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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Hochgeschwindigkeitsbildsensor
und eine Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung, die geeignet
sind zum Einfangen von Bildern von Hochgeschwindigkeitsphänomenen,
wie zum Beispiel Abbrucharbeiten, Explosionen, Hochgeschwindigkeitsabläufen, Kollisionen
und ähnlichem.
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STAND DER
TECHNIK
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Ein
Parallelauslesehochgeschwindigkeitsbildsensor, der simultan Ladungssignale
von einer Vielzahl von Ausleseleitungen ausliest, wird verwendet,
um Hochgeschwindigkeitsbilder einzufangen. Jedoch ist ein In-Situ-Speicherbildsensor
geeignet für
fernere Anhebung der Bildeinfanggeschwindigkeit. Wenn der In-Situ-Speicherbildsensor
Ladungssignale seriell überschreibt
in Bildsignalspeicher, die in der Peripherie jedes Bildpunktes bzw.
Pixels vorgesehen sind zum Aufzeichnen während des Bildeinfangens ohne
Auslesen der Ladungssignale. Der In-Situ-Speicherbildsensor zeichnet Ladungssignale parallel
simultan in allen Pixeln als Analogsignale auf, hierdurch eine große Erhöhung der
Bildeinfanggeschwindigkeit erreichend.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat früher einen In-Situ-Speicherbildsensor
(abgeschrägter
CCD-Bildsensor) vorgeschlagen mit aus linear-ladungsgekoppelten
Einrichtungen erstellten Ladungssignalspeichern, welche Einrichtungen
sich abgeschrägt
von jeder der Photodioden mit vergleichsweise großen Bereichen
erstreckt (siehe japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung 2000-165750).
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11 zeigt
das Prinzip dieses abgeschrägten
CCD-Bildsensors.
In 11 sind Photodioden durch 1 gekennzeichnet,
jeweils mit einer Vielzahl von Elementen 2a versehene CCD-Ladungsspeicher sind
durch 2 gekennzeichnet und Ableitungs-Gates (Drain-Gates)
sind durch 4 gekennzeichnet. In jeder Photodiode 1 erzeugte
Ladungssignale werden in Elementen 2a des entsprechenden
CCD-Ladungsakkumulators 2 in Übereinstimmung mit der Reihenfolge
des Erzeugens (der Bildeinfangreihenfolge) gespeichert, wie durch
an den Elementen 2a in 11 angebrachte
Ziffern 1 bis 5 gezeigt.
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Die
Schrägung
der CCD-Ladungsspeicher 2 in Bezug auf die Mittelachsenlinie
L1 der Photodioden 1 ist ein signifikantes Merkmal.
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Wenn
die CCD-Ladungsspeicher 2 sich parallel zu der Mittelachsenlinie
L2 der Photodioden 1 erstrecken würden, müssten die CCD-Ladungsspeicher 2,
die sich von einer Photodiode 1 aus erstrecken, nach rechts
in der Figur durch die Breite eines CCD-Ladungsspeichers 2 versetzt
sein zum Verhindern von Interferenzen bzw. Störungen mit der Photodiode 1,
die sich direkt unterhalb dieser Photodiode 1 befindet.
Als ein Ergebnis sind in dem Fall der 12 die
Zeilenrichtungen und die Spaltenrichtungen der Photodioden 1 nicht
senkrecht zueinander, so dass die Anordnung der Photodioden 1 verzerrt ist.
Demgegenüber
können
in dem Fall der 11, da die CCD-Ladungsspeicher 2 wie
oben beschrieben in Bezug auf die Mittelachsenlinie L1 abgeschrägt sind,
Photodioden 1 so angeordnet werden, dass sowohl Zeilen,
als auch Spalten konstante Intervalle haben und die Zeilenrichtung
(Richtung der X-Achse) und die Spaltenrichtung (Richtung der Y-Achse)
sind senkrecht zueinander. Mit anderen Worten, Photodioden 1 können in
einem rechtwinkligen Gittermuster angeordnet werden.
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13 zeigt
ein Beispiel des oben beschriebenen abgeschrägten CCD-Bildsensors. Jeder CCD-Ladungsakkumulator 2 erstreckt
sich vom oberen Rand zum unteren Rand des Photoempfangsbereichs
in einer graduell meandierenden Weise und verläuft durch Zonen 8 in
Zwischenräumen
zischen zwei in Spaltenrichtung zueinander benachbarten Photodioden 1.
Ferner ist jeder CCD-Ladungsakkumulator 2 aufgeteilt in
Segmente entsprechend der Anzahl von Zonen 8 zwischen Photodioden 1,
die jeder CCD-Ladungsakkumulator 2 durchläuft. Jedes der
Segmente hat Eingangs-Gates 3 an dem oberen Ende und ein
Ableitungs-Gate 4 an seinem unteren Ende. Zudem ist der
unterste Rand jeder der CCD-Ladungsspeicher 2 mit einer
Horizontalauslese-CCD 6 verbunden, die außerhalb
des Photoempfangsbereichs vorgesehen ist.
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Zur
Zeit des Bildeinfangens werden in jeder Photodiode 1 erzeugte
Ladungssignale durch den entsprechenden CCD-Ladungsspeicher 2 übertragen
und von dem Ableitungs-Gate 4 aus dem Sensor entladen.
Ferner werden zur Zeit des Auslesens das Eingangs-Gate 3 und
das Ausgangs-Gate 4 geschlossen, so dass Ladungssignale
in jedem CCD-Ladungsspeicher 2 übertragen werden zu der Horizontalauslese-CDD 6.
Danach werden die Ladungssignale von dem Sensor durch die Horizontalauslese-CCD 6 über einen
Verstärker 7 ausgelesen.
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Dann
werden Treiberspannungen zur Ladungssignalübertragung durch einen CCD-Ladungsübertragungspfad
beschrieben.
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14 bis 18 zeigen
jeweils typische Muster der Treiberspannungen. Wie in 14A bis 18A gezeigt,
sind gewöhnlich
aus Polysilizium hergestellte Elektroden 11a, 11b, 11c und 11d in
dem Photoempfangsbereich vorgesehen und Treiberspannungen werden
zu diesen Elektroden 11a bis 11d über Metallverdrahtungen 12a, 12b, 12c und 12d zugeführt, welche
auf dem Photoempfangsbereich vorgesehen sind. 14b bis 18b zeigen
im Zusammenhang zwischen der Position der CCD-Ladungsübertragungspfade 10 in
der Ausdehnungsrichtung und dem Potential und 14c bis 18c zeigen den
Zusammenhang zwischen Zeit und Variation der Treiberspannung.
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14 zeigt den Fall einer Treiberspannung mit
drei Pegeln und drei Phasen und 15 zeigt den
Fall einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und drei Phasen. In diesen
Fällen
werden drei Arten von Elektroden 11a bis 11c jeweils
entsprechend den Phasen φ1, φ2, und φ3 benötigt. In
dem Fall der 15 wird eine Spannungsvariation
von sechs Stufen benötigt,
wie in Schritt S0 bis S6 gezeigt, um ein Ladungssignal von einem
Element 10a zum nächsten
Element 10a zu übertragen. 16 zeigt den Fall einer Treiberspannung
mit zwei Pegeln und vier Phasen, wobei vier Arten von Elektroden 11a bis 11d entsprechend
zu den Phasen φ1, φ2, φ3 und φ4 benötigt werden.
In diesen Fällen
der 14 bis 16 ist
es nicht erforderlich, die Störstellendotierungsprofile
in dem CCD-Ladungsübertragungspfad 10 in
der Richtung der Ladungsübertragung
zu ändern
und die nur durch N-Bereiche gebildeten CCD-Ladungsübertragungspfade 10 sind
in einem Substrat eines P-Bereichs vorgesehen. Gemäß diesen
Systemen der 14 bis 16 ist
die Ladungsmenge, die übertragen werden
kann, groß,
so dass ein großer
Dynamikbereich sichergestellt werden kann, aber sie sind nicht geeignet
für Hochgeschwindigkeitsübertragung.
