JP4377909B2 - 固体撮像装置およびこれを備えたカメラ - Google Patents

Description

本発明は、ビデオムービーカメラ等のカメラと、これに用いられる固体撮像装置に関し、特に、高速度撮影が可能な固体撮像装置とこのような固体撮像装置を備えたカメラに関する。

近年、固体撮像素子を利用したビデオムービーカメラが普及し、さらなる高画質化及び高機能化が要望されている。特に、３倍速や、６倍速等の高速度撮影を、画質を落とすことなく実現することが望まれている。なお、高速度撮影とは、例えば３倍速の場合であれば、光電変換素子から読み出した信号電荷を画像信号として固体撮像装置から出力する動作を、１フレーム期間に３サイクル行うことをいう。

ここで、高速度撮影を実現するための従来の技術について、水平方向７６８個×垂直方向４８０個の画素より構成される、全画素順次読み出し方式の従来の固体撮像装置を例に挙げて説明する。

図２２に、上記従来の固体撮像装置の構成例を示す。この固体撮像装置は、光電変換素子（フォトダイオード）９１、電極Ｖ１〜Ｖ４が接続される垂直転送部９２、電極Ｈ１およびＨ２が接続される水平転送部９３、および電荷検出部９４を備えている。図２２に示すように、光電変換素子９１のすべての行に電極Ｖ２およびＶ３が接続される一方、３行毎の１行にＶ１が接続され、他の２行にＶ４が接続されている。

この従来の固体撮像装置では、通常速度の撮影を行う場合には、電極Ｖ１およびＶ４に約１５Ｖのパルスを印加することにより、光電変換素子９１から電荷を読み出す。さらに、電極Ｖ１〜Ｖ４に、０Ｖおよび約−９Ｖの２値の垂直転送部駆動パルスを印加することにより、光電変換素子９１から読み出された電荷が、水平転送部９３へ転送される。

一方、３倍速での高速度撮影を行う場合には、電極Ｖ１にのみ約１５Ｖのパルスを印加することにより、光電変換素子９１の３行毎の１行のみから信号電荷を読み出すこととなる。これにより、垂直方向の画素数が１／３に間引かれ、３倍速での高速度撮影が実現される。

図２３は、上記従来の固体撮像装置における高速度撮影時の駆動タイミングチャートである。また、図２４は、図２３における水平帰線消去期間を拡大したタイミングチャートである。

図２３の最上段に示すｈ１〜ｈ５２５は、テレビジョン信号の走査線番号である。また、図２３および図２４において、ＨＤは水平同期信号、ＶＤは垂直同期信号である。さらに、ＰＶ１〜ＰＶ４は、垂直転送部９２の電極Ｖ１〜Ｖ４の各々へ入力される垂直転送ゲート印加パルス、ＰＨ１およびＰＨ２は、水平転送部９３の電極Ｈ１およびＨ２にそれぞれ入力される水平転送ゲート印加パルスである。

図２３に示すように、上記従来の固体撮像装置は、３倍速の高速度撮影時は、走査線の１７番目（ｈ１７）において電極Ｖ１にのみ約１５Ｖの電圧を印加して、光電変換素子９１の３行毎に１行のみから信号電荷を読み出す。また、走査線の１８番目（ｈ１８）以降、水平帰線消去期間において、約−９Ｖの電圧を、電極Ｖ１〜Ｖ４の各々に３回分印加する。

これにより、光電変換素子９１から読み出された１行分の信号電荷のみが、水平転送部９３へ転送される。水平転送部９３へ転送された信号電荷は、１水平走査期間かけて、電荷検出部９４へ転送される。これにより、上記従来の固体撮像装置からは、垂直方向の画素数が１／３に間引かれた、すなわち水平方向７６８個×垂直方向１６０個の画素分の信号電荷が出力され、３倍速の高速度撮影が実現されている。

上記したような従来の駆動方法では、水平帰線消去期間の長さは決まっているため、高速度撮影倍率が上がるほど、垂直転送ゲート印加パルスの周波数を大きくする必要が生じる。しかしながら、垂直転送ゲート印加パルスの周波数が大きくなるほど、垂直転送部９２における飽和特性が劣化し、転送容量が小さくなる。この結果、固体撮像装置の垂直転送効率が悪くなり、混色や飽和不良等の問題が発生する。

そこで、本発明は、垂直転送ゲート印加パルスの周波数を上げずに信号電荷を転送することにより、垂直転送効率を落とさずに高速度撮影が可能な固体撮像装置と、この固体撮像装置を備えたカメラとを提供することを目的とする。

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、前記光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された前記電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送された前記電荷を映像信号として出力する電荷検出部と、ｎ、ｍ、ｎ／ｍは２以上の自然数とすると、行方向に連続するｎ行の前記光電変換素子のうち一行から１垂直走査期間のあいだにｎ／ｍ回、前記電荷を読み出して、連続する水平走査期間にまたがって、前記光電変換素子から読み出した前記電荷についてｎ回の垂直転送と１回の水平転送を行う第１の動作モードを有する信号制御部を備えたことを特徴とする。

