JP3967853B2 - 固体撮像装置および信号読出し方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置および信号読出し方法に関し、たとえば、数百万を越えるような画素数の高画素化した撮像部を有するディジタルカメラや画像入力装置等に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、銀塩カメラの画質を目指して、電気的に被写体の画像を撮影するディジタルカメラが画素数を一層高める技術が各種提案されてきている。たとえば、特開平10-136391 号公報には、画像の空間サンプリングの最適化をもたらし、受光効率の向上を図るように画素をずらして配置するとともに、モアレ等の偽信号を抑圧する固体撮像装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高画質を目的として撮像部に高画素化した画素アレイを用いたディジタルカメラ等においては、本撮像（すなわち、スチル撮像）を行う前に、撮像部からAE/AF (Automatic Exposure/Automatic Focusing）動作や液晶画面に画像を表示させるムービー駆動を行っている。この場合、画素アレイの高画素化に伴って撮像により得られた信号電荷を読み出す時間が以前よりも要してしまう。これはフレームレートに問題を生じることを意味している。ここで、高画素とは、たとえば、百万画素以上の画素数、いわゆるメガピクセルのことを示している。
【０００４】
この問題の対策として読出しフレームレートを上げるために撮像部で得られた信号電荷を垂直方向に間引き読出しする方法が提案されている。具体的には、たとえば150 万画素（1280×1024）を全画素読出しする際の駆動周波数CLK が12.2725MHzのとき、この駆動周波数CLK を基に１水平同期期間（1H）と１垂直同期期間（1V）は、それぞれ、1H=1560CLK, 1V=1050Hとなる。すなわち、フレームレートは133msec ＝1/7.5secである。垂直方向に1/2 間引きすると、1Hは同じ時間を要して1V=525H であるから、フレームレートは66.7msec=1/15secになる。さらに、垂直方向に1/4 間引きしても1V=262.5H であるから、33.4msec=1/30sを要することがわかる。
【０００５】
ここで、150 万画素を全画素読出しして従来の方式の画像サイズ、すなわち（640 ×480 ) をムービー動作で表示を行う場合、上述した条件で水平・垂直方向にともに1/2 の画素間引きを行う。この結果、画素間引きしても水平方向の画素は640 画素、垂直方向の画素（走査線）は525 本である。また、垂直方向に1/4 間引きする場合、水平方向には1/2 間引きしか行われない。これにより、垂直方向の本数が262.5 本になることから、フレームレートの改善が図られる。しかし、この垂直間引きは480 本に足りないので、所望の本数に合わせるため垂直方向には補間処理が行われる。一方、水平方向について画素は1280画素すべて読み出して後段の信号処理において間引き処理を行って640 画素に合わせている。このことからも明らかなように画素ずらし配置がなされた高画素を有する撮像部からの信号電荷の読出しにおいてフレームレートの改善を厳密に考慮した水平方向に対する画素間引き読出しは行われていない。この結果、本撮像のタイミングに間に合わなくなってしまう虞も生じてくる。
【０００６】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、高画素で高画質化しても予備的な信号読出しの出力レートを改善し、本撮像に影響することなく行うことのできる固体撮像装置および信号読出し方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、光電変換する受光素子の位置を隣接した受光素子に対して互いにずらして２次元配置し、各受光素子に対して被写界からの入射光側に該入射光を色分解する色分解手段が配された撮像手段から信号電荷をすべて読み出す本撮像と、この本撮像の前に行う予備の撮影とで信号電荷の読出しを行い、得られた信号にディジタル信号処理を施して出力する固体撮像装置において、撮像手段の受光素子から信号電荷を読み出す第１の転送電極を形成するとともに、少なくとも水平方向に２列以上の間隔で受光素子の一つに対して第２の転送電極を形成し、予備の撮影にて、撮像手段の受光素子の第２の転送電極を介してこの受光素子で得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路への転送タイミング信号、この垂直転送路に供給された信号電荷を垂直転送路と直交する方向に配した水平転送路に転送させる垂直駆動信号およびこの水平転送路に転送された各信号電荷の色を維持してタイミング調整しながら、この各信号電荷を転送させる水平駆動信号を、それぞれ供給する信号供給手段を含むことを特徴とする。
【０００８】
ここで、第２の転送電極を形成する場合、転送電極は対象となる受光素子に隣接した垂直転送路の側で、かつ異なるタイミングで信号電荷が読み出される位置にそれぞれ形成されることが好ましい。
【０００９】
色分解手段は、原色フィルタを用いる場合、この原色フィルタの配置パターンとして色G の色フィルタを正方格子状に配し、色G の色フィルタ配置の中央に位置する受光素子に色R または色B を交互に配し、かつ色G を介した対角に位置する色フィルタを同色にした完全市松パターンを用いることが望ましい。
【００１０】
信号供給手段は、予備の撮影で第２の転送電極を介して信号電荷を読み出す前記転送タイミング信号と、水平転送路に１ラインずつまたは２ラインずつ供給する垂直駆動タイミング信号と、水平転送路において前記信号電荷を格納するパケットに隣接する２つに対して同時に信号電荷を蓄積するポテンシャル井戸を形成する水平駆動タイミング信号とを、それぞれ生成し、これらの信号を用いて得られた駆動信号を撮像手段に供給することが好ましい。
【００１１】
信号供給手段は、水平転送路の電極構造に基づく駆動の同相範囲を３パケット分にした駆動信号を供給するとよい。
【００１２】
さらに、信号供給手段は、水平転送路が２電極構造の場合、信号電荷の読出しが２列おきに得られる関係から６パケットの半分を転送キャリアに用いて２相駆動する駆動信号を供給することが望ましい。
【００１３】
本発明の固体撮像装置は、予備の撮影にて信号供給手段から供給される駆動信号に応じて撮像した信号電荷を第２の転送電極を介して対象の受光素子に隣接する垂直転送路に読み出して転送すると、水平方向に、１／（第２の転送電極が形成された間隔＋１）に間引きされた信号電荷読出しが行われる。この結果、少なくとも、水平方向に1/3 以上の間引き読出しが行われる。読み出した信号電荷、すなわち画素データが垂直駆動により水平転送路に転送される。水平転送路には信号供給手段からタイミング調整された水平駆動信号により間引きして得られた1/3 の画素データをそのままの周波数で読み出すことにより、画素の送出レートを３倍以上にして出力している。
【００１４】
また、本発明は上述の課題を解決するために、用意した２次元配置した受光素子が隣接する受光素子と互いに位置がずれた位置関係に配し、複数の受光素子のそれぞれに対応して被写界からの入射光側で各色に色分解し、この色分解した光をそれぞれの受光素子で光電変換して信号電荷を読み出す際に、記録用に撮影した信号電荷を読み出す本撮像と、この本撮像の前に信号電荷を読み出す予備の撮影とに応じて信号電荷を読み出す信号読出し方法において、受光素子からの信号電荷読出しに用いる第１の転送電極を該受光素子に接触形成しておくとともに、各色に分解する色フィルタの配置パターンに応じて少なくとも水平方向に２列以上の間隔で受光素子の一つに対して第２の転送電極を用意し、受光素子にて、撮像して得られた信号電荷の読み出しに用いる駆動信号を生成する信号生成工程と、予備の撮影にて、２次元配置の受光素子のうち、信号生成工程で生成した駆動信号を用い、第２の転送電極だけを導通状態にする水平間引き読出し工程と、この水平間引き読出し工程で読み出した信号電荷を信号生成工程で生成した駆動信号を用いて、垂直方向に転送させる垂直転送工程と、この垂直転送工程により転送した信号電荷を垂直転送方向と直交する方向の水平方向への転送において信号生成工程で生成した水平駆動の供給タイミングを調整して水平間引きして読み出した信号電荷を転送し、出力する水平転送工程とを含むことを特徴とする。
【００１５】
ここで、色分解には、原色フィルタを用いる場合、この原色フィルタの配置パターンとして色G の色フィルタを正方格子状に配し、色G の色フィルタ配置の中央に位置する受光素子に色R または色B を交互に配し、かつ色G を介した対角に位置する色フィルタを同色にした完全市松パターンを用い、信号生成工程では、配置パターンに対応して読み出した信号電荷の色情報が本撮像時の読出し関係と同じ順序に読み出す駆動信号を生成し、供給することが好ましい。
【００１６】
信号生成工程は、予備の撮影を行う際に水平方向に信号電荷を格納するパケットに連続する２つに対して同時に井戸を形成する水平駆動タイミング信号を生成することが望ましい。
【００１７】
水平転送工程は、信号電荷の転送に用いる位相駆動信号に関して同相の範囲を連続３パケット分にして２相駆動する駆動信号を用いるとよい。
【００１８】
また、水平転送工程は、通常の水平転送に２相駆動信号を用いている場合、信号電荷の読出しが２列おきに得られる関係から６パケットの半分を転送キャリアにするとともに、この６パケットに対して２相駆動信号を行うことが好ましい。これにより、２相駆動でありながら、６相駆動した場合と同等の信号送出レートで水平転送させることができる。したがって、単なる２相駆動に比べて３倍のレートで信号送出されることになる。
【００１９】
本発明の信号読出し方法は、予備の撮影にて、第２の転送電極に対して生成した駆動信号を供給して撮像した信号電荷を受光素子から読み出すことにより、たとえば水平方向に第２の転送電極を設ける際の間隔が２列以上にする場合、少なくとも１／（２列＋１）、すなわち1/3 の間引きした信号電荷（画素データ）が読み出される。この信号電荷を垂直転送すると、水平方向の１ラインには水平方向に配した画素数の1/3 以下に相当する信号電荷が水平転送を行う前に本撮像時に読み出されるパターンと同様の信号読出しを行うと、信号電荷は通常の本撮像に比して1/3 以下であるが、三原色RGB が本撮像と同じ色の読出し関係に揃えることができる。この信号電荷の水平転送をタイミング調整し、周波数がそのままの水平駆動信号により水平転送するので、画素の送出レートを３倍以上にできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の一実施例を詳細に説明する。
【００２１】
本発明を適用した実施例のディジタルスチルカメラ10の構成を図１に示す。図１のディジタルスチルカメラ10には、光学レンズ系12、操作部14、システム制御部18、信号発生部20、タイミング信号供給部22、絞り調節機構24、光学ローパスフィルタ26、色分解部28、撮像部30、前処理部32、A/D 変換部34、信号処理部36、圧縮／伸張部38、記録再生部40、およびモニタ42が備えられている。これら各部を順次説明する。光学レンズ系12は、たとえば、複数枚の光学レンズを組み合わせて構成されている。光学レンズ系12には、図示しないが、これら光学レンズの配置する位置を調節して画面の画角を操作部14からの操作信号に応じて調節するズーム機構や被写体とカメラ10との距離に応じてピント調節する、AF（Automatic Focus:自動焦点）調節機構が含まれている。これらの機構の調節は、操作部14の一部を成すレリーズシャッタが、たとえば半押し状態にされた際に予備的な被写界の撮像を行って得られる情報に基づいて行われる（予備の撮像とする）。操作信号は、システムバス16を介してシステム制御部18に供給される。光学レンズ系12には、後述する信号発生部20、タイミング信号供給部22のタイミング信号発生部22a 、ドライバ部22b を介して駆動信号が供給される。本撮像する場合、得られた情報に応じてピント・露出等が設定された状態で上述したレリーズシャッタを全押しすることにより撮像タイミングをシステム制御部18に供給している。システム制御部18は、この信号を受けて本撮像の撮像および信号読出しといった撮像制御を行う。
