JP4265295B2 - Imaging device and imaging apparatus - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画素周辺記録型固体撮像素子等の高速撮像を行う撮像素子および撮像装置に係り、特に、高速撮影時にＳ／Ｎ比の高い画像を得るための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の撮像装置としては、例えば、１００万枚／秒などの高速撮影を実現したビデオカメラがある。この撮像装置は、次に説明するような「画素周辺記録型固体撮像素子」と呼ばれる撮像素子を備えることで高速撮影を実現している。この画素周辺記録型固体撮像素子は、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレーム（画像）ごとに受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、高速撮影後に各蓄積画素の信号電子群を出力するという固体撮像素子である。このように、撮像素子に複数枚のフレームをフレーム毎に区別して蓄積記録した後に、この記録済みの複数枚のフレームを撮像素子から外部へ読み出すことにより、読み出し時間の制限を受けない高速度での連続画像記録を可能としている。
【０００３】
高速撮影（例えば、１００万枚／秒など）では、露光時間が通常の撮影に比べて短くなるので、高速撮影に用いる照明装置の性能や、照明光の照射による被写体の発熱を防止しなければならないなどの問題から、高速撮影の際に十分な光量を確保できないことがしばしばある。
【０００４】
ところで、この高速撮影の対象となる現象は繰り返し現象であることが多い。この繰り返し現象としては、例えば、エンジンのピストン等の往復運動や、モータの回転子等の回転運動など各種のものがある。繰り返し現象の観察では、同位相となる各時刻における信号、つまり、現象が同じ状態である各時刻の信号（関連性の高い信号）を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることは一般に知られていることであり、この原理を高速撮影に応用して同位相の信号を積算すれば、低照度の照明装置でも高いＳ／Ｎ比で像観察ができるはずである。この原理を用いた従来の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を説明するための図を図１４に示す。図１４では、説明の便宜上、１つの受光画素１０１を用いて説明することとし、この受光画素１０１に設けられている複数個の蓄積画素などはここでは図示省略している。図１４に示すように、従来の撮像装置では、高速撮影によって、撮影時刻の異なる複数枚のフレーム（画像）ごとに受光画素１０１で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して複数個の蓄積画素に記録蓄積しており、各蓄積画素に記録蓄積した信号（信号電子群）を出力アンプ１０３で順次に個別に独立して増幅出力し、出力アンプ１０３からのアナログ出力電圧（あるいは電流）信号をＡＤ（アナログデジタル）コンバータ１０５でアナログ信号からデジタル信号に変換し、ＡＤコンバータ１０５からのデジタル信号のうちで同位相のデジタル信号、つまり、現象が同じ状態である各時刻のデジタル信号を位相別（デジタル）信号積算器１０７で積算して最終出力としてのデジタル信号を出力する。このように、従来の撮像装置では、各時刻の画像信号を撮像素子より読み出した後に同位相の画像信号を積算する他ないのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の撮像装置では、図１４に示すように、一連の観察で得られた撮像素子からの同位相の信号（信号電子群）が複数回（積算回数分）にわたって読み出されるので、その都度読み出しノイズ（１／ｆノイズやショットノイズ等）が出力アンプ１０３で信号に重畳されることになり、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題がある。
【０００６】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高速撮影時にＳ／Ｎ比の高い画像を得ることができる撮像素子および撮像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子において、（ａ）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に前記受光画素を挟んで配列され、（ｂ）前記単位画素内の前記受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素を独立して移動する各信号電子群のうちで前記受光画素の信号電子群と関連のあるフレームの信号電子群とを加算することを特徴とするものである。
【０００８】
（作用・効果）請求項１に記載の発明によれば、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子において、単位画素内の蓄積画素は、蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に受光画素を挟んで配列され、単位画素内の受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の複数個の蓄積画素を独立して移動する各信号電子群のうちで受光画素の信号電子群と関連のあるフレームの信号電子群とを加算するので、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像素子において、（ｃ）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を巡回もしくは往復移動するように、蓄積画素同士を線状または環状に連設配列させるかまたはある蓄積画素間に受光画素を挟んで線状または環状に配列され、（ｄ）前記単位画素内の前記受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素の配列内を巡回もしくは往復する各信号電子群のうちで前記受光画素の信号電子群と関連のあるフレームの信号電子群とを加算することを特徴とするものである。
【００１０】
（作用・効果）請求項２に記載の発明によれば、単位画素内の蓄積画素は、蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を巡回もしくは往復移動するように、蓄積画素同士を線状または環状に連設配列させるかまたはある蓄積画素間に受光画素を挟んで線状または環状に配列され、単位画素内の受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の複数個の蓄積画素の配列内を巡回もしくは往復する各信号電子群のうちで受光画素の信号電子群と関連のあるフレームの信号電子群とを加算するので、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、さらに、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送するための転送手段と、前記転送手段において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する転送制御手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
（作用・効果）請求項３に記載の発明によれば、転送手段は、各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送する。転送制御手段は、転送手段において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する。したがって、異なる単位画素間で対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算できる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の撮像素子において、前記転送手段は、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送手段と、前記垂直転送手段を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送手段とを備え、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御することを特徴とするものである。
【００１４】
（作用・効果）請求項４に記載の発明によれば、垂直転送手段は、各単位画素に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送する。水平転送手段は、垂直転送手段を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送する。転送制御手段は、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する。したがって、異なる単位画素間で対応する蓄積画素同士の信号電子群を、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において加算できる。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の撮像素子において、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での同一撮影時刻の蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御することを特徴とするものである。
【００１６】
（作用・効果）請求項５に記載の発明によれば、転送制御手段は、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での同一撮影時刻の蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する。したがって、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での同一撮影時刻の蓄積画素同士の信号電子群を、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において加算できる。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の撮像素子において、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを加算するように転送制御することを特徴とするものである。
【００１８】
（作用・効果）請求項６に記載の発明によれば、転送制御手段は、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを加算するように転送制御する。したがって、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において加算できる。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の撮像素子を備え、（Ａ）撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号を作成する周期信号作成手段と、（Ｂ）前記周期信号作成手段からの周期信号を前記蓄積画素の個数倍に逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成手段と、（Ｃ）前記クロック信号生成手段からのクロック信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように前記各単位画素を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする撮像装置である。
【００２０】
（作用・効果）請求項７に記載の発明によれば、請求項１から請求項６のいずれかに記載の撮像素子を備え、周期信号作成手段は、撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号を作成し、クロック信号生成手段は、周期信号作成手段からの周期信号を蓄積画素の個数倍に逓倍してクロック信号を生成し、制御手段は、クロック信号生成手段からのクロック信号に基づいて、繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように各単位画素を制御するので、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる撮像装置を提供できる。
【００２１】
なお、本明細書は、次のような撮像素子およびその駆動方法も開示している。
【００２２】
（１）請求項２に記載の撮像素子において、
さらに、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送するための転送手段と、前記転送手段を介して送られてきた各信号電子群を増幅出力する増幅出力手段とを備えていることを特徴とする撮像素子。
【００２３】
前記（１）に記載の撮像素子によれば、転送手段は、各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送する。増幅出力手段は、転送手段を介して送られてきた各信号電子群を増幅出力する。したがって、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００２４】
（２）入射光を光電変換する複数個の受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記複数個の受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子において、（ａ’）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるとともに一の蓄積画素に前記複数個の受光画素が連設され、（ｂ’）前記単位画素内の前記複数個の受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素を独立して移動する各信号電子群のうちで前記複数個の受光画素の信号電子群と関連のある信号電子群とを前記単位画素内で加算することを特徴とする撮像素子。
【００２５】
前記（２）に記載の撮像素子によれば、単位画素は、複数個の受光画素と複数個の蓄積画素とを備え、かつ、複数個の受光画素は一の蓄積画素に連設されたものとしているので、単位画素内の複数個の受光画素で生じた信号電子群を当該単位画素内の蓄積画素で加算することができ、一方の受光画素での受光波長と、他方の受光画素での受光波長を変えて受光するなど、光画像信号の各種処理の自由度を向上させることができる。
【００２６】
（３）入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子の駆動方法において、
前記単位画素内の蓄積画素を、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に前記受光画素を挟んで配列させた配列過程と、
撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように前記各単位画素を制御する積算制御過程と
を備えていることを特徴とする撮像素子の駆動方法。
【００２７】
前記（３）に記載の撮像素子の駆動方法によれば、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子の駆動方法において、配列過程は、単位画素内の蓄積画素を、蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に前記受光画素を挟んで配列させており、積算制御過程は、撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号に基づいて、この繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように各単位画素を制御するので、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の撮像素子の実施例について説明する。
【００２９】
＜第１実施例＞
図１は第１実施例に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。図２は第１実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。図３（ａ）はループ状配列の蓄積画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示した各蓄積画素の信号電子群の読み出し状態を示す図である。
【００３０】
図１に示すように、第１実施例の撮像装置は、撮影対象物Ｍを高速撮像するため撮像素子１を備えている。図２に示すように、この撮像素子１は、入射光を光電変換する受光画素１１と、撮影時刻の異なる複数枚（例えばＮ枚、ここでは説明の便宜上１０枚とする）のフレームごとに受光画素１１で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個（例えば１０個）の蓄積画素１３ａ〜１３ｊとからなる単位画素１５を複数個有し、撮影後に各蓄積画素１３ａ〜１３ｊの信号電子群を出力するものである。この撮像素子１は、画素周辺記録型固体撮像素子に属するものと言える。図２では、説明の便宜上の理由から、例えば９個の単位画素１５を図示するとともに、各単位画素１５内の蓄積画素を１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊとして図示している。
【００３１】
図２に示すように、受光画素１１は、その周縁端部の除く中央部分に遮光膜の開口部１７が設けられており、この開口部１７から光が入射されるようになっている。受光画素１１を除く画素等（蓄積画素１３ａ〜１３ｊ、転送用画素１９、垂直転送路２１、水平転送路２３、出力アンプ２５）は、光が入射されてノイズとなることを避けるために遮光されている。この受光画素１１には、受光画素１１で生じた信号電子群を蓄積画素１３ａに転送するための、蓄積画素１３ａへの転送用画素１９が接続されている。単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｊは、蓄積画素１３ａ〜１３ｊごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを移動するように、蓄積画素同士を連設させてループ状（環状）に配列されている。
【００３２】
なお、遮光膜の開口部１７を受光画素１１全体の大きさまで広げてしまうと、遮光膜の開口部１７から受光画素１１に入射する光の一部が転送用画素１９にまわり込んで直接に入射されてしまうので、受光画素１１の周縁端部を遮光膜で覆うこととし、転送用画素１９への入射光のまわり込みを防止している。
【００３３】
図２に示すように、この撮像素子１は、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送路２１と、この垂直転送路２１を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送路２３と、この水平転送路２３を介して送られてきた信号電子群を増幅出力するための出力アンプ２５とを備えている。なお、転送される各信号電子群は、垂直転送路２１、水平転送路２３および出力アンプ２５にて混合されたりしないように各々区別して転送されるようになっている。
【００３４】
さらに、この第１実施例の撮像装置は、図１に示すように、撮影対象物Ｍの繰り返し現象についての周期信号を作成する周期信号作成部３と、この周期信号作成部３からの周期信号を蓄積画素１３ａ〜１３ｊの個数倍（Ｎ倍）に逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成部５と、このクロック信号生成部５からのクロック信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように各単位画素１５を制御する制御部７と、撮像素子１から読み出された複数枚（Ｎ枚）のフレームを適宜に表示するための表示部９とを備えている。
【００３５】
なお、上述した周期信号作成部３が本発明の周期信号作成手段に相当し、上述したクロック信号生成部５が本発明のクロック信号生成手段に相当し、上述した制御部７が本発明の制御手段に相当する。
【００３６】
続いて、前述した構成の実施例装置で撮影対象物Ｍの繰り返し現象を撮影する場合について説明する。撮像素子１は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象を所定回数にわたって繰り返し撮影する。また、この撮像素子１は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象の１周期をＮ枚（説明の便宜上１０枚とする）のフレームに分けて撮影し、この１０枚のフレームを１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊにフレーム毎に区別して記録蓄積する。
【００３７】
制御部７は、撮影時において、周期信号作成部３で生成した撮影対象物Ｍの繰り返し現象の周期信号をクロック信号生成部５でＮ倍（ここでは１０倍）に逓倍して得られるクロック信号に従って１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを駆動制御している。例えば、撮影対象物Ｍの繰り返し現象がモータの電機子の回転運動の場合であれば、モータ制御信号あるいはモータ回転出力信号などからクロック信号を得ることができる。すなわち、図３（ａ）に示すように、撮影開始時には蓄積画素１３ａ〜１３ｊは空になっており、撮影開始後に蓄積画素１３ａ〜１３ｊに受光画素１１からの信号電子群がフレーム毎に順次に送られてきて、繰り返し現象の繰り返し周期をＮ（＝１０）分割したＮ相（１０相）の各信号電子群（１０枚のフレームの信号電子群）が１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊにそれぞれ区別して格納される。
【００３８】
具体的には、最初の１周期目の時刻ｔ11でのフレームＦ１の信号電子群が蓄積画素１３ａに記録蓄積される。この蓄積画素１３ａ以降の蓄積画素１３ｂ〜１３ｊには未だ信号電子群が記録蓄積されていない。同周期内の次の時刻ｔ12では、蓄積画素１３ａの信号電子群が次の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、この時刻ｔ12のフレームＦ２の信号電子群が蓄積画素１３ａに記録蓄積される。同周期内の次の時刻ｔ13では、蓄積画素１３ａの信号電子群が次の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、蓄積画素１３ｂの信号電子群が次の蓄積画素１３ｃに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ13のフレームＦ３の信号電子群が蓄積画素１３ａに記録蓄積される。このようにフレーム毎に信号電子群が区別されて蓄積画素１３ａ〜１３ｊに記録蓄積される。そして、各位相の信号電子群は、受光画素１１に連設された転送用画素１９が接続されている特定の蓄積画素１３ａを、この繰り返し現象と同じ周期で通過するので、受光画素１１から新たに送られてきた同位相の信号電子群が新たにこの特定の蓄積画素１３ａで積算されていく。つまり、次の周期（２周期目）の時刻ｔ21では、蓄積画素１３ａには、前の周期（１周期目）の時刻ｔ11でのフレームＦ１の信号電子群が戻ってきて記録蓄積された状態であり、なおかつ、受光画素１１から時刻ｔ21でのフレームＦ１の信号電子群が転送されてくるので、１周期目の時刻ｔ11でのフレームＦ１の信号電子群と、２周期目の時刻ｔ21でのフレームＦ１の信号電子群とがこの蓄積画素１３ａで積算されることになる。
