JP4524609B2 - 固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法および撮像装置に関し、特にＣＣＤ(Charge Coupled Device)撮像素子に代表される電荷転送型固体撮像素子およびその駆動方法、並びに電荷転送型固体撮像素子を撮像デバイスとして用いたデジタルスチルカメラ等の撮像装置に関する。

撮像装置、例えばデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）では、撮像デバイスとして例えば、全画素の信号電荷を同時刻に一斉に垂直転送部に読み出し、かつ当該垂直転送部中で混合せずに独立に垂直転送し、さらに水平転送部による水平転送によって出力するいわゆる全画素読出し方式の固体撮像素子、例えばＣＣＤ撮像素子が用いられている。また、ＤＳＣ用ＣＣＤ撮像素子では、高画質の静止画の撮像を目的として多画素化が進められている。

多画素のＣＣＤ撮像素子では、セル（単位画素）のより微細化が進む中でスミアが懸念され、特に動画撮像モード時やモニタリングモード時に問題となっている。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撮像素子固有の現象である。したがって、信号電荷が垂直転送部に存在している期間が長いほど、スミアの影響を大きく受けることになる。

スミア低減策としては、放送業務用ＣＣＤ撮像素子で使われているＦＩＴ(Frame Interline Transfer)方式がある。このＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子では、画素が行列状に配置されてなる撮像部の下部に、垂直転送部で転送された信号電荷を一時的に蓄積する遮光された蓄積部を有し、各画素から垂直転送部に信号電荷を読み出した後、当該垂直転送部を高速転送動作させることで信号電荷を素早く蓄積部に移動させ、信号電荷が垂直転送部に存在している期間を短くすることによってスミアの低減を図っている。

しかし、ＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子は、蓄積部を有する分だけチップの面積が大きくなり、蓄積部を持たないＩＴ(Interline Transfer)方式ＣＣＤ撮像素子に比べて、チップ面積が１．５〜２倍程度の大きさとなるため、コスト面からすると、民生用の撮像装置、例えばデジタルスチルカメラの撮像デバイスとして用いるのは難しいとされていた。

ところで、ＤＳＣ用の動画機能としては、主にＶＧＡ（水平６４０×垂直４８０）相当が求められているのに対して、ＤＳＣ用ＣＣＤ撮像素子では、静止画の高画質化から非常に多く画素数のものが求められている。したがって、ＣＣＤ撮像素子の多画素化に伴って画素数が増えることにより、静止画撮像モード時のフレームレートと動画機能（モニタリングを含む）でのフレームレートとのギャップが大きくなる。

動画機能の実現方法としては、各画素からの信号電荷の読み出しを垂直方向において間引くことによってフレームレートを上げる技術が広く知られている。一例として、図１２に示すように、水平２画素×垂直２画素の繰り返しのカラーコーディングにおいて、垂直方向の１６画素（１６ライン）を単位とし、同じ色の２画素ずつを垂直転送部に読み出して当該垂直転送部内で加算し、残りの画素の信号電荷については読み出さない（間引く）ようにしている（４／１６ライン読み出し）。

このように、垂直方向における間引き加算では、１６画素を単位とすると、垂直転送部に信号電荷が読み出される画素が４画素であるのに対して、信号電荷が読み出されない画素、即ち間引かれる画素が１２画素となる。このとき、垂直転送部においては、信号電荷が読み出されるパケット（電荷を扱う単位）と同様に信号電荷が読み出されない空パケットにもスミア成分が存在し、これらのスミア成分が電荷転送によって加算され、信号成分が間引かれているにも拘わらずスミア成分が逆に増えることになるため、スミアが悪化するという問題がある。

また、間引き率が大きい、即ち間引かれる画素が多いことから、間引かれる画素についての情報が最終的な撮像画像に反映されないことになるため、色偽信号やモアレが発生するという問題もある。しかも、垂直方向の画素の情報量に比べて水平方向の画素の情報量が必要以上に多くなるため無駄であるとともに、垂直解像度と水平解像度とのバランスが保たれなくなる。

このため、従来は、垂直方向において間引く画素数を減らして画素の情報量を増やすことで、スミアの悪化や色偽信号の発生を抑えるようにするとともに、画素の情報量が増えることによって水平方向の駆動周波数（水平転送部の駆動周波数）が高くなるのを抑制するために、水平方向においても画素加算を行うことによって画素の情報量を減らすようにしている（例えば、特許文献１参照）。

一例として、図１３に示すように、水平２画素×垂直２画素の繰り返しのカラーコーディングにおいて、垂直方向の８画素（８ライン）を単位とし、同じ色の２画素ずつを垂直転送部に読み出して当該垂直転送部内で加算し（４／８ライン読み出し）、さらに水平方向において同じ色の２画素ずつを水平転送部内で加算するようにしている。これにより、信号電荷を読み出さない画素数が、４／１６ライン読み出しの場合に比べて１／３になるため、スミアの悪化や色偽信号の発生を低減できる。

特開平１１−２３４５６９号公報

しかしながら、上述した従来技術では、垂直方向での間引き加算と水平方向の２画素加算とを併用し、垂直方向の画素の情報量を増やすことによってスミアの悪化や色偽信号の発生を低減できるとともに、水平方向の画素の情報量を減らすことによって水平方向の駆動周波数が高くなるのを抑制できるものの、垂直方向の画素の情報量が１／４になるのに対して水平方向の画素の情報量を１／２に低減できているに過ぎず、水平方向の画素の情報量が垂直方向の情報量の倍であるため、依然として垂直解像度と水平解像度のバランスがとれないという課題がある。

ここで、水平方向についても垂直方向と同様な間引き加算の技術を適用することで、水平方向の画素の情報量をさらに低減することが可能となる。しかし、電荷転送部において間引き加算を行う従来の技術では、先述したように、空パケット中のスミア成分が電荷転送によって加算され、信号成分が間引かれているにも拘わらずスミア成分が逆に増えることになるためスミアが悪化することになる。

本発明によれば、行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素、および、前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、所定の動作モードでは、前記複数の垂直転送部の３列以上の複数列を単位とし、前記複数列の垂直転送部から同時に出力される所定の色関係にある２列以上の各垂直転送部から転送される信号電荷を出力する信号電荷を出力し、前記信号電荷を出力した前記複数列の他の列の垂直転送部からの電荷の転送を阻止する、電荷制御部と、前記３列以上の複数列を単位として設けられ、前記電荷制御部から出力された前記信号電荷が加算される電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部から出力される信号電荷を水平転送する水平転送部とを備えた、ことを特徴とする固体撮像素子が提供される。
また本発明によれば、行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素および前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、前記複数の垂直転送部から転送される信号電荷を水平転送する水平転送部とを備える固体撮像素子の駆動方法であって、所定の動作モードでは、前記複数の垂直転送部の３列以上の複数列を単位とし、前記複数列の垂直転送部から同時に出力される所定の色関係にある２列以上の各垂直転送部から転送される信号電荷を出力する信号電荷を出力し、前記信号電荷を出力した前記複数列の他の列の垂直転送部からの電荷の転送を阻止し、前記出力された前記信号電荷を加算して前記水平転送部に出力する、ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法が提供される。
また本発明によれば、上記固体撮像素子と、動画を撮像する第１の撮像モードと静止画を撮像する第２の撮像モードとを択一的に設定可能な撮像モード設定手段と、前記第１の撮像モードでは、前記複数の垂直転送部の３列以上の複数列を単位とし、当該複数列における所定の列の垂直転送部からの電荷の転送を阻止し、前記複数列における残りの２列以上の各垂直転送部から転送される信号電荷を加算して前記水平転送部に出力し、前記第２の撮像モードでは、前記複数の垂直転送部から前記複数列の単位でパラレルに転送されてくる信号電荷の並びをシリアルに変換して順に前記水平転送部に出力すべく前記固体撮像素子を駆動する駆動手段と、を備えたことを特徴とする撮像装置が提供される。

