(57)【要約】【課題】高速撮影装置におけるデジタルノイズをなくす。【解決手段】高速撮像素子３１は、フォトダイオード３３から斜めに延びる記録用ＣＣＤ３６と、記録用ＣＣＤ３６の他端が合流する垂直読み出し用ＣＣＤ３７を備える。連続上書き撮影時には、デジタル駆動電圧供給部３０ａが記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に正弦波の駆動電圧を供給する。【選択図】図１
2010041404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面上に配置されて入射線の強度に応じた電荷信号を発生する複数の変換部と、
個々の前記変換部に一端が接続されて他端に向けて線状に延びる複数の記録用ＣＣＤと、
前記記録用ＣＣＤの他端側に設けられたドレーンゲートと、
前記ドレーンゲートに接続されたドレーンと
を有する撮像素子と、
撮影時に、前記撮像素子の前記記録用ＣＣＤに正弦波の駆動電圧を供給し、前記変換部で発生した電荷信号を前記記録用ＣＣＤの前記一端から前記他端に向けて移送させ、前記ドレーンゲートを介して前記電荷信号を前記ドレーンへ排出して連続上書きを実行させる、アナログ駆動電圧供給部と、
前記連続上書きにより前記記録用ＣＣＤの蓄積された前記電荷信号を前記撮像素子外に読み出すための電荷信号読み出し部と、
撮影終了後に矩形波の駆動電圧を供給して前記電荷信号読み出し部を介して電荷信号を前記撮像素子外に読み出すためのデジタル駆動電圧供給部と
を備える、
高速撮影装置。
【請求項２】
前記電荷信号読み出し部は、前記記録用ＣＣＤの他端が合流する複数の垂直読み出し用ＣＣＤと、
前記複数の垂直読み出し用ＣＣＤが接続された単一の水平読み出し用ＣＣＤと
を備える、請求項１に記載の高速撮影装置。
【請求項３】
前記ドレーン及びドレーンゲートが前記電荷信号読み出し部として機能する、請求項１に記載の高速撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型であってもＣＯＭＳ型であっても、通常の撮像素子は矩形パルス波形電圧でデジタル制御される。一方、ＣＣＤは正弦波形電圧のみで駆動することもできる。ただし、通常の撮像素子は電荷信号を取り込みながら、電荷信号を素子外に読み出す。読み出し操作はデジタル制御せざるを得ないので、これまでの撮像素子は全てデジタル制御されてきた。
【０００３】
本発明者は、斜行線形ＣＣＤ型メモリーを持つ画素周辺記録撮像素子（In-situ Storage Image Sensor with slanted linear ＣＣＤ storage、以下「ISIS」と呼ぶ）及びそれを備える高速撮影装置を開発した（例えば特許文献１参照）。ISISでは、各画素が１００個以上のＣＣＤ型のメモリーを備えており、撮影中は全ての画素の並列処理で一斉に電荷信号を記録するので究極の超高速度連続撮影（例えば１００万枚／秒で連続１００枚以上）が可能であり、撮影中は電荷信号の読み出しは実行しない。
【０００４】
デジタル制御ではいわゆるデジタルノイズが発生する。主要な原因の一つは正確に時間を刻むためのクロックノイズである。またデジタル制御においては多くの矩形パルス電圧を使ってシステムを制御する。パルス電圧の立ち上がり、立下り時には基本周波数よりもはるかに高い周波数の揺れ（以下「リンギング」と呼ぶ）が生じる。パルス状の立ち上がり、立下りやリンギングに伴う急激な電流変化は、電磁波を発生する。この電磁波がシステムの中を飛び回り、デジタルノイズの発生源となる。
【０００５】
デジタル制御は電圧や電流値のある値を閾値にし、それ以上か、以下かの２値判断を行うので、制御電圧や電流に多少のノイズが乗っても、閾値のオーダーより十分小さければ、間違った制御を起こすことはない。この安定性がデジタル制御が良く使われる理由である。
【０００６】
ところが通常の撮像素子で扱う電荷信号は、撮像素子内にある間はアナログ信号である。電荷信号を撮像素子外に読み出すときにアナログ・デジタル変換器（ＡＤコンバータ）でデジタル信号に変換される。すなわち撮像素子はアナログ・デジタル混載電子機器であり、しかも扱う信号が、光子等から変換された数個〜数万個の電子であるという、極めて精密な信号の取り扱いを必要とするデバイスである。
【０００７】
撮影速度を上げていくと、信号処理速度が上がり、電流の変化速度が上がるので、それに比例してデジタルノイズが大きくなる。これは読み出し回路で必要な安定電圧を揺らし、読み出しノイズの増大を招く。超高速度撮影が使われるような科学技術計測では、超高速度と同時に、非常に高精密な測定が要求されることも多い。この場合、撮影速度の増大と、測定精度の向上が競合する。
【０００８】
科学技術計測では、ビデオカメラに加えて、いくつかの精密計測機器を使って計測するのが普通である。この場合、超高速ビデオカメラで発生するデジタルノイズが計測精度を下げる大きな原因となることもある。例えば、１００KeV以下の比較的低いエネルギーを持つ電子流を使う電子顕微鏡に、電子直入型の超高速度ビデオカメラ用撮像素子を取り付けると、撮像素子で発生するノイズが電子流を揺らし、解像度を著しく下げる。
