(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の行に配列され、集めた光チャージを電荷に変換して蓄積する複数の感光セルと、
複数対のバリアであって、該対の各々は前記感光セルの各前記行の両側に設けられている、複数対のバリアと、
を備える撮像装置であって、
各前記行では、前記複数の感光セルが第１ステージから第ｋ（ｋは２以上の整数）ステージにわたって互いに隣接して配列されており、
各前記行は、前記感光セルの一つの蓄積電荷を前記感光セルの次の一つの蓄積電荷に加えることにより、前記第１ステージの感光セルから前記第ｋステージの感光セルまで蓄積電荷を順次に伝送するチャネル領域を含んでおり、
各対の前記バリアは、該各対のバリアの間に配置された前記行に含まれる前記感光セルの各々の電荷容量を定めるバリアレベルを有しており、
該撮像装置は、前記電荷容量を超える電荷を前記感光セルから除去する手段を更に備え、
前記第ｋステージの感光セルの電荷容量は、前記第ｋ−１ステージの感光セルの電荷容量よりも大きい、撮像装置。
【請求項２】
前記第ｋステージの感光セルの前記電荷容量は、前記第ｋ−１ステージの感光セルの前記電荷容量の２倍である、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記複数の感光セルは、３つ以上のステージで配列されており、
前記第１ステージから前記第ｋ−２ステージまでの感光セルには、前記第ｋ−１ステージの感光セルの電荷容量よりも小さな電荷容量を有する感光セルが含まれている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
少なくとも一つのフィルタをさらに備え、前記少なくとも一つのフィルタは、前記フィルタに対応する前記セルで収集される前記電荷を削減する、請求項１の撮像装置。
【請求項５】
光学的に透明なブロックをさらに備え、前記フィルタは前記ブロックに取り付けられる、請求項４の撮像装置。
【請求項６】
前記複数の感光セルはチャージカップルド・デバイスである、請求項１の撮像装置。
【請求項７】
前記バリアレベルは電位として設定される、請求項１の撮像装置。
【請求項８】
前記バリアレベルは、前記チャネル領域内に前記バリアを配置することによって設定される、請求項１の撮像装置。
【請求項９】
前記バリアレベルを設定することによって、前記蓄積電荷の階段状線形増加を可能とする、請求項１の撮像装置。
【請求項１０】
前記複数の行のうちの指定された行の前記蓄積電荷が削減されるように前記バリアレベルを設定する、請求項１の撮像装置。
【請求項１１】
前記撮像装置の応答特性を徐々に向上させる既知の関係に基づいて、前記複数の行の各々の前記バリアレベルが設定される、請求項１の撮像装置。
【請求項１２】
複数の行に配列され、集めた光チャージを電荷に変換して蓄積する複数の感光セルと、
複数対のバリアであって、該対の各々は前記感光セルの各前記行の両側に設けられている、複数対のバリアと、
を備えるイメージ検出デバイスを操作する方法であって、
各前記行では、前記複数の感光セルが第１ステージから第ｋ（ｋは２以上の整数）ステージにわたって互いに隣接して配列されており、
各前記行は、前記感光セルの一つの蓄積電荷を前記感光セルの次の一つの蓄積電荷に加えることにより、前記第１ステージの感光セルから前記第ｋステージの感光セルまで蓄積電荷を順次に伝送するチャネル領域を含んでおり、
各対の前記バリアは、該各対のバリアの間に配置された前記行に含まれる前記感光セルの各々の電荷容量を定めるバリアレベルを有しており、
前記方法は：
前記複数対のバリアを作成するステップと；
前記第ｋステージの感光セルの電荷容量が、前記第ｋ−１ステージの感光セルの電荷容量よりも大きくなるように、前記感光セルの複数のステージに対して複数のバリアレベルを設定するステップと、
を備える方法。
【請求項１３】
前記バリアレベルを設定するステップは、前記第ｋステージの感光セルの前記電荷容量が前記第ｋ−１ステージの感光セルの前記電荷容量の２倍であるように、前記バリアレベルを設定する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の感光セルは、３つ以上のステージで配列されており、
前記バリアレベルを設定するステップは、前記第１ステージから前記第ｋ−２ステージまでの感光セルにおいて前記第ｋ−１ステージの感光セルの電荷容量よりも小さな電荷容量を有する感光セルが含まれるように、前記バリアレベルを設定する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記イメージ検出デバイスに選択的にフィルタリングを適用し、イメージ検出能力を下げるステップをさらに備える、請求項１２の方法。
【請求項１６】
前記バリアレベルを設定するステップは、蓄積電荷を階段状に増やすことができるように前記バリアレベルを設定するステップを含む、請求項１２の方法。
