JP4833722B2 - 撮像装置、固体撮像装置および撮像装置の駆動方法 - Google Patents

撮像装置、固体撮像装置および撮像装置の駆動方法 Download PDF

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Description

本発明はＣＣＤ（Charge Coupled Device)などを用いた固体撮像装置の駆動方法に関する。
近年、固体撮像装置はビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置に広く用いられている。これらの撮像装置では、固体撮像装置の多画素化が進むとともに、高精細な静止画の撮影、記録だけでなく、高精細な動画の撮影、記録が求められるようになっている。また、撮像装置には、種々のモードが備えられるようになっていきている。
撮像装置の駆動モードとしては、例えば静止画の撮影、記録を行う際のモード、カメラ筐体に内蔵された液晶ビューファインダーにプレビュー画像を映し出すためのモード、高速で動く被写体や高輝度の被写体を撮影する際のモードなどがある。
通常、静止画の撮影時には、機械式メカニカルシャッターを用いて露光時間を制御することで、露出補正を行う。この場合、メカニカルシャッターを用いて露光時間の制御を行うと、メカニカルシャッターが閉じた後のスミア信号の掃きだしを行うための駆動により、垂直シフトレジスタのスミア信号を捨てることができるので、固体撮像装置においてスミア信号電荷の混入を阻止できるので、スミアノイズの極めて少ない良好な画像を記録することができる。
これに対し、動画を記録する際、および液晶ビューファインダーのプレビュー画像を表示する際には、動体被写体を撮像しても違和感が無いように、１秒間に１５フレーム〜６０フレームの画像を連続で出力するのが一般的である。
動画を記録する際および液晶ビューファインダーにプレビュー画像を表示させる際には、１秒間に１５フレーム〜６０フレームの画像を連続で出力する必要がある。このため、多画素のＣＣＤイメージセンサの画素を間引いて出力ライン数を減少させる「間引き動画モード」や、複数の画素の信号電荷を混合させて、出力画素数を減少させる「画素混合動画モード」が採用され、１秒間に１５フレーム〜６０フレームの画像を連続で出力することが可能になっている。
これらのモードでは連続して画像を取り込むので、メカニカルシャッターを使うことができない。そこで、ＣＣＤイメージセンサに縦型オーバーフロードレイン構造を採用し、フォトダイオードに蓄積された電荷（画素信号）を、時間を制御しつつ基板方向に掃き捨てることと光学的絞りの制御によって露光制御が行われている。ここで、「縦型オーバーフロードレイン構造」とは、Ｎ型基板上に設けられたＰ型ウェル上にＮ型層とＰ型層とからなるフォトダイオードが形成され、基板面に対して鉛直方向にＰ型層−Ｎ型層−Ｐ型ウェル−Ｎ型基板が配置された構造のことを指す。このようにして露光制御を行う構造は、「電子式シャッター」と呼ばれる。
図４（ａ）は、電子式シャッターを用いた従来の固体撮像装置の駆動方法における垂直シフトレジスタ転送パルス（以下φＶパルスと称す）と基板掃き出しパルス（以下φＳＵＢパルスと称す）の例を示すタイミングチャートである。高電圧のφＳＵＢパルスは上述の電子シャッターとして機能しており、これが印加される期間にはフォトダイオードに蓄積された電荷が基板方向に掃き出され、φＶパルスの印加時には垂直シフトレジスタが映像信号（電荷）を水平シフトレジスタへと転送する。なお、図中の「１Ｖ期間」は、垂直同期信号の周期を示す。
従来の駆動方法では、フォトダイオードに蓄積する信号電荷を制御するために、φＳＵＢが水平同期信号の周期（１ＨＤ期間）につき１回、短い期間のみ印加される。φＳＵＢパルスは１ＨＤ期間のうちの水平シフトレジスタが停止している期間（水平（Ｈ）ブランキング期間と称す）に印加される。
また、同じ光量がＣＣＤイメージセンサに入射されても、複数のフォトダイオードの信号を加算する画素混合動画モードで駆動すると単一のフォトダイオードの信号を使うモードに比べて感度電子数が増加する。この時、適正な露出補正を行おうとすると単一のフォトダイオードの信号を使うモードに比べて画素混合動画モードでは、感度電子数を制御するために、φＳＵＢパルスを印加して電子シャッター速度を高速にして露光時間を短くし、感度電子数を減少させる。
この方法によれば、基板に幅の狭いパルス状の高電圧（φＳＵＢパルス）を印加することによりフォトダイオードに蓄積された電荷を基板方向に掃き捨てる。
特開平９−２７０５０３号公報
ところで、一般に固体撮像装置として主に使用されているＣＣＤイメージセンサを備えた撮像装置では、被写体の中に高輝度部分が存在する場合、垂直シフトレジスタにスミア電荷と呼ばれるノイズ信号電荷が混入し、高輝度部分を中心にして、画像の上下方向に縦線状のノイズが発生し、著しく画質が劣化するという不具合がある。スミアノイズは、静止画を撮影する際にはメカニカルシャッターとメカニカルシャッターが閉じた後のスミア掃きだし駆動を用いることができるために問題とならないが、液晶ビューファインダーを駆動する際や動画を撮影（録画）する際には大きな問題となる。例えば、間引き動画モードでは一部の画素から出力された映像信号のみを処理するが、使用されない画素にも光が入射するため、これらの使用されない画素を転送する、いわゆる空パケットにも垂直シフトレジスタのスミア電荷が入るため、スミアノイズが増加（スミア特性が劣化）しやすくなっている。
また、上述した間引き動画モードや画素加算動画モードなどにおいて、露光制御を電子シャッターで行う方法によれば、フォトダイオードの信号電荷を基板方向へ掃き捨てるため、高輝度光が入射して露光時間が短くなった場合、垂直シフトレジスタへ混入するスミア電荷量はあまり変わらない。これに対し、信号電荷量は減少する。そのため、信号電荷に対するスミア信号の割合が大きくなり、著しく画質が劣化するというという不具合があった。
この不具合に対し、特許文献１には、水平信号期間（ＨＤ期間）を通して高電圧を基板に印加してフォトダイオードの信号電荷を基板方向に掃き出す技術が開示されている。これにより、フォトダイオードにスミア電荷が蓄積するのを抑制できるので、スミアの発生を多少抑制することができる。
しかしながら、本願発明者らが検討した結果、特許文献１に記載された駆動方法では、スミア特性の劣化が起因となる画像に縦筋状のノイズおよび横線の境界線状のノイズが発生するなどにより画質が低下し、スミア特性への対策が十分ではないということが分かった。その原因を探ったところ、１ＨＤ期間のうち水平シフトレジスタが動作している映像期間中にもφＳＵＢパルスが基板に印加されているためであることが分かった。具体的には、映像期間中にφＳＵＢパルスを印加すると、基板電位とフォトダイオードの下方に位置するＰ型ウエルの電位に影響を与えるため、画像に縦筋状のノイズが発生することが判明した。
また、φＶパルスの印加によって垂直シフトレジスタが動作している期間にφＳＵＢパルスを印加すると、垂直シフトレジスタ下のＰウェルに悪影響を与えて垂直シフトレジスタ（ＶＣＣＤ）の飽和電荷量が減少し、ＣＣＤイメージセンサのダイナミックレンジ特性が低下することが分かった。これによっても画質の劣化がもたらされると考えられた。
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、画素混合動画モードや、間引き動画モードなどの電子シャッターを使用する駆動モードにおいて、スミアを低減した画像を得ることができる固体撮像装置および撮像装置の駆動方法と、撮像装置とを提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板上に行列状に配置され、半導体基板との間にポテンシャルバリアが形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、光電変換部の各列間に配置され、光電変換部で生成された信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直シフトレジスタと、垂直シフトレジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、動画を撮影するモード時にポテンシャルバリアを消失させる第１の電圧を半導体基板に印加して光電変換部に生じる電荷を半導体基板内へ掃き出しを行い、第１の電圧の幅は垂直シフトレジスタのゲート電極に印加されるパルス電圧の幅よりも広い幅を有する。
この方法によれば、光電変換部周辺で発生したスミア電荷を十分長い期間掃き出すことができるので、第１の電圧の印加期間が短かった従来の駆動方法に比べてスミア電荷が光電変換部に蓄積するのをより確実に防ぐことができる。このため、スミアの発生を効果的に抑制することができる。
また、半導体基板および光電変換部は、光電変換部に生じる電荷をポテンシャルバリアを介して半導体基板内に掃き出すことが可能な縦型オーバーフロードレイン構造を構成しており、垂直シフトレジスタは複数個設けられていることにより、スミア電荷を半導体基板へと速やかに掃き出すことが可能となる。
水平シフトレジスタが信号電荷を転送している間には半導体基板に第１の電圧を印加しないので、水平シフトレジスタの動作が第１の電圧の影響を受けるのを防ぐことができ、画質の劣化を防ぐことができる。なお、この第１の電圧は電子式シャッターにおける基板シャッター電圧である。
第１の電圧の基板への印加期間の具体例としては、水平シフトレジスタの動作が停止している各期間中に、例えば４μｓ以上あるいは水平シフトレジスタの各停止期間の４０％以上印加することが挙げられる。
また、第１の駆動方法において、動画を撮影するモードの期間を通して、第１の電圧を印加する期間以外の期間には、ポテンシャルバリアの高さを低減させる、第１の電圧よりも低い第２の電圧を半導体基板に印加してもよい。これにより、フォトダイオードに生じた電荷が所定の飽和電荷量を超える場合でも、半導体基板へ余剰電荷を掃き捨てることができるので、スミアをより低減することができる。
このように、半導体基板に印加するバイアス電圧は駆動モードによっても変えてもよい。例えば、画素混合動画モードで印加するバイアス電圧（第２の電圧）を間引き動画モードで印加するバイアス電圧よりも高くしてもよい。画素混合動画モードでは、垂直シフトレジスタのそれぞれに複数の光電変換部で生じた電荷が読み出されるので、比較的高いバイアス電圧を印加することによって、垂直シフトレジスタが飽和するのを防ぐことができる。また、このように高いバイアス電圧を印加しておけば、例えばフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの読み出し動作を行う直前に、余剰な電荷をフォトダイオードから掃き捨てるためのバイアス電圧を別途印加する必要がなくなる。従って、基板電圧を変化させるための電力消費を低減することができる。このように、第１の駆動方法を、画素混合動画モードに適用することにより、著しい効果を得ることができる。
本発明の撮像装置の駆動方法は、外光を集めるための光学部材と、半導体基板上に行列状に配置され、半導体基板との間にポテンシャルバリアが形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、光電変換部の各列間に配置され、光電変換部で生成された信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直シフトレジスタと、垂直シフトレジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備えた固体撮像装置と、信号出力部から転送された信号電圧を処理する信号処理部と、固体撮像装置の動作を制御する駆動回路とを備えた撮像装置の駆動方法であって、動画を撮影するモード時にポテンシャルバリアを消失させる第１の電圧を半導体基板に印加して光電変換部に生じる電荷を半導体基板内へ掃き出しを行い、第１の電圧の幅は垂直シフトレジスタのゲート電極に印加されるパルス電圧の幅よりも広い幅を有することを特徴とする。
