(57)【要約】【課題】高輝度な被写体に対してもノイズの発生を抑えることのできる撮像素子とその駆動装置、及びそれらを備えた撮像装置を提供する。【解決手段】画素周辺記録型撮像素子２０は、フォトダイオードＰＤ２１、蓄積容量３０、垂直転送部２２、水平転送部２３、出力回路２４を備え、さらに、フォトダイオードＰＤ２１と蓄積容量３０との間にオーバーフローゲートＯＦＧ４０を備えた構成を有する。駆動装置１０からのＯＦＧクロックφＯにより、フォトダイオードＰＤ２１が光電変換を行っている間、オーバーフローゲートＯＦＧ４０下に電位障壁を形成し、フォトダイオードＰＤ２１から溢れた信号電荷が蓄積容量３０に流入するのを防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、前記受光素子に複数段に接続され前記受光素子が生成した信号電荷を順次蓄積して出力部に読み出す複数の信号電荷蓄積部と、を備えた撮像素子であって、
前記受光素子と前記信号電荷蓄積部との間にオーバーフローゲートを備えることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子において、前記オーバーフローゲートは、前記受光部が光電変換による信号電荷生成中に、電位障壁を形成することを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像素子において、前記オーバーフローゲートは複数の電極からなり、それぞれの電極に独立した駆動クロックが与えられることを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
被写体からの光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、前記受光素子に複数段に接続され前記受光素子が生成した信号電荷を順次蓄積して出力部に読み出す複数の信号電荷蓄積部と、を備えた撮像素子を駆動する駆動装置であって、
前記被写体を撮像する撮像モードにおいて、前記受光素子の信号電荷生成中は、前記受光素子と前記信号電荷蓄積部との間に電位障壁を形成し、前記受光素子の信号電荷生成及び蓄積終了後は、信号電荷を前記受光素子から前記信号電荷蓄積部に転送可能とする、オーバーフローゲートクロックを出力することを特徴とする駆動装置。
【請求項５】
被写体からの光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、前記受光素子に複数段に接続され前記受光素子が生成した信号電荷を順次蓄積して出力側に読み出す複数の信号電荷蓄積部と、を有する撮像素子と、それを駆動する駆動装置とを備える撮像装置において、前記撮像素子が請求項１ないし３のいずれか一項に記載の撮像素子であり、前記駆動装置が請求項４に記載の駆動装置であることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高速度撮影に用いられる画素周辺記録型撮像素子とその駆動装置、及びそれらを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の超高速度撮影の要求の高まりに対して、１秒間に１００万〜１０００万フレームの高速度撮像が可能な画素周辺記録型撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。画素周辺記録型撮像素子は、ＩＳＩＳ（Ｉｎ−ｓｉｔｕＳｔｏｒａｇｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）とも呼ばれ、撮像素子の受光面内において、各々の画素（受光素子）に対して画像情報（信号電荷）を記録するための多数の蓄積容量を有する構造となっており、撮影中は、フォトダイオードから得られる画像情報を直接外に読み出さず、蓄積容量に連続的に蓄積しておき、撮影後に画像情報を出力する構成を採用している。この構成により、記録枚数に制約はあるが、フォトダイオードから隣接する蓄積容量への画像情報（信号電荷）の転送時間の限界まで、画像１枚当たりの撮影速度を高めることができ、撮像装置において超高速撮像が実現される。以下、従来の画素周辺記録型撮像素子及びこれを駆動する駆動装置について説明する。
【０００３】
図８に、従来の画素周辺記録型撮像素子７０とそれを駆動する駆動装置６０の構成を示す。従来の駆動装置６０は、タイミングパルスを生成するタイミングパルス生成部１１、露光クロックφＰＤを生成する露光クロック出力部１２、蓄積クロックφＭを生成する蓄積クロック出力部１３、垂直転送クロックφＭＲを生成する垂直転送クロック出力部１４、及び、水平転送クロックφＨを生成する水平転送クロック出力部１５を備え、画素周辺記録型撮像素子７０に各クロックを出力する。
