JPH10200819A - 固体撮像装置およびその駆動方法並びにカメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 通常撮像での駆動周波数が高いものにおいて
は、駆動周波数を上げての高速撮像は難しかった。 【解決手段】 ２本の水平転送レジスタ１３，１４を有
するＣＣＤ撮像素子１０において、撮像モード設定部２
１による高速撮像モードの設定時に、タイミングジェネ
レータ２０で発生される各種のタイミングパルスのタイ
ミングを変更し、垂直転送レジスタ１２の各々から第１
の水平転送レジスタ１３へ信号電荷を転送するとき、又
は第１，第２の水平転送レジスタ１３，１４間で信号電
荷を転送するときに、水平転送方向または／および垂直
転送方向に隣接する少なくとも２つの電荷パケットの信
号電荷を混合し、この混合した信号電荷を第１，第２の
水平転送レジスタ１３，１４によって並列に出力し、水
平転送時の電荷パケット数を減らすことによって単位時
間当たりの出力フレームを増やすようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置およ
びその駆動方法並びにカメラに関し、特に複数本の水平
転送部を持つ固体撮像装置およびその駆動方法、並びに
撮像デバイスとして固体撮像装置を用いたカメラに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子、例えばＣＣＤ(Charge Co
upled Device) を用いた２次元イメージセンサでは、画
素の数と出力周波数（水平転送駆動周波数）を決める
と、単位時間当たりに得られる画像の枚数が決定する。
これは、通常、映像信号の規格に準じたものである。例
えば、ＮＴＳＣフォーマットの場合、６０フィールド／
ｓｅｃ（３０フレーム／ｓｅｃ）である。しかし場合に
よっては、これよりも多くの画像を撮像したい場合があ
る。例えば、動きの早い物体を撮像する場合に、１／６
０秒間隔にしか画像を得ることができないのと、１／２
４０秒間隔に画像を得るのでは、スローモーションにし
たときの動きの滑らかさが異なってくる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そのため、このような
高速撮像を行う場合、従来は、駆動周波数を高くしてい
た。しかし、駆動周波数を高くしての高速駆動は、イメ
ージセンサの動作に対しても、また出力される信号の処
理も困難になる。すなわち、高速撮像への要求に対して
は、通常は、２倍速もしくは３倍速等の速さで信号を出
力する方法が採られているが、高速の駆動と信号処理に
は限界がある。

【０００４】ところで、ＨＤＴＶカメラに対応する固体
撮像素子として、２００万画素ＣＣＤイメージセンサが
開発されている。このＨＤＴＶ用のＣＣＤイメージセン
サでは、２００万画素の信号を出力するため、１本の信
号出力では７４ＭＨｚもの周波数を扱うことになる。し
かし、７４ＭＨｚの高い周波数の信号を扱うことは困難
であることから、水平転送周波数を半減するために、２
本の水平転送レジスタを設けた構成が採られている。

【０００５】このＨＤＴＶ用のＣＣＤイメージセンサな
どのように、通常撮像での駆動周波数が高いものにおい
て、先述した高速撮像を考えた場合、駆動周波数をさら
に上げることになる。一例として、２倍速を考えた場
合、水平転送周波数を半減する目的で２本の水平転送レ
ジスタを設けたにも拘らず、水平転送周波数が２倍にな
り、水平転送レジスタが１本の場合と同じ７４ＭＨｚと
なることから、事実上、ＨＤＴＶ用のＣＣＤイメージセ
ンサにおける高速撮像は困難であった。

【０００６】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、特に通常撮像での駆
動周波数が高い場合であっても、駆動タイミングを変更
するだけの簡単な構成で高速撮像を可能とした固体撮像
装置およびその駆動方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置は、２次元配置された複数個のセンサ部と、これらセ
ンサ部の垂直列ごとに配されて各センサ部から読み出さ
れた信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送部と、こ
れら垂直転送部の各々から転送された信号電荷を水平転
送する少なくとも２本の水平転送部とを有する固体撮像
素子と、複数本の垂直転送部の各々において隣接する少
なくとも２つの電荷パケットの信号電荷を混合して前記
少なくとも２本の水平転送部によって並列に出力すべく
固体撮像素子を駆動する駆動系とを備えた構成となって
いる。

【０００８】本発明による駆動方法は、２次元配置され
た複数個のセンサ部と、これらセンサ部の垂直列ごとに
配されて各センサ部から読み出された信号電荷を垂直転
送する複数本の垂直転送部と、これら垂直転送部の各々
から転送された信号電荷を水平転送する少なくとも２本
の水平転送部とを有する固体撮像素子の駆動に際し、複
数本の垂直転送部の各々において隣接する少なくとも２
つの電荷パケットの信号電荷を混合し、この混合した信
号電荷を少なくとも２系統の水平転送部によって並列に
出力する。

【０００９】上記構成の固体撮像装置およびその駆動方
法において、複数本の垂直転送部の各々から水平転送部
へ信号電荷を転送するとき、又は少なくとも２本の水平
転送部間で信号電荷を転送するときに、複数本の垂直転
送部の各々において水平転送方向または／および垂直転
送方向に隣接する少なくとも２電荷パケットの信号電荷
を混合する。そして、この混合した信号電荷を少なくと
も２本の水平転送部で分担して並列に出力する。これに
より、水平転送時の電荷パケット数が減り、単位時間当
たりの出力フレームが増える。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の一
実施形態を示す概略構成図である。

【００１１】図１において、入射光をその光量に応じた
電荷量の信号電荷に光電変換して蓄積するフォトダイオ
ード等からなる複数個のセンサ部（画素）１１が、行列
状に２次元配置されている。これらセンサ部１１に対し
て、その垂直列ごとにＣＣＤからなる複数本の垂直転送
レジスタ１２が配されている。これら垂直転送レジスタ
１２は、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４によって４相駆
動され、例えばフィールド読み出し方式の場合には、垂
直方向（行方向）に隣り合う２画素間で混合した信号電
荷を、水平ブランキング期間の一部にてライン単位で順
にシフトしつつ垂直方向に転送する。

