JP2000299817A - 固体撮像素子およびその駆動方法並びにカメラシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子スチルカメラにおいて、モニタリングモ
ードでは、フレームレートを上げることを目的として間
引き読み出しの駆動方法が採られるため、スミアや暗電
流等の垂直転送と同方向に乗るノイズ成分が問題とな
る。 【解決手段】 １垂直画素列の受光素子（画素）１２の
各々に対応する信号パケットと１垂直画素列につき少な
くとも１個の空パケットを持つパケット列からなり、各
画素から読み出される信号電荷を垂直方向に転送する垂
直転送部１３を具備するＣＣＤ撮像素子において、空パ
ケットの成分をＰ（プリセット）相に乗せて出力するよ
うにし、後段の信号処理系において、ＣＣＤ撮像素子の
信号出力ＶｏｕｔのＤ（データ）相の成分とＰ相の成分
との差分をとることで、スミアや暗電流等の垂直転送と
同方向に乗るノイズ成分を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子およ
びその駆動方法並びにカメラシステムに関し、特に各画
素から信号電荷を間引いて読み出すいわゆる間引き読み
出し駆動が可能な固体撮像素子およびその駆動方法、並
びにこれらを用いたカメラシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子における問題点として、ス
ミアや暗電流等のノイズ成分が挙げられる。ここで、ス
ミアは、垂直転送部に直接光が混入したり、半導体基板
内部で発生した電荷が拡散により広がり、隣接画素や垂
直転送部に混入するために発生するノイズ成分である。
また、暗電流は、入射光量に無関係に発生するノイズ成
分であり、その発生要因として、半導体基板からの拡散
電流、基板表面の空乏層からの電流、界面の表面準位か
らの発生電流等が挙げられる。

【０００３】このスミアや暗電流は、垂直転送と同方向
に乗るノイズ成分である。また、固体撮像素子の駆動方
法により、この垂直方向のノイズが助長される場合があ
り、その場合に特に問題となる。ノイズを助長する駆動
方法の例としては、静止画取り込み用途の電子スチルカ
メラ用ＣＣＤ(Charge Coupled Device) 撮像素子におい
て、撮像画面を確認する際に、各画素の信号電荷を垂直
方向において間引いて読み出す（以下、間引き読み出し
と称す）ことで、フレームレートを向上する駆動処理を
行う駆動方法が挙げられる。

【０００４】ここで、静止画取り込み用途の電子スチル
カメラ用ＣＣＤ撮像素子について説明する。この電子ス
チルカメラ用ＣＣＤ撮像素子では、例えば全画素読み出
し駆動が採られる。なお、図１１の模式図において、白
抜きの丸（○）は垂直転送部１０１上のノイズ成分を、
黒塗りの丸（●）は水平ブランキング期間一回に転送さ
れるノイズ成分を含む信号成分をそれぞれ示している。

【０００５】全画素読み出し駆動では、図１１（Ａ）に
示すように、全画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で
示す）を同一時刻に垂直転送部１０１に一斉に読み出
し、当該垂直転送部１０１中で混合することなく独立に
垂直方向に転送し、さらにその信号電荷を水平転送部１
０２により水平方向に転送し、電荷検出部１０３を介し
て読み出すようにしている。

【０００６】この全画素読み出し駆動（Ａ）では、水平
ブランキング期間当りの垂直転送部１本での転送画素数
は１画素である。また、一回に出力される信号画素数は
１画素であり、一回に出力されるノイズ量は垂直転送部
１個分（１パケット分のノイズ量）である。なお、ここ
では、全画素読み出しでも、メカシャッタを使わないこ
とを前提としている。

【０００７】一方、間引き読み出し駆動では、図１１
（Ｂ）に示すように、例えば垂直方向において１画素お
きに間引く場合には、奇数行（図中、１，３，５，…
…）の画素の信号電荷のみを垂直転送部１０１に読み出
す。このとき、垂直転送部１０１には空パケットが存在
する。そして、信号パケットと空パケットを対にして垂
直方向に転送し、さらにその２パケット分の電荷を水平
転送部１０２中で混合して水平方向に転送し、電荷検出
部１０３を介して読み出すようにしている。

【０００８】この間引き読み出し駆動（Ｂ）では、水平
ブランキング期間当りの垂直転送部１本での転送画素数
は２画素である。また、一回に出力される信号画素数は
１画素であり、一回に出力されるノイズ量は垂直転送部
２個分（２パケット分のノイズ量）である。