【００２２】
操作部14には、図示しないレリーズシャッタやたとえばモニタ画面に表示される項目を選択する機能が備えられている。特に、レリーズシャッタは、複数の段階のそれぞれでカメラ10の操作を行うようにシステムバス16を介して操作信号をシステム制御部18に出力する。また、本実施例において操作部14は、各種の動作・処理を行う際のモードの選択などを行えるように、モニタに表示されるポインティングデバイスも備えている。この場合の操作部14の操作に応じた信号がシステム制御部18に操作信号として供給される。
【００２３】
システム制御部18は、たとえば CPU（Central Processing Unit:中央演算処理装置）を有する。システム制御部18には、ディジタルスチルカメラ10の動作手順が書き込まれた ROM（Read Only Memory：読み出し専用メモリ）がある。システム制御部18は、たとえば、ユーザの操作に伴って操作部14から供給される情報とこの ROMの情報を用いて各部の動作を制御する制御信号を生成する。システム制御部18は、生成した制御信号を信号発生部20、あらわに制御信号の供給を示していないがタイミング信号供給部22、前処理部32、A/D 変換部34の他に、システムバス16を介して信号処理部36、圧縮／伸張部38、記録再生部40およびモニタ42にも供給する。特に、システム制御部18は、後述するタイミング信号供給部22に対して予備の撮像と本撮像とで生成するタイミング信号等が異なるように切換制御している。また、システム制御部18は、後述する信号処理部36に対しても特徴を有する各種の制御を行っている。
【００２４】
信号発生部20は、システム制御部18からの制御に応じてシステムクロックを発振器により発生する。信号発生部20は、このシステムクロックをタイミング信号供給部22および信号処理部36に供給する。また、システムクロックは、たとえばシステムバス16を介してシステム制御部18の動作タイミングの基準としても供給される。
【００２５】
タイミング信号供給部22には、タイミング信号発生部22a およびドライバ部22b が備えられている。タイミング信号供給部22は、システム制御部18の制御によって予備の撮像と本撮像とで切換制御されることにより、異なるタイミング信号を生成する。
【００２６】
タイミング信号発生部22a は供給されるシステムクロックを制御信号に基づいて各部を動作させるタイミング信号を生成する回路を含む。生成するタイミング信号は、たとえばトランスファシフトゲートパルス、垂直転送タイミング信号、および水平転送タイミング信号である。これらの信号は予備の撮像と本撮像とで供給のタイミングや周波数を変更することが一般的に行われる。ただし、本実施例の予備の撮像では、基本的に（水平方向の読出しに関わる）周波数を変更させず、そのまま用いて本撮像の場合と異なるタイミングで信号を供給するように変えている。
【００２７】
この供給する信号のタイミングの変更は、受光素子に隣接して形成されたトランスファシフトゲート（転送電極）に印加するトランスファシフトゲートパルスを用いて行う。本撮像のモードにおいて、後述するように、G 正方RB完全市松パターンの色フィルタ配置のなされた受光素子から全画素読出しする際にトランスファシフトゲートパルスを通常、従来から形成されている側の第１の転送電極（トランスファシフトゲート）EL1 に供給する。
【００２８】
また、予備の撮像のモードにおいて、本撮像のモードでの信号電荷読出し、すなわち第１の転送電極からの信号読出しと信号読出しを区別するために読み出すトランスファシフトゲートパルスの供給する先を異ならせる。信号の供給先を異ならせることから、生成し、供給するトランスファシフトゲートパルスも本撮像時の供給とは異なるタイミング信号を用いる。これらの理由により、受光素子と垂直転送路との間に第１の転送電極EL1 と異なる第２の転送電極EL2 を形成する。この形成位置は、後段の撮像部の構成で詳述するが、転送電極EL1 との区別する条件から決まってくる。予備の撮像のモードでは第２の転送電極EL2 だけにトランスファシフトゲートパルスを印加するようにタイミング信号を生成する。
【００２９】
垂直駆動は、用いる色フィルタ配置の関係から三原色RGB がすべて揃うように２ライン同時読出しに対応した垂直転送タイミング信号をタイミング信号発生部22a で生成し、この生成した垂直転送タイミング信号を用いてドライバ部22b で垂直駆動信号を生成する。この垂直駆動は、本撮像でも同じに使うことを重視して垂直間引きしない場合、単に１ラインずつの転送でも構わない。垂直方向に間引きを行う場合、２ライン同時読出しした際の色関係が保たれるように間引きする。
【００３０】
そして、水平転送に際して供給された信号電荷の位置関係に着目して、水平転送パケットが従来の本撮像時の２パケットに比べて３倍の６パケット数を単位に扱う。これは信号電荷を有する間の転送電極構造がたとえば３電極数ずつを扱うことを意味する。しかしながら、タイミング信号発生部22a はこの電極数に応じて初めの位相駆動を保ちながら、信号電荷が移動するように考慮した水平転送タイミング信号を生成し、供給する。後述する水平転送路HRが６電極構造を用いていることおよび２相駆動を行っていることから６パケットの半分、すなわち３パケットずつ同相にするタイミングが有効である。より具体的な説明は後段で行う。
【００３１】
タイミング信号発生部22a は、基本的にシステム制御部18の制御により撮像のモードに応じてタイミング信号を生成し、この生成したタイミング信号を図１に示すように各部に出力するとともに、ドライバ部22b にも供給する。ドライバ部22b は、各タイミングで供給されるタイミング信号を重畳させて駆動信号を生成している。ドライバ部22b は前述した光学レンズ系12のズーム調節機構およびAF調節機構の他、絞り調節機構24および撮像部30にも駆動信号をそれぞれ供給する。ドライバ部22b もシステム制御部18により直接的に制御させるようにしてもよい。また、システム制御部18はドライバ部22b に対して、たとえば読み出したくない列のフィールドシフトゲートパルスの駆動信号への重畳を禁止するようにしてもよい。
【００３２】
絞り調節機構24は、被写体の撮影において最適な入射光の光束を撮像部30に供給するように入射光束断面積（すなわち、絞り開口面積）を調節する機構である。絞り調節機構24にもドライバ部22b から駆動信号が供給される。この駆動信号は、前述したシステム制御部18からの制御に応じて動作させるための信号である。この場合、システム制御部18は、図示しないが、撮像部30で光電変換した信号電荷を基にAE（Automatic Exposure :自動露出）処理として絞り・露光時間を算出している。絞り調節機構24には、この算出した値に対応する制御信号が供給されたタイミング信号発生部22a からの信号に応じた駆動信号がドライバ部22b から供給される。
【００３３】
撮像部30は光電変換する撮像素子を光学レンズ系12の光軸と直交する平面が形成されるように配置する。また、撮像素子の入射光側には、個々の撮像素子に対応して光学像の空間周波数をナイキスト周波数以下に制限する光学ローパスフィルタ26と一体的に色分解する色分解部28の色フィルタCFが一体的に配設される。本実施例では単板方式の色フィルタを用いて撮像する。色フィルタCFの種類等については後段でさらに詳述する。撮像素子には、 CCD（Charge Coupled Device:電荷結合素子）や MOS（Metal Oxide Semiconductor:金属酸化型半導体）タイプがある。撮像部30は、供給される駆動信号に応じて光電変換によって得られた信号電荷を予備の撮像と本撮像とそれぞれのモードに合わせて読み出す。
【００３４】
本実施例では画素ずらしした、いわゆるハニカム配置していること、および色フィルタパターンに色フィルタR, G, B のうち、色G の色フィルタを正方格子状に配し、これら格子の中心に配する色R, Bの色フィルタを完全市松状に配したパターンを形成している。この用いている色フィルタ配置パターンをG 正方（格子）RB完全市松パターンと呼ぶ（図２を参照）。
【００３５】
図１に戻って、前処理部32には、図示しないがCDS （Correlated Double Sampling: 相関二重サンプリング；以下CDS という）部が備えられている。CDS 部は、たとえば、CCD 型の撮像素子を用いて、基本的にその素子により生じる各種のノイズをタイミング信号発生部22a からのタイミング信号によりクランプするクランプ回路と、タイミング信号により信号電荷をホールドするサンプルホールド回路を有する。CDS 部は、ノイズ成分を除去してA/D 変換部34に送る。A/D 変換部34は、供給される信号電荷というアナログ信号の信号レベルを所定の量子化レベルにより量子化してディジタル信号に変換するA/D 変換器を有する。A/D 変換部34は、タイミング信号発生部22a から供給される変換クロック等のタイミング信号により変換したディジタル信号を信号処理部36に出力する。
【００３６】
信号処理部36には、図示しないが得られた画像をより一層高画質化するためにデータ補正部、輝度データ生成機能部、輝度データ補間機能部、高解像度プレーン補間機能部、およびマトリクス処理部が含まれる。データ補正部には、色の補正を行うガンマ補正回路や自動的にホワイトバランスの調整を行うAWB (Automatic White Balance）回路等がある。特に、ガンマ補正回路は、 ROM（Read Only Memory）に供給されるディジタル信号とこのディジタル信号に対応して出力する補正データとを組にした複数のデータセットの集まりであるルックアップテーブルを用いる。データ補正部は、この配置に限定されるものでなく、後段に設けてもよいが、この位置に配することにより、設けるルックアップテーブルの個数が最小で済む。これら一連のデータ補正においてもタイミング信号発生部22a からのタイミング信号に応じて供給される。データ補正部は、この処理した補正データを輝度データ生成機能部に出力する。
【００３７】
輝度データ生成機能部はシステム制御部18の制御により動作する。輝度データ生成機能部は、たとえば色の配置を考慮した重み付け演算を行うことにより受光素子の位置する画素での輝度データY を生成し、輝度データ補間機能部に出力する。輝度データ補間機能部は、供給される輝度データY の間にある仮想画素の位置における輝度データの補間生成を行う演算機能部である。輝度データ補間機能部は、プレーンの輝度データYhを生成し、高解像度プレーン補間機能部に供給される。高解像度プレーン補間機能部は、プレーンの輝度データYhとデータ補正した三原色R, G, B の画素データを入力し、これらのデータを用いてR プレーンデータ、G プレーンデータおよびB プレーンデータを生成する演算機能部である。高解像度プレーン補間機能部は、生成した三原色RGB のプレーンデータをマトリクス処理部に出力する。高解像度プレーン補間機能部には、これらの信号処理して得られた画像データを格納するとともに、非破壊読出し可能なメモリがそれぞれ備えられている。高解像度プレーン補間機能部はプレーン補間に用いる画素データを読み出して画素データの算出を行う。マトリクス処理部は、供給される三原色RGB のそれぞれR プレーンデータ、G プレーンデータおよびB プレーンデータを用いて、画像表示に用いる形式、すなわち輝度データY 、色差データ(R-Y), (B-Y)に変換する。これらの出力形式のデータは、各色に定めた混合割合を乗算し演算することから得られる。混合割合を決める係数は、従来からの値を用いる。この変換した３つのデータに各帯域を含み折返し歪が生じないカットオフ周波数に設定してアンチエリアシング処理を施す。このうち、輝度データY をアパーチャ調整部に送って、輝度データY の周波数の高域を持ち上げる。これにより、画像の輪郭が強調される。このようにしてマトリクス処理部は、輝度データY 、色差データ(R-Y), (B-Y)を圧縮／伸張部38およびモニタ42に出力する。マトリクス処理部は、モニタ42に撮像した画像をシステムバス16を介して供給する。
