專利名稱：固體攝像元件及其驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體攝像元件及其驅(qū)動方法，更詳細(xì)地說，涉及一種適合于拍攝 破壞、爆炸、燃燒等高速現(xiàn)象的能夠高速進(jìn)行動作的固體攝像元件及其驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
以往，開發(fā)出一種例如用于在短時間內(nèi)連續(xù)地拍攝爆炸、破壞、燃燒、碰撞、放電等 高速現(xiàn)象的高速攝像裝置(高速攝像機(jī))(參照非專利文獻(xiàn)1等)。在這種高速攝像裝置 中，需要進(jìn)行100萬幀/秒程度以上的極高速度的拍攝。因此，利用一種與以往通常利用于 攝像機(jī)、數(shù)字照相機(jī)等的攝像元件不同的、具有特殊結(jié)構(gòu)的能夠高速進(jìn)行動作的固體攝像 元件。以往，作為這種固體攝像元件而利用專利文獻(xiàn)1等所記載的攝像元件。該文獻(xiàn)所 記載的固體攝像元件被稱為像素周邊記錄型攝像元件(IS-C⑶)。概要地說明該攝像元件。在上述像素周邊記錄型攝像元件中，作為受光部的每個光電二極管分別具備蓄積 用CCD，該蓄積用CCD與記錄幀數(shù)量相應(yīng)，兼?zhèn)湫盘杺鬏敼δ?，在拍攝中，將由光電二極管通 過光電轉(zhuǎn)換而生成的像素信號依次傳輸?shù)叫罘e用CCD。在拍攝結(jié)束之后匯總存儲在蓄積用 CCD中的與記錄幀數(shù)量相應(yīng)的像素信號并按順序讀出，在攝像元件的外部再現(xiàn)與記錄幀數(shù) 量相應(yīng)的圖像。在拍攝中對于超過記錄幀數(shù)量的像素信號，按從舊到新的順序廢除，從而在 蓄積用CCD中始終保持與規(guī)定幀數(shù)量相應(yīng)的最新的像素信號。因此，在拍攝結(jié)束時如果中 止向蓄積用CCD傳輸像素信號，則得到從該時刻起在時間上追溯與記錄幀數(shù)量相應(yīng)時間的 時刻與該時刻之間的最新的圖像。這樣，像素周邊記錄型攝像元件與在每得到一幀的圖像信號時都需要將該圖像信 號取出到外部的一般的攝像元件不同，具有能夠以非常高的速度得到多幀的連續(xù)圖像這種 特征。然而，由于半導(dǎo)體芯片面積、消耗電力等各種限制，能夠裝載到一個攝像元件的蓄積 用CCD的數(shù)量是有限的。因此，能夠高速拍攝的幀數(shù)受到限制，例如在非專利文獻(xiàn)1記載的 裝置中，能夠高速拍攝的幀數(shù)為100左右。當(dāng)然，雖然這種程度的幀數(shù)也存在很多用途，但 是，由于拍攝對象的現(xiàn)象、被攝體的種類等不同，也存在不要求那種程度的(例如10萬幀/ 秒程度)高速性而想要進(jìn)行更長時間的拍攝或者更多幀數(shù)的拍攝的情況。然而，在上述像 素周邊記錄型攝像元件中難以滿足這種拍攝要求。因此，為了支持連續(xù)記錄幀數(shù)受到限制但是超高速的拍攝以及高速性較差但是記 錄幀數(shù)不受到限制的拍攝這兩種拍攝，需要一起使用上述那樣的CCD方式的像素周邊記錄 型攝像元件以及公知的例如CMOS方式的攝像元件。這種攝像裝置成本較高。另外，在上述那樣的高速拍攝中，與作為觀察對象的現(xiàn)象的發(fā)生定時同步地進(jìn)行 拍攝很重要，當(dāng)從外部提供觸發(fā)信號時，根據(jù)該觸發(fā)信號來控制拍攝的結(jié)束、拍攝的開始。 為了生成這種觸發(fā)信號，通常使用例如接觸傳感器、位置傳感器、震動傳感器、壓力傳感器 等其它傳感器。然而，在難以使被攝體與這種傳感器之間的距離接近的情況、捕捉被攝體的 自發(fā)的變化來進(jìn)行拍攝的情況，或者對顯微鏡下的微小物體進(jìn)行拍攝的情況下等，利用上述方法往往難以得到適當(dāng)?shù)挠|發(fā)信號。針對這種問題，在專利文獻(xiàn)2記載的攝像裝置中，在攝像透鏡的后方設(shè)置分束器、 半透半反鏡等光分割單元，將入射光分為二個來分別導(dǎo)入到不同的攝像裝置。將該兩臺攝 像裝置中的一臺專用于監(jiān)視來對圖像的急劇變化進(jìn)行檢測，利用由此得到的觸發(fā)信號來控 制利用另一臺攝像裝置所得到的圖像信號的存儲的開始、結(jié)束。然而，在以往的這種攝像裝 置中，需要將來自攝像對象物的入射光分割為多個的光學(xué)系統(tǒng)部件，并且攝像裝置(攝像 元件)也需要準(zhǔn)備多個。因此，裝置的規(guī)模變大，難以降低成本。另外，也難以實(shí)現(xiàn)裝置的 小型化和輕量化。專利文獻(xiàn)1 日本特開2001-345441號公報專利文獻(xiàn)2 日本特開平5-336420號公報非專利文獻(xiàn)1 近藤《力>5名、「高速度匕·尹才力乂 7 HyperVision HPV-IO開発」、 島津評論、島津評論編集部、2005年9月30日発行、第62卷、第1 · 2號、p. 79-8
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其第一目的在于提供一種能夠同時并行地進(jìn)行 記錄幀數(shù)受到限制但是超高速的拍攝以及高速性較差但是記錄幀數(shù)不受到限制的拍攝這 兩者的固體攝像元件及其驅(qū)動方法。另外，本發(fā)明的第二目的在于提供一種能夠在某種程度長時間內(nèi)的拍攝中捕捉所 得到的圖像中的被攝體的變化、作為觀測對象的現(xiàn)象的發(fā)生等并能夠高速拍攝該變化、現(xiàn) 象的固體攝像元件及其驅(qū)動方法。用于解決問題的方案為了解決上述問題而完成的本發(fā)明所涉及的固體攝像元件的特征在于，具有以下 部分a)像素區(qū)域，在該像素區(qū)域中二維地排列有多個像素，其中，上述多個像素分別包括 接收光而生成光電荷的光電轉(zhuǎn)換部；以及b)存儲區(qū)域，是與上述像素區(qū)域分離的區(qū)域，在 該存儲區(qū)域中排列有突發(fā)讀出用存儲部和連續(xù)讀出用存儲部，其中，上述連續(xù)讀出用存儲 部與上述突發(fā)讀出用存儲部分開設(shè)置，在上述突發(fā)讀出用存儲部中，針對各像素分別設(shè)置 有多個存儲部使得能夠不將從上述像素區(qū)域內(nèi)的各像素輸出的信號讀出到外部而保持多 幀的該信號，在上述連續(xù)讀出用存儲部中，針對各像素分別設(shè)置有一個連續(xù)讀出用存儲部， 該固體攝像元件分開地具備用于將保持在上述突發(fā)讀出用存儲部中的信號讀出到外部的 輸出信號線、以及用于將保持在上述連續(xù)讀出用存儲部中的信號讀出到外部的輸出信號 線。本發(fā)明所涉及的固體攝像元件為使用了 CMOS的所謂CMOS圖像傳感器。各像素所具備的光電轉(zhuǎn)換部典型的為光電二極管。另外，能夠?qū)⑴渲迷诖鎯^(qū)域 中的突發(fā)讀出用存儲部和連續(xù)讀出用存儲部例如設(shè)為電容器與晶體管等開關(guān)(或者門極) 的組合。作為本發(fā)明所涉及的固體攝像元件的一個方式，各像素除了包括上述光電轉(zhuǎn)換部 以外還包括以下部分傳輸元件，其將由該光電轉(zhuǎn)換部生成的光電荷傳輸?shù)接糜趯⒐怆姾?從電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的檢測節(jié)點(diǎn)；緩沖元件，其將輸出信號從上述檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)送到像素輸出線；以及復(fù)位元件，其至少使上述光電轉(zhuǎn)換部和上述檢測節(jié)點(diǎn)復(fù)位。