【請求項１７】
前記バリアレベルを設定するステップは、前記複数の行のうちの指定された行の前記蓄積電荷を削減するように前記バリアレベルを設定する工程を含む、請求項１２の方法。
【請求項１８】
前記バリアレベルを設定するステップは、前記イメージ検出デバイスの応答特性を徐々に向上させる既知の関係に基づいて、前記複数の行の各々の前記複数のバリアレベルの各々を設定する工程を含む、請求項１２の方法。
【請求項１９】
前記バリアレベルは電位として設定される、請求項１２の方法。
【請求項２０】
前記バリアレベルは、前記チャネル領域内に前記バリアを配置することによって設定される、請求項１２の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願のクロスリファレンス】
本出願は、１９９９年３月２２日に出願された「拡張されたダイナミックレンジを備える時間遅延／積分ＣＣＤ」というタイトルであって、同じ譲受人に譲渡された援用文献である仮出願Ｎｏ．６０／１２５，６７０に関する。出願人は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．の１１９（ｅ）（ｌ）節に準拠する１９９９年３月２２日の優先出願日の恩恵を請求するものである。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、撮像デバイスの分野に関する。特に時間遅延／積分（ＴＤＩ）イメージャのダイナミックレンジを拡張する方法に関する。
【０００３】
【発明の背景】
一般的な単線式イメージャ、例えば、チャージカップルドデバイス（ＣＣＤ）イメージャは、光検出器等の一行の感光電気デバイスを備えており、光チャージを集めることができる。光検出器は、集められた光チャージを、集められた光チャージ量に関係した電気的チャージ量に変換する。移動対象を撮像する際は、対象イメージが撮像デバイスやスキャナを通過可能な時間によって検出器の積分時間が制限される。その結果、対象イメージがイメージャを通過する速度が上がるにつれて、光チャージを収集可能な時間が短くなる。ＣＣＤイメージャを動作させる時間遅延／積分（ＴＤＩ）方法では、撮像アレイ内に複数行のＣＣＤスキャナを備える。対象イメージとイメージャが互いに相対的に移動するとき、限られた時間内にアレイの各行ではイメージデータを収集する。通常、対象イメージがイメージャを通過する場合と同じ速度で、一つの行から次の行へ収集電荷が移動することによって、ぶれを防ぐ。ＴＣＩ−ＣＣＤスキャナは、単線式スキャナよりも優れたメリットがある。すなわち、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスでは、対象イメージから光チャージを集めて積分するための長い時間が提供される。収集時間が長ければイメージャの感度も上がる。
【０００４】
しかしながら、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスを用いて高輝度のイメージを集めるときに積分時間が長いと、蓄積電荷量が感光デバイスの容量を超える。一般に、過剰電荷が隣接した感光デバイスに影響を与えることを防ぐために、過剰電荷は流出する。この流出によってイメージの詳細部分が失われる。この詳細部分の損失を避ける一つの方法は、過剰電荷と見なされるレベルを上げること、つまり電荷の流出を開始させるためのしきい値を上げることである。しかしながら、この方法では、感光デバイスの飽和レベルによって最大流出しきい値レベルが設定されるというデメリットがある。この場合は、過剰電荷の流出ではなく、セルがそれ以上の電荷を集めることができないために情報が失われる。過剰電荷の蓄積問題を防ぐ別の方法は、イメージの収集時間を短縮することである。しかしながら、この方法では、撮像デバイスの感度が下がるというデメリットがある。つまり、暗いイメージは、相対的に暗いままである。従って、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスのダイナミックレンジを拡げる必要がある。これによって、比較的明るいイメージからのデータを失わずに、暗いイメージを見るのに十分なイメージデータを集めることが可能となる。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の原理に基づいて開示される方法は、コーティングするバリアレベルを選択的に設定することによって各ステージで収集される電荷を選択的に制限することによって、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの内部シーンのダイナミックレンジを拡げるものである。バリアレベルを選択的に設定することによって、各セルで収集された最大蓄積電荷量は、電荷が一セルから次のセルへ移動するときにさらに増加する。第１の実施形態では、バリアレベルを階段状に増すように設定することによって各ステージで収集される電荷を制限するが、その後のセルでは、収集電荷量を段階的に多く蓄積することができる。本実施形態では、バリアレベルを階段状に増すことによって、セル内に電荷を蓄積するための基準点が変更される。基準レベルを変更することによって、撮像デバイスの応答特性がシフトするので、高輝度イメージに対する光蓄積チャージは圧縮されるが、低輝度のイメージに対する応答には実質的な影響はない。
