JP2009302946A - 固体撮像素子，固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オートフォーカスモードや動画モードにおいて高速駆動が可能で、かつ、高いフレームレートを実現できる固体撮像素子，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】複数の光電変換部が行及び列に配列された撮像領域が、第１領域と第２領域とによって複数のエリアに分割され、所定のエリアの電荷を１フレームで出力する際に、所定のエリアの第１領域の垂直電荷転送部で読み出した電荷を転送し、所定のエリアの第２領域の垂直電荷転送部で読み出した電荷のみを出力し、その他の垂直電荷転送部の電荷を排出する。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体撮像素子，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、半導体基板の受光領域に複数の行及び複数の列にわたって多数の光電変換素子が配列され、光電変換素子で生成された電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部と、垂直電荷転送部によって転送された電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部を備えた構成である。

このような構成の固体撮像素子を備えた撮像装置としては、例えばデジタルビデオカメラや、動画撮像機能を有するデジタルスチルカメラがある。近年、固体撮像素子は、高い解像度の画像を得るために画素数が増加している。多画素の固体撮像素子では、各光電変換素子から電荷を読み出し、垂直電荷転送部及び水平電荷転送部を転送して、出力する駆動処理に時間がかかる。固体撮像素子の高速駆動を実現するため、従来では、例えば下記特許文献に示すような方法が提案されている。

特許文献１は、動画を出力する撮像装置に関し、該撮像装置は、切り出し領域の光電変換素子から垂直電荷転送部への電荷読み出しを独立して行い、切り出し領域以外の垂直電荷転送部に読み出された電荷のみをドレイン手段に排出する構成を有することで、実用的なデータレートで動画を出力可能としている。しかし、切り出し領域は、撮像領域の中心部に限られている。

特許文献２に記載された撮像装置は、垂直電荷転送部から水平電荷転送部への電荷の転送を水平方向の一部の領域において選択的に禁止する転送制御部を備えることにより、高速撮像を実現している。しかし、この撮像装置も、高速撮像可能な領域は、撮像領域の中心部に限られている。

特許文献３に記載された撮像装置は、垂直電荷転送部を構成する複数の垂直転送段の最終転送段から水平転送部への転送動作を制御する独立電極と、該独立電極の電荷を選択的に排出可能なドレインとを有し、かつ、水平転送部で電荷の混合を行うことで、オートフォーカスの撮像処理の高速化を図るものである。

特開２００７−２６７３３３号公報 特開２００７−３２４６２２号公報 特開２００７−１８１１０７号公報

しかし、上記特許文献１から３に記載された固体撮像素子では、撮像領域において、中央部など予め設定されたエリアのみを切り出し領域として電荷を読み出すものであり、撮像領域における切り出し領域以外のエリアで撮像した場合には高速の駆動を行うことができないうえ、切り出し領域で撮像するには撮影者が撮像の目的となる被写体を切り出した領域に自身で合わせる必要があるため使いづらい点で改善の余地があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、オートフォーカスモードや動画モードにおいて更なる高速駆動が可能で、かつ、高いフレームレートを実現できる固体撮像素子，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。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の光電変換素子と前記垂直転送部との間に設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を前記垂直転送部に読み出す電荷読み出し部と、
前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部と、
前期垂直転送部に隣接して設けられ、前記垂直転送部によって転送される電荷を排出する垂直ドレイン部と、とを備え、
前記光電変換素子が配列される撮像領域は、前記列方向に分割された複数の第１領域と、前記行方向に分割された複数の第２領域を有しており、
前記電荷読み出し部は、前記第１の領域毎に独立駆動可能であり、
前記垂直ドレイン部は、前記第２の領域毎に独立駆動可能である固体撮像素子。
（２）前記複数の第１領域それぞれの前記列方向の大きさが同一である上記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）前記複数の第２領域それぞれの前記行方向の大きさが同一である上記（１）又は（２）に記載の固体撮像素子。
（４）上記（１）から（３）のいずれかに記載の固体撮像素子を備えた撮像装置。
（５）行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記複数の光電変換素子と前記垂直転送部との間に設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を前記垂直転送部に読み出す電荷読み出し部と、
前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部と、
前期垂直転送部に隣接して設けられ、前記垂直転送部によって転送される電荷を排出する垂直ドレイン部と、とを備え、
前記光電変換素子が配列される撮像領域は、前記列方向に分割された複数の第１領域と、前記行方向に分割された複数の第２領域を有しており、
前記電荷読み出し部は、前記第１の領域毎に独立駆動可能であり、
前記垂直ドレイン部は、前記第２の領域毎に独立駆動可能である固体撮像素子の駆動方法であって、
前記電荷読み出し部を制御して、前記複数の第１領域のうちいずれかの領域に含まれる前記光電変換部で生成された電荷を読み出し、読み出した電荷のうち前記複数の第２領域のうちいずれかの領域に含まれる前記垂直電荷転送部の電荷のみを出力し、その他の前記垂直電荷転送部の電荷を前記垂直ドレイン部によって排出する固体撮像素子の駆動方法。
（６）前記複数の第１領域それぞれの前記列方向の大きさが同一である上記（５）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（７）前記複数の第２領域それぞれの前記行方向の大きさが同一である上記（５）又は（６）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（８）前記水平電荷転送部に読み出された電荷を、読み出された前記第２領域に含まれる前記垂直電荷転送部の列の分だけ転送した後、該水平電荷転送部での転送を一旦停止し、前記第１領域の電荷を列方向に転送する上記（５）から（７）のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法。
（９）前記第１領域に含まれる前記光電変換部の行と同じ行数だけ前記垂直電荷転送部によって転送した後、次のフレームの読み出しを行う上記（５）又は（８）に記載の固体撮像素子。
（１０）前記撮像領域のおいて前記第１領域と前記第２領域とによって分割された複数のエリアのうち、所定のエリアが選択され、該エリアの電荷を１フレームで出力する上記（６）から（９）のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法。
（１１）前記所定のエリアがオートフォーカス処理される上記（１０）に記載の固体撮像素子の駆動方法。
（１２）前記撮像領域の電荷を１フレームの画像で表示するときに、当該１フレームの画像の一部に合成される画像を生成するため、前記所定のエリアの電荷が複数回読み出される上記（１０）に記載の固体撮像素子の駆動方法。

