JPH07336600A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体撮像素子に関し、各画素毎に、行・列方
向に電荷を出力するトランジスタを配置し、行・列単位
に加算機能を持たせることにより、二次元画像情報を行
・列方向の独立した１次元情報として射影すること、及
び、撮像画像数の増加を図る。 【構成】 行選択信号φＶｉに基づいて行読出し線Ｌｖ
に、及び、列選択信号φＨｉに基づいて列読出し線Ｌｈ
に、それぞれ電荷を出力する光電変換素子１１と、行リ
セット信号φＲＶに基づいて行読出し線Ｌｖの電荷を加
算する第１の電荷加算素子１２と、列リセット信号φＲ
Ｈに基づいて列読出し線Ｌｈの電荷を加算する第２の電
荷加算素子１３とを備える。また、行選択信号φＶｉに
基づいて第１の電荷加算素子１２の出力制御をするスイ
ッチング素子Ｓｖが設けられ、列選択信号φＨｉに基づ
いて第２の電荷加算素子１３の出力制御をするスイッチ
ング素子Ｓｈがそれぞれ設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子に関する
ものであり、更に詳しく言えば、各画素に電界効果トラ
ンジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を配置したＸ−Ｙアドレス方
式の電荷読出し回路の改善に関するものである。近年、
半導体装置の集積回路技術の発達に伴い固体撮像素子に
おいても、画素数の増大・画素サイズの縮小化が進んで
いる。また、各種ロボットの眼（人工網膜）として固体
撮像素子が採用されている。

【０００２】これによれば、３次元集積回路技術を応用
した視覚情報処理チップがある。これは、固体撮像素子
と処理回路とが同一チップ上に積層して形成される。例
えば、最上層に光センサを５×５画素を設け、そこで受
光された光が電気信号に変換され、中間層にあるＡＤコ
ンバータにより、それがデジタル信号に変換され、最下
層の論理演算回路により、そのデジタル信号が平滑化・
輪郭抽出等されるタイプである。

【０００３】また、受光素子を抵抗ネットワークの交点
に配置することで、チップ上に投影された画像の位置と
長軸方向を検出する機能を持った固体撮像素子が考案さ
れている。しかし、固体撮像素子から得られた画像情報
が、外部のコンピュータに取込まれ、それが画像処理さ
れるため、データ処理速度が著しく低下する。そこで、
各画素毎に、行・列方向に電荷を出力するトランジスタ
を配置し、行・列単位に加算機能を持たせることによ
り、二次元画像情報を行・列方向の独立した１次元情報
として射影すること、及び、撮像画像数の増加を図るこ
とができる素子が望まれている。

【０００４】

【従来の技術】図８，９は、従来例に係る説明図であ
る。図８は従来例に係る固体撮像素子（２×２）の構成
図であり、図９はその動作波形図をそれぞれ示してい
る。例えば、Ｘ−Ｙアドレス方式であって、シリアル画
像データＤOUT を出力する固体撮像素子は、図８に示す
ように、光電変換セルアレイ１，垂直シフトレジスタ
２，水平シフトレジスタ３，読出し用トランジスタＴｏ
１，Ｔｏ２及び出力アンプ４を備える。光電変換セルア
レイ１は４個のフォトダイオードＤ１〜Ｄ４及びスイッ
チングトランジスタＭ１〜Ｍ４を有する。

【０００５】次に、当該固体撮像素子の機能を説明す
る。例えば、図８において、各ダイオードＤ１〜Ｄ４が
受光して電荷を発生している状態で、垂直シフトレジス
タ２からトランジスタＭ１，Ｍ２に、図９に示すような
行選択信号Ｓ11が出力され、トランジスタＭ３，Ｍ４に
行選択信号Ｓ12が出力され、トランジスタＴｏ１，Ｔｏ
２に列選択信号Ｓ21，Ｓ22がそれぞれ出力される。

【０００６】これにより、出力アンプ４からシリアル画
像データＤOUT が出力される。例えば、Ｓ11，Ｓ21＝
「Ｈ」（ハイ）レベル，Ｓ12，Ｓ22＝「Ｌ」（ロー）レ
ベルでは、ダイオードＤ１により検出された電荷が読出
し線Ｌｄ１からデータバスＬｄ０に出力され、それが出
力アンプ４により電圧に変換されて出力される。また、
Ｓ11，Ｓ22＝「Ｈ」レベル，Ｓ12，Ｓ21＝「Ｌ」レベル
では、ダイオードＤ２により検出された電荷が読出し線
Ｌｄ２からデータバスＬｄ０に出力される。さらに、Ｓ
12，Ｓ21＝「Ｈ」レベル，Ｓ11，Ｓ22＝「Ｌ」レベルで
は、ダイオードＤ３により検出された電荷が読出し線Ｌ
ｄ１からデータバスＬｄ０に出力され、Ｓ12，Ｓ22＝
「Ｈ」レベル，Ｓ11，Ｓ21＝「Ｌ」レベルでは、ダイオ
ードＤ４により検出された電荷が読出し線Ｌｄ２からデ
ータバスＬｄ０に出力される。当該バスＬｄ０上の電荷
は、出力アンプ４により電圧に変換されて出力される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来例の固
体撮像素子によれば、出力アンプ４の入力部で、データ
バスＬｄ０に出力された電荷を加算し、それを電圧に変
換することができる。しかし、ダイオードＤ１，Ｄ３及
びＤ２，Ｄ４といった読出し時間の異なった信号を加算
することが困難であり、また、ダイオードＤ１，Ｄ２に
より検出された加算電荷を列方向に読み出すこと、及
び、ダイオードＤ３，Ｄ４により検出された加算電荷を
列方向に読み出すことができない。これにより、二次元
画像情報を行方向（垂直方向）及び列方向（水平方向）
の１次元情報として射影することが困難となるという問
題がある。

