JP5079656B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器に関し、特に素子動作高速化、つまりフレームレートの高速化を可能にする駆動方法に関するものである。

従来から固体撮像装置（以下、単にＣＣＤともいう。）には、一般的な標準ＴＶ方式のビデオカメラに使われているインターライン方式ＣＣＤがあるが、近年では、監視カメラやＩＰカメラの分野でプログレッシブスキャン方式ＣＣＤ（全画素読み出し方式ＣＣＤ）が多く採用されているようになっている。

プログレッシブスキャン方式ＣＣＤは、特許文献１に示されるように、受光画素（以下、単に画素ともいう。）１つに対して、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）の転送パケット（ＶＣＣＤパケット）が１つ設けられており、これにより全ての受光画素の信号電荷を同時にＶＣＣＤ部へ読み出すことが可能となっている。

しかしながら、カメラの高画素化に伴い、全ての受光画素の信号電荷を高速で読み出すことが困難になってきている。

これを解決する方法として、例えば、特許文献２には、カメラに幾つかの動作モードをもたせて、要求される機能に合わせてＣＣＤの駆動パターン（駆動モード）を切り替える方法が開示されている。

たとえば、解像度が要求される場合には、全画素読み出しモードとして、スチル画像（静止画像）や遅いフレームレートの動画像の画像信号を出力する駆動モードを選択し、さらに、速いフレームレートが要求される場合には、画素間引きモードや画素加算モードとして、やや解像度は悪いが高速で動画信号を出力する駆動モードを選択するという方法がある。

以下に、上記特許文献１に開示のプログレッシブスキャン方式ＣＣＤに対する従来の改善例として、この特許文献２に開示の駆動方法について具体的に説明する。

上述したように、特許文献１に示すプログレッシブスキャン方式ＣＣＤは、受光画素１つに対してＶＣＣＤ部の転送パケットが１つ設けられており、これにより全ての受光画素の信号を同時にＶＣＣＤ部へ読み出すことが可能となっているが、通常の動作では、全ての画素の信号電荷はそれぞれ独立して読み出されるため、画素数の増大に伴い、フレームレートもその画素数に反比例して遅くなっていく。

これを解決するために、特許文献２に開示されているように、２つの画素の信号電荷を水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ部）で加算して読み出す方法が提案されている。

図１８〜図２３は、この特許文献２に開示の電荷転送方法を用いた従来のＣＣＤ型固体撮像装置を説明する図である。

図１８は、この特許文献２に開示のＣＣＤ型固体撮像装置（以下、単にＣＣＤともいう。）の構成を概念的に示し、図１９は、各画素における受光素子とこれに対応する転送電極の配列を示している。また、図２０（ａ）及び（ｂ）は、撮像領域における垂直方向の画素配列、および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。

図１８に示すＣＣＤ５の撮像領域５ａには、被写体からの入射光を光電変換する受光素子を配列してなる受光素子列５０ａ〜５０ｄと、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ部）５００ａ〜５００ｄとが交互に配置されている。

ここで、各受光素子列５０ａ〜５０ｄは、撮像画面の垂直方向に沿って一列に配列された受光素子５１〜５８からなり、各垂直ＣＣＤ５００ａ〜５００ｄは、対応する受光素子列のフォトダイオード５１〜５８から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する転送ゲート電極（以下、単に転送ゲートという。）を有している。これらの垂直転送ゲートは、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送パケット（以下、ＶＣＣＤパケットともいう。）を形成するものである。

また、上記撮像領域５ａの一端側には、水平ＣＣＤ５ｂが配置されており、各垂直ＣＣＤ５００ａ〜５００ｄから転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ５ｂが配置されている。

図２０は、上記撮像領域５ａの受光素子列に対応する垂直ＣＣＤの転送ゲートの構成を説明する図であり、受光素子列５０ａに対応する垂直ＣＣＤ５００ａの転送ゲートの構成（図２０（ａ））及び受光素子列５０ｂに対応する垂直ＣＣＤ５００ｂの転送ゲートの構成（図２０（ｂ））を示している。

具体的には、上記各受光素子列の受光素子はフォトダイオード５１〜５８により構成され、受光素子列５０ａにおけるフォトダイオード５１，５３，５５，５７には、それぞれが、Ｙｅ（イエロ）画素Ｐ５１，Ｐ５３，Ｐ５５，Ｐ５７を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている。また、受光素子列５０ａにおけるフォトダイオード５２，５６には、それぞれが、Ｍｇ（マゼンタ）画素Ｐ５２，Ｐ５６を構成するようその上にカラーフィルタが配置されており、また、受光素子列５０ａにおけるフォトダイオード５４，５８には、それぞれが、Ｇ（緑）画素Ｐ５４，Ｐ５８を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている（図１９（ａ）参照）。

また、受光素子列５０ｂにおけるフォトダイオード５１，５３，５５，５７には、それぞれが、Ｃｙ（シアン）画素Ｐ５１，Ｐ５３，Ｐ５５，Ｐ５７を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている。また、受光素子列５０ｂにおけるフォトダイオード５２，５６には、それぞれが、Ｇ（緑）画素Ｐ５２，Ｐ５６を構成するようその上にカラーフィルタが配置されており、また、受光素子列５０ｂにおけるフォトダイオード５４，５８には、それぞれが、Ｍｇ（マゼンタ）画素Ｐ５４，Ｐ５８を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている（図１９（ｂ）参照）。

なお、図１８に示す受光素子列５０ｃにおけるカラーフィルタの配置は、上記受光素子列５０ａにおけるものと同一であり、図１８に示す受光素子列５０ｄにおけるカラーフィルタの配置は、上記受光素子列５０ｂにおけるものと同一である。

そして、各受光素子列のフォトダイオード５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８に対しては、対応する画素Ｐ５１、Ｐ５２、Ｐ５３、Ｐ５４、Ｐ５５、Ｐ５６、Ｐ５７、Ｐ５８を構成する第１〜第４の転送ゲート５１１〜５１４、５２１〜５２４、５３１〜５３４、５４１〜５４４、５５１〜５５４、５６１〜５６４、５７１〜５７４、５８１〜５８４が設けられている。ここで、第１の転送ゲート５１１、５２１、５３１、５４１、５５１、５６１、５７１、５８１は、対応するフォトダイオード５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８に蓄積された蓄積電荷を垂直ＣＣＤに読み出す読み出しゲートも兼ねている。

ここで、奇数行の各画素（例えば画素５１、５３）の第１〜第４の転送ゲートには、第１〜第４の駆動信号（以下ＣＣＤ駆動信号ともいう。）ΦＶ１Ａ〜ΦＶ４が、また偶数行の各画素（例えば画素５２、５４）の第１〜第４の転送ゲートにはΦＶ１Ｂ〜ΦＶ４が印加されるようになっている。

次に、図２０〜図２３を用いて上記固体撮像装置の動作について説明する。

ここで、図２１は、図１８〜図２０に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、受光素子から垂直ＣＣＤへの信号電荷の読み出し動作（図（ａ））、及び読み出し動作の終了した状態（図（ｂ））を示している。図２２は、図１８〜図２０に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤでの信号電荷の転送動作をタイミング順（（図（ａ）〜図（ｆ））に示している。図２３は、図１８〜図２０に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平転送信号及び垂直転送信号の波形を示している。なお、図２２では、説明の都合上、図２１に示す受光素子列は省略している。

上記各垂直ＣＣＤ５０ａ〜５０ｄの転送ゲートにＣＣＤ駆動信号ΦＶ１Ａ、ΦＶ１Ｂ、ΦＶ２〜ΦＶ４が印加されると、以下のとおり、タイミングｔｊ０〜ｔｊ３の間に、２ライン分の信号電荷が各垂直ＣＣＤ５０ａ〜５０ｄから水平ＣＣＤ５ｂに転送され、さらに、タイミングｔｊ４〜ｔｊ６の間に、垂直ＣＣＤ５０ａ〜５０ｄから水平ＣＣＤ５ｂにて転送された信号電荷が、水平ＣＣＤ５ｂにて水平ＣＣＤ駆動信号ΦＨ１及びΦＨ２によい水平方向に転送される。

すなわち、タイミングｔｊ０では、１つの画素の信号電荷を１つＶＣＣＤパケットに読み出す動作が開示される。つまり、図２１（ａ）に示すように、各受光素子列５０ａ〜５０ｄから、対応する垂直ＣＣＤ５００ａ〜５００ｄに信号電荷が読み出される。

具体的には、受光素子列５０ａに対応する垂直ＣＣＤ５００ａでは、各画素Ｐ５１〜Ｐ５８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが形成され、それぞれのＶＣＣＤパケットＴＰに、上記各フォトダイオード５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８で生成された信号電荷Ｙｅ，Ｍｇ、Ｙｅ，Ｇ、Ｙｅ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇが読み出される（図２０（ａ）参照）。また、受光素子列５０ｂに対応する垂直ＣＣＤ５００ｂでは、各画素Ｐ５１〜Ｐ５８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが形成され、それぞれのＶＣＣＤパケットＴＰに、上記各フォトダイオード５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８で生成された信号電荷Ｃｙ，Ｇ、Ｃｙ，Ｍｇ、Ｃｙ、Ｇ、Ｃｙ、Ｍｇが読み出される（図２０（ｂ）参照）。

その後、タイミングｔｊ１では、上記信号電荷の読み出しが完了し、電荷転送動作の初期状態となる（図２０（ａ）、図２０（ｂ）、図２１（ｂ）、図２２（ａ）参照）。なお、図２２では、説明の便宜上、図２１に示す各受光素子列と対応する垂直ＣＣＤとのうちの、垂直ＣＣＤのみ示している。

次に、タイミングｔｊ２では、各垂直ＣＣＤ５００ａ〜５００ｄで信号電荷を１段転送して各垂直ＣＣＤ５００ａ〜５００ｄから、水平ＣＣＤ５ｂの、各垂直ＣＣＤに対応するＨＣＣＤパケット（図示せず）へ信号電荷Ｇ、Ｍｇ、Ｇ、Ｍｇを転送する（図２２（ｂ）参照）。

続くタイミングｔｊ３では、さらに垂直ＣＣＤ５００ａ〜５００ｄで信号電荷を１段転送して垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤの各垂直ＣＣＤに対応するＨＣＣＤパケットへ信号電荷Ｙｅ、Ｃｙ、Ｙｅ、Ｃｙを転送する。これにより、水平ＣＣＤ５ｂのＨＣＣＤパケットでは、各垂直ＣＣＤから転送されてきた信号電荷が加算されることとなる（図２２（ｃ）参照）。