上記構成の固体撮像素子または当該固体撮像素子を撮像デバイスとして搭載した撮像装置において、所定の動作モードが設定されたとき、単位となる複数列における所定の列の垂直転送部からの電荷の転送を阻止しつつ、残りの列の各垂直転送部から転送される信号電荷を加算して、あるいはそのまま読み出して出力することで、水平方向における間引き加算あるいは間引き読み出しが行われる。すなわち、電荷の転送が阻止された列について画素情報が間引かれる。

このとき、間引く画素数や加算する画素数を垂直方向における間引き加算に対応して設定することで、垂直解像度と水平解像度のバランスを保つことができるとともに、水平方向の駆動周波数を低減できる。また、間引き対象列の垂直転送部については電荷の転送を阻止するようにしたことで、信号成分のみならず、スミア成分についても間引かれることになり、また水平転送部中にはスミア成分のみを含む空パケットが生じないことになるため、スミアが悪化することもない。

本発明によれば、複数の垂直転送部の複数列を単位とし、当該複数列における所定の列の垂直転送部からの電荷の転送を阻止し、残りの列の各垂直転送部から転送される信号電荷を加算して、あるいはそのまま読み出して出力することにより、水平方向においてスミアの悪化を抑えつつ間引き加算あるいは間引き読み出しを行って水平方向の画素情報量を低減することができるため、垂直解像度と水平解像度のバランスを保つことができるとともに、水平方向の駆動周波数を低減できる。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る電荷転送型固体撮像素子、例えばＣＣＤ撮像素子の構成を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０は、例えば、撮像部１１に加えて蓄積部１２を有するＦＩＴ方式のデバイス構成となっている。

図１において、撮像部１１は、行列状に配置され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換する複数の画素（光電変換素子を含む受光部）１１１と、これら画素１１１の行列状配列に対して列ごとに配置され、画素１１１の各々で光電変換され、これら画素１１１から読み出された信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直ＣＣＤ（垂直転送部）１１２とによって構成されている。

この撮像部１１と蓄積部１２との間には、本発明の特徴とする電荷制御部１３が設けられている。この電荷制御部１３の具体的な構成およびその動作については、後で２つの実施例をもって詳細に説明する。

蓄積部１２は、全面に亘って遮光されており、電荷制御部１３を経由して供給される信号電荷を一時的に蓄積する領域である。この蓄積部１２には、垂直ＣＣＤ１１２および電荷制御部１３の高速転送動作により、これら垂直ＣＣＤ１１２および電荷制御部１３から信号電荷が素早く移送される。

この蓄積部１２を持つＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子１０では、信号電荷が垂直ＣＣＤ１１２に存在している期間を短くすることができるため、スミアの低減効果が極めて大きいことが広く知られている。

蓄積部１２に一時的に蓄積された信号電荷は順に水平ＣＣＤ（水平転送部）１４にシフト（転送）される。水平ＣＣＤ１４は、蓄積部１２からシフトされた信号電荷を順に水平転送する。水平ＣＣＤ１４の転送先側の端部には電荷検出部１５が設けられている。電荷検出部１５は、例えばフローティングディフュージョンアンプによって構成されており、水平ＣＣＤ１４によって順に転送されてくる信号電荷を信号電圧に変換して出力する（ＣＣＤｏｕｔ）。

上記構成のＣＣＤ撮像素子１０は、タイミング発生回路（ＴＧ;Timing Generator）２０で発生される各種のタイミング信号によって駆動される。タイミング発生回路２０は、垂直同期信号ＶＤ、水平同期信号ＨＤおよびマスタークロックＭＣＫに基づいて、垂直ＣＣＤ１１２を転送駆動する例えば６相の垂直転送パルスＩＭ１〜ＩＭ６と、電荷制御部１３を駆動するストレージパルスＳｔｒａｇｅ１，２、ホールドパルスＨｏｌｄ１，２と、蓄積部１２を駆動する例えば４相の垂直転送パルスＳＴ１〜ＳＴ４と、水平ＣＣＤ１４を転送駆動する例えば２相の水平転送パルスＨ１，Ｈ２などのタイミング信号を、外部から与えられる撮像モード情報に対応したタイミング関係をもって生成する。また、電荷制御部１３には、例えばタイミング発生回路２０からドレイン電圧Ｄｒａｉｎが与えられる。

［電荷制御部の構成］
続いて、本発明の特徴部分である電荷制御部１３の具体的な構成およびその動作について、実施例を２つ挙げて詳細について説明する。

（実施例１）
図２は、本発明の実施例１に係る電荷制御部１３Ａを含む要部の構成の概略を示す平面パターン図である。ここでは、一例として、撮像部１１の上層部に配置されるカラーフィルタ（図示せず）のカラーコーディングを水平２画素×垂直２画素の繰返しとし、また電荷制御部１３Ａの処理の単位を３列（水平３画素）とする。

本実施例に係る電荷制御部１３Ａは、所定の動作モードが設定されたときは、複数の垂直ＣＣＤ１１２の複数列を単位とし、当該複数列における所定の列の垂直ＣＣＤ１１２からの電荷の転送を阻止することによって間引き、複数列における残りの２列以上の各垂直ＣＣＤ１１２から転送される信号電荷を加算して出力する。以下、この処理のことを水平間引き加算と呼ぶこととする。電荷制御部１３Ａはさらに、所定の動作モード以外の動作モードが設定されたときは、複数の垂直ＣＣＤ１１２から複数列の単位でパラレルに転送される信号電荷の並びをシリアルに変換して順に出力する。

図２において、３列の垂直ＣＣＤ１１２を単位として、これら３列の垂直ＣＣＤ１１２をそれぞれ垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃとする。電荷制御部１３Ａは、３列の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃのうち、例えば隣り合う２列の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃについては、各チャネル上に独立してストレージ電極１３１Ｂ，１３１Ｃおよびホールド電極１３２Ｂ，１３２Ｃが、ストレージ電極１３１Ｂ，１３１Ｃが撮像部１１側になるように設けられている。

残りの１列の垂直ＣＣＤ１１２Ａについては、ストレージ電極およびホールド電極が設けられていない。さらに、３列の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃのうち、真ん中の垂直１１２Ｂについては、ストレージ電極１３１Ｂの水平方向の寸法（幅）をストレージ電極１３１Ｃよりも狭く設定した状態において、当該ストレージ電極１３１Ｂの横の領域に電荷排出部であるドレイン部１３３が設けられている。

上記構成の電荷制御部１３Ａは、先述したように、タイミング発生回路２０で生成される各種の制御パルス、即ちストレージパルスＳｔｒａｇｅ１，２、ドレイン電圧ＤｒａｉｎおよびホールドパルスＨｏｌｄ１，２によって駆動制御されることで、水平間引き加算の動作を行う。

具体的には、ストレージパルスＳｔｒａｇｅ１は制御線１３４−１によって伝送されてストレージ電極１３１Ｂを駆動し、ストレージパルスＳｔｒａｇｅ２は制御線１３４−２によって伝送されてストレージ電極１３１Ｃを駆動し、ドレイン電圧Ｄｒａｉｎは制御線１３４−３によって伝送されてドレイン部１３３を駆動し、ホールドパルスＨｏｌｄ１は制御線１３４−４によって伝送されてホールド電極１３２Ｂを駆動し、ホールドパルスＨｏｌｄ２は制御線１３４−５によって伝送されてホールド電極１３２Ｃを駆動する。