【０００８】このことで、当該固体撮像素子をパターン
検査装置等に応用する場合であって、被撮像対象のエッ
ジ部を抽出する要求等があった場合には、出力アンプ４
から得られるシリアル画像データＤOUT を一端メモリ等
に展開し、外部のコンピュータにより画像処理をする必
要がある。なお、視覚情報処理チップやネットワーク方
式の固体撮像素子では、素子形成が困難なことから、数
十画素〜数百画素程度が実現されているに過ぎない。

【０００９】本発明は、かかる従来例の問題点に鑑み創
作されたものであり、各画素毎に、行・列方向に電荷を
出力するトランジスタを配置し、行・列単位に加算機能
を持たせることにより、二次元画像情報を行・列方向の
独立した１次元情報として射影すること、及び、画像数
の増大化を容易に図ることが可能となる固体撮像素子の
提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図１，２は、本発明に係
る固体撮像素子の原理図（その１，２）をそれぞれを示
している。本発明の第１の固体撮像素子は、図１に示す
ように、行選択信号φＶｉに基づいて行読出し線Ｌｖ
に、及び、列選択信号φＨｉに基づいて列読出し線Ｌｈ
に、それぞれ電荷を出力する光電変換素子１１と、行リ
セット信号φＲＶに基づいて前記行読出し線Ｌｖの電荷
を加算する第１の電荷加算素子１２と、列リセット信号
φＲＨに基づいて前記列読出し線Ｌｈの電荷を加算する
第２の電荷加算素子１３とを備えることを特徴とする。

【００１１】本発明の第２の固体撮像素子は、行選択信
号φＶｉに基づいて前記第１の電荷加算素子１２の出力
制御をするスイッチング素子Ｓｖが設けられ、列選択信
号φＨｉに基づいて前記第２の電荷加算素子１３の出力
制御をするスイッチング素子Ｓｈがそれぞれ設けられる
ことを特徴とする。本発明の第１及び第２の固体撮像素
子において、前記光電変換素子１１は、受光によって電
荷を発生するダイオードＤｉと、列選択信号φＨｉに基
づいて前記電荷を行読出し線Ｌｖに出力する第１のトラ
ンジスタＴ１と、行選択信号φＶｉに基づいて前記電荷
を列読出し線Ｌｈに出力する第２のトランジスタＴ２と
を有することを特徴とする。

【００１２】本発明の第１及び第２の固体撮像素子にお
いて、前記第１の電荷加算素子１２は、前記行読出し線
Ｌｖの電荷を電圧に変換する増幅素子Ａｖと、行リセッ
ト信号φＲＶに基づいて前記行読出し線Ｌｖをリセット
するトランジスタＴｖとを有し、前記第２の電荷加算素
子１３は、前記行読出し線Ｌｈの電荷を電圧に変換する
増幅素子Ａｈと、行リセット信号φＲＨに基づいて前記
行読出し線ＬｈをリセットするトランジスタＴｈとを有
することを特徴とする。

【００１３】本発明の第１及び第２の固体撮像素子にお
いて、前記行リセット信号φＲＶ及び列リセット信号φ
ＲＶは、加算モード又は撮像モードに応じたタイミング
に可変されることを特徴とする。本発明の第１及び第２
の固体撮像素子において、前記増幅素子Ａｖ，Ａｈは、
電界効果トランジスタ及び負荷素子を有するソースフォ
ロアアンプ回路から成ることを特徴とする。

【００１４】本発明の第１及び第２の固体撮像素子にお
いて、前記負荷素子は、複数のソースフォロアアンプ回
路に対し共通して使用されることを特徴とし、上記目的
を達成する。

【００１５】

【作 用】本発明の第１の固体撮像素子の動作を説明す
る。例えば、受光によって図２（Ａ）に示すようなダイ
オードＤｉにより電荷が発生され、この状態で、行選択
信号φＶｉ及び列選択信号φＨｉが光電変換素子１１に
供給されると、これら信号φＶｉ，φＨｉに基づいて行
読出し線Ｌｖ及び列読出し線Ｌｈに、それぞれ電荷が出
力される。

【００１６】すなわち、列選択信号φＨｉ＝「Ｈ」レベ
ルで、第１のトランジスタＴ１がＯＮ動作し、電荷が行
読出し線Ｌｖに出力される。また、行選択信号φＶｉ＝
「Ｈ」レベルで、第２のトランジスタＴ２がＯＮ動作
し、電荷を列読出し線Ｌｈにそれ出力される。また、第
１の電荷加算素子１２では、例えば、行リセット信号φ
ＲＶ＝「Ｌ」レベルがトランジスタＴｖに供給される
と、行読出し線Ｌｖがリセットされ、図２（Ｂ）に示す
ような増幅素子Ａｖにより、行読出し線Ｌｖの電荷が加
算されてそれが電圧に変換される。