【００３９】
このように、撮影対象物Ｍの繰り返し現象を所定回数にわたって繰り返し撮影して、撮影を終了する。その結果、撮影終了後の１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊには、同位相となる各時刻の信号電子群がそれぞれ積算されている。その後、各単位画素１５の１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊに蓄積された１０枚のフレームの信号電子群を、図３（ｂ）に示すように垂直転送路２１の方へ適宜に送り出し、垂直転送路２１、水平転送路２３、出力アンプ２５を介して読み出して、後述するＡＤコンバータ２７でアナログデジタル変換して最終出力としてのデジタル信号を出力する。
【００４０】
なお、上述したように、単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを、蓄積画素１３ａ〜１３ｊごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを移動するように、蓄積画素同士を連設配列させた過程が本発明における配列過程に相当し、撮影対象物Ｍの繰り返し現象についての周期信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素１３ａで積算するように各単位画素１５を制御する過程が本発明における積算制御過程に相当する。
【００４１】
上述したようにこの第１実施例の撮像素子１によれば、単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｊは、蓄積画素１３ａ〜１３ｊごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを移動するように、蓄積画素同士を連設配列され、単位画素１５内の受光画素１１で新たに生じた信号電子群と、その単位画素１５内の複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを独立して移動する各信号電子群のうちで受光画素１１で新たに生じた信号電子群と関連のある信号電子群とを加算するので、関連性の高い複数枚のフレーム（現象が同じ状態である各時刻のフレーム）それぞれで受光画素１１に生じた信号電子群を同一の蓄積画素１３ａで重畳して各蓄積画素１３ａ〜１３ｊに蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子１内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプ２５で増幅出力されて読み出されるので、出力アンプ２５での増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００４２】
ここで、この第１実施例の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を、図４を用いて説明する。図４は第１実施例の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を説明するための図である。なお、図４では、説明の便宜上、１つの受光画素１１を用いて説明することとし、この受光画素１１に設けられているＮ個（＝１０個）の蓄積画素１３ａ〜１３ｊなどはここでは図示省略している。
【００４３】
図４に示すように、この第１実施例の撮像装置では、高速撮影によって、撮影時刻の異なる複数枚のフレーム（画像）ごとに受光画素１１で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊに記録蓄積し、同位相となるフレーム（現象が同じ状態である各時刻のフレーム）の信号電子群を蓄積画素１３ａで積算する。図４の「Σ」が蓄積画素１３ａに相当する。そして、各蓄積画素１３ａ〜１３ｊに記録蓄積した積算済みの信号（信号電子群）を出力アンプ２５で増幅出力し、この出力アンプ２５からのアナログ出力電圧（あるいは電流）信号をＡＤ（アナログデジタル）コンバータ２７でアナログ信号からデジタル信号に変換して最終出力としてのデジタル信号を出力する。つまり、関連性の高い複数枚のフレーム（同位相となるフレーム）が撮像素子１内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプ２５で増幅出力されて読み出されるので、出力アンプ２５での増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００４４】
また、この第１実施例の撮像装置によれば、上述の撮像素子１を備え、周期信号作成部３は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象についての周期信号を作成し、クロック信号生成部５は、周期信号作成部３からの周期信号を蓄積画素１３ａ〜１３ｊの個数倍に逓倍してクロック信号を生成し、制御部７は、クロック信号生成部５からのクロック信号に基づいて、繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素１３ａに積算するように各単位画素１５を制御するので、関連性の高い複数枚のフレーム（現象が同じ状態である各時刻のフレーム）それぞれで受光画素１１に生じた信号電子群を同一の蓄積画素１３ａで重畳して各蓄積画素１３ａ〜１３ｊに蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子１内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプ２５で増幅出力されて読み出されるので、出力アンプ２５での増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００４５】
＜第２実施例＞
続いて、この発明の第２実施例に係る撮像装置について説明する。図５は第２実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。図６（ａ）〜（ｅ）は線状配列の蓄積画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図である。この第２実施例の撮像装置は、単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを第１実施例のループ状配列から線状配列に替えた撮像素子１を採用したものであり、それ以外については、前述の第１実施例と同様であるので、この第２実施例では線状配列された蓄積画素１３ａ〜１３ｅについて詳細に説明するものとする。
【００４６】
図５に示すように、この第２実施例での単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｅは、複数個（Ｎ個＝例えば５個）設けられている。なお、図５では、紙面の都合上、蓄積画素１３ａ〜１３ｅを５個として図示しており、理解し易いようにこの第２実施例での単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを５個として説明することとする。この第２実施例では、受光画素１１で生じた信号電子群は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象と同じ周期で、単位画素１５内の５個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅ配列内において往復する。つまり、繰り返し現象の半周期で単位画素１５内の５個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅ配列内を上向きに順送りされた後、折り返して残りの半周期で下向きに順送りされる。
【００４７】
具体的には、図６（ａ）に示すように、最初の１周期目の時刻ｔ11でのフレームＦ１の信号電子群が蓄積画素１３ｃに記録蓄積される。この蓄積画素１３ｃ以外の蓄積画素１３ａ，１３ｂ，１３ｄ，１３ｅには未だ信号電子群が記録蓄積されていない。図６（ｂ）に示すように、同周期内の次の時刻ｔ12では、蓄積画素１３ｃの信号電子群が１つ上の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、この時刻ｔ12のフレームＦ２の信号電子群が蓄積画素１３ｃに記録蓄積される。図６（ｃ）に示すように、同周期内の次の時刻ｔ13では、蓄積画素１３ｂの信号電子群が１つ上の蓄積画素１３ａに移動されて記録蓄積されるとともに、蓄積画素１３ｃの信号電子群が１つ上の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ13のフレームＦ３の信号電子群が蓄積画素１３ｃに記録蓄積される。
【００４８】
図６（ｄ）に示すように、同周期内の次の時刻ｔ14では、蓄積画素１３ａ〜１３ｃの信号電子群の移動方向が下方向に変更され、蓄積画素１３ａの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、蓄積画素１３ｂの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｃに移動されて記録蓄積され、蓄積画素１３ｃの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｄに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ14のフレームＦ４の信号電子群が、フレームＦ２の信号電子群が移動されて記録蓄積済みの蓄積画素１３ｃに積算されて、記録蓄積される。つまり、フレームＦ２とフレームＦ４との信号電子群が積算される。フレームＦ２とフレームＦ４とは、同位相の画像つまり現象が同じ状態である時の画像である。
【００４９】
図６（ｅ）に示すように、同周期内の次の時刻ｔ15では、蓄積画素１３ｂの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｃに移動されて記録蓄積されるとともに、蓄積画素１３ｃの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｄに移動されて記録蓄積され、蓄積画素１３ｄの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｅに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ15のフレームＦ５の信号電子群が、フレームＦ１の信号電子群を記録蓄積済みの蓄積画素１３ｃに積算されて、記録蓄積される。つまり、フレームＦ１とフレームＦ５との信号電子群が積算される。フレームＦ１とフレームＦ５とは、同位相の画像つまり現象が同じ状態である時の画像である。
【００５０】
上述したようにこの第２実施例の撮像素子１によれば、単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｅは、蓄積画素１３ａ〜１３ｅごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを移動するように、蓄積画素同士を線状に連設配列され、単位画素１５内の受光画素１１で新たに生じた信号電子群と、その単位画素１５内の複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを独立して移動する信号電子群のうちで受光画素１１で新たに生じた信号電子群と関連のある信号電子群とを加算するので、関連性の高い複数枚のフレーム（現象が同じ状態である各時刻のフレーム）それぞれで受光画素１１に生じた信号電子群を同一の蓄積画素１３ｃに重畳して各蓄積画素１３ａ〜１３ｅに蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子１内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプ２５で増幅出力されて読み出されるので、出力アンプ２５での増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。特に、物体の往復運動（例えばエンジンのピストンの往復運動など）の高速撮影に有効である。
【００５１】
＜第３実施例＞
続いて、この発明の第３実施例に係る撮像装置について説明する。図７は第３実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。図８（ａ）はループ状配列の蓄積画素内に組み込まれた受光画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示した各蓄積画素の信号電子群の読み出し状態を示す図である。前述の第１実施例の撮像素子１では、ループ配列された蓄積画素１３ａ〜１３ｊ外に受光画素１１を設けていたが、この第３実施例では、ループ状配列の蓄積画素１３ａ〜１３ｋ内に受光画素１１を組み込んだ撮像素子１を採用しており、それ以外については、前述の第１実施例と同様であるので、この第３実施例ではループ状配列の蓄積画素１３ａ〜１３ｋ内に組み込まれた受光画素１１について詳細に説明するものとする。
【００５２】
図７に示すように、この第３実施例での単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｋは、複数個（Ｎ個）設けられている。なお、図７では、紙面の都合上、蓄積画素１３ａ〜１３ｋを１１個として図示しており、理解し易いようにこの第３実施例での単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｋを１１個として説明することとする。この第３実施例では、受光画素１１で生じた信号電子群は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象と同じ周期で、単位画素１５内の受光画素１１および１１個の蓄積画素１３ａ〜１３ｋ配列内において循環移動する。つまり、受光画素１１で新たに生じた信号電子群と、蓄積画素１３ａ〜１３ｋに記録蓄積済みの信号電子群との加算が、受光画素１１自体で行われるものである。
【００５３】
具体的には、最初の１周期目の時刻ｔ11でのフレームＦ１の信号電子群が受光画素１１に記録蓄積される。各蓄積画素１３ａ〜１３ｋには未だ信号電子群が記録蓄積されていない。同周期内の次の時刻ｔ12では、受光画素１１の信号電子群が蓄積画素１３ａに移動されて記録蓄積されるとともに、この時刻ｔ12のフレームＦ２の信号電子群が受光画素１１に記録蓄積される。同周期内の次の時刻ｔ13では、蓄積画素１３ａの信号電子群が次の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、受光画素１１の信号電子群が蓄積画素１３ａに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ13のフレームＦ３の信号電子群が受光画素１１に記録蓄積される。このようにフレーム毎に信号電子群が区別されて受光画素１１および蓄積画素１３ａ〜１３ｋに記録蓄積される。そして、各位相の信号電子群は、受光画素１１を繰り返し現象と同じ周期で通過するので、受光画素１１で生じた同位相の信号電子群が新たにこの受光画素１１自体で加算されていく。つまり、次の周期（２周期目）の時刻ｔ21では、受光画素１１には、前の周期（１周期目）の時刻ｔ11でのフレームＦ１の信号電子群が戻ってきて記録蓄積された状態であり、なおかつ、時刻ｔ21でのフレームＦ１の信号電子群が生じることになるので、１周期目の時刻ｔ11でのフレームＦ１の信号電子群と、２周期目の時刻ｔ21でのフレームＦ１の信号電子群とがこの受光画素１１で積算されることになる。
【００５４】
このように、撮影対象物Ｍの繰り返し現象を所定回数にわたって繰り返し撮影して、撮影を終了する。その結果、撮影終了後の受光画素１１および１１個の蓄積画素１３ａ〜１３ｋには、同位相となる各時刻の信号電子群がそれぞれ積算されている。その後、各単位画素１５の受光画素１１および１１個の蓄積画素１３ａ〜１３ｋに蓄積されたＮ枚のフレームの信号電子群を、図８（ｂ）に示すように垂直転送路２１の方へ適宜に送り出し、垂直転送路２１、水平転送路２３、出力アンプ２５を介して読み出して、ＡＤコンバータ２７でアナログデジタル変換して最終出力としてのデジタル信号を出力する。
【００５５】
上述したようにこの第３実施例の撮像素子１によれば、前述の第１実施例と同様の効果を有するとともに、受光画素１１を加算素子として活用できる。
【００５６】
＜第４実施例＞
続いて、この発明の第４実施例に係る撮像装置について説明する。図９は第４実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。図１０は２個の蓄積部と受光部とで同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図である。
【００５７】
この第４実施例の撮像装置は、複数個の受光画素３１からなる受光部３３を、複数個の蓄積画素４１からなる蓄積部４３と、複数個の蓄積画素５１からなる蓄積部５３とで挟むように、蓄積部４３を受光部３３の上部に配置し、蓄積部５３を受光部３３の下部に配置し、信号電子群が蓄積部４３，５３と受光部３３の間を往復できるようにし、撮影後に各信号電子群を読み出すようにしたものである。つまり、複数個の垂直転送ＣＣＤからなる受光部の下側に、複数個の蓄積画素からなる蓄積部を配置したフレームトランスファ型のＣＣＤ（Charge-Coupled Devices）において、受光部の上側にも蓄積部を設けて、これらを画素周辺記録型撮像素子に変形した上で、信号電子群が蓄積部と受光部の間を往復できるようにしたものであると言える。
【００５８】
前述の第１〜３実施例の撮像素子１および撮像装置は、主に信号光量が弱く高速繰り返し現象の２次元空間像を連続記録する目的に用いられるが、この第４実施例の撮像素子１および撮像装置は、高速ではないが同様に信号光が微弱である測定用途に用いることができるものであり、例えば、目的とする信号が背景信号に比べて微弱であって、照明光を周期的に変調してロックイン測定を行う場合に有用である。このような微弱光測定で用いられるロックイン測定としては、例えば、レーザー光をオン・オフして被測定物（物質）に照射して蛍光観察（スペクトル測定）する、つまり、レーザー光を被測定物に照射して励起した場合に、その被測定物からどの波長の蛍光が得られるかを測定するものが挙げられる。しかし、レーザー光をオンして被測定物に照射した際に得られる被測定物からの蛍光は非常に微弱であり、外乱光や検出器自体のオフセットなどによる背景信号の方が大きく、その微弱信号は背景信号に埋もれた状態にある。そこで、レーザー光をオン・オフして被測定物（物質）に照射して得られた信号を例えば差分することで、背景信号をキャンセルし、目的の蛍光、つまり、微弱信号のみを取り出すことができる。横軸が波長で縦軸が強度とする座標上に、例えば、ある波長をピークとするような特性分布が得られる。
【００５９】
図９に示すように、この第４実施例の撮像素子１は、複数個（例えば、図９では３個）の受光画素３１からなる受光部３３を、複数個（例えば、図９では３個）の蓄積画素４１，５１からなる蓄積部４３，５３で挟むように、蓄積部４３，５３を受光部３３の上下２箇所に配置して構成されている単位画素１５が横方向に複数個（例えば、図９では１２個）並設され、下側の蓄積部５３に連通された垂直転送路２１と、この垂直転送路２１に連通された水平転送路２３と、出力アンプ２５とを備えたものである。また、受光部３３と蓄積部４３，５３との間には、ダミー画素６１が設けられている。ダミー画素６１は、受光画素３１に照射されるべき光が蓄積画素４１，５１にまわり込んで入射されるのを防止するためのものである。なお、この第４実施例では、図９に示すように、上下方向である縦方向に１１画素（２個のダミー画素６１を含む）、横方向に単位画素１５を１２画素設けた場合について説明するが、縦方向に１００画素、横方向に単位画素を１０２４画素設ける場合等種々の場合がある。
【００６０】
この第４実施例では、信号電子群は、被測定物の繰り返し現象と同じ周期、つまり、レーザー光のオン・オフの２つの状態に同期して、単位画素１５における受光部３３および２個の蓄積部４３，５３配列内において往復移動し、受光部３３の各受光画素３１で新たに生じた各信号電子群と、蓄積部４３，５３の各蓄積画素４１，５１に記録蓄積済みの各信号電子群との加算が、受光部３３自体で行われる。
【００６１】
この第４実施例では、例えば、１ｍｓ（ミリ秒）毎にレーザー光のオン・オフを切り替えるものとし、その切り替えた際の最初の１０μｓ（マイクロ秒）間（１ｍｓの期間のうちの最初の１０μｓの間）で信号電子群の受光部３３−蓄積部４３，５３間の移動が行われるものとする。このように、受光部３３の受光画素３１を通過して蓄積部４３，５３の対応する蓄積画素４１，５１まで信号電子群を移動させる移動時間（１０μｓ）が、露光時間（１ｍｓ）に比べて十分に小さい場合には、露光時間中に信号電子群の移動時間があっても、この移動時間が露光時間に比べて十分に短時間であるので、この移動時間における影響を量的に無視できる。
【００６２】
具体的には、図１０（ａ）に示すように、最初の１周期の前半期間である、レーザー光をオンした露光期間ｔon（１ｍｓ）に被測定物を撮像することで、蛍光信号および背景信号による信号電子群が受光部３３に生じる。このとき、受光部３３の３個の受光画素３１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆon１１」、フレーム「Ｆon１２」、フレーム「Ｆon１３」の信号電子群が記録蓄積されているとする。
【００６３】
そして、図１０（ｂ）に示すように、その１周期の後半期間である、レーザー光をオフした露光期間ｔoff （１ｍｓ）となると、露光期間ｔoff の開始から１０μｓの間において、受光部３３に発生した信号電子群を下側の蓄積部５３に移動させるとともに、この露光期間ｔoff （１ｍｓ）に被測定物を撮像することで、背景信号のみによる信号電子群が受光部３３に生じる。このとき、受光部３３の３個の受光画素３１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆoff １１」、フレーム「Ｆoff １２」、フレーム「Ｆoff １３」の信号電子群が記録蓄積されており、下側の蓄積部５３の３個の蓄積画素５１には、上から順に、フレーム「Ｆon１１」、フレーム「Ｆon１２」、フレーム「Ｆon１３」の信号電子群が移動して記録蓄積されている。
【００６４】
そして、図１０（ｃ）に示すように、次の１周期の前半期間である、レーザー光をオンした露光期間ｔon（１ｍｓ）となると、露光期間ｔonの開始から１０μｓの間において、受光部３３に発生した信号電子群を上側の蓄積部４３に移動させるとともに、下側の蓄積部５３に蓄積済みのレーザー光オン時に発生した信号電子群を受光部３３に移動させ、この露光期間ｔon（１ｍｓ）に被測定物を撮像することで、受光部３３に生じた蛍光信号および背景信号による信号電子群と、下側の蓄積部５３から移動されたレーザー光オン時の信号電子群とが、受光部３３で積算される。このとき、上側の蓄積部４３の３個の蓄積画素４１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆoff １１」、フレーム「Ｆoff １２」、フレーム「Ｆoff １３」の信号電子群が移動して記録蓄積されており、受光部３３の３個の受光画素３１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆon１１＋Ｆon２１」、フレーム「Ｆon１２＋Ｆon２２」、フレーム「Ｆon１３＋Ｆon２３」の信号電子群が記録蓄積されている。
