(57)【要約】【課題】各画素の周辺に１００以上の記録要素を持ち、撮影中は全画素並列で一斉に画像信号を撮像素子内に並列記録しつつ、連続上書き記録により古い画像信号を排出しながら常に最新の画像情報を記録する画素周辺記録型撮像素子を備える超高速ビデオカメラにおいて、撮影対象現象の意味する画像の変化を捉えて連続上書き記録操作を停止する。【解決手段】撮像面を複数の区画に分離し、各々から排出される画像信号とはならない電荷、すなわち電子を画像信号とする場合は正孔、電子を画像信号とする場合でも溢れて出てくる過剰電子などの量をモニタリングし、有意な変化があると連続上書き操作を停止する。【選択図】        図６
2004282679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各画素で発生する電子または正孔の数を画像信号とする画素周辺記録型撮像素子を備え、連続撮影中、連続するＭ（Ｍ≧１）画像に１回の割合で、電子を画像信号とする撮像素子にあっては該撮像素子から自動的に排出される正孔の総数を、正孔を画像信号とする撮像素子にあっては該撮像素子から自動的に排出される電子の総数をモニタリングする手段を有する撮影装置。
【請求項２】
各画素で発生する電子または正孔の数を画像信号とする画素周辺記録型撮像素子を備え、連続撮影中、連続するＭ（Ｍ≧１）画像に１回の割合で、電子を画像信号とする撮像素子にあっては該撮像素子から撮像素子の操作とは無関係に自動的に排出される電子を主とする電子の総数を、正孔を画像信号とする撮像素子にあっては該撮像素子から撮像素子の操作とは無関係に自動的に排出される正孔を主とする正孔の総数をモニタリングする手段を有する撮影装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の撮影装置であって、受光面が２以上の区画に分けられ、各区画から自動的に排出される画像信号とはならない電子または正孔が、他の区画から自動的に排出される画像信号とはならない電子または正孔と完全には混じらないように排出する手段を有することを特徴とする撮影装置。
【請求項４】
遮光のための金属膜が、電子を画像信号とする撮像素子にあっては基盤表面のｐ領域と、正孔を画像信号とする撮像素子にあっては基盤表面のｎ領域と電気的に接続する点を有し、該遮光のための金属膜が電気的に独立なＮ（Ｎ≧１）個の区画に分割されており、該金属膜を経由して撮像素子外に排出される正孔または電子の総数をモニタリングする手段を備えることを特徴とする撮像素子、および該撮像素子を備える撮影装置。
【請求項５】
基盤とパッケージが導電性の接着面で接着されており、該接着面が電気的に独立なＮ（Ｎ≧１）個の区画に分割され、各区画から排出される電荷の総数をモニタリングする手段を備えることを特徴とする撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連する技術分野】
衝撃、破壊、高速流体運動などの高速撮影。
【０００２】
【既存の技術】
ビデオカメラの画像信号の記録容量は有限である。長時間にわたって連続的に撮影するときは連続上書き記録が使われることが多い。すなわち、記録領域中にあって最も早く（古く）撮影された画像の画像信号の上に、新たに撮影された画像の画像信号を上書きして常に一連の最新の画像信号を記録する。連続撮影中に撮影対象とする現象が生起すると、連続撮影を停止し、過去に遡って撮影された画像を再生して撮影対象とする現象を観察する。
【０００３】
撮影中の画像をモニタリングし、撮影対象とする現象の生起を意味する有意な変化を自動的に検出し、そのような変化が検出されたとき自動的に連続撮影を停止するためのトリガー信号を出す装置を「画像トリガー」という。
【０００４】
撮像素子の画素数がＲ×Ｓのとき、Ｔ画面分のフレームを記録するには、Ｋ＝Ｔ×（Ｒ×Ｓ）の記録容量が必要である。このとき最後、すなわちＫ番目の記録要素に画像信号を書き入れたあと、最初の１番目の記録要素の上にＫ＋１番目の画像信号を上書きする。
【０００５】
