(57)【要約】【課題】任意の増倍回数で増倍された電荷信号の増倍率を算出することが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】このＣＭＯＳイメージセンサ１００（撮像装置）は、光電変換により電荷を生成するＰＤ部１１と、電荷を増倍するための電子増倍部１０ｃを含む電荷転送領域１０ａ（転送ゲート電極１４、増倍ゲート電極１５、転送ゲート電極１６および蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０）とを備える。また、ＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方の領域に発生する暗電流（電荷信号）を増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０（電子増倍部１０ｃ）において増倍させ、増倍された暗電流の電荷信号による出力値Ｑｋ、ＱｍおよびＱｎに基づいて、暗電流（電荷信号）の増倍率Ｍが算出されるように構成されている。【選択図】図１
2010268269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により電荷を生成する電荷生成部と、
電荷を増加するための電荷増加領域を含む電荷転送領域とを備え、
前記電荷生成部および前記電荷転送領域のうちの少なくとも一部に発生する暗電流を前記電荷増加領域において増加させ、増加された暗電流の電荷信号による出力値に基づいて、前記電荷の増加率が算出されるように構成されている、撮像装置。
【請求項２】
前記電荷の増加率は、前記暗電流を少なくとも３種類の回数で増加させ、増加された暗電流の電荷信号による各出力値に基づいて、算出されるように構成されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記増加された暗電流の電荷信号による出力値が検出可能な最小値よりも大きくなる第１の回数と、前記第１の回数よりも大きく、かつ、前記増加された暗電流の電荷信号による出力値が検出可能な最大値よりも小さくなる第２の回数と、前記第１の回数と前記第２の回数との略平均の第３の回数との３種類の回数で前記暗電流を増加させている、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記電荷生成部に発生する暗電流と、前記電荷転送領域に発生する暗電流との両方の暗電流を増加させている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
有効画素領域と、
前記有効画素領域を取り囲むように設けられた光学的黒画素領域とをさらに備え、
前記有効画素領域の画素および前記光学的黒画素領域の画素は、それぞれ、前記電荷生成部と、前記電圧変換部と、前記電荷増加領域を有する前記電荷転送領域とを含み、
少なくとも前記光学的黒画素領域の画素に設けられた前記電荷生成部および前記電荷転送領域のうちの少なくとも一部に発生する暗電流を増加させている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関し、特に、電荷を増加するための電荷増加領域を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電荷を増加するための電荷増加領域を備えた撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、電荷信号を所定の増倍回数で増倍（増加）させるための電荷増倍部（電荷増加領域）を備えた撮像装置が開示されている。上記特許文献１に記載の撮像装置の電荷増倍部には、電荷信号を増倍させるための複数の電荷増倍セルが設けられている。この電荷増倍セルに電荷信号が入力されることによって、電荷信号が所定の増倍回数で増倍され、増倍された電荷信号の出力値が取得される。また、取得された出力値に基づいて、増倍された電荷信号の増倍率が算出されるように構成されている。具体的には、まず、予め、電荷信号の増倍を行わなかった場合の出力値を取得する。次に、電荷信号を所定の増倍回数で増倍を行った場合の出力値を取得する。そして、電荷信号の増倍を行わなかった場合の出力値と、電荷信号の増倍を行った場合の出力値との比を算出することによって、増倍された電荷信号の増倍率が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−９０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の撮像装置では、所定の増倍回数で増倍された電荷信号の出力値の比により増倍率が算出されるため、任意の増倍回数（増加回数）で増倍された電荷信号の増倍率（増加率）を算出することが困難であるという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、任意の増加回数で増加された電荷信号の増加率を算出することが可能な撮像装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における撮像装置は、光電変換により電荷を生成する電荷生成部と、電荷を増加するための電荷増加領域を含む電荷転送領域とを備え、電荷生成部および電荷転送領域のうちの少なくとも一部に発生する暗電流を電荷増加領域において増加させ、増加された暗電流の電荷信号による出力値に基づいて、電荷の増加率が算出されるように構成されている。
【発明の効果】
【０００８】
上記の構成により、任意の増加回数で増加された電荷信号の増加率を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの全体構成を示した平面図である。
