專利名稱：固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法，詳細(xì)而言，涉及一
種為了對破壞、爆炸、燃燒等高速現(xiàn)象的攝影而能夠進(jìn)行最佳的高速動作的固體攝像元件 以及該固體攝像元件的驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
以往開發(fā)了用于在短時間內(nèi)連續(xù)對例如爆炸、破壞、燃燒、沖突、放電等高速現(xiàn)象 進(jìn)行攝影的高速攝影裝置(高速攝像機(jī))(參照非專利文獻(xiàn)1等)。在這樣的高速攝影裝置 中，甚至需要100萬幀/秒左右以上的極高速攝影。因此，利用了與以往一般攝相機(jī)或數(shù)碼 相機(jī)等中使用的攝像元件不同的、具有特殊結(jié)構(gòu)的、能夠進(jìn)行高速動作的固體攝像元件。
作為這樣的固體攝像元件，以往，利用了專利文獻(xiàn)1等中記載的元件。這些元件被 稱作像素周邊記錄型攝像元件(IS-CCD)。針對該攝像元件進(jìn)行大致說明。即，在作為受光 部的每一個光電二極管上具備分別兼作記錄張數(shù)(幀數(shù))份的傳送的蓄積用CCD，在攝影 中，依次向蓄積用CCD傳送在光電二極管中進(jìn)行了光電變換后的像素信號。而且，攝影結(jié)束 后，統(tǒng)一讀取存儲在蓄積用CCD中的記錄幀數(shù)份的像素信號，在攝像元件的外部再現(xiàn)記錄 幀數(shù)份的圖像。在攝影中，超過了記錄幀數(shù)份的像素信號按時間上從早到晚的順序被廢棄， 從而在蓄積用CCD中始終保存最新的規(guī)定幀數(shù)份的像素信號。因此，若在攝影結(jié)束時中止 向蓄積用CCD傳送像素信號，則獲得在時間上比該時刻早記錄幀數(shù)份的時間以后的最新的 圖像。 如上所述，在像素周邊記錄型攝像元件中，與每次獲得一幀份的圖像信號時需要 向外部提取這些信號的一般攝像元件不同，具有能夠以非常高的速度獲得多個幀的連續(xù)圖 像的特征。但是，由于半導(dǎo)體芯片面積或耗電等各種制約，一個元件上能夠搭載的蓄積用 CCD的個數(shù)是有限的。因此，如上述那樣，能夠高速攝影的幀數(shù)是有限的，例如，在非專利文 獻(xiàn)1所記載的裝置中該幀數(shù)是100左右。該程度的幀數(shù)有時就已足夠用，但是有時對于攝 像對象的現(xiàn)象或被攝體等而言，雖然并不要求這種程度(例如，100萬幀/秒左右)的高速 性，可是希望進(jìn)行更長時間或更多幀數(shù)的攝影。但是，在上述像素周邊記錄型攝像元件中， 很難滿足這樣的攝影要求。 因此，對應(yīng)于雖然連續(xù)記錄幀數(shù)有限但是能進(jìn)行超高速的攝影、雖然高速性差但 是不受記錄幀數(shù)的限制的攝影這兩者，需要并用基于如上述的CCD方式的像素周邊記錄型 攝像元件和周知的例如基于CMOS方式的攝像元件。因此，這樣的攝像裝置成本較高。
另外，在如上述的高速攝影中，與觀察對象的現(xiàn)象發(fā)生時刻同步進(jìn)行攝影很重要， 進(jìn)行從外部賦予觸發(fā)信號和根據(jù)此進(jìn)行攝影的結(jié)束或攝影的開始的控制。為了生成這樣 的觸發(fā)信號，例如，一般使用接觸傳感器、位置傳感器、振動傳感體、壓力傳感器等其它傳感 器。但是，在很難拉近被攝體與這樣的傳感器之間的距離的情況、捕捉被攝體的自發(fā)性變化 來進(jìn)行攝影的情況、或進(jìn)行顯微鏡下的微小物體的攝影的情況等中，利用上述方法很難獲 得適當(dāng)?shù)挠|發(fā)信號。
針對這樣的問題，在專利文獻(xiàn)2記載的攝影系統(tǒng)中，在攝像透鏡后方設(shè)置分束器 或半透明反射鏡等光分離單元，將入射光分離成多束后分別導(dǎo)入到不同的攝像裝置中，將 一個攝像裝置專用于檢測圖像的急劇變化的監(jiān)測，根據(jù)由此獲得的觸發(fā)信號控制在另一個 攝像裝置中獲得的圖像信號的存儲。但是，在這樣的現(xiàn)有攝影系統(tǒng)中，需要用于將來自攝影 對象的入射光分離成多束的光學(xué)系統(tǒng)部件，并且也需要準(zhǔn)備多個攝像裝置(攝像元件)，因 此，系統(tǒng)會變大，且很難降低成本，裝置的小型化/輕量化也很困難。
專利文獻(xiàn)1特開2001-345441號公報
專利文獻(xiàn)2特開平5-336420號公報非專利文獻(xiàn)1近藤等5名，"高速攝像機(jī)HyperVision HPV-1的開發(fā)"，島津評論， 島津評論編輯部，2005年9月30日發(fā)行，第62巻，第1、2號，p. 79-8
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述課題而形成，其第一目的在于提供一種能夠進(jìn)行雖然記錄幀數(shù)有 限但是能夠進(jìn)行超高速的攝影和雖然高速性差但是不受記錄幀數(shù)的限制的攝影這兩者的 固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法。 另外，本發(fā)明的第二目的在于提供一種捕捉由連續(xù)的攝影獲得的圖像中的被攝體 的變化或觀測對象的現(xiàn)象的發(fā)生等并且適合用于可靠控制高速攝影的開始或停止等的固 體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法。 為了解決上述課題而構(gòu)成了本發(fā)明的固體攝像元件的驅(qū)動方法，在該固體攝像元 件中，多個至少包括接受光而生成光電荷的光電變換元件、向檢測節(jié)點(diǎn)傳送由所述光電變 換元件生成的光電荷的傳送元件、從所述檢測節(jié)點(diǎn)向像素輸出線送出信號的緩沖元件的像 素排列成二維陣列狀，按每個像素獨(dú)立設(shè)置所述像素輸出線，并且對各像素設(shè)置一個以上 存儲部，該存儲部對通過像素輸出線從各像素輸出的信號進(jìn)行保持，該固體攝像元件的驅(qū) 動方法的特征在于，執(zhí)行下述驅(qū)動模式之中的至少一個驅(qū)動模式第一驅(qū)動模式，按照下述 方式使各像素和各存儲部進(jìn)行動作，即，在所有像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積 動作、將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持到所述存儲部之中的一個的動作，然后從 對應(yīng)于各像素的存儲部依次讀取該一幀份的信號并輸出；和第二驅(qū)動模式，按照下述方式 使各像素和各存儲部進(jìn)行動作，即，在依次指定保持信號的存儲部的同時反復(fù)執(zhí)行在所有 像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作、將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持 到所述存儲部之中的一個的動作，并且在多幀份的信號被保持到各存儲部中之后從對應(yīng)于 各像素的存儲部依次讀取該多幀份的信號并輸出。 在這里，作為本發(fā)明的固體攝像元件的驅(qū)動方法的優(yōu)選的一個方式，針對各像素 設(shè)置多個所述存儲部，選擇性地或并行執(zhí)行第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式。
另外，為了解決上述課題而構(gòu)成的本發(fā)明的固體攝像元件是一種用于實(shí)施上述驅(qū) 動方法的固體攝像元件，特征在于，具備a)排列成二維陣列狀的多個像素，所述像素至少 包含接受光而生成光電荷的光電變換元件、向檢測節(jié)點(diǎn)傳送由所述光電變換元件生成的光 電荷的傳送元件、從所述檢測節(jié)點(diǎn)向后述像素輸出線送出信號的緩沖元件；b)按每個像素 獨(dú)立設(shè)置的像素輸出線；c)為了保持通過所述像素輸出線從各像素輸出的信號而對各像 素設(shè)置的多個存儲部；d)執(zhí)行第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式的驅(qū)動控制單元，在所述第一驅(qū)動模式下，按照下述方式使各像素和各存儲部進(jìn)行動作，即，在所有像素中一齊進(jìn)行各像
素中的光電荷的蓄積動作、將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持到多個存儲部之中的
一個的動作，然后從對應(yīng)于各像素的存儲部依次讀取該一幀份的信號并輸出，在所述第二
驅(qū)動模式下，按照下述方式使各像素和各存儲部進(jìn)行動作，即，在依次指定保持信號的存儲
部的同時反復(fù)執(zhí)行在所有像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作、將通過像素輸
出線從像素輸出的信號保持到多個存儲部之中的一個的動作，并且在多幀份的信號被保持
到各存儲部中之后從對應(yīng)于各像素的存儲部依次讀取該多幀份的信號并輸出。 各像素所具備的光電變換元件例如是光電二極管，檢測節(jié)點(diǎn)例如是浮動擴(kuò)散區(qū)
(浮動區(qū)域)，傳送元件例如是晶體管(M0S晶體管)，緩沖元件例如是由多個晶體管構(gòu)成的
源極跟隨放大器，存儲部(和存儲單元)例如是電容與晶體管等開關(guān)之間的組合。 在本發(fā)明的固體攝像元件及其驅(qū)動方法中，在第二驅(qū)動模式下，在多個幀的連續(xù)
攝影中途無需將由該攝影獲取的信號(像素信號)讀出到元件外部，因此能夠進(jìn)行極高速
連續(xù)攝影。由于以極短時間進(jìn)行從各像素向存儲部的信號的傳送，因此1幀的攝影所需的
時間大致由在光電變換元件中接受光而在檢測節(jié)點(diǎn)等中蓄積光電荷的時間決定。但是，在
第二驅(qū)動模式下，之后能夠向元件外部讀出的圖像的幀數(shù)受到對應(yīng)于各像素而準(zhǔn)備的存儲
部的數(shù)量的限制。即，若對應(yīng)于一個像素設(shè)置有100個存儲部，則能夠獲取連續(xù)100幀圖像。 相對于此，在第一驅(qū)動模式下，由于每1幀攝影時需要向元件外部讀出由該攝影
得到的像素信號，因此由該讀出時間控制反復(fù)攝影的速度。因此，雖然不能進(jìn)行如第二驅(qū)動
模式那樣的高速攝影，但是攝影幀數(shù)不受對應(yīng)于各像素而準(zhǔn)備的存儲部的數(shù)量的限制。因
此，根據(jù)本發(fā)明的固體攝影元件以及該固體攝像元件的驅(qū)動方法，通過根據(jù)攝影目的等而
