KR100606379B1 - 고체 촬상 소자 및 이를 구비한 카메라 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도 수평 방향의 화소 수를 삭감할 수 있고, 빗살무늬현상이나 의사신호를 발생시키지 않으며, 양질의 영상 신호를 고속으로 출력할 수 있는 고체 촬상 소자를 제공한다. 2차원 배열의 광전 변환부(2)로부터 독출한 신호 전하를 수직 방향으로 일단씩 전송하는 수직 전송부(3)와, 수직 전송부(3)로부터 수취한 신호 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전송부(4)와, 수직 전송부(3) 및 수평 전송부(4)의 전송 동작을 제어하는 제어부를 갖고, 수직 전송부(3)에서의 수직 최종단이 2n+1(n은 1이상의 정수)열마다 동일한 전송 전극 구성을 갖으며, 상기 2n+1열 중, 하나의 열 이외의 수직 최종단 혹은 모든 수직 최종단에, 다른 수직 최종단과는 독립한 전송 전극이 설치된 고체 촬상 소자인 것을 특징으로 한다.
고체촬상소자, 카메라, CCD, 화소, 촬상소자

Description

고체 촬상 소자 및 이를 구비한 카메라{SOLID-STATE IMAGE PICKUP ELEMENT AND CAMERA HAVING THE SAME}
본 발명은 받은 광을 전기 신호로 변환하여, 영상 신호로서 출력하는 고체 촬상 소자에 관한 것이다.
종래, 받은 광을 전기 신호로 변환하여, 영상 신호로 출력하는 고체 촬상 소자가 알려져 있고, 이 고체 촬상 소자로부터 얻은 영상 신호를 정지 화상으로 표시하는 디지털 스틸 카메라 등의 카메라가 알려져 있다. 최근에는, 이러한 고체 촬상 소자를 이용한 카메라는 화질 및 기능에 대한 향상이 더욱 요망되어 화소의 고밀도화가 진행되고 있다.
이러한 고체 촬상 소자에서, 영상 신호의 출력 스피드를 향상시키기 위해서, 신호 전하를 독출하는 화소를 솎아냄으로써 출력 영상 신호 중의 화소 수를 감소시키는 구동 방법이 종래부터 제안되고 있다. 예컨대 일본국 특개평 11-234688호 공보에는, 예컨대 수평 방향 3화소를 1블록으로 하여, 각 블록에서의 중앙 화소를 제외한 2화소(양단의 2화소)의 신호 전하를 고체 촬상 소자 내에서 혼합하는 동시에, 블록 중앙의 1화소의 신호 전하를, 인접하는 블록 중앙의 1화소의 신호 전하와 혼합함으로써, 고체 촬상 소자로부터의 출력 영상 신호에서의 수평 방향의 화소 수를 삭감하는 구동 방법이 개시되어 있다.
그러나, 수평 방향에서의 1/3 솎아낼 시에, 모든 화소 출력 시의 샘플링 주파수의 3분의 1의 성분이 신호의 DC성분으로 되돌아가 더해지지만, 상술한 종래의 구동 방법에 의한 고체 촬상 소자로서는, 샘플링 주파수의 3분의 1의 성분이 0은 아니다(도 27참조). 이것에 의해, 빗살무늬현상(moire)의 발생이나, 의사신호(爲信號)의 발생 등으로부터 출력 영상 신호의 화질이 열화된다는 문제를 갖고 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해서, 적어도 수평 방향의 화소 수를 삭감할 수 있는 고체 촬상 소자이며, 빗살무늬현상이나 의사신호를 발생시키지 않고 양질의 영상 신호를 고속으로 출력할 수 있는 고체 촬상 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관한 고체 촬상 소자는 2차원 배열의 화소로부터 독출한 신호 전하를 수직 방향으로 전송하기 위해서 상기 화소의 각 열에 대응하여 설치된 수직 전송부와, 상기 수직 전송부로부터 수취한 신호 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전송부를 갖고, 상기 수직 전송부에서의 상기 수평 전송부에 가장 가까운 전송단인 수직 최종단이 m(m은 2이상의 정수)열마다 동일한 전송 전극 구성을 갖으며, 상기 m열 중, 하나의 열 이외의 수직 최종단 혹은 모든 수직 최종단에, 해당 수직 최종단으로부터 상기 수평 전송부로의 전송 동작을 해당 m열에서의 다른 수직 최종단과는 독립하여 제어하기 위해서, 상기 다른 수직 최종단과는 독립한 전송 전극이 설치된 것을 특징으로 한다.
이것에 의해, 적어도 수평 방향의 화소 수를 삭감함으로써, 빗살무늬현상이나 의사신호를 발생시키지 않고 양질의 영상 신호를 고속으로 출력할 수 있는 고체 촬상 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의해서 혼합되는 화소의 조합을 도시하는 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 14(a)∼도 14(c)는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서 혼합되는 화소의 조합(혼합 화소군)의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서 혼합되는 화소의 조합(혼합 화소군)의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서 혼합되는 화소의 조합(혼합 화소군)의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 전극 구조의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 전극 구조의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 20는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 전극 구조의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 전극 구조의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 게이트 전극의 구체적 배치의 일례를 도시하는 평면도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 제어 신호의 타이밍 차트와, 이 타이밍 차트에 따른 전송 전하의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 신호 전하의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 전극 구조의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 제어 신호의 타이밍 차트와, 이 타이밍 차트에 따른 전송 전하의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자의 공간 주파수 응답을 도시하는 그래프이다.
도 28은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 카메라의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 29는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에서의 게이트 전극의 구체적 배치의 다른 예를 도시하는 평면도이다.
도 30은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 31은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 32는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 33은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 34는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 35는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 36은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 37은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 38은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 39는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 4O은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 41은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 42는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 43은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 44는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 45는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 46은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 47은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 48은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 적용되는 컬러 필터의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 49는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 50은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 51은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 52는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 53은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 54는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 55는 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 56은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 57은 본 발명의 일 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의한 화소 혼합 동작의 일 순서를 도시하는 설명도이다.
도 58은 도 49∼도 57에 도시하는 순서의 반복에 의해서 혼합되는 화소의 중심 위치를 도시하는 설명도이다.
본 발명에 관한 고체 촬상 소자는 2차원 배열의 화소로부터 독출한 신호 전하를 수직 방향으로 전송하기 위해서 상기 화소의 각 열에 대응하여 설치된 수직 전송부와, 상기 수직 전송부에서 수취한 신호 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전송부를 갖고, 상기 수직 전송부에서의 상기 수평 전송부에 가장 가까운 전송단인 수직 최종단이 m(m은 2이상의 정수)열마다 동일한 전송 전극 구성을 갖으며, 상기 m열 중, 하나의 열 이외의 수직 최종단 혹은 모든 수직 최종단에, 해당 수직 최종단으로부터 상기 수평 전송부로의 전송 동작을 해당 m열에서의 다른 수직 최종단과는 독립하여 제어하기 위해서, 상기 다른 수직 최종단과는 독립한 전송 전극이 설치된 구성이다(제1 구성).
본 발명의 고체 촬상 소자에서의 수직 전송부는 2차원 배열의 화소에 대응하는 예컨대 포토 다이오드 등의 광전 변환부와 다수의 수직 전송단으로 이루어지는 수직 CCD에 의해서 구성되어도 되고, 수광 기능을 갖으며 다수의 수직 전송단으로 이루어지는 수직 CCD에 의해서 구성되어도 된다.
상술의 제1 구성에 의하면, 수직 최종단의 모든 신호 전하는 m회로 나뉘어 수평 전송부로 전송된다. 또, 수직 최종단으로부터 수평 전송부로의 전송과, 수평 전송부에 의한 수평 방향으로의 전송을 조합하면, 화소 출력의 재정렬이나 혼합이 임의로 가능하게 된다. 또한, 수직 전송부 및 수평 전송부의 전송 동작은 이들에 각각 설치된 전송 전극으로 소정의 제어 신호를 부여함으로써 제어된다. 이 제어 신호를 송출하기 위한 수단(제어부)은 고체 촬상 소자의 외부에 있어도 되고, 고체 촬상 소자와 일체로 설치되어 있어도 된다.
본 발명에 관한 고체 촬상 소자에서, 상기 m을 2n+1(n은 1이상의 정수)이라고 해도 된다(제2 구성). 또한, 이 고체 촬상 소자에서, 수평 방향에서 1화소 간격의 2n+1(n은 1이상의 정수)개씩을 제1 혼합 화소군으로 하고, 상기 제1 혼합 화소군 이외의 화소로부터 1화소 간격의 2n+1개씩의 화소이며, 이 화소 중심이 상기 제1 혼합 화소군의 화소 중심 사이에서 등 간격이 되는 화소를 제2 혼합 화소군으로 하여, 제1, 제2 혼합 화소군의 각각에 포함되는 화소의 신호 전하를 수평 전송부 내에 가산하는 것이 바람직하다(제3 구성).
이 구성에 의하면, 화소의 신호 전하를 버리지 않고, 수평 방향의 화소 수를 1/(2n+1)로 저감할 수 있다. 또한, 화소 수를 저감한 후의 혼합 화소 간격이 균등하므로 감도가 높고, 또한, 해상도가 높으며 빗살무늬현상이 적은 화상 신호를 얻을 수 있다.
상기 고체 촬상 소자에서, 또한, 수직 최종단에서의 상기 제1, 제2 혼합 화소군의 각각에 관하여, (a1)상기 2n+1개의 화소로 이루어지는 각 혼합 화소군 중, 상기 수평 전송부의 출력측으로부터 가장 먼 화소의 신호 전하만을 수직 최종단에서 수평 전송부로 전송하고, (a2)수평 전송부의 신호 전하를 순방향으로 2화소분 전송하며, (a3)상기 2n+1개의 화소군 중, 수직 최종단에 신호 전하가 남아 있는 화소이며 상기 수평 전송부의 출력측으로부터 가장 먼 화소의 신호 전하만을 수직 최종단에서 수평 전송부로 전송하여, (a4)상기 a2 및 a3의 전송을 상기 2n+1개의 화소군의 모든 신호 전하가 수직 최종단에서 수평 전송부로 전송될 때까지 반복하여 행하는 것이 바람직하다(제4 구성).
