JP2004180284A - 固体撮像素子およびこれを備えたカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 少なくとも水平方向の画素数を削減でき、モワレや偽信号を生じることなく良質な映像信号を高速に出力できる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 ２次元配列の光電変換部２から読み出した信号電荷を垂直方向へ一段ずつ転送する垂直転送部３と、垂直転送部３から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送部４と、垂直転送部３および水平転送部４の転送動作を制御する制御部とを有し、垂直転送部３における垂直最終段が、２ｎ＋１（ｎは１以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有し、前記２ｎ＋１列のうち、一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての垂直最終段に、他の垂直最終段とは独立した転送電極が設けられた固体撮像素子。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受けた光を電気信号に変換し、映像信号として出力する固体撮像素子に関する。

従来、受けた光を電気信号に変換し、映像信号として出力する固体撮像素子が知られており、この固体撮像素子から得た映像信号を静止画像として表示するディジタルスチルカメラ等のカメラが知られている。近年では、このような固体撮像素子を用いたカメラは、画質および機能のさらなる向上が要望され、画素の高密度化が進んでいる。

このような固体撮像素子において、映像信号の出力スピードを向上させるために、信号電荷を読み出す画素を間引くことにより出力映像信号中の画素数を減らす駆動方法が、従来から提案されている。例えば特許文献１（特開平１１−２３４６８８号公報）には、例えば水平方向３画素を１ブロックとして、各ブロックにおける中央画素を除く２画素（両端の２画素）の信号電荷を固体撮像素子内で混合すると共に、ブロックの中央の１画素の信号電荷を、隣接するブロックの中央の１画素の信号電荷と混合することにより、固体撮像素子からの出力映像信号における水平方向の画素数を削減する駆動方法が開示されている。
特開平１１−２３４６８８号公報

しかしながら、水平方向における１／３間引きの際に、全画素出力時のサンプリング周波数の３分の１の成分が信号のＤＣ成分に折り返されて加わるが、上述した従来の駆動方法による固体撮像素子では、サンプリング周波数の３分の１の成分が０ではない（図２７参照）。これにより、モワレの発生や、偽信号の発生などにより、出力映像信号の画質が劣化するという問題を有していた。

本発明はこれらの問題を解決するために、少なくとも水平方向の画素数を削減できる固体撮像素子であって、モワレや偽信号を生じることなく良質な映像信号を高速に出力できる固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像素子は、２次元配列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送するために前記画素の各列に対応して設けられた垂直転送部と、前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを有し、前記垂直転送部における前記水平転送部に最も近い転送段である垂直最終段が、ｍ（ｍは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有し、前記ｍ列のうち、一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての垂直最終段に、当該垂直最終段から前記水平転送部への転送動作を、当該ｍ列における他の垂直最終段とは独立して制御するために、前記他の垂直最終段とは独立した転送電極が設けられたことを特徴とする。

以上に説明したように、本発明によれば、少なくとも水平方向の画素数を削減することにより、モワレや偽信号を生じることなく良質な映像信号を高速に出力できる固体撮像素子を提供できる。

本発明にかかる固体撮像素子は、２次元配列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送するために前記画素の各列に対応して設けられた垂直転送部と、前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを有し、前記垂直転送部における前記水平転送部に最も近い転送段である垂直最終段が、ｍ（ｍは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有し、前記ｍ列のうち、一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての垂直最終段に、当該垂直最終段から前記水平転送部への転送動作を、当該ｍ列における他の垂直最終段とは独立して制御するために、前記他の垂直最終段とは独立した転送電極が設けられた構成である（第１の構成）。

本発明の固体撮像素子における垂直転送部は、２次元配列の画素に対応する例えばフォトダイオードなどの光電変換部と複数の垂直転送段からなる垂直ＣＣＤによって構成されていても良いし、受光機能を有し複数の垂直転送段からなる垂直ＣＣＤによって構成されていても良い。

上述の第１の構成によれば、垂直最終段の全ての信号電荷は、ｍ回に分けて水平転送部へ転送される。また、垂直最終段から水平転送部への転送と、水平転送部による水平方向への転送とを組み合わせれば、画素出力の並べ替えや混合が任意に可能となる。なお、垂直転送部および水平転送部の転送動作は、これらにそれぞれ設けられた転送電極へ所定の制御信号を与えることにより制御される。この制御信号を送出するための手段（制御部）は、固体撮像素子の外部にあっても良いし、固体撮像素子と一体に設けられていても良い。

本発明にかかる固体撮像素子において、前記ｍを２ｎ＋１（ｎは１以上の整数）としても良い（第２の構成）。さらに、この固体撮像素子において、水平方向において１画素おきの２ｎ＋１（ｎは１以上の整数）個ずつを第１の混合画素群とし、前記第１の混合画素群以外の画素から、１画素おきの２ｎ＋１個ずつの画素であって、その画素重心が前記第１の混合画素群の画素重心の間で等間隔になる画素を第２の混合画素群として、第１、第２の混合画素群のそれぞれに含まれる画素の信号電荷を水平転送部内で加算することが好ましい（第３の構成）。

この構成によれば、画素の信号電荷を捨てることなく、水平方向の画素数を１／（２ｎ＋１）に低減することができる。かつ、画素数を低減した後の混合画素間隔が均等なため、感度が高く、かつ、解像度が高くモワレが少ない画像信号を得ることができる。

前記固体撮像素子において、さらに、垂直最終段における前記第１、第２の混合画素群のそれぞれについて、（ａ１）前記２ｎ＋１個の画素からなる各混合画素群のうち、前記水平転送部の出力側から最も遠い画素の信号電荷のみを、垂直最終段から水平転送部へ転送し、（ａ２）水平転送部の信号電荷を順方向に２画素分転送し、（ａ３）前記２ｎ＋１個の画素群のうち、垂直最終段に信号電荷が残っている画素であって前記水平転送部の出力側から最も遠い画素の信号電荷のみを、垂直最終段から水平転送部へ転送し、（ａ４）前記ａ２およびａ３の転送を、前記２ｎ＋１個の画素群の全ての信号電荷が垂直最終段から水平転送部へ転送されるまで繰り返して行うことが好ましい（第４の構成）。

これにより、１画素おきの２ｎ＋１画素を混合することができ、さらに、その間の画素も同時に２ｎ＋１画素で混合できる。

前記固体撮像素子において、さらに、（ｂ１）前記ａ１〜ａ４の転送の最後として、前記２ｎ＋１個の画素群のうち最後の画素の信号電荷を垂直最終段から水平転送部へ転送した後、または転送すると同時に、全列の垂直転送部の信号電荷を１段転送し、（ｂ２）前記ｂ１により垂直最終段に転送された信号電荷について、ａ１〜ａ４の転送を行い、（ｂ３）前記ｂ１およびｂ２の転送を、２ｎ＋１段分の信号電荷が水平転送部へ転送されるまで繰り返して行うことが好ましい（第５の構成）。

これにより、水平転送部に空転送段が生じないため、水平転送スピードを上げずに、水平画素数を１／（２ｎ＋１）に低減できる。

前記固体撮像素子において、前記垂直転送部における前記水平転送部に最も近い垂直最終段が、３列毎に同じ転送電極構成を有し、前記３列のうち、少なくとも水平転送部の出力側から第２および第３列の垂直最終段に、当該垂直最終段から前記水平転送部への転送動作を、他の垂直最終段とはそれぞれ独立して制御するために、他の垂直最終段とは独立した転送電極が設けられたことが好ましい（第６の構成）。これにより、水平方向において３画素を混合することにより、水平画素数を１／３に低減できる。

前記第６の構成にかかる固体撮像素子において、水平転送部の出力側から第１列の前記垂直最終段は、当該列における垂直最終段以外の段と同じ電極構成を有することが好ましい（第７の構成）。

前記第６の構成にかかる固体撮像素子において、水平方向において１画素おきの３個ずつを第１の混合画素群とし、前記第１の混合画素群以外の画素から、１画素おきの３個ずつの画素であって、その画素重心が前記第１の混合画素群の画素重心の間で等間隔になる画素を第２の混合画素群とすることが好ましい（第８の構成）。これにより、画素の信号電荷を捨てることなく、水平方向の画素数を１／３に低減することができ、かつ、画素数低減後の混合画素間隔を均等にすることができる。

