TWI444040B - Solid-state imaging element - Google Patents
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Description
本發明係關於一種固態攝影元件，更詳言之，係關於一種用來對摧毀、爆炸、及燃燒等高速現象進行攝影而可高速動作的較佳固態攝影元件。
以往已開發有高速攝影裝置(高速視訊攝影機)，用來以短時間連續進行例如爆炸、摧毀、燃燒、碰撞、及放電等高速現象的攝影(參照非專利文獻1等)。此種高速攝影裝置必須能進行100萬幀框/秒程度以上極高速度的攝影。因此，不同於習知一般視訊攝影機或數位相機等所使用之攝影元件，而使用具有特殊構造之可高速動作的固態攝影元件。
此種固態攝影元件，以往係使用專利文獻1等所記載者。此文獻所記載之固態攝影元件係稱為像素周邊記錄型攝影元件(IS-CCD)者。針對該攝影元件概略作說明。
上述像素周邊記錄型攝影元件具備兼作受光部之各光電二極體其記錄幀框數量之訊號傳送的儲存用CCD，在攝影中將以光電二極體進行光電轉換所生成之像素訊號依序傳送至儲存用CCD。接著，攝影結束後一次依序讀取儲存於儲存用CCD之記錄幀框數量的像素訊號，以在攝影元件之外部重現記錄幀框數分量影像。在攝影中超過記錄幀框數量的像素訊號則以新舊之順序廢棄較舊者，而在儲存用CCD經常保持最新之既定幀框數量的像素訊號。因此，若在攝影結束時中止像素訊號往儲存用CCD之傳送，則可獲得從該時點起在時間上回溯記錄幀框數量之時點以後的最新影像。
以此方式，像素周邊記錄型攝影元件係與必須在每獲得1個幀框量之影像訊號即將其取出至外部的一般攝影元件不同，具有可非常高速獲得複數幀框連續影像的特徵。然而，該習知像素周邊記錄型攝影元件有以下課題。
(1)習知像素周邊記錄型攝影元件中，在將訊號電荷傳送至CCD時，由於必須同時驅動具有大電容性負載之閘極電極與訊號線。且由於閘極驅動訊號之電壓振幅較大。因此原本電力消耗就較大。若為了提高攝影速度而提高驅動速度時，電力消耗會變得更大導致發熱變大，而有會超過散熱極限之虞。又，由於屬於大電容性負載，因此驅動訊號之波形鈍化等波形失真會變大，當欲提高速度時有時電荷傳送本身亦無法進行。
(2)習知像素周邊記錄型攝影元件中，在半導體晶片上由於儲存用CCD係設置於相鄰之光電二極體之間，因此當強光射入光電二極體而產生大量之光電荷時有時其會流入儲存用CCD。此結果，有時會造成例如影像之S/N劣化，嚴重時會顯現雙重影像等。
(3)儲存用CCD中，為了訊號讀取而處於待機期間中由於亦會混入暗電荷所產生之假訊號，因此有影像之S/N劣化之虞。
另一方面，CMOS型攝影元件中，以往已有一種例如專利文獻2所記載者。該攝影元件中，係將複數個記憶用電容器設於各像素內，而可就各幀框使光電二極體所產生之光電荷連續儲存於不同之記憶用電容器。然而，此種構成中雖可對應數個幀框左右之連續記錄，不過卻無法進行上述高速攝影裝置所欲之多數幀框之連續攝影。若為了增加連續攝影幀框數目而增加記憶用電容器之數目時，來自儲存光電二極體所產生之電荷之檢測節點之訊號線的電容性負載即增大，而難以提高速度。又，不得不縮小1個像素內之光電二極體的面積，而使孔徑比變小，乃至無法避免感度降低。
專利文獻1：日本特開2001-345441號公報
專利文獻2：日本特表2002-512461號公報
非專利文獻1：近藤及另5位、「高速視訊攝影機HyperVision HPV-1之開發」、島津評論、島津評論編輯部、2005年9月30日發行、第62卷、第1．2號、p.79-86
本案申請人有鑑於上述課題已於國際申請JP2008/002425號提出一種新穎構成之CMOS型攝影元件。作為上述攝影元件之構成元件，除了對應入射光強度生成電壓訊號之光電轉換部、保持複數個幀框分之電壓訊號之記憶部等基本元件之外，必須要有電晶體般之開關元件或用以一次讀取所有像素之匯流排配線等。然而，另一方面，匯流排配線之數量或記憶部之電晶體、電容器等之元件數量變大時，會產生像素部之孔徑比降低或像素間距增加、記憶部尺寸變大等，而不易縮小晶片尺寸。例如，為了對應在相同晶片尺寸下欲提升解析度、欲縮小晶片尺寸以提升製造上之產率、或在相同晶片尺寸下為了提昇光感度欲提升孔徑比等要求，較佳為縮小舖設於像素部之配線面積或僅可能縮小記憶部之尺寸。
本發明係有鑑於上述問題而構成，其主要目的在於提供一種固態攝影元件，可抑制電力消耗並能進行極高速之叢發攝影(不進行讀取之連續攝影)，且僅可能減少基本之元件與配線等以縮小晶片尺寸。
為了解決上述問題，本發明之固態攝影元件，其具備：a)像素區域，排列有複數個像素，該像素包含接收光以產生光電荷之光電轉換元件、將該光電轉換元件所產生之光電荷傳送至從電荷訊號轉換成電壓訊號之檢測節點之傳送元件、及將輸出訊號從該檢測節點送出至像素輸出線之緩衝元件；b)記憶區域，係與該像素區域分離之區域，為了保持複數個幀框分之該各像素之訊號，配置有對各像素準備複數個之記憶部；在將該各像素與對應該像素之複數個記憶部加以連接之像素輸出線上，於該像素與複數個記憶部之間具有寫入側閘極手段，且該寫入側閘極手段之記憶部側具有讀取側閘極手段。
本發明之固態攝影元件係屬CMOS構造，可將該光電轉換元件設為例如光電二極體，較佳為設為嵌入型光電二極體。可將檢測節點設為例如浮動狀態之擴散層(飄移擴散區域)。可將傳送元件設為電晶體。可將緩衝元件設為由一個到複數個電晶體構成之源極跟隨放大器。可將寫入側閘極手段及讀取側閘極手段分別設為1個電晶體。
本發明之固態攝影元件中，可將與藉由儲存各像素之光電轉換元件所獲得之光電荷而得之電荷對應之電壓訊號，就各幀框透過寫入側閘極手段依序儲存於複數個記憶部。由於對各像素準備複數個記憶部，因此可連續擷取該記憶部之數量分之類比訊號並在該擷取結束後，透過讀取側閘極手段從各記憶部依序將訊號讀取至外部以進行處理。