画像トリガー信号が送られた直後に連続上書き操作を停止すると、記録媒体の上には画像トリガーからＴ画面分遡った過去の画像信号が残っている。画像トリガー信号が送られた後、適当な枚数を撮影した後、連続上書き記録を停止すると、撮影対象現象の前後を含む時間帯の映像を、比較的容易に記録・再生することができる。
【０００６】
高速度連続撮影においては短時間で多数の枚数の画像信号を記録するので記録容量が小さい撮影機器においては短い時間でＴ画面分が撮影される。画像トリガーは、それよりもさらに短い時間の間に有意な変化を検出し、連続撮影を停止するための信号を発する必要がある。
【０００７】
風船の破裂のように撮影現象が生起した瞬間に大きな音を発する現象や、電気的なトリガーを与えると生起するような現象では、音や電流の急激な変化などを検出してトリガー信号を出すことができる。しかし例えば、高倍率の顕微鏡で、いつ起こるか予測することが難しい現象を撮影する場合には音や電気信号が使えない。このような場合であっても画像トリガーは有効に機能する。
【０００８】
当然、風船の破裂などに対しても画像トリガーを適用することができる。また画像トリガーは撮影装置に内蔵されているので、撮影システムがコンパクトになり、高速度撮影装置に付加すれば非常に有効な撮影補助手段となる。
【０００９】
最近のコンピュータを使えば、画面内の指定された領域で何かが起こったかどうかを、１画面の撮影時間間隔である１／３０秒間で自動的に判定することは難しくない。一方、高速度連続撮影の場合は、画面と次の画面の間の時間間隔が非常に短い。したがってある程度以上の撮影速度になると、この時間間隔の間に、撮像素子外に読み出した画像信号をコンピュータで処理して撮影対象現象が生起したかどうかを判定することが難しくなる。
【００１０】
例えば現在世界最高速のビデオカメラは、本発明の発明者が発明した１００万枚／秒の高速度ビデオカメラである（例えば、Ｔ．  Ｇｏｊｉ  Ｅｔｏｈ，  ｅｔ  ａｌ，  Ａ  ＣＣＤ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｏｆ  １Ｍｆｒａｍｅｓ／ｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｉｍａｇｅ  Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ  ｏｆ１０３  Ｆｒａｍｅｓ，  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ＩＥＥＥ  ２００２  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ｐｐ．４６−４７，武藤秀樹・江藤剛治、高速撮像素子および高速撮影装置、特願２０００／１３２９８３）。このとき画像と画像の時間間隔は（１／１００万）秒である。
【００１１】
このように短時間で判定することが必要な場合には、画像処理をして撮影対象現象が生起したかどうかを判定する時間はない。一つの有効な方法は、撮影対象現象が起こると予想される区画の平均的な輝度のみをモニタリングして、有意な変化があったとき撮影対象現象が生起したと判定する方法である。例えば画面内に黒い弾丸が入ってくれば平均輝度は瞬間的に低下する。また爆発が起これば瞬間的に大きくなる。この場合はモニタリングしている信号は、平均輝度ただ一つであるから、その変化を極めて短時間に検出することができる。
【００１２】
これを実現するには、撮像素子に、受光面の指定された区画から出力される画像信号の和を直接出力する機能を加えればよい。この信号処理を区画の数だけ並列に行えばよいから、超高速度連続撮影においても遅れることなく画像トリガー信号を出すことができる。
【００１３】
時間的制約が非常に強い場合は、画面複数枚に１枚の割合でこのようなモニタリングを行えばよい。撮影対象現象が生起したと考えられる時刻の画像の前後１００枚程度を動画再生するので、画像トリガー信号の発生が数画面分遅れても問題にならない。
【００１４】
