JP4069533B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法並びにカメラシステム - 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その駆動方法並びにカメラシステムに関し、特に静止画と動画の双方を得ることが可能なカラー撮像方式の固体撮像装置およびその駆動方法、並びに当該固体撮像装置を撮像デバイスとして用いたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スチルカメラに代表される静止画の撮像技術では、撮像デバイスとして固体撮像装置、例えば多画素のＣＣＤ(Charge Coupled Device) イメージャを用い、全画素の信号電荷を独立に読み出すことによって静止画を得るようにしている。そして、高解像度化のために、より多画素のＣＣＤイメージャが用いられる。
【０００３】
一方、被写体をモニタリングする際には、モニターに動画を映し出すモニタリングモード（動画モード）が設定される。ところが、ＣＣＤイメージャの出力部では、出力部を構成するソースフォロワのカットオフ周波数とＣＣＤ駆動周波数との間に制約条件があることから、出力部をあまり高速にできないため、ＣＣＤイメージャの多画素化に伴って画素数が増えることにより、モニタリングモードでのフレームレートが低下することになる。
【０００４】
これに対して、従来、１００万画素程度又はそれ以上の画素を有する静止画用ＣＣＤイメージャにおいて、モニタリングモード設定時に、各画素からの信号電荷の読み出しを垂直方向において間引くことにより、フレームレートを上げる技術が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、垂直方向に画素を間引くことによってフレームレートを上げることはできるものの、その反面垂直解像度が低下するため、垂直解像度と水平解像度との関係がアンバランスなものとなる。フレームレートをさらに上げるために垂直方向に間引く画素数を多くすると、垂直解像度と水平解像度との関係がさらにアンバランスなものとなる。
【０００６】
この垂直解像度と水平解像度とのバランス関係を考慮した場合、水平方向においても垂直方向と同様に画素を間引くようにすれば良いことになるが、先述したように、周波数特性の制限から水平転送部の駆動周波数（以下、水平駆動周波数と称す）を全画素モード時よりも高くすることはできないため、水平駆動周波数を上げることなく、水平方向に画素を間引いてフレームレートを上げることは困難であった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水平駆動周波数を上げることなく、水平方向に画素を間引いてフレームレートを上げることを可能とした固体撮像装置およびその駆動方法、並びに当該固体撮像装置を撮像デバイスとして用いたカメラシステムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像装置は、行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタと、ｍｎ＋１列（ｍは自然数）ごとにｍｎ列につき垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を選択的に阻止する転送阻止部と、この転送阻止部が転送阻止状態にあるときに、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送する駆動系とを備えた構成となっている。
【０００９】
本発明による固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像装置において、ｍｎ＋１列ごとにｍｎ列につき垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を禁止し、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送するようにする。
【００１０】
本発明によるカメラシステムは、行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像装置を撮像デバイスとして用いるとともに、撮像モードとして全画素モードとモニタリングモードとを選択的に設定するモード設定手段を備える。固体撮像装置は、このモード設定手段によってモニタリングモードが設定されたときには、ｍｎ＋１列ごとにｍｎ列につき垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を禁止するとともに、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送する。そして、固体撮像装置の出力信号は、信号処理手段において所定の信号処理が施されて出力される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るカラーＣＣＤイメージャを示す概略構成図である。
【００１２】
図１において、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積するセンサ部（画素）１１が多数、垂直（行）方向および水平（列）方向に２次元マトリクス状に配列されている。また、これらセンサ部１１の垂直列ごとに複数本の垂直ＣＣＤ１２が設けられ、さらにこれら垂直ＣＣＤ１２と各センサ部１１との間には読み出しゲート部１３が介在している。
【００１３】
複数個のセンサ部１１に蓄積された信号電荷は、後述する読み出しパルスＸＳＧが読み出しゲート部１３に印加され、当該読み出しゲート部１３のポテンシャルが深くなることによって垂直ＣＣＤ１２に読み出される。垂直ＣＣＤ１２は、例えば３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３によって転送駆動され、読み出された信号電荷を順に垂直転送する。
【００１４】
３相駆動の垂直ＣＣＤ１２では、例えば、各相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３が印加される転送電極が、読み出しゲート部１３のゲート電極を兼ねた構造となっている。このことから、３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３は、低レベル（以下、“Ｌ”レベルと記す）、中間レベルおよび高レベル（以下、“Ｈ”レベルと記す）の３値をとるように設定されており、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスが読み出しゲート部１３に印加される読み出しパルスＸＳＧとなる。
【００１５】
複数本の垂直ＣＣＤ１２の各転送先側の端部には、ＶＨ転送部１４を間に挟んで水平ＣＣＤ１５が図の左右方向に延在している。ＶＨ転送部１４は、複数本の垂直ＣＣＤ１２からの信号電荷を、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧに応じて列単位で選択的に水平ＣＣＤ１５に転送することにより、水平方向に画素を間引く処理を行う。このＶＨ転送部１４の具体的な構造については後で詳細に説明する。水平ＣＣＤ１５は、例えば２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２によって転送駆動される。
【００１６】
水平ＣＣＤ１５の転送先側の端部には、例えばフローティングディフュージョンアンプ構成の電荷検出部１６が配されている。この電荷検出部１６は、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットドレインＲＤおよび両者間に位置するリセットゲートＲＧからなり、水平ＣＣＤ１５によって水平転送され、フローティングディフュージョンＦＤに注入された信号電荷を順次信号電圧に変換して出力する。
【００１７】
