CN101796821B - 固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体摄像元件及其驱动方法，对像素区域(2a)内配置成二维状的每个像素(10)设置独立的像素输出线(14)，各像素输出线(14)上连接多个存储部。连续读取模式下，在所有像素中同时执行光电荷蓄积，从各像素(10)通过像素输出线(14)将信号一齐保持到存储部中后，依次读取各存储部中保持的信号并将其输出。另一方面，分组读取模式下，通过对多个存储部依次执行下述动作来保持多帧的信号，所述动作为：在所有像素(10)中同时执行光电荷蓄积，从各像素(10)通过像素输出线(14)将信号一齐保持到存储部中。收到摄影停止的指示后停止新信号的保持并在该时刻依次读取存储部中保持的多帧份的图像信号。由此，能进行虽然帧数有限但非常高速的摄影和虽然速度有所下降但不受帧数限制的摄影。

Description

固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法
技术领域
本发明涉及一种固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法，详细而言，涉及一种为了对破坏、爆炸、燃烧等高速现象的摄影而能够进行最佳的高速动作的固体摄像元件以及该固体摄像元件的驱动方法。
背景技术
以往开发了用于在短时间内连续对例如爆炸、破坏、燃烧、冲突、放电等高速现象进行摄影的高速摄影装置(高速摄像机)(参照非专利文献1等)。在这样的高速摄影装置中，甚至需要100万帧/秒左右以上的极高速摄影。因此，利用了与以往一般摄相机或数码相机等中使用的摄像元件不同的、具有特殊结构的、能够进行高速动作的固体摄像元件。
作为这样的固体摄像元件，以往，利用了专利文献1等中记载的元件。这些元件被称作像素周边记录型摄像元件(IS-CCD)。针对该摄像元件进行大致说明。即，在作为受光部的每一个光电二极管上具备分别兼作记录张数(帧数)份的传送的蓄积用CCD，在摄影中，依次向蓄积用CCD传送在光电二极管中进行了光电变换后的像素信号。而且，摄影结束后，统一读取存储在蓄积用CCD中的记录帧数份的像素信号，在摄像元件的外部再现记录帧数份的图像。在摄影中，超过了记录帧数份的像素信号按时间上从早到晚的顺序被废弃，从而在蓄积用CCD中始终保存最新的规定帧数份的像素信号。因此，若在摄影结束时中止向蓄积用CCD传送像素信号，则获得在时间上比该时刻早记录帧数份的时间以后的最新的图像。
如上所述，在像素周边记录型摄像元件中，与每次获得一帧份的图像信号时需要向外部提取这些信号的一般摄像元件不同，具有能够以非常高的速度获得多个帧的连续图像的特征。但是，由于半导体芯片面积或耗电等各种制约，一个元件上能够搭载的蓄积用CCD的个数是有限的。因此，如上述那样，能够高速摄影的帧数是有限的，例如，在非专利文献1所记载的装置中该帧数是100左右。该程度的帧数有时就已足够用，但是有时对于摄像对象的现象或被摄体等而言，虽然并不要求这种程度(例如，100万帧/秒左右)的高速性，可是希望进行更长时间或更多帧数的摄影。但是，在上述像素周边记录型摄像元件中，很难满足这样的摄影要求。
因此，对应于虽然连续记录帧数有限但是能进行超高速的摄影、虽然高速性差但是不受记录帧数的限制的摄影这两者，需要并用基于如上述的CCD方式的像素周边记录型摄像元件和周知的例如基于CMOS方式的摄像元件。因此，这样的摄像装置成本较高。
另外，在如上述的高速摄影中，与观察对象的现象发生时刻同步进行摄影很重要，进行从外部赋予触发信号和根据此进行摄影的结束或摄影的开始的控制。为了生成这样的触发信号，例如，一般使用接触传感器、位置传感器、振动传感体、压力传感器等其它传感器。但是，在很难拉近被摄体与这样的传感器之间的距离的情况、捕捉被摄体的自发性变化来进行摄影的情况、或进行显微镜下的微小物体的摄影的情况等中，利用上述方法很难获得适当的触发信号。
针对这样的问题，在专利文献2记载的摄影系统中，在摄像透镜后方设置分束器或半透明反射镜等光分离单元，将入射光分离成多束后分别导入到不同的摄像装置中，将一个摄像装置专用于检测图像的急剧变化的监测，根据由此获得的触发信号控制在另一个摄像装置中获得的图像信号的存储。但是，在这样的现有摄影系统中，需要用于将来自摄影对象的入射光分离成多束的光学系统部件，并且也需要准备多个摄像装置(摄像元件)，因此，系统会变大，且很难降低成本，装置的小型化/轻量化也很困难。
【专利文献1】特开2001-345441号公报
【专利文献2】特开平5-336420号公报
【非专利文献1】近藤等5名，“高速摄像机HyperVision HPV-1的开发”，岛津评论，岛津评论编辑部，2005年9月30日发行，第62卷，第1、2号，p.79-86
发明内容
本发明鉴于上述课题而形成，其第一目的在于提供一种能够进行虽然记录帧数有限但是能够进行超高速的摄影和虽然高速性差但是不受记录帧数的限制的摄影这两者的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法。
另外，本发明的第二目的在于提供一种捕捉由连续的摄影获得的图像中的被摄体的变化或观测对象的现象的发生等并且适合用于可靠控制高速摄影的开始或停止等的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法。
为了解决上述课题而构成了本发明的固体摄像元件的驱动方法，在该固体摄像元件中，多个至少包括接受光而生成光电荷的光电变换元件、向检测节点传送由所述光电变换元件生成的光电荷的传送元件、从所述检测节点向像素输出线送出信号的缓冲元件的像素排列成二维阵列状，按每个像素独立设置所述像素输出线，并且对各像素设置一个以上存储部，该存储部对通过像素输出线从各像素输出的信号进行保持，该固体摄像元件的驱动方法的特征在于，执行下述驱动模式之中的至少一个驱动模式：第一驱动模式，按照下述方式使各像素和各存储部进行动作，即，在所有像素中一齐进行各像素中的光电荷的蓄积动作、将通过像素输出线从像素输出的信号保持到所述存储部之中的一个的动作，然后从对应于各像素的存储部依次读取该一帧份的信号并输出；和第二驱动模式，按照下述方式使各像素和各存储部进行动作，即，在依次指定保持信号的存储部的同时反复执行：在所有像素中一齐进行各像素中的光电荷的蓄积动作、将通过像素输出线从像素输出的信号保持到所述存储部之中的一个的动作，并且在多帧份的信号被保持到各存储部中之后从对应于各像素的存储部依次读取该多帧份的信号并输出。
在这里，作为本发明的固体摄像元件的驱动方法的优选的一个方式，针对各像素设置多个所述存储部，选择性地或并行执行第一驱动模式和第二驱动模式。
另外，为了解决上述课题而构成的本发明的固体摄像元件是一种用于实施上述驱动方法的固体摄像元件，特征在于，具备：a)排列成二维阵列状的多个像素，所述像素至少包含接受光而生成光电荷的光电变换元件、向检测节点传送由所述光电变换元件生成的光电荷的传送元件、从所述检测节点向后述像素输出线送出信号的缓冲元件；b)按每个像素独立设置的像素输出线；c)为了保持通过所述像素输出线从各像素输出的信号而对各像素设置的多个存储部；d)执行第一驱动模式和第二驱动模式的驱动控制单元，在所述第一驱动模式下，按照下述方式使各像素和各存储部进行动作，即，在所有像素中一齐进行各像素中的光电荷的蓄积动作、将通过像素输出线从像素输出的信号保持到多个存储部之中的一个的动作，然后从对应于各像素的存储部依次读取该一帧份的信号并输出，在所述第二驱动模式下，按照下述方式使各像素和各存储部进行动作，即，在依次指定保持信号的存储部的同时反复执行：在所有像素中一齐进行各像素中的光电荷的蓄积动作、将通过像素输出线从像素输出的信号保持到多个存储部之中的一个的动作，并且在多帧份的信号被保持到各存储部中之后从对应于各像素的存储部依次读取该多帧份的信号并输出。
各像素所具备的光电变换元件例如是光电二极管，检测节点例如是浮动扩散区(浮动区域)，传送元件例如是晶体管(MOS晶体管)，缓冲元件例如是由多个晶体管构成的源极跟随放大器，存储部(和存储单元)例如是电容与晶体管等开关之间的组合。
