JP2010171666A - 固体撮像素子の駆動方法および固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを低減し、動き検出を高精度化かつ高感度化できる固体撮像素子の駆動方法および固体撮像素子を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像素子は、被写体の動きを検出する動き検出モードと被写体を撮像する撮像モードとを有する固体撮像素子であって、行列状に配列された複数の画素部１２と、２つの画素信号の差分を求める差分回路１８とを備え、各画素部１２は、光電変換により画素信号を生成する受光素子１０と、画素信号を記憶する記憶部１１とを含み、動き検出モードにおいて、記憶部１１に記憶された過去の画素信号と受光素子１０からの現在の画素信号との差分を用いて動きを検出し、動きが検出されたとき動き検出モードから撮像モードに切り替え、切り替え後の撮像モードにおいて被写体を撮像し、動き検出モードにおいて動き検出に用いられる画素部１２の数が、撮像モードにおいて撮像に用いられる画素部１２の数より少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子と受光素子からの出力信号を記憶する記憶部を含む画素が２次元状に配列された固体撮像素子の駆動方法および固体撮像素子に関する。

近年、防犯意識の向上により、侵入検知器やセキュリティカメラ分野への市場の要望が高まってきている。侵入検知器としては特許文献１に示すような赤外線の変化量により人体を検出する焦電型赤外線センサが知られている。焦電型赤外線センサでは、検出エリアへの人の侵入を検知することは可能であるが、どんな人物がどのように侵入してきたかを知ることは出来ないため、防犯用デバイスの性能としては十分ではない。特許文献２で示されるような監視カメラ装置や特許文献３で示されるような人体検知装置では画像センサ（イメージセンサ）と熱線センサ（赤外線センサ）を備えており、侵入者の検知だけでなく撮像もすることが可能になっている。つまり、特許文献２や特許文献３の装置は、熱線センサ（赤外線センサ）で検出エリアの侵入検知を行っており、検知した場合、画像センサ（イメージセンサ）で検出エリアの撮像を行っている。
特開２００２−８１９９０号公報 特開２００７−３１８６７４号公報 特許第３６５６４７２号公報

しかし、上記従来技術によれば、検知モードと撮像モードをそれぞれ別のデバイスで行っているため、装置としてのサイズは大きくなり、コストも高くなる。さらに、侵入者の検知用の熱線センサは動き検出の精度および感度の点で問題があり、動き検出の精度を向上させることが望ましい。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、コストを低減し、動き検出を高精度化できる固体撮像素子の駆動方法および固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、被写体の動きを検出する動き検出モードと被写体を撮像する撮像モードとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記固体撮像素子は、行列状に配列された複数の画素部と、２つの画素信号の差分を求める差分回路とを備え、各画素部は光電変換により画素信号を生成する受光素子と画素信号を記憶する記憶部とを含み、前記駆動方法は、前記動き検出モードにおいて、受光素子からの画素信号を前記記憶部に格納する格納ステップと、前記動き検出モードにおいて、少なくとも１フレーム期間前に前記記憶部に格納された過去の画素信号と前記受光素子からの現在の画素信号との差分を用いて動きを検出する動き検出ステップと、動きが検出されたとき前記動き検出モードから前記撮像モードに切り替える切り替えステップと、切り替え後の前記撮像モードにおいて被写体を撮像する撮像ステップとを有し、前記動き検出モードにおいて動き検出に用いられる画素部の数が、前記撮像モードにおいて撮像に用いられる画素部の数より少ない。

この構成によれば、１つの固体撮像素子で動き検出と撮像とを行うのでコストを低減することができる。さらに、動き検出モードでは、画素数の少ない低解像度ゆえに高フレームレートで動作させることが可能であり、被写体の動き検出を高精度化することができる。撮像モードでは、セキュリティ用途に適した映像を高解像度で鮮明に記録させることができる。

ここで、前記動き検出ステップは、前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択するステップと、選択された画素部内の前記記憶部から過去の画素信号を前記差分回路に出力するステップと、選択された画素部の受光素子から現在の画素信号を前記差分回路に出力するステップと、差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求めるステップと、間引き選択された全ての画素部に対応する差分信号に基づいて動きを検出するステップとを含むようにしてもよい。

この構成によれば、画素が選択される毎に差分信号を得ることができ、より高速な動き検出を実現することができる。

ここで、前記格納ステップにおいて、フレーム期間毎に、選択された受光素子から現在の画素信号が前記差分回路に出力されるのと同時に当該画素信号を前記記憶部に格納するようにしてもよい。