垂直ＣＣＤ１２を転送駆動する読み出しパルスＸＳＧを含む３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３、ＶＨ転送部１４を制御するオーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧおよび水平ＣＣＤ１５を転送駆動する２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２等の各種のタイミングパルスは、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１７で生成される。タイミングジェネレータ１７は、図示せぬドライバなどと共にＣＣＤイメージャの駆動系を構成し、生成した各種のタイミングパルスを当該ドライバを通して垂直ＣＣＤ１２や水平ＣＣＤ１５等へ与える。
【００１８】
上記構成のカラーＣＣＤイメージャ１０は、高解像度の静止画を得るために多画素化が図られている。さらに、カラー撮像方式のものであることから、センサ部１１が２次元マトリクス状に多数配列されてなる撮像エリア１８の上方には、例えば図２に示すように、同一の色が垂直（行）および水平（列）方向において２画素ごとに繰り返して配列されたいわゆる２×２繰り返しの原色ベイヤー配列のカラーフィルタ１９が、１つのセンサ部（画素）１１に対して１つの色が割り当てられるように例えばオンチップにて形成されている。
【００１９】
図３は、ＶＨ転送部１４の具体的な構造の一例を示す平面パターン図であり、隣接する水平ＣＣＤ１５と共に示してある。
【００２０】
図３において、垂直ＣＣＤ１２の複数本の転送チャネル２１の上方には、３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３に対応した転送電極２２-1〜２２-3が、垂直方向に順に配され、かつ水平方向に平行に延在して設けられている。これらの転送電極２２-1〜２２-3において、例えば、１相目，３相目の垂直転送クロックＶφ１，Ｖφ３が印加される転送電極２２-1，２２-3が１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）によって形成され、２相目の垂直転送クロックＶφ２が印加される転送電極２２-2が２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す）によって形成されている。
【００２１】
一方、水平ＣＣＤ１５は、水平方向に延在しかつ垂直ＣＣＤ１２の複数本の転送チャネル２１の各々に連結された転送チャネル２３と、この転送チャネル２３の上方に水平方向に順に配された２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２に対応した転送電極２４-1〜２４-4とを有する構成となっている。
【００２２】
これらの転送電極２４-1〜２４-4において、転送電極２４-1，２４-3が２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す）によって形成され、転送電極２４-2，２４-4が１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）によって形成されている。そして、転送電極２４-1，２４-2には１相目の水平転送クロックＨφ１が印加され、転送電極２４-3，２４-4には２相目の水平転送クロックとＨφ２が印加される。
【００２３】
また、ＶＨ転送部１４では、水平方向に画素を間引く処理を行うために、垂直ＣＣＤ１２で転送されてきた信号電荷を選択的に排出する電荷排出部２５が、所定の転送チャネル２１の近傍に配されている。本例では、図２に示す水平２繰り返しのカラーコーディングに対して、水平方向において３画素ごとに２画素を間引く処理を行うために、３列ごとに２列について電荷排出部２５を設けた構成を採っている。この電荷排出部２５は、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送を選択的に阻止する転送阻止部として機能する。
【００２４】
電荷排出部２５を配する部分においては、２相目，３相目の垂直転送クロックＶφ２，Ｖφ３が印加される転送電極２２-2，２２-3を幅狭に形成することで、電荷排出部２５を形成する領域を確保している。そしてこの領域において、電荷排出部２５は、転送チャネル２１にチャネルが連続するオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）２６と、このオーバーフロードレイン部２６と転送チャネル２１の間に設けられたオーバーフローゲート部（ＯＦＧ）２７とから構成されている。
【００２５】
この電荷排出部２５において、オーバーフロードレイン部２６のポテンシャルは、転送チャネル２１のポテンシャルよりもさらに深くなるように設定されている。また、オーバーフローゲート部２７のゲート電極には、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが印加される。そして、このオーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが“Ｌ”レベルのときには、オーバーフローゲート部２７のポテンシャルが転送チャネル２１のポテンシャルよりも浅くなることで、垂直ＣＣＤ１２によって転送されてきた信号電荷はそのまま転送チャネル２１から水平ＣＣＤ１５の転送チャネル２３へ転送される。
【００２６】
一方、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが“Ｈ”レベルのときには、オーバーフローゲート部２７のポテンシャルが転送チャネル２１のポテンシャルよりも深くなることで、垂直ＣＣＤ１２によって転送されてきた信号電荷は、オーバーフローゲート部２７を通して当該ゲート部２７よりもさらにポテンシャルが深いオーバーフロードレイン部２６へ強制的に排出される。この電荷排出部２５の選択的な信号電荷の排出動作により、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送が阻止（禁止）される。
【００２７】
図４は、上記構成のカラーＣＣＤイメージャ１０を撮像デバイスとして用いた本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示すブロック図である。
【００２８】
図４において、本カメラシステムは、撮像デバイスであるカラーＣＣＤイメージャ１０、このＣＣＤイメージャ１０の撮像面上に被写体からの入射光（像光）を取り込んで結像するレンズ３１、ＣＣＤイメージャ１０の出力信号を処理する信号処理回路３２、この信号処理回路３２の出力信号を記録媒体に記録する画像記録装置３３、信号処理回路３２の出力信号をモニターに表示する画像表示装置３４、本システム全体のタイミング制御をなすタイミングコントローラ３５およびＣＣＤイメージャ１０の撮像モードを設定するモード設定部３６を備えた構成となっている。
【００２９】
上記構成のカメラシステムにおいて、ＣＣＤイメージャ１０の撮像面上には、レンズ３１などの光学系を通して、被写体からの入射光（像光）が結像される。このＣＣＤイメージャ１０は、その撮像モードとして、静止画を得る全画素モードと、被写体をモニタリングするモニタリングモードとがモード設定部３６によって適宜設定される。
【００３０】
ＣＣＤイメージャ１０において、タイミングジェネレータ１７（図１を参照）は、モード設定部３６で全画素モードが設定されたときは、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧを“Ｌ”レベルにする。これにより、垂直ＣＣＤ１２の全てにおいて水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送が行われる。一方、モード設定部３６でモニタリングモードが設定されたときは、タイミングジェネレータ１７は、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧを“Ｈ”レベルにする。これにより、垂直ＣＣＤ１２において３列ごとに２列について水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送が阻止される。
【００３１】
