KR101090149B1

KR101090149B1 - 고체촬상소자 및 촬영장치

Info

Publication number: KR101090149B1
Application number: KR1020107003062A
Authority: KR
Inventors: 시게토시 스가와; 야스시 곤도; 히데키 도미나가
Original assignee: 가부시키가이샤 시마쓰세사쿠쇼; 고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2011-12-06
Also published as: CN101796823B; EP2192764B1; TW200922309A; TWI401949B; JP4844854B2; EP2192764A4; JPWO2009031303A1; KR20100038445A; EP2192764A1; US8269838B2; US20100182470A1; WO2009031303A1; CN101796823A

Abstract

화소영역에 2차원 어레이 형상으로 배치된 화소마다 독립된 화소출력선(14)을 구비하여, 화소출력선(14)을 통하여 복수의 기억부(22)로 순서대로 화소 신호를 입력할 수 있도록 한다. 복수 프레임의 화소 신호가 기억부(22)에 유지된 상태에서, 임의의 2개의 프레임에 대응하는 화소 신호를 기억부(22)로부터 읽어내어 각각 샘플 홀드 회로부(61, 62)에 유지하고, 그 차분(差分)을 취하여, 소정의 화상범위에 대응하는 차분신호를 적산(積算)하여 역치(threshold value)와 비교한다. 적산값이 역치를 넘은 경우에 피사체에 변화가 생겼다고 간주하여, 펄스발생회로(66)는 트리거 신호를 생성한다. 이 트리거 신호에 따라서 촬영의 정지 등의 제어를 행함으로써, 목적으로 하는 현상이 일어나기 전 또는 후의 상태를 정확하게 고속 촬영할 수 있다.

Description

고체촬상소자 및 촬영장치{Solid state imaging element and imaging device}

본 발명은 고체촬상소자 및 그 고체촬상소자를 이용한 촬영장치에 관한 것으로서, 더욱 상세히는, 파괴, 폭발, 연소 등의 고속 현상을 촬영하기 위하여 적절한 고속 동작 가능한 고체촬상소자 및 촬영장치에 관한 것이다.

예컨대 폭발, 파괴, 연소, 충돌, 방전 등의 고속 현상을, 단시간만 연속적으로 촬영하기 위한 고속촬영장치(고속 비디오 카메라)가 종래부터 개발되고 있다(비특허문헌 1 등 참조). 이와 같은 고속촬영장치에서는, 100만 프레임/초 정도 이상이나 되는, 극히 고속도의 촬영이 필요하다. 그 때문에, 종래 일반적으로 비디오 카메라나 디지탈 카메라 등에 이용되고 있는 촬상소자와는 다른, 특수한 구조를 가지는 고속 동작 가능한 고체촬상소자가 이용되고 있다.

이와 같은 고체촬상소자로서, 종래, 특허문헌 1 등에 기재된 화소 주변 기록형 촬상소자(IS－CCD)라 불리는 소자가 알려져 있다. 이 촬상소자에 대하여 개략적으로 설명한다. 즉, 수광부인 포토 다이오드마다 각각 기록 매수(프레임 수)만큼의 전송(轉送)을 겸한 축적용 CCD를 구비하여, 촬영 중에는, 포토 다이오드에서 광전변환된 화소 신호를 축적용 CCD에 순차로 전송한다. 그리고, 촬영 종료 후에 축적용 CCD에 기억되어 있는 기록 프레임 수분의 화소 신호를 정리하여 읽어내어, 촬상소자의 외부에서 기록 프레임 수분의 화상을 재현한다. 촬영 중에 기록 프레임 수분을 넘은 화소 신호는 오래된 순서대로 폐기되어, 항상 최신의 소정 프레임 수분의 화소 신호가 축적용 CCD에 유지된다. 그 때문에, 촬영 종료시에 축적용 CCD로의 화소 신호의 전송을 중지하면, 그 시점에서부터 기록 프레임 수분만큼 시간적으로 거슬러 올라간 시점 이후의 최신의 화상이 얻어진다.

상술한 바와 같은 고속촬영에서는 관찰대상의 특정한 현상의 발생 타이밍에 동기한 촬영을 행하는 것이 중요하며, 외부로부터 트리거 신호가 부여되면, 그에 따라서 촬영을 개시하거나 종료하는 제어가 행하여지고 있다. 이와 같은 트리거 신호를 생성하기 위하여, 예컨대 접촉센서, 위치센서, 진동센서, 압력센서 등의 촬상장치와는 별도의 센서를 이용하는 것이 일반적으로 행하여지고 있다. 그러나, 피사체와 이와 같은 센서를 접근시키는 것이 곤란한 경우, 혹은, 현미경 아래에서의 미소한 물체의 촬영을 행하는 경우 등에 있어서는, 상기 방법으로는 적절한 트리거 신호를 얻는 것이 곤란한 경우가 많다.

상기한 바와 같이 별도의 센서로부터 트리거 신호를 얻는 것이 어려운 경우, 피사체의 촬영화상으로부터 피사체의 움직임이나 변화 등을 검지하여 트리거 신호를 생성하는 것이 바람직하다. 종래, 비교적 저속인 촬영에서는, 취득한 촬영화상으로부터 리얼타임의 화상 처리를 행하여 피사체의 움직임이나 변화를 검지하여, 트리거 신호를 생성하는 장치가 개발되고 있다. 이와 같은 장치에서는, 고체촬상소자를 구동하는 기준 클록을 실제의 촬영에 필요한 속도의 수 배에서부터 수십 배로 올려서(즉 오버 샘플링을 행하여) 촬영을 실행하고, 고체촬상소자로부터 읽어낸 화상 신호에 의하여 재현되는 화상에 대하여 리얼타임으로 피사체의 움직임 검지 처리를 행한다. 그리고, 피사체의 움직임이나 변화가 검지된 경우에 트리거 신호를 생성하고, 이를 받아서 본래의 촬영의 개시나 정지를 행하거나, 혹은 촬영을 위한 조명의 ON·OFF 등, 촬상장치 이외의 기기의 제어를 행하도록 하고 있다.

그러나, 촬상소자로부터 읽어낸 신호를 리얼타임으로 화상 처리하여 피사체의 움직임이나 변화를 검지하는 경우, 통상, 외부의 프레임 메모리에 화상을 기억시키거나 대량의 연산 처리가 필요하게 되기 때문에, 목적으로 하는 현상의 생기(生起)로부터 트리거 신호가 발생할 때까지의 시간 지연이 커지는 경향이 있다. 특히 고속촬영의 경우, 이 시간 지연 때문에 목적으로 하는 현상을 포착한 화상을 얻을 수 없게 될 우려가 있다.

이와 같은 과제에 대하여, 특허문헌 2에 기재된 촬영 시스템에서는, 촬상렌즈의 후방에 빔 스플리터나 하프 미러 등의 광(光) 분할수단을 설치하여, 입사광을 복수로 분할하여 각각 제1 및 제2가 되는 2대의 촬상장치에 도입하고, 제1 촬상장치를 화상의 급격한 변화를 검지하기 위한 모니터링 전용으로 하여, 그에 의하여 얻어진 트리거 신호에 따라서 제2 촬상장치에 있어서 화상 신호의 혼잡을 제어하도록 하고 있다. 그러나, 이와 같은 촬영 시스템에서는, 피사체로부터 도래하는 입사광을 복수로 분할하기 위한 광학계가 필요하게 됨과 함께 촬상장치(촬상소자)도 복수 준비할 필요가 있다. 그 때문에, 시스템이 대규모가 되고, 비용을 낮추는 것이 어려워, 시스템의 소형화·경량화도 곤란하다.

또한 특허문헌 3에는, 고체촬상소자의 화소영역 속이나 주위에 입사광량의 변화를 검출하기 위한 전용의 변화검출소자를 설치하여, 그 변화검출소자의 검출신호에 근거하여 촬영의 개시나 정지 등의 제어를 행하도록 하고 있다. 그러나, 변화검출소자를 촬상소자 영역 속에 설치한 경우, 변화검출소자가 존재하는 부분에서는 촬영용의 화소 신호가 얻어지지 않기 때문에, 화질이 열화되는 것을 피할 수 없다. 이를 회피하기 위하여, 변화검출소자가 촬상소자 영역으로부터 분리되어 배치되어, 입사광을 프리즘이나 하프 미러 등으로 분할하여 변화검출소자와 촬상소자 영역으로 조사하는 구성도 제안되고 있다. 그러나, 이와 같은 광학계를 이용하여 빛을 분할하는 것은 특허문헌 2에 기재된 종래기술과 마찬가지로, 비용 증대의 큰 요인이 된다. 또한, 촬영범위의 일부에서 일어나는 변화를 포착하기 위하여서는 어느 정도 다수의 변화검출소자를 준비할 필요가 있는데, 그렇게 되면 고체촬상소자의 칩 면적이 커져서 역시 비용 증대의 요인이 된다.

일본국특허공개제2001－345441호공보 일본국특허공개평05－336420호공보 일본국특허공개제2007－166581호공보

곤도 외 5명, 「고속도 비디오 카메라 HyperVision HPV－1의 개발」, 시마즈 평론, 시마즈 평론 편집부, 2005년 9월 30일 발행, 제62권, 제1 ·2호, p.79－86

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 주목적은, 특별한 광학계를 준비하지 않고, 연속적인 촬영으로 얻어지는 화상 중의 피사체의 변화나 움직임, 관측 대상의 특정한 현상의 생기 등을 확실히 포착하여, 고속촬영의 개시나 정지 등을 제어하거나 외부의 기기를 제어하기 위한 트리거 신호를 생성할 수 있는 고체촬상소자를 제공하는 것에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 상기와 같은 고체촬상소자를 이용하여, 저렴한 비용으로, 목적으로 하는 고속의 현상을 확실히 포착하여 기록할 수 있는 촬영장치를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 본 발명에 관한 고체촬상소자는,

a) 2차원 어레이 형상으로 배열되어, 각각이, 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자에서 생성된 광전하를 검출 노드로 전송하는 전송소자와, 상기 검출 노드로부터 화소출력선에 전하에 따른 출력신호를 송출하는 버퍼 소자를 적어도 포함하는 복수의 화소와,

b) 상기 복수의 화소마다 독립되어 설치된 상기 화소출력선과,

c) 상기 화소출력선을 통하여 각 화소로부터 출력되는 출력신호를 유지하기 위하여 각 화소에 대하여 복수 설치된 기억부와,

d) 상기 각 화소에 있어서의 촬상에 대응한 광전하의 축적 동작 및 상기 화소출력선을 통한 각 화소로부터 상기 복수의 기억부의 1개로의 신호의 전송동작을 전체 화소에서 일제히, 또한 촬상마다 신호를 유지시키는 기억부를 순서대로 바꾸면서 반복하여 행하는 도중에, 다른 시점에서 얻어진 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를 해당하는 기억부로부터 축차 읽어내도록 각 화소 및 각 기억부를 동작시키는 구동제어수단과,

e) 상기 구동제어수단의 제어 하에 축차 읽어내어진 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호에 근거하여 촬영 대상의 변화 또는 움직임을 검지하여 트리거 신호를 생성하는 트리거 신호 생성수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 하고 있다.

본 발명에 관한 고체촬상소자에 있어서, 각 화소가 구비하는 광전변환소자는 예컨대 포토 다이오드이고, 검출 노드는 전하신호를 전압신호로 변환하는 것으로서 예컨대 플로팅 디퓨전(플로팅 영역)이며, 전송소자는 예컨대 트랜지스터(MOS 트랜지스터)이고, 버퍼 소자는 예컨대 복수의 트랜지스터로 구성되는 소스 폴로어 앰프이며, 기억부는 예컨대 커패시터와 트랜지스터 등의 스위치의 조합인 것으로 할 수 있다.