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Andererseits
zeigt die 17 den Fall einer Treiberspannung
mit zwei Pegeln und zwei Phasen, während 18 den
Fall einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und einer Phase zeigt.
In diesen Fällen sind
Abschnitte mit niedrigen Pegeln von Störstellendotiersubstanz und
Abschnitte mit hohen Pegeln von Störstellendotiersubstanz abwechselnd
in der Oberfläche
des CCD-Ladungsübertragungspfades 10 ausgebildet,
daher vorläufig
eine Unebenheit des Potentialgradienten in der Richtung der Übertragung von
Ladungssignalen bildend. Wenn demnach eine Treiberspannung an Elektroden 11a und 11b angelegt
wird, wird ein Potentialprofil in einer Stufenform derart ausgebildet, dass
die Ladungen zu der stromabwärtige
Seite übertragen
werden bedingt durch die Neigung dieses Potentialprofils. Gemäß diesen
Systemen der 17 und 18 sind
die Ladungsmengen, die übertragen
werden können,
gering, aber sie sind für
Hochgeschwindigkeitsübertragung
geeignet Es ist erforderlich, viele Ladungssignale in kleinen Pixeln
bzw. Bildpunkten innerhalb eines Photoempfangsbereichs eines Bildsensors
zu erzeugen, und demnach wird vorgezogen, für den CCD-Ladungsspeicher im
Stande zu sein, eine große
Anzahl an Ladungen zu übertragen.
Andererseits ist Hochgeschwindigkeit in der Horizontalauslese-CCD,
die außerhalb
des Photoempfangsbereichs angeordnet ist, erforderlich. Zusätzlich kann,
da die Horizontalauslese-CCD außerhalb
des Photoempfangsbereichs angeordnet ist, die Menge an übertragenen
Ladungen erhöht
werden durch Erhöhen
der Breite bedingt durch das Vorhandensein von zusätzlichem
Raum.
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Demgemäss werden
Systeme der 17 und 18 gewöhnlich für den CCD-Ladungsspeicher 2 innerhalb
eines Photoempfangsbereichs eingesetzt, während Systeme der 14 bis 16 gewöhnlich für die Horizontalauslese-CCD 6 eingesetzt
werden.
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Dieselbe
Anzahl an Arten von Metallverdrahtungen zum Zuführen einer Treiberspannung
zu CCD-Ladungsübertragungspfaden
ist erforderlich, wie die Anzahl von Phasen der Treiberspannung.
Da derselbe Metallverdrahtungstyp benötigt wird zum Anordnen in derselben
Schicht, erfordert ferner eine Überkreuzanordnung
unterschiedlicher Arten von Metallverdrahtungen eine Anordnung der
unterschiedlichen Arten von Metallverdrahtungen in zwei unterschiedlichen,
zueinander isolierten Lagen. Ferner ist es in dem Fall eines Bildsensors
erforderlich, Metallverdrahtungen zum Zuführen einer Steuerspannung zu
einem Eingangs-Gate und einem Ableitungs-Gate anzuordnen.
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19A bis 19E zeigen
Beispiele, wobei Elektroden 11a bis 11c und Metallverdrahtungen 12a bis 12c zum
Zuführen
von Treiberspannungen zu CCD-Ladungsspeichern des Bildsensors in
derselben Metalllage angeordnet sind. 19a zeigt den
Fall, in welchem eine Treiberspannung eine Phase hat, 19B zeigt den Fall, wobei eine Treiberspannung
zwei Phasen hat und 19C zeigt den Fall, wobei eine
Treiberspannung drei Phasen hat. Ferner zeigt 19D den Fall, wobei die Treiberspannung drei Phasen
hat und eine Art von Metallverdrahtung 13a zum Zuführen einer
Steuerspannung in derselben Lage, wie die Metallverdrahtungen 11a bis 11c angeordnet
ist. Zudem zeigt 19E den Fall, in welchem eine
Treiberspannung drei Phasen hat und zwei Arten von Metallverdrahtungen 13a und 13b zum
Zuführen
einer Steuerspannung in derselben Lage angeordnet sind, wie Metallverdrahtungen 11a bis 11c.
In diesen Figuren sind Kontaktpunkte durch 17 gekennzeichnet.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Der
oben beschriebene, in 14 gezeigte Diagonal-CCD-Bildsensor hat folgende
Probleme.
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Erstens
lassen große
Bereiche der Photodioden 1 zum Verbessern der Empfindlichkeit
den Bedarf aufkommen, Zonen 8 zwischen zwei zueinander benachbarten
Photodioden 1 in Spaltenrichtung sehr schmal zu machen.
Jedoch ist es schwierig, CCD-Ladungsspeicher 2 derart bereitzustellen,
dass sie durch schmale Zwischenräume 8 verlaufen
in Hinblick auf die Herstellung. Zusätzlich tritt zur Zeit, wenn
Ladungssignale in den CCD-Ladungsspeicher 2 verschoben
werden, Rauschen an diesen schmalen Zonen 8 auf.
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Zweitens
hat der abgeschrägte CCD-Bildsensor
der 13 eine Dreieckszone 14 im unteren linken
Photoempfangsbereich der Figur, wobei nur CCD-Ladungsspeicher 2 vorliegen
und keine Photodioden 1 vorliegen. Wegen des Vorliegens
dieser Dreieckszone 14 erhält der Bildsensor eine große Baugröße. Zusätzlich erhöht in dem
Fall, dass derselbe Bereich vorgesehen ist für den Photoempfangsbereich,
das Vorliegen der Dreieckzone 14 die Anzahl an Photodioden 14,
demnach die Auflösung
reduzierend.
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Drittens
reduziert eine zunehmende Zahl von Arten von Metallverdrahtungen
für das
Zuführen
von Treiberspannungen und Steuerspannungen die Rahmenrate. Dieser
Punkt wird nachstehend beschrieben.
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Wie
in 19A bis 19E gezeigt,
nimmt der Abstand 15 zwischen Metallverdrahtungen derselben
Phase zu, wenn die Anzahl von Arten von Metallverdrahtungen zunimmt.
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Beispielsweise,
wie in 19A bis 19C gezeigt,
sind in dem Fall, dass nur Metallverdrahtungen 12a bis 12c zum
Zuführen
einer Treiberspannung vorgesehen sind, Abstände 15 für die Treiberspannungen
von Einerphasen, Zweierphasen und Dreierphasen jeweils einmal, zweimal
und dreimal der Kanalabstand (die Summe der Breite des CCD-Ladungsspeichers
und der Breite eines Kanalstoppers). Der Spannungsübertragungsabstand
wird ½ der
Abstände 15.
Ferner, wie in 19C und 19E gezeigt,
wird der Abstand 15 in dem Fall, dass Metallverdrahtungen 13a und 13b zum
Zuführen
der Steuerspannung vorgesehen sind, größer. Andererseits ist die Zeitverzögerung,
wenn eine Spannung über
Elektroden 11a bis 11c übertragen wird, proportional
dem Produkt RC des elektrischen Widerstandes R der Elektroden 11a bis 11c und
der elektrischen Kapazität
C der auf der Unterseite der Elektroden 11c angeordneten
Schicht. Ferner sind der elektrische Widerstand R und die elektrische
Kapazität
C proportional zu diesem Abstand. Demgemäss ist die Verzögerungszeit
der Spannungsübertragung über Elektroden 11a bis 11c proportional zum
Quadrat des Abstandes 15. Wie oben beschrieben, nimmt,
wenn die Anzahl der Arten von Metallverdrahtungen zunimmt, die Zeitverzögerung der
Spannungsübertragung
zu, was eine Reduzierung der Rahmenrate verursacht. Die Wirkungen
der oben beschriebenen Zeitverzögerung
auf die Rahmenrate werden spürbar,
wenn die Rahmenrate die Größenordnung
von einer Million Rahmen pro Sekunde erreicht.
