JP4269402B2 - 固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムに関し、特に各画素から信号電荷を間引いて読み出すいわゆる間引き読み出し駆動が可能な固体撮像素子およびその駆動方法、並びにこれらを用いたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子における問題点として、スミアや暗電流等のノイズ成分が挙げられる。ここで、スミアは、垂直転送部に直接光が混入したり、半導体基板内部で発生した電荷が拡散により広がり、隣接画素や垂直転送部に混入するために発生するノイズ成分である。また、暗電流は、入射光量に無関係に発生するノイズ成分であり、その発生要因として、半導体基板からの拡散電流、基板表面の空乏層からの電流、界面の表面準位からの発生電流等が挙げられる。
【０００３】
このスミアや暗電流は、垂直転送と同方向に乗るノイズ成分である。また、固体撮像素子の駆動方法により、この垂直方向のノイズが助長される場合があり、その場合に特に問題となる。ノイズを助長する駆動方法の例としては、静止画取り込み用途の電子スチルカメラ用ＣＣＤ(Charge Coupled Device) 撮像素子において、撮像画面を確認する際に、各画素の信号電荷を垂直方向において間引いて読み出す（以下、間引き読み出しと称す）ことで、フレームレートを向上する駆動処理を行う駆動方法が挙げられる。
【０００４】
ここで、静止画取り込み用途の電子スチルカメラ用ＣＣＤ撮像素子について説明する。この電子スチルカメラ用ＣＣＤ撮像素子では、例えば全画素読み出し駆動が採られる。なお、図１１の模式図において、白抜きの丸（○）は垂直転送部１０１上のノイズ成分を、黒塗りの丸（●）は水平ブランキング期間一回に転送されるノイズ成分を含む信号成分をそれぞれ示している。
【０００５】
全画素読み出し駆動では、図１１（Ａ）に示すように、全画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）を同一時刻に垂直転送部１０１に一斉に読み出し、当該垂直転送部１０１中で混合することなく独立に垂直方向に転送し、さらにその信号電荷を水平転送部１０２により水平方向に転送し、電荷検出部１０３を介して読み出すようにしている。
【０００６】
この全画素読み出し駆動（Ａ）では、水平ブランキング期間当りの垂直転送部１本での転送画素数は１画素である。また、一回に出力される信号画素数は１画素であり、一回に出力されるノイズ量は垂直転送部１個分（１パケット分のノイズ量）である。なお、ここでは、全画素読み出しでも、メカシャッタを使わないことを前提としている。
【０００７】
一方、間引き読み出し駆動では、図１１（Ｂ）に示すように、例えば垂直方向において１画素おきに間引く場合には、奇数行（図中、１，３，５，……）の画素の信号電荷のみを垂直転送部１０１に読み出す。このとき、垂直転送部１０１には空パケットが存在する。そして、信号パケットと空パケットを対にして垂直方向に転送し、さらにその２パケット分の電荷を水平転送部１０２中で混合して水平方向に転送し、電荷検出部１０３を介して読み出すようにしている。
【０００８】
この間引き読み出し駆動（Ｂ）では、水平ブランキング期間当りの垂直転送部１本での転送画素数は２画素である。また、一回に出力される信号画素数は１画素であり、一回に出力されるノイズ量は垂直転送部２個分（２パケット分のノイズ量）である。
【０００９】
上述した動作説明から明らかなように、間引き読み出しの駆動方法（Ｂ）でノイズが助長されるのは、信号電荷が読み出されない空パケットが存在し、しかもこの空パケットにも垂直転送部１０１上のノイズ成分が蓄積されることから、水平転送部１０２において垂直２画素（上下２パケット）間で混合を行うことにより、１画素分の信号成分に対して２パケット分のノイズ成分が加算され、Ｓ／Ｎが２倍（６ｄＢ）悪化することになるからである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
実際的な電子スチルカメラの使われ方としては、静止画取り込みの際にメカシャッタを閉じるものはスミア等のノイズ成分は問題にならないが、液晶テレビなどのモニターでの撮像画面の確認（モニタリング）の際には、フレームレートを上げることを目的として間引き読み出しの駆動方法が採られるため、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズ成分が問題となる。
【００１１】
なお、この垂直転送と同方向に乗るノイズ成分を除去する方法として、同一垂直転送部の遮光された領域（光学的黒領域）の画素情報を用いてノイズ成分をキャンセルする方法も知られている。しかしながら、この方法の場合には、ＣＣＤ撮像素子の外部にフレームメモリを用意し、このフレームメモリを用いて信号処理を行うことが必要となるため、その分だけコスト高となる。
【００１２】
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、信号処理系に特別な回路を追加しなくても、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズ成分の除去を可能とした固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、マトリクス状に配置された複数個の画素と、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパケット列からなり、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットごとに少なくとも１個の空パケットを有し、複数個の画素から読み出される信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部とを具備する固体撮像素子において、水平方向の画素数の２倍の数のパケットの配列からなる水平転送部によって信号パケットと空パケットの各電荷を組にしてこれら各電荷を混合することなく水平方向に転送し、この水平転送される電荷を順に電気信号に変換し、空パケットの成分をプリセット相に乗せ、信号パケットの成分をデータ相に乗せて出力し、水平転送部の転送周期の２倍の周期でリセット動作を行う。そして、後段の信号処理系において、固体撮像素子の出力信号のデータ相の成分とプリセット相の成分との差分をとる。
【００１４】
上記の構成において、空パケットには、スミアや暗電流等のノイズ成分が、同じ垂直画素列の信号パケットと同じノイズ量だけ生ずる。この空パケットのノイズ成分を固体撮像素子の出力波形のプリセット相に乗せて出力することで、データ相の信号成分と独立してノイズ成分を取り出せる。したがって、後段の信号処理系において、データ相の成分とプリセット相の成分との差分をとることで、信号成分に含まれるノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。ここでは、例えば全画素読み出し駆動方式ＣＣＤ撮像素子において、全画素読み出しモードの他に、垂直方向において例えば１画素おきに画素情報を間引く処理を行う間引き読み出しモードをとり得る場合を例に挙げて説明するものとする。
【００１６】
図１において、撮像部（撮像エリア）１１は、半導体基板上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フォトダイオード等の複数個の受光素子（画素）１２と、これら複数個の受光素子１２の垂直列ごとにその配列方向に沿って設けられた複数本の垂直転送部１３とから構成されている。
【００１７】
複数本の垂直転送部１３は、各画素に１：１の対応関係を持って設けられた信号パケットと、これら信号パケットの垂直転送方向前方側に１個ずつ配された空パケットの集合（パケット列）からなり、各パケットの転送チャネル上には３つの転送電極（図示せず）が転送方向に配列されている。ここで、パケットとは、信号電荷の転送路上において、１つの信号成分やノイズ成分を扱う単位を言う。そして、垂直転送部１３は、例えば３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３によって転送駆動される。
【００１８】
すなわち、垂直転送部１３は、水平ブランキング期間において、１行（１ライン）分の信号電荷を、３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３に応じて１ラインずつ転送（以下、これをラインシフトと称す）する動作を行う。ここで、垂直転送部１３の転送電極の一部が読み出しゲート電極を兼ねていることから、垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３のうちのいずれか１つは、低レベル、中間レベルおよび高レベルの３値レベルをとり、その３値目の高レベルのパルスが読み出しパルスとなる。
