JP2008244886A - 固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法、並びにカメラシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】転送効率を向上でき、低振幅で駆動でき、水平レジスタピッチをＭ/2倍に拡大することができ、また、色別に水平転送チャネルが割り当てること可能で、チャネルマッチングを不要とすることができる固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法、並びにカメラシステムを提供する。
【解決手段】パラレル構造の多段水平転送部を有する固体撮像素子１０において、パラレル電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３により信号分離を行い、第１水平ＣＣＤ１４と第２水平ＣＣＤ１５間のＨＨ転送部１６では信号分離を行わず、そのままストレートに転送するようにしたことで、転送効率を向上でき、低振幅で駆動できる。
【選択図】図５
【解決手段】パラレル構造の多段水平転送部を有する固体撮像素子１０において、パラレル電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３により信号分離を行い、第１水平ＣＣＤ１４と第２水平ＣＣＤ１５間のＨＨ転送部１６では信号分離を行わず、そのままストレートに転送するようにしたことで、転送効率を向上でき、低振幅で駆動できる。
【選択図】図５
Description
本発明は、固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法およびカメラシステムに関し、特にＣＣＤ(Charge Coupled Device)撮像素子に代表される電荷転送型固体撮像素子およびその駆動方法、並びにカメラシステムに関するものである。
固体撮像素子は、有効画素領域で蓄積した電荷を垂直転送部、水平転送部を介して出力部より電気信号として取り出される。そして、取り出された電気信号はビデオ等の記録媒体に記録されたり、あるいは直接伝送されて、たとえば受信側に配置されたテレビジョン等に再現される。
ところで、インタレーススキャン、インタライントランスファー（ＩＳ−ＩＴ）方式の電荷の転送方式を採る固体撮像素子は、読み出し速度（以下、フレームレートと称する。）の向上を図るべく垂直方向の画素の間引きを行う技術が提案されている。
画素の間引きの一例としては、１２８０×９６０画素で全画素を出力するためのフレームレートが７．５ｆｒａｍｅ／ｓｅｃ．の固体撮像素子の場合において、３０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃ．のフレームレートを実現するために、垂直方向の画素を４画素のうち１画素しか読み出さない、すなわち、垂直方向を画素の読み出す割合である圧縮率１／４で圧縮を行い、フレームレートの向上を図っている。
画素の間引きの一例としては、１２８０×９６０画素で全画素を出力するためのフレームレートが７．５ｆｒａｍｅ／ｓｅｃ．の固体撮像素子の場合において、３０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃ．のフレームレートを実現するために、垂直方向の画素を４画素のうち１画素しか読み出さない、すなわち、垂直方向を画素の読み出す割合である圧縮率１／４で圧縮を行い、フレームレートの向上を図っている。
この方式は、垂直方向の圧縮を行うことは可能であるものの、水平方向の圧縮ができない。このために、たとえば、１２８０×９６０画素の垂直方向を圧縮率１／４で圧縮を行うと、１２８０×２４０画素が出力部より出力され、ＴＶに要求されるアスペクト比が保てず、水平垂直のバランスが悪くなるために、水平方向の圧縮を行い４：３のアスペクト比を保つ必要が生じ、水平方向を圧縮率１／４で圧縮を行うべく後処理を行う必要がある。
これに対して、隣り合う２以上の所定数の垂直転送部を１つのグループとして、このグループと水平転送部の単位転送ビットを対応させると共に、垂直転送部から同垂直転送部が属するグループに対応する水平転送部の単位転送ビット（以下、対応単位転送ビットと称する。）に電荷の転送を行うことによって、水平転送部において水平方向の圧縮を行う技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１２１２２号公報
しかしながら、上述した技術では、隣り合う２以上の所定数の垂直転送部を１つのグループとし、このグループと水平転送部の単位転送ビットとを対応させ、垂直転送部から対応単位転送ビットに電荷の転送を行う場合には、同一グループ内の垂直転送部の電荷の転送先である対応単位転送ビットは同一であるにもかかわらず、それぞれの垂直転送部では対応単位転送ビットとの位置関係が異なるために、垂直転送部から対応単位転送ビットへの電荷の転送制御が充分にできない場合があり、かかる点は改良の余地がある。
また、高精細ＨＤ用固体撮像素子（ＣＣＤ）や、プログレッシブスキャン用固体撮像素子（ＣＣＤ）で、水平パラレル２チャンネル構造の提案がなされ、実用に供されている。
これらの特徴として、第１水平転送部（第１水平（Ｈ）ＣＣＤ）と第２水平転送部（第２ＨＣＣＤ）間で特定列の信号を次段のＨＣＣＤへ転送するか阻止（ＨＯＬＤ）するかを選択する構造兼ね備える水平-水平（ＨＨ）転送構造を有している。
