JP2005117192A - 固体撮像装置の駆動方法およびこれを備えたカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、一度の露光処理により、複数の明度の異なる映像を構成する信号電荷を取得することである。
【解決手段】 各垂直転送部２において、垂直方向に互いに連続する同色の画素１が発生した信号電荷を、所定の数だけ混合し、各垂直転送部２において混合された信号電荷を、水平転送部３において、水平方向に互いに連続する同色の画素１から発生されたもの同士で混合して、複数種類の混合数を有する信号電荷を生成し、水平転送部３で混合して得られた信号電荷を、外部に接続された回路に出力し、水平転送部３では、複数種類の混合数を有する信号電荷が、当該水平転送部３内において周期的に並ぶように生成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関する発明であって、より特定的には、マトリクス状に配置された複数の画素から読み出された信号電荷を垂直方向に転送するために、複数の画素の各列に対応して配置された複数の垂直転送部と、複数の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る固体撮像装置の駆動方法に関する発明である。

近年、固体撮像装置を含んだディジタルスチルカメラ等が急速に普及している。それにともない、固体撮像装置の高性能化および高機能化が進んでいる。

ここで、一般的な固体撮像装置では、撮影のための露光（本露光）の前に、仮露光という処理が行われている。以下に、仮露光と本露光とについて図面を参照しながら詳しく説明する。ここで、図１４は、固体撮像装置内の受光素子の特性をあらわしたグラフである。横軸は、受光素子に対する露光時間である。また、縦軸は、上記露光時間だけ露光した場合に、受光素子から出力される信号電荷量を示している。

固体撮像装置では、最適な明るさの映像を取得するために、本露光の露光時間を、本露光前に決定する必要がある。これは、露光時間が短すぎると、撮影された映像が暗くなってしまい、露光時間が長すぎると、受光素子のダイナミックレンジを上回ってしまい、撮影された映像が白くなってしまうからである。

そこで、上記固体撮像装置は、ユーザがレリーズを押してから本露光するまでの間に、露光時間を変化させて複数回の仮露光を行い、図１４に示すような受光素子の特性をあらわすグラフを作成している。具体的には、固体撮像装置は、ユーザがレリーズを押した後に、複数種類の露光時間で仮露光を行う。次に、固体撮像装置は、全ての受光素子の信号電荷量の平均値を求める。これにより、図１４に示すような、複数の点がプロットされる。その後、固体撮像装置は、当該複数の点に基づいて、図１４に示すような、曲線を描く。これにより、固体撮像装置は、受光素子の特性曲線を得ることができる。最後に、固体撮像装置は、受光素子のダイナミックレンジを上回らない範囲（すなわち、図１４に示すグラフの直線部分）において最適の露光時間を決定する。
特開平１１−３４１３４２号公報

しかしながら、上記従来の固体撮像装置では、一度の仮露光で取得できる映像は、その仮露光で行った露光時間で得られる映像のみである。そのため、当該固体撮像装置は、互いに異なる露光時間の映像を複数取得するためには、複数回の仮露光を行わなければならない。その結果、従来の固体撮像装置では、ユーザは、レリーズを押してから本露光が行われるまでの間において、複数回の仮露光が行われるのを待たなければならなかった。

そこで、本発明の目的は、一度の露光処理により、複数の異なる露光時間の映像を取得することができる固体撮像装置を提供することである。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法では、各垂直転送部において、垂直方向に互いに連続する同色の画素が発生した信号電荷を、所定の数だけ混合し、各垂直転送部において混合された信号電荷を、水平転送部において、水平方向に互いに連続する同色の画素から発生されたもの同士で混合して、複数種類の混合数を有する信号電荷を生成し、水平転送部で混合して得られた信号電荷を、外部に接続された回路に出力するようにしている。

なお、水平転送部では、当該複数種類の混合数を有する信号電荷が、当該水平転送部内において周期的に並ぶように生成されていることが望ましい。

また、各垂直転送部は、２ｎ（ｎは、自然数）相駆動であり、垂直転送部では、ｎ個の信号電荷を混合し、水平転送部では、複数種類の混合数を有する信号電荷の配列が、ｎ個で１周期となるように、各垂直転送部で混合された信号電荷を混合するようにするのが望ましい。

また、各水平転送部では、１行毎に、信号電荷の混合数を交互に変化させることが望ましい。

また、垂直転送部では、垂直方向の一部の画素から出力された信号電荷のみを混合し、水平転送部では、一部の垂直転送部から出力された信号電荷のみを混合するようにしてもよい。

また、本発明は、固体撮像装置の駆動方法のみならず、当該駆動方法が適用された固体撮像装置を含むカメラに対しても向けられている。ここで、このようなカメラでは、出力部から出力されてくる複数種類の混合数を有する信号電荷を用いて、映像を撮影する際の露光時間を決定するようにしてもよい。また、出力部から出力されてくる複数種類の混合数を有する信号電荷の内、互いに同じ混合数を有する信号電荷同士で形成される複数枚の映像を、１枚の映像に合成するようにしてもよい。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法によれば、一度の露光処理により、複数の明度の異なる映像を構成する信号電荷を取得できるようになる。