【００３８】
このように構成して信号処理部36は、受光素子の画素データを用いて、この際にたとえば、相関の大きい方の画素データから輝度データY および色差データを生成して圧縮／伸張部38およびモニタ42に出力する。
【００３９】
圧縮／伸張部38は、たとえば、直交変換を用いたJPEG（Joint Photographic Experts Group）規格での圧縮を施す回路と、この圧縮した画像を再び元のデータに伸張する回路とを有する。圧縮／伸張部38は、システム制御部18の制御により記録時には圧縮したデータをシステムバス16を介して記録再生部40に供給する。また、圧縮／伸張部38は、前述と同様にシステム制御部18の制御により信号処理部36からのデータをスルーさせ、システムバス16を介してモニタ42に供給させてもよい。圧縮／伸張部38が伸張処理を行う場合、逆に記録再生部40から読み出したデータをシステムバス16を介して圧縮／伸張部38に取り込んで処理する。ここで、処理されたデータもモニタ42に供給して表示させる。
【００４０】
記録再生部40は、記録媒体に記録する記録処理部と、記録媒体から記録した画像データを読み出す再生処理部とを含む（ともに図示せず）。記録媒体には、たとえば、いわゆる、スマートメディアのような半導体メモリや磁気ディスク、光ディスク等がある。磁気ディスク、光ディスクを用いる場合、画像データを変調する変調部とともに、この画像データを書き込むヘッドがある。モニタ42は、システム制御部18の制御に応じてシステムバス16を介して供給される輝度データおよび色差データまたは三原色RGB のデータを画面の大きさを考慮するとともに、タイミング調整して表示する機能を有する。液晶表示のようなモニタを用いてムービー表示する場合、たとえば、予備の撮像において受光素子、すなわち画素を水平方向の画素数に対して1/3 間引きして得られた画像を表示させる。
【００４１】
図１に示すディジタルスチルカメラ10は、このように構成して高画素化した撮像部30を有していながら予備の撮像と本撮像とを切り換えて制御してそれぞれの撮像に応じた適切な撮像を行っている。すなわち、予備の撮像では高速な信号読出しを行って本撮像の露光条件等の設定を迅速に行わせ、本撮像では全画素読出しを行って、画像全体の画質を高める撮影が行われる。
【００４２】
さらに、撮像部30と色分解部28に用いる色フィルタCFについて説明する。図２は、撮像部30の撮像面およびドライバ部22b からの垂直転送駆動信号V1〜V8を印加する位置関係を示している。撮像部30は、これまで述べてきたように、入射する光を光電変換する受光素子PDに隣接した受光素子PDが垂直方向および水平方向にずらされて２次元配置された受光部30a と、この受光部30a の前面に形成された開口部APを迂回するように配置され、かつ受光素子PDから本撮像モード時における信号を取り出す電極EL1 とともに、２列間隔に予備の撮像モード時における信号を取り出す電極EL2 と、この電極EL1 またはEL2 を介して供給される信号を受光部30a の垂直方向に順次転送する垂直転送レジスタVRと、垂直転送レジスタVRに対して直交する方向、すなわち水平方向に信号を転送する水平転送レジスタHRとを備えている。
【００４３】
垂直転送レジスタVRは、供給される垂直転送駆動信号V1〜V8に応じて信号を転送している。すなわち、垂直転送レジスタは１受光部あたり４電極構造になっている。また、１受光部領域の水平隣接領域は２電極構造で前述したように画素ずらしに対応するように構成されている。すなわち、これに対して水平転送レジスタHRは、６電極構造単位になっている。本実施例の撮像部30に形成された開口部APは、八角形のハニカム形状に形成する。開口形状は、一般的に正方格子であるがこの形状は、感度を向上させるとともに、垂直転送レジスタの幅を同じにして転送効率を低下させないようにする条件を満たせばよい。このことから判るように形状は、多角形でもよく、この他の例としては、正方格子を45°回転させた開口形状として、たとえば、菱形等があり、さらに六角形等にしてもよい。
【００４４】
開口部APは、図２に示すように各開口部APを覆う色フィルタCFの直下にそれぞれ対応して配置される受光素子PDの間隔を各方向毎の画素ピッチPPとするとき、開口部APの配列は、一列毎に垂直方向にあるいは一行毎に水平方向に画素ピッチPP分だけ移動させた２次元配置になっている。四角形以上の多角形を用いる場合、開口形状に合わせて開口部APを隙間なく、隣接する開口部APが稠密な配置に配置にさせてもよい。このような場合、配置する上での画素ピッチPPは半ピッチのずらしでもよい。図２のように六角形の場合、稠密な配置は、水平・垂直方向とも上述した画素ピッチPPの半分だけずらした配置（｜PP｜/2）により形成できる。このように稠密な配置を得るには開口部APの形状に依存する。
【００４５】
また、本発明の特徴の一つが転送電極の構成にある。これは、転送電極を本撮像と予備の撮像とで切り換えて用いる点にある。たとえば、図２に示すように、通常の信号読出しを行う本撮像では受光素子PDの右下側に転送電極 EL1（第１の転送電極）を形成し、予備の撮像では受光素子PDの左上側に転送電極 EL2 (第２の転送電極）を形成する。換言すると、転送電極EL2 は、対象の受光素子PDに隣接する転送電極EL1 を介した垂直転送路VRではなく、この受光素子PDに隣接するととに、受光素子PDを隔て、かつ転送電極EL1 と接する垂直転送路VRの反対側に位置する垂直転送路VRに接触形成されている。したがって、水平転送路HRにおいて、本撮像と予備の撮像では読出し位置に２パケット分のずれがある。
【００４６】
そして、図２から明らかなように本撮像のモードにおいて電極EL1 の設けられている位置に対応してフィールドシフトゲートパルスを含む垂直駆動信号は記号●が示すV1, V3, V5, V7の駆動信号である。予備の撮像のモードにおいて電極EL2 の設けられている位置に対応してフィールドシフトゲートパルスを含む垂直駆動信号は記号▲が示すV2, V4, V6, V8の駆動信号である。
【００４７】
次に本実施例の特徴である予備の撮像（レリーズシャッタの半押し操作時）における動作を説明する。図２の撮像部30は、高速読出しを行う予備の撮像時の状態を示している。この図が示す状態に至る前に、まず、奇数列の受光素子PDから信号電荷を読み出す。この読出しのため、タイミング信号供給部22のタイミング信号発生部22a は垂直駆動信号V2, V4, V6, V8だけに生成したフィールドシフトゲートパルスを供給する。この供給を受けてこのパルスが重畳した垂直駆動信号V2, V4, V6, V8を電極EL2 に供給することにより、フィールドシフトゲートがオン状態になる。この結果、受光素子PDの２列おきに本撮像時と異なる左側の垂直転送路VRに信号電荷が読み出される。読み出された信号電荷は、ドライバ部22b から信号線を介して垂直転送路VRに供給される４相の垂直駆動信号により水平転送路HRに向かって転送される。図２の状態は、垂直転送路VRのパケットを２段転送して水平転送路HRに信号電荷を送った状態である。この色フィルタ配置では、画素ずらししていることから、２ラインずつ信号電荷を読み出す、２ライン同時読出しを行う垂直転送しても異なる色が混じることなく、１水平転送路HRに揃えることができる。このため、水平転送は、２ライン毎に行われる。水平転送を行うにあたり、図２に示すように水平転送路HRには、各パケットに水平駆動信号H1〜H6が供給されている。
【００４８】
２ライン同時読出しを行って水平転送路HRに信号電荷を供給すると、水平転送路HRには、色“B,_,_,_,_,_,G,_,_,_,_,_, R_,_,_,_,_,G,_,_,_,_,_,B,・・・ ”の位置関係に信号電荷が配されることになる。ここで、“_ ”は、信号電荷のない空きパケットを表している。水平転送路HRは、実際２電極構造である。ところで、この信号電荷の配置を見ると、６パケット毎に信号電荷があるので、矢印A の方向への信号電荷の転送を行うことは６相駆動と同等の転送レートで転送が行われることがわかる。すなわち、通常６相駆動では1/6 周期で１電極分、（１パケット分）転送されるから、１周期では６電極（パケット）分の転送ができる。元々行っていた２相駆動を６相駆動と同等の転送ができることから、読出し周波数を変えることなく転送レートは３倍に上がることになる。
【００４９】
この関係について図３を用いて説明する。水平駆動信号H1〜H6の供給タイミングは、水平駆動信号H1, H2, H3は水平駆動信号H4, H5, H6と逆相の位相関係にある（図３(a), (b)を参照）。この関係を水平転送路HRに対応させてまとめると、図３(c) に示す水平駆動の波形が供給されている。この水平駆動信号が供給されると、パケットにはポテンシャル井戸が駆動信号レベルに応じて形成される（図３(d) を参照）。次の水平駆動信号が変化するT/2 秒間隔（半周期）毎に連続した３パケットに印加する水平駆動信号が位相反転する（図３(e) を参照）。この水平駆動信号の位相反転により、ポテンシャル井戸は図３(f) に示すように信号電荷を運ぶパケットを３つずつ矢印A 方向に移動させる。図３(a), (b)の水平駆動信号が図の左から右に時間経過するように供給されるとき、ポテンシャルは図３(d), (f)のように時間変化しながら信号電荷を運ぶことが判る。水平駆動信号は、1/2 周期を同相の領域にするため、水平駆動信号H1, H2, H3を同じレベルの信号にして同時のタイミングで供給する。また、水平駆動信号H4, H5, H6も同じタイミングで供給する（図３(a), (b)を参照）。この水平駆動信号の供給により、３パケット分ポテンシャル井戸を形成し、このパケットを単位に順次信号電荷を転送させ、１周期で６パケット移動させる。結果的に、前述したように、読出し周波数の変更を行うことなく、かつ２相駆動を維持しながら、水平駆動信号の供給タイミングを変えるだけで、水平転送路HRに読み出した信号電荷を３倍の転送レートで読み出すことができる。たとえば、表示装置における最大の規格UXGA（Ultra eXtended Graphics Array ）の水平方向に1600画素、垂直方向に1200画素の情報量を有している撮像部では、予備の撮像において読出しがほぼ533 画素程度となり、VGA (Video Graphics Array ) の640 画素に足りない。しかしながら、さらに撮像部30の高画素化が望まれていることから、このような水平方向の間引き高速読出しは今後のことを鑑みて非常に有効な技術である。
【００５０】
