JP2006311307A

JP2006311307A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006311307A
Application number: JP2005132614A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Sugiyama; 行信杉山; Seiichiro Mizuno; 誠一郎水野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09
Also published as: EP1883036A1; WO2006118250A1; US20090310006A1; EP1883036A4

Abstract

【課題】一定のルールで区分された複数の領域からなる二値画像または多値画像を撮像し解析するのに好適な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１は、(1) 各画素Ｐ_ｍ,ｎがフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎ，ＰＤ２_ｍ,ｎ，ＰＤ３_ｍ,ｎを含む光検出部１０、(2) 選択した画素Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎの発生電荷量に応じた電圧値を出力する第１信号処理部３０、(3) フォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎで発生した電荷を蓄積して電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する第２信号処理部４０、(4) フォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎで発生した電荷を蓄積して電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する第３信号処理部５０、(5) 第２および第３信号処理部の出力電圧値分布に基づいて、フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎの発生電荷量に応じた電圧値を第１信号処理部から出力するべき画素Ｐ_ｍ,ｎを選択する制御部２０、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次元画像を撮像することができる固体撮像装置に関するものである。

２次元画像を撮像する固体撮像装置は、各々フォトダイオードを含むＭ×Ｎ個の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列された光検出部を備える。この光検出部の各画素において、入射光強度に応じた量の電荷がフォトダイオードで発生して蓄積され、その電荷蓄積量に応じたデータが出力される。そして、この画素毎のデータに基づいて、光検出部に入射する光の像が得られる。

ところで、このような固体撮像装置は、様々な用途に用いられ得るが、最近では、ホログラフィック記録再生技術に基づく光ディスク媒体からの情報読み取りへの適用が検討されている（非特許文献１を参照）。この技術に基づく情報読み取りでは、ホログラムが記録された光ディスクに対し参照光が照射され、この照射に伴って発生した再生光が固体撮像装置により撮像され、この撮像により得られた画像のパターンが解析されて、光ディスクにホログラムとして記録されていた情報が読み取られる。

また、固体撮像装置は、２次元バーコードの情報を読み取る際にも用いられ得る。この場合、２次元バーコードが固体撮像装置により撮像され、この撮像により得られた画像のパターンが解析されて、２次元バーコードとして記録されていた情報が読み取られる。

上記のような場合、固体撮像装置により撮像されて解析されるべき画像は、或る一定のルールで区分された複数の領域それぞれが明および暗の何れかである二値画像である。
掘米秀嘉、他、「離陸間近のホログラフィック媒体２００６年に２００Ｇバイトを実現」、日経エレクトロニクス、2005.1.17、pp.105-114

しかしながら、従来の固体撮像装置を用いて上記のような二値画像または多値画像を撮像し解析して情報を読み取ろうとする場合、一定のルールで区分された複数の領域を画定した上で、その画定した複数の領域それぞれの輝度を判断する必要がある。すなわち、固体撮像装置の光検出部に含まれる全ての画素について電荷蓄積量に応じたデータを獲得して、これらのデータにより構成される画像をプロセッサにより解析する必要がある。

このことから、固体撮像装置からのデータ読出や画像解析の際に長時間を要し、或いは、高速化を図ろうとすれば高性能プロセッサが必要となってシステムコストが高くなる。特に、光ディスク媒体からの情報読み取りの際に固体撮像装置が用いられる場合には、データ読出や画像解析の高速化が要求されるところであるが、従来の固体撮像装置を用いたのでは当該高速化にも限界がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、一定のルールで区分された複数の領域からなる二値画像または多値画像を撮像し解析するのに好適な固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、(1) Ｍ×Ｎ個の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列され、第ｍ行第ｎ列にある画素Ｐ_ｍ,ｎがフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎ，フォトダイオードＰＤ２_ｍ,ｎおよびフォトダイオードＰＤ３_ｍ,ｎを含み、第ｍ行にあるＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎが配線Ｌ２_ｍにより電気的に接続されており、第ｎ列にあるＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎが配線Ｌ３_ｎにより電気的に接続されている光検出部と、(2) 光検出部のＭ×Ｎ個の画素のうちから選択した１以上の画素Ｐ_ｍ,ｎについて、その選択した各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力する第１信号処理部と、(3) 各配線Ｌ２_ｍに接続されたＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎで発生した電荷を入力し蓄積して当該電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する第２信号処理部と、(4) 各配線Ｌ３_ｎに接続されたＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎで発生した電荷を入力し蓄積して当該電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する第３信号処理部と、(5) 第２信号処理部および第３信号処理部それぞれから出力される電圧値の分布に基づいて、フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を第１信号処理部から出力するべき画素Ｐ_ｍ,ｎを選択し、その選択結果に基づいて第１信号処理部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

