JP2011097632A - 固体撮像装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動画撮像時に起こる間引き行から隣接する画素への電荷のあふれ出しを防止するとともに、ｐウェルの電位変動を抑制し高速動作が可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、２次元状に配置された複数の画素２０１内にフォトダイオード２０２、フォトダイオード２０２から蓄積電荷を読み出すための読出しトランジスタ２０３、読み出された電荷を保持するＦＤ２０４、ＦＤ２０４を初期状態にリセットするためのリセットトランジスタ２０５、ＦＤ２０４の電位を受けてその信号を増幅・出力する増幅トランジスタ２０６を備えている。間引き行であるｎ行の読出しトランジスタ２０３に印加する排出パルスのパルス幅を、読出し行である（ｎ＋１）行の読出しトランジスタ２０３に印加する読出しパルスのパルス幅よりも短くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置および撮像装置に関し、特に高速度の動画撮像技術に関する。

近年、低電圧で動作できるＭＯＳセンサーが携帯機器等の用途で注目されている。また、従来、ＣＣＤデバイスに比べて画質が劣る点がＭＯＳセンサーでは問題であったが、これについても向上してきている。

図２３に従来のＭＯＳセンサーの回路構成図を示す（特許文献１参照）。同図において、光電変換素子（フォトダイオードなど）１は入射光量に応じた電荷を蓄積するものであり、２次元状に４個×４個の例にて配置されている。光電変換素子１の一端は増幅トランジスタＭＯＳ２のゲートに接続し、増幅トランジスタＭＯＳ２のドレインは垂直選択スイッチＭＯＳ３のソースに接続し、また増幅トランジスタＭＯＳ２のソースは垂直出力線６を経て負荷電流源７へと接続し、垂直選択スイッチＭＯＳ３のドレインは電源線４を経て電源端子５に接続されており、これらは全体でソースフォロワ回路を構成している。１４はリセットスイッチであり、そのソースはソースフォロワ入力ＭＯＳ２のゲートに接続し、ドレインは電源線４を経て電源端子５に接続されている。

本回路は各画素の光電変換素子１に蓄積された電荷に応じて増幅トランジスタＭＯＳ２のゲートに信号電圧が発生し、それをソースフォロワ回路で電流増幅して読み出すものである。

垂直選択スイッチＭＯＳ３のゲートは垂直ゲート線８で垂直走査回路９に接続する。リセットスイッチ１４のゲートはリセットゲート線１５で垂直走査回路９に接続する。また、ソースフォロワ回路の出力信号は、垂直出力線６、水平転送ＭＯＳスイッチ１０、水平出力線１１、出力アンプ１２を通して外部に出力される。水平転送ＭＯＳスイッチ１０のゲートは水平走査回路１３にそれぞれ接続している。

上記構成のＭＯＳセンサーを用いて静止画および動画を撮像することが可能である。以下、本回路の動作について図を用いて説明する。

図２４に従来のＭＯＳセンサーの間引き読出し動作タイミング図を示す。

ここで各画素行の垂直ゲート線に印加されるパルスをそれぞれＳＥＬ１〜ＳＥＬ４、リセットゲート線１５に印加されるパルスをＲＥＳ１〜ＲＥＳ４とする。パルスＳＥＬ１〜ＳＥＬ４、ＲＥＳ１〜ＲＥＳ４は垂直走査回路９で発生されるものである。また、Ｈ１〜Ｈ４は水平走査回路１３で発生された水平走査パルスであり水平転送ＭＯＳスイッチ１０のゲートに印加される。ＰＤ１、ＰＤ２はそれぞれ第一行第一列目、第二行第一列目の光電変換素子（フォトダイオード）の電位の変化を示したものである。

本タイミングは全画素分の信号を読み出すのではなく、一部を間引いて読み出すものである。同図において、垂直走査回路９からパルスＳＥＬ２、ＳＥＬ４、ＲＥＳ２、ＲＥＳ４に対応する信号を発生させずに、ＳＥＬ１、ＲＥＳ１に続いてＳＥＬ３、ＲＥＳ３パルスを発生することで、第２行目、第４行目の信号を読み飛ばして第１行目、第３行目の信号を読み出すものである。

図２５に従来のＭＯＳセンサーの別の動作タイミング図を示す。

これは図２４に示した現象、つまり、間引かれるＰＤ１からあふれ出た信号が隣接画素に漏れ込み、偽信号となるのを防止するためのものである。

同図において、動画の撮像の際の間引き動作のために、選択スイッチパルスＳＥＬ２，ＳＥＬ４は常にローレベルであり、選択スイッチパルスＳＥＬ１をハイレベルとした後に、時刻ｔ０でリセットスイッチパルスＲＥＳ１をハイレベルとしてＰＤ１をリセットし、次に選択スイッチパルスＳＥＬ１をハイレベルとし、時刻ｔ９で水平走査パルスＨ１をハイレベルとして蓄積されたＰＤ１の光電荷を出力線６を介して読み出す。

ここで、リセットスイッチパルスＲＥＳ２、ＲＥＳ４を常にハイレベルにしているので、光電変換素子ＰＤ２の電荷はリセットスイッチ１４を介して、電源線４を経て電源端子５に接続されて排出され、隣接画素への電荷の流入が抑制され偽信号が発生しないものである。また、時刻ｔ９の後、水平走査パルスＨ１をハイレベルとしても、ＰＤ２に光電荷は蓄積されていないので、光電荷は出力されない。

特許文献１に開示された上記の動作方法によれば、間引き読出し時に読み出されない画素で光電変換素子に蓄積する電荷が飽和電荷量に達してしまい、隣接する光電変換素子に電荷があふれ出して偽信号が発生してしまうのを防止し、スミア、ブルーミング、混色のない高品質の画像が得られるものである。

特開２０００−３５０１０３号公報（図１、図７、図８）

しかしながら、上記特許文献１に開示された方法では、以下の課題を有している。

通常、固体撮像装置では、後述するように撮像領域全体にわたって形成されたｐウェル内に複数のｎ型半導体層が形成され、各々のｐｎ接合がフォトダイオードを構成している。

さらに、フォトダイオードのサイズを最大にするためにｐウェルをグランド電位に接地するためのコンタクトを撮像領域内には設けず、撮像領域の周囲でのみコンタクト等を介してｐウェルをグランド電位にしている。

しかし、このような場合、撮像領域の中央部では、ｐウェルの電位固定が十分ではなくなってしまう。そのため、選択スイッチパルスやリセットスイッチパルスが各信号線に印加されると、これらの信号線とｐウェルとの容量結合によりｐウェルの電位が変動してしまい、これが安定するまでに一定の時間を確保する必要があった。よって、読出しやリセット動作に時間がかかってしまい、画素を間引いて読み出してもフレームレートの高速化が実現できないことがわかってきた。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、間引き動作時に、間引かれる画素群の光電変換部からリセット後の初期状態よりも電荷を残した状態になるように電荷を排出することで、ｐウェル電位を安定させて動画撮像時の高速読出しが可能となる固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の固体撮像装置は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の信号を増幅して信号出力する増幅出力部と、前記光電変換部の信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素への駆動信号を選択出力する走査手段とを備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記初期化手段により、前記第１の画素群の光電変換部の初期状態とは異なる一定レベルになるまで前記第２画素群の光電変換部の信号を排出することを特徴とする。

前記初期化手段によって前記第１の画素群の光電変換部を初期化する時間よりも、前記初期化手段によって前記第２群の画素の光電変換部を初期化する時間が短いことが好ましい。

前記第２の画素群の光電変換部を初期化する時間は、基準クロックで決まる最短時間であることがより好ましい。

前記第１の画素群の光電変換部を初期化するために前記初期化手段に印加される駆動電圧よりも、前記第２の画素群の光電変換部を初期化するため前記初期化手段に印加される駆動電圧が低いことが好ましい。

