JP2006050128A - 固体撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水平転送時における情報電荷の転送時間を短縮する。
【解決手段】行列配置される複数の受光画素において生成された情報電荷を垂直方向に転送する複数の垂直シフトレジスタを含む垂直転送部と、垂直転送部の各垂直シフトレジスタに各ビットが結合された水平シフトレジスタを含む水平転送部４ｈと、水平転送部４ｈの水平シフトレジスタから転送出力される情報電荷量に応じた出力信号を出力する出力部４ｄとを含み、水平シフトレジスタに転送出力された複数の受光画素に対応する情報電荷を加算合成して水平転送する固体撮像装置により上記課題を解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ固体撮像装置及びその制御方法に関し、特に情報電荷の転送の高速化に関する。

図８は、フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子２の構成図である。ＣＣＤ固体撮像素子２は、撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ及び出力部２ｄを含んで構成される。撮像部２ｉは、垂直方向に互いに平行に配置された複数の垂直シフトレジスタを備える。各垂直シフトレジスタの各ビットは受光画素を構成し、撮像時には外部から入射される光の強度に対応して生成される情報電荷を蓄積する。転送時には、転送電極に印加される垂直クロックパルスを受けて、各画素に蓄積された情報電荷を蓄積部２ｓに向けて転送する。蓄積部２ｓは、撮像部の各垂直シフトレジスタと連続するように互いに平行に配置された垂直シフトレジスタを備える。蓄積部２ｓは、転送電極に印加される垂直クロックパルスを受けて、撮像部２ｉから転送されてくる情報電荷を蓄積及び垂直方向へ転送する。水平転送部２ｈは、蓄積部２ｓの各垂直シフトレジスタの出力側に配置され、蓄積部２ｓの各垂直シフトレジスタの出力が各ビットに結合された水平シフトレジスタを備える。水平転送部２ｈは、蓄積部２ｓから転送出力される情報電荷を出力部２ｄへ順次転送する。出力部２ｄは、水平転送部２ｈの出力側に配置され、情報電荷を蓄積して電圧に変換する容量を備える。出力部２ｄは、水平転送部２ｈから転送出力される情報電荷を容量に蓄積し、その電荷量に応じた電圧に変換して出力信号として出力する。この出力信号の電圧値が画像信号となる。

出力部２ｄでは、通常、水平転送部２ｈから１ビット分の情報電荷が転送出力される毎に電圧値に変換して出力を行う。そして、リセットクロックを受けて容量に蓄積されていた情報電荷を放電するリセット処理を行った後に次の１ビット分の情報電荷に対する出力を行う。このとき、水平転送部２ｈから１ビットの情報電荷が転送出力される周期の２倍の周期でリセットクロックを入力することによって、出力部２ｄの容量に２ビット分の情報電荷が蓄積されて通常の約２倍のレベルの画像信号を得られるようにすることもできる。

このようにして、複数の画素に対する情報電荷の混合を行うことによって画像信号の強度を強め、暗い被写体を撮像した場合においても露光不足となることなく十分なレベルの画像信号を得ることができる。

しかしながら、カラー画像の撮像を目的とするＣＣＤ固体撮像装置では、図９に示すように撮像部２ｉの各受光画素に対応付けて赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタがモザイク状に配置されており、上記のように水平転送部２ｈから転送出力される情報電荷を複数ビットに亘って加算合成すると異なる色に対する情報電荷の混合が起こり、カラー画像の色を正しく再現できなくなる問題が発生する。また、水平転送時に情報電荷を加算合成して転送するものではないので、水平転送時間は１ビット毎に転送を行う場合と等しく、高速転送の要求に応えることができない。

このようなカラー撮像用の固体撮像装置において色再現性の問題を解決するために、特許文献１には、水平転送部の水平シフトレジスタの各ビットを蓄積部の垂直シフトレジスタの奇数列及び偶数列の組み合わせ毎に対応付けて配置し、水平転送期間毎に垂直シフトレジスタの奇数列と偶数列から交互に情報電荷が転送出力されるように制御を行う固体撮像装置が開示されている。しかしながら、この場合においても、水平転送期間は従来と変わらない。

特開平１０−２２４８０９号公報

近年の高解像度化されたＣＣＤ固体撮像素子では、画素数の増加に伴って情報電荷の転送段数も増加し、転送時間が長くなってきている。そこで、低解像度の画像を取得する際には高解像度の画像を取得する際よりも転送速度を向上したいという要求が高まってきている。