【００１７】同様に、第２の電荷加算素子１３では、例
えば、列リセット信号φＲＨ＝「Ｌ」レベルがトランジ
スタＴｈに供給されると、列読出し線Ｌｈがリセットさ
れ、増幅素子Ａｈにより列読出し線Ｌｈの電荷が電圧に
変換される。このため、ダイオードＤｉにより検出され
た電荷を列方向及び行方向にそれぞれに読み出すこと、
及び、各電荷加算素子１２，１３の入力点で、それら電
荷を列単位毎に及び行単位毎にそれぞれ加算することが
可能となる。

【００１８】これにより、光電変換素子１１により得ら
れた二次元画像情報を行方向（垂直方向）及び列方向
（水平方向）の１次元情報ｘ，ｙとして射影することが
可能となる。本発明の第２の固体撮像素子の動作を説明
する。例えば、行選択信号φＶｉ＝「Ｈ」レベルで、ス
イッチング素子ＳｖがＯＮ動作をすることで、第１の電
荷加算素子１２の出力電圧が他の電荷加算素子１２の出
力電圧に加算される。同様に、列選択信号φＨｉ＝
「Ｈ」レベルで、スイッチング素子ＳｈがＯＮ動作をす
ることで、第２の電荷加算素子１３の出力電圧が他の電
荷加算素子１３の出力電圧に加算される。

【００１９】このため、行・列単位に射影された１次元
情報ｘ，ｙを行・列方向で独立して加算することが可能
となる。このことで、１フレームを走査する毎に、列リ
セット信号φＲＨを「Ｈ」レベルに立ち上げる加算モー
ドを実行することが可能となる。これにより、被撮像対
象のエッジ検出機能を備えた固体撮像素子を構成するこ
とが可能となる。また、従来例のような視覚情報処理チ
ップやネットワーク方式の固体撮像素子に比べて、数千
画素〜数十万画素程度の固体撮像素子を構成することが
可能となり、当該素子をパターン検査装置等に応用する
ことが可能となる。

【００２０】なお、本発明の第１及び第２の固体撮像素
子によれば、ソースフォロアアンプ回路から成る増幅素
子Ａｖ，Ａｈが設けられ、例えば、負荷素子が複数のソ
ースフォロアアンプ回路に対し共通して使用される。こ
のため、スイッチング素子Ｓｖ又はＳｈがＯFF動作の場
合には、増幅素子Ａｖ，Ａｈから負荷素子が切り離され
る。

【００２１】これにより、スイッチング素子Ｓｖ又はＳ
ｈがＯＮ動作している増幅素子Ａｖ，Ａｈのみに電源／
接地線ＶCC−ＧND間に電流を流すことができ、当該素子
の消費電力の低減化を図ることが可能となる。

【００２２】

【実施例】次に、図を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明をする。図３〜７は、本発明の実施例に係る固
体撮像素子の説明図である。 （１）第１の実施例の説明 図３は、本発明の第１の実施例に係る固体撮像素子（２
×２）の構成図であり、図４は、本発明の各実施例に係
るアンプ及び負荷素子の説明図をそれぞれ示している。

【００２３】例えば、Ｘ−Ｙアドレス方式であって、ｘ
射影画像データＸOUT 及びｙ射影画像データＹOUT を出
力する固体撮像素子（２×２）は、図３に示すように、
４個の光電変換セル21Ａ〜21Ｄ，２個の行リセットアン
プ回路22Ａ，22Ｂ，２個の列リセットアンプ回路23Ａ，
23Ｂ，２個の行選択回路Ｓｖ１，Ｓｖ２，２個の列選択
回路Ｓｈ１，Ｓｈ２，垂直シフトレジスタ２４，水平シ
フトレジスタ２５及び２個の抵抗Ｒｘ，Ｒｙを備える。

【００２４】各光電変換セル21Ａ〜21Ｄは光電変換素子
１１の一例であり、イメージエリアを構成する。例え
ば、光電変換セル21ＡはフォトダイオードＤ11，垂直読
出し用トランジスタＭＶ11及び水平読出し用トランジス
タＭＨ11を有する。ダイオードＤ11はダイオードＤｉの
一例であり、受光によって電荷を発生する。トランジス
タＭＶ11は第１のトランジスタＴ１の一例であり、列選
択信号φＨ１に基づいて電荷を行読出し線Ｌｖ１に出力
する。トランジスタＭＨ11は第２のトランジスタＴ２の
一例であり、行選択信号φＶ１に基づいて電荷を列読出
し線Ｌｈ１に出力する。

【００２５】同様に、光電変換セル21Ｂはフォトダイオ
ードＤ12，垂直読出し用トランジスタＭＶ12及び水平読
出し用トランジスタＭＨ12を有する。トランジスタＭＶ
12は列選択信号φＨ２に基づいて電荷を行読出し線Ｌｖ
１に出力する。トランジスタＭＨ12は行選択信号φＶ１
に基づいて電荷を列読出し線Ｌｈ２に出力する。光電変
換セル21ＣはフォトダイオードＤ21，垂直読出し用トラ
ンジスタＭＶ21及び水平読出し用トランジスタＭＨ21を
有する。トランジスタＭＶ21は列選択信号φＨ１に基づ
いて電荷を行読出し線Ｌｖ１に出力する。トランジスタ
ＭＨ21は行選択信号φＶ２に基づいて電荷を列読出し線
Ｌｈ１に出力する。

