JP3715781B2 - Imaging device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、CCDの製造技術の向上からCCD画素の高画素化が進んでいる。ここにおいて、有効エリア内の特定エリアのみを読み出す方式を採用するものが多く製品化されるようになってきており、ビデオムービーカメラやデジタルスチルカメラでは、手振れ防止機構、電子ズーム機構、液晶ディスプレイへのファインダ表示などを成立させるのにこのような方式が用いられている。また、オートフォーカス、オートアイリス等のためにも部分読み出しが行われており、用途に応じて様々な部分読み出しのための駆動方式が用いられている。デジタルスチルカメラでは、高画素高品位の通常モード以外に連写性を重視し、画素数の少ない連写モードのために部分読み出しを使うことも行われている。
【0003】
以下に、デジタルスチルカメラにおける上述の部分読み出しの一例について説明する。
【0004】
図10は一般的に用いられているインターライン型CCDの構成を示す図である。同図中、10は光電変換のためのPD(ホトダイオード)、11はPD10の信号電荷を転送するためのVCCD(垂直CCD)で、通常4相駆動構成となっている。12はVCCD11から転送されてきた1ラインごとの信号電荷を転送するHCCD(水平CCD)、13はHCCD12から転送されてきた1画素ごとの信号電荷を電圧信号とするための出力アンプである。
【0005】
この種のセンサでは、通常、各PD10に蓄積された各信号電荷は隣接するVCCD11に読み出されて、すぐに上下2画素の信号電荷が加算され、その後に加算された2ラインを1ラインとして順次HCCD12を介して読み出される。同図中に示すように、フィ−ルド読み出し毎に加算されるラインは前後する(フィールド読み出し)。また、加算しないで全画素が読み出されることもある(全画素フレーム読み出し)が、この場合は、まず奇数ラインの全画素が読み出され、その後に偶数ラインの全画素が読み出される。
【0006】
次にCCDの出力部について説明する。
【0007】
図11は撮像素子である上記CCDの出力部の構成を示す図である。同図中、101は2相駆動水平CCDの第2相の最終段の転送ゲートであり、このゲートのHigh、Lowによって信号電荷は次段の出力ゲート102(通常センサ内部で一定電位にされている)を介してフローティングディフュージョン103に転送される。このフローティングディフュージョンゲートに転送された信号電荷は、そのフローティングディフュージョンゲート電位に応じて出力アンプ106により電圧として出力される。出力アンプ106は、通常、ソースフォロワで構成されている。
【0008】
104はリセットゲートで、フローティングディフュージョン103に信号電荷を蓄えるときの壁として機能したり、リセットドレイン105にフローティングディフュージョン103内の信号電荷を掃き捨てるためにHigh、Lowとなる。
【0009】
図12,図13は上述の各部の動きと出力信号の関係を示す図であり、図12は図11の各部のポテンシャルプロフィール、図13は水平転送CCDの第2相ゲートに加えられるパルス(ΦH2)とリセットゲートパルス(ΦR)と出力電圧(Vccdout)のタイミングチャートをそれぞれ示している。
【0010】
これらの図からわかるように、各画素の信号電荷の読み出し(ts)前に必ずフローティングディフュージョンゲートが無信号電荷時の出力が読み出される(tr)。以下、図のtrの期間をリセット期間、tfの期間をフィールドスルー期間、この時の出力信号レベルをフィールドスルーレベル、tsの期間を画像信号期間、この時の出力信号レベルを画像信号レベルと呼ぶ。
【0011】
ここで注意を要するのは、CCDの読み出し周波数に関してであるが、通常、CCDの読み出し周波数の上限はアンプの性能で制限されている。図12,図13に示すような出力は、CCDの外部で相関二重サンプリング(CDS)された上でアンプされる。このため、出力波形のフィールドスルーレベルと画像信号レベルが安定に出力されている期間は充分なければならない。
【0012】
また、水平駆動パルス、リセットパルスの立ち上がり、立ち下がり時の揺れ分の影響も避けなければならない。更に、出力アンプの周波数特性の制約もある。これらの制約のために現行のCCDの読み出し周波数は10MHz前後となっている。ただし、HCCDの画像を扱う上で必要な転送効率の確保できる周波数での駆動はこれよりも高く、数倍の周波数での駆動が可能である。
【0013】
次に、960×600画素のセンサで中央の640×480画素の領域のみを取り出す場合の例を図14を用いて説明する。この画素サイズのセンサでは、フィールド読み出しでもフレーム読み出しでも1フィールドの読み出しライン数は300ラインとなる(フィールド読み出しでは加算された2ラインが1ラインとなり、全画素読み出しでは間引かれた偶数か奇数のみのラインとなる)。
【0014】
通常はこの場合、PDの信号電荷をVCCDに読み出した(t1)直後(フィールド読み出しの場合は直ちに2画素の加算がなされるが、その直後)高速にVCCDを高速に駆動して30ライン分の電荷をHCCDを介してドレインにはき捨てる(t2)。ビデオカメラであれば垂直ブランキング期間内にこの動作が行われる。
【0015】
そして、この時の駆動パルスの周波数は正常な転送効率を保つ必要があることから300KHzから400KHz程度とされている。また垂直転送電極は容量が大きくなり、この程度の駆動速度しか出せないのである。
【0016】
また、ドレインはHCCDに水平に設けられる場合もあり、HCCDの後段に設けられる場合もあり、更に出力アンプ部に構成されるドレインでもって代用されることもある。したがって、図ではt2の期間にHCCDの転送パルスが駆動しているように示されているが、これをとめたままにする方法もとられている。そして、その直後にHCCD内に残るはき残り電荷を読み出すためのHCCDの高速転送(通常数十MHz)が行われる(t3)。
【0017】
また、30ラインの垂直高速転送とHCCDのクリア動作の後は、水平同期信号に基づいて、240ラインが順次1ライン毎に読み出される(t4)。したがって、ビデオカメラの場合、HCCDは960画素であれば16MHz位で駆動されることになる。そして、1ライン中の情報はメモリをバッファとして中央の640画素がビデオ信号に合わせて読み出される。240ラインの読み出し後,残りの30ライン分が高速に吐き出される(t5)。この時の動作も前段の30ラインと同様完全に転送すべく300KHzから400KHzの駆動速度でVブランキング期間内に行われる。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来例における部分読み出し方式にあっては、次のような問題点があった。
【0019】
(1)不要となる前段と後段のラインは全画素はき捨てされるが、信号が読み出されるラインにおいては、必要としない両横の画素を含む全画素の信号電荷を読み出さなければならない。したがって、水平読み出しの速度の制限でもって水平画素数がきまってしまう。現行では、水平読み出しの速度は十数MHzであり、したがって1000画素程度が上限となる。また、不要電荷読み出しのロスタイムを補うために外部メモリをバッファとすることになる。
【0020】
(2)上記(1)の制約はビデオカメラに関してであるが、例えばデジタルスチルカメラあるいはPC(パーソナルコンピュータ)用カメラにおいては、速度の制約はビデオカメラに比べて自由度はあるというものの、部分画像取り込みにおける高速度化のニーズは存在する。したがって、従来例における不要画素部の読み出し時間はこのような用途においても高速部分読み出しの高速化の障害となる。
【0021】
(3)さらに、従来のビデオレートに拘束された垂直・水平ブランキングは、高速に画像を読み出すことが必要な用途のあるデジタルスチルカメラでは、無駄な時間であった。また、静止画を取り込むデジタルスチルカメラでは、シャッタを押してから、画像を読み出すまでの時間を短くする要求があり、測光動作としてもフレームレートを上げた読み出しが求められる。
【0022】
本発明は、上記のような問題点に対処するためになされたもので、高画素センサの高速部分読み出しを可能とし、読み出し時間の短縮とフレームレートの向上を実現した撮像装置を提供することを目的としている。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る撮像装置は、次のように構成したものである。
【0025】