【０００９】
【特許文献１】特許第３７０４０５２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、高速撮影装置において撮影時のデジタルノイズをなくすことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述のように、本発明者が開発したISISは全ての画素の各々にＣＣＤ型の多数の電荷信号メモリーを持っている。本発明は、撮像素子としてISISを採用した高速撮影装置が有する、撮影中に電荷信号を読み出す必要がないとこと等の特徴を活用し、撮影中は正弦波の電圧のみでＣＣＤを駆動することでデジタルノイズレス超高速度撮影を実現したものである。
【００１２】
具体的には、本発明は、受光面上に配置されて入射線の強度に応じた電荷信号を発生する複数の変換部と、個々の前記変換部に一端が接続されて他端に向けて線状に延びる複数の記録用ＣＣＤと、前記記録用ＣＣＤの他端側に設けられたドレーンゲートと、前記ドレーンゲートに接続されたドレーンとを有する撮像素子と、撮影時に、前記撮像素子の前記記録用ＣＣＤに正弦波の駆動電圧を供給し、前記変換部で発生した電荷信号を前記記録用ＣＣＤの前記一端から前記他端に向けて移送させ、前記ドレーンゲートを介して前記電荷信号を前記ドレーンへ排出して連続上書きを実行させる、アナログ駆動電圧供給部と、前記連続上書きにより前記記録用ＣＣＤの蓄積された前記電荷信号を前記撮像素子外に読み出すための電荷信号読み出し部と、撮影終了後に矩形波の駆動電圧を供給して前記電荷信号読み出し部を介して電荷信号を前記撮像素子外に読み出すためのデジタル駆動電圧供給部とを備える、高速撮影装置を提供する。
【００１３】
撮影中は、アナログ駆動電圧供給部からの正弦波形の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないで記録用ＣＣＤ上で電荷信号を転送するので、デジタルノイズレスの高精度で超高速撮影が可能である。また、記録用ＣＣＤ上を移送された電荷信号はドレーンゲートを介してドレーンへ排出されるので、連続上書き撮影が可能である。連続上書き停止後には、デジタル駆動電圧供給部が矩形波の駆動電圧を供給し、デジタル制御により電荷信号を撮像素子外に読み出すことができる。
【００１４】
例えば、前記電荷信号読み出し部は、前記記録用ＣＣＤの他端が合流する複数の垂直読み出し用ＣＣＤと、前記複数の垂直読み出し用ＣＣＤが接続された単一の水平読み出し用ＣＣＤとを備える。
【００１５】
代案としては、前記ドレーン及びドレーンゲートが前記電荷信号読み出し部として機能する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高速撮影装置では、撮影時にはデジタル駆動電圧供給部が正弦波の駆動電圧を記録用ＣＣＤに供給することで連続上書きを実行する。すなわち、連続上書き撮影中は、正弦波形の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないでＣＣＤ上で電荷信号を転送するので、デジタルノイズレスの高精度で超高速撮影が可能である。一方、連続上書き停止後には、デジタル駆動電圧供給部が矩形波の駆動電圧を供給し、デジタル制御により電荷信号を撮像素子外に読み出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は高速撮影装置全体の構成を示している。レンズ２１に入射した光は外部シャッター２２を通過してISIS型の高速撮像素子３１（以下単に撮像素子という。）の受光面３２上に結像する。撮影中は入射した光の強度に応じて電荷が生じるが、過剰な入射光により生じた過剰電荷は、ドレーン線２３を介して排出される。撮影後は読み出し線２４を通じ撮像素子内に蓄積された電荷信号（画像信号）が、ＡＤコンバータ２５によりデジタル情報に変換され、バッファメモリー２６に蓄積される。バッファメモリー２６に蓄積された画像情報は画像情報処理装置２７により連続する１枚１枚の画像情報に変換された後、高速撮影装置外に出力される。この画像情報はモニタ２８により画像として目で見ることができる。また、高速撮影装置は、装置全体を制御するためのタイミングコントローラ２９を備えている。さらに、高速撮影装置は、撮像素子３１を駆動する駆動電圧を発生するアナログ駆動電圧供給部３０ａとデジタル駆動電圧供給部３０ｂを備えている。これらの駆動電圧供給部３０ａ，３０ｂについては後に詳述する。タイミングコントローラ２９には、トリガー信号発生部１００が接続されている。トリガー信号発生部１００は、例えば撮影対象の輝度変化を監視し、一定の条件が充足されると連続上書きの停止を命令するトリガー信号をタイミングコントローラ２９に出力する。
【００１９】
次に、撮像素子３１について説明する。図２に示すように、受光面３２には複数のフォトダイオード（変換部）３３が配置されている。これらのフォトダイオード３３は、行方向（Ｘ軸方向）の間隔Ｓ１及び列方向（Ｙ軸方向）の間隔Ｓ２がそれぞれ一定となるように配置されている。また、これらのフォトダイオード３３は、行方向と列方向が互いに直交するように配置されている。すなわち、フォトダイオード３３は直方配列（正方配列を含む。）で受光面３２に配置されている。また、それぞれ１個のフォトダイオード３３を含む画素３４も直方配列で配置されている。図２では、合計１２個（４行３列）のフォトダイオード３３が図示されている。