しかしながら、上記のように出力部において情報電荷を加算合成する従来技術や奇数列と偶数列の垂直シフトレジスタを組み合わせに対して水平シフトレジスタの各ビットを対応付ける技術では、水平転送部における情報電荷の転送期間を従来よりも高くするためには、転送クロックパルスの周波数を高めるより他なかった。しかしながら、転送クロックパルスの周波数を高めるためには周辺回路を複雑化及び大型化する必要があり、これに伴って消費電力が増加する問題が発生する。また、周波数を高めると出力部におけるノイズに対する耐性を高める等のシステム全体しての特性向上が必要となり、装置の開発がさらに困難となる要因となる。

本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、上記課題の少なくとも一つを解決すべく、システムの複雑化をできるだけ抑制しつつ、情報電荷の高速転送を可能とする固体撮像装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、行列配置される複数の受光画素において生成された情報電荷を垂直方向に転送する複数の垂直シフトレジスタを含む垂直転送部と、前記垂直転送部の各垂直シフトレジスタに各ビットが結合された水平シフトレジスタを含む水平転送部と、前記水平転送部の水平シフトレジスタから転送出力される情報電荷量に応じた出力信号を出力する出力部と、を含む固体撮像素子を備える固体撮像装置及びその制御方法であって、前記水平シフトレジスタに転送出力された複数の受光画素に対応する情報電荷を加算合成して水平転送することを特徴とする。

ここで、前記水平シフトレジスタは、前記垂直転送部の各垂直シフトレジスタに対応して水平転送方向に沿って互いに平行に配置された複数の水平転送電極を備え、水平転送方向に沿って連続する少なくとも６つの垂直シフトレジスタに対応する前記水平転送電極を１組として、１組に含まれる前記水平転送電極の各々に対して互いに独立に制御可能な水平クロックパルスを生成する駆動回路を備えることによって情報電荷の加算合成及び水平転送を可能とする。

特に、複数の透過波長特性を有するカラーフィルタをモザイク状に配置してカラー撮像を行う固体撮像装置では、前記水平転送部では、前記垂直転送部の垂直シフトレジスタの奇数列及び偶数列から転送出力された情報電荷を別々に加算合成した後に水平転送することが好適である。ここで、前記垂直シフトレジスタの奇数列又は偶数列のいずれか一方から転送出力された情報電荷を、少なくとも２組の前記水平転送電極に跨って加算合成して転送することがより好適である。

具体的には、前記垂直転送部の垂直シフトレジスタと前記水平転送部の水平シフトレジスタの結合部に、前記垂直シフトレジスタに印加される垂直クロックパルス及び前記水平シフトレジスタに印加される水平クロックパルスとは独立に制御される補助クロックパルスが印加される補助転送電極を配置し、前記補助転送電極による作用によって、前記垂直転送部の垂直シフトレジスタの奇数列を転送される情報電荷と偶数列を転送される情報電荷とを異なるタイミングで前記水平シフトレジスタへ転送出力可能とすることによって異色の波長領域に対応する情報電荷の混合を防ぐことができる。

本発明によれば、クロックパルスの基本周波数を高めることなく水平転送時における情報電荷の転送時間を短縮することができる。これによって、低解像度の画像を取得する際に高速で画像を取得することができる。

本実施の形態における固体撮像装置は、図１に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子４及び駆動回路６を含んで構成される。フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子４は、図８と同様に、撮像部４ｉ、蓄積部４ｓ、水平転送部４ｈ及び出力部４ｄを備える。駆動回路６は、フレームクロックパルス発生部６ｆ、垂直クロックパルス発生部６ｖ、補助クロックパルス発生部６ｕ、水平クロックパルス発生部６ｈ、及びリセットクロックパルス発生部６ｒを含んで構成される。ＣＣＤ固体撮像素子４は、駆動回路から各種のクロックパルスを受けることによって制御される。

撮像部４ｉは、垂直方向に互いに平行に配置された複数の垂直シフトレジスタを備える。各垂直シフトレジスタの各ビットは受光画素を構成し、撮像時には外部から入射される光の強度に対応して生成される情報電荷を蓄積する。本実施の形態における撮像部４ｉには、図９に示したように、各受光画素に対応付けて赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタがモザイク状に配置されている。撮像時には、外部から入射する光のうち各カラーフィルタの色の波長成分のみが透過されることによって、その波長成分の光の強度に応じた情報電荷が各画素に蓄積される。すなわち、垂直シフトレジスタの奇数列では転送方向に沿って赤（Ｒ）及び緑（Ｇ）に対応する情報電荷を蓄積する受光画素が交互に配置され、垂直シフトレジスタの偶数列では転送方向に沿って緑（Ｇ）及び青（Ｂ）に対応する情報電荷を蓄積する受光画素が交互に配置される。転送時には、フレームクロックパルス発生部６ｆから転送電極に印加される垂直クロックパルスφ_fを受けて、各画素に蓄積された情報電荷が蓄積部４ｓに向けて転送される。