前記固体撮像装置において、前記信号制御部は、すべての前記光電変換素子から前記電荷を読み出して、前記電荷の垂直転送と水平転送とを行う第２の動作モードをさらに有することが好ましい。

前記固体撮像装置において、前記垂直転送は（ｍ−１）回分の前記水平走査期間内に行い、前記水平転送は１回の前記水平走査期間内に行うことが好ましい。

前記固体撮像装置において、前記信号制御部は、前記電荷の前記光電変換素子から前記垂直転送部への読み出しの際に前記垂直転送部へ第１の信号を印加し、前記電荷の垂直転送の際には前記垂直転送部へ第２の信号を印加し、前記信号制御部は、前記第１の動作モードにおいては、前記行方向に連続するｎ行の前記光電変換素子のうち一行へ前記第１の信号を印加し、前記第２の動作モードにおいては、前記前記光電変換素子の各行に前記第１の信号を印加し、前記第１の動作モードにおける前記第２の信号の周波数が前記第２の動作モードにおける前記第２の信号の周波数よりも低いことが好ましい。

上記の目的を達成するために、本発明にかかるカメラは、本発明にかかる固体撮像装置と、光学系と、前記固体撮像装置から出力した映像信号を処理する処理回路と、を少なくとも備えたことを特徴とする。

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の第１の駆動方法は、行列状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された前記電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送された前記電荷を映像信号として出力する電荷検出部と、を備えた固体撮像装置の駆動方法であって、ｎ、ｍ、ｎ／ｍは２以上の自然数とすると、行方向に連続するｎ行の前記光電変換素子のうち一行から１垂直走査期間のあいだにｎ／ｍ回、前記電荷を読み出し、連続する水平走査期間にまたがって前記光電変換素子から読み出した前記電荷についてｎ回の垂直転送と１回の水平転送を行うことを特徴とする。

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の第２の駆動方法は、行列状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された前記電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送された前記電荷を映像信号として出力する電荷検出部と、を備えた固体撮像装置の駆動方法であって、ｎ、ｍ、ｎ／ｍは２以上の自然数とすると、行方向に連続するｎ行の前記光電変換素子のうち一行から１垂直走査期間のあいだにｎ／ｍ回、前記電荷を読み出し、連続する水平走査期間にまたがって前記光電変換素子から読み出した前記電荷についてｎ回の垂直転送と１回の水平転送を行う第１の駆動と、すべての前記光電変換素子から前記電荷を読み出して、前記電荷について垂直転送と水平転送とを行う第２の駆動と、の少なくとも一方を行うことを特徴とする。

前記第２の駆動方法において、前記第１の駆動は高速度撮影に用いる駆動であることが好ましい。

上記の目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、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され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およびｍを２以上の自然数とし、１垂直走査期間に（ｎ／ｍ）回、前記光電変換素子のｎ行毎の１行へ前記電荷読み出し信号を印加すると共に、ｎ回の垂直転送と１回の水平転送とを、２以上かつｍ以下の水平走査期間にまたがって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。

この構成によれば、光電変換素子のｎ行毎に１行から読み出された電荷が、２以上かつｍ以下の水平走査期間にまたがり、垂直転送部から水平転送部へ、さらに水平転送部から電荷検出部へ転送されることにより、（ｎ／ｍ）倍速の高速度撮影が実現される。これにより、１水平走査期間内に垂直転送と水平転送との両方を行う従来の高速度撮影技術と比較して、垂直転送に時間的余裕ができるので、垂直転送信号の周波数が低くてすむ。この結果、垂直転送効率を劣化させることなく、混色や飽和不良のない高速度撮影を実現する固体撮像装置を提供できる。

前記固体撮像装置は、前記信号制御部が、前記ｎ回の垂直転送を（ｍ−１）回分の水平走査期間内に行い、１回の水平転送を１水平期間内に行うよう前記垂直転送信号を制御することが好ましい。

この構成によれば、ｎ行分の垂直転送を（ｍ−１）回分の水平走査期間内に行えばよいので、垂直転送信号の周波数をさらに小さくすることも可能である。これにより、垂直転送効率を劣化させることなく、混色や飽和不良のない高速度撮影を実現する固体撮像装置を提供することができる。

前記固体撮像装置は、さらに、前記信号制御部が、前記光電変換素子のｎ行毎に１行へ前記電荷読み出し信号を印加する第１の動作モードと、前記光電変換素子の各行に前記電荷読み出し信号を印加する第２の動作モードとを有し、前記第１の動作モードにおける前記垂直転送信号の周波数を、前記第２の動作モードにおける前記垂直転送信号の周波数よりも低くすることが好ましい。

この構成によれば、高速度撮影時（第１の動作モード）に、垂直方向に１／ｎに間引いた電荷を垂直方向に転送するときの垂直転送信号の周波数を、通常速度の撮影時（第２の動作モード）の垂直転送信号の周波数よりも低くすることにより、垂直転送部から水平転送部への転送効率を向上させることができ、混色や飽和不良のない高速度撮影を実現する固体撮像装置を提供することができる。

