JP4814112B2

JP4814112B2 - 固体撮像素子

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Inventors: 弘明田中; 功広田
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Filing date: 2007-01-22
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Description

本発明は固体撮像素子に関する。詳しくは、フレーム読み出し方式を採用する固体撮像素子に係るものである。

従来、ビデオカメラやデジタルスチルカメラにおいて、電荷転送部にＣＣＤレジスタを用いたＣＣＤ型固体撮像素子が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。
このＣＣＤ型固体撮像素子は、光電変換手段（フォトダイオード；ＰＤ）を設けた複数の画素を半導体基板上の撮像領域（イメージエリア）内に２次元配列のマトリクス状に配置したものであり、各画素に入射した光をフォトダイオードによって光電変換して電荷を生成し、この電荷を垂直転送部及び水平転送部を介して出力アンプ部に設けたフローティングディフュージョン（ＦＤ）部に転送し、このＦＤ部の電位変動をＭＯＳトランジスタによって検出し、これを電気信号に変換、増幅することにより映像信号として出力するものである。

図５は従来のＣＣＤ型固体撮像素子を説明するための模式図であり、ここで示すＣＣＤ型固体撮像素子１０１は、撮像部１０４ａ、オプティカルブラック領域１０４ｂ、水平転送部１０５及び出力部１０７によって概略構成されている。また、撮像部はマトリクス状に配列された受光部１０８と各受光部の垂直列毎に設けられ各受光部から電荷を転送する垂直転送部１０９とにより構成されている。

上記の様に構成されたＣＣＤ型固体撮像素子では、タイミング信号発生回路１０３から垂直転送クロックＶφを垂直転送部に印加することによって、受光部から垂直転送部に読み出された電荷が垂直方向に転送され、タイミング信号発生回路から水平転送クロックＨφを水平転送部に印加することによって、水平転送部に転送された電荷が水平方向に転送され、ＦＤ部によって電圧に変換されて受光信号として出力部から読み出される。

ここで、ＣＣＤ型固体撮像素子で静止画を撮像する際には高解像度が要求されるため、全画素の信号を混合しないで独立に出力する必要があり、ＣＣＤ型固体撮像素子の出力方式として、（１）同一時刻に全画素を読み出して各画素を独立に転送する方式（全画素読み出し方式）或いは（２）奇数ラインと偶数ラインの電荷をフィールド毎に交互に読み出して各画素を独立して転送する方式（フレーム読み出し方式：ここでは２フィールド読み出し方式を意味する）が用いられていた。
なお、フレーム読み出し方式は垂直転送部の取り扱い電荷量の確保が全画素読み出し方式よりも有利であるために、セルサイズ（１画素当たりのサイズ）の縮小を容易に行なうことができ、特に小型化或いは多画素化が求められるＣＣＤ型固体撮像素子に用いられていた。即ち、全画素読み出し方式では各画素に対して垂直転送部のパケットを構成する必要があるものの、フレーム読み出し方式では１つのフィールドで２画素中の１画素の読み出しを行なうために２画素に対して垂直転送部のパケットを構成すれば良いので、フレーム読み出し方式は垂直転送部の取り扱い電荷量の確保が全画素読み出し方式よりも有利となるために、セルサイズの縮小を容易に行なうことができるのである。

図６は高解像度の静止画を得るためのフレーム読み出し（２フィールド読み出し）を説明するための模式図であり、図６（ａ）は第１のフィールドと第２のフィールドの２つのフィールドに分けて出力（読み出し）を行なうフレーム読み出し（２フィールド読み出し）の概略図を示し、図６（ｂ）は垂直同期タイミングチャートを示し、図６（ｃ）は水平同期タイミングチャートを示し、図６（ｄ）は垂直転送部の電荷の転送状態を示している。