蓄積部４ｓは、撮像部４ｉの各垂直シフトレジスタと連続するように互いに平行に配置された垂直シフトレジスタを備える。蓄積部４ｓは、垂直クロックパルス発生部６ｖから転送電極に印加される垂直クロックパルスφ_vを受けて、撮像部４ｉから転送されてくる情報電荷を蓄積すると共に垂直方向へ転送する。水平転送部４ｈは、蓄積部４ｓの各垂直シフトレジスタの出力側に配置された水平シフトレジスタを備える。水平転送部４ｈは、水平クロックパルス発生部６ｈから水平転送電極へ印加される水平クロックパルスφ_hを受けて蓄積部４ｓから転送出力される情報電荷を出力部４ｄへ順次転送する。出力部４ｄは、水平転送部４ｈの出力側に配置された容量を備える。出力部４ｄは、リセットクロックパルス発生部６ｒからリセットクロックパルスφ_rを受けて、この容量が初期電圧にリセットされた後、水平転送部４ｈから転送出力される情報電荷をこの容量に蓄積し、蓄積された電荷量に応じた電圧に変換して出力信号として出力する。この出力信号の電圧値が画像信号となる。

図２は、本実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像素子４の蓄積部４ｓ及び水平転送部４ｈとの接続部の内部構造を示す平面図である。蓄積部４ｓは互いに平行に延伸された垂直シフトレジスタを複数含んで構成される。垂直シフトレジスタは以下のように形成される。Ｎ型半導体基板内にＰ型拡散層であるＰウェル（ＰＷ）が形成され、その上にＮ型拡散層であるＮウェルが形成される。また、垂直シフトレジスタの延伸方向に沿ってＰ型の不純物が添加された分離領域１０が所定の間隔をもって互いに平行に設けられる。Ｎウェルは、隣接する分離領域１０によって電気的に区画される。分離領域１０に挟まれた領域が情報電荷の転送経路であるチャネル領域１２となる。分離領域１０は、隣接するチャネル領域の間にポテンシャル障壁を形成し、各チャネル領域１２を電気的に分離する。さらに、半導体基板の表面上には絶縁膜が成膜される。この絶縁膜上にチャネル領域１２の延伸方向に直交するようにポリシリコン膜からなる複数の転送電極１４が互いに平行に配置される。本実施の形態では、３相の垂直クロックパルスφ_v1〜φ_v3による垂直転送方式を採用しており、垂直転送方向に沿って隣接する３つの転送電極１４−１，１４−２，１４−３の組が１つの受光画素に対応する。但し、本発明の適用範囲は３相の転送方式に限定されるものではなく、２相又は４相等の異なる相の転送方式にも適用することができる。なお、撮像部４ｉの垂直シフトレジスタも同様に構成することができ、蓄積部４ｓの各垂直シフトレジスタと連続するように配設される。

水平転送部４ｈは、蓄積部４ｓの垂直シフトレジスタから出力される情報電荷を受けて転送する水平シフトレジスタを含んで構成される。水平シフトレジスタは、チャネル領域２２及び水平転送電極２４から構成される。チャネル領域２２は、蓄積部４ｓの垂直シフトレジスタから延伸された分離領域１０と蓄積部４ｓと対向して設けられたＰ型拡散層である水平分離領域２６とにより垂直シフトレジスタの延伸方向に対して直交する方向に区画される。垂直シフトレジスタのチャネル領域１２と水平シフトレジスタのチャネル領域２２は延伸された分離領域１０の間隙を介して接続される。

