光传感器及其信号读出方法、以及区域式光传感器及其信号读出方法与流程

本发明涉及一种特别是应用于进行光学测定/分析等的装置的能够以摄像速度为每秒100万帧以上的高速读出清晰的图像的光传感器及其信号读出方法、以及区域式光传感器及其信号读出方法。

背景技术：

随着科学技术的发展、网络社会的渗透，线状或区域状的光传感器、固体摄像装置等(以后也将它们中的任一个称为“光传感器”、或者统称为“光传感器”)的需求飞速增长。其中，特别是应用于进行光学测定/分析等的装置的应对高灵敏度/高速/宽动态范围/宽光波长频带的光传感器、应对静止图像/运动图像的固体摄像装置作为开拓新市场的必须项目而受到市场的强烈需求。特别是动态范围更宽的光传感器、固态摄像装置在应对医用/医药/健康/看护市场、生命科学市场、形成放心安全社会所需的防灾、预防犯罪市场、4k、8k广播时代等中受到迫切期待。

作为应对高灵敏度/高速/宽动态范围/宽光波长频带的光传感器、固体摄像装置的例子，例如记载在专利文献1中。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开wo2016080337

技术实现要素：

发明要解决的问题

专利文献1所记载的光传感器/固体摄像装置(以后，对于光传感器、固体摄像装置中的任一方或两方有时记为“光传感器”)在应对高灵敏度/高速/宽动态范围/宽光波长频带方面确实比以往更优异，但是为了满足上述市场、时代的需要，在发挥这些优点的同时，寻求进一步的高速应对。

然而，上述的光传感器在作为受光元件之一的光电二极管(以后有时还简称为“pd”)与浮动扩散电容器(以后有时还简称为“cfd”)之间设置有传送开关，通过使该传送开关接通-断开(on-off)来向所述浮动扩散电容器(cfd)传送所述光电二极管(pd)中存在的电荷。为此，需要使传送开关接通-断开所需的像素驱动脉冲的建立时间(settlingtime)，因此限制了帧频的高速化。另外，需要将多个像素驱动脉冲高速地传播至像素区域整体，提高了功耗。

此外，如果没有特别说明，则在本案中记为“像素”的情况下的该像素是指由受光元件(pd)和浮动扩散电容器(cfd)构成。

本发明是鉴于上述的点而完成的，其主要的目的在于提供一种能够维持在光电二极管等受光元件(pd)与浮动扩散电容器(cfd)之间设置有传送开关的以往的光传感器的优点和优势的同时比以往更高速地进行读取、并能够进一步降低功耗的光传感器。

用于解决问题的方案

本发明是鉴于上述的点专心研究所开发出的结果，其特征之一是一种光传感器的信号读出方法以及在该信号读出方法中使用的光传感器，其特征在于，通过受光元件接收光，所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件的电子的势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连，在所述接收光的期间内设置的同一帧期间中依次进行至少两次的蓄积工序，所述蓄积工序是将与该接收光相应地在所述受光元件的内部产生的电子按照所述势能曲线进行移送并蓄积到势阱中的工序。

本发明的另一个特征是一种光传感器及其信号读出方法，其特征在于具有受光元件、浮动扩散电容器以及像素信号输出线，所述浮动扩散电容器直接与该受光元件电连接，蓄积由输入到该受光元件的光产生的电荷，信号读出路径与所述像素信号输出线连接，

所述受光元件的电容(cpd)与所述浮动扩散电容器的电容(cfd)具有以下关系：

0.0008≤(cpd)/(cfd)≤0.8...........(1）

4.0×10^-18f≤(cpd)≤4.0×10^-16f.....(2)

5.0×10^-16f≤(cfd)≤5.0×10^-15f......(3)

所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件的电子的势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连。

本发明的另一个特征是一种区域式光传感器及其信号读出方法，具备：

光传感器像素电路部，其具备光传感器像素电路和像素内相关双采样电路，所述光传感器像素电路具备受光元件和浮动扩散电容器，所述浮动扩散电容器直接与该受光元件电连接，蓄积由输入到该受光元件的光产生的电荷，所述受光元件的半导体结部被完全耗尽，并且所述受光元件具有电子的势能曲线，所述势能曲线朝向所述浮动扩散电容器的方向进行负的倾斜，该势能曲线保持着该负的倾斜的状态地与所述浮动扩散电容器的电子势阱的最上部相连，所述光传感器像素电路具有在时间轴上择一地使用的两个输出系统，所述像素内相关双采样电路基于第一输出(a1)和第二输出(b1)进行噪声消除来输出信号(ab1)，所述第一输出(a1)和第二输出(b1)是从一个输出系统输出的基于通过光照射而在所述受光元件内产生的光电荷量的输出；以及

模拟存储器电路部，其具备模拟存储器阵列、存储器单元行选择开关阵列以及存储器读出电路，所述模拟存储器阵列是将多个存储器单元进行阵列配置而得到的，所述存储器单元用于保持所述信号(ab1)、以及从另一个输出系统输出的第一输出(a2)及第二输出(b2)中的任一个输出的信号，所述存储器单元行选择开关阵列用于选择任一个存储器单元配设行，所述存储器读出电路用于读出任一个存储器单元中保持的信号。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种能够维持以往的光传感器的优点和优势的同时比以往更高速地进行读取、并能够进一步降低功耗的光传感器以及利用该光传感器的信号读出方法。

本发明的其它的特征和优点通过参照附图在下面进行的说明会变得更加清楚。此外，在附图中，对相同或同样的结构标注相同的参照编号。

附图说明

附图包含于说明书中，构成说明书的一部分，表示本发明的实施方式，与对其的描述一起用于说明本发明的原理。

图1是用于说明本发明的光传感器的优选的实施方式的典型例之一的像素电路部的电路说明图。

图2a是用于说明作为本发明的优选的实施方式的光电传感器的像素驱动的原理的势能说明图，并且是复位完成时(t1)的说明图。

图2b是用于说明作为本发明的优选的实施方式的光电传感器的像素驱动的原理的势能说明图，并且是第一电压信号读出时(t2)的说明图。

图2c是用于说明作为本发明的优选的实施方式的光电传感器的像素驱动的原理的势能说明图，并且是第二电压信号读出时(t3)的说明图。

图3是本发明所涉及的光传感器的模拟存储器电路部的电路说明图。

图4是示出本发明所涉及的光传感器的像素驱动的定时以及浮动扩散电容电压(vfd)的时间推移的一个例子的时序图。

图5是示出本发明的光传感器的像素驱动的定时以及浮动扩散电容电压(vfd)的时间推移的另一个例子的时序图。

图6是用于说明本发明的图像传感器的结构的框图。

图7是示出本发明所涉及的构成受光信号生成及保持元件的光传感器像素电路部100、模拟存储器电路部300以及像素输出信号线(pixel_out)117的配置的例子的布局图。

图8是示出本发明所涉及的构成受光信号生成及保持元件的光传感器像素电路部100、模拟存储器电路部300以及像素输出信号线(pixel_out)117的配置的另一个例子的布局图。