【０００９】上述した動作説明から明らかなように、間
引き読み出しの駆動方法（Ｂ）でノイズが助長されるの
は、信号電荷が読み出されない空パケットが存在し、し
かもこの空パケットにも垂直転送部１０１上のノイズ成
分が蓄積されることから、水平転送部１０２において垂
直２画素（上下２パケット）間で混合を行うことによ
り、１画素分の信号成分に対して２パケット分のノイズ
成分が加算され、Ｓ／Ｎが２倍（６ｄＢ）悪化すること
になるからである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】実際的な電子スチルカ
メラの使われ方としては、静止画取り込みの際にメカシ
ャッタを閉じるものはスミア等のノイズ成分は問題にな
らないが、液晶テレビなどのモニターでの撮像画面の確
認（モニタリング）の際には、フレームレートを上げる
ことを目的として間引き読み出しの駆動方法が採られる
ため、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイ
ズ成分が問題となる。

【００１１】なお、この垂直転送と同方向に乗るノイズ
成分を除去する方法として、同一垂直転送部の遮光され
た領域（光学的黒領域）の画素情報を用いてノイズ成分
をキャンセルする方法も知られている。しかしながら、
この方法の場合には、ＣＣＤ撮像素子の外部にフレーム
メモリを用意し、このフレームメモリを用いて信号処理
を行うことが必要となるため、その分だけコスト高とな
る。

【００１２】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、信号処理系に特別な
回路を追加しなくても、スミアや暗電流等の垂直転送と
同方向に乗るノイズ成分の除去を可能とした固体撮像素
子およびその駆動方法並びにカメラシステムを提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、マトリクス状に配置された複数個の画
素と、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケッ
トと１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを
持つパケット列からなり、複数個の画素から読み出され
る信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部と
を具備する固体撮像素子において、信号パケットと空パ
ケットの各電荷を混合することなく水平方向に転送し、
この水平転送される電荷を順に電気信号に変換し、空パ
ケットの成分をプリセット相に乗せ、信号パケットの成
分をデータ相に乗せて出力する。そして、後段の信号処
理系において、固体撮像素子の出力信号のデータ相の成
分とプリセット相の成分との差分をとる。

【００１４】上記の構成において、空パケットには、ス
ミアや暗電流等のノイズ成分が、同じ垂直画素列の信号
パケットと同じノイズ量だけ生ずる。この空パケットの
ノイズ成分を固体撮像素子の出力波形のプリセット相に
乗せて出力することで、データ相の信号成分と独立して
ノイズ成分を取り出せる。したがって、後段の信号処理
系において、データ相の成分とプリセット相の成分との
差分をとることで、信号成分に含まれるノイズ成分をキ
ャンセルすることができる。

【００１５】

【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、本発明の第
１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図であ
る。ここでは、例えば全画素読み出し駆動方式ＣＣＤ撮
像素子において、全画素読み出しモードの他に、垂直方
向において例えば１画素おきに画素情報を間引く処理を
行う間引き読み出しモードをとり得る場合を例に挙げて
説明するものとする。

【００１６】図１において、撮像部（撮像エリア）１１
は、半導体基板上にマトリクス状に配列され、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
フォトダイオード等の複数個の受光素子（画素）１２
と、これら複数個の受光素子１２の垂直列ごとにその配
列方向に沿って設けられた複数本の垂直転送部１３とか
ら構成されている。

【００１７】複数本の垂直転送部１３は、各画素に１：
１の対応関係を持って設けられた信号パケットと、これ
ら信号パケットの垂直転送方向前方側に１個ずつ配され
た空パケットの集合（パケット列）からなり、各パケッ
トの転送チャネル上には３つの転送電極（図示せず）が
転送方向に配列されている。ここで、パケットとは、信
号電荷の転送路上において、１つの信号成分やノイズ成
分を扱う単位を言う。そして、垂直転送部１３は、例え
ば３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３によっ
て転送駆動される。

【００１８】すなわち、垂直転送部１３は、水平ブラン
キング期間において、１行（１ライン）分の信号電荷
を、３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３に応
じて１ラインずつ転送（以下、これをラインシフトと称
す）する動作を行う。ここで、垂直転送部１３の転送電
極の一部が読み出しゲート電極を兼ねていることから、
垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ２，Ｖφ３のうちのいずれ
か１つは、低レベル、中間レベルおよび高レベルの３値
レベルをとり、その３値目の高レベルのパルスが読み出
しパルスとなる。