上記構成によれば、撮像領域が、垂直電荷転送部の複数の第１領域と水平電荷転送部の複数の第２領域とによって複数のエリアに分割されており、第１領域及び第２領域に独立して電圧を印加することで、撮像領域における任意のエリアを選択して、そのエリアを１フレームとして出力することができる。このとき、垂直ドレイン部に印加するドレイン電圧を制御することで、任意のエリアの電荷のみを水平電荷転送部で転送させるとともに、任意のエリア以外のエリアの電荷を排出することができ、全部のエリアの電荷を読み出す時間に対してより早く任意のエリアの電荷のみを高速読み出しすることが可能となる。

本発明によれば、オートフォーカスモードや動画モードにおいて高速駆動が可能で、かつ、高いフレームレートを実現できる固体撮像素子，固体撮像素子の駆動方法及び撮像装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、第１実施形態の固体撮像素子を備えた撮像装置の概略構成を示す図である。なお、固体撮像素子を備えた撮像装置としては、例えば、動画モードを有するデジタルカメラやデジタルビデオカメラなどであり、本実施形態の説明では、デジタルカメラを例に説明する。

図１に示すように、撮像装置は、撮影レンズ１と、固体撮像素子５と、該撮影レンズ１と固体撮像素子５との間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備えている。

また、撮像装置は、電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１を備えている。システム制御部１１は、フラッシュの発光部１２及び受光部１３の制御、レンズ駆動部８、絞り制御部９、撮像素子駆動部１０の制御を行う。レンズ駆動部８は、撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりするものであり、絞り駆動部９は、絞り２の開口量を制御して露光量の調整を行うものである。また、撮像素子駆動部１０は、固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して入射した光に基づく撮像信号を出力させるものである。さらに、システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。

また、撮像装置は、アナログ信号処理部６、Ａ／Ｄ変換回路７を備えており、これらもシステム制御部１１によって制御される。アナログ信号処理部６は、固体撮像素子５から出力される撮像信号をアナログ処理するものであり、アナログ信号処理部６と、該アナログ信号処理部６から撮像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備えている。アナログ信号処理部６と、Ａ／Ｄ変換回路７とはシステム制御部１１によって制御される。なお、固体撮像素子５は、ＲＧＢの原色フィルタを有するものであるので、Ａ／Ｄ変換回路７は、それぞれの色信号を示すデジタル信号である。

さらに、撮像装置は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データ（画像データ）を積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備えており、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。

図２は、第１実施形態の固体撮像素子の構成を概略的に示す平面図である。図３は、本実施形態の固体撮像素子の構成の一部を概略的に示す図である。
図２に示すように、固体撮像素子５は、半導体基板５１の２次元平面に、複数の行（図中の左右方向）と複数の列（図中の上下方向）にわたって複数の光電変換部ＰＤが配列されている。複数の光電変換部ＰＤが配列されている領域が撮像領域を構成し、また、配列された複数の光電変換部ＰＤそれぞれが入射光に応じて電荷を生成し、該電荷を固体撮像素子５から出力信号として出力し、該出力信号に基づいて撮影画像を生成する。

