JP3599514B2 - 固体撮像装置 - 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に関し、より詳しくは電荷転送段当たりの画素密度をｋ倍（ｋは２以上の整数）に高めることができる電荷転送型の固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２次元固体撮像装置には種々のものが知られているが、ノイズが少ないと言う点で電荷結合素子（ＣＣＤ）型の固体撮像装置が優れている。一般にかかるＣＣＤ型の固体撮像装置としては、インターライン転送型とフレーム転送型とに大別されるが、以下に示す理由により、現在ではインターライン転送型のＣＣＤ型固体撮像装置が主流となっている。即ち、インターライン転送型では、光電変換素子として、ホトダイオードが利用可能なため短波長感度が高く、また受光部と転送部が別々に形成されるためスミアと称される偽信号が少ないからである。
【０００３】
図１４は従来のインターライン転送型のＣＣＤ型固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示している。このＣＣＤ型固体撮像装置は光電変換及び電荷蓄積を行う複数の感光性素子（画素）１を備えている。これら複数の画素１は第１の方向及びこれに実質的に直交する第２の方向（以下第１の方向を垂直方向と称し、第２の方向を水平方向と称する）に沿った縦横のアレイに配列されている。
【０００４】
さらに、このＣＣＤ型固体撮像装置は、画素１の各垂直列の脇に設けられ、画素１から読み出された信号を垂直方向に転送する垂直電荷転送部２と、垂直電荷転送部２のそれぞれの一端部に接続され、垂直電荷転送部２から送られて来た信号を水平方向に転送する水平電荷転送部４と、水平電荷転送部４の一端部に設けられ、水平電荷転送部４からの信号を映像信号に変換して外部出力する出力部７とを備えている。
【０００５】
各垂直転送部２は図示しない外部装置より供給される４相の駆動信号φＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４で駆動される４相構造をなしている。垂直方向に隣合う一対の画素が各垂直電荷転送部２の１ビットに対応する構成とされる。例えば、画素Ｐ１とＰ２、及び画素Ｐ３とＰ４がそれぞれ、各垂直電荷転送部２の１ビットに対応する。
【０００６】
ところで、ＣＣＤ電荷転送部は、１ビット当たり１画素信号しか転送することができない。このため、図１４中に（ｂ１）〜（ｂ５）及び（ｃ１）〜（ｃ５）で示すように、従来のＣＣＤ型固体撮像装置はフィールド蓄積及びインターレース読み出しを行っている。即ち、第１（奇数）フィールドでは垂直方向にそれぞれ隣合う画素Ｐ１とＰ２、Ｐ３とＰ４等からの信号を読み出し、加算して１画素信号とし、垂直方向、次いで水平方向に転送して出力信号を得る。第２（偶数）フィールドでは垂直方向にそれぞれ隣合う画素Ｐ２とＰ３、Ｐ４とＰ５等からの信号を読み出し、加算して１画素信号とし、垂直方向次いで水平方向に転送して出力信号を得る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上の動作では、１画面の信号が２フィールドにわたっているため、動きのある被写体ではフィールド間で画像がブレてしまう問題が生じる。また、垂直方向に２画素分加算するため、例え静止画であっても垂直解像度が劣化する問題が生じる。
【０００８】
以上のような問題を解決するＣＣＤ型固体撮像装置として、１フィールドで全ての画素信号を混合することなく読み出してしまう、プログレッシブスキャン型ＣＣＤがある。図１５はこのＣＣＤ型固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示している。ここで、図１４と対応する部分については同一の符号を付してある。
【０００９】
図１５と図１４とを対比してみれば明らかなように、このプログレッシブスキャン型ＣＣＤは、垂直電荷転送部１ビット当たり１画素が対応している点で、１ビット当たり２画素が対応している図１４のＣＣＤ固体撮像装置とは異なっている。この場合、画素の間で垂直電荷転送部２の電極を引き出す必要上、垂直電荷転送部は１ビットが３電極構成（４相では画素間に４本の電極が必要となり加工が困難）とされ、φV1，φV2，φV3の３相で駆動される。
【００１０】
図１５中の（ｂ１）〜（ｂ４）は電荷転送タイミングを示す。まず、同図（ｂ１）に示すように、全ての画素信号が垂直電荷転送部２へ混合することなく読み出される。ここでＣＣＤ転送部１ビットと１画素とが対応しているから、全画素信号を同図（ｂ２）〜（ｂ４）に示すように、通常の転送動作で順次読み出すことが可能である。即ち、プログレッシブスキャン動作が実行される。このため、このプログレッシブスキャン型ＣＣＤによれば、動きのある被写体であっても、画像がブレてしまうことがなく、また、静止画であっても垂直解像度が劣化することがない。
【００１１】
しかしながら、このプログレッシブスキャン型ＣＣＤでは、垂直電荷転送部２の取り扱い電荷量は３相からなる電極の１電極分で制約される。即ち、各電極が均等となる最良の場合でも、垂直電荷転送部２の電荷蓄積部面積は、転送方向に画素ピッチの１／３の長さとなる。一方、図１４に示すＣＣＤ固体撮像装置の場合には、３電極中の１電極のみに蓄積できるので、結局画素ピッチと同じ長さ分蓄積できることになる。この結果、プログレッシブスキャン型ＣＣＤの取り扱い電荷量は図１４に示すＣＣＤ固体撮像装置の１／３に低下するという問題がある。
【００１２】
ここで、取り扱い電荷量の低下は、撮像素子の最大信号量の低下、即ちダイナミックレンジの低下を招く。撮像素子のダイナミックレンジが低いと、取り扱う光量の高い側が狭められる。従って、画像の明るい部分が白く潰れ、深みの無い平板な画像になる。また、撮像素子では、通常明るいシーンほどＳ／Ｎの良い綺麗な画像が得られるが、ダイナックレンジが低いと明るいシーンで白く潰れてしまうため、結局Ｓ／Ｎ比の良い画像が得られないことになる。
【００１３】
プログレッシブスキャン型ＣＣＤにおけるこの問題を改善するＣＣＤ型固体撮像装置として、Ａ．Ｊ．Ｐ．Ｔｈｅｕｗｉｓｓｅｎ，ｅｔ ａｌ．，”ＴＨＥ ＡＣＣＯＲＤＩＯＮ ＩＨＡＧＥＲ：ａｎ Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｒａｍｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ＣＣＤ”，ＩＥＤＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．４０−４３，Ｄｅｃ．１９８４．に示されるものがある。
【００１４】
図１６はこのＣＣＤ型固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示している。ここで、図１４と対応する部分については同一の符号を付してある。このＣＣＤ型固体撮像装置は、垂直電荷転送部２が１電極毎に垂直駆動回路３０により駆動される点が図１４の固体撮像装置と異なる。
【００１５】
図１６中に示す電荷転送タイミング（ｂ１）〜（ｂ１３）に従ってこの垂直駆動回路３０の動作を説明する。まず同図（ｂ１）に示すように、全ての画素信号を垂直電荷転送部２へ混合することなく読み出す。ＣＣＤ転送部は１ビット当たり１画素信号しか読み出せないから、図１６（ｂ２）〜（ｂ１３）に示すように、水平電荷転送部４に近い側から順に電荷を読み出すことにより電荷密度を１／２に下げ、４相駆動に順次置き換えていく。４相に置き換えた後は、通常の駆動が可能となる。こうして、１フィールドで全画素信号を順次読み出す、プログレッシブスキャン動作が可能となる。これをアコーディオン動作と称している。
【００１６】
しかしながら、図１６の固体撮像装置では以下の問題がある。
【００１７】
（１）１画素の信号を読み出した後、一時的には１電極分に信号を蓄積するため、垂直電荷転送部２が取り扱い可能な最大信号量は図１５に示すＣＣＤ型固体撮像装置の１／２に低下する。
【００１８】
（２）画素部から読み出した信号は、水平電荷転送部４に遠い部分ほど長期間にわたり、垂直電荷転送部２内で静止状態のまま保持される。このため、垂直電荷転送部２で発生する暗電流により、水平電荷転送部４に遠い部分ほど多く、暗電流に起因するノイズ電荷が付加される。これは固定パターンノイズとなり、画質を著しく劣化させる。
【００１９】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するものであり、電荷転送部当たりの画素密度を従来のｋ倍にまで高めることが可能となり、プログレッシブスキャン用画素構成が極めて容易となるばかりか、撮像装置の小型化や、高感度化、ワイドダイナミックレンジ化等の高性能化が可能となる、新規な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００２０】
本発明の他の目的は、ワイドダイナミックレンジ化が図れ、被写体の中に逆光等の非常に光量の強い光が存在する場合であっても、これに起因して画像がつぶれてしまうことがなく全画面で画像を撮影することができる固体撮像装置を提供することにある。
【００２１】
また、本発明の他の目的は、僅かな設計変更を行うだけで、種々のオプションを選択でき、使い勝手を向上できる固体撮像装置を提供することにある。
【００２２】
また、本発明の他の目的は、そのような選択が、駆動回路部の一部を改良するだけで実現でき、大幅なコストアップを伴うことなく、使い勝手を向上できる固体撮像装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換し、発生する信号電荷を蓄積する画素を第１の方向にｎ個配列してなる画素部と、該画素部の側方に設けられており、１ビット当たり該画素がｋ個対応し、該画素部の各画素のそれぞれから順番に読み出される信号を該第１の方向に転送する第１の電荷転送手段と、該第１の電荷転送手段の一端部に接続され、該第１の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を該第１の方向と実質的に直交する第２の方向に転送する第２の電荷転送手段と、該第２の電荷転送手段の一端部に接続され、該第２の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を映像信号に変換して外部装置に出力する出力手段と、該第１の電荷転送手段を駆動する駆動手段とを備えた固体撮像装置であって、該駆動手段は、（１）該画素部に配列された該ｎ個の画素のうち、該第２の電荷転送手段に近い側より第ｉ番目の画素からの信号を、該第１の電荷転送手段の第ｊビット部に読み出し、（２）該読み出した信号を、（ｋ−１）／ｋビット分該第１の方向に転送し、（３）ｉ＝ｉ＋１とし、（４）該ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させるように該第１の電荷転送手段を駆動する構成（但し、ｋは２以上の整数、ｊ＝ＩＮＴ[｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１]，ＩＮＴ[]は[]の整数部（小数部切り捨て）をとっており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
好ましくは、前記第２の電荷転送手段から最も遠い位置の第ｎ番目の画素が読み出された後は、前記第１の電荷転送手段に転送動作のみを行わせるべく前記駆動手段が複数の駆動信号を発生させるステップ（５）の動作を更に行う。
【００２５】
また、好ましくは、前記第２の電荷転送手段は、ｑ本の電荷転送チャネルを有する（但し、ｑは１以上の整数）。
【００２６】
また、好ましくは、前記第１の電荷転送手段はｍ相駆動構造であり、前記駆動手段は、前記信号読み出しのための読み出しパルスを該第１の電荷転送手段に順次与える走査回路と、転送のためのｍ相のクロックを該第１の電荷転送手段に供給するクロック供給手段とを有する（但し、ｍは２以上の整数）。
【００２７】
また、好ましくは、前記ステップ（１）〜（３）の繰り返しを、映像信号の水平ブランキング期間内にｐ＝ｑ・ｋ／（ｋ−１）回行い、水平走査期間にはｑ本のチャネルからなる前記第２の電荷転送手段から信号読み出しを行う（但し、ｐが非整数の場合、ＩＮＴ[ｐ]とＩＮＴ[ｐ＋１]の組み合わせで平均としてｐとなるように決定されるｐ回）。また、好ましくは、前記第１の電荷転送手段と前記第２の電荷転送手段との間に、前記第１の方向にｎ／ｋビット以上のビットを有する第３の電荷転送手段を備え、該第３の電荷転送手段がメモリ部とする。
【００２８】
また、好ましくは、前記第３の電荷転送手段は、前記第１の電荷転送手段と同じ相数駆動構造であり、第１の方向への電荷転送時に前記駆動手段が該第１の電荷転送手段と該第３の電荷転送手段とを同期して駆動させる。
【００２９】
また、好ましくは、前記ステップ（１）〜（４）までの動作は映像信号の垂直ブランキング期間に行い、ステップ（５）の動作は信号読み出し期間に行う。
【００３０】
また、好ましくは、前記ステップ（１）〜（４）の動作を終了した後であって、前記ステップ（５）の動作の途中に、前記第１の電荷転送手段内の信号電荷が前記第３の電荷転送手段へ転送された後に、再度該ステップ（１）〜（４）の動作を行わせ、その後、再度のステップ（５）動作で出力される信号の有効露光期間を任意に設定する。
【００３１】
