JP3454682B2 - 固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フレーム転送方式
のＣＣＤ固体撮像素子及びその固体撮像素子の駆動方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】パーソナルコンピュータやワードプロセ
ッサなどのコンピュータ機器に画像情報を取り込む手段
として、固体撮像素子を用いた電子スチルカメラが用い
られるようになっている。この電子スチルカメラは、従
来のテレビカメラ等の撮像装置と同様に、被写体画像を
動画、即ち、静止画像の連続として撮らえ、その中から
所望の１画面の画像情報を取り出すように構成される。
通常、このような電子スチルカメラの画像情報の処理に
おいては、処理の高速化を図るため、適当に間引いた少
ない情報量の画像信号で連続画像を再生し、最終的に取
り出そうとする１画面の画像情報に対してのみ完全な信
号処理を施すようにしている。

【０００３】図１０は、従来の電子スチルカメラの構成
を示すブロック図である。ＣＣＤ固体撮像素子１は、行
列配置された複数の受光画素と各受光画素に対応付けら
れるシフトレジスタとを有する。複数の受光画素は、周
知のレンズ機構によって受光面に照射される被写体画像
の光に応答して情報電荷を発生し、それぞれ独立に蓄積
する。シフトレジスタは、各受光画素に蓄積される情報
電荷を所定の順序で転送出力する。また、固体撮像素子
１には、シフトレジスタの出力端に、情報電荷を画素単
位で蓄積する容量が設けられており、転送出力される情
報電荷の電荷量を電圧値に変換して取り出し、画像信号
Ｙ0(t)として出力する。

【０００４】駆動回路２は、固体撮像素子１の各シフト
レジスタに対して多相の垂直転送クロックφv及び水平
転送クロックφhを供給し、複数の受光画素に蓄積され
る情報電荷を所定の順序で転送出力させる。即ち、垂直
走査タイミングに従って各受光画素の情報電荷をシフト
レジスタへ転送した後、水平走査タイミングに従って１
行ずつ転送出力させることにより、１行単位で連続する
画像信号Ｙ0(t)を得られるようにしている。タイミング
制御回路３は、一定周期の基準クロックに基づいて水平
同期信号ＨＴ及び垂直同期信号ＶＴを生成し、駆動回路
２に供給する。この水平同期信号ＨＴ及び垂直同期信号
ＶＴは、固体撮像素子１の水平走査及び垂直走査のタイ
ミングを決定するためのものであり、所定のフォーマッ
トに従って生成される。同時に、画像信号Ｙ0(t)を水平
同期信号ＨＴ及び垂直同期信号ＶＴに従い規格化するタ
イミング信号ＰＣを生成し、後述する信号処理回路４へ
供給する。また、タイミング制御回路３は、画像確定指
示ＤＩに応答し、駆動回路２の連続撮像動作を停止させ
ると共に、信号処理回路４に画像信号Ｙ0(t)に対応した
特定の１画面の画像データＤ(n)を出力させる。

【０００５】信号処理回路４は、固体撮像素子１から出
力される画像信号Ｙ0(t)を取り込み、タイミング信号Ｐ
Ｃに従ってサンプルホールド、レベル補正等の各種の処
理を施し、所定のフォーマットに準じた画像信号Ｙ1(t)
として表示器５へ供給する。この信号処理回路４は、Ａ
／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器を含み、画像信号Ｙ0(t)を
デジタルデータとして信号処理を施し、所定の信号処理
が完了した後にアナログ値の画像信号Ｙ1(t)に戻して表
示器５へ供給するように構成される。さらに、信号処理
回路４は、タイミング制御回路３が画像確定指示ＤＩを
受けたときの画像信号Ｙ0(t)の１画面分に対応するデジ
タル画像データＤ(n)を静止画出力として外部へ供給す
る。表示器５は、例えば、ＬＣＤパネルからなり、信号
処理回路４から供給される画像信号Ｙ1(t)に従う固体撮
像素子１が撮らえた画像を連続して表示する。尚、画像
確定指示ＤＩを受けた後には、静止画出力として出力さ
れる画像データＤ(n)に対応する静止画像を表示する。

【０００６】図１１は、ＣＣＤ固体撮像素子１の構成を
示す模式図であり、フレーム転送方式の場合を示してい
る。この図においては、図面を簡略化するため、受光画
素の配列を１２行×１６列で示してある。そして、図１
２は、固体撮像素子１を駆動する各転送クロックと各同
期信号との関係を示すタイミング図である。フレーム転
送方式のＣＣＤ固体撮像素子１は、撮像部１ｉ、蓄積部
１ｓ、水平転送部１ｈ及び出力部１ｄより構成される。
撮像部１ｉは、垂直方向に連続する互いに平行な複数の
ＣＣＤシフトレジスタからなり、これらのシフトレジス
タの各ビットがそれぞれ受光画素を構成する。この撮像
部１ｉには、垂直同期信号ＶＴに同期するフレーム転送
クロックφf1〜φf3が印加され、撮像期間中に各受光画
素に蓄積された情報電荷が垂直走査のブランキング期間
に蓄積部１ｓへ高速転送される。

【０００７】蓄積部１ｓは、撮像部１ｉのシフトレジス
タに連続し、ビット数が一致する複数のＣＣＤシフトレ
ジスタからなり、これらのシフトレジスタの各ビットが
蓄積画素を構成し、撮像部１ｉの各受光画素から転送出
力される情報電荷を一時的に蓄積する。この蓄積部１ｓ
には、垂直同期信号ＶＴ及び水平同期信号ＨＴに同期し
た垂直転送クロックφv1〜φv3が印加され、撮像部１ｉ
から情報電荷が１画面単位で取り込まれると共に、取り
込まれた情報電荷が水平走査のブランキング期間に１行
単位で水平転送部１ｈへ転送される。

【０００８】水平転送部１ｈは、蓄積部１ｓの各シフト
レジスタの出力が各ビットに結合された単一のＣＣＤシ
フトレジスタからなり、蓄積部１ｓの各シフトレジスタ
から転送出力される情報電荷を各ビットに受ける。この
水平転送部１ｈには、水平同期信号ＨＴに同期した水平
転送クロックφh1、φh2が印加され、蓄積部１ｓの各シ
フトレジスタから１水平ライン単位で転送出力される情
報電荷が順次出力部１ｄ側へ転送される。

