JP4649751B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、多画素化によって高精細な画像を撮像できる固体撮像素子に関し、特に信号を読み出す画素を間引くことにより、高フレームレートで画像出力するモードを有する撮像装置に利用して有効な固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、民生用デジタルスチルカメラにおいても多画素化が急速に進み、高精細な静止画を撮像可能な製品が各種提供されている。
そして、このような多画素化したスチルカメラにおいて、TVモニタやLCDモニタに対して高フレームレートで動画出力を行なうために、信号を読み出す画素を間引いて出力するようにしたものが提案されている。
例えば、垂直方向8ラインに2ラインだけを選択的にフォトセンサから読み出すことにより、容易に動画用のフレームレートを得るものである。
このような簡易式の動画モードは、例えばモニタリングモードと呼ばれており、単にAE(自動露出)やAF(自動焦点)といった制御だけでなく、構図決めや簡単ムービーとしても使われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような従来の固体撮像素子において、スミア(偽信号)等の画質劣化の原因となるノイズ電荷成分は、垂直CCDレジスタでも発生する。
一方、上述したモニタリングモードでは、垂直方向にラインを間引いて信号電荷を読み出すため、垂直CCDレジスタでは、選択されたラインの信号電荷パケットと選択されないラインのノイズ電荷パケットが順番に同一水平ブランキング期間中に水平CCDレジスタに転送されることになる。
このため、読み出されないフォトセンサのスミア等のノイズ電荷まで、水平CCDレジスタへの転送電荷に加算されてしまい、画質劣化を引き起こすという問題が生じる。
【0004】
以下、このような従来の問題点について図面を用いて説明する。
図6は、従来のCCD固体撮像素子におけるモニタリングモードでの垂直、水平の各レジスタにおける信号電荷の転送動作を示す説明図である。
このCCD固体撮像素子では、マトリクス状に配置された多数の撮像画素(フォトセンサ)10を有し、この撮像画素10の垂直転送方向に沿って多数の垂直CCDレジスタ20(図では2列だけ示す)が設けられている。
なお、各撮像画素10における「R」「G」「B」は、各撮像画素10に蓄積される信号電荷の色を示している。
また、各垂直CCDレジスタ20の端部には、水平転送方向に沿って水平CCDレジスタ30が設けられ、各垂直CCDレジスタ20から転送された信号電荷を水平方向に転送し、信号電荷を電圧出力に変換する出力部31に転送する。
【0005】
このようなCCD固体撮像素子において、高精細な静止画を出力する場合は、全ての撮像画素10に蓄積された信号電荷を各垂直CCDレジスタ20に読み出して順次水平CCDレジスタ30側に転送し、これを出力部31に出力する。
また、モニタリングモードで動画を出力する場合には、撮像画素10を垂直方向に間引いて転送する。例えば図示の例では、水平方向の8ライン中の2ラインを選択して垂直CCDレジスタ20に読み出し、水平CCDレジスタ30に転送するようにしている。なお、図中の斜線を付した撮像画素10がモニタリングモードでは読み出されない非選択画素である。
このように撮像画素を選択して出力することにより、通常の静止画モードでは垂直CCDレジスタ20で1画素分転送する毎に、水平CCDレジスタ30による水平1ライン分の出力が必要になるのに比べ、垂直CCDレジスタ20で8画素分転送する間に水平CCDレジスタ30で水平2ライン分の出力を行なえばよいことになり、高フレームレートに対応することが可能となる。
【0006】
図7は、このようなモニタリングモードにおける信号電荷の転送動作の具体例を示すタイミングチャートである。
本例の垂直CCDレジスタは、4相のクロックφV1、φV2、φV3、φV4によって信号電荷の垂直転送を行なうものであり、各クロックφV1、φV2、φV3、φV4によって8本分のラインV1A、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4Bを1組みとして信号電荷の読み出しと垂直転送動作を制御する。
なお、ここで説明するモニタリングモードでは、V2AとV2Bの2ライン、ならびにV4AとV4Bの2ラインは、それぞれ同じ動作となるので、単にV2、V4で表している。
【0007】
図7に示すように、このCCD固体撮像素子における信号転送動作は、Vブランキング期間とHブランキング期間と信号出力期間とで構成されている。