モニタリングモード設定時には、タイミングジェネレータ１７はさらに、水平ＣＣＤ１５を１ビット（１転送段）ずつシフト（以下、これをビットシフトと称す）しつつ３行分の信号電荷を垂直ＣＣＤ１２から順次水平ＣＣＤ１５に転送するように、３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３および２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２によって垂直ＣＣＤ１２および水平ＣＣＤ１５の駆動を行う。その具体的な動作については、後で詳細に説明する。
【００３２】
画像記録装置３３は、モード設定部３６で全画素モードが設定されたときに、信号処理回路３２で処理された画像信号を、メモリやフロッピーディスクなどの記録媒体に記録する。この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。画像表示装置３４は、モード設定部３６でモニタリングモードが設定されたときに、信号処理回路３２で処理された画像信号を、ＣＲＴ（陰極線管）やＬＣＤ（液晶）などのモニターに動画として映し出す。
【００３３】
図５は、信号処理回路３２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。本例に係る信号処理回路３２は、水平２繰り返しのカラーコーディングに対して３（＝２＋１）個のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４１-1〜４１-3、３個のＡ／Ｄ変換器４２-1〜４２-3および３個のラインメモリ４３-1〜４３-3と、これらラインメモリ４３-1〜４３-3の各出力を順に選択してシリーズに出力する選択スイッチ４４と、この選択スイッチ４４の出力信号をアナログ化するＤ／Ａ変換器４５とを有する構成となっている。
【００３４】
この信号処理回路３２において、サンプルホールド回路４１-1〜４１-3は、図６のタイミングチャートに示すように、各々異なる位相の３個のＳ／Ｈパルス１〜３に応答して、ＣＣＤイメージャ１０の出力信号をそれぞれ異なる位相でサンプリングするようになっている。ここで、Ｓ／Ｈパルス１〜３の相互の位相（間隔）θは、ＣＣＤイメージャ１０から画素単位で出力される信号の間隔に対応している。
【００３５】
これにより、サンプルホールド回路４１-1〜４１-3では、水平ＣＣＤ１５上で連続する３画素分の信号を単位としてその３画素分の信号が順にサンプリングされることになる。このサンプルホールド回路４１-1〜４１-3でサンプリングされた画素信号は、Ａ／Ｄ変換器４２-1〜４２-3でデジタル化された後、ラインメモリ４３-1〜４３-3にそれぞれ順次格納される。ラインメモリ４３-1〜４３-3にそれぞれ１ライン（１行）分の画素信号が格納された後、選択スイッチ４４はラインメモリ４３-1→ラインメモリ４３-2→ラインメモリ４３-3の順に各１ライン分の画素信号を選択してシリーズに出力する。
【００３６】
上記構成のカメラシステムにおいて、モード設定部３６で全画素モードおよびモニタリングモードが設定されたときの各動作について説明する。
【００３７】
先ず、全画素モードでの動作について、図７のタイミングチャートにしたがって説明する。全画素モードでは、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが“Ｌ”レベルとなり、図３において、オーバーフローゲート部２７のポテンシャルが浅い状態にあることから、オーバーフロードレイン部２６への信号電荷の排出、即ち水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送阻止は行われず、全ての垂直ＣＣＤ１２において水平ＣＣＤ１５へ信号電荷が転送されることになる。
【００３８】
先ず、時刻ｔ０で例えば１相目の垂直転送クロックＶφ１に読出しパルスＸＳＧが立つことでセンサ部１１からの信号電荷の読出しが行われる。続いて、時刻ｔ１でそれまで“Ｈ”レベルにあった１相目の垂直転送クロックＶφ１が“Ｌ”レベルに遷移し、時刻ｔ２でそれまで“Ｌ”レベルにあった３相目の垂直転送クロックＶφ３が“Ｈ”レベルに遷移し、時刻ｔ３でそれまで“Ｈ”レベルにあった２相目の垂直転送クロックＶφ２が“Ｌ”レベルに遷移し、時刻ｔ４で１相目の垂直転送クロックＶφ１が再び“Ｈ”レベルに遷移し、時刻ｔ５で３相目の垂直転送クロックＶφ３が再び“Ｌ”レベルに遷移し、時刻ｔ６で２相目の垂直転送クロックＶφ２が再び“Ｈ”レベルに遷移する。
【００３９】
これにより、垂直ＣＣＤ１２でラインシフトが行われ、１ライン（１行）分の各画素の信号電荷が水平ＣＣＤ１５へ転送される。その後、互いに逆相の２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２による水平ＣＣＤ１５の駆動によって水平転送が行われる。このラインシフトおよび水平転送の動作が、全ラインに亘って繰り返される。各ラインの信号電荷は、電荷検出部１６で順次信号電圧に変換された後、信号処理回路３２（図４を参照）に供給される。この全画素モードでは、信号処理回路３２において、図５に示す回路系とは異なる回路系を経て画像記録装置３３（図４を参照）に供給され、記録媒体に記録される。
【００４０】
続いて、モニタリングモードでの動作について、図８の動作説明図を用いて図９のタイミングチャートにしたがって説明する。なお、ここでは、一例として、９行１０列の画素配列のＣＣＤイメージャを例に採って説明するものとする。また、説明を簡単にするために、水平方向においてのみ画素を間引く場合の動作について説明するものとする。
【００４１】
また、モニタリングモードでは、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが“Ｈ”レベルとなり、図３において、オーバーフローゲート部２７のポテンシャルが深い状態にあることから、このオーバーフローゲート部２７を通してのオーバーフロードレイン部２６への信号電荷の強制的な排出、即ち水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送阻止が行われる。
【００４２】
このとき、図２に示す水平２繰り返しのカラーコーディングに対して、水平方向で３画素ごとに２画素を間引く処理が行われることから、垂直ＣＣＤ１２において３列ごとに２列について水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送が阻止（禁止）されることになる。図８の動作説明図において、ＶＨ転送部１４の×印を付した列が転送阻止状態にあることを示している。
【００４３】
先ず、時刻ｔ０で例えば１相目の垂直転送クロックＶφ１に読出しパルスＸＳＧが立つことでセンサ部１１からの信号電荷の読出しが行われる。続いて、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間においてラインシフトが行われる（図８（ａ）の状態）。このとき、ＶＨ転送部１４において３列ごとに２列について転送阻止状態にあることから、１行目のＧ１，Ｂ１，Ｇ１，Ｂ１の画素の信号電荷のみが水平ＣＣＤ１５へ転送される。
【００４４】
このラインシフトが行われる直前に、他の２画素ずつの信号電荷については、図３に示す電荷排出部２５において、オーバーフローゲート部２７を通してオーバーフロードレイン部２６に強制的に排出される。このラインシフト後、水平ＣＣＤ１５には、２ビット（２転送段）おきにＧ１，Ｂ１，Ｇ１，Ｂ１の信号電荷が位置することになる。
【００４５】
続いて、時刻ｔ３で互いに逆相の２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２が１パルス立つことにより、水平ＣＣＤ１５において１転送段分のビットシフトが行われる（図８（ｂ）の状態）。このビットシフト後、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の期間において再びラインシフトが行われる（図８（ｃ）の状態）。このラインシフトでは、２行目のＲ２，Ｇ２，Ｒ２，Ｇ２の画素の信号電荷のみが水平ＣＣＤ１５へ転送され、他の信号電荷についてはオーバーフロードレイン部２６に強制的に排出されることで転送阻止される。
【００４６】