本発明に係る固体撮像装置では、光検出部に含まれるＭ×Ｎ個の画素はＭ行Ｎ列に２次元配列されていて、第ｍ行第ｎ列にある画素Ｐ_ｍ,ｎはフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎ，フォトダイオードＰＤ２_ｍ,ｎおよびフォトダイオードＰＤ３_ｍ,ｎを含む。

光検出部の第ｍ行にあるＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎは配線Ｌ２_ｍにより電気的に接続されている。各配線Ｌ２_ｍに接続されたＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎで発生した電荷は第２信号処理部に入力して蓄積され、当該電荷蓄積量に応じた電圧値が第２信号処理部から出力される。この第２信号処理部から出力される電圧値の分布は、光検出部に入射する光の強度の２次元分布を列方向について加算したもの（すなわち、光検出部に入射する光の強度の行方向の１次元分布）を表す。

光検出部の第ｎ列にあるＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎは配線Ｌ３_ｎにより電気的に接続されている。各配線Ｌ３_ｎに接続されたＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎで発生した電荷は第３信号処理部に入力して蓄積され、当該電荷蓄積量に応じた電圧値が第３信号処理部から出力される。この第３信号処理部から出力される電圧値の分布は、光検出部に入射する光の強度の２次元分布を行方向について加算したもの（すなわち、光検出部に入射する光の強度の列方向の１次元分布）を表す。

制御部により、第２信号処理部および第３信号処理部それぞれから出力される電圧値の分布に基づいて、フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を第１信号処理部から出力するべき画素Ｐ_ｍ,ｎが選択され、その選択結果に基づいて第１信号処理部が制御される。そして、第１信号処理部により、光検出部のＭ×Ｎ個の画素のうちから選択した１以上の画素Ｐ_ｍ,ｎについて、その選択した各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値が出力される。

また、本発明に係る固体撮像装置に含まれる第１信号処理部は、(a) 光検出部のＭ行のうちから何れかの行を選択して、その選択した行にある各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を配線Ｌ１_ｎへ出力させる行選択部と、(b) 各配線Ｌ１_ｎを経て入力した電圧値を保持し、その保持したＮ個の電圧値のうちから、光検出部のＮ列のうちの何れかの列に相当する電圧値を選択して出力する列選択部と、を含むのが好適である。

この場合には、行選択部により、光検出部のＭ行のうちから何れかの行が選択されて、その選択した行にある各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値が配線Ｌ１_ｎへ出力される。そして、列選択部により、各配線Ｌ１_ｎを経て入力した電圧値が保持され、その保持されたＮ個の電圧値のうちから、光検出部のＮ列のうちの何れかの列に相当する電圧値が選択されて出力される。

本発明に係る固体撮像装置は、一定のルールで区分された複数の領域からなる二値画像または多値画像を撮像し解析するのに好適なものであって、データ読出を高速に行うことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、光検出部１０、制御部２０、第１信号処理部３０、第２信号処理部４０および第３信号処理部５０を備える。

光検出部１０は、Ｍ行Ｎ列に２次元配列されたＭ×Ｎ個の画素Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む。画素Ｐ_ｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置している。各画素Ｐ_ｍ,ｎは、互いに共通の構成を有していて、各々光入射に応じて電荷を発生するフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎ，フォトダイオードＰＤ２_ｍ,ｎおよびフォトダイオードＰＤ３_ｍ,ｎを含む。ここで、Ｍ，Ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎは、第１信号処理部３０から共通の制御信号が与えられる。第ｎ列にあるＭ個の画素Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎは、共通の配線Ｌ１_ｎにより第１信号処理部３０と接続されている。各画素Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ１_ｎへ出力される電圧値は、該画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値である。

第１信号処理部３０は、光検出部１０のＭ×Ｎ個の画素のうちから選択した１以上の画素Ｐ_ｍ,ｎについて、その選択した各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力する。第１信号処理部３０は行選択部３１および列選択部３２を含む。

行選択部３１は、光検出部１０のＭ行のうちから何れかの行を選択して、その選択した行にある各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を配線Ｌ１_ｎへ出力させる。列選択部３２は、各配線Ｌ１_ｎを経て入力した電圧値を保持し、その保持したＮ個の電圧値のうちから、光検出部１０のＮ列のうちの何れかの列に相当する電圧値を選択して出力する。