固体撮像素子５は、各光電変換部ＰＤの上方に図示しないカラーフィルタが配置され、それぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の分光感度を有する。
光電変換部ＰＤは、半導体基板５１に構成されたフォトダイオードであり、それぞれの光電変換部ＰＤの光電変換領域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電荷を生成する。

半導体基板５１には、垂直方向に並べられた光電変換部ＰＤの各列の間に延設され、各光電変換部ＰＤから読み出された電荷を垂直方向に転送するための垂直電荷転送部５２が設けられている。また、固体撮像素子５は、垂直電荷転送部５２によって転送されてきた電荷を水平方向に転送するための水平電荷転送部５６と、水平電荷転送部５４を転送されてきた電荷を電圧信号に変換する電荷検出部５５と電圧信号を出力する出力アンプ５８とを備えている。垂直電荷転送部５２と水平電荷転送部５６との間には、垂直電荷転送部５２に転送する電荷を選択的に排出可能な垂直ドレイン部５３が設けられている。

なお、本実施形態では、光電変換部ＰＤの配列は、光電変換部ＰＤの各列が隣り合う列に対して垂直方向に１／２ピッチづつずらして配置された構成である。しかし、光電変換部ＰＤの配列はこれに限定されず、光電変換部ＰＤが半導体基板５１表面に略正方向子状に配置されていてもよい。

各垂直電荷転送部５２は、光電変換部ＰＤと隣り合う位置に、列方向に延設されており、１列分の光電変換部ＰＤのそれぞれから読み出された信号を、各垂直電荷転送部５２の列毎に電荷を列方向に転送する。図３に示すように、垂直電荷転送部５２はそれぞれ、半導体基板５１に形成された垂直電荷転送チャネル５２ｎと、半導体基板５１上にゲート絶縁膜を介して形成された複数の垂直電荷転送電極５２ａ，５２ｂとを備えている。複数の垂直電荷転送電極５２ａ，５２ｂに所定の電圧を印加して各垂直電荷転送チャネル５２ｎに所定の電位分布を形成し、各電極５２ａ，５２ｂに印加する電圧を順次に切り替えることで、垂直電荷転送部５２それぞれが、各画素の信号電圧を列方向に順次に転送する。複数の垂直電荷転送電極が、読み出し電圧が印加されることで、光電変換部ＰＤで生成された電荷を垂直電荷転送チャネル５２ｎに読み出す読み出し電極を兼ねた構成としてもよい。垂直電荷転送部５２の各列の読み出し電極に読み出し電圧を印加することで、一行分の光電変換部ＰＤの電荷を同時に読み出す。複数の垂直電荷転送電極５２ａ，５２ｂには、配置された位置に応じて４相や８相などの垂直転送制御信号φＶが入力される。

垂直電荷転送部５２の出力側には電荷蓄積部として機能するラインメモリＬＭが配置されている。ラインメモリＬＭは垂直電荷転送部５２から出力される１行分の電荷を一時的に蓄積する。ラインメモリＬＭに蓄積された１行分の電荷は、ラインメモリＬＭから水平電荷転送部５６に転送され、その結果、水平電荷転送部５６に１行分の電荷が保持される。水平電荷転送部５６は、保持する１行分の電荷を１画素単位で行方向に順次に転送する。そして、水平電荷転送部５６で転送された電荷を電荷検出部５５に電圧に変換し、出力アンプ５８から信号を出力する。

水平電荷転送部５６は、図３中矢印Ｘの方向に帯状に延在する１本の水平電荷転送チャネル５６ｎと、この水平電荷転送チャネル５６ｎの上方に形成された一対の水平転送電極５６ａ，５６ｂを有している。一対の水平転送電極５６ａ，５６ｂはそれぞれ、水平電荷転送チャネル５６ｎの長手方向に交互に配設されている。一対の水平転送電極５６ａ，５６ｂのうち、互いに隣り合う、一方の水平転送電極５６ａと他方の水平転送電極５６ｂとの対が電気的に共通に接続され、これら水平転送電極５６ａ，５６ｂが水平電荷転送チャネル５６ｎの長手方向に交互に配設されている。水平転送電極５６ａ，５６ｂは、それら対の位置に応じて位相が異なる４相の水平転送制御信号φＨが入力される。水平電荷転送チャネル５６ｎは、不純物濃度が相対的に高い領域（ｎ型不純物添加領域）と相対的に低い領域（ｎ−型不純物添加領域）とが交互に形成されている。ｎ型不純物添加領域はｎ−型不純物添加領域に対して常にポテンシャル・ウェル領域となり、ポテンシャル・ウェル領域内の電荷はポテンシャル・バリア領域によって移動が禁止される。したがって、水平転送電極５６ａ，５６ｂに印加する電圧の高さを制御することによって、ポテンシャル・バリア領域からポテンシャル・ウェル領域に向かう方向に電荷を転送することができる。

