(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジの向上を図ることができる撮像素子を提供することを目的とする。【解決手段】電荷増倍セルを２列に並列接続するように電荷増倍セルを２列に分割し、各分割された電荷増倍セルの電荷増倍率が互いに異なるように、ＣＣＭ２１を構成する。したがって、所定量を超えた信号電荷を各分割された電荷増倍率の少ない方のＧ列側のセルＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬに振り分けるとともに、所定量までの信号電荷を各分割された電荷増倍率の多い方のＭ列側のセルＢＳ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮに振り分けることが可能になる。その結果、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。【選択図】図３
2007318005.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増倍させる複数の電荷増倍セルを直列接続して構成された電荷増倍手段とを備えた撮像素子であって、前記電荷増倍セルを複数列に並列接続するように電荷増倍セルを同数列に分割し、分割箇所のセルよりも下流側である後段側の電荷増倍セルでは各分割された電荷増倍セルが各列に対して互いに独立し、各分割された電荷増倍セルの電荷増倍率が互いに異なるように、前記電荷増倍手段を構成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、前記各分割された電荷増倍セルのうち、電荷増倍率が１の直列接続された電荷増倍セルを有するように前記電荷増倍手段を構成することを特徴とする撮像素子。
【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セル）を備える。これらの光電変換部や電荷蓄積部をチップ上に配設している。
【０００３】
ところで、かかるＣＣＤセル自体に電荷増倍機能(Charge Carrier Multiplication: CCM)を持たせて信号電荷が少ないときでもＳＮ比を向上させる技術がある（例えば、特許文献１、２参照）。ＣＣＭよりも下流側である後段側に、ＣＣＭで増倍された信号電荷を電圧に変換して出力する出力アンプを配設している。
【特許文献１】特開平７−１７６７２１号公報
【特許文献２】特開２００３−５１５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１の場合には、その出力アンプが扱える信号電荷量に上限があるので、ＣＣＭの増倍機能は感度向上に寄与しても、ダイナミックレンジの向上には寄与しない。そこで、上述した特許文献２のように、ＣＣＭのＣＣＤセル内に、出力アンプが扱える信号電荷量を超えたオーバーフロー分を収集するオーバーフロー領域を備えれば、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。
【０００５】
しかし、かかる手法では、ＣＣＭのＣＣＤセル内での後段側の各セルからのオーバーフロー分をも収集して、各オーバーフロー分が加算される。つまり、ＣＣＭのＣＣＤセル内での最前段のセルで信号電荷を振り分けるだけでなく、ＣＣＭのＣＣＤセル内での途中段のセルにおいても信号電荷を振り分けることになる。この手法では、各々のＣＣＤセルの飽和信号量が同じあればよいが、現実には各ＣＣＤセルの飽和信号量を同じすることは難しく、計算通りの出力が得られるとは限らない。そこで、上述した特許文献２の手法以外に、ダイナミックレンジの向上を図ることができる手法が望まれる。
【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、ダイナミックレンジの向上を図ることができる撮像素子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】
【０００７】
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増倍させる複数の電荷増倍セルを直列接続して構成された電荷増倍手段とを備えた撮像素子であって、前記電荷増倍セルを複数列に並列接続するように電荷増倍セルを同数列に分割し、分割箇所のセルよりも下流側である後段側の電荷増倍セルでは各分割された電荷増倍セルが各列に対して互いに独立し、各分割された電荷増倍セルの電荷増倍率が互いに異なるように、前記電荷増倍手段を構成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、電荷増倍セルを複数列に並列接続するように電荷増倍セルを同数列に分割し、各分割された電荷増倍セルの電荷増倍率が互いに異なるように、電荷増倍手段を構成することで、所定量を超えた信号電荷を各分割された電荷増倍率の少ない方の電荷増倍セルに振り分けるとともに、所定量までの信号電荷を各分割された電荷増倍率の多い方の電荷増倍セルに振り分けることが可能になる。その結果、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。また、分割箇所のセルよりも下流側である後段側の電荷増倍セルでは各分割された電荷増倍セルが各列に対して互いに独立するように電荷増倍手段を構成することで、後段側の各電荷増倍セルには信号電荷が振り分けられることはない。その結果、特許文献２のような各々のＣＣＤセルの飽和信号量のバラツキに起因する出力誤差が発生しない。本明細書中では、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上を『高速撮影』とする。
