JP4078741B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法並びにカメラシステム - Google Patents

Description

【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システムに関し、特に静止画と動画の双方を得ることが可能な固体撮像装置およびその駆動方法、当該固体撮像装置を撮像デバイスとして用いたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スチルカメラに代表される静止画の撮像技術において、撮像デバイスとして固体撮像装置、例えばＩＴ（インターライン転送）方式のＣＣＤ(Charge Coupled Device) イメージャを用い、メカニカルシャッター（以下、メカシャッターと略称する）を使ってフレーム読み出しを行い、信号処理系で２フィールド分の画素情報を合成することにより、静止画を構成する方法が知られている。そして、高解像度化のために、より多画素のＣＣＤイメージャが用いられる。
【０００３】
一方、被写体をモニタリングする際には、モニターに動画を映し出すモニタリングモード（動画モード）が設定される。ところが、ＣＣＤイメージャの出力部では、出力部を構成するソースフォロワのカットオフ周波数とＣＣＤ駆動周波数との間に制約条件があることから、出力部をあまり高速にできないため、ＣＣＤイメージャの多画素化に伴って画素数が増えることにより、モニタリングモードでのフレームレートが低下することになる。
【０００４】
ところで、オートフォーカスやオートアイリスでは、フレームレートとして３０枚／秒が必要である。これに対して、例えば２００万画素のＣＣＤイメージャでは、フレームレートが５枚／秒程度である。このため、２００万画素のＣＣＤイメージャを用いたカメラシステムでは、モニタリングモードを設定した際に、画素情報を間引いて読み出す、いわゆる間引き読み出し駆動を行うことによって３０枚／秒のフレームレートを実現するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、静止画を得る全画素モード（静止画モード）ではフレーム読み出し駆動を行う一方、モニタリングモードでは間引き読み出し駆動を行う構成の従来技術にあっては、信号電荷の読み出しや転送のための駆動が全画素モードとモニタリングモードで異なるため、クロックを含む駆動系の構成が複雑になるという課題がある。
【０００６】
また、モニタリングモードでは、全画素モードに比べて露光時間が短くなるので、その分だけ感度が低下することになる。この露光時間の短縮に伴う感度の低下分については、隣接する画素の信号電荷を加算することによって抑えることが可能である。しかしながら、カラーＣＣＤイメージャにおいて、ベイヤー配列のように、隣り合う色が異なるカラーコーディングの場合には、隣接する画素の信号同士を加算することができないため、モニタリングモードでの露光時間の短縮に伴う感度の低下を抑えることができず、モニタリングモードでの感度が全画素モードでの感度と比較して低下するという課題があった。
【０００７】
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、全画素モードとモニタリングモードで駆動系を共通化できる固体撮像装置およびその駆動方法、並びに当該固体撮像装置を撮像デバイスとして用いたカメラシステムを提供することにある。
【０００８】
【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、行列状に配置された画素に対して行方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタと、（ｎ＋１）：１のインターレースを行って１フレームを（ｎ＋１）フィールドで構成し、（ｎ＋１）×ｍ相（ｍは自然数）のクロックによって信号電荷の垂直転送を行う駆動系とを備えた構成となっている。
【０００９】
本発明による固体撮像装置の駆動方法は、行列状に配置された画素に対して行方向において同じ色がｎ画素ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを備えた固体撮像装置において、（ｎ＋１）：１のインターレースを行って１フレームを（ｎ＋１）フィールドで構成し、（ｎ＋１）×ｍ相のクロックによって信号電荷の垂直転送を行うようにする。
【００１０】
本発明によるカメラシステムは、上記構成の固体撮像装置を撮像デバイスとして用いるとともに、全画素モードとモニタリングモードを選択的に設定するモード設定部を備える。そして、タイミングコントローラでは、モード設定部で設定された撮像モードに応じて固体撮像装置のタイミング制御やメカシャッターの開閉制御を行う一方、全画素モード設定時には信号処理回路で処理された信号に基づく画像情報を記録媒体に静止画情報として記録し、モニタリングモード設定時には信号処理回路で処理された信号に基づく動画をモニターに表示する。
【００１１】
【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実施形態に係る例えばＩＴ方式のカラーＣＣＤイメージャを示す概略構成図である。
【００１２】
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変換して蓄積するセンサ部（画素）１１が多数、垂直（行）方向および水平（列）方向に２次元マトリクス状に配列されている。また、これらセンサ部１１の垂直列ごとに複数本の垂直ＣＣＤ１２が設けられ、さらにこれら垂直ＣＣＤ１２と各センサ部１１との間には読み出しゲート部１３が介在している。
【００１３】