【００２０】
各フォトダイオード３３に対して１本ずつ線状の記録用ＣＣＤ３６が設けられている。また、各フォトダイオード３３の列に対して１本ずつ、線状の垂直読み出し用ＣＣＤ３７が設けられている。
【００２１】
記録用ＣＣＤ３６の一端は、インプットゲート３８を介して対応するフォトダイオード３３に接続されている。また、記録用ＣＣＤ３６は、列方向に隣接するフォトダイオード３３を結ぶ線Ｌ２に対して傾斜する方向に延びている。さらに、記録用ＣＣＤ３６の他端は垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流している。同一の列を構成するフォトダイオード３３に接続されたすべての記録用ＣＣＤ３６が同一の垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流している。
【００２２】
垂直読み出し用ＣＣＤ３７は、フォトダイオード３３の列方向（垂直方向）に延びている。また、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の図において下端は受光面３２外まで延びて水平読み出し用ＣＣＤ３９に接続されている。水平読み出し用ＣＣＤ３９は増幅器４１及び信号読み出し線２４を介してＡＤコンバータ２５に接続されている（図１参照）。
【００２３】
図３において、番号５〜１６で示すように、記録用ＣＣＤ３６は１７個のエレメント３６ａを有し、インプットゲート３８から数えて１８個のエレメント３６ａだけ進むと、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流する。図３では、インプットゲート３８が合流する部分の垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに番号「４」が付されている。図３において矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に対する記録用ＣＣＤ３６の合流点、すなわち番号「４」が付されたエレメント３７ａの近傍において、記録用ＣＣＤ３６の電荷信号の移送方向と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の電荷信号の移送方法は略同一方向である。
【００２４】
垂直読み出し用ＣＣＤ３７の図２において左側には、垂直読み出し用ＣＣＤ３７と平行に延びるドレーン４３が設けられている。垂直読み出し用ＣＣＤ３７と同様に、ドレーン４３もフォトダイオード３３の列毎に設けられている。ドレーン４３は受光面３２外まで延び、水平方向に延びるドレーン線４４に接続されている。このドレーン線４４は上記アースに接続されたドレーン線２３（図１参照）に接続されている。図３に示すように、ドレーン４３は、記録用ＣＣＤ３６の合流点である番号「４」が付された垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに対して、矢印Ｆ２で示す電荷信号の移送方向に対して１個上流側のエレメント３７ａ、すなわち番号「１」が付されたエレメント３７ａに接続されている。ドレーン４３と垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａの間にはドレーンゲート４５が設けられている。
【００２５】
次に、図４から図７を参照して撮像素子３１の構造を説明する。これらの図のうち、図４は基板（最下層）を示している。図５は最下層の上に形成されたポリシリコン電極層を示している。図６はポリシリコン電極層の上に形成された金属層を示している。図７は最上層である遮光層４６を示している。基板とポリシリコン電極層との間、ポリシリコン電極層と金属層との間、及び金属層と遮光層４６との間には、SiO2/Si3N4等の絶縁層１０１（図８参照）が設けられている。
【００２６】
図４に示すように、基板にはフォトダイオード３３、記録用ＣＣＤ３６、インプットゲート３８、ドレーンゲート４４、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７が設けられている。記録用ＣＣＤ３６はＮ領域４７ａとＮ＋領域４７ｂとを交互に設けることにより構成されている。連続する４個のＮ領域４７ａ及びＮ＋領域４７ｂが１個のエレメント３６ａを構成している。垂直読み出し用ＣＣＤ３７もＮ領域４７ａとＮ＋領域４７ｂとを交互に設けることにより構成され、連続する４個のＮ領域４７ａ及びＮ＋領域４７ｂが１個のエレメント３７ａを構成している。また、一対のＮ領域４７ａ及びＮ＋領域４７ｂが１個のインプットゲート３８を構成している。フォトダイオード３３、記録用ＣＣＤ３６、インプットゲート３８、ドレーンゲート４５、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７を除いた基板の残りの部分はＰ領域からなるチャネルストップ４８を構成している。
