JP4321620B2 - 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関し、特に全画素から独立に読み出した信号電荷を垂直転送レジスタ内で混合することなく順次に読み出すことが可能ないわゆる全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像装置および当該固体撮像装置の駆動方法に関する。

全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置は、露光周期ごとに全ての画素の信号電荷を独立に読み出させるために、垂直解像度が高いという優れた特長を持っている。したがって、静止画の分野などに用いると有効である。この全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置では、水平転送レジスタが１本でかつ、その水平駆動周波数が通常のＣＣＤ固体撮像装置の水平駆動周波数と同一とした場合、フレームレート３０枚の画像出力となる（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、フレームレート３０枚の画像出力の場合には、そのフレーム画像をそのまま用いて映像をモニタリングすることはできなく、例えば外部にフレームメモリおよびそのコントローラなどを設ける必要があり、コストの面で不利である。フレームレート３０枚の全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置において、フレームメモリを用いないで映像のモニタリングを可能にするためには、フレームレート６０枚の画像出力を得るようにする必要がある。

特開平７−１３１７１３号公報

フレームレート６０枚の画像を出力してモニタリングするために、従来は、水平転送レジスタ内で垂直２画素の信号電荷を混合する方法を採用していた。しかしながら、この方法は、白黒のＣＣＤ固体撮像装置や、ストライプのカラーフィルタを有するＣＣＤ固体撮像装置の場合には有効であるが、原色市松配列（ベイヤー配列）カラーコーディングのカラーフィルタを有するカラーＣＣＤ固体撮像装置においては、垂直２画素の信号電荷を混合することで、異なる色が混ざってしまうため、カラー信号処理ができないという問題があった。

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、全画素読み出し方式において、フレームレート６０枚のインターレースされた画像出力を得ることが可能な固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法を提供することにある。

本発明による固体撮像装置は、全画素から独立に読み出した信号電荷を混合することなく、かつ１本の水平転送レジスタを介して順次に読み出すことが可能な全画素読み出し方式の固体撮像装置であって、水平転送レジスタのイメージ部と反対側に当該水平転送レジスタに隣接して設けられて当該水平転送レジスタ中の信号電荷を選択的に掃き捨てる電荷排出手段と、水平転送レジスタに転送されてくる信号電荷を電荷排出手段に掃き捨てる処理と水平転送する処理とをライン単位で繰り返すとともに、電荷排出手段に掃き捨てるラインをフィールドごとに入れ換える駆動手段とを備え、前記電荷排出手段は、掃き出し用電極およびドレイン部からなり、前記掃き出し用電極に印加される掃き出しクロックは、低レベル、中間レベルおよび高レベルの３値をとり、前記掃き捨てる処理のとき、高レベルから中間レベル、中間レベルから低レベルに順に変化する構成となっている。

本発明によれば、全画素読み出し方式の固体撮像装置において、水平転送レジスタに転送されてくる信号電荷を掃き捨てる処理と水平転送する処理とをライン単位で繰り返すとともに、掃き捨てるラインをフィールドごとに入れ換えるようにしたことにより、フレームレート６０枚のインターレースされた画像出力を得ることができるため、外部にフレームメモリを持たなくても映像をモニタリングでき、また、電荷排出手段の掃き出し用電極に印加される掃き出しクロックが前記掃き捨てる処理のときに高レベルから中間レベル、中間レベルから低レベルに順に変化することにより、掃き出し用電極の下に残留していた僅かな電荷も全てドレイン部に掃き捨てることができるため、画素部に偽信号電荷を生じ難く、撮像時には高い垂直解像度のスチル画像を得ることができる。

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のＣＣＤ固体撮像装置に適用された本発明の一実施形態を示す構成図である。

図１において、行方向（垂直方向）および列方向（水平方向）にマトリクス状に２次元配置され、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個のセンサ部（光電変換部）１と、これらセンサ部１の垂直列ごとに配列されて各センサ部１から読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送レジスタ２，２，……とにより、イメージ部３が構成されている。

このイメージ部３において、センサ部１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなり、複数本の垂直転送レジスタ２，２，……はＣＣＤによって構成されている。センサ部１に蓄積された信号電荷は、図示せぬ読み出しゲートを介して垂直転送レジスタ２に読み出される。垂直転送レジスタ２は、例えば３相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ３によって転送駆動され、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転送する。