【０００９】出力部１ｄは、水平転送部１ｈの出力側で
情報電荷を受ける容量を含み、水平転送部１ｈから転送
出力される情報電荷を受けて電荷量に応じた電圧値を出
力する。この出力部１ｄには、水平転送クロックφh1、
φh2に従うリセットクロックφrが印加され、水平転送
部１ｈから順次転送出力される情報電荷を１画素単位で
排出させることにより、１画素毎の情報電荷量に対応す
る電圧値を取り出すようにしている。ここで出力される
電圧値の変化が画像信号Ｙ0(t)となる。

【００１０】このような、フレーム転送方式の固体撮像
素子１は、撮像して得られた情報電荷を一時的に蓄積す
る蓄積部１ｓが、撮像部１ｉの受光画素から離れている
ため、受光画素からの不要な電荷の漏れ込みが少ない。
このため、固体撮像素子から任意のタイミングで情報電
荷を読み出して静止画像を得る電子スチルカメラに適し
ている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の電子スチルカメ
ラの場合、固体撮像素子１を連続動作させて動画像を取
り出し、その動画像を見ながら所望の静止画像を取り出
せるようにしている。このときの動画像は、単なる確認
画面であるため、高画質である必要はなく、通常は、画
像信号Ｙ0(t)の情報量を予め少なくして信号処理回路４
での信号処理を簡単にしている。即ち、信号処理回路４
の入力段階で画像信号Ｙ0(t)を一定の列単位あるいは行
単位で間引くことで情報量を削減し、各種の信号処理を
簡略化して高速化を図れるように構成している。

【００１２】しかしながら、信号処理回路４において画
像信号Ｙ0(t)を間引くようにするための構成は、入力部
分の回路動作が高速になって消費電力を増加させると共
に、回路規模自体も大きくなり易いため、コストの増大
を招くことになる。そこで本発明は、消費電力の増大を
抑えながら、コストの低減を図り、安価で高解像度の電
子スチルカメラを提供できるようにすることを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するために成されたもので、その特徴とするところ
は、一導電型の半導体基板の一主面に逆導電型の半導体
領域が形成され、この半導体領域内に列方向に延在する
複数のチャネル領域が形成されると共に、上記半導体領
域上に行方向に延在する複数の転送電極が形成され、上
記複数の転送電極が、一定本数毎に上記チャネル領域内
の第１の領域に複数の受光画素を連続的に定義し、一定
本数毎に上記第１の領域に隣接する第２の領域に複数の
蓄積画素を連続的に定義する固体撮像素子であって、上
記第１の領域に定義される上記受光画素の数に対して上
記第２の領域に定義される上記蓄積画素の数を１／ｎ
（ｎ：整数）とし、上記複数の転送電極の内、上記第１
の領域と上記第２の領域との境界部分を挟んで配置され
る少なくとも２本が、チャネル長を他のチャネル長より
も長くして形成され、かつ、上記第１の領域に配置され
る上記複数の転送電極に対して一定の周期を有する第１
の多相クロックが印加されると共に、上記第２の領域に
配置される上記複数の転送電極に対して上記第１の多相
クロックの周期のｎ倍の周期を有する第２の多相クロッ
クが印加され、上記第２の多相クロックは、上記第２の
領域に上記蓄積画素の１つを定義する一定本数の転送電
極の内の上記第１及び第２の領域の境界に隣接して配置
される１本に印加される第１のクロックと、この第１の
クロックよりもデューティ比が大きく設定され、上記第
２の領域に上記蓄積画素の１つを定義する一定本数の転
送電極の内の上記第１及び第２の領域の境界から離れて
配置される１本に印加される第２のクロックと、を含む
ことにある。

【００１４】これにより、第１の多相クロックの周期と
第２の多相クロックの周期との差に応じて第２の領域の
蓄積画素へ取り込まれない情報電荷が、第１及び第２の
領域の境界部分で、チャネル領域から半導体基板側へ排
出される。このとき、第１及び第２の領域の境界部分に
チャネル長を長く形成した転送電極を配置しているた
め、第１の領域内で情報電荷が排出される部分と、第２
の領域内で情報電荷が蓄積される部分との距離が離され
る。従って、第１の領域から排出される情報電荷が第２
の領域に蓄積されている情報電荷に混入しにくくなる。

【００１５】そして、本発明の固体撮像素子の駆動方法
の特徴とするところは、上記第１の領域に配列される上
記複数の転送電極に一定の周期を有する第１の多相クロ
ックを印加して上記複数の受光画素に蓄積される情報電
荷を１行毎に上記第２の領域側へ転送すると共に、上記
第２の領域に配置される上記複数の転送電極に、上記第
１の多相クロックの周期のｎ倍の周期を有する第２の多
相クロックを印加し、上記第２の多相クロックが、上記
第２の領域に上記蓄積画素の１つを定義する一定本数の
転送電極の内の上記第１及び第２の領域の境界に隣接し
て配置される１本に印加される第１のクロックと、この
第１のクロックよりもデューティ比が大きく設定され、
上記第２の領域に上記蓄積画素の１つを定義する一定本
数の転送電極の内の上記第１及び第２の領域の境界から
離れて配置される１本に印加される第２のクロックと、
を含み、上記第１の領域から転送出力される上記情報電
荷を１行単位で選択して上記第２の領域に取り込んだ
後、上記第２の多相クロックの周期よりも長い周期を有
する第３の多相クロックを印加して上記第２の領域から
上記情報電荷を１行ずつ転送出力することにある。