【図２】図１の２００−２００線に沿った断面図である。
【図３】図１の３００−３００線に沿った断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの回路構成を示した回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの暗電流（電荷信号）の転送動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図６】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの暗電流（電荷信号）の増倍動作を説明するためのポテンシャル図である。
【図７】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの暗電流（電荷信号）の増倍回数を説明するための模式図である。
【図８】本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの撮像中に増倍率の測定を行う場合の説明をするための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態では、撮像装置の一例であるアクティブ（Ａｃｔｉｖｅ）型のＣＭＯＳイメージセンサ１００に本発明を適用した場合について説明する。ＣＭＯＳイメージセンサ１００は、図１に示すように、撮像部１と、行選択レジスタ２と、列選択レジスタ３とを備えている。
【００１２】
撮像部１は、有効画素領域４と、有効画素領域４を取り囲むように設けられたＯＰＢ領域（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｌａｃｋ：光学的黒画素領域）５とを含んでいる。有効画素領域４には、マトリクス状に配置された複数の有効画素６が設けられている。また、ＯＰＢ領域５には、マトリクス状（行列状）に配置された複数のＯＰＢ画素７が設けられている。
【００１３】
撮像部１の有効画素領域４に配置された有効画素６の断面構造としては、図２に示すように、ｐ型シリコン基板８の表面に、各有効画素６をそれぞれ分離するための素子分離領域９が形成されている。素子分離領域９によって囲まれる各有効画素６のｐ型シリコン基板８の表面には、ｎ−型不純物領域からなる転送チャネル１０を挟むように所定の間隔を隔てて、フォトダイオード部（ＰＤ部）１１およびｎ＋型不純物領域からなるフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）１２が形成されている。なお、ＰＤ部１１は、本発明の「電荷生成部」の一例である。
【００１４】
ＰＤ部１１は、入射光量に応じて電子（電荷）を生成するとともに、その生成された電子を蓄積する機能を有する。ＰＤ部１１は、素子分離領域９に隣接するとともに、転送チャネル１０に隣接するように形成されている。
【００１５】
ＦＤ領域１２は、転送された電子による電荷信号を保持するとともに、この電荷信号を電圧に変換する機能を有する。ＦＤ領域１２は、素子分離領域９に隣接するとともに、転送チャネル１０に隣接するように形成されている。
【００１６】
転送チャネル１０の表面上には、ゲート絶縁膜１３が形成されている。ゲート絶縁膜１３の表面上の所定領域には、ＰＤ部１１側からＦＤ領域１２側に向かって、所定の間隔を隔てて、転送ゲート電極１４、増倍ゲート電極１５、転送ゲート電極１６、蓄積ゲート電極１７および読出ゲート電極１８がこの順番で形成されている。また、転送ゲート電極１４、増倍ゲート電極１５、転送ゲート電極１６および蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０の領域は、電荷転送領域１０ａである。蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０の領域は、電子蓄積部１０ｂである。増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０の領域は、電子増倍部（電荷増加領域）１０ｃである。
【００１７】
転送ゲート電極１４、増倍ゲート電極１５、転送ゲート電極１６、蓄積ゲート電極１７および読出ゲート電極１８には、それぞれ、電圧制御のためのクロック信号Φ１、Φ２、Φ３、Φ４およびΦ５を供給する配線１９、２０、２１、２２および２３が電気的に接続されている。なお、この配線１９、２０、２１、２２および２３は、マトリクス状に配置される有効画素６の行毎に形成されているとともに、各行の複数の有効画素６の転送ゲート電極１４、増倍ゲート電極１５、転送ゲート電極１６、蓄積ゲート電極１７および読出ゲート電極１８にそれぞれ電気的に接続されている。また、ＦＤ領域１２には、信号を取り出すための信号線２４が電気的に接続されている。
【００１８】
また、ｐ型シリコン基板８の上方には、外部からの光を遮光するためのＡｌ（アルミニウム）などの金属からなる遮光メタル２５が形成されている。この遮光メタル２５のＰＤ部１１の上方部分には、外部からの光がＰＤ部１１に照射されるように開口部２５ａが形成されている。
【００１９】
また、ＯＰＢ領域５に設けられたＯＰＢ画素７の断面構造としては、図３に示すように、ｐ型シリコン基板８の上方に設けられた遮光メタル２５は、ｐ型シリコン基板８の上方の全面を覆うように形成されている。なお、ＯＰＢ画素７のその他の構成は、有効画素６と同様である。
【００２０】
