(57)【要約】  画素領域（２ａ）内に二次元状に配列された画素（１０）毎に独立した画素出力線（１４）を設け、各画素出力線（１４）に複数の記憶部を接続する。連続読み出しモードでは、全画素で同時に光電荷蓄積を実行し、各画素（１０）から画素出力線（１４）を通して記憶部に一斉に信号を保持した後に、各記憶部に保持した信号を逐次読み出して出力する。一方、バースト読み出しモードでは、全画素（１０）で同時に光電荷蓄積を実行し、各画素（１０）から画素出力線（１４）を通して記憶部に一斉に信号を保持させる、という動作を複数の記憶部に対して順番に実行することで複数フレームの信号を保持する。撮影停止の指示を受けて新たな信号の保持を停止し、その時点で記憶部に保持されている複数フレーム分の画像信号を逐次読み出し出力する。これにより、フレーム数は限られるものの非常に高速である撮影とこれより速度は下がるもののフレーム数の制約のない撮影とを行うことができる。
2009031302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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２】
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３】
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４】
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５】
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６】
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７】
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８】
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９】
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１０】
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１１】
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１２】
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１３】
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。
【請求項１４】
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１５】
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１６】
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１７】
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１８】
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１９】
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２０】
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２１】
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２２】
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２３】
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２４】
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２５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子及びその駆動方法に関し、さらに詳しくは、破壊、爆発、燃焼などの高速の現象を撮影するために好適な高速動作可能な固体撮像素子、及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば爆発、破壊、燃焼、衝突、放電などの高速の現象を、短時間だけ連続的に撮影するための高速撮影装置（高速ビデオカメラ）が従来より開発されている（非特許文献１など参照）。こうした高速撮影装置では、１００万フレーム／秒程度以上もの、きわめて高速度の撮影が必要である。そのため、従来一般的にビデオカメラやデジタルカメラなどに利用されている撮像素子とは異なる、特殊な構造を有する高速動作可能な固体撮像素子が利用されている。【０００３】
こうした固体撮像素子として、従来、特許文献１などに記載のものが利用されている。これは画素周辺記録型撮像素子（ＩＳ−ＣＣＤ）と呼ばれるものである。この撮像素子について概略的に説明する。即ち、受光部であるフォトダイオード毎にそれぞれ記録枚数（フレーム数）分の転送を兼ねた蓄積用ＣＣＤを備え、撮影中には、フォトダイオードで光電変換された画素信号を蓄積用ＣＣＤに順次転送する。そして、撮影終了後に蓄積用ＣＣＤに記憶してある記録フレーム数分の画素信号をまとめて読み出し、撮像素子の外部で記録フレーム数分の画像を再現する。撮影中に記録フレーム数分を越えた画素信号は古い順に廃棄され、常に最新の所定フレーム数分の画素信号が蓄積用ＣＣＤに保持される。そのため、撮影の終了時に蓄積用ＣＣＤへの画素信号の転送を中止すれば、その時点から記録フレーム数分だけ時間的に遡った時点以降の最新の画像が得られる。【０００４】
このように画素周辺記録型撮像素子では、１フレーム分の画像信号が得られる毎にそれを外部に取り出す必要がある一般的な撮像素子とは異なり、非常に高速に複数フレームの連続画像を得ることができるという特徴を有している。しかしながら、半導体チップ面積や消費電力など様々な制約により、１個の素子に搭載可能な蓄積用ＣＣＤの数には限界がある。そのため、上述のように高速撮影可能なフレーム数は限られており、例えば非特許文献１に記載の装置ではそのフレーム数は１００程度である。この程度のフレーム数で十分な用途もあるが、撮影対象の現象や被写体などによっては、それほどの（例えば１００万フレーム／秒程度もの）高速性は要求されないものの、もっと長い時間に亘る或いは多数のフレーム数に亘る撮影を行いたいような場合もある。しかしながら、上記画素周辺記録型撮像素子では、そうした撮影の要求に応えることは難しい。【０００５】
そのため、連続記録フレーム数は限られるものの超高速である撮影と、高速性では劣るものの記録フレーム数に制限のない撮影との両方に対応するには、上述のようなＣＣＤ方式による画素周辺記録型撮像素子と周知の例えばＣＭＯＳ方式による撮像素子とを併用する必要がある。そのため、こうした撮像装置はコストが高いものとなる。【０００６】
また、上述のような高速撮影では観察対象の現象の発生タイミングに同期した撮影を行うことが重要であり、外部からトリガ信号が与えられるとそれに応じて撮影の終了や撮影の開始を行う制御が行われている。こうしたトリガ信号を生成するために、例えば接触センサ、位置センサ、振動センサ、圧力センサなどの別のセンサを用いることが一般に行われている。しかしながら、被写体とこうしたセンサとの距離を近付けることが困難である場合や被写体の自発的な変化を捉えて撮影を行う場合、或いは、顕微鏡の下での微小な物体の撮影を行う場合などにおいては、上記方法では適切なトリガ信号を得ることが困難であることが多い。【０００７】
こうした課題に対し、特許文献２に記載の撮影装置では、撮像レンズの後方にビームスプリッタやハーフミラーなどの光分割手段を設け、入射光を複数に分割してそれぞれ異なる撮像装置に導入し、一方の撮像装置を画像の急激な変化を検出するためのモニタリング専用とし、それによって得られたトリガ信号に応じて他方の撮像装置で得られた画像信号の記憶を制御するようにしている。しかしながら、こうした従来の撮影装置では、撮影対象物から到来する入射光を複数に分割するための光学系部品が必要になるとともに撮像装置（撮像素子）も複数用意する必要があるため、装置が大掛かりとなり、コストを引き下げることが難しく、装置を小型化・軽量化するのも困難である。【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報
【特許文献２】特開平５−３３６４２０号公報
