JP3009041B1

JP3009041B1 - 固体撮像装置の駆動方法

Info

Publication number: JP3009041B1
Application number: JP11036782A
Authority: JP
Inventors: 正之冨留宮
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2000-02-14
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: JP2000236486A

Abstract

【要約】【課題】固体撮像装置において、間引き駆動動作又は
ノイズ掃き出し駆動動作を行うときの消費電力の増大を
防止する。【解決手段】撮像の前にＣＣＤチャネル内に発生した
ノイズ成分電荷を転送するノイズ掃き出し駆動動作、あ
るいは、ＣＣＤに隣接する複数の光電変換素子からの信
号電荷を間引いてＣＣＤチャネルに読み出す間引き駆動
動作において、転送パルスの振幅を通常の撮像時の転送
パルス振幅よりも小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置の駆動
方法に関し、特に、撮像を行う通常駆動動作と、撮像の
前に電荷結合素子（以下、「ＣＣＤ」と呼ぶ）のチャネ
ル内に発生したノイズ成分電荷を転送するノイズ掃き出
し駆動動作、又は、ＣＣＤに隣接する複数の光電変換素
子からの信号電荷を間引いてＣＣＤチャネルに読み出す
間引き駆動動作とを行う固体撮像装置の駆動方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近、盛んに開発が行われているデジタ
ルスチルカメラの撮像部には固体撮像装置が用いられて
いる。さらに、固体撮像装置の中でも、ＣＣＤを用いた
固体撮像装置が多く採用されている。

【０００３】このようなカメラに搭載されている固体撮
像装置には、画像の解像度を向上させるために、ノンイ
ンターレース方式が採用されている場合がある。

【０００４】従来のテレビ方式（ＮＴＳＣやＰＡＬ方
式）のカメラではインターレース方式の固体撮像装置が
用いられてきた。このインターレース方式は、１画面
（１フレーム）を２つの画面（フィールド）で表示させ
る走査方式である。

【０００５】これに対して、ノンインターレース方式
は、１画面（１フレーム）を構成する全水平走査線の信
号を順に出力させる走査方式であり、パーソナルコンピ
ュータなどのディスプレイに表示させることが容易であ
ることなどを特徴としている。そのため、このノンイン
ターレース方式に対応した撮像装置、すなわち、全画素
同時読み出し方式（プログレッシブスキャン方式とも呼
ばれている）の撮像装置が要求され、開発も盛んになっ
ている。

【０００６】また、電子スチルカメラにおいては、従来
のテレビ方式に準拠した撮像装置の駆動方法とは異なる
駆動方法が用いられることも特徴である。

【０００７】例えば、電子スチルカメラ用に用いられる
駆動方法としては、（１）全画素同時読み出し動作、
（２）間引き動作、（３）ノイズ掃き出し動作、などが
あげられる。

【０００８】電子スチルカメラでは、本撮像には解像度
の高い全画素同時読み出し動作が用いられるが、本撮像
を行う前の段階では、電子スチルカメラは間引き動作又
はノイズ掃き出し動作で駆動されることもある。このう
ち、（１）と（２）の駆動方法については、特願平１０
−０６１７３９（１９９８年３月１２日出願）に記述が
ある。

【０００９】以下、これらの撮像装置とその駆動方法を
説明する。

【００１０】図５に、全画素同時読みだし方式に対応し
たインターライン型ＣＣＤ撮像装置の平面構成図を示
す。

【００１１】この撮像装置は、撮像領域１と、水平ＣＣ
Ｄ２と、出力部としての電荷検出部３とからなる。撮像
領域１には、光を信号電荷に光電変換し、信号電荷を蓄
積する複数個のフォトダイオード４が２次元マトリック
ス状に配置されている。さらに、フォトダイオード４の
各列の隣には垂直方向に信号電荷を転送する垂直ＣＣＤ
５が設けられている。フォトダイオード４と垂直ＣＣＤ
５との間には、各フォトダイオード４から垂直ＣＣＤ５
に信号電荷を読み出す読み出し部６が設けられている。
撮像領域１のうち、フォトダイオード４、垂直ＣＣＤ５
及び読み出し部６以外の部分は素子分離領域７を構成し
ている。

【００１２】次に、図５に示した撮像装置の基本動作を
説明する。

【００１３】一定時間フォトダイオード４で光電変換さ
れ、蓄積された信号電荷は、読み出し電極を兼ねる垂直
転送電極に正の比較的高い電圧を加えることにより、読
み出し部６を介して垂直ＣＣＤ５に読み出される。垂直
ＣＣＤ５に読み出された信号電荷は、１水平ラインづ
つ、水平ＣＣＤ２に向かって垂直方向に転送される。水
平ＣＣＤ２に転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ２を水
平方向に転送され、出力部（電荷検出部）３で出力電圧
として検出される。

【００１４】図６は、全画素同時読み出し方式に対応し
た撮像装置におけるフォトダイオード４と垂直転送電極
８との関係を説明する平面図である。図６においては、
垂直方向に３画素分、水平方向に３画素分のみ示してい
る。