すなわち、第１信号処理部３０は、光検出部１０のＭ行のうちから何れかの行を行選択部３１により指定するとともに、光検出部１０のＮ列のうちから何れかの列を列選択部３２により指定することにより、光検出部１０のＭ×Ｎ個の画素のうちから選択した１以上の画素Ｐ_ｍ,ｎについて、その選択した各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力することができる。

第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎは、共通の配線Ｌ２_ｍにより電気的に接続され、この配線Ｌ２_ｎにより第２信号処理部４０と接続されている。第２信号処理部４０は、各配線Ｌ２_ｍに接続されたＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎで発生した電荷を入力し蓄積して、当該電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する。この第２信号処理部４０から出力される電圧値の分布Ｖv(m)は、光検出部１０に入射する光の強度の２次元分布を列方向について加算したもの（すなわち、光検出部１０に入射する光の強度の行方向の１次元分布）を表す。

第ｎ列にあるＭ個の画素Ｐ_１,ｎ〜Ｐ_Ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎは、共通の配線Ｌ３_ｎにより電気的に接続され、この配線Ｌ３_ｎにより第３信号処理部５０と接続されている。第３信号処理部５０は、各配線Ｌ３_ｎに接続されたＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎで発生した電荷を入力し蓄積して、当該電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する。この第３信号処理部５０から出力される電圧値の分布Ｖh(n)は、光検出部１０に入射する光の強度の２次元分布を行方向について加算したもの（すなわち、光検出部１０に入射する光の強度の列方向の１次元分布）を表す。

制御部２０は、第２信号処理部４０および第３信号処理部５０それぞれから出力される電圧値の分布に基づいて、フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を第１信号処理部３０から出力するべき画素Ｐ_ｍ,ｎを選択し、その選択結果に基づいて第１信号処理部３０を制御する。

図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１の光検出部１０に含まれる各画素Ｐ_ｍ,ｎの回路図である。各画素Ｐ_ｍ,ｎは、ＡＰＳ（Active PixelSensor）構成のものであって、フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎ，フォトダイオードＰＤ２_ｍ,ｎ，フォトダイオードＰＤ３_ｍ,ｎおよび５個のＦＥＴトランジスタＭ１〜Ｍ５を含む。トランジスタＭ１のドレイン端子は基準電圧が入力される。トランジスタＭ１のソース端子はトランジスタＭ２のドレイン端子と接続されている。トランジスタＭ２のソース端子はフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎのカソード端子と接続されている。フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎのアノード端子は接地されている。

トランジスタＭ３のドレイン端子はトランジスタＭ１のソース端子およびトランジスタＭ２のドレイン端子と接続されている。トランジスタＭ３のソース端子はトランジスタＭ４のゲート端子と接続されている。トランジスタＭ４のドレイン端子は基準電圧が入力される。トランジスタＭ４のソース端子はトランジスタＭ５のドレイン端子と接続されている。トランジスタＭ５のソース端子は、配線Ｌ１_ｎを介して第１信号処理部３０と接続されている。トランジスタＭ４およびトランジスタＭ５は、ソースフォロワ回路を構成している。

トランジスタＭ１のゲート端子はＶreset(m)信号が入力される。トランジスタＭ２のゲート端子はＶtrans(m)信号が入力される。トランジスタＭ３のゲート端子はＶhold(m)信号が入力される。また、トランジスタＭ５のゲート端子はＶadrs(m)信号が入力される。これらＶreset(m)信号，Ｖtrans(m)信号，Ｖhold(m)信号およびＶadrs信号(m) は、制御部２０からの指示に基づいて、行選択部３１から光検出部１０の第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎに対して共通に出力される。

Ｖreset(m)信号およびＶtrans(m)信号がハイレベルであると、フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎの接合容量部は放電され、さらにＶhold(m)信号もハイレベルであると、トランジスタＭ４のゲート端子の電位も初期化される。Ｖtrans(m)信号がローレベルであると、光入射に応じてフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷は接合容量部に蓄積される。Ｖreset(m)信号がローレベルであって、Ｖtrans(m)信号およびＶhold(m)信号がハイレベルであると、フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎの接合容量部に蓄積されていた電荷はトランジスタＭ４のゲート端子に転送され、Ｖadrs信号(m)がハイレベルであると、その電荷量に応じた電圧値が配線Ｌ１_ｎへ出力される。

第ｍ行にあるＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎは、配線Ｌ２_ｍにより電気的に接続されており、この配線Ｌ２_ｍを介して第２信号処理部４０と接続されている。第２信号処理部４０は、各配線Ｌ２_ｍを経て入力した電荷を蓄積して当該電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する。また、第ｎ列にあるＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎは、配線Ｌ３_ｎにより電気的に接続されており、この配線Ｌ３_ｎを介して第３信号処理部５０と接続されている。第３信号処理部５０は、各配線Ｌ３_ｎを経て入力した電荷を蓄積して当該電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する。

