JP4786446B2 - 固体撮像装置、その駆動方法およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、二次元に配列された複数の受光素子と複数の垂直転送部と１つの水平転送部とを有し、画像信号として出力する固体撮像装置、固体撮像素子の駆動方法およびカメラに関し、特に静止画撮像モードと動画撮像モードとを有する固体撮像装置、固体撮像素子の駆動方法およびカメラに関する。

光を電気信号に変換する複数の受光素子を有し、画像信号として出力する固体撮像素子として、ＣＣＤ（電荷結合素子）を用いたものが知られている。また、この固体撮像素子を利用したデジタルスチルカメラが普及している。近年では固体撮像素子の画素の高密度化が進み、銀塩写真を上回る高解像度を有するデジタルスチルカメラが実現している。

従来の固体撮像装置は、ベイヤー配列のカラーフィルタを有する複数の光電変換部と、光電変換部の各列に対応して配置され、各光電変換部から読み出された信号電荷を垂直方向へ転送する複数の垂直転送部と、垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送部と、水平転送部からの信号電荷を増幅して出力する出力部を備えている。

また、デジタルスチルカメラの機能として、静止画だけでなく動画を記録する機能を搭載する場合が多い。静止画の画素数は例えば４００万画素を超えるものが主流であるが、動画を記録する場合は画素を間引くことによって必要なフレーム周波数（例えば３０フレーム／秒以上）を確保することが一般に行われている。垂直方向の画素を間引く（画素数を減らす）方法として、各列の光電変換部の全部ではなく一部の信号電荷のみ、例えば、隣接する３つの光電変換部のうちの１つの信号電荷を選択して垂直転送部に読み出す方法が一般的である。

垂直方向の画素数を減らす他の方法として、特許文献１に記載された方法がある。この方法では、垂直転送部を構成する複数の垂直転送段のうち、隣接する複数の垂直転送段の信号電荷を連続して水平転送部に転送する。こうして、隣接する複数の垂直転送段の信号電荷を水平転送部で混合することにより垂直方向の画素数を削減し、フレーム周波数を更に上げることができる。

また、特許文献２には、水平方向の画素数を削減する（間引く）ことが可能な固体撮像素子が記載されている。この固体撮像素子は、各列の垂直転送部の垂直最終段が（２ｎ＋１）列（例えば３列）ごとに同じ転送電極構成を有し、かつ、（２ｎ＋１）列内において垂直最終段から水平転送部への転送動作を列ごとに制御するために、他の列から独立した少なくとも２本の独立転送電極を有する。例えばベイヤー配列のように１行において２色の画素が交互に並んでいる場合に、１画素置きの同色画素の信号電荷を選択的に垂直最終段から水平転送部へ転送して混合する動作を（２ｎ＋１）回繰り返すことにより、水平方向の画素数を（２ｎ＋１）分の１に削減することができる。

このように、総画素数が多い固体撮像素子で動画を記録する際に、フレーム周波数を低下させないように画素数を削減する。この場合に、水平方向の画素数と垂直方向の画素数を共に削減して水平方向と垂直方向の解像度のバランスをとることが画質劣化を抑えるために望ましい。

ところが、特許文献２に記載された水平方向の画素数を削減可能な構成に、特許文献１に記載された垂直方向の画素数を削減可能な構成を組み合わせることはできない。つまり、特許文献２に記載された構成のように垂直最終段にある水平方向に１画素置きの同色画素の信号電荷を水平転送部で混合しながら、同時に特許文献１に記載された構成のように複数の垂直転送段の信号電荷を連続して水平転送部に転送する動作を同時に行うことはできない。そこで、特許文献２に記載された構成で水平方向の画素数を削減しながら、同時に垂直方向の画素数を削減する場合は、光電変換部の信号電荷が全く読み出されない空の垂直転送段（空転送段）を部分的に形成して水平転送部に空転送することによって、垂直方向の画素数を削減している。
特開平９−１８７９２号公報 特開２００４−１８０２８４号公報

しかしながら、この場合の問題として、過剰な光量の光源などを撮影したような場合にスミアが生ずると、本来は直線となるスミアのエッジがギザギサになる現象が発生する問題がある。

より詳しく言うと、特許文献２の構成で例えば水平方向に１画素置きの同色の３画素を混合する場合に、垂直転送段３段分の画素信号がＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｒ１、Ｂ２、Ｒ３（Ｒ，Ｇ，Ｂはそれぞれ赤、緑、青を表し、数字の１、２及び３は水平転送部に近い方から１、２及び３段目の垂直転送段を表す）の順番で水平転送部に周期的に並ぶ。

これらの画素信号は画像表示の際に元の混合重心位置に再配置される。ところが、特許文献２の構成では、水平転送部の電荷信号を水平方向に移動させながら垂直最終段の電荷信号を水平転送部に転送して混合するので、空転送段のスミア電荷が異なる列の垂直転送段の信号電荷に混合される。垂直転送段のうち、受光素子から読み出された受光量に応じた信号電荷を保持している垂直転送段を信号パケット、受光素子から読み出されないで本来信号電荷を保持していない垂直転送段を空きパケット、と呼ぶものとする。