上記の目的を達成するために、本発明の他の固体撮像装置は、行列状に配列された複数の光電変換素子と、光電変換素子から得られる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、１垂直走査期間にｎ回、前記光電変換素子のｎ行毎の１行から電荷を読み出して水平転送部へ転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された１行分の電荷の一部のみを前記電荷検出部へ転送する水平転送部とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、垂直転送部から転送された１行分の電荷の一部のみが、水平転送部から電荷検出部へ転送されるので、１行分の電荷のすべてを電荷検出部へ転送する構成と比較して、水平転送に要する時間が短くてすむ。これにより、垂直転送に時間的余裕ができ、垂直転送部駆動パルスの周波数を高くする必要がない。この結果、垂直転送部から水平転送部への転送効率を劣化させることなく、混色や飽和不良のない高速度撮影を実現する固体撮像装置を提供することができる。

前記の他の固体撮像装置は、前記垂直転送部から水平転送部へ転送された１行分の電荷のうち、電荷検出部へ転送されない電荷を、前記水平転送部から排出する電荷排出部をさらに備えることが好ましい。

上記の目的を達成するために、本発明にかかるカメラは、行列状に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、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され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、ｎおよびｍを２以上の自然数とし、１垂直走査期間に（ｎ／ｍ）回、前記光電変換素子のｎ行毎の１行へ前記電荷読み出し信号を印加すると共に、ｎ回の垂直転送と１回の水平転送とを、２以上かつｍ以下の水平走査期間にまたがって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とを有する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の光電変換部に光を導く光学系と、前記固体撮像装置から出力される前記信号電圧または信号電流を処理する映像信号処理回路とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、固体撮像装置の光電変換素子のｎ行毎に１行から読み出された電荷が、２以上かつｍ以下の水平走査期間にまたがり、垂直転送部から水平転送部へ、さらに水平転送部から電荷検出部へ転送されることにより、（ｎ／ｍ）倍速の高速度撮影が実現される。これにより、１水平走査期間内に垂直転送と水平転送との両方を行う従来の高速度撮影技術と比較して、垂直転送に時間的余裕ができるので、垂直転送信号の周波数が低くてすむ。この結果、垂直転送効率を劣化させることなく、混色や飽和不良のない高速度撮影を実現するカメラを提供できる。

また、上記の目的を達成するために、本発明にかかる他のカメラは、行列状に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、光電変換素子から得られる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、ｎを２以上の自然数とし、１垂直走査期間にｎ回、前記光電変換素子のｎ行毎の１行から電荷を読み出して水平転送部へ転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された１行分の電荷の一部のみを前記電荷検出部へ転送する水平転送部とを有する固体撮像装置と、前記固体撮像装置の光電変換部に光を導く光学系と、前記固体撮像装置から出力される前記信号電圧または信号電流を処理する映像信号処理回路とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、固体撮像装置において、垂直転送部から転送された１行分の電荷の一部のみが、水平転送部から電荷検出部へ転送されるので、１行分の電荷のすべてを電荷検出部へ転送する構成と比較して、水平転送に要する時間が短くてすむ。これにより、垂直転送に時間的余裕ができ、垂直転送部駆動パルスの周波数を高くする必要がない。この結果、垂直転送部から水平転送部への転送効率を劣化させることなく、混色や飽和不良のない高速度撮影を実現するカメラを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本実施形態の固体撮像装置は、図１に示すように、複数の画素（図示省略）が配置された光電変換部１０と、信号制御部５とを備え、信号制御部５による制御の下で、この光電変換部１０から読み出された電荷を電荷検出部４へ転送し、映像信号に変換して出力する構成である。

光電変換部１０の画素は、図２に示すように、水平方向に７６８個（列）×垂直方向に４８０個（行）の行列状に配置された光電変換素子１より構成される。光電変換素子１としては、フォトダイオードを用いることができる。

各光電変換素子１の電荷は、信号制御部５が、電極Ｖ１〜Ｖ４へ印加する垂直転送部駆動パルス（電荷読み出し信号、垂直転送信号）を制御することにより、垂直転送部２へ読み出され、水平転送部３へ向けて、垂直方向に転送される。なお、垂直転送部２は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)を用いて構成することが できる。

水平転送部３へ転送された電荷は、信号制御部５が、電極Ｈ１およびＨ２へ印加する水平転送部駆動パルス（水平転送信号）を制御することにより、電荷検出部４へ向けて水平方向へ転送される。なお、水平転送部３も、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)を用いて構成することができる。

図２に示したとおり、垂直転送部２の電極Ｖ２およびＶ３は、光電変換素子１のすべての行に接続されるが、電極Ｖ１は、６行毎に１行の光電変換素子１に接続され、他の５行に電極Ｖ４が接続されている。