【００６５】
そして、図１０（ｄ）に示すように、その１周期の後半期間である、レーザー光をオフした露光期間ｔoff （１ｍｓ）となると、露光期間ｔoff の開始から１０μｓの間において、受光部３３で積算された信号電子群を下側の蓄積部５３に移動させるとともに、上側の蓄積部４３に蓄積済みのレーザー光オフ時に発生した信号電子群を受光部３３に移動させ、この露光期間ｔoff （１ｍｓ）に被測定物を撮像することで、受光部３３に生じた背景信号のみによる信号電子群と、上側の蓄積部４３から移動されたレーザー光オフ時の信号電子群とが、受光部３３で積算される。このとき、受光部３３の３個の受光画素３１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆoff １１＋Ｆoff ２１」、フレーム「Ｆoff １２＋Ｆoff ２２」、フレーム「Ｆoff １３＋Ｆoff ２３」の信号電子群が記録蓄積されており、下側の蓄積部５３の３個の蓄積画素５１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆon１１＋Ｆon２１」、フレーム「Ｆon１２＋Ｆon２２」、フレーム「Ｆon１３＋Ｆon２３」の信号電子群が移動して記録蓄積されている。
【００６６】
このように、被測定物へのレーザー光のオン・オフ照射した現象を所定回数にわたって繰り返し撮影して、撮影を終了する。その結果、撮影終了後の受光部３３および蓄積部４３，５３の一方側には、同位相となる各期間、つまり、レーザー光がオンである期間とオフである期間の信号電子群がそれぞれ積算されている。その後、各単位画素１５の受光部３３および蓄積部４３，５３の一方側に蓄積された２枚のフレームの信号電子群を、図９に示すように垂直転送路２１の方へ適宜に送り出し、垂直転送路２１、水平転送路２３、出力アンプ２５を介して読み出して、ＡＤコンバータ２７でアナログデジタル変換して最終出力としてのデジタル信号を出力する。
【００６７】
上述したようにこの第４実施例の撮像素子１によれば、レーザー光がオンである位相時刻の積分画像と、レーザー光がオフである位相時刻の積分画像との差分をとることにより、Ｓ／Ｎ比の高い目的信号を得ることができる。
【００６８】
＜第５実施例＞
続いて、この発明の第５実施例に係る撮像装置について説明する。図１１（ａ）〜（ｃ）は、異なる単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を垂直転送路で積算することを説明するための図である。この第５実施例の撮像装置は、前述の第１実施例のように単位画素１５内で信号電子群の加算を行った後に、異なる単位画素１５（つまり、同一の垂直転送路２１に存在する複数個の単位画素１５）での同位相時の蓄積画素（例えば蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を垂直転送路２１で積算するものであり、それ以外については、前述の第１実施例と同様であるので、この第５実施例では異なる単位画素１５の対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を垂直転送路２１において積算することについて詳細に説明するものとする。
【００６９】
前述の第１実施例でも説明したように、第５実施例の撮像素子１は、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送路２１と、この垂直転送路２１を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送路２３と、この水平転送路２３を介して送られてきた信号電子群を増幅出力するための出力アンプ２５とを備えている。
【００７０】
図１に示した制御部７は、さらに、垂直転送路２１において、複数個（説明の便宜上、例えば２個）の単位画素１５での対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を加算するように転送制御する機能を有している。なお、上述した制御部７が本発明の転送制御手段に相当する。
【００７１】
なお第５実施例では、より理解し易くするために、図１１に示すように、同一の垂直転送路２１に存在する２個の単位画素１５の蓄積画素１３ａ同士の信号電子群が垂直転送路２１で積算される様子を一例に挙げて説明することとする。
【００７２】
図１１（ａ）に示すように、制御部７による制御により、同一の垂直転送路２１に存在する２個の単位画素１５のうちの図１１の紙面上側の単位画素１５（第ｎ本目の水平走査線に対応する単位画素１５であり、この第５実施例において第１単位画素１５ａと呼ぶ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１と、この単位画素１５の下側の単位画素１５（第ｎ＋１本目の水平走査線に対応する単位画素１５であり、この第５実施例において第２単位画素１５ｂと呼ぶ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ２１とがそれぞれ垂直転送路２１の各セルＣＶ１，ＣＶ２に個別に転送される。
【００７３】
続いて、図１１（ｂ）に示すように、制御部７による制御により、垂直転送路２１のセルＣＶ１に蓄積された第１単位画素１５ａの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ11をセルＣＶ２に転送させて、このセルＣＶ２において第１単位画素１５ａの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ11と第２単位画素１５ｂの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ21とを加算する。
【００７４】
続いて、図１１（ｃ）に示すように、制御部７による制御により、セルＣＶ２に蓄積された信号電子群Ｓ11＋Ｓ21が水平転送路２３に転送される。つまり、２個の単位画素１５（第１単位画素１５ａと第２単位画素１５ｂ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ11，信号電子群Ｓ21を加算した信号電子群が水平転送路２３に転送される。
【００７５】
なお、同一の垂直転送路２１に存在する２個の単位画素１５の蓄積画素１３ｂ〜１３ｊなどについても前述と同様に垂直転送路２１において積算されるし、同一の垂直転送路２１に存在する２個以上の単位画素１５の対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を垂直転送路２１において積算することもできる
【００７６】
上述したようにこの第５実施例の撮像素子１によれば、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送路２１と、この垂直転送路２１において、複数個の単位画素１５のうちで少なくとも２個以上の単位画素１５での対応する蓄積画素（例えば、蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を加算するように転送制御する制御部７とを備えているので、異なる単位画素１５間で対応する蓄積画素（例えば、蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を加算でき、撮像素子１で取得した光画像信号の処理の自由度を向上させることができる。
【００７７】
＜第６実施例＞
続いて、この発明の第６実施例に係る撮像装置について説明する。図１２（ａ）〜（ｃ）は、異なる単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を水平転送路で積算することを説明するための図である。この第６実施例の撮像装置は、前述の第１実施例のように単位画素１５内で信号電子群の加算を行った後に、異なる単位画素１５（水平転送路２３に接続されている複数個の単位画素１５）での同位相時の蓄積画素（例えば蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を水平転送路２３で積算するものであり、それ以外については、前述の第１実施例と同様であるので、この第６実施例では異なる単位画素１５の対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を水平転送路２３において積算することについて詳細に説明するものとする。
【００７８】
前述の第１実施例でも説明したように、第６実施例の撮像素子１は、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送路２１と、この垂直転送路２１を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送路２３と、この水平転送路２３を介して送られてきた信号電子群を増幅出力するための出力アンプ２５とを備えている。
【００７９】
図１に示した制御部７は、さらに、水平転送路２３において、複数個（説明の便宜上、例えば２個）の単位画素１５での対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を加算するように転送制御する機能を有している。なお、上述した制御部７が本発明の転送制御手段に相当する。
【００８０】
なお第６実施例では、より理解し易くするために、図１２に示すように、水平転送路２３に接続されている２個の単位画素１５の蓄積画素１３ａ同士の信号電子群が水平転送路２３で積算される様子を一例に挙げて説明することとする。
【００８１】
図１２（ａ）に示すように、制御部７による制御により、水平転送路２３に接続されている２個の単位画素１５のうちの図１２の紙面左側の単位画素１５（第６実施例において第１単位画素１５ａと呼ぶ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１と、この単位画素１５の右側の単位画素１５（第６実施例において第２単位画素１５ｂと呼ぶ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ２１とがそれぞれ垂直転送路２１の各セルＣＶ１に個別に転送される。
【００８２】
続いて、図１２（ｂ）に示すように、制御部７による制御により、垂直転送路２１のセルＣＶ１に蓄積された第１単位画素１５ａの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ11を水平転送路２３のセルＣＨ１に転送させるとともに、垂直転送路２１のセルＣＶ１に蓄積された第２単位画素１５ｂの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ21も水平転送路２３のセルＣＨ１に転送させる。
【００８３】
続いて、図１２（ｃ）に示すように、制御部７による制御により、水平転送路２３のセルＣＨ２に蓄積された第２単位画素１５ｂの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ21を水平転送路２３のセルＣＨ１に転送させる。すなわち、水平転送路２３のセルＣＨ１において、第１単位画素１５ａの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ11と第２単位画素１５ｂの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ21とを加算する。
【００８４】
そして、セルＣＶ２に蓄積された信号電子群Ｓ11＋Ｓ21が出力アンプ２５（図２参照）に転送される。つまり、２個の単位画素１５（第１単位画素１５ａと第２単位画素１５ｂ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ11，信号電子群Ｓ21を加算した信号電子群が出力アンプ２５に転送される。
【００８５】
なお、２個の単位画素１５の蓄積画素１３ｂ〜１３ｊなどについても前述と同様に水平転送路２３において積算されるし、２個以上の単位画素１５の対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を水平転送路２３において積算することもできる。
【００８６】
上述したようにこの第６実施例の撮像素子１によれば、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を水平方向に転送するための水平転送路２３と、この水平転送路２３において、複数個の単位画素１５のうちで少なくとも２個以上の単位画素１５での対応する蓄積画素（例えば、蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を加算するように転送制御する制御部７とを備えているので、異なる単位画素１５間で対応する蓄積画素（例えば、蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を加算でき、撮像素子１で取得した光画像信号の処理の自由度を向上させることができる。
【００８７】
この発明は、上記の実施例に限られるものではなく、以下のように変形実施することも可能である。
【００８８】
（１）第２実施例では、図５に示すように、複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを直線状に配列させているが、曲線状または多角線状に配列させてもよい。
【００８９】
（２）第４実施例では、レーザー光がオン・オフとなる２フレーム分のデータを取得するようにしているが、上下の蓄積部４３，５３の蓄積画素４１，５１の個数をそれぞれ同等に増加させることでさらに複数のフレーム分のデータを取得することもできる。例えば、上下の蓄積部４３，５３にそれぞれ９個の蓄積画素４１，５１を設けた場合には、この蓄積部４３，５３で３フレーム分および受光部３３で１フレーム分記録蓄積でき、合せて４フレーム分のデータを取得することができる。
（３）第５実施例では、垂直方向の複数個の単位画素間で信号電子群を加算し、第６実施例では、水平方向の複数個の単位画素間で信号電子群を加算しているが、垂直方向および水平方向の複数個の単位画素間で信号電子群を加算するようにしてもよい。垂直方向および水平方向の複数個の単位画素間で信号電子群を加算する場合には、第５実施例および第６実施例での加算方法を利用することで実現できる。
（４）第５，第６実施例では、複数個の単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を加算しているが、複数個の単位画素での異位相時の蓄積画素同士の信号電子群を加算してもよい。制御部７により、垂直転送路２１または水平転送路２３の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを加算するように転送制御することで実現可能である。つまり、垂直方向または水平方向の少なくとも一方の複数個の単位画素間での異位相時の蓄積画素同士の信号電子群を加算する場合には、第５実施例および第６実施例での加算方法を変形することで実現できる。
（５）第１実施例および第２実施例では、図２，図５に示すように、単一の受光画素１１と複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅとから単位画素１５を構成しているが、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、複数個（例えば２個）の受光画素１１と、複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅとを備え、かつ、一の蓄積画素１３ａに複数個（例えば２個）の受光画素１１を連設させて構成してもよい。例えば２個の受光画素１１で生じた信号電子群を一の蓄積画素１３ａで加算できる。また、第１の透過波長の光学フィルタを一方の受光画素１１に設け、第１の透過波長とは異なる第２の透過波長の光学フィルタを他方の受光画素１１に設けること等ができ、一の透過波長の光画像信号と他の透過波長の光画像信号とを加算した光画像信号を得ることができる。つまり、単位画素１５内の複数個の受光画素１１で生じた信号電子群を当該単位画素１５内の蓄積画素１３ａで加算することができ、一方の受光画素１１での受光波長と、他方の受光画素１１での受光波長を変えて受光するなど、光画像信号の各種処理の自由度を向上させることができる。
【００９０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる、つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ（読み出しノイズ）は１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。
【図３】（ａ）はループ状配列の蓄積画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図であり、（ｂ）は（ａ）に示した各蓄積画素の信号電子群の読み出し状態を示す図である。
【図４】第１実施例の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を説明するための図である。
【図５】第２実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は線状配列の蓄積画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図である。
【図７】第３実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。
【図８】（ａ）はループ状配列の蓄積画素内に組み込まれた受光画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図であり、（ｂ）は（ａ）に示した各蓄積画素の信号電子群の読み出し状態を示す図である。
【図９】第４実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。
【図１０】２個の蓄積部と受光部とで同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、異なる単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を垂直転送路で積算することを説明するための図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、異なる単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を水平転送路で積算することを説明するための図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、複数個の受光画素と複数個の蓄積画素とを備えた単位画素を説明するための図である。
【図１４】従来の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を説明するための図である。
【符号の説明】
１ … 撮像素子
３ … 周期信号作成部（周期信号作成手段）
５ … クロック信号生成部（クロック信号生成手段）
７ … 制御部（制御手段）
１１ … 受光画素
１３ａ〜１３ｋ … 蓄積画素
１５ … 単位画素
３１ … 受光画素
３３ … 受光部
４１，５１ … 蓄積画素
４３，５３ … 蓄積部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging device and an imaging apparatus that perform high-speed imaging such as a pixel peripheral recording solid-state imaging device, and more particularly to a technique for obtaining an image with a high S / N ratio during high-speed imaging.
[0002]
[Prior art]
As a conventional imaging device, for example, there is a video camera that realizes high-speed shooting such as 1 million frames / second. This image pickup apparatus realizes high-speed shooting by including an image pickup device called a “pixel peripheral recording solid-state image pickup device” as described below. This pixel peripheral recording type solid-state imaging device stores light-receiving pixels that photoelectrically convert incident light and signal electron groups generated at the light-receiving pixels for each of a plurality of frames (images) having different shooting times for each frame. The solid-state imaging device has a plurality of unit pixels composed of a plurality of storage pixels and outputs a signal electron group of each storage pixel after high-speed imaging. In this way, after a plurality of frames are accumulated and recorded on the image sensor separately for each frame, the recorded plurality of frames are read out from the image sensor to the outside so that the reading time is not limited at a high speed. Continuous image recording is possible.
[0003]
In high-speed shooting (for example, 1 million images / second), the exposure time is shorter than in normal shooting, so the performance of the illumination device used for high-speed shooting and the heat generation of the subject due to illumination light irradiation must be prevented. In many cases, a sufficient amount of light cannot be secured during high-speed shooting due to problems such as incompatibility.
[0004]