また、ＰＤ部１１と、転送ゲート電極１４、増倍ゲート電極１５、転送ゲート電極１６、および、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０との両方には、外部からの光が当たらない状態でも時間に比例して増加する暗電流が発生する。
【００２１】
また、図４に示すように、有効画素６およびＯＰＢ画素７には、それぞれリセットゲートトランジスタＴｒと、増幅トランジスタＴｒ１と、画素選択トランジスタＴｒ２とが設けられている。
【００２２】
リセットゲートトランジスタＴｒのゲートには、リセット信号が供給されるとともに、リセットゲートトランジスタＴｒのドレインには、リセット電圧ＶＲＤ（約５Ｖ）が接続されている。リセットゲートトランジスタＴｒのソースは、ＦＤ領域１２に接続されている。そして、リセットゲートトランジスタＴｒは、ＦＤ領域１２に蓄積された電荷信号の読み出し後に、信号線２４の電圧をリセット電圧ＶＲＤ（約５Ｖ）にリセットするとともに、読み出し時に、ＦＤ領域１２を電気的に浮いた状態に保持する機能を有する。
【００２３】
増幅トランジスタＴｒ１のゲートは、信号線２４に接続されている。増幅トランジスタＴｒ１のドレインには、電源電圧ＶＤＤが接続されている。増幅トランジスタＴｒ１のソースには、画素選択トランジスタＴｒ２のドレインが接続されている。
【００２４】
画素選択トランジスタＴｒ２のソースには、出力線２６が接続されている。出力線２６には、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路２５の一方端が接続されている。相関二重サンプリング回路２５の他方端は、列選択トランジスタのドレインに接続されている。列選択トランジスタのソースは、出力線２７に接続されている。
【００２５】
次に、図４を参照して、第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの電荷信号の読出動作について説明する。
【００２６】
まず、所定の１行分の有効画素６およびＯＰＢ画素７のリセットゲートトランジスタＴｒをオン状態にすることによって、ＦＤ領域１２（信号線２４）の電位がリセットされる。その後、リセットされた所定の１行分の有効画素６およびＯＰＢ画素７の画素選択トランジスタＴｒ２をオン状態にすることにより、リセットレベルの信号が相関二重サンプリング回路２５に読み出される。
【００２７】
次に、相関二重サンプリング回路２５に読み出された所定の１行分の有効画素６およびＯＰＢ画素７の配線２３に、Ｈレベルの信号を供給することによって、撮像部１の１行分の画素の読出ゲート電極１８をオン状態にする。これにより、１行分の画素のＰＤ部１１で生成された電子がＦＤ領域１２（信号線２４）に読み出される。
【００２８】
そして、この状態から、リセットレベルの信号が相関二重サンプリング回路２５に読み出された所定の１行分の有効画素６およびＯＰＢ画素７の画素選択トランジスタＴｒ２をオン状態にする。これにより、増幅トランジスタＴｒ１によって増幅されたＰＤ部１１の信号（電荷信号）が画素選択トランジスタＴｒ２を介して、相関二重サンプリング回路２５に読み出される。
【００２９】
そして、相関二重サンプリング回路２５では、このリセットレベルの信号とＰＤ部１１の信号との両方をサンプリングし、減算を行うことによって、リセットノイズを除去した信号が出力される。この後、列トランジスタを順次オン状態にすることにより、各有効画素６およびＯＰＢ画素７毎の信号が出力される。上記の動作を各行毎に繰り返すことによって、第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの読み出し動作が行われる。
【００３０】
次に、図４および図５を参照して、本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００の暗電流（電荷信号）の転送動作について説明する。
【００３１】
まず、転送動作を行う前（起動前）に機械的な遮光シャッター（図示せず）を用いて、撮像部１の有効画素領域４の表面上を遮光することにより、暗状態を作り出す。そして、リセットゲートトランジスタＴｒ（図４参照）をオン状態にすることによって、ＦＤ領域１２（信号線２４）の電位がリセットされる。
【００３２】
その後、ＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方に発生する暗電流（電荷信号）の出力値を取得するために所定の時間待機する。このとき、微小な暗電流をより多く取得するために、待機時間を延ばしてもよい。
【００３３】
そして、所定の時間が経過した後に、図５に示す期間Ａにおいて、転送ゲート電極１４をオン状態にすることにより、転送ゲート電極１４下の転送チャネル１０が約４Ｖの電位に調整された状態になる。このとき、ＰＤ部１１が約３Ｖの電位に調整されているので、ＰＤ部１１に発生した暗電流（電荷信号）がＰＤ部１１から転送ゲート電極１４下の転送チャネル１０に転送される。このとき、転送ゲート電極１４下に発生した暗電流（電荷信号）と、ＰＤ部１１から転送された暗電流（電荷信号）とが加算される。
【００３４】
その後、増倍ゲート電極１５をオン状態にすることにより、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０が約２５Ｖの電位に調整された状態になる。このとき、転送ゲート電極１４下の転送チャネル１０が約４Ｖの電位に調整されているので、転送ゲート電極１４下の転送チャネル１０に転送された暗電流（電荷信号）が増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０に転送される。このとき、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０に発生した暗電流（電荷信号）と、転送ゲート電極１４から転送された暗電流（電荷信号）とが加算される。その後、転送ゲート電極１４をオフ状態にすることにより、転送ゲート電極１４下の転送チャネル１０が約１Ｖの電位に調整された状態になる。
