(57)【要約】【課題】高Ｓ／Ｎ比の高速撮影画像を得る撮像素子及び撮像装置を提供する。【解決手段】各単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｊは、それぞれの信号電子群が独立して複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを移動するように連設配列され、受光画素１１で新たに生じた信号電子群と、蓄積画素１３ａ〜１３ｊを独立して移動する各信号電子群のうちで受光画素１１の信号電子群に関連のある信号電子群とを加算する、つまり、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素１１に生じた信号電子群を同一の蓄積画素１３ａで重畳して各蓄積画素１３ａ〜１３ｊに蓄積するので、各蓄積画素１３ａ〜１３ｊの信号電子群がその後に出力アンプ２５で１度だけ増幅出力されるだけであり、出力アンプ２５での読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。【選択図】　　図２
2004080745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子において、（ａ）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に前記受光画素を挟んで配列され、（ｂ）前記単位画素内の前記受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素を独立して移動する各信号電子群のうちで前記受光画素の信号電子群と関連のある信号電子群とを加算す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、（ｃ）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を巡回もしくは往復移動するように、蓄積画素同士を線状または環状に連設配列させるかまたはある蓄積画素間に受光画素を挟んで線状または環状に配列され、（ｄ）前記単位画素内の前記受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素の配列内を巡回もしくは往復する各信号電子群のうちで前記受光画素の信号電子群と関連のある信号電子群とを加算することを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、さらに、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送するための転送手段と、前記転送手段において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する転送制御手段とを備えていることを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の撮像素子において、前記転送手段は、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送手段と、前記垂直転送手段を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送手段とを備え、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御することを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項４に記載の撮像素子において、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での同一撮影時刻の蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御することを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
請求項４に記載の撮像素子において、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを加算するように転送制御することを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の撮像素子を備え、（Ａ）撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号を作成する周期信号作成手段と、（Ｂ）前記周期信号作成手段からの周期信号を前記蓄積画素の個数倍に逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成手段と、（Ｃ）前記クロック信号生成手段からのクロック信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように前記各単位画素を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画素周辺記録型固体撮像素子等の高速撮像を行う撮像素子および撮像装置に係り、特に、高速撮影時にＳ／Ｎ比の高い画像を得るための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の撮像装置としては、例えば、１００万枚／秒などの高速撮影を実現したビデオカメラがある。この撮像装置は、次に説明するような「画素周辺記録型固体撮像素子」と呼ばれる撮像素子を備えることで高速撮影を実現している。この画素周辺記録型固体撮像素子は、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレーム（画像）ごとに受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、高速撮影後に各蓄積画素の信号電子群を出力するという固体撮像素子である。このように、撮像素子に複数枚のフレームをフレーム毎に区別して蓄積記録した後に、この記録済みの複数枚のフレームを撮像素子から外部へ読み出すことにより、読み出し時間の制限を受けない高速度での連続画像記録を可能としている。
【０００３】
高速撮影（例えば、１００万枚／秒など）では、露光時間が通常の撮影に比べて短くなるので、高速撮影に用いる照明装置の性能や、照明光の照射による被写体の発熱を防止しなければならないなどの問題から、高速撮影の際に十分な光量を確保できないことがしばしばある。
【０００４】
ところで、この高速撮影の対象となる現象は繰り返し現象であることが多い。この繰り返し現象としては、例えば、エンジンのピストン等の往復運動や、モータの回転子等の回転運動など各種のものがある。繰り返し現象の観察では、同位相となる各時刻における信号、つまり、現象が同じ状態である各時刻の信号（関連性の高い信号）を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることは一般に知られていることであり、この原理を高速撮影に応用して同位相の信号を積算すれば、低照度の照明装置でも高いＳ／Ｎ比で像観察ができるはずである。この原理を用いた従来の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を説明するための図を図１４に示す。図１４では、説明の便宜上、１つの受光画素１０１を用いて説明することとし、この受光画素１０１に設けられている複数個の蓄積画素などはここでは図示省略している。図１４に示すように、従来の撮像装置では、高速撮影によって、撮影時刻の異なる複数枚のフレーム（画像）ごとに受光画素１０１で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して複数個の蓄積画素に記録蓄積しており、各蓄積画素に記録蓄積した信号（信号電子群）を出力アンプ１０３で順次に個別に独立して増幅出力し、出力アンプ１０３からのアナログ出力電圧（あるいは電流）信号をＡＤ（アナログデジタル）コンバータ１０５でアナログ信号からデジタル信号に変換し、ＡＤコンバータ１０５からのデジタル信号のうちで同位相のデジタル信号、つまり、現象が同じ状態である各時刻のデジタル信号を位相別（デジタル）信号積算器１０７で積算して最終出力としてのデジタル信号を出力する。このように、従来の撮像装置では、各時刻の画像信号を撮像素子より読み出した後に同位相の画像信号を積算する他ないのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の撮像装置では、図１４に示すように、一連の観察で得られた撮像素子からの同位相の信号（信号電子群）が複数回（積算回数分）にわたって読み出されるので、その都度読み出しノイズ（１／ｆノイズやショットノイズ等）が出力アンプ１０３で信号に重畳されることになり、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題がある。
【０００６】