前記第１の画素群の光電変換部を初期化するために前記初期化手段に印加されるドレイン電圧よりも、前記第２の画素群の光電変換部を初期化するために前記初期化手段に印加されるドレイン電圧が低いことが好ましい。

前記第２の画素群の光電変換部を初期化するための駆動信号を一定期間保持するための保持手段を有することが好ましい。

前記第１の画素群の光電変換部を初期化するために前記初期化手段に印加される駆動電圧よりも、前記第２の画素群の光電変換部を初期化するため前記初期化手段に印加される駆動電圧が低いことよりが好ましい。

本発明の第２の固体撮像装置は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部で発生した信号電荷の読出しを行う読出し手段と、読み出した信号出力を増幅して増幅信号を出力する増幅出力部と、読み出した信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素への駆動信号を選択出力する走査手段とを備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記読出し手段により、前記第１の画素群の光電変換部の初期状態とは異なる一定レベルになるまで前記第２画素群の光電変換部の信号を排出することを特徴とする。

前記読出し手段によって前記第１の画素群の光電変換部の信号を読み出す時間よりも、前記初期化手段によって前記第２の画素群の光電変換部の信号を排出する時間が短いことが好ましい。

前記第２の画素群の光電変換部の信号を排出する時間は、基準クロックで決まる最短時間であることがより好ましい。

前記第１の画素群の光電変換部の信号を読み出すために前記読出し手段に印加される駆動電圧よりも、前記第２の画素群の光電変換部の信号を排出するために前記読出し手段に印加される駆動電圧が低いことが好ましい。

前記第１の画素群の光電変換部の信号を読み出すために前記読出し手段に印加されるドレイン電圧よりも、前記第２の画素群の光電変換部の信号を排出するために前記読出し手段に印加されるドレイン電圧が低いことが好ましい。

前記第２の画素群の光電変換部の信号を排出するための駆動信号を一定期間保持するための保持手段を有することが好ましい。

本発明の第３の固体撮像装置は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の信号を増幅して信号出力する増幅出力部と、光電変換部の信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素の信号を選択出力するための垂直走査手段および水平走査手段とを備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記第２の画素群の光電変換部は飽和信号レベル以下の一定レベルの信号を保持した状態で、前記第１の画素群の光電変換部の信号出力および初期化動作を行うことを特徴とする。

本発明の第４の固体撮像装置は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部で発生した信号電荷の読出しを行う読出し手段と、読み出した信号出力を増幅して増幅信号を出力する増幅出力部と、読み出した信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素への駆動信号を選択出力する走査手段とを備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記第２画素群の光電変換部は、前記読出し手段により飽和信号レベル以下の一定レベルまでの信号排出動作を行い、前記一定レベルの信号を保持した状態で、前記第１の画素群の光電変換部の信号の読出し、信号出力および初期化動作を行うことを特徴とする。

本発明の第５の固体撮像装置は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の信号を増幅して信号出力する増幅出力部と、光電変換部の信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素の信号出力、信号排出、電子シャッター動作のための駆動信号を選択出力する走査手段とを備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記第２の画素群のうち一の画素の光電変換部を初期化するために信号を排出する動作、もしくは前記第２の画素群のうち一の画素の光電変換部を飽和信号レベル以下の一定レベルにするために信号を排出する動作を、前記第１の画素群のうち前記一の画素と近接する二の画素の電子シャッター動作にあわせて行うことを特徴とする。

前記一の画素および前記二の画素は行単位であることが好ましい。

本発明の第６の固体撮像装置は、半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部で発生した信号電荷の読出しを行う読出し手段と、読み出した信号出力を増幅して増幅信号を出力する増幅出力部と、読み出した信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素の信号出力、信号排出、電子シャッター動作のための駆動信号を選択出力する走査手段とを備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記第２の画素群のうち一の画素の光電変換部を初期化するために前記読出し手段によって信号を排出する動作、もしくは前記第２の画素群のうち一の画素の光電変換部を飽和信号レベル以下の一定レベルにするために前記読出し手段によって信号を排出する動作を、前記第１の画素群のうち前記一の画素と近接する二の画素の電子シャッター動作にあわせて行うことを特徴とする。

前記一の画素および前記二の画素は行単位であることが好ましい。

本発明の撮像装置は、上記本発明の固体撮像装置と、前記固体撮像装置に光を入射させるための光学系と、前記固体撮像装置の動作を制御するための制御信号を出力する制御部と、前記固体撮像装置の出力信号を処理し動画または静止画データとして出力する信号処理回路とを少なくとも備えている。

前記固体撮像装置に入射する光を遮断するためのシャッターを備えるのが好ましい。

前記画像データをモニターするためのモニター画面をさらに備えるのが好ましい。

前記制御部と前記信号処理回路のうち少なくともいずれか一方が前記固体撮像装置の内部に配置されていることが好ましい。

本発明の固体撮像装置によれば、間引き動作時に、間引かれる画素群の光電変換部からリセット後の初期状態よりも電荷を残した状態になるように電荷を排出することで、基板に対するカップリング容量を大きくし、各画素にパルス印加された際のｐウエルの電位変動を小さくすることで、読出し動作やリセット動作時のｐウェル電位変動を小さくできる。その結果、動画撮像時の高速読出しが可能となるとともに、スミア、ブルーミング、混色のない高品質の画像が得られる。

本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の概要を示す模式図 本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図 本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の基本動作タイミングを示す図 本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングを示す図 本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の画素内の断面模式図およびそのポテンシャル図であり、（ａ）は画素内の断面模式図、（ｂ）は間引き読出し時における（ａ）の断面図に対応する従来のポテンシャル図、（ｃ）は間引き読出し時における（ａ）の断面図に対応する本実施の形態のポテンシャル図 本発明の第１の実施の形態におけるフォトダイオードのポテンシャルと従来のフォトダイオードのポテンシャルとの対比を示す図 本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の撮像領域の断面模式図であり、（ａ）は従来の構成における断面模式図、（ｂ）は本実施の形態の構成における断面模式図 本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングの第１の変形例を示す図 本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングの第２の変形例を示す図 本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図 本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングを示す図 本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図 本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の基本動作タイミングを示す図 本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングを示す図 本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングの第１の変形例を示す図 本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングの第２の変形例を示す図 本発明の第４の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図 本発明の第４の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングを示す図 本発明の第５の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図 本発明の第５の実施の形態における固体撮像装置の間引き読出し動作のタイミングを示す図 本発明の第６の実施の形態における撮像装置の構成を示す図 本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図の変形例を示す図 従来のＭＯＳセンサーの回路構成図 従来のＭＯＳセンサーの間引き読出し動作タイミングを示す図 従来のＭＯＳセンサーの間引き読出し動作の別のタイミングを示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
＜回路構成と基本動作＞
図１は本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の概要を示す模式図である。

固体撮像装置１００における撮像領域１０１は２次元状に配列された複数の画素１０２で構成されている。行走査回路１０３に対して読出し動作やリセット動作を制御する信号が制御部１０７から送られる。この制御信号に応じて、行走査回路１０３から読出しパルスやリセットパルス等が各画素に対して入力される。読出しパルスによって各画素の光電変換部（図示せず）から読み出された信号電荷は信号処理部１０５においてノイズ除去や増幅等の処理がなされた後、列走査回路１０４からの信号によって水平信号線に読み出され、さらにアンプ１０８に送られて画素信号として出力される。なお、負荷回路１０６は、後で示す画素内のトランジスタとソースフォロワ回路を構成する。

