(57)【要約】【課題】画素周辺記録型撮像素子を用いた撮像装置において、撮像素子の画素信号記録部の面積と転送電極長を変更せずに記録できる画像の枚数を増やす。【解決手段】画素周辺記録型撮像素子の画素信号記録部をｎを５以上の整数とするときｎ相駆動のＣＣＤで構成する。この構造を用いて、連続するｎ個の転送電極の下にｎが奇数の場合は（ｎ−１）／２  個の、ｎが偶数の場合は  （ｎ−２）／２  個の電位井戸を形成することにより、４相駆動の場合に対して  ｎが奇数の場合は  ２（ｎ−１）／ｎ  倍に、ｎが偶数の場合は  ２（ｎ−２）／ｎ倍に蓄積できる画像信号を増加することができる。すなわち通常の４相駆動に比べて、５相駆動を用いれば  １．６  倍に  ７相駆動を用いれば約１．７  倍に  ９  相駆動を用いれば約  １．８  倍に蓄積できる画像信号の数を増加することができる。このことにより、画素信号記録部の面積及び転送電極長を変更せずに２倍近くまで蓄積する画像の枚数を増やすことができる。【選択図】        図４
2004214463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ行×Ｍ列（Ｎ＞１、Ｍ＞１）の２次元の画素配列を備え、該画素の各々が内部もしくは近傍にＫ個（Ｋ＞１）の画像信号記録領域を備える画素周辺記録型撮像素子であって、該画像信号記録領域がｎを５以上の整数とするときｎ相駆動のＣＣＤであることを特徴とする撮像素子もしくは撮影装置。
【請求項２】
Ｎ行×Ｍ列（Ｎ＞１、Ｍ＞１）の２次元の画素配列を備え、該画素の各々が内部もしくは近傍にＫ個（Ｋ＞１）の画像信号記録領域を備える画素周辺記録型撮像素子であって、該画像信号記録領域が電気的に接続された一つの電極の下に少なくとも１つの電位の段差が存在するＣＣＤで構成され、ｎを３以上の整数とするときｎ相駆動のＣＣＤであることを特徴とする撮像素子もしくは撮影装置。
【請求項３】
Ｎ行×Ｍ列（Ｎ＞１、Ｍ＞１）の２次元の画素配列を備え、該画素の各々が内部もしくは近傍にＫ個（Ｋ＞１）の画像信号記録領域を備える画素周辺記録型撮像素子であって、該画像信号記録領域が転送方向に対して短い電極と長い電極が交互に並べられたＣＣＤで構成され、ｎを６以上の偶数とするときｎ相駆動のＣＣＤであることを特徴とする撮像素子もしくは撮影装置。
【請求項４】
請求項１、２または３の撮影装置であって、画像信号記録領域ＣＣＤの連続するｎ個の転送電極の下に、電気的に接続された一つの電極の下に少なくとも１つの電位の段差が存在する場合はｎ−１個の、該段差が存在しない場合はｎが奇数のときは（ｎ−１）／２  個の、ｎが偶数のときは（ｎ−２）／２個の電位井戸を形成することを特徴とする撮像素子もしくは撮影装置。
【請求項５】
Ｎ行×Ｍ列（Ｎ＞１、Ｍ＞１）の２次元の画素配列を備え、該画素の各々が内部もしくは近傍にＫ個（Ｋ＞１）の画像信号記録領域を備える画素周辺記録型撮像素子であって、該画像信号記録領域がｎを５以上の整数とするときｎ相駆動のＣＣＤであり、撮像状況に応じて該画像信号記録領域の駆動パルスを変更することを特徴とする撮像素子もしくは撮影装置。
【請求項６】
請求項４の撮影装置であって、記録フレーム数を優先する場合、ダイナミックレンジを優先する場合、または記録部の高速転送を優先する場合に応じて該画像信号記録領域の駆動パルスを変更することを特徴とする撮像素子もしくは撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
衝突や爆発現象の高速連続撮影。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ型撮像素子はムービー・カメラやデジタル・スチル・カメラに広く用いられている撮像素子である。一般に素子の駆動には、転送速度よりも転送電荷量が優先される受光部垂直ＣＣＤには４相駆動パルスが、転送速度が優先される出力用水平ＣＣＤには２相の駆動パルスが用いられている。
