JP4513415B2 - 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、特に静止画／動画兼用の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。

撮像デバイスとして例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)固体撮像装置を用いるデジタルスチルカメラでは、一般的に、メカニカルシャッタが使用されている。メカニカルシャッタを使用することにより、ＣＣＤ固体撮像装置への光の入射をほぼ完全に遮断することができるため原理的にスミアが発生しない。ここに、スミアとは、信号電荷を転送する垂直転送部に強い光が漏れ込むと、高輝度被写体の上下に明るい帯が走るＣＣＤ固体撮像装置固有の現象のことである。

しかし、静止画と動画が融合されたデジタルスチルカメラでは、モニタリングモードでの動画撮像時にはデジタルスチルカメラで一般的に使用されている通常のメカニカルシャッタを使用できないことから、スミアを低減するには例えば１／３０秒に１回の割合でシャッタを切らなければならないため、回転するメカニカルシャッタが必要になる。ただし、回転するメカニカルシャッタを使用すると、信頼性や騒音などの問題が発生する。

また、動画撮像時にメカニカルシャッタを使用しない場合には、ＣＣＤ固体撮像装置への光の入射を遮断できないためスミアの発生は避けられない。このため、従来、動画撮像時に電子シャッタを切った際に発生するスミアを低減するための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００３−１７９８１３号公報 特開２００３−１９７８９５号公報

ところで、近年、高精細化・多画素化に伴って画素ユニットが微細化する傾向にある。画素ユニットが微細化すると、光電変換素子内に取り込める光量が低下するため、ＣＣＤ固体撮像装置の感度が低下する。したがって、感度を低下させずに、画素ユニットの微細化を図るためには、画素ユニットの開口を大きくせざるを得ない。しかしながら、画素ユニットの開口を大きく設定すると、垂直転送部の遮光マージンがなくなるため、スミアが悪化するという問題が発生する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、画素ユニットの微細化と低スミア化を両立させ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。

上記目的を達成するために、本発明では、
露光終了後にメカニカルシャッタを閉じるとともに、全画素の信号電荷を独立に読み出す静止画撮像モードと、前記メカニカルシャッタを使用せずに、垂直方向および水平方向の少なくとも一方において画素を間引いて信号電荷を読み出すか、または画素を間引かずに信号電荷を読み出した後混合する動画撮像モードとを有する固体撮像装置において、
前記動画撮像モードでは、前記信号電荷を含む第１の電荷と前記信号電荷を含まない第２の電荷とを交互に並べた状態で垂直転送する。
そして、垂直転送する前記第１の電荷と前記第２の電荷とを電圧に変換し、この電圧変換して得られる前記第１の電荷に応じた第１の電圧と前記第２の電荷に応じた第２の電圧とを水平走査にて順次読み出した後、前記第１の電圧と前記第２の電圧との差をとるようにする。

上記構成の静止画／動画兼用の固体撮像装置において、静止画撮像モードでは全画素の信号電荷を独立に読み出して垂直転送するのに対して、動画撮像モードでは画素を間引いて信号電荷を読み出して垂直転送するか、または画素を間引かずに信号電荷を読み出した後混合して垂直転送することで、垂直転送部には信号電荷が存在しない空パケットが存在することになる。ここで、パケットとは、垂直転送部における１つの信号成分を扱う単位を言うものとする。そして、動画撮像モードでは、この空パケットを有効に活用して、信号電荷を含む第１の電荷（スミア成分＋信号成分の電荷）と信号電荷を含まない第２の電荷（スミア成分のみの電荷）とを別々に転送する。そして、前記第１の電荷と前記第２の電荷との差をとる。これにより、スミア成分を除去できる。

本発明によれば、静止画／動画兼用の固体撮像装置において、動画撮像モードではデジタルスチルカメラで一般的に使用されている通常のメカニカルシャッタを用いることができなく、また高精細化・多画素化に伴う画素ユニットの微細化に起因して垂直転送部の遮光マージンがなくなることによってスミア成分が発生したとしても、当該スミア成分を確実に除去することができるため、画素ユニットの微細化と低スミア化を両立させることができる。

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。ここでは、一例として、インターライン転送方式を採用した固体撮像装置に適用する場合を例に挙げて説明するが、これに限られるものではなく、フレームインターライン転送方式等、他の転送方式を採用した固体撮像装置にも適用可能である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置の構成例を示す全体の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置は、ＣＣＤ撮像素子１０Ａと、切替スイッチ２０と、ラインメモリ３０と、差動アンプ４０と、駆動回路５０とを有する構成となっている。ＣＣＤ撮像素子１０Ａは、行列状に２次元配置された多数の受光部（画素）１１と、垂直ＣＣＤ（垂直転送部）１２と、水平ＣＣＤ（水平転送部）１３Ａと、電荷検出部１４Ａとを有し、これらが半導体基板１５上に一体的に形成された構成となっている。