つまり、水平ＣＣＤ５ｂの、垂直ＣＣＤ５００ａに対応するＨＣＣＤパケットでは、画素Ｐ５８の信号電荷Ｇと画素Ｐ５７の信号電荷Ｙｅとが加算される。水平ＣＣＤ５ｂの、垂直ＣＣＤ５００ｂに対応するＨＣＣＤパケットでは、画素Ｐ５８の信号電荷Ｍｇと画素Ｐ５７の信号電荷Ｃｙとが加算される。水平ＣＣＤ５ｂの、垂直ＣＣＤ５００ｃに対応するＨＣＣＤパケットでは、画素Ｐ５８の信号電荷Ｇと画素Ｐ５７の信号電荷Ｙｅとが加算される。水平ＣＣＤ５ｂの、垂直ＣＣＤ５００ｄに対応するＨＣＣＤパケットでは、画素Ｐ５８の信号電荷Ｍｇと画素Ｐ５７の信号電荷Ｃｙとが加算される。

その後のタイミングｔｊ４では、水平ＣＣＤ５ｂが転送動作を開始する（図２２（ｄ）参照）。

水平ＣＣＤ５ｂが動作中のタイミングｔｊ５では、各垂直ＣＣＤ５００は停止している（図２２（ｅ）参照）。

その後、タイミングｔｊ６で、水平ＣＣＤでの水平転送動作が完了し、水平ＣＣＤ５ｂでは、水平ＣＣＤ５ｂからの信号電荷が転送される前の状態（タイミングｔ１ｊ）に戻り、上記と同様に信号電荷の加算及びその水平方向への転送動作が、撮像領域５ａでのすべての画素で得られた信号電荷、つまり１フレーム分の信号電荷がすべてＣＣＤ外部に読み出されるまで繰り返し行われることとなる。

この方法によれば、垂直解像度は１／２になるが、フレームレートは約２倍に高速化できる。

またさらに、特許文献３では、水平ＣＣＤと垂直ＣＣＤとの間にバッファ部、つまり、垂直転送動作を垂直ＣＣＤでの転送動作とは独立して停止可能な部分を設けてフレームレート高速化を可能にする方法も提案されているが、ゲート構成や駆動タイミングが複雑になるという問題もあった。

この特許文献３に開示の固体撮像装置（第２の従来例）では、信号電荷の転送方法は４つの画素の信号電荷を水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）で加算するものであり、以下このような転送方法について具体的に説明する。

図２４〜図２９は、上記特許文献３に開示されている駆動方法を用いた従来のＣＣＤ型固体撮像装置を説明する図である。

図２４は、この特許文献３に開示のＣＣＤ型固体撮像装置（以下、単にＣＣＤともいう。）の構成を概念的に示し、図２５は、各画素における受光素子とこれに対応する転送電極の配列を示している。また、図２６（ａ）及び（ｂ）は、撮像領域における垂直方向の画素配列、および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。

図２４に示すＣＣＤ６の撮像領域６ａには、図１８に第１の従来例として示したＣＣＤ５と同様、被写体からの入射光を光電変換する受光素子を配列してなる受光素子列６０ａ〜６０ｄと、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）６００ａ〜６００ｄとが交互に配置されている。

ここで、各受光素子列６０ａ〜６０ｄは、図１８に示すＣＣＤ５と同様、撮像画面の垂直方向に沿って一列に配列された受光素子６１〜６８からなり、各垂直ＣＣＤ６００ａ〜６００ｄは、対応する受光素子列のフォトダイオード６１〜６８から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する転送ゲートを有している。また、上記撮像領域６ａの一端側には、図１８に示すＣＣＤ５と同様、水平ＣＣＤ６ｂが配置されている。

図２６は、上記撮像領域６ａの受光素子列に対応する垂直ＣＣＤの転送ゲートの構成を説明する図であり、垂直ＣＣＤ６００ａの転送ゲートの構成（図２６（ａ））及び垂直ＣＣＤ６００ｂの転送ゲートの構成（図２６（ｂ））を示している。

具体的には、ここで、各受光素子列６０ａ〜６０ｄを構成するフォトダイオード６１〜６８は、図１８〜図２３に示すＣＣＤ５における各受光素子列５０ａ〜５０ｄを構成するフォトダイオード５１〜５８と同一のものである。

そして、各受光素子列のフォトダイオード６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８に対しては、対応する画素Ｐ６１、Ｐ６２、Ｐ６３、Ｐ６４、Ｐ６５、Ｐ６６、Ｐ６７、Ｐ６８を構成する第１〜第４の転送ゲート６１１〜６１４、６２１〜６２４、６３１〜６３４、６４１〜６４４、６５１〜６５４、６６１〜６６４、６７１〜６７４、６８１〜６８４が設けられている。ここで、第１の転送ゲート６１１、６２１、６３１、６４１、６５１、６６１、６７１、６８１は、対応するフォトダイオード６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８に蓄積された蓄積電荷を垂直ＣＣＤに読み出す読み出しゲートも兼ねている。

そして、この従来例では、垂直ＣＣＤ６００ａ〜６００ｄと、水平ＣＣＤ６ｂとの間には、各垂直ＣＣＤ６００ａ〜６００ｄとは独立して、水平ＣＣＤ６ｂへの電荷転送が可能なバッファＣＣＤ部６ｃが設けられている。

このバッファＣＣＤ部６ｃには、垂直方向に並ぶ２画素分に相当する第１〜第４の補助転送ゲート６１１ｓ〜６１４ｓ、６２１ｓ〜６２４ｓが設けられており、これらの補助転送ゲートには、垂直ＣＣＤにおける第１〜第４の転送ゲートに印加される第１〜第４の駆動信号とは独立した第１〜第４の補助駆動信号（以下ＣＣＤ補助駆動信号ともいう。）ΦＶ１ｓ１ａ、ΦＶｓ２、ΦＶｓ３ａ、ΦＶ４ｓが印加されるようになっている。

次に動作について説明する。

図２６〜図２９を用いて上記固体撮像装置の動作について説明する。

ここで、図２７は、図２４〜図２６に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、受光素子から垂直ＣＣＤへの信号電荷の読み出し動作（図２７（ａ））、読み出し動作の終了した状態（図２７（ｂ））、垂直方向に２画素分だけ信号電荷を転送した状態（図２７（ｃ））を示している。図２８は、図２４〜図２６に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤでの信号電荷の転送動作をタイミング順（（図（ａ）〜図（ｋ））に示している。図２９は、図２４〜図２６に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平転送信号及び垂直転送信号の波形を示している。なお、図２８では、説明の都合上、図２７に示す受光素子列は省略している。

上記各垂直ＣＣＤ６０ａ〜６０ｄは、ＣＣＤ駆動信号ΦＶ１Ａ、ΦＶ１Ｂ、ΦＶ２〜ΦＶ４、及びＣＣＤ補助駆動信号ΦＶｓ１ａ、ΦＶｓ１ｂ、ΦＶｓ２、ΦＶｓ３ａ、ΦＶｓ３ｂ、ΦＶｓ４により駆動され、同時に、水平ＣＣＤ６ｂは、水平ＣＣＤ駆動信号ΦＨ１及びΦＨ２により駆動される。

すなわち、タイミングｔｊ０’では、１つの画素の信号電荷を１つＶＣＣＤパケットに読み出す動作が開始される。つまり、図２７（ａ）に示すように、各受光素子列６０ａ〜６０ｄから、対応する垂直ＣＣＤ６００ａ〜６００ｄに信号電荷が読み出される。この各画素から対応するＶＣＣＤパケットへの信号電荷の読み出しは、上述した第１の従来例と同様に行われる。

具体的には、受光素子列６０ａに対応する垂直ＣＣＤ６００ａでは、各画素Ｐ６１〜Ｐ６８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが形成され、それぞれのＶＣＣＤパケットＴＰに、上記各フォトダイオード６１〜６８のそれぞれで生成された信号電荷Ｙｅ，Ｍｇ、Ｙｅ，Ｇ、Ｙｅ、Ｍｇ、Ｙｅ、Ｇが読み出される（図２６（ａ）参照）。また、受光素子列６０ｂに対応する垂直ＣＣＤ６００ｂでは、各画素Ｐ６１〜Ｐ６８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが形成され、それぞれのＶＣＣＤパケットＴＰに、上記各フォトダイオード６１〜６８のそれぞれで生成された信号電荷Ｃｙ，Ｇ、Ｃｙ，Ｍｇ、Ｃｙ、Ｇ、Ｃｙ、Ｍｇが読み出される（図２６（ｂ）参照）。

その後のタイミングｔｊ１’ａでは、上記信号電荷の読み出しが完了し、電荷転送動作の初期状態となる（図２７（ｂ）参照）。その後のタイミングｔｊ１’で、信号電荷が２ライン分だけ水平ＣＣＤ側に転送される（図２７（ｃ））。

次にタイミングｔｊ２’では、２列（図２５のｂ列）単位にバッファＣＣＤ部６ｃを駆動して画素信号を１段転送してＶＣＣＤパケットからＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図２８（ｂ））。

タイミングｔｊ３’では、同じ２列（図２５のｂ列）でバッファＣＣＤ部６ｃを駆動してさらに画素信号を１段垂直方向に転送してＶＣＣＤパケットからＨＣＣＤ部６ｂへ信号電荷を転送する（図２８（ｃ））。

タイミングｔｊ４’では、ＨＣＣＤ部で、水平転送信号ΦＨ１及びΦＨ２により転送方向の前方側へ２段（２画素列分）転送する（図２８（ｄ））。

タイミングｔｊ５’では、ＶＣＣＤ部で、全ＶＣＣＤパケットを１段垂直方向に転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図２８（ｅ））。

タイミングｔｊ６’では、ＶＣＣＤ部で、全ＶＣＣＤパケットをさらに１段垂直方向に転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図２８（ｆ））。

タイミングｔｊ７’では、２列（図２５のｂ列）単位で特定のＶＣＣＤパケットを１段転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図２８（ｇ））。

タイミングｔｊ８’では、同列（図２５のｂ列）のＶＣＣＤパケットをさらに１段垂直方向に転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図２８（ｈ））。

タイミングｔｊ９’では、ＨＣＣＤ部で、ＨＣＣＤパケットを水平転送信号ΦＨ１及びΦＨ２により前方へ２段転送する（図２８（ｉ））。

タイミングｔｊ１０’では、ＨＣＣＤ部で、全ＶＣＣＤパケットを１段垂直方向に転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図２８（ｊ））。

タイミングｔｊ１１’では、ＶＣＣＤ部で全ＶＣＣＤパケットをさらに１段垂直方向に転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図２８（ｋ））。

この後にＨＣＣＤ部での転送動作を開始する。

この方法によれば、垂直解像度は１／２、水平解像度も１／２になるが、フレームレートは約４倍に高速化できる。

また、これを解決する手段として、２つ以上の画素の信号電荷を１つのＶＣＣＤパケットに読み出し、２つ以上画素の信号電荷を混在させ、これにより、ＶＣＣＤ部のなかに空のＶＣＣＤパケットを発生させる。