By the way, the phenomenon that is the subject of this high-speed shooting is often a repetitive phenomenon. Examples of this repetitive phenomenon include various types such as a reciprocating motion of an engine piston or the like and a rotational motion of a motor rotor or the like. In the observation of repetitive phenomena, it is common to improve the S / N ratio by integrating signals at each time in the same phase, that is, signals at each time in which the phenomenon is in the same state (a highly relevant signal). It is known that if this principle is applied to high-speed imaging and signals of the same phase are integrated, an image can be observed with a high S / N ratio even in a low-illuminance illumination device. FIG. 14 is a diagram for explaining the accumulation process of the repetitive phenomenon by the conventional imaging apparatus using this principle. In FIG. 14, for the sake of convenience of explanation, the description will be made using one light receiving pixel 101, and a plurality of accumulation pixels provided in the light receiving pixel 101 are not shown here. As shown in FIG. 14, in the conventional imaging apparatus, a signal electron group generated in the light receiving pixel 101 for each of a plurality of frames (images) having different shooting times by high-speed shooting is distinguished for each frame and a plurality of storage pixels. The signal (signal electron group) recorded and accumulated in each accumulated pixel is amplified and output individually and sequentially by the output amplifier 103, and an analog output voltage (or current) signal from the output amplifier 103 is obtained. An AD (analog-digital) converter 105 converts an analog signal into a digital signal, and among the digital signals from the AD converter 105, a digital signal having the same phase, that is, a digital signal at each time in which the phenomenon is in the same state is classified by phase ( The digital signal is integrated by the signal integrator 107 and a digital signal as a final output is output. As described above, in the conventional image pickup apparatus, the image signals at the respective times are read from the image pickup element, and then the image signals having the same phase are integrated.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional example having such a configuration has the following problems.
That is, in the conventional imaging apparatus, as shown in FIG. 14, the same phase signal (signal electron group) from the imaging device obtained by a series of observations is read out a plurality of times (for the number of integrations). Read noise (1 / f noise, shot noise, etc.) is superimposed on the signal by the output amplifier 103, and there is a problem that the S / N ratio is lowered.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an imaging element and an imaging apparatus capable of obtaining an image with a high S / N ratio during high-speed imaging.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the present invention has the following configuration.
That is, the invention according to claim 1 is for distinguishing and storing light-receiving pixels that photoelectrically convert incident light and signal electron groups generated in the light-receiving pixels for each of a plurality of frames having different shooting times. In an imaging device having a plurality of unit pixels each composed of a plurality of storage pixels and outputting a signal electron group of each storage pixel after photographing, (a) the storage pixels in the unit pixel are (B) The unit is configured such that the storage pixels are arranged in a row or the storage pixel is sandwiched between the storage pixels so that each signal electron group independently moves the plurality of storage pixels. A signal electron group newly generated in the light receiving pixel in the pixel and a signal electron group associated with the signal electron group of the light receiving pixel among the signal electron groups independently moving the plurality of accumulation pixels in the unit pixel. is there Frame The signal electron group is added.
[0008]
(Operation / Effect) According to the first aspect of the present invention, the light receiving pixel that photoelectrically converts incident light and the signal electron group generated in the light receiving pixel for each of a plurality of frames having different photographing times are distinguished for each frame. In an image sensor that has a plurality of unit pixels composed of a plurality of storage pixels for storage and outputs a signal electron group of each storage pixel after shooting, the storage pixel in the unit pixel is a signal for each storage pixel. In order for the electron group to independently move the plurality of storage pixels, the storage pixels are arranged in a row or arranged with a light receiving pixel sandwiched between certain storage pixels. And the signal electron group of the light receiving pixel among the signal electron groups that independently move the plurality of storage pixels in the unit pixel. Frame Since the signal electron group is added, the signal electron group generated in the light receiving pixel in each of a plurality of highly relevant frames can be superimposed and accumulated on the same accumulation pixel. In other words, since a plurality of highly relevant frames are integrated in the image sensor to form a single frame, the amplified output is read out by the output amplifier, so that noise generated during the amplified output by the output amplifier, that is, The readout noise is only once, and an image with a high S / N ratio is obtained.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the image pickup device according to the first aspect, (c) the accumulation pixel in the unit pixel includes a plurality of signal electron groups independently for each accumulation pixel. The accumulating pixels are arranged in a linear or annular manner so that the accumulating pixels are cyclically or reciprocally moved, or are arranged linearly or annularly with a light receiving pixel between the accumulating pixels, and (d) the unit A signal electron group newly generated in the light receiving pixel in the pixel, and a signal electron group of the light receiving pixel among the signal electron groups circulating or reciprocating in the array of the plurality of accumulation pixels in the unit pixel; Related Frame The signal electron group is added.
[0010]
(Operation / Effect) According to the invention described in claim 2, in the accumulation pixel in the unit pixel, each signal electron group for each accumulation pixel independently moves or reciprocates these plural accumulation pixels. In addition, the storage pixels are arranged in a linear or annular manner, or are arranged in a linear or annular manner with a light receiving pixel sandwiched between certain storage pixels, and newly generated signal electron groups in the light receiving pixels in the unit pixel Among the signal electron groups that circulate or reciprocate in the array of the plurality of storage pixels in the unit pixel, the signal electron group of the light receiving pixel is related Frame Since the signal electron group is added, the signal electron group generated in the light receiving pixel in each of a plurality of highly relevant frames can be superimposed and accumulated on the same accumulation pixel. In other words, since a plurality of highly relevant frames are integrated in the image sensor to form a single frame, the amplified output is read out by the output amplifier, so that noise generated during the amplified output by the output amplifier, that is, The readout noise is only once, and an image with a high S / N ratio is obtained.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the image pickup device according to the first or second aspect, the transfer means for transferring the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel in a predetermined direction. And transfer control means for performing transfer control so as to add signal electron groups of corresponding storage pixels in at least two or more unit pixels among the plurality of unit pixels. It is characterized by.
[0012]
(Operation and Effect) According to the invention described in claim 3, the transfer means transfers the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel in a predetermined direction. The transfer control means performs transfer control in the transfer means so as to add the signal electron groups of the corresponding accumulated pixels in at least two or more unit pixels among the plurality of unit pixels. Therefore, it is possible to add the signal electron groups of the storage pixels corresponding to different unit pixels.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the image pickup device according to the third aspect, the transfer means is a vertical transfer means for transferring a signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel in the vertical direction. And horizontal transfer means for transferring each signal electron group sent via the vertical transfer means in the horizontal direction, wherein the transfer control means is at least one of the vertical transfer means or the horizontal transfer means In the above, transfer control is performed such that signal electron groups of corresponding storage pixels in at least two unit pixels among a plurality of unit pixels are added.
[0014]
(Operation and Effect) According to the invention described in claim 4, the vertical transfer means transfers the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel in the vertical direction. The horizontal transfer means transfers each signal electron group sent via the vertical transfer means in the horizontal direction. The transfer control means performs transfer control in at least one of the vertical transfer means and the horizontal transfer means so as to add the signal electron groups of the corresponding accumulated pixels in at least two unit pixels among the plurality of unit pixels. To do. Therefore, the signal electron groups of the storage pixels corresponding to different unit pixels can be added in at least one of the vertical transfer means and the horizontal transfer means.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, in the imaging device according to the fourth aspect, the transfer control means includes at least one of a plurality of unit pixels in at least one of the vertical transfer means and the horizontal transfer means. The transfer control is performed such that the signal electron groups of the storage pixels at the same photographing time in two or more unit pixels are added.