(1)各々が光電変換素子を有する垂直方向及び水平方向に二次元配列された複数の画素と、前記複数の画素からの信号を垂直方向に転送する複数の垂直シフトレジスタと、前記複数の垂直シフトレジスタからの信号を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備え、前記水平シフトレジスタは、前記複数の垂直シフトレジスタから有効画素の信号が転送される第一の領域と、有効画素の信号が転送されない第二の領域を有する撮像装置であって、前記水平シフトレジスタから前記第二の領域に転送された信号を出力するための水平電荷転送クロックが出力されている期間は、前記複数の垂直シフトレジスタの前記複数の画素からの信号を垂直方向に転送するための垂直電荷転送クロックが出力されている期間と重複しており、前記第一の領域は、前記第二の領域に挟まれており、前記水平シフトレジスタ内を所定の行の信号が転送している期間内であって、前記第一の領域に信号が存在せず前記第二の領域に信号が存在している期間内に、前記所定の行の有効画素の信号と次の行の信号とが混合しないように、次の行の信号を前記水平シフトレジスタに転送するようにした。
【0026】
(2)各々が光電変換素子を有する垂直方向及び水平方向に二次元配列された複数の画素と、前記複数の画素からの信号を垂直方向に転送する複数の垂直シフトレジスタと、前記複数の垂直シフトレジスタからの信号を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備え、
前記複数の垂直シフトレジスタは、有効画素から信号が転送される第三の領域と有効画素以外の画素から信号が転送される第四の領域で構成された第一の領域と、有効画素の信号が転送されない第二の領域を有し、且つ、前記第一の領域は、前記第二の領域に挟まれている撮像装置であって、
前記水平シフトレジスタから前記第四の領域に転送された信号を出力するための水平電荷転送クロックが出力されている期間は、前記複数の画素からの信号電荷の排出を行うパルスが出力されている期間と重複しており、
前記第一の領域に信号が存在せず、前記第二の領域に信号が存在している期間内に、次のフレームの信号を前記垂直シフトレジスタに転送するようにした。
【0072】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施例について図1〜図9を用いて説明する。
【0073】
図1は本発明に係る撮像素子(CCD)の構成を示す図である。同図において、1は光電変換素子であるPD(ホトダイオード)、2はPD1の信号電荷を転送するための複数の垂直シフトレジスタであるVCCD(垂直CCD)で、通常4相駆動構成となっている。そして、これらのPD1とVCCD2で構成される有効エリアは、従来例のセンサと同様である。
【0074】
3は上記有効エリアに蓄積された画像信号電荷を1ラインごとに転送する水平シフトレジスタであるHCCD(水平CCD)、4はHCCD3から転送されてきた1画素ごとの信号電荷を電圧信号とするための出力アンプ(出力手段)であり、これらも従来例と異なるところはない。
【0075】
本センサが従来例と異なるのは、VCCD2からの1ライン分の信号電荷をHCCD3へ転送するまでの間に一旦蓄積しておくバッファストレージセル(BSセル)5と、このバッファストレージセル5とHCCD3の間のトランスファゲート(TG)6が設けられたことにある。
【0076】
なお、上記HCCD3はVCCD2の片端に構成され、VCCD2の信号電荷を1行あるいはn(正の整数)行の信号電荷として転送する。
【0077】
図2、図3、及び図6、図7は本センサの部分読み出し動作を説明するための駆動タイミングを示す図である。図2は1フィールド中の動作を示し、図3はそのうちの高速垂直電荷はき捨て動作中のタイミング、また図6は有効ライン部の読み出しタイミング、図7は有効ライン読み出しモード時のBSとTGのタイミングをそれぞれ示している。
【0078】
図4、図5及び図8はそれぞれに対応するVCCD2の最終部からBSセル、TGを通ってHCCD3へ至るところの断面構成と、それぞれの部分の各動作を説明するためのポテンシャル図であり、図4、図5は図3に相当する高速垂直電荷はき捨て動作時のポテンシャルプロフィールを示し、図8は図6の有効ライン部の読み出し時のポテンシャルプロフィールを示している。
【0079】
また、図9は有効ライン部の読み出し時の不要画素はき捨て時間短縮の方法を説明するための概念図である。ここでは、デジタルスチルカメラに使用される場合の本センサの部分読み出しについて説明する。なおここでは、1280×960画素のセンサで中央の640×480画素のみを読み出す。
【0080】
デジタルカメラの場合、ビデオ信号フォーマットの制約はなく、最短時間での取り込みが要求されるだけである。まず、PDからVCCDへの信号電荷の読み出しが行われ、従来と同様に前段の120ラインのはき捨てが行われる(図2のTvc及び図3〜図5参照)。この動作の最短動作時間は、垂直転送部の最大転送速度によることは従来例での説明で述べたところである。また、VCCD、HCCDの転送は従来例と同様である。
【0081】
BS及びTGは、図3に示す(1)か(2)の何れかの方法がとられる。
【0082】
(1)では、BSはV1と同相、TGはV2と同相とされる(TGはBSと同相にしても良い)。
【0083】
(2)では、BSとTGは中間的なポテンシャルとなるような適当なDCバイアスが加えられる。このとき、図示のようにBSとTGは適度なポテンシャルの差が設けられる。
【0084】
120ラインのはき出し終了時には、121ライン目の信号電荷がBS下に蓄積された状態となるようにされる。そして、122ライン目の信号電荷はVCCDの最終段のV1、V2電極下まで送られる。
【0085】
次に、120ラインのはき出し終了後の必要なラインの読み出しについて説明する(図2のTr) 。
【0086】
120ラインの高速V転送終了後、HCCD内の不要電荷(高速はき捨て時に生じた捨て残り電荷)を捨てるべく、HCCDは1280段以上の転送パルスが加えられる(Thc)。その動作が終了した(ここまでを前段高速垂直電荷はき捨てモードとする)後、TGゲートが開く(つまりTGゲート電極がLowからHighに変化する)と同時に、BS電極をHighからLowとすることでBS電極下の121ライン目の電荷がTG電極下を通過してHCCDに蓄積される。
【0087】
上記HCCDへの電荷転送が終了すると、TGゲートが閉じられ(つまりTGゲート電極がHighからLowに変化する)、BS電極もHighに戻される(図6のTt、図7参照)。このとき図7に示すように、TGに対してBSがやや遅れるタイミング望ましい。
【0088】
そしてBS、TGの動作終了後、HCCDは通常読み出しよりも高いクロック周波数(画像を劣化させない水平転送効率の上限の周波数に近付けられる)で320段の転送を行う(仮に30MHzで駆動したとしてもこの動作は10μS程度で終了する)。
【0089】
このとき、リセットゲートは開かれたままとされるので、転送された電荷は直ちにリセットドレインに排出される。したがって、出力アンプからの出力レベルはリセットレベルを中心に水平転送クロックに同期して揺れることとなる。ここでリセットゲートを開きっぱなしとするのは、高速電荷クリアと消費電力の節減を目的とするためである。
【0090】
そして、この期間にVCCDの各第1、2電極下にある各ラインの信号電荷はそれぞれ次段の第1、2電極下へ転送される。この時間は垂直転送電極の面積が広いことから容量が高いために、数μSから10数μSを要することとなる。この転送によってVCCDの最終段の第1、2電極下の122ライン目の信号電荷は、BS電極下に転送されて蓄積される(図6のTc)。
【0091】
通常、このように垂直転送電極を駆動するとCCD出力アンプ及びCCD外部のアナログ信号処理系に大きなノイズが乗ってしまう。このため、このような転送は通常ビデオでは水平ブランキング期間内に行う。本実施例の固体撮像装置では、ノイズが問題とならない不要電荷読み出し期間にこれを同時に行うことができる。このことが可能となることで、部分読み出し時の時間読み出し時間を短縮することができる。そして、これを可能としているのが、本実施例のBS電極とTG電極で構成されるバッファストレージラインである。
【0092】
次に、上記水平前段の320画素の電荷が捨てられると、その後第121ライン目の中央の有効画素の640画素の読み出しが通常の読み出しタイミングで行われる(図6のTo)。そして、有効画素最後の640ライン目が出力された直後にTGが開口されて、第122ラインの全画素の電荷が下段のHCCDに転送され、TGのゲートは再び閉じられる(図6のTt2)。これらの動作は、BS、TG電極とも極めて容量の低いことから高速な駆動が可能であり、数10nsもあれば充分である。
【0093】
