JP2009065478A - 固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ムービー画像の撮像やＡＥ／ＡＦ制御の信号駆動において、全画素の信号電荷を使用し、これによって、より高感度のムービー画像やＡＥ／ＡＦ画像が得られる固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供する。
【解決手段】垂直電荷転送部９３に対して、３以上の奇数行分の光電変換素子９１からの信号電荷を蓄積する１つの電荷蓄積パケットＰを複数形成し、電荷蓄積パケットＰのそれぞれに、光電変換素子９１から同色同士の信号電荷を複数行分読み出して電荷加算した後、垂直電荷転送部９３の信号電荷を電荷蓄積パケット一つ分だけ転送し、電荷蓄積パケットＰに読み出された色と同色となる垂直電荷転送部９３に残された信号電荷を電荷蓄積パケットＰに読み出して再度電荷加算する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置に関し、特に、ムービー画像の撮像、ＡＥ（自動露出）／ＡＦ（自動焦点）制御時などにおける固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置に関する。

固体撮像素子は、電子スチルカメラやムービー画像のデジタル撮像装置などに多用されている。電子スチルカメラにおいては、撮像に先立ってＡＥ（自動露出）／ＡＦ（自動焦点）制御が一般に行われているが、この制御を固体撮像素子の全画素に蓄積された信号電荷を用いて行うと、制御が完了するまでの時間が長くなってシャッタチャンスを逃す虞がある。このため、ＡＥ／ＡＦ制御時のフレームレートを、通常撮像時のフレームレートの数倍程度に高めることが要求されている。

また、ＡＥ／ＡＦ制御においては、多少解像度が低下しても問題がないため、固体撮像素子によって得られた画像信号を間引くことでフレームレートを高めることが行われている。また、ムービー画像においては、画像が動いていることから電子スチルカメラほどには解像度に対する要求は強くなく、また動画撮像のために高いフレームレートが求められることから、画像信号の間引き制御が行われている。しかし、画像信号の間引き制御を行うと、信号電荷量が小さくなり、感度が低くなる問題があった。

このような問題に対処するため、垂直３画素ラインの周期のうち２画素ラインを選択的に読み出し、水平転送部において該２画素ライン分の信号電荷を電荷加算して出力するようにした固体撮像装置の駆動方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、固体撮像素子を構成する光電変換素子の配列については、その配列方法がいくつか提案されており、正方格子配列以外の配列として、例えば、光電変換素子行を奇数行と偶数行とで行方向及び列方向に１/２ピッチずらして配列したハニカム配列などが提案されている。（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−２６１９０１号公報 特開２００４−５５７８６号公報

しかし、特許文献１に記載の固体撮像装置の駆動方法によると、垂直３画素ラインの周期のうち２画素ラインを選択的に読み出して水平転送部で加算し、残りの読み出されない画素データが捨てられるため、感度が犠牲となって暗い環境下では輝度不足のムービー画像となり、或いはＡＥ／ＡＦ制御の精度が低下するなどの不具合があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ムービー画像の撮像やＡＥ／ＡＦ制御の信号駆動において、全画素の信号電荷を使用し、これによって、より高感度のムービー画像やＡＥ／ＡＦ画像が得られる固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成できる。
（１） 半導体基板上で複数の光電変換素子が二次元の行列状に配列された受光部と、前記光電変換素子の列方向に沿って隣接して配置され前記光電変換素子で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを備え、前記受光部が、少なくとも３つの異なる色成分を検出する光電変換素子が分散配置されてなる固体撮像素子の駆動方法であって
前記垂直電荷転送部に対して、３以上の奇数行分の光電変換素子からの信号電荷を蓄積する１つの電荷蓄積パケットを複数形成し、
前記電荷蓄積パケットのそれぞれに、前記画素部の光電変換素子から同色同士の信号電荷を複数行分読み出して電荷加算した後、
前記垂直電荷転送部の信号電荷を前記電荷蓄積パケット一つ分だけ転送し、
前記電荷蓄積パケットに読み出された色と同色となる前記垂直電荷転送部に残された信号電荷を、前記電荷蓄積パケットに読み出して再度電荷加算する固体撮像素子の駆動方法。