[0016]
(Operation / Effect) According to the invention described in claim 5, the transfer control means is configured such that at least one of the plurality of unit pixels in at least one of the vertical transfer means and the horizontal transfer means. Transfer control is performed such that signal electron groups of accumulated pixels at the same shooting time are added. Therefore, the signal electron groups of the accumulated pixels at the same photographing time in at least two unit pixels among the plurality of unit pixels can be added in at least one of the vertical transfer unit and the horizontal transfer unit.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in the image pickup device according to the fourth aspect, the transfer control unit is configured to select a predetermined one of a plurality of unit pixels in at least one of the vertical transfer unit and the horizontal transfer unit. The transfer control is performed so that the signal electron group of the accumulation pixel at one shooting time in a number of unit pixels and the signal electron group of the accumulation pixel at another corresponding shooting time in the remaining unit pixels are added. It is a feature.
[0018]
(Operation / Effect) According to the invention described in claim 6, the transfer control means is configured such that at least one of the plurality of unit pixels in one of the vertical transfer means and the horizontal transfer means Transfer control is performed so as to add the signal electron group of the accumulation pixel at the photographing time and the signal electron group of the accumulation pixel at the corresponding other photographing time in the remaining unit pixels. Therefore, the signal electron group of the storage pixel at one shooting time in a predetermined number of unit pixels among the plurality of unit pixels and the signal electron group of the storage pixel at the corresponding other shooting time in the remaining unit pixels Can be added in at least one of the vertical transfer means and the horizontal transfer means.
[0019]
The invention according to claim 7 includes the imaging device according to any one of claims 1 to 6, and (A) a periodic signal creating means for creating a periodic signal for a repetitive phenomenon of an object to be photographed. (B) a clock signal generating means for generating a clock signal by multiplying the periodic signal from the periodic signal generating means by the number of times of the accumulated pixels; and (C) based on the clock signal from the clock signal generating means. An imaging apparatus comprising: control means for controlling each unit pixel so as to integrate the signal electron group at each time when the repetitive phenomenon is in phase with the same accumulation pixel.
[0020]
(Operation / Effect) According to the invention described in claim 7, the image pickup device according to any one of claims 1 to 6 is provided, and the periodic signal creating means is a periodic signal for a repetitive phenomenon of the photographing object. The clock signal generating means generates a clock signal by multiplying the periodic signal from the periodic signal generating means by the number of accumulated pixels, and the control means is based on the clock signal from the clock signal generating means, Each unit pixel is controlled so that the signal electron group at each time when the repetitive phenomenon has the same phase is added to the same accumulation pixel, so the signal electron group generated in the light receiving pixel in each of a plurality of highly related frames. It is possible to superimpose and accumulate on the same accumulation pixel. In other words, since a plurality of highly relevant frames are integrated in the image sensor to form a single frame, the amplified output is read out by the output amplifier, so that noise generated during the amplified output by the output amplifier, that is, The readout noise is only for one time, and an imaging device capable of obtaining an image with a high S / N ratio can be provided.
[0021]
The present specification also discloses the following imaging device and driving method thereof.
[0022]
(1) In the imaging device according to claim 2,
Further, a transfer means for transferring the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel in a predetermined direction, and an amplification output means for amplifying and outputting each signal electron group sent via the transfer means. An image pickup device comprising:
[0023]
According to the imaging element described in (1), the transfer unit transfers the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel in a predetermined direction. The amplification output means amplifies and outputs each signal electron group sent via the transfer means. Therefore, since a plurality of highly relevant frames are integrated in the image sensor to form one frame and then amplified and output by the output amplifier and read out, noise generated during amplification output by the output amplifier, that is, The readout noise is only once, and an image with a high S / N ratio is obtained.
[0024]
(2) A plurality of light-receiving pixels that photoelectrically convert incident light and a plurality of signal-electron groups generated by the plurality of light-receiving pixels for each of a plurality of frames having different photographing times and stored separately for each frame In the imaging device that has a plurality of unit pixels each of which is a storage pixel and outputs a signal electron group of each storage pixel after photographing, (a ′) the storage pixels in the unit pixel are each of the storage pixels. The storage pixels are arranged in a row so that the signal electron group independently moves the plurality of storage pixels, and the plurality of light receiving pixels are connected to one storage pixel, and (b ′) The plurality of light receiving pixels among the signal electron group newly generated in the plurality of light receiving pixels in the unit pixel and each signal electron group independently moving the plurality of accumulation pixels in the unit pixel. Group of signal electrons related to Imaging device characterized by adding in the unit pixel a.
[0025]
According to the imaging device described in (2), the unit pixel includes a plurality of light receiving pixels and a plurality of storage pixels, and the plurality of light receiving pixels are connected to one storage pixel. Therefore, the signal electron group generated in the plurality of light receiving pixels in the unit pixel can be added in the storage pixel in the unit pixel, the light receiving wavelength in one light receiving pixel and the light receiving pixel in the other light receiving pixel. It is possible to improve the degree of freedom of various processing of the optical image signal such as receiving light by changing the light receiving wavelength.
[0026]
(3) A light receiving pixel that photoelectrically converts incident light and a plurality of accumulation pixels for distinguishing and accumulating signal electron groups generated in the light reception pixels for each of a plurality of frames having different photographing times for each frame. In a driving method of an image sensor having a plurality of unit pixels and outputting a signal electron group of each storage pixel after photographing,
The storage pixels in the unit pixel are arranged in a row or between the storage pixels so that each signal electron group for each storage pixel independently moves the plurality of storage pixels. An arrangement process in which the light receiving pixels are arranged in between,
An integration control process for controlling each unit pixel so as to integrate the signal electron group at each time when the repetition phenomenon is in phase with the same accumulation pixel based on a periodic signal regarding the repetition phenomenon of the object to be imaged.
An image pickup element driving method comprising:
[0027]
According to the driving method of the image sensor described in (3) above, a light receiving pixel that photoelectrically converts incident light and a signal electron group generated in the light receiving pixel for each of a plurality of frames having different shooting times are divided for each frame. In the method of driving an image sensor having a plurality of unit pixels each consisting of a plurality of storage pixels for storing separately, and outputting the signal electron group of each storage pixel after shooting, the arraying process is the storage in the unit pixels. The pixels are arranged in a series of storage pixels or the light receiving pixels are sandwiched between certain storage pixels so that each signal electron group for each storage pixel independently moves the plurality of storage pixels. The integration control process is based on the periodic signal for the repetitive phenomenon of the object to be imaged, so that the signal electron group at each time when the repetitive phenomenon is in phase is integrated to the same accumulation pixel. And controls the element, it can be accumulated by superimposing a signal group of electrons generated in the light receiving pixels in each relevant of a plurality frames on the same storage pixel. In other words, since a plurality of highly relevant frames are integrated in the image sensor to form a single frame, the amplified output is read out by the output amplifier, so that noise generated during the amplified output by the output amplifier, that is, The readout noise is only once, and an image with a high S / N ratio is obtained.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the image sensor according to the present invention will be described below.
[0029]
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing the main configuration of the image sensor according to the first embodiment. FIG. 3A is a diagram for explaining integration of signal electron groups at the same phase in the accumulation pixels in a loop arrangement, and FIG. 3B is a diagram illustrating each accumulation pixel shown in FIG. It is a figure which shows the read-out state of the signal electron group.
[0030]
As shown in FIG. 1, the image pickup apparatus of the first embodiment includes an image pickup device 1 for picking up an object M to be picked up at high speed. As shown in FIG. 2, the imaging device 1 receives light for each of a plurality of frames (for example, N, here 10 for convenience of explanation) with different light-receiving pixels 11 that photoelectrically convert incident light. There are a plurality of unit pixels 15 including a plurality of (for example, 10) storage pixels 13a to 13j for distinguishing and storing the signal electron group generated in the pixel 11 for each frame, and each storage pixel 13a to The signal electron group 13j is output. This image sensor 1 can be said to belong to a pixel peripheral recording type solid-state image sensor. In FIG. 2, for convenience of explanation, for example, nine unit pixels 15 are illustrated, and the storage pixels in each unit pixel 15 are illustrated as ten storage pixels 13a to 13j.
[0031]
As shown in FIG. 2, the light receiving pixel 11 is provided with a light shielding film opening 17 at a central portion excluding the peripheral edge portion, and light is incident from the opening 17. Pixels other than the light receiving pixels 11 (accumulation pixels 13a to 13j, transfer pixels 19, vertical transfer paths 21, horizontal transfer paths 23, and output amplifiers 25) are shielded to prevent light from entering and becoming noise. ing. The light receiving pixel 11 is connected to a transfer pixel 19 to the storage pixel 13a for transferring the signal electron group generated in the light receiving pixel 11 to the storage pixel 13a. The storage pixels 13a to 13j in the unit pixel 15 are connected to each other such that each signal electron group for each of the storage pixels 13a to 13j independently moves the plurality of storage pixels 13a to 13j. Are arranged in a loop (annular).
[0032]
If the opening 17 of the light shielding film is expanded to the entire size of the light receiving pixel 11, a part of the light incident on the light receiving pixel 11 from the opening 17 of the light shielding film enters the transfer pixel 19 and directly enters. Therefore, the peripheral edge portion of the light receiving pixel 11 is covered with a light shielding film to prevent the incident light from entering the transfer pixel 19.
[0033]
As shown in FIG. 2, the image pickup device 1 is sent via a vertical transfer path 21 for transferring the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel 15 in the vertical direction, and the vertical transfer path 21. A horizontal transfer path 23 for transferring each signal electron group received in the horizontal direction and an output amplifier 25 for amplifying and outputting the signal electron group sent via the horizontal transfer path 23 are provided. Each signal electron group to be transferred is transferred separately so as not to be mixed in the vertical transfer path 21, the horizontal transfer path 23, and the output amplifier 25.
[0034]
Further, as shown in FIG. 1, the imaging apparatus of the first embodiment includes a periodic signal generating unit 3 that generates a periodic signal for a repetitive phenomenon of the object M, and a periodic signal from the periodic signal generating unit 3. Is multiplied by the number of storage pixels 13a to 13j (N times) to generate a clock signal, and based on the clock signal from the clock signal generator 5, the repetitive phenomenon has the same phase. The control unit 7 that controls each unit pixel 15 so as to integrate the signal electron group at each time to the same accumulation pixel, and a plurality of (N) frames read from the image sensor 1 are appropriately displayed. And a display unit 9 for this purpose.
[0035]
The periodic signal generator 3 described above corresponds to the periodic signal generator of the present invention, the clock signal generator 5 described above corresponds to the clock signal generator of the present invention, and the control unit 7 described above controls the present invention. Corresponds to means.
[0036]
Next, a case where the repetitive phenomenon of the photographing object M is photographed by the embodiment apparatus having the above-described configuration will be described. The image sensor 1 repeatedly shoots the repetitive phenomenon of the photographic subject M a predetermined number of times. In addition, the imaging element 1 shoots one period of the repetitive phenomenon of the shooting target M by dividing it into N frames (10 for convenience of description), and the 10 frames are used as 10 storage pixels 13a. ~ 13j are recorded and stored separately for each frame.
[0037]
The control unit 7 obtains a clock signal obtained by multiplying the periodic signal of the repetitive phenomenon of the imaging target M generated by the periodic signal generating unit 3 by N times (here, 10 times) by the clock signal generating unit 5 during imaging. Accordingly, the ten storage pixels 13a to 13j are driven and controlled. For example, if the repetitive phenomenon of the photographing object M is a rotational movement of a motor armature, a clock signal can be obtained from a motor control signal or a motor rotation output signal. That is, as shown in FIG. 3A, the accumulation pixels 13a to 13j are empty at the start of photographing, and the signal electron group from the light receiving pixel 11 is sequentially added to the accumulation pixels 13a to 13j for each frame after the photographing is started. The N-phase (10-phase) signal electron groups (10-frame signal electron groups) obtained by dividing the repetition cycle of the repetitive phenomenon by N (= 10) are respectively transmitted to the 10 accumulation pixels 13a to 13j. Stored separately.
[0038]
Specifically, the first time t in the first cycle 11 The signal electron group of the frame F1 is recorded and accumulated in the accumulation pixel 13a. No signal electron group is recorded and accumulated in the accumulation pixels 13b to 13j after the accumulation pixel 13a. Next time t in the same period 12 Then, the signal electron group of the storage pixel 13a is moved to the next storage pixel 13b to be recorded and stored, and this time t 12 The signal electron group of the frame F2 is recorded and accumulated in the accumulation pixel 13a. Next time t in the same period 13 Then, the signal electron group of the accumulation pixel 13a is moved to the next accumulation pixel 13b and recorded and accumulated, and the signal electron group of the accumulation pixel 13b is moved to the next accumulation pixel 13c and recorded and accumulated. t 13 The signal electron group of the frame F3 is recorded and accumulated in the accumulation pixel 13a. In this way, the signal electron group is distinguished for each frame and recorded and accumulated in the accumulation pixels 13a to 13j. The signal electron group in each phase passes through a specific accumulation pixel 13a connected to the transfer pixel 19 connected to the light receiving pixel 11 in the same cycle as this repetition phenomenon. The signal electron group having the same phase sent to is newly accumulated in the specific accumulation pixel 13a. That is, time t in the next cycle (second cycle) twenty one In the storage pixel 13a, the time t of the previous cycle (first cycle) is stored. 11 In this state, the signal electron group of the frame F1 is returned and recorded and accumulated, and from the light receiving pixel 11 at time t. twenty one Since the signal electron group of the frame F1 is transferred, the time t in the first cycle 11 Group of signal electrons in frame F1 and time t in the second cycle twenty one The signal electron group of the frame F1 at is accumulated in the accumulation pixel 13a.
[0039]
In this manner, the repetitive phenomenon of the photographing object M is repeatedly photographed over a predetermined number of times, and the photographing is finished. As a result, the signal electron groups at the respective times having the same phase are accumulated in the ten accumulation pixels 13a to 13j after the photographing is completed. Thereafter, the signal electron group of 10 frames accumulated in the 10 accumulation pixels 13a to 13j of each unit pixel 15 is appropriately sent toward the vertical transfer path 21 as shown in FIG. The data is read out via the transfer path 21, the horizontal transfer path 23, and the output amplifier 25, and is converted from analog to digital by an AD converter 27 (to be described later) to output a digital signal as a final output.