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Wenn
die Anzahl von Metalllagen bzw. Schichten zum Bereitstellen von
Metallverdrahtungen erhöht
würde,
könnte
die Zeitverzögerung
der Spannungsübertragung
reduziert werden durch Reduzieren des Abstandes 15. Jedoch
verursacht ein Erhöhen
der Anzahl der Lagen das Verringern der Produktqualität, wie zum
Beispiel ein Erhöhen
des Rauschens und eine Reduzierung der Ausbeute. Demnach ist die
maximale Anzahl von Metalllagen näherungsweise drei. Ferner ist
es erforderlich, eine Abdeckung bzw. lichtsperrende Schicht aus
Metall als obere Lage vorzusehen und demnach wird die Anzahl von
Metalllagen, die Metallverdrahtungen bereitstellen können, maximal
zwei. Zusätzlich
hat in dem abgeschrägten
CCD-Bildsensor das Erhöhen der
Anzahl der Lagen eine große
Auswirkung auf die Ausbeute, verglichen mit dem normalen Bildsensor. Speziell
ist die Ausbeute des Bildsensors proportional zum Quadrat der Fläche. Zusätzlich,
im Gegensatz zum normalen Bildsensor mit viereckiger Form mit Seiten
von näherungsweise
einigen Millimetern, hat der abgeschrägte CCD-Bildsensor, der mit einer großen Anzahl
von Elementen für
jedes Pixel versehen ist, eine viereckige Form mit Seiten von näherungsweise
zwei Zentimetern. Demnach hat der abgeschrägte CCD-Bildsensor einen großen Bereich, verglichen
mit dem gewöhnlichen
Bildsensor. Demgemäss
hat ein Erhöhen
der Anzahl der Lagen eine große
Auswirkung auf die Ausbeute in dem abgeschrägten CCD-Bildsensor.
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EP-A-1
041 637, welches Stand der Technik gemäß Artikel 54(3)EPC bildet,
offenbart einen Hochgeschwindigkeitsbildsensor, der umfasst: eine
Vielzahl von Ladungssignalumsetzern, die in konstanten Intervallen
Zeilen bilden, und in konstanten Intervallen Spalten bilden, angeordnet
in einem Photoempfangsbereich derart, dass die Zeilenrichtung und
die Spaltenrichtung lotrecht zueinander sind und jeweils ein Ladungssignal
in Übereinstimmung
mit der Intensität
einfallenden Lichts erzeugen; eine Vielzahl von Ladungssignalspeichern,
die sich linear erstrecken, um abgeschrägt zu sein in Bezug auf eine
Linie, die benachbarte Ladungssignalumsetzer in Spaltenrichtung
verbindet und mit zwei Enden; welche jeweils für jeden der Ladungssignalumsetzer
vorgesehen sind, wobei ein Ende an dem entsprechenden Ladungssignalumsetzer
angeschlossen ist; wobei die Ladungssignalspeicher jeweils durch
die entsprechenden Ladungssignalumsetzer erzeugte Ladungssignale
von einem Ende zum anderen Ende übertragen;
eine Vielzahl von Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates und
Ableitungen (Drains), wobei ein Ende des Ladungssignalspeichers
mit einem aus der Vielzahl von Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates
und Ableitungen verschmolzen ist, und wobei die Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates
und Ableitungen jeweils Ladungssignale aus dem Photoempfangsbereich
heraus übertragen,
welche Ladungssignale von den mit den jeweiligen Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates
und Ableitungen verbundenen Ladungssignalspeichern übertragen
worden sind. Die Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates
und Ableitungen sind jeweils für
jeden der Ladungssignalumsetzer und Ladungssignalspeicher vorgesehen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Reduzieren des Rauschens,
ein Anheben der Auflösung,
ein Anheben der Rahmenrate und ein Anheben der Ausbeute in einem
abgeschrägten
CCD-Bildsensor zu erreichen.
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Um
die oben beschriebenen Probleme zu lösen, stellt ein erster Aspekt
der vorliegenden Erfindung einen Hochgeschwindigkeitsbildsensor
bereit, umfassend: eine Vielzahl von Ladungssignalumsetzern, die
in konstanten Intervallen Zeilen bilden und in konstanten Intervallen
Spalten bilden, angeordnet in einem Photoempfangsbereich derart,
dass die Zeilenrichtung und die Spaltenrichtung senkrecht zueinander
sind und jeweils ein Ladungssignal in Übereinstimmung mit der Intensität einfallenden
Lichts erzeugen; eine Vielzahl von Ladungssignalspeichereinrichtungen,
die nachstehend als "Ladungssignalspeicher" bezeichnet werden
und sich linear erstrecken, um abgeschrägt zu sein in Bezug auf eine
Linie, die benachbarte Ladungssignalumsetzer in Zeilenrichtung verbindet
und mit zwei Enden; wobei jeweilige der Ladungssignalspeicher für jeweilige
der Ladungssignalumsetzer vorgesehen sind, wobei ein Ende mit einem
entsprechenden Ladungssignalumsetzer verbunden ist; wobei die Ladungssignalspeicher
jeweils von den entsprechenden Ladungssignalumsetzers erzeugten
Ladungssignale von einem Ende zu dem anderen Ende übertragen;
und eine Vielzahl von Ladungsübertragungseinrichtungen, nachstehend
als "Ladungssignalübertrager" bezeichnet, wobei
jeder Ladungssignalübertrager
jeweils für eine
jeweilige Spalte der Ladungssignalübertrager vorgesehen ist, wobei
die jeweiligen anderen Enden der Ladungssignalspeicher, der an einem
Ende mit spaltenbildenden Ladungssignalumsetzern verbunden sind,
verschmolzen sind zu einem der Ladungssignalübertrager und wobei die Ladungssignalübertrager
jeweils nach außerhalb
des Photoempfangsbereichs übertragen.
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In
dem Hochgeschwindigkeitsbildsensor der vorliegenden Erfindung verlaufen
Ladungssignalspeicher nicht durch Zonen zwischen zueinander in Spaltenrichtung
benachbarten Ladungssignalumsetzern. Demnach kann zur Zeit der Ladungssignalübertragung
auftretendes Rauschen in den Ladungssignalspeichern reduziert werden.
Ferner können
die Ladungssignale von dem Sensor ohne das Auftreten von Rauschen
durch die Ladungssignalübertragung nach
dem Abschluss des Bildeinfangens ausgelesen werden.
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Speziell
wird für
die Ladungssignalübertrager
vorgezogen, dass sie sich in Spaltenrichtung der Ladungssignalumsetzer
erstrecken.
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Der
Photoempfangsbereich erhält
eine rechteckige Form ohne eine Dreieckszone an seinen Ecken, so
dass eine Miniaturisierung des Sensor erzielt werden kann. Ferner
nimmt in dem Fall, dass derselbe Bereich vorgesehen ist, die Anzahl
an Ladungssignalumsetzern zu wegen des Fehlens dieser Dreiecksbereich,
hierdurch die Auflösung
erhöhend.
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Ferner
wird vorgezogen, dass die Ladungsübertragungsrichtung durch die
Ladungssignalspeicher und die Ladungsübertragungsrichtung durch die Ladungssignalübertrager
im Grunde dieselben sind an Punkten, an welchen die Ladungssignalspeicher mit
den Ladungssignalübertragern
verschmelzen.
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Zudem
wird vorgezogen, dass die Ladungssignalspeicher aus ersten ladungsgekoppelten
Einrichtungen gebildet sind, die Ladungssignalübertrager aus zweiten ladungsgekoppelten
Einrichtungen gebildet sind, der Hochgeschwindigkeitsbildsensor mit
einer Vielzahl von Elektroden einschließlich mindestens zweier Arten
zum Zuführen
einer Treiberspannung zu den ersten ladungsgekoppelten Einrichtungen
und eine Vielzahl von Elektroden einschließlich mindestens zweier Arten
zum Zuführen einer
Treiberspannung zu den zweiten ladungsgekoppelten Einrichtungen
versehen ist, und dass mindestens eine Art von Elektroden unter
den Elektroden zum Zuführen
der Treiberspanrung zu den zweiten ladungsgekoppelten Einrichtungen
dieselbe Elektrode ist, wie die mindestens eine Art von Elektroden
unter den Elektroden zum Zuführen
der Treiberspannung zu den ersten ladungsgekoppelten Einrichtungen.