ストレージパルスＳｔｒａｇｅ１，２、ドレイン電圧ＤｒａｉｎおよびホールドパルスＨｏｌｄ１，２をそれぞれ伝送する各制御線１３４−１〜１３４−５は、例えば、垂直ＣＣＤ１１２の配列方向（水平方向）において電荷制御部１３Ａの両端に亘って並行して配線されるシャント配線構造となっており、ストレージ電極１３１Ｂ，１３１Ｃ、ドレイン部１３３およびホールド電極１３２Ｂ，１３２Ｃに対して３列単位で電気的なコンタクトがとられる。

すなわち、ストレージパルスＳｔｒａｇｅ１およびホールドパルスＨｏｌｄ１が組をなし、垂直ＣＣＤ１１２Ｂに対応して設けられたストレージ電極１３１Ｂおよびホールド電極１３２Ｂをそれぞれ駆動し、ストレージパルスＳｔｒａｇｅ２およびホールドパルスＨｏｌｄ２が組をなし、垂直ＣＣＤ１１２Ｃに対応して設けられたストレージ電極１３１Ｃおよびホールド電極１３２Ｃをそれぞれ駆動する。

なお、図２中、撮像部１１、電荷制御部１３Ａおよび蓄積部１２において、ハッチングで示した部分３０はチャネルストップ領域である。

上記構成の電荷制御部１３Ａにおいて、一例として、水平間引き加算の単位を３列（水平３画素）としているのは、例えば、垂直方向において３画素加算を行うことに対応させているからである。

次に、上記構成の電荷制御部１３Ａを有するＣＣＤ撮像素子１０の駆動方法について、動画を撮像する動画撮像モード(モニタリングモードを含む)と、静止画を撮像する静止画撮像モードとに分けて説明する。

＜動画撮像モード＞
最初に、動画撮像モードにおける垂直方向の画素加算の動作について、図３の模式図を用いて説明する。

ここでは、一例として、カラーコーディングが水平２画素×垂直２画素繰返しの原色ベイヤ配列の場合において、１画素おきに同色の３画素を単位として加算する３画素加算を採用し、画素を間引く処理は行わないものとする。

このように、垂直方向において、間引き処理行わずに、１画素おきに３画素単位で同色同士の画素加算を行うことで、図３に画素加算を模式的に示す加算器マークの相互間の垂直方向における間隔が等間隔になっていることからもわかるように、動画時の画素重心が均等になるとともに、画素情報が間引かれていないことによって色偽信号の発生を抑えることができる。しかも、画素情報の間引き処理が行われないことで、垂直転送時に空パケットが生じないため、スミアが悪化することもない。

続いて、動画撮像モードにおける電荷制御部１３Ａの動作、即ち水平間引き加算の動作について、図４のタイミングチャートを用いて説明する。

図４のタイミングチャートにおいて、５相目の垂直転送パルスＩＭ５が、続いて６相目の垂直転送パルスＩＭ６が順に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移することで、撮像部１１における最下端の１行分の画素の信号電荷が、垂直ＣＣＤ１１２（１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ）によって電荷制御部１３Ａに転送される。このとき、３列を単位とする垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃのうち、１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａの信号電荷については、電荷制御部１３Ａをそのまま通過して蓄積部１２に移動する。

２列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂの信号電荷については、ストレージパルスＳｔｒａｇｅ１が“Ｈ”レベル、ホールドパルスＨｏｌｄ１が“Ｌ”レベルの状態にあり、ストレージ電極１３１Ｂの下のポテンシャルが深く、ホールド電極１３２Ｂの下のポテンシャルが浅い状態にあるため、ストレージ電極１３１Ｂの下に蓄積され、かつホールド電極１３２Ｂの下のポテンシャルバリアによって蓄積部１２への転送が阻止される。このとき、信号成分（信号電荷）のみならず、スミア成分（スミア電荷）についても転送が阻止される。そして、以降の垂直転送動作によって蓄積部分のポテンシャルバリアを越える電荷についてはドレイン部１３３に捨てられる。

３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｃの信号電荷については、５相目の垂直転送パルスＩＭ５に同期してストレージパルスＳｔｒａｇｅ２およびホールドパルスＨｏｌｄ２が共に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移することで、ストレージ電極１３１Ｃの下のポテンシャルおよびホールド電極１３２Ｃの下のポテンシャルが共に深い状態となるため、１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａの信号電荷と同じように、電荷制御部１３Ａをそのまま通過して蓄積部１２に移動する。

これにより、３列の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃを水平間引き加算の単位としたとき、電荷制御部１３Ａは、真ん中の垂直ＣＣＤ１１２Ｂの信号電荷についてはその転送を阻止し、両側の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｃの各信号電荷についてはそのまま通過させることによって蓄積部１２内で加算する。その結果、動画撮像モードでは、電荷制御部１３Ａの作用により、真ん中の列の画素情報（スミア成分を含む）を間引き、両側の列の画素情報を加算する水平間引き加算が行われることになる。

本実施例では、水平２画素×垂直２画素繰返しのカラーコーディングにおいて、３列を単位としたとき、図２に示すように、あるラインのある単位ではＧ（緑）の信号電荷が間引かれ、その両側のＢ（青）の各信号電荷が加算され、その隣の単位ではＢの信号電荷が間引かれ、その両側のＢの各信号電荷が加算される。次のラインのある単位ではＢの信号電荷が間引かれ、その両側のＢの各信号電荷が加算され、その隣の単位ではＧの信号電荷が間引かれ、その両側のＢの各信号電荷が加算される。

この電荷制御部１３Ａの作用により、水平方向の画素数の例えば２／３に間引き加算された信号電荷は、蓄積部１２での４相（ＳＴ１〜ＳＴ４）駆動によって垂直転送されて水平ＣＣＤ１４に移送され、当該水平ＣＣＤ１４での２相（Ｈ１，Ｈ２）駆動によって水平転送された後、電荷検出部１５で信号電圧に変換されて出力される。

このように、動画撮像モードでの撮像動作において、水平方向で間引き加算を採用し、その加算する画素数および間引く画素数を、垂直方向において画素加算を行う画素数に対応して適宜設定することにより、水平方向の画像情報量が垂直方向の画素情報量に比べて無駄に多くならないようにし、両方向の画素情報の比率を同じにすることができるため、動画時の水平解像度と垂直解像度とのバランスを良好に保つことができる。本実施例の場合は、垂直方向の３画素加算に対応して水平３画素を単位として１画素を間引くようにしたことで、垂直方向および水平方向の画素情報量が共に１／３になる。

図５は、垂直方向および水平方向共に例えば３画素を単位として垂直加算および水平間引き加算を行うときの概念図である。一例として、画素数が垂直１９２０×水平２５６０のＣＣＤ撮像素子の場合を例に挙げると、垂直方向および水平方向共に３画素単位で画素加算（水平方向のみ間引き処理が伴う）を行うことで、垂直６４０×水平８５３の画素情報を得ることができるため、動画時の水平解像度と垂直解像度とのバランスを良好に保つことができる。また、垂直および水平の両方向において画素重心を均等にすることができる。

特に、撮像部１１と蓄積部１２との間に電荷制御部１３Ａを設け、当該電荷制御部１３Ａの作用により、画素加算を行う列の垂直ＣＣＤ１１２、本例では垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｃの各信号電荷のみを通過させてこれら信号電荷を蓄積部１２内で加算した後、水平ＣＣＤ１４に移送するようにしたことで、水平ＣＣＤ１４内には間引きに伴う空パケットが生じることがないため、当該空パケット内のスミア成分が加算されてスミアが悪化するということはない。すなわち、間引き対象列の垂直ＣＣＤ１１２Ｂからの電荷転送を阻止することで、信号成分のみならず、スミア成分についても間引くことができるため、スミアが悪化することはない。