その結果、元の混合重心位置に再配置された画像において、本来は垂直方向に直線状であるスミアのエッジが３画素ごとにずれてしまい、ギザギザに見える。そのため、静止画モードでの撮像では直線に生じるスミアが動画モードではギザギザになるため、ユーザにとっては静止画に比べて動画の画質が劣化していると感じさせてしまうという問題がある。

また、スミアが発生しない場合であっても、垂直転送段を転送中に、信号電荷を転送している垂直転送段からの転送漏れにより空転送段に信号電荷が洩れた場合、洩れた信号電荷が水平転送部において異なる列の信号電荷に混合される結果画像上に縦線となって現れる場合があり、転送劣化による画質不良の原因となるおそれがあった。

本発明は、上記のような従来の課題に鑑み、空転送段を形成して転送する場合に、スミアのギザギザを防止し、転送劣化による画質不良を抑制する固体撮像装置、その駆動方法およびカメラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、行列状に配列された複数の受光素子と、前記受光素子の列に対応して設けられ、動画撮像モードにおいて前記複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のパケットであってノイズ成分を有するダミーパケットとを垂直転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部と、前記複数の保持部または前記Ｍ列に対応する垂直転送部から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する水平転送部と、前記垂直転送部、前記保持部および前記水平転送部を駆動する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記動画撮像モードにおいて前記各保持部において同一列内の信号パケットおよび複数のダミーパケットを１つのパケットに混合し、混合したパケットの信号電荷を前記各保持部に保持させ、さらに、異なる保持部のパケットを前記水平転送部にて混合するように前記異なる保持部から前記水平転送部への垂直転送させることを特徴とする。この構成によれば、前記保持部には信号パケットに隣接する同じ列内のダミーパケットを混合および保持させ、前記水平転送部は、保持部の混合パケットをさらに混合させることになる。そのため、前記保持部で混合されたパケットには、そのパケット内の信号電荷と同じ列内のダミーパケットのみが混合され、言い換えると、信号電荷と異なる列のダミーパケットが一切混合されない。それゆえ、スミアが発生した場合に、信号電荷と異なる列の（スミア成分を含む）ダミーパケットが混合されないので、スミアのエッジがギザギザになることを防止することができる。また、垂直転送段からの転送漏れにより空転送段に信号電荷が洩れた場合、洩れた信号電荷が水平転送部において異なる列の信号電荷に混合される結果画像上に縦線となって現れる画質不良を防止することができる。

ここで、前記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部の最終転送段であり、Ｎ列離れた列毎に独立した転送電極を有するようにしてもよい。この構成によれば、毎Ｎ列中のＭ列以外の垂直転送部の最終転送段に、独立した転送電極を設け、独立して駆動することにより、スミアのギザギザを解消する上記の混合を実現することができる。

ここで、前記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部と水平転送部の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送するようにしてもよい。この構成によれば、毎Ｎ列中のＭ列以外の垂直転送部と水平転送部の間に独立して保持および転送する保持部を設けるので、転送駆動が簡単になり、フレームレートの高速化に適している。

ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記水平転送部から出力される少なくとも１行分のパケットを示す各データを記憶するメモリと、前記水平転送部から出力された第１混合パケットと、前記メモリ中の第２混合パケットとを用いて減算処理することによりノイズを低減する減算処理部とを備え、前記第１混合パケットは、信号パケットと複数のダミーパケットとが混合されたパケットであり、前記第２混合パケットは、前記メモリ中のパケットのうち第１混合パケットと同じ列に属するパケットであるようにしてもよい。

ここで、前記メモリは、光学的黒レベルを出力する受光素子のオプティカルブラック出力行や、ダミーの受光素子のダミー出力行、もしくは、垂直方向に空転送することで出力される空転送出力行の非有効信号出力行の内、１行以上の各パケットのデータを記憶するようにしてもよい。この構成によれば、スミア等のノイズ成分を有する第２混合パケットの列が、信号成分を有する第１混合パケットの列に一致するため、フィールドごとノイズ成分検出を可能にすることができる。また、第１混合パケットの信号電荷からスミアや暗電流に起因するノイズ成分を低減できるので、より画質を向上させることができる。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配列された複数の受光素子と、前記受光素子の列に対応して設けられ、動画撮像モードにおいて前記複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のパケットであってノイズ成分を有するダミーパケットとを垂直転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部と、前記複数の保持部または前記Ｍ列に対応する垂直転送部から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する水平転送部と、前記受光素子、前記垂直転送部、前記保持部および前記水平転送部を駆動する駆動部とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、前記動画撮像モードにおいて前記各保持部において同一列内の信号パケットおよび複数のダミーパケットを１つのパケットに混合し、混合したパケットの信号電荷を前記各保持部に保持させ、異なる保持部のパケットを前記水平転送部にて混合するように前記異なる保持部から前記水平転送部への垂直転送させる。