複数個のセンサ部１１に蓄積された信号電荷は、後述する読み出しパルスＸＳＧが読み出しゲート部１３に印加され、当該読み出しゲート部１３のポテンシャルが深くなることによって垂直ＣＣＤ１２に読み出される。垂直ＣＣＤ１２は、例えば６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６によって転送駆動され、読み出された信号電荷を順に垂直転送する。そして、１つのセンサ部１１、それに対応する垂直ＣＣＤ１２の転送段および読み出しゲート部１３がユニットセル１４となる。
【００１４】
６相駆動の垂直ＣＣＤ１２では、例えば、２相目、４相目および６相目の垂直転送クロックＶφ２，Ｖφ４およびＶφ６が印加される転送電極が、読み出しゲート部１３のゲート電極を兼ねた構造となっている。このことから、６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６のうち、垂直転送クロックＶφ２，Ｖφ４，Ｖφ６が低レベル（以下、“Ｌ”レベルと記す）、中間レベルおよび高レベル（以下、“Ｈ”レベルと記す）の３値をとるように設定されており、その３値目の“Ｈ”レベルのパルスが読み出しゲート部１３に印加される読み出しパルスＸＳＧとなる。
【００１５】
図２は、ユニットセル１４の具体的な構造を示す平面パターン図である。図２において、垂直ＣＣＤ１２の転送チャネル２１の上方には、６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６がそれぞれ与えられる転送電極２２-1〜２２-6が、センサ部１１の横でオーバーラップした状態で、垂直転送方向において順に繰り返して配置されている。これらの転送電極２２-1〜２２-6のうち、垂直転送クロックＶφ１，Ｖφ３，Ｖφ５が与えられる転送電極２２-1，２２-3，２２-5が１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）で形成され、垂直転送クロックＶφ２，Ｖφ４，Ｖφ６が与えられる転送電極２２-2，２２-4，２２-6が２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す）で形成されている。
【００１６】
再び図１において、複数本の垂直ＣＣＤ１２の各転送先側の端部に隣接して、水平ＣＣＤ１５が図の左右方向に延在している。この水平ＣＣＤ１５には、複数本の垂直ＣＣＤ１２から１ライン（１走査線）に相当する信号電荷が順次転送される。水平ＣＣＤ１５は、例えば２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２によって転送駆動され、複数本の垂直ＣＣＤ１２からラインシフトされた１ライン分の信号電荷を順次水平転送する。
【００１７】
水平ＣＣＤ１５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検出部１６が配されている。この電荷検出部１６は、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットドレインＲＤおよび両者間に位置するリセットゲートＲＧからなり、水平ＣＣＤ１５によって水平転送され、フローティングディフュージョンＦＤに注入された信号電荷を順次信号電圧に変換して出力する。
【００１８】
垂直ＣＣＤ１２を転送駆動する読み出しパルスＸＳＧを含む６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６や、水平ＣＣＤ１５を転送駆動する２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２等の各種のタイミングパルスは、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１７で生成される。タイミングジェネレータ１７は、図示せぬドライバなどと共にＣＣＤイメージャの駆動系を構成し、生成した各種のタイミングパルスを当該ドライバを通して垂直ＣＣＤ１２や水平ＣＣＤ１５等へ与える。
【００１９】
以上により、ＩＴ方式のＣＣＤイメージャ１０が構成されている。このＣＣＤイメージャ１０は、高解像度の静止画を得るために多画素化が図られている。さらに、カラー撮像方式のものであることから、センサ部１１が２次元マトリクス状に多数配列されてなる撮像エリア１８の上方には、例えば図３に示すように、同一の色が垂直（行）および水平（列）方向において２画素ごとに繰り返して配列されたいわゆる２×２繰り返しの原色ベイヤー配列のカラーフィルタ１９が、１つのセンサ部（画素）１１に対して１つの色が割り当てられるように例えばオンチップにて形成されている。
【００２０】
図４は、上記構成のカラーＣＣＤイメージャ１０を撮像デバイスとして用いた本発明に係るカメラシステムを示す概略構成図である。
【００２１】
図４において、本カメラシステムは、撮像デバイスであるカラーＣＣＤイメージャ１０、このＣＣＤイメージャ１０の撮像面上に被写体からの入射光（像光）を取り込んで結像するレンズ２３、この像光の取り込みを選択的に行うメカシャッター２４、ＣＣＤイメージャ１０の出力信号を処理する信号処理回路２５、この信号処理回路２５の出力信号を記録媒体に記録する画像記録装置２６、信号処理回路２５の出力信号をモニターに表示する画像表示装置２７、本システム全体のタイミング制御をなすタイミングコントローラ２８およびＣＣＤイメージャ１０の撮像モードを設定するモード設定部２９を備えた構成となっている。
【００２２】
上記構成のカメラシステムにおいて、ＣＣＤイメージャ１０の撮像面上には、レンズ２３やメカシャッター２４などを通して、被写体からの入射光（像光）が結像される。このＣＣＤイメージャ１０は、その撮像モードとして、全画素の信号を独立に得る全画素モードと、モニターに動画を映し出すモニタリングモードとがモード設定部２９によって適宜設定される。