また、本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換し、発生する信号電荷を蓄積する画素を第１の方向にｎ個配列してなる画素部と、該画素部の側方に設けられており、１ビット当たり該画素がｋ個対応し、該画素部の各画素に接続されて各画素のそれぞれから順番に読み出される信号を該第１の方向に転送する第１の電荷転送手段と、該第１の電荷転送手段の一端部に接続され、該第１の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を該第１の方向と実質的に直交する第２の方向に転送する第２の電荷転送手段と、該第２の電荷転送手段の一端部に接続され、該第２の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を映像信号に変換して外部装置に出力する出力手段と、該第１の電荷転送手段を駆動する駆動手段とを備えた固体撮像装置であって、該駆動手段は、（１）該画素部に配列された該ｎ個の画素のうち、該第２の電荷転送手段に近い側より第ｉ番目及び第ｉ＋１番目の画素からの信号を、該第１の電荷転送手段の第ｊビット部に加算して読み出し、（２）該読み出した信号を、２（ｋ−１）／ｋビット分該第１の方向に転送し、（３）ｉ＝ｉ＋２とし、（４）該ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、該ステップ（４）の途中の第２ｒ＋１番目の画素に至るまで繰り返させた時刻ｔa後からは再度、（５）前記ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、前記時刻ｔaより以降は前記ステップ（４）及び（５）を同時に行うように該第１の電荷転送手段を駆動する構成
但し、ｋは２以上の整数
ｒは１以上の整数，
ｊ＝ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］，ＩＮＴ［ ］は［ ］の整数部（小数部切り捨て）
をとっており、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
好ましくは、前記ステップ（５）において、前記第２の電荷転送手段から最も遠い位置の第ｎ番目の画素が読み出された後は、前記第１の電荷転送手段に転送動作のみを行わせるべく前記駆動手段が複数の駆動信号を発生させるステップ（６）の動作を更に含む。
【００３３】
また、好ましくは、前記第２の電荷転送手段は、ｑ本の電荷転送チャネルを有する。但し、ｑは１以上の整数。
【００３４】
また、好ましくは、前記第１の電荷転送手段はｍ相駆動構造であり、前記駆動手段は、前記信号読み出しのため読み出しパルスを該第１の電荷転送手段に順次与える走査回路手段と、転送のためのｍ相のクロックを該第１の電荷転送手段に供給するクロック供給手段とを有する。但し、ｍは２以上の整数。
【００３５】
また、好ましくは、前記ステップ（１）〜（３）の繰り返しを、映像信号の水平ブランキング期間内にｐ＝ｑ・ｋ／［（ｋ−１）・２］回行い、水平走査期間にはｑ本のチャネルからなる前記第２の電荷転送手段から信号読み出しを行う。但し、ｐが非整数の場合、ＩＮＴ［Ｐ］とＩＮＴ［Ｐ＋１］の組み合わせで平均としてｐとなるように決定されるｐ回。
【００３６】
また、好ましくは、前記ステップ（４）から得られる信号を第１の信号、前記ステップ（５）から得られる信号を第２の信号とし、該第１の信号をｒＨ（Ｈは１水平走査期間）だけ遅延する遅延回路を通した後、該第１の信号と該第２の信号とを白レベルを飽和信号以下の一定値に規制する２つの白クリップ回路にそれぞれ通し、更に該２つの白クリップ回路からの該第１の信号及び該第２の信号を加算する。
【００３７】
以下作用について説明する。
【００３８】
本発明によれば、垂直電荷転送部（第１の電荷転送手段）を（ｋ−１）／ｋビット転送する毎に、１画素分の画素信号を水平電荷転送部（第２の電荷転送手段）に近い側から順に垂直電荷転送部へ読み出すため、垂直電荷転送部１ビット当たりｋ個の画素が対応していても、全ての画素信号を順次読み出すことが可能となる。このため、垂直電荷転送部１ビット当たり１画素信号を扱う条件はそのままで、画素密度を従来のｋ倍にまで高めることが可能となる。
【００３９】
この結果、垂直電荷転送部１ビットが画素ピッチのｋ倍の長さに相当するので、大きな取り扱い信号量を確保できる。このため、プログレッシブスキャン動作を行う場合に、上記従来のプログレッシブスキャン型ＣＣＤが有する問題点を解消できる。
【００４０】
しかも、上記構成においては、垂直電荷転送部に転送のためのクロックを与える駆動手段の駆動方式を変更するだけで、画素部や垂直電荷転送部の構成を変更することなく、取り扱い信号量の大きいプログレッシブスキャン動作を実現できる。即ち、従来のプログレッシブスキャン型ＣＣＤの構成を大きく変更する必要がないので、簡単に製作できる。
【００４１】
また、垂直電荷転送部１ビット当たりｋ個の画素が対応しているため、結果的に垂直転送部の密度を１／ｋに緩和できる。このため、撮像装置の多画素化・小型化を図ることができる。更には、高感度化、ワイドダイナミックレンジ化等の高性能化が可能となる。
【００４２】
また、垂直電荷転送部が１水平走査期間毎にｑビット分の転送動作を行う構成によれば、転送動作が周期的な連続動作によって行われるため、長期間静止することがない。このため、画素部から読み出した信号が水平電荷転送部に遠い部分ほど長期間にわたり、垂直電荷転送部内で静止状態のまま保持されることがなく、暗電流は各垂直電荷転送部に均等に配分されるので、固定パターンノイズを発生することがない。
【００４３】
また、駆動手段が、（１）画素部に配列されたｎ個の画素のうち、水平電荷転送部（第２の電荷転送手段）に近い側より第ｉ番目及び第ｉ＋１番目の画素からの信号を、垂直電荷転送部（第１の電荷転送手段）の第ｊビット部に加算して読み出し、（２）読み出した信号を、２（ｋ−１）／ｋビット分第１の方向に転送し、（３）ｉ＝ｉ＋２とし、（４）ステップ（１）〜（３）を画素部に配置された画素のうち水平電荷転送部に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、ステップ（４）の途中の第２ｒ＋１番目の画素に至るまで繰り返させた時刻ｔａ後からは再度、（５）ステップ（１）〜（３）を画素部に配置された画素のうち水平電荷転送部に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、時刻ｔａより以降はステップ（４）及び（５）を同時に行うように垂直電荷転送部を駆動する構成によれば、ワイドダイナミックレンジ化を図ることができる。
【００４４】
このため、このような構成によれば、被写体の中に逆光等の非常に光量の強い光が存在する場合であっても、これに起因して画像がつぶれてしまうことがなく全画面で画像を撮影することができる固体撮像装置を実現できる。なお、上記構成により、ワイドダイナミックレンジ化が図れる理由については、後述の実施形態６で詳細に説明されている。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。
【００４６】
（実施形態１）
図１は実施形態１に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示す。この固体撮像装置は、入射光を光電変換し、信号電荷を蓄積する複数の画素１を備えている。これら複数の画素１は垂直方向及び水平方向に沿った縦横のアレイに配列されている。
【００４７】
画素１の各垂直列の脇（側方）には、垂直電荷転送部２が設けられている。この垂直電荷転送部２は、画素１から読み出された信号を垂直方向に転送する。また、垂直電荷転送部２のそれぞれの一端部には一対の水平電荷転送部４、５が設けられている。この水平電荷転送部４、５は、垂直電荷転送部２から送られて来た信号を水平方向に転送する。更に、水平電荷転送部４、５の一端部には出力部７、７がそれぞれ接続されている。この出力部７、７は、水平電荷転送部４、５から転送されて来る信号を映像信号に変換して外部出力する。なお、垂直電荷転送部２の駆動は垂直駆動回路３（３１）によって行われるが、その詳細については後述する。
【００４８】
本実施形態１の固体撮像装置では、ｋ＝２、即ち垂直電荷転送部２の１ビット当たり２画素が対応している。また、本実施形態１では、ｑ＝２、即ち上記のように水平電荷転送部が２チャネル配設されている。以下では、水平電荷転送部４をＨＣＣＤ１と称し、水平電荷転送部５をＨＣＣＤ２と称する。
【００４９】
各垂直電荷転送部２は、１電極毎に垂直駆動回路３により駆動される。図１中の（ｂ１）〜（ｂ１０）はこの駆動タイミング、即ち、転送タイミングを示している。なお、以下では画素１及び垂直電荷転送部２は、水平電荷転送部に近い側より順番に数えることとする。よって、例えばＨＣＣＤ１に近い側より画素Ｐ１、Ｐ２…と称する。
【００５０】
ＣＣＤ転送部は１ビット当たり１画素信号しか読み出せないから、（ｂ１）に示すように、まず１番目の画素Ｐ１の信号を垂直転送部２の１番目のビットへ読み出す。読み出し動作時、該当する箇所の垂直転送ゲート（この場合Ｇ１１）が高電位とされ、ポテンシャルが深くなる。（ｂ１）中の破線はその様子を表している。
【００５１】
次いで、垂直電荷転送部２は、（ｂ２）に示すように、（ｋ−１）／ｋ＝（２−１）／２＝１／２ビット分の信号を垂直方向に転送した後、２番目の画素Ｐ２の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットに読み出し、続いて１／２ビット分の信号を垂直方向に転送する。ここで（ｋ−１）／ｋビット転送している理由は、各画素信号を水平電荷転送部側から順次読み出す際、垂直転送チャネル内に空ビットを生じることなく詰めて読み出すこと、及び画素／垂直電荷転送部の動作関係を毎回同一に保つためである。
【００５２】
なお、「空ビットを生じることなく」とは、垂直電荷転送部２は、１ビットを１素子とするアナログメモリ素子が順次連なった構造であると考えることができるので、このメモリ素子に１対１で画素データを順次、隙間なく書き込み、書き込まれないメモリ素子が存在しないようにすることをいう。
【００５３】
以上の（ｂ１）〜（ｂ２）の動作で垂直電荷転送部２は１ビット転送されるから、水平電荷転送部の片チャネル、即ちＨＣＣＤ１に１画素分の信号が蓄積する。ここで、本実施形態１では、水平電荷転送部は２チャネルであるため、水平電荷転送部の１つの読み出し動作の間と、次の読み出し動作との間に、垂直電荷転送部２はｑ＝２ビット分転送する必要がある。このため、本実施形態１では、ｑ＝２，ｋ＝２であるため、ｑ÷（ｋ−１）／ｋ＝ｑ・ｋ／（ｋ−１）＝４回、つまり１／２ビット転送を４回行うことにより、信号をトータル２ビット分転送している。（ｂ１）〜（ｂ４）はその動作を示している。
【００５４】
こうして（ｂ１）〜（ｂ４）の動作で４画素分（Ｐ１〜Ｐ４）の画素信号が読み出されると共に、ＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２の２チャネル分に信号電荷が蓄積するから、（ｂ５）に示すように、ＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２を水平方向に転送し、垂直２画素分の出力信号を得る。
【００５５】
上記一連の動作を繰り返し、ｉ番目の画素Ｐｉの信号を垂直電荷転送部２の（ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］番目のビットへ読み出した後（ＩＮＴ［ ］は［ ］内の整数を表す）、（ｋ−１）／ｋ＝１／２ビット垂直方向に転送する。次いで、ｉ＝ｉ＋１として以上の動作を繰り返す。このようにして、垂直電荷転送部２が２ビット転送される毎にＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２を駆動し、垂直２画素分の画素信号を得る。
【００５６】
以上の動作で、垂直電荷転送部１ビット当たり２画素の信号を順次もれなく、また、混合せず読み出しているにも拘わらず、垂直電荷転送部２の取り扱い信号量は１ビット分が丸々利用可能であり、大きな値を確保することができる。また、図１６と比較すればわかるように、プログレッシブスキャン動作において、従来比で画素密度を２倍に高めることができる。
【００５７】
更に、垂直電荷転送部２は、水平ブランキング斯問毎に１／２ビット転送を４回行い、周期的に常時動作しており静止することがないから、暗電流は垂直転送部内で均等に分配される。即ち、図１６に示したアコーディオン型ＣＣＤで問題になるような固定パターンノイズは発生しない。このように本実施形態１の固体撮像装置においては、図１６に示す固体撮像装置が有する問題点及び図１４に示す固体撮像装置が有する問題点を同時に解決することができる。
【００５８】
図２は垂直方向の全画素数が１６（Ｐ１〜Ｐ１６）の場合を例にとって、図１の動作を模式的に示したものある。１画面分の読み出し動作全体を垂直１ビット分の転送動作を単位として示している。ここで画素Ｐ１，Ｐ２等の信号をａ，ｂ等のアルファベットで示している。また、画素信号読み出し時は○印を付けている。なお、○印が付いていないものは、単に垂直電荷転送部２内を信号が移動していることを示す。１水平走査期間（１Ｈ）中に垂直転送部は２ビット転送し、１ビット転送中に２画素分読み出すから、１６画素の読み出しは４Ｈ（２×２×４Ｈ＝１６画素）期間で終了する。
【００５９】
この間、水平電荷転送部は２チャネルあるから、垂直８画素分（１６÷２＝８）読み出している。なお、水平電荷転送部の読み出しは垂直２ビットの転送（これは水平ブランキング期間中に行う）が終了後、次の垂直転送が始まる前に行う。全ての画素信号が垂直電荷転送部２に読み出された後は、転送動作のみが１Ｈ期間当たり垂直２ビット転送で、４Ｈ期間を要して行われる。これで残り垂直８画素分の信号が全て読み出される。
【００６０】
図３は図１に示す垂直駆動回路３（３１）の詳細を示す。垂直転送のための４相クロックφｖ１，φｖ２，φｖ３，φｖ４が各ゲートＧｉｊ（ｉ：ビット番号、ｊ：１〜４）に共通に配線されている。画素信号読み出しのためのパルスは、垂直走査回路３１により若い番号の画素側から順番に発生される。垂直転送クロックと画素信号読み出しパルスとの選択は、反転回路３２、ｐチャネル・トランジスタ３３、ｎチャネル・トランジスタ３４により行われる。
【００６１】
