(57)【要約】【課題】様々な撮像態様に対応することができる撮像素子およびそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】フォトダイオード１１と複数の蓄積用ＣＣＤ１２とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位でフォトダイオード１１および蓄積用ＣＣＤ１２を備えている。さらに、転送電極２１Ａ，２１Ｂを備え、この転送電極２１Ａ，２１Ｂは、蓄積用ＣＣＤ１２の信号電荷を読み出して転送する速度Ａ，Ｂ・タイミングＴ１，Ｔ２を画素群ＰＡ，ＰＢごとに調整する。このように、信号電荷の転送速度Ａ，Ｂ・タイミングＴ１，Ｔ２を画素群ＰＡ，ＰＢごとに調整することで、画素群ＰＡ，ＰＢごとに様々な速度・タイミングに調整することが可能になり、様々な撮像態様に対応することができる。【選択図】図３
2008236171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えた撮像素子であって、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する速度を各々の画素ごとに調整する転送電極を備えることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えた撮像素子であって、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送するタイミングを各々の画素ごとに調整する転送電極を備えることを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えるとともに、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する速度を各々の画素ごとに調整する転送電極を備え、前記装置は、転送電極を駆動制御する駆動制御手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えるとともに、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送するタイミングを各々の画素ごとに調整する転送電極を備え、前記装置は、転送電極を駆動制御する駆動制御手段とを備え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】
この発明は入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させて撮像を行う撮像素子およびそれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の撮像素子として、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)型固体撮像素子がある。近年、かかるＣＣＤ型固体撮像素子（以下、『ＣＣＤ』と略記する）において、高速撮像を可能にするために、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換部（例えばフォトダイオード）の傍らに、光電変換部から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積部（例えば蓄積用ＣＣＤ）を備える素子がある（例えば、特許文献１−３参照）。この撮像素子では光電変換部や電荷蓄積部をチップ上に配設している。
【０００３】
特許文献１，２では、『画素周辺記録型撮像素子』と呼ばれるＣＣＤを採用している。このＣＣＤについて、図２を参照して説明する。図２に示すように、ＣＣＤ１は、上述したフォトダイオード１１と蓄積用ＣＣＤ１２とを複数個備えるとともに、これら蓄積用ＣＣＤ１２内の信号電荷を図２に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤ１３とを備えている。そして、フォトダイオード１１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤ１２へ信号電荷を読み出す読み出しゲート１４を各フォトダイオード１１の傍らにそれぞれ配設している。その他に、垂直転送用ＣＣＤ１３から転送された信号電荷を図２に示す水平方向に転送する水平転送用ＣＣＤ１５を備えている。
【０００４】
この『画素周辺記録型撮像素子』では、ライン状の蓄積用ＣＣＤ１２は斜め方向に延びている。このように斜め方向にすることでチップ上に無駄な空地が生じないようにＣＣＤセルを詰め込むことができる。
【０００５】
このように、蓄積用ＣＣＤなどに代表される電荷蓄積部をライン状に複数備えることで、出力レートは撮影速度に依存しない。例えば１００×１０３画素（１００，０００画素）の素子を撮影速度が１０×１０３フレーム／秒（１０，０００フレーム／秒）の高速撮像で撮影を行うと、外部に電荷蓄積部を有する構造の場合、画素数×撮影速度：１００×１０３画素×１０×１０３フレーム／秒で表される１．０×１０９Ｈｚ（１．０ＧＨｚ）の出力レートで読み出す必要がある。それに対して図２のような本構造の場合には、蓄積用ＣＣＤ１２や垂直転送用ＣＣＤ１３のような電荷蓄積部に信号電荷を一旦蓄積して記憶して、撮影終了後に素子からデータを出力するので、出力レートは撮影速度に全く依存しない。
