JPH08294057A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、光信号を検知して電気信号に変換
するホトダイオード等の光電変換素子部を含む画素を複
数個配置し、これらの画素をフレーム制御期間毎に選択
して電気信号を読み出すための固体撮像素子に関し、コ
ンピュータ等を大型化せずにリアルタイムで移動体等の
画像の検出を行うことを目的とする。 【構成】 複数の画素中の特定の画素をフレーム制御期
間毎に選択して光電変換素子部１から電気信号を読み出
す場合、複数の画素２の各々の光電変換素子部１に対
し、光電変換素子部１からの電気信号の信号電荷を蓄積
するための複数の蓄積容量等の信号電荷蓄積素子部を設
け、信号電荷蓄積素子部の各々には、異なるフレーム制
御期間に読み出された光電変換素子部１からの信号電荷
が蓄積されており、この信号電荷と、現在読み出してい
るフレーム制御期間の信号電荷との差を検出するように
構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的な画像から放射
される光信号を検知して対応する電気信号に変換するた
めのホトダイオード等からなる光電変換素子部を含む画
素を、一つの方向または互いに直交する二次元の方向
（例えば、ＸＹ方向）に複数個配置し、これらの複数個
の画素をフレーム制御期間（またはフィールド制御期
間）毎に選択して上記電気信号を読み出すための固体撮
像素子に関する。

【０００２】この種の固体撮像素子においては、各々の
光電変換素子部に対しＭＯＳ形の電界効果トランジスタ
（通常、ＭＯＳＦＥＴと略記される）等のスイッチング
素子部が接続されており、外部の制御回路によりスイッ
チング素子部を選択的にオンの状態にすることによっ
て、元の画像に対応する電気信号を光電変換素子部から
取り出すような構成になっている。一般には、二次元の
ＸＹ方向に配置されたマトリクス状の複数の画素から電
気信号を読み出す構成のＸ−Ｙアドレス方式による固体
撮像素子が使用される。このＸ−Ｙアドレス方式におい
ては、通常、Ｘ方向を列方向または水平方向、Ｙ方向を
行方向または垂直方向と称している。

【０００３】近年、半導体技術の進歩により固体撮像素
子の画素数の増大・画素サイズの縮小化が急速に進みつ
つある。例えば、画像認識等の画像情報処理の入力装置
として固体撮像素子を用いる場合、通常は、この固体撮
像素子からの画像情報を外部のコンピュータに取り込ん
でから同コンピュータ上で処理を行っているので、上記
の画素数の増大や画素サイズの縮小化が進むにつれて画
像情報の処理速度が著しく低下する。このため、固体撮
像素子を用いて移動体等をリアルタイムで検出・処理す
ることが難しくなってくる。上記のようなコンピュータ
上での処理速度の低下を回避するために、これまでコン
ピュータ上で行っていた画像情報処理の一部を固体撮像
素子により遂行させることが必要になってくる。すなわ
ち、画像の特徴量抽出等の前処理の機能を取り込んだ固
体撮像素子、すなわち、視覚情報処理機能を有する固体
撮像素子が要求される傾向にある。

【０００４】

【従来の技術】図１０は、一般の固体撮像素子を用いた
画像情報処理装置の構成を示すブロック図である。ただ
し、ここでは、一般のタイプの固体撮像素子１１０によ
り構成される電荷結合素子１００（通常、ＣＣＤと略記
される）を備えた画像情報処理装置を代表例として図示
することとする。

【０００５】図１０に示すような画像情報処理装置を用
いて画像情報を処理する場合、従来は、固体撮像素子１
１０により構成されるＣＣＤ１００を入力装置とし、受
光部１２０から上記ＣＣＤ１００に入ってくる光信号を
電気信号に変換していた。さらに、このＣＣＤ１００か
ら出力されるシリアル形式のアナログの電気信号を、Ａ
／Ｄコンバータ（アナログ／ディジタル変換器：図示し
ていない）によりディジタル信号に変換してコンピュー
タ１４０に取り込むようにしている。その後、コンピュ
ータ１４０内でディジタル信号の平滑化・輪郭およびそ
の他の特徴量抽出等の前処理を行った後にパターン認識
等の必要な画像情報の抽出を行うようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の画像情報
処理装置では、通常、フレーム制御期間またはフィール
ド制御期間を設定し、この制御期間に基づくフレームま
たはフィールドの時間単位で複数の画素からなる画像デ
ータが順次処理される。しかしながら、一般の固体撮像
素子を含むＣＣＤ１００から出力される電気信号はシリ
アル形式になっているため、コンピュータ１４０内で前
処理を行う前に、１フレーム分あるいは数フレーム分の
画像データをＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等のコ
ンピュータ内部のメモリまたは外部メモリ１３０内に一
旦記憶する必要がある。

【０００７】例えば、移動体を画像情報処理の対象とし
た場合、この移動体の検出結果としてＣＣＤから得られ
る情報がシリアル形式になっているため、１フレーム分
あるいは数フレーム分の時間まで移動体が移動した後の
情報が外部メモリ等に記憶されることになる。ここで、
移動体をリアルタイムで検出・処理してその移動の様子
を的確に把握するためには、次の１フレーム分あるいは
数フレーム分の移動体の情報をＣＣＤにより検出して外
部メモリ等に記憶する前に、現在外部メモリ等に記憶さ
れている情報を読み出してコンピュータ内で高速に処理
しなければならない。