【０００９】
上述した発明において、各分割された電荷増倍セルのうち、電荷増倍率が１の直列接続された電荷増倍セルを有するように電荷増倍手段を構成するのが好ましい（請求項２に記載の発明）。すなわち、所定量を超えた信号電荷を電荷増倍率が１の電荷増倍セルに振り分けるとともに、所定量までの信号電荷を電荷増倍率が１以外の電荷増倍セルに振り分けることで、ダイナミックレンジの向上をより一層図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る撮像素子によれば、電荷増倍セルを複数列に並列接続するように電荷増倍セルを同数列に分割し、各分割された電荷増倍セルの電荷増倍率が互いに異なるように、電荷増倍手段を構成することで、所定量を超えた信号電荷を電荷増倍率の少ない方の電荷増倍セルに振り分け、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。
【実施例】
【００１１】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係る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、ＣＣＤの構成を示すブロック図である。
【００１２】
実施例に係る撮像装置は、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。この撮像装置は、撮影速度が１．０×１０６フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）の高速撮像として用いられる。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。
【００１３】
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（実施例では信号電荷から変換された電圧）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。
【００１４】
電源部９ａは、信号電荷を読み出す読み出しゲート１４（図２を参照）や、ＣＣＤ１内の信号電荷を転送する転送電極Ｂ１〜Ｂ３（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。本実施例では、タイミングジェネレータ９ｂは、図４のように後述する信号電荷の分配（振り分け）または信号電荷の転送に応じて、後述するＢＧゲートの電圧の印加のタイミングを制御して、電源部９ａは、そのタイミングジェネレータ９ｂに基づいて図４のようにＢＧゲートに電圧を印加する。なお、電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂによる図の具体的な説明については、図３、図４で後述する。
【００１５】
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ＣＣＤセル１２と、これら蓄積用ＣＣＤセル１２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ＣＣＤセル１３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する。
【００１６】
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ＣＣＤセル１２へ各読み出しゲート１４は信号電荷を読み出す。
【００１７】
各蓄積用ＣＣＤセル１２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ＣＣＤセル１２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ＣＣＤセル１２に順次に転送しながら各蓄積用ＣＣＤセル１２に蓄積する。そして、蓄積用ＣＣＤセル１２から順次に転送された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤセル１３に合流させる。垂直転送用ＣＣＤセル１３から転送されたこの信号電荷を水平転送用ＣＣＤセル１５に転送する。
【００１８】
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ＣＣＤセル１２は斜め方向に延びている。本実施例に係るＣＣＤ１は、いわゆる『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』と呼ばれているものである。