【０００６】
添付の図面で詳細に説明される図示された実施形態を検討することによって、本発明のメリットと性質と様々な特徴がより完全になる。
【０００７】
これらの図面は本発明の新しいコンセプトを示すためのものであることを理解されたい。
【０００８】
【発明の具体的な説明】
開示された本発明の原理がＴＤＩ−ＣＣＤアレイイメージャに関するものであることを理解して頂いたと思う。しかしながら、本発明の原理は、その他の固体ＴＤＩ撮像デバイス、例えば、ＣＭＯＳ  ＴＤＩ−ＡＰＳデバイス等にも適用することができる。
【０００９】
図１は、８ステージＴＤＩ−ＣＣＤデバイス１００の模範的な概略図である。各ステージの複数のセルのうち、４つの感光デバイス（画素セル）１１５のみを図示して、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの動作について説明する。動作中、対象イメージからの光チャージは、第１のステージ、つまりステージ１０１に関する画素セル１１５から集められる。対象イメージやイメージャが移動するとき、イメージは、次のステージ（１０２）の画素セルを通過する。このステージのセルは、対象イメージから光チャージを集める。さらに、前のセルに集められた電荷は、現在の撮像セルに集められた電荷に加算される。従って、例えば、イメージがステージ１０２を通過するときに、ステージ１０１の画素セル１１５に集められた電荷は、ステージ１０２の画素セル１１５に加算される、即ち、伝送される。同様に、イメージがステージ１０３を通過するときに、ステージ１０２の画素セル１１５に蓄積された電荷は、ステージ１０３の画素セル１１５に集められた電荷に加算される。蓄積された光チャージは一つのステージのセルから次のステージのセルへ伝送され、１回に１ステージごとに最後のステージ、この場合はステージ１０８に到達するまでそれが続けられる。イメージから集められた光チャージは、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの深さ、つまり、ステージ１０１から１０８に蓄積され積分される。ステージ１１０では、蓄積された電荷がＴＤＩ−ＣＣＤデバイスから読み出される。
【００１０】
各画素セル１１５に集められた電荷を次の画素セル１１５に伝送するとき、電荷は、伝送チャネルとして周知の画素セル１１５用チャネルに沿って伝送されるが、その伝送チャネルは複数の画素セル用の一チャネル１２０として図示されている。通常、一つのセル１１５で集められたエネルギーがセルの最大容量を超えると、過剰のエネルギーがセルからあふれ出て、隣接したセルに「広がる」。ドレイン１２５とバリア１３０にコーティングを施すことによって、複数のチャネルが互いに分離される。これは、伝送チャネル１２１等の隣接したチャネルの複数のセルに蓄積された電荷に、一伝送チャネルの複数のセルに蓄積された電荷の影響が及ぶのを防ぐためである。蓄積された電荷が過剰であると見なされるレベルは、例えば、伝送チャネル１２０とドレイン１２５の間に存在するバリア１３０によって決定される。バリア１３０のレベル、即ち、電位が高いほど、各セル１１５に集められ蓄積される電荷の量も多くなる。一般に、画素セルの最大蓄積電荷量、つまり飽和レベルに達するようにバリア１３０のレベルが設定される。図示されているように、バリア１３０はチャネル１２０と１２１に隣接して水平に配置されている。本分野では周知のことであるが、バリア１３０はチャネル１２０と１２１に隣接して垂直にも配置され、画素セル１１５の電荷容量を制限する。
【００１１】
図２は、過剰電荷を制御するときのバリア１３０の作用を示す。図に示すように、画素セル１１５は、バリア１３０によって設定された値まで満たされている。電荷１４０によって表されているように、蓄積された電荷がバリア１３０のレベルを超えると、この超過分はドレイン１２５に向かう。この例では、最大電荷量が得られると、それ以上の電荷が集められてもそれらは単純に廃棄される。従って、バリア１３０の最大レベルによって、蓄積される電荷が制限される。
【００１２】