本發明之固態攝影元件中，雖在元件內具備對應各像素之複數個記憶部，但無須如使用習知儲存用CCD之像素周邊記錄型攝影元件般，在保持新的訊號電荷時同時驅動所有閘極負載。因此，電力消耗較少，在高速驅動時亦可抑制發熱。又，由於像素區域與記憶區域分離，因此不會對像素區域內之像素數目、光電轉換元件之受光面的面積、及像素區域整體之尺寸等造成影響，而可增加對應1個像素之記憶部的數目，藉此，即可充分確保以高速可進行叢發攝影之幀框數。
又，由於像素區域與記憶區域分離，因此即使強光射入光電轉換元件，而產生過量之光電荷，亦可防止其到達記憶部。再者，係設為在記憶部中藉由例如雙多晶矽構造或堆疊構造等之電容器來保持訊號的構成，藉此訊號讀取前之待機時間中亦不會產生暗電荷。藉此，可提升訊號之S/N，而可提升例如藉由讀取之訊號所重現之影像品質。
本發明之固態攝影元件中，可將該記憶部設為由1個電容器與1個開關元件構成。此處，開關可由1個電晶體構成。
此構成中，為了儲存N個幀框分之像素訊號，只要設置N組電晶體與電容器之組合、及各組1個之寫入側閘極手段及讀取側閘極手段之電晶體即可。以此方式，由於寫入側閘極手段及讀取側閘極手段係對多數個記憶部共用化，因此能減少配置於記憶區域之元件數量，縮小確保相同幀框數之記憶容量所需之記憶區域之面積。藉此，只要為相同晶片面積，即可謀求增加像素區域之面積、例如增加孔徑比以提升光感度。
本發明之固態攝影元件之一形態，較佳為，將複數個像素與對應該複數個像素分別設置複數個之記憶部加以連接之像素輸出線係共通。
在各像素獨立設置像素輸出線亦可，但此時從像素區域延伸至記憶區域之像素輸出線之數量與像素數量相同，為了提昇解析度愈增加像素數量則像素輸出線之數量亦增加，配線所需之區域變大。相對於此，若對複數個像素使像素輸出線共通化，則能減少配線數量，減少配線佔有區域之面積。例如，2個像素共用1條像素輸出線，則像素輸出線之數量成為大約1/2。藉此，具有下述效果，即例如縮小記憶區域之像素間距以提升解析度、提升孔徑比以改善光感度，或縮小整體之晶片面積以提升製造上之產率。
複數個像素共用像素輸出線時，無法從該複數個像素同時輸出訊號並寫入至記憶部。此時，對記憶部之訊號寫入時序需要就各像素偏移，愈提升叢發攝影之比率，取樣時序之偏移相對變顯著。此時，若2個至4個程度之像素共用1條像素輸出線，則上述實質上不構成問題。
又，本發明之固態攝影元件中，各像素可包含重置該光電轉換元件及該檢測節點之重置元件。可將重置元件設為1個電晶體。
作為通常驅動模式，每當將儲存於檢測節點之電壓訊號透過該緩衝元件輸出時，藉由該重置元件重置該光電轉換元件及該檢測節點。
以上述方式，從各像素獲得之訊號，含有重置光電轉換元件及檢測節點時殘留之雜訊成分。因此，為了提昇此訊號之S/N，與1個像素對應之複數個記憶部分別具有可獨立保持來自各像素之輸出訊號之複數個電容器，在一次光電荷儲存動作之循環中，係以將各像素內光電轉換元件及檢測節點重置時殘留之雜訊成分、與對應光電荷之儲存所產生之電荷之訊號，保持於同一記憶部之不同電容器的方式，對各像素及記憶部供應控制訊號的構成。
該構成中，藉由例如在元件外部或內建之運算手段進行從訊號減去雜訊成分之運算，即可減輕該雜訊的影響，以獲得S/N較高之像素訊號。然而，用以儲存雜訊成分之電容器與用以儲存訊號之電容器數量必須相同。因此，為減少儲存雜訊成分之電容器之數量，如下述，可變更各像素之訊號儲存之步驟。
由於在CMOS進行非摧毀讀取，因此即使從檢測節點讀取訊號，只要不重置則電壓訊號直接保存。因此，利用此，本發明之固態攝影元件之一形態，以在將儲存於該檢測節點之電壓訊號透過該緩衝元件輸出後不重置光電轉換元件及檢測節點之方式，將光電轉換元件所產生之光電荷之電壓訊號儲存於檢測節點，在複數個連續曝光循環之間，依序輸出在各循環積分之電壓訊號。
此構成中，在透過重置元件重置檢測節點之前，光電荷之電壓訊號加算儲存於檢測節點，成為透過緩衝元件讀取之訊號依序加算儲存而增加之訊號。在讀取後，藉由對相同像素計算與連續曝光循環對應之訊號的差分，可求出各曝光循環之訊號。
根據此構成，在重置光電轉換元件及檢測節點之後一刻進行雜訊成分之取樣後接著進行重置之前，無須取樣雜訊成分，僅反覆取樣訊號即可。是以，可減少用以儲存雜訊成分之電容器之數量。藉此，可進行叢發攝影之幀框數量相同時，可縮小記憶區域之面積，可縮小晶片面積，或可增加像素面積以增加像素數量。又，不減少配置於記憶區域內之電容器之數量時，可利用來增加可進行叢發攝影之幀框數量。
根據本發明之固態攝影元件，可抑制電力消耗同時並可達成高速動作，亦可充分確保在例如100萬個幀框/秒以上之高速下可連續攝影之幀框數。藉此，相較於使用習知固態攝影元件之情況，可實現攝影之進一步高速化，而可獲得對高速現象之解析有益之資訊。又，由於可減輕暗電荷或多餘光電荷之流入等所造成之訊號劣化，因此可改善S/N以謀求高速攝影時畫質之提升。
又，本發明之固態攝影元件中，除了進行上述高速攝影時最少所需之光電轉換元件與記憶件等之外，僅可能減少其他元件或配線等，可縮小整體之晶片面積、提升孔徑比、或縮小像素間距以增加像素數量。縮小晶片面積時，可提升製造上之產率以降低1個固態攝影元件之成本。另一方面，藉由像素間距之縮小、像素數量之增加，可提升像素之解析度。又，提升孔徑比時，可提升感度以改善動態範圍及改善S/N。
以下，針對本發明之一實施例(第1實施例)之固態攝影元件，參照附圖作說明。
首先，針對本實施例之固態攝影元件的整體構成及構造作說明。圖1係表示本實施例之固態攝影元件之半導體晶片上之概略布局的俯視圖。圖2係表示像素區域2(2a,2b)中之1個像素10之概略布局的俯視圖。圖3係本實施例之固態攝影元件之要部的方塊構成圖。圖4係圖2所示之1個像素10及與其對應之記憶單元20的電路構成圖。