【００３５】
次に、図５に示す期間Ｂにおいて、転送ゲート電極１６をオン状態にするとともに、増倍ゲート電極１５をオフ状態にする。これにより、転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０が約４Ｖの電位に調整された状態となるとともに、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０が約１Ｖの電位に調整された状態になる。
【００３６】
これにより、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０に蓄積された暗電流（電荷信号）は、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０の電位（約１Ｖ）よりも高い電位（約４Ｖ）に調整されている転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０へと転送される。このとき、転送ゲート電極１６下に発生した暗電流（電荷信号）と、増倍ゲート電極１５から転送された暗電流（電荷信号）とが加算される。
【００３７】
次に、図５に示す期間Ｃにおいて、蓄積ゲート電極１７をオン状態にするとともに、転送ゲート電極１６をオフ状態にする。これにより、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０が約４Ｖの電位に調整された状態となるとともに、転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０が約１Ｖの電位に調整された状態になる。
【００３８】
これにより、転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０に転送された暗電流（電荷信号）は、転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０の電位（約１Ｖ）よりも高い電位（約４Ｖ）に調整されている蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０へと転送される。このとき、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０に発生した暗電流（電荷信号）と、転送ゲート電極１６から転送された暗電流（電荷信号）とが加算される。これにより、ＰＤ部１１から転送された暗電流（電荷信号）が一時的に蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０（電子蓄積部１０ｂ）に蓄積される。
【００３９】
次に、加算された暗電流（電荷信号）の読出しを行う際には、図５に示す期間Ｄにおいて、暗電流（電荷信号）の電子が一時的に蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０（電子蓄積部１０ｂ）に蓄積された状態で、読出ゲート電極１８をオン状態にする。そして、蓄積ゲート電極１７をオフ状態にする。これにより、読出ゲート電極１８下の転送チャネル１０が約４Ｖの電位に調整された状態になるとともに、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０が約１Ｖの電位に調整された状態となる。
【００４０】
これにより、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０（電子蓄積部１０ｂ）に蓄積された電子は、約４Ｖの電位に調整された読出ゲート電極１８下の転送チャネル１０を介して、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０の電位（約１Ｖ）よりも高い電位（約５Ｖ）に調整されているＦＤ領域１２へと転送される。
【００４１】
次に、図５および図６を参照して、本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００の暗電流（電荷信号）の増倍動作について説明する。
【００４２】
まず、暗電流（電荷信号）の増倍動作は、図５の期間Ｃの転送動作の後、図６に示す期間Ｅにおいて、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０（電子蓄積部１０ｂ）に暗電流（電荷信号）が蓄積された状態で、増倍ゲート電極１５をオン状態にする。これにより、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０（電子増倍部１０ｃ）が約２５Ｖの高い電位に調整された状態となる。
【００４３】
次に、図６に示す期間Ｆにおいて、転送ゲート電極１６をオン状態にするとともに、蓄積ゲート電極１７をオフ状態にする。これにより、転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０が約４Ｖの電位に調整された状態になるとともに、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０が約１Ｖの電位に調整された状態となる。そして、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０に蓄積された暗電流（電荷信号）は、蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０の電位（約１Ｖ）よりも高い電位（約４Ｖ）に調整されている転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０へと転送される。