具体实施方式

图1是用于说明本发明的光传感器的优选的实施方式的典型例之一的像素电路部的电路说明图。

图1所示的光传感器像素电路部100具备光传感器像素电路101a和像素内相关双采样电路(in-pixelcds)101b。

光传感器像素电路101a具备受光元件(pd)102、浮动扩散电容器(cfd)103、复位晶体管(r)104、第一源极跟随器晶体管(sf1)105、第一选择晶体管(x1)106、第一电流源晶体管(cs1)107、像素内相关双采样选择开关(cds)108以及像素内相关双采样旁路开关(cdsb)109。

在图1中，作为受光元件(pd)102的优选例之一，示出了光电二极管(pd)，但是也可以是除此以外的光电晶体管。

在像素内相关双采样电路101b中具备像素内相关双采样耦合电容(cc)110、像素内相关双采样保持电容(csh)111、像素内相关双采样复位晶体管(ns)112、第二源极跟随器晶体管(sf2)113、第二选择晶体管(x2)114、第二选择晶体管(x2’)115以及第二电流源晶体管(cs2)116。

从像素内相关双采样电路101b布线有用于向下一电气电路传送信号的像素输出信号线(pixel_out)117。

本发明的光传感器的相对于现有例而言进步、有用且较大的特征在于与受光元件(pd)102的物理结构及其光电荷(电子)有关的势能。

在受光元件(pd)102的内部结构中设置有至少一个将2个不同类型的半导体型(p⁺型、p型、p^-型、i型、n⁺型、n型、n^-型)的半导体层区域接合而形成的半导体结。

在本发明中，在受光元件(pd)102的半导体结的区域形成有完全耗尽或者实质完全耗尽(以后有时记为包含任意含义的“完全耗尽型”)的势能(与光电荷有关)。

在本发明中，“完全耗尽”是指，如图2a～图2c所示，在势能分区201中，势能位移(或者，倾斜或梯度)从图2的左侧末端至右侧末端逐渐减少。

在本发明中，“实质完全耗尽”是指，形成有通过接收光而在受光元件(pd)102的半导体结的区域产生的光电荷能够被顺利地移送到相邻的浮动扩散电容器(cfd)103中的形状的势能位移。

在后面记述它们的详细内容。

在本发明的光传感器中，更优选为以受光元件(pd)102的电容(cpd)与浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)的关系满足下面的式子的方式设定电容(cpd)和电容(cfd)。

0.0008≤(cpd)/(cfd)≤0.8...............(1)

4.0×10^-18f≤(cpd)≤4.0×10^-16f....(2)

5.0×10^-16f≤(cfd)≤5.0×10^-15f......(3)

下面，关于式(1)～(3)在本发明中的技术含义进行说明。

在本发明的光传感器的像素中，

饱和电荷量为

“vsat×(cpd+cpd)/q”......(a)，

因此电荷电压变换增益通过

“q/(cfd+cpd)”............(b)

来给出。

在此，

“cpd”设为完全耗尽型受光元件(pd)102的电容，

“cfd”设为浮动扩散电容器(cfd)103的电容，

“vsat”设为浮动扩散电容器(cfd)103中的饱和信号电压，

“q”设为元电荷量。

在本发明中，受光元件(pd)102的内部结构中的半导体结区域可以为侧向(lateral)型、垂直(vertical)型中的任一个，但是更优选地采用垂直(vertical)型。

电容“cpd”与受光元件(pd)102的半导体结的接合面积成比例。

“接合面积”与受光元件(pd)102的光入射侧的面积(光实际照射的面积：受光面积)并不一定相同，也存在大于受光面积的情况。

以后也存在将“光入射侧的面积”简写为“面积”的情况。

为了提高受光元件102的灵敏度来使光传感器高灵敏度化，如果使受光元件102的受光面积增大，则相同照射光量条件下的每个像素(一个受光元件)的光电荷数变多，因此灵敏度增加，但是由于光电荷的最大移动距离变长，因此提高时间分辨率(以后有时也称为“同时性”)(高速读出)变难。

此处所说的“光电荷的最大移动距离”是指通过受光元件(pd)102接收来自外部的光而在受光元件(pd)102的半导体结处产生的光电荷向浮动扩散电容器(cfd)103移动的距离(移动距离)中的最大的移动距离。

对于在浮动扩散电容器(cfd)103附近产生的光电荷与在离浮动扩散电容器(cfd)103较远处产生的光电荷，到达浮动扩散电容器(cfd)103所花费的时间不同。在离浮动扩散电容器(cfd)103较远处产生的光电荷到达浮动扩散电容器(cfd)103所花费的时间(到达时间)更多。如果该到达时间之差变大，例如，当要进行高速摄像而不断加快帧频时，尽管在相同的时刻产生了光电荷，但是到达时间慢于帧频的光电荷在后续的帧中被检测为光信号，有效的时间分辨率逊色于帧频。

在本发明中，以确保应对高光敏度为前提来设计受光元件(pd)102的物理结构，使得受光元件(pd)102内产生的光电荷的移动时间之差成为最小限度以提高该时间分辨率来应对高速读出。

作为本发明中的完全耗尽型的受光元件(pd)102的受光面积，优选为能够充分确保受光光量并且能够在10nsec以内收集所产生的光电荷的面积。作为这样的面积，优选的是，期望为5&micro；m见方(日语：5&micro；m角)至50&micro；m见方(日语：50&micro；m角)。

因而，期望受光元件(pd)102的电容(cpd)处于受光面积相当于5&micro；m见方的4.0×10-18f以上至相当于50&micro；m见方的4.0×10-16f以下的范围。

在本发明中，由于浮动扩散电容器(cfd)103直接连接于形成用于向浮动扩散电容器(cfd)103的方向漂移输送光电荷的电场的完全耗尽型的受光元件(pd)102，因此优选的是对电容(cfd)和电容(cpd)进行设定使得电荷电压变换增益、饱和电荷数不易影响受光元件(pd)102的受光面积、布局。

优选的是，期望电容(cfd)大于电容(cpd)，更优选的是，期望在能够忽略电容(cpd)的情况下，电容(cfd)大于电容(cpd)，(cfd+cpd)与电容(cfd)一致、或者大致一致。

当电容(cpd)变大到对于电容(cfd)而言无法忽略的程度时，即使受光元件(pd)102的受光面积略微改变，与(cfd+cpd)成反比例的电荷电压变换增益、与(cfd+cpd)成比例的饱和电荷数也受其影响而变动。在该情况下，在本发明中，只要是处于能够达成本发明的目的的范围内就可以忽略该变动，因此在能够忽略该变动的范围内能够容许因受光元件(pd)102的设计而产生的偏差。

在本发明中，电荷电压变换增益高能够减少噪声，但是如果为了提高电荷电压变换增益而降低电容(cfd)的值，则饱和电荷量减少，因此作为电容(cfd)的值，优选处于

5.0×10^-16f至5.0×10^-15f的范围。

在电容(cfd)的值为5.0×10^-16f以上的情况下、在电容(cfd)充分大于电容(cpd)且能够忽略电容(cpd)的情况下，电荷电压变换增益为320&micro；v/e^-以下。并且，在浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)为80&micro；vrms以下的情况下，能够获得即使收集到的光电荷数少也能够计数出光电荷数的精度。