如圖1所示，該固態攝影元件中，用以接收光以產生各像素之訊號的像素區域2(2a,2b)與用以保持既定幀框數之該訊號的記憶區域3a,3b，在半導體基板1上係不混合存在而完全分離，分別設成完整之區域。於大致矩形之像素區域2內，N行、M列合計為N×M個像素10係設置成二維陣列狀，該像素區域2係分割成2個分別設置有(N/2)×M個像素10之第1像素區域2a、及第2像素區域2b。
於第1像素區域2a之下側，隔著小面積之第1電流源區域6a設置有第1記憶區域3a，於第2像素區域2b之上側，同樣地隔著小面積之第2電流源區域6b設置有第2記憶區域3b。於第1及第2記憶區域3a,3b分別設有第1及第2垂直掃描電路區域4a,4b、及第1及第2水平掃描電路區域5a,5b，其中該第1及第2垂直掃描電路區域4a,4b、及第1及第2水平掃描電路區域5a,5b則設有用以控制讀取來自記憶區域3a,3b之訊號的移位暫存器或解碼器等電路。亦即，係以將像素區域2區隔為上下之水平線為邊界，而呈上下對稱之構造。由於該上下之構造或動作相同，因此以下說明係以下方之第1像素區域2a、第1記憶區域3a、第1垂直掃描電路區域4a、及第1水平掃描電路區域5a之構造及動作為中心進行敘述。
像素數目亦即上述N、M之值可分別任意決定，若提高該等之值則影像之解像度雖會提升，但其反面整體晶片面積會變大或每1個像素之晶片面積會變小。此處，作為以高速攝影為目的之固態攝影元件，係設為N=264、M=320。因此，如圖3中所記載，分別設置於第1、第2像素區域2a,2b之像素數目係132×320。
如圖2所示，1個像素10所占有之區域大致為正方形，其內部係大分為3個區域亦即光電轉換區域11、像素電路區域12、及配線區域13。於配線區域13，(N/2)+α條像素輸出線14係配置成延伸於縱方向。此處，α亦可為0，在該情形下，本例中配線條數則為132條。然而，一般而言，在以此方式形成多數條平行延伸之配線(例如A1等金屬配線)時，由於兩端之配線的寬度或寄生電容容易不同，因此會於兩端各設1條虛設配線。於該情形下，α=2而配線總數則為134條。
如圖4所示，各像素10係包含以下而構成，亦即：光電二極體(相當於本發明之光電轉換元件)31，用以接收光以產生光電荷；傳送電晶體(相當於本發明之傳送元件)32，接近設置於光電二極體31用以傳送光電荷；飄移擴散區域FD(相當於本發明之檢測節點)33，透過傳送電晶體32連接於光電二極體31，暫時儲存光電荷並轉換成電壓訊號；儲存電晶體34及儲存電容器36，在光電荷儲存動作時用以儲存從光電二極體31透過傳送電晶體32所溢出之電荷；重置電晶體(相當於本發明之重置元件)35，用以將儲存於飄移擴散區域33及儲存電容器36之電荷排出；以及源極跟隨放大器(相當於本發明之緩衝元件)43，用以輸出儲存於飄移擴散區域33之電荷或儲存於飄移擴散區域33及儲存電容器36兩者之電荷作為電壓訊號，且為主從連接之2個PMOS型電晶體37,38、同樣地為主從連接之2個NMOS型電晶體40,41的2段構成。
於傳送電晶體32、儲存電晶體34、重置電晶體35、及源極跟隨放大器43之選擇電晶體38,41的閘極端子，分別連接有用以供應由ψT、ψC、ψR、及ψX所構成之控制訊號的驅動線15。如圖3所示，該等驅動線係所有像素(亦包含第2像素區域2b內之像素)共通。
源極跟隨放大器43之第2段電晶體41的輸出線42，係連接於設置在上述配線區域13之132條像素輸出線14中之1條。由於該像素輸出線14係每一像素10分別各設有1條，因此於1條像素輸出線14僅連接1個像素10(亦即源極跟隨放大器43)。
源極跟隨放大器43具有用來以高速驅動像素輸出線14之電流緩衝器的功能。如圖3所示，由於各像素輸出線14係從像素區域2a延伸至記憶區域3a，因此係某種程度較大之電容性負載，為了以高速加以驅動因此必須有可使大電流流動之較大尺寸電晶體。然而，為了提升檢測感度而提高光電轉換增益，則用以將光電荷轉換成電壓之飄移擴散區域33的電容係盡可能愈小愈好。由於連接於飄移擴散區域33之電晶體之間極端子的寄生電容實效上係使飄移擴散區域33之電容增加，因此根據上述理由該電晶體最好為閘極輸入電容較小之小型電晶體。因此，為了滿足在輸出側之大電流供應與在輸入側之低電容，便將源極跟隨放大器43設為二段構成，而將初段之電晶體37設為小型電晶體，藉此抑制輸入閘極電容，後段之電晶體40,41則使用較大之電晶體而可確保較大輸出電流。
又，源極跟隨放大器43中，即使無初段之電晶體38雖亦無妨礙，不過在後段之選擇電晶體41為斷開(OFF)狀態時同時選擇電晶體38亦斷開，藉此阻止電流從電流源39流至電晶體37，而可抑制該部分之電流消耗。
將光電荷透過傳送電晶體32儲存於飄移擴散區域33時，可視為無溢出之電荷或不考慮溢出之電荷時，不需要儲存電容器36及儲存電晶體34，將飄移擴散區域33與重置電晶體35直接連結即可。
對1個像素10設置之1個記憶單元20，包含連接於像素輸出線14之寫入側電晶體(相當於本發明之寫入側閘極手段)21、讀取側電晶體(相當於本發明之讀取側閘極手段)22、連接於兩電晶體21,22間之訊號線(亦可視為像素輸出線14之一部分)23之儲存幀框數L(此例中L=104)個之取樣電晶體26001~26104及電容器25001~25104、及隔著讀取側電晶體22設於訊號線23外側之讀取緩衝27。當訊號從像素10輸出至像素輸出線14之狀態下時，使讀取側電晶體22為斷開狀態並使寫入側電晶體21導通，接著再使任意一個取樣電晶體26001~26104選擇性導通，則可將從像素輸出線14送至訊號線23之訊號寫入至(保持於)連接於導通之1個取樣電晶體的1個電容器。進行此寫入動作時，在像素10之各曝光循環依序掃描導通之取樣電晶體26001~26104，據以將與最大104個幀框之叢發影像對應之訊號分別保持於各電容器25001~25104。