図３は、図１のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な性能特性を示し、輝度レベルの異なる３つのイメージについて示している。第１の例では、応答特性４００が、イメージャによって集められた電荷を示す。この例では、イメージャと対象イメージとが動いて互いに通り過ぎるときに、一つのステージの各画素セル１１５には、次のステージの画素セル１１５とほぼ同量の電荷が加えられる。集められ蓄積された電荷の量はイメージャのステージ数に比例して増加する。この模範的な第１のイメージの場合、８つのステージから集められた総電荷量はバリア１３０によって設定されたバリアレベル４６５より低い状態である。第２の例では、イメージは第１のイメージよりも明るく、集められた電荷は応答特性４２０によって示されている。この例では、イメージャと対象イメージとが動いて互いに通り過ぎるときに、（応答特性４００に基づいて集められた電荷）より多い電荷が各画素セル１１５に集められる。通常、蓄積された電荷がステージ１１０から読み出されるまで、応答特性４２０の破線部分４２５に沿って収集されたエネルギーの蓄積が続く。しかしながら、集められた電荷がバリアレベル４６５を超えると（この例では、第６のＣＣＤステージの最後の部分付近で起こる）過剰電荷はドレイン１２５に流出する。従って、応答特性４３０によって示されるように、蓄積される電荷はバリアレベル４６５に制限される、即ちクリップされる。応答特性４２０の破線部分で取り込まれるイメージの詳細部分は処理されないため失われる。
【００１３】
第３の例では、より明るいイメージの電荷が集められる。この明るいイメージに対する応答は応答特性４４０によって示される。この例では、ＣＣＤステージのうちの２つのステージだけ行われたイメージのスキャニング後に、そのイメージの輝度が原因で、蓄積電荷はバリア１３０によって設定された最大レベル（レベル４６５）を超えている。その蓄積電荷を連続するＣＣＤステージで蓄積できる場合は、その電荷は応答特性４４０の破線部分４４５によって示されるものとなるが、その電荷はバリアレベル４６５によって制限される。従って、バリアレベル４６５はイメージャの応答特性を制限する。バリアレベル４６５を超える量の電荷は簡単にドレイン１２５に廃棄され、この模範的な第３のイメージに基づいて蓄積された電荷は応答特性４６０で示されるように、レベル４６５に制限される。
【００１４】
図４は、本発明の原理に基づく８ステージＴＤＩ−ＣＣＤである。図示されているように、バリア１３０は、電荷容量曲線５１０に基づいて選択的に設定される。従って、各ステージで蓄積され保持される電荷の量はさらに増加する。模範的な一実施形態のイメージャのステージ１０１−１０５では、最大バリアレベル４６５の２５パーセント（０．２５）に、また、ステージ１０６と１０７では最大バリアレベルの５０パーセントに蓄積電荷を制限するようにバリア１３０が設定される。ステージ１０８では、バリア１３０のレベルは最大バリアレベル４６５に設定される。最大バリアレベルは、画素セル１１５の最大容量とは無関係に設定されるが、通常、画素セルの最大容量とほぼ等しく設定される。
【００１５】
この例では、バリア１３０を階段状のパターンに選択的に設定し、これによって、前のステージで集められるデータ量は制限されるが、後のステージほどより多くの電荷を集めることができる。従って、ステージ１０１−１０５には、収集可能な電荷の２５パーセントが蓄積される。ステージ１０６と１０７には、収集可能な電荷の５０パーセントが蓄積され、ステージ１０８には、最大電荷量を蓄積することができる。図示された構成によって、画素セル１１５を飽和させることなく、最大電荷量を集めることができる。
【００１６】
図５は、図３で議論された模範的な３イメージの場合での図４に示された模範的特性に基づいて選択的に設定されたバリア特性を有するＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの応答特性を示す。（最低の明るさの）模範的な第１のイメージの場合では、集められた電荷は応答特性６００によって示される。応答特性６００は図３の応答特性４００と同様であり、その蓄積電荷は、ステージ１０１−１０５や１０６−１０７や１０８に選択的に設定されたバリアレベルを超えることはない。従って、応答特性は変わらず、蓄積電荷も制限されない。
【００１７】
模範的な第２のイメージの場合では、ステージ１０２で電荷を集めるときに蓄積電荷は第１のバリアレベルを超えることを応答特性６１０が示している。即ち、ステージ１０１で集められる電荷とステージ１０２で集められる電荷の累積量は、ステージ１０１から１０５に選択的に設定されたバリアレベルを超える。従って、さらにステージ１０３−１０５で集められた電荷によって蓄積電荷がバリア１３０のレベルを超えて流出する。応答特性６２０によって示されるように、ステージ１０３−１０５で蓄積された電荷は収集可能な電荷の２５パーセントに制限される。ステージ１０６では、バリア１３０のレベルは最大バリアレベルの５０パーセントにまで引き上げられ、集められる電荷がさらに増加する。ステージ１０６が動いて対象イメージを通り過ぎるとき、ステージ１０６の画素セル１１５で電荷が集められる。蓄積電荷の増加は、応答特性６３０によって示される。図示されているように、ステージ１０７で電荷を集めている間に蓄積された電荷はバリア１３０のレベルを超え、過剰の電荷が流出する。応答特性６４０によって示されるように、蓄積電荷は５０パーセントに制限される。ステージ１０８では、バリア１３０レベルが引き上げられ、集められる電荷もさらに増加する。応答特性６５０によって示されるように、ステージ１０８が対象イメージを通過するときに電荷が蓄積される。集められた電荷がステージ１１０から読み出されるまで、電荷レベルの蓄積は続く。