このような駆動方法においては、少なくとも３つの異なる色成分を検出する光電変換素子が行列状に配列された受光部と、光電変換素子から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを備える固体撮像素子の駆動方法であって、垂直電荷転送部に対して３以上の奇数行分の光電変換素子からの信号電荷を蓄積する１つの電荷蓄積パケットを形成し、電荷蓄積パケットのそれぞれに同色同士の信号電荷を複数行分読み出して電荷加算した後、電荷蓄積パケット一つ分だけ垂直転送し、電荷蓄積パケットに読み出された色と同色となる垂直電荷転送部に残された信号電荷を電荷蓄積パケットに読み出して再度電荷加算するようにしたので、全ての光電変換素子に蓄積された信号電荷を、各電荷蓄積パケットに同色同士で電荷加算することができる。これにより、全画素の信号荷電を捨てることなく利用して、固体撮像素子の高感度化を図ることができる。

（２） 上記（１）記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記受光部の光電変換素子は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列されている固体撮像素子の駆動方法。

このような駆動方法においては、受光部は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列されているので、ベイヤー配列に基づく正方格子状の光電変換素子が配列された固体撮像素子においても、上記したと同様の効果を得ることができる。

（３） 上記（１）記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記受光部の光電変換素子は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列された第１光電変換素子列と、該第１光電変換素子列に対して配列ピッチの１／２だけ水平及び垂直方向にずれた位置に配列された第２光電変換素子列と、を行方向に繰り返し配列されている固体撮像素子の駆動方法。

このような駆動方法においては、受光部は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列された第１光電変換素子列と、該第１光電変換素子列に対して配列ピッチの１／２だけ水平及び垂直方向にずれた位置に配列された第２光電変換素子列とが、行方向に繰り返し配列されているので、光電変換素子が千鳥状に配列された、所謂、ダブルベイヤー配列された固体撮像素子においても、上記したと同様の効果を得ることができる。

（４） 半導体基板上で複数の光電変換素子が二次元の行列状に配列された受光部と、前記光電変換素子の列方向に沿って隣接して配置され前記光電変換素子で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部との間に設けられたラインメモリと、を備え、前記受光部の光電変換素子は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列されている固体撮像素子の駆動方法であって、
前記垂直電荷転送部に対して、前記光電変換素子の信号電荷を前記列方向に沿って２行の読み込み、１行の非読み込みを順次繰り返して１行分の空白電荷パケットを前記垂直電荷転送部に離散配置した後、
前記垂直電荷転送部の信号電荷を３行分転送し、
前記垂直電荷転送部の前記空白電荷パケットに、該空白電荷パケットの前後の電荷パケットに読み出された色と同色となる前記垂直電荷転送部に残された信号電荷を読み出し、
これにより得られる３つの連続する色成分の信号電荷を前記ラインメモリまたは前記水平電荷転送部で電荷加算して転送する固体撮像素子の駆動方法。

このような駆動方法においては、受光部が、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列されている固体撮像素子の駆動方法であって、光電変換素子の信号電荷を列方向に沿って２行の読み込み、１行の非読み込みを順次繰り返して１行分の空白電荷パケットを垂直電荷転送部に離散配置した後、該信号電荷を３行分転送し、空白電荷パケットに、該空白電荷パケットの前後の電荷パケットに読み出された色と同色となる残された信号電荷を読み出して得られる３つの連続する色成分の信号電荷をラインメモリまたは水平電荷転送部で電荷加算するようにしたので、全画素の信号電荷を捨てることなく利用することができ、これによって固体撮像素子の高感度化を図ることができる。

（５） 半導体基板上で複数の光電変換素子が二次元の行列状に配列された受光部と、前記光電変換素子の列方向に沿って隣接して配置され前記光電変換素子で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを備え、
上記（１）〜（４）のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法に基づいて信号処理する信号処理手段と、
前記固体撮像素子に光学像を結像させる光学系と、
を備えた撮像装置。

このように構成された撮像装置においては、受光部と、垂直電荷転送部と、水平電荷転送部とを備えた固体撮像素子の信号処理を上記（１）〜（４）のいずれかの駆動方法に基づいて行う信号処理手段と、該固体撮像素子に光学像を結像させる光学系と、を備えるので、光電変換素子に蓄積された信号電荷を全て利用して高感度化を図った撮像装置が得られ、暗いシーンの撮像においても鮮明な画像を得ることができる。

（６） 前記信号処理手段が、ムービー画像の撮像時、ＡＥ（自動露出）／ＡＦ（自動焦点）制御時のいずれかを行うときに、前記固体撮像素子の駆動方法による信号処理に切り替える（５）記載の撮像装置。

このように構成された撮像装置においては、ムービー画像の撮像、ＡＥ／ＡＦ制御のいずれかを行うとき、信号処理を上記（１）〜（４）のいずれかの駆動方法に切り替えるようにしたので、光電変換素子に蓄積された信号電荷を無駄に捨てることなく、高感度で画像取込みを行うことができ、光量の不足する撮影シーンであっても高感度のムービー画像が得られる。また、精度よく適正化されたＡＥ／ＡＦで撮像することができる。