【００１６】これにより、第１の多相クロックの周期と
第２の多相クロックの周期との比に応じて、第１の領域
の一部の受光画素の情報電荷が選択されて第２の領域の
蓄積画素へ転送される。この転送過程で、一部の受光画
素の情報電荷が排出されるため、画素数が間引かれるこ
とになる。さらに、本発明の固体撮像素子の駆動方法の
特徴とするところは、上記第１の領域に配列される上記
複数の転送電極に一定の周期を有する第１の多相クロッ
クを印加して上記複数の受光画素に蓄積される情報電荷
を１行毎に上記第２の領域側へ転送すると共に、上記第
２の領域に配置される上記複数の転送電極に、上記第１
の多相クロックの周期のｎ倍の周期を有する第２の多相
クロックを印加し、上記第２の多相クロックが、上記第
２の領域に上記蓄積画素の１つを定義する一定本数の転
送電極の内の上記第１及び第２の領域の境界に隣接して
配置される１本に印加される第１のクロックと、この第
１のクロックよりもデューティ比が大きく設定され、上
記第２の領域に上記蓄積画素の１つを定義する一定本数
の転送電極の内の上記第１及び第２の領域の境界から離
れて配置される１本に印加される第２のクロックと、を
含み、上記第１の領域から転送出力される上記情報電荷
を１行単位で選択して上記第２の領域に取り込んだ後、
上記第２の多相クロックの周期よりも長い周期を有する
第３の多相クロックを印加して上記第２の領域から上記
情報電荷を１行ずつ転送出力する第１の動作、及び、上
記第１及び第２の領域に配置される上記複数の転送電極
に上記第３の多相クロックを印加して上記複数の受光画
素に蓄積される情報電荷を１行毎に上記第２の領域を通
して転送する第２の動作、を含み、上記第１の動作を繰
り返し実行して画面単位で連続する第１の画像信号を得
ると共に、所望のタイミングで上記第２の動作を実行し
て単一の静止画面を表示する第２の画像信号を得ること
にある。

【００１７】これにより、第１の動作では、第１の多相
クロックの周期と第２の多相クロックの周期との比に応
じて、第１の領域の一部の受光画素の情報電荷が選択さ
れて第２の領域の蓄積画素へ転送される。そして、第２
の転送動作では、第３の多相クロックに従い、第１の領
域の全ての受光画素の情報電荷が順次第２の領域の蓄積
画素へ転送される。従って、第１の動作により、低解像
度の画面を連続して表示する第１の画像信号を得られ、
第２の撮像動作により、高解像度の画面を表示する第２
の画像信号を得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体撮像素子の
構成を示す断面図である。尚、本発明の固体撮像素子
は、フレーム転送方式であり、図１は、その撮像部と蓄
積部との境界付近を示す。Ｎ型の半導体基板１１の一主
面に、Ｐ型の拡散領域１２が形成され、この拡散領域１
２内に、一方向（図面の水平方向）に延在する複数のチ
ャネル領域が互いに平行に形成される。各チャネル領域
は、情報電荷の転送経路となる領域であり、表面付近に
Ｎ型の埋め込み層１３が形成されて埋め込みチャネル構
造を成している。また、半導体基板１１は、チャネル領
域から漏れ出す情報電荷を吸収するオーバーフロードレ
インとして働くものであり、情報電荷の蓄積期間及び転
送期間にそれぞれ所定の固定電位が印加される。埋め込
み層１３が形成されたチャネル領域上には、絶縁膜１４
を介して、チャネル領域と交差する方向に延在する複数
の転送電極１５が互いに平行に配列される。この転送電
極１５については、１層目の転送電極の間隙部分を２層
目の転送電極で被うようにした２層構造であってもよ
い。これらの転送電極１５は、３相駆動を採用した場
合、３本単位でチャネル領域内に複数の受光画素Ｐ及び
複数の蓄積画素Ｓを定義する。この受光画素Ｐが定義さ
れる領域が撮像部となり、蓄積画素Ｓが定義される領域
が蓄積部となる。また、複数の受光画素Ｐの内の蓄積部
に隣接する１つの受光画素Ｐ'と、複数の蓄積画素Ｓの
内の撮像部に隣接する１つの蓄積画素Ｓ'とを定義する
一部の転送電極１５'は、その他の転送電極１５よりも
電荷転送方向の幅を広く形成し、チャネル長を長くして
いる。

【００１９】撮像部の各転送電極１５、１５'には３相
のフレーム転送クロックφf1〜φf3が印加され、蓄積部
の各転送電極１５、１５'には３相の垂直転送クロック
φv1〜φv3が印加されて、それぞれチャネル領域内のポ
テンシャルの制御が行われる。撮像動作において、フレ
ーム転送クロックφf1、φf3は、各受光画素Ｐの両端に
位置する転送電極１５をオフし、隣り合う受光画素Ｐを
電気的に分離するためのポテンシャル障壁を形成する。
同時に、フレーム転送クロックφf2は、受光画素Ｐの中
央に位置する転送電極１５をオンし、情報電荷を蓄積す
るためのポテンシャル井戸を形成する。また、転送動作
において、フレーム転送クロックφf1〜φf3及び垂直転
送クロックφv1〜φv3は、各転送電極１５のオン／オフ
を高速で繰り返し、ポテンシャル井戸を移動させるよう
にして、ポテンシャル井戸に蓄積される情報電荷を一方
向に転送させる。ここで、垂直転送クロックφv1〜φv3
については、フレーム転送クロックφf1〜φf3に対して
周期を整数倍に設定することにより、情報電荷を撮像部
から蓄積部へ転送する過程で、画素数の間引きを行うこ
とが可能になる。即ち、垂直転送クロックφv1〜φv3の
周期をフレーム転送クロックφf1〜φf3の周期のｎ倍
（ｎ：整数）とすることにより、撮像部から転送出力さ
れる情報電荷が、ｎ画素中、１画素だけ蓄積部へ取り込
まれるようになる。

【００２０】縦型オーバーフロードレイン構造のＣＣＤ
固体撮像素子の場合、半導体基板１１の深さ方向に、図
２に示すようなポテンシャルプロファイルが形成され
る。このポテンシャルプロファイルは、転送電極１５か
ら離れるに従って深くなり、一旦、埋め込み層１３内で
極小値を示すと共に拡散層１２内で極大値を示し、それ
以降は、拡散層１２から半導体基板１１の深部に進むに
従って深くなる。このようなポテンシャルは、半導体基
板１１及び転送電極１５に印加する電位によって制御す
ることができるものであり、電位を高くすればポテンシ
ャルが深く形成され、逆に、低くすればポテンシャルが
浅く形成される。