また、本発明のカメラは、上記固体撮像装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、空転送段を形成して転送する場合に、スミアのギザギザを防止し、転送劣化による画質不良を抑制することができる。

（実施の形態１）
本実施の形態における固体撮像装置は、複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部を備え、動画撮像モードにおいて、保持部には信号パケットに隣接する同じ列内のダミーパケットを混合および保持させ、前記水平転送部は、保持部の混合パケットをさらに混合させることになる。ここで、信号パケットは、複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の垂直転送段を、ダミーパケットは、受光素子から信号電荷を読み出されないで本来空きの複数の垂直転送段をいう。

これにより、前記保持部で混合されたパケットには、そのパケット内の信号電荷と同じ列内のダミーパケットのみが混合され、言い換えると、信号電荷と異なる列のダミーパケットが一切混合されない。それゆえ、スミアが発生した場合に、信号電荷と異なる列の（スミア成分を含む）ダミーパケットが混合されないので、スミアのエッジがギザギザになることを防止することができる。

また、本実施の形態における保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部の最終転送段であり、Ｎ列離れた列毎に独立した転送電極を有している。この独立の転送電極に印加される駆動パルスにより、Ｎ列離れた列毎に独立に垂直転送すること、上流からの垂直転送された、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合すること、混合されたパケットを保持することができるように構成されている。

図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。同図の固体撮像装置は、静止画撮像モードの他に動画撮像モードで動作する。動画撮像モードでは、垂直方向および水平方向にＮ（例えば３）画素中のＭ（例えば２）画素を間引いた解像度の動画を撮像する。同図の固体撮像装置は、複数の受光素子１２と、複数の垂直転送部１３と、水平転送部１４と、電荷検出部１５と、タイミング発生回路２０とを備える。

複数の受光素子１２は、行列状に配置され、例えばベイヤー配列などでカラーフィルタが配置されている。

複数の垂直転送部１３は、複数の受光素子１２の各列に対応して設けられ、動画撮像モードにおいて前記複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のダミーパケットとを垂直転送する。

前記複数の垂直転送部の毎Ｎ（ここでは３）列中のＭ（ここでは１）列以外の列の各最終段２１は、上記の保持部として機能し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能になっている。同図の左側の垂直転送部１３から順にＲ列、Ｌ列、Ｂ列、Ｒ列、Ｌ列、Ｂ列・・・と呼ぶものとする。本実施の形態では各Ｒ列および各Ｌ列の最終転送段は、それぞれの上流側の全転送段とは独立して駆動される転送電極を有している。各Ｂ列の最終転送段は、その上流側の全転送段とは共通に駆動される転送電極を有する。つまり、各Ｒ列および各Ｌ列の最終転送段は独立に駆動可能になっている。

水平転送部１４は、複数の垂直転送部１３から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する。

電荷検出部１５は、水平転送部１４から水平転送された信号電荷を電圧に変換するために、水平転送部１４最終段から信号電荷を取り出す出力ゲート１６、出力ゲート１６からの信号電荷を保持するＦＤ（フローティングディフュージョン）部１７、ＦＤ部１７をリセット時に掃きだすＲＤ（リセットドレイン）部１８、リセット電圧をＦＤ部１７に印加するためのＲＧ（リセットゲート）部１９を有している。

タイミング発生回路２０は、複数の垂直転送部１３、水平転送部１４を駆動する。特に、タイミング発生回路２０は、動画撮像モードにおいて各最終段２１において同一列内の信号パケットおよび複数のダミーパケットを１つのパケットに混合し、混合したパケットの信号電荷を各最終段に保持させ、さらに、同じ色に対応する信号電荷信号を保持する他の最終段のパケットを水平転送部１３にて混合するように水平転送部および最終段を駆動する。

以上のように構成された本実施の形態における固体撮像装置について、その動作を説明する。

図２Ａ〜図２Ｎは、動画撮像モードにおける信号パケットおよびダミーパケットの転送および混合の具体例を示す図である。ここでは、垂直方向の画素を１／９のデータに間引き読み出しを行い垂直転送部１３に存在するパケットが、信号パケット１に対して、ダミーパケット２の割合で存在するケースについて記す。また、ここでは垂直方向の３画素に対して１転送パケットを形成しており、１転送パケットが６ゲートにより構成されているとする。また、垂直最終段も６ゲートにより転送パケットを形成している（図示せず）。

図２Ａにおいて、上段の１２３１２３・・・はそれぞれＲＬＢＲＬＢ・・・列を表している。複数の垂直転送部１３のうち、９行１２列までの一部分のみを示している。Ｒ（１、１）は、下から第１行目、左から第１列目の赤色を示す信号電荷を保持する信号パケットを表している。Ｄ（９、１）は、第９行目、第１列目の受光素子から読み出された信号を持たないダミーパケットを表している。Ｇ、Ｂは緑色、青色に対応する信号パケットを表す。なお、図２Ｂ〜図２Ｎでも図２Ａにおける元の転送パケットの座標を記してある。