【００１５】フォトダイオード４の各列の隣に垂直方向
に延びる垂直ＣＣＤ５が設けられている。垂直ＣＣＤ５
は、各フォトダイオード４に対応して、４つの垂直転送
電極８を備えており、そのうち少なくとも１つの垂直転
送電極がフォトダイオード４から垂直ＣＣＤ５に信号電
荷を読み出す読み出し電極８−１を兼ねている。

【００１６】垂直ＣＣＤ５が４相のパルス（φＶ１−φ
Ｖ４）で駆動される場合には、各垂直転送電極８には、
４電極周期でそれぞれφＶ１−φＶ４の垂直駆動パルス
が印加される。

【００１７】図７（ａ）、（ｂ）は、全画素同時読み出
し動作における電荷転送の様子を示す図である。図の簡
略化のため、１列分の垂直ＣＣＤ５のみを示し、図の下
方に水平ＣＣＤ２を示す。図中の黒丸（●）は信号電荷
が存在しているパケットを指す。

【００１８】図７（ａ）に示すように、一定時間フォト
ダイオード４が露光され、光電変換により発生し蓄積さ
れた信号電荷は、全画素の読み出し電極に読み出し電圧
が印加されることにより、垂直ＣＣＤ５に読み出され
る。その後、図７（ｂ）に示すように、垂直ＣＣＤ５に
読み出された信号電荷は、１水平ラインづつ、水平ＣＣ
Ｄ２に向かって垂直方向に転送される。その後、信号電
荷は水平ＣＣＤ２を１ラインづつ転送され、出力され
る。

【００１９】図７（ｃ）は、全画素同時読み出し動作に
おける電荷転送の垂直転送パルスの振幅と、垂直ＣＣＤ
５のチャネルポテンシャルの垂直転送電圧（ゲート電
圧）依存性のグラフとを、一例として、ともに示したも
のである。

【００２０】図７（ｃ）に示すように、垂直ＣＣＤ５の
チャネルポテンシャルは−８Ｖでピンニングする。全画
素同時読み出し動作時における垂直転送パルスは０Ｖと
−８Ｖのパルスである場合を示す。垂直転送パルスは１
水平ブランキング期間内に１回出力される。

【００２１】図８は、図７（ａ）乃至（ｃ）に示した全
画素同時読み出し動作における垂直駆動パルスの波形図
と電荷転送の詳細図である。

【００２２】図８において、図の上半分の波形図は、垂
直ブランキング期間及びそれに続く２ラインの水平走査
期間にわたって示したものである。垂直駆動パルスは４
相（φＶ１−φＶ４）であり、また、フォトダイオード
４から垂直ＣＣＤ５に信号電荷を読み出すための読み出
しパルスφＴＧが設けられている。

【００２３】なお、図８においては、φＴＧが独立した
パルス波形となっているが、実際には、φＴＧＡはφＶ
３Ａに、φＴＧＢはφＶ３Ｂにそれぞれ重畳された形
で、読み出し電極を兼ねる垂直転送電極８−１に印加さ
れる。

【００２４】図８の下半分は電荷転送の様子を示したも
ので、左端にフォトダイオード４と垂直転送電極８が模
式的に示されている。左端の最下段は水平ＣＣＤ２に対
応しており、水平転送電極には水平駆動パルスφＨ１が
印加される。

【００２５】電荷転送の様子は四角の中の模様で示され
る。白の四角は信号電荷が存在しないことを示し、斜め
ハッチングが施された四角はフォトダイオード４から読
み出された信号電荷が存在することを示している。

【００２６】信号電荷の時間的な動きは図８の上半分の
波形図のタイミングを参照することにより、各タイミン
グにおいて信号電荷が垂直ＣＣＤ５のどこの位置に存在
するかは左側のフォトダイオード４と垂直転送電極８の
模式図を参照することにより、把握することができ、こ
れら双方によって、電荷転送の様子を把握することがで
きる。

【００２７】垂直駆動パルス（φＶ１−φＶ４）がミド
ルレベルのときには、それに対応する垂直転送電極８下
部のチャネルは電荷蓄積が可能な状態になり、垂直駆動
パルスがローレベルのときには、それに対応する垂直転
送電極８下部のチャネルは電荷が蓄積されない状態にな
る。また、読み出しパルス（φＴＧＡ及びφＴＧＢ）が
ハイレベルのときには、それに対応する画素のフォトダ
イオード４から信号電荷が垂直ＣＣＤ５に読み出され、
ローレベルのときには信号電荷は読み出されない。

【００２８】図８に示すように、時刻ｔ１において、φ
ＴＧＡ及びφＴＧＢがハイレベルになり、全フォトダイ
オード４内の信号電荷が垂直ＣＣＤ５に読み出される。
読み出された信号電荷は、ハイレベルとなっているφＶ
３とミドルレベルになっているφＶ４に対応する垂直転
送電極８下部のチャネルに蓄積される。その後、信号電
荷は、水平ブランキング期間に垂直方向に１画素づつ、
垂直ＣＣＤ５を下方に転送される。

【００２９】固体撮像装置を用いた電子スチルカメラで
は、標準撮影モード時のフレームレートは１０枚／秒程
度と低い。しかし、撮像画像によりオートフォーカス
（ＡＦ）を行なう場合、数枚から数十枚の画像が必要で
あるが、これを標準撮影モード時と同じフレームレート
（約１０枚／秒）で行なった場合、フォーカスが合うま
での時間が１秒以上かかってしまい、シャッターチャン
スを逃してしまうおそれがある。