【非特許文献１】近藤ほか５名、「高速度ビデオカメラHyperVision HPV-1の開発」、島津評論、島津評論編集部、２００５年９月３０日発行、第６２巻、第１・２号、ｐ．７９−８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その第１の目的は、記録フレーム数は限られるものの超高速である撮影と、高速性では劣るものの記録フレーム数に制限のない撮影との両方を行うことが可能な固体撮像素子及びその駆動方法を提供することにある。【００１０】
また本発明の第２の目的は、連続的な撮影で得られる画像中の被写体の変化や観測対象の現象の生起などを捉えて、高速撮影の開始や停止などを的確に制御するのに好適な固体撮像素子及びその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明に係る固体撮像素子の駆動方法は、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している。【００１２】
ここで本発明に係る固体撮像素子の駆動方法の好ましい一態様として、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とよい。【００１３】
また上記課題を解決するために成された本発明に係る固体撮像素子は、上記駆動方法を実施するための固体撮像素子であり、
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。【００１４】
各画素が備える光電変換素子は例えばフォトダイオードであり、検出ノードは例えばフローティングディフュージョン（フローティング領域）であり、転送素子は例えばトランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）であり、バッファ素子は例えば複数のトランジスタから構成されるソースフォロアアンプであり、記憶部（及び記憶単位）は例えばキャパシタとトランジスタ等のスイッチとの組み合わせであるものとすることができる。【００１５】
本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法において、第２の駆動モードでは、複数フレームの連続的な撮影の途中にその撮影で取得した信号（画素信号）を素子外部に読み出す必要がないので、きわめて高速に連続撮影を行うことができる。各画素から記憶部への信号の転送はきわめて短時間で行えるから、１フレームの撮影に要する時間の殆どは、光電変換素子で光を受光して光電荷を検出ノードなどに蓄積する時間で決まる。但し、第２の駆動モードでは、後で素子外部に読み出すことができる画像のフレーム数は各画素当たりに用意された記憶部の数により制約を受ける。つまり、１画素当たり１００個の記憶部が設けられていれば、１００フレームの連続した画像の取得が可能となる。【００１６】
これに対し、第１の駆動モードでは、１フレーム撮影毎にその撮影で得られた画素信号を素子外部に読み出す必要があるため、この読み出し時間で繰り返し撮影が律速される。従って、第２の駆動モードほど高速の撮影は行えないものの、撮影フレーム数は各画素当たりに用意された記憶部の数の制約を受けない。従って、本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法によれば、撮影目的等に応じて第１の駆動モードと第２の駆動モードとを適宜に切り替えることにより、例えば１００万フレーム／秒以上ものきわめて高速の撮影と、それよりも撮影速度は下がるものの長時間に亘る撮影とを１個の固体撮像素子で以て実現することができる。これを利用することにより、比較的低廉なコストで利用分野が広い、又は利用価値の高い撮像装置を提供することが可能となる。【００１７】
また、例えば第１の駆動モードで固体撮像素子を動作させ、これにより出力される画素信号に基づいて撮影対象の現象の生起や被写体の変化などを捉え、これによりトリガ信号を生成して前記トリガ信号により第２の駆動モードへの切り替えを行う等、両駆動モードの動作をリンクさせた制御が可能となる。これにより、従来、振動センサなどの別のセンサで捉えることができない被写体の変化に対しても、或いはそうしたセンサを設けることが物理的にできない場合であっても、目的とする高速の現象を的確に撮影することができるようになる。また、そうした撮影を行うために、別の撮像装置を用意する必要もないので、高速撮影システムのコストの引き下げにも寄与する。【００１８】
本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法の一態様として、好ましくは、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ものとするとよい。【００１９】
ノイズ信号には例えばバッファ素子を構成するトランジスタの閾値電圧のばらつきなどの固定パターンノイズやフローティングディフュージョンなどの検出ノードで発生するランダムノイズなどが含まれ、こうしたノイズ成分は光電荷に応じた信号にも重畳される。上記態様によれば、記憶部からの信号の逐次読み出しの際に、光電荷に応じた信号からノイズ信号を差し引くようなアナログ演算を行うことで、ノイズの影響を軽減した画素信号を得ることができる。これにより、撮影画像のＳ／Ｎを向上させることができる。【００２０】
また本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法の一態様として、好ましくは、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ものとするとよい。【００２１】
ここで電荷蓄積素子は例えばダブルポリシリコン構造やスタック構造のキャパシタなどを用いることができる。【００２２】
各画素において光電変換ゲインを上げるためには、フローティングディフュージョンなどの検出ノードの容量を小さくすることが望ましいが、そうすると強い光が入射して多量の光電荷が発生したときに検出ノードが飽和してしまうおそれがある。これに対し上記態様では、光電変換素子で発生して例えば検出ノードから溢れ出た（オーバーフローした）光電荷を電荷蓄積素子に蓄積する。これにより、強い光が入射して多量の光電荷が発生したときにも光電荷を無駄にすることがなく信号に反映させることができる。一方、入射光が弱く光電荷の発生量が少ない場合には、低容量の検出ノードに蓄積される信号のみが利用される。従って、上記態様によれば、ダイナミックレンジを拡大することができる。【００２３】
また本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法にあって、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とよい。停止指示が与えられてから、適宜遅延して、実際に記憶部への保持動作を停止することができるようにするとよく、好ましくは、その遅延時間やフレーム数が外部から設定可能であるようにするとよい。【００２４】
これによれば、第２の駆動モードにおいて、画素信号を素子外部に読み出すことなく高速撮影を繰り返し、例えば外部からトリガ信号が与えられたタイミングで、その前後の撮影画像を取得することができる。これにより、被写体の変化等の何らかの状態が生起した瞬間に、それ以降のみならず、それ以前の撮影画像も得ることが可能となる。【００２５】
また第１の駆動モードと第２の駆動モードとの利用の仕方として、例えば、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ようにすることができる。これは、特定のイベントの検知により上記トリガ信号が生成されるものであるとみなすことができる。【００２６】
これによれば、例えば被写体に何らかの変化の兆候が生じた時点から、その被写体の高速な変化の様子を的確に撮影することが可能となる。【００２７】
また本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法にあっては、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任意の時間毎に交互に実行するようにしてもよい。【００２８】
これによれば、第１の駆動モードで読み出された画素信号に基づいて被写体に何らかの変化が生じたことが検知されたときに、記憶部にはその直前の第２の駆動モードで撮影された信号が未だ残っているので、これを読み出すことにより、被写体の変化が検知されるよりも時間的に前の画像も得ることができる。【００２９】
また本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法においては、その一態様として、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ができる。【００３０】
これによれば、用意された記憶部を第２の駆動モードにおいて全て利用することができるので、連続撮影可能フレーム数をそれだけ増やすことができる。【００３１】