【００１８】
この模範的なケースでは、蓄積電荷レベルは実質的に最大レベルよりも低い。従って、最も明るいイメージデータは失われない。なぜならば、イメージデータは圧縮されているからである。図示されているように、バリア１３０レベルが階段状に増加するイメージャでは、次に続く電荷蓄積セルで使われる基準点の変更、即ち、シフトが起こる。基準点の変更によって、明るいイメージからより多くのデータを集めることが可能となる。
【００１９】
図４で議論された最も明るいイメージに似た模範的な第３のイメージでは、そのイメージの明るさが原因で、ステージ１０１の収集段階で集められた電荷がバリア１３０の第１のレベルを超える。そのため、対象イメージがステージ１０１−１０５を通り過ぎるときに集められた電荷は流出する。応答特性６２０によって示されるように、蓄積電荷レベルはバリアレベルに固定されている。ステージ１０６から始まるバリア１３０レベルは上がる。応答特性６７０によって示されるように、ステージ１０６が対象イメージを通り過ぎるとき、ステージ１０６の画素セル１１５に電荷が再び蓄積される。図示されているように、イメージの明るさが原因で、蓄積電荷は上げられたバリアレベルをすぐに超えてしまう。従って、この上げられたバリアレベルを超えた後に集められた電荷は流出する。このため、応答特性６４０によって示されるように、ステージ１０６から１０７の間で蓄積された電荷レベルは制限される。ステージ１０８では、応答特性６８０によって示されるように、バリア１３０レベルがさらに上がり、再度電荷が蓄積される。本実施形態では、イメージの最も明るい部分が集められるので、イメージの最も明るい部分は失われない。基準点の変更によってイメージデータが圧縮されるので、複数の画素セルは電荷を蓄積できるが、そうでなかった場合は、その最大容量を超えた電荷となってしまっているだろう。基準点の変更によって、明るいイメージのイメージデータを集めることができるが、もしそうでなかったならば、低光源レベル特性に影響を与えることなく、イメージデータは失われてしまっただろう。
【００２０】
本発明の原理に基づいて、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスのダイナミックレンジは、選択的に設定されるバリアレベルによって拡張されるが、そのバリアによって電荷収集容量が制限される。選択的に設定されたバリアレベルによって、蓄積電荷の基準点がシフトする。基準点の変更、即ち、シフトによって、イメージャはイメージの明るい部分を圧縮することができ、このとき、同じイメージの低輝度の部分に影響を与えることはない。
【００２１】
既に理解されていることであるが、本発明の範囲は、図示された模範的な８ステージＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの電荷容量を階段状に増加させることに制限されない。むしろ、例えば、指数関数や逆対数関数や幾何学、即ち、多項式関数を用いて、バリアレベルを累進的に設定して、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスが電荷を累進的に蓄積する方法を決定することができる。さらに、バリアレベル数は、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスのステージ数に比例して増加する。従って、様々なバリアレベル数は、ステージ数にほぼ等しく設定される。
【００２２】
図６ａは、図４に示された電荷容量を有するＴＤＩ−ＣＣＤイメージャを製造する第１の実施形態である。この実施形態では、バリアレベル１３０を設定することによって収集電荷量が制限される。例えば、バリアレベルを設定することによって、ステージ１０１−１０５の画素セル１１５は、画素セル１１５の全容量、つまり、最大レベル４６５のうちの２５パーセントのみを集めるように制限される。ステージ１０６、１０７の場合は、ステージ１０６、１０７の画素セル１１５が収集して保持する蓄積電荷を全容量の５０パーセントに相当する量に制限するようにバリアレベルが設定される。ステージ１０８の場合は、全容量とほぼ等しい量の蓄積電荷が収集され保持されるように、画素セル１１５の全幅に対してバリアレベルが設定される。図６ｂは、図４に示された電荷容量を有するＴＤＩ−ＣＣＤイメージャを製造する第２の実施形態である。この実施形態では、バリアレベル、即ち、電位は一定であるが、画素セル１１５の幅を調整するよう配置されて、収集される電荷が制限される。この場合、収集電荷量は画素セルのサイズによって制限される。さらに、バリアレベル１３０の幅は、ほぼ一定となる。