上記の動作完了後に、BSゲート下のウエルは空のウエルとなっている。ここで、HCCDの前段の320段には121ライン目の後段320画素分の信号電荷と122ライン目の前段320画素が加算されることとなる。しかし、これはともにはき捨てられるべき信号電荷であるので、この時点で加算されることに問題はない(図9概念図参照)。
【0094】
ここで、上記した従来構造のセンサの場合は、BSゲート下からのHCCDへの転送よりも時間はかかるが、VCCDの最終段から直接HCCDに転送されることとなる。そして、同様に掃き捨てられるべき前ラインの後段不要画素電荷とそれに続く次ラインの前段不要電荷が加算されることとなる。
【0095】
図9のHCCD内のAは121ライン不要電荷及び122ライン不要電荷であり(太斜線)、Bは122ライン有効電荷、Cは122ライン不要電荷である。また、図の斜線部分は不要電荷、網部分は有効電荷、空白部分は空電荷をそれぞれ示している。
【0096】
上記の加算後、すぐに通常の転送速度より速い速度で先と同様に320段の電荷排出がなされ、それと同時にVCCDの転送が行われ、この動作により123ライン目の全信号電荷がバッファストレージメモリに蓄積される(図6のTc2)。
【0097】
ここで、加算直後と述べたが、加算動作中(BSゲートからHCCDへの転送動作、あるいはVCCDの最終段階からHCCDへの転送動作中)にHCCDが駆動していてもかまわない。不要電荷であることから加算のための規則がないからである。この場合、HCCDの最大電荷蓄積容量の大きさによっては、加算動作中のHCCD駆動速度を通常の読み出し速度よりも遅く動かした方が良い場合がある。これは、加算により電荷が飽和容量をこえて隣接するセルに流れ込むことがありうることから、これを対策するためである。なお、このような問題の対策として、HCCDに沿ってドレイン(H ドレイン)を設けてもよい。ただし、この場合、HCCDとHドレインの間のバリアを適切な高さにしておく必要が生じする。したがって、バリアの高さを調整できるようにゲート構造としておくほうがよりよい。このとき、HCCDの駆動速度によりバリアの高さを適切になるような電圧がゲートに加えられる。また、有効電荷の読み出し時と加算された不要電荷読み出し時でも適正なバリア値が異なることから、それぞれの駆動時にバリアゲートの電圧を変えることも行われる。
【0098】
以下同様にして、中央の240ライン(全画素フレーム読み出しでは未加算の片フィールド分の240ライン、フィールド読み出しでは480ラインが前後に加算されて240ライン)が順次読み出される。
【0099】
このような動作を行うことで、不要電荷のはき捨てのためのクロック数は、本来不要画素をすべて順次捨てる場合の半分のクロック数となり、時間も半減される。
【0100】
上述の240ラインの有効画素を含むラインの電荷読み出しが終了すると、残りの120ライン分の高速垂直電荷は吐き出しが行われて、1フィールドの読み出しが完了する。その後も同様の読み出し方法で全画素読み出し、あるいはフィールド読み出しが繰り返される。
【0101】
このように、本実施例のエリアセンサをもって以上のような動作を行うことにより、極めて高速に部分読み出しの画像が得られる。また、高画素デジタルカメラを用いたビデオタイミング読み出しも可能となる。
【0102】
なお、BSウエルの電荷蓄積容量は、VCCDの転送飽和よりも大きくしておく必要がある。例えば、BSウエルの電荷蓄積容量をVCCDの転送飽和の倍以上としておけば、BSウエルでの信号電荷の加算が可能となる。
【0103】
さて以上の動作においてTGの電位をDCとして適切な電位に固定する手段もとられる。そのような場合にはTG電極に適切な電圧値を与えるか、あるいはイオン注入により適切なポテンシャルが作り込まれる。
【0104】
ここで、本実施例ではあたかもHCCDの段数とイメージエリアの水平画素数が同一であるとして説明したが、現実には読み出しアンプ部までの転送のためにHCCDの段数のほうが多くなる。また、オプチカルブラック領域も存在する。しかし、ここでは本発明の趣旨を明確にするべくそれらはなきものとして説明したが、実際のセンサの設計と駆動タイミングの設計はこれらをも考慮すべきことは言うまでもない。
【0105】
(第2の実施例)
次に、本発明の第2の実施例について説明する。
【0106】
固体撮像素子は、図10の構成を用い、同図の10は光電変換のためのPD(ホトダイオード)、11はPD10の信号電荷を転送するためのVCCDで通常4相駆動構成とされる。12は有効エリアで蓄積された画像信号電荷を1ラインごとに転送するHCCD(水平CCD)、13はHCCD12から転送されてきた1画素ごとの信号電荷を電圧信号とするための出力アンプである。
【0107】
本実施例の固体撮像素子の全画素数、有効撮像領域および無効撮像領域は、第1の実施例と同じであるものとする。また、画素の信号電荷を排出する方法として、基板方向への一括掃き捨てのできる固体撮像素子であるものとする。
【0108】
図15は1フィールド中の動作を示すもので、第Nフィールドと第N−1フィールドの始めの部分について示している。図16は、有効撮像領域の上側と下側の無効撮像領域を重ね読みする動作を説明するもので、図15におけるt10,t11およびt12のタイミングの時の固体撮像素子の垂直電荷転送素子の状態を示している。同図中の200が、有効撮像領域、201が、上側の無効撮像領域、202が、下側の無効撮像領域となっている。t10は、第Nフィールドの電荷読み出しパルスが加わった直後を示し、図16の(1)に示すように、画素から信号電荷が垂直電荷転送素子に読み出された状態となっている。1ライン目から120ライン目までには、第N−1フィールドに画素から読み出された電荷が残っている。Tvcc期間に第1の実施例のTvca期間と同じクロックで、1ライン目から120ライン目までが高速に掃き捨て転送される。次に、Thc期間に、水平電荷転送素子内に残る不要電荷を掃き出す。
【0109】
Tr期間は、121ライン目から360ライン目までの読み出し動作を示した期間で、有効撮像領域の信号電荷を出力アンプから読み出すとともに、有効撮像領域の右側と左側の無効撮像領域を重ね読みしている。重ね読みの方法は、第1の実施例とほぼ同じであるので、異なる部分のみ説明する。
【0110】
図17は、Tr期間の第n−1ライン目と第nライン目の間の水平ブランキング期間周辺を示している。Tn−1期間は、第n−1ライン目の有効撮像領域の信号電荷を読み出す期間で、Tn−1期間終了後も第n−1ライン目の右側の無効撮像領域は、水平電荷転送素子内に残っている。ただし、第1の実施例では、図9を用いて説明したように、水平電荷転送素子内に残っている右側の無効撮像領域の電荷は、第nライン目の有効撮像領域の信号電荷と重ならないように、すべて、出力アンプ側に転送されている。Thd期間は、垂直電荷転送素子から水平電荷転送素子に信号電荷を転送する期間で、この時、第n−1ライン目の右側の無効撮像領域の電荷と第nライン目の左側の無効撮像領域の電荷が加算される。Tv4期間は、垂直電荷転送素子の転送電極のうち、水平電荷転送素子と接する転送電極に加わる垂直電荷転送クロックV4で、垂直電荷転送クロックV4がHighの時のみ、垂直電荷転送素子から水平電荷転送素子へ電荷が転送される。Tml期間は、垂直電荷転送クロックV4が、Lowになり、垂直電荷転送素子からの転送が終了した後、水平電荷転送素子内への電荷の転送が完全に終了するまでのマージン期間となっている。Tnc期間は、加算された第n−1ライン目の右側の無効撮像領域の電荷と第nライン目の左側の無効撮像領域の電荷を重ね読みする期間となっている。そして、Tn期間の第nライン目の有効撮像領域の信号電荷を読み出す期間につながっていく。これを繰り返すことで、水平方向の無効撮像領域の重ね読みが行われる。
【0111】
ここで、従来のビデオ用固体撮像装置においては、垂直電荷転送クロックV1,V2,V3およびV4、および、画素の信号電荷を排出するパルスVsubを、水平電荷転送クロックH1およびH2が定電圧の状態の時に加えるものが一般的であるが、本実施例においては、一部がTnc期間にまたがって加わっている。Tsub期間は、画素の信号電荷を排出するパルスVsubが加わっている期間で、垂直電荷転送クロックと同様に、出力アンプから出力される信号にノイズを発生させる。Tnc期間は、水平方向の無効撮像領域の重ね読みをしているため画像信号として利用しない期間であるので、このような動作をしても、画像信号に影響することなく、読み出し時間の短縮が可能となる。また、Tm2期間は、Tsub期間終了からTn期間の開始までの期間で、画素の信号電荷を排出するパルスVsubが、画像信号に影響しないように設けてあるマージン期間である。
【0112】
t11は、360ライン目までの読み出し動作が終了した直後を示し、図16の(2)に示すように、固体撮像素子の垂直電荷転送素子には、上側の無効撮像領域にあった電荷のみが残っている。さらに、上側の無効撮像領域にあった電荷は、すべて、有効撮像領域より下側に転送されていることを示している。