본 발명에 관한 고체촬상소자에서는, 촬영으로 취득한 신호(화소 신호)를 소자 외부로 읽어내지 않고, 1 프레임의 촬상 즉 광전하 축적을 행할 때마다, 그 출력신호를 화소출력선을 통하여 복수의 기억부의 1개에 기억시킨다는 동작을 복수의 기억부에 대하여 규정의 순번으로 행함으로써, 극히 고속으로 연속촬영을 행할 수 있다. 촬상의 반복에 의하여, 화소마다 준비된 복수의 기억부에 전부 신호가 유지된 후에는, 시간적으로 가장 오래된 신호를 파기하여(실제로는 기억부의 유지 내용을 리셋하여) 새롭게 취득된 신호를 유지시키면 좋다. 화소출력선을 통한 각 화소로부터 기억부로의 신호의 전송은 극히 단시간으로 행할 수 있기 때문에, 1 프레임의 촬영에 요하는 시간의 대부분은, 광전변환소자에서 빛을 수광하여 광전하를 검출 노드 등에 축적하는 시간으로 결정된다.

이와 같이 하여 고속의 촬영을 행하는 도중에, 구동제어수단은, 다른 시점에서 얻어진 2개의 프레임, 예컨대 최신 프레임과 1 프레임 또는 복수 프레임 전의 프레임에 대하여, 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를, 해당하는 기억부로부터 축차 읽어낸다. 여기서, 이 축차 읽기의 대상의 기억부와 다른 기억부에 대하여서는, 화소출력선을 통하여 신호의 전송을 계속할 수 있기 때문에, 상기 축차 읽기 중에도 촬영을 계속할 수 있다.

트리거 신호 생성수단은, 상기 축차 읽어내어진 2 프레임의 화상에 대응하는 신호를 이용하여, 촬영 대상의 피사체의 움직임이나 변화 등을 검지한다. 예컨대, 동일 위치의 화소 신호의 차분(差分)을 취하고, 화소마다의 차분값을 가산하여 그것이 역치를 넘고 있는 경우에 피사체에 움직임이나 변화가 있다고 간주할 수 있다.

1 화소씩 화소 신호를 비교하면(차분을 취하면), 외부의 진동 등에 기인하는 화상 흔들림의 영향을 받기 쉽다. 그래서, 예컨대, 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를 해당하는 기억부로부터 축차 읽어낼 때에, 2차원의 어레이 형상으로 복수 배열된 화소 중에서 수평방향 및/또는 수직방향으로 인접하는 또는 근접하는 복수의 화소에 대응한 신호를 동시에 읽어내어, 가산 처리 또는 평균화 처리를 행한 다음에 상기한 바와 같이 프레임 간의 차분을 취하도록 하면 좋다.

이와 같은 구성에 따르면, 화상 흔들림 등의 영향은 경감하여 피사체의 움직임이나 변화의 검지 정밀도를 올릴 수 있다. 또한, 트리거 신호 생성을 위하여 기억부로부터 신호를 축차 읽어내는 시간을 단축함으로써, 피사체의 움직임이나 변화가 생기고 나서 트리거 신호가 얻어질 때까지의 시간 지연을 작게 할 수 있다.

후자의 효과를 얻기 위하여, 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를 해당하는 기억부로부터 축차 읽어낼 때에, 2차원의 어레이 형상으로 복수 배열된 화소 중에서 수평방향 및/또는 수직방향으로 소정의 간격으로 건너뛰어 읽기를 행하도록 하여도 좋다.

또한 본 발명에 관한 고체촬상소자에 있어서, 구동제어수단은, 상기 트리거 신호 생성수단에 의하여 생성되는 트리거 신호에 근거하여 촬상을 정지시키고, 상기 복수의 기억부에 유지되어 있는 복수의 프레임에 대응한 신호를 축차 읽어내어 출력하는 구성으로 할 수 있다.

여기서, 트리거 신호에 근거한 촬상의 정지란, 반드시 트리거 신호가 얻어진다면 즉시 촬영을 정지한다는 것에 한정되지 않고, 트리거 신호의 발생 타이밍으로부터 촬상을 정지시킬 때까지 적당한 시간 지연 또는 적당한 프레임 수 지연을 갖게 하여도 좋다. 이 경우, 이와 같은 시간 지연이나 프레임 수 지연을 외부로부터, 즉 유저가 지정 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 이들 지연을 적절히 설정함으로써, 실질적으로 트리거 신호의 발생시점에서부터 연속촬영을 개시하여 기억부의 수로 결정되는 소정의 프레임 수의 화상을 얻을 수 있다. 또한, 트리거 신호의 발생시점에서 즉시 촬영을 정지시켜, 트리거 신호의 발생시점부터 시간적으로 거슬러올라간 소정의 프레임 수의 화상을 얻을 수도 있다.

여기서, 본 발명에 관한 고체촬상소자에 있어서는, 상기 트리거 신호를 생성하기 위한 2개의 프레임 중의 특정한 범위를 외부로부터 지정 가능한 구성으로 하면 좋다.

폭파 등, 본 고체촬상소자를 이용한 촬영장치에서 고속촬영하고자 하는 현상의 징후를 포착하고자 하는 경우, 반드시 촬영화상 전체를 관찰할 필요는 없으며, 그 화상 중의 극히 일부로 좋은 경우도 많다. 그와 같은 경우, 트리거 신호를 생성하기 위하여 프레임간 차분을 관찰하는 범위를 좁게 함으로써, 축차 읽어내는 신호의 수를 줄여서 피사체의 움직임·변화의 신속한 검지가 가능하게 된다. 이에 의하여, 실제 피사체의 움직임이나 변화가 일어난 시점에서부터 트리거 신호가 발생할 때까지의 시간 지연을 짧게 할 수 있다.

또한 본 발명에 관한 고체촬상소자에 있어서는, 상기 트리거 신호를 생성하기 위한 2개의 프레임의 프레임 간격 또는 시간차를 외부로부터 지정 가능한 구성으로 하면 좋다. 이에 의하여, 촬영하고자 하는 현상 등의 종류나 피사체의 움직임이나 변화의 형태에 맞추어, 적절한 타이밍에서 트리거 신호를 생성할 수 있다.

또한 본 발명에 관한 고체촬상소자에서는, 트리거 신호 생성수단에 의하여 생성된 트리거 신호를 외부에 출력하는 출력단자를 구비하는 구성으로 하면 좋다. 외부에 출력된 트리거 신호를 이용하여, 예컨대 조명을 점등시키거나, 별도의 촬영장치에 있어서 촬영을 개시시키거나 하는 제어를 용이하게 행할 수 있다. 또한, 고체촬상소자의 내부에서 트리거 신호에 따라서 촬영의 개시나 정지의 제어를 행하는 것이 아니라, 예컨대 다른 조건 하에서 트리거 신호가 발생하였을 때에 촬영의 개시나 정지를 행한다는, 보다 복잡하면서도 자유도가 높은 촬영의 제어가 가능하게 된다.

또한 본 발명에 관한 촬영장치는, 상술한 바와 같은 본 발명에 관한 고체촬상소자를 이용한 촬영장치로서, 상기 트리거 신호 생성수단에 의하여 생성되는 트리거 신호에 따라서 상기 고체촬상소자의 촬영의 개시 또는 정지를 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

여기서, 고체촬상소자의 외부에 설치된 제어수단에는, 예컨대 상기 트리거 신호와 별도의 센서 등에서 얻어진 센서 트리거 신호 등의 논리합을 취하거나 별도의 조건의 유무를 나타내는 신호와의 논리곱을 취하는 논리연산회로, 트리거 신호를 지연시키는 지연회로 등을 포함하는 것으로 할 수 있다.

본 발명에 관한 고체촬상소자 및 촬영장치에 따르면, 목적으로 하는 촬영 대상의 현상의 생기, 피사체의 움직임이나 변화 등을 정확히 포착한 트리거 신호를 신속하게, 즉 큰 시간 지연 없이 발생시킬 수 있으므로, 목적으로 하는 현상의 고속도의 촬영을 확실히 행할 수 있다. 또한, 트리거 신호를 얻기 위하여, 진동센서 등의 별도의 센서에 의한 검지신호나 다른 촬영장치에 의한 촬영화상이 불필요하게 되고, 또한 복잡한 광학계를 이용하지 않아, 1개의 고체촬상소자에 의하여 트리거 신호가 얻어지므로, 시스템의 비용을 억제하는데에 유리하다.

도 1은, 본 발명의 하나의 실시예인 고체촬상소자의 반도체 칩 상의 레이아웃을 나타내는 개략 평면도.
도 2는, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 화소영역 내의 1개 화소의 레이아웃을 나타내는 개략 평면도.
도 3은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서의 화소영역 및 기억영역의 개략 구성을 나타내는 평면도.
도 4는, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서의 대략 절반의 요부의 블록 구성도.
도 5는, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서의 1개 화소의 회로 구성도.
도 6은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 1개 화소에 있어서의 광전변환영역의 레이아웃을 나타내는 개략 평면도.
도 7은, 도 6 중의 A－A' 화살표 종단면에 있어서의 개략 포텐셜도.
도 8은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 수직방향으로 배열된 132개의 화소에 대응하는 1개 기억부 유닛의 개략 구성도.
도 9는, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서의 1개 기억부의 회로 구성도.
도 10은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 각 기억부에 유지되어 있는 신호를 출력선을 통하여 읽기 위한 개략 구성을 나타내는 블록도.
도 11은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 연속 읽기 모드와 버스트 읽기 모드의 개략 타임차트.
도 12는, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 광전하 축적시간이 짧은 경우의 동작 모드의 구동 타이밍도.
도 13은, 도 12에 나타낸 동작에 있어서의 화소 내의 개략 포텐셜도.
도 14는, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 광전하 축적시간이 상대적으로 긴 경우의 구동 타이밍도.
도 15는, 도 14에 나타낸 동작에 있어서의 화소 내의 개략 포텐셜도.
도 16은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 연속 읽기 모드에서의 1 프레임분의 축차 읽기의 동작 타이밍도.
도 17은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 버스트 읽기 모드에서의 축차 읽기의 동작 타이밍도.
도 18은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서의 수평 시프트 레지스터의 요부의 동작 타이밍도.
도 19는, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서의 수직 시프트 레지스터의 요부의 동작 타이밍도.
도 20은, 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서 신호출력선마다 설치된 트리거 신호 생성부의 개략 구성도.
도 21은, 본 실시예의 고체촬상소자를 이용한 촬영장치의 요부의 블록 구성도.
도 22는, 이 촬영장치에 있어서의 촬상 제어의 타이밍을 설명하기 위한 개략도.
도 23은, 촬영화상을 나타내는 모식도.
도 24는, 화소 신호의 선택을 설명하기 위한 개략도.

이하, 본 발명의 하나의 실시예인 고체촬상소자 및 촬영장치에 대하여, 첨부도면을 참조하여 설명한다.

먼저 본 실시예에 의한 고체촬상소자의 전체의 구성 및 구조에 대하여 설명한다. 도 1은 본 실시예의 고체촬상소자의 반도체 칩 상의 전체의 레이아웃을 나타내는 개략 평면도, 도 3은 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서의 화소영역 및 기억영역의 개략 구성을 나타내는 평면도, 도 4는 본 실시예의 고체촬상소자에 있어서의 대략 절반의 요부의 블록 구성도이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 이 고체촬상소자에 있어서는, 빛을 수광하여 화소마다의 신호를 생성하기 위한 화소영역(2(2a, 2b))과, 상기 신호를 소정 프레임 수분 유지하기 위한 기억영역(3a, 3b)이, 반도체 기판(1) 상에서 혼재하지 않고 완전히 분리되어, 각각 정리된 영역으로서 마련되어 있다. 대략 직사각 형상의 화소영역(2) 내에는, N행, M열의 합계 N×M개의 화소(10)가 2차원 어레이 형상으로 배치되며, 이 화소영역(2)은 각각 (N/2)×M개의 화소(10)가 배치된 제1 화소영역(2a), 제2 화소영역(2b)의 2개로 분할되어 있다.

