JP6019295B2 - 固体撮像装置及びカメラシステム - Google Patents

Description

本開示は、信号電荷の垂直転送を、１ラインの信号電荷を水平転送する水平期間を分割した複数の水平ブランキング期間（以下、水平分割期間とも呼ぶ）に分けて行う固体撮像装置及びカメラシステムに関する。

従来、デジタルカメラには、被写体からの像光（入射光）を撮像面に結像させて撮像信号を出力する固体撮像素子が用いられる。このような固体撮像素子として用いられるＣＣＤイメージャは、動画のフレームレートを上げるため、水平分割転送方式を採用することが多くなってきた。水平分割転送方式を採用したＣＣＤ撮像素子の駆動方法として、特許文献１に開示される技術が知られている。

通常、水平分割転送方式のフレーム読み出しモードでは、１ラインの長さに対して複数に分割されたうちの、ある一つの水平ブランキング期間（水平分割転送部）で垂直レジスタを用いた信号電荷の垂直転送を行う。そして、最終段の垂直レジスタから水平レジスタを用いて信号電荷を水平転送する際には、水平分割転送部毎に分けて行った後、１ライン分の撮像信号を出力している。

ここで、従来のＣＣＤ撮像素子の電極構成例及び動作タイミングについて、図１２〜図１４を参照して説明する。なお、図１２に対応する従来のＣＣＤ撮像素子の構造は、特許文献２に開示されている。

図１２は、８フィールド読み出しの水平４分割転送、かつ、垂直分割転送方式を採用している場合における、垂直転送から水平転送を行う各部の電極の配置例を示す説明図である。

従来のＣＣＤ撮像素子は、Ｖφ１〜Ｖφ８（垂直転送クロック）、ＶφＳＴ（垂直ストレージ制御クロック）、ＶφＨＬＤ（垂直信号ホールドクロック）、φＬＶ（垂直水平シフトクロック）、φＶＯＧ（垂直レジスタ最終段制御クロック）の各電極で、水平レジスタへの信号電荷の転送を制御する。これにより、水平レジスタでは、複数回に分けて信号電荷の水平転送を行うことができる。なお、図１２に記した符号（１）〜（４）は、各水平分割転送部が信号電荷を出力する列の順番に対応している。また、不図示のタイミング信号発生部から上記の各クロックが供給される電極を表現する場合にも上記の符号を用いて説明を行う。

ここで、（１）、（２）列は、Ｖφ１〜Ｖφ８、Ｖφ１を持つ。ここで、最終段のＶφ１は、φＬＶ１又はφＬＶ２へ信号電荷を転送しやすくするために用いる電極である。（１）、（２）列のようにＶφＳＴがない列では、Ｖφ７の下にＶφ８だけを配置するとゲートＬ長（転送長）が長くなり、φＬＶ１まで信号電荷をうまく転送できない場合がある。このため、垂直レジスタの最終段にＶφ１を追加して、１電極当りのゲートＬ長を抑えている。

一方、（３）、（４）列は、Ｖφ１〜Ｖφ７、ＶφＳＴ、ＶφＨＬＤを持つ。そして、（１）、（３）列は、φＬＶ１、φＶＯＧ１を共用し、（２）、（４）列は、φＬＶ２、φＶＯＧ２を共用する。

次に、従来のＣＣＤ撮像素子の動作例を説明する。
まず、光電変換部に蓄積された信号電荷はＶφ１〜Ｖφ８の垂直転送クロックに応じて垂直レジスタに読み出される。ここで、（１）列の垂直レジスタでは、信号電荷がφＬＶ１に転送され、（２）列の垂直レジスタでは、信号電荷がφＬＶ２に転送される。一方、（３）、（４）列の垂直レジスタでは、ＶφＳＴに信号電荷がそれぞれ蓄積される。

（１）列では、φＶＯＧ１の制御によりφＬＶ１の信号電荷が水平レジスタに転送され、更にφＨ１、φＨ２の制御により水平レジスタから信号電荷が出力される。
（２）列では、φＶＯＧ２の制御によりφＬＶ２の信号電荷が水平レジスタに転送され、更にφＨ１、φＨ２の制御により水平レジスタから信号電荷が出力される。

（１）、（２）列から信号電荷が水平転送されると、（３）、（４）列の信号電荷の転送制御が行われる。
（３）列では、ＶφＨＬＤの制御によりＶφＳＴから読み出された信号電荷がφＬＶ１に転送される。そして、φＶＯＧ１の制御によりφＬＶ１の信号電荷が水平レジスタに転送され、更にφＨ１、φＨ２の制御により水平レジスタから信号電荷が出力される。
（４）列では、ＶφＨＬＤの制御によりＶφＳＴから読み出された信号電荷がφＬＶ２に転送される。そして、φＶＯＧ２の制御によりφＬＶ２の信号電荷が水平レジスタに転送され、更にφＨ１、φＨ２の制御により水平レジスタから信号電荷が出力される。

次に、水平分割転送方式を用いたフレーム読み出しモードの２種類の駆動方法について説明する。

図１３は、ＨＤ２均一駆動の例を示すタイミングチャートである。
水平分割期間を同一（又は均一）にして信号電荷を水平転送する駆動方法を、「ＨＤ２均一駆動」と呼ぶ。ここで、ＨＤ２とは、水平分割期間の開始を定めるタイミング信号である。ＨＤ２均一駆動を行う際には、全ての水平分割期間を同一にしている。このため、センサ部から２パケットの信号電荷の垂直転送を行う水平第１分割期間と、信号電荷の水平転送を行う水平第２〜第４分割期間の長さは等しい。

図１４は、ＨＤ２短縮駆動の例を示すタイミングチャートである。
センサ部から読み出した信号電荷の垂直転送を行わない水平分割期間を短縮して、信号電荷を水平転送する駆動方法を、「ＨＤ２短縮駆動」と呼ぶ。ＨＤ２短縮駆動を行うと、センサ部から２パケットの信号電荷の垂直転送を行う水平第１分割期間だけが長く、信号電荷の垂直転送を行わない水平第２〜第４分割期間が短い。この場合、垂直転送の有無に応じて各水平分割期間を最適化することができる。