また、本実施例の場合は、水平２画素×垂直２画素繰返しのカラーコーディングにおいて、水平間引き加算の処理を行う単位を３列（水平３画素）とし、真ん中の列の画素情報を間引いてその両側の画素情報同士を加算するようにしたことで、同色の画素同士で画素情報の加算処理を行える利点がある。

なお、本実施例では、水平２画素×垂直２画素繰返しの原色ベイヤ配列のカラーコーディングにおいて、垂直ＣＣＤ１１２の３列を単位とし、真ん中の列の画素情報を間引いてその両側の画素情報同士を加算するとしたが、これは一例に過ぎず、これに限られるものではない。

すなわち、カラーフィルタのカラーコーディングとしては、原色ベイヤ配列に限られるものではなく、原色ストライプ配列や補色市松配列などのカラーコーディングであっても良く、さらには間引き加算の単位となる列数についても、３列に限られるものではなく、４列以上であっても良い。また、画素情報を間引く列についても、真ん中に、さらには１列に限られるものではなく、カラーコーディングに対応して画素情報を間引く列や画素情報を加算する列を決めるようにすれば良い。

また、画素情報を加算する画素についても同色の画素同士に限られるものではなく、例えば異なる原色の画素同士を加算して補色の画素情報を得るようにしても良い。この場合には、ＣＣＤ撮像素子１０の後段の信号処理系において補色から元の原色の組み合わせに戻す処理を行うようにすれば良いことになる。

＜静止画撮像モード＞
次に、静止画撮像モードにおける電荷制御部１３Ａの動作について、図６のタイミングチャートを用いて説明する。

本実施例では、水平間引き加算を行う単位を例えば３列（水平３画素）としているために、電荷制御部１３Ａでは、３列の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃからパラレルに転送される信号電荷の並びをシリアルに変換して順に出力する処理が行われる。そのため、全画素の信号電荷を独立に読み出す静止画撮像モードでは、１行分の画素の信号電荷を３回に分けて読み出す３ラインシーケンスとなる。

この３ラインシーケンスでは、シーケンスごとに撮像部１１の１行分の画素数の１／３ずつの画素の信号電荷を、電荷制御部１３Ａ、蓄積部１２および水平ＣＣＤ１４によって順に転送し、電荷検出部１５を介して出力する動作が行われる。したがって、３ラインシーケンスのトータルの処理時間は、撮像部１１の１行分の画素の信号電荷を、蓄積部１２および水平ＣＣＤ１４によって順に転送し、電荷検出部１５を介して出力するシーケンスの処理時間とほぼ同じになる。

図６のタイミングチャートにおいて、５相目の垂直転送パルスＩＭ５が、続いて６相目の垂直転送パルスＩＭ６が順に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移することで、撮像部１１における最下端の１行分の画素の信号電荷が、垂直ＣＣＤ１１２（１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ）によって電荷制御部１３Ａにパラレルに転送される。

このとき、３列を単位とする垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃのうち、１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａの信号電荷が先ず、電荷制御部１３Ａをそのまま通過して蓄積部１２に移動する。２列目、３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃの信号電荷については、ストレージパルスＳｔｒａｇｅ１，２が“Ｈ”レベル、ホールドパルスＨｏｌｄ１，２が“Ｌ”レベルの状態にあり、ストレージ電極１３１Ｂ，１３１Ｃの下のポテンシャルが深く、ホールド電極１３２Ｂ，１３２Ｃの下のポテンシャルが浅い状態にあるため、ストレージ電極１３１Ｂ，１３１Ｃの下に蓄積され、かつホールド電極１３２Ｂ，１３２Ｃの下のポテンシャルバリアによって蓄積部１２への転送が阻止される。

電荷制御部１３Ａを通過して蓄積部１２に移動した１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａの信号電荷は、蓄積部１２での４相（ＳＴ１〜ＳＴ４）駆動によって垂直転送されて水平ＣＣＤ１４に移送され、当該水平ＣＣＤ１４での２相（Ｈ１，Ｈ２）駆動によって水平転送された後、電荷検出部１５で信号電圧に変換されて出力される。以上で１シーケンス目の処理が完了し、２シーケンス目の処理に入る。

２シーケンス目に入ると、ホールドパルスＨｏｌｄ１が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移し、続いてストレージパルスＳｔｒａｇｅ１が“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移する。これにより、ホールド電極１３２Ｂの下のポテンシャルが深くなり、ストレージ電極１３１Ｂの下のポテンシャルが浅くなるため、当該ストレージ電極１３１Ｂの下にホールドされていた２列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂの信号電荷が電荷制御部１３Ａを通過して蓄積部１２に移動する。

このとき、３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｃの信号電荷はそのままストレージ電極１３１Ｃの下にホールドされた状態にある。電荷制御部１３Ａを通過して蓄積部１２に移動した２列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂの信号電荷は、蓄積部１２で垂直転送されて水平ＣＣＤ１４に移送され、さらに当該水平ＣＣＤ１４で水平転送された後、電荷検出部１５で信号電圧に変換されて出力される。以上で２シーケンス目の処理が完了し、３シーケンス目の処理に入る。

３シーケンス目に入ると、ホールドパルスＨｏｌｄ２が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移し、続いてストレージパルスＳｔｒａｇｅ２が“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移する。これにより、ホールド電極１３２Ｃの下のポテンシャルが深くなり、ストレージ電極１３１Ｃの下のポテンシャルが浅くなるため、当該ストレージ電極１３１Ｃの下にホールドされていた３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｃの信号電荷が電荷制御部１３Ａを通過して蓄積部１２に移動する。

電荷制御部１３Ａを通過して蓄積部１２に移動した３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｃの信号電荷は、蓄積部１２で垂直転送されて水平ＣＣＤ１４に移送され、さらに当該水平ＣＣＤ１４で水平転送された後、電荷検出部１５で信号電圧に変換されて出力される。以上で３シーケンス目の処理、即ち３ラインシーケンスの全ての処理が完了する。

その結果、電荷制御部１３Ａによる上記の作用により、撮像部１１の３列の垂直ＣＣＤ１１２、即ち垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃを単位としてパラレルに転送される３画素分の信号電荷の並びが、シリアルに変換されて順に蓄積部１２に転送されることになる。３ラインシーケンスで出力される画素信号は、ＣＣＤ撮像素子１０の後段の信号処理系においてラインメモリなどを用いて、３ラインの画素信号を交互に並び替える処理が行われることで、撮像部１１における元の１行分の画素配列に戻される。

このように、静止画撮像モードでは、水平間引き加算の単位となる例えば３列分（水平３画素分）ずつパラレルに撮像部１１から転送される信号電荷の並びを、電荷制御部１３Ａでシリアルに変換するようにしたことで、動画撮像モードの際に水平間引き加算を行うための電荷制御部１３Ａを、撮像部１１と蓄積部１２との間に介在させる構成を採ったとしても、撮像部１１の全画素１１１の信号電荷を３ラインシーケンスにて独立に読み出すことができる。

なお、本実施例に係る電荷制御部１３Ａでは、水平間引き加算の単位を３列とした場合に、１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａに対応する部分にはストレージ電極およびホールド電極を設けずに、１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａの信号電荷をそのまま蓄積部１２に移動させるとしたが、２列目、３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃに対応する部分と同様にストレージ電極およびホールド電極を設けて、１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａの信号電荷を一時的にホールドする構成を採ることも可能である。

この場合には、動画撮像モードおよび静止画撮像モードのいずれにおいても、一時的にホールドした１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａの信号電荷を本例では最初に電荷制御部１３Ａを通過させるようにタイミング関係を設定するようにすれば良い。ただし、１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａに対応する部分にもストレージ電極およびホールド電極を設けることで、その分だけ構成およびタイミング制御が複雑化することになるため、１列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａに対応する部分にストレージ電極およびホールド電極を設けない構成の方が有利であることは明らかである。