続いて、時刻ｔ６で２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２が１パルス立つことにより、水平ＣＣＤ１５において再度ビットシフトが行われる（図８（ｄ）の状態）。このビットシフト後、時刻ｔ７〜時刻ｔ８の期間において再度ラインシフトが行われる（図８（ｅ）の状態）。このラインシフトでは、３行目のＧ３，Ｒ３，Ｇ３，Ｒ３の画素の信号電荷のみが水平ＣＣＤ１５へ転送され、他の信号電荷についてはオーバーフロードレイン部２６に強制的に排出される。
【００４７】
以上の一連の動作により、図８（ｅ）から明らかなように、水平ＣＣＤ１５には、１列につき３行分の画素を単位とし、この３行分の画素の各信号電荷が順に配列されることになる。その後、水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２による水平ＣＣＤ１５の駆動によって水平転送が行われる。この列単位で選択的な転送阻止を伴うラインシフトおよび水平転送の動作が、３行ごとに繰り返して実行される。そして、３行分の画素の各信号電荷は、電荷検出部１６で順次信号電圧に変換された後、信号処理回路３２に供給される。
【００４８】
次に、図５に示す信号処理回路３２の回路動作について説明する。電荷検出部１６で図８（ｅ）に示す順、即ちＧ１，Ｒ２，Ｇ３，Ｂ１，Ｇ２，Ｒ３，Ｇ１，Ｒ２，Ｇ３，Ｂ１，Ｇ２，Ｒ３の順に信号電圧に変換された各画素信号が入力されると、サンプルホールド回路４１-1〜４１-3はこれらの画素信号を図６に示す位相関係にあるＳ／Ｈパルス１〜３で順にサンプリングする。その結果、サンプルホールド回路４１-1はＧ１，Ｂ１，Ｇ１，Ｂ１の信号電荷をサンプリングし、サンプルホールド回路４１-2はＲ２，Ｇ２，Ｒ２，Ｇ２の信号電荷をサンプリングし、サンプルホールド回路４１-3はＧ３，Ｂ３，Ｇ３，Ｂ３の信号電荷をサンプリングすることになる。
【００４９】
サンプルホールド回路４１-1〜４１-3の各サンプルホールド出力は、Ａ／Ｄ変換器４２-1〜４２-3でＡ／Ｄ変換された後、ラインメモリ４３-1〜４３-3に順に格納される。ラインメモリ４３-1〜４３-3はＦＩＦＯ(first-in first-out)メモリであり、これらラインメモリ４３-1〜４３-3に格納された画素信号は、選択スイッチ４４によってメモリ単位で選択され、最初にラインメモリ４３-1の画素信号、次いでラインメモリ４３-2の画素信号、最後にラインメモリ４３-3の各画素信号が格納された順に出力される。
【００５０】
その結果、選択スイッチ４４からは、Ｇ１，Ｂ１，Ｇ１，Ｂ１，Ｒ２，Ｇ２，Ｒ２，Ｇ２，Ｇ３，Ｂ３，Ｇ３，Ｂ３，……の順に画素信号が出力されることになる。これは、ＣＣＤイメージャ１０の画素配列に対応し、しかも２×２繰り返しのカラーコーディングを維持したものとなる。これらの画素信号は、Ｄ／Ａ変換器４５でＤ／Ａ変換された後、画像表示装置２７（図４を参照）に供給されてモニターに映し出される。
【００５１】
上述したように、水平２繰り返しのカラーコーディングのカラーフィルタ１９を持つＣＣＤイメージャ１０において、モニタリングモード設定時に３列ごとに２列について垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送を禁止し、水平ＣＣＤ１５を１転送段ずつビットシフトしつつ３行分の画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５に転送し、かつこれらを一括して水平転送するようにしたことにより、水平ＣＣＤ１５の駆動周波数を上げることなく、水平方向に画素を１／３に間引いてフレームレートを上げることができる。
【００５２】
なお、上述した動作説明では、説明を簡単にするために、水平方向での間引きのみを行う場合を例に採って説明したが、垂直方向での間引きと組み合わせて処理することも可能である。例えば、垂直方向においても画素を１／３に間引いた場合には、９倍速のモニタリングモードを実現できることになる。
【００５３】
また、上記実施形態では、原色ベイヤー配列のカラーフィルタを用いた場合について説明したが、これに限られるものではなく、例えば図１０に示すような補色ベイヤー配列のカラーフィルタの場合にも同様に適用可能である。
【００５４】
さらに、カラーコーディングは水平方向において必ずしも２画素繰り返しである必要はなく、その繰り返し画素数は任意である。このとき、その繰り返し画素数をｎ（ｎ≧２）とした場合に、ｍｎ＋１列（ｍ＝１，２，３，……）ごとにｍｎ列について垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送を禁止し、水平ＣＣＤ１５を１転送段ずつビットシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直ＣＣＤ１２から順次水平ＣＣＤ１５に転送し、かつこれらを一括して水平転送する駆動を行うことが必要となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像装置において、ｍｎ＋１列ごとにｍｎ列について垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を禁止し、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送するようにしたことにより、水平駆動周波数を上げることなく、水平方向に画素を間引いてフレームレートを上げることができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るカラーＣＣＤイメージャを示す概略構成図である。
【図２】２×２繰り返しの原色ベイヤー配列を示す図である。
【図３】ＶＨ転送部の構造の一例を示す平面パターン図である。
【図４】本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示すブロック図である。
【図５】信号処理回路の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図６】Ｓ／Ｈパルス１〜３の位相関係を示すタイミングチャートである。
【図７】全画素モードでの動作説明のためのタイミングチャートである。
【図８】モニタリングモードの動作説明図である。
【図９】モニタリングモードでの動作説明のためのタイミングチャートである。
【図１０】２×２繰り返しの補色ベイヤー配列を示す図である。
【符号の説明】
１０…カラーＣＣＤイメージャ、１１…センサ部、１２…垂直ＣＣＤ、１３…読み出しゲート部、１４…ＶＨ転送部、１５…水平ＣＣＤ、１６…電荷検出部、１７…タイミングジェネレータ、１９…カラーフィルタ、２５…電荷排出部、２６…オーバーフロードレイン部、２７…オーバーフローゲート部、３２…信号処理回路、３３…画像記録装置、３４…画像表示装置、３５…タイミングコントローラ、３６…モード設定部、４１-1〜４１-3…サンプルホールド回路、４３-1〜４３-3…ラインメモリ
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法並びにカメラシステムに関し、特に静止画と動画の双方を得ることが可能なカラー撮像方式の固体撮像装置およびその駆動方法、並びに当該固体撮像装置を撮像デバイスとして用いたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スチルカメラに代表される静止画の撮像技術では、撮像デバイスとして固体撮像装置、例えば多画素のＣＣＤ(Charge Coupled Device) イメージャを用い、全画素の信号電荷を独立に読み出すことによって静止画を得るようにしている。そして、高解像度化のために、より多画素のＣＣＤイメージャが用いられる。
【０００３】
一方、被写体をモニタリングする際には、モニターに動画を映し出すモニタリングモード（動画モード）が設定される。ところが、ＣＣＤイメージャの出力部では、出力部を構成するソースフォロワのカットオフ周波数とＣＣＤ駆動周波数との間に制約条件があることから、出力部をあまり高速にできないため、ＣＣＤイメージャの多画素化に伴って画素数が増えることにより、モニタリングモードでのフレームレートが低下することになる。