図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１の第１信号処理部３０に含まれる列選択部３２の回路図である。列選択部３２は、Ｎ個のホールド回路３３_１〜３３_Ｎ、デコーダ回路３４、減算回路３５および２Ｎ個のスイッチＳＷ３_１,１〜ＳＷ３_Ｎ,２を含む。

各ホールド回路３３_ｎは、光検出部１０の何れかの行の画素Ｐ_ｍ,ｎから配線Ｌ１_ｎに出力された電圧値を入力して保持し、その保持した電圧値を出力する。各ホールド回路３３_ｎは互いに異なる２つの時刻それぞれの電圧値を保持することができ、その場合、一方の電圧値はノイズ成分であり、他方の電圧値はノイズ成分が重畳された光出力成分である。なお、各配線Ｌ１_ｎには定電流源が接続されている。

デコーダ回路３４は、制御部２０からの指示に基づいて、スイッチＳＷ３_ｎ,１，ＳＷ３_ｎ,２の開閉を制御するためのＨadrs(n)信号を出力する。Ｎ個のＨadrs(1)信号〜Ｈadrs(N)信号のうちの２以上の信号が同時にハイレベルとなることはなく、Ｎ個のＨadrs(1)信号〜Ｈadrs(N)信号のうちの何れかの信号が順次にハイレベルとなる。

各ホールド回路３３_ｎの出力側に設けられたスイッチＳＷ３_ｎ,１，ＳＷ３_ｎ,２は、デコーダ回路３４から出力されるＨadrs(n)信号がハイレベルであるときに閉じて、ホールド回路３３_ｎから出力される２つの電圧値を減算回路３５に入力させる。減算回路３５は、入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値Videoを出力する。

図４は、本実施形態に係る固体撮像装置１の第２信号処理部４０の回路図である。第２信号処理部４０は、Ｍ個のＤフリップフロップ４１_１〜４１_Ｍ、積分回路４２およびＭ個のスイッチＳＷ４_１〜ＳＷ４_Ｍを含む。Ｍ個のＤフリップフロップ４１_１〜４１_Ｍは、縦続接続されていて、シフトレジスタを構成している。このシフトレジスタが動作することにより、Ｍ個のＤフリップフロップ４１_１〜４１_ＭそれぞれのＱ出力端子から出力される論理レベルは順次にハイレベルとなり、Ｍ個のスイッチＳＷ４_１〜ＳＷ４_Ｍは順次に閉じて、Ｍ本の配線Ｌ２_１〜Ｌ２_Ｍは順次に積分回路４２に接続される。積分回路４２は、互いに並列的に接続された容量素子ＣおよびスイッチＳＷがアンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられたものである。この積分回路４２は、スイッチＳＷが所定のタイミングで開閉することにより、入力した電荷を容量素子Ｃに蓄積し、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力することができる。

この第２信号処理部４０の積分回路４２から出力される電圧値は、配線Ｌ２_ｍに接続される第ｍ行のＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎそれぞれで発生した電荷の総和に応じたものであり、各行について順次に出力される。すなわち、この第２信号処理部４０の積分回路４２から出力される電圧値の分布Ｖv(m)は、光検出部１９に入射する光の強度の２次元分布を列方向について加算したもの（すなわち、光検出部１０に入射する光の強度の行方向の１次元分布）を表す。

第３信号処理部５０の構成は、第２信号処理部４０の構成と同様である。第３信号処理部５０から出力される電圧値は、配線Ｌ３_ｎに接続される第ｎ列のＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎそれぞれで発生した電荷の総和に応じたものであり、各列について順次に出力される。すなわち、この第３信号処理部５０から出力される電圧値の分布Ｖh(n)は、光検出部１０に入射する光の強度の２次元分布を行方向について加算したもの（すなわち、光検出部１０に入射する光の強度の列方向の１次元分布）を表す。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の読み出したい画素のみを読み出す動作を示す動作例について図５および図６を用いて説明する。以下に説明する動作は制御部２０による制御の下に行われる。図５は、本実施形態に係る固体撮像装置１の光受光部１０に到達する光の強度の２次元分布を示す図である。この図に示されるように、光受光部１０に到達する光の像は、各々一定面積である１６個の実線で示される正方形領域が４行４列に配列されていて、各々の領域が明および暗の何れかである二値の像である。図中で読み出したい領域は右上がりのハッチングで示されている。また、各2行2列を囲む形でマーカ行およびマーカ列が設けられ、これらは、例えば明領域とされ、図中では右下がりのハッチングで示されている。また、破線で囲まれた矩形領域が一つの画素に相当する。ここで、読み出したい領域は、マーカ行、マーカ列に対する位置が、外部から制御部２０へ指定される。

