JPH1051696A - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置およびその駆動方法

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JPH1051696A
JPH1051696A JP8204428A JP20442896A JPH1051696A JP H1051696 A JPH1051696 A JP H1051696A JP 8204428 A JP8204428 A JP 8204428A JP 20442896 A JP20442896 A JP 20442896A JP H1051696 A JPH1051696 A JP H1051696A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 間引き読み出し駆動において、間引かれた画
素列では電荷が取り残され、間引き読み出しモードから
全画素読み出しモードへ移行した際に、全画素読み出し
駆動で読み出された信号電荷に混ざってしまう可能性が
ある。 【解決手段】 間引き読み出しモードから全画素読み出
しモードへ移行する直前の露光期間において、各画素の
信号電荷を掃き捨てる電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを、
読み出しパルスＸＳＧの発生直後に少なくとも１個発生
し、間引き読み出し駆動の際に間引かれた画素列に取り
残された電荷を基板に掃き捨てるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置およ
びその駆動方法に関し、特にビデオカメラや電子スチル
カメラ等の映像機器における撮像デバイスとして用いて
好適な固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ビデオカメラ等に使用されている従来の
固体撮像装置、例えばＣＣＤ(ChargeCoupled Device)
固体撮像装置は、インターレース方式の出力信号を発生
するために、図１０に示すように、センサ部１０１にお
いて１／６０秒（１フィールド相当期間）だけ蓄積し、
各センサ部１０１から読み出した信号電荷を垂直ＣＣＤ
１０２中において垂直方向前後の２画素間で混合して出
力し、また混合する垂直方向前後２画素の組み合わせを
フィールドごとで変えるいわゆるフィールド読み出し方
式によってインターレース走査を実現していた。
【０００３】このフィールド読み出し方式の場合、各画
素における信号電荷の蓄積時間が１／６０秒であり、図
１１に示すように、１／３０秒の蓄積時間で奇数ライン
の信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールドごとに
交互に読み出すいわゆるフレーム読み出し方式の場合と
比較して蓄積時間が半分であるため、動画像の撮像を良
好に行うことができるという利点がある反面、垂直方向
にて２画素の信号電荷を混合しているために垂直解像度
が低いという欠点がある。したがって、高解像度が要求
される電子スチルカメラの撮像方式としては適していな
い。
【０００４】このため、電子スチルカメラでは、近年、
図１２に示すように、各画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ中
で混せずに同一時刻に独立に読み出すいわゆる全画素読
み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置が用いられている。この
全画素読み出し方式ＣＣＤ固体撮像装置によれば、画素
数を同じとした場合、フィールド読み出し方式固体撮像
装置の２倍の垂直解像度を実現できる。その反面、撮像
信号を出力するのに、他の読み出し方式の２倍の時間を
要することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電子スチル
カメラの場合、撮影時にピントを合わせたり、撮影時の
カメラアングルを調整するために、撮像画像を表示する
モニタを設けることが多い。全画素読み出し方式ＣＣＤ
固体撮像装置を撮像デバイスとして用いた電子スチルカ
メラにおいて、モニタに映像を映し出すためには、撮像
信号を出力するのに、他の読み出し方式の２倍の時間を
要することから、高速に撮像信号を出力する必要があ
る。
【０００６】このため、全画素読み出し方式ＣＣＤ固体
撮像装置において、高速に撮像信号を出力する方法とし
て、垂直方向の一部の画素列のみから信号電荷を読み出
すいわゆる間引き読み出し駆動が、本出願人により特願
平８−７８３１５号明細書にて提案されている。この間
引き読み出し駆動において、間引かれた画素列では電荷
が取り残されることになる。したがって、間引き読み出