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Es
ist nicht erforderlich, die Ladungssignale in zwei unterschiedlichen
Richtungen an den Punkt zu übertragen,
an dem die Ladungssignalspeicher mit den Ladungssignalübertragern
verschmelzen. Demnach kann die Anzahl von Metallverdrahtungen zum
Zuführen
einer Treiberspannung zu den ladungsgekoppelten Einrichtungen reduziert
werden, hierdurch ein Reduzieren des Abstandes zwischen Metallverdrahtungen
derselben Art erreichend. Durch Reduzieren des Abstandes zwischen
den Metallverdrahtungen auf solche Weise, kann die Zeitverzögerung der Übertragung
der Treiberspannung reduziert werden, so dass die Rahmenrate erhöht wird. Zusätzlich kann
Rauschen bedingt durch das Reduzieren der Anzahl der Metallverdrahtungen
reduziert werden. Zudem kann die Anzahl an Metallschichten reduziert
werden bedingt durch das Reduzieren der Anzahl von Metallverdrahtungen.
Das Reduzieren der Anzahl von Metallverdrahtungen ermöglicht das Reduzieren
des Rauschens, so dass die Ausbeute erhöht wird. Zudem kann durch das
Verwenden mindestens einer Art von Elektroden als Elektrode für das Zuführen von
Treiberspannungen sowohl zu dem Ladungssignalspeicher, als auch
dem Ladungssignalübertrager
die Anzahl an Metallverdrahtungen zum Zuführen der Treiberspannungen
reduziert werden.
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Es
wird vorgezogen, dass der Hochgeschwindigkeitsbildsensor ferner
umfasst: eine Abdeckungsschicht bzw. lichtblockierende Schicht mit
einer Vielzahl von Fenstern jeweils entsprechend den individuellen
Ladungssignalübertragern,
wobei jedes der Fenster es einem einfallenden Strahl erlaubt, zu dem
Ladungssignalübertrager
geleitet zu werden, und der Abschnitt der Abdeckungsschicht, der
von den Fenstern abweicht, den einfallenden Strahl blockiert; eine
jeweils für
jeden der Ladungssignalspeicher vorgesehene Ladungssignalentladungssteuerung
bzw. ein Ladungssignalentladungskontroller, der durch entsprechende
Ladungssignalspeicher übertragene
Ladungssignale vom Sensor nach außen entlädt; und eine Steuerspannungszufuhr
zum Zuführen
einer Steuerspannung zu den Ladungssignalentladungskontrollern über die
Abdeckungsschicht.
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Es
ist nicht erforderlich, die Ladungssignalentladungskontoller mit
einer so hohen Geschwindigkeit zu entladen, wie das Steuern der
Ladungssignalspeicher. Demgemäss
kann die Steuerspannung zu den Ladungssignalentladungskontroller über die
Abdeckungsschicht mit einer großen
elektrischen Kapazität
durchgeführt
werden. Durch Zuführen
der Steuerspannung zu den Ladungssignalentladungskontrollern über die
Abdeckungsschicht ist es nicht erforderlich, Metallverdrahtungen
zum Zuführen
der Steuerspannung vorzusehen, was dazu führt, dass die Anzahl der Metallverdrahtungen
reduziert wird. Demnach kann durch Reduzieren des Abstandes zwischen
den Metallverdrahtungen desselben Typs die Zeitverzögerung des Übertragens
einer Treiberspannung derart reduziert werden, dass die Rahmenrate erhöht werden
kann. Zudem kann durch das Reduzieren der Anzahl der Metallverdrahtungen
bedingt Rauschen reduziert werden. Außerdem kann die Anzahl der
Metallschichten reduziert werden bedingt durch das Reduzieren der
Anzahl von Metallverdrahtungen. Ein solches Reduzieren der Anzahl
der Metallschichten ermöglicht
ein Anheben der Ausbeute.
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Es
wird vorgezogen, dass die Ladungssignalspeicher aus ladungsgekoppelten
Einrichtungen ausgebildet werden und der Hochgeschwindigkeitsbildsensor
ferner umfasst: eine Vielzahl von Metallverdrahtungen zum Zuführen von
Treiberspannungen zu den ladungsgekoppelten Einrichtungen; und eine
Treiberspannung, die zum Zuführen
von Treiberspannungen zweier Phasen über diese Metallverdrahtungen
zugeführt
wird.
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Da
die die Ladungssignalspeicher bildenden ladungsgekoppelten Einrichtungen
von der Treiberspannung mit zwei Phasen betrieben werden, kann die
Rahmenrate erhöht
werden. Speziell verglichen mit der Treiberspannung von drei Phasen
oder mehr Phasen, welche das Ändern
der Spannung von drei bis acht Stufen zum Übertragen des Ladungssignals von
einem Element zum nächsten
Element erfordern, erfordert die Treiberspannung von zwei Phasen
das Ändern
der Spannung in nur zwei Stufen zum Übertragen des Ladungssignals
von einem Element zum nächsten
Element. Demnach wird die Geschwindigkeit der Übertragung von Ladungen derart
erhöht, dass
die Rahmenrate erhöht
wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung mit den obigen Eigenschaften wird des möglich, Bilder
einzufangen bei einer hohen Rahmenrate, die viel größer ist
als eine Million Rahmen pro Sekunde.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung stellt eine Bildeinfangeinrichtung
bereit, die mit dem oben beschriebenen Hochgeschwindigkeitsbildsensor
versehen ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Es
zeigt:
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1 ein
schematisches Aufbaudiagramm einer Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung, versehen
mit einem Hochgeschwindigkeitsbildsensor nach der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Teilvorderansicht eines Photoempfangsbereichs des Hochgeschwindigkeitsbildsensors;
-
3 eine
teilweise vergrößerte Ansicht
einer Photodiode, einer Aufzeichnungs-CCD zum Aufzeichnen und einer
Vertikalauslese-CCD zum vertikalen Auslesen;
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4 eine
vertikal vergrößerte Frontansicht eines
Substrats (unterste Schicht);
-
5 eine
teilweise vergrößerte Frontansicht
einer Polysiliziumschicht;
-
6 eine
teilweise vergrößerte Frontansicht
einer Metallschicht;
-
7 eine
teilweise vergrößerte Frontansicht
einer Abdeckungsschicht bzw. lichtblockierenden Schicht (oberste
Schicht);
-
8 Ansichten zum Beschreiben seriellen Überschreibens,
wobei 8A eine schematische Ansicht
eines CCD-Ladungsübertragungspfades
ist, 8B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position
und Potential, und 8C ein Schwingungsformdiagramm
von Treiberspannungen;
-
9 Ansichten zum Beschreiben des Auslesebetriebs,
wobei 9A eine schematische Ansicht
eines CCD-Ladungsübertragungspfades
ist, 9B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position
und Potential, und 9C ein Schwingungsformdiagramm
von Treiberspannungen;
-
10A eine schematische Ansicht der Übertragung
von Ladungssignalen in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, und 10B und 10C schematische Ansichten anderer Beispiele der Übertragung
von Ladungssignalen;
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11 eine
schematische Ansicht zum Erläutern
des Prinzips eines abgeschrägten
CCD-Sensors gemäß einer
konventionellen Art;
-
12 eine
schematische Ansicht eines abgeschrägten CCD-Bildsensors;
-
13 eine
schematische Ansicht des Aufbaus des abgeschrägten CCD-Bildsensors gemäß der konventionellen
Art;
-
14A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades,
angetrieben gemäß einer
Treiberspannung mit drei Pegeln und drei Phasen, 14B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position
und Potential und 14C ein Schwingungsdiagramm
der Treiberspannung;
-
15A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades,
angetrieben gemäß einer
Treiberspannung mit zwei Pegeln und drei Phasen, 15B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position
und Potential und 15C ein Schwingungsdiagramm
der Treiberspannung;
-
16A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades,
angetrieben gemäß einer
Treiberspannung mit zwei Pegeln und vier Phasen, 16B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position
und Potential und 16C ein Schwingungsdiagramm
der Treiberspannung;
-
17A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades,
angetrieben gemäß einer
Treiberspannung mit zwei Pegeln und zwei Phasen, 17B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position
und Potential und 17C ein Schwingungsdiagramm
der Treiberspannung;
-
18A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades,
angetrieben gemäß einer
Treiberspannung mit zwei Pegeln und einer Phase, 18B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position
und Potential und 18C ein Schwingungsdiagramm
der Treiberspannung; und
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19 schematische Aufbauansichten von Treiberelektroden
und Verdrahtungen zum Zuführen von
Treiberspannungen, wobei 19A einen
Fall einer Phase zeigt, 19B einen
Fall von zwei Phasen und 19C, 19D und 19E Fälle von drei
Phasen.