例如，上述檢測節(jié)點(diǎn)為浮動擴(kuò)散部(floating diffusion)，傳輸元件和復(fù)位元件 為晶體管(M0S晶體管)，緩沖元件為包括多個晶體管的源極跟隨放大器。在本發(fā)明所涉及的固體攝像元件中，按每個像素而設(shè)置有多個突發(fā)讀出用存儲 部。因此，在進(jìn)行多幀的連續(xù)拍攝時，能夠?qū)⑴c各幀對應(yīng)的像素信號按順序一個一個地寫入 到多個突發(fā)讀出用存儲部，在此期間，不需要將信號讀出到外部。通常在從固體攝像元件向 外部讀出信號時，由于要將龐大數(shù)量(像素?cái)?shù)量)的信號按順序讀出，因此較費(fèi)時，這些會 限制拍攝速度。與此相對，在本發(fā)明所涉及的固體攝像元件中，不將信號讀出到外部而能夠 連續(xù)拍攝。能夠在極短時間內(nèi)將信號從各像素傳輸?shù)揭粋€存儲部，因此一幀的拍攝所需的 時間基本上由將光電轉(zhuǎn)換部中通過受光而生成的光電荷蓄積到檢測節(jié)點(diǎn)等的時間來決定。 因此，與通常的攝像元件相比能夠以非常高的速度進(jìn)行拍攝。但是，在這種情況下，能夠讀出到外部的圖像幀數(shù)依賴于對每個像素準(zhǔn)備的突發(fā) 讀出用存儲部的數(shù)量。也就是說，在對每個像素設(shè)置了 100個突發(fā)讀出用存儲部的情況下， 能夠獲取最大100幀的連續(xù)的圖像。另一方面，對每個像素分別設(shè)置有一個連續(xù)讀出用存儲部，因此在每次拍攝一幀 的圖像并將信號從各像素傳輸?shù)竭B續(xù)讀出用存儲部時，即每次拍攝一幀時，需要將通過該 拍攝得到的像素信號從連續(xù)讀出用存儲部讀出到外部。根據(jù)該讀出所需的時間來決定反復(fù) 進(jìn)行拍攝的速度，因而難以提高速度。相反地，能夠按照某個已決定的幀頻進(jìn)行長時間(理 論上沒有上限)的拍攝。為了有效利用上述本發(fā)明所涉及的固體攝像元件的特征，作為本發(fā)明的一個方 式，能夠構(gòu)成為還具備驅(qū)動控制單元，該驅(qū)動控制單元執(zhí)行第一驅(qū)動模式以及第二驅(qū)動模 式，其中，在第一驅(qū)動模式中使各像素和各存儲部如下進(jìn)行動作在全部像素中同時進(jìn)行各 像素中的光電荷的蓄積動作以及使從各像素輸出的信號保持于上述連續(xù)讀出用存儲部的 保持動作，之后，從與各像素對應(yīng)的連續(xù)讀出用存儲部依次讀出并輸出一幀的信號，在第二 驅(qū)動模式中使各像素和各存儲部如下進(jìn)行動作在全部像素中同時進(jìn)行各像素中的光電荷 的蓄積動作以及使從各像素輸出的信號保持于各相應(yīng)的突發(fā)讀出用存儲部中的一個存儲 部的保持動作，并且按順序變更要保持信號的突發(fā)讀出用存儲部并反復(fù)進(jìn)行蓄積動作和保 持動作，在多幀的信號被保持在突發(fā)讀出用存儲部之后，從與各像素對應(yīng)的突發(fā)讀出用存 儲部依次讀出并輸出該多幀的信號。上述驅(qū)動控制單元還能夠控制各像素、存儲部等使其執(zhí)行第一驅(qū)動模式或者第二 驅(qū)動模式的動作，在本發(fā)明所涉及的固體攝像元件中，特別是，驅(qū)動控制單元同時并行地執(zhí) 行第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式，使得將從各像素輸出的信號同時保持在各相應(yīng)的突發(fā)讀 出用存儲部中的一個存儲部與上述連續(xù)讀出用存儲部中。另外，獨(dú)立地設(shè)置用于將保持在突發(fā)讀出用存儲部中的信號讀出到外部的輸出信 號線以及用于將保持在連續(xù)讀出用存儲部中的信號讀出到外部的輸出信號線，因此如上所 述那樣能夠在完全不同的定時將同時保持在兩個存儲部中的信號讀出到外部。即，能夠不 妨礙較長時間內(nèi)的相對低幀頻的拍攝，而在該攝像期間內(nèi)執(zhí)行與規(guī)定幀數(shù)相應(yīng)的高速拍攝。另外，本發(fā)明所涉及的固體攝像元件的驅(qū)動方法通過第一驅(qū)動模式使固體攝像元件進(jìn)行動作，根據(jù)由此從該固體攝像元件輸出的信號來捕捉目標(biāo)現(xiàn)象的發(fā)生或者被攝體的 變化，由此生成觸發(fā)信號，根據(jù)該觸發(fā)信號來進(jìn)行驅(qū)動模式的切換以同時并行地執(zhí)行第一 驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式。由此，即使是振動傳感器等其它傳感器無法捕捉到的被攝體的變化或者在物理上 無法設(shè)置這種傳感器的情況下，也能夠準(zhǔn)確地拍攝作為目標(biāo)的高速現(xiàn)象。另外，也不需要為 了進(jìn)行這種拍攝而準(zhǔn)備其它攝像裝置，因此也有助于降低高速攝像系統(tǒng)的成本。并且，在 進(jìn)行這種高速拍攝時也繼續(xù)執(zhí)行低幀頻的反復(fù)拍攝，因此能夠避免反復(fù)拍攝中的圖像的遺漏。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明所涉及的固體攝像元件及其驅(qū)動方法，利用一個攝像元件能夠同時并 行地進(jìn)行例如100萬幀/秒以上的極高速拍攝以及拍攝速度低于上述速度但是在長時間 內(nèi)反復(fù)進(jìn)行的拍攝。由此，能夠以比較低廉的成本來提供一種利用領(lǐng)域廣泛或者利用價值 較高的攝像裝置。例如，能夠響應(yīng)于被攝體所出現(xiàn)的變化、作為觀察對象的現(xiàn)象發(fā)生的開端 等，在準(zhǔn)確的定時對作為目標(biāo)的變化、現(xiàn)象進(jìn)行高速拍攝。另外，還能夠容易地實(shí)現(xiàn)以較小 時間間隔捕捉在特定的時間內(nèi)產(chǎn)生的現(xiàn)象的時間變焦功能。


圖1是表示作為本發(fā)明的一個實(shí)施例的固體攝像元件在半導(dǎo)體芯片上的布局的 概要俯視圖。圖2是表示本實(shí)施例的固體攝像元件的像素區(qū)域內(nèi)的一個像素的布局的概要俯 視圖。圖3是表示本實(shí)施例的固體攝像元件中的像素區(qū)域以及存儲區(qū)域的概要結(jié)構(gòu)的 俯視圖。圖4是本實(shí)施例的固體攝像元件中的一個像素以及與該一個像素對應(yīng)的存儲部 的概要電路結(jié)構(gòu)圖。圖5是本實(shí)施例的固體攝像元件中的驅(qū)動模式的概要時間圖。圖6是本實(shí)施例的固體攝像元件中的連續(xù)讀出/突發(fā)讀出同時并行模式的動作時 序圖。圖7是示意性地表示基于通過圖5的(d)以及圖6示出那樣的動作而讀出的信號 的攝像圖像的圖。圖8是保持一個像素的信號的存儲部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。圖9是本實(shí)施例的固體攝像元件在光電荷蓄積時間較短的情況下的動作模式的 驅(qū)動時序圖。圖10是圖9示出的動作中的像素內(nèi)的概要位勢圖。圖11是本實(shí)施例的固體攝像元件在光電荷蓄積時間較長的情況下的動作模式的 驅(qū)動時序圖。圖12是圖11示出的動作中的像素內(nèi)的概要位勢圖。