蓄積部４ｓと水平転送部４ｈとの接続領域には、補助転送電極１６−１〜１６−４が形成される。補助転送電極１６−１〜１６−４は、絶縁膜を介して、互いに電気的に絶縁された多層電極として形成される。補助転送電極１６−１は、水平シフトレジスタから最も遠い側に、転送電極１４と平行に所定の間隔をもって配置される。補助転送電極１６−４は、水平レジスタから最も近い側に、転送電極１４に平行に配置される。補助転送電極１６−２，１６−３は、補助転送電極１６−１及び１６−４との間の領域に、その一部が絶縁膜を介して補助転送電極１６−１，１６−４上に重なり合うように配置される。補助転送電極１６−３は、奇数列では水平シフトレジスタに近づき、偶数列では水平シフトレジスタから離れるように蛇行して転送電極１４に並列に配置される。補助転送電極１６−２は、絶縁膜を介して補助転送電極１６−３上に、奇数列では水平シフトレジスタから離れ、偶数列では水平シフトレジスタに近づくように蛇行して配置される。ここで、上層側の補助転送電極１６−２を奇数列のチャネル領域１２上では下層側の補助転送電極１６−３と重なり合うように配置することによって、上層側の補助転送電極１６−２に印加される電圧の影響が偶数列のチャネル領域１２に対してのみ作用するようにする。すなわち、補助転送電極１６−１〜１６−４は、偶数列のチャネル領域１２の出力端で１ビット分の補助ビットを形成する。この補助転送電極１６−１〜１６−４に対して４相の補助クロックパルスφ_u1〜φ_u4をそれぞれ印加することによって、蓄積部４ｓから水平転送部４ｈへ情報電荷を転送する過程において偶数列のチャネル領域１２で１画素分の情報電荷を一時的に蓄積しておくことができる。なお、補助転送電極１６は４相制御されるものに限定されるものではなく、偶数列の情報電荷を奇数列に対して１画素分だけ遅延して垂直転送出力できるものであれば良い。

水平転送電極２４は、垂直シフトレジスタに直交する方向にむけて延伸されたチャネル領域２２上に形成される。水平シフトレジスタの出力部４ｄに隣接する奇数列の垂直シフトレジスタから順に垂直シフトレジスタ毎に２本の水平転送電極２４が配置される。本実施の形態では、１２本の水平転送電極２４−１〜２４−１２を組として、水平シフトレジスタの転送方向に沿って順に配置する。ここで、垂直シフトレジスタのチャネル領域１２の延長上に配置される水平転送電極２４−１，２４−３，２４−５，２４−７，２４−９，２４−１１は、チャネル領域１２と水平分離領域２６とに跨るように、絶縁膜を介してチャネル領域２２上に配置される。水平転送電極２４−２，２４−４，２４−６，２４−８，２４−１０，２４−１２は、分離領域１０と水平分離領域２６とに跨るように、絶縁膜を介してチャネル領域２２上に配置される。本実施の形態では、水平転送方向に沿って連続する６つの垂直シフトレジスタに対応する１２本の水平転送電極２４−１〜２４−１２に互いに独立に制御可能な水平クロックパルスφ_h1〜φ_h12が印加されることによって制御が行われる。

次に、駆動回路６の各構成部について説明する。フレームクロックパルス発生部６ｆは、外部から供給されるフレームシフトタイミング信号ＦＴに対応して３相のフレームクロックパルスφ_fを発生させて撮像部４ｉの垂直シフトレジスタの転送電極へ供給する。このフレームクロックφ_fにより、撮像部２ｉの各受光画素に蓄積された情報電荷が垂直走査期間毎に蓄積部４ｓへ転送される。垂直クロックパルス発生部６ｖは、垂直同期信号ＶＴ及び水平同期信号ＨＴに対応して３相の垂直クロックパルスφ_vを発生させ、蓄積部４ｓの垂直シフトレジスタの転送電極へ供給する。本実施の形態では、撮像部４ｉ及び蓄積部４ｓでは連続して配置された３本の転送電極１４−１〜１４−３が１つの水平ラインに対応する。そこで、フレームクロックパルスφ_f及び垂直クロックパルスφ_vとして互いに異なる位相で変化する３相のクロックパルスを転送電極１４−１〜１４−３にそれぞれ印加することによって、１水平ライン毎に情報電荷を垂直転送することができる。水平クロックパルス発生部６ｈは、水平同期信号ＨＴに対応して、水平クロックパルスφ_hを発生させ、水平転送部４ｈの水平転送電極２４へ供給する。ここで、水平クロックパルス発生部６ｈは、水平シフトレジスタにおいてｎ画素分の情報電荷を加算合成して転送する場合には、連続する２ｎ個の垂直シフトレジスタに結合される水平転送電極２４に対して互いに独立に制御可能な水平クロックパルスφ_hを生成できるものとする。本実施の形態では、３画素分の情報電荷を加算合成するので、６個の垂直シフトレジスタに結合される１２本の水平転送電極２４−１〜２４−１２に対する互いに独立に制御された１２相の水平クロックパルスφ_hを生成可能としている。補助クロックパルス発生部６ｕは、水平同期信号ＨＴに対応して、垂直クロックパルスφ_vの１ビット分の転送周期の１／２の周期を有する４相の補助クロックパルスφ_uを発生させ、補助転送電極１６へ供給する。この補助クロックパルスφ_uによって、蓄積部４ｓの垂直シフトレジスタを転送される情報電荷が奇数列と偶数列とで交互に水平転送部４ｈへ転送出力されることとなる。垂直クロックパルスφ_v、水平クロックパルスφ_h及び補助クロックパルスφ_uによる制御については後述する。