在本发明的固体摄像元件及其驱动方法中，在第二驱动模式下，在多个帧的连续摄影中途无需将由该摄影获取的信号(像素信号)读出到元件外部，因此能够进行极高速连续摄影。由于以极短时间进行从各像素向存储部的信号的传送，因此1帧的摄影所需的时间大致由在光电变换元件中接受光而在检测节点等中蓄积光电荷的时间决定。但是，在第二驱动模式下，之后能够向元件外部读出的图像的帧数受到对应于各像素而准备的存储部的数量的限制。即，若对应于一个像素设置有100个存储部，则能够获取连续100帧图像。
相对于此，在第一驱动模式下，由于每1帧摄影时需要向元件外部读出由该摄影得到的像素信号，因此由该读出时间控制反复摄影的速度。因此，虽然不能进行如第二驱动模式那样的高速摄影，但是摄影帧数不受对应于各像素而准备的存储部的数量的限制。因此，根据本发明的固体摄影元件以及该固体摄像元件的驱动方法，通过根据摄影目的等而适当切换第一驱动模式和第二驱动模式，例如能够由一个固体摄像元件实现100万帧/秒以上的极高速摄影和虽然摄影速度有所下降但是持续长时间的摄影。通过利用这些，能够以比较低廉的成本提供一种利用领域宽或利用价值高的摄影装置。
另外，例如以第一驱动模式使固体摄像元件进行动作，并基于根据此此而输出的像素信号捕捉摄影对象的现象的发生或被摄体的变化等，由此生成触发信号并根据所述触发信号向第二驱动模式进行切换等，构成联合了两驱动模式的动作的控制。由此，即使针对以往由振动传感器等其它传感器不能捕捉的被摄体的变化，或者在物理上不能设置那样的传感器的情况下，也能够准确地摄影作为目标的高速现象。另外，由于也无需为了进行这样的摄影而准备其它摄像装置，因此还有助于高速摄影系统的成本的降低。
作为本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法的一个方式，优选与一个像素对应的一个存储部至少包括对噪声信号进行保持的存储单元、和对与光电荷对应的信号进行保持的存储单元，所述驱动控制单元进行各像素中的光电荷的蓄积动作以及将通过像素输出线从像素输出的信号保持到多个存储部之中的一个时，在不同的定时进行：在所有像素中一齐保持噪声信号的动作、在所有像素中一齐保持与光电荷对应的信号的动作，并且从存储部依次读取信号时，从各存储单元并行读取噪声信号和与光电荷对应的信号并输出。
噪声信号中例如包括构成缓冲元件的晶体管的阈值电压的偏差等引起的固定模式噪声或浮动扩散区等的检测节点上产生的随机噪声，这样的噪声分量还会叠加在与光电荷对应的信号上。根据上述方式，从存储部依次读取信号时，通过进行如从与光电荷对应的信号减去噪声信号的模拟运算，能够得到减轻了噪声的影响的像素信号。由此，能够提高摄影图像的S/N。
另外，作为本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法的一个方式，优选各像素至少包括一个电荷蓄积元件，该电荷蓄积元件对进行光电荷的蓄积动作时从所述光电变换元件通过所述传送元件后溢出的或从所述检测节点溢出的光电荷进行蓄积，与一个像素对应的一个存储部具有四个存储单元，所述驱动控制单元在所有像素中一齐进行：各像素中的光电荷的蓄积动作；和将通过像素输出线从像素输出的信号保持到多个存储部之中的一个时，使溢出前的噪声信号、溢出后的噪声信号、对应于溢出前的电荷的信号、对应于溢出后的电荷的信号分别通过像素信号线依次保持到所述四个存储单元中的动作；并且从存储部依次读取信号时，从各存储单元并行读取溢出前的噪声信号、溢出后的噪声信号、对应于溢出前的电荷的信号以及对应于溢出后的电荷的信号并输出。
这里，电荷蓄积元件能够利用双晶硅结构或层叠结构的电容等。
为了在各像素中提高光电变换增益，期望浮动扩散区等的检测节点的电容小，但是这样会存在入射强光而产生大量的光电荷时检测节点饱和的隐患。对此，在上述方式中，将在光电变换元件中生成且例如从检测节点溢出的(overflow)光电荷蓄积在电荷蓄积元件中。由此，即使在入射强光而产生大量的光电荷的情况下，也能不浪费光电荷并将其反映在信号中。另一方面，入射光弱而光电荷的产生量少时，能够仅利用蓄积在低电容的检测节点上的信号。因此，根据上述方式，能够扩大动态范围。
另外，在本发明的固体摄像元件及其驱动方法中，在第二驱动模式下，按照在与各像素对应的多个存储部全部保持了信号之后，将保持有时间上最早的信号的存储部进行重置来保持新信号的方式，进行循环使用多个存储部的信号保持动作，并根据停止指示来停止向存储部保持新信号的保持动作。可以在赋予停止指示后适当进行延迟来停止实际上向存储部的保持动作，优选能够从外部设定该延迟时间或帧数。
由此，在第二驱动模式下，无需向元件外部读出像素信号就能反复进行高速摄影，例如在从外部赋予触发信号的时刻，能够获取之前之后的摄影图像。由此，在被摄体的变化等产生了任何状态的瞬间，除了该时刻之后的摄影图像，还能得到该时刻之前的摄影图像。
另外，作为利用第一驱动模式和第二驱动模式的利用方法，例如，基于通过执行第一驱动模式而输出的一帧份或多帧份的全部或其中一部分图像信息来检测特定的事件，根据其检测结果执行第二驱动模式。这可看作是根据特定的事件的检测生成了上述触发信号。
由此，例如能够在被摄体中产生了任何变化的征兆的时刻准确地摄影该被摄体的高速的变化情况。
另外，在本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法中，将第一驱动模式和第二驱动模式执行任意次数或按时间交替地执行。
由此，基于由第一驱动模式读取的像素信号检测出被摄体中产生了任何变化时，由于存储部中还剩有之前由第二驱动模式摄影的信号，因此通过读取该信号，也能得到时间上比检测出被摄体的变化时早的图像。
另外，在本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法中，作为一个方式，进行第一驱动模式的动作时，利用用于第二驱动模式的所述存储部的一部分。
由此，由于能够在第二驱动模式下利用所有准备的存储部，因此能够将可连续摄影帧数增加与此对应的部分。
另外，在本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法中，作为另一方式，也可以独立地设置用于第一驱动模式的所述存储部和用于第二驱动模式的存储部。
另外，在本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法中，从存储部依次读取信号时，选择性地依次读取并输出对应于被排列成多个二维阵列状的像素中的特定像素的信号。
具体而言，例如，在排列成二维阵列状的像素之中的水平方向和垂直方向上，隔一个或隔两个等适当的数量来间隔(跳跃)地读取信号。由此，虽然会降低分辨率，但是大致观察被摄体时大多情况是够用的，通过减少读取信号的数量，能够提高第一驱动模式的摄影的帧速率。另外，在已知并不是在图像整体上而是只在特定的一部分产生被摄体的变化时，若只读取该一部分的图像信号，则不会降低分辨率而且能够提高帧速率。
另外，在本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法中，也可以从存储部同时读取与排列成二维阵列状的多个像素中的相邻或靠近的像素对应的信号，并进行模拟加法运算处理或平均化处理。
例如，在各存储部中根据开关(晶体管)的接通/关断从电容向同一个输出线选择性地输出信号的构成中，通过同时使多个开关接通来从多个电容输出信号，能够在其输出线上进行模拟的信号加法运算。此时，由于与上述的间隔读取不同，能够无浪费地利用信号，因此比起间隔读取，更能改善S/N。另外，在上述方式中不能在间隔读取的部分检测产生的被摄体的重要变化，但是在该方式中由于也能将这样的变化反映出来，因此容易可靠地捕捉被摄体的变化。
另外，此时，通过在二维阵列状的排列的水平方向和垂直方向上，互不相同地选择进行所述模拟加法运算处理或平均化处理时的多个像素的组合，与不进行这样的处理时相比，能够抑制视觉上的分辨率的降低。
另外，在本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法中，也可以从存储部同时读取时间上相邻或靠近的不同帧中空间上处于同一位置的一个或多个像素所对应的信号，并进行模拟加法运算处理或平均化处理。