信号電荷が存在するＶＣＣＤパケットがＨＣＣＤ部に隣接している場合は、信号電荷が存在するＶＣＣＤパケットからＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送するとき、ＨＣＣＤ部は待機状態であり、ＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷の転送が完了した後、ＨＣＣＤ部は水平転送動作を行う。
特開昭５８−１５７２６４号公報 特開平５−１４８１６号公報 特開２００５−３１８２４０号公報

しかしながら、特許文献２では、簡単な方法でフレームレートを高速化可能であるが、すべてのＶＣＣＤパケットに信号電荷が存在しているため、ＨＣＣＤ部の転送動作中は必ずＶＣＣＤ部は転送動作を停止している必要があり、より多くの画素信号をＨＣＣＤ部で加算する場合には、ＨＣＣＤ部はより長時間にわたって転送動作を停止する必要がある。すなわち、このことがフレームレート高速化を妨げる制限となっている。

また、特許文献３では、ゲート構造が複雑になり、それを駆動させるための端子も増加する。加えて、駆動タイミングも複雑になるため、カメラシステム自体が非常に複雑なものになる。

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、ＣＣＤ部のゲート構成を複雑にすることなく、より高速なフレームレートを可能にする固体撮像装置およびその駆動方法、並びにこのような固体撮像装置を用いた電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の受光画素と、該受光画素で生成される信号電荷の量を調整する信号電荷調整部と、各受光画素列に対応して設けられ、該受光画素列の受光画素から読み出された信号電荷を電荷転送パケットに格納して垂直方向に転送する垂直転送部と、該垂直転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像装置であって、該垂直転送部は、該信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットが生ずるよう、２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納するよう構成されており、該水平転送部は、該垂直転送部の空の電荷転送パケットが該水平転送部に到達している状態で、該垂直転送部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成されており、１つの受光画素に対して１つの電荷転送パケットが形成されており、該受光画素は、２次元行列状に配列されており、該垂直転送部は、該信号電荷の転送動作中に、該信号電荷の格納されていない電荷転送パケットである空パケットと、信号電荷が格納されている電荷転送パケットである格納パケットとが交互に配列されるよう、隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記信号電荷調整部は、前記２つの受光画素で生成された信号電荷を前記垂直転送部の１つの垂直転送パケットに混在させて格納する際に、該信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて、該各受光画素で生成される信号電荷の量を調整するよう構成されていることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記受光画素は、半導体基板の表面領域に形成され、入射光を光電変換するフォトダイオードを含み、前記信号電荷調整部は、該半導体基板の裏面側に形成され、各フォトダイオードで生成された信号電荷を引き抜くためのオーバーフロードレイン部を有し、該オーバーフロードレインに印加する制御電圧を、該１つの垂直転送パケットに信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて調整するよう構成されていることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記垂直転送部は、奇数行の受光画素から対応する垂直転送パケットへの信号電荷の読み出しを、偶数行の受光画素から対応する垂直転送パケットに信号電荷が読み出されないよう行い、該奇数行の受光画素から読み出した信号電荷を格納した垂直転送パケットを、１画素分転送した後、該垂直転送パケットに、偶数行の受光画素から信号電荷を読みだして、隣接する２画素分の信号電荷を１つの垂直転送パケットに格納することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記垂直転送部は、隣接する奇数行と偶数行の２つの受光画素に跨るよう垂直転送パケットを形成し、該２画素に跨る垂直転送パケットに同時に、それぞれの画素に対応する信号電荷を読み出して、２画素分の信号電荷を混在させて格納することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記水平転送部は、前記各受光画素列における２つの受光画素で生成された信号電荷を混在させて格納した１つの垂直転送パケットから信号電荷を受け取って、該各受光画素列に対応する水平転送パケットに格納し、該水平転送パケットを他の受光画素列に対応する位置まで移動させた後、該水平転送パケットに、該他の受光画素列における、２つの受光画素で生成された信号電荷を混在させて格納した１つの垂直転送パケットの信号電荷を追加格納することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記受光画素は２次元行列状に配列され、奇数受光画素列ではすべて、各受光画素に設けられている色の異なる複数のカラーフィルタが同一配列パターンとなっており、偶数受光画素列ではすべて、各受光画素に設けられている色の異なる複数のカラーフィルタが同一配列パターンとなっており、該奇数画素列と該偶数画素列とでは、カラーフィルタの配列パターンが異なっていることが好ましい。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の受光画素と、該受光画素で生成される信号電荷の量を調整する信号電荷調整部と、各受光画素列に対応して設けられ、該受光画素列の受光画素から読み出された信号電荷を電荷転送パケットに格納して垂直方向に転送する垂直転送部と、該垂直転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像装置を駆動する方法であって、該垂直転送部を、該信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットが形成され、かつ２つの受光画素で生成された信号電荷が１つの電荷転送パケットに混在して格納されるよう駆動し、該水平転送部を、該垂直転送部の空の電荷転送パケットが該水平転送部に到達している状態で、該垂直転送部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作が行われるよう駆動し、１つの受光画素に対して１つの電荷転送パケットが形成されており、該受光画素は、２次元行列状に配列されており、該垂直転送部では、該信号電荷の転送動作中に、該信号電荷の格納されていない電荷転送パケットである空パケットと、信号電荷が格納されている電荷転送パケットである格納パケットとが交互に配列されるよう、隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記２つの受光画素で生成された信号電荷を前記垂直転送部の１つの垂直転送パケットに混在させて格納する際に、該信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて、該各受光画素で生成されることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記垂直転送部では、２次元行列状に配列された複数の受光画素のうちの奇数行の受光画素から対応する垂直転送パケットへ信号電荷を読み出す読み出し動作を、偶数行の受光画素から対応する垂直転送パケットに信号電荷が読み出されないよう行い、該複数の受光画素のうちの奇数行の受光画素から読み出した信号電荷を格納した垂直転送パケットを、１画素分転送した後、該垂直転送パケットに、該複数の受光画素のうちの偶数行の受光画素から信号電荷を読みだして、隣接する２画素分の信号電荷を１つの垂直転送パケットに格納することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記垂直転送部では、２次元行列状に配列された複数の受光画素における、隣接する奇数行と偶数行の２つの受光画素に跨るよう垂直転送パケットを形成し、該２受光画素に跨る垂直転送パケットに同時に、それぞれの受光画素に対応する信号電荷を読み出して、２画素分の信号電荷を混在させて格納することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記水平転送部では、前記各受光画素列における２つの受光画素で生成された信号電荷を混在させて格納した１つの垂直転送パケットから信号電荷を受け取って、該各受光画素列に対応する水平転送パケットに格納し、該水平転送パケットを他の受光画素列に対応する位置まで移動させた後、該水平転送パケットに、該他の受光画素列における、２つの受光画素で生成された信号電荷を混在させて格納した１つの垂直転送パケットの信号電荷を追加格納することが好ましい。

本発明に係る電子情報機器は、被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、該撮像部は、上述した固体撮像装置であり、そのことにより上記目的が達成される。

以下、本発明の作用について説明する。

本発明においては、垂直転送部を、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットが生ずるよう、２以上の受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納するよう構成し、水平転送部を、該垂直転送部の空の電荷転送パケットが該水平転送部に到達している状態で、該垂直転送部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成しているので、垂直方向に並ぶ画素の信号電荷を混在させる際に、水平転送部での転送動作を停止させる必要がなく、しかも水平転送部では、垂直転送部から空パケットが到達した時点では、水平転送動作を停止する必要がなく、水平転送動作の中断期間を短縮して電荷転送効率を高めることができる。

また、本発明においては、受光画素で生成される信号電荷の量を調整する信号電荷調整部を備えているので、２つ以上の画素の信号電荷を垂直転送部の１つ転送パケットに読み出して加算する際は、垂直転送部がブルーミングを起こさないようにすることができる。

以上のように、本発明によれば、垂直転送部では、該信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットが生ずるよう、２以上の受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納し、水平転送部では、該垂直転送部の空の電荷転送パケットが該水平転送部に到達している状態で、該垂直転送部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うので、電荷転送部でのゲート構成を複雑にすることなく、より高速なフレームレートを実現することができる。この結果、素子構成等を複雑にすることなく、容易にカメラの高性能化、つまりより高速な動画映像を撮影することができる効果がある。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１〜図６は、本発明の実施形態１による固体撮像装置を説明する図である。図１は、この実施形態１の固体撮像装置（以下、単にＣＣＤともいう。）の構成を概念的に示し、図２は、各画素における受光素子とこれに対応する転送電極の配列を示している。

この実施形態１の固体撮像装置（ＣＣＤ）１は、図１及び図２に示すように、被写体の撮像を行うための撮像領域１ａを有し、該撮像領域１ａには、被写体からの入射光を光電変換する受光素子を配列してなる受光素子列１０ａ〜１０ｈと、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ部）１００ａ〜１００ｈとが交互に配置されている。

なお、図１では、固体撮像装置１を簡略化して概念的に示すため、図２で示す８個の受光素子列１０ａ〜１０ｈのうちの４つの受光素子列１０ａ〜１０ｄのみ、また図２で示す８個のＶＣＣＤ部１００ａ〜１００ｈのうちの４つのＶＣＣＤ部１００ａ〜１００ｄのみ示しており、以下説明の簡略化のため、受光素子列として４つの受光素子列１０ａ〜１０ｄ、垂直転送部として４つのＶＣＣＤ部１００ａ〜１００ｄを挙げて説明する。また、奇数番目の受光素子列１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、１０ｇと、偶数番目の受光素子列１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ、１０ｈとは、配置されているカラーフィルタの色の配列が異なるのみで、その他の点は同一の構成となっている。また、ＶＣＣＤ部１００ａ〜１００ｈについては、すべて同一構成となっている。

ここで、各受光素子列１０ａ〜１０ｄは、撮像画面の垂直方向に沿って一列に配列された受光素子１１〜１８からなり、各垂直ＣＣＤ１００ａ〜１００ｄは、対応する受光素子列のフォトダイオード１１〜１８から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する転送ゲート電極（以下、単に転送ゲートという。）を有している。これらの垂直転送ゲートは、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送パケット（以下、ＶＣＣＤパケットともいう。）を形成するものである。また、各受光素子列のフォトダイオードと、該ＶＣＣＤ部の各フォトダイオードに対応する部分とにより、１つの受光画素が形成されている。

また、上記撮像領域１ａの一端側には、各垂直ＣＣＤ１００ａ〜１００ｄから転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送部（ＨＣＣＤ部）１ｂが配置されている。

図３は、上記撮像領域１ａの受光素子列に対応する垂直ＣＣＤの転送ゲートの構成を説明する図であり、奇数番目の受光素子列１０ａに対応する垂直ＣＣＤ１００ａの転送ゲートの構成（図３（ａ））及び偶数番目の受光素子列１０ｂに対応する垂直ＣＣＤ１００ｂの転送ゲートの構成（図３（ｂ））を示している。