本発明の固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置によれば、全ての光電変換素子に蓄積された信号電荷を、同色同士で電荷加算して信号処理し、これにより、全画素の信号荷電を捨てることなく利用して、固体撮像素子の高感度化を図ることができる。また、高感度での画像取込みを行って、光量の不足する撮影シーンであっても高感度のムービー画像が得られる。また、精度よく適正化されたＡＥ／ＡＦで撮像することができる。

以下、本発明に係る撮像装置及び該撮像装置に用いられる固体撮像素子の駆動方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、撮像装置の一例としてＣＣＤ固体撮像素子を備えたデジタルカメラを例に説明する。
（第1実施形態）

図1は本発明の実施形態であるＣＣＤ固体撮像素子を搭載したデジタルカメラのブロック図である。

図１に示すように、本実施形態のデジタルカメラ（撮像装置）２００は、撮影レンズ１１と、固体撮像素子（ＣＣＤ固体撮像素子）１００と、この両者の間に設けられた絞り１３と、赤外線カットフィルタ１５と、光学ローパスフィルタ１７とを備える。デジタルカメラ２００の全体を統括制御するＣＰＵ１９は、フラッシュ発光部２１及び受光部２３を制御し、レンズ駆動部２５を制御して撮影レンズ１１の位置をフォーカス位置に調整し（ＡＦ制御）、絞り駆動部２７を介して絞り１３の開口量を制御（ＡＥ制御）して露光量調整を行う。

また、ＣＰＵ１９は、撮像素子駆動部２９を介して固体撮像素子１００を駆動し、撮影レンズ１１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ１９には、操作部３１を通してユーザからの指示信号が入力され、ＣＰＵ１９はこの指示にしたがって各種制御を行う。

デジタルカメラ２００の電気制御系は、固体撮像素子１００の出力に接続されたアナログ信号処理部３３と、このアナログ信号処理部３３から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路３５とを備え、これらはＣＰＵ１９によって制御される。

さらに、このデジタルカメラ２００の電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）４１に接続されたメモリ制御部４３と、ガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理，画像合成処理等の画像処理を行うデジタル信号処理部４５と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部４７と、測光データを積算しデジタル信号処理部４５が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部４９と、着脱自在の記録媒体５１が接続される外部メモリ制御部５３と、カメラ背面等に搭載された表示部５５が接続される表示制御部５７と、を備え、これらは、制御バス６１及びデータバス６３によって相互に接続され、ＣＰＵ１９からの指令によって制御される。

次に、固体撮像素子及びその駆動方法について図2から図４に基づいて説明する。図２は本発明に係る固体撮像素子の要部拡大平面図、図３は垂直電荷転送電極と転送信号、及びこれによる電位分布の様子を模式的に示す説明図、図４は固体撮像素子の駆動方法を示す模式図である。

図２に示すように、本発明に係る固体撮像素子１００は、多数の光電変換素子９１が平面上に行方向（矢印Ｘの方向）及び列方向（矢印Ｙの方向）に沿って二次元配置された受光部９５を有している。各々の光電変換素子９１は、半導体で構成されるフォトダイオードを備えており、各々の受光面に入射した光の強さと露光時間の長さとで定まる光量に応じた信号電荷を生成する。

二次元配置された多数の光電変換素子９１のそれぞれが出力する信号電荷を、固体撮像素子１００の出力端子から時系列のフレーム毎の信号として取り出すために、複数の垂直電荷転送部９３と、水平電荷転送部７１と、出力増幅器７３とが、固体撮像素子１００に備わっている。

各々の垂直電荷転送部９３は、光電変換素子９１と隣接する位置に、図中縦方向（矢印Ｙ方向）に向かって延設されており、１列分の光電変換素子９１のそれぞれから信号電荷を受け取った後、列毎に信号電荷を矢印Ｙ方向に順次に転送する。

各列の垂直電荷転送部９３の出力側には水平電荷転送部７１が配置されており、垂直電荷転送部９３から信号電荷が受け渡され、水平電荷転送部７１上に１行分の信号電荷が転送される。水平電荷転送部７１は、１行分の信号電荷を水平方向（矢印Ｘ方向）に順次に転送する。水平電荷転送部７１の出力に順番に現れる信号電荷は、出力増幅器７３で増幅され、出力端子ＯＵＴから出力される。