前記第６の構成にかかる固体撮像素子において、（ｃ１）前記３列のうち、水平転送部の出力側から第２列の垂直最終段の信号電荷のみを水平転送部へ転送し、（ｃ２）水平転送部の信号電荷を順方向に２画素分転送し、（ｃ３）前記３列のうち、水平転送部の出力側から第３列の垂直最終段の信号電荷のみを水平転送部へ転送し、（ｃ４）水平転送部の信号電荷を順方向に２画素分転送し、（ｃ５）前記３列のうち、水平転送部の出力側から第１列の垂直最終段の信号電荷を水平転送部へ転送することが好ましい（第９の構成）。これにより、１画素おきの３画素とその間の３画素とをそれぞれ混合でき、かつ、画素数低減後の混合画素間隔を均等にすることができる。

前記第９の構成にかかる固体撮像素子において、（ｄ１）前記ｃ５において第１列の垂直最終段の信号電荷を水平転送部へ転送した後、または転送すると同時に、全列の垂直転送部の信号電荷を１段転送し、（ｄ２）前記ｄ１の最後に垂直最終段に転送された信号電荷について、ｃ１〜ｃ５の転送を行い、ｃ５において第１列の垂直最終段の信号電荷を水平転送部へ転送した後、または転送すると同時に、全列の垂直転送部の信号電荷を１段転送し、（ｄ３）前記ｄ２の最後に垂直最終段に転送された信号電荷について、ｃ１〜ｃ５の転送を行うことが好ましい（第１０の構成）。これにより、水平方向における３画素混合を行っても、水平転送部に空転送段が生じないため、水平転送スピードを上げなくても、水平画素数を１／３に低減できる。

また、前記第３の構成にかかる固体撮像素子において、前記第１および第２の混合画素群のそれぞれの、垂直方向において１行おきの２ｎ＋１行分の合計（２ｎ＋１）×（２ｎ＋１）画素を、１つの混合画素群として、各列に含まれる２ｎ＋１行分の画素の信号電荷を垂直転送部内で加算することが好ましい（第１１の構成）。これにより、１画面のデータ数が、１／（（２ｎ＋１）×（２ｎ＋１））となるため、単位時間毎のフレーム数を増やせる。また、捨てる画素がないので、感度が向上する。

前記第１１の構成にかかる固体撮像素子において、水平方向において１画素おきの３画素の、垂直方向において１行おきの３行分の、合計９画素を、１つの混合画素群とすることが好ましい（第１２の構成）。これにより、１画面のデータ数が１／９になるため、単位時間毎のフレーム数を増やせる。また、捨てる画素がないので、感度が向上する。

前記第３の構成にかかる固体撮像素子において、水平方向において１画素おきの３画素を、垂直方向において３行間隔を空けた２行分、合計６画素を、１つの混合画素群とすることが好ましい（第１３の構成）。これにより、垂直方向に３行分の画素を混合する場合と比較して、リニアな信号範囲が広くなるという利点がある。

前記第３の構成にかかる固体撮像素子において、水平方向において１画素おきの３画素を、垂直方向における３行毎に１行、合計３画素を、１つの混合画素群とすることが好ましい（第１４の構成）。これにより、垂直方向に３行分の画素を混合する場合と比較して、リニアな信号範囲がさらに広くなるという利点がある。

前記第２の構成にかかる固体撮像素子において、前記２次元配列の画素に、水平方向において２画素、垂直方向において２画素の合計４画素を１単位としたカラーフィルタを配したことが好ましい（第１５の構成）。これにより、画素混合後も、水平２画素垂直２画素の合計４画素を１単位とした同一カラーフィルタ配列の画像が得られる。

前記第１５の構成にかかる固体撮像素子において、前記カラーフィルタが、前記４画素の一対角線上の２画素に第１の色のフィルタを配し、他の２画素に第２および第３の色のフィルタをそれぞれ配したことが好ましい（第１６の構成）。

前記第３の構成にかかる固体撮像素子において、前記２次元配列の画素に、水平方向において２画素、垂直方向において４画素の合計８画素を１単位としたカラーフィルタを配し、垂直方向において隣接する２画素を垂直転送部内で混合することが好ましい（第１７の構成）。

また、本発明にかかる固体撮像素子において、垂直最終段に独立電極を少なくとも２枚設けた構成とすることが好ましい。

例えば、前記垂直最終段の各列を６個の転送電極で構成する場合、（１）隣接する３列の垂直転送部の全てにおいて、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目および４番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、１番目、３番目、５番目、および６番目が垂直転送部の他の段と共通した電極とした構成（第１８の構成）、（２）隣接する３列の垂直転送部のうちの２列において、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目および４番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、１番目、３番目、５番目、および６番目が垂直転送部の他の段と共通した電極であり、隣接する３列の垂直転送部のうちの残りの１列において、１番目〜６番目の全ての転送電極が、垂直転送部の他の段と共通した電極である構成（第１９の構成）、（３）隣接する３列の垂直転送部の全てにおいて、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目、４番目、および６番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、１番目、３番目、および５番目が垂直転送部の他の段と共通した電極である構成（第２０の構成）、（４）隣接する３列の垂直転送部のうちの２列において、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目、４番目、および６番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、１番目、３番目、および５番目が垂直転送部の他の段と共通した電極であり、隣接する３列の垂直転送部のうちの残りの１列において、１番目〜６番目の全ての転送電極が、垂直転送部の他の段と共通した電極とした構成（第２１の構成）、（５）隣接する３列の垂直転送部のうち少なくとも２列において、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目および４番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、隣接する３列の垂直転送部の全てにおいて、水平転送部側から１番目および３番目が、垂直転送部の他の段とは異なる構成（第２２の構成）、あるいは、（６）隣接する３列の垂直転送部のうち少なくとも２列において、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目、４番目、および６番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、隣接する３列の垂直転送部の全てにおいて、水平転送部から１番目、３番目、および５番目が、垂直転送部の他の段とは異なる構成（第２３の構成）、のいずれかであることが好ましい。

また、本発明の第１の構成にかかる固体撮像素子において、前記垂直転送部における各段が６個の転送電極で構成され、前記垂直転送部における垂直最終段以外の転送段は、水平転送部側から２番目、４番目、および６番目の転送電極が第１層の電極膜によって全列にわたる共通電極として形成され、水平転送部側から１番目、３番目、および５番目の転送電極が前記第１層より上層に形成される第２層の電極膜によって全列にわたる共通電極として形成され、垂直最終段においては、前記第２層の電極膜と同じ電極膜を、各列において島状に分離することによって、水平転送部側から２番目および４番目の電極が独立電極として形成された構成とすることも好ましい（第２４の構成）。この構成によれば、上層の電極膜を島状にすることにより、配線が容易となるという利点がある。

あるいは、本発明の第１の構成にかかる固体撮像素子において、前記垂直転送部が少なくとも３層の電極膜を有し、前記垂直最終段において他の列と独立して設けられた転送電極が、最上層を含む少なくとも一層の電極膜で形成された構成とすることも好ましい（第２５の構成）。最上層を用いて独立した転送電極を形成することにより、配線の後付けが不要となるという利点がある。

また、本発明の第１の構成にかかる固体撮像素子は、（ｅ１）水平方向においてｍ個の画素から選択的に１個以上ｍ−１個以下の画素の信号電荷を水平転送部へ転送し、（ｅ２）水平転送部の信号電荷を順方向あるいは逆方向に少なくとも１画素分転送し、（ｅ３）前記ｅ１およびｅ２の転送を繰り返すことにより、ｍ個の画素の信号電荷を水平転送部へすべて転送する構成とすることも好ましい（第２６の構成）。

さらに、上記の第２６の構成において、（ｅ４）前記ｅ３の後、全列の信号電荷を水平転送部側へ一段転送し、（ｅ５）前記ｅ４の転送により垂直最終段に移動した信号電荷に対して、前記ｅ１〜ｅ３の転送を行い、前記ｅ４およびｅ５を繰り返すことにより、ｍ段分の信号電荷を水平転送部へすべて転送する構成とすることもより好ましい（第２７の構成）。

また、本発明の第１の構成にかかる固体撮像素子は、前記ｍ列のうち一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての列の垂直最終段において、他の列とは独立して設けられた転送電極を当該他の列とは独立して駆動することにより水平ｍ個の画素混合を行うモードと、前記転送電極を他の列と同様に駆動することにより画素混合を行わないモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられることが好ましい（第２８の構成）。画素混合を行わずに高解像度な画像出力モードと、画素混合を行うことにより高感度かつ高フレームレートの画像出力モードとの切り替えが可能となるからである。