【００３０】従って、ＡＦモード時には、フレームレー
トを、例えば、２０−３０枚／秒程度と高くすることが
可能な撮像装置が求められている。その一方、フレーム
レートを高くするために撮像装置の駆動周波数をあげる
ことは、消費電力が増加するため、好ましくない。そこ
で、ＡＦモード時には、多少解像度が落ちても問題ない
ことを利用して、水平走査線の本数を間引くことによ
り、フレームレートを高くすることが考えられている。

【００３１】以下に、上記の間引き方法の一例として、
読み出し電圧を垂直画素で２ライン周期で印加すること
が可能な４相駆動の全画素同時読み出し方式撮像装置の
間引きモードの動作を説明する。

【００３２】図９（ａ）及び（ｂ）は、垂直２画素ライ
ン周期で読み出し可能な撮像装置での間引き動作におけ
る電荷転送の様子を示す図である。図中、黒丸（●）は
電荷を示す。

【００３３】図９（ａ）において、一定時間フォトダイ
オードが露光され、光電変換により発生し、蓄積された
信号電荷は、垂直２画素ライン周期の１ライン分に読み
出し電圧が印加されることにより、垂直ＣＣＤ５に読み
出される（図９（ａ）ではＰＤ２、ＰＤ４、ＰＤ６の画
素ライン）。次に、１水平ブランキング期間に垂直２画
素ライン分転送することにより、信号電荷は水平ＣＣＤ
２に転送される。その後、図９（ｂ）に示すように、水
平ＣＣＤ２に転送された信号電荷は、水平走査期間に水
平ＣＣＤ２を転送され、出力される。

【００３４】図９（ｃ）は、間引き動作における電荷転
送の垂直転送パルスの振幅と、垂直ＣＣＤ５のチャネル
ポテンシャルの垂直転送電圧（ゲート電圧）依存性のグ
ラフとを、一例として、ともに示したものである。

【００３５】図９（ｃ）に示すように、垂直ＣＣＤ５の
チャネルポテンシャルは−８Ｖでピンニングする。全画
素同時読み出し動作時における垂直転送パルスは０Ｖと
−８Ｖのパルスである場合を示す。垂直転送パルスは１
水平ブランキング期間内に２回出力される。

【００３６】図１０は、図９に示した垂直２画素ライン
周期で読み出し可能な撮像装置における間引き動作での
垂直駆動パルスの波形図と電荷転送の詳細図である。

【００３７】図１０の上半分の波形図は垂直ブランキン
グ期間及びそれに続く１ラインの水平走査期間にわたっ
て示されている。垂直駆動パルスは５相（φＶ１、φＶ
２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ、φＶ４）であり、また、フォ
トダイオード４から垂直ＣＣＤ５に信号電荷を読み出す
ための読み出しパルスφＴＧが設けられている。

【００３８】なお、図１０では、φＴＧＡ及びφＴＧＢ
が独立したパルス波形となっているが、実際には、φＴ
ＧＡはφＶ３Ａに、φＴＧＢはφＶ３Ｂにそれぞれ重畳
された形で垂直転送電極８−１に印加される。

【００３９】図１０の下半分は電荷転送の様子を示した
もので、左端にフォトダイオード４と垂直転送電極８が
模式的に示されている。基本的には、図１０は図８と同
様の形態で示されている。以下、図１０を用いて、電
荷転送動作を説明する。

【００４０】時刻ｔ２において、φＴＧＡがハイレベル
になり、φＶ３Ａに対応する画素ラインのフォトダイオ
ード（ＰＤ１、ＰＤ３、ＰＤ５）内の信号電荷のみが垂
直ＣＣＤ５に読み出される。読み出された信号電荷は、
ハイレベルとなっているφＶ３Ａとそれに隣接するミド
ルレベルになっているφＶ４に対応する垂直転送電極８
下部のチャネルに蓄積される。その後、信号電荷は、水
平ブランキング期間に垂直方向２画素分ずつ垂直ＣＣＤ
５を下方に転送されていく。

【００４１】図１０に示されるように、垂直方向２画素
ライン周期のうち１画素ライン分の信号電荷だけが出力
されるように、信号電荷が間引かれている。これによ
り、信号間引き動作時の出力信号のフレームレートは、
水平ＣＣＤ２の転送周波数を上げることなく、信号間引
きをしない場合の２倍に上げることができる。

【００４２】なお、図８の全画素読み出し動作と図１０
の間引き動作とでは、図の横軸である時間軸を適宜変え
ているが、水平ブランキング期間は同一である。すなわ
ち、１水平ブランキング期間に垂直方向に転送する段数
は、図８の全画素読み出し動作では１画素分であるが、
図１０の間引き動作では２画素分である。従って、間引
き動作における垂直転送周波数は全画素読み出し動作に
おける垂直転送周波数の２倍になっている。

【００４３】さらに、電子スチルカメラ用の駆動方法と
してノイズ掃き出し動作がある。ノイズ掃き出し動作
は、前述の間引き動作で駆動した後に、本撮像の全画素
同時読み出し駆動モードになる直前に行われる場合が多
い。これは、本撮像の直前に、垂直ＣＣＤ５に存在する
暗電流成分のノイズ電子又はスミア成分のノイズ電子を
水平ＣＣＤ２を通してドレイン又は出力部３に掃き出す
動作である。