特開２００６−３１０６５５号公報 特開２００９−２９０８９０号公報

ところで、図１３に示したＨＤ２均一駆動では、最も長い水平第１分割期間の長さに他の水平分割期間の長さを合わせなければならない。このため、信号電荷の転送に寄与しない余分な期間が必要となり、フレームレート（水平第１〜第４分割期間の長さ）が下がってしまう。一方、ＨＤ２短縮駆動を行えば、水平第１分割期間ではブランキング期間を垂直転送分だけ長い期間を確保し、信号電荷の垂直転送を行わない水平第２〜４分割期間は垂直レジスタ最終段から水平レジスタへの転送期間のみ確保すればよい。このため、全体の水平ブランキング期間を短縮でき、フレームレートを上げることができる。

しかし、ＣＣＤ撮像素子の後段に配置される信号処理回路（例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor））の仕様によっては、全ての水平分割転送期間が同一でなければ撮像信号を処理できない場合がある。このような信号処理回路をカメラシステムに用いると、ＣＣＤ撮像素子は、ＨＤ２短縮駆動ではなく、ＨＤ２均一駆動を使うよう制限される。しかし、上述したようにＨＤ２均一駆動を使うと、フレームレートが下がることが予想されていた。

本開示はこのような状況に鑑みて成されたものであり、ＨＤ２均一駆動で撮像信号を出力する固体撮像装置であっても、フレームレートを下げることなく、信号電荷を効率的に垂直及び水平転送することを目的とする。

本開示は、タイミング信号を発生するタイミング信号発生部と、マトリクス状に配列された撮像面に受光した光を光電変換して信号電荷を蓄積する複数のセンサ部と、タイミング信号に基づいて、センサ部の垂直列毎に設けられ、複数のフィールドに分けてセンサ部から読み出した信号電荷を、１ラインの信号電荷を水平転送する水平期間を分割した複数の水平ブランキング期間で撮像領域内の垂直方向に転送する垂直転送部と、タイミング信号に基づいて、センサ部から垂直転送部に読み出された信号電荷を、水平ブランキング期間に合わせて水平転送して、出力部から１ライン分の撮像信号を出力させる水平転送部と、垂直転送部の１列おきに垂直転送部から転送される信号電荷を蓄積する垂直ストレージ制御電極と、垂直転送部の最終段に転送された信号電荷を水平転送部に転送するタイミングを制御する垂直最終段制御クロック電極を有し、タイミング信号に基づいて、垂直転送部が水平転送部に信号電荷を転送するタイミングをセンサ部の垂直列毎に制御する垂直水平シフト制御部と、を備え、垂直水平シフト制御部は、垂直ストレージ制御電極が設けられていない列の垂直転送部から転送される信号電荷を水平転送部に転送し、垂直ストレージ制御電極が設けられている列の垂直転送部から転送される信号電荷を垂直ストレージ制御電極に蓄積した後、水平転送部に転送するものである。

このようにしたことで、分割された各水平ブランキング期間を一定にしたまま、フレームレートを下げることなく信号電荷を垂直及び水平転送することが可能となった。

本開示によれば、分割された各水平ブランキング期間を一定にしたまま固体撮像装置のフレームレートを上げることができる。また、固体撮像装置に後続して配置される信号処理回路の汎用性を高めることができる。

本開示の第１の実施の形態例における固体撮像装置の全体構成例を示す概略平面図である。 本開示の第１の実施の形態例における水平４分割転送フレーム読出しモードにおける水平同期タイミングチャートの例を示す説明図である。 従来のＣＣＤ撮像素子のタイミングチャートの例を示す説明図である。 従来のＣＣＤ撮像素子のポテンシャルの例を示す説明図である。 本開示の第１の実施の形態例におけるＣＣＤ撮像素子のポテンシャルの例を示す説明図である。 本開示の第１の実施の形態例におけるＣＣＤ撮像素子のポテンシャルの例を示す説明図である。 本開示の第２の実施の形態例におけるＣＣＤ撮像素子のタイミングチャートの例を示す説明図である。 本開示の第３の実施の形態例における固体撮像装置の全体構成例を示す概略平面図である。 本開示の第３の実施の形態例における８フィールド読み出しの水平４分割転送、かつ、垂直分割転送方式を採用している場合の垂直転送及び水平転送部を含む電極の配置例を示す説明図である。 本開示の第３の実施の形態例における水平４分割転送フレーム読出しモードにおける水平同期タイミングチャートの例を示す説明図である。 本開示の第１及び第２の実施の形態例におけるビデオカメラの内部構成例を示すブロック図である。 従来の８フィールド読み出しの水平４分割転送、かつ、垂直分割転送方式を採用している場合における、垂直転送から水平転送を行う各部の電極の配置例を示す説明図である。 従来のＨＤ２均一駆動の例を示すタイミングチャートである。 従来のＨＤ２短縮駆動の例を示すタイミングチャートである。

以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態例とする。）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態例（２回の垂直転送を２回の水平分割期間で行う処理の例）
２．第２の実施の形態例（１回の垂直転送を２回の水平分割期間で行う処理の例）
３．第３の実施の形態例（２回の垂直転送を４回の水平分割期間で行う処理の例）
４．応用例

＜１．第１の実施の形態例＞
［２回の垂直転送を２回の水平分割期間で行う処理の例］

以下、本開示の第１の実施の形態例について、図１〜図６を参照して説明する。本実施の形態例では、ＣＣＤ撮像素子１を備えた固体撮像装置１０に本開示を適用した例について説明する。