垂直電荷転送制御信号φＶ，水平電荷転送制御信号φＨはそれぞれ、印加する電圧を規定するハイ（Ｈｉｇｈ）レベルの信号とロー（Ｌｏｗ）レベルの信号とを含む駆動パルスを用いる。

垂直電荷転送部５２に垂直電荷転送制御信号φＶが入力され、水平電荷転送部５６に水平電荷転送制御信号φＨが入力される。垂直電荷転送制御信号φＶ，水平電荷転送制御信号φＨはそれぞれ、固体撮像素子駆動部１０に設けられた所定のタイミング信号発生回路によって生成される。

本実施形態の固体撮像素子は、垂直電荷転送部５２から水平電荷転送部５６に転送する電荷を選択的に排出可能な垂直ドレイン部５３を備えている。垂直ドレイン部５３は、各垂直電荷転送部５２ごとに設けられており、本実施形態では、垂直電荷転送部５２のＹ方向の端部近傍に位置するラインメモリＬＭに隣り合う位置に設けられている。垂直ドレイン部５３の位置は特に限定されず、垂直電荷転送部５２から転送される電荷を排出することができる範囲で変更することができる。

次に、垂直ドレイン部５３の構成について説明する。図３に示すように、垂直ドレイン部５３は、電荷を半導体基板から排出するためのドレイン５３ａと、ドレイン５３ａに排出される電荷を取り出すためのドレイン電圧が印加される制御電極５３ｂとを備えている。電荷の排出を行う際には、制御電極５３ｂをオン状態に設定して、ゲートを開き、図３中破線の矢印で示すように垂直電荷転送部５２（図ではラインメモリＬＭ）から電荷をドレイン５３ａへ取り出し、取り出された電荷をドレイン５３で排出する。制御電極５３ｂがオフ状態に設定されている場合には、ラインメモリＬＭから排出されず、保持された電荷は水平電荷転送部５６へ電荷転送される。

図４は、本実施形態の固体撮像素子の制御系を示す図である。
固体撮像素子５は、光電変換素子が配列される撮像領域は、前記列方向に分割された複数の第１領域と、前記行方向に分割された複数の第２領域を有している。固体撮像素子５は、撮像領域の、複数の第１領域と複数の第２領域とで分割される複数のエリアのうち、任意のエリアを１フレームとして出力することができる。なお、図４に示すように、本実施形態では一例として、撮像領域が４つの第１領域と４つの第２領域とによって１６（４行×４列）のエリアに分割されている構成を説明する。第１領域及び第２領域の分割される数や、撮像領域を分割するエリアの数は、本実施形態の構成に限定されない。また、出力されるフレームは、１つのエリアでなくてもよく、例えば互いに隣接する矩形のエリア（２×２のエリアなど）で構成されていてもよい。

固体撮像素子には、撮像領域を分割する複数の第１領域のそれぞれの領域に独立して読み出し電圧を印加可能な電荷読み出し部として機能する読み出し電圧制御部６２が接続されている。読み出し電圧制御部６２によって読み出し電圧が印加されると、読み出し電圧が印加された第１領域に含まれる光電変換部ＰＤから電荷が垂直電荷転送部５２へ読み出される。一方で、読み出し電圧が印加されていない第１領域に含まれる光電変換部ＰＤからは、電荷が読み出されない。

また、固体撮像素子には、撮像領域を行方向に分割する複数の第２領域のそれぞれの領域に独立してドレイン電圧を印加可能な垂直ドレイン部として機能するドレイン電圧制御部６４が接続されている。ドレイン電圧制御部６２によってドレイン電圧が印加されると、ドレイン電圧が印加された第２領域に含まれる垂直電荷転送部５２を転送される電荷が垂直ドレイン部５３によって排出される。一方で、ドレイン電圧が印加されていない第２領域に含まれる垂直電荷転送部５２の列からは電荷が水平電荷転送部５４に転送される。

次に、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法を説明する。なお、以下の駆動方法の説明において、固体撮像素子の構成は、上述した図１から図４に示す固体撮像素子の構成と同じであるものとし、必要に応じて適宜参照する。
図５は、固体撮像素子において選択された第１領域の電荷を読み出す手順を示す図である。図６は、固体撮像素子において選択された第２領域の電荷のみを水平電荷転送部（HCCD）によって転送する状態を示す図である。図５及び図６において、「Ｖ１」〜「Ｖ４」は複数の第１領域を示し、「ＶＤＲ１」〜「ＶＤＲ４」は垂直ドレイン部５３に選択的にドレイン電圧が印加される複数の第２領域を示している。また、垂直電荷転送部と水平電荷転送部との間のラインメモリは表記せず、省略する。なお、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、撮像領域の分割された複数のエリアのうち、右上のエリア（図中太線で囲んだエリア。以下、出力エリアともいう。）を１フレームで出力する際の動作を説明する。Ａ０，Ａ１，…は、出力エリアに読み出された電荷を表している。本実施形態では、複数の第１領域それぞれの前記列方向の大きさが同一であり、かつ、複数の第２領域それぞれの前記行方向の大きさが同一であるものとする。つまり、各エリアの寸法、つまり、各エリア同士の光電変換部の行の数が等しく、かつ、各エリア同士の光電変換部の列の数は等しいものとする。