【００２７】
図５に示すように、ポリシリコン層には３種類のポリシリコン電極５１，５２，５３が設けられている。これらのうち第１ポリシリコン電極５１は、記録用ＣＣＤ３６を駆動するためのものであり、Ａ１相の駆動電圧が印加される。次に、第２ポリシリコン電極５２は、記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方の駆動に使用され、Ａ２相の駆動電圧が印加される。さらに、第３ポリシリコン電極５３は、垂直読み出し用ＣＣＤ３７を駆動するための電極であり、Ａ１相の駆動電圧が印加される。
【００２８】
これらのポリシリコン電極５１〜５３は受光面３２内においてフォトダイオード３３の行方向（水平方向）に延びており、各ポリシリコン電極５１〜５３の下側には一対のＮ領域４７ａとＮ＋領域４７ｂが位置している。第１ポリシリコン電極５１と第２ポリシリコン電極５２は行方向（水平方向）に一列に並んで設けられ、その間に両者を電気的に絶縁する隙間５４が設けられている。第１及び第３ポリシリコン電極５１，５３と、第２ポリシリコン電極５２が列方向に交互に設けられている。記録用ＣＣＤ３６の１個のエレメント３６ａには第１ポリシリコン電極５１と第２ポリシリコン電極５２の対が対応し、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の１個のエレメント３７ａには第１ポリシリコン電極５１と第３ポリシリコン電極５３の対が対応している。
【００２９】
図６に示すように、金属層は第１金属線５７、第２金属線５８、第３金属線５９、及びドレーン４３を含む。金属線５７〜５９は、電圧供給部３０ａ，３０ｂが出力する駆動電圧をポリシリコン電極５１〜５３に供給する。金属線５７〜５９のうち、第１金属線５７は第１ポリシリコン電極５１にＡ１相の駆動電圧を供給する。また、第２金属線５８は第２ポリシリコン電極５２にＡ２相の駆動電圧を供給する。さらに、第３金属線５９は第３ポリシリコン電極５３にＡ１相の駆動電圧を供給する。個々の金属線５７〜５９はコンタクトポイン６１ａ〜６１ｃを介して対応するポリシリコン電極５１〜５３に電気的に接続されている。
【００３０】
ドレーンゲート４５はコンタクトポイント６１ｄを介して遮光層４６に接続されている。従って、ドレ−ンゲート４５を開閉するための制御電圧は、遮光層４６及びコンタクトポイント６１ｄを介してドレーンゲート４５に供給される。
【００３１】
図７に示すように、アルミニウム等の導電性金属からなる遮光層４６には、それぞれフォトダイオード３３と対応する複数の窓部４６ａが設けられている。この窓部４６ａはフォトダイオード３３に光を入射させる。遮光層４６の窓部４６ａ以外の部分は、受光面３２を覆い入射光を遮断する。
【００３２】
ポリシリコン電極５１〜５３は、コンタクトポイン６１ａ〜６１ｄ及び金属製５７〜５９を含む導電経路を介して図８に示すように駆動電圧供給部３０ａ，３０ｂに電気的に接続されている。アナログ駆動電圧供給部３０ａは連続上書き撮影時に記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に正弦波の駆動電圧（アナログ）を供給し、デジタル駆動電圧供給部３０ｂは連続上書き撮影停止後に記録用ＣＣＤ３６、垂直読み出し用ＣＣＤ３７、及び水平読み出し用ＣＣＤ３９に矩形波の駆動電圧（デジタル）を供給する。アナログ駆動電圧供給部３０ａは、アナログ回路のみで構成してもよいし、デジタル回路とその出力をアナログ信号に変換するＤＡコンバータにより構成してもよい。後者の場合には、デジタル回路の発生するノイズを十分に遮蔽する必要がある。
【００３３】
次に、高速撮影装置の動作を説明する。
【００３４】
まず、連続上書き撮影について説明する。連続上書き撮影時には、ドレーンゲート４５はドレーン線４３と同電位に維持され、ドレーンゲート４５に接続された垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａ、すなわち図３におい番号「１」を付したエレメント３７ａからドレーンゲート４５、ドレーン線４４，２３を経て電荷信号が素子外に排出される。
【００３５】
連続上書き撮影時には、アナログ駆動電圧供給部３０ａから記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に、図９に示すように２相の正弦波の駆動電圧が供給される。詳細には、記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａには、アナログ駆動電圧供給部３０ａから第１金属線５７、コンタクトポイント６１ａ、及び第１ポリシリコン電極５１を介してＡ１相の正弦波の駆動電圧が供給される。また、記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａには、アナログ駆動電圧供給部３０ａから第２金属線５８、コンタクトポイント６１ｂ、及び第２ポリシリコン電極５２を介してＡ２相の正弦波の駆動電圧が印加される。一方、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａには、アナログ駆動電圧供給部３０ａから第３金属線５９、コンタクトポイント６１ｃ、及び第３ポリシリコン電極５３を介してＡ１相の駆動電圧が印加される。また、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａには、アナログ駆動電圧供給部３０ａから第２金属線５８、コンタクトポイント６１ｂを介してＡ２相の駆動電圧が供給される。