これは垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）構造の工夫が不要で、新規に作るパラレル水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）部分のみで構成できる点でメリットがあった。
これらの特徴として、第１水平転送部（第１水平（Ｈ）ＣＣＤ）と第２水平転送部（第２ＨＣＣＤ）間で特定列の信号を次段のＨＣＣＤへ転送するか阻止（ＨＯＬＤ）するかを選択する構造兼ね備える水平-水平（ＨＨ）転送構造を有している。
これは垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）構造の工夫が不要で、新規に作るパラレル水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）部分のみで構成できる点でメリットがあった。
図１は、ＨＤ２チャネル出力方式を採用した一般的なＣＣＤの転送出力段の第１の構成例を示す図である。
図２は、ＨＤ２チャンネル出力方式を採用した一般的なＣＣＤの転送出力段の第２の構成例を示す図である。
図１と図２の違いは、Ｈ転送ピッチが１／２としたことにある。
図２は、ＨＤ２チャンネル出力方式を採用した一般的なＣＣＤの転送出力段の第２の構成例を示す図である。
図１と図２の違いは、Ｈ転送ピッチが１／２としたことにある。
図１および図２において、１は画素アレイ部（撮像部）を、２はコントロールゲート部を、３は第１水平（Ｈ）ＣＣＤを、４は第２水平（Ｈ）ＣＣＤを、５はＨＨ転送部をそれぞれ示している。
図１および図２の構成においては、ＨＨ転送部５で信号分離を行うために、特定列には一方の転送を止めるための転送阻止用のチャネルストップ（ＣＳ）が設けられ、次段の水平（Ｈ）ＣＣＤ４に転送する列にはＨＨゲートが転送チャネルで形成される構造となっている。
このために、その転送チャネルの幅が狭くなりＨＨ転送効率劣化による縦線不良が多く発生し、製造上好ましい構造ではなかった。また、容量確保のためにＨＨ転送路を長くしてあることからＨＨ転送不良が発生するおそれがある。また、読み出し信号ＧｂとＧｒが別チャネルから出力されるため、後段の処理系でＧｂとＧｒのチャネルマッチングが必要となる。
また、図２の構成では、Ｈ転送ピッチが１／２になるため、容量確保のためにＨＨ転送路をさらに長くする必要があり、ＨＨ転送不良を起こす可能性がさらに高まる。
このために、その転送チャネルの幅が狭くなりＨＨ転送効率劣化による縦線不良が多く発生し、製造上好ましい構造ではなかった。また、容量確保のためにＨＨ転送路を長くしてあることからＨＨ転送不良が発生するおそれがある。また、読み出し信号ＧｂとＧｒが別チャネルから出力されるため、後段の処理系でＧｂとＧｒのチャネルマッチングが必要となる。
また、図２の構成では、Ｈ転送ピッチが１／２になるため、容量確保のためにＨＨ転送路をさらに長くする必要があり、ＨＨ転送不良を起こす可能性がさらに高まる。
このＨＨ転送効率を改善するために、第１水平（Ｈ）ＣＣＤのロー（ＬＯＷ）電圧と第２水平（Ｈ）ＣＣＤのハイ（ＨＩＧＨ）電圧差を確保する必要がある。この電圧差はそのままＨＣＣＤの水平転送クロック振幅になるために、水平ＣＣＤドライバの消費電力が電圧の二乗で増えてしまう弊害がある。すなわち、ＣＣＤ転送劣化による縦筋不良を解決しようとする電力が増加するという結果となっていた。）
これを解決するために、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＨＨ転送をしないような両側（図３においては左右両側）に転送するいわゆる観音開きの２チャネル（ｃｈ）などが提案され量産化されている。
しかし、これも左右で特性差がでると中央に段差がでてしまい、使いこなすのが難しい構造であった。
たとえば、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）においては、水平６／６間引き加算を行うものがあるが、図４に示すように、左右転送（観音開き）の２チャネルの場合、飛び越し加算ができないために、６／６間引き加算以上が実現できなくなる。仮に、４／６間引き加算とすると、感度低下、色偽等の画質劣化を発生する。
しかし、これも左右で特性差がでると中央に段差がでてしまい、使いこなすのが難しい構造であった。
たとえば、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）においては、水平６／６間引き加算を行うものがあるが、図４に示すように、左右転送（観音開き）の２チャネルの場合、飛び越し加算ができないために、６／６間引き加算以上が実現できなくなる。仮に、４／６間引き加算とすると、感度低下、色偽等の画質劣化を発生する。
本発明は、転送効率を向上でき、低振幅で駆動でき、水平レジスタピッチをＭ/2倍に拡大することができ、また、色別に水平転送チャネルが割り当てること可能で、チャネルマッチングを不要とすることができる固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法、並びにカメラシステムを提供することにある。
本発明の第１の観点の固体撮像素子は、行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素および前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、各垂直転送部から転送される信号電荷の転送、阻止、加算を制御する制御部と、前記電荷制御部から出力される信号電荷を水平転送する少なくとも２つの水平転送部と、前記制御部から転送された信号電荷を受けた一の水平転送部の信号電荷を他の水平転送部に転送する水平-水平転送部と、を有する。