Vブランキング期間は、各撮像画素10から垂直CCDレジスタ20に信号電荷を読み出す動作等を行なう期間であり、図7に示すモニタリングモードにおいては、V1A及びV3Aの2つのラインに与えられる垂直転送クロックだけに読み出しパルスを付加し、この2ラインだけの信号電荷を垂直CCDレジスタ20に読み出すものである。
また、Hブランキング期間は、垂直CCDレジスタ20に読み出した信号電荷を垂直方向に転送して水平CCDレジスタ30に出力する期間である。
図7に示すモニタリングモードでは、8ラインを2ラインに間引いているため、選択されたラインの信号電荷が水平CCDレジスタ30に到達し、水平CCDレジスタ30側に読み取られるまでの数クロック分の転送動作を行なう。
【0008】
また、信号出力期間は、水平CCDレジスタ30に到達した信号電荷を水平方向に転送する期間である。高速な水平転送クロックによって1水平ライン分の信号電荷を出力部31に転送し、撮像信号に変換して出力する。
そして、このようなHブランキング期間と信号出力期間とを1フレーム期間内で繰り返すことにより、必要なフレームレートで1フレーム分の画像を出力し、その後、Vブランキング期間に戻って次のフレームの出力を行なう。
【0009】
図8は、以上のようなモニタリングモードにおける各ラインの信号電荷パケットの転送動作を示すタイミングチャートである。
図中、下線を付した2つのラインV1A及びV3Aが信号電荷を読み出すのに選択されたラインであり、また、垂直転送クロックに乗せられている信号電荷パケットaが有効な信号電荷を示しており、信号電荷パケットbがノイズ電荷を示している。
図示のように、Vブランキング期間では、時間T2においてラインV1Aから信号電荷が垂直CCDレジスタ20に読み出される。また、時間T4においてラインV3Aから信号電荷が垂直CCDレジスタ20に読み出される。
【0010】
そして、Hブランキング期間で垂直CCDレジスタ20の転送動作を行ない、順次水平CCDレジスタ30に転送していく。
ここで、1水平ブランキング期間に選択ラインの画素の信号電荷パケットaを水平CCDレジスタ30に転送した直後に、非選択ラインの画素のノイズ電荷パケットbを水平CCDレジスタ30に転送している。このため、必要な選択ラインの画素の信号電荷と不必要な非選択ラインの画素のノイズ電荷bを水平CCDレジスタ30で加算し、水平CCDレジスタ30により出力部31に転送して信号として出力することになり、画質劣化を招いてしまう。
【0011】
そこで本発明の目的は、上述した垂直方向にラインを選択して転送出力する間引きモードにおいて非選択ラインのノイズ電荷を有効に除去し、画質の向上を図ることが可能な固体撮像素子を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、多数の撮像画素をマトリクス状に配設した撮像画素部と、前記撮像画素部の各撮像画素の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直CCDレジスタと、前記垂直CCDレジスタからの信号電荷を水平方向に転送する水平CCDレジスタと、前記撮像画素部の全ての画素に蓄積された信号電荷を読み出す多画素モードと、前記撮像画素部の各撮像画素を垂直CCDレジスタによって垂直方向に選択して読み出し、信号電荷を間引いて出力する間引きモードと、前記水平CCDレジスタの隣接部に、前記間引きモードにおいて前記垂直CCDレジスタから水平CCDレジスタに転送される非選択画素のノイズ成分を排出するドレイン部とを有する。前記ドレイン部は、スミア排出ドレインと信号電荷の流れを制限するスミアドレインバリアを有し、前記スミアドレインバリアに印加するバイアス電圧のレベルを所定のタイミングによって切り換え制御することにより前記非選択画素のノイズ成分を排出する動作を実行する。
【0013】
本発明の固体撮像素子において、間引きモードでは、撮像画素部の各撮像画素を垂直CCDレジスタによって垂直方向に選択して読み出し、信号電荷を間引いて水平CCDレジスタに転送する。
この際、水平CCDレジスタの隣接部に設けたドレイン部を所定のタイミングで作動し、水平CCDレジスタに転送される非選択画素のノイズ成分を排出し、選択画素の信号電荷だけを水平CCDレジスタに蓄積させ、この有効な信号電荷を出力部に転送する。
これにより、非選択ラインの垂直CCDレジスタに蓄積されたスミア等のノイズ電荷を有効に除去し、撮像信号に含まれるノイズ成分を低減でき、間引きモードにおける画質の向上を図ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子の実施の形態について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
【0015】