【００２１】転送電極１５、１５'をオンする、即ち、
転送電極１５、１５'に印加する電位を高くすると、ポ
テンシャルプロファイルは、曲線ａに示すように、埋め
込み層１３（チャネル領域）内で深く形成される。これ
により、埋め込み層１３内の極小値と拡散層１２内の極
大値との差を埋める分だけ、情報電荷の蓄積が可能にな
る。一方、転送電極１５、１５'をオフする、即ち、転
送電極１５、１５'に印加する電位を低くすると、ポテ
ンシャルプロファイルは、曲線ｂに示すように、埋め込
み層１３（チャネル領域）内で浅く形成される。これに
より、拡散領域１２内のポテンシャル障壁が消滅し、チ
ャネル領域に発生する情報電荷は、ポテンシャルの勾配
に沿って半導体基板１１側へ排出される。

【００２２】フレーム転送クロックφf1〜φf3及び垂直
転送クロックφv1〜φv3は、各転送電極１５、１５'を
所定の期間オーバーラップさせながら、順次転送方向に
オンさせる。このとき、連続する転送電極１５、１５'
のオンするタイミングが遅れると、転送過程にある情報
電荷は、半導体基板１１側へ排出されることになる。そ
こで、垂直転送クロックφv1〜φv3の周期を長くして、
蓄積部の転送電極１５'がオンするタイミングを意図的
に遅らせることにより、撮像部から蓄積部への転送過程
で一部の受光画素の情報電荷のみを蓄積画素Ｓに取り込
むようにすることができる。このとき、蓄積画素Ｓに取
り込まれない情報電荷は、撮像部の出力端、即ち、蓄積
部に隣接する受光画素Ｐ'部分で排出される。このた
め、撮像部と蓄積部との境界部分で転送電極１５'のチ
ャネル長を長く形成することにより、半導体基板１１側
へ排出される情報電荷が、蓄積画素Ｓ'内に保持されて
いる情報電荷に混入するの防止している。

【００２３】図３は、本発明に関するフレーム転送方式
のＣＣＤ固体撮像素子の構成を示す模式図である。この
図においては、図面を簡略化するため、受光画素Ｐの配
列を１２行×１６列で示してある。フレーム転送方式の
ＣＣＤ固体撮像素子２０は、撮像部２０ｉ、蓄積部２０
ｓ、水平転送部２０ｈ及び出力部２０ｄより構成され
る。撮像部２０ｉは、垂直方向に連続する互いに平行な
複数のＣＣＤシフトレジスタからなり、これらのシフト
レジスタの各ビットが、それぞれ受光画素Ｐを構成す
る。そして、各シフトレジスタには、フレーム転送クロ
ックが印加される。各受光画素Ｐに蓄積された情報電荷
を転送する際には、フレーム転送クロックφf1〜φf3を
高い周波数でクロッキングし、情報電荷を蓄積部２０ｓ
へ転送（フレーム転送）する。この情報電荷の転送は、
第１の動作においては、図１１に示す固体撮像素子１の
撮像部１ｉと同様に、垂直同期信号ＶＴに同期するタイ
ミングで行われる。これに対して第２の動作において
は、フレーム転送は行われず、図１１に示す固体撮像素
子１の蓄積部１ｓと同様に、水平走査に従う周期で１行
ずつ行われる。

【００２４】蓄積部２０ｓは、撮像部２０ｉのシフトレ
ジスタに連続する複数のＣＣＤシフトレジスタからな
り、これらのシフトレジスタの各ビットが蓄積画素Ｓを
構成する。この蓄積部２０ｓは、光学的に遮光されてお
り、受光画素Ｐから転送出力される情報電荷をそれぞれ
一時的に蓄積する。蓄積部２０ｓの垂直方向の蓄積画素
Ｓの数は、第１の動作におけるフレーム転送クロックφ
f1〜φf3と垂直転送クロックφ1v〜φ3vとの周期の比に
応じて省略されている。本実施の形態においては、垂直
転送クロックφv1〜φv3の周期をフレーム転送クロック
φf1〜φf3の周期の３倍とし、蓄積部２０ｓには撮像部
２０ｉの１／３の数（４行×１６列）の蓄積画素Ｓが配
列される。蓄積部２０ｓのシフトレジスタには、垂直同
期信号ＶＴあるいは水平同期信号ＨＴに同期した垂直転
送クロックφv1〜φv3が印加される。第１の動作では、
転送クロックφf1〜φf3の１／３の周波数で撮像部２０
ｉの受光画素Ｐから情報電荷を取り込み、取り込んだ情
報電荷を水平走査周期で１行ずつ水平転送部２０ｈへ転
送する。第２の動作では、垂直転送クロックφ1v〜φ3v
をフレーム転送クロックφf1〜φf3に一致させて撮像部
２０ｉの各シフトレジスタの延長部分として動作させ、
受光画素Ｐからの情報電荷を水平走査周期で１行ずつ順
次水平転送部２０ｈへ転送する。

【００２５】水平転送部２０ｈは、蓄積部２０ｓの各シ
フトレジスタの出力が各ビットに結合された単一のＣＣ
Ｄシフトレジスタからなり、蓄積部２０ｓの各シフトレ
ジスタから転送出力される情報電荷を各ビットに受け
る。出力部２０ｄは、水平転送部２０ｈの出力側で情報
電荷を受ける容量を含み、水平転送部２０ｈから転送出
力される情報電荷を受けて電荷量に応じた電圧値を出力
する。水平転送部２０ｈ及び出力部２０ｄは、図１１に
示す固体撮像素子１の水平転送部１ｈ及び出力部１ｄと
同一である。即ち、水平同期信号ＨＴに同期した水平転
送クロックφh1、φh2に応答して水平転送部２０ｈ内の
情報電荷を出力部２０ｄへ転送し、出力部２０ｄの容量
に蓄積される情報電荷をリセットクロックφrに応答し
て順次排出するように構成される。そして、出力部２０
ｄの容量の電位の変化が画像信号Ｙ0(t)として出力され
る。

【００２６】ところで、固体撮像素子２０がカラー撮像
に対応する場合、受光部２０ｉにカラーフィルタが装着
されて各受光画素Ｐがそれぞれ特定の色成分に対応付け
られる。例えば、図４に示すように、奇数行にシアン
（Ｃｙ）と黄（Ｙｅ）とが交互に配置され、偶数行に白
（Ｗ）と緑（Ｇ）が交互に配置される。このようなカラ
ーフィルタを撮像部２０ｉに装着した場合、垂直方向の
６画素を１つの単位とし、この内の２画素から互いに異
なる色成分を取り出すようにすることができる。これに
より、転送過程で画素数を間引く第１の動作において
も、全ての受光画素から情報電荷を読み出す第２の動作
と同じように全ての色成分を独立に取り出すことが可能
になる。