好適には、前記水平-水平転送部は、信号分離を行わず、信号電荷を直接転送する。
好適には、前記水平-水平転送部は、信号分離を行わず、信号電荷を直接転送する。
好適には、前記水平-水平転送部は、画素配列の複数列に対応する転送ユニットが並列に配列した構造を有し、隣接する転送ユニット側に、バリア部が形成されている。
請求項１記載の固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子。
好適には、前記制御部は、前記水平転送部で水平間引き加算可能に処理する。
好適には、前記制御部側で信号分離を行う。
好適には、Ｎ（Ｎは４以上の正の整数）ラインシーケンス、Ｎ／２チャネル出力を実現する場合、前記水平転送部は（Ｎ／２）個配置され、前記水平水転送部は［（Ｎ／２）−１］個配置される。
本発明の第２の観点は、行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素および前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、前記電荷制御部から出力される信号電荷を水平転送する少なくとも２つの水平転送部と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記水平転送部に信号電荷を転送する前に、各垂直転送部から転送される信号電荷の転送、阻止、加算を制御する第１ステップと、前記制御部から転送された信号電荷を受けた一の水平転送部の信号電荷を他の水平転送部に転送する第２ステップと、を有し、前記第２ステップにおいては、信号分離を行わず、信号電荷を直接転送する。
本発明の第３の観点のカメラシステムは、固体撮像素子と、前記撮像素子に被写体像を結像する光学系と、前記撮像素子の出力画像信号を処理する信号処理回路と、を有し、前記固体撮像素子は、行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素および前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、各垂直転送部から転送される信号電荷の転送、阻止、加算を制御する制御部と、前記電荷制御部から出力される信号電荷を水平転送する少なくとも２つの水平転送部と、前記制御部から転送された信号電荷を受けた一の水平転送部の信号電荷を他の水平転送部に転送する水平-水平転送部と、を有する。
好適には、前記水平-水平転送部は、信号分離を行わず、信号電荷を直接転送する。
好適には、前記水平-水平転送部は、信号分離を行わず、信号電荷を直接転送する。
本発明によれば、たとえば制御部で水平転送部に信号電荷を転送する前に、各垂直転送部から転送される信号電荷の転送、阻止、加算が制御される。
そして、制御部から転送された信号電荷を受けた一の水平転送部の信号電荷を他の水平転送部に転送する場合には、水平-水平転送部において、信号分離が行われず、信号電荷が直接転送される。
そして、制御部から転送された信号電荷を受けた一の水平転送部の信号電荷を他の水平転送部に転送する場合には、水平-水平転送部において、信号分離が行われず、信号電荷が直接転送される。
本発明によれば、転送効率を向上でき、低振幅で駆動でき、水平レジスタピッチをＭ/2倍に拡大することができ、また、色別に水平転送チャネルが割り当てること可能で、チャネルマッチングを不要とすることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に関連付けて説明する。
図５は、本発明の一実施形態に係る電荷転送型固体撮像素子、たとえばＣＣＤ撮像素子の構成を示す概略構成図である。また、図６は、本実施形態に係るパラレル構造の多段（本実施形態では２段）水平転送系を模式的に示す図である。
本実施形態に係るＣＣＤ撮像素子１０は、図５に示すように、タイミング発生回路（ＴＧ;Timing Generator）２０からのタイミングパルスに応答してそれぞれ動作する、撮像部１１、電荷制御部１２、垂直出力ゲート部（ＶＯＧ(Vertical Output Gate)部）１３、第１水平転送部（水平ＣＣＤ）１４、第２水平ＣＣＤ（水平転送部）１５、水平-水平（ＨＨ）転送部１６、および電荷電圧変換部１７，１８を有する。
撮像部１１は、行列状に配置され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換する複数の画素（光電変換素子を含む受光部）１１１、および、これら画素１１１の行列状配列に対して列ごとに配置され、画素１１１の各々で光電変換され、これら画素１１１から読み出された信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直ＣＣＤ（垂直転送部）１１２により構成されている。
垂直ＣＣＤ１１２は、タイミング発生回路２０から供給される、たとえば４相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ４により転送駆動され、画素１１１から読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。
垂直ＣＣＤ１１２は、タイミング発生回路２０から供給される、たとえば４相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ４により転送駆動され、画素１１１から読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。