図1は、本実施の形態によるCCD固体撮像素子における簡易動画モード(本例ではモニタリングモードという)での垂直、水平の各レジスタにおける信号電荷の転送動作を示す説明図である。
このCCD固体撮像素子では、マトリクス状に配置された多数の撮像画素(フォトセンサ)110を有し、この撮像画素110の垂直転送方向に沿って多数の垂直CCDレジスタ120(図では2列だけ示す)が設けられている。
なお、各撮像画素110における「R」「G」「B」は、各撮像画素110に蓄積される信号電荷の色を示している。
また、各垂直CCDレジスタ120の端部には、水平転送方向に沿って水平CCDレジスタ130が設けられ、各垂直CCDレジスタ120から転送された信号電荷を水平方向に転送し、信号電荷を電圧出力に変換する出力部131に転送する。
そして、本例のCCD固体撮像素子では、水平CCDレジスタ130の隣接部に、モニタリングモードにおいて垂直CCDレジスタ120から水平CCDレジスタ130に転送される非選択画素のノイズ成分を排出するためのドレイン部140が設けられている。
このドレイン部140としては、例えば以下に説明する2つの構造のいずれかを採用することができる。
【0016】
図2は、ドレイン部140の参考例を示す部分平面図である。水平CCDレジスタ130は、2層電極2相駆動型のものであり、2相の水平転送クロック(H1、H2)を互いに異なるポテンシャルに形成された2層1組みの転送ゲート部132A、132Bに印加することで、信号電荷を水平方向に転送する。また、ドレイン部140は、水平CCDレジスタ130に読み出されたスミア等のノイズ電荷を排出するDCバイアス電圧141が印加されたスミア排出ドレイン142と、このスミア排出ドレイン142に水平CCDレジスタ130の信号電荷を排出するタイミングを制御するスミアドレインゲート144とを有する。スミア排出ドレイン142は、水平CCDレジスタ130に沿ってライン状に設けられており、スミアドレインゲート144は、スミア排出ドレイン142と水平CCDレジスタ130との間に設けられ、外部からのクロック信号(スミア排出ゲートパルス)によって所定のタイミングでゲートを開き、水平CCDレジスタ130に蓄積されている信号電荷をスミア排出ドレイン142に排出する動作を行なう。
【0017】
図3は、ドレイン部140の実施の形態例を示す部分平面図である。水平CCDレジスタ130は、図2に示すものと同様に、2層電極2相駆動型のものであり、2相の水平転送クロック(H1、H2)を互いに異なるポテンシャルに形成された2層1組みの転送ゲート部132A、132Bに印加することで、信号電荷を水平方向に転送する。また、ドレイン部140は、水平CCDレジスタ130に読み出されたスミア等のノイズ電荷を排出するDCバイアス電圧141が印加されたスミア排出ドレイン146と、水平CCDレジスタ130からスミア排出ドレイン146への信号電荷の流れを制限するポテンシャルバリアとしてのスミアドレインバリア148を有する。スミア排出ドレイン146は、水平CCDレジスタ130に沿ってライン状に設けられており、スミアドレインバリア148は、スミア排出ドレイン146と水平CCDレジスタ130との間に設けられ、ポテンシャルバリアによって水平CCDレジスタ130からスミア排出ドレイン146への信号電荷の流れを制限している。
【0018】
そして、本例のドレイン部140では、スミアドレインバリア148のバイアス電圧を所定のタイミングで切り換えることにより、ポテンシャルバリアを一時的に低くすることにより、水平CCDレジスタ130に蓄積されている信号電荷をスミア排出ドレイン142に排出する動作を行なう。
このようなドレイン部140の機能により、モニタリングモードにおける非選択ラインの転送タイミングで水平CCDレジスタ130に読み出されるノイズ(スミア)成分を、そのタイミングでドレイン部140からグランド側に排出し、選択ラインの有効な信号電荷だけを水平CCDレジスタ130に蓄積して転送する。
【0019】
図4は、本例のモニタリングモードにおける信号電荷の転送動作の具体例を示すタイミングチャートであり、図4(A)及び(B)は図2に示すドレイン部140を用いた場合の動作を示し、図4(A)及び(C)は図3に示すドレイン部140を用いた場合の動作を示している。
なお、上述した図2、図3に示す2つのドレイン部140は、いずれを用いた場合にも基本的には同様の動作となるが、ここでは図4(A)及び(B)に沿って主に図2に示すドレイン部140を用いた場合について説明する。
本例の垂直CCDレジスタ120は、図7に示す従来例と同様に、4相のクロックφV1、φV2、φV3、φV4によって信号電荷の垂直転送を行なうものであり、各クロックφV1、φV2、φV3、φV4によって8本分のラインV1A、V1B、V2A、V2B、V3A、V3B、V4A、V4Bを1組みとして信号電荷の読み出しと垂直転送動作を制御する。