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、高速撮影時にＳ／Ｎ比の高い画像を得ることができる撮像素子および撮像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子において、（ａ）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に前記受光画素を挟んで配列され、（ｂ）前記単位画素内の前記受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素を独立して移動する各信号電子群のうちで前記受光画素の信号電子群と関連のある信号電子群とを加算することを特徴とするものである。
【０００８】
（作用・効果）請求項１に記載の発明によれば、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子において、単位画素内の蓄積画素は、蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に受光画素を挟んで配列され、単位画素内の受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の複数個の蓄積画素を独立して移動する各信号電子群のうちで受光画素の信号電子群と関連のある信号電子群とを加算するので、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像素子において、（ｃ）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を巡回もしくは往復移動するように、蓄積画素同士を線状または環状に連設配列させるかまたはある蓄積画素間に受光画素を挟んで線状または環状に配列され、（ｄ）前記単位画素内の前記受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素の配列内を巡回もしくは往復する各信号電子群のうちで前記受光画素の信号電子群と関連のある信号電子群とを加算することを特徴とするものである。
【００１０】
（作用・効果）請求項２に記載の発明によれば、単位画素内の蓄積画素は、蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を巡回もしくは往復移動するように、蓄積画素同士を線状または環状に連設配列させるかまたはある蓄積画素間に受光画素を挟んで線状または環状に配列され、単位画素内の受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の複数個の蓄積画素の配列内を巡回もしくは往復する各信号電子群のうちで受光画素の信号電子群と関連のある信号電子群とを加算するので、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、さらに、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送するための転送手段と、前記転送手段において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する転送制御手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
（作用・効果）請求項３に記載の発明によれば、転送手段は、各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送する。転送制御手段は、転送手段において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する。したがって、異なる単位画素間で対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算できる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の撮像素子において、前記転送手段は、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送手段と、前記垂直転送手段を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送手段とを備え、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御することを特徴とするものである。
【００１４】
（作用・効果）請求項４に記載の発明によれば、垂直転送手段は、各単位画素に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送する。水平転送手段は、垂直転送手段を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送する。転送制御手段は、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での対応する蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する。したがって、異なる単位画素間で対応する蓄積画素同士の信号電子群を、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において加算できる。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の撮像素子において、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での同一撮影時刻の蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御することを特徴とするものである。
【００１６】
（作用・効果）請求項５に記載の発明によれば、転送制御手段は、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での同一撮影時刻の蓄積画素同士の信号電子群を加算するように転送制御する。したがって、複数個の単位画素のうちで少なくとも２個以上の単位画素での同一撮影時刻の蓄積画素同士の信号電子群を、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において加算できる。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の撮像素子において、前記転送制御手段は、前記垂直転送手段または前記水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを加算するように転送制御することを特徴とするものである。
【００１８】
（作用・効果）請求項６に記載の発明によれば、転送制御手段は、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを加算するように転送制御する。したがって、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを、垂直転送手段または水平転送手段の少なくとも一方において加算できる。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の撮像素子を備え、（Ａ）撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号を作成する周期信号作成手段と、（Ｂ）前記周期信号作成手段からの周期信号を前記蓄積画素の個数倍に逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成手段と、（Ｃ）前記クロック信号生成手段からのクロック信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように前記各単位画素を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする撮像装置である。
【００２０】
（作用・効果）請求項７に記載の発明によれば、請求項１から請求項６のいずれかに記載の撮像素子を備え、周期信号作成手段は、撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号を作成し、クロック信号生成手段は、周期信号作成手段からの周期信号を蓄積画素の個数倍に逓倍してクロック信号を生成し、制御手段は、クロック信号生成手段からのクロック信号に基づいて、繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように各単位画素を制御するので、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる撮像装置を提供できる。
【００２１】
なお、本明細書は、次のような撮像素子およびその駆動方法も開示している。
【００２２】
（１）請求項２に記載の撮像素子において、
さらに、前記各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送するための転送手段と、前記転送手段を介して送られてきた各信号電子群を増幅出力する増幅出力手段とを備えていることを特徴とする撮像素子。
【００２３】