제1 화소영역(2a)의 하측에는, 소면적의 제1 전류원 영역(6a)을 사이에 두고 제1 기억영역(3a)이 배치되고, 제2 화소영역(2b)의 상측에는, 똑같이 소면적의 제2 전류원 영역(6b)을 사이에 두고 제2 기억영역(3b)이 배치되어 있다. 제1 및 제2 기억영역(3a, 3b)에는 각각, 기억영역(3a, 3b)으로부터의 신호의 읽기를 제어하기 위한 시프트 레지스터나 디코더 등의 회로를 설치한, 제1 및 제2 수직 주사 회로영역(4a, 4b)과, 제1 및 제2 수평 주사 회로영역(5a, 5b)이 마련되어 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 각 기억영역(3a, 3b)으로부터는, 소자의 외부에 신호를 읽기 위한 출력속선(SS01∼SS64)이 상하로 32세트씩, 합계 64세트 설치되어 있다.

이와 같이 본 실시예의 고체촬상소자는, 화소영역(2)의 대략 중앙을 상하의 2개로 구획하는 수평선을 경계로 하여, 거의 상하 대칭의 구조로 되어 있다. 이 상반분 및 하반분의 구조나 동작은 같기 때문에, 이하의 설명에서는, 하방(下方)의 제1 화소영역(2a), 제1 기억영역(3a), 제1 수직 주사 회로영역(4a), 제1 수평 주사 회로영역(5a)의 구조 및 동작을 중심으로 서술하는 것으로 한다.

화소 수, 즉 상기 N, M의 값은 각각 임의로 정할 수 있으며, 이들의 값을 크게 하면 화상의 해상도는 올라가지만, 그 반면, 전체의 칩 면적이 커지든지, 혹은 1 화소 당 칩 면적이 작아진다. 이 예에서는, N＝264, M＝320으로 하고 있다. 따라서, 제1, 제2 화소영역(2a, 2b)에 각각 배치되는 화소 수는, 도 3, 도 4 중에 기재한 바와 같이, 수평방향이 320 화소, 수직방향이 132 화소의, 합계 42240 화소이다.

도 2는, 화소영역(2(2a, 2b)) 중의 1개 화소(10)의 레이아웃을 나타내는 개략 평면도이다. 1개 화소(10)가 차지하는 영역은 거의 정방형이며, 이 내부는 3개의 영역, 즉, 광전변환영역(11), 화소회로영역(12), 및 배선영역(13)으로 대별된다. 배선영역(13)에는, (N/2)＋α개의 화소출력선(14)이 수직방향으로 연신(延伸)하도록 한데 모아 설치되어 있다. 여기서 α는 0이더라도 좋으며, 그 경우, 본 예에서는 1개의 배선영역(13)을 통과하는 화소출력선의 개수는 132개가 된다. 다만, 일반적으로, 이와 같이 평행하게 연신하는 배선(예컨대 Al 등의 금속배선)을 다수형성하는 경우에, 양단(兩端)의 배선의 폭이나 기생 용량이 다른 것이 되기 쉽다. 그래서, 실제로 신호가 통과하는 132개의 화소출력선을 사이에 두고 양단에, 1개씩 더미의 배선을 설치한다. 그 경우, α＝2로서, 1개의 배선영역(13)을 통과하는 배선의 개수는 134개가 된다.

도 5는 도 2에 나타낸 1개 화소(10)의 회로 구성도이다. 각 화소(10)는, 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드(본 발명에 있어서의 광전변환소자에 상당)(31)와, 포토 다이오드(31)에 근접하여 설치된 광전하를 전송하기 위한 전송 트랜지스터(본 발명에 있어서의 전송소자에 상당)(32)와, 전송 트랜지스터(32)를 통하여 포토 다이오드(31)에 접속되어, 광전하를 일시적으로 축적함과 함께 전압신호로 변환하는 플로팅 디퓨전(본 발명에 있어서의 검출 노드에 상당)(33)과, 광전하의 축적 동작시에 포토 다이오드(31)로부터 전송 트랜지스터(32)를 통하여 넘쳐 나오는, 즉 오버플로하는 전하를 축적하기 위한 축적 트랜지스터(34) 및 축적 커패시터(36)와, 플로팅 디퓨전(33) 및 축적 커패시터(36)에 축적된 전하를 배출하기 위한 리셋 트랜지스터(35)와, 플로팅 디퓨전(33)에 축적된 전하 또는 플로팅 디퓨전(33) 및 축적 커패시터(36)의 양쪽에 축적된 전하를 전압신호로서 출력하기 위한, 종속 접속된 2개의 PMOS형 트랜지스터(37, 38), 똑같이 종속 접속된 2개의 NMOS형 트랜지스터(40, 41)의 2단 구성인 소스 폴로어 앰프(본 발명에 있어서의 버퍼 소자에 상당)(43)와, 소스 폴로어 앰프(43)의 초단의 2개의 트랜지스터(37, 38)에 전류를 공급하기 위한 정전류 트랜지스터 등에 의한 전류원(39)을 포함한다.

전송 트랜지스터(32), 축적 트랜지스터(34), 리셋 트랜지스터(35), 및, 소스 폴로어 앰프(43)의 선택 트랜지스터(38, 41)의 게이트 단자에는, 각각 φT, φC, φR, φX로 이루어지는 제어신호를 공급하기 위한 구동라인(15)이 접속된다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 이들 구동라인(15)은 화소영역(2) 내의 모든 화소에 공통이다. 이에 의하여, 모든 화소에서의 동시 구동이 가능하게 되어 있다.

소스 폴로어 앰프(43)의 2단째의 선택 트랜지스터(41)의 출력(42)이, 상술한 배선영역(13)에 설치되는 132개의 화소출력선(14) 중 1개(도 5에서는 부호 141로 나타내는 화소출력선)에 접속된다. 이 화소출력선(141)은 화소(10)마다에 각각 1개씩, 즉 각 화소(10)에 대응하여 독립되어 설치되어 있다. 그러므로, 이 고체촬상소자에서는, 화소 수와 동 수의, 즉 84480개의 화소출력선이 설치되어 있다.

소스 폴로어 앰프(43)는, 화소출력선(141)을 고속으로 구동하기 위한 전류 버퍼의 기능을 가진다. 각 화소출력선(141)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 화소영역(2a)으로부터 기억영역(3a)까지 연신되어 있기 때문에, 어느 정도 큰 용량성 부하가 되며, 이를 고속으로 구동하기 위하여서는 큰 전류를 흐르게 할 수 있는 큰 사이즈의 트랜지스터가 필요하다. 그러나, 각 화소(10)에 있어서 광전변환 게인을 올리기 위하여서는, 광전하를 전압으로 변환하기 위한 플로팅 디퓨전(33)의 용량은 가능한 한 작은 쪽이 좋다. 플로팅 디퓨전(33)에 접속되는 트랜지스터의 게이트 단자의 기생 용량은 플로팅 디퓨전(33)의 용량을 실효적으로 증가시키기 때문에, 상기 이유에 의하여, 이 트랜지스터(37)는 게이트 입력 용량이 작은 소형 트랜지스터인 것이 바람직하다. 그래서, 출력측에서의 대전류의 공급과 입력측에서의 저용량을 함께 충족시키기 위하여, 여기서는 소스 폴로어 앰프(43)를 2단 구성으로 하여, 초단의 트랜지스터(37)를 소형 트랜지스터로 함으로써 입력 게이트 용량을 억제하고, 후단의 트랜지스터(40, 41)는 큰 트랜지스터를 사용하여 큰 출력 전류를 확보할 수 있도록 하고 있다.

또한, 소스 폴로어 앰프(43)에 있어서, 초단의 선택 트랜지스터(38)는 기본적인 동작을 행한 다음이 아니더라도 상관없는 것이지만, 후단의 선택 트랜지스터(41)가 OFF 상태일 때에 동시에 선택 트랜지스터(38)도 OFF 됨으로써, 전류원(39)으로부터 트랜지스터(37)에 전류가 흐르지 않도록 하여, 그만큼 전류소비를 억제할 수 있다.

도 6은 1개 화소(10)에 있어서의 광전변환영역(11)의 레이아웃을 나타내는 개략 평면도, 도 7은 도 6 중의 A－A' 화살표 종단면에 있어서의 개략 포텐셜도이다.

상면에서 본 경우에 있어서 대략 직사각 형상의 수광면을 가지는 포토 다이오드(31)는 매립 포토 다이오드구조이다. 고속촬영에서는 노광시간이 극단적으로 짧기 때문에, 적절한 노출을 확보하기 위하여서는 각 화소(10)의 포토 다이오드의 수광면의 면적을 가능한 한 넓게 하여, 입사(수광)하는 광량을 가능한 한 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 일반적으로, 포토 다이오드의 수광면의 면적을 넓게 하면, 특히 그 주변측에서 생성된 광전하가 검출 노드인 플로팅 디퓨전에 도달할 때까지 걸리는 시간이 문제가 되어, 고속촬영의 짧은 1 사이클 기간 중에 전송할 수 없는 광전하는 필요 없게 되거나 잔상 현상을 일으키는 원인이 된다. 그래서, 본 실시예의 고체촬상소자에서는, 다음과 같은 구조를 채용함으로써 전하 전송의 속도 향상을 도모하고 있다.

통상, 플로팅 디퓨전은 포토 다이오드의 측방에 배치되지만, 이 고체촬상소자에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 포토 다이오드(31)의 거의 중앙부에 소면적의 플로팅 디퓨전(331)이 형성되며, 그 플로팅 디퓨전(331)을 둘러싸도록 링 형상으로 전송 트랜지스터(32)의 게이트 전극이 설치되어 있다. 이와 같이 포토 다이오드(31)의 중앙에 플로팅 디퓨전(331)을 배치함으로써, 포토 다이오드(31)의 주변부에서 플로팅 디퓨전(331)까지의 광전하의 이동거리가 평균적으로 짧아져, 포토 다이오드(31)의 주변부의 어느 위치에서 발생한 광전하도 플로팅 디퓨전(331)에 도달하기 쉽게 하고 있다.

또한, 포토 다이오드(31)를 형성할 때에, 복수의 포토 마스크를 사용하여 불순물의 주입(도프)량(또는 주입 깊이)을 복수 단계로 변화시킴으로써, 포토 다이오드(31)의 주변부로부터 중앙(즉 플로팅 디퓨전(331))으로 향하여 불순물 도프량(또는 주입 깊이)이 서서히 또는 스텝 형상으로 변화되도록 하고 있다. 그 때문에, 포토 다이오드(31)의 pn 접합에 적당한 바이어스 전압이 인가되면, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 포토 다이오드(31)의 주변부로부터 중앙으로 향하여 하향 경사지는 포텐셜 구배가 형성된다. 이 제조의, 즉 프로세스상의 연구로 형성되는 포텐셜 구배에 의하여, 빛의 수광에 의하여 포토 다이오드(31)에서 생성된 광전하는 그 주변부에서 생성한 것만큼 크게 가속화되어 중앙측으로 진행한다.

이때, 전송 트랜지스터(32)가 OFF 상태이면, 도 7(a)에 나타낸 바와 같이, 전송 트랜지스터(32)의 링 형상의 게이트 전극 바로 아래에 형성되는 포텐셜 장벽의 주위에 광전하가 집적된다. 전송 트랜지스터(32)가 ON 되면 바로, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 집적되어 있던 광전하는 전송 트랜지스터(32)를 거쳐서 플로팅 디퓨전(331)에 빠진다. 한편, 빛이 입사하고 있는 기간 중에 전송 트랜지스터(32)가 ON 상태를 유지하는 경우에는, 포텐셜 구배에 따라서 중앙으로 모여든 광전하는 그대로 전송 트랜지스터(32)를 거쳐서 플로팅 디퓨전(331)에 빠진다. 결국, 포토 다이오드(31)에서 생성된 광전하를 높은 확률로 또한 신속하게 플로팅 디퓨전(331)으로 전송할 수 있다.

포토 다이오드(31)의 중앙부에 플로팅 디퓨전(331)을 설치함으로써 상술한 바와 같은 큰 이점이 있지만, 오버플로한 광전하를 축적하는 축적 커패시터(36) 등을 그 플로팅 디퓨전(331)에 근접하여 배치하면 개구율이 저하된다는 문제가 생긴다. 그래서 여기서는, 상기한 바와 같이 광전하가 직접 흘러들어가는 플로팅 디퓨전(이하, 제1 플로팅 디퓨전이라 함)(331)과는 별도로 화소회로영역(12) 내에 제2 플로팅 디퓨전(332)을 확산층으로서 형성하고, 제1 플로팅 디퓨전(331)과 제2 플로팅 디퓨전(332) 사이를 알루미늄(Al) 등에 의한 금속배선(333)으로 접속함으로써 양자가 동 전위가 되도록 하고 있다. 즉, 여기서는, 제1 플로팅 디퓨전(331) 및 제2 플로팅 디퓨전(332)이 일체가 되어, 전하신호를 전압신호로 변환하는 검출 노드로서의 플로팅 디퓨전(33)으로서 기능한다.