(发明效果)
根据本发明的固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法，能够用一个元件实现例如100万帧/秒以上的极高速摄影和和虽然摄影速度比该改速度有所下降但是持续长时间的摄影。由此，能够以比较低廉的成本提供一种利用领域宽或利用价值高的摄影装置。
另外，通过适当分开使用第一驱动模式和第二驱动模式，例如能够在被摄体中产生了变化或产生了观察对象的现象时迅速检测这些，并能够进行那个时刻以后或那个时刻前后的高速摄影。由此，为了获得用于开始或结束高速摄影的触发信号，无需基于振动传感器等其它传感器的检测信号或基于其它摄像装置的摄影图像，因此能够抑制高速摄影系统的成本。另外，即使存在不能由振动传感器等传感器捕捉的变化的情况或很难设置这样的传感器的条件下，能够准确捕捉摄影对象并作为图像而将其留下来。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例的固体摄像元件的半导体芯片上的布局的示意俯视图。
图2是在本实施例的固体摄像元件中表示像素区域内的一个像素的布局的示意俯视图。
图3是表示本实施例的固体摄像元件的像素区域以及存储区域的示意构成的俯视图。
图4是本实施例的固体摄像元件的半导体芯片的大致一半的主要部件的模块构成图。
图5是本实施例的固体摄像元件的一个像素的电路构成图。
图6是在本实施例的固体摄像元件中表示一个像素的光电变换区域的布局的示意俯视图。
图7是图6中的A-A′向视线纵截面的示意电势图。
图8是在本实施例的固体摄像元件中对应于排列在垂直方向上的132个像素的一个存储部单元的示意构成图。
图9是本实施例的固体摄像元件的一个存储部的电路构成图。
图10是表示本实施例的固体摄像元件中的一个存储部的布局的示意俯视图。
图11是表示在本实施例的固体摄像元件中用于通过输出线读取保存在各存储部中的信号的大致构成的模块图。
图12是本实施例的固体摄像元件中的连续读取模式和分组读取模式的示意时序图。
图13是在本实施例的固体摄像元件中光电荷蓄积时间短时的动作模式的驱动时序图。
图14是图13所示的动作的像素内的示意电势图。
图15是在本实施例的固体摄像元件中光电荷蓄积时间相对长时的驱动时序图。
图16是图15所示的动作的像素内的示意电势图。
图17是在本实施例的固体摄像元件的连续读取模式下的一帧份的依次读取的动作时序图。
图18是在本实施例的固体摄像元件的分组读取模式下的依次读取的动作时序图。
图19是表示各存储部中的读取顺序的示意图。
图20是表示使用了本实施例的固体摄像元件的摄影动作的一个方式的大致时序图。
图21是表示使用了本实施例的固体摄像元件的摄影动作的一个方式的大致时序图。
图22是表示本实施例的固体摄像元件的间隔读取时所选择的像素的例子的图。
图23是表示本实施例的固体摄像元件的加和读取时所选择的像素的例子的图。
图中：1-半导体基板；2、2a、2b-像素区域；3a、3b-存储区域；4a、4b-垂直扫描电路区域；5a、5b-水平扫描电路区域；6a、6b-电流源区域；10-像素；11-光电变换区域；12-像素电路区域；13-布线区域；14、141-像素输出线；15-驱动线；20-存储部单元；21-存储部单元行；22-存储部；23、23a、23b、23c、23d-输出线；24、24a、24b、24c、24d-存储元件；25、25a、25b、25c、25d-电容；26、26a、26b、26c、26d-采样晶体管；27、27a、27b、27c、27d-读取晶体管；31-光电二极管；32-传送晶体管；33、331、332-浮动扩散区(floating diffusion)；333-金属布线；34-蓄积晶体管；35-重置晶体管；36-蓄积电容；37、40-晶体管；38、41-选择晶体管；39-电流源；43-源极跟随放大器；50-存储部单元模块；VSR1-垂直移位寄存器；HSR1-水平移位寄存器。
具体实施方式
下面，参照附图说明作为本发明的一实施例的固体摄像元件以及该固体摄像元件的驱动方法。
首先，说明本实施例的固体摄像元件的整体的构成和结构。图1是表示本实施例的固体摄像元件的半导体芯片上的整体布局的示意俯视图，图3是表示本实施例的固体摄像元件的像素区域以及存储区域的示意构成的俯视图，图4是表示本实施例的固体摄像元件的大致一半的主要部件的模块构成图。
如图1所示，在该固体摄像元件中，在半导体基板1上用于接受光来生成每一个像素的信号的像素区域2(2a、2b)和用于将所述信号保持规定帧数份的存储区域3a、3b未混在一起而完全分离，并分别作为统一的区域来设置。在大致矩形状的像素区域2内，二维阵列状地配置有N行、M列的共N×M个像素10，该像素区域2被分割成分别配置了(N/2)×M个像素10的第一像素区域2a、第二像素区域2b这两个区域。
在第一像素区域2a的下侧，隔着小面积的第一电流源区域6a而配置有第一存储区域3a，在第二像素区域2b的上侧，同样隔着小面积的第二电流源区域6b而配置有第二存储区域3b。第一和第二存储区域3a、3b中分别设有第一和第二垂直扫描电路区域4a、4b以及第一和第二水平扫描电路区域5a、5b，其中以上区域中分别设有用于控制从存储区域3a、3b中读取信号的移位寄存器或译码器等电路。如图3所示，用于从各存储区域3a、3b中向元件的外部读取信号的输出线束SS01～SS64配置为上下各32组共计64组。
本实施例的固体摄像元件以将像素区域2的大致中央划分成上下两个的水平线作为边界，构成为大致上下对称的结构。由于该上半部分和下半部分的结构或动作相同，因此在以下的说明中，主要描述下方的第一像素区域2a、第一存储区域3a、第一垂直扫描电路区域4a、第一水平扫描电路区域5a的结构以及动作。
像素数即上述N、M值可以分别任意地决定，这些值越大，则图像的分辨率就越大，但是，另一方面会导致整体的芯片面积变大或者对应于一个像素的芯片面积变小。作为该例，设N＝264、M＝320。因此，如图3、图4所示，分别配置在第一、第二像素区域2a、2b中的像素数是在水平方向上320像素、在垂直方向上132像素的42240像素。
图2是表示像素区域2(2a、2b)中的一个像素10的大致布局的俯视图。一个像素10所占的区域是大致正方形，其内部大致区分成三个区域，即，光电变换区域11、像素电路区域12以及布线区域13。布线区域13中，(M/2)+α根像素输出线14按照沿垂直方向延伸的方式集中配置。这里，α可以是0，此时，在本例中通过一个布线区域13的像素输出线的根数是132根。但是，一般形成多个这样平行延伸的布线(例如，Al等金属布线)时，两端布线的宽度或寄生电容很容易就会变得不同。因此，实际上，夹持使信号通过的132根像素输出线在两端各设置一根虚拟布线。此时，α＝2，通过一个布线区域13的布线的根数是134根。
图5是图2所示的一个像素10的电路构成图。各像素10包括：接受光而生成光电荷的光电二极管(相当于本发明的光电变换元件)31、靠近光电二极管31而设置的用于传送光电荷的传送晶体管(相当于本发明的传送元件)32、通过传送晶体管32与光电二极管31连接且暂时蓄积光电荷并将其变换为电压信号的浮动扩散区FD(相当于本发明的检测节点)33、进行光电荷的蓄积动作时用于蓄积从光电二极管31经过传送晶体管32溢出的即溢出电荷的蓄积晶体管34以及蓄积电容(相当于本发明的电荷蓄积元件)36、用于排出蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的电荷的重置晶体管35、用于将蓄积在浮动扩散区33中的电荷或蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36两者中的电荷作为电压信号进行输出的由被串联连接的两个PMOS型晶体管37、38和同样被串联连接的两个NMOS型晶体管40、41这两级构成的源极跟随放大器(相当于本发明的缓冲元件)43、用于向源极跟随放大器43的前一级的两个晶体管37、38提供电流的恒流晶体管等构成的电流源39。
在传送晶体管32、蓄积晶体管34、重置晶体管35以及源极跟随放大器43的选择晶体管38、41的栅极端子上分别连接用于提供由φT、φC、φR、φX构成的控制信号的驱动线15。如图4所示，这些驱动线15在像素区域2内的所有像素中共用。由此，能够在所有的像素中进行同时驱动。