また本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法においては、別の態様として、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記憶部とを独立して設けるようにしてもよい。【００３２】
また本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法では、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ようにしてもよい。【００３３】
具体的には、例えば二次元アレイ状に配列された画素の中で水平方向や垂直方向に１個おき、２個おきなど適宜の数だけ間引いて（飛ばして）信号を読み出すようにするとよい。これにより画像の解像度は下がるが、被写体の概略的な観察には十分である場合も多く、読み出し信号の数を減らすことで第１の駆動モードにおける撮影のフレームレートを上げることができる。また、画像全体でなく特定の一部分にのみ被写体の変化が生じることが既知である場合に、その一部分の画像信号だけを読み出すようにすれば、画像の解像度を下げずにフレームレートを上げることができる。【００３４】
また本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法では、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てアナログ的な加算処理又は平均化処理を行うようにしてもよい。【００３５】
例えば各記憶部でスイッチ（トランジスタ）のオン・オフにより同一の出力線に選択的にキャパシタから信号を出力する構成では、複数のスイッチを同時にオンして複数のキャパシタから信号を出力することにより、その出力線上でアナログ的な信号加算が行える。この場合、上述の間引き読み出しとは異なり信号を無駄にせずに利用できるので、間引き読み出しよりもＳ／Ｎを改善することができる。また、間引いた部分に被写体の重要な変化が生じていると上記態様では検知できないが、この態様ではそうした変化も反映されるので被写体の変化を確実に捉え易くなる。【００３６】
また、この場合、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で、それをしない場合に比べて視覚上の解像度の低下が抑えられる。【００３７】
また本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法では、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てアナログ的な加算処理又は平均化処理を行うようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法によれば、１個の素子で、例えば１００万フレーム／秒以上ものきわめて高速の撮影と、それよりも撮影速度は下がるものの長時間に亘る撮影とを実現することができる。これにより、比較的低廉なコストで、利用分野が広い又は利用価値の高い撮像装置を提供することが可能となる。【００３９】
また、第１の駆動モードと第２の駆動モードとを適宜に使い分けることにより、例えば、被写体に変化が生じたり観察対象の現象が起こったりしたときにこれを迅速に検知し、その時点以降、或いはその時点前後の高速撮影を行うことができる。これにより、高速撮影の開始や終了のためのトリガ信号を得るために、振動センサなどの別のセンサによる検知信号や他の撮像装置による撮影画像が不要になるので、高速撮影システムのコストを抑えることができる。また、振動センサ等のセンサで捉えられないような変化がある場合やそうしたセンサの設置が困難であるような条件の下でも、撮影対象を的確に捉えて画像として残すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施例である固体撮像素子の半導体チップ上のレイアウトを示す概略平面図。
【図２】本実施例の固体撮像素子において画素領域内の１個の画素のレイアウトを示す概略平面図。
【図３】本実施例の固体撮像素子における画素領域及び記憶領域の概略構成を示す平面図。
【図４】本実施例の固体撮像素子における半導体チップの略半分の要部のブロック構成図。
【図５】本実施例の固体撮像素子における１個の画素の回路構成図。
【図６】本実施例の固体撮像素子において１個の画素における光電変換領域のレイアウトを示す概略平面図。
【図７】図６中のＡ−Ａ’矢視線縦断面における概略ポテンシャル図。
【図８】本実施例の固体撮像素子において垂直方向に配列された１３２個の画素に対応する１個の記憶部ユニットの概略構成図。
【図９】本実施例の固体撮像素子における１個の記憶部の回路構成図。
【図１０】本実施例の固体撮像素子における１個の記憶部のレイアウトを示す概略平面図。
【図１１】本実施例の固体撮像素子において各記憶部に保持されている信号を出力線を通して読み出すための概略構成を示すブロック図。
【図１２】本実施例の固体撮像素子において連続読み出しモードとバースト読み出しモードの概略タイムチャート。
【図１３】本実施例の固体撮像素子において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】図１３に示した動作における画素内の概略ポテンシャル図。
【図１５】本実施例の固体撮像素子において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】図１５に示した動作における画素内の概略ポテンシャル図。
【図１７】本実施例の固体撮像素子において連続読み出しモードでの１フレーム分の逐次読み出しの動作タイミング図。
【図１８】本実施例の固体撮像素子においてバースト読み出しモードでの逐次読み出しの動作タイミング図。
【図１９】各記憶部での読み出し順序を示す模式図。
【図２０】本実施例の固体撮像素子を用いた撮影動作の一形態を示す概略タイミング図。
【図２１】本実施例の固体撮像素子を用いた撮影動作の一形態を示す概略タイミング図。
【図２２】本実施例の固体撮像素子における間引き読み出しの際に選択される画素の例を示す図。
【図２３】本実施例の固体撮像素子における加算読み出しの際に選択される画素の例を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１…半導体基板
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
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の一実施例である固体撮像素子及びその駆動方法について図面を参照して説明する。【００４３】
まず本実施例による固体撮像素子の全体の構成・構造について説明する。図１は本実施例の固体撮像素子の半導体チップ上の全体のレイアウトを示す概略平面図、図３は本実施例の固体撮像素子における画素領域及び記憶領域の概略構成を示す平面図、図４は本実施例の固体撮像素子における略半分の要部のブロック構成図である。【００４４】
図１に示すように、この固体撮像素子においては、光を受光して画素毎の信号を生成するための画素領域２（２ａ、２ｂ）と、前記信号を所定フレーム数分保持するための記憶領域３ａ、３ｂとが、半導体基板１上で混在せずに完全に分離され、それぞれまとまった領域として設けられている。略矩形状の画素領域２内には、Ｎ行、Ｍ列の合計Ｎ×Ｍ個の画素１０が二次元アレイ状に配置され、この画素領域２はそれぞれ（Ｎ／２）×Ｍ個の画素１０が配置された第１画素領域２ａ、第２画素領域２ｂの２つに分割されている。【００４５】
第１画素領域２ａの下側には、小面積の第１電流源領域６ａを挟んで第１記憶領域３ａが配置され、第２画素領域２ｂの上側には、同じく小面積の第２電流源領域６ｂを挟んで第２記憶領域３ｂが配置されている。第１及び第２記憶領域３ａ、３ｂにはそれぞれ、記憶領域３ａ、３ｂからの信号の読み出しを制御するためのシフトレジスタやデコーダなどの回路を設けた、第１及び第２垂直走査回路領域４ａ、４ｂと、第１及び第２水平走査回路領域５ａ、５ｂとが設けられている。図３に示すように、各記憶領域３ａ、３ｂからは、素子の外部に信号を読み出すための出力束線ＳＳ０１〜ＳＳ６４が上下に３２組ずつ、合計６４組配設されている。【００４６】
本実施例の固体撮像素子は、画素領域２の略中央を上下の２つに区画する水平線を境界として、ほぼ上下対称の構造となっている。この上半分及び下半分の構造や動作は同じであるため、以下の説明では、下方の第１画素領域２ａ、第１記憶領域３ａ、第１垂直走査回路領域４ａ、第１水平走査回路領域５ａの構造及び動作を中心に述べる。【００４７】