また、本発明にかかる固体撮像素子は、ｍがｍ₁（ｍ₁は２以上の整数）とｍ₂（ｍ₂は２以上の整数）との公倍数であり、水平ｍ₁個の画素混合を行うモードと水平ｍ₂個の画素混合を行うモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられる構成とすることも好ましい（第２９の構成）。

さらに、この第２９の構成において、３色のフィルタが垂直方向に２色、水平方向に２色配置された繰り返しパターンのカラーフィルタをさらに備え、前記カラーフィルタの同色フィルタに相当する水平ｍ₁画素を混合するモードと、水平ｍ₂画素を混合するモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられる態様としても良い（第３０の構成）。

あるいは、前記の第２９の構成において、３色のフィルタが垂直方向に２色、水平方向に２色配置された繰り返しパターンのカラーフィルタをさらに備え、前記カラーフィルタの同色フィルタに相当する水平２画素を混合するモードと、水平３画素を混合するモードと、水平４画素を混合するモードのうちの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられる態様としても良い（第３１の構成）。

あるいは、前記第２９〜第３１の構成において、前記動作モードに、画素混合を行わないモードをさらに含む態様としても良い（第３２の構成）。画素混合を行わずに高解像度な画像出力モードと、画素混合を行うことにより高感度かつ高フレームレートの画像出力モードとの切り替えが可能となるからである。

また、前記第２６の構成において、ｍ個の画素が、水平方向において連続する画素であっても良い（第３３の構成）。あるいは、水平方向における前記ｍ個の画素の組み合わせを段毎に変更しても良い（第３４の構成）。画素の組み合わせを段毎に変更する場合、隣接する少なくとも二段において、前記ｍ個の画素の組み合わせの重心位置が水平方向に等間隔であることが好ましい（第３５の構成）。

また、本発明のカメラは、前述のいずれかの固体撮像素子を備えたカメラであり、特に、水平方向において連続する画素を混合する固体撮像素子の場合は、３板式カラーカメラとすることが好ましい。さらに、３板式カラーカメラの場合、ｍ＝２として、画素混合を行わない第１のモードと、垂直方向に隣接する２画素および水平方向に隣接する２画素を混合する第２のモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられることが好ましい。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１に、本実施形態にかかる固体撮像素子の概略構成を示す。本実施形態の固体撮像素子１は、全画素同時独立読み出し方式を採用し、画素に対応して二次元状に配列された光電変換部２と、垂直転送部３と、水平転送部４とを備えている。垂直転送部３および水平転送部４のそれぞれは、ＣＣＤにより構成される。光電変換部２としては、フォトダイオードが用いられる。光電変換部２の各々には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色のカラーフィルタが配置されている。本実施形態では、垂直・水平方向共に２画素おきにＲＧＢのそれぞれのフィルタが周期的に配置されている。例えば、図１に示すように、垂直方向２画素×水平方向２画素の計４画素を単位とすれば、左下の画素がＲ、右下および左上の画素がＧ、右上の画素がＢとなるように、カラーフィルタが配置されている。なお、垂直転送部３および水平転送部４の転送電極へ、図示しない制御部から制御信号が送られることにより、固体撮像素子１の動作が制御される。前記の制御部は、固体撮像素子１の外部に設けられており、信号線により固体撮像素子１に接続されている。あるいは、固体撮像素子１と一体的に形成されていても良い。

本実施形態では、垂直転送部３は、垂直方向における光電変換部２の３行分を、一つの転送段とする。このような構成とすることにより、垂直転送部３内で、１画素おきの３行分の画素を加算できる。また、転送段の容量を大きくできるという利点もある。

ここで、固体撮像素子１における水平方向の画素混合動作について説明する。

固体撮像素子１は、制御部（図示せず）が垂直転送部３および水平転送部４の転送動作を制御することにより、水平方向における１画素おきの３画素ごとの信号電荷を混合し、水平方向の画素数を１／３に削減する。図２に、信号電荷を混合する画素の組み合わせを示す。なお、混合される画素の組み合わせを、以下、混合画素群と称する。図２において、Ｒｘｙのように示した記号において、Ｒ、Ｇ、Ｂは当該画素のフィルタの色を表し、ｘは当該画素の垂直位置（水平転送部４に近い方から第１段，第２段，・・・とする）、ｙは混合画素群における当該画素の位置（水平転送部４の出力側に近い方から第１番目、第２番目、・・・とする）をそれぞれ表すものとする。

図２に示すように、固体撮像素子１は、例えば、Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ１３のように、１画素おきに３つずつの緑の画素を、第１の混合画素群とする。さらに、この第１の混合画素群によって生成される混合画素の重心と等間隔になるように、青の画素による混合画素群が決定されている。すなわち、第１の混合画素群のＧ１２とＧ１３との間のＢ１１と、このＧ１３と隣りの混合画素群のＧ１１との間の画素であるＢ１２と、隣の混合画素群のＧ１１とＧ１２との間の画素であるＢ１３との３つの画素を、第２の混合画素群とする。このように、水平方向において交互に配置された二色の画素を、１画素おきに３つずつ組み合わせて混合することにより、混合後の各色の画素重心が等間隔となるので、モワレや偽信号が生じない。

次に、図２に示す組み合わせで画素混合を行うための固体撮像素子１の駆動手順について、図３〜図１３の状態遷移図を用いて説明する。

固体撮像素子１の垂直転送部３は、３列単位に構成されている。図３〜図１３では、水平転送部４の信号電荷は向かって左側に出力されるものとし、この３列単位の垂直転送部３のそれぞれを、水平転送部４の出力側に近い方から順に、第１列、第２列、第３列とする（図中では、１列、２列、３列と表記する）。また、垂直転送部３において、水平転送部４に最も近い転送段を、以下、垂直最終段と賞する。

上記３列単位に構成された垂直転送部３の垂直最終段のうち、第２列および第３列の垂直最終段は、同じ列の他の転送段並びに他の列の垂直最終段のいずれとも別個に独立して転送を行えるようにそれぞれ構成されている。すなわち、第１列および第３列の垂直最終段に信号電荷を保持したままで、第２列の垂直最終段の信号電荷のみを水平転送部４へ転送することができる。また、第１列および第２列の垂直最終段に信号電荷を保持したままで、第３列の垂直最終段の信号電荷のみを水平転送部４へ転送することができる。なお、このような転送を実現するための、垂直転送部３の具体的な電極構造例については後述する。

まず、図３に示すように、３列単位の垂直最終段のうち、第２列の垂直最終段のみを駆動することにより、図３中に矢印で表したように、この第２列の垂直最終段のみの信号電荷を、水平転送部４へ転送する。

次に、図４に示すように、水平転送部４の信号電荷を、順方向へ２画素分だけ転送する。

次に、図５に示すように、３列単位の垂直最終段のうち、第３列の垂直最終段のみを駆動することにより、図５中に矢印で表したように、この第３列の垂直最終段のみの信号電荷を、水平転送部４へ転送する。

これにより、図６に示すように、Ｇ１２とＧ１３、および、Ｂ１２とＢ１３の２画素ずつの信号電荷が、水平転送部４内でそれぞれ混合されることとなる。そして、さらに、図６に示すように、水平転送部４の信号電荷を、順方向へ２画素分だけ転送する。

次に、図７に示すように、全ての垂直転送部３に１段分の垂直転送を行わせることにより、図８に示すように、Ｇ１１とＧ１２とＧ１３の３画素の信号電荷、および、Ｂ１１とＢ１２とＢ１３の信号電荷が、水平転送部４内でそれぞれ混合される。このように、同じ段における二色の画素が、１画素おきに３画素ずつの組み合わせで混合されるので、水平方向における画素数が１／３に削減されることとなる。また、図８から分かるように、緑の混合画素と青の混合画素が等間隔になるので、モワレや偽信号が生じない。

さらに、図８に示した状態から、図３〜図７に示した動作と同じ転送動作を繰り返すことにより、図８に示した状態において垂直最終段にあった信号電荷が、図９に示すように、１画素おきに３画素ずつの組み合わせで、水平転送部４内で混合される。