源极跟随放大器43的第二级的低电压侧的选择晶体管41的输出42与配置在上述的布线区域13中的132根像素输出线14中的一根(在图5中用符号141表示的像素输出线)连接。该像素输出线141在每一个像素10中分别设置一根，即与各像素10对应地独立设置。因此，在该固体摄像元件中，设有与像素数相同的像素输出线，即84480根像素输出线。
源极跟随放大器43具有作为以高速驱动像素输出线141的电流缓冲器的功能。如图4所示，由于各像素输出线141从像素区域2a延伸到存储区域3a，因此会成为某种程度的大的容性负载，为了以高速对该像素输出线141进行驱动，需要能够使大电流流过的大尺寸的晶体管。但是，为了在各像素10中想要提高检测灵敏度而提高光电变换增益，则用于将光电荷变换为电压的浮动扩散区33的电容越小越好。由于连接在浮动扩散区33的晶体管的栅极端子的寄生电容会使浮动扩散区33的电容有效增加，因此由于上述原因，期望该晶体管37是栅极输入电容小的小型晶体管。所以，为了同时满足输出侧中的大电流的提供和输入侧中的低电容，在这里，将源极跟随放大器43设置成两级构成，通过使前一级的晶体管37为小型晶体管来抑制输入栅极电容，后一级的晶体管40、41使用大的晶体管来确保大的输出电流。
另外，在源极跟随放大器43中，从进行基本动作的这点来看，也可不设置前一级的选择晶体管38，但是，通过在后一级的选择晶体管41为截止状态时同时使选择晶体管38也处于截止状态来不让电流从电流源39流向晶体管37，能够抑制对应量的电流消耗。
图6是表示一个像素10的光电变换区域11的布局的示意俯视图，图7是图6中的A-A′向视线纵截面的示意电势图。
俯视下具有大致矩形状的受光面的光电二极管31是嵌入型光电二极管结构。由于在高速摄影中曝光时间极其短，因此为了确保适当的曝光，需要尽量使各像素10的光电二极管的受光面的面积大，并且需要尽量增加入射(受光)的光量。但是，一般，扩大光电二极管的受光面的面积时，特别是在其周边侧所生成的光电荷到达作为检测节点的浮动扩散区的所需时间成为问题，在高速摄影的短短一个周期期间不能被传送的光电荷会被浪费，或者会成为引起残像现象的原因。因此，在本实施例的固体摄像元件中，通过采用如下特殊结构来提高电荷传送的速度。
通常，浮动扩散区被配置在光电二极管的侧方，但是如图6所示，在该固体摄像元件中，光电二极管31的大致中央部形成有小面积的浮动扩散区331，按照包围该浮动扩散区331的方式环状地设有传送晶体管32的栅极。通过这样在光电二极管31的中央处配置浮动扩散区331，能平均缩短从光电二极管31的周边部到浮动扩散区331的光电荷的移动距离，在光电二极管31的周边部的任何位置处产生的光电荷都能容易到达浮动扩散区331。
而且，形成光电二极管31时，通过使用多个光掩模来使杂质的注入(掺入)量(或注入深度)多个阶段地变化，使得从光电二极管31的周边部向中央(即，浮动扩散区331)设置杂质的掺入量(或注入深度)的梯度或阶梯状的阶段。因此，如图7(a)所示，向光电二极管31的pn结施加适当的偏压时，会从光电二极管31的周边部向中央处形成向下倾斜的电势梯度。根据该形成的即由工序上的方法形成的电势梯度，由受光而在光电二极管31中生成的光电荷越在其周边部生成的电荷越被较大程度地加速，从而向中央侧前进。
此时，若传送晶体管32处于截止状态，则如图7(a)所示，形成在传送晶体管32的环状栅极正下方的势垒的周围会聚集光电荷。而且，若传送晶体管32被导通，则如图7(b)所示，聚集的光电荷会立刻通过传送晶体管32落入浮动扩散区331中。另一方面，光正在入射的期间，传送晶体管32维持导通状态时，沿着电势梯度集中在中央处的光电荷直接通过传送晶体管32落入浮动扩散区331中。在何种情况下都能够以高的概率且迅速向浮动扩散区331传送光电二极管31中生成的光电荷。
在光电二极管31的中央部设置浮动扩散区331来得到了如上述的显著的优点。但是，与该浮动扩散区331靠近地配置蓄积溢出的光电荷的蓄积电容36等时，会产生数值孔径降低的问题。因此，这里，在像素电路区域12中，作为扩散层形成与如上述那样光电荷直接流入的浮动扩散区(以下称作第一浮动扩散区)331不同的第二浮动扩散区332，并且通过利用铝等金属布线333来连接第一浮动扩散区331与第二浮动扩散区332之间，使两者变成等电位。即，在这里，第一浮动扩散区331和第二浮动扩散区332构成一体，起到作为将电荷信号变换为电压信号的检测节点的浮动扩散区33的作用。
下面，详细说明第一和第二存储区域3a、3b的内部构成。如图4所示，第一和第二存储区域3a、3b内，沿着分别与排列在像素区域2a、2b内的垂直方向上的132个像素10连接的132根像素输出线14的延伸方向，配置有蓄积帧数L份的存储部单元20。在该例中，蓄积帧数L即连续摄影帧数是104，在垂直方向上排列有104个存储部单元20，而且其在水平方向上排列有320个。因此，在第一存储区域3a中排列有104×320个＝33280个存储部单元20。在第二存储区域3b中也排列有同样数量的存储部单元20。
图8是表示1个存储部单元20的内部构成的示意图。一个存储部单元20内排列有水平方向上11个、垂直方向上12个共计132个存储部22，各存储部22分别与不同的一根像素输出线141连接。通过像素输出线141，各存储部22分别与像素区域2a内的像素10一一对应，一个存储部单元20内的132个存储部22中分别保持有像素区域2a内的垂直方向的132个像素10的信号。因此，在图4中，水平方向的一行上所排列的320个存储部20(在图4中，用符号21表示的存储部单元行)中保持有由132×320像素(pixel)构成的一帧的下半部分的像素信号。在图3所示的上侧的第二存储区域3b中也同样在排列于水平方向上的一行的320个存储部单元中保持有由132×320像素构成的一帧的上半部分的像素信号，由两者构成一帧的图像。通过在垂直方向上排列104个存储部单元行21，能够保持104帧份的像素信号。
如图8所示，在各存储部单元20中，132个存储部22的所有的输出都被连接在一起构成一根信号输出线32。而且，如图4所示，排列在水平方向上的存储部单元20其相邻的每十个构成一组，水平方向上具有32组存储部单元20的组，每一组的十个存储部单元20的信号输出线23都被连接在一起形成一根。另外，排列在垂直方向上的104个存储部单元20的信号输出线23也被连接在一起形成一根。因此，在存储区域3a中，对于水平方向上十个、垂直方向上104个共计1040个存储部单元20以及包含在各存储部单元20中的存储部22的数量来说，137280个存储部22的输出被连接在一起构成一根输出线23。在图3中，用符号50表示了具有同一个输出线23的存储部单元20的块，即存储部单元模块。根据上述构成，来自第一存储区域3a的输出线23的个数是32根，从第二存储区域3b也抽出同样的输出线。用SS01～SS64表示这些输出线23上的信号。
图9是表示一个存储部22的电路构成的图。图10是表示一个存储部22的布局的示意俯视图。一个存储部22具有四个存储单元。即，由与一根像素输出线141连接的采样晶体管26(26a～26d)、通过采样晶体管26与像素输出线141连接的电容25(25a～25d)、用于读取保持在电容25中的模拟电压信号的读取晶体管27(27a～27d)构成作为存储单元的存储元件24(24a～24d)。一个存储部22由四个存储元件24a～24d形成一组而构成。因此，在一个存储部22中能够保持从同一个像素通过同一个像素输出线141输出的四个不同的模拟电压信号。由于通过四个读取晶体管27a～27d的输出线23a～23d分别被独立地设置，因此实际上图3、图4、图8所示的输出线23具有四根(即，23a～23d)，四根独立地被输出。或者，也可以构成为在元件内进行差分等模拟运算处理，最终作为一根输出线23而输出到元件的外部。