上記の区画が数区画ある場合には、１時刻ごとにモニタリングする区画を変えて、順次異なる区画から排出される画像信号の和をモニタリングしてもよい。区画の数はたかだか数区画であるから、上に述べたように数画面ごとにモニタリングしていることと同じになる。
【００１５】
以下に本発明以前に発明されたいくつかの方法を紹介する。
もっとも簡単な方法はリセット電流のモニタリングである。電子シャッターを働かせると、それまで蓄積されていた電荷が一斉に排出される。これをモニタリングすることができる。
【００１６】
しかしながら、ビデオカメラで撮影するときは必ずしも電子シャッターを使うとは限らない。とくに高速ビデオカメラでは光量が不足するので、できるだけ電荷の蓄積時間を長くする。
【００１７】
これに対して本発明の発明者は、以下の発明によりこの問題を解決した（江藤剛治、撮像素子及び撮影装置、特開平１０／２３３９６７）。すなわち、画像トリガー用のセンサーを撮像素子の受光面とは別の面に備える。具体的には例えば、撮像素子のカバー・ガラスの上に、９５％以上光を透過する薄い光電面を置き、この面をいくつかの区画に分け、各区画から発生した電荷を独立に出力できるようにする。カバー・ガラス面は結像面ではないが、少しぼやけても、受光面上の各区画の画像信号の和と十分高い相関を持つ出力信号を得ることができる。また撮像素子のチップと、カバーガラスの上の画像トリガーのためのセンサーとは撮像素子のパッケージの中に組み込まれているので、撮像素子以外に、画像トリガーのための検出器を用意する必要がない。
【００１８】
この発明の欠点は、新たに各区画の平均光量をモニタリングする面を撮像素子の上に付加する必要があることである。
【００１９】
【既存の発明の課題】
並列読み出し型撮像素子の場合は、受光面をいくつかに分けた区分から、電子シャッターなどを働かせるときに撮像素子から排出されるリセット電流や、１画面ごとに読み出された信号電荷の和をモニタリングして、これらに大きな変化があれば画像トリガー信号を発することができる。
【００２０】
しかしこの方法は、超高速撮影を目的とした画素周辺記録型撮像素子には適用できない。すなわち画素周辺記録型撮像素子では撮影中は画像信号電荷は基本的に撮像素子内に蓄積され、撮像素子外には読み出さない。また光が不足するので電子シャッターを働かせずに撮影する場合も多い。
【００２１】
画素周辺記録型撮像素子においても、撮像面とは別の面、例えばカバーガラス上に、各区画に入射する光量に比例する電荷を発生する面を新たに付加し、そこから排出される電荷をモニタリングすることができる。しかしながら標準的な撮像素子の構造とは別に、画像トリガー信号のための新たな構造を付加する必要がある。
【００２２】
【本発明による課題解決の方法】
各画素で発生する電子または正孔の数を画像信号とする画素周辺記録型撮像素子を備え、連続撮影中、連続するＭ（Ｍ≧１）画像に１回の割合で、電子を画像信号とする撮像素子にあっては該撮像素子から自動的に排出される正孔の総数を、正孔を画像信号とする撮像素子にあっては該撮像素子から自動的に排出される電子の総数をモニタリングする手段を有する撮影装置によって、
【００２３】
光が受光面に当たって生成する電子・正孔対のうち、画像信号として撮像素子内に蓄積されることなく、自動的に撮像素子外に排出される正孔または電子の総数をモニタリングして、これに大きな変化があれば撮影対象現象が生起したとみなして画像トリガー信号を発する撮影システムを提供する。これにより、画像トリガー用の信号を作り出す手段を外部に別途備えることなく、画像トリガー機能を内蔵した超高速ビデオ撮影の手段を提供する。
【００２４】
各画素で発生する電子または正孔の数を画像信号とする画素周辺記録型撮像素子を備え、連続撮影中、連続するＭ（Ｍ≧１）画像に１回の割合で、電子を画像信号とする撮像素子にあっては該撮像素子から撮像素子の操作とは無関係に自動的に排出される電子を主とする電子の総数を、正孔を画像信号とする撮像素子にあっては該撮像素子から撮像素子の操作とは無関係に自動的に排出される正孔を主とする正孔の総数をモニタリングする手段を有する撮影装置により、