【００２３】
図７ａは、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスを製造するための第２の実施形態であり、これによって図４に示された模範的な階段状蓄積電荷特性が得られる。この実施形態では、画素セルの電荷容量を所定のステージで設定することによって、蓄積電荷が制限される。図示されているように、ステージ１０１−１０４の画素１１５幅は最大レベル４６５、つまり、全収集容量に設定されている。ステージ１０５では、画素１１５の幅は最大レベル４６５の２５パーセントに狭められる。ステージ１０６では、画素１１５の幅は再び最大レベル４６５まで広げられ、ステージ１０７では、画素１１５の幅は最大レベル４６５の５０パーセントに狭められる。最後に、ステージ１０８では、画素１１５の幅は再び最大レベル４６５まで広げられる。ステージ１０５や１０７の狭いチャネル領域は、電荷クリッパとして作用する。図７ｂは別の実施形態であり、図７ａに関して説明されたものと同様にバリア１３０の幅はほぼ一定である。本実施形態では、画素１１５のサイズが小さくなると、それにあわせてドレイン１２５の幅が広がるという利点がある。ドレイン１２５が広がることによって、過剰に蓄積された電荷を流出することが可能となる。
【００２４】
図示されていない別の実施形態では、図２に示すように、画素セル１１５の深さを利用することによって画素の電荷容量が制御される。ここで説明されている８ステージＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの場合、全電荷容量の２５パーセントを収集するようにステージ１０１−１０５の画素セル１１５の深さが設定される。同様に、全電荷容量の５０パーセントを集めるように、ステージ１０６−１０７の画素セル１１５の深さが設定され、全電荷を蓄積するようにステージ１０８の画素セル１１５の深さが設定される。
【００２５】
図８は、図３と図５に関して説明された模範的な３つのイメージに対する本発明の本実施形態の応答特性を示す。模範的な第１のイメージでの応答特性は、応答特性８００によって示される。前述したように、ステージ１０１から１０８に蓄積された電荷はそれに関係するバリアレベルよりも低い。従って、選択的に設定されたレベルは、この模範的な第１のイメージの場合のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの応答特性に影響を与えない。図３で説明したように、模範的な第２のイメージの場合は、応答特性８１０で示されるように、ステージ１０１−１０４の蓄積電荷は最大レベル４６５まで増加する。しかしながら、ステージ１０５では、画素セル１１５の電荷容量は最大レベル４６５の２５パーセントに設定される。従って、対象イメージがステージ１０５を通り過ぎるとき、応答特性８２０によって示されるように、この２５パーセントレベルを上回る量の蓄積された電荷は流出する。さらに、ステージ１０５でさらに集められた電荷も流出する。従って、応答特性８３０によって示されるように、蓄積電荷には制限がある。ステージ１０６では、応答特性８４０によって示されるように、画素セル１１５の電荷容量は再び最大レベル４６５まで増加して、電荷が再び蓄積される。ステージ１０７では、画素セル１１５に関する電荷容量は５０パーセントまで削減される。従って、応答特性８５０によって示されるように、この５０パーセントレベルを上回る量の電荷が集められると、それらは流出するので、蓄積電荷レベルは一定である。応答特性８６０によって示されるように、ステージ１０８の初めの部分では、画素セル１１５の電荷容量は最大レベル４６５まで増加するので、電荷が再び蓄積される。従って、図５に示されたものと同様の撮像デバイスに、イメージャの明るい部分が再び取り込まれる。
【００２６】
図３で議論したように、第３の模範的なイメージについては、応答特性８６５によって示されるように、蓄積電荷はすぐに最大レベル４６５まで増加する。応答特性８７０によって示されるように、ステージ１０２−１０４でさらに電荷が集められても、それらは流出する。ステージ１０５では、応答特性８７５によって示されるように、画素セル１１５の電荷容量は２５パーセントであり、このレベルを上回る量の電荷が蓄積されても、それらは流出する。さらに、応答特性８３０によって示されるようにさらに電荷が集められても、それらは同様に流出し、蓄積電荷レベルは一定である。ステージ１０６では、画素セル１１５の電荷容量は再び最大レベル４６５まで増加する。応答特性８８０によって示されるように、電荷が再び蓄積される。応答特性８８５によって示されるように、ステージ１０７の初めの部分の画素セル１１５の電荷容量は再び５０パーセントまで削減され、この削減されたレベルを上回る量の電荷が蓄積されても、それらは再び流出する。応答特性８５０によって示されるように、蓄積電荷はこのレベルに固定され、さらに電荷が集められてもそれらは流出する。ステージ１０８では、応答特性８９０によって示されるように、画素セル１１５の電荷容量が再び増加し、蓄積電荷は再び増加する。従って、この第３の模範的なイメージの最も明るい部分は、図５に示された部分と同様に取り込まれる。