另一方面，與此相反，在使寫入側電晶體21成為斷開狀態下導通讀取側電晶體22，接著再使任意一個取樣電晶體26001~26104選擇性導通，則可將連接於該1個取樣電晶體的電容器所保持的訊號讀取至訊號線23上，透過讀取緩衝27輸出至外部，進行此讀取動作時，依序掃描導通之取樣電晶體26001~26104，據以將各電容器25001~25104分別保持之與最大104個幀框分之叢發影像對應之訊號，依序讀取、亦即串列讀取。
來自與各像素10對應之記憶單元20之訊號之讀取順序，係藉由內建在垂直掃描電路區域4a,4b之垂直移位暫存器及內建在水平掃描電路區域5a,5b之水平移位暫存器控制。
如圖3所示，在第1記憶區域3a，與各像素10對應逐一設置上述記憶單元20。亦即，對在垂直方向排列之132個像素10設置132個記憶單元20。此132個像素分之記憶單元20在水平方向排列10個之全部1320個像素分之記憶單元20之輸出訊號線集中成1條。是以，來自第1記憶區域3a之輸出訊號線之數量為32條。圖3中，將該輸出訊號線表示為SB01~SB32。
圖4中，為了易於說明，以1個取樣電晶體與1個電容器表示1個記憶部24，但實際上如圖5所示，1個記憶部24係由以1個取樣電晶體與1個電容器為1組之4組記憶部24a~24d構成。是以，在1個記憶部24能分別保持從相同像素10在1次曝光循環期間中傳送之4個不同之類比電壓訊號。其原因在於，為了進行後述動態範圍擴大處理，獨立保持與溢流前之電荷對應之訊號、與溢流後之電荷對應之訊號、與溢流前之電荷對應之訊號所含之雜訊訊號、與溢流後之電荷對應之訊號所含之雜訊訊號的4個類比電壓訊號。
然而，並無須拘泥於上述目的，亦可以其他動作形態來使用4個電容器25a~25d。例如，若不使用各像素10之儲存電容器36(或從構成上省略儲存電容器36)，則無須考量溢流後之訊號或溢流後之訊號所含的雜訊訊號。因此，該部分可使用電容器25a~25d用以增加叢發攝影之幀框數。藉此，即可進行2倍之208個幀框的叢發攝影。又，若亦不進行雜訊除去時，則可將所有電容器25a~25d利用於保持訊號，可進一步進行2倍之416個幀框的叢發攝影。
與各像素10內之儲存電容器36同樣地，電容器25a~25d亦可藉由雙多晶矽閘極構造或堆疊構造來形成。進行使用CCD構造之電荷保持時，雖有源自熱激發等之暗電荷的假訊號會加入光訊號之問題，但由於雙多晶矽閘極構造或堆疊構造之電容器25a~25d不會產生該種暗電荷，因此假訊號不會加入，而可提高讀取至外部之訊號的S/N。
接著，針對本實施例之固態攝影元件之驅動方法與動作作說明。本實施例之固態攝影元件，大致上來說具有稱作連續讀取與叢發讀取之2個驅動模式。針對此兩驅動模式之概略動作，藉由圖6作說明。圖6係續讀取模式與叢發讀取模式之概略時序圖。
如圖6(a)所示，連續讀取模式之基本係在像素區域2(2a,2b)之各像素10執行1個幀框分之光電荷儲存後，全像素分別同時通過其像素輸出線14輸出訊號，以使訊號儲存於各記憶單元20之特定1個電容器。藉此，由於1個幀框分之像素訊號即齊備於記憶單元20中之1個電容器、例如圖4中位於最上方之電容器25001，接著藉由驅動水平移位暫存器、垂直移位暫存器，以既定順序依序讀取1個幀框之像素訊號並輸出至外部。
圖6(a)所示之時序係僅1個幀框分之例。通過像素輸出線14之訊號在處理時以外，像素區域2a,2b與記憶區域3a,3b係可獨立動作。因此進行從記憶區域3a,3b逐次讀取像素訊號時，可在像素區域2a,2b儲存光電荷。藉此，如圖6(b)所示之時序般，使光電荷儲存期間與逐次讀取期間重疊，可大致連續地反覆進行攝影。在不進行高速攝影之通常攝影時，以圖6(b)所示之時序能長時間進行低幀框率的連續攝影。此時之最大幀框率，係以逐次讀取所有像素訊號所需之時間決定。亦即，藉由讀取放大器之時脈頻率之上限決定幀框率之上限。
如圖6(c)所示，叢發讀取模式係不進行像素訊號之逐次讀取，而係反覆進行以下之動作，亦即在各像素執行1個幀框分之光電荷儲存後，以全像素分別同時通過其像素輸出線14輸出訊號，以使訊號儲存於記憶單元20中之1個電容器25001~25104。此時，每1個幀框依序使訊號依序儲存於準備有104個幀框分之電容器25001~25104。接著，例如使104個幀框(亦可為104個幀框以下)分之像素訊號儲存於電容器25001~25104後，逐次地讀取該104個幀框分之像素訊號並輸出至外部。
此叢發讀取模式中，由於在攝影中並不進行往外部之訊號讀取，因此與上述連續讀取模式不同，不會受因讀取放大器之時脈頻率之上限所造成之幀框率的限制。可實施之最大幀框率主要係依聚集在光電二極體31內所產生之光電荷至傳送至飄移擴散區域33為止的時間而受限制，非常地短。因此，能以例如100萬個幀框/秒以上之非常高之幀框率進行連續攝影。
其次，針對進行上述高速叢發攝影時各像素10之光電轉換動作與將藉此所產生之訊號儲存於記憶部24之動作，藉由圖7~圖10作說明。
本實施例之固態攝影元件中，可選擇光電荷儲存時間較短時與光電荷儲存時間相對較長時的2個不同動作模式。指標係前者之光電荷儲存時間在10μsec程度以下之可忽視飄移擴散區域所產生之暗電荷量之情形，在進行100萬個幀框/秒以上之高速攝影時，以採用此動作模式較佳。
圖7係光電荷儲存時間較短時之動作模式的驅動時序圖，圖8係該動作中像素10內的概略電位圖。此外，圖8(後述之圖10亦相同)中，CPD
、CFD
、CCS
