JP2007123604A

JP2007123604A - 固体撮像装置およびその駆動方法

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Publication number: JP2007123604A
Application number: JP2005314713A
Authority: JP
Inventors: Nagataka Tanaka; 長孝田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: CN1972386A; KR100826739B1; US8085326B2; KR20070046017A; US20070103574A1; JP4713997B2; JP4828914B2; JP2007124344A; CN100521746C

Abstract

【課題】ブルーミングの発生を防止できる固体撮像装置およびその駆動方法を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、垂直信号線ＶＳＬと、入射光を光電変換し蓄積するフォトダイオード２２と、制御電極と前記垂直信号線とが容量結合され前記フォトダイオードからの入力信号を増幅し前記垂直信号線に出力する増幅トランジスタＴｒ１と、前記増幅トランジスタの制御電極の電位をリセットするリセットトランジスタＴｒ３とを備える単位画素２１と、前記増幅トランジスタおよび前記リセットトランジスタの電流経路の一端に接続され、その電圧値が固定されたドレイン電源ＤＲＮとを具備する。
【選択図】図２

Description

この発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に関し、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサおよびその駆動方法等に適用されるものである。

従来のＣＭＯＳイメージセンサの例として、いわゆる３Ｔｒ型ＣＭＯＳイメージセンサがある。例えば、非特許文献１には、2004年のISSCCで馬渕らにより発表された、１画素当り、一つのフォトダイオードと、３つのトランジスタが配置されたＣＭＯＳイメージセンサが開示されている。以下、この非特許文献１を例に挙げて、従来の固体撮像装置について説明する。

非特許文献１中のＦｉｇ．１（ａ）には、単位画素（PIXEL）の構成図が開示されている。Ｆｉｇ．１（ｂ）には、単位画素の駆動パルスが開示されている。図示するように、単位画素を選択するには、まずリセットトランジスタＲＳＴを通してＦＤ（フローティングディフュージョン）電位を通常Low状態にしておく。そして、選択する時だけ、リセットトランジスタＲＳＴをHigh状態にしてリセットパルスを送信し、選択する単位画素の増幅トランジスタＡＭＰのみオンさせる。

この最初のリセットパルスにより、ＦＤの電位がHigh状態になり、読み出し後にドレイン電源ＤＲＮをLow状態にしてする。さらに、２回目のリセットパルスでＦＤの電位がLow状態にし、初期状態に戻る。

しかしながら、かかる駆動動作においては、所望の単位画素を選択するために、ドレイン電源ＤＲＮを低い電圧に下げる期間（Low状態の期間）が必要である。ここで、単位画素の中のドレイン電源ＤＲＮは、余剰信号電荷を吸収する役割も果たしている。そして、ドレイン電源ＤＲＮに高い電圧が印加されない期間（Low状態の期間）がある場合に、高輝度の被写体を撮像すると、フォトダイオードから溢れた余剰電荷をドレイン電源ＤＲＮに吸収することができず、ブルーミングが発生するという問題がある。
"CMOS Image Sensor Using a Floating Diffusion Driving Buried Photodiode", ISSCC Digest of Technical Papers, Feb. 2004

この発明は、ブルーミングの発生を防止できる固体撮像装置およびその駆動方法を提供する。

この発明の一態様によれば、垂直信号線と、入射光を光電変換し蓄積するフォトダイオードと、制御電極と前記垂直信号線とが容量結合され前記フォトダイオードからの入力信号を増幅し前記垂直信号線に出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの制御電極の電位をリセットするリセットトランジスタとを備える単位画素と、前記増幅トランジスタおよび前記リセットトランジスタの電流経路の一端に接続され、その電圧値が固定されたドレイン電源とを具備する固体撮像装置を提供できる。