【００１９】
ただし、３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３の各パケットへの与え方は、間引き読み出しモードでは全画素読み出しモードと異なる。すなわち、信号電荷の読み出しが間引かれる画素については、当然のことながら、読み出しパルスが与えられないことになる。また、垂直転送部１３において、全画素読み出しモードでは水平ブランキング期間に１回ラインシフトが行われるのに対して、１画素おきの間引き読み出し駆動では、水平ブランキング期間に２回ラインシフトが行われることになる。
【００２０】
撮像部１１の図面上の下側には、複数本の垂直転送部１３の転送方向側端部に隣接して水平転送部１４が配されている。この水平転送部１４は、間引き読み出しモードでは、信号成分とノイズ成分を対にして転送する必要があるために、水平方向の画素数の２倍の数（倍密度）のパケットの配置（パケット列）からなる構成となっている。そして、互いに逆相の水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２によって転送駆動される。この水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２は、水平転送部１４が倍密度で構成されていることから、その周波数も通常の２倍に設定されている。
【００２１】
水平転送部１４の転送先側の端部には、この水平転送部１４によって転送されてくる信号電荷を検出し、これを信号電圧に変換して出力する例えばフローティングディフュージョン・アンプ構成の電荷検出部１５が配されている。この電荷検出部１５は、水平転送部１４の最終出力ゲート１６に隣接して設けられたＦＤ（フローティングディフュージョン）部１７と、電荷を掃き出すＲＤ（リセットドレイン）部１８と、ＦＤ部１７の電荷をＲＤ部１８へ排出するＲＧ（リセットゲート）部１９とから構成されている。
【００２２】
この電荷検出部１５において、ＲＤ部１８には、所定のドレイン電圧Ｖｒｄが与えられている。また、ＲＧ部１９には、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と例えば同周期のリセットゲートパルスＲＧφが印加される。そして、ＦＤ部１７からは、信号電荷を信号電圧に変換して得られる信号出力Ｖｏｕｔが導出される。なお、垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２およびリセットゲートパルスＲＧφを含む各種のタイミング信号は、タイミング発生回路２０で生成される。
【００２３】
図２に、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２、リセットゲートパルスＲＧφおよび信号出力Ｖｏｕｔのタイミング関係を示す。信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相はプリセット部、Ｄ相はデータ部であり、水平転送部１４が２パケットを１単位とした倍密度構成であることから、水平方向前方側のパケットの情報がＰ相に、後方側のパケットの情報がＤ相として出力されることになる。
【００２４】
次に、上記構成の全画素読み出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子の各駆動モードごとの動作について、図３，図４の模式図を用いて説明する。なお、図３，図４の各模式図において、白抜きの丸（○）は垂直転送部１３上のノイズ成分を、黒塗りの丸（●）は水平ブランキング期間一回に転送されるノイズ成分を含む信号成分をそれぞれ示している。
【００２５】
先ず、モード切替え信号によって全画素読み出しモードが設定されると、タイミング発生回路２０は、当該モードに対応したタイミングの垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３を出力する。これにより、図３の模式図において、全画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）が同一時刻に垂直転送部１３に一斉に読み出される（Ａ）。
【００２６】
続いて、垂直転送部１３においてラインシフトが行われるのであるが、その前に、水平転送部１４は２パケットを１単位としていることから、このパケット対のうちの水平転送方向後方側のパケットに信号電荷を供給するために、水平転送部１４ではあらかじめ１ビット（１パケット）分のシフト（以下、これを１ビットシフトと称す）が行われる。その後、水平ブランキング期間内において１回ラインシフトが行われる。その結果、１ライン（１行）分の信号電荷が水平転送部１４にシフトされる（Ｂ）。
【００２７】
このようにして、垂直転送部１３から水平転送部１４にシフトされた１ライン分の信号電荷は、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２にて水平方向に転送され、電荷検出部１５に画素単位で順に注入される。電荷検出部１５においては、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と同周期でリセットゲートパルスＲＧφがリセットゲート部１９に印加されることにより、ＦＤ部１７の残留電荷をＲＤ１８に排出するリセット動作が行われる。
【００２８】
これにより、ＦＤ部１７からは、図２に示す如き波形の信号出力Ｖｏｕｔが導出される。なお、全画素読み出しモードにおいては、先述した動作説明から明らかなように、前方側のパケットには垂直転送部１３から何ら情報が与えられないようになっている。したがって、信号出力Ｖｏｕｔにおいて、Ｐ相には何ら情報は乗らず、このＰ相は後述する信号処理の際の基準となり、またＤ相には信号成分の情報が乗ることになる。
【００２９】
一方、モード切替え信号によって間引き読み出しモードが設定されると、タイミング発生回路２０は、当該モードに対応したタイミングの垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３を出力する。これにより、図４の模式図において、例えば偶数行（図中、２，４，……）の画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）のみが垂直転送部１３に読み出される（Ａ）。
【００３０】
続いて、垂直転送部１３において、水平ブランキング期間内において１回目のラインシフトが行われる。これにより、水平転送部１４のパケット対のうちの水平転送方向前方側のパケットに、垂直転送部１３から１ライン分のノイズ成分の電荷が供給されることになる（Ｂ）。その後引き続いて、水平転送部１４において、１ビットシフトが行われる。
【００３１】
次に、垂直転送部１３において、同じブランキング期間内において２回目のラインシフトが行われる。これにより、水平転送部１４のパケット対のうちの水平転送方向後方側のパケットに、垂直転送部１３から１ライン分の信号成分の電荷が供給されることになる（Ｃ）。その結果、水平転送部１４上において、パケット対の前方にノイズ成分の電荷が、後方に信号成分の電荷がそれぞれ蓄積されることになる。
【００３２】
このようにして、水平ブランキング期間内においてラインシフトが２回行われることによって垂直転送部１３から水平転送部１４にシフトされたノイズ成分および信号成分の各電荷は対で水平方向に転送され、電荷検出部１５に順に注入される。電荷検出部１５では、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と同周期のリセットゲートパルスＲＧφによってリセット動作が行われ、その結果、図２に示す如き波形の信号出力Ｖｏｕｔにおいて、Ｐ相にはノイズ成分の情報が乗り、Ｄ相には信号成分の情報が乗ることになる。
【００３３】
この電荷検出部１５において、水平転送部１４の転送周期と同周期でリセット動作が行われることにより、Ｐ相とＤ相の間でもリセット動作が行われることになる。その結果、Ｐ相には１パケット分のノイズ成分が乗り、Ｄ相には１パケット分の信号成分＋ノイズ成分が乗ることになる。
【００３４】
上述したように、全画素読み出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子において、間引き読み出しモード時に、信号パケットと空パケットの各電荷を組（本例では、対）にして水平転送し、この水平転送される電荷を順に電気信号に変換して空パケットのノイズ成分をＰ相に乗せ、信号パケットの信号成分をＤ相に乗せて出力することにより、画素情報と同一画素列、即ち水平方向の同アドレスのノイズ情報をその画素情報と組で得ることができる。