さらに、図９に示した状態から、図３〜図７に示した動作と同じ転送動作を繰り返すことにより、図９に示した状態において垂直最終段にあった信号電荷が、図１０に示すように、１画素おきに３画素ずつの組み合わせで、水平転送部４内で混合される。これにより、図２にａで示した３段分の全画素の信号電荷が、水平転送部４へ転送されたこととなる。

次に、図１１に示すように、水平転送部４内の信号電荷を順次出力することにより、固体撮像素子１から、３行分の信号電荷が、水平方向の画素数が１／３に削減された状態で出力される。

この後、上述と同様の転送動作を繰り返すことにより、図２にｂで示した３段分の全画素の信号電荷が、図１２に示すような状態で水平転送部４へ転送され、図１３に示すように、水平転送部４から順次出力される。

上述のように、固体撮像素子１の水平転送部４から出力される画像信号は、画素が１次元に配置されたものであるので、この信号を元の２次元配列に戻すために、固体撮像素子１の外部の画像処理装置において、水平転送部４からの出力信号を２次元的に再配置する処理が行われる。

例えば、図２にａおよびｂで示した３段分の画素が、それぞれ、図１４（ａ）に示すような順序で水平転送部４から出力されるものとする。なお、図１４（ａ）において、ダミーと表記されている部分は、垂直ＣＣＤ部３の周辺部に位置する画素であって、３画素分の信号電荷が混合されていないものを指す。また、図１４（ａ）および（ｂ）に示したａ７〜ａ１２、ａ１３〜ａ１８、ｂ７〜ｂ１２、ｂ１３〜ｂ１８は、図１１および図１３にそれぞれ示したａ１〜ａ６およびｂ１〜ｂ６の繰り返しであるが、２次元配置した後の位置を分かりやすくするために、添え字を変更したものである。また、図１４（ｂ）のように配置された混合画素の色を、図１４（ｃ）にＲＧＢの記号で示した。

図１４（ｃ）から分かるように、固体撮像素子１によれば、水平方向の画素数を１／３に削減した後も、画素の配置は元のとおりに保たれる。従って、画質を劣化させることなく、固体撮像素子１からの映像信号の出力スピードを向上させることができる。

なお、図１５に示すように、水平方向に１画素おきの３画素を、垂直方向に１行おきの３行分、合計９画素を一つの混合画素群とすれば、全てのフォトダイオードの信号画素を捨てずに混合できるので、感度を向上させることができ、好ましい。この場合、ＲＧＢのそれぞれについての混合画素群の重心は、図１５に示したように、等間隔となる。従って、解像度が高くモワレが少ない画像を得ることができる。

この場合、垂直方向において１行おきの３行分の信号電荷を混合する方法は、例えば、以下のとおりである。

（１）まず、２行おきの１／３の画素の信号電荷を垂直転送部３へ読み出し、２画素分垂直転送する。

（２）次に、前回読み出した画素から順方向に２画素目の画素の信号電荷を垂直転送部３へ読み出し、前回読み出した画素と混合し、２画素分垂直転送する。

（３）さらに、残りの画素の信号電荷を垂直転送部３へ読み出し、１画素おきの３画素の信号電荷を混合する。

なお、垂直転送段を３画素分とする電極構造（６相）の場合、上記動作が可能である。また、垂直転送段を２画素分とする電極構造（４相）の場合、３段を１単位として、含まれる６画素に対応する読み出し電極をすべて独立にする必要があるため、電極の総数は８相必要である。

例えば、図１６に示すように、図１５に示した９画素から、垂直方向における真ん中の行を間引いた、合計６画素を一つの混合画素群としても良い。この場合も、ＲＧＢのそれぞれについての混合画素群の重心が等間隔となるので、解像度が高くモワレが少ない画像を得ることができる。

また、図１７に示すように、垂直方向における３行中の２行を間引き、水平方向における３画素のみを一つの混合画素群としても良い。

前述したように、行を間引くことによって垂直方向の画素数も削減することにより、さらに信号出力スピードを向上させることも可能である。垂直方向の画素数を削減する方法としては、例えば、画素を構成するフォトダイオードから垂直転送部３へ信号電荷を読み出す際に、不要な行の電荷を読み出さずにフォトダイオードに蓄積したままにしておくことにより、読み出さなかった行の画素を間引く方法がある。この場合、読み出されなかった信号電荷は、フォトダイオードから基板等に排出する構成とすれば良い。

ここで、上述した駆動を実現するための電極構造の一例を、図１８に示す。図１８に示す電極構造は、垂直転送部３の垂直転送段の各々を、Ｖ１〜Ｖ６の６相の転送電極（共通電極）で構成したものである。ただし、垂直最終段のみは、他の垂直転送段と電極構造が異なっている。すなわち、垂直最終段の第２列は、他の垂直転送段並びに垂直最終段における他の列（第１列および第３列）のいずれとも独立して転送動作を行わせるために、第３相および第５相が、前述の共通電極とは異なる独立電極（ＶＣ１、ＶＣ２）により構成されている。また、垂直最終段の第３列は、他の垂直転送段並びに垂直最終段における他の列（第１列および第２列）のいずれとも独立して転送動作を行わせるために、第３相および第５相が、前述の共通電極並びに第２列の独立電極のいずれとも異なる独立電極（ＶＣ３、ＶＣ４）により構成されている。なお、垂直最終段の第１列は、他の垂直転送段と同様に、Ｖ１〜Ｖ６の共通電極により構成されている。

このような電極構造をとることにより、３列ごとの垂直最終段の第２および第３列に独立して転送動作を行わせることが可能となり、図３〜図１３に示したような転送動作を実現できる。

あるいは、図１９に示すように、垂直最終段の第１列も、第３相および第５相を独立電極（ＶＣ５、ＶＣ６）により構成しても良い。この構成を採用した場合、図７に示した状態では全ての垂直転送部３に同時に転送動作を行わせたところを、第１列のみに転送動作を行わせてから、全垂直転送段による１段転送を行うようにしても良い。

なお、垂直転送部３が６相駆動の場合、垂直最終段の第２列および第３列（あるいは第１〜第３列の全て）における６枚の電極のうち、２枚あるいは３枚が、独立電極であることが好ましい。垂直最終段において３枚の転送電極を独立電極とする場合の構造例を、図２０および図２１に示す。これら２枚あるいは３枚の独立電極は、互いに隣接していてもかまわないが、製造プロセスを考慮すれば、独立電極間に少なくとも１枚の共通電極が介在している方が好ましい。

従って、６相駆動の場合は、例えば図１８および図１９にそれぞれ示すように、水平転送部４側に近い方から２番目および４番目を独立電極とした構成、あるいは、例えば図２０および図２１にそれぞれ示すように、水平転送部４側に近い方から２番目、４番目、および６番目を独立電極とした構成が好ましい。ただし、垂直最終段の電極構造は、これらの具体例に限定されない。

また、本実施形態では、６相駆動の電極構造を例示したが、３相または４相であっても構わない。ただし、３相または４相駆動の場合、独立電極の数は２枚となる。

なお、図２２は、図１８および図１９に示すような電極構造におけるゲート電極の具体的配置の一例を示す図である。図２２において、チャネルストップ５１の間に形成された転送路５２が、垂直転送部３となる。図２２の例では、垂直転送部３における垂直最終段以外の転送段は、Ｖ２、Ｖ４、およびＶ６の３枚の転送電極が、同一層の電極膜（第１層目電極）によって全列にわたる共通電極として形成されている。同様に、Ｖ１、Ｖ３、およびＶ５の３枚の転送電極も、前記第１層目電極よりも上層に形成される同一層の電極膜（第２層目電極）により、全列にわたる共通電極として形成されている。一方、垂直最終段においては、前記第２層目電極と同じ電極膜を、各列において島状に分離したパターン形状とすることにより、第３相および第５相の転送電極（水平転送部４に近い側から２番目および４番目の電極）が、φＶ３Ａ〜φＶ３ＣおよびφＶ５Ａ〜φＶ５Ｃの独立電極として形成される。なお、図１８に示すように、垂直最終段の第１列を独立して駆動させない場合は、図２２に示すφＶ３ＡおよびφＶ５Ａを、φＶ３およびφＶ５と同じ端子に接続すれば良い。