本固体撮像装置は、全画素順次読み出し方式を採用しており、通常速度の撮影時には、１垂直走査期間に１回、電極Ｖ１およびＶ４に、約１５Ｖの電圧を同時に印加することにより、すべての光電変換素子１から電荷を読み出す。そして、電極Ｖ１〜Ｖ４へ、０Ｖと約−９Ｖとの間で交互にスイッチする水平転送部駆動パルスを印加することにより、光電変換素子１から読み出した電荷が垂直転送部２から水平転送部３へ１行ずつ転送される。

一方、３倍速の高速度撮影時には、１垂直走査期間に３回、電極Ｖ１のみに約１５Ｖの電圧を印加する。この電圧を電極Ｖ１に印加する度に、光電変換素子１の６行毎に１行のみから垂直転送部２へ信号電荷が読み出され、垂直方向の画素数が１／６に間引かれる。そして、２水平走査期間に６回の垂直転送と１回の水平転送を行うことにより、６行毎の１行から読み出された１行分の電荷が電荷検出部４へ送られ、結果として３倍速の高速度撮影を実現するものである。

ここで、高速度撮影時の本固体撮像装置の動作を、図３〜図５を参照しながら説明する。図３は、本固体撮像装置の垂直同期信号ＶＤと電極Ｖ１に印加される信号ＰＶ１との関係を示すタイミングチャートであり、図４は、図３の一部を拡大して示したタイミングチャートである。図５は、図４の水平帰線消去期間を拡大して示したタイミングチャートである。

図４の最上段に示すｈ１〜ｈ５２５は、ＮＴＳＣ方式のテレビジョン信号の走査線番号である。また、図４および図５において、ＨＤは水平同期信号、ＶＤは垂直同期信号である。さらに、ＰＶ１〜ＰＶ４は、垂直転送部２の電極Ｖ１〜Ｖ４へ印加される信号、ＰＨ１およびＰＨ２は、水平転送部３へ印加される信号である。

本固体撮像装置は、１７番目の走査線（ｈ１７）において、垂直転送部２の電極Ｖ１へ約１５Ｖの電圧を印加して、光電変換素子１の６行毎に１行のみから信号電荷を読み出す。

そして、１８番目の走査線（ｈ１８）の水平帰線消去期間に、垂直転送部２の電極Ｖ１〜Ｖ４へ、約−９Ｖの垂直転送部駆動パルスを６回分印加し、１９番目の走査線（ｈ１９）以降の２水平走査期間毎の水平帰線消去期間に、約−９Ｖの垂直転送部駆動パルスを、図５に示すように、電極Ｖ１〜Ｖ４のそれぞれへ６回ずつ印加する。これにより、光電変換部１０の６行毎に１行の光電変換素子１から読み出された信号電荷が、２水平走査期間毎に、水平転送部３へ転送される。

そして、図５に示すように、上記の垂直転送部駆動パルスの印加が終了した後に、水平転送部３の電極Ｈ１およびＨ２へ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の信号電荷が電荷検出部４へ転送される。

これにより、光電変換部１０において６行毎に１行の光電変換素子１から読み出された１行分の信号電荷が、２水平走査期間毎に、垂直転送部２と水平転送部３とを介して、電荷検出部４へ転送される。

つまり、この実施形態では、奇数番目の走査線の水平走査期間では、垂直転送部２から水平転送部３への信号電荷の垂直転送を６回行うことによって読み出された１行分の電荷を水平転送部３へ転送し、偶数番目の走査線の水平走査期間では、水平転送部３へ転送された１行分の信号電荷を、１水平走査期間かけて電荷検出部４へ転送する。

従って、本固体撮像装置からは、垂直方向の画素数が１／６に間引かれた、つまり水平方向７６８個×垂直方向８０個の画素分の信号電荷が、１垂直走査期間に３回ずつ出力されることにより、３倍速の高速度撮影が実現される。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置では、連続する２つの水平走査期間のそれぞれにおいて垂直転送と水平転送とを分けて行うことにより、垂直転送に時間的余裕ができ、垂直転送部駆動パルスの周波数を上げずにすむので、垂直転送効率を劣化させることなく、高速度撮影が可能となる。

なお、上記の説明では、３倍速の高速度撮影を実現する構成およびその駆動方法を説明したが、２倍速、４倍速等の他の倍率の高速度撮影も、上記の構成および駆動方法と同様にして、実現することができる。

すなわち、ｍおよびｎを自然数とした場合、（ｎ／ｍ）倍速の高速度撮影を実現するためには、ｎ行毎に１行の割合で、光電変換素子１から垂直転送部２へ電荷を読み出し、ｍ回の水平走査期間内に、ｎ回の垂直転送と、１回の水平転送とを行えばよい。