【００１２】ここで、フィールド読み出し方式につい
て、図２の動作説明図および図３のタイミングチャート
を用いた説明する。フィールド読み出し方式は、センサ
部１１の各々において１／６０秒（１フィールド相当期
間）だけ信号電荷を蓄積し、センサ部１１の各々から読
み出した信号電荷を垂直転送レジスタ１２中において垂
直方向に隣り合う２画素間で混合し、また混合する垂直
２画素の組合せを第１フィールドと第２フィールドで変
えることによってインターレース走査を実現する方式で
ある。以下、この垂直転送レジスタ１２中で混合された
２画素分の信号電荷の塊を電荷パケットと称するものと
する。

【００１３】垂直転送レジスタ１２の転送先側には、Ｃ
ＣＤからなる例えば２本の第１，第２の水平転送レジス
タ１４，１５が配されている。また、垂直転送レジスタ
１２の各々と第１の水平転送レジスタ１３の間には、垂
直転送レジスタ１２の各々から第１の水平転送レジスタ
１３に信号電荷を転送するための２段のＶＨ転送ゲート
１５，１６が設けられている。１段目のＶＨ転送ゲート
１５は、ゲートパルスφＶＨ１が印加されることで、例
えば偶数列の垂直転送レジスタ１２ｅの信号電荷を第１
の水平転送レジスタ１３に、また２段目のＶＨ転送レジ
スタ１６は、ゲートパルスφＶＨ２が印加されること
で、例えば奇数列の垂直転送レジスタ１２ｏの信号電荷
を第２の水平転送レジスタ１４に転送する。

【００１４】第１，第２の水平転送レジスタ１３，１４
間には、ＨＨ転送ゲート１７が設けられている。このＨ
Ｈ転送ゲート１７は、ゲートパルスφＨＨＧが印加され
ることで、第１の水平転送レジスタ１３から第２の水平
転送レジスタ１４へ信号電荷を転送する。第１，第２の
水平転送レジスタ１３，１４は、水平転送パルスφＨ
１，φＨ２によって２相駆動され、垂直転送レジスタ１
２ｅ，１２ｏから移された偶数列，奇数列の各信号電荷
を順次水平方向に転送する。

【００１５】第１，第２の水平転送レジスタ１３，１４
の転送先側の端部には、例えばフローティング・ディフ
ュージョン・アンプ構成の電荷電圧変換部１８，１９が
設けられている。これら電荷電圧変換部１８，１９は、
第１，第２の水平転送レジスタ１３，１４によって水平
転送されてきた信号電荷を信号電圧に変換し、ＣＣＤ出
力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２として出力する。以上によ
り、水平転送周波数を半減する目的で２本の水平転送レ
ジスタ１３，１４を持つフィールド読み出し方式のＣＣ
Ｄ撮像素子１０が構成されている。

【００１６】垂直転送レジスタ１２に与える垂直転送パ
ルスφＶ１〜φＶ４、ＶＨ転送ゲート１５，１６に与え
るゲートパルスφＶＨ１，φＶＨ２、ＨＨ転送ゲート１
７に与えるゲートパルスφＨＨＧおよび第１，第２の水
平転送レジスタ１３，１４に与える水平転送パルスφＨ
１，φＨ２などのタイミングパルスは、タイミングジェ
ネレータ２０から発生される。このタイミングジェネレ
ータ２０は、撮像モード設定部２１で設定される撮像モ
ード、即ち通常撮像モード／高速撮像モードに応じた発
生タイミングで上記の各タイミングパルスを適宜発生す
る。

【００１７】上記構成のＣＣＤ撮像素子１０およびその
駆動系を備えた固体撮像装置において、本発明の特徴と
するところは、垂直転送レジスタ１２の各々において水
平転送方向または／および垂直転送方向に隣接する信号
電荷を加算混合し、フィールド（フレーム）当たりの電
荷パケット数を減らすことで、出力周波数（水平転送駆
動周波数）を上げることなく、単位時間に取り出せるフ
ィールド（フレーム）の枚数を上げるようにした点にあ
る。

【００１８】ここで、上記構成のＣＣＤ撮像素子１０に
おける通常撮像モード時の動作について簡単に説明する
と、例えば、偶数列の垂直転送レジスタ１２ｅの信号電
荷が転送ゲート１５，１６を介して第１の水平転送レジ
スタ１３へ転送され、奇数列の垂直転送レジスタ１２ｏ
の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６、第１の水平転
送レジスタ１３およびＨＨ転送ゲート１７を介して第２
の水平転送レジスタ１４へ転送される。

【００１９】これにより、第１，第２の水平転送レジス
タ１３，１４による水平転送によって１ラインの信号電
荷が２つの電荷電圧変換部１８，１９からＣＣＤ出力信
号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２として出力される。この２つのＣ
ＣＤ出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を、後段の信号処理系
（図示せず）で半ビット遅延するなどの信号処理を行
い、かつ偶数列の信号と奇数列の信号が交互に連なるよ
うに合成することによって本来の１ラインの画像信号が
得られる。

【００２０】次に、第１実施例における高速撮像モード
時の動作について、図４のタイミングチャートに基づい
て図５の動作説明図を用いて説明する。この第１実施例
では、垂直転送レジスタ１２の各々において、水平転送
方向に隣接する２つの電荷パケットの信号電荷を加算混
合する方法を採っている。なお、図５に示すように、Ｈ
Ｈ転送ゲート１７において、第１の水平転送レジスタ１
３の１相目の領域と第２の水平転送レジスタ１４の２相
目の領域の間にはチャネルストップ部ＣＳが形成されて
いることから、第１の水平転送レジスタ１３の２相目の
転送電極Ｈ２の下の信号電荷が、第２の水平転送レジス
タ１４の１相目の転送電極Ｈ１の下に転送されるものと
する。