【００２７】図５は、本発明の固体撮像素子の駆動方法
を実現する各転送クロックの波形図で、（ａ）は画素数
を間引いて情報電荷を読み出す第１の動作を示し、
（ｂ）は全ての画素の情報電荷を読み出す第２の動作を
示す。本実施の形態においては、第１の動作で画素数を
１／３に間引く場合を例示している。尚、第２の動作に
おける転送クロックの周期は、第１の動作における転送
クロックの周期に対して十分に長いもの（通常は、数百
倍）であり、図５（ｂ）については、同図（ａ）に比べ
て時間軸方向に縮小してある。

【００２８】固体撮像素子は、第１の期間（蓄積期間）
に光電変換によって発生した情報電荷を各受光画素Ｐに
蓄積した後、その情報電荷を第２の期間（転送期間）に
各受光画素Ｐから蓄積画素Ｓを介して転送出力する。蓄
積期間中は、フレーム転送クロックφf1〜φf3の内の１
つ、例えば、フレーム転送クロックφf3がハイレベルに
固定され、その他のフレーム転送クロックφf1、φf2が
ロウレベルに固定される。これにより、光電変換によっ
て発生する情報電荷が、フレーム転送クロックφf3が印
加される転送電極１５の下に蓄積される。この蓄積期間
の動作は、第１の動作と第２の動作とで一致している。

【００２９】転送期間では、第１の動作の場合、フレー
ム転送クロックφf1〜φf3が、それぞれ一定の周期で立
ち上がりと立ち下がりとを交互に繰り返し、互いの位相
差が１／３周期に設定される。このとき、垂直転送クロ
ックφv1〜φv3は、フレーム転送クロックφf1〜φf3の
３倍の周期で立ち上がりと立ち下がりとを繰り返し、互
いの位相差が１／９周期に設定される。さらに、垂直転
送クロックφvは、立ち下がりが２／３周期遅れて設定
され、各垂直転送クロックφv1〜φv3の立ち上がってい
る期間を互いに１／１８周期だけオーバーラップさせる
ようにしている。この第１の動作は、受光画素Ｐから蓄
積画素Ｓに取り込まれた情報電荷を水平走査のタイミン
グに従って１画素ずつ転送出力する転送動作を含む。一
方、第２の動作の場合、フレーム転送クロックφf1〜φ
f3及び垂直転送クロックφv1〜φv3が、互いに一致し
て、それぞれ一定の周期で立ち上がりと立ち下がりとを
交互に繰り返し、互いの位相差が１／３周期に設定され
る。この第２の動作においては、情報電荷が、水平走査
のタイミングに従って撮像部の受光画素Ｐから蓄積部の
蓄積画素Ｓに取り込まれ、連続して、蓄積画素Ｓから１
画素ずつ転送出力される。

【００３０】図６は、第１の動作を説明するポテンシャ
ル図である。この図６は、図５（ａ）に対応し、図１と
同一部分を示している。フレーム転送クロックφf3及び
垂直転送クロックφv3が立ち上がり、転送クロックφf
1、φf2及び垂直転送クロックφv1、φv2が立ち下がっ
ているタイミングＴ０においては、フレーム転送クロッ
クφf3または垂直転送クロックφv3が印加される転送電
極１５の下にポテンシャル井戸が形成される。情報電荷
は、そのポテンシャル井戸に蓄積される。タイミングＴ
１〜Ｔ３では、フレーム転送クロックφf1〜φf3が１／
３周期の時間差で順次反転し、フレーム転送クロックφ
f3が印加される転送電極１５の下に蓄積された情報電荷
が、１画素先の受光画素Ｐまで転送される。同時に、垂
直転送クロックφv1〜φv3が１／９周期の時間差で順次
反転し、垂直転送クロックφv3が印加される転送電極１
５の下に蓄積された情報電荷が、１画素先の蓄積画素Ｓ
まで転送される。

【００３１】タイミングＴ４では、垂直転送クロックφ
v1〜φv3が固定された状態で、フレーム転送クロックφ
f1、φf3が反転し、フレーム転送クロックφｆ3が印加
される転送電極１５の下に蓄積された情報電荷がフレー
ム転送クロックφv1が印加される転送電極１５の下へ転
送される。このとき、蓄積部に隣接する受光画素Ｐ'で
は、フレーム転送クロックφf3が印加される転送電極１
５'の先の垂直転送クロックφv1が印加される転送電極
１５'がオフしたままであるため、その画素の情報電荷
は全て半導体基板１１側へ排出される。このとき、受光
画素Ｐ'に隣接する蓄積画素Ｓ'では、受光画素Ｐ'から
最も離れた位置、即ち、垂直転送クロックφv3が印加さ
れる転送電極１５の下に情報電荷が保持されている。加
えて、フレーム転送クロックφf3が印加される転送電極
１５'の両側の転送電極１５'は、チャネル長を長くして
形成されている。このため、フレーム転送クロックφf3
が印加される転送電極１５'の下のチャネル領域で半導
体基板１１側へ情報電荷が排出されても、その情報電荷
の一部が蓄積電極Ｓ'に保持されている情報電荷へ混入
するのを防止できる。

【００３２】タイミングＴ５、Ｔ６では、タイミングＴ
２、Ｔ３と同様に、フレーム転送クロックφf1〜φf3が
順次反転して、フレーム転送クロックφf1が印加される
転送電極１５の下に蓄積された情報電荷が、フレーム転
送クロックφf3が印加される次の転送電極１５の下まで
転送される。タイミングＴ７では、タイミングＴ４と同
様に、フレーム転送クロックφf1、φf3が反転し、フレ
ーム転送クロックφf3が印加される転送電極１５の下に
蓄積された情報電荷がフレーム転送クロックφf1が印加
される転送電極１５の下へ転送されると同時に、受光画
素Ｐ'で１画素分の情報電荷が半導体基板１１側へ排出
される。タイミングＴ８、Ｔ９における転送動作は、タ
イミングＴ５、Ｔ６における転送動作に一致する。尚、
タイミングＴ５〜Ｔ９までは、タイミングＴ３、Ｔ４と
同様に、垂直転送クロックφv1〜φv3が継続して固定さ
れる。