【0113】
t12は、第N+1フィールドの電荷読み出しパルスが加わった直後を示し、図16の(3)に示すように、画素から信号電荷が垂直電荷転送素子に読み出された状態となっている。1ライン目から120ライン目までには、第Nフィールドに画素から読み出された電荷が残っているが、有効撮像領域は、重ね読みされない信号電荷のみとなっているので、撮像上問題はない。
【0114】
このような動作を繰り返すことで、有効撮像領域を高速に読み出すことができる。
【0115】
以下に、本発明の補足説明をする。
【0116】
(1)本発明では、VCCDを4相駆動CCDとし、HCCDを2相駆動としたが、これ以外の方式のCCDにも適用可能なことは言うまでもない。また、フレームトランスファ型CCD等にも適用することができる。
【0117】
(2)この発明の応用例として、VCCDとHCCDの間にゲートのみを設けるセンサも考えられる。この場合は、VCCD最終段のV3、V4ゲートがBSセルの役割を果たす。図1ではV4を最後とするのでこのようになるが、例えば最後段がV2として構成されるときはV1、V2ゲートがBSセルの役割を果たす。
【0118】
また、VCCDが3相駆動であっても同様の考えが適用され、この場合もVCCDとHCCDの間のゲートに接するVCCDの最終段の転送電荷を蓄積できるウエルを形成するときの電極下がこれをなす。しかしながらこの方法では、電荷転送を確実にするためにはVCCDの転送電極を動かす必要が生じる。このため、上述の実施例よりもHCCDへの電荷移送時間が多少長くなるが、従来例よりもかなり読み出し時間の短縮をすることができる。
【0119】
(3)高画素固体撮像装置の高速化のために複数の水平レジスタをもつ撮像素子があるが、このような撮像素子にも本発明の構造と駆動方法を採用ことができる。
【0120】
(4)本発明の実施例では不要画素と有効画素の比を1/4(1/2×1/2)としたが、この比のみに適用されるわけではない。また、必ずしも有効画素部を中央とする必要もない。
【0121】
要は不要画素読み出し時間を重ねあわせることで時間を短縮することが重要である。ただし、読み出す場所、サイズにより時間短縮の効果に差がでてくる。
【0122】
(5)読み出し場所を変えたり、有効画素の比を1/4(1/2×1/2)以上にすると、VCCDの駆動を不要電荷はき捨て時間に入れ込めないことが生じる。この場合、有効画素の読み出しはVCCDの転送終了まで待つ手段が用いられる。あるいは有効画素読み出し中にVCCDの転送がかかるようにしたままで、後でノイズの乗った部分を補正、あるいはブランキングすることも行われる。
【0123】
(6)BS、TG電極は、アルミ電極等導伝性の高い材料を使うほど本発明の効果は高くなる。
【0124】
(7)本発明は、電荷転送素子を用いた固体撮像装置に限らず、シフトレジスタを用いたMOS型固体撮像装置や、X−Yアドレス型固体撮像装置でも応用可能である。
【0125】
(8)本発明において、有効撮像領域は、画像情報として利用するためだけではなく、測光情報用として利用してもよい。この場合、有効撮像領域はさらに小さくなるので、フレームレートはさらに高くなる。
【0126】
(9)本発明において、上側の無効撮像領域にあった電荷が、すべて、有効撮像領域より下側に転送されるように、t11とN+1フィールドの読み出しパルスとの間に、Tvcc期間で用いた掃き出しクロックあるいは垂直電荷転送クロックと同じクロックによる所定数のライン掃き出しを行っても良い。
【0127】
(10)本発明において、t11とN+1フィールドの読み出しパルスとの間に信号電荷の重ね合わせによる電荷のあふれに対するマージンとして、Tvcc期間で用いた掃き出しクロックあるいは垂直電荷転送クロックと同じクロックによる所定数のライン掃き出しを行っても良い。
【0128】
(11)本発明の水平電荷転送素子内において、第n−1ライン目の右側の無効撮像領域にあった電荷が、次に転送されてくる第nライン目の有効撮像領域の電荷より左側に転送されるように、Tn−1とThdとの間に、水平電荷転送クロックによる所定数の電荷掃き出しを行っても良い。
【0129】
(12)本発明の水平電荷転送素子内において、第n−1ライン目の右側の無効撮像領域にあった電荷と次に転送されてくる第nライン目の左側の無効撮像領域にあった電荷の重ね合わせによる電荷のあふれに対するマージンとして、Tn−1とThdとの間に、水平電荷転送クロックによる所定数の電荷掃き出しを行っても良い。
【0130】
本発明の無効にするとは、本実施例1と2では水平シフトレジスタにおいて、バッファストレージ素子から転送される前行と次行の無効電荷同士を加算してシフトさせ、それらを廃棄することに対応している。そしてこれによって、高速読み出しを可能としている。
【0132】
【発明の効果】
本発明によれば、高画素センサの高速部分読み出しが可能になるので、読み出し時間の短縮とフレームレートの向上を実現した撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る撮像素子の構成図
【図2】 第1の実施例のCCDの駆動タイミング図
【図3】 第1の実施例のCCDの駆動タイミング図
【図4】 第1の実施例のCCDの駆動ポテンシャルフィールを示す図
【図5】 第1の実施例のCCDの駆動ポテンシャルフィールを示す図
【図6】 第1の実施例のCCDの駆動タイミング図
【図7】 第1の実施例のCCDの駆動タイミング図
【図8】 第1の実施例のCCDの駆動ポテンシャルフィールを示す図
【図9】 読み出し時間の短縮を行う場合を示す説明図
【図10】 従来例を示す構成図
【図11】 CCDの出力部の構成を示す図
【図12】 CCDの出力部の動作を示す説明図
【図13】 CCDの動作を示すタイミングチャート
【図14】 従来のCCDの駆動タイミング図
【図15】 第2の実施例のCCDの駆動タイミング図
【図16】 読み出し時間の短縮を示す図
【図17】 第2の実施例のCCDの駆動タイミング図
【符号の説明】
1 PD(光電変換素子)
2 VCCD(垂直シフトレジスタ)
3 HCCD(水平シフトレジスタ)
4 出力アンプ(出力手段)
5 バッファストレージセル
6 トランスファゲート
200 有効撮像領域
201 上側の無効撮像領域
202 下側の無効撮像領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention Imaging device It is about.
[0002]
[Prior art]
In recent years, CCD pixels have been increased in height due to improvements in CCD manufacturing technology. Here, many products adopting a method of reading only a specific area within an effective area have been commercialized. For video movie cameras and digital still cameras, a camera shake prevention mechanism, an electronic zoom mechanism, and a liquid crystal display are being used. Such a method is used to establish a finder display. Further, partial reading is also performed for auto focus, auto iris, and the like, and various driving methods for partial reading are used depending on applications. In the digital still camera, continuous shooting is emphasized in addition to the normal mode of high pixel and high quality, and partial reading is also used for the continuous shooting mode with a small number of pixels.
[0003]
Hereinafter, an example of the partial reading described above in the digital still camera will be described.