【０００３】
１００万枚／秒以上の高速連続撮影のために、各画素の内部もしくは近傍に画像信号記録領域を持つ画素周辺記録型撮像素子が提案され、本発明の発明者らは、斜行直線ＣＣＤを用いた画像信号蓄積領域を持つ画素周辺記録型撮像素子を開発した（江藤剛治・武藤秀樹：特願２００１−０９２３１３高速撮像素子および高速撮影装置、Ｔ．  Ｇｏｊｉ  Ｅｔｏｈ  ｅｔ  ａｌ．：  Ａ  ＣＣＤ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｏｆ  １Ｍｆｒａｍｅｓ／ｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｉｍａｇｅ  Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ  ｏｆ  １０３  Ｆｒａｍｅｓ，  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ２００２  ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ４５，  ｐｐ．４６−４７，  ２００２、江藤剛治・武藤秀樹他：斜行直線ＣＣＤ型画素周辺記録領域を持つ１００万枚／秒の撮像素子、映像情報メディア学会誌、Ｖｏｌ．５６，  Ｎｏ．３，  ｐｐ．４８３−４８６，  ２００２、その他）。
【０００４】
各画素周辺にＬ個の画像信号記録要素を作り込むと、各画素にＬ枚分の画像信号を記録することができるので、撮像素子全体として連続Ｌ枚分の画像信号を記録できる。この画像信号記録操作を全画素一斉に並列に行うので、究極の並列記録操作が可能となり、究極の高速撮影が可能となる。
【０００５】
ただし小さい面積の各画素の内部もしくは周辺に画像信号記録部を作り込むので、画像信号記録部の面積を大きくとって記録できる画像の枚数Ｌを増やそうとすれば、各画素の光電変換部の面積がその分だけ小さくなり、撮像素子の感度が落ちる。高速撮影では撮影速度を上げるとともに、画像１枚あたりの照明時間が短くなるので、高感度にすることも非常に重要な目標となる。すなわち画素周辺記録型撮像素子では、連続撮影枚数の増加と感度の向上の二つが相反する要求となる。
【０００６】
本発明の目的は従来の画像信号記録部の面積を増大せずに記録できる画像の枚数Ｌを増やすことにある。
【０００７】
本発明の発明者らが発明した斜行直線ＣＣＤ型記録領域を持つ画素周辺記録型撮像素子の概念を図１に示す。一つの画素２００は、フォトダイオード２０３、ＣＣＤからなる画像信号記録領域２０５および２０６、排出ゲート２１１、ドレーン２１０からなる。フォトダイオードで発生した電気信号は、図中１〜２５の番号で示すように、第１画像から第２５画像の画像信号がＣＣＤに蓄積される。さらに第２６、２７番目の画像信号がフォトダイオードから下に送られてくると、順に第１、第２画像の画像信号は排出ゲート２１１からドレーン２１０に排出され、さらに撮像素子外に排出される。このような全画素並列記録操作により、高速撮影を達成した。
【０００８】
図１において１、２の数字で示される各ＣＣＤ記録要素のサイズは数ミクロン×数ミクロン程度であり、フォトダイオードの面積はそれに比べて極めて大きい。このため非常に高い感度を持つ撮像素子であり、このことは高速撮影において極めて重要な性能である。
【０００９】
図１に示すように画素は正方格子をなす。これは科学計測用の撮像素子にとって重要な性質である。一方画素軸とＣＣＤ軸とは並行ではない。小さい角度で交差している。このことにより、大きなフォトダイオードによる極めて高い感度、直線ＣＣＤ型の極めて単純な構造の画像信号記録領域、正方画素格子などの優れた特性が実現された。画像信号記録領域も一つのＣＣＤのサイズに比べて非常に大きい。この部分には光が当たらないよう金属製の遮光層で覆っている。
【０００１０】
【従来技術の課題】