この構成によれば、高速な動き検出を全てのフレームを対象とすることができる。
ここで、前記固体撮像素子は、さらに、隣接する少なくとも２つの画素部を単位として、当該単位内の記憶部同士を接続する接続スイッチを備え、前記動き検出ステップは、前記接続スイッチをオンにするステップと、前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択するステップと、選択された画素部内の前記記憶部と前記接続スイッチを介して接続された記憶部とから過去の画素信号を前記差分回路に出力するステップと、前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子からの画素信号を前記差分回路に出力するステップと、前記差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求めるステップと、選択された画素部に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出するステップとを含むようにしてもよい。

この構成によれば、記憶部の容量の増加によりノイズ成分が相対的に抑制され、動き検出をさらに高精度化することができ、かつ、高感度化することができる。

ここで、前記格納ステップにおいて、フレーム期間毎に、選択された受光素子から現在の画素信号が前記差分回路に出力されるのと同時に当該画素信号を前記記憶部と前記接続スイッチを介して接続された前記記憶部とに格納するようにしてもよい。

この構成によれば、高速な動き検出を全てのフレームを対象とすることができる。
ここで、前記固体撮像素子は、さらに、隣接する少なくとも２つの画素部を単位として、当該単位内の受光素子同士を接続する接続スイッチを備え、前記動き検出ステップは、前記接続スイッチをオンにするステップと、前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択するステップと、選択された画素部内の前記記憶部から過去の画素信号を前記差分回路に出力するステップと、前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子と前記接続スイッチを介して接続された受光素子とから画素信号を前記差分回路に出力するステップと、前記差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求めるステップと、選択された画素部に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出するステップとを含むようにしてもよい。

この構成によれば、受光素子の飽和信号電荷量を倍増させるので、動き検出をさらに高感度化することができる。

ここで、前記格納ステップにおいて、フレーム期間毎に、選択された画素部内の受光素子と前記接続スイッチを介して接続された受光素子とから画素信号を、選択された画素部内の前記記憶部に格納するようにしてもよい。

この構成によれば、高速な動き検出を全てのフレームを対象とすることができる。
また、本発明の固体撮像素子は、被写体の動きを検出する動き検出モードと被写体を撮像する撮像モードとを有する固体撮像素子であって、行列状に配列された複数の画素部と、２つの画素信号の差分を求める差分回路とを備え、各画素部は、光電変換により画素信号を生成する受光素子と、画素信号を記憶する記憶部とを含み、前記動き検出モードにおいて、前記記憶部に記憶された過去の画素信号と前記受光素子からの現在の画素信号との差分を用いて動きを検出し、動きが検出されたとき前記動き検出モードから前記撮像モードに切り替え、切り替え後の前記撮像モードにおいて被写体を撮像し、前記動き検出モードにおいて動き検出に用いられる画素部の数が、前記撮像モードにおいて撮像に用いられる画素部の数より少ない。

ここで、前記固体撮像素子は、さらに、動き検出モードにおいて前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択する選択手段を備え、前記固体撮像素子は、選択された画素部内の前記記憶部から過去の画素信号を前記差分回路に出力し、前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子からの画素信号を前記記憶部に格納し、前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部の受光素子からの画素信号を前記差分回路に出力し、差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求め、間引き選択された全ての画素部に対応する差分信号に基づいて動きを検出するようにしてもよい。

ここで、前記固体撮像素子は、さらに、隣接する少なくとも２つの画素部毎に、前記動き検出モードにおいて当該画素部内の記憶部同士を接続する接続スイッチと、前記動き検出モードにおいて前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択する選択手段とを備え、前記固体撮像素子は、選択された画素部内の前記記憶部と前記接続スイッチを介して接続された記憶部とから過去の画素信号を前記差分回路に出力し、前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子からの画素信号を、選択された画素部内の前記記憶部と前記接続スイッチを介して接続された記憶部とに格納し、前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子からの画素信号を前記差分回路に出力し、前記差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求め、選択された画素部に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出するようにしてもよい。

ここで、前記固体撮像素子は、さらに、隣接する少なくとも２つの画素部毎に、前記動き検出モードにおいて当該画素部内の受光素子同士を接続する接続スイッチと、前記動き検出モードにおいて前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択する選択手段とを備え、前記固体撮像素子は、選択された画素部内の前記記憶部から過去の画素信号を前記差分回路に出力し、前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子と前記接続スイッチを介して接続された受光素子とからの画素信号を、選択された画素部内の前記記憶部に格納し、前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子と前記接続スイッチを介して接続された受光素子とから画素信号を前記差分回路に出力し、前記差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求め、選択された画素部に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出するようにしてもよい。

本発明の固体撮像素子の駆動方法および固体撮像素子によれば、動き検出モードと撮像モードを１つの素子で実現することによりコストを低減することができ、動き検出モードと撮像モードで駆動方法を変えることにより高精度、高感度での動き検出が可能となる。