【００４４】
また、転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０に転送された暗電流（電荷信号）は、転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０の電位（約４Ｖ）よりも高い電位（約２５Ｖ）に調整されている増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０へと転送される。そして、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０（電子増倍部１０ｃ）に転送された暗電流（電荷信号）が、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０と転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０との境界部を移動中に高電界からエネルギを得る。そして、高いエネルギを有する暗電流（電荷信号）の電子は、シリコン原子と衝突して電子と正孔とを生成する。その後、衝突電離により生成された電子は、電界により増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０（電子増倍部１０ｃ）に蓄積される。
【００４５】
次に、図６に示す期間Ｇにおいて、転送ゲート電極１６をオフ状態にすることにより、転送ゲート電極１６下の転送チャネル１０が約１Ｖの電位に調整された状態になる。
【００４６】
そして、図５に示す期間ＢおよびＣにおいて、暗電流（電荷信号）の転送動作を行うことにより、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０（電子増倍部１０ｃ）に蓄積された電子が蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０（電子蓄積部１０ｂ）に転送される。その後、上記した期間Ｅ〜Ｇの増倍動作および期間ＢおよびＣの転送動作が複数回繰り返し行われることにより、ＰＤ部１１から転送された暗電流（電荷信号）の電子が増倍される。
【００４７】
なお、各有効画素６およびＯＰＢ画素７において、暗電流（電荷信号）の増倍動作が終わった後に、暗電流（電荷信号）は、増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０（電子増倍部１０ｃ）に蓄積される。その後、マトリクス状に配置された有効画素６およびＯＰＢ画素７の各行毎にＦＤ領域１２に暗電流（電荷信号）の電子が読み出される。
【００４８】
このように、第１実施形態では、機械的な遮光シャッター（図示せず）を用いて、撮像部１の有効画素領域４およびＯＰＢ領域５の表面上を遮光した状態で、ＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方の領域で暗電流を増倍（増加）する。そして、増倍（増加）された暗電流（電荷信号）による出力値に基づいて、後述する暗電流（電荷信号）の増倍率（増加率）Ｍが算出される。
【００４９】
次に、撮像部１の有効画素領域４およびＯＰＢ領域５において増倍された暗電流（電荷信号）の出力値に基づいた、暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対する増倍率Ｍの算出方法について説明する。
【００５０】
まず、暗電流（電荷信号）を増倍回数ｋ、ｍおよびｎで増倍した場合のそれぞれの出力値Ｑｋ、ＱｍおよびＱｎは、以下の式（１）〜（３）により示すことができる。
【００５１】
Ｑｋ＝ａ＋ｄ×Ｍｋ・・・（１）
Ｑｍ＝ａ＋ｄ×Ｍｍ・・・（２）
Ｑｎ＝ａ＋ｄ×Ｍｎ・・・（３）
なお、ａは、有効画素６およびＯＰＢ画素７のオフセット値（黒レベル）であり、ｄは、増倍しない場合の暗電流（電荷信号）であり、Ｍは、増倍された暗電流（電荷信号）の増倍回数１回あたりの増倍率（増加率）である。また、ｋは、増倍された暗電流（電荷信号）の出力値を検出可能な最大回数であり、ｍは、増倍された暗電流（電荷信号）の出力値を検出可能な最小回数であり、ｎは、最大回数ｋと最小回数ｍとの平均回数である。なお、最大回数ｋは、本発明の「第２の回数」の一例であり、最小回数ｍは、本発明の「第１の回数」の一例である。また、平均回数ｎは、本発明の「第３の回数」の一例である。
【００５２】
次に、上式（１）〜（３）を変形させることにより、以下の式（４）が得られる。
【００５３】
（Ｑｍ−Ｑｋ）／（Ｑｎ−Ｑｋ）＝（Ｍｍ−Ｍｋ）／（Ｍｎ−Ｍｋ）・・・（４）
また、最大回数ｋと最小回数ｍとの平均回数ｎは、以下の式（５）により示すことができる。
【００５４】
ｎ＝（ｍ＋ｋ）／２・・・（５）
そして、上式（５）を上式（４）に代入することにより、増倍された暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対する増倍率（増加率）Ｍは、以下の式（６）により示すことができる。なお、最大回数ｋと最小回数ｍとにより算出された平均回数ｎが整数にならない場合には、平均回数ｎを整数として算出し直すことにより、最大回数ｋと最小回数ｍとの略平均の回数を算出してもよい。
【００５５】
Ｍ＝（（Ｑｍ−Ｑｎ）／（Ｑｎ−Ｑｋ））（２／（ｍ−ｋ））・・・（６）
なお、Ｑｋは、増倍回数ｋ回の出力値であり、Ｑｍは、増倍回数ｍ回の出力値であり、Ｑｎは、増倍回数ｎ回の出力値である。