また、水平転送部では、当該複数種類の混合数を有する信号電荷が、当該水平転送部内において周期的に並ぶように生成されることにより、一度に複数種類の混合数を有する信号電荷が、水平転送部から出力されるようになる。例えば、６画素混合された信号電荷を生成して、水平転送部から出力した後に、残りの３画素混合された信号電荷を水平転送部に対して出力し、水平転送部から出力することによっても、６画素混合された信号電荷と３画素混合された信号電荷を取得することが可能である。しかしながら、上記発明によれば、６画素混合された信号電荷と３画素混合された信号電荷とが交互に水平転送部から出力されるようになる。そのため、別々に出力していた場合には、一段分の信号電荷が出力されるのに２度の水平転送処理が必要であったのに対して、本発明によれば、１度の水平転送処理により、一段分の６画素混合された信号電荷と一段分の３画素混合された信号電荷とを取得することができるようになる。

また、垂直転送部が、２ｎ相駆動であり、垂直方向にｎ個の信号電荷が混合されるので、信号電荷の混合が容易となる。

また、各水平転送部において信号電荷を混合するステップでは、１行毎に、信号電荷の混合数を交互に変化させている。これは、例えば、偶数行では、３画素混合された信号電荷と、６画素混合された信号電荷とが出力され、奇数行では、９画素混合された信号電荷が出力されるというものである。このように、行毎に混合数を変化させることにより、取得される映像の枚数を増やすことが可能となる。

また、画面の一部のみに対して、信号電荷の混合を行うようにすることも可能である。

また、上記駆動方法が適用された固体撮像装置では、出力部から出力されてくる複数種類の混合数を有する信号電荷を用いて、映像を撮影する際の露光時間を決定することもできる。このように、複数種類の混合数を有する信号電荷を露光時間の決定に用いることにより、ユーザがレリーズを押してから、カメラが本露光を行うまでの間に必要な時間を短くすることができる。具体的には、露光時間を決定するために、カメラは、固体撮像装置の露光時間と蓄積電荷量との関係を示す曲線を、計算し、当該曲線に基づいて、最適な露光時間を特定していた。このような曲線を得るためには、カメラは、ユーザがレリーズを押してからカメラが本露光を行うまでの間に、少なくとも２回以上露光時間を変化させて仮露光を行わなければならなかった。そのため、本露光が行われるまでの間に、ユーザは、ある一定の時間待たされるという問題があった。

しかしながら、本発明に係るカメラでは、一度の仮露光により、異なる複数の明度を有する信号電荷を取得することが可能となる。そのため、画素混合の混合数を露光時間に対応させれば、異なる複数の露光時間の信号電荷を取得したものとみなせる。その結果、カメラは、一度の仮露光を行うだけで、上記曲線を描くことが可能となる。

また、互いに同じ混合数を有する信号電荷同士で形成される複数枚の映像を、１枚の映像に合成することにより、カメラ全体のダイナミックレンジを向上させることができる。具体的には、例えば、通常の単一出力であれば、飽和した部分は白くなり（白とび）映像信号はなくなるが、６画素混合と３画素混合の２種類の映像信号を得ることにより、６画素混合で飽和した部分については、まだ飽和していない３画素混合の信号を信号処理で使うことによって、白とびを防ぐことが出来、結果としてカメラ全体のダイナミックレンジが向上する。

以下に、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る固体撮像装置は、一度の露光処理により、明度の異なる複数の映像を取得することが可能な装置である。ここで、図１は、上記固体撮像装置の構成を示した図である。なお、当該固体撮像装置は、説明の簡略化のため、６行６列で示されている。

図１に示す固体撮像装置は、受光素子１、垂直ＣＣＤ２、水平ＣＣＤ３および出力部４を備える。受光素子１は、いわゆるフォトダイオードにより実現され、入射してくる光を、光量に応じた信号電荷に変換する。なお、当該受光素子１には、赤（Ｒ）、青（Ｂ）または緑（Ｇ）のカラーフィルタが形成されている。図１では、ＲとＧとが交互に配置された列と、ＧとＢとが交互に配置された列とが、交互に配置される。これにより、Ｒの受光素子１の上と右とには、Ｇの受光素子１が配置され、Ｒの受光素子１の右上には、Ｂの受光素子１が配置されるようになる。

垂直ＣＣＤ２は、受光素子１で発生した信号電荷を、水平ＣＣＤ３へ転送するための装置である。ここで、本実施形態では、垂直ＣＣＤ２は、いわゆる６相駆動のＣＣＤが用いられる。また、本実施形態では、垂直ＣＣＤ２の最終段（最後の６枚のゲート電極）には、受光素子１が設けられておらず、他の段とは異なるタイミングで駆動する。これについては、後に詳しく説明する。

水平ＣＣＤ３は、垂直ＣＣＤ２から出力されてくる信号電荷を、出力部４へ転送する。なお、本実施形態では、水平ＣＣＤ３は、いわゆる２相駆動のＣＣＤが用いられる。出力部４は、水平ＣＣＤ３から転送されてきた信号電荷に対して、電圧変換等を施して、外部に接続された回路へと出力するための回路である。