【００２３】
タイミングコントローラ２８は、モード設定部２９で設定された撮像モードに応じて、ＣＣＤイメージャ１０を駆動するタイミングジェネレータ１７（図１を参照）のタイミング制御や、メカシャッター２４の開閉制御などを行う。タイミングジェネレータ１７は、垂直２繰り返しのカラーコーディングに対して、３：１のインターレースを行うことにより１フレームを３フィールドで構成する。
【００２４】
そのために、６相（＝３フィールド×２）の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６を生成し、垂直ＣＣＤ１２を６相駆動するようにしている。ただし、６相駆動に限られるものではなく、３相（＝３フィールド×１）駆動又は９相（＝３フィールド×３）駆動などであっても良い。３相駆動の場合については、後で詳細に説明する。
【００２５】
なお、本例では、カラーフィルタ１９のカラーコーディングを垂直２繰り返しとし、これに対して３：１のインターレースを行うことによって１フレームを３（＝２＋１）フィールドで構成するとともに、垂直ＣＣＤ１２の転送駆動を３×ｍ（ｍは自然数）相のクロックで行うとしたが、要は、垂直ｎ繰り返し（ｎは２以上の整数）に対して（ｎ＋１）：１のインターレースを行うことによって１フレームを（ｎ＋１）フィールドで構成するとともに、垂直ＣＣＤ１２の転送駆動を（ｎ＋１）×ｍ相のクロックで行う構成であれば良い。
【００２６】
信号処理回路２５は、例えば図５に示すように、３個のフィールドメモリ３１〜３３と、ＣＣＤイメージャ１０から出力され、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタル化された画素情報をフィールド単位で３個のフィールドメモリ３１〜３３に分配する切換えスイッチ３５と、フィールドメモリ３１〜３３に格納された画素情報を選択的に取り出す選択スイッチ３６と、この選択スイッチ３６を通してフィールドメモリ３１〜３３の各々から供給されるＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各色信号に基づいて２つの色差信号Ｃｒ，Ｃｂを生成する処理などを行う色信号処理回路３７を有する構成となっている。
【００２７】
この信号処理回路２５において、切換えスイッチ３５および選択スイッチ３６の切換え制御も、モード設定部２９で設定された撮像モードに応じてタイミングコントローラ２８によって行われる。
【００２８】
画像記録装置２６は、モード設定部２９で全画素モードが設定されたときに、信号処理回路２５で処理された画像信号を、メモリやフロッピーディスクなどの記録媒体に記録する。この記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。画像表示装置２７は、モード設定部２９でモニタリングモードが設定されたときに、信号処理回路２５で処理された画像信号を、ＣＲＴ（陰極線管）やＬＣＤ（液晶）などのモニターに動画として映し出す。
【００２９】
なお、モニタリングモードで使用されるモニターの垂直方向の走査線数は、３：１のインターレースに対応して、ＣＣＤイメージャ１０の行数（垂直方向の走査線数）の１／３に設定されている。
【００３０】
次に、上記構成のカメラシステムにおいて、モード設定部２９で全画素モードが設定されたときと、モニタリングモードが設定されたときの各動作について説明する。なお、以下の各動作説明に用いる垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６のタイミングチャートにおいて、説明の簡略化のために、各クロックのタイミング関係については省略し、読み出しパルスＸＳＧのタイミング関係のみを示すものとする。
【００３１】
〔全画素モード〕
先ず、全画素モード設定時の動作について、図６のタイミングチャートに基づいて説明するに、メカシャッター２４を開いた状態で所定の時間だけ露光し、しかる後時刻ｔ０でメカシャッター２４を閉じる。そして、時刻ｔ１で２相目の垂直転送クロックＶφ２にのみ読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、図７の画素配列において、例えば上から第１行目、第４行目、第７行目、……の各画素の信号電荷▲１▼，▲４▼，▲７▼，……が垂直ＣＣＤ１２に読み出される。
【００３２】
これらの画素情報▲１▼，▲４▼，▲７▼，……は第１フィールドの画素情報として、垂直ＣＣＤ１２で垂直転送され、さらに水平ＣＣＤ１５で水平転送された後、電荷検出部１６で信号電圧に変換されて信号処理回路２５に供給される。信号処理回路２５では、この第１フィールドの画素情報が切換えスイッチ３５を通してフィールドメモリ３１に供給され、当該メモリ３１に順次格納される。
【００３３】
次いで、時刻ｔ２で４相目の垂直転送クロックＶφ４にのみ読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、図７の画素配列において、第２行目、第５行目、第８行目、……の各画素の信号電荷▲２▼，▲５▼，▲８▼，……が垂直ＣＣＤ１２に読み出される。これらの画素情報▲２▼，▲５▼，▲８▼，……は第２フィールドの画素情報として、垂直転送および水平転送された後、信号電圧に変換されて信号処理回路２５に供給され、切換えスイッチ３５を通してフィールドメモリ３２に順次格納される。
【００３４】
続いて、時刻ｔ３で６相目の垂直転送クロックＶφ６にのみ読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、図７の画素配列において、第３行目、第６行目、第９行目、……の各画素の信号電荷▲３▼，▲６▼，▲９▼，……が垂直ＣＣＤ１２に読み出される。これらの画素情報は▲３▼，▲６▼，▲９▼，……第３フィールドの画素情報として、垂直転送および水平転送された後、信号電圧に変換されて信号処理回路２５に供給され、切換えスイッチ３５を通してフィールドメモリ３３に順次格納される。