【００２５】
光が受光面に当たって生成し、画像信号として撮像素子内に蓄積される電子以外に余剰に発生して自動的に撮像素子外に排出される電子の総数、もしくは画像信号として撮像素子内に蓄積される正孔以外に余剰に発生して自動的に撮像素子外に排出される正孔の総数をモニタリングして、これに大きな変化があれば撮影対象現象が生起したとみなして画像トリガー信号を発する撮影システムを提供する。これにより、画像トリガー用の信号を作り出す手段を別途備えることなく、かつ信号電荷と同種であっても、信号電荷としては使われず自動的に排出される電荷を用いて、信号電荷を全く損なうことなく、超高速ビデオ撮影用画素周辺記録型撮像素子を備える撮影手段に、撮影対象の生起と同期撮影する手段を提供する。
【００２６】
上記の撮影装置であって、画素周辺記録型撮像素子の受光面が２以上の区画に分けられ、各区画から自動的に排出される画像信号がとはならない電子または正孔が、他の区画から自動的に排出される画像信号とはならない電子または正孔と完全には混じらないように排出する手段を有することを特徴とする撮影装置により、
【００２７】
受光面のうち、撮影対象現象が生起したとき、画像に大きな変化が起こると予想される区画について自動的に排出される画像信号がとはならない電子または正孔の総数をモニタリングすることができ、撮影対象現象の生起と撮影タイミングの同期をより正確にとることができる超高速ビデオ撮影手段を提供する。
【００２８】
遮光のための金属膜が、電子を画像信号とする撮像素子にあっては基盤表面のｐ領域と、正孔を画像信号とする撮像素子にあっては基盤表面のｎ領域と電気的に接続する点を有し、該遮光のための金属膜が電気的に独立なＮ（Ｎ≧１）個の区画に分割されており、該金属膜を経由して撮像素子外に排出される正孔または電子の総数をモニタリングする手段を備えることを特徴とする撮像素子、および該撮像素子を備える撮影装置により、
【００２９】
電子を画像信号とする撮像素子にあっては受光面に光が当たって生成する電子と対になって発生し、基盤表面のｐ領域に集積し、そこから遮光のための金属膜を経由して撮像素子外に排出される信号電荷とはならない電荷の総数をモニタリングして画像トリガー信号を発する撮影手段を提供する。遮光のための金属膜を信号電荷の対として発生する電荷の排出経路としても、金属膜の電圧はほぼ一定であるので、このような構造が採用されることは少なくない。したがって、遮光のための金属膜にいくつかの細い切れ目を入れることと、それらを経由して排出される電荷の総数をモニタリングする手段を付加するという小さな改良だけで、画像トリガー発生機能を付加することができる。正孔を画像信号とする撮像素子にあっては接続領域をｐ領域からｎ領域に変え、排出電荷を電子に代えればよい。
【００３０】
基盤とパッケージが導電性の接着面で接着されており、該接着面が電気的に独立なＮ（Ｎ≧１）個の区画に分割されていることを特徴とする撮像素子を備え、各区画から排出される電荷の総数をモニタリングする手段を備えることを特徴とする撮影装置により、
【００３１】
撮像素子の小さな改良により、基盤から自動的に排出される信号電荷以外の電荷の総数をモニタリングして画像トリガー信号を発する手段を備える撮影装置を提供する。
【００３２】
【実施例１】
図１は本発明の撮影装置全体を示している。
レンズ２００から入射した光は、撮像素子２０１の撮像面２０２上で結像する。
【００３３】
図２に示す撮像素子２０１は本発明の発明者が発明した画素周辺記録型撮像素子（Ｔ．  Ｇｏｊｉ  Ｅｔｏｈ，  ｅｔ  ａｌ，  Ａ  ＣＣＤ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｏｆ  １Ｍｆｒａｍｅｓ／ｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｉｍａｇｅ  Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ  ｏｆ  １０３  Ｆｒａｍｅｓ，  Ｄｉｇｅｓｔｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ＩＥＥＥ  ２００２  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ｐｐ．