附圖標(biāo)記說明1 半導(dǎo)體襯底；10 像素；11 光電轉(zhuǎn)換區(qū)域；12 像素電路區(qū)域；13 布線區(qū)域；14 像素輸出線；15 驅(qū)動線；2、2a、2b 像素區(qū)域；3a、3b 存儲區(qū)域；200 突發(fā)讀出用存儲 部；201、211 寫入側(cè)晶體管；202、212 讀出側(cè)晶體管；203 共用信號線；204、214 緩沖器； 210 連續(xù)讀出用存儲部；213、25001 25104、25a 25b 電容器；26001 26b 取樣晶體管；31 光電二極管；32 傳輸二極管；33 浮動擴(kuò)散部；34 蓄積晶體管；35 復(fù)位晶體管；36 蓄積電容器；37、40 晶體管；38、41 選擇晶體管；39 電流源；42 輸出； 43 源極跟隨放大器；4a、4b 垂直掃描電路區(qū)域；5ajb 第一水平掃描電路區(qū)域；6a、6b 第一電流源區(qū)域。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖來說明作為本發(fā)明的一個實(shí)施例的固體攝像元件及其驅(qū)動方法。通過圖1至圖4來說明本實(shí)施例的固體攝像元件整體的電路組成以及結(jié)構(gòu)。圖 1是表示本實(shí)施例的固體攝像元件在半導(dǎo)體芯片上的整體布局的概要俯視圖，圖2是表示 圖1示出的像素區(qū)域中的一個像素的概要布局的俯視圖，圖3是表示像素區(qū)域以及存儲區(qū) 域的概要結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖4是一個像素以及與該一個像素對應(yīng)的存儲部的概要電路結(jié)構(gòu) 圖。該固體攝像元件在半導(dǎo)體襯底1上具備像素區(qū)域2和存儲區(qū)域3a、3b，其中，該像 素區(qū)域2用于接收入射光來按每個像素生成像素信號，該存儲區(qū)域3a、!3b用于在將該像素 信號讀出到外部之前保持該像素信號。像素區(qū)域2與存儲區(qū)域3a、!3b相互分離，分別為成 系統(tǒng)的區(qū)域。在大致矩形形狀的像素區(qū)域2內(nèi)二維陣列狀地配置有N行、M列的總計(jì)NXM 個像素10。像素區(qū)域2被分割成分別配置有(N/幻XM個像素10的兩個區(qū)域即第一像素區(qū) 域加和第二像素區(qū)域2b。在第一像素區(qū)域加與第一存儲區(qū)域3a之間設(shè)置有細(xì)長的第一電流源區(qū)域6a，與 此相同地，在第二像素區(qū)域2b與第二存儲區(qū)域北之間設(shè)置有細(xì)長的第二電流源區(qū)域6b。 對第一存儲區(qū)域3a附設(shè)有第一垂直掃描電路區(qū)域如和第一水平掃描電路區(qū)域5a。在第一 垂直掃描電路區(qū)域如與第一水平掃描電路區(qū)域如中配置有對從第一存儲區(qū)域3a中的存 儲部讀出信號進(jìn)行控制的移位寄存器、解碼器等電路。對第二存儲區(qū)域北也同樣地附設(shè)有 第二垂直掃描電路區(qū)域4b和第二水平掃描電路區(qū)域恥。本實(shí)施例的固體攝像元件為以如下線為中心的大致線對稱的結(jié)構(gòu)，該線是在像素 區(qū)域2的大致中央將像素區(qū)域2劃分為兩個區(qū)域的線(圖1中以虛線示出的直線)。隔著 該線的兩個部分的結(jié)構(gòu)和動作相同，因此在下面的說明中，以第一像素區(qū)域加、第一存儲區(qū) 域3a、第一垂直掃描電路區(qū)域如、第一水平掃描電路區(qū)域fe以及第一電流源區(qū)域6a的結(jié) 構(gòu)和動作為中心進(jìn)行說明。配置在像素區(qū)域2中的像素的數(shù)量、即上述N和M的值能夠分別任意地進(jìn)行決定。 如果增加這些值則像素的分辨率提高，但是，相反地芯片整體面積變大，或者當(dāng)芯片整體面 積不變時每個像素的芯片面積縮小。在本例中，N = 264, M = 320。在這種情況下，如圖3 中記載那樣，分別配置在第一像素區(qū)域加和第二像素區(qū)域2b中的像素的數(shù)量在水平方向 (橫方向)上為320像素，在垂直方向(縱方向)上為132像素，整體為42240像素。如圖2所示，一個像素10所占的區(qū)域呈矩形形狀，其內(nèi)部大致分為三個區(qū)域、即光 電轉(zhuǎn)換區(qū)域11、像素電路區(qū)域12以及布線區(qū)域13。在布線區(qū)域13中以沿垂直方向延伸的方式集中配置有(ΜΛ) + α條像素輸出線14。α也可以為0，在這種情況下，在本例中經(jīng)過 一個布線區(qū)域13的像素輸出線14的條數(shù)為132條。但是，通常在半導(dǎo)體工藝中形成多條 平行延伸的布線(例如鋁等金屬布線)的情況下，存在兩端的布線的寬度、寄生電容容易與 其它部分不同這種性質(zhì)。因此，優(yōu)選隔著用于實(shí)際通過信號的132條像素輸出線14地在兩 端分別設(shè)置一條不通過信號(僅存在圖案)的虛設(shè)布線。在這種情況下，α =2，經(jīng)過一個 布線區(qū)域13的布線的條數(shù)為134條。如圖4所示，各像素10具備光電二極管31、傳輸晶體管32、浮動擴(kuò)散部33、蓄積晶 體管34、蓄積電容器36、復(fù)位晶體管35、源極跟隨放大器43以及電流源39。光電二極管31接收光來生成光電荷，相當(dāng)于本發(fā)明中的光電轉(zhuǎn)換部。傳輸晶體管 32用于傳輸光電荷，相當(dāng)于本發(fā)明中的傳輸元件。浮動擴(kuò)散部33臨時蓄積光電荷，并且將 該光電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號，相當(dāng)于本發(fā)明中的檢測節(jié)點(diǎn)。蓄積晶體管34和蓄積電容器36用 于在進(jìn)行光電荷的蓄積動作時蓄積從光電二極管31通過傳輸晶體管32而溢出(overflow) 的電荷。復(fù)位晶體管35用于排出蓄積在浮動擴(kuò)散部33和蓄積電容器36中的電荷，相當(dāng)于 本發(fā)明中的復(fù)位元件。源極跟隨放大器43用于將蓄積在浮動擴(kuò)散部33中的電荷或者蓄積 在浮動擴(kuò)散部33和蓄積電容器36兩者中的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號而輸出，相當(dāng)于本發(fā)明中 的緩沖元件。源極跟隨放大器43具有從屬連接的兩個PMOS型晶體管37、38和同樣從屬連接的 兩個NMOS型晶體管40、41的兩級結(jié)構(gòu)。晶體管38、41分別具有對流過與其成對的晶體管 37、40的電流的流通和停止流通進(jìn)行控制的功能，在此稱為選擇晶體管。在傳輸晶體管32、蓄積晶體管34、復(fù)位晶體管35以及選擇晶體管38、41的柵極端 子上分別連接有用于提供φΤ、cpC、cpR、cpX的控制信號的驅(qū)動線15(參照圖2)。像 素區(qū)域2內(nèi)的所有像素10共用這些驅(qū)動線15。由此，在所有像素10中同時進(jìn)行用于光電 荷蓄積動作等的驅(qū)動。源極跟隨放大器43的第二級的晶體管41的輸出42與配置在布線區(qū)域13中的 132條像素輸出線14中的一條相連接。該像素輸出線14按照每個像素10獨(dú)立地設(shè)置，在 該固體攝像元件整體中，設(shè)置有與像素?cái)?shù)量相同的、即84480條像素輸出線14。源極跟隨放大器43具有高速驅(qū)動像素輸出線14的電流緩沖器的功能。各像素輸 出線14從像素區(qū)域加延伸至存儲區(qū)域3a，因此成為某種程度的較大的電容性負(fù)載。為了 高速驅(qū)動該像素輸出線14，需要能夠流過大電流的大尺寸的晶體管。