이것에 의해, 1화소 간격의 2n+1화소를 혼합할 수 있고, 또한, 그 사이의 화소도 동시에 2n+1 화소로 혼합할 수 있다.
상기 고체 촬상 소자에서, 또한, (b1)상기 a1∼a4의 전송의 마지막으로서, 상기 2n+1개의 화소군 중 마지막 화소의 신호 전하를 수직 최종단으로부터 수평 전송부로 전송한 후, 또는 전송하는 동시에 모든 열의 수직 전송부의 신호 전하를 1단 전송하고, (b2)상기 b1에 의해 수직 최종단으로 전송된 신호 전하에 관해서, a1∼a4의 전송을 하며, (b3)상기 b1 및 b2의 전송을 2n+1단 분의 신호 전하가 수평 전송부로 전송될 때까지 반복하여 행하는 것이 바람직하다(제5 구성).
이것에 의해, 수평 전송부에 공(空)전송단이 발생되지 않으므로, 수평 전송 스피드를 상승시키지 않고, 수평 화소 수를 1/(2n+1)로 저감할 수 있다.
상기 고체 촬상 소자에서, 상기 수직 전송부에서의 상기 수평 전송부에 가장 가까운 수직 최종단이, 3열마다 동일한 전송 전극 구성을 갖고, 상기 3열 중, 적어도 수평 전송부의 출력측으로부터 제2 및 제3열의 수직 최종단에, 해당 수직 최종단으로부터 상기 수평 전송부로의 전송 동작을 다른 수직 최종단과는 각각 독립하여 제어하기 위해서, 다른 수직 최종단과는 독립한 전송 전극이 설치되는 것이 바람직하다(제6 구성). 이것에 의해, 수평 방향에서 3화소를 혼합함으로써, 수평 화소 수를 1/3로 저감할 수 있다.
상기 제6 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 수평 전송부의 출력 측으로부터 제1열의 상기 수직 최종단은 해당 열에서의 수직 최종단 이외의 단과 동일한 전극 구성을 갖는 것이 바람직하다(제7 구성).
상기 제6 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 수평 방향에서 1화소 간격의 3개씩을 제1 혼합 화소군으로 하고, 상기 제1 혼합 화소군 이외의 화소에서 1화소 간격의 3개씩의 화소이며, 이 화소 중심이 상기 제1 혼합 화소군의 화소 중심 사이에서 등 간격이 되는 화소를 제2 혼합 화소군으로 하는 것이 바람직하다(제8 구성). 이것에 의해, 화소의 신호 전하를 버리지 않고, 수평 방향의 화소 수를 1/3로 저감할 수 있으며, 또한, 화소 수 저감 후의 혼합 화소 간격을 균등하게 할 수 있다.
상기 제6 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, (c1)상기 3열 중, 수평 전송부의 출력 측으로부터 제2열의 수직 최종단의 신호 전하만을 수평 전송부로 전송하고, (c2)수평 전송부의 신호 전하를 순방향으로 2화소분 전송하며, (c3)상기 3열 중, 수평 전송부의 출력 측으로부터 제3열의 수직 최종단의 신호 전하만을 수평 전송부로 전송하고, (c4)수평 전송부의 신호 전하를 순방향으로 2화소분 전송하며, (c5)상기 3열중, 수평 전송부의 출력 측으로부터 제1열의 수직 최종단의 신호 전하를 수평 전송부로 전송하는 것이 바람직하다(제9 구성). 이것에 의해, 1화소 간격의 3화소와 그 사이의 3화소를 각각 혼합할 수 있고, 또한, 화소수 저감 후의 혼합 화소 간격을 균등하게 할 수 있다.
상기 제9 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, (d1)상기 c5에서 제1열의 수직 최종단의 신호 전하를 수평 전송부로 전송한 후, 또는 전송하는 동시에 모든 열의 수직 전송부의 신호 전하를 1단 전송하고, (d2)상기 d1의 마지막에 수직 최종단에 전송된 신호 전하에 관해서 c1∼c5의 전송을 행하며, c5에서 제1열의 수직 최종단 의 신호 전하를 수평 전송부로 전송한 후, 또는 전송하는 동시에, 모든 열의 수직 전송부의 신호 전하를 1단 전송하고, (d3)상기 d2의 마지막에 수직 최종단에 전송된 신호 전하에 관해서, c1∼c5의 전송을 행하는 것이 바람직하다(제10 구성). 이것에 의해, 수평 방향에서의 3화소 혼합을 행하여도 수평 전송부에 공 전송단이 발생하지 않으므로, 수평 전송 스피드를 상승시키지 않아도 수평 화소 수를 1/3로 저감할 수 있다.
또, 상기 제3 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 상기 제1 및 제2 혼합 화소군의 각각의, 수직 방향에서 1행 간격의 2n+1행 분의 합계(2n+1)×(2n+1)화소를, 하나의 혼합 화소군으로 하여, 각 열에 포함되는 2n+1행 분의 화소의 신호 전하를 수직 전송부 내에서 가산하는 것이 바람직하다(제11 구성). 이것에 의해, 1화면의 데이터 수가 1/((2n+1)×(2n+1))이 되므로, 단위 시간 마다의 프레임 수를 증가시킨다. 또, 버려지는 화소가 없으므로 감도가 향상한다.
상기 제11 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 수평 방향에서 1화소 간격의 3화소의, 수직 방향에서 1행 간격의 3행 분의, 합계 9화소를 하나의 혼합 화소군으로 하는 것이 바람직하다(제12 구성). 이것에 의해, 1화면의 데이터 수가 1/9이 되므로, 단위 시간 마다의 프레임 수를 증가시킨다. 또, 버려지는 화소가 없으므로, 감도가 향상한다.
상기 제3 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 수평 방향에서 1화소 간격의 3화소를, 수직 방향에서 3행 간격을 띄운 2행 분, 합계 6화소를 하나의 혼합 화소군으로 하는 것이 바람직하다(제13 구성). 이것에 의해, 수직 방향으로 3행 분의 화소 를 혼합하는 경우와 비교하여, 리니어의 신호 범위가 넓어지는 이점이 있다.
상기 제3 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 수평 방향에서 1화소 간격의 3화소를, 수직 방향에서의 3행마다 1행, 합계 3화소를, 하나의 혼합 화소군으로 하는 것이 바람직하다(제14 구성). 이것에 의해, 수직 방향으로 3행 분의 화소를 혼합하는 경우와 비교하여, 리니어의 신호 범위가 더욱 넓어지는 이점이 있다.
상기 제2 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 상기 2차원 배열의 화소에, 수평 방향에서 2화소, 수직 방향에서 2화소의 합계 4화소를 1단위로 한 컬러 필터를 배치한 것이 바람직하다(제15 구성). 이것에 의해, 화소 혼합 후에도, 수평 2화소 수직 2화소의 합계 4화소를 1단위로 한 동일 컬러 필터 배열의 화상을 얻을 수 있다.
상기 제15 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 상기 컬러 필터가 상기 4화소의 한 쌍 각 선 상의 2화소에 제1 색의 필터를 배치하고, 다른 2화소에 제2 및 제3 색의 필터를 각각 배치한 것이 바람직하다(제16 구성).
상기 제3 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 상기 2차원 배열의 화소에 수평 방향에서 2화소, 수직 방향에서 4화소의 합계 8화소를 1단위로 한 컬러 필터를 배치하고, 수직 방향에서 인접하는 2화소를 수직 전송부 내에서 혼합하는 것이 바람직하다(제17 구성).
또, 본 발명에 관한 고체 촬상 소자에서, 수직 최종단에 독립 전극을 적어도 2장 설치한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
예컨대, 상기 수직 최종단의 각 열을 6개의 전송 전극으로 구성하는 경우, (1) 인접하는 3열의 수직 전송부의 전체에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 1번째, 3번째, 5번째 및 6번째가 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극으로 한 구성(제18 구성), (2) 인접하는 3열의 수직 전송부 중의 2열에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 1번째, 3번째, 5번째 및 6번째가 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극이며, 인접하는 3열의 수직 전송부 중의 나머지 1열에서, 1번째∼6번째의 모든 전송 전극이 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극인 구성(제19 구성), (3) 인접하는 3열의 수직 전송부의 전체에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째, 4번째 및 6번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 1번째, 3번째 및 5번째가 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극인 구성(제20의 구성), (4) 인접하는 3열의 수직 전송부 중의 2열에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째, 4번째 및 6번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 1번째, 3번째 및 5번째가 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극이며, 인접하는 3열의 수직 전송부 중의 나머지 1열에서 1번째∼6번째의 모든 전송 전극이 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극으로 한 구성(제21 구성), (5)인접하는 3열의 수직 전송부 중 적어도 2열에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 인접하는 3열의 수직 전송부의 전체에서, 수평 전송부 측으로부터 1번째 및 3번째가 수직 전송부의 다른 단과는 상이한 구성(제22 구성), 혹은, (6) 인접하는 3 열의 수직 전송부 중 적어도 2열에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째, 4번째 및 6번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 인접하는 3열의 수직 전송부의 전체에서, 수평 전송부로부터 1번째, 3번째 및 5번째가 수직 전송부의 다른 단과는 상이한 구성(제23 구성) 중의 어느 하나인 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 제1 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 상기 수직 전송부에서의 각 단이 6개의 전송 전극으로 구성되고, 상기 수직 전송부에서의 수직 최종단 이외의 전송단은 수평 전송부 측으로부터 2번째, 4번째 및 6번째의 전송 전극이 제1층의 전극막에 의해서 모든 열에 걸쳐 공통 전극으로 형성되며, 수평 전송부 측으로부터 1번째, 3번째 및 5번째의 전송 전극이 상기 제1층보다 상층에 형성되는 제2층의 전극막에 의해서 전열에 걸쳐 공통 전극으로서 형성되고, 수직 최종단에서는 상기 제2층의 전극막과 동일한 전극막을, 각 열에서 섬 형상으로 분리함으로써, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째의 전극이 독립 전극으로서 형성된 구성으로 하는 것도 바람직하다(제24 구성). 이 구성에 의하면, 상층의 전극막을 섬 형상으로 함으로써 배선이 용이하게 되는 이점이 있다.