【特許文献１】特開２００１−３４５４４１号公報（第２，５−９頁、図２−４，１０−１２）
【特許文献２】特開２０００−１６５７５０号公報（第３，６−１４頁、図１，４，５）
【特許文献３】米国特許第５３５５１６５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、蓄積用ＣＣＤなどに代表される電荷蓄積部の数は、チップ上に配設する関係上、限られている。これは、上述したように限られた大きさの素子の中に光電変換部に相当する画素領域と電荷蓄積部に相当する蓄積領域とを設けるためである。図２で述べた構造の場合、仕様として例えば１００×１０３画素、電荷蓄積部の数が１００の高速撮像装置を例に採って説明する。この場合、撮影できるコマ数（撮影フレーム数）は１００となり、それ以上のコマ数（フレーム数）は撮影できず高速撮影したい現象を始めから終わり撮影しきれない場合がある。撮影速度を遅くすることにより現象全体を電荷蓄積部に記憶できるようになるが時間分解能が落ちてしまい、現象の詳細がわからなくなる場合がある。
【０００７】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、様々な撮像態様に対応することができる撮像素子およびそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えた撮像素子であって、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する速度を各々の画素ごとに調整する転送電極を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、光電変換手段と複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えている。さらに、転送電極を備え、この転送電極は、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する速度を各々の画素ごとに調整する。このように、信号電荷の転送速度を各々の画素ごとに調整することで、画素ごとに様々な速度に調整することが可能になり、様々な撮像態様に対応することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えた撮像素子であって、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送するタイミングを各々の画素ごとに調整する転送電極を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
［作用・効果］請求項２に記載の発明によれば、光電変換手段と複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えている。さらに、転送電極を備え、この転送電極は、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送するタイミングを各々の画素ごとに調整する。このように、信号電荷の転送タイミングを各々の画素ごとに調整することで、画素ごとに様々なタイミングに調整することが可能になり、様々な撮像態様に対応することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えるとともに、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する速度を各々の画素ごとに調整する転送電極を備え、前記装置は、転送電極を駆動制御する駆動制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
［作用・効果］請求項３に記載の発明によれば、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する速度を各々の画素ごとに調整するように駆動制御手段が転送電極を駆動制御するので、画素ごとに様々な速度に調整することが可能になり、様々な撮像態様に対応することができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明は、撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位で光電変換手段および電荷蓄積手段を備えるとともに、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送するタイミングを各々の画素ごとに調整する転送電極を備え、前記装置は、転送電極を駆動制御する駆動制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１５】
［作用・効果］請求項４に記載の発明によれば、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送するタイミングを各々の画素ごとに調整するように駆動制御手段が転送電極を駆動制御するので、画素ごとに様々なタイミングに調整することが可能になり、様々な撮像態様に対応することができる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る撮像素子およびそれを用いた撮像装置によれば、転送電極は、電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する速度・タイミングを各々の画素ごとに調整するので、画素ごとに様々な速度・タイミングに調整することが可能になり、様々な撮像態様に対応することができる。