【００１９】
このように斜め方向にすることで水平および垂直方向に平行して各フォトダイオード１１を並べて配設することができる。なお、ライン状の蓄積用ＣＣＤセル１２を垂直方向に延在するように構成すると、各フォトダイオード１１が斜め方向に配置されてしまう。この『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』では、各フォトダイオード１１が、かかる配置にならずに直方配列になる。
【００２０】
本実施例では、水平転送用ＣＣＤセル１５の後段に電荷増倍機能(Charge Carrier Multiplication: CCM)を有したＣＣＤセルを配設している。以下、このＣＣＭについて、図３、図４を参照して説明する。図３は、ＣＣＭ周辺のブロック図であり、図４は、信号電荷の分配の電位図である。
【００２１】
水平転送用ＣＣＤセル１５の後段には、図３に示すようにＣＣＭ２１を備えている。具体的には、ＣＣＭ２１は、フォトダイオード１１から発生した信号電荷を増倍させる複数の電荷増倍セルを直列接続して構成されている。ＣＣＭ２１は、この発明における電荷増倍手段に相当する。
【００２２】
さらに、この発明の特徴部分として、上述した電荷増倍セルを複数列に並列接続するように電荷増倍セルを同数列に分割している。ここで分割箇所に符号２２を付す。その分割箇所２２のセルよりも下流側である後段側の電荷増倍セルでは各分割された電荷増倍セルが各列に対して互いに独立している。各分割された電荷増倍セルの電荷増倍率が互いに異なるようにしている。
【００２３】
本実施例では、電荷増倍セルをＧ列とＭ列との２列に並列接続するように電荷増倍セルを同数列（２列）に分割している。分割箇所２２のセルのうち、Ｇ列側のセルに符号ＢＤを付すとともに、Ｍ列側のセルに符号ＢＳを付す。また、分割箇所２２のＭ列側のセルＢＳから信号電荷を分配して、分割箇所２２のＧ列側のセルＢＤに振り分けるＢＧゲート（図３では『ＢＧ』で表記）を、分割箇所２２のＧ列側のセルＢＤとＭ列側のセルＢＳとの間に間に配設している。
【００２４】
なお、水平転送用ＣＣＤセル１５の各セルを、上流側である前段側から下流側である後段側に順に、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，…，ＨＭとする。水平転送用ＣＣＤセル１５における最後段のセルＨＭは、分割箇所２２のＭ列側のセルＢＳに隣接している。分割箇所２２のＧ列側のセルＢＤよりも後段側のＧ列の各セルを、前段側から後段側に順に、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬとするとともに、分割箇所２２のＭ列側のセルＢＳよりも後段側のＭ列の各セルを、前段側から後段側に順に、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮとする。以上をまとめると、各分割された電荷増倍セルのうち、Ｇ列側のセルは、ＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬとなり、Ｍ列側のセルは、ＢＳ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮとなる。
【００２５】
分割箇所２２のＧ列側のセルＢＤよりも後段側のＧ列の各セルＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬと、分割箇所２２のＭ列側のセルＢＳよりも後段側のＭ列の各セルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮとの間には、分割箇所２２のＧ列側のセルＢＤとＭ列側のセルＢＳと間に介在するＢＧゲートのようにはＢＧゲートが介在していない。これによって、分割箇所２２のセルＢＤ，ＢＳよりも下流側である後段側の電荷増倍セル（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬ／Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮ）では各分割された電荷増倍セル（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬ／Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮ）が各列に対して互いに独立することになる。
【００２６】