画素数、つまり上記Ｎ、Ｍの値はそれぞれ任意に決めることができ、これらの値を大きくすれば画像の解像度は上がるが、その反面、全体のチップ面積が大きくなるか、或いは１画素当たりのチップ面積が小さくなる。この例では、Ｎ＝２６４、Ｍ＝３２０としている。従って、第１、第２画素領域２ａ、２ｂにそれぞれ配置される画素数は、図３、図４中に記載したように、水平方向が３２０画素、垂直方向が１３２画素の４２２４０画素である。【００４８】
図２は、画素領域２（２ａ、２ｂ）中の１個の画素１０の概略レイアウトを示す平面図である。１個の画素１０が占める領域はほぼ正方形であり、この内部は３つの領域、即ち、光電変換領域１１、画素回路領域１２、及び配線領域１３に大別される。配線領域１３には、（Ｍ／２）＋α本の画素出力線１４が垂直方向に延伸するようにかためて配設されている。ここでαは０でもよく、その場合、本例では１つの配線領域１３を通る画素出力線の本数は１３２本となる。但し、一般に、このように平行に延伸する配線（例えばＡｌ等の金属配線）を多数形成する場合に、両端の配線の幅や寄生容量が異なるものとなり易い。そこで、実際に信号を通す１３２本の画素出力線を挟んで両端に、１本ずつダミーの配線を設ける。その場合、α＝２であって、１つの配線領域１３を通る配線の本数は１３４本となる。【００４９】
図５は図２に示した１個の画素１０の回路構成図である。各画素１０は、光を受光して光電荷を生成するフォトダイオード（本発明における光電変換素子に相当）３１と、フォトダイオード３１に近接して設けられた光電荷を転送するための転送トランジスタ（本発明における転送素子に相当）３２と、転送トランジスタ３２を介してフォトダイオード３１に接続され、光電荷を一時的に蓄積するとともに電圧信号に変換するフローティングディフュージョンＦＤ（本発明における検出ノードに相当）３３と、光電荷の蓄積動作時にフォトダイオード３１から転送トランジスタ３２を介して溢れ出る、つまりオーバーフローする電荷を蓄積するための蓄積トランジスタ３４及び蓄積キャパシタ（本発明における電荷蓄積素子に相当）３６と、フローティングディフュージョン３３及び蓄積キャパシタ３６に蓄積された電荷を排出するためのリセットトランジスタ３５と、フローティングディフュージョン３３に蓄積された電荷又はフローティングディフュージョン３３及び蓄積キャパシタ３６の両方に蓄積された電荷を電圧信号として出力するための、従属接続された２個のＰＭＯＳ型のトランジスタ３７、３８、同じく従属接続された２個のＮＭＯＳ型のトランジスタ４０、４１の２段構成であるソースフォロアアンプ（本発明におけるバッファ素子に相当）４３と、ソースフォロアアンプ４３の初段の２個のトランジスタ３７、３８に電流を供給するための定電流トランジスタなどによる電流源３９と、を含む。【００５０】
転送トランジスタ３２、蓄積トランジスタ３４、リセットトランジスタ３５、及び、ソースフォロアアンプ４３の選択トランジスタ３８、４１のゲート端子には、それぞれφＴ、φＣ、φＲ、φＸなる制御信号を供給するための駆動ライン１５が接続される。図４に示すように、これら駆動ラインは画素領域２内の全ての画素に共通である。これにより、全ての画素での同時駆動が可能である。【００５１】
ソースフォロアアンプ４３の２段目の低電圧側のトランジスタ４１の出力４２が、上述した配線領域１３に配設される１３２本の画素出力線１４のうちの１本（図５では符号１４１で示す画素出力線）に接続される。この画素出力線１４１は画素１０毎にそれぞれ１本ずつ、つまり各画素１０に対応して独立に設けられている。それ故に、この固体撮像素子では、画素数と同数の、つまり８４４８０本の画素出力線が設けられている。【００５２】
ソースフォロアアンプ４３は、画素出力線１４１を高速で駆動するための電流バッファの機能を持つ。各画素出力線１４１は、図４に示したように、画素領域２ａから記憶領域３ａまで延伸されているため、或る程度大きな容量性負荷となり、これを高速で駆動するためには大きな電流を流すことが可能な、大きなサイズのトランジスタが必要である。しかしながら、画素１０内で検出感度を高めるべく光電変換ゲインを上げるためには、光電荷を電圧に変換するためのフローティングディフュージョン３３の容量はできるだけ小さいほうがよい。フローティングディフュージョン３３に接続されるトランジスタのゲート端子の寄生容量はフローティングディフュージョン３３の容量を実効的に増加させるため、上記理由により、このトランジスタ３７はゲート入力容量が小さな小型のトランジスタであることが望ましい。そこで、出力側での大電流の供給と入力側での低容量とを共に満たすために、ここではソースフォロアアンプ４３を２段構成とし、初段のトランジスタ３７を小型のトランジスタとすることにより入力ゲート容量を抑え、後段のトランジスタ４０、４１は大きなトランジスタを使用して大きな出力電流を確保できるようにしている。【００５３】
また、ソースフォロアアンプ４３において、初段の選択トランジスタ３８は基本的な動作を行う上でなくても構わないものであるが、後段の選択トランジスタ４１がオフ状態であるときに同時に選択トランジスタ３８もオフすることにより、電流源３９からトランジスタ３７に電流が流れないようにして、その分だけ電流消費を抑えることができる。【００５４】
図６は１個の画素１０における光電変換領域１１のレイアウトを示す概略平面図、図７は図６中のＡ−Ａ’矢視線縦断面における概略ポテンシャル図である。【００５５】
上面視で略矩形状の受光面を有するフォトダイオード３１は埋め込みフォトダイオード構造である。高速撮影では露光時間が極端に短いため、適切な露出を確保するには各画素１０のフォトダイオードの受光面の面積をできるだけ広くして、入射（受光）する光量をできるだけ増やす必要がある。しかしながら、一般的に、フォトダイオードの受光面の面積を広くすると、特にその周辺側で生成された光電荷が検出ノードであるフローティングディフュージョンに到達するまでに掛かる時間が問題となり、高速撮影の短い１サイクル期間中に転送できない光電荷が無駄になったり残像現象を起こす原因となったりする。そこで、本実施例の固体撮像素子では、次のような特殊な構造を採用することで電荷転送の速度向上を図っている。【００５６】
通常、フローティングディフュージョンはフォトダイオードの側方に配置されるが、この固体撮像素子では、図６に示すように、フォトダイオード３１のほぼ中央部に小面積のフローティングディフュージョン３３１が形成され、そのフローティングディフュージョン３３１を取り囲むように環状に転送トランジスタ３２のゲートが設けられている。このようにフォトダイオード３１の中央にフローティングディフュージョン３３１を配置することにより、フォトダイオード３１の周辺部からフローティングディフュージョン３３１までの光電荷の移動距離が平均的に短くなり、フォトダイオード３１の周辺部のどの位置で発生した光電荷もフローティングディフュージョン３３１に到達し易くなる。【００５７】
さらに、フォトダイオード３１を形成する際に、複数のフォトマスクを使用して不純物の打ち込み（ドープ）量（又は打ち込み深さ）を複数段階に変化させることにより、フォトダイオード３１の周辺部から中央（つまりフローティングディフュージョン３３１）に向かって不純物ドープ量（又は打ち込み深さ）の勾配又は階段状のステップを設けている。そのため、フォトダイオード３１のＰＮ接合に適宜のバイアス電圧が印加されると、図７（ａ）に示すように、フォトダイオード３１の周辺部から中央に向かって下傾するポテンシャル勾配が形成される。この作り込みの、つまりプロセス上の工夫で形成されるポテンシャル勾配によって、受光によりフォトダイオード３１で生成された光電荷はその周辺部で生成したものほど大きく加速され中央側に進行する。【００５８】
このとき、転送トランジスタ３２がオフ状態であれば、図７（ａ）に示したように転送トランジスタ３２の環状のゲート直下に形成されるポテンシャル障壁の周囲に光電荷が集積される。そして、転送トランジスタ３２がオンすればすぐに、図７（ｂ）に示したように、集積されていた光電荷は転送トランジスタ３２を経てフローティングディフュージョン３３１に落ち込む。一方、光が入射している期間中に転送トランジスタ３２がオン状態を維持する場合には、ポテンシャル勾配に沿って中央に集まってきた光電荷はそのまま転送トランジスタ３２を経てフローティングディフュージョン３３１に落ち込む。いずれにしても、フォトダイオード３１で生成された光電荷を高い確率で且つ迅速にフローティングディフュージョン３３１に転送することができる。【００５９】
フォトダイオード３１の中央部にフローティングディフュージョン３３１を設けることで上述のような大きな利点がある。しかしながら、オーバーフローした光電荷を蓄積する蓄積キャパシタ３６などをそのフローティングディフュージョン３３１に近接して配置すると、開口率が低下するという問題が生じる。そこでここでは、上記のように光電荷が直接流れ込むフローティングディフュージョン（以下、第１フローティングディフュージョンという）３３１とは別に画素回路領域１２中に第２フローティングディフュージョン３３２を拡散層として形成し、第１フローティングディフュージョン３３１と第２フローティングディフュージョン３３２との間をアルミニウム等による金属配線３３３で接続することにより両者が同電位となるようにしている。つまり、ここでは、第１フローティングディフュージョン３３１及び第２フローティングディフュージョン３３２が一体となって、電荷信号を電圧信号に変換する検出ノードとしてのフローティングディフュージョン３３として機能する。【００６０】