【０００８】それゆえに、固体撮像素子を含むＣＣＤや
コンピュータ等に対し高速動作が要求されるようになっ
て専用のＣＣＤおよびコンピュータ等が必要となり、シ
ステムが大型になるために、画像情報処理装置全体の占
有面積も大きくなるという問題が生ずる。この問題は、
処理すべき画素数が増大したり画素サイズの縮小化が進
むにつれて顕著になる。しかも、ＣＣＤから外部メモリ
およびコンピュータへ情報を転送する速度は、シリアル
形式のインターフェイスのバスの速度により制限される
ために、コンピュータ等を大型化しても、リアルタイム
よりさらに高速で移動体の検出・処理を行うことは到底
困難になってくる。

【０００９】上記の問題点に対処するために、二次元の
画像を行方向および列方向単位に射影して得られる二方
向の一次元の画像情報を、各方向毎に独立に加算する等
の前処理を行う機能を備えた固体撮像素子が考案されて
いる。しかしながら、移動体等の画像情報の検出を行う
場合には、移動体等の移動の様子をパターン認識等によ
り的確に把握するために、前述の図１０の場合と同じよ
うに、射影後の一次元の画像情報をコンピュータ内部の
メモリまたは外部メモリに一旦記憶する必要がある。し
たがって、一次元の画像情報を各方向毎に加算する手法
を用いても、依然として上記の問題点が残る。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、画像情報処理用のコンピュータ等を大型化す
ることなく、リアルタイムまたはリアルタイムより高速
で移動体等の画像情報の検出・処理を行うことが可能な
固体撮像素子を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
を示すブロック図である。ただし、ここでは、固体撮像
素子内の画像領域に配置された複数の画素中の一つの画
素に関係する構成を代表して示すこととし、複数の画素
を含む固体撮像素子全体の構成は後述の図２に示すこと
とする。

【００１２】図１に示す固体撮像素子は、一般の固体撮
像素子と同じように、所定の方向に配置されると共に、
画像からの光信号を電気信号に変換するための光電変換
素子部１をそれぞれ含む複数の画素２から構成されてお
り、これらの複数の画素をフレーム制御期間毎に選択し
てこの光電変換素子部１から上記電気信号を読み出すよ
うになっている。

【００１３】さらに、上記問題点を解決するために、本
発明の固体撮像素子は、複数の画素２の各々の光電変換
素子部１に対し、上記電気信号の信号電荷を蓄積する複
数の信号電荷蓄積素子部を設けている。これらの信号電
荷蓄積素子部の各々には、異なるフレーム制御期間に読
み出された光電変換素子部１からの信号電荷が蓄積され
ており、この信号電荷と、現在読み出しているフレーム
制御期間の信号電荷との差を検出するような構成になっ
ている。

【００１４】二者択一的な例として、本発明の固体撮像
素子は、第１の方向（例えば、水平方向または列方向）
およびこの第１の方向と直交する第２の方向（例えば、
垂直方向または行方向）に配置されると共に、画像から
の光信号を電気信号に変換するための光電変換素子部１
をそれぞれ含むマトリクス状の複数の画素２と、これら
の複数の画素２中の特定の画素を選択する画素選択回路
部５とを有しており、この画素選択回路部５により第１
の方向および第２の方向のフレーム制御期間毎に上記特
定の画素を選択して光電変換素子部１から上記電気信号
を読み出すようになっている。

【００１５】さらに、この種の固体撮像素子は、前述の
固体撮像素子と同じように、複数の画素２の各々の光電
変換素子部１に対し、上記電気信号の信号電荷を蓄積す
る複数の信号電荷蓄積素子部を設けている。これらの信
号電荷蓄積素子部の各々には、異なるフレーム制御期間
に読み出された光電変換素子部１からの信号電荷が蓄積
されており、この信号電荷と、現在読み出しているフレ
ーム制御期間の信号電荷との差を検出するような構成に
なっている。

【００１６】上記画素選択回路部５は、第１の方向のラ
インの各画素に接続される第１の増幅素子部と、第２の
方向のラインの各画素に接続される第２の増幅素子部と
を備えている。さらに、これらの第１の増幅素子部およ
び第２の増幅素子部は、第１の方向および第２の方向で
の各画素に対し検出される上記の信号電荷の差をそれぞ
れ加算してこれらの第１の方向および第２の方向に射影
された画像に関する情報を得る機能を有しており、上記
第１の増幅素子部および上記第２の増幅素子部からそれ
ぞれ得られる第１の方向および上記第２の方向に射影さ
れた画像に関する情報を、異なるフレーム制御期間にて
比較することにより、この画像のパターン認識を行うよ
うに構成される。

【００１７】さらに、好ましくは、上記の光電変換素子
部１の各々は、スイッチング素子部１１、１４に接続さ
れており、上記の各フレーム制御期間毎に選択すべき光
電変換素子部１から上記電気信号を読み出す際に、対応
するスイッチング素子部をオンの状態にするように構成
される。さらに、好ましくは、上記の第１の増幅素子部
および第２の増幅素子部は、ソースホロアアンプにより
構成される。

【００１８】さらに、好ましくは、上記の第１の増幅素
子部および第２の増幅素子部は、第１の方向または第２
の方向のいずれか一方向に配置され、かつ、一つの負荷
素子として機能する負荷用電界効果トランジスタと、上
記の第１の方向または第２の方向のいずれか一方向に配
置され、かつ、この負荷用電界効果トランジスタを駆動
する一つの駆動用電界効果トランジスタとにより構成さ
れる。