【０００４】
画素周辺記録型撮像素子７０は、光電変換を行う受光素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）２１、フォトダイオード（ＰＤ）２１から得られる画像情報（信号電荷）を蓄積する蓄積容量３０（３１〜３８）、不要な信号電荷を排出する排出部３９、信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部２２、信号電荷を水平方向に転送する水平転送部２３、及び、出力回路２４を備えている。蓄積容量３０は、各フォトダイオード（ＰＤ）２１と垂直転送部２２の間に設けられ、垂直転送部２２の配列方向に対して斜め方向に配列されている。フォトダイオード（ＰＤ）２１は、その電位を露光クロックφＰＤにより制御され、また、蓄積容量３０は、一般に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）と同等の構造を有し、蓄積クロックφＭに基づいて信号電荷を順次蓄積しながら転送するようになっている。一般的な画素周辺記録型撮像素子における蓄積容量の数は１つのフォトダイオード（ＰＤ）に対して１００程度であるが、図８では、蓄積容量３０を便宜上９段構成としている。
【０００５】
画素周辺記録型撮像素子７０の駆動は、一般的に３段階で行われる。第１段階は撮像段階であり、露光クロック出力部１２及び蓄積クロック出力部１３により、フォトダイオード（ＰＤ）２１及び蓄積容量３０が駆動され、フォトダイオード（ＰＤ）２１で生成された信号電荷が蓄積容量３１〜３８に順次蓄積される。撮像段階では、蓄積された信号電荷は古い順に排出部３９で捨てられることで蓄積容量３０にはいつも最新の映像信号が蓄積される。
【０００６】
第２段階では撮像装置外部から撮影したい現象に同期したトリガ信号が与えられ、トリガ信号からあらかじめ設定されたフレーム数分撮影を行った後、撮像動作を終了する。この動作により、撮影終了時には、撮像素子７０内の蓄積容量３０に、撮影したい現象の画像情報が蓄積されることとなる。
【０００７】
第３段階は信号電荷の読出段階であり、蓄積クロック出力部１３、垂直転送クロック出力部１４、水平転送クロック出力部１５により、蓄積容量３０、垂直転送部２２及び水平転送部２３が駆動され、蓄積容量３０に蓄積された信号電荷が垂直転送部２２及び水平転送部２３を介して転送され、出力回路２４を通して読み出される。撮像段階における蓄積容量３０の駆動周波数は１〜１０ＭＨｚ程度であり、読み出し段階における蓄積容量３０の駆動周波数は１００ｋＨｚ程度である。以上説明した駆動方式により、駆動装置６０及び画素周辺記録型撮像素子７０を備えた従来の撮像装置は、高速現象に同期した１００万〜１０００万フレーム／秒の超高速撮像を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の画素周辺記録型撮像素子７０では、図９に示すようにフォトダイオード（ＰＤ）２１と蓄積容量３０が直接面した構造となっており、フォトダイオード（ＰＤ）２１の電極と初段の蓄積容量３１の電極Ａ１が隣接し、生成された画像情報（信号電荷）が直接蓄積容量３１に転送されていた。
【００１０】
図１０は、フォトダイオード（ＰＤ）２１と蓄積電極３０の各電極に与える駆動電圧（φＰＤ，φＭ）の一例を模式的に示したものであり、図１１は、図１０の駆動電圧パルスが加わった時のフォトダイオード（ＰＤ）２１と蓄積容量３０の電極下のポテンシャル及び信号電荷を模式的に示したものである.
【００１１】
時刻ｔ１において、露光クロックφＰＤがＨ（ｈｉｇｈレベル）となっており、フォトダイオード（ＰＤ）２１には、光電変換により信号電荷が生成され蓄積されている。また、蓄積容量３１の電極Ａ３，Ａ４には、１フレーム前の画像の信号電荷（時刻ｔ１’を含むフレームの画像情報である信号電荷）が蓄積されている。ここで、高輝度な被写体を撮影した場合、フォトダイオード（ＰＤ）２１で発生した信号電荷がフォトダイオード領域から溢れ、電極Ａ１，Ａ２の障壁を乗り越えて、蓄積容量３１の電極Ａ３，Ａ４に形成されているポテンシャル井戸に流れ込み、１フレーム前の画像の信号電荷に混じる場合がある。この混入した電荷は当該フレームにおける本来の信号電荷ではないから、ノイズ電荷となる。
【００１２】
その後、時刻ｔ２において、蓄積容量３１の電極Ａ１がＨとなって、フォトダイオードの電荷が電極Ａ１に流入すると共に，蓄積電容量３１の電極Ａ３がＬ（ｌｏｗレベル）となり、蓄積電容量３２の電極Ａ１がＨとなって、蓄積容量３１の電極Ａ４と蓄積容量３２の電極Ａ１で形成されたポテンシャル井戸に、前のフレームの信号電荷がノイズ電荷と共に移動する。