혹은, 본 발명의 제1 구성에 관한 고체 촬상 소자에서, 상기 수직 전송부가 적어도 3층의 전극막을 갖고, 상기 수직 최종단에서 다른 열과 독립하여 설치된 전송 전극이 최상층을 포함하는 적어도 한 층의 전극막으로 형성된 구성으로 하는 것도 바람직하다(제25 구성). 최상층을 이용하여 독립한 전송 전극을 형성함으로써, 배선을 후 부착하는 것이 불필요하게 되는 이점이 있다.
또, 본 발명의 제1 구성에 관한 고체 촬상 소자는 (e1)수평 방향에서 m개의 화소로부터 선택적으로 하나 이상 m-1개 이하의 화소의 신호 전하를 수평 전송부로 전송하고, (e2)수평 전송부의 신호 전하를 순방향 혹은 역방향으로 적어도 1화소분 전송하며, (e3)상기 e1 및 e2의 전송을 반복함으로써, m개의 화소의 신호 전하를 수평 전송부로 모두 전송하는 구성으로 하는 것도 바람직하다(제26 구성).
또한, 상기의 제26 구성에서, (e4)상기 e3 후에, 모든 열의 신호 전하를 수평 전송부 측으로 일단 전송하고, (e5)상기 e4의 전송에 의해 수직 최종단으로 이동한 신호 전하에 대하여, 상기 e1∼e3의 전송을 행하며, 상기 e4 및 e5를 반복함으로써, m단분의 신호 전하를 수평 전송부로 모두 전송하는 구성으로 하는 것도 더욱 바람직하다(제27 구성).
또, 본 발명의 제1 구성에 관한 고체 촬상 소자는 상기 m열 중 하나의 열 이외의 수직 최종단 혹은 모든 열의 수직 최종단에서, 다른 열과는 독립하여 설치된 전송 전극을 해당하는 다른 열과는 독립하여 구동함으로써 수평 m개의 화소 혼합을 행하는 모드와, 상기 전송 전극을 다른 열과 동일하게 구동함으로써 화소 혼합을 행하지 않는 모드의, 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 것이 바람직하다(제28 구성). 화소 혼합을 행하지 않고 고해상도인 화상 출력 모드와 화소 혼합을 행함으로써 고감도 또한 고프레임 레이트의 화상 출력 모드로의 전환이 가능하게 되기 때문이다.
또, 본 발명에 관한 고체 촬상 소자는 m이 m1(m1는 2이상의 정수)와 m2(m 2는 2이상의 정수)와의 공배수이고, 수평 m1개의 화소 혼합을 행하는 모드와 수평 m2개의 화소 혼합을 행하는 모드의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 구성으로 하는 것도 바람직하다(제29 구성).
또한, 이 제29 구성에서, 3색의 필터가 수직 방향으로 2색, 수평 방향으로 2색 배치된 반복 패턴의 컬러 필터를 또한 구비하고, 상기 컬러 필터의 동색 필터에 상당하는 수평 m1화소를 혼합하는 모드와, 수평 m2화소를 혼합하는 모드의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 형태로 하여도 된다(제30 구성).
혹은, 상기 제29 구성에서, 3색의 필터가 수직 방향으로 2색, 수평 방향으로 2색 배치된 반복 패턴의 컬러 필터를 또한 구비하고, 상기 컬러 필터의 동색 필터에 상당하는 수평 2화소를 혼합하는 모드와, 수평 3화소를 혼합하는 모드와, 수평 4화소를 혼합하는 모드 중의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 형태로 하여도 된다(제31 구성).
혹은, 상기 제29∼제31 구성에서, 상기 동작 모드에 화소 혼합을 행하지 않는 모드를 또한 포함하는 형태로 하여도 된다(제32 구성). 화소 혼합을 행하지 않고 고해상도인 화상 출력 모드와, 화소 혼합을 행함으로써 고감도 또한 고프레임 레이트의 화상 출력 모드로의 전한이 가능하게 되기 때문이다.
또, 상기 제26 구성에서, m개의 화소가 수평 방향에서 연속하는 화소라도 된다(제33 구성). 혹은, 수평 방향에서의 상기 m개의 화소의 조합을 단마다 변경하 여도 된다(제34 구성). 화소의 조합을 단마다 변경할 경우, 인접하는 적어도 2단에서, 상기 m개의 화소의 조합의 중심 위치가 수평 방향으로 등 간격인 것이 바람직하다(제35 구성).
또, 본 발명의 카메라는 상술 중의 어느 하나의 고체 촬상 소자를 구비한 카메라이고, 특히, 수평 방향에서 연속하는 화소를 혼합하는 고체 촬상 소자의 경우에는 3판식 컬러 카메라인 것이 바람직하다. 또한, 3판식 컬러 카메라의 경우, m=2로 하여, 화소 혼합을 행하지 않는 제1 모드와, 수직 방향으로 인접하는 2화소 및 수평 방향으로 인접하는 2화소를 혼합하는 제2 모드의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 관해서, 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1에 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자의 개략 구성을 도시한다. 본 실시 형태의 고체 촬상 소자(1)는 모든 화소 동시 독립 독출 방식을 채용하고, 화소에 대응하여 이차원 형상으로 배열된 광전 변환부(2)와, 수직 전송부(3)와, 수평 전송부(4)를 구비하고 있다. 수직 전송부(3) 및 수평 전송부(4) 각각은, CCD에 의해 구성된다. 광전 변환부(2)로는 포토 다이오드가 사용된다. 광전 변환부(2) 각각에는, 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)의 삼색 컬러 필터가 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 수직·수평 방향 모두 2화소 간격으로 RGB 각각의 필터가 주기적으로 배치되어 있다. 예컨대, 도 1에 도시하는 바와 같이, 수직 방향 2화소×수평 방향 2화소의 합계 4화소를 단위로 하면, 좌측 하방의 화소가 R, 우측 하방 및 좌측 상방의 화소가 G, 우측 상방의 화소가 B가 되도록 컬러 필터가 배치되어 있다. 또한, 수직 전송부(3) 및 수평 전송부(4)의 전송 전극으로, 비도시의 제어부로부터 제어 신호가 전송됨으로써, 고체 촬상 소자(1)의 동작이 제어된다. 상기 제어부는 고체 촬상 소자(1)의 외부에 설치되어 있고, 신호선에 의해 고체 촬상 소자(1)에 접속되어 있다. 혹은, 고체 촬상 소자(1)와 일체적으로 형성되어 있어도 된다.
본 실시 형태에서는, 수직 전송부(3)는 수직 방향에서의 광전 변환부(2)의 3행분을 하나의 전송단으로 한다. 이러한 구성으로 함으로써, 수직 전송부(3) 내에서, 1화소 간격의 3행 분의 화소를 가산할 수 있다. 또, 전송단의 용량을 크게할 수 있다는 이점도 있다.
여기서, 고체 촬상 소자(1)에서의 수평 방향의 화소 혼합 동작에 관해서 설명한다.
고체 촬상 소자(1)는 제어부(비도시)가 수직 전송부(3) 및 수평 전송부(4)의 전송 동작을 제어함으로써, 수평 방향에서의 1화소 간격의 3화소마다의 신호 전하를 혼합하고, 수평 방향의 화소 수를 1/3로 삭감한다. 도 2에, 신호 전하를 혼합하는 화소의 조합을 도시한다. 또한, 혼합되는 화소의 조합을 이하, 혼합 화소군이라고 한다. 도 2에서, Rxy와 같이 나타낸 기호에서, R, G, B는 해당 화소의 필터 색을 나타내고, x는 해당 화소의 수직 위치(수평 전송부(4)에 가까운 쪽으로부터 제1단, 제2단, ···으로 한다), y는 혼합 화소군에서의 해당 화소의 위치(수평 전송부(4)의 출력 측에 가까운 쪽으로부터 제1번째, 제2번째,···로 한다)를 각각 나타내는 것으로 한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 고체 촬상 소자(1)는 예컨대, G11, G12, G13과 같이, 1화소 간격으로 3개씩의 초록 화소를 제1 혼합 화소군으로 한다. 또한, 제1 혼합 화소군에 의해서 생성되는 혼합 화소의 중심과 등 간격이 되도록, 파랑 화소에 의한 혼합 화소군이 결정되어 있다. 즉, 제1 혼합 화소군의 G12와 G13 간의 B11과, G13과 이웃하는 혼합 화소군의 G11 간의 화소인 B12와, 이웃하는 혼합 화소군의 G11과 G12 간의 화소인 B13의 3개의 화소를 제2 혼합 화소군으로 한다. 이와 같이, 수평 방향에서의 교대로 배치된 2색의 화소를, 1화소 간격으로 3개씩 조합하여 혼합함으로써, 혼합 후의 각 색의 화소 중심이 등 간격이 되므로, 빗살무늬현상이나 의사신호가 발생하지 않는다.
다음에, 도 2에 도시하는 조합으로 화소 혼합을 행하기 위한 고체 촬상 소자(1)의 구동 순서에 관해서, 도 3∼도 13의 상태 천이도를 이용하여 설명한다.
고체 촬상 소자(1)의 수직 전송부(3)는 3열 단위로 구성되어 있다. 도 3∼도 13에서는, 수평 전송부(4)의 신호 전하는 마주보고 좌측으로 출력되는 것으로 하고, 이 3열 단위의 수직 전송부(3)의 각각을 수평 전송부(4)의 출력 측에 가까운 쪽으로부터 순서대로, 제1열, 제2열, 제3열로 한다(도면 중에서는, 1열, 2열, 3열로 표기한다). 또, 수직 전송부(3)에서, 수평 전송부(4)에 가장 가까운 전송단을 이하, 수직 최종단이라고 한다.
상기 3열 단위로 구성된 수직 전송부(3)의 수직 최종단 중, 제2열 및 제3열의 수직 최종단은 동일한 열의 다른 전송단 및 다른 열의 수직 최종단 모두와도 별 개로 독립하여 전송을 행할 수 있도록 각각 구성되어 있다. 즉, 제1열 및 제3열의 수직 최종단에 신호 전하를 유지한 채로, 제2열의 수직 최종단의 신호 전하만을 수평 전송부(4)로 전송할 수 있다. 또, 제1열 및 제2열의 수직 최종단에 신호 전하를 유지한 채로, 제3열의 수직 최종단의 신호 전하만을 수평 전송부(4)로 전송할 수 있다. 또한, 이러한 전송을 실현하기 위한, 수직 전송부(3)의 구체적인 전극 구조예에 관해서는 후술한다.