適當(dāng)切換第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式，例如能夠由一個固體攝像元件實(shí)現(xiàn)100萬幀/秒
以上的極高速攝影和雖然攝影速度有所下降但是持續(xù)長時間的攝影。通過利用這些，能夠
以比較低廉的成本提供一種利用領(lǐng)域?qū)捇蚶脙r值高的攝影裝置。 另外，例如以第一驅(qū)動模式使固體攝像元件進(jìn)行動作，并基于根據(jù)此此而輸出的
像素信號捕捉攝影對象的現(xiàn)象的發(fā)生或被攝體的變化等，由此生成觸發(fā)信號并根據(jù)所述觸
發(fā)信號向第二驅(qū)動模式進(jìn)行切換等，構(gòu)成聯(lián)合了兩驅(qū)動模式的動作的控制。由此，即使針對
以往由振動傳感器等其它傳感器不能捕捉的被攝體的變化，或者在物理上不能設(shè)置那樣的
傳感器的情況下，也能夠準(zhǔn)確地攝影作為目標(biāo)的高速現(xiàn)象。另外，由于也無需為了進(jìn)行這樣
的攝影而準(zhǔn)備其它攝像裝置，因此還有助于高速攝影系統(tǒng)的成本的降低。 作為本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法的一個方式，優(yōu)選與一
個像素對應(yīng)的一個存儲部至少包括對噪聲信號進(jìn)行保持的存儲單元、和對與光電荷對應(yīng)的
信號進(jìn)行保持的存儲單元，所述驅(qū)動控制單元進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作以及將通
過像素輸出線從像素輸出的信號保持到多個存儲部之中的一個時，在不同的定時進(jìn)行在
所有像素中一齊保持噪聲信號的動作、在所有像素中一齊保持與光電荷對應(yīng)的信號的動
作，并且從存儲部依次讀取信號時，從各存儲單元并行讀取噪聲信號和與光電荷對應(yīng)的信
號并輸出。 噪聲信號中例如包括構(gòu)成緩沖元件的晶體管的閾值電壓的偏差等引起的固定模 式噪聲或浮動擴(kuò)散區(qū)等的檢測節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，這樣的噪聲分量還會疊加在與光電 荷對應(yīng)的信號上。根據(jù)上述方式，從存儲部依次讀取信號時，通過進(jìn)行如從與光電荷對應(yīng)的信號減去噪聲信號的模擬運(yùn)算，能夠得到減輕了噪聲的影響的像素信號。由此，能夠提高攝 影圖像的S/N。 另外，作為本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法的一個方式，優(yōu)
選各像素至少包括一個電荷蓄積元件，該電荷蓄積元件對進(jìn)行光電荷的蓄積動作時從所述
光電變換元件通過所述傳送元件后溢出的或從所述檢測節(jié)點(diǎn)溢出的光電荷進(jìn)行蓄積，與一
個像素對應(yīng)的一個存儲部具有四個存儲單元，所述驅(qū)動控制單元在所有像素中一齊進(jìn)行
各像素中的光電荷的蓄積動作；和將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持到多個存儲部
之中的一個時，使溢出前的噪聲信號、溢出后的噪聲信號、對應(yīng)于溢出前的電荷的信號、對
應(yīng)于溢出后的電荷的信號分別通過像素信號線依次保持到所述四個存儲單元中的動作；并
且從存儲部依次讀取信號時，從各存儲單元并行讀取溢出前的噪聲信號、溢出后的噪聲信
號、對應(yīng)于溢出前的電荷的信號以及對應(yīng)于溢出后的電荷的信號并輸出。 這里，電荷蓄積元件能夠利用雙晶硅結(jié)構(gòu)或?qū)盈B結(jié)構(gòu)的電容等。 為了在各像素中提高光電變換增益，期望浮動擴(kuò)散區(qū)等的檢測節(jié)點(diǎn)的電容小，但
是這樣會存在入射強(qiáng)光而產(chǎn)生大量的光電荷時檢測節(jié)點(diǎn)飽和的隱患。對此，在上述方式中，
將在光電變換元件中生成且例如從檢測節(jié)點(diǎn)溢出的(overflow)光電荷蓄積在電荷蓄積元
件中。由此，即使在入射強(qiáng)光而產(chǎn)生大量的光電荷的情況下，也能不浪費(fèi)光電荷并將其反映
在信號中。另一方面，入射光弱而光電荷的產(chǎn)生量少時，能夠僅利用蓄積在低電容的檢測節(jié)
點(diǎn)上的信號。因此，根據(jù)上述方式，能夠擴(kuò)大動態(tài)范圍。 另外，在本發(fā)明的固體攝像元件及其驅(qū)動方法中，在第二驅(qū)動模式下，按照在與各 像素對應(yīng)的多個存儲部全部保持了信號之后，將保持有時間上最早的信號的存儲部進(jìn)行重 置來保持新信號的方式，進(jìn)行循環(huán)使用多個存儲部的信號保持動作，并根據(jù)停止指示來停 止向存儲部保持新信號的保持動作。可以在賦予停止指示后適當(dāng)進(jìn)行延遲來停止實(shí)際上向 存儲部的保持動作，優(yōu)選能夠從外部設(shè)定該延遲時間或幀數(shù)。 由此，在第二驅(qū)動模式下，無需向元件外部讀出像素信號就能反復(fù)進(jìn)行高速攝影， 例如在從外部賦予觸發(fā)信號的時刻，能夠獲取之前之后的攝影圖像。由此，在被攝體的變化 等產(chǎn)生了任何狀態(tài)的瞬間，除了該時刻之后的攝影圖像，還能得到該時刻之前的攝影圖像。
另外，作為利用第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式的利用方法，例如，基于通過執(zhí)行第 一驅(qū)動模式而輸出的一幀份或多幀份的全部或其中一部分圖像信息來檢測特定的事件，根據(jù) 其檢測結(jié)果執(zhí)行第二驅(qū)動模式。這可看作是根據(jù)特定的事件的檢測生成了上述觸發(fā)信號。
由此，例如能夠在被攝體中產(chǎn)生了任何變化的征兆的時刻準(zhǔn)確地攝影該被攝體的 高速的變化情況。 另外，在本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法中，將第一驅(qū)動模 式和第二驅(qū)動模式執(zhí)行任意次數(shù)或按時間交替地執(zhí)行。 由此，基于由第一驅(qū)動模式讀取的像素信號檢測出被攝體中產(chǎn)生了任何變化時， 由于存儲部中還剩有之前由第二驅(qū)動模式攝影的信號，因此通過讀取該信號，也能得到時 間上比檢測出被攝體的變化時早的圖像。 另外，在本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法中，作為一個方式，
進(jìn)行第一驅(qū)動模式的動作時，利用用于第二驅(qū)動模式的所述存儲部的一部分。
由此，由于能夠在第二驅(qū)動模式下利用所有準(zhǔn)備的存儲部，因此能夠?qū)⒖蛇B續(xù)攝影幀數(shù)增加與此對應(yīng)的部分。 另外，在本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法中，作為另一方式，
也可以獨(dú)立地設(shè)置用于第一驅(qū)動模式的所述存儲部和用于第二驅(qū)動模式的存儲部。 另外，在本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法中，從存儲部依次
讀取信號時，選擇性地依次讀取并輸出對應(yīng)于被排列成多個二維陣列狀的像素中的特定像
素的信號。 具體而言，例如，在排列成二維陣列狀的像素之中的水平方向和垂直方向上，隔一
個或隔兩個等適當(dāng)?shù)臄?shù)量來間隔(跳躍)地讀取信號。由此，雖然會降低分辨率，但是大致
觀察被攝體時大多情況是夠用的，通過減少讀取信號的數(shù)量，能夠提高第一驅(qū)動模式的攝
影的幀速率。另外，在已知并不是在圖像整體上而是只在特定的一部分產(chǎn)生被攝體的變化
時，若只讀取該一部分的圖像信號，則不會降低分辨率而且能夠提高幀速率。 另外，在本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法中，也可以從存儲
部同時讀取與排列成二維陣列狀的多個像素中的相鄰或靠近的像素對應(yīng)的信號，并進(jìn)行模
擬加法運(yùn)算處理或平均化處理。 例如，在各存儲部中根據(jù)開關(guān)(晶體管)的接通/關(guān)斷從電容向同一個輸出線選 擇性地輸出信號的構(gòu)成中，通過同時使多個開關(guān)接通來從多個電容輸出信號，能夠在其輸 出線上進(jìn)行模擬的信號加法運(yùn)算。此時，由于與上述的間隔讀取不同，能夠無浪費(fèi)地利用信 號，因此比起間隔讀取，更能改善S/N。另外，在上述方式中不能在間隔讀取的部分檢測產(chǎn)生 的被攝體的重要變化，但是在該方式中由于也能將這樣的變化反映出來，因此容易可靠地 捕捉被攝體的變化。 另外，此時，通過在二維陣列狀的排列的水平方向和垂直方向上，互不相同地選擇 進(jìn)行所述模擬加法運(yùn)算處理或平均化處理時的多個像素的組合，與不進(jìn)行這樣的處理時相 比，能夠抑制視覺上的分辨率的降低。 另外，在本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法中，也可以從存儲 部同時讀取時間上相鄰或靠近的不同幀中空間上處于同一位置的一個或多個像素所對應(yīng) 的信號，并進(jìn)行模擬加法運(yùn)算處理或平均化處理。
(發(fā)明效果) 根據(jù)本發(fā)明的固體攝像元件和該固體攝像元件的驅(qū)動方法，能夠用一個元件實(shí)現(xiàn) 例如100萬幀/秒以上的極高速攝影和和雖然攝影速度比該改速度有所下降但是持續(xù)長時 間的攝影。由此，能夠以比較低廉的成本提供一種利用領(lǐng)域?qū)捇蚶脙r值高的攝影裝置。
另外，通過適當(dāng)分開使用第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式，例如能夠在被攝體中產(chǎn) 生了變化或產(chǎn)生了觀察對象的現(xiàn)象時迅速檢測這些，并能夠進(jìn)行那個時刻以后或那個時刻
前后的高速攝影。由此，為了獲得用于開始或結(jié)束高速攝影的觸發(fā)信號，無需基于振動傳感 器等其它傳感器的檢測信號或基于其它攝像裝置的攝影圖像，因此能夠抑制高速攝影系統(tǒng)
的成本。另外，即使存在不能由振動傳感器等傳感器捕捉的變化的情況或很難設(shè)置這樣的 傳感器的條件下，能夠準(zhǔn)確捕捉攝影對象并作為圖像而將其留下來。


圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施例的固體攝像元件的半導(dǎo)體芯片上的布局的示意俯視圖。 圖2是在本實(shí)施例的固體攝像元件中表示像素區(qū)域內(nèi)的一個像素的布局的示意 俯視圖。 圖3是表示本實(shí)施例的固體攝像元件的像素區(qū)域以及存儲區(qū)域的示意構(gòu)成的俯 視圖。 圖4是本實(shí)施例的固體攝像元件的半導(dǎo)體芯片的大致一半的主要部件的模塊構(gòu) 成圖。 圖5是本實(shí)施例的固體攝像元件的一個像素的電路構(gòu)成圖。 圖6是在本實(shí)施例的固體攝像元件中表示一個像素的光電變換區(qū)域的布局的示 意俯視圖。 圖7是圖6中的A-A'向視線縱截面的示意電勢圖。 圖8是在本實(shí)施例的固體攝像元件中對應(yīng)于排列在垂直方向上的132個像素的一 個存儲部單元的示意構(gòu)成圖。 圖9是本實(shí)施例的固體攝像元件的一個存儲部的電路構(gòu)成圖。 圖10是表示本實(shí)施例的固體攝像元件中的一個存儲部的布局的示意俯視圖。 圖11是表示在本實(shí)施例的固體攝像元件中用于通過輸出線讀取保存在各存儲部 中的信號的大致構(gòu)成的模塊圖。 圖12是本實(shí)施例的固體攝像元件中的連續(xù)讀取模式和分組讀取模式的示意時序 圖。 圖13是在本實(shí)施例的固體攝像元件中光電荷蓄積時間短時的動作模式的驅(qū)動時 序圖。 圖14是圖13所示的動作的像素內(nèi)的示意電勢圖。 圖15是在本實(shí)施例的固體攝像元件中光電荷蓄積時間相對長時的驅(qū)動時序圖。 圖16是圖15所示的動作的像素內(nèi)的示意電勢圖。 圖17是在本實(shí)施例的固體攝像元件的連續(xù)讀取模式下的一幀份的依次讀取的動 作時序圖。 圖18是在本實(shí)施例的固體攝像元件的分組讀取模式下的依次讀取的動作時序 圖。 圖19是表示各存儲部中的讀取順序的示意圖。 圖20是表示使用了本實(shí)施例的固體攝像元件的攝影動作的一個方式的大致時序 圖。 圖21是表示使用了本實(shí)施例的固體攝像元件的攝影動作的一個方式的大致時序 圖。 圖22是表示本實(shí)施例的固體攝像元件的間隔讀取時所選擇的像素的例子的圖。 圖23是表示本實(shí)施例的固體攝像元件的加和讀取時所選擇的像素的例子的圖。 圖中l(wèi)-半導(dǎo)體基板；2、2a、2b-像素區(qū)域；3a、3b-存儲區(qū)域；4a、4b-垂直掃描 電路區(qū)域；5a、5b-水平掃描電路區(qū)域；6a、6b-電流源區(qū)域；10-像素；ll-光電變換區(qū)域；
12-像素電路區(qū)域；13-布線區(qū)域；14、141-像素輸出線；15-驅(qū)動線；20_存儲部單元；
21-存儲部單元行；22-存儲部；23、23a、23b、23c、23d-輸出線；24、24a、24b、24c、24ch存儲
11元件;25、25a、25b、25c、25d-電容；26、26a、26b、26c、26d-采樣晶體管；27、27a、27b、27c、 27d-讀取晶體管；31-光電二極管；32-傳送晶體管；33、331、332-浮動擴(kuò)散區(qū)(floating diffusion) ;333-金屬布線；34-蓄積晶體管；35-重置晶體管；36-蓄積電容；37、40_晶體 管；38、41-選擇晶體管；39-電流源；43-源極跟隨放大器；50-存儲部單元模塊；VSRl-垂 直移位寄存器；HSRl-水平移位寄存器。
具體實(shí)施例方式
下面，參照

作為本發(fā)明的一實(shí)施例的固體攝像元件以及該固體攝像元件 的驅(qū)動方法。 首先，說明本實(shí)施例的固體攝像元件的整體的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)。圖l是表示本實(shí)施例 的固體攝像元件的半導(dǎo)體芯片上的整體布局的示意俯視圖，圖3是表示本實(shí)施例的固體攝 像元件的像素區(qū)域以及存儲區(qū)域的示意構(gòu)成的俯視圖，圖4是表示本實(shí)施例的固體攝像元 件的大致一半的主要部件的模塊構(gòu)成圖。 如圖1所示，在該固體攝像元件中，在半導(dǎo)體基板1上用于接受光來生成每一個像 素的信號的像素區(qū)域2(2a、2b)和用于將所述信號保持規(guī)定幀數(shù)份的存儲區(qū)域3a、3b未混 在一起而完全分離，并分別作為統(tǒng)一的區(qū)域來設(shè)置。在大致矩形狀的像素區(qū)域2內(nèi)，二維陣 列狀地配置有N行、M列的共NXM個像素10，該像素區(qū)域2被分割成分別配置了 (N/2) XM 個像素10的第一像素區(qū)域2a、第二像素區(qū)域2b這兩個區(qū)域。 在第一像素區(qū)域2a的下側(cè)，隔著小面積的第一電流源區(qū)域6a而配置有第一存儲 區(qū)域3a，在第二像素區(qū)域2b的上側(cè)，同樣隔著小面積的第二電流源區(qū)域6b而配置有第二 存儲區(qū)域3b。第一和第二存儲區(qū)域3a、3b中分別設(shè)有第一和第二垂直掃描電路區(qū)域4a、4b 以及第一和第二水平掃描電路區(qū)域5a、5b，其中以上區(qū)域中分別設(shè)有用于控制從存儲區(qū)域 3a、3b中讀取信號的移位寄存器或譯碼器等電路。如圖3所示，用于從各存儲區(qū)域3a、3b中 向元件的外部讀取信號的輸出線束SS01 SS64配置為上下各32組共計64組。
本實(shí)施例的固體攝像元件以將像素區(qū)域2的大致中央劃分成上下兩個的水平線 作為邊界，構(gòu)成為大致上下對稱的結(jié)構(gòu)。由于該上半部分和下半部分的結(jié)構(gòu)或動作相同，因 此在以下的說明中，主要描述下方的第一像素區(qū)域2a、第一存儲區(qū)域3a、第一垂直掃描電 路區(qū)域4a、第一水平掃描電路區(qū)域5a的結(jié)構(gòu)以及動作。 像素數(shù)即上述N、M值可以分別任意地決定，這些值越大，則圖像的分辨率就越大， 但是，另一方面會導(dǎo)致整體的芯片面積變大或者對應(yīng)于一個像素的芯片面積變小。作為該 例，設(shè)N二 264、M = 320。因此，如圖3、圖4所示，分別配置在第一、第二像素區(qū)域2a、2b中 的像素數(shù)是在水平方向上320像素、在垂直方向上132像素的42240像素。
圖2是表示像素區(qū)域2(2a、2b)中的一個像素10的大致布局的俯視圖。 一個像素 10所占的區(qū)域是大致正方形，其內(nèi)部大致區(qū)分成三個區(qū)域，S卩，光電變換區(qū)域11、像素電路 區(qū)域12以及布線區(qū)域13。布線區(qū)域13中，(M/2) + a根像素輸出線14按照沿垂直方向延 伸的方式集中配置。這里，a可以是0，此時，在本例中通過一個布線區(qū)域13的像素輸出線 的根數(shù)是132根。但是，一般形成多個這樣平行延伸的布線(例如，A1等金屬布線)時，兩 端布線的寬度或寄生電容很容易就會變得不同。因此，實(shí)際上，夾持使信號通過的132根像 素輸出線在兩端各設(shè)置一根虛擬布線。此時，a =2，通過一個布線區(qū)域13的布線的根數(shù)是134根。 圖5是圖2所示的一個像素10的電路構(gòu)成圖。各像素10包括接受光而生成光 電荷的光電二極管(相當(dāng)于本發(fā)明的光電變換元件)31、靠近光電二極管31而設(shè)置的用于 傳送光電荷的傳送晶體管(相當(dāng)于本發(fā)明的傳送元件)32、通過傳送晶體管32與光電二極 管31連接且暫時蓄積光電荷并將其變換為電壓信號的浮動擴(kuò)散區(qū)FD(相當(dāng)于本發(fā)明的檢 測節(jié)點(diǎn))33、進(jìn)行光電荷的蓄積動作時用于蓄積從光電二極管31經(jīng)過傳送晶體管32溢出的 即溢出電荷的蓄積晶體管34以及蓄積電容(相當(dāng)于本發(fā)明的電荷蓄積元件)36、用于排出 蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中的電荷的重置晶體管35、用于將蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū) 33中的電荷或蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36兩者中的電荷作為電壓信號進(jìn)行輸出的 由被串聯(lián)連接的兩個PM0S型晶體管37、38和同樣被串聯(lián)連接的兩個NM0S型晶體管40、41 這兩級構(gòu)成的源極跟隨放大器(相當(dāng)于本發(fā)明的緩沖元件)43、用于向源極跟隨放大器43 的前一級的兩個晶體管37、38提供電流的恒流晶體管等構(gòu)成的電流源39。
在傳送晶體管32、蓄積晶體管34、重置晶體管35以及源極跟隨放大器43的選擇 晶體管38、41的柵極端子上分別連接用于提供由小T、小C、小R、小X構(gòu)成的控制信號的驅(qū) 動線15。如圖4所示，這些驅(qū)動線15在像素區(qū)域2內(nèi)的所有像素中共用。由此，能夠在所 有的像素中進(jìn)行同時驅(qū)動。 源極跟隨放大器43的第二級的低電壓側(cè)的選擇晶體管41的輸出42與配置在上 述的布線區(qū)域13中的132根像素輸出線14中的一根(在圖5中用符號141表示的像素輸 出線)連接。該像素輸出線141在每一個像素10中分別設(shè)置一根，即與各像素10對應(yīng)地 獨(dú)立設(shè)置。因此，在該固體攝像元件中，設(shè)有與像素數(shù)相同的像素輸出線，即84480根像素 輸出線。 源極跟隨放大器43具有作為以高速驅(qū)動像素輸出線141的電流緩沖器的功能。如 圖4所示，由于各像素輸出線141從像素區(qū)域2a延伸到存儲區(qū)域3a，因此會成為某種程度 的大的容性負(fù)載，為了以高速對該像素輸出線141進(jìn)行驅(qū)動，需要能夠使大電流流過的大 尺寸的晶體管。但是，為了在各像素10中想要提高檢測靈敏度而提高光電變換增益，則用 于將光電荷變換為電壓的浮動擴(kuò)散區(qū)33的電容越小越好。由于連接在浮動擴(kuò)散區(qū)33的晶 體管的柵極端子的寄生電容會使浮動擴(kuò)散區(qū)33的電容有效增加，因此由于上述原因，期望 該晶體管37是柵極輸入電容小的小型晶體管。所以，為了同時滿足輸出側(cè)中的大電流的提 供和輸入側(cè)中的低電容，在這里，將源極跟隨放大器43設(shè)置成兩級構(gòu)成，通過使前一級的 晶體管37為小型晶體管來抑制輸入柵極電容，后一級的晶體管40、41使用大的晶體管來確 保大的輸出電流。 另外，在源極跟隨放大器43中，從進(jìn)行基本動作的這點(diǎn)來看，也可不設(shè)置前一級 的選擇晶體管38，但是，通過在后一級的選擇晶體管41為截止?fàn)顟B(tài)時同時使選擇晶體管38 也處于截止?fàn)顟B(tài)來不讓電流從電流源39流向晶體管37，能夠抑制對應(yīng)量的電流消耗。