この場合に、第２信号処理部４０から出力される電圧値分布Ｖv(m)は、凡そ、行範囲ＲｖＭ１、ＲｖＭ２およびＲｖＭ３それぞれでは値が他の行範囲に比べて大きくなり、マーカ行を特定することができる。また、第３信号処理部５０から出力される電圧値分布Ｖh(n)は、凡そ、列範囲ＲｈＭ１，ＲｈＭ２およびＲｈＭ３それぞれでも値が他の列範囲に比べて大きくなり、マーカ列を特定することができる。マーカ行とマーカ列が特定できることにより、外部から制御部２０へ指定される読み出すべき正方形領域が特定できることになる。

各正方形領域は全体が明および暗の何れかであるから、各正方形領域中の１画素（例えば、各正方形領域の中心位置にある画素）に入射する光の強度を求めればよい。したがって、図中に示すように、行範囲Ｒv1の中心行を第ｍ1行とし、行範囲Ｒv2の中心行を第ｍ2行とし、行範囲Ｒv3の中心行を第ｍ3行とし、行範囲Ｒv4の中心行を第ｍ4行とし、列範囲Ｒh1の中心列を第ｎ1列とし、列範囲Ｒh2の中心列を第ｎ2列とし、列範囲Ｒh3の中心列を第ｎ3列とし、列範囲Ｒh4の中心列を第ｎ4列とすると、第ｍ1行にある２個の画素Ｐ_ｍ1,ｎ3，Ｐ_ｍ1,ｎ4、第ｍ2行にある２個の画素Ｐ_ｍ2,ｎ3，Ｐ_ｍ2,ｎ4、第ｍ3行にある１個の画素Ｐ_ｍ3,ｎ1，および、第ｍ4行にある１個の画素Ｐ_ｍ4,ｎ3の、計６個の読み出したい領域中の１画素について、入射光の強度を求めればよい。

これら６個の画素について入射光強度を求めるに際して、第ｍ1行，第ｍ2行，第ｍ3行および第ｍ4行それぞれにある画素Ｐ_ｍ,ｎについてのみフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷を同時に蓄積することとしてもよいし、Ｍ×Ｎ個の画素の全てについてフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷を同時に蓄積することとしてもよい。前者の場合、光検出部１０の第ｍ1行，第ｍ2行，第ｍ3行および第ｍ4行それぞれにある画素に対して、行選択部３１から、Ｖreset(m)信号，Ｖtrans(m)信号およびＶhold(m)信号が共通に与えられて、これらの画素において同時にフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷が接合容量部に蓄積される。また、後者の場合、光検出部１０の全画素に対して、行選択部３１から、Ｖreset(m)信号，Ｖtrans(m)信号およびＶhold(m)信号が共通に与えられて、全画素において同時にフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷が接合容量部に蓄積される。

光検出部１０の各画素においてフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷が接合容量部に蓄積された後、光検出部１０から第１信号処理部３０の列選択部３２へデータ転送が行われる。このデータ転送は、第ｍ1行，第ｍ2行，第ｍ3行および第ｍ4行それぞれについてのみ行われる。すなわち、行選択部３１から出力されるＭ個のＶadrs(m)信号のうち、Ｖadrs(m1)信号，Ｖadrs(m2)信号，Ｖadrs(m3)信号およびＶadrs(m4)信号の４つの信号が順次にハイレベルとなり、各行の画素Ｐ_ｍ,ｎから出力されるデータがホールド回路３３_ｎにより保持される。

また、光検出部１０の何れかの行の画素Ｐ_ｍ,ｎから出力されたデータがホールド回路３３_ｎにより保持された後、各ホールド回路３３_ｎから減算回路３５へデータが出力される。このデータ出力は、第ｍ１行の場合は第ｎ3列と第ｎ4列についてのみ行われ、第ｍ２行の場合は第ｎ3列と第ｎ4列についてのみ行われ、第ｍ３行の場合は第ｎ1列についてのみ行われ、また、第ｍ４行の場合は第ｎ3列についてのみ行われる。すなわち、デコーダ回路３４から出力されるＮ個のＨadrs(n)信号のうち、各行のデータを読み出すときにＨadrs(n1)信号，Ｈadrs(n3)信号およびＨadrs(n4)信号の３つの信号のうち読み出したい列を示す信号のみが順次にハイレベルとなり、ホールド回路３３_ｎ1，ホールド回路３３_ｎ3 およびホールド回路３３_ｎ4 それぞれから順次に減算回路３５へデータが出力される。