また、本実施例では、各分割された電荷増倍セルのうち、Ｇ列側のセルＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬの電荷増倍率を１とするとともに、Ｍ列側のセルＢＳ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮの電荷増倍率を１０としている。したがって、本実施例では、電荷増倍率が１の直列接続された電荷増倍セルＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬを有するようにＣＣＭ２１を構成していることになる。また、Ｇ列側のセルＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬの電荷増倍率が１であることから、電荷増倍機能を有さないＧ列側の（水平転送用ＣＣＤ）セルＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬと、電荷増倍機能を有したＭ列側の（水平転送用ＣＣＤ）セルＢＳ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮとをＣＣＭ２１が有しているとみなすことができる。
【００２７】
図３に示すように、水平転送用ＣＣＤセル１５の各セルをＨ１，Ｈ２，Ｈ３，…，ＨＭの順に転送する転送電極に、符号Ｂ１を付すとともに、Ｇ列側のセルをＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬの順に転送する転送電極に、符号Ｂ２を付す。また、Ｍ列側のセルをＢＳ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮの順に転送する転送電極に、符号Ｂ３を付す。なお、実際には、例えば水平転送用ＣＣＤセル１５が３相駆動の場合には、転送電極Ｂ１が１つのセル毎に３つあり、例えば水平転送用ＣＣＤセル１５が４相駆動の場合には、転送電極Ｂ１が１つのセル毎に４つあるが、図３では１つのセル毎に１つのみ図示する。
【００２８】
タイミングジェネレータ９ｂ（図１を参照）は、各セルへの転送電極Ｂ１〜Ｂ３の印加のタイミングを決定するとともに、ＢＧゲート（図３のＢＧを参照）の電圧の印加のタイミングを決定する。電源部９ａ（図１を参照）は、そのタイミングジェネレータ９ｂに基づいて、各セルへ転送電極Ｂ１〜Ｂ３を通じて電圧を印加して、ＢＧゲートに電圧を印加する。
【００２９】
Ｇ列側のセルでの最後段のセルＧＬを出力アンプＡ１に接続するとともに、Ｍ列側のセルでの最後段のセルＭＮを出力アンプＡ２に接続している。Ｇ列側のセルＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬから転送された信号電荷は出力アンプＡ１によって電圧に変換されて出力される。Ｍ列側のセルＢＳ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮから転送された信号電荷は出力アンプＡ２によって電圧に変換されて出力される。
【００３０】
ここで、簡単のために出力アンプＡ１，Ａ２は互いに同じ特性とし、その出力アンプＡ１，Ａ２が扱える最大信号電荷量を30,000e、等価ノイズ電子数を20eとし、他のノイズ因子については無視できるとする。なお、ダイナミックレンジを２０×log（最大信号電荷量÷等価ノイズ電子数）［ｄB］で求めるとする。
【００３１】
従来では、通常の使用でＣＣＭがない場合、ダイナミックレンジは２０×log（30,000e÷20e）［ｄB］＝63.52［ｄB］である。出力アンプの前段にＣＣＭがある場合でも、電荷増倍率が１０のＣＣＭを経由させると等価電子ノイズ数は20e/10＝2eとみなせるが、ＣＣＭへ投入される前の信号電荷量が3,000e以上だと出力アンプの最大信号電荷量を超えて扱えないので、3,000eに制限される。したがって、ダイナミックレンジは２０×log（3,000e÷2e）［ｄB］＝63.52［ｄB］で、通常の使用でＣＣＭがない場合と変わらなくなる。
【００３２】
これに対して、実施例の場合には、図４に示すように、分割箇所２２のＭ列側のセルＢＳからＧ列側のセルＢＤへの信号電荷の分配（振り分け）、または各分割された分割箇所２２のＧ列側のセルＢＤ／Ｍ列側のセルＢＳから後段側の各セル（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬ／Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮ）への信号電荷の転送に応じて、ＢＧゲートへの電圧の印加のタイミングを制御する。図４は、分割箇所２２を断面とした電位図であって、図４（ａ）は、電荷分配時で信号電荷が3,000e以下の場合の電位図、図４（ｂ）は、電荷分配時で信号電荷が3,000eを超えた場合の電位図、図４（ｃ）は、電荷転送時で信号電荷が3,000e以下の場合の電位図、図４（ｄ）は、電荷転送時で信号電荷が3,000eを超えた場合の電位図である。
【００３３】
例えば、図４（ａ）に示すように、電荷分配時で信号電荷が3,000e以下（図４（ａ）では『Signal<=3,000e』で表記）の場合には、ＢＧゲートへの電圧をHighにして印加（図４（ａ）では『ＢＧ＝Ｈ』で表記）する。これによってLowのときと比較するとＢＧゲートの直下の電位は上がるが、信号電荷が3,000e以下なので、Ｇ列には振り分けられず全ての信号電荷はＭ列のみに分配されて振り分けられる。
【００３４】
