JP4844853B2 - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を前記記憶部の1つに保持する動作を全画素で一斉に行い、それに引き続いてその1フレーム分の信号を各画素に対応した記憶部から逐次読み出して出力するように各画素及び各記憶部を動作させる第1の駆動モードと、
各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を前記記憶部の1つに保持する動作を全画素で一斉に、且つ信号を保持させる記憶部を順番に指定しながら繰り返し行い、複数フレーム分の信号が各記憶部に保持された後にその複数フレーム分の信号を各画素に対応した記憶部から逐次読み出して出力するように各画素及び各記憶部を動作させる第2の駆動モードと、
の少なくとも一方を実行することを特徴としている。
a)光を受光して光電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された光電荷を検出ノードへ転送する転送素子と、前記検出ノードから後記画素出力線に信号を送出するバッファ素子とを少なくとも含み、二次元のアレイ状に配列された複数の画素と、
b)画素毎に独立して設けられた画素出力線と、
c)前記画素出力線を通して各画素から出力される信号を保持するために各画素に対して複数設けられた記憶部と、
d)各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を複数の記憶部の1つに保持する動作を全画素で一斉に行い、それに引き続いてその1フレーム分の信号を各画素に対応した記憶部から逐次読み出して出力するように各画素及び各記憶部を動作させる第1の駆動モードと、各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を複数の記憶部の1つに保持する動作を全画素で一斉に、且つ信号を保持させる記憶部を順番に指定しながら繰り返し行い、複数フレーム分の信号が各記憶部に保持された後にその複数フレーム分の信号を各画素に対応した記憶部から逐次読み出して出力するように各画素及び各記憶部を動作させる第2の駆動モードと、を実行する駆動制御手段と、
を備えることを特徴としている。
2、2a、2b…画素領域
3a、3b…記憶領域
4a、4b…垂直走査回路領域
5a、5b…水平走査回路領域
6a、6b…電流源領域
10…画素
11…光電変換領域
12…画素回路領域
13…配線領域
14、141…画素出力線
15…駆動ライン
20…記憶部ユニット
21…記憶部ユニット行
22…記憶部
23、23a、23b、23c、23d…出力線
24、24a、24b、24c、24d…記憶素子
25、25a、25b、25c、25d…キャパシタ
26、26a、26b、26c、26d…サンプリングトランジスタ
27、27a、27b、27c、27d…読み出しトランジスタ
31…フォトダイオード
32…転送トランジスタ
33、331、332…フローティングディフュージョン
333…金属配線
34…蓄積トランジスタ
35…リセットトランジスタ
36…蓄積キャパシタ
37、40…トランジスタ
38、41…選択トランジスタ
39…電流源
43…ソースフォロアアンプ
50…記憶部ユニットブロック
VSR1…垂直シフトレジスタ
HSR1…水平シフトレジスタ
連続読み出しモードの基本は図12(a)に示すように、画素領域2(2a、2b)の各画素において1フレーム分の光電荷蓄積を実行した後に、全画素で一斉にそれぞれの画素出力線を通して信号を出力し、記憶部22のキャパシタ25に信号電荷を保持させる。これにより、1フレーム分の画素信号が記憶領域3a、3bの記憶部22に揃うから、引き続いて、上述のように水平シフトレジスタ、垂直シフトレジスタを駆動することにより、1フレームの画素信号を順番に読み出して外部へ出力する。このとき、記憶領域3aの中の最も上の1行の320個の記憶部ユニット20を使用するだけでよい。
バースト読み出しモードでは、図12(c)に示すように、画素信号の逐次読み出しを行うことなしに、各画素において1フレーム分の光電荷蓄積を実行した後に、全画素で一斉にそれぞれの画素出力線を通して信号を出力し、記憶部22のキャパシタ25に信号電荷を保持させる、という動作を繰り返す。このとき、1フレームずつ順番に、104フレーム分用意された記憶部22に順番に信号を保持させる。そうして、その所定フレーム数分の画素信号を逐次的に読み出して外部へ出力する。このバースト読み出しモードでは撮影中に外部への信号読み出しを行わないため、上述のような読み出しのためのクロックの周波数の上限に起因するフレームレートの制約は受けず、非常に短いサイクルでの連続撮影が可能である。実施可能な最大のフレームレートは、主としてフォトダイオード31内で発生した光電荷を集積してフローティングディフュージョン33へ転送するまでの時間によって律速される。この実施例の固体撮像素子では、上述のように光電荷の蓄積時の光量が減ることを考慮してフォトダイオード31の構造設計などが為されているため、従来の画素周辺記録型撮像素子で実現されている100万フレーム/秒よりも高いフレームレートでの高速撮影が可能である。
図13は光電荷蓄積時間が短い場合の動作モードの駆動タイミング図、図14はこの動作における画素10内の概略ポテンシャル図である。なお、図14(後述の図16も同様)でCPD、CFD、CCSはそれぞれフォトダイオード31、フローティングディフュージョン33、蓄積キャパシタ36に蓄積された容量を示し、CFD+CCSはフローティングディフュージョン33と蓄積キャパシタ36との合成容量を示す。
次に、光電荷蓄積時間が相対的に長い場合の動作について説明する。図15は光電荷蓄積時間が相対的に長い場合の駆動タイミング図、図16はこの動作における画素内の概略ポテンシャル図である。
Claims (25)
- 光を受光して光電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された光電荷を検出ノードへ転送する転送素子と、前記検出ノードから画素出力線に信号を送出するバッファ素子とを少なくとも含む画素が二次元のアレイ状に複数配列され、前記画素出力線は画素毎に独立して設けられ、画素出力線を通して各画素から出力される信号を保持する記憶部を各画素に対して1つ以上有して成る固体撮像素子の駆動方法であって、
各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を前記記憶部の1つに保持する動作を全画素で一斉に行い、それに引き続いてその1フレーム分の信号を各画素に対応した記憶部から逐次読み出して出力するように各画素及び各記憶部を動作させる第1の駆動モードと、