【００３５】
したがって、後段の信号処理系において、Ｄ相の信号成分とＰ相のノイズ成分との差分をとる処理を行うことで、信号成分に含まれるノイズ成分をキャンセルすることができる。ここで、空パケットのノイズ成分とは、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズのことを言う。
【００３６】
図５は、本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示すブロック図である。本カメラシステムは、撮像デバイスとしてのＣＣＤ撮像素子２１と、被写体（図示せず）からの入射光（像光）を取り込んでＣＣＤ撮像素子２１の撮像面上に結像させるレンズ２２と、ＣＣＤ撮像素子２１の出力信号に対して種々の信号処理を行う信号処理回路２３と、撮像モードを設定するモード設定部２４と、このモード設定部２４で設定された撮像モードに応じてＣＣＤ撮像素子２１を駆動するＣＣＤ駆動回路２５とを有する構成となっている。
【００３７】
このカメラシステムにおいて、ＣＣＤ撮像素子２１として、先述した第１実施形態に係るＣＣＤ撮像素子、即ち全画素読み出しモードと間引き読み出しモードとを択一的にとり得る構成のＣＣＤ撮像素子が用いられる。また、モード設定部２４では、撮像モードとして例えば静止画を取り込む通常撮像モードと、付属の例えば液晶テレビで撮像画面の確認を行うモニタリングモードが択一的に設定できるようになっている。
【００３８】
一方、ＣＣＤ駆動回路２５は、図１におけるタイミング発生回路２０を有する構成となっており、モード設定部２４で通常撮像モードが設定されたときには、全画素読み出し駆動にてＣＣＤ撮像素子２１を駆動し、モード設定部２４でモニタリングモードが設定されたときには、フレームレートを上げるべく間引き読み出し駆動にてＣＣＤ撮像素子２１を駆動する。全画素読み出しおよび間引き読み出しの各駆動は、先述した動作手順にしたがって行われる。
【００３９】
信号処理回路２３には、ＣＣＤ撮像素子２１の出力信号に含まれるノイズ成分を除去するＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関２重サンプリング）回路が設けられている。このＣＤＳ回路の回路構成の一例を図６に示す。なお、このＣＤＳ回路には、図２の信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相のタイミングで発生するサンプリングパルスφＳＨＰと、Ｄ相のタイミングで発生するサンプリングパルスφＳＨＤとが与えられる。
【００４０】
ＣＤＳ回路３０は、図６から明らかなように、ＣＣＤ撮像素子２１の出力（ＣＣＤ出力）をサンプリングパルスφＳＨＰでサンプリングするサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路３１と、このサンプルホールド回路３１の出力をサンプリングパルスφＳＨＤでサンプリングするサンプルホールド回路３２と、ＣＣＤ撮像素子２１のＣＣＤ出力をサンプリングパルスφＳＨＤでサンプリングするサンプルホールド回路３３と、サンプルホールド回路３２，３３の各出力を２入力とする差動アンプ３４とから構成されている。
【００４１】
上記構成のＣＤＳ回路３０においては、ＣＣＤ撮像素子２１のＣＣＤ出力のＰ相（プリセット部）とＤ相（データ部）をそれぞれ、サンプリングパルスφＳＨＰ，φＳＨＤに同期してサンプルホールド回路３１〜３３でサンプリングし、その差分を差動アンプ３４でとる処理が行われる。ここで、Ｐ相を再度サンプリングパルスφＳＨＤでサンプリングしているのは、Ｄ相との位相を合わせるためである。
【００４２】
このように、信号処理回路２３において、ＣＤＳ回路３０でＣＣＤ撮像素子２１のＣＣＤ出力のＰ相とＤ相の差分をとる処理を行うことにより、図７に示すように、ＣＣＤ出力に例えば低周波ノイズが乗ったとしても、Ｐ相を基準に差分をとることによってそのノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００４３】
また、モニタリングモードの設定時において、ＣＣＤ撮像素子２１に対して間引き読み出し駆動を行った場合には、先述したように、空パケットのノイズ成分がＰ相に乗り、信号パケットの信号成分＋ノイズ成分がＤ相に乗ったＣＣＤ出力が得られることになるため、ＣＤＳ回路３０でＰ相とＤ相の差分をとることにより、ノイズ成分をキャンセルすることができる。これにより、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズを抑制することができる。
【００４４】
上述したことから明らかなように、モニタリングモード設定時にＣＣＤ撮像素子２１に対して間引き読み出し駆動を行う構成のカメラシステムにおいて、当該ＣＣＤ撮像素子２１として、空パケットのノイズ成分をＰ相に乗せた信号出力Ｖｏｕｔを出力可能なＣＣＤ撮像素子を用いることにより、ＣＤＳ回路３０での相関２重サンプリング処理によってスミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズを抑制することができる。しかも、このＣＤＳ回路３０は低周波ノイズをキャンセルするために一般的に用いられている回路であることから、新たに回路を追加しなくてもノイズを除去できるという利点もある。
【００４５】
なお、上記第１実施形態では、電荷検出部１５において、ＣＣＤ出力のＰ相とＤ相の間でリセット動作を行うようにするために、そのリセット動作の周期を水平転送部１４の転送周期と同じに設定する、即ちリセットゲートパルスＲＧφの周波数を水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数と同じに設定するとしたが、ＣＣＤ出力のＰ相とＤ相の間でリセット動作を行わないようにすることも可能である。
【００４６】
このように、Ｐ相とＤ相の間でリセット動作を行わないようにすることで、リセットゲートパルスＲＧφの周波数を水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数の１／２に設定できるため、同じ周波数に設定する場合よりも低消費電力化が図れることになる。なお、この場合には、Ｐ相のノイズ成分がそのままＤ相に加算され、Ｄ相には（信号成分＋ノイズ成分×２）が乗ることになるため、上記のＣＤＳ回路３０での処理ではノイズ成分は完全にキャンセルすることはできない。
【００４７】
すなわち、信号成分に含まれる本来の１パケット分のノイズ量は残ることになるが、それでもＳ／Ｎが２倍悪化した従来技術に比べれば、ノイズ量を１パケット分だけでも低減できるため、Ｓ／Ｎを向上できることになる。ただし、図６のＣＤＳ回路３０の差動アンプ３４の前段に、Ｐ相のノイズ成分のレベルを２倍にする回路を設け、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×２）とＰ相の（ノイズ成分×２）との差分をとるようにすることにより、信号処理を行う過程でノイズ成分を完全にキャンセルすることは可能である。
【００４８】
また、上記第１実施形態においては、間引き読み出し駆動では、各画素からの信号電荷の読み出しを１画素おきに間引くことにより、空パケットのノイズ成分と信号パケットの信号成分とを１：１の関係（対）で水平転送する場合を例にとって説明したが、１画素おきの間引きに限定されるものではない。
【００４９】
一例として、図８に示すように、垂直方向において４画素につき３画素の信号電荷を間引く処理を行う間引き読み出し駆動の場合にも同様に適用可能である。この間引き読出し駆動の場合を第２実施形態として、以下に説明する。この第２実施形態の場合には、垂直転送部１３において、信号パケット（図中、●）に対して垂直転送方向前方の２個の空パケット（図中、○）および後方１個の空パケットを組とする（Ａ）。そして、水平ブランキング期間内でラインシフトを４回繰り返す。これにより、フレームレートを全画素読み出し駆動時の４倍に向上できる。
【００５０】
一方、水平転送部１４としては、第１実施形態の場合と同様に、例えば水平方向の画素数の２倍のパケット列（倍密度）からなる構成のものが用いられる。この水平転送部１４では、水平ブランキング期間において、２回目と３回目のラインシフトの間で１ビットシフトが行われる。これにより、パケット対のうち、水平転送方向前方側のパケットには、垂直転送部１３から最初の２個の空パケットの各電荷が蓄積され、後方側のパケットには信号パケットおよびその後方の空パケットの各電荷が蓄積される（Ｂ）。
