JP3906496B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法、並びにカメラ - Google Patents

固体撮像装置およびその駆動方法、並びにカメラ Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法、並びにカメラに関し、特にビデオカメラや電子スチルカメラ等の映像機器における撮像デバイスとして用いて好適な固体撮像装置およびその駆動方法、並びにビデオカメラや電子スチルカメラ等のカメラに関する。
【0002】
【従来の技術】
ビデオカメラ等に使用されている従来の固体撮像装置、例えばCCD(Charge Coupled Device) 固体撮像装置は、インターレース方式の出力信号を発生するために、図10に示すように、センサ部101において1/60秒(1フィールド相当期間)だけ蓄積し、各センサ部101から読み出した信号電荷を垂直CCD102中において垂直方向前後の2画素間で混合して出力し、また混合する垂直方向前後2画素の組み合わせをフィールドごとで変えるいわゆるフィールド読み出し方式によってインターレース走査を実現していた。
【0003】
このフィールド読み出し方式の場合、各画素における信号電荷の蓄積時間が1/60秒であり、図11に示すように、1/30秒の蓄積時間で奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールドごとに交互に読み出すいわゆるフレーム読み出し方式の場合と比較して蓄積時間が半分であるため、動画像の撮像を良好に行うことができるという利点がある反面、垂直方向にて2画素の信号電荷を混合しているために垂直解像度が低いという欠点がある。したがって、高解像度が要求される電子スチルカメラの撮像方式としては適していない。
【0004】
このため、電子スチルカメラでは、近年、図12に示すように、各画素の信号電荷を垂直CCD中で混合せずに同一時刻に独立に読み出すいわゆる全画素読み出し方式CCD固体撮像装置が用いられている。この全画素読み出し方式CCD固体撮像装置によれば、画素数を同じとした場合、フィールド読み出し方式固体撮像装置の2倍の垂直解像度を実現できる。その反面、撮像信号を出力するのに、他の読み出し方式の2倍の時間を要することになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電子スチルカメラの場合、撮影時にピントを合わせたり、撮影時のカメラアングルを調整するために、撮像画像を表示するモニタを設けることが多い。全画素読み出し方式CCD固体撮像装置を撮像デバイスとして用いた電子スチルカメラにおいて、モニタに映像を映し出すためには、撮像信号を出力するのに、他の読み出し方式の2倍の時間を要することから、高速に撮像信号を出力する必要がある。
【0006】
このため、全画素読み出し方式CCD固体撮像装置において、高速に撮像信号を出力する方法として、垂直方向の一部の画素列のみから信号電荷を読み出すいわゆる間引き読み出し駆動が、本出願人により特願平8−78315号明細書にて提案されている。この間引き読み出し駆動において、間引かれた画素列では電荷が取り残されることになる。したがって、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへの移行を考えた場合、全画素読み出し駆動で読み出された信号電荷に、その取り残された電荷が混ざってしまう可能性がある。
【0007】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行した際に、間引き読み出し駆動で取り残された電荷が混入することなく、全画素読み出しによる各画素の信号電荷を得ることが可能な固体撮像装置およびその駆動方法、並びにカメラを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像装置は、複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直CCDと、前記センサ部から前記垂直CCDへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子と、垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に印加する第1の読み出しパルスと、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに印加する第2の読み出しパルスとを選択的に発生するとともに、前記第1の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第2の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも1個発生するタイミング発生回路とを備えた構成となっている。
【0009】
本発明による駆動方法は、複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直CCDと、前記センサ部から前記垂直CCDへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子を備え、垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に第1の読み出しパルスを印加し、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに第2の読み出しパルスを印加する固体撮像装置において、前記第1の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第2の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも1個発生するようにする。
【0010】