以下に、図面を参照し、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構成及び駆動方法について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の全体的な構成を示すブロック図である。本実施形態の固体撮像素子は、撮像領域１３、垂直シフトレジスタ１４、水平シフトレジスタ１５、複数の差分回路１８、複数のMOSトランジスタ１９を備える。撮像領域１３は、行列状に配列された複数の画素部１２を含む。各画素部１２は、光電変換を行うための受光素子１０と、受光素子１０からの画素信号を記憶する容量１１（以下、記憶部１１と呼ぶ。）と、画素選択用のＭＯＳトランジスタ１６とを含む。垂直シフトレジスタ１４は、信号を読み出す行を順に選択する。行の選択は、動作モードによって異なる。すなわち、この固体撮像素子は、被写体の動きを検出する動き検出モードと被写体を撮像する撮像モードとを有し、１４は、動き検出モードでは全行のうち例えば２行に１行を間引きながら行を選択し、撮像モードでは全行を順に選択する。水平シフトレジスタ１５は、動き検出モードでは、垂直シフトレジスタ１４に選択された行に属する画素のうち例えば２画素に１画素を間引きながら画素を選択し、撮像モードでは垂直シフトレジスタ１４に選択された行に属する全画素を順に選択する。

垂直シフトレジスタ１４によって選択された行は各画素部１２に備えられたMOSトランジスタ１６がON状態となり、画素部からの信号は垂直信号線１７を通して差分回路１８に送られる。次に水平シフトレジスタ１５により信号を読み出す列が選択され、差分回路１８に隣接し接続されたMOSトランジスタ１９がON状態となり共通水平信号線２０を通して出力される。差分回路１８は、画素の列毎に設けられ、動き検出モードにおいて、タイミングが異なる２つの画素信号の差分を求める。例えば、各差分回路１８は、少なくとも１フレーム期間前に記憶部１１に格納された過去の画素信号と受光素子からの現在の画素信号との差分を求める。

図２は図１で示された画素部１２の回路構成の一例を示している。図２に示すように画素部１２は、受光素子１０と、受光素子１０からの画素信号を記憶する容量素子である記憶部１１と、受光素子１０からの信号を読み出す転送トランジスタ２１と、フローティングディフュージョン２２と、フローティングディフュージョン２２に蓄積された電荷をリセットするリセットトランジスタ２３とを備えている。受光素子１０から転送された電荷とフローティングディフュージョン２２の容量により発生した電圧は画素信号として、ＭＯＳトランジスタ２４、２５で構成されるソースフォロワとＭＯＳトランジスタ２６、１６を通して垂直信号線１７に送られる。また、当該画素信号は同時にＭＯＳトランジスタ２７を通して記憶部１１に保持される。ある期間tで容量（記憶部）１１に保持された信号電圧Vtとある期間t+nでの信号電圧Vt+nの差分が差分回路１８により検出され、差分信号は共通水平信号線２０から出力される。図２では記憶部１１は例えばＭＯＳキャパシタで構成されているが、画素信号を記憶できる容量素子であれば効果は損なわれない。

図３は差分回路の構成例を示す回路図である。この差分回路１８は２つのMOSトランジスタ２８、２９と、クランプ容量３０と、サンプルホールド容量３１とを備える。ある期間tでMOSトランジスタ２８、２９がON状態になるとクランプ容量３０にはある基準電圧VrとVtの差分のVr-Vtが保持される。ある期間t+nでMOSトランジスタ２８がON状態、MOSトランジスタ２９がOFF状態になると、Vtの値はVt+nに変化し、差分回路１８の出力はクランプ容量３０の容量をCA、サンプルホールド容量３１の容量をCBとすると、（Vr-(Vt-Vt+n)）/(CA/(CA+CB))の値が出力される。ある期間tとt+nで被写体の動きに変化がなければ、Vt=Vt+nとなり、差分信号はVrの分圧値（基準値）となるが、VtとVt+nの値が異なると差分信号は基準値とは異なる。この差分回路１８を用いれば、差分信号の変化から被写体の動きを検知することができる。さらに画素の領域、数に注目し、ある期間t+n（n=1,2,3…）の出力電圧変化を知ることで、被写体の速度、動く方角、大きさ、形状を確認することもできる。また、動き検出だけでなく、通常の撮像も行うことができる。

図４Ａは撮像モードにおける撮像領域１３の一部を簡易的に記載した図であり、図４Ｂは動き検出モードにおける撮像領域１３の一部を簡易的に記載した図である。図４Ａ、図４Ｂにおいて、実線の画素部は選択され、破線の画素部は選択されないことを表している。図４Ａのように、被写体の撮像モード時は行列状に配置された全ての画素部が選択され、高解像度で被写体を撮影する。図４Ｂに被写体の動き検出モード時では、図１に示す垂直シフトレジスタ１４、水平シフトレジスタ１５を用いて、２次元状に配置された実線の画素部を選択（間引き動作）し、選択される画素部の数を撮像モード時より少なくすることにある。図４Ｂでは画素を横方向、縦方向ともに１つおきに動作させ、格子状に動作する駆動方法を例として示しているが、動作させる画素のパターンはこれに限られない。被写体の撮像モード時の動作する画素の数より、被写体の動作検出モード時の動作する画素の数が少ないという条件を満たせば、どのようなパターンでもよい。