係分別表示儲存於光電二極體31、飄移擴散區域33、及儲存電容器36之電容，而CFD
+CCS
則表示飄移擴散區域33與儲存電容器36之合成電容。
在進行光電荷儲存前，使共通控制訊號之ψT、ψC、ψR為高位準，以將傳送電晶體32、儲存電晶體34、及重置電晶體35皆開啟(時間t0)。藉此，飄移擴散區域33及儲存電容器36即被重置(初始化)。又，此時光電二極體31係處於完全空乏化之狀態。此時之電位狀態係圖8(a)。
其次，若使ψR為低位準以關閉重置電晶體35時，於飄移擴散區域33即產生等價包含在該飄移擴散區域33與儲存電容器36所產生之隨機雜訊、及因源極跟隨放大器43之電晶體37之閾值電壓之偏差所造成之固定類型雜訊的雜訊訊號N2(參照圖8(b))。此時，藉由使ψX為高位準以開啟電晶體38,41，對應該雜訊訊號N2之輸出電流即呈現於像素輸出線14。因此，藉由在該時序(時間t1)賦予1個記憶部24取樣脈衝ψN2以開啟取樣電晶體26d，即可將通過像素輸出線14所輸出之雜訊訊號N2儲存於電容器25d。
其次，若使ψC為低位準以關閉儲存電晶體34時，在該時點儲存於飄移擴散區域33及儲存電容器36的訊號電荷，即依飄移擴散區域33與儲存電容器36之各電容CFD
、CCS
的比例分配(參照圖8(c))。此時，於飄移擴散區域33即產生等價包含關閉ψC時所產生之隨機雜訊與因源極跟隨放大器43之電晶體37之閾值電壓之偏差所造成之固定類型雜訊的雜訊訊號N1。此時，藉由使ψX為高位準以開啟電晶體38,41，對應該雜訊訊號N1之輸出電流即呈現於像素輸出線14。因此，藉由在該時序(時間t2)賦予1個記憶部24取樣脈衝ψN1以開啟取樣電晶體26c，即可將通過像素輸出線14輸出之雜訊訊號N1寫入於電容器25c。
由於傳送電晶體32係維持於開啟狀態，因此藉由射入光電二極體31之光所產生之光電荷即通過傳送電晶體32並流入飄移擴散區域33，而重疊於雜訊訊號N1並儲存在飄移擴散區域33(時間t3)。假使強光射入而於光電二極體31產生大量光電荷並導致飄移擴散區域33飽和時，溢流之電荷即透過儲存電晶體34而儲存於儲存電容器36(參照圖8(d))。藉由預先將儲存電晶體34之閾值電壓適度設定於較低值，即可以良好效率將電荷從飄移擴散區域33傳送至儲存電容器36。藉此，即使飄移擴散區域33之電容CFD
較小，可儲存於該處之最大飽和電荷量較少，亦可無須廢棄飽和之電荷以作有效利用。以此方式，在飄移擴散區域33之電荷飽和(溢流)前及電荷飽和(溢流)後所產生之電荷皆可利用為輸出訊號。
若經過既定光電荷儲存時間後，在關閉儲存電晶體34之狀態下，使ψX為高位準以開啟電晶體38,41。接著，藉由賦予記憶部24取樣脈衝ψS1以開啟取樣電晶體26a，即可在該時點(時間t4)通過像素輸出線14輸出對應儲存於飄移擴散區域33之電荷的訊號以寫入於電容器25a(參照圖8(e))。此時，由於儲存於飄移擴散區域33之訊號係對應溢流前之電荷的訊號S1重疊於雜訊訊號N1的訊號，因此儲存於電容器25a者係未反映儲存於儲存電容器36之電荷量的S1+N1。
之後，若立即使ψC為高位準以開啟儲存電晶體34時，在該時點儲存於飄移擴散區域33之電荷與儲存於儲存電容器36之電荷即被混合(參照圖8(f))。在該狀態下使ψX為高位準以開啟電晶體38,41，藉由賦予記憶部24取樣脈衝ψS2以開啟取樣電晶體26b(時間t5)，以通過像素輸出線141來輸出對應儲存於飄移擴散區域33及儲存電容器36之電荷的訊號，亦即將對應溢流後之電荷的訊號S2重疊於雜訊訊號N2的訊號，以寫入於電容器25b。因此，儲存於電容器25b者係反映儲存於儲存電容器36之電荷量的S2+N2。
以上述方式，將訊號S1+N1、S2+N2、N1、及N2分別儲存於1個記憶部24所含之4個電容器25a,25b,25c,25d後，即結束1個循環之影像訊號的擷取。以上述方式，包含隨機雜訊或固定類型雜訊之雜訊訊號N1、及N2係與包含該等雜訊訊號之訊號分別另外求出。因此，藉由將各訊號從電容器25a,25b,25c,25d讀取後進行減法處理，藉此即可獲得除去雜訊訊號N1、及N2之影響的高S/N影像訊號。又，由於從飄移擴散區域33溢流之電荷亦可不廢棄而加以利用，因此在強光射入時亦不易造成飽和，並可獲得反映該光之訊號，而可確保寬廣之動態範圍。上述減法處理可在固態攝影元件之內部進行，亦可以元件外部之運算部進行。此外，由於針對可擴大此種動態範圍之詳細說明，已記載於例如日本特開2006-245522號公報等文獻，因此此處省略其說明。
其次，針對光電荷儲存時間相對較長時之動作作說明。圖9係光電荷儲存時間相對較長時之驅動時序圖，圖10係該動作中像素10內的概略電位圖。
與光電荷儲存時間較短時之最大不同點係在於：在光電荷儲存時間中關閉傳送電晶體32，藉由在光電荷儲存期間之最後進行雜訊訊號N1之取樣，使飄移擴散區域33產生之暗電荷(及光電荷)不包含於S1訊號。關閉傳送電晶體32其原因係在於使其閘極正下方之矽-絕緣膜界面成為聚積狀態，並以電洞充滿矽表面來防止暗電荷從矽-絕緣膜界面侵入。
在進行光電荷儲存前，係使ψT、ψC、ψR為高位準以將傳送電晶體32、儲存電晶體34、及重置電晶體35皆開啟(時間t10)。藉此，飄移擴散區域33及儲存電容器36即被重置(初始化)。此時，光電二極體31係處於完全空乏化之狀態。此時之電位狀態係圖10(a)。
其次，若使ψR為低位準以關閉重置電晶體35時，於飄移擴散區域33，即產生等價包含在該飄移擴散區域33與儲存電容器36所產生之隨機雜訊、及因源極跟隨放大器43之電晶體37之閾值電壓之偏差所造成之固定類型雜訊的雜訊訊號N2(參照圖10(b))。在該狀態下使ψX為高位準以開啟電晶體38,41，對應該雜訊訊號N2之輸出電流即呈現於像素輸出線14。因此，藉由在該時序(時間t11)賦予記憶部24取樣脈衝ψN2以開啟取樣電晶體26d，即可將通過像素輸出線14輸出之雜訊訊號N2寫入於電容器25d。至此為止之動作係與光電荷儲存時間較短時之動作模式相同。