リセットクロックパルス発生部６ｒは、水平クロックパルス発生部６ｈで発生される水平クロックパルスφ_hに同期してリセットクロックパルスφ_rを発生させ、出力部４ｄへ供給する。このリセットクロックパルスφ_rは、出力部４ｄの容量と基板深部とを接続するスイッチ素子のゲートへ供給され、出力部４ｄの容量に蓄えられた情報電荷を基板へ排出させるために用いられる。

図３及び図４に、本実施の形態における固体撮像装置を用いて画像の解像度を低下させて高速転送を行う際の各クロックパルスのタイミングチャートを示す。図３には、水平同期信号ＨＴ、垂直クロックパルスφ_v、補助クロックパルスφ_u及び水平クロックパルスφ_hの関係を示す。図４には、水平転送時における水平クロックパルスφ_h、リセットクロックパルスφ_r及び出力信号Ｖ_outの変化の様子を示す。図４では、縦軸の上方向が正電圧、下方向が負電圧を示している。なお、垂直クロックパルスφ_vは３相、補助クロックパルスφ_uは４相であるが、図３では代表クロックのみを示している。

垂直クロックパルスφ_vは、水平同期信号ＨＴに対応する周期で転送電極１４−１〜１４−３に印加される。垂直クロックパルスφ_vは、それぞれ互いに異なる位相で変化する３相のパルスφ_v1〜φ_v3から構成される。これによって、垂直シフトレジスタのチャネル１２に沿って情報電荷を１水平転送期間に１水平ライン毎に転送する。補助クロックパルスφ_uは、水平同期信号ＨＴの１／２の周期に対応して補助転送電極１６−１〜１６−４に印加される。補助転送電極１６−１〜１６−４は、上述の通り、偶数列の垂直シフトレジスタの出力端においてのみ有効に作用するので、偶数列の垂直シフトレジスタのチャネル１２では１水平転送期間に２画素分ずつ転送されるようにポテンシャル状態が制御される。このとき、転送電極１４−１〜１４−３から補助転送電極１６−１〜１６−４へは、垂直クロックパルスφ_vによって１水平転送期間に１画素分の情報電荷のみ転送されるので、奇数列の垂直シフトレジスタと偶数列の垂直シフトレジスタでは垂直転送期間の１／２の周期だけずれたタイミングで１画素の情報電荷が水平シフトレジスタへ転送出力されることとなる。

水平クロックパルスφ_hは、垂直クロックパルスφ_v及び補助クロックパルスφ_uに対応して生成され、水平転送電極２４−１〜２４−１２に水平転送周期よりも短い周期で印加される。本実施の形態では、水平クロックパルスφ_hは、電荷合成クロックパルスφ_ha，φ_hbと電荷転送クロックパルスφ_hcとの組み合わせで構成される。これにより、１水平ラインに含まれる同一の波長領域（同一色）に対応する複数の画素の情報電荷が水平シフトレジスタにおいて加算合成されて出力部４ｄに向けて転送される。

図５に水平クロックパルスφ_hが印加されたときの水平シフトレジスタに形成されるポテンシャル井戸の状態を示す。図５において、横軸は各水平転送電極２４−１〜２４−１２に対応する位置を示し、縦軸は上方向が負電位、下方向が正電位であるポテンシャルを示す。