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BESTE ART
DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
-
Als
nächstes
werden in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detailliert beschrieben.
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1 zeigt
den Gesamtaufbau einer Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung.
Licht, das in eine Objektiv 21 eingetreten ist, verläuft durch einen
externen Verschluss 22 und bildet ein Bild auf einem Photoempfangsbereich 32 eines
Hochgeschwindigkeitsbildsensors 31 ab. Ladungen werden in Übereinstimmung
mit der Intensität
des einfallenden Lichtes erzeugt während des Bildeinfangens und durch übermäßig einfallendes
Licht erzeugte übermäßige Ladungen
werden durch eine Ableitungs-Leitung 23 gegen Masse entladen.
Nach dem Bildeinfangen werden Ladungssignale (Bildinformation),
die über
eine Ausleseleitung 24 gespeichert worden sind, innerhalb
des Bildsensors umgesetzt in Digitalinformation durch einen Analog-Digital-Umsetzer bzw.
A/D-Umsetzer 25 und dann in einem Pufferspeicher 26 gespeichert.
Die in dem Pufferspeicher 26 gespeicherte Bildinformation
wird umgesetzt in sequentielle Teile von Bildinformation durch eine
Bildinformationsverarbeitungs-Einheit 27 und
dann ausgegeben nach außen
in Bezug auf die Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung. Diese
Bildinformation kann visuell als Bilder auf einem Monitor 28 beobachtet
werden. Ferner ist die Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung
mit einer nachstehend als Timing-Kontroller bezeichneten Zeitabstimmungssteuerung 29 zum
Steuern ihrer Gesamtheit versehen. Zudem ist die Hochgeschwindigkeits-Bildeinfangeinrichtung
mit einer Spannungsversorgung 30 zum Erzeugen einiger Arten
von Spannungen zum Steuern des Hochgeschwindigkeitsbildsensors einschließlich der
nachstehend beschriebenen Treiberspannungen und Steuerspannungen
versehen. Ein Auslöse-
bzw. Trigger-Signalgenerator 10 ist
mit dem Timing-Kontroller 29 verbunden. Der Trigger-Signalgenerator 10 überwacht
eine Änderung
in der Helligkeit eines Objektes und gibt ein Trigger-Signal aus,
um das Anhalten des seriellen Überschreibens
anzuweisen, wenn eine spezifische Bedingung erfüllt ist.
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Dann
wird der Hochgeschwindigkeitsbildsensor 31 beschrieben.
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Wie
in 2 gezeigt, ist eine Vielzahl von Photodioden (Ladungssignalumsetzer) 33 auf
dem Photoempfangsbereich 32 angeordnet. Diese Photodioden 33 sind
derart angeordnet, dass die Intervalle S1 in Zeilenrichtung (X-Achsenrichtung)
und die Intervalle S2 in Spaltenrichtung (Y-Achsenrichtung) jeweils
konstant werden. Ferner sind Photodioden 33 auf dem Photoempfangsbereich 32 in
einem rechteckigen Gittermuster (einschließlich einem quadratischen Gittermuster)
angeordnet. Bildpunkte 34, von denen jeder eine Photodiode 33 einschließt, sind auch
in einem rechteckigen Gittermuster angeordnet. In 2 dargestellt
sind drei Photodioden in der Zeilenrichtung und vier Photodioden
in der Spaltenrichtung, was eine Gesamtzahl von zwölf Photodioden 33 ausmacht.
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Eine
Linear-Aufzeichnungs-CCD (Ladungssignalspeicher, nachstehend Aufzeichnungs-CCD genannt) 36 ist
für jede
der Photodioden 33 vorgesehen. Ferner ist für jede der
Spalten von Photodioden 33 eine Linear-CCD zum vertikalen
Auslesen (Ladungssignalübertrager,
nachstehend Vertikalauslese-CCD genannt) 37 vorgesehen.
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Ein
Ende der Aufzeichnungs-CCD 36 ist mit der jeweiligen Photodiode 33 über ein
Eingangs-Gate 38 verbunden. Ferner erstreckt sich die Aufzeichnungs-CCD 36 in
eine Richtung abgeschrägt
in Bezug auf eine Linie L2, die einander benachbarte Photodioden 33 in
Zeilenrichtung verbindet. Zudem verschmilzt das andere Ende der
Aufzeichnungs-CCD 36 mit der Vertikalauslese-CCD 37. Die
CCD 36, von welchen die einen Enden jeweils mit einer Photodiode 33 verbunden
sind, verschmelzen in derselben Spalte an ihren anderen Enden mit
der dieser Spalte entsprechenden Vertikalauslese-CCD 37.
Mit anderen Worten, alle CCD 36 zum Aufzeichnen, die mit
Photodioden 33 in derselben Spalte verbunden sind, verschmelzen
mit derselben Vertikalauslese-CCD 37.
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Die
Vertikalauslese-CCD 37 erstreckt sich in Spaltenrichtung
(Vertikalrichtung) der Photodioden 33. Zudem erstreckt
sich das untere Ende in der Figur der Vertikalauslese-CCD 37 nach
außerhalb
des Photoempfangsbereichs 32 derart, dass es verbunden
ist mit einer CCD 39 zum horizontalen Auslesen. Die CCD 39 zum
horizontalen Auslesen ist mit einer Signalausleseleitung 24 (siehe 1) über einen Verstärker 41 verbunden.
Wie durch Ziffern 5 bis 21 in 3 gekennzeichnet,
schließt
die Aufzeichnungs-CCD 36 siebzehn Elemente 36a ein
und verschmilzt mit der Vertikalauslese-CCD 37 an der Stelle,
die sich nach dem achtzehnten Element 36a gezählt vom
Eingangs-Gate 38 befindet. In 3 ist eine
Ziffer "4" an jedem Element 37a der
Vertikalauslese-CCD 37 angebracht, angeordnet an einem
Abschnitt, mit welchem die CCD 37 verschmilzt. Wie durch
Pfeile F1 und F2 in 3 gezeigt, sind an dem Punkt,
an welchem die Aufzeichnungs-CCD 36 mit der Vertikalauslese-CCD 37 verschmilzt,
nämlich
in der Nähe
der Elemente 37a, bei welchen die Ziffer "4" angebracht ist, die Richtung der Übertragung
der Ladungssignale in der Aufzeichnungs-CCD 36 und die Richtung
der Übertragung
der Ladungssignale in der Vertikalauslese-CCD 37 im wesentlichen
dieselben Richtungen.
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Wie
in 2 gezeigt, schließt jedes Pixel 34 vier
Elemente 36a in Zeilenrichtung und vier Elemente 36a in
Spaltenrichtung ein, hierdurch eine Gesamtzahl von sechzehn Elementen 36a der
Aufzeichnungs-CCD 36 ausmachend. Die CCD 36 zum
Aufzeichnen, welche sich in der Richtung nach unten links in der
Figur von den Photodioden 33 erstrecken, bilden einen in
Spaltenrichtung schmal ausgedehnten Speicherbereich 42.
Auf der linken Seite des Speicherbereichs 42 in der Figur
ist die Vertikalauslese-CCD 37 vorgesehen.
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Auf
der linken Seite der Vertikalauslese-CCD 37 in der Figur
ist eine sich parallel zu der Vertikalauslese-CCD 37 erstreckende
Ableitung (Drain) 43 vorgesehen. Eine Ableitung 43 ist
für jede
der Spalten der Photodioden 33 auf dieselbe Weise, wie
die Vertikalauslese-CCD 37 vorgesehen. Die Ableitungen 43 erstrecken
sich außerhalb
des Photoempfangsbereichs 33 und sind mit einer Ableitungs-Leitung 44 verbunden,
die sich in Horizontalrichtung erstreckt. Die Ableitungs-Leitung 44 ist
an die oben erwähnte
Ableitungs-Leitung 23 angeschlossen (siehe 1),
welche gegen Masse verbunden ist.