圖6是表示一個像素10的光電變換區(qū)域11的布局的示意俯視圖，圖7是圖6中 的A-A'向視線縱截面的示意電勢圖。 俯視下具有大致矩形狀的受光面的光電二極管31是嵌入型光電二極管結(jié)構(gòu)。由 于在高速攝影中曝光時間極其短，因此為了確保適當(dāng)?shù)钠毓?，需要盡量使各像素10的光電 二極管的受光面的面積大，并且需要盡量增加入射(受光)的光量。但是，一般，擴(kuò)大光電二
13極管的受光面的面積時，特別是在其周邊側(cè)所生成的光電荷到達(dá)作為檢測節(jié)點(diǎn)的浮動擴(kuò)散 區(qū)的所需時間成為問題，在高速攝影的短短一個周期期間不能被傳送的光電荷會被浪費(fèi)， 或者會成為引起殘像現(xiàn)象的原因。因此，在本實(shí)施例的固體攝像元件中，通過采用如下特殊 結(jié)構(gòu)來提高電荷傳送的速度。 通常，浮動擴(kuò)散區(qū)被配置在光電二極管的側(cè)方，但是如圖6所示，在該固體攝像元 件中，光電二極管31的大致中央部形成有小面積的浮動擴(kuò)散區(qū)331，按照包圍該浮動擴(kuò)散 區(qū)331的方式環(huán)狀地設(shè)有傳送晶體管32的柵極。通過這樣在光電二極管31的中央處配 置浮動擴(kuò)散區(qū)331，能平均縮短從光電二極管31的周邊部到浮動擴(kuò)散區(qū)331的光電荷的移 動距離，在光電二極管31的周邊部的任何位置處產(chǎn)生的光電荷都能容易到達(dá)浮動擴(kuò)散區(qū) 331。 而且，形成光電二極管31時，通過使用多個光掩模來使雜質(zhì)的注入(摻入)量(或 注入深度)多個階段地變化，使得從光電二極管31的周邊部向中央(即，浮動擴(kuò)散區(qū)331) 設(shè)置雜質(zhì)的摻入量(或注入深度)的梯度或階梯狀的階段。因此，如圖7(a)所示，向光電 二極管31的pn結(jié)施加適當(dāng)?shù)钠珘簳r，會從光電二極管31的周邊部向中央處形成向下傾斜 的電勢梯度。根據(jù)該形成的即由工序上的方法形成的電勢梯度，由受光而在光電二極管31 中生成的光電荷越在其周邊部生成的電荷越被較大程度地加速，從而向中央側(cè)前進(jìn)。
此時，若傳送晶體管32處于截止?fàn)顟B(tài)，則如圖7 (a)所示，形成在傳送晶體管32的 環(huán)狀柵極正下方的勢壘的周圍會聚集光電荷。而且，若傳送晶體管32被導(dǎo)通，則如圖7(b) 所示，聚集的光電荷會立刻通過傳送晶體管32落入浮動擴(kuò)散區(qū)331中。另一方面，光正在 入射的期間，傳送晶體管32維持導(dǎo)通狀態(tài)時，沿著電勢梯度集中在中央處的光電荷直接通 過傳送晶體管32落入浮動擴(kuò)散區(qū)331中。在何種情況下都能夠以高的概率且迅速向浮動 擴(kuò)散區(qū)331傳送光電二極管31中生成的光電荷。 在光電二極管31的中央部設(shè)置浮動擴(kuò)散區(qū)331來得到了如上述的顯著的優(yōu)點(diǎn)。但 是，與該浮動擴(kuò)散區(qū)331靠近地配置蓄積溢出的光電荷的蓄積電容36等時，會產(chǎn)生數(shù)值孔 徑降低的問題。因此，這里，在像素電路區(qū)域12中，作為擴(kuò)散層形成與如上述那樣光電荷直 接流入的浮動擴(kuò)散區(qū)(以下稱作第一浮動擴(kuò)散區(qū))331不同的第二浮動擴(kuò)散區(qū)332，并且通 過利用鋁等金屬布線333來連接第一浮動擴(kuò)散區(qū)331與第二浮動擴(kuò)散區(qū)332之間，使兩者 變成等電位。即，在這里，第一浮動擴(kuò)散區(qū)331和第二浮動擴(kuò)散區(qū)332構(gòu)成一體，起到作為 將電荷信號變換為電壓信號的檢測節(jié)點(diǎn)的浮動擴(kuò)散區(qū)33的作用。 下面，詳細(xì)說明第一和第二存儲區(qū)域3a、3b的內(nèi)部構(gòu)成。如圖4所示，第一和第二 存儲區(qū)域3a、3b內(nèi)，沿著分別與排列在像素區(qū)域2a、2b內(nèi)的垂直方向上的132個像素10連 接的132根像素輸出線14的延伸方向，配置有蓄積幀數(shù)L份的存儲部單元20。在該例中， 蓄積幀數(shù)L即連續(xù)攝影幀數(shù)是104，在垂直方向上排列有104個存儲部單元20，而且其在水 平方向上排列有320個。因此，在第一存儲區(qū)域3a中排列有104X320個二 33280個存儲 部單元20。在第二存儲區(qū)域3b中也排列有同樣數(shù)量的存儲部單元20。
圖8是表示1個存儲部單元20的內(nèi)部構(gòu)成的示意圖。 一個存儲部單元20內(nèi)排列 有水平方向上11個、垂直方向上12個共計132個存儲部22，各存儲部22分別與不同的一 根像素輸出線141連接。通過像素輸出線141，各存儲部22分別與像素區(qū)域2a內(nèi)的像素 10 —一對應(yīng)，一個存儲部單元20內(nèi)的132個存儲部22中分別保持有像素區(qū)域2a內(nèi)的垂直方向的132個像素10的信號。因此，在圖4中，水平方向的一行上所排列的320個存儲 部20(在圖4中，用符號21表示的存儲部單元行)中保持有由132X320像素(pixel)構(gòu) 成的一幀的下半部分的像素信號。在圖3所示的上側(cè)的第二存儲區(qū)域3b中也同樣在排列 于水平方向上的一行的320個存儲部單元中保持有由132X320像素構(gòu)成的一幀的上半部 分的像素信號，由兩者構(gòu)成一幀的圖像。通過在垂直方向上排列104個存儲部單元行21，能 夠保持104幀份的像素信號。 如圖8所示，在各存儲部單元20中，132個存儲部22的所有的輸出都被連接在一 起構(gòu)成一根信號輸出線32。而且，如圖4所示，排列在水平方向上的存儲部單元20其相鄰 的每十個構(gòu)成一組，水平方向上具有32組存儲部單元20的組，每一組的十個存儲部單元20 的信號輸出線23都被連接在一起形成一根。另外，排列在垂直方向上的104個存儲部單元 20的信號輸出線23也被連接在一起形成一根。因此，在存儲區(qū)域3a中，對于水平方向上十 個、垂直方向上104個共計1040個存儲部單元20以及包含在各存儲部單元20中的存儲部 22的數(shù)量來說，137280個存儲部22的輸出被連接在一起構(gòu)成一根輸出線23。在圖3中，用 符號50表示了具有同一個輸出線23的存儲部單元20的塊，即存儲部單元模塊。根據(jù)上述 構(gòu)成，來自第一存儲區(qū)域3a的輸出線23的個數(shù)是32根，從第二存儲區(qū)域3b也抽出同樣的 輸出線。用SS01 SS64表示這些輸出線23上的信號。 圖9是表示一個存儲部22的電路構(gòu)成的圖。圖10是表示一個存儲部22的布局的 示意俯視圖。 一個存儲部22具有四個存儲單元。S卩，由與一根像素輸出線141連接的采樣 晶體管26 (26a 26d)、通過采樣晶體管26與像素輸出線141連接的電容25 (25a 25d)、 用于讀取保持在電容25中的模擬電壓信號的讀取晶體管27 (27a 27d)構(gòu)成作為存儲單 元的存儲元件24 (24a 24d)。 一個存儲部22由四個存儲元件24a 24d形成一組而構(gòu) 成。因此，在一個存儲部22中能夠保持從同一個像素通過同一個像素輸出線141輸出的四 個不同的模擬電壓信號。由于通過四個讀取晶體管27a 27d的輸出線23a 23d分別被 獨(dú)立地設(shè)置，因此實(shí)際上圖3、圖4、圖8所示的輸出線23具有四根(即，23a 23d)，四根 獨(dú)立地被輸出?；蛘撸部梢詷?gòu)成為在元件內(nèi)進(jìn)行差分等模擬運(yùn)算處理，最終作為一根輸出 線23而輸出到元件的外部。 如上所述， 一個存儲部22由四個存儲元件24a 24d構(gòu)成的最初的目的在于，為 了進(jìn)行如后述的動態(tài)范圍擴(kuò)大處理以及噪聲去除處理而對與溢出前的電荷對應(yīng)的信號、與 溢出后的電荷對應(yīng)的信號、與溢出前的電荷對應(yīng)的信號中所包含的噪聲信號、與溢出后的 電荷對應(yīng)的信號中所包含的噪聲信號這四個模擬電壓信號獨(dú)立地進(jìn)行保持。但是，并不一 定要局限于這樣的目的，也能以其它的動作方式利用各存儲元件24a 24d。例如，若不利 用各像素10的蓄積電容36，則無需考慮對應(yīng)于溢出后的電荷的信號或?qū)?yīng)于溢出后的電 荷的信號中所包含的噪聲信號，能夠利用存儲元件24來增加這部分的連續(xù)攝影的幀數(shù)。由 此，能夠進(jìn)行兩倍的208幀的連續(xù)攝影。另外，若也不進(jìn)行噪聲去除，則能夠進(jìn)行進(jìn)一步的 兩倍的416幀的連續(xù)攝影。 與各像素10內(nèi)的蓄積電容36相同，例如能夠由雙多晶硅柵極結(jié)構(gòu)或?qū)盈B(stack) 結(jié)構(gòu)形成電容25a 25d。進(jìn)行利用了CCD結(jié)構(gòu)的電荷保持時，存在因熱激勵等引起暗電荷 而導(dǎo)致的偽信號被附加在光信號中的問題，但是，使用雙多晶硅柵極結(jié)構(gòu)或?qū)盈B結(jié)構(gòu)的電 容25a 25d時，不會產(chǎn)生這樣的暗電荷，因此不會附加偽信號，能夠提高讀取到外部的信
15號的S/N。 圖ll是表示用于使保持在存儲區(qū)域3a內(nèi)的各存儲部中的信號通過如上述的輸出 線23來讀取的示意構(gòu)成的模塊圖。配置成二維陣列狀的存儲部單元20 (20-01 20-10) 的垂直方向的每一列上配置有水平移位寄存器HSR1 HSR320，水平方向的每一行上配置 有垂直移位寄存器VSR1 VSR104。進(jìn)行依次讀取時，根據(jù)水平移位寄存器HSR1 HSR320 和垂直移位寄存器VSR1 VSR104的組合選擇存儲部單元20，在被選擇的存儲部單元20中 按順序選擇存儲部22來讀取像素信號。但是，由于在輸出線23被分開的不同的存儲部單 元模塊50中能夠同時并行進(jìn)行動作，因此作為讀取動作只要考慮一個存儲單元模塊50的 內(nèi)部即可。 下面，將說明本實(shí)施例的固體攝像元件的驅(qū)動方法和動作。本實(shí)施例的固體攝像 元件具有大致區(qū)分為被稱作連續(xù)讀取和分組讀取的兩個驅(qū)動模式。連續(xù)讀取模式相當(dāng)于本 發(fā)明的第一驅(qū)動模式，分組讀取模式相當(dāng)于第二驅(qū)動模式。首先，根據(jù)圖12，說明這兩個驅(qū) 動模式的大致動作。圖12是連續(xù)讀取模式與分組讀取模式的示意時序圖。
