JP4701490B2 - 固体撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換素子が２次元配列された固体撮像素子例えばＣＣＤ固体撮像素子及びその駆動手段を有して成る固体撮像装置及びこの固体撮像素子の駆動方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルスチルカメラが急速に普及しつつある。
デジタルスチルカメラでは、オートフォーカス（ＡＦ）、オートホワイトバランス（ＡＷＢ）、自動露光（ＡＥ）等の自動制御装置を備えている。
これら装置による自動制御においては、撮像素子から得られる出力信号を使用して処理を行っている。
【０００３】
また、デジタルスチルカメラでは、高解像度の静止画を得ることを目的として、固体撮像素子の駆動においてフレーム読み出し動作を採用している。
【０００４】
図６にこの従来のフレーム読み出し動作を示す。図６Ａは信号電荷の転送動作の概略図を示し、図６Ｂは垂直同時タイミングチャートを示し、図６Ｃは水平同期タイミングチャートを示す。
【０００５】
このフレーム読み出し動作は、高解像度の静止画を得るため、奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をそれぞれフィールド毎に交互に読み出すものであり、各画素の信号電荷を加算することなく独立して転送するものである。
【０００６】
奇数ライン（１，３，５，７，９）に対しては第１相の垂直転送クロックＶ１が第１相の転送電極（図示せず）を介して供給され、偶数ライン（２，４，６，８）に対しては第３相の垂直転送クロックＶ３が第３相の転送電極（図示せず）を介して供給される。
これにより、それぞれのラインのセンサ部５１の信号電荷が読み出しゲート部を通じて垂直転送レジスタ５２へ読み出される構成となっている。
【０００７】
奇数ライン用の第１相の転送電極と偶数ライン用の第３相の転送電極との間には、図示しないがそれぞれ第２相の垂直転送クロックＶ２が供給される第２相の転送電極と第４相の垂直転送クロックＶ４が供給される第４相の転送電極とが配置され、図中下方の水平転送レジスタ５３に向けて第１相、第２相、第３相、第４相の順序に転送電極が配置される。
【０００８】
垂直転送レジスタ５２に読み出された信号電荷は、水平ブランキングＨＢＬＫ中に図６Ｃに示す垂直転送クロックＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が印加されることにより垂直転送される。
尚、実際の水平ブランキング期間ＨＢＬＫは、図６Ｃの水平同期タイミングチャートに示された期間即ち垂直転送レジスタ５２により信号電荷が転送される期間（垂直転送期間）と比較すると、僅かではあるが長い期間となる。
ここでは、説明を単純にするため、以下垂直転送レジスタ５２により信号電荷が転送される期間＝水平ブランキング期間ＨＢＬＫとみなして説明する。
【０００９】
そして、以下のようにしてフレーム読み出し動作がなされる。
まず、図６Ｂに示すように第１相の垂直転送クロックＶ１が高いレベルとなることにより、奇数ライン（第１フィールド）のセンサ部５１の信号電荷が垂直転送レジスタ５２に読み出され、その後図６Ｃに示すように各相の垂直転送クロックＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が供給されることにより、第１ライン１のセンサ部５１の信号電荷が水平転送レジスタ５３に垂直転送される。
この状態で水平ブランキング期間ＨＢＬＫが終了し、第１ライン１のセンサ部５１の信号電荷が水平転送され、電荷−電圧変換部５４を経て順次出力される。
【００１０】
以後水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中の垂直転送と、水平転送レジスタ５３における水平転送とが繰り返されて、奇数ライン即ち第１フィールドの全画素の信号電荷が途中で加算されることなく出力される。
【００１１】
続いて、図６Ｂに示すように第３相の垂直転送クロックＶ３が高いレベルとなることにより、偶数ライン（第２フィールド）のセンサ部５１の信号電荷が、垂直転送レジスタ５２に読み出される。その後の動作は奇数ライン（第１フィールド）の場合と同様である。
このようにして、奇数ライン（第１フィールド）及び偶数ライン（第２フィールド）の全画素の信号電荷が出力される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した各種の自動制御を行う際に、静止画と同様の動作モード（フレーム読み出し動作）を使用すると、各種自動制御装置の応答速度が遅くなるため好ましくない。
特に多画素化した固体撮像素子を使用した場合には、より応答速度が遅くなる問題がある。
【００１３】
また、液晶モニタ等で撮影した画像をモニタリングする場合にも、静止画と同様の動作モードを使用するとフレームレートが遅くなり、なめらかな動画を得ることができないので好ましくない。
【００１４】
そこで、フレームレートを高くする１つの方法として、所定の繰り返し単位の読み出しゲート毎に読み出し電圧を印加して、一部のラインの画素の電荷のみ垂直転送レジスタへ読み出し、出力する撮像信号のライン数を減らして、より高速の撮像信号を得る動作、即ちライン間引き動作を行うようにしている。
【００１５】
