JP3876094B2 - 固体撮像装置およびこれを備えたカメラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画素が受けた光を電気信号に変換することにより映像信号を出力する固体撮像装置と、この固体撮像装置を利用したディジタルカメラとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、受けた光を電気信号に変換し、映像信号として出力する固体撮像素子が知られており、この固体撮像素子から得た映像信号を静止画像として表示するディジタルスチルカメラ等のカメラが知られている。近年では、このような固体撮像素子を用いたカメラは、画質および機能のさらなる向上が要望され、画素の高密度化が進んでいる。
【０００３】
例えば、１３０万個の画素を有する固体撮像素子であれば、垂直方向の画素数が約９６０画素、水平方向の画素数が約１２８０画素で、通常のＮＴＳＣ用の固体撮像素子の４倍程度の画素数を有し、全画素出力時のフレームレートは約１／１５秒となる。このため、固体撮像素子から出力される映像信号を、カメラの表示装置（液晶モニタなど）にそのまま出力できない場合が多くなってきた。
【０００４】
そこで、このような固体撮像素子において、垂直方向において信号の読み出し対象とする画素を間引くことにより、映像信号を高速に読み出す駆動方法が従来から用いられている。以下、このような駆動方法を用いた従来の固体撮像素子の例について説明する。
【０００５】
図１４に、従来の固体撮像素子のゲート構成例を示す。この固体撮像素子は、フォトダイオード８１と、Ｖ１〜Ｖ６の６相のゲートからなる垂直転送部８２と、Ｈ１およびＨ２の２相のゲートからなる水平転送部８３と、電荷検出部８４とにより構成されている。なお、１つのフォトダイオード８１が１つの画素に対応しているが、図１４では、簡単化のために、垂直方向に８個、水平方向に４個の画素のみを図示した。
【０００６】
また、図１５および図１６に、２相ゲートからなる水平転送部８３の構造と基本動作タイミングをそれぞれ示す。
【０００７】
なお、図１５は、水平転送部８３を電荷の転送方向に平行な面で切断した断面を表す。また、図１５内に矢印で示した信号電荷転送方向は、電荷検出部８４側へ電荷を転送する方向である。
【０００８】
水平転送部８３は、図１５に示すように、Ｐ型ウェル９１上に積層されたＮ型拡散層９２を有する。このＮ型拡散層９２が、水平転送部８３の転送チャネルとなる。さらに、Ｎ型拡散層９２内に、Ｎ型拡散層９２よりも不純物濃度の低いＮ^-型拡散層９３が形成されており、Ｎ型拡散層９２およびＮ^-型拡散層９３の上に、Ｈ１およびＨ２の２相の電極９４が形成されている。
【０００９】
このような構成の水平転送部８３のＨ１およびＨ２に、図１６に示す水平転送部駆動パルスを印加することにより、水平転送部８３内の信号電荷が、図１５に示す信号電荷転送方向へ転送される。
【００１０】
上記従来の固体撮像素子では、図１７に示すように、垂直転送部８２のＶ１、Ｖ３、Ｖ５、およびＶ６に高電圧（約１５Ｖ）の読み出しパルスを印加することにより、フォトダイオード８１から垂直転送部８２へ電荷を読み出し、垂直転送部８２のＶ１〜Ｖ６へ上記読み出しパルスよりも低電圧の垂直転送部駆動パルスを入力することにより、１水平走査期間に１行分の電荷を同時に水平転送部８３へ転送する。
【００１１】
水平転送部８３へ転送された電荷は、水平転送部８３に約２４．５ＭＨｚのクロックを印加することにより電荷検出部８４へ送られ、電荷検出部８４から映像信号として出力される。
【００１２】
また、このような従来の固体撮像素子を備えたカメラは、各画素から読み出した信号電荷を垂直方向に隣接する２画素毎に混合し、固体撮像素子外部に設けたメモリ上で行数を半分に間引く等の削減処理を行って得られたフィールド画像を、液晶ディスプレイ等のモニタに映像出力する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような、一水平走査期間に一行分の信号電荷を垂直転送する従来の固体撮像素子では、画素数が多いために転送処理時間がかかり、垂直転送段内での２画素混合方式を用いても、１画面全ての信号電荷を出力するために約１／３０秒という長い時間を要する。
【００１４】
また、ＮＴＳＣモードの表示装置に、いわゆるモニター画像を表示する際には、前記した従来の固体撮像素子ではフレームレートが遅いため、メモリー等を用いて、インタレースを含めたフレームレートの変換を行うことが必要となる。また、メモリー等を用いて走査変換を行ったとしても、滑らかな動きのリアルタイム動画のＮＴＳＣビデオ出力を得ることは不可能である。
【００１５】
また、図１８に、前記従来の固体撮像素子に使用される補色フィルタの構成を示す。この補色フィルタは、イエロー（Ｙｅ），マゼンダ（Ｍｇ），シアン（Ｃｙ），グリーン（Ｇ）の４色を用いた４行２列の基本配列に基づいて構成される。
【００１６】
この補色フィルタを用いた前記従来の固体撮像素子では、Ｙｅ列とＣｙ列が固定されるため、全画素独立に処理を行った際には、水平方向に色モアレが発生するという問題もある。
【００１７】