なお、垂直電荷転送部９３と水平電荷転送部７１との間にラインメモリ（図示せず）を配置して、各垂直電荷転送部９３から同時に出力される１行分の信号電荷をラインメモリ上に一時的に蓄積し、該蓄積された１行分の信号電荷を、ラインメモリから水平電荷転送部７１に向かって転送するようにしてもよい。

このような読み出し動作を実現するのに必要な制御信号、すなわち、垂直転送制御信号φＶ１〜φＶ１２（１２相駆動）と、水平転送制御信号φＨ（図示せず）とが、撮像素子駆動部２９（図１参照）に配設された図示しないタイミング信号発生回路によって生成され、固体撮像素子１００の各垂直電荷転送部９３と、水平電荷転送部７１とにそれぞれ印加される。

多数の光電変換素子９１は、ハニカム状のパターン（光電変換素子９１の配置位置を各行毎で水平方向に半ピッチずらしたパターン）を形成するように配置されている。また、図２中に「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｒ」で示すように、それぞれの光電変換素子９１は検出する色成分が予め定められている。すなわち、「Ｇ」の各光電変換素子９１は緑色成分、「Ｂ」の各光電変換素子９１は青色成分、「Ｒ」の各光電変換素子９１は赤色成分の明るさを検出する。これらの検出色は、各光電変換素子９１の受光面の前面に配置された光学フィルタの分光特性によって設定される。

図２に示す例では、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が行方向に沿って交互に配列される配列（ベイヤー配列）の各列がそれぞれ複数列配置されている（本明細書では「ダブルベイヤー配列」と呼称する）。即ち、図中上側からＧＲＧＲ・・・及びＢＧＢＧ・・・の順で１列毎に配列された第１光電変換素子列８１と、第１光電変換素子列８１に対して配列ピッチの１／２だけ水平及び垂直方向にずれた位置に配列された第２光電変換素子列８３とが、行方向に繰り返し配列されている。

垂直電荷転送部９３は、光電変換素子９１の列毎に、各列と隣接する位置に蛇行する形状で形成されている。各々の垂直電荷転送部９３は、半導体基板に形成された垂直電荷転送チャネル７５と、半導体基板上に電気的絶縁膜（図示せず）を介して配置された電荷転送用の多数本の第１垂直転送電極７７、第２垂直転送電極７９とを備えている。

すなわち、各電極７７，７９に所定の電圧を印加して各垂直電荷転送チャネル７５上に所定の電位分布を形成し、各電極に印加する電圧を順次に切り替えることにより、垂直電荷転送部９３（垂直電荷転送チャネル７５）において各画素の信号電荷を目的の方向に向けて順次に転送することができる。

第１垂直転送電極７７及び第２垂直転送電極７９は、光電変換素子９１の行毎にそれぞれ１つずつ形成されている。なお、各第１垂直転送電極７７は、光電変換素子９１から垂直電荷転送部９３の垂直電荷転送チャネル７５への信号電荷の転送を制御するための読出しゲートとしても機能する。

矢印Ｙ方向に交互に並んでいる第２垂直転送電極７９及び第１垂直転送電極７７のそれぞれには、１２相の垂直転送制御信号（あるいは駆動パルスと呼ぶ）φＶ１〜φＶ１２のいずれかが各第２垂直転送電極７９及び第１垂直転送電極７７の配置された位置関係に応じて印加される。

図３に示すように、それぞれの垂直電荷転送チャネル７５（垂直電荷転送部９３）は、３行分の光電変換素子９１に対応して１つの電荷蓄積パケットＰが配置されて、複数の電荷蓄積パケットＰが形成されており、３行分の光電変換素子９１から読み出された信号電荷は、それぞれの１つの電荷蓄積パケットＰにまとめて蓄積される。電荷蓄積パケットＰに蓄積された３行分の信号電荷は、図３のタイミングチャートに示すように、１２相の垂直転送制御信号φＶ１〜φＶ１２に同期して電荷蓄積パケットＰごとに垂直方向に転送される。

次に、図４を参照して、固体撮像素子の駆動方法について説明する。なお、以下の各実施形態において、正方形枠は各光電変換素子９１を示し、Ｒ、Ｇ、Ｂが書かれた小円は各色成分の信号電荷を示す。正方形枠内に小円が記載されている場合は光電変換素子９１に各色の信号電荷がある状態を、小円が記載されていない場合は光電変換素子９１に信号電荷がない状態を示す。また、正方形枠右下隅の長方形枠は、各光電変換素子９１から垂直電荷転送チャネル７５（電荷蓄積パケットＰ）へ信号電荷を読み出す読出しゲートを示す。