另一方面，在电容(cfd)为5.0×10^-15f以下且“vsat”为1v以上的情况下，饱和电荷数为3万个以上，即使强的光量局部地照射至像素的情况下也能够抑制过曝光。

电容(cfd)比电容(cpd)大能够不受光电二极管的面积、形状等影响，而仅考虑电容(cfd)来设计电荷电压变换增益和饱和电荷数，因此期望(cpd/cfd)小于1，但是在本发明中，优选的是，作为(cpd/cfd)的值，期望处于0.0008至0.8的范围以内。

如果(cpd/cfd)的值小于0.0008，则受光元件(pd)102的受光面积实质变小，存在光敏度过低以致无法达成本发明的目的从而不再适合作为高速读取传感器的情况。

如果(cpd/cfd)的值超过0.8，则电荷电压变换增益变小且光敏度变小，产生无法达成本发明的目的的情况。

被施加或赋予在后面说明图1所示的光传感器的动作时使用的信号(电压、电脉冲等)的电气端子的编号和名称如下。

端子118为像素复位电压(vr_fd)用的端子，

端子119a和端子119b为电源电压(avdd)用的端子，

端子120为像素内相关双采样电路复位电压(vr_cds)用的端子，

端子121为第一电流源偏置电压(vb1)用的端子，

端子122为第二电流源偏置电压(vb2)用的端子，

端子123为像素复位脉冲(φr)用的端子，

端子124为像素选择第一脉冲(φx1)用的端子，

端子125为像素内相关双采样电路选择脉冲(φcds)用的端子，

端子126为像素内相关双采样电路旁通脉冲(φcdsb)用的端子，

端子127为像素选择第二脉冲(φx2)用的端子，

端子127a为像素选择第2a脉冲(φx2`)用的端子，

端子128为像素内相关双采样复位脉冲(φns)用的端子。

图2a～图2c是用于说明本发明所涉及的光传感器的像素驱动的原理的势能说明图。

图2a是复位完成时(t1)的势能图，图2b是第一电压信号读出时(t2)的势能图，图2c是第二电压信号读出时(t3)的势能图。

关于复位完成时(t1)、第一电压信号读出时(t2)、第二信号读出时(t3)，在图4的时序图中示出。

在图2a～图2c的各图中，纵轴表示关于电子(e^-)的势能，横轴为空间上的任意轴。在各图中，示出了作为受光元件(pd)102之一的完全耗尽型光电二极管的势能分区(pd)201以及与该分区201相邻的浮动扩散电容器(cfd)103的势能(cfd)分区202中的电子(e^-)所相关的势能。

在本发明中，“完全耗尽型”是指，如图2a～图2c所示，在势能分区201中，势能位移(或者，倾斜或梯度)从图2的左侧末端至右侧末端逐渐减少。

在本发明中，并不限定于“完全耗尽型”，也可以是“实质上的完全耗尽型”的势能位移。

在本发明中，“实质上的完全耗尽型”是指不丧失本发明的本质的范围内的势能位移。例如，左侧末端或/和右侧末端附近的部分中的势能位移可以是平坦的、或者相比于势能位移的中央而减少比例平缓，也可以为以小幅的阶梯状减少的方式进行位移。总之，只要在不妨碍设为期望目的的高速读出的范围内能够形成势能的位移(或电位梯度、电场梯度)，使得所产生的光电荷在读出时间内均能够漂移移动或能够被漂移输送到势能位移的终点(被漂移输送到浮动扩散电容器(cfd)103)，则势能位移(或者，倾斜或梯度)的从左侧末端到右侧末端的位移形状无论是均匀减少、阶梯式减少、或者是波状减少都能够在本发明中采用。

在本发明中，没有特别记载为“完全耗尽型”的情况是指本来的“完全耗尽型”的含义和上述例示的“实质上的完全耗尽型”的含义双方或任一方。

图3是本发明所涉及的光传感器的模拟存储器电路部的电路说明图。模拟存储器电路部300是优选实施方式的典型例之一。

在图3中示出了光传感器像素电路部100和模拟存储器电路部300。

模拟存储器电路部300具备模拟存储器阵列(analogmemories)301、存储器单元行选择开关阵列301a、存储器读出电路(memoryreadout)302。

在本实施方式例中，模拟存储器阵列301是将由1个存储器选择开关(sw)和1个存储电容器(cam)构成的存储器单元呈4^h×20^v个的阵列状配置而成的。各行的共计20个存储器单元共享一个信号配线，通过行选择开关(ws1～ws4)来选择信号配线。

此外，在图3中，模拟存储器阵列301设为(4^h×20^v)个存储器阵列而进行说明，但是实际上仅图示了(4^h×20^v)个存储器单元，省略了其它存储器单元的图示。

存储器单元列选择开关阵列301a具备存储器列选择开关(ws1～ws4)305(1～4)。在图3中，作为存储器列选择开关(ws1～ws4)305(1～4)，示出了4个开关，但是在本发明中，并不限定于此，也可以将存储器阵列301的列数按照规定的设计进行增减。

在图3的像素信号保持存储器阵列303中，示出了4组存储器单元307a，由像素信号保持存储器选择开关(sw)306和像素信号保持电容(cam)307构成1组该存储器单元307a。

关于图3中的像素信号保持存储器阵列304，也设为与像素信号保持存储器阵列303同样的存储器结构。即，模拟存储器阵列(analogmemories)301是将(4^h×20^v)个存储器单元307a呈阵列状配置而成的。

在此，“4^h×20^v”的显示是指在水平方向上(在各行)排列4个存储器单元并在垂直方向上(在各列)排列20个存储器单元。

2维矩阵状的模拟存储器阵列301本来排列有20行的像素信号保持存储器阵列，但是在图3中只记载了2个像素信号保持存储器阵列(303、304)，省略了其它像素信号保持存储器阵列的图示。

各列的共计20个存储器单元共享4根像素信号传送用的信号线313(1～4)中的一个信号线，通过使4个存储器单元列选择开关305(ws1～ws4)中的相应的存储器列选择开关(ws1～ws4中的任一个)接通来对“1～4”的各信号线进行选择。

为了使像素输出信号线(pixel_out)117的距离变短来缩短信号读出所需要的时间，而期望将模拟存储器电路部300与光传感器像素电路部100相邻地配置，例如，如图7所示那样，与光传感器像素电路部100相邻地配置在同一平面上。或者，也可以如图8所示那样与光传感器像素电路部100层叠地配置。在图8所示的层叠配置的情况下，能够使光电二极管(pd)102的面积相对变大，因此对于扩大受光面积来获得更高的灵敏度是优选的。

接着，说明向模拟存储器阵列301写入像素输出信号的信号写入动作。

首先，对行选择开关305施加行选择脉冲，以选择进行信号写入的存储器单元所在的行。

接下来，为了选择进行信号写入的存储器单元而对存储器选择开关(sw)施加存储器选择脉冲，将像素输出与1个存储电容器(cam)电连接。对存储电容器(cam)写入像素输出信号电压。之后，使存储器选择开关(sw)断开来保持写入到存储电容器(cam)的信号电压。

在像素内相关双采样选择开关(cds)108接通的情况下，1帧中从1个像素输出的信号为1个，在像素内相关双采样选择开关(cds)108断开的情况下，1帧中从1个像素输出的信号为2个以上，因此在1帧期间切换存储器选择开关(sw)306和行选择开关(ws)305来按像素输出信号切换与像素输出电连接的存储电容器(cam)进行写入/保持的动作。