例えば、図４（ｂ）に示すように、電荷分配時で信号電荷が3,000eを超えた（図４（ｂ）では『Signal>3,000e』で表記）場合には、ＢＧゲートへの電圧をHighにして印加（図４（ｂ）では『ＢＧ＝Ｈ』で表記）する。これによってLowのときと比較するとＢＧゲートの直下の電位は上がり、かつ信号電荷が3,000eを超えているので、3,000eを超えた分がＢＧゲートの直下を通ってＧ列に分配されるとともに、3,000eはＢＧゲートの直下の電位にさえぎられてＭ列に留まって分配されて振り分けられる。
【００３５】
例えば、図４（ｃ）に示すように、電荷転送時で信号電荷が3,000e以下（図４（ｃ）では『Signal<=3,000e』で表記）の場合には、ＢＧゲートへの電圧をLowにして印加（図４（ｃ）では『ＢＧ＝Ｌ』で表記）する。これによってHighのときと比較するとＢＧゲートの直下の電位は下がり、この状態で転送電極Ｂ３（図３を参照）に電圧を印加すれば、信号電荷はＭ列側のセルＢＳから隣接するセルＭ１に転送される。
【００３６】
例えば、図４（ｄ）に示すように、電荷転送時で信号電荷が3,000eを超えた（図４（ｄ）では『Signal>3,000e』で表記）場合には、ＢＧゲートへの電圧をLowにして印加（図４（ｄ）では『ＢＧ＝Ｌ』で表記）する。これによってHighのときと比較するとＢＧゲートの直下の電位は下がり、この状態で転送電極Ｂ２，Ｂ３（図３を参照）に電圧を印加すれば、3,000eを超えた分はＧ列側のセルＢＤから隣接するセルＧ１に転送されるとともに、3,000eはＭ列側のセルＢＳから隣接するセルＭ１に転送される。
【００３７】
なお、ＢＧゲートへの電圧をHighにして印加する場合には１０Ｖ程度であり、ＢＧゲートへの電圧をLowにして印加する場合には０Ｖである。もちろん、ＢＧゲートへの電圧のHigh/Lowの値は、１０Ｖ／０Ｖに限定されず、ＢＧゲートの特性によって適宜設定すればよい。
【００３８】
また、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す信号電荷が3,000e以下／3,000eを超えた場合に応じて電荷分配を変えるように、ＢＧゲートへの電圧のHighの値を境界にして行う場合には、（撮像装置の組み立て）調整時に以下のようにしてHighの値を予め決定すればよい。すなわち、水平転送用ＣＣＤセル１５の最前段に、水平転送用ＣＣＤセル１５に所定量の電荷を注入するチャージインジェクションユニット（図示省略）を配設して、撮像を行っていない状態でＢＧゲートへの電圧の値を任意に設定して、そのチャージインジェクションユニットに所定量として3,000e以上の電荷を注入する。
【００３９】
もし、設定されたＢＧゲートへの電圧の値によって電荷がＧ列に分配されて、その結果、下流側に接続された出力アンプＡ１で電圧が検出されれば、3,000eを超えた分がＢＧゲートの直下を通ってＧ列に分配されたと判定する。そして、3,000eを超えた分がＧ列に分配されなくなるまで、上述した値よりも徐々に低くしてＢＧゲートへの電圧の値を設定して、ＢＧゲートの直下の電位を徐々に下げる。最終的に、3,000eを超えた分がＧ列に分配されなくなった値が、ＢＧゲートへの電圧のHighの値となる。
【００４０】
逆に、設定されたＢＧゲートへの電圧の値によって電荷がＧ列に分配されずに、その結果、下流側に接続された出力アンプＡ１で電圧が検出されなければ、3,000eを超えた分がＧ列に分配されなかったと判定する。そして、3,000eを超えた分がＢＧゲートの直下を通ってＧ列に分配されるようになるまで、上述した値よりも徐々に高くしてＢＧゲートへの電圧の値を設定して、ＢＧゲートの直下の電位を徐々に上げる。最終的に、3,000eを超えた分がＢＧゲートの直下を通ってＧ列に分配されるようになった値が、ＢＧゲートへの電圧のHighの値となる。
【００４１】
なお、理論上、ＢＧゲートへの電圧をLowにしなくてもHighの状態で図４（ｃ）、図４（ｄ）の電荷転送は可能であるが、ＢＧゲートの直下の電位に対して余裕を持たせるためにＢＧゲートへの電圧をLowにして、ＢＧゲートの直下の電位を低めにするのが好ましい。
【００４２】
このようにＢＧゲートへの電圧の値を決定すれば撮像中においては、信号電荷が3,000e以下ならばＭ列のみに信号電荷が分配されて振り分けられ（図４（ａ）を参照）、信号電荷が3,000eを超えたならば3,000eを超えた分がＧ列に分配されるとともに3,000eがＭ列に分配されて振り分けられる（図４（ｂ）を参照）。したがって、出力アンプＡ１，Ａ２における出力端でＧ列に信号電荷が存在している場合には、Ｇ列の出力信号である信号電荷と3,000eとの和がもともとの信号電荷量であり、20eの分解能で信号量を知ることができる。出力アンプＡ１，Ａ２における出力端でＧ列に信号電荷が存在しない場合には、Ｍ列の出力信号である信号電荷の1/10がもともとの信号電荷量であり、2eの分解能で信号量を知ることができる。このように、本実施例では、2eから33,000eまでを扱うことができて、ダイナミックレンジが向上する。
【００４３】
