固体撮像装置及び撮像装置
【課題】垂直転送部における転送効率劣化による縦線などの画像不良を低減することが可能な固体撮像装置及び撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像装置は、垂直転送部２と水平転送部４と駆動制御部７とを備え、垂直転送部２は複数の垂直転送部２をグループとして有し、駆動制御部７は、出力によって、垂直転送部２、動画部２２、および水平転送部４のタイミングを変更して、垂直転送部内で発生した取り残し電荷を再転送する駆動、回収する駆動および通常の駆動を選択し、低照度から高照度までの領域で常に転送効率が最大になるように制御する。
【解決手段】本発明の固体撮像装置は、垂直転送部２と水平転送部４と駆動制御部７とを備え、垂直転送部２は複数の垂直転送部２をグループとして有し、駆動制御部７は、出力によって、垂直転送部２、動画部２２、および水平転送部４のタイミングを変更して、垂直転送部内で発生した取り残し電荷を再転送する駆動、回収する駆動および通常の駆動を選択し、低照度から高照度までの領域で常に転送効率が最大になるように制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像装置及びカメラ等の撮像装置に関し、特に、電荷垂直転送技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、１０００万画素超まで固体撮像装置の高画素化が進み、銀塩写真なみの静止画を撮影したり、動画を撮影したりすることが可能になっている。この高画素化に伴い、固体撮像装置の単位画素サイズのピッチは２μｍ未満となり、更に微細化が進行している。以下、電荷転送（ＣＣＤ）型固体撮像装置を例にとって、従来の固体撮像装置の構成とその駆動方法について説明する。
【０００３】
従来の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数のフォトダイオードと、フォトダイオードから読み出された信号電荷を転送するための垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへ電荷を振り分ける動画配線部と、電荷を水平方向に読み出す水平ＣＣＤと、電荷を電圧に変換する出力アンプを備えている。
このような構成を有する従来の固体撮像素子において、画素サイズの縮小に伴って、静止画（全画素）出力時に垂直、水平を分割して出力する方法が一般的になってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−０７６７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
先述のとおり、従来においては、垂直および水平の読み出しが分割される駆動の採用により、垂直ＣＣＤでは１画素の電荷を転送するゲート電極数が増加して垂直電荷転送能力が向上、また、水平ＣＣＤではゲート電極の設計余裕度の向上が図られた。
一方、１画面を形成するために、信号電荷を読み出し転送する回数が増加し、垂直ＣＣＤでの転送スピードをあげる必要がでてきた。また、画素サイズが縮小され、垂直ＣＣＤ電極内にポテンシャル勾配を設けるのが難しくなってきた。
【０００６】
このような、垂直ＣＣＤの高速化、低ポテンシャル勾配は、電荷転送効率の劣化につながり、低照度から高照度における縦線発生の原因となっている。
そこで、本発明は、垂直、水平が分割されて読み出された場合において、垂直ＣＣＤを高速化しても、低照度から高照度の領域において、転送効率劣化による縦線のない良質な画像を得ることができる固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る固体撮像装置は、行列状に配列された複数の光電変換部と、光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、垂直転送部及び水平転送部による電荷転送を制御する駆動制御部とを備える。そして、駆動制御部は、垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を、少なくとも1回以上連続で転送できるよう駆動制御することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る固体撮像装置は、上記構成において、駆動制御部による駆動制御において、垂直転送部にて1回の電荷転送にて取り残された電荷を少なくとも１つ以上の電荷回収パケットを作って電荷転送し、垂直転送部もしくは水平転送部にて取り残した元の電荷パケットに合流できるように駆動制御するか否かが決定されることを特徴とする。
また、本発明に係る撮像装置は、行列状に配列された複数の光電変換部と、光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、垂直転送部及び水平転送部による電荷転送を制御し、垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を、少なくとも１回以上連続で転送できるよう駆動制御する駆動制御部と、外部からの指示及び水平転送部からの出力の少なくとも何れかに基づいて、垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を少なくとも１つ以上の電荷回収パケットを作って電荷転送し、垂直転送部もしくは水平転送部にて取り残したもとの電荷パケットに合流できるように駆動制御するかの何れにするかを決定する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低照度から高照度の領域まで、垂直CCDの転送効率劣化がない状態が作れ、転送効率劣化による縦線のない良質な画像を実現することができる。また、近年、画素サイズが縮小され、電極内にポテンシャルの傾斜を作ることが難しくなる傾向にあり、本発明はそのような状況において、非常に有効な手段である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の電極構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法を模式的に示すタイミング図である。
【図４】従来の技術に基づく第１の方法による固体撮像装置のＨレート期間の駆動方法を模式的に示すタイミング図である。
【図５】従来の技術に基づく第１の方法による固体撮像装置の駆動に際しての電荷転送時のポテンシャル状態と転送電荷を模式的に示す模式図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における第２の方法による固体撮像装置のＨレート期間の駆動方法を示すタイミング図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における第２の方法による固体撮像装置の駆動に際しての垂直転送部での電荷転送時のポテンシャル状態と転送電荷を模式的に示す模式図である。
【図８】特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法によるＨレート期間の駆動方法を模式的に示すタイミング図である。
【図９】特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法によるＨレート期間の駆動に際しての垂直転送部での電荷転送時のポテンシャル状態と転送電荷を模式的に示す模式図である。
【図１０】従来の技術に基づく第１の方法、本発明の第１の実施の形態の第２の方法、および特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法による固体撮像装置の駆動方法で出力８ｍＶのときの垂直転送効率を測定した結果を示した図である。
【図１１】従来の技術に基づく第１の方法、本発明の第１の実施の形態の第２の方法、および特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法による固体撮像装置の駆動方法で出力２５ｍＶのときの垂直転送効率を測定した結果を示した図である。
【図１２】従来の技術に基づく第１の方法、本発明の第１の実施の形態の第２の方法、および特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法による固体撮像装置の駆動方法で出力２００ｍＶのときの垂直転送効率を測定した結果を示した図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態におけるカメラの構成を模式的に示すブロック図である。
【図１４】変形例に係るＣＣＤ型固体撮像装置の平面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態における固体撮像装置及び撮像装置（カメラ）について、図面を参照して具体的に説明する。