(A)連續(xù)讀取模式 如圖12(a)所示，連續(xù)讀取模式基本上在像素區(qū)域2(2a、2b)的各像素中執(zhí)行一幀 份的光電荷蓄積之后，在所有的像素中一齊通過各自的像素輸出線輸出信號，將信號電荷 保持在存儲部22的電容25中。由此， 一幀份的像素信號會聚集在存儲區(qū)域3a、3b的存儲部 22中，接著通過如上述那樣驅(qū)動水平移位寄存器、垂直移位寄存器，依次讀取一幀的像素信 號并向外部輸出。此時，只要使用存儲區(qū)域3a中的最上面一行的320個存儲部單元20即 可。 將驅(qū)動水平和垂直移位寄存器的時鐘信號的頻率設(shè)為50MHz時，平均一個像素信 號的讀取時間是0.02ii秒。由于一個存儲部單元模塊50的最上面一行中具有132X10 = 1320個存儲部22，因此這些所需的總讀取時間是26.4ii秒。如上所述，由于在不同的存儲 部單元模塊50中同時進(jìn)行讀取，因此能以26.4ii秒進(jìn)行一幀份的像素信號的讀取。換言 之，由于能夠?qū)⒐怆姾傻男罘e時間延長至該時間，因此與后述的分組讀取模式相比，光電荷 的蓄積時間設(shè)定的自由度大。 圖12(a)是只有一幀份的例子，但是由于在像素區(qū)域2a、2b和存儲區(qū)域3a、3b中
除了通過像素輸出線14的信號的交換時以外，都能獨(dú)立進(jìn)行動作，因此從存儲區(qū)域3a、3b
依次讀取像素信號時，能夠在像素區(qū)域2a、2b中蓄積光電荷。因此，如圖12(b)所示，能夠
反復(fù)進(jìn)行大致連續(xù)的攝影。 (B)分組讀取模式的情況 在分組讀取模式下，如圖12(c)所示，不進(jìn)行像素信號的依次讀取，而是反復(fù)進(jìn)行 以下動作在各像素中進(jìn)行一幀份的光電荷蓄積之后，在所有像素中一齊通過各自的像素 輸出線來輸出信號，并在存儲部22的電容25中保持信號電荷。此時，逐幀按順序在已準(zhǔn)備 的104幀份的存儲部22中依次保持信號。然后，依次讀取該規(guī)定幀數(shù)份的像素信號并向外 部輸出。在該分組讀取模式下，由于不在攝影中進(jìn)行向外部的信號讀取，因此不受如上所 述的因用于讀取的時鐘頻率的上限引起的幀速率的限制，能夠以非常短的周期進(jìn)行連續(xù)攝 影。能夠?qū)嵤┑淖畲蟮膸俾?，主要由對光電二極管31內(nèi)產(chǎn)生的光電荷進(jìn)行聚集并向浮動 擴(kuò)散區(qū)33傳送為止的時間來限制。在該實(shí)施例的固體攝像元件中，如上所述那樣，由于在
16考慮到光電荷蓄積時的光量減少的情況下進(jìn)行了光電二極管31的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，因此能夠 在比以往的像素周邊記錄型攝像元件中實(shí)現(xiàn)的100萬幀/秒更高的幀速率進(jìn)行高速攝影。
下面，作為本實(shí)施例的固體攝像元件的詳細(xì)的驅(qū)動方法，首先根據(jù)圖13 圖16說 明各像素10中的光電變換動作和將由此生成的信號保存在一個存儲部22中的動作。
在本實(shí)施例的固體攝像元件中，在光電荷蓄積時間短的情況和光電荷蓄積時間相 對長的情況下，能夠選擇不同的兩個動作模式。目標(biāo)是前者為光電荷蓄積時間為10i!S至 100iis以下的情況，在進(jìn)行100萬幀/秒以上的高速攝影即通常執(zhí)行分組讀取模式時，優(yōu)選 采用該動作模式。 (A)光電荷蓄積時間短時的動作模式 圖13是光電荷蓄積時間短時的動作模式的驅(qū)動時序圖，圖14是該動作中的像素
IO內(nèi)的示意電勢圖。另外，在圖14(后述的圖16也相同)中Cp。、CFD、(^分別表示光電二極
管31、浮動擴(kuò)散區(qū)33、蓄積電容36中所蓄積的容量，(^+(^表示浮動擴(kuò)散區(qū)33與蓄積電容 36的合成容量。 將提供給各像素10的共同的控制信號小X設(shè)為高電平，使源極跟隨放大器43內(nèi) 的選擇晶體管38、41均維持導(dǎo)通狀態(tài)。而且，在進(jìn)行光電荷蓄積之前，將同樣作為共同的控 制信號的小T、小C、小R設(shè)為高電平，使傳送晶體管32、蓄積晶體管34以及重置晶體管35 均導(dǎo)通(時刻tO)。由此，重置(初始化)浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36。另外，此時，光電 二極管31處于完全被耗盡的狀態(tài)。此時的電勢如圖14(a)所示。 之后，使小R置于低電平并使重置晶體管35截止時，浮動擴(kuò)散區(qū)33中產(chǎn)生噪聲信 號N2，該噪聲信號N2等效于包括在該浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲、源 極跟隨放大器43的晶體管37的閾值電壓的偏差引起的固定模式噪聲(參照圖14(b))，并 且對應(yīng)于該噪聲信號N2的輸出會出現(xiàn)在像素輸出線141中。所以，通過在該時刻(時刻 tl)向存儲部22賦予采樣脈沖小N2來使采樣晶體管26d導(dǎo)通，從而獲取通過像素輸出線 141而輸出的噪聲信號N2并將其保持在電容25d中。 之后，使小C處于低電平并使蓄積晶體管34截止時，根據(jù)浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電 容36的各自的電容CFD、 Ccs之比，分配該時刻蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中的信 號(參照圖14(c))。此時，浮動擴(kuò)散區(qū)33中產(chǎn)生噪聲信號N1，該噪聲信號N1等效于包括 使小C截止時所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲、源極跟隨放大器43的晶體管37的閾值電壓的偏差引起 的固定模式噪聲，并且對應(yīng)于該噪聲信號N1的輸出會出現(xiàn)在像素輸出線141中。所以，通 過在該時刻(時刻t2)向存儲部22賦予采樣脈沖小N1來使采樣晶體管26c導(dǎo)通，從而獲 取通過像素輸出線141而被輸出的噪聲信號Nl并將其保持在電容25c中。
由于傳送晶體管32維持導(dǎo)通狀態(tài)，因此根據(jù)入射到光電二極管31的光而產(chǎn)生的 光電荷通過傳送晶體管32(圖7(b)所示的狀態(tài))流入浮動擴(kuò)散區(qū)33中，與噪聲信號N1疊 加并被蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33中(時刻t3)。假設(shè)入射強(qiáng)光而在光電二極管31中產(chǎn)生了大 量的光電荷，并且浮動擴(kuò)散區(qū)33已飽和，則溢出的電荷通過蓄積晶體管34被蓄積在蓄積電 容36中(參照圖14(d))。通過將蓄積晶體管34的閾值電壓適當(dāng)設(shè)定得較低，能夠從浮動 擴(kuò)散區(qū)33向蓄積電容36有效地傳送電荷。由此，即使浮動擴(kuò)散區(qū)33的電容CFD較小而能 夠在其中蓄積的最大飽和電荷較少，也能將飽和的電荷無廢棄地有效地利用。這樣，浮動擴(kuò) 散區(qū)33中的電荷飽和(溢出)前和電荷飽和(溢出)后的任意情況下所產(chǎn)生的電荷都能
17被反映在輸出中。 若經(jīng)過了規(guī)定的光電荷蓄積時間(曝光時間)，則在使蓄積晶體管34截止的狀態(tài) 下通過向存儲部22賦予采樣脈沖小SI來使采樣晶體管26a導(dǎo)通，從而在該時刻(時刻t4) 使對應(yīng)于蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33中的電荷的信號通過像素輸出線141取入，并將其保持在電 容25a中(參照圖14(e))。此時，由于蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33中的信號是在噪聲信號Nl上 疊加了對應(yīng)于溢出前的電荷的信號SI的信號，因此保持在電容25a中的是不反映蓄積在蓄 積電容36中的電荷量的S1+N1。 緊接著，使小C處于高電平來使蓄積晶體管34導(dǎo)通時，在該時刻保持在浮動擴(kuò)散 區(qū)33中的電荷和保持在蓄積電容36中的電荷被混合(參照圖14(f))。在該狀態(tài)下，通過 向存儲部22賦予采樣脈沖小S2來使采樣晶體管26b導(dǎo)通(時刻t5)，從而使對應(yīng)于蓄積在 浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中的電荷的信號，即在噪聲信號N2上疊加了對應(yīng)于溢出后的 電荷的信號S2的信號通過像素輸出線141取入，并將其保持在電容25b中。因此，保持在 電容25b中的是反映了蓄積在蓄積電容36中的電荷量的S2+N2。 如上所述，在包括在一個存儲部22中的四個電容25a、25b、25c、25d中分別保持信 號S1+N1、S2+N2、N1、N2，以此結(jié)束一個周期的圖像信號的獲取。如上所述，包括隨機(jī)噪聲和 固定模式噪聲的噪聲信號Nl、 N2和包括這些噪聲信號的信號是分別求出的。因此，將各個 信號從電容25a、25b、25c、25d讀取之后通過未圖示的模擬運(yùn)算電路進(jìn)行減法運(yùn)算處理，能 夠獲得去除了噪聲信號N1、N2的影響的高S/N的圖像信號。另外，由于從浮動擴(kuò)散區(qū)33溢 出的電荷都能無廢棄地加以利用，因此即使在強(qiáng)光入射的情況下也不易引起飽和，能夠獲 得反映了該光的信號，并且能夠確保大的動態(tài)范圍。另外，關(guān)于能夠擴(kuò)大這樣的動態(tài)范圍的 詳細(xì)說明例如在特開2006-245522號公報等文獻(xiàn)中有記載，因此在這里省略其說明。
(B)光電荷蓄積時間相對長時的動作模式 下面，說明光電荷蓄積時間相對長時的動作。圖15是光電荷蓄積時間相對長時的 驅(qū)動時序圖，圖16是該動作的像素內(nèi)的示意電勢圖。 與光電荷蓄積時間短時的最大的不同點(diǎn)是在光電荷蓄積期間，使傳送晶體管32 截止并將在光電二極管31中產(chǎn)生的光電荷蓄積在耗盡層中。另外，由于光電荷蓄積時間 長，因此為了抑制耗電而使源極跟隨放大器43的選擇晶體管38、41截止規(guī)定時間。