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Wie
in 3 gezeigt, ist die Ableitung 43 mit dem
Element 37a verbunden, das um ein Element stromaufwärtsseitig
in der durch den Pfeil F2 gezeigten Übertragungsrichtung der Ladungssignale
in Bezug auf das Element 37a angeordnet ist, an welches die
Ziffer "4" angebracht ist.
Die Ableitung 43 ist nämlich
mit den Elementen 37a verbunden, an welchen die Ziffer "1" angebracht ist. Ein Ableitungs-Gate 45 ist
zwischen der Ableitung 43 und dem Element 37a der
Vertikalauslese-CCD 37 vorgesehen.
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Als
Nächstes
wird der Aufbau des Photoempfangsbereichs 3 detailliert
unter Bezugnahme auf 4 bis 7 beschrieben.
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Von
diesen Figuren zeigt 4 das Substrat (unterste Schicht). 5 zeigt
eine Polysilizium-Elektrodenschicht, die auf der untersten Schicht ausgebildet
ist. 6 zeige eine oberhalb der Polysilizium-Elektrodenschicht
ausgebildete Metallschicht. 7 zeigt
eine lichtblockierende Schicht 46, welches die oberste
Schicht ist. Transparente Isolationsschichten (nicht dargestellt)
sind jeweils zwischen dem Substrat und der Polysilizium-Elektrodenschicht,
zwischen der Polysilizium-Elektrodenschicht und der Metallschicht
und zwischen der Metallschicht und der lichtblockierenden bzw. Abdeckschicht 46 vorgesehen.
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Wie
in 2 und 4 gezeigt, ist das Substrat
mit den Photodioden 33, den Aufzeichnungs-CCDs 36,
den Eingangs-Gates 38, den Ableitungs-Gates 45 und
den Vertikalauslese-CCDs 37 versehen. Die Aufzeichnungs-CCDs 35 werden durch
abwechselndes Bereitstellen von N-Zonen 47a und N–-Zonen 47b ausgebildet.
Vier aufeinanderfolgende N-Zonen 47a und N–-Zonen 47b bilden
ein Element 36a. Die Vertikalauslese-CCD 37 wird
auch ausgebildet durch abwechselndes Bereitstellen von N-Zonen 47a und
N–-Zonen 47b und
vier aufeinanderfolgende N-Zonen 47a und
N–-Zonen 47b bilden ein
Element 37a. Ferner bilden ein Paar von N-Zonen 47a und
N–-Zonen 47b ein
Eingangs-Gate 38. Der verbleibende Abschnitt des Substrats,
abweichend von den Photodioden 33, Aufzeichnungs-CCDs 36, Eingabe-Gates 38,
Ableitungs-Gates 45 und Vertikalauslese-CCDs 37 bildet ein Kanalstopper 48 einer P-Zone.
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Wie
in 5 gezeigt, sind drei Arten von Polysilizium-Elektroden 51. 52 und 53 in
der Polysilizium-Schicht vorgesehen.
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Von
diesen Elektroden sind die ersten Polysilizium-Elektroden 51 zum
Antreiben von Aufzeichnungs-CCDs 36 und eine Treiberspannung
der Phase φ1
wird daran angelegt. Ferner sind die zweiten Polysilizium-Elektroden 52 zum
Antreiben sowohl der Aufzeichnungs-CCDs 36, als auch der
Vertikalauslese-CCDs 37 und eine Treiberspannung der Phase φ2 wird daran
angelegt. Zudem sind die dritten Polysilizium-Elektroden 53 zum
Antreiben der Vertikalauslese-CCDs 37 und eine Treiberspannung
der Phase φ1 wird
daran angelegt.
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Diese
Polysilizium-Elektroden 51 bis 53 erstrecken sich
in Zeilenrichtung (Horizontalrichtung) der Photodioden 33 in
dem Photoempfangsbereich 32. Unter jeder der Polysilizium-Elektroden 51 bis 53 befindet
sich ein Paar von N-Zonen 47a und N–-Zonen 47b.
Die erste Polysilizium-Elektrode und die dritte Polysilizium-Elektrode 53 sind
in Zeilenrichtung (Horizontalrichtung) in einer Linie angeordnet.
Jedoch ist ein Zwischenraum 54 zwischen der ersten Polysilizium-Elektrode 51 und
der dritten Polysilizium-Elektrode derart vorgesehen, dass die erste
Polysilizium-Elektrode 51 und die dritte Polysilizium-Elektrode 53 elektrisch
voneinander isoliert sind durch den Abstand 54. Die ersten
und dritten Polysilizium-Elektroden 51 und 53 und
die zweite Polysilizium-Elektrode 52 sind in abwechselnder
Weise in Spaltenrichtung vorgesehen. Jedes Paar erster Polysilizium-Elektroden 51 und
zweiter Polysilizium-Elektroden 52 entspricht einem Element 36a der
CCD 36 zum Aufzeichnen, während jedes Paar von ersten Polysilizium-Elektroden 51 und
dritten Polysilizium-Elektroden 53 einem Element 37a der
Vertikalauslese-CCD 37 entspricht.
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Wie
in 6 gezeigt, schließt die Metallschicht erste
Metallverdrahtungen 57, zweite Metallverdrahtungen 58,
dritte Metallverdrahtungen 59 und Ableitungen (Drains)
ein. Die Metallverdrahtungen 57 bis 59 führen Treiberspannungen,
die von der oben beschriebenen Spannungsversorgung 30 ausgegeben
werden, an die Polysilizium-Elektroden 51 bis 53. Von
den Metallverdrahtungen 57 bis 59 stellt die erste
Metallverdrahtung 57 eine Treiberspannung der Phase φ1 an den
ersten Polysilizium-Elektroden 51 bereit. Ferner stellt
die zweite Metallverdrahtung 58 eine Treiberspannung der
Phase φ2
an den zweiten Polysilizium-Elektroden 52 bereit. Zudem stellt
die dritte Metallverdrahtung 59 eine Treiberspannung der Phase φ1 an den
dritten Polysilizium-Elektroden 53 bereit.
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Die
erste Metallverdrahtung 57 ist aus einer Hauptleitung 57a ausgebildet,
die sich in Spaltenrichtung erstreckt (Vertikalrichtung) und einer
Vielzahl von Zweigleitungen 57b, die von der Hauptleitung 57a abzweigen,
um sich in Zeilenrichtung (Horizontalrichtung) zu erstrecken. Jede
der Zweigleitungen 57b der ersten Metallverdrahtung 57 ist
mit der ersten Polysilizium-Elektrode 51 über Kontaktpunkte 61a verbunden.
Demgemäss
wird die Treiberspannung der Phase φ1 an die Elemente 36a der
Aufzeichnungs-CCD 36 über
die erste Metallverdrahtung 57 und den Kontaktpunkt 61a von
der Spannungsversorgung 30 zugeführt.
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Die
zweite Metallverdrahtung 58 ist auch aus einer Hauptleitung 58a ausgebildet,
die sich in Spaltenrichtung erstreckt (Vertikalrichtung) und einer
Vielzahl von zweiten Zweigleitungen 58b, die von der Hauptleitung 58a abzweigen,
um sich in Spaltenrichtung zu erstrecken. Jede zweite Zweigleitung 58b ist mit
der zweiten Polysilizium-Elektrode 52 über Kontaktpunkte 61b verbunden.
Demgemäss
wird die Treiberspannung der Phase φ2 den Elementen 36a der
Aufzeichnungs-CCD 36 und den Elementen 37a der
Vertikalauslese-CCD 37 über
die zweite Metallverdrahtung 58 und Kontaktpunkte 61b von
der Spannungsversorgung 30 zugeführt.
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Die
dritte Metallverdrahtung 59 erstreckt sich in Spaltenrichtung
auf dieselbe Weise, wie die oben beschriebene erste Metallverdrahtung 57 und
die zweite Metallverdrahtung 58 und ist mit einer dritten Polysilizium-Elektrode 53 über Kontaktpunkte 61c verbunden.