例えば、上述の３倍速の高速度撮影を実現するための構成および駆動方法は、ｍ＝２，ｎ＝６の場合に該当する。

また、２倍速の高速度撮影を行う場合には、例えば、ｍ＝３，ｎ＝６とすればよい。すなわち、垂直転送部２の構成を、図２に示した構成と同様とし、図６に示すように、１垂直走査期間に２回、光電変換素子１から垂直転送部２へ電荷を読み出すために、電極Ｖ１へ約１５Ｖの電圧を印加する。すなわち、図７に示すように、１７番目の走査線（ｈ１７）において、垂直転送部２の電極Ｖ１へ約１５Ｖの電圧が印加され、光電変換素子１の６行毎に１行のみから信号電荷を読み出す。

そして、１８番目の走査線（ｈ１８）の水平帰線消去期間に、垂直転送部２の電極Ｖ１〜Ｖ４へ、約−９Ｖのパルスを６回分印加し、図８に示すように、１９番目の走査線（ｈ１９）以降の２水平走査期間毎に、電極Ｖ１〜Ｖ４へ、約−９Ｖの垂直転送部駆動パルスを６回ずつ印加し、この垂直転送部駆動パルスの印加が終了した後に、水平転送部３の電極Ｈ１およびＨ２へ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の信号電荷が電荷検出部４へ転送される。これにより、光電変換部１０において６行毎に１行の光電変換素子１から読み出された信号電荷が、２水平走査期間毎に、垂直転送部２と水平転送部３とを介して、電荷検出部４へ転送される。

また、４倍速の高速度撮影を行う場合には、例えば、ｍ＝２，ｎ＝８とすればよい。この場合、垂直転送部２の電極Ｖ１を、８行毎に１行の光電変換素子１に接続し、他の７行に電極Ｖ４を接続するように構成し、図９に示すように、１垂直走査期間に４回、光電変換素子１から垂直転送部２へ電荷を読み出すために、電極Ｖ１へ約１５Ｖの電圧を印加する。すなわち、図１０に示すように、１７番目の走査線（ｈ１７）において、垂直転送部２の電極Ｖ１へ約１５Ｖの電圧を印加し、光電変換素子１の８行毎に１行のみから信号電荷を読み出す。

そして、１８番目の走査線（ｈ１８）の水平帰線消去期間に、垂直転送部２の電極Ｖ１〜Ｖ４へ、約−９Ｖのパルスを６回分印加し、図１１に示すように、１９番目の走査線（ｈ１９）以降の２水平走査期間毎に、電極Ｖ１〜Ｖ４へ、約−９Ｖの垂直転送部駆動パルスを８回ずつ印加し、この垂直転送部駆動パルスの印加が終了した後に、水平転送部３の電極Ｈ１およびＨ２へ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の信号電荷を電荷検出部４へ転送する。これにより、４倍速の高速撮影が実現される。

なお、（ｎ／ｍ）倍速の高速度撮影を行う際に、垂直転送部２から水平転送部３へ電荷を転送するときの垂直転送部駆動パルスの周波数を、ｍ回分の水平走査期間内で水平転送部駆動パルスが停止している間に約−９Ｖの垂直転送部駆動パルスをｍ回印加できる範囲で、通常速度による撮影時の垂直転送部駆動パルスの周波数よりも小さくすることも可能である。

例えば、前述の３倍速の高速度撮影の場合、図５から分かるように、電極Ｖ１〜Ｖ４へ約−９Ｖの垂直転送部駆動パルスを６回印加した後、水平転送部駆動パルスの印加が開始されるまでに、時間的な余裕がある。そこで、図１２に示すように、約−９Ｖの垂直転送部駆動パルスの周波数をさらに小さくすることが可能である。これにより、垂直転送部２から水平転送部３への垂直転送効率をさらに向上させることができる。

また、本実施形態で説明した駆動方法に、電子ズームや手ぶれ補正に利用される、垂直帰線消去期間の高速転送を組み合わせることで、より高速な撮影を実現することも可能である。

この場合、電極Ｖ１に約１５Ｖの電圧を印加して光電変換素子１から電荷を読み出した後、水平転送部３に近い側の１６０行（図１３に示す領域Ｂ１）の電荷を、水平転送部３へ高速転送する。

なお、高速転送とは、垂直転送部２から水平転送部３への電荷の転送を約３００ＫＨｚの高速で行い、水平転送部３から電荷検出部４への電荷の転送終了を待たずに、連続して垂直転送部２から水平転送部３への転送を行うことをいう。高速転送を行っている間は、電荷検出部４から出力される信号は、ブランキング処理を施され、映像信号としては使用されない。

領域Ｂ１の１６０行分の電荷の高速転送が終了したら、図１４に示すように、領域Ｂ２の１６０行分の電荷を、前述した３倍速の高速撮影時の動作により、２水平走査期間毎に６回の垂直転送を行うことにより、３倍速で水平転送部２３へ転送する。このように、領域Ｂ２の１６０行分の電荷の転送が終了した後は、さらに領域Ｂ３の１６０行分の電荷を高速転送する。垂直転送部２による高速転送のみで３倍速が実現されるので、結果として、９倍速の高速度撮影が実現される。