また、本実施例では転送電極EL2 を受光素子PDの２列おきに形成し、この列の受光素子PDすべてに形成したが、垂直方向に間引く場合、垂直駆動信号V2, V4またはV6, V8のいずれか一方の供給を受けるように転送電極EL2 を形成すると、垂直方向に1/2 間引きを行うことができる。この形成する間隔を２ライン同時読出しを考慮して転送電極EL2 を形成し、垂直駆動を行うと、1/4, 1/8間引きなども行うことができる。
【００５１】
このようにして予備の撮像モードにおいて水平方向に少なくとも、1/3 間引きを実現させることができ、読出し周波数を変えなくても信号電荷の読出し時間の短縮化を図ることができる。そして、垂直駆動も転送電極EL2 の配置する間隔を考慮して配すると、撮像部30からさらなる高速の信号電荷読出しを行うことができる。
【００５２】
これに対して、これまで行われていた撮像部30からの信号読出しを比較例として挙げて説明する。ここで、撮像部30の構成は全く同じである（図４を参照）。本実施例と異なる点は、転送電極EL2 が形成されていないことにある。この相違点から明らかなように、撮像部30の各受光素子PDからの信号電荷読出しは、水平方向の間引きが行えず、基本的に本撮像と予備の撮像モードで同じある。ただし、これまで予備の撮像において垂直方向の間引きを1/2, 1/4等の間引きを行って信号電荷の読出しにおける時間短縮を図ってきている。タイミング信号発生部22a は1/2 間引き読出しする場合、フィールドシフトゲートパルスを垂直駆動タイミング信号に供給し、ドライバ部22b でこれらの信号を重畳して垂直駆動信号V1, V3またはV5, V7を生成する。信号電荷を受光素子PDから読み出す場合、ドライバ部22b はこの垂直駆動信号V1, V3, V5, V7を転送電極EL（トランスファシフトゲート）に印加する。この印加により、フィールドシフトゲートパルスが重畳された垂直駆動信号の印加された転送電極ELを介して1/2 に間引いて信号電荷を読み出す。読み出された信号電荷は、水平転送路HRで予備の撮像でも三原色RGB が要求されるとき、２ライン同時読出しが行われる。単に、ライン毎の読出しを行うと、それぞれ色R, Bと色G だけの水平ライン読出しとなる。このため、三原色RGB が１ラインに揃わないので、信号処理における補間を適切に行えないことになる。この２ライン同時読出しした水平転送路HRでの状態が図４の状態である。水平転送路HRの各パケットにはそれぞれ、水平駆動信号H1〜H6が供給されている。水平転送路HRは、１パケット分を障壁に用いて信号電荷を転送する６電極構造を用いている（図４を参照）。
【００５３】
水平転送路HRの信号電荷を転送する場合、電極構造に対応して図５(a), (b)に示すように２相駆動が行われる。一方の相の水平駆動信号が水平駆動信号H1, H3, H5であり、他方の水平駆動信号が水平駆動信号H2, H4, H6である。水平駆動信号H1, H3, H5を印加することにより、生成されるポテンシャル井戸は、図５(c) のように形成される。次に、水平駆動信号H2, H4, H6が印加されると、ポテンシャル井戸は，１パケット分だけ移動する( 図５(d) を参照）。このような手順を繰り返して２ライン分の信号電荷が１ライン分として水平転送路HRから読み出される。この信号読出しは水平方向の間引きを何等考慮されていないので高速読出しを行う際に要する時間が本実施例に比べて本撮像と同様に読み出して３倍かかることになる。図３(d), (f)のポテンシャルの時間変化と図５(c), (d)のポテンシャルの時間変化を比較すると、同じ時間（周期）にポテンシャル井戸の移動量は前者が後者の３倍になっている。すなわち、本実施例の転送レートが３倍になっていることを意味する。
【００５４】
なお、仮に奇数列または偶数列を読み出す信号電荷読出しを行う場合、カラー液晶表示に読み出した画素データには使えないが、たとえば測光に色G だけを用いて行っても水平方向に1/2 間引きすることしかできない。この場合、２倍の水平駆動レートにまでしか水平転送レートを上げられない。
【００５５】
ところで、予備の撮像ではこのように画質優先仕様によって読出し所要時間がかかると、操作上問題が生じる。たとえば、予備の撮像が遅いと、撮りたいタイミングの画像、本撮像までの撮影条件等を設定できなくなることから極端な場合、撮影待機状態となってしまう。
【００５６】
以上のように、いわゆるハニカム配置のディジタルスチルカメラ10において、色フィルタのパターン配置を考慮して予備の撮像時の信号電荷を取り出す転送電極を新たに形成し、形成した転送電極と従来からの転送電極へのタイミング信号供給部22からのタイミング信号（すなわち、フィールドシフトゲートパルス）の供給を区別して撮像部30に供給することで、予備の撮像時に水平方向における選択的な信号電荷の間引き読出しを行う。具体的には、G 正方RB完全市松パターンでは読み出した信号電荷を水平転送する際に３つのパケットが同じポテンシャル（井戸）を形成するように水平駆動信号を供給することによって、読出し周波数を変えることなく、２相駆動でありながら、６相駆動と同等の読み出しを行うことができる。このとき、水平転送レートは３倍にすることができる。このような駆動による信号読出しを行うことによって高画素化した撮像部30を用いても予備の撮像の影響により本撮像のタイミングを外すような操作上の問題等を回避することができるようになる。これにより、ユーザに操作性の違和感を与えることなく、高画質な画像を提供することができる。
【００５７】
【発明の効果】
このように本発明の固体撮像装置によれば、予備の撮影にて信号供給手段から供給される駆動信号に応じて撮像した信号電荷を第２の転送電極を介して対象の受光素子に隣接する垂直転送路に読み出して転送すると、水平方向に、１／（第２の転送電極が形成された間隔＋１）に間引きされた信号電荷読出しを行うことができる。これにより、少なくとも、水平方向に1/3 以上の間引き読出しが行われることになる。読み出した信号電荷、すなわち画素データが垂直駆動により水平転送路に転送される。水平転送路には信号供給手段からタイミング調整された水平駆動信号により間引きして得られた画素データをそのままの周波数で読み出して、画素の送出レートを３倍以上にして出力しているので、高画素化した撮像手段を用いても予備の撮像の影響により本撮像のタイミングを外すような操作上の問題等を回避することができるようになる。これにより、ユーザに操作性の違和感を与えることなく、高画質な画像を提供することができる。
【００５８】
また、本発明の信号読出し方法によれば、予備の撮影にて、第２の転送電極に対して生成した駆動信号を供給して撮像した信号電荷を受光素子から読み出すことにより、たとえば水平方向に第２の転送電極を設ける際の間隔が２列以上にする場合、少なくとも１／（２列＋１）、すなわち1/3 の間引きして信号電荷（画素データ）を読み出す。この信号電荷を垂直転送して、水平方向の１ラインとして水平方向に配した画素数の1/3 以下に相当する信号電荷が供給されるとともに、色の関係を本撮像時と同じパターンで信号読出しを行う。この関係は信号電荷は通常の本撮像に比して1/3 以下であるが、三原色RGB が本撮像と同じ色の読出し関係に揃えることができる。そして、この信号電荷の水平転送をタイミング調整し、周波数がそのままの水平駆動信号により水平転送するので、画素の送出レートを３倍以上にできる。これにより、用意した撮像手段が高画素化したものを用いても予備の撮像の影響によりたとえば、本撮像のタイミングを外すような操作上の問題等を回避することができ、ユーザに操作性の違和感を与えることなく、高画質な画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置を適用したディジタルスチルカメラの概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１のディジタルスチルカメラにおける撮像部を入射光側から見た撮像平面を示すとともに、撮像における水平転送の信号電荷の位置関係および水平駆動信号の供給位置の関係を示す模式図である。
【図３】図２の撮像部の水平転送路に供給する水平駆動信号の位相および水平駆動信号により生成されるポテンシャル井戸の関係を示す図である。
【図４】従来のディジタルスチルカメラにおける撮像部を入射光側から見た撮像平面を示すとともに、撮像における水平転送の信号電荷の位置関係および水平駆動信号の供給位置の関係を示す模式図である。
【図５】図４の撮像部の水平転送路に供給する水平駆動信号の位相および水平駆動信号により生成されるポテンシャル井戸の関係を示す図である。
【符号の説明】
10 ディジタルスチルカメラ
12 光学レンズ
14 操作部
18 システム制御部
22 タイミング信号供給部
30 撮像部
32 前処理部
34 A/D 変換部
36 信号処理部
38 圧縮／伸張部
42 モニタ
22a タイミング信号発生部
22b ドライバ部
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置および信号読出し方法に関し、たとえば、数百万を越えるような画素数の高画素化した撮像部を有するディジタルカメラや画像入力装置等に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、銀塩カメラの画質を目指して、電気的に被写体の画像を撮影するディジタルカメラが画素数を一層高める技術が各種提案されてきている。たとえば、特開平10-136391 号公報には、画像の空間サンプリングの最適化をもたらし、受光効率の向上を図るように画素をずらして配置するとともに、モアレ等の偽信号を抑圧する固体撮像装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高画質を目的として撮像部に高画素化した画素アレイを用いたディジタルカメラ等においては、本撮像（すなわち、スチル撮像）を行う前に、撮像部からAE/AF (Automatic Exposure/Automatic Focusing）動作や液晶画面に画像を表示させるムービー駆動を行っている。この場合、画素アレイの高画素化に伴って撮像により得られた信号電荷を読み出す時間が以前よりも要してしまう。これはフレームレートに問題を生じることを意味している。ここで、高画素とは、たとえば、百万画素以上の画素数、いわゆるメガピクセルのことを示している。
【０００４】
この問題の対策として読出しフレームレートを上げるために撮像部で得られた信号電荷を垂直方向に間引き読出しする方法が提案されている。具体的には、たとえば150 万画素（1280×1024）を全画素読出しする際の駆動周波数CLK が12.2725MHzのとき、この駆動周波数CLK を基に１水平同期期間（1H）と１垂直同期期間（1V）は、それぞれ、1H=1560CLK, 1V=1050Hとなる。すなわち、フレームレートは133msec ＝1/7.5secである。垂直方向に1/2 間引きすると、1Hは同じ時間を要して1V=525H であるから、フレームレートは66.7msec=1/15secになる。さらに、垂直方向に1/4 間引きしても1V=262.5H であるから、33.4msec=1/30sを要することがわかる。
【０００５】
ここで、150 万画素を全画素読出しして従来の方式の画像サイズ、すなわち（640 ×480 ) をムービー動作で表示を行う場合、上述した条件で水平・垂直方向にともに1/2 の画素間引きを行う。この結果、画素間引きしても水平方向の画素は640 画素、垂直方向の画素（走査線）は525 本である。また、垂直方向に1/4 間引きする場合、水平方向には1/2 間引きしか行われない。これにより、垂直方向の本数が262.5 本になることから、フレームレートの改善が図られる。しかし、この垂直間引きは480 本に足りないので、所望の本数に合わせるため垂直方向には補間処理が行われる。一方、水平方向について画素は1280画素すべて読み出して後段の信号処理において間引き処理を行って640 画素に合わせている。このことからも明らかなように画素ずらし配置がなされた高画素を有する撮像部からの信号電荷の読出しにおいてフレームレートの改善を厳密に考慮した水平方向に対する画素間引き読出しは行われていない。この結果、本撮像のタイミングに間に合わなくなってしまう虞も生じてくる。