【００１９】さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素
子においては、上記の異なるフレーム制御期間での信号
電荷の差を検出する機能と、上記のパターン認識の機能
とが、上記電気信号を読み出すタイミングの変更により
切り替えられる。さらに、好ましくは、本発明の固体撮
像素子においては、第１の方向および上記第２の方向で
の信号電荷をそれぞれ加算する際に、これらの第１およ
び第２の方向での信号電荷をリセットするタイミングを
変更することにより、加算するラインの数を可変にする
ことができる。

【００２０】図２は、本発明の原理が適用される固体撮
像素子の全体構成を示すブロック図である。ただし、こ
こでは、二次元の第１の方向（例えば、水平方向）およ
び第２の方向（例えば、垂直方向）に配置されたマトリ
クス状の複数の画素から電気信号を読み出す構成のＸ−
Ｙアドレス方式による固体撮像素子を代表して図示する
こととする。なお、これ以降、前述した構成要素と同様
のものについては、同一の参照番号を付して表すことと
する。

【００２１】図２においては、水平方向および垂直方向
での信号電荷をそれぞれ加算するためのマルチプレクサ
として、ＭＯＳＦＥＴ等のアナログのスイッチング素子
部を用いた読み出し方式による電気信号読み出し用のマ
ルチプレクサが設けられている。図２に示すように、本
発明の固体撮像素子は、複数の光電変換素子部１と、こ
れらの複数の光電変換素子部１から選択的に信号電荷を
取り出すための複数のＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素
子部（後述の図３の信号電荷蓄積制御用のスイッチング
素子部１１、１３、および、信号読み出し用のスイッチ
ング素子部１２、１４参照））とにより構成される。こ
れらの光電変換素子部１の各々には、スイッチング素子
部を介して、水平方向のラインの画素に対し列アンプ回
路等の水平方向増幅素子部５２が設けられる。また一方
で、上記光電変換素子部１の各々には、スイッチング素
子部を介して、垂直方向のラインの画素に対し行アンプ
回路等の垂直方向増幅素子部５３が設けられる。これら
の水平方向増幅素子部５２および垂直方向増幅素子部５
３は、水平方向および垂直方向での信号電荷をそれぞれ
加算して電荷／電圧変換を行った結果をコンピュータ等
の画像処理回路に出力するものである。さらに、上記ス
イッチング素子部のオン・オフ動作を制御するための画
素選択回路部５は、コンピュータのＣＰＵ等により実現
される。

【００２２】さらに、図２に示す固体撮像素子において
は、画像領域１０中の特定の列を選択するための水平走
査回路５４と、特定の行を選択するための垂直走査回路
５５とが設けられている。前者の水平走査回路５４は、
画像領域中の列選択のためにＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ
ング素子部に供給すべき選択パルスを発生する水平シフ
トレジスタ等から構成され、後者の垂直走査回路５５
は、画像領域中の行選択のためにＭＯＳＦＥＴ等のスイ
ッチング素子部に供給すべき選択パルスを発生する垂直
シフトレジスタ等から構成される。さらに、図２では、
水平方向の信号電荷を必要に応じてリセットするための
ＭＯＳＦＥＴ等からなる水平方向リセット用スイッチン
グ素子部６と、垂直方向の信号電荷を必要に応じてリセ
ットするためのＭＯＳＦＥＴ等からなる垂直方向リセッ
ト用スイッチング素子部７とが設けられている。

【００２３】

【作用】図３は、本発明の作用を説明するための固体撮
像素子の一部の構成を拡大して示す図である。図３にお
いては、画像領域１０を構成するユニットに相当する一
つの画素２が図示されている。図３に示すように、本発
明の固体撮像素子においては、一つの画素２中のホトダ
イオード等の光電変換素子部１に対し、複数の蓄積容量
等の信号電荷蓄積素子部を設けている（図３では、説明
を簡単にするために、第１の信号電荷蓄積素子部３およ
び第２の信号電荷蓄積素子部４の２つの信号電荷蓄積素
子部が設けられているものとする）。画素２と第１およ
び第２の信号電荷蓄積素子部３、４との間には、それぞ
れ、信号電荷蓄積制御用のスイッチング素子部１２、１
３が接続されている。画素選択回路部５から生成される
信号電荷蓄積制御用信号Ｓs1およびＳs2により、あるフ
レーム制御期間では、信号電荷蓄積制御用のスイッチン
グ素子部１２、１３のいずれか一方がオンの状態にする
ように制御される。すなわち、第１および第２の信号電
荷蓄積素子部３、４の各々には、異なるフレーム制御期
間に読み出された光電変換素子部１からの信号電荷が蓄
積されている。

【００２４】さらに、第１および第２の信号電荷蓄積素
子部３、４と信号電荷読み出し端子との間には、信号読
み出し用のスイッチング素子部１１、１４がそれぞれ接
続されている。画素選択回路部５から生成される信号読
み出し制御用信号Ｓr1およびＳr2により、現在読み出し
ているフレーム制御期間の信号電荷と、別のフレーム制
御期間で読み出されかつ信号電荷蓄積素子部に蓄積され
ている信号電荷とを出力し、これらの信号電荷の差を取
り出すようにしている。

【００２５】この場合、現在のフレーム制御期間での信
号電荷と、現在の時間より数フレーム前のフレーム制御
期間での信号電荷とを比較して差分アンプ等によりその
差分を検出するようにしているので、移動体等の画像情
報の時間的な変化の様子を正確かつ迅速に把握すること
が可能になる。さらに、複数の画素の水平方向および垂
直方向での信号電荷をそれぞれ加算して電荷／電圧変換
を行うようにすれば、二次元の画像情報をパターン認識
等より的確に把握することも可能になる。上記のような
構成では、異なるフレーム制御期間での信号電荷の差分
算出処理や、複数の画素の水平方向および垂直方向での
信号電荷の加算処理は、コンピュータの前処理として固
体撮像素子内で行うことができるので、コンピュータ等
の画像処理回路内の処理が従来よりも簡単になる。それ
ゆえに、画像情報処理用のコンピュータ等を大型化する
ことなく、リアルタイムまたはリアルタイムより高速で
移動体等の画像情報の検出を行うことが可能になる。

