JPH11355672A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精細、高密度の画像出力であっても低い駆
動周波数の周辺回路を適用できるようにすること。 【解決手段】 本発明は、マトリクス状に配列される複
数の画素Ｓを備えた画素部１と、画素部１における垂直
方向の画素列に沿って設けられ、画素部１の各画素Ｓで
得た電荷を垂直方向へ転送する垂直転送部２と、垂直転
送部２の電荷転送最終段に接続され、垂直転送部２で転
送された電荷を水平転送クロックＨ１、Ｈ２に基づき水
平方向へ転送する水平転送部３と、水平転送部３の電荷
転送最終段に水平転送クロックＨ１、Ｈ２の１／ｎ（ｎ
は正の整数）の周波数から成る最終段クロックＬＨ１を
印加する最終段クロック配線４とを備えている固体撮像
装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マトリクス状に配
列された複数の画素で電荷を得る固体撮像装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサ）
は、コンピュータへの画像入力用途などに利用されるよ
うになり、より高精細、高解像度への要求が強くなって
きている。

【０００３】ここで、高精細、高解像度の固体撮像装置
を構成するには、画素数を多くしたり、画素密度を高く
する必要があるが、固体撮像装置の画素数が増加すると
信号出力におけるフレームレートの低下を招いてしま
う。

【０００４】また、固体撮像装置の画素密度を高くして
解像度を高めると、高精細な静止画を得ることはできる
ものの、１秒間に出力できるコマ数が減ってしまい、滑
らかな動画を得ることができなくなってしまう。

【０００５】このため、高精細、高解像度でありながら
滑らかな動画を得る目的から、固体撮像装置の駆動周波
数を高くすることが考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体撮
像装置の駆動周波数を高くすることで、このような高い
周波数に対応した周辺回路を用意する必要があり、回路
の複雑化やコストアップを招くという問題が生じる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するために成された固体撮像装置である。すなわ
ち、本発明は、マトリクス状に配列される複数の画素を
備えた画素部と、画素部における垂直方向の画素列に沿
って設けられ、画素部の各画素で得た電荷を垂直方向へ
転送する垂直転送部と、垂直転送部の電荷転送最終段に
接続され、垂直転送部で転送された電荷を水平転送クロ
ックに基づき水平方向へ転送する水平転送部と、水平転
送部の電荷転送最終段に水平転送クロックの１／ｎ（ｎ
は正の整数）の周波数から成る最終段クロックを印加す
る最終段クロック配線とを備えている固体撮像装置であ
る。

【０００８】このような本発明では、水平転送部におけ
る電荷転送最終段に最終段クロック配線が設けられ、こ
れから水平転送部の電荷転送最終段に水平転送クロック
の１／ｎ（ｎは正の整数）の周波数から成る最終段クロ
ックを印加している。これにより、水平転送クロックで
転送されてきたｎ画素分の電荷を電荷転送最終段で混合
して、水平転送クロックより低い周波数で信号出力でき
るようになる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体撮像装置にお
ける実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本実施
形態の固体撮像装置を説明する概略構成図である。すな
わち、本実施形態の固体撮像装置は、マトリクス状に複
数の画素Ｓが配列された画素部１と、画素部１における
垂直方向の画素列に沿って設けられた垂直転送部２と、
垂直転送部２の図中下段に接続される水平転送部３と、
水平転送部３の電荷転送最終段に接続されたフローティ
ングディフュージョンアンプ等から成る出力部ＦＤとを
備えているもので、水平転送部３の電荷転送最終段に水
平転送クロックＨ１、Ｈ２とは別個の最終段クロックＬ
Ｈ１を与える最終段クロック配線４を備えている点に特
徴がある。

【００１０】画素部１では、各画素Ｓによって受光量に
基づく電荷が生成され、所定のタイミングで垂直転送部
２へ電荷の読み出しが行われる。垂直転送部２では、３
相や４相の垂直転送クロック（図示せず）によって順次
電荷を図中下方向（垂直方向）へ転送する。これによっ
て、各行単位で電荷が水平転送部３へ送られることにな
る。

