請求項２に記載の固体撮像素子。
前記転送部は、前記蓄積部の全ての領域に信号電荷を転送する
請求項２に記載の固体撮像素子。
前記転送部は遮光されている
請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
前記転送部は、圧縮しない動作モード時には、前記垂直転送部から転送された信号電荷を、前記蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応する領域に転送する
請求項２に記載の固体撮像素子。
前記転送部は、前記垂直転送部によって転送された全ての信号電荷を出力する動作モード時には、前記垂直転送部から転送された信号電荷を、前記蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応する領域に転送する
請求項１に記載の固体撮像素子。
水平方向と垂直方向をいずれも１／Ｎに圧縮する動作モード時は動画撮影時であり、圧縮しない動作モード時は静止画撮影時である
請求項６に記載の固体撮像素子。
一部の前記垂直転送部によって転送された信号電荷のみを出力する動作モード時は動画撮影時であり、前記垂直転送部によって転送された全ての信号電荷を出力する動作モード時は静止画撮影時である
請求項７に記載の固体撮像素子。
マトリクス状に配列された複数の画素で光電変換する工程と、
前記画素の垂直列毎に設けられた垂直転送部によって前記画素で光電変換された信号電荷を垂直転送する工程と、
所定の垂直転送部によって垂直転送された信号電荷をドレイン領域に捨てると共に、所定の垂直転送部以外の垂直転送部によって垂直転送された信号電荷を、遮光された蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送する工程と、
前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する工程とを備える
固体撮像素子の駆動方法。
マトリクス状に配列された複数の画素で光電変換する工程と、
前記画素から同画素の垂直列毎に設けられた垂直転送部に、垂直方向の圧縮率が１／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）となる様に信号電荷を読み出し、読み出された信号電荷を垂直転送する工程と、
水平方向の圧縮率が１／Ｎとなる様に所定の垂直転送部によって垂直転送された信号電荷をドレイン領域に捨てると共に、所定の垂直転送部以外の垂直転送部によって垂直転送されたＮ画素分の信号電荷を水平方向に配列して遮光された蓄積部に転送する工程と、
前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する工程とを備える
固体撮像素子の駆動方法。
マトリクス状に配列されて光電変換を行なう複数の画素と、該画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、
信号電荷を蓄積する遮光された蓄積部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を前記蓄積部に転送する転送部と、
前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、
一部の前記垂直転送部によって転送された信号電荷のみを出力する動作モード時に、前記垂直転送部から転送された信号電荷を、前記蓄積部のうち転送元の垂直転送部に対応した領域及びドレイン領域に信号電荷が捨てられた垂直転送部に対応した領域に転送すべく前記転送部を制御する制御部とを備える
撮像装置。
マトリクス状に配列されて光電変換を行なう複数の画素と、該画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、
信号電荷を蓄積する遮光された蓄積部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を前記蓄積部に転送する転送部と、
前記蓄積部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、
水平方向と垂直方向をいずれも１／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）に圧縮する動作モード時に、所定の垂直転送部によって転送されたＮ画素分の信号電荷を、水平方向に配列して前記蓄積部に転送すべく前記転送部を制御する制御部とを備える
撮像装置。