【実施例１】
【００１７】
以下、図面を参照してこの発明の実施例1を説明する。
図１は、実施例１、後述する実施例２〜４に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図であり、図２は、実施例１〜４に係るＣＣＤの構成を示すブロック図であり、図３は、実施例１〜４に係る転送電極と画素群との関係を示すブロック図であり、図４は、実施例１〜４に係る画素群の区分けを示す模式図であり、図５は、実施例１〜４に係るそれぞれの速度・タイミングで撮影した画像の模式図である。
【００１８】
後述する実施例２〜４も含めて、実施例１に係る撮像装置は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を信号電荷に変換するとともに電気信号に変換して被写体を撮像するように構成されている。すなわち、撮像装置は、図１に示すように、固体撮像素子（ＣＣＤ）１を備えるとともに、レンズ２と相関二重サンプリング部３とＡＤコンバータ４と画像処理演算部５とモニタ６と操作部７と制御部８とを備えている。さらに、撮像装置は、電源部９ａとタイミングジェネレータ９ｂとを備えている。固体撮像素子（ＣＣＤ）１は、この発明における撮像素子に相当する。
【００１９】
レンズ２は、被写体の光学像を取り込む。相関二重サンプリング部３は、ＣＣＤ１からの信号電荷を低雑音に増幅して電気信号に変換して取り出す。ＡＤコンバータ４は、その電気信号をディジタル信号に変換する。画像処理演算部５は、ＡＤコンバータ４でディジタル化された電気信号に基づいて被写体の２次元画像を作成するために各種の演算処理を行う。モニタ６は、その２次元画像を画面に出力する。操作部７は、撮像の実行に必要な種々の操作を行う。制御部８は、操作部７により設定された撮影条件などの操作にしたがって装置全体を統括制御する。
【００２０】
電源部９ａは、ＣＣＤ１内の信号電荷を転送する転送電極２１Ａ，２１Ｂ（図３を参照）などに電圧を印加する。タイミングジェネレータ９ｂは、電圧の印加のタイミングや撮像のタイミングやクロックなどを生成する。このように、タイミングジェネレータ９ｂがタイミングやクロックなどを生成して、電源部９ａが転送電極２１Ａ，２１Ｂ（図３を参照）などに電圧を印加することで、電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂはＣＣＤ１を駆動する。電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂは、この発明における駆動制御手段に相当する。
【００２１】
また、後述する実施例２〜４も含めて、本実施例１では、タイミングジェネレータ９ｂは、格子状（チェック状）に区分けされた画素群ＰＡ，ＰＢ（図３、図４を参照）ごとに後述する蓄積用ＣＣＤセル（図２を参照）の信号電荷を読み出して転送する速度・タイミングを調整するように転送電極２１Ａ，２１Ｂ（図３を参照）を駆動制御する。
【００２２】
次に、ＣＣＤ１は、図２に示すように、入射光（被写体の光学像）を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させるフォトダイオード１１と、そのフォトダイオード１１から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の蓄積用ＣＣＤ１２と、これら蓄積用ＣＣＤ１２内の信号電荷を図２に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤ１３とを備えている。フォトダイオード１１は、この発明における光電変換手段に相当し、蓄積用ＣＣＤ１２は、この発明における電荷蓄積手段に相当する。
【００２３】
各フォトダイオード１１の傍らには読み出しゲート１４をそれぞれ配設しており、このフォトダイオード１１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤ１２へ各読み出しゲート１４は信号電荷を読み出す。
【００２４】
各蓄積用ＣＣＤ１２についてはそれぞれをライン状に接続して構成しており、ライン状の蓄積用ＣＣＤ１２を複数本分配設している。フォトダイオード１１から発生した信号電荷を、隣接する蓄積用ＣＣＤ１２に順次に転送しながら各蓄積用ＣＣＤ１２に蓄積する。そして、蓄積用ＣＣＤ１２から順次に転送された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤ１３に合流させる。垂直転送用ＣＣＤ１３から転送されたこの信号電荷を水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。
【００２５】
フォトダイオード１１を２次元状に配置しており、水平および垂直方向に平行して各フォトダイオード１１を並べて配設する関係上、ライン状の蓄積用ＣＣＤ１２は斜め方向に延びている。後述する実施例２〜４も含めて本実施例１に係るＣＣＤ１は、いわゆる『画素周辺記録型撮像素子』と呼ばれているものである。なお、ＣＣＤ１の全体構成については従来と同じである。
【００２６】