以上説明したように、撮像部１１に加えて蓄積部１２を有するＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子１０において、撮像部１１と蓄積部１２との間に実施例１に係る電荷制御部１３Ａを設け、当該電荷制御部１３Ａの作用によって動画撮像モード時に水平間引き加算を行うに当たって、垂直方向の加算画素数（間引きを伴う場合も含む）に対応して水平方向の加算および間引きの画素数を自由に設定できるようにしたことで、水平方向の画像情報量が垂直方向の画素情報量に比べて無駄に多くならないようにすることができるため、動画時の水平解像度と垂直解像度とのバランスを良好に保つことができるとともに、水平方向の画像情報量が少なくなる分だけ水平方向の駆動周波数を低減できる。

また、本実施例の場合、垂直方向では間引きを伴わない画素加算を行うようにしていることで、垂直ＣＣＤ１１２中に空パケットが生じず、しかも水平間引き加算を行う電荷制御部１３Ａでは、間引き対象列の垂直ＣＣＤについては信号成分のみならず、スミア成分についても間引き、水平ＣＣＤ１４中には空パケットが生じないようにしているため、動画撮像モード時に画素加算に伴ってスミアが悪化するようなことがない。

特に、本実施例では、元々スミア低減策として効果が大きいＦＩＴ方式と、本実施形態に係る電荷制御部１３Ａによる水平間引き加算方式とを併用した構成、換言すれば、本実施形態に係る電荷制御部１３Ａを備えたＣＣＤ撮像素子に、遮光された蓄積部１２を搭載した構成を採っていることで、当該蓄積部１２によるスミア低減効果と相俟って、動画時のスミアを激減できることになる。

また、ＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子１０の場合において、電荷制御部１３Ａが動画撮像モードでは水平間引き加算を行って蓄積部１２に出力し、静止画撮像モードでは撮像部１１から水平間引き加算の単位でパラレルに転送される信号電荷の並びをシリアルに変換して蓄積部１２に出力することで、水平方向の画素情報量が減るため（水平３画素単位の場合には１／３）、蓄積部１２の垂直方向の寸法を小さくできる。

何故ならば、水平方向の画素情報量が減ると、蓄積部１２におけるパケットの水平方向の寸法を、画素ユニット（画素１１１およびそれに対応する垂直ＣＣＤ１１２の部分）の水平方向の寸法よりも広く設計できる、例えば水平３画素単位の場合には水平３画素に対応した３画素ユニットの水平方向の寸法程度に広く設計できるため、水平方向の寸法を広く設計できる分だけ逆にパケットの垂直方向の寸法を小さくしてもパケットの取扱い電荷量を確保でき、したがって蓄積部１２の垂直方向の寸法を小さくできるからある。これにより、ＣＣＤ撮像素子１０の垂直方向におけるチップサイズの大幅な縮小化を図ることができる。

因みに、従来のＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子では、一般的に、蓄積部１２の垂直方向の寸法として、撮像部１１の垂直方向の寸法の５０％程度が必要であり、ＣＣＤ撮像素子の垂直方向のチップサイズは撮像部１１の垂直方向の寸法の１．５倍程度の大きなものとなっていた。ＣＣＤ撮像素子のチップサイズはそのままデバイスの価格に反映されるため、ＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子は高価なものとなり、民生用の撮像装置、例えばデジタルスチルカメラへの搭載が敬遠されていたのが現状である。

これに対して、本実施例に係る電荷制御部１３Ａを有するＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子１０では、水平間引き加算の加算および間引きの画素数にも依るが、例えば水平間引き加算の単位を３列（水平３画素）とし、１列（１画素）を間引く場合を例に挙げると、蓄積部１２のパケットの水平方向の寸法を水平３画素分相当に設計できることで、蓄積部１２の垂直方向の寸法を、撮像部１１の垂直方向の寸法の２０％程度に縮小化でき、その結果、ＣＣＤ撮像素子１０の垂直方向のチップサイズを撮像部１１の垂直方向の寸法の１．２倍程度まで縮小化できる。

このように、本実施例に係る電荷制御部１３Ａを有するＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子１０は、電荷制御部１３Ａによる水平間引き加算を採用したことで、チップサイズを大幅に縮小化できるため、大幅な低コスト化を図ることができる。したがって、従来、特に価格の面から困難とされていたＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子の民生用の撮像装置、例えばデジタルスチルカメラへの搭載が可能になる。しかも、ＦＩＴ方式のスミア低減効果と相俟って、動画時のスミアを激減できるため、画質を大幅に向上できる。

なお、上記実施例１では、撮像部１１に加えて蓄積部１２を有するＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの適用例に限られるものではなく、蓄積部１２を持たないＩＴ方式等のＣＣＤ撮像素子や、ＣＣＤ撮像素子以外の電荷転送型固体撮像素子全般に適用可能である。

すなわち、撮像部１１の下に電荷制御部１３Ａを設け、当該電荷制御部１３Ａの作用によって、動画撮像モードでは水平間引き加算を行って水平ＣＣＤ１４に出力し、静止画撮像モードでは撮像部１１から水平間引き加算の単位でパラレルに転送される信号電荷の並びをシリアルに変換して水平ＣＣＤ１４に出力するようにすることで、動画時にスミアを悪化させることなく、水平解像度と垂直解像度とのバランスを良好に保つことができるとともに、水平駆動周波数を低減できることになる。

（実施例２）
図７は、本発明の実施例２に係る電荷制御部１３Ｂを含む要部の構成の概略を示す平面パターン図であり、図中、図２と同等部分には同一符号を付して示している。ここでは、一例として、撮像部１１の上層部に配置されるカラーフィルタ（図示せず）のカラーコーディングを水平２画素×垂直２画素の繰返しとし、また電荷制御部１３Ｂの処理の単位を４列（水平４画素）とする。

本実施例に係る電荷制御部１３Ｂは、所定の動作モードが設定されたときは、複数の垂直ＣＣＤ１１２の複数列を単位とし、当該複数列における所定の列の垂直ＣＣＤ１１２からの電荷の転送を阻止することによって間引き、複数列における残りの列の垂直ＣＣＤ１１２から転送される信号電荷をそのまま読み出して蓄積部１２に出力する。以下、この処理のことを水平間引き読み出しと呼ぶこととする。電荷制御部１３Ａはさらに、所定の動作モード以外の動作モードが設定されたときは、複数の垂直ＣＣＤ１１２から複数列の単位でパラレルに転送される信号電荷を複数ラインシーケンス、例えば２ラインシーケンスで読み出して出力する。

図７において、４列の垂直ＣＣＤ１１２を単位として、これら４列の垂直ＣＣＤ１１２をそれぞれ垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄとする。電荷制御部１３Ｂは、４列の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄのうち、真ん中の２列の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃについては、各チャネル上にチャネル間に跨ってストレージ電極１３５およびホールド電極１３６が、ストレージ電極１３５が撮像部１１側になるように設けられている。

両側の２列の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｄについては、ストレージ電極およびホールド電極が設けられていない。さらに、ストレージ電極１３５については一部が切り欠かれた状態となっており、このストレージ電極１３５の切り欠き領域内に電荷排出部であるドレイン部１３７が設けられている。

上記構成の電荷制御部１３Ｂは、先述したように、タイミング発生回路２０で生成される各種の制御パルス、即ちストレージパルスＳｔｒａｇｅ、ドレイン電圧ＤｒａｉｎおよびホールドパルスＨｏｌｄによって駆動制御されることで、水平間引き読み出しの動作を行う。