【００１３】
時刻ｔ３において、露光クロックφＰＤがＬとなり、蓄積クロックφＭにより蓄積容量３０の電極Ａ１，Ａ２がＨとなって、蓄積容量３１の電極Ａ１，Ａ２のポテンシャル井戸に新しいフレーム（時刻ｔ１を含むフレーム）の画像の信号電荷が蓄積される。また、同時に、蓄積容量３２の電極Ａ１，Ａ２のポテンシャル井戸に前フレームにおける信号電荷がノイズ電荷と共に転送される。この後は、時刻ｔ４，ｔ５において、蓄積クロックφＭの作用により、蓄積容量３１の電極下のポテンシャル井戸に新フレームにおける信号電荷が順次転送される。また、同様に、蓄積容量３２の電極下のポテンシャル井戸に前フレームにおける信号電荷がノイズ電荷と共に順次転送される。
【００１４】
このように、高輝度な被写体を撮影した結果、隣接するポテンシャル井戸（本来であれば、１フレーム前の映像が蓄積される井戸）に漏れ込んだ電荷は、その後蓄積容量３０を順次移動して出力されるから、出力映像にノイズが生じることとなる。すなわち、実際に撮像された時刻よりも前のタイミングで画像の一部が現れるかのようなノイズ画像が生じるという課題があり、その解決が望まれている。
【００１５】
本発明は、前述のような事情に艦みてなされたものであり、高輝度な被写体に対してもノイズの発生を抑えることのできる撮像素子とその駆動装置、及びそれらを備えた撮像装置を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明に係る撮像素子は、被写体からの光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、前記受光素子に複数段に接続され前記受光素子が生成した信号電荷を順次蓄積して出力部に読み出す複数の信号電荷蓄積部と、を備えた撮像素子であって、前記受光素子と前記信号電荷蓄積部との間にオーバーフローゲートを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る撮像素子において、前記オーバーフローゲートは、前記受光部が光電変換による信号電荷生成中に、電位障壁を形成することが望ましい。
【００１８】
また、本発明に係る撮像素子において、前記オーバーフローゲートは複数の電極からなり、それぞれの電極に独立した駆動クロックが与えられることが望ましい。
【００１９】
上記課題を解決するために本発明に係る駆動装置は、被写体からの光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、前記受光素子に複数段に接続され前記受光素子が生成した信号電荷を順次蓄積して出力部に読み出す複数の信号電荷蓄積部と、を備えた撮像素子を駆動する駆動装置であって、前記被写体を撮像する撮像モードにおいて、前記受光素子の信号電荷生成中は、前記受光素子と前記信号電荷蓄積部との間に電位障壁を形成し、前記受光素子の信号電荷生成及び蓄積終了後は、信号電荷を前記受光素子から前記信号電荷蓄積部に転送可能とする、オーバーフローゲートクロックを出力することを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決するために本発明に係る撮像装置は、被写体からの光を光電変換して信号電荷を生成する受光素子と、前記受光素子に複数段に接続され前記受光素子が生成した信号電荷を順次蓄積して出力側に読み出す複数の信号電荷蓄積部と、を有する撮像素子と、それを駆動する駆動装置とを備える撮像装置において、撮像素子が前述の撮像素子であり、駆動装置が前述の駆動装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の撮像素子は、オーバーフローゲートにより受光素子から信号電荷蓄積部への信号電荷の漏れ込みを防ぐことが可能となり、ノイズの発生を抑えることができる。本発明によれば、高輝度な被写体に対してもノイズの発生を抑えることのできる撮像素子とその駆動装置、及びそれらを備えた撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の画素周辺記録型撮像素子とその駆動装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の画素周辺記録型撮像素子の電極構造の一例を模式的に示した図である。
【図３】実施の形態１の各電極に与える駆動電圧の一例を模式的に示した図である。
【図４】実施の形態１の駆動電圧が加わった時の各電極下のポテンシャル及び信号電荷を模式的に示した図である。
【図５】実施の形態２の各電極に与える駆動電圧の一例を模式的に示した図である。
【図６】実施の形態２の駆動電圧が加わった時の各電極下のポテンシャル及び信号電荷を模式的に示した図である。
