JP2005191943A

JP2005191943A - Solid-state imaging device and camera equipped with the same

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Publication number: JP2005191943A
Application number: JP2003430981A
Authority: JP
Inventors: Keijiro Itakura; 啓二郎板倉; Izumi Shimizu; いづみ清水
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging device capable of cutting down the number of pixels at least in a vertical direction and of outputting high-frame-rate motion pictures. <P>SOLUTION: A vertical transfer section 3 includes one shift gate (V1, V3, V5) for each of photoelectric conversion elements 2 and besides an iterative gate structure for defining, as one gate group, a plurality of vertically consecutive gates of m units (m denotes an integer number of 1 or more) when defining vertically consecutive n (n denotes integer number more than 1) pieces of the photoelectric elements as one unit. At least one shift gate within one unit in each of gate groups is interconnected separately so as to be driven independently of a corresponding shift gate in the other unit within the same gate group. A readout voltage is applied to one of the shift gates interconnected separately and the corresponding shift gate of the other unit within the same gate group in each gate group when performing one-time readout. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device that converts received light into an electrical signal and outputs it as a video signal.

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装置が知られており、この固体撮像装置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装置を用いたカメラは、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。 Conventionally, a solid-state imaging device that converts received light into an electrical signal and outputs it as a video signal is known, and a camera such as a digital still camera that displays a video signal obtained from the solid-state imaging device as a still image is known. ing. In recent years, a camera using such a solid-state imaging device has been demanded to further improve image quality and function, and the density of pixels has been increasing.

このような固体撮像装置において、モニタへの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には、走査線数を１／２に間引く構成が開示されている。
特許第２８０９９０３号公報 In such a solid-state imaging device, in order to improve the output speed of the video signal to the monitor, a driving method has been conventionally proposed in which the number of pixels in the output video signal is reduced by thinning out pixels from which signal charges are read. . For example, Patent Document 1 discloses a configuration in which the number of scanning lines is thinned by half.
Japanese Patent No. 2809903

しかしながら、上記した特許文献１等に記載された従来の技術では、走査線の間引き率が１／２であり、３００万画素を超えるような高精細な固体撮像装置の場合、データ量の削減が十分ではない。このため、モニタ表示のための高いフレームレートの動画を得ることが困難であった。 However, in the conventional technique described in Patent Document 1 and the like described above, in the case of a high-definition solid-state imaging device having a scanning line thinning rate of ½ and exceeding 3 million pixels, the data amount can be reduced. Not enough. For this reason, it has been difficult to obtain a moving image with a high frame rate for monitor display.

本発明はこれらの問題を解決するために、少なくとも垂直方向の画素数を削減することにより、映像信号を高速に出力できる固体撮像装置を提供することを目的とする。 In order to solve these problems, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of outputting a video signal at high speed by reducing at least the number of pixels in the vertical direction.

上記の目的を達成するために、本発明にかかる固体撮像装置は、二次元配列された光電変換素子と、前記光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子を有する固体撮像装置であって、前記垂直転送部は、１つの光電変換素子毎に１つのシフトゲートを有し、かつ、垂直方向に連続するｎ（ｎは２以上の整数）個の光電変換素子を１ユニットとした場合、ｍ（ｍは１以上の整数）ユニット分の垂直方向に連続した複数のゲートを１ゲート群とする繰り返しゲート構造を有し、各ゲート群における１ユニット内の少なくとも１つのシフトゲートが、同一ゲート群内の他のユニットにおいて対応するシフトゲートとは独立に駆動できるように分離して配線され、１回の読み出し時に、各ゲート群において、前記分離して配線されたシフトゲートと、同一ゲート群内の他のユニットの対応するシフトゲートとのいずれか一方に読み出し電圧を印加する駆動回路を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a two-dimensionally arranged photoelectric conversion element, a vertical transfer unit that reads a signal charge from the photoelectric conversion element and transfers it in a vertical direction, and the vertical A solid-state imaging device having a solid-state imaging device including a horizontal transfer unit that transfers signal charges received from a transfer unit in a horizontal direction, wherein the vertical transfer unit includes one shift gate for each photoelectric conversion element. And having n (n is an integer of 2 or more) photoelectric conversion elements that are continuous in the vertical direction as one unit, a plurality of m (m is an integer of 1 or more) units continuous in the vertical direction It has a repeated gate structure with one gate group as a gate group, and at least one shift gate in one unit in each gate group is independent of the corresponding shift gate in other units in the same gate group. In each gate group, one of the shift gates separated and wired and a corresponding shift gate of another unit in the same gate group at the time of one read One of them is provided with a drive circuit for applying a read voltage.

以上に説明したように、本発明によれば、画素数を削減することにより、映像信号を高速に出力できる固体撮像装置を提供できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of outputting a video signal at high speed by reducing the number of pixels.

本発明にかかる固体撮像装置は、二次元配列された光電変換素子と、前記光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子を有する固体撮像装置であって、前記垂直転送部は、１つの光電変換素子毎に１つのシフトゲートを有し、かつ、垂直方向に連続するｎ（ｎは２以上の整数）個の光電変換素子を１ユニットとした場合、ｍ（ｍは１以上の整数）ユニット分の垂直方向に連続した複数のゲートを１ゲート群とする繰り返しゲート構造を有し、各ゲート群における１ユニット内の少なくとも１つのシフトゲートが、同一ゲート群内の他のユニットにおいて対応するシフトゲートとは独立に駆動できるように分離して配線され、１回の読み出し時に、各ゲート群において、前記分離して配線されたシフトゲートと、同一ゲート群内の他のユニットの対応するシフトゲートとのいずれか一方に読み出し電圧を印加する駆動回路を備えた構成である（第１の構成）。 A solid-state imaging device according to the present invention includes a two-dimensional array of photoelectric conversion elements, a vertical transfer unit that reads out signal charges from the photoelectric conversion elements and transfers them in the vertical direction, and a signal charge received from the vertical transfer unit horizontally. A solid-state imaging device having a solid-state imaging device including a horizontal transfer unit that transfers in a direction, wherein the vertical transfer unit has one shift gate for each photoelectric conversion element and is continuous in the vertical direction When n (n is an integer of 2 or more) photoelectric conversion elements to be made into one unit, a plurality of gates continuous in the vertical direction for m (m is an integer of 1 or more) units are used as a repeated gate. Having at least one shift gate in one unit in each gate group so that it can be driven independently from the corresponding shift gate in other units in the same gate group. Drive that applies a read voltage to one of the shift gates separated and wired in each gate group and the corresponding shift gate of another unit in the same gate group at the time of one read A configuration including a circuit (first configuration).

前記第１の構成において、ｎ＝ｍ＝３であることが好ましい（第２の構成）。 In the first configuration, it is preferable that n = m = 3 (second configuration).