４６−４７）で、３１２行×２６０列の画素を持ち、各フォトダイオード２０４の周辺に斜線で示すＣＣＤからなる画像信号記録領域２０５を備えている。各画像信号記録領域はそれぞれ１０３個（図２では１５個）のメモリー要素を有している。これにより、全画素いっせいに並列記録操作で１０３枚分の画像信号を記録する。画像信号は信号記録領域２０５上を順次下方に転送される。１０３枚分（図２では１５枚分）の画像信号で記録領域が満杯になると、ドレーン２０６から最初の画像信号は素子のチップの基盤に排出され、さらに素子外に排出される。このとき最初のメモリー要素２１０には１０４枚目の画像信号が上書き記録される。このようにして撮影対象現象が生起するまで連続上書き記録が続けられる。
【００３４】
全画素一斉の並列操作であるから、１画素ごとに順次画像信号を記録する場合に比べて、３１２×２６０倍、すなわち８１，１２０倍の速度で画像信号を記録することができ、究極の並列処理、すなわち究極の高速度連続撮影を実現している。
【００３５】
画像信号は電子の数である。すなわち各画素のフォトダイオードに入射する光が強いほど、撮像素子表面直下のｎｐ境界面付近で多くの電子が発生し、表層付近のｎ層に蓄積される。同時に発生する正孔は、周辺のｐ領域を経由して撮像素子外に連続的に排出される。
【００３６】
ある時間ステップで発生し、蓄積された電子は、次の時間ステップの直前に、近傍の画像信号記録領域の記録要素の一つに送られる。この電荷パケットが画像信号となる。すなわちこの素子内では、画像信号はアナログ信号である。
【００３７】
撮影中は画像信号を撮像素子外には読み出さない。撮影後に撮像素子２０１から画像信号をバッファ・メモリー２０７に読み出し、メイン・コンピュータ２０８で画像構成して、メイン・メモリー２０９に格納する。
【００３８】
メイン・コンピュータ２０８はまた、メイン・メモリーに格納された連続画像を、キーボード２１１から入力された仕様にしたがって構成し、モニター２１２上に動画として再生する。
【００３９】
撮影操作を含む撮像素子の全ての操作は、クロック発生器２２１から発生したパルスに基づいて、制御電圧発生装置２２０が発生した電圧パターンを撮像素子２０１に送ることにより行われる。
【００４０】
撮影中は図３に示すように、撮像素子の撮像面２０２を５個の部分に分けた５つの区画の各区画２１４に入射する光量に相関する強度の電気信号が、５つの読み出し線２１５から並列に撮像素子外に読み出され、マルチプレクサー２１６により、順次ＡＤコンバータ２１７に送られデジタル信号化されたのち、画像トリガー用マイクロ・コンピュータ２１８に送られて、時間的に大きな変化が生じていないか自動的にモニタリングされる。
【００４１】
変化があったと判定されると、画像トリガー用マイクロ・コンピュータ２１８から制御電圧発生装置２２０に画像トリガー信号が送られる。その制御電圧発生装置は連続撮影用電圧パターンを撮像素子に送ることを停止する。
【００４２】
その後、図２の撮像素子２０１内の画素周辺記録領域２０５に記録された画像信号を撮像素子から読み出し、メイン・コンピュータ２０８に送る。そのための画像読み出し用電圧パターンも制御電圧発生装置２２０から撮像素子２０１に送られる。
【００４３】
図４は図２のＡＡ’断面の鉛直断面図である。
【００４４】
固体撮像素子では、各画素に入射した光のエネルギーにより、信号電荷である電子が発生し、電子が抜けた部分に相対的に正孔が発生する。そのままであれば電子と正孔は再結合し、中和され、信号としての意味を失う。そのため、連続的に正孔を撮像素子外に排出して電子のみが各画素に残るようにしている。正孔は撮像素子のｐ領域を通して排出される。この電荷は、画像信号としては何の意味も持たない。全画素から排出される電荷の和として撮像素子外に、いわば垂れ流しで排出される。後述の第２実施例で説明するが、正孔はｐ領域にコンタクトした遮光金属膜を経由して排出される。