イメージ部３の図面上の下側には、複数本の垂直転送レジスタ２，２，……から信号電荷がライン単位で順次転送されるＣＣＤからなる水平転送レジスタ４が配置されている。この水平転送レジスタ４は２相の水平転送クロックφＨ１，φＨ２によって転送駆動され、イメージ部３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転送する。

水平転送レジスタ４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（ＦＤＡ；Floating Diffusion Amplifier）構成の電荷検出部５が配されている。この電荷検出部５は、水平転送レジスタ４によって水平転送された信号電荷を検出し、これを信号電圧に変換する。この信号電圧は、出力アンプ６を経た後、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力として出力端子７から外部へ導出される。

水平転送レジスタ４のイメージ部３と反対側には、水平転送レジスタ４の転送方向に沿って掃き出し用電極８およびドレイン部９が隣接して設けられている。この掃き出し用電極８およびドレイン部９は、水平転送レジスタ４中の信号電荷を選択的に掃き捨てるための電荷排出部１０を構成しており、掃き出し用電極８に掃き出しクロックφＨＨＧが印加されることにより、水平転送レジスタ４中の１ライン分の信号電荷をドレイン部９に掃き捨てる。ドレイン部９には、所定の直流電圧Ｖｄｄが印加されている。

また、イメージ部３上には、原色市松配列カラーコーディングのカラーフィルタ（図示せず）が配置されている。このカラーフィルタは、図２に示すように、Ｇ（緑）市松Ｒ（赤），Ｂ（青）線順次のカラーコーディングとなっている。以上により、全てのセンサ部（画素）１から独立に読み出した信号電荷を垂直転送レジスタ２内で混合することなく、かつ１本の水平転送レジスタ４を介して順次に読み出すことが可能な全画素読み出し方式のカラーＣＣＤエリアセンサ１１が構成されている。

この全画素読み出し方式のカラーＣＣＤエリアセンサ１１は、駆動回路１２によって駆動される。この駆動回路１２は、タイミングジェネレータやドライバなどによって構成され、水平同期パルスＨＤなどの基準信号に基づいて３相の垂直転送クロックφＶ１〜φＶ３、２相の水平転送クロックφＨ１，φＨ２、掃き出しクロックφＨＨＧなどの各種の駆動信号を生成し、これらの駆動信号をＣＣＤエリアセンサ１２に供給する。

そして、駆動回路１２は、外部から与えられるモード切換え信号に基づいて、静止画等を得る通常モード時には、イメージ部３から水平転送レジスタ４に転送された信号電荷を順次水平転送することによってフレームレート３０枚のノンインターレース出力を得、画像をモニタリングするモニタリングモード時には、イメージ部３から水平転送レジスタ４に転送された信号電荷を電荷排出部１０に掃き捨てる処理と水平転送する処理とをライン単位で繰り返すとともに、掃き捨てるラインをフィールドごとに入れ換えることによってフレームレート６０枚のインターレースされ出力を得るべく駆動する。

以下に、モニタリングモード時の処理の概念について、図３を参照して説明する。図２に示す如きカラーコーディングのカラーフィルタを有する全画素読み出し方式のカラーＣＣＤエリアセンサ１１において、当該カラーフィルタが垂直２ライン、水平２ラインの４画素分を基本単位としていることから、水平転送レジスタ４中の信号電荷の電荷排出部１０への掃き捨て処理および水平転送処理を２ラインごとに繰り返すことになる。

すなわち、第１フィールド（Ａ）では、１，２，５，６，……の各ラインの信号電荷を水平転送レジスタ４にて水平転送して出力し、３，４，７，８，……の各ラインの信号電荷を水平転送レジスタ４を介して電荷排出部１０へ掃き捨てる処理を行う。第２フィールド（Ｂ）では逆に、１，２，５，６，……の各ラインの信号電荷を水平転送レジスタ４を介して電荷排出部１０へ掃き捨て、３，４，７，８，……の各ラインの信号電荷を水平転送レジスタ４にて水平転送して出力する処理を行う。