図６は、本実施形態に係る固体撮像装置１の第１信号処理部３０のデータ読出動作を説明するためのタイミングチャートである。この図には、行選択部３１から出力されるＶadrs(m1)信号，Ｖadrs(m2)信号，Ｖadrs(m3)信号およびＶadrs(m4)信号、デコーダ回路３４から出力されるＨadrs(n1)信号，Ｈadrs(n2)信号，Ｈadrs(n3)信号およびＨadrs(n4)信号、ならびに、減算回路３５から出力される電圧値Video、が示されている。

行選択部３１から出力されるＶadrs(m1)信号が一定期間に亘ってハイレベルとなり、その後、各行のデータを読み出すときにデコーダ回路３４から出力されるＨadrs(n1)信号，Ｈadrs(n3)信号およびＨadrs(n4)信号のうち読み出したい列を示す信号それぞれが順次に一定期間に亘ってハイレベルとなる。Ｖadrs(m1)信号がハイレベルである期間に、Ｖreset(m1)信号およびＶhold(m1)信号それぞれが所定のタイミングでレベル変化して、これにより、第ｍ1行の各画素Ｐ_ｍ1,ｎから配線Ｌ１_ｎへ出力された電圧値（光出力成分、ノイズ成分）が列選択部３２のホールド回路３３_ｎにより保持される。

また、Ｈadrs(n3)信号がハイレベルである期間に、ホールド回路３３_ｎ3の出力側に設けられたスイッチＳＷ３_ｎ3,１，ＳＷ３_ｎ3,２が閉じて、ホールド回路３３_ｎ3から２つの電圧値が減算回路３５へ出力され、これにより、画素Ｐ_ｍ1,ｎ3への入射光の強度に応じた電圧値（ノイズ成分が除去されたもの）Videoが減算回路３５から出力される。

また、Ｈadrs(n4)信号がハイレベルである期間に、ホールド回路３３_ｎ4の出力側に設けられたスイッチＳＷ３_ｎ4,１，ＳＷ３_ｎ4,２が閉じて、ホールド回路３３_ｎ4から２つの電圧値が減算回路３５へ出力され、これにより、画素Ｐ_ｍ1,ｎ4への入射光の強度に応じた電圧値（ノイズ成分が除去されたもの）Videoが減算回路３５から出力される。

その後、同様にして、行選択部３１から出力されるＶadrs(m2)信号が一定期間に亘ってハイレベルとなり、その後、デコーダ回路３４から出力されるＨadrs(n3)信号およびＨadrs(n4)信号それぞれが順次に一定期間に亘ってハイレベルとなる。これにより、画素Ｐ_ｍ2,ｎ3 および画素Ｐ_ｍ2,ｎ4 それぞれへの入射光の強度に応じた電圧値（ノイズ成分が除去されたもの）Videoが減算回路３５から順次に出力される。

また、行選択部３１から出力されるＶadrs(m3)信号が一定期間に亘ってハイレベルとなり、その後、デコーダ回路３４から出力されるＨadrs(n1)信号のみが一定期間に亘ってハイレベルとなる。これにより、画素Ｐ_ｍ3,ｎ1への入射光の強度に応じた電圧値（ノイズ成分が除去されたもの）Videoが減算回路３５から順次に出力される。

また、行選択部３１から出力されるＶadrs(m4)信号が一定期間に亘ってハイレベルとなり、その後、デコーダ回路３４から出力されるＨadrs(n3)信号のみが一定期間に亘ってハイレベルとなる。これにより、画素Ｐ_ｍ4,ｎ3への入射光の強度に応じた電圧値（ノイズ成分が除去されたもの）Videoが減算回路３５から順次に出力される。

以上のようにして、第ｍ1行にある２個の画素Ｐ_ｍ1,ｎ3，Ｐ_ｍ1,ｎ4、第ｍ2行にある２個の画素Ｐ_ｍ2,ｎ3，Ｐ_ｍ2,ｎ4、第ｍ3行にある１個の画素Ｐ_ｍ3,ｎ1，および、第ｍ4行にある１個のＰ_ｍ4,ｎ3の、計６個の画素について、入射光強度に応じた電圧値Videoが求められる。