【００４５】
撮像素子の中には正孔を画像信号として採用しているものもある。この場合は逆に不要な電子が垂れ流しで排出される。電子はｎ領域を経て排出される。
【００４６】
最近の撮像素子では、画像信号として蓄積される電子以外の余った電子を基盤から裏面に排出する構造のものが多い。本実施例でもこの構造を採用している。
【００４７】
図４に示すように、撮像素子の各画素の表面付近の、厚さ２ミクロン程度の領域１００にｎ層があり、ここにｎ層とｐ層の境界付近で発生した電子が画像信号として蓄積される。その下部にはｐ層１０１があり、これが障壁となって電子はそれより下に移動できない。さらにその下は再びｎ層１０２になっている。基盤の最下部には正の大きな電圧が付加されている。
【００４８】
比較的波長の長い光はｐ層直下まで届く。そこでも電子と正孔対が発生する。ここで発生した電子は信号電荷とはならず基盤下面に付けられた金の膜３０１を通じて自動的に撮像素子外に排出される。正孔は上にあるｐ層１０１に移行する。電子は基盤１０２から基盤最下部に加えられた正の電圧に引かれて下層へ移動し、自動的に排出されるが、入射した光が強いほどｐ層より下に透過する光も強いので、この排出電子量も比例して大きくなる。
【００４９】
図５はパッケージ３００と撮像素子２０１の接合状態を示している。パッケージの表面には金の膜３０１がはられている。金の膜３０１は、周辺を囲む４個の台形の区画３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄと、中央の長方形の区画３０１ｅに分かれている。５つの区画は１ｍｍの分離帯３０２で電気的に絶縁されている。各区画からはパッケージ内を通って、５本の余剰電子排出線が引き出され、それぞれ別の５本のピン３０４につながれている。これらのパッケージ内の配線は図示されていない。
【００５０】
これらの５区画の金の面の上に１方向導電性接着剤を塗り、その上にチップを乗せて接合する。１方向導電性接着剤（図示していない）は、少量の小さな金粒子を含む接着剤で、圧着すると金粒子が上下の接着面に接触し、上下方向には電気を流す。しかし粒子の数が少ないため、隣接する金粒子とは接触しないので接着面と平行方向には導電性はない。
【００５１】
チップの厚さは１００ミクロンである。通常ウエーファの厚さは５００から８００ミクロン程度であるが、１００ミクロンに薄く加工している。ウエーファを５０から１００ミクロン程度に薄くする薄膜化は、電子技術で常用される技術である。
【００５２】
撮影中に、ｐ層の下まで透過した光により生成した電子は、このパッケージ表面の金属膜、ピンを経由して撮像素子外に排出される。
【００５３】
チップ基盤は導電性であるから、パッケージ表面の金属膜がいくつかの区画にわかれているからといって、チップ表層から基盤に向けて排出された電子が、直下の金属膜区画に排出されるとはかぎらない。５区画のどの区画からでも排出される可能性がある。しかし、チップの厚さが１００ミクロンで、表層数ミクロンを除く基盤部分の厚さも約１００ミクロンであるのに対し、金属膜の分離帯の幅は１０００ミクロンと約１０倍広い。また基盤の電気抵抗は大きいので、電子は直下の金属膜から排出される確率が高い。
【００５４】
すなわち、各区画は電気的に完全に独立になるように絶縁されているわけではないが、区画間の通電は妨げられている。その結果として、撮像素子表面に面的に均等でない光が入射し、その結果面的に一様でない余剰電子が発生したとき、強い光が当たり多くの余剰電子が発生した区画の下の金属膜からは、より多くの電子が排出される。すなわち各区画から排出される余剰電子による電流は、各区画の表面に入射する光量と強く相関する。すなわち各区画から排出される電流の時間変化をモニタリングすることで、各区画に入射する平均的な光量の変化、すなわち各区画に入射する画像に急激な変化があったかどうかをモニタリングすることができる。
【００５５】