上述したように、原色市松配列カラーコーディングのカラーフィルタを有する全画素読み出し方式のカラーＣＣＤエリアセンサ１１において、通常モード時には、全画素から独立に読み出された信号電荷を垂直転送レジスタ２内で混合することなくライン単位で水平転送レジスタ４に移し、かつ水平転送レジスタ４で順次水平転送することにより、フレームレート３０枚のノンインターレースの信号出力が得られる。その結果、高い垂直解像度の画像を得ることができる。

一方、モニタリングモード時には、水平転送レジスタ４に読み出された信号電荷を電荷排出部１０に掃き捨てる処理と水平転送レジスタ４で水平転送する処理とを２ラインごとに繰り返すとともに、電荷排出部１０に信号電荷を掃き捨てるラインをフィールドごとに入れ換えることにより、フレームレート６０枚のインターレースされた信号出力が得られる。その結果、外部にフレームメモリを設けなくても映像をモニタリングすることができる。

次に、一例として、垂直方向に隣り合う２ライン分の信号電荷を電荷排出部１０に掃き捨て、１ライン分の信号電荷を水平転送レジスタ４で水平転送して出力する場合の動作について、図４のタイミングチャートに基づいて図５〜図７のポテンシャル図を参照しつつ説明する。

この処理動作は、水平ブランキング信号Ｈ‐ＢＬＫが低レベル（以下、“Ｌ”レベルと称する）でかつ水平ウィンドウ信号Ｈ‐Ｗｉｎｄｏｗが“Ｌ”レベルの期間において行われる。この期間においては、水平転送クロックφＨ１が“Ｌ”レベルに、φＨ２が高レベル（以下、“Ｈ”レベルと称する）にそれぞれ固定となっている。なお、図５〜図７において、図の上下方向がポテンシャルの深さを表わすものとし、又図１の掃き出し用電極８に印加される掃き出しクロックφＨＨＧは、“Ｌ”レベル、中間レベル（以下、“Ｍ”レベルと称する）および高レベルの３値をとるものとする。

時点ｔ１では、掃き出しクロックφＨＨＧが“Ｌ”レベルであることから、掃き出し用電極８の下のポテンシャルは浅くなっている。また、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のみが高レベルとなっており、２相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなっているため、信号電荷は２相目の転送電極の下に蓄積されている。

時点ｔ２では、掃き出しクロックφＨＨＧが“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移し、掃き出し用電極８の下のポテンシャルが深くなる。そして、２相目の垂直転送クロックφＶ２と共に、１相目の垂直転送クロックφＶ１が“Ｈ”レベルとなり、１相目の転送電極の下のポテンシャルも深くなるため、２相目の転送電極の下の信号電荷は１相目の転送電極の下に流れ込む。時点ｔ３では、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｌ”レベルとなり、２相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、２相目の転送電極の下の信号電荷が完全に１相目の転送電極の下に移され、ここに蓄積される。

時点ｔ４では、３相目の垂直転送クロックφＶ３が“Ｈ”レベルとなり、３相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなるため、１相目の転送電極の下の信号電荷は３相目の転送電極の下に流れ込み、さらに水平転送レジスタ４の２相目の転送電極の下および掃き出し用電極８の下を通ってドレイン部９へ捨てられる。時点ｔ５では、１相目の垂直転送クロックφＶ１が“Ｌ”レベルとなり、１相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、１相目の転送電極の下の信号電荷は３相目の転送電極の下に完全に移され、さらにドレイン部９へ掃き捨てられる。このとき、１ライン前の３相目の転送電極の下には、次のラインの信号電荷が蓄積される。

時点ｔ６では、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｈ”レベルになり、２相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなるため、１ライン前の３相目の転送電極の下に蓄積されていた次のラインの信号電荷が２相目の転送電極の下に流れ込む。時点ｔ７では、３相目の垂直転送クロックφＶ３が“Ｌ”レベルになり、３相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、次のラインの信号電荷が２相目の転送電極の下に蓄積される。

時点ｔ８では、１相目の垂直転送クロックφＶ１が“Ｈ”レベルとなり、１相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなるため、２相目の転送電極の下の信号電荷は１相目の転送電極の下に流れ込む。時点ｔ９では、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｌ”レベルとなり、２相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、２相目の転送電極の下の信号電荷が完全に１相目の転送電極の下に移され、ここに蓄積される。