【００１９】ただし、３相の垂直転送パルスＶφ１，Ｖ
φ２，Ｖφ３の各パケットへの与え方は、間引き読み出
しモードでは全画素読み出しモードと異なる。すなわ
ち、信号電荷の読み出しが間引かれる画素については、
当然のことながら、読み出しパルスが与えられないこと
になる。また、垂直転送部１３において、全画素読み出
しモードでは水平ブランキング期間に１回ラインシフト
が行われるのに対して、１画素おきの間引き読み出し駆
動では、水平ブランキング期間に２回ラインシフトが行
われることになる。

【００２０】撮像部１１の図面上の下側には、複数本の
垂直転送部１３の転送方向側端部に隣接して水平転送部
１４が配されている。この水平転送部１４は、間引き読
み出しモードでは、信号成分とノイズ成分を対にして転
送する必要があるために、水平方向の画素数の２倍の数
（倍密度）のパケットの配置（パケット列）からなる構
成となっている。そして、互いに逆相の水平転送パルス
Ｈφ１，Ｈφ２によって転送駆動される。この水平転送
パルスＨφ１，Ｈφ２は、水平転送部１４が倍密度で構
成されていることから、その周波数も通常の２倍に設定
されている。

【００２１】水平転送部１４の転送先側の端部には、こ
の水平転送部１４によって転送されてくる信号電荷を検
出し、これを信号電圧に変換して出力する例えばフロー
ティングディフュージョン・アンプ構成の電荷検出部１
５が配されている。この電荷検出部１５は、水平転送部
１４の最終出力ゲート１６に隣接して設けられたＦＤ
（フローティングディフュージョン）部１７と、電荷を
掃き出すＲＤ（リセットドレイン）部１８と、ＦＤ部１
７の電荷をＲＤ部１８へ排出するＲＧ（リセットゲー
ト）部１９とから構成されている。

【００２２】この電荷検出部１５において、ＲＤ部１８
には、所定のドレイン電圧Ｖｒｄが与えられている。ま
た、ＲＧ部１９には、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と
例えば同周期のリセットゲートパルスＲＧφが印加され
る。そして、ＦＤ部１７からは、信号電荷を信号電圧に
変換して得られる信号出力Ｖｏｕｔが導出される。な
お、垂直転送パルスＶφ１〜Ｖφ３、水平転送パルスＨ
φ１，Ｈφ２およびリセットゲートパルスＲＧφを含む
各種のタイミング信号は、タイミング発生回路２０で生
成される。

【００２３】図２に、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２、
リセットゲートパルスＲＧφおよび信号出力Ｖｏｕｔの
タイミング関係を示す。信号出力Ｖｏｕｔの波形におい
て、Ｐ相はプリセット部、Ｄ相はデータ部であり、水平
転送部１４が２パケットを１単位とした倍密度構成であ
ることから、水平方向前方側のパケットの情報がＰ相
に、後方側のパケットの情報がＤ相として出力されるこ
とになる。

【００２４】次に、上記構成の全画素読み出し駆動方式
のＣＣＤ撮像素子の各駆動モードごとの動作について、
図３，図４の模式図を用いて説明する。なお、図３，図
４の各模式図において、白抜きの丸（○）は垂直転送部
１３上のノイズ成分を、黒塗りの丸（●）は水平ブラン
キング期間一回に転送されるノイズ成分を含む信号成分
をそれぞれ示している。

【００２５】先ず、モード切替え信号によって全画素読
み出しモードが設定されると、タイミング発生回路２０
は、当該モードに対応したタイミングの垂直転送パルス
Ｖφ１〜Ｖφ３を出力する。これにより、図３の模式図
において、全画素の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示
す）が同一時刻に垂直転送部１３に一斉に読み出される
（Ａ）。

【００２６】続いて、垂直転送部１３においてラインシ
フトが行われるのであるが、その前に、水平転送部１４
は２パケットを１単位としていることから、このパケッ
ト対のうちの水平転送方向後方側のパケットに信号電荷
を供給するために、水平転送部１４ではあらかじめ１ビ
ット（１パケット）分のシフト（以下、これを１ビット
シフトと称す）が行われる。その後、水平ブランキング
期間内において１回ラインシフトが行われる。その結
果、１ライン（１行）分の信号電荷が水平転送部１４に
シフトされる（Ｂ）。