図２Ｎは、図２Ａにおいて水平方向にある同色の信号パケット３個を、水平転送部１４内に混合した結果を示す図である。例えば、破線丸印を付与してあるＲ（７、５）、Ｒ（７、７）、Ｒ（７、９）の信号パケットは、図２Ａでは水平方向に並ぶ３画素であり、図２Ｎでは１つの画素信号として混合されている。図２Ｎのように、信号パケットと同じ列（第５列、第７列、第９列）に存在していたダミーパケットも、信号パケットと共に水平転送部１４内で混合されていることがわかる。

図３は、図２Ａ〜図２Ｎの転送を駆動するタイミング発生回路２０の動作を示すフローチャートである。図２Ａ〜図２Ｎは、図３におけるステップＳ２Ａ〜Ｓ２Ｎそれぞれの実行直後の状態を表している。

図３のステップＳ２Ａにおいてタイミング発生回路２０は、複数の受光素子１２から垂直転送部１３へ間引き読み出しを行う。これにより図２Ａの状態となる。なお、第０行目に相当するＤ（０、３）、Ｄ（０、６）等のダミーパケットは、光学的黒画素またはダミー画素から読み出されたダミー信号とする。

第０行目の光学素子はＢ列のみ図示している。

ステップＳ２Ｂにおいてタイミング発生回路２０は、最終段も含めＲＬＢ全列を１段垂直転送するよう駆動する。もしくは、Ｒ列、Ｌ列の最終段以外の全列を垂直に１段転送するように駆動する。これにより図２Ｂの状態となる。図２Ｂ〜図２Ｎでは下段に水平転送部１４とそこに保持されるパケットとを図示している。図２Ｂでは、第０行のＢ列のダミーパケットのみ水平転送部１４に転送されている。

ステップＳ２Ｃにおいてタイミング発生回路２０は、Ｒ列Ｌ列の最終段以外の全列を垂直に１段転送するよう駆動する。その結果、Ｂ列では最終段のパケットが水平転送部１４に転送され、Ｒ列およびＬ列の最終段では、パケットが垂直加算される。これにより図２Ｃの状態となる。

ステップＳ２Ｄにおいてタイミング発生回路２０は、Ｒ列Ｌ列の最終段以外の全列を垂直に１段転送するように駆動する。その結果、Ｂ列では最終段のパケットが水平転送部１４に転送され、Ｒ列およびＬ列の最終段ではパケットが垂直加算される。これにより図２Ｄの状態となる。

ステップＳ２Ｅにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するように水平転送部１４を駆動し、さらにＲ列の最終段のみ垂直に１段転送するよう駆動する。これにより図２Ｅの状態となる。

ステップＳ２Ｆにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するように水平転送部１４を駆動し、さらに、最終段を含み全列１段垂直に転送するよう駆動する。または、Ｒ列の最終段以外の全列を垂直に１段転送するよう駆動する。これにより図２Ｆの状態となる。

ステップＳ２Ｇにおいてタイミング発生回路２０は、Ｒ列Ｌ列の最終段以外全列１段垂直転送する。その結果、Ｒ列およびＬ列の最終段ではパケットが垂直加算される。これにより図２Ｇの状態となる。

ステップＳ２Ｈにおいてタイミング発生回路２０は、Ｒ列Ｌ列の最終段以外全列１段垂直転送するように駆動する。その結果、Ｒ列およびＬ列の最終段ではパケットが垂直加算される。これにより図２Ｈの状態となる。

ステップＳ２Ｉにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、さらにＲ列の最終段のみ１段転送するよう駆動する。これにより図２Ｉの状態となる。

ステップＳ２Ｊにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、最終段を含み全列１段転送するように駆動する。または、水平転送部の駆後、Ｒ列の最終段以外の全列を垂直に１段転送するよう駆動する。これにより図２Ｊの状態となる。

ステップＳ２Ｋにおいてタイミング発生回路２０は、Ｒ列Ｌ列の最終段以外全列垂直１段転送するように駆動する。これにより図２Ｋの状態となる。

ステップＳ２Ｌにおいてタイミング発生回路２０は、Ｒ列Ｌ列の最終段以外全列垂直１段転送するように駆動する。これにより図２Ｌの状態となる。

ステップＳ２Ｍにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、Ｒ列の最終段のみ１段転送するように駆動する。これにより図２Ｍの状態となる。

ステップＳ２Ｎにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、Ｌ列の最終段のみ１段転送するように駆動する。これにより上述した図２Ｎの状態となる。３つの信号パケットと同じ列の複数のダミーパケットとが水平転送部内で混合された状態になっている。

さらに、ステップＳ２００、Ｓ２０１においてタイミング発生回路２０は、水平転送部１４を１行分順次水平転送するよう駆動し、複数の垂直転送部１３に未転送の信号パケットが残っていれば、または、所定の行数分の転送が終了するまで、ステップＳ２Ｂに戻って、上記動作を繰り返す。