【００２６】光電変換セル21ＤはフォトダイオードＤ2
2，垂直読出し用トランジスタＭＶ22及び水平読出し用
トランジスタＭＨ22を有する。トランジスタＭＶ22は列
選択信号φＨ２に基づいて電荷を行読出し線Ｌｖ２に出
力する。トランジスタＭＨ22は行選択信号φＶ２に基づ
いて電荷を列読出し線Ｌｈ２に出力する。これにより、
行選択信号φＶ１，φＶ２及び列選択信号φＨ１，φＨ
２に基づいてイメージエリアから行読出し線Ｌｖ１，Ｌ
ｖ２及び列読出し線Ｌｈ１，Ｌｈ２にそれぞれ電荷を出
力することができる。

【００２７】各行リセットアンプ回路22Ａ及び22Ｂは第
１の電荷加算素子１２の一例である。アンプ回路22Ａは
ソースフォロアアンプＡｖ１及びリセットトランジスタ
Ｔｖ１を有し、行リセット信号φＲＶに基づいて行読出
し線Ｌｖ１の電荷を加算する。ソースフォロアアンプＡ
ｖ１は、図２（Ｂ）の増幅素子Ａｖの一例であり、行読
出し線Ｌｖ１の電荷を電圧に変換する。トランジスタＴ
ｖ１は図２（Ｂ）のトランジスタＴｖの一例であり、行
リセット信号φＲＶに基づいて行読出し線Ｌｖ１をリセ
ットする。

【００２８】同様に、アンプ回路22Ｂはソースフォロア
アンプＡｖ２及びリセットトランジスタＴｖ２を有し、
行リセット信号φＲＶに基づいて行読出し線Ｌｖ２の電
荷を加算する。ソースフォロアアンプＡｖ１やＡｖ２
は、一般に、図４（Ａ）に示すように、電界効果トラン
ジスタＴ及び負荷素子Ｒｏを有する。図４（Ａ）におい
て、トランジスタＴのドレインは電源線ＶCCに接続さ
れ、そのソースが負荷素子Ｒｏの一端に接続され、当該
素子Ｒｏの他端が接地線ＧNDにそれぞれ接続される。

【００２９】しかし、本発明の実施例では、消費電力の
低減化を図るため、図４（Ｂ）に示すように、２つソー
スフォロアアンプＡｖ１，Ａｖ２に対し１つの抵抗Ｒｙ
を共通して使用する。なお、行選択回路Ｓｖ１はアンプ
Ａｖ１のソースと、抵抗Ｒｙの一端に接続し、行選択回
路Ｓｖ２はアンプＡｖ２のソースと、抵抗Ｒｙの一端に
接続する。抵抗Ｒｙの他端は接地線ＧNDに接続し、アン
プＡｖ１，Ａｖ２の各ドレインは電源線ＶCCに接続す
る。

【００３０】各列リセットアンプ回路23Ａ及び23Ｂは第
１の電荷加算素子１３の一例である。アンプ回路23Ａは
ソースフォロアアンプＡｈ１及びリセットトランジスタ
Ｔｈ１を有し、列リセット信号φＲＨに基づいて列読出
し線Ｌｈ１の電荷を加算する。ソースフォロアアンプＡ
ｈ１は、図２（Ｂ）の増幅素子Ａｖの一例であり、列読
出し線Ｌｈ１の電荷を電圧に変換する。

【００３１】トランジスタＴｈ１は図２（Ｂ）のトラン
ジスタＴｖの一例であり、列リセット信号φＲＨに基づ
いて列読出し線Ｌｈ１をリセットする。同様に、アンプ
回路23ＢはソースフォロアアンプＡｈ２及びリセットト
ランジスタＴｈ２を有し、列リセット信号φＲＨに基づ
いて列読出し線Ｌｈ２の電荷を加算する。ソースフォロ
アアンプＡｈ１，Ａｈ２と抵抗Ｒｘとは、アンプＡｖ
１，Ａｖ２と抵抗Ｒｙと同様に図４（Ｂ）に示すような
構成を採用する。

【００３２】なお、行選択回路Ｓｖ１は行選択信号φＶ
１に基づいてアンプＡｖ１の出力制御をし、行選択回路
Ｓｖ２は行選択信号φＶ２に基づいてアンプＡｖ２の出
力制御をする。列選択回路Ｓｈ１は列選択信号φＨ１に
基づいてアンプＡｈ１の出力制御をし、列選択回路Ｓｈ
２は列選択信号φＨ２に基づいてアンプＡｈ２の出力制
御をする。

【００３３】垂直シフトレジスタ２４は行選択信号φＶ
１をトランジスタＭＨ11及びＭＨ12に出力し、行選択信
号φＶ２をトランジスタＭＨ21及びＭＨ22にそれぞれ出
力する。水平シフトレジスタ２５は列選択信号φＨ１を
トランジスタＭＶ11及びＭＶ12に出力し、列選択信号φ
Ｈ２をトランジスタＭＶ21及びＭＶ22にそれぞれ出力す
る。