前記（１）に記載の撮像素子によれば、転送手段は、各単位画素に記録蓄積している信号電子群を所定方向に転送する。増幅出力手段は、転送手段を介して送られてきた各信号電子群を増幅出力する。したがって、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００２４】
（２）入射光を光電変換する複数個の受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記複数個の受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子において、（ａ’）前記単位画素内の蓄積画素は、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるとともに一の蓄積画素に前記複数個の受光画素が連設され、（ｂ’）前記単位画素内の前記複数個の受光画素で新たに生じた信号電子群と、その単位画素内の前記複数個の蓄積画素を独立して移動する各信号電子群のうちで前記複数個の受光画素の信号電子群と関連のある信号電子群とを前記単位画素内で加算することを特徴とする撮像素子。
【００２５】
前記（２）に記載の撮像素子によれば、単位画素は、複数個の受光画素と複数個の蓄積画素とを備え、かつ、複数個の受光画素は一の蓄積画素に連設されたものとしているので、単位画素内の複数個の受光画素で生じた信号電子群を当該単位画素内の蓄積画素で加算することができ、一方の受光画素での受光波長と、他方の受光画素での受光波長を変えて受光するなど、光画像信号の各種処理の自由度を向上させることができる。
【００２６】
（３）入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子の駆動方法において、
前記単位画素内の蓄積画素を、前記蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に前記受光画素を挟んで配列させた配列過程と、
撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように前記各単位画素を制御する積算制御過程と
を備えていることを特徴とする撮像素子の駆動方法。
【００２７】
前記（３）に記載の撮像素子の駆動方法によれば、入射光を光電変換する受光画素と、撮影時刻の異なる複数枚のフレームごとに前記受光画素で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個の蓄積画素とからなる単位画素を複数個有し、撮影後に前記各蓄積画素の信号電子群を出力する撮像素子の駆動方法において、配列過程は、単位画素内の蓄積画素を、蓄積画素ごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素を移動するように、蓄積画素同士を連設配列させるかまたはある蓄積画素間に前記受光画素を挟んで配列させており、積算制御過程は、撮影対象物の繰り返し現象についての周期信号に基づいて、この繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように各単位画素を制御するので、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の撮像素子の実施例について説明する。
【００２９】
＜第１実施例＞
図１は第１実施例に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。図２は第１実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。図３（ａ）はループ状配列の蓄積画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示した各蓄積画素の信号電子群の読み出し状態を示す図である。
【００３０】
図１に示すように、第１実施例の撮像装置は、撮影対象物Ｍを高速撮像するため撮像素子１を備えている。図２に示すように、この撮像素子１は、入射光を光電変換する受光画素１１と、撮影時刻の異なる複数枚（例えばＮ枚、ここでは説明の便宜上１０枚とする）のフレームごとに受光画素１１で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して蓄積するための複数個（例えば１０個）の蓄積画素１３ａ〜１３ｊとからなる単位画素１５を複数個有し、撮影後に各蓄積画素１３ａ〜１３ｊの信号電子群を出力するものである。この撮像素子１は、画素周辺記録型固体撮像素子に属するものと言える。図２では、説明の便宜上の理由から、例えば９個の単位画素１５を図示するとともに、各単位画素１５内の蓄積画素を１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊとして図示している。
【００３１】
図２に示すように、受光画素１１は、その周縁端部の除く中央部分に遮光膜の開口部１７が設けられており、この開口部１７から光が入射されるようになっている。受光画素１１を除く画素等（蓄積画素１３ａ〜１３ｊ、転送用画素１９、垂直転送路２１、水平転送路２３、出力アンプ２５）は、光が入射されてノイズとなることを避けるために遮光されている。この受光画素１１には、受光画素１１で生じた信号電子群を蓄積画素１３ａに転送するための、蓄積画素１３ａへの転送用画素１９が接続されている。単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｊは、蓄積画素１３ａ〜１３ｊごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを移動するように、蓄積画素同士を連設させてループ状（環状）に配列されている。
【００３２】
なお、遮光膜の開口部１７を受光画素１１全体の大きさまで広げてしまうと、遮光膜の開口部１７から受光画素１１に入射する光の一部が転送用画素１９にまわり込んで直接に入射されてしまうので、受光画素１１の周縁端部を遮光膜で覆うこととし、転送用画素１９への入射光のまわり込みを防止している。
【００３３】
図２に示すように、この撮像素子１は、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送路２１と、この垂直転送路２１を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送路２３と、この水平転送路２３を介して送られてきた信号電子群を増幅出力するための出力アンプ２５とを備えている。なお、転送される各信号電子群は、垂直転送路２１、水平転送路２３および出力アンプ２５にて混合されたりしないように各々区別して転送されるようになっている。
【００３４】
さらに、この第１実施例の撮像装置は、図１に示すように、撮影対象物Ｍの繰り返し現象についての周期信号を作成する周期信号作成部３と、この周期信号作成部３からの周期信号を蓄積画素１３ａ〜１３ｊの個数倍（Ｎ倍）に逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成部５と、このクロック信号生成部５からのクロック信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素に積算するように各単位画素１５を制御する制御部７と、撮像素子１から読み出された複数枚（Ｎ枚）のフレームを適宜に表示するための表示部９とを備えている。
【００３５】
なお、上述した周期信号作成部３が本発明の周期信号作成手段に相当し、上述したクロック信号生成部５が本発明のクロック信号生成手段に相当し、上述した制御部７が本発明の制御手段に相当する。
【００３６】
続いて、前述した構成の実施例装置で撮影対象物Ｍの繰り返し現象を撮影する場合について説明する。撮像素子１は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象を所定回数にわたって繰り返し撮影する。また、この撮像素子１は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象の１周期をＮ枚（説明の便宜上１０枚とする）のフレームに分けて撮影し、この１０枚のフレームを１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊにフレーム毎に区別して記録蓄積する。
【００３７】
制御部７は、撮影時において、周期信号作成部３で生成した撮影対象物Ｍの繰り返し現象の周期信号をクロック信号生成部５でＮ倍（ここでは１０倍）に逓倍して得られるクロック信号に従って１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを駆動制御している。例えば、撮影対象物Ｍの繰り返し現象がモータの電機子の回転運動の場合であれば、モータ制御信号あるいはモータ回転出力信号などからクロック信号を得ることができる。すなわち、図３（ａ）に示すように、撮影開始時には蓄積画素１３ａ〜１３ｊは空になっており、撮影開始後に蓄積画素１３ａ〜１３ｊに受光画素１１からの信号電子群がフレーム毎に順次に送られてきて、繰り返し現象の繰り返し周期をＮ（＝１０）分割したＮ相（１０相）の各信号電子群（１０枚のフレームの信号電子群）が１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊにそれぞれ区別して格納される。