ＣＣＤ撮像素子１０Ａにおいて、受光部１１の各々は、例えばフォトダイオードからなり、受光した光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に光電変換して蓄積する。垂直ＣＣＤ１２は、多数の受光部１１の画素配列に対して垂直画素列ごとに配され、受光部１１から読み出される信号電荷を垂直方向（ここでは、図の下方向）に転送する。水平ＣＣＤ１３Ａは、垂直ＣＣＤ１２から行（ライン）単位で転送（シフト）される信号電荷を水平方向（ここでは、図の左方向）に転送し、転送先側の端部に設けられた電荷検出部１４Ａに順次供給する。電荷検出部１４Ａは、水平ＣＣＤ１３Ａによって順に転送されてくる信号電荷を検出し、当該信号電荷を信号電圧に変換して出力する。

切替スイッチ２０は、電荷検出部１４Ａから出力される信号電圧を行単位で複数系統に切り替えて出力する。本例に係る切替スイッチ２０は、電荷検出部１４Ａから出力される信号電圧を行単位で例えば３系統に切り替えて出力する。具体的には、切替スイッチ２０は、１行目、４行目、７行目、…のとき端子ａ側に、２行目、５行目、８行目、…のとき端子ｂ側に、３行目、６行目、９行目、…のとき端子ｃ側に切り替わる。切替スイッチ２０の端子ａはオープン状態となっている。これにより、１行目、４行目、７行目、…の信号電圧は後段の回路に供給されることはない。

ラインメモリ３０は、その入力端子が切替スイッチ２０の端子ｂに接続されている。これにより、２行目、５行目、８行目、…の各１行（ライン）分の信号電圧は、ラインメモリ３０に格納されることになる。差動アンプ４０は、その反転（−）入力端子がラインメモリ３０の出力端子に接続され、その非反転（＋）入力端子が切替スイッチ２０の端子ｃに接続されている。これにより、差動アンプ４０は、３行目、６行目、９行目、…の各信号電圧と、ラインメモリ３０に格納されている２行目、５行目、８行目、…の各信号電圧との差をとる。

駆動回路５０は、各種のタイミング信号を発生するタイミング発生器（図示せず）を有し、受光部１１から垂直ＣＣＤ１２への信号電荷の読み出し駆動、垂直ＣＣＤ１２の転送駆動、水平ＣＣＤ１３Ａの転送駆動、電荷検出部１４Ａのリセット動作の駆動、切替スイッチ２０の切り替え駆動などを行う。また、本実施形態に係る固体撮像装置は静止画／動画兼用であることから、静止画撮像モード／動画撮像モードの各動作モードを、図示せぬコントローラから与えられるモード切替信号に応じて切り替える。

具体的には、静止画撮像モードでは、ＣＣＤ撮像素子１０Ａの全画素の信号電荷を独立に読み出すため、駆動回路５０は、受光部１１の全てに対して信号電荷を読み出すための読み出し信号を与える。一方、動画撮像モードでは、フレームレートを上げる必要があることから、画素情報を削減するために例えば垂直方向において画素を間引いて信号電荷を読み出す操作が行われる。したがって、駆動回路５０は、間引き対称の画素の行を除く残りの行の画素に対してのみ信号電荷を読み出すための読み出し信号を与える。この間引き読み出しは周知の技術である。

このように、静止画／動画兼用の固体撮像装置において、静止画撮像モードでは全画素の信号電荷を独立に垂直ＣＣＤ１２に読み出すのに対して、動画撮像モードでは画素を間引いて信号電荷を垂直ＣＣＤ１２に読み出すことで、垂直ＣＣＤ１２には信号電荷が存在しない空パケットが存在することになる。本発明では、動画撮像モードで空パケットが存在することに着目し、動画撮像モードでは、この空パケットを有効に活用してスミアの低減を図ることを特徴としている。

具体的には、特に受光部１１に強い光が入射した際に、遮光膜の不完全さによって入射光の一部が当該遮光膜を透過して垂直ＣＣＤ１２に混入したり、半導体基板内部で発生した電荷が拡散により広がることによって垂直ＣＣＤ１２に混入したり、あるいは多重反射によって垂直ＣＣＤ１２にその側面から光が混入したりする等の理由によってスミアが発生するものとすると、垂直ＣＣＤ１２のパケット中の信号電荷はスミア成分を含むことになる。一方、空パケットにはスミア成分のみが不要電荷として存在することになる。

その結果、スミア成分＋信号成分の電荷（第１の電荷）とスミア成分のみの電荷（第２の電荷）とは垂直ＣＣＤ１２によって行（ライン）単位で交互に垂直転送され、さらに水平ＣＣＤ１３Ａによって後述するように別々に水平転送された後、電荷検出部１４Ａで信号電圧に変換されて出力される。そして、電荷検出部１４Ａと共に差検出手段を構成する切替スイッチ２０、ラインメモリ３０および差動アンプ４０において、スミア成分＋信号成分の電荷に応じた電圧とスミア成分のみの電荷に応じた電圧との差をとることにより、スミア成分を除去できる。

これにより、静止画／動画兼用の固体撮像装置において、動画撮像モードではデジタルスチルカメラで一般的に使用されている通常のメカニカルシャッタを用いることができなく、また高精細化・多画素化に伴う画素ユニット（１つの受光部１１および当該受光部に対応する垂直ＣＣＤ１２の部分）の微細化に起因して、垂直ＣＣＤ１２の遮光マージンがなくなることによってスミア成分が発生したとしても、当該スミア成分を確実に除去することができるため、画素ユニットの微細化と低スミア化を両立させることができる。