以上説明してきたように、本実施の形態の固体撮像装置は、行列状に配列された複数の受光素子と、前記受光素子の列に対応して設けられ、動画撮像モードにおいて前記複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のダミーパケットとを垂直転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部と、前記複数の保持部または前記Ｍ列に対応する垂直転送部から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する水平転送部と、前記受光素子、前記垂直転送部、前記保持部および前記水平転送部を駆動する駆動部とを備える。前記駆動部は、前記動画撮像モードにおいて前記各保持部において同一列内の信号パケットおよび複数のダミーパケットを１つのパケットに混合し、混合したパケットの信号電荷を前記各保持部に保持させ、さらに、異なる保持部のパケットを前記水平転送部にて混合するように前記異なる保持部から前記水平転送部に垂直転送させる。 これによれば、前記保持部には信号パケットに隣接する同じ列内のダミーパケットを混合および保持させ、前記水平転送部は、保持部の混合パケットをさらに混合させることになる。そのため、前記水平転送部で混合されたパケットには、そのパケット内の信号電荷と同じ列内のダミーパケットのみが混合され、言い換えると、信号電荷と異なる列のダミーパケットが一切混合されない。それゆえ、スミアが発生した場合に、信号電荷と異なる列の（スミア成分を含む）ダミーパケットが混合されないので、スミアのエッジがギザギザになることを防止することを図っている。

第０行目のダミーパケットはＢ列のみに存在ずるが、これはＢ列に保持部を持たないからである。図２Ａ〜図２Ｎで判るように、Ｒ列、Ｌ列は信号パケット→ダミーパケット→ダミーパケットの順で水平転送部に転送されるが、Ｂ列はダミーパケット→信号パケット→ダミーパケットの順で水平転送部に転送される。すなわち、Ｂ列では信号パケットにその前後の行のダミーパケットを混合している。

全列に保持部を設けることができれば、全列の垂直最終段にて信号パケットとダミーパケットを混合することができるので上記の様な転送方法にはならないが、保持部のない列では垂直最終段内で垂直方向にパケット同士を混合することができないため、上記のような転送としている。

ただし、全列に保持部を設けるとその独立駆動のための端子と制御信号が増加することになり、固体撮像素子や、制御ＩＣのチップ増大によるコストアップにつながる。しかしながら、本発明の駆動方法に依れば、このように列毎に不規則な転送にすることもあって、ダミーパケットの列を信号パケットの列に完全に一致させることができ、画質向上を実現している。

上記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部の最終転送段であり、Ｎ列離れた列毎に独立した転送電極を有している。このように、毎Ｎ列中のＭ列以外の垂直転送部の最終転送段に、独立した転送電極を設け、独立して駆動することにより、スミアのギザギザを解消する上記の混合を実現することができる。

なお、３つの転送パケットに信号パケット１、ダミーパケット２のケースについて説明したが、これに限らない。また、１転送パケットのゲート構成についても、３ゲート以上の構成であれば転送パケットが形成できるので、同様の駆動が可能であることは同業者であれば容易に考えられる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、垂直転送部１３の最終段が何れも独立した転送電極を持たず、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部と水平転送部の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送するホールド部を、上記の保持部として備える構成について説明する。

図４は、本発明の実施の形態２における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。同図は、図１と比較して、全垂直転送部１３の最終段２１が独立した転送電極を持たない点と、複数のホールド部２１ａが追加されている点が異なる。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

複数のホールド部２１ａは、複数の垂直転送部１３の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の垂直転送部１３と水平転送部１４の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送する。機能的には、図１の最終段２１もホールド部２１ａもほぼ同じである。

タイミング発生回路２０は、複数の垂直転送部１３、水平転送部１４の駆動に加えて複数のホールド部２１ａも駆動する。特に、タイミング発生回路２０は、動画撮像モードにおいて各ホールド部２１ａにおいて同一列内の信号パケットおよび複数のダミーパケットを１つのパケットに混合し、混合したパケットの信号電荷を各ホールド部２１ａに保持させ、さらに、同じ色に対応する信号電荷信号を保持する他のホールド部２１ａのパケットを水平転送部１３にて混合するように水平転送部およびホールド部２１ａを駆動する。

以上のように構成された本実施の形態における固体撮像装置について、その動作を説明する。

図５Ａ〜図５Ｐは、動画撮像モードにおける信号パケットおよびダミーパケットの転送および混合の具体例を示す図である。ここでは、縦３画素を混合する間引き読み出しのケースについて記す。

図５Ａにおいて、図２Ａと同様に、上段の１２３１２３・・・はそれぞれＲＬＢＲＬＢ・・・列を表している。複数の垂直転送部１３のうち、９行１２列までの一部分のみを示している。また、垂直転送部とともにホールド部２１ａの様子も図示している。なお、図５Ｂ〜図５Ｐでも図５Ａにおける元の転送パケットの座標を記してある。