本発明は、画素数が多い固体撮像装置において、画素間引きを行うことなく転送処理時間を短縮することにより、感度および解像度を低下させることなく良好な撮像信号を得ることができる固体撮像装置を提供すると共に、この固体撮像装置を用いることにより、フィールドメモリ等による複雑な画像処理を必要とせずにリアルタイム動画出力が可能なカメラを提供することを主な目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像装置は、行列状に配列された複数の光電変換素子と、電荷読み出し信号に従って前記光電変換素子から読み出した電荷を垂直転送信号に従って垂直転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された電荷を水平転送信号に従って水平転送する水平転送部と、水平転送部から水平転送された電荷を信号電圧または信号電流に変換して出力する電荷検出部とを備えた固体撮像装置において、ｎを２以上の自然数とし、各水平走査期間における水平帰線消去期間内にｎ回の垂直転送を行い、前記ｎ回の垂直転送の合間に順方向および逆方向の少なくとも一方への水平転送を少なくとも１回行うよう前記垂直転送信号および前記水平転送信号を制御する信号制御部を備えたことを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、全光電変換素子の信号電荷を垂直方向へ転送するために要する時間を、画素を間引くことなく１／ｎに短縮することが可能となると共に、一水平帰線消去期間内で垂直転送されるｎ行間での右斜め方向または左斜め方向の画素混合が可能となる。これにより、感度および解像度を低下させることなく良好な撮像信号を出力する固体撮像装置を提供することができる。また、カラーフィルタを備えた場合、様々な配列のカラーフィルタに対し、色分離可能な画素を選択することができる。
【００２０】
前記の固体撮像装置は、ｎが４であり、水平転送部に４相ＣＣＤを備えたことが好ましい。
【００２１】
この構成により、１画面全ての信号電荷を出力する期間を通常の１／４に短縮できると共に、画素を間引くことなしに４画素混合が実現できるため、感度およびＳ／Ｎが向上する。
【００２２】
前記の固体撮像装置において、前記光電変換素子の各々に対応して色フィルタ要素が配置されたカラーフィルタを備え、前記カラーフィルタが、ｐ行ｍ列の色フィルタ要素からなる単位配列に基づいて構成され、前記信号制御部が、前記ｎ回の垂直転送の合間に行う順方向への水平転送の回数をａ回、逆方向への水平転送の回数をｂ回とすると、
【００２３】
【数３】
０≦ａ＋ｂ≦ｎ−１
が成り立つことが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、ｐ行ｍ列の単位配列において、適当な水平転送回数ａ，ｂを選択することにより、画素混合を実現できるため、このような単位配列によって構成される任意のカラーフィルタに対し、色分離が可能となる。
【００２５】
前記の固体撮像装置において、ｐが４であり、ｍが２であり、ｎが４であり、前記単位配列における第１列に、第１の色、第２の色、第３の色、および第４の色の色フィルタ要素が順次配列されると共に、第２列に、第３の色、第４の色、第１の色、および第２の色の色フィルタ要素が順次配列され、前記信号制御部が、前記水平帰線消去期間における１回目の垂直転送と２回目の垂直転送との合間に順方向および逆方向の一方である第１の方向へ水平転送を行うと共に前記水平帰線消去期間における３回目の垂直転送と４回目の垂直転送との合間に順方向および逆方向の他方である第２の方向へ水平転送を行うよう前記垂直転送信号および前記水平転送信号を制御する第１の制御動作と、前記水平帰線消去期間における２回目の垂直転送と３回目の垂直転送との合間に前記第１の方向へ水平転送を行うよう前記垂直転送信号および前記水平転送信号を制御する第２の制御動作とのいずれか一方を各水平走査期間に選択的に行うことが好ましい。
【００２６】
上記の構成によれば、第１の制御動作時には、第１の色および第４の色の成分を含む信号電荷または第２の色および第３の色の成分を含む信号電荷が点順次に出力される。また、第２の制御動作時には、第１の制御動作時に得られた信号電荷が第１の色および第４の色の成分を含む場合は第１の色および第２の色の成分を含む信号電荷が点順次に出力され、第１の制御動作時に得られた信号電荷が第２の色および第３の色の成分を含む場合は第３の色および第４の色の成分を含む信号電荷が点順次に出力される。これにより、水平走査期間毎に得られる信号電荷を色分離することが可能となる。
【００２７】
前記の固体撮像装置において、信号制御部が前記第１の制御動作と第２の制御動作とを水平走査期間毎に交互に行うことが好ましい。
【００２８】
上記の構成により、水平走査期間毎に色分離された信号を線順時出力することが可能となる。
【００２９】
前記の固体撮像装置において、第１ないし第４の色が、シアン、マゼンダ、イエロー、およびグリーンの４色の組み合わせであることが好ましい。
【００３０】
さらに、水平転送信号に同期して電荷検出部から連続して出力される信号の差を求める色差信号算出手段を備えた構成とすることが好ましい。
【００３１】
この構成によれば、赤、緑、青をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂとすると、第１の制御動作時には２Ｒ−Ｇの色差信号を得ることができ、第２の制御動作時には２Ｂ−Ｇの色差信号を得ることができる。
【００３２】
また、前記の固体撮像装置において、ｎを４とし、ｉを自然数とし、第（４ｉ−３）行、第（４ｉ−２）行、第（４ｉ−１）行、および第４ｉ行からなる第１の組み合わせと、第（４ｉ−１）行、第４ｉ行、第（４ｉ＋１）行、および第（４ｉ＋２）行からなる第２の組み合わせとを垂直走査期間毎に交互に垂直転送することが好ましい。
【００３３】
上記の構成により、１垂直走査期間毎にインタレース出力が可能となる。
【００３４】
また、前記の目的を達成するために、本発明にかかるカメラは、前記したいずれかの固体撮像装置と、モニタ手段とを備えると共に、前記固体撮像装置における光電変換素子の行数をｊ、前記モニタ手段のモニタ表示線数をｋとすると、
【００３５】