［第１の実施の形態］
１．固体撮像装置の概略構成
まず、本発明の実施の形態における固体撮像装置について、図１を用い説明する。図１は、本実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、複数のフォトダイオード１および複数の垂直転送部２からなる撮像部３、水平転送部４、出力部６、並びに駆動制御部７を備える。
複数のフォトダイオード１は、そのそれぞれが本発明の光電変換部の一例であり、撮像部３において行列状に配列される。
【００１３】
複数の垂直転送部２は、それぞれがフォトダイオード１の列に対応してＹ軸方向に延伸する状態で設けられ、対応するフォトダイオード１に蓄えられた信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を水平転送部４に向け、垂直方向（Ｙ軸方向）に転送する。
本実施の形態における固体撮像装置では、複数の垂直転送部２において、３つの垂直転送部２を１つのグループとする複数のグループを有し、このグループが水平方向（Ｘ軸方向）に繰り返して設けられている。同一のグループ内の垂直転送部２のそれぞれは、グループ内で共通（グループ内の他の第１転送部２１と共通）の駆動電圧の供給を受けて信号電荷を垂直方向に転送する第１転送部２１と、該第１転送部２１に対応して設けられ、グループ内で独立（グループ内の他の第１転送部２１に対して独立）の駆動電圧の供給を受けて対応する第１転送部２１から水平転送部４に信号電荷を転送する第２転送部２２とを有する。
【００１４】
垂直転送部２は、１つの転送電極（図示を省略）に対応して設けられ、対応する前記転送電極への転送パルス（駆動電圧）に応じてポテンシャルのバリア領域又はウェル領域として動作する複数の電荷転送段から構成される。
第１転送部２１は、異なる転送パルス（φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４、φＶ５及びφＶ６）が供給される６段の電荷転送段を含み、第２転送部２２は垂直転送部２を構成する電荷転送段のうちの水平転送部４の直前に位置する最終の電荷転送段で構成される。電荷転送段のそれぞれは、転送パルスが供給される１つの電極と、該電極の下方に形成された半導体基板の不純物領域とから構成される。
【００１５】
水平転送部４は、垂直転送部２から転送された信号電荷を水平方向（Ｘ軸方向左側）へ転送する。水平転送部４は異なる転送パルス（φＨ１、φＨ２及びφＨ３）が供給される３段の電荷転送段を含む。
駆動制御部７は、垂直転送部２及び水平転送部４による電荷転送を制御する。具体的に、駆動制御部７は、第１転送部２１の垂直転送電極に６相の転送パルスφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４、φＶ５及びφＶ６を供給して第１転送部２１を駆動する。そして、駆動制御部７は、第２転送部２２の垂直最終段電極に７種類の転送パルスφＶ７、φＶ７Ｒ、φＶ７Ｌ、φＶ８、φＶ８Ｒ、φＶ８Ｌ及びφＶ９を供給して第２転送部２２を駆動する。また、駆動制御部７は、水平転送部４の水平転送電極に３相の水平転送パルスφＨ１、φＨ２及びφＨ３を供給して水平転送部４を駆動する。
【００１６】
駆動制御部７は、第１転送部２１が、バリア領域で区切られるウェル領域で転送される信号電荷であるパケットを転送した後、水平方向へのパケットの転送が行われる期間でパケットの転送を停止し、第２転送部２２が、同一のグループ内の異なる第１転送部２１により転送されたパケットを異なるタイミングで水平転送部４に転送し、水平転送部４が、異なるタイミングで転送されたパケットを異なる期間で水平方向に転送し、異なる期間のそれぞれで、第１転送部２１のパケットを形成するウェル領域として動作する電荷転送段
が異なるように垂直転送部２による電荷転送を制御する。
【００１７】
このとき、駆動制御部７は、第１転送部２１が、上記異なる期間の間で第１転送部２１のパケットを第２転送部２２に向かって転送するように垂直転送部２による電荷転送を制御する。
２．固体撮像装置の電極構成
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置の電極構成について、図２を用い説明する。図２は、本実施の形態における固体撮像装置の電極構成を模式的に示す図である。
【００１８】
図２に示すように、第１転送部２１においては、垂直転送電極は１つのフォトダイオード１に対して２電極が形成されており、垂直転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５及びＶ６の６電極を１単位としてこれが繰り返し配置されている。これらの垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ６には転送パルスφＶ１〜φＶ６が印加され、パケットを水平転送部４に向けて転送する。
【００１９】
第２転送部２２においては、垂直最終段電極Ｖ７、Ｖ７Ｒ、Ｖ７Ｌ、Ｖ８、Ｖ８Ｒ、Ｖ８Ｌ及びＶ９が形成され、これらの垂直最終段電極Ｖ７〜Ｖ９には転送パルスφＶ７、φＶ７Ｒ、φＶ７Ｌ、φＶ８、φＶ８Ｒ、φＶ８Ｌ、φＶ９が印加される。
水平転送部４においては、３種類の転送電極Ｈ１、Ｈ２及びＨ３が形成され、これらの転送電極Ｈ１〜Ｈ３には３相の水平転送パルスφＨ１〜φＨ３が印加されるが、水平転送におけるパケットはこの転送電極Ｈ１〜Ｈ３に対して１パケットが形成されるため、垂直転送部２の３列に対して独立して１パケットを転送することができる。このため、垂直転送部２を転送された１行分の信号電荷は、第２転送部２２にて３回に割り振られて水平転送部４に転送され、３回に分けて水平転送されて出力部６から出力される。
【００２０】
３．固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法について、図３から図９を用い説明する。
（ａ）第１の方法による駆動
従来の技術に基づく第１の方法による、固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法について、図３から図５を用い説明する。図３は従来の技術に基づく第１の方法による固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法を示すタイミング図である。図４は、従来の技術に基づく第１の方法による図３のＶレート期間のタイミングのＨレート期間を拡大したタイミング図である。また、図５は、図４のタイミングチャートに対応した従来の駆動における電荷転送をポテンシャル図と転送電荷を模式的に示したものである。
【００２１】
図３に示すように、固体撮像装置の駆動においては、垂直転送部（第１転送部）２１、垂直転送部（第２転送部）２２及び水平転送部４に対して、転送パルスφＶ１〜φＶ６、φＶ７Ｌ／Ｒ、φＶ８Ｌ／Ｒ、φＶ９、φＨ１〜φＨ３が順次印加される。そして、図３に示すタイミングチャートにおいて、Ｈレート期間Ａが含まれる。
ここで、従来の技術に基づく第１の方法による駆動では、フォトダイオードから読み出された信号電荷は、垂直転送部２１を図４のタイミングでφＶ１からφＶ６の繰り返し電極を駆動して転送される。この例では、繰り返しの６電極中、３電極で電荷を蓄積し、転送は３電極蓄積と２電極蓄積を繰り返しながら行う。
【００２２】
具体的には、図４に示すように、転送パルスφＶ１は、タイミングｔ１までＨｉｇｈ（Ｈ）レベルであり、タイミングｔ２からタイミングｔ８までの期間にＬｏｗ（Ｌ）レベル、タイミングｔ９からは再度Ｈレベルに設定される。転送パルスφＶ２は、タイミングｔ３までＨレベルであり、タイミングｔ４からタイミングｔ１０までの期間にＬレベル、その後は再度Ｈレベルに設定される。同様に、転送パルスφＶ３は、タイミングｔ５まではＨレベルであり、タイミングｔ６から一定の期間、Ｌレベルとされ、その後、再度Ｈレベルに設定される。
【００２３】
一方、図４に示すように、転送パルスφＶ４は、タイミングｔ２までＬレベルであり、タイミングｔ３からタイミングｔ７までの期間にＨレベル、タイミングｔ８からは再度Ｈレベルに設定される。転送パルスφＶ５は、タイミングｔ４までＬレベルであり、タイミングｔ５からタイミングｔ９までの期間にＨレベル、タイミングｔ１０からは再度Ｈレベルに設定される。転送パルスφＶ６も、タイミングｔ４までＬレベルであり、タイミングｔ５から一定の期間、Ｈレベルとされ、その後、再度Ｈレベルに設定される。
【００２４】