より具体的には、まず垂直走査回路３１からの信号線３５がローレベルの時、トランジスタ３３はＯＦＦ、トランジスタ３４はＯＮとなるから、ゲート駆動線３６にはクロックφｖ１又はφｖ３のいずれかの信号が印加される。一方、垂直走査回路３１からの信号線３５がハイレベルの時、トランジスタ３３はＯＮ、トランジスタ３４はＯＦＦになるから、ゲート駆動線３６には垂直走査回路２１からの画素信号読み出しパルスが印加される。従って、垂直走査回路３１から画素信号読み出し時のみハイレベル、他の時はローレベルとなるパルスを発生すれば、図３の右側に示すような波形のパルスが順次得られるから、図１中の（ｂ１）〜（ｂ１０）に示す動作が実現される。
【００６２】
（実施形態２）
図４は実施形態２に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示す。この実施形態２では、ｋ＝２、即ち垂直電荷転送部２の１ビット当たり２画素が対応している。また、ｑ＝１、即ち水平電荷転送部が１チャネルの場合の例である。図１と対応する構成部材については同一の符号を付し、具体的な説明は省略する。以下に転送動作を説明する。
【００６３】
まず、同図中の（ｂ１）に示すように、１番目の画素Ｐ１の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットへ読み出す。次いで、（ｂ２）に示すように、（ｋ−１）／ｋ＝１／２ビット垂直方向に転送した後、２番目の画素Ｐ２の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットに読み出し、続いて１／２ビット垂直方向に転送する。
【００６４】
以上、ｑ・ｋ／（ｋ−１）＝２／１＝２回の動作で垂直電荷転送部２はｑ＝１ビット転送されるから、ＨＣＣＤ１に１画素分の信号が蓄積する。そして、ＨＣＣＤ１を水平方向に転送し、垂直１画素分の出力信号を得る（ｂ３参照）。
【００６５】
上記一連の動作を繰り返し、ｉ番目の画素Ｐｉの信号を垂直電荷転送部２の（ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］番目のビットへ読み出した後、（ｋ−１）／ｋ＝１／２ビット垂直方向に転送する。次いで、ｉ＝ｉ＋１として以上の動作を繰り返す。垂直転送部が１ビット転送される毎にＨＣＣＤ１を駆動し、垂直１画素分の画素信号を得る。
【００６６】
図５は、垂直方向の全画素数が１６の場合を例にとって、図４の動作を模式的に示したもので、１画面分の読み出し動作全体を垂直１ビット分の転送動作を単位として示している。ここで画素Ｐ１，Ｐ２，等の信号をａ，ｂ，等のアルファベットで示している。また、上記同様に画素信号読み出し時は○印を付けている。１水平走査期間中に垂直電荷転送部２は１ビット転送し、１ビット転送中に２画素分読み出すから、１６画素の垂直電荷転送部２の読み出しは８Ｈ期間で終了する。この間、垂直８画素分読み出している。なお、ＨＣＣＤ１の読み出しは垂直１ビットの転送（これは水平ブランキング期間中に行う）が終了後、次の垂直転送が始まる前に行う。
【００６７】
全ての画素信号が垂直電荷転送部２に読み出されて後は、転送動作のみが１Ｈ期間当たり垂直１ビット転送で、８Ｈ期間を要して行われる。これで残り垂直８画素分の信号が全て読み出される。
【００６８】
本実施形態２において、全画面の信号読み出し期間を実施形態１と同じにするには、１Ｈ期間を１／２、即ち倍のスピードで読み出す必要がある。
【００６９】
（実施形態３）
図６は実施形態３に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示す。この実施形態３では、ｋ＝４、即ち垂直電荷転送部２の１ビット当たり４画素が対応している。また、ｑ＝３、即ち水平電荷転送部が３チャネル（ＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２、ＨＣＣＤ３）の場合の例である。図１と対応する構成部材については同一の符号を付し、具体的な説明は省略する。以下に転送動作を説明する。
【００７０】
まず、同図中の（ｂ１）に示すように、１番目の画素Ｐ１の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットへ読み出す。次いで、（ｂ２）に示すように、（ｋ−１）／ｋ＝３／４ビット垂直方向に転送した後、２番目の画素Ｐ２の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットに読み出し、続いて３／４ビット垂直方向に転送する。次いで、（ｂ３）に示すように、３番目の画素Ｐ３の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットに読み出し、（ｋ−１）／ｋ＝３／４ビット垂直方向に転送する。次いで（ｂ４）に示すように、４番目の画素Ｐ４の信号を垂直電荷転送部２の１番目ビットに読み出し、３／４ビット転送する。
【００７１】
以上ｑ・ｋ／（ｋ−１）＝１２／３＝４回の動作で垂直電荷転送部２はｑ＝３ビット転送されるから、水平転送部３チャネルに３画素分の信号が蓄積する。そして、（ｂ５）に示すように水平転送部、即ちＨＣＣＤ１〜３を水平方向に転送し、垂直３画素分の出力信号を得る。
【００７２】
上記一連の動作を繰り返し、ｉ番目の画素Ｐｉの信号を垂直電荷転送部２の（ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］番目のビットへ読み出した後、（ｋ−１）／ｋ＝３／４ビット垂直方向に転送する。次いで、ｉ＝ｉ＋１として以上の動作を繰り返す。垂直転送部が３ビット転送される毎に水平転送部を駆動し、垂直３画素分の画素信号を得る。
【００７３】
以上の動作で、垂直転送部１ビット当たり４画素の信号を順次もれなく、また混合せず読み出しているにも拘わらず、垂直転送部の取り扱い信号量は１ビット分が丸々利用可能であり、大きな値を確保することができる。従って、本実施形態３において、上記実施形態１同様の効果を奏することができる。
【００７４】
なお、図６ではｑ＝３の場合について説明したが、ｑ＝２又はｑ＝１の場合でも、水平転送部の読み出し動作を図６の場合より頻繁に行い、各水平転送部に信号電荷が蓄積する度に行うことにより、読み出し動作は可能である。
【００７５】
但し、ｐ＝ｑ・ｋ／（ｋ−１）が整数にならないため、繰り返しの回数はＩＮＴ［ｐ］とＩＮＴ［ｐ＋１］の組み合わせとなり、平均としてＰとなるように設定する必要がある。
【００７６】
（実施形態４）
図７は実施形態５に係る本発明固体撮像装置の平面構成を示す。この実施形態４では、垂直電荷転送部２と水平電荷転送部４との間に、第３の電荷転送部、即ちメモリ部８を設けた構成になっている。ここでメモリ部８のビット数は垂直電荷転送部２のビット数と同じｎである。また、本実施形態４では、ｋ＝２、ｑ＝１の場合を示しているが、他の組み合わせでも以下同様に説明が可能である。ここで、メモリ部８の駆動は、４相クロックφｖ１〜φｖ４により直接駆動される。なお、実施形態１と対応する構成部材については同一の符号を付してある。
【００７７】
次に、図８に基づき本実施形態４の固体撮像装置の動作を説明する。但し、図８は、垂直方向の全画素数が１６の場合を例示しており、１画面分の読み出し動作全体を垂直１ビット分の転送動作を単位として示している。ここで画素Ｐ１，Ｐ２等の信号をａ，ｂ等のアルファベットで示している。また、上記同様に画素信号の読み出し時は○印を付けている。
【００７８】
まず、同図中に示すように、垂直ブランキング期間において、画素信号の読み出しと、１／２ビット転送との繰り返しを周期Ｔで連続的に１６回行い、全１６画素の読み出しを垂直ブランキング期間内で終了する。ここで、１Ｔは図２の１Ｈより十分短い期間である。なぜならば、図２の１Ｈ期間内では、同図中に示すように、画素信号を水平電荷転送部によって水平方向に読み出す期間が必要になるため、この時間が加算されるからである。
【００７９】
この時、メモリ部８は垂直駆動回路３により垂直電荷転送部２と同期して駆動されるから、垂直８画素分がメモリ部８に蓄積される。この時、残り８画素分は垂直電荷転送部２に保持されている。
【００８０】
次いで、信号読み出し期間において、メモリ部８及び垂直電荷転送部２に保持された全１６画素の信号を、通常の転送動作により１Ｈ期間当たり垂直１ビット転送で、１６Ｈ期間を要して行われる。以上の動作を繰り返すことにより、画面全体の読み出しが連続的に行われる。
【００８１】
このため、本実施形態４によれば、最初の画素Ｐ１の読み出しから最後の画素Ｐ１６の読み出しまでの期間を実施形態１の場合よりも短くできる利点がある。以下にその理由を説明する。
【００８２】
図２では、ａ〜ｐ（いずれも○付き）までの信号を読み込むのに、同図中に示すように４Ｈ時間を要している。これに対して、図８では同図中に示すように、８Ｔ時間でａ〜ｐ（いずれも○付き）までの信号を読み込むことができる。ここで、上記のように１Ｔは１Ｈより十分短い期間である。よって、本実施形態４によれば実施形態１よりも信号読み出し期間を大幅に短縮できる利点がある。
【００８３】
（実施形態５）
図９は本発明固体撮像装置の実施形態５を示す。この実施形態５では実施形態４同様の装置において、異なる駆動方式を採用したものである。以下にその詳細を図７に示すように、垂直方向の全画素数が１６の場合を例にとって説明する。本実施形態５においても、１画面分の読み出し動作を垂直１ビット分の転送動作を単位として示している。なお、実施形態４と同一の符号をもって以下に各部の動作を説明する。また、上記同様に、画素Ｐ１，Ｐ２等の信号をａ，ｂ等のアルファベットで示しており、画素信号読み出し時は○印を付けてある。
【００８４】
まず、画素信号の読み出しと１／２ビット転送との繰り返しを、周期Ｔで連続的に１６回行い（本実施形態５においても、１Ｔは１Ｈより十分短い期間である）、ｔ０〜ｔ１期間内に全１６画素の読み出しを終了する。この時、メモリ部８は垂直駆動回路３によって垂直電荷転送部２と同期して駆動されるから、垂直８画素分がメモリ部８に蓄積される。そして、残り８画素分は垂直電荷転送部２に保持されている。
【００８５】
次いで、メモリ部８及び垂直電荷転送部２に保持された全１６画素の信号に対し、やはり周期Ｔで８ビット以上の転送を行い、この時出力される信号を、ｔ１〜ｔ２期間内に全て排出する。以上の動作により、垂直電荷転送部２内の信号電荷は読み出され空になるから、次の画素信号の読み出し（この場合は、図中に示すように、信号をａ’，ｂ’等とし、１回目信号と区別する）が可能となる。次の画素信号の読み出しと１／２ビット転送との繰り返しを、やはり周期Ｔで連続的に１６回行い、全１６画素の新しい信号ａ’〜ｐ’の読み出しをｔ２〜ｔ３期間内に終了する。
【００８６】
この時、メモリ部８は垂直電荷転送部２と同期して駆動されるから、垂直８画素分ａ’〜ｈ’がメモリ部８に蓄積される。そして、残り８画素分ｉ’〜ｐ’は垂直転送部２に保持されている。なお、この間出力される信号は全て排出される。これより後は、信号ａ’〜ｐ’の読み出しが１Ｈ周期で１個ずつ順次行われる。
【００８７】
以上の動作により、２回目の信号ａ〜ｐ’の有効露光期間は１６Ｔ以上の任意に設定可能となる。このため、Ｔを十分短く設定すれば、高速から低速に至る広い幅を持つ、電子シャッタ動作が可能となる。即ち、次の読み出し時間迄の間隔を自由に設定できる電子シャッタ動作が可能となる。
【００８８】
なお、以上の動作では、ｔ０〜ｔ３の間に亙り１ビット転送当たりの周期を一定値Ｔとしたが、期間ｔ１〜ｔ２の間は単に電荷を排出するのみであるから、周期をＴより短いＴ”とすることも可能である。
【００８９】
上記の実施形態１では、ｋ＝２，ｍ＝４、即ち１ビットが２画素に対応し、４相駆動する方式について説明したが、ｋ，ｍの組み合わせについては種々の組み合わせを選択することができる。図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）はその一例をそれぞれ示している。
【００９０】
即ち、同図（ａ）はｋ＝２，ｍ＝３の場合を、また同図（ｂ）はｋ＝２，ｍ＝５の場合を，同図（ｃ）はｋ＝２，ｍ＝２の場合をそれぞれ示している。
【００９１】
（実施形態６）
図１１〜図１３は本発明固体撮像装置の実施形態６を示す。本実施形態６の固体撮像装置は、上記実施形態１の固体撮像装置の駆動方法に改良を加えてワイドダイナミックレンジ化を図ったものである。従って、装置構成の共通する部分については同一の符号を付してある。
【００９２】
ここで、本実施形態６の固体撮像装置は、図上上下に隣接する２画素の信号を加算して読み出す駆動方式を採用するため、厳密に言えばプログレッシブスキャン読み出しとは言えない。但し、説明を容易にするため、図１２では１ビットに１画素が対応する様な説明を行っている。
【００９３】
さて、本実施形態６では、上下に隣接する２画素の信号を加算して読み出すため、Ｐ１＋Ｐ２→Ｐ１，Ｐ３＋Ｐ４→Ｐ２，…又はａ＋ｂ→ａ，ｃ＋ｄ→ｂのように、実施形態１とは符号を変換してある（図１１参照）。
【００９４】
以下にビット数ｋ＝２，電荷転送チャネル数ｑ＝２の場合を例にとって各部の動作を説明する。
【００９５】
まず、図１１（ｂ１）に示すように、１番目の画素Ｐ１の信号ａを垂直電荷転送部２の１番目のビットへ読み出す。次いで、２（ｋ−１）／ｋ＝１ビット分の信号を垂直方向に転送した後、２番目の画素Ｐ２の信号ｂを垂直電荷転送部２の２番目のビットに読み出し、１ビット分を転送する（同図（ｂ２）参照）。これらの動作により、垂直電荷転送部２には信号ａと信号ｂの間に１ビット分の空ビットが生じる。
【００９６】
また、垂直電荷転送部２は１Ｈ期間中に２ビット分の転送動作を行うため、２本の水平転送部には一方のチャネルＨＣＣＤ１に１画素分の信号が蓄積し、他方のチャネルＨＣＣＤ２には空の信号が蓄積する。
【００９７】
以下、同様にして、図１１及び図１２に示すように、
（１）ｉ番目の画素Ｐｉの信号を垂直電荷転送部２のｉ番目のビットへ読み出した後、
（２）１ビット分の信号電荷を垂直方向に転送し、
次いで、
（３）ｉ＝ｉ＋２とする。
【００９８】