しモードから全画素読み出しモードへの移行を考えた場
合、全画素読み出し駆動で読み出された信号電荷に、そ
の取り残された電荷が混ざってしまう可能性がある。
【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、間引き読み出しモー
ドから全画素読み出しモードへ移行した際に、間引き読
み出し駆動で取り残された電荷が混入することなく、全
画素読み出しによる各画素の信号電荷を得ることが可能
な固体撮像装置およびその駆動方法を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置は、全画素の信号電荷を同一時刻に独立に読み出す全
画素読み出しモードと、垂直方向の一部の画素列のみか
ら信号電荷を読み出す間引き読み出しモードとを選択的
にとり得る固体撮像素子と、間引き読み出しモードから
全画素読み出しモードへ移行する直前の露光期間におい
て、各画素の信号電荷を掃き捨てる電荷掃き出しパルス
を信号電荷の読み出し直後に少なくとも１個発生するタ
イミング発生回路とを備えた構成となっている。
【０００９】本発明による駆動方法は、全画素の信号電
荷を同一時刻に独立に読み出す全画素読み出しモード
と、垂直方向の一部の画素列のみから信号電荷を読み出
す間引き読み出しモードとを選択的にとり得る固体撮像
素子を備えた固体撮像装置において、間引き読み出しモ
ードから全画素読み出しモードへ移行する直前の露光期
間において、信号電荷の読み出し直後に少なくとも１
回、各画素の信号電荷を掃き捨てるようにする。
【００１０】上記構成の固体撮像装置およびその駆動方
法において、間引き読み出しモードから全画素読み出し
モードへ移行する際に、その直前の露光期間において、
信号電荷の読み出し直後に電荷掃き出しパルスを少なく
とも１個発生することで、間引き読み出し駆動の際に間
引かれた画素列で読み出されず、取り残された信号電荷
が掃き捨てられる。したがって、全画素読み出し駆動に
移行した際に、そこで読み出される信号電荷への混入等
の影響を避けることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、例えばイン
ターライン転送方式ＣＣＤ固体撮像素子に適用された本
発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【００１２】図１において、行（垂直）方向および列
（水平）方向にマトリクス状に配列され、入射光をその
光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する複数
のセンサ部１１と、これらセンサ部１１の垂直列ごとに
設けられ、各センサ部１１から読み出しゲート部１２に
よって読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂
直ＣＣＤ１３とによって撮像エリア１４が構成されてい
る。
【００１３】この撮像エリア１４において、センサ部１
１は例えばＰＮ接合のフォトダイオードからなってい
る。このセンサ部１１に蓄積された信号電荷は、読み出
しゲート部１２に後述する読み出しパルスＸＳＧが印加
されることにより垂直ＣＣＤ１３に読み出される。垂直
ＣＣＤ１３は、例えば３層電極３相（φＶ１〜φＶ３）
駆動の構成となっており、各センサ部１１から読み出さ
れた信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査
線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送
する。
【００１４】ここで、垂直ＣＣＤ１３において、２相目
（φＶ２）の転送電極は、読み出しゲート部１２のゲー
ト電極を兼ねている。このことから、３相の垂直転送ク
ロックφＶ１〜φＶ３のうち、２相目の垂直転送クロッ
クφＶ２が低レベル（以下、“Ｌ”レベルと称す）、中
間レベル（以下、“Ｍ”レベルと称す）および高レベル
（以下、“Ｈ”レベルと称す）の３値をとるように設定
されており、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスが読み
出しゲート部１２に印加される読み出しパルスＸＳＧと
なる。
【００１５】撮像エリア１４の図面上の下側には、水平
ＣＣＤ１５が配されている。この水平ＣＣＤ１５には、
複数本の垂直ＣＣＤ１３から１ラインに相当する信号電
荷が順次転送される。水平ＣＣＤ１５は、例えば２層電
極２相（φＨ１，φＨ２）駆動の構成となっており、複
数本の垂直ＣＣＤ１３から移された１ライン分の信号電
荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において
順次水平方向に転送する。
【００１６】水平ＣＣＤ１５の転送先の端部には、例え