各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を前記記憶部の1つに保持する動作を全画素で一斉に、且つ信号を保持させる記憶部を順番に指定しながら繰り返し行い、複数フレーム分の信号が各記憶部に保持された後にその複数フレーム分の信号を各画素に対応した記憶部から逐次読み出して出力するように各画素及び各記憶部を動作させる第2の駆動モードと、
の少なくとも一方を実行することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項1に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記記憶部は各画素に対して複数設けられ、第1の駆動モードと第2の駆動モードとを選択的に又は並行的に実行することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項2に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
1画素に対応した1つの記憶部はノイズ信号を保持する記憶単位と光電荷に応じた信号を保持する記憶単位とを少なくとも含み、
各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を複数の記憶部の1つに保持させる際に、ノイズ信号を全画素一斉に保持させる動作と光電荷に応じた信号を全画素一斉に保持させる動作とを異なるタイミングで行い、記憶部からの信号の逐次読み出し時に、各記憶単位からノイズ信号と光電荷に応じた信号とを並行して読み出して出力することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項2に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
各画素は、光電荷の蓄積動作時に前記光電変換素子から前記転送素子を通してオーバーフローした又は前記検出ノードからオーバーフローした光電荷を蓄積する電荷蓄積素子を少なくとも1つ含むとともに、1画素に対応した1つの記憶部は4つの記憶単位を有し、
各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を複数の記憶部の1つに保持させる際に、オーバーフロー前のノイズ信号、オーバーフロー後のノイズ信号、オーバーフロー前の電荷に応じた信号、オーバーフロー後の電荷に応じた信号をそれぞれ画素信号線を通して前記4つの記憶単位に順番に保持させる動作を全画素一斉に行い、記憶部からの信号の逐次読み出し時に、各記憶単位からオーバーフロー前のノイズ信号、オーバーフロー後のノイズ信号、オーバーフロー前の電荷に応じた信号、及びオーバーフロー後の電荷に応じた信号を並行して読み出して出力することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項2に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
第2の駆動モードにおいては、各画素に対応する複数の記憶部の全てに信号を保持した次に、時間的に最も古い信号を保持している記憶部をリセットして新たな信号を保持するように、複数の記憶部を循環的に用いた信号保持動作を行い、停止指示に応じて記憶部への新たな信号の保持動作を停止することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項5に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
第1の駆動モードを実行することにより出力される1フレーム分又は複数フレーム分の全体又はその中の一部の画像情報に基づいて特定のイベントを検知し、その検知結果に応じて第2の駆動モードを実行することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項5に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
第1の駆動モードと第2の駆動モードとを任意の回数又は時間毎に交互に実行することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項2に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
第1の駆動モードの動作時に第2の駆動モードのための前記記憶部の一部を利用することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項2に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
第1の駆動モードのための記憶部と第2の駆動モードのための記憶部とを独立して設けたことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
記憶部からの信号の逐次読み出しに際して、二次元のアレイ状に複数配列された画素の中の特定の画素に対応した信号を選択的に逐次読み出して出力することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
二次元のアレイ状に複数配列された画素の中の隣接する又は近接する画素に対応した信号を記憶部から同時に読み出してアナログ的な加算処理又は平均化処理を行うことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項11に記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記アナログ的な加算処理又は平均化処理を行う際の複数の画素の組み合わせを、二次元のアレイ状の配列において水平方向及び垂直方向で互い違いに選択することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
時間的に隣接する又は近接する異なるフレーム中で空間的に同一位置の1乃至複数の画素に対応した信号を記憶部から同時に読み出してアナログ的な加算処理又は平均化処理を行うことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 - a)光を受光して光電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子で生成された光電荷を検出ノードへ転送する転送素子と、前記検出ノードから後記画素出力線に信号を送出するバッファ素子とを少なくとも含み、二次元のアレイ状に配列された複数の画素と、