なお、図２２のゲート電極構造は、ゲート電極が第１層目または第２層目の転送電極で形成される一例として示したが、図２９に示すように、転送電極を第１層目〜第３層目の電極膜のいずれかで形成しても良い。図２９の例では、垂直転送部３における垂直最終段以外の転送段では、Ｖ２、Ｖ４、およびＶ６の３枚の転送電極が、同一層の電極膜（第１層目電極）によって全列にわたる共通電極として形成されている。同様に、Ｖ１、Ｖ３、およびＶ５の３枚の転送電極も、前記第１層目電極よりも上層に形成される同一層の電極膜（第２層目電極）により、全列にわたる共通電極として形成されている。一方、垂直最終段においては、Ｖ１、Ｖ３Ｃ、Ｖ５Ａ、Ｖ５Ｂの転送電極は第３層目の転送電極で形成され、Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂ、Ｖ５Ｃの転送電極は第２層目の転送電極で形成され、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６は第１層目の転送電極で形成される。

この構成により、第３相および第５相の転送電極（水平転送部４に近い側から２番目および４番目の電極）が、φＶ３Ａ〜φＶ３ＣおよびφＶ５Ａ〜φＶ５Ｃの独立電極として形成される。なお、図１８に示すように、垂直最終段の第１列を独立して駆動させない場合は、図２９に示すφＶ３ＡおよびφＶ５Ａを、φＶ３およびφＶ５と同じ端子に接続すれば良い。

なお、図２９の例ではＶ１、Ｖ３Ｃ、Ｖ５Ａ、Ｖ５Ｂを第３層目の電極膜で形成したが、各転送電極の電極膜を限定するものではない。なお、図２９のゲート電極構造は、ゲート電極を第１層目〜第３層目のいずれかの電極膜で形成したが、第４層目以上の電極膜を使用してもよい。なお、図２２のゲート電極構造においては転送電極が２層で済むため、電極膜形成が比較的容易であるが、独立電極が島状に分離したパターンとなるため、同一ゲートの独立電極同士を繋ぐための別配線が必要である。これに対し、第３層目以上の電極膜で転送電極を形成した場合は、同一ゲートの独立電極同士が同じ電極膜で繋がっているため、別配線が不要になるメリットがある。

ここで、図１８に示した電極構造を例にとり、制御部（図示せず）から垂直転送部３および水平転送部４の各転送電極へ与えられる制御信号のタイミングチャートと、このタイミングチャートに応じた転送電荷の様子を、図２３に示す。なお、この電極構造の場合、図２４に示すように、光電変換部２から読み出された信号電荷は、転送電極のＶ３およびＶ４に蓄積されるようになっている。

図２３において、Ｖ１〜Ｖ６、および、ＶＣ１〜ＶＣ４のそれぞれに与えられる駆動パルスが高レベルの場合に、当該電極はストレージ部となる。また、駆動パルスが低レベルの場合に、当該電極はバリア部となる。

図２３に示すタイミングチャートに従って、垂直転送部３および水平転送部４を駆動することにより、本実施形態で説明したような画素混合が実現できる。なお、図２３に示すように、φＶ４を低レベルにするタイミング（ｔ２）よりも前に、φＶ２を高レベルにする（ｔ１）ことが好ましい。時刻ｔ１でφＶ２を高レベルとすることにより、信号電荷の蓄積電極が時刻ｔ１以前においてはφＶ３、φＶ４となり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においてはφＶ２、φＶ３（φＶＣ３）、φＶ４となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間においてはφＶ２、φＶ３（φＶＣ３）となる。これにより、水平転送部４へ信号電荷を移動する期間に、転送しない垂直転送段の信号電荷の損失を防止できるという利点がある。

なお、図２５は隣接する３列の垂直最終段のうち２列において、水平転送部側から２番目および４番目の転送電極が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、隣接する３列の垂直最終段の全てにおいて、水平転送部側から１番目、３番目および５番目の転送電極が、垂直転送部の他の段とは異なる実施例である。各転送電極へ与えられる制御信号のタイミングチャートと、このタイミングチャートに応じた転送電荷の様子を、図２６に示す。図２３に示す動作と異なる点は、垂直最終段で１列目と２列目の電荷を選択的に水平ＣＣＤに転送する際には、垂直最終段の電極のうちＶＣ１〜ＶＣ４、Ｖ２’、Ｖ４’、Ｖ６’のみを駆動し、３列目の電荷を選択的に水平ＣＣＤに転送するときのみ、全画面に共通なＶ１〜Ｖ６も含めた電極にパルスを印加し、電荷転送する。このことにより図２３に示した構成例よりも、消費電力を削減することができる。

なお、図２５の垂直最終段の電極Ｖ２‘は垂直転送部の他の段の電極Ｖ２と同じであっても良い。

図２７は、水平空間周波数応答を示したグラフであり、ｇ１は画素混合をしない全画素の場合の周波数応答である。全画素ナイキスト周波数Ｆは、全画素サンプリング周波数ｆと、Ｆ＝１／２×ｆの関係がある。間引き等により通常の１／３の周波数でサンプリングする場合、ナイキスト周波数１／３Ｆを境に高域成分が折り返されるため、２／３Ｆの成分がＤＣ成分に加わる。図２７のｇ２は、前述した特許文献１のように水平３画素の両端の２画素を混合する場合の周波数応答である。この場合、ナイキスト周波数は１／３Ｆとなり、２／３Ｆの成分が約０．２５のため、ＤＣへ折り返り偽信号を発生する。図２７のｇ３は、本発明における１画素おきの３画素混合の場合の周波数応答である。ナイキスト周波数は、１／３Ｆとなるが、２／３Ｆの成分が０であるため、ＤＣへの折り返し成分はほとんどない。図２７に示すように、固体撮像素子１によれば、モワレや偽信号が少ない高品質な画像信号を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、水平方向に３画素を混合するための構成および駆動方法について説明したが、本発明は、３画素以上の奇数画素の混合に適用することが可能であり、５画素以上の混合を実現するための構成および駆動方法については、当業者であれば本実施形態の説明から理解できるであろう。

また、本発明は、図１に示したようなフィルタ配列の固体撮像素子に限定されるものではなく、他の配列にも適用可能である。さらに、カラーフィルタを用いないモノクロ画像の固体撮像素子にも適用できる。

また、本実施形態で説明した固体撮像素子をディジタルカメラに適用すれば、固体撮像素子から高速にデータが出力されるので、高速動作が可能であり、かつ、画質に優れたディジタルカメラを実現できる。本発明の高速動作と通常の全画素読み出し動作を切り替えて使用することができるため、動画（高速動作）モードと静止画（全画素読み出し動作）モードを兼ね備えたディジタルカメラを実現できる。図２８に、本発明にかかるディジタルカメラの構成例を示す。本ディジタルカメラは、被写体からの入射光を固体撮像素子１の撮像面に結像するためのレンズなどを含む光学系３１と、固体撮像素子１の駆動を制御する制御部３２と、固体撮像素子１からの出力信号に対して様々な信号処理を施す画像処理部３３とを備えている。

なお、本発明にかかるディジタルカメラは、固体撮像素子にカラーフィルタを設けず、水平方向において連続する画素を混合する場合は、ダイクロイックミラー等を用いることによってカラー化することができる（いわゆる３板式カラーカメラ）。さらに、３板式カラーカメラの場合、ｍ＝２として、画素混合を行わない第１のモードと、垂直方向に隣接する２画素および水平方向に隣接する２画素を混合する第２のモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられることが好ましい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像素子について、以下に説明する。

本実施形態にかかる固体撮像素子の基本的な構造は、第１の実施形態にかかる固体撮像素子（図２２参照）とほぼ同様である。ただし、垂直転送部３および水平転送部４の駆動方法が、第１の実施形態と異なっている。

また、本実施形態の固体撮像素子は、垂直最終段がｍ（ｍは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構造を有し、上記ｍ列の全ての垂直最終段に、水平転送部４への転送動作を他の列とは独立して制御するために、垂直最終段の他の列から独立した転送電極が設けられた構成である。ここで、ｍ＝３である場合を具体例としてあげて、本実施形態の固体撮像素子の構成および動作について説明する。ｍ＝３の場合、本固体撮像素子の構成は、第１の実施形態において図２２に示したものと同様である。