最初に、図５（ａ）に示すように、分割された複数の第１領域Ｖ１〜Ｖ４のうち、第１領域Ｖ４に読み出し電圧を印加する。すると、第１領域Ｖ４に含まれる垂直電荷転送部５２の読み出し電極の駆動によって光電変換部ＰＤから電荷がそれぞれの垂直電荷転送部５２に読み出される。つまり、図５（ａ）に示す固体撮像素子５の撮像領域において、第１領域Ｖ４に並列された４つのエリアでのみ電荷が読み出される。

図５（ｂ）に示すように、垂直電荷転送部５２を転送駆動し、第１領域Ｖ４の垂直電荷転送部５２に読み出された電荷Ａ０を、第１領域Ｖ４の垂直電荷転送部５２の行の数と同じ行数だけ列の方向に転送する。こうすることで、第１領域Ｖ４の電荷Ａ０を第１領域Ｖ３へ転送することができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、出力エリアの電荷Ａ０を第１領域Ｖ３に転送した後、第１領域Ｖ４に読み出し電圧を印加することで、出力エリアに電荷Ａ１を読み出す。電荷Ａ１は、出力の際には、電荷Ａ０のフレームに対して次のフレームに相当する。その後、図５（ｄ）に示すように、垂直電荷転送部５２を転送駆動し、第１領域Ｖ４の電荷Ａ１と第１領域Ｖ３の電荷Ａ０とを、それぞれ出力エリアの行の数と同じ数だけ列の方向に転送する。そして、出力エリアに電荷Ａ２を読み出す。電荷Ａ２は、電荷Ａ１のフレームの次のフレームに相当する。

図６（ａ）に示すように、垂直電荷転送部５２を転送駆動し、第１領域Ｖ４〜Ｖ２の電荷Ａ２〜Ａ０をそれぞれ１エリア分だけ列の方向に転送する。こうすることで、第１領域Ｖ４の電荷Ａ２が第１領域Ｖ３へ移動し、第１領域Ｖ３の電荷Ａ１が第１領域Ｖ２へ移動し、第１領域Ｖ２の電荷Ａ０が第１領域Ｖ１へ移動する。その後、出力エリアに電荷Ａ３を読み出す。

次に、図６（ｂ）に示すように、出力エリアに読み出された電荷をラインメモリに転送する。ここで、第２領域ＶＤＲ１〜ＶＤＲ４のうち、第２領域ＶＤＲ１〜３に含まれる各垂直電荷転送部５２に対応する垂直ドレイン部にドレイン電圧を印加することで、第２領域ＶＤＲ１〜３に含まれる垂直電荷転送部５２の電荷が排出される。一方で、垂直ドレイン電圧が印加されない第２領域ＶＤＲ４に存在し、かつ、垂直電荷転送部５２の転送方向において最終エリアに相当する第１領域Ｖ１に存在する電荷Ａ０の一部がラインメモリから水平電荷転送部５６に転送される。垂直電荷転送部５２から水平電荷転送部５６への１回の転送で、第２領域ＶＤＲ４の垂直電荷転送部５２の列の数に相等する電荷が転送される。

図６（ｃ）に示すように、水平電荷転送部５６に読み出された電荷を、該電荷が読み出された出力エリアの第２領域に含まれる垂直電荷転送部５２の列の分（つまり、第２領域の１領域分）だけ、水平方向に転送する。このとき、電荷Ａ０を転送した分だけ電荷Ａ１〜Ａ３も転送される。そして、図６（ｄ）のように水平転送を繰り返すことで、第１領域Ｖ１及び第２領域ＶＤＲ４のエリアの電荷Ａ０を出力する。その後、水平電荷転送部５６に読み出された電荷を、読み出された第２領域に含まれる垂直電荷転送部５２の列の分だけ転送した後、該水平電荷転送部５６での転送を一旦停止し、第１領域の電荷を列方向に転送する動作を繰り返すことで、電荷Ａ１〜Ａ３を順次に転送し、出力する。

図５及び図６に示す手順を繰り返し、撮像時に出力エリアで得られた電荷Ａ０〜Ａ３をそれぞれ１フレームで出力する駆動を行うことで、撮像領域全体の電荷を１フレームで読み出す駆動を行うことに比較して、駆動時間を約１６倍高速にすることができる。言い換えると、図５及び図６に示す手順によれば、電荷の出力にかかる時間を約１／１６に短縮することができる。