なお、ここで説明するモニタリングモードでは、V2AとV2Bの2ライン、ならびにV4AとV4Bの2ラインは、それぞれ同じ動作となるので、単にV2、V4で表している。
【0020】
図4(A)に示すように、本例のCCD固体撮像素子における信号転送動作は、Vブランキング期間とHブランキング期間と信号出力期間とで構成されている。
Vブランキング期間は、各撮像画素110から垂直CCDレジスタ120に信号電荷を読み出す動作等を行なう期間であり、図4に示すモニタリングモードにおいては、V1A及びV3Aの2つのラインに与えられる垂直転送クロックだけに読み出しパルスを付加し、この2ラインだけの信号電荷を垂直CCDレジスタ120に読み出すものである。
また、Hブランキング期間は、垂直CCDレジスタ120に読み出した信号電荷を垂直方向に転送して水平CCDレジスタ130に出力する期間である。
【0021】
また、信号出力期間は、水平CCDレジスタ130に到達した信号電荷を水平方向に転送する期間である。高速な水平転送クロックによって1水平ライン分の信号電荷を出力部131に転送し、撮像信号に変換して出力する。
そして、このようなHブランキング期間と信号出力期間とを1フレーム期間内で繰り返すことにより、必要なフレームレートで1フレーム分の画像を出力し、その後、Vブランキング期間に戻って次のフレームの出力を行なう。
【0022】
以上の動作は図7で説明した従来例と同様の動作であるが、本例では垂直転送クロックφV4がローレベルになったタイミング(すなわち、選択ラインV1A及びV3Aの信号電荷パケットが水平CCDレジスタ130に読み出される直前のタイミング)で、スミアドレインゲート144に対するスミア排出ゲートパルスGPをオンする。
これにより、スミアドレインゲート144を一時的に開き、そのタイミングで水平CCDレジスタ130の信号電荷(すなわち、ノイズ(スミア)成分)をスミア排出ドレイン142に排出する。
【0023】
したがって、この後、水平CCDレジスタ130には選択ラインV1AまたはV3Aの信号電荷が読み出され、非選択ラインのノイズ成分を除去した状態で、有効な選択ラインの信号電荷の転送を行なうことが可能となる。
本例のように8ライン中の2ラインを選択して読み出すモニタリングモードにおいては、スミアを従来比で1/2に抑制することができる。
なお、図4(B)の動作では、図2に示すスミアドレインゲート144に対するスミア排出ゲートパルスGPをオンするが、図4(C)の動作では、同様のタイミングで図3に示すスミアドレインバリア148のバイアス電圧を切り換え、ポテンシャルを制御することにより、同様の効果を得ることが可能である。
【0024】
図5は、本例のモニタリングモードにおける各ラインの信号電荷パケットの転送動作を示すタイミングチャートである。
図中、下線を付した2つのラインV1A及びV3Aが信号電荷を読み出すのに選択されたラインであり、また、垂直転送クロックに乗せられている信号電荷パケットaが有効な信号電荷を示しており、信号電荷パケットbがノイズ電荷を示している。
図示のように、Vブランキング期間では、時間T2においてラインV1Aから信号電荷が垂直CCDレジスタ20に読み出される。また、時間T4においてラインV3Aから信号電荷が垂直CCDレジスタ120に読み出される。
そして、Hブランキング期間で垂直CCDレジスタ120の転送動作を行ない、順次水平CCDレジスタ130に転送していく。
【0025】
また、本例では、1水平ブランキング期間に選択ラインの有効な信号電荷パケットaを水平CCDレジスタ130に転送するよりも先に、非選択ラインのノイズ電荷パケットbを水平CCDレジスタ130に転送し、有効な信号電荷パケットaが水平CCDレジスタ30に読み出される直前のタイミング(図5に示すTGP)で、上述したドレイン部140のノイズ電荷排出動作を行ない、有効な信号電荷パケットaの前に水平CCDレジスタ130に読み出されているノイズ電荷を排出し、水平CCDレジスタ130の内部をリセットする。
以上のようにして、従来のモニタリングモード時の画素劣化を招いていたスミアを1/2に低減でき、良好な画質のモニタリングを実現できる。
このため、AEやAF等のカメラ制御が精度良く行える。また、TVモニタやLCDモニタに出力した場合にも、スミアが抑制された良好な画像を得ることができる。さらに、簡易ムービーとして記録をした場合も、従来よりスミアを抑制した良好な画像で記録できる。
【0026】
以上、本発明の具体的な実施例について説明したが、本発明は以上の具体例に限定されるものではない。