図１は、固体撮像装置１０の全体構成例を示す概略平面図である。ここでは、固体撮像素子の一例として、８フィールド読み出し方式を採用して信号電荷を転送するＣＣＤ撮像素子１の構成及び動作例を説明する。

固体撮像装置１０は、ＣＣＤ撮像素子１と、タイミング信号を発生し、ＣＣＤ撮像素子１の各部にタイミング信号を供給するタイミング信号発生部１１とを備える。

ＣＣＤ撮像素子１は、撮像領域２、マトリクス状に配列された撮像面に受光した光を光電変換して信号電荷を蓄積し、撮像領域２内で画素を構成する複数のセンサ部３を備える。撮像領域２の周囲には、オプティカルブラック領域６が設けられる。また、ＣＣＤ撮像素子１は、各センサ部３から読み出した信号電荷を、センサ部３の垂直列毎に設けられる垂直レジスタ５に転送する読出しゲート部４と、読出しゲート部４が読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直レジスタ５を備える。

垂直レジスタ５は、タイミング信号発生部１１から供給されるタイミング信号に基づいて、複数のフィールドに分けてセンサ部３から信号電荷を読み出す。そして、読み出した信号電荷を、１ラインの信号電荷を水平転送する水平期間を分割した複数の水平ブランキング期間で撮像領域２内の垂直方向に転送する垂直転送部として用いられる。

また、ＣＣＤ撮像素子１は、垂直水平シフト制御部７、信号電荷を水平方向に転送する水平レジスタ８、信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部９を備える。また、電圧に変換された信号電荷を撮像信号として不図示の信号処理回路（例えば、ＤＳＰ）に出力する出力部（Ｖｏｕｔ）を備える。

垂直水平シフト制御部７は、タイミング信号発生部１１からのタイミング信号に基づいて、垂直レジスタ５が水平レジスタ８に信号電荷を転送するタイミングをセンサ部３の垂直列毎に制御する。そして、垂直水平シフト制御部７は、垂直レジスタ５の１列おきに垂直レジスタ５から転送される信号電荷を蓄積する垂直ストレージ制御電極（ＶφＳＴ）を備える。また、垂直レジスタ５の最終段に転送された信号電荷を水平レジスタ８に転送するタイミングを制御する垂直最終段制御クロック電極（φＶＯＧ）を備える。

水平レジスタ８は、タイミング信号発生部１１から供給されるタイミング信号に基づいて、センサ部３から垂直レジスタ５に読み出された信号電荷を、水平ブランキング期間に合わせて水平転送する。そして、電荷電圧変換部９を経て、出力部から１ライン分の撮像信号を出力させる水平転送部として用いられる。

次に、固体撮像装置１０の動作例を説明する。
タイミング信号発生部１１は、垂直レジスタ５に対して、垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ７、Ｖφ８Ｓ１、Ｖφ８Ｓ２を印加する。そして、垂直レジスタ５における各Ｖφ１〜Ｖφ７、Ｖφ８Ｓ１、Ｖφ８Ｓ２がセンサ部３から８フィールド毎に信号電荷を読み出している。センサ部３から垂直レジスタ５に読み出された信号電荷は、８フィールド毎に垂直方向に転送される。

また、タイミング信号発生部１１は、垂直水平シフト制御部７に対して、垂直水平シフトクロック（ＶφＳＴ、ＶφＨＬＤ、φＬＶ１、φＬＶ２）を印加し、水平レジスタ８に対して、水平転送クロック（φＨ１、φＨ２）を印加する。このとき、垂直水平シフト制御部７は、垂直水平シフト制御部７は、垂直ストレージ制御電極が設けられていない列の垂直レジスタ５から転送される信号電荷を水平レジスタ８に転送する。そして、垂直ストレージ制御電極が設けられている列の垂直レジスタ５から転送される信号電荷を垂直ストレージ制御電極に蓄積した後、水平レジスタ８に転送する。

ここで、上述した図１２を参照して説明したように、（１）列の垂直レジスタ５では、信号電荷がφＬＶ１に転送され、（２）列の垂直レジスタでは、信号電荷がφＬＶ２に転送される。一方、（３）、（４）列の垂直レジスタでは、ＶφＳＴに信号電荷が一旦蓄積される。

（１）、（２）列では、φＶＯＧ１、φＶＯＧ２の制御によりφＬＶ１、φＬＶ２から信号電荷が水平レジスタ８に転送され、更にφＨ１、φＨ２の制御により水平レジスタ８から信号電荷が転送される。
その後、（３）、（４）列では、ＶφＨＬＤの制御によりＶφＳＴからφＬＶ１、φＬＶ２に信号電荷が転送される。そして、φＶＯＧ１、φＶＯＧ２の制御によりφＬＶ１、φＬＶ２から水平レジスタ８に信号電荷が転送され、更にφＨ１、φＨ２の制御により水平レジスタ８から信号電荷が水平転送される。

そして、水平レジスタ８から水平転送された信号電荷が電荷電圧変換部９によって電圧変換されて、撮像信号として出力部（Ｖｏｕｔ）からライン毎に読み出される。

次に、ＣＣＤ撮像素子１の動作例を説明する。
図２は、水平４分割転送フレーム読出しモードにおける水平同期タイミングチャートの例を示す説明図である。上述したようにＣＣＤ撮像素子１は、８フィールド読み出しの水平４分割転送、かつ、垂直分割転送方式によって信号電荷の水平転送を行う。

まず、水平第１分割期間では、ＨＤ、ＨＤ２が低電位とされる。その後、ＨＤ２に低電位が３回印加される。ＨＤ２が低電位とされるタイミングで水平第１〜第４分割期間の開始タイミングが定まる。

垂直転送クロックであるＶφ１〜Ｖφ８は、水平第１及び第４分割期間で高電位とされ、センサ部３から読み出された信号電荷が垂直レジスタ５に転送される。このタイミングチャートに示されるＶφ８は、図１に示したＶφ８Ｓ１、Ｖφ８Ｓ２の２つの電極を指している。ただし、水平同期では同一タイミングでＶφ８Ｓ１、Ｖφ８Ｓ２が駆動するため、Ｖφ８と略記する。