【００２１】先ず、期間Ｔ１では、ゲートパルスφＶＨ
１が“Ｈ”レベルの状態にあり、ゲートパルスφＶＨ２
が“Ｌ”レベル→“Ｈ”レベルと遷移することで、１ラ
イン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して
第１の水平転送レジスタ１３に転送される。そして、ゲ
ートパルスφＶＨ１が“Ｌ”レベルに遷移した後、２相
目の水平転送パルスφＨ２が“Ｈ”レベルになること
で、第１の水平転送レジスタ１３の２相目の転送電極Ｈ
２の下のポテンシャルが深くなるため、１相目の転送電
極Ｈ１の下の信号電荷が２相目の転送電極Ｈ２の下に移
動し、水平方向に隣接する２電荷パケットの信号電荷が
混合される（期間Ｔ２）。

【００２２】続いて、ゲートパルスφＨＨＧが“Ｈ”レ
ベルの状態にあり、２相目の水平転送パルスφＨ２が
“Ｈ”レベル→“Ｌ”レベルと遷移することで、水平転
送レジスタ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下のポテンシ
ャルが浅くなるため、２相目の転送電極Ｈ２の下で混合
された２電荷パケット分の信号電荷が、ポテンシャルが
深い状態にあるＨＨ転送ゲート１７に移動し（期間Ｔ
３）、その後信号電荷の全ての移動が完了する（期間Ｔ
４）。なお、期間Ｔ４内でゲートパルスφＶＨ１が
“Ｈ”レベルに遷移する。

【００２３】続いて、ゲートパルスφＨＨＧが“Ｌ”レ
ベルに遷移すると、ＨＨ転送ゲート１７のポテンシャル
が浅くなる。このとき、第２の水平転送レジスタ１４の
１相目の転送電極Ｈ１の下のポテンシャルが深い状態に
あるため、ＨＨ転送ゲート１７の信号電荷が第２の水平
転送レジスタ１４の１相目の転送電極Ｈ１の下に移動す
る（期間Ｔ５，Ｔ６）。なお、垂直転送レジスタ１２に
おいては、以上の動作と並行して、垂直転送パルスφＶ
１〜φＶ４によって信号電荷をライン単位で転送するラ
インシフト動作が行われる。

【００２４】そして、ゲートパルスφＶＨ２が“Ｈ”レ
ベルに遷移し、その後垂直転送レジスタ１２の４相目の
垂直転送パルスφＶ４が“Ｌ”レベルに遷移すると、次
の１ライン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を
介して第１の水平転送レジスタ１３に転送される（期間
Ｔ７）。このとき、第１の水平転送レジスタ１３の１相
目の転送電極Ｈ１の下のポテンシャルが深い状態にある
ため、２相目の転送電極Ｈ２の下の転送された信号電荷
は１相目の転送電極Ｈ１の下に移動し、水平転送方向に
隣接する２電荷パケットの信号電荷の混合が行われる
（期間Ｔ８）。そして、その混合が完了する（期間Ｔ
９）。

【００２５】以上の一連の動作により、第１，第２の水
平転送レジスタ１３，１４内に、水平転送方向に隣接す
る２電荷パケットの信号電荷が混合されて得られる２ラ
イン分の信号電荷が存在することになる。そして、この
２ライン分の信号電荷は、第１，第２の水平転送レジス
タ１３，１４によって並行して転送され、２つの電荷電
圧変換部１８，１９から２ラインの画像信号が同時にか
つ出力周波数を上げることなく得られる。その結果、垂
直転送レジスタ１２から第１，第２の水平転送レジスタ
１３，１４への転送に要する時間を無視すれば、先述し
た通常撮像モード時の２倍の速さで１枚のフィールド
（フレーム）の画像を得ることができる。

【００２６】次に、第２実施例における高速撮像モード
時の動作について、図６のタイミングチャートに基づい
て図７の動作説明図を用いて説明する。この第２実施例
では、垂直転送レジスタ１２の各々において、垂直転送
方向に隣接した２つの電荷パケットの信号電荷を加算混
合する方法を採っている。

【００２７】先ず、期間Ｔ１では、ゲートパルスφＶＨ
１が“Ｈ”レベルの状態にあり、ゲートパルスφＶＨ２
が“Ｌ”レベル→“Ｈ”レベルと遷移することで、１ラ
イン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して
第１の水平転送レジスタ１３に転送される。このとき、
ゲートパルスφＨＨＧもゲートパルスφＶＨ１と同期し
て“Ｈ”レベルとなっているため、垂直転送レジスタ１
２から移された第１の水平転送レジスタ１３の２相目の
転送電極Ｈ２の下の信号電荷は、ＨＨ転送ゲート１７の
下への移動を開始する。そして、期間Ｔ２で大部分の信
号電荷の移動が完了する。垂直転送レジスタ１２におい
ては、以上の動作と並行して、垂直転送パルスφＶ１〜
φＶ４によってラインシフト動作が行われる。

【００２８】続いて、垂直転送レジスタ１２の４相目の
垂直転送パルスφＶ４が“Ｌ”レベルに遷移すると、ゲ
ートパルスφＶＨ１，φＶＨ２が共に“Ｈ”レベルの状
態にあることから、次の１ライン分の信号電荷がＶＨ転
送ゲート１５，１６を介して第１の水平転送レジスタ１
３に転送される（期間Ｔ３）。そして、ゲートパルスφ
ＶＨ１およびゲートパルスφＶＨ２が順に“Ｌ”レベル
に遷移することで、１ライン分の信号電荷の転送が完了
する。