以上のように構成された固体撮像装置について、以下に、その動作の概要について、図面を参照しながら説明を行う。図２は、いわゆる９画素混合が施される場合に、互いに混合される画素を示した図である。また、図３は、いわゆる６画素混合が施される場合に、互いに混合される画素を示した図である。図４は、いわゆる３画素混合が施される場合に、互いに混合される画素を示した図である。

まず、９画素混合について説明を行う。９画素混合とは、図２に示すように、同色の画素で生成される信号電荷を９画素分混合し、これを一つの信号電荷として出力する処理である。具体的には、１行おきに垂直方向に連続して存在するＧの画素の信号電荷が３画素分だけ垂直ＣＣＤ２において足し算され、足し算して得られた信号電荷が１列おき３列分だけ水平ＣＣＤ３において足し算される。これにより、９画素混合された信号電荷が得られる。９画素混合された信号電荷は、混合された９画素の重心の位置の画素（すなわち、太線で囲まれた画素）における信号電荷として取り扱われる。なお、Ｒの画素およびＢの画素についても同様である。このように、各色の画素について９画素混合されると、各色の画素の位置関係は、画素混合される前と同じ位置関係をとるようになる。すなわち、Ｒの受光素子１の上と右とには、Ｇの受光素子１が配置され、Ｒの受光素子１の右上には、Ｂの受光素子１が配置されるようになる。

以上のように、９画素混合が行われることにより、垂直ＣＣＤ２から出力される信号電荷の数を減らすことができ、固体撮像装置の動作の高速化を図ることができるようになる。

ここで、本実施形態に係る固体撮像装置では、上記９画素混合を行うのではなく、９画素混合される９個の信号電荷のうち、右の２列に存在する６個の受光素子１から出力される信号電荷を図３に示すように混合し、左の１列に存在する３個の受光素子１から出力される信号電荷を図４に示すように混合する。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置は、９個の信号電荷の内の６個の信号電荷に対して６画素混合を施して出力し、残りの３個の信号電荷に対して３画素混合を施して出力する。このように、本来、９画素混合されて出力される信号電荷を、６画素混合された信号電荷と３画素混合された信号電荷とに分けて出力することにより、１画面分の信号電荷から、６画素混合された信号電荷の映像と、３画素混合された信号電荷の映像とを取得できる。すなわち、１つの映像から２つの明度の異なる映像を同時に取得することができる。

それでは、以下に、６画素混合された信号電荷と、３画素混合された信号電荷とを取得するために、固体撮像装置が行う具体的動作について、図面を参照しながら説明する。ここで、図５は、図１に示す固体撮像装置の垂直ＣＣＤ２および水平ＣＣＤ３の電極の構成を示した図である。また、図６は、垂直ＣＣＤ２の電極のＯＮ／ＯＦＦの様子を示した図である。具体的には、斜線が付された部分は、電極がＯＮになっていることを示し、黒く塗りつぶされた部分は、信号電荷が受光素子１から読み出されていることを示している。なお、横軸は、時間を示している。また、図７は、垂直ＣＣＤ２が、図６に示すような動作を行うために、図５に示される垂直ＣＣＤ２の各電極に印加される電圧を示している。なお、縦軸は、電圧を示し、横軸は、時間を示している。

本実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤ２は、図５に示すように、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５Ａ、Ｖ５ＢおよびＶ６の７種類の電極を有する。当該垂直ＣＣＤ２は、６枚の電極で一つの段を形成している。具体的には、それぞれの段は、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４およびＶ６の電極と、Ｖ５ＡまたはＶ５Ｂのいずれか一方の電極との６個の電極により構成されている。そして、Ｖ５Ａの電極とＶ５Ｂの電極とは、各段毎に交互に配置されている。また、電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５Ａ、Ｖ５ＢおよびＶ６には、図７に示すように互いに異なる信号電圧φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４、φＶ５Ａ、φＶ５ＢおよびφＶ６が印加されている。それでは、垂直ＣＣＤ２の動作の一例として、図５における一番左端の垂直ＣＣＤ２が行う動作について詳しく説明する。

まず、ｔ＝０〜２の区間では、図７に示すような電圧が各電極に印加される。これにより、各電極は、図６に示すような動作を行う。次に、ｔ＝２〜３の区間では、図７に示すように、電極Ｖ５Ａに印加される電圧が、高くなる。これにより、図６に示すように、Ｒ（３）の受光素子１、Ｒ（９）の受光素子１およびＲ（１５）の受光素子１から電極Ｖ５Ａに信号電荷が読み出される。

次に、ｔ＝３〜１０の区間では、図７に示すような電圧が各電極に印加される。これにより、Ｒ（３）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｒ（５）の受光素子１の横の電極Ｖ３に到達する。同様に、Ｒ（９）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｒ（１１）の受光素子１の横の電極Ｖ３に到達する。Ｒ（１５）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｒ（１７）の受光素子１の横の電極Ｖ３に到達する。

次に、ｔ＝１０〜１１の区間では、図７に示すように、電極Ｖ３に印加される電圧が高くなる。これにより、図６に示すように、Ｇ（２）の受光素子１、Ｒ（５）の受光素子１、Ｇ（８）の受光素子１、Ｒ（１１）の受光素子１、Ｇ（１４）の受光素子１およびＲ（１７）の受光素子１から信号電荷が読み出される。この際、Ｒ（５）の受光素子１の横の電極Ｖ３、Ｒ（１１）の受光素子１の横の電極Ｖ３およびＲ（１７）の受光素子１の横の電極Ｖ３には、それぞれ信号電荷が存在する。そのため、これらの信号電荷は、読み出された信号電荷と各電極Ｖ３において混合される。