従来の固体撮像装置を用いた場合には、光検出部に含まれる全ての画素からデータを読み出して、その読み出した全データを解析する必要がある。これに対して、本実施形態に係る固体撮像装置１を用いた場合には、読み出したい画素を決定し、第１信号処理部３０によりデータを読み出すべき６個の画素を選択すれば、その後に、これらの６個の画素からデータを読み出すだけでよく、また、その読み出した６個のデータを解析するだけでよい。このように、本実施形態に係る固体撮像装置１を用いることにより、一定のルールで区分された複数の領域からなる二値画像または多値画像を短時間に撮像することができ、また、その画像を短時間に解析することができる。すなわち、画像中でのランダムに存在する読み出したい領域の情報を、読み出したい領域の必要な部分のみ選択的に読み出すことが可能となることになる。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の読み出すべき画素を決定することも含めた動作例について図７を用いて説明する。以下に説明する動作も制御部２０による制御の下に行われるもので、読み出すべき画像中に含まれるマーカを元に読み出すべき画素を決定して読み出している。図７は、本実施形態に係る固体撮像装置１の光受光部１０に到達する光の強度の２次元分布、第２信号処理部４０から出力される電圧値分布Ｖv(m)、および、第３信号処理部５０から出力される電圧値分布Ｖh(n) を示す図である。

この図に示されるように、光受光部１０に到達する光の像は、各々一定面積の正方形領域である２８９個の単位領域（図中で破線で区分された領域）が１７行１７列に配列されていて、各々の単位領域が明および暗の何れかである二値の像である。図中で明領域はハッチングで示されている。また、この像は、各々互いに隣接する２×２個の単位領域からなる基準領域Ａ_１,１〜Ａ_２,２を有し、また、各々９つの単位領域からなる情報領域Ｂ_１,１〜Ｂ_３,３を有する。４個の基準領域Ａ_１,１〜Ａ_２,２は、仮想正方形の４つの頂点位置に配置され、常に明領域である。これがマーカとして働く。一方、９個の情報領域Ｂ_１,１〜Ｂ_３,３は、４個の基準領域Ａ_１,１〜Ａ_２,２に囲まれた範囲に３行３列に配列されており、明および暗の何れかである。

この場合に、第２信号処理部４０から出力される電圧値分布Ｖv(m)は、凡そ、範囲Ｒv1では値が４Ｖvとなり、範囲Ｒv2では値が０となり、範囲Ｒv3では値が２Ｖvとなり、範囲Ｒv4では値がＶvとなり、範囲Ｒv5では値が４Ｖvとなる。また、第３信号処理部５０から出力される電圧値分布Ｖh(n)は、凡そ、範囲Ｒh1では値が４Ｖhとなり、範囲Ｒh2では値がＶhとなり、範囲Ｒh3では値が０となり、範囲Ｒh4では値が２Ｖhとなり、範囲Ｒh5では値が４Ｖhとなる。ここで、Ｖvは、或る１つの単位領域のみが明領域であるとした場合に、その単位領域に相当する行範囲における電圧値分布Ｖv(m)の値であり、Ｖhは、同様の場合に、その単位領域に相当する列範囲における電圧値分布Ｖh(n)の値である。

そして、第２信号処理部４０から出力される電圧値分布Ｖv(m)、および、第３信号処理部５０から出力される電圧値分布Ｖh(n) に基づいて、基準領域Ａ_１,１〜Ａ_２,２に相当する行範囲Ｒv1，Ｒv5 および列範囲Ｒh1，Ｒh5 が特定され、また、情報領域Ｂ_１,１〜Ｂ_３,３に相当する行範囲Ｒv2〜Ｒv4 および列範囲Ｒh2〜Ｒh4 が特定される。

また、各情報領域は全体が明および暗の何れかであるから、各情報領域中の１画素（例えば、各情報領域の中心位置にある画素）に入射する光の強度を求めればよい。したがって、図中に示すように、行範囲Ｒv2の中心行を第ｍ2行とし、行範囲Ｒv3の中心行を第ｍ3行とし、行範囲Ｒv4の中心行を第ｍ4行とし、列範囲Ｒh2の中心列を第ｎ2列とし、列範囲Ｒh3の中心列を第ｎ3列とし、列範囲Ｒh4の中心列を第ｎ4列とすると、第ｍ2行にある３個の画素Ｐ_ｍ2,ｎ2，Ｐ_ｍ2,ｎ3，Ｐ_ｍ2,ｎ4、第ｍ3行にある３個の画素Ｐ_ｍ3,ｎ2，Ｐ_ｍ3,ｎ3，Ｐ_ｍ3,ｎ4、および、第ｍ4行にある３個の画素Ｐ_ｍ4,ｎ2，Ｐ_ｍ4,ｎ3，Ｐ_ｍ4,ｎ4 の、計９個の画素について、入射光の強度を求めればよい。