また、デジタルスチルカメラの多機能化の要求も高まりつつあり、多用な被写体条件に対応するため、複数の動作モードを搭載した製品も多くなっている。
【００１６】
図７に上述のライン間引き動作を示す。図７Ａは信号電荷の転送動作の概略図を示し、図７Ｂは垂直同時タイミングチャートを示し、図７Ｃは水平同期タイミングチャートを示す。
【００１７】
この図７の場合は、８ライン中２ラインを出力する２／８ライン間引き動作モードとなっている。
尚、この間引き動作モードでは、信号電荷を含むパケットの後方に信号電荷を含まない空パケットが存在するため、この両者のパケットを水平転送レジスタ内で混合し、無信号の期間を除去する必要がある。
そこで、水平ブランキング期間内に２ライン分の垂直転送を行って、信号電荷を含むパケットと空パケットとを混合している。
【００１８】
具体的には、第１相の転送クロックＶ１及び転送電極と、第３相の転送クロックＶ３及び転送電極とを、それぞれ信号電荷の読み出しに使用するもの（Ｖ１Ａ及びＶ３Ａ）と信号電荷の読み出しに使用しないもの（Ｖ１Ｂ及びＶ３Ｂ）に分けている。
そして、８ライン中２ライン、図７では第１ライン１〜第８ライン８のうち第５ライン５及び第８ライン８に対して読み出し用の垂直転送クロックＶ１Ａ及びＶ３Ａを供給して、読み出しを行うように構成している。第５ライン５は赤Ｒと緑Ｇ、第８ライン８は緑Ｇと青Ｂとから成り、これら２ライン５，８から８ライン全部の画素と同じＲ，Ｇ，Ｂの色バランスで信号が得られる。
このとき、斜線を付したその他のラインの画素の信号電荷は読み出されない。
【００１９】
そして、次のようにしてライン間引き動作がなされる。
まず、図７Ｂに示すように、読み出し用の第１相の垂直転送クロックＶ１Ａ及び第３相の垂直転送クロックＶ３Ａが高いレベルとなることにより、第５ライン５及び第８ライン８のセンサ部５１の信号電荷が、垂直転送レジスタ５２に読み出される。
ここで、他のラインの画素の信号電荷は読み出されないので、垂直転送レジスタ５２に空パケットが発生する。図７では、第４ライン４及び第５ライン５と、第８ライン８及び第９ライン９の各組が信号電荷を含むパケットとなる。また、第２ライン２及び第３ライン３と、第６ライン６及び第７ライン７の各組に空パケットが発生する。
【００２０】
その後、水平ブランキング期間ＨＢＬＫにおいて、図７Ｃに示すように各相の垂直転送クロックＶ１Ａ／Ｖ１Ｂ，Ｖ２，Ｖ３Ａ／Ｖ３Ｂ，Ｖ４が供給されることにより、２ライン分（４画素分）の垂直転送がなされる。
これにより、第５ライン５のセンサ部５１の信号電荷は水平転送レジスタ５３に垂直転送される。そして、第５ライン５のセンサ部５１の信号電荷と第２ライン２及び第３ライン３の組にあった空パケットと混合される。
また、第８ライン８のセンサ部５１の信号電荷は、第４ライン４及び第５ライン５まで垂直転送される。
この状態で水平ブランキング期間ＨＢＬＫが終了し、図示しないが水平転送クロックが供給されて、水平転送レジスタ５３に転送された第５ライン５のセンサ部５１の信号電荷が順次出力される。
【００２１】
以後水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中の垂直転送と、水平転送レジスタ５３における水平転送とが繰り返されて、選択されたラインの全画素の信号電荷が途中で加算されることなく出力される。
【００２２】
ここで、図７Ｃに示す水平同期タイミングチャートを、図６Ｃに示す水平同期タイミングチャートと比較すると、２つの動作モードで垂直転送を行う水平ブランキング期間ＨＢＬＫの長さは等しくなっている。
そして、図６Ｃにおいて１ライン分の転送を行うための垂直転送クロックのオーバーラップ期間の長さをｘとしたとき、図７Ｃでは２ライン分の垂直転送を行うために垂直転送クロックのオーバーラップ期間の長さはｘ／２となる。
【００２３】
さらに、より多画素の撮像素子の場合には、図８に示すような、ライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算による４／１６ラインの間引き動作を行うことが考えられる。図８Ａは信号電荷の転送動作の概略図を示し、図８Ｂは垂直同時タイミングチャートを示し、図８Ｃは水平同期タイミングチャートを示す。
この動作モードでは、信号電荷を含む２ラインと無信号の２ラインを水平転送レジスタ内で混合して出力するため、水平ブランキング期間内に４ライン分の垂直転送を行っている。
【００２４】
具体的には、図７の動作と同様に、第１相の転送クロックＶ１及び転送電極と、第３相の転送クロックＶ３及び転送電極とを、それぞれ信号電荷の読み出しに使用するもの（Ｖ１Ａ及びＶ３Ａ）と信号電荷の読み出しに使用しないもの（Ｖ１Ｂ及びＶ３Ｂ）に分けている。
そして、１６ライン中４ライン、図８では第１ライン１〜第１６ライン１６のうち第１ライン１、第５ライン５、第１０ライン１０及び第１４ライン１４に対して読み出し用の垂直転送クロックＶ１Ａ及びＶ３Ａを供給して、読み出しを行うように構成している。第１ライン１及び第５ライン５は赤Ｒと緑Ｇ、第１０ライン１０及び第１４ライン１４は緑Ｇと青Ｂとから成り、これら４ライン１，５，１０，１４から１６ライン全部の画素と同じＲ，Ｇ，Ｂの色バランスで信号が得られる。
【００２５】
そして、次のようにしてライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作がなされる。