다음으로, 제1 및 제2 기억영역(3a, 3b)의 내부 구성의 상세에 대하여 설명한다. 도 4에 나타내는 바와 같이 제1 및 제2 기억영역(3a, 3b) 내에는, 화소영역(2a, 2b) 내의 수직방향으로 나열된 132개의 화소(10)에 대하여 각각 접속된 132개의 화소출력선(14)의 연신방향을 따라서, 축적 프레임 수(L)분의 기억부 유닛(20)이 배열되어 있다. 이 예에서는, 축적 프레임 수(L) 즉 연속촬영 프레임 수는 104이고, 수직방향으로 104개의 기억부 유닛(20)이 배열되며, 또한 이것이 수평방향으로 320개 나열되어 있다. 따라서, 제1 기억영역(3a)에는 104×320개＝33280개의 기억부 유닛(20)이 설치되어 있다. 제2 기억영역(3b)에도 동 수의 기억부 유닛(20)이 설치되어 있다.

도 8은 1개의 기억부 유닛(20)의 내부 구성을 나타내는 개략도이다. 1개의 기억부 유닛(20) 내에는, 수평방향으로 11개, 수직방향으로 12개의, 합계 132개의 기억부(22)가 설치되어 있으며, 각 기억부(22)는 각각 다른 1개씩의 화소출력선(141)에 접속되어 있다. 화소출력선(141)을 통하여, 각 기억부(22)는 각각 화소영역(2a) 내의 화소(10)에 일대 일로 대응하고 있으며, 1개의 기억부 유닛(20) 내의 132개의 기억부(22)에는, 화소영역(2a) 내의 수직방향의 132개의 화소(10)의 출력신호가 각각 유지된다. 따라서, 도 4에 있어서 수평방향의 1행으로 나열된 320개의 기억부 유닛(20)(도 4 중에서 부호 21로 나타낸 기억부 유닛 행)에, 132×320 화소(픽셀)로 이루어지는 1 프레임의 하반분의 화소 신호가 유지되게 된다. 도 3에 나타낸 상측의 제2 기억영역(3b)에서도 마찬가지로, 수평방향의 1행으로 나열된 320개의 기억부 유닛에 320×132 화소로 이루어지는 1 프레임의 상반분의 화소 신호가 유지되어, 양쪽에서 1 프레임 화상이 된다. 기억부 유닛 행(21)이 수직방향으로 104개 배열되어 있음으로써, 104 프레임분의 화소 신호의 유지가 가능하게 되어 있다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 각 기억부 유닛(20)에 있어서 132개의 기억부(22)의 모든 출력은 접속되어서 1개의 신호출력선(23)으로 되어 있다. 또한 도 4에 나타내는 바와 같이, 수평방향으로 나열된 기억부 유닛(20)은 인접하는 10개씩이 한데 모여 1세트로 되어 있고, 수평방향으로 32세트의 기억부 유닛(20)의 세트가 존재하며, 세트마다 10개의 기억부 유닛(20)의 신호출력선(23)은 접속되어서 1개로 되어 있다. 그리고 또한, 수직방향으로 배열된 104개의 기억부 유닛(20)의 신호출력선(23)도 접속되어서 1개로 되어 있다. 따라서, 기억영역(3a)에 있어서, 수평방향으로 10개, 수직방향으로 104개의 합계 1040개의 기억부 유닛(20), 또한 각 기억부 유닛(20)에 포함되는 기억부(22)의 수로 말하자면, 137280개의 기억부(22)의 출력이 접속되어서 1개의 신호출력선(23)으로 되어 있다. 도 3에서는, 동일한 신호출력선(23)을 가지는 기억부 유닛(20)의 덩어리인 기억부 유닛 블록을 부호 50로 나타내고 있다. 상기 구성에 의하여, 제1 기억영역(3a)으로부터의 신호출력선(23)의 수는 32개이며, 제2 기억영역(3b)으로부터도 동수의 신호출력선이 인출된다. 이들 복수의 신호출력선을 통한 신호를 SS01∼SS64로서 나타내고 있다.

도 9는 1개의 기억부(22)의 개략 회로 구성도이다. 1개의 기억부(22)는 4개의 기억 단위를 가진다. 즉, 1개 화소출력선(141)에 접속된 샘플링 트랜지스터(26(26a∼26d))와, 샘플링 트랜지스터(26)를 통하여 화소출력선(141)에 접속되는 커패시터(25(25a∼25d))와, 커패시터(25)에 유지된 아날로그 전압신호를 읽기 위한 읽기 트랜지스터(27(27a∼27d))로부터 기억 단위인 기억소자(24(24a∼24d))가 구성되며, 1개의 기억부(22)는, 4개의 기억소자(24a∼24d)가 1세트로 되어서 구성된다. 따라서, 1개의 기억부(22)에는, 동일한 화소로부터 동일한 화소출력선(141)을 통하여 출력되는 4개의 다른 아날로그 전압신호를 유지하는 것이 가능하다. 4개의 읽기 트랜지스터(27a∼27d)를 통한 신호출력선(23a∼23d)은 각각 독립되어 설치되어 있기 때문에, 도 3, 도 4, 도 8에 나타낸 신호출력선(23)은 실제로는 4개(즉 23a∼23d) 존재하며, 소자 내에서 차분 등의 아날로그적인 연산 처리가 행하여져서 최종적으로는 1개의 신호출력선으로서 소자의 외부에 출력되도록 구성된다. 혹은, 상기 4개의 신호출력선(23a∼23d)이 독립되어 출력되도록 하여도 좋다.

상술한 바와 같이 1개의 기억부(22)가 4개의 기억소자(24a∼24d)로 이루어지는 것은, 후술하는 바와 같은 다이내믹 레인지 확대 처리, 및 노이즈 제거 처리를 행하기 위하여, 오버플로 전의 전하에 따른 신호, 오버플로 후의 전하에 따른 신호, 오버플로 전의 전하에 따른 신호에 포함되는 노이즈 신호, 오버플로 후의 전하에 따른 신호에 포함되는 노이즈 신호의 4개의 아날로그 전압신호를 독립으로 유지하는 것이 본래의 목적이다. 다만, 반드시 그와 같은 목적에 구애되지 않으며, 다른 동작형태로 각 기억소자(24a∼24d)를 이용할 수도 있다. 예컨대, 각 화소(10)의 축적 커패시터(36)를 이용하지 않는 것이라면, 오버플로 후의 신호나 오버플로 후의 신호에 포함되는 노이즈 신호는 고려할 필요가 없으며, 그만큼 연속촬영의 프레임 수를 증가시키는데에 기억소자(24)를 이용할 수 있다. 이에 의하여, 2배인 208 프레임의 연속촬영이 가능하게 된다. 또한, 노이즈 제거도 행하지 않는 것이라면, 더욱 2배인 416 프레임의 연속촬영이 가능하게 된다.

커패시터(25a∼25d)는 각 화소(10) 내의 축적 커패시터(36)와 마찬가지로, 예컨대 더블 폴리실리콘 게이트 구조나 스택(stack) 구조에 의하여 형성할 수 있다. CCD 구조를 이용한 전하 유지를 행하는 경우, 열 여기(勵起) 등에 의한 암전하(暗電荷)에 유래하는 위(僞)신호가 광신호에 가산된다는 문제가 있지만, 더블 폴리실리콘 게이트 구조나 스택 구조의 커패시터(25a∼25d)에서는 그와 같은 암전하의 발생이 없으므로 위신호가 가산되지 않아, 외부에 읽어내는 신호의 S/N을 높게 할 수 있다.

도 10은 기억영역(3a) 내의 각 기억부에 유지되어 있는 신호를 상술한 바와 같은 신호출력선(23)을 통하여 읽기 위한 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 2차원 어레이 형상으로 배치된 기억부 유닛(20(20－01∼20－10))의 수직방향의 1열마다 수평 시프트 레지스터(HSR1∼HSR320)가 배치되며, 수평방향의 1행마다 수직 시프트 레지스터(VSR1∼VSR104)가 배치되어 있다. 축차 읽어낼 시에는, 수평 시프트 레지스터(HSR1∼HSR320)와 수직 시프트 레지스터(VSR1∼VSR104)의 조합에 의하여 기억부 유닛(20)이 선택되고, 선택된 기억부 유닛(20) 중에서 순서대로 기억부(22)가 선택되어서 화소 신호를 읽어 내게 되어 있다. 다만, 신호출력선(23)이 나뉘어져 있는 다른 기억부 유닛 블록(50)에서는 동시 병행적인 동작이 가능하기 때문에, 읽기 동작으로서는 1개의 기억부 유닛 블록(50)의 내부만을 생각하면 좋다.

이어서, 본 실시예의 고체촬상소자의 구동방법과 동작에 대하여 설명한다. 본 실시예의 고체촬상소자는, 대별하여, 연속 읽기와 버스트 읽기라 불리는 2개의 구동모드를 가진다. 먼저, 이 양 구동모드의 개략적인 동작에 대하여 도 11에 의하여 설명한다. 도 11은 연속 읽기 모드와 버스트 읽기 모드의 개략 타임차트이다.

(A) 연속 읽기 모드

연속 읽기 모드의 기본은 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 화소영역(2(2a, 2b))의 각 화소(10)에 있어서 1 프레임분의 광전하 축적을 실행한 후에, 모든 화소(10)에서 일제히 각각의 화소출력선(141)을 통하여 신호를 출력하여, 기억부(22)의 커패시터(25)에 신호 전하를 유지시킨다. 이에 의하여, 1 프레임분의 화소 신호가 기억영역(3a, 3b)의 기억부(22)에 모이기 때문에, 이어서, 상술한 바와 같이 수평 시프트 레지스터, 수직 시프트 레지스터를 구동함으로써, 1 프레임의 화소 신호를 순서대로 읽어내어 외부로 출력한다. 이때, 기억영역(3a) 중의 가장 위의 1행의 320개의 기억부 유닛(20)을 사용하는 것만으로 좋다.

수평 및 수직 시프트 레지스터를 구동시키는 클록 신호의 주파수를 50㎒로 한 경우, 1 화소 신호당 읽기 시간은 0.02μ초이다. 1개의 기억부 유닛 블록(50)의 가장 위의 행에는, 132×10＝1320개의 기억부(22)가 존재하기 때문에, 이에 필요로 하는 총 읽기 시간은 26.4μ초가 된다. 상술한 바와 같이 다른 기억부 유닛 블록(50)에서는 동시에 읽기가 행하여지기 때문에, 26.4μ초로 1 프레임분의 화소 신호의 읽기를 행할 수 있다. 바꾸어 말하면, 광전하의 축적시간을 이 시간까지 연장시킬 수 있기 때문에, 후술하는 버스트 읽기 모드에 비하면 광전하의 축적시간 설정의 자유도가 크다.

도 11(a)는 1 프레임분만의 예이지만, 화소영역(2a, 2b)과 기억영역(3a, 3b)에서는 화소출력선(14)을 통하여 출력신호를 주고받을 때 이외는 독립으로 동작 가능하기 때문에, 기억영역(3a, 3b)으로부터 화소 신호의 축차 읽기를 행하고 있을 때에, 화소영역(2a, 2b)에서는 광전하의 축적이 가능하다. 따라서, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 거의 연속적으로 촬영을 반복 행할 수 있다.