【００２９】この期間Ｔ３において、次の１ライン分の
信号電荷が転送されたとき、第１の水平転送レジスタ１
３の１相目の転送電極Ｈ１の下には、１電荷パケットお
きに信号電荷が蓄積された状態にあるため、この１相目
の転送電極Ｈ１の下において、垂直転送方向に隣接する
２つの電荷パケットの信号電荷が混合される。一方、第
１の水平転送レジスタ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下
に転送された次のラインの信号電荷は、前のラインの残
りの信号電荷と共にＨＨ転送ゲート１７に移動し、この
ＨＨ転送ゲート１７において、垂直転送方向に隣接する
２つの電荷パケットの信号電荷が混合される。

【００３０】続いて、１相目の水平転送パルスφＨ１が
“Ｈ”レベルになると、第２の水平転送レジスタ１４の
１相目の転送電極Ｈ１の下のポテンシャルが深くなるた
め、ＨＨ転送ゲート１７の２電荷パケット分の信号電荷
が第２の水平転送レジスタ１４の１相目の転送電極Ｈ１
の下に移動し（期間Ｔ４，Ｔ５）、ゲートパルスφＨＨ
Ｇが“Ｌ”レベルに遷移することで、その移動が完了す
る（期間Ｔ６）。

【００３１】以上の一連の動作により、第１，第２の水
平転送レジスタ１３，１４内に、垂直転送方向に隣接す
る２つの電荷パケットの信号電荷が混合された形で存在
することになる。そして、これらの信号電荷は、第１，
第２の水平転送レジスタ１３，１４によって並行して転
送され、２つの電荷電圧変換部１８，１９で信号電圧に
変換されて出力される。これにより、１枚のフィールド
（フレーム）を構成する走査線の数が半分になるため、
通常撮像モード時の２倍の速さで１枚のフィールド（フ
レーム）の画像を得ることができる。

【００３２】なお、本実施例の場合には、走査線の数が
半減し、垂直解像度が低下することから、垂直解像度を
確保する必要がある場合は、後段の信号処理系（図示せ
ず）においてメモリを使用して走査線数を変換するなど
の信号処理を行うようにすれば良い。

【００３３】また、本実施例においては、垂直転送方向
に隣接する２つの電荷パケットの信号電荷を加算混合す
る動作を行う場合について説明したが、３つの電荷パケ
ット以上の信号電荷を加算混合する動作を行うことも可
能である。

【００３４】次に、第３実施例における高速撮像モード
時の動作について、図８のタイミングチャートに基づい
て図９の動作説明図を用いて説明する。この第３実施例
は、第１実施例と第２実施例とを組み合わせたもの、即
ち垂直転送レジスタ１２の各々において、水平転送方向
および垂直転送方向に２つずつ隣接した計４つの電荷パ
ケットの信号電荷を加算混合する方法を採っている。

【００３５】先ず、ゲートパルスφＶ１に続いてゲート
パルスφＶ２が“Ｈ”レベルになることで、１ライン分
の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して垂直転
送レジスタ１２から第１の水平転送レジスタ１３へ転送
される（期間Ｔ１）。このとき、ゲートパルスφＨＨＧ
が“Ｈ”レベルの状態にあるため、第１の水平転送レジ
スタ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下に転送された信号
電荷はそのままＨＨ転送ゲート１７に移動する。

【００３６】その転送開始直後に２相目の水平転送パル
スφＨ２が“Ｈ”レベルに遷移し、第１の水平転送レジ
スタ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下のポテンシャルが
深くなるため、１相目の転送電極Ｈ１の下の信号電荷は
２相目の転送電極Ｈ２の下に移動し、さらにＨＨ転送ゲ
ート１７に移動する。そして、ゲートパルスφＶ１に続
いてゲートパルスφＶ２が“Ｌ”レベルになることで、
１ライン分の信号電荷の転送が完了し、第１の水平転送
レジスタ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下およびＨＨ転
送ゲート１７において、水平転送方向に隣接する２つの
電荷パケットの信号電荷の混合が行われる（期間Ｔ
２）。

【００３７】再び、ゲートパルスφＶ１に続いてゲート
パルスφＶ２が“Ｈ”レベルになることで、次の１ライ
ン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して垂
直転送レジスタ１２から第１の水平転送レジスタ１３へ
転送される（期間Ｔ３）。このとき、期間Ｔ３の場合と
同様に、２相目の水平転送パルスφＨ２およびゲートパ
ルスφＨＨＧが共に“Ｈ”レベルの状態にあるため、第
１の水平転送レジスタ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下
に転送された信号電荷はそのままＨＨ転送ゲート１７に
移動し、また１相目の転送電極Ｈ１の下に転送された信
号電荷は２相目の転送電極Ｈ２の下を経由してＨＨ転送
ゲート１７に移動する。

【００３８】その後、２相目の水平転送パルスφＨ２が
“Ｌ”レベルに遷移することで、第１の水平転送レジス
タ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下に残存している信号
電荷が全てＨＨ転送ゲート１７に移動する（期間Ｔ
４）。これにより、このＨＨ転送ゲート１７において、
水平転送方向に隣接する２電荷パケット分の信号電荷に
加え、次のラインの電荷パケットの信号電荷も加算混合
され、トータルで水平転送方向および垂直転送方向に隣
接する４電荷パケット分の信号電荷が加算混合されたこ
とになる。

【００３９】続いて、１相目の水平転送パルスφＨ１が
“Ｈ”レベルに遷移し、これに同期してゲートパルスφ
ＨＨＧが“Ｌ”レベルに遷移すると、ＨＨ転送ゲート１
７の４電荷パケット分の信号電荷が第２の水平転送レジ
スタ１４の１相目の転送電極Ｈ１の下に移動を開始し
（期間Ｔ５）、全ての信号電荷が１相目の転送電極Ｈ１
の下に蓄積される（期間Ｔ６）。