【００２７】このようにして、垂直転送部１３から水平
転送部１４にシフトされた１ライン分の信号電荷は、水
平転送パルスＨφ１，Ｈφ２にて水平方向に転送され、
電荷検出部１５に画素単位で順に注入される。電荷検出
部１５においては、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と同
周期でリセットゲートパルスＲＧφがリセットゲート部
１９に印加されることにより、ＦＤ部１７の残留電荷を
ＲＤ１８に排出するリセット動作が行われる。

【００２８】これにより、ＦＤ部１７からは、図２に示
す如き波形の信号出力Ｖｏｕｔが導出される。なお、全
画素読み出しモードにおいては、先述した動作説明から
明らかなように、前方側のパケットには垂直転送部１３
から何ら情報が与えられないようになっている。したが
って、信号出力Ｖｏｕｔにおいて、Ｐ相には何ら情報は
乗らず、このＰ相は後述する信号処理の際の基準とな
り、またＤ相には信号成分の情報が乗ることになる。

【００２９】一方、モード切替え信号によって間引き読
み出しモードが設定されると、タイミング発生回路２０
は、当該モードに対応したタイミングの垂直転送パルス
Ｖφ１〜Ｖφ３を出力する。これにより、図４の模式図
において、例えば偶数行（図中、２，４，……）の画素
の信号電荷（図中、黒塗りの四角で示す）のみが垂直転
送部１３に読み出される（Ａ）。

【００３０】続いて、垂直転送部１３において、水平ブ
ランキング期間内において１回目のラインシフトが行わ
れる。これにより、水平転送部１４のパケット対のうち
の水平転送方向前方側のパケットに、垂直転送部１３か
ら１ライン分のノイズ成分の電荷が供給されることにな
る（Ｂ）。その後引き続いて、水平転送部１４におい
て、１ビットシフトが行われる。

【００３１】次に、垂直転送部１３において、同じブラ
ンキング期間内において２回目のラインシフトが行われ
る。これにより、水平転送部１４のパケット対のうちの
水平転送方向後方側のパケットに、垂直転送部１３から
１ライン分の信号成分の電荷が供給されることになる
（Ｃ）。その結果、水平転送部１４上において、パケッ
ト対の前方にノイズ成分の電荷が、後方に信号成分の電
荷がそれぞれ蓄積されることになる。

【００３２】このようにして、水平ブランキング期間内
においてラインシフトが２回行われることによって垂直
転送部１３から水平転送部１４にシフトされたノイズ成
分および信号成分の各電荷は対で水平方向に転送され、
電荷検出部１５に順に注入される。電荷検出部１５で
は、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２と同周期のリセット
ゲートパルスＲＧφによってリセット動作が行われ、そ
の結果、図２に示す如き波形の信号出力Ｖｏｕｔにおい
て、Ｐ相にはノイズ成分の情報が乗り、Ｄ相には信号成
分の情報が乗ることになる。

【００３３】この電荷検出部１５において、水平転送部
１４の転送周期と同周期でリセット動作が行われること
により、Ｐ相とＤ相の間でもリセット動作が行われるこ
とになる。その結果、Ｐ相には１パケット分のノイズ成
分が乗り、Ｄ相には１パケット分の信号成分＋ノイズ成
分が乗ることになる。

【００３４】上述したように、全画素読み出し駆動方式
のＣＣＤ撮像素子において、間引き読み出しモード時
に、信号パケットと空パケットの各電荷を組（本例で
は、対）にして水平転送し、この水平転送される電荷を
順に電気信号に変換して空パケットのノイズ成分をＰ相
に乗せ、信号パケットの信号成分をＤ相に乗せて出力す
ることにより、画素情報と同一画素列、即ち水平方向の
同アドレスのノイズ情報をその画素情報と組で得ること
ができる。

【００３５】したがって、後段の信号処理系において、
Ｄ相の信号成分とＰ相のノイズ成分との差分をとる処理
を行うことで、信号成分に含まれるノイズ成分をキャン
セルすることができる。ここで、空パケットのノイズ成
分とは、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノ
イズのことを言う。