【００３５】
３フィールド分の画素情報がフィールドメモリ３１，３２，３３に格納された後、これらの読み出しが行われる。この読み出しに際しては、先ず、フィールドメモリ３１の最初の１行目の画素情報▲１▼が順次読み出され、次いでフィールドメモリ３２の最初の１行目の画素情報▲２▼が順次読み出され、続いてフィールドメモリ３３の最初の１行目の画素情報▲３▼が順次読み出され、次にフィールドメモリ３１の２行目の画素情報▲４▼が順次読み出され、……という具合に、フィールドメモリ３１，３２，３３から１行ずつ順に読み出すように、選択スイッチ３６の切換え制御が行われる。
【００３６】
以上の一連の制御により、３フィールドで１フレーム（１画面）が構成され、読み出された画素情報は、図７の画素配列に対応することになる。これにより、ＣＣＤイメージャ１０の全画素の画素情報を独立に得ることができる。そして、これら全画素の画素情報は、色信号処理回路３７で所定の色信号処理が行われた後、画像記録装置２６に供給されてメモリ等の記録媒体に記録され、その後プリンタ等によってハードコピーされる。
【００３７】
この全画素モードにおいては、各フィールドでは垂直３画素ごとに２画素を間引く垂直間引き読み出しが行われることになるが、各フィールドの画素情報をフィールドメモリ３１，３２，３３にそれぞれ格納した後、これらメモリ３１，３２，３３から１行ずつ順に読み出すことにより、ＣＣＤイメージャ１０の全画素の画素情報を用いて線順次の静止画を形成できる。その結果、高解像度の静止画を得ることができる。
【００３８】
〔モニタリングモードの第１具体例〕
次に、モニタリングモード設定時の第１具体例の動作について、図８のタイミングチャートに基づいて説明する。モニタリングモードでは、動画を得る訳であるから、メカシャッター２４は連続して開いた状態にある。この状態において、第１具体例では、第１フィールドの画素情報のみを３回（３フィールド分）繰り返して読み出す構成を採っている。
【００３９】
すなわち、時刻ｔ１で２相目の垂直転送クロックＶφ２にのみ読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、図７の画素配列において、例えば上から第１行目、第４行目、第７行目、……の各画素の信号電荷▲１▼，▲４▼，▲７▼，……が垂直ＣＣＤ１２に読み出される。これらの画素情報▲１▼，▲４▼，▲７▼，……は、第１フィールドの画素情報として、垂直転送および水平転送された後、信号電圧に変換されて信号処理回路２５に供給され、切換えスイッチ３５を通してフィールドメモリ３１に順次格納される。
【００４０】
このフィールドメモリ３１に格納された第１フィールドの画素情報、即ち図７の画素配列における第１行目，第４行目，第７行目、……の各画素情報▲１▼，▲４▼，▲７▼，……は、その格納順に選択スイッチ３６を通して順次読み出され、色信号処理回路３７で所定の色信号処理が行われた後、画像表示装置２７に供給されて垂直方向の走査線数が１／３のモニターに映し出される。
【００４１】
次いで、時刻ｔ２で再び２相目の垂直転送クロックＶφ２にのみ読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、前回と同様に、第１フィールドの画素情報、即ち第１行目、第４行目、第７行目、……の各画素の信号電荷▲１▼，▲４▼，▲７▼，……が読み出され、フィールドメモリ３１に順次格納される。そして、この第１フィールドの画素情報▲１▼，▲４▼，▲７▼，……は、その格納順に選択スイッチ３６を通して順次読み出され、色信号処理回路３７で所定の色信号処理が行われた後、画像表示装置２７に供給されてモニターに映し出される。
【００４２】
続いて、時刻ｔ３で再度２相目の垂直転送クロックＶφ２にのみ読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、前々回、前回と同様に、第１行目、第４行目、第７行目、……の各画素の信号電荷▲１▼，▲４▼，▲７▼，……が読み出され、フィールドメモリ３１に順次格納される。そして、この第１フィールドの画素情報▲１▼，▲４▼，▲７▼，……は、その格納順に選択スイッチ３６を通して順次読み出され、色信号処理回路３７で所定の色信号処理が行われた後、画像表示装置２７に供給されてモニターに映し出される。
【００４３】
以上の一連の制御により、第１フィールドのみを繰り返して読み出すことによって垂直３画素に２画素を間引く垂直間引き読み出しが行われるため、垂直間引き読み出しを行わない場合に比べて３倍のフレームレートを実現できる。特に、各フィールドにおける信号電荷の読み出し、転送などの駆動が、全画素モードの場合と同じであるため、撮像モードに応じてクロックのタイミングなどを変える必要がない。
【００４４】
なお、第１具体例では、第１フィールドの画素情報▲１▼，▲４▼，▲７▼，……のみを繰り返して読み出す構成としたが、第２フィールドの画素情報▲２▼，▲５▼，▲８▼，……のみ、あるいは第３フィールドの画素情報▲３▼，▲６▼，▲９▼，……のみを繰り返して読み出すようにしても良いことは勿論である。
【００４５】
〔モニタリングモードの第２具体例〕
次に、モニタリングモード設定時の第２具体例の動作について、図９のタイミングチャートに基づいて説明する。メカシャッター２４を連続して開いた状態において、第２具体例では、全画素モードの場合と同様に、第１，第２，第３フィールドの画素情報を順に読み出す構成を採っている。
【００４６】