【０００６】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、高画素で高画質化しても予備的な信号読出しの出力レートを改善し、本撮像に影響することなく行うことのできる固体撮像装置および信号読出し方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、光電変換する受光素子の位置を隣接した受光素子に対して互いにずらして２次元配置し、各受光素子に対して被写界からの入射光側に該入射光を色分解する色分解手段が配された撮像手段から信号電荷をすべて読み出す本撮像と、この本撮像の前に行う予備の撮影とで信号電荷の読出しを行い、得られた信号にディジタル信号処理を施して出力する固体撮像装置において、撮像手段の受光素子から信号電荷を読み出す第１の転送電極を形成するとともに、少なくとも水平方向に２列以上の間隔で受光素子の一つに対して第２の転送電極を形成し、予備の撮影にて、撮像手段の受光素子の第２の転送電極を介してこの受光素子で得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路への転送タイミング信号、この垂直転送路に供給された信号電荷を垂直転送路と直交する方向に配した水平転送路に転送させる垂直駆動信号およびこの水平転送路に転送された各信号電荷の色を維持してタイミング調整しながら、この各信号電荷を転送させる水平駆動信号を、それぞれ供給する信号供給手段を含むことを特徴とする。
【０００８】
ここで、第２の転送電極を形成する場合、転送電極は対象となる受光素子に隣接した垂直転送路の側で、かつ異なるタイミングで信号電荷が読み出される位置にそれぞれ形成されることが好ましい。
【０００９】
色分解手段は、原色フィルタを用いる場合、この原色フィルタの配置パターンとして色G の色フィルタを正方格子状に配し、色G の色フィルタ配置の中央に位置する受光素子に色R または色B を交互に配し、かつ色G を介した対角に位置する色フィルタを同色にした完全市松パターンを用いることが望ましい。
【００１０】
信号供給手段は、予備の撮影で第２の転送電極を介して信号電荷を読み出す前記転送タイミング信号と、水平転送路に１ラインずつまたは２ラインずつ供給する垂直駆動タイミング信号と、水平転送路において前記信号電荷を格納するパケットに隣接する２つに対して同時に信号電荷を蓄積するポテンシャル井戸を形成する水平駆動タイミング信号とを、それぞれ生成し、これらの信号を用いて得られた駆動信号を撮像手段に供給することが好ましい。
【００１１】
信号供給手段は、水平転送路の電極構造に基づく駆動の同相範囲を３パケット分にした駆動信号を供給するとよい。
【００１２】
さらに、信号供給手段は、水平転送路が２電極構造の場合、信号電荷の読出しが２列おきに得られる関係から６パケットの半分を転送キャリアに用いて２相駆動する駆動信号を供給することが望ましい。
【００１３】
本発明の固体撮像装置は、予備の撮影にて信号供給手段から供給される駆動信号に応じて撮像した信号電荷を第２の転送電極を介して対象の受光素子に隣接する垂直転送路に読み出して転送すると、水平方向に、１／（第２の転送電極が形成された間隔＋１）に間引きされた信号電荷読出しが行われる。この結果、少なくとも、水平方向に1/3 以上の間引き読出しが行われる。読み出した信号電荷、すなわち画素データが垂直駆動により水平転送路に転送される。水平転送路には信号供給手段からタイミング調整された水平駆動信号により間引きして得られた1/3 の画素データをそのままの周波数で読み出すことにより、画素の送出レートを３倍以上にして出力している。
【００１４】
また、本発明は上述の課題を解決するために、用意した２次元配置した受光素子が隣接する受光素子と互いに位置がずれた位置関係に配し、複数の受光素子のそれぞれに対応して被写界からの入射光側で各色に色分解し、この色分解した光をそれぞれの受光素子で光電変換して信号電荷を読み出す際に、記録用に撮影した信号電荷を読み出す本撮像と、この本撮像の前に信号電荷を読み出す予備の撮影とに応じて信号電荷を読み出す信号読出し方法において、受光素子からの信号電荷読出しに用いる第１の転送電極を該受光素子に接触形成しておくとともに、各色に分解する色フィルタの配置パターンに応じて少なくとも水平方向に２列以上の間隔で受光素子の一つに対して第２の転送電極を用意し、受光素子にて、撮像して得られた信号電荷の読み出しに用いる駆動信号を生成する信号生成工程と、予備の撮影にて、２次元配置の受光素子のうち、信号生成工程で生成した駆動信号を用い、第２の転送電極だけを導通状態にする水平間引き読出し工程と、この水平間引き読出し工程で読み出した信号電荷を信号生成工程で生成した駆動信号を用いて、垂直方向に転送させる垂直転送工程と、この垂直転送工程により転送した信号電荷を垂直転送方向と直交する方向の水平方向への転送において信号生成工程で生成した水平駆動の供給タイミングを調整して水平間引きして読み出した信号電荷を転送し、出力する水平転送工程とを含むことを特徴とする。
【００１５】
ここで、色分解には、原色フィルタを用いる場合、この原色フィルタの配置パターンとして色G の色フィルタを正方格子状に配し、色G の色フィルタ配置の中央に位置する受光素子に色R または色B を交互に配し、かつ色G を介した対角に位置する色フィルタを同色にした完全市松パターンを用い、信号生成工程では、配置パターンに対応して読み出した信号電荷の色情報が本撮像時の読出し関係と同じ順序に読み出す駆動信号を生成し、供給することが好ましい。
【００１６】
信号生成工程は、予備の撮影を行う際に水平方向に信号電荷を格納するパケットに連続する２つに対して同時に井戸を形成する水平駆動タイミング信号を生成することが望ましい。
【００１７】
水平転送工程は、信号電荷の転送に用いる位相駆動信号に関して同相の範囲を連続３パケット分にして２相駆動する駆動信号を用いるとよい。
【００１８】
また、水平転送工程は、通常の水平転送に２相駆動信号を用いている場合、信号電荷の読出しが２列おきに得られる関係から６パケットの半分を転送キャリアにするとともに、この６パケットに対して２相駆動信号を行うことが好ましい。これにより、２相駆動でありながら、６相駆動した場合と同等の信号送出レートで水平転送させることができる。したがって、単なる２相駆動に比べて３倍のレートで信号送出されることになる。
【００１９】
本発明の信号読出し方法は、予備の撮影にて、第２の転送電極に対して生成した駆動信号を供給して撮像した信号電荷を受光素子から読み出すことにより、たとえば水平方向に第２の転送電極を設ける際の間隔が２列以上にする場合、少なくとも１／（２列＋１）、すなわち1/3 の間引きした信号電荷（画素データ）が読み出される。この信号電荷を垂直転送すると、水平方向の１ラインには水平方向に配した画素数の1/3 以下に相当する信号電荷が水平転送を行う前に本撮像時に読み出されるパターンと同様の信号読出しを行うと、信号電荷は通常の本撮像に比して1/3 以下であるが、三原色RGB が本撮像と同じ色の読出し関係に揃えることができる。この信号電荷の水平転送をタイミング調整し、周波数がそのままの水平駆動信号により水平転送するので、画素の送出レートを３倍以上にできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の一実施例を詳細に説明する。
【００２１】
本発明を適用した実施例のディジタルスチルカメラ10の構成を図１に示す。図１のディジタルスチルカメラ10には、光学レンズ系12、操作部14、システム制御部18、信号発生部20、タイミング信号供給部22、絞り調節機構24、光学ローパスフィルタ26、色分解部28、撮像部30、前処理部32、A/D 変換部34、信号処理部36、圧縮／伸張部38、記録再生部40、およびモニタ42が備えられている。これら各部を順次説明する。光学レンズ系12は、たとえば、複数枚の光学レンズを組み合わせて構成されている。光学レンズ系12には、図示しないが、これら光学レンズの配置する位置を調節して画面の画角を操作部14からの操作信号に応じて調節するズーム機構や被写体とカメラ10との距離に応じてピント調節する、AF（Automatic Focus:自動焦点）調節機構が含まれている。これらの機構の調節は、操作部14の一部を成すレリーズシャッタが、たとえば半押し状態にされた際に予備的な被写界の撮像を行って得られる情報に基づいて行われる（予備の撮像とする）。操作信号は、システムバス16を介してシステム制御部18に供給される。光学レンズ系12には、後述する信号発生部20、タイミング信号供給部22のタイミング信号発生部22a 、ドライバ部22b を介して駆動信号が供給される。本撮像する場合、得られた情報に応じてピント・露出等が設定された状態で上述したレリーズシャッタを全押しすることにより撮像タイミングをシステム制御部18に供給している。システム制御部18は、この信号を受けて本撮像の撮像および信号読出しといった撮像制御を行う。
【００２２】
操作部14には、図示しないレリーズシャッタやたとえばモニタ画面に表示される項目を選択する機能が備えられている。特に、レリーズシャッタは、複数の段階のそれぞれでカメラ10の操作を行うようにシステムバス16を介して操作信号をシステム制御部18に出力する。また、本実施例において操作部14は、各種の動作・処理を行う際のモードの選択などを行えるように、モニタに表示されるポインティングデバイスも備えている。この場合の操作部14の操作に応じた信号がシステム制御部18に操作信号として供給される。
【００２３】
システム制御部18は、たとえば CPU（Central Processing Unit:中央演算処理装置）を有する。システム制御部18には、ディジタルスチルカメラ10の動作手順が書き込まれた ROM（Read Only Memory：読み出し専用メモリ）がある。システム制御部18は、たとえば、ユーザの操作に伴って操作部14から供給される情報とこの ROMの情報を用いて各部の動作を制御する制御信号を生成する。システム制御部18は、生成した制御信号を信号発生部20、あらわに制御信号の供給を示していないがタイミング信号供給部22、前処理部32、A/D 変換部34の他に、システムバス16を介して信号処理部36、圧縮／伸張部38、記録再生部40およびモニタ42にも供給する。特に、システム制御部18は、後述するタイミング信号供給部22に対して予備の撮像と本撮像とで生成するタイミング信号等が異なるように切換制御している。また、システム制御部18は、後述する信号処理部36に対しても特徴を有する各種の制御を行っている。
【００２４】
信号発生部20は、システム制御部18からの制御に応じてシステムクロックを発振器により発生する。信号発生部20は、このシステムクロックをタイミング信号供給部22および信号処理部36に供給する。また、システムクロックは、たとえばシステムバス16を介してシステム制御部18の動作タイミングの基準としても供給される。
【００２５】
タイミング信号供給部22には、タイミング信号発生部22a およびドライバ部22b が備えられている。タイミング信号供給部22は、システム制御部18の制御によって予備の撮像と本撮像とで切換制御されることにより、異なるタイミング信号を生成する。
【００２６】