前記第２の構成において、各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第１のシフトゲートおよび第２のシフトゲートが、第２のユニットにおける第１のシフトゲートおよび第２のシフトゲートとは分離して配線されたことが好ましい（第３の構成）。 In the second configuration, in each gate group, the first unit from the horizontal transfer unit side and the first shift gate and the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the third unit are the second unit. It is preferable that the first shift gate and the second shift gate are wired separately from each other (third configuration).

前記第３の構成において、前記ゲート駆動回路が、（１）各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加すると共に、水平転送部側より第２のユニット内で水平転送部側より第１のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、（２）各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、（３）各ゲート群において、水平転送部側より第２のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードとを有することが好ましい（第４の構成）。 In the third configuration, the gate driving circuit is configured such that (1) in each gate group, a read voltage is applied to the first unit from the horizontal transfer unit side and to the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the third unit. And a mode in which a read voltage is applied to the first shift gate from the horizontal transfer unit side in the second unit from the horizontal transfer unit side, and (2) in each gate group, the first from the horizontal transfer unit side. A mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the second unit and the third unit; and (3) in each gate group, the horizontal transfer unit in the second unit from the horizontal transfer unit side. It is preferable to have a mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the side (fourth configuration).

前記第２の構成において、各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートおよび第３のシフトゲートが、第２のユニットにおける第２のシフトゲートおよび第３のシフトゲートとは分離して配線されたことが好ましい（第５の構成）。 In the second configuration, in each gate group, the first unit from the horizontal transfer unit side and the second shift gate and the third shift gate from the horizontal transfer unit side in the third unit are the second unit. It is preferable that the second shift gate and the third shift gate are wired separately from each other (fifth configuration).

さらに、前記第５の構成において、前記ゲート駆動回路が、（１）各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加すると共に、水平転送部側より第２のユニット内で水平転送部側より第３のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、（２）各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、（３）各ゲート群において、水平転送部側より第２のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードとを有することが好ましい（第６の構成）。 Further, in the fifth configuration, the gate driving circuit is configured to: (1) in each gate group, the first unit from the horizontal transfer unit side and the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the third unit. A mode in which a read voltage is applied and a read voltage is applied to the third shift gate from the horizontal transfer unit side in the second unit from the horizontal transfer unit side; and (2) in each gate group, from the horizontal transfer unit side. A mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the first unit and the third unit; and (3) in each gate group, the horizontal level in the second unit from the horizontal transfer unit side. It is preferable to have a mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the transfer unit side (sixth configuration).

また、前記第１〜第６のいずれかの構成において、前記光電変換素子から読み出した信号電荷を前記垂直転送部の有効画素領域内で混合することが好ましい（第７の構成）。あるいは、前記第１〜第６のいずれかの構成において、前記光電変換素子から読み出した信号電荷を、前記垂直転送部の有効画素領域外で混合することも好ましい（第８の構成）。または、前記第１〜第６のいずれかの構成において、前記光電変換素子から読み出した信号電荷を前記水平転送部内で混合することも好ましい（第９の構成）。 In any of the first to sixth configurations, it is preferable that the signal charges read from the photoelectric conversion elements are mixed in an effective pixel region of the vertical transfer unit (seventh configuration). Alternatively, in any of the first to sixth configurations, it is also preferable to mix the signal charges read from the photoelectric conversion elements outside the effective pixel region of the vertical transfer unit (eighth configuration). Alternatively, in any one of the first to sixth configurations, it is also preferable to mix the signal charges read from the photoelectric conversion elements in the horizontal transfer unit (ninth configuration).

前記第１〜第９のいずれかの構成において、前記二次元配列された光電変換素子に対応して、垂直方向に２画素周期で色フィルタが配置されたカラーフィルタを備えたことが好ましい（第１０の構成）。 In any one of the first to ninth configurations, it is preferable to include a color filter in which color filters are arranged in a vertical direction with a two-pixel cycle corresponding to the two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements (first). 10 configuration).

前記第１〜第９のいずれかの構成において、前記二次元配列された光電変換素子に対応して、垂直方向に２画素かつ水平方向に２画素の周期で色フィルタが配置されたカラーフィルタを備え、前記垂直転送部の有効画素領域外に、少なくとも一段の垂直最終転送段を備え、当該垂直最終転送段が、水平方向にｋ（ｋは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有し、前記ｋ列のうち、一つの列以外の垂直最終転送段あるいは全ての列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を、当該ｋ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が好ましい（第１１の構成）。 In any one of the first to ninth configurations, a color filter in which color filters are arranged in a cycle of two pixels in the vertical direction and two pixels in the horizontal direction corresponding to the two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements. And at least one vertical final transfer stage outside the effective pixel area of the vertical transfer unit, and the vertical final transfer stage has the same transfer electrode configuration for every k (k is an integer of 2 or more) columns in the horizontal direction. A transfer operation from the vertical final transfer stage to the horizontal transfer unit in the vertical final transfer stage other than one column or the vertical final transfer stage of all the columns in the k columns. In order to control independently of the other columns, it is preferable that a transfer electrode independent of the other columns is provided (11th configuration).

前記第１１の構成において、ｋ＝３であり、３列毎に、水平転送部の出力側から第２列および第３列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を、他の垂直最終転送段とは独立に制御するために、他の最終垂直転送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１２の構成）。 In the eleventh configuration, k = 3, and every three columns from the output side of the horizontal transfer unit to the vertical final transfer stages of the second column and the third column, and from the vertical final transfer stage to the horizontal transfer unit In order to control this transfer operation independently of the other vertical final transfer stages, it is preferable that a transfer electrode independent of the other final vertical transfer stages is provided (a twelfth configuration).

また、本発明は、前記第１〜１２のいずれかの構成にかかる固体撮像装置を備えたカメラとしても実施可能である。 The present invention can also be implemented as a camera including the solid-state imaging device according to any one of the first to twelfth configurations.

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。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の固体撮像装置（例えばＣＣＤカメラ）の概略構成例を示すブロック図である。図１において、１は固体撮像素子であり、その出力は前処理ＬＳＩ２０により、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）やＡＤＣ（アナログ・ディジタル変換）の処理を施される。前処理ＬＳＩ２０の出力は、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）ＬＳＩ３０により、画素補間や輝度・色差処理などが行われて映像信号として出力される。タイミングジェネレータ（ＴＧ）ＬＳＩ４０は、固体撮像素子１の駆動に用いられるタイミングパルスＨ１，Ｈ２，ＨＬ，Ｖ１〜Ｖ６を生成する。クロックドライバ（ＤＲ）ＬＳＩ５０は、Ｖ１〜Ｖ６から生成した駆動パルスφＶ１〜６を固体撮像素子１へ供給する。 (First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration example of a solid-state imaging device (for example, a CCD camera) according to the present embodiment. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a solid-state imaging device, and its output is subjected to CDS (correlated double sampling) and ADC (analog / digital conversion) processing by a preprocessing LSI 20. The output of the preprocessing LSI 20 is subjected to pixel interpolation, luminance / color difference processing, and the like by a digital signal processing (DSP) LSI 30 and is output as a video signal. The timing generator (TG) LSI 40 generates timing pulses H1, H2, HL, and V1 to V6 that are used to drive the solid-state imaging device 1. The clock driver (DR) LSI 50 supplies drive pulses φV 1 to 6 generated from V 1 to V 6 to the solid-state imaging device 1.