【００３６】
Ａ１相とＡ２相の正弦波の駆動電圧は、振幅及び周期が同一であり、Ａ２相はＡ１相に対して１／２πだけ位相がずれている。これらＡ１，Ａ２相の正弦波の駆動電圧により、図１０Ａ，１０Ｂに模式的に示すように、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７において電荷信号１０２が移送される。詳細には、図３においてエレメント３６ａに付した番号「５」〜「２１」及び矢印Ｆ１で示すように、フォトダイオード３３で発生した電荷信号は、記録用ＣＣＤ３６により垂直読み出し用ＣＣＤ３７との合流点に向けて移送される。また、図３においてエレメント３７ａに付した番号「１」〜「４」及び矢印Ｆ２で示すように、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に移送された電荷信号は列方向（垂直方向）に移送される。垂直読み出し用ＣＣＤ３７により移送される電荷信号は、下流側の合流点、すなわち図３におい番号「４」が付されたエレメント３７ａに到達する前に、番号「１」が付されたエレメント３７ａからドレーンゲート４５を経てドレーン４３に排出される。
【００３７】
以上の動作により、図３において番号「１」〜「２１」示すように、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３６ａ，３７ａに多数の最新の電荷信号が更新されつつ記録される。
【００３８】
このように連続上書き撮影中は、正弦波の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないでＣＣＤ上で電荷信号を転送することにより、デジタル制御の場合には不可避のノイズ（パルス状の立ち上がり、立下りやリンギングに伴う急激な電流変化により発生するノイズ）が発生しない、すなわちデジタルノイズレスの高精度な超高速度撮影が実現できる。
【００３９】
トリガー信号発生部１００からタイミングコントローラ２９にトリガー信号が入力されると、上記駆動電圧の印加停止によって連続上書き撮影が終了し、外部シャッター２２が閉じられる。
【００４０】
次に、連続上書き撮影停止後の電荷信号の読み出しを説明する。遮光層４６を介してドレーンゲート４５を閉鎖するための制御電圧（例えば０Ｖ）が印加される。また、電荷信号の読み出しは、垂直読み出し用ＣＣＤ３７から水平読み出し用ＣＣＤ３９へ電荷信号を移送する第１処理と、記録用ＣＣＤ３６から垂直読み出し用ＣＣＤ３７へ電荷信号を移送する第２処理とを繰り返すことにより実行される。
【００４１】
第１処理では、記録用ＣＣＤ３６では電荷信号の移送は行われず、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のみで電荷信号の移送を行う。具体的には、記録用ＣＣＤ３６にＡ１相の駆動電圧を供給するための第１金属線５７に供給する電圧を一定とする一方、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にＡ２相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極５２と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７にＡ１相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極５３にはデジタル駆動電圧供給部３０ｂが２レベルの矩形波形の駆動電圧を印加する。その結果、記録用ＣＣＤ３６では電荷信号は移送されることなく、蓄積されているエレメント３６ａに留まる。一方、垂直読み出し用ＣＣＤ３７では、図３において矢印Ｆ２で示すように、電荷信号は列方向（鉛直方向）に移送される。水平読み出し用ＣＣＤ３９に移送された電荷信号は、増幅器４１、読み出し線２４及びＡ／Ｄコンバータ２５を介してバッファメモリー２６に送られる。水平読み出し用ＣＣＤ３９もデジタル駆動電圧供給部３０ｂからの矩形波形の駆動電圧により駆動される。垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに蓄積されたすべての電荷信号が水平読み出し用ＣＣＤ３９に移送されると、１回の第１処理が終了して第２処理が実行される。増幅器４１、Ａ／Ｄコンバータ２５を含む撮像素子３１の周辺回路は、デジタル駆動電圧供給部３０ｂからの矩形波形の駆動電圧によりデジタル制御される。
【００４２】