時点ｔ１０では、３相目の垂直転送クロックφＶ３が“Ｈ”レベルとなり、３相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなるため、１相目の転送電極の下の信号電荷は３相目の転送電極の下に流れ込み、さらに水平転送レジスタ４および掃き出し用電極８の下を通ってドレイン部９へ捨てられる。時点ｔ１１では、１相目の垂直転送クロックφＶ１が“Ｌ”レベルとなり、１相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、１相目の転送電極の下の信号電荷は３相目の転送電極の下に完全に移され、さらにドレイン部９へ掃き捨てられる。このとき、１ライン前の３相目の転送電極の下には、次のラインの信号電荷が蓄積される。

時点ｔ１２では、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｈ”レベルになり、２相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなるため、１ライン前の３相目の転送電極の下に蓄積されていた次のラインの信号電荷が、２相目の転送電極の下に流れ込む。時点ｔ１３では、３相目の垂直転送クロックφＶ３が“Ｌ”レベルになり、３相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、次のラインの信号電荷が２相目の転送電極の下に蓄積される。

時点ｔ１４では、掃き出しクロックφＨＨＧが“Ｍ”レベルになるとともに、それまで“Ｈ”レベルに固定であった水平転送クロックφＨ２が“Ｌ”レベルになる。これにより、水平転送レジスタ４の２相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなり、掃き出し用電極８の下のポテンシャルが中間レベルとなる。その結果、水平転送レジスタ４内に残留している信号電荷のうち、若干は掃き出し用電極８の下の残留するものの、殆どがドレイン部９に掃き捨てられる。

そして、時点ｔ１５では、掃き出しクロックφＨＨＧが“Ｌ”レベルになり、掃き出し用電極８の下のポテンシャルが浅くなるため、掃き出し用電極８の下に残留していた僅かな信号電荷も全てドレイン部９に掃き捨てられることになる。以上により、２ライン分の信号電荷を電荷排出部１０へ掃き捨てるための処理が完了する。

続いて、時点ｔ１６では、水平転送クロックφＨ２が再び“Ｈ”レベルになるとともに、１相目の垂直転送クロックφＶ１が“Ｈ”レベルになり、１相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなるため、２相目の転送電極の下の信号電荷は１相目の転送電極の下に流れ込む。そして、時点ｔ１７では、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｌ”レベルとなり、２相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、２相目の転送電極の下の信号電荷が完全に１相目の転送電極の下に移される。

時点ｔ１８では、３相目の垂直転送クロックφＶ３が“Ｈ”レベルとなり、３相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなるため、１相目の転送電極の下の信号電荷は、３相目の転送電極の下に流れ込み、さらに水平転送レジスタ４の２相目の転送電極の下および掃き出し用電極８の下を通ってドレイン部９へ掃き捨てられる。時点ｔ１９では、１相目の垂直転送クロックφＶ１が“Ｌ”レベルとなり、１相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、１相目の転送電極の下の信号電荷は、３相目の転送電極の下、さらに水平転送レジスタ４の２相目の転送電極の下に移される。このとき、１ライン前の３相目の転送電極の下には、次のラインの信号電荷が蓄積される。

時点ｔ２０では、２相目の垂直転送クロックφＶ２が“Ｈ”レベルになり、２相目の転送電極の下のポテンシャルが深くなるため、１ライン前の３相目の転送電極の下に蓄積されていた次のラインの信号電荷が２相目の転送電極の下に流れ込む。そして、時点ｔ２１では、３相目の垂直転送クロックφＶ３が“Ｌ”レベルになり、３相目の転送電極の下のポテンシャルが浅くなるため、３相目の転送電極の下の信号電荷が完全に水平転送レジスタ４の２相目の転送電極の下に移されるとともに、次のラインの信号電荷が２相目の転送電極の下に蓄積される。

以上により、１ライン分の信号電荷を水平転送レジスタ４にシフトするための処理が完了する。そして、それまで“Ｌ”レベル，“Ｈ”レベルに固定されていた水平転送クロックφＨ１，φＨ２が発生し、水平転送レジスタ４の水平転送駆動が開始される。これにより、水平転送レジスタ４にシフトされた１ライン分の信号電荷が順次水平転送され、電荷検出部５で信号電圧に変換されてＣＣＤ出力として外部へ導出される。