すなわち、時刻ｔ１で２相目の垂直転送クロックＶφ２に読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、図７の画素配列において、例えば上から第１行目、第４行目、第７行目、……の各画素の信号電荷▲１▼，▲４▼，▲７▼，……が垂直ＣＣＤ１２に読み出される。これらの画素情報▲１▼，▲４▼，▲７▼，……は、第１フィールドの画素情報として、垂直転送および水平転送された後、信号電圧に変換されて信号処理回路２５に供給され、切換えスイッチ３５を通してフィールドメモリ３１に順次格納される。
【００４７】
このフィールドメモリ３１に格納された第１フィールドの画素情報、即ち図７の画素配列における第１行目，第４行目，第７行目、……の各画素情報▲１▼，▲４▼，▲７▼，……は、その格納順に選択スイッチ３６を通して順次読み出され、色信号処理回路３７で所定の色信号処理が行われた後、画像表示装置２７に供給されてモニターに映し出される。
【００４８】
次いで、時刻ｔ２で４相目の垂直転送クロックＶφ４に読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、図７の画素配列において、第２行目、第５行目、第８行目、……の各画素の信号電荷▲２▼，▲５▼，▲８▼，……が垂直ＣＣＤ１２に読み出される。これらの画素情報▲２▼，▲５▼，▲８▼，……は、第２フィールドの画素情報としてフィールドメモリ３２に順次格納される。
【００４９】
このフィールドメモリ３２に格納された第２フィールドの画素情報、即ち図７の画素配列における第２行目，第５行目，第８行目、……の各画素情報▲２▼，▲５▼，▲８▼，……は、その格納順に選択スイッチ３６を通して順次読み出され、色信号処理回路３７で所定の色信号処理が行われた後、画像表示装置２７に供給されて第１フィールドの場合と同様にモニターに映し出される。
【００５０】
続いて、時刻ｔ３で６相目の垂直転送クロックＶφ６に読み出しパルスＸＳＧを立てる。すると、図７の画素配列において、第３行目、第６行目、第９行目、……の各画素の信号電荷▲３▼，▲６▼，▲９▼，……が垂直ＣＣＤ１２に読み出される。これらの画素情報▲３▼，▲６▼，▲９▼，……は、第３フィールドの画素情報としてフィールドメモリ３３に順次格納される。
【００５１】
このフィールドメモリ３３に格納された第３フィールドの画素情報、即ち図７の画素配列における第３行目，第６行目，第９行目、……の各画素情報▲３▼，▲６▼，▲９▼，……は、その格納順に選択スイッチ３６を通して順次読み出され、色信号処理回路３７で所定の色信号処理が行われた後、画像表示装置２７に供給されて第１，第２フィールドの場合と同様にモニターに映し出される。
【００５２】
以上の一連の制御により、第１，第２，第３フィールドの３フィールドで１フレームが構成され、各フィールドでは垂直３画素に２画素を間引く垂直間引き読み出しが行われるため、第１具体例の場合と同様に、垂直間引き読み出しを行わない場合に比べて３倍のフレームレートを実現できる。特に、各フィールドにおける信号電荷の読み出し、転送などの駆動が、全画素モードの場合と同じであるため、撮像モードに応じてクロックのタイミングなどを変える必要がない。
【００５３】
また、第１，第２，第３フィールドの画素情報を順に読み出すようにしたことにより、同じフィールドの画素情報のみを繰り返して読み出すようにした第１具体例の場合に比べて、各画素における信号電荷の蓄積時間（露光時間）が３倍になるため、第１具体例の場合よりも感度を向上できるとともに、モニタリングモードにおいて、隣接する画素の信号電荷を加算しなくても全画素モードと同等の感度を得ることができる。
【００５４】
上述したように、垂直２繰り返しの原色ベイヤー配列のカラーフィルタ１９を具備するＣＣＤイメージャ１０を撮像デバイスとして用いたカメラシステムにおいて、３：１のインターレースを行って１フレームを３フィールドで構成し、６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６で信号電荷の垂直転送を行うようにしたことにより、全画素モードとモニタリングモードで駆動系におけるクロックのタイミングなどを変えなくて良いため、駆動系の構成を簡略化できる。
【００５５】
また、全画素モードだけでなく、モニタリングモードにおいても、各フィールド共、ベイヤー配列の画素情報を得ることができるため、高画質の動画を映し出すことができ、しかも信号処理系を共用化できるため、信号処理系の構成の簡略化も図れる。
【００５６】
さらに、垂直ＣＣＤ１２を６相駆動としたことにより、垂直ＣＣＤ１２の取り扱い電荷量が増加するため、ダイナミックレンジを大きくとれることにもなる。すなわち、第１フィールドの信号電荷の読み出しの場合を例に採って考えると、第１フィールドでは、６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６が図１０に示すタイミング関係にある。すなわち、６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６の内、連続する４つのクロックが常に“Ｈ”レベルの状態にある。
【００５７】
例えば、２相目の垂直転送クロックＶφ２に読み出しパルスＸＳＧが立った直後、即ち信号電荷の読み出し直後では、１相目，６相目の垂直転送クロックＶφ１，Ｖφ６が“Ｌ”レベル、それ以外が“Ｈ”レベルにある。したがって、図１１のポテンシャル図に示すように、垂直転送クロックＶφ２〜Ｖφ５に対応する連続する４転送段分のパケットＰに信号電荷が蓄えられることになるため、垂直ＣＣＤ１２の取り扱い電荷量を増加できるのである。
【００５８】
これを全画素モードおよびモニタリングモードにおける通常モードとした場合に、垂直ＣＣＤ１２に直接に光が混入したり、半導体基板内部で発生した電荷が拡散によって拡がって垂直ＣＣＤ１２に混入することによって発生するスミア成分を低減する低スミアモードを実現することも可能である。以下に、この低スミアモードでの動作について説明する。