ここで、垂直転送部には受光部に蓄積された電荷を読み出すための読み出しクロックや垂直転送部を駆動して垂直転送を行なうための垂直転送クロックを印加するために転送電極が設けられており、２フィールド読み出し方式では第１のフィールドで２画素中の１画素（図６（ａ）中の１列、３列、５列、７列、９列、・・・の画素）の読み出しを行い、第２のフィールドで２画素中の残りの１画素（図６（ａ）中の２列、４列、６列、８列、・・・の画素）の読み出しを行なうといった駆動を実現するために、第１のフィールドで読み出しを行なう画素と第２のフィールドで読み出しを行なう画素とは別個の読み出しクロックを印加する必要があり、また、混色を防止するためには読み出しクロックを印加する転送電極同士の間にも別の転送電極を設ける必要がある。従って、２フィールド読み出し方式では、４本（Ｖ１〜Ｖ４）の転送電極が必要となる。
なお、図６（ａ）では読み出しクロックが印加される転送電極（Ｖ１及びＶ３）のみを表記しているが、２列目と３列目の間，４列目と５列目の間，６列目と７列目の間，８列目と９列目の間には転送電極（Ｖ２）が設けられており、１列目と２列目の間，３列目と４列目の間，５列目と６列目の間，７列目と８列目の間には転送電極（Ｖ４）が設けられている。

ところで、近年、高解像度化（多画素化）或いは小型化のためにセルサイズがより一層縮小化される傾向にあり、フレーム読み出し方式においても、２つのフィールドに分けて出力（読み出し）を行なう２フィールド読み出し方式以外に、図７（図７（ａ）は３フィールド読み出し方式の概略図、図７（ｂ）は垂直同期タイミングチャート、図７（ｃ）は水平同期タイミングチャート（１）、図７（ｄ）は水平同期タイミングチャート（２）、図７（ｅ）は水平同期タイミングチャート（１）に対応した垂直転送部の電荷の転送状態、図７（ｆ）は水平同期タイミングチャート（２）に対応した垂直転送部の電荷の転送状態を示している。）で示す３フィールド読み出し方式、図８（図８（ａ）は４フィールド読み出し方式の概略図、図８（ｂ）は垂直同期タイミングチャート、図８（ｃ）は水平同期タイミングチャート、図８（ｄ）は垂直転送部の電荷の転送状態を示している。）で示す４フィールド読み出し方式、図示は省略しているが５フィールド読み出し方式、図９（図９（ａ）は６フィールド読み出し方式の概略図、図９（ｂ）は垂直同期タイミングチャート、図９（ｃ）は読み出し部及び垂直転送部タイミングチャート、図９（ｄ）は垂直転送部の電荷の転送状態を示している。）で示す６フィールド読み出し方式が実用化されている。

ここで、３フィールド読み出し方式では第１のフィールドで３画素中の１画素（図７（ａ）中の２列、５列、８列、・・・の画素）の読み出しを行い、第２フィールドで３画素中の残りの２画素の中の１画素（図７（ａ）中の３列、６列、９列、・・・の画素）の読み出しを行い、第３フィールドで３画素中の残りの１画素（図７（ａ）中の１列、４列、７列、・・・の画素）の読み出しを行なうといった駆動を実現するために、第１のフィールドで読み出しを行なう画素と第２のフィールドで読み出しを行なう画素と第３のフィールドで読み出しを行なう画素とは別個の読み出しクロックを印加する必要があり、また、混色を防止するためには読み出しクロックを印加する転送電極同士の間にも別の転送電極を設ける必要がある。従って、３フィールド読み出し方式では、６本（Ｖ１〜Ｖ６）の転送電極が必要となる。
なお、図７（ａ）では読み出しクロックが印加される転送電極（Ｖ１、Ｖ３及びＶ５）のみを表記しているが、２列目と３列目の間，５列目と６列目の間，８列目と９列目の間には転送電極（Ｖ２）が設けられており、１列目と２列目の間，４列目と５列目の間，７列目と８列目の間には転送電極（Ｖ４）が設けられており、３列目と４列目の間，６列目と７列目の間には転送電極（Ｖ６）が設けられている。