以下に、上記構成の本実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置における動画撮像モードでの具体的な動作について、図２の動作説明図を用いて説明する。ここでは、受光部１１の各々に対応して配されるカラーフィルタが例えばベイヤー配列のＣＣＤ撮像素子１０Ａにおいて、３行（ライン）ごとに１行の各画素（受光部１１）からのみ信号電荷を読み出すいわゆる垂直１／３間引きの場合を例に挙げて説明するものとする。

図２には、信号電荷の読み出し後の垂直ＣＣＤ１２における１ライン目〜９ライン目の各パケット中の電荷を示している。図２において、○印は（信号成分＋スミア成分）の電荷を、△印はスミア成分のみの電荷をそれぞれ示している。すなわち、垂直ＣＣＤ１２には、先述した理由によってスミアが発生することから、垂直ＣＣＤ１２中の各空パケットにはスミア成分の電荷△が存在する。

そして、受光部１１から信号電荷を読み出すことにより、当該信号電荷が読み出されたパケットの電荷○は、元々存在するスミア成分に信号電荷が加えられたものとなる。ここでは、垂直１／３間引きによって動画撮像時のフレームレートを上げるようにしていることから、例えば３ライン目、６ライン目、９ライン目、…の各パケットの電荷が（信号成分＋スミア成分）の電荷○となり、それ以外の全パケットの電荷がスミア成分の電荷△となっている。

図２において、垂直ＣＣＤ１２の各々からは、水平ＣＣＤ１３Ａに対してライン単位で電荷が転送（シフト）され、この１ライン分の各電荷が水平ＣＣＤ１３Ａによって順次水平転送され、電荷検出部１４Ａで電圧変換されて出力される。このとき、切替スイッチ２０は、各ラインの水平転送に同期して端子ａ、端子ｂ、端子ｃの順に切り替わる。これにより、１ライン目、４ライン目、７ライン目、…のスミア成分の電荷△に応じた電圧は端子ａを通して破棄され、２ライン目、５ライン目、８ライン目、…のスミア成分の電荷△に応じた電圧は端子ｂを通してラインメモリ３０に格納される。

ここでは、１ライン目、４ライン目、７ライン目、…のスミア成分の電荷△に応じた電圧を破棄するとしたが、２ライン目、５ライン目、８ライン目、…のスミア成分の電荷△に応じた電圧を破棄するようにしても良い。ただし、３ライン目、６ライン目、９ライン目、…に隣接する２ライン目、５ライン目、８ライン目、…のスミア成分の電荷△を利用するようにした方が、スミア成分の電荷量が等しくなるものと考えられ、スミア成分をより確実に除去できることから好ましいと言える。また、１ライン目、４ライン目、７ライン目、…のスミア成分の電荷△についても電圧変換して出力するとしたが、例えば水平ＣＣＤ１３Ａに隣接した電荷排出部を設け、当該電荷排出部に水平ＣＣＤ１３Ａから直接排出することも可能である。

３ライン目、６ライン目、９ライン目、…の（信号成分＋スミア成分）の電荷○に応じた電圧は、端子ｃを通して差動アンプ４０にその非反転入力として与えられる。差動アンプ４０は、３ライン目、６ライン目、９ライン目、…の（信号成分＋スミア成分）の電荷○に応じた電圧を非反転入力とし、ラインメモリ３０に格納されている１ライン前の電圧、即ち２ライン目、５ライン目、８ライン目、…のスミア成分の電荷△に応じた電圧を反転入力とし、それらの差をとることにより、信号成分中に含まれるスミア成分を、当該信号成分中から除去する。

なお、本実施形態では、３ラインごとに１ラインの各画素からのみ信号電荷を読み出す垂直１／３間引きの場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、垂直１／ｎ間引きのｎ値については、垂直方向の画素数とフレームレートとの関係から任意に設定可能である。また、垂直方向において画素情報を間引く手法のみならず、垂直方向および水平方向の双方において画素情報を間引く手法をとることも可能である。

水平方向において画素情報を間引くには、例えば図３に示すように、垂直ＣＣＤ１２の各々の最終転送段（最終パケット）と水平ＣＣＤ１３Ａとの間に、垂直ＣＣＤ１２の各々から水平ＣＣＤ１３Ａへの電荷の転送を阻止する転送阻止ゲート部１６を設けることで実現することができる。一例として、転送阻止ゲート部１６を水平方向において３画素ごとに２画素配置することにより、カラーフィルタのベイヤー配列を考慮しつつ水平１／３間引きを、垂直１／３間引きと並行して実行することができる。

このように、水平方向において間引かれた画素情報を、上記実施形態の場合と同様に、ライン単位で電圧変換して出力し、電荷検出部１４Ａと共に差検出手段を構成する切替スイッチ２０、ラインメモリ３０および差動アンプ４０において、スミア成分＋信号成分の電荷に基づく電圧とスミア成分のみの電荷に基づく電圧との差を取ることにより、スミア成分を除去できる。また、水平方向において間引かれた画素情報を、ライン単位で電圧変換して出力する手法以外にも次のような手法を採ることも可能である。