（実施の形態２）
以下に、本発明の他の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１５に本固体撮像装置の概略構成を示す。本固体撮像装置は、水平方向に７６８個（列）×垂直方向に４８０個（行）の行列状に配置された複数の画素（図示省略）が配置された光電変換部２０と、信号制御部２５とを備え、信号制御部２５による制御の下で、光電変換部２０から読み出された電荷を電荷検出部２４へ転送し、映像信号に変換して出力する構成である。

光電変換部２０の画素は、図１６に示すように、光電変換素子２１より構成される。光電変換素子２１としては、フォトダイオードを用いることができる。

各光電変換素子２１の電荷は、信号制御部２５が、電極Ｖ１〜Ｖ４へ印加する垂直転送部駆動パルス（電荷読み出し信号、垂直転送信号）を制御することにより、垂直転送部２２へ読み出され、水平転送部２３へ向けて、垂直方向に転送される。なお、垂直転送部２２は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)を用いて構成 することができる。

水平転送部２３へ転送された１行分の電荷は、信号制御部２５が、電極Ｈ１〜Ｈ６へ印加する水平転送部駆動パルス（水平転送信号）を制御することにより、後述するように、電荷検出部２４またはドレイン２７（電荷排出部）へ向けて水平方向へ転送される。なお、水平転送部２３も、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)を用いて構成することができる。

図１６に示したとおり、垂直転送部２２の電極Ｖ２およびＶ３は、光電変換素子２１のすべての行に接続されるが、電極Ｖ１は、３行毎に１行の光電変換素子２１に接続され、他の２行に電極Ｖ４が接続されている。

また、図１５に示したように、光電変換部２０は、水平方向に２対１に分割されている。つまり、光電変換部２０は、水平方向５１２個×垂直方向４８０個の光電変換素子２１からなる領域Ａ１と、水平方向２５６個×垂直方向４８０個の光電変換素子２１からなる領域Ａ２とに分割される。

ここで、図１７に、本実施形態の水平転送部２３の構成を示す。なお、図１７は、水平転送部２３を電荷の転送方向に平行に切断した断面を表す。また、図１７内に矢印で示した順転送の方向は、電荷検出部２４側へ電荷を転送する方向であり、逆転送の方向は、ドレイン２７へ電荷を転送する方向である。水平転送部２３は、Ｐ型半導体基板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２３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、４相の電極４４が形成され ている。図１７に示すように、Ｎ−型拡散層４３上に形成された電極４４が、水 平転送部２３の電極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、電極Ｈ２、Ｈ５、Ｈ４、およびＨ６である。

領域Ａ１の光電変換素子２１で生じた電荷は、電極Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３およびＨ４が設けられた水平転送部２３へ転送され、領域Ａ２の光電変換素子２１で生じた電荷は、電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５およびＨ６が設けられた水平転送部２３へ転送される。

本固体撮像装置は、全画素順次読み出し方式を採用しており、通常速度の撮影時には、１垂直走査期間に１回、電極Ｖ１およびＶ４に、約１５Ｖの電圧を同時に印加することにより、すべての光電変換素子２１から電荷を読み出す。そして、電極Ｖ１〜Ｖ４へ、０Ｖと約−９Ｖとの間で交互にスイッチするパルスを印加することにより、光電変換素子２１から読み出された電荷が、垂直転送部２２から水平転送部２３へ、１行分ずつ垂直転送される。

そして、図１８（ａ）に示すように、電極Ｈ１およびＨ４を互いに同位相とし、かつ電極Ｈ１およびＨ４が電極Ｈ２およびＨ３と逆位相になるように水平転送部駆動パルスを印加すると共に、電極Ｈ１およびＨ５を互いに逆位相とし、電極Ｈ１およびＨ５に電極Ｈ３およびＨ６とそれぞれ逆位相の水平転送部駆動パルスを印加することにより、垂直転送部２２から水平転送部２３に転送された１行分の信号電荷のすべてを電荷検出部２４へ順転送する。

一方、高速度撮影時には、垂直転送部２２の電極Ｖ１のみに約１５Ｖの電圧を印加することにより、光電変換素子２１の３行毎に１行から電荷を読み出す。そして、電極Ｖ１〜Ｖ４へ、０Ｖと約−９Ｖとの間で交互にスイッチするパルスを印加することにより、光電変換素子２１から読み出された電荷が、垂直転送部２２から水平転送部２３へ、１行分ずつ垂直転送される。

次に、水平転送部２３のうち光電変換部２０の領域Ａ１に接続されたところの電極Ｈ１〜Ｈ４へは、図１８（ａ）に示すように、電極Ｈ１およびＨ４を互いに同位相として、電極Ｈ１およびＨ４に電極Ｈ２およびＨ３と逆位相の水平転送部駆動パルスを印加することにより、光電変換部２０における領域Ａ１内に存在する光電変換素子２１から読み出した信号電荷が、水平転送部２３から電荷検出部２４へ順転送により転送される。