【００５９】
この低スミアモードを実現するには、先ず、図１２に示すＣＣＤイメージャにおいて、水平ＣＣＤ１５′の転送段を水平画素数に対して倍密度とした構成を採るとともに、６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６を、図１３に示すタイミング関係とする。すなわち、６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６に対応する６つの転送段がポテンシャルの浅い転送段によって常に２つのパケットに分離されるようにする。
【００６０】
例えば、２相目の垂直転送クロックＶφ２に読み出しパルスＸＳＧが立った直後の期間Ｔ０では、１相目，４相目の垂直転送パルスＶφ１，Ｖφ４が“Ｌ”レベル、それ以外が“Ｈ”レベルにある。したがって、図１４のポテンシャル図に示すように、２相目，３相目の垂直転送クロックＶφ２，Ｖφ３に対応する２転送段分のパケットＰ１と、５相目，６相目の垂直転送クロックＶφ５，Ｖφ６に対応する２転送段分のパケットＰ２とが、４相目の垂直転送パルスＶφ４に対応するポテンシャルの浅い転送段によって分離される。
【００６１】
これら２つのパケットＰ１，Ｐ２には、原理的に、同じ量のスミア成分が発生しているものと考えることができる。そして、２相目の垂直転送クロックＶφ２に読み出しパルスＸＳＧが立つことで、画素からパケットＰ１に対して信号電荷が読み出される。これにより、パケットＰ１には信号成分＋スミア成分の電荷が蓄積され、パケットＰ２にはスミア成分のみの電荷が蓄積される。その結果、垂直ＣＣＤ１２上には、その転送方向において信号成分＋スミア成分の電荷とスミア成分のみの電荷とが交互に存在することになる。
【００６２】
そして、垂直ＣＣＤ１２の転送動作により、例えばスミア成分のみの電荷が１ライン分水平ＣＣＤ１５′にラインシフトされる。このとき、水平ＣＣＤ１５′の転送段が水平画素数に対して倍密度となっていることから、垂直ＣＣＤ１２からラインシフトされたスミア成分のみの電荷は、水平ＣＣＤ１５′において１パケット（１転送段）おきに存在する。このラインシフト後、水平ＣＣＤ１５′を１ビット（１パケット分）シフトする。
【００６３】
その後、次の１ライン分の電荷、即ち信号成分＋スミア成分の電荷が、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５′へラインシフトされる。このとき、水平ＣＣＤ１５′では１ビットシフトが行われた後であることから、信号成分＋スミア成分の電荷は、スミア成分のみの電荷が存在するパケット間の空きパケットに蓄積される。これにより、水平ＣＣＤ１５′上には、スミア成分のみの電荷と信号成分＋スミア成分の電荷とが交互に存在することになる。
【００６４】
これらの電荷は、水平ＣＣＤ１５′によって順次水平転送され、電荷検出部１６で信号電圧に変換された後、図４に示す信号処理回路２５に供給される。この例の場合には、信号処理回路２５は、図１５に示すように、１ビット相当の遅延時間を持つ１ビット遅延回路４１および引き算器４２を有し、引き算器４２において信号成分＋スミア成分の電荷に基づく信号から、１ビット遅延回路４１を経たスミア成分の電荷のみに基づく信号を引き算する処理を行うことで、スミア成分をキャンセルでき、スミアのない信号成分を得ることができる。
【００６５】
なお、本例では、転送段が水平画素数に対して倍密度の水平ＣＣＤ１５′を用いる構成としたが、図１６に示すように、転送段が水平画素数と同じ密度の２本の水平ＣＣＤ１５-1，１５-2を並置した構成を採ることによっても低スミアモードを実現することができる。すなわち、２本の水平ＣＣＤ１５-1，１５-2を並置するとともに、これら水平ＣＣＤ１５-1，１５-2間に水平ＣＣＤ１５-1から水平ＣＣＤ１５-2へ信号電荷を適宜転送するＨＨゲート４３を配置した構成が採られる。
【００６６】
そして、この構成において、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５-1，１５-2への電荷転送の際に、例えばスミア成分のみの電荷が１ライン分水平ＣＣＤ１５-1にラインシフトされ、さらにＨＨゲート４３を通して水平ＣＣＤ１５-2に転送される。続いて、次の１ライン分の電荷、即ち信号成分＋スミア成分の電荷が、垂直ＣＣＤ１２から水平ＣＣＤ１５-1へラインシフトされる。これにより、水平ＣＣＤ１５-1上には信号成分＋スミア成分の電荷が存在し、水平ＣＣＤ１５-2上にはスミア成分のみの電荷が存在することになる。
【００６７】
その後、水平ＣＣＤ１５-1，１５-2が同期して転送駆動されることにより、水平ＣＣＤ１５-1，１５-2の各電荷が並行して水平転送され、電荷検出部１６-1，１６-2で信号電圧に変換された後、図４に示す信号処理回路２５に供給される。この例の場合には、信号処理回路２５は、図１７に示すように、引き算器４４を有し、この引き算器４４において信号成分＋スミア成分の電荷に基づく信号からスミア成分の電荷のみのに基づく信号を引き算する処理を行うことで、スミア成分をキャンセルでき、スミアのない信号成分を得ることができる。
【００６８】
図１８は、本発明の第２実施形態に係る例えばＩＴ方式のカラーＣＣＤイメージャを示す概略構成図である。
【００６９】
図１８において、センサ部（画素）５１が２次元マトリクス状に配列され、これらセンサ部５１の垂直列ごとに複数本の垂直ＣＣＤ５２が配されるとともに、これら垂直ＣＣＤ５２と各センサ部５１との間には読み出しゲート部５３が介在し、さらに複数本の垂直ＣＣＤ５２の各転送先側の端部に隣接して水平ＣＣＤ５５が設けられるとともに、そ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検出部５６が配された基本的な構成は、第１実施形態に係るＣＣＤイメージャ１０の場合と同じである。