図２は、本実施の形態における固体撮像装置の回路構成図であり、主として画素内の回路を示している。

画素２０１内には光電変換部であるフォトダイオード２０２、フォトダイオード２０２に蓄積された信号電荷を読み出す読出しトランジスタ２０３、読み出された信号電荷を保持するフローティングディフュージョン（以下、ＦＤという）２０４、ＦＤ２０４の電位を初期状態にリセットするリセットトランジスタ２０５、ＦＤ２０４の電位変化を受けて信号電荷を増幅する増幅トランジスタ２０６が配置されている。また、増幅トランジスタ２０６は、列毎に配置された負荷トランジスタ２０８とソースフォロワ回路を構成し、画素からの信号を垂直出力信号線２０７に出力する。

また、行走査回路２０９では、図１に示した制御部１０７から送られるスタートパルスＳＴによって行走査動作がスタートし、同じく制御部１０７から送られるクロックパルスＣＬＫ、リセットパルスＲＥＳＥＴ、読出しパルスＲＥＡＤによって、リセット信号線２１０、読出し信号線２１１に対してそれぞれのパルスが１行ずつ印加されて、各行毎にリセット動作、読出し動作が順次なされる。

なお、本実施の形態ではリセットパルスＲＥＳＥＴ、読出しパルスＲＥＡＤは、制御部１０７から供給されているとしているが、スタートパルスＳＴ、クロックパルスＣＬＫによって固体撮像装置１００内で発生しても良い。

本実施の形態における固体撮像装置の基本動作について図３を用いて説明する。

まず、ｎ行目の画素を選択する際には、ＦＤｎの電位をリセットトランジスタ２０５および増幅トランジスタ２０６の電源であるＶＤＤＣＥＬＬのＨｉ電位にするべく、リセットパルスＲＥＳＥＴｎがＨｉ電位となり、リセットトランジスタ２０５がオン状態となる。

これにより、ＦＤｎの電位がＨｉ電位になり、それに応じた電位が増幅トランジスタ２０６の出力部から出力されて垂直出力信号線２０７の電位が上昇する（ａ点）。

次に、リセットパルスＲＥＳＥＴｎがＬｏ電位となりリセットトランジスタ２０５がオフ状態となる。このとき、ＦＤｎの電位は、Ｈｉ電位を保つ（ｂ点）。

リードパルスＲＥＡＤｎがＨｉ電位となり、読出しトランジスタ２０３がオン状態となる。これにより、フォトダイオード２０２に光情報に応じて蓄積されていた電荷が、ＦＤｎに読み出され、その結果、ＦＤｎの電位が降下する。この電位の降下に応じて、増幅トランジスタ２０６の出力部の電位が降下し、出力信号線の電位が降下する（ｃ点）。

リードパルスＲＥＡＤｎがＬｏ電位となり読出しトランジスタ２０３がオフ状態となる（ｄ点）。

信号処理部１０５は、ｂ点での出力信号線の電位とｄ点での出力信号線の電位とを検出し、その電位差を画素信号として測定する。

ＦＤｎの電位をＶＤＤＣＥＬＬのＬｏ電位にするべく、リセットパルスＲＥＳＥＴｎがＨｉ電位となり、リセットトランジスタがオン状態となる。これにより、ＦＤｎの電位がＬｏ電位になり、増幅トランジスタ２０６がオフ状態となる。以上により画素セルの画素信号出力動作が終了する（ｅ点）。つまり、撮像領域１０１中のｎ行画素は非選択行となり、次にｎ＋１行の選択、読出し動作が始まる（ｆ点）。

＜間引き読出し動作について＞
本実施の形態における動作タイミングについて図４を用いて説明する。

なお、図４には動画撮像時等の間引き読出し動作のタイミングを示しており、２行間引き（２行分を読み出して、２行分を間引く）を例に取っている。

また、図４においてＱｎ−２〜Ｑｎ＋２は行走査回路２０９に設けられたシフトレジスタからの出力を示しており、Ｑｎ信号とＲＥＡＤパルスとから読出し／排出パルスＲＥＡＤｎが生成され、ＲＥＳＥＴｎも同様に生成される。図４でＱｎがＨｉ状態にある期間は、その行が選択状態であることを示している。

時刻ｔ１において、Ｑｎ−１がＨｉ状態となり、間引き行である（ｎ−１）行が選択状態となる。ついで排出パルスＲＥＡＤｎ−１によって（ｎ−１）行の読出しトランジスタ２０３がオンし、（ｎ−１）行のフォトダイオード２０２からＦＤｎ−１に蓄積電荷が排出される。

次に、Ｑｎ−１が立ち下がった後、時刻ｔ２において、ＱｎがＨｉ状態となり、ついで読出しパルスＲＥＡＤｎによってｎ行の読出しトランジスタ２０３がオンし、ｎ行のフォトダイオード２０２からＦＤｎに蓄積電荷が読み出される。

なお、ＦＤｎ−１、ＦＤｎに電荷が排出されることにより、増幅トランジスタ２０６を介して垂直出力信号線２０７に電位変化が伝達されるが、信号処理部１０５によって画素信号として取り扱わないようにできるため、間引き行から排出された信号が最終出力に現れることはない。具体的には信号処理部１０５に設けられたサンプルホールド回路で上記の電位変化をホールドしないことによって出力しないようにできる。

Ｑｎが立ち下がった後、時刻ｔ３において、Ｑｎ＋１がＨｉ状態となり、ついで読出しパルスＲＥＡＤｎ＋１によって（ｎ＋１）行の読出しトランジスタ２０３がオンし、（ｎ＋１）行のフォトダイオード２０２からＦＤｎ＋１に蓄積電荷が読み出される。

Ｑｎ＋１が立ち下がった後、時刻ｔ４において、Ｑｎ＋２がＨｉ状態となり、ついで読出しパルスＲＥＡＤｎ＋２によって（ｎ＋２）行の読出しトランジスタ２０３がオンし、（ｎ＋２）行のフォトダイオード２０２からＦＤｎ＋２に蓄積電荷が読み出される。

読出し行である（ｎ＋１）行及び（ｎ＋２）行からの信号はサンプルホールド等された後、図４に示すように最終出力として出力される。

本実施の形態における特徴は、間引き行に印加した排出パルスＲＥＡＤｎ−１、ＲＥＡＤｎのパルス幅が、読出し行に印加した読出しパルスＲＥＡＤｎ＋１、ＲＥＡＤｎ＋２のパルス幅よりも短いことである。言い換えれば、読出し行においてフォトダイオード２０２から蓄積電荷を完全に読み出しているのに対し、間引き行ではフォトダイオード２０２から蓄積電荷を不完全に排出している。

＜効果の説明＞
このような動作を行うことにより、間引き読出し時に読み出されない画素で光電変換素子に蓄積する電荷が飽和電荷量に達してしまい、隣接する光電変換素子に電荷があふれ出して偽信号が発生してしまうのを防止するだけでなく、撮像領域におけるｐウェルの電位変動を防止し、安定させることが可能となる。その結果、スミア、ブルーミング、混色のない高品質の画像が得られるだけでなく、読出しやリセットにかかる時間が短縮でき、高速の間引き読出しが可能となる。

これらの効果について以下に説明する。

図５は本実施の形態における固体撮像装置の画素内の断面模式図およびそのポテンシャル図であり、図５（ａ）は画素内の断面模式図、図５（ｂ）は間引き読出し時における図５（ａ）の断面図に対応する従来のポテンシャル図、図５（ｃ）は間引き読出し時における図５（ａ）の断面図に対応する本実施の形態のポテンシャル図である。

図５（ａ）に示すように、ｐウェル５０１内にはｎ型半導体層５０２が複数形成されており、ｎ型半導体層５０２とｎ+型半導体層であるＦＤとの間に読出しゲート５０３が配置されている。ｎ型半導体層５０２は画素毎に設けられており、ｐウェル５０１は撮像領域全体で連続するように形成されている。ｎ型半導体層５０２とｐウェル５０１とでフォトダイオードを構成しており、光の入射によって発生した信号電荷はｎ型半導体層５０２に蓄積される。読出しゲート５０３に読出しパルスＲＥＡＤを印加することでｎ型半導体層５０２に蓄積された電荷がＦＤに読み出される。