そして、上記（１）〜（３）の動作を繰り返す。
【００９９】
同時に、
（４）垂直電荷転送部２が２ビット分の信号の転送動作を行う間に水平電荷転送部４，５、即ちＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２を駆動し、垂直１画素分の信号と空の信号をパラレルに得る。
【０１００】
以上の動作を水平電荷転送部から最も遠い画素に至る迄行い、ＨＣＣＤ１から信号ａ，ｂ，ｃ，…を得る。
【０１０１】
他方、上記（１）〜（３）の動作が２ｒ＋１回繰り返される動作の途中、即ち水平電荷転送部より１番目の画素から２（２ｒ＋１）番目の画素迄が垂直電荷転送部に読み出される（図１１及び図１２ではｒ＝７）時刻ｔａ時点において、再度、水平電荷転送部より１番目の画素から上記（１）〜（３）の動作を繰り返し、ＨＣＣＤ２から信号ａ’，ｂ’，ｃ’，…を得る。
【０１０２】
これらの信号ａ’，ｂ’，ｃ’，…は、上記の信号ａ，ｂ，ｃ，…の間のビットに読み出されるから、時刻ｔａ以降は垂直転送部は２種類の信号列（ａ，ｂ，ｃ，…）と（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）が１ビット置きに交互に空ビットなく読み出されることになる。
【０１０３】
従って、２本の水平電荷転送部ＨＣＣＤ１，ＨＣＣＤ２からは、一方の水平転送部ＨＣＣＤ１から信号列（ａ，ｂ，ｃ，…）が、他方の水平転送部ＨＣＣＤ２から信号列（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）が得られることになる。但し、ａ−ａ’間、ｂ−ｂ’間等には、ｒＨだけ時間のずれが生じる。
【０１０４】
以上の動作を１Ｖ期間毎に繰り返すと、前に得られた信号（ａ，ｂ，ｃ，…）列では、露光時間が１Ｖ−ｒＨであるのに対し、後に得られる信号列（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）では露光時間がｒＨとなる。
【０１０５】
ここで、例えば、ＮＴＳＣ規格では１Ｖ＝２６２．５Ｈであるから、（１Ｖ−ｒＨ）：ｒＨ＝２５５．５：７となり、同じ画像情報を露光期間が大きく異なる２種類得られることになる。これはワイドダイナミックレンジ動作に有効なものとなる。以下にその理由を図１３に従って説明する。
【０１０６】
図１３（ａ）は、本実施形態６の固体撮像装置の信号処理系を示す。また、同図（ｂ）は光量と信号との関係を示す。この信号処理系は、遅延回路１１、白レベルを一定値に規制する白クリップ回路１２，１２及び加算回路１３で構成されており、２本の水平転送部ＨＣＣＤ１，ＨＣＣＤ２から転送される信号列（ａ，ｂ，ｃ，…），信号列（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）を同時化するため、前に得られる信号列（ａ，ｂ，ｃ，…）をｒＨだけ遅延させるために遅延回路１１に通している。
【０１０７】
次いで、同時化された両信号列（ａ，ｂ，ｃ，…），（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）を、それぞれ白クリップ回路１２，１２に通す。その後、両信号列（ａ，ｂ，ｃ，…），（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）は加算回路１３により加算され、これでワイドダイナミックレンジ化された信号１４が得られる。
【０１０８】
なお、図１３（ｂ）において、白クリップ回路１２，１２を通過した信号列（ａ，ｂ，ｃ，…），（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）は、（１），（２）で示される。
【０１０９】
上記のように、信号列（ａ，ｂ，ｃ，…）と信号列（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）の露光時間比、即ち感度比は（１Ｖ−ｒＨ）：ｒＨ＝ｎ：１となるから、飽和に達する光量はＩ０：ｎＩ０となる。
【０１１０】
従って、加算回路１３により加算された信号１４は、同図（ｂ）中に（３）で示すラインとなり、低い光量では高い感度が維持されたまま、飽和光量をｎ倍に迄高めることが可能になる。即ち、本実施形態６によれば、ワイドダイナミックレンジ化が達成されている。このため、強い光を背景とするような逆光下においても、明るい所での白つぶれや暗い所での黒つぶれのない撮影が可能となる。即ち、広い光量範囲にわたって階調が保持された固体撮像装置を実現できる。
【０１１１】
加えて、本実施形態６の固体撮像装置は、垂直駆動回路３の構成を一部改良し（即ち、電荷転送手段等は同一の構成で）、それに応じた駆動方式を採用するだけで、ワイドダイナミックレンジ化を図ることができる。
【０１１２】
しかも、そのような選択が、垂直駆動回路部の一部を改良するだけで実現できるので、大幅なコストアップを伴うことなく、使い勝手を向上できる固体撮像装置を実現できる利点がある。
【０１１３】
【発明の効果】
以上の本発明によれば、垂直電荷転送部（第１の電荷転送手段）を（ｋ−１）／ｋビット転送する毎に、１画素分の画素信号を水平電荷転送部（第２の電荷転送手段）に近い側から順に垂直電荷転送部へ読み出すため、垂直電荷転送部１ビット当たりｋ個の画素が対応していても、全ての画素信号を順次読み出すことが可能となる。このため、垂直電荷転送部１ビット当たり１画素信号を扱う条件はそのままで、画素密度を従来のｋ倍にまで高めることが可能となる。
【０１１４】
この結果、垂直電荷転送部１ビットが画素ピッチのｋ倍の長さに相当するので、大きな取り扱い信号量を確保できる。このため、プログレッシブスキャン動作を行う場合に、上記従来のプログレッシブスキャン型ＣＣＤが有する問題点を解消できる。
【０１１５】
しかも、上記構成においては、垂直電荷転送部に転送のためのクロックを与える駆動手段の駆動方式を変更するだけで、画素部や垂直電荷転送部の構成を変更することなく、取り扱い信号量の大きいプログレッシブスキャン動作を実現できる。即ち、従来のプログレッシブスキャン型ＣＣＤの構成を大きく変更する必要がないので、簡単に製作できる。
【０１１６】
また、垂直電荷転送部１ビット当たりｋ個の画素が対応しているため、結果的に垂直転送部の密度を１／ｋに緩和できる。このため、撮像装置の多画素化・小型化を図ることができる。更には、高感度化、ワイドダイナミックレンジ化等の高性能化が可能となる。
【０１１７】
また、垂直電荷転送部が１水平走査期間毎にｑビット分の転送動作を行う構成によれば、転送動作が周期的な連続動作によって行われるため、長期間静止することがない。このため、画素部から読み出した信号が水平電荷転送部に遠い部分ほど長期間にわたり、垂直電荷転送部内で静止状態のまま保持されることがなく、暗電流は各垂直電荷転送部に均等に配分されるので、固定パターンノイズを発生することがない。
【０１１８】
また、特に請求項６，７記載の固体撮像装置によれば、読み出し時間を一層短縮できる利点がある。
【０１１９】
また、特に請求項９記載の固体撮像装置によれば、シャッタ時間可変の電子シャッタ動作を行うことができる。
【０１２０】
また、特に請求項１０〜請求項１５記載の固体撮像装置によれば、ワイドダイナミックレンジ化が図れ、被写体の中に逆光等の非常に光量の強い光が存在する場合であっても、これに起因して画像がつぶれてしまうことがなく全画面で画像を撮影することができる固体撮像装置を実現することができる。
【０１２１】
また、僅かな設計変更を行うだけで、種々のオプションを選択でき、使い勝手を向上できる固体撮像装置を実現できる。更には、そのような選択が、垂直駆動回路部の一部を改良するだけで実現できるので、大幅なコストアップを伴うことなく、使い勝手を向上できる固体撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図２】図１に示す固体撮像装置の動作を、垂直方向の画素数が１６の場合を例にとって示す模式図。
【図３】図１に示す垂直駆動回路の回路構成を波形図と共に示す模式図。
【図４】実施形態２に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図５】図４に示す固体撮像装置の動作を、垂直方向の画素数が１６の場合を例にとって示す模式図。
【図６】実施形態３に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図７】実施形態４に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図８】図７に示す固体撮像装置の動作を、垂直方向の画素数が１６の場合を例にとって示す模式図。
【図９】実施形態５に係る本発明固体撮像装置の動作を、垂直方向の画素数が１６の場合を例にとって示す模式図。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は実施形態１の固体撮像装置の変形例をそれぞれ示す略図。
【図１１】実施形態６に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図１２】実施形態６に係る本発明固体撮像装置の動作を示す模式図。
【図１３】（ａ）は実施形態６に係る本発明固体撮像装置の信号処理系を示すブロック図、（ｂ）は光量と信号との関係を示すグラフ。
【図１４】従来の固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図１５】また、別の従来の固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図１６】更に別の従来の固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【符号の説明】
１ 画素
２ 垂直電荷転送部
３ 垂直駆動回路
４，５ 水平電荷転送部
１１ 遅延回路
１２ 白クリップ回路
１３ 加算回路
１４ 信号
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関し、より詳しくは電荷転送段当たりの画素密度をｋ倍（ｋは２以上の整数）に高めることができる電荷転送型の固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２次元固体撮像装置には種々のものが知られているが、ノイズが少ないと言う点で電荷結合素子（ＣＣＤ）型の固体撮像装置が優れている。一般にかかるＣＣＤ型の固体撮像装置としては、インターライン転送型とフレーム転送型とに大別されるが、以下に示す理由により、現在ではインターライン転送型のＣＣＤ型固体撮像装置が主流となっている。即ち、インターライン転送型では、光電変換素子として、ホトダイオードが利用可能なため短波長感度が高く、また受光部と転送部が別々に形成されるためスミアと称される偽信号が少ないからである。
【０００３】
図１４は従来のインターライン転送型のＣＣＤ型固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示している。このＣＣＤ型固体撮像装置は光電変換及び電荷蓄積を行う複数の感光性素子（画素）１を備えている。これら複数の画素１は第１の方向及びこれに実質的に直交する第２の方向（以下第１の方向を垂直方向と称し、第２の方向を水平方向と称する）に沿った縦横のアレイに配列されている。
【０００４】
さらに、このＣＣＤ型固体撮像装置は、画素１の各垂直列の脇に設けられ、画素１から読み出された信号を垂直方向に転送する垂直電荷転送部２と、垂直電荷転送部２のそれぞれの一端部に接続され、垂直電荷転送部２から送られて来た信号を水平方向に転送する水平電荷転送部４と、水平電荷転送部４の一端部に設けられ、水平電荷転送部４からの信号を映像信号に変換して外部出力する出力部７とを備えている。
【０００５】
各垂直転送部２は図示しない外部装置より供給される４相の駆動信号φＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４で駆動される４相構造をなしている。垂直方向に隣合う一対の画素が各垂直電荷転送部２の１ビットに対応する構成とされる。例えば、画素Ｐ１とＰ２、及び画素Ｐ３とＰ４がそれぞれ、各垂直電荷転送部２の１ビットに対応する。
【０００６】
ところで、ＣＣＤ電荷転送部は、１ビット当たり１画素信号しか転送することができない。このため、図１４中に（ｂ１）〜（ｂ５）及び（ｃ１）〜（ｃ５）で示すように、従来のＣＣＤ型固体撮像装置はフィールド蓄積及びインターレース読み出しを行っている。即ち、第１（奇数）フィールドでは垂直方向にそれぞれ隣合う画素Ｐ１とＰ２、Ｐ３とＰ４等からの信号を読み出し、加算して１画素信号とし、垂直方向、次いで水平方向に転送して出力信号を得る。第２（偶数）フィールドでは垂直方向にそれぞれ隣合う画素Ｐ２とＰ３、Ｐ４とＰ５等からの信号を読み出し、加算して１画素信号とし、垂直方向次いで水平方向に転送して出力信号を得る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上の動作では、１画面の信号が２フィールドにわたっているため、動きのある被写体ではフィールド間で画像がブレてしまう問題が生じる。また、垂直方向に２画素分加算するため、例え静止画であっても垂直解像度が劣化する問題が生じる。
【０００８】
以上のような問題を解決するＣＣＤ型固体撮像装置として、１フィールドで全ての画素信号を混合することなく読み出してしまう、プログレッシブスキャン型ＣＣＤがある。図１５はこのＣＣＤ型固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示している。ここで、図１４と対応する部分については同一の符号を付してある。
【０００９】
図１５と図１４とを対比してみれば明らかなように、このプログレッシブスキャン型ＣＣＤは、垂直電荷転送部１ビット当たり１画素が対応している点で、１ビット当たり２画素が対応している図１４のＣＣＤ固体撮像装置とは異なっている。この場合、画素の間で垂直電荷転送部２の電極を引き出す必要上、垂直電荷転送部は１ビットが３電極構成（４相では画素間に４本の電極が必要となり加工が困難）とされ、φV1，φV2，φV3の３相で駆動される。