【００３６】図５は、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。本カメラシステム
は、撮像デバイスとしてのＣＣＤ撮像素子２１と、被写
体（図示せず）からの入射光（像光）を取り込んでＣＣ
Ｄ撮像素子２１の撮像面上に結像させるレンズ２２と、
ＣＣＤ撮像素子２１の出力信号に対して種々の信号処理
を行う信号処理回路２３と、撮像モードを設定するモー
ド設定部２４と、このモード設定部２４で設定された撮
像モードに応じてＣＣＤ撮像素子２１を駆動するＣＣＤ
駆動回路２５とを有する構成となっている。

【００３７】このカメラシステムにおいて、ＣＣＤ撮像
素子２１として、先述した第１実施形態に係るＣＣＤ撮
像素子、即ち全画素読み出しモードと間引き読み出しモ
ードとを択一的にとり得る構成のＣＣＤ撮像素子が用い
られる。また、モード設定部２４では、撮像モードとし
て例えば静止画を取り込む通常撮像モードと、付属の例
えば液晶テレビで撮像画面の確認を行うモニタリングモ
ードが択一的に設定できるようになっている。

【００３８】一方、ＣＣＤ駆動回路２５は、図１におけ
るタイミング発生回路２０を有する構成となっており、
モード設定部２４で通常撮像モードが設定されたときに
は、全画素読み出し駆動にてＣＣＤ撮像素子２１を駆動
し、モード設定部２４でモニタリングモードが設定され
たときには、フレームレートを上げるべく間引き読み出
し駆動にてＣＣＤ撮像素子２１を駆動する。全画素読み
出しおよび間引き読み出しの各駆動は、先述した動作手
順にしたがって行われる。

【００３９】信号処理回路２３には、ＣＣＤ撮像素子２
１の出力信号に含まれるノイズ成分を除去するＣＤＳ(C
orrelated Double Sampling;相関２重サンプリング）回
路が設けられている。このＣＤＳ回路の回路構成の一例
を図６に示す。なお、このＣＤＳ回路には、図２の信号
出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相のタイミングで発生
するサンプリングパルスφＳＨＰと、Ｄ相のタイミング
で発生するサンプリングパルスφＳＨＤとが与えられ
る。

【００４０】ＣＤＳ回路３０は、図６から明らかなよう
に、ＣＣＤ撮像素子２１の出力（ＣＣＤ出力）をサンプ
リングパルスφＳＨＰでサンプリングするサンプルホー
ルド（Ｓ／Ｈ）回路３１と、このサンプルホールド回路
３１の出力をサンプリングパルスφＳＨＤでサンプリン
グするサンプルホールド回路３２と、ＣＣＤ撮像素子２
１のＣＣＤ出力をサンプリングパルスφＳＨＤでサンプ
リングするサンプルホールド回路３３と、サンプルホー
ルド回路３２，３３の各出力を２入力とする差動アンプ
３４とから構成されている。

【００４１】上記構成のＣＤＳ回路３０においては、Ｃ
ＣＤ撮像素子２１のＣＣＤ出力のＰ相（プリセット部）
とＤ相（データ部）をそれぞれ、サンプリングパルスφ
ＳＨＰ，φＳＨＤに同期してサンプルホールド回路３１
〜３３でサンプリングし、その差分を差動アンプ３４で
とる処理が行われる。ここで、Ｐ相を再度サンプリング
パルスφＳＨＤでサンプリングしているのは、Ｄ相との
位相を合わせるためである。

【００４２】このように、信号処理回路２３において、
ＣＤＳ回路３０でＣＣＤ撮像素子２１のＣＣＤ出力のＰ
相とＤ相の差分をとる処理を行うことにより、図７に示
すように、ＣＣＤ出力に例えば低周波ノイズが乗ったと
しても、Ｐ相を基準に差分をとることによってそのノイ
ズ成分をキャンセルすることができる。

【００４３】また、モニタリングモードの設定時におい
て、ＣＣＤ撮像素子２１に対して間引き読み出し駆動を
行った場合には、先述したように、空パケットのノイズ
成分がＰ相に乗り、信号パケットの信号成分＋ノイズ成
分がＤ相に乗ったＣＣＤ出力が得られることになるた
め、ＣＤＳ回路３０でＰ相とＤ相の差分をとることによ
り、ノイズ成分をキャンセルすることができる。これに
より、スミアや暗電流等の垂直転送と同方向に乗るノイ
ズを抑制することができる。