なお、画素配列としては、ベイヤ配列等が採用されるが、特に限定されるものではない。
電荷制御部１２は、所定の動作モードが設定されたときは、複数の垂直ＣＣＤ１１２の複数列を単位とし、この複数列における所定の列の垂直ＣＣＤ１１２からの電荷の転送を阻止することによって間引き、複数列における残りの２列以上の各垂直ＣＣＤ１１２から転送される信号電荷を加算可能に出力する。
以下、この処理のことを水平（Ｈ）間引き加算と呼ぶこととする。電荷制御部１２はさらに、所定の動作モード以外の動作モードが設定されたときは、複数の垂直ＣＣＤ１１２から複数列の単位でパラレルに転送される信号電荷の並びをシリアルに変換して順に出力する。
以下、この処理のことを水平（Ｈ）間引き加算と呼ぶこととする。電荷制御部１２はさらに、所定の動作モード以外の動作モードが設定されたときは、複数の垂直ＣＣＤ１１２から複数列の単位でパラレルに転送される信号電荷の並びをシリアルに変換して順に出力する。
電荷制御部１２は、タイミング発生回路２０で生成される各種の制御パルス、すなわちストレージパルスＳＴφ１，ＳＴφ２、ホールドパルスＨＬＤφ１，ＨＬＤφ２によって駆動制御されることで、水平間引き加算の動作を行う。
具体的には、ストレージパルスＳＴφ１およびホールドパルスＨＬＤφ１が組をなし、所定の列の垂直ＣＣＤ１１２に対応して設けられたストレージ電極およびホールド電極をそれぞれ駆動し、ストレージパルスＳＴφ２およびホールドパルスＨＬＤφ２が組をなし、次列の垂直ＣＣＤ１１２に対応して設けられたストレージ電極およびホールド電極をそれぞれ駆動する。
具体的には、ストレージパルスＳＴφ１およびホールドパルスＨＬＤφ１が組をなし、所定の列の垂直ＣＣＤ１１２に対応して設けられたストレージ電極およびホールド電極をそれぞれ駆動し、ストレージパルスＳＴφ２およびホールドパルスＨＬＤφ２が組をなし、次列の垂直ＣＣＤ１１２に対応して設けられたストレージ電極およびホールド電極をそれぞれ駆動する。
ＶＯＧ部１３は、タイミング発生回路２０による制御パルスＶＯＧφ１、ＶＯＧφ２に応答して電荷制御部１２から出力された電荷を第１水平ＣＣＤ１４に転送（シフト）する。
本実施形態においては、電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３により制御部が構成され、ここで信号分離を行い、第１水平ＣＣＤ１４と第２水平ＣＣＤ１５間のＨＨ転送部１６では信号分離を行わない。
そして、本実施形態においては、電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３により各列信号の転送、阻止、加算を制御する。
そして、本実施形態においては、電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３により各列信号の転送、阻止、加算を制御する。
第１水平ＣＣＤ１４は、ＶＯＧ部１３からシフトされた信号電荷を順に水平転送する。第１水平ＣＣＤ１４の転送先側の端部には電荷電圧変換部１７が接続されている。
電荷電圧変換部１７は、たとえばフローティングディフュージョンアンプによって構成されており、第１水平ＣＣＤ１４によって順に転送されてくる信号電荷を信号電圧に変換して出力する（ＣＣＤｏｕｔ）。
電荷電圧変換部１７は、たとえばフローティングディフュージョンアンプによって構成されており、第１水平ＣＣＤ１４によって順に転送されてくる信号電荷を信号電圧に変換して出力する（ＣＣＤｏｕｔ）。
第２水平ＣＣＤ１５は、ＨＨ転送部１６からＨＨ転送された信号電荷を順に水平転送する。第２水平ＣＣＤ１５の転送先側の端部には電荷電圧変換部１８が接続されている。
電荷電圧変換部１８は、たとえばフローティングディフュージョンアンプによって構成されており、第２水平ＣＣＤ１５によって順に転送されてくる信号電荷を信号電圧に変換して出力する（ＣＣＤｏｕｔ）。
電荷電圧変換部１８は、たとえばフローティングディフュージョンアンプによって構成されており、第２水平ＣＣＤ１５によって順に転送されてくる信号電荷を信号電圧に変換して出力する（ＣＣＤｏｕｔ）。
ＨＨ転送部１６は、第１水平ＣＣＤ１４による信号の分離を行うことなく、そのまま直接的に第２水平ＣＣＤ１５に転送する。これにより、転送効率が向上し、低振幅で駆動できるようになっている。
ＨＨ転送部１６は、図６に示すように、画素配列の４列に対応する転送ユニットＴＦＵＴが並列に配列した構造を有し、隣接する（図６の例では図中右側）転送ユニットＴＦＵＴ側に、チャネル間の信号の漏れを防止するための、バリア部（ＩＩＢ）１６１が形成されている。
図７は、本実施形態に係るＨＨ転送部の構成例を示す断面図である。
ＨＨ転送部１６は、図７に示すように、ｎ型基板３１上にｐ型ウェル３２を介して形成されたｎ型不純物からなる転送チャネル３３と、この転送チャネル３３の上方にその転送方向に繰り返して配列された転送電極３４から構成されている。
また、転送電極３４の下方の転送チャネル３３の表面側には、ｐ−型不純物層３５が形成されている。このｐ−型不純物層３５がバリア部１６１として機能する。
また、転送電極３４の下方の転送チャネル３３の表面側には、ｐ−型不純物層３５が形成されている。このｐ−型不純物層３５がバリア部１６１として機能する。
上述したように、ＣＣＤ撮像素子１０は、タイミング発生回路２０で発生される各種のタイミング信号によって駆動される。