우선, 도 3에 도시하는 바와 같이, 3열 단위의 수직 최종단 중, 제2열의 수직 최종단만을 구동함으로써, 도 3중에 화살표로 도시한 바와 같이, 이 제2열의 수직 최종단 만의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다.
다음에, 도 4에 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4)의 신호 전하를 순방향으로 2화소분만큼 전송한다.
다음에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 3열 단위의 수직 최종단 중, 제3열의 수직 최종단만을 구동함으로써, 도 5중에 화살표로 나타낸 바와 같이, 이 제3열의 수직 최종단 만의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다.
이것에 의해, 도 6에 도시하는 바와 같이, G12와 G13 및 B12와 B13의 2화소씩의 신호 전하가 수평 전송부(4) 내에서 각각 혼합되게 된다. 그리고, 또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4)의 신호 전하를 순방향으로 2화소분만큼 전송한다.
다음에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 모든 수직 전송부(3)에 1단분의 수직 전송을 하게 함으로써, 도 8에 도시하는 바와 같이, G11과 G12와 G13의 3화소의 신 호 전하 및 B11과 B12와 B13의 신호 전하가 수평 전송부(4) 내에서 각각 혼합된다. 이와 같이, 같은 단에서의 2색의 화소가 1화소 간격으로 3화소씩의 조합으로 혼합되므로, 수평 방향에서의 화소 수가 1/3로 삭감되게 된다. 또, 도 8로부터 알 수 있듯이, 초록 혼합 화소와 파랑 혼합 화소가 등 간격이 되므로, 빗살무늬현상이나 의사신호가 발생하지 않는다.
또한, 도 8에 도시한 상태로부터, 도 3∼도 7에 도시한 동작과 동일한 전송 동작을 반복함으로써, 도 8에 도시한 상태에서 수직 최종단에 있던 신호 전하가 도 9에 도시하는 바와 같이, 1화소 간격으로 3화소씩의 조합으로 수평 전송부(4) 내에서 혼합된다.
또한, 도 9에 도시한 상태로부터, 도 3∼도 7에 도시한 동작과 동일한 전송 동작을 반복함으로써, 도 9에 도시한 상태에서 수직 최종단에 있던 신호 전하가, 도 10에 도시하는 바와 같이, 1화소 간격으로 3화소씩의 조합으로 수평 전송부(4) 내에서 혼합된다. 이것에 의해, 도 2에 a로 도시한 3단분의 모든 화소의 신호 전하가 수평 전송부(4)로 전송된 것으로 된다.
다음에, 도 11에 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4) 내의 신호 전하를 순차 출력함으로써, 고체 촬상 소자(1)로부터, 3행 분의 신호 전하가 수평 방향의 화소 수가 1/3로 삭감된 상태로 출력된다.
그 후, 상술한 것과 동일한 전송 동작을 반복함으로써, 도 2에 b로 도시한 3단분의 모든 화소의 신호 전하가, 도 12에 도시하는 것과 같은 상태로 수평 전송부(4)로 전송되어, 도 13에 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4)로부터 순차 출력된 다.
상술과 같이, 고체 촬상 소자(1)의 수평 전송부(4)로부터 출력되는 화상 신호는 화소가 1차원으로 배치된 것이므로, 이 신호를 원래의 2차원 배열로 되돌리기 위해서, 고체 촬상 소자(1)의 외부의 화상 처리 장치에서, 수평 전송부(4)로부터의 출력 신호를 2차원적으로 재배치하는 처리가 행해진다.
예컨대, 도 2에 a 및 b로 도시한 3단분의 화소가, 각각, 도 14(a)에 도시하는 것과 같은 순서로 수평 전송부(4)로부터 출력되게 된다. 또한, 도 14(a)에서, 더미로 표기되어 있는 부분은 수직 CCD부(3)의 주변부에 위치하는 화소이며, 3화소 분의 신호 전하가 혼합되어 있지 않는 것을 가리킨다. 또, 도 14(a) 및 (b)로 도시한 a7∼a12, a13∼a18, b7∼b12, b13∼b18은 도 11 및 도 13에 각각 도시한 a1∼a6 및 b1∼b6의 반복이지만, 2차원 배치한 후의 위치를 알기 쉽게 하기 위해서, 첨자를 변경한 것이다. 또, 도 14(b)와 같이 배치된 혼합 화소의 색을 도 14(c)에 RGB의 기호로 도시하였다.
도 14(c)로부터 알 수 있듯이, 고체 촬상 소자(1)에 의하면, 수평 방향의 화소 수를 1/3로 삭감한 후에도, 화소의 배치는 원래처럼 유지된다. 따라서, 화질을 열화시키지 않고, 고체 촬상 소자(1)로부터의 영상 신호의 출력 스피드를 향상시킬 수 있다.
또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, 수평 방향으로 1화소 간격의 3화소를, 수직 방향으로 1행 간격의 3행분, 합계 9화소를 하나의 혼합 화소군으로 하면, 모든 포토 다이오드의 신호 화소를 버리지 않고 혼합할 수 있으므로, 감도를 향상시 킬 수 있어 바람직하다. 이 경우, RGB의 각각에 관한 혼합 화소군의 중심은, 도 15에 도시하는 바와 같이, 등간격이 된다. 따라서, 해상도가 높고 빗살무늬현상이 적은 화상을 얻을 수 있다.
이 경우, 수직 방향에서 1행 간격의 3행 분의 신호 전하를 혼합하는 방법은 예컨대 이하와 같다.
(1) 우선, 2행 간격의 1/3의 화소의 신호 전하를 수직 전송부(3)로 독출하여, 2화소분 수직 전송한다.
(2) 다음에, 전회 독출한 화소로부터 순방향으로 2화소 번째의 화소의 신호 전하를 수직 전송부(3)로 독출하여, 전회 독출한 화소와 혼합하고, 2화소분 수직 전송한다.
(3) 또한, 나머지의 화소의 신호 전하를 수직 전송부(3)로 독출하여, 1화소 간격의 3화소의 신호 전하를 혼합한다.
또한, 수직 전송단을 3화소 분으로 하는 전극 구조(6상)의 경우, 상기 동작이 가능하게 된다. 또, 수직 전송단을 2화소 분으로 하는 전극 구조(4상)의 경우 3단을 1단위로 하여, 포함되는 6화소에 대응하는 독출 전극을 모두 독립적으로 할 필요가 있으므로, 전극의 총 수는 8상 필요하게 된다.
예컨대, 도 16에 도시하는 바와 같이, 도 15에 도시한 9화소로부터 수직 방향에서의 가운데 행을 솎아낸, 합계 6화소를 하나의 혼합 화소군으로 해도 된다. 이 경우에도, RGB 각각에 관한 혼합 화소군의 중심이 등 간격으로 되므로, 해상도가 높고 빗살무늬현상이 적은 화상을 얻을 수 있다.
또, 도 17에 도시하는 바와 같이, 수직 방향에서의 3행 중의 2행을 솎아내어, 수평 방향에서의 3화소만을 하나의 혼합 화소군으로 해도 된다.
상술한 바와 같이, 행을 솎아냄으로써 수직 방향의 화소 수가 삭감되는 것으로부터, 또한 신호 출력 스피드를 향상시키는 것도 가능하다. 수직 방향의 화소 수를 삭감하는 방법으로는, 예컨대, 화소를 구성하는 포토 다이오드에서 수직 전송부(3)로 신호 전하를 독출할 시에, 불필요한 행의 전하를 독출하지 않고 포토 다이오드에 축적한 채로 놓아두는 것으로부터, 독출하지 않은 행의 화소를 솎아내는 방법이 있다. 이 경우, 독출되지 않은 신호 전하는 포토 다이오드로부터 기판 등에 배출하는 구성이라고 하면 된다.
여기서, 상술한 구동을 실현하기 위한 전극 구조의 일례를 도 18에 도시한다. 도 18에 도시하는 전극 구조는 수직 전송부(3)의 수직 전송단의 각각을 V1∼V6의 6상의 전송 전극(공통 전극)으로 구성한 것이다. 단, 수직 최종단만은 다른 수직 전송단과 전극 구조가 상이하다. 즉, 수직 최종단의 제2열은 다른 수직 전송단 및 수직 최종단에서의 다른 열(제1열 및 제3열) 모두와 독립되어 전송 동작을 행하게 하기 위해, 제3상 및 제5상이 상술의 공통 전극과는 상이한 독립 전극(VC1, VC2)으로 구성되어 있다. 또, 수직 최종단의 제3열은 다른 수직 전송단 및 수직 최종단에서의 다른 열(제1열 및 제2열) 전체와 독립하여 전송 동작을 행하게 하기 위해, 제3상 및 제5상이 상술의 공통 전극 및 제2열의 독립 전극 모두와 상이한 독립 전극(VC3, VC4)으로 구성되어 있다. 또한, 수직 최종단의 제1열은, 다른 수직 전송단과 동일하게, V1∼V6의 공통 전극으로 구성되어 있다.
이러한 전극 구조를 취함으로써, 3열마다의 수직 최종단의 제2 및 제3열에 독립하여 전송 동작을 행하게 하는 것이 가능하게 되어, 도 3∼도 13에 도시한 바와 같은 전송 동작을 실현할 수 있다.
혹은, 도 19에 도시하는 바와 같이, 수직 최종단의 제1열도, 제3상 및 제5상을 독립 전극(VC5, VC6)으로 구성하여도 된다. 이 구성을 채용한 경우, 도 7에 도시한 상태로는 모든 수직 전송부(3)에 동시에 전송 동작을 행하게 한 것을, 제1열에만 전송 동작을 행하게 한 후에, 모든 수직 전송단에 의한 1단 전송을 행하도록 하여도 된다.