ここで、図３０〜図４７を参照し、本実施形態の固体撮像素子の動作について説明する。図３０〜図４７では、垂直転送部３へ読み出された信号電荷のそれぞれに番号を付し、この番号によって信号電荷の移動を示した。なお、図３０等では８×８画素のみを示したが、番号１８，２８，…８８の列の右側に、番号１９，２９，…８９の列があり、さらにその右側に番号１１０，２１０，…８１０の列、さらにその右側に番号１１１，２１１，…８１１の列が続いているものとする。

図３０は、光電変換部２の各画素から、垂直転送部３へ信号電荷が読み出された状態を示す。この状態から、まず、垂直転送部３の垂直最終段の転送電極を、３列毎に１列だけ転送動作させることにより、図３１に示すように、垂直転送部３の垂直最終段の信号電荷のうち、３列毎に１列の信号電荷を、水平転送部４へ転送する。次に、図３２に示すように、水平転送部４内の信号電荷を、順方向へ１画素分だけ水平転送する。

さらに、図３３に示すように、垂直転送部３の垂直最終段の転送電極を、３列毎に１列（図３１において転送した列とは異なる列）だけ転送動作させることにより、垂直転送部３の垂直最終段の信号電荷のうち、３列毎に１列の信号電荷を、水平転送部４へ転送する。これにより、水平転送部４において、３列毎に２列分の信号電荷が混合されることとなる。次に、図３４に示すように、水平転送部４内の信号電荷を、順方向へ１画素分だけ水平転送する。

次に、図３５に示すように、垂直転送部３の垂直最終段の転送電極を、３列毎に１列（図３１、図３３において転送した列とは異なる列）だけ転送動作させることにより、垂直転送部３の垂直最終段の信号電荷のうち、３列毎に１列の信号電荷を、水平転送部４へ転送する。以上の転送動作により、図３５に示すように、垂直転送部３の垂直最終段の信号電荷が、３列毎に、水平転送部４で混合されることとなる。

次に、図３６に示すように、垂直転送部３の全ての転送段に、垂直最終段へ向けて１段分の垂直転送を行わせる。

そして、図３６において垂直最終段に位置する信号電荷（２１〜２８）について、上記と同様の手順で垂直転送と水平転送とを繰り返すことにより（図３７〜図４１）、これらの信号電荷を３列毎に水平転送部４で混合する。

さらに、図４２に示すように、垂直転送部３の全ての転送段に、垂直最終段へ向けて１段分の垂直転送を行わせ、上記と同様の手順で垂直最終段に位置する信号電荷（３１〜３８）について垂直転送と水平転送とを繰り返すことにより（図４２〜図４７）、これらの信号電荷を３列毎に水平転送部４で混合する。

図４７に示すとおりに水平転送部４で混合された３段分の信号電荷は、この後、水平転送部４から順次出力される。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、３画素混合を実現することができる。

なお、本実施形態では、水平方向に隣接する３画素ずつを水平転送部４内で混合する例を示したが、混合される画素は必ずしも隣接していなくとも良い。例えば、カラーフィルタが設けられている場合は、同色フィルタの画素同士を混合することが好ましい。逆に、カラーフィルタを用いない固体撮像素子の場合は、隣接画素を混合する方が、空間周波数特性が劣化しない点で好ましい。

本実施形態では、ｍ＝３の例を説明したが、ｍ＝２の場合あるいはｍが４以上の場合であっても、ｍ列中の１列の信号電荷の垂直転送と水平転送とを繰り返すことによってｍ画素混合を実現できることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。

また、例えばｍ＝６の場合、すなわち、垂直最終段の転送電極が６列毎に同じ転送電極構造を有し、前記６列中の５列あるいは全列が、他の列とは独立に水平転送部への転送動作が行えるように、他の列から独立した転送電極として構成されている場合、垂直転送部３および水平転送部４への制御信号のパターンを切り替えることにより、６画素混合、３画素混合、２画素混合、画素混合なし、の４種類のモードでの動作が可能である。すなわち、理論的には、垂直最終段の転送電極のうち、同じ構造をとる単位（本数）の約数に相当する画素を混合するモードを、任意に実現することができる。

上述の複数混合モードについて、例えば、図４８に示すような、いわゆるベイヤ配列のカラーフィルタが設けられている場合を例にあげて説明する。図４８において、Ｒ，Ｇ，Ｂの記号が各画素に対応するフィルタの色を表す。この場合、ｍ＝１２、すなわち、垂直最終段の転送電極が１２列毎に同じ転送電極構造を有し、前記１２列中の１１列あるいは全列が、他の列とは独立に水平転送部への転送動作が行えるように、他の列から独立した転送電極として構成されている固体撮像素子を用いて、９画素混合モードと４画素混合モードを実現できる。９画素混合モードでは、水平方向に１画素おきに３画素分、垂直方向に１段おきに３段分の合計９画素を混合することにより、Ｒ，Ｇ，Ｂの色別に９画素ずつが混合されることとなる。一方、４画素混合モードでは、水平方向に１画素おきに２画素分、垂直方向に１段おきに２段分の合計４画素を混合することにより、Ｒ，Ｇ，Ｂの色別に４画素ずつが混合されることとなる。

なお、上述の場合において、垂直方向の画素混合は、垂直転送段内で行っても良いし、水平転送部内で行っても良い。

（第３の実施形態）
本発明のさらに他の実施形態にかかる固体撮像素子について説明する。

本実施形態の固体撮像素子は、第２の実施形態と同様の構成を有するが、混合される画素の組み合わせが各段において異なっている点において、第２の実施形態と異なっている。

ここで、ｍ＝２の場合について、図４９〜図５７を参照しながら、具体的な動作を説明する。図４９〜図５７においても、垂直転送部３へ読み出された信号電荷のそれぞれに番号を付し、この番号によって信号電荷の移動を示した。なお、図４９等では８×８画素のみを示したが、番号１８，２８，…８８の列の右側に、番号１９，２９，…８９の列があり、さらにその右側に番号１１０，２１０，…８１０の列が続いているものとする。

図４９は、光電変換部２の各画素から、垂直転送部３へ信号電荷が読み出された状態を示す。この状態から、まず、垂直転送部３の垂直最終段の転送電極のうち、図５０に示すように、偶数列の転送電極だけを転送動作させることにより、垂直転送部３の垂直最終段の信号電荷のうち、２列毎に１列の信号電荷を、水平転送部４へ転送する。次に、図５１に示すように、水平転送部４内の信号電荷を、順方向へ１画素分だけ水平転送する。

そして、図５２に示すように、垂直転送部３の垂直最終段の転送電極のうち、奇数列の転送電極だけを転送動作させることにより、垂直転送部３の垂直最終段の信号電荷のうち、２列毎に１列の信号電荷を、水平転送部４へ転送する。これにより、水平転送部４内で、垂直最終段の信号電荷が２列毎に混合されることとなる。

次に、図５３に示すように、垂直転送部３の全ての転送段に、垂直最終段へ向けて１段分の垂直転送を行わせる。そして、図５４に示すように、水平転送部４内の信号電荷を順方向へ１画素分だけ水平転送した後、図５５に示すように、垂直転送部３の垂直最終段の転送電極のうち、奇数列の転送電極だけを転送動作させることにより、垂直転送部３の垂直最終段の信号電荷のうち、２列毎に１列の信号電荷を、水平転送部４へ転送する。そして、図５６に示すように、水平転送部４内の信号電荷を、順方向へ１画素分だけ水平転送する。次に、図５７に示すように、垂直転送部３の垂直最終段の転送電極のうち、偶数列の転送電極だけを転送動作させることにより、垂直転送部３の垂直最終段の信号電荷のうち、２列毎に１列の信号電荷を、水平転送部４へ転送する。これにより、水平転送部４内で、垂直最終段の信号電荷が２列毎に混合されることとなる。

以下、図４９〜図５７と同様の動作を繰り返す。

この手順により、本実施形態では、奇数段の信号電荷（図４９に示した番号ｘ１〜ｘ８の信号電荷であって、ｘが奇数のもの）は、番号ｘ１と番号ｘ２、番号ｘ３と番号ｘ４、番号ｘ５と番号ｘ６、番号ｘ７と番号ｘ８の組み合わせで２画素毎に混合される。一方、偶数段の信号電荷（図４９に示した番号ｘ１〜ｘ８の信号電荷であって、ｘが偶数のもの）は、番号ｘ２と番号ｘ３、番号ｘ４と番号ｘ５、番号ｘ６と番号ｘ７、番号ｘ８と番号ｘ９の組み合わせで２画素毎に混合される。