タイミングジェネレータ４０は、ディジタル信号処理ＬＳＩ３０から水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤ及びクロック信号の各パルスの供給を受け、上記タイミングパルスＨ１，Ｈ２、Ｖ１〜Ｖ４を生成して、信号処理パルスＰＲＯＣを前処理ＬＳＩ２０及びディジタル信号処理ＬＳＩ３０へ供給する。ただし、水平及び垂直同期信号のパルスをタイミングジェネレータ４０が生成する構成とする場合もある。 The timing generator 40 receives the pulses of the horizontal synchronizing signal HD, the vertical synchronizing signal VD, and the clock signal from the digital signal processing LSI 30, generates the timing pulses H1, H2, V1 to V4, and generates the signal processing pulse PROC. The pre-processing LSI 20 and the digital signal processing LSI 30 are supplied. However, the timing generator 40 may be configured to generate pulses of horizontal and vertical synchronization signals.

図２に、本実施形態にかかる固体撮像装置が備え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装置に用いられる固体撮像素子１は、二次元状に配列された光電変換素子２と、垂直転送部３と、水平転送部４と、電荷検出部５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。垂直転送部３の構造については、後に詳しく説明する。水平転送部４は、２相のゲート（Ｈ１，Ｈ２）より構成される。 FIG. 2 shows a schematic configuration of a solid-state imaging device provided in the solid-state imaging device according to the present embodiment. A solid-state imaging device 1 used in the solid-state imaging device of the present embodiment includes a two-dimensionally arranged photoelectric conversion element 2, a vertical transfer unit 3, a horizontal transfer unit 4, and a charge detection unit 5. . Each of the vertical transfer unit 3 and the horizontal transfer unit 4 is configured by a CCD. The structure of the vertical transfer unit 3 will be described in detail later. The horizontal transfer unit 4 includes two-phase gates (H1, H2).

光電変換素子２としては、フォトダイオードが用いられる。光電変換素子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２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。 A photodiode is used as the photoelectric conversion element 2. In each of the photoelectric conversion elements 2, three color filters of red (R), green (G), and blue (B) are arranged. In this embodiment, RGB filters are periodically arranged every two pixels in the vertical and horizontal directions. For example, as shown in FIG. 2, when a total of 4 pixels of 2 vertical pixels × 2 horizontal pixels is used as a unit, the lower left pixel is R, the lower right pixel and the upper left pixel are G, and the upper right pixel is B. As shown, color filters are arranged.

固体撮像素子１において、光電変換素子２のそれぞれには、垂直転送部３の２つのゲートが接続されており、これら２つのゲートのいずれか一方が、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出すシフトゲートである。例えば、図２に示した例では、Ｖ１〜Ｖ６の６つのゲートのうち、奇数番号のゲートがシフトゲートであるものとする。図２において、同一種のゲートは共通に電気接続するよう配線されており、他のゲートとは独立して駆動される。例えば、Ｖ１と表示されたゲートは、全て共通の配線がなされている。ただし、後述するように、Ｖ３とＶ３Ａ、またはＶ５とＶ５Ａとは、分離して配線されており、互いに独立に駆動される。 In the solid-state imaging device 1, each of the photoelectric conversion elements 2 is connected to two gates of the vertical transfer unit 3, and one of these two gates shifts to read out signal charges accumulated in the photodiode. It is a gate. For example, in the example shown in FIG. 2, it is assumed that the odd-numbered gate among the six gates V1 to V6 is a shift gate. In FIG. 2, gates of the same type are wired so as to be electrically connected in common, and are driven independently of other gates. For example, the gates labeled V1 are all wired in common. However, as will be described later, V3 and V3A or V5 and V5A are wired separately and driven independently of each other.

垂直転送部３は、垂直方向に連続するｎ（ｎは２以上の整数）個の光電変換素子２を一つのユニットとして、かつ、ｍ（ｍは１以上の整数）ユニット分の垂直方向に連続した複数のゲートを１ゲート群とする繰り返しゲート構造を有する。図２に示した例では、ｎ＝ｍ＝３であり、垂直方向に連続する９画素分の光電変換素子２に接続された１８本のゲートが、１ゲート群を構成する。 The vertical transfer unit 3 includes n (n is an integer of 2 or more) continuous photoelectric conversion elements 2 as one unit, and continues in the vertical direction of m (m is an integer of 1 or more) units. The plurality of gates have a repeated gate structure in which one gate group is used. In the example shown in FIG. 2, n = m = 3, and 18 gates connected to the photoelectric conversion elements 2 for 9 pixels continuous in the vertical direction constitute one gate group.

さらに、垂直転送部３では、各ゲート群における１ユニット内の少なくとも１つのシフトゲートが、同一ゲート群内の他のユニットにおいて対応するシフトゲートとは独立に駆動できるように、分離して配線されている。図２の例では、例えば、１つのゲート群を構成する３ユニットのうちの真ん中のユニットにおいて、３本のシフトゲート（Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５）のうちのＶ３とＶ５が、同一ゲート群内の他の２ユニットにおいて対応するシフトゲートとは分離して配線されている。すなわち、図２の左下に示したゲート群３１について説明すると、ゲート群３１を構成するユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃのうち、真ん中のユニット３１ｂは、Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５Ａの３本のシフトゲートを有するのに対して、ユニット３１ａおよび３１ｃのシフトゲートは、Ｖ１，Ｖ３Ａ，Ｖ５である。Ｖ３とＶ３Ａとは互いに分離して配線され、Ｖ５とＶ５Ａも互いに分離して配線されている。 Further, in the vertical transfer unit 3, at least one shift gate in one unit in each gate group is wired separately so that it can be driven independently from the corresponding shift gate in other units in the same gate group. ing. In the example of FIG. 2, for example, in the middle unit among the three units constituting one gate group, V3 and V5 of the three shift gates (V1, V3, V5) are in the same gate group. The other two units are wired separately from the corresponding shift gates. That is, the gate group 31 shown in the lower left of FIG. 2 will be described. Of the units 31a, 31b, and 31c constituting the gate group 31, the middle unit 31b has three shift gates V1, V3, and V5A. On the other hand, the shift gates of the units 31a and 31c are V1, V3A, and V5. V3 and V3A are wired separately from each other, and V5 and V5A are also wired separately from each other.