또한, 수직 전송부(3)가 6상 구동의 경우, 수직 최종단의 제2열 및 제3열(혹은 제1∼제3열의 모두)에서의 6장의 전극 중, 2장 혹은 3장이 독립 전극인 것이 바람직하다. 수직 최종단에서 3장의 전송 전극을 독립 전극으로 하는 경우의 구조예를 도 20 및 도 21에 도시한다. 이들 2장 혹은 3장의 독립 전극은 서로 인접하고 있어도 괜찮지만, 제조 프로세스를 고려하면 독립 전극간에 적어도 1장의 공통 전극이 개재되어 있는 것이 바람직하다.
따라서, 6상 구동의 경우에는 예컨대, 도 18 및 도 19에 각각 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4) 측에 가까운 쪽으로부터 2번째 및 4번째를 독립 전극으로 한 구성, 혹은, 예컨대 도 20 및 도 21에 각각 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4) 측에 가까운 쪽으로부터 2번째, 4번째 및 6번째를 독립 전극으로 한 구성이 바람직하다. 단, 수직 최종단의 전극 구조는 이들의 구체예에 한정되지 않는다.
또, 본 실시 형태에서는 6상 구동의 전극 구조를 예시하였지만, 3상 또는 4 상이어도 상관없다. 단, 3상 또는 4상 구동일 경우, 독립 전극의 수는 2장이 된다.
또한, 도 22는, 도 18 및 도 19에 도시하는 바와 같은 전극 구조에서의 게이트 전극의 구체적 배치의 일례를 도시하는 도면이다. 도 22에서, 채널 스톱(51)간에 형성된 전송로(52)가 수직 전송부(3)가 된다. 도 22의 예에서는 수직 전송부(3)에서의 수직 최종단 이외의 전송단은 V2, V4 및 V6의 3장의 전송 전극이 동일 층의 전극막(제1층번째 전극)에 의해서 전열에 걸치는 공통 전극으로서 형성되어 있다. 마찬가지로, V1, V3 및 V5의 3장의 전송 전극도 상기 제1층번째 전극보다도 상층에 형성되는 동일 층의 전극막(제2층번째 전극)에 의해, 모든 열에 걸치는 공통 전극으로서 형성되어 있다. 한편, 수직 최종단에서는, 상기 제2층번째 전극과 동일한 전극막을, 각 열에서 섬 형상으로 분리한 패턴 형상으로 함으로써, 제3상 및 제5상의 전송 전극(수평 전송부(4)에 가까운 측으로부터 2번째 및 4번째의 전극)이, øV3A∼øV3C 및 øV5A∼øV5C의 독립 전극으로 형성된다. 또한, 도 18에 도시하는 바와 같이, 수직 최종단의 제1열을 독립하여 구동시키지 않는 경우에는, 도 22에 도시하는 øV3A 및 øV5A를 øV3 및 øV5와 동일한 단자에 접속하면 된다.
또한, 도 22의 게이트 전극 구조는, 게이트 전극이 제1층째 또는 제2층째의 전송 전극으로 형성되는 일례로 나타내었지만, 도 29에 도시하는 바와 같이, 전송 전극을 제1층째∼제3층째의 전극막 중의 어느 하나로 형성하여도 된다. 도 29의 예에서는, 수직 전송부(3)에서의 수직 최종단 이외의 전송단에서는, V2, V4 및 V6의 3장의 전송 전극이 동일 층의 전극막(제1층째 전극)에 의해서 모든 열에 걸치는 공통 전극으로 형성되어 있다. 마찬가지로, V1, V3 및 V5의 3장의 전송 전극도 상기 제1층째 전극보다도 상층에 형성되는 동일 층의 전극막(제2층째 전극)으로부터, 모든 열에 걸치는 공통 전극으로 형성되어 있다. 한편, 수직 최종단에서는, V1, V3C, V5A, V5B의 전송 전극은 제3층째의 전송 전극으로 형성되고, V3A, V3B, V5C의 전송 전극은 제2층째의 전송 전극으로 형성되며, V2, V4, V6은 제1층째의 전송 전극으로 형성된다.
이 구성에 의해, 제3상 및 제5상의 전송 전극(수평 전송부(4)에 가까운 측으로부터 2번째 및 4번째의 전극)이 øV3A∼øV3C 및 øV5A∼øV5C의 독립 전극으로서 형성된다. 또한, 도 18에 도시하는 바와 같이, 수직 최종단의 제1열을 독립하여 구동시키지 않는 경우에는, 도 29에 도시하는 øV3A 및 øV5A를 øV3 및 øV5와 동일한 단자에 접속하면 된다.
또한, 도 29의 예로는 V1, V3C, V5A, V5B를 제3층째의 전극막으로 형성하였지만, 각 전송 전극의 전극막을 한정하는 것이 아니다. 또한, 도 29의 게이트 전극 구조는 게이트 전극을 제1층째∼제3층째 중의 어느 하나의 전극막으로 형성하였지만, 제4층째 이상의 전극막을 사용하여도 된다. 또한, 도 22의 게이트 전극 구조에서는 전송 전극이 2층이면 충분하므로, 전극막 형성이 비교적 용이하지만, 독립 전극이 섬 형상으로 분리한 패턴으로 되므로, 동일 게이트의 독립 전극끼리를 연결하기 위한 다른 배선이 필요하다. 이에 대하여, 제3층째 이상의 전극막에서 전송 전극을 형성한 경우에는 동일 게이트의 독립 전극끼리가 동일한 전극막으로 연결되어 있으므로, 다른 배선이 불필요하게 되는 메리트가 있다.
여기서, 도 18에 도시한 전극 구조를 예로 들어, 제어부(도시 생략)로부터 수직 전송부(3) 및 수평 전송부(4)의 각 전송 전극에 부여되는 제어 신호의 타이밍 차트와, 이 타이밍 차트에 따른 전송 전하의 모양을, 도 23에 도시한다. 또한, 이 전극 구조의 경우, 도 24에 도시하는 바와 같이, 광전 변환부(2)로부터 독출된 신호 전하는 전송 전극의 V3 및 V4에 축적되도록 되어 있다.
도 23에서, V1∼V6 및 VC1∼VC4의 각각에 부여되는 구동 펄스가 높은 레벨일 경우에, 해당 전극은 스트레이지부가 된다. 또, 구동 펄스가 낮은 레벨일 경우에, 해당 전극은 베리어부가 된다.
도 23에 도시하는 타이밍 차트에 따라서, 수직 전송부(3) 및 수평 전송부(4)를 구동함으로써, 본 실시 형태에서 설명한 바와 같은 화소 혼합이 실현된다. 또한, 도 23에 도시하는 바와 같이, øV4를 저 레벨로 하는 타이밍(t2)보다도 전에, øV2를 고 레벨로 하는(t1) 것이 바람직하다. 시각(t1)에서 øV2를 고 레벨로 함으로써, 신호 전하의 축적 전극이 시각(t1) 이전에는 øV3, øV4가 되고, 시각(t1∼t2)의 기간에는 øV2, øV3(øVC3), øV4가 되며, 시각(t2∼t3)의 기간에는 øV2, øV3(øVC3)이 된다. 이것에 의해, 수평 전송부(4)로 신호 전하를 이동하는 기간에 전송하지 않는 수직 전송단의 신호 전하의 손실을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
또, 도 25는 인접하는 3열의 수직 최종단 중 2열에서, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째의 전송 전극이, 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 인접하는 3열의 수직 최종단의 전체에, 수평 전송부 측으로부터 1번째, 3번째 및 5번째의 전송 전극이 수직 전송부의 다른 단과는 상이한 실시예이다. 각 전송 전극에 부여되는 제어 신호의 타이밍 차트와, 이 타이밍 차트에 따른 전송 전하의 모양을 도 26에 도시한다. 도 23에 도시하는 동작과 상이한 점은, 수직 최종단에서 1열째와 2열째의 전하를 선택적으로 수평 CCD에 전송할 시에는 수직 최종단의 전극 중 VC1∼VC4, V2’, V4’, V6’만을 구동하고, 3열째의 전하를 선택적으로 수평 CCD에 전송할 시에만, 모든 화면에 공통인 V1∼V6도 포함시킨 전극에 펄스를 인가하여, 전하 전송한다. 이것에 의해 도 23에 도시한 구성예보다도, 소비 전력을 삭감할 수 있다. 또한, 도 25의 수직 최종단의 전극(V2’)은 수직 전송부의 다른 단의 전극(V2)과 동일하여도 된다.
도 27은 수평 공간 주파수 응답을 나타낸 그래프이고, g1은 화소 혼합을 하지 않는 모든 화소의 경우의 주파수 응답이다. 모든 화소 나이키스트 주파수(F)는 모든 화소 샘플링 주파수(f)와, F=1/2×f의 관계가 있다. 솎아냄 등에 의해 통상의 1/3의 주파수로 샘플링 하는 경우, 나이키스트 주파수 1/3F를 경계로 고역 성분이 되돌아가므로, 2/3F의 성분이 DC성분에 부가된다. 도 27의 g2는 상술한 특허 문헌1과 같이 수평 3화소의 양단의 2화소를 혼합하는 경우의 주파수 응답이다. 이 경우, 나이키스트 주파수는 1/3F가 되고, 2/3F의 성분이 약0.25이므로, DC로 되돌아가 의사신호를 발생한다. 도 27의 g3은 본 발명에서의 1화소 간격의 3화소 혼합의 경우의 주파수 응답이다. 나이키스트 주파수는 1/3F가 되지만, 2/3F의 성분이 0이므로, DC로 되돌아가는 성분은 거의 없다. 도 27에 도시하는 바와 같이, 고체 촬상 소자(1)에 의하면, 빗살무늬현상이나 의사신호가 적은 고품질의 화상 신호를 얻을 수 있다.
또한, 상술의 실시 형태에서는 수평 방향으로 3화소를 혼합하기 위한 구성 및 구동 방법에 관해서 설명하였지만, 본 발명은 3화소 이상의 홀수 화소의 혼합에 적용하는 것이 가능하고, 5화소 이상의 혼합을 실현하기 위한 구성 및 구동 방법에 관해서는, 당업자이면 본 실시 형태의 설명으로부터 이해할 수 있을 것이다.
또, 본 발명은 도 1에 도시한 바와 같은 필터 배열의 고체 촬상 소자에 한정되는 것이 아니라, 다른 배열에도 적용 가능하다. 또, 컬러 필터를 사용하지 않는 흑백 화상의 고체 촬상 소자에도 적용할 수 있다.