【０００４】
これに対して、従来、１００万画素程度又はそれ以上の画素を有する静止画用ＣＣＤイメージャにおいて、モニタリングモード設定時に、各画素からの信号電荷の読み出しを垂直方向において間引くことにより、フレームレートを上げる技術が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、垂直方向に画素を間引くことによってフレームレートを上げることはできるものの、その反面垂直解像度が低下するため、垂直解像度と水平解像度との関係がアンバランスなものとなる。フレームレートをさらに上げるために垂直方向に間引く画素数を多くすると、垂直解像度と水平解像度との関係がさらにアンバランスなものとなる。
【０００６】
この垂直解像度と水平解像度とのバランス関係を考慮した場合、水平方向においても垂直方向と同様に画素を間引くようにすれば良いことになるが、先述したように、周波数特性の制限から水平転送部の駆動周波数（以下、水平駆動周波数と称す）を全画素モード時よりも高くすることはできないため、水平駆動周波数を上げることなく、水平方向に画素を間引いてフレームレートを上げることは困難であった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水平駆動周波数を上げることなく、水平方向に画素を間引いてフレームレートを上げることを可能とした固体撮像装置およびその駆動方法、並びに当該固体撮像装置を撮像デバイスとして用いたカメラシステムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体撮像装置は、行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタと、ｍｎ＋１列（ｍは自然数）ごとにｍｎ列につき垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を選択的に阻止する転送阻止部と、この転送阻止部が転送阻止状態にあるときに、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送する駆動系とを備えた構成となっている。
【０００９】
本発明による固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像装置において、ｍｎ＋１列ごとにｍｎ列につき垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を禁止し、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送するようにする。
【００１０】
本発明によるカメラシステムは、行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像装置を撮像デバイスとして用いるとともに、撮像モードとして全画素モードとモニタリングモードとを選択的に設定するモード設定手段を備える。固体撮像装置は、このモード設定手段によってモニタリングモードが設定されたときには、ｍｎ＋１列ごとにｍｎ列につき垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を禁止するとともに、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送する。そして、固体撮像装置の出力信号は、信号処理手段において所定の信号処理が施されて出力される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るカラーＣＣＤイメージャを示す概略構成図である。
【００１２】
図１において、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積するセンサ部（画素）１１が多数、垂直（行）方向および水平（列）方向に２次元マトリクス状に配列されている。また、これらセンサ部１１の垂直列ごとに複数本の垂直ＣＣＤ１２が設けられ、さらにこれら垂直ＣＣＤ１２と各センサ部１１との間には読み出しゲート部１３が介在している。
【００１３】
複数個のセンサ部１１に蓄積された信号電荷は、後述する読み出しパルスＸＳＧが読み出しゲート部１３に印加され、当該読み出しゲート部１３のポテンシャルが深くなることによって垂直ＣＣＤ１２に読み出される。垂直ＣＣＤ１２は、例えば３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３によって転送駆動され、読み出された信号電荷を順に垂直転送する。
【００１４】
３相駆動の垂直ＣＣＤ１２では、例えば、各相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３が印加される転送電極が、読み出しゲート部１３のゲート電極を兼ねた構造となっている。このことから、３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３は、低レベル（以下、“Ｌ”レベルと記す）、中間レベルおよび高レベル（以下、“Ｈ”レベルと記す）の３値をとるように設定されており、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスが読み出しゲート部１３に印加される読み出しパルスＸＳＧとなる。
【００１５】
複数本の垂直ＣＣＤ１２の各転送先側の端部には、ＶＨ転送部１４を間に挟んで水平ＣＣＤ１５が図の左右方向に延在している。ＶＨ転送部１４は、複数本の垂直ＣＣＤ１２からの信号電荷を、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧに応じて列単位で選択的に水平ＣＣＤ１５に転送することにより、水平方向に画素を間引く処理を行う。このＶＨ転送部１４の具体的な構造については後で詳細に説明する。水平ＣＣＤ１５は、例えば２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２によって転送駆動される。
【００１６】
水平ＣＣＤ１５の転送先側の端部には、例えばフローティングディフュージョンアンプ構成の電荷検出部１６が配されている。この電荷検出部１６は、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットドレインＲＤおよび両者間に位置するリセットゲートＲＧからなり、水平ＣＣＤ１５によって水平転送され、フローティングディフュージョンＦＤに注入された信号電荷を順次信号電圧に変換して出力する。
【００１７】
垂直ＣＣＤ１２を転送駆動する読み出しパルスＸＳＧを含む３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３、ＶＨ転送部１４を制御するオーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧおよび水平ＣＣＤ１５を転送駆動する２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２等の各種のタイミングパルスは、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１７で生成される。タイミングジェネレータ１７は、図示せぬドライバなどと共にＣＣＤイメージャの駆動系を構成し、生成した各種のタイミングパルスを当該ドライバを通して垂直ＣＣＤ１２や水平ＣＣＤ１５等へ与える。
【００１８】
上記構成のカラーＣＣＤイメージャ１０は、高解像度の静止画を得るために多画素化が図られている。さらに、カラー撮像方式のものであることから、センサ部１１が２次元マトリクス状に多数配列されてなる撮像エリア１８の上方には、例えば図２に示すように、同一の色が垂直（行）および水平（列）方向において２画素ごとに繰り返して配列されたいわゆる２×２繰り返しの原色ベイヤー配列のカラーフィルタ１９が、１つのセンサ部（画素）１１に対して１つの色が割り当てられるように例えばオンチップにて形成されている。
【００１９】
図３は、ＶＨ転送部１４の具体的な構造の一例を示す平面パターン図であり、隣接する水平ＣＣＤ１５と共に示してある。
【００２０】