固体撮像素子１において、前述のゲート駆動回路より、１回の読み出し時に、各ゲート群において、前記分離して配線されたシフトゲートと、同一ゲート群内の他のユニットの対応するシフトゲートとのいずれか一方に読み出しパルス（読み出し電圧）を印加することにより、以下に説明するような画素間引きが実現する。 In the solid-state imaging device 1, at the time of one reading from the above-described gate drive circuit, in each gate group, the separately wired shift gates and the corresponding shift gates of other units in the same gate group By applying a readout pulse (readout voltage) to either one, pixel thinning as described below is realized.

図３は、図２に示した構成を有する固体撮像素子１において、光電変換素子２のフォトダイオードから信号電荷を間引いて読み出す方法を説明する概念図である。なお、図３では、説明の簡略化のため、１列の光電変換素子についてのみ画素の読み出し状況を示している。 FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a method of thinning out and reading out signal charges from the photodiode of the photoelectric conversion element 2 in the solid-state imaging device 1 having the configuration shown in FIG. Note that in FIG. 3, for the sake of simplification, the pixel readout state is shown for only one column of photoelectric conversion elements.

例えば、垂直方向に１／９の割合で画素を間引く場合、シフトゲートＶ３のみに読み出しパルスを印加することにより、図３の最も左側の列に示すように、１つのゲート群に属する９つの画素のうち、水平転送部４側（図３において下側）から数えて５番目の画素の信号電荷だけが、光電変換素子２から読み出される。 For example, when thinning out pixels at a rate of 1/9 in the vertical direction, by applying a read pulse only to the shift gate V3, as shown in the leftmost column of FIG. 3, nine pixels belonging to one gate group Among them, only the signal charge of the fifth pixel counted from the horizontal transfer unit 4 side (lower side in FIG. 3) is read from the photoelectric conversion element 2.

また、垂直方向に２／９の割合で画素を間引く場合は、シフトゲートＶ３Ａのみに読み出しパルスを印加することにより、図３の左から２列目に示すように、１つのゲート群に属する９つの画素のうち、水平転送部４側から数えて２番目と８番目の２画素分の信号電荷が、光電変換素子２から読み出される。 When pixels are thinned out at a rate of 2/9 in the vertical direction, a readout pulse is applied only to the shift gate V3A, so that 9 pixels belonging to one gate group as shown in the second column from the left in FIG. Among the two pixels, the signal charges for the second and eighth pixels counted from the horizontal transfer unit 4 are read from the photoelectric conversion element 2.

また、垂直方向に３／９の割合で画素を間引く場合は、シフトゲートＶ３ＡとＶ５Ａに読み出しパルスを印加することにより、図３の左から３列目に示すように、１つのゲート群に属する９つの画素のうち、水平転送部４側から数えて２番目、４番目、８番目の３画素分の信号電荷が、光電変換素子２から読み出される。 Further, when pixels are thinned out at a ratio of 3/9 in the vertical direction, a readout pulse is applied to the shift gates V3A and V5A, thereby belonging to one gate group as shown in the third column from the left in FIG. Among the nine pixels, signal charges for the second, fourth, and eighth three pixels counted from the horizontal transfer unit 4 are read from the photoelectric conversion element 2.

従って、ゲート駆動回路から垂直転送部３へ印加する読み出しパルスのパターンを切替えることにより、１／９間引き、２／９間引き、３／９間引きの３つの動作モードを実現することができる。 Therefore, three operation modes of 1/9 thinning, 2/9 thinning, and 3/9 thinning can be realized by switching the pattern of the read pulse applied from the gate drive circuit to the vertical transfer unit 3.

ここで、上述の３つの動作モードのうち、３／９間引きモードの場合の固体撮像装置の動作について、図４〜図８を参照しながら、さらに詳しく説明する。 Here, the operation of the solid-state imaging device in the 3/9 thinning-out mode among the three operation modes described above will be described in more detail with reference to FIGS.

まず、図４に示すように光電変換素子２に信号電荷が蓄積された状態から、シフトゲートＶ３ＡおよびＶ５Ａに読み出しパルスを印加することにより、図５に示すように、１つのゲート群に属する９つの画素のうち、水平転送部４側から数えて２番目、４番目、８番目の３画素分の信号電荷を、光電変換素子２から垂直転送部３へ読み出す。 First, as shown in FIG. 4, by applying a read pulse to the shift gates V3A and V5A from the state in which the signal charge is accumulated in the photoelectric conversion element 2 as shown in FIG. 4, 9 belonging to one gate group as shown in FIG. Of the two pixels, the signal charges of the second, fourth, and eighth pixels counted from the horizontal transfer unit 4 are read out from the photoelectric conversion element 2 to the vertical transfer unit 3.

次に、図６〜図８に示すように、垂直転送部３へ垂直転送パルスを印加することにより、読み出した信号電荷を、水平転送部４へ向けて一段ずつ転送する。これにより、水平転送部４において、１つのゲート群に属する９つの画素のうち、水平転送部４側から数えて２番目、４番目、８番目の３画素分の信号電荷が混合されることとなる。なお、図４〜図８から分かるように、固体撮像素子１のカラーフィルタ配列が、水平方向２画素周期、垂直方向２画素周期であるので、水平転送部４内で混合される３画素分の信号電荷は同色である。このように、同色画素の信号電荷を混合することにより、さらにフレームレートを上げることができると共に、感度の劣化を抑制することができる。 Next, as shown in FIGS. 6 to 8, by applying a vertical transfer pulse to the vertical transfer unit 3, the read signal charges are transferred to the horizontal transfer unit 4 step by step. Thereby, in the horizontal transfer unit 4, among the nine pixels belonging to one gate group, the signal charges of the second, fourth, and eighth three pixels counted from the horizontal transfer unit 4 side are mixed. Become. As can be seen from FIGS. 4 to 8, since the color filter array of the solid-state imaging device 1 has a horizontal two-pixel period and a vertical two-pixel period, it corresponds to three pixels mixed in the horizontal transfer unit 4. The signal charge is the same color. Thus, by mixing the signal charges of the same color pixels, the frame rate can be further increased, and the deterioration of sensitivity can be suppressed.

次に、図９に示すように、水平転送部４へ水平転送パルスを印加することにより、水平転送部４内で信号電荷を水平方向へ１列分転送する。 Next, as shown in FIG. 9, by applying a horizontal transfer pulse to the horizontal transfer unit 4, the signal charges are transferred by one column in the horizontal direction in the horizontal transfer unit 4.