【００４４】以下、このノイズ掃き出し動作について説
明する。

【００４５】図１１（ａ）は、全画素同時読み出し方式
が可能な撮像装置におけるノイズ掃き出し動作時の電荷
転送の様子を示す図である。図中、垂直ＣＣＤ５にノイ
ズ電子が存在していると仮定し、ノイズ電子を白丸
（○）で示す。

【００４６】このノイズ掃き出し動作においては、ノイ
ズ電子は、出力部３で検出する必要がないため、ノイズ
電子の大部分は、水平ＣＣＤ２の下方に形成されたオー
バーフロードレイン（ＯＦＤ）に掃き出される。

【００４７】すなわち、ノイズ電子はＯＦＤに掃き出さ
れてしまうため、垂直ＣＣＤ５の駆動と水平ＣＣＤ２の
駆動は必ずしも同期する必要はなく、水平ＣＣＤ２は通
常の全画素同時読み出し方式の駆動又は間引き駆動動作
と同じ駆動を繰り返している。その間に垂直ＣＣＤ５を
高速に駆動することにより、ノイズ電子を水平ＣＣＤ２
に転送する。水平ＣＣＤ２に蓄積されたノイズ電子は、
ＯＦＤに掃き出されるが、ＯＦＤを通して掃き出しきれ
なかったノイズ電子は、垂直ＣＣＤ５の高速転送終了後
に、水平ＣＣＤ２を１Ｈライン分転送することにより、
水平ＣＣＤ２を出力部３の方向に転送し、出力される。
このときの出力は、画像情報ではないため、使用されな
い。

【００４８】図１１（ｂ）は、ノイズ掃き出し動作にお
ける電荷転送の垂直転送パルスの振幅と、垂直ＣＣＤ５
のチャネルポテンシャルの垂直転送電圧（ゲート電圧）
依存性のグラフとを、一例として、ともに示したもので
ある。

【００４９】図１１（ｂ）に示すように、垂直ＣＣＤ５
のチャネルポテンシャルは−８Ｖでピンニングする。全
画素同時読み出し動作時における垂直転送パルスは０Ｖ
と−８Ｖのパルスである場合を示す。垂直転送パルスは
１水平ブランキング期間内に２回出力される。この場
合、垂直ＣＣＤ５の転送パルスは間引き駆動動作におけ
る転送パルスと同じであるが、必ずしも同じである必要
はない。

【００５０】図１２は、ノイズ掃き出し動作における垂
直駆動パルスの波形図と電荷転送の詳細図である。

【００５１】図１２の上半分の波形図は垂直ブランキン
グ期間及びそれに続く１ラインの水平走査期間にわたっ
て示されている。垂直駆動パルスは５相（φＶ１、φＶ
２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ、φＶ４）であり、また、フォ
トダイオード４から垂直ＣＣＤ５に信号電荷を読み出す
ための読み出し電極パルスφＴＧが設けられている。

【００５２】なお、図１２においては、φＴＧＡ及びφ
ＴＧＢが独立したパルス波形となっているが、実際に
は、φＴＧＡはφＶ３Ａに、φＴＧＢはφＶ３Ｂにそれ
ぞれ重畳された形で垂直転送電極８−１に印加される。

【００５３】図の下半分は電荷転送の様子を示したもの
で、基本的には図８と同様の形態で示されている。

【００５４】以下、図１２を用いて、電荷転送動作を説
明する。

【００５５】ノイズ掃き出し動作中においては、電荷は
水平ブランキング期間に垂直方向に２画素分ずつ垂直Ｃ
ＣＤ５を下方に転送されていく。これにより、ノイズ掃
き出し駆動動作のフレームレートは通常転送の２倍に高
くすることができる。

【００５６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した信号
間引き駆動動作又はノイズ掃き出し駆動動作において
は、垂直転送周波数が全画素同時読み出し動作における
垂直転送周波数の２倍、場合によっては、３倍にもなる
ため、消費電力が大きくなる。消費電力は、動作周波数
に比例するため、周波数が２倍もしくは３倍になれば、
垂直ＣＣＤ５の消費電力も２倍もしくは３倍になる。

【００５７】固体撮像装置においては、電力は、ほぼ垂
直ＣＣＤ５、水平ＣＣＤ２、出力部アンプ３の３箇所に
おいて消費される。これらの消費電力の内訳は駆動周波
数などによるが、おおよそ１／３づつであると仮定する
と、垂直ＣＣＤ５は全体の１／３の電力を消費する。こ
の垂直ＣＣＤ５の消費電力が、間引き駆動動作時もしく
はノイズ掃き出し駆動動作中には、２倍から３倍になる
ため、これらの動作時における固体撮像装置の消費電力
は全画素同時読み出し動作における固体撮像装置の消費
電力と比べて飛躍的に大きくなる。