タイミング信号発生部22a は供給されるシステムクロックを制御信号に基づいて各部を動作させるタイミング信号を生成する回路を含む。生成するタイミング信号は、たとえばトランスファシフトゲートパルス、垂直転送タイミング信号、および水平転送タイミング信号である。これらの信号は予備の撮像と本撮像とで供給のタイミングや周波数を変更することが一般的に行われる。ただし、本実施例の予備の撮像では、基本的に（水平方向の読出しに関わる）周波数を変更させず、そのまま用いて本撮像の場合と異なるタイミングで信号を供給するように変えている。
【００２７】
この供給する信号のタイミングの変更は、受光素子に隣接して形成されたトランスファシフトゲート（転送電極）に印加するトランスファシフトゲートパルスを用いて行う。本撮像のモードにおいて、後述するように、G 正方RB完全市松パターンの色フィルタ配置のなされた受光素子から全画素読出しする際にトランスファシフトゲートパルスを通常、従来から形成されている側の第１の転送電極（トランスファシフトゲート）EL1 に供給する。
【００２８】
また、予備の撮像のモードにおいて、本撮像のモードでの信号電荷読出し、すなわち第１の転送電極からの信号読出しと信号読出しを区別するために読み出すトランスファシフトゲートパルスの供給する先を異ならせる。信号の供給先を異ならせることから、生成し、供給するトランスファシフトゲートパルスも本撮像時の供給とは異なるタイミング信号を用いる。これらの理由により、受光素子と垂直転送路との間に第１の転送電極EL1 と異なる第２の転送電極EL2 を形成する。この形成位置は、後段の撮像部の構成で詳述するが、転送電極EL1 との区別する条件から決まってくる。予備の撮像のモードでは第２の転送電極EL2 だけにトランスファシフトゲートパルスを印加するようにタイミング信号を生成する。
【００２９】
垂直駆動は、用いる色フィルタ配置の関係から三原色RGB がすべて揃うように２ライン同時読出しに対応した垂直転送タイミング信号をタイミング信号発生部22a で生成し、この生成した垂直転送タイミング信号を用いてドライバ部22b で垂直駆動信号を生成する。この垂直駆動は、本撮像でも同じに使うことを重視して垂直間引きしない場合、単に１ラインずつの転送でも構わない。垂直方向に間引きを行う場合、２ライン同時読出しした際の色関係が保たれるように間引きする。
【００３０】
そして、水平転送に際して供給された信号電荷の位置関係に着目して、水平転送パケットが従来の本撮像時の２パケットに比べて３倍の６パケット数を単位に扱う。これは信号電荷を有する間の転送電極構造がたとえば３電極数ずつを扱うことを意味する。しかしながら、タイミング信号発生部22a はこの電極数に応じて初めの位相駆動を保ちながら、信号電荷が移動するように考慮した水平転送タイミング信号を生成し、供給する。後述する水平転送路HRが６電極構造を用いていることおよび２相駆動を行っていることから６パケットの半分、すなわち３パケットずつ同相にするタイミングが有効である。より具体的な説明は後段で行う。
【００３１】
タイミング信号発生部22a は、基本的にシステム制御部18の制御により撮像のモードに応じてタイミング信号を生成し、この生成したタイミング信号を図１に示すように各部に出力するとともに、ドライバ部22b にも供給する。ドライバ部22b は、各タイミングで供給されるタイミング信号を重畳させて駆動信号を生成している。ドライバ部22b は前述した光学レンズ系12のズーム調節機構およびAF調節機構の他、絞り調節機構24および撮像部30にも駆動信号をそれぞれ供給する。ドライバ部22b もシステム制御部18により直接的に制御させるようにしてもよい。また、システム制御部18はドライバ部22b に対して、たとえば読み出したくない列のフィールドシフトゲートパルスの駆動信号への重畳を禁止するようにしてもよい。
【００３２】
絞り調節機構24は、被写体の撮影において最適な入射光の光束を撮像部30に供給するように入射光束断面積（すなわち、絞り開口面積）を調節する機構である。絞り調節機構24にもドライバ部22b から駆動信号が供給される。この駆動信号は、前述したシステム制御部18からの制御に応じて動作させるための信号である。この場合、システム制御部18は、図示しないが、撮像部30で光電変換した信号電荷を基にAE（Automatic Exposure :自動露出）処理として絞り・露光時間を算出している。絞り調節機構24には、この算出した値に対応する制御信号が供給されたタイミング信号発生部22a からの信号に応じた駆動信号がドライバ部22b から供給される。
【００３３】
撮像部30は光電変換する撮像素子を光学レンズ系12の光軸と直交する平面が形成されるように配置する。また、撮像素子の入射光側には、個々の撮像素子に対応して光学像の空間周波数をナイキスト周波数以下に制限する光学ローパスフィルタ26と一体的に色分解する色分解部28の色フィルタCFが一体的に配設される。本実施例では単板方式の色フィルタを用いて撮像する。色フィルタCFの種類等については後段でさらに詳述する。撮像素子には、 CCD（Charge Coupled Device:電荷結合素子）や MOS（Metal Oxide Semiconductor:金属酸化型半導体）タイプがある。撮像部30は、供給される駆動信号に応じて光電変換によって得られた信号電荷を予備の撮像と本撮像とそれぞれのモードに合わせて読み出す。
【００３４】
本実施例では画素ずらしした、いわゆるハニカム配置していること、および色フィルタパターンに色フィルタR, G, B のうち、色G の色フィルタを正方格子状に配し、これら格子の中心に配する色R, Bの色フィルタを完全市松状に配したパターンを形成している。この用いている色フィルタ配置パターンをG 正方（格子）RB完全市松パターンと呼ぶ（図２を参照）。
【００３５】
図１に戻って、前処理部32には、図示しないがCDS （Correlated Double Sampling: 相関二重サンプリング；以下CDS という）部が備えられている。CDS 部は、たとえば、CCD 型の撮像素子を用いて、基本的にその素子により生じる各種のノイズをタイミング信号発生部22a からのタイミング信号によりクランプするクランプ回路と、タイミング信号により信号電荷をホールドするサンプルホールド回路を有する。CDS 部は、ノイズ成分を除去してA/D 変換部34に送る。A/D 変換部34は、供給される信号電荷というアナログ信号の信号レベルを所定の量子化レベルにより量子化してディジタル信号に変換するA/D 変換器を有する。A/D 変換部34は、タイミング信号発生部22a から供給される変換クロック等のタイミング信号により変換したディジタル信号を信号処理部36に出力する。
【００３６】
信号処理部36には、図示しないが得られた画像をより一層高画質化するためにデータ補正部、輝度データ生成機能部、輝度データ補間機能部、高解像度プレーン補間機能部、およびマトリクス処理部が含まれる。データ補正部には、色の補正を行うガンマ補正回路や自動的にホワイトバランスの調整を行うAWB (Automatic White Balance）回路等がある。特に、ガンマ補正回路は、 ROM（Read Only Memory）に供給されるディジタル信号とこのディジタル信号に対応して出力する補正データとを組にした複数のデータセットの集まりであるルックアップテーブルを用いる。データ補正部は、この配置に限定されるものでなく、後段に設けてもよいが、この位置に配することにより、設けるルックアップテーブルの個数が最小で済む。これら一連のデータ補正においてもタイミング信号発生部22a からのタイミング信号に応じて供給される。データ補正部は、この処理した補正データを輝度データ生成機能部に出力する。
【００３７】
輝度データ生成機能部はシステム制御部18の制御により動作する。輝度データ生成機能部は、たとえば色の配置を考慮した重み付け演算を行うことにより受光素子の位置する画素での輝度データY を生成し、輝度データ補間機能部に出力する。輝度データ補間機能部は、供給される輝度データY の間にある仮想画素の位置における輝度データの補間生成を行う演算機能部である。輝度データ補間機能部は、プレーンの輝度データYhを生成し、高解像度プレーン補間機能部に供給される。高解像度プレーン補間機能部は、プレーンの輝度データYhとデータ補正した三原色R, G, B の画素データを入力し、これらのデータを用いてR プレーンデータ、G プレーンデータおよびB プレーンデータを生成する演算機能部である。高解像度プレーン補間機能部は、生成した三原色RGB のプレーンデータをマトリクス処理部に出力する。高解像度プレーン補間機能部には、これらの信号処理して得られた画像データを格納するとともに、非破壊読出し可能なメモリがそれぞれ備えられている。高解像度プレーン補間機能部はプレーン補間に用いる画素データを読み出して画素データの算出を行う。マトリクス処理部は、供給される三原色RGB のそれぞれR プレーンデータ、G プレーンデータおよびB プレーンデータを用いて、画像表示に用いる形式、すなわち輝度データY 、色差データ(R-Y), (B-Y)に変換する。これらの出力形式のデータは、各色に定めた混合割合を乗算し演算することから得られる。混合割合を決める係数は、従来からの値を用いる。この変換した３つのデータに各帯域を含み折返し歪が生じないカットオフ周波数に設定してアンチエリアシング処理を施す。このうち、輝度データY をアパーチャ調整部に送って、輝度データY の周波数の高域を持ち上げる。これにより、画像の輪郭が強調される。このようにしてマトリクス処理部は、輝度データY 、色差データ(R-Y), (B-Y)を圧縮／伸張部38およびモニタ42に出力する。マトリクス処理部は、モニタ42に撮像した画像をシステムバス16を介して供給する。
【００３８】
このように構成して信号処理部36は、受光素子の画素データを用いて、この際にたとえば、相関の大きい方の画素データから輝度データY および色差データを生成して圧縮／伸張部38およびモニタ42に出力する。
【００３９】
圧縮／伸張部38は、たとえば、直交変換を用いたJPEG（Joint Photographic Experts Group）規格での圧縮を施す回路と、この圧縮した画像を再び元のデータに伸張する回路とを有する。圧縮／伸張部38は、システム制御部18の制御により記録時には圧縮したデータをシステムバス16を介して記録再生部40に供給する。また、圧縮／伸張部38は、前述と同様にシステム制御部18の制御により信号処理部36からのデータをスルーさせ、システムバス16を介してモニタ42に供給させてもよい。圧縮／伸張部38が伸張処理を行う場合、逆に記録再生部40から読み出したデータをシステムバス16を介して圧縮／伸張部38に取り込んで処理する。ここで、処理されたデータもモニタ42に供給して表示させる。
【００４０】
記録再生部40は、記録媒体に記録する記録処理部と、記録媒体から記録した画像データを読み出す再生処理部とを含む（ともに図示せず）。記録媒体には、たとえば、いわゆる、スマートメディアのような半導体メモリや磁気ディスク、光ディスク等がある。磁気ディスク、光ディスクを用いる場合、画像データを変調する変調部とともに、この画像データを書き込むヘッドがある。モニタ42は、システム制御部18の制御に応じてシステムバス16を介して供給される輝度データおよび色差データまたは三原色RGB のデータを画面の大きさを考慮するとともに、タイミング調整して表示する機能を有する。液晶表示のようなモニタを用いてムービー表示する場合、たとえば、予備の撮像において受光素子、すなわち画素を水平方向の画素数に対して1/3 間引きして得られた画像を表示させる。
【００４１】
図１に示すディジタルスチルカメラ10は、このように構成して高画素化した撮像部30を有していながら予備の撮像と本撮像とを切り換えて制御してそれぞれの撮像に応じた適切な撮像を行っている。すなわち、予備の撮像では高速な信号読出しを行って本撮像の露光条件等の設定を迅速に行わせ、本撮像では全画素読出しを行って、画像全体の画質を高める撮影が行われる。