【数４】
ｊ／ｎ≧ｋ
が成り立つことを特徴とする。
【００３６】
上記の構成によれば、従来のような間引きを行わずに、画素数の多い固体撮像装置にて得られた撮像信号の垂直方向の画素数をモニタ手段の走査線数に適合させることができる。これにより、フィールドメモリ等による複雑な画像処理を必要とせず、また、撮像信号の感度および解像度を損なうことなくモニタ出力することが可能なカメラを提供することが可能となる。
【００３７】
また、前記のカメラにおいて、前記モニタ手段が、ＮＴＳＣモードのリアルタイムビデオ出力手段であることが好ましい。
【００３８】
上記の構成によれば、リアルタイム動画のＮＴＳＣインタレースビデオ画像を出力するカメラを実現できる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明する。
【００４０】
図１に、本実施形態にかかる固体撮像装置が備えるＣＣＤセンサ（固体撮像素子）の画素構成を示す。本ＣＣＤセンサは、全画素同時独立読み出し方式を採用し、画素が二次元状に配列された画素部１０と、垂直転送部（図１には図示せず）と、水平転送部３と、電荷検出部４とを備えている。
【００４１】
画素部１０は、水平方向に１２８０個（列）、垂直方向に９６０個（行）の画素からなる有効画素領域１０ａを備えており、有効画素領域１０ａの周囲に、垂直方向上下各４行、水平方向左右各４列のトランジェント領域１０ｂが設けられている。さらに、トランジェント領域１０ｂの周囲には、垂直方向上側２行、垂直方向下側２行、水平方向左側２列、水平方向右側７３列のオプティカルブラック領域１０ｃが設けられている。また、オプティカルブラック領域１０ｃの上側に２行の垂直ダミー領域１０ｄ₁、下側に４行の垂直ダミー領域１０ｄ₂が設けられている。
【００４２】
本ＣＣＤセンサでは、垂直転送部が、画素部１０の各画素において光電変換された信号電荷を読み出して垂直方向に水平転送部３へ転送する。水平転送部３は、垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ順次転送し、電荷検出部４へ出力する。
【００４３】
図１に示すように、水平転送部３は、１３６３列の水平有効ビット領域３ａを有し、この水平有効ビット領域３ａの電荷検出部４側に１３列の水平ダミー領域３ｂと、電荷検出部４と反対側に１列の水平ダミー領域３ｃとを有する。
【００４４】
図２に、本ＣＣＤセンサのゲート電極の構成例を示す。図２に示すように、本ＣＣＤセンサは、各画素に１つずつ、光電変換素子としてのフォトダイオード１が設けられている。また、フォトダイオード１には前記した垂直転送部（垂直転送部２）が接続されている。垂直転送部２は、Ｖ１〜Ｖ４の４相のゲートからなり、水平転送部３は、Ｈ１〜Ｈ４の４相のゲートからなる。
【００４５】
なお、図２では、簡略化のために、４行×４列分の画素に対応する構成のみを図示したが、実際のＣＣＤセンサでは、垂直転送部２は、水平方向のフォトダイオード１の列数と同数設けられる。
【００４６】
ここで、図３に、水平転送部３の構成を示す。なお、図３は、水平転送部３を電荷の転送方向に平行な面で切断した断面を表す。また、図３内に矢印で示した順転送の方向は、電荷検出部４側へ電荷を転送する方向であり、逆転送の方向は、電荷検出部４とは反対側へ電荷を転送する方向である。
【００４７】
水平転送部３は、図３に示すように、Ｐ型ウェル４１上に積層されたＮ型拡散層４２を有する。このＮ型拡散層４２が、水平転送部３の転送チャネルとなる。さらに、Ｎ型拡散層４２内に、Ｎ型拡散層４２よりも不純物濃度の低いＮ^-型拡散層４３が形成されており、Ｎ型拡散層４２およびＮ^-型拡散層４３の上に、Ｈ１〜Ｈ４の４相の電極４４が形成されている。Ｎ^-型拡散層４３上に形成された電極４４がＨ１およびＨ３であり、Ｎ型拡散層４２上に形成された電極４４がＨ２およびＨ４である。
【００４８】
また、順転送を行う際に水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ印加されるタイミングパルスを図４（ａ）に示し、逆転送を行う際に水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ印加されるタイミングパルスを図４（ｂ）に示す。図４（ａ）に示すように、Ｈ１とＨ２とに同位相のパルスを印加すると共に、Ｈ３およびＨ４に、Ｈ１およびＨ２とは逆位相のパルスを印加することにより、順転送を実現できる。また、図４（ｂ）に示すように、Ｈ１とＨ４とに同位相のパルスを印加すると共に、Ｈ２およびＨ３に、Ｈ１およびＨ４とは逆位相のパルスを印加することにより、逆転送を実現できる。
【００４９】
次に、本ＣＣＤセンサの駆動方法について説明する。なお、ここでは、ＣＣＤセンサから得られた撮像信号をＮＴＳＣモードのモニタで表示するものとして、説明を行う。本ＣＣＤセンサにおいて、画素部１０から信号読み出しを行う手順は次のとおりである。
【００５０】
まず、垂直転送部２のＶ１に高電圧（約１５Ｖ）の読み出しパルスを印加することにより、フォトダイオード１から垂直転送部２へ電荷を読み出す。次に、垂直転送部２に、前記読み出しパルスよりも低電圧の垂直転送部駆動パルス（Ｖ１〜Ｖ４）を入力することにより、各水平走査期間に、画素部１０における１行分のフォトダイオード１の電荷を同時に水平転送部３へ転送する。そして、水平転送部３に約２４．５ＭＨｚのクロックを印加することにより、水平転送部３へ転送された電荷を順転送方向へ転送し、電荷検出部４から信号を出力する。その際のフレームレートは約１／１５秒となる。
【００５１】
以下に、タイミングチャートを用いながらその詳細について説明する。
【００５２】