１方向導電性接着剤が通常の導電性接着剤であると、接着面を経由して電子が瞬間的に水平に広がるので、パッケージ上の金膜を区画に分ける効果が小さくなる。
【００５６】
電子シャッター操作を行う場合は、余剰電子は電子シャッター操作によっても排出される。この場合、連続する画面の撮影時間間隔は前半と後半に分けられる。前半に蓄積された電子はリセット操作により、一斉に基盤を通して撮像素子外に排出される。前半の時間の割合が長いほど、シャッター時間は短くなる。
【００５７】
また余剰電子は、オーバーフローによっても排出される。強い光が当たる部分では、ｐ層より上のｎ層に蓄積される電子の数が多くなりすぎ、電荷の転送容量を越えた電子が排出される。このとき再生画像のこの部分は白くブルーミングを起こす。
【００５８】
すなわち基盤から排出される余剰電子の数は、ｐ層より下に到達した光で発生した電子、シャッタリングにより排出される電子、およびブルーミング領域でのオーバーフロー電子の和である。
【００５９】
排出された余剰電子数に有意な変化があったかどうかを検出するには、そのためのアルゴリズムが必要である。以下本実施例で用いているアルゴリズムについて説明する。
【００６０】
図６には割れる風船８１１の連続画像をスケッチで示している。もとの画像は１０万枚／秒で撮影され、連続１０３枚撮影された。
【００６１】
図３に示した中央部の斜線で示した区画２１４ｅの部分の平均輝度の変化８００を図６に示している。風船が割れる前は風船の表面が照明で全体的に照らされていたのに、裂け目８１０が広がって行くと風船の内側で、まだ割れていない風船の陰になって照明が直接当たらない部分が写り始めるので、急激に平均輝度が下がる。一方ほとんど割れてしまうと、陰がなくなるのでまた平均輝度が上がる。
【００６２】
もっとも簡単な方法は、撮影対象現象が起こると考えられる区分で、それまでの平均輝度よりある程度以上明るくなったか、または暗くなった場合に撮影対象現象が起こったと判定する方法である。この場合は、どの程度の差で、有意な変化とみなすかが問題となる。何回かの撮影実験でこのレベル（閾値）を決める必要がある。
【００６３】
本発明になる撮影装置では以下の判定法を用いた。
【００６４】
まず連続する８画面について、あらかじめ指定した対象区画（図３では中央の区画２１４ｅ）の平均輝度を８画面分計算する。この８画面分の平均をとり時間平均輝度とする。時間平均輝度と各画面の平均輝度の差をとり、その絶対値の平均値、すなわち平均輝度の絶対値偏差を計算する。
【００６５】
変化が絶対値偏差の幅と同程度であれば有意な変化とはみなせない。その数倍になる確率は低い。本発明では絶対値偏差の８倍以上の変化があるとき、撮影対象現象となる、それまでとは違う現象が生起したと判定した。
【００６６】
また変化は引き続く２枚の画像の間で瞬間的に起こるとは限らない。数枚の画像を撮影している間に変化が顕著になるのが普通である。したがってモニタリング対象区画から排出される電流の８時間ステップ分の平均値を求め、その絶対値偏差を計算したのち、さらに８時間ステップ後の電流が絶対値偏差の４倍を越えたとき、それまでとは違う現象が生起したと判定した。
【００６７】
平均値と標準偏差を計算するデータ数が十分大きいときは、統計的に、標準偏差の３倍以上の偏差が生じる確率は極めて低い。本発明の実施例では、このデータ数が８個と少ないため、８倍を用いた。この倍数を異常度ｋ８０１と呼び、図６に示した平均輝度の変化８００に適用してその変化を求めたものも図６に示している。３５枚目付近でｋが８を超えており、これは図に示すように、裂け目が明確になる時点である。
【００６８】
このアルゴリズムを多くの撮影事例に適用したところ、非常に局所的に変化が起こる場合や、変化が連続的に起こるような例を除いて、ほとんどの場合にうまく撮影対象現象の生起を検出することができた。
【００６９】
このアルゴリズムの長所は、これまで起こっていない何らかの現象が起こったかどうかを、前もって試行することなく、客観的な判定基準で判定できることである。
【００７０】
【実施例２】