(B) 버스트 읽기 모드의 경우

버스트 읽기 모드에서는, 도 11(c)에 나타내는 바와 같이, 화소 신호의 축차 읽기를 행하는 경우 없이, 각 화소에 있어서 1 프레임분의 광전하 축적을 실행한 후에, 전체 화소에서 일제히 각각의 화소출력선을 통하여 신호를 출력하여, 기억부(22)의 커패시터(25)에 신호 전하를 유지시킨다는 동작을 반복한다. 이때, 1 프레임씩 순서대로, 104 프레임분 준비된 기억부(22)에 순서대로 출력신호를 유지시킨다. 그와 같이 하여, 그 소정 프레임 수분의 화소 신호를 축차적으로 읽어내어 외부로 출력한다. 이 버스트 읽기 모드에서는 촬영 중에 외부로의 신호 읽기를 행하지 않기 때문에, 상술한 바와 같은 읽기를 위한 클록의 주파수의 상한에 기인하는 프레임 레이트의 제약은 받지 않아, 매우 짧은 사이클에서의 연속촬영이 가능하다. 실시할 수 있는 최대의 프레임 레이트는, 주로 포토 다이오드(31) 내에서 발생한 광전하를 집적하여 플로팅 디퓨전(33)으로 전송할 때까지의 시간에 의하여 율속(律速)된다. 이 실시예의 고체촬상소자에서는, 상술한 바와 같이 광전하의 축적시의 광량이 줄어드는 것을 고려하여 포토 다이오드의 구조 설계 등이 이루어져 있기 때문에, 종래의 화소 주변 기록형 촬상소자로 실현되고 있는 100만 프레임/초보다도 높은 프레임 레이트에서의 고속촬영이 가능하다.

다음으로, 본 실시예의 고체촬상소자의 상세한 구동방법으로서, 먼저 각 화소(10)에 있어서의 광전변환동작과 이에 의하여 생성되는 신호를 1개의 기억부(22)에 격납할 때까지의 동작에 대하여, 도 12∼도 15에 의하여 설명한다.

본 실시예의 고체촬상소자에서는, 광전하 축적시간이 짧은 경우와 광전하 축적시간이 상대적으로 긴 경우에서 다른 2개의 동작 모드를 선택할 수 있다. 목표로서, 전자는 광전하 축적시간이 10㎲ 내지는 100㎲ 정도 이하의, 전송 트랜지스터(32)에서 발생하는 암전하량을 무시할 수 있다고 생각되는 경우이며, 100만 프레임/초 이상의 고속촬영을 행하는 경우에는 이 동작 모드를 채용하는 것이 바람직하다.

(A) 광전하 축적시간이 짧은 경우의 동작 모드

도 12는 광전하 축적시간이 짧은 경우의 동작 모드의 구동 타이밍도, 도 13은 이 동작에 있어서의 각 화소(10) 내의 개략 포텐셜도이다. 여기서, 도 13(후술의 도 15도 마찬가지)에서 C_PD, C_FD, C_CS는 각각 포토 다이오드(31), 플로팅 디퓨전(33), 축적 커패시터(36)의 용량을 나타내며, C_FD＋C_CS는 플로팅 디퓨전(33)과 축적 커패시터(36)의 합성 용량을 나타낸다.

각 화소(10)에 공급하는 공통인 제어신호인 φX를 하이 레벨로 하여, 소스 폴로어 앰프(43) 내의 선택 트랜지스터(38, 41)를 함께 ON 상태로 유지한다. 그리고, 광전하 축적을 행하기 전에, 똑같이 공통의 제어신호인 φT, φC, φR을 하이 레벨로 하여, 전송 트랜지스터(32), 축적 트랜지스터(34), 및 리셋 트랜지스터(35)를 함께 ON 한다(시각 t0). 이에 의하여, 플로팅 디퓨전(33) 및 축적 커패시터(36)는 리셋(초기화)된다. 또한 이때, 포토 다이오드(31)는 완전히 공핍(空乏)화된 상태에 있다. 이때의 포텐셜이 도 13(a)이다.

다음으로 φR을 로우 레벨로 하여 리셋 트랜지스터(35)를 OFF 하면, 플로팅 디퓨전(33)에는 이 플로팅 디퓨전(33)과 축적 커패시터(36)에서 발생하는 랜덤 노이즈와, 소스 폴로어 앰프(43)의 트랜지스터(37)의 역치 전압의 편차에 기인하는 고정 패턴 노이즈를 등가적으로 포함하는 노이즈 신호(N2)가 생기며(도 13(b) 참조), 이 노이즈 신호(N2)에 대응한 출력이 화소출력선(141)에 나타난다. 그래서, 이 타이밍(시각 t1)에서 기억부(22)에 샘플링 펄스(φN2)를 부여하여 샘플링 트랜지스터(26d)를 ON 함으로써, 화소출력선(141)을 통하여 출력된 노이즈 신호(N2)를 받아들여서 커패시터(25d)에 유지한다.

다음으로, φC를 로우 레벨로 하여 축적 트랜지스터(34)를 OFF 하면, 그 시점에서 플로팅 디퓨전(33) 및 축적 커패시터(36)에 축적되어 있던 신호 전하는, 플로팅 디퓨전(33)과 축적 커패시터(36) 각각의 용량(C_FD, C_CS)의 비에 따라서 배분된다(도 13(c) 참조). 이때 플로팅 디퓨전(33)에는 φC를 OFF 하였을 때에 발생하는 랜덤 노이즈와 소스 폴로어 앰프(43)의 트랜지스터(37)의 역치 전압의 편차에 기인하는 고정 패턴 노이즈를 등가적으로 포함하는 노이즈 신호(N1)가 생기며, 이 노이즈 신호(N1)에 대응한 출력이 화소출력선(141)에 나타난다. 그래서, 이 타이밍(시각 t2)에서 기억부(22)에 샘플링 펄스(φN1)를 부여하여 샘플링 트랜지스터(26c)를 ON 함으로써, 화소출력선(141)을 통하여 출력된 노이즈 신호(N1)를 받아들여서 커패시터(25c)에 유지한다.

전송 트랜지스터(32)는 ON 상태로 유지되므로, 포토 다이오드(31)에 입사한 빛에 의하여 발생한 광전하는 전송 트랜지스터(32)를 통하여(도 7(b)에 나타낸 상태) 플로팅 디퓨전(33)에 흘러들어가, 노이즈 신호(N1)에 중첩하여 플로팅 디퓨전(33)에 축적된다(시각 t3). 설령 강한 빛이 입사하여 포토 다이오드(31)에서 다량의 광전하가 발생하여 플로팅 디퓨전(33)이 포화한 경우에는, 오버플로한 전하가 축적 트랜지스터(34)를 통하여 축적 커패시터(36)에 축적된다(도 13(d) 참조). 축적 트랜지스터(34)의 역치 전압을 적절히 낮게 설정해 둠으로써, 플로팅 디퓨전(33)으로부터 축적 커패시터(36)로 효율 좋게 전하를 전송할 수 있다. 이에 의하여, 플로팅 디퓨전(33)의 용량(C_FD)이 작고, 거기에 축적 가능한 최대 포화 전하량이 적더라도, 포화한 전하를 폐기하지 않고 유효하게 이용할 수 있다. 이와 같이 하여, 플로팅 디퓨전(33)에서의 전하 포화(오버플로) 전 및 전하 포화(오버플로) 후 중 어느 쪽에 발생한 전하도, 출력에 반영시킬 수 있다.

소정의 광전하 축적시간(노광시간)이 경과하면, 축적 트랜지스터(34)를 OFF한 상태에서 기억부(22)에 샘플링 펄스(φS1)를 부여함으로써 샘플링 트랜지스터(26a)를 ON 함으로써, 그 시점(시각 t4)에서 플로팅 디퓨전(33)에 축적되어 있는 전하에 따른 신호를 화소출력선(141)을 통하여 받아들여서 커패시터(25a)에 유지한다(도 13(e) 참조). 이때에 플로팅 디퓨전(33)에 축적되어 있는 신호는 노이즈 신호(N1)에 오버플로 전의 전하에 따른 신호(S1)가 중첩된 것이기 때문에, 커패시터(25a)에 유지되는 것은, 축적 커패시터(36)에 축적되어 있는 전하의 양을 반영하지 않은 S1＋N1이다.

그 직후에 φC를 하이 레벨로 하여 축적 트랜지스터(34)를 ON 하면, 그 시점에서 플로팅 디퓨전(33)에 유지되어 있던 전하와 축적 커패시터(36)에 유지되어 있던 전하는 혼합된다(도 13(f) 참조). 그 상태에서 기억부(22)에 샘플링 펄스(φS2)를 부여함으로써 샘플링 트랜지스터(26b)를 ON 함으로써(시각 t5), 플로팅 디퓨전(33) 및 축적 커패시터(36)에 축적되어 있던 전하에 따른 신호, 즉 노이즈 신호(N2)에 오버플로 후의 신호(S2)가 중첩된 신호를 화소출력선(141)을 통하여 받아들여서 커패시터(25b)에 유지한다. 따라서, 커패시터(25b)에 유지되는 것은, 축적 커패시터(36)에 축적되어 있는 전하의 양을 반영한 S2＋N2이다.

이상과 같이 하여, 1개의 기억부(22)에 포함되는 4개의 커패시터(25a, 25b, 25c, 25d)에 각각, 신호(S1＋N1, S2＋N2, N1, N2)를 유지하고, 이로써 1 사이클의 화상 신호의 받아들임을 종료한다. 상술한 바와 같이 랜덤 노이즈나 고정 패턴 노이즈를 포함하는 노이즈 신호(N1, N2)가, 이들 노이즈 신호를 포함하는 신호와는 별도로 구해진다. 그래서, 각각의 신호를 커패시터(25a, 25b, 25c, 25d)로부터 읽어낸 후에 도시하지 않은 아날로그 연산회로에 의하여 감산 처리함으로써, 노이즈 신호(N1, N2)의 영향을 제거한, 높은 S/N의 화상 신호를 얻을 수 있다. 또한, 플로팅 디퓨전(33)으로부터 오버플로한 전하도 폐기되지 않고 이용되므로, 강한 빛이 입사하였을 때에도 포화가 일어나기 어려우며, 그 빛을 반영한 신호를 얻을 수 있어, 넓은 다이내믹 레인지를 확보할 수 있다. 한편, 이와 같은 다이내믹 레인지의 확대가 가능한 것에 관한 자세한 설명은, 예컨대 일본국 특허공개 제2006－245522호 공보 등의 문헌에 기재되어 있으므로, 여기서는 설명을 생략한다.

(B) 광전하 축적시간이 상대적으로 긴 경우의 동작 모드

다음으로, 광전하 축적시간이 상대적으로 긴 경우의 동작에 대하여 설명한다. 도 14는 광전하 축적시간이 상대적으로 긴 경우의 구동 타이밍도, 도 15는 이 동작에 있어서의 화소(10) 내의 개략 포텐셜도이다.

광전하 축적시간이 짧은 경우와 가장 크게 다른 점은, 광전하 축적기간 동안에 전송 트랜지스터(32)를 OFF 하여 포토 다이오드(31)에서 발생한 광전하를 공핍층에 축적하는 것, 광전하 축적기간 동안에 있어서 전송 트랜지스터(32)를 OFF 하는 것, 노이즈 신호(N1)의 샘플링을 광전하 축적기간의 최후에 행함으로써 플로팅 디퓨전(33)에서 발생하는 암전하(및 광전하)를 S1 신호에 포함시키지 않는 것 등이다. 전송 트랜지스터(32)를 OFF 하는 것은, 그 게이트 직하의 실리콘－절연막계면을 어큐뮬레이션(accumulation·축적) 상태로 하여, 실리콘 표면을 홀(hole)로 채워 실리콘－절연막계면으로부터의 암전하의 침입을 방지하기 위함이다. 그리고 또한 광전하 축적시간이 길기 때문에, 소비전력을 억제하기 위하여 소스 폴로어 앰프(43)의 선택 트랜지스터(38, 41)를 소정시간 OFF 하도록 하고 있다.