【００１０】
図１５中の（ｂ１）〜（ｂ４）は電荷転送タイミングを示す。まず、同図（ｂ１）に示すように、全ての画素信号が垂直電荷転送部２へ混合することなく読み出される。ここでＣＣＤ転送部１ビットと１画素とが対応しているから、全画素信号を同図（ｂ２）〜（ｂ４）に示すように、通常の転送動作で順次読み出すことが可能である。即ち、プログレッシブスキャン動作が実行される。このため、このプログレッシブスキャン型ＣＣＤによれば、動きのある被写体であっても、画像がブレてしまうことがなく、また、静止画であっても垂直解像度が劣化することがない。
【００１１】
しかしながら、このプログレッシブスキャン型ＣＣＤでは、垂直電荷転送部２の取り扱い電荷量は３相からなる電極の１電極分で制約される。即ち、各電極が均等となる最良の場合でも、垂直電荷転送部２の電荷蓄積部面積は、転送方向に画素ピッチの１／３の長さとなる。一方、図１４に示すＣＣＤ固体撮像装置の場合には、３電極中の１電極のみに蓄積できるので、結局画素ピッチと同じ長さ分蓄積できることになる。この結果、プログレッシブスキャン型ＣＣＤの取り扱い電荷量は図１４に示すＣＣＤ固体撮像装置の１／３に低下するという問題がある。
【００１２】
ここで、取り扱い電荷量の低下は、撮像素子の最大信号量の低下、即ちダイナミックレンジの低下を招く。撮像素子のダイナミックレンジが低いと、取り扱う光量の高い側が狭められる。従って、画像の明るい部分が白く潰れ、深みの無い平板な画像になる。また、撮像素子では、通常明るいシーンほどＳ／Ｎの良い綺麗な画像が得られるが、ダイナックレンジが低いと明るいシーンで白く潰れてしまうため、結局Ｓ／Ｎ比の良い画像が得られないことになる。
【００１３】
プログレッシブスキャン型ＣＣＤにおけるこの問題を改善するＣＣＤ型固体撮像装置として、Ａ．Ｊ．Ｐ．Ｔｈｅｕｗｉｓｓｅｎ，ｅｔ ａｌ．，”ＴＨＥ ＡＣＣＯＲＤＩＯＮ ＩＨＡＧＥＲ：ａｎ Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｒａｍｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ＣＣＤ”，ＩＥＤＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．４０−４３，Ｄｅｃ．１９８４．に示されるものがある。
【００１４】
図１６はこのＣＣＤ型固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示している。ここで、図１４と対応する部分については同一の符号を付してある。このＣＣＤ型固体撮像装置は、垂直電荷転送部２が１電極毎に垂直駆動回路３０により駆動される点が図１４の固体撮像装置と異なる。
【００１５】
図１６中に示す電荷転送タイミング（ｂ１）〜（ｂ１３）に従ってこの垂直駆動回路３０の動作を説明する。まず同図（ｂ１）に示すように、全ての画素信号を垂直電荷転送部２へ混合することなく読み出す。ＣＣＤ転送部は１ビット当たり１画素信号しか読み出せないから、図１６（ｂ２）〜（ｂ１３）に示すように、水平電荷転送部４に近い側から順に電荷を読み出すことにより電荷密度を１／２に下げ、４相駆動に順次置き換えていく。４相に置き換えた後は、通常の駆動が可能となる。こうして、１フィールドで全画素信号を順次読み出す、プログレッシブスキャン動作が可能となる。これをアコーディオン動作と称している。
【００１６】
しかしながら、図１６の固体撮像装置では以下の問題がある。
【００１７】
（１）１画素の信号を読み出した後、一時的には１電極分に信号を蓄積するため、垂直電荷転送部２が取り扱い可能な最大信号量は図１５に示すＣＣＤ型固体撮像装置の１／２に低下する。
【００１８】
（２）画素部から読み出した信号は、水平電荷転送部４に遠い部分ほど長期間にわたり、垂直電荷転送部２内で静止状態のまま保持される。このため、垂直電荷転送部２で発生する暗電流により、水平電荷転送部４に遠い部分ほど多く、暗電流に起因するノイズ電荷が付加される。これは固定パターンノイズとなり、画質を著しく劣化させる。
【００１９】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するものであり、電荷転送部当たりの画素密度を従来のｋ倍にまで高めることが可能となり、プログレッシブスキャン用画素構成が極めて容易となるばかりか、撮像装置の小型化や、高感度化、ワイドダイナミックレンジ化等の高性能化が可能となる、新規な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００２０】
本発明の他の目的は、ワイドダイナミックレンジ化が図れ、被写体の中に逆光等の非常に光量の強い光が存在する場合であっても、これに起因して画像がつぶれてしまうことがなく全画面で画像を撮影することができる固体撮像装置を提供することにある。
【００２１】
また、本発明の他の目的は、僅かな設計変更を行うだけで、種々のオプションを選択でき、使い勝手を向上できる固体撮像装置を提供することにある。
【００２２】
また、本発明の他の目的は、そのような選択が、駆動回路部の一部を改良するだけで実現でき、大幅なコストアップを伴うことなく、使い勝手を向上できる固体撮像装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換し、発生する信号電荷を蓄積する画素を第１の方向にｎ個配列してなる画素部と、該画素部の側方に設けられており、１ビット当たり該画素がｋ個対応し、該画素部の各画素のそれぞれから順番に読み出される信号を該第１の方向に転送する第１の電荷転送手段と、該第１の電荷転送手段の一端部に接続され、該第１の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を該第１の方向と実質的に直交する第２の方向に転送する第２の電荷転送手段と、該第２の電荷転送手段の一端部に接続され、該第２の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を映像信号に変換して外部装置に出力する出力手段と、該第１の電荷転送手段を駆動する駆動手段とを備えた固体撮像装置であって、該駆動手段は、（１）該画素部に配列された該ｎ個の画素のうち、該第２の電荷転送手段に近い側より第ｉ番目の画素からの信号を、該第１の電荷転送手段の第ｊビット部に読み出し、（２）該読み出した信号を、（ｋ−１）／ｋビット分該第１の方向に転送し、（３）ｉ＝ｉ＋１とし、（４）該ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させるように該第１の電荷転送手段を駆動する構成（但し、ｋは２以上の整数、ｊ＝ＩＮＴ[｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１]，ＩＮＴ[]は[]の整数部（小数部切り捨て）をとっており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
好ましくは、前記第２の電荷転送手段から最も遠い位置の第ｎ番目の画素が読み出された後は、前記第１の電荷転送手段に転送動作のみを行わせるべく前記駆動手段が複数の駆動信号を発生させるステップ（５）の動作を更に行う。
【００２５】
また、好ましくは、前記第２の電荷転送手段は、ｑ本の電荷転送チャネルを有する（但し、ｑは１以上の整数）。
【００２６】
また、好ましくは、前記第１の電荷転送手段はｍ相駆動構造であり、前記駆動手段は、前記信号読み出しのための読み出しパルスを該第１の電荷転送手段に順次与える走査回路と、転送のためのｍ相のクロックを該第１の電荷転送手段に供給するクロック供給手段とを有する（但し、ｍは２以上の整数）。
【００２７】
また、好ましくは、前記ステップ（１）〜（３）の繰り返しを、映像信号の水平ブランキング期間内にｐ＝ｑ・ｋ／（ｋ−１）回行い、水平走査期間にはｑ本のチャネルからなる前記第２の電荷転送手段から信号読み出しを行う（但し、ｐが非整数の場合、ＩＮＴ[ｐ]とＩＮＴ[ｐ＋１]の組み合わせで平均としてｐとなるように決定されるｐ回）。また、好ましくは、前記第１の電荷転送手段と前記第２の電荷転送手段との間に、前記第１の方向にｎ／ｋビット以上のビットを有する第３の電荷転送手段を備え、該第３の電荷転送手段がメモリ部とする。
【００２８】
また、好ましくは、前記第３の電荷転送手段は、前記第１の電荷転送手段と同じ相数駆動構造であり、第１の方向への電荷転送時に前記駆動手段が該第１の電荷転送手段と該第３の電荷転送手段とを同期して駆動させる。
【００２９】
また、好ましくは、前記ステップ（１）〜（４）までの動作は映像信号の垂直ブランキング期間に行い、ステップ（５）の動作は信号読み出し期間に行う。
【００３０】
また、好ましくは、前記ステップ（１）〜（４）の動作を終了した後であって、前記ステップ（５）の動作の途中に、前記第１の電荷転送手段内の信号電荷が前記第３の電荷転送手段へ転送された後に、再度該ステップ（１）〜（４）の動作を行わせ、その後、再度のステップ（５）動作で出力される信号の有効露光期間を任意に設定する。
【００３１】
また、本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換し、発生する信号電荷を蓄積する画素を第１の方向にｎ個配列してなる画素部と、該画素部の側方に設けられており、１ビット当たり該画素がｋ個対応し、該画素部の各画素に接続されて各画素のそれぞれから順番に読み出される信号を該第１の方向に転送する第１の電荷転送手段と、該第１の電荷転送手段の一端部に接続され、該第１の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を該第１の方向と実質的に直交する第２の方向に転送する第２の電荷転送手段と、該第２の電荷転送手段の一端部に接続され、該第２の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を映像信号に変換して外部装置に出力する出力手段と、該第１の電荷転送手段を駆動する駆動手段とを備えた固体撮像装置であって、該駆動手段は、（１）該画素部に配列された該ｎ個の画素のうち、該第２の電荷転送手段に近い側より第ｉ番目及び第ｉ＋１番目の画素からの信号を、該第１の電荷転送手段の第ｊビット部に加算して読み出し、（２）該読み出した信号を、２（ｋ−１）／ｋビット分該第１の方向に転送し、（３）ｉ＝ｉ＋２とし、（４）該ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、該ステップ（４）の途中の第２ｒ＋１番目の画素に至るまで繰り返させた時刻ｔa後からは再度、（５）前記ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、前記時刻ｔaより以降は前記ステップ（４）及び（５）を同時に行うように該第１の電荷転送手段を駆動する構成
但し、ｋは２以上の整数
ｒは１以上の整数，
ｊ＝ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］，ＩＮＴ［ ］は［ ］の整数部（小数部切り捨て）
をとっており、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
好ましくは、前記ステップ（５）において、前記第２の電荷転送手段から最も遠い位置の第ｎ番目の画素が読み出された後は、前記第１の電荷転送手段に転送動作のみを行わせるべく前記駆動手段が複数の駆動信号を発生させるステップ（６）の動作を更に含む。
【００３３】
また、好ましくは、前記第２の電荷転送手段は、ｑ本の電荷転送チャネルを有する。但し、ｑは１以上の整数。
【００３４】
また、好ましくは、前記第１の電荷転送手段はｍ相駆動構造であり、前記駆動手段は、前記信号読み出しのため読み出しパルスを該第１の電荷転送手段に順次与える走査回路手段と、転送のためのｍ相のクロックを該第１の電荷転送手段に供給するクロック供給手段とを有する。但し、ｍは２以上の整数。
【００３５】
また、好ましくは、前記ステップ（１）〜（３）の繰り返しを、映像信号の水平ブランキング期間内にｐ＝ｑ・ｋ／［（ｋ−１）・２］回行い、水平走査期間にはｑ本のチャネルからなる前記第２の電荷転送手段から信号読み出しを行う。但し、ｐが非整数の場合、ＩＮＴ［Ｐ］とＩＮＴ［Ｐ＋１］の組み合わせで平均としてｐとなるように決定されるｐ回。
【００３６】
また、好ましくは、前記ステップ（４）から得られる信号を第１の信号、前記ステップ（５）から得られる信号を第２の信号とし、該第１の信号をｒＨ（Ｈは１水平走査期間）だけ遅延する遅延回路を通した後、該第１の信号と該第２の信号とを白レベルを飽和信号以下の一定値に規制する２つの白クリップ回路にそれぞれ通し、更に該２つの白クリップ回路からの該第１の信号及び該第２の信号を加算する。
【００３７】
以下作用について説明する。
【００３８】
本発明によれば、垂直電荷転送部（第１の電荷転送手段）を（ｋ−１）／ｋビット転送する毎に、１画素分の画素信号を水平電荷転送部（第２の電荷転送手段）に近い側から順に垂直電荷転送部へ読み出すため、垂直電荷転送部１ビット当たりｋ個の画素が対応していても、全ての画素信号を順次読み出すことが可能となる。このため、垂直電荷転送部１ビット当たり１画素信号を扱う条件はそのままで、画素密度を従来のｋ倍にまで高めることが可能となる。
【００３９】
この結果、垂直電荷転送部１ビットが画素ピッチのｋ倍の長さに相当するので、大きな取り扱い信号量を確保できる。このため、プログレッシブスキャン動作を行う場合に、上記従来のプログレッシブスキャン型ＣＣＤが有する問題点を解消できる。
【００４０】