図５および図６に、本ＣＣＤセンサの駆動タイミングチャートを示す。なお、図５は奇数フィールドのタイミングチャートであり、図６は偶数フィールドのタイミングチャートである。
【００５３】
図５および図６において、ＨＤは水平同期信号、ＶＤは垂直同期信号である。また、末尾にＨを付して図５および図６の最上段に示した数字は、ＮＴＳＣモードにおける水平走査期間の番号を表す。また、Ｖ１〜Ｖ４は、垂直転送部２のＶ１〜Ｖ４のそれぞれに印加される信号の波形である。
【００５４】
また、図７は、図５に示したタイミングチャートの一部拡大図であり、水平走査期間１７Ｈ〜１９Ｈにおいて水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ印加される信号波形と、垂直転送部２のＶ１〜Ｖ４へ印加される信号波形とを示す。
【００５５】
同様に、図８は、図６に示したタイミングチャートの一部拡大図であり、水平走査期間２７９Ｈ〜２８１Ｈにおいて水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ印加される信号波形と、垂直転送部２のＶ１〜Ｖ４へ印加される信号波形とを示す。
【００５６】
また、図９は、図５および図６に示したタイミングチャートの一部をさらに拡大した図であり、奇数番号の水平走査期間（例えば図５の水平走査期間２１Ｈまたは図６の水平走査期間２８３Ｈ）において水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ印加される信号波形と、垂直転送部２のＶ１〜Ｖ４へ印加される信号波形と、ＣＣＤ出力として電荷検出部４から出力される信号の波形とを示す。
【００５７】
また、図１０は、図５および図６に示したタイミングチャートの一部をさらに拡大した図であり、偶数番号の水平走査期間（例えば図５の水平走査期間２２Ｈまたは図６の水平走査期間２８４Ｈ）において水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ印加される信号波形と、垂直転送部２のＶ１〜Ｖ４へ印加される信号波形と、ＣＣＤ出力として電荷検出部４から出力される信号の波形とを示す。
【００５８】
まず、奇数フィールドにおける駆動について説明する。図５および図７に示すように、水平走査期間１８Ｈに垂直転送部２のＶ１へ読み出しパルスを印加することにより、全フォトダイオード１の電荷を垂直転送部２へ読み出した後、フォトダイオード１からの電荷読み出しの次の水平走査期間、すなわち水平走査期間１９Ｈから、図７に示すように、垂直転送部２のＶ１〜Ｖ４へ、水平帰線消去期間内に４回ずつ垂直転送部駆動パルスを印加することにより、各水平走査期間に４行ずつ、水平転送部３へ向けて垂直方向に電荷を転送する。
【００５９】
このとき、奇数番号の水平走査期間では、図９に示すように、各水平帰線消去期間内に垂直転送部２へ印加される前記した４回の垂直転送部駆動パルスのうちの、第２番目の垂直転送部駆動パルスと第３番目の垂直転送部駆動パルスとの間に、水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ、図４（ａ）に示した順転送の水平転送部駆動パルスを印加することにより、水平転送部３内の電荷が、電荷検出部４の方向へ１段転送される。
【００６０】
これにより、水平転送部３内の各段で、第１番目の行における第ｋ列の画素から読み出された電荷と、第２番目の行における第ｋ列の画素から読み出された電荷と、第３番目の行における第（ｋ−１）列の画素から読み出された電荷と、第４番目の行における第（ｋ−１）列の画素から読み出された電荷とが混合されることとなる。
【００６１】
混合された信号電荷は、水平有効期間に水平転送段３内を順次転送され、電荷検出部４より出力される。図９に示したＣＣＤ出力中の出力３１は、図１に示したオプティカルブラック領域１０ｃにおける電荷検出部４に遠い側の７３列分のフォトダイオード１から読み出された７３ビットの信号電荷であり、出力３２は、水平転送部３の水平ダミー領域３ｃの１ビットの信号電荷である。また、出力３３は、空転送のための２ビットである。
【００６２】
さらに、出力３４は、水平転送部３における電荷検出部４側の水平ダミー領域３ｂの１３ビットであり、出力３５は、オプティカルブラック領域１０ｃにおける電荷検出部４側の２列分のフォトダイオード１から読み出された２ビットの信号電荷である。出力３６は、トランジェント領域１０ｃの８ビットと、有効画素領域１０ａの１２８０列分のフォトダイオード１から読み出された１２８０ビットとの合計１２８８ビット分の信号電荷である。
【００６３】
このように、本ＣＣＤセンサからは、読み出しパルスが印加される水平走査期間１８Ｈ以降のＣＣＤ出力として、画素部１０における水平転送部３に近い側の画素から読み出された信号電荷が、４行分ずつ出力されることとなる。
【００６４】
すなわち、水平走査期間１９Ｈでは垂直ダミー領域１０ｄ₂の４行分の信号電荷が出力され、水平走査期間２０Ｈではオプティカルブラック領域１０ｃの２行とトランジェント領域１０ｂの２行との合計４行分が出力される。また、水平走査期間２１Ｈにおいては、トランジェント領域１０ｂにおける水平転送部３に近い側の２行と、有効画素領域１０ａにおける水平転送部３に近い側から数えて第１行および第２行との合計４行分の信号電荷が出力される。そして、水平走査期間２２Ｈには、有効画素領域１０ａにおける水平転送部３に近い側から数えて第３行〜第６行の４行分の画素から読み出された信号電荷が出力され、水平走査期間２３Ｈ以降は、第７行以降の画素の信号電荷が、各水平走査期間に４行分ずつ出力される。
【００６５】