このようなフォトダイオード１１と複数の蓄積用ＣＣＤ１２とで、図３に示すように、１つの画素単位として構成し、複数の画素単位でフォトダイオード１１と複数の蓄積用ＣＣＤ１２とを備えている。後述する実施例２〜４も含めて、本実施例１では画像を格子状（チェック状）に区分けし、図３、図４に示すように区分けされた画素群のうち、一方を画素群ＰＡとするとともに他方を画素群ＰＢとする。なお、図３、図４では画素群ＰＡに属するフォトダイオード１１、それに対応した画素を右上斜線のハッチングで示すとともに、画素群ＰＢに属するフォトダイオード１１、それに対応した画素を左上斜線のハッチングで示す。また、図３では４相駆動とする。
【００２７】
そして、図３に示すように、フォトダイオード１１からの信号電荷を読み出す読み出しゲート１４に接続された転送電極も含んで、蓄積用ＣＣＤ１２の信号電荷を読み出して転送するための転送電極２１Ａ，２１Ｂは、転送する速度・タイミングを画素群ＰＡ，ＰＢごとに調整する。転送電極２１Ａ，２１Ｂは、この発明における転送電極に相当する。
【００２８】
具体的には、タイミングジェネレータ９ａでの生成回路を、速度Ａ・タイミングＴ１のグループＧ１と、速度Ｂ・タイミングＴ２のグループＧ２とで分ける。速度Ａ・タイミングＴ１のグループＧ１の生成回路を転送電極２１Ａに接続するとともに、速度Ｂ・タイミングＴ２のグループＧ１の生成回路を転送電極２１Ｂに接続する。転送電極２１Ａを画素群ＰＡに属する読み出しゲート１４および蓄積用ＣＣＤ１２にそれぞれ接続するとともに、転送電極２１Ｂを画素群ＰＢに属する読み出しゲート１４および蓄積用ＣＣＤ１２にそれぞれ接続する。なお、図３の転送電極２１Ａ，２１Ｂの配置は模式的に表しただけであるので、実際の転送電極が図３のような配置にはならないことに留意されたい。
【００２９】
このように接続することで、画素群ＰＡでは転送電極２１Ａは、転送する速度Ａ、転送するタイミングＴ１で調整し、画素群ＰＢでは転送電極２１Ｂは、転送する速度Ｂ、転送するタイミングＴ２で調整する。なお、画素群ＰＡでは信号電荷を読み出して転送する速度Ａに合わせて撮影速度Ａで撮影し、画素群ＰＢでは信号電荷を読み出して転送する転送する速度Ｂに合わせて撮影速度Ｂで撮影する。したがって、転送する速度Ａは撮影速度Ａとなり、転送する速度Ｂは撮影速度Ｂとなる。また、撮影周期は撮影速度の逆数である。後述する実施例２〜４も含めて、本実施例１では、撮影速度Ａの逆数である撮影周期をＴＡとするとともに、撮影速度Ｂの逆数である撮影周期をＴＢとする（図６〜図９を参照）。
【００３０】
このように区分けされた図４に示す画素群ＰＡ，ＰＢでは、各々の画素群ＰＡ，ＰＢに属する各フォトダイオード１１からの信号電荷を、蓄積用ＣＣＤ１２、垂直転送用ＣＣＤ１３、水平転送用ＣＣＤ１５を介して読み出すと、図５に示すような画像としてフレーム出力される。画素群ＰＡに属するフォトダイオード１１からの信号電荷を、転送する速度（すなわち撮影速度）Ａ、タイミングＴ１で読み出すと、図５（ａ）に示すような画像として出力される。一方、画素群ＰＢに属するフォトダイオード１１からの信号電荷を、転送する速度（すなわち撮影速度）Ｂ、タイミングＴ２で読み出すと、図５（ｂ）に示すような画像として出力される。
【００３１】
このとき画素群をＰＡ，ＰＢの２つに区分けしているので、図５の各図で出力される各画像では空間分解能は１／２になる。したがって、画素群ＰＡに関する図５（ａ）では画素群ＰＢに相当する箇所が空白になって、画素群ＰＢに関する図５（ｂ）では画素群ＰＡに相当する箇所が空白になる。かかる空白部分については周囲の画素から補間して画像処理を行えばよい。
【００３２】
続いて、本実施例１に係る各画素群ＰＡ，ＰＢにおける各フレーム出力の時系列変化について、図６を参照して説明する。図６は、実施例１に係る各画素群ＰＡ，ＰＢにおける各フレーム出力のタイミングチャートである。
【００３３】
本実施例１では、撮影速度Ａが１．０×１０６フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）、すなわち撮影周期ＴＡが１μｓ／フレーム（図６では１．０μｓ／Ｆ）で、撮影速度Ｂが５００×１０３フレーム／秒（５００，０００フレーム／秒）、すなわち撮影周期ＴＢが２μｓ／フレーム（図６では２．０μｓ／Ｆ）で、蓄積用ＣＣＤ１２の合計数によって規定される１画素当たりの撮影フレーム数を１００とする。したがって、画素群ＰＡでは１００フレーム分の撮像が撮影周期ＴＡ毎に連続的に行われるとともに、画素群ＰＢでは１００フレーム分の撮像が撮影周期ＴＢ毎に連続的に行われる。また、タイミングジェネレータ９ｂ（図１を参照）から出力されるクロック周波数を１６ＭＨｚ（周期に換算すると１μｓ／１６＝０．０６２５μｓ＝６２．５ｎｓ）として、そのクロック周波数に撮影周期ＴＡ，ＴＢやタイミングＴ１，Ｔ２が同期するとして説明する。なお、図６では、フレーム出力のＦｘの下付き添え字のｘはフレーム数を示して、例えばＦ１は１フレーム目を示すとともに、Ｆ１００は１００フレーム目を示す。
【００３４】
本実施例１では、画素群ＰＡにおける転送するタイミングＴ１も、画素群ＰＢにおける転送するタイミングＴ２も、同じタイミングで開始するとして説明する。撮影周期ＴＡが１μｓ／フレームであるので、画素群ＰＡではタイミングＴ１から開始すると１００フレーム分の信号電荷が１００μｓ（＝１００フレーム×１μｓ／フレーム）で蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になり、撮影周期ＴＢが２μｓ／フレームであるので、画素群ＰＢではタイミングＴ２（＝Ｔ１）から開始すると１００フレーム分の信号電荷が２００μｓ（＝１００フレーム×２μｓ／フレーム）で蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になる。