通过以上的读出动作将像素输出信号写入到模拟存储器阵列301的存储器单元中并进行保持。

在摄像帧期间结束并读出各存储器单元中所保持的信号时，驱动存储器读出电路302，顺序扫描存储器单元来读出各存储器单元中所保持的电压信号。具体地说，首先，为了选择作为读出对象的存储器单元所在的行，而对相应的行选择开关施加行选择脉冲。接着，将信号配线复位为规定的电压，接下来将信号配线设为浮置状态。接着，对相应的存储器选择开关108施加存储器选择脉冲来将相应的像素信号保持用的电容(cam)309与相应的信号配线电连接。此时，发生相应的信号配线的电容和相应的电容(cam)309中所蓄积的电荷的电容分割，在信号配线中产生与存储电容器cam中所保持的电压相应的信号电压。在存储器读出电路302中，使该信号电压放大来将信号读出到模拟存储器阵列301的外部。

图4是示出本发明的光传感器的像素驱动的定时以及浮动扩散电容电压(vfd)的时间推移的一个例子的时序图。

帧期间(φframe)所示的脉冲波形是表示帧期间的脉冲，数字与帧编号对应。

复位脉冲(φr)所示的脉冲波形表示向复位晶体管(r)104传递的复位脉冲(φr)的开启(on)/关闭(off)。

第一电压信号读出脉冲(φsig1)和第二电压信号读出脉冲(φsig2)所示的脉冲波形分别表示与所述第一电压信号(1)和所述第二电压信号(2)的信号读出有关的定时。

浮动扩散电容电压(vfd)所示的波形表示浮动扩散电容部的势能的时间变化。

在绕过像素内相关双采样电路101b的情况下，第一电压信号读出脉冲(φsig1)和第二电压信号读出脉冲(φsig2)的下降时刻(t2、t3)分别表示通过不同的像素信号保持电容(cam)开始保持第一电压信号(a1)和第二电压信号(a2)的定时。

另外，在使用像素内相关双采样电路101b的情况下，第一电压信号读出脉冲(φsig1)的下降时刻(t2)表示将像素内相关双采样保持用电容(csh)111复位为像素内相关双采样电路复位电压(vr_cds)的定时。

第二电压信号读出脉冲(φsig2)的下降时刻(t3)表示将电压信号(b)开始保持到像素信号保持电容(cam)的定时，该电压信号(b)是基于通过从第二电压信号(2)减去第一电压信号(1)来消除复位噪声电压信号(vn)而得到的电压信号(a)的电压信号。

此外，在帧期间(φframe)中照射光。

如图4所示，在绕过像素内相关双采样电路101b的情况和使用像素内相关双采样电路101b的情况中的任一情况下都是，在帧期间(φframe)开始的同时，首先是复位脉冲(φr)上升，光电二极管(pd)102和浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)被复位为规定的复位电压(vr_fd)。时刻t1表示复位脉冲(φr)下降、复位动作完成且在浮动扩散电容电压(vfd)中取有复位噪声电压(vn)的时刻。在复位动作完成以后，与照射的光量相应的光电荷被不断蓄积到浮动扩散电容器的电容(cfd)中，浮动扩散电容电压(vfd)随时间的经过而变化。时刻t2表示在从时刻t1经过规定的期间(t2-t1)后第一电压信号读出脉冲(φsig1)下降、基于由复位噪声电压(vn)和在规定的期间(t2-t1)内蓄积到浮动扩散电容器的电容(cfd)中的光电荷产生的电压信号(vsig1)的第一电压信号(a1)被读出的时刻。

另外，时刻t3表示在从时刻t2经过规定的蓄积期间(t3-t2)后φsig2下降、基于由复位噪声电压(vn)和在规定的期间(t3-t1)内蓄积到浮动扩散电容器中的光电荷产生的信号电压(vsig2)的第二电压信号(a2)被读出的时刻。在此，为了使帧频高速化，期望将蓄积时间(t3-t2)设定为1μ秒以下。

通过在后级的电路中从像这样读出的第二电压信号(a2)减去第一电压信号(a1)，由此消除在复位动作完成时在浮动扩散电容器(cfd)中取得的复位噪声电压(vn)，能够高精度地获得由在规定的蓄积期间(t3-t2)内蓄积到浮动扩散电容(cfd)的电容(cfd)中的光电荷产生的电压(vsig2-vsig1)。

接着，使用图1～图4来说明本发明的光传感器的驱动。

(1)绕过像素内相关双采样电路101b的情况

首先，对像素内相关双采样旁路开关(cdsb)109通过端子126被施加信号(φcdsb)而处于接通状态、像素内相关双采样选择开关(cds)108成为断开状态的情况进行说明。此外，在帧期间中照射光。

对复位晶体管(r)104的端子123施加像素复位用的复位脉冲(φr)，构成光传感器像素电路101a中的像素的受光元件(pd)102和浮动扩散电容器(cfd)103被复位。

在复位晶体管(r)104成为截止状态的复位完成时(t1)，在浮动扩散电容器(cfd)103中感应出复位噪声电压信号(vn)。

接下来，在从t1经过规定的期间(t2-t1)后，如下面那样从光传感器像素电路101a读出第一电压信号(a1)。

在复位完成后读出到像素输出信号线(pixel_out)117上的第一电压信号(a1)是基于由所述复位噪声电压信号(vn)和第一光电荷电压信号(vsiga1)构成的电压信号(a1-a)的电压信号，该第一光电荷电压信号(vsiga1)是通过在复位完成后直到读出第一电压信号(a1)为止的规定的期间(t2-t1)被受光元件(pd)102收集并被输送到浮动扩散电容器(cfd)103的光电荷形成的。

首先，当对第一选择晶体管(x1)106的端子124施加像素选择第一脉冲(φx1)时，第一源极跟随器晶体管(sf1)105成为有效状态，与电压信号(a1-a)相应的第一电压信号(a1)被输出到像素输出信号线(pixel_out)117。同时，将4个存储器列选择开关305(ws1～ws4)中的1个设为接通状态来选择相应的存储器列，并且对信号保持存储器单元选择用的脉冲信号线(311～320)施加规定组合的脉冲信号，使像素输出信号线(pixel_out)117与1个存储器单元307a中的像素信号保持电容(cam)307电耦合。

具体地说，例如，向信号保持存储器选择用的脉冲信号线(311～320)传递脉冲的组合，仅将脉冲信号线310-1和脉冲信号线311-1设为高(high)电平，将其它的脉冲信号线设为低(low)电平。

在该状况下，使4个存储器列选择开关305(ws1～ws4)中的相应的一个存储器列选择开关305(ws1)和4个像素信号保持存储器选择用的选择开关306(sw1～sw4)中的相应的一个像素信号保持存储器选择用的选择开关306(sw1)接通，经由像素信号传送用的信号线313-1来选择像素信号保持存储器阵列303中的存储器单元307a。

其结果是，与电压信号(a1-a)相应的第一电压信号(a1)经由像素输出信号线117、像素信号传送用的信号线313-1被传送到一个存储器单元307a的像素信号保持电容(cam)307。