これにより、図５８に丸印で示すように、奇数段で混合される２画素の重心位置と、偶数段で混合される２画素の重心位置とが、交互にバランス良く配置されることとなる。このように、混合される画素群の重心位置が水平方向に等間隔になるようにすることで、視覚的な解像度が向上し、より鮮明な画像が得られるという利点がある。

なお、第１の実施形態にかかる固体撮像素子と同様に、第２および第３の実施形態にかかる固体撮像素子をディジタルカメラに適用すれば（図２８参照）、固体撮像素子から高速にデータが出力されるので、高速動作が可能であり、かつ、画質に優れたディジタルカメラを実現できる。また、本発明の高速動作と通常の全画素読み出し動作を切り替えて使用することができるため、動画（高速動作）モードと静止画（全画素読み出し動作）モードを兼ね備えたディジタルカメラを実現できる。

なお、第１〜第３の実施形態にかかる固体撮像素子であって、画素混合を行わずに全画素の信号電荷を出力するモードと、４画素混合を行うモードとを切り替え可能な固体撮像素子を用いてディジタルカメラを構成することも好ましい。このようなディジタルカメラでは、例えば、画素混合を行わないモードではＨＤＴＶ動画モード（垂直方向１０００画素×水平方向２０００画素）での画像出力、４画素混合を行うモードではＳＤＴＶ動画モード（垂直方向５００画素×水平方向１０００画素）での画像出力が可能となる。ＨＤＴＶ動画モードでは高解像度な画像を出力でき、ＳＤＴＶ動画モードでは高感度かつ高フレームレートの画像出力が可能である。

また、８００万画素相当以上の固体撮像素子において、より具体的には垂直の画素数が２１６０画素以上、水平の画素数が３８４０画素以上有する固体撮像素子において、垂直３画素×水平３画素の合計９画素を混合することによる走査線数が７２０本のＴＶフォーマットの撮像モードと、垂直２画素×水平２画素の４画素を混合することによる走査線が１０８０本のＴＶフォーマットの撮像モードとの少なくとも２モードを選択的に切り替えられるように構成することにより、高解像度な画像出力モードと高感度かつ高フレームレートの画像出力モードの切り替えが可能である。

さらに、垂直４画素×水平４画素の１６画素を混合する撮像モードを有することにより、走査線数が４８０本のＮＴＳＣ方式あるいは５７５本のＰＡＬ方式の走査線数の撮像モードを実現することができる。

なお、このようなディジタルカメラは、固体撮像素子にカラーフィルタが設けられた構成であっても良いし、固体撮像素子にはカラーフィルタを設けずに、ダイクロイックミラーを用いて分光することによりカラー映像を得る、いわゆる三板式カメラであっても良い。前述したように、固体撮像素子にカラーフィルタが設けられている場合は、同色フィルタの画素同士を混合することが好ましく、三板式カメラの場合は、互いに隣接する複数画素を混合することが好ましい。

本発明は、少なくとも水平方向の画素数を削減することにより、モワレや偽信号を生じることなく良質な映像信号を高速に出力できる固体撮像素子に利用可能である。

本発明の一実施形態の固体撮像素子の構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子によって混合される画素の組み合わせを示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子において混合される画素の組み合わせ（混合画素群）の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子において混合される画素の組み合わせ（混合画素群）の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子において混合される画素の組み合わせ（混合画素群）の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子における電極構造の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子における電極構造の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子における電極構造の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子における電極構造の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子におけるゲート電極の具体的配置の一例を示す平面図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子における制御信号のタイミングチャートと、このタイミングチャートに応じた転送電荷の様子を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子における信号電荷の様子を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子における電極構造の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子における制御信号のタイミングチャートと、このタイミングチャートに応じた転送電荷の様子を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子の空間周波数応答を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかるカメラの概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子におけるゲート電極の具体的配置の他の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子に適用されるカラーフィルタの一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態の固体撮像素子による画素混合動作の一手順を示す説明図である。 図４９〜図５７に示す手順の繰り返しによって混合される画素の重心位置を示す説明図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子
２ 光電変換部
３ 垂直転送部
４ 水平転送部
３１ 光学系
３２ 制御部
３３ 画像処理部

Claims (38)