次に、第１及び第２記憶領域３ａ、３ｂの内部の構成の詳細について説明する。図４に示すように第１及び第２記憶領域３ａ、３ｂ内には、画素領域２ａ、２ｂ内の垂直方向に並べられた１３２個の画素１０に対してそれぞれ接続された１３２本の画素出力線１４の延伸方向に沿って、蓄積フレーム数Ｌ分の記憶部ユニット２０が配列されている。この例では、蓄積フレーム数Ｌつまり連続撮影フレーム数は１０４であり、垂直方向に１０４個の記憶部ユニット２０が配列され、さらにこれが水平方向に３２０個並んでいる。従って、第１記憶領域３ａには１０４×３２０個＝３３２８０個の記憶部ユニット２０が配設されている。第２記憶領域３ｂにも同数の記憶部ユニット２０が配設されている。【００６１】
図８は１個の記憶部ユニット２０の内部構成を示す概略図である。１個の記憶部ユニット２０内には、水平方向に１１個、垂直方向に１２個の、合計１３２個の記憶部２２が配設されており、各記憶部２２はそれぞれ異なる１本ずつの画素出力線１４１に接続されている。画素出力線１４１を介して、各記憶部２２はそれぞれ画素領域２ａ内の画素１０に一対一に対応しており、１個の記憶部ユニット２０内の１３２個の記憶部２２には、画素領域２ａ内の垂直方向の１３２個の画素１０の信号がそれぞれ保持される。従って、図４において水平方向の１行に並べられた３２０個の記憶部ユニット２０（図４中で符号２１で示した記憶部ユニット行）に、１３２×３２０画素（ピクセル）から成る１フレームの下半分の画素信号が保持される。図３に示した上側の第２記憶領域３ｂでも同様に、水平方向の１行に並べられた３２０個の記憶部ユニットに１３２×３２０画素から成る１フレームの上半分の画素信号が保持され、両方で１フレームの画像となる。記憶部ユニット行２１が垂直方向に１０４個配列されていることで、１０４フレーム分の画素信号の保持が可能である。【００６２】
図８に示すように、各記憶部ユニット２０において１３２個の記憶部２２の全ての出力は接続されて１本の出力線２３となっている。さらに図４に示すように、水平方向に並べられた記憶部ユニット２０は隣接する１０個ずつがまとめられて１組となっており、水平方向に３２組の記憶部ユニット２０の組が存在し、組毎に１０個の記憶部ユニット２０の出力線２３は接続されて１本となっている。さらにまた、垂直方向に配列された１０４個の記憶部ユニット２０の出力線２３も接続されて１本になっている。従って、記憶領域３ａにおいて、水平方向に１０個、垂直方向に１０４個の合計１０４０個の記憶部ユニット２０、さらに各記憶部ユニット２０に含まれる記憶部２２の数で言うと、１３７２８０個の記憶部２２の出力が接続されて１本の出力線２３となっている。図３では、同一の出力線２３を有する記憶部ユニット２０のかたまりである記憶部ユニットブロックを符号５０で示している。上記構成により、第１記憶領域３ａからの出力線２３の数は３２本であり、第２記憶領域３ｂからも同数の出力線が取り出される。これら出力線２３上の信号をＳＳ０１〜ＳＳ６４として示している。【００６３】
図９は１個の記憶部２２の回路構成を示す図、図１０は１個の記憶部２２のレイアウトを示す概略平面図である。１個の記憶部２２は４個の記憶単位を有する。即ち、１本の画素出力線１４１に接続されたサンプリングトランジスタ２６（２６ａ〜２６ｄ）と、サンプリングトランジスタ２６を介して画素出力線１４１に接続されるキャパシタ２５（２５ａ〜２５ｄ）と、キャパシタ２５に保持されたアナログ電圧信号を読み出すための読み出しトランジスタ２７（２７ａ〜２７ｄ）と、から記憶単位である記憶素子２４（２４ａ〜２４ｄ）が構成される。１個の記憶部２２は４個の記憶素子２４ａ〜２４ｄが１組になって構成される。従って、１個の記憶部２２には、同一の画素から同一の画素出力線１４１を通して出力される４つの異なるアナログ電圧信号を保持することが可能である。４個の読み出しトランジスタ２７ａ〜２７ｄを通した出力線２３ａ〜２３ｄはそれぞれ独立に設けられているから、図３、図４、図８に示した出力線２３は実際には４本存在し、４本独立に出力される。或いは、素子内で差分などのアナログ的な演算処理が行われ、最終的には１本の出力線２３として素子の外部に出力されるように構成してもよい。【００６４】
上述のように１個の記憶部２２が４個の記憶素子２４ａ〜２４ｄから成るのは、後述するようなダイナミックレンジ拡大処理、及びノイズ除去処理を行うために、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、オーバーフロー前の電荷に応じた信号に含まれるノイズ信号、オーバーフロー後の電荷に応じた信号に含まれるノイズ信号、の４つのアナログ電圧信号を独立に保持することが本来の目的である。但し、必ずしもそうした目的に拘泥することなく、他の動作態様で各記憶素子２４ａ〜２４ｄを利用することもできる。例えば、各画素１０の蓄積キャパシタ３６を利用しないのであれば、オーバーフロー後の電荷に応じた信号やオーバーフロー後の電荷に応じた信号に含まれるノイズ信号は考慮する必要がなく、その分だけ連続撮影のフレーム数を増やすのに記憶素子２４を利用することができる。これにより、２倍の２０８フレームの連続撮影が可能となる。また、ノイズ除去も行わないのであれば、さらに２倍の４１６フレームの連続撮影が可能となる。【００６５】
キャパシタ２５ａ〜２５ｄは各画素１０内の蓄積キャパシタ３６と同様に、例えばダブルポリシリコンゲート構造やスタック構造により形成することができる。ＣＣＤ構造を利用した電荷保持を行う場合、熱励起等による暗電荷に由来する偽信号が光信号に加算されるという問題があるが、ダブルポリシリコンゲート構造やスタック構造のキャパシタ２５ａ〜２５ｄではそうした暗電荷の発生がないので偽信号が加算されることがなく、外部に読み出す信号のＳ／Ｎを高くすることができる。【００６６】
図１１は、記憶領域３ａ内の各記憶部に保持されている信号を上述したような出力線２３を通して読み出すための概略構成を示すブロック図である。２次元アレイ状に配置された記憶部ユニット２０（２０−０１〜２０−１０）の垂直方向の１列毎に水平シフトレジスタＨＳＲ１〜ＨＳＲ３２０が配置され、水平方向の１行毎に垂直シフトレジスタＶＳＲ１〜ＶＳＲ１０４が配置されている。逐次読み出しの際には、水平シフトレジスタＨＳＲ１〜ＨＳＲ３２０と垂直シフトレジスタＶＳＲ１〜ＶＳＲ１０４との組み合わせにより記憶部ユニット２０が選択され、選択された記憶部ユニット２０の中で順番に記憶部２２が選択されて画素信号が読み出されるようになっている。但し、出力線２３が分かれている異なる記憶部ユニットブロック５０では同時並行的な動作が可能であるから、読み出し動作としては１個の記憶部ユニットブロック５０の内部のみを考えればよい。【００６７】
続いて、本実施例の固体撮像素子の駆動方法と動作について説明する。この実施例の固体撮像素子は、大別して、連続読み出しとバースト読み出しと呼ばれる２つの駆動モードを有する。連続読み出しモードは本発明における第１の駆動モードに相当し、バースト読み出しモードは第２の駆動モードに相当する。まず、この両駆動モードの概略的な動作について図１２により説明する。図１２は連続読み出しモードとバースト読み出しモードの概略タイムチャートである。【００６８】
（Ａ）連続読み出しモード
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。【００６９】
水平及び垂直シフトレジスタを駆動させるクロック信号の周波数を５０ＭＨｚとした場合、１画素信号当たりの読み出し時間は０．０２μ秒である。１個の記憶部ユニットブロック５０の最も上の行には、１３２×１０＝１３２０個の記憶部２２が存在するから、これに要する総読み出し時間は２６．４μ秒となる。上述のように異なる記憶部ユニットブロック５０では同時に読み出しが行われるため、２６．４μ秒で１フレーム分の画素信号の読み出しが行える。換言すれば、光電荷の蓄積時間をこの時間まで延ばすことができるから、後述するバースト読み出しモードに比べれば光電荷の蓄積時間設定の自由度が大きい。【００７０】
図１２（ａ）は１フレーム分だけの例であるが、画素領域２ａ、２ｂと記憶領域３ａ、３ｂとでは画素出力線１４を通した信号のやりとりのとき以外は独立に動作可能であるため、記憶領域３ａ、３ｂから画素信号の逐次読み出しを行っているときに、画素領域２ａ、２ｂでは光電荷の蓄積が可能である。従って、図１２（ｂ）に示すように、ほぼ連続的に撮影を繰り返し行うことができる。【００７１】
（Ｂ）バースト読み出しモードの場合