接下来，通过改变向信号保持存储器选择用的脉冲信号线311-1传递的脉冲状态来将信号保持存储器选择用的脉冲信号线311-1设为低电平，使相应的像素信号保持存储器选择用的选择开关(sw1)306断开，由此第一电压信号(a1)在驱动存储器读出电路302而被读出之前的期间被保持于像素信号保持电容(cam)307。

接下来，设置蓄积期间(t3-t2)。

在蓄积期间(t3-t2)中产生的光电荷通过图2所示的势能区间201中所示的受光元件(pd)102的势能梯度向浮动扩散电容器(cfd)103漂移输送并被蓄积到浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)。

在蓄积期间(t3-t2)中，通过将第一选择晶体管(x1)106设为截止状态，能够抑制由第一源极跟随器晶体管(sf1)105消耗的电力。然而，在蓄积期间(t3-t2)短至数nsec以下的情况下，在蓄积期间(t3-t2)中使第一源极跟随器(sf1)105驱动的时间的比例变大，因此通过将第一选择晶体管(x1)106设为截止状态的获得的低功耗化的效果相对变小。因此，在上述的情况下，反倒是节省将第一选择晶体管(x1)106的状态切换为导通/截止所需要的时间具有能够获得更高的摄像速度的效果，因此在蓄积期间(t3-t2)中可以将第一选择晶体管(x1)106事先保持为导通状态。

接下来，在蓄积期间(t3-t2)结束后，读出第二电压信号(a2)。

第二电压信号(a2)是基于由复位噪声电压信号(vn)和第二光电荷电压信号(vsiga2)构成的电压信号(a2-a)的电压信号，该第二光电荷电压信号(vsiga2)是通过从复位完成后直到读出第二电压信号(a2)为止被受光元件(pd)102收集并被输送到浮动扩散电容器(cfd)103的光电荷形成的。

首先，在第一选择晶体管(x1)106为截止状态的情况下，像素选择第一脉冲(φx1)被施加于端子124，从而第一源极跟随器晶体管(sf1)105成为有效状态，与电压信号(a2-a)相应的第二电压信号(a2)被输出到像素输出信号线(pixel_out)117。同时，将4个存储器列选择开关305(ws1～ws4)中的1个设为接通状态来选择相应的存储器列，并且对信号保持存储器选择用的脉冲信号线(311～320)施加规定组合的脉冲信号，将像素输出信号线(pixel_out)117与1个存储器单元、例如存储器单元309a的像素信号保持电容(cam)309电耦合。

具体地说，例如，向信号保持存储器选择用的脉冲信号线310～320传递脉冲的组合，从而仅将脉冲信号线310-1和脉冲信号线312-1设为高电平，将其它的脉冲信号线设为低电平。

通过这样，使像素信号保持存储器选择用的选择开关306(sw1～sw4)中的一个例如选择开关306(sw1)以及存储器列选择开关(ws1)305接通，经由像素信号传送用的信号线313-1来选择存储器单元309a。

其结果是，与电压信号(a2-a)相应的第二电压信号(a2)经由像素输出信号线117、像素信号传送用的信号线313-1被保持到一个存储器单元309a的像素信号保持电容(cam)309。

接下来，改变向信号保持存储器选择用的脉冲信号线312-1传递的脉冲状态来将信号保持存储器选择用的脉冲信号线312-1设为低电平，使像素信号保持存储器选择用的选择开关308断开，向像素信号保持电容(cam)309写入信号，第二电压信号(a2)在驱动存储器读出电路302而被读出之前的期间被保持于像素信号保持电容(cam)309。

通过从写入到存储器单元309a的第二电压信号(a2)减去写入到存储器单元307a的第一电压信号(a1)能够得到消除复位噪声电压信号(vn)后的电压信号(vsiga2-vsiga1)。

在本实施方式中，作为该信号之差的电压信号(vsiga2-vsiga1)是在通过后述的方法将第一电压信号(a1)和第二电压信号(a2)读出到芯片外部之后在芯片外部进行减法而得到的。

以上是在一个帧期间两次读出与在浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)中形成的电压信号(a1-a)相应的第一电压信号(a1)(像素信号)和与同样在电容(cfd)中形成的电压信号(a2-a)相应的第二电压信号(a2)(像素信号)的例子，但是也能够在绕过像素内相关双采样电路101b的情况下如后述那样在同一帧期间(φframe)三次以上读出像素信号。在三次以上进行读出的情况下，也与上述同样地对信号保持存储器选择用的脉冲信号线310施加规定组合的脉冲信号来在各信号读出时选择相应的存储器单元写入信号输出并进行保持。

在一个帧期间完成后，对复位晶体管(r)104的端子123输入像素复位用的复位脉冲(φr)，下一个帧期间开始。

重复进行上述的一系列的动作，在多个帧期间进行摄像，对模拟存储器阵列301的全部的存储器单元进行信号写入。

在对全部的存储器单元进行了信号写入之后，可以使选择的存储器单元返回到开头的地址并重复进行覆盖动作直到从摄像机输入摄像停止的触发信号为止。

在摄像动作结束后，通过后述的方法读出存储器单元被写入的信号。

(2)使用像素内相关双采样电路101b的情况

接着，对像素内相关双采样选择开关(cds)108为接通状态、像素内相关双采样旁路开关(cdsb)109成为断开状态的情况进行说明。

首先，对复位晶体管(r)104的端子123施加像素复位用的复位脉冲(φr)，构成光传感器像素电路101a中的像素的受光元件(pd)102和浮动扩散电容器(cfd)103被复位。在复位晶体管(r)104变为截止的复位完成时(t1)，在浮动扩散电容器(cfd)103中产生复位噪声电压信号(vn)。

接下来，在从t1经过规定的期间(t2-t1)后，如下面那样将第一电压信号(b1)从光传感器像素电路101a读出到像素内相关双采样电路101b。

在复位完成后，从光传感器像素电路101a读出到像素内相关双采样电路101b的第一电压信号(b1)是基于电压信号(b1-a)的电压信号，该电压信号(b1-a)由复位完成后取到浮动扩散电容器(cfd)103中的复位噪声电压信号(vn)以及通过在复位完成后直到读出第一电压信号(b1)为止的规定的期间(t2-t1)被受光元件(pd)102收集并被输送到浮动扩散电容器(cfd)103的光电荷形成的第一光电荷电压信号(vsigb1)构成。

首先，当对第一选择晶体管106的端子124施加像素选择用的第一脉冲(φx1)时，第一源极跟随器晶体管(sf1)105成为有效状态，在像素内相关双采样耦合电容(cc)110的位于像素内相关双采样旁路开关(cds)108侧的电极中产生基于电压信号(b1-a)的第一电压信号(b1)。

同时，对端子128施加像素内相关双采样复位脉冲(φns)来使像素内相关双采样复位开关(ns)112接通/断开，将像素内相关双采样耦合电容(cc)110的对置电极侧、即像素内相关双采样保持用电容(csh)111复位为像素内相关双采样电路复位电压(vr_cds)。

接下来，设置蓄积期间(t3-t2)。

在蓄积期间(t3-t2)中产生的光电荷通过受光元件(pd)102的势能梯度201向浮动扩散电容器(cfd)103漂移输送并被蓄积到浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)。