【００５１】
また、電荷検出部１５において、リセットゲートパルスＲＧφの周波数は、図９のタイミングチャートに示すように、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数の１／２に設定されている。すなわち、電荷検出部１５でのリセット動作は、水平転送部１４の転送周期の２倍の周期で行われる。これにより、図９の信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相とＤ相の間ではリセット動作が行われないことになる。
【００５２】
その結果、４画素につき３画素の信号電荷を間引く間引き読み出し駆動の場合には、Ｐ相には２個の空パケット分のノイズ成分が乗り、Ｄ相には４個の空パケット分のノイズ成分＋信号成分が乗ることになる。そして、後段のＣＤＳ回路３０において、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×４）とＰ相の（ノイズ成分×２）の差分をとることにより、垂直転送部１３の２パケット分のノイズをキャンセルできることになる。
【００５３】
ちなみに、従来技術においては、４画素につき３画素の信号電荷を間引く間引き読み出し駆動を実現する場合には、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×４）の情報がそのまま出力されることになるため、Ｓ／Ｎが４倍悪化することになる。また、第１実施形態の変形例の場合と同様に、図６のＣＤＳ回路３０の差動アンプ３４の前段に、Ｐ相のノイズ成分のレベルを２倍にする回路を設け、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×４）とＰ相の（ノイズ成分×４）との差分をとるようにすることにより、信号処理を行う過程でノイズ成分を完全にキャンセルすることは可能である。
【００５４】
また、この第２実施形態では、図９の信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相とＤ相の間ではリセット動作を行わない場合を例にとって説明したが、第１実施形態の場合と同様に、リセットゲートパルスＲＧφの周波数を水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数と同じに設定し、Ｐ相とＤ相の間でリセット動作を行うようにすることも可能である。この場合には、ＣＤＳ回路３０において、Ｄ相の成分からＰ相の成分をそのまま差し引くことで、ノイズ成分を完全にキャンセルできることになる。
【００５５】
なお、上記各実施形態では、全画素読出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子に適用した場合について説明したが、これに限られるものではなく、間引き読出し駆動が可能な構成のものであれば、フレーム読出し駆動方式等のＣＣＤ撮像素子にも同様に適用可能である。
【００５６】
また、上記各実施形態では、垂直転送部１３において、信号パケットに隣接して空パケットを配するとしたが、Ｐ相に乗せるノイズ情報は、取り出す信号電荷と水平方向のアドレスが同じもの、即ち同一の垂直画素列のノイズ成分であれば良いため、信号パケットに隣接して空パケットを配する構成に限られるものではなく、また垂直方向の位置（アドレス）も限定されない。すなわち、図１０において、任意の出力される画素（ｎ，ｍ）対して、Ｐ相に乗せる空パケットのノイズ成分のアドレスを（ｎ，Ｘ）とすると、水平アドレスｎが一致していれば、垂直アドレスＸは同一の垂直画素列内であれば良い。
【００５７】
一例として、同一の垂直画素列につき空パケットを１個設け、その空パケットのアドレスを（ｎ，０）とし、その空パケットのノイズ成分をＰ相に乗せるようにする。そして、後段のＣＤＳ回路においては、１ラインごとに画素単位で信号処理を行う際に、最初に入力されるＰ相のノイズ成分を保持し、このノイズ成分を各画素ごとに、Ｄ相のノイズ成分を含む信号成分から減算する構成を採るようにしても、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズをキャンセルすることができる。
【００５８】
また、上記各実施形態では、信号パケットに隣接して空パケットを配する構成を採った場合において、水平転送部１４を倍密度構成とすることにより、ノイズ成分と信号成分（ノイズ成分を含む）を対にして水平転送するとしたが、互いに平行に配置された２本の転送レジスタで水平転送部１４を構成し、この２本の転送レジスタでノイズ成分と信号成分（ノイズ成分を含む）を別々に水平転送し、その最終段においてノイズ成分と信号成分を交互に電荷検出部１５に供給する構成を採ることも可能である。なお、電荷検出部１５では、倍密度構成の場合と同様の動作が行われることになる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパケット列からなり、各画素から読み出される信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部を有する固体撮像素子において、空パケットの成分をプリセット相に乗せて出力するようにしたことにより、後段の信号処理系において、固体撮像素子の出力信号のデータ相の成分とプリセット相の成分との差分をとることによって、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズ成分を抑制することができるため、信号処理系に特別な回路を追加しなくても、Ｓ／Ｎを向上できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図３】全画素読出しモードの動作説明のための模式図である。
【図４】間引き読出しモードの動作説明のための模式図である。
【図５】本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示すブロック図である。
【図６】ＣＤＳ回路の回路構成の一例を示すブロック図である。
【図７】ＣＤＳ回路の基本原理を説明するための波形図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の概念を説明するための模式図である。
【図９】第２実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図１０】Ｐ相に乗せる空パケットのアドレスの説明図である。
【図１１】従来技術の課題を説明するための模式図であり、（Ａ）は全画素読出し駆動の場合を、（Ｂ）は間引き読出し駆動の場合をそれぞれ示している。
【符号の説明】
１２…受光素子、１３…垂直転送部、１４…水平転送部、１５…電荷検出部、２０…タイミング発生回路、２１…ＣＣＤ撮像素子、２３…信号処理回路、２４…モード設定部、３０…ＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムに関し、特に各画素から信号電荷を間引いて読み出すいわゆる間引き読み出し駆動が可能な固体撮像素子およびその駆動方法、並びにこれらを用いたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子における問題点として、スミアや暗電流等のノイズ成分が挙げられる。ここで、スミアは、垂直転送部に直接光が混入したり、半導体基板内部で発生した電荷が拡散により広がり、隣接画素や垂直転送部に混入するために発生するノイズ成分である。また、暗電流は、入射光量に無関係に発生するノイズ成分であり、その発生要因として、半導体基板からの拡散電流、基板表面の空乏層からの電流、界面の表面準位からの発生電流等が挙げられる。
【０００３】
このスミアや暗電流は、垂直転送と同方向に乗るノイズ成分である。また、固体撮像素子の駆動方法により、この垂直方向のノイズが助長される場合があり、その場合に特に問題となる。ノイズを助長する駆動方法の例としては、静止画取り込み用途の電子スチルカメラ用ＣＣＤ(Charge Coupled Device) 撮像素子において、撮像画面を確認する際に、各画素の信号電荷を垂直方向において間引いて読み出す（以下、間引き読み出しと称す）ことで、フレームレートを向上する駆動処理を行う駆動方法が挙げられる。
【０００４】
ここで、静止画取り込み用途の電子スチルカメラ用ＣＣＤ撮像素子について説明する。この電子スチルカメラ用ＣＣＤ撮像素子では、例えば全画素読み出し駆動が採られる。なお、図１１の模式図において、白抜きの丸（○）は垂直転送部１０１上のノイズ成分を、黒塗りの丸（●）は水平ブランキング期間一回に転送されるノイズ成分を含む信号成分をそれぞれ示している。
【０００５】