まず、図８Ｂに示すように、読み出し用の第１相の垂直転送クロックＶ１Ａ及び第３相の垂直転送クロックＶ３Ａが高いレベルとなることにより、上記４ライン１，５，１０，１４のセンサ部５１の信号電荷が垂直転送レジスタ５２に読み出される。
その後、水平ブランキング期間ＨＢＬＫにおいて、図８Ｃに示すように各相の垂直転送クロックＶ１Ａ／Ｖ１Ｂ，Ｖ２，Ｖ３Ａ／Ｖ３Ｂ，Ｖ４が供給されることにより、４ライン分（８画素分）の垂直転送がなされる。これにより、第１ライン１のセンサ部５１の信号電荷及び第５ライン５のセンサ部５１の信号電荷が共に水平転送レジスタ５３に垂直転送されて、２つのライン１，５の信号電荷が水平転送レジスタ５３内で加算される。
この状態で水平ブランキング期間ＨＢＬＫが終了し、水平転送レジスタ５３に転送された第１ライン１及び第５ライン５のセンサ部５１の信号電荷が水平転送されて順次出力される。
以後水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中の垂直転送と、水平転送レジスタ５３における水平転送とが繰り返されて、選択されたラインの全画素の信号電荷が２ラインずつ加算されて出力される。
【００２６】
この場合も、図７Ｃの場合と同様に、垂直転送を行う水平ブランキング期間ＨＢＬＫの長さは図６Ｃのフレーム読み出しの場合と等しくなっている。
そして、図６Ｃにおいて１ライン分の転送を行うための垂直転送クロックのオーバーラップ期間の長さをｘとしたとき、図８Ｃでは４ライン分の垂直転送を行うために垂直転送クロックのオーバーラップ期間の長さはｘ／４となる。
【００２７】
このように図８に示す動作モードでは、垂直転送クロックのオーバーラップ期間がフレーム読み出し動作の場合の１／４まで短くなるため、垂直転送クロックに伝搬遅延が生じやすくなる。
これにより、転送クロックの入力端子から遠い位置で波形が鈍ってしまい、垂直レジスタの転送効率が劣化したり、取扱い電荷量が減少してしまう問題があった。
【００２８】
上述した問題の解決のために、本発明においては、間引き動作等の通常とは異なる動作のモードにおいても、転送クロックの波形の劣化が発生しないようにすることにより、フレームレートが高く、かつ取扱い電荷量が充分な状態で効率良く転送を行うことができる固体撮像装置及び固体撮像素子の駆動方法を提供するものである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、２次元配列された複数の光電変換素子と、この複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読み出すゲート部と、このゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、この複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタを駆動する駆動手段とを有し、垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間を含む水平ブランキング期間と、水平転送レジスタにより信号電荷が転送される期間とから、水平同期期間が構成され、駆動手段は水平ブランキング期間中に行われる垂直転送レジスタの垂直転送の段数により、垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間の長さと、水平ブランキング期間及び水平同期期間の長さとを、共に、長くする、或いは、短くするものである。
【００３０】
上述の本発明の固体撮像装置の構成によれば、駆動手段は水平ブランキング期間中に行われる垂直転送レジスタの垂直転送の段数により、垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間（垂直転送期間）の長さと、水平ブランキング期間及び水平同期期間の長さとを共に、長くする、或いは、短くすることにより、垂直転送の段数が多い動作を行う際に、垂直転送の段数が少ない動作と比較して相対的に信号電荷が垂直転送される期間（垂直転送期間）を長くすることや短くすることが可能になる。
【００３１】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、２次元配列された複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読み出すゲート部と、ゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタとを有する固体撮像素子を駆動する際に、水平ブランキング期間中に行われる垂直転送の段数が異なる複数の動作モードを備え、垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間を含む水平ブランキング期間と、水平転送レジスタにより信号電荷が転送される期間とから、水平同期期間が構成され、複数の動作モードに応じて垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間の長さと、水平ブランキング期間及び水平同期期間の長さとを、共に、長くする、或いは、短くするものである。
【００３２】