【００４０】再び、ゲートパルスφＶ１に続いてゲート
パルスφＶ２が“Ｈ”レベルになると、次の１ライン分
の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して垂直転
送レジスタ１２から第１の水平転送レジスタ１３へ転送
される（期間Ｔ７）。このとき、１相目の水平転送パル
スφＨ１が“Ｈ”レベルの状態にあるため、第１の水平
転送レジスタ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下に転送さ
れた信号電荷はそのまま１相目の転送電極Ｈ１の下に移
動する。

【００４１】そして、ゲートパルスφＶ１に続いてゲー
トパルスφＶ２が“Ｌ”レベルになることで、１ライン
分の信号電荷の転送が完了し、第１の水平転送レジスタ
１３の１相目の転送電極Ｈ１の下において、水平転送方
向に隣接する２つの電荷パケットの信号電荷が混合され
る。（期間Ｔ８）。

【００４２】その後再び、ゲートパルスφＶ１に続いて
ゲートパルスφＶ２が“Ｈ”レベルになることで、次の
１ライン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介
して垂直転送レジスタ１２から第１の水平転送レジスタ
１３へ転送される。このとき、１相目の水平転送パルス
φＨ１が“Ｈ”レベルの状態にあるため、第１の水平転
送レジスタ１３の２相目の転送電極Ｈ２の下に転送され
た信号電荷はそのまま１相目の転送電極Ｈ１の下に移動
する。

【００４３】これにより、第１の水平転送レジスタ１３
の１相目の転送電極Ｈ１の下において、水平転送方向に
隣接する２電荷パケット分の信号電荷に加え、次のライ
ンの電荷パケットの信号電荷も加算混合され、トータル
で水平転送方向および垂直転送方向に隣接する４電荷パ
ケット分の信号電荷が加算混合されたことになる（期間
Ｔ９）。

【００４４】以上の一連の動作により、第１，第２の水
平転送レジスタ１３，１４内に、水平転送方向および垂
直転送方向に隣接する４つの電荷パケットの信号電荷が
混合された形で存在することになる。そして、これらの
信号電荷は、第１，第２の水平転送レジスタ１３，１４
によって並行して転送され、２つの電荷電圧変換部１
８，１９で信号電圧に変換されて出力される。これによ
り、電荷パケット数を通常撮像モード時の１／４に減ら
すことができるため、通常撮像モード時の４倍の速さで
１枚のフィールド（フレーム）の画像を得ることができ
る。

【００４５】以上説明した第１〜第３実施例において
は、垂直転送方向または／および水平転送方向で隣接す
る少なくとも２電荷パケット分の信号電荷を加算混合す
るため、加算混合後の信号電荷の電荷量が、それを転送
する水平転送レジスタ１３，１４の取り扱い電荷量を超
える懸念がある。何故ならば、本実施形態に係るＣＣＤ
撮像素子１０では、フィールド読み出し方式を採用して
いることから、先述したように、１電荷パケットは垂直
２画素分の信号電荷を混合したものであり、これをさら
に加算混合することになるからである。

【００４６】そこで、以下に説明する方法を用いて信号
電荷の一部を捨てる動作を行うことで、その懸念を解消
することができる。簡単のために、２つの電荷パケット
の信号電荷を加算混合する場合を考える。

【００４７】その１つの方法は、高速撮像モード時にフ
レーム読み出し方式を採用し、ある行のセンサ部１１の
信号電荷を読み出さないようにする方法である。ここ
で、フレーム読み出し方式について、図１０の動作説明
図および図１１のタイミングチャートを用いて説明す
る。フレーム読み出し方式は、センサ部１１の各々にお
いて１／３０秒（１フレーム相当期間）だけ信号電荷を
蓄積し、偶数ラインのセンサ部１１ｅの信号電荷と奇数
ラインのセンサ部１１ｏの信号電荷をフィールドごとに
交互に読み出す方式である。

【００４８】このフレーム読み出し方式の場合には、１
電荷パケットの信号電荷が１画素分の信号電荷となる。
したがって、高速撮像モードでフレーム読み出し方式を
採用することで、垂直転送方向または水平転送方向に隣
接する２電荷パケット分の信号電荷を加算混合したとし
ても、加算混合後の信号電荷量は、通常撮像モード時に
フィールド読み出しにて読み出した１電荷パケット分の
信号電荷量と同じになるため、水平転送レジスタ１３，
１４の取り扱い電荷量を超えることはない。

【００４９】ところで、オーバーフロードレインが基板
深さ方向に配置されたいわゆる縦型オーバーフロードレ
イン構造を持つセンサ部１１は、同一光量の場合、セン
サ部１１に蓄積される信号電荷が、図１２に示すよう
に、ある値までは時間と共に線形に増えていくが、そこ
からは傾きが変わる特性を持っている。ここで、上述し
たように、高速撮像モードでフレーム読み出し方式を採
用した場合、通常撮像モード時の読み出し間隔が１／６
０秒であるのに対し、ある画素に着目すると２回に１回
は読み出しが行われないため、１／３０秒間光電変換に
よる信号電荷の蓄積を行うことになる。

【００５０】その場合、同じ１つの画素でも、そのセン
サ部１１に蓄積されている信号電荷は、若干ながら増え
ることになる。ただし、高速撮像モードでの動作は、通
常撮像モードの動作の場合よりもフィールドの間隔（読
み出しの間隔）が短くなり、通常撮像モードが１／６０
秒ならば、例えば２倍速の場合には１／１２０秒になる
ため、各センサ部１１の信号電荷は減るはずである。ま
た、万が一増えた信号電荷を加算混合しても、水平転送
レジスタ１３，１４の取り扱い電荷量を超えなければ問
題はない。