上記構成の固体撮像装置およびその駆動方法において、第1の読み出しパルスの発生直後で、且つ第2の読み出しパルスの発生前に、電荷掃き出しパルスを少なくとも1個発生することで、間引き読み出し駆動の際に間引かれた画素列で読み出されず、取り残された信号電荷が一斉に掃き捨てられる。したがって、全画素読み出し駆動に移行した際に、そこで読み出される信号電荷への混入等の影響を避けることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図1は、例えばインターライン転送方式CCD固体撮像素子に適用された本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【0012】
図1において、行(垂直)方向および列(水平)方向にマトリクス状に配列され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する複数のセンサ部11と、これらセンサ部11の垂直列ごとに設けられ、各センサ部11から読み出しゲート部12によって読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直CCD13とによって撮像エリア14が構成されている。
【0013】
この撮像エリア14において、センサ部11は例えばPN接合のフォトダイオードからなっている。このセンサ部11に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部12に後述する読み出しパルスXSGが印加されることにより垂直CCD13に読み出される。垂直CCD13は、例えば3層電極3相(φV1〜φV3)駆動の構成となっており、各センサ部11から読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて1走査線(1ライン)に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。
【0014】
ここで、垂直CCD13において、2相目(φV2)の転送電極は、読み出しゲート部12のゲート電極を兼ねている。このことから、3相の垂直転送クロックφV1〜φV3のうち、2相目の垂直転送クロックφV2が低レベル(以下、“L”レベルと称す)、中間レベル(以下、“M”レベルと称す)および高レベル(以下、“H”レベルと称す)の3値をとるように設定されており、その3値目の“H”レベルのパルスが読み出しゲート部12に印加される読み出しパルスXSGとなる。
【0015】
撮像エリア14の図面上の下側には、水平CCD15が配されている。この水平CCD15には、複数本の垂直CCD13から1ラインに相当する信号電荷が順次転送される。水平CCD15は、例えば2層電極2相(φH1,φH2)駆動の構成となっており、複数本の垂直CCD13から移された1ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。
【0016】
水平CCD15の転送先の端部には、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成の電荷電圧変換部16が設けられている。この電荷電圧変換部16は、水平CCD15によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたCCD出力OUTとして導出される。以上により、インターライン転送方式のCCD固体撮像素子10が構成されている。
【0017】
上記構成のCCD固体撮像素子10において、センサ部11に蓄積される信号電荷量は、基板側のポテンシャルバリアの高さによって決定される。このポテンシャルバリアの高さは、基板に印加されるバイアス電圧によって決まる。このため、CCD固体撮像素子10の基板には、各デバイスごとに決まる所定レベルの基板バイアス電圧Vsubが印加されている。
【0018】
また、センサ部11に蓄積されている電荷を例えば基板に一斉に掃き捨てる場合には、高い電圧の電荷掃き出しパルスXSUBをコンデンサCを介して基板バイアス電圧Vsubに重畳し、基板に印加する。これにより、基板側のポテンシャルバリアが崩れるため、センサ部11に蓄積された信号電荷が基板に掃き捨てられる。この電荷掃き出しパルスXSUBは、通常、電子シャッタなどの機能において、センサ部11への信号電荷の蓄積時間、即ち露光時間を制御するシャッタパルスとして用いられる。
【0019】
このCCD固体撮像素子10を駆動するための垂直転送クロックφV1〜φV3、水平転送クロックφH1,φH2および電荷掃き出しパルスXSUBを含む各種のタイミング信号は、タイミング発生回路17で生成される。このタイミング発生回路17の回路構成の一例を図2に示す。図2において、タイミング発生回路17は、分周器21、デコーダ22、パルス発生器23およびメモリ24から構成されている。
【0020】
分周器21は、水平分周器211および垂直分周器212から構成され、原発振器25から与えられる所定周波数の基準パルスを各分周器211,212で分周する。デコーダ22は、水平デコーダ221および垂直デコーダ222から構成され、各分周器211,212から得られたパルスを各デコーダ221,222でカウントしてデコード値を生成する。パルス発生器23は、マイコン26から与えられ、メモリ24に保持されたデータによる制御を受けながら、各デコーダ221,222から得られたデコード値を用いて電荷掃き出しパルスXSUBを含む各種のタイミング信号を生成する。
【0021】
また、このタイミング発生回路17は、外部から与えられるモード信号に応じて、全画素の信号電荷を同一時刻に独立に読み出す全画素読み出しモードと、垂直方向の一部の画素列のみから信号電荷を読み出す間引き読み出しモードをとり得る構成となっている。そして、2相目の垂直転送クロックφV2については、この2つのモードに対応するために2系統のクロック(φV2,φV2′)を発生する。
【0022】
図3は、単位画素の具体的な構成の一例を示す平面パターン図であり、図4にそのX‐X′矢視断面を示す。先ず、垂直CCD13は、N型基板31上にP型ウェル32を介して形成されたN型不純物からなる転送チャネル33と、この転送チャネル33の上方にその転送方向に繰り返して配列された3相の転送電極34-1〜34-3とから構成されている。これら転送電極34-1〜34-3において、1相目の転送電極34-1は1層目のポリシリコン(図中、一点鎖線で示す)によって形成され、2相目の転送電極34-2は2層目のポリシリコン(図中、二点鎖線で示す)によって形成され、3相目の転送電極34-3は3層目のポリシリコン(図中、破線で示す)によって形成されている。