【図７】実施の形態３の撮像装置の構成を示す図である。
【図８】従来の画素周辺記録型撮像素子とその駆動装置の構成を示す図である。
【図９】従来の画素周辺記録型撮像素子の電極構造の一例を模式的に示した図である。
【図１０】従来の各電極に与える駆動電圧の一例を模式的に示した図である。
【図１１】従来の駆動電圧が加わった時の各電極下のポテンシャル及び信号電荷を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、従来技術と同じ構成は同じ符号を付している。
【００２４】
（実施の形態１）
図１に、本発明の画素周辺記録型撮像素子２０と、それを駆動する駆動装置１０の構成を示す。本発明に係る撮像素子を構成する画素周辺記録型撮像素子２０は、光電変換を行う受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）２１、フォトダイオード（ＰＤ）２１から得られる画像情報（信号電荷）を蓄積する蓄積容量３０（３１〜３８）、不要な信号電荷を排出する排出部３９、信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部２２、信号電荷を水平方向に転送する水平転送部２３、及び、出力回路２４を備えており、さらに、フォトダイオード（ＰＤ）２１と蓄積容量３０との間に、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）１６を備えている。
【００２５】
駆動装置１０は、画素周辺記録型撮像素子２０を駆動するものである。タイミングパルスを生成するタイミングパルス生成部１１、露光クロックφＰＤを生成する露光クロック出力部１２、蓄積クロックφＭを生成する蓄積クロック出力部１３、垂直転送クロックφＭＲを生成する垂直転送クロック出力部１４、水平転送クロックφＨを生成する水平転送クロック出力部１５を備えており、さらに、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）クロックφＯを生成するオーバーフローゲート（ＯＦＧ）クロック出力部４０を備えている。
【００２６】
まず、駆動装置１０の構成を説明する。以下の説明において、被写体を超高速で撮像するモードを撮像モード、撮像によりフォトダイオード（ＰＤ）２１が生成した信号電荷を出力回路２４側に読み出すモードを読出モードという。
【００２７】
タイミングパルス生成部１１は、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で構成され、図示を省略した制御信号生成回路から入力したクロック信号に基づき、振幅が５Ｖ程度のタイミングパルスを生成して出力する。
【００２８】
露光クロック出力部１２は、タイミングパルスを入力して電圧変換することにより露光クロックφＰＤを生成し、生成した露光クロックφＰＤを撮像素子２０に出力する。この露光クロックφＰＤは、撮像モードにおいてフォトダイオード（ＰＤ）２１に印加される駆動クロックである。露光クロックφＰＤは、フォトダイオード（ＰＤ）２１の電位を制御し、これにより、光電変換による信号電荷の生成とその蓄積、及び蓄積容量３０への信号電荷の転送を、効率的に行う。
【００２９】
オーバーフローゲート（ＯＦＧ）クロック出力部１６は、タイミングパルスを入力して電圧変換することによりオーバーフローゲートクロック（以下、「ＯＦＧクロック」という。）φＯを生成し、生成したＯＦＧクロックφＯを撮像素子２０に出力する。このＯＦＧクロックφＯは、撮像モードと読出モードとにおいてオーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０に印加される駆動クロックである。後述するように、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０の電位を制御して電位障壁を形成し、フォトダイオード（ＰＤ）２１からオーバーフローした電荷が、他のフレームの信号電荷に混入するのを防止する。
【００３０】
蓄積クロック出力部１３は、タイミングパルスを入力して電圧変換することにより蓄積クロックφＭを生成し、生成した露光クロックφＭを撮像素子２０に出力する。この蓄積クロックφＭは、撮像モードと読出モードとにおいて蓄積容量３０に印加される駆動クロックである。なお、撮像モードと読出モードとで、駆動周波数が異なることは、前述のとおりである。蓄積容量３０の各電極（例えば、Ａ１〜Ａ４）にはそれぞれ異なったタイミングで電圧パルスが加えられ、信号電荷の蓄積容量３０内での蓄積と転送が制御される。
【００３１】