また、４フィールド読み出し方式では第１のフィールドで４画素中の１画素（図８（ａ）中の２列、６列、・・・の画素）の読み出しを行い、第２フィールドで４画素中の残りの３画素の中の１画素（図８（ａ）中の３列、７列、・・・の画素）の読み出しを行い、第３フィールドで４画素中の残りの２画素の中の１画素（図８（ａ）中の４列、８列、・・・の画素）の読み出しを行い、第４フィールドで４画素中の残りの１画素（図８（ａ）中の１列、５列、９列、・・・の画素）の読み出しを行なうといった駆動を実現するために、第１のフィールドで読み出しを行なう画素と第２のフィールドで読み出しを行なう画素と第３のフィールドで読み出しを行なう画素と第４のフィールドで読み出しを行なう画素とは別個の読み出しクロックを印加する必要があり、また、混色を防止するためには読み出しクロックを印加する転送電極同士の間にも別の転送電極を設ける必要がある。従って、４フィールド読み出し方式では、８本（Ｖ１〜Ｖ８）の転送電極が必要となる。
なお、図８（ａ）では読み出しクロックが印加される転送電極（Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５及びＶ７）のみを表記しているが、３列目と４列目の間，７列目と８列目の間には転送電極（Ｖ２）が設けられており、２列目と３列目の間，６列目と７列目の間には転送電極（Ｖ４）が設けられており、１列目と２列目の間，５列目と６列目の間には転送電極（Ｖ６）が設けられており、４列目と５列目，８列目と９列目の間には転送電極（Ｖ８）が設けられている。

また、６フィールド読み出し方式では第１のフィールドで６画素中の１画素（図９（ａ）中の２列、８列、・・・の画素）の読み出しを行い、第２フィールドで６画素中の残りの５画素の中の１画素（図９（ａ）中の３列、９列、・・・の画素）の読み出しを行い、第３フィールドで６画素中の残りの４画素の中の１画素（図９（ａ）中の４列、１０列、・・・の画素）の読み出しを行い、第４フィールドで６画素中の残りの３画素の中の１画素（図９（ａ）中の５列、１１列、・・・の画素）の読み出しを行い、第５フィールドで６画素中の残りの２画素の中の１画素（図９（ａ）中の６列、１２列、・・・の画素）の読み出しを行い、第６フィールドで６画素中の残りの１画素（図９（ａ）中の１列、７列、１３列、・・・の画素）の読み出しを行なうといった駆動を実現するために、第１のフィールドで読み出しを行なう画素と第２のフィールドで読み出しを行なう画素と第３のフィールドで読み出しを行なう画素と第４のフィールドで読み出しを行なう画素と第５のフィールドで読み出しを行なう画素と第６のフィールドで読み出しを行なう画素とは別個の読み出しクロックを印加する必要があり、また、混色を防止するためには読み出しクロックを印加する転送電極同士の間にも別の転送電極を設ける必要がある。従って、６フィールド読み出し方式では、１２本（Ｖ１〜Ｖ１２）の転送電極が必要となる。
なお、図９（ａ）では読み出しクロックが印加される転送電極（Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９及びＶ１１）のみを表記しているが、５列目と６列目の間，１１列目と１２列目の間には転送電極（Ｖ２）が設けられており、４列目と５列目の間，１０列目と１１列目の間には転送電極（Ｖ４）が設けられており、３列目と４列目の間，９列目と１０列目の間には転送電極（Ｖ６）が設けられており、２列目と３列目の間，８列目と９列目の間には転送電極（Ｖ８）が設けられており、１列目と２列目の間，７列目と８列目の間には転送電極（Ｖ１０）が設けられており、６列目と７列目の間，１２列目と１３列目の間には転送電極（Ｖ１２）が設けられている。

上記した様な、多フィールド読み出し方式（３フィールド読み出し方式、４フィールド読み出し方式、５フィールド読み出し方式及び６フィールド読み出し方式）は、従来の２フィールド読み出し方式よりも垂直転送部の取り扱い電荷量を増加させることが可能となる。
即ち、従来の２フィールド読み出し方式では１つのフィールドで２画素中の１画素の読み出しを行なうために（図６（ａ）参照）、２画素（Ｖ１〜Ｖ４）に対して垂直転送部のパケットを構成しているのに対して（図６（ｂ）参照。）、３フィールド読み出し方式では１つのフィールドで３画素中の１画素しか読み出しを行なわないために（図７（ａ）参照）、３画素（Ｖ１〜Ｖ６）に対して垂直転送部のパケットを構成すれば良いので（図７（ｂ）参照）、垂直転送部のオンゲート数（高レベル電位が印加されているゲート数）が２フィールド読み出し方式が２ゲートであるのに対して、３フィールド読み出し方式では４ゲートとなるために、垂直転送部の取り扱い電荷量を増加させることが可能となるのである。同様に、４フィールド読み出し方式では１つのフィールドで４画素中の１画素しか読み出しを行なわないために（図８（ａ）参照）、４画素（Ｖ１〜Ｖ８）に対して垂直転送部のパケットを構成すれば良いので（図８（ｂ）参照）、垂直転送部のオンゲート数が６ゲートとなり、６フィールド読み出し方式では１つのフィールドで６画素中の１画素しか読み出しを行なわないために（図９（ａ）参照）、６画素（Ｖ１〜Ｖ１２）に対して垂直転送部のパケットを構成すれば良いので（図９（ｂ）参照）、垂直転送部のオンゲート数が８ゲートとなり、垂直転送部の取り扱い電荷量をより増加させることが可能となるのである。
従って、多フィールド読み出し方式は、セルサイズを縮小したとしても垂直転送部の取り扱い電荷量を確保することができ、高解像度或いは小型化が求められるＣＣＤ型固体撮像素子に用いられている。