図５（ａ）から図５（ｅ）に示すように、タイミングｔ１における電荷蓄積状態のポテンシャルからタイミングｔ２、タイミングｔ３と電荷転送されるに従って、信号電荷が取り残される（丸印Ｂ１〜丸印Ｂ４）。具体的には、転送パルスφＶ１がＬレベルとされたタイミングｔ２において、図５（ｂ）に示すように、電極Ｖ１に相当する箇所のポテンシャルが変化する。このとき、丸印Ｂ１の部分に示すように、一部の信号電荷が取り残される。そして、転送パルスφＶ４がＨレベルとされ、電極Ｖ４に相当する箇所のポテンシャルが変化するタイミングｔ３においても、Ｖ１電極に電荷が取り残された状態が維持される（丸印Ｂ２）。同様に、転送パルスφＶ２、φＶ３、φＶ５、φＶ６の印加によるポテンシャルが変化する以後のタイミングｔ３〜においても、図５（ｃ）から図５（ｍ）に示すように、取り残された信号電荷は、時間の経過によっても、そのまま取り残されることになる。これが、垂直転送部の転送効率劣化の原因となり、垂直転送部２１のバラツキによりライン毎に転送効率が異なり、縦線として画像に現れる。
（ｂ）本実施の形態における第２の方法によるＨレート期間の駆動
次に、本実施の形態における第２の方法による固体撮像装置の駆動の内、Ｈレート期間の駆動について、図６及び図７を用い説明する。図６は、本実施の形態における第２の方法による固体撮像装置の駆動の内、Ｈレート期間を拡大したタイミングである。また、図７は、本実施の形態における第２の方法による固体撮像装置の駆動の際の、垂直転送部の電荷転送時のポテンシャルと電荷を模式的に示した図である。
【００２５】
なお、以下の説明においては、図３から図５に示す従来の技術における駆動との差異を中心に説明する。
図６に示すように、本実施の形態における第２の方法による駆動では、転送パルスφＶ１をタイミングｔ２でＬレベルとした後、タイミングｔ３で一旦Ｈレベルへと戻す。そして、タイミングｔ４で再度Ｌレベルとする。その後については、図４に示したのと同様の波形を採る。同様に、転送パルスφＶ２〜φＶ６についても、ＨレベルからＬレベル、あるいは、ＬレベルからＨレベルへと変化させた後、一旦、もとの状態（信号電荷が取り残される前の電荷パケット）に戻し、その後に、完全に電荷転送を行うという操作を行っている。
【００２６】
以上のような操作を実行する本実施の形態における第２の方法による駆動では、図７（ｂ）に示すように、転送パルスφＶ１をＬレベルにすることで電極Ｖ１に相当する箇所に取り残された信号電荷を（丸印Ｃ１）、一旦、転送パルスφＶ１をＨレベルへと一旦戻すことにより、図７（ｃ）に示すように、信号電荷が取り残される前の電荷パケットに戻すことができる（矢印Ｃ２）。そして、タイミングｔ３において、取り残された信号電荷を電荷パケットに戻すことで、図７（ｄ）及び図７（ｅ）に示すように、その後のタイミングｔ４、ｔ５における垂直転送部での転送効率の劣化を抑制することができる。
【００２７】
同様に、図７（ｆ）に示すように、転送パルスφＶ２をＬレベルにすることで電極Ｖ２に相当する箇所に取り残された信号電荷を（丸印Ｃ３）、一旦、転送パルスφＶ２をＨレベルへと一旦戻すことにより、図７（ｇ）に示すように、信号電荷が取り残される前の電荷パケットに戻すことができる（矢印Ｃ４）。そして、タイミングｔ７において、取り残された信号電荷を電荷パケットに戻すことで、図７（ｈ）及び図７（ｉ）に示すように、その後のタイミングにおける垂直転送部での転送効率の劣化を抑制することができる。
【００２８】
そして、その後の駆動においても、上記同様の操作を実行することにより、図７（ｊ）及び図７（ｋ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｃ５）を、もとの電荷パケットに戻し（矢印Ｃ６）、図７（ｎ）及び図７（ｏ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｃ７）を、もとの電荷パケットに戻し（矢印Ｃ８）、図７（ｒ）及び図７（ｓ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｃ９）を、もとの電荷パケットに戻し（矢印Ｃ１０）、図７（ｖ）及び図７（ｗ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｃ１１）を、もとの電荷パケットに戻す（矢印Ｃ１２）。
【００２９】
以上のように、本実施の形態における第２の方法による駆動においては、従来の駆動タイミングとは異なり、例えば、電極に相当する箇所に取り残された信号電荷を、取り残される前の電荷パケットに戻し、その後に完全に電荷転送する。これにより、上記従来の駆動（第１の方法による駆動）に比べて垂直転送部にて信号電荷の取り残しがない転送効率のよい電荷転送を実現することができる。
（ｃ）特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法によるＨレート期間の駆動
次に、特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法による駆動の内、Ｈレート期間の駆動について、図８及び図９を用い説明する。図８は、特許文献１に開示された技術に基づく第３の方法による駆動でのＨレート期間の駆動タイミングであり、図９は、特許文献１に開示された技術に基づく第３の方法による駆動での垂直転送部の電荷転送時のポテンシャルと電荷を模式的に示した図である。
【００３０】
図８に示すように、転送パルスφＶ１は、タイミングｔ１までＨレベルであり、タイミングｔ２からタイミングｔ６までの間がＬレベルに設定される。転送パルスφＶ２は、タイミングｔ３までＨレベルであり、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間がＨレベルに設定される。転送パルスφＶ３は、タイミングｔ５までがＨレベルであり、タイミングｔ６から一定の期間がＬレベルに設定される。
【００３１】
一方、転送パルスφＶ４は、タイミングｔ２までＬレベルであり、タイミングｔ３から一定の期間がＨレベルに設定される。転送パルスφＶ５は、タイミングｔ４までＬレベルであり、タイミングｔ５から一定の期間がＨレベルに設定される。転送パルスφＶ６についても、一定の期間がＨレベルに設定される。
以上のように、第３の方法による駆動においては、タイミングｔ１からタイミングｔ６までは、上記従来の技術による駆動方法と変わらないが、タイミングｔ７においてＶ１電極をオン（Ｈレベルに）して取り残した信号電荷を回収し、その後のタイミングｔ２３において回収した電荷をもとのパケットに合流させることで、垂直の転送効率を改善できる。
【００３２】
具体的には、図９（ｂ）から図９（ｆ）に示すように、各箇所に取り残された信号電荷を（丸印Ｄ１〜Ｄ５）、図９（ｇ）及び図９（ｈ）に示すように、回収し（矢印Ｄ６、Ｄ７）、また、図９（ｋ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｄ８）、図９（ｌ）に示すように、回収する（矢印Ｄ９）。そして、図９（ｗ）に示すように、タイミングｔ２３において、回収した信号電荷をもとの電荷パケットに合流させる（矢印Ｄ１０）。
【００３３】
４．効果
上記項目（ａ）に示す従来の技術における駆動（第１の方法による駆動）と、上記項目（ｂ）に示す第２の方法による駆動と、上記項目（ｃ）に示す第３の方法による駆動との各転送効率について、図１０から図１２を用い説明する。図１０は、垂直転送部の信号電荷が８ｍＶ出力のときの、各転送効率を示し、図１１は、垂直転送部の信号電荷が２５ｍＶのときの、各転送効率を示し、図１２は、垂直転送部の信号電荷が２００ｍＶのときの、各転送効率を示す。
【００３４】
先ず、図１０に示すように、上記項目（ａ）に示す第１の方法による駆動（通常駆動）では、転送効率が略９３％となっているのに対し、上記項目（ｃ）に示す第３の方法による駆動（回収駆動）では、転送効率が略９９％となっており、上記（ｂ）に示す第２の方法による駆動（再転送駆動）では、転送効率が略１００％となっている。このように、垂直転送部の信号電荷が８ｍＶの低照度時の撮影に際しては、本発明の実施の形態における第２の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）が、通常駆動（上記項目（ａ）に示す方法）、特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す方法）に比べて一番転送効率が良い。
【００３５】
次に、図１１に示すように、垂直転送部の信号電荷が２５ｍＶ出力のときにおいては、通常駆動（上記項目（ａ）に示す第１の方法）の転送効率が９８％となっているのに対して、本発明の実施の形態における第２の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）、及び特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す第３の方法）での各転送効率が略１００％となっている。このように、垂直転送部の信号電荷が２５ｍＶの時の撮影に際しては、本発明の実施の形態における第２の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）と特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す第３の方法が略同等の転送効率で、通常駆動（上記項目（ａ）に示す第１の方法）よりも良い結果である。