進(jìn)行光電荷蓄積之前，使小T、小C、小R處于高電平，使傳送晶體管32、蓄積晶體管 34以及重置晶體管35均導(dǎo)通(時刻t10)。由此，對浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36進(jìn)行重 置(初始化)。另外，此時，光電二極管31處于完全被耗盡的狀態(tài)。此時的電勢的狀態(tài)如圖 16(a)所示。 之后，使小R處于低電平來使重置晶體管35截止時，在浮動擴(kuò)散區(qū)33中產(chǎn)生噪聲 信號N2，該噪聲信號N2等效于包括在該浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲、 源極跟隨放大器43的晶體管37的閾值電壓的偏差引起的固定模式噪聲(參照圖16(b))， 并且對應(yīng)于該噪聲信號N2的輸出會出現(xiàn)在像素輸出線141中。所以，通過在該時刻(時刻 tll)向存儲部22賦予采樣脈沖小N2來使采樣晶體管26d導(dǎo)通，從而通過像素輸出線141 獲取噪聲信號N2并將其保持在電容25d中。到此為止的動作與上述的光電荷蓄積時間短 時的動作模式相同。之后，使小C處于低電平來使蓄積晶體管34截止時，根據(jù)浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電
18容36的各自的電容CFD、 Ccs之比，分配該時刻蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33和蓄積電容36中的電 荷。而且，使小T處于低電平來使傳送晶體管32截止，使小X也處于低電平，使源極跟隨放 大器43的兩個選擇晶體管38、41也截止(時刻tl2)。由此，在光電二極管31和浮動擴(kuò)散 區(qū)33之間形成勢壘，構(gòu)成能夠蓄積光電二極管31中的光電荷的狀態(tài)(參照圖16(c))。
根據(jù)入射到光電二極管31中的光所產(chǎn)生的光電荷被蓄積在光電二極管31中，但 是若在光電二極管31中產(chǎn)生電荷飽和，則以上的過剩的電荷會溢出并通過傳送晶體管32 疊加在如上分配的噪聲信號上，并被蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33中。而且，入射強(qiáng)光而在浮動擴(kuò) 散區(qū)33中產(chǎn)生飽和時，溢出的電荷通過蓄積晶體管34被蓄積在蓄積晶體管36中(參照圖 16(d))。 通過將蓄積晶體管34的閾值電壓適當(dāng)設(shè)定得比傳送晶體管32的閾值電壓還低， 能夠?qū)⒃诟訑U(kuò)散區(qū)33中飽和的電荷有效地傳送給蓄積電容36，而無需使其回到光電二 極管31側(cè)。由此，即使浮動擴(kuò)散區(qū)33的電容CFD小而能夠在其中蓄積的電荷量少，也能無 廢棄地有效地利用溢出的電荷。這樣，浮動擴(kuò)散區(qū)33中的溢出前和溢出后的任意情況下所 產(chǎn)生的電荷都能被反映在輸出中。 若經(jīng)過了規(guī)定的光電荷蓄積時間，則使小X處于高電平來使選擇晶體管38、41導(dǎo) 通之后，向存儲部22賦予采樣脈沖小N1來使采樣晶體管26c導(dǎo)通，從而使對應(yīng)于在該時刻 (時刻t13)蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33中的信號電荷的噪聲信號N1通過像素輸出線141而被獲 取，并將其保持在電容25c中。此時的噪聲信號N1中包含有因源極跟隨放大器43的晶體 管37的閾值電壓的偏差引起的固定模式噪聲。另外，此時，除了噪聲之外，還包含因光電變 換產(chǎn)生的光電荷的一部分，但是在這里將該光電荷的一部分也看作噪聲。
之后，使小T處于高電平來使傳送晶體管32導(dǎo)通，將蓄積在光電二極管31中的光 電荷完全傳送給浮動擴(kuò)散區(qū)33 (參照圖16(e))。緊接著(時刻tl4)，通過向存儲部22賦 予采樣脈沖小S1來使采樣晶體管26a導(dǎo)通，從而使對應(yīng)于蓄積在浮動擴(kuò)散區(qū)33中的電荷 的信號通過像素輸出線141而被獲取，并將其保持在電容25a中。此時的信號是基于在之 前的噪聲信號Nl上疊加了蓄積在光電二極管31中的電荷的信號，即疊加了溢出前的信號 Sl，因此是S1+N1。 之后，使小C處于高電平來使蓄積晶體管34導(dǎo)通時，在該時刻保持在浮動擴(kuò)散區(qū) 33中的電荷和保持在蓄積電容36中的電荷被混合(參照圖16 (f))。在該狀態(tài)(時刻115) 下，通過向存儲部22賦予采樣脈沖小S2來使采樣晶體管26b導(dǎo)通，從而使對應(yīng)于蓄積在浮 動擴(kuò)散區(qū)33以及蓄積電容36中的電荷的信號通過像素輸出線141而被獲取，并將其保持 在電容25b中。此時的信號是S2+N2。 如以上所述，在一個存儲部22中包含的四個電容25a、25b、25c、25d中分別保持信 號S1+N1、 S2+N2、 Nl、 N2，以此結(jié)束一個周期的圖像信號的獲取。與光電荷蓄積時間短時的 動作模式同樣，分別求出包括隨機(jī)噪聲和固定模式噪聲的噪聲信號Nl、 N2和包括這些噪聲 信號的信號。因此從電容25a、25b、25c、25d讀取各個信號之后，通過進(jìn)行減法運(yùn)算等模擬 運(yùn)算處理，能夠獲得去除了噪聲信號N1、N2的影響的高S/N的圖像信號。另外，由于也能無 廢棄地利用從浮動擴(kuò)散區(qū)33溢出的電荷，因此即使在強(qiáng)光入射下也不易引起飽和，并且能 夠獲得反映了該光的信號，并能確保大的動態(tài)范圍。 如上所述，由于提供給各像素10的控制信號小X、小T、小R、小C在所有像素中相同，因此能在所有的像素10中同時進(jìn)行如上述的光電荷蓄積動作以及從各像素10向存儲 部22的信號的傳送動作。即，在上述一個周期中，一幀份的圖像信號被保持在圖3、圖4中 的存儲部單元行21內(nèi)的存儲部22中。在分組讀取模式下，通過反復(fù)進(jìn)行104次該動作，在 所有的存儲部單元行21內(nèi)的存儲部22中保持像素信號。第105次以后，按照再次向最上 面的存儲部單元行21中的各存儲部22寫入信號的方式循環(huán)執(zhí)行保持動作。例如，直到從 外部賦予攝影停止指示信號為止，反復(fù)進(jìn)行這樣的動作。賦予攝影停止的指示信號來中止 攝影時，那個時刻在存儲區(qū)域3a、3b中保持最新的104幀份的像素信號。通過依次讀取這 些信號，能夠獲得104幀的連續(xù)的圖像信號。另外，在各存儲部22中，如上所述，在已保持有一些信號的電容中保持新信號時， 為了廢棄此前的信號而需要執(zhí)行重置。因此，雖然未圖示，但是，各像素輸出線141上分別 連接有重置用的晶體管，重置某一個存儲部的電容時，使該存儲部的采樣晶體管導(dǎo)通并且 使與對應(yīng)的像素輸出線連接的重置用晶體管導(dǎo)通，蓄積在電容上的信號通過采樣晶體管、 像素輸出線被重置。執(zhí)行這樣的重置后，在電容中保持新信號。 下面，說明從存儲區(qū)域3a、3b依次讀取信號的動作。圖17是連續(xù)讀取模式的一幀 份的依次讀取的動作時序圖，圖18是分組讀取模式的依次讀取的動作時序圖，圖19是表示 各存儲部22的讀取順序的示意圖。 通過依次使與同一個輸出線23連接的讀取晶體管27導(dǎo)通，從而讀取保持在各存 儲部22的電容25中的信號。由于同一個存儲部22的四個讀取晶體管27a 27d分別與 不同的輸出線23a 23d連接，因此能夠同時讀取分別保持在同一個存儲部22內(nèi)的四個電 容25a 25d中的信號。而且，通過在設(shè)置于元件的外部或內(nèi)部的未圖示的減法運(yùn)算電路 中進(jìn)行(S1+N1)-N1、 (S2+N2)-N2的減法處理，能夠獲取去除了隨機(jī)噪聲和固定模式噪聲的 Sl信號、S2信號。另外，作為像素信號采用Sl、 S2的哪一個是按照以下方法進(jìn)行的以Sl 的飽和信號量以下的適當(dāng)?shù)男盘栯娖綖榛鶞?zhǔn)，根據(jù)在該電平以上還是小于該電平來分別選 擇Sl、 S2。通過在飽和信號量以下實(shí)施這樣的切換能夠避免信號Sl的飽和偏差的影響。
作為一個事例，在圖11所示的第一幀的320個存儲部單元20中說明左端側(cè)的存 儲部單元模塊50的讀取順序。首先，在左端的存儲部單元20-01中，從左向右按順序讀取 11個像素份的圖8所示的水平方向的第一行的存儲部22的像素信號。通過激活水平移位 寄存器HSR1和垂直移位寄存器VSR1來選擇該存儲部單元20-01，并根據(jù)水平方向的讀取 時鐘H-CLK移動從水平方向的左到右方向逐個使存儲部22的讀取晶體管27導(dǎo)通的脈沖信 號。這樣結(jié)束一行份的讀取時，賦予向垂直方向進(jìn)行讀取的時鐘V-CLK，由此向接下來的第 二行的存儲部22轉(zhuǎn)移，同樣從左向右進(jìn)行移動并讀取11個像素份。根據(jù)該反復(fù)動作， 一直 到第十二行的結(jié)束為止進(jìn)行像素信號的讀取。 之后，通過激活水平移位寄存器HSR2和垂直移位寄存器VSR1，選擇右邊相鄰的存 儲部單元20-02，如圖18、圖19所示，讀取對象向該存儲部單元20-02轉(zhuǎn)移。這樣，與上述同 樣地，通過按行一列的順序逐個像素使各存儲部的讀取晶體管27導(dǎo)通，從而讀取信號。這 樣，按順序?qū)⒋鎯Σ繂卧倪x擇進(jìn)行到存儲部單元20-10，在結(jié)束所述存儲部單元20-10的 第十二行的存儲部22的讀取時，完成一幀份的讀取。在其它存儲部單元模塊50中也與上 述動作并行地執(zhí)行從對應(yīng)的存儲部單元的存儲部的信號的讀取。 進(jìn)行分組讀取模式下的依次讀取時，如上述那樣，結(jié)束第一幀的所有的像素信號的讀取之后，接著開始第二幀的像素信號的讀取。即，如圖18所示，由于通過激活水平移位 寄存器HSR1和垂直移位寄存器VSR2來選擇圖11所示的第二行的存儲部單元中的左端的 存儲部單元，因此按照與第一幀相同的順序執(zhí)行讀取，并反復(fù)進(jìn)行該動作來完成一直到104 幀的讀取。 但是，對于讀取順序并不特別僅限于此，能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏?。例如，在分組讀取 模式下，時間上最早的并不一定是排列在最上面的水平方向上的存儲部單元20中所保持 的像素信號。因?yàn)?，雖然從上到下按順序?qū)γ恳粠M(jìn)行信號的寫入，但是并沒有決定在哪一 幀中進(jìn)行寫入停止。因此，只要優(yōu)選從最后進(jìn)行了寫入的行的接下來的行開始按順序依次 進(jìn)行讀取的方式，就能按時間序列順序獲取圖像信號。 