この方法によれば、光電変換部周辺で発生したスミア電荷を効果的に半導体基板へと掃き捨てることができるので、スミアの発生を抑制することができる。このような固体撮像装置の動作は駆動回路から出力される信号によって制御される。ここで、固体撮像装置から得た信号電圧に応じた制御信号を信号処理部が駆動回路へと出力し、駆動回路がこの制御信号に基づいて固体撮像装置の動作制御を行うフィードバック制御を行うこともできる。例えば、入射光の輝度が大きい場合には第１の電圧を印加する期間を長くしたり第１の電圧の印加間隔を短くするなどしてより確実にスミアの発生を抑制できるようにしてもよい。
本発明の撮像装置は、駆動回路は、複数個の光電変換部で生成された信号電荷を各垂直シフトレジスタに同時に転送させ、且つ加算された信号電荷を水平シフトレジスタに転送させる画素混合動画モードと、光電変換部のうち一部の光電変換部で生成された信号電荷のみを垂直シフトレジスタに読み出させ、読み出された信号電荷を水平シフトレジスタへと転送させる間引き動画モードと、複数個の光電変換部で生成された信号電荷をフィールドで読み出させ、信号処理部においてフレーム静止画像を構成する静止画撮影モードとで固体撮像装置を動作させることができ、第１の電圧の印加期間をモードにより変化させる。
この構成により、画質を劣化させることなく、光電変換部周辺に発生するスミア電荷を効果的に掃き出すことができるので、スミアを低減させた画像を得ることが可能となる。
本発明の撮像装置は、例えば動画などを撮影するための画素混合動画モードや液晶ビューファインダーなどに映像を表示させるための間引き動画モードなどで動作可能となっている。また、当該撮像装置は、静止画撮影モード（フレームモード）で動作可能となっていてもよい。この場合、駆動回路は、それぞれのモードに応じて第１の電圧を半導体基板に印加する期間を調整してもよい。
本発明の固体撮像装置および撮像装置の駆動方法によれば、スミアノイズの少ない動画画像や液晶ビューファインダー画像を得ることができる。
本願発明者らは、種々の検討を重ね、図４（ａ）に示す従来例よりもφＳＵＢパルスのパルス幅を広げ、且つ１ＨＤ期間のうち水平シフトレジスタが停止している期間中にのみ高電圧のφＳＵＢパルスを印加することにより、スミアの発生を抑えつつ、画面全体の画質の低下を抑え得ることを見出した。動画を扱うモードでは静止画を扱うモードに比べて水平ブランキング期間が長くなっているので、この方法によればφＳＵＢパルスの幅を十分に取ることが可能となる。以下、本発明の詳細について具体例を挙げて説明する。
（第１の実施形態）
−固体撮像装置の構成−
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るインターライン型の固体撮像装置のうち、撮像領域（画素アレイ）およびその周辺回路の構成を概念的に示す図であり、（ｂ）は、撮像領域のうち振り分け転送部を概念的に示す拡大図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、撮像領域１００においては、入射光の赤（図中「Ｒ」）、青（図中「Ｂ」）、緑（図中「Ｇｒ」または「Ｇｂ」）の各成分のいずれかを電荷に変換するフォトダイオード（光電変換部）がマトリクス状（行列状）に配置されており、各画素列（各フォトダイオードの列）の間には、フォトダイオードから転送された映像信号を蓄積できる垂直シフトレジスタ（ＶＣＣＤ）１３が列方向に配置されている。また、垂直シフトレジスタ１３は、シフトレジスタで構成された振り分け転送部１３０に当該映像信号を転送し、振り分け転送部１３０に保持された映像信号は、適宜振り分けられて行方向に配置された複数の水平シフトレジスタ（ＨＣＣＤ）１２０に転送される。
図１（ａ）に示す例では、垂直シフトレジスタ１３は、それぞれφＶ１、φＶ２・・・φＶ６が印加される期間に映像信号の転送を行う。また、水平シフトレジスタから転送された映像信号は、信号出力部（図示せず）によって電圧信号に変換され、出力される。
振り分け転送部１３０は撮像領域１００の一端に沿って配置され、所定の画素内のフォトダイオードから送られた映像信号を分別して水平シフトレジスタ１２０に送る。振り分け転送部１３０は画素混合動画モードで駆動する場合に映像信号の振り分けを行う。水平シフトレジスタ１２０では所定の画素からの映像信号が加算された状態で保持され、加算された映像信号を水平方向（図１（ａ）での左方向）に転送する。実際の固体撮像装置では、同色の映像信号を複数加算する。
図２は、本実施形態の固体撮像装置において、フォトダイオードおよび垂直シフトレジスタ（ＶＣＣＤ）の構造を示す断面図である。また、図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置において、垂直シフトレジスタとフォトダイオードにおける伝導帯端のポテンシャルを示す図、および半導体基板に印加される基板電圧を示す図である。
図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、Ｎ型半導体基板１７上にＰ型ウェル３１が設けられている。Ｐ型ウェル３１上には垂直シフトレジスタ１３と、フォトダイオード１１と、垂直シフトレジスタ１３とフォトダイオード１１との間に設けられた読み出しゲート部１２とが設けられている。フォトダイオード１１は、Ｐ型ウェル３１とＮ型層３２上に設けられたＰ+層３３とで構成される。フォトダイオード１１はＰ型ウェル３１に囲まれていることによって、Ｎ型層３２の下面とＰ型ウェル３１との界面には図３（ａ）に示すようなオーバーフローバリア（ＯＦＢ）と呼ばれるポテンシャルバリアが形成されている。
すなわち、本実施形態のフォトダイオード１１は、縦型オーバーフロードレイン構造を有している。従って、従来の固体撮像装置と同様に、Ｎ型層３２に入射光により生じた電荷を蓄積できるとともに、Ｎ型半導体基板１７にφＳＵＢパルスを印加して信号電荷量の制御とスミア電荷を基板方向に排出とを行うことが可能となっている。
垂直シフトレジスタ１３は、Ｐ型ウェル３１に設けられたＰ+層３７と、Ｐ+層３７の上に設けられたＮ型層３５と、Ｎ型層３５に隣接して設けられたＰ+層３６と、絶縁膜を挟んでＮ型層３５およびＰ+層３６の上に設けられたゲート電極３９とを有している。
なお、本実施形態の固体撮像装置は画素混合動画モードで動作するため、１個の垂直シフトレジスタ１３の飽和電荷量は１個のフォトダイオード１１の飽和電荷量に比べて非常に大きくなっている。本実施形態の固体撮像装置では、具体的には、垂直シフトレジスタはフォトダイオードの１．５倍の飽和電荷量を備えている。
−本実施形態の固体撮像装置の駆動方法−
まず、本実施形態の固体撮像装置における縦型オーバーフロードレイン構造を利用したフォトダイオードの動作について説明する。
図３（ａ）に示すように、縦型オーバーフロードレイン構造を有するフォトダイオードにおいて、半導体基板に正電圧を印加する場合、基準とする基板電圧から、第１、第２、第３、第４の基板電圧のいずれかまで基板に印加する電圧を上げると、オーバーフローバリアが低くなる。そのため、図３に示すように、半導体基板にオーバーフローバリアを消失させるだけの高電圧を印加することによって、フォトダイオードに蓄積された電荷を基板方向に掃き出すことができる。以下、この高電圧（第１の基板電圧）のことを「基板シャッター電圧」と称する。
また、半導体基板にオーバーフローバリアを消失させない程度の電圧を印加してフォトダイオードに過剰に蓄積された電荷を基板方向に排出することもできる。さらに、垂直シフトレジスタや水平シフトレジスタに蓄積できる電荷量を制御して、垂直シフトレジスタ、水平シフトレジスタを電荷があふれないようにすることができる。一般に動画を撮影、記録する際には、画素数を減少させるために、複数のフォトダイオードからの信号を加算して信号処理を行う。この時、縦型オーバーフロードレイン構造を有する本実施形態の固体撮像装置では、基板に図３（ａ）に示すような直流または交流の第１バイアス電圧（第１の基板電圧）（例えば２５Ｖ）を印加することにより過剰な電荷をフォトダイオードから排出し、加算後の信号電荷量が大きくなり過ぎるのを防ぐことが可能になっている。なお、後の実施形態で説明するように、間引き動画モードではそれほど高い電圧を基板に印加する必要はないので、例えば８Ｖ程度の第３バイアス電圧（第３の基板電圧）を半導体基板に印加しておけばスミア電荷の影響を抑えることができる。
また、後述する第２の実施形態の間引き動画モードでは、高い電圧を印加して、スミア低減を行う。
なお、静止画を撮影するモードではメカニカルシャッターを用いるのでスミア特性が問題とならない。そのため、感度、飽和特性を稼ぐために低い電圧（例えば、３．５Ｖ程度）を印加するだけでよい。
次に、φＳＵＢパルスを半導体基板に印加するタイミングについて説明する。
なお、後述する駆動方法はφＳＵＢパルスの幅をφＶパルスの幅よりも広くしたことが特徴である。
または、後述する図７に示すように、φＳＵＢパルスの幅が、垂直シフトレジスタに与えられるφＶパルスのうち、連続して印加されるパルスを第１、第２のφＶパルスとすると、第１のφＶパルスの立ち上がりから第２のφＶパルスの立ち上がりまので期間（Ｌ１）よりも広くなっていることを特徴とする。
または、後述する図７に示すように、φＳＵＢパルスの幅が、同じ垂直シフトレジスタに与えられるφＶパルスのなかで、連続して印加される第３、第４のφＶパルスの第３のφＶパルスの立ち上がりから第４のφＶパルスの立ち上がりまでの期間（Ｌ２）よりも広くなっていることを特徴とする。
なお、以下に述べる本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、基板バイアスが高いほどスミア特性が良くなり、さらに、露光期間（φＳＵＢパルスから読み出しパルスまでの期間）中ではＶｓｕｂが低くなれば感度特性は良くなる。
＜第１の実施形態の駆動方法１＞
図４（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、画素混合動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法１を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。なお、図の右側には、それぞれの駆動方法を行って高輝度の被写体を撮像した場合に得られる画像を模式的に示している。
図４（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置は画素混合動画モードで動作しているので、図４（ａ）に示す従来の固体撮像装置と比べ、動作期間の全体にわたって半導体基板に印加されるバイアス電圧が大きくなっている。
なお、画素混合動画モードの開始は、例えば撮像装置（カメラ）のシャッタを切り、静止画撮影が終了（信号電荷転送の終了）した時点である。さらに画素混合動画モードの終了は、例えば、再び撮像装置（カメラ）のシャッタを切り、トリガーパルスが立ち上がるタイミングが画素混合動画モードの終了となる。
具体的には、図４（ａ）に示すφＳＵＢパルスの下端が例えば５Ｖとすると、φＳＵＢパルスの上端は例えば２５Ｖである。これに対し、半導体基板には１Ｖ期間を通してバイアス電圧が印加されるので、図４（ｂ）に示すφＳＵＢパルスの下端は例えば１０Ｖになっており、上端は例えば２５Ｖである。
このように、バイアス電圧が印加されていることにより、本実施形態の固体撮像装置では、加算後の映像信号の電荷量を垂直シフトレジスタおよび水平シフトレジスタの飽和電荷量以内に抑えることができ、スミアの発生も抑えることができる。例えば、半導体基板に印加するバイアス電圧を５Ｖ上昇させると、約２ｄＢ程度のスミア改善効果が見られる。
＜第１の実施形態の駆動方法２＞