この発明の一態様によれば、垂直信号線と、入射光を光電変換し蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードからの信号を増幅し前記垂直信号線に出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの制御電極の電位をリセットするリセットトランジスタとを備えた単位画素と、前記増幅トランジスタおよび前記リセットトランジスタの電流経路の一端に接続されその電圧値が固定されたドレイン電源と、前記垂直信号線の電位状態を制御するように構成された制御回路とを具備する固体撮像装置であって、前記制御回路により、前記垂直信号線の電位状態を変化させ、前記増幅トランジスタのゲート容量を利用することにより、前記増幅トランジスタをオンさせ、前記単位画素を選択する固体撮像装置の駆動方法を提供できる。

この発明によれば、ブルーミングの発生を防止できる固体撮像装置およびその駆動方法が得られる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。尚、この説明においては、全図にわたり共通の部分には共通の参照符号を付す。

［第１の実施形態］
まず、この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について、図１乃至図４を用いて説明する。図１は、この実施形態に係る固体撮像装置の一例を模式的に示す平面図である。

図示するように、半導体チップ１１中に画素領域１２、垂直シフトレジスタ１３、ＡＤ変換回路１５が配置されている。

画素領域１２には、光電変換し蓄積するフォトダイオードを含む単位画素２１がアレイ状に配置されており、撮像部として機能する。

垂直シフトレジスタ１３は、信号ＬＳ１〜ＳＬｋを画素領域１２に出力し、単位画素２１をリセット信号線ごとに選択する選択部として機能する。選択されたリセット信号線分の単位画素２１からはそれぞれ、入射された光の量に応じたアナログ信号Ｖsigが垂直信号線ＶＳＬを介して出力される。

ＡＤ変換回路１５は、垂直信号線ＶＳＬを介して入力されたアナログ信号Ｖsigをデジタル信号に変換するように機能する。

次に、画素領域１２中の単位画素（PIXEL）について、図２を用いて説明する。ここでは、信号ＬＳ１が入力される一選択単位画素を例に挙げて説明する。

図示するように、単位画素（PIXEL）２１は、フォトダイオード２２、増幅トランジスタＴｒ１、読み出しトランジスタＴｒ２、リセットトランジスタＴｒ３を備えた、いわゆる３Ｔｒ型ＣＭＯＳイメージセンサである。

フォトダイオード２２は、入射光を光電変換し蓄積するよう構成されている。増幅トランジスタＴｒ１は、フローティングディフュージョンＦＤからの信号を増幅して出力するように構成されている。増幅トランジスタＴｒ１のゲートはフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ソースは垂直信号線ＶＳＬに接続され、ドレインはドレイン電源ＤＲＮに接続されている。

読み出しトランジスタＴｒ２は、フォトダイオード２２の蓄積を制御するように構成されている。読み出しトランジスタＴｒ２のゲートは、読み出し信号線ＴＲＦに接続され、ソースはフォトダイオードのアノードに接続され、ドレインはフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。

リセットトランジスタＴｒ３は、増幅トランジスタＴｒ１のゲート電位をリセットするように構成されている。リセットトランジスタＴｒ３のゲートはリセット信号線ＲＳＴ１に接続され、ソースはフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ドレインは電源ＤＲＮに接続されている。

また、フローティングディフュージョンＦＤの対接地容量Ｃ１の容量値をＣfdで示し、フローティングディフュージョンＦＤと垂直信号線ＶＳＬとの間のゲート容量Ｃ２の容量値をＣampで示している。

さらに、上記垂直信号線ＶＳＬの電圧を制御するように構成されたＶＳＬ制御回路３１が設けられている。このＶＳＬ制御回路３１は、制御信号線ＤＣ、バイアス用トランジスタＴｒ４、選択信号線ＳＦ、負荷トランジスタＴｒ５、電流源３２を備えている。

バイアス用トランジスタＴｒ４は、垂直信号線ＶＳＬの電位を固定するように構成されている。バイアス用トランジスタゲートは制御信号線ＤＣに接続され、ソースは電源ＢＩＡＳに接続され、ドレインは垂直信号線ＶＳＬに接続されている。