従来の間引き読出しによれば、図５（ｂ）に示すように読出しを行わない間引き行において、光入射量が大きくなると発生する電荷がフォトダイオードの飽和信号量を超えてしまい、隣接する画素のフォトダイオードに信号があふれ出し、混色等が起こっていた。

一方、図５（ｃ）に示すように、本実施の形態によれば、読出しを行わない間引き行においても、フォトダイオードから蓄積電荷を一定量ＦＤに読み出すため、間引き行のフォトダイオードは飽和状態にはならず、スミア、ブルーミング、混色のない高品質の画像が得られる。

次に、間引き読出し時のｐウェルの電位状態について図６、７を用いて説明する。

図６に本実施の形態における固体撮像装置のフォトダイオードのポテンシャルと従来のフォトダイオードのポテンシャルとの対比を示す。

特許文献１に開示された従来の構成によれば、読出しを行わない間引き行のフォトダイオードはリセットレベルになるよう電荷が排出されている。

一方、本実施の形態の構成では、間引き行のフォトダイオードは隣接画素にあふれ出さないよう一定量の電荷が排出されているが、全てを排出するわけではなく一部の電荷はフォトダイオードに蓄積されたままである。このようなポテンシャルとすることでｐウェルの電位変動を抑制することが可能となる。

図７は固体撮像装置の撮像領域の断面模式図であり、図７（ａ）は従来の構成における断面模式図、図７（ｂ）は本実施の形態の構成における断面模式図である。

上述したように、ｐウェル７０２をグランド電位に固定するためのウェルコンタクト７０３は、フォトダイオード７０４の面積を最大にするため、撮像領域７０１の周辺部に配置されている。なお、図７には間引き動作時における間引き行のフォトダイオードを示している。

図７に示した構成において、定常時にはｐウェル７０２の電位はグランド電位であるが、過渡状態ではｐウェル７０２の抵抗が高いため、撮像領域７０１の中央部では、グランド電位での電位固定が十分でない。よって、例えば、読出しゲート７０５に読出しパルスＲＥＡＤが印加されると、読出しゲート７０５と基板とのカップリング容量Ｃｇ１を介してｐウェル７０２の電位が変動する。この電位変化は、ウェルコンタクト７０３からｐウェル７０２の抵抗Ｒｗｅｌｌ（ウェルコンタクト７０３からその位置までの抵抗和）とその位置でのカップリング容量の総和との積で決まる時定数を有している。ここで、動作の理解を簡単にするため、カップリング容量の総和をＣｇ１＋Ｃｐｄとする（Ｃｐｄ：フォトダイオードと基板とのカップリング容量）。

図７（ａ）に示した従来の構成によれば、間引き読出し時には、間引き行のフォトダイオードの電荷は完全に排出されているのに対し、図７（ｂ）に示した本実施の形態における構成によれば、間引き読出し時においても、間引き行のフォトダイオードには一定量の電荷が保持されている。すなわち、従来の構成に対して本実施の形態の構成では間引き読出し時のカップリング容量の総和が大きくなっている。そうすると、従来の構成ではカップリング容量の総和が相対的に小さいため、電位変化に要する時定数が小さくなる。このことは読出しパルスＲＥＡＤの印加によってｐウェルの電位が短時間に上昇するということを意味する。

一方、本実施の形態の構成によれば、カップリング容量の総和が相対的に大きいため、読出しパルスＲＥＡＤに起因する電位の立ち上がりが遅くなり、読出し動作やリセット動作の時間内でのｐウェルの電位変動が従来に比べて小さくなる。その結果、読出しやリセット動作にかかる時間を短くすることができ、高速の間引き読出しが可能となる。これによって、動画撮像時のフレームレートを高速化できる。

なお、本実施の形態における間引き行の排出パルス幅は基準クロック（ＣＬＫ）で決まる最短時間に設定するのが好ましい。これによって、行選択期間が読出し行に比べて短く設定されている間引き行においても排出パルスを立てるのが容易となる。

＜第１の変形例＞
図８に本実施の形態における固体撮像装置の動作タイミングの第１の変形例を示す。

図４に示したタイミングチャートでは、間引き行のフォトダイオードから蓄積電荷を排出する際に読出しパルス幅を通常よりも狭くして不完全な電荷排出を行っていたのに対して、本変形例では、間引き行に印加する排出パルスＲＥＡＤｎ−１、ＲＥＡＤｎのパルス高を読出し行に印加する読出しパルスＲＥＡＤｎ＋１、ＲＥＡＤｎ＋２のパルス高よりも小さく設定している点で異なる。このパルス高を小さくすることで、フォトダイオードから排出される信号電荷量は小さくなるため、本変形例に示した方法によっても、読み出されない間引き行から不完全に電荷を排出することができ、上記した効果が得られる。

なお、図４に示した駆動タイミングを実現するのに、例えば、図１に示した制御部１０７から行走査回路１０３に対して入力されるパルスをコントロールしてパルスＲＥＡＤのパルス幅を変えることが可能となる。それに対して、本変形例によれば制御部１０７からの信号発生タイミングは従来と同じでよい。

ただし、特定行からのパルス高を変更するために、行走査回路１０３の各出力部に個別にインバータ回路等で構成されるバッファ回路を設け、そのバッファ回路の電源を変更することが必要となる。また、制御部１０７から入力されるＲＥＡＤのパルス高を変えて、その信号をフォトダイオードの信号読出しのために、選択供給してもよい。

＜第２の変形例＞
図９に本実施の形態における固体撮像装置の動作タイミングの第２の変形例を示す。

本変形例の特徴は、間引き読出し動作時に間引き行を選択する際、間引き行のＦＤの電位をＨｉ電位にリセットせず、常時Ｌｏ電位に固定するようにした点である。具体的にはＦＤのＬｏ電位への初期状態設定として、間引き読出し動作開始時に、電源ＶＤＤをＬｏ電位として、リセットパルスＲＥＳＥＴｎ−１、ＲＥＳＥＴｎをＨｉとし、以降間引き行を選択する際、リセットパルスＲＥＳＥＴｎ−１、ＲＥＳＥＴｎを立てないようにすることでＦＤｎ−１、ＦＤｎを常時Ｌｏ電位に固定できる。なお間引き読出し動作においては、間引き行の信号排出がフォトダイオードからＦＤに対し行われても、電荷の読出しになるので、間引き行のＦＤ電位が上昇することはない。なお、初期設定時においては、電源ＶＤＤのＬｏ電位がグランド電位と同じになると、電源からフォトダイオード２０２への電荷の逆注入が起きるため、このＬｏ電位は、フォトダイオード２０２への逆注入が起こらない程度で、ＧＮＤより高い電位であることが必要となる。

この場合、間引き行である（ｎ−１）行、ｎ行が選択され、ＲＥＡＤｎ−１、ＲＥＡＤｎが入力されると、（ｎ−１）行のフォトダイオード、ｎ行のフォトダイオードから蓄積電荷が排出されるが、ＦＤとフォトダイオードとの電位差が大きくないため電荷の排出は不完全にしか行われない。よって上記と同様の効果を得ることができる。

読出し行である（ｎ＋１）行、（ｎ＋２）行では通常の電荷読出しが行われる。例えば、ＦＤｎ＋１の電位は電荷読出し（時刻ｔ３ａ）に伴いリセット直後の初期状態から信号電荷分低下し、初期状態との電位差が最終的に出力される。

（第２の実施の形態）
図１０に本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図を示す。

図２に示した回路に対して、読出し選択トランジスタ２１２、ＰＵＬＬＤＯＷＮ用トランジスタ２１３を各行に備えている点が主に異なる。

読出し選択トランジスタ２１２は行走査回路２０９から出力信号Ｑｎをゲートに、読出しパルスＲＥＡＤをドレインに入力されて、行毎の読出し／排出パルスＲＥＡＤｎを読出し信号線２１１に出力する。一方、ＰＵＬＬＤＯＷＮ用トランジスタ２１３はＰＵＬＬＤＯＷＮパルスがゲートに入力されることによって読出し信号線２１１をグランド電位に接続させる機能を有する。