図４（ｃ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、画素混合動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法２を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
なお、画素混合動画モードの開始は、例えば撮像装置（カメラ）のシャッタを切り、静止画撮影が終了（信号電荷転送の終了）した時点である。さらに画素混合動画モードの終了は、例えば、再び撮像装置（カメラ）のシャッタを切り、トリガーパルスが立ち上がるタイミングが画素混合動画モードの終了となる。
図４（ｃ）に示すように、本変形例に係る駆動方法では、図４（ｂ）に示された駆動方法１のように水平シフトレジスタの停止期間中に高電圧のφＳＵＢパルスを基板に印加するのに加え、基板シャッター電圧の印加終了後であって垂直ブランキング期間中に行われるフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの信号転送（読み出しパルスの印加）の直前に、垂直シフトレジスタに残存するスミア電荷の掃き出しを高速で行う。
このスミア電荷の掃き出しは、例えば垂直シフトレジスタを１垂直画面分動作させて行う。
高速スミア掃き出しはムービー用ＣＣＤで一般に用いられている技術であるが、高輝度被写体の下にスミアの白帯が残るという欠点がある。
しかし、第１の実施形態の駆動方法２では、φＳＵＢパルス幅を広げるとともに、高速スミア掃き出しを行うことで、高輝度被写体の上下ともスミアを低減することができる。
なお、第１の実施形態の駆動方法２においては、第１の実施形態の駆動方法１に比べて半導体基板に印加するバイアス電圧をやや高く、例えば１０Ｖにすることが好ましい。
＜第１の実施形態の駆動方法３＞
図５（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、画素混合動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法３を示したタイミングチャートである。
図５（ａ）に示すように、固体撮像装置の動作期間の全体にわたって半導体基板に印加されるバイアス電圧は、本発明の第１の実施形態の駆動方法１および駆動方法２よりも低く、例えば５Ｖ程度となっている。
これによって、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法３は、半導体基板に電圧を印加しない場合に比べてフォトダイオードでのスミア電荷の蓄積量を低減している。
また、高電圧のφＳＵＢパルスの上端は例えば２５Ｖであり、垂直ブランキング期間と重なる期間には、例えば１０Ｖ程度φＳＵＢパルスが半導体基板に印加される。なお、この際には直流電圧を半導体基板に印加したり、垂直ブランキング期間の最後での信号電荷読み出し時の直前で半導体基板に電圧を印加してもよい。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法３によれば、半導体基板へのバイアス電圧を一旦上げ、再度下げたあとに半導体基板に幅広のシャッターパルスを印加するために、固体撮像装置の感度特性をさらに向上させることができる。
＜第１の実施形態の駆動方法４＞
図５（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、画素混合動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法４を示したタイミングチャートである。
この駆動タイミング例は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法３において、垂直シフトレジスタに残存するスミア電荷の掃き出しを高速で行う動作を追加したものである。
すなわち、本駆動方法では、水平シフトレジスタの停止期間中に高電圧のφＳＵＢパルスを基板に印加するのに加え、垂直ブランキング期間中に行われるフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの信号転送（読み出しパルスの印加）の直前に、高速でスミア電荷の掃き出しを行っている。これにより、図５（ｂ）の右図に示すように、φＳＵＢパルス幅を広げるとともに、高速スミア掃き出しを行うことで、高輝度被写体の上下ともスミアを低減することができる。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法４において、半導体基板に印加するバイアス電圧を一旦上げ、再度下げたあとに半導体基板に幅広のシャッターパルスを半導体基板に印加するために、固体撮像装置の感度特性をより向上させることができる。
＜第１の実施形態の駆動方法５＞
図５（ｃ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、画素混合動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法５を示したタイミングチャートである。
この駆動方法５は、基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを印加する際には基板バイアス電圧（第１１の基板バイアス電圧；例えば５Ｖ）でφＳＵＢパルスをクランプ（固定）してフォトダイオードに蓄積する電荷を基板に掃き捨てる。そして、φＳＵＢパルスの印加後は当該基板バイアス電圧よりも大きい直流電圧（例えば１０Ｖ）を基板に印加し、必要とされる以上の電荷をフォトダイオードから排出できるようにしてもよい。この方法によっても効果的にスミアの発生を抑えることができる。すなわち、φＳＵＢパルスが停止してから信号を読み出すまでの期間が、カメラ（撮像装置）の露光期間であるが、この露光期間中のスミアを低減させることができる。
また、本実施形態の駆動方法５によれば、半導体基板へのバイアス電圧を一旦あげ、再度下げたあとに幅広のシャッターパルスを半導体基板に印加するために、固体撮像装置の感度特性をより向上させることができる。
すなわち、本実施形態の駆動方法５によれば、幅広のφＳＵＢパルスの印加終了後から読み出しパルスを印加するまでは露光期間であり、この露光期間も半導体基板へのバイアス電圧を一旦あげることにより、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法４よりもさらに感度特性を向上させることができる。
＜第１の実施形態の駆動方法６＞
図６（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、画素混合動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法６を示したタイミングチャートである。
図６（ａ）に示すように、固体撮像装置の動作期間の全体にわたって半導体基板に印加されるバイアス電圧は、本発明の第１の実施形態の駆動方法１および駆動方法２よりも低く、例えば５Ｖ程度となっている。
これによって、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法６は、半導体基板に電圧を印加しない場合に比べてフォトダイオードでのスミア電荷の蓄積量を低減している。
また、高電圧のφＳＵＢパルスの上端は例えば２５Ｖであり、垂直ブランキング期間と重なる期間には、例えば１０Ｖ程度のφＳＵＢパルスが半導体基板に印加される。なお、この際には直流電圧を半導体基板に印加したり、垂直ブランキング期間の最後での信号電荷読み出し時の直前で半導体基板に電圧を印加してもよい。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法６は、幅広のシャッターパルスの印加が終了後、バイアス電圧を印加するまでの期間にさらに第２の幅広パルスを印加することを特徴とする。
言い換えると、幅広のφＳＵＢパルスの印加終了後から読み出しパルスを印加するまでは露光期間であり、この露光期間にも飽和特性を低減（調整）させるための幅広パルス（第２の幅広パルス）を印加する駆動方法によって、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法３よりも、さらにスミア特性を向上させることができる。
＜第１の実施形態の駆動方法７＞
図６（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、画素混合動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法７を示したタイミングチャートである。
この駆動タイミング例は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法７において、垂直シフトレジスタに残存するスミア電荷の掃き出しを高速で行う動作を追加したものである。
すなわち、本駆動方法では、水平シフトレジスタの停止期間中に高電圧のφＳＵＢパルスを基板に印加するのに加え、垂直ブランキング期間中に行われるフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの信号転送の直前に、高速でスミア電荷の掃き出しを行っている。これにより、図６（ｂ）の右図に示すように、φＳＵＢパルス幅を広げるとともに、高速スミア掃き出しを行うことで、高輝度被写体の上下ともスミアを低減することができる。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法７は、幅広のシャッターパルスの印加が終了後、バイアス電圧を印加するまでの期間にさらに第２の幅広パルスを印加することを特徴とする。
言い換えると、幅広のφＳＵＢパルスの印加終了後から読み出しパルスを印加するまでは露光期間であり、この露光期間にも飽和特性を低減（調整）させるための幅広パルス（第２の幅広パルス）を印加する駆動方法によって、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法４よりも、さらにスミア特性を向上させることができる。なお、シャッターパルスのパルス間隔と第２の幅広パルスのパルス間隔とは異なっていてもよいし、同じであってもよい。
＜第１の実施形態の駆動方法８＞
図７は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、画素混合動画モードより動画を撮像するときに用いる駆動方法８を示したタイミングチャートである。
図７に示すように、本実施形態の駆動方法の特徴は、基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスが各ＨＤ期間のうち水平シフトレジスタによる信号転送が停止している期間（いわゆる水平ブランキング期間）内に半導体基板に印加されていることにある。
また、図７ではバイアス電圧は例えば約５Ｖである。このバイアス電圧が５Ｖであるときはスミア低減効果はほとんど生じないが、約１０ＶのＤＣ電圧、あるいは例えば２５Ｖの幅広φＳＵＢパルスを印加することによりスミア低減を図ることができる。
また、本実施形態の駆動方法は、φＳＵＢパルスの幅をφＶパルスの幅よりも広くしたことが特徴である。具体的には、φＳＵＢパルスの幅が４μｓ以上または水平シフトレジスタの停止期間の４０％以上となっていれば好ましい。ここで、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すφＶは、図７に示すφＶ１〜φＶ６をまとめたものである。従って、φＶパルスの印加期間とは、すべてのφＶパルス（φＶ１〜φＶ６）のうちの少なくとも１つが印加されている期間のことを意味する。
以上、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ）、図６（ｂ）および図７を用いて説明したように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、図４（ａ）に示す従来の駆動方法に比べてφＳＵＢパルスの幅が大きくなっている。