本実施形態において、垂直電荷転送チャネル７５は、図中、縦方向に３個の光電変換素子９１に対して1つの電荷蓄積パケットＰが対応するように区分されている。また、同図（ａ）から（ｅ）は時間経過に従って信号電荷が転送される状態を示す。

図４（ａ）に示すように、固体撮像素子１００は、各光電変換素子９１が一定時間露光されて各色の信号電荷が蓄積される。ここで、それぞれの電荷蓄積パケットＰに対する奇数行（１行目及び３行目）の光電変換素子９１に読み出し電圧を印加すると、それぞれの電荷蓄積パケットＰには、同色の色成分の２つの信号電荷が読み出される図４（ｂ−１）。即ち、図中左から１列目と２列目の各電荷蓄積パケットＰには、上から順に２つのＲ信号電荷、２つのＧ信号電荷、２つのＲ信号電荷、・・・が、また、３列目と４列目の各電荷蓄積パケットＰには、上から順に２つのＧ信号電荷、２つのＢ信号電荷、２つのＧ信号電荷、・・・が読み出され、各電荷蓄積パケットＰ内で電荷加算される（図４（ｂ−２））。ここでは、電荷加算された2つの信号電荷は、それぞれ２Ｒ、２Ｇ、２Ｂと表記する。
なお、本明細書においては、各列において、それぞれの光電変換素子９１に対応して「行」を定義する。すなわち、電荷転送方向上流側から順に1行目、2行目、・・・となり、隣接する列同士では、同一行が斜めに配置されることになる。

次いで、図４（ｃ）に示すように、各色成分の信号電荷２Ｒ、２Ｇ、２Ｂが読み出された電荷蓄積パケットＰは、垂直電荷転送チャネル７５を１パケット分だけ垂直転送される。これにより、各色成分の信号電荷２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを有するそれぞれの電荷蓄積パケットＰは、同一色Ｒ、Ｇ、Ｂの信号電荷が読み出されずに残っている光電変換素子９１に対応する位置に位置する。

ここで、図４（ｄ）に示すように、信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂが残っている光電変換素子９１から各電荷蓄積パケットＰに信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂを読み出すと、それぞれの電荷蓄積パケットＰには、該電荷蓄積パケットＰが有する信号電荷２Ｒ、２Ｇ、２Ｂと同一色成分の信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂが読み出されて該電荷蓄積パケットＰ内で電荷加算され、各電荷蓄積パケットＰには同一色成分の３つの信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂが電荷加算された信号電荷３Ｒ、３Ｇ、３Ｂが読み出される。換言すれば、全ての光電変換素子９１の信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂは、同一色成分ごとに電荷加算されて該電荷蓄積パケットＰに読み出される（図４（ｅ））。

そして、電荷加算された信号電荷３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、垂直電荷転送部９３を垂直方向に転送されて水平電荷転送部７１に受け渡され、更に水平電荷転送部７１が水平方向に順次転送して出力増幅器７３で増幅し、出力端子ＯＵＴから出力される。このような駆動方法に基づく信号処理は、信号処理手段である撮像素子駆動部２９からの指令に基づいて行われる（図１参照）。

上記したように、光電変換素子９１の信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂは捨てられることなく、全ての光電変換素子９１の信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂが同一色成分ごとに電荷加算されて出力されるので、固体撮像素子１００の高感度化が可能となる。また、このような固体撮像素子１００を備える撮像装置２００によれば、ムービー画像の撮像、ＡＥ／ＡＦ制御のいずれかを行うとき、上記した信号処理の駆動方法に切り替えて、高感度で画像取込みを行うことができ、光量の不足する撮影シーンであっても高感度のムービー画像が得られる。また、精度よく適正化されたＡＥ／ＡＦで撮像することができる。

（第２実施形態）
上記した固体撮像素子の駆動方法は、１つ毎に同一色の光電変換素子９１が、縦方向に配列された固体撮像素子１００を用い、３以上の奇数行の光電変換素子９１から、対応する電荷蓄積パケットＰに信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂを読み出すことによって達成することができる。図５及び図６は第２実施形態の固体撮像素子の駆動方法を示す模式図であり、図５は前半部を、図６は後半部を示す。

図５及び図６に示すように、第２実施形態の固体撮像素子は、垂直電荷転送チャネル７５が、図中縦方向に配列された５個の光電変換素子９１に対して1つの電荷蓄積パケットＰが対応するように区分されている。