図１１に本実施の形態における動作タイミングを示す。

時刻ｔ０でＱｎ−２がＨｉ状態となり（ｎ−２）行が選択されているとき、ＰＵＬＬＤＯＷＮパルスがＰＵＬＬＤＯＷＮ用トランジスタ２１３に印加され、各行の読出し信号線２１１がグランド電位となり、各行とも非選択状態になる。

次に、時刻ｔ１で読出しパルスＲＥＡＤがＨｉ電位になった後、時刻ｔ２でＱｎ−１がＨｉ状態となり、読出し選択トランジスタ２１２がオンして（ｎ−１）行の読出し信号線２１１に（ｎ−１）行の排出パルスＲＥＡＤｎ−１が出力され、間引き行である（ｎ−１）行が選択状態となる。このとき、図示しないがＲＥＳＥＴｎ−１をＬｏ電位にすることでＦＤｎ−１はＬｏ電位に固定される。これは上記した変形例２の動作と同様である。

ついで排出パルスＲＥＡＤｎ−１によって（ｎ−１）行の読出しトランジスタ２０３がオンし、（ｎ−１）行のフォトダイオード２０２からＦＤｎ−１に蓄積電荷が排出される。このとき、上記の第２の変形例の場合と同様に蓄積電荷の排出は不完全に行われる。

Ｑｎ−１が立ち下がった後、時刻ｔ３においてＱｎがＨｉ状態となる。このとき、排出パルスＲＥＡＤは引き続きＨｉ電位を保っており、ｎ行の排出パルスＲＥＡＤｎが出力され、間引き行であるｎ行が選択状態となる。このとき、上記と同様にＦＤｎはＬｏ電位となっているため、蓄積電荷の排出は不完全に行われる。また、Ｑｎ−１が立ち下がって（ｎ−１）行の読出し選択トランジスタ２１２がオフしても、ＰＵＬＬＤＯＷＮトランジスタがオフ状態にあるので、（ｎ−１）行の読出し信号線２１１はＨｉ電位を保っている。つまり、ｎ行のフォトダイオード２０２からＦＤｎに蓄積電荷が不完全に排出されている間、引き続き（ｎ−１）行のフォトダイオード２０２からＦＤｎ−１にも電荷が排出されている。

次に、Ｑｎが立ち下がった後、時刻ｔ４で読出しパルスＲＥＡＤがＬｏ電位となる。

このようなタイミングにすることにより、ＲＥＡＤがＬｏ電位になったときでも、（ｎ−１）行およびｎ行の読出し信号線２１１の両方ともＨｉ電位の状態を保つことができる。

時刻ｔ５でＱｎ＋１がＨｉ状態となった後、読出しパルスＲＥＡＤがＨｉ電位に立ち上がり、読出し行である（ｎ＋１）行に読出しパルスＲＥＡＤｎ＋１が出力され、（ｎ＋１）行のフォトダイオード２０２からＦＤｎ＋１に蓄積電荷が読み出される。このとき、図示していないが、読出しパルスＲＥＡＤｎ＋１の前にリセットパルスＲＥＳＥＴｎ＋１が（ｎ＋１）行のリセットトランジスタ２０５に出力されており、ＦＤｎ＋１は初期状態にリセットになっているので、蓄積電荷は完全に読み出される。ついで、読出しパルスＲＥＡＤが立ち下がって、（ｎ＋１）行の読出し信号線２１１がＬｏ電位となり、読出し動作が終了する。

次に、時刻ｔ６でＰＵＬＬＤＯＷＮパルスが印加され、これが立ち下がった後、Ｑｎ＋１が立ち下がって（ｎ＋１）行は非選択状態となる。ここで、ＰＵＬＬＤＯＷＮパルスによって時刻ｔ６で各行の読出し信号線２１１はグランド電位にリセットされ、（ｎ−１）行およびｎ行での信号読出し動作が終了する。図１１には、ｎ行の読出しパルスＲＥＡＤｎのみ示している。図示していないが、ＲＥＡＤｎ−１は時刻ｔ２から時刻ｔ６までＨｉ電位である。

図１１にも示したように、高速読出しを行うため、間引き行での行選択期間はできるだけ短くなるように設定しており、この期間内にリセットパルスや排出するパルスを間引き行に印加することは難しい場合がある。上記の第２の変形例では、この点も考慮して間引き行でリセットパルスを立てないようにしたが、排出パルスの印加タイミングについては考慮していなかった。

一方、本実施の形態に示した装置構成および動作タイミングに設定することにより、排出パルスを短くするための回路変更等は不要となる。また、ＦＤがＬｏ電位の状態で蓄積電荷の排出を行った場合、排出パルス幅が極端に短いと所望の電荷量を読み出すことが困難であるが、本実施の形態に示したように間引き行での排出パルスの立ち下がりを１水平期間延ばすことによって、間引き行での信号排出動作時間を長く取ることでこの問題を解決することができる。

（第３の実施の形態）
＜回路構成と基本動作＞
図１２は本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図であり、主として画素内の回路を示している。

図２に示した回路との大きな違いは、読出しトランジスタ２０３、読出し信号線２１１が無く、代わりに選択トランジスタ２１４および選択信号線２１５を備えている点である。この回路ではフォトダイオード２０２は、リセットトランジスタ２０５のソースおよび増幅トランジスタ２０６のゲートに接続されている。これを受けて増幅トランジスタ２０６から出力される信号が選択トランジスタ２１４のオン／オフによって垂直出力信号線２０７に読み出される。

本実施の形態における固体撮像装置の基本動作について図１３を用いて説明する。

まず、ｎ行目の画素を選択する際には、パルスＬＯＡＤＣＥＬＬをＨｉ電位にして負荷Ｔｒ２０８をオンするとともに、ｎ行の選択信号ＳＥＬｎをＨｉ電位にして選択トランジスタ２１４をオンする（ａ点）。前のリセットパルスが立ち下がったときからこの時点までにｎ行のフォトダイオード２０２に蓄積された電荷によって変動した増幅トランジスタ２０６のゲート電位（ＶＤＤ−Ｖｓｉｇ）に応じた信号が、垂直出力信号線２０７に読み出される。

その後、ｎ行のリセット信号線２１０にリセットパルスＲＥＳＥＴｎが印加され、リセットトランジスタ２０５がオンする。これによって、ｎ行のフォトダイオード２０２から強制的に電荷が排出され、リセットされた電位が垂直信号線２０７に現れる（ｂ点）。

図１に示した信号処理部１０５では、クランプ回路等によりこの２つの信号電位の減算を行い、その差分を信号電圧として以降に伝達する。

パルスＬＯＡＤＣＥＬＬをＬｏ電位にして負荷Ｔｒ２０８をオフするとともに、ｎ行の選択信号ＳＥＬｎをＬｏ電位にして選択トランジスタ２１４をオフさせ、ｎ行の選択動作が終了する（ｃ点）。

＜間引き読出し動作および効果について＞
本実施の形態における動作タイミングについて図１４を用いて説明する。

なお、図１４には動画撮像時等の間引き読出し動作のタイミングを示しており、２行間引き（２行分を読み出して、２行分を間引く）を例に取っている。

また、図１４においてＱｎ−２〜Ｑｎ＋２は行走査回路２０９に設けられたシフトレジスタからの出力を示しており、Ｑｎ信号と制御部から入力されるＲＥＳＥＴパルスとから各行に印加されるＲＥＳＥＴｎが生成される。図１４でＱｎがＨｉ状態にある期間は、その行が選択状態であることを示している。