全画素読み出し駆動では、図１１（Ａ）に示すように、全画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）を同一時刻に垂直転送部１０１に一斉に読み出し、当該垂直転送部１０１中で混合することなく独立に垂直方向に転送し、さらにその信号電荷を水平転送部１０２により水平方向に転送し、電荷検出部１０３を介して読み出すようにしている。
【０００６】
この全画素読み出し駆動（Ａ）では、水平ブランキング期間当りの垂直転送部１本での転送画素数は１画素である。また、一回に出力される信号画素数は１画素であり、一回に出力されるノイズ量は垂直転送部１個分（１パケット分のノイズ量）である。なお、ここでは、全画素読み出しでも、メカシャッタを使わないことを前提としている。
【０００７】
一方、間引き読み出し駆動では、図１１（Ｂ）に示すように、例えば垂直方向において１画素おきに間引く場合には、奇数行（図中、１，３，５，……）の画素の信号電荷のみを垂直転送部１０１に読み出す。このとき、垂直転送部１０１には空パケットが存在する。そして、信号パケットと空パケットを対にして垂直方向に転送し、さらにその２パケット分の電荷を水平転送部１０２中で混合して水平方向に転送し、電荷検出部１０３を介して読み出すようにしている。
【０００８】
この間引き読み出し駆動（Ｂ）では、水平ブランキング期間当りの垂直転送部１本での転送画素数は２画素である。また、一回に出力される信号画素数は１画素であり、一回に出力されるノイズ量は垂直転送部２個分（２パケット分のノイズ量）である。
【０００９】
上述した動作説明から明らかなように、間引き読み出しの駆動方法（Ｂ）でノイズが助長されるのは、信号電荷が読み出されない空パケットが存在し、しかもこの空パケットにも垂直転送部１０１上のノイズ成分が蓄積されることから、水平転送部１０２において垂直２画素（上下２パケット）間で混合を行うことにより、１画素分の信号成分に対して２パケット分のノイズ成分が加算され、Ｓ／Ｎが２倍（６ｄＢ）悪化することになるからである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
実際的な電子スチルカメラの使われ方としては、静止画取り込みの際にメカシャッタを閉じるものはスミア等のノイズ成分は問題にならないが、液晶テレビなどのモニターでの撮像画面の確認（モニタリング）の際には、フレームレートを上げることを目的として間引き読み出しの駆動方法が採られるため、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズ成分が問題となる。
【００１１】
なお、この垂直転送と同方向に乗るノイズ成分を除去する方法として、同一垂直転送部の遮光された領域（光学的黒領域）の画素情報を用いてノイズ成分をキャンセルする方法も知られている。しかしながら、この方法の場合には、ＣＣＤ撮像素子の外部にフレームメモリを用意し、このフレームメモリを用いて信号処理を行うことが必要となるため、その分だけコスト高となる。
【００１２】
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、信号処理系に特別な回路を追加しなくても、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズ成分の除去を可能とした固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、マトリクス状に配置された複数個の画素と、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパケット列からなり、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットごとに少なくとも１個の空パケットを有し、複数個の画素から読み出される信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部とを具備する固体撮像素子において、水平方向の画素数の２倍の数のパケットの配列からなる水平転送部によって信号パケットと空パケットの各電荷を組にしてこれら各電荷を混合することなく水平方向に転送し、この水平転送される電荷を順に電気信号に変換し、空パケットの成分をプリセット相に乗せ、信号パケットの成分をデータ相に乗せて出力し、水平転送部の転送周期の２倍の周期でリセット動作を行う。そして、後段の信号処理系において、固体撮像素子の出力信号のデータ相の成分とプリセット相の成分との差分をとる。
【００１４】
上記の構成において、空パケットには、スミアや暗電流等のノイズ成分が、同じ垂直画素列の信号パケットと同じノイズ量だけ生ずる。この空パケットのノイズ成分を固体撮像素子の出力波形のプリセット相に乗せて出力することで、データ相の信号成分と独立してノイズ成分を取り出せる。したがって、後段の信号処理系において、データ相の成分とプリセット相の成分との差分をとることで、信号成分に含まれるノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。ここでは、例えば全画素読み出し駆動方式ＣＣＤ撮像素子において、全画素読み出しモードの他に、垂直方向において例えば１画素おきに画素情報を間引く処理を行う間引き読み出しモードをとり得る場合を例に挙げて説明するものとする。
【００１６】
図１において、撮像部（撮像エリア）１１は、半導体基板上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フォトダイオード等の複数個の受光素子（画素）１２と、これら複数個の受光素子１２の垂直列ごとにその配列方向に沿って設けられた複数本の垂直転送部１３とから構成されている。
【００１７】
複数本の垂直転送部１３は、各画素に１：１の対応関係を持って設けられた信号パケットと、これら信号パケットの垂直転送方向前方側に１個ずつ配された空パケットの集合（パケット列）からなり、各パケットの転送チャネル上には３つの転送電極（図示せず）が転送方向に配列されている。ここで、パケットとは、信号電荷の転送路上において、１つの信号成分やノイズ成分を扱う単位を言う。そして、垂直転送部１３は、例えば３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３によって転送駆動される。
【００１８】
すなわち、垂直転送部１３は、水平ブランキング期間において、１行（１ライン）分の信号電荷を、３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３に応じて１ラインずつ転送（以下、これをラインシフトと称す）する動作を行う。ここで、垂直転送部１３の転送電極の一部が読み出しゲート電極を兼ねていることから、垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３のうちのいずれか１つは、低レベル、中間レベルおよび高レベルの３値レベルをとり、その３値目の高レベルのパルスが読み出しパルスとなる。
【００１９】
ただし、３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３の各パケットへの与え方は、間引き読み出しモードでは全画素読み出しモードと異なる。すなわち、信号電荷の読み出しが間引かれる画素については、当然のことながら、読み出しパルスが与えられないことになる。また、垂直転送部１３において、全画素読み出しモードでは水平ブランキング期間に１回ラインシフトが行われるのに対して、１画素おきの間引き読み出し駆動では、水平ブランキング期間に２回ラインシフトが行われることになる。
【００２０】
撮像部１１の図面上の下側には、複数本の垂直転送部１３の転送方向側端部に隣接して水平転送部１４が配されている。この水平転送部１４は、間引き読み出しモードでは、信号成分とノイズ成分を対にして転送する必要があるために、水平方向の画素数の２倍の数（倍密度）のパケットの配置（パケット列）からなる構成となっている。そして、互いに逆相の水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２によって転送駆動される。この水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２は、水平転送部１４が倍密度で構成されていることから、その周波数も通常の２倍に設定されている。
【００２１】