또, 본 실시 형태에서 설명한 고체 촬상 소자를 디지털 카메라에 적용하면, 고체 촬상 소자로부터 고속으로 데이터가 출력되므로, 고속 동작이 가능하고, 또한, 화질이 우수한 디지털 카메라를 실현할 수 있다. 본 발명의 고속 동작과 통상적인 모든 화소 독출 동작을 전환하여 사용할 수 있으므로, 동화(고속 동작) 모드와 정지화(모든 화소 독출 동작) 모드를 겸비한 디지털 카메라를 실현할 수 있다. 도 28에 본 발명에 관한 디지털 카메라의 구성예를 도시한다. 본 디지털 카메라는 피사체로부터의 입사광을 고체 촬상 소자(1)의 촬상면에 결상하기 위한 렌즈 등을 포함하는 광학계(31)와, 고체 촬상 소자(1)의 구동을 제어하는 제어부(32)와, 고체 촬상 소자(1)로부터의 출력 신호에 대하여 여러가지 신호 처리를 실시하는 화상 처리부(33)를 구비하고 있다.
또한, 본 발명에 관한 디지털 카메라는 고체 촬상 소자에 컬러 필터를 설치하지 않고, 수평 방향에서 연속하는 화소를 혼합하는 경우에는 다이크로익 미러 등 을 사용함으로써 칼러화 할 수 있다(소위 3판식 컬러 카메라). 또한, 3판식 컬러 카메라의 경우, m=2로 하여, 화소 혼합을 행하지 않는 제1 모드와, 수직 방향으로 인접하는 2화소 및 수평 방향으로 인접하는 2화소를 혼합하는 제2 모드의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환되는 것이 바람직하다.
(제2 실시 형태)
본 발명의 제2 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자에 관해서, 이하에 설명한다.
본 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자의 기본적인 구조는, 제1 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자(도 22참조)와 거의 동일하다. 단, 수직 전송부(3) 및 수평 전송부(4)의 구동 방법이 제1 실시 형태와 상이하다.
또, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자는 수직 최종단이 m(m은 2이상의 정수)열마다 동일한 전송 전극 구조를 갖고, 상기 m열의 모든 수직 최종단에 수평 전송부(4)로의 전송 동작을 다른 열과는 독립하여 제어하기 위해서, 수직 최종단의 다른 열에서 독립한 전송 전극이 설치된 구성이다. 여기서, m=3인 경우를 구체예로 들어, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자의 구성 및 동작에 관해서 설명한다. m=3일 경우, 본 고체 촬상 소자의 구성은 제1 실시 형태에서 도 22에 도시한 것과 동일하다.
여기서, 도 30∼도 47을 참조하여, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자의 동작에 관해서 설명한다. 도 30∼도 47에서는 수직 전송부(3)로 독출된 신호 전하의 각각에 번호를 붙여, 이 번호에 의해서 신호 전하의 이동을 나타내었다. 또한, 도 30 등에는 8×8화소만을 나타내었지만, 번호 18, 28,···88의 열의 우측에, 번호 19, 29,···89의 열이 있고, 또한 그 우측에 번호 110, 210,···810의 열, 또한 그 우측에 번호 111, 211,···811의 열이 계속되는 것으로 한다.
도 30은 광전 변환부(2)의 각 화소로부터, 수직 전송부(3)로 신호 전하가 독출된 상태를 도시한다. 이 상태에서, 우선, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 전송 전극을 3열마다 1열만 전송 동작시킴으로써, 도 31에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 신호 전하 중, 3열마다 1열의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다. 다음에, 도 32에 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4) 내의 신호 전하를 순방향으로 1화소분만큼 수평 전송한다.
또한, 도 33에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 전송 전극을 3열마다 1열(도 31에서 전송한 열과는 다른 열)만 전송 동작시킴으로써, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 신호 전하 중, 3열마다 1열의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다. 이것에 의해, 수평 전송부(4)에서, 3열마다 2열 분의 신호 전하가 혼합되게 된다. 다음에, 도 34에 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4) 내의 신호 전하를, 순방향으로 1화소분만큼 수평 전송한다.
다음에, 도 35에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 전송 전극을 3열마다 1열(도 31, 도 33에서 전송한 열과는 다른 열)만 전송 동작시킴으로써, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 신호 전하 중, 3열마다 1열의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다. 이상의 전송 동작에 의해, 도 35에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 신호 전하가 3열마다 수평 전송부(4)에서 혼 합되게 된다.
다음에, 도 36에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 모든 전송단에 수직 최종단을 향하여 1단 분의 수직 전송을 행하게 한다.
그리고, 도 36에서 수직 최종단에 위치하는 신호 전하(21∼28)에 관해서, 상기와 같은 순서로 수직 전송과 수평 전송을 반복함으로써(도 37∼도 41), 이들의 신호 전하를 3열마다 수평 전송부(4)에서 혼합한다.
또한, 도 42에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 모든 전송단에, 수직 최종단으로 향하여 1단 분의 수직 전송을 행하게 하고, 상기와 같은 순서로 수직 최종단에 위치하는 신호 전하(31∼38)에 관해서 수직 전송과 수평 전송을 반복함으로써(도 42∼도 47), 이들의 신호 전하를 3열마다 수평 전송부(4)에서 혼합한다.
도 47에 도시하는 대로 수평 전송부(4)에서 혼합된 3단 분의 신호 전하는 이후에 수평 전송부(4)로부터 순차 출력된다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자에 의하면, 3화소 혼합을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 수평 방향에 인접하는 3화소씩을 수평 전송부(4) 내에서 혼합하는 예를 나타내었지만, 혼합되는 화소는 반드시 인접하지 않아도 된다. 예컨대, 컬러 필터가 설치되어 있는 경우에는 동색 필터의 화소끼리를 혼합하는 것이 바람직하다. 반대로, 컬러 필터를 사용하지 않는 고체 촬상 소자의 경우에는 인접 화소를 혼합하는 쪽이 공간 주파수 특성이 열화하지 않는다는 점에서 바람직하다.
본 실시 형태에서는, m=3의 예를 설명하였지만, m=2의 경우 혹은 m이 4이상의 경우에도, m열 중의 1열의 신호 전하의 수직 전송과 수평 전송을 반복함으로써 m화소 혼합을 실현할 수 있는 것은, 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
또, 예컨대 m=6일 경우, 즉, 수직 최종단의 전송 전극이 6열마다 동일한 전송 전극 구조를 갖고, 상기 6열 중의 5열 혹은 모든 열이 다른 열과는 독립적으로 수평 전송부로의 전송 동작이 행해지도록, 다른 열로부터 독립한 전송 전극으로서 구성되어 있는 경우, 수직 전송부(3) 및 수평 전송부(4)로의 제어 신호의 패턴을 전환함으로써, 6화소 혼합, 3화소 혼합, 2화소 혼합, 화소 혼합없음,의 4종류의 모드에서의 동작이 가능하다. 즉, 이론적으로는, 수직 최종단의 전송 전극 중, 동일한 구조를 취하는 단위(개수)의 약수에 상당하는 화소를 혼합하는 모드를 임의로 실현할 수 있다.
상술의 복수 혼합 모드에 관해서, 예컨대, 도 48에 도시한 바와 같이 소위 베이어 배열의 컬러 필터가 설치되어 있는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 48에서, R, G, B의 기호가 각 화소에 대응하는 필터의 색을 나타낸다. 이 경우, m=12, 즉, 수직 최종단의 전송 전극이 12열마다 동일한 전송 전극 구조를 갖고, 상기 12열 중의 11열 혹은 모든 열이 다른 열과는 독립적으로 수평 전송부로의 전송 동작을 행할 수 있도록, 다른 열로부터 독립한 전송 전극으로서 구성되어 있는 고체 촬상 소자를 이용하여, 9화소 혼합 모드와 4화소 혼합 모드를 실현할 수 있다. 9화소 혼합 모드에서는, 수평 방향으로 1화소 간격으로 3화소분, 수직 방향으로 1단 간격으로 3단분의 합계 9화소를 혼합함으로써, R, G, B의 색 별로 9화소씩이 혼합 되게 된다. 한편, 4화소 혼합 모드에서는, 수평 방향으로 1화소 간격으로 2화소분, 수직 방향으로 1단 간격으로 2단분의 합계 4화소를 혼합함으로써, R, G, B의 색 별로 4화소씩이 혼합되게 된다.
또한, 상술의 경우에, 수직 방향의 화소 혼합은 수직 전송단 내에서 행해도 되고, 수평 전송부 내에서 행해도 된다.
(제3 실시 형태)
본 발명의 또한 다른 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자에 관해서 설명한다.
본 실시 형태의 고체 촬상 소자는 제2 실시 형태와 동일한 구성을 갖지만, 혼합되는 화소의 조합이 각 단에서 상이한 점에서, 제2 실시 형태와 상이하다.
여기서, m=2의 경우에 관해서, 도 49∼도 57을 참조하면서, 구체적인 동작을 설명한다. 도 49∼도 57에서도, 수직 전송부(3)로 독출된 신호 전하의 각각에 번호를 붙이고, 이 번호에 의해서 신호 전하의 이동을 나타내었다. 또한, 도 49 등에서는 8×8화소만을 나타내었지만, 번호 18, 28,···88의 열의 우측에 번호 19, 29,···89의 열이 있고, 더욱 우측으로, 번호 110, 210,···810의 열이 계속되고 있는 것으로 한다.
도 49는 광전 변환부(2)의 각 화소로부터, 수직 전송부(3)에 신호 전하가 독출된 상태를 도시한다. 이 상태로부터, 우선, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 전송 전극 중, 도 50에 도시하는 바와 같이, 짝수열의 전송 전극만을 전송 동작시킴으로써, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 신호 전하 중, 2열마다 1열의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다. 다음에, 도 51에 도시하는 바와 같이, 수평 전송 부(4) 내의 신호 전하를 순방향으로 1화소분만큼 수평 전송한다.
그리고, 도 52에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 전송 전극 중, 홀수열의 전송 전극만을 전송 동작시킴으로써, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 신호 전하 중, 2열마다 1열의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다. 이것에 의해, 수평 전송부(4) 내에서, 수직 최종단의 신호 전하가 2열마다 혼합되게 된다.