時刻ｔ１において、Ｑｎ−１がＨｉ状態となり、間引き行である（ｎ−１）行が選択状態となり、（ｎ−１）行のフォトダイオード２０２に蓄積された電荷の排出が開始される。具体的には、リセットパルスＲＥＳＥＴｎ−１によって（ｎ−１）行のリセットトランジスタ２０５がオンし、フォトダイオード２０２が電源電位ＶＤＤにリセットされる。

次に、Ｑｎ−１が立ち下がった後、時刻ｔ２において、ＱｎがＨｉ状態となり、上記と同様にｎ行のフォトダイオード２０２から蓄積電荷が排出される。

なお、（ｎ−１）行、ｎ行の行選択動作によりフォトダイオードの信号が、増幅トランジスタ２０６を介して垂直出力信号線２０７に信号として伝達されるが、信号処理部１０５によって画素信号として取り扱わないようにできるため、間引き行の信号が最終的に出力されることはない。具体的には信号処理部１０５に設けられたサンプルホールド回路で上記の電位変化をホールドしないことによって出力しないようにできる。

Ｑｎが立ち下がった後、時刻ｔ３において、Ｑｎ＋１がＨｉ状態となり、（ｎ＋１）行のフォトダイオード２０２から信号が読み出され、ついでリセットパルスＲＥＳＥＴｎ＋１によって（ｎ＋１）行のリセットトランジスタ２０５がオンし、（ｎ＋１）行のフォトダイオードがリセットされる。

Ｑｎ＋１が立ち下がった後、時刻ｔ４において、Ｑｎ＋２がＨｉ状態となり、上記と同様に（ｎ＋２）行のフォトダイオード２０２の信号が読み出される。

読出し行である（ｎ＋１）行及び（ｎ＋２）行からの信号はサンプルホールド等された後、列走査回路により列毎に選択され、図１４に示すように最終出力として出力される。

本実施の形態における特徴は、間引き行に印加したリセットパルスＲＥＳＥＴｎ−１、ＲＥＳＥＴｎのパルス幅が、読出し行に印加したリセットパルスＲＥＳＥＴｎ＋１、ＲＥＡＤｎ＋２のパルス幅よりも短いことである。

本実施の形態によれば、間引き行でのリセットパルス幅を短く設定することにより、フォトダイオードからの電荷排出が十分に行われないようにすることができる。その結果、第１の実施の形態と同様に、リセット後に、間引き行のフォトダイオードには一部電荷が残存する状態が実現できる。

よって、間引き読出し時に読み出されない画素で光電変換素子に蓄積する電荷が飽和電荷量に達してしまい、隣接する光電変換素子に電荷があふれ出して偽信号が発生してしまうのを防止するだけでなく、撮像領域におけるｐウェルの電位変動を防止し、安定させることが可能となる。その結果、スミア、ブルーミング、混色のない高品質の画像が得られるだけでなく、読出しやリセットにかかる時間が短縮でき、高速の間引き読出しが可能となる。

＜第１の変形例＞
図１５に本実施の形態における固体撮像装置の動作タイミングの第１の変形例を示す。

図１４に示したタイミングチャートでは、間引き行のフォトダイオードから蓄積電荷を排出する際にリセットパルス幅を通常よりも狭くして不完全な排出を行っていたのに対して、本変形例では、間引き行に印加するリセットパルスＲＥＳＥＴｎ−１、ＲＥＳＥＴｎのパルス高を読出し行に印加するリセットパルスＲＥＳＥＴｎ＋１、ＲＥＳＥＴｎ＋２のパルス高よりも小さく設定している点で異なる。このパルス高を小さくすることによっても、フォトダイオードの電位が完全に初期状態にはリセットされない状態となり、フォトダイオードから排出される電荷量は小さくすることができ、上記と同様の効果が得られる。

なお、図１４に示した駆動タイミングを実現するのに、例えば、図１に示した制御部１０７から行走査回路１０３に対して入力されるＣＬＫパルス等をコントロールしてＲＥＳＥＴパルスのパルス幅を変えることが可能となる。それに対して、本変形例によれば制御部１０７からの信号発生タイミングは従来と同じでよく、その部分の回路変更は不要となる。

ただし、特定行からのパルス高を変更するために、行走査回路１０３の各出力部に個別にインバータ回路等で構成されるバッファ回路を設け、そのバッファ回路の電源を変更することが必要となる。また、制御部１０７から入力されるＲＥＳＥＴのパルス高を変えて、その信号を選択供給してもよい。

＜第２の変形例＞
図１６に本実施の形態における固体撮像装置の動作タイミングの第２の変形例を示す。

本変形例の特徴は、間引き読出し動作時に間引き行を選択する際、間引き行のフォトダイオードの電位をＨｉ電位にリセットせず、Ｌｏ電位に固定するようにした点である。図１３〜図１５に示した例では電源ＶＤＤは一定電位としていたが、本変形例では、ＶＤＤがパルス駆動している点に特徴がある。

具体的には間引き行を選択する際、ＶＤＤがＬｏ電位になるようにしており、このように設定することで、フォトダイオードの電位が完全に初期状態にはリセットされない状態となり間引き行ではフォトダイオード２０２から蓄積電荷を不完全に排出することが可能となる。

なお、本変形例において、電源ＶＤＤのＬｏ電位がグランド電位と同じになると、電源から各行のフォトダイオード２０２への電荷の逆注入が起きるため、このＬｏ電位は、フォトダイオード２０２への逆注入が起こらない程度で、ＧＮＤより高い電位であることが必要となる。

また、本変形例によれば、リセットパルス幅やパルス高を変更するための特別な回路変更等は不要となり回路の簡素化が図れる。

（第４の実施の形態）
図１７に本発明の第４の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図を示す。

図１２に示した回路に対して、リセット選択トランジスタ２１６、ＰＵＬＬＤＯＷＮ用トランジスタ２１３を各行に備えている点、及び間引き行と読出し行でＶＤＤ１、ＶＤＤ２と異なる２電源を備えている点が主に異なる。

リセット選択トランジスタ２１６は行走査回路２０９から出力信号Ｑｎをゲートに、リセットパルスＲＥＳＥＴをドレインに入力されて、行毎のリセットパルスＲＥＳＥＴｎをリセット信号線２１０に出力する。一方、ＰＵＬＬＤＯＷＮ用トランジスタ２１３はＰＵＬＬＤＯＷＮパルスがゲートに入力されることによってリセット信号線２１０をグランド電位に接続させる機能を有する。

図１８に本実施の形態における動作タイミングを示す。

時刻ｔ０でＱｎ−２がＨｉ状態となり（ｎ−２）行が選択されているとき、ＰＵＬＬＤＯＷＮパルスがＰＵＬＬＤＯＷＮ用トランジスタ２１３に印加され、各行のリセット信号線２１０がグランド電位となる。

次に、時刻ｔ１でリセットパルスＲＥＳＥＴがＨｉ電位になった後、時刻ｔ２でＱｎ−１がＨｉ状態となり、間引き行である（ｎ−１）行が選択状態となる。また、リセット選択トランジスタ２１６がオンして（ｎ−１）行のリセット信号線２１０に（ｎ−１）行のリセットパルスＲＥＳＥＴｎ−１が出力され、（ｎ−１）行のリセットトランジスタ２０５はオンする。

Ｑｎ−１が立ち下がった後、時刻ｔ３においてＱｎがＨｉ状態となって、間引き行であるｎ行が選択状態となる。このとき、リセットパルスＲＥＳＥＴは引き続きＨｉ電位を保っており、ｎ行のリセットパルスＲＥＳＥＴｎが出力される。

また、Ｑｎ−１が立ち下がって（ｎ−１）行のリセット選択トランジスタ２１６がオフしても、ＰＵＬＬＤＯＷＮトランジスタがオフ状態にあるので、（ｎ−１）行のリセット信号線２１０はＨｉ電位を保っている。つまり、ｎ行のフォトダイオード２０２から電荷が排出されている間、引き続き（ｎ−１）行のフォトダイオード２０２からも、電荷が排出されている。