本実施の形態では、水平転送電極２４−１〜２４−１２に印加される水平クロックパルスφ_h1〜φ_h12を独立に制御することによって同一色に対応する情報電荷を３画素分だけ加算合成する。時刻Ｔ₁では、水平転送電極２４−１，２４−５，２４−９に印加される水平クロックパルスφ_h1，φ_h5，φ_h9がハイレベルとされ、垂直シフトレジスタの奇数列から転送出力された情報電荷が水平転送電極２４−１，２４−５，２４−９下に形成されたポテンシャル井戸３０（３０’）にそれぞれ蓄積される。例えば、奇数列の赤（Ｒ）の波長領域に対応する情報電荷が水平シフトレジスタに転送出力される。その後、時刻Ｔ₂まで水平クロックパルスφ_h1〜φ_h9を順次変化させることによって、水平転送電極２４−５，２４−９下に形成されたポテンシャル井戸３０（３０’）に蓄積された情報電荷を水平転送電極２４−１下に形成されたポテンシャル井戸３２（３２’）に再配置させる。続いて、時刻Ｔ₃では、水平転送電極２４−３，２４−７，２４−１１に印加される水平クロックパルスφ_h3，φ_h7，φ_h11がハイレベルとされ、垂直シフトレジスタの偶数列から転送出力された情報電荷が水平転送電極２４−３，２４−７，２４−１１下に形成されたポテンシャル井戸３４にそれぞれ蓄積される。ここでは、時刻Ｔ₁において転送出力された赤（Ｒ）の波長領域に対応する情報電荷と同一の水平ラインにあった緑（Ｇ）の波長領域に対応する情報電荷が水平シフトレジスタへ転送出力される。その後、時刻Ｔ₄まで水平クロックパルスφ_h1〜φ_h12を順次変化させることによって、水平転送電極２４−７，２４−１１下に形成されたポテンシャル井戸３４（３４’）に蓄積された情報電荷を水平転送電極２４−３下に形成されたポテンシャル井戸３６（３６’）に再配置させる。それと共に、水平転送電極２４−１下に形成されたポテンシャル井戸３２（３２’）に蓄積されている情報電荷を水平転送方向の先の水平転送電極２４−９下に形成されたポテンシャル井戸３８（３８’）に順次転送する。このとき、水平シフトレジスタの出力端にある水平転送電極２４−１下に形成されたポテンシャル井戸に蓄積されていた情報電荷は出力部４ｄに転送出力される。

なお、水平シフトレジスタにおける情報電荷の加算合成はこれに限定されるものではなく、１水平ラインに含まれる異色の波長領域に対応する情報電荷が混合しないように加算合成するものであれば良い。例えば、本実施の形態のように１水平ラインに含まれる情報電荷が垂直シフトレジスタの奇数列と偶数列において異なる色に対応する場合には、奇数列の情報電荷と偶数列の情報電荷とを別々に加算合成するものであれば良い。

このようにして１水平ライン分の情報電荷を３画素分ずつ加算合成した後、水平転送電極２４−１〜２４−１２のうち隣り合う２つの電極を一組として、一組の電極に対しては同位相となる３相の水平クロックパルスφ_hを印加することによって情報電荷を水平転送する。すなわち、図４の水平クロックパルスφ_hcの期間に示すように、本実施の形態では、垂直シフトレジスタの各々に対応する２本の水平転送電極２４−１と２４−２、水平転送電極２４−３と２４−４、水平転送電極２４−５と２４−６・・・をそれぞれ組として、隣り合う３組の水平転送電極に実質的に３相となる水平クロックパルスφ_h1〜φ_h12を印加することによって加算合成された情報電荷を水平転送する。これにより、時刻Ｔ₅〜Ｔ₇では、ポテンシャル井戸３６，３８に蓄積されている情報電荷が水平転送方向に沿って出力部４ｄへ向けて順次転送される。この水平転送を順次繰り返すことによって１水平ライン分の情報電荷を出力信号に変換して出力する。１水平ライン分の水平転送が終了すると、図３に示すように、次の水平ラインに対する垂直転送に移行する。このとき、図６に示すように、出力部４ｄからは１水平ラインに含まれる赤（Ｒ）及び緑（Ｇ）又は緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の波長領域に対応する情報電荷が交互に出力されることとなる。

以上のように、本実施の形態では同一色の波長領域に対応する３画素分の情報電荷を水平転送方向に加算合成したうえで水平転送を行う。これによって、実質的な転送段数を少なくすることができ、クロックパルスの基本周波数を高めることなく水平転送時における情報電荷の転送時間を従来より短縮することができる。従って、低解像度の画像を取得する際に高速で画像を取得することができる。

また、水平クロックパルスφ_hを１６相独立に制御可能とし、連続する８つの垂直シフトレジスタに結合される１６本の水平転送電極２４をこの水平クロックパルスφ_hによって制御することによって、４画素分の情報電荷を加算合成した上で水平転送することも可能である。さらにｎ画素分の情報電荷を加算合成して転送する場合には、連続する２ｎ個の垂直シフトレジスタに結合される水平転送電極２４に対して互いに独立に制御可能な水平クロックパルスφ_hを供給することで実現することができる。但し、独立に制御する水平クロックパルスφ_hの相数を増加させるためには、水平クロックパルス発生部６ｈの回路構成が複雑化及び大型化し、ＣＣＤ固体撮像素子４のチップに設けられるピン数も増加させる必要があるのでこれらとの兼ね合いによって水平クロックパルスφ_hの相数を決定することが必要である。