次に、ｔ＝１１〜１８の区間では、図７に示すような電圧が各電極に印加される。これにより、Ｇ（２）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｇ（４）の受光素子１の横の電極Ｖ１に到達する。同様に、Ｒ（５）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｒ（７）の受光素子１の横の電極Ｖ１に到達する。同様に、Ｇ（８）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｇ（１０）の受光素子１の横の電極Ｖ１に到達する。同様に、Ｒ（１１）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｒ（１３）の受光素子１の横の電極Ｖ１に到達する。同様に、Ｇ（１４）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｇ（１６）の受光素子１の横の電極Ｖ１に到達する。同様に、Ｒ（１７）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｒ（１９）の受光素子１（図示せず）の横の電極Ｖ１に到達する。

次に、ｔ＝１８〜１９の区間では、図７に示すように、電極Ｖ１に印加される電圧が高くなる。これにより、図６に示すように、Ｇ（４）の受光素子１、Ｒ（７）の受光素子１、Ｇ（１０）の受光素子１、Ｒ（１３）の受光素子１、Ｇ（１６）の受光素子１およびＲ（１９）の受光素子１（図示せず）から電極Ｖ１に信号電荷が読み出される。この際、信号電荷が読み出される受光素子１の横の電極Ｖ１には、信号電荷が存在する。そのため、これらの信号電荷は、読み出された信号電荷と電極Ｖ１において混合される。

次に、ｔ＝１９〜２６の区間では、図７に示すような電圧が各電極に印加される。これにより、Ｇ（４）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｇ（６）の受光素子１の横の電極Ｖ５Ｂに到達する。同様に、Ｒ（７）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｒ（９）の受光素子１の横の電極Ｖ５Ｂに到達する。同様に、Ｇ（１０）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｇ（１２）の受光素子１の横の電極Ｖ５Ｂに到達する。同様に、Ｒ（１３）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｒ（１５）の受光素子１の横の電極Ｖ５Ｂに到達する。同様に、Ｇ（１６）の受光素子１から読み出された信号電荷は、Ｇ（１８）の受光素子１の横の電極Ｖ５Ｂに到達する。同様に、Ｒ（１９）の受光素子１（図示せず）から読み出された信号電荷は、Ｒ（２１）の受光素子１（図示せず）の横の電極Ｖ５Ｂに到達する。

次に、ｔ＝２６〜２７の区間では、図７に示すように、電極Ｖ５Ｂに印加される電圧が高くなる。これにより、図６に示すように、Ｇ（６）の受光素子１、Ｇ（１２）の受光素子１、Ｇ（１８）の受光素子１から電極Ｖ５Ｂに信号電荷が読み出される。この際、Ｇ（６）の受光素子１の横の電極Ｖ５Ｂ、Ｇ（１２）の受光素子１の横の電極Ｖ５ＢおよびＧ（１８）の受光素子１の横の電極Ｖ５Ｂには、それぞれ信号電荷が存在する。そのため、これらの信号電荷は、読み出された信号電荷と混合される。この後、各信号電荷は、水平ＣＣＤ３へと転送される。

以上の動作により、同じ列に存在する同色の受光素子１が発生した信号電荷が、３画素混合される。具体的には、Ｇ（２）、Ｇ（４）およびＧ（６）の受光素子１が発生した信号電荷が混合される。さらに、Ｒ（３）、Ｒ（５）およびＲ（７）の受光素子１が発生した信号電荷が混合される。さらに、Ｇ（８）、Ｇ（１０）およびＧ（１２）の受光素子１が発生した信号電荷が混合される。さらに、Ｒ（９）、Ｒ（１１）およびＲ（１３）の受光素子１が発生した信号電荷が混合される。さらに、Ｇ（１４）、Ｇ（１６）およびＧ（１８）の受光素子１が発生した信号電荷が混合される。さらに、Ｒ（１７）、Ｒ（１９）およびＲ（２１）の受光素子１が発生した信号電荷が混合される。

なお、ここでは、図５の一番左端の垂直ＣＣＤ２についてのみ説明を行ったが、他の垂直ＣＣＤ２においても、同様の動作が行われる。この後、水平ＣＣＤ３は、垂直ＣＣＤ２で生成された３画素混合された信号電荷を用いて、６画素混合された信号電荷と３画素混合された信号電荷とを生成する。

それでは、以下に、６画素混合された信号電荷と、３画素混合された信号電荷とが、生成されるときに、水平ＣＣＤ３が行う動作について、図面を参照しながら説明する。ここで、図８は、このときの信号電荷の動きを示した図である。なお、図８では、垂直ＣＣＤ２が１４列存在するときに、当該垂直ＣＣＤ２内に存在する３画素混合された信号電荷の様子が記載されている。