垂直転送クロック出力部１４は、タイミングパルスを入力して電圧変換することにより垂直転送クロックφＭＲを生成し、生成した垂直転送クロックφＭＲを撮像素子２０に出力する。この垂直転送クロックφＭＲは、読出モードにおいて垂直転送部２２に印加される駆動クロックである。これにより、蓄積領域３０に蓄積されていた画像情報（信号電荷）を順次読出し、水平転送部２３に転送する。
【００３２】
水平転送クロック出力部１５は、タイミングパルスを入力して電圧変換することにより水平転送クロックφＨを生成し、生成した水平転送クロックφＨを撮像素子２０に出力する。この水平転送クロックφＨは、読出モードにおいて水平転送部２３に印加される駆動クロックである。これにより、垂直転送部２２により転送された信号電荷を、出力回路２４に転送する。
【００３３】
なお、露光クロック出力部１２、蓄積クロック出力部１３、垂直転送クロック出力部１４、水平転送クロック出力部１５、及びＯＦＧクロック出力部１６は、周波数が１〜１００ＭＨｚ程度の各駆動クロック（φＰＤ、φＭ、φＭＲ、φＨ、φＯ）を生成できるように構成するのが好ましい。
【００３４】
次に、画素周辺記録型撮像素子２０の構成と動作を説明する。画素周辺記録型撮像素子２０は半導体基板に形成され、光電変換を行う受光素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）２１は、被写体からの光を受光して画像情報としての信号電荷を生成し、光信号を電気信号に変換する。フォトダイオード（ＰＤ）２１は、その電位を露光クロックφＰＤにより制御できるよう、表面に絶縁膜を介して電極を有している。なお、この電極は撮像に影響が無いように厚さ等が選択され、光が透過する構成となっている。露光クロックφＰＤとしてＨ（ｈｉｇｈレベル）を印加すると、フォトダイオード（ＰＤ）２１のポテンシャル井戸が形成され、受光量に対応した信号電荷が生成されると共に蓄積されるようになっており、また、Ｌ（ｌｏｗレベル）を印加すると、生成された信号電荷が蓄積容量３０の側へ流出するように制御される。
【００３５】
オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０は、フォトダイオード（ＰＤ）２１と蓄積容量３０との間に配置される。ＯＦＧクロックφＯに基づいて、その電極下に電位（ポテンシャル）障壁を形成し、フォトダイオード（ＰＤ）２１が電荷生成及び蓄積をする期間中は信号電荷の漏れ出しを防止すると共に、所定のタイミングでフォトダイオード（ＰＤ）２１が生成した信号電荷を蓄積容量３０に転送する。
【００３６】
蓄積容量３０は、一般に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）と同等の構造を有し、蓄積クロックφＭに基づいて、フォトダイオード（ＰＤ）２１が生成した信号電荷を順次蓄積しながら転送する。本実施形態では、蓄積容量３０は、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０に隣接しており、フォトダイオード（ＰＤ）２１に近い側から、初段の蓄積容量３１、次段の蓄積容量３２、・・・最終段の蓄積容量３９を含む構成としている。また、最終段の蓄積容量３９は排出部を兼ねており、転送されてきた信号電荷は蓄積容量３９で排出されるため、いつも最新の信号が蓄積容量３０に蓄積される。なお、一般的な画素周辺記録型撮像素子における蓄積容量の段数は１００程度であるが、図１では便宜上９段構成としている。蓄積容量の段数は、記録する画像のフレーム数に応じて適宜設定することができる。蓄積容量３０は、本発明に係る信号電荷蓄積部を構成する。
【００３７】
垂直転送部２２は、複数の転送電極を備えたＣＣＤ（Charge Coupled Device）構造を有し、蓄積容量３９から信号電荷を図中上側から下側の方向に順次転送し、水平転送部２３に出力する。
【００３８】
水平転送部２３は、複数の転送電極を備えたＣＣＤ（Charge Coupled Device）構造を有し、垂直転送部２２から移送された信号電荷を図中右側から左側に転送し、出力回路２４に出力する。
【００３９】
出力回路２４は、水平転送路２３からの信号電荷を電圧に変換して出力する。
【００４０】
次に、本実施の形態１における画素周辺記録型撮像素子２０の構造と駆動方式について、図２〜図４を用いて説明する。
【００４１】
図２は、被写体からの光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオード（ＰＤ）２１と、蓄積容量３０、及びオーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０の電極構造を模式的に示したものである。なお、その形状や各電極の大きさの相対比は、正確に記載されたものではない。