다음에, 도 53에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 모든 전송단에 수직 최종단을 향하여 1단분의 수직 전송을 하게 한다. 그리고, 도 54에 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4) 내의 신호 전하를 순방향으로 1화소분만큼 수평 전송한 후, 도 55에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 전송 전극 중, 홀수열의 전송 전극만을 전송 동작시킴으로써, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 신호 전하 중, 2열마다 1열의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다. 그리고, 도 56에 도시하는 바와 같이, 수평 전송부(4) 내의 신호 전하를 순방향으로 1화소분만큼 수평 전송한다. 다음에, 도 57에 도시하는 바와 같이, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 전송 전극 중, 짝수열의 전송 전극만을 전송 동작시킴으로써, 수직 전송부(3)의 수직 최종단의 신호 전하 중, 2열마다 1열의 신호 전하를 수평 전송부(4)로 전송한다. 이것에 의해, 수평 전송부(4) 내에서, 수직 최종단의 신호 전하가 2열마다 혼합되게 된다.
이하, 도 49∼도 57과 같은 동작을 반복한다.
이 순서에 의해, 본 실시 형태에서는 홀수단의 신호 전하(도 49에 나타낸 번 호(x1∼x8)의 신호 전하이며, x가 홀수의 것)는 번호 x1과 번호 x2, 번호 x3과 번호 x4, 번호 x5와 번호 x6, 번호 x7과 번호 x8의 조합으로 2화소마다 혼합된다. 한편, 짝수단의 신호 전하(도 49에 나타낸 번호(x1∼x8)의 신호 전하이며, x가 짝수의 것)는 번호 x2와 번호 x3, 번호 x4와 번호 x5, 번호 x6과 번호 x7, 번호 x8과 번호 x9의 조합으로 2화소마다 혼합된다.
이것에 의해, 도 58에 원으로 표시하는 바와 같이, 홀수단에서 혼합되는 2화소의 중심 위치와, 짝수단에서 혼합되는 2화소의 중심 위치가 교대로 균형 있게 배치되게 된다. 이와 같이, 혼합되는 화소군의 중심 위치가 수평 방향으로 등 간격이 되게 함으로써, 시각적인 해상도가 향상되어 더욱 선명한 화상이 얻어지는 이점이 있다.
또한, 제1 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자와 동일하게, 제2 및 제3 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자를 디지털 카메라에 적용하면(도 28참조), 고체 촬상 소자로부터 고속으로 데이터가 출력되므로, 고속 동작이 가능하고, 또한, 화질이 우수한 디지털 카메라를 실현할 수 있게 된다. 또, 본 발명의 고속 동작과 통상의 모든 화소 독출 동작을 전환하여 사용할 수 있으므로, 동화(고속 동작) 모드와 정지화(모든 화소 독출 동작) 모드를 겸비한 디지털 카메라를 실현할 수 있다.
또한, 제1∼제3 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자이며, 화소 혼합을 행하지 않고 모든 화소의 신호 전하를 출력하는 모드와, 4화소 혼합을 행하는 모드를 전환 가능한 고체 촬상 소자를 이용하여 디지털 카메라를 구성하는 것도 바람직하다. 이러한 디지털 카메라로는, 예컨대, 화소 혼합을 행하지 않는 모드로서는 HDTV 동 화 모드(수직 방향 1000화소×수평 방향 2000화소)에서의 화상 출력, 4화소 혼합을 행하는 모드로는 SDTV 동화 모드(수직 방향 500화소×수평 방향 1000화소)에서의 화상 출력이 가능하게 된다. HDTV 동화 모드로는 고해상도의 화상을 출력할 수 있고, SDTV 동화 모드로는 고감도 또한 고프레임 레이트의 화상 출력이 가능하게 된다.
또, 800만 화소 상당 이상의 고체 촬상 소자에서, 보다 구체적으로는 수직 화소 수가 2160화소 이상, 수평 화소 수가 3840화소 이상 갖는 고체 촬상 소자에서, 수직 3화소×수평 3화소의 합계 9화소를 혼합하는 것에 의한 주사선 수가 720개의 TV 포맷의 촬상 모드와, 수직 2화소×수평 2화소의 4화소를 혼합하는 것에 의한 주사선이 1080개의 TV 포맷의 촬상 모드의 적어도 2모드를 선택적으로 전환되도록 구성함으로써, 고해상도의 화상 출력 모드와 고감도 또한 고프레임 레이트의 화상 출력 모드의 전환이 가능하다.
또한, 수직 4화소×수평 4화소의 16화소를 혼합하는 촬상 모드를 갖음으로써, 주사선 수가 480개의 NTSC방식 혹은 575개의 PAL방식의 주사선 수의 촬상 모드를 실현할 수 있다.
또한, 이러한 디지털 카메라는 고체 촬상 소자에 컬러 필터가 설치된 구성이어도 되고, 고체 촬상 소자에는 컬러 필터를 설치하지 않고 다이크로익 미러를 이용하여 분광함으로써 컬러 영상을 얻는, 소위 3판식 카메라이어도 된다. 상술한 바와 같이 고체 촬상 소자에 컬러 필터가 설치되어 있는 경우에는, 동색 필터의 화소끼리를 혼합하는 것이 바람직하고, 3판식 카메라의 경우에는 서로 인접하는 복수 화소를 혼합하는 것이 바람직하다.
본 발명은 적어도 수평 방향의 화소 수를 삭감함으로써, 빗살무늬현상이나 의사신호를 발생시키지 않고 양질의 영상 신호를 고속으로 출력할 수 있는 고체 촬상 소자로 이용 가능하다.

Claims (38)

  1. 2차원 배열의 화소로부터 독출한 신호 전하를 수직 방향으로 전송하기 위해서 상기 화소의 각 열에 대응하여 설치된 수직 전송부와,
    상기 수직 전송부로부터 수취한 신호 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전송부를 갖고,
    상기 수직 전송부에서의 상기 수평 전송부에 가장 가까운 전송단인 수직 최종단이 m(m은 2이상의 정수) 열마다 동일한 전송 전극 구성을 가지며,
    상기 m열 중, 하나의 열 이외의 각 수직 최종단 혹은 모든 열의 각 수직 최종단에 해당 수직 최종단으로부터 상기 수평 전송부로의 전송 동작을, 해당 m열에서의 다른 열과는 독립하여 제어하기 위해서, 상기 다른 열과는 독립한 전송 전극이 설치된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 m이 2n+1(n은 1이상의 정수)인 고체 촬상 소자.
  3. 제2항에 있어서, 수평 방향에서 1화소 간격의 2n+1(n은 1이상의 정수)개씩을 제1 혼합 화소군으로 하고,
    상기 제1 혼합 화소군 이외의 화소로부터, 1화소 간격의 2n+1개씩의 화소이며, 이 화소 중심이 상기 제1 혼합 화소군의 화소 중심간에서 등 간격이 되는 화소를 제2 혼합 화소군으로 하며,
    제1, 제2 혼합 화소군의 각각에 포함되는 화소의 신호 전하를 수평 전송부 내에서 가산하는 고체 촬상 소자.
  4. 제3항에 있어서, 수직 최종단에서의 상기 제1, 제2 혼합 화소군의 각각에 관하여,
    (a1) 상기 2n+1개의 화소로 이루어지는 각 혼합 화소군 중, 상기 수평 전송부의 출력 측으로부터 가장 먼 화소의 신호 전하만을 수직 최종단에서 수평 전송부로 전송하고,
    (a2) 수평 전송부의 신호 전하를 순방향으로 2화소분 전송하고,
    (a3) 상기 2n+1개의 화소군 중, 수직 최종단에 신호 전하가 남아 있는 화소이며 상기 수평 전송부의 출력 측으로부터 가장 먼 화소의 신호 전하만을 수직 최종단으로부터 수평 전송부로 전송하며,
    (a4) 상기 a2 및 a3의 전송을 상기 2n+1개의 화소군의 모든 신호 전하가 수직 최종단에서 수평 전송부로 전송될 때까지 반복하여 행하는 고체 촬상 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    (b1) 상기 a1∼a4의 전송의 마지막으로서, 상기 2n+1개의 화소군 중 마지막의 화소의 신호 전하를 수직 최종단으로부터 수평 전송부로 전송한 후, 또는 전송하는 동시에, 모든 열의 수직 전송부의 신호 전하를 수직 최종단을 향하여 1단 분 전송하고,
    (b2) 상기 b1에 의해 수직 최종단에 전송된 신호 전하에 관해서 a1∼a4의 전송을 행하며,
    (b3) 상기 b1 및 b2의 전송을 2n+1단 분의 신호 전하가 수평 전송부로 전송될 때까지 반복하여 행하는 고체 촬상 소자.
  6. 제2항에 있어서, 상기 수직 전송부에서의 상기 수평 전송부에 가장 가까운 수직 최종단이 3열마다 동일한 전송 전극 구성을 갖고,
    상기 3열 중, 적어도 수평 전송부의 출력 측으로부터 제2 및 제3열의 수직 최종단에, 해당 수직 최종단에서 상기 수평 전송부로의 전송 동작을 다른 수직 최종단과는 각각 독립하여 제어하기 위해서, 다른 수직 최종단과는 독립한 전송 전극이 설치된 고체 촬상 소자.
  7. 제6항에 있어서, 수평 전송부의 출력측으로부터 제1열의 상기 수직 최종단이 해당 열에서의 수직 최종단 이외의 단과 동일한 전극 구성을 갖는 고체 촬상 소자.
  8. 제6항에 있어서, 수평 방향에서 1화소 간격의 3개씩을 제1 혼합 화소군으로 하고,
    상기 제1 혼합 화소군 이외의 화소로부터, 1화소 간격의 3개씩의 화소이며, 이 화소 중심이 상기 제1 혼합 화소군의 화소 중심간에서 등 간격이 되는 화소를 제2 혼합 화소군으로 하는 고체 촬상 소자.