図５（ａ）に示すように、それぞれの電荷蓄積パケットＰに対する奇数行（１行目、３行目及び５行目）の光電変換素子９１に読み出し電圧を印加すると、それぞれの電荷蓄積パケットＰには、同色の色成分の信号電荷が読み出されて、各電荷蓄積パケットＰ内で電荷加算される（図５（ｂ１））。即ち、各電荷蓄積パケットＰは、３つの光電変換素子９１から読み出された信号電荷が電荷加算されて信号電荷３Ｒ、３Ｇ、３Ｂとなる（図５（ｂ２））。ここで、図６（ｃ）に示すように、各色成分の信号電荷３Ｒ、３Ｇ、３Ｂを有する各電荷蓄積パケットＰを、垂直電荷転送チャネル７５で１パケット分だけ垂直転送すると、該電荷蓄積パケットＰは、同一色Ｒ、Ｇ、Ｂの信号電荷が読み出されずに残っている２つの光電変換素子９１に対応する位置に位置する。

次いで、図６（ｄ）に示すように、それぞれ信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂが残っている２つの光電変換素子９１から各電荷蓄積パケットＰに信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂを読み出すと、それぞれの電荷蓄積パケットＰには、同一色成分の２つの信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂが更に読み出されて、該電荷蓄積パケットＰ内で電荷加算される。これにより、各電荷蓄積パケットＰには、同一色成分の５つの信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂが電荷加算された信号電荷５Ｒ、５Ｇ、５Ｂが読み出される（図６（ｅ））。

以後、第１実施形態の固体撮像素子１００と同様に、電荷加算された信号電荷５Ｒ、５Ｇ、５Ｂは、垂直電荷転送部９３及び水平電荷転送部７１を順次、垂直方向及び水平方向に転送され、出力増幅器７３で増幅されて出力端子ＯＵＴから出力する。

上記した固体撮像素子の駆動方法は、原理的には、同一色成分の信号電荷を有する奇数行の信号電荷を、同一の電荷蓄積パケットＰに読み出して電荷加算し、１パケット分垂直転送した後、読み出されずに残っている信号電荷を更に読み出して電荷加算することにより、電荷加算する光電変換素子９１の数に拘わらず可能ではあるが、実質的には電荷加算する光電変換素子９１の数が増加すると画質が低下するので、電荷加算する光電変換素子９１の数は、３素子または５素子程度とするのが好ましく、更には３素子が好ましい。
本構成の場合は、５素子の信号電荷が加算されるため、信号電荷量を増加でき、一層の高感度化が図られる。その他の作用効果は、第１実施形態の固体撮像素子と同様である。

（第３実施形態）
上記した第１、２実施形態においては、垂直電荷転送部９３（垂直電荷転送チャネル７５）で信号電荷を電荷加算する例について説明したが、水平電荷転送部で信号電荷を電荷加算することもできる。図７及び図８は水平電荷転送部で信号電荷を電荷加算する固体撮像素子の駆動方法を示す模式図であり、図７は同色成分の信号荷電が連続するように垂直電荷転送部に読み出される状態を示す模式図、図８は連続する同色成分の信号荷電が水平電荷転送部（ラインメモリ）で電荷加算される状態を示す模式図である。

図７及び図８に示すように、第３実施形態の固体撮像素子１００は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子９１が列方向に沿って交互に配列されている。また、垂直電荷転送チャネル７５が、１個の光電変換素子９１に対して1つの電荷蓄積パケットＰが対応するように区分されている。

図７（ａ）に示すように、一行毎に同色の信号電荷が列方向に沿って交互に配列された（ＲＧＲＧ・・、及びＧＢＧＢ・・）光電変換素子９１の信号電荷を、列方向に沿って２行の読み込み、１行の非読み込みを順次繰り返す。これにより、１行分の空白電荷パケットＰＢが、３行ごとに出現して垂直電荷チャネル７５に離散配置される（図７（ｂ））。

次いで、図７（ｃ）に示すように、垂直電荷転送チャネル７５の信号電荷を３行分転送すると、垂直電荷チャネル７５の空白電荷パケットＰＢは、信号電荷が読み出されずに残っている光電変換素子９１に対応する位置に位置する。読み出されずに残っている光電変換素子９１の信号電荷は、空白電荷パケットＰＢの前後の電荷蓄積パケットＰに読み出された色と同色となる。ここで、図７（ｄ）に示すように、信号電荷が残っている光電変換素子９１から信号電荷を空白電荷パケットＰＢに読み出すと、垂直電荷チャネル７５には同一色成分の信号電荷Ｒ、Ｇ、Ｂが３つ連続した状態で読み出される。具体的には、図８（ａ）に示すように、１、２列目の垂直電荷転送チャネル７５には、ＲＲＲＧＧＧＲＲＲ・・の順で、また３、４列目の垂直電荷転送チャネル７５には、ＧＧＧＢＢＢＧＧＧ・・の順で、３つの同一色成分の信号電荷が連続する。