【００３３】そして、タイミングＴ１０では、タイミン
グＴ１と同様に、フレーム転送クロックφf1、φf3と共
に垂直転送クロックφv1、φv3が反転し、垂直転送クロ
ックφv3または垂直転送クロックφv3が印加される転送
電極１５の下に蓄積された情報電荷が垂直転送クロック
φv1または垂直転送クロックφv1が印加される転送電極
１５の下へ転送される。このタイミングＴ１０において
は、受光画素Ｐ'で情報電荷が半導体基板１１側へは排
出されず、蓄積画素Ｓ'へ転送される。

【００３４】以上のタイミングＴ１〜Ｔ１０までの動作
を繰り返すことにより、２画素分の情報電荷の排出と１
画素分の情報電荷の出力とが繰り返され、複数の受光画
素Ｐに蓄積される情報電荷の内の１／３が蓄積画素Ｓに
取り込まれる。一旦蓄積画素Ｓに取り込まれた情報電荷
については、垂直転送クロックφv1〜φv3が、水平走査
周期に従って立ち上がりと立ち下がりとを繰り返すこと
により、１画素単位で転送出力される。

【００３５】図７は、第２の動作を説明するポテンシャ
ル図である。この図７は、図５（ｂ）に対応し、図１と
同一部分を示している。タイミングＴ０においては、フ
レーム転送クロックφf3及び垂直転送クロックφv3が立
ち上がり、フレーム転送クロックφf1、φf2及び垂直転
送クロックφv1、φv2が立ち下がって、フレーム転送ク
ロックφf3及び垂直転送クロックφv3が印加される転送
電極１５の下にポテンシャル井戸が形成され、そのポテ
ンシャル井戸に情報電荷が蓄積される。

【００３６】タイミングＴ１〜Ｔ３では、フレーム転送
クロックφf1〜φf3及び垂直転送クロックφv1〜φv3が
順次反転する。このタイミングＴ１〜Ｔ３における転送
動作は、図６に示す第１の動作のタイミングＴ１〜Ｔ３
の動作に一致する。但し、その動作周期については、水
平走査周期に一致して設定されており、第１の動作より
も十分（最大で９００倍程度）に長い周期である。

【００３７】以上のタイミングＴ１〜Ｔ３までの動作を
繰り返すことにより、複数の受光画素Ｐに蓄積される情
報電荷が、蓄積画素Ｓを介して、水平走査周期に従うタ
イミングで、１画素ずつ転送出力される。ところで、第
２の動作の場合、転送期間中、情報電荷のほとんどが光
電変換が継続される受光画素Ｐ内に保持される。そこ
で、各受光画素Ｐを被うようにシャッタ機構を設け、転
送期間中は、そのシャッタ機構を閉じて各受光画素Ｐに
光を入射させないようにしてスミア電荷の発生を防止す
る必要がある。

【００３８】図８は、図１に示す固体撮像素子２０を用
いて動画及び静止画を表す画像信号を得られるようにし
た電子スチルカメラの構成を示すブロック図であり、図
９は、その動作を説明するタイミング図である。ＣＣＤ
固体撮像素子２０は、図１に示すものであり、撮像部２
０ｉに対して行数が１／３に省略された蓄積部２０ｓを
有し、駆動回路２１から供給される各種クロックによっ
て駆動され、画像信号Ｙ0(t)を出力する。

【００３９】シャッタ機構３０は、周知のレンズ機構を
通して固体撮像素子２０の撮像部２０ｉに被写体画像が
投射される光路上に配置され、必要に応じて撮像部２０
ｉを遮光する。このシャッタ機構３０は、光の透過の制
御が可能なものであればよく、液晶パネルや遮光板等を
用いて構成することができる。シャッタ駆動回路２１
は、後述するタイミング制御回路２２から供給されるシ
ャッタ制御信号ＳＴに基づいて駆動クロックφdを発生
し、シャッタ機構３０を開閉駆動する。例えば、シャッ
タ制御信号ＳＴが立ち上げられている間はシャッタ機構
３０を開放し、立ち下げられている間はシャッタ機構３
０を閉じるように構成される。

【００４０】駆動回路２１は、固体撮像素子２０の各シ
フトレジスタに対して転送クロックφf、垂直転送クロ
ックφv及び水平転送クロックφhを供給し、固体撮像素
子２０の複数の受光画素Ｐに蓄積される情報電荷を所定
の順序で転送出力させる。即ち、一定の電荷蓄積期間を
経て撮像部２０ｉの各受光画素Ｐに蓄積される情報電荷
を１画素毎に所定の順序で転送出力し、１ライン単位で
連続する画像信号Ｙ0(t)を得られるようにしている。固
体撮像素子２０における情報電荷の転送動作は、図６に
示す第１の動作または図７に示す第２の動作に従う。

【００４１】タイミング制御回路２２は、第１の動作に
より固体撮像素子２０を連続動作させて動画を表示する
第１の画像信号Ｙ0(t)を得られるようにし、第２の動作
により固体撮像素子を１回だけ動作させて静止画を表示
する第２の画像信号ｙ0(t)を得られるようにする。同時
に、固体撮像素子２０の撮像部２０ｉを遮光するシャッ
タ機構３０を駆動するシャッタ駆動回路３１に対して、
第１の動作でシャッタ機構３０を開放し、第２の動作で
一定の期間シャッタ機構３０を開放した後に閉じて固体
撮像素子２０の撮像部２０ｉを遮光するように指示を与
える。