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。【００７２】
次に、本実施例の固体撮像素子の詳細な駆動方法として、まず各画素１０における光電変換動作とこれにより生成される信号を１個の記憶部２２に格納するまでの動作について、図１３〜図１６により説明する。【００７３】
本実施例の固体撮像素子では、光電荷蓄積時間が短い場合と光電荷蓄積時間が相対的に長い場合とで異なる２つの動作モードを選択し得る。目安として、前者は光電荷蓄積時間が１０μｓ乃至１００μｓ以下の場合であり、１００万フレーム／秒以上もの高速撮影を行う場合に、つまり通常、バースト読み出しモードを実行する場合にはこの動作モードを採用することが好ましい。【００７４】
（Ａ）光電荷蓄積時間が短い場合の動作モード
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。【００７５】
各画素１０に供給する共通の制御信号であるφＸをハイレベルとし、ソースフォロアアンプ４３内の選択トランジスタ３８、４１を共にオン状態に維持する。そして、光電荷蓄積を行う前に、同じく共通の制御信号であるφＴ、φＣ、φＲをハイレベルとし、転送トランジスタ３２、蓄積トランジスタ３４、及びリセットトランジスタ３５を共にオンする（時刻ｔ０）。これにより、フローティングディフュージョン３３及び蓄積キャパシタ３６はリセット（初期化）される。またこのとき、フォトダイオード３１は完全に空乏化された状態にある。このときのポテンシャルが図１４（ａ）である。【００７６】
次にφＲをローレベルにしてリセットトランジスタ３５をオフすると、フローティングディフュージョン３３にはこの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で発生するランダムノイズと、ソースフォロアアンプ４３のトランジスタ３７の閾値電圧のばらつきに起因する固定パターンノイズを等価的に含むノイズ信号Ｎ２が生じ（図１４（ｂ）参照）、このノイズ信号Ｎ２に対応した出力が画素出力線１４１に現れる。そこで、このタイミング（時刻ｔ１）で記憶部２２にサンプリングパルスφＮ２を与えてサンプリングトランジスタ２６ｄをオンすることにより、画素出力線１４１を通して出力されたノイズ信号Ｎ２を取り込んでキャパシタ２５ｄに保持する。【００７７】
次に、φＣをローレベルにして蓄積トランジスタ３４をオフすると、その時点でフローティングディフュージョン３３及び蓄積キャパシタ３６に蓄積されていた信号は、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とのそれぞれの容量ＣＦＤ、ＣＣＳの比に応じて配分される（図１４（ｃ）参照）。このときフローティングディフュージョン３３にはφＣをオフしたときに発生するランダムノイズとソースフォロアアンプ４３のトランジスタ３７の閾値電圧のばらつきに起因する固定パターンノイズを等価的に含むノイズ信号Ｎ１が生じ、このノイズ信号Ｎ１に対応した出力が画素出力線１４１に現れる。そこで、このタイミング（時刻ｔ２）で記憶部２２にサンプリングパルスφＮ１を与えてサンプリングトランジスタ２６ｃをオンすることにより、画素出力線１４１を通して出力されたノイズ信号Ｎ１を取り込んでキャパシタ２５ｃに保持する。【００７８】
転送トランジスタ３２はオン状態に維持されるので、フォトダイオード３１に入射した光により発生した光電荷は転送トランジスタ３２を通して（図７（ｂ）に示した状態）フローティングディフュージョン３３に流れ込み、ノイズ信号Ｎ１に重畳してフローティングディフュージョン３３に蓄積される（時刻ｔ３）。仮に強い光が入射してフォトダイオード３１で多量の光電荷が発生しフローティングディフュージョン３３が飽和した場合には、オーバーフローした電荷が蓄積トランジスタ３４を介して蓄積キャパシタ３６に蓄積される（図１４（ｄ）参照）。蓄積トランジスタ３４の閾値電圧を適宜に低く設定しておくことにより、フローティングディフュージョン３３から蓄積キャパシタ３６に効率良く電荷を転送することができる。これにより、フローティングディフュージョン３３の容量ＣＦＤが小さく、そこに蓄積可能な最大飽和電荷量が少なくても、飽和した電荷を廃棄することなく有効に利用できる。このようにして、フローティングディフュージョン３３での電荷飽和（オーバーフロー）前及び電荷飽和（オーバーフロー）後のいずれに発生した電荷も、出力に反映させることができる。【００７９】
所定の光電荷蓄積時間（露光時間）が経過したならば、蓄積トランジスタ３４をオフした状態で記憶部２２にサンプリングパルスφＳ１を与えることでサンプリングトランジスタ２６ａをオンすることにより、その時点（時刻ｔ４）でフローティングディフュージョン３３に蓄積されている電荷に応じた信号を画素出力線１４１を通して取り込んでキャパシタ２５ａに保持する（図１４（ｅ）参照）。このときにフローティングディフュージョン３３に蓄積されている信号はノイズ信号Ｎ１にオーバーフロー前の電荷に応じた信号Ｓ１が重畳されたものであるから、キャパシタ２５ａに保持されるのは、蓄積キャパシタ３６に蓄積されている電荷の量を反映しないＳ１＋Ｎ１である。【００８０】
その直後にφＣをハイレベルにして蓄積トランジスタ３４をオンすると、その時点でフローティングディフュージョン３３に保持されていた電荷と蓄積キャパシタ３６に保持されていた電荷は混合される（図１４（ｆ）参照）。その状態で記憶部２２にサンプリングパルスφＳ２を与えることでサンプリングトランジスタ２６ｂをオンすることにより（時刻ｔ５）、フローティングディフュージョン３３及び蓄積キャパシタ３６に蓄積されていた電荷に応じた信号、つまりノイズ信号Ｎ２にオーバーフロー後の電荷に応じた信号Ｓ２が重畳された信号を画素出力線１４１を通して取り込んでキャパシタ２５ｂに保持する。従って、キャパシタ２５ｂに保持されるのは、蓄積キャパシタ３６に蓄積されている電荷の量を反映したＳ２＋Ｎ２である。【００８１】
以上のようにして、１個の記憶部２２に含まれる４個のキャパシタ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄにそれぞれ、信号Ｓ１＋Ｎ１、Ｓ２＋Ｎ２、Ｎ１、Ｎ２を保持し、これを以て１サイクルの画像信号の取り込みを終了する。上述のようにランダムノイズや固定パターンノイズを含むノイズ信号Ｎ１、Ｎ２が、これらノイズ信号を含む信号とは別に求まる。そこで、それぞれの信号をキャパシタ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄから読み出した後に図示しないアナログ演算回路により減算処理することで、ノイズ信号Ｎ１、Ｎ２の影響を除去した高いＳ／Ｎの画像信号を得ることができる。また、フローティングディフュージョン３３からオーバーフローした電荷も廃棄することなく利用できるので、強い光が入射した際にも飽和が起こりにくく、その光を反映した信号を得ることができ、広いダイナミックレンジを確保することができる。なお、こうしたダイナミックレンジの拡大が可能であることについての詳しい説明は、例えば特開２００６−２４５５２２号公報などの文献に記載されているので、ここでは説明を省略する。【００８２】
（Ｂ）露光電荷蓄積時間が相対的に長い場合の動作モード
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。【００８３】
光電荷蓄積時間が短い場合と最も大きく異なる点は、光電荷蓄積期間中に転送トランジスタ３２をオフし、フォトダイオード３１で発生した光電荷を空乏層に蓄積することである。また、光電荷蓄積時間が長いため、消費電力を抑えるべくソースフォロアアンプ４３の選択トランジスタ３８、４１を所定時間オフするようにしている。【００８４】
光電荷蓄積を行う前にはφＴ、φＣ、φＲをハイレベルとし、転送トランジスタ３２、蓄積トランジスタ３４及びリセットトランジスタ３５を共にオンする（時刻ｔ１０）。これにより、フローティングディフュージョン３３及び蓄積キャパシタ３６はリセット（初期化）される。このとき、フォトダイオード３１は完全に空乏化された状態にある。このときのポテンシャルの状態が図１６（ａ）である。【００８５】
次にφＲをローレベルにしてリセットトランジスタ３５をオフすると、フローティングディフュージョン３３にはこの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で発生するランダムノイズと、ソースフォロアアンプ４３のトランジスタ３７の閾値電圧のばらつきに起因する固定パターンノイズを等価的に含むノイズ信号Ｎ２が生じ（図１６（ｂ）参照）、このノイズ信号Ｎ２に対応した出力が画素出力線１４１に現れる。そこで、このタイミング（時刻ｔ１１）で記憶部２２にサンプリングパルスφＮ２を与えてサンプリングトランジスタ２６ｄをオンすることにより、画素出力線１４１を通してノイズ信号Ｎ２を取り込んでキャパシタ２５ｄに保持する。ここまでの動作は上記の光電荷蓄積時間が短い場合の動作モードと同じである。【００８６】