垂直電荷転送チャネル７５の３行分の信号電荷を垂直方向に転送して、ラインメモリ８５で同一色成分の信号電荷同士を電荷加算（３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ）した後（図８（ｂ））、水平電荷転送部７１へ受け渡す（図８（ｃ））。水平電荷転送部７１は、電荷加算された信号電荷３Ｒ、３Ｇ、３Ｂを順次、水平方向に転送して出力する（図８（ｄ））。

なお、上記の説明においては、光電変換素子の各色成分が、図９（ａ）に示すように配列されたダブルベイヤー配列について説明したが、図９（ｂ）に示すようにベイヤー配列を４５度傾斜させて配置した固体撮像素子についても同様の駆動方法を採用することができ、同様の効果を奏する。
その他の作用、効果は、第１実施形態の固体撮像素子と同様であるので、説明を省略する。なお、上記の実施形態においては、信号電荷の電荷加算をラインメモリ８５で行っているが、水平電荷転送部７１で行うようにしてもよい。

（対比例）
次に、上記した第１、２、３実施形態の駆動方法と比較するため、対比例の駆動方法について図１０及び図１１に基づいて簡単に説明する。図１０は第１対比例の固体撮像素子の駆動方法を示す模式図、図１１は第２対比例の固体撮像素子の駆動方法を示す模式図である。

図１０（ａ）に示すように、第１対比例の固体撮像素子は、垂直電荷転送チャネル７５が、図中縦方向に配列された３個の光電変換素子９１に対して1つの電荷蓄積パケットＰが対応するように区分されている。

第１対比例の固体撮像素子の駆動方法は、図１０（ｂ）に示すように、光電変換素子９１の信号電荷を、列方向に沿って１行の読み込み、２行の非読み込みを順次繰り返す。これにより、図中左から順に、第１及び第２列目の各電荷蓄積パケットＰには、Ｇ、Ｒ、Ｇ、・・の順で、また第３及び第４列目の各電荷蓄積パケットＰには、Ｂ、Ｇ、Ｂ、・・の順で信号電荷が読み出される。そして、信号電荷を１パケット分ずつ垂直方向に転送して（図１０（ｃ）、（ｄ））、水平電荷転送部７１に受け渡し、更に水平方向に転送して出力する。

第１対比例の固体撮像素子の駆動方法によると、光電変換素子９１に蓄積された信号電荷のうち、１/３の信号電荷だけが使用され、２/３の信号電荷が捨てられるので、感度の低い画像となるが、高速での信号処理が可能となる。

また、図１１（ａ）に示すように、第２対比例の固体撮像素子は、垂直電荷転送チャネル７５が、図中縦方向に配列された３個の光電変換素子９１に対して1つの電荷蓄積パケットＰが対応するように区分されている。

第２対比例の固体撮像素子の駆動方法は、図１１（ｂ‐１）に示すように、光電変換素子９１の信号電荷を、列方向に沿って２行の読み込み、１行の非読み込みを順次繰り返す。これにより、各電荷蓄積パケットＰには、同一色成分の２つの信号電荷が読み出されて電荷加算される。具体的には、図中左から第１及び第２列目の各電荷蓄積パケットＰには、２Ｒ、２Ｇ、２Ｒ・・の順で、また第３及び第４列目の各電荷蓄積パケットＰには、２Ｇ、２Ｂ、２Ｇ・・の順で信号電荷が読み出される（図１１（ｂ‐２））。

読み出された信号電荷２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、１パケット分ずつ垂直方向に転送されて（図１１（ｃ）、（ｄ））、水平電荷転送部７１に受け渡され、更に水平電荷転送部７１で水平方向に転送されて出力される。

第２対比例の固体撮像素子の駆動方法によると、光電変換素子９１に蓄積された信号電荷のうち、２/３の信号電荷が使用され、１/３の信号電荷は捨てられるので、第１対比例の駆動方法より感度は高くなる。

なお、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形や改良等が可能である。

本発明によれば、ムービー画像の撮像やＡＥ／ＡＦ制御の信号駆動において、全画素の信号電荷を使用し、これによって、より高感度のムービー画像やＡＥ／ＡＦ画像が得られる固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供することができる。