次に、Ｑｎが立ち下がった後、時刻ｔ４でリセットパルスＲＥＳＥＴがＬｏ電位となる。

このようなタイミングにすることにより、ＲＥＳＥＴがＬｏ電位になったときでも、（ｎ−１）行およびｎ行のリセット信号線２１０の両方ともＨｉ電位の状態を保つことができる。

時刻ｔ５でＱｎ＋１がＨｉ状態となり、（ｎ＋１）行の信号が読み出される。ついで、リセットパルスＲＥＳＥＴがＨｉ電位に立ち上がり、（ｎ＋１）行にリセットパルスＲＥＳＥＴｎ＋１が出力され、（ｎ＋１）行のフォトダイオードが初期状態にリセットされる。更に、リセットパルスＲＥＳＥＴが立ち下がって、（ｎ＋１）行のリセット後の信号が読み出される。

次に、時刻ｔ６でＰＵＬＬＤＯＷＮパルスが印加され、これが立ち下がった後、Ｑｎ＋１が立ち下がって（ｎ＋１）行は非選択状態となる。ここで、ＰＵＬＬＤＯＷＮパルスによって時刻ｔ６で各行のリセット信号線２１０はグランド電位にリセットされ、（ｎ−１）行およびｎ行での信号排出動作が終了する。図１８には、ｎ行のリセットパルスＲＥＳＥＴｎのみ示している。図示していないが、ＲＥＳＥＴｎ−１は時刻ｔ２から時刻ｔ６までＨｉ電位である。

図１８にも示したように、高速読出しを行うため、間引き行での行選択期間はできるだけ短くなるように設定しており、この期間内にリセットパルスを間引き行に印加することは難しい場合がある。

一方、本実施の形態に示した装置構成および動作タイミングに設定することにより、リセットパルスを短くするための回路変更等は不要となる。

なお、本実施の形態において間引き行用の電源ＶＤＤ１がＨｉ電位のままだと、間引き行のフォトダイオード２０２から完全に電荷が排出されてしまうおそれがあるため、ＶＤＤ１をＬｏ電位にして信号排出量を制御することが好ましい。第３の実施の形態における第２の変形例において、ＶＤＤをＬｏ電位にして、蓄積電荷の排出を行った場合、リセットパルス幅が極端に短いと所望の電荷量を排出することが困難な場合があるが、本実施の形態に示したように間引き行でのリセットパルスの立ち下がりを１水平期間延ばすことによって、間引き行での電荷排出時間を長く取ることでこの問題を解決することができる。

（第５の実施の形態）
図１９は本発明の第５の実施の形態における固体撮像装置の回路構成図を示す。

本実施の形態では行走査回路として信号読出し用走査回路２１８と電子シャッター用走査回路２１９との２種類の走査回路を備えている。信号読出し用走査回路２１８はＳＴパルス、ＣＬＫパルスを受けて信号読出し用の信号Ｑｎを生成、出力し、電子シャッター用走査回路２１９はＥＳＴパルス、ＥＣＬＫパルスを受けて電子シャッター駆動用の信号Ｒｎを生成、出力する。なお、ＳＴパルス、ＣＬＫパルス、ＥＳＴパルス、ＥＣＬＫパルスは図１に示した制御部１０７から入力される。

読出し選択トランジスタ２１２は信号Ｑｎをゲートに、読出しパルスＲＥＡＤをドレインに入力されて、行毎の読出しパルスを読出し信号線２１１に出力する。一方、電子シャッター選択トランジスタ２１７は信号Ｒｎをゲートに、読出しパルスＲＥＡＤをドレインに入力されて、行毎の電子シャッターパルスを読出し信号線２１１に出力する。

次に、図１９に示した構成における動作について図２０を用いて説明する。

図２０は本実施の形態における間引き読出し動作時のタイミングを示しており、図２０（ａ）は各駆動信号、図２０（ｂ）は低照度時のフォトダイオード信号、図２０（ｃ）は高照度時の電子シャッターパルスのタイミングおよびフォトダイオード信号、図２０（ｄ）は本実施の形態における高照度時の電子シャッターパルスのタイミングおよびフォトダイオード信号を示している。なお、これまでの記述にあわせ、間引き行がｎ行、読出し行が（ｎ＋１）行である。

まず、図２０（ｂ）に示すように、低照度時には電子シャッター動作は行われず、間引き行であるｎ行では、信号Ｑｎに同期して電荷排出信号となるＲＥＡＤｎが入力され、蓄積電荷の一部が排出される。低照度のため、電荷蓄積期間内にｎ行のフォトダイオード２０２が飽和蓄積量に達することはなく、隣接する読出し行である（ｎ＋１）行のフォトダイオード２０２に信号が漏れ込むことは無い。

一方、図２０（ｃ）に示す高照度時には読出し行である（ｎ＋１）行に電子シャッター駆動用信号Ｒｎ＋１に同期してＲＥＡＤｎ＋１が入力され、（ｎ＋１）行のフォトダイオード２０２がリセットされ、その後から信号読出し用の信号Ｑｎ＋１に同期して信号読出しするためのＲＥＡＤｎが入力されるまでの間に電荷が蓄積される。なお電子シャッターパルスはフォトダイオードでの蓄積電荷が飽和しないようなタイミングで入力される。

しかし、間引き行であるｎ行では、信号読出しが行われずかつ行選択時間が短いこともあり、従来は電子シャッターパルスが入力されず、ｎ行での電荷排出パルスＲＥＡＤｎが図２０（ａ）のタイミングで入力されると、読出し行であり、電子シャッター動作が行われる（ｎ＋１）行目に対し、ｎ行での電荷蓄積時間が長くなってしまい、上記ＲＥＡＤｎが入力されるまでにフォトダイオードの飽和電荷量に達し、その結果、読出し行である（ｎ＋１）行のフォトダイオード２０２に信号が漏れ込むおそれがあった。

そこで、図２０（ｄ）に示すように間引かれるｎ行での電荷排出パルスＲＥＡＤｎを、電子シャッター駆動用の信号Ｒｎに同期して出力するようにするとｎ行での電荷蓄積時間は（ｎ＋１）行のそれとほぼ同じになる。上述の通り、読出し行での電荷蓄積時間はフォトダイオードが飽和しないように設定されているから、ｎ行において同様であり、その結果、図２０（ｃ）に示したような信号のあふれ出しはなくなり、スミア、ブルーミング、混色のない高品質の画像が得られる。

（第６の実施の形態）
図２１は本発明の第６の実施の形態における撮像装置の構成を示す図である。

図１に示した固体撮像装置１００に加え、撮像領域１０１へ光を入射させるためのレンズ等の光学系１０９および光を遮断するためのメカシャッター１１０等とアンプ１０８からの画素信号を処理するための制御回路１０７および信号処理回路１１１を備えている。また、信号処理回路１１１からの出力信号はモニター画面に出力されるか、あるいは画像データとして出力される。なお、制御回路１０７と信号処理回路１１１は一体化されていてもよい。また、制御回路からは行走査回路１０３を制御する信号が出力されるが、列走査回路１０４を制御する信号も出力される。

なお、本実施の形態における固体撮像装置１００は、第１〜第５の実施の形態に示したもののうちいずれかを使用している。

以下、本実施の形態の撮像装置の動作について説明する。

まず、本撮像装置は、全画素読出し（静止画撮像駆動）と間引き読出し（モニター駆動）の切り替えが可能な構成となっており、間引き読出し（モニター駆動）時の画素信号出力を判定し、露光時間が最適になるように電子シャッタースピード、及びホワイトバランス等の撮像条件を決定し、全画素読出し時に適用する。