図５Ｐは、図５Ａにおいて水平方向にある同色の信号パケット３個を、水平転送部１４内に混合した結果を示す図である。例えば、破線丸印を付与してあるＲ（７、５）、Ｒ（７、７）、Ｒ（７、９）の信号パケットは、図５Ａでは水平方向に並ぶ３画素であり、図５Ｐでは１つの画素信号として混合されている。図５Ｐのように、信号パケットと同じ列（第５列、第７列、第９列）に存在していたダミーパケットも、信号パケットと共に水平転送部１４内で混合されていることがわかる。

図６は、図５Ａ〜図５Ｐの転送を駆動するタイミング発生回路２０の動作を示すフローチャートである。図５Ａ〜図５Ｐは、図６におけるステップＳ５Ａ〜Ｓ５Ｐそれぞれの実行直後の状態を表している。

図６のステップＳ５Ａにおいてタイミング発生回路２０は、複数の受光素子１２から垂直転送部１３へ間引き読み出しを行う。これにより図５Ａの状態となる。この状態で、ホールド部２１ａは空の状態である。

ステップＳ５Ｂにおいてタイミング発生回路２０は、全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態（垂直転送部からのパケットを取り込み保持する状態）とするよう駆動する。これにより図５Ｂの状態となる。

ステップＳ５Ｃにおいてタイミング発生回路２０は、全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態（垂直転送部からのパケットを取り込み保持する状態）とするよう駆動する。その結果、ホールド部２１ａは、垂直転送部からのパケットと保持していたパケットとを混合する。これにより図５Ｃの状態となる。

ステップＳ５Ｄにおいてタイミング発生回路２０は、更に全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態（垂直転送部からのパケットを取り込み保持する状態）とするよう駆動する。その結果、ホールド部２１ａは、垂直転送部からのパケットと保持していたパケットとを混合する。これにより図５Ｄの状態となる。

ステップＳ５Ｅにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、さらに、Ｒ列のホールド部２１ａからＨＣＣＤへ混合したパケットを転送するよう駆動する。これにより図５Ｅの状態となる。

ステップＳ５Ｆにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、さらに、Ｌ列のホールド部２１ａからＨＣＣＤへ混合したパケットを転送するよう駆動する。これにより図５Ｅの状態となる。

ステップＳ５Ｇにおいてタイミング発生回路２０は、全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態とするよう駆動する。その結果、ホールド部２１ａは、垂直転送部からのパケットと保持していたパケットとを混合する。これにより図５Ｇの状態となる。

ステップＳ５Ｈにおいてタイミング発生回路２０は、全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態とするよう駆動する。その結果、ホールド部２１ａは、垂直転送部からのパケットと保持していたパケットとを混合する。これにより図５Ｈの状態となる。

ステップＳ５Ｉにおいてタイミング発生回路２０は、更に全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態とするよう駆動する。その結果、ホールド部２１ａは、垂直転送部からのパケットと保持していたパケットとを混合する。これにより図５Ｉの状態となる。

ステップＳ５Ｊにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、さらに、Ｒ列のホールド部２１ａからＨＣＣＤへ混合したパケットを転送するよう駆動する。これにより図５Ｊの状態となる。

ステップＳ５Ｋにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、さらに、Ｌ列のホールド部２１ａからＨＣＣＤへ混合したパケットを転送するよう駆動する。これにより図５Ｋの状態となる。

ステップＳ５Ｌにおいてタイミング発生回路２０は、全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態とするよう駆動する。その結果、ホールド部２１ａは、垂直転送部からのパケットと保持していたパケットとを混合する。これにより図５Ｌの状態となる。

ステップＳ５Ｍにおいてタイミング発生回路２０は、全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態とするよう駆動する。その結果、ホールド部２１ａは、垂直転送部からのパケットと保持していたパケットとを混合する。これにより図５Ｍの状態となる。

ステップＳ５Ｎにおいてタイミング発生回路２０は、更に全列１段垂直転送するよう駆動し、その際Ｒ列およびＬ列のホールド部２１をホールド状態とするよう駆動する。その結果、ホールド部２１ａは、垂直転送部からのパケットと保持していたパケットとを混合する。これにより図５Ｎの状態となる。

ステップＳ５Ｏにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、さらに、Ｒ列のホールド部２１ａからＨＣＣＤへ混合したパケットを転送するよう駆動する。これにより図５Ｏの状態となる。

ステップＳ５Ｐにおいてタイミング発生回路２０は、水平方向に２段転送するよう水平転送部を駆動し、さらに、Ｌ列のホールド部２１ａからＨＣＣＤへ混合したパケットを転送するよう駆動する。これにより図５Ｐの状態となる。

さらに、ステップＳ５００、Ｓ５０１においてタイミング発生回路２０は、水平転送部１４を１行分順次水平転送するよう駆動し、複数の垂直転送部１３に未転送の信号パケットが残っていれば、または、所定の行数分の転送が終了するまで、ステップＳ５Ｂに戻って、上記動作を繰り返す。