しかも、上記構成においては、垂直電荷転送部に転送のためのクロックを与える駆動手段の駆動方式を変更するだけで、画素部や垂直電荷転送部の構成を変更することなく、取り扱い信号量の大きいプログレッシブスキャン動作を実現できる。即ち、従来のプログレッシブスキャン型ＣＣＤの構成を大きく変更する必要がないので、簡単に製作できる。
【００４１】
また、垂直電荷転送部１ビット当たりｋ個の画素が対応しているため、結果的に垂直転送部の密度を１／ｋに緩和できる。このため、撮像装置の多画素化・小型化を図ることができる。更には、高感度化、ワイドダイナミックレンジ化等の高性能化が可能となる。
【００４２】
また、垂直電荷転送部が１水平走査期間毎にｑビット分の転送動作を行う構成によれば、転送動作が周期的な連続動作によって行われるため、長期間静止することがない。このため、画素部から読み出した信号が水平電荷転送部に遠い部分ほど長期間にわたり、垂直電荷転送部内で静止状態のまま保持されることがなく、暗電流は各垂直電荷転送部に均等に配分されるので、固定パターンノイズを発生することがない。
【００４３】
また、駆動手段が、（１）画素部に配列されたｎ個の画素のうち、水平電荷転送部（第２の電荷転送手段）に近い側より第ｉ番目及び第ｉ＋１番目の画素からの信号を、垂直電荷転送部（第１の電荷転送手段）の第ｊビット部に加算して読み出し、（２）読み出した信号を、２（ｋ−１）／ｋビット分第１の方向に転送し、（３）ｉ＝ｉ＋２とし、（４）ステップ（１）〜（３）を画素部に配置された画素のうち水平電荷転送部に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、ステップ（４）の途中の第２ｒ＋１番目の画素に至るまで繰り返させた時刻ｔａ後からは再度、（５）ステップ（１）〜（３）を画素部に配置された画素のうち水平電荷転送部に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、時刻ｔａより以降はステップ（４）及び（５）を同時に行うように垂直電荷転送部を駆動する構成によれば、ワイドダイナミックレンジ化を図ることができる。
【００４４】
このため、このような構成によれば、被写体の中に逆光等の非常に光量の強い光が存在する場合であっても、これに起因して画像がつぶれてしまうことがなく全画面で画像を撮影することができる固体撮像装置を実現できる。なお、上記構成により、ワイドダイナミックレンジ化が図れる理由については、後述の実施形態６で詳細に説明されている。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。
【００４６】
（実施形態１）
図１は実施形態１に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示す。この固体撮像装置は、入射光を光電変換し、信号電荷を蓄積する複数の画素１を備えている。これら複数の画素１は垂直方向及び水平方向に沿った縦横のアレイに配列されている。
【００４７】
画素１の各垂直列の脇（側方）には、垂直電荷転送部２が設けられている。この垂直電荷転送部２は、画素１から読み出された信号を垂直方向に転送する。また、垂直電荷転送部２のそれぞれの一端部には一対の水平電荷転送部４、５が設けられている。この水平電荷転送部４、５は、垂直電荷転送部２から送られて来た信号を水平方向に転送する。更に、水平電荷転送部４、５の一端部には出力部７、７がそれぞれ接続されている。この出力部７、７は、水平電荷転送部４、５から転送されて来る信号を映像信号に変換して外部出力する。なお、垂直電荷転送部２の駆動は垂直駆動回路３（３１）によって行われるが、その詳細については後述する。
【００４８】
本実施形態１の固体撮像装置では、ｋ＝２、即ち垂直電荷転送部２の１ビット当たり２画素が対応している。また、本実施形態１では、ｑ＝２、即ち上記のように水平電荷転送部が２チャネル配設されている。以下では、水平電荷転送部４をＨＣＣＤ１と称し、水平電荷転送部５をＨＣＣＤ２と称する。
【００４９】
各垂直電荷転送部２は、１電極毎に垂直駆動回路３により駆動される。図１中の（ｂ１）〜（ｂ１０）はこの駆動タイミング、即ち、転送タイミングを示している。なお、以下では画素１及び垂直電荷転送部２は、水平電荷転送部に近い側より順番に数えることとする。よって、例えばＨＣＣＤ１に近い側より画素Ｐ１、Ｐ２…と称する。
【００５０】
ＣＣＤ転送部は１ビット当たり１画素信号しか読み出せないから、（ｂ１）に示すように、まず１番目の画素Ｐ１の信号を垂直転送部２の１番目のビットへ読み出す。読み出し動作時、該当する箇所の垂直転送ゲート（この場合Ｇ１１）が高電位とされ、ポテンシャルが深くなる。（ｂ１）中の破線はその様子を表している。
【００５１】
次いで、垂直電荷転送部２は、（ｂ２）に示すように、（ｋ−１）／ｋ＝（２−１）／２＝１／２ビット分の信号を垂直方向に転送した後、２番目の画素Ｐ２の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットに読み出し、続いて１／２ビット分の信号を垂直方向に転送する。ここで（ｋ−１）／ｋビット転送している理由は、各画素信号を水平電荷転送部側から順次読み出す際、垂直転送チャネル内に空ビットを生じることなく詰めて読み出すこと、及び画素／垂直電荷転送部の動作関係を毎回同一に保つためである。
【００５２】
なお、「空ビットを生じることなく」とは、垂直電荷転送部２は、１ビットを１素子とするアナログメモリ素子が順次連なった構造であると考えることができるので、このメモリ素子に１対１で画素データを順次、隙間なく書き込み、書き込まれないメモリ素子が存在しないようにすることをいう。
【００５３】
以上の（ｂ１）〜（ｂ２）の動作で垂直電荷転送部２は１ビット転送されるから、水平電荷転送部の片チャネル、即ちＨＣＣＤ１に１画素分の信号が蓄積する。ここで、本実施形態１では、水平電荷転送部は２チャネルであるため、水平電荷転送部の１つの読み出し動作の間と、次の読み出し動作との間に、垂直電荷転送部２はｑ＝２ビット分転送する必要がある。このため、本実施形態１では、ｑ＝２，ｋ＝２であるため、ｑ÷（ｋ−１）／ｋ＝ｑ・ｋ／（ｋ−１）＝４回、つまり１／２ビット転送を４回行うことにより、信号をトータル２ビット分転送している。（ｂ１）〜（ｂ４）はその動作を示している。
【００５４】
こうして（ｂ１）〜（ｂ４）の動作で４画素分（Ｐ１〜Ｐ４）の画素信号が読み出されると共に、ＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２の２チャネル分に信号電荷が蓄積するから、（ｂ５）に示すように、ＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２を水平方向に転送し、垂直２画素分の出力信号を得る。
【００５５】
上記一連の動作を繰り返し、ｉ番目の画素Ｐｉの信号を垂直電荷転送部２の（ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］番目のビットへ読み出した後（ＩＮＴ［ ］は［ ］内の整数を表す）、（ｋ−１）／ｋ＝１／２ビット垂直方向に転送する。次いで、ｉ＝ｉ＋１として以上の動作を繰り返す。このようにして、垂直電荷転送部２が２ビット転送される毎にＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２を駆動し、垂直２画素分の画素信号を得る。
【００５６】
以上の動作で、垂直電荷転送部１ビット当たり２画素の信号を順次もれなく、また、混合せず読み出しているにも拘わらず、垂直電荷転送部２の取り扱い信号量は１ビット分が丸々利用可能であり、大きな値を確保することができる。また、図１６と比較すればわかるように、プログレッシブスキャン動作において、従来比で画素密度を２倍に高めることができる。
【００５７】
更に、垂直電荷転送部２は、水平ブランキング斯問毎に１／２ビット転送を４回行い、周期的に常時動作しており静止することがないから、暗電流は垂直転送部内で均等に分配される。即ち、図１６に示したアコーディオン型ＣＣＤで問題になるような固定パターンノイズは発生しない。このように本実施形態１の固体撮像装置においては、図１６に示す固体撮像装置が有する問題点及び図１４に示す固体撮像装置が有する問題点を同時に解決することができる。
【００５８】
図２は垂直方向の全画素数が１６（Ｐ１〜Ｐ１６）の場合を例にとって、図１の動作を模式的に示したものある。１画面分の読み出し動作全体を垂直１ビット分の転送動作を単位として示している。ここで画素Ｐ１，Ｐ２等の信号をａ，ｂ等のアルファベットで示している。また、画素信号読み出し時は○印を付けている。なお、○印が付いていないものは、単に垂直電荷転送部２内を信号が移動していることを示す。１水平走査期間（１Ｈ）中に垂直転送部は２ビット転送し、１ビット転送中に２画素分読み出すから、１６画素の読み出しは４Ｈ（２×２×４Ｈ＝１６画素）期間で終了する。
【００５９】
この間、水平電荷転送部は２チャネルあるから、垂直８画素分（１６÷２＝８）読み出している。なお、水平電荷転送部の読み出しは垂直２ビットの転送（これは水平ブランキング期間中に行う）が終了後、次の垂直転送が始まる前に行う。全ての画素信号が垂直電荷転送部２に読み出された後は、転送動作のみが１Ｈ期間当たり垂直２ビット転送で、４Ｈ期間を要して行われる。これで残り垂直８画素分の信号が全て読み出される。
【００６０】
図３は図１に示す垂直駆動回路３（３１）の詳細を示す。垂直転送のための４相クロックφｖ１，φｖ２，φｖ３，φｖ４が各ゲートＧｉｊ（ｉ：ビット番号、ｊ：１〜４）に共通に配線されている。画素信号読み出しのためのパルスは、垂直走査回路３１により若い番号の画素側から順番に発生される。垂直転送クロックと画素信号読み出しパルスとの選択は、反転回路３２、ｐチャネル・トランジスタ３３、ｎチャネル・トランジスタ３４により行われる。
【００６１】
より具体的には、まず垂直走査回路３１からの信号線３５がローレベルの時、トランジスタ３３はＯＦＦ、トランジスタ３４はＯＮとなるから、ゲート駆動線３６にはクロックφｖ１又はφｖ３のいずれかの信号が印加される。一方、垂直走査回路３１からの信号線３５がハイレベルの時、トランジスタ３３はＯＮ、トランジスタ３４はＯＦＦになるから、ゲート駆動線３６には垂直走査回路２１からの画素信号読み出しパルスが印加される。従って、垂直走査回路３１から画素信号読み出し時のみハイレベル、他の時はローレベルとなるパルスを発生すれば、図３の右側に示すような波形のパルスが順次得られるから、図１中の（ｂ１）〜（ｂ１０）に示す動作が実現される。
【００６２】
（実施形態２）
図４は実施形態２に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示す。この実施形態２では、ｋ＝２、即ち垂直電荷転送部２の１ビット当たり２画素が対応している。また、ｑ＝１、即ち水平電荷転送部が１チャネルの場合の例である。図１と対応する構成部材については同一の符号を付し、具体的な説明は省略する。以下に転送動作を説明する。
【００６３】
まず、同図中の（ｂ１）に示すように、１番目の画素Ｐ１の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットへ読み出す。次いで、（ｂ２）に示すように、（ｋ−１）／ｋ＝１／２ビット垂直方向に転送した後、２番目の画素Ｐ２の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットに読み出し、続いて１／２ビット垂直方向に転送する。
【００６４】
以上、ｑ・ｋ／（ｋ−１）＝２／１＝２回の動作で垂直電荷転送部２はｑ＝１ビット転送されるから、ＨＣＣＤ１に１画素分の信号が蓄積する。そして、ＨＣＣＤ１を水平方向に転送し、垂直１画素分の出力信号を得る（ｂ３参照）。
【００６５】
上記一連の動作を繰り返し、ｉ番目の画素Ｐｉの信号を垂直電荷転送部２の（ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］番目のビットへ読み出した後、（ｋ−１）／ｋ＝１／２ビット垂直方向に転送する。次いで、ｉ＝ｉ＋１として以上の動作を繰り返す。垂直転送部が１ビット転送される毎にＨＣＣＤ１を駆動し、垂直１画素分の画素信号を得る。
【００６６】
図５は、垂直方向の全画素数が１６の場合を例にとって、図４の動作を模式的に示したもので、１画面分の読み出し動作全体を垂直１ビット分の転送動作を単位として示している。ここで画素Ｐ１，Ｐ２，等の信号をａ，ｂ，等のアルファベットで示している。また、上記同様に画素信号読み出し時は○印を付けている。１水平走査期間中に垂直電荷転送部２は１ビット転送し、１ビット転送中に２画素分読み出すから、１６画素の垂直電荷転送部２の読み出しは８Ｈ期間で終了する。この間、垂直８画素分読み出している。なお、ＨＣＣＤ１の読み出しは垂直１ビットの転送（これは水平ブランキング期間中に行う）が終了後、次の垂直転送が始まる前に行う。
【００６７】
全ての画素信号が垂直電荷転送部２に読み出されて後は、転送動作のみが１Ｈ期間当たり垂直１ビット転送で、８Ｈ期間を要して行われる。これで残り垂直８画素分の信号が全て読み出される。
【００６８】
本実施形態２において、全画面の信号読み出し期間を実施形態１と同じにするには、１Ｈ期間を１／２、即ち倍のスピードで読み出す必要がある。
【００６９】
（実施形態３）
図６は実施形態３に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送タイミングと共に示す。この実施形態３では、ｋ＝４、即ち垂直電荷転送部２の１ビット当たり４画素が対応している。また、ｑ＝３、即ち水平電荷転送部が３チャネル（ＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２、ＨＣＣＤ３）の場合の例である。図１と対応する構成部材については同一の符号を付し、具体的な説明は省略する。以下に転送動作を説明する。
【００７０】