本発明の実施形態であるＣＣＤ固体撮像素子を搭載したデジタルカメラのブロック図である。 本発明に係る固体撮像素子の要部拡大平面図である。 第１実施形態の垂直電荷転送電極と転送信号、及びこれによる電位分布の様子を模式的に示す説明図である。 第１実施形態の固体撮像素子の駆動方法を示す模式図である。 第２実施形態の固体撮像素子の駆動方法の前半部を示す模式図である。 第２実施形態の固体撮像素子の駆動方法の後半部を示す模式図である。 第３実施形態の固体撮像素子の駆動方法を示し、同色成分の信号荷電が連続するように垂直電荷転送部に読み出される状態を示す模式図である。 図７において垂直電荷転送部に読み出された連続する同色成分の信号荷電が水平電荷転送部で電荷加算される状態を示す模式図である。 固体撮像素子の光電変換素子の配列例を示す平面図である。 対比例の固体撮像素子の駆動方法を示す模式図である。 他の対比例の固体撮像素子の駆動方法を示す模式図である。

符号の説明

１１ 撮影レンズ（光学系）
１３ 絞り（光学系）
１５ 赤外線カットフィルタ（光学系）
１７ 光学ローパスフィルタ（光学系）
７１ 水平電荷転送部
８１ 第１光電変換素子列
８３ 第２光電変換素子列
８５ ラインメモリ
９１ 光電変換素子
９３ 垂直電荷転送部
９５ 受光部
１００ 固体撮像素子
２００ デジタルカメラ（撮像装置）
Ｐ 電荷蓄積パケット
ＰＢ 空白電荷パケット
Ｒ、Ｇ、Ｂ 信号電荷

Claims (6)

1. 半導体基板上で複数の光電変換素子が二次元の行列状に配列された受光部と、前記光電変換素子の列方向に沿って隣接して配置され前記光電変換素子で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを備え、前記受光部が、少なくとも３つの異なる色成分を検出する光電変換素子が分散配置されてなる固体撮像素子の駆動方法であって
   前記垂直電荷転送部に対して、３以上の奇数行分の光電変換素子からの信号電荷を蓄積する１つの電荷蓄積パケットを複数形成し、
   前記電荷蓄積パケットのそれぞれに、前記画素部の光電変換素子から同色同士の信号電荷を複数行分読み出して電荷加算した後、
   前記垂直電荷転送部の信号電荷を前記電荷蓄積パケット一つ分だけ転送し、
   前記電荷蓄積パケットに読み出された色と同色となる前記垂直電荷転送部に残された信号電荷を、前記電荷蓄積パケットに読み出して再度電荷加算する固体撮像素子の駆動方法。
2. 請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記受光部の光電変換素子は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列されている固体撮像素子の駆動方法。
3. 請求項１記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記受光部の光電変換素子は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列された第１光電変換素子列と、該第１光電変換素子列に対して配列ピッチの１／２だけ水平及び垂直方向にずれた位置に配列された第２光電変換素子列と、を行方向に繰り返し配列されている固体撮像素子の駆動方法。
4. 半導体基板上で複数の光電変換素子が二次元の行列状に配列された受光部と、前記光電変換素子の列方向に沿って隣接して配置され前記光電変換素子で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部と、前記垂直電荷転送部と前記水平電荷転送部との間に設けられたラインメモリと、を備え、前記受光部の光電変換素子は、一行毎に同色の色成分を検出する光電変換素子が列方向に沿って交互に配列されている固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記垂直電荷転送部に対して、前記光電変換素子の信号電荷を前記列方向に沿って２行の読み込み、１行の非読み込みを順次繰り返して１行分の空白電荷パケットを前記垂直電荷転送部に離散配置した後、
   前記垂直電荷転送部の信号電荷を３行分転送し、
   前記垂直電荷転送部の前記空白電荷パケットに、該空白電荷パケットの前後の電荷パケットに読み出された色と同色となる前記垂直電荷転送部に残された信号電荷を読み出し、
   これにより得られる３つの連続する色成分の信号電荷を前記ラインメモリまたは前記水平電荷転送部で電荷加算して転送する固体撮像素子の駆動方法。
5. 半導体基板上で複数の光電変換素子が二次元の行列状に配列された受光部と、前記光電変換素子の列方向に沿って隣接して配置され前記光電変換素子で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部と、前記垂直電荷転送部から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部とを備え、
   請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の固体撮像素子の駆動方法に基づいて信号処理する信号処理手段と、
   前記固体撮像素子に光学像を結像させる光学系と、
   を備えた撮像装置。
6. 前記信号処理手段が、ムービー画像の撮像時、ＡＥ（自動露出）／ＡＦ（自動焦点）制御時のいずれかを行うときに、前記固体撮像素子の駆動方法による信号処理に切り替える請求項５記載の撮像装置。

Images