タイミング発生回路２０は、垂直同期信号ＶＤ、水平同期信号ＨＤおよびマスタークロックＭＣＫに基づいて、垂直ＣＣＤ１１２を駆動するたとえば４相の垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ４、電荷制御部１２を駆動するストレージパルスＳＴφ１，ＳＴφ２、ホールドパルスＨＬＤφ１１，ＨＬＤφ２、ＶＯＧ部１３を駆動するパルスＶＯＧφ１，ＶＯＧφ２、第１水平ＣＣＤ１４および第２水平ＣＣＤ１５を駆動するたとえば２相の水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２、ＨＨ転送部１６を駆動するパルスＨＨＧφなどのタイミング信号を、外部から与えられる撮像モード情報に対応したタイミング関係をもって生成する。
撮像モード情報には、たとえば静止画撮像モード（静止画独立読み出し（水平４ライン（Ｈ４）シーケンス２ｃｈ／１ｃｈ出力））、動作撮像モード（フルＨＤ動画（水平４ライン（Ｈ４）／４間引き加算２ｃｈ出力））、低電力モード（低電力ライブビュー／ＡＦ（水平８ライン（Ｈ８）／８間引き加算１ｃｈ出力））等が含まれる。
タイミング発生回路２０は、垂直同期信号ＶＤ、水平同期信号ＨＤおよびマスタークロックＭＣＫに基づいて、垂直ＣＣＤ１１２を駆動するたとえば４相の垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ４、電荷制御部１２を駆動するストレージパルスＳＴφ１，ＳＴφ２、ホールドパルスＨＬＤφ１１，ＨＬＤφ２、ＶＯＧ部１３を駆動するパルスＶＯＧφ１，ＶＯＧφ２、第１水平ＣＣＤ１４および第２水平ＣＣＤ１５を駆動するたとえば２相の水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２、ＨＨ転送部１６を駆動するパルスＨＨＧφなどのタイミング信号を、外部から与えられる撮像モード情報に対応したタイミング関係をもって生成する。
撮像モード情報には、たとえば静止画撮像モード（静止画独立読み出し（水平４ライン（Ｈ４）シーケンス２ｃｈ／１ｃｈ出力））、動作撮像モード（フルＨＤ動画（水平４ライン（Ｈ４）／４間引き加算２ｃｈ出力））、低電力モード（低電力ライブビュー／ＡＦ（水平８ライン（Ｈ８）／８間引き加算１ｃｈ出力））等が含まれる。
次に、上記構成のＣＣＤ撮像素子１０の動作について、水平４ラインシーケンスにおける、静止画独立読み出し、Ｈ４／４間引き加算、Ｈ８／８間引き加算、の２チャネルまたは１チャネル出力の場合、並びに、水平６ラインシーケンス、３チャネル出力の場合を例に、順を追って説明する。
＜静止画用独立読み出し＞
まず、図８、図９、および図１０に関連付けて静止画独立読み出し動作について説明する。
図８は、静止画読み出し動作を模式的に示す図であり、図９は、静止画読み出し動作のタイミングチャートであり、図１０は、静止画読み出し動作時における加算動作を詳細に示す図である。
まず、図８、図９、および図１０に関連付けて静止画独立読み出し動作について説明する。
図８は、静止画読み出し動作を模式的に示す図であり、図９は、静止画読み出し動作のタイミングチャートであり、図１０は、静止画読み出し動作時における加算動作を詳細に示す図である。
静止画用独立読み出しの場合、垂直（Ｖ）の１ライン分の電荷を２回か４回に分けて水平転送する。
たとえば図８〜図１０に示すように、最初にＲ（赤）Ｇ（緑）ラインのＲ列のみ４列に１つずつ垂直水平（ＶＨ）間の電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３において分離コントロールして第１水平ＣＣＤ１４に転送する。
出力１チャネル（ｃｈ）のみ使用してチャネル間マッチングを取らなくて済むようにするには、ここで水平転送を行い、信号を出力する。
出力２チャネルで、特性マッチングをとってでもフレームレートをあげたい場合は、転送パルスＨＨＧφによるＨＨ転送制御によってＨＨ転送部１６を通して次段の第２水平ＣＣＤ１５に転送する。
その後、残りの４列に１つのＲ列信号を第１水平ＣＣＤ１４に転送し、水平転送によって出力する。
同列の残りのＧ信号も同様に２回のシーケンスに分けてＶＨ転送し、シリアル２回かパラレル１回のＨ転送で出力する。
次ラインのＧＢラインも同様である。
２チャネル出力の一連の動作において、ＧｂとＧｒは異なるチャネルから出力することが可能である。
たとえば図８〜図１０に示すように、最初にＲ（赤）Ｇ（緑）ラインのＲ列のみ４列に１つずつ垂直水平（ＶＨ）間の電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３において分離コントロールして第１水平ＣＣＤ１４に転送する。
出力１チャネル（ｃｈ）のみ使用してチャネル間マッチングを取らなくて済むようにするには、ここで水平転送を行い、信号を出力する。
出力２チャネルで、特性マッチングをとってでもフレームレートをあげたい場合は、転送パルスＨＨＧφによるＨＨ転送制御によってＨＨ転送部１６を通して次段の第２水平ＣＣＤ１５に転送する。
その後、残りの４列に１つのＲ列信号を第１水平ＣＣＤ１４に転送し、水平転送によって出力する。
同列の残りのＧ信号も同様に２回のシーケンスに分けてＶＨ転送し、シリアル２回かパラレル１回のＨ転送で出力する。
次ラインのＧＢラインも同様である。
２チャネル出力の一連の動作において、ＧｂとＧｒは異なるチャネルから出力することが可能である。
＜Ｈ４／４間引き加算＞
次に、図１１、図１２、および図１３に関連付けてＨ４／４間引き加算動作について説明する。
図１１は、Ｈ４／４間引き加算動作を模式的に示す図であり、図１２は、Ｈ４／４間引き加算動作のタイミングチャートであり、図１３は、Ｈ４／４間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