【００３６】
次に、図１２に示すように、垂直転送部の信号電荷が２００mＶ出力のときにおいては、従来駆動（上記項目（ａ）に示す第１の方法）、及び本発明の実施の形態における第１の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）の転送効率が、略９９％となっており、特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す第３の方法）の転送効率が１００％となっている。このように、垂直転送部の信号電荷が２００ｍＶの高照度時の撮影に際しては、特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す第３の方法）が、通常駆動（上記項目（ａ）に示す第１の方法）、本発明の実施の形態における第２の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）に比べて、一番転送効率が良い。
【００３７】
以上より、本発明の実施の形態における駆動（上記項目（ｂ）に示す第２の方法）は、２５mＶ以下の低照度時の撮像時に非常に有効であり、高ＩＳＯのカメラが求められる現状においては、非常に有効な駆動である。図１０から図１２に示す結果から、信号出力により最適な駆動方法が存在することがわかる。
以上、図面を用いて説明したように、固体撮像装置の駆動においては、垂直ＣＣＤにおいて転送効率劣化で取り残された電荷を、転送パケットとは別に電荷回収用のパケットを設けて水平ＣＣＤなどで電荷を合流させて転送効率劣化を防止する方法が提案されている。また、回収駆動とは別に取り残された電荷を再転送し、元の電荷転送パケットに転送毎に戻す方法もある。これらの転送効率改善の駆動は、信号量によって効果に違いがある。
【００３８】
本発明の実施の形態では、この信号量によって効果の違うそれぞれの転送方法を、信号量によって使い分けることで、低照度から高照度まで転送効率劣化による縦線のないが良質な画像を得ることを可能にする。
図１０、図１１、及び図１２に通常駆動（第１の方法による駆動）、回収駆動（第３の方法による駆動）、再転送駆動（第２の方法による駆動）の転送効率の結果を示したが、 低照度においては再転送駆動が一番転送効率がよいが、信号が増加して高照度になった場合は回収駆動の方が転送効率がよくなる。
【００３９】
一方、このような転送効率を改善する駆動は、転送のステップ数が増加して、スチル画像のフレームレートの低下、消費電力の増加などのデメリットもある。
本発明の実施の形態では、このようなそれぞれの駆動のメリット、デメリットを考慮して、低照度では再転送駆動（第２の方法による駆動）、一番使うことの多い中照度ではフレームレートの低下、消費電力の増加を抑制できる通常駆動（第１の方法による駆動）もしくは一番転送効率のよい回収駆動（第３の方法による駆動）を使うよう、信号出力に合わせて使い分け、転送効率劣化による縦線のない良質な画像を得る。
【００４０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態である撮像装置（カメラ）について、図１３を用い説明する。図１３は、本実施の形態のカメラの構成を模式的に示すブロック図である。
図１３に示すように、本実施の形態のカメラは、レンズ９０と、上記第１の実施の形態に係る固体撮像装置と同様の構成を有する固体撮像装置９１と、信号処理部９３と、外部インターフェイス部９４とから構成される。
【００４１】
上記構成を有するカメラにおいて、外部に信号が出力されるまでの処理は以下のような順序に沿って行われる。
（１）レンズ９０を光が通過し、固体撮像装置９１に入る。
（２）信号処理部９３は、固体撮像装置９１を駆動し、固体撮像装置９１からの出力信号を取り込む。
【００４２】
このとき、信号処理部９３は、カメラ外部からの指示及び固体撮像装置９１からの出力の少なくともいずれかに基づいて、本発明の再転送駆動、特許文献１の回収駆動および従来駆動のいずれにするかを決定し、駆動制御部７を制御する。
例えば、信号処理部９３は、ユーザにより高ＩＳＯ感度での高ゲイン状態が設定されている場合（暗い被写体を撮影する場合）には、上記本発明の実施の形態の第１の方法による駆動方法で垂直転送部の転送が行われ、低ＩＳＯ感度での低ゲイン状態が設定されている場合（明るい被写体を撮影する場合）には第３の方法による駆動方法で垂直転送部の転送が行われるように駆動制御部７を制御する。
【００４３】
（３）信号処理部９３で処理した信号が、外部インターフェイス部９４を通して外部に出力される。
以上のように本実施の形態のカメラによれば、転送効率劣化による縦線が低減された固体撮像装置９１からデータが出力される。よって、本実施の形態のカメラは、優れた画質での撮像を実現することができる。
【００４４】
また、本実施の形態のカメラによれば、信号処理部９３が撮像シーン、信号電荷量やカメラのゲイン設定に応じて駆動制御部７の転送パルスを制御することにより、低照度から高照度の領域まで転送効率劣化による縦線のない画像を得ることができる。
［その他の事項］
以上、本発明に係る固体撮像装置及び撮像装置について、第１、第２の実施の形態で一例を説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、これらの実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。
【００４５】
例えば、上記実施の形態において、水平転送期間中にパケットを保持する垂直転送電極数
は２電極又は４電極であるとしたが、この電極数に限られない。
また、上記実施の形態において、第１転送部２１は異なる転送パルスが供給される６段の電荷転送段を含むとしたが、上記実施の形態のパケット転送が適用可能な転送部、つまり４段以上の電荷転送段を含む転送段であればこれに限られない。
【００４６】
例えば、図１４に示すように、第１転送部２１は異なる転送パルスが供給される４段の電荷転送段を含んでいてもよい。図１４に示すように、ｎ型基板１０７には、複数のフォトダイオード１０１が行列状に配列されており、各列間に垂直転送部１０２が形成されている。垂直転送部１０２の下端には、水平転送部１０４が設けられ、その転送方向下流側に電荷検出部１０５及び出力アンプ１０６が設けられている。
【００４７】
垂直転送部１０２の転送電極及び水平転送部１０４の転送電極に対しては、タイミング発生回路１０８から転送パルスφＶ１〜φＶ４、φＨ１、φＨ２が出力されるようになっている。そして、図１４に示す構成では、垂直転送部１０２の第１転送部が異なる転送パルスが供給される４段の電荷転送段を含む構成とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、固体撮像装置及び撮像装置に好適であり、特に一体型ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及び医療用内視鏡のイメージセンサに好適である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１０１． フォトダイオード
２、１０２． 垂直転送部
３． 撮像部
４、１０４． 水平転送部
６． 出力部
７． 駆動制御部
２１． 第１転送部
２２． 第２転送部
９０． レンズ
９１． 固体撮像装置
９３． 信号処理部
９４． 外部インターフェイス部
１０３． 撮像領域
１０５． 電荷検出部
１０６． 出力アンプ
１０７． ｎ型基板
１０８． タイミング発生回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像装置及びカメラ等の撮像装置に関し、特に、電荷垂直転送技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、１０００万画素超まで固体撮像装置の高画素化が進み、銀塩写真なみの静止画を撮影したり、動画を撮影したりすることが可能になっている。この高画素化に伴い、固体撮像装置の単位画素サイズのピッチは２μｍ未満となり、更に微細化が進行している。以下、電荷転送（ＣＣＤ）型固体撮像装置を例にとって、従来の固体撮像装置の構成とその駆動方法について説明する。
【０００３】
従来の固体撮像装置は、２次元状に配列された複数のフォトダイオードと、フォトダイオードから読み出された信号電荷を転送するための垂直ＣＣＤと、垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへ電荷を振り分ける動画配線部と、電荷を水平方向に読み出す水平ＣＣＤと、電荷を電圧に変換する出力アンプを備えている。
このような構成を有する従来の固体撮像素子において、画素サイズの縮小に伴って、静止画（全画素）出力時に垂直、水平を分割して出力する方法が一般的になってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−０７６７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