選択信号線ＳＦが設けられ、負荷トランジスタＴｒ５のゲートに接続されている。負荷トランジスタＴｒ５のドレインは電流源３２の一端に接続され、ソースは垂直信号線ＶＳＬに接続されている。電流源３２の他端は接地されている。

次に、増幅トランジスタＴｒ１の断面デバイス構造について、図３を用いて説明する。

図示するように、増幅トランジスタＴｒ１は、半導体基板５１上に設けられたゲート電極Ｇ１、基板５１中にゲート電極Ｇ１を挟むように隔離して設けられたソース５５およびドレイン５７を備えたMOSトランジスタ構造をしている。ドレイン５７は電源ＤＲＮに電気的に接続され、ソース５５は垂直信号線ＶＳＬに電気的に接続されている。

ここで、ソース５５の一部領域５５Ｇが、ゲート電極Ｇ１の下に潜り込むように設けられ、ゲート電極Ｇ１とオーバーラップしている。そして、このオーバーラップしている領域５５Ｇの容量を上記Ｃ２、ゲート電極Ｇ１全体の領域の容量をＣoverlapと定義する。

＜駆動方法＞
次に、図４を用いてこの実施形態に係る個体撮像装置の駆動方法について説明する。図４は、この実施形態に係る固体撮像装置の駆動動作を示すタイミングチャート図である。この説明では、リセット信号線ＬＳ１が入力されて選択されたリセット信号線ＲＳＴ１に接続した一選択単位画素２１を例に挙げて説明する。

図示するように、時刻ｔ０の際の初期状態では、リセット信号線ＲＳＴ１をHigh状態とし、フローティングディフュージョンＦＤとドレイン電源ＤＲＮとを導通させ、フローティングディフュージョンＦＤの電位を固定している。また、制御信号線ＤＣをHigh状態とし、バイアス用トランジスタＴｒ４をオンさせ、垂直信号線ＶＳＬに電源BIASからの比較的低い電圧を印加している。

続いて、時刻ｔ１の際に、垂直シフトレジスタ１３より選択ラインとなるリセット信号線ＲＳＴ１のみ信号ＬＳ１を入力し、リセット信号線ＲＳＴ１をLow状態とする。そして、リセットトランジスタＴｒ３をオフし、フローティングディフュージョンＦＤをフローティング状態にする。

続いて、時刻ｔ２の際に、制御信号線ＤＣをLow状態とし、バイアス用トランジスタＴｒ４をオフとする。

続いて、時刻ｔ３の際に、選択信号線ＳＦをHigh状態とし、負荷トランジスタＴｒ５をオンとする。そして、垂直信号線ＶＳＬの電位を増幅トランジスタＴｒ１および負荷トランジスタＴｒ５とで構成されるソースフォロワで決まる電圧Ｖsigとする。すると、リセット信号線ＲＳ１における選択画素２１のフローティングディフュージョンＦＤは容量結合により、以下に示す電位ΔＶfdだけ、高い電位となる。即ち、以下のように示される。

ここで、Ｖａｍｐは、増幅トランジスタのチャネル電位である。

一方、非選択ライン（リセット信号線ＲＳＴ２〜リセット信号線ＲＳＴｋ）における画素のフローティングディフュージョンＦＤは、ドレイン電源ＤＲＮと導通されており、フローティング状態にはなっていないので、電位はほぼ一定のままである。

従って、選択単位画素２１のドレイン電源ＤＲＮの電位を下げる必要なく、選択ラインのリセット信号線ＲＳＴ１の増幅トランジスタＴｒ１のみをオンさせることができる。即ち、垂直信号線ＶＳＬの電位をLow状態からHigh状態にすることに伴う上記容量結合を利用して、フローティングディフュージョンＦＤの電位を増加させ、増幅トランジスタＴｒ１をオンさせ、単位画素２１を選択することができる。