一方、光電変換部２０の領域Ａ２に存在する光電変換素子２１から読み出された信号電荷については、水平転送部２３のうち領域Ａ２に接続されたところの電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、およびＨ６に、図１８（ｂ）に示すように、電極Ｈ１およびＨ５を互いに同位相とし、電極Ｈ３およびＨ６に電極Ｈ１およびＨ５と逆位相の水平転送部駆動パルスを印加することにより、領域Ａ２内に存在する光電変換素子２１から読み出された信号電荷は、逆転層により、水平転送部２３からドレイン２７へ排出される。

これにより、高速度撮影時には、光電変換部２０の１行分すなわち７６８個の光電変換素子２１の内、領域Ａ１内に存在する５１２個の光電変換素子２１から読み出された信号電荷のみが、水平転送部２３から電荷検出部２４へ転送され、映像信号として出力されることとなる。

ここで、高速度撮影時の本固体撮像装置の動作を、図１９および図２０を参照しながら説明する。

図１９の最上段に示すｈ１〜ｈ５２５は、ＮＴＳＣ方式のテレビジョン信号の走査線番号である。また、ＨＤは水平同期信号、ＶＤは垂直同期信号である。さらに、ＰＶ１〜ＰＶ４は、垂直転送部２２の電極Ｖ１〜Ｖ４へ印加される信号、ＰＨ１〜ＰＨ６は、水平転送部２３の電極Ｈ１〜Ｈ６へ印加される信号である。

本固体撮像装置は、図１９に示すように、１７番目の走査線（ｈ１７）において、垂直転送部２２の電極Ｖ１へ約１５Ｖの電圧を印加して、光電変換素子２１の３行毎に１行のみから信号電荷を読み出す。

そして、１８番目の走査線（ｈ１８）以降の水平帰線消去期間に、図２０に示すように、垂直転送部２２の電極Ｖ１〜Ｖ４へ、約−９Ｖのパルスを３回分印加することにより、光電変換素子２１から読み出された信号電荷が、水平転送部２３へ１行分だけ転送される。

次に、水平転送部２３の電極Ｈ１〜Ｈ６へ水平転送部駆動パルスが印加されることにより、水平転送部２３の信号電荷が電荷検出部２４へ転送されるが、高速度撮影時には、前述のように、電極Ｈ１・Ｈ２・Ｈ６と電極Ｈ３・Ｈ４・Ｈ５とのそれぞれに印加される水平転送部駆動パルスが互いに逆位相になる。これにより、光電変換部２０の領域Ａ１から得られた信号電荷、すなわち１行当たり７６８画素を２／３に間引いた、５１２画素分の信号電荷のみが、水平転送部２３から電荷検出部２４へ転送されると同時に、領域Ａ２から得られた信号電荷はドレイン２７から排出される。

これにより、本実施形態の固体撮像装置からは、垂直方向の画素数が１／３、水平方向の画素数が２／３に間引かれた、すなわち水平方向５１２画素×垂直方向１６０画素に相当する電荷が出力される。

なお、水平転送部２３から電荷検出部２４へ水平転送される画素数が１行の２／３であるので、水平転送に要する時間は、通常速度による撮影時の２／３ですむ。垂直転送部駆動パルスは水平転送部駆動パルスが停止している間に印加されるので、水平転送に要する時間が短くなることにより、垂直転送に時間的余裕ができる。この結果、垂直転送部駆動パルスの周波数を上げることなく、３倍速の高速度撮影が可能となる。

なお、図２１に示すように、上記した実施の形態１または実施の形態２で説明した固体撮像装置を撮像部３０として用い、この撮像部３０に光を導くレンズ等の光学系３１と、撮像部３０で得られた映像信号、すなわち固体撮像装置の電荷検出部４または２４から出力される映像信号、を処理する映像信号処理回路３２とを設ければ、高速度撮影が可能なビデオムービーカメラを実現できる。

なお、上記の各実施形態で説明した固体撮像装置の光電変換部の構成および画素数、読み出し方式、および高速度撮影倍数等は、あくまでも本発明の実施形態の一例であり、これらに限定されるものではない。