在蓄积期间(t3-t2)中，第一选择晶体管(x1)106设为截止状态，由此能够抑制由第一源极跟随器晶体管(sf1)105消耗的电力。

另一方面，在蓄积期间(t3-t2)短至数nsec的情况下，根据前述的理由，在蓄积期间(t3-t2)中，可以将第一选择晶体管(x1)106事先设为导通状态。

在蓄积期间(t3-t2)结束后，如下面那样将第二电压信号(b2)从光传感器像素电路101a读出到像素内相关双采样电路101b。

第二电压信号(b2)是基于由复位噪声电压信号(vn)和第二光电荷电压信号(vsigb2)构成的电压信号(b2-a)而形成的，该第二光电荷电压信号(vsigb2)是通过从复位完成后直到读出第二电压信号(b2)为止被受光元件(pd)102收集并被输送到浮动扩散电容器(cfd)103的光电荷形成的。

首先，在第一选择晶体管(x1)106为截止状态的情况下，端子124被施加像素选择第一脉冲(φx1)而第一源极跟随器晶体管(sf1)105成为有效状态，在像素内相关双采样耦合电容(cc)110的位于像素内相关双采样旁路开关(cds)108侧的电极中产生与第二光电荷电压信号(vsigb2)相应的第二电压信号(b2)。

此时，与像素内相关双采样耦合电容(cc)110进行电容耦合的像素内相关双采样保持电容(csh)111的电压以像素内相关双采样电路复位电压(vr_cds)为基准而从第一电压信号(b1)变动第二电压信号(b2)的电压变化量(vsigb2-vsigb1)与cc/(cc+csh)之积。

如以上那样，通过从第二电压信号(b2)减去第一电压信号(b1)，由此得到消除复位噪声电压信号(vn)后的电压信号(ba)。

接下来，对端子127施加像素选择第二脉冲(φx2)来将第二选择晶体管(x2)114导通，对端子127a施加像素选择第2a脉冲(φx2`)来将第二选择晶体管(x2`)115导通，从而将与电压信号(ba)相应的电压信号(bb)输出到像素输出信号线117。

同时，将存储器列选择开关阵列301a中的4个存储器列选择开关(ws1～ws4)中的1个设为接通状态来选择相应的存储器列，并且对信号保持存储器选择用的脉冲信号线(311～320)施加规定组合的脉冲信号，来将像素输出信号线117与1个存储器单元、例如存储器单元307a的像素信号保持电容(cam)307电耦合。

作为具体例，通过对信号保持存储器选择用的脉冲信号线310～320施加脉冲的组合的脉冲信号，来仅将脉冲信号线310-1和脉冲信号线311-1设为高电平，将其它脉冲信号线设为低电平，由此存储器列行选择开关(ws1)305和像素信号保持存储器选择用的选择开关(sw1)306变为接通，经由像素信号传送用的信号线313-1来选择像素信号保持存储器阵列303中的存储器单元307a，在像素信号保持电容(cam)307中感应出所述电压信号(bb)。

接下来，改变向信号保持存储器选择用的脉冲信号线311-1传递的脉冲状态来将信号保持存储器选择用的脉冲信号线311-1设为低电平，使像素信号保持存储器选择用的选择开关(sw1)306断开，由此所述电压信号(bb)被保持到像素信号保持电容(cam)307中。所述电压信号(bb)在通过驱动存储器读出电路302而被读出之前的期间被保持在像素信号保持电容(cam)307中。

通过上述那样相应的帧期间完成，在该完成后，对复位晶体管(r)104的端子123输入像素复位用的复位脉冲(φr)来开始下一帧期间。

重复进行以上的一系列的动作来在多个帧期间(φframe)进行摄像。对模拟存储器阵列301内的全部的存储器单元进行信号写入。

另外，在对全部的存储器单元进行了信号写入之后，可以使选择的存储器单元返回到开头的地址并重复进行覆盖动作直到从摄像机输入摄像停止的触发信号为止。

在摄像动作结束后，通过后述的方法读出各存储器单元被写入的信号。

(3)绕过像素内相关双采样电路101b并在1帧期间4次读出像素信号的情况

图5示出在同一帧期间(φframe)4次读出像素信号的情况下的时序图。在此，t1表示复位完成时的时刻，t2表示在从t1经过规定的期间(t2-t1)后从光传感器像素电路101a读出第一电压信号的时刻，t3、t4、t5分别表示从光传感器像素电路101a读出第二电压信号、第三电压信号、第四电压信号的时刻，蓄积期间t1、t2、t3分别表示蓄积期间(t3-t2)、(t4-t3)、(t5-t4)。

对像素内相关双采样旁路开关(cdsb)109通过端子126被施加信号(φcdsb)而处于接通状态、像素内相关双采样选择开关(cds)108成为断开状态的情况进行说明。在帧期间中照射光。

对复位晶体管(r)104的端子123施加像素复位用的复位脉冲(φr)，构成光传感器像素电路101a中的像素的受光元件(pd)102和浮动扩散电容器(cfd)103被复位。

在复位晶体管(r)104成为截止状态的复位完成时(t1)，在浮动扩散电容器(cfd)103中感应出复位噪声电压信号(vn)。

接下来，在从t1经过规定的期间(t2-t1)后，如下面那样从光传感器像素电路101a读出第一电压信号(c1)。

在复位完成后读出到像素输出信号线(pixel_out)117上的第一电压信号(c1)是基于由所述复位噪声电压信号(vn)和第一光电荷电压信号(vsigc1)构成的电压信号(c1-a)的电压信号，该第一光电荷电压信号(vsigc1)是通过在复位完成后直到读出第一电压信号(c1)为止的规定的期间(t2-t1)被受光元件(pd)102收集并被输送到浮动扩散电容器(cfd)103的光电荷形成的。

首先，当对第一选择晶体管(x1)106的端子124施加像素选择第一脉冲(φx1)时，第一源极跟随器晶体管(sf1)105成为有效状态，与电压信号(c1-a)相应的第一电压信号(c1)被输出到像素输出信号线(pixel_out)117。

同时，将4个存储器列选择开关305(ws1～ws4)中的1个设为接通状态来选择相应的存储器列，并且对信号保持存储器单元选择用的脉冲信号线(311～320)施加规定组合的脉冲信号，使像素输出信号线(pixel_out)117与1个存储器单元307a中的像素信号保持电容(cam)307电耦合，将与电压信号(c1-a)相应的第一电压信号(c1)传送到像素信号保持电容(cam)307，并在通过驱动存储器读出电路302而读出之前的期间进行保持。

接下来，设置蓄积期间1(t3-t2)。

在蓄积期间1(t3-t2)中产生的光电荷通过图2所示的势能区间201中所示的受光元件(pd)102的势能梯度向浮动扩散电容器(cfd)103漂移输送并被蓄积到浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)。

接下来，在蓄积期间1(t3-t2)结束后，读出第二电压信号(c2)。

第二电压信号(c2)是基于由复位噪声电压信号(vn)和第二光电荷电压信号(vsigc2)构成的电压信号(c2-a)的电压信号，该第二光电荷电压信号(vsigc2)是通过从复位完成后直到读出第二电压信号(c2)为止被受光元件(pd)102收集并被输送到浮动扩散电容器(cfd)103的光电荷形成的。