まず、図８について説明する。図５および図８にしめす垂直ＣＣＤ２は、３列単位で構成されている。そして、第１列の垂直ＣＣＤ２の最終段と第２列の垂直ＣＣＤ２の最終段とは、異なる駆動タイミングで駆動する。なお、第１列の垂直ＣＣＤ２の最終段と第３列の垂直ＣＣＤ２の最終段とは、同じ駆動タイミングで駆動する。具体的には、第１列および第３列の垂直ＣＣＤ２の最終段に信号電荷を保持した状態で、第２列の垂直ＣＣＤ２の最終段は、信号電荷を水平ＣＣＤ３に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ＣＣＤ２の電極構造については後述する。

また、図８において、〇ｘｙは、３画素混合された信号電荷を示している。具体的には、〇には、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）またはＢ（青）が入る。ｘは、画素の垂直位置を示し、具体的には、水平ＣＣＤ３に近い方（すなわち下側から）から１、２、３・・・となる。ｙは、信号電荷の水平位置を示している。具体的には、ｙは、左側から、一列おきに、１、２、３と繰り返される。

それでは、以下に、３画素混合された信号電荷と、６画素混合された信号電荷とが出力される際の動作について説明を行う。なお、最初に、図９を用いて、画素混合の概要について説明する。

図９に示すように、第１列に存在する信号電荷は、他の信号電荷と混合されることなくそのまま３画素混合された信号電荷として出力される。また、第２列および第３列に存在する信号電荷は、互いに混合され、６画素混合された信号電荷として出力される。それでは、図９に示すような画素混合を行うための動作について、図８を用いて以下に説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、垂直ＣＣＤ２の最終段と、下から２段目と、下から３段目とには、３画素混合された信号電荷が存在している。そして、第２列の垂直ＣＣＤ２の最終段から水平ＣＣＤ３に対して、信号電荷が出力される。これにより、固体撮像装置は、図８（ｂ）に示す状態となる。

信号電荷が出力されると、水平ＣＣＤ３は、転送されてきた信号電荷を、２列左方向へ転送する。これにより、固体撮像装置は、図８（ｃ）に示す状態となる。

水平ＣＣＤ３の転送が完了すると、各垂直ＣＣＤ２は、信号電荷を一段下方向へ転送する。これにより、第１列および第３列の信号電荷は、水平ＣＣＤ３へ出力される。そして、第３列の信号電荷は、図８（ｄ）に示すように、第２列から出力された信号電荷と混合される。これにより、３画素混合された信号電荷と、６画素混合された信号電荷とが、水平ＣＣＤ３に交互に周期的に存在するようになる。この後、水平ＣＣＤ３は、出力部４を介して、信号電荷を外部へと出力する。

図８（ａ）〜（ｄ）の動作により、１段分の信号電荷が出力されると、次の段の信号電荷に対しても同様に、図８（ａ）〜（ｄ）に示す動作が行われる。かかる動作が繰り返されることにより、１画面分の３画素混合された信号電荷と、１画面分の９画素混合された信号電荷とが、出力されることとなる。なお、３画素混合された信号電荷と、９画素混合された信号電荷とは、外部に接続された回路（図示せず）あるいはＣＰＵ（図示せず）により分離されて、それぞれ１枚の映像信号を構成するようになる。

それでは、図８に示すような動作を行うための電極構成について、図１０を用いて説明を行う。図１０は、本実施形態に係る固体撮像装置の電極の構成例を示した図である。図１０に示すように、固体撮像装置は、垂直ＣＣＤ２用の電極１１〜２９と、水平ＣＣＤ３用の電極３０〜３８と、チャネルストップ４０とを備える。また、電極１７〜２９は最終段の電極である。

図１０において、縦方向に配置されたチャネルストップ４０の間に形成された転送路４１が、垂直ＣＣＤ２となる。図１０では、垂直ＣＣＤ２における垂直最終段以外の転送段は、電極Ｖ２−１２、電極Ｖ４−１４および電極Ｖ６−１６の３枚が、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、電極Ｖ１−１１、電極Ｖ３−１３、および電極Ｖ５−１５の３枚も、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、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相の電極（水平ＣＣＤ３に近い側から２番目および４番目の電極）が、独立電極として形成される。具体的には、第３相には、第１列に電極Ｖ３₁’’２２および２５が設けられ、第２列に電極Ｖ３’２３が設けられ、第３列に電極Ｖ３₂’’２４が設けられる。同様に、第５相には、第１列に電極Ｖ５₁’’２６および２９が設けられ、第２列に電極Ｖ５’２７が設けられ、第３列に電極Ｖ５₂’’２８が設けられる。なお、本実施形態では、第１列の最終段と第３列の最終とは、同じタイミングで駆動するので、電極Ｖ３₁’’２２および２５と電極電極Ｖ３₂’’２４とには、同じ駆動電圧φＶ３’’が印加される。同様に、電極Ｖ５₁’’２６および２９と電極電極Ｖ５₂’’２８とには、同じ駆動電圧φＶ５’’が印加される。