【００５６】
そして、第１実施形態では、図７に示すように、撮像部１の有効画素領域４またはＯＰＢ領域５に設けられた画素のうちの所定の１つの画素において、ＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方の領域に発生する暗電流（電荷信号）を異なる３種類の増倍回数で増倍した出力値に基づいて、増倍率Ｍが算出されるように構成されている。
【００５７】
具体的には、１フレーム目では、有効画素領域４またはＯＰＢ領域５の画素のうちの所定の１つの画素の暗電流（電荷信号）を増倍回数１２０回（ｋ＝１２０）で増倍させるとともに、出力値Ｑｋを取得する。次に、２フレーム目では、所定の１つの画素の暗電流（電荷信号）を増倍回数４０回（ｍ＝４０）で増倍させるとともに、出力値Ｑｍを取得する。そして、３フレーム目では、所定の１つの画素の暗電流（電荷信号）を増倍回数８０回（ｎ＝８０）で増倍させるとともに、出力値Ｑｎを取得する。
【００５８】
そして、取得された出力値Ｑｋ、ＱｍおよびＱｎを上式（６）に代入して計算することにより、所定の１つの画素の暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対する増倍率Ｍが算出される。つまり、暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対して、何％の暗電流（電荷信号）が増倍されるのかを算出することが可能である。
【００５９】
また、算出された増倍率Ｍを用いて任意の増倍回数で暗電流（電荷信号）の増倍を行った場合の出力値Ｑを算出することも可能である。たとえば、増倍率Ｍが１．０３（＝３％増加）であり、暗電流（電荷信号）を増倍回数５０回で増倍した場合には、出力値Ｑ＝１．０３５０を計算することにより、出力値Ｑが算出される。
【００６０】
本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００では、以下の効果を得ることができる。
【００６１】
（１）ＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方の領域に発生する暗電流（電荷信号）を増倍ゲート電極１５下の転送チャネル１０（電子増倍部１０ｃ）において増倍させる。そして、増倍された暗電流（電荷信号）による出力値Ｑｋ、ＱｍおよびＱｎに基づいて、暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対する増倍率Ｍを算出する。これにより、任意の増倍回数で増倍された暗電流（電荷信号）の出力値が取得されるので、取得された出力値から任意の増倍回数で増倍された暗電流（電荷信号）の増倍率Ｍを算出することができる。
【００６２】
（２）暗電流（電荷信号）の増倍率（増加率）Ｍを、ＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方の領域に発生する暗電流（電荷信号）を異なる３種類の回数（最大回数ｋ回、最小回数ｍ回および平均回数ｎ回）で増倍させる。そして、増倍された暗電流の電荷信号による出力値Ｑｋ、ＱｍおよびＱｎに基づいて、暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対する増倍率Ｍを算出する。これにより、３種類の増倍率Ｍが算出されるので、算出された３種類の増倍率Ｍの平均化処理を行うことにより、ランダム成分を除去して正確な増倍率Ｍを算出することができる。
【００６３】
（第２実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００について説明する。この第２実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１００では、上記第１実施形態とは異なり、ＯＰＢ領域５に設けられたＯＰＢ画素７に発生する暗電流のみを増倍させた出力値に基づいて、増倍率Ｍが算出されるように構成されている。
【００６４】
第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００では、図３に示すように、撮像部１のＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７にそれぞれ設けられたＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方の領域に発生する暗電流を異なる３種類の増倍回数（ｋ回、ｍ回およびｎ回）で増倍する。そして、増倍した暗電流の出力値に基づいて、暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対する増倍率Ｍが算出されるように構成されている。
【００６５】
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記した第１実施形態と同様である。
【００６６】
また、第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００の暗電流（電荷信号）の転送動作では、ＯＰＢ領域５は遮光メタル２５により遮光された状態であるので、上記した第１実施形態の転送動作とは異なり、転送動作を行う前（起動前）の機械的な遮光シャッターを用いて撮像部１を遮光する動作を省略してもよい。
【００６７】
また、第２実施形態の転送動作、増倍動作および増倍率Ｍの算出方法は、上記した第１実施形態と同様である。
【００６８】
本発明の第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００では、以下の効果を得ることができる。