一方、偶数番号の水平走査期間では、図１０に示すように、各水平帰線消去期間内に垂直転送部２へ印加される前記した４回の垂直転送部駆動パルスのうちの、第１番目の垂直転送部駆動パルスと第２番目の垂直転送部駆動パルスとの間に、水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ、図４（ｂ）に示した逆転送の水平転送部駆動パルスを印加することにより、水平転送部３内の信号電荷が、電荷検出部４とは反対の方向へ１段転送される。
【００６６】
さらに、前記４回の垂直転送部駆動パルスのうちの、第３番目の垂直転送部駆動パルスと第４番目の垂直転送部駆動パルスとの間に、図４（ａ）に示した順転送の水平転送部駆動パルスを印加することにより、水平転送部３内の信号電荷が、電荷検出部４の方向へ１段転送される。
【００６７】
これにより、水平転送部３内の各段で、第１番目の行における第ｋ列の画素から読み出された電荷と、第２番目の行における第（ｋ＋１）列の画素から読み出された電荷と、第３番目の行における第（ｋ＋１）列の画素から読み出された電荷と、第４番目の行における第ｋ列の画素から読み出された電荷とが混合されることとなる。混合された信号電荷は、水平有効期間に水平転送段３内を順次転送され、電荷検出部４より出力される。
【００６８】
次に、偶数フィールドにおける駆動について説明する。図６および図８に示すように、水平走査期間２８０Ｈに垂直転送部２のＶ１へ読み出しパルスを印加することにより、全フォトダイオード１の電荷を垂直転送部２へ読み出した後、フォトダイオード１からの電荷読み出しの次の水平走査期間、すなわち水平走査期間２８１Ｈにおいて、図８に示すように、垂直転送部２のＶ１〜Ｖ４へ、水平帰線消去期間内に２回の垂直転送部駆動パルスを印加することにより、垂直転送部２から水平転送部３へ２行分の信号電荷を転送する。
【００６９】
さらに次の水平走査期間、すなわち水平走査期間２８２Ｈ以降は、奇数フィールドの場合と同様に、各水平走査期間における水平帰線消去期間内に４回の垂直転送部駆動パルスを印加することにより、一水平走査期間に４行分ずつ、垂直転送部２から水平転送部３へ信号電荷を転送する。
【００７０】
このとき、奇数フィールドの場合と同様に、奇数番号の水平走査期間では、図９に示すように、前記４回の垂直転送部駆動パルスのうちの、第２番目の垂直転送部駆動パルスと第３番目の垂直転送部駆動パルスとの間に、水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ、図４（ａ）に示した順転送の水平転送部駆動パルスを印加することにより、水平転送部３内の電荷が、電荷検出部４の方向へ１段転送される。
【００７１】
これにより、水平転送部３内の各段で、第１番目の行における第ｋ列の画素から読み出された電荷と、第２番目の行における第ｋ列の画素から読み出された電荷と、第３番目の行における第（ｋ−１）列の画素から読み出された電荷と、第４番目の行における第（ｋ−１）列の画素から読み出された電荷とが混合されることとなる。
【００７２】
混合された信号電荷は、水平有効期間に水平転送段３内を順次転送され、電荷検出部４より出力される。図１０に示したＣＣＤ出力中の出力５１は、図１に示したオプティカルブラック領域１０ｃにおける電荷検出部４に遠い側の７３列分のフォトダイオード１から読み出された７３ビットの信号電荷であり、出力５２は、水平転送部３の水平ダミー領域３ｃの１ビットの信号電荷である。また、出力５３は、空転送のための２ビットである。
【００７３】
さらに、出力５４は、水平転送部３における電荷検出部４側の水平ダミー領域３ｂの１３ビットであり、出力５５は、オプティカルブラック領域１０ｃにおける電荷検出部４側の２列分のフォトダイオード１から読み出された２ビットの信号電荷である。出力５６は、トランジェント領域１０ｃの８ビットと、有効画素領域１０ａの１２８０列分のフォトダイオード１から読み出された１２８０ビットとの合計１２８８ビット分の信号電荷である。
【００７４】
なお、読み出しパルスが印加される水平走査期間２８０Ｈの次の水平走査期間２８１Ｈにおいて、垂直ダミー領域１０ｄ₂の２行分の信号電荷のみを出力し、水平走査期間２８２Ｈ以降は、各水平走査期間に４行分ずつの信号電荷を水平転送部３から電荷検出部４へ出力する。これにより、１水平走査期間に出力する４行の組み合わせが、奇数フィールドと偶数フィールドにおいて垂直方向に２行ずつずれることとなる。
【００７５】
すなわち、水平走査期間２８２Ｈでは、垂直ダミー領域１０ｄ₂の残りの２行と、オプティカルブラック領域１０ｃの２行との合計４行分の信号電荷を出力し、水平走査期間２８３Ｈでは、トランジェント領域１０ｂにおける水平転送部３に近い側の４行を出力する。そして、水平走査期間２８４Ｈは、有効画素領域１０ａにおける水平転送部３に近い側から数えて第１行〜第４行の４行分の信号電荷が出力され、水平走査期間２８５Ｈ以降は、第５行以降の信号電荷が、各水平走査期間に４行分ずつ出力される。
【００７６】
また、偶数番号の水平走査期間では、図１０に示すように、前記４回の垂直転送部駆動パルスのうちの、第１番目の垂直転送部駆動パルスと第２番目の垂直転送部駆動パルスとの間に、水平転送部３のＨ１〜Ｈ４へ、図４（ｂ）に示した逆転送の水平転送部駆動パルスを印加し、第３番目の垂直転送部駆動パルスと第４番目の垂直転送部駆動パルスとの間に、図４（ａ）に示した順転送の水平転送部駆動パルスを印加する。
【００７７】
これにより、水平転送部３内の各段で、第１番目の行における第ｋ列の画素から読み出された電荷と、第２番目の行における第（ｋ＋１）列の画素から読み出された電荷と、第３番目の行における第（ｋ＋１）列の画素から読み出された電荷と、第４番目の行における第ｋ列の画素から読み出された電荷とが混合されることとなる。混合された信号電荷は、水平有効期間に水平転送段３内を順次転送され、電荷検出部４より出力される。