[0004]
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a commonly used interline CCD. In the figure, reference numeral 10 is a PD (photodiode) for photoelectric conversion, and 11 is a VCCD (vertical CCD) for transferring signal charges of the PD 10, which normally has a four-phase drive configuration. Reference numeral 12 denotes an HCCD (horizontal CCD) for transferring signal charges for each line transferred from the VCCD 11, and 13 denotes an output amplifier for using the signal charges for each pixel transferred from the HCCD 12 as voltage signals.
[0005]
In this type of sensor, each signal charge accumulated in each PD 10 is normally read out to the adjacent VCCD 11 and the signal charges of the upper and lower two pixels are immediately added, and then the added two lines are regarded as one line. The data are sequentially read out through the HCCD 12. As shown in the figure, the lines added each time the field is read back and forth (field reading). In addition, all pixels may be read out without adding (reading out all pixel frames). In this case, all pixels on the odd lines are read first, and then all pixels on the even lines are read.
[0006]
Next, the output part of the CCD will be described.
[0007]
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the output section of the CCD which is an image sensor. In the figure, reference numeral 101 denotes a transfer gate in the final stage of the second phase of the two-phase drive horizontal CCD, and the signal charge is set to a constant potential in the next stage output gate 102 (normally inside the sensor) by the high and low gates. Are transferred to the floating diffusion 103. The signal charge transferred to the floating diffusion gate is output as a voltage by the output amplifier 106 in accordance with the floating diffusion gate potential. The output amplifier 106 is usually composed of a source follower.
[0008]
A reset gate 104 functions as a wall when signal charges are stored in the floating diffusion 103, and becomes High and Low in order to sweep the signal charges in the floating diffusion 103 into the reset drain 105.
[0009]
12 and 13 are diagrams showing the relationship between the movements of the above-described parts and the output signal. FIG. 12 is a potential profile of each part of FIG. 11, and FIG. 13 is a pulse (ΦH2) applied to the second phase gate of the horizontal transfer CCD. ), Reset gate pulse (ΦR), and output voltage (Vccdout).
[0010]
As can be seen from these figures, before the signal charge of each pixel is read (ts), the output of the floating diffusion gate when there is no signal charge is always read (tr). In the following, the tr period in the figure is called the reset period, the tf period is called the field through period, the output signal level at this time is called the field through level, the ts period is called the image signal period, and the output signal level at this time is called the image signal level. .
[0011]
What should be noted here is related to the readout frequency of the CCD, but usually the upper limit of the readout frequency of the CCD is limited by the performance of the amplifier. Outputs as shown in FIGS. 12 and 13 are amplified after being correlated double sampled (CDS) outside the CCD. For this reason, the period during which the field through level and the image signal level of the output waveform are stably output must be sufficient.
[0012]
In addition, the influence of the shaking at the rise and fall of the horizontal drive pulse and reset pulse must be avoided. Furthermore, there is a restriction on the frequency characteristics of the output amplifier. Due to these restrictions, the readout frequency of the current CCD is around 10 MHz. However, driving at a frequency that can secure transfer efficiency necessary for handling an HCCD image is higher than this, and driving at several times the frequency is possible.
[0013]
Next, an example in which only a central 640 × 480 pixel area is extracted with a 960 × 600 pixel sensor will be described with reference to FIG. With this pixel size sensor, the number of readout lines in one field is 300 lines for both field readout and frame readout (in the field readout, two lines added are one line, and in all pixel readout, only even or odd numbers are thinned out) Line).
[0014]
Normally, in this case, immediately after the PD signal charge is read out to the VCCD (t1) (in the case of field reading, 2 pixels are added immediately, but immediately after that), the VCCD is driven at high speed for 30 lines. The charge is thrown away to the drain via the HCCD (t2). In the case of a video camera, this operation is performed within the vertical blanking period.
[0015]
The frequency of the drive pulse at this time is set to about 300 KHz to 400 KHz because it is necessary to maintain normal transfer efficiency. In addition, the vertical transfer electrode has a large capacity, and can only produce such a driving speed.
[0016]
Further, the drain may be provided horizontally in the HCCD, may be provided in the subsequent stage of the HCCD, and may be substituted by a drain configured in the output amplifier unit. Therefore, in the figure, it is shown that the transfer pulse of the HCCD is driven during the period t2, but there is a method in which this is stopped. Immediately thereafter, high-speed transfer (usually several tens of MHz) of the HCCD for reading the remaining charge remaining in the HCCD is performed (t3).
[0017]
Further, after 30 lines of vertical high-speed transfer and HCCD clearing operation, 240 lines are sequentially read out line by line based on the horizontal synchronization signal (t4). Therefore, in the case of a video camera, if the HCCD is 960 pixels, it is driven at about 16 MHz. The information in one line is read out in accordance with the video signal at the center 640 pixels using the memory as a buffer. After 240 lines are read, the remaining 30 lines are discharged at high speed (t5). The operation at this time is also performed within the V blanking period at a driving speed of 300 KHz to 400 KHz in order to transfer completely like the previous 30 lines.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
However, the partial reading method in the conventional example as described above has the following problems.
[0019]
(1) Although all pixels are discarded in the unnecessary front and rear lines, the signal charges of all the pixels including the pixels on both sides that are not necessary must be read in the line from which the signal is read out. Accordingly, the number of horizontal pixels is determined by the limitation of the horizontal reading speed. At present, the horizontal readout speed is several tens of MHz, and therefore the upper limit is about 1000 pixels. In addition, an external memory is used as a buffer in order to compensate for the loss time of unnecessary charge reading.
[0020]
(2) Although the restriction (1) above relates to a video camera, for example, in a digital still camera or a PC (personal computer) camera, the speed restriction has a degree of freedom compared to a video camera, but a partial image. There is a need for higher speeds in uptake. Therefore, the reading time of the unnecessary pixel portion in the conventional example becomes an obstacle to speeding up the high-speed partial reading even in such an application.
[0021]
(3) Further, the conventional vertical / horizontal blanking constrained to the video rate is a wasteful time in a digital still camera having a use that requires reading an image at high speed. In addition, in a digital still camera that captures a still image, there is a need to shorten the time from when the shutter is pressed until the image is read out, and reading with an increased frame rate is also required as a photometric operation.
[0022]
The present invention was made to address the above problems, Provide an imaging device that enables high-speed partial readout of a high-pixel sensor, shortens readout time, and improves frame rate The purpose is that.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention Imaging device Is configured as follows.
[0025]
(1) A plurality of pixels two-dimensionally arranged in the vertical direction and the horizontal direction, each having a photoelectric conversion element, a plurality of vertical shift registers that transfer signals from the plurality of pixels in the vertical direction, and the plurality of vertical A horizontal shift register for transferring a signal from the shift register in a horizontal direction, wherein the horizontal shift register includes a first area to which a signal of an effective pixel is transferred from the plurality of vertical shift registers, and a signal of the effective pixel An imaging device having a second area that is not transferred, During a period in which a horizontal charge transfer clock for outputting a signal transferred from the horizontal shift register to the second region is output, signals from the plurality of pixels of the plurality of vertical shift registers are vertically It overlaps with the period when the vertical charge transfer clock for transferring is output, The first area is sandwiched between the second areas and is within a period during which a signal of a predetermined row is transferred in the horizontal shift register, and there is no signal in the first area. First, the signal of the next row is sent to the horizontal shift register so that the signal of the effective pixel of the predetermined row and the signal of the next row are not mixed within the period in which the signal exists in the second region. I forwarded it.
[0026]
(2) A plurality of pixels two-dimensionally arranged in a vertical direction and a horizontal direction, each having a photoelectric conversion element, a plurality of vertical shift registers that transfer signals from the plurality of pixels in the vertical direction, and the plurality of vertical A horizontal shift register that horizontally transfers a signal from the shift register;
Said plural The vertical shift register Consists of a third region where signals are transferred from effective pixels and a fourth region where signals are transferred from pixels other than effective pixels There is a first area and a second area where the effective pixel signal is not transferred. And the first region is sandwiched between the second regions. An imaging device comprising:
During a period in which a horizontal charge transfer clock for outputting a signal transferred from the horizontal shift register to the fourth area is output, a pulse for discharging signal charges from the plurality of pixels is output. Overlaps with period,
A signal of the next frame is transferred to the vertical shift register within a period in which no signal exists in the first area and a signal exists in the second area.