【００３８】
具体的には、最初の１周期目の時刻ｔ１１でのフレームＦ１の信号電子群が蓄積画素１３ａに記録蓄積される。この蓄積画素１３ａ以降の蓄積画素１３ｂ〜１３ｊには未だ信号電子群が記録蓄積されていない。同周期内の次の時刻ｔ１２では、蓄積画素１３ａの信号電子群が次の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、この時刻ｔ１２のフレームＦ２の信号電子群が蓄積画素１３ａに記録蓄積される。同周期内の次の時刻ｔ１３では、蓄積画素１３ａの信号電子群が次の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、蓄積画素１３ｂの信号電子群が次の蓄積画素１３ｃに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ１３のフレームＦ３の信号電子群が蓄積画素１３ａに記録蓄積される。このようにフレーム毎に信号電子群が区別されて蓄積画素１３ａ〜１３ｊに記録蓄積される。そして、各位相の信号電子群は、受光画素１１に連設された転送用画素１９が接続されている特定の蓄積画素１３ａを、この繰り返し現象と同じ周期で通過するので、受光画素１１から新たに送られてきた同位相の信号電子群が新たにこの特定の蓄積画素１３ａで積算されていく。つまり、次の周期（２周期目）の時刻ｔ２１では、蓄積画素１３ａには、前の周期（１周期目）の時刻ｔ１１でのフレームＦ１の信号電子群が戻ってきて記録蓄積された状態であり、なおかつ、受光画素１１から時刻ｔ２１でのフレームＦ１の信号電子群が転送されてくるので、１周期目の時刻ｔ１１でのフレームＦ１の信号電子群と、２周期目の時刻ｔ２１でのフレームＦ１の信号電子群とがこの蓄積画素１３ａで積算されることになる。
【００３９】
このように、撮影対象物Ｍの繰り返し現象を所定回数にわたって繰り返し撮影して、撮影を終了する。その結果、撮影終了後の１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊには、同位相となる各時刻の信号電子群がそれぞれ積算されている。その後、各単位画素１５の１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊに蓄積された１０枚のフレームの信号電子群を、図３（ｂ）に示すように垂直転送路２１の方へ適宜に送り出し、垂直転送路２１、水平転送路２３、出力アンプ２５を介して読み出して、後述するＡＤコンバータ２７でアナログデジタル変換して最終出力としてのデジタル信号を出力する。
【００４０】
なお、上述したように、単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを、蓄積画素１３ａ〜１３ｊごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを移動するように、蓄積画素同士を連設配列させた過程が本発明における配列過程に相当し、撮影対象物Ｍの繰り返し現象についての周期信号に基づいて、前記繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素１３ａで積算するように各単位画素１５を制御する過程が本発明における積算制御過程に相当する。
【００４１】
上述したようにこの第１実施例の撮像素子１によれば、単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｊは、蓄積画素１３ａ〜１３ｊごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを移動するように、蓄積画素同士を連設配列され、単位画素１５内の受光画素１１で新たに生じた信号電子群と、その単位画素１５内の複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊを独立して移動する各信号電子群のうちで受光画素１１で新たに生じた信号電子群と関連のある信号電子群とを加算するので、関連性の高い複数枚のフレーム（現象が同じ状態である各時刻のフレーム）それぞれで受光画素１１に生じた信号電子群を同一の蓄積画素１３ａで重畳して各蓄積画素１３ａ〜１３ｊに蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子１内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプ２５で増幅出力されて読み出されるので、出力アンプ２５での増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００４２】
ここで、この第１実施例の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を、図４を用いて説明する。図４は第１実施例の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を説明するための図である。なお、図４では、説明の便宜上、１つの受光画素１１を用いて説明することとし、この受光画素１１に設けられているＮ個（＝１０個）の蓄積画素１３ａ〜１３ｊなどはここでは図示省略している。
【００４３】
図４に示すように、この第１実施例の撮像装置では、高速撮影によって、撮影時刻の異なる複数枚のフレーム（画像）ごとに受光画素１１で生じた信号電子群をフレーム毎に区別して１０個の蓄積画素１３ａ〜１３ｊに記録蓄積し、同位相となるフレーム（現象が同じ状態である各時刻のフレーム）の信号電子群を蓄積画素１３ａで積算する。図４の「Σ」が蓄積画素１３ａに相当する。そして、各蓄積画素１３ａ〜１３ｊに記録蓄積した積算済みの信号（信号電子群）を出力アンプ２５で増幅出力し、この出力アンプ２５からのアナログ出力電圧（あるいは電流）信号をＡＤ（アナログデジタル）コンバータ２７でアナログ信号からデジタル信号に変換して最終出力としてのデジタル信号を出力する。つまり、関連性の高い複数枚のフレーム（同位相となるフレーム）が撮像素子１内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプ２５で増幅出力されて読み出されるので、出力アンプ２５での増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００４４】
また、この第１実施例の撮像装置によれば、上述の撮像素子１を備え、周期信号作成部３は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象についての周期信号を作成し、クロック信号生成部５は、周期信号作成部３からの周期信号を蓄積画素１３ａ〜１３ｊの個数倍に逓倍してクロック信号を生成し、制御部７は、クロック信号生成部５からのクロック信号に基づいて、繰り返し現象が同位相となる各時刻における信号電子群を同一の蓄積画素１３ａに積算するように各単位画素１５を制御するので、関連性の高い複数枚のフレーム（現象が同じ状態である各時刻のフレーム）それぞれで受光画素１１に生じた信号電子群を同一の蓄積画素１３ａで重畳して各蓄積画素１３ａ〜１３ｊに蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子１内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプ２５で増幅出力されて読み出されるので、出力アンプ２５での増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【００４５】
＜第２実施例＞
続いて、この発明の第２実施例に係る撮像装置について説明する。図５は第２実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。図６（ａ）〜（ｅ）は線状配列の蓄積画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図である。この第２実施例の撮像装置は、単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを第１実施例のループ状配列から線状配列に替えた撮像素子１を採用したものであり、それ以外については、前述の第１実施例と同様であるので、この第２実施例では線状配列された蓄積画素１３ａ〜１３ｅについて詳細に説明するものとする。
【００４６】