【００５８】一般的に、固体撮像装置をデジタルカメラ
等に用いる場合、携帯の利便性から、電源としては電池
が用いられる場合がほとんどである。このような場合、
電池が、デジタルスチルカメラの本来の撮像動作である
全画素同時読み出し動作に対しては十分に電力を供給す
る能力があったとしても、全画素同時読み出し動作より
も消費電力が大きい間引き駆動動作やノイズ掃き出し駆
動動作に対しては、電力を供給する能力が不足すること
がある。そのような場合、デジタルカメラ自体が動作不
能の状態に陥る。

【００５９】例えば、特開平９−５１４８５号公報は、
垂直電荷転送をタイミング発生手段と負値パルスを発生
する駆動パルス発生手段とで行い、垂直走査を行選択制
御手段と高電圧の転送パルスを選択行に印加する転送パ
ルス発生手段とで行い、各垂直転送手段毎に設けた増幅
手段で電荷を増幅保持した後、水平走査回路で水平走査
を行う固体撮像装置を提案しているが、この固体撮像装
置においても、ノイズ掃き出し駆動動作や間引き駆動動
作における電力消費の増大の問題は解決されてない。

【００６０】また、特許公報第２５５１３８２号（特開
平７−３３６０７号公報）には、各水平転送単位（１
Ｈ）毎に水平ＣＣＤの駆動振幅が異なるようにして水平
ＣＣＤドライバーでパルスを発生し、これによって、駆
動される固体撮像装置が提案されている。

【００６１】しかしながら、水平ＣＣＤの駆動パルスの
振幅を変えることによって、通常駆動動作における電力
消費の低減を図ることはできるが、ノイズ掃き出し駆動
動作や間引き駆動動作における電力消費の抑制には必ず
しもつながらない。

【００６２】本発明は、このような従来の固体撮像装置
における問題点に鑑みてなされたものであり、ノイズ掃
き出し駆動動作や間引き駆動動作における電力消費を抑
制し、全体としてより低い電力で駆動することができる
固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。

【００６３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明のうち、請求項１は、半導体基板の一主面上
に配列された信号電荷を転送する電荷結合素子を有する
固体撮像装置であって、撮像を行い、撮像した信号電荷
を転送する通常駆動動作と、撮像の前に電荷結合素子の
チャネル内に発生したノイズ成分電荷を転送するノイズ
掃き出し駆動動作、あるいは、電荷結合素子に隣接する
複数の光電変換素子からの信号電荷を間引いて電荷結合
素子のチャネルに読み出す間引き駆動動作のうち少なく
とも何れか一方の動作とを行う固体撮像装置の駆動方法
において、ノイズ掃き出し駆動動作あるいは間引き駆動
動作の駆動パルスの振幅のうち少なくとも何れか一方が
通常駆動動作の駆動パルスの振幅よりも小さいことを特
徴とする固体撮像装置の駆動方法を提供する。

【００６４】また、請求項２に記載されているように、
ノイズ掃き出し駆動動作あるいは間引き駆動動作の駆動
パルスの周波数を通常駆動動作の駆動パルスの周波数よ
りも大きく設定することが好ましい。

【００６５】さらに、請求項３に記載されているよう
に、ノイズ掃き出し駆動動作あるいは間引き駆動動作の
駆動パルスの周波数が通常駆動動作の駆動パルスの周波
数のｎ倍（ｎは１より大きい数）であり、ノイズ掃き出
し駆動動作あるいは間引き駆動動作の駆動パルスの振幅
が通常駆動動作の駆動パルスの振幅の１／ｎ以上である
ことが好ましい。

【００６６】請求項４に記載されているように、ノイズ
掃き出し駆動動作あるいは間引き駆動動作において、駆
動パルスがローレベルであるときに電荷結合素子の転送
チャネルがピンニング状態であることが好ましい。

【００６７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態に係る撮像装置において、間引き駆動動作を行ったと
きの電荷転送の様子を示す図である。図１（ａ）及び
（ｂ）においては、図の簡略化のため、垂直ＣＣＤ５は
１列分を示し、図の下方に水平ＣＣＤ２を示す。図中の
黒丸（●）は信号電荷が存在しているパケットを指す。

【００６８】図１（ａ）に示すように、一定期間露光さ
れ、フォトダイオードに蓄積された電荷は、垂直２画素
ライン周期の１ライン分に読み出し電圧が印加されるこ
とにより、垂直ＣＣＤ５に読み出される（図１（ａ）で
は、ＰＤ２、ＰＤ４、ＰＤ６の３つの画素ライン）。

【００６９】次に、図１（ｂ）に示すように、１水平ブ
ランキング期間に垂直２画素ライン分転送することによ
り、信号電荷は水平ＣＣＤ２に転送される。

【００７０】図１（ｃ）は、間引き駆動動作における電
荷転送の垂直転送パルスの振幅と、垂直ＣＣＤ５のチャ
ネルポテンシャルの垂直転送電圧（ゲート電圧）依存性
のグラフとをともに示したものである。

【００７１】垂直ＣＣＤ５のチャネルポテンシャルは−
８Ｖでピンニングする。全画素同時読みだし動作時にお
ける垂直転送パルスは０Ｖと−８Ｖとの間を振幅とする
パルスの場合を示す。本発明の第１の実施の形態の特徴
は図１（ｃ）に示される。すなわち、本発明の第１の実
施の形態においては、間引き駆動動作における垂直転送
パルスが０Ｖと−４Ｖとの間を振幅とするパルス（振幅
４Ｖ）になっていることを特徴とする。