次に、φＣをローレベルにして蓄積トランジスタ３４をオフすると、その時点でフローティングディフュージョン３３及び蓄積キャパシタ３６に蓄積されていた電荷は、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とのそれぞれの容量ＣＦＤ、ＣＣＳの比に応じて配分される。さらにφＴをローレベルにして転送トランジスタ３２をオフし、φＸもローレベルにしてソースフォロアアンプ４３の２個の選択トランジスタ３８、４１もオフにする（時刻ｔ１２）。これにより、フォトダイオード３１とフローティングディフュージョン３３との間にはポテンシャル障壁が形成され、フォトダイオード３１での光電荷の蓄積が可能な状態となる（図１６（ｃ）参照）。【００８７】
フォトダイオード３１に入射した光により発生した光電荷はフォトダイオード３１に蓄積されるが、フォトダイオード３１で電荷飽和が生じるとそれ以上の過剰な電荷はオーバーフローし転送トランジスタ３２を介して、上述のように配分されたノイズ信号に重畳してフローティングディフュージョン３３に蓄積される。さらに強い光が入射してフローティングディフュージョン３３で飽和が生じると、オーバーフローした電荷が蓄積トランジスタ３４を介して蓄積キャパシタ３６に蓄積される（図１６（ｄ）参照）。【００８８】
蓄積トランジスタ３４の閾値電圧を転送トランジスタ３２の閾値電圧よりも適宜に低く設定しておくことにより、フローティングディフュージョン３３で飽和した電荷をフォトダイオード３１側に戻すことなく蓄積キャパシタ３６に効率良く転送することができる。これにより、フローティングディフュージョン３３の容量ＣＦＤが小さく、そこに蓄積可能な電荷量が少なくても、オーバーフローした電荷を廃棄することなく有効に利用できる。このようにして、フローティングディフュージョン３３でのオーバーフロー前及びオーバーフロー後のいずれに発生した電荷も出力に反映させることができる。【００８９】
所定の光電荷蓄積時間が経過したならば、φＸをハイレベルにして選択トランジスタ３８、４１をオンした後に、記憶部２２にサンプリングパルスφＮ１を与えることでサンプリングトランジスタ２６ｃをオンすることにより、その時点（時刻ｔ１３）でフローティングディフュージョン３３に蓄積されている信号電荷に対応したノイズ信号Ｎ１を画素出力線１４１を通して取り込んでキャパシタ２５ｃに保持する。このときのノイズ信号Ｎ１にはソースフォロアアンプ４３のトランジスタ３７の閾値電圧のばらつきに起因する固定パターンノイズが含まれる。なお、このときにはノイズのみならず光電変換により生起された光電荷の一部も含まれるが、ここではこれもノイズとみなしている。【００９０】
次に、φＴをハイレベルにして転送トランジスタ３２をオンさせ、フォトダイオード３１に蓄積されていた光電荷をフローティングディフュージョン３３に完全に転送する（図１６（ｅ）参照）。その直後に（時刻ｔ１４）、記憶部２２にサンプリングパルスφＳ１を与えることでサンプリングトランジスタ２６ａをオンすることにより、フローティングディフュージョン３３に蓄積されている電荷に応じた信号を画素出力線１４１を通して取り込んでキャパシタ２５ａに保持する。このときの信号は先のノイズ信号Ｎ１にフォトダイオード３１に蓄積されていた電荷による信号、つまりオーバーフロー前の信号Ｓ１が重畳したものであるから、Ｓ１＋Ｎ１である。【００９１】
続いて、φＣをハイレベルにして蓄積トランジスタ３４をオンすると、その時点でフローティングディフュージョン３３に保持されていた電荷と蓄積キャパシタ３６に保持されていた電荷は混合される（図１６（ｆ）参照）。その状態で（時刻ｔ１５）記憶部２２にサンプリングパルスφＳ２を与えることでサンプリングトランジスタ２６ｂをオンすることにより、フローティングディフュージョン３３及び蓄積キャパシタ３６に蓄積されていた電荷に応じた信号を画素出力線１４１を通して取り込んでキャパシタ２５ｂに保持する。このときの信号はＳ２＋Ｎ２となる。【００９２】
以上のようにして、１個の記憶部２２に含まれる４個のキャパシタ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄにそれぞれ、信号Ｓ１＋Ｎ１、Ｓ２＋Ｎ２、Ｎ１、Ｎ２を保持し、これを以て１サイクルの画像信号の取り込みを終了する。光電荷蓄積時間が短い場合の動作モードと同様に、ランダムノイズや固定パターンノイズを含むノイズ信号Ｎ１、Ｎ２が、これらノイズ信号を含む信号とは別に求まる。そこで、それぞれの信号をキャパシタ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄから読み出した後に減算等のアナログ演算処理することで、ノイズ信号Ｎ１、Ｎ２の影響を除去した高いＳ／Ｎの画像信号を得ることができる。また、フローティングディフュージョン３３からオーバーフローした電荷も廃棄することなく利用できるので、強い光が入射した際にも飽和が起こりにくく、その光を反映した信号を得ることができ、広いダイナミックレンジを確保することができる。【００９３】
上述のように各画素１０に供給される制御信号φＸ、φＴ、φＲ、φＣは全画素共通であるため、全ての画素１０で同時に上記のような光電荷蓄積動作、及び各画素１０から記憶部２２への信号の転送動作が行われる。つまり、上記１サイクルで１フレーム分の画像信号が、図３、図４中の記憶部ユニット行２１内の記憶部２２に保持される。バースト読み出しモードでは、この動作が１０４回繰り返されることで、全ての記憶部ユニット行２１内の記憶部２２に画素信号が保持される。１０５回目以降は再び１番上の記憶部ユニット行２１中の各記憶部２２に信号が書き込まれるというように循環的に保持動作が実行される。例えば、このような動作を外部から撮影停止の指示信号が与えられるまで繰り返す。撮影停止の指示信号が与えられて撮影が中止されると、その時点で最新の１０４フレーム分の画素信号が記憶領域３ａ、３ｂに保持されている。これを逐次読み出しすることで１０４フレームの連続した画像信号を得ることができる。【００９４】
なお、各記憶部２２において上述のように既に何らかの信号が保持されているキャパシタに新たな信号を保持する際には、それ以前の信号を廃棄するべくリセットを実行する必要がある。そのため、図示しないものの、各画素出力線１４１にはそれぞれリセット用のトランジスタが接続されており、或る記憶部のキャパシタをリセットする際にはその記憶部のサンプリングトランジスタがオンされるとともに対応する画素出力線に接続されているリセット用トランジスタがオンされ、キャパシタに蓄積されている信号はサンプリングトランジスタ、画素出力線を通してリセットされる。こうしたリセットが実行された後に、新たな信号がキャパシタに保持される。【００９５】
次に、記憶領域３ａ、３ｂからの信号の逐次読み出しの動作について説明する。図１７は連続読み出しモードにおける１フレーム分の逐次読み出しの動作タイミング図、図１８はバースト読み出しモードにおける逐次読み出しの動作タイミング図、図１９は各記憶部２２の読み出し順序を示す模式図である。【００９６】
各記憶部２２のキャパシタ２５に保持された信号は、同一の出力線２３に接続された読み出しトランジスタ２７を順番にオンすることにより読み出される。同一の記憶部２２の４個の読み出しトランジスタ２７ａ〜２７ｄはそれぞれ異なる出力線２３ａ〜２３ｄに接続されているから、同一の記憶部２２内の４個のキャパシタ２５ａ〜２５ｄにそれぞれ保持されている信号を同時に読み出すことができる。そして、素子の外部又は内部に設けられた図示しない減算回路で（Ｓ１＋Ｎ１）−Ｎ１、（Ｓ２＋Ｎ２）−Ｎ２の減算処理を行うことにより、ランダムノイズや固定パターンノイズを除去したＳ１、Ｓ２信号を取り出すことができる。なお、画素信号としてＳ１とＳ２のいずれを使用するかは、Ｓ１の飽和信号量以下の適当な信号レベルを基準として、それ以上か又はそれ未満かによってそれぞれＳ１、Ｓ２を選択する。飽和信号量以下でこの切り替えを実施することによって、Ｓ１の飽和ばらつきの影響を回避することができる。【００９７】
一例として、図１１に示した１フレーム目の３２０個の記憶部ユニット２０の中で、左端側の記憶部ユニットブロック５０における読み出し順序を説明する。まず左端の記憶部ユニット２０−０１において、図８に示す水平方向の１行目の記憶部２２の画素信号を左から右に向かって順に１１画素分読み出す。この記憶部ユニット２０−０１は、水平シフトレジスタＨＳＲ１と垂直シフトレジスタＶＳＲ１とが能動化されることで選択され、水平方向の読み出しクロックＨ−ＣＬＫにより、水平方向の左から右方向へ１個ずつ記憶部２２の読み出しトランジスタ２７をオンするパルス信号が移動する。こうして１行分の読み出しが終わると、垂直方向への読み出しを進めるクロックＶ−ＣＬＫが与えられ、これにより次の２行目の記憶部２２に移り、同様にこれを左から右に向かって１１画素分読み出す。この繰り返しにより、１２行目の終わりまで画素信号の読み出しを行う。【００９８】