b)画素毎に独立して設けられた画素出力線と、
c)前記画素出力線を通して各画素から出力される信号を保持するために各画素に対して複数設けられた記憶部と、
d)各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を複数の記憶部の1つに保持する動作を全画素で一斉に行い、それに引き続いてその1フレーム分の信号を各画素に対応した記憶部から逐次読み出して出力するように各画素及び各記憶部を動作させる第1の駆動モードと、各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を複数の記憶部の1つに保持する動作を全画素で一斉に、且つ信号を保持させる記憶部を順番に指定しながら繰り返し行い、複数フレーム分の信号が各記憶部に保持された後にその複数フレーム分の信号を各画素に対応した記憶部から逐次読み出して出力するように各画素及び各記憶部を動作させる第2の駆動モードと、を実行する駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項14に記載の固体撮像素子であって、
1画素に対応した1つの記憶部はノイズ信号を保持する記憶単位と光電荷に応じた信号を保持する記憶単位とを少なくとも含み、
前記駆動制御手段は、各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を複数の記憶部の1つに保持させる際に、ノイズ信号を全画素一斉に保持させる動作と光電荷に応じた信号を全画素一斉に保持させる動作とを異なるタイミングで行い、記憶部からの信号の逐次読み出し時に、各記憶単位からノイズ信号と光電荷に応じた信号とを並行して読み出して出力することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項14に記載の固体撮像素子であって、
各画素は、光電荷の蓄積動作時に前記光電変換素子から前記転送素子を通してオーバーフローした又は前記検出ノードからオーバーフローした光電荷を蓄積する電荷蓄積素子を少なくとも1つ含むとともに、1画素に対応した1つの記憶部は4つの記憶単位を有し、
前記駆動制御手段は、各画素における光電荷の蓄積動作及び画素出力線を通して画素から出力された信号を複数の記憶部の1つに保持させる際に、オーバーフロー前のノイズ信号、オーバーフロー後のノイズ信号、オーバーフロー前の電荷に応じた信号、オーバーフロー後の電荷に応じた信号をそれぞれ画素信号線を通して前記4つの記憶単位に順番に保持させる動作を全画素一斉に行い、記憶部からの信号の逐次読み出し時に、各記憶単位からオーバーフロー前のノイズ信号、オーバーフロー後のノイズ信号、オーバーフロー前の電荷に応じた信号、及びオーバーフロー後の電荷に応じた信号を並行して読み出して出力することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項14に記載の固体撮像素子であって、
前記駆動制御手段は、第2の駆動モードにおいては、各画素に対応する複数の記憶部の全てに信号を保持した次に、時間的に最も古い信号を保持している記憶部をリセットして新たな信号を保持するように、複数の記憶部を循環的に用いた信号保持動作を行い、停止指示に応じて記憶部への新たな信号の保持動作を停止することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項17に記載の固体撮像素子であって、
第1の駆動モードを実行することにより出力される1フレーム分又は複数フレーム分の全体又はその中の一部の画像情報に基づいて特定のイベントを検知するイベント検知手段を備え、前記駆動制御手段は、前記イベント検知手段による検知に応じて第2の駆動モードを実行することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項17に記載の固体撮像素子であって、
前記駆動制御手段は、第1の駆動モードと第2の駆動モードとを任意の回数又は時間毎に交互に実行することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項14に記載の固体撮像素子であって、
第1の駆動モードの動作時に第2の駆動モードのための前記記憶部の一部を利用することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項14に記載の固体撮像素子であって、
第1の駆動モードのための前記記憶部と第2の駆動モードのための前記記憶部とを独立して設けたことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項14〜21のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
前記駆動制御手段は、記憶部からの信号の逐次読み出しに際して、二次元のアレイ状に複数配列された画素の中の特定の画素に対応した信号を選択的に逐次読み出して出力することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項14〜21のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
前記駆動制御手段は、二次元のアレイ状に複数配列された画素の中の隣接する又は近接する画素に対応した信号を記憶部から同時に読み出し、アナログ的な加算処理又は平均化処理を行うことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項23に記載の固体撮像素子であって、
前記アナログ的な加算処理又は平均化処理を行う際の複数の画素の組み合わせを、二次元のアレイ状の配列において水平方向及び垂直方向で互い違いに選択することを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項14〜21のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
前記駆動制御手段は、時間的に隣接する又は近接する異なるフレーム中で空間的に同一位置の1乃至複数の画素に対応した信号を記憶部から同時に読み出し、アナログ的な加算処理又は平均化処理を行うことを特徴とする固体撮像素子。
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