【００７２】図１（ｃ）に示すように、間引き駆動動作
におけるパルスの振幅が全画素同時読み出し動作におけ
るパルスの振幅に比べ、１／２になっているため、間引
き駆動動作における垂直駆動周波数が２倍になっていて
も、垂直ＣＣＤ５の消費電力は増大しない。間引き駆動
動作におけるパルスの振幅が全画素同時読み出し動作に
おけるパルスの振幅の１／２になっているため、１パケ
ットで転送可能な電荷量は全画素同時読み出し動作時の
転送可能な電荷量の１／２になるが、１回の転送で転送
しきれなかった電荷量は、２回目の転送において転送さ
れてくるため、１水平ブランキング期間内での取り扱い
電荷量は同じである。この結果、間引き駆動動作におい
て、垂直駆動周波数が上がることによる消費電力の増大
を押さえることができ、かつ、転送可能な電荷量も従来
と同等の量が得られる。

【００７３】図２は、本発明の第２の実施の形態に係る
撮像装置において、ノイズ掃き出し駆動動作時の電荷転
送の様子を示す図である。図２（ａ）及び（ｂ）におい
ては、図の簡略化のため、垂直ＣＣＤ５は１列分を示
し、図の下方に水平ＣＣＤ２を示す。図中の黒丸（●）
は信号電荷が存在しているパケットを指し、白丸（○）
は信号電荷が存在しない空のパケット、もしくは、垂直
ＣＣＤ５に存在していた暗電流成分の電荷やスミア成分
の電荷を指す。

【００７４】図２（ａ）において、１水平ブランキング
期間に垂直２画素ライン分転送することにより、ノイズ
成分の電荷は水平ＣＣＤ２に転送される。

【００７５】図２（ｂ）は、ノイズ掃き出し動作におけ
る電荷転送の垂直転送パルスの振幅と、垂直ＣＣＤ５の
チャネルポテンシャルの垂直転送電圧（ゲート電圧）依
存性のグラフとをともに示したものである。

【００７６】垂直ＣＣＤ５のチャネルポテンシャルは約
−８Ｖでピンニングする。全画素同時読みだし動作時に
おける垂直転送パルスは０Ｖと−８Ｖとの間を振幅とす
るパルスである。本発明の第２の実施の形態の特徴は図
２（ｂ）に示される。すなわち、本発明の第２の実施の
形態は、ノイズ掃き出し動作における垂直転送パルスが
０Ｖと−４Ｖとの間を振幅とするパルス（振幅４Ｖ）に
なっていることを特徴とする。

【００７７】図２（ｂ）に示すように、ノイズ掃き出し
動作におけるパルスの振幅が全画素同時読み出し動作に
おけるパルスの振幅に比べ、１／２になっているため、
ノイズ掃き出し動作における垂直駆動周波数が２倍にな
っていても、垂直ＣＣＤ５の消費電力は増大しない。ノ
イズ掃き出し動作におけるパルスの振幅が全画素同時読
み出し動作におけるパルスの振幅の１／２になっている
ため、１パケットで転送可能な電荷量は全画素同時読み
出し動作時における転送可能な電荷量の１／２になる
が、１回の転送で転送しきれなかった電荷量は、２回目
の転送において転送されてくるため、１水平ブランキン
グ期間内における取り扱い電荷量は同じである。この結
果、ノイズ掃き出し動作において、垂直駆動周波数が上
がることによる消費電力の増大を押さえることができ、
かつ、転送可能な電荷量も従来と同等の量が得られる。
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る撮像装置に
おいて、間引き駆動動作が行われるときの電荷転送の様
子を示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）においては、
図の簡略化のため、１列分の垂直ＣＣＤ５のみを示し、
図の下方に水平ＣＣＤ２を示す。図中の黒丸（●）は信
号電荷が存在しているパケットを指す。

【００７８】図３（ａ）に示すように、一定期間露光さ
れ、フォトダイオードに蓄積された電荷は、垂直２画素
ライン周期の１ライン分に読み出し電圧が印加されるこ
とにより、垂直ＣＣＤ５に読み出される（図３（ａ）で
は、ＰＤ２、ＰＤ４、ＰＤ６の３つの画素ライン）。

【００７９】次に、図３（ｂ）に示すように、１水平ブ
ランキング期間に垂直２画素ライン分転送することによ
り、信号電荷は水平ＣＣＤ２に転送される。

【００８０】図３（ｃ）は、間引き駆動動作における電
荷転送の垂直転送パルスの振幅と、垂直ＣＣＤ５のチャ
ネルポテンシャルの垂直転送電圧（ゲート電圧）依存性
のグラフとをともに示したものである。垂直ＣＣＤ５の
チャネルポテンシャルは約−８Ｖでピンニングする。全
画素同時読みだし動作時における垂直転送パルスは０Ｖ
と−８Ｖとの間を振幅とするパルスである。本発明の第
３の実施の形態の特徴は図３（ｃ）に示される。すなわ
ち、本発明の第３の実施の形態においては、間引き駆動
動作における垂直転送パルスが−４Ｖと−８Ｖとの間を
振幅とするパルス（振幅４Ｖ）になっていることが特徴
である。