ここで、図１０に示した電極構造を例にとり、制御部（図示せず）から垂直ＣＣＤ２および水平ＣＣＤ３の各電極へ与えられる信号電圧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１１に示す。なお、この電極構造の場合、受光素子１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１１において、電極Ｖ１−１１〜Ｖ６−１７および電極Ｖ１’１７〜Ｖ６’２０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１１に示すタイミングチャートに従って、垂直ＣＣＤ２および水平ＣＣＤ３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。具体的には、まず、第２列の垂直ＣＣＤ２の最終段が、信号電荷を垂直ＣＣＤ２に出力する。次に、水平ＣＣＤ３が動作することにより、信号電荷が、２列左方向に転送される。次に、第１列および第３列の垂直ＣＣＤ２の最終段が、信号電荷を垂直ＣＣＤ２に出力する。これにより、第２列から出力された信号電荷と、第３列から出力された信号電荷とが混合され、６画素混合された信号電荷が生成される。なお、第１列から出力された信号電荷は、混合されず、３画素混合された信号電荷のままである。この後、６画素混合された信号電荷と、３画素混合された信号電荷とは、水平ＣＣＤ３の転送動作により、出力部４を介して、固体撮像装置外へと出力される。この後、各段に格納された信号電荷に対して、同様の動作が繰り返される。

なお、図１１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、電極Ｖ３’−２２および２５ならびに電極Ｖ４’１９となり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においては電極Ｖ２’１８、電極Ｖ３’−２２および２５（Ｖ３’’−２３）ならびに電極Ｖ４’−１９となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間においては電極Ｖ２’１８、電極Ｖ３’−２２（電極Ｖ３’’−２３）となる。これにより、水平ＣＣＤ３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。

以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置のよれば、一度の露光により、複数の明度を有する信号電荷を取得することができる。これにより、当該固体撮像装置が適用されたカメラにおいて、ユーザがレリーズを押してから本露光が行われるまでの間の時間を短縮することができる。以下に、詳しく説明を行う。

従来では、露光時間を決定するために、カメラは、固体撮像装置の露光時間と蓄積電荷量との関係を示す曲線（図１４）を、計算し、当該曲線に基づいて、最適な露光時間を特定していた。このような曲線を得るためには、カメラは、ユーザがレリーズを押してからカメラが本露光を行うまでの間に、少なくとも２回以上露光時間を変化させて仮露光を行わなければならなかった。そのため、本露光が行われるまでの間に、ユーザは、ある一定の時間待たされるという問題があった。

しかしながら、本発明に係る固体撮像装置が適用されたカメラでは、一度の仮露光により、異なる複数の明度を有する信号電荷を取得することが可能となる。そのため、画素混合の混合数を露光時間に対応させれば、異なる複数の露光時間の信号電荷を取得したものとみなせる。その結果、カメラは、一度の仮露光を行うだけで、上記曲線を描くことが可能となる。

それでは、上記動作を実現するためのカメラの構成について図面を参照しながら簡単に説明する。ここで、図１２は、当該カメラの構成を示したブロック図である。

まず、当該カメラは、固体撮像装置１００、ＴＧ（タイミングジェネレータ）１０１、前処理ＩＣ１０２、Ａ／Ｄコンバータ１０３、メモリコントローラ１０４、表示部１０５、メモリ部１０６およびＣＰＵ部１０７を備える。固体撮像装置は、図１に示す本実施形態に係る固体撮像装置である。ＴＧ１０１は、固体撮像装置を駆動させるための信号を生成する。具体的には、図７に示す信号と、図１１に示す信号とを生成する。前処理ＩＣ１０２は、固体撮像装置１００から出力される信号に対して、種々の信号処理を施す。Ａ／Ｄコンバータ１０３は、前処理ＩＣ１０２から出力されてくる信号電荷を、デジタル信号に変換する。メモリコントローラ１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０３から出力されてくる信号電荷を、振り分けてメモリ部１０６に出力する。具体的には、メモリコントローラ１０４は、３画素混合されたデジタル信号と、６画素混合されたデジタル信号とを、メモリ部１０６に分けて出力する。メモリ部１０６は、デジタル信号を記憶する。ＣＰＵ部１０７は、デジタル信号に基づいて、露光時間と、蓄積電荷量との関係を示す曲線（図１４）を作成する。表示部１０５は、デジタル信号に基づいて、映像を表示する。

上記のように構成された固体撮像装置について、以下にその動作について、簡単に説明を行う。まず、固体撮像装置１００で６画素混合および３画素混合された信号電荷は、前処理ＩＣ１０２において、種々の信号処理が施される。この後、Ａ／Ｄコンバータ１０３は、前処理ＩＣ１０２から出力されてくる信号電荷を、デジタル信号に変換する。メモリコントローラ１０４は、３画素混合されたデジタル信号と、６画素混合された信号電荷とを、振り分けてメモリ部１０６に出力する。別々に振り分けて出力された３画素混合されたデジタル信号と、６画素混合されたデジタル信号とは、それぞれ別の映像信号を構成する信号としてメモリ部１０６に格納される。次に、ＣＰＵ部１０７は、当該これら２枚の映像信号の明度に基づいて、図１４に示すような曲線を作成する。そして、ＣＰＵ部１０７は、当該曲線に基づいて、最適な露光時間を決定する。以上のような動作により、カメラは、最適な露光時間を決定することができる。

また、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、当該固体撮像装置が適用されたカメラのダイナミックレンジを向上させることができる。以下に、詳しく説明する。