[0040]
As described above, the storage pixels 13a to 13j in the unit pixel 15 are moved so that each signal electron group for each of the storage pixels 13a to 13j independently moves the plurality of storage pixels 13a to 13j. The process in which the accumulation pixels are arranged in series corresponds to the arrangement process in the present invention. Based on the periodic signal regarding the repetitive phenomenon of the object M, the signal electron group at each time when the repetitive phenomenon is in phase is obtained. The process of controlling each unit pixel 15 so as to integrate with the same accumulation pixel 13a corresponds to the integration control process in the present invention.
[0041]
As described above, according to the image pickup device 1 of the first embodiment, the storage pixels 13a to 13j in the unit pixel 15 have their signal electron groups for each of the storage pixels 13a to 13j independently. The storage pixels are arranged in a row so as to move the pixels 13 a to 13 j, the signal electron group newly generated in the light receiving pixel 11 in the unit pixel 15, and the plurality of storage pixels 13 a to 13 in the unit pixel 15. Since the signal electron group newly generated in the light receiving pixel 11 and the related signal electron group among the signal electron groups moving independently at 13j are added, a plurality of highly relevant frames (the same phenomenon is observed). The signal electron group generated in the light receiving pixel 11 in each time frame in the state can be superimposed on the same accumulation pixel 13a and accumulated in the accumulation pixels 13a to 13j. That is, since a plurality of highly relevant frames are integrated in the image pickup device 1 to form one frame, it is amplified and read out by the output amplifier 25, and thus occurs at the time of amplification output by the output amplifier 25. Noise, that is, readout noise is only once, and an image with a high S / N ratio is obtained.
[0042]
Here, the accumulation process of the repetitive phenomenon by the imaging apparatus of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining an accumulation process of repetitive phenomena by the imaging apparatus of the first embodiment. In FIG. 4, for convenience of explanation, description will be made using one light receiving pixel 11, and N (= 10) accumulation pixels 13 a to 13 j provided in the light receiving pixel 11 are illustrated here. Omitted.
[0043]
As shown in FIG. 4, in the imaging apparatus of the first embodiment, the signal electron group generated in the light receiving pixel 11 for each of a plurality of frames (images) having different shooting times by high-speed shooting is distinguished for each frame. The recording pixels 13a to 13j are recorded and accumulated, and signal electrons of frames having the same phase (frames at each time when the phenomenon is the same) are accumulated by the accumulation pixels 13a. “Σ” in FIG. 4 corresponds to the accumulation pixel 13a. Then, the accumulated signals (signal electron group) recorded and accumulated in the accumulation pixels 13a to 13j are amplified and output by the output amplifier 25, and the analog output voltage (or current) signal from the output amplifier 25 is AD (analog digital). The converter 27 converts the analog signal into a digital signal and outputs a digital signal as a final output. That is, a plurality of highly relevant frames (frames having the same phase) are integrated in the image pickup device 1 to form one frame, and then amplified and output by the output amplifier 25, so that the output amplifier 25 The noise generated at the time of amplification output, that is, the readout noise is only once, and an image with a high S / N ratio can be obtained.
[0044]
Further, according to the imaging apparatus of the first embodiment, the imaging device 1 described above is provided, the periodic signal creation unit 3 creates a periodic signal for the repetitive phenomenon of the object M, and the clock signal generation unit 5 The clock signal is generated by multiplying the periodic signal from the periodic signal generating unit 3 by the number of times of the accumulation pixels 13 a to 13 j, and the control unit 7 performs a repetitive phenomenon based on the clock signal from the clock signal generating unit 5. Since each unit pixel 15 is controlled so as to integrate the signal electron group at each time in the same phase to the same accumulation pixel 13a, a plurality of highly relevant frames (frames at each time in which the phenomenon is the same) In each case, the signal electron group generated in the light receiving pixel 11 can be superimposed on the same accumulation pixel 13a and accumulated in the accumulation pixels 13a to 13j. That is, since a plurality of highly relevant frames are integrated in the image pickup device 1 to form one frame, it is amplified and read out by the output amplifier 25, and thus occurs at the time of amplification output by the output amplifier 25. Noise, that is, readout noise is only once, and an image with a high S / N ratio is obtained.
[0045]
<Second embodiment>
Subsequently, an image pickup apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing the main configuration of the image sensor according to the second embodiment. FIGS. 6A to 6E are diagrams for explaining the integration of signal electron groups at the same phase in the linearly arranged accumulation pixels. The image pickup apparatus according to the second embodiment employs the image pickup element 1 in which the storage pixels 13a to 13e in the unit pixel 15 are changed from the loop arrangement of the first embodiment to the linear arrangement. Since the second embodiment is the same as the first embodiment, the storage pixels 13a to 13e arranged linearly will be described in detail in the second embodiment.
[0046]
As shown in FIG. 5, a plurality (N = 5, for example) of storage pixels 13a to 13e in the unit pixel 15 in the second embodiment are provided. In FIG. 5, for the sake of space, five storage pixels 13a to 13e are illustrated, and five storage pixels 13a to 13e in the unit pixel 15 in the second embodiment are illustrated for easy understanding. Will be described as follows. In the second embodiment, the signal electron group generated in the light receiving pixel 11 reciprocates in the array of the five accumulation pixels 13a to 13e in the unit pixel 15 with the same period as the repetitive phenomenon of the photographing object M. That is, after being sequentially forwarded upward in the array of the five accumulation pixels 13a to 13e in the unit pixel 15 in a half cycle of the repetitive phenomenon, it is folded and forwardly forwarded in the remaining half cycle.
[0047]
Specifically, as shown in FIG. 6A, the first time t in the first period 11 The signal electron group of the frame F1 is recorded and accumulated in the accumulation pixel 13c. The signal electrons are not yet recorded and accumulated in the accumulation pixels 13a, 13b, 13d, and 13e other than the accumulation pixel 13c. As shown in FIG. 6B, the next time t in the same period 12 Then, the signal electron group of the storage pixel 13c is moved to the upper storage pixel 13b and recorded and stored, and this time t 12 The signal electron group of the frame F2 is recorded and accumulated in the accumulation pixel 13c. As shown in FIG. 6C, the next time t in the same period 13 Then, the signal electron group of the storage pixel 13b is moved to the next upper storage pixel 13a and recorded and stored, and the signal electron group of the storage pixel 13c is moved to the upper storage pixel 13b and recorded and stored. And this time t 13 The signal electron group of the frame F3 is recorded and accumulated in the accumulation pixel 13c.
[0048]
As shown in FIG. 6D, the next time t in the same period 14 Then, the moving direction of the signal electron group of the storage pixels 13a to 13c is changed downward, and the signal electron group of the storage pixel 13a is moved to the next lower storage pixel 13b to be recorded and stored. The signal electron group is moved to the next lower storage pixel 13c for recording and storage, the signal electron group of the storage pixel 13c is moved to the lower storage pixel 13d for recording and storage, and this time t 14 The signal electron group of the frame F4 of the frame F2 is added to the accumulated pixel 13c that has been recorded and accumulated by moving the signal electron group of the frame F2, and is recorded and accumulated. That is, the signal electron groups of the frame F2 and the frame F4 are integrated. The frame F2 and the frame F4 are in-phase images, that is, images when the phenomenon is in the same state.
[0049]
As shown in FIG. 6 (e), the next time t in the same period 15 Then, the signal electron group of the storage pixel 13b is moved to the next lower storage pixel 13c and recorded and stored, and the signal electron group of the storage pixel 13c is moved to the lower storage pixel 13d and recorded and stored. The signal electron group of the storage pixel 13d is moved to the next lower storage pixel 13e for recording and storage, and this time t 15 The signal electron group of the frame F5 is added to the recording pixel 13c that has been recorded and accumulated with the signal electron group of the frame F1, and is recorded and accumulated. That is, the signal electron groups of the frames F1 and F5 are integrated. The frames F1 and F5 are in-phase images, that is, images when the phenomenon is in the same state.
[0050]
As described above, according to the image pickup device 1 of the second embodiment, the storage pixels 13a to 13e in the unit pixel 15 have their signal electron groups for each of the storage pixels 13a to 13e independently. The storage pixels are arranged in a line so as to move the pixels 13 a to 13 e, and a signal electron group newly generated in the light receiving pixel 11 in the unit pixel 15 and a plurality of storages in the unit pixel 15. Among the signal electron groups that move independently of the pixels 13a to 13e, the signal electron group newly generated in the light receiving pixel 11 and the related signal electron group are added, so that a plurality of highly relevant frames (phenomenon) The signal electron group generated in the light receiving pixel 11 in each time frame in the same state can be superimposed on the same accumulation pixel 13c and accumulated in the accumulation pixels 13a to 13e. That is, since a plurality of highly relevant frames are integrated in the image pickup device 1 to form one frame, it is amplified and read out by the output amplifier 25, and thus occurs at the time of amplification output by the output amplifier 25. Noise, that is, readout noise is only once, and an image with a high S / N ratio is obtained. In particular, it is effective for high-speed imaging of a reciprocating motion of an object (for example, a reciprocating motion of an engine piston).
[0051]
<Third embodiment>
Subsequently, an image pickup apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing the main configuration of the image sensor according to the third embodiment. FIG. 8A is a diagram for explaining the integration of the signal electron group at the same phase by the light receiving pixels incorporated in the accumulation pixels in the loop arrangement, and FIG. 8B is a diagram for explaining FIG. It is a figure which shows the read-out state of the signal electron group of each accumulation | storage pixel shown to (). In the imaging device 1 of the first embodiment described above, the light receiving pixels 11 are provided outside the storage pixels 13a to 13j arranged in a loop. In the third embodiment, the light receiving pixels 11 are provided in the storage pixels 13a to 13k in a loop arrangement. Since the image pickup device 1 incorporating the light receiving pixel 11 is employed and the other components are the same as those in the first embodiment described above, the third embodiment incorporates in the accumulation pixels 13a to 13k in a loop arrangement. The light receiving pixels 11 will be described in detail.
[0052]
As shown in FIG. 7, a plurality (N) of accumulation pixels 13a to 13k in the unit pixel 15 in the third embodiment are provided. In FIG. 7, for the sake of space, 11 storage pixels 13a to 13k are illustrated, and 11 storage pixels 13a to 13k in the unit pixel 15 in the third embodiment are illustrated for easy understanding. Will be described as follows. In this third embodiment, the signal electron group generated in the light receiving pixel 11 has the same cycle as the repetitive phenomenon of the object M to be photographed in the light receiving pixel 11 in the unit pixel 15 and the 11 storage pixels 13a to 13k. It moves cyclically. That is, the addition of the signal electron group newly generated in the light receiving pixel 11 and the signal electron group recorded and accumulated in the accumulation pixels 13a to 13k is performed in the light receiving pixel 11 itself.
[0053]
Specifically, the first time t in the first cycle 11 The signal electron group of the frame F1 is recorded and accumulated in the light receiving pixel 11. A signal electron group has not yet been recorded and accumulated in each of the accumulation pixels 13a to 13k. Next time t in the same period 12 Then, the signal electron group of the light receiving pixel 11 is moved to the storage pixel 13a to be recorded and stored, and this time t 12 The signal electron group of the frame F2 is recorded and accumulated in the light receiving pixel 11. Next time t in the same period 13 Then, the signal electron group of the storage pixel 13a is moved to the next storage pixel 13b for recording and storage, and the signal electron group of the light receiving pixel 11 is moved to the storage pixel 13a for recording and storage, and this time t 13 The signal electron group of the frame F3 is recorded and accumulated in the light receiving pixel 11. In this way, the signal electron group is distinguished for each frame and recorded and accumulated in the light receiving pixel 11 and the accumulation pixels 13a to 13k. Then, the signal electron group of each phase passes through the light receiving pixel 11 in the same cycle as the repetitive phenomenon, so that the signal electron group of the same phase generated in the light receiving pixel 11 is newly added by the light receiving pixel 11 itself. That is, time t in the next cycle (second cycle) twenty one In the light receiving pixel 11, the time t in the previous cycle (first cycle) is stored. 11 The signal electron group of the frame F1 at the time is returned and recorded and accumulated, and the time t twenty one Therefore, the signal electron group of the frame F1 is generated at the time t in the first cycle. 11 Group of signal electrons in frame F1 and time t in the second cycle twenty one The signal electron group of the frame F1 in FIG.
[0054]
In this manner, the repetitive phenomenon of the photographing object M is repeatedly photographed over a predetermined number of times, and the photographing is finished. As a result, the signal electron group at each time in the same phase is integrated in the light receiving pixel 11 and the eleven accumulation pixels 13a to 13k after photographing. Thereafter, the signal electron group of N frames stored in the light receiving pixel 11 and the 11 storage pixels 13a to 13k of each unit pixel 15 is appropriately transferred to the vertical transfer path 21 as shown in FIG. Are read out via the vertical transfer path 21, the horizontal transfer path 23, and the output amplifier 25, and are converted from analog to digital by the AD converter 27 to output a digital signal as a final output.
[0055]
As described above, according to the imaging device 1 of the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained, and the light receiving pixel 11 can be used as an adding device.
[0056]
<Fourth embodiment>
Subsequently, an image pickup apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing the main configuration of the image sensor according to the fourth embodiment. FIG. 10 is a diagram for explaining the integration of signal electron groups at the same phase by two storage units and a light receiving unit.
[0057]
In the image pickup apparatus according to the fourth embodiment, a light receiving unit 33 including a plurality of light receiving pixels 31 is sandwiched between a storage unit 43 including a plurality of storage pixels 41 and a storage unit 53 including a plurality of storage pixels 51. As described above, the storage unit 43 is disposed above the light receiving unit 33 and the storage unit 53 is disposed below the light receiving unit 33 so that the signal electron group can reciprocate between the storage units 43 and 53 and the light receiving unit 33. Each signal electron group is read after shooting. That is, in a frame transfer type CCD (Charge-Coupled Devices) in which a storage unit made up of a plurality of storage pixels is arranged below a light receiving unit made up of a plurality of vertical transfer CCDs, the storage unit is also placed above the light receiving unit. It can be said that the signal electron group can reciprocate between the storage unit and the light receiving unit after these are transformed into a pixel peripheral recording type imaging device.