【００８１】図３（ｃ）に示すように、間引き駆動動作
におけるパルスの振幅が全画素同時読み出し動作におけ
るパルスの振幅に比べ、１／２になっているため、間引
き駆動動作における垂直駆動周波数が２倍になっていて
も、垂直ＣＣＤ５の消費電力は増大しない。間引き駆動
動作におけるパルスの振幅が全画素同時読み出し動作に
おけるパルスの振幅の１／２になっているため、１パケ
ットで転送可能な電荷量は全画素同時読み出し動作時の
転送可能な電荷量の１／２になるが、１回の転送で転送
しきれなかった電荷量は、２回目の転送において転送さ
れてくるため、１水平ブランキング期間内での取り扱い
電荷量は同じである。この結果、間引き駆動動作におい
て、垂直駆動周波数が上がることによる消費電力の増大
を押さえることができ、かつ、転送可能な電荷量も従来
と同等の量が得られる。

【００８２】さらに、本発明の第３の実施の形態におい
て特徴的なことは、間引き駆動動作の転送パルスのロー
レベルが−８Ｖになっており、ピンニング状態であるこ
とである。これにより、間引き駆動動作の期間中に垂直
ＣＣＤ５で発生する暗電流を抑制することができ、ノイ
ズの少ない間引き画像を得ることができる。

【００８３】図４は、本発明の第４の実施の形態に係る
撮像装置において、ノイズ掃き出し駆動動作時の電荷転
送の様子を示す図である。図４（ａ）及び（ｂ）は、図
の簡略化のため、１列分の垂直ＣＣＤ５のみを示し、図
の下方に水平ＣＣＤ２を示す。図中の黒丸（●）は信号
電荷が存在しているパケットを指し、白丸（○）は信号
電荷が存在しない空のパケット、もしくは、垂直ＣＣＤ
５に存在していた暗電流成分の電荷やスミア成分の電荷
を指す。

【００８４】図４（ａ）において、１水平ブランキング
期間に垂直２画素ライン分転送することにより、ノイズ
成分の電荷は水平ＣＣＤ２に転送される。

【００８５】図４（ｃ）は、ノイズ掃き出し動作におけ
る電荷転送の垂直転送パルスの振幅と、垂直ＣＣＤ５の
チャネルポテンシャルの垂直転送電圧（ゲート電圧）依
存性のグラフとをともに示したものである。垂直ＣＣＤ
５のチャネルポテンシャルは約−８Ｖでピンニングす
る。全画素同時読み出し動作時における垂直転送パルス
は０Ｖと−８Ｖとの間を振幅とするパルスである。本発
明の第４の実施の形態の特徴は図４（ｃ）に示される。
すなわち、本発明の第４の実施の形態は、ノイズ掃き出
し動作における垂直転送パルスが−４Ｖと−８Ｖとの間
を振幅とするパルス（振幅４Ｖ）になっていることを特
徴とする。

【００８６】図４（ｃ）に示すように、に比べ、１／２
になっているため、ノイズ掃き出し動作における垂直駆
動周波数が２倍になっていても、垂直ＣＣＤ５の消費電
力は増大しない。ノイズ掃き出し動作におけるパルスの
振幅が全画素同時読み出し動作おけるパルスの振幅の１
／２になっているため、１パケットで転送可能な電荷量
は全画素同時読み出し動作時において転送可能な電荷量
の１／２になるが、１回の転送で転送しきれなかった電
荷量は、２回目の転送において転送されてくるため、１
水平ブランキング期間内での取り扱い電荷量は同じであ
る。この結果、ノイズ掃き出し動作において、垂直駆動
周波数が上がることによる消費電力の増大を押さえるこ
とができ、かつ、転送可能な電荷量も従来と同等の量が
得られる。

【００８７】さらに、本発明の第４の実施の形態におい
て特徴的なことは、ノイズ掃き出し動作の転送パルスの
ローレベルが−８Ｖになっており、ピンニング状態であ
ることである。これにより、ノイズ掃き出し動作期間中
に垂直ＣＣＤ５で発生する暗電流を抑制することがで
き、ノイズ掃き出し動作後に、よりノイズの少ない状態
を提供することができる。

【００８８】なお、上述の本発明の実施の形態において
は、２次元ＣＣＤを取り上げたが、１次元ＣＣＤにも適
用することが可能である。また、ＣＣＤとしては、イン
ターライントランスファー型ＣＣＤを取り上げたが、こ
の他に、フレームトランスファー型ＣＣＤ又はフルフレ
ーム型ＣＣＤを用いることも可能である。

【００８９】さらに、上述の本発明の実施の形態におい
ては、４相駆動の全画素同時読み出し方式を取り上げた
が、４相駆動には限定されない。２相駆動、３相駆動又
は他の相の駆動でも良いことは明らかである。さらに、
必ずしも全画素同時読み出し方式である必要はなく、イ
ンターレース方式のデバイスを用いることも可能であ
る。

【００９０】また、上述の本発明の実施の形態において
は、間引き駆動動作は垂直２画素ライン毎に行われた
が、垂直３画素ライン毎、又は、４以上の画素間引きで
あってもよい。同様に、ノイズ掃き出し動作において
も、垂直２画素ライン毎のみならず、垂直３画素ライン
毎又は４以上の画素間引きであってもよい。