次に、図１１、図１２、および図１３に関連付けてＨ４／４間引き加算動作について説明する。
図１１は、Ｈ４／４間引き加算動作を模式的に示す図であり、図１２は、Ｈ４／４間引き加算動作のタイミングチャートであり、図１３は、Ｈ４／４間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）では、５〜１０メガピクセル（Ｍpixels）からＮＴＳＣ／ＰＡＬ方式の液晶デバイスに写すのに、同色信号を間引き加算する方法が一般に用いられている。
高解像度な動画や、高フレームレートな静止画用にＨ（水平）４／４間引き加算が適する。
ＲＧラインを例にとると、最初にＲ信号全てを第１水平ＣＣＤ１４に転送すると、水平ＣＣＤは４列で１パケットであるので、隣接するＲ信号同士が電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３のコントロールに基づいて第１水平ＣＣＤ１４内で加算される。
これをそのまま、転送パルスＨＨＧφによるＨＨ転送制御によってＨＨ転送部１６を通して次段の第２水平ＣＣＤ１５に転送し、続いてＧ信号を同様に第１水平ＣＣＤ１４に転送する。
その後、第１水平ＣＣＤ１４および第２水平ＣＣＤ１５において水平（Ｈ）転送を行ってＲとＧの信号を２ｃｈそれぞれから出力する。
この場合、色信号がチャネルごとに出力されるために、左右両転送（観音開き転送）のような左右段差が出ることはない。チャネル間のオフセット差はＯＢクランプで吸収され、ゲイン差は、色感度の違いと同じなので、ホワイトバランスによって吸収される。
高解像度な動画や、高フレームレートな静止画用にＨ（水平）４／４間引き加算が適する。
ＲＧラインを例にとると、最初にＲ信号全てを第１水平ＣＣＤ１４に転送すると、水平ＣＣＤは４列で１パケットであるので、隣接するＲ信号同士が電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３のコントロールに基づいて第１水平ＣＣＤ１４内で加算される。
これをそのまま、転送パルスＨＨＧφによるＨＨ転送制御によってＨＨ転送部１６を通して次段の第２水平ＣＣＤ１５に転送し、続いてＧ信号を同様に第１水平ＣＣＤ１４に転送する。
その後、第１水平ＣＣＤ１４および第２水平ＣＣＤ１５において水平（Ｈ）転送を行ってＲとＧの信号を２ｃｈそれぞれから出力する。
この場合、色信号がチャネルごとに出力されるために、左右両転送（観音開き転送）のような左右段差が出ることはない。チャネル間のオフセット差はＯＢクランプで吸収され、ゲイン差は、色感度の違いと同じなので、ホワイトバランスによって吸収される。
＜Ｈ８／８間引き加算＞
次に、図１４、図１５、および図１６に関連付けてＨ８／８間引き加算動作について説明する。
図１４は、Ｈ８／８間引き加算動作を模式的に示す図であり、図１５は、Ｈ８／８間引き加算動作のタイミングチャートであり、図１６は、Ｈ８／８間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
次に、図１４、図１５、および図１６に関連付けてＨ８／８間引き加算動作について説明する。
図１４は、Ｈ８／８間引き加算動作を模式的に示す図であり、図１５は、Ｈ８／８間引き加算動作のタイミングチャートであり、図１６は、Ｈ８／８間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
この場合、フレームレートはＨ４／４間引き加算動作と同じになるが、１ｃｈ出力にできることで、１ｃｈ動作停止させて低電力が可能になる動作モードである。
ＲＧラインにおいて、ます最初に４列ごとの同色１画素分をＶＨ転送し、電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３のコントロールに基づいて第１水平ＣＣＤ１４内で隣接２画素が加算される。
その後、第１水平ＣＣＤ１４を１bitシフトさせ、残りのＲ信号をＶＨ転送して計４画素加算する。
ＨＣＣＤには、１bitおきに空パケットがあり、次に同様な動作シーケンスを行って、Ｇ信号を４画素加算する。
この結果、１ｃｈでＨ８／８間引き加算が可能になる。
ＲＧラインにおいて、ます最初に４列ごとの同色１画素分をＶＨ転送し、電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３のコントロールに基づいて第１水平ＣＣＤ１４内で隣接２画素が加算される。
その後、第１水平ＣＣＤ１４を１bitシフトさせ、残りのＲ信号をＶＨ転送して計４画素加算する。
ＨＣＣＤには、１bitおきに空パケットがあり、次に同様な動作シーケンスを行って、Ｇ信号を４画素加算する。
この結果、１ｃｈでＨ８／８間引き加算が可能になる。
以上の説明では、基本的に水平４ラインシーケンス、２ｃｈ／１ｃｈ出力の場合を例とした。この場合は、水平ＣＣＤを２つ要し、かつその段間にＨＨ転送部を１つ要する。
本発明は、この構成に限られるものではなく、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力、あるいは水平８ラインシーケンス、４ｃｈ出力等にも適用可能である。
水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力の場合、水平ＣＣＤを３つ要し、かつそれらの段間にＨＨ転送部を１つずつ要する。
水平８ラインシーケンス、４ｃｈ出力の場合、水平ＣＣＤを４つ要し、かつそれらの段間にＨＨ転送部を１つずつ要する。