その後に、水平シフトレジスタＨＳＲ２と垂直シフトレジスタＶＳＲ１とが能動化されることで、右隣の記憶部ユニット２０−０２が選択され、図１８、図１９に示すように、読み出し対象がこの記憶部ユニット２０−０２へ移る。そうして先と同様に、行→列の順に１画素分ずつ各記憶部の読み出しトランジスタ２７をオンすることにより信号を読み出す。こうして順に記憶部ユニットの選択を記憶部ユニット２０−１０まで進め、前記記憶部ユニット２０−１０の１２行目の記憶部２２の読み出しを終了すると、１フレーム分の読み出しが完了する。別の記憶部ユニットブロック５０でも上記と並行して、対応する記憶部ユニットの記憶部からの信号の読み出しが実行される。【００９９】
バースト読み出しモードにおける逐次読み出しの際には、上述のようにして１フレーム目の全ての画素信号の読み出しが終了した後に、引き続き、２フレーム目の画素信号の読み出しが開始される。即ち、図１８に示すように、水平シフトレジスタＨＳＲ１と垂直シフトレジスタＶＳＲ２とが能動化されることで、図１１に示した２行目の記憶部ユニットの中の左端のものが選択されるから、１フレーム目と同様の順序で読み出しが実行され、これを繰り返すことで１０４フレームまでの読み出しが完了する。【０１００】
但し、読み出しの手順はこれに限定されるものではなく、適宜に変更することができる。例えば、バースト読み出しモードにおいては、一番上の水平方向に並んだ記憶部ユニット２０に保持されている画素信号が時間的に最も古いものであるとは限らない。何故なら、上から下に向かって順番に各フレーム毎に信号の書き込みを行い、どのフレームで書き込み停止が為されるかは決まっていないためである。従って、好ましくは、最後に書き込みを行った行のその次の行から順番に逐次読み出しを行うようにすれば、時系列順に画像信号を取得することができる。【０１０１】
この固体撮像素子では、連続読み出しモードとバースト読み出しモードとでは各画素に供給する制御信号や、記憶部を制御する水平シフトレジスタ、垂直シフトレジスタの駆動信号などが相違するだけであるので、簡単に且つ迅速に外部からの制御指令に応じて切り替えることができる。次に、この切り替えを利用した、本実施例の固体撮像素子を用いた撮影動作の形態について説明する。図２０、図２１は、それぞれ本固体撮像素子を用いた撮影動作の一形態を示す概略タイミング図である。【０１０２】
図２０に示した例では、上述した連続読み出しモードにより１フレームずつ読み出された画像信号を、固体撮像素子の外部の画像処理回路（可能であれば固体撮像素子に内蔵してもよい）で処理することで目的とする被写体の動きや変化を検知する。このときの処理には、例えば複数のフレーム間の画像信号の差を利用する等、従来知られている各種の動き検知処理技術を利用することができる。また、その際には画像全体でなく、ユーザーにより指定される画像中の特定の範囲内の変化や動きを検知するようにしてもよい。そうした処理の結果、被写体に動きや変化があったことが認識されると、それに応じてトリガ信号が生成される。このトリガ信号が与えられることにより、連続読み出しモードからバースト読み出しモードへと移行して１０４フレーム（又は指定された適宜のフレーム数）の高速撮影を実行し、バースト読み出しモードで素子外部に読み出された画素信号は外部のフレームメモリに格納される。そして、固体撮像素子では１０４フレーム（又は指定された適宜のフレーム数）分のバースト読み出しを終えると再び連続読み出しモードに戻る。【０１０３】
一方、図２１に示した例では、基本的にはバースト読み出しモードにおける繰り返し速度での光電荷蓄積及び各画素から記憶部への信号転送を繰り返し、それを所定のフレーム数繰り返す毎に連続読み出しモードにおける光電荷蓄積とそれにより取得した画素信号の外部への逐次読み出しとを実行する。この逐次読み出しの際には同時に、バースト読み出しモードにおける繰り返し速度での光電荷蓄積及び各画素から記憶部への信号転送を行うことができる。逐次読み出しにより読み出された画素信号に基づき上記例と同様に、外部の画像処理回路で被写体の動きや変化を検知し、その検知結果に基づいてトリガ信号を生成する。トリガ信号が与えられるとバースト読み出しモードにおける各画素から記憶部への信号転送を停止するが、その際に、トリガ信号の生成時点から所定時間又は所定フレーム数の遅延を与えて信号の書き込みを停止するようにしてもよい。【０１０４】
この例の場合、記憶領域３ａ、３ｂの記憶部２２には常に過去の１０４フレーム分の画素信号が保持されているので、トリガ信号の発生以降だけでなくトリガ信号の発生時点から過去に遡った画像を取得することができる。図２１に示したタイミング図では、連続読み出しモードで読み出される信号に対応した光電荷の蓄積を行う際に露光時間が長くしてあるが、これをバースト読み出しモードの光電荷蓄積における露光時間と同一にしてもよい。これにより、トリガ信号発生時点よりも過去の画像を得たい場合に、画像が得られない期間を短くすることができる。【０１０５】
また、本実施例の固体撮像素子では、各画素１０でソースフォロアアンプ４３を通してアナログ電圧信号を各画素出力線に出力しているので、バースト読み出し用に用意された記憶部と連続読み出し用に用意された記憶部とで同時にサンプリングを行ってそれぞれのキャパシタに信号を保持することも可能である。これにより、連続読み出しを途中で行ってもバースト読み出しを途中で途切れさせることがなく、連続的な高速撮影画像を得ることができる。【０１０６】
上記説明では、連続読み出しモードにおいて全ての画素信号を読み出すようにしていたが、例えばこの画像に基づいて被写体の変化の有無を監視しトリガ信号を生成するような目的であれば、空間的な解像度が多少劣化しても構わない場合が多い。そこで、例えば画素領域上で水平方向に１個おき又は２個おき、垂直方向に１個おき又は２個おきなど、間引き読み出しを行うことにより、１フレームに対して読み出す画素信号の数を減らし読み出し時間を短縮することができる。【０１０７】
図２２（ａ）は、画素領域２（２ａ、２ｂ）上で水平方向及び垂直方向にそれぞれ１個おきの間引き読み出しを実行したときに、読み出される画素１０を示す模式図である。この図では、読み出される画素を斜線で示している。この場合には、読み出される画素信号の数は全体の１／４となるので、総読み出し時間は約６．６μ秒で済む。図２２（ｂ）は、画素領域２（２ａ、２ｂ）上で水平方向にのみ１個おきの間引き読み出しを実行したときに、読み出される画素１０を示す模式図である。この場合には、読み出される画素信号の数は全体の１／２となるので、総読み出し時間は約１３．２μ秒となる。【０１０８】
また、上記のような単純な間引き読み出しでは利用できる信号が減ってしまうが、画素領域２（２ａ、２ｂ）上で隣接する複数の画素の信号を加算して読み出すこともできる。即ち、上述したように記憶部ユニットブロック５０毎に出力線２３は共通であるから、異なる記憶部２２内の読み出しトランジスタ２７を同時にオンしてキャパシタ２５の保持電圧を出力すれば、その電圧信号は出力線２３上でアナログ的に加算される。従って、例えば図２３（ａ）に示すように水平方向、垂直方向に隣接する２画素ずつの合計４画素の画素信号を加算して出力することにより、総読み出し時間は上記間引き読み出し時と同じ約６．６μ秒で済む。また、信号が無駄にならないので、上記のような間引き読み出しに比べてＳ／Ｎを向上させることができる。【０１０９】
また、加算する複数の画素を選択する際に、上記のように画素領域２（２ａ、２ｂ）内の水平方向、垂直方向で同じように画素を区切るのではなく、図２３（ｂ）に示すように、水平方向、垂直方向で隣接する画素の集合の区切りが互い違いになるように、同時にオンさせる読み出しトランジスタの選択を行うようにしてもよい。これにより、複数画素の画素信号をまとめてしまったことによる見た目の解像度の低下を、或る程度抑えることができる。【０１１０】
なお、上述の間引き読み出しや複数画素の加算処理なども、記憶領域３ａ、３ｂ内の各記憶部２２を駆動する垂直シフトレジスタ回路、水平シフトレジスタ回路の制御の切り替えで行うことができ、画素領域２（２ａ、２ｂ）内の各画素１０の構成などには全く影響を与えない。従って、上記のように画素信号の読み出し方法を変更する場合にも自由度が高い。【０１１１】
なお、上記実施例は本発明に係る固体撮像素子及びその駆動方法の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行っても本願請求の範囲に包含されることは当然である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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