以上説明してきたように、本実施の形態の固体撮像装置は、複数の保持部として、複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の垂直転送部と水平転送部の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送するホールド部を備えている。

このように、毎Ｎ列中のＭ列以外の垂直転送部と水平転送部の間に独立して保持および転送する保持部を設けるので、最低２ゲートで形成でき（図示せず）最終転送段中に設けた保持部よりゲート数を少なく形成できることで転送駆動が簡単になり、フレームレートの高速化に適している。

なお、実施の形態１ではＢ列の信号加算をダミーパケット→信号パケット→ダミーパケットの順で行ったが、本実施の形態であれば全列共、信号パケット→ダミーパケット→ダミーパケットの順で行う。これは本実施形態では、Ｒ列、Ｌ列の保持部にて３行目のダミーパケットＤ（３、Ｋ）（Ｋは整数）を信号パケットに混合したとき、Ｂ列は３行目のダミーパケットが水平転送部にて先に転送されている信号パケットに混合される為である。形態１での構成では３行目のダミーパケットＤ（３、Ｋ）を水平転送部にて混合させようとすると、Ｒ列、Ｌ列の４行目の信号パケットＢ（４、Ｋ）またはＧ（４、Ｋ）が保持部にて混合してしまい、１行目の信号パケットと混合してしまうのと異なる。

（実施の形態３）
本実施形態では、上記実施の形態１または２の固体撮像装置を備えるカメラの構成例を用いて、スミア等のノイズ減算処理を行う構成について説明する。実施の形態１および２の固体撮像装置では、スミア等のノイズ成分を有するパケット（第２混合パケットと呼ぶ）と、有効な画素信号を有する信号パケット（第１混合パケットと呼ぶ）の列が一致する。本実施の形態では、第２混合パケットを得るために、垂直ＯＢ（オプティカルブラック）画素、垂直ダミー画素、垂直空転送パケット等の信号に含まれるスミアなどのノイズ成分を１行分以上メモリに記憶させておき、次のフィールドでの水平転送パケット（第１混合パケット）に対して順に減算処理を行うことで、スミア等のノイズを低減する構成について説明する。これにより、本実施の形態では画面全体としてノイズを低減する。

図７は、実施の形態３におけるカメラの概略構成を示すブロック図である。

本発明にかかるディジタルカメラの構成例を示す。本ディジタルカメラは、被写体からの入射光を固体撮像素子１の撮像面に結像するためのレンズなどを含む光学系３１と、固体撮像素子１の駆動を制御する制御部３２と、固体撮像素子１からの出力信号に対して様々な信号処理を施す画像処理部３３とを備えている。

画像処理部３３は、メモリを備え、行間（またはフィールド間）のノイズ減算処理を行う。実施の形態１または２の固体撮像装置では信号パケットに異なる列のダミーパケットが混合されなくなったことにより、行間でのノイズ減算処理を可能にしている。

図８は、各フィールド毎の信号出力を表した図である。各フィールドにおいて有効信号行の出力の後、垂直ＯＢ（オプティカルブラック）画素、または垂直ダミー画素、または、垂直空転送により得られる垂直空転送パケット信号等が含まれる非有効信号が出力され、その後、次のフィールドの有効信号が出力される。

図９は、行間またはフィールド間のノイズ減算処理を示すフローチャートである。同図のように、画像処理部３３は、非有効信号中の少なくとも１行分の各パケットの信号レベルを第２混合パケットとしてメモリに格納する（Ｓ９１）。メモリに格納される行には、垂直ＯＢ（オプティカルブラック）画素、または垂直ダミー画素、または、垂直空転送により得られる垂直空転送パケット信号等が含まれる。例えば、メモリに格納される行は、光学的黒レベルを出力する受光素子のオプティカルブラック出力行や、ダミーの受光素子のダミー出力行、もしくは、垂直方向に空転送することで出力される空転送出力行の非有効信号出力行などでよい。

さらに、画像処理部３３は、メモリに格納された各信号レベルから各行の水平ＯＢ信号との差分の処理を行なうことにより、ノイズ成分のレベルを示すノイズ信号を算出しメモリに格納する（Ｓ９２)。

上記では、第２混合パケットとして、ダミーの受光素子または光学的黒レベルを出力する受光素子からの信号電荷を含むパケットを用いているので、ノイズ成分の検出を可能にしている。

さらに、画像処理部３３は、第１混合パケットを水平選択部から出力された信号レベルを検出し（Ｓ９４）とし、その第１混合パケットと同一列のノイズ信号をメモリから選択し減算処理を行う（Ｓ９５）。上記ステップＳ９１〜Ｓ９５は、フィールド内の各有効信号行の信号パケットに対してなされる（Ｓ９６、Ｓ９７）。

このノイズ減算処理を行うことにより、スミア等のノイズ成分を有する非有効信号の列が、信号成分を有する第１混合パケットの列に一致するため、フィールド内の信号パケットのノイズ成分を低減することができる。