【００２７】
サイズが変わる伝送チャネルの表現は、バリアレベルが変化する模範的なモデルを得る様々な方法を示すだけのものであることを理解されたい。また、同様に蓄積電荷を増加させるためにその他の方法を用いてもよい。
【００２８】
ダイナミックレンジを拡張するさらに別の手段は、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの少なくとも一ステージ上にフィルタリングエレメントを配置することによって達成される。複数の収集ステージでイメージが移動するときにフィルタリングエレメントを用いてイメージの輝度を下げることによって、ダイナミックレンジをさらに拡張することができる。図４は、ステージ１０８上のフィルタ５００の配置を示す。本実施形態では、複数のバリアレベルを選択的に設定することに加えて、フィルタ５００を用いることによって、イメージがステージ１０８を通り過ぎるときのイメージの輝度を下げることができる。例えば、フィルタ５００は中間密度フィルタ、即ち、溝切（ｓｌｏｔｔｅｄ）金属フィルタである。フィルタリングは本技術分野では周知のものであるため、ここで詳しく説明する必要はないであろう。
【００２９】
図９は、図４に示されるステージ１０８上にフィルタ５００が配置されたＴＤＩ−ＣＣＤイメージャの応答特性を示す。この場合、模範的な３つのイメージに対する応答は、フィルタリングされたステージでの応答を除いて、図５に示された応答と同様である。つまり、模範的な第１のイメージに対する本実施形態の応答は、図５の応答特性６００と同様である。しかしながら、フィルタ５００を配置することによって、ステージ１０８で電荷を集める際にイメージの輝度が下がってしまう。従って、収集電荷量は減少し、蓄積電荷の減少は応答特性９１０によって示される。同様に、図９に示すように、模範的な第２と第３のイメージに対する応答は、ステージ１０８の応答を除いて、図５に示される対応する応答と同じである。応答特性９６０、９９０のそれぞれによって示されるように、ステージ１０８上にフィルタ５００を配置することによって収集される電荷は減少する。従って、本発明の原理に基づいて少なくとも一つの収集ステージ上のフィルタを選択的に用いて高輝度のイメージを集めることによって、ＴＤＩ−ＣＣＤのダイナミックレンジはさらに拡がる。
【００３０】
図１０ａは、一ステージ（ステージ１０８）上にフィルタを組み込んだ背面照明型８ステージＴＤＩ−ＣＣＤイメージャの模範的な実施形態の断面図である。図１０ｂは、１つのステージ（ステージ１０８）上にフィルタが組み込まれた８ステージ／背面照明型ＴＤＩ−ＣＣＤイメージャの第２の模範的な実施形態の断面図である。理解されていることであるが、本発明の原理は前面照明型ＴＤＩ−ＣＣＤイメージャにも同様に適用することができる。図１０ｃは、１つのステージ（ステージ１０８）上にフィルタを組み込んだ前面照明型８ステージＴＤＩ−ＣＣＤイメージャの模範的な実施形態の断面図である。
【００３１】
本発明の原理に基づいて構成されたＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの例として図１０ａを用いると、イメージャ１０１０が１０５０の方向で対象イメージを通り過ぎるときに、対象イメージからの光エネルギー１０４０は各収集ステージで順次集められる。図示されているように、ＴＤＩ−ＣＣＤイメージャ１０１０は、８つのステージ、即ち、ステージ１０１−１０８から構成される。ステージ１０１−１０８はウェハー１０００内に形成され、ウェハーは、一般にシリコンやＧａＡｓ等の半導体材料から形成される。
【００３２】
ウェハー１０００にはブロック１０２０が取り付けられている。ブロック１０２０は、ウェハー１０１０を支持し保護する。通常、ブロック１０２０は光学的に透明な材料である。例えば、可視光領域で用いられるイメージャの場合は、ブロック１０２０はガラスやプラスティックやアクリルやポリマー等の材料から構成されるが、これらは、重大な劣化や損失を引き起こすことなく光１０４０が通過できるものである。ＩＲ領域で動作するイメージャの場合、ブロック１０２０はシリコン等の材料から構成される。ＵＶ領域で動作するイメージャの場合、ブロック１０２０は石英や塩化カルシウム等の材料から構成される。
【００３３】