したがって、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、スミア電荷がフォトダイオードに蓄積されにくくなっており、図４〜図７の右図に示すようにスミアの発生をより効果的に防ぐことができる。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、φＳＵＢパルスの幅をφＶパルスの幅よりも広くすることで、フォトダイオードやＰ型ウェルの構成によっても多少異なるが、多大なスミア低減効果があることが分かっている。例えば、φＳＵＢパルスの幅を水平シフトレジスタの停止期間の４０％以上とすることで、フォトダイオードやＰ型ウェルの構成によっても多少異なるが、２ｄＢ程度のスミア低減効果があることが分かっている。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、φＳＵＢパルスの幅を４μｓ以上としてもこれと同等のスミア低減効果が得られる。なお、φＳＵＢパルスの幅をこのように制限したのは、φＳＵＢパルスの幅がこれ以上短いとスミアによる画質の低下が実使用上許容できなくなるおそれがあるためである。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、水平シフトレジスタの動作期間にφＳＵＢパルスを印加しないので、特許文献１に記載された駆動方法に比べ、フォトダイオードの下に位置するＰ型ウェル３１（図２参照）に影響を与えることなく映像信号の転送を行うことができる。そのため、スミアの発生だけでなく筋状のノイズおよび横線境界状のノイズの発生も抑えることができ、画質の劣化を防ぐことができる。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、画素混合動画モードで動作できるように、垂直シフトレジスタはフォトダイオードの飽和電荷量の約１．５倍程度とした場合、基板バイアスを上げてフォトダイオードの飽和電荷量を減らしている。
そのため、本実施形態の駆動方法では、φＶパルスと重なる期間中にφＳＵＢパルスを印加しても垂直シフトレジスタの飽和電荷量に余裕があるため、固体撮像装置のダイナミックレンジ特性を低下させにくくなっている。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、垂直ブランキング期間中に別途φＳＵＢパルスを印加しなくてもφＶパルスの印加期間と高電圧のφＳＵＢパルスの印加期間とを同一にすることができるので、φＳＵＢパルスを印加する際の制御を簡易化することができる。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、半導体基板の電位変化の回数を低減することができるので、消費電力の低減を図ることもできる。
なお、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、高速で動作する被写体や高輝度の被写体を撮影する際には外部に設けられた信号処理部および駆動回路によって電子シャッターのシャッター間隔が短くなるように動作が制御される。この場合、映像信号の電荷量が小さくなるのに対してスミア電荷はあまり小さくならないため、一般的にスミアの発生が目立つようになる。
そこで、露光時間が短くなるほどφＳＵＢパルスの幅が長くなるように固体撮像装置を駆動してもよい。この方法によれば、被写体の輝度に応じて適切にスミア電荷をフォトダイオードから排出することができるので、高輝度の被写体を撮影する際にもスミアの発生が顕著に低減された動画あるいは画像を得ることができる。
従って、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、デジタルカメラやムービーカメラ、監視カメラ、放送用カメラなど、動画撮影モードで駆動されるイメージセンサを備えた種々の撮像装置に好ましく用いることができる。
また、図７の一番下に示すように、基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを水平シフトレジスタの停止期間中全体にわたって半導体基板に印加してもよい。これにより、スミアをより効果的に低減することができる。ただし、この場合には、φＳＵＢパルスがフォトダイオードの下方に配置されたＰ型ウェルに与える影響を考慮して固体撮像装置を駆動する。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、１つの水平ブランキング期間内に印加されるφＳＵＢパルスを複数回に分け、φＳＵＢパルスを印加する期間の合計を４μｓ以上または水平シフトレジスタの停止期間の４０％以上としてもスミアの発生を抑えることができる。
なお、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）は、被写体の輝度が大きくなるに従って基板シャッター電圧のφＳＵＢパルス幅が大きくなるように固体撮像装置が制御されていてもよい。ただし、φＳＵＢパルスの印加は水平シフトレジスタの動作停止期間に限る。これにより、被写体が高輝度である程多量のスミア電荷を基板方向に排出することができるので、スミアの発生を効果的に抑えることができる。
また、本実施形態の固体撮像装置は画素混合動画モードで駆動されていたが、後述する間引き動画モードや静止画撮影モード（フレームモード）などでも使用できる装置構成であってもよい。
この場合、静止画撮影モードではメカニカルシャッターを利用できるので、スミアの低減を図る必要がなく、高電圧のφＳＵＢパルス幅を小さくする。間引き動画モードや画素混合動画モードではφＳＵＢパルス幅を長くする。これにより、いずれのモードで使用してもスミアが低減され、且つ静止画撮影モードでの垂直ブランキング期間を短縮することができる。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、インターライン型の固体撮像装置を用いて駆動方法を説明したが、フレームトランスファー型など、他のタイプの固体撮像装置にも本実施形態の駆動方法を適用することができる。
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）では、水平シフトレジスタの動作停止期間中であって、φＶパルスの印加期間中の全体にわたって基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを印加してもよい。この方法によれば、スミアを低減するとともに、水平ブランキング期間を短縮することができる。なお、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜８）では、バイアス電圧に約１０Ｖを印加している。
なお、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、φＳＵＢパルスのパルス幅を４μｓ以上または水平シフトレジスタの停止期間の４０％以上としたが、φＶパルスの印加期間と同一の期間にφＳＵＢパルスを印加してもよい。φＶパルスは垂直シフトレジスタによる電荷の転送に必須のパルスである。そのため、この方法によれば、スミアを低減と水平ブランキング期間の短縮とを両立することができる。
（第２の実施形態）
−固体撮像装置の構成−
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、第１の実施形態で説明したインターライン型の固体撮像装置が用いられる。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、撮像領域１００においては、入射光の赤（図中「Ｒ」）、青（図中「Ｂ」）、緑（図中「Ｇｒ」または「Ｇｂ」）の各成分のいずれかを電荷に変換するフォトダイオード（光電変換部）がマトリクス状（行列状）に配置されており、各画素列（各フォトダイオードの列）の間には、フォトダイオードから転送された映像信号を蓄積できる垂直シフトレジスタ（ＶＣＣＤ）１３が列方向に配置されている。また、垂直シフトレジスタ１３は、シフトレジスタで構成された振り分け転送部１３０に当該映像信号を転送し、振り分け転送部１３０に保持された映像信号は、行方向に配置された複数の水平シフトレジスタ（ＨＣＣＤ）１２０に転送される。なお、間引き動画モードでの駆動方法である本実施形態の駆動方法では、振り分け転送部１３０は後述のように映像信号の振り分けを行わない。
図１（ａ）に示す例では、垂直シフトレジスタ１３は、それぞれφＶ１、φＶ２・・・φＶ６が印加される期間に映像信号の転送を行う。また、水平シフトレジスタから転送された映像信号は、信号出力部（図示せず）によって電圧信号に変換され、出力される。
振り分け転送部１３０は撮像領域１００の一端に沿って配置され、所定の画素内のフォトダイオードから送られた映像信号を水平シフトレジスタ１２０に送る。
なお、振り分け転送部１３０は画素混合動画モードの駆動を行うために備えられているが、後述する本発明の第２の実施形態に係る駆動方法、すなわち間引き動画モードのみで駆動させる際には振り分け転送部１３０は必要とされない。但し、本実施形態では、同じ撮像装置（例えばカメラ）で画素混合動画モードおよび間引き動画モードの両方の駆動方法を行うため、振り分け転送部１３０が固体撮像装置に備えられている。
具体的には、間引き動画モードでは、図１においてＶ３＝Ｖ３Ｒ＝Ｖ３Ｌ、Ｖ５＝Ｖ５Ｒ＝Ｖ５Ｌとなるようにパルスを印加することにより、図１に示された固体撮像装置は画素混合動画モード、間引き動画モードのいずれのモードでも駆動可能となっている。
したがって、本実施形態の駆動方法で用いられる固体撮像装置は、図２に示す第１の実施形態の駆動方法で用いられる固体撮像装置と同じものである。そのため、縦型オーバーフロードレイン構造を有する本実施形態の固体撮像装置の詳細な説明は省略する。
なお、以下に述べる本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法では、基板バイアスが高いほどスミア特性が良くなり、さらに、露光期間（φＳＵＢパルスから読み出しパルスまでの期間）ではＶｓｕｂが低くなれば感度特性は良くなる。
なお、後述する駆動方法はφＳＵＢパルスの幅をφＶパルスの幅よりも広くしたことが特徴である。
または、後述する図１２に示すように、φＳＵＢパルスの幅は垂直シフトレジスタの与えるφＶパルスのなかで、連続して印加される第１、第２のφＶパルスの第１のφＶパルスの立ち上がりから第２のφＶパルスの立ち上がりまでの期間（Ｌ１）よりも広くすることを特徴とする。
または、後述する図１２に示すように、φＳＵＢパルスの幅は同じ垂直シフトレジスタの与えるφＶパルスのうち、連続して印加されるパルスを第３、第４のφＶパルスとすると、第３のφＶパルスの立ち上がりから第４のφＶパルスの立ち上がりまでの期間（Ｌ２）よりも広くすることを特徴とする。
＜第２の実施形態の駆動方法１＞
図８（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法１を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
なお、図の右側には、それぞれの駆動方法を行って高輝度の被写体を撮像した場合に得られる画像を模式的に示している。
図８（ａ）に示すように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法１は、間引き動画モードで動作しており、図４（ａ）に示す従来の固体撮像装置と比べ、間引き動画モードでの動作期間の全体にわたって半導体基板に印加されるバイアス電圧が大きくなっている。
なお、間引き動画モードの開始は、例えば撮像装置（カメラ）のシャッタを切り、静止画撮影が終了（信号電荷転送の終了）した時点である。さらに間引き動画モードの終了は、例えば、再び撮像装置（カメラ）のシャッタを切り、トリガーパルスが立ち上がるタイミングが画素混合動画モードの終了となる。