【００１１】水平転送部３は、各々逆相となる水平転送
クロックＨ１、Ｈ２によって各電荷を順次図中左方向
（水平方向）へ転送する。本実施形態では、水平転送部
２の電荷転送最終段に最終段クロック配線４から最終段
クロックＬＨ１が印加されるが、この最終段クロックＬ
Ｈ１として、水平転送クロックＨ１、Ｈ２の周波数の１
／ｎ（ｎは正の整数）の周波数から成るものを与えるよ
うにしている。

【００１２】本実施形態では、最終段クロックＬＨ１を
水平転送クロックＨ１、Ｈ２の１／２の周波数にしてい
る。これによって、水平転送クロックＨ１、Ｈ２により
各画素Ｓの単位で水平方向へ転送されてきた電荷が電荷
転送最終段において２画素分混合され、出力部ＦＤへ送
られることになる。

【００１３】このように、水平転送部３の電荷転送最終
段に対して水平転送クロックＨ１、Ｈ２の１／２の周波
数から成る最終段クロックを与えることで、画素部１に
おける水平方向で隣接する２画素分の電荷を混合できる
とともに、出力部ＦＤからは水平転送クロックＨ１、Ｈ
２での電荷転送速度より遅い出力信号を生成できるよう
になる。

【００１４】つまり、画素Ｓの数が増加し、画素Ｓの密
度が高くなって高精細、高解像度の固体撮像装置となる
と、これに対応して水平転送部３に与えられる水平転送
クロックＨ１、Ｈ２の周波数も高くなるが、本実施形態
の固体撮像装置から出力される信号としては、最終段ク
ロックＬＨ１の周波数に対応することから、出力部ＦＤ
以降の信号処理回路としても水平転送クロックＨ１、Ｈ
２より低い最終段クロックＬＨ１に対応した周波数のも
のを用いることができることになる。

【００１５】また、カラー画像を得る固体撮像装置で
は、各画素Ｓにカラーフィルタが設けられているが、本
実施形態では、先に説明したように画素部１における水
平方向で隣接する２画素分の電荷を混合できることか
ら、図２（ａ）、（ｂ）に示すようなカラーフィルタの
配列を構成する。

【００１６】すなわち、これらのカラーフィルタの配列
では、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー
（Ｙｅ）、グリーン（Ｇ）の４色のカラーフィルタを、
水平方向４色×垂直方向２色の単位で構成し、これを繰
り返すよう画素部１（図１参照）に配列している。

【００１７】図２（ａ）に示す例では、上段にイエロー
（Ｙｅ）１１、マゼンタ（Ｍｇ）１２、イエロー（Ｙ
ｅ）１３、グリーン（Ｇ）１４の順に配列し、下段にシ
アン（Ｃｙ）２１、グリーン（Ｇ）２２、シアン（Ｃ
ｙ）２３、マゼンタ（Ｍｇ）２４の順に配列している。

【００１８】また、図２（ｂ）に示す例では、上段にイ
エロー（Ｙｅ）１１’、マゼンタ（Ｍｇ）１２’、シア
ン（Ｃｙ）１３’、マゼンタ（Ｍｇ）１４’の順に配列
し、下段にシアン（Ｃｙ）２１’、グリーン（Ｇ）２
２’、イエロー（Ｙｅ）１３’、グリーン（Ｇ）１４’
の順に配列している。

【００１９】このようなカラーフィルタの配列は、本実
施形態の固体撮像装置における水平方向に沿った隣接２
画素の電荷を水平転送部３（図１参照）の電荷転送最終
段で混合するという特徴と、カラーフィルタによる各色
の信号（電荷）から輝度信号（Ｙ）および色差信号（Ｒ
−Ｙ、Ｂ−Ｙ）を得る演算式との関係に基づいている。

【００２０】ここで、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍ
ｇ）、イエロー（Ｙｅ）、グリーン（Ｇ）の４色で構成
される補色カラーフィルタを備えた固体撮像装置では、
その出力信号から以下の式によって輝度信号（Ｙ）およ
び色差信号（Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）を得ている。