先述のとおり、従来においては、垂直および水平の読み出しが分割される駆動の採用により、垂直ＣＣＤでは１画素の電荷を転送するゲート電極数が増加して垂直電荷転送能力が向上、また、水平ＣＣＤではゲート電極の設計余裕度の向上が図られた。
一方、１画面を形成するために、信号電荷を読み出し転送する回数が増加し、垂直ＣＣＤでの転送スピードをあげる必要がでてきた。また、画素サイズが縮小され、垂直ＣＣＤ電極内にポテンシャル勾配を設けるのが難しくなってきた。
【０００６】
このような、垂直ＣＣＤの高速化、低ポテンシャル勾配は、電荷転送効率の劣化につながり、低照度から高照度における縦線発生の原因となっている。
そこで、本発明は、垂直、水平が分割されて読み出された場合において、垂直ＣＣＤを高速化しても、低照度から高照度の領域において、転送効率劣化による縦線のない良質な画像を得ることができる固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る固体撮像装置は、行列状に配列された複数の光電変換部と、光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、垂直転送部及び水平転送部による電荷転送を制御する駆動制御部とを備える。そして、駆動制御部は、垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を、少なくとも1回以上連続で転送できるよう駆動制御することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る固体撮像装置は、上記構成において、駆動制御部による駆動制御において、垂直転送部にて1回の電荷転送にて取り残された電荷を少なくとも１つ以上の電荷回収パケットを作って電荷転送し、垂直転送部もしくは水平転送部にて取り残した元の電荷パケットに合流できるように駆動制御するか否かが決定されることを特徴とする。
また、本発明に係る撮像装置は、行列状に配列された複数の光電変換部と、光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、垂直転送部及び水平転送部による電荷転送を制御し、垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を、少なくとも１回以上連続で転送できるよう駆動制御する駆動制御部と、外部からの指示及び水平転送部からの出力の少なくとも何れかに基づいて、垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を少なくとも１つ以上の電荷回収パケットを作って電荷転送し、垂直転送部もしくは水平転送部にて取り残したもとの電荷パケットに合流できるように駆動制御するかの何れにするかを決定する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低照度から高照度の領域まで、垂直CCDの転送効率劣化がない状態が作れ、転送効率劣化による縦線のない良質な画像を実現することができる。また、近年、画素サイズが縮小され、電極内にポテンシャルの傾斜を作ることが難しくなる傾向にあり、本発明はそのような状況において、非常に有効な手段である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の電極構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法を模式的に示すタイミング図である。
【図４】従来の技術に基づく第１の方法による固体撮像装置のＨレート期間の駆動方法を模式的に示すタイミング図である。
【図５】従来の技術に基づく第１の方法による固体撮像装置の駆動に際しての電荷転送時のポテンシャル状態と転送電荷を模式的に示す模式図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における第２の方法による固体撮像装置のＨレート期間の駆動方法を示すタイミング図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における第２の方法による固体撮像装置の駆動に際しての垂直転送部での電荷転送時のポテンシャル状態と転送電荷を模式的に示す模式図である。
【図８】特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法によるＨレート期間の駆動方法を模式的に示すタイミング図である。
【図９】特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法によるＨレート期間の駆動に際しての垂直転送部での電荷転送時のポテンシャル状態と転送電荷を模式的に示す模式図である。
【図１０】従来の技術に基づく第１の方法、本発明の第１の実施の形態の第２の方法、および特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法による固体撮像装置の駆動方法で出力８ｍＶのときの垂直転送効率を測定した結果を示した図である。
【図１１】従来の技術に基づく第１の方法、本発明の第１の実施の形態の第２の方法、および特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法による固体撮像装置の駆動方法で出力２５ｍＶのときの垂直転送効率を測定した結果を示した図である。
【図１２】従来の技術に基づく第１の方法、本発明の第１の実施の形態の第２の方法、および特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法による固体撮像装置の駆動方法で出力２００ｍＶのときの垂直転送効率を測定した結果を示した図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態におけるカメラの構成を模式的に示すブロック図である。
【図１４】変形例に係るＣＣＤ型固体撮像装置の平面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態における固体撮像装置及び撮像装置（カメラ）について、図面を参照して具体的に説明する。
［第１の実施の形態］
１．固体撮像装置の概略構成
まず、本発明の実施の形態における固体撮像装置について、図１を用い説明する。図１は、本実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、複数のフォトダイオード１および複数の垂直転送部２からなる撮像部３、水平転送部４、出力部６、並びに駆動制御部７を備える。
複数のフォトダイオード１は、そのそれぞれが本発明の光電変換部の一例であり、撮像部３において行列状に配列される。
【００１３】
複数の垂直転送部２は、それぞれがフォトダイオード１の列に対応してＹ軸方向に延伸する状態で設けられ、対応するフォトダイオード１に蓄えられた信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を水平転送部４に向け、垂直方向（Ｙ軸方向）に転送する。
本実施の形態における固体撮像装置では、複数の垂直転送部２において、３つの垂直転送部２を１つのグループとする複数のグループを有し、このグループが水平方向（Ｘ軸方向）に繰り返して設けられている。同一のグループ内の垂直転送部２のそれぞれは、グループ内で共通（グループ内の他の第１転送部２１と共通）の駆動電圧の供給を受けて信号電荷を垂直方向に転送する第１転送部２１と、該第１転送部２１に対応して設けられ、グループ内で独立（グループ内の他の第１転送部２１に対して独立）の駆動電圧の供給を受けて対応する第１転送部２１から水平転送部４に信号電荷を転送する第２転送部２２とを有する。
【００１４】
垂直転送部２は、１つの転送電極（図示を省略）に対応して設けられ、対応する前記転送電極への転送パルス（駆動電圧）に応じてポテンシャルのバリア領域又はウェル領域として動作する複数の電荷転送段から構成される。
第１転送部２１は、異なる転送パルス（φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４、φＶ５及びφＶ６）が供給される６段の電荷転送段を含み、第２転送部２２は垂直転送部２を構成する電荷転送段のうちの水平転送部４の直前に位置する最終の電荷転送段で構成される。電荷転送段のそれぞれは、転送パルスが供給される１つの電極と、該電極の下方に形成された半導体基板の不純物領域とから構成される。
【００１５】
水平転送部４は、垂直転送部２から転送された信号電荷を水平方向（Ｘ軸方向左側）へ転送する。水平転送部４は異なる転送パルス（φＨ１、φＨ２及びφＨ３）が供給される３段の電荷転送段を含む。