【００４２】
画素周辺記録型撮像素子２０のフォトダイオード（ＰＤ）２１は、高速度撮像を行うために感度を高めることが必要であり、１フレームあたり短時間の光照射時間で明るい画像を得ることができるよう、光電変換領域が比較的大きな面積となっている。フォトダイオード（ＰＤ）２１の長辺の長さは、例えば、５０μｍ程度である。
【００４３】
蓄積容量３０は、その段数が蓄積可能なフレーム数に対応するため、できるだけ密度高く多数配置することが望まれており、そのため各段の蓄積容量は比較的小さく形成されている。例えば、１段あたりの蓄積容量（３１，３２，３３・・・）は、一辺の長さが数μｍ以下であり、蓄積可能なフレーム数等を考慮して設計される。なお、図２では、各段の蓄積容量を４電極構造（Ａ１〜Ａ４）としているが、この電極構造は一例であり、例えば、各段の蓄積容量を３電極構造（Ａ１〜Ａ３）として３相駆動を行ってもよい。
【００４４】
フォトダイオード（ＰＤ）２１と、蓄積容量３０との間に、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０を設ける。図２の例では、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０を２電極構造（Ｏ１，Ｏ２）として、各電極に独立したＯＦＧクロックを印加しているが、１電極で構成することも可能である。オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０は、フォトダイオード（ＰＤ）２１からオーバーフローした電荷が、他のフレームの信号電荷に混入するのを防止するものであり、その目的からは、フォトダイオード（ＰＤ）２１と蓄積容量３０との間が十分離れるように大きく形成することが望まれるが、他方、フォトダイオード（ＰＤ）２１と蓄積容量３０との間が離れると信号電荷の転送ロスが生じる可能性があるため、両者の要求を満たすべく適切な大きさに形成される。本実施形態では、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０全体の大きさを、１段分の蓄積容量３１の大きさとほぼ等しくしている。
【００４５】
図３は、本発明の実施の形態１における、フォトダイオード（ＰＤ）２１、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０、及び蓄積容量３０の各電極に与える駆動電圧（φＰＤ，φＯ，φＭ）の一例を模式的に示したものであり、図４は、図３の駆動電圧パルスが加わった時の各電極下のポテンシャル及び信号電荷を模式的に示したものである。
【００４６】
時刻ｔ１において、露光クロックφＰＤがＨ（ｈｉｇｈレベル）であり、フォトダイオード（ＰＤ）２１は、光電変換を行っており、発生した信号電荷は、フォトダイオード電極ＰＤの直下に蓄積されている。また、蓄積容量３１の電極Ａ３，Ａ４には、１フレーム前の画像の信号電荷（時刻ｔ１’を含むフレームの画像情報である信号電荷）が蓄積されている。オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０にはＯＦＧクロックφＯが与えられ、電極Ｏ１はＬ（ｌｏｗレベル）でその電極下に電位（ポテンシャル）障壁が形成され、電極Ｏ２はＨでその電極下にポテンシャル井戸が形成されている。ここで、高輝度な被写体を撮影した場合、フォトダイオード（ＰＤ）２１で発生した信号電荷がフォトダイオード領域から溢れる場合があるが、漏れ出した信号電荷は電極Ｏ１の電位障壁を乗り越えたとしても、オーバーフローゲート電極Ｏ２下に蓄積される。この時、前フレーム（時刻ｔ１’）の信号電荷はすでに電極Ａ３，Ａ４に転送されているため、本発明によれば前フレームの信号電荷に溢れた電荷が混入してノイズが生じることを防ぐことができる。
【００４７】
その後、時刻ｔ２において、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０の電極Ｏ１がＨとなって電位障壁がなくなり、蓄積容量３１の電極Ａ１がＨとなって、フォトダイオードの電荷が電極Ａ１に流入すると共に，もともとの信号電荷である電極Ｏ２下に蓄積されていた電荷と合わさる。また、蓄積電容量３１の電極Ａ３がＬとなり、蓄積電容量３２の電極Ａ１がＨとなって、蓄積容量３１の電極Ａ４と蓄積容量３２の電極Ａ１で形成されたポテンシャル井戸に、前のフレームの信号電荷が移動する。
【００４８】