なお、図７で示す３フィールド読み出し方式（Ｖ１〜Ｖ６の６相転送）において、水平同期タイミングチャート（１）（図７（ｃ）参照）に対応する垂直転送部の電荷の転送状態のポテンシャルを示しているのが図７（ｅ）であり、水平同期タイミングチャート（２）（図７（ｄ）参照）に対応する垂直転送部の電荷の転送状態のポテンシャルを示しているのが図７（ｆ）であるが、水平同期タイミングチャート次第でいずれの動作も可能であるものの、図７（ｄ）及び（ｆ）の方が図７（ｃ）及び（ｅ）と比べて、電荷の転送方向の前方のゲートをオンの状態（高レベル電位が印加されている状態）とすると同時に後方のゲートをオフの状態（低レベル電位が印加されている状態）とすることで、クロック変化点及び転送サイクル数を減らすことができ、特に転送スピードを優先したり、同一期間において垂直転送クロックのオーバーラップ期間（垂直転送クロックの変化点から変化点までの時間）を長くしたりしたい場合に用いられる。更に、読み出し方式として４フィールド読み出し方式以上を採用する場合には、クロックの変化点が多くなりすぎてしまうので、積極的に転送方向の前方のゲートをオンすると同時に後方のゲートをオフする転送方式を採用している。

特開２００４−９６５４６号公報

上記した様に、多フィールド読み出し方式においては垂直転送部の取り扱い電荷量を増加させることができるものの、その反面、垂直転送部の転送電極数が増加してしまう。即ち、２フィールド読み出し方式では垂直転送部の転送電極は４本（Ｖ１〜Ｖ４）であるのに対して、３フィールド読み出し方式では垂直転送部の転送電極は６本（Ｖ１〜Ｖ６）、４フィールド読み出し方式では垂直転送部の転送電極は８本（Ｖ１〜Ｖ８）、６フィールド読み出し方式では垂直転送部の転送電極は１２本（Ｖ１〜Ｖ１２）と増加してしまう。

また、近年のデジタルスチルカメラでは、液晶モニタ等での表示用、オートフォーカス（ＡＦ）、自動露光（ＡＥ）といった自動制御用に静止画よりも応答速度（フレームレート）の早い動作モードも備えており、この応答速度の高速化のためにライン間引き動作が一般的に行なわれているが、こうした間引き動作を実現するためには、電荷の読み出し電極として機能する電極を複数の電極に分割する必要があり、より一層垂直転送部の転送電極が増加することとなる。

例えば、図１０に６フィールド読み出し方式におけるライン間引きモードを説明するための模式図を示しているが、ライン間引きを行なわない場合（図９（ａ）参照）と比較すると、読み出し用の電極（図中符合Ｖ５、符合Ｖ７、符合Ｖ９及び符合Ｖ１１で示す電極）を各々２つの電極（図中符合Ｖ５Ａ，Ｖ５Ｂ、Ｖ７Ａ，Ｖ７Ｂ、Ｖ９Ａ，Ｖ９Ｂ、Ｖ１１Ａ，Ｖ１１Ｂで示す電極）に分ける必要が生じるために、垂直転送部の転送電極が１２本（Ｖ１〜Ｖ１２）から１６本（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５Ａ、Ｖ５Ｂ、Ｖ６、Ｖ７Ａ、Ｖ７Ｂ、Ｖ８、Ｖ９Ａ、Ｖ９Ｂ、Ｖ１０、Ｖ１１Ａ、Ｖ１１Ｂ、Ｖ１２）に増加するのである。