【００３５】
先に、画素群ＰＡで１００フレーム分の信号電荷が１００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になるが、この時点では画素群ＰＢは５０フレーム分の信号電荷のみが蓄積用ＣＣＤ１２に蓄積されて記憶されていて満杯状態ではない。そこで、図６に示すように画素群ＰＢにおいて１００フレーム分の信号電荷が２００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になるまで、画素群ＰＡでは撮影を中止して垂直転送用ＣＣＤ１３の合流手前で停止させる。もちろん、画素群ＰＢにおいて１００フレーム分の信号電荷が２００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になるまで、画素群ＰＡでは撮影を引き続き行い蓄積用ＣＣＤ１２からあふれた信号電荷を垂直転送用ＣＣＤ１３に転送しないようにドレイン用ＣＣＤ（図示省略）に排出するように転送電極を制御してもよい。
【００３６】
タイミングＴ２（＝Ｔ１）から開始して２００μｓで画素群ＰＡ，ＰＢともに蓄積用ＣＣＤ１２に信号電荷が満杯になるので、垂直転送用ＣＣＤ１３に順次に転送して、さらに水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。そして、転送された信号電荷のうち、画素群ＰＡについては図５（ａ）に示すような画像としてフレーム出力するとともに、画素群ＰＢについては図５（ｂ）に示すような画像としてフレーム出力する。画素群ＰＡに関する図５（ａ）では、タイミングＴ１から開始してから１００μｓまでの画像が、１μｓ／フレームの撮影周期ＴＡ（１．０×１０６フレーム／秒の撮影速度Ａ）毎にフレーム出力される。一方、画素群ＰＢに関する図５（ｂ）では、タイミングＴ２（＝Ｔ１）から開始してから２００μｓまでの画像が、２μｓ／フレームの撮影周期ＴＢ（５００×１０３フレーム／秒の撮影速度Ｂ）毎にフレーム出力される。
【００３７】
上述したＣＣＤ１およびそれを用いた撮像装置によれば、フォトダイオード１１と複数の蓄積用ＣＣＤ１２とで１つの画素単位として構成し、複数の画素単位でフォトダイオード１１および蓄積用ＣＣＤ１２を備えている。さらに、転送電極２１Ａ，２１Ｂを備え、この転送電極２１Ａ，２１Ｂは、蓄積用ＣＣＤ１２の信号電荷を読み出して転送する速度Ａ，Ｂ・タイミングＴ１，Ｔ２を各々の画素（実施例１〜４では画素群ＰＡ，ＰＢ）ごとに調整する。このように、信号電荷の転送速度Ａ，Ｂ・タイミングＴ１，Ｔ２を各々の画素（ここでは画素群ＰＡ，ＰＢ）ごとに調整することで、画素（ここでは画素群ＰＡ，ＰＢ）ごとに様々な速度・タイミングに調整することが可能になり、様々な撮像態様に対応することができる。
【実施例２】
【００３８】
次に、図面を参照してこの発明の実施例２を説明する。
図７は、実施例２に係る各画素群ＰＡ，ＰＢにおける各フレーム出力のタイミングチャートである。なお、ＣＣＤ１や撮像装置の構造や、転送電極と画素群との関係、画素群の区分けについては、実施例１と同様である。本実施例２に係る各画素群ＰＡ，ＰＢにおける各フレーム出力の時系列変化について、この図７を参照して説明する。
【００３９】
本実施例２では、実施例１と同様に、撮影速度Ａが１．０×１０６フレーム／秒（撮影周期ＴＡが１μｓ／フレーム（図７では１．０μｓ／Ｆ））で、撮影速度Ｂが５００×１０３フレーム／秒（撮影周期ＴＢが２μｓ／フレーム（図７では２．０μｓ／Ｆ））、蓄積用ＣＣＤ１２の合計数によって規定される１画素当たりの撮影フレーム数を１００とする。また、タイミングジェネレータ９ｂ（図１を参照）から出力されるクロック周波数を実施例１と同様に１６ＭＨｚとして、そのクロック周波数に撮影周期ＴＡ，ＴＢやタイミングＴ１，Ｔ２が同期するとして説明する。
【００４０】
本実施例２では、実施例１と相違して、信号電荷が蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になるタイミングが、画素群ＰＡ，ＰＢともに同じタイミングで終了するように、画素群ＰＡにおける転送するタイミングＴ１と、画素群ＰＢにおける転送するタイミングＴ２とを、違うタイミングでずらして開始するものとして説明する。実施例１でも述べたように、撮影周期ＴＡが１μｓ／フレームであるので、画素群ＰＡではタイミングＴ１から開始すると１００フレーム分の信号電荷が１００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になり、撮影周期ＴＢが２μｓ／フレームであるので、画素群ＰＢではタイミングＴ２から開始すると１００フレーム分の信号電荷が２００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になる。
【００４１】