図５に示すように、この第２実施例での単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｅは、複数個（Ｎ個＝例えば５個）設けられている。なお、図５では、紙面の都合上、蓄積画素１３ａ〜１３ｅを５個として図示しており、理解し易いようにこの第２実施例での単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを５個として説明することとする。この第２実施例では、受光画素１１で生じた信号電子群は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象と同じ周期で、単位画素１５内の５個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅ配列内において往復する。つまり、繰り返し現象の半周期で単位画素１５内の５個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅ配列内を上向きに順送りされた後、折り返して残りの半周期で下向きに順送りされる。
【００４７】
具体的には、図６（ａ）に示すように、最初の１周期目の時刻ｔ１１でのフレームＦ１の信号電子群が蓄積画素１３ｃに記録蓄積される。この蓄積画素１３ｃ以外の蓄積画素１３ａ，１３ｂ，１３ｄ，１３ｅには未だ信号電子群が記録蓄積されていない。図６（ｂ）に示すように、同周期内の次の時刻ｔ１２では、蓄積画素１３ｃの信号電子群が１つ上の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、この時刻ｔ１２のフレームＦ２の信号電子群が蓄積画素１３ｃに記録蓄積される。図６（ｃ）に示すように、同周期内の次の時刻ｔ１３では、蓄積画素１３ｂの信号電子群が１つ上の蓄積画素１３ａに移動されて記録蓄積されるとともに、蓄積画素１３ｃの信号電子群が１つ上の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ１３のフレームＦ３の信号電子群が蓄積画素１３ｃに記録蓄積される。
【００４８】
図６（ｄ）に示すように、同周期内の次の時刻ｔ１４では、蓄積画素１３ａ〜１３ｃの信号電子群の移動方向が下方向に変更され、蓄積画素１３ａの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、蓄積画素１３ｂの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｃに移動されて記録蓄積され、蓄積画素１３ｃの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｄに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ１４のフレームＦ４の信号電子群が、フレームＦ２の信号電子群が移動されて記録蓄積済みの蓄積画素１３ｃに積算されて、記録蓄積される。つまり、フレームＦ２とフレームＦ４との信号電子群が積算される。フレームＦ２とフレームＦ４とは、同位相の画像つまり現象が同じ状態である時の画像である。
【００４９】
図６（ｅ）に示すように、同周期内の次の時刻ｔ１５では、蓄積画素１３ｂの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｃに移動されて記録蓄積されるとともに、蓄積画素１３ｃの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｄに移動されて記録蓄積され、蓄積画素１３ｄの信号電子群が１つ下の蓄積画素１３ｅに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ１５のフレームＦ５の信号電子群が、フレームＦ１の信号電子群を記録蓄積済みの蓄積画素１３ｃに積算されて、記録蓄積される。つまり、フレームＦ１とフレームＦ５との信号電子群が積算される。フレームＦ１とフレームＦ５とは、同位相の画像つまり現象が同じ状態である時の画像である。
【００５０】
上述したようにこの第２実施例の撮像素子１によれば、単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｅは、蓄積画素１３ａ〜１３ｅごとの各信号電子群が独立してこれらの複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを移動するように、蓄積画素同士を線状に連設配列され、単位画素１５内の受光画素１１で新たに生じた信号電子群と、その単位画素１５内の複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを独立して移動する信号電子群のうちで受光画素１１で新たに生じた信号電子群と関連のある信号電子群とを加算するので、関連性の高い複数枚のフレーム（現象が同じ状態である各時刻のフレーム）それぞれで受光画素１１に生じた信号電子群を同一の蓄積画素１３ｃに重畳して各蓄積画素１３ａ〜１３ｅに蓄積することができる。つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子１内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプ２５で増幅出力されて読み出されるので、出力アンプ２５での増幅出力の際に生じるノイズ、つまり読み出しノイズは１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。特に、物体の往復運動（例えばエンジンのピストンの往復運動など）の高速撮影に有効である。
【００５１】
＜第３実施例＞
続いて、この発明の第３実施例に係る撮像装置について説明する。図７は第３実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。図８（ａ）はループ状配列の蓄積画素内に組み込まれた受光画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示した各蓄積画素の信号電子群の読み出し状態を示す図である。前述の第１実施例の撮像素子１では、ループ配列された蓄積画素１３ａ〜１３ｊ外に受光画素１１を設けていたが、この第３実施例では、ループ状配列の蓄積画素１３ａ〜１３ｋ内に受光画素１１を組み込んだ撮像素子１を採用しており、それ以外については、前述の第１実施例と同様であるので、この第３実施例ではループ状配列の蓄積画素１３ａ〜１３ｋ内に組み込まれた受光画素１１について詳細に説明するものとする。
【００５２】
図７に示すように、この第３実施例での単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｋは、複数個（Ｎ個）設けられている。なお、図７では、紙面の都合上、蓄積画素１３ａ〜１３ｋを１１個として図示しており、理解し易いようにこの第３実施例での単位画素１５内の蓄積画素１３ａ〜１３ｋを１１個として説明することとする。この第３実施例では、受光画素１１で生じた信号電子群は、撮影対象物Ｍの繰り返し現象と同じ周期で、単位画素１５内の受光画素１１および１１個の蓄積画素１３ａ〜１３ｋ配列内において循環移動する。つまり、受光画素１１で新たに生じた信号電子群と、蓄積画素１３ａ〜１３ｋに記録蓄積済みの信号電子群との加算が、受光画素１１自体で行われるものである。
【００５３】
具体的には、最初の１周期目の時刻ｔ１１でのフレームＦ１の信号電子群が受光画素１１に記録蓄積される。各蓄積画素１３ａ〜１３ｋには未だ信号電子群が記録蓄積されていない。同周期内の次の時刻ｔ１２では、受光画素１１の信号電子群が蓄積画素１３ａに移動されて記録蓄積されるとともに、この時刻ｔ１２のフレームＦ２の信号電子群が受光画素１１に記録蓄積される。同周期内の次の時刻ｔ１３では、蓄積画素１３ａの信号電子群が次の蓄積画素１３ｂに移動されて記録蓄積されるとともに、受光画素１１の信号電子群が蓄積画素１３ａに移動されて記録蓄積され、なおかつ、この時刻ｔ１３のフレームＦ３の信号電子群が受光画素１１に記録蓄積される。このようにフレーム毎に信号電子群が区別されて受光画素１１および蓄積画素１３ａ〜１３ｋに記録蓄積される。そして、各位相の信号電子群は、受光画素１１を繰り返し現象と同じ周期で通過するので、受光画素１１で生じた同位相の信号電子群が新たにこの受光画素１１自体で加算されていく。つまり、次の周期（２周期目）の時刻ｔ２１では、受光画素１１には、前の周期（１周期目）の時刻ｔ１１でのフレームＦ１の信号電子群が戻ってきて記録蓄積された状態であり、なおかつ、時刻ｔ２１でのフレームＦ１の信号電子群が生じることになるので、１周期目の時刻ｔ１１でのフレームＦ１の信号電子群と、２周期目の時刻ｔ２１でのフレームＦ１の信号電子群とがこの受光画素１１で積算されることになる。
【００５４】
このように、撮影対象物Ｍの繰り返し現象を所定回数にわたって繰り返し撮影して、撮影を終了する。その結果、撮影終了後の受光画素１１および１１個の蓄積画素１３ａ〜１３ｋには、同位相となる各時刻の信号電子群がそれぞれ積算されている。その後、各単位画素１５の受光画素１１および１１個の蓄積画素１３ａ〜１３ｋに蓄積されたＮ枚のフレームの信号電子群を、図８（ｂ）に示すように垂直転送路２１の方へ適宜に送り出し、垂直転送路２１、水平転送路２３、出力アンプ２５を介して読み出して、ＡＤコンバータ２７でアナログデジタル変換して最終出力としてのデジタル信号を出力する。
【００５５】
上述したようにこの第３実施例の撮像素子１によれば、前述の第１実施例と同様の効果を有するとともに、受光画素１１を加算素子として活用できる。
【００５６】