광전하 축적을 행하기 전에는 φT, φC, φR을 하이 레벨로 하여, 전송 트랜지스터(32), 축적 트랜지스터(34) 및 리셋 트랜지스터(35)를 함께 ON 한다(시각 t10). 이에 의하여, 플로팅 디퓨전(33) 및 축적 커패시터(36)는 리셋(초기화)된다. 또한 이때, 포토 다이오드(31)는 완전히 공핍화된 상태에 있다. 이때의 포텐셜의 상태가 도 15(a)이다. 다음으로 φR을 로우 레벨로 하여 리셋 트랜지스터(35)를 OFF 하면, 플로팅 디퓨전(33)에는 이 플로팅 디퓨전(33)과 축적 커패시터(36)에서 발생하는 랜덤 노이즈와, 소스 폴로어 앰프(43)의 트랜지스터(37)의 역치 전압의 편차에 기인하는 고정 패턴 노이즈를 등가적으로 포함하는 노이즈 신호(N2)가 생기며(도 15(b) 참조), 이 노이즈 신호(N2)에 대응한 출력이 화소출력선(141)에 나타난다. 그래서, 이 타이밍(시각 t11)에서 기억부(22)에 샘플링 펄스(φN2)를 부여하여 샘플링 트랜지스터(26d)를 ON 함으로써, 화소출력선(141)을 통하여 노이즈 신호(N2)를 받아들여서 커패시터(25d)에 유지한다. 여기까지의 동작은 상기한 광전하 축적시간이 짧은 경우의 동작 모드와 같다.

다음으로, φC를 로우 레벨로 하여 축적 트랜지스터(34)를 OFF 하면, 그 시점에서 플로팅 디퓨전(33) 및 축적 커패시터(36)에 축적되어 있던 전하는, 플로팅 디퓨전(33)과 축적 커패시터(36)의 각각의 용량(C_FD, C_CS)의 비에 따라서 배분된다. 또한 φT를 로우 레벨로 하여 전송 트랜지스터(32)를 OFF 하고, φX도 로우 레벨로 하여 소스 폴로어 앰프(43)의 2개의 선택 트랜지스터(38, 41)도 OFF로 한다(시각 t12). 이에 의하여, 포토 다이오드(31)와 플로팅 디퓨전(33) 사이에는 포텐셜 장벽이 형성되어, 포토 다이오드(31)에서의 광전하의 축적이 가능한 상태가 된다(도 15(c) 참조).

포토 다이오드(31)에 입사한 빛에 의하여 발생한 광전하는 포토 다이오드(31)에 축적되지만, 포토 다이오드(31)에서 전하 포화가 생기면 그 이상의 과잉된 전하는 오버플로하여 전송 트랜지스터(32)를 통하여, 상술한 바와 같이 배분된 노이즈 신호에 중첩하여 플로팅 디퓨전(33)에 축적된다. 더욱 강한 빛이 입사하여 플로팅 디퓨전(33)에서 포화가 생기면, 오버플로한 전하가 축적 트랜지스터(34)를 통하여 축적 커패시터(36)에 축적되게 된다(도 15(d) 참조).

축적 트랜지스터(34)의 역치 전압을 전송 트랜지스터(32)의 역치 전압보다도 적절히 낮게 설정해 둠으로써, 플로팅 디퓨전(33)에서 포화한 전하를 포토 다이오드(31)측으로 되돌리지 않고 축적 커패시터(36)에 효율 좋게 전송할 수 있다. 이에 의하여, 플로팅 디퓨전(33)의 용량이 작고, 그곳에 축적 가능한 전하량이 적더라도, 오버플로한 전하를 폐기하지 않고 유효하게 이용할 수 있다. 이와 같이 하여, 플로팅 디퓨전(33)에서의 오버플로 전 및 오버플로 후 중 어느 쪽에 발생한 전하도 출력에 반영시킬 수 있다.

소정의 광전하 축적시간이 경과하면, φX를 하이 레벨로 하여 선택 트랜지스터(38, 41)를 ON 한 후에, 기억부(22)에 샘플링 펄스(φN1)를 부여함으로써 샘플링 트랜지스터(26c)를 ON 함으로써, 그 시점(시각 t13)에서 플로팅 디퓨전(33)에 축적되어 있는 신호 전하에 대응한 노이즈 신호(N1)를 화소출력선(141)을 통하여 받아들여서 커패시터(25c)에 유지한다. 이때의 노이즈 신호(N1)에는 소스 폴로어 앰프(43)의 트랜지스터(37)의 역치 전압의 편차에 기인하는 고정 패턴 노이즈가 포함된다. 다만, 이때에는 노이즈뿐만 아니라 광전변환에 의하여 생기된 광전하의 일부도 포함되지만, 여기서는 이것도 노이즈라 간주하고 있다.

다음으로, φT를 하이 레벨로 하여 전송 트랜지스터(32)를 ON 시켜, 포토 다이오드(31)에 축적되어 있던 광전하를 플로팅 디퓨전(33)으로 완전히 전송한다(도 15(e) 참조). 그 직후에(시각 t14), 기억부(22)에 샘플링 펄스(φS1)를 부여함으로써 샘플링 트랜지스터(26a)를 ON 함으로써, 플로팅 디퓨전(33)에 축적되어 있는 전하에 따른 신호를 화소출력선(141)을 통하여 받아들여서 커패시터(25a)에 유지한다. 이때의 신호는 앞의 노이즈 신호(N1)에 포토 다이오드(31)에 축적되어 있던 전하에 의한 신호, 즉 오버플로 전의 신호(S1)가 중첩된 것이기 때문에, S1＋N1이다.

이어서, φC를 하이 레벨로 하여 축적 트랜지스터(34)를 ON 하면, 그 시점에서 플로팅 디퓨전(33)에 유지되어 있던 전하와 축적 커패시터(36)에 유지되어 있던 전하는 혼합된다(도 15(f) 참조). 그 상태에서(시각 t15) 기억부(22)에 샘플링 펄스(φS2)를 부여함으로써 샘플링 트랜지스터(26b)를 ON 함으로써, 플로팅 디퓨전(33) 및 축적 커패시터(36)에 축적되어 있던 전하에 따른 신호를 화소출력선(141)을 통하여 받아들여서 커패시터(25b)에 유지한다. 이때의 신호는 S2＋N2가 된다.

이상과 같이 하여, 1개의 기억부(22)에 포함되는 4개의 커패시터(25a, 25b, 25c, 25d)에 각각, 신호(S1＋N1, S2＋N2, N1, N2)를 유지하고, 이로써 1 사이클의 화상 신호의 받아들임을 종료한다. 광전하 축적시간이 짧은 경우의 동작 모드와 마찬가지로, 랜덤 노이즈나 고정 패턴 노이즈를 포함하는 노이즈 신호(N1, N2)가, 이들 노이즈 신호를 포함하는 신호와는 별도로 구해지므로, 각각의 신호를 커패시터(25a, 25b, 25c, 25d)로부터 읽어낸 후에 감산 등의 아날로그 연산 처리함으로써, 노이즈 신호(N1, N2)의 영향을 제거한, 높은 S/N의 화상 신호를 얻을 수 있다. 또한, 플로팅 디퓨전(33)으로부터 오버플로한 전하도 폐기하지 않고 이용할 수 있으므로, 강한 빛이 입사하였을 때에도 포화가 일어나기 어렵고, 그 빛을 반영한 신호를 얻을 수 있어, 넓은 다이내믹 레인지를 확보할 수 있다.

상술한 바와 같이 각 화소(10)에 공급되는 제어신호(φX, φT, φR, φC)는 전체 화소 공통이기 때문에, 모든 화소(10)에서 동시에 상기와 같은 광전하 축적동작, 및 각 화소(10)로부터 기억부(22)로의 신호의 전송동작이 행하여진다. 즉, 상기 1 사이클에서 1 프레임분의 화상 신호가, 도 3, 도 4 중의 기억부 유닛 행(21) 내의 기억부(22)에 유지된다. 버스트 읽기 모드에서는, 이 동작이 104회 반복됨으로써, 모든 기억부 유닛 행(21) 내의 기억부(22)에 화소 신호가 유지된다. 105회째 이후는 다시 1번 상의 기억부 유닛 행(21) 내의 각 기억부(22)에 신호가 써넣어지는 것과 같이 순환적으로 유지동작이 실행된다. 예컨대, 이와 같은 동작을, 내부회로 또는 외부로부터 촬영정지 지시신호가 부여될 때까지 반복한다. 촬영정지 지시신호가 부여되어 촬영이 중지되면, 그 시점에서 최신의 104 프레임분의 화소 신호가 기억영역(3a, 3b)에 유지되고 있다. 이를 축차 읽어냄으로써 104 프레임의 연속된 화상 신호를 얻을 수 있다.

한편, 각 기억부(22)에 있어서 상술한 바와 같이 이미 어떠한 신호가 유지되어 있는 커패시터(25)에 새로운 신호를 유지할 때는, 그 이전의 신호를 폐기하는 리셋을 실행할 필요가 있다. 그 때문에, 도시하지 않지만, 각 화소출력선(141)에는 각각 리셋용 트랜지스터가 접속되어 있으며, 어느 기억부(20)의 커패시터(25)를 리셋할 때에는 그 기억부(20)의 샘플링 트랜지스터(26)가 ON 됨과 함께 대응하는 화소출력선(141)에 접속되어 있는 리셋용 트랜지스터가 ON 되어, 커패시터(25)에 축적되어 있는 신호는 샘플링 트랜지스터(26), 화소출력선(141)을 통하여 리셋된다. 이와 같은 리셋이 실행된 후에, 새로운 신호가 커패시터(25)에 유지된다.

다음으로, 기억영역(3a, 3b)으로부터의 신호의 축차 읽기의 동작에 대하여 설명한다. 도 16은 연속 읽기 모드에 있어서의 1 프레임분의 축차 읽기의 동작 타이밍도, 도 17은 버스트 읽기 모드에 있어서의 축차 읽기의 동작 타이밍도, 도 18은 수평 시프트 레지스터(HSR)의 요부의 동작 타이밍도, 도 19는 수직 시프트 레지스터(VSR)의 요부의 동작 타이밍도이다.

각 기억부(22)의 커패시터(25)에 유지된 신호는, 동일한 신호출력선(23)에 접속된 읽기 트랜지스터(27)를 순서대로 ON 함으로써 읽어낸다. 동일 기억부(22)의 4개의 읽기 트랜지스터(27a∼27d)는 각각 다른 신호출력선(23a∼23d)에 접속되어 있기 때문에, 동일 기억부(22) 내의 4개의 커패시터(25a∼25d)에 각각 유지되어 있는 신호는 동시에 읽어낼 수 있다. 그리고, 도시하지 않은 감산 회로에서 (S1＋N1)－N1, (S2＋N2)－N2의 감산 처리를 행함으로써, 랜덤 노이즈나 고정 패턴 노이즈를 제거한 S1 신호, S2 신호를 각각 인출할 수 있다. 여기서, 화소 신호로서 S1, S2 중 어느 것을 채용할지는, S1의 포화 신호량 이하의 적당한 신호 레벨을 기준(역치)으로 하여, 그 이상인지 그 미만인지로 각각 S1, S2를 선택하도록 한다. 포화 신호량 이하에서 이와 같은 스위칭을 실시함으로써, 신호(S1)의 포화 편차의 영향을 회피할 수 있다.

일례로서, 도 10에 나타낸 1 프레임째의 320개의 기억부 유닛(20) 중에서, 좌단측의 기억부 유닛 블록(50)에 있어서의 읽기 순서를 설명한다. 먼저 좌단의 기억부 유닛(20－01)에 있어서, 도 8에 나타내는 수평방향의 1행째의 기억부(22)의 화소 신호를 왼쪽으로부터 오른쪽으로 향하여 순서대로 11 화소분 읽어낸다. 이 기억부 유닛(20－01)은, 수평 시프트 레지스터(HSR1)와 수직 시프트 레지스터(VSR1)가 능동화됨으로써 선택되며, 수평방향의 읽기 클록(H－CLK)에 의하여, 수평방향의 왼쪽으로부터 오른쪽 방향으로 1개씩 기억부(22)의 읽기 트랜지스터(27)를 ON 하는 펄스 신호가 이동한다. 이 펄스 신호의 일례가 도 18에 나타낸 y1, y2, y3이다. 이와 같이 하여 1행분의 읽기가 끝나면, 수직방향으로의 읽기를 진행시키는 클록(V－CLK)이 부여되며, 이에 의하여 다음 2행째의 기억부(22)로 이동되어, 마찬가지로 이를 왼쪽으로부터 오른쪽으로 향하여 11 화소분 읽어낸다. 이 반복에 의하여, 12행째의 끝까지 화소 신호의 읽기를 행한다. 이 수직방향에 있어서의 각 행의 읽기 트랜지스터(27)를 능동화하는 신호의 일례가, 도 19에 나타낸 v1, v2, v3이다.