第２処理では、記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方で電荷信号の移送が実行される。具体的には、記録用ＣＣＤ３６にＡ１相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極５１、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にＡ２相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極５２、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にＡ１相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極５３のすべてにデジタル駆動電圧供給部３０ｂが２レベルの矩形波の駆動電圧を印加する。その結果、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方において、図３において矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように電荷信号が移送される。その結果、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａのうち、図３において番号「１」〜「４」を付したエレメント３７ａに対して記録用ＣＣＤ３６から電荷信号が供給される。垂直読み出し用ＣＣＤ３７のすべのエレメント３７ａに電荷信号が蓄積されたとき、すなわち図３において番号「１」〜「４」を付したエレメント３７ａに電荷信号が蓄積されると、１回の第２処理が終了し、再び第１処理が実行される。第１処理と第２処理の繰り返しにより、記録用ＣＣＤ３６、垂直読み出し用ＣＣＤ３７、及び水平読み出し用ＣＣＤ３９からすべての電荷信号が素子外に移送されると、読み出しが終了する。
【００４３】
前述のように連続上書き撮影中は、正弦波形の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないでＣＣＤ上で電荷信号を転送することにより、デジタル制御の場合には不可避のノイズ（パルス状の立ち上がり、立下りやリンギングに伴う急激な電流変化により発生するノイズ）の発生を防止したが、撮影対象現象の生起による連続上書き撮影停止には、デジタル制御により、ゆっくり電荷信号を撮像素子外部のバッファメモリー２６に読み出し、連続画像として構成し、再生する。電荷信号の読み出し時には連続上書き撮影時と比較すると大幅に遅い速度でＣＣＤ及び周辺回路を駆動することができるので、デジタル制御であってもパルス状の立ち上がり、立下りやリンギングに起因するノイズを実用上殆ど無視できる程度に抑制できる。また、電荷信号の読み出し時には、ＣＣＤ及び周辺回路の駆動速度を大幅に低減することに加え、撮像素子３１を冷却すること容易であり、それによってもノイズを低減できる。
【００４４】
本実施形態の高速撮影装置では前述のように撮影時に正弦波（アナログ）で撮像素子３１を駆動することでデジタルレスを実現しているが、これは撮像素子３１がISIS型であって、以下の２つの条件を満たしていることからこそ可能である。第１の条件としては、撮像素子３１が受光面３２内に電荷信号の蓄積要素、すなわち記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７を備えるので、撮影中に電荷信号の読み出しの必要がない。第２の条件としては、連続上書き撮影時に駆動される記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７とがいずれも「線状」であって、記録用ＣＣＤ３６が垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流する位置（図３の番号「４」が付されたエレメント３７ａ）を含め、電荷信号の移送方法が略同一方向である。たとえ画素周辺に電荷信号の記録要素を備えて撮影中に電荷信号の読み出しが不要であるとしても、電荷信号の移送方向の変換（電荷信号の搬送方向の屈曲）が必要な場合、アナログの駆動電圧では電荷信号の移送方向の変換は実現できない。従って、例えば米国特許第５３５５１６５号に開示されているような、画素内に電荷信号の蓄積手段としてのＣＣＤを有するが受光面内で電荷信号の移送方向が水平方向から垂直方向に屈曲している撮像素子では、アナログ制御による連続上書き撮影は実現できない。
【００４５】
（第２実施形態）
撮像素子３１の記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７は４相駆動であってもよい。この場合、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７の電荷転送方向に不純物ドーピングプロファイルの変化（図３，図８参照）を設ける必要はない。
【００４６】