如上所述，一个存储部22由四个存储元件24a～24d构成的最初的目的在于，为了进行如后述的动态范围扩大处理以及噪声去除处理而对与溢出前的电荷对应的信号、与溢出后的电荷对应的信号、与溢出前的电荷对应的信号中所包含的噪声信号、与溢出后的电荷对应的信号中所包含的噪声信号这四个模拟电压信号独立地进行保持。但是，并不一定要局限于这样的目的，也能以其它的动作方式利用各存储元件24a～24d。例如，若不利用各像素10的蓄积电容36，则无需考虑对应于溢出后的电荷的信号或对应于溢出后的电荷的信号中所包含的噪声信号，能够利用存储元件24来增加这部分的连续摄影的帧数。由此，能够进行两倍的208帧的连续摄影。另外，若也不进行噪声去除，则能够进行进一步的两倍的416帧的连续摄影。
与各像素10内的蓄积电容36相同，例如能够由双多晶硅栅极结构或层叠(stack)结构形成电容25a～25d。进行利用了CCD结构的电荷保持时，存在因热激励等引起暗电荷而导致的伪信号被附加在光信号中的问题，但是，使用双多晶硅栅极结构或层叠结构的电容25a～25d时，不会产生这样的暗电荷，因此不会附加伪信号，能够提高读取到外部的信号的S/N。
图11是表示用于使保持在存储区域3a内的各存储部中的信号通过如上述的输出线23来读取的示意构成的模块图。配置成二维阵列状的存储部单元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。进行依次读取时，根据水平移位寄存器HSR1～HSR320和垂直移位寄存器VSR1～VSR104的组合选择存储部单元20，在被选择的存储部单元20中按顺序选择存储部22来读取像素信号。但是，由于在输出线23被分开的不同的存储部单元模块50中能够同时并行进行动作，因此作为读取动作只要考虑一个存储单元模块50的内部即可。
下面，将说明本实施例的固体摄像元件的驱动方法和动作。本实施例的固体摄像元件具有大致区分为被称作连续读取和分组读取的两个驱动模式。连续读取模式相当于本发明的第一驱动模式，分组读取模式相当于第二驱动模式。首先，根据图12，说明这两个驱动模式的大致动作。图12是连续读取模式与分组读取模式的示意时序图。
(A)连续读取模式
如图12(a)所示，连续读取模式基本上在像素区域2(2a、2b)的各像素中执行一帧份的光电荷蓄积之后，在所有的像素中一齐通过各自的像素输出线输出信号，将信号电荷保持在存储部22的电容25中。由此，一帧份的像素信号会聚集在存储区域3a、3b的存储部22中，接着通过如上述那样驱动水平移位寄存器、垂直移位寄存器，依次读取一帧的像素信号并向外部输出。此时，只要使用存储区域3a中的最上面一行的320个存储部单元20即可。
将驱动水平和垂直移位寄存器的时钟信号的频率设为50MHz时，平均一个像素信号的读取时间是0.02μ秒。由于一个存储部单元模块50的最上面一行中具有132×10＝1320个存储部22，因此这些所需的总读取时间是26.4μ秒。如上所述，由于在不同的存储部单元模块50中同时进行读取，因此能以26.4μ秒进行一帧份的像素信号的读取。换言之，由于能够将光电荷的蓄积时间延长至该时间，因此与后述的分组读取模式相比，光电荷的蓄积时间设定的自由度大。
图12(a)是只有一帧份的例子，但是由于在像素区域2a、2b和存储区域3a、3b中除了通过像素输出线14的信号的交换时以外，都能独立进行动作，因此从存储区域3a、3b依次读取像素信号时，能够在像素区域2a、2b中蓄积光电荷。因此，如图12(b)所示，能够反复进行大致连续的摄影。
(B)分组读取模式的情况
在分组读取模式下，如图12(c)所示，不进行像素信号的依次读取，而是反复进行以下动作：在各像素中进行一帧份的光电荷蓄积之后，在所有像素中一齐通过各自的像素输出线来输出信号，并在存储部22的电容25中保持信号电荷。此时，逐帧按顺序在已准备的104帧份的存储部22中依次保持信号。然后，依次读取该规定帧数份的像素信号并向外部输出。在该分组读取模式下，由于不在摄影中进行向外部的信号读取，因此不受如上所述的因用于读取的时钟频率的上限引起的帧速率的限制，能够以非常短的周期进行连续摄影。能够实施的最大的帧速率，主要由对光电二极管31内产生的光电荷进行聚集并向浮动扩散区33传送为止的时间来限制。在该实施例的固体摄像元件中，如上所述那样，由于在考虑到光电荷蓄积时的光量减少的情况下进行了光电二极管31的结构设计等，因此能够在比以往的像素周边记录型摄像元件中实现的100万帧/秒更高的帧速率进行高速摄影。
下面，作为本实施例的固体摄像元件的详细的驱动方法，首先根据图13～图16说明各像素10中的光电变换动作和将由此生成的信号保存在一个存储部22中的动作。
在本实施例的固体摄像元件中，在光电荷蓄积时间短的情况和光电荷蓄积时间相对长的情况下，能够选择不同的两个动作模式。目标是前者为光电荷蓄积时间为10μs至100μs以下的情况，在进行100万帧/秒以上的高速摄影即通常执行分组读取模式时，优选采用该动作模式。
(A)光电荷蓄积时间短时的动作模式
图13是光电荷蓄积时间短时的动作模式的驱动时序图，图14是该动作中的像素10内的示意电势图。另外，在图14(后述的图16也相同)中CPD、CFD、CCS分别表示光电二极管31、浮动扩散区33、蓄积电容36中所蓄积的容量，CFD+CCS表示浮动扩散区33与蓄积电容36的合成容量。
将提供给各像素10的共同的控制信号φX设为高电平，使源极跟随放大器43内的选择晶体管38、41均维持导通状态。而且，在进行光电荷蓄积之前，将同样作为共同的控制信号的φT、φC、φR设为高电平，使传送晶体管32、蓄积晶体管34以及重置晶体管35均导通(时刻t0)。由此，重置(初始化)浮动扩散区33和蓄积电容36。另外，此时，光电二极管31处于完全被耗尽的状态。此时的电势如图14(a)所示。
之后，使φR置于低电平并使重置晶体管35截止时，浮动扩散区33中产生噪声信号N2，该噪声信号N2等效于包括在该浮动扩散区33和蓄积电容36中产生的随机噪声、源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声(参照图14(b))，并且对应于该噪声信号N2的输出会出现在像素输出线141中。所以，通过在该时刻(时刻t1)向存储部22赋予采样脉冲φN2来使采样晶体管26d导通，从而获取通过像素输出线141而输出的噪声信号N2并将其保持在电容25d中。
之后，使φC处于低电平并使蓄积晶体管34截止时，根据浮动扩散区33和蓄积电容36的各自的电容CFD、CCS之比，分配该时刻蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的信号(参照图14(c))。此时，浮动扩散区33中产生噪声信号N1，该噪声信号N1等效于包括使φC截止时所产生的随机噪声、源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声，并且对应于该噪声信号N1的输出会出现在像素输出线141中。所以，通过在该时刻(时刻t2)向存储部22赋予采样脉冲φN1来使采样晶体管26c导通，从而获取通过像素输出线141而被输出的噪声信号N1并将其保持在电容25c中。
由于传送晶体管32维持导通状态，因此根据入射到光电二极管31的光而产生的光电荷通过传送晶体管32(图7(b)所示的状态)流入浮动扩散区33中，与噪声信号N1叠加并被蓄积在浮动扩散区33中(时刻t3)。假设入射强光而在光电二极管31中产生了大量的光电荷，并且浮动扩散区33已饱和，则溢出的电荷通过蓄积晶体管34被蓄积在蓄积电容36中(参照图14(d))。通过将蓄积晶体管34的阈值电压适当设定得较低，能够从浮动扩散区33向蓄积电容36有效地传送电荷。由此，即使浮动扩散区33的电容CFD较小而能够在其中蓄积的最大饱和电荷较少，也能将饱和的电荷无废弃地有效地利用。这样，浮动扩散区33中的电荷饱和(溢出)前和电荷饱和(溢出)后的任意情况下所产生的电荷都能被反映在输出中。
若经过了规定的光电荷蓄积时间(曝光时间)，则在使蓄积晶体管34截止的状态下通过向存储部22赋予采样脉冲φS1来使采样晶体管26a导通，从而在该时刻(时刻t4)使对应于蓄积在浮动扩散区33中的电荷的信号通过像素输出线141取入，并将其保持在电容25a中(参照图14(e))。此时，由于蓄积在浮动扩散区33中的信号是在噪声信号N1上叠加了对应于溢出前的电荷的信号S1的信号，因此保持在电容25a中的是不反映蓄积在蓄积电容36中的电荷量的S1+N1。