其次，若使ψC為低位準以關閉儲存電晶體34時，在該時點儲存於飄移擴散區域33及儲存電容器36的訊號電荷，即依飄移擴散區域33與儲存電容器36之各電容CFD
、CCS
的比例分配。再者，使ψT為低位準以關閉傳送電晶體32，亦使ψX為低位準以關閉電晶體38,41(時間t12)。藉此，於光電二極體31與飄移擴散33之間即形成電位障壁，而在光電二極體31形成可儲存光電荷之狀態(參照圖10(c))。
射入光電二極體31之光所產生之光電荷雖儲存於光電二極體31之電容CPD
，但若在光電二極體31產生飽和時，超過之過多電荷即透過傳送電晶體32，重疊於以上述方式分配之雜訊訊號，並儲存於飄移擴散區域33。當更強之光射入而在飄移擴散區域33產生飽和時，電荷即透過儲存電晶體34而儲存於儲存電容器36(參照圖10(d))。
藉由預先將儲存電晶體34之閾值電壓設定成適度低於傳送電晶體32之閾值電壓，即可使在飄移擴散區域33已飽和之電荷不會返回光電二極體31側，而可以良好效率傳送至儲存電容器36。藉此，即使飄移擴散區域33之電容CFD
較小，而可儲存於該處之電荷量較少，亦可無須廢棄溢流之電荷以作有效利用。以此方式，在飄移擴散區域33溢流前及溢流後所產生之電荷皆可利用為輸出訊號。
若經過既定光電荷儲存時間後，使ψX為高位準以開啟電晶體38,41之後，藉由賦予記憶部24取樣脈衝ψN1以開啟取樣電晶體26c，藉此在該時點(時間t13)即可通過像素輸出線14輸出對應儲存於飄移擴散區域33之訊號電荷的雜訊訊號N1以儲存於電容器25c。此時之雜訊訊號N1，包含因源極跟隨放大器43之電晶體37之閾值電壓之偏差所造成的固定類型雜訊。
其次，使ψT為高位準以開啟傳送電晶體32，將儲存於光電二極體31之光電荷完全傳送至飄移擴散區域33(參照圖10(e))。之後，立即(時間t14)在開啟電晶體38,41之狀態下，藉由賦予記憶部24取樣脈衝ψS1以開啟取樣電晶體26a，即可通過像素輸出線14輸出對應儲存於飄移擴散區域33之電荷的訊號以寫入於電容器25a。此時之訊號由於係儲存於光電二極體31之電荷的訊號，亦即溢流前之電荷的訊號S1重疊於先前雜訊訊號N1的訊號，因此為S1+N1。
接著，使ψC為高位準以開啟儲存電晶體34時，在該時點儲存於飄移擴散區域33之電荷與儲存於儲存電容器36之電荷即被混合(參照圖10(f))。在該狀態(時間t15)下，開啟電晶體38,41，藉由賦予記憶部24取樣脈衝ψS2以開啟取樣電晶體26b，即可通過像素輸出線14輸出對應儲存於飄移擴散區域33及儲存電容器36之電荷的訊號，以儲存於電容器25b。此時之訊號則為S2+N2。
以上述方式，將訊號S1+N1、S2+N2、N1、及N2分別儲存於1個記憶部24所含之4個電容器25a,25b,25c,25d後，即結束1個循環之影像訊號的擷取。與光電荷儲存時間較短時之動作模式同樣地，包含隨機雜訊或固定類型雜訊之雜訊訊號N1、及N2係與包含該等雜訊訊號之訊號分別另外求出，因此，藉由將各訊號從電容器25a,25b,25c,25d讀取後，藉由進行減法處理，即可獲得除去雜訊訊號N1、及N2之影響的高S/N影像訊號。又，由於從飄移擴散區域33溢流之電荷亦可不廢棄而加以利用，因此在強光射入時亦不易造成飽和，並可獲得反映該光之訊號，而可確保寬廣之動態範圍。
如以上所述，由於供應於各像素10之控制訊號ψX、ψT、ψR、及ψC係全像素共通，因此所有像素10可同時進行上述光電荷儲存動作及從各像素10至記憶部24之訊號的傳送動作。亦即，以上述1個曝光循環則1個幀框分之影像訊號即可儲存於圖3中之記憶區域3a之水平方向排列之320個記憶單元20內之記憶部24。藉由反覆進行該動作104次，即可將像素訊號儲存於所有記憶單元20內之記憶部24。第105次以後則以再次將像素訊號寫入最上方之記憶部24的方式，循環地執行儲存動作。例如，直至從外部賦予攝影停止之指示訊號為止一直反覆進行此種動作。當賦予攝影停止之指示訊號而中止攝影時，在該時點最新之104個幀框分之像素訊號即儲存於記憶區域3a,3b。
此外，各記憶部24中如以上所述當欲於已儲存有某種訊號之電容器25a~25d儲存新的訊號時，則必須執行重置以廢棄其以前之訊號。因此，雖未圖示不過於訊號線23分別連接有重置用電晶體，在重置某記憶部24之電容器25時，係開啟該記憶部24之取樣電晶體26a~26d並開啟連接於訊號線23的重置用電晶體，儲存於電容器25a~25d之訊號即通過取樣電晶體26a~26d而被重置。在執行此種重置後，新的訊號即可儲存於電容器25a~25d。
儲存於各記憶部24之電容器25a~25d的訊號，係藉由開啟讀取側電晶體22且依序開啟取樣電晶體26a~26d而讀取。依序讀取分別儲存於同一記憶部24內之4個電容器25a~25d的訊號，藉由以未圖示之減法電路進行(S1+N1)-N1、(S2+N2)-N2之減法處理，即可取出除去隨機雜訊或固定類型雜訊後的S1、S2訊號。此外，究竟使用S1、S2之何者來作為像素訊號，係以低於S1之飽和訊號量之適當訊號位準為基準(閾值)，依高於該值或低於該值來分別選擇S1、S2。藉由在低於飽和訊號量實施此切換，即可避免S1之飽和偏差的影響。
如上述，本實施例之固態攝影元件，可進行高速之叢發攝影且可改善所獲得之訊號之S/N及動態範圍。