そして、垂直転送部の転送電極の増加は、ＣＣＤ型固体撮像素子のサイズ増加に伴うコストアップや、パッケージのピン数増加によるパッケージの大型化、垂直ドライバのチャンネル数の増加に伴うコストアップ等を招いてしまう。

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、垂直転送部の転送電極数の低減を実現することができる固体撮像素子を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、マトリクス状に配列された受光部と、該受光部の垂直列毎に設けられると共に同受光部から電荷が転送され、転送された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、該垂直転送部から電荷が転送され、転送された電荷を水平方向に転送する水平転送部とを備える固体撮像素子において、前記垂直転送部は、同垂直転送部に転送された電荷を分割して垂直方向に転送し、前記水平転送部は、分割された電荷を混合した状態で水平方向に転送している。

ここで、垂直転送部が、同垂直転送部に転送された電荷を分割して垂直方向に転送することによって、垂直転送部の垂直転送相数を低減することができるために、垂直転送部の転送電極数の低減が実現することとなる。

また、水平転送部が、分割された電荷を混合した状態で水平転送することによって、水平転送部の駆動周波数を増大させる必要が無くなる。
即ち、分割された状態の電荷を、電荷を分割しなかった場合と同等の応答速度（フレームレート）で水平転送しようとすると水平転送部の転送速度を増大させる必要があり、そのために水平転送部の駆動周波数を増大させる必要があるものの、分割された電荷を混合した状態で水平転送を行なうことによって、電荷を分割しなかった場合と同等の応答速度（フレームレート）を実現するにあたって水平転送部の転送速度を増大させる必要が無いために、水平転送部の駆動周波数を増大させる必要が無いのである。

上記した本発明の固体撮像素子では、垂直転送部の取り扱い電荷量の増大が実現する多フィールド読み出しを達成しながら、垂直転送部の転送電極数の低減を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明を適用した固体撮像素子の一例である６フィールド読み出し方式を採用するＣＣＤ型固体撮像素子を説明するための模式図であり、ここで示すＣＣＤ型固体撮像素子１は、上記した従来のＣＣＤ型固体撮像素子と同様に、撮像部４ａ、オプティカルブラック領域４ｂ、水平転送部５及び出力部７によって概略構成されている。また、撮像部はマトリクス状に配列された受光部８と各受光部の垂直列毎に設けられて各受光部から電荷を転送する垂直転送部９とにより構成されている。

上記の様に構成されたＣＣＤ型固体撮像素子では、タイミング信号発生回路３から垂直転送クロックＶφ（Ｖφ１Ａ、Ｖφ１Ｂ、Ｖφ２、Ｖφ３Ａ、Ｖφ３Ｂ、Ｖφ４、Ｖφ５Ａ、Ｖφ５Ｂ、Ｖφ６Ｓ１、Ｖφ６Ｓ２）を垂直転送部に印加することによって、受光部から垂直転送部に読み出された電荷が垂直方向に転送され、タイミング信号発生回路から水平転送クロックＨφ（Ｈφ１、Ｈφ２）を水平転送部に印加することによって、水平転送部に転送された電荷が転送され、ＦＤ部によって電圧に変換されて受光信号として出力部から読み出される。

図２は本発明を適用したＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出しを説明するための模式図であり、図２（ａ）は第１のフィールド〜第６のフィールドの６つのフィールドに分けて出力（読み出し）を行なう概略図を示し、図２（ｂ）は垂直同期タイミングチャートを示し、図２（ｃ）は水平同期タイミングチャートを示し、図２（ｄ）は垂直転送部の電荷の転送状態を示している。