以上に説明したように、本発明によれば、光電変換素子から読み出した電荷を垂直転送部から水平転送部へ転送する際の垂直転送部駆動パルスの周波数を上げる必要がないので、垂直転送効率を劣化させずに高速度撮影が可能な固体撮像装置およびカメラを提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかる固体撮像装置の概略構成を示すブロック図 前記固体撮像装置における、各光電変換素子と、垂直転送部および水平転送部との接続関係を示す説明図 前記実施の形態１の固体撮像装置における３倍速の高速度撮影時の、垂直同期信号と、垂直転送部の電極Ｖ１に印加される信号との関係を示すタイミングチャート 図３の一部を拡大して示したタイミングチャート 図４の水平帰線消去期間を拡大して示したタイミングチャート 前記固体撮像装置における２倍速の高速度撮影時の、垂直同期信号と、垂直転送部の電極Ｖ１に印加される信号との関係を示したタイミングチャート 図６の一部を拡大して示したタイミングチャート 図７の水平帰線消去期間を拡大して示したタイミングチャート 前記固体撮像装置における４倍速の高速度撮影時の、垂直同期信号と、垂直転送部の電極Ｖ１に印加される信号との関係を示したタイミングチャート 図９の一部を拡大して示したタイミングチャート 図１０の水平帰線消去期間を拡大して示すタイミングチャート 図５に示した垂直転送部駆動パルスＰＶ１〜ＰＶ４の変形例を示すタイミングチャート 前記実施の形態１の変形例として、前記固体撮像装置に垂直方向の高速転送を適用した例を説明するために、高速転送を行う領域（Ｂ１・Ｂ３）を示す説明図 前記変形例における各信号を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態２の固体撮像装置の概略構成を示すブロック図 前記実施の形態２の固体撮像装置における、各光電変換素子と、垂直転送部および水平転送部との接続関係を示す説明図 前記実施の形態２の固体撮像装置が備える水平転送部の構成を示す説明図 前記水平転送部に印加される水平転送部駆動パルスのタイミングチャートであり、（ａ）は順転送の場合に電極Ｈ１〜Ｈ６へ印加される水平転送部駆動パルスのタイミングチャート、（ｂ）は逆転送の場合に電極Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、およびＨ６へ印加される水平転送部駆動パルスのタイミングチャート 前記固体撮像装置における３倍速の高速度撮影時の各信号を示すタイミングチャート 図１９の水平帰線消去期間を拡大して示すタイミングチャート 本発明にかかるカメラの概略構成を示すブロック図 従来の固体撮像装置の構成を示す説明図 前記従来の固体撮像装置における高速度撮影時の各信号のタイミングチャート 図２３の水平帰線消去期間を拡大して示すタイミングチャート

符号の説明

１・２１ 光電変換素子
２・２２ 垂直転送部
３・２３ 水平転送部
４・２４ 電荷検出部
５・２５ 信号制御部
１０・２０ 光電変換部
２７ ドレイン
３０ 光学系
３１ 撮像部
３２ 映像信号処理回路
４１ Ｐ型半導体基板
４２ Ｎ型拡散層
４３ Ｎ−型拡散層
４４ 電極

Claims (8)

1. 行列状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された前記電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送された前記電荷を映像信号として出力する電荷検出部と、
   ｎ、ｍ、ｎ／ｍは２以上の自然数とすると、行方向に連続するｎ行の前記光電変換素子のうち一行から１垂直走査期間のあいだにｎ／ｍ回、前記電荷を読み出して、連続する水平走査期間にまたがって、前記光電変換素子から読み出した前記電荷についてｎ回の垂直転送と１回の水平転送を行う第１の動作モードを有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. 前記信号制御部は、すべての前記光電変換素子から前記電荷を読み出して、前記電荷の垂直転送と水平転送とを行う第２の動作モードをさらに有する、請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記垂直転送は（ｍ−１）回分の前記水平走査期間内に行い、前記水平転送は１回の前記水平走査期間内に行う、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記信号制御部は、前記電荷の前記光電変換素子から前記垂直転送部への読み出しの際に前記垂直転送部へ第１の信号を印加し、前記電荷の垂直転送の際には前記垂直転送部へ第２の信号を印加し、
   前記信号制御部は、前記第１の動作モードにおいては、前記行方向に連続するｎ行の前記光電変換素子のうち一行へ前記第１の信号を印加し、前記第２の動作モードにおいては、前記前記光電変換素子の各行に前記第１の信号を印加し、前記第１の動作モードにおける前記第２の信号の周波数が前記第２の動作モードにおける前記第２の信号の周波数よりも低い、請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置と、光学系と、前記固体撮像装置から出力した映像信号を処理する処理回路と、を少なくとも備えたことを特徴とするカメラ。
6. 行列状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された前記電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送された前記電荷を映像信号として出力する電荷検出部と、を備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
   ｎ、ｍ、ｎ／ｍは２以上の自然数とすると、行方向に連続するｎ行の前記光電変換素子のうち一行から１垂直走査期間のあいだにｎ／ｍ回、前記電荷を読み出し、連続する水平走査期間にまたがって前記光電変換素子から読み出した前記電荷についてｎ回の垂直転送と１回の水平転送を行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
7. 行列状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から読み出された電荷を垂直転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された前記電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から転送された前記電荷を映像信号として出力する電荷検出部と、を備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
   ｎ、ｍ、ｎ／ｍは２以上の自然数とすると、行方向に連続するｎ行の前記光電変換素子のうち一行から１垂直走査期間のあいだにｎ／ｍ回、前記電荷を読み出し、連続する水平走査期間にまたがって前記光電変換素子から読み出した前記電荷についてｎ回の垂直転送と１回の水平転送を行う第１の駆動と、
   すべての前記光電変換素子から前記電荷を読み出して、前記電荷について垂直転送と水平転送とを行う第２の駆動と、
   の少なくとも一方を行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
8. 前記第１の駆動は高速度撮影に用いる駆動である、請求項７記載の固体撮像装置の駆動方法。

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