電子を画像信号とする場合に、発生する電子とペアになって発生し、自動的に排除される正孔をモニタリングする場合である。
【００７１】
図４に撮像素子の画素の断面を示している。となり同士の画素と画像信号が混じらないように、各画素はｐ＋領域４００で囲まれている。また画素周辺記録領域２０５上にはＣＣＤの駆動電極８３０が乗っている。シリコン基盤上方は透明の酸化ケイ素で被覆されている。光が入射するフォトダイオード２０４の部分を除いて金属の遮光膜４０２で覆われている。
【００７２】
図４に示したように、フォトダイオードの下にもｐ領域があり、ｎ領域はお盆のようにｐ領域で囲まれており、その中に発生した電子が蓄積される。
【００７３】
電子とともに発生する正孔はｐ領域に集まるが、コンタクト・ポイント４０１を通して、チップの表面の金属層４０２に接合されている。この金属層は、画像信号の蓄積される画素周辺記録部を覆って、ここに光が入射しないようにするための遮光膜である。この遮光膜は隣通しの画素で接続しており、この接続は撮像素子の受光面外まで続いている。したがって、この金属層をピンの一つ（図には示していない）に接続し、これに外部から負の一定電圧をかけておくと、正の電荷を持つホール（正孔）は、全てこの金属層、ピンを通って素子の外部に連続的に排出される。
【００７４】
図７では斜線で示す金属層が２つの区画４０２ａ、４０２ｂに分けられている。すなわちこの場合は図３に示すような５区画区分ではなく、左右２区画に区分され、どちらかで平均的な輝度に変化があると画像トリガーがかかるようになっている。この場合も、下のｐ層は相互に結合しているので、２つの金属層区画が電気的に全く独立に絶縁されているわけではない。しかしｐ層の電気抵抗は金属膜の電気抵抗に比べて桁違いに大きいので、ある区画で発生したホールは、その直上の区画の金属層を通って素子の外部に排出される確率が高い。
【００７５】
各区画で生成する正孔の数は、各区画の表面に入射する光量に比例する。すなわち各区画から排出される正孔電流の時間変化をモニタリングすることで、各区画に入射する平均的な光量の変化、すなわち各区画に入射する画像に急激な変化があったかどうかをモニタリングすることができる。
【００７６】
判定のアルゴリズムは実施例１と同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】カメラの構成図
【図２】画素周辺記録型撮像素子の概念図（メモリー要素が１５の場合）
【図３】撮像素子の撮像面の分割図
【図４】撮像素子の断面の説明図
【図５】撮像素子のチップとパッケージ
【図６】風船が割れるときの中央部の平均輝度と異常度ｋの時間変化
【図７】金属遮光膜の分割図
【符号の説明】
１００  ｎ層（電子蓄積部）
１０１  ｐ層
１０２  ｎ層（基盤）
２００  レンズ
２０１  撮像素子
２０２  撮像面
２０４  フォトダイオード
２０５  画素周辺記録領域
２０６  ドレーン
２０７  バッファ・メモリー
２０８  メイン・コンピュータ
２０９  メイン・メモリー
２１０  最初のＣＣＤ記録要素
２１１  キーボード
２１２  モニター
２１４  撮像面を５つに分けた区画
２１５  撮像面を５つに分けた区画からの読み出し線
２１６  マルチプレクサー
２１７  ＡＤコンバータ
２１８  画像トリガー用マイクロ・コンピュータ
２２０  制御電圧発生装置
２２１  クロック発生器
３００  パッケージ
３０１  金の膜
３０２  金の膜の分離帯
３０４  ５区画からの余剰電子の排出ピン
４００  ｎ領域を隔てるｐ＋領域（チャンネルストップ）
４０１  ｐ領域と金属遮光膜をつなぐコンタクト・ポイント
４０２  金属遮光膜（正孔のドレーン経路を兼ねている）
８００  風船の破裂による中央部の平均輝度の変化
８０１  異常度ｋの変化
８１０  風船の裂け目
８１１  割れる風船
【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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