【００２６】さらに詳しく説明すると、最初に、本発明
の固体撮像素子を用いて移動体の検出・処理を行う場合
は、図３において、信号電荷蓄積制御用のスイッチング
素子部１２、１３がオンの期間に光電変換素子部１で光
電変換された信号電荷を、第１の信号電荷蓄積素子部３
および第２の信号電荷蓄積素子部４にそれぞれ蓄える。
そして、次のフレームに相当するフレーム制御期間に信
号電荷を読み出すときには、一方のスイッチング素子部
１２をオンの状態、他方のスイッチング素子部１３をオ
フの状態にすることで、光電変換素子部１で光電変換さ
れた信号電荷は第１の信号電荷蓄積素子部３のみに蓄え
られる。

【００２７】すなわち、第１の信号電荷蓄積素子部３に
は、現在の信号電荷が蓄えられており、第２の信号電荷
蓄積素子部４には、１フレーム前の信号電荷が蓄えられ
ていることになる。この状態で、信号読み出し用のスイ
ッチング素子部１１および信号電荷蓄積制御用スイッチ
ング素子部の１２をオンの状態にし、第１の信号電荷蓄
積素子部および第２の信号電荷蓄積素子部蓄積容量３、
４の信号電荷を、それぞれバスラインを介して垂直方向
増幅素子部５３から個別に電荷／電圧変換する。その
後、差分アンプ等により両信号電荷の差をとることで、
フレーム間の信号差分を出力することができる。すなわ
ち、本発明の固体撮像素子を用いたカメラシステム等を
一つの場所に固定し同一シーンを撮像することで、この
撮像されたシーン中の移動体の軌跡（時間的な変化）を
出力として得ることができる。

【００２８】次に、本発明の固体撮像素子を用いてパタ
ーン認識を行う場合、図２において、水平方向リセット
用スイッチング素子部６および垂直方向リセット用スイ
ッチング素子部７の両方がオフの期間では、水平走査回
路５４および垂直走査回路５５で選択された画素の信号
電荷は、アンプ等からなる水平方向増幅素子部５２およ
び垂直方向増幅素子部５３により電荷／電圧変換され
る。次に、垂直走査回路５５にて選択された行のライン
に対し、水平走査回路５４によりライン中の各画素を順
次選択する。このときに、水平方向リセット用スイッチ
ング素子部６をオフの状態にすることで水平方向増幅素
子部５２で選択された行の信号電荷が加算されることに
なる。

【００２９】同様にして、垂直走査回路５５で全行を走
査している間、垂直方向リセット用スイッチング素子部
７をオフの状態にすることで、垂直方向増幅素子部５３
では水平走査回路５４で選択された列の信号電荷が加算
されることになる。換言すれば、外部の信号処理回路や
画像処理回路等に出力される信号として、二次元の画像
情報を水平方向および垂直方向（例えば、ＸＹ方向）に
それぞれ射影した信号が得られる。そして、これから認
識するための原画像による信号電荷を第２の信号電荷蓄
積素子部４に蓄積し、認識対象となる画像による信号電
荷を第１の信号電荷蓄積素子部３に蓄積する。このよう
にすれば、原画像の信号電荷を水平方向および垂直方向
に射影した信号と、認識対象画像の信号電荷を水平方向
および垂直方向に射影した信号とを比較することが容易
に行えるので、簡単なパターンであれば、コンピュータ
等により煩雑な演算処理を行わなくとも本発明の固体撮
像素子上で充分パターン認識を行うことができる。

【００３０】かくして、本発明では、現在のフレーム制
御期間での信号電荷と、異なるフレーム制御期間での信
号電荷とを比較してその差分を検出するようにしている
ので、移動体等の画像情報の時間的な変化の様子を正確
かつ迅速に把握することが可能になる。さらに、複数の
画素の水平方向および垂直方向での信号電荷をそれぞれ
加算して電荷／電圧変換を行うようにすれば、二次元の
画像情報を一次元の方向に射影することで画像情報のパ
ターン認識等を正確に行うことも可能になる。上記の移
動体の検出機能とパターン認識機能とは、リセットのタ
イミング変更により容易に選択することが可能になる。

【００３１】さらに、異なるフレーム制御期間での信号
電荷の差分算出処理や、複数の画素の水平方向および垂
直方向での信号電荷の加算処理は、コンピュータの前処
理として固体撮像素子内で行うことができるので、コン
ピュータ等の画像処理回路内の処理が従来よりも簡単に
なるので、リアルタイムまたはリアルタイムより高速で
移動体等の画像情報の検出を行うことが容易に可能にな
る。

【００３２】

【実施例】以下添付図面（図４〜図９）を用いて本発明
の実施例を詳細に説明する。図４および図５は、本発明
の一実施例の構成を示す回路ブロック図（その１おおび
その２）である。ただし、ここでは、画像領域内の水平
方向（列方向）および垂直方向（行方向）に対し２×２
のマトリクス状の複数の画素が配置された固体撮像素子
を代表例として示すこととする。