図５は、垂直シフトレジスタ１４の構成例を示す回路図である。水平シフトレジスタ１５の構成例も図５と同様の構成でよいので、特に区別しない場合は単にシフトレジスタと呼ぶ。ここでは、間引き動作（図４Ｂで示したような横方向、縦方向ともに１つおきに動作する場合）に対応するシフトレジスタの回路例を示している。図６は、シフトレジスタにおける撮像モード時のタイミングチャートを示す。図７は、シフトレジスタにおける動き検出モード時のタイミングチャートを示す。

シフトレジスタは様々な回路で構成することが可能であるが、ここではDフリップフロップ回路３２を用いたシフトレジスタを示す。図５ではDフリップフロップ回路３２がMOSトランジスタ３３を介して接続されており、また、あるDフリップフロップをバイパスするようにMOSトランジスタ３４が接続されている。撮像モード時ではMOSトランジスタ３３はON状態、MOSトランジスタ３４はOFF状態とする。この場合、各Dフリップフロップの出力は次段のDフリップフロップの入力に接続され、ある時刻で入力パルス（High状態）が印加されると各Dフリップフロップの出力が順にHigh状態となって、転送されていく。シフトレジスタが垂直シフトレジスタ１４である場合、各出力端子を図１の各列に備えられたMOSトランジスタ１９のゲートに接続することで、順に各列の出力を得ることが可能になる。動き検出モード時ではMOSトランジスタ３３はOFF状態、MOSトランジスタ３４はON状態とする。この場合、ある出力は次々段のDフリップフロップの入力に接続されるため、次段のＤフリップフロップ回路３２を飛ばしながらHigh状態のパルスが転送され、画素列を１列おきに選択する（間引く）ことが可能となる。行を選択する水平シフトレジスタ１５も同様なシフトレジスタ回路でよい。

続いて、本実施の形態の固体撮像素子の駆動方法について説明する。本実施の形態における固体撮像素子の駆動方法は、大きく分けて、動き検出モードにおいて、受光素子からの画素信号を記憶部１１に格納する格納ステップと、前記動き検出モードにおいて、少なくとも１フレーム期間前に記憶部１１に格納された過去の画素信号と受光素子１０からの現在の画素信号との差分を用いて動きを検出する動き検出ステップと、動きが検出されたとき前記動き検出モードから前記撮像モードに切り替える切り替えステップと、切り替え後の前記撮像モードにおいて被写体を撮像する撮像ステップとを有している。

上記の動き検出モードにおいて動き検出に用いられる画素部の数が前記撮像モードにおいて撮像に用いられる画素部の数より少ないことが特徴の１つである。

図８は、本実施の形態における固体撮像素子の駆動方法の一例を示すフローチャートである。同図において、上記の格納ステップはＳ８４に対応し、動き検出ステップは特にＳ８８に対応するが、広くはＳ８１〜Ｓ８３、Ｓ８５〜Ｓ８に対応する。切り替えステップはＳ９０に対応する。

図８は、動き検出モードにおける動作を示すフローチャートである。同図のように、まず、垂直シフトレジスタ１４は、間引き対象でない最初の行に属する画素を選択する（Ｓ８１）。図５のシフトレジスタの例では、間引き対象の行は偶数行、間引き対象でない行は奇数行になる。行の間引き選択により、フレームレートを高速化することができる。

さらに、選択された画素内の記憶部１１から過去の画素信号を差分回路１８に出力し（Ｓ８２）、選択された画素内の受光素子１０から現在の画素信号を差分回路１８に出力し（Ｓ８３）、これと同時に、選択された画素内の受光素子１０からの現在の画素信号を記憶部１１に格納することにより更新する（Ｓ８４）。更新された画素信号は、次のフレーム期間で差分信号を得るために利用される。

さらに、差分回路１８において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求める（Ｓ８５）。求められた複数の差分信号は、選択された行内で水平シフトレジスタ１５により間引き選択され、順に共通水平信号線２０に出力される。図５のシフトレジスタの例では、間引き対象の画素は偶数番目の差分信号であり、奇数番目の差分信号が順に出力される。垂直シフトレジスタ１４は、現在選択されている行が間引き選択の最後の行でなければ、間引き対象でない次の行を選択し（Ｓ８６、Ｓ８７）、ステップＳ８２に戻る。垂直シフトレジスタ１４による画素の間引き選択により列走査期間を短縮しフレームレートを高速化することができる。