信号電荷が蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になるタイミングが、画素群ＰＡ，ＰＢともに同じタイミングで終了するためには、先に、画素群ＰＢで５０フレーム分の信号電荷のみが蓄積用ＣＣＤ１２に蓄積されて記憶されていて満杯状態でない段階をタイミングＴ１として、そのタイミングＴ１で画素群ＰＡでの撮影を開始する。すると、次のタイミングＴ２で画素群ＰＡ，ＰＢともに蓄積用ＣＣＤ１２に信号電荷が満杯になる。すなわち、画素群ＰＡで１００フレーム分の信号電荷がタイミングＴ１から開始して１００μｓのタイミングＴ２で蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になるとともに、画素群ＰＢで１００フレーム分の信号電荷が前のタイミングＴ２から開始して２００μｓのタイミングＴ２で蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になる。なお、図７に示すように画素群ＰＡではタイミングＴ１で開始する前までは撮影を中止する。もちろん、前のタイミングＴ２から画素群ＰＡで撮影を開始し、タイミングＴ１になるまでに蓄積された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤ１３に転送しないようにドレイン用ＣＣＤ（図示省略）に排出するように転送電極を制御してもよい。
【００４２】
次のタイミングＴ２で画素群ＰＡ，ＰＢともに蓄積用ＣＣＤ１２に信号電荷が満杯になるので、垂直転送用ＣＣＤ１３に順次に転送して、さらに水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。そして、転送された信号電荷のうち、画素群ＰＡについては図５（ａ）に示すような画像としてフレーム出力するとともに、画素群ＰＢについては図５（ｂ）に示すような画像としてフレーム出力する。画素群ＰＡに関する図５（ａ）では、タイミングＴ１から開始してから１００μｓまでのタイミングＴ２の画像が、１μｓ／フレームの撮影周期ＴＡ（１．０×１０６フレーム／秒の撮影速度Ａ）毎にフレーム出力される。一方、画素群ＰＢに関する図５（ｂ）では、前のタイミングＴ２から開始して２００μｓのタイミングＴ２の画像が、２μｓ／フレームの撮影周期ＴＢ（５００×１０３フレーム／秒の撮影速度Ｂ）毎にフレーム出力される。
【実施例３】
【００４３】
次に、図面を参照してこの発明の実施例３を説明する。
図８は、実施例３に係る各画素群ＰＡ，ＰＢにおける各フレーム出力のタイミングチャートである。なお、ＣＣＤ１や撮像装置の構造や、転送電極と画素群との関係、画素群の区分けについては、実施例１、２と同様である。本実施例３に係る各画素群ＰＡ，ＰＢにおける各フレーム出力の時系列変化について、この図８を参照して説明する。
【００４４】
本実施例３では、実施例１，２と相違して、撮影速度Ａ，Ｂともに同じ１．０×１０６フレーム／秒（撮影周期ＴＡ，ＴＢが１μｓ／フレーム（図８では１．０μｓ／Ｆ））で、画素群ＰＡでタイミングＴ１から開始して画素群ＰＡで１００フレーム分の信号電荷が１００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になった段階をタイミングＴ２として、そのタイミングＴ２で画素群ＰＢでの撮影を開始するとする。また、実施例１，２と同様に、蓄積用ＣＣＤ１２の合計数によって規定される１画素当たりの撮影フレーム数を１００とする。また、タイミングジェネレータ９ｂ（図１を参照）から出力されるクロック周波数を実施例１，２と同様に１６ＭＨｚとして、そのクロック周波数に撮影周期ＴＡ，ＴＢやタイミングＴ１，Ｔ２が同期するとして説明する。なお、図８では、フレーム数は、タイミングＴ１から数えたコマ数とする。したがって、タイミングＴ２から開始するフレームは１０１フレーム目を示し、そのときのフレーム出力をＦ１０１で示す。
【００４５】
本実施例３では、撮影周期ＴＡが１μｓ／フレームであるので、画素群ＰＡではタイミングＴ１から開始すると１００フレーム分の信号電荷が１００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になり、撮影周期ＴＢも１μｓ／フレームであるので、画素群ＰＢではタイミングＴ２から開始すると１００フレーム分の信号電荷が２００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になる。すなわち、タイミングＴ１からみると、開始して１００フレーム分の信号電荷が１００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になり（図８の「Ｆ１」〜「Ｆ１００」を参照）、開始して２００フレーム分の信号電荷が２００μｓで蓄積用ＣＣＤ１２に満杯になる（図８の「Ｆ１０１」〜「Ｆ２００」を参照）。なお、図８に示すようにいずれか一方の画素群ＰＡ，ＰＢで撮影しているときには、他方の画素群ＰＢ，ＰＡでの撮影を中止する。もちろん、両方の画素群ＰＡ，ＰＢで撮影をともに行い、画素群ＰＢではタイミングＴ２になるまでに蓄積された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤ１３に転送しないようにドレイン用ＣＣＤ（図示省略）に排出するように転送電極を制御するとともに、画素群ＰＡではタイミングＴ１になるまでに蓄積された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤ１３に転送しないようにドレイン用ＣＣＤ（図示省略）に排出するように転送電極を制御してもよい。