図８（ａ）に示すφＳＵＢパルスの下端が例えば５Ｖとすると、φＳＵＢパルスの上端は例えば２５Ｖである。これに対し、半導体基板には１Ｖ期間を通してバイアス電圧が印加されるので、図８（ａ）に示すφＳＵＢパルスの下端は例えば１０Ｖになっており、上端は例えば２５Ｖである。
このように、バイアス電圧が印加されていることにより、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法１では、加算後の映像信号の電荷量を垂直シフトレジスタおよび水平シフトレジスタの飽和電荷量以内に抑えることができ、スミアの発生も抑えることができる。例えば、半導体基板に印加するバイアス電圧を５Ｖ上昇させると、約２ｄＢ程度のスミア改善効果が見られる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法１において、基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを印加する際には静止画撮影モードおよび間引き動画モードと同様の基板バイアス電圧（例えば５Ｖ）でφＳＵＢパルスをクランプ（固定）してフォトダイオードに蓄積する電荷を基板に掃き捨てる。そして、φＳＵＢパルスの印加後は当該基板バイアス電圧よりも大きい直流電圧（例えば１０Ｖ）を基板に印加し、必要とされる以上の電荷をフォトダイオードから排出できるようにしてもよい。
すなわち、φＳＵＢパルスが停止してから信号を読み出すまでの期間が、カメラ（撮像装置）の露光時間であるが、この露光時間中のスミアを低減させることができる。
＜第２の実施形態の駆動方法２＞
図８（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法２を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
図８（ｂ）に示すように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法２では、水平シフトレジスタの停止期間中に高電圧のφＳＵＢパルスを基板に印加する駆動方法１に加え、基板シャッター電圧の印加終了後であって垂直ブランキング期間中に行われるフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの信号転送(読み出しパルスの印加)の直前に、垂直シフトレジスタに残存するスミア電荷の掃き出しを高速で行う。このスミア電荷の掃き出しは、例えば垂直シフトレジスタを１垂直画面分動作させて行う。
なお、間引き動画モードの開始は、例えば撮像装置（カメラ）のシャッタを切り、静止画撮影が終了（信号電荷転送の終了）した時点である。さらに間引き動画モードの終了は、例えば、再び撮像装置（カメラ）のシャッタを切り、トリガーパルスが立ち上がるタイミングが画素混合動画モードの終了となる。
高速スミア掃き出しはムービー用ＣＣＤで一般に用いられている技術であるが、高輝度被写体の下にスミアの白帯が残るという欠点がある。しかし、本変形例では、φＳＵＢパルス幅を広げるとともに、高速スミア掃き出しを行うことで、高輝度被写体の上下ともスミアを低減することができる。
なお、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法２においては、第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法１に比べて半導体基板に印加するバイアス電圧をやや高く、例えば１０Ｖ程度とすることが好ましい。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法２において、基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを印加する際には静止画撮影モードと同様の基板バイアス電圧（例えば５Ｖ）でφＳＵＢパルスをクランプ（固定）してフォトダイオードに蓄積する電荷を基板に掃き捨てる。そして、φＳＵＢパルスの印加後は当該基板バイアス電圧よりも大きい直流電圧（例えば１０Ｖ）を基板に印加し、必要とされる以上の電荷をフォトダイオードから排出できるようにしてもよい。
すなわち、φＳＵＢパルスが停止してから信号を読み出すまでの期間が、カメラ（撮像装置）の露光時間であるが、この露光時間中のスミアを低減させることができる。
＜第２の実施形態の駆動方法３＞
図９（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法３を示したタイミングチャートである。同図は、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法３では、シャッターパルスを印加する前および読み出すパルスの印加後に半導体基板へのバイアス電圧を上げ、シャッターパルスを印加後にバイアス電圧も下げるため、固体撮像装置の感度特性をより向上させることができる。
＜第２の実施形態の駆動方法４＞
図９（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法４を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
図９（ｂ）に示すように、本実施形態の駆動方法４では、間引き動画モードにおいて、水平シフトレジスタの停止期間中に高電圧のφＳＵＢパルスを基板に印加するのに加え、垂直ブランキング期間中に行われるフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの信号転送の直前に、高速でスミア電荷の掃き出しを行っている。
これにより、図９（ｂ）の右図に示すように、φＳＵＢパルス幅を広げるとともに、高速スミア掃き出しを行うことで、高輝度被写体の上下ともスミアを低減することができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法４は、シャッターパルスを印加する前および読み出すパルスの印加後に半導体基板へのバイアス電圧をあげ、シャッターパルスを印加後にバイアス電圧も下げるため、固体撮像装置の感度特性をより向上させることができる。
＜第２の実施形態の駆動方法５＞
図１０（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法５を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法５では、シャッターパルスを印加する前および読み出すパルスの印加前に半導体基板へのバイアス電圧を上げ、シャッターパルスを印加後にバイアス電圧も下げるため、固体撮像装置の感度特性をより向上させることができる。
＜第２の実施形態の駆動方法６＞
図１０（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法６を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
図１０（ｂ）に示すように、間引き動画モードにおいても、第１の実施形態の駆動方法２（図４（ｃ）参照）と同様に、水平シフトレジスタの停止期間中に高電圧のφＳＵＢパルスを基板に印加するのに加え、垂直ブランキング期間中に行われるフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの信号転送の直前に、高速でスミア電荷の掃き出しを行う。これにより、図１０（ｂ）の右図に示すように、φＳＵＢパルス幅を広げるとともに、高速スミア掃き出しを行うことで、高輝度被写体の上下ともスミアを低減することができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法６は、シャッターパルスを印加する前および読み出すパルスの印加前に半導体基板へのバイアス電圧をあげ、シャッターパルスを印加後にバイアス電圧も下げるため、固体撮像装置の感度特性をより向上させることができる。
＜第２の実施形態の駆動方法７＞
図１１（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法７を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法７では、シャッターパルスを印加する前および読み出すパルスの印加前に半導体基板へのバイアス電圧を上げ、シャッターパルスを印加後にバイアス電圧も下げるため、固体撮像装置の感度特性をより向上させることができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法７は、幅広のシャッターパルスの印加が終了後、バイアス電圧を印加するまでの期間にさらに第２の幅広パルスを印加することを特徴とする。
言い換えると、幅広のφＳＵＢパルスの印加終了後から読み出しパルスを印加するまでは露光期間であり、この露光期間にも飽和特性を低減（調整）させるための幅広パルス（第２の幅広パルス）を印加する駆動方法によって、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法５よりも、さらにスミア特性を向上させることができる。
＜第２の実施形態の駆動方法８＞
図１１（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であり、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法６を示したタイミングチャートである。同図では、垂直シフトレジスタのゲート電極に印加するφＶパルスとＮ型半導体基板に印加するφＳＵＢパルスとを示している。
図１１（ｂ）に示すように、間引き動画モードにおいても、第１の実施形態の駆動方法２（図４（ｃ）参照）と同様に、水平シフトレジスタの停止期間中に高電圧のφＳＵＢパルスを基板に印加するのに加え、垂直ブランキング期間中に行われるフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの信号転送の直前に、高速でスミア電荷の掃き出しを行う。これにより、図１１（ｂ）の右図に示すように、φＳＵＢパルス幅を広げるとともに、高速スミア掃き出しを行うことで、高輝度被写体の上下ともスミアを低減することができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法８は、シャッターパルスを印加する前および読み出すパルスの印加前に半導体基板へのバイアス電圧をあげ、シャッターパルスを印加後にバイアス電圧も下げるため、固体撮像装置の感度特性をより向上させることができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法８は、幅広のシャッターパルスの印加が終了後、バイアス電圧を印加するまでの期間にさらに第２の幅広パルスを印加することを特徴とする。
言い換えると、幅広のφＳＵＢパルスの印加終了後から読み出しパルスを印加するまでは露光期間であり、この露光期間にも飽和特性を低減（調整）させるための幅広パルス（第２の幅広パルス）を印加する駆動方法によって、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法６よりも、さらにスミア特性を向上させることができる。
＜第２の実施形態の駆動方法９＞
図１２は、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法であって、間引き動画モードにより動画を撮像するときに用いる駆動方法９を示したタイミングチャートである。同図では、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の１ＨＤ期間における各パルスの波形を拡大して示している。