具体的には、上記各受光素子列の受光素子は、フォトダイオード１１〜１８により構成され、受光素子列１０ａにおけるフォトダイオード１１，１３，１５，１７には、それぞれが、Ｙｅ（イエロ）画素Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１５，Ｐ１７を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている。また、受光素子列１０ａにおけるフォトダイオード１２，１６には、それぞれが、Ｍｇ（マゼンタ）画素Ｐ１２，Ｐ１６を構成するようその上にカラーフィルタが配置されており、また、受光素子列１０ａにおけるフォトダイオード１４，１８には、それぞれが、Ｇ（緑）画素Ｐ１４，Ｐ１８を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている（図３（ａ）参照）。

また、受光素子列１０ｂにおけるフォトダイオード１１，１３，１５，１７には、それぞれが、Ｃｙ（シアン）画素Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１５，Ｐ１７を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている。また、受光素子列１０ｂにおけるフォトダイオード１２，１６には、それぞれが、Ｇ（緑）画素Ｐ１２，Ｐ１６を構成するようその上にカラーフィルタが配置されており、また、受光素子列１０ｂにおけるフォトダイオード１４，１８には、それぞれが、Ｍｇ（マゼンタ）画素Ｐ１４，Ｐ１８を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている（図３（ｂ）参照）。

なお、図１に示す受光素子列１０ｃにおけるカラーフィルタの配置は、上記受光素子列１０ａにおけるものと同一であり、図１に示す受光素子列１０ｄにおけるカラーフィルタの配置は、上記受光素子列１０ｂにおけるものと同一である。

そして、各受光素子列のフォトダイオード１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８に対しては、対応する画素Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４、Ｐ１５、Ｐ１６、Ｐ１７、Ｐ１８を構成する第１〜第４の転送ゲート１１１〜１１４、１２１〜１２４、１３１〜１３４、１４１〜１４４、１５１〜１５４、１６１〜１６４、１７１〜１７４、１８１〜１８４が設けられている。ここで、第１の転送ゲート１１１、１２１、１３１、１４１、１５１、１６１、１７１、１８１は、対応するフォトダイオード１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８に蓄積された蓄積電荷を垂直ＣＣＤに読み出す読み出しゲートも兼ねている。

ここで、奇数行の各画素（例えば画素１１、１３）の第１〜第４の転送ゲートには、第１〜第４の駆動信号（以下ＣＣＤ駆動信号ともいう。）ΦＶ１Ａ、ΦＶ２〜ΦＶ４が、また偶数行の各画素（例えば画素１２、１４）の第１〜第４の転送ゲートにはΦＶ１Ｂ、ΦＶ２〜ΦＶ４が印加されるようになっている。

そして、この実施形態１の固体撮像装置１では、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）１０ａ〜１０ｄは、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットＶＰｅが生ずるよう、２つの以上の受光画素、ここでは隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットＶＰｆに混在させて格納するよう構成され、水平転送部（ＨＣＣＤ部）１ｂは、該ＶＣＣＤ部の空の電荷転送パケットＶＰｅが該ＨＣＣＤ部１ｂに到達している状態で、該ＶＣＣＤ部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成されている。

また、この実施形態１では、上記受光素子としてのフォトダイオードが形成されている半導体基板の裏面側には、オーバーフロードレイン部が形成されている。このオーバーフロードレイン部は、これに印加する制御電圧により、各フォトダイオードで生成された信号電荷を基板外部に引き抜くためのものであり、該オーバーフロードレインに印加する制御電圧は、該１つの垂直転送パケットに信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて調整されるようになっている。

次に、図３〜図６を用いて本実施形態１の固体撮像装置１の動作について説明する。

ここで、図４は、受光素子からＶＣＣＤ部への信号電荷の読み出し動作（図（ａ））、及び読み出し動作の終了した状態（図（ｂ））を示している。図５は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤでの信号電荷の転送動作をタイミング順（（図（ａ）〜図（ｅ））に示している。図６は、水平転送信号及び垂直転送信号の波形を示している。なお、図５では、説明の都合上、図４に示す受光素子列は省略している。

以下の説明では、２つの画素の画素信号（信号電荷）を加算して１つのＶＣＣＤパケットに読み出す場合の例を示している。

図３に示すように、上記各ＶＣＣＤ部１０ａ〜１０ｄの転送ゲートにＣＣＤ駆動信号ΦＶ１Ａ、ΦＶ１Ｂ、ΦＶ２〜ΦＶ４が印加され、タイミングｔ０〜ｔ１の間に、垂直転送パケットＴＰが１画素分移動すると、ＶＤＤＣ部にて、２つの画素の信号電荷が１つＶＣＣＤパケットに読み出され、空のＶＣＣＤパケットが発生する。

つまり、ＶＣＣＤ部１０ａ〜１０ｄでは、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空のＶＣＣＤパケットＶＰｅが生ずるよう、２つの受光画素、ここでは隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷が１つの電荷転送パケットＶＰｆに混在させて格納される。また、上記タイミングｔ０では、受光画素での信号電荷量を従来の１／２の量になるようにＯＦＤ抑圧、つまりオーバーフロードレインに印加する制御電圧が調整される。

その後、２ライン分の信号電荷が各垂直ＣＣＤ１０ａ〜１０ｄからＨＣＣＤ部１ｂに転送され、さらに、垂直ＣＣＤ１０ａ〜１０ｄから水平ＣＣＤ１ｂにて転送された信号電荷が、水平ＣＣＤ１ｂにて水平ＣＣＤ駆動信号ΦＨ１及びΦＨ２により水平方向に転送される。

すなわち、タイミングｔ０では、奇数行の画素列の信号電荷を１つＶＣＣＤパケットに読み出す動作が開始される。つまり、図４（ａ）に示すように、各受光素子列１０ａ〜１０ｄから、対応する垂直ＣＣＤ１００ａ〜１００ｄに信号電荷が読み出される。

具体的には、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、受光素子列１０ａに対応する垂直ＣＣＤ１００ａでは、各画素Ｐ１１〜Ｐ１８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが形成され、上記各フォトダイオード１１、１３、１５、１７で生成された信号電荷Ｙｅが対応するパケットに読み出される（図３（ａ）参照）。また、受光素子列１０ｂに対応するＶＣＣＤ部１００ｂでは、各画素Ｐ１１〜Ｐ１８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが形成され、上記各フォトダイオード１１、１３、１５、１７で生成された信号電荷Ｃｙが、対応するＶＣＣＤパケットＴＰに読み出される（図３（ｂ）参照）。

その後、図３に示すように、タイミングｔ１までの間に、ＶＣＣＤ部１００ａ及び１００ｂでは、ＶＣＣＤパケットＴＰが１画素分移動し、タイミングｔ１では、上記各フォトダイオード１１、１３、１５、１７で生成された信号電荷Ｙｅを格納しているＶＣＣＤパケットに、上記各フォトダイオード１２、１４、１６、１８で生成された信号電荷Ｍｇ、Ｇ、Ｍｇ、Ｇが混入される。このようにＶＣＣＤ部に隣接する画素の信号電荷が、１つのＶＣＣＤパケットに読み出された状態が、初期状態（ｔ＝ｔ１）として、図４（ｂ）及び図５（ａ）に示されている。図５では、説明の便宜上、図４に示す各受光素子列と対応する垂直ＣＣＤとのうちの、垂直ＣＣＤのみ示している。

次に、タイミングｔ２では、信号電荷の存在するＶＣＣＤパケットからＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する。つまり、タイミングｔ２では、各垂直ＣＣＤ１００ａ〜１００ｄで信号電荷を１段転送して各垂直ＣＣＤ１００ａ〜１００ｄから、水平ＣＣＤ１ｂの、各垂直ＣＣＤに対応するＨＣＣＤパケット（図示せず）へ信号電荷Ｙｅ＋Ｇ、Ｃｙ＋Ｍｇ、Ｙｅ＋Ｇ、Ｃｙ＋Ｍｇを転送する（図５（ｂ）参照）。

タイミングｔ３では、ＨＣＣＤ部を転送動作させる。つまり、このタイミングｔ３では、水平ＣＣＤ１ｂが転送動作を開始する（図５（ｃ）参照）。このとき、ＶＣＣＤ部は転送動作中であり、空のＶＣＣＤパケットがＨＣＣＤ部１ｂに到着し、その後タイミングｔ４では、ＨＣＣＤ部１ｂの転送動作中にＶＣＣＤ部でＶＣＣＤパケットが１段転送されて、ＨＣＣＤ部に隣接していた空のＶＣＣＤパケットが消滅する。

そして、タイミングｔ５では、ＨＣＣＤ部の転送動作が完了し、タイミングｔ１における状態にもどる。

このようにタイミングｔ１からタイミングｔ５のサイクルを繰返して、画面１枚分の信号電荷を全て転送した後、ＶＣＣＤ部での信号電荷の蓄積状態は、タイミングｔ０の初期状態へ戻る。

このような動作を行うことにより、従来はタイミングｔ１’〜タイミングｔ３’まで必要であったＨＣＣＤ部の待機時間が、タイミングｔ１〜タイミングｔ２までに短縮されることとなる。

この方法によれば、垂直解像度は１／２になるが、フレームレートは約２倍に高速化できる。

このように本実施形態１の固体撮像装置では、ＶＣＣＤ部の中に信号電荷の存在するパケットと空のパケットを発生させ、信号電荷の存在するＶＣＣＤパケットからＨＣＣＤへの電荷転送は、従来同様に、ＨＣＣＤ部の待機状態に、ＶＣＣＤ部の電荷転送動作により行われるが、空のＶＣＣＤパケットがＨＣＣＤ部に隣接する場合は、ＶＣＣＤ部が転送動作中であっても、ＨＣＣＤ部は必ずしも待機する必要がない。

すなわち、ＶＣＣＤ部が転送動作中でありかつＨＣＣＤ部も動作中となることが可能となる。

このことにより、ＨＣＣＤ部とＶＣＣＤ部とは時間的に効率よく転送動作を行うことができ、１枚の画面を読み出すために必要な時間（フレームレート）の短縮（つまり、フレームレート高速化）を行うことができる。

この結果、素子構成等を複雑にすることなく、容易にカメラの高性能化（より高速な動画映像を撮影すること）が実現できる。

また、この実施形態１では、受光画素で生成される信号電荷の量を調整する信号電荷調整部を備えているので、２つ以上の画素の信号電荷を垂直転送部の１つ転送パケットに読み出して加算する際は、垂直転送部がブルーミングを起こさないようにすることができる。
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２による固体撮像装置を説明する図であり、このＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。また、図８は、上記実施形態２の固体撮像装置の構成及び動作を説明する図であり、図８（ａ）及び図８（ｂ）はそれぞれ、隣接する奇数画素列及び偶数画素列における画素配列および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。