Demgemäss
wird eine Treiberspannung der Phase φ1 einem Element 37a einer
Vertikalauslese-CCD 37 über
die dritte Metallverdrahtung 59 und den Kontaktpunkt 61c von
der Spannungsversorgung 30 zugeführt.
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Die
Ableitungs-Gates 45 sind mit einer lichtblockierenden bzw.
Abdeckschicht 46 über
Kontaktpunkte 61d verbunden. Demgemäss wird eine Steuerspannung
zum Öffnen
oder Schließen
der Ableitungs-Gates 45 an die Ableitungs-Gates 45 über die lichtblockierende
Schicht 46 und die Kontaktpunkte 61d zugeführt. Die
Ableitungs-Gates 45 brauchen nicht mit hoher Geschwindigkeit
gesteuert zu werden, wie die Aufzeichnungs-CCDs 36 und die Vertikalauslese-CCDs 37.
Daher ist es möglich,
eine Steuerspannung über
die Abdeckungsschicht 46 mit relativ großer elektrischer
Kapazität
zuzuführen.
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Wie
in 7 gezeigt, sind eine Vielzahl von Fenstern 46a in
der Abdeckungsschicht 46 derart vorgesehen, dass jedes
von ihnen der Photodiode 33 entspricht. Diese Fenster 46a ermöglichen
es Licht, in die Photodioden 33 einzutreten. Der verbleibende Abschnitt
der Abdeckungsschicht 46, abweichend von den Fenstern 46a,
deckt den Photoempfangsbereich 32 derart ab, dass er einfallendes
Licht blockiert Die Abdeckungsschicht 46 ist aus einem
leitfähigen Metall
hergestellt. Das leitfähige
Metall schließt
Metalle, wie zum Beispiel Aluminium ein.
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Wie
oben beschrieben, werden in dem Hochgeschwindigkeits-Bildsensor 31 der
vorliegenden Erfindung die in den CCDs zum Aufzeichnen gespeicherten
Ladungssignale durch die Vertikalauslese-CCDs 37, die jeweils
für jede
Spalte von Photodioden 33 vorgesehen sind und sich in Spaltenrichtung erstrecken,
ausgelesen. Demgemäss
hat ein Photoempfangsbereich 32 eine rechteckige Form,
die keine Dreieckzone 14 (siehe 13) hat,
in welcher Aufzeichnungs-CCDs 36 existieren,
aber keine Photodioden 33. Demnach kann eine Miniaturisierung des
Sensors erzielt werden. Ferner nimmt in dem Fall, dass derselbe
Bereich für
den Photoempfangsbereich vorgesehen ist, die Anzahl an Photodioden aufgrund
des Fehlens einer Dreieckzone zu, was zu einer Verbesserung der
Auflösung
führt.
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Als
nächstes
wird der Betrieb eines Hochgeschwindigkeitsbildsensors 31 beschrieben.
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Zuerst
wird das seriell überschreibende Bildeinfangen
beschrieben.
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Eine
Steuerspannung wird an ein Ableitungs-Gate 45 über die
Abdeckschicht 46 und einen Kontaktpunkt 61d von
der Spannungsversorgung 30 derart angelegt, dass das Ableitungs-Gate 45 dasselbe
Potential beibehält,
wie die Ableitungs-Leitung 43. Unter
dieser Bedingung wird ein Ladungssignal nach außen von dem Sensor entladen
von dem Element 37a der Vertikal-CCD 37, die ist
mit dem Ableitungs-Gate 45 verbunden, d. h. dem Element 37a,
an welches die Ziffer "1" in 3 angebracht
ist, durch das Ableitungs-Gate 45, die Ableitungs-Leitungen 43 und 23.
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Ferner
wird beim seriell überschreibenden Bildeinfangen,
wie in 8C gezeigt, die Treiberspannung
mit zwei Pegeln und zwei Phasen an eine Aufzeichnungs-CCD 36 und
eine Vertikalauslese-CCD 37 von der Spannungsversorgung 30 angelegt.
Speziell wird die Treiberspannung der Phase φ1 von der Spannungsversorgung 30 zu
den Elementen 36a der CCDs zum Aufzeichnen 36 über die
ersten Metallverdrahtungen 57, Kontaktpunkte 61a und
erste Polysilizium-Elektroden 51 zugeführt. Ferner wird die Treiberspannung
der Phase φ2
von der Spannungsversorgung 30 zu den Elementen 36a der CCDs
zum Aufzeichnen 36 über
die erste Metallverdrahtung 58, Kontaktpunkte 61b und
zweite Polysilizium-Elektroden 52 zugeführt. Andererseits wird die Treiberspannung
der Phase φ1
an die Elemente 37a der Vertikalauslese-CCDs 37 über die
dritten Metallverdrahtungen 59, Kontaktpunkte 61c und
die dritten Polysilizium-Elektroden 53 zugeführt. Ferner
wird die Treiberspannung der Phase φ2 von der Spannungsversorgung 30 zu
den Elementen 37a der CCDs zum vertikalen Auslesen 37 über die
zweiten Metallverdrahtungen 58 und den Kontaktpunkt 61b zugeführt.
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Durch
Anlegen der Treiberspannungen an die Aufzeichnungs-CCDs 36 und
die Vertikalauslese-CCDs 37, werden die Ladungssignale übertragen, wie
in 8B gezeigt. Speziell, wie durch die Ziffern "5" bis "21" gezeigt,
die an Elementen 36a angebracht sind, und durch den Pfeil
F in 3 gezeigt, werden die in den Photodioden 33 erzeugten
Ladungssignale von den Aufzeichnungs-CCDs 36 in Richtung
des Punktes übertragen,
wo sie verschmelzen mit den Vertikalauslese-CCDs 37. Ferner,
wie durch die Ziffern "1" bis "4" gezeigt, die an Elementen 37a angebracht
sind und durch den Pfeil F2 in 3, werden
Ladungssignale, die zu den Vertikalauslese-CCDs 37 übertragen
worden sind, in Spaltenrichtung (Vertikalrichtung) übertragen.
Die durch die Vertikalauslese-CCDs 37 übertragenen Ladungssignale werden
zu den Ableitungen 43 durch die Ableitungs-Gates 45 von
den Elementen 37a entladen, zu welchen die Ziffer "1" angeordnet ist, bevor sie den stromabwärtsseitigen
Verschmelzungspunkt erreichen, d. h. die Elemente 37a,
bei welchen die Ziffer "4" in 3 angebracht
worden ist.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Betrieb, wie durch die Ziffern "1" bis "21" in 3 gezeigt, wird
eine große
Zahl von jüngsten
Ladungssignalen in den Elementen 36a und 37a der
Aufzeichnungs-CCDs 36 und der Vertikalauslese-CCDs 37 aufgezeichnet,
während
sie aktualisiert werden. Zusätzlich,
da die Ladungssignale von den Ableitungs-Gates 45 entladen
werden, werden die in einer Photodiode 33 erzeugten Ladungssignale
nicht vermischt mit den in einer anderen Photodiode 33 benachbart
zu dieser einen Photodiode in Spaltenrichtung erzeugten Ladungssignalen.
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Wenn
ein Auslöse-
bzw. Triggersignal in den Timing-Kontroller 29 von dem
Trigger-Signalgenerator 100 eingegeben wird, ist das seriell überschreibende
Bildeinfangen als ein Ergebnis des Anhaltens des Anlegens der Treiberspannungen
abgeschlossen und der externe Verschluss 22 wird geschlossen.
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Daraufhin
wird das Auslesen der Ladungssignale nach dem Anhalten des seriell überschreibenden
Bildeinfangens beschrieben.
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Eine
Steuerspannung (beispielsweise 0 V) zum Schließen der Ableitungs-Gates 45 wird
an die Ableitungs-Gate 45 über die Abdeckungsschicht 46 angelegt.