ここで、本実施例では読み出しクロックを印加する転送電極としてＶ１Ａ，Ｖ１Ｂ，Ｖ３Ａ，Ｖ３Ｂ，Ｖ５Ａ，Ｖ５Ｂを設けて、１列目の画素は転送電極（Ｖ５Ｂ）、２列目の画素は転送電極（Ｖ３Ａ）、３列目の画素は転送電極（Ｖ１Ｂ）、４列目の画素は転送電極（Ｖ５Ａ）、５列目の画素は転送電極（Ｖ３Ｂ）、６列目の画素は転送電極（Ｖ１Ｂ）、７列目の画素は転送電極（Ｖ５Ａ）、８列目の画素は転送電極（Ｖ３Ｂ）、９列目の画素は転送電極（Ｖ１Ａ）、１０列目の画素は転送電極（Ｖ５Ｂ）、１１列目の画素は転送電極（Ｖ３Ａ）、１２列目の画素は転送電極（Ｖ１Ａ）、１３列目の画素は転送電極（Ｖ５Ｂ）、・・・、によって読み出しクロックが印加できる様に構成されている。
なお、図２（ａ）では読み出しクロックが印加される転送電極（Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂ、Ｖ５Ａ及びＶ５Ｂ）のみを表記しているが、２列目と３列目の間，５列目と６列目の間，８列目と９列目の間，１１列目と１２列目の間には転送電極（Ｖ２）が設けられており、１列目と２列目の間，４列目と５列目の間，７列目と８列目の間，１０列目と１１列目の間には転送電極（Ｖ４）が設けられており、６列目と７列目の間，１２列目と１３列目の間には転送電極（Ｖ６Ｓ１）が設けられており、３列目と４列目の間，９列目と１０列目の間には転送電極（Ｖ６Ｓ２）が設けられている。

即ち、６フィールド読み出し方式を採用している従来のＣＣＤ型固体撮像素子では、垂直転送部の転送電極を１２本（Ｖ１〜Ｖ１２）使用した１２相転送であったのに対して（図９（ａ）参照。）、本実施例のＣＣＤ型固体撮像素子は、垂直転送部の転送電極を６本（Ｖ１〜Ｖ６）使用した６相転送とすると共に、１２画素中の２画素の読み出しを行なう６フィールド読み出しを実現するために、転送電極（Ｖ１）を転送電極（Ｖ１Ａ）と転送電極（Ｖ１Ｂ）に、転送電極（Ｖ３）を転送電極（Ｖ３Ａ）と転送電極（Ｖ３Ｂ）、転送電極（Ｖ５）を転送電極（Ｖ５Ａ）と転送電極（Ｖ５Ｂ）とにそれぞれ分け、更には、後述する分割転送を可能とすべく転送電極（Ｖ６）を２つの転送電極（Ｖ６Ｓ１）と転送電極（Ｖ６Ｓ２）に分けている。

以下、上記の様に構成されたＣＣＤ型固体撮像素子における垂直転送部の電荷転送について説明を行なう。なお、比較のために、先ずは、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出しについて説明を行なう。

［従来のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出し方式］（図９（ｃ）（ｄ）参照）
従来のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出しでは、先ず、図中符合ｔ０で示すタイミングから図中符合ｔ１で示すタイミングへ移行することで、受光部に蓄積された電荷（Ｑｓ）の読み出しを行なう。
次に、図中符合ｔ２で示すタイミングから図中符合ｔ３で示すタイミングの期間を経て、図中符合ｔ４で示すタイミングで読み出しを完了すると共に、垂直転送の待機状態となる。
続いて、図中符合ｔ５で示すタイミングから図中符合ｔ１５で示すタイミングの期間にて順次、電荷の転送方向前方の転送電極に高レベル電位を印加（オンの状態）すると同時に電荷の転送方向後方の転送電極に低レベル電位を印加（オフの状態）することで電荷の垂直転送を行なう。
以上の様にして、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出し方式では、１２本の転送電極（Ｖ１〜Ｖ１２）を用いた１２相転送によって電荷の垂直転送を実現している。