この実施形態２の固体撮像装置２は、上記実施形態１の固体撮像装置とは、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）を、隣接する２つの画素の信号電荷を１つのＶＣＣＤパケットに同時に読み出すよう構成している点で異なっており、その他の構成は上記実施形態２のものと同一である。

すなわち、この実施形態２の固体撮像装置（ＣＣＤ）２は、図７及び図８に示すように、被写体の撮像を行うための撮像領域２ａを有し、該撮像領域２ａには、被写体からの入射光を光電変換する受光素子を配列してなる受光素子列２０ａ〜２０ｄと、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ部）２００ａ〜２００ｄとが交互に配置されている。

そして、各受光素子列はフォトダイオード２１〜２８により構成されており、該フォトダイオード２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８に対しては、対応する画素Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４、Ｐ２５、Ｐ２６、Ｐ２７、Ｐ２８を構成する第１〜第４の転送ゲート２１１〜１１４、２２１〜２２４、２３１〜２３４、２４１〜２４４、２５１〜２５４、２６１〜２６４、２７１〜２７４、２８１〜２８４が設けられている。ここで、奇数行のフォトダイオード２１、２３、２５、２７に対応する第４の転送ゲート２１４、２３４、２５４、２７４は、対応するフォトダイオード２１、２３、２５、２７に蓄積された蓄積電荷を垂直ＣＣＤに読み出す読み出しゲートも兼ねている。偶数行のフォトダイオード２２、２４、２６、２８に対応する第１の転送ゲート２２１、２４１、２６１、２８１は、対応するフォトダイオード２２、２４、２６、２８に蓄積された蓄積電荷を垂直ＣＣＤに読み出す読み出しゲートも兼ねている。

ここで、奇数行の各画素（例えば画素１１、１３）の第１〜第３の転送ゲートには、第１〜第３の駆動信号（以下ＣＣＤ駆動信号ともいう。）ΦＶ１〜ΦＶ３が、また偶数行の各画素の第２〜第４の転送ゲートにはΦＶ２〜ΦＶ４が印加されるようになっている。

また、奇数行の各画素の第４の転送ゲートには、第４の駆動信号ΦＶ４Ａが、また偶数行の各画素の第１の転送ゲートにはΦＶ１Ａが印加されるようになっている。

そして、この実施形態２の固体撮像装置２では、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）２０ａ〜２０ｄは、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットＶＰｅが生ずるよう、隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットＶＰｆに同時に混在させて格納するよう構成され、水平転送部（ＨＣＣＤ部）２ｂは、実施形態１のものと同様に、該ＶＣＣＤ部の空の電荷転送パケットＶＰｅが該ＨＣＣＤ部２ｂに到達している状態で、該ＶＣＣＤ部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成されている。

また、この実施形態２では、実施形態１と同様、上記受光素子としてのフォトダイオードが形成されている半導体基板の裏面側には、オーバーフロードレイン部が形成されている。このオーバーフロードレイン部は、これに印加する制御電圧により、各フォトダイオードで生成された信号電荷を基板外部に引き抜くためのものであり、該オーバーフロードレインに印加する制御電圧は、該１つの垂直転送パケットに信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて調整されるようになっている。

次に動作について説明する。

タイミングｔ０では、奇数行の画素列の信号電荷を１つＶＣＣＤパケットに読み出す動作が開始されると、タイミングｔ１ａにて、各受光素子列２０ａ〜２０ｄから、対応する垂直ＣＣＤ２００ａ〜２００ｄに信号電荷が読み出される。

具体的には、図８（ａ）に示すように、受光素子列２０ａに対応する垂直ＣＣＤ２００ａでは、各画素Ｐ２１〜Ｐ２８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが、隣接する画素に跨るよう形成され、上記各フォトダイオード２１〜２８で生成された信号電荷が、隣接する画素のものが混在するようにパケットに読み出される。

つまり、垂直ＣＣＤ２００ａでは、フォトダイオード２１で生成された信号電荷Ｙｅと、フォトダイオード２２で生成された信号電荷Ｍｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出され、フォトダイオード２３で生成された信号電荷Ｙｅと、フォトダイオード２４で生成された信号電荷Ｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出される。またフォトダイオード２５で生成された信号電荷Ｙｅと、フォトダイオード２６で生成された信号電荷Ｍｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出され、フォトダイオード２７で生成された信号電荷Ｙｅと、フォトダイオード２８で生成された信号電荷Ｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出される。

また、図８（ｂ）に示すように、受光素子列２０ｂに対応する垂直ＣＣＤ２００ｂでは、各画素Ｐ２１〜Ｐ２８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが、隣接する画素に跨るよう形成され、上記各フォトダイオード２１〜２８で生成された信号電荷が、隣接する画素のものが混在するようにパケットに読み出される。

つまり、垂直ＣＣＤ２００ｂでは、フォトダイオード２１で生成された信号電荷Ｃｙと、フォトダイオード２２で生成された信号電荷Ｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出され、フォトダイオード２３で生成された信号電荷Ｃｙと、フォトダイオード２４で生成された信号電荷Ｍｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出される。またフォトダイオード２５で生成された信号電荷Ｃｙと、フォトダイオード２６で生成された信号電荷Ｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出され、フォトダイオード２７で生成された信号電荷Ｃｙと、フォトダイオード２８で生成された信号電荷Ｍｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出される。

その後は、実施形態１のものと同様に、ＶＣＣＤパケットに読み出された信号電荷は、ＨＣＣＤ部に転送されることとなる。

このような構成の本実施形態２の固体撮像装置２では、垂直転送部２００ａ〜２００ｄを、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットが生ずるよう、２以上の受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納するよう構成し、水平転送部２ｂを、該垂直転送部の空の電荷転送パケットが該水平転送部に到達している状態で、該垂直転送部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成しているので、垂直方向に並ぶ画素の信号電荷を混在させる際に、水平転送部での転送動作を停止させる必要がなく、しかも水平転送部では、垂直転送部から空パケットが到達した時点では、水平転送動作を停止する必要がなく、水平転送動作の中断期間を短縮して電荷転送効率を高めることができる。

しかも、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）を、隣接する２つの画素の信号電荷を１つのＶＣＣＤパケットに同時に読み出すよう構成しているので、垂直転送部で隣接する２画素からの信号電荷の読み出しを非常に短い時間で行うことができる。

また、この実施形態２においても、受光画素で生成される信号電荷の量を調整する信号電荷調整部を備えているので、２つ以上の画素の信号電荷を垂直転送部の１つ転送パケットに読み出して加算する際は、垂直転送部がブルーミングを起こさないようにすることができる。
（実施形態３）
図９〜図１４は、本発明の実施形態３による固体撮像装置を説明する図であり、図９はこのＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。図１０は、各画素における受光素子とこれに対応する転送電極の配列を示している。

この実施形態３の固体撮像装置（ＣＣＤ）３は、図９及び図１０に示すように、被写体の撮像を行うための撮像領域３ａを有し、該撮像領域３ａには、被写体からの入射光を光電変換する受光素子を配列してなる受光素子列３０ａ〜３０ｈと、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ部）３００ａ〜３００ｈとが交互に配置されている。

なお、図９では、固体撮像装置３を簡略化して概念的に示すため、図１０で示す８個の受光素子列３０ａ〜３０ｈのうちの４つの受光素子列３０ａ〜３０ｄのみ、また図１０で示す８個のＶＣＣＤ部３００ａ〜３００ｈのうちの４つのＶＣＣＤ部３００ａ〜３００ｄのみ示しており、以下説明の簡略化のため、受光素子列として４つの受光素子列３０ａ〜３０ｄ、垂直転送部として４つのＶＣＣＤ部３００ａ〜３００ｄを挙げて説明する。また、奇数番目の受光素子列３０ａ、３０ｃ、３０ｅ、３０ｇと、偶数番目の受光素子列３０ｂ、３０ｄ、３０ｆ、３０ｈとは、配置されているカラーフィルタの色の配列が異なるのみで、その他の点は同一の構成となっている。また、ＶＣＣＤ部３００ａ〜３００ｈについては、すべて同一構成となっている。

ここで、各受光素子列３０ａ〜３０ｄは、撮像画面の垂直方向に沿って一列に配列された受光素子３１〜３８からなり、各垂直ＣＣＤ３００ａ〜３００ｄは、対応する受光素子列のフォトダイオード３１〜３８から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する転送ゲート電極（以下、単に転送ゲートという。）を有している。これらの垂直転送ゲートは、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送パケット（以下、ＶＣＣＤパケットともいう。）を形成するものである。また、各受光素子列のフォトダイオードと、該ＶＣＣＤ部の各フォトダイオードに対応する部分とにより、１つの受光画素が形成されている。

また、上記撮像領域３ａの一端側には、各垂直ＣＣＤ３００ａ〜３００ｄから転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送部（ＨＣＣＤ部）３ｂが配置されている。

図１１は、上記撮像領域１ａの受光素子列に対応する垂直ＣＣＤの転送ゲートの構成を説明する図であり、奇数番目の受光素子列３０ａに対応する垂直ＣＣＤ３００ａの転送ゲートの構成（図１１（ａ））及び偶数番目の受光素子列３０ｂに対応する垂直ＣＣＤ３００ｂの転送ゲートの構成（図１１（ｂ））を示している。

具体的には、上記各受光素子列の受光素子は、フォトダイオード３１〜３８により構成され、受光素子列３０ａにおけるフォトダイオード３１，３３，３５，３７には、それぞれが、Ｙｅ（イエロ）画素Ｐ３１，Ｐ３３，Ｐ３５，Ｐ３７を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている。また、受光素子列３０ａにおけるフォトダイオード３２，３６には、それぞれが、Ｍｇ（マゼンタ）画素Ｐ３２，Ｐ３６を構成するようその上にカラーフィルタが配置されており、また、受光素子列３０ａにおけるフォトダイオード３４，３８には、それぞれが、Ｇ（緑）画素Ｐ３４，Ｐ３８を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている（図１１（ａ）参照）。

また、受光素子列３０ｂにおけるフォトダイオード３１，３３，３５，３７には、それぞれが、Ｃｙ（シアン）画素Ｐ３１，Ｐ３３，Ｐ３５，Ｐ３７を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている。また、受光素子列３０ｂにおけるフォトダイオード３２，３６には、それぞれが、Ｇ（緑）画素Ｐ３２，Ｐ３６を構成するようその上にカラーフィルタが配置されており、また、受光素子列３０ｂにおけるフォトダイオード３４，３８には、それぞれが、Ｍｇ（マゼンタ）画素Ｐ３４，Ｐ３８を構成するようその上にカラーフィルタが配置されている（図１１（ｂ）参照）。