【００３４】次に、本発明の第１の実施例に係る固体撮
像素子の動作を説明する。図５は、本発明の第１の実施
例に係る固体撮像素子の動作波形図であり、図６は、本
発明の各実施例に係る撮像モード及び加算モードの説明
図をそれぞれ示している。例えば、受光によって図３に
示すような４個のダイオードＤ11〜Ｄ22により電荷が発
生され、この状態で、行選択信号φＶ１，φＶ２及び列
選択信号φＨ１，φＨ２が光電変換セル21Ａ〜21Ｄに供
給されると、これら信号φＶ１，φＶ２及びφＨ１，φ
Ｈ２に基づいて行読出し線Ｌｖ１，Ｌｖ２及び列読出し
線Ｌｈ１，Ｌｈ２に、それぞれ電荷が出力される。

【００３５】ここで、加算モードの場合の動作を説明す
る。加算モードとは列単位の１次元情報ｘを加算するラ
イン数を指定するモードであり、具体的には、列リセッ
ト信号φＲＨのタイミングを可変することにより実行す
る。本発明の実施例では、１フレームを走査する毎に、
φＲＨを「Ｈ」レベルに立ち上げる。例えば、図５の動
作波形図に示すように、列リセット信号φＲＨが「Ｌ」
レベル，行リセット信号φＲＶが「Ｌ」レベルであり、
行選択信号φＶ１が「Ｈ」レベル，φＶ２が「Ｌ」レベ
ルで、列選択信号φＨ１が「Ｈ」レベル，φＨ２が
「Ｌ」レベルとなる。この場合、トランジスタＭＶ11，
ＭＶ21，ＭＨ11及びＭＨ12が共にＯＮ動作し、トランジ
スタＭＶ12，ＭＶ22，ＭＨ21及びＭＨ22が共にＯFF動作
する。

【００３６】これにより、ダイオードＤ11により発生さ
れた電荷が行・列方向に読み出される。例えば、ダイオ
ードＤ11の電荷は列読出し線Ｌｈ１からアンプＡｈ１に
出力され、これがアンプＡｈ１によって電圧に変換さ
れ、Ｄ11の電荷に基づく出力電圧が列選択回路Ｓｈ１を
通過してｘ射影画像データＸOUT となる。同時に、ダイ
オードＤ11の電荷は行読出し線Ｌｖ１からアンプＡｖ１
に出力され、これがアンプＡｖ１によって電圧に変換さ
れ、Ｄ11の電荷に基づく出力電圧が行選択回路Ｓｖ１を
通過してｙ射影画像データＹOUT となる。

【００３７】また、行選択信号φＶ１が「Ｈ」レベル，
φＶ２が「Ｌ」レベルのままで、列選択信号φＨ１が
「Ｌ」レベル，φＨ２が「Ｈ」レベルになると、トラン
ジスタＭＨ11及びＭＨ12はＯＮ動作を継続し、トランジ
スタＭＨ21，ＭＨ22はＯFF動作を継続し、トランジスタ
ＭＶ12，ＭＶ22がＯＮ動作をし、トランジスタＭＶ11及
びＭＶ21が共にＯFF動作する。

【００３８】これにより、ダイオードＤ12により発生さ
れた電荷が行・列方向に読み出される。例えば、ダイオ
ードＤ12の電荷は列読出し線Ｌｈ２からアンプＡｈ２に
出力され、これがアンプＡｈ２によって電圧に変換さ
れ、Ｄ12の電荷に基づく出力電圧が列選択回路Ｓｈ２を
通過してｘ射影画像データＸOUT となる。同時に、ダイ
オードＤ12の電荷は行読出し線Ｌｖ２からアンプＡｖ２
に出力され、これがアンプＡｖ２によって電圧に変換さ
れ、Ｄ11＋Ｄ12の電荷に基づく出力電圧が行選択回路Ｓ
ｖ２を通過してｙ射影画像データＹOUT となる。

【００３９】さらに、図５に示すように列リセット信号
φＲＨが「Ｌ」レベルのままで、行リセット信号φＲＶ
が「Ｈ」レベルとなり、行選択信号φＶ１が「Ｌ」レベ
ル，φＶ２が「Ｈ」レベルで、列選択信号φＨ１が
「Ｈ」レベル，φＨ２が「Ｌ」レベルとなる。この場合
には、トランジスタＭＶ11，ＭＶ21，ＭＨ21及びＭＨ22
が共にＯＮ動作し、トランジスタＭＶ12，ＭＶ22，ＭＨ
11及びＭＨ12が共にＯFF動作する。

【００４０】これにより、ダイオードＤ21により発生さ
れた電荷が行・列方向に読み出される。例えば、ダイオ
ードＤ21の電荷は列読出し線Ｌｈ１からアンプＡｈ１に
出力され、これがアンプＡｈ１によって電圧に変換さ
れ、Ｄ11＋Ｄ21の電荷に基づく出力電圧が列選択回路Ｓ
ｈ１を通過してｘ射影画像データＸOUT となる。同時
に、ダイオードＤ21の電荷は行読出し線Ｌｖ１からアン
プＡｖ１に出力され、これがアンプＡｖ１によって電圧
に変換され、Ｄ21の電荷に基づく出力電圧が行選択回路
Ｓｖ１を通過してｙ射影画像データＹOUT となる。