水平転送部１４の転送先側の端部には、この水平転送部１４によって転送されてくる信号電荷を検出し、これを信号電圧に変換して出力する例えばフローティングディフュージョン・アンプ構成の電荷検出部１５が配されている。この電荷検出部１５は、水平転送部１４の最終出力ゲート１６に隣接して設けられたＦＤ（フローティングディフュージョン）部１７と、電荷を掃き出すＲＤ（リセットドレイン）部１８と、ＦＤ部１７の電荷をＲＤ部１８へ排出するＲＧ（リセットゲート）部１９とから構成されている。
【００２２】
この電荷検出部１５において、ＲＤ部１８には、所定のドレイン電圧Ｖｒｄが与えられている。また、ＲＧ部１９には、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と例えば同周期のリセットゲートパルスＲＧφが印加される。そして、ＦＤ部１７からは、信号電荷を信号電圧に変換して得られる信号出力Ｖｏｕｔが導出される。なお、垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２およびリセットゲートパルスＲＧφを含む各種のタイミング信号は、タイミング発生回路２０で生成される。
【００２３】
図２に、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２、リセットゲートパルスＲＧφおよび信号出力Ｖｏｕｔのタイミング関係を示す。信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相はプリセット部、Ｄ相はデータ部であり、水平転送部１４が２パケットを１単位とした倍密度構成であることから、水平方向前方側のパケットの情報がＰ相に、後方側のパケットの情報がＤ相として出力されることになる。
【００２４】
次に、上記構成の全画素読み出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子の各駆動モードごとの動作について、図３，図４の模式図を用いて説明する。なお、図３，図４の各模式図において、白抜きの丸（○）は垂直転送部１３上のノイズ成分を、黒塗りの丸（●）は水平ブランキング期間一回に転送されるノイズ成分を含む信号成分をそれぞれ示している。
【００２５】
先ず、モード切替え信号によって全画素読み出しモードが設定されると、タイミング発生回路２０は、当該モードに対応したタイミングの垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３を出力する。これにより、図３の模式図において、全画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）が同一時刻に垂直転送部１３に一斉に読み出される（Ａ）。
【００２６】
続いて、垂直転送部１３においてラインシフトが行われるのであるが、その前に、水平転送部１４は２パケットを１単位としていることから、このパケット対のうちの水平転送方向後方側のパケットに信号電荷を供給するために、水平転送部１４ではあらかじめ１ビット（１パケット）分のシフト（以下、これを１ビットシフトと称す）が行われる。その後、水平ブランキング期間内において１回ラインシフトが行われる。その結果、１ライン（１行）分の信号電荷が水平転送部１４にシフトされる（Ｂ）。
【００２７】
このようにして、垂直転送部１３から水平転送部１４にシフトされた１ライン分の信号電荷は、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２にて水平方向に転送され、電荷検出部１５に画素単位で順に注入される。電荷検出部１５においては、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と同周期でリセットゲートパルスＲＧφがリセットゲート部１９に印加されることにより、ＦＤ部１７の残留電荷をＲＤ１８に排出するリセット動作が行われる。
【００２８】
これにより、ＦＤ部１７からは、図２に示す如き波形の信号出力Ｖｏｕｔが導出される。なお、全画素読み出しモードにおいては、先述した動作説明から明らかなように、前方側のパケットには垂直転送部１３から何ら情報が与えられないようになっている。したがって、信号出力Ｖｏｕｔにおいて、Ｐ相には何ら情報は乗らず、このＰ相は後述する信号処理の際の基準となり、またＤ相には信号成分の情報が乗ることになる。
【００２９】
一方、モード切替え信号によって間引き読み出しモードが設定されると、タイミング発生回路２０は、当該モードに対応したタイミングの垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３を出力する。これにより、図４の模式図において、例えば偶数行（図中、２，４，……）の画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）のみが垂直転送部１３に読み出される（Ａ）。
【００３０】
続いて、垂直転送部１３において、水平ブランキング期間内において１回目のラインシフトが行われる。これにより、水平転送部１４のパケット対のうちの水平転送方向前方側のパケットに、垂直転送部１３から１ライン分のノイズ成分の電荷が供給されることになる（Ｂ）。その後引き続いて、水平転送部１４において、１ビットシフトが行われる。
【００３１】
次に、垂直転送部１３において、同じブランキング期間内において２回目のラインシフトが行われる。これにより、水平転送部１４のパケット対のうちの水平転送方向後方側のパケットに、垂直転送部１３から１ライン分の信号成分の電荷が供給されることになる（Ｃ）。その結果、水平転送部１４上において、パケット対の前方にノイズ成分の電荷が、後方に信号成分の電荷がそれぞれ蓄積されることになる。
【００３２】
このようにして、水平ブランキング期間内においてラインシフトが２回行われることによって垂直転送部１３から水平転送部１４にシフトされたノイズ成分および信号成分の各電荷は対で水平方向に転送され、電荷検出部１５に順に注入される。電荷検出部１５では、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と同周期のリセットゲートパルスＲＧφによってリセット動作が行われ、その結果、図２に示す如き波形の信号出力Ｖｏｕｔにおいて、Ｐ相にはノイズ成分の情報が乗り、Ｄ相には信号成分の情報が乗ることになる。
【００３３】
この電荷検出部１５において、水平転送部１４の転送周期と同周期でリセット動作が行われることにより、Ｐ相とＤ相の間でもリセット動作が行われることになる。その結果、Ｐ相には１パケット分のノイズ成分が乗り、Ｄ相には１パケット分の信号成分＋ノイズ成分が乗ることになる。
【００３４】
上述したように、全画素読み出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子において、間引き読み出しモード時に、信号パケットと空パケットの各電荷を組（本例では、対）にして水平転送し、この水平転送される電荷を順に電気信号に変換して空パケットのノイズ成分をＰ相に乗せ、信号パケットの信号成分をＤ相に乗せて出力することにより、画素情報と同一画素列、即ち水平方向の同アドレスのノイズ情報をその画素情報と組で得ることができる。
【００３５】
したがって、後段の信号処理系において、Ｄ相の信号成分とＰ相のノイズ成分との差分をとる処理を行うことで、信号成分に含まれるノイズ成分をキャンセルすることができる。ここで、空パケットのノイズ成分とは、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズのことを言う。
【００３６】
図５は、本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示すブロック図である。本カメラシステムは、撮像デバイスとしてのＣＣＤ撮像素子２１と、被写体（図示せず）からの入射光（像光）を取り込んでＣＣＤ撮像素子２１の撮像面上に結像させるレンズ２２と、ＣＣＤ撮像素子２１の出力信号に対して種々の信号処理を行う信号処理回路２３と、撮像モードを設定するモード設定部２４と、このモード設定部２４で設定された撮像モードに応じてＣＣＤ撮像素子２１を駆動するＣＣＤ駆動回路２５とを有する構成となっている。
【００３７】
このカメラシステムにおいて、ＣＣＤ撮像素子２１として、先述した第１実施形態に係るＣＣＤ撮像素子、即ち全画素読み出しモードと間引き読み出しモードとを択一的にとり得る構成のＣＣＤ撮像素子が用いられる。また、モード設定部２４では、撮像モードとして例えば静止画を取り込む通常撮像モードと、付属の例えば液晶テレビで撮像画面の確認を行うモニタリングモードが択一的に設定できるようになっている。
【００３８】