また、図１２ではバイアス電圧は約５Ｖである。このバイアス電圧が５Ｖであるときはスミア低減効果はほとんど生じないが、約１０ＶのＤＣ電圧、あるいは例えば２５Ｖの幅広φＳＵＢパルスを印加することによりスミア低減を図ることができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（第２の実施形態の駆動方法１〜８）では、固体撮像装置の動作期間の全体にわたって半導体基板に印加されるバイアス電圧は例えば５Ｖ程度となっていてもよい。
これによって、半導体基板に電圧を印加しない場合に比べてフォトダイオードでのスミア電荷の蓄積量を低減している。また、高電圧のφＳＵＢパルスの上端は例えば２５Ｖであり、垂直ブランキング期間と重なる期間には、例えば１０Ｖ程度φＳＵＢパルスが半導体基板に印加される。
なお、この際には直流電圧を半導体基板に印加したり、垂直ブランキング期間において信号電荷読み出し時の直前で半導体基板に電圧を印加してもよい。すなわち、フォトダイオードから垂直シフトレジスタへの電荷の読み出しの前に基板電圧を例えば５Ｖから１０Ｖへ上昇させて、フォトダイオードの電荷量を減少させる制御を行うことができる。
また、図１２に示すように、例えばφＶ１〜φＶ６が図１（ａ）に示す画素アレイ上の垂直シフトレジスタのゲート電極に印加され、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ、φＶ３Ｌ、φＶ３Ｒ、φＶ５Ａ、φＶ５Ｂ、φＶ５Ｌ、φＶ５Ｒなどのパルス信号が振り分け転送部に印加される。ここで、本実施形態の駆動方法では、マトリクス状に配置されたフォトダイオードのうち、一部（例えば全体の１／９）のフォトダイオードから転送された映像信号のみが信号処理される。
また、垂直シフトレジスタの飽和電荷量は、画素混合動画モードで動作する第１の実施形態の垂直シフトレジスタの飽和電荷量と比べてほぼ同じである。
すなわち、画素混合動画モードでは垂直シフトレジスタで信号加算を行うので、垂直シフトレジスタに信号電荷がこぼれないように、基板バイアスを例えば５Ｖから１０Ｖへ上昇させてフォトダイオードの信号量を低減させることが行われる。一方、間引き動画モードでは、垂直シフトレジスタでは信号加算は行わず、水平シフトレジスタで信号加算が行われる。
このとき、水平シフトレジスタは一般的には垂直シフトレジスタよりも飽和電荷量が大きいため、φＳＵＢパルスがφＶパルスと重なる場合には、垂直シフトレジスタの飽和電荷量が減る場合があるため、この場合は基板バイアスを例えば５Ｖから１０Ｖに上昇させてフォトダイオードの信号量を減少させることがより好ましい。
以上、図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）、（ｂ）、図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ）および図１２を用いて説明したように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）は、図４（ａ）に示す従来の駆動方法に比べてφＳＵＢパルスの幅が大きくなっている。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、第１の実施形態と同様に、水平シフトレジスタの動作が停止している期間内に、互いに隣接する２つの垂直シフトレジスタのゲート電極に印加されるパルス電圧の幅の和よりも長い期間、半導体基板に電圧を印加する。具体的には、パルス幅が４μｓ以上または水平シフトレジスタの停止期間の４０％以上となる基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを半導体基板に印加する。
これにより、図４（ａ）に示す従来の固体撮像装置の駆動方法に比べてフォトダイオードに蓄積されるスミア電荷をより長い期間基板方向に掃き出すことができるので、図の右図に示すように、特に高輝度被写体の下方でスミアが低減される。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、φＶパルスを印加している期間中、すなわち垂直シフトレジスタの動作期間中にも基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを半導体基板に印加している。
そのため、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、垂直ブランキング期間中にオーバーフローバリアが消失しない電圧（例えば１０Ｖ）のφＳＵＢパルスを半導体基板に印加して垂直シフトレジスタの飽和電荷量が小さくなっても垂直シフトレジスタに蓄積される電荷が飽和しないようにしている。
このように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）によれば、間引き動画モードにおいて高輝度の被写体を撮影する際にもスミアの発生を抑制し、画質の劣化を抑えることができる。
さらに、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）は、得られる映像の画素数は本発明の第１の実施形態に示された駆動方法、すなわち画素混合動画モードよりも小さくなるが、映像信号の処理量が小さくて済むので、１秒間に撮影できる画像フレーム数を向上させることができ、高速で動作する被写体を撮影し、記録することができるようになる。
そのため、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）は、例えばビデオカメラの液晶ビューファインダーや携帯機器用のカメラなどに好ましく利用することができる。
さらに、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、高速で動作する被写体や高輝度の被写体を撮影する際には外部に設けられた信号処理部によって電子シャッターのシャッター速度が短く、さらに露光期間が短くなるように動作が制御されてもよい。この場合、映像信号の電荷量が小さくなるのに対してスミア電荷はあまり小さくならないため、一般的にスミアの発生が目立つようになる。
すなわち、画素混合動画モードのみではなく間引き動画モードにおいても高輝度被写体の撮影時には電子シャッターの間隔は短くなる。
そこで、露光時間が短くなるほどφＳＵＢパルスの幅が長くなるように固体撮像装置を駆動してもよい。ここで、シャッターパルス電圧のφＳＵＢパルスの幅の変え方は任意であり、シャッター速度が早くなるに従い徐々にパルス幅を長く変化させる方法や、スミアが目立ちやすいシャッター速度を境としてφＳＵＢパルスの幅を変えるようにしてもよい。例えばシャッター速度が１／５００秒よりも短い場合にφＳＵＢパルス幅を広げる等の制御方法が考えられる。
この方法によれば、被写体の輝度に応じて適切にスミア電荷をフォトダイオードから排出することができるので、高輝度の被写体を撮影する際にもスミアの発生が顕著に低減された動画あるいは画像を得ることができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを水平シフトレジスタの停止期間中全体にわたって半導体基板に印加してもよい。これにより、スミアをより効果的に低減することができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、第１の実施形態と同様に水平シフトレジスタの動作停止期間中であって、φＶパルスの印加期間中の全体にわたって基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを印加してもよい。この方法によれば、スミアを低減するとともに、水平ブランキング期間を短縮することができる。また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、バイアス電圧に約１０Ｖを印加している。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）は、１つの水平ブランキング期間内に印加されるφＳＵＢパルスを複数回に分け、φＳＵＢパルスを印加する期間の合計を４μｓ以上または水平シフトレジスタの停止期間の４０％以上としてもスミアの発生を抑えることができる。
また、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、図４（ａ）に示すように、垂直ブランキング期間内の信号読み出しタイミングの直前で、例えば１０Ｖ程度のφＳＵＢパルスを半導体基板に印加してフォトダイオードの飽和電荷量を低減することが行われる。また、φＶパルスの印加は垂直ブランキング内の信号読み出し時の前であり、これにより、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（駆動方法１〜９）では、垂直ブランキング期間中に別途φＳＵＢパルスを印加する必要がなくなるため、φＳＵＢパルスの制御を容易に行うことができる。
（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る撮像装置を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置は、これまで説明した方法で固体撮像装置を駆動するための回路を備えた撮像装置である。図１３では、撮像装置がデジタルカメラである例を示している。
図１３に示すように、本実施形態の撮像装置は、外光を集めるためのレンズ（光学部材）５０と、レンズ５０を通った光を映像信号に変換して出力する固体撮像装置６０と、固体撮像装置６０の動作を制御する駆動回路７０と、固体撮像装置６０から出力された映像信号に基づいて信号処理を行う信号処理部８０と、信号処理部８０との間で信号の授受を行い、外部機器（図示せず）に接続するための外部インターフェース部９０とを備えている。信号処理部８０はまた固体撮像装置６０から出力される映像信号に応じて駆動回路７０に制御信号を出力し、固体撮像装置６０に所定の動作をさせるように制御する。なお、露光時間の制御は映像信号に応じて行う場合とＡＥ（自動露出）センサーを内蔵して行う場合がある。例えば、一眼レフカメラではＡＥセンサーが用いられる。駆動回路８０はいわゆるタイミングジェネレータであり、固体撮像装置に水平同期信号や垂直同期信号などを供給する。
本実施形態の撮像装置に備えられる固体撮像装置６０は、第１および第２の実施形態とその変形例に係る固体撮像装置のいずれを用いてもよい。
例えば、第１の実施形態に係る固体撮像装置を用いる場合、駆動回路７０によって垂直同期信号、水平同期信号を固体撮像装置６０内で生成される。また、駆動回路７０は、各ＨＤ期間ごとの所定期間中にφＨパルスを水平シフトレジスタのゲート電極に供給させる。その一方、駆動回路７０は、各ＨＤ期間のうちのφＨパルス停止期間（水平シフトレジスタの停止期間）中に基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを固体撮像装置６０の半導体基板に供給させる。ここで、φＳＵＢパルスの幅が４μｓ以上または水平シフトレジスタの停止期間の４０％以上となるように制御する。これによって、固体撮像装置６０の撮像領域に設けられたフォトダイオードに蓄積されたスミア電荷が半導体基板へと排出される。
また、駆動回路７０は、各ＨＤ期間のうちの水平ブランキング期間にφＶパルスを垂直シフトレジスタのゲート電極に印加させ、垂直シフトレジスタを動作させる。この際に、各垂直シフトレジスタには複数の同色画素からの映像信号が加算されて保持されていてもよい（画素混合動画モード）。あるいは、一部の画素からの映像信号のみが垂直シフトレジスタに保持されるよう制御されていてもよい（間引き動画モード）。画素混合動画モードで固体撮像装置６０を駆動する場合には、駆動回路７０は、動作期間全体にわたって、あるいは信号読み出し前に１０Ｖ程度のバイアス電圧を半導体基板に印加してフォトダイオードに蓄積される電荷量を小さくさせる。これにより、垂直シフトレジスタが飽和するのを防ぐことができる。ここで、動画や静止画を撮影するための各モードにおける動作データはあらかじめ撮像装置内の記憶部などに格納しておけばよい。