【００４１】また、行選択信号φＶ１が「Ｌ」レベル，
φＶ２が「Ｈ」レベルのままで、列選択信号φＨ１が
「Ｌ」レベル，φＨ２が「Ｈ」レベルになると、トラン
ジスタＭＨ21及びＭＨ22はＯＮ動作を継続し、トランジ
スタＭＨ11，ＭＨ12はＯFF動作を継続し、トランジスタ
ＭＶ12，ＭＶ22がＯＮ動作をし、トランジスタＭＶ11及
びＭＶ21が共にＯFF動作する。

【００４２】これにより、ダイオードＤ22により発生さ
れた電荷が行・列方向に読み出される。例えば、ダイオ
ードＤ22の電荷は列読出し線Ｌｈ２からアンプＡｈ２に
出力され、これがアンプＡｈ２によって電圧に変換さ
れ、Ｄ21＋Ｄ22の電荷に基づく出力電圧が列選択回路Ｓ
ｈ２を通過してｘ射影画像データＸOUT となる。同時
に、ダイオードＤ22の電荷は行読出し線Ｌｖ２からアン
プＡｖ２に出力され、これがアンプＡｖ２によって電圧
に変換され、Ｄ21＋Ｄ22の電荷に基づく出力電圧が行選
択回路Ｓｖ２を通過してｙ射影画像データＹOUT とな
る。

【００４３】これにより、図６（Ｂ）に示すような被撮
像対象のエッジを検出することが可能となる。なお、従
来例と同様に図６（Ａ）に示すような撮像モードを実行
することもできる。このようにして、本発明の第１の実
施例に係る固体撮像素子によれば、図３に示すように、
光電変換セル21Ａ〜21Ｄ，行リセットアンプ回路22Ａ，
22Ｂ，列リセットアンプ回路23Ａ，23Ｂ，行選択回路Ｓ
ｖ１，Ｓｖ２及び列選択回路Ｓｈ１，Ｓｈ２を備える。

【００４４】このため、４個のダイオードＤ11〜Ｄ22に
より検出された電荷を列方向及び行方向にそれぞれに読
み出すこと、及び、各アンプ回路22Ａ，22Ｂ，23Ａ，23
Ｂの入力点で、それら電荷を列単位毎に及び行単位毎に
それぞれ加算することが可能となる。このことで、図５
に示したように、光電変換セル21Ａ〜21Ｄにより得られ
た二次元画像情報を行方向（垂直方向）及び列方向（水
平方向）の１次元情報ｘ，ｙとして射影することが可能
となる。

【００４５】すなわち、水平リセット用のトランジスタ
Ｔｈ１，Ｔｈ２がＯFF動作している期間に列方向の電荷
を読出すことで、Ｙ（列）方向の電荷を１画素毎に加算
（Ｄ11＋Ｄ12＋Ｄ21＋Ｄ22）したｘ射影画像データＸOU
T が得られる。同様に、垂直リセット用のトランジスタ
Ｔｖ１，Ｔｖ２がＯFF動作している期間に行方向の電荷
を読出すことで、Ｘ（行）方向の電荷を１画素置きに加
算（Ｄ11＋Ｄ12，Ｄ21＋Ｄ22）したｙ射影画像データＹ
OUT が得られる。

【００４６】従って、この加算後の両画像データＸOUT
，ＹOUT をサンプルホールドし、外部画像処理回路に
読み込むことができる。このサンプルホールドの際に
は、ｙ射影画像データＹOUT につき、サンプルタイミン
グを工夫する必要がある。また、本発明の第１の実施例
によれば、２つのソースフォロアアンプＡｖ１，Ａｖ２
に対し抵抗Ｒｙが共通して使用され、ソースフォロアア
ンプＡｈ１，Ａｈ２に対し抵抗Ｒｘが共通して使用され
る。

【００４７】このため、行選択回路Ｓｖ１，Ｓｖ２又は
列選択回路Ｓｈ１，Ｓｈ２のいずれかがＯFF動作の場合
には、アンプＡｖ１又はＡｖ２から抵抗Ｒｙが切り離さ
れ、アンプＡｈ１又はＡｈ２から抵抗Ｒｘが切り離され
る。これにより、回路Ｓｖ１，Ｓｖ２又はＳｈ１，Ｓｈ
２がＯＮ動作している期間のみ、アンプＡｖ１又はＡｖ
２、Ａｈ１又はＡｈ２に電流が流れる。このことで、当
該固体撮像素子の消費電力の低減化が図れる。また、こ
れまで外部の画像処理装置等で行っていた輪郭抽出等の
データ処理を固体撮像素子内部で実行することが可能と
なる。

【００４８】これにより、被撮像対象のエッジ検出機能
（前処理機能）を内部に備えた固体撮像素子を構成する
ことが可能となる。また、従来例のような視覚情報処理
チップやネットワーク方式の固体撮像素子に比べて、数
千画素〜数十万画素程度の固体撮像素子を構成すること
が可能となり、当該素子をパターン検査装置等に応用す
ることで、その性能向上が見込まれる。