なお、図３に示す受光素子列３０ｃにおけるカラーフィルタの配置は、上記受光素子列３０ａにおけるものと同一であり、図９に示す受光素子列３０ｄにおけるカラーフィルタの配置は、上記受光素子列３０ｂにおけるものと同一である。

そして、各受光素子列のフォトダイオード３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８に対しては、対応する画素Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４、Ｐ３５、Ｐ３６、Ｐ３７、Ｐ３８を構成する第１〜第４の転送ゲート３１１〜３１４、３２１〜３２４、３３１〜３３４、３４１〜３４４、３５１〜３５４、３６１〜３６４、３７１〜３７４、３８１〜３８４が設けられている。ここで、第１の転送ゲート３１１、３２１、３３１、３４１、３５１、３６１、３７１、３８１は、対応するフォトダイオード３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８に蓄積された蓄積電荷を垂直ＣＣＤに読み出す読み出しゲートも兼ねている。

ここで、奇数行の各画素（例えば画素３１、３３）の第１〜第４の転送ゲートには、第１〜第４の駆動信号（以下ＣＣＤ駆動信号ともいう。）ΦＶ１Ａ、ΦＶ２〜ΦＶ４が、また偶数行の各画素（例えば画素３２、３４）の第１〜第４の転送ゲートにはΦＶ１Ｂ、ΦＶ２〜ΦＶ４が印加されるようになっている。

また、この実施形態３では、垂直ＣＣＤ３００ａ〜３００ｄと、水平ＣＣＤ３ｂとの間には、各垂直ＣＣＤ３００ａ〜３００ｄとは独立して、水平ＣＣＤ３ｂへの電荷転送が可能なバッファＣＣＤ部３ｃが設けられている。

このバッファＣＣＤ部３ｃには、垂直方向に並ぶ２画素分に相当する第１〜第４の補助転送ゲート３１１ｓ〜３１４ｓ、３２１ｓ〜３２４ｓが設けられており、これらの補助転送ゲートには、垂直ＣＣＤにおける第１〜第４の転送ゲートに印加される第１〜第４の駆動信号とは独立した第１〜第４の補助駆動信号（以下ＣＣＤ補助駆動信号ともいう。）ΦＶｓ１ａ、ΦＶｓ２、ΦＶｓ３ａ、ΦＶｓ４が印加されるようになっている。

そして、この実施形態３の固体撮像装置３では、実施形態１と同様に、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）３０ａ〜３０ｄは、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットＶＰｅが生ずるよう、２つの以上の受光画素、ここでは隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットＶＰｆに混在させて格納するよう構成され、水平転送部（ＨＣＣＤ部）３ｂは、該ＶＣＣＤ部の空の電荷転送パケットＶＰｅが該ＨＣＣＤ部３ｂに到達している状態で、該ＶＣＣＤ部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成されている。

また、この実施形態３では、上記受光素子としてのフォトダイオードが形成されている半導体基板の裏面側には、該半導体基板の裏面側にはオーバーフロードレイン部が形成されている。このオーバーフロードレイン部は、これに印加する制御電圧により、各フォトダイオードで生成された信号電荷を基板外部に引き抜くためのものであり、該オーバーフロードレインに印加する制御電圧は、該１つの垂直転送パケットに信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて調整されるようになっている。

次に動作について説明する。

次に、図１１〜図１４を用いて本実施形態３の固体撮像装置３の動作について説明する。

ここで、図１２は、受光素子からＶＣＣＤ部への信号電荷の読み出し動作（図（ａ））、読み出し動作の終了した状態（図（ｂ））、及び及び垂直方向に２画素分だけ信号電荷を転送した状態（図（ｃ））を示している。図１３は、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤでの信号電荷の転送動作をタイミング順（（図（ａ）〜図（ｉ））に示している。図１４は、水平転送信号及び垂直転送信号の波形を示している。なお、図１３では、説明の都合上、図１２に示す受光素子列は省略している。

この実施形態３の固体撮像装置３では、４つの画素の信号電荷を加算して読み出す場合の例を示している。

また、上記各垂直ＣＣＤ３０ａ〜３０ｄは、ＣＣＤ駆動信号ΦＶ１Ａ、ΦＶ１Ｂ、ΦＶ２〜ΦＶ４、及びＣＣＤ補助駆動信号ΦｓＶ１ａ、ΦｓＶ１ｂ、ΦＶｓ２、ΦＶｓ３ａ、ΦＶｓ３ｂ、ΦＶｓ４により駆動され、同時に、水平ＣＣＤ３ｂは、水平ＣＣＤ駆動信号ΦＨ１及びΦＨ２により駆動される。

図１１に示すように、上記各ＶＣＣＤ部１０ａ〜１０ｄの転送ゲートにＣＣＤ駆動信号ΦＶ１Ａ、ΦＶ１Ｂ、ΦＶ２〜ΦＶ４が印加され、タイミングｔ’０〜ｔ’１の間に、垂直転送パケットＴＰが１画素分移動すると、ＶＣＣＤ部にて、２つの画素の信号電荷が１つＶＣＣＤパケットに読み出され、空のＶＣＣＤパケットが発生する。

この信号電荷の読み出し動作は実施形態１と同一である。

つまり、ＶＣＣＤ部３０ａ〜３０ｄでは、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空のＶＣＣＤパケットＶＰｅが生ずるよう、２つの受光画素、ここでは隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷が１つの電荷転送パケットＶＰｆに混在させて格納される。また、上記タイミングｔ０では、受光画素での信号電荷量を従来の１／２の量になるようにＯＦＤ抑圧が調整される。

その後、２ライン分の信号電荷が各垂直ＣＣＤ３０ａ〜３０ｄからＨＣＣＤ部３ｂに転送され、さらに、垂直ＣＣＤ３０ａ〜３０ｄから水平ＣＣＤ３ｂにて転送された信号電荷が、水平ＣＣＤ３ｂにて水平ＣＣＤ駆動信号ΦＨ１及びΦＨ２により水平方向に転送される。

すなわち、タイミングｔ’０では、奇数行の画素列の信号電荷を１つＶＣＣＤパケットに読み出す動作が開始される。つまり、図１２（ａ）に示すように、各受光素子列３０ａ〜３０ｄから、対応する垂直ＣＣＤ３００ａ〜３００ｄに信号電荷が読み出される。

タイミングｔ”０では、各画素の信号電荷量を従来の１／２の量になるようにＯＦＤ抑圧を調整する。

具体的には、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、受光素子列３０ａに対応する垂直ＣＣＤ３００ａでは、各画素Ｐ３１〜Ｐ３８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが形成され、上記各フォトダイオード３１、３３、３５、３７で生成された信号電荷Ｙｅが対応するパケットに読み出される（図１１（ａ）参照）。また、受光素子列３０ｂに対応するＶＣＣＤ部３００ｂでは、各画素Ｐ３１〜Ｐ３８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが形成され、上記各フォトダイオード３１、３３、３５、３７で生成された信号電荷Ｃｙが、対応するＶＣＣＤパケットＴＰに読み出される（図１１（ｂ）参照）。

その後、図１１に示すように、タイミングｔ’１ａまでの間に、ＶＣＣＤ部３００ａ及び３００ｂでは、ＶＣＣＤパケットＴＰが１画素分移動し、タイミングｔ’１ａでは、上記各フォトダイオード３１、３３、３５、３７で生成された信号電荷Ｙｅを格納しているＶＣＣＤパケットに、上記各フォトダイオード３２、３４、３６、３８で生成された信号電荷Ｍｇ、Ｇ、Ｍｇ、Ｇが混入される。このようにＶＣＣＤ部に隣接する画素の信号電荷が、１つのＶＣＣＤパケットに読み出され（ｔ＝ｔ’１ａ）、垂直方向に２画素分だけ転送された状態が、初期状態（ｔ＝ｔ’１）として、図１２（ｃ）及び図１３（ａ）に示されている。図１３では、説明の便宜上、図１２に示す各受光素子列と対応する垂直ＣＣＤとのうちの、垂直ＣＣＤのみ示している。

次にタイミングｔ２’では、２列（図１０のｂ列）単位にバッファＣＣＤ部３ｃを駆動して画素信号を１段転送してＶＣＣＤパケットからＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図１３（ｂ））。

タイミングｔ３’では、ＨＣＣＤ部で、水平転送信号ΦＨ１及びΦＨ２により転送方向の前方側へ２段（２画素列分）転送する（図１３（ｃ））。

タイミングｔ４’では、ＶＣＣＤ部で、全ＶＣＣＤパケットを１段垂直方向に転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図１３（ｄ））。

タイミングｔ５’では、ＶＣＣＤ部で、全ＶＣＣＤパケットをさらに１段垂直方向に転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図１３（ｅ））。

タイミングｔ６’では、２列（図１０のｂ列）単位で特定のＶＣＣＤパケットを１段転送してＶＣＣＤ部からＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図１３（ｆ））。

タイミングｔ７’では、ＨＣＣＤ部で、ＨＣＣＤパケットを水平転送信号ΦＨ１及びΦＨ２により前方へ２段転送する（図１３（ｇ））。

タイミングｔ８’では、ＶＣＣＤ部全体で信号電荷を１段転送して、ＨＣＣＤ部に隣接するＶＣＣＤパケットからＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送する（図１３（ｈ））。

タイミングｔ９’から、ＨＣＣＤ部は転送動作状態へ移ることが可能で、かつＶＣＣＤ部全体で信号電荷をさらに１段転送する（図１３（ｉ））。

このような動作を行うことにより、従来は、タイミングｔｊ１’〜タイミングｔｊ１１’まで必要であったＨＣＣＤ部の待機時間は、タイミングｔ１’〜タイミングｔ８’までに短縮することができる。

つまり、この実施形態３では、垂直解像度は１／２、水平解像度も１／２になるが、フレームレートは約４倍に高速化できる。また、空のＶＣＣＤパケットがＨＣＣＤ部に隣接している場合は、ＶＣＣＤ部が動作中または停止中のいずれの場合でも、ＨＣＣＤ部は転送動作可能であり、次の信号電荷が存在するＶＣＣＤパケットがＨＣＣＤ部に到達して、ＨＣＣＤ部へ信号電荷を転送するまでの間、ＨＣＣＤ部は効率的に動作することができる。このことによって、転送に必要な全体の時間を短縮することができ、フレームレートの高速化を行うことが可能となる。

このように本実施形態３では、上記実施形態１及び２と同様に、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）３ｂでは、信号電荷の転送動作中に、任意の垂直転送パケットＶＰｆ内に２つの画素信号（信号電荷）を読出して混在させ、ＶＣＣＤ部３０ａ〜３０ｄに空の垂直転送パケットＶＰｅを発生させ、その際、垂直転送パケットに読み出す信号電荷の量を、混在させる信号電荷の量に応じて調節するので、プログレッシブスキャン方式ＣＣＤ固体撮像装置において、信号電荷のＶＣＣＤ部３０ａ〜３０ｄからＨＣＣＤ部３ｂへの移動をより少ない時間で完了させ、しかも、ＨＣＣＤ部３ｂでのＶＣＣＤ部３０ａ〜３０ｄからの電荷の移動時に水平駆動動作が停止する期間を短縮でき、これにより、ゲート構造の複雑化を招くことなくフレームレートの高速化を図ることできる。