１ライン目、４ライン目、７ライン目、…のスミア成分の電荷△については、例えば先述したように、水平ＣＣＤ１３Ａに隣接して設けた電荷排出部に排出した後、図４（Ａ）に示すように、２ライン目、５ライン目、８ライン目、…のスミア成分の電荷△を水平ＣＣＤ１３Ａに垂直転送する。次いで、水平ＣＣＤ１３Ａを１ビット分だけ水平転送（１ビットシフト）した後、３ライン目、６ライン目、９ライン目、…の（信号成分＋スミア成分）の電荷○を垂直転送する。これにより、水平ＣＣＤ１３Ａ中には、図４（Ｂ）に示すように、スミア成分の電荷△と（信号成分＋スミア成分）の電荷○とが交互に並ぶことになる。

そして、水平ＣＣＤ１３Ａ中に交互に並んだスミア成分の電荷△と（信号成分＋スミア成分）の電荷○とを、電荷検出部１４Ａで交互に電圧に変換して後段の信号処理部に与える。この変形例の場合は、スミア成分の電荷△に応じた電圧と（信号成分＋スミア成分）の電荷○に応じた電圧との時間差は、１ライン相当の時間ではなく、１ビット相当の時間となることから、図１のラインメモリ３０に代えてビットメモリを用いることで、（信号成分＋スミア成分）の電荷○に応じた電圧とスミア成分の電荷△に応じた電圧との差を検出することができるためスミア成分を除去できる。

また、上記実施形態の他の変形例として、上述した垂直方向および水平方向の双方において画素情報を間引く手法での水平方向における間引きの考え方を基に、水平方向においてのみ画素情報を間引く手法をとることも可能である。

［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置の構成例を示す全体の概略構成図であり、図中、図１と同等部分には同一符号を付して示している。

第１実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置では、（信号成分＋スミア成分）の電荷に応じた電圧とスミア成分の電荷に応じた電圧との差を検出する差検出手段をＣＣＤ撮像素子１０Ａの外部（半導体基板１５外）に有しているのに対して、本実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置では、当該差検出手段をＣＣＤ撮像素子１０Ｂの内部（半導体基板１５上）に有する構成となっている。

差検出手段の機能を半導体基板１５上で実現するために、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０Ｂでは、水平ＣＣＤ１３Ｂが水平方向の画素数に対して倍密度（２倍）のパケットＰを有し、また電荷検出部１４Ｂが（信号成分＋スミア成分）の電荷からスミア成分の電荷を減ずる機能を持つ構成となっている。すなわち、電荷検出部１４Ｂは、水平ＣＣＤ１３Ｂによって水平転送される（信号成分＋スミア成分）の電荷とスミア成分の電荷との差をとり、当該差の電荷を電圧に変換して出力する差検出手段を構成している。この電荷検出部１４Ｂから出力される信号電圧は、出力バッファ１７でインピーダンス変換された後、半導体基板１５外に出力される。

上記構成の本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０Ｂにおいて、先ず、水平ＣＣＤ１３Ｂの動作について、図６の動作説明図を用いて説明する。ここでは、受光部１１の各々に対応して配されるカラーフィルタが例えばベイヤー配列のＣＣＤ撮像素子１０Ｂにおいて、３行（ライン）ごとに１行の各画素（受光部１１）からのみ信号電荷を読み出す垂直１／３間引きの場合を例に挙げて説明するものとする。

図６には、信号電荷の読み出し後の垂直ＣＣＤ１２における１ライン目〜９ライン目の各パケット中の電荷を示している。図６において、○印は（信号成分＋スミア成分）の電荷を、△印はスミア成分のみの電荷をそれぞれ示している。垂直ＣＣＤ１２中の各空パケットにはスミア成分の電荷△が存在しており、受光部１１から信号電荷を読み出すことにより、当該信号電荷が読み出されたパケットの電荷○は、元々存在するスミア成分に信号電荷が加えられたものとなる。ここでは、垂直１／３間引きを行うことから、例えば３ライン目、６ライン目、９ライン目、…の各パケットの電荷が（信号成分＋スミア成分）の電荷○となり、それ以外の全パケットの電荷がスミア成分の電荷△となっている。

図６において、垂直ＣＣＤ１２の各々からは、水平ＣＣＤ１３Ｂに対してライン単位で電荷が転送（シフト）される。このとき、例えば１ライン目、４ライン目、７ライン目、…のスミア成分の電荷△については捨てられることになる。この電荷を捨てる処理については、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１３Ｂに電荷を転送するＶ−Ｈ転送部や、水平ＣＣＤ１３Ｂに隣接して設けられる先述した電荷排出部などで行うことができる。

ここでは、４ライン目〜６ライン目の動作の場合を例に挙げて説明するものとする。先ず、４ライン目のスミア成分の電荷△が上述したようにして捨てられる。次に、５ライン目のスミア成分の電荷△が垂直ＣＣＤ１２の各々から水平ＣＣＤ１３Ｂにシフトされる。このラインシフトが終了すると、水平ＣＣＤ１３Ｂが１パケット分（１ビット分）だけ転送動作を行う。このとき、水平ＣＣＤ１３Ｂが水平方向の画素数に対して倍密度のパケットＰを有していることから、水平ＣＣＤ１３Ｂの各々の下には空パケットが位置する。この状態で、次の６ライン目の（信号成分＋スミア成分）の電荷○が垂直ＣＣＤ１２の各々から水平ＣＣＤ１３Ｂにシフトされる。その結果、水平ＣＣＤ１３Ｂ中には、スミア成分の電荷△と（信号成分＋スミア成分）の電荷○とが交互に並ぶことになる。そして、水平ＣＣＤ１３Ｂは、スミア成分の電荷△と（信号成分＋スミア成分）の電荷○とを交互に水平転送する。