接著，以圖11~圖13說明本發明之另一實施例(第2實施例)之固態攝影元件之構成與動作。上述第1實施例之固態攝影元件，由於在各像素10設置不同之像素輸出線14，因此可從各像素10以完全相同時序將訊號或雜訊寫入至各記憶單元20內之電容器。相反地，由於與像素數量相同數量之像素輸出線14配置成連接像素區域2a,2b與記憶區域3a,3b之間，因此在像素區域2a,2b配線所佔區域之面積較大。具結果，具有下述缺點，即像素間距變大、孔徑比變小、或像素區域2a,2b整體面積變大。
第2實施例之固態攝影元件，藉由減少像素輸出線14之數量，可解決上述問題。圖11係表示第2實施例之固態攝影元件中連接於1條像素輸出線14之像素之構成的圖。圖12係第2實施例之固態攝影元件中光電荷儲存時間較短時之動作模式的驅動時序圖。圖13係第2實施例之固態攝影元件中光電荷儲存時間較長時之動作模式的驅動時序圖。
如圖11所示，此固態攝影元件中，在1條像素輸出線14連接有2個像素10a,10b及各2個記憶單元20a,20b。亦即，圖4所示之第1實施例之構成中連接各像素10及記憶單元20之像素輸出線14，在此第2實施例中，係對2個像素及記憶單元共用化。是以，像素輸出線14之數量成為所有像素數量之1/2，像素輸出線14佔有之面積相較於第1實施例大幅減少。藉此，可實現更小之像素間距，例如像素區域之面積相同時，可增加像素數量以提升解析度。又，亦可謀求提升孔徑比以提升光感度。
然而，由於2個像素10a,10b共有1條像素輸出線14，因此無法以完全相同之時序進行從該像素10a,10b至記憶單元20a,20b的訊號傳送，必須在時間上錯開。因此，第1實施例中圖7所示之驅動時序變更成如圖12所示，且第1實施例中圖9所示之驅動時序變更成如圖13所示。
與在各像素10a,10b內完成之動作相關之訊號ψR、ψC、ψT在兩像素10a,10b係共通，僅用以將各像素10a,10b之訊號Sl-a、Sl-b、S2-a、S2-b與雜訊訊號N1-a、N1-b、N2-a、N2-b輸出至像素輸出線14上之訊號ψXa、ψXb、及將該等訊號寫入至記憶單元20a,20b內之電容器之訊號在各像素10a,10b、各記憶單元20a,20b不同。除了從各像素10a,10b至各記憶單元20a,20b內之電容器之訊號寫入時序錯開之點外，各像素10a,10b之光電轉換儲存動作與對各記憶單元20a,20b內之電容器之訊號寫入動作等，基本上皆與第1實施例說明之步驟相同。是以，省略該動作之詳細說明。
舉-例而言，圖13中，將從ψT下降之時點至ψC下降為止之時間設為40nsec、從ψXa之N1-a脈衝之上升時點至ψT下降為止之時間設為100nsec時，像素10a之訊號與像素10b之訊號之寫入時序產生15nsec程度之偏差。此偏差時間，在幀框率為10MHz(曝光循環100nsec)時成為15%，依影像種類而產生影響。在幀框率為1MHz(曝光循環1μsec)時偏差時間僅為1.5%，幾乎無任何影響。
以圖14及圖15說明本發明之另一實施例(第3實施例)之固態攝影元件之動作。第1實施例之固態攝影元件中，每一個曝光循環使重置電晶體35導通以重置光電二極體31與飄移擴散區域33，但此第3實施例之固態攝影元件中，在複數個曝光循環之期間，不重置光電二極體31與飄移擴散區域33，以將光電轉換所產生之光電荷之電壓訊號加算累積於飄移擴散區域33之方式變更驅動時序。此處，為求方便，將此讀取方法稱為積分讀取。此積分讀取，即使在各像素10儲存於飄移擴散區域33之訊號透過源極跟隨放大器43被讀取，飄移擴散區域33之訊號亦不會變化，亦即可進行非摧毀讀取。
圖14係用以說明積分讀取與第1實施例說明之通常讀取之不同的動作概念圖。首先，在此固態攝影元件之檢測面如圖14(a)所示，隨著時間經過，不同數量之光子會射入。t1、t2、t3、…分別表示1個曝光循環。於通常讀取，如圖14(b)所示，能獲得與1個曝光循環期間中射入之光子數對應之像素輸出電壓。每一個曝光循環獲得之像素輸出電壓，如上述包含根據光電荷之訊號S1與雜訊訊號N1(此外，由於此處不考慮電荷之溢流，因此S2、N2不存在)。訊號S1之位準在每一個曝光循環不同，雜訊訊號N1之位準亦在每一個曝光循環不同。是以，於通常讀取，在每一個曝光循環將訊號S1+N1與雜訊訊號N1寫入至記憶單元20內之電容器，之後進行減法處理以求出訊號S1。
相對於此，於積分讀取，與從在某個時點重置飄移擴散區域33後至下一次重置為止之間之複數個(圖14中為「6」個)曝光循環射入之光子數對應之電壓輸出被依序加算累積，該加算累積之過程之電壓成為像素輸出電壓。例如，在重置後之第一個曝光循環寫入至電容器之像素輸出電壓為S1(1)+N1、在下一個曝光循環寫入至電容器之像素輸出電壓為S1(2)+S1(1)+N1、接著在下一個曝光循環寫入至電容器之像素輸出電壓為S1(3)+S1(2)+S1(1)+N1。亦即，在重置後之第n個(此時n=1~6之整數)曝光循環中之訊號S1(n)，可從像素輸出電壓S1(n)+S1(n-1)+…+S1(1)+N1與像素輸出電壓S1(n-l)+…+S1(1)+N1之差獲得。
圖15係表示此積分讀取時之驅動時序的圖。然而，此例中，設電壓訊號被加算儲存之曝光循環為「3」。雜訊訊號N1支配重置飄移擴散區域33時的雜訊。是以，在重置電晶體35從導通狀態變成斷開狀態之後一刻將雜訊訊號N1寫入至記憶單元20之電容器後，至重置電晶體35下一次成為導通之前，僅將訊號S1寫入至記憶單元20之電容器即可。亦即，不需在每一個曝光循環準備將雜訊訊號寫入之電容器，因此相較於通常讀取可大幅減少相同幀框數之叢發攝影所需之取樣電晶體及電容器的數量。此削減量，若電壓訊號被加算儲存之曝光循環數愈增加則變愈大。
然而，加算儲存於飄移擴散區域33之電壓訊號溢流時，無法獲得適當的影像。從此觀點觀之，在入射光子數較少(光強度弱)之情形具有利用價值。或者，監測電路之像素輸出電壓，進行時序控制據以在飄移擴散區域33溢流前進行重置亦可。