以降、図６〜図９と同様の動作を、垂直転送部３へ読み出した信号電荷が全て水平転送部４へ転送されるまで繰り返すことにより、１画面の画像出力が完了する。 Thereafter, the same operations as in FIGS. 6 to 9 are repeated until all the signal charges read out to the vertical transfer unit 3 are transferred to the horizontal transfer unit 4, thereby completing the image output of one screen.

以上の動作を繰り返し行うことにより、動画像を出力することができる。 A moving image can be output by repeating the above operation.

なお、２／９間引きモードの場合も、上記と同様の動作により、同一ゲート群から読み出された同色の２画素を、水平転送部４内で混合することができる。 In the 2/9 thinning mode, two pixels of the same color read from the same gate group can be mixed in the horizontal transfer unit 4 by the same operation as described above.

なお、図４〜図９に示した動作を実現するためのタイミングチャートを、図１０〜図１２に示す。図１０に示すＨＤは水平同期信号、ＶＤは垂直同期信号であり、φＶ１〜Ｖ６は、垂直転送部３のゲートＶ１〜Ｖ６のそれぞれに供給される信号である。また、図１１において、Ｈ１，Ｈ２は、水平転送部４のゲートに供給される信号である。 Note that timing charts for realizing the operations shown in FIGS. 4 to 9 are shown in FIGS. In FIG. 10, HD is a horizontal synchronization signal, VD is a vertical synchronization signal, and φV1 to V6 are signals supplied to the gates V1 to V6 of the vertical transfer unit 3, respectively. In FIG. 11, H 1 and H 2 are signals supplied to the gate of the horizontal transfer unit 4.

図１２に示すように、垂直転送部３のうちシフトゲートＶ３ＡおよびＶ５Ａにそれぞれ高電圧（約１５Ｖ）の読み出しパルスＰ₁，Ｐ₂をそれぞれ印加することにより、前述したように、１ゲート群に属する９画素のうちの３画素の信号電荷が、光電変換素子２から垂直転送部３へ読み出される。 As shown in FIG. 12, by applying high voltage (about 15V) read pulses P ₁ and P ₂ to the shift gates V3A and V5A of the vertical transfer unit 3, respectively, The signal charges of three of the nine pixels belonging to the pixel are read from the photoelectric conversion element 2 to the vertical transfer unit 3.

また、２／９間引きモードの場合は、図１３に示すように、垂直転送部３のうちシフトゲートＶ３Ａのみに高電圧（約１５Ｖ）の読み出しパルスＰ₁を印加することにより、前述したように、１ゲート群に属する９画素のうちの２画素の信号電荷が、光電変換素子２から垂直転送部３へ読み出される。 Further, in the case of the 2/9 thinning mode, as shown in FIG. 13, by applying a high voltage (about 15 V) read pulse P ₁ only to the shift gate V3A in the vertical transfer section 3, as described above. Signal charges of two pixels out of nine pixels belonging to one gate group are read from the photoelectric conversion element 2 to the vertical transfer unit 3.

さらに、１／９間引きモードの場合は、図１４に示すように、垂直転送部３のうちシフトゲートＶ３のみに高電圧（約１５Ｖ）の読み出しパルスＰ₃を印加することにより、前述したように、１ゲート群に属する９画素のうちの１画素の信号電荷が、光電変換素子２から垂直転送部３へ読み出される。 Further, in the case of the 1/9 thinning mode, as shown in FIG. 14, by applying a high voltage (about 15 V) read pulse P ₃ only to the shift gate V 3 in the vertical transfer unit 3 as described above. The signal charge of one pixel among nine pixels belonging to one gate group is read from the photoelectric conversion element 2 to the vertical transfer unit 3.

なお、図４〜図９は、同一ゲート群から読み出した３画素分の信号電荷を、水平転送部４内で混合する例を示したが、ゲート構造によっては、垂直転送部３内で画素混合を行うことも可能である。例えば、図２に示した構成において、１つのゲート群３１のうちユニット３１ａおよびユニット３１ｂのいずれか一方におけるシフトゲートＶ３Ａを、Ｖ３Ａとは分離させてＶ３Ｂとすれば良い。そして、図５に示したように読み出し対象の画素を全て同時に読み出すのではなく、光電変換素子２からの信号電荷の読み出しと、垂直転送とを交互に行う。すなわち、１ゲート群における一画素から信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を垂直転送し、残りの読み出し対象の画素と同じ段まで転送された時点で、残りの画素からの信号電荷の読み出しを行い、この垂直転送と読み出しとを繰り返すことにより、垂直転送部３内で画素混合を行うことができる。 4 to 9 show an example in which signal charges for three pixels read from the same gate group are mixed in the horizontal transfer unit 4, but depending on the gate structure, pixel mixing is performed in the vertical transfer unit 3. It is also possible to perform. For example, in the configuration shown in FIG. 2, the shift gate V3A in one of the unit 31a and the unit 31b in one gate group 31 may be separated from V3A to be V3B. Then, as shown in FIG. 5, the readout of the signal charge from the photoelectric conversion element 2 and the vertical transfer are alternately performed instead of reading out all the pixels to be read out simultaneously. That is, the signal charge is read from one pixel in one gate group, the read signal charge is vertically transferred, and the signal charge is read from the remaining pixels when transferred to the same stage as the remaining pixels to be read. By repeating this vertical transfer and reading, pixel mixing can be performed in the vertical transfer unit 3.

以上のとおり、本実施形態にかかる固体撮像装置によれば、垂直方向の画素数を３／９、２／９または１／９に間引くことにより、高いフレームレートの動画像を出力することが可能となる。さらに、同一ゲート群から読み出した複数の同色画素の信号電荷を、水平転送部内または垂直転送部内で混合することにより、画素を間引いても感度の高い画像を得ることができる。 As described above, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, it is possible to output a moving image with a high frame rate by thinning the number of pixels in the vertical direction to 3/9, 2/9, or 1/9. It becomes. Furthermore, by mixing the signal charges of a plurality of pixels of the same color read from the same gate group in the horizontal transfer unit or the vertical transfer unit, an image with high sensitivity can be obtained even if the pixels are thinned out.

なお、本実施形態では、１ユニットの画素数を３、１ゲート群のユニット数を３とした例について主に説明したが、本発明のゲート構造はこの具体例にのみ限定されるものではない。また、本実施形態では、ベイヤ配列のカラーフィルタを備えた構成を例示したが、カラーフィルタを有しない固体撮像装置にも本発明を適用できる。 In this embodiment, the example in which the number of pixels in one unit is 3 and the number of units in the gate group is 3 has been mainly described. However, the gate structure of the present invention is not limited to this specific example. . Further, in the present embodiment, the configuration including the Bayer array color filter is illustrated, but the present invention can also be applied to a solid-state imaging device having no color filter.