另一方面，在像素10 內(nèi)，為了提高檢測靈敏度來提高光電轉(zhuǎn)換增益，用于將光電荷轉(zhuǎn)換為電壓的浮動擴(kuò)散部33 的電容優(yōu)選盡可能小。與浮動擴(kuò)散部33相連接的晶體管37的柵極端子的寄生電容會使浮 動擴(kuò)散部33的電容有效增加，因此基于上述理由，期望晶體管37是柵極輸入電容較小的小 型晶體管。因此，為了同時滿足輸出級中的大電流的供給以及輸入級中的低電容性，將源極 跟隨放大器43設(shè)為兩級結(jié)構(gòu)，將初級的晶體管37設(shè)為小型晶體管來抑制輸入柵極電容，另 一方面，使用較大尺寸的晶體管作為后級的晶體管40、41來確保足夠大的輸出電流。此外，在源極跟隨放大器43中，從進(jìn)行基本的動作方面考慮，初級的選擇晶體管 38能夠省略，但是通過在后級的選擇晶體管41處于截止?fàn)顟B(tài)時的同時使選擇晶體管38也 截止，使電流不會從電流源39流動到晶體管37，從而能夠抑制電流消耗。另外，在通過傳輸晶體管32將光電荷蓄積到浮動擴(kuò)散部33時，在視作沒有溢出的電荷或者不考慮溢出的電荷的情況下，不需要蓄積電容器36和蓄積晶體管34，只要直接連 接浮動擴(kuò)散部33與復(fù)位晶體管35即可。如圖4所示，在第一和第二存儲區(qū)域3a、3b內(nèi)，與各像素10對應(yīng)地分別獨(dú)立地設(shè) 置有突發(fā)讀出用存儲部200和連續(xù)讀出用存儲部210。不僅這些存儲部是分別獨(dú)立的，用于 將信號讀出到外部的信號線也是分別獨(dú)立的。連續(xù)讀出用存儲部210包括與像素輸出線14相連接的寫入側(cè)晶體管211、讀出側(cè) 晶體管212、電容器213以及緩沖器214。在處于信號從像素10輸出到像素輸出線14的狀 態(tài)時，通過將讀出側(cè)晶體管212設(shè)為截止?fàn)顟B(tài)而將寫入側(cè)晶體管211設(shè)為導(dǎo)通，能夠?qū)⑿盘?寫入(保持)到電容器213。另一方面，與此相反，通過將寫入側(cè)晶體管211設(shè)為截止?fàn)顟B(tài) 而將讀出側(cè)晶體管212設(shè)為導(dǎo)通，能夠?qū)⒈３衷陔娙萜?13中的信號通過緩沖器214輸出。突發(fā)讀出用存儲部200包括與像素輸出線14相連接的寫入側(cè)晶體管201、讀出側(cè) 晶體管202、與共用信號線203相連接的與存儲幀數(shù)L(在本例中L= 104)相應(yīng)的取樣晶體 管洸001 洸104和電容器25001 25104以及緩沖器204。在處于信號從像素10輸出到 像素輸出線14的狀態(tài)時，當(dāng)通過將讀出側(cè)晶體管202設(shè)為截止?fàn)顟B(tài)而將寫入側(cè)晶體管201 設(shè)為導(dǎo)通并且選擇性地使任意取樣晶體管26001 沈104中的一個導(dǎo)通時，能夠?qū)⒋嬖谟?共用信號線203上的信號寫入(保持)到與導(dǎo)通的取樣晶體管相連接電容器25001 25104 的一個中。在進(jìn)行該寫入動作時，通過依次掃描要導(dǎo)通的取樣晶體管沈001 沈104，能夠 將與最大104幀的連續(xù)圖像對應(yīng)的信號分別保持在各電容器25001 25104中。另一方面，與此相反，當(dāng)在保持使寫入側(cè)晶體管201截止的狀態(tài)下使讀出側(cè)晶體 管202導(dǎo)通并且選擇性地使任意的取樣晶體管沈001 沈104中的一個導(dǎo)通時，能夠?qū)⒈?持在與該取樣晶體管相連接的電容器25001 25104中的信號讀出到共用信號線203，通過 緩沖器204輸出到外部。在進(jìn)行該讀出動作時，通過依次掃描要導(dǎo)通的取樣晶體管沈001 26104,能夠依次、即連續(xù)地讀出分別保持在各電容器25001 25104中的與最大104幀的 連續(xù)圖像對應(yīng)的信號。在此，特征點(diǎn)在于，對于相同的像素輸出線14分開地設(shè)置突發(fā)讀出用存儲部200 和連續(xù)讀出用存儲部210，這些存儲部200、210的動作也能夠獨(dú)立地進(jìn)行控制，從各存儲部 200、210輸出信號的輸出信號線也是獨(dú)立的。在從像素10向像素輸出線14輸出信號的狀 態(tài)下，利用突發(fā)讀出用存儲部200和連續(xù)讀出用存儲部210來同時進(jìn)行上述寫入動作，由此 在突發(fā)讀出用存儲部200中電容器25001 25104的一個以及連續(xù)讀出用存儲部210的唯 一的電容器213中能夠同時保持同一信號。在各存儲部200、210中同時保持信號之后，在 此后的適當(dāng)?shù)亩〞r能夠分別讀出這些信號并輸出。如圖3所示，在第一存儲部3a中與各像素10對應(yīng)地設(shè)置有上述突發(fā)讀出用存儲 部200和連續(xù)讀出用存儲部210。也就是說，對于在垂直方向上排列的132個像素10設(shè)置 有132個突發(fā)讀出用存儲部200和132個連續(xù)讀出用存儲部210。該與132個像素相應(yīng)的 存儲部200、210在水平方向上排列10個而得到的總數(shù)與1320個像素相應(yīng)的存儲部200、 210的輸出信號線被分為連續(xù)讀出用和突發(fā)讀出用并分別聚集為一條。因而，來自第一存 儲區(qū)域3a的輸出信號線的數(shù)量為突發(fā)讀出用輸出信號線32條、連續(xù)讀出用輸出信號線32 條，從第二存儲區(qū)域32b也能取出相同數(shù)量的輸出信號線。在圖3中，將突發(fā)讀出用輸出線 表示為SBOl SB32，將連續(xù)讀出用輸出線表示為SCOl SC32。
存儲部200、210內(nèi)的所有電容器與各像素10內(nèi)的蓄積電容器36同樣地能夠通過 雙多晶硅柵結(jié)構(gòu)、堆棧結(jié)構(gòu)等來形成。在以往的IS-CCD那樣利用CCD結(jié)構(gòu)來保持電荷的情 況下，存在以下問題由于熱激發(fā)等而產(chǎn)生的暗電荷所導(dǎo)致的偽信號被加到光信號。與此相 對，在使用了雙多晶硅柵結(jié)構(gòu)、堆棧結(jié)構(gòu)的電容器中，不產(chǎn)生這種暗電荷，因此不會有偽信 號被相加，從而能夠提高被讀出到外部的信號的S/N。此外，實(shí)際上，圖4中記載的一個取樣晶體管與一個電容器的組、例如取樣晶體管 26001與電容器25001包括多個取樣晶體管和相同數(shù)量的電容器，其目的在于進(jìn)行動態(tài)范 圍擴(kuò)大處理和噪聲去除處理。關(guān)于這些在后面進(jìn)行說明。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大致 具有連續(xù)讀出和突發(fā)讀出這兩種驅(qū)動模式，除了能夠僅執(zhí)行兩種驅(qū)動模式中的一種以外， 還能夠同時并行地執(zhí)行兩者。連續(xù)讀出模式相當(dāng)于本發(fā)明中的第一驅(qū)動模式，突發(fā)讀出模 式相當(dāng)于第二驅(qū)動模式。根據(jù)圖5來說明這兩個驅(qū)動模式的概要動作。圖5是連續(xù)讀出模式、突發(fā)讀出模 式以及連續(xù)讀出/突發(fā)讀出同時并行模式的概要時間圖。[A]連續(xù)讀出模式如圖5的(a)所示，連續(xù)讀出模式基本上是以下動作在像素區(qū)域2(h、2b)的各 像素10中執(zhí)行與一幀相應(yīng)的光電荷蓄積之后，全部像素一齊將信號輸出到各自的像素輸 出線14，使連續(xù)讀出用存儲部210的電容器213保持信號。