現在選択されている行が間引き選択の最後の行であれば、間引き選択された全ての画素部に対応する差分信号に基づいて差分画像を生成し差分画像から動きを検出し（Ｓ８８）、動きがあるかどうかを判定し（Ｓ８９）、動きがあると判定された場合は動き検出モードから撮像モードに切り替える。撮像モードでは、間引くことなく全画素部を選択して高解像度の撮像を行う。

以上説明してきたように本実施の形態の固体撮像素子によれば、１つの固体撮像素子で動き検出と撮像とを行うのでコストを低減することができる。さらに、動き検出モードでは、画素数の少ない低解像度ゆえに高フレームレートで動作させることが可能であり、被写体の動き検出を高精度化することができる。撮像モードでは、セキュリティ用途に適した映像を高解像度で鮮明に記録させることができる。

この構成であれば、被写体の撮像モード時は、セキュリティ用途として活用し、被写体の映像を鮮明に記録させることが必要なため、全画素動作する駆動で高解像度撮像を行い、被写体の動き検出時は動作する画素の数を減らし、解像度を落として、高フレームレートで動作させることが可能であり、被写体の動きを高精度で検知することできる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の全体的な構成は本発明の第１の実施形態と同様なため、省略する。図９Ａは撮像モードにおける撮像領域１３の一部を簡易的に記載した図であり、図９Ｂは動き検出モードにおける撮像領域１３の一部を簡易的に記載した図である。第２の実施形態における固体撮像素子の駆動方法の特徴は図９Ｂに示すように、動きを検出するモード時は隣接する複数の画素部１２を検出モードの１つの検出画素として、検出画素内の１つの受光素子１０に対して、少なくとも２つ以上の検出画素内の記憶部１１を共有（あるいは併合）することにある。図９Ｂでは検出モードの１つの検出画素を２行２列の画素部１２から構成しているが、検出画素のパターンはこれに限られない。たとえば横方向１列分の画素部１２から構成したり、縦方向１列分の画素部１２から構成した領域を検出画素とすることも可能で、隣接する複数の画素部１２という条件を満たした場合は様々なパターンが考えられる。また、検出画素内の１つの受光素子１０に対して少なくとも１つ以上の検出画素内の記憶部１１を共有するパターンにおいても、一例として、２行２列の画素部１２から構成された検出画素内で検出画素内の１つの受光素子１０において、隣の画素部１２の記憶部１１のみを共有しているが、例えば、２行２列の画素部１２から構成された検出画素においては、検出画素内の１つの受光素子１０に対して、残りの３つの記憶部１１を共有することも可能である。

次に図１０を用いて本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を説明する。図１０は隣接する画素部１２を検出画素とし、検出画素内の１つの受光素子１０に対して、隣の記憶部１１を共有している場合を一例として示している。第１の実施形態で示した画素部１２の回路構成に加えて、MOSトランジスタ３５が接続スイッチとして追加されている。ＭＯＳトランジスタ３５は、隣接する少なくとも２つの画素部１２を単位（検出画素）として、当該単位内の記憶部１１同士を接続する接続スイッチとして機能する。ＭＯＳトランジスタ３５がオンのとき、互いに接続された記憶部１１は、並列接続されるので容量の大きい１個の記憶部として機能する。

被写体の撮像モード時はMOSトランジスタ３５はOFF状態で全画素動作する駆動方法で高解像度撮像を行う。

動き検出モード時はシフトレジスタにより動作する画素を選択する。また、MOSトランジスタ３５はON状態となり、受光素子１０からの信号はMOSトランジスタ２７を通して受光素子１０と同じ画素部に備えられた容量（記憶部）１１とMOSトランジスタ３５を通して検出画素内の隣接する画素部１２に備えられた容量（記憶部）１１に保持される。この際、隣接する画素部１２のMOSトランジスタ２７はOFF状態とする。この構成であれば、記憶されるMOSキャパシタの容量が画素に１つの記憶部１１を有する構成と比較して、大きくなり、kTCノイズ（リセットノイズ）が抑制され、高精度で動きを検出することが可能となる。

続いて、本実施の形態の固体撮像素子の駆動方法の一例について説明する。この固体撮像素子の駆動方法は、図８のフローチャートと同様であるが、動き検出モードにおいてＭＯＳトランジスタ３５がオンである点が異なっている。そのため、本実施の形態における固体撮像素子の駆動方法は、（１）ＭＯＳトランジスタ３５（接続スイッチ）をオンにするステップと、（２）複数の画素部１２を間引きながら画素部１２を順に選択するステップと、（３）選択された画素部１２内の記憶部１１とＭＯＳトランジスタ３５を介して接続された記憶部１１とから過去の画素信号を差分回路１８に出力するステップと、（４）過去の画素信号が出力された後、選択された画素部１２内の受光素子１０からの画素信号を差分回路１８に出力するステップと、（５）選択された受光素子１０から現在の画素信号が差分回路１８に出力されるのと同時に画素信号を記憶部１１とＭＯＳトランジスタ３５（接続スイッチ）を介して接続された記憶部１１とに格納する格納ステップと、（６）差分回路１８において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求めるステップと、（７）選択された画素部１２に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出するステップとを含む。