上記構成によれば、撮像領域が、垂直電荷転送部５２の複数の第１領域と水平電荷転送部５６の複数の第２領域とによって複数のエリアに分割されており、第１領域及び第２領域に独立して電圧を印加することで、撮像領域における任意のエリアを選択して、そのエリアを１フレームとして出力することができる。このとき、垂直ドレイン部に印加するドレイン電圧を制御することで、任意のエリアの電荷のみを水平電荷転送部で転送させるとともに、任意のエリア以外のエリアの電荷を排出することができ、全部のエリアの電荷を読み出す時間に対してより早く任意のエリアの電荷のみを高速読み出しすることが可能となる。

複数の第１領域Ｖ１〜Ｖ４それぞれの列方向の大きさが同一で、かつ、第２領域ＶＤＲ１〜ＶＤＲ４それぞれの行方向の大きさが同一とすれば、垂直転送時に電荷を隣接する第１領域へ転送する時間を全て等しくでき、また、水平転送時に電荷を隣接する第２領域へ転送する時間を全て等しくできる。このため、駆動制御が行いやすくなる。第１領域Ｖ１〜Ｖ４それぞれの列方向の大きさか、または、第２領域ＶＤＲ１〜ＶＤＲ４それぞれの行方向の大きさを同一としてもよい。
上記実施形態では、第１領域Ｖ１と第２領域ＶＤＲ４とに区画された１つのエリアを出力エリアとしたが、互いに隣接する複数のエリアで形成される矩形エリアを出力エリアとしてもよい。こうすれば、撮影者の任意の大きさのエリアの撮像信号を高速に得ることができる。

次に、本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法の第２実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図７は、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法の手順の一部を説明する図である。図８は、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態では、撮像領域のうち第１領域と前記第２領域とによって分割された複数のエリアのうち所定のエリアを選択し、該所定のエリアをオートフォーカスエリア（以下、ＡＦエリアという。）に設定し、ＡＦエリアのみを上記第１実施形態の駆動方法において高速処理する。

最初に、固体撮像素子は、ＡＦエリアを指定するモードか否かを判別し、ＡＦエリアを指定するモードではないときには、通常の撮影モードに設定する。通常の撮影モードでは、撮像領域の全てで電荷の読み出しを行い、１フレームとして出力する。

ＡＦエリアを指定するモードであると判別すると、ＡＦエリアを選択するステップに移る。このステップでは、ユーザーがオートフォーカス処理を実行したい領域を選択する。図７に示すように、本実施形態では、撮像領域における人物の顔の位置に基づいて、第１領域Ｖと第２領域ＶＤＲ３とによって区画されるエリアをＡＦ動作を行うエリアに選択した。本実施形態では、このＡＦ動作を行うエリアの電荷Ａ０を１フレームで出力する。このとき、顔認識処理などを用いることで、撮像装置側がＡＦエリアを自動で選択してもよい。

ＡＦ動作を行うエリアを選択した後、撮像装置の表示部２３に撮像領域全体のスルー画をムービーモード（ＭＶモード）で表示する動作を実行する。そして、ユーザーの所定の操作が行われると、先に選択されたＡＦ動作を行うエリアについてＡＦ処理が実行される。ここで、ユーザーの所定の操作とは、例えば、レリーズボタンの半押しなどの操作である。

選択されたＡＦ動作を行うエリアについてＡＦ処理では、上記第１実施形態の駆動方法の手順と同様に、選択されたＡＦ動作を行うエリアを出力エリアとして１フレームで高速に出力する動作が実行される。具体的には、第１領域Ｖ３に対応する行と第２領域ＶＤＲ３に対応する列に含まれる光電変換部ＰＤで生成された電荷を１フレームで出力する。このとき、選択された第１領域Ｖ３の光電変換部ＰＤの電荷を転送し、選択された第２領域ＶＤＲ２の垂直電荷転送部５２の電荷のみを出力し、第２領域ＶＤＲ１，２及び４の垂直ドレイン部５３をオン状態とすることで、第２領域ＶＤＲ１，２及び４の垂直電荷転送部５２の電荷を排出する。こうすることで、選択されたＡＦ動作を行うエリアを１フレームで高速に出力する。

ＡＦ処理された画像のＡＦ値を評価し、ＡＦエリアの合焦の度合いを判別する。ここで、ＡＦエリアの合焦が不適正等の理由によって再度ＡＦ処理が必要な場合には、レンズ駆動部８によってレンズ１の位置を調整し、再度、選択されたＡＦエリアについて、１フレームで高速に出力する動作が実行される。ＡＦエリアの合焦が適性であると判定されると、ＡＦ完了となる。
本実施形態によれば、撮像領域の所定のエリアのみを高速にＡＦ処理することが可能となる。