ここで、１ラインの信号電荷の垂直転送は２パケットで行われる。そして、垂直レジスタ５は、水平期間の最終段における１回目の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する。次ラインの水平期間の最初段における２回目の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する。
具体的には、始めに第４分割期間で１パケット目の信号電荷の垂直転送が行われた後、第１分割期間で２パケット目の信号電荷が垂直転送されることになる。

垂直信号ホールドクロックであるＶφＨＬＤが水平第２分割期間で高電位とされると、垂直ストレージ制御クロックであるＶφＳＴが低電位とされる。このタイミングで（３）列の信号電荷がＶφＳＴからφＬＶ１に転送され、（４）列の信号電荷がＶφＳＴからφＬＶ２に転送される。

垂直レジスタ最終段制御クロックであるφＶＯＧ１が水平第１分割期間で高電位とされると、垂直レジスタ最終段から（１）列の信号電荷が水平レジスタ８に転送される。また、φＶＯＧ１が水平第３分割期間で高電位とされると、垂直レジスタ最終段から（３）列の信号電荷が水平レジスタ８に転送される。

一方、φＶＯＧ２が水平第２分割期間で高電位とされると、垂直レジスタ最終段から（２）列の信号電荷が水平レジスタ８に転送される。また、φＶＯＧ２が水平第４分割期間で高電位とされると、垂直レジスタ最終段から（４）列の信号電荷が水平レジスタ８に転送される。

そして、水平転送クロックφＨ１、φＨ２により、水平第１〜第４分割期間毎に各列の信号電荷の水平転送が行われる。

ここで、本実施の形態に係るＣＣＤ撮像素子１と比較するため、従来のＣＣＤ撮像素子の動作例について図３と図４を参照して説明する。

図３は、従来のＣＣＤ撮像素子のタイミングチャートの例を示す説明図である。
従来のＣＣＤ撮像素子では、水平第１分割期間でＶφ１〜Ｖφ８により２パケットの信号電荷が読出される。ここで、水平第４分割期間においてＨＤ２とφＬＶ２が高電位とされるタイミングをｔ１とし、ＨＤ２とφＬＶ２が高電位を保つタイミングをｔ２とする。そして、水平第１分割期間の開始となるＨＤとＨＤ２が低電位とされるタイミングをｔ３とする。

さらに、信号電荷を２パケット読出した後に、Ｖφ１が低電位とされ、Ｖφ６が高電位とされるタイミングをｔ４とし、φＶＯＧ１が高電位とされるタイミングをｔ５とする。また、φＬＶ１が低電位とされるタイミングをｔ６とし、φＶＯＧ１が低電位とされるタイミングをｔ７とし、φＬＶ１が高電位とされるタイミングをｔ８とする。そして、水平第２分割期間の開始となるＨＤ２が低電位とされるタイミングをｔ９とする。

図４は、従来のＣＣＤ撮像素子のポテンシャルの例を示す説明図である。図４に示すポテンシャル図は、上述した図１２に示す従来の電極配置図における（３）列のポテンシャルについて記載している。（３）列では、Ｖφ７の次にＶφＳＴが配置されるため、Ｖφ８についてポテンシャルは記載されていない。

図３のタイミングｔ１〜ｔ８に対して、Ｖφ１〜Ｖφ８、ＶφＳＴ、ＶφＨＬＤ、φＬＶ１、φＶＯＧ１、φＨ１の各クロックが加わる電極のポテンシャルは以下のように変化する。

タイミングｔ１，ｔ２では、Ｖφ２〜Ｖφ６と、φＨ１に信号電荷が溜められ、ＶφＳＴとφＬＶ１には信号電荷が溜められていない。
タイミングｔ３では、φＨ１から信号電荷が掃き出され、ＶφＳＴ、φＬＶ１には信号電荷が溜められていない。
タイミングｔ４では、ＶφＳＴ、φＬＶ１に信号電荷が溜められる。なお、ＶφＳＴには、タイミングｔ４〜ｔ９にわたって信号電荷が溜められる。
タイミングｔ５では、φＶＯＧ１が高電位とされることにより、φＬＶ１に溜められていた信号電荷が、φＬＶ１、φＶＯＧ１、φＨ１に平坦化される。
タイミングｔ６では、φＬＶ１が低電位とされることにより、φＬＶ１に溜められていた信号電荷はφＶＯＧ１、φＨ１に移動する。
タイミングｔ７では、φＶＯＧ１が低電位とされることにより、φＶＯＧ１に溜められる信号電荷はφＨ１に移動する。
タイミングｔ８では、φＬＶ１が高電位とされて、φＨ１に信号電荷が溜められる。
タイミングｔ９では、φＨ１から信号電荷が掃き出される。

次に、第１の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１の動作例について、図５と図６を参照して説明する。
図５は、ＣＣＤ撮像素子１のタイミングチャートの例を示す説明図である。

第１の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１は、始めに水平第４分割期間でＶφ１〜Ｖφ８が１回目の駆動を行った後、水平第１分割期間でＶφ１〜Ｖφ８が２回目の駆動を行う。ここで、水平第４分割期間においてＨＤ２とφＬＶ２が高電位とされるタイミングをｔ１とし、Ｖφ１〜Ｖφ８で１パケット目の信号電荷を垂直転送した後に、Ｖφ１が低電位とされ、Ｖφ６が高電位とされるタイミングをｔ２とする。そして、水平第１分割期間の開始となるＨＤとＨＤ２が低電位とされるタイミングをｔ３とする。