具体的には、ストレージパルスＳｔｒａｇｅは制御線１３８−１によって伝送されてストレージ電極１３５を駆動し、ドレイン電圧Ｄｒａｉｎは制御線１３８−２によって伝送されてドレイン部１３７を駆動し、ホールドパルスＨｏｌｄは制御線１３８−３によって伝送されてホールド電極１３６を駆動する。

ストレージパルスＳｔｒａｇｅ、ドレイン電圧ＤｒａｉｎおよびホールドパルスＨｏｌｄをそれぞれ伝送する各制御線１３８−１〜１３８−３は、例えば、垂直ＣＣＤ１１２の配列方向（水平方向）において電荷制御部１３Ｂの両端に亘って並行して配線されるシャント配線構造となっており、ストレージ電極１３５、ドレイン部１３７およびホールド電極１３６に対して４列単位で電気的なコンタクトがとられる。

上記構成の電荷制御部１３Ｂにおいて、一例として、水平間引き読み出しの単位を４列（水平４画素）としているのは、例えば、垂直方向において４画素を単位として２画素加算を行うことに対応させているからである。垂直方向において、４画素単位で２画素加算を行うために、垂直ＣＣＤ１１２については例えば８相の垂直転送パルスＩＭ１〜ＩＭ８によって駆動されることになる。

次に、上記構成の電荷制御部１３Ｂを有するＣＣＤ撮像素子１０の駆動方法について、動画を撮像する動画撮像モード(モニタリングモードを含む)と、静止画を撮像する静止画撮像モードとに分けて説明する。

＜動画撮像モード＞
最初に、動画撮像モードにおける垂直方向の画素加算の動作について、図８の模式図を用いて説明する。

ここでは、一例として、カラーコーディングが水平２画素×垂直２画素繰返しの原色ベイヤ配列の場合において、４画素を単位として１画素おきに同色の２画素を加算する２画素加算を採用し、画素を間引く処理は行わないものとする。

このように、垂直方向において、間引き処理行わずに、１画素おきに同色の２画素を加算することで、図８に画素加算を模式的に示す加算器マークの相互間の垂直方向における間隔が等間隔になっていることからもわかるように、動画時の画素重心が均等になるとともに、画素情報が間引かれていないことによって色偽信号の発生を抑えることができる。しかも、画素情報の間引き処理が行われないことで、垂直転送時に空パケットが生じないため、スミアが悪化することもない。

続いて、動画撮像モードにおける電荷制御部１３Ｂの動作、即ち水平間引き読み出しの動作について、図９のタイミングチャートを用いて説明する。

図９のタイミングチャートにおいて、７相目の垂直転送パルスＩＭ７が、続いて８相目の垂直転送パルスＩＭ８が順に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移することで、撮像部１１における最下端の１行分の画素の信号電荷が、垂直ＣＣＤ１１２（１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ）によって電荷制御部１３Ｂに転送される。このとき、４列を単位とする垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄのうち、１列目、４列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｄの信号電荷については、電荷制御部１３Ｄをそのまま通過して蓄積部１２に移動する。

一方、２列目、３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃの信号電荷については、ストレージパルスＳｔｒａｇｅが“Ｈ”レベル、ホールドパルスＨｏｌｄが“Ｌ”レベルの状態にあり、ストレージ電極１３５の下のポテンシャルが深く、ホールド電極１３６の下のポテンシャルが浅い状態にあるため、ストレージ電極１３５の下に蓄積され、かつホールド電極１３６の下のポテンシャルバリアによって蓄積部１２への転送が阻止される。このとき、信号成分（信号電荷）のみならず、スミア成分（スミア電荷）についても転送が阻止される。そして、以降の垂直転送動作によって蓄積部分のポテンシャルバリアを越える電荷についてはドレイン部１３７に捨てられる。

これにより、４列の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄを水平間引き読み出しの単位としたとき、電荷制御部１３Ｂは、真ん中の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃの信号電荷についてはその転送を阻止し、両側の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｄの各信号電荷についてはそのまま通過させることによって蓄積部１２に一時的に蓄積させる。その結果、動画撮像モードでは、電荷制御部１３Ｂの作用により、真ん中の２列（２画素）の画素情報（スミア成分を含む）を間引き、両側の２列の画素情報をそのまま読み出す水平間引き読み出しが行われることになる。

この電荷制御部１３Ｂの作用により、水平方向の画素数の例えば１／２に間引かれた信号電荷は、蓄積部１２での４相（ＳＴ１〜ＳＴ４）駆動によって垂直転送されて水平ＣＣＤ１４に移送され、当該水平ＣＣＤ１４での２相（Ｈ１，Ｈ２）駆動によって水平転送された後、電荷検出部１５で信号電圧に変換されて出力される。

このように、動画撮像モードでの撮像動作において、水平方向で間引き読み出しを採用し、その間引く画素数を垂直方向において画素加算を行う画素数に対応して適宜設定することにより、水平方向の画像情報量が垂直方向の画素情報量に比べて無駄に多くならないようにし、両方向の画素情報の比率を同じにすることができるため、動画時の水平解像度と垂直解像度とのバランスを良好に保つことができる。本実施例の場合は、垂直方向の４画素単位の２画素加算に対応して水平４画素を単位として２画素を間引くようにしたことで、垂直方向および水平方向の画素情報量が共に１／２になる。

特に、撮像部１１と蓄積部１２との間に電荷制御部１３Ｂを設け、当該電荷制御部１３Ｂの作用により、画素読み出しを行う列の垂直ＣＣＤ１１２、本例では垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｄの各信号電荷のみを通過させてこれら信号電荷を蓄積部１２内に一時的に蓄積させた後、水平ＣＣＤ１４に移送するようにしたことで、水平ＣＣＤ１４内には間引きに伴う空パケットが生じることがないため、当該空パケット内のスミア成分が加算されてスミアが悪化するということはない。すなわち、間引き対象列の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃからの電荷転送を阻止することで、信号成分のみならず、スミア成分についても間引くことができるため、スミアが悪化することはない。

なお、本実施例では、水平２画素×垂直２画素繰返しの原色ベイヤ配列のカラーコーディングにおいて、垂直ＣＣＤ１１２の４列を単位とし、真ん中の２列の画素情報を間引いてその両側の画素情報をそのまま読み出すとしたが、これは一例に過ぎず、これに限られるものではない。

すなわち、カラーフィルタのカラーコーディングとしては、原色ベイヤ配列に限られるものではなく、原色ストライプ配列や補色市松配列などのカラーコーディングであっても良く、さらには間引き読み出しの単位となる列数についても、４列に限られるものではなく、５列以上であっても良い。また、画素情報を間引く列についても、真ん中に、さらには２列に限られるものではなく、カラーコーディングに対応して画素情報を間引く列を決めるようにすれば良い。

＜静止画撮像モード＞
次に、静止画撮像モードにおける電荷制御部１３Ｂの動作について、図１０のタイミングチャートを用いて説明する。

本実施例では、水平間引き読み出しを行う単位を例えば４列（水平４画素）としているために、電荷制御部１３Ｂでは、４列の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄからパラレルに転送される信号電荷を２回に分けて読み出す処理が行われる。そのため、全画素の信号電荷を独立に読み出す静止画撮像モードでは、１行分の画素の信号電荷を２回に分けて読み出す２ラインシーケンスとなる。

この２ラインシーケンスでは、シーケンスごとに撮像部１１の１行分の画素数の１／２ずつの画素の信号電荷を、電荷制御部１３Ｂ、蓄積部１２および水平ＣＣＤ１４によって順に転送し、電荷検出部１５を介して出力する動作が行われる。したがって、２ラインシーケンスのトータルの処理時間は、撮像部１１の１行分の画素の信号電荷を、蓄積部１２および水平ＣＣＤ１４によって順に転送し、電荷検出部１５を介して出力するシーケンスの処理時間とほぼ同じになる。