【００７０】
ただし、本実施形態に係るＣＣＤイメージャ５０は、垂直ＣＣＤ５２が３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３によって３相駆動される構成となっている。この３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３および水平ＣＣＤ５５を駆動する２相の水平転送クロックＨφ１，Ｈφ２などは、タイミングジェネレータ（ＴＧ）５７で生成される。このＣＣＤイメージャ５０においても、例えば図３に示す原色ベイヤー配列のカラーフィルタが搭載されている。
【００７１】
図１９は、１つのセンサ部５１、それに対応する垂直ＣＣＤ５２の転送段および読み出しゲート部５３からなるユニットセル５４の構造の第１具体例を示す平面パターン図である。
【００７２】
図１９において、垂直ＣＣＤ５２の転送チャネル６１の上方には、３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３がそれぞれ与えられる転送電極６２-1〜６２-3が、１画素につき１電極の割合で垂直転送方向において順に繰り返して配置されている。これらの転送電極６２-1〜６２-3は、１層目のポリシリコン（図中、一点鎖線で示す）と２層目のポリシリコン（図中、二点鎖線で示す）によって交互に形成されている。なお、図中、ハッチングで示す領域はチャネルストップ部６３である。
【００７３】
上記構成の第２実施形態に係るＣＣＤイメージャ５０においても、垂直２繰り返しのカラーコーディングに対して垂直ＣＣＤ５２が３相駆動であり、先述した駆動条件を満足することから、３：１のインターレースを行うことによって１フレームを３フィールドで構成することにより、６相駆動の場合と同様にして、全画素モードとモニタリングモードを実現することができる。
【００７４】
さらに、第２実施形態に係るＣＣＤイメージャ５０において、ユニットセルの第１具体例では、各画素が１つの転送電極で構成されるユニットセル構造としたことにより、各画素が２つの転送電極で構成される６相駆動の場合よりも、セル構造が簡単になるため、デバイスの微細化に有利となる。
【００７５】
図２０は、ユニットセル構造の第２具体例を示す平面パターン図である。図２０において、垂直ＣＣＤ５２の転送チャネル６４の上方には、３相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ３がそれぞれ与えられる転送電極６５-1〜６５-3が、１画素につき１電極の割合で垂直転送方向において順に繰り返して配置され、これらの転送電極６５-1〜６５-3は１層のポリシリコンによって順に形成されている。なお、図中、ハッチングで示す領域はチャネルストップ部６６である。
【００７６】
このように、ユニットセルの第２具体例では、１画素につき１電極の割合で配される転送電極６５-1〜６５-3を１層のポリシリコンによって形成したことにより、第１具体例の場合と同様の効果が得られることに加え、第１具体例の場合に比べて電極形成に際しての工程数を削減できる利点がある。
【００７７】
なお、上記各実施形態においては、カラーフィルタとして、原色ベイヤー配列のものを用いた場合について説明したが、カラーコーディングは原色ベイヤー配列に限られるものではなく、例えば補色ベイヤー配列であっても良い。要は、行（垂直）方向において同一の色がｎ繰り返し（ｎは２以上の整数）のものであれば、（ｎ＋１）：１のインターレースを行うことにより１フレームを（ｎ＋１）フィールドにより構成するとともに、（ｎ＋１）×ｍ相（ｍは自然数）のクロックによって信号電荷の垂直転送を行うことにより、全画素モードとモニタリングモードを実現できることになる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、行列状に配置された画素に対して行方向において同じ色がｎ画素ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを備えた固体撮像装置において、（ｎ＋１）：１のインターレースを行って１フレームを（ｎ＋１）フィールドで構成し、（ｎ＋１）×ｍ相のクロックによって信号電荷の垂直転送を行うようにしたことにより、全画素モードとモニタリングモードで駆動系におけるクロックのタイミングなどを変えなくて良いため駆動系の構成を簡略化でき、また全画素モードだけでなく、モニタリングモードにおいても、各フィルタ共ベイヤー配列の画素情報を得ることができるため高画質の動画を映し出すことができ、しかも信号処理系を共用化できるため信号処理系の構成の簡略化も図れることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＩＴ方式のカラーＣＣＤイメージャを示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るユニットセル構造の一例を示す平面パターン図である。
【図３】２×２繰り返しの原色ベイヤー配列を示す図である。
【図４】本発明に係るカメラシステムを示す概略構成図である。
【図５】信号処理回路の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
【図６】全画素モードの動作説明のためのタイミングチャートである。
【図７】画素情報の読み出し手順を示す概念図である。
【図８】モニタリングモードの第１具体例の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図９】モニタリングモードの第２具体例の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図１０】通常モードでの６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６のタイミングチャートである。