静止画の撮像時には、静止画撮像のためのモニター画像を取得するための間引き駆動時に決定された撮像条件に基づき、全画素駆動の撮像条件を決定し、画像取り込み信号により全画素駆動の静止画を撮像する。

なお、通常の使用では、間引き（モニター）駆動で液晶画面等に撮像状態を表示し、そのモニター駆動で決定した被写体・撮像条件に対し、カメラのシャッターボタンを押し、全画素の静止画を撮影する。

よって、間引き駆動時に読出し行の画素へ信号があふれ出した場合は、見かけ上間引き駆動時のみ出力が高くなった状態となり、次の全画素駆動での静止画の撮像状態が信号のあふれ出しが無い状態と異なるため、取り込んだ静止画像が暗くなったり、また、カラー用固体撮像装置において各色の画素毎にあふれ出し量が異なった場合に色がずれるという不具合になるが、本実施の形態によれば、間引き駆動時に、間引き行から隣接する読出し行への信号のあふれ出しを無くし、静止画撮像とモニター撮影のための動画撮像を繰り返し行った場合でも、静止画像の画質を高品質に安定させることが可能となる。また、間引き駆動時のフレームレートを高速化できるため、モニター撮影時間の短縮が図れる。さらに、動画の画質を大幅に向上させることも可能となる。

なお、第１の実施の形態〜第６の実施の形態において静止画撮像時の動作について詳述していないが、これは従来のインターレーススキャンあるいはプログレッシブスキャンによって行われる。また、第１の実施の形態〜第５の実施の形態において、２行間引き（２行分を読み出して、２行分を間引く）を例にとって説明したが、画素の間引く方式はこれら実施の形態によって限定されない。ただし、周知のベイヤー配列のカラーフィルターを備えた固体撮像装置では、この方法により色再現性と読出しの高速性とを同時に確保できる。

なお、第１の実施の形態〜第６の実施の形態において、制御部（回路）１０７および信号処理回路１１１は固体撮像装置１００の外部に配置されていたが、どちらか一方あるいは両方とも固体撮像装置の内部に配置されていてもよい。その場合、全体の構成を小型化できる。

また、第５の実施の形態に示した間引き行の信号排出パルスと読出し行の電子シャッターパルスとのタイミングの関係は、例えば、第３の実施の形態に示した構成にも適用できる。その場合、信号排出パルスに代えてリセットパルスと電子シャッターパルスとのタイミングを調整することとなる。

なお、第１〜第２の実施の形態において、図２２に示すように増幅トランジスタ２０６を設けていてもよい。この場合、ＶＤＤをパルス駆動させる代わりに一定電位とし、増幅トランジスタ２０６のオンオフで行選択動作を行ってもよい。

本発明に係る固体撮像装置は、高照度での動画撮像時に起きる隣接画素への信号あふれ出しを防止し、動画撮像時のフレームレートを向上できるため、高品質のデジタルスチルカメラ等に適用する上で好適である。

１ 光電変換素子（フォトダイオードなど）
２ 増幅トランジスタＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）
３ 垂直選択スイッチＭＯＳ
４ 電源線
５ 電源端子
６ 垂直出力線
７ 負荷電流源
８ 垂直ゲート線
９ 垂直走査回路
１０ 水平転送ＭＯＳスイッチ
１１ 水平出力線
１２ 出力アンプ
１３ 水平走査回路
１４ リセットスイッチ
１５ リセットゲート線
１００ 固体撮像装置
１０１ 撮像領域
１０２ 画素
１０３ 行走査回路
１０４ 列走査回路
１０５ 信号処理部
１０６ 負荷回路
１０７ 制御部
１０８ アンプ
１０９ 光学系
１１０ メカシャッター
１１１ 信号処理回路
２０１ 画素
２０２ フォトダイオード（ＰＤ）
２０３ 読出しトランジスタ
２０４ フローティングディフュージョン（ＦＤ）
２０５ リセットトランジスタ
２０６ 増幅トランジスタ
２０７ 垂直出力信号線
２０８ 負荷トランジスタ
２０９ 行走査回路
２１０ リセット信号線
２１１ 読出し信号線
２１２ 読出し選択トランジスタ
２１３ ＰＵＬＬＤＯＷＮ用トランジスタ
２１４ 選択トランジスタ
２１５ 選択信号線
２１６ リセット選択トランジスタ
２１７ 電子シャッター選択トランジスタ
２１８ 信号読出し用走査回路
２１９ 電子シャッター用走査回路
５０１ ｐウェル
５０２ ｎ型半導体層
５０３ 読出しゲート
７０１ 撮像領域
７０２ ｐウェル
７０３ ウェルコンタクト
７０４ フォトダイオード
７０５ 読出しゲート

Claims (10)

1. 半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の信号を増幅して信号出力する増幅出力部と、光電変換部の信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素の信号を選択出力するための垂直走査手段および水平走査手段とを備えた固体撮像装置であって、
   前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記第２の画素群の光電変換部は飽和信号レベル以下の一定レベルの信号を保持した状態で、前記第１の画素群の光電変換部の信号出力および初期化動作を行うことを特徴とする固体撮像装置。
2. 半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部で発生した信号電荷の読出しを行う読出し手段と、読み出した信号出力を増幅して増幅信号を出力する増幅出力部と、読み出した信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素への駆動信号を選択出力する走査手段とを備えた固体撮像装置であって、
   前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記第２の画素群の光電変換部は、前記読出し手段により飽和信号レベル以下の一定レベルまでの信号排出動作を行い、前記一定レベルの信号を保持した状態で、前記第１の画素群の光電変換部の信号の読出し、信号出力および初期化動作を行うことを特徴とする固体撮像装置。
3. 半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の信号を増幅して信号出力する増幅出力部と、光電変換部の信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素の信号出力、信号排出、電子シャッター動作のための駆動信号を選択出力する走査手段とを備えた固体撮像装置であって、
   前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記第２の画素群のうち一の画素の光電変換部を初期化するために信号を排出する動作、もしくは前記第２の画素群のうち一の画素の光電変換部を飽和信号レベル以下の一定レベルにするために信号を排出する動作を、前記第１の画素群のうち前記一の画素と近接する二の画素の電子シャッター動作にあわせて行うことを特徴とする固体撮像装置。
4. 前記一の画素および前記二の画素は行単位であることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 半導体基板上に、光信号を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部で発生した信号電荷の読出しを行う読出し手段と、読み出した信号出力を増幅して増幅信号を出力する増幅出力部と、読み出した信号の排出を行う信号初期化手段からなる複数の画素を２次元状に配置してなる撮像領域と、各画素の信号出力、信号排出、電子シャッター動作のた
   めの駆動信号を選択出力する走査手段とを備えた固体撮像装置であって、
   前記複数の画素のうち第１の画素群から信号を読み出し、第２の画素群からの信号を間引く動作中に、前記第２の画素群のうち一の画素の光電変換部を初期化するために前記読出し手段によって信号を排出する動作、もしくは前記第２の画素群のうち一の画素の光電変換部を飽和信号レベル以下の一定レベルにするために前記読出し手段によって信号を排出する動作を、前記第１の画素群のうち前記一の画素と近接する二の画素の電子シャッター動作にあわせて行うことを特徴とする固体撮像装置。
6. 前記一の画素および前記二の画素は行単位であることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置に光を入射させるための光学系と、前記固体撮像装置の動作を制御するための制御信号を出力する制御部と、前記固体撮像装置の出力信号を処理し動画または静止画データとして出力する信号処理回路とを少なくとも備えた撮像装置。
8. 前記固体撮像装置に入射する光を遮断するためのシャッターを備えた請求項７記載の撮像装置。
9. 前記画像データをモニターするためのモニター画面をさらに備えた請求項７または８に記載の撮像装置。
10. 前記制御部と前記信号処理回路のうち少なくともいずれか一方が前記固体撮像装置の内部に配置されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の撮像装置。

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