【００４２】第１の動作においては、一定周期の基準ク
ロックに基づいて水平同期信号ＨＴ及び垂直走査信号Ｖ
Ｔを生成して駆動回路２１に供給し、駆動回路２１を周
期的に動作させる。これにより、固体撮像素子２０は、
撮像部２０ｉの各受光画素Ｐで撮像を繰り返し、蓄積部
２０ｓへの転送過程で行数を１／３に間引いて、第１の
画像信号Ｙ0(t)を出力する。このとき、シャッタ制御信
号ＳＴは、立ち上げられたままであり、シャッタ駆動回
路３１は、シャッタ機構３０を開放状態を維持する。
尚、第１の動作の間は、画像信号Ｙ0(t)を規格化するタ
イミング信号ＰＣが同時に生成され、信号処理回路２３
へ供給される。第１の動作が繰り返されているときに、
画像確定指示ＤＩが入力されると、その時点で第１の動
作は終了し、第２の動作に移る。第２の動作では、先ず
シャッタ制御信号ＳＴが立ち下げられて一旦シャッタ機
構３０が閉じられ、固体撮像素子２０の撮像部２０ｉが
遮光される。この状態でフレーム転送動作を行い撮像部
２０ｉの各受光画素に蓄積されている情報電荷を排出さ
せる。この排出動作は、シャッタ機構３０を閉じた後に
第１の動作を１回だけ実行すればよい。不要な電荷の排
出動作が完了した後、シャッタ制御信号ＳＴを所定の期
間だけ立ち上げ、シャッタ機構３０を開放して固体撮像
素子２０の各受光画素Ｐに情報電荷を蓄積させる。この
シャッタ機構３０の開放時間は、被写体輝度に合わせて
設定するようにし、各受光画素Ｐに蓄積される情報電荷
の量の平均が所定の範囲に納まるようにする。ここで、
最適なシャッタ開放時間は、第１の動作で得られる第１
の画像信号Ｙ0(t)の平均レベルに基づいて設定するこ
と、被写体の輝度を直接測定して設定することなどが考
えられる。第２の動作においては、固体撮像素子２０が
フレーム転送動作を伴わない代わりに、シャッタ機構３
０による撮像部２０ｉの遮光が必要になる。シャッタ機
構３０によって遮光された撮像部２０ｉでは、蓄積部２
０ｓより多くの行数の受光画素に蓄積された情報電荷が
１行単位で読み出されることになる。これにより、固体
撮像素子２０は、撮像部２０ｉの受光画素Ｐの全てに対
応する画素を表示する第２の画像信号ｙ0(t)を出力す
る。

【００４３】信号処理回路２３は、固体撮像素子２０か
ら出力される第１の画像信号Ｙ0(t)を取り込み、タイミ
ング信号ＰＣに従い、サンプルホールド、レベル補正等
の各種の処理を施し、所定のフォーマットに従う画像信
号Ｙ1(t)として表示器２４へ供給する。この信号処理回
路２３は、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器を含み、第１
の画像信号Ｙ0(t)をデジタルデータとして信号処理を施
し、所定の信号処理が完了した後にアナログ値の画像信
号Ｙ1(t)に戻して表示器２４へ供給するように構成され
る。信号処理回路２３は、タイミング制御回路２２が画
像確定指示ＤＩを受けるまでの間、第１の動作と共に上
述の信号処理を繰り返す。画像確定指示ＤＩを受けた後
には、固体撮像素子２０の全ての受光画素Ｐからの情報
電荷を表す第２の画像信号ｙ0(t)に対応するデジタル画
像データＤ(n)を静止画出力として外部へ供給する。こ
のとき、表示器２４に対しても、静止画出力に対応し、
画素数が間引かれた画像信号Ｙ1(t)を供給する。表示器
２４は、ＬＣＤパネル等からなり、信号処理回路２３か
ら供給される画像信号Ｙ1(t)に従う固体撮像素子２０が
撮らえた画像を連続して表示する。

【００４４】このように、第１の動作と第２の動作とで
固体撮像素子２０の実質的な受光画素の数を変更するよ
うにしたことで、低解像度の動画を表示する画像信号を
得る第１の動作では、信号処理回路２３の信号処理を簡
略化することができる。以上の実施の形態においては、
画素数を１／３に間引く場合を例示したが、画素数の間
引きは、１／２または１／４以下であってもよい。ま
た、各転送クロックについては、３相に限らず、４相以
上でもよい。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、固体撮像素子の撮像部
から蓄積部への転送過程で、特定の画素についてのみ情
報電荷を読み出すようにして画素数の間引きを行うこと
ができる。画素を間引くために排出する情報電荷は、チ
ャンネル長が長く形成された転送電極部分で基板側へ排
出されるため、蓄積画素に保持される情報電荷に排出電
荷の一部が混入するのを防止することができる。従っ
て、画像信号の処理を簡略化することができると共に、
画像信号の劣化を防止することができ、回路規模の縮小
と共にコストの低減が望める。また、蓄積部の縮小によ
り固体撮像素子のチップサイズを小さくすることができ
るため、固体撮像素子自体の製造コストの低減も可能で
ある。

【００４６】さらに、固体撮像素子の実質的な画素数を
切り換えて、低解像度の動画を表示する第１の画像信号
と高解像度の静止画を表示する第２の画像信号とをそれ
ぞれ得ることができる。高解像度の静止画像をコンピュ
ータ機器の取り込むことが可能な低コストの電子スチル
カメラを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像素子の撮像部の構造を示す断
面図である。

【図２】本発明の固体撮像素子のポテンシャルの状態を
示すプロファイル図である。

【図３】本発明の固体撮像素子の概略を示す平面図であ
る。

【図４】モザイク型のカラーフィルタの構成例を示す平
面図である。

【図５】本発明の固体撮像素子の駆動方法を実現する転
送クロックの波形図である。

【図６】本発明の駆動方法の第１の動作を説明するポテ
ンシャル図である。

【図７】本発明の駆動方法の第２の動作を説明するポテ
ンシャル図である。

【図８】本発明を採用した電子スチルカメラの構成を示
すブロック図である。

【図９】図８に示す電子スチルカメラの動作を説明する
タイミング図である。

【図１０】従来の電子スチルカメラの構成を示すブロッ
ク図である。

【図１１】従来のフレーム転送方式の固体撮像素子の概
略を示す平面図である。

【図１２】フレーム転送方式の固体撮像素子の動作を説
明するタイミング図である。

【符号の説明】

１、２０ ＣＣＤ固体撮像素子 １ｉ、２０ｉ 撮像部 １ｓ、２０ｓ 蓄積部 １ｈ、２０ｈ 水平転送部 １ｄ、２０ｄ 出力部 ２、２１ ＣＣＤ駆動回路 ３、２２ タイミング制御回路 ４、２３ 信号処理回路 ５、２４ 表示器 １１ 半導体基板 １２ 拡散領域 １３ 埋め込み層 １４ 絶縁膜 １５、１５' 転送電極 ３０ シャッタ機構 ３１ シャッタ駆動回路