紧接着，使φC处于高电平来使蓄积晶体管34导通时，在该时刻保持在浮动扩散区33中的电荷和保持在蓄积电容36中的电荷被混合(参照图14(f))。在该状态下，通过向存储部22赋予采样脉冲φS2来使采样晶体管26b导通(时刻t5)，从而使对应于蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的电荷的信号，即在噪声信号N2上叠加了对应于溢出后的电荷的信号S2的信号通过像素输出线141取入，并将其保持在电容25b中。因此，保持在电容25b中的是反映了蓄积在蓄积电容36中的电荷量的S2+N2。
如上所述，在包括在一个存储部22中的四个电容25a、25b、25c、25d中分别保持信号S1+N1、S2+N2、N1、N2，以此结束一个周期的图像信号的获取。如上所述，包括随机噪声和固定模式噪声的噪声信号N1、N2和包括这些噪声信号的信号是分别求出的。因此，将各个信号从电容25a、25b、25c、25d读取之后通过未图示的模拟运算电路进行减法运算处理，能够获得去除了噪声信号N1、N2的影响的高S/N的图像信号。另外，由于从浮动扩散区33溢出的电荷都能无废弃地加以利用，因此即使在强光入射的情况下也不易引起饱和，能够获得反映了该光的信号，并且能够确保大的动态范围。另外，关于能够扩大这样的动态范围的详细说明例如在特开2006-245522号公报等文献中有记载，因此在这里省略其说明。
(B)光电荷蓄积时间相对长时的动作模式
下面，说明光电荷蓄积时间相对长时的动作。图15是光电荷蓄积时间相对长时的驱动时序图，图16是该动作的像素内的示意电势图。
与光电荷蓄积时间短时的最大的不同点是：在光电荷蓄积期间，使传送晶体管32截止并将在光电二极管31中产生的光电荷蓄积在耗尽层中。另外，由于光电荷蓄积时间长，因此为了抑制耗电而使源极跟随放大器43的选择晶体管38、41截止规定时间。
进行光电荷蓄积之前，使φT、φC、φR处于高电平，使传送晶体管32、蓄积晶体管34以及重置晶体管35均导通(时刻t10)。由此，对浮动扩散区33和蓄积电容36进行重置(初始化)。另外，此时，光电二极管31处于完全被耗尽的状态。此时的电势的状态如图16(a)所示。
之后，使φR处于低电平来使重置晶体管35截止时，在浮动扩散区33中产生噪声信号N2，该噪声信号N2等效于包括在该浮动扩散区33和蓄积电容36中产生的随机噪声、源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声(参照图16(b))，并且对应于该噪声信号N2的输出会出现在像素输出线141中。所以，通过在该时刻(时刻t11)向存储部22赋予采样脉冲φN2来使采样晶体管26d导通，从而通过像素输出线141获取噪声信号N2并将其保持在电容25d中。到此为止的动作与上述的光电荷蓄积时间短时的动作模式相同。
之后，使φC处于低电平来使蓄积晶体管34截止时，根据浮动扩散区33和蓄积电容36的各自的电容CFD、CCS之比，分配该时刻蓄积在浮动扩散区33和蓄积电容36中的电荷。而且，使φT处于低电平来使传送晶体管32截止，使φX也处于低电平，使源极跟随放大器43的两个选择晶体管38、41也截止(时刻t12)。由此，在光电二极管31和浮动扩散区33之间形成势垒，构成能够蓄积光电二极管31中的光电荷的状态(参照图16(c))。
根据入射到光电二极管31中的光所产生的光电荷被蓄积在光电二极管31中，但是若在光电二极管31中产生电荷饱和，则以上的过剩的电荷会溢出并通过传送晶体管32叠加在如上分配的噪声信号上，并被蓄积在浮动扩散区33中。而且，入射强光而在浮动扩散区33中产生饱和时，溢出的电荷通过蓄积晶体管34被蓄积在蓄积晶体管36中(参照图16(d))。
通过将蓄积晶体管34的阈值电压适当设定得比传送晶体管32的阈值电压还低，能够将在浮动扩散区33中饱和的电荷有效地传送给蓄积电容36，而无需使其回到光电二极管31侧。由此，即使浮动扩散区33的电容CFD小而能够在其中蓄积的电荷量少，也能无废弃地有效地利用溢出的电荷。这样，浮动扩散区33中的溢出前和溢出后的任意情况下所产生的电荷都能被反映在输出中。
若经过了规定的光电荷蓄积时间，则使φX处于高电平来使选择晶体管38、41导通之后，向存储部22赋予采样脉冲φN1来使采样晶体管26c导通，从而使对应于在该时刻(时刻t13)蓄积在浮动扩散区33中的信号电荷的噪声信号N1通过像素输出线141而被获取，并将其保持在电容25c中。此时的噪声信号N1中包含有因源极跟随放大器43的晶体管37的阈值电压的偏差引起的固定模式噪声。另外，此时，除了噪声之外，还包含因光电变换产生的光电荷的一部分，但是在这里将该光电荷的一部分也看作噪声。
之后，使φT处于高电平来使传送晶体管32导通，将蓄积在光电二极管31中的光电荷完全传送给浮动扩散区33(参照图16(e))。紧接着(时刻t14)，通过向存储部22赋予采样脉冲φS1来使采样晶体管26a导通，从而使对应于蓄积在浮动扩散区33中的电荷的信号通过像素输出线141而被获取，并将其保持在电容25a中。此时的信号是基于在之前的噪声信号N1上叠加了蓄积在光电二极管31中的电荷的信号，即叠加了溢出前的信号S1，因此是S1+N1。
之后，使φC处于高电平来使蓄积晶体管34导通时，在该时刻保持在浮动扩散区33中的电荷和保持在蓄积电容36中的电荷被混合(参照图16(f))。在该状态(时刻t15)下，通过向存储部22赋予采样脉冲φS2来使采样晶体管26b导通，从而使对应于蓄积在浮动扩散区33以及蓄积电容36中的电荷的信号通过像素输出线141而被获取，并将其保持在电容25b中。此时的信号是S2+N2。
如以上所述，在一个存储部22中包含的四个电容25a、25b、25c、25d中分别保持信号S1+N1、S2+N2、N1、N2，以此结束一个周期的图像信号的获取。与光电荷蓄积时间短时的动作模式同样，分别求出包括随机噪声和固定模式噪声的噪声信号N1、N2和包括这些噪声信号的信号。因此从电容25a、25b、25c、25d读取各个信号之后，通过进行减法运算等模拟运算处理，能够获得去除了噪声信号N1、N2的影响的高S/N的图像信号。另外，由于也能无废弃地利用从浮动扩散区33溢出的电荷，因此即使在强光入射下也不易引起饱和，并且能够获得反映了该光的信号，并能确保大的动态范围。
如上所述，由于提供给各像素10的控制信号φX、φT、φR、φC在所有像素中相同，因此能在所有的像素10中同时进行如上述的光电荷蓄积动作以及从各像素10向存储部22的信号的传送动作。即，在上述一个周期中，一帧份的图像信号被保持在图3、图4中的存储部单元行21内的存储部22中。在分组读取模式下，通过反复进行104次该动作，在所有的存储部单元行21内的存储部22中保持像素信号。第105次以后，按照再次向最上面的存储部单元行21中的各存储部22写入信号的方式循环执行保持动作。例如，直到从外部赋予摄影停止指示信号为止，反复进行这样的动作。赋予摄影停止的指示信号来中止摄影时，那个时刻在存储区域3a、3b中保持最新的104帧份的像素信号。通过依次读取这些信号，能够获得104帧的连续的图像信号。
另外，在各存储部22中，如上所述，在已保持有一些信号的电容中保持新信号时，为了废弃此前的信号而需要执行重置。因此，虽然未图示，但是，各像素输出线141上分别连接有重置用的晶体管，重置某一个存储部的电容时，使该存储部的采样晶体管导通并且使与对应的像素输出线连接的重置用晶体管导通，蓄积在电容上的信号通过采样晶体管、像素输出线被重置。执行这样的重置后，在电容中保持新信号。
下面，说明从存储区域3a、3b依次读取信号的动作。图17是连续读取模式的一帧份的依次读取的动作时序图，图18是分组读取模式的依次读取的动作时序图，图19是表示各存储部22的读取顺序的示意图。