また、この実施形態３では、垂直解像度は１／２、水平解像度も１／２になるが、フレームレートは約４倍に高速化できる。このことによって、転送に必要な全体の時間を短縮することができ、フレームレートの一層の高速化を行うことが可能となる。
（実施形態４）
図１５は、本発明の実施形態４による固体撮像装置を説明する図であり、このＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。また、図１６は、上記実施形態２の固体撮像装置の構成及び動作を説明する図であり、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）はそれぞれ、隣接する奇数画素列及び偶数画素列における画素配列および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。

この実施形態４の固体撮像装置４は、上記実施形態３の固体撮像装置とは、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）を、隣接する２つの画素の信号電荷を１つのＶＣＣＤパケットに同時に読み出すよう構成している点で異なっており、その他の構成は上記実施形態３のものと同一である。

すなわち、この実施形態４の固体撮像装置（ＣＣＤ）４は、図１５及び図１６に示すように、被写体の撮像を行うための撮像領域４ａを有し、該撮像領域４ａには、被写体からの入射光を光電変換する受光素子を配列してなる受光素子列４０ａ〜４０ｄと、受光素子から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ部）４００ａ〜４００ｄとが交互に配置されている。

そして、各受光素子列はフォトダイオード４１〜４８により構成されており、該フォトダイオード４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８に対しては、対応する画素Ｐ４１、Ｐ４２、Ｐ４３、Ｐ４４、Ｐ４５、Ｐ４６、Ｐ４７、Ｐ４８を構成する第１〜第４の転送ゲート４１１〜４１４、４２１〜４２４、４３１〜４３４、４４１〜４４４、４５１〜４５４、４６１〜４６４、４７１〜４７４、４８１〜４８４が設けられている。ここで、奇数行のフォトダイオード４１、４３、４５、４７に対応する第４の転送ゲート４１４、４３４、４５４、４７４は、対応するフォトダイオード４１、４３、４５、４７に蓄積された蓄積電荷を垂直ＣＣＤに読み出す読み出しゲートも兼ねている。偶数行のフォトダイオード４２、４４、４６、４８に対応する第１の転送ゲート４２１、４４１、４６１、４８１は、対応するフォトダイオード４２、４４、４６、４８に蓄積された蓄積電荷を垂直ＣＣＤに読み出す読み出しゲートも兼ねている。

ここで、奇数行の各画素の第１〜第３の転送ゲートには、第１〜第３の駆動信号（以下ＣＣＤ駆動信号ともいう。）ΦＶ１〜ΦＶ３が、また偶数行の各画素の第２〜第４の転送ゲートにはΦＶ２〜ΦＶ４が印加されるようになっている。

また、奇数行の各画素の第４の転送ゲートには、第４の駆動信号ΦＶ４Ａが、また偶数行の各画素の第１の転送ゲートにはΦＶ１Ａが印加されるようになっている。

そして、この実施形態４の固体撮像装置４では、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）４０ａ〜４０ｄは、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットＶＰｅが生ずるよう、隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットＶＰｆに同時に混在させて格納するよう構成され、水平転送部（ＨＣＣＤ部）４ｂは、実施形態３のものと同様に、該ＶＣＣＤ部の空の電荷転送パケットＶＰｅが該ＨＣＣＤ部４ｂに到達している状態で、該ＶＣＣＤ部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成されている。

また、この実施形態４では、実施形態３と同様、上記受光素子としてのフォトダイオードが形成されている半導体基板の裏面側には、オーバーフロードレイン部が形成されている。このオーバーフロードレイン部は、これに印加する制御電圧により、各フォトダイオードで生成された信号電荷を基板外部に引き抜くためのものであり、該オーバーフロードレインに印加する制御電圧は、該１つの垂直転送パケットに信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて調整されるようになっている。

次に動作について説明する。

タイミングｔ０では、奇数行の画素列の信号電荷を１つＶＣＣＤパケットに読み出す動作が開始されると、タイミングｔ１ａにて、各受光素子列４０ａ〜４０ｄから、対応する垂直ＣＣＤ４００ａ〜４００ｄに信号電荷が読み出される。

具体的には、図１６（ａ）に示すように、受光素子列４０ａに対応する垂直ＣＣＤ４００ａでは、各画素Ｐ４１〜Ｐ４８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが、隣接する画素に跨るよう形成され、上記各フォトダイオード４１〜４８で生成された信号電荷が、隣接する画素のものが混在するようにパケットに読み出される。

つまり、垂直ＣＣＤ４００ａでは、フォトダイオード４１で生成された信号電荷Ｙｅと、フォトダイオード４２で生成された信号電荷Ｍｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出され、フォトダイオード４３で生成された信号電荷Ｙｅと、フォトダイオード４４で生成された信号電荷Ｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出される。またフォトダイオード４５で生成された信号電荷Ｙｅと、フォトダイオード４６で生成された信号電荷Ｍｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出され、フォトダイオード４７で生成された信号電荷Ｙｅと、フォトダイオード４８で生成された信号電荷Ｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出される。

また、図１６（ｂ）に示すように、受光素子列４０ｂに対応する垂直ＣＣＤ４００ｂでは、各画素Ｐ４１〜Ｐ４８に対応するＶＣＣＤパケットＴＰが、隣接する画素に跨るよう形成され、上記各フォトダイオード４１〜４８で生成された信号電荷が、隣接する画素のものが混在するようにパケットに読み出される。

つまり、垂直ＣＣＤ４００ｂでは、フォトダイオード４１で生成された信号電荷Ｃｙと、フォトダイオード４２で生成された信号電荷Ｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出され、フォトダイオード４３で生成された信号電荷Ｃｙと、フォトダイオード４４で生成された信号電荷Ｍｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出される。またフォトダイオード４５で生成された信号電荷Ｃｙと、フォトダイオード４６で生成された信号電荷Ｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出され、フォトダイオード４７で生成された信号電荷Ｃｙと、フォトダイオード４８で生成された信号電荷Ｍｇとが同時に１つのＶＣＣＤパケットに読み出される。

その後は、実施形態３のものと同様に、ＶＣＣＤパケットに読み出された信号電荷は、ＨＣＣＤ部に転送されることとなる。

このような構成の本実施形態４の固体撮像装置４では、垂直転送部４００ａ〜４００ｄを、信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットが生ずるよう、２以上の受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納するよう構成し、水平転送部４ｂを、該垂直転送部の空の電荷転送パケットが該水平転送部に到達している状態で、該垂直転送部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成しているので、垂直方向に並ぶ画素の信号電荷を混在させる際に、水平転送部での転送動作を停止させる必要がなく、しかも水平転送部では、垂直転送部から空パケットが到達した時点では、水平転送動作を停止する必要がなく、水平転送動作の中断期間を短縮して電荷転送効率を高めることができる。

しかも、垂直転送部（ＶＣＣＤ部）を、隣接する２つの画素の信号電荷を１つのＶＣＣＤパケットに同時に読み出すよう構成しているので、垂直転送部で隣接する２画素からの信号電荷の読み出しを非常に短い時間で行うことができる。

また、この実施形態４においても、受光画素で生成される信号電荷の量を調整する信号電荷調整部を備えているので、２つ以上の画素の信号電荷を垂直転送部の１つ転送パケットに読み出して加算する際は、垂直転送部がブルーミングを起こさないようにすることができる。

さらに、上記実施形態１〜４では、特に説明しなかったが、上記実施形態１ないし４の固体撮像装置の少なくともいずれかを撮像部に用いた、例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの、画像入力デバイスを有した電子情報機器について以下簡単に説明する。
（実施形態５）
図１７は、本発明の実施形態５として、実施形態１ないし４のいずれかに記載の固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図１７に示す本発明の実施形態５による電子情報機器９０は、本発明の上記実施形態１ないし４に記載の固体撮像装置の少なくともいずれかを、被写体の撮影を行う撮像部９１として備えたものであり、このような撮像部による撮影により得られた高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部９２と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示部９３と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信部９４と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器の分野において、電荷転送部でのゲート構成を複雑にすることなく、より高速なフレームレートを実現することができ、この結果、素子構成等を複雑にすることなく、容易にカメラの高性能化、つまりより高速な動画映像を撮影することができるものである。