＜第４実施例＞
続いて、この発明の第４実施例に係る撮像装置について説明する。図９は第４実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。図１０は２個の蓄積部と受光部とで同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図である。
【００５７】
この第４実施例の撮像装置は、複数個の受光画素３１からなる受光部３３を、複数個の蓄積画素４１からなる蓄積部４３と、複数個の蓄積画素５１からなる蓄積部５３とで挟むように、蓄積部４３を受光部３３の上部に配置し、蓄積部５３を受光部３３の下部に配置し、信号電子群が蓄積部４３，５３と受光部３３の間を往復できるようにし、撮影後に各信号電子群を読み出すようにしたものである。つまり、複数個の垂直転送ＣＣＤからなる受光部の下側に、複数個の蓄積画素からなる蓄積部を配置したフレームトランスファ型のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）において、受光部の上側にも蓄積部を設けて、これらを画素周辺記録型撮像素子に変形した上で、信号電子群が蓄積部と受光部の間を往復できるようにしたものであると言える。
【００５８】
前述の第１〜３実施例の撮像素子１および撮像装置は、主に信号光量が弱く高速繰り返し現象の２次元空間像を連続記録する目的に用いられるが、この第４実施例の撮像素子１および撮像装置は、高速ではないが同様に信号光が微弱である測定用途に用いることができるものであり、例えば、目的とする信号が背景信号に比べて微弱であって、照明光を周期的に変調してロックイン測定を行う場合に有用である。このような微弱光測定で用いられるロックイン測定としては、例えば、レーザー光をオン・オフして被測定物（物質）に照射して蛍光観察（スペクトル測定）する、つまり、レーザー光を被測定物に照射して励起した場合に、その被測定物からどの波長の蛍光が得られるかを測定するものが挙げられる。しかし、レーザー光をオンして被測定物に照射した際に得られる被測定物からの蛍光は非常に微弱であり、外乱光や検出器自体のオフセットなどによる背景信号の方が大きく、その微弱信号は背景信号に埋もれた状態にある。そこで、レーザー光をオン・オフして被測定物（物質）に照射して得られた信号を例えば差分することで、背景信号をキャンセルし、目的の蛍光、つまり、微弱信号のみを取り出すことができる。横軸が波長で縦軸が強度とする座標上に、例えば、ある波長をピークとするような特性分布が得られる。
【００５９】
図９に示すように、この第４実施例の撮像素子１は、複数個（例えば、図９では３個）の受光画素３１からなる受光部３３を、複数個（例えば、図９では３個）の蓄積画素４１，５１からなる蓄積部４３，５３で挟むように、蓄積部４３，５３を受光部３３の上下２箇所に配置して構成されている単位画素１５が横方向に複数個（例えば、図９では１２個）並設され、下側の蓄積部５３に連通された垂直転送路２１と、この垂直転送路２１に連通された水平転送路２３と、出力アンプ２５とを備えたものである。また、受光部３３と蓄積部４３，５３との間には、ダミー画素６１が設けられている。ダミー画素６１は、受光画素３１に照射されるべき光が蓄積画素４１，５１にまわり込んで入射されるのを防止するためのものである。なお、この第４実施例では、図９に示すように、上下方向である縦方向に１１画素（２個のダミー画素６１を含む）、横方向に単位画素１５を１２画素設けた場合について説明するが、縦方向に１００画素、横方向に単位画素を１０２４画素設ける場合等種々の場合がある。
【００６０】
この第４実施例では、信号電子群は、被測定物の繰り返し現象と同じ周期、つまり、レーザー光のオン・オフの２つの状態に同期して、単位画素１５における受光部３３および２個の蓄積部４３，５３配列内において往復移動し、受光部３３の各受光画素３１で新たに生じた各信号電子群と、蓄積部４３，５３の各蓄積画素４１，５１に記録蓄積済みの各信号電子群との加算が、受光部３３自体で行われる。
【００６１】
この第４実施例では、例えば、１ｍｓ（ミリ秒）毎にレーザー光のオン・オフを切り替えるものとし、その切り替えた際の最初の１０μｓ（マイクロ秒）間（１ｍｓの期間のうちの最初の１０μｓの間）で信号電子群の受光部３３−蓄積部４３，５３間の移動が行われるものとする。このように、受光部３３の受光画素３１を通過して蓄積部４３，５３の対応する蓄積画素４１，５１まで信号電子群を移動させる移動時間（１０μｓ）が、露光時間（１ｍｓ）に比べて十分に小さい場合には、露光時間中に信号電子群の移動時間があっても、この移動時間が露光時間に比べて十分に短時間であるので、この移動時間における影響を量的に無視できる。
【００６２】
具体的には、図１０（ａ）に示すように、最初の１周期の前半期間である、レーザー光をオンした露光期間ｔｏｎ（１ｍｓ）に被測定物を撮像することで、蛍光信号および背景信号による信号電子群が受光部３３に生じる。このとき、受光部３３の３個の受光画素３１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆｏｎ１１」、フレーム「Ｆｏｎ１２」、フレーム「Ｆｏｎ１３」の信号電子群が記録蓄積されているとする。
【００６３】
そして、図１０（ｂ）に示すように、その１周期の後半期間である、レーザー光をオフした露光期間ｔｏｆｆ　（１ｍｓ）となると、露光期間ｔｏｆｆ　の開始から１０μｓの間において、受光部３３に発生した信号電子群を下側の蓄積部５３に移動させるとともに、この露光期間ｔｏｆｆ　（１ｍｓ）に被測定物を撮像することで、背景信号のみによる信号電子群が受光部３３に生じる。このとき、受光部３３の３個の受光画素３１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆｏｆｆ　１１」、フレーム「Ｆｏｆｆ　１２」、フレーム「Ｆｏｆｆ　１３」の信号電子群が記録蓄積されており、下側の蓄積部５３の３個の蓄積画素５１には、上から順に、フレーム「Ｆｏｎ１１」、フレーム「Ｆｏｎ１２」、フレーム「Ｆｏｎ１３」の信号電子群が移動して記録蓄積されている。
【００６４】
そして、図１０（ｃ）に示すように、次の１周期の前半期間である、レーザー光をオンした露光期間ｔｏｎ（１ｍｓ）となると、露光期間ｔｏｎの開始から１０μｓの間において、受光部３３に発生した信号電子群を上側の蓄積部４３に移動させるとともに、下側の蓄積部５３に蓄積済みのレーザー光オン時に発生した信号電子群を受光部３３に移動させ、この露光期間ｔｏｎ（１ｍｓ）に被測定物を撮像することで、受光部３３に生じた蛍光信号および背景信号による信号電子群と、下側の蓄積部５３から移動されたレーザー光オン時の信号電子群とが、受光部３３で積算される。このとき、上側の蓄積部４３の３個の蓄積画素４１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆｏｆｆ　１１」、フレーム「Ｆｏｆｆ　１２」、フレーム「Ｆｏｆｆ　１３」の信号電子群が移動して記録蓄積されており、受光部３３の３個の受光画素３１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆｏｎ１１＋Ｆｏｎ２１」、フレーム「Ｆｏｎ１２＋Ｆｏｎ２２」、フレーム「Ｆｏｎ１３＋Ｆｏｎ２３」の信号電子群が記録蓄積されている。
【００６５】
そして、図１０（ｄ）に示すように、その１周期の後半期間である、レーザー光をオフした露光期間ｔｏｆｆ　（１ｍｓ）となると、露光期間ｔｏｆｆ　の開始から１０μｓの間において、受光部３３で積算された信号電子群を下側の蓄積部５３に移動させるとともに、上側の蓄積部４３に蓄積済みのレーザー光オフ時に発生した信号電子群を受光部３３に移動させ、この露光期間ｔｏｆｆ　（１ｍｓ）に被測定物を撮像することで、受光部３３に生じた背景信号のみによる信号電子群と、上側の蓄積部４３から移動されたレーザー光オフ時の信号電子群とが、受光部３３で積算される。このとき、受光部３３の３個の受光画素３１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆｏｆｆ　１１＋Ｆｏｆｆ　２１」、フレーム「Ｆｏｆｆ　１２＋Ｆｏｆｆ　２２」、フレーム「Ｆｏｆｆ　１３＋Ｆｏｆｆ　２３」の信号電子群が記録蓄積されており、下側の蓄積部５３の３個の蓄積画素５１には、例えば、上から順に、フレーム「Ｆｏｎ１１＋Ｆｏｎ２１」、フレーム「Ｆｏｎ１２＋Ｆｏｎ２２」、フレーム「Ｆｏｎ１３＋Ｆｏｎ２３」の信号電子群が移動して記録蓄積されている。
【００６６】
このように、被測定物へのレーザー光のオン・オフ照射した現象を所定回数にわたって繰り返し撮影して、撮影を終了する。その結果、撮影終了後の受光部３３および蓄積部４３，５３の一方側には、同位相となる各期間、つまり、レーザー光がオンである期間とオフである期間の信号電子群がそれぞれ積算されている。その後、各単位画素１５の受光部３３および蓄積部４３，５３の一方側に蓄積された２枚のフレームの信号電子群を、図９に示すように垂直転送路２１の方へ適宜に送り出し、垂直転送路２１、水平転送路２３、出力アンプ２５を介して読み出して、ＡＤコンバータ２７でアナログデジタル変換して最終出力としてのデジタル信号を出力する。