これによれば、ＭＯＳトランジスタ３５により複数の記憶部１１（容量素子）が並列に接続されて容量が増加するので、動き検出モードにおいてより高精度にすることができる。さらに、高速な動き検出を全てのフレームを対象とすることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の全体的な構成は本発明の第１の実施形態と同様なため、省略する。図１１Ａは撮像モードにおける撮像領域１３の一部を簡易的に記載した図であり、図１１Ｂは動き検出モードにおける撮像領域１３の一部を簡易的に記載した図である。第３の実施形態における固体撮像素子の駆動方法の特徴は、動きを検出するモード時は隣接する複数の画素部１２を検出モードの１つの検出画素として、検出画素内の１つの受光素子に対して、少なくとも１つ以上の受光素子１０を共有（あるいは併合）することにある。図１１Ｂでは検出モードの１つの検出画素を２行２列の画素部１２から構成しているが、検出画素のパターンはこれに限られない。たとえば横方向１列分の画素部１２から構成したり、縦方向１列分の画素部１２から構成した領域を検出画素とすることも可能で、隣接する複数の画素部１２という条件を満たした場合は様々なパターンが考えられる。また、検出画素内の１つの受光素子１０に対して少なくとも２つ以上の受光素子１０を共有するパターンにおいても、一例として、２行２列の画素部１２から構成された検出画素内で検出画素内の１つの受光素子１０において、隣の画素部１２の受光素子１０のみを共有しているが、例えば、２行２列の画素部１２から構成された検出画素においては、検出画素内の１つの受光素子１０に対して、残りの３つの受光素子１０を共有することも可能である。

次に図１２を用いて本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を説明する。図１２は隣接する画素を検出画素とし、検出画素内の１つの受光素子１０に対して、隣の受光素子１０を共有している場合を一例として示している。第１の実施形態で示した画素部の回路構成に加えて、MOSトランジスタ３６が追加されている。ＭＯＳトランジスタ３６は、隣接する少なくとも２つの画素部１２を単位（検出画素）として、当該単位内の受光素子１０同士を接続する接続スイッチとして機能する。ＭＯＳトランジスタ３６がオンのとき、互いに接続された受光素子１０は、並列接続されるので飽和容量の大きい１個の受光素子として機能する。

被写体の撮像モード時はMOSトランジスタ３６はOFF状態で全画素動作する駆動方法で高解像度撮像を行う。

動き検出モード時はシフトレジスタにより動作する画素部１２を選択する。また、MOSトランジスタ３６はON状態となり、ある画素部１２の受光素子１０と検出画素内の隣接する受光素子１０からの信号はMOSトランジスタ２７を通して容量（記憶部）１１に保持、また出力される。この際検出画素内の隣接する画素部１２の転送トランジスタ２１はOFF状態とする。この構成であれば、信号量が共有する受光素子の分大きくなるので、動体の検出を高感度で行うことができる。

続いて、本実施の形態における固体撮像素子の駆動方法の一例について説明する。この固体撮像素子の駆動方法は、図８のフローチャートと同様であるが、動き検出モードにおいてＭＯＳトランジスタ３６がオンである点が異なっている。そのため、本実施の形態における固体撮像素子の駆動方法は、（１）ＭＯＳトランジスタ３６（接続スイッチ）をオンにするステップと、（２）複数の画素部１２を間引きながら画素部１２を順に選択するステップと、（３）選択された画素部１２内の記憶部１１から過去の画素信号を差分回路１８に出力するステップと、（４）過去の画素信号が出力された後、選択された画素部１２内の受光素子１０とＭＯＳトランジスタ３６を介して接続された受光素子１０とから画素信号を差分回路１８に出力するステップと、（５）フレーム期間毎に、選択された画素部１２内の受光素子１０とＭＯＳトランジスタ３６を介して接続された受光素子１０とから画素信号を、選択された画素部１２内の記憶部１１に格納する格納ステップと、（６）差分回路１８において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求めるステップと、（７）選択された画素部１２に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出するステップとを含む。

これによれば、ＭＯＳトランジスタ３６によって複数の受光素子が接続されることにより飽和信号電荷量を増加させるので、動き検出モードにおいてさらに高感度化することができる。また、高速な動き検出を全てのフレームを対象とすることができる。