【００３３】図４および図５においては、各画素を構成
する光電変換素子部１として、光信号のレベルに応じて
電気信号を生成するホトダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ
２１およびＤ２２が設けられている。さらに、これらの
ホトダイオードに接続される複数の信号電荷蓄積素子部
として、ホトダイオードからの電気信号を対応する信号
電荷として保持することが可能な蓄積容量（コンデン
サ）が使用される。さらに、上記の電気信号の読み出し
制御や信号電荷蓄積制御を行うための複数のスイッチン
グ素子部として、入力インピーダンスが高く信号電荷を
ほぼ連続して蓄積することが容易に行えるＭＯＳＦＥＴ
のトランジスタが使用される。

【００３４】図４および図５に示すように、ホトダイオ
ードＤ１１は、信号電荷蓄積制御用トランジスタＭｎ１
１、Ｍｐ１１を介して蓄積容量Ｃｎ１１、Ｃｐ１１に接
続されている。さらに、一方の蓄積容量Ｃｎ１１は、水
平読み出し用トランジスタＭｈｎ１１および垂直読み出
し用トランジスタＭｖｎ１１に接続されており、他方の
蓄積容量Ｃｐ１１は、水平読み出し用トランジスタＭｈ
ｐ１１および垂直読み出し用トランジスタＭｖｐ１１に
接続されている。

【００３５】さらに、ホトダイオードＤ１２は、信号電
荷蓄積制御用トランジスタＭｎ１２、Ｍｐ１２を介して
蓄積容量Ｃｎ１２、Ｃｐ１２に接続されている。さら
に、一方の蓄積容量Ｃｎ１２は、水平読み出し用トラン
ジスタＭｈｎ１２および垂直読み出し用トランジスタＭ
ｖｎ１２に接続され、他方の蓄積容量Ｃｐ１２は、水平
読み出し用トランジスタＭｈｐ１２および垂直読み出し
用トランジスタＭｖｐ１２に接続されている。

【００３６】さらに、ホトダイオードＤ２１は、信号電
荷蓄積制御用トランジスタＭｎ２１、Ｍｐ２１を介して
蓄積容量Ｃｎ２１、Ｃｐ２１に接続されている。さら
に、一方の蓄積容量Ｃｎ２１は、水平読み出し用トラン
ジスタＭｈｎ２１および垂直読み出し用トランジスタＭ
ｖｎ２１に接続され、他方の蓄積容量Ｃｐ２１は、水平
読み出し用トランジスタＭｈｐ２１および垂直読み出し
用トランジスタＭｖｐ２１に接続されている。

【００３７】さらに、ホトダイオードＤ２２は、信号電
荷蓄積制御用トランジスタＭｎ２２、Ｍｐ２２を介して
蓄積容量Ｃｎ２２、Ｃｐ２２に接続されている。さら
に、一方の蓄積容量Ｃｎ２２は、水平読み出し用トラン
ジスタＭｈｎ２２および垂直読み出し用トランジスタＭ
ｖｎ２２に接続され、他方の蓄積容量Ｃｐ２２は、水平
読み出し用トランジスタＭｈｐ２２および垂直読み出し
用トランジスタＭｖｐ２２に接続されている。

【００３８】さらに、図４および図５においては、画像
領域内の特定の列を選択するための水平走査回路として
水平シフトレジスタ６４が設けられ、特定の行を選択す
るための垂直走査回路として、垂直シフトレジスタ６５
が設けられている。さらに、水平方向および垂直方向で
の信号電荷の加算処理をそれぞれ独立に実行するための
水平方向増幅素子部および垂直方向増幅素子部として、
それぞれ、オペアンプ（演算増幅器）からなる行側の出
力アンプ３１１、３１２、３２１および３２２、ならび
に、列側の出力アンプ２１１、２１２、２２１および２
２２が設けられている。すべての水平読み出し用トラン
ジスタＭｈｎ１１、Ｍｈｎ１２、Ｍｈｎ２１、Ｍｈｎ２
２は、水平シフトレジスタ６４により選択された出力ア
ンプ３１１、３２１と接続される。また一方で、水平読
み出し用トランジスタＭｈｐ１１、Ｍｈｐ１２、Ｍｈｐ
２１、Ｍｈｐ２２は、水平シフトレジスタ６４により選
択されると共に、ＰＥＮＡＢＬＥ（図７の（ｉ）に示
す）が“Ｈ（High）”レベルのときに出力アンプ３１
２、３２２と接続される。

【００３９】この出力アンプ３１２、３２２（または出
力アンプ３１１、３２１）においては、図６に示すよう
に、各出力アンプが、ソースホロアアンプで構成されて
いる。さらに詳しく説明すると、１列目の出力アンプ３
１２は、電源Ｖ_DDにて動作する駆動ＭＯＳＦＥＴ４１２
が、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５１２を介して負荷素子７２
に接続されることで、ソースホロアアンプを形成する。
さらに、ｎ列目（ｎは任意の正の整数：図５では２列
目）の出力アンプ３２２は、前述の場合と同様に、電源
Ｖ_DDにて動作する駆動ＭＯＳＦＥＴ４２２が、ＭＯＳＦ
ＥＴスイッチ５２２を介して負荷素子７２に接続される
ことで、ソースホロアアンプを形成する。上記のＭＯＳ
ＦＥＴスイッチは、移動体検出の際の基準とする信号を
取り出すためのイネイブル信号ＰＥＮＡＢＬＥに基づい
て生成される２種類の制御信号φｎ、／φｎ（ｎは任意
の正の整数：電子出願の形式では、図７のように、φ１
の上部に横線を引いて表すことが困難なため、ここで
は、便宜上、／φ１の形式で表すこととする）によりオ
ン・オフ動作を行う。