【００５１】しかし、水平転送レジスタ１３，１４の取
り扱い電荷量に余裕が無い場合は、例えば基板にシャッ
タパルスを印加し、センサ部１１の信号電荷に掃き捨て
るいわゆる電子シャッタ等の動作を行い、センサ部１１
内の信号電荷を捨てる動作を加えることで、露光時間の
調整を行い、信号電荷量を調整することができる。

【００５２】電子シャッタを使用して信号電荷量を調整
する場合、先述したフレーム読み出しと併用しても良い
が、併用しなくても、各センサ部１１内の信号電荷量を
調整できるため、通常のフィールド読み出しを行っても
良い。図１３に、フィールド読み出しの場合（Ａ）とフ
レーム読み出しの場合（Ｂ）の電子シャッタタイミング
の例を示す。

【００５３】ところで、先述した第１〜第３実施例で
は、基本的にフィールド読み出し方式のＣＣＤ撮像素子
に適用した場合において、高速撮像モード時の動作説明
を行ったが、全画素の信号電荷を垂直転送レジスタ１２
中で混合せずに同一時刻に独立に読み出すいわゆる全画
素読み出し方式のＣＣＤ撮像素子にも同様に適用するこ
とが可能である。

【００５４】以下、この全画素読み出し方式のＣＣＤ撮
像素子に適用した第４実施形態の場合の動作について説
明する。なお、ＣＣＤ撮像素子の構造については、基本
的には、全画素読み出し方式とフィールド読み出し方式
で違いはなく、ＣＣＤ撮像素子を駆動するタイミングが
異なるのみである。

【００５５】ただし、第１，第２の水平転送レジスタ１
３，１４において、フィールド読み出し方式の場合に
は、転送電極Ｈ１，Ｈ２の各々が１画素に対応している
のに対し、全画素読み出し方式の場合には、転送電極Ｈ
１，Ｈ２の一対が１画素に対応している。また、ＨＨ転
送ゲート１７において、フィールド読み出し方式の場合
には、第１の水平転送レジスタ１３の１相目の領域と第
２の水平転送レジスタ１４の２相目の領域の間にチャネ
ルストップ部ＣＳが形成されているのに対し、全画素読
み出し方式の場合には、第１の水平転送レジスタ１３の
２相目の領域と第２の水平転送レジスタ１４の１相目の
領域の間にチャネルストップ部ＣＳが形成されているも
のとする。

【００５６】最初に、通常撮像モード時の動作につい
て、図１４のタイミングチャートに基づいて図１５の動
作説明図を用いて説明する。なお、全画素読み出し方式
の場合には、各画素の信号電荷が垂直転送レジスタ１２
中で混合されず垂直転送されることから、フレーム読み
出し方式の場合と同様に、１電荷パケットの信号電荷は
１画素分の信号電荷となる。

【００５７】先ず、ゲートパルスφＶＨ１に続いてゲー
トパルスφＶＨ２が“Ｈ”レベルに遷移すると、１ライ
ン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して垂
直転送レジスタ１２から第１の水平転送レジスタ１３の
１相目の転送電極Ｈ１の下に転送される。このとき、ゲ
ートパルスφＨＨＧが“Ｈ”レベルの状態にあるため、
第１の水平転送レジスタ１３の１相目の転送電極Ｈ１の
下に転送された信号電荷はそのままＨＨ転送ゲート１７
に移動し（期間Ｔ１）、全ての信号電荷の移動が完了す
る（期間Ｔ２）。

【００５８】続いて、２相目の水平転送パルスφＨ２が
“Ｈ”レベルに遷移すると、第２の水平転送レジスタ１
４の２相目の転送電極Ｈ２の下のポテンシャルが深くな
るため、ＨＨ転送ゲート１７の信号電荷が第２の水平転
送レジスタ１４の２相目の転送電極Ｈ２の下に移動する
（期間Ｔ３）。この期間Ｔ３中に、１相目の水平転送パ
ルスφＨ１が“Ｈ”レベルに遷移する。そして、ゲート
パルスφＨＨＧが“Ｌ”レベルに遷移することで、ＨＨ
転送ゲート１７の信号電荷の全てが水平転送レジスタ１
４の２相目の転送電極Ｈ２の下に転送される（期間Ｔ
４）。

【００５９】続いて、２相目の水平転送パルスφＨ２が
“Ｌ”レベルに遷移すると、１相目の水平転送パルスφ
Ｈ１が既に“Ｈ”レベルの状態にあることから、第２の
水平転送レジスタ１４の２相目の転送電極Ｈ２の下に転
送された信号電荷は１相目の転送電極Ｈ１の下に移され
る（期間Ｔ５）。垂直転送レジスタ１２においては、以
上の動作と並行して、垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４に
よってラインシフト動作が行われる。その後、ゲートパ
ルスφＶＨ１に続いてゲートパルスφＶＨ２が再び
“Ｈ”レベルに遷移すると、次の１ライン分の信号電荷
がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して垂直転送レジスタ
１２から第１の水平転送レジスタ１３の１相目の転送電
極Ｈ１の下に転送される。

【００６０】以上の一連の動作により、第１，第２の水
平転送レジスタ１３，１４の各々に１ライン分ずつ、計
２ライン分の信号電荷が存在することになる。そして、
この２ライン分の信号電荷は、第１，第２の水平転送レ
ジスタ１３，１４によって並行して転送され、２つの電
荷電圧変換部１８，１９から２ラインの画像信号が同時
に得られる。

【００６１】次に、高速撮像モード時において例えば垂
直転送方向に隣接する２つの電荷パケットを加算混合す
る場合の動作について、図１６および図１７のタイミン
グチャートに基づいて図１８および図１９の動作説明図
を用いて説明する。