一方、ＣＣＤ駆動回路２５は、図１におけるタイミング発生回路２０を有する構成となっており、モード設定部２４で通常撮像モードが設定されたときには、全画素読み出し駆動にてＣＣＤ撮像素子２１を駆動し、モード設定部２４でモニタリングモードが設定されたときには、フレームレートを上げるべく間引き読み出し駆動にてＣＣＤ撮像素子２１を駆動する。全画素読み出しおよび間引き読み出しの各駆動は、先述した動作手順にしたがって行われる。
【００３９】
信号処理回路２３には、ＣＣＤ撮像素子２１の出力信号に含まれるノイズ成分を除去するＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関２重サンプリング）回路が設けられている。このＣＤＳ回路の回路構成の一例を図６に示す。なお、このＣＤＳ回路には、図２の信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相のタイミングで発生するサンプリングパルスφＳＨＰと、Ｄ相のタイミングで発生するサンプリングパルスφＳＨＤとが与えられる。
【００４０】
ＣＤＳ回路３０は、図６から明らかなように、ＣＣＤ撮像素子２１の出力（ＣＣＤ出力）をサンプリングパルスφＳＨＰでサンプリングするサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路３１と、このサンプルホールド回路３１の出力をサンプリングパルスφＳＨＤでサンプリングするサンプルホールド回路３２と、ＣＣＤ撮像素子２１のＣＣＤ出力をサンプリングパルスφＳＨＤでサンプリングするサンプルホールド回路３３と、サンプルホールド回路３２，３３の各出力を２入力とする差動アンプ３４とから構成されている。
【００４１】
上記構成のＣＤＳ回路３０においては、ＣＣＤ撮像素子２１のＣＣＤ出力のＰ相（プリセット部）とＤ相（データ部）をそれぞれ、サンプリングパルスφＳＨＰ，φＳＨＤに同期してサンプルホールド回路３１〜３３でサンプリングし、その差分を差動アンプ３４でとる処理が行われる。ここで、Ｐ相を再度サンプリングパルスφＳＨＤでサンプリングしているのは、Ｄ相との位相を合わせるためである。
【００４２】
このように、信号処理回路２３において、ＣＤＳ回路３０でＣＣＤ撮像素子２１のＣＣＤ出力のＰ相とＤ相の差分をとる処理を行うことにより、図７に示すように、ＣＣＤ出力に例えば低周波ノイズが乗ったとしても、Ｐ相を基準に差分をとることによってそのノイズ成分をキャンセルすることができる。
【００４３】
また、モニタリングモードの設定時において、ＣＣＤ撮像素子２１に対して間引き読み出し駆動を行った場合には、先述したように、空パケットのノイズ成分がＰ相に乗り、信号パケットの信号成分＋ノイズ成分がＤ相に乗ったＣＣＤ出力が得られることになるため、ＣＤＳ回路３０でＰ相とＤ相の差分をとることにより、ノイズ成分をキャンセルすることができる。これにより、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズを抑制することができる。
【００４４】
上述したことから明らかなように、モニタリングモード設定時にＣＣＤ撮像素子２１に対して間引き読み出し駆動を行う構成のカメラシステムにおいて、当該ＣＣＤ撮像素子２１として、空パケットのノイズ成分をＰ相に乗せた信号出力Ｖｏｕｔを出力可能なＣＣＤ撮像素子を用いることにより、ＣＤＳ回路３０での相関２重サンプリング処理によってスミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズを抑制することができる。しかも、このＣＤＳ回路３０は低周波ノイズをキャンセルするために一般的に用いられている回路であることから、新たに回路を追加しなくてもノイズを除去できるという利点もある。
【００４５】
なお、上記第１実施形態では、電荷検出部１５において、ＣＣＤ出力のＰ相とＤ相の間でリセット動作を行うようにするために、そのリセット動作の周期を水平転送部１４の転送周期と同じに設定する、即ちリセットゲートパルスＲＧφの周波数を水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数と同じに設定するとしたが、ＣＣＤ出力のＰ相とＤ相の間でリセット動作を行わないようにすることも可能である。
【００４６】
このように、Ｐ相とＤ相の間でリセット動作を行わないようにすることで、リセットゲートパルスＲＧφの周波数を水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数の１／２に設定できるため、同じ周波数に設定する場合よりも低消費電力化が図れることになる。なお、この場合には、Ｐ相のノイズ成分がそのままＤ相に加算され、Ｄ相には（信号成分＋ノイズ成分×２）が乗ることになるため、上記のＣＤＳ回路３０での処理ではノイズ成分は完全にキャンセルすることはできない。
【００４７】
すなわち、信号成分に含まれる本来の１パケット分のノイズ量は残ることになるが、それでもＳ／Ｎが２倍悪化した従来技術に比べれば、ノイズ量を１パケット分だけでも低減できるため、Ｓ／Ｎを向上できることになる。ただし、図６のＣＤＳ回路３０の差動アンプ３４の前段に、Ｐ相のノイズ成分のレベルを２倍にする回路を設け、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×２）とＰ相の（ノイズ成分×２）との差分をとるようにすることにより、信号処理を行う過程でノイズ成分を完全にキャンセルすることは可能である。
【００４８】
また、上記第１実施形態においては、間引き読み出し駆動では、各画素からの信号電荷の読み出しを１画素おきに間引くことにより、空パケットのノイズ成分と信号パケットの信号成分とを１：１の関係（対）で水平転送する場合を例にとって説明したが、１画素おきの間引きに限定されるものではない。
【００４９】
一例として、図８に示すように、垂直方向において４画素につき３画素の信号電荷を間引く処理を行う間引き読み出し駆動の場合にも同様に適用可能である。この間引き読出し駆動の場合を第２実施形態として、以下に説明する。この第２実施形態の場合には、垂直転送部１３において、信号パケット（図中、●）に対して垂直転送方向前方の２個の空パケット（図中、○）および後方１個の空パケットを組とする（Ａ）。そして、水平ブランキング期間内でラインシフトを４回繰り返す。これにより、フレームレートを全画素読み出し駆動時の４倍に向上できる。
【００５０】
一方、水平転送部１４としては、第１実施形態の場合と同様に、例えば水平方向の画素数の２倍のパケット列（倍密度）からなる構成のものが用いられる。この水平転送部１４では、水平ブランキング期間において、２回目と３回目のラインシフトの間で１ビットシフトが行われる。これにより、パケット対のうち、水平転送方向前方側のパケットには、垂直転送部１３から最初の２個の空パケットの各電荷が蓄積され、後方側のパケットには信号パケットおよびその後方の空パケットの各電荷が蓄積される（Ｂ）。
【００５１】
また、電荷検出部１５において、リセットゲートパルスＲＧφの周波数は、図９のタイミングチャートに示すように、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数の１／２に設定されている。すなわち、電荷検出部１５でのリセット動作は、水平転送部１４の転送周期の２倍の周期で行われる。これにより、図９の信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相とＤ相の間ではリセット動作が行われないことになる。
【００５２】
その結果、４画素につき３画素の信号電荷を間引く間引き読み出し駆動の場合には、Ｐ相には２個の空パケット分のノイズ成分が乗り、Ｄ相には４個の空パケット分のノイズ成分＋信号成分が乗ることになる。そして、後段のＣＤＳ回路３０において、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×４）とＰ相の（ノイズ成分×２）の差分をとることにより、垂直転送部１３の２パケット分のノイズをキャンセルできることになる。
【００５３】
ちなみに、従来技術においては、４画素につき３画素の信号電荷を間引く間引き読み出し駆動を実現する場合には、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×４）の情報がそのまま出力されることになるため、Ｓ／Ｎが４倍悪化することになる。また、第１実施形態の変形例の場合と同様に、図６のＣＤＳ回路３０の差動アンプ３４の前段に、Ｐ相のノイズ成分のレベルを２倍にする回路を設け、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×４）とＰ相の（ノイズ成分×４）との差分をとるようにすることにより、信号処理を行う過程でノイズ成分を完全にキャンセルすることは可能である。
【００５４】