［本実施例のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出し方式］（図２（ｃ）（ｄ）参照）
本実施例のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出しでは、先ず、図中符合ｔ０で示すタイミングから図中符合ｔ１で示すタイミングへ移行することで、受光部に蓄積された電荷（Ｑｓ）の読み出しを行なう。
次に、図中符合ｔ２で示すタイミングを経て図中符合ｔ３で示すタイミングへと移行するのであるが、この際に、転送電極（Ｖ６Ｓ２）を電荷の分離用のゲートとして低レベル電位を印加（オフの状態）し、転送電極（Ｖ６Ｓ１），転送電極（Ｖ１Ａ）及び転送電極（Ｖ１Ｂ）に高レベル電位を印加（オンの状態）することで、転送電極（Ｖ６Ｓ２）以外の１１本の転送電極に高レベル電位を印加（オンの状態）した状態とする。続いて、図中符合ｔ４で示すタイミングで、電荷の読み出しを完了すると共に、転送電極（Ｖ６Ｓ２）以外の１１本の転送電極に関しての電荷の平坦化を行なう。
次に、図中符合ｔ５で示すタイミングで、転送電極（Ｖ６Ｓ１）に低レベル電位を印加（オフの状態）することで、電荷の２分割（Ｑｓ／２）を行なう。
続いて、図中符合ｔ６で示すタイミングで、上記した図中符合ｔ０で示すタイミングと同様の初期状態へと戻り、垂直転送の待機状態となる。
次に、図中符合ｔ７で示すタイミングから図中符合ｔ１８で示すタイミングの期間にて順次、電荷の転送方向前方の転送電極の高レベル電位を印加（オンの状態）すると同時に電荷の転送方向後方の転送電極に低レベル電位を印加（オフの状態）することで電荷の垂直転送を行なう。
以上の様にして、本実施例のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出し方式では、１０本の転送電極（Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂ，Ｖ２，Ｖ３Ａ，Ｖ３Ｂ，Ｖ４，Ｖ５Ａ，Ｖ５Ｂ，Ｖ６Ｓ１，Ｖ６Ｓ２）を用いた６相転送によって電荷の垂直転送を実現している。

上記の様にして垂直転送された電荷（Ｑｓ／２）は、水平転送部によって２つ分が混合されて（Ｑｓ／２＋Ｑｓ／２＝Ｑｓ）、水平転送部によって水平転送が行なわれることとなる。

ここで、上記した本実施例のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出しにおける電荷の分割の際には、電荷の読み出しが完了した後に所定の時間が経過した後に電荷を分割する必要がある。具体的には、図中符合ｔ４で示すタイミングから図中符合ｔ５で示すタイミングまでの期間（図中符合ｘで示す期間）を概ね５μｓ程度確保する必要がある。
これは、「電荷の読み出し完了から電荷の分割までの時間」と「分割した電荷の出力比率」が図３で示す様な関係を有するために、電荷の読み出し完了から電荷の分割までの時間を概ね５μｓ程度確保しなければ、電荷の分割が不均一となってしまうからである。そして、電荷の分割が不均一となった場合には、分割後の一方の電荷（電荷量の大きな方の電荷）が垂直転送部の取り扱い電荷量を律速してしまう恐れがあるために、電荷を略均等に２分割すべく、電荷の読み出し完了から電荷の分割までの時間を概ね５μｓ程度確保する必要がある。

また、本実施例のＣＣＤ型固体撮像素子では、水平転送部によって垂直転送された電荷（Ｑｓ／２）を混合する場合を例に挙げて説明を行なったが、電荷の混合は水平転送を行なう前段階までに行なえば充分であり、換言すれば、水平転送部が電荷を混合した状態で水平転送を行なえば充分であり、必ずしも水平転送部で電荷の混合を行なう必要は無く、例えば、垂直転送部と水平転送部との間に電荷蓄積部を設けて、この電荷蓄積部で電荷の混合を行なった後に水平転送部に電荷を転送しても良い。

上記した本発明を適用したＣＣＤ型固体撮像素子では、６フィールド読み出し方式を６相転送で実現することができ、垂直転送部の転送電極数の低減が実現する。具体的には、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出し方式では１２相転送を行なっており、１２本の転送電極（Ｖ１〜Ｖ１２）が必要であったのに対して、本発明を適用したＣＣＤ型固体撮像素子の６フィールド読み出し方式では６相転送を行なっており、１０本の転送電極（Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂ，Ｖ２，Ｖ３Ａ，Ｖ３Ｂ，Ｖ４，Ｖ５Ａ，Ｖ５Ｂ，Ｖ６Ｓ１，Ｖ６Ｓ２）で実現可能となり、垂直転送部の転送電極数を２本低減することができる。
そして、垂直転送部の転送電極数の低減により、チップサイズの増大に伴うコストアップやパッケージのピン数増大によるパッケージサイズの大型化、垂直ドライバのチャネル数増加に伴うコストアップといった問題を解消することが可能となる。