図１０のタイミングチャートにおいて、７相目の垂直転送パルスＩＭ７が、続いて８相目の垂直転送パルスＩＭ８が順に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移することで、撮像部１１における最下端の１行分の画素の信号電荷が、垂直ＣＣＤ１１２（１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ）によって電荷制御部１３Ｂにパラレルに転送される。

このとき、４列を単位とする垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄのうち、１列目、４列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｄの各信号電荷が先ず、電荷制御部１３Ｂをそのまま通過して蓄積部１２に移動する。２列目、３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃの各信号電荷については、ストレージパルスＳｔｒａｇｅが“Ｈ”レベル、ホールドパルスＨｏｌｄが“Ｌ”レベルの状態にあり、ストレージ電極１３５の下のポテンシャルが深く、ホールド電極１３６の下のポテンシャルが浅い状態にあるため、ストレージ電極１３５の下に蓄積され、かつホールド電極１３６の下のポテンシャルバリアによって蓄積部１２への転送が阻止される。

電荷制御部１３Ｂを通過して蓄積部１２に移動した１列目、４列目の垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｄの各信号電荷は、蓄積部１２での４相（ＳＴ１〜ＳＴ４）駆動によって垂直転送されて水平ＣＣＤ１４に移送され、当該水平ＣＣＤ１４での２相（Ｈ１，Ｈ２）駆動によって水平転送された後、電荷検出部１５で信号電圧に変換されて出力される。以上で１シーケンス目の処理が完了し、２シーケンス目の処理に入る。

２シーケンス目に入ると、ホールドパルスＨｏｌｄが“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに遷移し、続いてストレージパルスＳｔｒａｇｅが“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移する。これにより、ホールド電極１３６の下のポテンシャルが深くなり、ストレージ電極１３５の下のポテンシャルが浅くなるため、当該ストレージ電極１３５の下にホールドされていた２列目、３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃの各信号電荷が電荷制御部１３Ｂを通過して蓄積部１２に移動する。

電荷制御部１３Ｂを通過して蓄積部１２に移動した２列目、３列目の垂直ＣＣＤ１１２Ｂ，１１２Ｃの各信号電荷は、蓄積部１２で垂直転送されて水平ＣＣＤ１４に移送され、さらに当該水平ＣＣＤ１４で水平転送された後、電荷検出部１５で信号電圧に変換されて出力される。以上で２シーケンス目の処理、即ち２ラインシーケンスの全ての処理が完了する。

その結果、電荷制御部１３Ｂによる上記の作用により、撮像部１１の４列の垂直ＣＣＤ１１２、即ち垂直ＣＣＤ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄを単位としてパラレルに転送される４画素分の信号電荷が、２回に分けて読み出されて順に蓄積部１２に転送されることになる。２ラインシーケンスで出力される画素信号は、ＣＣＤ撮像素子１０の後段の信号処理系においてラインメモリなどを用いて、２ラインの画素信号を順に並び替える処理が行われることで、撮像部１１における元の１行分の画素配列に戻される。

このように、静止画撮像モードでは、水平間引き読み出しの単位となる例えば４列分（水平４画素分）ずつパラレルに撮像部１１から転送される信号電荷を、電荷制御部１３Ｂで複数回（本例では、２回）に分けて読み出すようにしたことで、動画撮像モードの際に水平間引き読み出しを行うための電荷制御部１３Ｂを、撮像部１１と蓄積部１２との間に介在させる構成を採ったとしても、撮像部１１の全画素１１１の信号電荷を２ラインシーケンスにて独立に読み出すことができる。

以上説明したように、撮像部１１に加えて蓄積部１２を有するＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子１０において、撮像部１１と蓄積部１２との間に実施例２に係る電荷制御部１３Ｂを設け、当該電荷制御部１３Ｂの作用によって動画撮像モード時に水平間引き読み出しを行うに当たって、垂直方向の加算画素数（間引きを伴う場合も含む）に対応して水平方向の間引きの画素数を自由に設定できるようにしたことで、水平方向の画像情報量が垂直方向の画素情報量に比べて無駄に多くならないようにすることができるため、動画時の水平解像度と垂直解像度とのバランスを良好に保つことができるとともに、水平方向の画像情報量が少なくなる分だけ水平方向の駆動周波数を低減できる。

また、本実施例の場合、垂直方向では間引きを伴わない画素加算を行うようにしていることで、垂直ＣＣＤ１１２中に空パケットが生じず、しかも水平間引き読み出しを行う電荷制御部１３Ｂでは、間引き対象列の垂直ＣＣＤについては信号成分のみならず、スミア成分についても間引き、水平ＣＣＤ１４中には空パケットが生じないようにしているため、動画撮像モード時に間引き読み出しに伴ってスミアが悪化するようなことがない。

特に、本実施例では、元々スミア低減策として効果が大きいＦＩＴ方式と、本実施形態に係る電荷制御部１３Ｂによる水平間引き読み出し方式とを併用した構成、換言すれば、本実施形態に係る電荷制御部１３Ｂを備えたＣＣＤ撮像素子に、遮光された蓄積部１２を搭載した構成を採っていることで、当該蓄積部１２によるスミア低減効果と相俟って、動画時のスミアを激減できることになる。

また、ＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子１０の場合において、電荷制御部１３Ｂが動画撮像モードでは水平間引き読み出しを行って蓄積部１２に出力し、静止画撮像モードでは撮像部１１から水平間引き読み出しの単位でパラレルに転送される信号電荷を複数回に分けて蓄積部１２に出力することで、水平方向の画素情報量が減るため（水平４画素単位の場合には１／２）、蓄積部１２の垂直方向の寸法を撮像部１１の垂直方向の寸法の２０％程度に縮小化でき、その結果、ＣＣＤ撮像素子１０の垂直方向のチップサイズを撮像部１１の垂直方向の寸法の１．２倍程度まで縮小化できる。その理由は、実施例１の場合と同じである。

このように、本実施例に係る電荷制御部１３Ｂを有するＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子１０は、電荷制御部１３Ｂによる水平間引き読み出しを採用したことで、チップサイズを大幅に縮小化できるため、大幅な低コスト化を図ることができる。したがって、従来、特に価格の面から困難とされていたＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子の民生用の撮像装置、例えばデジタルスチルカメラへの搭載が可能になる。しかも、ＦＩＴ方式のスミア低減効果と相俟って、動画時のスミアを激減できるため、画質を大幅に向上できる。

［適用例］
以上説明した実施例１，２に係る電荷制御部１３Ａ，１３Ｂを搭載したＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子１０は、撮像装置（カメラモジュール）、特に民生用の撮像装置、例えばデジタルスチルカメラにその撮像デバイスとして搭載して好適なものである。

図１１は、上記実施例１，２に係る電荷制御部１３Ａ，１３Ｂを搭載したＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子１０を撮像デバイスとして搭載してなる本発明に係る撮像装置（例えば、デジタルスチルカメラ）の構成の一例を示すブロック図である。

図１１に示すように、本例に係る撮像装置は、撮像デバイス３１と、この撮像デバイス３１を駆動する駆動回路３２と、撮像デバイス３１の撮像面上に被写体（図示せず）からの入射光（像光）を取り込んで結像するレンズ３３と、撮像デバイス３１の出力信号を処理する信号処理回路３４と、この信号処理回路３４で処理された画像信号を記録媒体に記録する画像記録装置３５と、信号処理回路３４で処理された画像信号をモニターに表示する画像表示装置３６と、撮像デバイス３１の撮像モードを設定するモード設定部３７とを有する構成となっている。