次に、本実施例の場合での信号電荷に対する両出力アンプＡ１，Ａ２の出力電圧の関係について、従来の場合と比較して説明する。図５は、信号電荷に対する出力電圧の関係を示したグラフであり、図６は、従来の場合での増幅前の信号電荷に対する出力電圧の関係を示したグラフであり、図７は、実施例の場合での増幅前の信号電荷に対する両出力アンプＡ１，Ａ２の出力電圧の関係を示したグラフである。図５の横軸に信号電荷の値をとるとともに、図６、図７の横軸に増幅前の信号電荷の値をとり、図５〜図７の縦軸に出力アンプの出力電圧の値をとる。なお、図５は、各出力アンプＡ１，Ａ２の入出力変化特性でもあって、図６は、ＣＣＭを使用した場合のＭ列側の出力アンプＡ２の入出力変化特性でもある。
【００４４】
なお、図５および図６（図７では図示省略）のＶＮは、等価ノイズ電子数に対応する出力電圧であって、等価ノイズ電子数を20e（図５を参照）としたときには、ＶＮに対応するノイズは増幅前では2e (図６を参照)となる。また、ＶＳＡＴは、出力アンプが扱える最大信号電荷量に対応する飽和電圧であって、最大信号電荷量を30,000e（図５を参照）としたときには、ＶＳＡＴに対応する信号電荷は増幅前の3,000e（図６を参照）となる。
【００４５】
つまり、ＣＣＭを使用しない場合には、信号電荷が30,000e以下の領域では、出力アンプの変換率を傾きとして、各出力アンプＡ１，Ａ２の出力電圧は線形に変化するが、最大信号電荷量の30,000eを超える領域では、ＶＳＡＴの状態で出力アンプＡ１，Ａ２の出力電圧は飽和する（図５を参照）
【００４６】
ＣＣＭを使用した場合で、かつ従来の場合には、増幅前の信号電荷が3,000e以下の領域では、電荷増倍率（ここでは電荷増倍率は１０）と出力アンプの変換率との積を傾きとして、Ｍ列側の出力アンプＡ２の出力電圧は線形に変化するが、増幅前の信号電荷が3,000eを超える領域では、ＶＳＡＴの状態で出力アンプＡ２の出力電圧は飽和する（図６を参照）。
【００４７】
つまり、図５のようにＣＣＭを使用しない出力アンプの入出力変化特性と比較すると、図６のようにＣＣＭを使用した出力アンプの入出力変化特性は、信号電荷が見かけ上1/10に圧縮された形態となる。したがって、ＣＣＭを使用した場合には、使用しない場合での信号電荷に対して1/10にして（すなわち増幅前の信号電荷量にして）、ＣＣＭを使用することで図５と等価なグラフが図６で得られる。
【００４８】
これに対して、本実施例の場合には、増幅前の信号電荷が3,000e以下の領域では、電荷増倍率（ここでは電荷増倍率は１０）と出力アンプの変換率との積を傾きとして、出力アンプＡ２の出力電圧が線形に変化するのは、従来の図６と同様である。そして、増幅前の信号電荷が3,000eを超える領域でも、3,000eを超えた分がＢＧゲートの直下を通ってＧ列に分配され、3,000eを超えた分がさらに30,000eに達するまで、電荷増倍率（ここでは電荷増倍率は１）と出力アンプの変換率との積を傾きとして、Ｇ列側の出力アンプＡ１の出力電圧は線形に変化する。したがって、増幅前の信号電荷が3,000eを超え、かつ33,000e以下の領域では、出力電圧はＶＳＡＴからＶ´ＳＡＴまで線形に変化して、増幅前の信号電荷が33,000eを超える領域では、Ｖ´ＳＡＴの状態で出力アンプの出力電圧は飽和する（図７を参照）。
【００４９】
つまり、図７は図５と図６とを擬似的に足し合わせた形態となる。なお、 “０”からＶＳＡＴまで（増幅前の信号電荷が3,000e以下の領域）は出力アンプＡ２の出力電圧であって、ＶＳＡＴからＶ´ＳＡＴまで（増幅前の信号電荷が3,000eを超え、かつ33,000e以下の領域）は出力アンプＡ１の出力電圧である。また、上述したように各出力アンプＡ１，Ａ２は互いに同じ特性としているので、（ＶＳＡＴ−０）と（Ｖ´ＳＡＴ−ＶＳＡＴ）とは等しくなる。したがって、図７に示すように２×ＶＳＡＴ＝Ｖ´ＳＡＴとなる（図７では『２ＶＳＡＴ＝Ｖ´ＳＡＴ』で表記）。
【００５０】
上述したＣＣＤ１によれば、電荷増倍セルを複数列（ここではＧ列とＭ列との２列）に並列接続するように電荷増倍セルを同数列（２列）に分割し、各分割された電荷増倍セルの電荷増倍率が互いに異なるように、ＣＣＭ２１を構成することで、所定量（ここでは3,000e）を超えた信号電荷を各分割された電荷増倍率の少ない方の電荷増倍セル（ここではＧ列側のセルＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬ）に振り分けるとともに、所定量（ここでは3,000e）までの信号電荷を各分割された電荷増倍率の多い方の電荷増倍セル（ここではＭ列側のセルＢＳ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮ）に振り分けることが可能になる。その結果、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。また、分割箇所のセル（ここでは分割箇所２２のＧ列側のセルＢＤとＭ列側のセルＢＳ）よりも下流側である後段側の電荷増倍セル（ここではＧ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬ／Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮ）では各分割された電荷増倍セル（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬ／Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮ）が各列に対して互いに独立するようにＣＣＭ２１を構成することで、後段側の各電荷増倍セルには信号電荷が振り分けられることはない。その結果、特許文献２のような各ＣＣＤセルの飽和信号量のバラツキに起因する出力誤差が発生しない。