図１は、本発明の実施形態１による固体撮像装置を説明する図であり、このＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。 図２は、上記実施形態１の固体撮像装置を説明する図であり、各画素における受光素子とこれに対応する転送電極の配列を示している。 図３は、上記実施形態１の固体撮像装置の構成及び動作を説明する図であり、図３（ａ）及び図３（ｂ）はそれぞれ、隣接する奇数画素列及び偶数画素列における画素配列および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。 図４は、上記実施形態１の固体撮像装置の動作を説明する図であり、受光素子から垂直ＣＣＤへの信号電荷の読み出し動作（図（ａ））、及び読み出し動作の終了した状態（図（ｂ））を示している。 図５は、上記実施形態１の固体撮像装置の動作を説明する図であり、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤでの信号電荷の転送動作をタイミング順（（図（ａ）〜図（ｅ））に示している。 図６は、上記実施形態１の固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平転送信号及び垂直転送信号の波形を示している。 図７は、本発明の実施形態２による固体撮像装置を説明する図であり、このＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。 図８は、上記実施形態２の固体撮像装置の構成及び動作を説明する図であり、図８（ａ）及び図８（ｂ）はそれぞれ、隣接する奇数画素列及び偶数画素列における画素配列および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。 図９は、本発明の実施形態３による固体撮像装置を説明する図であり、このＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。 図１０は、上記実施形態３の固体撮像装置を説明する図であり、各画素における受光素子とこれに対応する転送電極の配列を示している。 図１１は、上記実施形態３の固体撮像装置の構成及び動作を説明する図であり、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）はそれぞれ、隣接する奇数画素列及び偶数画素列における画素配列および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。 図１２は、上記実施形態３の固体撮像装置の動作を説明する図であり、受光素子から垂直ＣＣＤへの信号電荷の読み出し動作（図（ａ））、読み出し動作の終了した状態（図（ｂ））及び垂直方向に２画素分だけ信号電荷を転送した状態（図（ｃ））を示している。 図１３は、上記実施形態３の固体撮像装置の動作を説明する図であり、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤでの信号電荷の転送動作をタイミング順（（図（ａ）〜図（ｉ））に示している。 図１４は、上記実施形態３の固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平転送信号及び垂直転送信号の波形を示している。 図１５は、本発明の実施形態４による固体撮像装置を説明する図であり、このＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。 図１６は、上記実施形態４の固体撮像装置の構成及び動作を説明する図であり、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）はそれぞれ、隣接する奇数画素列及び偶数画素列における画素配列および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。 図１７は、本発明の実施形態５として、実施形態１ないし４のいずれかの固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 図１８は、特許文献２に開示の電荷転送方法を用いた従来のＣＣＤ型固体撮像装置を説明する図であり、このＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。 図１９は、特許文献２に開示の電荷転送方法を用いた従来のＣＣＤ型固体撮像装置を説明する図であり、各画素における受光素子とこれに対応する転送電極の配列を示している。 図２０は、特許文献２に開示の電荷転送方法を用いた従来のＣＣＤ型固体撮像装置の構成及び動作を説明する図であり、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）はそれぞれ、隣接する奇数画素列及び偶数画素列における画素配列および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。 図２１は、図１８〜図２０に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、受光素子から垂直ＣＣＤへの信号電荷の読み出し動作（図（ａ））、及び読み出し動作の終了した状態（図（ｂ））を示している。 図２２は、図１８〜図２０に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤでの信号電荷の転送動作をタイミング順（（図（ａ）〜図（ｆ））に示している。 図２３は、図１８〜図２０に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平転送信号及び垂直転送信号の波形を示している。 図２４は、特許文献３に開示の電荷転送方法を用いた従来のＣＣＤ型固体撮像装置を説明する図であり、このＣＣＤ型固体撮像装置の構成を概念的に示している。 図２５は、特許文献３に開示の電荷転送方法を用いた従来のＣＣＤ型固体撮像装置を説明する図であり、各画素における受光素子とこれに対応する転送電極の配列を示している。 図２６は、特許文献３に開示の電荷転送方法を用いた従来のＣＣＤ型固体撮像装置の構成及び動作を説明する図であり、図２６（ａ）及び図２６（ｂ）はそれぞれ、隣接する奇数画素列及び偶数画素列における画素配列および転送パケットによる信号電荷の転送を模式的に示している。 図２７は、図２４〜図２６に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、受光素子から垂直ＣＣＤへの信号電荷の読み出し動作（図（ａ））、読み出し動作の終了した状態（図（ｂ））、垂直方向に２画素分だけ信号電荷を転送した状態（図（ｃ））を示している。 図２８は、図２４〜図２６に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤでの信号電荷の転送動作をタイミング順（（図（ａ）〜図（ｆｋ）に示している。 図２９は、図２４〜図２６に示す固体撮像装置の動作を説明する図であり、水平転送信号及び垂直転送信号の波形を示している。

符号の説明

１ ＣＣＤ
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ 撮像領域
３ｃ、４ｃ バッファＣＣＤ部
１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂ 水平転送部（ＨＣＣＤ部）
１０ フォトダイオード列（ＰＤ列）
１０ａ〜１０ｈ、２０ａ〜２０ｄ、３０ａ〜３０ｈ、４０ａ〜４０ｄ 受光素子列
１１〜１８、２１〜２８、３１〜３８、４１〜４８ 画素
９０ 電子情報機器
９１ 撮像部
９２ メモリ部
９３ 表示手段
９４ 通信手段
９５ 画像出力手段
１００ａ〜１００ｈ、２００ａ〜２００ｄ、３００ａ〜３００ｈ、４００ａ〜４００ｄ 垂直転送部（ＶＣＣＤ部）
１１１〜１１４、１２１〜１２４、１３１〜１３４、１４１〜１４４、１５１〜１５４、１６１〜１６４、１７１〜１７４、１８１〜１８４ 垂直転送ゲート
Ｈｇ 水平転送ゲート
Ｐ１１〜Ｐ１８、Ｐ２１〜Ｐ２８、Ｐ３１〜Ｐ３８、Ｐ４１〜Ｐ４８ 画素
ＶＰｅ 空のＶＣＣＤパケット
ＶＰｆ 格納ＶＣＣＤパケット
ΦＨ１、ΦＨ２ 水平駆動信号
ΦＶ１Ａ、ΦＶ１Ｂ、ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４Ａ、ΦＶｓ１ａ、ΦＶｓ２、ΦＶｓ３ａ、ΦＶｓ４ 垂直駆動信号

Claims (13)

1. 入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の受光画素と、該受光画素で生成される信号電荷の量を調整する信号電荷調整部と、各受光画素列に対応して設けられ、該受光画素列の受光画素から読み出された信号電荷を電荷転送パケットに格納して垂直方向に転送する垂直転送部と、該垂直転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像装置であって、
   該垂直転送部は、該信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットが生ずるよう、２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納するよう構成されており、
   該水平転送部は、該垂直転送部の空の電荷転送パケットが該水平転送部に到達している状態で、該垂直転送部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作を行うよう構成されており、
   １つの受光画素に対して１つの電荷転送パケットが形成されており、
   該受光画素は、２次元行列状に配列されており、
   該垂直転送部は、該信号電荷の転送動作中に、該信号電荷の格納されていない電荷転送パケットである空パケットと、信号電荷が格納されている電荷転送パケットである格納パケットとが交互に配列されるよう、隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納する固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記信号電荷調整部は、
   前記２つの受光画素で生成された信号電荷を前記垂直転送部の１つの垂直転送パケットに混在させて格納する際に、該信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて、該各受光画素で生成される信号電荷の量を調整するよう構成されている固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記受光画素は、半導体基板の表面領域に形成され、入射光を光電変換するフォトダイオードを含み、
   前記信号電荷調整部は、該半導体基板の裏面側に形成され、各フォトダイオードで生成された信号電荷を引き抜くためのオーバーフロードレイン部を有し、該オーバーフロードレイン部に印加する制御電圧を、該１つの垂直転送パケットに信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて調整するよう構成されている固体撮像装置。
4. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記垂直転送部は、
   奇数行の受光画素から対応する垂直転送パケットへの信号電荷の読み出しを、偶数行の受光画素から対応する垂直転送パケットに信号電荷が読み出されないよう行い、
   該奇数行の受光画素から読み出した信号電荷を格納した垂直転送パケットを、１画素分転送した後、該垂直転送パケットに、偶数行の受光画素から信号電荷を読みだして、隣接する２画素分の信号電荷を１つの垂直転送パケットに格納する固体撮像装置。
5. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記垂直転送部は、
   隣接する奇数行と偶数行の２つの受光画素に跨るよう垂直転送パケットを形成し、
   該２画素に跨る垂直転送パケットに同時に、それぞれの画素に対応する信号電荷を読み出して、２画素分の信号電荷を混在させて格納する固体撮像装置。
6. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記水平転送部は、
   前記各受光画素列における２つの受光画素で生成された信号電荷を混在させて格納した１つの垂直転送パケットから信号電荷を受け取って、該各受光画素列に対応する水平転送パケットに格納し、
   該水平転送パケットを他の受光画素列に対応する位置まで移動させた後、該水平転送パケットに、該他の受光画素列における、２つの受光画素で生成された信号電荷を混在させて格納した１つの垂直転送パケットの信号電荷を追加格納する固体撮像装置。
7. 請求項６に記載の固体撮像装置において、
   前記受光画素は２次元行列状に配列され、奇数受光画素列ではすべて、各受光画素に設けられている色の異なる複数のカラーフィルタが同一配列パターンとなっており、偶数受光画素列ではすべて、各受光画素に設けられている色の異なる複数のカラーフィルタが同一配列パターンとなっており、該奇数画素列と該偶数画素列とでは、カラーフィルタの配列パターンが異なっている固体撮像装置。
8. 入射光の光電変換により信号電荷を生成する複数の受光画素と、該受光画素で生成される信号電荷の量を調整する信号電荷調整部と、各受光画素列に対応して設けられ、該受光画素列の受光画素から読み出された信号電荷を電荷転送パケットに格納して垂直方向に転送する垂直転送部と、該垂直転送部から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備えた固体撮像装置を駆動する方法であって、
   該垂直転送部を、該信号電荷の転送動作中に該信号電荷の格納されていない空の電荷転送パケットが形成され、かつ２つの受光画素で生成された信号電荷が１つの電荷転送パケットに混在して格納されるよう駆動し、
   該水平転送部を、該垂直転送部の空の電荷転送パケットが該水平転送部に到達している状態で、該垂直転送部の垂直転送動作と並行して、水平転送動作が行われるよう駆動し、
   １つの受光画素に対して１つの電荷転送パケットが形成されており、
   該受光画素は、２次元行列状に配列されており、
   該垂直転送部では、該信号電荷の転送動作中に、該信号電荷の格納されていない電荷転送パケットである空パケットと、信号電荷が格納されている電荷転送パケットである格納パケットとが交互に配列されるよう、隣接する２つの受光画素で生成された信号電荷を１つの電荷転送パケットに混在させて格納する固体撮像装置の駆動方法。
9. 請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法において、
   前記２つの受光画素で生成された信号電荷を前記垂直転送部の１つの垂直転送パケットに混在させて格納する際に、該信号電荷を混在させる受光画素の数に応じて、該各受光画素で生成される信号電荷の量を調整する固体撮像装置の駆動方法。
10. 請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法において、
    前記垂直転送部では、
    ２次元行列状に配列された複数の受光画素のうちの奇数行の受光画素から対応する垂直転送パケットへ信号電荷を読み出す読み出し動作を、偶数行の受光画素から対応する垂直転送パケットに信号電荷が読み出されないよう行い、
    該複数の受光画素のうちの奇数行の受光画素から読み出した信号電荷を格納した垂直転送パケットを、１画素分転送した後、該垂直転送パケットに、該複数の受光画素のうちの偶数行の受光画素から信号電荷を読みだして、隣接する２画素分の信号電荷を１つの垂直転送パケットに格納する固体撮像装置の駆動方法。
11. 請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法において、
    前記垂直転送部では、
    ２次元行列状に配列された複数の受光画素における、隣接する奇数行と偶数行の２つの受光画素に跨るよう垂直転送パケットを形成し、
    該２受光画素に跨る垂直転送パケットに同時に、それぞれの受光画素に対応する信号電荷を読み出して、２画素分の信号電荷を混在させて格納する固体撮像装置の駆動方法。
12. 請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法において、
    前記水平転送部では、
    前記各受光画素列における２つの受光画素で生成された信号電荷を混在させて格納した１つの垂直転送パケットから信号電荷を受け取って、該各受光画素列に対応する水平転送パケットに格納し、
    該水平転送パケットを他の受光画素列に対応する位置まで移動させた後、該水平転送パケットに、該他の受光画素列における、２つの受光画素で生成された信号電荷を混在させて格納した１つの垂直転送パケットの信号電荷を追加格納する固体撮像装置の駆動方法。
13. 被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、
    該撮像部は、請求項１に記載の固体撮像装置である電子情報機器。
    

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