【００２１】Ｙ＝｛Ｇ＋Ｍｇ＋Ｙｅ＋Ｃｙ｝×１／４ Ｒ−Ｙ＝｛（Ｍｇ＋Ｙｅ）−（Ｇ＋Ｃｙ）｝ Ｂ−Ｙ＝｛（Ｍｇ＋Ｃｙ）−（Ｇ＋Ｙｅ）｝

【００２２】次に、カラーフィルタの配列と上記式によ
る輝度信号（Ｙ）および色差信号（Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）の
算出との関係を説明する。

【００２３】図３は、図２（ａ）に示す配列のカラーフ
ィルタを用いた場合を説明する図、図４は、図２（ｂ）
に示す配列のカラーフィルタを用いた場合を説明する図
である。いずれも（ａ）は輝度信号（Ｙ）を算出する場
合、（ｂ）は色差信号（Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）を算出する場
合を示している。

【００２４】すなわち、図３（ａ）に示すように、図２
（ａ）に示す配列のカラーフィルタを用いて輝度信号
（Ｙ）を算出するには、水平方向４色×垂直方向２色の
カラーフィルタの図中１点鎖線で囲む４つのカラーフィ
ルタに対応した各画素の電荷を用いることになる。

【００２５】この同じ１点鎖線で囲まれるカラーフィル
タに対応した４つの画素の電荷のうち、水平方向に隣接
する２画素分の電荷は先に説明したように、水平転送部
３（図１参照）の電荷転送最終段で混合される。このこ
とから、混合されるイエロー（Ｙｅ）１１、マゼンタ
（Ｍｇ）１２と混合されるシアン（Ｃｙ）２１、グリー
ン（Ｇ）２２とを加算し、これに１／４を掛けることで
輝度信号（Ｙ）が算出される。

【００２６】同様に、混合されるイエロー（Ｙｅ）１
３、グリーン（Ｇ）１４とシアンＣｙ）２３、マゼンタ
（Ｍｇ）２４とを加算し、１／４を掛けることで輝度信
号（Ｙ）が算出される。

【００２７】また、図３（ｂ）に示すように、図２
（ａ）に示す配列のカラーフィルタを用いて色差信号
（Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）を算出するには、水平方向４色×垂
直方向２色のカラーフィルタの図中破線で囲む各々２つ
のカラーフィルタに対応した画素の電荷を用いる。

【００２８】この同じ破線で囲まれる各々２つのカラー
フィルタに対応した画素の電荷のうち、水平方向に隣接
する２画素分の電荷は先に説明したように、水平転送部
３（図１参照）の電荷転送最終段で混合される。このこ
とから、混合されるイエロー（Ｙｅ）１１、マゼンタ
（Ｍｇ）１２から混合されるシアン（Ｃｙ）２１、グリ
ーン（Ｇ）２２を差し引くことで色差信号（Ｒ−Ｙ）が
算出される。

【００２９】同様に、混合されるシアン（Ｃｙ）２３、
マゼンタ（Ｍｇ）２４から混合されるイエロー（Ｙｅ）
１３、グリーン（Ｇ）１４を差し引くことで色差信号
（Ｂ−Ｙ）が算出される。

【００３０】また、図４（ａ）に示すように、図２
（ｂ）に示す配列のカラーフィルタを用いて輝度信号
（Ｙ）を算出するには、水平方向４色×垂直方向２色の
カラーフィルタの図中１点鎖線で囲む４つのカラーフィ
ルタに対応した各画素の電荷を用いることになる。

【００３１】この同じ１点鎖線で囲まれるカラーフィル
タに対応した４つの画素の電荷のうち、水平方向に隣接
する２画素分の電荷は先に説明したように、水平転送部
３（図１参照）の電荷転送最終段で混合される。このこ
とから、混合されるイエロー（Ｙｅ）１１’、マゼンタ
（Ｍｇ）１２’と混合されるシアン（Ｃｙ）２１’、グ
リーン（Ｇ）２２’とを加算し、これに１／４を掛ける
ことで輝度信号（Ｙ）が算出される。

【００３２】同様に、混合されるシアン（Ｃｙ）１
３’、マゼンタ（Ｍｇ）１４’とイエロー（Ｙｅ）２
３’、グリーン（Ｇ）２４’とを加算し、１／４を掛け
ることで輝度信号（Ｙ）が算出される。