【００６２】先ず、ゲートパルスφＶＨ１に続いてゲー
トパルスφＶＨ２が“Ｈ”レベルに遷移すると、１ライ
ン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して垂
直転送レジスタ１２から第１の水平転送レジスタ１３の
１相目の転送電極Ｈ１の下に転送される。このとき、ゲ
ートパルスφＨＨＧが“Ｈ”レベルの状態にあるため、
第１の水平転送レジスタ１３の１相目の転送電極Ｈ１の
下に転送された信号電荷はそのままＨＨ転送ゲート１７
に移動し（期間Ｔ１）、全ての信号電荷の移動が完了す
る（期間Ｔ２）。

【００６３】続いて、ゲートパルスφＨＨＧが“Ｌ”レ
ベルに遷移すると、ＨＨ転送ゲート１７の信号電荷が第
２の水平転送レジスタ１４の２相目の転送電極Ｈ２の下
に移動を開始し（期間Ｔ３）、全ての信号電荷の移動が
完了する（期間Ｔ４）。垂直転送レジスタ１２において
は、以上の動作と並行してラインシフト動作が行われ
る。その後、ゲートパルスφＶＨ１に続いてゲートパル
スφＶＨ２が再び“Ｈ”レベルに遷移し、これに同期し
てゲートパルスφＨＨＧも“Ｈ”レベルに遷移すると、
次の１ライン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６
を介して垂直転送レジスタ１２から第１の水平転送レジ
スタ１３の１相目の転送電極Ｈ１の下に転送され（期間
Ｔ５）、さらにＨＨ転送ゲート１７に移動する（期間Ｔ
６）。

【００６４】続いて、ゲートパルスφＨＨＧが“Ｌ”レ
ベルに遷移すると、ＨＨ転送ゲート１７の信号電荷が第
２の水平転送レジスタ１４の２相目の転送電極Ｈ２の下
に移動を開始し（期間Ｔ７）、全ての信号電荷の移動が
完了する（期間Ｔ８）。これにより、第２の水平転送レ
ジスタ１４の２相目の転送電極Ｈ２の下において、垂直
転送方向に隣接する２つの電荷パケットの信号電荷が加
算混合される。このとき、垂直転送レジスタ１２におい
ては、以上の動作と並行してラインシフト動作が行われ
る。

【００６５】再びゲートパルスφＶＨ１に続いてゲート
パルスφＶＨ２が“Ｈ”レベルに遷移すると、次の１ラ
イン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して
垂直転送レジスタ１２から第１の水平転送レジスタ１３
の１相目の転送電極Ｈ１の下に転送される（期間Ｔ
９）。このとき、垂直転送レジスタ１２においては、以
上の動作と並行してラインシフト動作が行われる。

【００６６】ゲートパルスφＶＨ１に続いてゲートパル
スφＶＨ２が再び“Ｈ”レベルに遷移すると、次の１ラ
イン分の信号電荷がＶＨ転送ゲート１５，１６を介して
垂直転送レジスタ１２から第１の水平転送レジスタ１３
の１相目の転送電極Ｈ１の下に転送される（期間Ｔ１
０）。これにより、第１の水平転送レジスタ１３の１相
目の転送電極Ｈ１の下において、垂直転送方向に隣接す
る２つの電荷パケットの信号電荷が加算混合される（期
間Ｔ１１）。

【００６７】そして、１相目の水平転送パルスφＨ１が
“Ｈ”レベルに遷移すると、第１，第２の水平転送レジ
スタ１３，１４の各１相目の転送電極Ｈ１の下のポテン
シャルが深くなるため、第１の水平転送レジスタ１３の
１相目の転送電極Ｈ１の下で加算混合された信号電荷は
そのままここに蓄積され、第２の水平転送レジスタ１４
の２相目の転送電極Ｈ２の下で加算混合された信号電荷
は１相目の転送電極Ｈ１の下にシフトされ、ここに蓄積
される（期間Ｔ１２）。

【００６８】以上の一連の動作により、第１，第２の水
平転送レジスタ１３，１４内に、垂直転送方向に隣接す
る２電荷パケットの信号電荷が混合された形で存在する
ことになる。そして、これらの信号電荷は、第１，第２
の水平転送レジスタ１３，１４によって並行して転送さ
れ、２つの電荷電圧変換部１８，１９で信号電圧に変換
されて出力される。

【００６９】なお、上記第１〜第４の実施例に係るＣＣ
Ｄ撮像素子として、水平転送レジスタを２本持つＣＣＤ
撮像素子の場合を例に採って説明したが、３本以上の水
平転送レジスタを持つＣＣＤ撮像素子にも同様に適用可
能である。

【００７０】図２０は、第１〜第３実施例に係るフィー
ルド読み出し方式のＣＣＤ撮像素子又は第４実施例に係
る全画素読み出し方式のＣＣＤ撮像素子を撮像デバイス
として用いた本発明に係るカメラの概略構成図である。

【００７１】図２０において、被写体からの光はレンズ
３１などの光学系によって取り込まれ、光学フィルタ３
２を経た後、ＣＣＤ撮像素子３３の撮像面に入射する。
このＣＣＤ撮像素子３３は、タイミングジェネレータ３
４で発生される各種のタイミングパルスによって駆動さ
れる。タイミングジェネレータ３４は、撮像モード設定
部３５で設定される撮像モード（通常撮像モード／高速
撮像モード）に応じてＣＣＤ撮像素子３３の駆動タイミ
ングを変える。ＣＣＤ撮像素子３３の出力信号は、信号
処理回路３６において各種の信号処理が施される。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
少なくとも２本の水平転送部を有する固体撮像素子にお
いて、複数本の垂直転送部の各々から水平転送部へ信号
電荷を転送するとき、又は少なくとも２本の水平転送部
間で信号電荷を転送するとき、複数本の垂直転送部の各
々において水平転送方向または／および垂直転送方向に
隣接する少なくとも２つの電荷パケットの信号電荷を混
合し、この混合した信号電荷を少なくとも２本の水平転
送部で分担して並列に出力することで、水平転送時の電
荷パケット数が減り、単位時間当たりの出力フレームが
増える。