図３において、垂直ＣＣＤ１２の複数本の転送チャネル２１の上方には、３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３に対応した転送電極２２-1〜２２-3が、垂直方向に順に配され、かつ水平方向に平行に延在して設けられている。これらの転送電極２２-1〜２２-3において、例えば、１相目，３相目の垂直転送クロックＶφ１，Ｖφ３が印加される転送電極２２-1，２２-3が１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）によって形成され、２相目の垂直転送クロックＶφ２が印加される転送電極２２-2が２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す）によって形成されている。
【００２１】
一方、水平ＣＣＤ１５は、水平方向に延在しかつ垂直ＣＣＤ１２の複数本の転送チャネル２１の各々に連結された転送チャネル２３と、この転送チャネル２３の上方に水平方向に順に配された２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２に対応した転送電極２４-1〜２４-4とを有する構成となっている。
【００２２】
これらの転送電極２４-1〜２４-4において、転送電極２４-1，２４-3が２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す）によって形成され、転送電極２４-2，２４-4が１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）によって形成されている。そして、転送電極２４-1，２４-2には１相目の水平転送クロックＨφ１が印加され、転送電極２４-3，２４-4には２相目の水平転送クロックとＨφ２が印加される。
【００２３】
また、ＶＨ転送部１４では、水平方向に画素を間引く処理を行うために、垂直ＣＣＤ１２で転送されてきた信号電荷を選択的に排出する電荷排出部２５が、所定の転送チャネル２１の近傍に配されている。本例では、図２に示す水平２繰り返しのカラーコーディングに対して、水平方向において３画素ごとに２画素を間引く処理を行うために、３列ごとに２列について電荷排出部２５を設けた構成を採っている。この電荷排出部２５は、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送を選択的に阻止する転送阻止部として機能する。
【００２４】
電荷排出部２５を配する部分においては、２相目，３相目の垂直転送クロックＶφ２，Ｖφ３が印加される転送電極２２-2，２２-3を幅狭に形成することで、電荷排出部２５を形成する領域を確保している。そしてこの領域において、電荷排出部２５は、転送チャネル２１にチャネルが連続するオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）２６と、このオーバーフロードレイン部２６と転送チャネル２１の間に設けられたオーバーフローゲート部（ＯＦＧ）２７とから構成されている。
【００２５】
この電荷排出部２５において、オーバーフロードレイン部２６のポテンシャルは、転送チャネル２１のポテンシャルよりもさらに深くなるように設定されている。また、オーバーフローゲート部２７のゲート電極には、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが印加される。そして、このオーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが“Ｌ”レベルのときには、オーバーフローゲート部２７のポテンシャルが転送チャネル２１のポテンシャルよりも浅くなることで、垂直ＣＣＤ１２によって転送されてきた信号電荷はそのまま転送チャネル２１から水平ＣＣＤ１５の転送チャネル２３へ転送される。
【００２６】
一方、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが“Ｈ”レベルのときには、オーバーフローゲート部２７のポテンシャルが転送チャネル２１のポテンシャルよりも深くなることで、垂直ＣＣＤ１２によって転送されてきた信号電荷は、オーバーフローゲート部２７を通して当該ゲート部２７よりもさらにポテンシャルが深いオーバーフロードレイン部２６へ強制的に排出される。この電荷排出部２５の選択的な信号電荷の排出動作により、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送が阻止（禁止）される。
【００２７】
図４は、上記構成のカラーＣＣＤイメージャ１０を撮像デバイスとして用いた本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示すブロック図である。
【００２８】
図４において、本カメラシステムは、撮像デバイスであるカラーＣＣＤイメージャ１０、このＣＣＤイメージャ１０の撮像面上に被写体からの入射光（像光）を取り込んで結像するレンズ３１、ＣＣＤイメージャ１０の出力信号を処理する信号処理回路３２、この信号処理回路３２の出力信号を記録媒体に記録する画像記録装置３３、信号処理回路３２の出力信号をモニターに表示する画像表示装置３４、本システム全体のタイミング制御をなすタイミングコントローラ３５およびＣＣＤイメージャ１０の撮像モードを設定するモード設定部３６を備えた構成となっている。
【００２９】
上記構成のカメラシステムにおいて、ＣＣＤイメージャ１０の撮像面上には、レンズ３１などの光学系を通して、被写体からの入射光（像光）が結像される。このＣＣＤイメージャ１０は、その撮像モードとして、静止画を得る全画素モードと、被写体をモニタリングするモニタリングモードとがモード設定部３６によって適宜設定される。
【００３０】
ＣＣＤイメージャ１０において、タイミングジェネレータ１７（図１を参照）は、モード設定部３６で全画素モードが設定されたときは、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧを“Ｌ”レベルにする。これにより、垂直ＣＣＤ１２の全てにおいて水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送が行われる。一方、モード設定部３６でモニタリングモードが設定されたときは、タイミングジェネレータ１７は、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧを“Ｈ”レベルにする。これにより、垂直ＣＣＤ１２において３列ごとに２列について水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送が阻止される。
【００３１】
モニタリングモード設定時には、タイミングジェネレータ１７はさらに、水平ＣＣＤ１５を１ビット（１転送段）ずつシフト（以下、これをビットシフトと称す）しつつ３行分の信号電荷を垂直ＣＣＤ１２から順次水平ＣＣＤ１５に転送するように、３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３および２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２によって垂直ＣＣＤ１２および水平ＣＣＤ１５の駆動を行う。その具体的な動作については、後で詳細に説明する。
【００３２】
画像記録装置３３は、モード設定部３６で全画素モードが設定されたときに、信号処理回路３２で処理された画像信号を、メモリやフロッピーディスクなどの記録媒体に記録する。この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。画像表示装置３４は、モード設定部３６でモニタリングモードが設定されたときに、信号処理回路３２で処理された画像信号を、ＣＲＴ（陰極線管）やＬＣＤ（液晶）などのモニターに動画として映し出す。
【００３３】