此外，為了獲得與每一個曝光循環之光子數對應之訊號，如上述進行像素輸出電壓之減法處理即可，但不進行減法處理利用加算儲存之訊號亦可再現影像。例如對高速移動之目的物體進行連續高速攝影時，被加算儲存之訊號成為反映目的物體在某期間之移動軌跡的訊號。此種影像可利用在例如目的物體之移動速度的計算等。
此外，上述實施例皆為本發明之固態攝影元件之一例，在本發明之技術思想之範圍內即使進行適當變形、修正、追加當然亦包含於本發明申請專利範圍內。
1．．．半導體基板
2,2a,2b．．．像素區域
3a,3b．．．記憶區域
4a,4b．．．垂直掃描電路區域
5a,5b．．．水平掃描電路區域
6a,6b．．．電流源區域
10,10a,10b．．．像素
11．．．光電轉換區域
12．．．像素電路區域
13．．．配線區域
14．．．像素輸出線
15．．．驅動線
20,20a,20b．．．記憶單元
21．．．寫入側電晶體
22．．．讀取側電晶體
23．．．訊號線
24,24a．．．記憶部
25,25001~25104,25a,25b,25c,25d．．．電容器
26,26001~26104,26a,26b,26c,26d．．．取樣電晶體
27．．．讀取緩衝
31．．．光電二極體(PD)
32．．．傳送電晶體
33．．．飄移擴散區域(FD)
34．．．儲存電晶體
35．．．重置電晶體
36．．．儲存電容器
37,40．．．電晶體
38,41．．．選擇電晶體
39．．．電流源
42．．．輸出線
43．．．源極跟隨放大器
圖1係表示本發明之一實施例之固態攝影元件之半導體晶片上之概略布局的俯視圖。
圖2係表示本實施例之固態攝影元件中像素區域內之1個像素之概略布局的俯視圖。
圖3係本實施例之固態攝影元件之要部的方塊構成圖。
圖4係圖2所示之1個像素及與其對應之記憶單元的電路構成圖。
圖5係表示圖4中之1個記憶部之構成的圖。
圖6(a)~(c)係本實施例之固態攝影元件中連續讀取模式及叢發讀取模式的概略時序圖。
圖7係本實施例之固態攝影元件中光電荷儲存時間較短時之動作模式的時序圖。
圖8(a)~(f)係圖7之動作中各像素內的概略電位圖。
圖9係本實施例之固態攝影元件中光電荷儲存時間相對較長時之動作模式的時序圖。
圖10(a)~(f)係圖9之動作中各像素內的概略電位圖。
圖11係表示本發明之另一實施例(第2實施例)之固態攝影元件中連接於1條像素輸出線之像素之構成的圖。
圖12係第2實施例之固態攝影元件中光電荷儲存時間較短時之動作模式的驅動時序圖。
圖13係第2實施例之固態攝影元件中光電荷儲存時間較長時之動作模式的驅動時序圖。
圖14(a)~(c)係用以說明本發明之另一實施例(第3實施例)之固態攝影元件中積分讀取與通常讀取之不同的動作概念圖。
圖15係表示第3實施例之固態攝影元件之積分讀取時之驅動時序的圖。
2a．．．像素區域
3a．．．記憶區域
10．．．像素
14．．．像素輸出線
15．．．驅動線
20．．．記憶單元
Claims (8)
- 一種固態攝影元件，其具備：a)像素區域，配置有複數個像素，該像素包含接收光以產生光電荷之光電轉換元件、將該光電轉換元件所產生之光電荷傳送至從電荷訊號轉換成電壓訊號之檢測節點之傳送元件、及將輸出訊號從該檢測節點送出至後述像素輸出線之緩衝元件；b)記憶區域，係與該像素區域分離之區域，為了保持複數個幀框分之該各像素之訊號，含有複數個記憶部之記憶單元對應於各像素且與該像素同數地配置；c)像素輸出線，將該像素區域與該記憶區域連接，該像素輸出線之數為，被包含於該像素區域之像素的總數除以n(但n為2以上之整數)所得之數；為了保持複數個幀框分之該n個像素之訊號，分別於該像素輸出線連接該像素區域內之該n個像素與在該記憶區域內對應上述n個像素且設置之n個記憶單元，且可選擇：在一次光電荷儲存動作之循環期間中，以不同於對應一個畫素之該複數個記憶部之中的一部分複數個記憶部的時機，將從一個畫素傳送之類比電壓訊號分別地保持，藉此，利用在該檢測節點所溢流之電荷，進行動態範圍擴大處理之模式；以及取代動態範圍之擴大，藉由保持分別相異於對應一個畫素之該複數個記憶部的幀框訊號，進行使可連續攝影之 幀框數增加的處理之模式。
- 如申請專利範圍第1項之固態攝影元件，其中，該記憶部係由1個電容器與1個開關元件構成。
- 如申請專利範圍第1或2項之固態攝影元件，其中，分別於該像素輸出線，在n個像素與n個記憶單元之間，設有寫入側閘極手段，由該寫入側閘極手段往記憶單元側，與讀取側閘極手段連接。
- 如申請專利範圍第3項之固態攝影元件，其中，該記憶區域內之各像素包含重置該光電轉換元件及該檢測節點之重置元件。
- 如申請專利範圍第4項之固態攝影元件，其中，每當將儲存於該檢測節點之電壓訊號透過該緩衝元件輸出時，藉由該重置元件重置該光電轉換元件及該檢測節點。
- 如申請專利範圍第4項之固態攝影元件，其中，於各像素，以在將儲存於該檢測節點之電壓訊號透過該緩衝元件在像素輸出線輸出後不重置光電轉換元件及檢測節點之方式，將該光電轉換元件所產生之光電荷之電壓訊號儲存於檢測節點，在複數個連續曝光循環之間，依序於像素輸出線輸出在各循環積分之電壓訊號。
- 如申請專利範圍第5或6項之固態攝影元件，其中，控制各記憶部之寫入動作，據以將各像素於各曝光循環在像素輸出線輸出之訊號依序保持於被包含於對應於該像素之記憶單元的該複數個記憶部。
- 如申請專利範圍第7項之固態攝影元件，其中，控制 各記憶部之讀取動作，據以在將對應複數個曝光循環之訊號儲存於被包含於一個記憶單元之複數個記憶部後，透過與連接於該記憶單元之像素輸出線進行連接的該讀取側閘極手段將儲存於該記憶部之複數個幀框分之訊號依序讀取至該記憶部外。
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