由此，在存儲區(qū)域3a、3b的連續(xù) 讀出用存儲部210的電容器213中具備與一幀相應(yīng)的像素信號，之后，通過驅(qū)動水平移位寄 存器和垂直移位寄存器，來按照規(guī)定的順序?qū)⒁粠南袼匦盘栆来巫x出并輸出到外部。圖5的(a)示出的定時為僅一幀的例子。在通過像素輸出線14發(fā)送接收信號以 外的期間，像素區(qū)域2a、2b和存儲區(qū)域3a、!3b能夠獨(dú)立地進(jìn)行動作。因而，能夠在從存儲區(qū) 域3a、!3b依次讀出信號時，在像素區(qū)域加、213中蓄積光電荷。由此，如圖5的(b)所示的定 時那樣，能夠使蓄積光電荷的期間與依次讀出光電荷的期間重疊，從而大致連續(xù)地反復(fù)進(jìn) 行拍攝。在并非高速拍攝的通常拍攝的情況下，能夠以該圖5的(b)示出的定時在長時間 內(nèi)以低幀頻進(jìn)行連續(xù)拍攝。此時的幀頻由依次讀出全部像素信號所需的時間來決定。也就 是說，幀頻的上限由用于讀出的時鐘頻率的上限來決定。[B]突發(fā)讀出模式如圖5的(C)所示，在突發(fā)讀出模式中反復(fù)進(jìn)行以下動作不依次讀出像素信號， 在各像素中蓄積與一幀相應(yīng)的光電荷之后，全部像素一齊通過各自的像素輸出線14輸出 信號，使信號保持到突發(fā)讀出用存儲部200的電容器25001 25104中的一個。此時，每次 一幀地按順序?qū)⑿盘柋３值脚c104幀相應(yīng)地準(zhǔn)備的電容器25001 25104中。這樣，依次 讀出與該規(guī)定幀數(shù)相應(yīng)的像素信號并輸出到外部。在該突發(fā)讀出模式下，在拍攝過程中不 向外部讀出信號，因此與上述連續(xù)讀出模式不同，不會受到由用于讀出的時鐘頻率的上限 而決定的幀頻的限制。能夠?qū)嵤┑淖畲髱l主要受到從聚集光電二極管31內(nèi)產(chǎn)生的光電 荷到向浮動擴(kuò)散部33傳輸光電荷為止的時間的限制，但是該時間非常短。因此，例如能夠 以100萬幀/秒以上的非常高的幀頻進(jìn)行連續(xù)拍攝。[C]連續(xù)讀出/突發(fā)讀出同時并行模式也能夠使用設(shè)置于突發(fā)讀出用存儲部200中的多個取樣開關(guān)以及電容器的組的一部分(實(shí)際上是一組)來實(shí)現(xiàn)上述連續(xù)讀出模式。也就是說，如果具備突發(fā)讀出用存儲 部200，則能夠選擇性地執(zhí)行突發(fā)讀出模式和連續(xù)讀出模式。然而，在這種情況下，無法同時 執(zhí)行突發(fā)讀出模式和連續(xù)讀出模式。與此相對，在本實(shí)施例的固體攝像元件中，能夠同時執(zhí) 行突發(fā)讀出模式和連續(xù)讀出模式。如圖5的(d)所示，在連續(xù)讀出/突發(fā)讀出同時并行模式下，以在像素區(qū)域h、2b 中通過蓄積光電荷而得到的信號被輸出到像素輸出線14的定時，在突發(fā)讀出用存儲部200 和連續(xù)讀出用存儲部210兩者中同時將信號寫入到電容器。該寫入能夠在全部像素中同時 進(jìn)行。當(dāng)然，向突發(fā)讀出用存儲部200的電容器25001 25104寫入信號以及向連續(xù)讀出 用存儲部210的電容器213寫入信號也可以并不完全同時進(jìn)行。也可以在像素信號被輸出 到像素輸出線14的期間中，在突發(fā)讀出用存儲部200和連續(xù)讀出用存儲部210中按順序?qū)?信號寫入到電容器。如果連續(xù)讀出用存儲部210的寫入側(cè)晶體管211處于截止?fàn)顟B(tài)，則寫入到電容器 213的信號完全不受突發(fā)讀出用存儲部200的動作的影響。因而，如圖5的(d)所示，即使 是在突發(fā)讀出用存儲部200中寫入信號的動作中，也與此無關(guān)地，通過使與各像素對應(yīng)的 連續(xù)讀出用存儲部210的讀出側(cè)晶體管212按順序?qū)?，能夠?qū)⑶耙粋€寫入到電容器213 的信號讀出到外部。另一方面，如果突發(fā)讀出用存儲部200的寫入側(cè)晶體管201處于截止?fàn)顟B(tài)，則寫入 到電容器25001 25104的信號完全不受連續(xù)讀出用存儲部210的動作的影響。因而，即 使是在連續(xù)讀出用存儲部210寫入信號的動作或者讀出信號的動作的任一個動作中，也與 此無關(guān)地，通過使與各像素對應(yīng)的突發(fā)讀出用存儲部200的讀出側(cè)晶體管202按順序?qū)?并且使取樣晶體管26001 沈104按順序?qū)?，能夠按順序?qū)⑶耙粋€與各像素對應(yīng)地寫入 到104個電容器25001 25104的信號讀出到外部。圖6是更詳細(xì)地記載了該圖5的(d)的時間圖的圖。在圖6中，連續(xù)開始信號為連 續(xù)讀出模式的開始指示信號，突發(fā)開始信號為突發(fā)讀出模式中的信號寫入開始指示信號， 突發(fā)停止信號為突發(fā)讀出模式中的信號寫入結(jié)束指示信號。在從突發(fā)開始信號至突發(fā)停止 信號為止的期間中，在極短周期中反復(fù)進(jìn)行電荷蓄積動作(參照圖6的(e))，基于所蓄積的電荷的信號被寫入到突發(fā)讀出用存儲部200的各電容器25001 25104中(參照圖6的 ⑴)。此時，向連續(xù)讀出用存儲部210的電容213進(jìn)行的信息寫入也以固定的幀頻、即具 有圖6中記載的周期T的幀頻繼續(xù)進(jìn)行。響應(yīng)于圖6的(j)示出的連續(xù)讀出開始信號，寫 入到連續(xù)讀出用存儲部210的電容器213的、每個像素一個信號的與一幀相應(yīng)的信號在圖 6的(k)示出的期間內(nèi)按順序被讀出。被讀出的信號在圖6的⑴示出的期間內(nèi)例如被保 存到設(shè)置于元件的外部(或者也可以是元件內(nèi)部)的幀存儲器等中。響應(yīng)于圖6的(g)示出的突發(fā)讀出開始信號，寫入到突發(fā)讀出用存儲部200的電 容器25001 25104的與最大104幀相應(yīng)的信號在圖6的(h)示出的期間內(nèi)按順序被讀出。 被讀出的信號在圖6的⑴示出的期間內(nèi)例如被保存到設(shè)置于元件的外部(或者也可以是 元件內(nèi)部)的幀存儲器等中。如圖示那樣在突發(fā)讀出與連續(xù)讀出中該讀出期間也重疊，但 是由于輸出信號線是分開的，因此能夠并行地將信號讀出到不同的外部存儲器。圖7是示意性地表示基于通過圖5的(d)以及圖6示出的動作而讀出的信號的攝像圖像的圖。根據(jù)從連續(xù)讀出用存儲部210讀出的信號而再現(xiàn)的攝像圖像F1、F2、…為固 定幀頻的圖像。與此相對，根據(jù)從突發(fā)讀出用存儲部200讀出的信號而再現(xiàn)的攝像圖像fl、 f2、…、fn、…、fl04為在特定的極短期間中以極短時間間隔得到的圖像。即使在得到攝 像圖像fl、f2、…、fn、…、fl04的期間，固定幀頻的攝像圖像也不會產(chǎn)生遺漏。如圖6所示，能夠根據(jù)突發(fā)開始信號和突發(fā)停止信號來決定執(zhí)行高速拍攝的期 間。因此，作為使用了本實(shí)施例的固體攝像元件的攝像裝置的一例，例如能夠一邊圖7的 (a)所示那樣以固定幀頻獲取攝像圖像，一邊對該圖像進(jìn)行處理來檢測作為目標(biāo)的被攝體 的變化、現(xiàn)象發(fā)生的開端，利用該檢測結(jié)果來提供突發(fā)開始信號和突發(fā)停止信號。由此，能 夠在存在被攝體的變化、現(xiàn)象發(fā)生的期間如圖7的(b)所示進(jìn)行高速的拍攝。另外，相對于圖7的(a)所示那樣時間上稀疏地得到的圖像，還能夠?qū)D7的(b) 所示那樣得到的圖像視作在特定的時間范圍中時間擴(kuò)大(變焦)而得到的圖像。