【００４０】ここでは、図６に示したソースホロアアン
プの構成により低消費電力化を図ることが可能になる。
ここで、再び図４および図５に戻って本発明の実施例の
説明を続けて行うこととする。前述の場合と同様に、垂
直読み出し用トランジスタＭｖｎ１１、Ｍｖｎ１２、Ｍ
ｖｎ２１およびＭｖｎ２２は、垂直シフトレジスタ６５
により選択された出力アンプ２１１、２２１と接続され
る。また一方で、垂直読み出し用トランジスタＭｖｐ１
１、Ｍｖｐ１２、Ｍｖｐ２１およびＭｖｐ２２は、垂直
シフトレジスタ６５により選択されると共に、イネイブ
ル信号ＰＥＮＡＢＬＥが“Ｈ”レベルのときに出力アン
プ２１２、２２２と接続される。

【００４１】図７は、本発明の一実施例の動作を説明す
るためのタイミングチャートである。ここでは、前述の
図４および図５において移動体検出機能を用いる場合の
タイミングチャートを示す。まず、図７の（ａ）におい
て、積分動作によりホトダイオードから蓄積容量へ信号
電荷を移すために必要な積分時間Ｔint を設定し、この
積分時間Ｔint が“Ｈ”レベルの期間にホトダイオード
Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ２１およびＤ２２の信号電荷を蓄積
容量Ｃｎ１１、Ｃｎ１２、Ｃｎ２１およびＣｎ２２にそ
れぞれ蓄積するように制御する。また、このとき、基準
の画像情報選択のための基準画像選択信号Ｐselect（図
７の（ｈ））も“Ｈ”レベルであるので、ホトダイオー
ドＤ１１、Ｄ１２、Ｄ２１およびＤ２２の信号電荷が蓄
積容量Ｃｐ１１、Ｃｐ１２、Ｃｐ２１およびＣｐ２２に
もそれぞれ蓄積される。次に、垂直読み出し制御信号Ｖ
１（図７の（ｂ））を“Ｈ”レベルにすることで水平読
み出し用トランジスタＭｈｎ１１、Ｍｈｎ１２がオンの
状態になり、ホトダイオードＤ１１、Ｄ１２の行を選択
することでこれらのホトダイオードＤ１１、Ｄ１２の信
号電荷がバスラインを介して行側の出力アンプ３１１、
３１２に入力され、電荷／電圧変換される。

【００４２】この状態で、水平読み出し制御信号Ｈ１、
Ｈ２（図７の（ｄ）、（ｅ））を順次“Ｈ”レベルにす
ることで行側の出力アンプ３１１、３１２を順次選択
し、出力信号Ｘoutnの端子から現在のフレームの信号を
出力することができる。このとき、イネイブル信号ＰＥ
ＮＡＢＬＥは“Ｌ（Low ）”レベルであるので、蓄積容
量Ｃｐ１１、Ｃｐ１２からは信号電荷が読み出されな
い。その後、垂直読み出し制御信号Ｖ１を“Ｌ”レベ
ル、別の垂直読み出し制御信号Ｖ２（図７の（ｃ））を
“Ｈ”レベルにすることでＤ２１、Ｄ２２の行の信号電
荷を同様に読み出し１フレーム分の読み出しを終了す
る。次のフレームでも同様に、積分期間Ｔint を“Ｈ”
レベルにすることで、ホトダイオードＤ１１、Ｄ１２、
Ｄ２１およびＤ２２の信号電荷が蓄積容量Ｃｎ１１、Ｃ
ｎ１２、Ｃｎ２１およびＣｎ２２に一旦蓄積される。た
だし、このときには、基準画像選択信号Ｐselectが
“Ｌ”レベルであるため、蓄積容量Ｃｐ１１、Ｃｐ１
２、Ｃｐ２１およびＣｐ２２には信号電荷が蓄積されな
い。すなわち、蓄積容量Ｃｎ１１、Ｃｎ１２、Ｃｎ２１
およびＣｎ２２には現在のフレームの信号電荷が蓄積さ
れており、蓄積容量Ｃｐ１１、Ｃｐ１２、Ｃｐ２１およ
びＣｐ２２には１フレーム前の信号電荷が蓄積されてい
ることになる。

【００４３】したがって、この状態で前述の場合と同様
の信号電荷の読み出しを行うと、出力信号Ｘoutnの端子
では、現在のフレームに相当するフレーム制御期間の出
力電圧が得られ、出力信号Ｘoutpの端子では、１フレー
ム前の出力電圧が得られることになる。ここで、２つの
出力信号Ｘoutn、Ｘoutpの出力電圧の差を取り出すこと
により得られる固体撮像素子の出力が、異なるフレーム
間の出力信号の差となる。したがって、固体撮像素子の
視野が変化していない場合には、図８に示すように、こ
の固体撮像素子の出力が移動体の位置（図８中の斜線で
示した部分）の軌跡を示すことになるので、移動体の検
出を容易に行うことが可能になる。この場合、水平方向
リセット信号（図７の（ｆ））φＲＨは、水平方向のす
べての列からの信号読み出しが完了したときに“Ｈ”レ
ベルになり、垂直方向リセット信号（図７の（ｇ））φ
ＲＶは、水平方向の各列から信号を読み出す際に“Ｈ”
レベルになる。