ばフローティング・ディフュージョン・アンプ構成の電
荷電圧変換部１６が設けられている。この電荷電圧変換
部１６は、水平ＣＣＤ１５によって水平転送されてきた
信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。この電圧
信号は、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力Ｏ
ＵＴとして導出される。以上により、インターライン転
送方式のＣＣＤ固体撮像素子１０が構成されている。
【００１７】上記構成のＣＣＤ固体撮像素子１０におい
て、センサ部１１に蓄積される信号電荷量は、基板側の
ポテンシャルバリアの高さによって決定される。このポ
テンシャルバリアの高さは、基板に印加されるバイアス
電圧によって決まる。このため、ＣＣＤ固体撮像素子１
０の基板には、各デバイスごとに決まる所定レベルの基
板バイアス電圧Ｖｓｕｂが印加されている。
【００１８】また、センサ部１１に蓄積されている電荷
を例えば基板に一斉に掃き捨てる場合には、高い電圧の
電荷掃き出しパルスＸＳＵＢをコンデンサＣを介して基
板バイアス電圧Ｖｓｕｂに重畳し、基板に印加する。こ
れにより、基板側のポテンシャルバリアが崩れるため、
センサ部１１に蓄積された信号電荷が基板に掃き捨てら
れる。この電荷掃き出しパルスＸＳＵＢは、通常、電子
シャッタなどの機能において、センサ部１１への信号電
荷の蓄積時間、即ち露光時間を制御するシャッタパルス
として用いられる。
【００１９】このＣＣＤ固体撮像素子１０を駆動するた
めの垂直転送クロックφＶ１〜φＶ３、水平転送クロッ
クφＨ１，φＨ２および電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを
含む各種のタイミング信号は、タイミング発生回路１７
で生成される。このタイミング発生回路１７の回路構成
の一例を図２に示す。図２において、タイミング発生回
路１７は、分周器２１、デコーダ２２、パルス発生器２
３およびメモリ２４から構成されている。
【００２０】分周器２１は、水平分周器２１１および垂
直分周器２１２から構成され、原発振器２５から与えら
れる所定周波数の基準パルスを各分周器２１１，２１２
で分周する。デコーダ２２は、水平デコーダ２２１およ
び垂直デコーダ２２２から構成され、各分周器２１１，
２１２から得られたパルスを各デコーダ２２１，２２２
でカウントしてデコード値を生成する。パルス発生器２
３は、マイコン２６から与えられ、メモリ２４に保持さ
れたデータによる制御を受けながら、各デコーダ２２
１，２２２から得られたデコード値を用いて電荷掃き出
しパルスＸＳＵＢを含む各種のタイミング信号を生成す
る。
【００２１】また、このタイミング発生回路１７は、外
部から与えられるモード信号に応じて、全画素の信号電
荷を同一時刻に独立に読み出す全画素読み出しモード
と、垂直方向の一部の画素列のみから信号電荷を読み出
す間引き読み出しモードをとり得る構成となっている。
そして、２相目の垂直転送クロックφＶ２については、
この２つのモードに対応するために２系統のクロック
（φＶ２，φＶ２′）を発生する。
【００２２】図３は、単位画素の具体的な構成の一例を
示す平面パターン図であり、図４にそのＸ‐Ｘ′矢視断
面を示す。先ず、垂直ＣＣＤ１３は、Ｎ型基板３１上に
Ｐ型ウェル３２を介して形成されたＮ型不純物からなる
転送チャネル３３と、この転送チャネル３３の上方にそ
の転送方向に繰り返して配列された３相の転送電極３４
-1〜３４-3とから構成されている。これら転送電極３４
-1〜３４-3において、１相目の転送電極３４-1は１層目
のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）によって形成
され、２相目の転送電極３４-2は２層目のポリシリコン
（図中、二点鎖線で示す）によって形成され、３相目の
転送電極３４-3は３層目のポリシリコン（図中、破線で
示す）によって形成されている。
【００２３】図５は、垂直ＣＣＤ１３における転送電極
３４-1〜３４-3の配線パターン図である。本配線系にお
いては、間引き読み出し駆動を可能とするために、２相
目の垂直転送クロックφＶ２の配線に工夫が凝らされて
いる。具体的には、先述したように、２相目の垂直転送
クロックとして２系統の垂直転送クロックφＶ２，φＶ
２′が用意され、さらに垂直転送クロックφＶ１，φＶ
２，φＶ２′，φＶ３を伝送するために計４本のバスラ
イン４１〜４４が配線されている。なお、図６に、ライ
ンシフト期間における垂直転送クロックφＶ１，φＶ
２，φＶ２′，φＶ３の位相関係を示す。
【００２４】そして、垂直転送クロックφＶ１，φＶ３
を伝送するバスライン４１，４４には、全画素の１相目
の転送電極３４-1，３４-3が接続されている。また、垂