さらに、Ｖφ１〜Ｖφ８が２パケット目の信号電荷を垂直転送した後に、Ｖφ１が低電位とされ、Ｖφ６が高電位とされるタイミングをｔ４とし、φＶＯＧ１が高電位とされるタイミングをｔ５とする。また、φＬＶ１が低電位とされるタイミングをｔ６とし、φＶＯＧ１が低電位とされるタイミングをｔ７とし、φＬＶ１が高電位とされるタイミングをｔ８とする。そして、水平第２分割期間の開始となるＨＤ２が低電位とされるタイミングをｔ９とする。

図６は、ＣＣＤ撮像素子１のポテンシャルの例を示す説明図である。
図５におけるタイミングｔ１〜ｔ８におけるＶφ１〜Ｖφ８、ＶφＳＴ、ＶφＨＬＤ、φＬＶ１、φＶＯＧ１、φＨ１の各クロックが加わる電極のポテンシャルは以下のように変化する。

タイミングｔ１では、Ｖφ２〜Ｖφ６と、φＨ１に信号電荷が溜められ、ＶφＳＴ、φＬＶ１には信号電荷が溜められていない。
タイミングｔ２では、Ｖφ２〜Ｖφ６、ＶφＳＴ、φＬＶ１及びφＨ１に信号電荷が溜められる。ＶφＳＴには、タイミングｔ２〜ｔ９にわたって信号電荷が溜められる。
タイミングｔ３，ｔ４では、φＨ１が加わる水平レジスタ８から信号電荷が掃き出され、ＶφＳＴ、φＬＶ１には信号電荷が溜められる。
タイミングｔ５では、φＶＯＧ１が高電位とされることにより、φＬＶ１に溜められていた信号電荷が、φＬＶ１、φＶＯＧ１、φＨ１に平坦化される。
タイミングｔ６では、φＬＶ１が低電位とされることにより、φＬＶ１の信号電荷はφＶＯＧ１、φＨ１に移動する。
タイミングｔ７では、φＶＯＧ１が低電位とされることにより、φＶＯＧ１の信号電荷はφＨ１に移動する。
タイミングｔ８では、φＬＶ１が高電位とされ、φＨ１に信号電荷が溜められる。
タイミングｔ９では、φＨ１から全ての信号電荷が掃き出される。

ここまで、従来のＣＣＤ撮像素子と第１の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１の動作例及びポテンシャル例について説明した。ここで、従来のＣＣＤ撮像素子と第１の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１で異なる点は、タイミングｔ１〜ｔ４の期間における動作である。従来のＣＣＤ撮像素子はタイミングｔ１〜ｔ３で水平第４分割期間の水平転送を行った後、タイミングｔ３〜ｔ４で次のラインの２パケットの垂直転送を行う。それに対し、ＣＣＤ撮像素子１では、タイミングｔ１〜ｔ２で次のラインの１パケットの信号電荷の垂直転送を行った後、タイミングｔ２〜ｔ３で水平第４分割期間の水平転送を行う。その後、タイミングｔ３〜ｔ４で次のラインの更に１パケットの信号電荷を垂直転送する。

ＣＣＤ撮像素子１のタイミングｔ５から次のタイミングｔ１までにおけるポテンシャルの関係は、従来のＣＣＤ撮像素子と変わらない。しかし、第１の実施の形態例に係る駆動方法を用いることにより、水平第４分割期間で次のラインの１パケットの信号電荷を垂直転送する間、φＬＶとφＶＯＧが信号電荷を保持している。このため、水平第４分割の水平レジスタ８に溜められた信号電荷は他の信号電荷によって混色することはない。

上述した第１の実施の形態例に係る固体撮像装置１０によれば、ＣＣＤ撮像素子１を８フィールド読み出しの水平４分割転送、かつ、垂直分割転送方式で駆動する。従来の駆動では水平第１分割期間で２パケットの垂直転送を行っていたが、その内の１パケットを、水平第４分割の垂直レジスタ５の最終段から水平レジスタ８の転送終了後に移す。

そして、始めに水平第４分割期間で１回目の信号電荷の垂直転送を行った後、水平第１分割期間で２回目の信号電荷の垂直転送を行う。これにより、水平第１分割期間の垂直転送期間を約半分に削減できる。このことは、従来最も長かった水平第１分割期間の期間を削減できることを意味する。また、従来の水平第４分割期間は、水平第１分割期間に合わせるため、転送に寄与しない余分な期間があり、この期間を用いて１パケットの信号電荷を垂直転送してもブランキング期間は延びない。このように複数の水平分割期間で分けて信号電荷を垂直転送することにより、ＨＤ２のタイミングが均一であっても各水平分割期間におけるブランキング期間を短くし、フレームレートを上げることができる。

なお、ＣＣＤ撮像素子１の駆動方法は、水平３分割転送等の他の水平分割転送方式にも適用できる。上述した第１の実施の形態例に係る駆動方法では、特許文献２にも開示されている垂直分割転送方式の場合で説明したが、垂直分割転送方式以外でも適用することが可能である。

＜２．第２の実施の形態例＞
［１回の垂直転送を２回の水平分割期間で行う処理の例］

本開示の第２の実施の形態例に係る固体撮像装置１０の別の駆動方法の例について、図７を参照して説明する。なお、既に第１の実施の形態例で説明した図１等に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

図７は、第２の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１のタイミングチャートの例を示す説明図である。第２の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１においても、８フィールド読み出しの水平４分割転送、かつ、垂直分割転送方式を採用している。

第２の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１は、始めに水平第４分割期間においてＨＤ２とφＬＶ２が高電位とされるタイミングをｔ１とし、Ｖφ２が高電位とされ、Ｖφ５が低電位とされるタイミングをｔ２とする。次に、水平第１分割期間の開始となるＨＤとＨＤ２が低電位とされるタイミングをｔ３とする。

さらに、Ｖφ１が低電位とされ、Ｖφ６が高電位とされるタイミングをｔ４とし、φＶＯＧ１が高電位とされるタイミングをｔ５とする。また、φＬＶ１が低電位とされるタイミングをｔ６とし、φＶＯＧ１が低電位とされるタイミングをｔ７とし、φＬＶ１が高電位とされるタイミングをｔ８とする。そして、水平第２分割期間の開始となるＨＤ２が低電位とされるタイミングをｔ９とする。