通过依次使与同一个输出线23连接的读取晶体管27导通，从而读取保持在各存储部22的电容25中的信号。由于同一个存储部22的四个读取晶体管27a～27d分别与不同的输出线23a～23d连接，因此能够同时读取分别保持在同一个存储部22内的四个电容25a～25d中的信号。而且，通过在设置于元件的外部或内部的未图示的减法运算电路中进行(S1+N1)-N1、(S2+N2)-N2的减法处理，能够获取去除了随机噪声和固定模式噪声的S1信号、S2信号。另外，作为像素信号采用S1、S2的哪一个是按照以下方法进行的：以S1的饱和信号量以下的适当的信号电平为基准，根据在该电平以上还是小于该电平来分别选择S1、S2。通过在饱和信号量以下实施这样的切换能够避免信号S1的饱和偏差的影响。
作为一个事例，在图11所示的第一帧的320个存储部单元20中说明左端侧的存储部单元模块50的读取顺序。首先，在左端的存储部单元20-01中，从左向右按顺序读取11个像素份的图8所示的水平方向的第一行的存储部22的像素信号。通过激活水平移位寄存器HSR1和垂直移位寄存器VSR1来选择该存储部单元20-01，并根据水平方向的读取时钟H-CLK移动从水平方向的左到右方向逐个使存储部22的读取晶体管27导通的脉冲信号。这样结束一行份的读取时，赋予向垂直方向进行读取的时钟V-CLK，由此向接下来的第二行的存储部22转移，同样从左向右进行移动并读取11个像素份。根据该反复动作，一直到第十二行的结束为止进行像素信号的读取。
之后，通过激活水平移位寄存器HSR2和垂直移位寄存器VSR1，选择右边相邻的存储部单元20-02，如图18、图19所示，读取对象向该存储部单元20-02转移。这样，与上述同样地，通过按行→列的顺序逐个像素使各存储部的读取晶体管27导通，从而读取信号。这样，按顺序将存储部单元的选择进行到存储部单元20-10，在结束所述存储部单元20-10的第十二行的存储部22的读取时，完成一帧份的读取。在其它存储部单元模块50中也与上述动作并行地执行从对应的存储部单元的存储部的信号的读取。
进行分组读取模式下的依次读取时，如上述那样，结束第一帧的所有的像素信号的读取之后，接着开始第二帧的像素信号的读取。即，如图18所示，由于通过激活水平移位寄存器HSR1和垂直移位寄存器VSR2来选择图11所示的第二行的存储部单元中的左端的存储部单元，因此按照与第一帧相同的顺序执行读取，并反复进行该动作来完成一直到104帧的读取。
但是，对于读取顺序并不特别仅限于此，能够进行适当的变更。例如，在分组读取模式下，时间上最早的并不一定是排列在最上面的水平方向上的存储部单元20中所保持的像素信号。因为，虽然从上到下按顺序对每一帧进行信号的写入，但是并没有决定在哪一帧中进行写入停止。因此，只要优选从最后进行了写入的行的接下来的行开始按顺序依次进行读取的方式，就能按时间序列顺序获取图像信号。
在该固体摄像元件中，由于在连续读取模式和分组读取模式下，只是提供给各像素的控制信号或者控制存储部的水平移位寄存器、垂直移位寄存器的驱动信号等不同，因此能够方便且迅速地根据来自外部的控制指令进行切换。下面，说明利用了该切换且使用了本实施例的固体摄像元件的摄影动作的方式。图20、图21是表示分别使用了本固体摄像元件的摄影动作的一个方式的示意时序图。
在图20所示的例子中，通过在固体摄像元件的外部的图像处理电路(若可能也可内置在固体摄像元件中)中对根据上述的连续读取模式逐帧读取的图像信号进行处理，从而检测作为目标的被摄体的运动或变化。此时的处理中能够采用例如利用了多个帧间的图像信号之差等的现有的各种运动检测处理技术。另外，此时，也可以不检测图像整体，而是检测由用户指定的图像中的特定的范围内的变化或动作。这样的处理结果，若认为在被摄体中存在运动或变化，则根据此而产生触发信号。通过赋予该触发信号，从连续读取模式转移到分组读取模式并执行104帧(或指定的适当的帧数)的高速摄影，在分组读取模式下向元件外部读出的像素信号被保存在外部的帧存储器中。而且，在固体摄像元件中结束104帧(或指定的适当的帧数)份的分组读取模式时，再次回到连续读取模式。
另一方面，在图21所示的例子中，基本上反复进行分组读取模式的反复速度下的光电荷蓄积和从各像素向存储部的信号传送，每当反复进行了规定帧数的该动作时，执行连续读取模式的光电荷蓄积和由此获得的像素信号的向外部的依次读出。进行该依次读出时，能够同时进行分组读取模式的反复速度下的光电荷蓄积和从各像素向存储部的信号传送。基于通过依次读取而读取的像素信号，与上述例同样地，在外部的图像处理电路中检测被摄体的运动或变化，并基于其检测结果生成触发信号。赋予触发信号时会停止从分组读取模式的各像素向存储部的信号传送，但是，此时，也可以从触发信号的生成时刻开始赋予规定时间或规定帧数的延迟后停止信号的写入。
在该例的情况下，由于存储区域3a、3b的存储部22中始终保持有过去的104帧份的像素信号，因此除了触发信号产生以后的图像之外，还能获取从触发信号的产生时刻开始追溯到过去的图像。在图21所示的时序图中，进行对应于在连续读取模式下读取的信号的光电荷的蓄积时，拉长了曝光时间，但是也可以使其与分组读取模式的光电荷蓄积的曝光时间相同。由此，想要获得比触发信号产生时刻更早的图像时，能够缩短得不到的图像的期间。
另外，本实施例的固体摄像元件中，由于在各像素10中使模拟电压信号通过源极跟随放大器43而输出给各像素输出线，因此能够在为了分组读取用而准备的存储部和为了连续读取用而准备的存储部中同时进行采样来将信号保持在各个电容中。由此，即使在途中进行连续读取也无需在途中中断分组读取，能够获得连续的高速摄影图像。
在上述说明中，在连续读取模式下读取了所有的像素信号，但是，例如若目的是基于该图像而监视被摄体有无变化并生成触发信号，则大多情况下即使空间分辨率有些劣化也无所谓。所以，例如，通过在像素区域上进行水平方向上隔一个或两个、垂直方向上隔一个或两个等的间隔读取，能够减少对一帧读取的像素信号的数量从而能缩短读取时间。
图22(a)是表示在像素区域2(2a、2b)上执行水平方向和垂直方向上的分别隔一个的间隔读取时所读取的像素10的示意图。在该图中，用斜线表示了所读取的像素。此时，由于所读取的像素信号的数量是整体的1/4，因此总的读取时间只需约6.6μ秒即可。图22(b)是表示在像素区域2(2a、2b)上执行只有水平方向上隔一个的间隔读取时所读取的像素10的示意图。此时，由于所读取的像素信号的数量是整体的1/2，因此总的读取时间只需约13.2μ秒即可。
另外，在如上述的单纯的间隔读取下能够利用的信号减少，但是，也可以在像素区域2(2a、2b)上对相邻的多个像素的信号进行加法运算后进行读取。即，如上述那样，由于按每个存储部单元模块50来共用输出线23，因此只要同时使不同的存储部22内的读取晶体管27导通并输出电容25的保持电压，则该电压信号在输出线23上会被进行模拟加法运算。因此，例如如图23(a)那样，通过对在水平方向、垂直方向上相邻的每两像素共计四像素的像素信号进行加法运算来进行输出，总的读取时间只需与上述间隔读取时相同的约6.6μ秒即可。另外，由于信号不会被浪费，因此与上述的间隔读取相比，能够提高S/N。
另外，选择进行加法运算的多个像素时，并不一定要如上述那样在像素区域2(2a、2b)的水平方向、垂直方向上按相同的方式划分像素，如图23(b)那样，也可以按照在水平方向、垂直方向上相邻的像素的集合的划分互不相同的方式，进行同时被导通的读取晶体管的选择。由此，能够在一定程度上抑制将多个像素的像素信号汇总后的视觉上的分辨率降低。
另外，也能由对存储区域3a、3b内的各存储部22进行驱动的垂直移位寄存器电路、水平移位寄存器电路的控制的切换进行上述的间隔读取或多个像素的加法运算处理等，完全不会对像素区域2(2a、2b)内的各像素10的构成等产生影响。因此，如上所述，即使变更像素信号的读取方法，自由度也会很高。
另外，上述实施例是本发明所涉及的固体摄像元件以及该固体摄像元件的驱动方法的一例，显然，在本发明的宗旨范围内即使进行适当变形或修正、追加也包括在本申请的保护范围中。

Claims (20)

1.一种固体摄像元件的驱动方法，在该固体摄像元件中，多个至少包括接受光而生成光电荷的光电变换元件、向检测节点传送由所述光电变换元件产生的光电荷的传送元件、从所述检测节点向像素输出线送出信号的缓冲元件的像素排列成二维阵列状，按每个像素独立设置所述像素输出线，并且对各像素设置多个存储部，存储部对通过像素输出线从各像素输出的信号进行保持，该固体摄像元件的驱动方法的特征在于，包括：