【００６９】
（３）ＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７にそれぞれ設けられたＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方の領域に発生する暗電流（電荷信号）を増倍させる。そして、増倍された暗電流（電荷信号）による出力値に基づいて、暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対する増倍率Ｍを算出する。これにより、ＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７の表面上に設けられた遮光メタル２５により遮光された領域に発生する暗電流（電荷信号）による出力値に基づいて、増倍率Ｍが算出されるので、暗状態を作るための遮光シャッターなどの機構を別途設ける必要がない。その結果、部品点数の増加を抑制することができる。
【００７０】
（第３実施形態）
次に、図１、図２、図５および図６を参照して、本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００について説明する。この第３実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１００では、上記第１実施形態とは異なり、有効画素領域４に設けられた有効画素５の増倍ゲート電極１５、転送ゲート電極１６および蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａに発生する暗電流と、ＯＰＢ領域５に設けられたＯＰＢ画素７に発生する暗電流との両方を増倍させる。そして、増倍させた暗電流の出力値に基づいて、増倍率Ｍが算出されるように構成されている。つまり、図２に示すように、有効画素６のＰＤ部１１に発生する暗電流、および、転送ゲート電極１４下の転送チャネル１０に発生する暗電流以外の暗電流（電荷信号）を増倍させ、増倍された暗電流（電荷信号）の出力値に基づいて増倍率Ｍが算出されるように構成されている。
【００７１】
なお、第３実施形態のその他の構成は、上記した第１実施形態と同様である。
【００７２】
次に、本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００の暗電流（電荷信号）の転送動作について説明する。
【００７３】
本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００の暗電流（電荷信号）の転送動作では、有効画素領域４の有効画素６以外の領域は、遮光メタル２５により遮光された状態である。このため、上記した第１実施形態の転送動作とは異なり、転送動作を行う前（起動前）の機械的な遮光シャッターを用いて撮像部１を遮光する動作を省略してもよい。
【００７４】
また、第３実施形態による暗電流（電荷信号）の転送動作では、有効画素領域４の有効画素６の転送ゲート電極１４は、常にオフ状態にしておく。これにより、暗電流（電荷信号）の転送動作が行われた際に、有効画素６のＰＤ部１１に発生した暗電流（電荷信号）がＰＤ部１１側から転送チャネル１０側に転送されなくなる。その後、第３実施形態では、上記した第１実施形態の図５に示す転送動作の期間Ｂ〜Ｄおよび図６に示す増倍動作の期間Ｅ〜Ｇの動作が行われることにより、暗電流（電荷信号）の増倍が行われる。
【００７５】
なお、第３実施形態のその他の暗電流（電荷信号）の転送動作、増倍動作および増倍率Ｍの算出方法は、上記した第１実施形態と同様である。
【００７６】
本発明の第３実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００では、以下の効果を得ることができる。
【００７７】
（４）ＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７に設けられたＰＤ部１１と、転送チャネル１０の電荷転送領域１０ａとの両方の領域に発生する暗電流（電荷信号）、および、有効画素領域４の有効画素６に設けられた増倍ゲート電極１５、転送ゲート電極１６および蓄積ゲート電極１７下の転送チャネル１０に発生する暗電流（電荷信号）の両方の暗電流（電荷信号）を増加させる。そして、増加された暗電流（電荷信号）による出力値に基づいて、暗電流（電荷信号）の増倍回数１回に対する増倍率Ｍを算出する。これにより、ＯＰＢ領域のＯＰＢ画素７において、任意の増倍回数で増倍された暗電流（電荷信号）の出力値が取得されるので、取得された出力値から任意の増倍回数で増倍された暗電流（電荷信号）の増倍率Ｍを算出することができる。
【００７８】
（第４実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１００について説明する。この第４実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１００では、上記第１実施形態とは異なり、有効画素領域４に設けられた有効画素６の暗電流（電荷信号）の増倍回数と、ＯＰＢ領域５に設けられたＯＰＢ画素７の暗電流（電荷信号）の増倍回数とを異ならせている。なお、第４実施形態のその他の構成は、上記した第１実施形態と同様である。
【００７９】