上述の本発明方法によれば、水平ブランキング期間中に行われる垂直転送の段数が異なる複数の動作モードに応じて垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間（垂直転送期間）の長さと、水平ブランキング期間及び水平同期期間の長さとを共に、長くする、或いは、短くすることにより、垂直転送の段数が多い動作モードにおいて、垂直転送の段数が少ない動作モードより相対的に信号電荷が垂直転送される期間（垂直転送期間）を長くすることや短くすることが可能になる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明は、２次元配列された複数の光電変換素子と、この複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読み出すゲート部と、このゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、この複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタを駆動する駆動手段とを有し、垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間を含む水平ブランキング期間と、水平転送レジスタにより信号電荷が転送される期間とから、水平同期期間が構成され、駆動手段は水平ブランキング期間中に行われる垂直転送レジスタの垂直転送の段数により、垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間の長さと、水平ブランキング期間及び水平同期期間の長さとを、共に、長くする、或いは、短くする固体撮像装置である。
【００３４】
本発明は、２次元配列された複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読み出すゲート部と、ゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタとを有する固体撮像素子を駆動する際に、水平ブランキング期間中に行われる垂直転送の段数が異なる複数の動作モードを備え、垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間を含む水平ブランキング期間と、水平転送レジスタにより信号電荷が転送される期間とから、水平同期期間が構成され、複数の動作モードに応じて垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間の長さと、水平ブランキング期間及び水平同期期間の長さとを、共に、長くする、或いは、短くする固体撮像素子の駆動方法である。
【００３５】
まず、本発明を適用する固体撮像装置の概略構成図を図２に示す。
この固体撮像装置２０では、光電変換を行う光電変換素子として、２次元配列された複数のセンサ部２３を有し、また複数のセンサ部２３で光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート部２４と、各センサ部２３列毎に配された複数の垂直転送レジスタ２５とを有してＣＣＤ固体撮像素子２１の撮像領域２２が構成されている。
垂直転送レジスタ２５の端部に接続して撮像領域２２の図中下部には、垂直転送レジスタ２５から転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタ２６が設けられている。水平転送レジスタ２６の後段には、電荷−電圧変換部２７が接続されている。
【００３６】
垂直転送レジスタ２５は、４相の垂直転送クロック即ち第１相の垂直転送クロックφＶ１ＡまたはφＶ１Ｂ、第２相の垂直転送クロックφＶ２、第３相の垂直転送クロックφＶ３ＡまたはφＶ３Ｂ、第４相の垂直転送クロックφＶ４が印加されて４相駆動を行うように構成されている。
水平転送レジスタ２６は、２つの水平転送クロックφＨ１及びφＨ２が印加されて２相駆動を行うように構成されている。
これら垂直転送クロックφＶ１Ａ，φＶ１Ｂ，φＶ２，φＶ３Ａ，φＶ３Ｂ，φＶ４と水平転送クロックφＨ１，φＨ２は、ＣＣＤ固体撮像素子２１の外部に設けられたタイミング発生回路２８からそれぞれ垂直転送レジスタ２５と水平転送レジスタ２６へ入力される。
【００３７】
続いて本発明の実施の形態を説明する。
本実施の形態では図２に示した固体撮像装置２０において、高速の動作モードとして、ライン間引き＋水平レジスタ内２ライン加算動作を行うものである。
【００３８】
まず、高解像度を要する静止画を撮影する場合には、図３に示すようにフィールド読み出し動作を行う動作モードとする。図３Ａは信号電荷の転送動作の概略図を示し、図３Ｂは垂直同時タイミングチャートを示し、図３Ｃは水平同期タイミングチャートを示す。
即ち図３では、図６に示したフィールド読み出し動作を、図２の構成の固体撮像装置２０で行うようにしている。
【００３９】
図３Ａに示すように、奇数ライン（１，３，５，７，９）に対しては第１相の垂直転送クロックＶ１が第１相の転送電極（図示せず）を介して供給され、偶数ライン（２，４，６，８）に対しては第３相の垂直転送クロックＶ３が第３相の転送電極（図示せず）を介して供給される。
これにより、それぞれのラインのセンサ部２３の信号電荷が読み出しゲート部を通じて垂直転送レジスタ２５へ読み出される構成となっている。