【００４４】図９は、本発明の一実施例においてパター
ン認識機能を用いる場合の動作を説明するためのタイミ
ングチャートである。ここでは、前述の図４および図５
において、移動体検出機能の代わりにパターン認識機能
を用いる場合の水平方向リセット信号φＲＨ（図９の
（ａ））と、垂直方向リセット信号φＲＶ（図９の
（ｂ））のタイミングチャートが図示されている。この
場合、図９に示すように、水平方向リセット信号φＲＨ
が“Ｌ”レベルの期間、すなわち、水平方向リセット用
トランジスタ６１１、６１２、６２１および６２２がオ
フの期間に水平方向の読み出しを行うことで、出力信号
Ｘoutn、Ｘoutpとして、Ｙ方向（垂直方向）のホトダイ
オードＤ１１、Ｄ２１およびＤ１２、Ｄ２２の信号を加
算した出力を得ることができる。

【００４５】同様に、垂直方向リセット用トランジスタ
７１１、７１２、７２１および７２２がオフの期間に垂
直方向の読み出しを行うことで、出力信号Ｙoutn、Ｙou
tpとして、Ｘ方向（水平方向）のホトダイオードＤ１
１、Ｄ１２およびＤ２１、Ｄ２２の信号を加算した出力
を得ることができる。そして、一方の出力信号Ｘoutn、
Ｙoutnは、現在のフレームのＸ方向およびＹ方向にそれ
ぞれ射影した出力であり、他方の出力信号Ｘoutp、Ｙou
tpは、１フレーム前のＸ方向およびＹ方向にそれぞれ射
影した出力である。したがって、１フレーム前の信号と
して、原画像の信号を蓄積しておけば、現在のフレーム
の射影データと１フレーム前の射影データとを比較する
ことで、簡単なパターンであれば、コンピュータ等の画
像処理回路を使用しなくとも固体撮像素子内で容易にパ
ターン認識を行うことができる。

【００４６】換言すれば、上記の実施例では、水平方向
リセット信号φＲＨおよび垂直方向リセット信号φＲＶ
のタイミングの設定をすることにより、移動体検出機能
とパターン認識機能とが容易に切り替えられることにな
る。さらに、水平方向および垂直方向での信号電荷をそ
れぞれ加算する際に、上記のリセット信号φＲＨ、φＲ
Ｖにより水平方向および垂直方向での信号電荷をリセッ
トするタイミングを変更することによって、加算するラ
インの数を変更することも容易に行える。

【００４７】これまで説明した実施例では、二次元状に
ホトダイオードを配置した固体撮像素子について述べた
が、本発明の固体撮像素子を一次元の固体撮像素子に適
用することも容易である。さらに、前述の実施例では、
現在読み出しているフレームの信号電荷と、１フレーム
前の信号電荷との比較を行っているが、基準画像選択信
号Ｐselectのタイミングを適切に設定することにより数
フレーム前の信号電荷と比較することは容易に実現でき
る。

【００４８】さらにまた、前述の実施例では、各画素に
２個の蓄積容量を設けているが、３個以上の複数個の蓄
積容量を設けることで、数フレーム分の信号電荷を蓄積
することが容易に行える。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
素子によれば、第１に、複数の画素中の各画素内の光電
変換素子部に複数の蓄積容量等の信号電荷蓄積素子部を
設け、これらの信号電荷蓄積素子部に対しそれぞれ異な
るフレーム制御期間での信号電荷を蓄積してその差を検
出するようにしているので、移動体等の画像情報の時間
的な変化の様子を正確かつ迅速に把握することが可能に
なり、リアルタイムまたはリアルタイムより高速で移動
体等の画像情報の検出を行うことが容易になる。

【００５０】さらに、本発明の固体撮像素子によれば、
第２に、複数の画素の水平方向および垂直方向での信号
電荷をそれぞれ加算して電荷／電圧変換を行うようにし
ているので、コンピュータ等による煩雑な演算処理を行
わなくとも、二次元の画像情報をパターン認識等より的
確に把握することが可能になる。この結果、パターン認
識等の機能のように、これまで外部のコンピュータ内で
行っていた画像情報処理の一部の機能を取り込んだ機能
撮像素子を構築することができる。

【００５１】さらに、本発明の固体撮像素子によれば、
第３に、積分動作によりホトダイオード等の光電変換素
子部から複数の蓄積容量等へ信号電荷を容易に移すこと
ができるので、数フレーム前の信号電荷も蓄積すること
が可能になり、現在読み出している信号電荷と数フレー
ム前の信号電荷とを固体撮像素子内で比較することが容
易に行える。

【００５２】さらに、本発明の固体撮像素子によれば、
第４に、複数の画素の水平方向および垂直方向での信号
電荷をそれぞれ加算するための出力アンプ等の増幅素子
部に対し、入力インピーダンスの非常に高いソースホロ
アアンプを用いているので、信号電荷の減少を伴うこと
なく複数の蓄積容量等への信号電荷の蓄積、および信号
電荷の読み出しが正確に行える。

【００５３】さらに、本発明の固体撮像素子によれば、
第５に、出力アンプ等の増幅素子部の数が少なくて済む
ので、出力アンプ等の低消費電力化および回路実装面積
の節減が図れる。さらに、本発明の固体撮像素子によれ
ば、第６に、移動体等に関し異なるフレーム制御期間で
の信号電荷の差を検出する機能と、パターン認識の機能
とが、信号電荷を読み出すタイミングの変更により容易
に切り替えることができるので、コンピュータ等の画像
処理回路の煩雑な操作を必要とすることなく固体撮像素
子内でパターン認識を容易に行えるようになる。