【００４６】
タイミングＴ１から開始して１００μｓで画素群ＰＡでは蓄積用ＣＣＤ１２に信号電荷が満杯になるので、垂直転送用ＣＣＤ１３に順次に転送して、さらに水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。そして、転送された信号電荷のうち、画素群ＰＡについては図５（ａ）に示すような画像としてフレーム出力する。タイミングＴ１から開始して２００μｓ、すなわちタイミングＴ２から開始して１００μｓで画素群ＰＢでは蓄積用ＣＣＤ１２に信号電荷が満杯になるので、垂直転送用ＣＣＤ１３に順次に転送して、さらに水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。そして、転送された信号電荷のうち、画素群ＰＢについては図５（ｂ）に示すような画像としてフレーム出力する。画素群ＰＡに関する図５（ａ）では、タイミングＴ１から開始してから１００μｓまでの画像が、１μｓ／フレームの撮影周期ＴＡ（１．０×１０６フレーム／秒の撮影速度Ａ）毎にフレーム出力される。一方、画素群ＰＢに関する図５（ｂ）でも、タイミングＴ１から開始してから２００μｓ（タイミングＴ２から開始してから１００μｓ）までの画像が、１μｓ／フレームの撮影周期ＴＢ（１．０×１０６フレーム／秒の撮影速度Ｂ）毎にフレーム出力される。
【００４７】
撮影フレーム数が１００で、撮影周期ＴＡ，ＴＢが１μｓ／フレームの場合では従来では撮像時間が１００μｓであるが、このように画素群ＰＡ，ＰＢ２つに区分けしているので、従来の１００μｓから２倍である２００μｓに延ばすことができる。したがって、区分けした数（ここでは２つ）の倍（ここでは２倍）だけ長時間の撮影を行うことができる。
【実施例４】
【００４８】
次に、図面を参照してこの発明の実施例４を説明する。
図９は、実施例４に係る実施例２に係る各画素群ＰＡ，ＰＢにおける各フレーム出力のタイミングチャートである。なお、ＣＣＤ１や撮像装置の構造や、転送電極と画素群との関係、画素群の区分けについては、実施例１〜３と同様である。本実施例４に係る各画素群ＰＡ，ＰＢにおける各フレーム出力の時系列変化について、この図９を参照して説明する。
【００４９】
本実施例４では、実施例１，２と相違して、実施例３と同様に、撮影速度Ａ，Ｂともに同じ１．０×１０６フレーム／秒（時間間隔ＴＡ，ＴＢが１μｓ／フレーム（図９では１．０μｓ／Ｆ））で、蓄積用ＣＣＤ１２の合計数によって規定される１画素当たりの撮影フレーム数を１００とする。また、実施例１〜３と相違して、時間間隔ＴＡ，ＴＢの半分の周期を撮影周期Ｔ（＝ＴＡ／２＝ＴＢ／２）として、画素群ＰＡでタイミングＴ１から開始して、開始から撮影周期Ｔ後の段階をタイミングＴ２として、そのタイミングＴ２で画素群ＰＢでの撮影を開始して、画素群ＰＡ，ＰＢで撮影周期Ｔで撮影を交互に行うとする。したがって、撮影周期Ｔ＝ＴＡ／２＝１．０μｓ／２Ｆ＝０．５μｓ／Ｆとなる。また、タイミングジェネレータ９ｂ（図１を参照）から出力されるクロック周波数を実施例１，２と同様に１６ＭＨｚとして、そのクロック周波数に撮影周期Ｔや画素群ＰＡ，ＰＢでの時間間隔ＴＡ，ＴＢやタイミングＴ１，Ｔ２が同期するとして説明する。なお、図９では、フレーム数は、タイミングＴ１から数えたコマ数とする。したがって、画素群ＰＡでは１フレーム目、３フレーム目、…と奇数番目のフレームとなり、そのときのフレーム出力はＦ１、Ｆ３、…となる。画素群ＰＢでは２フレーム目、４フレーム目、…と偶数番目のフレームとなり、そのときのフレーム出力はＦ２、Ｆ４、…となる。
【００５０】
本実施例４では、画素群ＰＡでタイミングＴ１から１フレーム目の撮影を開始して（図９の「Ｆ１」を参照）、撮影周期Ｔ後のタイミングＴ２で画素群ＰＢの撮影を開始するので、タイミングＴ１からみると、開始して撮影周期Ｔの０．５μで２フレーム目の撮影を画素群ＰＢで開始する（図９の「Ｆ２」を参照）。タイミングＴ１からみると、開始して２倍の撮影周期Ｔ（すなわち時間間隔ＴＡ）の１．０μｓで３フレーム目の撮影を画素群ＰＡで開始する（図９の「Ｆ３」を参照）。このように、交互に撮影を行うことで、タイミングＴ１からみると、開始して１００．５μｓで２００フレーム分の撮影が終了する（図９の「Ｆ２００」を参照）。
【００５１】
タイミングＴ１から開始して１００μｓで画素群ＰＡでは蓄積用ＣＣＤ１２に信号電荷が満杯になるので、垂直転送用ＣＣＤ１３に順次に転送して、さらに水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。そして、転送された信号電荷のうち、画素群ＰＡについては図５（ａ）に示すような画像としてフレーム出力する。タイミングＴ１から開始して１００．５μｓ、すなわちタイミングＴ２から開始して１００μｓで画素群ＰＢでは蓄積用ＣＣＤ１２に信号電荷が満杯になるので、垂直転送用ＣＣＤ１３に順次に転送して、さらに水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。そして、転送された信号電荷のうち、画素群ＰＢについては図５（ｂ）に示すような画像としてフレーム出力する。画素群ＰＡに関する図５（ａ）では、タイミングＴ１から開始してから１００μｓまでの画像が、１μｓ／フレームの時間間隔ＴＡ（１．０×１０６フレーム／秒の撮影速度Ａ）毎にフレーム出力される。一方、画素群ＰＢに関する図５（ｂ）でも、タイミングＴ１から開始してから１００．５μｓ（タイミングＴ２から開始してから１００μｓ）までの画像が、１μｓ／フレームの時間間隔ＴＢ（１．０×１０６フレーム／秒の撮影速度Ｂ）毎にフレーム出力される。つまり、図５（ａ）のフレーム出力と図５（ｂ）のフレーム出力とは０．５μｓ／フレームの撮影周期Ｔで交互に切り替わる。