また、デジタルスチルカメラにおいて、液晶モニタ等での表示、自動制御（ＡＦ、ＡＥ）等のためのライン間引きを行なう場合において、従来のＣＣＤ型固体撮像素子においては１６本の転送電極が必要であったが、本発明を適用したＣＣＤ型固体撮像素子においては１２本の転送電極で実現可能となり、垂直転送部の転送電極数を４本低減することができる（図４参照。）。

なお、本実施例では、６フィールドの読み出し方式を例に挙げて説明を行なっているが、８フィールドの読み出し方式等についても同様に垂直転送部の転送電極数の低減が実現する。なお、８フィールド読み出しに関しては、従来のＣＣＤ型固体撮像素子では１６相転送を行なっているのに対して、本発明を適用したＣＣＤ型固体撮像素子では８相転送が可能であり、４フィールド読み出しに関しては、従来のＣＣＤ型固体撮像素子では８相転送を行なっているのに対して、本発明を適用したＣＣＤ型固体撮像素子では４相転送が可能である。

更に、図４や図１０で示すライン間引きは間引きモード数が２種類の場合を例に挙げて説明を行なっているが、間引きモード数が３種類或いは４種類と増加するに従って、必要とされる垂直転送部の転送電極数も増加することとなり、本発明による転送電極数の低減の効果が顕著になってくる。

本発明を適用した固体撮像素子の一例である６フィールド読み出し方式を採用するＣＣＤ型固体撮像素子を説明するための模式図である。第１のフィールド〜第６のフィールドの６つのフィールドに分けて出力（読み出し）を行なう概略図である。垂直同期タイミングチャートである。水平同期タイミングチャートである垂直転送部の電荷の転送状態を示す模式図である。「電荷の読み出し完了から電荷の分割までの時間」と「分割した電荷の出力比率」との関係を示すグラフである。本発明を適用したＣＣＤ型固体撮像素子におけるライン間引きを説明するための模式図である。従来のＣＣＤ型固体撮像素子を説明するための模式図である。第１のフィールドと第２のフィールドの２つのフィールドに分けて出力（読み出し）を行なうフレーム読み出し（２フィールド読み出し）の概略図である。垂直同期タイミングチャートである。水平同期タイミングチャートである。垂直転送部の電荷の転送状態を示す模式図である。３フィールド読み出し方式の概略図である。垂直同期タイミングチャートである。水平同期タイミングチャート（１）である。水平同期タイミングチャート（２）である。水平同期タイミングチャート（１）に対応した垂直転送部の電荷の転送状態を示す模式図である。水平同期タイミングチャート（２）に対応した垂直転送部の電荷の転送状態を示す模式図である。４フィールド読み出し方式の概略図である。垂直同期タイミングチャートである。水平同期タイミングチャートである。垂直転送部の電荷の転送状態を示す模式図である。６フィールド読み出し方式の概略図である。垂直同期タイミングチャートである。読み出し部及び垂直転送部タイミングチャートである。垂直転送部の電荷の転送状態を示す模式図である。６フィールド読み出し方式におけるライン間引きモードを説明するための模式図である。

符号の説明

１ＣＣＤ型固体撮像素子
３タイミング信号発生回路
４ａ撮像部
４ｂオプティカルブラック領域
５水平転送部
７出力部
８受光部
９垂直転送部

Claims

マトリクス状に配列された受光部と、
該受光部の垂直列毎に設けられると共に、１つの前記受光部に対応して垂直転送クロックが印加される転送電極が２本配されて構成され、前記受光部からｎ（ｎ≧４）フィールドに分けて電荷が転送され、転送された電荷を略均等に２分割し、分割された状態の電荷をｎ相駆動により垂直方向に転送する垂直転送部と、
分割した状態で前記垂直転送部が転送した電荷を混合した状態で水平方向に転送する水平転送部とを備え、
前記垂直転送部は、電荷の分割が略均等となるように同垂直転送部に電荷が転送されて５μｓ以上経過した後に電荷を分割する
固体撮像素子。