【００９１】また、そのときの駆動パルスの振幅は必ず
しも全画素同時読み出し動作時のパルスの振幅の１／２
に限定されるものではなく、垂直３画素ライン毎の間引
き駆動動作の場合には、１／３の振幅にしても良い。す
なわち、全画素同時読み出し動作時のパルスの振幅より
も小さい振幅である限り、任意の振幅を選択することが
可能である。

【００９２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る固体撮像装
置の駆動方法によれば、間引き駆動動作やノイズ掃き出
し駆動動作において、垂直転送パルスの振幅を通常駆動
動作時のパルスの振幅よりも小さくすることにより、間
引き駆動動作やノイズ掃き出し駆動動作時の垂直ＣＣＤ
の消費電力を抑制することができる。

【００９３】例えば、垂直２画素ラインごとに間引き駆
動動作をする場合、間引き駆動動作の垂直転送パルスの
振幅を通常駆動動作時のパルスの振幅の１／２にするこ
とにより、消費電力の増大を回避でき、かつ、間引き駆
動動作での転送電荷量の低下を防止することもできる。

【００９４】さらに、間引き駆動動作又はノイズ掃き出
し駆動動作におけるパルスの振幅を通常駆動動作時のパ
ルスの振幅よりも小さく設定した場合において、ローレ
ベルが垂直ＣＣＤのピンニング電位より低い値になるよ
うに設定することにより、垂直ＣＣＤで発生する暗電流
を抑制することができ、よりノイズの低い画像出力を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置
において間引き駆動動作を行うときの電荷転送の様子を
示す図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置
において間引き駆動動作を行うときの電荷転送の様子を
示す図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像装置
において間引き駆動動作を行うときの電荷転送の様子を
示す図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係る固体撮像装置
において間引き駆動動作を行うときの電荷転送の様子を
示す図である。

【図５】全画素同時読み出し方式インターライン型ＣＣ
Ｄ撮像装置の平面構成図である。

【図６】全画素同時読み出し方式に対応した固体撮像装
置におけるフォトダイオードと垂直転送電極との関係を
説明する平面図である。

【図７】従来の固体撮像装置において全画素同時読み出
し動作を行うときの電荷転送の様子を示す図である。

【図８】従来の固体撮像装置において全画素同時読み出
し動作における垂直駆動パルスの波形図と電荷転送の詳
細図である

【図９】垂直２画素ライン周期で読み出し可能な従来の
固体撮像装置において、間引き駆動動作を行うときの電
荷転送の様子を示す図である。

【図１０】垂直２画素ライン周期で読み出し可能な従来
の固体撮像装置において、間引き駆動動作を行うときの
垂直駆動パルスの波形図と電荷転送の詳細図である

【図１１】垂直２画素ライン周期で読み出し可能な従来
の固体撮像装置において、ノイズ掃き出し駆動動作を行
うときの電荷転送の様子を示す図である。

【図１２】垂直２画素ライン周期で読み出し可能な従来
の撮像装置において、ノイズ掃き出し駆動動作を行うと
きの垂直駆動パルスの波形図と電荷転送の詳細図である

【符号の説明】

１撮像領域２水平ＣＣＤ３出力部（電荷検出部）４フォトダイオード５垂直ＣＣＤ６読み出し部７素子分離領域８垂直転送電極８−１読み出し電極を兼ねる垂直転送電極

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の一主面上に配列された信号
電荷を転送する電荷結合素子を有する固体撮像装置であ
って、撮像を行い、撮像した信号電荷を転送する通常駆
動動作と、撮像の前に電荷結合素子のチャネル内に発生
したノイズ成分電荷を転送するノイズ掃き出し駆動動
作、あるいは、電荷結合素子に隣接する複数の光電変換
素子からの信号電荷を間引いて電荷結合素子のチャネル
に読み出す間引き駆動動作のうち少なくとも何れか一方
の動作とを行う固体撮像装置の駆動方法において、前記ノイズ掃き出し駆動動作あるいは前記間引き駆動動
作の駆動パルスの振幅のうち少なくとも何れか一方が前
記通常駆動動作の駆動パルスの振幅よりも小さいことを
特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】前記ノイズ掃き出し駆動動作あるいは前
記間引き駆動動作の駆動パルスの周波数が前記通常駆動
動作の駆動パルスの周波数よりも大きいことを特徴とす
る請求項１記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】前記ノイズ掃き出し駆動動作あるいは前
記間引き駆動動作の駆動パルスの周波数が前記通常駆動
動作の駆動パルスの周波数のｎ倍（ｎは１より大きい
数）であり、前記ノイズ掃き出し駆動動作あるいは前記
間引き駆動動作の駆動パルスの振幅が前記通常駆動動作
の駆動パルスの振幅の１／ｎ以上であることを特徴とす
る請求項２記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項４】前記ノイズ掃き出し駆動動作あるいは前
記間引き駆動動作において、駆動パルスがローレベルで
あるときに前記電荷結合素子の転送チャネルがピンニン
グ状態であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか
一項に記載の固体撮像装置の駆動方法。