首先，在第一选择晶体管(x1)106为截止状态的情况下，像素选择第一脉冲(φx1)被施加于端子124，从而第一源极跟随器晶体管(sf1)105成为有效状态，与电压信号(c2-a)相应的第二电压信号(c2)被输出到像素输出信号线(pixel_out)117。

同时，将4个存储器列选择开关305(ws1～ws4)中的1个设为接通状态来选择相应的存储器列，并且对信号保持存储器选择用的脉冲信号线(311～320)施加规定组合的脉冲信号，使像素输出信号线(pixel_out)117与1个存储器单元、例如存储器单元309a的像素信号保持电容(cam)309电耦合，将与电压信号(c2-a)相应的第一电压信号(c2)传送到像素信号保持电容(cam)307，并在通过驱动存储器读出电路302而读出之前的期间进行保持。

接下来，通过与第二电压信号(c2)的读出同样的过程，在蓄积期间2(t4-t3)结束后读出第三电压信号(c3)，并且在蓄积期间3(t5-t4)结束后读出第四电压信号(c4)。

得到基于通过将写入到一个存储器单元的第一电压信号(c1)从写入到另一个存储器单元的第二电压信号(c2)中减去从而消除了复位噪声电压信号(vn)的蓄积期间1的期间蓄积到浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)中的光电荷的信号。同样地，得到基于通过从第三电压信号(c3)减去第二电压信号(c2)从而在蓄积期间2的期间蓄积到浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)中的光电荷的信号，得到基于通过从第四电压信号(c4)减去第三电压信号(c3)从而在蓄积期间3的期间蓄积到浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)中的光电荷的信号。

另外，第二～第四电压信号的处理的方法并不限于上述方法，也可以为，从第四电压信号(c4)减去第二电压信号(c2)，从第三电压信号(c3)减去第一电压信号(c1)，来实质地获取基于在蓄积期间2-1(t5-t3)、蓄积期间2-2(t4-t2)的期间蓄积到浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)中的光电荷的信号。另外，也可以使用于通过将第二～第四电压信号进行加法平均后减去第一电压信号(c1)来降低在信号读出时叠加的随机噪声的读出。还可以使t1～t5的定时与调制后的光照射同步来应用于光飞行时间型的距离成像或荧光寿命成像。

在本实施方式中，由于能够得到基于在将1帧期间内更短地进行分割得到的蓄积期间1、2、3的期间蓄积到浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)中的光电荷的信号，因此能够获得更高的时间分辨率。在本实施方式中，示出了在1帧期间内读出4次的像素信号的例子，但是并不限定于4次。在1帧期间内读出的像素信号的最大数为与模拟存储器阵列301中包括的存储器单元数相应的数，在本实施方式中为80次。

如从以上的动作的说明中显而易见的那样，在绕过像素内相关双采样电路101b的情况下，帧期间(φframe)中的脉冲动作被抑制为最小，对于高速动作而言是优选的。并且，在1帧期间读出3次以上的像素信号的情况下，能够将帧期间内更短地进行分割，对于获得更高的时间分辨率而言是优选的。

另一方面，在使用像素内相关双采样电路101b的情况下，帧期间(φframe)延长驱动像素内相关双采样电路101b所花费的时间，但是能够将1帧中使用的存储器单元设为1个，因此即使在使用个数有限的存储器阵列的情况下，也能够使连续的记录帧数最大化。

像这样，与现有例相比，本发明具有能够根据帧频和记录帧数的优先级来切换动作模式的优势。

使用像素内相关双采样电路101b的情况和不使用像素内相关双采样电路101b而绕过的情况的选择可以是任意的，但是为了最大限度地发挥本发明的优点，优选为以下面那样的基准来适当地区分电路101b的使用/不使用。

当在希望使连续记录帧数优先的情况下使用像素内相关双采样电路101b时，其能够最大限度地发挥其效果，因此是优选的。

作为希望使连续记录帧数优先的情况，具体列举有作为比较长地持续产生的现象的汽车发动机的燃烧喷射、火花放电、喷墨打印机的墨喷出等的拍摄等。

另外，在对于最初拍摄的对象需要拍摄定时的同步时，首先通过使用该像素内相关双采样电路101b的模式(a)进行触发器的定时调整，则能够准备进行用于取得同步的作业，是有利的。

另一方面，绕过电路101b的模式(b)在希望使拍摄速度优先的情况下使用则能够最大限度地发挥其效果，因此是优选的。

具体地说，该模式(b)的使用适合于材料破坏现象、激光烧蚀、放电现象的拍摄等高速现象的拍摄。

并且，在本发明中，还能够针对各帧来从使用电路101b的情况(“模式(a)”)切换为绕过电路101b的情况(“模式(b)”)。

例如，由于使用电路101b能够增加记录帧数，因此能够事先以模式(a)进行动作，从作为拍摄对象的高速现象发生的时机的时间点开始能够以模式(b)更高速地进行拍摄。

作为其具体的一例，列举有在拍摄使树脂子弹高速撞击靶材而发生破坏的现象时，在树脂子弹撞击靶材之前以模式(a)进行拍摄，在树脂子弹即将撞击靶材时切换为模式(b)，从而更高速地拍摄通过撞击产生的破坏现象。

在该情况下，在模拟存储器阵列301中，由于混合存在保持绕过电路101b而没有消除噪声的信号的电容(cam)a以及保持使用电路101b消除噪声后的信号的电容(cam)b，因此在将所保持的信号进行影像化时，需要进行下面的技术准备。

即，事先记录即将进行模式切换的帧编号，在读出模拟存储器阵列301中所保持的全部的信号后，将模式切换前的信号影像化为消除噪声后的信号，模式切换后的信号在通过将针对各帧记录的噪声消除用的第一电压信号(a1)与第二电压信号(a2)相减进行噪声消除后被进行影像化。

在图3所记载的例子中，模拟存储器阵列301中包括的存储器单元数为80个，但是存储器单元数并不限定于此，能够根据设计来决定其数量。存储器单元数由于受到模拟存储器阵列301的面积的制约，因此成为决定开口率、像素尺寸的设计要素，因此根据对光传感器要求的性能取得开口率、像素尺寸之间的平衡来决定存储器单元数。

在本发明中，作为存储器单元数，优选设为10个以上，但是为了增加记录帧数，期望为40个以上，更优选为128个以上。为了进一步增加记录帧数，期望设为256个以上。

为了进一步减小光传感器芯片的表面积，优选采用在光传感器像素电路部100的下部层设置模拟存储器电路部300的多层结构。

图6是本发明所涉及的图像传感器的框图。

图6所示的例子的图像传感器600具备将多个受光信号生成及保持元件601二维排列而成的受光信号生成及保持元件阵列602、存储器选择电路603、像素驱动脉冲缓冲器列电路604、列选择电路605。