本発明の第４実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１００では、図８に示すように、１フレーム目では、ＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７の暗電流（電荷信号）を増倍回数１２０回（ｋ＝１２０）で増倍させるとともに、出力値Ｑｋを取得する。次に、２フレーム目では、ＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７の暗電流（電荷信号）を増倍回数４０回（ｍ＝４０）で増倍させるとともに、出力値Ｑｍを取得する。そして、３フレーム目では、ＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７の暗電流（電荷信号）を増倍回数８０回（ｎ＝８０）で増倍させるとともに、出力値Ｑｎを取得する。
【００８０】
これに対して、有効画素領域４の有効画素６の暗電流（電荷信号）は、１フレーム目〜３フレーム目まで、暗電流（電荷信号）を増倍回数１００回で増倍させる。なお、有効画素領域４の有効画素６の暗電流（電荷信号）の増倍回数（１００回）は一例であり、被写体の暗さ（明るさ）に応じて、増倍回数を変更可能である。
【００８１】
また、１フレーム目〜３フレーム目までのＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７で増倍された３種類の暗電流（電荷信号）の出力値を上式（６）に代入して計算することにより、暗電流（電荷信号）の増倍率Ｍが算出される。また、上記のように、ＯＰＢ領域５のＯＰＢ画素７の暗電流（電荷信号）の増倍回数と、有効画素領域４の有効画素６の暗電流（電荷信号）の増倍回数とを異ならせる。これにより、ＯＰＢ領域５において暗電流（電荷信号）の増倍率Ｍを算出（測定）しながら、有効画素領域４において被写体の撮像が行える。その結果、温度や劣化などに対する増倍率Ｍの変移（変化）を撮像する際の露光時間の制御やデジタル信号処理などにリアルタイムに反映させることが可能である。
【００８２】
なお、第４実施形態のその他の転送動作、増倍動作、増倍率Ｍの算出方法および効果は、上記した第１実施形態と同様である。
【００８３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００８４】
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、暗電流（電荷信号）を３種類の回数で増倍する例を示したが、本発明はこれに限らず、暗電流（電荷信号）を３種類以外の回数で増倍させてもよい。
【００８５】
また、上記第１〜第４実施形態では、暗電流（電荷信号）を４０回、８０回および１２０回の３種類の回数で増倍させる例を示したが、本発明はこれに限らず、増倍された暗電流（電荷信号）の出力値が検出可能な範囲であれば上記した回数以外でもよい。
【００８６】
また、上記第１〜第４実施形態では、増倍された暗電流（電荷信号）の出力値を取得する画素の一例として、１フレーム目〜３フレーム目までの所定の１つの画素において増倍された暗電流（電荷信号）の出力値を取得する方法を示したが、本発明はこれに限らず、同じフレーム内の複数の画素において増倍された暗電流（電荷信号）の出力値を取得してもよい。
【００８７】
また、上記第１〜第４実施形態では、増倍された暗電流（電荷信号）の出力値を１フレーム目〜３フレーム目までの有効画素領域４およびＯＰＢ領域５の所定の１つの画素において取得する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、最初に１フレーム目〜３フレーム目までの各出力値を取得して１セット目の増倍率Ｍ１として算出する。次に、４フレーム目〜６フレーム目までの各出力値を取得して２セット目の増倍率Ｍ２として算出する。このように、各出力値の取得を複数セット（複数回）繰り返す。そして、各セットで算出される増倍率Ｍ１、Ｍ２、・・・の平均を最終的な増倍率Ｍとして算出してもよい。
【００８８】
また、上記第１〜第４実施形態では、増倍された暗電流（電荷信号）の出力値を取得する画素の一例として、１フレーム目〜３フレーム目、・・・の画素において増倍された暗電流（電荷信号）の出力値を取得する方法を示したが、本発明はこれに限らず、暗電流（電荷信号）の増倍率Ｍをパイプライン方式（一部のデータを重複させながら計算していく方式）の計算方法により、算出してもよい。たとえば、最初に１フレーム目〜３フレーム目までの出力値を取得して増倍率Ｍ１を算出する。次に、２フレーム目〜４フレーム目までの出力値を取得して増倍率Ｍ２を算出する。また、３フレーム目〜５フレーム目までの出力値を取得して増倍率Ｍ３を計算する。このように、取得しようとする出力値（フレーム）を重複させながら増倍率を算出してもよい。具体的には、最初に暗電流（電荷信号）を増倍回数４０回（１フレーム目）、８０回（２フレーム目）および１２０回（３フレーム目）で増倍させた出力値から増倍率Ｍ１を算出する。次に、暗電流（電荷信号）を増倍回数８０回（２フレーム目）、１２０回（３フレーム目）および４０回（４フレーム目）で増倍させた出力値から増倍率Ｍ２を算出する。また、暗電流（電荷信号）を増倍回数１２０回（３フレーム目）、４０回（４フレーム目）および８０回（５フレーム目）で増倍させた出力値から増倍率Ｍ３を算出する。そして、算出された増倍率Ｍ１、Ｍ２およびＭ３の平均を算出して、増倍率の平均値を算出してもよい。
【符号の説明】
【００８９】
４  有効画素領域
５  ＯＰＢ領域（光学的黒画素領域）
１０ａ  電荷転送領域
１０ｃ  電子増倍部（電荷増加領域）
１１  ＰＤ部（電荷生成部）
１００  ＣＭＯＳイメージセンサ（撮像装置）
【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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