【００３３】また、図４（ｂ）に示すように、図２
（ｂ）に示す配列のカラーフィルタを用いて色差信号
（Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）を算出するには、水平方向４色×垂
直方向２色のカラーフィルタの図中破線で囲む各々２つ
のカラーフィルタに対応した画素の電荷を用いる。

【００３４】この同じ破線で囲まれる各々２つのカラー
フィルタに対応した画素の電荷のうち、水平方向に隣接
する２画素分の電荷は先に説明したように、水平転送部
３（図１参照）の電荷転送最終段で混合される。このこ
とから、混合されるイエロー（Ｙｅ）１１’、マゼンタ
（Ｍｇ）１２’から混合されるシアン（Ｃｙ）２１’、
グリーン（Ｇ）２２’を差し引くことで色差信号（Ｒ−
Ｙ）が算出される。

【００３５】同様に、混合されるシアン（Ｃｙ）１
３’、マゼンタ（Ｍｇ）１４’から混合されるイエロー
（Ｙｅ）２３’、グリーン（Ｇ）２４’を差し引くこと
で色差信号（Ｂ−Ｙ）が算出される。

【００３６】このように、本実施形態の固体撮像装置の
特徴である水平方向に沿った隣接２画素の電荷の混合
と、輝度信号（Ｙ）および色差信号（Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）
を得る演算式との関係に基づき図２に示すようなカラー
フィルタの配列を構成すると、出力部ＦＤより出力され
る信号として演算式で必要な加算の一部を済ませること
ができ、出力部ＦＤの後段に設けられる演算回路（図示
せず）を簡素化できるようになる。

【００３７】次に、本実施形態の固体撮像装置における
水平転送部３（図１参照）の駆動方法を説明する。図５
は水平転送クロックＨ１、Ｈ２および最終段クロックＬ
Ｈ１のタイミングチャート、図６は水平転送部のポテン
シャル図である。なお、図６に示すポテンシャル図のＴ
0 、Ｔ1 、Ｔ2 、Ｔ3 、Ｔ0 の各タイミングは、図５に
示すＴ0 、Ｔ1 、Ｔ2 、Ｔ3 、Ｔ0 の各タイミングに対
応している。

【００３８】先ず、最初のタイミングＴ0 では、水平転
送クロックＨ１がＬｏｗレベル、Ｈ２がＨｉｇｈレベ
ル、最終段クロックＬＨ１がＬｏｗレベルとなってい
る。これにより、水平転送部３（図１参照）の水平転送
クロックＨ２が印加される部分のポテンシャルが深くな
り、そこに電荷が転送される。

【００３９】次に、タイミングＴ1 では、水平転送クロ
ックＨ１がＨｉｇｈレベル、Ｈ２がＬｏｗレベル、最終
段クロックＬＨ１がＨｉｇｈレベルになる。これによ
り、水平転送部３（図１参照）の水平転送クロックＨ２
が印加される部分のポテンシャルが浅く、水平転送クロ
ックＨ１が印加される部分および最終段クロックＬＨ１
が印加される部分のポテンシャルが深くなって、そのポ
テンシャルの深くなった部分へ電荷が転送される。

【００４０】次いで、タイミングＴ2 では、最終段クロ
ックＬＨ１がＨｉｇｈレベルのままで、水平転送クロッ
クＨ１がＬｏｗレベル、Ｈ２がＨｉｇｈレベルとなる。
これによって、先のタイミングＴ1 で水平転送部３（図
１参照）の水平転送クロックＨ１が印加された部分に転
送されてきた電荷が隣の水平転送クロックＨ２が印加さ
れた部分へ転送される。

【００４１】次に、タイミングＴ3 では、最終段クロッ
クＬＨ１がＨｉｇｈレベルのままで、水平転送クロック
Ｈ１がＨｉｇｈレベル、Ｈ２がＬｏｗレベルとなる。こ
れにより、先のタイミングＴ2 で水平転送部３（図１参
照）の水平転送クロックＨ２が印加された部分へ転送さ
れてきた電荷が隣の水平転送クロックＨ１が印加された
部分へ転送されるとともに、最終段クロックＬＨ１が印
加された部分（最終段）へ転送される。