[0058]
The image pickup device 1 and the image pickup apparatus of the first to third embodiments described above are mainly used for the purpose of continuously recording a two-dimensional spatial image of a high-speed repetition phenomenon with a weak signal light amount. The image pickup device 1 of the fourth embodiment is used. In addition, the imaging device can be used for measurement applications where the signal light is weak but not high speed. For example, the target signal is weaker than the background signal, and the illumination light is periodically emitted. This is useful when a lock-in measurement is performed with modulation. As a lock-in measurement used in such weak light measurement, for example, laser light is turned on / off and the object (substance) is irradiated to observe fluorescence (spectrum measurement), that is, the laser light is measured. What is measured is what wavelength of fluorescence is obtained from the object to be measured when the object is excited by irradiation. However, the fluorescence from the measurement object obtained when the measurement object is irradiated with the laser beam turned on is very weak, and the background signal due to ambient light or the offset of the detector itself is larger, and the weakness The signal is buried in the background signal. Therefore, for example, by subtracting the signal obtained by irradiating the object to be measured (substance) by turning on / off the laser light, the background signal can be canceled and only the target fluorescence, that is, the weak signal can be extracted. it can. On the coordinates where the horizontal axis is the wavelength and the vertical axis is the intensity, for example, a characteristic distribution having a peak at a certain wavelength is obtained.
[0059]
As shown in FIG. 9, the image pickup device 1 of the fourth embodiment has a plurality of (for example, three in FIG. 9) light receiving portions 33 including a plurality of (for example, three in FIG. 9) light receiving pixels 31. A plurality of unit pixels 15 arranged in two horizontal positions in the upper and lower portions of the light receiving unit 33 so as to be sandwiched between the storage units 43 and 53 composed of the storage pixels 41 and 51). For example, twelve in FIG. 9) provided in parallel, the vertical transfer path 21 communicated with the lower storage unit 53, the horizontal transfer path 23 communicated with the vertical transfer path 21, and the output amplifier 25. Is. A dummy pixel 61 is provided between the light receiving unit 33 and the storage units 43 and 53. The dummy pixel 61 is for preventing light to be irradiated to the light receiving pixel 31 from entering the storage pixels 41 and 51 and entering. In the fourth embodiment, as shown in FIG. 9, a case where 11 pixels (including two dummy pixels 61) are provided in the vertical direction, which is the vertical direction, and 12 unit pixels 15 are provided in the horizontal direction will be described. However, there are various cases such as providing 100 pixels in the vertical direction and 1024 pixels in the horizontal direction.
[0060]
In the fourth embodiment, the signal electron group has the same period as the repetition phenomenon of the object to be measured, that is, in synchronization with two states of on / off of the laser beam, the light receiving unit 33 and the two light receiving units 33 in the unit pixel 15. Each signal electron group that reciprocates in the storage units 43 and 53 array and newly generated in each light receiving pixel 31 of the light receiving unit 33 and each signal that has been recorded and accumulated in each storage pixel 41 and 51 of the storage units 43 and 53 The addition with the electron group is performed by the light receiving unit 33 itself.
[0061]
In the fourth embodiment, for example, the laser light is switched on / off every 1 ms (milliseconds), and for the first 10 μs (microseconds) at the time of switching (the first 10 μs in the 1 ms period). Between the light receiving unit 33 and the storage units 43 and 53 of the signal electron group. As described above, the moving time (10 μs) for moving the signal electron group through the light receiving pixels 31 of the light receiving unit 33 to the corresponding storage pixels 41 and 51 of the storage units 43 and 53 is longer than the exposure time (1 ms). If the time is sufficiently small, even if there is a movement time of the signal electron group during the exposure time, the movement time is sufficiently shorter than the exposure time, so the influence on the movement time can be ignored quantitatively. .
[0062]
Specifically, as shown in FIG. 10A, the exposure period t in which the laser light is turned on, which is the first half period of the first one cycle. on By imaging the object to be measured at (1 ms), a signal electron group based on the fluorescence signal and the background signal is generated in the light receiving unit 33. At this time, for example, the three light receiving pixels 31 of the light receiving unit 33 are arranged in the frame “F” in order from the top. on 11 ", frame" F on 12 ", frame" F on It is assumed that the signal electron group “13” is recorded and accumulated.
[0063]
Then, as shown in FIG. 10B, the exposure period t in which the laser beam is turned off, which is the latter half period of one cycle. off (1 ms), exposure period t off The signal electron group generated in the light receiving section 33 is moved to the lower storage section 53 and the exposure period t off By imaging the object to be measured at (1 ms), a signal electron group based only on the background signal is generated in the light receiving unit 33. At this time, for example, the three light receiving pixels 31 of the light receiving unit 33 are arranged in the frame “F” in order from the top. off 11 ", frame" F off 12 ", frame" F off 13 ”is recorded and accumulated, and the three accumulation pixels 51 of the lower accumulation unit 53 are sequentially framed“ F ”. on 11 ", frame" F on 12 ", frame" F on 13 ”signal electrons are moved and recorded and accumulated.
[0064]
And as shown in FIG.10 (c), the exposure period t which turned on the laser beam which is the first half period of the following 1 period. on (1 ms), exposure period t on The signal electron group generated in the light receiving unit 33 is moved to the upper storage unit 43 and the signal electron group generated when the laser beam already stored in the lower storage unit 53 is turned on for 10 μs from the start of the light receiving unit. 33, and this exposure period t on By imaging the object to be measured at (1 ms), a group of signal electrons generated by the fluorescence signal and the background signal generated in the light receiving unit 33 and a group of signal electrons moved from the lower storage unit 53 when the laser light is on are obtained. The light receiving unit 33 accumulates the values. At this time, the three storage pixels 41 of the upper storage unit 43 include, for example, frames “F” in order from the top. off 11 ", frame" F off 12 ", frame" F off 13 ”is moved and recorded and stored in the three light receiving pixels 31 of the light receiving unit 33, for example, in order from the top to the frame“ F. on 11 + F on 21 ", frame" F on 12 + F on 22 ", frame" F " on 13 + F on 23 "signal electron group is recorded and accumulated.
[0065]
Then, as shown in FIG. 10 (d), the exposure period t in which the laser light is turned off, which is the latter half period of one cycle. off (1 ms), exposure period t off The signal electron group accumulated in the light receiving unit 33 is moved to the lower accumulation unit 53 and the signal electron group generated when the laser beam accumulated in the upper accumulation unit 43 is turned off is received within 10 μs from the start of The exposure period t off By imaging the object to be measured at (1 ms), the signal electron group based only on the background signal generated in the light receiving unit 33 and the signal electron group moved from the upper storage unit 43 when the laser light is off are included in the light receiving unit. 33 is integrated. At this time, for example, the three light receiving pixels 31 of the light receiving unit 33 are arranged in the frame “F” in order from the top. off 11 + F off 21 ", frame" F off 12 + F off 22 ", frame" F " off 13 + F off 23 ”is recorded and accumulated, and the three accumulation pixels 51 of the lower accumulation section 53 are, for example, sequentially from the top in the frame“ F on 11 + F on 21 ", frame" F on 12 + F on 22 ", frame" F " on 13 + F on 23 "'s signal electron group is moved and recorded.
[0066]
In this way, the phenomenon in which the laser beam is irradiated to the object to be measured is repeatedly photographed over a predetermined number of times, and the photographing is finished. As a result, on one side of the light receiving unit 33 and the accumulating units 43 and 53 after the completion of photographing, the signal electron groups in each period of the same phase, that is, the period in which the laser beam is on and the period in which the laser beam is off are integrated. Has been. Thereafter, the signal electron group of the two frames stored on one side of the light receiving unit 33 and the storage units 43 and 53 of each unit pixel 15 is appropriately sent toward the vertical transfer path 21 as shown in FIG. The data is read out through the vertical transfer path 21, the horizontal transfer path 23, and the output amplifier 25, and is converted from analog to digital by the AD converter 27 to output a digital signal as a final output.
[0067]
As described above, according to the image pickup device 1 of the fourth embodiment, the difference between the integral image at the phase time when the laser beam is on and the integral image at the phase time when the laser beam is off is obtained as S A target signal having a high / N ratio can be obtained.
[0068]
<Fifth embodiment>
Next, an image pickup apparatus according to a fifth embodiment of the present invention is described. FIGS. 11A to 11C are diagrams for explaining the integration of signal electron groups of accumulation pixels at different phases in the same phase on the vertical transfer path. The image pickup apparatus according to the fifth embodiment includes different unit pixels 15 (that is, in the same vertical transfer path 21) after adding signal electron groups in the unit pixels 15 as in the first embodiment described above. The signal electron groups of the storage pixels (for example, the storage pixels 13a to 13j) at the same phase in the plurality of unit pixels 15) are integrated by the vertical transfer path 21, and otherwise the first embodiment described above. Since this is the same as the example, in the fifth embodiment, the integration of the signal electron groups of the corresponding storage pixels 13a to 13j of the different unit pixels 15 in the vertical transfer path 21 will be described in detail.
[0069]
As described in the first embodiment, the imaging device 1 of the fifth embodiment includes a vertical transfer path 21 for transferring the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel 15 in the vertical direction, A horizontal transfer path 23 for transferring each signal electron group sent via the vertical transfer path 21 in the horizontal direction and a signal electron group sent via this horizontal transfer path 23 are amplified and output. And an output amplifier 25.
[0070]
1 further adds the signal electron groups of the corresponding storage pixels 13a to 13j in a plurality of (for example, two for convenience) unit pixels 15 in the vertical transfer path 21. A transfer control function. The control unit 7 described above corresponds to the transfer control means of the present invention.
[0071]
In the fifth embodiment, for easier understanding, as shown in FIG. 11, the signal electron group between the storage pixels 13a of the two unit pixels 15 existing in the same vertical transfer path 21 is the vertical transfer path. The state of integration at 21 will be described as an example.
[0072]
As shown in FIG. 11A, the unit pixel 15 (the nth horizontal line) on the upper side of FIG. 11 of the two unit pixels 15 existing in the same vertical transfer path 21 by the control of the control unit 7. The signal electron group S of the storage pixel 13a of the unit pixel 15 corresponding to the scanning line and called the first unit pixel 15a in the fifth embodiment) 11 And the signal of the storage pixel 13a of the lower unit pixel 15 (the unit pixel 15 corresponding to the (n + 1) th horizontal scanning line, which is called the second unit pixel 15b in this fifth embodiment). Electron group S 21 To the cells CV1, CV2 of the vertical transfer path 21, respectively. Individually Transferred.
[0073]
Subsequently, as illustrated in FIG. 11B, the signal electron group S of the accumulation pixel 13 a of the first unit pixel 15 a accumulated in the cell CV <b> 1 of the vertical transfer path 21 is controlled by the control unit 7. 11 Is transferred to the cell CV2, and in this cell CV2, the signal electron group S of the storage pixel 13a of the first unit pixel 15a is transferred. 11 And the signal electron group S of the storage pixel 13a of the second unit pixel 15b. twenty one And add.
[0074]
Subsequently, as illustrated in FIG. 11C, the signal electron group S accumulated in the cell CV <b> 2 is controlled by the control unit 7. 11 + S twenty one Is transferred to the horizontal transfer path 23. That is, the signal electron group S of the storage pixel 13a of the two unit pixels 15 (the first unit pixel 15a and the second unit pixel 15b). 11 , Signal electron group S twenty one Is added to the horizontal transfer path 23.
[0075]
Note that the accumulation pixels 13 b to 13 j of the two unit pixels 15 existing in the same vertical transfer path 21 are also integrated in the vertical transfer path 21 in the same manner as described above, and 2 existing in the same vertical transfer path 21. The signal electron groups of the corresponding storage pixels 13 a to 13 j of the unit pixels 15 or more can be integrated in the vertical transfer path 21.
[0076]
As described above, according to the image pickup device 1 of the fifth embodiment, the vertical transfer path 21 for transferring the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel 15 in the vertical direction, and the vertical transfer path 21 A control unit 7 that performs transfer control so as to add signal electron groups of corresponding storage pixels (for example, storage pixels 13a to 13j) in at least two or more unit pixels 15 among the plurality of unit pixels 15; Therefore, the signal electron groups of the corresponding storage pixels (for example, the storage pixels 13a to 13j) between different unit pixels 15 can be added, and the degree of freedom of processing of the optical image signal acquired by the image sensor 1 is improved. Can be made.
[0077]
<Sixth embodiment>
Next, an image pickup apparatus according to a sixth embodiment of the present invention is described. FIGS. 12A to 12C are diagrams for explaining the integration of signal electron groups of accumulated pixels at the same phase in different unit pixels in a horizontal transfer path. In the imaging apparatus of the sixth embodiment, after adding the signal electron group in the unit pixel 15 as in the first embodiment described above, different unit pixels 15 (a plurality of units connected to the horizontal transfer path 23) are added. In the unit pixel 15), the signal electron groups of the storage pixels (for example, the storage pixels 13a to 13j) at the same phase are integrated by the horizontal transfer path 23, and the rest is the same as in the first embodiment. Since this is the same, in the sixth embodiment, the integration of the signal electron groups of the corresponding storage pixels 13a to 13j of the different unit pixels 15 in the horizontal transfer path 23 will be described in detail.
[0078]
As described in the first embodiment, the image sensor 1 of the sixth embodiment includes a vertical transfer path 21 for transferring the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel 15 in the vertical direction, A horizontal transfer path 23 for transferring each signal electron group sent via the vertical transfer path 21 in the horizontal direction and a signal electron group sent via this horizontal transfer path 23 are amplified and output. And an output amplifier 25.