像素驱动脉冲缓冲器列电路604在其信号传递路径的下游侧设置有输出缓冲器606、信号输出端子607。

受光信号生成及保持元件601由光传感器像素电路部100和模拟存储器电路部300构成。

使用图3和图6来说明用于从本发明的图像传感器600的模拟存储器阵列301读出信号的驱动。

首先，当摄像完成的触发信号被输入到图像传感器600时，图像传感器600的摄像期间结束，接下来转移到图像传感器600的信号输出期间。

在图像传感器600的信号输出期间，针对与各行的像素对应的各模拟存储器阵列301进行信号读出。即，驱动存储器选择电路603来选择1个像素行的存储器读出电路302，将存储器读出电路302的输出信号线302a与垂直信号线608耦合。

接下来，选择进行读出的存储器单元所在的模拟存储器301内的行。例如，仅将310-1～4中的310-1设为高电平并选择性地使存储器行选择开关ws1接通，来将像素信号传送用的信号线313-1与存储器读出电路302耦合。

接下来，在将像素信号传送用的信号线313-1复位为规定的电压(5a)后，将像素信号传送用的信号线313-1设为浮置状态。接下来，选择一个存储器单元并将相应的像素信号保持电容(cam)与相应的像素信号传送用的信号线313-1耦合。此时，相应的像素信号保持电容(cam)中被写入的电压信号(5s-1)通过相应的像素信号保持电容(cam)和寄生于相应的像素信号传送用的信号线313-1的电容被进行电容分割并输入到存储器读出电路302。在存储器读出电路302中，将基于该电压信号(5s-1)的电压信号(5s-2)输出到垂直信号线608。此时，通过列电路604暂时保持垂直信号线608的电压信号(5s-2)。接下来，顺序驱动列选择电路605，将列电路604中所保持的电压信号(5s-1)依次经由输出缓冲器606输出到信号输出端子607。

同样地，通过重复进行像素信号传送用的信号线313-1的复位、通过接下来要读出的存储器单元的选择对电压信号进行的电容分割、存储器读出电路302的驱动、列电路504的驱动、芯片输出，来读出通过存储器列选择开关(ws1)305选择的全部存储器单元的信号。

同样地，顺序选择模拟存储器301内的其它列，进行各列内的全部存储器单元的信号的读出，将选择的模拟存储器301内的全部存储器单元的信号读出到芯片外。

接下来，驱动存储器选择电路603来选择接下来要读出的像素列的存储器单元，重复进行同样的动作。针对全部像素列的存储器单元进行该信号读出动作。

通过以上的动作进行全部像素的存储器单元的信号的读出。

通过上述的说明能够准确地理解本发明，其主要优势总结如下。

(1)不再需要现有技术中所需要的、传送期间和使传送栅导通/截止所需的像素驱动脉冲的建立时间。

(2)帧频的限制原因仅为受光元件中的电荷收集、输送时间，能够使帧频高速化为125mfps。

(3)由于是对像素内以最短距离连接的存储器读出信号的结构，因此能够降低像素读出所需要的电路驱动电流。另外，由于像素驱动脉冲少，因此能够降低与像素驱动脉冲有关的功耗。因此，能够在市场上提供低功耗化的光传感器的商品。

(4)由于像素驱动脉冲种类少，从而无需牺牲面积就能够将像素驱动脉冲电路配置到像素内或像素块内。

(5)由于电容密度小的完全耗尽型受光元件与浮动扩散电容耦合，因此能够将与电荷电压变换增益成反比例的浮动扩散电容器的电容的增加抑制到最小限度，能够得到高的电荷电压变换增益，并且由于能够消除浮动扩散电容器的复位噪声，因此能够进行信号读出噪声小的高灵敏度的信号读出。

(5)通过在将受光元件和浮动扩散电容器复位后读出n次的信号，由此虽然是浮动扩散电容器饱和之前的期间，但是能够获得更高速的帧频。

(6)通过进行与调制后的光照射同步的信号读出，由此能够应用于光飞行时间型的距离成像或荧光寿命成像。

以上是本发明的优势的一部分，根据这些优势能将本发明展开为各种产品。下面记述一例。

由于能够进行高速现象的可视化，因此

·材料破坏现象的观察：破坏过程的解析和材料的改进

·微泡的观察

·放电现象的观察

·癌细胞治疗的观察

·喷墨观察

·mems驱动的观察

·冲击波的观察

·向发动机室喷射燃料喷雾的观察

·激光束加工

等均需要2维图像中连续帧的影像信息，符合该要求的本发明所涉及的高速摄像机是有用的。

此外，本发明对于需要在2维图像中成像出距离或生物体反应的距离成像或生物成像的领域中使用的高时间分辨率的摄像机是有用的。

本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的精神及范围的情形下进行各种变更及变形。因而，为了公开本发明的范围，附加了上述记载的权利要求。

附图标记说明

100：光传感器像素电路部；101a：光传感器像素电路；101b：像素内相关双采样电路(in-pixelcds)；102：光电二极管(pd)；103：浮动扩散电容器(cfd)；104：复位晶体管(r)；105：第一源极跟随器晶体管(sf1)；106：第一选择晶体管(x1)；107：第一电流源晶体管(cs1)；108：像素内相关双采样选择开关(cds)；109：像素内相关双采样旁路开关(cdsb)；110：像素内相关双采样耦合电容(cc)；111：像素内相关双采样保持电容(csh)；112：像素内相关双采样复位晶体管(ns)；113：第二源极跟随器晶体管(sf2)；114：第二选择晶体管(x2)；115：第二选择晶体管(x2’)；116：第二电流源晶体管cs2；117：像素输出信号线(pixel_out)；118：像素复位电压(vr_fd)施加用的电气端子；119a、119b：电源电压(avdd)施加用的电气端子；120：像素内相关双采样电路复位电压(vr_cds)用的电气端子；121：第一电流源偏置电压(vb1)施加用的电气端子；122：第二电流源偏置电压(vb2)施加用的电气端子；123：像素复位脉冲(φr)施加用的电气端子；124：像素选择第一脉冲(φx1)施加用的电气端子；125：像素内相关双采样电路选择脉冲(φcds)输入用的电气端子；126：像素内相关双采样电路旁通脉冲(φcdsb)输入用的电气端子；127：像素选择第二脉冲(φx2)输入用的电气端子；128：像素内相关双采样复位脉冲(φns)；201：完全耗尽型受光元件(pd)102的势能分区；202：浮动扩散电容器(cfd)103的电容(cfd)的势能分区；300：模拟存储器电路部；301：模拟存储器阵列(analogmemories：4^h×20^v)；301a：存储器单元行选择开关阵列；302：存储器读出电路(memoryreadoutcircuit)；302a：输出信号线；303、304：像素信号保持存储器阵列；305：存储器单元行选择开关(ws1～ws4)(1～4)；306：像素信号保持存储器选择用开关(sw1～sw4)；307：像素信号保持用电容(cam)；307a：存储器单元；308：像素信号保持存储器选择用开关；309：像素信号保持用电容；310：信号保持用存储器单元行选择用脉冲信号线(1～4)；311、312～320：信号保持用存储器单元选择用脉冲信号线(1～4)；313：像素信号传送用的信号线(1～4)；600：图像传感器；601：受光信号生成及保持元件；602：受光信号生成及保持元件阵列；603：存储器选择电路；604：像素驱动脉冲缓冲器列电路；605：列选择电路；606：输出缓冲器；607：信号输出端子；608：垂直信号线。