図７は、電荷検出部１４Ｂおよびその周辺部分についての具体的な回路例を示す回路図である。

図７において、本回路例に係る電荷検出部１４Ｂは、ＦＤ領域（フローティングディフュージョン領域）２１と、水平ＣＣＤ１３Ｂによって転送されてくる（信号成分＋スミア成分）の電荷○をＦＤ領域２１および後述するＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１１のドレインに流し込む第１の電流源である例えばカレントミラー回路２２と、水平ＣＣＤ１３Ｂによって転送されてくるスミア成分の電荷△をＦＤ領域２１から吸い込む第２の電流源である例えばカレントミラー回路２３と、水平ＣＣＤ１３Ｂの転送動作に同期してカレントミラー回路２２とカレントミラー回路２３の各動作を切り替える切替スイッチ２４と、ＦＤ領域２１をリセットするリセットトランジスタ２５とを有する構成となっている。

カレントミラー回路２２は、ゲートとドレインが共通に接続されかつ水平ＣＣＤ１３Ｂによって転送されて来る信号電荷を一時的に蓄積する容量Ｃｐの１端子に接続されるとともに、第１の電源電圧ＶＤＤ１（例えば、１５Ｖ）の直流電源２６の正極側端子にソースが接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１１と、当該ＭＯＳトランジスタＱｐ１１とゲートが共通に接続されるとともに、ソースが直流電源２６の正極側端子に、ドレインが切替スイッチ２４を介してＦＤ領域２１にそれぞれ接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１２と、ＭＯＳトランジスタＱｐ１１とゲートが共通に接続されるとともに、ソースが直流電源２６の正極側端子に、ドレインがＭＯＳトランジスタＱｎ１１のドレインに接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１３とから構成されている。

このカレントミラー回路２２において、当該カレントミラー回路２２の入力端子、即ちＭＯＳトランジスタＱｐ１１のゲートには、図７に示すように寄生容量Ｃｐが付く。そこで、変換効率や周波数特性が低下しないようにするために、カレントミラー回路２２を構成するＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３がサブスレッシホルド領域で動作するように、当該ＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３の動作点を設定する。具体的には、ＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３のチャネル幅Ｗを大きくする。

カレントミラー回路２３は、ゲートとドレインが共通に接続されかつＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１３のドレインに接続され、ソースが接地されたＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１１と、当該ＭＯＳトランジスタＱｎ１１とゲートが共通に接続されるとともに、ソースが接地され、ドレインが切替スイッチ２４を介してＦＤ領域２１に接続されたＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１２とから構成されている。

切替スイッチ２４は、ソースがＭＯＳトランジスタＱｐ１２のドレインに、ドレインがＦＤ領域２１にそれぞれ接続されたＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１４と、当該ＭＯＳトランジスタＱｐ１４とゲートが共通に接続されるとともに、ドレインがＦＤ領域２１に、ソースがＭＯＳトランジスタＱｎ１２のドレインにそれぞれ接続されたＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１４とから構成されている。ＭＯＳトランジスタＱｐ１４，Ｑｎ１４の各ゲートには、水平ＣＣＤ１３Ｂを駆動する逆相の水平転送パルスφＨ１，φＨ２の２倍の周期の切り替えパルスφＳＷが図５の駆動回路５０から与えられる。

リセットトランジスタ２５は、第１の電源電圧ＶＤＤ１よりも低い第２の電源電圧ＶＤＤ２（例えば、５Ｖ）の直流電源２７の正極側端子にドレインが、ＦＤ領域２１にソースがそれぞれ接続されたＮｃｈＭＯＳトランジスタによって構成されている。リセットトランジスタ２５のゲートには、水平ＣＣＤ１３Ｂを駆動する水平転送パルスφＨ１，φＨ２に同期し、かつその２倍の周期のリセットゲートパルスφＲＧが図５の駆動回路５０から印加される。出力バッファ１７は、第２の電源電圧ＶＤＤ２を動作電源としている。

続いて、上記構成の電荷検出部１４Ｂ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。図８は、水平転送パルスφＨ１，φＨ２、切り替えパルスφＳＷおよびリセットゲートパルスφＲＧのタイミング関係を示している。

切替スイッチ２４は、水平転送パルスφＨ１，φＨ２の２倍の周期の切り替えパルスφＳＷに同期してカレントミラー回路２２，２３の各動作を切り替える。具体的には、水平ＣＣＤ１３Ｂから（信号成分＋スミア成分）の電荷（図６中、○印）が出力されるタイミングで切り替えパルスφＳＷが低レベルになることにより、ＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１４がオン状態となってカレントミラー回路２２の出力側をＦＤ領域２１に接続し、当該カレントミラー回路２２を動作状態にする。また、水平ＣＣＤ１３Ｂからスミア成分の電荷（図６中、△印）が出力されるタイミングで切り替えパルスφＳＷが高レベルになることにより、ＮｃｈＭＯＳトランジスタＱｎ１４がオン状態となってカレントミラー回路２３の出力側をＦＤ領域２１に接続し、当該カレントミラー回路２３を動作状態にする。