[0072]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0073]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an image sensor (CCD) according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a PD (photodiode) which is a photoelectric conversion element, and 2 denotes a VCCD (vertical CCD) which is a plurality of vertical shift registers for transferring the signal charge of the PD1, and usually has a four-phase drive configuration. . And the effective area comprised by these PD1 and VCCD2 is the same as that of the sensor of a prior art example.
[0074]
HCCD (horizontal CCD) 3 is a horizontal shift register for transferring the image signal charges accumulated in the effective area for each line, and 4 is a voltage signal for the signal charge for each pixel transferred from the HCCD 3. These output amplifiers (output means) are not different from the conventional example.
[0075]
This sensor differs from the conventional example in that a buffer storage cell (BS cell) 5 that temporarily stores signal charges for one line from the VCCD 2 before being transferred to the HCCD 3, and the buffer storage cell 5 and the HCCD 3 The transfer gate (TG) 6 is provided.
[0076]
The HCCD 3 is configured at one end of the VCCD 2 and transfers the signal charge of the VCCD 2 as one row or n (positive integer) row of signal charges.
[0077]
2, FIG. 3, FIG. 6, and FIG. 7 are diagrams showing drive timings for explaining the partial readout operation of this sensor. 2 shows the operation in one field, FIG. 3 shows the timing during the high-speed vertical charge discarding operation, FIG. 6 shows the reading timing of the effective line section, and FIG. 7 shows the BS and TG in the effective line reading mode. The timing of each is shown.
[0078]
4, 5, and 8 are cross-sectional configurations from the last part of the corresponding VCCD 2 to the HCCD 3 through the BS cell and TG, and potential diagrams for explaining each operation of each part. 4 and 5 show a potential profile at the time of high-speed vertical charge discarding operation corresponding to FIG. 3, and FIG. 8 shows a potential profile at the time of reading of the effective line portion of FIG.
[0079]
FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining a method of reducing unnecessary pixel discarding time at the time of reading the effective line portion. Here, partial reading of this sensor when used in a digital still camera will be described. Here, only the central 640 × 480 pixels are read out by a sensor of 1280 × 960 pixels.
[0080]
In the case of a digital camera, there is no restriction on the video signal format, and only capturing in the shortest time is required. First, signal charges are read from the PD to the VCCD, and the previous 120 lines are discarded as in the prior art (see Tvc in FIG. 2 and FIGS. 3 to 5). The shortest operation time of this operation depends on the maximum transfer rate of the vertical transfer unit as described in the description of the conventional example. The transfer of VCCD and HCCD is the same as in the conventional example.
[0081]
For BS and TG, either method (1) or (2) shown in FIG. 3 is used.
[0082]
In (1), BS is in phase with V1, and TG is in phase with V2 (TG may be in phase with BS).
[0083]
In (2), an appropriate DC bias is applied so that BS and TG have an intermediate potential. At this time, as shown in the figure, an appropriate potential difference is provided between BS and TG.
[0084]
At the end of the 120th line ejection, the signal charge of the 121st line is accumulated under the BS. The signal charge on the 122nd line is sent to the bottom of the V1 and V2 electrodes of the VCCD.
[0085]
Next, a description will be given of reading of necessary lines after completion of 120 lines (Tr in FIG. 2).
[0086]
After the 120-line high-speed V transfer is completed, a transfer pulse of 1280 stages or more is applied to the HCCD to throw away unnecessary charges in the HCCD (remaining charges generated at the time of high-speed discard) (Thc). After the operation is finished (the previous high-speed vertical charge discarding mode is set), the TG gate opens (that is, the TG gate electrode changes from Low to High), and at the same time, the BS electrode is changed from High to Low. Thus, the charge on the 121st line under the BS electrode passes under the TG electrode and is accumulated in the HCCD.
[0087]
When the charge transfer to the HCCD is completed, the TG gate is closed (that is, the TG gate electrode changes from High to Low), and the BS electrode is also returned to High (see Tt in FIG. 6 and FIG. 7). At this time, as shown in FIG. 7, it is desirable that the BS is slightly delayed with respect to TG.
[0088]
After the BS and TG operations are completed, the HCCD performs 320 stages of transfer at a clock frequency higher than that of normal reading (closer to the upper limit of the horizontal transfer efficiency that does not deteriorate the image) (even if it is driven at 30 MHz) The operation is completed in about 10 μS).
[0089]
At this time, since the reset gate is kept open, the transferred charge is immediately discharged to the reset drain. Therefore, the output level from the output amplifier fluctuates in synchronization with the horizontal transfer clock with the reset level as the center. Here, the reset gate is left open for the purpose of clearing high-speed charges and reducing power consumption.
[0090]
During this period, the signal charges on each line under the first and second electrodes of the VCCD are transferred to the lower first and second electrodes, respectively. This time requires several μS to several tens μS because the capacity of the vertical transfer electrode is large and the capacity is high. By this transfer, the signal charges on the 122nd line below the first and second electrodes in the final stage of the VCCD are transferred and stored under the BS electrode (Tc in FIG. 6).
[0091]
Normally, when the vertical transfer electrode is driven in this way, a large noise is added to the CCD output amplifier and the analog signal processing system outside the CCD. For this reason, such transfer is performed within a horizontal blanking period in normal video. In the solid-state imaging device according to the present embodiment, this can be performed simultaneously during an unnecessary charge reading period in which noise is not a problem. By making this possible, the time reading time for partial reading can be shortened. What makes this possible is the buffer storage line composed of the BS electrode and the TG electrode of this embodiment.
[0092]
Next, when the charge of 320 pixels in the previous horizontal stage is discarded, 640 pixels of the effective pixel at the center of the 121st line are read out at a normal reading timing (To in FIG. 6). Then, immediately after the last 640th line of the effective pixels is output, the TG is opened, the charges of all the pixels on the 122nd line are transferred to the lower HCCD, and the gate of the TG is closed again (Tt2 in FIG. 6). . These operations can be driven at a high speed because both the BS and TG electrodes have extremely low capacity, and it is sufficient to have several tens of ns.
[0093]
After the above operation is completed, the well under the BS gate is an empty well. Here, the signal charge for the 320th pixel of the 121st line and the 320th pixel of the previous stage of the 122th line are added to the 320th stage of the HCCD. However, since both are signal charges to be discarded, there is no problem in adding them at this point (see the conceptual diagram in FIG. 9).
[0094]
Here, in the case of the above-described conventional sensor, it takes more time than the transfer from the BS gate to the HCCD, but the transfer is directly performed from the last stage of the VCCD to the HCCD. Similarly, the subsequent-stage unnecessary pixel charges on the previous line to be swept away and the subsequent-stage unnecessary charges on the next line are added.
[0095]
In FIG. 9, A is 121 line unnecessary charge and 122 line unnecessary charge (thick hatched line), B is 122 line effective charge, and C is 122 line unnecessary charge. In the figure, shaded portions indicate unnecessary charges, net portions indicate effective charges, and blank portions indicate empty charges.
[0096]
Immediately after the above addition, 320 stages of charges are discharged at a speed higher than the normal transfer speed, and at the same time, the VCCD is transferred. By this operation, all signal charges on the 123rd line are transferred to the buffer storage memory. (Tc2 in FIG. 6).
[0097]
Although described immediately after the addition, the HCCD may be driven during the addition operation (transfer operation from the BS gate to the HCCD or transfer operation from the final stage of the VCCD to the HCCD). This is because there is no rule for addition because it is an unnecessary charge. In this case, depending on the size of the maximum charge storage capacity of the HCCD, it may be better to move the HCCD driving speed during the addition operation slower than the normal reading speed. This is to take measures against this because the charge may flow into the adjacent cell beyond the saturation capacity due to the addition. As a countermeasure for such a problem, a drain (H 2 drain) may be provided along the HCCD. In this case, however, the barrier between the HCCD and the H drain needs to be set to an appropriate height. Therefore, it is better to use a gate structure so that the height of the barrier can be adjusted. At this time, a voltage is applied to the gate so that the barrier height is appropriate depending on the driving speed of the HCCD. In addition, since the appropriate barrier value is different when reading the effective charge and when reading the added unnecessary charge, the voltage of the barrier gate is also changed during each drive.