このように、水平Ｎ（Ｎは４以上の正の整数）ラインシーケンス、Ｎ／２ｃｈ出力を実現する場合、基本的に、水平ＣＣＤを（Ｎ／２）個要し、ＨＨ転送部を［（Ｎ／２）−１］個要することになる。
本発明は、この構成に限られるものではなく、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力、あるいは水平８ラインシーケンス、４ｃｈ出力等にも適用可能である。
水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力の場合、水平ＣＣＤを３つ要し、かつそれらの段間にＨＨ転送部を１つずつ要する。
水平８ラインシーケンス、４ｃｈ出力の場合、水平ＣＣＤを４つ要し、かつそれらの段間にＨＨ転送部を１つずつ要する。
このように、水平Ｎ（Ｎは４以上の正の整数）ラインシーケンス、Ｎ／２ｃｈ出力を実現する場合、基本的に、水平ＣＣＤを（Ｎ／２）個要し、ＨＨ転送部を［（Ｎ／２）−１］個要することになる。
図１７〜図２３に、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力の例を示す。
図１７は、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力における静止画読み出し動作を模式的に示す図であり、図１８は、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力における静止画読み出し動作時における加算動作を詳細に示す図である。
図１９は、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力におけるＨ４／４間引き加算動作を模式的に示す図であり、図２０は、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力におけるＨ４／４間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
図２１は、水平６ラインシーケンス、１ｃｈ出力におけるＨ８／８間引き加算動作を模式的に示す図であり、図２２は、水平６ラインシーケンス、１ｃｈ出力におけるＨ８／８間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
また、図２３は、水平６ラインシーケンス、２ｃｈ出力におけるＨ６／６間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
図１７は、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力における静止画読み出し動作を模式的に示す図であり、図１８は、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力における静止画読み出し動作時における加算動作を詳細に示す図である。
図１９は、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力におけるＨ４／４間引き加算動作を模式的に示す図であり、図２０は、水平６ラインシーケンス、３ｃｈ出力におけるＨ４／４間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
図２１は、水平６ラインシーケンス、１ｃｈ出力におけるＨ８／８間引き加算動作を模式的に示す図であり、図２２は、水平６ラインシーケンス、１ｃｈ出力におけるＨ８／８間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
また、図２３は、水平６ラインシーケンス、２ｃｈ出力におけるＨ６／６間引き加算時における加算動作を詳細に示す図である。
基本的な動作は、水平４ラインシーケンス、２ｃｈ／１ｃｈ出力の場合と同様に行われることから、ここでの詳細の説明は省略するが、注意点として、チャネル（ｃｈ）ごとに色信号を分離することはできなくなるためにチャネルマッチング補正が必要になる点である。デジタル信号処理で３ｃｈ分だけ、オフセットやゲインや非線形性補正を行うことは、現在の技術水準ならまったく問題とならない。
以上説明したように、本実施形態によれば、パラレル構造の多段水平転送部を有する固体撮像素子１０において、パラレル電荷制御部１２およびＶＯＧ部１３により信号分離を行い、第１水平ＣＣＤ１４と第２水平ＣＣＤ１５間のＨＨ転送部１６では信号分離を行わず、そのままストレートに転送するようにしたことで、転送効率を向上でき、低振幅で駆動できる。
したがって、多画素多チャネル出力ＣＣＤが容易に作れ、高精細、高速なカメラが実現できる。
特に水平コーディングの２倍のシーケンス（４倍の間引き加算率）とすることで、チャネルごとに色分離が行えるようになりチャネル間マッチングを取る必要がなくなることで、高画質の画像を得られ、また使い勝手もよいという利点がある。
したがって、多画素多チャネル出力ＣＣＤが容易に作れ、高精細、高速なカメラが実現できる。
特に水平コーディングの２倍のシーケンス（４倍の間引き加算率）とすることで、チャネルごとに色分離が行えるようになりチャネル間マッチングを取る必要がなくなることで、高画質の画像を得られ、また使い勝手もよいという利点がある。
このような効果を有する固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラの撮像デバイスとして適用することができる。
図２４は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。