垂直転送レジスタ２５に読み出された信号電荷は、水平ブランキングＨＢＬＫ中に図３Ｃに示す垂直転送クロックＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が印加されることにより垂直転送される。
【００４０】
尚、実際の水平ブランキング期間ＨＢＬＫは、図３Ｃの水平同期タイミングチャートに示された期間即ち垂直転送レジスタ２５により信号電荷が転送される期間（垂直転送期間）と比較すると、僅かではあるが長い期間となる。
ここでは、説明を単純にするため、以下垂直転送レジスタ２５により信号電荷が転送される期間＝水平ブランキング期間ＨＢＬＫとみなして説明する。
【００４１】
そして、次のようにしてフレーム読み出し動作がなされる。
まず、図３Ｂに示すように第１相の垂直転送クロックＶ１が高いレベルとなることにより、奇数ライン（第１フィールド）のセンサ部２３の信号電荷が、垂直転送レジスタ２５に読み出される。
その後、図３Ｃに示すように各相の垂直転送クロックＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が供給されることにより、奇数ラインのセンサ部２３の信号電荷が１つ下（２画素下）のラインまで垂直転送され、第１ライン１のセンサ部２３の信号電荷が水平転送レジスタ２６に垂直転送される。
この状態で水平ブランキング期間ＨＢＬＫが終了し、図示しないが水平転送クロック（φＨ１，φＨ２）が供給されて、水平転送レジスタ２６に転送された第１ライン１のセンサ部２３の信号電荷が電荷−電圧変換部２７を経て順次出力される。
【００４２】
以後水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中の垂直転送と、水平転送レジスタ２６における水平転送とが繰り返されて、奇数ライン即ち第１フィールドの全画素の信号電荷が途中で加算されることなく出力される。
【００４３】
続いて、図３Ｂに示すように第３相の垂直転送クロックＶ３が高いレベルとなることにより、偶数ライン（第２フィールド）のセンサ部２３の信号電荷が、垂直転送レジスタ２５に読み出される。その後の動作は奇数ライン（第１フィールド）の場合と同様である。
このようにして、奇数ライン（第１フィールド）及び偶数ライン（第２フィールド）の全画素の信号電荷が出力される。
【００４４】
この図３の動作モードでは、水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中に１ライン分の垂直転送がなされる。また、垂直転送クロックのオーバラップ期間の長さは図６と同じくｘである。
【００４５】
また、本実施の形態では、図１に示すように、高いフレームレートを必要とする動作モードにおいて、ライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作を行う。
このライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作を行う点は、前述した図８の動作と同じである。
【００４６】
具体的には、図８の動作と同様に、第１相の転送クロックＶ１及び転送電極と、第３相の転送クロックＶ３及び転送電極とを、それぞれ信号電荷の読み出しに使用するもの（Ｖ１Ａ及びＶ３Ａ）と信号電荷の読み出しに使用しないもの（Ｖ１Ｂ及びＶ３Ｂ）に分けている。
そして、１６ライン中４ライン、図８と同様の４ライン１，５，１０，１４を選択するように構成している。
【００４７】
そして、次のようにしてライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作がなされる。
まず、図１Ｂに示すように、読み出し用の第１相の垂直転送クロックＶ１Ａ及び第３相の垂直転送クロックＶ３Ａが高いレベルとなることにより、上記４ライン１，５，１０，１４のセンサ部２３の信号電荷が垂直転送レジスタ２５に読み出される。
その後、水平ブランキング期間ＨＢＬＫにおいて、図１Ｃに示すように各相の垂直転送クロックＶ１Ａ／Ｖ１Ｂ，Ｖ２，Ｖ３Ａ／Ｖ３Ｂ，Ｖ４が供給されることにより、４ライン分（８画素分）の垂直転送がなされる。これにより、第１ライン１のセンサ部２３の信号電荷及び第５ライン５のセンサ部２３の信号電荷が共に水平転送レジスタ２６に垂直転送されて、２つのライン１，５の信号電荷が水平転送レジスタ２６内で加算される。
この状態で水平ブランキング期間ＨＢＬＫが終了し、図示しないが水平転送クロックが供給されて、水平転送レジスタ２６に転送された第１ライン１及び第５ライン５のセンサ部２３の信号電荷が順次出力される。
【００４８】
第１０ライン１０のセンサ部２３の信号電荷と第１４ライン１４のセンサ部２３の信号電荷は、次の（読み出し後２回目の）水平ブランキング期間ＨＢＬＫにおいて、共に水平転送レジスタ２６まで垂直転送されて、水平転送レジスタ２６内でこれら２ライン１０，１４の信号電荷が加算される。
以後水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中の垂直転送と、水平転送レジスタ２６における水平転送とが繰り返されて、選択されたラインの全画素の信号電荷が２ラインずつ加算されて出力される。
【００４９】
本実施の形態では、特に水平ブランキング期間ＨＢＬＫの長さを、図３に示す高解像度を要するフィールド読み出し動作のモードと、図１に示すライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作のモードとで、異なる長さとするものである。