連続上書き撮影時には、アナログ駆動電圧供給部３０ａは記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に、図１２及び図１３に示すように、４相（Ａ１相、Ａ２相、Ａ３相、Ａ４相）の正弦波の駆動が供給される。Ａ１〜Ａ２相の駆動電圧は振幅及び周期が同一であり、１／２πずつ位相がずれている。これらＡ１〜Ａ３相の正弦波の駆動電圧により、図１４に模式的に示すように、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７において電荷信号１０２が移送される。このように連続上書き撮影中は、正弦波形の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないでＣＣＤ上で電荷信号を転送することにより、デジタルノイズレスの高精度で、超高速度撮影ができる。
【００４７】
連続上書き撮影停止後の電荷信号読み出し時には、デジタル駆動電供給部３０ｂから図１２及び図１３の正弦波）を矩形波に変更した波形の駆動電圧が記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に供給され、それによって前述の第１処理及び第２処理の繰り返しで電荷信号が撮像素子３１から読み出されてバッファメモリー２６に蓄積される。
【００４８】
第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様である。
【００４９】
（第３実施形態）
図１５に示す本発明の第３実施形態は、高速撮影装置としての全体的な構造は第１実施形態と同様であるが（図１参照）、撮像素子３１の構造が第１実施形態と異なる。フォトダイオード３３の図において左下側には電気収集井戸２０１及びインプットゲート２０２を介して記録用ＣＣＤ２０３の一端（上端）が接続されている。記録用ＣＣＤ２０３は受光面上を斜め下向きに延びており、他端は列方向に６個下側で行方向に１個左側のフォトダイオード３３の下側に達している。つまり、記録用ＣＣＤ２０３は６画素分の距離を斜め下向きに延びている。なお、記録用ＣＣＤ２０３の個々のエレメントの図示は省略している。フォトダイオード３３の他端（下端）にはＭＯＳ型のドレーンゲート２０４を介してドレーン２０５に接続されている。このドレーン２０５は図示しないドレーン線（読み出し線と兼用されている。）に接続されている。ドレーン線は増幅器及びＡ／Ｄコンバータを経てバッファメモリー（図１及び図２の符号４１，２５，２６参照）に接続されている。ドレーン２０５と前述のインプットゲート２０２の間にはＭＯＳ型のオーバーフローゲート２０６が介在している。
【００５０】
連続上書き撮影時には、ドレーンゲート２０４が開放され、オーバーフローゲート２０６は閉鎖されている。アナログ駆動電圧供給部３０ａ（図８，図１１参照）から供給される正弦波の駆動電圧により記録用ＣＣＤ２０３が駆動される。フォトダイオード３３で発生した電荷信号は図１５中に矢印で示すように記録用ＣＣＤ２０３上を一端から他端に向けて順に移送され、ドレーンゲート２０４及びドレーン２０５を介して撮像素子３１外に排出される。
【００５１】
記録用ＣＣＤへの駆動電圧の印加停止による連続上書き撮影終了後、いずれかのフォトダイオード３３に接続された記録用ＣＣＤ２０３のドレーンゲート２０４を選択して開放し、デジタル駆動電圧供給部３０ｂ（図８，図１１参照）から供給される矩形波の駆動電圧により選択した記録用ＣＣＤ２０３を駆動し、ドレーンゲート２０４、ドレーン２０５、及びドレーン線等を介してバッファメモリー（図１の符号４１参照）へ記録用ＣＣＤ２０３に蓄積された電荷信号を順に移送する。このように本実施形態では、連続上書き撮影終了後にフォトダイオード３３（画素）をランダムに選択して電荷信号の読み出しを実行することができる。
【００５２】
なお、撮影条件設定等のために連続上書き撮影時よりも大幅に低い撮影速度での撮影を実行する場合には、オーバーフローゲート２０６を開放した状態とする。これによりフォトダイオード３３で発生した電荷信号を、記録用ＣＣＤ２０３を介することなく直接電荷信号を撮像素子３１外に読み出すことができる。具体的には、フォトダイオード３３で発生した電荷信号は電気収集井戸２０１から開放状態のオーバーフローゲート２０６、開放状態のドレーンゲート２０４、ドレーン２０５、及びドレーン線等を経てバッファメモリ（図１の符号４１参照）へ送られる。
【００５３】
本実施形態においても連続上書き撮影時には正弦波の駆動電圧（アナログ）で記録用ＣＣＤ２０３を駆動することでデジタルノイズレスの高精度で超高速撮影が可能である一方、連続上書き撮影停止後には矩形波の駆動電圧（デジタル）で電荷信号を撮像素子３１外にゆっくりと読み出すことができる。
【００５４】
可視光線を電荷信号に変換する撮像素子を備える高速撮影装置を例に本発明を説明したが、撮像素子は、紫外線、赤外線、Ｘ線及びガンマ線を含む電磁波、中性子流及びイオン流を含む粒子流等の可視光線以外の入射線を電荷信号に変換するものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態の高速撮影装置を示す模式図。
【図２】高速撮像素子の受光面を示す部分正面図。
【図３】フォトダイオード、記録用ＣＣＤ、及び垂直読み出し用ＣＣＤを示す部分拡大図。
【図４】基板（最下層）を示す部分拡大正面図。
【図５】ポリシリコン層を示す部分拡大正面図。
【図６】金属層を示す部分拡大正面図。
【図７】遮光層（最上層）を示す部分拡大正面図。