従来提案されてきた画素周辺記録型撮像素子では画素信号記録部の駆動パルスが４相または２相であるため、４電極に一つの独立した電荷蓄積電位井戸しか形成することができなかった。したがって、記録できる画像の枚数Ｌを増やそうとすれば、画像信号記録部の面積を増大しなければならず、各画素の光電変換部の面積がその分だけ小さくなり、撮像素子の感度が落ちる問題点があった。
【０００１１】
【本発明による課題解決の手段】
Ｎ行×Ｍ列（Ｎ＞１、Ｍ＞１）の２次元の画素配列を備え、該画素の各々が内部もしくは近傍にＫ個（Ｋ＞１）の画像信号記録領域を備える裏面照射型画素周辺記録型撮像素子であって、該画像信号記録領域がｎを５以上の整数とするときｎ相駆動のＣＣＤであること、または該画像信号記録領域が電気的に接続された一つの電極の下に少なくとも１つの電位の段差が存在するＣＣＤで構成され、ｎを３以上の整数とするときｎ相駆動のＣＣＤであること、または該画像信号記録領域が転送方向に対して短い電極と長い電極が交互に並べられたＣＣＤで構成され、ｎを６以上の偶数とするときｎ相駆動のＣＣＤであることを特徴とする撮像素子もしくは撮影装置により、高感度な画素周辺記録型撮像素子を提供する。
【０００１２】
図２に従来の画像記録領域ＣＣＤの転送方式を示す。４相の駆動パルスが与えられることにより、ｔ１〜ｔ４  の時間経過にしたがって電荷が転送される。この方式では、電荷が常に２つ以上の電極の下に存在するために比較的大きな電荷量を取り扱うことができる。この場合、転送電極長を最小加工寸法λで形成するとすれば、一つの画像信号を蓄積する領域の長さは４λとなる。
【０００１３】
また、図３は従来提案された別の画像記録領域ＣＣＤの転送方式を示す。一つのゲート電極の下にポテンシャル段差を設けるために２つの不純物領域が形成されている。２相の駆動パルスが与えられることにより、ｔ１からｔ２  への時間変化に応じて電荷がφ２ゲート下の位置からφ１ゲート下の位置へ転送される。この方式では、電荷が常に電極の半分の下の領域にのみ存在するため、取り扱うことのできる電荷量は少ないが、高速に電荷を転送することができる。
【０００１４】
この場合、ポテンシャル段差を設けるための不純物の濃度段差を最小加工寸法λで形成するとすれば、一つの画像信号を蓄積する領域の長さは４相駆動の場合と同様４λとなる。上に述べた４相駆動および２相駆動の場合に、蓄積する画像の枚数Ｌを増やそうとすれば、４λＬに比例してＣＣＤの長さを増大しなければならず、画像記録領域の占める面積が増えることにより、相対的にフォトダイオードの面積が減少して感度が下がる問題点があった。
【０００１５】
図４に本発明の第１の実施例を示す。５相の駆動パルスが与えられることにより、ｔ１〜ｔ５  の時間経過にしたがって、φ２とφ４電極の下にあった電荷がφ３とφ５電極の下に転送される。この場合、転送電極長を最小加工寸法λで形成するとすれば、５λの領域に２つの画像信号を蓄積することができるので、一つの画像信号を蓄積する領域の長さは２．５λとなって従来の４相駆動の場合と比べて一つの画像信号の蓄積に必要なＣＣＤの長さを短くすることができる。
【０００１６】
これと同様にして、ｎ相の駆動パルスを与えれば、ｎが奇数の場合はｎ個の電極に対して  （ｎ−１）／２  個の、ｎが偶数の場合は  （ｎ−２）／２  個の画像信号を蓄積することができる。従来はｎ個の電極に対して  ｎ／４  個の画像信号であったので、この技術を用いることにより、同じ面積で  ２（ｎ−１）／ｎ  または  ２（ｎ−２）／ｎ倍に蓄積できる画像信号を増加することができる。すなわち通常の４相駆動に比べて、５相駆動を用いれば  １．６  倍に  ７相駆動を用いれば約１．７  倍に  ９  相駆動を用いれば約  １．８  倍に蓄積できる画像信号の数を増加することができる。このことにより、蓄積部の面積を増大せずに２倍近くまで蓄積する画像の枚数Ｌを増やすことができる。
【０００１７】