写入周期，在所有像素中一齐进行各像素中的光电荷的蓄积动作、以及将通过像素输出线从像素输出的信号保持到所述存储部之中的一个的动作，其中在依次指定保持信号的存储部的同时重复所述写入周期直到赋予停止指示；
第一驱动模式，在写入周期中的定时，从对应于各像素的存储部之一中依次读取一帧份的信号并输出；和
第二驱动模式，当赋予停止指示时，从对应于各像素的存储部依次读取多帧份的信号并输出。
2.根据权利要求1所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
与一个像素对应的一个存储部至少包括对噪声信号进行保持的存储单元、和对与光电荷对应的信号进行保持的存储单元，
在写入周期期间，在不同的定时进行：在所有像素中一齐保持噪声信号的动作、在所有像素中一齐保持与光电荷对应的信号的动作，
从存储部依次读出信号时，从各存储单元并行读出噪声信号和与光电荷对应的信号并输出。
3.根据权利要求1所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
各像素至少包括一个电荷蓄积元件，该电荷蓄积元件对写入周期期间从所述光电变换元件通过所述传送元件后溢出的或从所述检测节点溢出的光电荷进行蓄积；
与一个像素对应的一个存储部具有四个存储单元；
在写入周期期间，在所有像素中一齐进行：各像素中的光电荷的蓄积动作；和将溢出前的噪声信号、溢出后的噪声信号、对应于溢出前的电荷的信号、对应于溢出后的电荷的信号分别通过像素输出线依次保持到所述四个存储单元中的动作；
从存储部依次读出信号时，从各存储单元并行读出溢出前的噪声信号、溢出后的噪声信号、对应于溢出前的电荷的信号以及对应于溢出后的电荷的信号并输出。
4.根据权利要求1所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
在写入周期中，按照在与各像素对应的多个存储部全部保持了信号之后，将保持有时间上最早的信号的存储部进行重置来保持新信号的方式，进行循环使用多个存储部的信号保持动作，并根据停止指示来停止向存储部保持新信号的保持动作。
5.根据权利要求4所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
基于由在第一驱动模式下读出的在每个像素的多个存储部中的一个或多个存储部中保持的信号形成的一帧份或多帧份的全部或其中一部分图像信息来检测特定的事件，根据其检测结果执行第二驱动模式。
6.根据权利要求4所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
将第一驱动模式和第二驱动模式执行任意次数或按时间交替地执行。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
从存储部读出信号时，选择性地读出并输出与排列成二维阵列状的多个像素中的特定像素对应的信号。
8.根据权利要求1～6的任一项所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
从存储部同时读出与排列成二维阵列状的多个像素中的相邻或靠近的像素对应的信号，并进行模拟加法运算处理或平均化处理。
9.根据权利要求8所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
在二维阵列状的排列的水平方向和垂直方向上，互不相同地选择进行所述模拟加法运算处理或平均化处理时的多个像素的组合。
10.根据权利要求1～6的任一项所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，
从存储部同时读出时间上相邻或靠近的不同帧中空间上处于同一位置的一个或多个像素所对应的信号，并进行模拟加法运算处理或平均化处理。
11.一种固体摄像元件，具备：
a)排列成二维阵列状的多个像素，所述像素至少包含接受光而产生光电荷的光电变换元件、向检测节点传送由所述光电变换元件产生的光电荷的传送元件、从所述检测节点向后述像素输出线送出信号的缓冲元件；
b)按每个像素独立设置的像素输出线；
c)为了保持通过所述像素输出线从各像素输出的信号而对各像素设置的多个存储部；
d)适于构造所述固体摄像元件的驱动控制单元，
所述固体摄像元件的特征在于，
所述驱动控制单元执行写入周期、第一驱动模式和第二驱动模式，
在所述写入周期中，在所有像素中一齐进行各像素中的光电荷的蓄积动作、以及将通过像素输出线从像素输出的信号保持到所述存储部之中的一个的动作，其中在依次指定保持信号的存储部的同时重复所述写入周期直到赋予停止指示；
在所述第一驱动模式下，在写入周期中的定时，从对应于各像素的存储部之一中依次读取一帧份的信号并输出；
在所述第二驱动模式下，当赋予停止指示时，从对应于各像素的存储部依次读取多帧份的信号并输出。
12.根据权利要求11所述的固体摄像元件，其特征在于，
与一个像素对应的一个存储部至少包括对噪声信号进行保持的存储单元、和对与光电荷对应的信号进行保持的存储单元，
所述驱动控制单元在写入周期中，在不同的定时进行在所有像素中一齐保持噪声信号的动作、在所有像素中一齐保持与光电荷对应的信号的动作；并且从存储部依次读出信号时，从各存储单元并行读出噪声信号和与光电荷对应的信号并输出。
13.根据权利要求11所述的固体摄像元件，其特征在于，
各像素至少包括一个电荷蓄积元件，该电荷蓄积元件对写入周期期间从所述光电变换元件通过所述传送元件后溢出的或从所述检测节点溢出的光电荷进行蓄积；
与一个像素对应的一个存储部具有四个存储单元；所述驱动控制单元在写入周期期间在所有像素中一齐进行：各像素中的光电荷的蓄积动作，和将溢出前的噪声信号、溢出后的噪声信号、对应于溢出前的电荷的信号、对应于溢出后的电荷的信号分别通过像素信号线依次保持到所述四个存储单元中的动作；并且从存储部依次读出信号时，从各存储单元并行读出溢出前的噪声信号、溢出后的噪声信号、对应于溢出前的电荷的信号以及对应于溢出后的电荷的信号并输出。
14.根据权利要求11所述的固体摄像元件，其特征在于，
在写入周期中，所述驱动控制单元按照在与各像素对应的多个存储部全部保持了信号之后，将保持有时间上最早的信号的存储部进行重置来保持新信号的方式，进行循环使用多个存储部的信号保持动作，并根据停止指示来停止向存储部保持新信号的保持动作。
15.根据权利要求14所述的固体摄像元件，其特征在于，
该固体摄像元件具备事件检测单元，其基于由在第一驱动模式下读出的在每个像素的多个存储部中的一个或多个存储部中保持的信号形成的一帧份或多帧份的全部或其中一部分图像信息来检测特定的事件，
所述驱动控制单元根据所述事件检测单元进行的检测来执行第二驱动模式。
16.根据权利要求14所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述驱动控制单元将第一驱动模式和第二驱动模式执行任意次数或按时间交替地执行。
17.根据权利要求11～16的任一项所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述驱动控制单元在从存储部读出信号时，选择性地读出并输出与排列成二维阵列状的多个像素中的特定像素对应的信号。
18.根据权利要求11～16的任一项所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述驱动控制单元从存储部同时读出与排列成二维阵列状的多个像素中的相邻或靠近的像素对应的信号，并进行模拟加法运算处理或平均化处理。
19.根据权利要求18所述的固体摄像元件，其特征在于，
在二维阵列状的排列的水平方向和垂直方向上，互不相同地选择进行所述模拟加法运算处理或平均化处理时的多个像素的组合。
20.根据权利要求11～16的任一项所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述驱动控制单元从存储部同时读出时间上相邻或靠近的不同帧中空间上处于同一位置的一个或多个像素所对应的信号，并进行模拟加法运算处理或平均化处理。
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