そして、選択ラインのフローティングディフュージョンＦＤの電位によって決まる電圧Ｖsigが垂直信号線ＶＳＬに出力される。

続いて、時刻ｔ４の際に、垂直信号線ＶＳＬの出力が画素２１のリセットレベル（Reset Level）になると、読み出し信号線ＴＲＦをHigh状態とし、読み出しトランジスタＴｒ２をオンとする。そして、フォトダイオード２２の信号が出力された状態の垂直信号線ＶＳＬの出力が、単位画素２１の出力信号レベルとなり、出力信号（signal）を送信する（Signal Level）。

続いて、時刻ｔ５の際に、リセット信号線ＲＳＴ１をHigh状態とし、リセットトランジスタＴｒ３をオンして、フローティングディフュージョンＦＤとドレイン電源ＤＲＮとを導通させ、出力信号（signal）の送信を停止する。

続いて、時刻ｔ６の際に、制御信号線ＤＣをHigh状態とし、バイアス用トランジスタＴｒ４をオンして、初期状態に戻る。

このように、上記時刻ｔ０〜ｔ６において、ドレイン電源ＤＲＮの電圧値は、画素選択のために低くする必要がない。そのため、ドレイン電源ＤＲＮの電圧値は、常に高い電圧値のまま維持することができ、低い電圧値の期間は存在しない。また、ドレイン電源ＤＲＮは、例えば、内部電源や垂直シフトレジスタ１３等によって、所望の高い電圧に維持することができる。

尚、この実施形態ではフローティングディフュージョンＦＤの電位変化が以下により決定される。

そのため、ＣampをＣfdと比較して大きく設定し、出来ればＣamp＞Ｃfdとすることが望ましい。さらに、同様の趣旨から、（Ｖsig−BIAS）を比較的大きな値に設定することが望ましい。

上記のように、この実施形態に係る構成によれば、下記（１）乃至（３）の効果が得られる。

（１）ブルーミングの発生を防止できる。

上記のように、この実施形態では、まず、選択する単位画素２１のフローティングディフュージョンＦＤをフローティング状態とする（時刻ｔ１）。続いて、垂直信号線ＶＳＬの電位をLow状態からHigh状態に変化させる（時刻ｔ３）。そして、この際の容量結合を利用することによりΔＶｆｄ分だけ、フローティングディフュージョンＦＤの電位を増加させ、増幅トランジスタＴｒ１をオンさせ（時刻ｔ３）、単位画素２１を選択することができる。

そのため、ドレイン電源ＤＲＮの電圧値は、単位画素２１を選択するために低くする必要がない。よって、ドレイン電源ＤＲＮの電圧値は、常に高い電圧値のまま維持することができ、低い電圧値の期間は存在しない。

従って、高輝度の被写体を撮像した際であっても、フォトダイオード２２から溢れた余剰電荷を常にドレイン電源ＤＲＮに吸収することができる。その結果、ブルーミングの発生を防止できる点で有利である。

（２）微細化に対して有利である。

上記ように、この実施形態によれば、垂直信号線ＶＳＬの電位をLow状態からHigh状態に変化させ、この際の容量結合を利用してフローティングディフュージョンＦＤの電位を増加させ、増幅トランジスタＴｒ１をオンさせ、単位画素２１を選択することができる。

そのため、単位画素２１は、増幅トランジスタＴｒ１、読み出しトランジスタＴｒ２、およびリセットトランジスタＴｒ３の３つのトランジスタにより構成することができる（３Ｔｒ型）。結果、アドレストランジスタ等が必要でなく、４つのトランジスタで構成された単位画素（４Ｔｒ型）に比べ、単位画素２１の専有面積を低減できる点で、微細化に対して有利である。

（３）駆動動作の信頼性を向上することができる。

上記ＶＳＬ制御回路３１におけるフローティングディフュージョンＦＤの昇圧動作は、増幅トランジスタＴｒ１のゲート容量（対接地容量）Ｃ１の容量値Ｃfdを利用した、スタティックな動作である。

そのため、単位画素２１を昇圧動作させる際の周波数に依存せずにフローティングディフュージョンＦＤの昇圧をすることができる。よって、周波数に依存してフローティングディフュージョンＦＤの昇圧が変動してしまうことを防止することができる。結果、駆動動作の信頼性を向上できる点で有利である。