直転送クロックφＶ２を伝送するバスライン４２には、
前後する３画素を単位Ａとしてこれら画素の２相目の転
送電極３４-2が４画素おきに接続され、垂直転送クロッ
クφＶ２′を伝送するバスライン４３には、バスライン
４２に接続された画素以外の４画素を単位Ｂとしてこれ
ら画素の２相目の転送電極３４-2が３画素おきに接続さ
れている。
【００２５】垂直転送クロックφＶ２，φＶ２′は、先
述したように、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスがセ
ンサ部１１から信号電荷を読み出すときに読み出しゲー
ト部１２のゲート電極に印加される読み出しパルスＸＳ
Ｇとなる。そして、全画素読み出しモードの際には、図
７（Ａ）に示すように、垂直転送クロックφＶ２，φＶ
２′の双方に読み出しパルスＸＳＧが立つのに対し、間
引き読み出しモードの際には、図７（Ｂ）に示すよう
に、垂直転送クロックφＶ２のみに読み出しパルスＸＳ
Ｇが立つ。
【００２６】すなわち、全画素読み出しモードでは、垂
直転送クロックφＶ２，φＶ２′の双方に読み出しパル
スＸＳＧが立つことで、全画素から信号電荷が読み出さ
れることになる。一方、間引き読み出しモードでは、垂
直転送クロックφＶ２のみに読み出しパルスＸＳＧが立
つことで、３ラインを単位として４ラインおきに信号電
荷が読み出されることになる。換言すれば、４ラインを
単位として３ラインおきに信号電荷の読み出しが間引か
れることになる。
【００２７】なお、本例では、一例として、カラー方式
ＣＣＤ固体撮像素子において、色フィルタのカラーコー
ディングに対応して、３ラインを単位として４ラインお
きに間引き読み出しを行う場合を例にとって示したが、
これに限定されるものではなく、４ラインを単位として
２ラインおき、あるいは２ラインを単位として１ライン
おきなど、図５の垂直転送クロックφＶ２，φＶ２′の
配線パターンを変更するのみで、任意の間引き読み出し
の設定が可能である。
【００２８】次に、間引き読み出しモードから全画素読
み出しモードへ移行するときの動作について、図８のタ
イミングチャートに基づいて説明する。なお、間引き読
み出しモードから全画素読み出しモードへの移行は、外
部からタイミング発生回路１７に対してモード切り換え
のためのモード信号が与えられることによって行われ
る。タイミング発生回路１７は、モード信号が与えられ
ると、間引き読み出しモードでは垂直転送クロックφＶ
２にのみ読み出しパルスＸＳＧを立てるようにしていた
のに対し、全画素読み出しモードでは垂直転送クロック
φＶ２，φＶ２′の双方に読み出しパルスＸＳＧを立て
るようにする。
【００２９】ここで、間引き読み出しモードにおいて
は、先述したように、間引かれた画素列では信号電荷が
読み出されず、取り残されることになる。したがって、
間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行
した際に、間引き読み出し駆動によって取り残された信
号電荷が、全画素読み出し駆動で読み出された信号電荷
に混入し、ノイズとなる可能性がある。
【００３０】そこで、タイミング発生回路１７では、間
引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行す
る際に、その直前の露光期間において、電荷掃き出しパ
ルスＸＳＵＢを、信号電荷の読み出し直後、即ち読み出
しパルスＸＳＧの発生直後に１個発生し、間引き読み出
し駆動によって取り残された信号電荷を基板に掃き捨て
るようにする。なお、発生する電荷掃き出しパルスＸＳ
ＵＢは１個に限られるものではなく、必要に応じて複数
個連続して発生するようにしても良い。複数個発生する
ことで、取り残された信号電荷をより確実に掃き捨てる
ことができる。
【００３１】また、電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを、信
号電荷の読み出し直後に発生させるのは、この電荷掃き
出しパルスＸＳＵＢが、先述したように、通常電子シャ
ッタ等の機能において、露光時間の制御に用いられるこ
とへの配慮からである。信号電荷の読み出し直後であれ
ば、露光時間を充分に長く設定できるため、電荷掃き出
しパルスＸＳＵＢを連続して複数個発生した場合であっ
ても、その発生の差によっても露光時間そのものへの影
響が少なくて済むことになる。
【００３２】このように、間引き読み出しモードから全
画素読み出しモードへ移行する直前の露光期間におい
て、電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを信号電荷の読み出し
直後に少なくとも１個発生するようにしたことで、間引
き読み出し駆動の際に間引かれた画素列に取り残された
信号電荷を基板に掃き捨てることができるので、その後
に全画素読み出し駆動に移行した際に、そこで読み出さ