なお、電荷排出部１０への信号電荷の掃き捨てを行わず、１ライン分の信号電荷を水平転送レジスタ４にシフトし、水平転送して出力する場合には、図８のタイミングチャートに示すように、上述した２ライン掃き捨て期間および１ラインシフト期間において、１ライン分の信号電荷の水平転送レジスタ４へのシフト処理が行われる。

インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像装置に適用された本発明の一実施形態を示す構成図である。 原色市松配列カラーコーディングを示す図である。 モニタリングモード時の処理の概念図である。 ２ライン掃き捨て、１ライン出力の場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。 ２ライン掃き捨て、１ライン出力の場合の動作を説明するためのポテンシャル図（その１）である。 ２ライン掃き捨て、１ライン出力の場合の動作を説明するためのポテンシャル図（その２）である。 ２ライン掃き捨て、１ライン出力の場合の動作を説明するためのポテンシャル図（その３）である。 １ライン出力の場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１…センサ部、２…垂直転送レジスタ、３…イメージ部、４…水平転送レジスタ、５…電荷検出部、８…掃き出し用電極、９…ドレイン部、１０…電荷排出部、１１…ＣＣＤエリアセンサ、１２…駆動回路

Claims (6)

1. イメージ部の各画素から独立に読み出した信号電荷を混合することなく、かつ１本の水平転送レジスタを介して順次に読み出すことが可能な固体撮像装置であって、
   前記水平転送レジスタの前記イメージ部と反対側に当該水平転送レジスタに隣接して設けられて前記水平転送レジスタ中の信号電荷を選択的に掃き捨てる電荷排出手段と、
   前記水平転送レジスタに転送されてくる信号電荷を前記電荷排出手段に掃き捨てる処理と水平転送する処理とをライン単位で繰り返すとともに、前記電荷排出手段に掃き捨てるラインをフィールドごとに入れ換える駆動手段とを備え、
   前記電荷排出手段は、掃き出し用電極およびドレイン部からなり、
   前記掃き出し用電極に印加される掃き出しクロックは、低レベル、中間レベルおよび高レベルの３値をとり、前記掃き捨てる処理のとき、高レベルから中間レベル、中間レベルから低レベルに順に変化する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１記載の固体撮像装置は、原色市松配列カラーコーディングのカラーフィルタを有するカラー固体撮像装置であり、
   前記駆動手段は、前記電荷排出手段に掃き捨てる処理と水平転送する処理とを２ラインごとに繰り返す
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記水平転送レジスタは、当該水平転送レジスタ中の信号電荷を前記電荷排出手段に掃き捨てる方向に深くなるようにポテンシャル勾配を持つ
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記水平転送レジスタは２相の水平転送クロックによって転送駆動され、
   前記掃き捨てる処理は、前記２相の水平転送クロックのうちの片方の水平転送クロックが印加される転送電極の下および前記掃き出し用電極の下を通って前記ドレイン部へ掃き捨てる処理である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記片方の水平転送クロックは、前記掃き捨てる処理のときに低レベルになる
   ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. イメージ部の各画素から独立に読み出した信号電荷を混合することなく、かつ１本の水平転送レジスタを介して順次に読み出すことが可能であり、
   前記水平転送レジスタの前記イメージ部と反対側に当該水平転送レジスタに隣接して設けられて前記水平転送レジスタ中の信号電荷を選択的に掃き捨てる電荷排出手段を備え、
   前記電荷排出手段は、掃き出し用電極およびドレイン部からなり、
   前記掃き出し用電極に印加される掃き出しクロックは、低レベル、中間レベルおよび高レベルの３値をとり、前記掃き捨てる処理のとき、高レベルから中間レベル、中間レベルから低レベルに順に変化する
   固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記水平転送レジスタに転送されてくる信号電荷を前記電荷排出手段に掃き捨てる処理と水平転送する処理とをライン単位で繰り返すとともに、前記電荷排出手段に掃き捨てるラインをフィールドごとに入れ換える
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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