このように、本実施形態の撮像装置によれば、信号処理部８０および駆動回路７０によって基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスの幅とその印加タイミングなどを制御することができるので、第１の実施形態および第２の実施形態で説明した固体撮像装置の駆動方法を実現することができ、被写体の輝度が高い場合であってもスミアの低減された動画を撮影することができる。
なお、信号処理部８０は、固体撮像装置６０から出力された信号を基に、被写体の輝度や動作速度などを測定し、被写体の輝度が高い場合や被写体の動作速度が大きい場合などでは電子シャッターの間隔を短くして露光時間を短縮させるよう駆動回路７０に指示を出すこともできる。この場合、駆動回路７０がこの指示を受けて固体撮像装置６０の半導体基板に基板シャッター電圧を印加する間隔は互いに同じである。なお、本実施形態ではパルス幅を変えるので、パルスの立ち上がりと立ち下がりの間は変わることになる。さらに、信号処理部８０は、露光時間に応じて基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスの幅を変化させるように駆動回路７０に指示を出すこともできる。露光時間が短くなる場合にφＳＵＢパルスの幅が長くなるように制御することで、スミアの発生を効果的に抑制することが可能となる。
なお、以上で説明したのは信号処理部８０と駆動回路７０による固体撮像装置の動作制御の一例であって、本実施形態の撮像装置によれば、これまでの実施形態で説明した固体撮像装置の制御を実施することができる。
なお、固体撮像装置６０と信号処理部８０とは互いに異なるチップ上に形成されていてもよいが、同一のチップ内に形成されていてもよい。
また、本実施形態の撮像装置は、画素混合動画モードと間引き動画モードのいずれでも用いられる他、複数のフォトダイオードに生じる電荷を複数のフィールドで読み出してフレーム静止画像を構成する静止画撮影モード（フレームモード）で駆動することもできる。ここで、撮像装置はメカニカルシャッターを備えていてもよい。静止画撮影モードにおいては露光制御はメカニカルシャッターあるいは電子式シャッターのいずれかを優先させて露光制御を行ってもよい。これらの動作モードは撮像装置に備えられたスイッチなどによって切り替えられるようになっていてもよい。なお、静止画撮影モードにおいてメカニカルシャッターを用いる場合にはスミアがほとんど生じないという利点があり、電子式シャッターを用いる場合には、シャッター速度の制御をより精密に行えるという利点がある。静止画撮影モードに電子式シャッターを用いる場合には、第１および第２の実施形態で説明した駆動方法を適用することができる。
（第４の実施形態）
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る撮像装置を模式的に示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態の撮像装置２０１は、外光を集めるためのレンズ（光学部材）５０と、レンズ５０を通った光を映像信号に変換して出力する固体撮像装置６０と、レンズ５０と固体撮像装置６０との間に設けられ、固体撮像装置６０に入射する外光を制限する光学絞り２０３と、固体撮像装置６０の動作を制御する駆動回路２０４と、固体撮像装置６０から出力された映像信号に基づいて信号処理を行う信号処理部２０５とを備えている。
本実施形態の撮像装置２０１では、第１の実施形態あるいは第２の実施形態に係る固体撮像装置６０の動作と、光学絞り２０３の動作とを駆動回路２０４が制御している。撮像装置２０１内には画素混合動画モードや間引き動画モード、静止画撮影モードなどにおける動作データが格納されており、駆動回路２０４は当該動作データに基づいて固体撮像装置６０の動作を制御する。また、静止画、動画の各撮影モードにおいては被写体の輝度に応じて光学絞り２０３を動作させる。
本実施形態の撮像装置２０１によれば、動画撮影時には駆動回路２０４が各ＨＤ期間のうちのφＨパルス停止期間（水平シフトレジスタの停止期間）中に基板シャッター電圧のφＳＵＢパルスを固体撮像装置６０の半導体基板に供給させる。そして、駆動回路２０４がφＳＵＢパルスの幅を４μｓ以上または水平シフトレジスタの停止期間の４０％以上となるように制御する。この構成によっても、スミアの発生を抑えることができる。
なお、本実施形態の撮像装置２０１においては、φＳＵＢパルスの幅が駆動回路２０４によって制御されているので、光学絞り２０３の構成を簡素化することができる。また、撮像装置２０１の仕様によっては光学絞り２０３を簡素な固定絞りの構成とすることも可能である。このため、撮像装置２０１の製造コストを低減することが可能となる。なお、このような簡素な光学絞りの構成は、第３の実施形態に係る撮像装置にも適用することができる。
以上説明したように、本発明の固体撮像装置および撮像装置の駆動方法は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、業務用カメラなど、動画を撮影できる種々の撮像装置に適用できる。
（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るインターライン型の固体撮像装置のうち、撮像領域およびその周辺回路の構成を概念的に示す図であり、（ｂ）は、撮像領域のうち振り分け転送部を概念的に示す拡大図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置において、フォトダイオードおよび垂直シフトレジスタの構造を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置において、垂直シフトレジスタとフォトダイオードにおける伝導帯端のポテンシャルを示す図、および半導体基板に印加される基板電圧を示す図である。 （ａ）は、電子式シャッターを用いた従来の固体撮像装置の駆動方法におけるφＶパルスとφＳＵＢパルスの例を示すタイミングチャートであり、（ｂ）、（ｃ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。 図４（ｂ）に示す期間Ａにおける各パルスの波形を拡大して示すタイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。 図８（ａ）に示す期間Ｂにおける各パルスの波形を拡大して示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る撮像装置を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る撮像装置を模式的に示すブロック図である。
符号の説明
１１ フォトダイオード
１２ 読み出しゲート部
１３ 垂直シフトレジスタ
１７ Ｎ型半導体基板
３１ Ｐ型ウェル
３２、３５ Ｎ型層
３３、３６、３７ Ｐ+層
３９ ゲート電極
５０ レンズ
６０ 固体撮像装置
７０、２０４ 駆動回路
８０、２０５ 信号処理部
９０ 外部インターフェース部
１００ 撮像領域
１２０ 水平シフトレジスタ
１３０ 振り分け転送部
２０１ 撮像装置

Claims (29)

  1. 半導体基板上に行列状に配置され、前記半導体基板との間にポテンシャルバリアが形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の各列間に配置され、前記光電変換部で生成された前記信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直シフトレジスタと、前記垂直シフトレジスタから転送された前記信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
    動画を撮影するモード時に前記ポテンシャルバリアを消失させる第１の電圧を水平シフトレジスタの動作が停止している各期間中のみにおいて前記半導体基板に印加して、前記光電変換部に生じる電荷を前記半導体基板内へ掃き出しを行い、
    前記垂直シフトレジスタの第１のゲート電極に第１のパルスを、前記垂直シフトレジスタの第２のゲート電極に第２のパルスを、連続的に印加するとき、
    前記第１の電圧の幅は前記第１のパルスの立ち上がりから前記第２のパルスの立ち上がりまでの期間の幅よりも広い幅を有し、前記第１の電圧を前記第１のパルスの立ち上がりから前記第２のパルスの立ち上がりまでの期間に重なるように印加することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  2. 前記半導体基板および前記光電変換部は、前記光電変換部に生じる電荷を前記ポテンシャルバリアを介して前記半導体基板内に掃き出すことが可能な縦型オーバーフロードレイン構造を構成しており、前記垂直シフトレジスタは複数個設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  3. 水平シフトレジスタの動作が停止している各期間中に、４μｓ以上の期間、前記ポテンシャルバリアを消失させる第１の電圧を前記半導体基板に印加して前記光電変換部に生じる電荷を前記半導体基板内に掃き出させることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  4. 前記水平シフトレジスタの動作が停止している各期間において、前記第１の電圧を前記半導体基板に印加する期間は、前記水平シフトレジスタの各停止期間の４０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  5. 前記動画を撮影するモードの期間を通して、前記第１の電圧を印加する期間以外の期間には、前記ポテンシャルバリアの高さを低減させる、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を前記半導体基板に印加することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の駆動方法。
  6. 前記動画を撮影するモードは画素混合動画モードを含んでおり、
    前記垂直シフトレジスタの飽和電荷量は前記光電変換部の飽和電荷量に比べて大きくなっており、
    前記画素混合動画モードにおいて、前記各垂直シフトレジスタは、複数個の前記光電変換部で生成された前記信号電荷を加算して前記水平シフトレジスタへと転送することを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の駆動方法。
  7. 前記第１の電圧の印加期間の終了後で且つ前記光電変換部から前記垂直シフトレジスタへ前記信号電荷を転送する前に、前記垂直シフトレジスタを１垂直画面分動作させて、前記垂直シフトレジスタに残存する電荷の掃き捨てることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の駆動方法。
  8. 前記動画を撮影するモードは間引き動画モードを含んでおり、
    前記間引き動画モードにおいて、前記垂直シフトレジスタは、前記光電変換部のうち一部の光電変換部で生成された前記信号電荷のみを読み出して前記水平シフトレジスタへと転送することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の駆動方法。
  9. 前記光電変換部への入射光の輝度が高い場合には、前記入射光の輝度が低い場合に比べて前記半導体基板に前記第１の電圧を印加するパルスとパルスとの間を短くすることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の駆動方法。