図５は、信号処理回路３２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。本例に係る信号処理回路３２は、水平２繰り返しのカラーコーディングに対して３（＝２＋１）個のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４１-1〜４１-3、３個のＡ／Ｄ変換器４２-1〜４２-3および３個のラインメモリ４３-1〜４３-3と、これらラインメモリ４３-1〜４３-3の各出力を順に選択してシリーズに出力する選択スイッチ４４と、この選択スイッチ４４の出力信号をアナログ化するＤ／Ａ変換器４５とを有する構成となっている。
【００３４】
この信号処理回路３２において、サンプルホールド回路４１-1〜４１-3は、図６のタイミングチャートに示すように、各々異なる位相の３個のＳ／Ｈパルス１〜３に応答して、ＣＣＤイメージャ１０の出力信号をそれぞれ異なる位相でサンプリングするようになっている。ここで、Ｓ／Ｈパルス１〜３の相互の位相（間隔）θは、ＣＣＤイメージャ１０から画素単位で出力される信号の間隔に対応している。
【００３５】
これにより、サンプルホールド回路４１-1〜４１-3では、水平ＣＣＤ１５上で連続する３画素分の信号を単位としてその３画素分の信号が順にサンプリングされることになる。このサンプルホールド回路４１-1〜４１-3でサンプリングされた画素信号は、Ａ／Ｄ変換器４２-1〜４２-3でデジタル化された後、ラインメモリ４３-1〜４３-3にそれぞれ順次格納される。ラインメモリ４３-1〜４３-3にそれぞれ１ライン（１行）分の画素信号が格納された後、選択スイッチ４４はラインメモリ４３-1→ラインメモリ４３-2→ラインメモリ４３-3の順に各１ライン分の画素信号を選択してシリーズに出力する。
【００３６】
上記構成のカメラシステムにおいて、モード設定部３６で全画素モードおよびモニタリングモードが設定されたときの各動作について説明する。
【００３７】
先ず、全画素モードでの動作について、図７のタイミングチャートにしたがって説明する。全画素モードでは、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが“Ｌ”レベルとなり、図３において、オーバーフローゲート部２７のポテンシャルが浅い状態にあることから、オーバーフロードレイン部２６への信号電荷の排出、即ち水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送阻止は行われず、全ての垂直ＣＣＤ１２において水平ＣＣＤ１５へ信号電荷が転送されることになる。
【００３８】
先ず、時刻ｔ０で例えば１相目の垂直転送クロックＶφ１に読出しパルスＸＳＧが立つことでセンサ部１１からの信号電荷の読出しが行われる。続いて、時刻ｔ１でそれまで“Ｈ”レベルにあった１相目の垂直転送クロックＶφ１が“Ｌ”レベルに遷移し、時刻ｔ２でそれまで“Ｌ”レベルにあった３相目の垂直転送クロックＶφ３が“Ｈ”レベルに遷移し、時刻ｔ３でそれまで“Ｈ”レベルにあった２相目の垂直転送クロックＶφ２が“Ｌ”レベルに遷移し、時刻ｔ４で１相目の垂直転送クロックＶφ１が再び“Ｈ”レベルに遷移し、時刻ｔ５で３相目の垂直転送クロックＶφ３が再び“Ｌ”レベルに遷移し、時刻ｔ６で２相目の垂直転送クロックＶφ２が再び“Ｈ”レベルに遷移する。
【００３９】
これにより、垂直ＣＣＤ１２でラインシフトが行われ、１ライン（１行）分の各画素の信号電荷が水平ＣＣＤ１５へ転送される。その後、互いに逆相の２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２による水平ＣＣＤ１５の駆動によって水平転送が行われる。このラインシフトおよび水平転送の動作が、全ラインに亘って繰り返される。各ラインの信号電荷は、電荷検出部１６で順次信号電圧に変換された後、信号処理回路３２（図４を参照）に供給される。この全画素モードでは、信号処理回路３２において、図５に示す回路系とは異なる回路系を経て画像記録装置３３（図４を参照）に供給され、記録媒体に記録される。
【００４０】
続いて、モニタリングモードでの動作について、図８の動作説明図を用いて図９のタイミングチャートにしたがって説明する。なお、ここでは、一例として、９行１０列の画素配列のＣＣＤイメージャを例に採って説明するものとする。また、説明を簡単にするために、水平方向においてのみ画素を間引く場合の動作について説明するものとする。
【００４１】
また、モニタリングモードでは、オーバーフローゲート電圧ＶＯＦＧが“Ｈ”レベルとなり、図３において、オーバーフローゲート部２７のポテンシャルが深い状態にあることから、このオーバーフローゲート部２７を通してのオーバーフロードレイン部２６への信号電荷の強制的な排出、即ち水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送阻止が行われる。
【００４２】
このとき、図２に示す水平２繰り返しのカラーコーディングに対して、水平方向で３画素ごとに２画素を間引く処理が行われることから、垂直ＣＣＤ１２において３列ごとに２列について水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送が阻止（禁止）されることになる。図８の動作説明図において、ＶＨ転送部１４の×印を付した列が転送阻止状態にあることを示している。
【００４３】
先ず、時刻ｔ０で例えば１相目の垂直転送クロックＶφ１に読出しパルスＸＳＧが立つことでセンサ部１１からの信号電荷の読出しが行われる。続いて、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間においてラインシフトが行われる（図８（ａ）の状態）。このとき、ＶＨ転送部１４において３列ごとに２列について転送阻止状態にあることから、１行目のＧ１，Ｂ１，Ｇ１，Ｂ１の画素の信号電荷のみが水平ＣＣＤ１５へ転送される。
【００４４】
このラインシフトが行われる直前に、他の２画素ずつの信号電荷については、図３に示す電荷排出部２５において、オーバーフローゲート部２７を通してオーバーフロードレイン部２６に強制的に排出される。このラインシフト後、水平ＣＣＤ１５には、２ビット（２転送段）おきにＧ１，Ｂ１，Ｇ１，Ｂ１の信号電荷が位置することになる。
【００４５】
続いて、時刻ｔ３で互いに逆相の２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２が１パルス立つことにより、水平ＣＣＤ１５において１転送段分のビットシフトが行われる（図８（ｂ）の状態）。このビットシフト後、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の期間において再びラインシフトが行われる（図８（ｃ）の状態）。このラインシフトでは、２行目のＲ２，Ｇ２，Ｒ２，Ｇ２の画素の信号電荷のみが水平ＣＣＤ１５へ転送され、他の信号電荷についてはオーバーフロードレイン部２６に強制的に排出されることで転送阻止される。
【００４６】
続いて、時刻ｔ６で２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２が１パルス立つことにより、水平ＣＣＤ１５において再度ビットシフトが行われる（図８（ｄ）の状態）。このビットシフト後、時刻ｔ７〜時刻ｔ８の期間において再度ラインシフトが行われる（図８（ｅ）の状態）。このラインシフトでは、３行目のＧ３，Ｒ３，Ｇ３，Ｒ３の画素の信号電荷のみが水平ＣＣＤ１５へ転送され、他の信号電荷についてはオーバーフロードレイン部２６に強制的に排出される。
【００４７】
以上の一連の動作により、図８（ｅ）から明らかなように、水平ＣＣＤ１５には、１列につき３行分の画素を単位とし、この３行分の画素の各信号電荷が順に配列されることになる。その後、水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２による水平ＣＣＤ１５の駆動によって水平転送が行われる。この列単位で選択的な転送阻止を伴うラインシフトおよび水平転送の動作が、３行ごとに繰り返して実行される。そして、３行分の画素の各信号電荷は、電荷検出部１６で順次信号電圧に変換された後、信号処理回路３２に供給される。
【００４８】