【0023】
図5は、垂直CCD13における転送電極34-1〜34-3の配線パターン図である。本配線系においては、間引き読み出し駆動を可能とするために、2相目の垂直転送クロックφV2の配線に工夫が凝らされている。具体的には、先述したように、2相目の垂直転送クロックとして2系統の垂直転送クロックφV2,φV2′が用意され、さらに垂直転送クロックφV1,φV2,φV2′,φV3を伝送するために計4本のバスライン41〜44が配線されている。なお、図6に、ラインシフト期間における垂直転送クロックφV1,φV2,φV2′,φV3の位相関係を示す。
【0024】
そして、垂直転送クロックφV1,φV3を伝送するバスライン41,44には、全画素の1相目の転送電極34-1,34-3が接続されている。また、垂直転送クロックφV2を伝送するバスライン42には、前後する3画素を単位Aとしてこれら画素の2相目の転送電極34-2が4画素おきに接続され、垂直転送クロックφV2′を伝送するバスライン43には、バスライン42に接続された画素以外の4画素を単位Bとしてこれら画素の2相目の転送電極34-2が3画素おきに接続されている。
【0025】
垂直転送クロックφV2,φV2′は、先述したように、その3値目の“H”レベルのパルスがセンサ部11から信号電荷を読み出すときに読み出しゲート部12のゲート電極に印加される読み出しパルスXSGとなる。そして、全画素読み出しモードの際には、図7(A)に示すように、垂直転送クロックφV2,φV2′の双方に読み出しパルスXSGが立つのに対し、間引き読み出しモードの際には、図7(B)に示すように、垂直転送クロックφV2のみに読み出しパルスXSGが立つ。
【0026】
すなわち、全画素読み出しモードでは、垂直転送クロックφV2,φV2′の双方に読み出しパルスXSGが立つことで、全画素から信号電荷が読み出されることになる。一方、間引き読み出しモードでは、垂直転送クロックφV2のみに読み出しパルスXSGが立つことで、3ラインを単位として4ラインおきに信号電荷が読み出されることになる。換言すれば、4ラインを単位として3ラインおきに信号電荷の読み出しが間引かれることになる。
【0027】
なお、本例では、一例として、カラー方式CCD固体撮像素子において、色フィルタのカラーコーディングに対応して、3ラインを単位として4ラインおきに間引き読み出しを行う場合を例にとって示したが、これに限定されるものではなく、4ラインを単位として2ラインおき、あるいは2ラインを単位として1ラインおきなど、図5の垂直転送クロックφV2,φV2′の配線パターンを変更するのみで、任意の間引き読み出しの設定が可能である。
【0028】
次に、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行するときの動作について、図8のタイミングチャートに基づいて説明する。なお、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへの移行は、外部からタイミング発生回路17に対してモード切り換えのためのモード信号が与えられることによって行われる。タイミング発生回路17は、モード信号が与えられると、間引き読み出しモードでは垂直転送クロックφV2にのみ読み出しパルスXSGを立てるようにしていたのに対し、全画素読み出しモードでは垂直転送クロックφV2,φV2′の双方に読み出しパルスXSGを立てるようにする。
【0029】
ここで、間引き読み出しモードにおいては、先述したように、間引かれた画素列では信号電荷が読み出されず、取り残されることになる。したがって、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行した際に、間引き読み出し駆動によって取り残された信号電荷が、全画素読み出し駆動で読み出された信号電荷に混入し、ノイズとなる可能性がある。
【0030】
そこで、タイミング発生回路17では、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する際に、その直前の露光期間において、電荷掃き出しパルスXSUBを、信号電荷の読み出し直後、即ち読み出しパルスXSGの発生直後に1個発生し、間引き読み出し駆動によって取り残された信号電荷を基板に掃き捨てるようにする。なお、発生する電荷掃き出しパルスXSUBは1個に限られるものではなく、必要に応じて複数個連続して発生するようにしても良い。複数個発生することで、取り残された信号電荷をより確実に掃き捨てることができる。
【0031】
また、電荷掃き出しパルスXSUBを、信号電荷の読み出し直後に発生させるのは、この電荷掃き出しパルスXSUBが、先述したように、通常電子シャッタ等の機能において、露光時間の制御に用いられることへの配慮からである。信号電荷の読み出し直後であれば、露光時間を充分に長く設定できるため、電荷掃き出しパルスXSUBを連続して複数個発生した場合であっても、その発生の差によっても露光時間そのものへの影響が少なくて済むことになる。
【0032】
このように、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する直前の露光期間において、電荷掃き出しパルスXSUBを信号電荷の読み出し直後に少なくとも1個発生するようにしたことで、間引き読み出し駆動の際に間引かれた画素列に取り残された信号電荷を基板に掃き捨てることができるので、その後に全画素読み出し駆動に移行した際に、そこで読み出される信号電荷への混入等の影響を避けることができる。
【0033】
また、タイミング発生回路17では、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する直前の露光期間においてのみならず、図9のタイミングチャートに示すように、間引き読み出しモードの期間中においても、信号電荷の読み出し直後、即ち読み出しパルスXSGの発生直後に電荷掃き出しパルスXSUBを少なくとも1個発生するようにする。
【0034】