그 후에, 수평 시프트 레지스터(HSR2)와 수직 시프트 레지스터(VSR1)가 능동화됨으로써, 오른쪽 옆의 기억부 유닛(20－02)이 선택되며, 도 16, 도 17에 나타내는 바와 같이, 읽기 대상이 이 기억부 유닛(20－02)으로 이동된다. 이와 같이 하여 앞서와 마찬가지로, 행→열의 순서대로 1 화소분씩 각 기억부의 읽기 트랜지스터(27)를 ON 함으로써 신호를 읽어낸다. 이와 같이하여 순서대로 기억부 유닛의 선택을 기억부 유닛(20－10)까지 진행시켜, 상기 기억부 유닛(20－10)의 12행째의 기억부(22)의 읽기를 종료하면, 1 프레임분의 읽기가 완료된다. 다른 기억부 유닛 블록(50)에서도 상기와 병행하여, 대응하는 기억부 유닛(20)의 기억부(22)로부터의 신호의 읽기가 실행된다.

버스트 읽기 모드에 있어서의 축차 읽어낼 시에는, 상술한 바와 같이 하여 1 프레임째의 모든 화소 신호의 읽기가 종료된 후에, 이어서, 2 프레임째의 화소 신호의 읽기가 개시된다. 즉, 도 17에 나타내는 바와 같이, 수평 시프트 레지스터(HSR1)와 수직 시프트 레지스터(VSR2)가 능동화됨으로써, 도 10에 나타낸 2행째의 기억부 유닛 중의 좌단의 것이 선택되기 때문에, 1 프레임째와 마찬가지의 순서로 읽기가 실행되며, 이를 반복함으로써 104 프레임까지의 읽기가 완료된다.

다만, 읽기의 순서는 특별히 이에 한정되는 것이 아니라, 적절히 변경할 수 있다. 예컨대, 버스트 읽기 모드에 있어서는, 제일 위의 수평방향으로 배열된 기억부 유닛(20)에 유지되어 있는 화소 신호가 시간적으로 가장 오래된 것이라고는 한정할 수 없다. 왜냐하면, 위에서부터 아래로 향하여 순서대로 프레임마다 신호의 써넣기를 행하여, 어느 프레임에서 써넣기 정지가 이루어질지는 결정되어 있지 않기 때문이다. 따라서, 바람직하게는, 최후에 입력을 행한 행의, 그 다음 행으로부터 순서대로 축차 읽기를 행하도록 하면, 시계열 순으로 화상 신호를 취득할 수 있다.

상술한 바와 같이, 고속촬영을 행할 시에는 버스트 읽기 모드가 이용되지만, 외부로 읽기 가능한 연속촬영 프레임 수는 104이기 때문에, 목적으로 하는 현상을 정확히 포착하여 104 프레임의 촬상을 행할 필요가 있으며, 그를 위하여서는 목적으로 하는 현상의 생기의 순간이나 그 직전의 징후를 포착한 트리거 신호를 얻을 필요가 있다. 본 실시예의 고체촬상소자는, 이와 같은 트리거 신호를 생성하는 회로를 내장하고 있다. 다음으로, 이 트리거 신호 생성회로 및 그 동작과, 본 소자를 이용한 고속촬영장치에 있어서의, 상기 트리거 신호를 이용한 촬영동작의 일례에 대하여 설명한다.

도 20은 각 신호출력선(23)마다에 설치된 트리거 신호 생성부(60)의 개략 구성도, 도 21은 본 고체촬상소자를 이용한 촬영장치의 요부의 블록 구성도이다. 도 20에서는, 기억부 유닛(20)에 포함되는 132개의 기억부(22)를 수평방향으로 나열하여 나타내고 있다. 또한, 이 도면에서는, 상술한 바와 같이 1개의 기억부(22)에 포함되는 4개의 기억소자를 한데 모아 나타내고 있으며, 신호출력선(23)은 상술한 노이즈 제거나 다이내믹 레인지 확대를 위한 처리가 행하여진 후의 것이다.

트리거 신호 생성부(60)는, 스위치, 커패시터, 및 도시하지 않은 리셋회로를 포함하며, 신호출력선(23)에 접속되는 2개의 샘플 홀드 회로부(61, 62)와, 그 샘플 홀드 회로부(61, 62)의 출력의 차분신호(아날로그 전압차)를 구하는 차분회로(63)와, 차분신호를 순차 가산하는 적산회로(64)와, 적산 출력값과 설정 역치를 비교하는 비교기(65)와, 비교기(65)의 출력에 따라서 트리거 신호로서 펄스 신호를 발생하는 펄스발생회로(66)를 포함한다.

상술한 바와 같이 본 실시예의 고체촬상소자에서는 신호출력선(23)은 기억부 유닛 블록(50)마다에 1개씩, 합계 64개 병렬로 존재하기 때문에, 도 20에 나타낸 트리거 신호 생성부(60)도 전부 64개 존재한다. 도 21에 나타내는 바와 같이, 이들 64개의 트리거 신호 생성부(60－01∼60－64)의 출력인 트리거 신호는 트리거 신호 연산회로(71)에 입력되고, 여기서, 외부로부터의 설정에 따른 논리합, 논리곱, 혹은 선택 등의 연산이 행하여지며, 1 계통의 트리거 신호로 집약되어 트리거 신호 출력단자(72)를 통하여 고체촬상소자(70)의 외부로 출력된다.

이 고체촬상소자(70)를 탑재한 촬영장치는, 트리거 신호 출력단자(72)로부터 출력되는 트리거 신호를 받아서 디지털적인 지연 처리나 별도의 센서 등으로부터 얻어진 센서 트리거 신호 등과의 논리합, 혹은 다른 촬영 조건을 나타내는 조건신호 등과의 논리곱 등의 디지털 연산 처리를 행하는 제어회로(75)를 구비한다. 이 제어회로(75)에서 처리된 후의 트리거 신호가, 고체촬상소자(70)의 트리거 신호 입력단자(73)에 부여된다. 촬상 제어부(74)는 트리거 신호 입력단자(73)를 통하여 부여된 트리거 신호에 근거하여, 촬영의 개시, 종료 등의 제어를 실행한다. 여기서, 트리거 신호 출력단자(72)와 트리거 신호 입력단자(73)를 직결함으로써, 고체촬상소자(70) 내부에서 생성한 트리거 신호를 그대로 이용하여 촬상의 제어를 행하도록 할 수도 있다.

도 20, 도 21에 더하여 도 22∼도 24를 이용하여, 촬상동작의 일례를 설명한다. 도 22는 촬상 제어의 타이밍을 설명하기 위한 개략도, 도 23은 촬영화상을 나타내는 모식도, 도 24는 화소 신호의 선택을 설명하기 위한 개략도이다.

피사체의 움직임·변화의 검지를 행하는데에 앞서, 유저는 피사체의 변화나 움직임을 검지하기 위한 화상 상의 범위를 지정한다. 이 범위는 화상 전체이더라도 좋지만, 좁은 범위를 지정할수록 트리거 신호 발생의 시간 지연이 작아진다. 목적으로 하는 현상의 종류나 피사체의 움직임·변화의 형태에도 의존하지만, 일반적으로, 촬영하고자 하는 현상이나 변화 등의 징후나 단서를 포착하기 위하여서는 화상 전체를 관찰할 필요는 없으며, 화상 상의 특정한 일부분만을 관찰하면 좋은 경우가 많다. 여기서는 예컨대 일례로서, 파이프의 선단으로부터 미소 액체 방울이 고속으로 분출하는 현상을 촬영하는 경우를 예로서 생각한다.

지금 도 23(a)에 나타내는 바와 같이, 파이프(80)의 선단에 극히 근소한 분출이 보이는 상황이, 촬영하고자 하는 현상의 단서라고 한다면, 이를 검지하기 위하여서는 파이프(80) 선단의 좁은 범위의 화상만큼을 관찰하면 좋다. 그래서, 도 23 중에 나타낸 바와 같은 직사각 형상의 범위(81)를 검지 대상 범위로서 선택하는 것으로 한다. 지금, 이 선택범위(81)가 1개의 기억부 유닛 블록(50)에 대응하는 화소영역의 범위에 들어가 있으면, 1개의 트리거 신호 생성부(60)에서 생성되는 트리거 신호만을 이용하여 촬영의 제어가 가능하다. 그래서, 트리거 신호 연산회로(71)에서는, 해당하는 트리거 신호 생성부(60)의 트리거 신호만을 선택하여 출력한다.

피사체의 변화나 움직임의 검지는, 기본적으로 2 프레임의 프레임간 차분에 근거하여 행하여진다. 프레임간 차분신호를 얻기 위하여, 동일 위치의 화소마다 신호의 차를 구하여도 좋지만, 그와 같이 하면 기억부(22)로부터의 신호 읽기에 시간이 걸리며, 또한 화상의 미소한 진동을 피사체의 변화라고 오검지할 우려도 높다. 그래서, 이와 같은 오검지를 경감함과 함께 신호 읽기의 시간을 단축하기 위하여, 여기서는, 동일 기억부 유닛 블록(50)에 대응한 화소영역의 범위, 즉 수평방향으로 10 화소, 수직방향으로 132 화소의 화소 범위 내에서, 인접하는 복수의 화소의 신호를 동시에 읽어내어 가산하는 처리를 행하여, 그 가산신호 값마다 차분을 취한다.

지금 여기서는, 예컨대 도 24에 나타내는 바와 같이, 수평방향으로 2 화소, 수직방향으로 3 화소의 합계 6 화소로 이루어지는 화소 집합을 생각하여, 화소 집합에 포함되는 6개의 화소 신호를 기억부(22)로부터 동시에 읽어내어 가산한다. 이는 이 6 화소의 신호의 평균을 취하는 것과 동등하다. 구체적으로는, 도 20에 나타낸 동일한 신호출력선(23)에 접속되어 있는, 1개의 화소 집합에 대응한 6개의 기억부(22)의 읽기 트랜지스터(27)를 동시에 ON 하여, 그들 기억부(22)의 커패시터(25)에 유지되어 있는 신호를 신호출력선(23) 상에 읽어냄으로써, 상기 신호출력선(23) 상에서 6개의 화소 신호를 아날로그적으로 가산할 수 있다. 이 처리를 1 클록으로 행할 수 있기 때문에, 예컨대 선택 범위(81)가 30 화소×10 화소의 범위라면, 화소 집합은 50개가 되며, 전부 50회의 신호 읽기 조작을 행하면 된다.

피사체의 변화를 검지한 트리거 신호의 생성을 행하기 위하여서는, 상술한 버스트 읽기 모드에 있어서의 반복 속도에서의 광전하 축적 및 각 화소(10)로부터 기억부(22)로의 신호 전송을 반복한다. 도 22에 있어서, 이때의 1 프레임의 촬상 기간(프레임 주기)을 T로 나타낸다. 소정의 프레임 수를 촬영할 때마다, 최근에 얻어진 프레임과 P 프레임 전의 프레임의 화소 신호를 해당하는 기억부(22)로부터 읽어내어, 트리거 신호 생성부(60)에 의하여 피사체의 변화 유무를 판정한다. 여기서는, P＝3이라 하지만, 이 P의 값은 임의로 정할 수 있다. 현시점이 Q로 나타내는 때라고 하면, 최근에 얻어진 프레임(Pa)과 3 프레임 전의 프레임(Pb)의 프레임간 차분을 이용한다. 이때, 2개의 프레임(Pa, Pb)의 화상 전체가 아니라, 도 23에 나타낸 선택 범위(81)만이며, 또한 상술한 6 화소의 화소 집합의 가산 신호의 차분을 이용하여 피사체의 변화의 검지를 행한다.