駆動制御部７は、垂直転送部２及び水平転送部４による電荷転送を制御する。具体的に、駆動制御部７は、第１転送部２１の垂直転送電極に６相の転送パルスφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４、φＶ５及びφＶ６を供給して第１転送部２１を駆動する。そして、駆動制御部７は、第２転送部２２の垂直最終段電極に７種類の転送パルスφＶ７、φＶ７Ｒ、φＶ７Ｌ、φＶ８、φＶ８Ｒ、φＶ８Ｌ及びφＶ９を供給して第２転送部２２を駆動する。また、駆動制御部７は、水平転送部４の水平転送電極に３相の水平転送パルスφＨ１、φＨ２及びφＨ３を供給して水平転送部４を駆動する。
【００１６】
駆動制御部７は、第１転送部２１が、バリア領域で区切られるウェル領域で転送される信号電荷であるパケットを転送した後、水平方向へのパケットの転送が行われる期間でパケットの転送を停止し、第２転送部２２が、同一のグループ内の異なる第１転送部２１により転送されたパケットを異なるタイミングで水平転送部４に転送し、水平転送部４が、異なるタイミングで転送されたパケットを異なる期間で水平方向に転送し、異なる期間のそれぞれで、第１転送部２１のパケットを形成するウェル領域として動作する電荷転送段
が異なるように垂直転送部２による電荷転送を制御する。
【００１７】
このとき、駆動制御部７は、第１転送部２１が、上記異なる期間の間で第１転送部２１のパケットを第２転送部２２に向かって転送するように垂直転送部２による電荷転送を制御する。
２．固体撮像装置の電極構成
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置の電極構成について、図２を用い説明する。図２は、本実施の形態における固体撮像装置の電極構成を模式的に示す図である。
【００１８】
図２に示すように、第１転送部２１においては、垂直転送電極は１つのフォトダイオード１に対して２電極が形成されており、垂直転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５及びＶ６の６電極を１単位としてこれが繰り返し配置されている。これらの垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ６には転送パルスφＶ１〜φＶ６が印加され、パケットを水平転送部４に向けて転送する。
【００１９】
第２転送部２２においては、垂直最終段電極Ｖ７、Ｖ７Ｒ、Ｖ７Ｌ、Ｖ８、Ｖ８Ｒ、Ｖ８Ｌ及びＶ９が形成され、これらの垂直最終段電極Ｖ７〜Ｖ９には転送パルスφＶ７、φＶ７Ｒ、φＶ７Ｌ、φＶ８、φＶ８Ｒ、φＶ８Ｌ、φＶ９が印加される。
水平転送部４においては、３種類の転送電極Ｈ１、Ｈ２及びＨ３が形成され、これらの転送電極Ｈ１〜Ｈ３には３相の水平転送パルスφＨ１〜φＨ３が印加されるが、水平転送におけるパケットはこの転送電極Ｈ１〜Ｈ３に対して１パケットが形成されるため、垂直転送部２の３列に対して独立して１パケットを転送することができる。このため、垂直転送部２を転送された１行分の信号電荷は、第２転送部２２にて３回に割り振られて水平転送部４に転送され、３回に分けて水平転送されて出力部６から出力される。
【００２０】
３．固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法について、図３から図９を用い説明する。
（ａ）第１の方法による駆動
従来の技術に基づく第１の方法による、固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法について、図３から図５を用い説明する。図３は従来の技術に基づく第１の方法による固体撮像装置のＶレート期間の駆動方法を示すタイミング図である。図４は、従来の技術に基づく第１の方法による図３のＶレート期間のタイミングのＨレート期間を拡大したタイミング図である。また、図５は、図４のタイミングチャートに対応した従来の駆動における電荷転送をポテンシャル図と転送電荷を模式的に示したものである。
【００２１】
図３に示すように、固体撮像装置の駆動においては、垂直転送部（第１転送部）２１、垂直転送部（第２転送部）２２及び水平転送部４に対して、転送パルスφＶ１〜φＶ６、φＶ７Ｌ／Ｒ、φＶ８Ｌ／Ｒ、φＶ９、φＨ１〜φＨ３が順次印加される。そして、図３に示すタイミングチャートにおいて、Ｈレート期間Ａが含まれる。
ここで、従来の技術に基づく第１の方法による駆動では、フォトダイオードから読み出された信号電荷は、垂直転送部２１を図４のタイミングでφＶ１からφＶ６の繰り返し電極を駆動して転送される。この例では、繰り返しの６電極中、３電極で電荷を蓄積し、転送は３電極蓄積と２電極蓄積を繰り返しながら行う。
【００２２】
具体的には、図４に示すように、転送パルスφＶ１は、タイミングｔ１までＨｉｇｈ（Ｈ）レベルであり、タイミングｔ２からタイミングｔ８までの期間にＬｏｗ（Ｌ）レベル、タイミングｔ９からは再度Ｈレベルに設定される。転送パルスφＶ２は、タイミングｔ３までＨレベルであり、タイミングｔ４からタイミングｔ１０までの期間にＬレベル、その後は再度Ｈレベルに設定される。同様に、転送パルスφＶ３は、タイミングｔ５まではＨレベルであり、タイミングｔ６から一定の期間、Ｌレベルとされ、その後、再度Ｈレベルに設定される。
【００２３】
一方、図４に示すように、転送パルスφＶ４は、タイミングｔ２までＬレベルであり、タイミングｔ３からタイミングｔ７までの期間にＨレベル、タイミングｔ８からは再度Ｈレベルに設定される。転送パルスφＶ５は、タイミングｔ４までＬレベルであり、タイミングｔ５からタイミングｔ９までの期間にＨレベル、タイミングｔ１０からは再度Ｈレベルに設定される。転送パルスφＶ６も、タイミングｔ４までＬレベルであり、タイミングｔ５から一定の期間、Ｈレベルとされ、その後、再度Ｈレベルに設定される。
【００２４】
図５（ａ）から図５（ｅ）に示すように、タイミングｔ１における電荷蓄積状態のポテンシャルからタイミングｔ２、タイミングｔ３と電荷転送されるに従って、信号電荷が取り残される（丸印Ｂ１〜丸印Ｂ４）。具体的には、転送パルスφＶ１がＬレベルとされたタイミングｔ２において、図５（ｂ）に示すように、電極Ｖ１に相当する箇所のポテンシャルが変化する。このとき、丸印Ｂ１の部分に示すように、一部の信号電荷が取り残される。そして、転送パルスφＶ４がＨレベルとされ、電極Ｖ４に相当する箇所のポテンシャルが変化するタイミングｔ３においても、Ｖ１電極に電荷が取り残された状態が維持される（丸印Ｂ２）。同様に、転送パルスφＶ２、φＶ３、φＶ５、φＶ６の印加によるポテンシャルが変化する以後のタイミングｔ３〜においても、図５（ｃ）から図５（ｍ）に示すように、取り残された信号電荷は、時間の経過によっても、そのまま取り残されることになる。これが、垂直転送部の転送効率劣化の原因となり、垂直転送部２１のバラツキによりライン毎に転送効率が異なり、縦線として画像に現れる。
（ｂ）本実施の形態における第２の方法によるＨレート期間の駆動
次に、本実施の形態における第２の方法による固体撮像装置の駆動の内、Ｈレート期間の駆動について、図６及び図７を用い説明する。図６は、本実施の形態における第２の方法による固体撮像装置の駆動の内、Ｈレート期間を拡大したタイミングである。また、図７は、本実施の形態における第２の方法による固体撮像装置の駆動の際の、垂直転送部の電荷転送時のポテンシャルと電荷を模式的に示した図である。
【００２５】
なお、以下の説明においては、図３から図５に示す従来の技術における駆動との差異を中心に説明する。
図６に示すように、本実施の形態における第２の方法による駆動では、転送パルスφＶ１をタイミングｔ２でＬレベルとした後、タイミングｔ３で一旦Ｈレベルへと戻す。そして、タイミングｔ４で再度Ｌレベルとする。その後については、図４に示したのと同様の波形を採る。同様に、転送パルスφＶ２〜φＶ６についても、ＨレベルからＬレベル、あるいは、ＬレベルからＨレベルへと変化させた後、一旦、もとの状態（信号電荷が取り残される前の電荷パケット）に戻し、その後に、完全に電荷転送を行うという操作を行っている。
【００２６】
以上のような操作を実行する本実施の形態における第２の方法による駆動では、図７（ｂ）に示すように、転送パルスφＶ１をＬレベルにすることで電極Ｖ１に相当する箇所に取り残された信号電荷を（丸印Ｃ１）、一旦、転送パルスφＶ１をＨレベルへと一旦戻すことにより、図７（ｃ）に示すように、信号電荷が取り残される前の電荷パケットに戻すことができる（矢印Ｃ２）。そして、タイミングｔ３において、取り残された信号電荷を電荷パケットに戻すことで、図７（ｄ）及び図７（ｅ）に示すように、その後のタイミングｔ４、ｔ５における垂直転送部での転送効率の劣化を抑制することができる。
【００２７】