以上説明してきたように、カメラによれば、動画撮像モードにおいて、スミアのギザギザを低減でき、しかも、ノイズ低減処理により画質を向上させることができる。

なお、非有効信号に含まれる垂直ＯＢ、垂直ダミー、垂直空転送パケットは、フィールドの区切りとして有効信号の前後どちらの信号でも良く、時間的に各有効信号の直前にある非有効信号を利用するのが望ましい。

本発明は、半導体基板上に形成された複数の受光素子を有する固体撮像装置、その固体撮像装置を有するカメラに適しており、例えば、ＣＣＤイメージセンサ、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、監視カメラ、ノートパソコンに内蔵のカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。

本発明の実施の形態１における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合の説明図である。 実施の形態１における画素混合を駆動するフローチャート図である。 本発明の実施の形態２における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合の説明図である。 実施の形態２における画素混合を駆動するフローチャート図である。 実施の形態３におけるカメラの概略構成を示すブロック図である。 行内のノイズ減算処理を示すフローチャートである。 行間のノイズ減算処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 固体撮像素子１
１２ 受光素子１２
１３ 垂直転送部１３
１４ 水平転送部１４
１５ 電荷検出部１５
１６ 出力ゲート１６
１７ ＦＤ（フローティングディフュージョン）部１７
１８ ＲＤ（リセットドレイン）部１８
１９ ＲＧ（リセットゲート）部１９
２０ タイミング発生回路２０
２１ 画素最終段２１
２１ａ ホールド部２１ａ
３１ レンズ３１
３２ 制御部３２
３３ 画像処理部３３

Claims (9)

1. 行列状に配列された複数の受光素子と、
   前記受光素子の列に対応して設けられ、動画撮像モードにおいて前記複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のパケットであってノイズ成分を有するダミーパケットとを垂直転送する複数の垂直転送部と、
   前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部と、
   前記複数の保持部または前記Ｍ列に対応する垂直転送部から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する水平転送部と、
   前記垂直転送部、前記保持部および前記水平転送部を駆動する駆動部とを備え、
   前記駆動部は、前記動画撮像モードにおいて前記各保持部において同一列内の信号パケットおよび複数のダミーパケットを１つのパケットに混合し、混合したパケットの信号電荷を前記各保持部に保持させ、さらに、異なる保持部のパケットを前記水平転送部にて混合するように前記異なる保持部から前記水平転送部への垂直転送させる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部の最終転送段であり、Ｎ列離れた列毎に独立した転送電極を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の保持部は、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の、垂直転送部と水平転送部の間に設けられ、Ｎ列離れた列毎に独立して信号電荷を保持および転送する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記固体撮像装置は、さらに、
   前記水平転送部から出力される少なくとも１行分のパケットを示す各データを記憶するメモリと、
   前記水平転送部から出力された第１混合パケットと、前記メモリ中の第２混合パケットとを用いて減算処理することによりノイズを低減する減算処理部とを備え、
   前記第１混合パケットは、信号パケットと複数のダミーパケットとが混合されたパケットであり、
   前記第２混合パケットは、前記メモリ中のパケットのうち第１混合パケットと同じ列に属するパケットである
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記メモリは、光学的黒レベルを出力する受光素子のオプティカルブラック出力行や、ダミーの受光素子のダミー出力行、もしくは、垂直方向に空転送することで出力される空転送出力行の非有効信号出力行の内、１行以上の各パケットのデータを記憶する
   ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記保持部は、前記信号パケットと同じ列内の前記複数のダミーパケットのみを混合する
   ことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記Ｎ列の中に、前記保持部を有する列と前記保持部を有さない列とが含まれ、
   前記保持部を有する列における前記信号パケットおよび前記複数のダミーパケットの前記水平転送部への転送順序と、前記保持部を有さない列における前記信号パケットおよび前記複数のダミーパケットの前記水平転送部への転送順序とが異なる
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 行列状に配列された複数の受光素子と、前記受光素子の列に対応して設けられ、動画撮像モードにおいて前記複数の受光素子から間引き読み出された信号電荷を含む複数の信号パケットと、信号パケット以外のパケットであってノイズ成分を有するダミーパケットとを垂直転送する複数の垂直転送部と、前記複数の垂直転送部の毎Ｎ列中のＭ列以外の列の最終段に位置し、上流からの垂直転送とは独立に、信号パケットおよびダミーパケットの信号電荷を混合、保持および垂直転送可能な複数の保持部と、前記複数の保持部または前記Ｍ列に対応する垂直転送部から転送される信号電荷を混合、保持および水平転送する水平転送部と、前記受光素子、前記垂直転送部、前記保持部および前記水平転送部を駆動する駆動部とを備える固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記動画撮像モードにおいて前記各保持部において同一列内の信号パケットおよび複数のダミーパケットを１つのパケットに混合し、
   混合したパケットの信号電荷を前記各保持部に保持させ、
   異なる保持部のパケットを前記水平転送部にて混合するように前記異なる保持部から前記水平転送部への垂直転送させる
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
9. 請求項１記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。

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