1. ２次元配列の画素から読み出した信号電荷を垂直方向へ転送するために前記画素の各列に対応して設けられた垂直転送部と、
   前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向に転送する水平転送部とを有し、
   前記垂直転送部における前記水平転送部に最も近い転送段である垂直最終段が、ｍ（ｍは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有し、
   前記ｍ列のうち、一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての列の垂直最終段に、当該垂直最終段から前記水平転送部への転送動作を、当該ｍ列における他の列とは独立して制御するために、前記他の列とは独立した転送電極が設けられたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記ｍが２ｎ＋１（ｎは１以上の整数）である、請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 水平方向において１画素おきの２ｎ＋１（ｎは１以上の整数）個ずつを第１の混合画素群とし、
   前記第１の混合画素群以外の画素から、１画素おきの２ｎ＋１個ずつの画素であって、その画素重心が前記第１の混合画素群の画素重心の間で等間隔になる画素を第２の混合画素群として、
   第１、第２の混合画素群のそれぞれに含まれる画素の信号電荷を水平転送部内で加算する、請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 垂直最終段における前記第１、第２の混合画素群のそれぞれについて、
   （ａ１）前記２ｎ＋１個の画素からなる各混合画素群のうち、前記水平転送部の出力側から最も遠い画素の信号電荷のみを、垂直最終段から水平転送部へ転送し、
   （ａ２）水平転送部の信号電荷を順方向に２画素分転送し、
   （ａ３）前記２ｎ＋１個の画素群のうち、垂直最終段に信号電荷が残っている画素であって前記水平転送部の出力側から最も遠い画素の信号電荷のみを、垂直最終段から水平転送部へ転送し、
   （ａ４）前記ａ２およびａ３の転送を、前記２ｎ＋１個の画素群の全ての信号電荷が垂直最終段から水平転送部へ転送されるまで繰り返して行う、請求項３に記載の固体撮像素子。
5. （ｂ１）前記ａ１〜ａ４の転送の最後として、前記２ｎ＋１個の画素群のうち最後の画素の信号電荷を垂直最終段から水平転送部へ転送した後、または転送すると同時に、全列の垂直転送部の信号電荷を１段転送し、
   （ｂ２）前記ｂ１により垂直最終段に転送された信号電荷について、ａ１〜ａ４の転送を行い、
   （ｂ３）前記ｂ１およびｂ２の転送を、２ｎ＋１段分の信号電荷が水平転送部へ転送されるまで繰り返して行う、請求項４に記載の固体撮像素子。
6. 前記垂直転送部における前記水平転送部に最も近い垂直最終段が、３列毎に同じ転送電極構成を有し、
   前記３列のうち、少なくとも水平転送部の出力側から第２および第３列の垂直最終段に、当該垂直最終段から前記水平転送部への転送動作を、他の垂直最終段とはそれぞれ独立して制御するために、他の垂直最終段とは独立した転送電極が設けられた、請求項２に記載の固体撮像素子。
7. 水平転送部の出力側から第１列の前記垂直最終段は、当該列における垂直最終段以外の段と同じ電極構成を有する、請求項６に記載の固体撮像素子。
8. 水平方向において１画素おきの３個ずつを第１の混合画素群とし、
   前記第１の混合画素群以外の画素から、１画素おきの３個ずつの画素であって、その画素重心が前記第１の混合画素群の画素重心の間で等間隔になる画素を第２の混合画素群とする、請求項６に記載の固体撮像素子。
9. （ｃ１）前記３列のうち、水平転送部の出力側から第２列の垂直最終段の信号電荷のみを水平転送部へ転送し、
   （ｃ２）水平転送部の信号電荷を順方向に２画素分転送し、
   （ｃ３）前記３列のうち、水平転送部の出力側から第３列の垂直最終段の信号電荷のみを水平転送部へ転送し、
   （ｃ４）水平転送部の信号電荷を順方向に２画素分転送し、
   （ｃ５）前記３列のうち、水平転送部の出力側から第１列の垂直最終段の信号電荷を水平転送部へ転送する、請求項６に記載の固体撮像素子。
10. （ｄ１）前記ｃ５において第１列の垂直最終段の信号電荷を水平転送部へ転送した後、または転送すると同時に、全列の垂直転送部の信号電荷を１段転送し、
    （ｄ２）前記ｄ１の最後に垂直最終段に転送された信号電荷について、ｃ１〜ｃ５の転送を行い、ｃ５において第１列の垂直最終段の信号電荷を水平転送部へ転送した後、または転送すると同時に、全列の垂直転送部の信号電荷を１段転送し、
    （ｄ３）前記ｄ２の最後に垂直最終段に転送された信号電荷について、ｃ１〜ｃ５の転送を行う、請求項９に記載の固体撮像素子。
11. 前記第１および第２の混合画素群のそれぞれの、垂直方向において１行おきの２ｎ＋１行分の合計（２ｎ＋１）×（２ｎ＋１）画素を、１つの混合画素群として、各列に含まれる２ｎ＋１行分の画素の信号電荷を垂直転送部内で加算する、請求項３に記載の固体撮像素子。
12. 水平方向において１画素おきの３画素の、垂直方向において１行おきの３行分の、合計９画素を、１つの混合画素群とする、請求項１１に記載の固体撮像素子。
13. 水平方向において１画素おきの３画素を、垂直方向において３行間隔を空けた２行分、合計６画素を、１つの混合画素群とする、請求項３に記載の固体撮像素子。
14. 水平方向において１画素おきの３画素を、垂直方向における３行毎に１行、合計３画素を、１つの混合画素群とする、請求項３に記載の固体撮像素子。
15. 前記２次元配列の画素に、水平方向において２画素、垂直方向において２画素の合計４画素を１単位としたカラーフィルタを配した、請求項２に記載の固体撮像素子。
16. 前記カラーフィルタが、前記４画素の一対角線上の２画素に第１の色のフィルタを配し、他の２画素に第２および第３の色のフィルタをそれぞれ配した、請求項１５に記載の固体撮像素子。
17. 前記２次元配列の画素に、水平方向において２画素、垂直方向において４画素の合計８画素を１単位としたカラーフィルタを配し、
    垂直方向において隣接する２画素を垂直転送部内で加算する、請求項３に記載の固体撮像素子。
18. 前記垂直最終段の各列は、６個の転送電極で構成され、
    隣接する３列の垂直転送部の全てにおいて、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目および４番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、１番目、３番目、５番目、および６番目が垂直転送部の他の段と共通した電極である、請求項６に記載の固体撮像素子。
19. 前記垂直最終段の各列は、６個の転送電極で構成され、
    隣接する３列の垂直転送部のうちの２列において、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目および４番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、１番目、３番目、５番目、および６番目が垂直転送部の他の段と共通した電極であり、
    隣接する３列の垂直転送部のうちの残りの１列において、１番目〜６番目の全ての転送電極が、垂直転送部の他の段と共通した電極である、請求項６に記載の固体撮像素子。
20. 前記垂直最終段の各列は、６個の転送電極で構成され、
    隣接する３列の垂直転送部の全てにおいて、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目、４番目、および６番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、１番目、３番目、および５番目が垂直転送部の他の段と共通した電極である、請求項６に記載の固体撮像素子。
21. 前記垂直最終段の各列は、６個の転送電極で構成され、
    隣接する３列の垂直転送部のうちの２列において、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目、４番目、および６番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、１番目、３番目、および５番目が垂直転送部の他の段と共通した電極であり、
    隣接する３列の垂直転送部のうちの残りの１列において、１番目〜６番目の全ての転送電極が、垂直転送部の他の段と共通した電極である、請求項６に記載の固体撮像素子。
22. 前記垂直最終段の各列は、６個の転送電極で構成され、
    隣接する３列の垂直転送部のうち少なくとも２列において、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目および４番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、隣接する３列の垂直転送部の全てにおいて、水平転送部側から１番目および３番目が、垂直転送部の他の段とは異なる、請求項６に記載の固体撮像素子。
23. 前記垂直最終段の各列は、６個の転送電極で構成され、
    隣接する３列の垂直転送部のうち少なくとも２列において、前記６個の転送電極のうち、水平転送部側から２番目、４番目、および６番目が、他の列の垂直最終段とは独立した独立電極であり、隣接する３列の垂直転送部の全てにおいて、水平転送部から１番目、３番目、および５番目が、垂直転送部の他の段とは異なる、請求項６に記載の固体撮像素子。
24. 前記垂直転送部における各段が６個の転送電極で構成され、前記垂直転送部における垂直最終段以外の転送段は、水平転送部側から２番目、４番目、および６番目の転送電極が第１層の電極膜によって全列にわたる共通電極として形成され、水平転送部側から１番目、３番目、および５番目の転送電極が前記第１層より上層に形成される第２層の電極膜によって全列にわたる共通電極として形成され、
    垂直最終段においては、前記第２層の電極膜と同じ電極膜を、各列において島状に分離することによって、水平転送部側から２番目および４番目の電極が独立電極として形成された、請求項１に記載の固体撮像素子。
25. 前記垂直転送部が少なくとも３層の電極膜を有し、
    前記垂直最終段において他の列と独立して設けられた転送電極が、最上層を含む少なくとも一層の電極膜で形成された、請求項１に記載の固体撮像素子。
26. （ｅ１）水平方向においてｍ個の画素から選択的に１個以上ｍ−１個以下の画素の信号電荷を水平転送部へ転送し、
    （ｅ２）水平転送部の信号電荷を順方向あるいは逆方向に少なくとも１画素分転送し、
    （ｅ３）前記ｅ１およびｅ２の転送を繰り返すことにより、ｍ個の画素の信号電荷を水平転送部へすべて転送する、請求項１に記載の固体撮像素子。
27. （ｅ４）前記ｅ３の後、全列の信号電荷を水平転送部側へ一段転送し、
    （ｅ５）前記ｅ４の転送により垂直最終段に移動した信号電荷に対して、前記ｅ１〜ｅ３の転送を行い、
    前記ｅ４およびｅ５を繰り返すことにより、ｍ段分の信号電荷を水平転送部へすべて転送する、請求項２６に記載の固体撮像素子。
28. 前記ｍ列のうち一つの列以外の垂直最終段あるいは全ての列の垂直最終段において、他の列とは独立して設けられた転送電極を当該他の列とは独立して駆動することにより水平ｍ個の画素混合を行うモードと、前記転送電極を他の列と同様に駆動することにより画素混合を行わないモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられる、請求項１に記載の固体撮像素子。
29. ｍがｍ₁（ｍ₁は２以上の整数）とｍ₂（ｍ₂は２以上の整数）との公倍数であり、水平ｍ₁個の画素混合を行うモードと水平ｍ₂個の画素混合を行うモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられる、請求項１に記載の固体撮像素子。
30. ３色のフィルタが垂直方向に２色、水平方向に２色配置された繰り返しパターンのカラーフィルタをさらに備え、
    前記カラーフィルタの同色フィルタに相当する水平ｍ₁画素を混合するモードと、水平ｍ₂画素を混合するモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられる、請求項２９に記載の固体撮像素子。
31. ３色のフィルタが垂直方向に２色、水平方向に２色配置された繰り返しパターンのカラーフィルタをさらに備え、
    前記カラーフィルタの同色フィルタに相当する水平２画素を混合するモードと、水平３画素を混合するモードと、水平４画素を混合するモードのうちの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられる、請求項２９に記載の固体撮像素子。
32. 前記動作モードに、画素混合を行わないモードをさらに含む、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
33. 前記ｍ個の画素が、水平方向において連続する画素である、請求項２６に記載の固体撮像素子。
34. 水平方向における前記ｍ個の画素の組み合わせを、段毎に変更する、請求項２６に記載の固体撮像素子。
35. 隣接する少なくとも二段において、前記ｍ個の画素の組み合わせの重心位置が水平方向に等間隔である、請求項３４に記載の固体撮像素子。
36. 請求項１〜３５のいずれか一項に記載の固体撮像素子を備えたカメラ。
37. 請求項３３に記載の固体撮像素子を備えた３板式カラーカメラ。
38. ｍ＝２として、画素混合を行わない第１のモードと、垂直方向に隣接する２画素および水平方向に隣接する２画素を混合する第２のモードとの少なくとも２モード間で動作モードを選択的に切り替えられる、請求項３７に記載の３板式カラーカメラ。
    
    

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