本実施形態に係る固体撮像装置が適用されたカメラにおいて、６画素混合された信号電荷により形成される映像と３画素混合された信号電荷により形成される映像とを、固体撮像装置の外部の回路において１枚の映像に合成することにより、カメラ全体のダイナミックレンジを向上させることができる。具体的には、例えば、従来のカメラでは、９画素混合された信号電荷を転送する場合には、水平ＣＣＤは、９画素混合された信号電荷を転送できるだけのダイナミックレンジが要求されていた。しかしながら、本実施形態に係る固体撮像装置が適用されたカメラでは、９画素混合された信号電荷が、例えば、６画素混合された信号電荷と、３画素混合された信号電荷とに分けて水平ＣＣＤ内を転送される。そのため、水平ＣＣＤは、６画素混合された信号電荷を転送できるだけのダイナミックレンジを有していればよくなる。すなわち、水平転送手段に要求されるダイナミックレンジが緩和される。言い換えると、６画素混合された信号電荷を転送するのに必要なダイナミックレンジで、９画素混合された信号電荷を転送することができるようになり、カメラ全体のダイナミックレンジが向上する。以下に、図１２を用いて、当該カメラの構成について、簡単に説明を行う。

ここで、ＣＰＵ部１０７が行う動作以外については、上記露光時間の決定の際の動作と同じであるので、説明を省略する。ＣＰＵ部１０７は、メモリ部１０６に格納されている６画素混合されたデジタル信号により形成される映像と、３画素混合されたデジタル信号により形成される映像とを合成する。これにより、当該カメラは、９画素混合されたデジタル信号の映像を取得することができる。

なお、本実施形態に係る固体撮像装置では、水平ＣＣＤにおいて、６画素混合された信号電荷と、３画素混合された信号電荷とが生成される際には、図８に示すような手順で信号電荷が生成されていたが、係る手順はこれに限らない。例えば、図１２に示すような手順により、６画素混合された信号電荷と、３画素混合された信号電荷とが生成されてもよい。具体的には、図８（ｂ）の処理が完了すると、図１３（ａ）に示すように、第３列の垂直ＣＣＤの最終段に存在する信号電荷が、水平ＣＣＤに対して出力される。これにより、６画素混合された信号電荷が生成される。

次に、図１３（ｂ）に示すように、６画素混合された信号電荷が、転送処理されて、出力部から固体撮像装置外へと出力される。次に、各垂直ＣＣＤは、保持している信号電荷を一段下へ転送する。これにより、図１３（ｃ）に示すように、第１列の信号電荷が、水平ＣＣＤに対して出力される。

最後に、水平ＣＣＤは、保持している３画素混合された信号電荷を、転送処理して、固体撮像装置外へと出力する。この後、同様の動作が、他の段に存在する信号電荷に対しても繰り返される。このようにしても、６画素混合された信号電荷と３画素混合された信号電荷を取得することができる。

また、本実施形態では、第２列の垂直ＣＣＤに存在する信号電荷と第３列の垂直ＣＣＤに存在する信号電荷とが、混合されるものとしているが、混合される信号電荷の組合せはこれに限らない。例えば、第１列の垂直ＣＣＤに存在する信号電荷と第２列の垂直ＣＣＤに存在する信号電荷とが混合されてもよい。

また、本実施形態では、９画素混合される信号電荷が、３画素混合された信号電荷と、６画素混合された信号電荷とに分けて出力されるものとしたが、画素の混合混合数は、これに限らない。すなわち、ｎ（ｎは、３以上の自然数）画素混合される信号電荷が、少なくとも２以上の異なる混合数の信号電荷に分けて出力されるものであればよい。

また、本実施形態に係る固体撮像装置では、全ての段の信号電荷に対して、６画素混合された信号電荷と、３画素混合された信号電荷とに分けて出力されていたが、画素の混合の仕方は、これに限らない。すなわち、奇数段では、９画素混合された信号電荷が出力され、偶数段では、６画素混合された信号と３画素混合された信号とが出力されるようにしてもよい。この場合、より多くの異なる明度を有する信号電荷を取得することができるようになる。

また、本実施形態に係る固体撮像装置では、固体撮像装置の全ての信号電荷に対して、画素混合を行っているが、画素混合される信号電荷は、全ての信号電荷でなくてもよい。すなわち、画面の一部の受光素子から出力された信号電荷のみが、画素混合されてもよい。この場合、当該画面の一部に該当する信号電荷に対してのみ、垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤが、図６および８に示す動作を行って、画素混合が行われる。

本発明に係る固体撮像装置の駆動方法は、一度の露光処理により、複数の明度の異なる映像を構成する信号電荷を取得することができる効果を有し、マトリクス状に配置された複数の画素から読み出された信号電荷を垂直方向に転送するために、複数の画素の各列に対応して配置された複数の垂直転送部と、複数の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る固体撮像装置の駆動方法等として有用である。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示した図 信号電荷が９画素混合されるときの様子を示した図 信号電荷が６画素混合されるときの様子を示した図 信号電荷が３画素混合されるときの様子を示した図 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の電極の構成を示した図 垂直ＣＣＤの動作の様子を示した図 垂直ＣＣＤを動作させるための信号を示した図 水平ＣＣＤにおいて、６画素混合された信号電荷と３画素混合された信号電荷とが生成されるときの様子を示した図 ６画素混合される信号電荷と３画素混合される信号電荷とを示した図 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の電極の具体的構成を示した図 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の垂直ＣＣＤの最終段の動作および駆動信号を示した図 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置が適用されたカメラの構成を示したブロック図 水平ＣＣＤにおいて、６画素混合された信号電荷と３画素混合された信号電荷とが生成されるときのその他の例を示した図 受光素子の露光時間と蓄積電荷量との関係を示した図