【００４９】（２）第２の実施例の説明 図７（Ａ）は、本発明の第２の実施例に係る固体撮像素
子（一次元）の構成図であり、図７（Ｂ）は、その応用
例に係る構成図をそれぞれ示している。第２の実施例で
は第１の実施例と異なり、ラインＣＣＤセンサ（一次元
の固体撮像素子）を構成する。

【００５０】例えば、射影画像データＤOUT を出力する
ラインＣＣＤセンサ 100は図７（Ａ）に示すように、ｎ
個の光電変換セル31Ａ，31Ｂ〜31ｎ，シフトレジスタ３
２，リセットアンプ回路33Ａ，33Ｂ〜33ｎ，画素選択回
路Ｓ１，Ｓ２〜Ｓｎ及び１個の抵抗Ｒｏを備える。各光
電変換セル31Ａ，31Ｂ〜31ｎはイメージラインを構成す
る。例えば、光電変換セル31ＡはフォトダイオードＤ
１，読出し用トランジスタＭＨ１を有する。トランジス
タＭＨ１は画素選択信号φＨ１に基づいて電荷を読出し
線Ｌ１に出力する。

【００５１】同様に、光電変換セル31Ｂはフォトダイオ
ードＤ２，読出し用トランジスタＭＨ２を有する。トラ
ンジスタＭＨ２は画素選択信号φＨ２に基づいて電荷を
読出し線Ｌ２に出力する。ｎ番目の光電変換セル31ｎも
フォトダイオード，読出し用トランジスタを有する。各
リセットアンプ回路33ＡはソースフォロアアンプＡ１及
びリセットトランジスタＴ１を有し、リセット信号φＲ
に基づいて読出し線Ｌ１の電荷を加算する。ソースフォ
ロアアンプＡ１は、読出し線Ｌ１の電荷を電圧に変換す
る。トランジスタＴ１はリセット信号φＲに基づいて読
出し線Ｌ１をリセットする。

【００５２】同様に、アンプ回路33Ｂはソースフォロア
アンプＡ２及びリセットトランジスタＴ２を有し、リセ
ット信号φＲに基づいて読出し線Ｌ２の電荷を加算す
る。ｎ番目のリセットアンプ回路33ｎもソースフォロア
アンプ及びリセットトランジスタを有し、リセット信号
φＲに基づいて読出し線Ｌｎの電荷を加算する。なお、
画素選択回路Ｓ１は画素選択信号φＨ１に基づいてアン
プＡ１の出力制御をし、画素選択回路Ｓ２は画素選択信
号φＨ２に基づいてアンプＡ２の出力制御をする。ｎ番
目の画素選択回路Ｓｎは画素選択信号φＨｎに基づいて
アンプＡの出力制御をする。

【００５３】シフトレジスタ３２は画素選択信号φＨ１
をトランジスタＭＨ１及びＳ１に出力し、信号φＨ２を
トランジスタＭＨ２及びＴ２に出力し、信号φＨｎをｎ
番目の光電変換セル31ｎ及び画素選択回路Ｓｎに出力す
る。これにより、画素選択信号φＨ１〜φＨｎに基づい
て読出し線Ｌ１〜Ｌｎにそれぞれ電荷を出力することが
できる。その他の構成及び第１の実施例と同じ名称のも
のは、同じ機能を有するため、その説明を省略する。

【００５４】このようにして、本発明の第２の実施例に
係るラインＣＣＤセンサ 100によれば、図７（Ａ）に示
すように、ｎ個の光電変換セル31Ａ，31Ｂ〜31ｎ，シフ
トレジスタ３２，リセットアンプ回路33Ａ，33Ｂ〜33
ｎ，画素選択回路Ｓ１，Ｓ２〜Ｓｎ及び１個の抵抗Ｒｏ
を備える。このため、図７（Ｂ）に示すように、当該ラ
インＣＣＤセンサ 100と、反射鏡102 及びポリゴンミラ
ー102 等により、簡易な画像取得装置を構成することが
可能となる。例えば、反射鏡102 を介して被撮像対象が
受光され、それがポリゴンミラー102 により、ラインＣ
ＣＤセンサ 100上に走査されると、順次、ｎ個の光電変
換セル31Ａ，31Ｂ〜31ｎにより電荷が発生される。この
状態で、画素選択信号φＨ１，φＨ２…が光電変換セル
31Ａ，31Ｂ〜31ｎに供給されると、これら信号φＨ１，
φＨ２…に基づいて順次、トランジスタＭＨ１，ＭＨ２
…がＯＮ動作をし、読出し線Ｌ１〜Ｌｎにそれぞれ電荷
が出力される。

【００５５】これにより、ダイオードＤ１，Ｄ２…によ
り発生された電荷が水平ライン毎に加算され、それが射
影画像データＤOUT となる。このことで、第１の実施例
の列方向の読出し機能を応用した簡易パターン検査装置
等を構成することが可能となる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
素子によれば、光電変換素子，第１，第２の電荷加算素
子を備え、行リセット信号に基づいて行読出し線の電荷
が第１の電荷加算素子により加算され、列リセット信号
に基づいて列読出し線の電荷が第２の電荷加算素子によ
り加算される。