上記構成の撮像装置において、撮像デバイス３１として、先述した実施例１，２に係る電荷制御部１３Ａ，１３Ｂを搭載したＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子１０が用いられる。駆動回路３２は、図１のタイミング発生回路２０に相当する機能を持っている。撮像デバイス３１の撮像面上には、レンズ３３などの光学系を通して、被写体からの入射光（像光）が結像される。この撮像デバイス３１に対して、動画を撮像する動画撮像モード（第１の撮像モード）と、静止画を撮像する静止画撮像モード（第２の撮像モード）とがモード設定部３７にてユーザによる指定によって設定される。

駆動回路３２は、モード設定部３６にて動画撮像モード（モニタリングモードを含む）が設定されると、図４、図９のタイミングチャートに示すタイミングで各種のタイミング信号を発生し、モード設定部３６にて静止画撮像モードが設定されると、図６、図１０のタイミングチャートに示すタイミングで各種のタイミング信号を発生し、これらのタイミング信号によって撮像デバイス３１を駆動制御する。

信号処理回路３４は、撮像デバイス３１の出力信号に対してＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)やＡ（アナログ）／Ｄ（デジタル）変換などの信号処理を施すとともに、静止画撮像モードが設定されたときには、撮像デバイス３１から３ラインシーケンス（実施例１）、または２ラインシーケンス（実施例２）で出力される３ラインまたは２ラインの画素信号を例えばラインメモリを用いて並び替える処理などを行う。

画像記録装置３５は、静止画撮像モードが設定されたときに、信号処理回路３４で処理された画像信号をメモリなどの記録媒体に記録する。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。画像表示装置３５は、動画撮像モードが設定されたときに、信号処理回路３４で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出す。

上述したように、デジタルスチルカメラ等の撮像装置において、撮像デバイス３１として、先述した（実施例１）ＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子１０を搭載することで、当該ＣＣＤ撮像素子１０が動画時のスミアを激減できるとともに、チップサイズの縮小化に伴って低コスト化が図れるという特長を持つことから、スミアが少なく、高画質の撮像装置を安価に提供できることになる。

特に、近年、デジタルスチルカメラ等の撮像装置においては、静止画の高画質化を目的として、セル（単位画素）のより微細化が進められており、ＣＣＤ撮像素子の特性上、セルの微細化に伴ってスミアが悪化する傾向にあることから、動画時のスミアを激減できるとともに、低コスト化が図れるという特長を持つＣＣＤ撮像素子１０を撮像デバイスとして搭載することによる効果は極めて大きいと言える。

本発明の一実施形態に係るＦＩＴ方式のＣＣＤ撮像素子を示す概略構成図である。 本発明の実施例１に係る電荷制御部を含む要部の構成の概略を示す平面パターン図である。 実施例１での垂直方向の画素加算の概念図である。 動画撮像モードにおける実施例１に係る電荷制御部の動作説明のためのタイミングチャートである。 垂直方向および水平方向共に例えば３画素を単位として垂直加算および水平間引き加算を行うときの概念図である。 静止画撮像モードにおける実施例１に係る電荷制御部の動作説明のためのタイミングチャートである。 本発明の実施例２に係る電荷制御部を含む要部の構成の概略を示す平面パターン図である。 実施例２での垂直方向の画素加算の概念図である。 動画撮像モードにおける実施例２に係る電荷制御部の動作説明のためのタイミングチャートである。 静止画撮像モードにおける実施例２に係る電荷制御部の動作説明のためのタイミングチャートである。 本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。 一従来例の課題を説明する概念図である。 他の従来例の課題を説明する概念図である。

符号の説明

１０…ＦＩＴ方式ＣＣＤ撮像素子、１１…撮像部、１２…蓄積部、１３，１３Ａ，１３Ｂ…電荷制御部、１４…水平ＣＣＤ（水平転送部）、１５…電荷検出部、２０…タイミング発生回路、３１…撮像デバイス、３２…駆動回路、３３…レンズ、３４…信号処理回路、３５…画像記憶装置、３６…画像表示装置、３７…モード設定部、１１１…画素、１１２，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ…垂直ＣＣＤ（垂直転送部）、１３１Ｂ，１３１Ｃ，１３５…ストレージ電極、１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３６…ホールド電極、１３３，１３７…ドレイン部

Claims (12)

1. 行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素、および、前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、
   所定の動作モードでは、前記複数の垂直転送部の３列以上の複数列を単位とし、前記複数列の垂直転送部から同時に出力される所定の色関係にある２列以上の各垂直転送部から転送される信号電荷を出力する信号電荷を出力し、前記信号電荷を出力した前記複数列の他の列の垂直転送部からの電荷の転送を阻止する、電荷制御部と、
   前記３列以上の複数列を単位として設けられ、前記電荷制御部から出力された前記信号電荷が加算される電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部から出力される信号電荷を水平転送する水平転送部と
   を備えた、ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記所定の色関係は、同色関係または補色関係である、
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記電荷制御部は、前記所定の動作モード以外の動作モードでは、前記複数の垂直転送部から前記複数列の単位でパラレルに転送される信号電荷の並びをシリアルに変換して順に、前記水平転送部に出力する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記電荷制御部は、前記複数の垂直転送部から出力される信号電荷を前記複数列の各列ごとに保持する電荷保持部を有し、当該電荷保持部での信号電荷の保持を各列ごとに順に解除する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記電荷制御部は、前記信号電荷を出力した前記複数列の他の列については前記電荷保持部を持たない、
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
6. 前記電荷制御部は、前記信号電荷を出力した前記複数列の他の列については、前記電荷保持部で保持した信号電荷を電荷排出部に捨てる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
7. 行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素および前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、前記複数の垂直転送部から転送される信号電荷を水平転送する水平転送部とを備える固体撮像素子の駆動方法であって、 所定の動作モードでは、前記複数の垂直転送部の３列以上の複数列を単位とし、前記複数列の垂直転送部から同時に出力される所定の色関係にある２列以上の各垂直転送部から転送される信号電荷を出力する信号電荷を出力し、前記信号電荷を出力した前記複数列の他の列の垂直転送部からの電荷の転送を阻止し、
   前記出力された前記信号電荷を加算して前記水平転送部に出力する
   ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
8. 前記所定の色関係は同色関係である、
   請求項７に記載の固体撮像素子の駆動方法。
9. 前記所定の動作モード以外の動作モードでは、前記複数の垂直転送部から前記３列以上の複数列の単位でパラレルに転送されてくる信号電荷の並びをシリアルに変換して順に、前記水平転送部に出力する、
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の固体撮像素子の駆動方法。
10. 請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子と、
    動画を撮像する第１の撮像モードと静止画を撮像する第２の撮像モードとを択一的に設定可能な撮像モード設定手段と、
    前記第１の撮像モードでは、前記複数の垂直転送部の３列以上の複数列を単位とし、当該複数列における所定の列の垂直転送部からの電荷の転送を阻止し、前記複数列における残りの２列以上の各垂直転送部から転送される信号電荷を加算して前記水平転送部に出力し、前記第２の撮像モードでは、前記複数の垂直転送部から前記複数列の単位でパラレルに転送されてくる信号電荷の並びをシリアルに変換して順に前記水平転送部に出力すべく前記固体撮像素子を駆動する駆動手段と、
    を備えたことを特徴とする撮像装置。
11. 前記撮像部は、カラーコーディングが水平２画素×垂直２画素の繰り返し原色ベイヤ配列になっている、
    請求項１〜５のいずれかに記載の撮像素子。
12. 前記撮像部は、カラーコーディングが水平２画素×垂直２画素の繰り返し原色ベイヤ配列になっている、
    請求項７〜８のいずれかに記載の駆動方法。

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