第２の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１のタイミングｔ５から次のタイミングｔ１までにおけるタイミングチャートは、第１の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子１と変わらない。しかし、垂直レジスタ５は、連続する複数の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する。このため、タイミングｔ１〜ｔ４において、Ｖφ１〜Ｖφ８は、水平第４分割期間と水平第１分割期間にわたって１パケットの信号電荷を転送している。

以上説明した第２の実施の形態例に係る固体撮像装置１０において、ＣＣＤ撮像素子１は、１パケットの信号電荷の垂直転送を水平第４分割期間から第１分割期間にわたって行っている。このように垂直転送を分割した場合には、それぞれの垂直転送に要する水平分割期間を短くすることができる。このため、垂直転送を行わない水平分割期間についても短くすることができる。フレームレートを一層上げることができる。

＜３．第３の実施の形態例＞
［２回の垂直転送を４回の水平分割期間で行う処理の例］

次に、本開示の第３の実施の形態例に係る固体撮像装置２０について、図８〜図１０を参照して説明する。なお、既に第１の実施の形態例で説明した図１等に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

上述した第２の実施の形態例に係る固体撮像装置１０では、水平第４分割期間と水平第１分割期間の２回の水平分割期間で１パケットの信号電荷を垂直転送したが、他の電極を増やしてもよい。本開示の第３の実施の形態例に係る固体撮像装置２０は、さらに垂直転送に寄与する電極を増やしたものである。

図８は、固体撮像装置２０の全体構成例を示す概略平面図である。第３の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子２２においても、８フィールド読み出しの水平４分割転送、かつ、垂直分割転送方式を採用している。

第３の実施の形態例に係るタイミング信号発生部２１は、ＣＣＤ撮像素子２２が備える垂直レジスタ５に対して、Ｖφ１〜Ｖφ７、Ｖφ８Ｓ１、Ｖφ８Ｓ２の各クロックを供給して、垂直レジスタ５の垂直転送を制御する。

また、タイミング信号発生部２１は、垂直水平シフト制御部２３に対して、ＶφＳＴ、ＶφＨＬＤ、φＬＶ１〜φＬＶ４、φＶＯＧ１〜φＶＯＧ４の各クロックを供給する。そして、垂直水平シフト制御部２３は、垂直レジスタ５から水平レジスタ８に信号電荷を転送するシフト転送を制御する。
また、タイミング信号発生部２１は、水平レジスタ８に対して、φＨ１、φＨ２のクロックを供給して、水平レジスタ８の水平転送を制御する。

上述した第１及び第２の実施の形態例に係る固体撮像装置１０では、一般的な水平分割駆動方式を行うＣＣＤ撮像素子１の電極配置構造として、信号電荷の転送タイミングを変更してフレームレートを上げていた。一方、第３の実施の形態例に係る固体撮像装置２０では、ＣＣＤ撮像素子２２に配置される垂直制御クロック電極を増やすことで、複数の水平分割転送期間に合わせて垂直転送を行うタイミングを細かく分けることが可能である。

次に、第３の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子２２の電極構成例及び動作タイミングについて、図９と図１０を参照して説明する

図９は、８フィールド読み出しの水平４分割転送、かつ、垂直分割転送方式を採用している場合における、垂直転送から水平転送部を行う各部の電極の配置例を示す説明図である。なお、図９に記した符号（１）〜（４）は、各水平分割転送部が信号電荷を出力する列の順番に対応している。

垂直水平シフト制御部７は、垂直レジスタ５の全ての列に垂直レジスタ５から転送される信号電荷を蓄積する垂直ストレージ制御電極（ＶφＳＴ）を備える。また、垂直水平シフト制御部７は、垂直レジスタ５の最終段に転送された信号電荷を水平レジスタ８に転送するタイミングを制御する垂直最終段制御クロック電極（φＶＯＧ）を備える。このため、第３の実施の形態例に係るＣＣＤ撮像素子２２の電極配置が、図１２に示した従来の電極配置と異なる点は、全ての列にＶφＳＴ及びＶφＨＬＤを設け、φＬＶ３、φＶＯＧ３、φＬＶ４、φＶＯＧ４の制御電極を追加している。そして、垂直レジスタ５から転送される信号電荷を垂直ストレージ制御電極に各列で蓄積した後、水平レジスタ８に転送するようにしている。

図１０は、水平４分割転送フレーム読出しモードにおける水平同期タイミングチャートの例を示す説明図である。このタイミングチャートについても、Ｖφ８Ｓ１、Ｖφ８Ｓ２をＶφ８と略記する。

Ｖφ１〜Ｖφ８は、水平第１及び第２分割期間、水平第３及び第４分割期間毎に高電位と低電位が切り替わってセンサ部３から読み出された電荷が、垂直レジスタ５から垂直転送され、ＶφＳＴに溜められる。このとき、垂直レジスタ５は、連続する複数の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する。そして、水平第１分割期間でＶφＳＴからφＬＶ１〜φＬＶ４に転送された信号電荷は、φＶＯＧ１〜φＶＯＧ４が高電位にされたタイミングに合わせて水平レジスタ８に転送される。

このとき、φＬＶ１とφＶＯＧ１が水平第１分割期間で駆動し、φＬＶ２とφＶＯＧ２が水平第２分割期間で駆動し、φＬＶ３とφＶＯＧ３が水平第３分割期間で駆動し、φＬＶ４とφＶＯＧ４が水平第４分割期間で駆動する。これにより、各列に設けられたφＬＶ、φＶＯＧが各水平分割期間に合わせて信号電荷を水平レジスタ８に転送している。そして、水平転送クロックφＨ（φＨ１、φＨ２）により、水平第１〜第４分割期間毎に電荷の水平転送が行われる。