구체적으로는, 프레임(Pa)에 대응한 화소 신호가 유지되어 있는 기억부 유닛(20) 중에서, 1개의 화소 집합에 대응한 6개의 기억부(20)의 읽기 트랜지스터(27)를 동시에 ON 하여, 읽어낸 신호의 가산값을 샘플 홀드 회로부(61)에 유지하고, 이어서, 프레임(Pb)에 대응한 화소 신호가 유지되어 있는 기억부 유닛(20) 중에서, 같은 화소 조합의 화소 집합에 대응한 6개의 기억부(20)의 읽기 트랜지스터(27)를 동시에 ON 하여, 읽어낸 신호의 가산값을 샘플 홀드 회로부(62)에 유지한다. 그리고, 그 차분신호를 구하여, 적산회로(64)에서 적산한다. 적산의 개시시에는 적산 출력을 리셋한다.

다음으로, 프레임(Pa) 중의 다른 화소 집합에 대응한 6개의 기억부(22)의 읽기 트랜지스터(27)를 동시에 ON 하여, 읽어낸 신호의 가산값을 샘플 홀드 회로부(61)에 유지하고, 이어서, 프레임(Pb)의 같은 조합의 6개의 기억부(22)의 읽기 트랜지스터(27)를 동시에 ON 하여, 읽어낸 신호의 가산값을 샘플 홀드 회로부(62)에 유지한다. 그리고, 차분을 구하여, 그 차분을 먼저 적산회로(64)에 유지한 차분에 적산한다. 이를 선택 범위(81)에 포함되는 화소 집합에 대하여 반복하고, 최종적으로, 비교기(65)에 있어서 적산값을 역치와 비교한다. 적산값이 역치를 넘고 있는 경우에는 피사체의 변화가 있었다고 간주하여, 펄스발생회로(66)는 트리거 신호를 출력한다. 한편, 적산값이 역치 이하이면 피사체에는 변화가 없는 것이라 간주하여, 펄스발생회로(66)는 트리거 신호, 즉 펄스 신호를 출력하지 않는다. 예컨대 도 23(a), (b)의 2개의 프레임 화상 신호에 대하여 도 23(c)에 나타내는 바와 같은 차분신호가 얻어지기 때문에, 이 차분신호에 의하여 피사체의 변화 유무가 판정되게 된다.

지금 프레임(Pa, Pb)의 비교에 의하여 트리거 신호가 생성된 것으로 하면, 이 트리거 신호가 트리거 신호 출력단자(72)로부터 출력되어, 제어회로(75)에 있어서, 소정의 프레임 주기(T)분만큼 지연된다. 이 지연량은 유저가 임의로 설정할 수 있으며, 트리거 신호 생성시점보다도 시간적으로 거슬러 올라간 화상을 취득하고자 한다면 지연을 작게 하고, 트리거 신호 생성시점으로부터 후의 화상을 취득하고자 한다면 지연을 크게 하면 좋다. 이 지연이 실시된 트리거 신호가 트리거 신호 입력단자(73)에 부여되며, 촬상 제어부(74)는, 이 트리거 신호에 따라서 촬영을 정지한다. 즉, 화소출력선(141)을 통한 각 화소(10)로부터 기억부(20)로의 새로운 신호의 입력을 정지시킨다. 이에 의하여, 상술한 버스트 신호 읽기 모드에 있어서의 촬영이 종료되기 때문에, 그 시점으로부터 104 프레임 주기만큼 거슬러 올라간 기간 중의 화상 신호가 기억영역(3a, 3b) 내의 기억부(22)에 유지되고 있다. 그 후에, 상술한 바와 같이 수평 및 수직 시프트 레지스터를 구동함으로써, 각 기억부(22)의 읽기 트랜지스터(27)를 순서대로 ON 함으로써 축차 읽기를 행하여, 고체촬상소자(70)의 외부에 설치된 프레임 메모리 등에 화소 신호가 격납된다.

다만, 각 기억부(22)의 커패시터(25)로부터 신호출력선(23)으로의 신호 읽기는, 소스 폴로어 앰프 등의 버퍼를 통하고 있지 않으므로 커패시터(25)의 유지 전위는 보존되지 않는다. 즉, 이는 파괴 읽기이다. 그 때문에, 상기와 같은 트리거 신호 생성을 위하여 이용된 프레임의 화상 신호는 잃게 된다. 그래서, 이 프레임에 대하여서는 예컨대 전후 프레임 화상 신호를 이용한 보간 처리를 행함으로써 보충하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 동작에서는, 버스트 읽기 모드에서의 연속적인 촬영에 의하여 얻어진 프레임의 일부를 이용하여 피사체의 변화의 검지를 행하고 있었기 때문에, 그 검지에 이용된 프레임 화상이 결락되어 버리고 있었지만, 처음부터 피사체의 변화의 검지 처리용 화소 신호를 촬영화상과 별도로 준비함으로써, 상기한 문제점을 해소할 수 있다. 즉, 화소출력선(141)을 통한 화소(10)로부터 기억부(22)로의 신호 읽기는 소스 폴로어 앰프(43)를 통하고 있으므로 비파괴 읽기이다. 그래서, 이를 이용하여, 같은 프레임에서 같은 화소의 신호를 다른 2개의 기억부(20)에 입력하여, 일방을 피사체의 변화 검지용에, 타방을 화소 신호로서의 외부 읽기용에 이용할 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는, 버스트 읽기 모드에서의 연속적인 촬영을 실행하면서 트리거 신호를 받아 촬영을 정지하도록 하고 있었지만, 피사체의 변화가 생기할 때까지는 비교적 저속에서 고감도의 촬영을 행하고, 피사체의 변화가 보인 이후는 고속도에서의 촬영을 행하도록 프레임 주기(T)를 변경하도록 하여도 좋다. 또한, 버스트 읽기 모드에서의 연속적인 촬영을 계속하여 실행하면, 그동안은 외부로의 축차 신호 읽기를 행할 수 없기 때문에, 촬영화상을 모니터할 수 없다. 그래서, 소정의 프레임 수만큼 버스트 읽기 모드에서의 연속적인 촬영을 행한 후에 도 11(a)에 나타낸 바와 같은 1 프레임만의 연속 읽기 모드에서의 구동제어를 행하고, 그로부터 다시 버스트 읽기 모드에서의 연속적인 촬영으로 되돌아간다는 제어를 반복하도록 하여도 좋다. 이에 의하여, 촬영화상을 정기적으로 모니터할 수 있다.

한편, 상기 실시예는 본 발명에 관한 고체촬상소자 및 촬영장치의 일례이며, 본 발명의 취지의 범위에서 적절히 변형이나 수정, 추가를 행하여도 본원 청구의 범위에 포함되는 것은 당연하다.

1 : 반도체 기판
2, 2a, 2b : 화소영역
3a, 3b : 기억영역
4a, 4b : 수직 주사 회로영역
5a, 5b : 수평 주사 회로영역
6a, 6b : 전류원 영역
10 : 화소
11 : 광전변환영역
12 : 화소 회로영역
13 : 배선영역
14, 141 : 화소출력선
15 : 구동라인
20 : 기억부 유닛
21 : 기억부 유닛 행
22 : 기억부
23, 23a, 23b, 23c, 23d : 출력선
24, 24a, 24b, 24c, 24d : 기억소자
25, 25a, 25b, 25c, 25d : 커패시터
26, 26a, 26b, 26c, 26d : 샘플링 트랜지스터
27, 27a, 27b, 27c, 27d : 읽기 트랜지스터
31 : 포토 다이오드
32 : 전송 트랜지스터
33, 331, 332 : 플로팅 디퓨전
333 : 금속 배선
34 : 축적 트랜지스터
35 : 리셋 트랜지스터
36 : 축적 커패시터
37, 40 : 트랜지스터
38, 41 : 선택 트랜지스터
39 : 전류원
43 : 소스 폴로어 앰프
50 : 기억부 유닛 블록
60 : 트리거 신호 생성부
61, 62 : 샘플 홀드 회로부
63 : 차분회로
64 : 적산회로
65 : 비교기
66 : 펄스 발생회로
70 : 고체촬상소자
71 : 트리거 신호 연산회로
72 : 트리거 신호 출력단자
73 : 트리거 신호 입력단자
74 : 촬상 제어부
75 : 제어회로
VSR1 : 수직 시프트 레지스터
HSR1 : 수평 시프트 레지스터

Claims

a) 2차원 어레이 형상으로 배열되어, 각각이, 빛을 수광하여 광전하(光電荷)를 생성하는 광전변환소자와, 상기 광전변환소자에서 생성된 광전하를 검출 노드로 전송하는 전송소자와, 상기 검출 노드로부터 화소출력선에 전하에 따른 출력신호를 송출하는 버퍼 소자를 적어도 포함하는 복수의 화소와,
b) 상기 복수의 화소마다 독립되어 설치된 상기 화소출력선과,
c) 상기 화소출력선을 통하여 각 화소로부터 출력되는 출력신호를 유지하기 위하여 각 화소에 대하여 복수 설치된 기억부와,
d) 상기 각 화소에 있어서의 촬상(撮像)에 대응한 광전하의 축적 동작 및 상기 화소출력선을 통한 각 화소로부터 상기 복수의 기억부의 1개로의 신호의 전송 동작을 전체 화소에서 일제히, 또한 촬상마다 신호를 유지시키는 기억부를 순서대로 바꾸면서 반복하여 행하는 도중에, 다른 시점에서 얻어진 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를 해당하는 기억부로부터 축차 읽어내도록 각 화소 및 각 기억부를 동작시키는 구동제어수단과,
e) 상기 구동제어수단의 제어 하에 축차 읽어내어진 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호에 근거하여 촬영 대상의 변화 또는 움직임을 검지하여 트리거 신호를 생성하는 트리거 신호 생성수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1에 있어서,
상기 구동제어수단은, 상기 트리거 신호 생성수단에 의하여 생성되는 트리거 신호에 근거하여 촬상을 정지시키고, 상기 복수의 기억부에 유지되어 있는 복수의 프레임에 대응한 신호를 축차 읽어내어 출력하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 2에 있어서,
상기 트리거 신호의 발생 타이밍으로부터 촬상을 정지시킬 때까지의 시간 지연 또는 프레임 수 지연을 외부로부터 지정 가능한 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1에 있어서,
상기 트리거 신호를 생성하기 위한 2개의 프레임 중의 특정 범위를 외부로부터 지정 가능한 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1에 있어서,
상기 트리거 신호를 생성하기 위한 2개의 프레임의 프레임 간격 또는 시간차를 외부로부터 지정 가능한 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1에 있어서,
상기 트리거 신호를 외부에 출력하는 출력단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1에 있어서,
상기 구동제어수단은, 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를 해당하는 기억부로부터 축차 읽어낼 때에, 2차원의 어레이 형상으로 복수 배열된 화소 중에서 수평방향 또는 수직방향으로 소정의 간격으로 건너뛰어 읽어내기를 행하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1에 있어서,
상기 구동제어수단은, 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를 해당하는 기억부로부터 축차 읽어낼 때에, 2차원의 어레이 형상으로 복수 배열된 화소 중에서 수평방향 또는 수직방향으로 인접하는 또는 근접하는 복수의 화소에 대응한 신호를 동시에 읽어내어, 가산 처리 또는 평균화 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1에 있어서,
상기 구동제어수단은, 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를 해당하는 기억부로부터 축차 읽어낼 때에, 2차원의 어레이 형상으로 복수 배열된 화소 중에서 수평방향 및 수직방향으로 소정의 간격으로 건너뛰어 읽어내기를 행하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1에 있어서,
상기 구동제어수단은, 2개의 프레임의 전체 화소 또는 일부의 화소에 대응한 신호를 해당하는 기억부로부터 축차 읽어낼 때에, 2차원의 어레이 형상으로 복수 배열된 화소 중에서 수평방향 및 수직방향으로 인접하는 또는 근접하는 복수의 화소에 대응한 신호를 동시에 읽어내어, 가산 처리 또는 평균화 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 고체촬상소자를 이용한 촬영장치로서,
상기 트리거 신호 생성수단에 의하여 생성되는 트리거 신호에 따라서 상기 고체촬상소자의 촬영 개시 또는 정지를 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 촬영장치.