（第２の実施形態）
本実施形態にかかる固体撮像装置は、水平方向についても画素混合を行うことにより、より高いフレームレートを実現し得る構成である。 (Second Embodiment)
The solid-state imaging device according to the present embodiment has a configuration capable of realizing a higher frame rate by performing pixel mixing in the horizontal direction.

このため、図１５に示すように、本実施形態にかかる固体撮像装置における固体撮像素子１１は、垂直転送部３の有効画素領域と水平転送部４との間に、垂直最終転送段６を備えた構成である。垂直最終転送段６は、垂直転送部３の有効画素領域と同様に、Ｖ１〜Ｖ６の６相のゲートから構成されている。ただし、垂直最終転送段６のゲートには、光電変換素子２は接続されていない。 Therefore, as shown in FIG. 15, the solid-state imaging device 11 in the solid-state imaging device according to the present embodiment includes a vertical final transfer stage 6 between the effective pixel region of the vertical transfer unit 3 and the horizontal transfer unit 4. It is a configuration. Similar to the effective pixel region of the vertical transfer unit 3, the vertical final transfer stage 6 is composed of six-phase gates V 1 to V 6. However, the photoelectric conversion element 2 is not connected to the gate of the vertical final transfer stage 6.

垂直最終転送段６は、ｋ（ｋは２以上の整数）列単位の繰り返し構造を有する。図１５に示す例では、ｋ＝３である。固体撮像素子１１は、前記ｋ列のうち、一つの列以外の垂直最終転送段あるいは全ての列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を当該ｋ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ている。図１５に示す例では、垂直最終転送段６において、水平転送部４の出力側（電荷検出部５に近い側）から順に第１列、第２列、第３列とすると、第２列および第３列の垂直最終転送段は、同じ列の有効画素領域の垂直転送ゲート並びに他の列の垂直最終転送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。 The vertical final transfer stage 6 has a repeating structure in units of k (k is an integer of 2 or more) columns. In the example shown in FIG. 15, k = 3. The solid-state imaging device 11 performs the transfer operation from the vertical final transfer stage to the horizontal transfer unit in the vertical final transfer stage other than one column or the vertical final transfer stage of all the columns of the k columns. In order to control independently of the other columns in FIG. 1, transfer electrodes independent of the other columns are provided. In the example shown in FIG. 15, in the vertical final transfer stage 6, assuming that the first column, the second column, and the third column are in order from the output side of the horizontal transfer unit 4 (side closer to the charge detection unit 5), the second column and The vertical final transfer stages in the third column are configured so that transfer can be performed independently and independently of any of the vertical transfer gates in the effective pixel region of the same column and the vertical final transfer stages in the other columns.

つまり、垂直最終転送段６の第１列は、水平転送部４に近い側から順に、Ｖ６，Ｖ５，Ｖ４，Ｖ３，Ｖ２，Ｖ１のゲートから構成されているのに対して、第２列は、Ｖ６，Ｖ５Ｒ，Ｖ４，Ｖ３Ｒ，Ｖ２，Ｖ１から構成され、第３列は、Ｖ６，Ｖ５Ｌ，Ｖ４，Ｖ３Ｌ，Ｖ２，Ｖ１から構成されている。なお、Ｖ３Ｒ，Ｖ３Ｌ，Ｖ５Ｒ，Ｖ５Ｌのいずれも、Ｖ３，Ｖ３Ａ，Ｖ５，Ｖ５Ａとは分離された配線である。 That is, the first column of the vertical final transfer stage 6 is composed of the gates of V6, V5, V4, V3, V2, and V1 in order from the side closer to the horizontal transfer unit 4, whereas the second column is , V6, V5R, V4, V3R, V2, and V1, and the third column is composed of V6, V5L, V4, V3L, V2, and V1. Note that all of V3R, V3L, V5R, and V5L are wires separated from V3, V3A, V5, and V5A.

このような構成により、固体撮像素子１１は、例えば、第１列および第３列の垂直最終転送段に信号電荷を保持したままで、第２列の垂直最終転送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列の垂直最終転送段に信号電荷を保持したままで、第３列の垂直最終転送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。 With such a configuration, for example, the solid-state imaging device 11 horizontally transfers only the signal charges of the second column vertical final transfer stage while holding the signal charges in the first column and third column vertical final transfer stages. Can be transferred to the unit 4. Further, only the signal charges of the third column vertical final transfer stage can be transferred to the horizontal transfer unit 4 while the signal charges are held in the first column and second column vertical final transfer stages.

ここで、このような構造を有する固体撮像素子１１の動作について、図１６〜図２３を参照しながら説明する。 Here, the operation of the solid-state imaging device 11 having such a structure will be described with reference to FIGS.

まず、図１６に示すように光電変換素子２に信号電荷が蓄積された状態から、シフトゲートＶ３ＡおよびＶ５Ａに読み出しパルスを印加することにより、図１７に示すように、１つのゲート群に属する９つの画素のうち、水平転送部４側から数えて２番目、４番目、８番目の３画素分の信号電荷を、光電変換素子２から垂直転送部３へ読み出す。 First, as shown in FIG. 17, by applying a read pulse to the shift gates V3A and V5A from the state where the signal charges are accumulated in the photoelectric conversion element 2 as shown in FIG. 16, 9 belonging to one gate group is obtained. Of the two pixels, the signal charges of the second, fourth, and eighth pixels counted from the horizontal transfer unit 4 are read out from the photoelectric conversion element 2 to the vertical transfer unit 3.

次に、垂直転送部３へ垂直転送パルスを印加して、読み出した信号電荷を、水平転送部４へ向けて一段ずつ転送する。ここで、図１８に示すように、垂直最終転送段６に到達した信号電荷のうち、第１列の信号電荷のみが水平転送部４へ送られ、第２列および第３列の信号電荷は、垂直最終転送段６に留まることとなる。 Next, a vertical transfer pulse is applied to the vertical transfer unit 3 to transfer the read signal charges to the horizontal transfer unit 4 step by step. Here, as shown in FIG. 18, among the signal charges that have reached the vertical final transfer stage 6, only the signal charges in the first column are sent to the horizontal transfer unit 4, and the signal charges in the second and third columns are The vertical final transfer stage 6 remains.

次に、図１９に示すように、水平転送部４へ水平転送パルスを印加することにより、水平転送部４内で信号電荷を水平方向へ２列分転送する。 Next, as shown in FIG. 19, by applying a horizontal transfer pulse to the horizontal transfer unit 4, signal charges are transferred in the horizontal direction by two columns in the horizontal transfer unit 4.