また、本実施の形態ではカラーフィルタをモザイク状に配置したカラー画像撮像用のＣＣＤ固体撮像装置を例に説明を行ったが、モノクロ画像撮像用のＣＣＤ固体撮像装置に対して本発明を適用することも可能である。この場合、異なる色に対応する情報電荷の混合を考慮しなくても良く、蓄積部２ｓと水平転送部２ｈとの結合部に補助転送電極１６を設ける必要が無い。モノクロ画像に対してｎ画素分の情報電荷の加算合成を行う場合には、連続するｎ個の垂直シフトレジスタに結合される水平転送電極２４に対して互いに独立に制御可能な水平クロックパルスφ_hを供給すれば良い。

なお、情報電荷を加算合成することなく高解像度の画像信号として出力したい場合には、従来と同様に、１画素分の情報電荷毎に水平転送されるように水平シフトレジスタを４相の水平クロックパルスφ_hによって制御すれば良い。

＜変形例＞
図７を用いて、上記実施の形態の変形例について説明する。上記実施の形態では、垂直シフトレジスタの奇数列及び偶数列のいずれにおいても同一の水平転送電極２４−１〜２４−１２に対応する垂直シフトレジスタから転送出力されてきた情報電荷を加算合成した。しかしながら、このような加算合成の方法では、水平方向の画像の空間周波数が低くなる。そこで、本変形例では、垂直シフトレジスタの奇数列及び偶数列のいずれか一方においては同一の組に属する水平転送電極に対応する垂直シフトレジスタから転送出力されてきた情報電荷を加算合成し、垂直シフトレジスタの奇数列及び偶数列のいずれか他方においては隣り合う別の組に属する水平転送電極に対応する垂直シフトレジスタから転送出力されてきた情報電荷を加算合成して転送する。

時刻Ｔ₁では、水平転送電極２４−１，２４−５，２４−９に印加される水平クロックパルスφ_h1，φ_h5，φ_h9がハイレベルとされ、垂直シフトレジスタの奇数列から転送出力された情報電荷が水平転送電極２４−１，２４−５，２４−９下に形成されたポテンシャル井戸３０（３０’）にそれぞれ蓄積される。例えば、奇数列の赤（Ｒ）の波長領域に対応する情報電荷が水平シフトレジスタに転送出力される。その後、時刻Ｔ₂まで水平クロックパルスφ_h1〜φ_h9を順次変化させることによって、水平転送電極２４−５，２４−９下に形成されたポテンシャル井戸３０（３０’）に蓄積された情報電荷をそれぞれ水平転送電極２４−１下に形成されたポテンシャル井戸３２（３２’）に加算合成させる。さらに、時刻Ｔ₃では、ポテンシャル井戸３２（３２’）に蓄積された情報電荷を、水平転送方向に向けて転送し、次の組の水平転送電極２４−５下に保持させる。

続いて、時刻Ｔ₄では、水平転送電極２４−３，２４−７，２４−１１に印加される水平クロックパルスφ_h3，φ_h7，φ_h11がハイレベルとされ、垂直シフトレジスタの偶数列から転送出力された情報電荷が水平転送電極２４−３，２４−７，２４−１１下に形成されたポテンシャル井戸３４（３４’）にそれぞれ蓄積される。ここでは、時刻Ｔ₁において転送出力された赤（Ｒ）の波長領域に対応する情報電荷と同一の水平ラインにあった緑（Ｇ）の波長領域に対応する情報電荷が水平シフトレジスタへ転送出力される。その後、時刻Ｔ₅まで水平クロックパルスφ_h1〜φ_h12を順次変化させることによって、水平転送電極２４−７，２４−１１下に形成されたポテンシャル井戸３４及びその隣の組に含まれる水平転送電極２４−３下に形成されたポテンシャル井戸３４’に蓄積された情報電荷を水平転送電極２４−７下に形成されたポテンシャル井戸３８に加算合成させる。それと共に、水平転送電極２４−５下のポテンシャル井戸３６に保持されている情報電荷を水平転送方向に向けて転送し、水平転送電極２４−１下に順次転送する。その後は、上記実施の形態と同様に、加算合成された情報電荷を水平転送方向に転送させる。

このように、垂直シフトレジスタの奇数列（又は偶数列）に対して同一の組に属する水平転送電極に対応する垂直シフトレジスタから転送出力されてきた情報電荷を加算合成させ、垂直シフトレジスタの偶数列（又は奇数列）に対しては隣り合う別の組に属する水平転送電極に跨って情報電荷を加算合成させる。これによって、画像信号の水平方向への空間周波数特性を向上させることができる。