在該固體攝像元件中，由于在連續(xù)讀取模式和分組讀取模式下，只是提供給各像 素的控制信號或者控制存儲部的水平移位寄存器、垂直移位寄存器的驅(qū)動信號等不同，因 此能夠方便且迅速地根據(jù)來自外部的控制指令進(jìn)行切換。下面，說明利用了該切換且使用 了本實(shí)施例的固體攝像元件的攝影動作的方式。圖20、圖21是表示分別使用了本固體攝像 元件的攝影動作的一個方式的示意時序圖。 在圖20所示的例子中，通過在固體攝像元件的外部的圖像處理電路(若可能也可 內(nèi)置在固體攝像元件中)中對根據(jù)上述的連續(xù)讀取模式逐幀讀取的圖像信號進(jìn)行處理，從 而檢測作為目標(biāo)的被攝體的運(yùn)動或變化。此時的處理中能夠采用例如利用了多個幀間的圖 像信號之差等的現(xiàn)有的各種運(yùn)動檢測處理技術(shù)。另外，此時，也可以不檢測圖像整體，而是 檢測由用戶指定的圖像中的特定的范圍內(nèi)的變化或動作。這樣的處理結(jié)果，若認(rèn)為在被攝 體中存在運(yùn)動或變化，則根據(jù)此而產(chǎn)生觸發(fā)信號。通過賦予該觸發(fā)信號，從連續(xù)讀取模式轉(zhuǎn) 移到分組讀取模式并執(zhí)行104幀(或指定的適當(dāng)?shù)膸瑪?shù))的高速攝影，在分組讀取模式下 向元件外部讀出的像素信號被保存在外部的幀存儲器中。而且，在固體攝像元件中結(jié)束104 幀(或指定的適當(dāng)?shù)膸瑪?shù))份的分組讀取模式時，再次回到連續(xù)讀取模式。
另一方面，在圖21所示的例子中，基本上反復(fù)進(jìn)行分組讀取模式的反復(fù)速度下的
光電荷蓄積和從各像素向存儲部的信號傳送，每當(dāng)反復(fù)進(jìn)行了規(guī)定幀數(shù)的該動作時，執(zhí)行 連續(xù)讀取模式的光電荷蓄積和由此獲得的像素信號的向外部的依次讀出。進(jìn)行該依次讀出
時，能夠同時進(jìn)行分組讀取模式的反復(fù)速度下的光電荷蓄積和從各像素向存儲部的信號傳 送?；谕ㄟ^依次讀取而讀取的像素信號，與上述例同樣地，在外部的圖像處理電路中檢測 被攝體的運(yùn)動或變化，并基于其檢測結(jié)果生成觸發(fā)信號。賦予觸發(fā)信號時會停止從分組讀 取模式的各像素向存儲部的信號傳送，但是，此時，也可以從觸發(fā)信號的生成時刻開始賦予 規(guī)定時間或規(guī)定幀數(shù)的延遲后停止信號的寫入。 在該例的情況下，由于存儲區(qū)域3a、3b的存儲部22中始終保持有過去的104幀份 的像素信號，因此除了觸發(fā)信號產(chǎn)生以后的圖像之外，還能獲取從觸發(fā)信號的產(chǎn)生時刻開 始追溯到過去的圖像。在圖21所示的時序圖中，進(jìn)行對應(yīng)于在連續(xù)讀取模式下讀取的信號 的光電荷的蓄積時，拉長了曝光時間，但是也可以使其與分組讀取模式的光電荷蓄積的曝 光時間相同。由此，想要獲得比觸發(fā)信號產(chǎn)生時刻更早的圖像時，能夠縮短得不到的圖像的 期間。 另外，本實(shí)施例的固體攝像元件中，由于在各像素10中使模擬電壓信號通過源極 跟隨放大器43而輸出給各像素輸出線，因此能夠在為了分組讀取用而準(zhǔn)備的存儲部和為了連續(xù)讀取用而準(zhǔn)備的存儲部中同時進(jìn)行采樣來將信號保持在各個電容中。由此，即使在 途中進(jìn)行連續(xù)讀取也無需在途中中斷分組讀取，能夠獲得連續(xù)的高速攝影圖像。
在上述說明中，在連續(xù)讀取模式下讀取了所有的像素信號，但是，例如若目的是基 于該圖像而監(jiān)視被攝體有無變化并生成觸發(fā)信號，則大多情況下即使空間分辨率有些劣化 也無所謂。所以，例如，通過在像素區(qū)域上進(jìn)行水平方向上隔一個或兩個、垂直方向上隔一 個或兩個等的間隔讀取，能夠減少對一幀讀取的像素信號的數(shù)量從而能縮短讀取時間。
圖22(a)是表示在像素區(qū)域2 (2a、2b)上執(zhí)行水平方向和垂直方向上的分別隔一 個的間隔讀取時所讀取的像素10的示意圖。在該圖中，用斜線表示了所讀取的像素。此 時，由于所讀取的像素信號的數(shù)量是整體的1/4，因此總的讀取時間只需約6. 6ii秒即可。 圖22(b)是表示在像素區(qū)域2(2a、2b)上執(zhí)行只有水平方向上隔一個的間隔讀取時所讀取 的像素10的示意圖。此時，由于所讀取的像素信號的數(shù)量是整體的1/2，因此總的讀取時間 只需約13. 2ii秒即可。 另外，在如上述的單純的間隔讀取下能夠利用的信號減少，但是，也可以在像素區(qū) 域2(2a、2b)上對相鄰的多個像素的信號進(jìn)行加法運(yùn)算后進(jìn)行讀取。即，如上述那樣，由于 按每個存儲部單元模塊50來共用輸出線23，因此只要同時使不同的存儲部22內(nèi)的讀取晶 體管27導(dǎo)通并輸出電容25的保持電壓，則該電壓信號在輸出線23上會被進(jìn)行模擬加法 運(yùn)算。因此，例如如圖23(a)那樣，通過對在水平方向、垂直方向上相鄰的每兩像素共計四 像素的像素信號進(jìn)行加法運(yùn)算來進(jìn)行輸出，總的讀取時間只需與上述間隔讀取時相同的約 6.6ii秒即可。另外，由于信號不會被浪費(fèi)，因此與上述的間隔讀取相比，能夠提高S/N。
另外，選擇進(jìn)行加法運(yùn)算的多個像素時，并不一定要如上述那樣在像素區(qū)域2(2a、 2b)的水平方向、垂直方向上按相同的方式劃分像素，如圖23(b)那樣，也可以按照在水平 方向、垂直方向上相鄰的像素的集合的劃分互不相同的方式，進(jìn)行同時被導(dǎo)通的讀取晶體 管的選擇。由此，能夠在一定程度上抑制將多個像素的像素信號匯總后的視覺上的分辨率 降低。 另外，也能由對存儲區(qū)域3a、3b內(nèi)的各存儲部22進(jìn)行驅(qū)動的垂直移位寄存器電 路、水平移位寄存器電路的控制的切換進(jìn)行上述的間隔讀取或多個像素的加法運(yùn)算處理 等，完全不會對像素區(qū)域2(2a、2b)內(nèi)的各像素10的構(gòu)成等產(chǎn)生影響。因此，如上所述，即 使變更像素信號的讀取方法，自由度也會很高。 另外，上述實(shí)施例是本發(fā)明所涉及的固體攝像元件以及該固體攝像元件的驅(qū)動方 法的一例，顯然，在本發(fā)明的宗旨范圍內(nèi)即使進(jìn)行適當(dāng)變形或修正、追加也包括在本申請的 保護(hù)范圍中。
權(quán)利要求
一種固體攝像元件的驅(qū)動方法，在該固體攝像元件中，多個至少包括接受光而生成光電荷的光電變換元件、向檢測節(jié)點(diǎn)傳送由所述光電變換元件生成的光電荷的傳送元件、從所述檢測節(jié)點(diǎn)向像素輸出線送出信號的緩沖元件的像素排列成二維陣列狀，按每個像素獨(dú)立設(shè)置所述像素輸出線，并且對各像素設(shè)置一個以上存儲部，該存儲部對通過像素輸出線從各像素輸出的信號進(jìn)行保持，該固體攝像元件的驅(qū)動方法的特征在于，執(zhí)行下述驅(qū)動模式之中的至少一個驅(qū)動模式第一驅(qū)動模式，按照下述方式使各像素和各存儲部進(jìn)行動作，即，在所有像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作、將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持到所述存儲部之中的一個的動作，然后從對應(yīng)于各像素的存儲部依次讀取該一幀份的信號并輸出；和第二驅(qū)動模式，按照下述方式使各像素和各存儲部進(jìn)行動作，即，在依次指定保持信號的存儲部的同時反復(fù)執(zhí)行在所有像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作、將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持到所述存儲部之中的一個的動作，并且在多幀份的信號被保持到各存儲部中之后從對應(yīng)于各像素的存儲部依次讀取該多幀份的信號并輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于，針對各像素設(shè)置多個所述存儲部，選擇性地或并行執(zhí)行第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于，與一個像素對應(yīng)的一個存儲部至少包括對噪聲信號進(jìn)行保持的存儲單元、和對與光電 荷對應(yīng)的信號進(jìn)行保持的存儲單元，進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作以及將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持到 多個存儲部之中的一個時，在不同的定時進(jìn)行在所有像素中一齊保持噪聲信號的動作、在 所有像素中一齊保持與光電荷對應(yīng)的信號的動作，從存儲部依次讀取信號時，從各存儲單元并行讀取噪聲信號和與光電荷對應(yīng)的信號并 輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于，各像素至少包括一個電荷蓄積元件，該電荷蓄積元件對進(jìn)行光電荷的蓄積動作時從所 述光電變換元件通過所述傳送元件后溢出的或從所述檢測節(jié)點(diǎn)溢出的光電荷進(jìn)行蓄積，與 一個像素對應(yīng)的一個存儲部具有四個存儲單元，在所有像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作；和將通過像素輸出線從像素 輸出的信號保持到多個存儲部之中的一個時，使溢出前的噪聲信號、溢出后的噪聲信號、對 應(yīng)于溢出前的電荷的信號、對應(yīng)于溢出后的電荷的信號分別通過像素信號線依次保持到所 述四個存儲單元中的動作；從存儲部依次讀取信號時，從各存儲單元并行讀取溢出前的噪聲信號、溢出后的噪聲 信號、對應(yīng)于溢出前的電荷的信號以及對應(yīng)于溢出后的電荷的信號并輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于， 第二驅(qū)動模式下，按照在與各像素對應(yīng)的多個存儲部全部保持了信號之后，將保持有時間上最早的信號的存儲部進(jìn)行重置來保持新信號的方式，進(jìn)行循環(huán)使用多個存儲部的信 號保持動作，并根據(jù)停止指示來停止向存儲部保持新信號的保持動作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于，基于通過執(zhí)行第一驅(qū)動模式而輸出的一幀份或多幀份的全部或其中一部分圖像信息 來檢測特定的事件，根據(jù)其檢測結(jié)果執(zhí)行第二驅(qū)動模式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于， 將第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式執(zhí)行任意次數(shù)或按時間交替地執(zhí)行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于， 進(jìn)行第一驅(qū)動模式的動作時，利用用于第二驅(qū)動模式的所述存儲部的一部分。