【００７３】これにより、固体撮像素子そのものに対し
て特別な変更を行わなくても、駆動タイミングおよび信
号処理系を変更するだけで、通常の撮像モード時の駆動
周波数が高い場合であっても、高速撮像が可能となる。
したがって、従来困難とされていたＨＤＴＶ用の固体撮
像素子であっても、高速撮像を比較的容易に実現できる
ことになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。

【図２】フィールド読み出し方式の動作説明図である。

【図３】フィールド読み出し方式のタイミングチャート
である。

【図４】第１実施例に係るタイミングチャートである。

【図５】第１実施例に係る動作説明図である。

【図６】第２実施例に係るタイミングチャートである。

【図７】第２実施例に係る動作説明図である。

【図８】第３実施例に係るタイミングチャートである。

【図９】第３実施例に係る動作説明図である。

【図１０】フレーム読み出し方式の動作説明図である。

【図１１】フレーム読み出し方式のタイミングチャート
である。

【図１２】センサ部の特性図である。

【図１３】電子シャッタタイミングを示すタイミングチ
ャートである。

【図１４】第４実施例に係る通常撮像モード時のタイミ
ングチャートである。

【図１５】第４実施例に係る通常撮像モード時の動作説
明図である。

【図１６】第４実施例に係る高速撮像モード時のタイミ
ングチャート（その１）である。

【図１７】第４実施例に係る高速撮像モード時のタイミ
ングチャート（その２）である。

【図１８】第４実施例に係る高速撮像モード時の動作説
明図（その１）である。

【図１９】第４実施例に係る高速撮像モード時の動作説
明図（その２）である。

【図２０】本発明に係るカメラの概略構成図である。

【符号の説明】

１０ ＣＣＤ撮像素子 １１ センサ部 １２ 垂
直転送レジスタ １３ 第１の水平転送レジスタ １４ 第２の水平転
送レジスタ １５，１６ ＶＨ転送ゲート １７ ＨＨ転送ゲート １８，１９ 電荷電圧変換部 ２０ タイミングジェ
ネレータ ２１ 撮像モード設定部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元配置された複数個のセンサ部と、
   これらセンサ部の垂直列ごとに配されて各センサ部から
   読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送
   部と、これら垂直転送部の各々から転送された信号電荷
   を水平転送する少なくとも２本の水平転送部とを有する
   固体撮像素子と、 前記複数本の垂直転送部の各々において隣接する少なく
   とも２つの電荷パケットの信号電荷を混合して前記少な
   くとも２本の水平転送部によって並列に出力すべく前記
   固体撮像素子を駆動する駆動系とを備えたことを特徴と
   する固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記駆動系は、前記複数本の垂直転送部
   の各々において水平転送方向に隣接する少なくとも２つ
   の電荷パケットの信号電荷を混合すべく前記固体撮像素
   子を駆動することを特徴とする請求項１記載の固体撮像
   装置。
3. 【請求項３】 前記駆動系は、前記複数本の垂直転送部
   の各々において垂直転送方向に隣接する少なくとも２つ
   の電荷パケットの信号電荷を混合すべく前記固体撮像素
   子を駆動することを特徴とする請求項１記載の固体撮像
   装置。
4. 【請求項４】 前記駆動系は、前記複数本の垂直転送部
   の各々において水平転送方向および垂直転送方向にそれ
   ぞれ少なくとも２つずつ隣接する少なくとも４つの電荷
   パケットの信号電荷を混合すべく前記固体撮像素子を駆
   動することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 通常撮像モードと高速撮像モードとを選
   択的に設定する撮像モード設定手段を有し、 前記駆動系は、前記撮像モード設定手段による通常撮像
   モードの設定時にはフィールド読み出し動作を行い、高
   速撮像モードの設定時にはフレーム読み出し動作を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 【請求項６】 通常撮像モードと高速撮像モードとを選
   択的に設定する撮像モード設定手段と、 前記撮像モード設定手段による高速撮像モードの設定時
   に、前記複数個のセンサ部内の信号電荷の一部を捨てる
   電荷排出手段とを有することを特徴とする請求項１記載
   の固体撮像装置。
7. 【請求項７】 ２次元配置された複数個のセンサ部と、
   これらセンサ部の垂直列ごとに配されて各センサ部から
   読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送
   部と、これら垂直転送部の各々から転送された信号電荷
   を水平転送する少なくとも２本の水平転送部とを有する
   固体撮像素子の駆動方法であって、 前記複数本の垂直転送部の各々において隣接する少なく
   とも２つの電荷パケットの信号電荷を混合し、 この混合した信号電荷を前記少なくとも２系統の水平転
   送部によって並列に出力することを特徴とする固体撮像
   装置の駆動方法。
8. 【請求項８】 ２次元配置された複数個のセンサ部と、
   これらセンサ部の垂直列ごとに配されて各センサ部から
   読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送
   部と、これら垂直転送部の各々から転送された信号電荷
   を水平転送する少なくとも２本の水平転送部とを有する
   固体撮像素子と、 前記複数本の垂直転送部の各々において隣接する少なく
   とも２つの電荷パケットの信号電荷を混合して前記少な
   くとも２系統の水平転送部によって並列に出力すべく前
   記固体撮像素子を駆動する駆動系と、 被写体からの光を前記固体撮像素子の撮像面上に導く光
   学系とを備えたことを特徴とするカメラ。