フィルタ１０３０は、ブロック１０２０とウェハー１０１０間の面１０７０上に配置される。前述したフィルタ５００と同様にフィルタ１０３０をステージ１０８上に配置することによって、このステージで集められる電荷が削減される。理解されていることであるが、フィルタ１０３０の配置は、図示されているように面１０７０に限定されない。むしろ、例えば、面１０６０上にフィルタ１０３０を配置することもできるし、ブロック１０２０内に組み込んでイメージの輝度を下げることもできる。例えば、ブロック１０２０の材料の反射率を変えることによってフィルタをブロック１０２０内に組み込むことができる。反射率を変えることによって、ブロック１０２０を横断してウェハー１０００内のステージ１０１−１０８で集められる光の輝度が下がる。さらに、フィルタ１０３０は、ウェハー１０１０上に組み込むこともできる。しかしながら、フィルタ１０３０をウェハー１０１０上に組み込むにはデメリットもある。つまり、フィルタの交換が必要な場合は、ウェハー１０１０に影響が及ぶことである。従って、フィルタ１０３０をブロック１０２０に組み込めば、ウェハー１０１０に影響を及ぼさずにフィルタを交換することが可能となる。
【００３４】
フィルタは複数のステージ上で用いられるが、各フィルタがイメージの輝度を同様に低下させる必要はない。例えば、前の収集ステージではフィルタリングを行わなくとも後の収集ステージでは輝度が大きく低下するように、ＴＤＩ−ＣＣＤの深さに沿って複数のフィルタに段階を付けることができる。従って、図９に示すように、段階付けたフィルタリングを行っても、イメージの低輝度部分は影響を受けないが、明るい部分には影響を及ぼすことがある。
【００３５】
ここで示された複数の例は、当業者が本発明を明確に理解して実行できるように提示されている。これらの一例は本発明の範囲に限定されず、単に本発明を図示して表現したものであると考えていただきたい。上記に鑑み、本発明に関する様々な修正やそれに代わる様々な実施形態は当業者にとって明らかなことである。従って、本説明は単なる一例と考えるべきであって、また、それは本発明を実行するためのベストモードを当業者に教唆することが目的であって、可能な全ての形態を示すものではない。また、用いた複数の用語は限定するためではなく、説明のための用語であり、本発明の精神を逸脱しない範囲でその構成の詳細部を変更することができ、また、添付の特許請求の範囲内で行われる全修正事項の独占的使用権が確保されることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  模範的なＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの概略図である。
【図２】  ＣＣＤを構成する画素セルとバリアの断面図を表す。
【図３】  ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの一般的な応答特性を示す。
【図４】  本発明の原理に基づくＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの概略図である。
【図５】  本発明の原理に基づく、図４に示されたＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの応答特性を示す。
【図６ａ】  本発明の原理に基づいて電荷容量を制限する模範的な第１の実施形態である。
【図６ｂ】  本発明の原理に基づいて電荷容量を制限する模範的な第２の実施形態である。
【図７ａ】  本発明の原理に基づいて電荷容量を制限する模範的な第３の実施形態である。
【図７ｂ】  本発明の原理に基づいて電荷容量を制限する模範的な第４の実施形態である。
【図８】  本発明の第２の実施形態のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な応答特性を示す。
【図９】  本発明の別の実施形態のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な応答特性を示す。
【図１０ａ】  図８に示される応答特性を有する背面照明型のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な実施形態の断面図である。
【図１０ｂ】  図８に示される応答特性を有する背面照明型のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な第２の実施形態の断面図である。
【図１０ｃ】  図８に示される応答特性を有する前面照明型のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な実施形態の断面図である。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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