【００４２】
さらに、撮像部30と色分解部28に用いる色フィルタCFについて説明する。図２は、撮像部30の撮像面およびドライバ部22b からの垂直転送駆動信号V1〜V8を印加する位置関係を示している。撮像部30は、これまで述べてきたように、入射する光を光電変換する受光素子PDに隣接した受光素子PDが垂直方向および水平方向にずらされて２次元配置された受光部30a と、この受光部30a の前面に形成された開口部APを迂回するように配置され、かつ受光素子PDから本撮像モード時における信号を取り出す電極EL1 とともに、２列間隔に予備の撮像モード時における信号を取り出す電極EL2 と、この電極EL1 またはEL2 を介して供給される信号を受光部30a の垂直方向に順次転送する垂直転送レジスタVRと、垂直転送レジスタVRに対して直交する方向、すなわち水平方向に信号を転送する水平転送レジスタHRとを備えている。
【００４３】
垂直転送レジスタVRは、供給される垂直転送駆動信号V1〜V8に応じて信号を転送している。すなわち、垂直転送レジスタは１受光部あたり４電極構造になっている。また、１受光部領域の水平隣接領域は２電極構造で前述したように画素ずらしに対応するように構成されている。すなわち、これに対して水平転送レジスタHRは、６電極構造単位になっている。本実施例の撮像部30に形成された開口部APは、八角形のハニカム形状に形成する。開口形状は、一般的に正方格子であるがこの形状は、感度を向上させるとともに、垂直転送レジスタの幅を同じにして転送効率を低下させないようにする条件を満たせばよい。このことから判るように形状は、多角形でもよく、この他の例としては、正方格子を45°回転させた開口形状として、たとえば、菱形等があり、さらに六角形等にしてもよい。
【００４４】
開口部APは、図２に示すように各開口部APを覆う色フィルタCFの直下にそれぞれ対応して配置される受光素子PDの間隔を各方向毎の画素ピッチPPとするとき、開口部APの配列は、一列毎に垂直方向にあるいは一行毎に水平方向に画素ピッチPP分だけ移動させた２次元配置になっている。四角形以上の多角形を用いる場合、開口形状に合わせて開口部APを隙間なく、隣接する開口部APが稠密な配置に配置にさせてもよい。このような場合、配置する上での画素ピッチPPは半ピッチのずらしでもよい。図２のように六角形の場合、稠密な配置は、水平・垂直方向とも上述した画素ピッチPPの半分だけずらした配置（｜PP｜/2）により形成できる。このように稠密な配置を得るには開口部APの形状に依存する。
【００４５】
また、本発明の特徴の一つが転送電極の構成にある。これは、転送電極を本撮像と予備の撮像とで切り換えて用いる点にある。たとえば、図２に示すように、通常の信号読出しを行う本撮像では受光素子PDの右下側に転送電極 EL1（第１の転送電極）を形成し、予備の撮像では受光素子PDの左上側に転送電極 EL2 (第２の転送電極）を形成する。換言すると、転送電極EL2 は、対象の受光素子PDに隣接する転送電極EL1 を介した垂直転送路VRではなく、この受光素子PDに隣接するととに、受光素子PDを隔て、かつ転送電極EL1 と接する垂直転送路VRの反対側に位置する垂直転送路VRに接触形成されている。したがって、水平転送路HRにおいて、本撮像と予備の撮像では読出し位置に２パケット分のずれがある。
【００４６】
そして、図２から明らかなように本撮像のモードにおいて電極EL1 の設けられている位置に対応してフィールドシフトゲートパルスを含む垂直駆動信号は記号●が示すV1, V3, V5, V7の駆動信号である。予備の撮像のモードにおいて電極EL2 の設けられている位置に対応してフィールドシフトゲートパルスを含む垂直駆動信号は記号▲が示すV2, V4, V6, V8の駆動信号である。
【００４７】
次に本実施例の特徴である予備の撮像（レリーズシャッタの半押し操作時）における動作を説明する。図２の撮像部30は、高速読出しを行う予備の撮像時の状態を示している。この図が示す状態に至る前に、まず、奇数列の受光素子PDから信号電荷を読み出す。この読出しのため、タイミング信号供給部22のタイミング信号発生部22a は垂直駆動信号V2, V4, V6, V8だけに生成したフィールドシフトゲートパルスを供給する。この供給を受けてこのパルスが重畳した垂直駆動信号V2, V4, V6, V8を電極EL2 に供給することにより、フィールドシフトゲートがオン状態になる。この結果、受光素子PDの２列おきに本撮像時と異なる左側の垂直転送路VRに信号電荷が読み出される。読み出された信号電荷は、ドライバ部22b から信号線を介して垂直転送路VRに供給される４相の垂直駆動信号により水平転送路HRに向かって転送される。図２の状態は、垂直転送路VRのパケットを２段転送して水平転送路HRに信号電荷を送った状態である。この色フィルタ配置では、画素ずらししていることから、２ラインずつ信号電荷を読み出す、２ライン同時読出しを行う垂直転送しても異なる色が混じることなく、１水平転送路HRに揃えることができる。このため、水平転送は、２ライン毎に行われる。水平転送を行うにあたり、図２に示すように水平転送路HRには、各パケットに水平駆動信号H1〜H6が供給されている。
【００４８】
２ライン同時読出しを行って水平転送路HRに信号電荷を供給すると、水平転送路HRには、色“B,_,_,_,_,_,G,_,_,_,_,_, R_,_,_,_,_,G,_,_,_,_,_,B,・・・ ”の位置関係に信号電荷が配されることになる。ここで、“_ ”は、信号電荷のない空きパケットを表している。水平転送路HRは、実際２電極構造である。ところで、この信号電荷の配置を見ると、６パケット毎に信号電荷があるので、矢印A の方向への信号電荷の転送を行うことは６相駆動と同等の転送レートで転送が行われることがわかる。すなわち、通常６相駆動では1/6 周期で１電極分、（１パケット分）転送されるから、１周期では６電極（パケット）分の転送ができる。元々行っていた２相駆動を６相駆動と同等の転送ができることから、読出し周波数を変えることなく転送レートは３倍に上がることになる。
【００４９】
この関係について図３を用いて説明する。水平駆動信号H1〜H6の供給タイミングは、水平駆動信号H1, H2, H3は水平駆動信号H4, H5, H6と逆相の位相関係にある（図３(a), (b)を参照）。この関係を水平転送路HRに対応させてまとめると、図３(c) に示す水平駆動の波形が供給されている。この水平駆動信号が供給されると、パケットにはポテンシャル井戸が駆動信号レベルに応じて形成される（図３(d) を参照）。次の水平駆動信号が変化するT/2 秒間隔（半周期）毎に連続した３パケットに印加する水平駆動信号が位相反転する（図３(e) を参照）。この水平駆動信号の位相反転により、ポテンシャル井戸は図３(f) に示すように信号電荷を運ぶパケットを３つずつ矢印A 方向に移動させる。図３(a), (b)の水平駆動信号が図の左から右に時間経過するように供給されるとき、ポテンシャルは図３(d), (f)のように時間変化しながら信号電荷を運ぶことが判る。水平駆動信号は、1/2 周期を同相の領域にするため、水平駆動信号H1, H2, H3を同じレベルの信号にして同時のタイミングで供給する。また、水平駆動信号H4, H5, H6も同じタイミングで供給する（図３(a), (b)を参照）。この水平駆動信号の供給により、３パケット分ポテンシャル井戸を形成し、このパケットを単位に順次信号電荷を転送させ、１周期で６パケット移動させる。結果的に、前述したように、読出し周波数の変更を行うことなく、かつ２相駆動を維持しながら、水平駆動信号の供給タイミングを変えるだけで、水平転送路HRに読み出した信号電荷を３倍の転送レートで読み出すことができる。たとえば、表示装置における最大の規格UXGA（Ultra eXtended Graphics Array ）の水平方向に1600画素、垂直方向に1200画素の情報量を有している撮像部では、予備の撮像において読出しがほぼ533 画素程度となり、VGA (Video Graphics Array ) の640 画素に足りない。しかしながら、さらに撮像部30の高画素化が望まれていることから、このような水平方向の間引き高速読出しは今後のことを鑑みて非常に有効な技術である。
【００５０】
また、本実施例では転送電極EL2 を受光素子PDの２列おきに形成し、この列の受光素子PDすべてに形成したが、垂直方向に間引く場合、垂直駆動信号V2, V4またはV6, V8のいずれか一方の供給を受けるように転送電極EL2 を形成すると、垂直方向に1/2 間引きを行うことができる。この形成する間隔を２ライン同時読出しを考慮して転送電極EL2 を形成し、垂直駆動を行うと、1/4, 1/8間引きなども行うことができる。
【００５１】
このようにして予備の撮像モードにおいて水平方向に少なくとも、1/3 間引きを実現させることができ、読出し周波数を変えなくても信号電荷の読出し時間の短縮化を図ることができる。そして、垂直駆動も転送電極EL2 の配置する間隔を考慮して配すると、撮像部30からさらなる高速の信号電荷読出しを行うことができる。
【００５２】
これに対して、これまで行われていた撮像部30からの信号読出しを比較例として挙げて説明する。ここで、撮像部30の構成は全く同じである（図４を参照）。本実施例と異なる点は、転送電極EL2 が形成されていないことにある。この相違点から明らかなように、撮像部30の各受光素子PDからの信号電荷読出しは、水平方向の間引きが行えず、基本的に本撮像と予備の撮像モードで同じある。ただし、これまで予備の撮像において垂直方向の間引きを1/2, 1/4等の間引きを行って信号電荷の読出しにおける時間短縮を図ってきている。タイミング信号発生部22a は1/2 間引き読出しする場合、フィールドシフトゲートパルスを垂直駆動タイミング信号に供給し、ドライバ部22b でこれらの信号を重畳して垂直駆動信号V1, V3またはV5, V7を生成する。信号電荷を受光素子PDから読み出す場合、ドライバ部22b はこの垂直駆動信号V1, V3, V5, V7を転送電極EL（トランスファシフトゲート）に印加する。この印加により、フィールドシフトゲートパルスが重畳された垂直駆動信号の印加された転送電極ELを介して1/2 に間引いて信号電荷を読み出す。読み出された信号電荷は、水平転送路HRで予備の撮像でも三原色RGB が要求されるとき、２ライン同時読出しが行われる。単に、ライン毎の読出しを行うと、それぞれ色R, Bと色G だけの水平ライン読出しとなる。このため、三原色RGB が１ラインに揃わないので、信号処理における補間を適切に行えないことになる。この２ライン同時読出しした水平転送路HRでの状態が図４の状態である。水平転送路HRの各パケットにはそれぞれ、水平駆動信号H1〜H6が供給されている。水平転送路HRは、１パケット分を障壁に用いて信号電荷を転送する６電極構造を用いている（図４を参照）。
【００５３】
水平転送路HRの信号電荷を転送する場合、電極構造に対応して図５(a), (b)に示すように２相駆動が行われる。一方の相の水平駆動信号が水平駆動信号H1, H3, H5であり、他方の水平駆動信号が水平駆動信号H2, H4, H6である。水平駆動信号H1, H3, H5を印加することにより、生成されるポテンシャル井戸は、図５(c) のように形成される。次に、水平駆動信号H2, H4, H6が印加されると、ポテンシャル井戸は，１パケット分だけ移動する( 図５(d) を参照）。このような手順を繰り返して２ライン分の信号電荷が１ライン分として水平転送路HRから読み出される。この信号読出しは水平方向の間引きを何等考慮されていないので高速読出しを行う際に要する時間が本実施例に比べて本撮像と同様に読み出して３倍かかることになる。図３(d), (f)のポテンシャルの時間変化と図５(c), (d)のポテンシャルの時間変化を比較すると、同じ時間（周期）にポテンシャル井戸の移動量は前者が後者の３倍になっている。すなわち、本実施例の転送レートが３倍になっていることを意味する。