次に、本発明にかかる固体撮像素子の駆動方法の第３実施形態を説明する。
図９は、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法の手順の一部を説明する図である。図１０は、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態では、撮像領域全体の電荷を１フレームで出力して画像を表示し、撮像領域における第１領域と前記第２領域とによって分割された複数のエリアのうち所定のエリアを選択し、該所定のエリアを上記第１実施形態の駆動方法を用いて高速処理することで、撮像領域全体の表示する際に、所定のエリアを高速に更新して表示する。

最初に、固体撮像素子は、撮像領域に表示されるムービーの一部を高速で表示するモード（例えば、部分高速ＭＶモードという。）か否かを判別し、部分高速ＭＶモードではないときには、通常の撮影モードに設定する。通常の撮影モードでは、撮像領域の全てで電荷の読み出しを行い、１フレームとして出力する。ムービーモードでは、垂直方向及び水平方向に間引いた信号電荷を得ている。垂直方向の間引きは、光電変換素子から垂直電荷転送部への読み出しを間引いたり、垂直方向の複数の光電変換素子の電荷を垂直電荷転送部で加算（混合）させたりすることによって実現される。また、水平方向の間引きは、ラインメモリによって垂直電荷転送部から水平電荷転送部への転送列を間引いたり、水平電荷転送部において複数の垂直電荷転送部からの電荷を加算（混合）することによって実現される。

部分高速ＭＶモードであると判別すると、高速表示エリアを選択するステップに移る。このステップでは、ユーザーが撮像領域において高速に表示したいエリアを選択する。図９（ａ）に示すように、撮像領域に人物の画像を表示する場合には、撮像領域を構成する複数のエリアと人物の顔の位置とを比較し、図９（ｂ）に示すように第１領域Ｖ１〜Ｖ４と第２領域ＶＤＲ１〜ＶＤＲ４とによって区画される複数のエリアから所定のエリアを高速表示エリアに選択する。本実施形態では、高速表示エリアの電荷Ａｎを１フレームで繰り返して出力する。なお、高速表示エリアの選択は、顔認識処理などを用いることで、撮像装置側が自動で処理されてもよい。

部分高速エリアを選択した後、撮像装置の表示部２３に撮像領域全体のスルー画をムービーを表示する動作を開始する。

図９（ｃ）に示すように、撮像領域の全体で撮像された画像のムービーを表示するため、該撮像領域に含まれる全てのエリアａ１〜ａ１６の電荷が１回読み出しされ、出力される。このとき、固体撮像素子の駆動動作は、通常モードの動作と同じである。

続いて、上記第１実施形態の駆動方法の手順と同様に、選択された高速表示を出力エリアとして１フレームで高速に出力する動作が実行される。具体的には、第１領域Ｖ３に対応する行と第２領域ＶＤＲ３に対応する列に含まれる光電変換部ＰＤで生成された電荷を１フレームで出力する。このとき、選択された第１領域Ｖ３の光電変換部ＰＤの電荷を転送し、選択された第２領域ＶＤＲ２の垂直電荷転送部５２の電荷のみを出力し、第２領域ＶＤＲ１，２及び４の垂直ドレイン部５３をオン状態とすることで、第２領域ＶＤＲ１，２及び４の垂直電荷転送部５２の電荷を排出する。こうすることで、選択された高速表示エリアを１フレームで出力する。

本実施形態では、一例として、全エリアの電荷を１回読み出し、通常の１つのフレームを出力し、高速表示エリアのみの電荷を１６回読み出し、１６のフレームを出力する。

表示部２３に全エリアのフレームに基づいて生成された画像を表示するとともに、当該画像に合成される画像を生成するために高速表示エリアについて電荷を複数回読み出す。こうして、撮像領域のうち高速表示エリアは連続するフレームによって高速で表示を更新し、更新された高速表示エリアのフレームを全エリアのフレームに合成することで生成された画像を表示することができる。撮影終了の指示があるまでの間、所定の感覚で全エリアの電荷の読み出し、転送、出力を繰り返すと共に、全エリアのうち高速表示エリアについては、同様に複数回読み出して、フレームを逐次出力し、表示される画像を更新する。

本実施形態では、全エリアのフレームを１／３０秒で出力し、続いて高速表示エリアのフレームを１／３０秒で１６回出力し、再び全エリアのフレームを１／３０秒で出力する、といった手順を繰り返すことで、ムービーモードの場合に重要な部分のみを高いフレームレートで表示することが可能となる。撮像領域において、人物と背景とが撮像領域に含まれる場合には、人物の特定の部分を高速表示エリアに選択することで、背景のフレームレートを１５ｆｐｓとすると、人物の特定の部分のみのフレームレートを１５×１６ｆｐｓにすることができる。