本カメラシステム４０は、図２４に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子１０が適用可能な撮像デバイス４１と、この撮像デバイス４１の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系、たとえば入射光（像光）を撮像面上に結像させるレンズ４２と、撮像デバイス４１を駆動する駆動回路(ＤＲＶ)４３と、撮像デバイス４１の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)４４と、を有する。
駆動回路４３は、垂直ＣＣＤ、水平ＣＣＤ等を駆動するスタートパルスやクロックパルスを含む各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ(図示せず)２０を有し、所定のタイミング信号で撮像デバイス４１を駆動する。
また、信号処理回路４４は、撮像デバイス４１の出力信号に対してＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)やＡ（アナログ）／Ｄ（デジタル）変換などの信号処理を施す。
信号処理回路４４で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路４４で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
信号処理回路４４で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路４４で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
上述したように、デジタルスチルカメラ等の撮像装置において、撮像デバイス４１として、先述したＣＣＤ撮像素子１０を搭載することで、高精細、高速なカメラが実現できる。
１０・・・ＣＣＤ撮像素子、１１・・・撮像部、１１１・・・画素、１１２・・・垂直ＣＣＤ、１２・・・電荷制御部、１３・・・垂直出力ゲート部（ＶＯＧ部）、１４・・・第１水平ＣＣＤ（水平転送部）、１５・・・第２水平ＣＣＤ（水平転送部）、１６・・・水平水平（ＨＨ）転送部、２０…タイミング発生回路、４１・・・撮像デバイス、４２・・・駆動回路、４３・・・レンズ、４４・・・信号処理回路。
Claims (9)
- 行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素および前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、
各垂直転送部から転送される信号電荷の転送、阻止、加算を制御する制御部と、
前記電荷制御部から出力される信号電荷を水平転送する少なくとも２つの水平転送部と、
前記制御部から転送された信号電荷を受けた一の水平転送部の信号電荷を他の水平転送部に転送する水平-水平転送部と、を有する
固体撮像素子。 - 前記水平-水平転送部は、
信号分離を行わず、信号電荷を直接転送する
請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記水平-水平転送部は、
画素配列の複数列に対応する転送ユニットが並列に配列した構造を有し、
隣接する転送ユニット側に、バリア部が形成されている
請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記制御部は、
前記水平転送部で水平間引き加算可能に処理する
請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記制御部側で信号分離を行う
請求項１から４のいずれか一に記載の固体撮像素子。 - Ｎ（Ｎは４以上の正の整数）ラインシーケンス、Ｎ／２チャネル出力を実現する場合、前記水平転送部は（Ｎ／２）個配置され、前記水平-水平転送部は［（Ｎ／２）−１］個配置される
請求項１から５のいずれか一に記載の固体撮像素子。 - 行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素および前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、
前記電荷制御部から出力される信号電荷を水平転送する少なくとも２つの水平転送部と、を有する固体撮像素子の駆動方法であって、
前記水平転送部に信号電荷を転送する前に、各垂直転送部から転送される信号電荷の転送、阻止、加算を制御する第１ステップと、
前記制御部から転送された信号電荷を受けた一の水平転送部の信号電荷を他の水平転送部に転送する第２ステップと、を有し、
前記第２ステップにおいては、
信号分離を行わず、信号電荷を直接転送する
固体撮像素子の駆動方法。 - 固体撮像素子と、
前記撮像素子に被写体像を結像する光学系と、
前記撮像素子の出力画像信号を処理する信号処理回路と、を有し、
前記固体撮像素子は、
行列状に配置されて光電変換を行う複数の画素および前記複数の画素の各信号電荷を列単位で垂直転送する複数の垂直転送部を有する撮像部と、
各垂直転送部から転送される信号電荷の転送、阻止、加算を制御する制御部と、
前記電荷制御部から出力される信号電荷を水平転送する少なくとも２つの水平転送部と、
前記制御部から転送された信号電荷を受けた一の水平転送部の信号電荷を他の水平転送部に転送する水平-水平転送部と、を有する
カメラシステム。 - 前記水平-水平転送部は、
信号分離を行わず、信号電荷を直接転送する
請求項８記載のカメラシステム。
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