【００６７】
上述したようにこの第４実施例の撮像素子１によれば、レーザー光がオンである位相時刻の積分画像と、レーザー光がオフである位相時刻の積分画像との差分をとることにより、Ｓ／Ｎ比の高い目的信号を得ることができる。
【００６８】
＜第５実施例＞
続いて、この発明の第５実施例に係る撮像装置について説明する。図１１（ａ）〜（ｃ）は、異なる単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を垂直転送路で積算することを説明するための図である。この第５実施例の撮像装置は、前述の第１実施例のように単位画素１５内で信号電子群の加算を行った後に、異なる単位画素１５（つまり、同一の垂直転送路２１に存在する複数個の単位画素１５）での同位相時の蓄積画素（例えば蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を垂直転送路２１で積算するものであり、それ以外については、前述の第１実施例と同様であるので、この第５実施例では異なる単位画素１５の対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を垂直転送路２１において積算することについて詳細に説明するものとする。
【００６９】
前述の第１実施例でも説明したように、第５実施例の撮像素子１は、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送路２１と、この垂直転送路２１を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送路２３と、この水平転送路２３を介して送られてきた信号電子群を増幅出力するための出力アンプ２５とを備えている。
【００７０】
図１に示した制御部７は、さらに、垂直転送路２１において、複数個（説明の便宜上、例えば２個）の単位画素１５での対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を加算するように転送制御する機能を有している。なお、上述した制御部７が本発明の転送制御手段に相当する。
【００７１】
なお第５実施例では、より理解し易くするために、図１１に示すように、同一の垂直転送路２１に存在する２個の単位画素１５の蓄積画素１３ａ同士の信号電子群が垂直転送路２１で積算される様子を一例に挙げて説明することとする。
【００７２】
図１１（ａ）に示すように、制御部７による制御により、同一の垂直転送路２１に存在する２個の単位画素１５のうちの図１１の紙面上側の単位画素１５（第ｎ本目の水平走査線に対応する単位画素１５であり、この第５実施例において第１単位画素１５ａと呼ぶ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１と、この単位画素１５の下側の単位画素１５（第ｎ＋１本目の水平走査線に対応する単位画素１５であり、この第５実施例において第２単位画素１５ｂと呼ぶ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ２１とがそれぞれ垂直転送路２１の各セルＣＶ１，ＣＶ２に個別に転送される。
【００７３】
続いて、図１１（ｂ）に示すように、制御部７による制御により、垂直転送路２１のセルＣＶ１に蓄積された第１単位画素１５ａの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１をセルＣＶ２に転送させて、このセルＣＶ２において第１単位画素１５ａの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１と第２単位画素１５ｂの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ２１とを加算する。
【００７４】
続いて、図１１（ｃ）に示すように、制御部７による制御により、セルＣＶ２に蓄積された信号電子群Ｓ１１＋Ｓ２１が水平転送路２３に転送される。つまり、２個の単位画素１５（第１単位画素１５ａと第２単位画素１５ｂ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１，信号電子群Ｓ２１を加算した信号電子群が水平転送路２３に転送される。
【００７５】
なお、同一の垂直転送路２１に存在する２個の単位画素１５の蓄積画素１３ｂ〜１３ｊなどについても前述と同様に垂直転送路２１において積算されるし、同一の垂直転送路２１に存在する２個以上の単位画素１５の対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を垂直転送路２１において積算することもできる
【００７６】
上述したようにこの第５実施例の撮像素子１によれば、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送路２１と、この垂直転送路２１において、複数個の単位画素１５のうちで少なくとも２個以上の単位画素１５での対応する蓄積画素（例えば、蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を加算するように転送制御する制御部７とを備えているので、異なる単位画素１５間で対応する蓄積画素（例えば、蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を加算でき、撮像素子１で取得した光画像信号の処理の自由度を向上させることができる。
【００７７】
＜第６実施例＞
続いて、この発明の第６実施例に係る撮像装置について説明する。図１２（ａ）〜（ｃ）は、異なる単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を水平転送路で積算することを説明するための図である。この第６実施例の撮像装置は、前述の第１実施例のように単位画素１５内で信号電子群の加算を行った後に、異なる単位画素１５（水平転送路２３に接続されている複数個の単位画素１５）での同位相時の蓄積画素（例えば蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を水平転送路２３で積算するものであり、それ以外については、前述の第１実施例と同様であるので、この第６実施例では異なる単位画素１５の対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を水平転送路２３において積算することについて詳細に説明するものとする。
【００７８】
前述の第１実施例でも説明したように、第６実施例の撮像素子１は、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を垂直方向に転送するための垂直転送路２１と、この垂直転送路２１を介して送られてきた各信号電子群を水平方向に転送するための水平転送路２３と、この水平転送路２３を介して送られてきた信号電子群を増幅出力するための出力アンプ２５とを備えている。
【００７９】
図１に示した制御部７は、さらに、水平転送路２３において、複数個（説明の便宜上、例えば２個）の単位画素１５での対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を加算するように転送制御する機能を有している。なお、上述した制御部７が本発明の転送制御手段に相当する。
【００８０】
なお第６実施例では、より理解し易くするために、図１２に示すように、水平転送路２３に接続されている２個の単位画素１５の蓄積画素１３ａ同士の信号電子群が水平転送路２３で積算される様子を一例に挙げて説明することとする。
【００８１】
図１２（ａ）に示すように、制御部７による制御により、水平転送路２３に接続されている２個の単位画素１５のうちの図１２の紙面左側の単位画素１５（第６実施例において第１単位画素１５ａと呼ぶ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１と、この単位画素１５の右側の単位画素１５（第６実施例において第２単位画素１５ｂと呼ぶ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ２１とがそれぞれ垂直転送路２１の各セルＣＶ１に個別に転送される。
【００８２】
続いて、図１２（ｂ）に示すように、制御部７による制御により、垂直転送路２１のセルＣＶ１に蓄積された第１単位画素１５ａの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１を水平転送路２３のセルＣＨ１に転送させるとともに、垂直転送路２１のセルＣＶ１に蓄積された第２単位画素１５ｂの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ２１も水平転送路２３のセルＣＨ１に転送させる。
【００８３】