同様に、図７（ｆ）に示すように、転送パルスφＶ２をＬレベルにすることで電極Ｖ２に相当する箇所に取り残された信号電荷を（丸印Ｃ３）、一旦、転送パルスφＶ２をＨレベルへと一旦戻すことにより、図７（ｇ）に示すように、信号電荷が取り残される前の電荷パケットに戻すことができる（矢印Ｃ４）。そして、タイミングｔ７において、取り残された信号電荷を電荷パケットに戻すことで、図７（ｈ）及び図７（ｉ）に示すように、その後のタイミングにおける垂直転送部での転送効率の劣化を抑制することができる。
【００２８】
そして、その後の駆動においても、上記同様の操作を実行することにより、図７（ｊ）及び図７（ｋ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｃ５）を、もとの電荷パケットに戻し（矢印Ｃ６）、図７（ｎ）及び図７（ｏ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｃ７）を、もとの電荷パケットに戻し（矢印Ｃ８）、図７（ｒ）及び図７（ｓ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｃ９）を、もとの電荷パケットに戻し（矢印Ｃ１０）、図７（ｖ）及び図７（ｗ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｃ１１）を、もとの電荷パケットに戻す（矢印Ｃ１２）。
【００２９】
以上のように、本実施の形態における第２の方法による駆動においては、従来の駆動タイミングとは異なり、例えば、電極に相当する箇所に取り残された信号電荷を、取り残される前の電荷パケットに戻し、その後に完全に電荷転送する。これにより、上記従来の駆動（第１の方法による駆動）に比べて垂直転送部にて信号電荷の取り残しがない転送効率のよい電荷転送を実現することができる。
（ｃ）特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法によるＨレート期間の駆動
次に、特許文献１に開示の技術に基づく第３の方法による駆動の内、Ｈレート期間の駆動について、図８及び図９を用い説明する。図８は、特許文献１に開示された技術に基づく第３の方法による駆動でのＨレート期間の駆動タイミングであり、図９は、特許文献１に開示された技術に基づく第３の方法による駆動での垂直転送部の電荷転送時のポテンシャルと電荷を模式的に示した図である。
【００３０】
図８に示すように、転送パルスφＶ１は、タイミングｔ１までＨレベルであり、タイミングｔ２からタイミングｔ６までの間がＬレベルに設定される。転送パルスφＶ２は、タイミングｔ３までＨレベルであり、タイミングｔ４からタイミングｔ７までの間がＨレベルに設定される。転送パルスφＶ３は、タイミングｔ５までがＨレベルであり、タイミングｔ６から一定の期間がＬレベルに設定される。
【００３１】
一方、転送パルスφＶ４は、タイミングｔ２までＬレベルであり、タイミングｔ３から一定の期間がＨレベルに設定される。転送パルスφＶ５は、タイミングｔ４までＬレベルであり、タイミングｔ５から一定の期間がＨレベルに設定される。転送パルスφＶ６についても、一定の期間がＨレベルに設定される。
以上のように、第３の方法による駆動においては、タイミングｔ１からタイミングｔ６までは、上記従来の技術による駆動方法と変わらないが、タイミングｔ７においてＶ１電極をオン（Ｈレベルに）して取り残した信号電荷を回収し、その後のタイミングｔ２３において回収した電荷をもとのパケットに合流させることで、垂直の転送効率を改善できる。
【００３２】
具体的には、図９（ｂ）から図９（ｆ）に示すように、各箇所に取り残された信号電荷を（丸印Ｄ１〜Ｄ５）、図９（ｇ）及び図９（ｈ）に示すように、回収し（矢印Ｄ６、Ｄ７）、また、図９（ｋ）に示すように、取り残された信号電荷を（丸印Ｄ８）、図９（ｌ）に示すように、回収する（矢印Ｄ９）。そして、図９（ｗ）に示すように、タイミングｔ２３において、回収した信号電荷をもとの電荷パケットに合流させる（矢印Ｄ１０）。
【００３３】
４．効果
上記項目（ａ）に示す従来の技術における駆動（第１の方法による駆動）と、上記項目（ｂ）に示す第２の方法による駆動と、上記項目（ｃ）に示す第３の方法による駆動との各転送効率について、図１０から図１２を用い説明する。図１０は、垂直転送部の信号電荷が８ｍＶ出力のときの、各転送効率を示し、図１１は、垂直転送部の信号電荷が２５ｍＶのときの、各転送効率を示し、図１２は、垂直転送部の信号電荷が２００ｍＶのときの、各転送効率を示す。
【００３４】
先ず、図１０に示すように、上記項目（ａ）に示す第１の方法による駆動（通常駆動）では、転送効率が略９３％となっているのに対し、上記項目（ｃ）に示す第３の方法による駆動（回収駆動）では、転送効率が略９９％となっており、上記（ｂ）に示す第２の方法による駆動（再転送駆動）では、転送効率が略１００％となっている。このように、垂直転送部の信号電荷が８ｍＶの低照度時の撮影に際しては、本発明の実施の形態における第２の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）が、通常駆動（上記項目（ａ）に示す方法）、特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す方法）に比べて一番転送効率が良い。
【００３５】
次に、図１１に示すように、垂直転送部の信号電荷が２５ｍＶ出力のときにおいては、通常駆動（上記項目（ａ）に示す第１の方法）の転送効率が９８％となっているのに対して、本発明の実施の形態における第２の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）、及び特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す第３の方法）での各転送効率が略１００％となっている。このように、垂直転送部の信号電荷が２５ｍＶの時の撮影に際しては、本発明の実施の形態における第２の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）と特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す第３の方法が略同等の転送効率で、通常駆動（上記項目（ａ）に示す第１の方法）よりも良い結果である。
【００３６】
次に、図１２に示すように、垂直転送部の信号電荷が２００mＶ出力のときにおいては、従来駆動（上記項目（ａ）に示す第１の方法）、及び本発明の実施の形態における第１の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）の転送効率が、略９９％となっており、特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す第３の方法）の転送効率が１００％となっている。このように、垂直転送部の信号電荷が２００ｍＶの高照度時の撮影に際しては、特許文献１の回収駆動（上記項目（ｃ）に示す第３の方法）が、通常駆動（上記項目（ａ）に示す第１の方法）、本発明の実施の形態における第２の方法を用いた再転送駆動（上記項目（ｂ）に示す方法）に比べて、一番転送効率が良い。
【００３７】
以上より、本発明の実施の形態における駆動（上記項目（ｂ）に示す第２の方法）は、２５mＶ以下の低照度時の撮像時に非常に有効であり、高ＩＳＯのカメラが求められる現状においては、非常に有効な駆動である。図１０から図１２に示す結果から、信号出力により最適な駆動方法が存在することがわかる。
以上、図面を用いて説明したように、固体撮像装置の駆動においては、垂直ＣＣＤにおいて転送効率劣化で取り残された電荷を、転送パケットとは別に電荷回収用のパケットを設けて水平ＣＣＤなどで電荷を合流させて転送効率劣化を防止する方法が提案されている。また、回収駆動とは別に取り残された電荷を再転送し、元の電荷転送パケットに転送毎に戻す方法もある。これらの転送効率改善の駆動は、信号量によって効果に違いがある。
【００３８】
本発明の実施の形態では、この信号量によって効果の違うそれぞれの転送方法を、信号量によって使い分けることで、低照度から高照度まで転送効率劣化による縦線のないが良質な画像を得ることを可能にする。
図１０、図１１、及び図１２に通常駆動（第１の方法による駆動）、回収駆動（第３の方法による駆動）、再転送駆動（第２の方法による駆動）の転送効率の結果を示したが、 低照度においては再転送駆動が一番転送効率がよいが、信号が増加して高照度になった場合は回収駆動の方が転送効率がよくなる。
【００３９】
一方、このような転送効率を改善する駆動は、転送のステップ数が増加して、スチル画像のフレームレートの低下、消費電力の増加などのデメリットもある。
本発明の実施の形態では、このようなそれぞれの駆動のメリット、デメリットを考慮して、低照度では再転送駆動（第２の方法による駆動）、一番使うことの多い中照度ではフレームレートの低下、消費電力の増加を抑制できる通常駆動（第１の方法による駆動）もしくは一番転送効率のよい回収駆動（第３の方法による駆動）を使うよう、信号出力に合わせて使い分け、転送効率劣化による縦線のない良質な画像を得る。