先ず、カレントミラー回路２２が動作状態にあるとき、水平ＣＣＤ１３Ｂによって転送されてきた（スミア成分＋信号電荷）の電荷（ここでは、電子）による信号電流は、カレントミラー回路２２により折り返される。この転送されてきた電子は、金属配線等を介してＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１１から流れてきた正孔と再結合することによって信号電流として流れる仕組みになっている。

ここで、ＭＯＳトランジスタＱｐ１１のソースには、水平ＣＣＤ１３Ｂによって転送されてきた電子が流れ込めるように、水平ＣＣＤ１３Ｂのポテンシャル（例えば、１０Ｖ程度）に対して充分に高い電源電圧、例えば１５Ｖ程度の電源電圧ＶＤＤ１が印加されている。カレントミラー回路２２は、（スミア成分＋信号電荷）の電荷による電流を折り返すことにより、水平ＣＣＤ１３Ｂによって転送されてきた（スミア成分＋信号電荷）の電荷に比例した電荷をＦＤ領域２１に流し込む。

次に、カレントミラー回路２３が動作状態にあるとき、水平ＣＣＤ１３Ｂによって転送されてきたスミア成分の電荷による電流は、カレントミラー回路２２により折り返され、さらにカレントミラー回路２３で折り返される。これにより、カレントミラー回路２３は、スミア成分の電荷に比例した電荷をＦＤ領域２１から吸い込む。その結果、ＦＤ領域２１において、（スミア成分＋信号電荷）の電荷からスミア成分の電荷が減算される。すなわち、ＣＣＤ撮像素子１０Ｂの内部において、（スミア成分＋信号電荷）の電荷からスミア成分の電荷を減算する処理が行われる。

この減算処理後の信号電荷は、ＦＤ領域２１の容量によって信号電圧に変換される。そして、この信号電圧を例えばソースフォロア回路からなる出力バッファ１７によってインピーダンス変換して出力する。その後、ＦＤ領域２１は、リセットトランジスタ２５によって出力バッファ１７の電源電圧ＶＤＤ２と等しい電源電圧、例えば５Ｖ程度の低い電源電圧にリセットされる。

カレントミラー回路２２の入力端子、即ちＭＯＳトランジスタＱｐ１１のゲートには、図７に示したように寄生容量Ｃｐが付くが、特にカレントミラー回路２２を構成するＰｃｈＭＯＳトランジスタＱｐ１１，Ｑｐ１２，Ｑｐ１３がサブスレッシホルド領域で動作するように動作点を設定しているため、信号電流が大きく変化しても点Ｐの電位、即ちＭＯＳトランジスタＱｐ１１のゲート電位は殆ど変化しない。したがって、寄生容量Ｃｐによる信号電荷を信号電圧に変換するときの変換効率の低下や周波数特性の低下は殆ど起こらない。

上述したように、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０Ｂでは、（スミア成分＋信号成分）の電荷による電流をＦＤ領域２１に流し込む第１の電流源と、スミア成分の電荷による電流をＦＤ領域２１から吸い込む第２の電流源とを設けるとともに、これら第１、第２の電流源の各動作を水平ＣＣＤ１３Ｂの転送動作に同期して切り替えることにより、ＦＤ領域２１において、（スミア成分＋信号成分）の電荷からスミア成分の電荷を減算する処理を画素ごとに行うことができる。すなわち、（スミア成分＋信号成分）の電荷からスミア成分の電荷を減算してスミアの除去を行う処理をＣＣＤ撮像素子１０Ｂの内部で行うことができる。

なお、本実施形態では、スミアを除去するための処理を、電荷検出部１４Ｂの作用によってＣＣＤ撮像素子１０Ｂの内部で行うとしたが、これに限られるものではなく、（スミア成分＋信号成分）の電荷とスミア成分の電荷とをそれぞれ電圧変換して半導体基板１５の外部に出力した後、ＣＣＤ撮像素子１０Ｂの外部で行うようにすることも可能である。ただし、ＣＣＤ撮像素子１０Ｂの内部で上記処理を実現する構成を採った方が、ＣＣＤ撮像素子１０Ｂの外部で行う場合に比べて、消費電力の増大やＳ／Ｎの低下を招いたりすることなく実現できるとともに、外部に演算処理を行うための回路を設けなくて済む分だけ外付け部品の点数を削減できる利点がある。

また、本実施形態では、垂直方向における間引き動作を例に挙げて説明したが、第１実施形態の場合と同様に、垂直ＣＣＤ１２の各々から水平ＣＣＤ１３Ｂへ電荷を転送するＶ−Ｈ転送部に転送阻止ゲート部を設けて、垂直ＣＣＤ１２の各々から水平ＣＣＤ１３Ｂへ転送する画素情報を制御することによって水平方向における間引き動作を実現することも可能である。

［第３実施形態］
図９は、本発明の第３実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置の構成例を示す全体の概略構成図であり、図中、図１と同等部分には同一符号を付して示している。