  10. 半導体基板上に行列状に配置され、前記半導体基板との間にポテンシャルバリアが形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の各列間に配置され、前記光電変換部で生成された前記信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直シフトレジスタと、前記垂直シフトレジスタから転送された前記信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタとを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
    動画を撮影するモード時に前記ポテンシャルバリアを消失させる第１の電圧を水平シフトレジスタの動作が停止している各期間中のみにおいて前記半導体基板に印加して、前記光電変換部に生じる電荷を前記半導体基板内へ掃き出しを行い、
    前記垂直シフトレジスタのゲート電極に第１のパルス及び第２のパルスを、連続的に印加するとき、
    前記第１の電圧の幅は前記第１のパルスの立ち上がりから前記第２のパルスの立ち上がりまでの期間の幅よりも広い幅を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  11. 外光を集めるための光学部材と、
    半導体基板上に行列状に配置され、前記半導体基板との間にポテンシャルバリアが形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の各列間に配置され、前記光電変換部で生成された前記信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直シフトレジスタと、前記垂直シフトレジスタから転送された前記信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタと、前記水平シフトレジスタによって出力された前記信号電荷を信号電圧に変換する信号出力部とを備えた固体撮像装置と、
    前記信号出力部から転送された信号電圧を処理する信号処理部と、
    前記固体撮像装置の動作を制御する駆動回路とを備えた撮像装置の駆動方法であって、
    動画を撮影するモード時に前記ポテンシャルバリアを消失させる第１の電圧を水平シフトレジスタの動作が停止している各期間中のみにおいて前記半導体基板に印加して、前記光電変換部に生じる電荷を前記半導体基板内へ掃き出しを行い、
    前記垂直シフトレジスタの第１のゲート電極に第１のパルスを、前記垂直シフトレジスタの第２のゲート電極に第２のパルスを、連続的に印加するとき、
    前記第１の電圧の幅は前記第１のパルスの立ち上がりから前記第２のパルスの立ち上がりまでの期間の幅よりも広い幅を有し、前記第１の電圧を前記第１のパルスの立ち上がりから前記第２のパルスの立ち上がりまでの期間に重なるように印加することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
  12. 前記半導体基板および前記光電変換部は、前記光電変換部に生じる電荷を前記ポテンシャルバリアを介して前記半導体基板内に掃き出すことが可能な縦型オーバーフロードレイン構造を構成しており、前記垂直シフトレジスタは複数個設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置の駆動方法。
  13. 前記駆動回路は、水平シフトレジスタの動作が停止している各期間中に、４μｓ以上の期間、前記ポテンシャルバリアを消失させる第１の電圧を前記半導体基板に印加させ、前記光電変換部に生じる電荷を前記半導体基板内に掃き出させることを特徴とする請求項１１または１２に記載の撮像装置の駆動方法。
  14. 前記駆動回路は、前記水平シフトレジスタの動作が停止している各期間において、前記水平シフトレジスタの各停止期間の４０％以上の期間前記半導体基板に前記第１の電圧を印加させることを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置の駆動方法。
  15. 前記動画を撮影するモードの期間を通して、前記第１の電圧を印加する期間以外の期間には、前記ポテンシャルバリアの高さを低減させる、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を前記駆動回路が前記半導体基板に印加させることを特徴とする請求項１１〜１４のうちいずれか１つに記載の撮像装置の駆動方法。
  16. 前記動画を撮影するモードは画素混合動画モードを含んでおり、
    前記垂直シフトレジスタの飽和電荷量は前記光電変換部の飽和電荷量に比べて大きくなっており、
    前記画素混合動画モードにおいて、前記駆動回路は、複数個の前記光電変換部で生成された前記信号電荷を前記各垂直シフトレジスタに同時に転送させ、且つ加算された信号電荷を前記水平シフトレジスタに転送させることを特徴とする請求項１５に記載の撮像装置の駆動方法。
  17. 前記動画を撮影するモードは間引き動画モードを含んでおり、
    前記間引き動画モードにおいて、前記駆動回路は、前記光電変換部のうち一部の光電変換部で生成された前記信号電荷のみを前記垂直シフトレジスタに読み出させ、読み出された前記信号電荷を前記水平シフトレジスタへと転送させることを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置の駆動方法。
  18. 前記信号処理部は、前記光電変換部への入射光の輝度に応じた第１の制御信号を前記駆動回路に出力し、
    前記駆動回路は、前記第１の制御信号に基づいて、前記光電変換部への入射光の輝度が高い場合には、前記入射光の輝度が低い場合に比べて前記半導体基板に前記第１の電圧を印加するパルスとパルスの間を短くさせることを特徴とする請求項１１〜１７のうちいずれか１つに記載の撮像装置の駆動方法。
  19. 前記信号処理部は、前記光電変換部への入射光の輝度に応じた第２の制御信号を前記駆動回路に出力し、
    前記駆動回路は、前記第２の制御信号に基づいて、前記光電変換部への入射光の輝度が高い場合には、前記入射光の輝度が低い場合に比べて前記半導体基板に前記第１の電圧を印加する期間を長くさせることを特徴とする請求項１１〜１８のうちいずれか１つに記載の撮像装置の駆動方法。
  20. 前記撮像装置は、複数の撮影モードのデータを保持する記憶部をさらに備えており、
    前記駆動回路は、前記記憶部に保持されたデータに基づいて前記固体撮像装置の動作を制御することを特徴とする請求項１１〜１９のうちいずれか１つに記載の撮像装置の駆動方法。
  21. 前記駆動回路は、
    複数個の前記光電変換部で生成された前記信号電荷を前記各垂直シフトレジスタに同時に転送させ、且つ加算された信号電荷を前記水平シフトレジスタに転送させる画素混合動画モードと、
    前記光電変換部のうち一部の光電変換部で生成された前記信号電荷のみを前記垂直シフトレジスタに読み出させ、読み出された前記信号電荷を前記水平シフトレジスタへと転送させる間引き動画モードと、
    複数個の前記光電変換部で生成された前記信号電荷をフィールドで読み出させ、前記信号処理部においてフレーム静止画像を構成する静止画撮影モードとで前記固体撮像装置を動作させることができ、前記第１の電圧の印加期間をモードにより変化させることを特徴とする請求項２０に記載の撮像装置の駆動方法。
  22. 外光を集めるための光学部材と、
    半導体基板上に行列状に配置され、前記半導体基板との間にポテンシャルバリアが形成され、前記光学部材を通った光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の各列間に配置され、前記光電変換部で生成された前記信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直シフトレジスタと、前記垂直シフトレジスタから転送された前記信号電荷を水平方向に転送する水平シフトレジスタと、前記水平シフトレジスタによって出力された前記信号電荷を信号電圧に変換する信号出力部とを備えた固体撮像装置と、
    前記信号出力部から転送された信号電圧を処理する信号処理部と、
    前記固体撮像装置の動作を制御する駆動回路とを備え、
    前記駆動回路は、動画を撮影するモード時に前記ポテンシャルバリアを消失させる第１の電圧を水平シフトレジスタの動作が停止している各期間中のみにおいて前記半導体基板に印加して、前記光電変換部に生じる電荷を前記半導体基板内へ掃き出させ、
    前記垂直シフトレジスタの第１のゲート電極に第１のパルスを、前記垂直シフトレジスタの第２のゲート電極に第２のパルスを、連続的に印加するとき、
    前記第１の電圧の幅は前記第１のパルスの立ち上がりから前記第２のパルスの立ち上がりまでの期間の幅よりも広い幅を有し、前記第１の電圧を前記第１のパルスの立ち上がりから前記第２のパルスの立ち上がりまでの期間に重なるように印加することを特徴とする撮像装置。
  23. 前記半導体基板および前記光電変換部は、前記光電変換部に生じる電荷を前記ポテンシャルバリアを介して前記半導体基板内に掃き出すことが可能な縦型オーバーフロードレイン構造を構成しており、前記垂直シフトレジスタは複数個設けられていることを特徴とする請求項２２に記載の撮像装置。
  24. 前記駆動回路は、水平シフトレジスタの動作が停止している各期間中に、４μｓ以上の期間、前記ポテンシャルバリアを消失させる基板シャッター電圧を前記半導体基板に印加させ、前記光電変換部に生じる電荷を前記半導体基板内に掃き出させることを特徴とする請求項２３に記載の撮像装置。
  25. 前記信号処理部は、前記光電変換部への入射光の輝度に応じた第１の制御信号を前記駆動回路に出力し、
    前記駆動回路は、前記第１の制御信号に基づいて、前記光電変換部への入射光の輝度が高い場合には、前記入射光の輝度が低い場合に比べて前記半導体基板に前記第１の電圧を印加するパルスとパルスの間を短くさせることを特徴とする請求項２４に記載の撮像装置。
  26. 前記信号処理部は、前記光電変換部への入射光の輝度に応じた第２の制御信号を前記駆動回路に出力し、
    前記駆動回路は、前記第２の制御信号に基づいて、前記光電変換部への入射光の輝度が高い場合には、前記入射光の輝度が低い場合に比べて前記半導体基板に前記第１の電圧を印加する期間を長くさせることを特徴とする請求項２４に記載の撮像装置。
  27. 複数の撮影モードのデータを保持する記憶部をさらに備えており、
    前記駆動回路は、前記記憶部に保持されたデータに基づいて前記固体撮像装置の動作を制御することを特徴とする請求項２２〜２６のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
  28. 前記駆動回路は、
    複数個の前記光電変換部で生成された前記信号電荷を前記各垂直シフトレジスタに同時に転送させ、且つ加算された信号電荷を前記水平シフトレジスタに転送させる画素混合動画モードと、
    前記光電変換部のうち一部の光電変換部で生成された前記信号電荷のみを前記垂直シフトレジスタに読み出させ、読み出された前記信号電荷を前記水平シフトレジスタへと転送させる間引き動画モードと、
    複数個の前記光電変換部で生成された前記信号電荷をフィールドで読み出させ、前記信号処理部においてフレーム静止画像を構成する静止画撮影モードとで前記固体撮像装置を動作させることができ、前記第１の電圧の印加期間をモードにより変化させることを特徴とする請求項２７に記載の撮像装置。
  29. 前記光学部材と前記光電変換部との間に、単一絞り構造を有する光学絞りをさらに備えていることを特徴とする請求項２２〜２８のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
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