【００５１】
本実施例では、電荷増倍率が１の直列接続された電荷増倍セル（ここではＧ列側のセルＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬ）を有するようにＣＣＭ２１を構成している。所定量（ここでは3,000e）を超えた信号電荷を電荷増倍率が１の電荷増倍セル（ＢＤ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…，ＧＬ）に振り分けるとともに、所定量（ここでは3,000e）までの信号電荷を電荷増倍率が１以外の電荷増倍セル（ここではＭ列側のセルＢＳ，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…，ＭＮ）に振り分けることで、ダイナミックレンジの向上をより一層図ることができる。
【００５２】
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。
【００５３】
（１）上述した実施例では、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上の高速撮像を例に採って説明したが、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。
【００５４】
（２）上述した実施例では、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、これに限定されない。例えば、フォトゲートを光電変換手段として用いてもよい。
【００５５】
（３）上述した実施例では、『斜行ＣＣＤ型固体撮像素子』を例に採って説明したが、ライン状の蓄積用ＣＣＤセルを垂直方向に延在するように構成した撮像素子にもこの発明は適用することができる。
【００５６】
（４）上述した実施例では、分割の数は２つであったが、３つ以上であってもよい。また、分割の形態も、図８（ａ）に示すように一括して分割してもよいし、図８（ｂ）に示すように逐次に分割してもよいし、図８（ａ）と図８（ｂ）とを組み合わせて、一括して分割するとともに、逐次に分割してもよい。
【００５７】
（５）上述した実施例では、電荷増倍率が１の直列接続された電荷増倍セルを有するようにＣＣＭは構成されていたが、例えば、図９に示すように各分割された電荷増倍セルの電荷増倍率が互いに異なるようにＣＣＭ２１を構成するのであれば、電荷増倍率は必ずしも１に限定されない。
【００５８】
（６）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】
【００５９】
【図１】実施例に係る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】実施例に係るＣＣＤの構成を示すブロック図である。
【図３】実施例に係るＣＣＭ周辺のブロック図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、信号電荷の分配の電位図である。
【図５】信号電荷に対する出力電圧の関係（出力アンプの入出力変化特性）を示したグラフである。
【図６】従来の場合での増幅前の信号電荷に対する出力電圧の関係（ＣＣＭを使用した場合のＭ列側の出力アンプの入出力変化特性）を示したグラフである。
【図７】実施例の場合での増幅前の信号電荷に対する（両出力アンプの）出力電圧の関係を示したグラフである。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るＣＣＭ周辺のブロック図である。
【図９】さらなる変形例に係るＣＣＭ周辺のブロック図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  …  ＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）
１１  …  フォトダイオード
２１  …  ＣＣＭ
２２  …  分割箇所
【図１】
2007318005.tif 000003
【図２】
2007318005.tif 000004
【図３】
2007318005.tif 000005
【図４】
2007318005.tif 000006
【図５】
2007318005.tif 000007
【図６】
2007318005.tif 000008
【図７】
2007318005.tif 000009
【図８】
2007318005.tif 000010
【図９】
2007318005.tif 000011