【００５２】
このように画素群ＰＡ，ＰＢ２つに区分けしているので、従来の撮影周期を従来の１μｓ／フレームから半分の０．５μｓ／Ｆに短縮することができる。したがって、区分けした数ｎ（ここではｎ＝２）を分母とした１／ｎ（ここでは１／２）分だけ撮影周期を短縮させて、高速撮像を行うことができる。
【００５３】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００５４】
（１）この発明は、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上の高速撮像に適しているが、撮影速度が１００，０００フレーム／秒未満の通常の撮像に適用してもよい。
【００５５】
（２）上述した各実施例では、光電変換手段としてフォトダイオードを例に採って説明したが、フォトゲートを替わりに用いてもよい。
【００５６】
（３）上述した各実施例では、斜行ＣＣＤによる『画素周辺記録型撮像素子』を例に採って説明したが、ライン状の蓄積用ＣＣＤを垂直方向に延在するように構成した撮像素子、またはマトリクス状の蓄積用ＣＣＤで構成した蓄積素子にもこの発明は適用することができる。    
【００５７】
（４）上述した各実施例では、図４に示すように画像を格子状（チェック状）に画素群ＰＡ，ＰＢに２つに区分けしたが、区分けの態様はこれに限定されない。例えば、図１０（ａ）に示すように縦ライン状に区分けしてもよいし、図１０（ｂ）に示すように横ライン状に区分けしてもよい。
【００５８】
（５）上述した各実施例では、図４に示すように画像を格子状（チェック状）に画素群ＰＡ，ＰＢに２つに区分けしたが、区分けの数は２つに限定されず、複数であればよい。例えば、図１１（ａ）に示すように画素群ＰＡ、ＰＢ，ＰＣ，ＰＤに４つに区分けしてもよいし、図１１（ｂ）に示すように画素の全数だけ区分けしてもよい。
【００５９】
（６）上述した実施例２では、電荷蓄積手段（各実施例では蓄積用ＣＣＤ）の信号電荷を読み出して転送する速度・タイミングを各々の画素（各実施例では画素群ＰＡ，ＰＢ）ごとに調整したが、実施例１のように、転送する速度のみを調整してもよいし、実施例２，３のように、転送するタイミングのみを調整してもよい。また、上述した各実施例を互いに組み合わせてもよい。
【００６０】
（７）この発明では、いずれの撮像方式においても適用することができる。撮像方式としては、主にＩＬ(Interline)方式、ＦＴ(Frame Transfer)方式、ＦＦＴ(Full Frame Transfer)方式、ＦＩＴ(Frame Interline Transfer)方式などがある。これらの方式に合わせて撮像素子の構造も変化する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例１〜４に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図である。
【図２】実施例１〜４に係るＣＣＤの構成を示すブロック図である。
【図３】実施例１〜４に係る転送電極と画素群との関係を示すブロック図である。
【図４】実施例１〜４に係る画素群の区分けを示す模式図である。
【図５】実施例１〜４に係るそれぞれの速度・タイミングで撮影した画像の模式図である。
【図６】実施例１に係る各画素群における各フレーム出力のタイミングチャートである。
【図７】実施例２に係る各画素群における各フレーム出力のタイミングチャートである。
【図８】実施例３に係る各画素群における各フレーム出力のタイミングチャートである。
【図９】実施例４に係る各画素群における各フレーム出力のタイミングチャートである。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、変形例に係る画素群の区分けを示す模式図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、さらなる変形例に係る画素群の区分けを示す模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  …  ＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）
９ａ  …  電源部
９ｂ  …  タイミングジェネレータ
１１  …  フォトダイオード
１２  …  蓄積用ＣＣＤ
２１Ａ，２１Ｂ  …  転送電極
ＰＡ，ＰＢ  …  画素群
【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】
2008236171.tif 000008
【図７】
2008236171.tif 000009
【図８】
2008236171.tif 000010
【図９】
2008236171.tif 000011
【図１０】
2008236171.tif 000012
【図１１】
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