以上説明した第３の実施の形態例に係る固体撮像装置２０によれば、全ての列にＶφＳＴ、ＶφＨＬＤを設けている。これにより、センサ部３から読み出した信号電荷の垂直転送を各水平分割期間に分けても、φＬＶ１〜φＬＶ４の各制御電極では、異なる信号電荷による混色は発生しない。また、各列のＶφＳＴが１ライン分の信号電荷を蓄積し、列毎にφＬＶ１〜φＬＶ４、φＶＯＧ１〜φＶＯＧ４の制御電極を分けたことにより、水平分割期間毎にφＬＶ１〜φＬＶ４から水平レジスタ８へ信号電荷の転送を行うことができる。

このように、２パケットの垂直転送を４つの水平分割期間に分けることができる。このため、ＨＤ２均一タイミングでも各水平分割期間のブランキング期間を短くし、固体撮像装置２０のフレームレートを上げることができる。なお、信号電荷の垂直転送を４つの水平分割期間に分けるだけでなく、水平３分割構造等の他の水平分割駆動方式にも適用できる。

以上説明した第１〜第３の実施の形態例に係る固体撮像装置では、水平分割転送方式のＣＣＤ撮像素子１において、後段の信号処理回路（ＤＳＰ）の制限によりＨＤ２均一駆動を行う場合でも、フレーム読み出しモードのフレームレートを上げることができる。すなわち、カメラシステムが備える信号処理回路の仕様によらずに固体撮像装置のフレームレートの高速化を実現できる。

また、フレームレートを上げることにより、暗信号や暗時白線等のノイズを軽減できる。このため、表示装置に映される映像を高画質化することが可能となる。

＜４．応用例＞
［固体撮像装置をカメラシステムに応用した例］
上記の各種実施形態例及び各種変形例の固体撮像装置は、例えば、デジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステム、撮像機能を有する携帯電話機、又は、撮像機能を備えた他の機器などの電子機器に適用することができる。この応用例では、電子機器の一構成例として、カメラシステムを例に挙げ、図１１を参照して説明する。

図１１は、応用例に係るカメラシステム３１の概略構成である。なお、図１１に示すカメラシステム３１は、静止画像又は動画を撮影することのできるビデオカメラの構成例とし、第１又は第２の実施の形態例に係る固体撮像装置１０に適用した例としてある。ただし、第３の実施の形態例に係る固体撮像装置２０を適用することも可能である。

カメラシステム３１は、固体撮像装置１０と、固体撮像装置１０の受光センサ部に入射光を導く光学レンズを備えた光学系３２と、固体撮像装置１０及び光学系３２の間に設けられたシャッター３３と、固体撮像装置１０を駆動する駆動部３５とを備える。さらに、カメラシステム３１は、固体撮像装置１０の出力信号を処理する信号処理回路３４を備える。

固体撮像装置１０の各部の構成及び機能は次の通りである。
光学系３２は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１０の撮像面（不図示）上に結像させる。これにより、固体撮像装置１０内に、一定期間、信号電荷が蓄積される。なお、光学系３２は、複数の光学レンズを含む光学レンズ群で構成してもよい。また、シャッター３３は、入射光の固体撮像装置１０への光照射期間及び遮光期間を制御する。

駆動部３５は、固体撮像装置１０及びシャッター３３に駆動信号を供給する。そして、駆動部３５は、供給された駆動信号により、固体撮像装置１０の信号処理回路３４への信号出力動作、及び、シャッター３３のシャッター動作を制御する。すなわち、この例では、駆動部３５から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１０から信号処理回路３４への信号転送動作を行う。シャッター動作時に駆動部３５は、上述した第１及び第２の実施の形態例、並びに第２の実施の形態の第１の変形例に係る固体撮像装置１０に対して転送ゲートとリセットゲートのオン又はオフを制御する処理を行っている。

信号処理回路３４は、固体撮像装置１０の出力部から出力される撮像信号に対して、分割した水平ブランキング期間に同期して所定の処理を加える。そして、各種信号処理が施された信号（撮像信号）は、メモリなどの記憶媒体（不図示）に記憶され、又は、モニタ（不図示）に出力される。

なお、本開示は上述した実施の形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本開示の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。