また、録画モード（RECモード）の場合には、人物像を撮影する際に、目を開けているフレームや笑顔のフレームだけを選択して合成することや、複数のフレームを合成して、例えば、移動体の軌跡を同一の静止画中に表示することも可能である。

本発明にかかる固体撮像素子を備えた撮像装置の概略構成を示す図である。 第１実施形態の固体撮像素子の構成を概略的に示す平面図である。 第１実施形態の固体撮像素子の構成の一部を概略的に示す図である。 第１実施形態の固体撮像素子の制御系を示す図である。 第１実施形態の固体撮像素子において選択された第１領域の電荷を読み出す手順を示す図である。 固体撮像素子において選択された第２領域の電荷のみを水平電荷転送部（HCCD）によって転送する状態を示す図である。 第２実施形態の固体撮像素子の駆動方法の手順の一部を説明する図である。 第２実施形態の固体撮像素子の駆動方法の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態の固体撮像素子の駆動方法の手順の一部を説明する図である。 第３実施形態の固体撮像素子の駆動方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

５ 固体撮像素子
５２ 垂直電荷転送部
５３ 垂直ドレイン部
５６ 水平電荷転送部
ＰＤ 光電変換部
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４ 第１領域
ＶＤＲ１，ＶＤＲ２，ＶＤＲ３，ＶＤＲ４ 第２領域

Claims (12)

1. 行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、
   前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、
   前記複数の光電変換素子と前記垂直転送部との間に設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を前記垂直転送部に読み出す電荷読み出し部と、
   前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部と、
   前期垂直転送部に隣接して設けられ、前記垂直転送部によって転送される電荷を排出する垂直ドレイン部と、とを備え、
   前記光電変換素子が配列される撮像領域は、前記列方向に分割された複数の第１領域と、前記行方向に分割された複数の第２領域を有しており、
   前記電荷読み出し部は、前記第１の領域毎に独立駆動可能であり、
   前記垂直ドレイン部は、前記第２の領域毎に独立駆動可能である固体撮像素子。
2. 前記複数の第１領域それぞれの前記列方向の大きさが同一である請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記複数の第２領域それぞれの前記行方向の大きさが同一である請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
4. 上記請求項１から３のいずれかに記載の固体撮像素子を備えた撮像装置。
5. 行方向及び列方向に２次元配置された複数の光電変換素子と、
   前記光電変換素子に隣接して設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部と、
   前記複数の光電変換素子と前記垂直転送部との間に設けられ、前記光電変換素子で発生した電荷を前記垂直転送部に読み出す電荷読み出し部と、
   前記垂直転送部によって転送される電荷を、行方向に転送する水平転送部と、
   前期垂直転送部に隣接して設けられ、前記垂直転送部によって転送される電荷を排出する垂直ドレイン部と、とを備え、
   前記光電変換素子が配列される撮像領域は、前記列方向に分割された複数の第１領域と、前記行方向に分割された複数の第２領域を有しており、
   前記電荷読み出し部は、前記第１の領域毎に独立駆動可能であり、
   前記垂直ドレイン部は、前記第２の領域毎に独立駆動可能である固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記電荷読み出し部を制御して、前記複数の第１領域のうちいずれかの領域に含まれる前記光電変換部で生成された電荷を読み出し、読み出した電荷のうち前記複数の第２領域のうちいずれかの領域に含まれる前記垂直電荷転送部の電荷のみを出力し、その他の前記垂直電荷転送部の電荷を前記垂直ドレイン部によって排出する固体撮像素子の駆動方法。
6. 前記複数の第１領域それぞれの前記列方向の大きさが同一である請求項５に記載の固体撮像素子の駆動方法。
7. 前記複数の第２領域それぞれの前記行方向の大きさが同一である請求項５又は６に記載の固体撮像素子の駆動方法。
8. 前記水平電荷転送部に読み出された電荷を、読み出された前記第２領域に含まれる前記垂直電荷転送部の列の分だけ転送した後、該水平電荷転送部での転送を一旦停止し、前記第１領域の電荷を列方向に転送する請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法。
9. 前記第１領域に含まれる前記光電変換部の行と同じ行数だけ前記垂直電荷転送部によって転送した後、次のフレームの読み出しを行う請求項５又は８に記載の固体撮像素子。
10. 前記撮像領域のおいて前記第１領域と前記第２領域とによって分割された複数のエリアのうち、所定のエリアが選択され、該エリアの電荷を１フレームで出力する請求項６から９のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法。
11. 前記所定のエリアがオートフォーカス処理される請求項１０に記載の固体撮像素子の駆動方法。
12. 前記撮像領域の電荷を１フレームの画像で表示するときに、当該１フレームの画像の一部に合成される画像を生成するため、前記所定のエリアの電荷が複数回読み出される請求項１０に記載の固体撮像素子の駆動方法。

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