【００７８】
以上の動作を、奇数フィールドおよび偶数フィールド毎に繰り返すことにより、ＮＴＳＣのリアルタイムビデオインタレース信号として、４画素混合された輝度信号を得ることができる。
【００７９】
ここで、本固体撮像装置を用いたディジタルカメラの構成例について説明する。図１１に示すように、本ディジタルカメラは、主として、本実施形態にかかる固体撮像装置としての撮像部２１と、メイン処理部２２と、ストロボ発光と調光を行うストロボ制御部２３と、電源供給を行う電源部２４と、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２５とによって構成される。液晶ディスプレイ２５は、モニタとして撮影したデータを確認するためや、ビューファインダとして用いられる。
【００８０】
撮像部２１の固体撮像素子２１ａは、図１１では図示を省略したが、前述した画素部１０と、垂直転送部２と、水平転送部３と、電荷検出部４とによって構成される。撮像部２１は、さらに、固体撮像素子２１ａの画素部１０へ光を導くために、レンズ２１ｂと、アイリス２１ｃと、アイリスドライバ２１ｄとを備えている。アイリスドライバ２１ｄがアイリス２１ｃを駆動することにより、画素部１０へ集光される光の量が調節される。
【００８１】
撮像部２１は、さらに、タイミングジェネレータ２１ｅと、オシレータ（ＯＳＣ）２１ｆと、Ｖドライバ２１ｇと、前処理ＩＣ２１ｈと、ＥＶＲ２１ｉとを備えている。
【００８２】
タイミングジェネレータ２１ｂは、オシレータ２１ｆから供給されるクロックに基づいて、固体撮像素子２１ａの駆動タイミングを図５〜図１０に示したとおりに制御するための信号を生成する。Ｖドライバ２１ｇは、タイミングジェネレータ２１ｂが生成した信号を、固体撮像素子２１ａの駆動電圧に合わせて電圧変換する。前処理ＩＣ２１ｈは、固体撮像素子２１ａからのセンサ出力に対し、ＣＤＳやＡＧＣ処理等の前処理を行って、メイン処理部２２へ出力する。
【００８３】
メイン処理部２２は、撮像部２１から受け取った信号を液晶ディスプレイ２５に表示させるために、Ａ／Ｄ変換器２２ａと、メモリコントローラ（カメラＤＳＰ）２２ｂと、Ｄ−ＲＡＭ２２ｃと、ＦＩＦＯ２２ｄと、ＲＩＳＣ−ＵＣＯＭ２２ｅと、リセットＩＣ２２ｆと、操作スイッチ２２ｇと、ＥＥＰＲＯＭ２２ｈと、クロック２２ｉと、映像出力回路２２ｊと、ＲＧＢデコーダ液晶駆動回路２２ｋと、バックライト回路２２ｌと、レベルシフタ２２ｍとを備えている。
【００８４】
電源部２４は、電源回路２４ａを備えており、撮像部２１、メイン処理部２２、ストロボ制御部２３、および液晶ディスプレイ２５へ電源を供給する。
【００８５】
ストロボ制御部２３は、ストロボ発光管２３ａと、ストロボ発光回路２３ｂと、ストロボ充電回路２３ｃとを備え、電源部２４から供給される電圧をストロボ充電回路２３ｃに蓄積し、ストロボ発光管２３ａを発光させることにより、被写体を照明する。また、ストロボ制御部２３は、調光センサ２３ｅおよび調光回路２３ｄをさらに備え、ストロボの発光量を調節する。さらに、ストロボ制御部２３は、セルフタイマーＬＥＤ２３ｆを備えていてもよい。
【００８６】
また、本ディジタルカメラは、外部部品としてのＣＦカード２６を利用して画像処理を行うことも可能である。また、撮影した映像を外部の装置へ出力するための映像端子２７や、パソコン等とデータのやりとりを行うためのディジタル端子２８や、外部の電源に接続するための電源端子等が設けられていてもよい。
【００８７】
次に、カラー化について説明する。図１２に、本固体撮像装置のＣＣＤセンサに適用される補色フィルタの配列の例を示す。図１２に示すように、補色フィルタは、イエロー（Ｙｅ）、マゼンダ（Ｍｇ）、シアン（Ｃｙ）、グリーン（Ｇ）の４色のフィルタを用いた２列×４行の基本配列を一単位とし、この基本配列を列方向および行方向に任意の個数だけ配置することにより構成される。
【００８８】
図１２に示した基本配列では、同図における左側を第１列とし、右側を第２列とすると、第１列が、同図における上から順に、マゼンダ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）、グリーン（Ｇ）、シアン（Ｃｙ）の順に各色フィルタが配置され、第２列が、グリーン（Ｇ）、シアン（Ｃｙ）、マゼンダ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）の順に各色フィルタが配置されている。なお、各色フィルタは、画素部１０におけるフォトダイオード１に対し、１対１に対応するように配置される。
【００８９】
ここで、本実施形態の固体撮像装置において、図１２に示した補色フィルタを用いた場合の画素混合イメージを、図１３に示す。なお、以下の説明では、図１３に示した１０行×６列の画素配列において、最下行を第１行と称し、最も左側の列を第１列と称する。
【００９０】
偶数フィールドでは、図１３に破線で結んで示すように、ある偶数番号の水平走査期間に、第１行〜第４行の画素の信号電荷が出力される。なお、このとき、第１行の第ｍ列の画素の信号電荷と、第２行および第３行の第（ｍ＋１）列の画素の信号電荷と、第４行の第ｍ列の画素の信号電荷とが混合される。これにより、ＣＣＤ出力として、ＣｙとＭｇの色成分を含む信号と、ＹｅとＧの色成分を含む信号とが、点順次に出力されることとなる。
【００９１】
また、偶数フィールドにおいて、上記の偶数番号の水平走査期間に続く奇数番号の水平走査期間には、第５行〜第８行の画素の信号電荷が、第５行および第６行の第ｍ列の画素の信号電荷と、第７行および第８行の第（ｍ＋１）列の画素の信号電荷とが混合されて、出力される。これにより、ＣＣＤ出力として、ＣｙとＧの色成分を含む信号と、ＹｅとＭｇの色成分を含む信号とが、点順次に出力されることとなる。