時刻ｔ３において、露光クロックφＰＤがＬ、ＯＦＧクロックによりＯＦＧ電極Ｏ１，Ｏ２が共にＬとなり、蓄積クロックφＭにより蓄積容量３０の電極Ａ１，Ａ２がＨとなって、蓄積容量３１の電極Ａ１，Ａ２のポテンシャル井戸に新しいフレーム（時刻ｔ１を含むフレーム）の画像の信号電荷が蓄積される。また、同時に、蓄積容量３２の電極Ａ１，Ａ２のポテンシャル井戸に前フレームにおける信号電荷が転送される。
【００４９】
この後は、時刻ｔ４において、蓄積クロックφＭの作用により、蓄積容量３１の電極Ａ２，Ａ３のポテンシャル井戸に新フレームにおける信号電荷が転送され、同時に、蓄積容量３２の電極Ａ２，Ａ３のポテンシャル井戸に前フレームにおける信号電荷が転送される。
【００５０】
時刻ｔ５の状態は、時刻ｔ１と各電極の電位の状態は同じであり、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０の電極Ｏ１下には電位（ポテンシャル）障壁が形成され、電極Ｏ２下にはポテンシャル井戸が形成される。蓄積容量３１の電極Ａ３，Ａ４には、１フレーム前の画像の信号電荷（時刻ｔ１を含む画像の信号電荷）が蓄積され、蓄積容量３２の電極Ａ３，Ａ４には、さらに１フレーム前の画像の信号電荷（時刻ｔ１’を含む画像の信号電荷）が転送される。そして、再び、フォトダイオード（ＰＤ）２１に画像に応じた信号電荷が蓄積されて行く。
【００５１】
このように、本発明によれば、高輝度な被写体を撮影した場合であっても、蓄積容量のポテンシャル井戸（本来であれば、１フレーム前の映像が蓄積される井戸）にフォトダイオード（ＰＤ）２１から漏れ出した電荷が流入することが防止され、撮像中のフレームの信号電荷が他のフレームの信号電荷と混じることは無く、ノイズが防止される。
【００５２】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２について説明をする。図５は、本発明の実施の形態２における、フォトダイオード（ＰＤ）２１、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０、及び蓄積容量３０の各電極に与える駆動電圧（φＰＤ，φＯ，φＭ）の一例を模式的に示したものであり、図６は、図５の駆動電圧パルスが加わった時の各電極下のポテンシャル及び信号電荷を模式的に示したものである。
【００５３】
本実施形態の駆動パルスにおいては、時刻ｔ１において、露光クロックφＰＤがＨであり、フォトダイオード（ＰＤ）２１は、光電変換を行っており、発生した信号電荷は、フォトダイオード電極ＰＤの直下に蓄積されている。また、蓄積容量３１の電極Ａ３，Ａ４には、１フレーム前の画像の信号電荷（時刻ｔ１’を含むフレームの画像情報である信号電荷）が蓄積されている。オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０にはＯＦＧクロックφＯが与えられ、電極Ｏ１及びＯ２は共にＬが印加されて、その電極下に電位（ポテンシャル）障壁が形成されている。ここで、高輝度な被写体を撮影した場合、高輝度な被写体によりフォトダイオード（ＰＤ）２１に過剰な信号電荷が発生したとしても、ＯＦＧ電極Ｏ１，Ｏ２，及び蓄積容量３１の電極Ａ１，Ａ２のすべての電極下に電位障壁が形成されているから、長い距離のバリアとなり、信号電荷の外への漏れ出しは生じない。よって、既に電極Ａ３及びＡ４に転送されている前フレーム（時刻ｔ１’を含むフレーム）の信号電荷に他の電荷の混入は生じないため、本発明によれば前フレームの信号電荷にノイズが生じることを防ぐことができる。
【００５４】
その後は、時刻ｔ２において、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０の電極Ｏ１，Ｏ２が共にＨとなって障壁がなくなり、蓄積容量３１の電極Ａ１がＨとなって、フォトダイオードの電荷が電極Ａ１に流入する。また、蓄積電容量３１の電極Ａ３がＬとなり、蓄積電容量３２の電極Ａ１がＨとなって、蓄積容量３１の電極Ａ４と蓄積容量３２の電極Ａ１で形成されたポテンシャル井戸に、前のフレームの信号電荷が移動する。
【００５５】
時刻ｔ３において、露光クロックφＰＤがＬ、ＯＦＧクロックによりＯＦＧ電極Ｏ１，Ｏ２が共にＬとなり、蓄積クロックφＭにより蓄積容量３０の電極Ａ１，Ａ２がＨとなって、蓄積容量３１の電極Ａ１，Ａ２のポテンシャル井戸に新しいフレーム（時刻ｔ１を含むフレーム）の画像の信号電荷が蓄積される。また、同時に、蓄積容量３２の電極Ａ１，Ａ２のポテンシャル井戸に前フレームにおける信号電荷が転送される。
【００５６】