[0079]
1 further adds the signal electron groups of the corresponding storage pixels 13a to 13j in a plurality of (for example, two for convenience of explanation) unit pixels 15 in the horizontal transfer path 23. A transfer control function. The control unit 7 described above corresponds to the transfer control means of the present invention.
[0080]
In the sixth embodiment, for easier understanding, as shown in FIG. 12, the signal electron group between the storage pixels 13a of the two unit pixels 15 connected to the horizontal transfer path 23 is the horizontal transfer path. The state of integration at 23 will be described as an example.
[0081]
As shown in FIG. 12A, the unit pixel 15 on the left side of FIG. 12 of the two unit pixels 15 connected to the horizontal transfer path 23 (in the sixth embodiment), under the control of the control unit 7. Signal electron group S of the storage pixel 13a of the first unit pixel 15a). 11 And the signal electron group S of the storage pixel 13a of the unit pixel 15 on the right side of the unit pixel 15 (referred to as the second unit pixel 15b in the sixth embodiment). 21 To each cell CV1 of the vertical transfer path 21. Individually Transferred.
[0082]
Subsequently, as illustrated in FIG. 12B, the signal electron group S of the accumulation pixel 13 a of the first unit pixel 15 a accumulated in the cell CV <b> 1 of the vertical transfer path 21 is controlled by the control unit 7. 11 Are transferred to the cell CH1 of the horizontal transfer path 23, and the signal electron group S of the storage pixel 13a of the second unit pixel 15b stored in the cell CV1 of the vertical transfer path 21 is transferred. twenty one Are also transferred to the cell CH1 of the horizontal transfer path 23.
[0083]
Subsequently, as illustrated in FIG. 12C, the signal electron group S of the accumulation pixel 13 a of the second unit pixel 15 b accumulated in the cell CH <b> 2 of the horizontal transfer path 23 is controlled by the control unit 7. twenty one Are transferred to the cell CH1 of the horizontal transfer path 23. That is, in the cell CH1 of the horizontal transfer path 23, the signal electron group S of the accumulation pixel 13a of the first unit pixel 15a. 11 And the signal electron group S of the storage pixel 13a of the second unit pixel 15b. twenty one And add.
[0084]
Then, the signal electron group S stored in the cell CV2 11 + S twenty one Is transferred to the output amplifier 25 (see FIG. 2). That is, the signal electron group S of the storage pixel 13a of the two unit pixels 15 (the first unit pixel 15a and the second unit pixel 15b). 11 , Signal electron group S twenty one Is added to the output amplifier 25.
[0085]
The storage pixels 13b to 13j of the two unit pixels 15 are also integrated in the horizontal transfer path 23 in the same manner as described above, and the signal electrons between the corresponding storage pixels 13a to 13j of the two or more unit pixels 15 are integrated. Groups can also be integrated in the horizontal transfer path 23.
[0086]
As described above, according to the imaging device 1 of the sixth embodiment, the horizontal transfer path 23 for transferring the signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel 15 in the horizontal direction, and the horizontal transfer path 23 A control unit 7 that performs transfer control so as to add signal electron groups of corresponding storage pixels (for example, storage pixels 13a to 13j) in at least two or more unit pixels 15 among the plurality of unit pixels 15; Therefore, the signal electron groups of the corresponding storage pixels (for example, the storage pixels 13a to 13j) between different unit pixels 15 can be added, and the degree of freedom of processing of the optical image signal acquired by the image sensor 1 is improved. Can be made.
[0087]
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified as follows.
[0088]
(1) In the second embodiment, as shown in FIG. 5, the plurality of accumulation pixels 13a to 13e are arranged in a straight line, but may be arranged in a curved line or a polygonal line.
[0089]
(2) In the fourth embodiment, data for two frames in which the laser light is turned on / off is acquired. However, the number of storage pixels 41 and 51 of the upper and lower storage units 43 and 53 is equalized. By increasing the number, it is possible to acquire data for a plurality of frames. For example, if nine storage pixels 41 and 51 are provided in the upper and lower storage units 43 and 53, the storage units 43 and 53 can record and store three frames and the light receiving unit 33 for one frame. Data for four frames can be acquired.
(3) In the fifth embodiment, signal electron groups are added between a plurality of unit pixels in the vertical direction, and in the sixth embodiment, signal electron groups are added between a plurality of unit pixels in the horizontal direction. However, the signal electron group may be added between a plurality of unit pixels in the vertical and horizontal directions. The addition of signal electron groups between a plurality of unit pixels in the vertical direction and the horizontal direction can be realized by using the addition methods in the fifth and sixth embodiments.
(4) In the fifth and sixth embodiments, the signal electron groups of the storage pixels at the same phase in a plurality of unit pixels are added, but the storage at a different phase in a plurality of unit pixels. You may add the signal electron group of pixels. By at least one of the vertical transfer path 21 and the horizontal transfer path 23, the control unit 7 controls the signal electron group of the storage pixels at one shooting time in a predetermined number of unit pixels among the plurality of unit pixels, and the remaining This can be realized by performing transfer control so as to add the signal electron groups of the storage pixels corresponding to other shooting times in the unit pixel. That is, when adding the signal electron groups of the accumulated pixels at different phases between at least one of the plurality of unit pixels in the vertical direction or the horizontal direction, the addition in the fifth embodiment and the sixth embodiment is performed. This can be realized by modifying the method.
(5) In the first and second embodiments, as shown in FIGS. 2 and 5, the unit pixel 15 is composed of a single light receiving pixel 11 and a plurality of storage pixels 13a to 13e. As shown in FIGS. 13A and 13B, a plurality of (for example, two) light receiving pixels 11 and a plurality of accumulation pixels 13a to 13e are provided, and a plurality of accumulation pixels 13a are provided in one accumulation pixel 13a. (For example, two) light receiving pixels 11 may be connected to each other. For example, a signal electron group generated in two light receiving pixels 11 can be added by one storage pixel 13a. In addition, an optical filter having a first transmission wavelength can be provided in one light receiving pixel 11, and an optical filter having a second transmission wavelength different from the first transmission wavelength can be provided in the other light receiving pixel 11. An optical image signal obtained by adding an optical image signal having a transmission wavelength and an optical image signal having another transmission wavelength can be obtained. That is, the signal electron group generated in the plurality of light receiving pixels 11 in the unit pixel 15 can be added by the accumulation pixel 13a in the unit pixel 15, and the light receiving wavelength in one light receiving pixel 11 and the light receiving in the other. It is possible to improve the degree of freedom of various processing of the optical image signal such as changing the light receiving wavelength at the pixel 11 to receive light.
[0090]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, signal electron groups generated in the light receiving pixels in each of a plurality of highly relevant frames can be accumulated and accumulated on the same accumulation pixel, that is, A plurality of highly relevant frames are integrated within the image sensor to form one frame, and then amplified and output by the output amplifier and read out. Therefore, noise (readout noise) generated during amplification output by the output amplifier Is only for one time, and an image with a high S / N ratio is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a main configuration of the image sensor according to the first embodiment.
3A is a diagram for explaining accumulation of signal electron groups at the same phase in accumulation pixels in a loop arrangement, and FIG. 3B is a signal of each accumulation pixel shown in FIG. It is a figure which shows the reading state of an electron group.
FIG. 4 is a diagram for explaining an accumulation process of repetitive phenomena by the imaging apparatus according to the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating a main configuration of an image sensor according to a second embodiment.
FIGS. 6A to 6E are diagrams for explaining the integration of signal electron groups at the same phase in the linearly arranged accumulation pixels.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram illustrating a main configuration of an image sensor according to a third embodiment.
8A is a diagram for explaining the integration of signal electron groups at the same phase by light receiving pixels incorporated in a storage pixel in a loop arrangement, and FIG. 8B is a diagram for explaining FIG. It is a figure which shows the read-out state of the signal electron group of each shown accumulation | storage pixel.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating a main configuration of an image sensor according to a fourth example.
FIG. 10 is a diagram for explaining integration of signal electron groups at the same phase by two storage units and a light receiving unit;
FIGS. 11A to 11C are diagrams for explaining accumulation of signal electron groups of accumulated pixels at different phase in the same phase in different unit pixels through a vertical transfer path; FIGS.
FIGS. 12A to 12C are diagrams for explaining accumulation of signal electron groups of accumulated pixels at different phases in the same phase in different unit pixels on a horizontal transfer path;
FIGS. 13A and 13B are diagrams for explaining a unit pixel including a plurality of light receiving pixels and a plurality of accumulation pixels. FIGS.
FIG. 14 is a diagram for explaining integration processing of repetitive phenomena by a conventional imaging apparatus.
[Explanation of symbols]
1 ... Image sensor
3 ... Periodic signal generator (periodic signal generator)
5 ... Clock signal generator (clock signal generator)
7. Control unit (control means)
11: Light receiving pixel
13a to 13k ... Accumulated pixels
15 ... Unit pixel
31 ... Light receiving pixel
33 ... Light receiver
41, 51 ... Accumulated pixels
43, 53 ... Accumulator

Claims (7)

入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子において、（ａ）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に前記受光画素を挟んで配列され、（ｂ）前記単位画素内の前記受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素を独立して移動する各信号電子群のうちで前記受光画素の信号電子群と関連のあるフレームの信号電子群とを加算することを特徴とする撮像素子。A unit pixel composed of a light receiving pixel that photoelectrically converts incident light and a plurality of accumulation pixels for distinguishing and accumulating signal electron groups generated in the light reception pixels for each of a plurality of frames having different photographing times for each frame. In an imaging device that has a plurality and outputs a signal electron group of each storage pixel after shooting, (a) the storage pixel in the unit pixel is independent of each signal electron group for each storage pixel. The storage pixels are arranged in a row so as to move the storage pixels, or are arranged with the light receiving pixels sandwiched between the storage pixels, and (b) newly generated in the light receiving pixels in the unit pixel Adding a signal electron group and a signal electron group of a frame related to the signal electron group of the light-receiving pixel among the signal electron groups independently moving the plurality of accumulation pixels in the unit pixel Shooting characterized by Element. 請求項１に記載の撮像素子において、（ｃ）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を巡回もしくは往復移動するように、蓄積画素同士を線状または環状に連設配列させるかまたはある蓄積画素間に受光画素を挟んで線状または環状に配列され、（ｄ）前記単位画素内の前記受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素の配列内を巡回もしくは往復する各信号電子群のうちで前記受光画素の信号電子群と関連のあるフレームの信号電子群とを加算することを特徴とする撮像素子。2. The image pickup device according to claim 1, wherein (c) the accumulation pixel in the unit pixel is configured such that each signal electron group for each accumulation pixel independently moves or reciprocates the plurality of accumulation pixels. The storage pixels are arranged linearly or annularly, or are arranged linearly or annularly with a light receiving pixel sandwiched between certain storage pixels, and (d) newly generated in the light receiving pixel in the unit pixel The signal electron group is added to the signal electron group of the frame associated with the signal electron group of the light receiving pixel among the signal electron groups that circulate or reciprocate in the array of the plurality of accumulation pixels in the unit pixel. An image pickup device characterized by: 請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、さらに、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送するための転送手段と、前記転送手段において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する転送制御手段とを備えていることを特徴とする撮像素子。  The imaging device according to claim 1 or 2, further comprising: a transfer means for transferring a signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel in a predetermined direction; and a plurality of units in the transfer means. An image pickup device comprising: transfer control means for performing transfer control so as to add signal electron groups of corresponding storage pixels in at least two unit pixels among pixels. 請求項３に記載の撮像素子において、前記転送手段は、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送手段と、前記垂直転送手段を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送手段とを備え、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御することを特徴とする撮像素子。  4. The image pickup device according to claim 3, wherein the transfer means is sent via a vertical transfer means for transferring a signal electron group recorded and accumulated in each unit pixel in a vertical direction, and the vertical transfer means. Horizontal transfer means for transferring each signal electron group in the horizontal direction, wherein the transfer control means is at least one of the plurality of unit pixels in at least one of the vertical transfer means and the horizontal transfer means. An image pickup device, wherein transfer control is performed so as to add signal electron groups of corresponding storage pixels in two or more unit pixels. 請求項４に記載の撮像素子において、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での同一撮影時刻の蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御することを特徴とする撮像素子。  5. The imaging device according to claim 4, wherein the transfer control unit has the same shooting time in at least two unit pixels among a plurality of unit pixels in at least one of the vertical transfer unit and the horizontal transfer unit. An image pickup device, wherein transfer control is performed so as to add a signal electron group between the accumulated pixels. 請求項４に記載の撮像素子において、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを加算するように転送制御することを特徴とする撮像素子。  5. The imaging device according to claim 4, wherein the transfer control unit is configured to select one shooting time at a predetermined number of unit pixels among a plurality of unit pixels in at least one of the vertical transfer unit and the horizontal transfer unit. An image pickup device, wherein transfer control is performed so as to add a signal electron group of an accumulation pixel and a signal electron group of an accumulation pixel corresponding to another imaging time in the remaining unit pixels. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の撮像素子を備え、（Ａ）撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号を作成する周期信号作成手段と、（Ｂ）前記周期信号作成手段からの周期信号を前記蓄積画素の個数倍に逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成手段と、（Ｃ）前記クロック信号生成手段からのクロック信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように前記各単位画素を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。  The imaging device according to any one of claims 1 to 6, comprising: (A) a periodic signal generating unit that generates a periodic signal for a repetitive phenomenon of an object to be imaged; and (B) from the periodic signal generating unit. A clock signal generating means for generating a clock signal by multiplying a periodic signal by the number of accumulated pixels; and (C) each time when the repetitive phenomenon is in phase based on the clock signal from the clock signal generating means. An image pickup apparatus comprising: control means for controlling each unit pixel so as to integrate the signal electron group in the unit to the same accumulation pixel.
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