【００９２】
一方、奇数フィールドでは、図１３に実線で結んで示すように、ある偶数番号の水平走査期間に、前述した偶数フィールドの場合に対して垂直方向に２行だけずれた組み合わせで、各水平走査期間に４行ずつの信号電荷が出力される。
【００９３】
すなわち、ある偶数番号の水平走査期間に、第３行〜第６行の画素の信号電荷が、第３行の第ｍ列の画素の信号電荷と、第４行および第５行の第（ｍ＋１）列の画素の信号電荷と、第６行の第ｍ列の画素の信号電荷とが混合された状態で出力される。これにより、ＣＣＤ出力として、ＣｙとＭｇの色成分を含む信号と、ＹｅとＧの色成分を含む信号とが、点順次に出力されることとなる。
【００９４】
また、奇数フィールドにおいて、上記の偶数番号の水平走査期間に続く奇数番号の水平走査期間には、第７行〜第１０行の画素の信号電荷が、第７行および第８行の第ｍ列の画素の信号電荷と、第９行および第１０行の第（ｍ＋１）列の画素の信号電荷とが混合されて出力される。これにより、ＣＣＤ出力として、ＣｙとＧの色成分を含む信号と、ＹｅとＭｇの色成分を含む信号とが、点順次に出力されることとなる。
【００９５】
このように、本実施形態の固体撮像装置は、図１２に示すような構成の補色フィルタを備えることにより、４画素混合された色差線順次のインタレースカラー信号を得ることができる。
【００９６】
ここで、原色成分である赤、緑、青を、それぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂと表示すると、
Ｃｙ＝Ｂ＋Ｇ，
Ｙｅ＝Ｒ＋Ｇ，
Ｍｇ＝Ｒ＋Ｂ
と表される。
【００９７】
従って、隣接画素の引き算処理を行うことにより、奇数番号の水平走査期間に出力される色差信号は、奇数フィールドおよび偶数フィールドの場合の両方共に、

となる。
【００９８】
また、偶数番号の水平走査期間に出力される色差信号は、奇数フィールドおよび偶数フィールドの場合の両方共に、

となる。従って、（２Ｒ−Ｇ）と（２Ｂ−Ｇ）の２種類の色差信号を、１行おきに得ることができる。
【００９９】
以上のように、本実施形態にかかる固体撮像装置によれば、画素間引き（画素を読み出さずに信号電荷を捨てること）を行うことなく、垂直方向の画素数をモニタの走査線数に適合させることができる。これにより、高画素の固体撮像装置で得られた撮像信号の感度および解像度を損なうことなく、モニタ出力用の撮像信号を得ることができる。
【０１００】
また、この固体撮像装置とリアルタイムビデオ出力が可能なモニタとを用いてカメラを構成することにより、フィールドメモリ等を用いた複雑な画像処理を行うことなく、モニタの走査線数を上回る画素数を持った固体撮像装置の出力をそのままモニタに表示することが可能となる。これにより、感度およびＳ／Ｎを損なうことなく、リアルタイム動画のビデオインタレース画像を出力するカメラを提供できる。
【０１０１】
なお、固体撮像装置のＣＣＤセンサの有効行数をｊ、モニタのフィールド表示線数をｋとし、固体撮像装置において、各水平走査期間の水平帰線消去期間内にｎ回の垂直転送を行うとすると、
【０１０２】
【数５】
ｊ／ｎ≧ｋ
が満足されればよい。
【０１０３】
なお、上記の説明は、本発明を限定するものではなく、発明の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述した本実施形態の固体撮像装置の駆動方法において、偶数フィールドの動作と奇数フィールドの動作とを互いに逆にしても構わない。同様に、各フィールドにおいて、偶数番号の水平走査期間の動作と奇数番号の水平走査期間の動作とを互いに逆にしてもよい。さらに、モニタモードも上述のＮＴＳＣモードに限定されず、種々のモードに適用可能である。また、カラーフィルタの構成も、図１２に示した配列に限定する必要はなく、任意の色を任意に配列することができる。
【０１０４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、画素間引きを行うことなく転送処理時間を短縮することにより、感度および解像度を低下させることなく良好な撮像信号を得ることができる固体撮像装置を提供することができる。また、この固体撮像装置を用いることにより、フィールドメモリ等による複雑な画像処理を必要とせずにリアルタイム動画の出力が可能なカメラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の一形態にかかる固体撮像装置が備えるＣＣＤセンサの概略構成を示す説明図
【図２】 前記ＣＣＤセンサが備える垂直転送部および水平転送部のゲート構造を示す説明図
【図３】 前記水平転送部の構成を電荷の転送方向と共に示す説明図
【図４】 前記水平転送部の４相電極Ｈ１〜Ｈ４のそれぞれに印加される信号の波形を示すものであり、（ａ）は図３に示した順転送方向へ電荷を転送する場合のタイミングチャート、（ｂ）は逆転送方向へ電荷を転送する場合のタイミングチャート
【図５】 本実施形態にかかる固体撮像装置の駆動に関する信号であって、奇数フィールドに印加される各種信号の波形を示すタイミングチャート
【図６】 本固体撮像装置の駆動に関する信号であって、偶数フィールドに印加される各種信号の波形を示すタイミングチャート
【図７】 図５に示したタイミングチャートの一部を拡大して示すタイミングチャート
【図８】 図６に示したタイミングチャートの一部を拡大して示すタイミングチャート
【図９】 図５および図６に示したタイミングチャートの一部（奇数番号の水平走査期間）をさらに拡大して示すタイミングチャート