【００５４】
なお、仮に奇数列または偶数列を読み出す信号電荷読出しを行う場合、カラー液晶表示に読み出した画素データには使えないが、たとえば測光に色G だけを用いて行っても水平方向に1/2 間引きすることしかできない。この場合、２倍の水平駆動レートにまでしか水平転送レートを上げられない。
【００５５】
ところで、予備の撮像ではこのように画質優先仕様によって読出し所要時間がかかると、操作上問題が生じる。たとえば、予備の撮像が遅いと、撮りたいタイミングの画像、本撮像までの撮影条件等を設定できなくなることから極端な場合、撮影待機状態となってしまう。
【００５６】
以上のように、いわゆるハニカム配置のディジタルスチルカメラ10において、色フィルタのパターン配置を考慮して予備の撮像時の信号電荷を取り出す転送電極を新たに形成し、形成した転送電極と従来からの転送電極へのタイミング信号供給部22からのタイミング信号（すなわち、フィールドシフトゲートパルス）の供給を区別して撮像部30に供給することで、予備の撮像時に水平方向における選択的な信号電荷の間引き読出しを行う。具体的には、G 正方RB完全市松パターンでは読み出した信号電荷を水平転送する際に３つのパケットが同じポテンシャル（井戸）を形成するように水平駆動信号を供給することによって、読出し周波数を変えることなく、２相駆動でありながら、６相駆動と同等の読み出しを行うことができる。このとき、水平転送レートは３倍にすることができる。このような駆動による信号読出しを行うことによって高画素化した撮像部30を用いても予備の撮像の影響により本撮像のタイミングを外すような操作上の問題等を回避することができるようになる。これにより、ユーザに操作性の違和感を与えることなく、高画質な画像を提供することができる。
【００５７】
【発明の効果】
このように本発明の固体撮像装置によれば、予備の撮影にて信号供給手段から供給される駆動信号に応じて撮像した信号電荷を第２の転送電極を介して対象の受光素子に隣接する垂直転送路に読み出して転送すると、水平方向に、１／（第２の転送電極が形成された間隔＋１）に間引きされた信号電荷読出しを行うことができる。これにより、少なくとも、水平方向に1/3 以上の間引き読出しが行われることになる。読み出した信号電荷、すなわち画素データが垂直駆動により水平転送路に転送される。水平転送路には信号供給手段からタイミング調整された水平駆動信号により間引きして得られた画素データをそのままの周波数で読み出して、画素の送出レートを３倍以上にして出力しているので、高画素化した撮像手段を用いても予備の撮像の影響により本撮像のタイミングを外すような操作上の問題等を回避することができるようになる。これにより、ユーザに操作性の違和感を与えることなく、高画質な画像を提供することができる。
【００５８】
また、本発明の信号読出し方法によれば、予備の撮影にて、第２の転送電極に対して生成した駆動信号を供給して撮像した信号電荷を受光素子から読み出すことにより、たとえば水平方向に第２の転送電極を設ける際の間隔が２列以上にする場合、少なくとも１／（２列＋１）、すなわち1/3 の間引きして信号電荷（画素データ）を読み出す。この信号電荷を垂直転送して、水平方向の１ラインとして水平方向に配した画素数の1/3 以下に相当する信号電荷が供給されるとともに、色の関係を本撮像時と同じパターンで信号読出しを行う。この関係は信号電荷は通常の本撮像に比して1/3 以下であるが、三原色RGB が本撮像と同じ色の読出し関係に揃えることができる。そして、この信号電荷の水平転送をタイミング調整し、周波数がそのままの水平駆動信号により水平転送するので、画素の送出レートを３倍以上にできる。これにより、用意した撮像手段が高画素化したものを用いても予備の撮像の影響によりたとえば、本撮像のタイミングを外すような操作上の問題等を回避することができ、ユーザに操作性の違和感を与えることなく、高画質な画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置を適用したディジタルスチルカメラの概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１のディジタルスチルカメラにおける撮像部を入射光側から見た撮像平面を示すとともに、撮像における水平転送の信号電荷の位置関係および水平駆動信号の供給位置の関係を示す模式図である。
【図３】図２の撮像部の水平転送路に供給する水平駆動信号の位相および水平駆動信号により生成されるポテンシャル井戸の関係を示す図である。
【図４】従来のディジタルスチルカメラにおける撮像部を入射光側から見た撮像平面を示すとともに、撮像における水平転送の信号電荷の位置関係および水平駆動信号の供給位置の関係を示す模式図である。
【図５】図４の撮像部の水平転送路に供給する水平駆動信号の位相および水平駆動信号により生成されるポテンシャル井戸の関係を示す図である。
【符号の説明】
10 ディジタルスチルカメラ
12 光学レンズ
14 操作部
18 システム制御部
22 タイミング信号供給部
30 撮像部
32 前処理部
34 A/D 変換部
36 信号処理部
38 圧縮／伸張部
42 モニタ
22a タイミング信号発生部
22b ドライバ部
Claims (11)
- 光電変換する受光素子の位置を隣接した受光素子に対して互いにずらして２次元配置し、各受光素子に対して被写界からの入射光側に該入射光を色分解する色分解手段が配された撮像手段から信号電荷をすべて読み出す本撮像と、該本撮像の前に行う予備の撮影とで信号電荷の読出しを行い、得られた信号にディジタル信号処理を施して出力する固体撮像装置において、該装置は、
前記撮像手段の受光素子から前記色分解手段の色フィルタセグメントの色で表す色属性を有する信号電荷を読み出す第１の転送電極を形成するとともに、少なくとも水平方向に２列以上の間隔で前記受光素子の一つに対して第２の転送電極を形成し、
前記予備の撮影にて、前記撮像手段の受光素子の第２の転送電極を介して該受光素子で得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路への転送タイミング信号、該垂直転送路に供給された信号電荷を前記垂直転送路と直交する方向に配した水平転送路に転送させる垂直駆動信号および該水平転送路に転送された各信号電荷の色属性を維持し、混色を回避してタイミング調整しながら、該各信号電荷を転送させる水平駆動信号を、それぞれ供給する信号供給手段を含むことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１に記載の装置において、第２の転送電極を形成する場合、前記転送電極は対象となる受光素子に隣接した垂直転送路の側で、かつ異なるタイミングで信号電荷が読み出される位置にそれぞれ形成されることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１に記載の装置において、前記色分解手段は、原色フィルタを用いる場合、該原色フィルタの配置パターンとして色G の色フィルタを正方格子状に配し、前記色G の色フィルタ配置の中央に位置する受光素子に色R または色B を交互に配し、かつ前記色G を介した対角に位置する色フィルタを同色にした完全市松パターンを用いることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項３に記載の装置において、前記信号供給手段は、前記予備の撮影で第２の転送電極を介して前記信号電荷を読み出す前記転送タイミング信号と、
前記水平転送路に１ラインずつまたは２ラインずつ供給する前記垂直駆動タイミング信号と、
前記水平転送路において前記信号電荷を格納するパケットに隣接する２つに対して同時に信号電荷を蓄積するポテンシャル井戸を形成する水平駆動タイミング信号とを、それぞれ生成し、これらの信号を用いて得られた駆動信号を前記撮像手段に供給することを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項４に記載の装置において、前記信号供給手段は、前記水平転送路の電極構造に基づく駆動の同相範囲を３パケット分にした駆動信号を供給することを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項５に記載の装置において、前記信号供給手段は、前記水平転送路が６電極構造の場合、前記信号電荷の読出しが２列おきに得られる関係から６パケットの半分を転送キャリアに用いて２相駆動する駆動信号を供給することを特徴とする固体撮像装置。
- 用意した２次元配置した受光素子が隣接する受光素子と互いに位置がずれた位置関係に配し、複数の受光素子のそれぞれに対応して被写界からの入射光側で各色に色分解し、該色分解した光をそれぞれの受光素子で光電変換して信号電荷を読み出す際に、記録用に撮影した信号電荷を読み出す本撮像と、該本撮像の前に信号電荷を読み出す予備の撮影とに応じて信号電荷を読み出す信号読出し方法において、該方法は、
前記受光素子からの信号電荷読出しに用いる第１の転送電極を該受光素子に接触形成しておくとともに、前記各色に分解する色フィルタの配置パターンに応じて少なくとも水平方向に２列以上の間隔で前記受光素子の一つに対して第２の転送電極を用意し、
前記受光素子にて、撮像して得られた信号電荷の読み出しに用いる駆動信号を生成する信号生成工程と、
前記予備の撮影にて、前記２次元配置の受光素子のうち、前記信号生成工程で生成した駆動信号を用い、第２の転送電極だけを導通状態にする水平間引き読出し工程と、
該水平間引き読出し工程で読み出した信号電荷を前記信号生成工程で生成した駆動信号を用いて、垂直方向に転送させる垂直転送工程と、
該垂直転送工程により転送した信号電荷を垂直転送方向と直交する方向の水平方向への転送において前記信号生成工程で生成した水平駆動の供給タイミングを調整して水平間引きして読み出した信号電荷を転送し、出力する水平転送工程とを含むことを特徴とする信号読出し方法。 - 請求項７に記載の方法において、前記色分解には、原色フィルタを用いる場合、該原色フィルタの配置パターンとして色G の色フィルタを正方格子状に配し、前記色G の色フィルタ配置の中央に位置する受光素子に色R または色B を交互に配し、かつ前記色G を介した対角に位置する色フィルタを同色にした完全市松パターンを用い、
前記信号生成工程では、前記配置パターンに対応して読み出した信号電荷の色情報が本撮像時の読出し関係と同じ順序に読み出す駆動信号を生成し、供給することを特徴とする信号読出し方法。 - 請求項７に記載の方法において、前記信号生成工程は、前記予備の撮影を行う際に水平方向に前記信号電荷を格納するパケットに連続する２つに対して同時に井戸を形成する水平駆動タイミング信号を生成することを特徴とする信号読出し方法。
- 請求項７に記載の方法において、前記水平転送工程は、前記信号電荷の転送に用いる位相駆動信号に関して同相の範囲を連続３パケット分にして２相駆動する駆動信号を用いることを特徴とする信号読出し方法。
- 請求項10に記載の方法において、前記水平転送工程は、通常の水平転送に２相駆動信号を用いている場合、前記信号電荷の読出しが２列おきに得られる関係から６パケットの半分を転送キャリアにするとともに、該６パケットに対して２相駆動信号を行うことを特徴とする信号読出し方法。
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