［第２の実施形態］
次に、この発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について、図５を用いて説明する。図５は、この実施形態に係る個体撮像装置の駆動動作を示すタイミングチャート図である。この実施形態は、上記第１の実施形態で説明した駆動動作において、選択画素と非選択画素の電位関係を逆にした駆動方法に関する。この説明において、上記第１の実施形態と重複する部分の説明を省略する。

この実施形態に係る回路構成は上記第１の実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、この駆動動作の説明においては、リセット信号線ＲＳ１により選択される一選択単位画素２１を例に挙げて説明する。

＜駆動方法＞
図示するように、時刻ｔ０の際の初期状態では、選択／非選択のリセット信号線のいずれにも信号ＬＳ１〜ＬＳｋは送信されないため、リセットトランジスＴｒ３のゲート電極はLow状態である。そのため、フローティングディフュージョンＦＤの電位は、フローティング状態となっているおり、初期状態における電位状態が逆である。また、制御信号線ＤＣが選択され、バイアス用トランジスタＴｒ４はオンしており、垂直信号線ＶＳＬには電源BIASにより比較的高い電圧が印加されている点が上記第１の実施形態と相違している。

続いて、時刻ｔ１の際に、選択する画素２１のリセット信号線ＲＳＴ１のみHigh状態としてリセットトランジスタをオンする。そして、フローティングディフュージョンＦＤとドレイン電源ＤＲＮとを導通させ、フローティングディフュージョンＦＤの電位を固定する。

続いて、時刻ｔ２の際に、制御信号線ＳＦをLow状態とし、バイアス用トランジスタＴｒ４をオフさせる。

続いて、時刻ｔ３の際に、選択信号線ＳＦをHigh状態にすることにより、負荷トランジスタＴｒ５をオンさせる。そして、垂直信号線ＶＳＬの電位を増幅トランジスタＴｒ１と負荷トランジスタＴｒ４で構成されるソースフォロワで決まる電圧Ｖsigとする。このとき、非選択画素のリセット信号線におけるフローティングディフュージョンＦＤの電位は、容量結合により以下に示す電位ΔＶfdだけ、低い電位となる。即ち、電位ΔＶfdは、以下のように示される。

一方、選択画素２１のフローティングディフュージョンＦＤは、フローティング状態にはなっておらず、ドレイン電源ＤＲＮと導通され、電位はほぼ一定のままである点が上記第１の実施形態と相違している。そのため、選択画素２１の増幅トランジスタのみオンＴｒ１して、選択するフローティングディフュージョンＦＤの電位によって決まる電圧が垂直信号線ＶＳＬに出力される。

続いて、時刻ｔ４の際に、垂直信号線ＶＳＬの出力が画素１１のリセットレベル（Reset Level）になると、読み出し信号線ＴＲＦをHigh状態とし、読み出しトランジスタＴｒ２をオンとする。そして、フォトダイオード２２の信号が出力された状態の垂直信号線ＶＳＬの出力が、単位画素２１の出力信号レベルとなり、出力信号（signal）を送信する（Signal Level）。

続いて、時刻ｔ５の際に、制御信号線ＤＣをHigh状態とし、バイアス用トランジスタＴｒ４をオンして、初期状態に戻る。

この実施形態に係る固体撮像装置およびその駆動方法によれば、上記（１）乃至（３）と同様の効果が得られる。さらに、この駆動動作においては、時刻ｔ３の際、非選択画素のフローティングディフュージョンＦＤの電位は、容量結合により、ΔＶfdだけ低い電位となる。一方、選択画素２１のフローティングディフュージョンＦＤは、フローティング状態にはなっておらず、ドレイン電源ＤＲＮと導通され、電位はほぼ一定電位のまま維持されているため、選択画素２１の増幅トランジスタのみオンできる。