この後は、時刻ｔ４において、蓄積クロックφＭの作用により、蓄積容量３１の電極Ａ２，Ａ３のポテンシャル井戸に新フレームにおける信号電荷が転送され、同時に、蓄積容量３２の電極Ａ２，Ａ３のポテンシャル井戸に前フレームにおける信号電荷が転送される。さらに、時刻ｔ５において、蓄積容量３１の電極Ａ３，Ａ４には、１フレーム前の画像の信号電荷（時刻ｔ１を含む画像の電荷）が蓄積され、蓄積容量３２の電極Ａ３，Ａ４には、さらに１フレーム前の画像の信号電荷（時刻ｔ１’を含む画像の電荷）が転送される。そして、電極Ｏ１及びＯ２の電極下には電位障壁が形成され、再び、フォトダイオード（ＰＤ）２１に画像に応じた信号電荷が生成され蓄積されていく。
【００５７】
なお、本実施形態では、常に電極Ｏ１，Ｏ２に同じ駆動クロックが与えられているので、オーバーフローゲート（ＯＦＧ）４０の電極Ｏ１，Ｏ２を一体の電極としてもよい。
【００５８】
以上のように、実施の形態２に係る撮像素子２０及びその駆動装置１０によれば、高輝度な被写体を撮影した場合であっても、ノイズの発生を抑えることができる。
【００５９】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３について説明をする。図７に示すように、実施の形態３における撮像装置１００は、実施の形態１又は実施の形態２における撮像素子２０及びその駆動装置１０、レンズ５１、Ａ／Ｄ変換部５２、信号処理部５３、映像出力回路５６を備えている。ここで、信号処理部５３は、信号処理回路５４及び映像信号メモリ５５を備えている。撮像装置１００は、レンズ５１を通過して得られる光信号を画素周辺記録型撮像素子２０で受光し、駆動装置１０から得られる駆動クロックに基づいて、信号電荷の転送を制御するものである。
【００６０】
撮像装置１００の各構成要素について説明する。
【００６１】
駆動装置１０は、実施の形態１又は実施の形態２において説明した各駆動クロックを、撮像素子２０に出力する。
【００６２】
撮像素子２０は、実施の形態１又は実施の形態２において説明した画素周辺記録型撮像素子２０であって、各フォトダイオードに対してオーバーフローゲート（ＯＦＧ）を有しており、レンズ５１を通過して得られる光信号を受光し、駆動装置１０からの駆動クロック（φＰＤ、φＯ、φＭ、φＭＲ、φＨ）に基づいて、超高速撮影を行い、撮影（撮像）後に出力信号をＡ／Ｄ変換部５２に出力する。
【００６３】
Ａ／Ｄ変換部５２は、撮像素子２０から得られるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を信号処理部５３の信号処理回路５４に出力する。
【００６４】
信号処理回路５４は、Ａ／Ｄ変換部５２から得られる映像信号をフレームに対応させて並べ替えを行い、並べ替えた映像信号を映像信号メモリ５５に出力する。
【００６５】
映像信号メモリ５５は、信号処理回路５４から得られる並べ替えた映像信号を、例えば数千フレーム程度保存することができ、保存したメモリ映像信号を所定レートで出力する。例えば、通常のテレビレートの場合、映像信号メモリ５５は３０フレーム／秒で映像信号を出力する。
【００６６】
映像出力回路５６は、映像信号メモリ５５からの映像信号を例えばＨＤ−ＳＤＩ（High Definition - Serial Digital Interface）の規格の映像信号に変換して出力する。
【００６７】
以上のように、本発明の撮像装置１００は、実施の形態１又は実施の形態２における撮像素子２０を備えたことにより、高輝度な被写体に対してもノイズの発生を抑えることのできる撮像装置を提供することができる。
【００６８】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各構成要素等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段や構成等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１０  駆動装置
１１  タイミングパルス発生部
１２  露光クロック出力部
１３  蓄積クロック出力部
１４  垂直転送クロック出力部
１５  水平転送クロック出力部
１６  ＯＦＧクロック出力部
２０  撮像素子
２１  フォトダイオードＰＤ（受光素子）
２２  垂直転送部
２３  水平転送部
２４  出力回路
３０  （３１〜３９）蓄積容量
４０  オーバーフローゲート（ＯＦＧ）
５１  レンズ
５２  Ａ／Ｄ変換器
５３  信号処理部
５４  信号処理回路
５５  映像信号メモリ
５６  映像出力回路
６０  駆動装置
７０  撮像素子
１００  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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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