また、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）タイミング信号を発生するタイミング信号発生部と、
マトリクス状に配列された撮像面に受光した光を光電変換して信号電荷を蓄積する複数のセンサ部と、
前記タイミング信号に基づいて、前記センサ部の垂直列毎に設けられ、複数のフィールドに分けて前記センサ部から読み出した前記信号電荷を、１ラインの信号電荷を水平転送する水平期間を分割した複数の水平ブランキング期間で撮像領域内の垂直方向に転送する垂直転送部と、
前記タイミング信号に基づいて、前記センサ部から前記垂直転送部に読み出された信号電荷を、前記水平ブランキング期間に合わせて水平転送して、出力部から１ライン分の撮像信号を出力させる水平転送部と、
前記タイミング信号に基づいて、前記垂直転送部が前記水平転送部に前記信号電荷を転送するタイミングを前記センサ部の垂直列毎に制御する垂直水平シフト制御部と、を備える
固体撮像装置。
（２）前記垂直水平シフト制御部は、前記垂直転送部の１列おきに前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を蓄積する垂直ストレージ制御電極と、
前記垂直転送部の最終段に転送された前記信号電荷を前記水平転送部に転送するタイミングを制御する垂直最終段制御クロック電極を備え、
前記垂直水平シフト制御部は、
前記垂直ストレージ制御電極が設けられていない列の前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を前記水平転送部に転送し、
前記垂直ストレージ制御電極が設けられている列の前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を前記垂直ストレージ制御電極に蓄積した後、前記水平転送部に転送する
前記（１）記載の固体撮像装置。
（３）前記垂直転送部は、前記水平期間の最終段における１回目の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送し、次ラインの水平期間の最初段における２回目の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する
前記（１）又は（２）記載の固体撮像装置。
（４）前記垂直転送部は、連続する複数の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する
前記（１）〜（３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（５）前記垂直水平シフト制御部は、前記垂直転送部の全ての列に前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を蓄積する垂直ストレージ制御電極と、
前記垂直転送部の最終段に転送された前記信号電荷を前記水平転送部に転送するタイミングを制御する垂直最終段制御クロック電極を備え、
前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を前記垂直ストレージ制御電極に各列で蓄積した後、前記水平転送部に転送する
前記（１）記載の固体撮像装置。
（６）前記垂直転送部は、連続する複数の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する
前記（１）又は（５）記載の固体撮像装置。
（７）タイミング信号を発生するタイミング信号発生部と、
マトリクス状に配列された撮像面に受光した光を光電変換して信号電荷を蓄積する複数のセンサ部と、
前記タイミング信号に基づいて、前記センサ部の垂直列毎に設けられ、複数のフィールドに分けて前記センサ部から読み出した前記信号電荷を、１ラインの信号電荷を水平転送する水平期間を分割した複数の水平ブランキング期間で撮像領域内の垂直方向に転送する垂直転送部と、
前記タイミング信号に基づいて、前記センサ部から前記垂直転送部に読み出された信号電荷を、前記水平ブランキング期間に合わせて水平転送して、出力部から１ライン分の撮像信号を出力させる水平転送部と、
前記タイミング信号に基づいて、前記垂直転送部が前記水平転送部に前記信号電荷を転送するタイミングを前記センサ部の垂直列毎に制御する垂直水平シフト制御部と、を備える固体撮像装置と、
前記出力部から出力される前記撮像信号に対して、前記水平ブランキング期間に同期して所定の処理を加える信号処理回路と、を備えた
カメラシステム。

１…ＣＣＤ撮像素子、２…撮像領域、３…センサ部、４…読出しゲート部、５…垂直レジスタ、６…オプティカルブラック領域、７…垂直水平シフト制御部、８…水平レジスタ、９…信号電荷電圧変換部、１０…固体撮像装置、１１…タイミング信号発生部、２０…固体撮像装置、２１…タイミング信号発生部、２２…ＣＣＤ撮像素子、２３…垂直水平シフト制御部２３、３１…カメラシステム、３２…光学系、３３…シャッター、３４…信号処理回路、３５…駆動部

Claims (4)

1. タイミング信号を発生するタイミング信号発生部と、
   マトリクス状に配列された撮像面に受光した光を光電変換して信号電荷を蓄積する複数のセンサ部と、
   前記タイミング信号に基づいて、前記センサ部の垂直列毎に設けられ、複数のフィールドに分けて前記センサ部から読み出した前記信号電荷を、１ラインの信号電荷を水平転送する水平期間を分割した複数の水平ブランキング期間で撮像領域内の垂直方向に転送する垂直転送部と、
   前記タイミング信号に基づいて、前記センサ部から前記垂直転送部に読み出された信号電荷を、前記水平ブランキング期間に合わせて水平転送して、出力部から１ライン分の撮像信号を出力させる水平転送部と、
   前記垂直転送部の１列おきに前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を蓄積する垂直ストレージ制御電極と、前記垂直転送部の最終段に転送された前記信号電荷を前記水平転送部に転送するタイミングを制御する垂直最終段制御クロック電極を有し、前記タイミング信号に基づいて、前記垂直転送部が前記水平転送部に前記信号電荷を転送するタイミングを前記センサ部の垂直列毎に制御する垂直水平シフト制御部と、を備え、
   前記垂直水平シフト制御部は、
   前記垂直ストレージ制御電極が設けられていない列の前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を前記水平転送部に転送し、
   前記垂直ストレージ制御電極が設けられている列の前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を前記垂直ストレージ制御電極に蓄積した後、前記水平転送部に転送する
   固体撮像装置。
2. 前記垂直転送部は、前記水平期間の最終段における１回目の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送し、次ラインの水平期間の最初段における２回目の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記垂直転送部は、連続する複数の分割された水平ブランキング期間で１パケットの信号電荷を垂直方向に転送する
   請求項１記載の固体撮像装置。
4. 被写体からの像光を撮像面に結像させる光学系と、
   タイミング信号を発生するタイミング信号発生部と、
   マトリクス状に配列された前記撮像面に受光した光を光電変換して信号電荷を蓄積する複数のセンサ部と、
   前記タイミング信号に基づいて、前記センサ部の垂直列毎に設けられ、複数のフィールドに分けて前記センサ部から読み出した前記信号電荷を、１ラインの信号電荷を水平転送する水平期間を分割した複数の水平ブランキング期間で撮像領域内の垂直方向に転送する垂直転送部と、
   前記タイミング信号に基づいて、前記センサ部から前記垂直転送部に読み出された信号電荷を、前記水平ブランキング期間に合わせて水平転送して、出力部から１ライン分の撮像信号を出力させる水平転送部と、
   前記垂直転送部の１列おきに前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を蓄積する垂直ストレージ制御電極と、前記垂直転送部の最終段に転送された前記信号電荷を前記水平転送部に転送するタイミングを制御する垂直最終段制御クロック電極を有し、前記タイミング信号に基づいて、前記垂直転送部が前記水平転送部に前記信号電荷を転送するタイミングを前記センサ部の垂直列毎に制御する垂直水平シフト制御部と、を備え、
   前記垂直水平シフト制御部は、
   前記垂直ストレージ制御電極が設けられていない列の前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を前記水平転送部に転送し、
   前記垂直ストレージ制御電極が設けられている列の前記垂直転送部から転送される前記信号電荷を前記垂直ストレージ制御電極に蓄積した後、前記水平転送部に転送する固体撮像装置と、
   前記出力部から出力される前記撮像信号に対して、前記水平ブランキング期間に同期して所定の処理を加える信号処理回路と、を備えた
   カメラシステム。