即ち、図１Ｃに示すように、４ライン分の垂直転送を行う水平ブランキング期間ＨＢＬＫを拡大して、図３のフレーム読み出し動作の水平ブランキング期間ＨＢＬＫより長くする。これにより、垂直転送クロックのオーバーラップ期間ｙをｙ＞ｘ／４とする。
【００５０】
従って、この場合には、図８の場合の垂直転送クロックのオーバーラップ期間ｘ／４よりも、垂直転送クロックのオーバーラップ期間ｙを長くすることができることから、図８の場合と比較して垂直転送期間を長くかつ垂直転送を低速にすることができる。
【００５１】
上述の本実施の形態によれば、ライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作のモードにおける水平ブランキング期間ＨＢＬＫを、フレーム読み出し動作のモードにおける水平ブランキング期間ＨＢＬＫより長くしたことにより、水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中に４ライン分の垂直転送を行うライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作のモードにおける垂直転送クロックのオーバーラップ期間ｙを従来の図８の場合の期間ｘ／４より長くすることができる。
【００５２】
これにより、垂直転送期間を長くして、垂直転送を低速に行うことができるので、垂直転送クロックの伝搬遅延が生じにくくなり、クロックの入力端子から遠い位置でも波形が鈍ることが無くなる。
従って、所要の波形の垂直転送クロックが印加されるようになり、垂直転送レジスタ２５の転送効率の劣化や垂直転送レジスタ２５の取扱い電荷量の減少を防止することが可能となる。
即ち水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中に垂直転送されるライン数が多く、高速転送がなされる動作モードにおいても、高いフレームレートと充分な垂直転送レジスタ２５の取扱い電荷量とを両立することが可能になる。
【００５３】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、水平転送レジスタ内２ライン加算動作を行う動作モードにおいて、水平ブランキング期間を長くした場合である。
【００５４】
図４及び図５に本実施の形態の水平転送レジスタ内２ライン加算動作を示す。
図４は信号電荷の転送動作の概略図を示し、図５Ａは垂直同時タイミングチャートを示し、図５Ｂは水平同期タイミングチャートを示す。
【００５５】
図４に示すように、各ライン１〜１６に対して印加される垂直転送クロックＶ１Ａ，Ｖ１Ｂ，Ｖ３Ａ，Ｖ３Ｂの配置は図１と同じになっている。
ただし、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１相の垂直転送クロックＶ１Ａ及びＶ１Ｂを区別せず両者に同一の波形が印加され、第３相の垂直転送クロックＶ３Ａ及びＶ３Ｂも区別せず両者に同一の波形が印加される。即ち垂直転送クロックの波形は図３のフレーム読み出し動作と同じ４種類になる。
【００５６】
そして、次のようにして水平転送レジスタ内２ライン加算動作がなされる。
まず、図５Ａに示すように第１相の垂直転送クロックＶ１Ａ及びＶ１Ｂが高いレベルとなることにより、第１フィールドとして奇数ライン（赤Ｒ及び緑Ｇの画素）のセンサ部２３の信号電荷が垂直転送レジスタ２５に読み出される。
その後、図５Ｂに示すように各相の垂直転送クロックＶ１Ａ／Ｖ１Ｂ，Ｖ２，Ｖ３Ａ／Ｖ３Ｂ，Ｖ４が供給されることにより、２ライン分（４画素分）の垂直転送がなされ、第１ライン１のセンサ部２３の信号電荷及び第３ライン３のセンサ部２３の信号電荷が共に水平転送レジスタ２６に垂直転送される。これにより、水平転送レジスタ２６内でこれら第１ライン１及び第３ライン３の２ラインの信号電荷が加算される。
この状態で水平ブランキング期間ＨＢＬＫが終了し、図示しないが水平転送クロックが供給されて、水平転送レジスタ２６に転送された第１ライン１及び第３ライン３のセンサ部２３の信号電荷が加算された電荷が電荷−電圧変換部２７を経て順次出力される。
【００５７】
以後水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中の垂直転送と、水平転送レジスタ２６における水平転送とが繰り返されて、奇数ライン即ち第１フィールドの全画素の信号電荷が水平転送レジスタ２６内で２ラインずつ加算されて出力される。
【００５８】
続いて、図５Ａに示すように第３相の垂直転送クロックＶ３Ａ及びＶ３Ｂが高いレベルとなることにより、第２フィールドとして偶数ライン（緑Ｇ及び青Ｂの画素）のセンサ部２３の信号電荷が垂直転送レジスタ２５に読み出される。その後の動作は奇数ライン（第１フィールド）の場合と同様である。
このようにして、奇数ライン（第１フィールド）及び偶数ライン（第２フィールド）の全画素の信号電荷がそれぞれ水平転送レジスタ２６内で２ラインずつ加算されて出力される。
【００５９】
尚、図５Ａと図３Ｂとを比較すると、第１相と第３相の垂直転送クロックがそれぞれ高いレベルになる間隔やその間の垂直転送クロックの数が同じに表現されているが、これは共にタイミングチャートの形状を模式的に示しているものであり、実際に両者の垂直転送クロックが等しいことを示しているのではない。