這樣，在使用了本實(shí)施例的固體攝像元件的攝像裝置中，利用連續(xù)讀出/突發(fā)讀 出同時并行模式，能夠提供以往的這種高速攝像裝置所不具有的附加價值。為了簡化說明而在上述說明中進(jìn)行了省略，在該固體攝像元件中為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)范 圍擴(kuò)大處理和噪聲去除處理而具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，執(zhí)行復(fù)雜的動作。對這一點(diǎn)進(jìn)行說明。在圖4示出的存儲部200、210中，如圖7所示那樣一個取樣晶體管和一個電容器 的組、例如取樣晶體管26001和電容器25001包括四個取樣晶體管^a 26d和四個電容 器2 25d。也就是說，要寫入某一幀中的一個像素的信號的電容器存在四個。其本來的 目的在于，分開保持與溢出前的電荷相應(yīng)的信號、與溢出后的電荷相應(yīng)的信號、與溢出前的 電荷相應(yīng)的信號中所包含的噪聲信號以及與溢出后的電荷相應(yīng)的信號中所包含的噪聲信 號這四種電壓信號。但是，不僅是這種目的，還能夠以其它目的利用電容器2 25d。例如，如果在各 像素10中進(jìn)行不利用蓄積電容器36的電荷蓄積動作，則不需要考慮與溢出后的電荷相應(yīng) 的信號、與溢出后的電荷相應(yīng)的信號中所包含的噪聲信號。因此，能夠利用電容器增加與其 量相應(yīng)的連續(xù)拍攝的幀數(shù)。由此，能夠進(jìn)行104幀兩倍的208幀的連續(xù)拍攝。另外，如果也 不去除溢出前的噪聲，則能夠?qū)⑺膫€電容器2 25d全部利用于各幀的像素信號的保持。 因而，還能夠進(jìn)行再兩倍的416幀的連續(xù)拍攝。根據(jù)圖9 圖I2來說明各像素10中的光電轉(zhuǎn)換動作以及將通過該光電轉(zhuǎn)換動作 生成的信號分開并保存到四個電容器25a 25d中的動作。在本實(shí)施例的固體攝像元件中，能夠在光電荷蓄積時間較短的情況和光電荷蓄積 時間相對較長的情況下選擇不同的兩個動作模式。作為基準(zhǔn)，前者是光電荷蓄積時間為 IOysMlOOys以下的情況，在進(jìn)行100萬幀/秒以上的高速拍攝的情況下，也就是說，通 常在執(zhí)行突發(fā)讀出模式的情況下優(yōu)選采用該動作模式。[A]光電荷蓄積時間較短的情況的動作模式圖9是光電荷蓄積時間較短的情況的動作模式的驅(qū)動時序圖，圖10是該動作中的 像素10內(nèi)的概要位勢圖。此外，在圖10(后述的圖12也相同)中CPD、CFD、Ccs分別表示蓄 積在光電二極管31、浮動擴(kuò)散部33、蓄積電容器36中的電容，CFD+Ccs表示浮動擴(kuò)散部33與 蓄積電容器36的合成電容。將作為提供給各像素10的共用控制信號的CpX設(shè)為高電平，將源極跟隨放大器43內(nèi)的選擇晶體管38、41都維持為導(dǎo)通狀態(tài)。并且，在進(jìn)行光電荷蓄積之前，同樣地將作為共 用控制信號的φΤ、(pC、CpR設(shè)為高電平而使傳輸晶體管32、蓄積晶體管34以及復(fù)位 晶體管35都導(dǎo)通(時刻t0)。由此，浮動擴(kuò)散部33和蓄積電容器36復(fù)位(初始化)。另 外，此時，光電二極管31處于完全耗盡(空乏化)的狀態(tài)。圖10的(a)為此時的電位。接著，當(dāng)將CpR設(shè)為低電平而使復(fù)位晶體管35截止時，在浮動擴(kuò)散部33中產(chǎn)生噪 聲信號N2(參照圖10的(b))，與該噪聲信號N2對應(yīng)的輸出出現(xiàn)于像素輸出線14，該噪聲 信號N2等效于包含有在浮動擴(kuò)散部33和蓄積電容器36中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲以及由源極跟 隨放大器43的晶體管37的閾值電壓偏差所引起的固定圖案噪聲的噪聲。因此，在該定時 (時刻tl)將取樣脈沖φΝ2提供給取樣晶體管^d的柵極端子來使取樣晶體管26d導(dǎo)通， 由此取入通過像素輸出線14輸出的噪聲信號N2并保持在電容器25d中。接著，當(dāng)將(pC設(shè)為低電平而使蓄積晶體管34截止時，在該時刻蓄積在浮動擴(kuò)散 部33和蓄積電容器36中的信號根據(jù)浮動擴(kuò)散部33與蓄積電容器36各自的電容Cfd、(^的 比來分配(參照圖10的(c))。此時在浮動擴(kuò)散部33中產(chǎn)生噪聲信號Ni，與該噪聲信號m 對應(yīng)的輸出出現(xiàn)于像素輸出線14，該噪聲信號m等效于包含有在CpC導(dǎo)通時產(chǎn)生的隨機(jī)噪 聲以及由源極跟隨放大器43的晶體管37的閾值電壓偏差所引起的固定圖案噪聲的噪聲。 因此，在該定時(時刻將取樣脈沖φΝΙ提供給取樣晶體管^C的柵極端子來使取樣晶 體管^c導(dǎo)通，由此取入通過像素輸出線14輸出的噪聲信號m并保持在電容器25c中。傳輸晶體管32維持導(dǎo)通狀態(tài)，因此通過入射到光電二極管31的光而產(chǎn)生的光電 荷通過傳輸晶體管32流入到浮動擴(kuò)散部33，與噪聲信號m疊加而蓄積在浮動擴(kuò)散部33中 (時刻。假設(shè)入射強(qiáng)光而在光電二極管31中產(chǎn)生大量的光電荷使浮動擴(kuò)散部33飽和 的情況下，溢出的電荷通過蓄積晶體管34而蓄積到蓄積電容器36(參照圖10的(d))。通 過將蓄積晶體管34的閾值電壓適當(dāng)?shù)卦O(shè)定為較低，能夠高效率地將電荷從浮動擴(kuò)散部33 傳輸?shù)叫罘e電容器36。由此，即使浮動擴(kuò)散部33的電容Cfd較小而在此能夠蓄積的最大飽 和電荷量較小，也不會廢棄飽和的電荷而能夠有效利用飽和的電荷。這樣，在浮動擴(kuò)散部33 中的電荷飽和(溢出)前以及電荷飽和(溢出)后的任一個中產(chǎn)生的電荷都能夠反映到輸 出中。如果經(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)下將取樣脈沖(pS 1提供給取樣晶體管^a的柵極端子來使取樣晶體管26a導(dǎo)通，由此在 該時刻(時刻t4)通過像素輸出線14取入與蓄積在浮動擴(kuò)散部33中的電荷相應(yīng)的信號并 保持在電容器2 中(參照圖10的(e))。此時蓄積在浮動擴(kuò)散部33中的信號為在噪聲信 號W上疊加有與溢出前的電荷相應(yīng)的信號Sl的信號，因此保持在電容器25a中的信號為 不反映蓄積在蓄積電容器36中的電荷的量的S1+N1。之后，當(dāng)將CpC設(shè)為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 部33中的電荷與保持在蓄積電容器36中的電荷混合(參照圖10的(f))。在這種狀態(tài)下將 取樣脈沖<pS2提供給取樣晶體管^b的柵極端子來使取樣晶體管26b導(dǎo)通(時刻t5)，由 此通過像素輸出線14取入與蓄積在浮動擴(kuò)散部33和蓄積電容器36中的電荷相應(yīng)的信號、 即在噪聲信號N2上疊加有與溢出后的電荷相應(yīng)的信號S2的信號并保持在電容器25b中。 因而，保持在電容器25b中的信號為反映出蓄積在蓄積電容器36中的電荷的量的S2+N2。