なお、上記各実施形態において、各画素部１２が記憶部１１を複数備える構成としてもよい。例えば各画素部１２が２つの記憶部１１を備える場合には、受光素子１０から記憶部１１への画素信号の格納を全画素一斉にする、いわゆるグローバルシャッター動作が可能になる。２つの記憶部１１は、現在の画素信号と、過去の画素信号を記憶し、２つの記憶部１１から差分回路１８への画素信号の出力動作は各実施の形態と同様に行単位に行えばよい。

各実施形態では、間引き動作として、動き検出モードにおいて行方向および列方向に１／２に間引く例を示したが、複数の間引き動作を場面や用途や時刻に応じて切り替えてもよい。

以上説明したように、本発明は、１つの素子で撮像と動き検出が可能であり、撮像モードと動き検出モード時で駆動方法を変え、高精度・高感度で動き検出を行うことができるため、現状のイメージセンサデバイスを基礎に高機能化が簡易に行え、セキュリティカメラへの応用に有用である。

第１の実施形態に係る固体撮像素子の全体的な構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る画素部の回路構成の一例を示す回路図である。 第１の実施形態に係る差分回路の一例示す回路図である。 第１の実施形態に係る撮像モードにおける固体撮像素子の駆動方法の説明図である。 第１の実施形態に係る動き検出モードにおける固体撮像素子の駆動方法の説明図である。 第１の実施形態に係るシフトレジスタ回路構成の一例を示す回路図である。 第１の実施形態に係る固体撮像素子の撮像モード時のシフトレジスタ駆動のタイミングチャート図である。 第１の実施形態に係る固体撮像素子の動き検出モード時のシフトレジスタ駆動のタイミングチャート図である。 第１の実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法の一例を示すフローチャート図である。 第２の実施形態に係る撮像モードにおける固体撮像素子の駆動方法の説明図である。 第２の実施形態に係る動き検出モードにおける固体撮像素子の駆動方法の説明図である。 第２の実施形態に係る固体撮像素子の画素部の回路構成の一例を示した回路図である。 第３の実施形態に係る撮像モードにおける固体撮像素子の駆動方法の説明図である。 第３の実施形態に係る動き検出モードにおける固体撮像素子の駆動方法の説明図である。 第３の実施形態に係る固体撮像素子の画素部の回路構成の一例を示した回路図である。

１０ 受光素子
１１ 容量（記憶部）
１２ 画素部
１３ 撮像領域
１４ 垂直シフトレジスタ
１５ 水平シフトレジスタ
１６ MOSトランジスタ
１７ 垂直信号線
１８ 差分回路
１９ MOSトランジスタ
２０ 共通水平信号線
２１ 転送トランジスタ
２２ フローティングディフュージョン
２３ リセットトランジスタ
２４ MOSトランジスタ
２５ MOSトランジスタ
２６ MOSトランジスタ
２７ MOSトランジスタ
２８ MOSトランジスタ
２９ MOSトランジスタ
３０ クランプ容量
３１ サンプルホールド容量
３２ Dフリップフロップ回路
３３ MOSトランジスタ
３４ MOSトランジスタ
３５ MOSトランジスタ
３６ MOSトランジスタ

Claims (11)