そのため、ドレイン電源ＤＲＮの電圧値は、単位画素２１を選択するために低くする必要がない。よって、ドレイン電源ＤＲＮの電圧値は、常に高い電圧値のまま維持することができ、所望の画素２１を選択することができ、ブルーミングの発生を防止できる点で有利である。

このように、必要に応じて、選択画素２１と非選択画素との電位関係を上記第１の実施形態を逆にして、画素選択を行うことも可能である。

尚、上記第１、第２の実施形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオード２２を形成する不純物拡散層の導電型と、半導体基板の導電型が同一の場合により有効である。以下に、具体的に説明する。例えば、フォトダイオード２２をｎ型不純物拡散層で形成し、ｎ型の半導体基板を用いて単位画素２１（ＣＭＯＳセンサ）を製造した場合には、余剰電荷は、ドレイン電源ＤＲＮの他にｎ型の半導体基板で吸収することも可能である。そのため、よりブルーミングの発生を防止できる点で有利である。

一方、フォトダイオード２２をｎ型不純物拡散層で形成し、ｐ型の半導体基板を用いて単位画素２１（ＣＭＯＳセンサ）を製造した場合には、余剰電荷は、ドレイン電源ＤＲＮのみで吸収し、ｐ型の半導体基板には吸収することができないからである。

以上、第１、第２の実施形態を用いてこの発明の説明を行ったが、この発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記各実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、各実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図。図１中の一画素領域を示す回路図。図１中の増幅トランジスタのデバイス構造を示す断面図。図２に示す一画素領域の駆動動作を示すタイミングチャート図。第２の実施形態に係る一画素領域の駆動動作を示すタイミングチャート図。

符号の説明

２１…単位画素、２２…フォトダイオード、Ｔｒ１…増幅トランジスタ、Ｔｒ２…転送トランジスタ、Ｔｒ３…リセットトランジスタ、Ｔｒ４…バイアス用トランジスタ、Ｔｒ５…負荷トランジスタ、ＤＲＮ…ドレイン電源、Ｃ１、Ｃ２…容量、ＶＳＬ…垂直信号線、３１…ＶＳＬ制御回路、３２…電流源。

Claims

垂直信号線と、
入射光を光電変換し蓄積するフォトダイオードと、制御電極と前記垂直信号線とが容量結合され前記フォトダイオードからの入力信号を増幅し前記垂直信号線に出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの制御電極の電位をリセットするリセットトランジスタとを備える単位画素と、
前記増幅トランジスタおよび前記リセットトランジスタの電流経路の一端に接続され、その電圧値が固定されたドレイン電源とを具備すること
を特徴とする固体撮像装置。
前記増幅トランジスタは、半導体基板上に設けられたゲート電極と、前記半導体基板中に前記ゲート電極を挟むように隔離して設けられたソースおよびドレインと、前記ゲート電極の下に潜り込むように設けられたソースの一部領域とを備え、
前記容量結合は、前記ソースの一部領域と前記ゲート電極との間に設けられること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記増幅トランジスタの制御電極の対接地容量の容量値をＣfd、前記増幅トランジスタと前記垂直信号線との間の容量値をＣampとしたとき、Ｃamp＞Ｃfdであること
を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記制御回路は、制御信号線と、制御電極が前記制御信号線に接続され、電流経路の一端が前記垂直信号線に接続され、電流経路の他端に固定電位が印加されるバイアス用トランジスタとを備えること
を特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
垂直信号線と、入射光を光電変換し蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードからの信号を増幅し前記垂直信号線に出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの制御電極の電位をリセットするリセットトランジスタとを備えた単位画素と、前記増幅トランジスタおよび前記リセットトランジスタの電流経路の一端に接続されその電圧値が固定されたドレイン電源と、前記垂直信号線の電位状態を制御するように構成された制御回路とを具備する固体撮像装置であって、
前記制御回路により、前記垂直信号線の電位状態を変化させ、前記増幅トランジスタのゲート容量を利用することにより、前記増幅トランジスタをオンさせ、前記単位画素を選択すること
を特徴とする固体撮像装置の駆動方法。