  9. 제6항에 있어서,
    (c1) 상기 3열 중, 수평 전송부의 출력 측으로부터 제2열의 수직 최종단의 신호 전하만을 수평 전송부로 전송하고,
    (c2) 수평 전송부의 신호 전하를 순방향으로 2화소분 전송하고,
    (c3) 상기 3열 중, 수평 전송부의 출력 측으로부터 제3열의 수직 최종단의 신호 전하만을 수평 전송부로 전송하며,
    (c4) 수평 전송부의 신호 전하를 순방향으로 2화소분 전송하며,
    (c5) 상기 3열 중, 수평 전송부의 출력 측으로부터 제1열의 수직 최종단의 신호 전하를 수평 전송부로 전송하는 고체 촬상 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    (d1) 상기 c5에서 제1열의 수직 최종단의 신호 전하를 수평 전송부로 전송한 후, 또는 전송하는 동시에, 모든 열의 수직 전송부의 신호 전하를 1단 전송하고,
    (d2) 상기 d1의 마지막에 수직 최종단으로 전송된 신호 전하에 관해서, c1∼c5의 전송을 행하고, c5에서 제1열의 수직 최종단의 신호 전하를 수평 전송부로 전송한 후, 또는 전송하는 동시에, 모든 열의 수직 전송부의 신호 전하를 1단 전송하며,
    (d3) 상기 d2의 마지막에 수직 최종단에 전송된 신호 전하에 관해서, c1∼c5의 전송을 행하는 고체 촬상 소자.
  11. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 혼합 화소군의 각각의 수직 방향에서 1행 간격의 2n+1행 분의 합계(2n+1)×(2n+1)화소를 하나의 혼합 화소군으로 하고, 각 열에 포함되는 2n+1행 분의 화소의 신호 전하를 수직 전송부 내에서 가산하는 고체 촬상 소자.
  12. 제11항에 있어서, 수평 방향에서 1화소 간격의 3화소의, 수직 방향에서 1행 간격의 3행 분의, 합계 9화소를 하나의 혼합 화소군으로 하는 고체 촬상 소자.
  13. 제3항에 있어서, 수평 방향에서 1화소 간격의 3화소를, 수직 방향에서 3행 간격을 띄운 2행 분, 합계 6화소를 하나의 혼합 화소군으로 하는 고체 촬상 소자.
  14. 제3항에 있어서, 수평 방향에서 1화소 간격의 3화소를, 수직 방향에서 3행마다 1행, 합계 3화소를 하나의 혼합 화소군으로 하는 고체 촬상 소자.
  15. 제2항에 있어서, 상기 2차원 배열의 화소에 수평 방향에서 2화소, 수직 방향에서 2화소의 합계 4화소를 1단위로 한 컬러 필터를 배치한 고체 촬상 소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 컬러 필터가 상기 4화소의 한 쌍 각 선상의 2화소에 제1 색의 필터를 배치하고, 다른 2화소에 제2 및 제3 색의 필터를 각각 배치한 고체 촬상 소자.
  17. 제3항에 있어서, 상기 2차원 배열의 화소에 수평 방향에서 2화소, 수직 방향에서 4화소의 합계 8화소를 1단위로 한 컬러 필터를 배치하고,
    수직 방향에서 인접하는 2화소를 수직 전송부 내에서 가산하는 고체 촬상 소자.
  18. 제6항에 있어서, 상기 수직 최종단의 각 열은 6개의 전송 전극으로 구성되고,
    인접하는 3열의 수직 전송부의 전체에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째가, 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이며, 1번째, 3번째, 5번째 및 6번째가 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극인 고체 촬상 소자.
  19. 제6항에 있어서, 상기 수직 최종단의 각 열은 6개의 전송 전극으로 구성되고,
    인접하는 3열의 수직 전송부 중의 2열에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째가, 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 1번째, 3번째, 5번째 및 6번째가 수직 전송부의 다른 단과 공통한 전극이며,
    인접하는 3열의 수직 전송부 중의 나머지의 1열에서, 1번째∼6번째의 모든 전송 전극이 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극인 고체 촬상 소자.
  20. 제6항에 있어서, 상기 수직 최종단의 각 열은 6개의 전송 전극으로 구성되고,
    인접하는 3열의 수직 전송부의 전체에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째, 4번째 및 6번째가, 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 1번째, 3번째 및 5번째가 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극인 고체 촬상 소자.
  21. 제6항에 있어서, 상기 수직 최종단의 각 열은 6개의 전송 전극으로 구성되고,
    인접하는 3열의 수직 전송부 중의 2열에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째, 4번째 및 6번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 1번째, 3번째 및 5번째가 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극이며,
    인접하는 3열의 수직 전송부 중의 나머지의 1열에서, 1번째∼6번째의 모든 전송 전극이 수직 전송부의 다른 단과 공통된 전극인 고체 촬상 소자.
  22. 제6항에 있어서, 상기 수직 최종단의 각 열은 6개의 전송 전극으로 구성되고,
    인접하는 3열의 수직 전송부 중 적어도 2열에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 인접하는 3열의 수직 전송부의 전체에서, 수평 전송부 측으로부터 1번째 및 3번째가 수직 전송부의 다른 단과는 상이한 고체 촬상 소자.
  23. 제6항에 있어서, 상기 수직 최종단의 각 열은 6개의 전송 전극으로 구성되고,
    인접하는 3열의 수직 전송부 중 적어도 2열에서, 상기 6개의 전송 전극 중, 수평 전송부 측으로부터 2번째, 4번째 및 6번째가 다른 열의 수직 최종단과는 독립한 독립 전극이고, 인접하는 3열의 수직 전송부의 전체에서, 수평 전송부로부터 1번째, 3번째 및 5번째가 수직 전송부의 다른 단과는 상이한 고체 촬상 소자.
  24. 제1항에 있어서, 상기 수직 전송부에서의 각 단이 6개의 전송 전극으로 구성되고, 상기 수직 전송부에서의 수직 최종단 이외의 전송단은 수평 전송부 측으로부터 2번째, 4번째 및 6번째의 전송 전극이 제1층의 전극막에 의해서 전열에 걸쳐 공통 전극으로서 형성되며, 수평 전송부 측으로부터 1번째, 3번째 및 5번째의 전송 전극이 상기 제1층보다 상층에 형성되는 제2층의 전극막에 의해서 전열에 걸치는 공통 전극으로서 형성되고,
    수직 최종단에 있어서는, 상기 제2층의 전극막과 동일한 전극막을, 각 열에 대해 섬 형상으로 서로 분리함으로써, 수평 전송부 측으로부터 2번째 및 4번째의 전극이 독립 전극으로서 형성된 고체 촬상 소자.
  25. 제1항에 있어서, 상기 수직 전송부가 적어도 3층의 전극막을 갖고,
    상기 수직 최종단에서 다른 열과 독립하여 설치된 전송 전극이 최상층을 포함하는 적어도 한 층의 전극막으로 형성된 고체 촬상 소자.
  26. 제1항에 있어서,
    (e1)수평 방향에서 m개의 화소로부터 선택적으로 하나 이상 m-1개 이하의 화소의 신호 전하를 수평 전송부로 전송하고,
    (e2)수평 전송부의 신호 전하를 순방향 혹은 역방향으로 적어도 1화소분 전송하며,
    (e3)상기 e1 및 e2의 전송을 반복함으로써, m개의 화소의 신호 전하를 수평 전송부로 모두 전송하는 고체 촬상 소자.
  27. 제26항에 있어서,
    (e4)상기 e3의 후에, 모든 열의 신호 전하를 수평 전송부 측으로 일단 전송하고,
    (e5)상기 e4의 전송에 의해 수직 최종단으로 이동한 신호 전하에 대하여, 상기 e1∼e3의 전송을 하며,
    상기 e4및 e5를 반복함으로써, m단 분의 신호 전하를 수평 전송부로 모두 전송하는 고체 촬상 소자.
  28. 제1항에 있어서, 상기 m열중 하나의 열 이외의 수직 최종단 혹은 모든 열의 수직 최종단에 있어서, 다른 열과는 독립하여 설치된 전송 전극을 해당 다른 열과는 독립하여 구동함으로써 수평 m개의 화소 혼합을 행하는 모드와, 상기 전송 전극을 다른 열과 동일하게 구동함으로써 화소 혼합을 행하지 않는 모드의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 고체 촬상 소자.
  29. 제1항에 있어서, m이 m1(m1은 2이상의 정수)과 m2(m2는 2이상의 정수)와의 공배수이고(m1과 m2는 서로 다른 값임), 수평 m1개의 화소 혼합을 행하는 모드와 수평 m2개의 화소 혼합을 행하는 모드의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 고체 촬상 소자.
  30. 제29항에 있어서, 3색의 필터가 수직 방향으로 2색, 수평 방향으로 2색 배치된 반복 패턴의 컬러 필터를 또한 구비하고,
    상기 컬러 필터의 동색 필터에 상당하는 수평 m1 화소를 혼합하는 모드와, 수평 m2 화소를 혼합하는 모드의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 고체 촬상 소자.
  31. 제29항에 있어서, 3색의 필터가 수직 방향으로 2색, 수평 방향으로 2색 배치 된 반복 패턴의 컬러 필터를 또한 구비하고,
    상기 컬러 필터의 동색 필터에 상당하는 수평 2화소를 혼합하는 모드와, 수평 3화소를 혼합하는 모드와, 수평 4화소를 혼합하는 모드 중의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 고체 촬상 소자.
  32. 제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동작 모드에, 화소 혼합을 행하지 않는 모드를 또한 포함하는 고체 촬상 소자.
  33. 제26항에 있어서, 상기 m개의 화소가 수평 방향에서 연속하는 화소인 고체 촬상 소자.
  34. 제26항에 있어서, 수평 방향에서의 상기 m개의 화소의 조합을 단마다 변경하는 고체 촬상 소자.
  35. 제34항에 있어서, 인접하는 적어도 2단에 있어서, 상기 m개의 화소의 조합의 중심 위치가 수평 방향으로 등 간격인 고체 촬상 소자.
  36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 촬상 소자를 구비한 카메라.
  37. 제33항에 있어서, 고체 촬상 소자를 구비한 3판식 컬러 카메라.
  38. 제37항에 있어서, m=2로 하고, 화소 혼합을 행하지 않는 제1 모드와, 수직 방향으로 인접하는 2화소 및 수평 방향으로 인접하는 2화소를 혼합하는 제2 모드 중의 적어도 2모드간에서 동작 모드를 선택적으로 전환할 수 있는 3판식 컬러 카메라.
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