【００４４】上述したことから明らかなように、モニタ
リングモード設定時にＣＣＤ撮像素子２１に対して間引
き読み出し駆動を行う構成のカメラシステムにおいて、
当該ＣＣＤ撮像素子２１として、空パケットのノイズ成
分をＰ相に乗せた信号出力Ｖｏｕｔを出力可能なＣＣＤ
撮像素子を用いることにより、ＣＤＳ回路３０での相関
２重サンプリング処理によってスミアや暗電流等の垂直
転送と同方向に乗るノイズを抑制することができる。し
かも、このＣＤＳ回路３０は低周波ノイズをキャンセル
するために一般的に用いられている回路であることか
ら、新たに回路を追加しなくてもノイズを除去できると
いう利点もある。

【００４５】なお、上記第１実施形態では、電荷検出部
１５において、ＣＣＤ出力のＰ相とＤ相の間でリセット
動作を行うようにするために、そのリセット動作の周期
を水平転送部１４の転送周期と同じに設定する、即ちリ
セットゲートパルスＲＧφの周波数を水平転送パルスＨ
φ１，Ｈφ２の周波数と同じに設定するとしたが、ＣＣ
Ｄ出力のＰ相とＤ相の間でリセット動作を行わないよう
にすることも可能である。

【００４６】このように、Ｐ相とＤ相の間でリセット動
作を行わないようにすることで、リセットゲートパルス
ＲＧφの周波数を水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波
数の１／２に設定できるため、同じ周波数に設定する場
合よりも低消費電力化が図れることになる。なお、この
場合には、Ｐ相のノイズ成分がそのままＤ相に加算さ
れ、Ｄ相には（信号成分＋ノイズ成分×２）が乗ること
になるため、上記のＣＤＳ回路３０での処理ではノイズ
成分は完全にキャンセルすることはできない。

【００４７】すなわち、信号成分に含まれる本来の１パ
ケット分のノイズ量は残ることになるが、それでもＳ／
Ｎが２倍悪化した従来技術に比べれば、ノイズ量を１パ
ケット分だけでも低減できるため、Ｓ／Ｎを向上できる
ことになる。ただし、図６のＣＤＳ回路３０の差動アン
プ３４の前段に、Ｐ相のノイズ成分のレベルを２倍にす
る回路を設け、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×２）と
Ｐ相の（ノイズ成分×２）との差分をとるようにするこ
とにより、信号処理を行う過程でノイズ成分を完全にキ
ャンセルすることは可能である。

【００４８】また、上記第１実施形態においては、間引
き読み出し駆動では、各画素からの信号電荷の読み出し
を１画素おきに間引くことにより、空パケットのノイズ
成分と信号パケットの信号成分とを１：１の関係（対）
で水平転送する場合を例にとって説明したが、１画素お
きの間引きに限定されるものではない。

【００４９】一例として、図８に示すように、垂直方向
において４画素につき３画素の信号電荷を間引く処理を
行う間引き読み出し駆動の場合にも同様に適用可能であ
る。この間引き読出し駆動の場合を第２実施形態とし
て、以下に説明する。この第２実施形態の場合には、垂
直転送部１３において、信号パケット（図中、●）に対
して垂直転送方向前方の２個の空パケット（図中、○）
および後方１個の空パケットを組とする（Ａ）。そし
て、水平ブランキング期間内でラインシフトを４回繰り
返す。これにより、フレームレートを全画素読み出し駆
動時の４倍に向上できる。

【００５０】一方、水平転送部１４としては、第１実施
形態の場合と同様に、例えば水平方向の画素数の２倍の
パケット列（倍密度）からなる構成のものが用いられ
る。この水平転送部１４では、水平ブランキング期間に
おいて、２回目と３回目のラインシフトの間で１ビット
シフトが行われる。これにより、パケット対のうち、水
平転送方向前方側のパケットには、垂直転送部１３から
最初の２個の空パケットの各電荷が蓄積され、後方側の
パケットには信号パケットおよびその後方の空パケット
の各電荷が蓄積される（Ｂ）。

【００５１】また、電荷検出部１５において、リセット
ゲートパルスＲＧφの周波数は、図９のタイミングチャ
ートに示すように、水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周
波数の１／２に設定されている。すなわち、電荷検出部
１５でのリセット動作は、水平転送部１４の転送周期の
２倍の周期で行われる。これにより、図９の信号出力Ｖ
ｏｕｔの波形において、Ｐ相とＤ相の間ではリセット動
作が行われないことになる。