如上所述那樣，在四個電容器25a、25b、25c、25d中分別保持信號Sl+Nl、S2+N2、 m、N2，如此結(jié)束一個周期的圖像信號的取入。如上所述，分開地求出包括隨機(jī)噪聲、固定圖 案噪聲的噪聲信號Ni、N2以及包含這些噪聲信號的信號，因此從電容器25a、25b、25c、25d 讀出這些信號之后利用未圖示的模擬運(yùn)算電路來進(jìn)行減法處理，能夠得到去除了噪聲信號 m、N2的影響的S/N較高的圖像信號。另外，從浮動擴(kuò)散部33溢出的電荷也不廢棄而能夠 利用，因此即使在入射了強(qiáng)光時也不容易引起飽和，能夠得到反映出該光的信號，從而能夠 確保較大的動態(tài)范圍。此外，例如在日本特開2006-245522號公報等文獻(xiàn)中記載了能夠擴(kuò) 大這種動態(tài)范圍的詳細(xì)說明，因此在此省略說明。[B]光電荷蓄積時間相對較長的情況的動作模式接著，說明光電荷蓄積時間相對較長的情況的動作。圖11是光電荷蓄積時間相對 較長的情況下的驅(qū)動時序圖，圖12是該動作中的像素內(nèi)的概要位勢圖。與光電荷蓄積時間較短的情況最大的不同點(diǎn)在于，在光電荷蓄積期間中使傳輸晶 體管32截止來將由光電二極管31產(chǎn)生的光電荷蓄積到耗盡層。另外，由于光電荷蓄積時 間較長，因此為了抑制消耗電力，要使源極跟隨放大器43的選擇晶體管38、41截止規(guī)定時 間。在進(jìn)行光電荷蓄積之前，將φΤ、cpC、CpR設(shè)為高電平，使傳輸晶體管32、蓄 積晶體管34以及復(fù)位晶體管35都導(dǎo)通(時刻tio)。由此，浮動擴(kuò)散部33和蓄積電容器 36復(fù)位(初始化)。另外，此時，光電二極管31處于完全耗盡的狀態(tài)。圖12的(a)為此時 的電位狀態(tài)。接著，當(dāng)將CpR設(shè)為低電平而使復(fù)位晶體管35截止時，在浮動擴(kuò)散部33中產(chǎn)生噪 聲信號N2(參照圖12的(b))，與該噪聲信號N2對應(yīng)的輸出出現(xiàn)于像素輸出線14，該噪聲 信號N2等效于包含有在浮動擴(kuò)散部33和蓄積電容器36中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲以及由源極跟 隨放大器43的晶體管37的閾值電壓偏差所引起的固定圖案噪聲的噪聲。因此，在該定時 (時刻til)將取樣脈沖φΝ2提供給取樣晶體管26d的柵極端子來使取樣晶體管26d導(dǎo)通， 由此通過像素輸出線14取入噪聲信號N2并保持在電容器25d中。到此為止的動作與上述 光電荷蓄積時間較短的情況下的動作模式相同。接著，當(dāng)將CpC設(shè)為低電平來使蓄積晶體管34截止時，在該時刻蓄積在浮動擴(kuò)散 部33和蓄積電容器36中的電荷根據(jù)浮動擴(kuò)散部33與蓄積電容器36各自的電容Cfd、(^的 比來分配。并且將φΤ設(shè)為低電平來使傳輸晶體管32截止并將CpX也設(shè)為低電平來使源極 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與浮 動擴(kuò)散部33之間形成電位勢壘，處于在光電二極管31中能夠蓄積光電荷的狀態(tài)(參照圖 12 的(c))。通過入射到光電二極管31的光而產(chǎn)生的光電荷蓄積在光電二極管31中，當(dāng)光電 二極管31中產(chǎn)生電荷飽和時，更多的過剩的電荷溢出，通過傳輸晶體管32疊加到如上述那 樣分配的噪聲信號上而蓄積在浮動擴(kuò)散部33中。并且，當(dāng)入射強(qiáng)光而浮動擴(kuò)散部33中產(chǎn) 生飽和時，溢出的電荷通過蓄積晶體管34蓄積在蓄積電容器36中(參照圖12的(d))。通過將蓄積晶體管34的閾值電壓適當(dāng)?shù)卦O(shè)定為低于傳輸晶體管32的閾值電壓， 能夠使在浮動擴(kuò)散部33中飽和的電荷不會返回到光電二極管31側(cè)而高效率地傳輸?shù)叫罘e電容器36。由此，即使浮動擴(kuò)散部33的電容Cfd較小而在此能夠蓄積的電荷量較小，也不 會廢棄溢出的電荷而能夠有效利用。這樣，在浮動擴(kuò)散部33溢出前以及溢出后的任一個中 產(chǎn)生的電荷都能夠反映在輸出中。如果經(jīng)過了規(guī)定的光電荷蓄積時間，則在將φΧ設(shè)為高電平來使選擇晶體管38、 41導(dǎo)通之后，通過將取樣脈沖CpNl提供給取樣晶體管^c的柵極端子來使取樣晶體管26c 導(dǎo)通，在該時刻(時刻tl3)通過像素輸出線14取入與蓄積在浮動擴(kuò)散部33中的信號電荷 對應(yīng)的噪聲信號W并保持在電容器25c中。此時的噪聲信號m包括由源極跟隨放大器43 的晶體管37的閾值電壓偏差所引起的固定圖案噪聲。此外，此時不僅包括噪聲還包括由光 電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光電荷的一部分，在此該光電荷的一部分也被視作噪聲。接著，將φΤ設(shè)為高電平來使傳輸晶體管32導(dǎo)通，將蓄積在光電二極管31中的光 電荷完全傳輸?shù)礁訑U(kuò)散部33 (參照圖12的(e))。之后(時刻tl4)，將取樣脈沖cpSl提 供給取樣晶體管26a的柵極端子來使取樣晶體管26a導(dǎo)通，由此通過像素輸出線14來取入 與蓄積在浮動擴(kuò)散部33中的電荷相應(yīng)的信號并保持在電容器25a中。此時，信號為在上述 噪聲信號W上疊加有蓄積在光電二極管31中的電荷的信號、即疊加有溢出前的信號Sl的 信號，因此為S1+N1。接著，當(dāng)將CpC設(shè)為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 部33中的電荷與保持在蓄積電容器36中的電荷混合(參照圖12的(f))。在這種狀態(tài)下 (時刻tM)將取樣脈沖CpS2提供給取樣晶體管26b的柵極端子來使取樣晶體管26b導(dǎo)通， 由此通過像素輸出線14取入與蓄積在浮動擴(kuò)散部33和蓄積電容器36中的電荷相應(yīng)的信 號并保持在電容器25b中。此時的信號成為S2+N2。如上所述那樣，在四個電容器25a、25b、25c、25d中分別保持信號Sl+Nl、S2+N2、 Ni、N2，如此結(jié)束一個周期的圖像信號的取入。與光電荷蓄積時間較短的情況下的動作模 式同樣地，分開地求出包含隨機(jī)噪聲、固定圖案噪聲的噪聲信號Ni、N2以及包含這些噪聲 信號的信號，因此通過從電容器25a、25b、25c、25d分別讀出各自的信號之后進(jìn)行減法等模 擬運(yùn)算處理，能夠得到去除了噪聲信號N1、N2的S/N較高的圖像信號。另外，從浮動擴(kuò)散部 33溢出的電荷也不廢棄而能夠利用，因此即使在入射了強(qiáng)光時也不容易引起飽和，能夠得 到反映出該光的信號，從而能夠確保較大的動態(tài)范圍。如上所述，提供給各像素10的控制信號φΧ、φΤ、cpR、cpC在全部像素中 是共用的，因此在全部像素10中同時進(jìn)行上述那樣的光電荷蓄積動作以及將信號從各像 素10傳輸給存儲部200、210的傳輸動作。也就是說，在上述一個周期中，一幀的圖像信號被 保持在存儲部200、210中。在突發(fā)讀出模式下，通過反復(fù)進(jìn)行104次該動作，來在突發(fā)讀出 用存儲部200內(nèi)的所有電容器25001 25104中保持像素信號。以在第105次以后再次對 突發(fā)讀出用存儲部200內(nèi)的最上面的電容器25001寫入信號的方式循環(huán)地執(zhí)行保持動作。 例如，反復(fù)進(jìn)行這種動作直到從外部提供拍攝停止指示信號為止。