次に、図５に示す信号処理回路３２の回路動作について説明する。電荷検出部１６で図８（ｅ）に示す順、即ちＧ１，Ｒ２，Ｇ３，Ｂ１，Ｇ２，Ｒ３，Ｇ１，Ｒ２，Ｇ３，Ｂ１，Ｇ２，Ｒ３の順に信号電圧に変換された各画素信号が入力されると、サンプルホールド回路４１-1〜４１-3はこれらの画素信号を図６に示す位相関係にあるＳ／Ｈパルス１〜３で順にサンプリングする。その結果、サンプルホールド回路４１-1はＧ１，Ｂ１，Ｇ１，Ｂ１の信号電荷をサンプリングし、サンプルホールド回路４１-2はＲ２，Ｇ２，Ｒ２，Ｇ２の信号電荷をサンプリングし、サンプルホールド回路４１-3はＧ３，Ｂ３，Ｇ３，Ｂ３の信号電荷をサンプリングすることになる。
【００４９】
サンプルホールド回路４１-1〜４１-3の各サンプルホールド出力は、Ａ／Ｄ変換器４２-1〜４２-3でＡ／Ｄ変換された後、ラインメモリ４３-1〜４３-3に順に格納される。ラインメモリ４３-1〜４３-3はＦＩＦＯ(first-in first-out)メモリであり、これらラインメモリ４３-1〜４３-3に格納された画素信号は、選択スイッチ４４によってメモリ単位で選択され、最初にラインメモリ４３-1の画素信号、次いでラインメモリ４３-2の画素信号、最後にラインメモリ４３-3の各画素信号が格納された順に出力される。
【００５０】
その結果、選択スイッチ４４からは、Ｇ１，Ｂ１，Ｇ１，Ｂ１，Ｒ２，Ｇ２，Ｒ２，Ｇ２，Ｇ３，Ｂ３，Ｇ３，Ｂ３，……の順に画素信号が出力されることになる。これは、ＣＣＤイメージャ１０の画素配列に対応し、しかも２×２繰り返しのカラーコーディングを維持したものとなる。これらの画素信号は、Ｄ／Ａ変換器４５でＤ／Ａ変換された後、画像表示装置２７（図４を参照）に供給されてモニターに映し出される。
【００５１】
上述したように、水平２繰り返しのカラーコーディングのカラーフィルタ１９を持つＣＣＤイメージャ１０において、モニタリングモード設定時に３列ごとに２列について垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送を禁止し、水平ＣＣＤ１５を１転送段ずつビットシフトしつつ３行分の画素の信号電荷を垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５に転送し、かつこれらを一括して水平転送するようにしたことにより、水平ＣＣＤ１５の駆動周波数を上げることなく、水平方向に画素を１／３に間引いてフレームレートを上げることができる。
【００５２】
なお、上述した動作説明では、説明を簡単にするために、水平方向での間引きのみを行う場合を例に採って説明したが、垂直方向での間引きと組み合わせて処理することも可能である。例えば、垂直方向においても画素を１／３に間引いた場合には、９倍速のモニタリングモードを実現できることになる。
【００５３】
また、上記実施形態では、原色ベイヤー配列のカラーフィルタを用いた場合について説明したが、これに限られるものではなく、例えば図１０に示すような補色ベイヤー配列のカラーフィルタの場合にも同様に適用可能である。
【００５４】
さらに、カラーコーディングは水平方向において必ずしも２画素繰り返しである必要はなく、その繰り返し画素数は任意である。このとき、その繰り返し画素数をｎ（ｎ≧２）とした場合に、ｍｎ＋１列（ｍ＝１，２，３，……）ごとにｍｎ列について垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５への信号電荷の転送を禁止し、水平ＣＣＤ１５を１転送段ずつビットシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直ＣＣＤ１２から順次水平ＣＣＤ１５に転送し、かつこれらを一括して水平転送する駆動を行うことが必要となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像装置において、ｍｎ＋１列ごとにｍｎ列について垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を禁止し、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送するようにしたことにより、水平駆動周波数を上げることなく、水平方向に画素を間引いてフレームレートを上げることができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るカラーＣＣＤイメージャを示す概略構成図である。
【図２】２×２繰り返しの原色ベイヤー配列を示す図である。
【図３】ＶＨ転送部の構造の一例を示す平面パターン図である。
【図４】本発明に係るカメラシステムの構成の一例を示すブロック図である。
【図５】信号処理回路の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図６】Ｓ／Ｈパルス１〜３の位相関係を示すタイミングチャートである。
【図７】全画素モードでの動作説明のためのタイミングチャートである。
【図８】モニタリングモードの動作説明図である。
【図９】モニタリングモードでの動作説明のためのタイミングチャートである。
【図１０】２×２繰り返しの補色ベイヤー配列を示す図である。
【符号の説明】
１０…カラーＣＣＤイメージャ、１１…センサ部、１２…垂直ＣＣＤ、１３…読み出しゲート部、１４…ＶＨ転送部、１５…水平ＣＣＤ、１６…電荷検出部、１７…タイミングジェネレータ、１９…カラーフィルタ、２５…電荷排出部、２６…オーバーフロードレイン部、２７…オーバーフローゲート部、３２…信号処理回路、３３…画像記録装置、３４…画像表示装置、３５…タイミングコントローラ、３６…モード設定部、４１-1〜４１-3…サンプルホールド回路、４３-1〜４３-3…ラインメモリ
Claims (6)
- 行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタと、
ｍｎ＋１列（ｍは自然数）ごとにｍｎ列について垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を選択的に阻止する転送阻止部と、
前記転送阻止部が転送阻止状態にあるときに、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送する駆動系と
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記転送阻止部は、垂直転送部から水平転送部への転送段の近傍に設けられて、垂直転送されてきた信号電荷を強制的に排出する電荷排出部である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有する固体撮像装置において、
ｍｎ＋１列（ｍは自然数）ごとにｍｎ列について垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を禁止し、
水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送する
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 撮像モードとして全画素モードとモニタリングモードとを選択的に設定するモード設定手段と、
行列状に配置された画素に対して列方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有し、前記モード設定手段によってモニタリングモードが設定されたときに、ｍｎ＋１列（ｍは自然数）ごとにｍｎ列について垂直転送部から水平転送部への信号電荷の転送を禁止するとともに、水平転送部を１転送段ずつシフトしつつｍｎ＋１行分の信号電荷を垂直転送部から順次水平転送部に転送し、かつこれらを一括して水平転送する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理手段と
を備えたことを特徴とするカメラシステム。 - 前記信号処理手段は、前記固体撮像装置の出力信号をそれぞれ異なる位相でサンプリングするｍｎ＋１個のサンプルホールド手段と、
前記ｍｎ＋１個のサンプルホールド手段の各出力信号を順に記憶するｍｎ＋１個の記憶手段とを有する
ことを特徴とする請求項４記載のカメラシステム。 - 前記ｍｎ＋１個の記憶手段に記憶された信号を順次読み出してシリーズに出力する出力手段を有する
ことを特徴とする請求項５記載のカメラシステム。
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