れる信号電荷への混入等の影響を避けることができる。
【００３３】また、タイミング発生回路１７では、間引
き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する
直前の露光期間においてのみならず、図９のタイミング
チャートに示すように、間引き読み出しモードの期間中
においても、信号電荷の読み出し直後、即ち読み出しパ
ルスＸＳＧの発生直後に電荷掃き出しパルスＸＳＵＢを
少なくとも１個発生するようにする。
【００３４】これによれば、例えば突発的に非常に大き
な光量が入射した場合などに有効なものとなる。すなわ
ち、突発的に非常に大きな光量が入射した場合などにお
いては、間引き読み出しモードから全画素読み出しモー
ドへ移行する直前の露光期間だけで信号電荷の掃き出し
を行ったのでは、間引き読み出し駆動によって取り残さ
れた信号電荷が画素中で溢れ、他の画素に流れ込む懸念
があるが、間引き読み出し駆動中でも取り残された信号
電荷の掃き出しを行うことで、信号電荷の溢れなどの問
題を解消できることになる。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
間引き読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行
する直前の露光期間において、信号電荷の読み出し直後
に電荷掃き出しパルスを少なくとも１個発生するように
したことにより、間引き読み出し駆動の際に間引かれた
画素列で読み出されず、取り残された信号電荷を掃き捨
てることができるので、全画素読み出し駆動に移行した
際に、そこで読み出される信号電荷への混入等の影響を
避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】タイミング発生回路の構成の一例を示すブロッ
ク図である。
【図３】単位画素の構成の一例を示す平面パターン図で
ある。
【図４】図３のＸ‐Ｘ′矢視の断面構造図である。
【図５】垂直ＣＣＤの配線パターン図である。
【図６】３相垂直転送クロックの位相関係を示すタイミ
ングチャートである。
【図７】読み出しパルスＸＳＧを説明するためのタイミ
ングチャートであり、（Ａ）は全画素読み出しモードの
場合を、（Ｂ）は間引き読み出しモードの場合をそれぞ
れ示している。
【図８】本発明に係る動作の一例を示すタイミングチャ
ートである。
【図９】本発明に係る動作の他の例を示すタイミングチ
ャートである。
【図１０】フィールド読み出し方式の説明図である。
【図１１】フレーム読み出し方式の説明図である。
【図１２】全画素読み出し方式の説明図である。
【符号の説明】
１１ センサ部 １３ 垂直ＣＣＤ １４ 撮像エ
リア １５ 水平ＣＣＤ １６ 電荷電圧変換部 １７
タイミング発生回路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 全画素の信号電荷を同一時刻に独立に読
    み出す全画素読み出しモードと、垂直方向の一部の画素
    列のみから信号電荷を読み出す間引き読み出しモードと
    を選択的にとり得る固体撮像素子と、 前記間引き読み出しモードから前記全画素読み出しモー
    ドへ移行する直前の露光期間において、各画素の信号電
    荷を掃き捨てる電荷掃き出しパルスを信号電荷の読み出
    し直後に少なくとも１個発生するタイミング発生回路と
    を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 前記タイミング発生回路は、前記間引き
    読み出しモードの期間において、前記電荷掃き出しパル
    スを信号電荷の読み出し直後に少なくとも１個発生する
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 全画素の信号電荷を同一時刻に独立に読
    み出す全画素読み出しモードと、垂直方向の一部の画素
    列のみから信号電荷を読み出す間引き読み出しモードと
    を選択的にとり得る固体撮像素子を備えた固体撮像装置
    において、 前記間引き読み出しモードから前記全画素読み出しモー
    ドへ移行する直前の露光期間において、信号電荷の読み
    出し直後に少なくとも１回、各画素の信号電荷を掃き捨
    てることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  4. 【請求項４】 前記間引き読み出しモードの期間におい
    て、前記電荷掃き出しパルスを信号電荷の読み出し直後
    に少なくとも１個発生することを特徴とする請求項３記
    載の固体撮像装置の駆動方法。
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