また、この第２実施形態では、図９の信号出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相とＤ相の間ではリセット動作を行わない場合を例にとって説明したが、第１実施形態の場合と同様に、リセットゲートパルスＲＧφの周波数を水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数と同じに設定し、Ｐ相とＤ相の間でリセット動作を行うようにすることも可能である。この場合には、ＣＤＳ回路３０において、Ｄ相の成分からＰ相の成分をそのまま差し引くことで、ノイズ成分を完全にキャンセルできることになる。
【００５５】
なお、上記各実施形態では、全画素読出し駆動方式のＣＣＤ撮像素子に適用した場合について説明したが、これに限られるものではなく、間引き読出し駆動が可能な構成のものであれば、フレーム読出し駆動方式等のＣＣＤ撮像素子にも同様に適用可能である。
【００５６】
また、上記各実施形態では、垂直転送部１３において、信号パケットに隣接して空パケットを配するとしたが、Ｐ相に乗せるノイズ情報は、取り出す信号電荷と水平方向のアドレスが同じもの、即ち同一の垂直画素列のノイズ成分であれば良いため、信号パケットに隣接して空パケットを配する構成に限られるものではなく、また垂直方向の位置（アドレス）も限定されない。すなわち、図１０において、任意の出力される画素（ｎ，ｍ）対して、Ｐ相に乗せる空パケットのノイズ成分のアドレスを（ｎ，Ｘ）とすると、水平アドレスｎが一致していれば、垂直アドレスＸは同一の垂直画素列内であれば良い。
【００５７】
一例として、同一の垂直画素列につき空パケットを１個設け、その空パケットのアドレスを（ｎ，０）とし、その空パケットのノイズ成分をＰ相に乗せるようにする。そして、後段のＣＤＳ回路においては、１ラインごとに画素単位で信号処理を行う際に、最初に入力されるＰ相のノイズ成分を保持し、このノイズ成分を各画素ごとに、Ｄ相のノイズ成分を含む信号成分から減算する構成を採るようにしても、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズをキャンセルすることができる。
【００５８】
また、上記各実施形態では、信号パケットに隣接して空パケットを配する構成を採った場合において、水平転送部１４を倍密度構成とすることにより、ノイズ成分と信号成分（ノイズ成分を含む）を対にして水平転送するとしたが、互いに平行に配置された２本の転送レジスタで水平転送部１４を構成し、この２本の転送レジスタでノイズ成分と信号成分（ノイズ成分を含む）を別々に水平転送し、その最終段においてノイズ成分と信号成分を交互に電荷検出部１５に供給する構成を採ることも可能である。なお、電荷検出部１５では、倍密度構成の場合と同様の動作が行われることになる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパケット列からなり、各画素から読み出される信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部を有する固体撮像素子において、空パケットの成分をプリセット相に乗せて出力するようにしたことにより、後段の信号処理系において、固体撮像素子の出力信号のデータ相の成分とプリセット相の成分との差分をとることによって、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズ成分を抑制することができるため、信号処理系に特別な回路を追加しなくても、Ｓ／Ｎを向上できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図３】全画素読出しモードの動作説明のための模式図である。
【図４】間引き読出しモードの動作説明のための模式図である。
【図５】本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示すブロック図である。
【図６】ＣＤＳ回路の回路構成の一例を示すブロック図である。
【図７】ＣＤＳ回路の基本原理を説明するための波形図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の概念を説明するための模式図である。
【図９】第２実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図１０】Ｐ相に乗せる空パケットのアドレスの説明図である。
【図１１】従来技術の課題を説明するための模式図であり、（Ａ）は全画素読出し駆動の場合を、（Ｂ）は間引き読出し駆動の場合をそれぞれ示している。
【符号の説明】
１２…受光素子、１３…垂直転送部、１４…水平転送部、１５…電荷検出部、２０…タイミング発生回路、２１…ＣＣＤ撮像素子、２３…信号処理回路、２４…モード設定部、３０…ＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路
Claims (3)
- マトリクス状に配置された複数個の画素と、
１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパケット列からなり、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットごとに少なくとも１個の空パケットを有し、前記複数個の画素から読み出される信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部と、
水平方向の画素数の２倍の数のパケットの配列からなり、前記複数本の垂直転送部から供給される前記信号パケットと前記空パケットの各電荷を組にしてこれら各電荷を混合することなく水平方向に転送する水平転送部と、
前記水平転送部から転送される電荷を順に電気信号に変換し、前記空パケットの成分をプリセット相に乗せ、前記信号パケットの成分をデータ相に乗せて出力し、前記水平転送部の転送周期の２倍の周期でリセット動作を行う電荷検出部と
を備えた固体撮像素子。 - マトリクス状に配置された複数個の画素と、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパケット列からなり、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットごとに少なくとも１個の空パケットを有し、前記複数個の画素から読み出される信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部とを具備する固体撮像素子の駆動に当たって、
水平方向の画素数の２倍の数のパケットの配列からなる水平転送部によって前記複数本の垂直転送部から供給される前記信号パケットと前記空パケットの各電荷を組にしてこれら各電荷を混合することなく水平方向に転送し、
この水平転送される電荷を順に電気信号に変換し、前記空パケットの成分をプリセット相に乗せ、前記信号パケットの成分をデータ相に乗せて出力し、前記水平転送部の転送周期の２倍の周期でリセット動作を行う
固体撮像素子の駆動方法。 - マトリクス状に配置された複数個の画素と、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパケット列からなり、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットごとに少なくとも１個の空パケットを有し、前記複数個の画素から読み出される信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部と、水平方向の画素数の２倍の数のパケットの配列からなり、前記複数本の垂直転送部から供給される前記信号パケットと前記空パケットの各電荷を組にしてこれら各電荷を混合することなく水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送される電荷を順に電気信号に変換し、前記空パケットの成分をプリセット相に乗せ、前記信号パケットの成分をデータ相に乗せて出力し、前記水平転送部の転送周期の２倍の周期でリセット動作を行う電荷検出部とを具備する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に対してその撮像モードとして、静止画を取り込む通常撮像モードと撮像画面の確認を行うモニタリングモードとを択一的に設定するモード設定部と、
前記固体撮像素子の出力信号を入力とし、この出力信号中のプリセット相の成分とデータ相の成分との差分をとる処理を行う信号処理回路と
を備えたカメラシステム。
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