【００５４】さらに、本発明の固体撮像素子によれば、
第７に、水平方向および垂直方向での信号電荷をリセッ
トするタイミングを変更することにより、信号電荷を加
算するラインの数を変えることが容易に行えるので、固
体撮像素子内で従来よりも多くの前処理をすることが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の原理が適用される固体撮像素子の全体
構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の作用を説明するための固体撮像素子の
一部の構成を拡大して示す図である。

【図４】本発明の一実施例の構成を示す回路ブロック図
（その１）である。

【図５】本発明の一実施例の構成を示す回路ブロック図
（その２）である。

【図６】本発明の一実施例で使用されるソースホロアア
ンプの構成例を示す回路図である。

【図７】本発明の一実施例の動作を説明するためのタイ
ミングチャートである。

【図８】本発明の一実施例による移動体の検出の軌跡を
示す図である。

【図９】本発明の一実施例においてパターン認識機能を
用いる場合の動作を説明するためのタイミングチャート
である。

【図１０】一般の固体撮像素子を用いた画像情報処理装
置の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…光電変換素子部 ２…画素 ３…第１の信号電荷蓄積素子部 ４…第２の信号電荷蓄積素子部 ５…画素選択回路部 ６…水平方向リセット用スイッチング素子部 ７…垂直方向リセット用スイッチング素子部 １０…画像領域 １２、１３…信号電荷蓄積制御用のスイッチング素子部 １１、１４…信号読み出し用のスイッチング素子部 ５２…水平方向増幅素子部 ５３…垂直方向増幅素子部 ５４…水平走査回路 ５５…垂直走査回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の方向に配置されると共に、画像か
   らの光信号を電気信号に変換するための光電変換素子部
   （１）をそれぞれ含む複数の画素（２）から構成され、
   該複数の画素をフレーム制御期間毎に選択して該光電変
   換素子部（１）から前記電気信号を読み出す固体撮像素
   子において、 該複数の画素（２）の各々の光電変換素子部（１）に対
   し、前記電気信号の信号電荷を蓄積する複数の信号電荷
   蓄積素子部を設け、 該信号電荷蓄積素子部の各々には、異なるフレーム制御
   期間に読み出された前記光電変換素子部（１）からの信
   号電荷が蓄積されており、該信号電荷と、現在読み出し
   ているフレーム制御期間の信号電荷との差を検出するよ
   うに構成されることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 第１の方向および該第１の方向と直交す
   る第２の方向に配置されると共に、画像からの光信号を
   電気信号に変換するための光電変換素子部（１）をそれ
   ぞれ含むマトリクス状の複数の画素（２）と、該複数の
   画素（２）中の特定の画素を選択する画素選択回路部
   （５）とを有し、該画素選択回路部（５）により前記第
   １の方向および前記第２の方向のフレーム制御期間毎に
   前記特定の画素を選択して該光電変換素子部（１）から
   前記電気信号を読み出す固体撮像素子において、 前記複数の画素（２）の各々の光電変換素子部（１）に
   対し、前記電気信号の信号電荷を蓄積する複数の信号電
   荷蓄積素子部を設け、 該信号電荷蓄積素子部の各々には、異なるフレーム制御
   期間に読み出された前記光電変換素子部（１）からの信
   号電荷が蓄積されており、該信号電荷と、現在読み出し
   ているフレーム制御期間の信号電荷との差を検出するよ
   うに構成され、 該画素選択回路部（５）は、前記第１の方向のラインの
   各画素に接続される第１の増幅素子部と、前記第２の方
   向のラインの各画素に接続される第２の増幅素子部とを
   備え、該第１の増幅素子部および第２の増幅素子部は、
   前記第１の方向および前記第２の方向での各画素に対し
   検出される前記の信号電荷の差をそれぞれ加算して該第
   １の方向および該第２の方向に射影された画像に関する
   情報を得る機能を有しており、 前記第１の増幅素子部および前記第２の増幅素子部から
   それぞれ得られる前記第１の方向および前記第２の方向
   に射影された画像に関する情報を、異なるフレーム制御
   期間にて比較することにより、該画像のパターン認識を
   行うように構成されることを特徴とする固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記光電変換素子部（１）の各々が、ス
   イッチッング素子部（１１、１４）に接続されており、
   前記の各フレーム制御期間毎に選択すべき光電変換素子
   部（１）から前記電気信号を読み出す際に、対応するス
   イッチッング素子部をオンの状態にするように構成され
   る請求項１または２記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記第１の増幅素子部および第２の増幅
   素子部が、ソースホロアアンプにより構成される請求項
   ２記載の固体撮像素子。
5. 【請求項５】 前記第１の増幅素子部および第２の増幅
   素子部が、 前記第１の方向または前記第２の方向のいずれか一方向
   に配置され、かつ、一つの負荷素子として機能する負荷
   用電界効果トランジスタと、 前記第１の方向または前記第２の方向のいずれか一方向
   に配置され、かつ、該負荷用電界効果トランジスタを駆
   動する一つの駆動用電界効果トランジスタとにより構成
   される請求項４記載の固体撮像素子。
6. 【請求項６】 前記の異なるフレーム制御期間での信号
   電荷の差を検出する機能と、前記のパターン認識の機能
   とが、前記電気信号を読み出すタイミングの変更により
   切り替えられる請求項２記載の固体撮像素子。
7. 【請求項７】 前記第１の方向および前記第２の方向で
   の信号電荷をそれぞれ加算する際に、該第１および第２
   の方向での信号電荷をリセットするタイミングを変更す
   ることにより、加算するラインの数を可変にせしめる請
   求項２記載の固体撮像素子。