例えば、上述の実施例では、8ライン中の2ラインを選択する構成について説明したが、本発明は他の簡易動画モードを有するものについても同様に適用し得るものである。
また、上述の実施例では、多画素モードと間引きモードとして静止画モードと簡易動画モードとを組み合わせた構成について説明したが、多画素モードと間引きモードとの組み合わせとしては、例えば解像度の異なる静止画を選択する構成や、解像度とフレームレートの異なる動画を選択できるような場合などにも本発明を適用することが可能である。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子では、撮像画素部の全ての画素に蓄積された信号電荷を読み出す多画素モードと、撮像画素部の各撮像画素を垂直CCDレジスタによって垂直方向に選択して読み出し、信号電荷を間引いて出力する間引きモードとを有する固体撮像素子において、水平CCDレジスタの隣接部に、間引きモードにおいて垂直CCDレジスタから水平CCDレジスタに転送される非選択画素のノイズ成分を排出するドレイン部を設けた。
このため、間引きモードにおける非選択ラインの垂直CCDレジスタに蓄積されたスミア等のノイズ電荷を有効に除去し、撮像信号に含まれるノイズ成分を低減できることから、間引きモードにおける画質の向上を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態によるCCD固体撮像素子におけるモニタリングモードの転送動作を示す説明図である。
【図2】図1に示すCCD固体撮像素子におけるドレイン部の参考例を示す部分平面図である。
【図3】図1に示すCCD固体撮像素子におけるドレイン部の実施の形態例を示す部分平面図である。
【図4】図1に示すCCD固体撮像素子のモニタリングモードにおける信号電荷の転送動作の具体例を示すタイミングチャートである。
【図5】図1に示すCCD固体撮像素子のモニタリングモードにおける各ラインの信号電荷パケットの転送動作を示すタイミングチャートである。
【図6】従来のCCD固体撮像素子におけるモニタリングモードの転送動作例を示す説明図である。
【図7】図6に示すCCD固体撮像素子のモニタリングモードにおける信号電荷の転送動作の具体例を示すタイミングチャートである。
【図8】図6に示すCCD固体撮像素子のモニタリングモードにおける各ラインの信号電荷パケットの転送動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
110……撮像画素、120……垂直CCDレジスタ、130……水平CCDレジスタ、140……トレイン部、142、146……スミア排出ドレイン、144……スミアドレインゲート、148……スミアドレインバリア。
Claims (3)
- 多数の撮像画素をマトリクス状に配設した撮像画素部と、
前記撮像画素部の各撮像画素の信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直CCDレジスタと、
前記垂直CCDレジスタからの信号電荷を水平方向に転送する水平CCDレジスタと、
前記撮像画素部の全ての画素に蓄積された信号電荷を読み出す多画素モードと、
前記撮像画素部の各撮像画素を垂直CCDレジスタによって垂直方向に選択して読み出し、信号電荷を間引いて出力する間引きモードと、
前記水平CCDレジスタの隣接部に、前記間引きモードにおいて前記垂直CCDレジスタから水平CCDレジスタに転送される非選択画素のノイズ成分を排出するドレイン部とを有し、
前記ドレイン部は、
スミア排出ドレインと信号電荷の流れを制限するスミアドレインバリアを有し、
前記スミアドレインバリアに印加するバイアス電圧のレベルを所定のタイミングによって切り換え制御することにより前記非選択画素のノイズ成分を排出する動作を実行する
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記間引きモードにおける垂直CCDレジスタから水平CCDレジスタへの電荷転送時に、前記非選択画素のノイズ成分を含む空パケットを有効な信号電荷のパケットより先に転送し、この転送タイミングで前記バイアスの切り換え制御によってドレイン部を機能させ、前記空パケットのノイズ成分を排出し、その後、有効な信号電荷のパケットを水平CCDレジスタへ転送することを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記多画素モードは高精細な静止画モードであり、前記間引きモードは高フレームレートに対応する簡易動画モードであることを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子。
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