これによれば、例えば突発的に非常に大きな光量が入射した場合などに有効なものとなる。すなわち、突発的に非常に大きな光量が入射した場合などにおいては、間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する直前の露光期間だけで信号電荷の掃き出しを行ったのでは、間引き読み出し駆動によって取り残された信号電荷が画素中で溢れ、他の画素に流れ込む懸念があるが、間引き読み出し駆動中でも取り残された信号電荷の掃き出しを行うことで、信号電荷の溢れなどの問題を解消できることになる。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第1の読み出しパルスの発生直後で、且つ第2の読み出しパルスの発生前に、電荷掃き出しパルスを少なくとも1個発生するようにしたことにより、間引き読み出し駆動の際に間引かれた画素列で読み出されず、取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てることができるので、全画素読み出し駆動に移行した際に、そこで読み出される信号電荷への混入等の影響を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【図2】タイミング発生回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図3】単位画素の構成の一例を示す平面パターン図である。
【図4】図3のX‐X′矢視の断面構造図である。
【図5】垂直CCDの配線パターン図である。
【図6】3相垂直転送クロックの位相関係を示すタイミングチャートである。
【図7】読み出しパルスXSGを説明するためのタイミングチャートであり、(A)は全画素読み出しモードの場合を、(B)は間引き読み出しモードの場合をそれぞれ示している。
【図8】本発明に係る動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図9】本発明に係る動作の他の例を示すタイミングチャートである。
【図10】フィールド読み出し方式の説明図である。
【図11】フレーム読み出し方式の説明図である。
【図12】全画素読み出し方式の説明図である。
【符号の説明】
11 センサ部 13 垂直CCD 14 撮像エリア
15 水平CCD 16 電荷電圧変換部 17 タイミング発生回路

Claims (6)

  1. 複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直CCDと、前記センサ部から前記垂直CCDへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子と、
    垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に印加する第1の読み出しパルスと、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに印加する第2の読み出しパルスとを選択的に発生するとともに、前記第1の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第2の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも1個発生するタイミング発生回路と
    を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記電荷掃き捨て構造は、電子シャッタ構造である
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記電荷掃き出しパルスは、前記固体撮像素子の基板バイアス電圧に重畳されて基板に印加される
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  4. 複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直CCDと、前記センサ部から前記垂直CCDへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子を備え、垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に第1の読み出しパルスを印加し、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに第2の読み出しパルスを印加する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記第1の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第2の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも1個発生する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  5. 前記電荷掃き出しパルスを前記固体撮像素子の基板バイアス電圧に重畳して基板に印加する
    ことを特徴とする請求項4記載の固体撮像装置の駆動方法。
  6. 複数のセンサ部と、前記センサ部の垂直列に対応して設けられた垂直CCDと、前記センサ部から前記垂直CCDへ信号電荷を読み出す読み出しゲート部と、前記センサ部の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て構造とを有する固体撮像素子と、
    垂直方向の画素列の一部の画素を間引いて信号電荷を読み出すモードのときに間引き対象外の画素に対応する前記読み出しゲート部に印加する第1の読み出しパルスと、全ての画素から信号電荷を読み出すモードのときに前記読み出しゲート部の全てに印加する第2の読み出しパルスとを選択的に発生するとともに、前記第1の読み出しパルスの発生直後で、且つ前記第2の読み出しパルスの発生前に、前記センサ部に取り残された信号電荷を一斉に掃き捨てる電荷掃き出しパルスを少なくとも1個発生するタイミング発生回路と
    を備えた固体撮像装置を有する
    ことを特徴とするカメラ。
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