第１実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置では、（信号成分＋スミア成分）の電荷とスミア成分の電荷とを１本の水平ＣＣＤ１３Ａで転送する構成を採っているのに対して、本実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置では、（信号成分＋スミア成分）の電荷とスミア成分の電荷とを２本の水平ＣＣＤ１３Ａ−１，１３Ａ−２で別々に水平転送する構成を採っている。

図９において、垂直ＣＣＤ１２の各々から行単位でシフト（転送）される（信号成分＋スミア成分）の電荷とスミア成分の電荷とを２本の水平ＣＣＤ１３Ａ−１，１３Ａ−２に振り分けて並行に水平転送する技術、例えばスミア成分の電荷を垂直ＣＣＤ１２に近い側の水平ＣＣＤ１３Ａ−１に、（信号成分＋スミア成分）の電荷を垂直ＣＣＤ１２から遠い側の水平ＣＣＤ１３Ａ−２にそれぞれ振り分けて並行に水平転送する技術は周知の技術である。

２本の水平ＣＣＤ１３Ａ−１，１３Ａ−２に対して、単一の電荷検出部１４Ｃが共通に設けられている。この電荷検出部１４Ｃは、例えばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成となっており、図１０に示すように、矩形状のＦＤ領域３１の隣接する２辺にて水平ＣＣＤ１３Ａ−１，１３Ａ−２の各水平出力ゲートＨＯＧに接合されている。水平ＣＣＤ１３Ａ−２には、その水平出力ゲートＨＯＧの前段に最終段ゲートＬＨが設けられている。

このように、スミア成分の電荷を水平転送する水平ＣＣＤ１３Ａ−１と、（スミア成分＋信号成分）の電荷を水平転送する水平ＣＣＤ１３Ａ−２とに対して単一の電荷検出部１４Ｃを兼用することにより、スミア成分の電荷に応じた電圧出力と（スミア成分＋信号成分）の電荷に応じた電圧出力との間の相対的なゲイン差をなくすことができるため、外部での信号処理の際にゲイン補正を行わなくて済むという利点がある。

次に、上記構成の電荷検出部１４Ｃの動作について、図１１の動作波形図を用いて説明する。

先ず、ＦＤ領域３１をリセットゲートパルスφＲＧ（Ｄ）によってリセットすると、ＦＤ領域３１の電位は出力波形（Ｅ）のＰ相になる。続いて、水平転送パルスφＨ１（Ａ）が高レベルから低レベルに遷移すると、水平ＣＣＤ１３Ａ−１によって転送されてきたスミア成分の電荷が水平出力ゲートＨＯＧを通してＦＤ領域３１に転送されるため、出力電圧（Ｅ）はＳ相に変化する。その後、最終段ゲートＬＨの駆動パルスφＬＨ（Ｃ）が高レベルから低レベルに遷移すると、水平ＣＣＤ１３Ａ−２によって転送されてきた（スミア成分＋信号成分）の電荷が最終段ゲートＬＨおよび水平出力ゲートＨＯＧを通してＦＤ領域３１に転送されるため、出力電圧（Ｅ）はＤ相に変化する。

この出力電圧（Ｅ）は、ソースフォロア回路３２でインピーダンス変換された後、外部のＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)回路３３に供給される。このＣＤＳ回路３３は、出力電圧（Ｅ）のＰ相とＳ相とを相関二重サンプリングすることによってスミア成分に基づく電圧Ｓｏｕｔを出力し、さらにＳ相とＤ相とを相関二重サンプリングすることによって（スミア成分＋信号成分）に基づく電圧Ｄｏｕｔを出力する。これら出力電圧Ｓｏｕｔ，Ｄｏｕｔは次段の差検出回路３４に供給される。差検出回路３４は、差動アンプ等を用いて出力電圧Ｄｏｕｔから出力電圧Ｓｏｕｔを減ずる処理を行う。これにより、スミアを除去することができる。

なお、本実施形態では、スミア成分の電荷用の水平ＣＣＤ１３Ａ−１と、（スミア成分＋信号成分）の電荷用の水平ＣＣＤ１３Ａ−２とに対して単一の電荷検出部１４Ｃを兼用し、スミア成分の電荷に応じた電圧と（スミア成分＋信号成分）の電荷に応じた電圧とを交互に出力して両者の差をとる構成の場合を例に挙げて説明したが、この構成に限られるものではなく、例えば、スミア成分の電荷用の水平ＣＣＤ１３Ａ−１と、（スミア成分＋信号成分）の電荷用の水平ＣＣＤ１３Ａ−２とに対して別々に電荷検出部を設け、スミア成分の電荷に応じた電圧と（スミア成分＋信号成分）の電荷に応じた電圧とを並列的に出力して外部の差検出回路３４によって両者の差をとるようにすることも可能である。

さらに、本実施形態では、垂直方向における間引き動作を例に挙げて説明したが、第１実施形態の場合と同様に、垂直ＣＣＤ１２の各々から水平ＣＣＤ１３Ａ−１，１３Ａ−２へ電荷を転送するＶ−Ｈ転送部に転送阻止ゲート部を設けて、垂直ＣＣＤ１２の各々から水平ＣＣＤ１３Ａ−１，１３Ａ−２へ転送する画素情報を制御することによって水平方向における間引き動作を実現することも可能である。