まず、同図中の（ｂ１）に示すように、１番目の画素Ｐ１の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットへ読み出す。次いで、（ｂ２）に示すように、（ｋ−１）／ｋ＝３／４ビット垂直方向に転送した後、２番目の画素Ｐ２の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットに読み出し、続いて３／４ビット垂直方向に転送する。次いで、（ｂ３）に示すように、３番目の画素Ｐ３の信号を垂直電荷転送部２の１番目のビットに読み出し、（ｋ−１）／ｋ＝３／４ビット垂直方向に転送する。次いで（ｂ４）に示すように、４番目の画素Ｐ４の信号を垂直電荷転送部２の１番目ビットに読み出し、３／４ビット転送する。
【００７１】
以上ｑ・ｋ／（ｋ−１）＝１２／３＝４回の動作で垂直電荷転送部２はｑ＝３ビット転送されるから、水平転送部３チャネルに３画素分の信号が蓄積する。そして、（ｂ５）に示すように水平転送部、即ちＨＣＣＤ１〜３を水平方向に転送し、垂直３画素分の出力信号を得る。
【００７２】
上記一連の動作を繰り返し、ｉ番目の画素Ｐｉの信号を垂直電荷転送部２の（ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］番目のビットへ読み出した後、（ｋ−１）／ｋ＝３／４ビット垂直方向に転送する。次いで、ｉ＝ｉ＋１として以上の動作を繰り返す。垂直転送部が３ビット転送される毎に水平転送部を駆動し、垂直３画素分の画素信号を得る。
【００７３】
以上の動作で、垂直転送部１ビット当たり４画素の信号を順次もれなく、また混合せず読み出しているにも拘わらず、垂直転送部の取り扱い信号量は１ビット分が丸々利用可能であり、大きな値を確保することができる。従って、本実施形態３において、上記実施形態１同様の効果を奏することができる。
【００７４】
なお、図６ではｑ＝３の場合について説明したが、ｑ＝２又はｑ＝１の場合でも、水平転送部の読み出し動作を図６の場合より頻繁に行い、各水平転送部に信号電荷が蓄積する度に行うことにより、読み出し動作は可能である。
【００７５】
但し、ｐ＝ｑ・ｋ／（ｋ−１）が整数にならないため、繰り返しの回数はＩＮＴ［ｐ］とＩＮＴ［ｐ＋１］の組み合わせとなり、平均としてＰとなるように設定する必要がある。
【００７６】
（実施形態４）
図７は実施形態５に係る本発明固体撮像装置の平面構成を示す。この実施形態４では、垂直電荷転送部２と水平電荷転送部４との間に、第３の電荷転送部、即ちメモリ部８を設けた構成になっている。ここでメモリ部８のビット数は垂直電荷転送部２のビット数と同じｎである。また、本実施形態４では、ｋ＝２、ｑ＝１の場合を示しているが、他の組み合わせでも以下同様に説明が可能である。ここで、メモリ部８の駆動は、４相クロックφｖ１〜φｖ４により直接駆動される。なお、実施形態１と対応する構成部材については同一の符号を付してある。
【００７７】
次に、図８に基づき本実施形態４の固体撮像装置の動作を説明する。但し、図８は、垂直方向の全画素数が１６の場合を例示しており、１画面分の読み出し動作全体を垂直１ビット分の転送動作を単位として示している。ここで画素Ｐ１，Ｐ２等の信号をａ，ｂ等のアルファベットで示している。また、上記同様に画素信号の読み出し時は○印を付けている。
【００７８】
まず、同図中に示すように、垂直ブランキング期間において、画素信号の読み出しと、１／２ビット転送との繰り返しを周期Ｔで連続的に１６回行い、全１６画素の読み出しを垂直ブランキング期間内で終了する。ここで、１Ｔは図２の１Ｈより十分短い期間である。なぜならば、図２の１Ｈ期間内では、同図中に示すように、画素信号を水平電荷転送部によって水平方向に読み出す期間が必要になるため、この時間が加算されるからである。
【００７９】
この時、メモリ部８は垂直駆動回路３により垂直電荷転送部２と同期して駆動されるから、垂直８画素分がメモリ部８に蓄積される。この時、残り８画素分は垂直電荷転送部２に保持されている。
【００８０】
次いで、信号読み出し期間において、メモリ部８及び垂直電荷転送部２に保持された全１６画素の信号を、通常の転送動作により１Ｈ期間当たり垂直１ビット転送で、１６Ｈ期間を要して行われる。以上の動作を繰り返すことにより、画面全体の読み出しが連続的に行われる。
【００８１】
このため、本実施形態４によれば、最初の画素Ｐ１の読み出しから最後の画素Ｐ１６の読み出しまでの期間を実施形態１の場合よりも短くできる利点がある。以下にその理由を説明する。
【００８２】
図２では、ａ〜ｐ（いずれも○付き）までの信号を読み込むのに、同図中に示すように４Ｈ時間を要している。これに対して、図８では同図中に示すように、８Ｔ時間でａ〜ｐ（いずれも○付き）までの信号を読み込むことができる。ここで、上記のように１Ｔは１Ｈより十分短い期間である。よって、本実施形態４によれば実施形態１よりも信号読み出し期間を大幅に短縮できる利点がある。
【００８３】
（実施形態５）
図９は本発明固体撮像装置の実施形態５を示す。この実施形態５では実施形態４同様の装置において、異なる駆動方式を採用したものである。以下にその詳細を図７に示すように、垂直方向の全画素数が１６の場合を例にとって説明する。本実施形態５においても、１画面分の読み出し動作を垂直１ビット分の転送動作を単位として示している。なお、実施形態４と同一の符号をもって以下に各部の動作を説明する。また、上記同様に、画素Ｐ１，Ｐ２等の信号をａ，ｂ等のアルファベットで示しており、画素信号読み出し時は○印を付けてある。
【００８４】
まず、画素信号の読み出しと１／２ビット転送との繰り返しを、周期Ｔで連続的に１６回行い（本実施形態５においても、１Ｔは１Ｈより十分短い期間である）、ｔ０〜ｔ１期間内に全１６画素の読み出しを終了する。この時、メモリ部８は垂直駆動回路３によって垂直電荷転送部２と同期して駆動されるから、垂直８画素分がメモリ部８に蓄積される。そして、残り８画素分は垂直電荷転送部２に保持されている。
【００８５】
次いで、メモリ部８及び垂直電荷転送部２に保持された全１６画素の信号に対し、やはり周期Ｔで８ビット以上の転送を行い、この時出力される信号を、ｔ１〜ｔ２期間内に全て排出する。以上の動作により、垂直電荷転送部２内の信号電荷は読み出され空になるから、次の画素信号の読み出し（この場合は、図中に示すように、信号をａ’，ｂ’等とし、１回目信号と区別する）が可能となる。次の画素信号の読み出しと１／２ビット転送との繰り返しを、やはり周期Ｔで連続的に１６回行い、全１６画素の新しい信号ａ’〜ｐ’の読み出しをｔ２〜ｔ３期間内に終了する。
【００８６】
この時、メモリ部８は垂直電荷転送部２と同期して駆動されるから、垂直８画素分ａ’〜ｈ’がメモリ部８に蓄積される。そして、残り８画素分ｉ’〜ｐ’は垂直転送部２に保持されている。なお、この間出力される信号は全て排出される。これより後は、信号ａ’〜ｐ’の読み出しが１Ｈ周期で１個ずつ順次行われる。
【００８７】
以上の動作により、２回目の信号ａ〜ｐ’の有効露光期間は１６Ｔ以上の任意に設定可能となる。このため、Ｔを十分短く設定すれば、高速から低速に至る広い幅を持つ、電子シャッタ動作が可能となる。即ち、次の読み出し時間迄の間隔を自由に設定できる電子シャッタ動作が可能となる。
【００８８】
なお、以上の動作では、ｔ０〜ｔ３の間に亙り１ビット転送当たりの周期を一定値Ｔとしたが、期間ｔ１〜ｔ２の間は単に電荷を排出するのみであるから、周期をＴより短いＴ”とすることも可能である。
【００８９】
上記の実施形態１では、ｋ＝２，ｍ＝４、即ち１ビットが２画素に対応し、４相駆動する方式について説明したが、ｋ，ｍの組み合わせについては種々の組み合わせを選択することができる。図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）はその一例をそれぞれ示している。
【００９０】
即ち、同図（ａ）はｋ＝２，ｍ＝３の場合を、また同図（ｂ）はｋ＝２，ｍ＝５の場合を，同図（ｃ）はｋ＝２，ｍ＝２の場合をそれぞれ示している。
【００９１】
（実施形態６）
図１１〜図１３は本発明固体撮像装置の実施形態６を示す。本実施形態６の固体撮像装置は、上記実施形態１の固体撮像装置の駆動方法に改良を加えてワイドダイナミックレンジ化を図ったものである。従って、装置構成の共通する部分については同一の符号を付してある。
【００９２】
ここで、本実施形態６の固体撮像装置は、図上上下に隣接する２画素の信号を加算して読み出す駆動方式を採用するため、厳密に言えばプログレッシブスキャン読み出しとは言えない。但し、説明を容易にするため、図１２では１ビットに１画素が対応する様な説明を行っている。
【００９３】
さて、本実施形態６では、上下に隣接する２画素の信号を加算して読み出すため、Ｐ１＋Ｐ２→Ｐ１，Ｐ３＋Ｐ４→Ｐ２，…又はａ＋ｂ→ａ，ｃ＋ｄ→ｂのように、実施形態１とは符号を変換してある（図１１参照）。
【００９４】
以下にビット数ｋ＝２，電荷転送チャネル数ｑ＝２の場合を例にとって各部の動作を説明する。
【００９５】
まず、図１１（ｂ１）に示すように、１番目の画素Ｐ１の信号ａを垂直電荷転送部２の１番目のビットへ読み出す。次いで、２（ｋ−１）／ｋ＝１ビット分の信号を垂直方向に転送した後、２番目の画素Ｐ２の信号ｂを垂直電荷転送部２の２番目のビットに読み出し、１ビット分を転送する（同図（ｂ２）参照）。これらの動作により、垂直電荷転送部２には信号ａと信号ｂの間に１ビット分の空ビットが生じる。
【００９６】
また、垂直電荷転送部２は１Ｈ期間中に２ビット分の転送動作を行うため、２本の水平転送部には一方のチャネルＨＣＣＤ１に１画素分の信号が蓄積し、他方のチャネルＨＣＣＤ２には空の信号が蓄積する。
【００９７】
以下、同様にして、図１１及び図１２に示すように、
（１）ｉ番目の画素Ｐｉの信号を垂直電荷転送部２のｉ番目のビットへ読み出した後、
（２）１ビット分の信号電荷を垂直方向に転送し、
次いで、
（３）ｉ＝ｉ＋２とする。
【００９８】
そして、上記（１）〜（３）の動作を繰り返す。
【００９９】
同時に、
（４）垂直電荷転送部２が２ビット分の信号の転送動作を行う間に水平電荷転送部４，５、即ちＨＣＣＤ１、ＨＣＣＤ２を駆動し、垂直１画素分の信号と空の信号をパラレルに得る。
【０１００】
以上の動作を水平電荷転送部から最も遠い画素に至る迄行い、ＨＣＣＤ１から信号ａ，ｂ，ｃ，…を得る。
【０１０１】
他方、上記（１）〜（３）の動作が２ｒ＋１回繰り返される動作の途中、即ち水平電荷転送部より１番目の画素から２（２ｒ＋１）番目の画素迄が垂直電荷転送部に読み出される（図１１及び図１２ではｒ＝７）時刻ｔａ時点において、再度、水平電荷転送部より１番目の画素から上記（１）〜（３）の動作を繰り返し、ＨＣＣＤ２から信号ａ’，ｂ’，ｃ’，…を得る。
【０１０２】
これらの信号ａ’，ｂ’，ｃ’，…は、上記の信号ａ，ｂ，ｃ，…の間のビットに読み出されるから、時刻ｔａ以降は垂直転送部は２種類の信号列（ａ，ｂ，ｃ，…）と（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）が１ビット置きに交互に空ビットなく読み出されることになる。
【０１０３】
従って、２本の水平電荷転送部ＨＣＣＤ１，ＨＣＣＤ２からは、一方の水平転送部ＨＣＣＤ１から信号列（ａ，ｂ，ｃ，…）が、他方の水平転送部ＨＣＣＤ２から信号列（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）が得られることになる。但し、ａ−ａ’間、ｂ−ｂ’間等には、ｒＨだけ時間のずれが生じる。
【０１０４】
以上の動作を１Ｖ期間毎に繰り返すと、前に得られた信号（ａ，ｂ，ｃ，…）列では、露光時間が１Ｖ−ｒＨであるのに対し、後に得られる信号列（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）では露光時間がｒＨとなる。
【０１０５】
ここで、例えば、ＮＴＳＣ規格では１Ｖ＝２６２．５Ｈであるから、（１Ｖ−ｒＨ）：ｒＨ＝２５５．５：７となり、同じ画像情報を露光期間が大きく異なる２種類得られることになる。これはワイドダイナミックレンジ動作に有効なものとなる。以下にその理由を図１３に従って説明する。
【０１０６】
図１３（ａ）は、本実施形態６の固体撮像装置の信号処理系を示す。また、同図（ｂ）は光量と信号との関係を示す。この信号処理系は、遅延回路１１、白レベルを一定値に規制する白クリップ回路１２，１２及び加算回路１３で構成されており、２本の水平転送部ＨＣＣＤ１，ＨＣＣＤ２から転送される信号列（ａ，ｂ，ｃ，…），信号列（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）を同時化するため、前に得られる信号列（ａ，ｂ，ｃ，…）をｒＨだけ遅延させるために遅延回路１１に通している。
【０１０７】
次いで、同時化された両信号列（ａ，ｂ，ｃ，…），（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）を、それぞれ白クリップ回路１２，１２に通す。その後、両信号列（ａ，ｂ，ｃ，…），（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）は加算回路１３により加算され、これでワイドダイナミックレンジ化された信号１４が得られる。
【０１０８】
なお、図１３（ｂ）において、白クリップ回路１２，１２を通過した信号列（ａ，ｂ，ｃ，…），（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）は、（１），（２）で示される。
【０１０９】
上記のように、信号列（ａ，ｂ，ｃ，…）と信号列（ａ’，ｂ’，ｃ’，…）の露光時間比、即ち感度比は（１Ｖ−ｒＨ）：ｒＨ＝ｎ：１となるから、飽和に達する光量はＩ０：ｎＩ０となる。
【０１１０】
従って、加算回路１３により加算された信号１４は、同図（ｂ）中に（３）で示すラインとなり、低い光量では高い感度が維持されたまま、飽和光量をｎ倍に迄高めることが可能になる。即ち、本実施形態６によれば、ワイドダイナミックレンジ化が達成されている。このため、強い光を背景とするような逆光下においても、明るい所での白つぶれや暗い所での黒つぶれのない撮影が可能となる。即ち、広い光量範囲にわたって階調が保持された固体撮像装置を実現できる。