【００５２】その結果、４画素につき３画素の信号電荷
を間引く間引き読み出し駆動の場合には、Ｐ相には２個
の空パケット分のノイズ成分が乗り、Ｄ相には４個の空
パケット分のノイズ成分＋信号成分が乗ることになる。
そして、後段のＣＤＳ回路３０において、Ｄ相の（信号
成分＋ノイズ成分×４）とＰ相の（ノイズ成分×２）の
差分をとることにより、垂直転送部１３の２パケット分
のノイズをキャンセルできることになる。

【００５３】ちなみに、従来技術においては、４画素に
つき３画素の信号電荷を間引く間引き読み出し駆動を実
現する場合には、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×４）
の情報がそのまま出力されることになるため、Ｓ／Ｎが
４倍悪化することになる。また、第１実施形態の変形例
の場合と同様に、図６のＣＤＳ回路３０の差動アンプ３
４の前段に、Ｐ相のノイズ成分のレベルを２倍にする回
路を設け、Ｄ相の（信号成分＋ノイズ成分×４）とＰ相
の（ノイズ成分×４）との差分をとるようにすることに
より、信号処理を行う過程でノイズ成分を完全にキャン
セルすることは可能である。

【００５４】また、この第２実施形態では、図９の信号
出力Ｖｏｕｔの波形において、Ｐ相とＤ相の間ではリセ
ット動作を行わない場合を例にとって説明したが、第１
実施形態の場合と同様に、リセットゲートパルスＲＧφ
の周波数を水平転送パルスＨφ１，Ｈφ２の周波数と同
じに設定し、Ｐ相とＤ相の間でリセット動作を行うよう
にすることも可能である。この場合には、ＣＤＳ回路３
０において、Ｄ相の成分からＰ相の成分をそのまま差し
引くことで、ノイズ成分を完全にキャンセルできること
になる。

【００５５】なお、上記各実施形態では、全画素読出し
駆動方式のＣＣＤ撮像素子に適用し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、間引き読出し駆
動が可能な構成のものであれば、フレーム読出し駆動方
式等のＣＣＤ撮像素子にも同様に適用可能である。

【００５６】また、上記各実施形態では、垂直転送部１
３において、信号パケットに隣接して空パケットを配す
るとしたが、Ｐ相に乗せるノイズ情報は、取り出す信号
電荷と水平方向のアドレスが同じもの、即ち同一の垂直
画素列のノイズ成分であれば良いため、信号パケットに
隣接して空パケットを配する構成に限られるものではな
く、また垂直方向の位置（アドレス）も限定されない。
すなわち、図１０において、任意の出力される画素
（ｎ，ｍ）対して、Ｐ相に乗せる空パケットのノイズ成
分のアドレスを（ｎ，Ｘ）とすると、水平アドレスｎが
一致していれば、垂直アドレスＸは同一の垂直画素列内
であれば良い。

【００５７】一例として、同一の垂直画素列につき空パ
ケットを１個設け、その空パケットのアドレスを（ｎ，
０）とし、その空パケットのノイズ成分をＰ相に乗せる
ようにする。そして、後段のＣＤＳ回路においては、１
ラインごとに画素単位で信号処理を行う際に、最初に入
力されるＰ相のノイズ成分を保持し、このノイズ成分を
各画素ごとに、Ｄ相のノイズ成分を含む信号成分から減
算する構成を採るようにしても、スミアや暗電流等の垂
直転送と同方向に乗るノイズをキャンセルすることがで
きる。

【００５８】また、上記各実施形態では、信号パケット
に隣接して空パケットを配する構成を採った場合におい
て、水平転送部１４を倍密度構成とすることにより、ノ
イズ成分と信号成分（ノイズ成分を含む）を対にして水
平転送するとしたが、互いに平行に配置された２本の転
送レジスタで水平転送部１４を構成し、この２本の転送
レジスタでノイズ成分と信号成分（ノイズ成分を含む）
を別々に水平転送し、その最終段においてノイズ成分と
信号成分を交互に電荷検出部１５に供給する構成を採る
ことも可能である。なお、電荷検出部１５では、倍密度
構成の場合と同様の動作が行われることになる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１
垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパ
ケット列からなり、各画素から読み出される信号電荷を
垂直方向に転送する垂直転送部を有する固体撮像素子に
おいて、空パケットの成分をプリセット相に乗せて出力
するようにしたことにより、後段の信号処理系におい
て、固体撮像素子の出力信号のデータ相の成分とプリセ
ット相の成分との差分をとることによって、スミアや暗
電流等の垂直転送と同方向に乗るノイズ成分を抑制する
ことができるため、信号処理系に特別な回路を追加しな
くても、Ｓ／Ｎを向上できることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示
す概略構成図である。