【００６０】
この動作モード時には、２ラインの信号を加算することにより、飽和信号量が２倍となって感度が２倍になると共に、垂直ライン数が１６ライン中８ラインと１／２になるため、信号出力期間が短縮されて、フレームレートも２倍に向上する。
【００６１】
従来の構成では、この動作モードの水平ブランキング期間ＨＢＬＫもフレーム読み出し動作の水平ブランキング期間ＨＢＬＫと等しい長さとなるため、この２ライン加算の動作モードにおける垂直転送クロックのオーバーラップ期間は、図７Ｃの間引き動作の場合と同様に、ｘ／２と短くする必要があった。
そのため、垂直転送クロックの伝搬遅延により垂直転送レジスタの取扱い電荷量が減少してしまい、２倍の飽和信号量を確保することができなくなるという問題があった。
【００６２】
これに対して、本実施の形態では、図５Ａに示すように、水平ブランキング期間ＨＢＬＫを拡大して、図３のフレーム読み出し動作の水平ブランキング期間ＨＢＬＫの２倍の長さとしている。
これにより、垂直転送クロックのオーバーラップ期間の長さは図３のフレーム読み出し動作の場合と同じｘとなっている。
【００６３】
上述の本実施の形態によれば、このように垂直転送クロックのオーバーラップ期間の長さが図３のフレーム読み出し動作の場合と等しい長さ確保されているため、高速駆動による垂直転送クロックの伝搬遅延が生じないようにすることができ、垂直転送レジスタの転送効率の劣化や取扱い電荷量の減少を防止することができる。
従って、この水平転送レジスタ内２ライン加算動作で、感度やフレームレートだけでなく、飽和信号量も２倍にすることが可能となり、出力ライン数は半減するが、高フレームレート・高感度・広ダイナミックレンジの撮像を実現することができる。
【００６４】
尚、本実施の形態では、水平ブランキング期間ＨＢＬＫの長さを図３のフレーム読み出し動作の２倍にして、垂直転送クロックのオーバーラップ期間の長さを図３のフレーム読み出し動作と同じｘとしているが、水平ブランキング期間の拡大率はちょうど２倍に限定されるものではなく、２ライン加算動作において要求される特性（フレームレートや感度、ダイナミックレンジ等）を考慮して、必要に応じた倍率に拡大すればよい。
【００６５】
上述した各実施の形態のように、動作モードによって水平ブランキング期間を拡大した場合でも、特に多画素の撮像素子の場合においては、水平同期期間の総クロック数＝水平総画素数＋水平ブランキング期間のクロック数であり、かつ水平ブランキング期間のクロック数《水平総画素数であるため、極端なフレームレートの増加にはつながらない。
【００６６】
例えば従来は水平ブランキング期間ＨＢＬＫが水平同期期間Ｈの１０％程度であったとすると、図４及び図５のように水平ブランキング期間ＨＢＬＫを従来の２倍にまで広げたとしても、水平同期期間Ｈは１０％程度長くなるに過ぎない。
また、フレームの長さは水平同期期間Ｈとその回数の積であり、出力されるライン数（選択するライン数）及び加算するライン数が同じ（即ち動作が同じ）であれば水平同期期間Ｈの回数は同じであり、フレームの長さが水平同期期間Ｈの長さに比例する。
従って、水平ブランキング期間ＨＢＬＫを２倍に広げたとしても、フレームの長さも１０％程度増加するに過ぎないため、フレームレート（単位時間内に取り扱われるフレームの数）の劣化も小さく、見てわかるような顕著な違いが現れない。
【００６７】
水平ブランキング期間ＨＢＬＫ中に垂直転送する段数を増やして、例えば前述したように間引き動作や加算動作を行うようにした場合には、選択した全画素を出力するために必要な水平ブランキング期間ＨＢＬＫ並びに水平同期期間Ｈの回数が低減されるためフレームの長さが短くなり、その結果フレームレートを高くすることができる。
水平ブランキング期間ＨＢＬＫを長くした場合のフレームレートの劣化は小さいものであるので、このように垂直転送する段数を増やして高くしたフレームレートをほぼ維持することができる。
【００６８】
尚、フレームレートを優先したい動作モードにおいては、他の動作モードを基準として、逆に必要最低限の水平ブランキング期間ＨＢＬＫに減らす（即ち垂直転送期間を必要最小限に減らす）ことも考えられる。
この場合は、他の動作モードと比較して相対的に水平ブランキング期間ＨＢＬＫが短くなり、水平同期期間Ｈも短くなるため、さらにフレームレートを上げることができる。
【００６９】
従って、本発明により、各動作モード毎に水平ブランキング期間を最適化して、充分な垂直転送レジスタの取扱い電荷量と高いフレームレートとを両立させることが可能となる。
【００７０】
尚、上述の各実施の形態では、フレーム読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子に適用したが、フレーム読み出し方式に限定されるものではなく、全画素読み出し方式のＣＣＤ固体撮像素子や他の方式の固体撮像素子に適用することも可能である。
【００７１】
また、動作モードの数は２つや３つに限定されず、４つ以上の動作モードを有する固体撮像装置においても同様に本発明を適用することが可能である。
本発明は、複数の動作モードのうち少なくとも１つの動作モードにおいて、垂直転送期間の長さを他の動作モードの垂直転送期間と異なる長さとするものである。そのために、例えば水平ブランキング期間の長さを他の動作モードの水平ブランキング期間と異なる長さとする。