次に、図２０に示すように、垂直最終転送段６における第２列の信号電荷のみを、水平転送部４へ転送する。 Next, as shown in FIG. 20, only the signal charges in the second column in the vertical final transfer stage 6 are transferred to the horizontal transfer unit 4.

さらに、図２１に示すように、水平転送部４へ水平転送パルスを印加することにより、水平転送部４内で信号電荷を水平方向へ２列分転送する。 Furthermore, as shown in FIG. 21, by applying a horizontal transfer pulse to the horizontal transfer unit 4, the signal charges are transferred in two columns in the horizontal direction within the horizontal transfer unit 4.

次に、図２２に示すように、垂直最終転送段６における第３列の信号電荷のみを、水平転送部４へ転送する。 Next, as shown in FIG. 22, only the signal charges in the third column in the vertical final transfer stage 6 are transferred to the horizontal transfer unit 4.

以上の図１８〜図２２と同様の動作を繰り返すことにより、垂直方向３画素、水平方向３画素の合計９画素分の信号電荷を混合することができる。これにより、フレームレートをさらに向上させることができる。また、本実施形態で説明した具体例によれば、図２２等から分かるように、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という効果もある。 By repeating the same operations as those in FIGS. 18 to 22, signal charges for a total of nine pixels of three pixels in the vertical direction and three pixels in the horizontal direction can be mixed. Thereby, the frame rate can be further improved. Further, according to the specific example described in the present embodiment, as can be seen from FIG. 22 and the like, since the green mixed pixel and the blue mixed pixel are equally spaced, there is an effect that moire and false signals do not occur.

なお、図１６〜図２２の動作を実現するための、タイミングチャートを、図２３および図２４に示す。なお、図２４において、ＨＬは、水平ＣＣＤの最終ゲートに供給される信号を表す。 Note that timing charts for realizing the operations of FIGS. 16 to 22 are shown in FIGS. In FIG. 24, HL represents a signal supplied to the final gate of the horizontal CCD.

なお、ここでは、水平方向に３列分の画素を混合するための構成およびタイミングチャートを示したが、水平方向において混合する画素数は３に限定されない。水平方向の混合は、３画素以上の奇数画素を対象として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。 Here, the configuration and timing chart for mixing pixels for three columns in the horizontal direction are shown, but the number of pixels to be mixed in the horizontal direction is not limited to three. The mixing in the horizontal direction can be applied to odd-numbered pixels of 3 pixels or more, and the configuration and driving method for realizing mixing of 5 pixels or more will be described by those skilled in the art in the description of this embodiment. You can understand from.

また、本発明は、図１５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。 Further, the present invention is not limited to the solid-state imaging device having the filter arrangement as shown in FIG. 15, but can be applied to other arrangements. Furthermore, the present invention can also be applied to a monochrome image solid-state imaging device that does not use a color filter.

第１の実施形態または第２の実施形態にかかる固体撮像装置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。また、上述の実施形態で説明した間引きモードによる高速動作と通常の全画素読み出し動作とを切り替えて使用できるようにすれば、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。 If the solid-state imaging device according to the first embodiment or the second embodiment is applied to a digital camera, data is output at high speed from the solid-state imaging device, so that high-speed operation is possible and image quality is excellent. A digital camera can be realized. If the high-speed operation in the thinning mode described in the above embodiment and the normal all-pixel reading operation can be switched and used, the moving image (high-speed operation) mode and the still image (all-pixel reading operation) mode are combined. A digital camera can be realized.

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、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水平方向において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。 Note that such a digital camera may have a configuration in which a color filter is provided in a solid-state image sensor, or a color image is not provided in the solid-state image sensor but is spectrally separated using a dichroic mirror. A so-called three-plate camera may be used. As described above, when a color filter is provided in the solid-state imaging device, it is preferable to mix pixels of the same color filter in the horizontal direction. In the case of a three-plate camera, a plurality of adjacent pixels are mixed. Is preferred.

本発明は、少なくとも垂直方向の画素数を削減することにより、高フレームレートで動画像を出力できる固体撮像装置に利用可能である。 The present invention is applicable to a solid-state imaging device that can output a moving image at a high frame rate by reducing the number of pixels in the vertical direction at least.

本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像素子の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the solid-state image sensor concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の動作モードを説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the operation mode of the solid-state imaging device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において垂直転送部へ供給される信号のタイミングチャートである。3 is a timing chart of signals supplied to the vertical transfer unit in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において水平転送部へ供給される信号のタイミングチャートである。3 is a timing chart of signals supplied to the horizontal transfer unit in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において３／９間引きモードの場合に垂直転送部へ供給される信号の一部を示すタイミングチャートである。6 is a timing chart showing a part of a signal supplied to the vertical transfer unit in the 3/9 thinning mode in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において２／９間引きモードの場合に垂直転送部へ供給される信号の一部を示すタイミングチャートである。6 is a timing chart showing a part of a signal supplied to the vertical transfer unit in the 2/9 thinning mode in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において１／９間引きモードの場合に垂直転送部へ供給される信号の一部を示すタイミングチャートである。6 is a timing chart showing a part of a signal supplied to the vertical transfer unit in the 1/9 thinning mode in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像素子の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the solid-state image sensor concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置による画像出力動作の一手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one procedure of the image output operation | movement by the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置において垂直転送部へ供給される信号のタイミングチャートである。It is a timing chart of the signal supplied to the vertical transfer part in the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置において水平転送部へ供給される信号のタイミングチャートである。It is a timing chart of the signal supplied to a horizontal transfer part in the solid-state imaging device concerning the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１，１１固体撮像素子
２光電変換部
３垂直転送部
４水平転送部
５電荷検出部
６垂直最終転送段
２０前処理ＬＳＩ
３０ディジタル信号処理ＬＳＩ
４０タイミングジェネレータＬＳＩ
５０クロックドライバＬＳＩ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11 Solid-state image sensor 2 Photoelectric conversion part 3 Vertical transfer part 4 Horizontal transfer part 5 Charge detection part 6 Vertical final transfer stage 20 Preprocessing LSI
30 Digital signal processing LSI
40 Timing Generator LSI
50 Clock driver LSI