【図２】第１実施形態の動作説明のためのタイミングチ
ャートである。

【図３】全画素読出しモードの動作説明のための模式図
である。

【図４】間引き読出しモードの動作説明のための模式図
である。

【図５】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６】ＣＤＳ回路の回路構成の一例を示すブロック図
である。

【図７】ＣＤＳ回路の基本原理を説明するための波形図
である。

【図８】本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の概
念を説明するための模式図である。

【図９】第２実施形態の動作説明のためのタイミングチ
ャートである。

【図１０】Ｐ相に乗せる空パケットのアドレスの説明図
である。

【図１１】従来技術の課題を説明するための模式図であ
り、（Ａ）は全画素読出し駆動の場合を、（Ｂ）は間引
き読出し駆動の場合をそれぞれ示している。

【符号の説明】 １２…受光素子、１３…垂直転送部、１４…水平転送
部、１５…電荷検出部、２０…タイミング発生回路、２
１…ＣＣＤ撮像素子、２３…信号処理回路、２４…モー
ド設定部、３０…ＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マトリクス状に配置された複数個の画素
   と、 １垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケットと１
   垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持つパ
   ケット列からなり、前記複数個の画素から読み出される
   信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部と、 前記複数本の垂直転送部から供給される前記信号パケッ
   トと前記空パケットの各電荷を混合することなく水平方
   向に転送する水平転送部と、 前記水平転送部から転送される電荷を順に電気信号に変
   換し、前記空パケットの成分をプリセット相に乗せ、前
   記信号パケットの成分をデータ相に乗せて出力する電荷
   検出部とを備えたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記複数本の垂直転送部は、１垂直画素
   列の画素の各々に対応する信号パケットごとに少なくと
   も１個の空パケットを有し、 前記水平転送部は、前記複数本の垂直転送部から供給さ
   れる前記信号パケットと前記空パケットの各電荷を組に
   して水平方向に転送することを特徴とする請求項１記載
   の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記水平転送部は、水平方向の画素数の
   ２倍の数のパケットの配列からなることを特徴とする請
   求項２記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記電荷検出部は、前記水平転送部の転
   送周期と同周期でリセット動作を行うことを特徴とする
   請求項３記載の固体撮像素子。
5. 【請求項５】 前記電荷検出部は、前記水平転送部の転
   送周期の２倍の周期でリセット動作を行うことを特徴と
   する請求項３記載の固体撮像素子。
6. 【請求項６】 マトリクス状に配置された複数個の画素
   と、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケット
   と１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持
   つパケット列からなり、前記複数個の画素から読み出さ
   れる信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部
   とを具備する固体撮像素子において、 前記複数本の垂直転送部から供給される前記信号パケッ
   トと前記空パケットの各電荷を混合することなく水平方
   向に転送し、 この水平転送される電荷を順に電気信号に変換し、前記
   空パケットの成分をプリセット相に乗せ、前記信号パケ
   ットの成分をデータ相に乗せて出力することを特徴とす
   る固体撮像素子の駆動方法。
7. 【請求項７】 マトリクス状に配置された複数個の画素
   と、１垂直画素列の画素の各々に対応する信号パケット
   と１垂直画素列につき少なくとも１個の空パケットを持
   つパケット列からなり、前記複数個の画素から読み出さ
   れる信号電荷を垂直方向に転送する複数本の垂直転送部
   と、前記複数本の垂直転送部から供給される前記信号パ
   ケットと前記空パケットの各電荷を混合することなく水
   平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から転
   送される電荷を順に電気信号に変換し、前記空パケット
   の成分をプリセット相に乗せ、前記信号パケットの成分
   をデータ相に乗せて出力する電荷検出部とを具備する固
   体撮像素子と、 前記固体撮像素子に対してその撮像モードとして通常撮
   像モードとモニタリングモードとを択一的に設定するモ
   ード設定部と、 前記固体撮像素子の出力信号を入力とし、この出力信号
   中のプリセット相の成分とデータ相の成分との差分をと
   る処理を行う信号処理回路とを備えたことを特徴とする
   カメラシステム。