JP4844854B2 - 固体撮像素子及び撮影装置 - Google Patents
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Description
a)二次元アレイ状に配列され、それぞれが、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電荷に応じた出力信号を送出するバッファ素子と、を少なくとも含む複数の画素と、
b)前記複数の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出力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)前記各画素における撮像に対応した光電荷の蓄積動作及び前記画素出力線を通しての各画素から前記複数の記憶部の1つへの信号の転送動作を全画素で一斉に、且つ撮像毎に信号を保持させる記憶部を順番に変えながら繰り返し行う途中で、異なる時点で得られた2つのフレームの全画素又は一部の画素に対応した信号を該当する記憶部から逐次読み出すように各画素及び各記憶部を動作させる駆動制御手段と、
e)前記駆動制御手段の制御の下に逐次読み出された2つのフレームの全画素又は一部の画素に対応した信号に基づいて撮影対象の変化又は動きを検知してトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、
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
60…トリガ信号生成部
61、62…サンプルホールド回路部
63…差分回路
64…積算回路
65…比較器
66…パルス発生回路
70…固体撮像素子
71…トリガ信号演算回路
72…トリガ信号出力端子
73…トリガ信号入力端子
74…撮像制御部
75…制御回路
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11(a)に示すように、画素領域2(2a、2b)の各画素10において1フレーム分の光電荷蓄積を実行した後に、全ての画素10で一斉にそれぞれの画素出力線141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11(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に順番に出力信号を保持させる。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。実施できる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12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13はこの動作における各画素10内の概略ポテンシャル図である。なお、図13(後述の図15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の容量を示し、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14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15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。
Claims (9)
- a)二次元アレイ状に配列され、それぞれが、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電荷に応じた出力信号を送出するバッファ素子と、を少なくとも含む複数の画素と、
b)前記複数の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出力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)前記各画素における撮像に対応した光電荷の蓄積動作及び前記画素出力線を通しての各画素から前記複数の記憶部の1つへの信号の転送動作を全画素で一斉に、且つ撮像毎に信号を保持させる記憶部を順番に変えながら繰り返し行う途中で、異なる時点で得られた2つのフレームの全画素又は一部の画素に対応した信号を該当する記憶部から逐次読み出すように各画素及び各記憶部を動作させる駆動制御手段と、
e)前記駆動制御手段の制御の下に逐次読み出された2つのフレームの全画素又は一部の画素に対応した信号に基づいて撮影対象の変化又は動きを検知してトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1に記載の固体撮像素子であって、前記駆動制御手段は、前記トリガ信号生成手段により生成されるトリガ信号に基づいて撮像を停止し、前記複数の記憶部に保持されている複数のフレームに対応した信号を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2に記載の固体撮像素子であって、前記トリガ信号の発生のタイミングから撮像を停止するまでの時間遅延又はフレーム数遅延を外部から指定可能であることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項1に記載の固体撮像素子であって、前記トリガ信号を生成するための2つのフレーム中の特定の範囲を外部から指定可能であることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項1に記載の固体撮像素子であって、前記トリガ信号を生成するための2つのフレームのフレーム間隔又は時間差を外部から指定可能であることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の固体撮像素子であって、前記トリガ信号を外部に出力する出力端子を備えることを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項1に記載の固体撮像素子であって、前記駆動制御手段は、2つのフレームの全画素又は一部の画素に対応した信号を該当する記憶部から逐次読み出す際に、二次元のアレイ状に複数配列された画素の中で水平方向及び/又は垂直方向に所定の間隔で飛ばし読み出しを行うことを特徴とする固体撮像素子。
- 請求項1に記載の固体撮像素子であって、前記駆動制御手段は、2つのフレームの全画素又は一部の画素に対応した信号を該当する記憶部から逐次読み出す際に、二次元のアレイ状に複数配列された画素の中で水平方向及び/又は垂直方向に隣接する又は近接する複数の画素に対応した信号を同時に読み出し、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1〜8のいずれかに記載の固体撮像素子を用いた撮影装置であって、前記トリガ信号生成手段により生成されるトリガ信号に応じて当該固体撮像素子の撮影の開始又は停止を制御する制御手段を備えることを特徴とする撮影装置。
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