當(dāng)提供拍攝停止指示信 號而中止拍攝時，在該時刻最新的與104幀相應(yīng)的像素信號保持在存儲區(qū)域3a、!3b中，因此 通過依次讀出這些像素信號能夠得到104幀的連續(xù)的圖像信號。此外，在各存儲部200、210中如上述那樣在已經(jīng)保持有某些信號的電容器中保持 新信號時，需要執(zhí)行復(fù)位來廢除之前的信號。因此，雖未圖示，但是在各像素輸出線14上分別連接有復(fù)位用的晶體管，在對某個存儲部200、210內(nèi)的電容器進(jìn)行復(fù)位時，使與該電容 器對應(yīng)的取樣晶體管導(dǎo)通并且使連接在像素輸出線上的對應(yīng)的復(fù)位用晶體管導(dǎo)通，蓄積在 電容器中的信號通過取樣晶體管、像素輸出線而被復(fù)位。在執(zhí)行這種復(fù)位之后，將新信號保 持在電容器中。 此外，上述實(shí)施例為本發(fā)明所涉及的固體攝像元件及其驅(qū)動方法的一例，顯而易 見，在本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行變形、修改、追加也包括在本申請的權(quán)利要求的范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像元件，具有以下部分a)像素區(qū)域，在該像素區(qū)域中二維地排列有多個像素，其中，上述多個像素分別包括接 收光而生成光電荷的光電轉(zhuǎn)換部；以及b)存儲區(qū)域，是與上述像素區(qū)域分離的區(qū)域，在該存儲區(qū)域中排列有突發(fā)讀出用存儲 部和連續(xù)讀出用存儲部，其中，上述連續(xù)讀出用存儲部與上述突發(fā)讀出用存儲部分開設(shè)置， 在上述突發(fā)讀出用存儲部中，針對各像素分別設(shè)置有多個存儲部使得能夠不將從上述像素 區(qū)域內(nèi)的各像素輸出的信號讀出到外部而保持多幀的該信號，在上述連續(xù)用讀出用存儲部 中，針對各像素分別設(shè)置一個連續(xù)讀出用存儲部，該固體攝像元件分開地具備用于將保持在上述突發(fā)讀出用存儲部中的信號讀出到外 部的輸出信號線、以及用于將保持在上述連續(xù)讀出用存儲部中的信號讀出到外部的輸出信 號線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像元件，其特征在于，各像素除了包括上述光電轉(zhuǎn)換部以外還包括以下部分傳輸元件，其將由該光電轉(zhuǎn)換部生成的光電荷傳輸?shù)接糜趯⒐怆姾蓮碾姾尚盘栟D(zhuǎn)換為 電壓信號的檢測節(jié)點(diǎn)；緩沖元件，其將輸出信號從上述檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)送到像素輸出線；以及復(fù)位元件，其至少使上述光電轉(zhuǎn)換部和上述檢測節(jié)點(diǎn)復(fù)位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體攝像元件，其特征在于，還具備驅(qū)動控制部，該驅(qū)動控制部執(zhí)行第一驅(qū)動模式以及第二驅(qū)動模式，其中，在第一驅(qū)動模式中使各像素和各存儲部如下進(jìn)行動作在全部像素中同時進(jìn)行 各像素中的光電荷的蓄積動作以及使從各像素輸出的信號保持于上述連續(xù)讀出用存儲部 的保持動作，之后，從與各像素對應(yīng)的連續(xù)讀出用存儲部依次讀出并輸出一幀的信號，在第二驅(qū)動模式中使各像素和各存儲部如下進(jìn)行動作在全部像素中同時進(jìn)行各像素 中的光電荷的蓄積動作以及使從各像素輸出的信號保持于各相應(yīng)的突發(fā)讀出用存儲部中 的一個存儲部的保持動作，并且按順序變更要保持信號的存儲部并反復(fù)進(jìn)行蓄積動作和保 持動作，在多幀的信號被保持在突發(fā)讀出用存儲部之后，從與各像素對應(yīng)的突發(fā)讀出用存 儲部依次讀出并輸出該多幀的信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體攝像元件，其特征在于，上述驅(qū)動控制部同時并行地執(zhí)行第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式，使得將從各像素輸出 的信號同時保持在各相應(yīng)的突發(fā)讀出用存儲部中的一個存儲部與上述連續(xù)讀出用存儲部 中。
5.一種權(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，具有第一驅(qū)動模式 以及第二驅(qū)動模式，在第一驅(qū)動模式中使各像素和各存儲部如下進(jìn)行動作在全部像素中同時進(jìn)行各像素 中的光電荷的蓄積動作以及使從各像素輸出的信號保持于上述連續(xù)讀出用存儲部的保持 動作，之后，從與各像素對應(yīng)的連續(xù)讀出用存儲部依次讀出并輸出一幀的信號，在第二驅(qū)動模式中使各像素和各存儲部如下進(jìn)行動作在全部像素中同時進(jìn)行各像素 中的光電荷的蓄積動作以及使從各像素輸出的信號保持于各相應(yīng)的突發(fā)讀出用存儲部中 的一個存儲部的保持動作，并且按順序變更要保持信號的存儲部并反復(fù)進(jìn)行蓄積動作和保持動作，在多幀的信號被保持在突發(fā)讀出用存儲部之后，從與各像素對應(yīng)的突發(fā)讀出用存 儲部依次讀出并輸出該多幀的信號，該固體攝像元件的驅(qū)動方法同時并行地執(zhí)行第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式，使得將從 各像素輸出的信號同時保持在各相應(yīng)的突發(fā)讀出用存儲部中的一個存儲部與上述連續(xù)讀 出用存儲部中。
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， 通過第一驅(qū)動模式使固體攝像元件進(jìn)行動作，根據(jù)由此從該固體攝像元件輸出的信號 來捕捉目標(biāo)現(xiàn)象的發(fā)生或者被攝體的變化，由此生成觸發(fā)信號，根據(jù)該觸發(fā)信號來進(jìn)行驅(qū) 動模式的切換以同時并行地執(zhí)行第一驅(qū)動模式和第二驅(qū)動模式。
全文摘要
提供一種固體攝像元件及其驅(qū)動方法，對二維排列的每個像素(10)獨(dú)立地設(shè)置突發(fā)讀出用存儲部(200)和連續(xù)讀出用存儲部(210)。突發(fā)讀出用存儲部(200)具備多個能夠保持信號的電容器(25001～25104)，連續(xù)讀出用存儲部(210)具備唯一的電容器(213)，兩者的輸出信號線也獨(dú)立地設(shè)置。在將各像素(10)中通過光電轉(zhuǎn)換而生成的信號輸出到像素輸出線(14)時，在存儲部(200、210)中能夠同時將信號寫入到電容器，之后，能夠以不同的定時分別讀出到外部。因而，不會妨礙獲取低幀頻的連續(xù)的攝像圖像而能夠在任意的定時得到較短時間的期間內(nèi)的極短時間間隔的攝像圖像。由此，能夠同時進(jìn)行幀數(shù)被限制但是非常高速的拍攝以及速度低于上述速度但是幀數(shù)不受限制的拍攝這兩者。
文檔編號H04N5/357GK102057671SQ20098012196
公開日2011年5月11日 申請日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月10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