【００４２】つまり、このタイミングＴ3 において、既
に前のタイミングＴ1 で最終段に転送済みの電荷と、タ
イミングＴ3 で転送される電荷とがこの最終段で混合さ
れることになる。

【００４３】そして、次のタイミングＴ0 において、最
終段クロックＬＨ１がＬｏｗレベル、水平転送クロック
Ｈ１がＬｏｗレベル、Ｈ２がＨｉｇｈレベルとなる。こ
れによって、先のタイミングＴ3 で水平転送部３（図１
参照）の水平転送クロックＨ１が印加された部分へ転送
されてきた電荷が水平転送クロックＨ２が印加された部
分へ転送されるとともに、最終段クロックＬＨ１で加算
された電荷が出力部ＦＤへと送られることになる。

【００４４】このようなタイミングを繰り返すことで、
水平転送部３（図１参照）の電荷転送最終段で水平方向
の２画素分の電荷を加算して出力することができるよう
になる。

【００４５】本実施形態の固体撮像装置では、このよう
な最終段クロックＬＨ１による水平２画素分の電荷の混
合を、主として動画の信号を出力する場合に適用する。
これによって、高精細、高解像度対応の固体撮像装置で
あっても、滑らかな動画像を得ることができるようにな
る。

【００４６】また、この最終段クロックＬＨ１を水平転
送クロックＨ１と同じ周期に切り替えることで、隣接画
素の電荷の混合を行うことなく、全ての画素の電荷を出
力できる。これは、主として高精細な静止画像を得る際
に適用される。

【００４７】さらに、図２に示すカラーフィルタの配列
を崩さないように垂直方向の電荷の間引きを行い、本実
施形態で説明した水平方向２画素分の電荷の混合を併用
することで、通常の４倍速以上の高速画像出力を実現で
きるようになる。

【００４８】なお、上記実施形態では、最終段クロック
ＬＨ１として水平転送クロックＨ１、Ｈ２の１／２の周
波数から成るものを用いる例を説明したが、本発明はこ
れに限定されず１／ｎ（ｎは正の整数）であっても適用
可能である。すなわち、１／ｎ（ｎは正の整数）にした
場合は、水平方向で隣接するｎ画素分の電荷が混合され
ることになる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
装置によれば次のような効果がある。すなわち、画素数
が多くなったり画素密度が高くなって電荷転送部の駆動
周波数が高くなっても、それより低い駆動周波数で動作
する周辺回路を用いることができるようになる。これに
より、高精細な静止画と滑らかな動画とを両立できる撮
像システムの回路構成を簡素化できるとともに、コスト
ダウンを図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の固体撮像装置を説明する概略構成
図である。

【図２】カラーフィルタの配列例を説明する図である。

【図３】図２（ａ）に示す配列のカラーフィルタを用い
た場合の電荷混合を説明する図である。

【図４】図２（ｂ）に示す配列のカラーフィルタを用い
た場合の電荷混合を説明する図である。

【図５】水平転送クロックＨ１、Ｈ２および最終段クロ
ックＬＨ１のタイミングチャートである。

【図６】水平転送部のポテンシャル図である。

【符号の説明】

１…画素部、２…垂直転送部、３…水平転送部、４…最
終段クロック配線、ＦＤ…出力部、Ｓ…画素

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マトリクス状に配列される複数の画素を
   備えた画素部と、 前記画素部における垂直方向の画素列に沿って設けら
   れ、前記画素部の各画素で得た電荷を垂直方向へ転送す
   る垂直転送部と、 前記垂直転送部の電荷転送最終段に接続され、前記垂直
   転送部で転送された電荷を水平転送クロックに基づき水
   平方向へ転送する水平転送部と、 前記水平転送部の電荷転送最終段に前記水平転送クロッ
   クの１／ｎ（ｎは正の整数）の周波数から成る最終段ク
   ロックを印加する最終段クロック配線とを備えているこ
   とを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記画素部の各画素には、シアン、マゼ
   ンタ、イエロー、グリーンから成るカラーフィルタが、
   水平方向４色×垂直方向２色の単位で繰り返し配置され
   ていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。