本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における固体撮像素子の要部構成の拡大図である。 本発明の実施の形態における固体撮像素子を制御するクロックパルスのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態における固体撮像素子を制御するクロックパルスのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態における水平転送部のポテンシャルの変化を示す図である。 本発明の実施の形態における出力の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態の変形例における水平転送部のポテンシャルの変化を示す図である。 従来の固体撮像素子の構成を示す図である。 従来の固体撮像素子のカラーフィルタの配列を示す図である。

符号の説明

２ 固体撮像素子、２ｄ 出力部、２ｉ 撮像部、２ｈ 水平転送部、２ｓ 蓄積部、４ 固体撮像素子、４ｄ 出力部、４ｉ 撮像部、４ｈ 水平転送部、４ｓ 蓄積部、６ 駆動回路、６ｓ サンプリングクロックパルス発生部、６ｆ フレームクロックパルス発生部、６ｒ リセットクロックパルス発生部、６ｖ 垂直クロックパルス発生部、６ｈ 水平クロックパルス発生部、６ｕ 補助クロックパルス発生部、１０ 分離領域、１２ チャネル領域、１４ 転送電極、１６ 補助転送電極、２２ チャネル領域、２４ 水平転送電極、２６ 水平分離領域、３０，３２，３４，３６，３８ ポテンシャル井戸。

Claims (8)

1. 行列配置される複数の受光画素において生成された情報電荷を垂直方向に転送する複数の垂直シフトレジスタを含む垂直転送部と、
   前記垂直転送部の各垂直シフトレジスタに各ビットが結合された水平シフトレジスタを含む水平転送部と、
   前記水平転送部の水平シフトレジスタから転送出力される情報電荷量に応じた出力信号を出力する出力部と、を含む固体撮像素子を備える固体撮像装置であって、
   前記水平シフトレジスタに転送出力された複数の受光画素に対応する情報電荷を加算合成して水平転送することを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記水平シフトレジスタは、前記垂直転送部の各垂直シフトレジスタに対応して水平転送方向に沿って互いに平行に配置された複数の水平転送電極を備え、
   水平転送方向に沿って連続する少なくとも６つの垂直シフトレジスタに対応する前記水平転送電極を１組として、１組に含まれる前記水平転送電極の各々に対して互いに独立に制御可能な水平クロックパルスを生成する駆動回路を備えることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の固体撮像装置において、
   前記水平転送部では、前記垂直転送部の垂直シフトレジスタの奇数列及び偶数列から転送出力された情報電荷を別々に加算合成した後に水平転送することを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３に記載の固体撮像装置において、
   前記垂直転送部の垂直シフトレジスタと前記水平転送部の水平シフトレジスタの結合部に、前記垂直シフトレジスタに印加される垂直クロックパルス及び前記水平シフトレジスタに印加される水平クロックパルスとは独立に制御される補助クロックパルスが印加される補助転送電極が配置され、
   前記補助転送電極による作用によって、前記垂直転送部の垂直シフトレジスタの奇数列を転送される情報電荷と偶数列を転送される情報電荷とを異なるタイミングで前記水平シフトレジスタへ転送出力することを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記水平転送部では、前記垂直シフトレジスタの奇数列又は偶数列のいずれか一方から転送出力された情報電荷を、少なくとも２組に含まれる前記水平転送電極に跨って加算合成して転送することを特徴とする固体撮像装置。
6. 行列配置される複数の受光画素において生成された情報電荷を垂直方向に転送する複数の垂直シフトレジスタを含む垂直転送部と、
   前記垂直転送部の各垂直シフトレジスタに各ビットが結合された水平シフトレジスタを含む水平転送部と、
   前記水平転送部の水平シフトレジスタから転送出力される情報電荷量に応じた出力信号を出力する出力部と、を含む固体撮像素子を備える固体撮像装置の制御方法であって、
   前記水平シフトレジスタに転送出力された複数の受光画素に対応する情報電荷を加算合成して水平転送することを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
7. 請求項６に記載の固体撮像装置の制御方法において、
   前記水平シフトレジスタは、前記垂直転送部の各垂直シフトレジスタに対応して水平転送方向に沿って互いに平行に配置された複数の水平転送電極を備えるものであって、
   水平転送方向に沿って連続する少なくとも６つの垂直シフトレジスタに対応する前記水平転送電極を１組として、１組に含まれる前記水平転送電極の各々に対して互いに独立に制御可能な水平クロックパルスを印加することによって情報電荷を加算合成して転送することを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
8. 請求項７に記載の固体撮像装置の制御方法において、
   前記垂直シフトレジスタの奇数列又は偶数列のいずれか一方から転送出力された情報電荷を、少なくとも２組に含まれる前記水平転送電極に跨って加算合成して転送することを特徴とする固体撮像装置の制御方法。

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