続いて、図１２（ｃ）に示すように、制御部７による制御により、水平転送路２３のセルＣＨ２に蓄積された第２単位画素１５ｂの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ２１を水平転送路２３のセルＣＨ１に転送させる。すなわち、水平転送路２３のセルＣＨ１において、第１単位画素１５ａの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１と第２単位画素１５ｂの蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ２１とを加算する。
【００８４】
そして、セルＣＶ２に蓄積された信号電子群Ｓ１１＋Ｓ２１が出力アンプ２５（図２参照）に転送される。つまり、２個の単位画素１５（第１単位画素１５ａと第２単位画素１５ｂ）の蓄積画素１３ａの信号電子群Ｓ１１，信号電子群Ｓ２１を加算した信号電子群が出力アンプ２５に転送される。
【００８５】
なお、２個の単位画素１５の蓄積画素１３ｂ〜１３ｊなどについても前述と同様に水平転送路２３において積算されるし、２個以上の単位画素１５の対応する蓄積画素１３ａ〜１３ｊ同士の信号電子群を水平転送路２３において積算することもできる。
【００８６】
上述したようにこの第６実施例の撮像素子１によれば、各単位画素１５に記録蓄積している信号電子群を水平方向に転送するための水平転送路２３と、この水平転送路２３において、複数個の単位画素１５のうちで少なくとも２個以上の単位画素１５での対応する蓄積画素（例えば、蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を加算するように転送制御する制御部７とを備えているので、異なる単位画素１５間で対応する蓄積画素（例えば、蓄積画素１３ａ〜１３ｊ）同士の信号電子群を加算でき、撮像素子１で取得した光画像信号の処理の自由度を向上させることができる。
【００８７】
この発明は、上記の実施例に限られるものではなく、以下のように変形実施することも可能である。
【００８８】
（１）第２実施例では、図５に示すように、複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅを直線状に配列させているが、曲線状または多角線状に配列させてもよい。
【００８９】
（２）第４実施例では、レーザー光がオン・オフとなる２フレーム分のデータを取得するようにしているが、上下の蓄積部４３，５３の蓄積画素４１，５１の個数をそれぞれ同等に増加させることでさらに複数のフレーム分のデータを取得することもできる。例えば、上下の蓄積部４３，５３にそれぞれ９個の蓄積画素４１，５１を設けた場合には、この蓄積部４３，５３で３フレーム分および受光部３３で１フレーム分記録蓄積でき、合せて４フレーム分のデータを取得することができる。
（３）第５実施例では、垂直方向の複数個の単位画素間で信号電子群を加算し、第６実施例では、水平方向の複数個の単位画素間で信号電子群を加算しているが、垂直方向および水平方向の複数個の単位画素間で信号電子群を加算するようにしてもよい。垂直方向および水平方向の複数個の単位画素間で信号電子群を加算する場合には、第５実施例および第６実施例での加算方法を利用することで実現できる。
（４）第５，第６実施例では、複数個の単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を加算しているが、複数個の単位画素での異位相時の蓄積画素同士の信号電子群を加算してもよい。制御部７により、垂直転送路２１または水平転送路２３の少なくとも一方において、複数個の単位画素のうちの所定数の単位画素での一の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群と、その残りの単位画素での対応する他の撮影時刻の蓄積画素の信号電子群とを加算するように転送制御することで実現可能である。つまり、垂直方向または水平方向の少なくとも一方の複数個の単位画素間での異位相時の蓄積画素同士の信号電子群を加算する場合には、第５実施例および第６実施例での加算方法を変形することで実現できる。
（５）第１実施例および第２実施例では、図２，図５に示すように、単一の受光画素１１と複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅとから単位画素１５を構成しているが、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、複数個（例えば２個）の受光画素１１と、複数個の蓄積画素１３ａ〜１３ｅとを備え、かつ、一の蓄積画素１３ａに複数個（例えば２個）の受光画素１１を連設させて構成してもよい。例えば２個の受光画素１１で生じた信号電子群を一の蓄積画素１３ａで加算できる。また、第１の透過波長の光学フィルタを一方の受光画素１１に設け、第１の透過波長とは異なる第２の透過波長の光学フィルタを他方の受光画素１１に設けること等ができ、一の透過波長の光画像信号と他の透過波長の光画像信号とを加算した光画像信号を得ることができる。つまり、単位画素１５内の複数個の受光画素１１で生じた信号電子群を当該単位画素１５内の蓄積画素１３ａで加算することができ、一方の受光画素１１での受光波長と、他方の受光画素１１での受光波長を変えて受光するなど、光画像信号の各種処理の自由度を向上させることができる。
【００９０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、関連性の高い複数枚のフレームそれぞれで受光画素に生じた信号電子群を同一の蓄積画素に重畳して蓄積することができる、つまり、関連性の高い複数枚のフレームが撮像素子内で積算されて１枚のフレームとされた後に出力アンプで増幅出力されて読み出されるので、出力アンプでの増幅出力の際に生じるノイズ（読み出しノイズ）は１回分のみであり、高いＳ／Ｎ比の画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。
【図３】（ａ）はループ状配列の蓄積画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図であり、（ｂ）は（ａ）に示した各蓄積画素の信号電子群の読み出し状態を示す図である。
【図４】第１実施例の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を説明するための図である。
【図５】第２実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は線状配列の蓄積画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図である。
【図７】第３実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。
【図８】（ａ）はループ状配列の蓄積画素内に組み込まれた受光画素で同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図であり、（ｂ）は（ａ）に示した各蓄積画素の信号電子群の読み出し状態を示す図である。
【図９】第４実施例に係る撮像素子の要部構成を示す概略構成図である。
【図１０】２個の蓄積部と受光部とで同位相時の信号電子群を積算することを説明するための図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、異なる単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を垂直転送路で積算することを説明するための図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、異なる単位画素での同位相時の蓄積画素同士の信号電子群を水平転送路で積算することを説明するための図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、複数個の受光画素と複数個の蓄積画素とを備えた単位画素を説明するための図である。
【図１４】従来の撮像装置による繰り返し現象の積算処理を説明するための図である。
【符号の説明】
１　…　撮像素子
３　…　周期信号作成部（周期信号作成手段）
５　…　クロック信号生成部（クロック信号生成手段）
７　…　制御部（制御手段）
１１　…　受光画素
１３ａ〜１３ｋ　…　蓄積画素
１５　…　単位画素
３１　…　受光画素
３３　…　受光部
４１，５１　…　蓄積画素
４３，５３　…　蓄積部
【図１】
2004080745.tif 000003
【図２】
2004080745.tif 000004
【図３】
2004080745.tif 000005
【図４】
2004080745.tif 000006
【図５】
2004080745.tif 000007
【図６】
2004080745.tif 000008
【図７】
2004080745.tif 000009
【図８】
2004080745.tif 000010
【図９】
2004080745.tif 000011
【図１０】
2004080745.tif 000012
【図１１】
2004080745.tif 000013
【図１２】
2004080745.tif 000014
【図１３】
2004080745.tif 000015
【図１４】
2004080745.tif 000016