【００５７】このため、光電変換素子の各ダイオードに
より検出された電荷を列方向及び行方向にそれぞれに読
み出すこと、及び、各電荷加算素子の入力点で、それら
電荷を列単位毎に及び行単位毎にそれぞれ加算すること
が可能となる。また、本発明の他の固体撮像素子によれ
ば、各電荷加算素子の出力にスイッチング素子がそれぞ
れ設けられる。

【００５８】このため、行・列単位に射影された１次元
情報を行・列方向で独立して加算することが可能とな
り、光電変換素子により得られた二次元画像情報を行方
向（垂直方向）及び列方向（水平方向）の１次元情報と
して射影することが可能となる。これにより、被撮像対
象のエッジ検出機能を備えた低電力消費型の固体撮像素
子を構成すること、及び、従来例に比べて、撮像画像数
の増加を図ること可能となる。このことで、当該固体撮
像素子を応用した高性能かつ高速画像処理可能なパター
ン検査装置等の提供に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子の原理図（その１）
である。

【図２】本発明に係る固体撮像素子の原理図（その２）
である。

【図３】本発明の第１の実施例に係る固体撮像素子（２
×２）の構成図である。

【図４】本発明の各実施例に係るアンプ及び負荷素子の
説明図である。

【図５】本発明の第１の実施例に係る固体撮像素子の動
作波形図である。

【図６】本発明の各実施例に係る撮像モード及び加算モ
ードの説明図である。

【図７】本発明の第２の実施例に係る固体撮像素子（一
次元）の構成図である。

【図８】従来例に係る固体撮像素子（２×２）の構成図
である。

【図９】従来例に係る固体撮像素子の動作波形図であ
る。

【符号の説明】

１１…光電変換素子、 １２…第１の電荷加算素子、 １３…第２の電荷加算素子、 Ｔ１，Ｔ２…第１，第２のトランジスタ、 Ｄｉ…ダイオード、 Ｓｖ，Ｓｈ…スイッチング素子、 Ａｖ…増幅素子、 Ｔｖ…トランジスタ、 φＶｉ…行選択信号、 φＨｉ…列選択信号、 φＲＶ…行リセット信号、 φＲＨ…列リセット信号、 Ｌｖ…行読出し線、 Ｌｈ…列読出し線、 ｘ，ｙ…一次元情報。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 行選択信号（φＶｉ）に基づいて行読出
   し線（Ｌｖ）に、及び、列選択信号（φＨｉ）に基づい
   て列読出し線（Ｌｈ）に、それぞれ電荷を出力する光電
   変換素子（１１）と、 行リセット信号（φＲＶ）に基づいて前記行読出し線
   （Ｌｖ）の電荷を加算する第１の電荷加算素子（１２）
   と、 列リセット信号（φＲＨ）に基づいて前記列読出し線
   （Ｌｈ）の電荷を加算する第２の電荷加算素子（１３）
   とを備えることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 行選択信号（φＶｉ）に基づいて前記第
   １の電荷加算素子（１２）の出力制御をするスイッチン
   グ素子（Ｓｖ）が設けられ、 列選択信号（φＨｉ）に基づいて前記第２の電荷加算素
   子（１３）の出力制御をするスイッチング素子（Ｓｈ）
   がそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１記載の
   固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記光電変換素子（１１）は、受光によ
   って電荷を発生するダイオード（Ｄｉ）と、列選択信号
   （φＨｉ）に基づいて前記電荷を行読出し線（Ｌｖ）に
   出力する第１のトランジスタ（Ｔ１）と、行選択信号
   （φＶｉ）に基づいて前記電荷を列読出し線（Ｌｈ）に
   出力する第２のトランジスタ（Ｔ２）とを有することを
   特徴とする請求項１及び２記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記第１の電荷加算素子（１２）は、前
   記行読出し線（Ｌｖ）の電荷を電圧に変換する増幅素子
   （Ａｖ）と、行リセット信号（φＲＶ）に基づいて前記
   行読出し線（Ｌｖ）をリセットするトランジスタ（Ｔ
   ｖ）とを有し、 前記第２の電荷加算素子（１３）は、前記行読出し線
   （Ｌｈ）の電荷を電圧に変換する増幅素子（Ａｈ）と、
   行リセット信号（φＲＨ）に基づいて前記行読出し線
   （Ｌｈ）をリセットするトランジスタ（Ｔｈ）とを有す
   ることを特徴とする請求項１及び２記載の固体撮像素
   子。
5. 【請求項５】 前記行リセット信号（φＲＶ）及び列リ
   セット信号（φＲＶ）は、加算モード又は撮像モードに
   応じたタイミングに可変されることを特徴とする請求項
   １及び２記載の固体撮像素子。
6. 【請求項６】 前記増幅素子（Ａｖ，Ａｈ）は、電界効
   果トランジスタ及び負荷素子を有するソースフォロアア
   ンプ回路から成ることを特徴とする請求項４記載の固体
   撮像素子。
7. 【請求項７】 前記負荷素子は、複数のソースフォロア
   アンプ回路に対し共通して使用されることを特徴とする
   請求項６記載の固体撮像素子。