[0098]
In the same manner, the central 240 lines (240 lines for one non-added field in all pixel frame reading, and 480 lines added in the front and back in field reading are 240 lines) are sequentially read out.
[0099]
By performing such an operation, the number of clocks for discarding unnecessary charges becomes half the number of clocks when all unnecessary pixels are sequentially discarded, and the time is also halved.
[0100]
When the charge readout of the lines including the effective pixels of the 240 lines is completed, the high-speed vertical charges for the remaining 120 lines are discharged and the readout of one field is completed. Thereafter, all pixel readout or field readout is repeated by the same readout method.
[0101]
As described above, by performing the above-described operation using the area sensor of this embodiment, a partial readout image can be obtained at extremely high speed. Also, video timing readout using a high pixel digital camera is possible.
[0102]
The charge storage capacity of the BS well needs to be larger than the transfer saturation of the VCCD. For example, if the charge storage capacity of the BS well is set to be not less than twice the transfer saturation of VCCD, signal charges can be added in the BS well.
[0103]
In the above operation, means for fixing the potential of TG to an appropriate potential as DC is used. In such a case, an appropriate voltage value is applied to the TG electrode, or an appropriate potential is created by ion implantation.
[0104]
In the present embodiment, the number of HCCD stages and the number of horizontal pixels in the image area are assumed to be the same. However, in reality, the number of HCCD stages is larger for transfer to the read amplifier unit. There is also an optical black region. However, although the description has been made here without clarifying the gist of the present invention, it goes without saying that the actual sensor design and drive timing design should also be considered.
[0105]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0106]
The solid-state imaging device uses the configuration shown in FIG. 10, in which 10 is a PD (photodiode) for photoelectric conversion, and 11 is a VCCD for transferring signal charges of the PD 10, and normally has a 4-phase drive configuration. Reference numeral 12 denotes an HCCD (horizontal CCD) that transfers image signal charges accumulated in the effective area for each line. Reference numeral 13 denotes an output amplifier that uses the signal charges for each pixel transferred from the HCCD 12 as voltage signals.
[0107]
It is assumed that the total number of pixels, the effective imaging area, and the invalid imaging area of the solid-state imaging device of the present embodiment are the same as those in the first embodiment. Further, as a method for discharging the signal charge of the pixel, it is assumed that the image pickup device is a solid-state imaging device that can be swept away in the substrate direction.
[0108]
FIG. 15 shows the operation in one field, and shows the first part of the Nth field and the (N-1) th field. FIG. 16 illustrates the operation of over-reading the invalid imaging areas above and below the effective imaging area. The state of the vertical charge transfer element of the solid-state imaging element at the timings t10, t11, and t12 in FIG. Is shown. In the figure, reference numeral 200 denotes an effective imaging area, 201 denotes an upper invalid imaging area, and 202 denotes a lower invalid imaging area. t10 indicates a state immediately after the charge read pulse of the Nth field is applied. As shown in (1) of FIG. 16, the signal charge is read from the pixel to the vertical charge transfer element. From the first line to the 120th line, the charges read from the pixels remain in the (N-1) th field. During the Tvcc period, the same clock as the Tvca period of the first embodiment is used to sweep and transfer the first line to the 120th line at high speed. Next, unnecessary charges remaining in the horizontal charge transfer element are swept out during the Thc period.
[0109]
The Tr period is a period in which the readout operation from the 121st line to the 360th line is shown, and the signal charge in the effective imaging area is read from the output amplifier, and the invalid imaging areas on the right side and the left side of the effective imaging area are overwritten. Yes. Since the overreading method is almost the same as that of the first embodiment, only different portions will be described.
[0110]
FIG. 17 shows the vicinity of the horizontal blanking period between the (n−1) th line and the nth line in the Tr period. The Tn−1 period is a period for reading the signal charge in the effective imaging region of the n−1th line, and the invalid imaging region on the right side of the n−1th line remains in the horizontal charge transfer element even after the end of the Tn−1 period. To remain. However, in the first embodiment, as described with reference to FIG. 9, the charge in the invalid imaging area on the right side remaining in the horizontal charge transfer element overlaps with the signal charge in the effective imaging area on the nth line. All are transferred to the output amplifier side so that it does not become. The Thd period is a period in which signal charges are transferred from the vertical charge transfer element to the horizontal charge transfer element. At this time, the charge in the invalid imaging area on the right side of the (n-1) th line and the invalid imaging area on the left side of the nth line. Are added. The Tv4 period is the vertical charge transfer clock V4 applied to the transfer electrode in contact with the horizontal charge transfer element among the transfer electrodes of the vertical charge transfer element, and the horizontal charge transfer from the vertical charge transfer element only when the vertical charge transfer clock V4 is High. Charge is transferred to the element. The Tml period is a margin period from when the vertical charge transfer clock V4 becomes Low and transfer from the vertical charge transfer element is completed to when charge transfer into the horizontal charge transfer element is completely completed. . The Tnc period is a period in which the added charge in the invalid imaging area on the right side of the (n−1) th line and the charge in the invalid imaging area on the left side of the nth line are overwritten. This leads to a period for reading out signal charges in the effective imaging region of the nth line in the Tn period. By repeating this, overwriting of the invalid imaging region in the horizontal direction is performed.
[0111]
Here, in the conventional video solid-state imaging device, the vertical charge transfer clocks V1, V2, V3 and V4 and the pulse Vsub for discharging the signal charge of the pixel are in a state where the horizontal charge transfer clocks H1 and H2 are at a constant voltage. In general, in this embodiment, a part is added over the Tnc period. The Tsub period is a period in which a pulse Vsub for discharging the signal charge of the pixel is applied, and noise is generated in the signal output from the output amplifier, similarly to the vertical charge transfer clock. The Tnc period is a period that is not used as an image signal because the invalid imaging area in the horizontal direction is over-read, so that even if such an operation is performed, the readout time can be shortened without affecting the image signal. It becomes possible. The Tm2 period is a period from the end of the Tsub period to the start of the Tn period, and is a margin period provided so that the pulse Vsub for discharging the signal charge of the pixel does not affect the image signal.
[0112]
t11 indicates immediately after the end of the reading operation up to the 360th line. As shown in (2) of FIG. 16, the vertical charge transfer element of the solid-state imaging device has only the charge in the invalid imaging area on the upper side. Remaining. Further, it is indicated that all the charges in the upper invalid imaging area are transferred below the effective imaging area.
[0113]
t12 indicates a state immediately after the charge read pulse of the (N + 1) th field is applied, and as shown in (3) of FIG. 16, the signal charge is read from the pixel to the vertical charge transfer element. From the first line to the 120th line, the charges read from the pixels remain in the Nth field, but since the effective imaging area is only the signal charges that are not over-read, there is no problem in imaging. .
[0114]
By repeating such an operation, the effective imaging area can be read at high speed.
[0115]
The following is a supplementary explanation of the present invention.
[0116]
(1) In the present invention, the VCCD is a four-phase drive CCD and the HCCD is a two-phase drive. However, it goes without saying that the present invention can be applied to other types of CCDs. It can also be applied to a frame transfer type CCD or the like.
[0117]
(2) As an application example of the present invention, a sensor in which only a gate is provided between VCCD and HCCD can be considered. In this case, the V3 and V4 gates at the last stage of the VCCD function as BS cells. In FIG. 1, since V4 is the last, this is the case. For example, when the last stage is configured as V2, the V1 and V2 gates serve as BS cells.
[0118]
The same idea can be applied even if the VCCD is three-phase driven. In this case as well, the area under the electrode when forming a well capable of accumulating the transfer charge of the final stage of the VCCD in contact with the gate between the VCCD and the HCCD. Make. However, in this method, it is necessary to move the transfer electrode of the VCCD to ensure charge transfer. For this reason, the charge transfer time to the HCCD is somewhat longer than in the above-described embodiment, but the readout time can be considerably shortened compared to the conventional example.
[0119]
(3) There is an image sensor having a plurality of horizontal registers in order to increase the speed of the high-pixel solid-state image pickup device. The structure and driving method of the present invention can also be adopted for such an image sensor.