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于， 獨(dú)立地設(shè)置用于第一驅(qū)動模式的存儲部和用于第二驅(qū)動模式的存儲部。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1 9的任一項(xiàng)所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于， 從存儲部依次讀取信號時，選擇性地依次讀取并輸出與排列成二維陣列狀的多個像素中的特定像素對應(yīng)的信號。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1 9的任一項(xiàng)所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于， 從存儲部同時讀取與排列成二維陣列狀的多個像素中的相鄰或靠近的像素對應(yīng)的信號，并進(jìn)行模擬加法運(yùn)算處理或平均化處理。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于， 在二維陣列狀的排列的水平方向和垂直方向上，互不相同地選擇進(jìn)行所述模擬加法運(yùn)算處理或平均化處理時的多個像素的組合。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1 9的任一項(xiàng)所述的固體攝像元件的驅(qū)動方法，其特征在于， 從存儲部同時讀取時間上相鄰或靠近的不同幀中空間上處于同一位置的一個或多個像素所對應(yīng)的信號，并進(jìn)行模擬加法運(yùn)算處理或平均化處理。
14. 一種固體攝像元件，其特征在于，具備a) 排列成二維陣列狀的多個像素，所述像素至少包含接受光而生成光電荷的光電變換 元件、向檢測節(jié)點(diǎn)傳送由所述光電變換元件生成的光電荷的傳送元件、從所述檢測節(jié)點(diǎn)向 后述像素輸出線送出信號的緩沖元件；b) 按每個像素獨(dú)立設(shè)置的像素輸出線；c) 為了保持通過所述像素輸出線從各像素輸出的信號而對各像素設(shè)置的多個存儲部；d) 執(zhí)行第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式的驅(qū)動控制單元，在所述第一驅(qū)動模式下，按照 下述方式使各像素和各存儲部進(jìn)行動作，即，在所有像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的 蓄積動作、將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持到多個存儲部之中的一個的動作，然 后從對應(yīng)于各像素的存儲部依次讀取該一幀份的信號并輸出，在所述第二驅(qū)動模式下，按 照下述方式使各像素和各存儲部進(jìn)行動作，即，在依次指定保持信號的存儲部的同時反復(fù) 執(zhí)行在所有像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作、將通過像素輸出線從像素輸 出的信號保持到多個存儲部之中的一個的動作，并且在多幀份的信號被保持到各存儲部中 之后從對應(yīng)于各像素的存儲部依次讀取該多幀份的信號并輸出。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像元件，其特征在于，與一個像素對應(yīng)的一個存儲部至少包括對噪聲信號進(jìn)行保持的存儲單元、和對與光電 荷對應(yīng)的信號進(jìn)行保持的存儲單元，所述驅(qū)動控制單元在進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作以及將通過像素輸出線從像素輸出的信號保持到多個存儲部之中的一個時，在不同的定時進(jìn)行在所有像素中一齊保 持噪聲信號的動作、在所有像素中一齊保持與光電荷對應(yīng)的信號的動作，并且從存儲部依 次讀取信號時，從各存儲單元并行讀取噪聲信號和與光電荷對應(yīng)的信號并輸出。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像元件，其特征在于，各像素至少包括一個電荷蓄積元件，該電荷蓄積元件對進(jìn)行光電荷的蓄積動作時從所 述光電變換元件通過所述傳送元件后溢出的或從所述檢測節(jié)點(diǎn)溢出的光電荷進(jìn)行蓄積，與 一個像素對應(yīng)的一個存儲部具有四個存儲單元，所述驅(qū)動控制單元在所有像素中一齊進(jìn)行各像素中的光電荷的蓄積動作；和將通過 像素輸出線從像素輸出的信號保持到多個存儲部之中的一個時，使溢出前的噪聲信號、溢 出后的噪聲信號、對應(yīng)于溢出前的電荷的信號、對應(yīng)于溢出后的電荷的信號分別通過像素 信號線依次保持到所述四個存儲單元中的動作；并且從存儲部依次讀取信號時，從各存儲 單元并行讀取溢出前的噪聲信號、溢出后的噪聲信號、對應(yīng)于溢出前的電荷的信號以及對 應(yīng)于溢出后的電荷的信號并輸出。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像元件，其特征在于，所述驅(qū)動控制單元在第二驅(qū)動模式下，按照在與各像素對應(yīng)的多個存儲部全部保持 了信號之后，將保持有時間上最早的信號的存儲部進(jìn)行重置來保持新信號的方式，進(jìn)行循 環(huán)使用多個存儲部的信號保持動作，并根據(jù)停止指示來停止向存儲部保持新信號的保持動 作。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的固體攝像元件，其特征在于，該固體攝像元件具備事件檢測單元，其基于通過執(zhí)行第一驅(qū)動模式而輸出的一幀份或 多幀份的全部或其中一部分圖像信息來檢測特定的事件，所述驅(qū)動控制單元根據(jù)所述事件檢測單元進(jìn)行的檢測來執(zhí)行第二驅(qū)動模式。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的固體攝像元件，其特征在于，所述驅(qū)動控制單元將第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式執(zhí)行任意次數(shù)或按時間交替地執(zhí)行。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像元件，其特征在于， 進(jìn)行第一驅(qū)動模式的動作時，利用用于第二驅(qū)動模式的所述存儲部的一部分。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像元件，其特征在于，獨(dú)立地設(shè)置用于第一驅(qū)動模式的所述存儲部和用于第二驅(qū)動模式的所述存儲部。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14 21的任一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其特征在于， 所述驅(qū)動控制單元在從存儲部依次讀取信號時，選擇性地依次讀取并輸出與排列成二維陣列狀的多個像素中的特定像素對應(yīng)的信號。
23. 根據(jù)權(quán)利要求14 21的任一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其特征在于， 所述驅(qū)動控制單元從存儲部同時讀取與排列成二維陣列狀的多個像素中的相鄰或靠近的像素對應(yīng)的信號，并進(jìn)行模擬加法運(yùn)算處理或平均化處理。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的固體攝像元件，其特征在于，在二維陣列狀的排列的水平方向和垂直方向上，互不相同地選擇進(jìn)行所述模擬加法運(yùn) 算處理或平均化處理時的多個像素的組合。
25. 根據(jù)權(quán)利要求14 21的任一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其特征在于，所述驅(qū)動控制單元從存儲部同時讀取時間上相鄰或靠近的不同幀中空間上處于同一 位置的一個或多個像素所對應(yīng)的信號，并進(jìn)行模擬加法運(yùn)算處理或平均化處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固體攝像元件及其驅(qū)動方法，對像素區(qū)域(2a)內(nèi)配置成二維狀的每個像素(10)設(shè)置獨(dú)立的像素輸出線(14)，各像素輸出線(14)上連接多個存儲部。連續(xù)讀取模式下，在所有像素中同時執(zhí)行光電荷蓄積，從各像素(10)通過像素輸出線(14)將信號一齊保持到存儲部中后，依次讀取各存儲部中保持的信號并將其輸出。另一方面，分組讀取模式下，通過對多個存儲部依次執(zhí)行下述動作來保持多幀的信號，所述動作為在所有像素(10)中同時執(zhí)行光電荷蓄積，從各像素(10)通過像素輸出線(14)將信號一齊保持到存儲部中。收到攝影停止的指示后停止新信號的保持并在該時刻依次讀取存儲部中保持的多幀份的圖像信號。由此，能進(jìn)行雖然幀數(shù)有限但非常高速的攝影和雖然速度有所下降但不受幀數(shù)限制的攝影。
文檔編號H04N5/355GK101796821SQ20088010555
公開日2010年8月4日 申請日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者富永秀樹, 近藤泰志, 須川成利 申請人:國立大學(xué)法人東北大學(xué);株式會社島津制作所