【図８】第１実施形態における記録用ＣＣＤ及び垂直読み出し用ＣＣＤの電荷信号搬送方向での模式断面図。
【図９】第１実施形態における連続上書き撮影時に記録用ＣＣＤ及び垂直読み出し用ＣＣＤに供給される正弦波の駆動電圧（２相）を示す波形図。
【図１０Ａ】連続上書き撮影時の記録用ＣＣＤ及び垂直読み出し用ＣＣＤにおける信号電荷の搬送状態を示す模式図。
【図１０Ｂ】連続上書き撮影時の記録用ＣＣＤ及び垂直読み出し用ＣＣＤにおける信号電荷の搬送状態を示す模式図。
【図１１】第２実施形態における記録用ＣＣＤ及び垂直読み出し用ＣＣＤの電荷信号搬送方向での模式断面図。
【図１２】第２実施形態における連続上書き撮影時に記録用ＣＣＤ及び垂直読み出し用ＣＣＤに供給される正弦波の駆動電圧（４相）を示す波形図。
【図１３】第２実施形態における連続上書き撮影時に記録用ＣＣＤ及び垂直読み出し用ＣＣＤに供給される正弦波の駆動電圧（４相）を重畳して示す波形図。
【図１４】連続上書き撮影時の記録用ＣＣＤ及び垂直読み出し用ＣＣＤにおける信号電荷の搬送状態を示す模式図。
【図１５】本発明の第３実施形態の高速撮影装置が備える撮像素子を示す部分正面図。
【符号の説明】
【００５６】
２１  レンズ
２２  外部シャッター
２３  ドレーン線
２４  読み出し線
２５  Ａ／Ｄコンバータ
２６  バッファメモリー
２７  画像情報処理装置
２８  モニタ
２９  タイミングコントローラ
３０ａ  アナログ駆動電圧供給部
３０ｂ  デジタル駆動電圧供給部
３１  高速撮像素子
３２  受光面
３３  フォトダイオード
３６  記録用ＣＣＤ
３７  垂直読み出し用ＣＣＤ
３８  インプットゲート
３９  水平読み出し用ＣＣＤ
４３  ドレーン
４４  ドレーン線
４５  ドレーンゲート
４６  遮光層
４７ａ  Ｎ領域
４７ｂ  Ｎ＋領域
５１，５２，５３  ポリシリコン電極
５７，５８，５９  金属線
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ  コンタクトポイント
１００  トリガー信号発生部
１０１  絶縁層
１０２  電荷信号
２０１  電荷収集井戸
２０２  インプットゲート
２０３  記録用ＣＣＤ
２０４  ドレーンゲート
２０５  ドレーン
２０６  オーバーフローゲート
【図１】
2010041404.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010041404.tif 000005
【図４】
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【図７】
2010041404.tif 000007
【図８】
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【図１１】
2010041404.tif 000009
【図１５】
2010041404.tif 000010
【図５】
2010041404.tif 000011
【図６】
2010041404.tif 000012
【図９】
2010041404.tif 000013
【図１０Ａ】
2010041404.tif 000014
【図１０Ｂ】
2010041404.tif 000015
【図１２】
2010041404.tif 000016
【図１３】
2010041404.tif 000017
【図１４】
2010041404.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成20年8月8日(2008.8.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010041404.tif 000019
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2010041404.tif 000020
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2010041404.tif 000021
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2010041404.tif 000022
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０Ａ】
2010041404.tif 000023
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０Ｂ】
2010041404.tif 000024
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2010041404.tif 000025
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
2010041404.tif 000026
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１５】
2010041404.tif 000027