[0120]
(4) In the embodiment of the present invention, the ratio between the unnecessary pixel and the effective pixel is set to 1/4 (1/2 × 1/2). However, the ratio is not limited to this ratio. Further, it is not always necessary to center the effective pixel portion.
[0121]
In short, it is important to shorten the time by overlapping unnecessary pixel readout times. However, the effect of shortening the time depends on the location and size of reading.
[0122]
(5) If the reading location is changed or the effective pixel ratio is set to 1/4 (1/2 × 1/2) or more, it may not be possible to drive the VCCD into the unnecessary charge removal time. In this case, means for waiting for the effective pixel reading until the end of the transfer of the VCCD is used. Alternatively, it is possible to correct or blank a noise-added portion later with the VCCD being transferred during the effective pixel readout.
[0123]
(6) For BS and TG electrodes, the effect of the present invention increases as a material having higher conductivity such as an aluminum electrode is used.
[0124]
(7) The present invention can be applied not only to a solid-state imaging device using a charge transfer element but also to a MOS solid-state imaging device using a shift register and an XY address solid-state imaging device.
[0125]
(8) In the present invention, the effective imaging area may be used not only as image information but also as photometric information. In this case, since the effective imaging area is further reduced, the frame rate is further increased.
[0126]
(9) In the present invention, it was used in the Tvcc period between t11 and the readout pulse of the N + 1 field so that all charges in the invalid imaging area on the upper side were transferred below the effective imaging area. A predetermined number of line sweeps may be performed using the same clock as the sweep clock or the vertical charge transfer clock.
[0127]
(10) In the present invention, as a margin for charge overflow due to the superposition of signal charges between t11 and the N + 1 field read pulse, a predetermined number of sweep clocks or vertical charge transfer clocks used in the Tvcc period are used. Line sweeping may be performed.
[0128]
(11) In the horizontal charge transfer element of the present invention, the charge in the invalid imaging area on the right side of the (n-1) th line is to the left of the charge in the effective imaging area of the nth line to be transferred next. A predetermined number of charge sweeps by a horizontal charge transfer clock may be performed between Tn-1 and Thd so as to be transferred.
[0129]
(12) In the horizontal charge transfer device of the present invention, the charge in the invalid imaging area on the right side of the (n-1) th line and the charge in the invalid imaging area on the left side of the nth line to be transferred next. As a margin for the overflow of charges due to the superposition of a plurality of charges, a predetermined number of charges may be swept out by a horizontal charge transfer clock between Tn-1 and Thd.
[0130]
In the first and second embodiments, the invalidation of the present invention corresponds to the horizontal shift register that shifts the invalid charges of the previous row and the next row transferred from the buffer storage element by adding them together and discarding them. are doing. As a result, high-speed reading is possible.
[0132]
【The invention's effect】
According to the present invention, Since high-speed partial reading of a high pixel sensor becomes possible, it is possible to provide an imaging device that realizes a reduction in reading time and an improvement in frame rate.

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an image sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a drive timing chart of the CCD of the first embodiment.
FIG. 3 is a drive timing chart of the CCD of the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a drive potential feel of the CCD of the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a drive potential feel of the CCD of the first embodiment.
FIG. 6 is a drive timing chart of the CCD of the first embodiment.
FIG. 7 is a drive timing chart of the CCD of the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing the drive potential feel of the CCD of the first embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a case where reading time is shortened.
FIG. 10 is a configuration diagram showing a conventional example.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an output unit of a CCD
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the operation of the output unit of the CCD.
FIG. 13 is a timing chart showing the operation of the CCD.
FIG. 14 is a timing chart for driving a conventional CCD.
FIG. 15 is a drive timing chart of the CCD of the second embodiment.
FIG. 16 is a diagram showing a reduction in readout time.
FIG. 17 is a drive timing chart of the CCD of the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 PD (photoelectric conversion element)
2 VCCD (vertical shift register)
3 HCCD (horizontal shift register)
4 Output amplifier (output means)
5 Buffer storage cells
6 Transfer gate
200 Effective imaging area
201 Invalid imaging area on the upper side
202 Invalid imaging area on the lower side

Claims (2)

各々が光電変換素子を有する垂直方向及び水平方向に二次元配列された複数の画素と、前記複数の画素からの信号を垂直方向に転送する複数の垂直シフトレジスタと、前記複数の垂直シフトレジスタからの信号を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備え、
前記水平シフトレジスタは、前記複数の垂直シフトレジスタから有効画素の信号が転送される第一の領域と、有効画素の信号が転送されない第二の領域を有する撮像装置であって、
前記水平シフトレジスタから前記第二の領域に転送された信号を出力するための水平電荷転送クロックが出力されている期間は、前記複数の垂直シフトレジスタの前記複数の画素からの信号を垂直方向に転送するための垂直電荷転送クロックが出力されている期間と重複しており、
前記第一の領域は、前記第二の領域に挟まれており、前記水平シフトレジスタ内を所定の行の信号が転送している期間内であって、前記第一の領域に信号が存在せず前記第二の領域に信号が存在している期間内に、前記所定の行の有効画素の信号と次の行の信号とが混合しないように、次の行の信号を前記水平シフトレジスタに転送することを特徴とする撮像装置。
A plurality of pixels two-dimensionally arranged in a vertical direction and a horizontal direction, each having a photoelectric conversion element, a plurality of vertical shift registers for transferring signals from the plurality of pixels in the vertical direction, and the plurality of vertical shift registers And a horizontal shift register for transferring the signal in the horizontal direction,
The horizontal shift register is an imaging device having a first area to which an effective pixel signal is transferred from the plurality of vertical shift registers, and a second area to which an effective pixel signal is not transferred.
During a period in which a horizontal charge transfer clock for outputting a signal transferred from the horizontal shift register to the second region is output, signals from the plurality of pixels of the plurality of vertical shift registers are vertically It overlaps with the period when the vertical charge transfer clock for transferring is output,
The first area is sandwiched between the second areas and is within a period during which a signal of a predetermined row is transferred in the horizontal shift register, and there is no signal in the first area. First, the signal of the next row is sent to the horizontal shift register so that the signal of the effective pixel of the predetermined row and the signal of the next row are not mixed within the period in which the signal exists in the second region. An image pickup apparatus for transferring.
各々が光電変換素子を有する垂直方向及び水平方向に二次元配列された複数の画素と、前記複数の画素からの信号を垂直方向に転送する複数の垂直シフトレジスタと、前記複数の垂直シフトレジスタからの信号を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備え、
前記複数の垂直シフトレジスタは、有効画素から信号が転送される第三の領域と有効画素以外の画素から信号が転送される第四の領域で構成された第一の領域と、有効画素の信号が転送されない第二の領域を有し、且つ、前記第一の領域は、前記第二の領域に挟まれている撮像装置であって、
前記水平シフトレジスタから前記第四の領域に転送された信号を出力するための水平電荷転送クロックが出力されている期間は、前記複数の画素からの信号電荷の排出を行うパルスが出力されている期間と重複しており、
前記第一の領域に信号が存在せず、前記第二の領域に信号が存在している期間内に、次のフレームの信号を前記垂直シフトレジスタに転送することを特徴とする撮像装置。
A plurality of pixels two-dimensionally arranged in a vertical direction and a horizontal direction, each having a photoelectric conversion element, a plurality of vertical shift registers for transferring signals from the plurality of pixels in the vertical direction, and the plurality of vertical shift registers And a horizontal shift register for transferring the signal in the horizontal direction,
The plurality of vertical shift registers include a first area composed of a third area where a signal is transferred from an effective pixel, a fourth area where a signal is transferred from a pixel other than the effective pixel, and a signal of the effective pixel there have a second region that is not transferred, and the first region is an imaging apparatus which is sandwiched between the second region,
During a period in which a horizontal charge transfer clock for outputting a signal transferred from the horizontal shift register to the fourth area is output, a pulse for discharging signal charges from the plurality of pixels is output. Overlaps with period,
An imaging apparatus, wherein a signal of the next frame is transferred to the vertical shift register within a period in which no signal exists in the first area and a signal exists in the second area.
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