図５に本発明の第２の実施例を示す。一つのゲート電極の下にポテンシャル段差を設けるために２つの不純物領域が形成されている。３相の駆動パルスが与えられることにより、ｔ１〜ｔ３  の時間経過にしたがって、φ１とφ２電極の下にあった電荷がφ１とφ３電極の下に転送される。この場合、ポテンシャル段差を設けるための不純物の濃度段差を最小加工寸法λで形成するとすれば、６λの領域に２つの画像信号を蓄積することができるので、一つの画像信号を蓄積する領域の長さは３λとなって従来の２相駆動の場合と比べて一つの画像信号の蓄積に必要なＣＣＤの長さを短くすることができる。
【０００１８】
これと同様にして、ｎ相の駆動パルスを用いれば、ｎ個の電極に対してｎ−１個の画像信号を転送することができる。従来の２相駆動はｎ個の電極に対して  ｎ／２  個の画像信号であったので、この技術を用いることにより、同じ面積で  ２（ｎ−１）／ｎ  倍に蓄積できる画像信号を増加することができる。このことにより、従来の２相駆動と比べて蓄積部の面積を増大せずに２倍近くまで蓄積する画像の枚数Ｌを増やすことができる。
【０００１９】
図６に本発明の第３の実施例を示す。第１の実施例は画像信号電荷が存在する領域が一つの電極の下だけになる時間があるので、従来の４相駆動と比較すると、取り扱うことのできる電荷量が半分程度に減少する問題が生じる。これを改善するために、交互に短い電極と長い電極を並べて、一つの電極の下だけに電荷が存在する場合は長い電極の下に存在するようにしたのが図６の実施例である。奇数番目の電極は短く、偶数番目の電極は長い。
【０００２０】
６相の駆動パルスが与えられることにより、ｔ１〜ｔ７  の時間経過にしたがって、φ２とφ４電極の下にあった電荷がφ４とφ６電極の下に転送される。転送の途中で奇数番目の一つの電極の下のみに電荷が存在することはない。このことにより、第１の実施例に比べてより大きな電荷量を取り扱うことができる。なお、奇数番目と偶数番目の電極長の違いは、フォトリソグラフィ、エッチング、酸化等により設定することができる。
【０００２１】
図７に本発明の第４の実施例を示す。第１の実施例は蓄積できる画像の枚数を増やすことができる反面、上述のように取り扱うことのできる電荷量が減少する問題が生じる。撮影の状況によっては、ダイナミックレンジを犠牲にして記録画像枚数を増加したい場合と、記録画像枚数を犠牲にしてダイナミックレンジを増大したい場合がある。この要望に応えるために、第１の実施例と同じ構造を用いてダイナミックレンジすなわち最大転送電荷量を増大する駆動パルスを示したものが図７である。
【０００２２】
５相の駆動パルスが与えられることにより、ｔ１〜ｔ５  の時間経過にしたがって、φ２〜φ４電極の下にあった電荷がφ４〜φ１電極の下に転送される。この場合、転送電極長を最小加工寸法λで形成するとすれば、５λの領域に一つの画像信号を蓄積することになり、４相駆動の場合に比べて記録画像枚数は２０％減少するが、最悪でも３電極の下に電荷が存在するので、最大転送電荷量は従来の４相駆動と比べて１．５倍程度に、第１の実施例と比べて３倍程度に増大する。
【０００２３】
図７の駆動パルスと図４の駆動パルスを撮影の状況に応じて切り替えることにより、ダイナミックレンジを優先する場合と記録画像枚数を優先する場合を選択することができる。本実施例は５相駆動の場合を示したが、６相以上の駆動の場合も同様にダイナミックレンジを増大できる。
【０００２４】
図８に本発明の第５の実施例を示す。撮影の状況によっては、記録画像枚数やダイナミックレンジよりも撮像速度すなわち信号記録部の転送速度を優先したい場合がある。この要望に応えるために、第１の実施例と同じ構造を用いて転送速度の増大が可能な駆動パルスを示したものが図８である。
【０００２５】
５相の駆動パルスが与えられることにより、ｔ１〜ｔ２  の時間経過にしたがって、φ５電極の下にあった電荷がφ２電極の下に転送される。この場合、第１の実施例に比べて記録画像枚数は半分に減少するが、駆動パルスの位相マージンが大きく、第１の実施例と比べて転送速度を飛躍的に増大することができる。