これら９個の画素について入射光強度に応じた電圧値を第１信号処理部３０により求める際の動作は、既に説明したものと同様である。この動作例においては、第２信号処理部４０および第３信号処理部５０から出力された電圧値Ｖv(m)，Ｖh(n) に基づいて、４個の基準領域Ａ_１,１〜Ａ_２,２および９個の情報領域Ｂ_１,１〜Ｂ_３,３それぞれを決定し、９個の情報領域Ｂ_１,１〜Ｂ_３,３の情報領域が存在する行範囲および列範囲を決定して、第１信号処理部３０によりデータを読み出すべき９個の画素を決定し、その後に、これらの９個の画素からデータを読み出すだけでよく、また、その読み出した９個のデータを解析するだけでよい。このように、本実施形態に係る固体撮像装置１を用いることにより、一定のルールで区分された複数の領域からなる二値画像または多値画像を短時間に撮像することができ、また、その画像を短時間に解析することができる。すなわち、この場合は画像の中の一部に存在するシーケンシャルな情報領域の情報を各情報領域で必要な部分のみを選択的に読み出すことが可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光検出部の各画素Ｐ_ｍ,ｎは、上記実施形態ではＡＰＳ構造のものであったが、ＰＰＳ（PassivePixel Sensor）構造のものであってもよい。

本実施形態に係る固体撮像装置１の構成図である。本実施形態に係る固体撮像装置１の光検出部１０に含まれる各画素Ｐ_ｍ,ｎの回路図である。本実施形態に係る固体撮像装置１の第１信号処理部３０に含まれる列選択部３２の回路図である。本実施形態に係る固体撮像装置１の第２信号処理部４０の回路図である。本実施形態に係る固体撮像装置１の光受光部１０に到達する光の強度の２次元分布、第２信号処理部４０から出力される電圧値分布Ｖv(m)、および、第３信号処理部５０から出力される電圧値分布Ｖh(n) を示す図である。本実施形態に係る固体撮像装置１の第１信号処理部３０のデータ読出動作を説明するためのタイミングチャートである。本実施形態に係る固体撮像装置１の光受光部１０に到達する光の強度の２次元分布、第２信号処理部４０から出力される電圧値分布Ｖv(m)、および、第３信号処理部５０から出力される電圧値分布Ｖh(n) を示す図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、１０…光検出部、２０…制御部、３０…第１信号処理部、３１…行選択部、３２…列選択部、３３…ホールド回路、３４…デコーダ回路、３５…減算回路３６、４０…第２信号処理部、４１…Ｄフリップフロップ、４２…積分回路、５０…第３信号処理部。

Claims

Ｍ×Ｎ個の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列され、第ｍ行第ｎ列にある画素Ｐ_ｍ,ｎがフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎ，フォトダイオードＰＤ２_ｍ,ｎおよびフォトダイオードＰＤ３_ｍ,ｎを含み、第ｍ行にあるＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎが配線Ｌ２_ｍにより電気的に接続されており、第ｎ列にあるＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎが配線Ｌ３_ｎにより電気的に接続されている光検出部と、
前記光検出部のＭ×Ｎ個の画素のうちから選択した１以上の画素Ｐ_ｍ,ｎについて、その選択した各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力する第１信号処理部と、
各配線Ｌ２_ｍに接続されたＮ個のフォトダイオードＰＤ２_ｍ,１〜ＰＤ２_ｍ,Ｎで発生した電荷を入力し蓄積して当該電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する第２信号処理部と、
各配線Ｌ３_ｎに接続されたＭ個のフォトダイオードＰＤ３_１,ｎ〜ＰＤ３_Ｍ,ｎで発生した電荷を入力し蓄積して当該電荷蓄積量に応じた電圧値を出力する第３信号処理部と、
前記第２信号処理部および前記第３信号処理部それぞれから出力される電圧値の分布に基づいて、フォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を前記第１信号処理部から出力するべき画素Ｐ_ｍ,ｎを選択し、その選択結果に基づいて前記第１信号処理部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置（ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）。
前記第１信号処理部は、
前記光検出部のＭ行のうちから何れかの行を選択して、その選択した行にある各画素Ｐ_ｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１_ｍ,ｎで発生した電荷の量に応じた電圧値を配線Ｌ１_ｎへ出力させる行選択部と、
各配線Ｌ１_ｎを経て入力した電圧値を保持し、その保持したＮ個の電圧値のうちから、前記光検出部のＮ列のうちの何れかの列に相当する電圧値を選択して出力する列選択部と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。