1. 被写体の動きを検出する動き検出モードと被写体を撮像する撮像モードとを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記固体撮像素子は、行列状に配列された複数の画素部と、２つの画素信号の差分を求める差分回路とを備え、各画素部は光電変換により画素信号を生成する受光素子と画素信号を記憶する記憶部とを含み、
   前記駆動方法は、
   前記動き検出モードにおいて、受光素子からの画素信号を前記記憶部に格納する格納ステップと、
   前記動き検出モードにおいて、少なくとも１フレーム期間前に前記記憶部に格納された過去の画素信号と前記受光素子からの現在の画素信号との差分を用いて動きを検出する動き検出ステップと、
   動きが検出されたとき前記動き検出モードから前記撮像モードに切り替える切り替えステップと、
   切り替え後の前記撮像モードにおいて被写体を撮像する撮像ステップと
   を有し、
   前記動き検出モードにおいて動き検出に用いられる画素部の数が、前記撮像モードにおいて撮像に用いられる画素部の数より少ない
   固体撮像素子の駆動方法。
2. 前記動き検出ステップは、
   前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択するステップと、
   選択された画素部内の前記記憶部から過去の画素信号を前記差分回路に出力するステップと、
   選択された画素部の受光素子から現在の画素信号を前記差分回路に出力するステップと、
   差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求めるステップと、
   間引き選択された全ての画素部に対応する差分信号に基づいて動きを検出するステップとを含む請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
3. 前記格納ステップにおいて、フレーム期間毎に、選択された受光素子から現在の画素信号が前記差分回路に出力されるのと同時に当該画素信号を前記記憶部に格納する
   請求項２に記載の固体撮像素子の駆動方法。
4. 前記固体撮像素子は、さらに、隣接する少なくとも２つの画素部を単位として、当該単位内の記憶部同士を接続する接続スイッチを備え、
   前記動き検出ステップは、
   前記接続スイッチをオンにするステップと、
   前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択するステップと、
   選択された画素部内の前記記憶部と前記接続スイッチを介して接続された記憶部とから過去の画素信号を前記差分回路に出力するステップと、
   前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子からの画素信号を前記差分回路に出力するステップと、
   前記差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求めるステップと、
   選択された画素部に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出するステップと
   を含む請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
5. 前記格納ステップにおいて、フレーム期間毎に、選択された受光素子から現在の画素信号が前記差分回路に出力されるのと同時に当該画素信号を前記記憶部と前記接続スイッチを介して接続された前記記憶部とに格納する
   請求項４に記載の固体撮像素子の駆動方法。
6. 前記固体撮像素子は、さらに、隣接する少なくとも２つの画素部を単位として、当該単位内の受光素子同士を接続する接続スイッチを備え、
   前記動き検出ステップは、
   前記接続スイッチをオンにするステップと、
   前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択するステップと、
   選択された画素部内の前記記憶部から過去の画素信号を前記差分回路に出力するステップと、
   前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子と前記接続スイッチを介して接続された受光素子とから画素信号を前記差分回路に出力するステップと、
   前記差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求めるステップと、
   選択された画素部に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出するステップと
   を含む請求項１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
7. 前記格納ステップにおいて、フレーム期間毎に、選択された画素部内の受光素子と前記接続スイッチを介して接続された受光素子とから画素信号を、選択された画素部内の前記記憶部に格納する
   請求項６に記載の固体撮像素子の駆動方法。
8. 被写体の動きを検出する動き検出モードと被写体を撮像する撮像モードとを有する固体撮像素子であって、
   行列状に配列された複数の画素部と、
   ２つの画素信号の差分を求める差分回路とを備え、
   各画素部は、
   光電変換により画素信号を生成する受光素子と、
   画素信号を記憶する記憶部とを含み、
   前記動き検出モードにおいて、前記記憶部に記憶された過去の画素信号と前記受光素子からの現在の画素信号との差分を用いて動きを検出し、動きが検出されたとき前記動き検出モードから前記撮像モードに切り替え、切り替え後の前記撮像モードにおいて被写体を撮像し、
   前記動き検出モードにおいて動き検出に用いられる画素部の数が、前記撮像モードにおいて撮像に用いられる画素部の数より少ない
   固体撮像素子。
9. 前記固体撮像素子は、さらに、動き検出モードにおいて前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択する選択手段を備え、
   前記固体撮像素子は、
   選択された画素部内の前記記憶部から過去の画素信号を前記差分回路に出力し、
   前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子からの画素信号を前記記憶部に格納し、
   前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部の受光素子からの画素信号を前記差分回路に出力し、
   差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求め、
   間引き選択された全ての画素部に対応する差分信号に基づいて動きを検出する
   請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 前記固体撮像素子は、さらに、
    隣接する少なくとも２つの画素部毎に、前記動き検出モードにおいて当該画素部内の記憶部同士を接続する接続スイッチと、
    前記動き検出モードにおいて前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択する選択手段とを備え、
    前記固体撮像素子は、
    選択された画素部内の前記記憶部と前記接続スイッチを介して接続された記憶部とから過去の画素信号を前記差分回路に出力し、
    前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子からの画素信号を、選択された画素部内の前記記憶部と前記接続スイッチを介して接続された記憶部とに格納し、
    前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子からの画素信号を前記差分回路に出力し、
    前記差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求め、
    選択された画素部に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出する
    請求項８に記載の固体撮像素子。
11. 前記固体撮像素子は、さらに、
    隣接する少なくとも２つの画素部毎に、前記動き検出モードにおいて当該画素部内の受光素子同士を接続する接続スイッチと、
    前記動き検出モードにおいて前記複数の画素部を間引きながら画素部を順に選択する選択手段とを備え、
    前記固体撮像素子は、
    選択された画素部内の前記記憶部から過去の画素信号を前記差分回路に出力し、
    前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子と前記接続スイッチを介して接続された受光素子とからの画素信号を、選択された画素部内の前記記憶部に格納し、
    前記過去の画素信号が出力された後、選択された画素部内の受光素子と前記接続スイッチを介して接続された受光素子とから画素信号を前記差分回路に出力し、
    前記差分回路において過去の画素信号と現在の画素信号との差分を示す差分信号を求め、
    選択された画素部に対応する複数の差分信号に基づいて動きを検出する
    請求項８に記載の固体撮像素子。

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