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一導電型の半導体基板の一主面に逆導電
   型の半導体領域が形成され、この半導体領域内に列方向
   に延在する複数のチャネル領域が形成されると共に、上
   記半導体領域上に行方向に延在する複数の転送電極が形
   成され、上記複数の転送電極が、一定本数毎に上記チャ
   ネル領域内の第１の領域に複数の受光画素を連続的に定
   義し、一定本数毎に上記第１の領域に隣接する第２の領
   域に複数の蓄積画素を連続的に定義する固体撮像素子で
   あって、上記第１の領域に定義される上記受光画素の数
   に対して上記第２の領域に定義される上記蓄積画素の数
   を１／ｎ（ｎ：整数）とし、上記複数の転送電極の内、
   上記第１の領域と上記第２の領域との境界部分を挟んで
   配置される少なくとも２本が、チャネル長を他のチャネ
   ル長よりも長くして形成され、かつ、上記第１の領域に
   配置される上記複数の転送電極に対して一定の周期を有
   する第１の多相クロックが印加されると共に、上記第２
   の領域に配置される上記複数の転送電極に対して上記第
   １の多相クロックの周期のｎ倍の周期を有する第２の多
   相クロックが印加され、上記第２の多相クロックは、上
   記第２の領域に上記蓄積画素の１つを定義する一定本数
   の転送電極の内の上記第１及び第２の領域の境界に隣接
   して配置される１本に印加される第１のクロックと、こ
   の第１のクロックよりもデューティ比が大きく設定さ
   れ、上記第２の領域に上記蓄積画素の１つを定義する一
   定本数の転送電極の内の上記第１及び第２の領域の境界
   から離れて配置される１本に印加される第２のクロック
   と、を含むことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 一導電型の半導体基板の一主面に逆導電
   型の半導体領域が形成され、この半導体領域内に列方向
   に延在する複数のチャネル領域が形成されると共に、上
   記半導体領域上に行方向に延在する複数の転送電極が形
   成され、上記複数の転送電極が、一定本数毎に上記チャ
   ネル領域内の第１の領域に受光画素を定義すると共に、
   一定本数毎に上記第１の領域に隣接する第２の領域に蓄
   積画素を定義し、前記第２の領域の上記蓄積画素の数が
   上記第１の領域の上記受光画素の数に対して１／ｎ
   （ｎ：整数）に定義される固体撮像素子の駆動方法にお
   いて、上記第１の領域に配列される上記複数の転送電極
   に一定の周期を有する第１の多相クロックを印加して上
   記複数の受光画素に蓄積される情報電荷を１行毎に上記
   第２の領域側へ転送すると共に、上記第２の領域に配置
   される上記複数の転送電極に、上記第１の多相クロック
   の周期のｎ倍の周期を有する第２の多相クロックを印加
   し、上記第２の多相クロックが、上記第２の領域に上記
   蓄積画素の１つを定義する一定本数の転送電極の内の上
   記第１及び第２の領域の境界に隣接して配置される１本
   に印加される第１のクロックと、この第１のクロックよ
   りもデューティ比が大きく設定され、上記第２の領域に
   上記蓄積画素の１つを定義する一定本数の転送電極の内
   の上記第１及び第２の領域の境界から離れて配置される
   １本に印加される第２のクロックと、を含み、上記第１
   の領域から転送出力される上記情報電荷を１行単位で選
   択して上記第２の領域に取り込んだ後、上記第２の多相
   クロックの周期よりも長い周期を有する第３の多相クロ
   ックを印加して上記第２の領域から上記情報電荷を１行
   ずつ転送出力することを特徴とする固体撮像素子の駆動
   方法。
3. 【請求項３】 一導電型の半導体基板の一主面に逆導電
   型の半導体領域が形成され、この半導体領域内に列方向
   に延在する複数のチャネル領域が形成されると共に、上
   記半導体領域上に行方向に延在する複数の転送電極が形
   成され、上記複数の転送電極が、一定本数毎に上記チャ
   ネル領域内の第１の領域に受光画素を定義すると共に、
   一定本数毎に上記第１の領域に隣接する第２の領域に蓄
   積画素を定義し、前記第２の領域の上記蓄積画素の数が
   上記第１の領域の上記受光画素の数に対して１／ｎ
   （ｎ：整数）に定義される固体撮像素子の駆動方法にお
   いて、上記第１の領域に配列される上記複数の転送電極
   に一定の周期を有する第１の多相クロックを印加して上
   記複数の受光画素に蓄積される情報電荷を１行毎に上記
   第２の領域側へ転送すると共に、上記第２の領域に配置
   される上記複数の転送電極に、上記第１の多相クロック
   の周期のｎ倍の周期を有する第２の多相クロックを印加
   し、上記第２の多相クロックが、上記第２の領域に上記
   蓄積画素の１つを定義する一定本数の転送電極の内の上
   記第１及び第２の領域の境界に隣接して配置される１本
   に印加される第１のクロックと、この第１のクロックよ
   りもデューティ比が大きく設定され、上記第２の領域に
   上記蓄積画素の１つを定義する一定本数の転送電極の内
   の上記第１及び第２の領域の境界から離れて配置される
   １本に印加される第２のクロックと、を含み、上記第１
   の領域から転送出力される上記情報電荷を１行単位で選
   択して上記第２の領域に取り込んだ後、上記第２の多相
   クロックの周期よりも長い周期を有する第３の多相クロ
   ックを印加して上記第２の領域から上記情報電荷を１行
   ずつ転送出力する第１の動作、及び、上記第１及び第２
   の領域に配置される上記複数の転送電極に上記第３の多
   相クロックを印加して上記複数の受光画素に蓄積される
   情報電荷を１行毎に上記第２の領域を通して転送する第
   ２の動作、を含み、上記第１の動作を繰り返し実行して
   画面単位で連続する第１の画像信号を得ると共に、所望
   のタイミングで上記第２の動作を実行して単一の静止画
   面を表示する第２の画像信号を得ることを特徴とする固
   体撮像素子の駆動方法。