Claims

二次元配列された光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直方向へ転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部から受け取った信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部とを備えた固体撮像素子を有する固体撮像装置であって、
前記垂直転送部は、１つの光電変換素子毎に１つのシフトゲートを有し、かつ、垂直方向に連続するｎ（ｎは２以上の整数）個の光電変換素子を１ユニットとした場合、ｍ（ｍは１以上の整数）ユニット分の垂直方向に連続した複数のゲートを１ゲート群とする繰り返しゲート構造を有し、
各ゲート群における１ユニット内の少なくとも１つのシフトゲートが、同一ゲート群内の他のユニットにおいて対応するシフトゲートとは独立に駆動できるように分離して配線され、
１回の読み出し時に、各ゲート群において、前記分離して配線されたシフトゲートと、同一ゲート群内の他のユニットの対応するシフトゲートとのいずれか一方に読み出し電圧を印加する駆動回路を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 Two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements;
A vertical transfer unit that reads out signal charges from the photoelectric conversion elements and transfers them in the vertical direction;
A solid-state imaging device having a solid-state imaging device including a horizontal transfer unit that transfers signal charges received from the vertical transfer unit in a horizontal direction,
When the vertical transfer unit has one shift gate for each photoelectric conversion element and n photoelectric conversion elements continuous in the vertical direction (n is an integer of 2 or more) are one unit, m (M is an integer of 1 or more) having a repeating gate structure in which a plurality of gates continuous in the vertical direction for one unit is a gate group,
At least one shift gate in one unit in each gate group is wired separately so that it can be driven independently from the corresponding shift gate in other units in the same gate group,
A drive circuit for applying a read voltage to one of the shift gates arranged separately and the corresponding shift gate of another unit in the same gate group in each gate group at the time of one reading. A solid-state imaging device characterized by the above.

ｎ＝ｍ＝３である、請求項１に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein n = m = 3.

各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第１のシフトゲートおよび第２のシフトゲートが、第２のユニットにおける第１のシフトゲートおよび第２のシフトゲートとは分離して配線された、請求項２に記載の固体撮像装置。 In each gate group, the first shift gate and the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the first unit and the third unit from the horizontal transfer unit side, and the first shift gate in the second unit and The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is wired separately from the second shift gate.

前記ゲート駆動回路が、（１）各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加すると共に、水平転送部側より第２のユニット内で水平転送部側より第１のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、（２）各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、（３）各ゲート群において、水平転送部側より第２のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードとを有する、請求項３に記載の固体撮像装置。 The gate driving circuit applies (1) a read voltage to the first shift unit from the horizontal transfer unit side and a second shift gate from the horizontal transfer unit side to the second shift gate in the third unit in each gate group. A mode in which a read voltage is applied to the first shift gate from the horizontal transfer unit side in the second unit from the unit side; and (2) the first unit and the third unit from the horizontal transfer unit side in each gate group. A mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the horizontal transfer unit side, and (3) in each gate group, the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the second unit from the horizontal transfer unit side. The solid-state imaging device according to claim 3, further comprising: a mode in which a read voltage is applied to the first and second modes.

各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートおよび第３のシフトゲートが、第２のユニットにおける第２のシフトゲートおよび第３のシフトゲートとは分離して配線された、請求項２に記載の固体撮像装置。 In each gate group, the second shift gate and the third shift gate from the horizontal transfer unit side in the first unit and the third unit from the horizontal transfer unit side, and the second shift gate in the second unit and The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is wired separately from the third shift gate.

前記ゲート駆動回路が、（１）各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加すると共に、水平転送部側より第２のユニット内で水平転送部側より第３のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、（２）各ゲート群において、水平転送部側より第１のユニットおよび第３のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードと、（３）各ゲート群において、水平転送部側より第２のユニット内で水平転送部側より第２のシフトゲートに読み出し電圧を印加するモードとを有する、請求項５に記載の固体撮像装置。 The gate drive circuit applies (1) a read voltage from the horizontal transfer unit side to the second shift gate from the horizontal transfer unit side in the first transfer unit and the third unit in each gate group, and horizontal transfer A mode in which a read voltage is applied to the third shift gate from the horizontal transfer unit side within the second unit from the unit side; and (2) in each gate group, the first unit and the third unit from the horizontal transfer unit side. A mode in which a read voltage is applied to the second shift gate from the horizontal transfer unit side, and (3) a second shift gate from the horizontal transfer unit side to the second shift gate in the second unit from the horizontal transfer unit side in each gate group. The solid-state imaging device according to claim 5, further comprising: a mode in which a read voltage is applied to.

前記光電変換素子から読み出した信号電荷を前記垂直転送部の有効画素領域内で混合する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein signal charges read from the photoelectric conversion elements are mixed in an effective pixel region of the vertical transfer unit.

前記光電変換素子から読み出した信号電荷を、前記垂直転送部の有効画素領域外で混合する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the signal charges read from the photoelectric conversion elements are mixed outside an effective pixel area of the vertical transfer unit.

前記光電変換素子から読み出した信号電荷を前記水平転送部内で混合する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein signal charges read from the photoelectric conversion elements are mixed in the horizontal transfer unit.

前記二次元配列された光電変換素子に対応して、垂直方向に２画素周期で色フィルタが配置されたカラーフィルタを備えた、請求項１〜９のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 9, further comprising a color filter in which color filters are arranged in a vertical direction at a two-pixel cycle corresponding to the two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements.

前記二次元配列された光電変換素子に対応して、垂直方向に２画素かつ水平方向に２画素の周期で色フィルタが配置されたカラーフィルタを備え、
前記垂直転送部の有効画素領域外に、少なくとも一段の垂直最終転送段を備え、当該垂直最終転送段が、水平方向にｋ（ｋは２以上の整数）列毎に同じ転送電極構成を有し、
前記ｋ列のうち、一つの列以外の垂直最終転送段あるいは全ての列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を、当該ｋ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、請求項１〜９のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 Corresponding to the two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements, a color filter in which color filters are arranged in a cycle of 2 pixels in the vertical direction and 2 pixels in the horizontal direction,
The vertical transfer unit includes at least one vertical final transfer stage outside the effective pixel area of the vertical transfer unit, and the vertical final transfer stage has the same transfer electrode configuration for every k (k is an integer of 2 or more) columns in the horizontal direction. ,
Among the k columns, the vertical final transfer stage other than one column or the vertical final transfer stages of all the columns are transferred from the vertical final transfer stage to the horizontal transfer unit with other columns in the k column. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 9, wherein a transfer electrode independent of the other columns is provided in order to control the first and second columns independently.

ｋ＝３であり、３列毎に、水平転送部の出力側から第２列および第３列の垂直最終転送段に、当該垂直最終転送段から前記水平転送部への転送動作を、他の垂直最終転送段とは独立に制御するために、他の最終垂直転送段とは独立した転送電極が設けられた、請求項１１に記載の固体撮像装置。 k = 3, and the transfer operation from the output side of the horizontal transfer unit to the vertical final transfer stages of the second column and the third column is transferred to the horizontal transfer unit from the vertical final transfer stage to the horizontal transfer unit every other column. The solid-state imaging device according to claim 11, wherein a transfer electrode independent of other final vertical transfer stages is provided in order to control independently of the vertical final transfer stage.

請求項１〜１２のいずれか一項に記載の固体撮像装置を備えたカメラ。

The camera provided with the solid-state imaging device as described in any one of Claims 1-12.