また、上記各実施形態では、フレームレートを上げるために、受光部（画素）１１から電荷を読み出す際に画素情報を垂直方向において間引いたり、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ａ−１，１３Ａ−２に電荷を転送する際に画素情報を水平方向において間引いたりするとしたが、水平ＣＣＤ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ａ−１，１３Ａ−２内において電荷を混合することによってフレームレートを上げるようにすることも可能である。水平ＣＣＤ内において電荷を混合する技術は周知の技術である。

さらに、上記各実施形態では、画素で光電変換された信号電荷を垂直画素列ごとに配された垂直ＣＣＤで垂直転送し、水平ＣＣＤで水平転送した後、当該水平ＣＣＤの後段に配された電荷検出部で電圧変換して得られる各信号電圧を順次読み出すいわゆる水平ＣＣＤ方式の固体撮像装置に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明は水平ＣＣＤ方式の固体撮像装置への適用に限られるものではなく、画素で光電変換された信号電荷を垂直画素列ごとに配された垂直転送部で垂直転送し、各垂直列毎に垂直転送部の後段に設けられた電荷検出部で電圧変換して得られる各信号電圧を水平走査にて順次読み出すいわゆる水平スキャン方式の固体撮像装置にも適用可能である。

この水平スキャン方式の固体撮像装置に適用する場合には、電荷検出部で電圧変換して得られる（スミア成分＋信号成分）の電荷に応じた第１の電圧とスミア成分の電荷に応じた第２の電圧との差をとった後、水平走査にて順次読み出すようにするか、電荷検出部で電圧変換して得られる（スミア成分＋信号成分）の電荷に応じた第１の電圧とスミア成分の電荷に応じた第２の電圧とを水平走査にて順次読み出した後、これら第１の電圧と第２の電圧との差をとるようにすれば良い。

本発明に係る固体撮像装置は、静止画／動画兼用のデジタルスチルカメラやカメラ機能付き携帯電話などにおいて、その撮像デバイスとして用いて好適なものである。

本発明の第１実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置の構成例を示す全体の概略構成図である。 第１実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置における動画撮像モードの動作説明図である。 第１実施形態の変形例を示す要部の概略構成図である。 第１実施形態の変形例に係る動作説明図である。 本発明の第２実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置の構成例を示す全体の概略構成図である。 第２実施形態に係る水平ＣＣＤの動作説明図である。 第２実施形態に係る電荷検出部およびその周辺部分についての具体的な回路例を示す回路図である。 第２実施形態に係る電荷検出部の動作説明のためのタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係る静止画／動画兼用の固体撮像装置の構成例を示す全体の概略構成図である。 第３実施形態に係る電荷検出部の構造を示す平面パターン図である。 第３実施形態に係る電荷検出部の動作説明に供する動作波形図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…ＣＣＤ撮像素子、１１…受光部（画素）、１２…垂直ＣＣＤ、１３Ａ，１３Ａ−１，１３Ａ−２，１３Ｂ…水平ＣＣＤ、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…電荷検出部、１６…転送阻止ゲート部、１７…出力バッファ、２１，３１…ＦＤ（フローティングディフュージョン）領域、２２，２３…カレントミラー回路、３３…ＣＤＳ回路、３４…差検出回路

Claims (2)

1. 露光終了後にメカニカルシャッタを閉じるとともに、全画素の信号電荷を独立に読み出す静止画撮像モードと、
   前記メカニカルシャッタを使用せずに、垂直方向および水平方向の少なくとも一方において画素を間引いて信号電荷を読み出すか、または画素を間引かずに信号電荷を読み出した後混合する動画撮像モードとを有し、
   前記動画撮像モード時に、前記信号電荷を含む第１の電荷と前記信号電荷を含まない第２の電荷とを交互に並べた状態で垂直転送する垂直転送部と、
   前記垂直転送部によって転送される前記第１の電荷と前記第２の電荷とを電圧に変換する電荷検出部と、
   前記電荷検出部で電圧変換して得られる前記第１の電荷に応じた第１の電圧と前記第２の電荷に応じた第２の電圧とを水平走査にて順次読み出した後、前記第１の電圧と前記第２の電圧との差をとる差検出手段と
   を備えた固体撮像装置。
2. 露光終了後にメカニカルシャッタを閉じるとともに、全画素の信号電荷を独立に読み出す静止画撮像モードと、
   前記メカニカルシャッタを使用せずに、垂直方向および水平方向の少なくとも一方において画素を間引いて信号電荷を読み出すか、または画素を間引かずに信号電荷を読み出した後混合する動画撮像モードとを有する固体撮像装置の駆動に当たって、
   前記動画撮像モードでは、
   前記信号電荷を含む第１の電荷と前記信号電荷を含まない第２の電荷とを交互に並べた状態で垂直転送し、
   この垂直転送する前記第１の電荷と前記第２の電荷とを電圧に変換し、
   この電圧変換して得られる前記第１の電荷に応じた第１の電圧と前記第２の電荷に応じた第２の電圧とを水平走査にて順次読み出した後、前記第１の電圧と前記第２の電圧との差をとる
   固体撮像装置の駆動方法。

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