【００４０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態である撮像装置（カメラ）について、図１３を用い説明する。図１３は、本実施の形態のカメラの構成を模式的に示すブロック図である。
図１３に示すように、本実施の形態のカメラは、レンズ９０と、上記第１の実施の形態に係る固体撮像装置と同様の構成を有する固体撮像装置９１と、信号処理部９３と、外部インターフェイス部９４とから構成される。
【００４１】
上記構成を有するカメラにおいて、外部に信号が出力されるまでの処理は以下のような順序に沿って行われる。
（１）レンズ９０を光が通過し、固体撮像装置９１に入る。
（２）信号処理部９３は、固体撮像装置９１を駆動し、固体撮像装置９１からの出力信号を取り込む。
【００４２】
このとき、信号処理部９３は、カメラ外部からの指示及び固体撮像装置９１からの出力の少なくともいずれかに基づいて、本発明の再転送駆動、特許文献１の回収駆動および従来駆動のいずれにするかを決定し、駆動制御部７を制御する。
例えば、信号処理部９３は、ユーザにより高ＩＳＯ感度での高ゲイン状態が設定されている場合（暗い被写体を撮影する場合）には、上記本発明の実施の形態の第１の方法による駆動方法で垂直転送部の転送が行われ、低ＩＳＯ感度での低ゲイン状態が設定されている場合（明るい被写体を撮影する場合）には第３の方法による駆動方法で垂直転送部の転送が行われるように駆動制御部７を制御する。
【００４３】
（３）信号処理部９３で処理した信号が、外部インターフェイス部９４を通して外部に出力される。
以上のように本実施の形態のカメラによれば、転送効率劣化による縦線が低減された固体撮像装置９１からデータが出力される。よって、本実施の形態のカメラは、優れた画質での撮像を実現することができる。
【００４４】
また、本実施の形態のカメラによれば、信号処理部９３が撮像シーン、信号電荷量やカメラのゲイン設定に応じて駆動制御部７の転送パルスを制御することにより、低照度から高照度の領域まで転送効率劣化による縦線のない画像を得ることができる。
［その他の事項］
以上、本発明に係る固体撮像装置及び撮像装置について、第１、第２の実施の形態で一例を説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、これらの実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。
【００４５】
例えば、上記実施の形態において、水平転送期間中にパケットを保持する垂直転送電極数
は２電極又は４電極であるとしたが、この電極数に限られない。
また、上記実施の形態において、第１転送部２１は異なる転送パルスが供給される６段の電荷転送段を含むとしたが、上記実施の形態のパケット転送が適用可能な転送部、つまり４段以上の電荷転送段を含む転送段であればこれに限られない。
【００４６】
例えば、図１４に示すように、第１転送部２１は異なる転送パルスが供給される４段の電荷転送段を含んでいてもよい。図１４に示すように、ｎ型基板１０７には、複数のフォトダイオード１０１が行列状に配列されており、各列間に垂直転送部１０２が形成されている。垂直転送部１０２の下端には、水平転送部１０４が設けられ、その転送方向下流側に電荷検出部１０５及び出力アンプ１０６が設けられている。
【００４７】
垂直転送部１０２の転送電極及び水平転送部１０４の転送電極に対しては、タイミング発生回路１０８から転送パルスφＶ１〜φＶ４、φＨ１、φＨ２が出力されるようになっている。そして、図１４に示す構成では、垂直転送部１０２の第１転送部が異なる転送パルスが供給される４段の電荷転送段を含む構成とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、固体撮像装置及び撮像装置に好適であり、特に一体型ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及び医療用内視鏡のイメージセンサに好適である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１０１． フォトダイオード
２、１０２． 垂直転送部
３． 撮像部
４、１０４． 水平転送部
６． 出力部
７． 駆動制御部
２１． 第１転送部
２２． 第２転送部
９０． レンズ
９１． 固体撮像装置
９３． 信号処理部
９４． 外部インターフェイス部
１０３． 撮像領域
１０５． 電荷検出部
１０６． 出力アンプ
１０７． ｎ型基板
１０８． タイミング発生回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配列された複数の光電変換部と、
前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、
前記垂直転送部及び前記水平転送部による電荷転送を制御する駆動制御部とを備え、
前記駆動制御部は前記垂直転送部にて1回の電荷転送にて取り残された電荷を、少なくとも1回以上連続で転送できるよう駆動制御する
固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動制御部による駆動制御においては、前記垂直転送部にて1回の電荷転送にて取り残された電荷を少なくとも１つ以上の電荷回収パケットを作って電荷転送し、垂直転送部もしくは水平転送部にて取り残した元の電荷パケットに合流できるように駆動制御するか否かが決定される
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
行列状に配列された複数の光電変換部と、
前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、
前記垂直転送部及び前記水平転送部による電荷転送を制御し、前記垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を、少なくとも１回以上連続で転送できるよう駆動制御する駆動制御部と、
外部からの指示及び前記水平転送部からの出力の少なくとも何れかに基づいて、前記垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を少なくとも１つ以上の電荷回収パケットを作って電荷転送し、垂直転送部もしくは水平転送部にて取り残したもとの電荷パケットに合流できるように駆動制御するかの何れにするかを決定する信号処理部と、
を備える
撮像装置。
【請求項１】
行列状に配列された複数の光電変換部と、
前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、
前記垂直転送部及び前記水平転送部による電荷転送を制御する駆動制御部とを備え、
前記駆動制御部は前記垂直転送部にて1回の電荷転送にて取り残された電荷を、少なくとも1回以上連続で転送できるよう駆動制御する
固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動制御部による駆動制御においては、前記垂直転送部にて1回の電荷転送にて取り残された電荷を少なくとも１つ以上の電荷回収パケットを作って電荷転送し、垂直転送部もしくは水平転送部にて取り残した元の電荷パケットに合流できるように駆動制御するか否かが決定される
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
行列状に配列された複数の光電変換部と、
前記光電変換部に蓄えられた信号電荷を読み出し、垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、
前記垂直転送部から転送された信号電荷を水平方向へ転送する水平転送部と、
前記垂直転送部及び前記水平転送部による電荷転送を制御し、前記垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を、少なくとも１回以上連続で転送できるよう駆動制御する駆動制御部と、
外部からの指示及び前記水平転送部からの出力の少なくとも何れかに基づいて、前記垂直転送部にて１回の電荷転送にて取り残された電荷を少なくとも１つ以上の電荷回収パケットを作って電荷転送し、垂直転送部もしくは水平転送部にて取り残したもとの電荷パケットに合流できるように駆動制御するかの何れにするかを決定する信号処理部と、
を備える
撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−９２６６（Ｐ２０１３−９２６６Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４２１１２（Ｐ２０１１−１４２１１２）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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