【０００２６】
図８の駆動パルスと図４の駆動パルスを撮影の状況に応じて切り替えることにより、撮像速度を優先する場合と記録画像枚数を優先する場合を選択することができる。本実施例では５相駆動の場合を示したが、６相以上の駆動の場合も同様に転送速度を増大できる。
【０００２７】
図９に本発明の第６の実施例を示す。記録画像枚数よりも撮像速度とダイナミックレンジを同時に優先したい場合がある。この要望に応えるために、第３の実施例と同じ構造を用いて転送速度とダイナミックレンジの増大が可能な駆動パルスを示したものが図９である。
【０００２８】
６相の駆動パルスが与えられることにより、ｔ１〜ｔ２  の時間経過にしたがって、φ５〜φ６電極の下にあった電荷がφ２〜φ３電極の下に転送される。この場合、第３の実施例に比べて記録画像枚数は半分に減少するが、駆動パルスの位相マージンが大きく、第３の実施例と比べて転送速度を飛躍的に増大することができるとともに、第３の実施例では一つの電極の下にのみ電荷の蓄積が可能であたったものが、本実施例では２つの電極の下に電荷の蓄積が可能になるので、ダイナミックレンジを増大することができる。
【０００２９】
図８の駆動パルスと図６の駆動パルスを撮影の状況に応じて切り替えることにより、撮像速度を優先する場合と記録画像枚数およびダイナミックレンジを優先する場合を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
画素周辺記録型撮像素子の構造と動作を示した説明図である。
【図２】
従来の４相駆動画素信号記録部の転送電極構成、チャネル電位変化及び駆動パ
ルスを示した説明図である。
【図３】
従来の２相駆動画素信号記録部の転送電極構成、チャネル電位変化及び駆動パ
ルスを示した説明図である。
【図４】
本発明の実施例１による５相駆動画素信号記録部の転送電極構成、チャネル電
位変化及び駆動パルスを示した説明図である。
【図５】
本発明の実施例２による３相駆動画素信号記録部の転送電極構成、チャネル電
位変化及び駆動パルスを示した説明図である。
【図６】
本発明の実施例３による６相駆動画素信号記録部の転送電極構成、チャネル電
位変化及び駆動パルスを示した説明図である。
【図７】
本発明の実施例４によるダイナミックレンジを優先する場合の５相駆動画素信
号記録部の転送電極構成、チャネル電位変化及び駆動パルスを示した説明図であ
る。
【図８】
本発明の実施例５による転送速度を優先する場合の５相駆動画素信号記録部の
転送電極構成、チャネル電位変化及び駆動パルスを示した説明図である。
【図９】
本発明の実施例６によるダイナミックレンジを確保しつつ転送速度を優先する
場合の６相駆動画素信号記録部の転送電極構成、チャネル電位変化及び駆動パル
スを示した説明図である。
【符号の説明】
２００    セル領域（繰返し単位）
２０２    電荷信号記録用斜行ＣＣＤ
２０３    電荷集積部（従来の光電変換部）
２０４    電荷信号記録用斜行ＣＣＤ入力部
２０５    画素周辺記録領域
２０６    電荷信号記録兼垂直転送ＣＣＤ
２０８    斜行・垂直ＣＣＤ結合部
２１０    オーバーフロー・ドレイン（余剰・不要電荷排出部）
２１１    ドレイン・ゲート（電荷排出ゲート）
２１２    水平ＣＣＤ
２１３    出力アンプ
【図１】
2004214463.tif 000003
【図２】
2004214463.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004214463.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004214463.tif 000008
【図７】
2004214463.tif 000009
【図８】
2004214463.tif 000010
【図９】
2004214463.tif 000011