【０１１１】
加えて、本実施形態６の固体撮像装置は、垂直駆動回路３の構成を一部改良し（即ち、電荷転送手段等は同一の構成で）、それに応じた駆動方式を採用するだけで、ワイドダイナミックレンジ化を図ることができる。
【０１１２】
しかも、そのような選択が、垂直駆動回路部の一部を改良するだけで実現できるので、大幅なコストアップを伴うことなく、使い勝手を向上できる固体撮像装置を実現できる利点がある。
【０１１３】
【発明の効果】
以上の本発明によれば、垂直電荷転送部（第１の電荷転送手段）を（ｋ−１）／ｋビット転送する毎に、１画素分の画素信号を水平電荷転送部（第２の電荷転送手段）に近い側から順に垂直電荷転送部へ読み出すため、垂直電荷転送部１ビット当たりｋ個の画素が対応していても、全ての画素信号を順次読み出すことが可能となる。このため、垂直電荷転送部１ビット当たり１画素信号を扱う条件はそのままで、画素密度を従来のｋ倍にまで高めることが可能となる。
【０１１４】
この結果、垂直電荷転送部１ビットが画素ピッチのｋ倍の長さに相当するので、大きな取り扱い信号量を確保できる。このため、プログレッシブスキャン動作を行う場合に、上記従来のプログレッシブスキャン型ＣＣＤが有する問題点を解消できる。
【０１１５】
しかも、上記構成においては、垂直電荷転送部に転送のためのクロックを与える駆動手段の駆動方式を変更するだけで、画素部や垂直電荷転送部の構成を変更することなく、取り扱い信号量の大きいプログレッシブスキャン動作を実現できる。即ち、従来のプログレッシブスキャン型ＣＣＤの構成を大きく変更する必要がないので、簡単に製作できる。
【０１１６】
また、垂直電荷転送部１ビット当たりｋ個の画素が対応しているため、結果的に垂直転送部の密度を１／ｋに緩和できる。このため、撮像装置の多画素化・小型化を図ることができる。更には、高感度化、ワイドダイナミックレンジ化等の高性能化が可能となる。
【０１１７】
また、垂直電荷転送部が１水平走査期間毎にｑビット分の転送動作を行う構成によれば、転送動作が周期的な連続動作によって行われるため、長期間静止することがない。このため、画素部から読み出した信号が水平電荷転送部に遠い部分ほど長期間にわたり、垂直電荷転送部内で静止状態のまま保持されることがなく、暗電流は各垂直電荷転送部に均等に配分されるので、固定パターンノイズを発生することがない。
【０１１８】
また、特に請求項６，７記載の固体撮像装置によれば、読み出し時間を一層短縮できる利点がある。
【０１１９】
また、特に請求項９記載の固体撮像装置によれば、シャッタ時間可変の電子シャッタ動作を行うことができる。
【０１２０】
また、特に請求項１０〜請求項１５記載の固体撮像装置によれば、ワイドダイナミックレンジ化が図れ、被写体の中に逆光等の非常に光量の強い光が存在する場合であっても、これに起因して画像がつぶれてしまうことがなく全画面で画像を撮影することができる固体撮像装置を実現することができる。
【０１２１】
また、僅かな設計変更を行うだけで、種々のオプションを選択でき、使い勝手を向上できる固体撮像装置を実現できる。更には、そのような選択が、垂直駆動回路部の一部を改良するだけで実現できるので、大幅なコストアップを伴うことなく、使い勝手を向上できる固体撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図２】図１に示す固体撮像装置の動作を、垂直方向の画素数が１６の場合を例にとって示す模式図。
【図３】図１に示す垂直駆動回路の回路構成を波形図と共に示す模式図。
【図４】実施形態２に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図５】図４に示す固体撮像装置の動作を、垂直方向の画素数が１６の場合を例にとって示す模式図。
【図６】実施形態３に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図７】実施形態４に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図８】図７に示す固体撮像装置の動作を、垂直方向の画素数が１６の場合を例にとって示す模式図。
【図９】実施形態５に係る本発明固体撮像装置の動作を、垂直方向の画素数が１６の場合を例にとって示す模式図。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は実施形態１の固体撮像装置の変形例をそれぞれ示す略図。
【図１１】実施形態６に係る本発明固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図１２】実施形態６に係る本発明固体撮像装置の動作を示す模式図。
【図１３】（ａ）は実施形態６に係る本発明固体撮像装置の信号処理系を示すブロック図、（ｂ）は光量と信号との関係を示すグラフ。
【図１４】従来の固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図１５】また、別の従来の固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【図１６】更に別の従来の固体撮像装置の平面構成を電荷転送のタイミングと共に示す模式図。
【符号の説明】
１ 画素
２ 垂直電荷転送部
３ 垂直駆動回路
４，５ 水平電荷転送部
１１ 遅延回路
１２ 白クリップ回路
１３ 加算回路
１４ 信号
Claims (15)
- 入射光を光電変換し、発生する信号電荷を蓄積する画素を第１の方向にｎ個配列してなる画素部と、
該画素部の側方に設けられており、１ビット当たり該画素がｋ個対応し、該画素部の各画素のそれぞれから順番に読み出される信号を該第１の方向に転送する第１の電荷転送手段と、
該第１の電荷転送手段の一端部に接続され、該第１の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を該第１の方向と実質的に直交する第２の方向に転送する第２の電荷転送手段と、
該第２の電荷転送手段の一端部に接続され、該第２の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を映像信号に変換して外部装置に出力する出力手段と、
該第１の電荷転送手段を駆動する駆動手段と
を備えた固体撮像装置であって、
該駆動手段は、
（１）該画素部に配列された該ｎ個の画素のうち、該第２の電荷転送手段に近い側より第ｉ番目の画素からの信号を、該第１の電荷転送手段の第ｊビット部に読み出し、
（２）該読み出した信号を、（ｋ−１）／ｋビット分該第１の方向に転送し、
（３）ｉ＝ｉ＋１とし、
（４）該ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させるように該第１の電荷転送手段を駆動する
但し、ｋは２以上の整数
ｊ＝ＩＮＴ[｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１]，ＩＮＴ[]は[]の整数部（小数部切り捨て）
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第２の電荷転送手段から最も遠い位置の第ｎ番目の画素が読み出された後は、前記第１の電荷転送手段に転送動作のみを行わせるべく前記駆動手段が複数の駆動信号を発生させるステップ（５）の動作を更に含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記第２の電荷転送手段は、ｑ本の電荷転送チャネルを有する
但し、ｑは１以上の整数
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体撮像装置。 - 前記第１の電荷転送手段はｍ相駆動構造であり、前記駆動手段は、前記信号読み出しのための読み出しパルスを該第１の電荷転送手段に順次与える走査回路と、転送のためのｍ相のクロックを該第１の電荷転送手段に供給するクロック供給手段とを有する
但し、ｍは２以上の整数
ことを特徴とする請求項１〜請求項３記載の固体撮像装置。 - 前記ステップ（１）〜（３）の繰り返しを、映像信号の水平ブランキング期間内にｐ＝ｑ・ｋ／（ｋ−１）回行い、水平走査期間にはｑ本のチャネルからなる前記第２の電荷転送手段から信号読み出しを行う
但し、ｐが非整数の場合、ＩＮＴ[ｐ]とＩＮＴ[ｐ＋１]の組み合わせで平均としてｐとなるように決定されるｐ回
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。 - 前記第１の電荷転送手段と前記第２の電荷転送手段との間に、前記第１の方向にｎ／ｋビット以上のビットを有する第３の電荷転送手段を備え、該第３の電荷転送手段がメモリ部となることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記第３の電荷転送手段は、前記第１の電荷転送手段と同じ相数駆動構造であり、第１の方向への電荷転送時に前記駆動手段が該第１の電荷転送手段と該第３の電荷転送手段とを同期して駆動させることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
- 前記ステップ（１）〜（４）までの動作は映像信号の垂直ブランキング期間に行い、ステップ（５）の動作は信号読み出し期間に行うことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の固体撮像装置。
- 前記ステップ（１）〜（４）の動作を終了した後であって、前記ステップ（５）の動作の途中に、前記第１の電荷転送手段内の信号電荷が前記第３の電荷転送手段へ転送された後に、再度該ステップ（１）〜（４）の動作を行わせ、その後、再度のステップ（５）動作で出力される信号の有効露光期間を任意に設定することを特徴とする請求項６又は７記載の固体撮像装置。
- 入射光を光電変換し、発生する信号電荷を蓄積する画素を第１の方向にｎ個配列してなる画素部と、
該画素部の側方に設けられており、１ビット当たり該画素がｋ個対応し、該画素部の各画素のそれぞれから順番に読み出される信号を該第１の方向に転送する第１の電荷転送手段と、
該第１の電荷転送手段の一端部に接続され、該第１の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を該第１の方向と実質的に直交する第２の方向に転送する第２の電荷転送手段と、
該第２の電荷転送手段の一端部に接続され、該第２の電荷転送手段によって転送された信号を受け取り、該受け取った信号を映像信号に変換して外部装置に出力する出力手段と、
該第１の電荷転送手段を駆動する駆動手段と
を備えた固体撮像装置であって、
該駆動手段は、
（１）該画素部に配列された該ｎ個の画素のうち、該第２の電荷転送手段に近い側より第ｉ番目及び第ｉ＋１番目の画素からの信号を、該第１の電荷転送手段の第ｊビット部に加算して読み出し、
（２）該読み出した信号を、２（ｋ−１）／ｋビット分該第１の方向に転送し、（３）ｉ＝ｉ＋２とし、
（４）該ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、
該ステップ（４）の途中の第２ｒ＋１番目の画素に至るまで繰り返させた時刻ｔa後からは再度、
（５）前記ステップ（１）〜（３）を該画素部に配置された画素のうち該第２の電荷転送手段に最も近い位置の第１番目の画素から最も遠い位置の画素に至るまで繰り返させ、
前記時刻ｔaより以降は前記ステップ（４）及び（５）を同時に行うように該第１の電荷転送手段を駆動する
但し、ｋは２以上の整数
ｒは１以上の整数
ｊ＝ＩＮＴ［｛（ｉ−１）／ｋ｝＋１］，ＩＮＴ［ ］は［ ］の整数部（小数部切り捨て）
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記ステップ（５）において、前記第２の電荷転送手段から最も遠い位置の第ｎ番目の画素が読み出された後は、前記第１の電荷転送手段に転送動作のみを行わせるべく前記駆動手段が複数の駆動信号を発生させるステップ（６）の動作を更に含むことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置。
- 前記第２の電荷転送手段は、ｑ本の電荷転送チャネルを有する
但し、ｑは１以上の整数
ことを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の固体撮像装置。 - 前記第１の電荷転送手段はｍ相駆動構造であり、前記駆動手段は、
前記信号読み出しのため読み出しパルスを該第１の電荷転送手段に順次与える走査回路手段と、転送のためのｍ相のクロックを該第１の電荷転送手段に供給するクロック供給手段とを有する
但し、ｍは２以上の整数
ことを特徴とする請求項１０〜請求項１２記載の固体撮像装置。 - 前記ステップ（１）〜（３）の繰り返しを、映像信号の水平ブランキング期間内にｐ＝ｑ・ｋ／［（ｋ−１）・２］回行い、水平走査期間にはｑ本のチャネルからなる前記第２の電荷転送手段から信号読み出しを行う
但し、ｐが非整数の場合、ＩＮＴ［Ｐ］とＩＮＴ［Ｐ＋１］の組み合わせで平均としてｐとなるように決定されるｐ回
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像装置。 - 前記ステップ（４）から得られる信号を第１の信号、前記ステップ（５）から得られる信号を第２の信号とし、該第１の信号をｒＨ（Ｈは１水平走査期間）だけ遅延する遅延回路を通した後、該第１の信号と該第２の信号とを白レベルを飽和信号以下の一定値に規制する２つの白クリップ回路にそれぞれ通し、更に該２つの白クリップ回路からの該第１の信号及び該第２の信号を加算することを特徴とする請求項１０〜請求項１４のいずれかに記載の固体撮像装置。
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