【図１０】 図５および図６に示したタイミングチャートの一部（偶数番号の水平走査期間）をさらに拡大して示すタイミングチャート
【図１１】 本発明の一実施形態にかかるディジタルスチルカメラの構成を示すブロック図
【図１２】 本固体撮像装置をカラー化するために設けられる補色フィルタの構成を示す説明図
【図１３】 本固体撮像装置において図１２に示す補色フィルタを用いた場合の画素混合イメージを示す説明図
【図１４】 従来の固体撮像装置のＣＣＤセンサが備える垂直転送部および水平転送部のゲート構造を示す説明図
【図１５】 前記従来の水平転送部の構成を電荷の転送方向と共に示す説明図
【図１６】 前記従来の水平転送部の２相電極Ｈ１・Ｈ２のそれぞれに印加される信号の波形を示すタイミングチャート
【図１７】 前記従来の固体撮像装置の駆動に関わる信号の波形を示すタイミングチャート
【図１８】 前記従来の固体撮像装置のカラー化に用いられる補色フィルタの構成を示す説明図
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２ 垂直転送部
３ 水平転送部
３ａ 水平有効ビット領域
３ｂ・３ｃ 水平ダミー領域
４ 電荷検出部
１０ 画素部
１０ａ 有効画素領域
１０ｂ トランジェント領域
１０ｃ オプティカルブラック領域
１０ｄ₁・１０ｄ₂ 垂直ダミー領域
４１ Ｐ型ウェル
４２ Ｎ型拡散層
４３ Ｎ^-型拡散層
４４ 電極

Claims (10)

1. 行列状に配列された複数の光電変換素子と、電荷読み出し信号に従って前記光電変換素子から読み出した電荷を垂直転送信号に従って垂直転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された電荷を水平転送信号に従って水平転送する水平転送部と、水平転送部から水平転送された電荷を信号電圧または信号電流に変換して出力する電荷検出部とを備えた固体撮像装置において、
   ｎを４以上の自然数とし、少なくとも一の水平走査期間における水平帰線消去期間内にｎ回の垂直転送を行い、前記ｎ回の垂直転送の合間に順方向および逆方向の水平転送の双方を少なくとも１回行うよう前記垂直転送信号および前記水平転送信号を制御する信号制御部を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ｎが４であり、水平転送部に４相ＣＣＤを備えたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記光電変換素子の各々に対応して色フィルタ要素が配置されたカラーフィルタを備え、
   前記カラーフィルタが、ｐ行ｍ列の色フィルタ要素からなる単位配列に基づいて構成され、
   前記信号制御部が、前記ｎ回の垂直転送の合間に行う順方向への水平転送の回数をａ回、逆方向への水平転送の回数をｂ回とすると、
   

   

   が成り立つことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記ｐが４であり、前記ｍが２であり、前記ｎが４であり、前記単位配列における第１列に、第１の色、第２の色、第３の色、および第４の色の色フィルタ要素が順次配列されると共に、第２列に、第３の色、第４の色、第１の色、および第２の色の色フィルタ要素が順次配列され、
   前記信号制御部が、前記水平帰線消去期間における１回目の垂直転送と２回目の垂直転送との合間に順方向および逆方向の一方である第１の方向へ水平転送を行うと共に前記水平帰線消去期間における３回目の垂直転送と４回目の垂直転送との合間に順方向および逆方向の他方である第２の方向へ水平転送を行うよう前記垂直転送信号および前記水平転送信号を制御する第１の制御動作と、前記水平帰線消去期間における２回目の垂直転送と３回目の垂直転送との合間に前記第１の方向へ水平転送を行うよう前記垂直転送信号および前記水平転送信号を制御する第２の制御動作とのいずれか一方を各水平走査期間に選択的に行うことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記信号制御部が前記第１の制御動作と第２の制御動作とを水平走査期間毎に交互に行うことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記第１ないし第４の色が、シアン、マゼンダ、イエロー、およびグリーンの４色の組み合わせであることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
7. 前記水平転送信号に同期して電荷検出部から連続して出力される信号の差を求める色差信号算出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記ｎを４とし、ｉを自然数とし、第（４ｉ−３）行、第（４ｉ−２）行、第（４ｉ−１）行、および第４ｉ行からなる第１の組み合わせと、第（４ｉ−１）行、第４ｉ行、第（４ｉ＋１）行、および第（４ｉ＋２）行からなる第２の組み合わせとを垂直走査期間毎に交互に垂直転送することを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の固体撮像装置と、モニタ手段とを備えると共に、
   前記固体撮像装置における光電変換素子の行数をｊ、前記モニタ手段のモニタ表示線数をｋとすると、
   

   

   が成り立つことを特徴とするカメラ。
10. 前記モニタ手段が、ＮＴＳＣモードのリアルタイムビデオ出力手段であることを特徴とする請求項９記載のカメラ。

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