【図１１】通常モードでの垂直ＣＣＤの各転送段のポテンシャル図である。
【図１２】低スミアモード対応のＣＣＤイメージャの一例を示す概略構成図である。
【図１３】低スミアモードでの６相の垂直転送クロックＶφ１〜Ｖφ６のタイミングチャートである。
【図１４】低スミアモードでの垂直ＣＣＤの各転送段のポテンシャル図である。
【図１５】低スミアモード対応の信号処理回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図１６】低スミアモード対応のＣＣＤイメージャの他の例を示す概略構成図である。
【図１７】低スミアモード対応の信号処理回路の構成の他の例を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係るＩＴ方式のカラーＣＣＤイメージャを示す概略構成図である。
【図１９】第２実施形態に係るユニットセル構造の一例を示す平面パターン図である。
【図２０】第２実施形態に係るユニットセル構造の他の例を示す平面パターン図である。
【符号の説明】
１０，５０…カラーＣＣＤイメージャ、１１，５１…センサ部、１２，５２…垂直ＣＣＤ、１４，５４…ユニットセル、１５，１５′，１５-1，１５-2，５５…水平ＣＣＤ、１６，１６-1，１６-2，５６…電荷検出部、１７，５７…タイミングジェネレータ、１９…カラーフィルタ、２４…メカシャッター、２５…信号処理回路、２６…画像記録装置、２７…画像表示装置、２８…タイミングコントローラ、２９…モード設定部

Claims (11)

1. 行列状に配置された画素に対して行方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタと、
   （ｎ＋１）：１のインターレースを行って１フレームを（ｎ＋１）フィールドで構成し、（ｎ＋１）×ｍ相（ｍは自然数）のクロックによって信号電荷の垂直転送を行う駆動系と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記駆動系は、垂直転送に際して、信号成分＋スミア成分の電荷と、スミア成分のみの電荷とを独立に転送駆動する
   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２記載の固体撮像装置において、
   列方向の画素数に対して倍密度の転送段を持つ水平転送部を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項２記載の固体撮像装置において、
   列方向の画素数に対して同密度の転送段を持ち、かつ互いに並置された２本の水平転送部と、この２本の水平転送部間において電荷の転送を選択的に行う転送ゲートとを有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 前記駆動系が３相駆動であり、１つの画素につき１つの転送電極が割り当てられたユニットセル構造を持つ
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記転送電極が２層のポリシリコンで形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記転送電極が１層のポリシリコンで形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
8. 行列状に配置された画素に対して行方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
   （ｎ＋１）：１のインターレースを行って１フレームを（ｎ＋１）フィールドて構成し、（ｎ＋１）×ｍ相（ｍは自然数）のクロックによって信号電荷の垂直転送を行う
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
9. （ｎ＋１）倍のモニタリングモードにおいて、（ｎ＋１）フィールドのうちの、いずれか１つのフィールドの画素情報のみを繰り返して読み出して動画を表示する
   ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の駆動方法。
10. （ｎ＋１）倍のモニタリングモードにおいて、（ｎ＋１）フィールドの画素情報を順に読み出して動画を表示する
    ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の駆動方法。
11. 行列状に配置された画素に対して行方向において同じ色がｎ画素（ｎは２以上の整数）ごとに繰り返して配列されたカラーコーディングのカラーフィルタを有し、（ｎ＋１）：１のインターレースを行って１フレームを（ｎ＋１）フィールドで構成し、（ｎ＋１）×ｍ相（ｍは自然数）のクロックによって信号電荷の垂直転送を行う固体撮像装置と、
    被写体からの入射光を前記固体撮像装置の撮像面上に選択的に取り込むメカニカルシャッターと、
    全画素モードとモニタリングモードとを選択的に設定するモード設定部と、
    前記モード設定部で設定された撮像モードに応じて前記固体撮像装置のタイミング制御および前記メカニカルシャッターの開閉制御を行うタイミングコントローラと、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、
    前記信号処理回路で処理された信号に基づく画像情報を記録媒体に記録する画像記録装置と、
    前記信号処理回路で処理された信号に基づく画像情報をモニターに表示する画像表示装置と
    を備えたことを特徴とするカメラシステム。

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