符号の説明

１ 受光素子
２ 垂直ＣＣＤ
３ 水平ＣＣＤ
４ 出力部
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ 電極
４０ チャネルストップ
４１ 転送路
１００ 固体撮像装置
１０１ ＴＧ
１０２ 前処理ＩＣ
１０３ Ａ／Ｄコンバータ
１０４ メモリコントローラ
１０５ 表示部
１０６ メモリ部
１０７ ＣＰＵ部

Claims (12)

1. マトリクス状に配置された複数の画素から読み出された信号電荷を垂直方向に転送するために、複数の前記画素の各列に対応して配置された複数の垂直転送部と、複数の前記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る固体撮像装置の駆動方法であって、
   各前記垂直転送部において、垂直方向に互いに連続する同色の画素が発生した信号電荷を、所定の数だけ混合するステップと、
   各前記垂直転送部において混合された信号電荷を、前記水平転送部において、水平方向に互いに連続する同色の画素から発生されたもの同士で混合して、複数種類の混合数を有する信号電荷を生成するステップと、
   前記水平転送部で混合して得られた信号電荷を、外部に接続された回路に出力するステップとを備える、固体撮像装置の駆動方法。
2. 前記水平転送部において信号電荷を混合するステップでは、前記複数種類の混合数を有する信号電荷が、当該水平転送部内において周期的に並ぶように生成されることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
3. 各前記垂直転送部は、２ｎ（ｎは、自然数）相駆動であり、
   前記垂直転送部において信号電荷を混合するステップでは、ｎ個の信号電荷を混合し、
   前記水平転送部において信号電荷を混合するステップでは、前記複数種類の混合数を有する信号電荷の配列が、ｎ個で１周期となるように、各前記垂直転送部で混合された信号電荷を混合することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 各前記水平転送部において信号電荷を混合するステップでは、１行毎に、信号電荷の混合数を交互に変化させることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記垂直転送部において信号電荷を混合するステップでは、垂直方向の一部の画素から出力された信号電荷のみを混合し、
   前記水平転送部において信号電荷を混合するステップでは、一部の垂直転送部から出力された信号電荷のみを混合することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. マトリクス状に配置された複数の画素から読み出された信号電荷を垂直方向に転送するために、複数の前記画素の各列に対応して配置された複数の垂直転送部と、
   複数の前記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、
   各前記垂直転送部において、垂直方向に互いに連続する同色の画素が発生した信号電荷を、所定の数だけ混合するように、各前記垂直転送部を駆動させる第１の信号を生成する第１の信号生成部と、
   各前記垂直転送部において混合された信号電荷を、水平方向に互いに連続する同色の画素から発生されたもの同士で混合して、複数種類の混合数を有する信号電荷を生成するように、前記水平転送部を駆動させる第２の信号を生成する第２の信号生成部と、
   前記水平転送部で混合して得られた信号電荷を出力する出力部とを備える、カメラ。
7. 前記第２の信号生成部は、前記複数種類の混合数を有する信号電荷が、前記水平転送部内において周期的に並ぶように、前記第２の信号を生成することを特徴とする、カメラ。
8. 各前記垂直転送部は、２ｎ（ｎは、自然数）相駆動であり、
   前記第１の信号生成部は、垂直転送部においてｎ個の信号電荷が混合されるように前記第１の信号を生成し、
   前記第２の信号生成部は、前記複数種類の混合数を有する信号電荷の配列が、ｎ個で１周期となるように、各前記垂直転送部で混合された信号電荷が、前記水平転送部において、混合されるように前記第２の信号を生成することを特徴とする、請求項６に記載のカメラ。
9. 前記第２の信号生成部は、１行毎に、信号電荷の混合数を交互に変化するように、前記第２の信号を生成することを特徴とする、請求項６に記載のカメラ。
10. 前記第１の信号生成部は、垂直方向の一部の画素から出力された信号電荷のみが前記垂直転送部において混合されるように、前記第１の信号を生成し、
    前記第２の信号生成部は、一部の垂直転送部から出力された信号電荷のみが前記水平転送部において混合されるように、前記第２の信号を生成することを特徴とする、請求項６に記載のカメラ。
11. 前記出力部から出力されてくる前記複数種類の混合数を有する信号電荷を用いて、映像を撮影する際の露光時間を決定する露光時間決定部をさらに備える、請求項６に記載のカメラ。
12. 前記出力部から出力されてくる前記複数種類の混合数を有する信号電荷の内、互いに同じ混合数を有する信号電荷同士で形成される複数枚の映像を、１枚の映像に合成する合成手段をさらに備える、請求項６に記載のカメラ。
    
    
    

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