【００７２】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００７３】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、複数の動作モードを有する撮像素子において、少なくとも１つの動作モードにおいては、垂直転送レジスタが垂直転送を行う期間即ち垂直転送期間の長さを、他の動作モードの垂直転送期間とは異なる長さとすることにより、各動作モード毎にそれぞれ垂直転送期間の長さを最適化することが可能になる。
【００７４】
例えば垂直転送期間を長くした場合には、垂直転送を低速に行うことが可能になるため、垂直転送クロックの伝搬遅延が生じにくくなり、クロックの入力端子から遠い位置でも波形が鈍ることが無くなる。
これにより、所要の波形の垂直転送クロックが印加されるようになり、垂直転送レジスタの転送効率の劣化や垂直転送レジスタの取扱い電荷量の減少を防止することができる。
そして、垂直転送期間が長くなったことによるフレームの長さの増加率が少なく、フレームレートの劣化が小さいため、例えば高いフレームレートを維持することができる。
従って、水平ブランキング期間中の垂直転送の段数が多く高速転送がなされる動作モードにおいても、高いフレームレートと充分な垂直転送レジスタの取扱い電荷量とを両立することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ〜Ｃ 本発明の一実施の形態のライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作を説明する図である。
【図２】本発明を適用する固体撮像装置の一形態の概略構成図である。
【図３】Ａ〜Ｃ 図２の固体撮像装置におけるフレーム読み出し動作を説明する図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の水平転送レジスタ内２ライン加算動作を説明する図である。
【図５】Ａ、Ｂ 本発明の他の実施の形態の水平転送レジスタ内２ライン加算動作を説明する図である。
【図６】Ａ〜Ｃ 従来の固体撮像装置におけるフレーム読み出し動作を説明する図である。
【図７】Ａ〜Ｃ 従来の固体撮像装置におけるライン間引き動作を説明する図である。
【図８】Ａ〜Ｃ 従来の固体撮像装置におけるライン間引き＋水平転送レジスタ内２ライン加算動作を説明する図である。
【符号の説明】
２０ 固体撮像装置、２１ ＣＣＤ固体撮像素子、２２ 撮像領域、２３ センサ部、２４ 読み出しゲート部、２５ 垂直転送レジスタ、２６ 水平転送レジスタ、２７ 電荷−電圧変換部、２８ タイミング発生回路、φＶ１Ａ，φＶ１Ｂ，φＶ２，φＶ３Ａ，φＶ３Ｂ，φＶ４ 垂直転送クロック、φＨ１，φＨ２
水平転送クロック

Claims (2)

1. ２次元配列された複数の光電変換素子と、
   上記複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読み出すゲート部と、
   上記ゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、
   上記複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタと、
   上記垂直転送レジスタ及び上記水平転送レジスタを駆動する駆動手段とを有し、
   上記垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間を含む水平ブランキング期間と、上記水平転送レジスタにより信号電荷が転送される期間とから、水平同期期間が構成され、
   上記駆動手段は、水平ブランキング期間中に行われる上記垂直転送レジスタの垂直転送の段数により、上記垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間の長さと、上記水平ブランキング期間及び上記水平同期期間の長さとを、共に、長くする、或いは、短くする
   固体撮像装置。
2. ２次元配列された複数の光電変換素子と、
   上記複数の光電変換素子で光電変換された信号電荷を読み出すゲート部と、
   上記ゲート部により読み出された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送レジスタと、
   上記複数の垂直転送レジスタから転送された信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタとを有する固体撮像素子の駆動方法において、
   水平ブランキング期間中に行われる垂直転送の段数が異なる複数の動作モードを備え、
   上記垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間を含む水平ブランキング期間と、上記水平転送レジスタにより信号電荷が転送される期間とから、水平同期期間が構成され、
   上記複数の動作モードに応じて、上記垂直転送レジスタにより信号電荷が転送される期間の長さと、上記水平ブランキング期間及び上記水平同期期間の長さとを、共に、長くする、或いは、短くする
   固体撮像素子の駆動方法。

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