Zusätzlich
wird ein Auslesen der Ladungssignale durch Wiederholen eines ersten
Prozesses zum Übertragen
der Ladungssignale von den Vertikalauslese-CCDs 37 zu dem Horizontalauslese-CCD 39 zum
horizontalen Auslesen ausgeführt
und ein zweiter Prozess zum Übertragen
von Ladungssignalen von den Aufzeichnungs-CCDs 36 zu den
Vertikalauslese-CCDs 37.
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Im
ersten Prozess wird in den Aufzeichnungs-CCDs 36 keine Übertragung
der Ladungssignale ausgeführt,
wohingegen eine Übertragung
der Signale in den Vertikalauslese-CCDs 37 ausgeführt wird.
Speziell wird eine der ersten Metallverdrahtungen 57 zum
Anlegen der Treiberspannung der Phase φ1 an die Aufzeichnungs-CCDs 36 zugeführte Spannung
konstant gehalten. Andererseits wird eine Treiberspannung mit zwei
Pegeln nur an die zweiten Metallverdrahtungen 58 angelegt
zum Zuführen
der Treiberspannung der Phase φ2
an die Aufzeichnungs-CCDs 36 und die Vertikalauslese-CCDs 37, sowie
an die dritten Metallverdrahtungen 59 zum Zuführen der
Treiberspannung der Phase φ1
zu den Vertikalauslese-CCDs 37. Als ein Ergebnis, wie in 9B und 9C gezeigt,
werden die in den Aufzeichnungs-CCDs 36 gespeicherten Ladungssignale nicht übertragen
und verbleichen in Elementen 36a. Andererseits, wie in 8B und 8C und
durch den Pfeil F2 in 2 gezeigt, werden die in den
Vertikalauslese-CCDs 37 gespeicherten Ladungssignale in
Spaltenrichtung (Vertikalrichtung) übertragen. Die Ladungssignale,
die zu der Horizontalauslese-CCD 39 übertragen worden sind, werden
zum Pufferspeicher 26 über
den Verstärker 41,
die Ausleseleitung 24 und den A/D-Umsetzer 25 übertragen.
Wenn alle Ladungssignale, die in den Elementen 37a der
Vertikalauslese-CCDs 37 gespeichert
wurden, zu der Horizontalauslese-CCD 39 übertragen
worden sind, ist ein Zyklus des ersten Prozesses abgeschlossen und der
zweite Prozess wird ausgeführt.
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Im
zweiten Prozess wird die Übertragung
der Ladungssignale sowohl in den Aufzeichnungs-CCDs 36,
als auch in den Vertikalauslese-CCDs 37 ausgeführt. Speziell
wird eine Treiberspannung mit zwei Pegeln an alle ersten Metallverdrahtungen 57 angelegt
zum Zuführen
der Treiberspannung der Phase φ1
zu den Aufzeichnungs-CCDs 36, die zweiten Metallverdrahtungen 58 zum
Zuführen
der Treiberspannung der Phase φ2
zu den Aufzeichnungs-CCDs 36 und den Vertikalauslese-CCDs 37,
und die dritten Metallverdrahtungen 59 zum Zuführen der
Treiberspannung der Phase φ1
zu den Vertikalauslese-CCDs 37. Als ein Ergebnis, werden
Ladungssignale sowohl in den Aufzeichnungs-CCDs 36, als auch
in den Vertikalauslese-CCDs 37 übertragen, wie durch die Pfeile
F1 und F2 in 8B, 8C und 3 gezeigt.
Demgemäss
werden Ladungssignale von den Aufzeichnungs-CCDs 36 zu
den Elementen 37a der Vertikalauslese-CCDs 37 zugeführt, zu
welchen die Ziffern "1" bis "4" in 3 angebracht sind.
Wenn die Ladungssignale in allen der Elemente 37a der Vertikalauslese-CCDs 37 gespeichert
sind, das heißt,
die Ladungssignale in den Elementen 37a gespeichert sind,
zu welchen die Ziffern "1" bis "4" in 3 hinzugefügt sind,
ist ein Zyklus des zweiten Prozesses abgeschlossen und der erste
Prozess wird wieder ausgeführt.
Wenn alle in den Aufzeichnungs-CCDs 36, Vertikalauslese-CCDs 37 und
der Horizontalauslese-CCDs 39 gespeicherten Ladungssignale
nach außen
von dem Sensor bedingt durch Wiederholen der ersten und zweiten
Prozesse übertragen
worden sind, ist das Auslesen der Signale abgeschlossen.
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Der
Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der vorliegenden Ausführungsform
ermöglicht
das Erlangen einer Verbesserung der Rahmenrate, einer Reduzierung
des Rauschens und einer Anhebung der Ausbeute.
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Die
Verbesserung der Rahmenrate wird nachstehend beschrieben.
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Erstens
sind in dem Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der vorliegenden
Ausführungsform, wie
durch die Pfeile F1 und F2 in 3 und 10A gezeigt, die Richtungen der Übertragung
der Ladungssignale in den Aufzeichnungs-CCDs 36 und in den
Vertikalauslese-CCDs 37 dieselben an dem Punkt, an welchem
die Aufzeichnungs-CCDs 36 mit den Vertikalauslese-CCDs 37 verschmelzen.
Demnach kann die Anzahl von für
das Zuführen
der Treiberspannungen zu den Aufzeichnungs-CCDs 36 und zu
den Vertikalauslese-CCDs erforderlicher Metallverdrahtungen reduziert
werden. Beispielsweise in dem Fall, dass wie durch Pfeile F1' und F2' in 10B gezeigt, die Richtungen der Übertragung der
Ladungssignale in den Aufzeichnungs-CCDs 36' und den Vertikalauslese-CCDs 37' senkrecht zueinander
sind an den Punkten des Verschmelzens, werden zwei Arten von Metallverdrahtungen
erforderlich, um die Richtung der Übertragung der Ladungssignale
zu ändern,
was das Erstellen eines unnötigen Raums
im Photoempfangsbereich verursacht. Ferner sind in dem Fall, dass
wie in 10C gezeigt, der Sensor einen
Aufbau hat, wobei Ladungssignale aufeinanderfolgend von einer Aufzeichnungs-CCD 36'' zu einer anderen CCD 36'' übertragen werden, zwei Arten
von Metallverdrahtungen erforderlich, um die Richtung der Übertragung
der Ladungssignale zu ändern,
wie durch die Pfeile F1'' und F2'' gezeigt. Demgegenüber ist es, da die vorliegende
Ausführungsform
eine Richtung der Übertragung
der Ladungssignale an dem Punkt des Verschmelzens zulässt, nicht erforderlich,
zusätzliche
Metallverdrahtungen vorzusehen zum Ändern der Richtung der Übertragung. Aus
diesem Grund kann die Anzahl von Metallverdrahtungen in einem Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der
vorliegenden Ausführungsform
reduziert werden.
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Ferner
ist es, da die Steuerspannung zu den Ableitungs-Gates 45,
wie oben beschrieben über
die Abdeckungsschicht 46 zugeführt wird, nicht erforderlich,
eine zusätzliche
Metallverdrahtung zum Zuführen
der Steuerspannung zu den Ableitungs-Gates vorzusehen. Aus diesem
Grund kann die Anzahl von Metallverdrahtungen in einem Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der
vorliegenden Ausführungsform
reduziert werden.
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Zudem
wird die Zufuhr der Treiberspannung der Phase φ2 zu den Elementen 36a der
Aufzeichnungs-CCD 36 und die Zufuhr der Treiberspannung der
Phase φ2
zu den Elementen 37a der Vertikalauslese-CCD 37 unter
Verwendung derselben Metallverdrahtung ausgeführt werden, d. h., der zweiten
Metallverdrahtung 58. Bedingt durch das Teilen der Metallverdrahtung
für die
Zufuhr der Treiberspannung für
die Aufzeichnungs-CCD 36 und für die Vertikalauslese-CCD 37 kann
die Anzahl von Metallverdrahtungen reduziert werden.
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Als
ein Ergebnis des Reduzierens der Anzahl von Metallverdrahtungen,
wie oben beschrieben, kann der Abstand zwischen ersten bis dritten
Metallverdrahtungen 57, 58 und 59 zum
Zuführen
der Treiberspannungen reduziert werden, so dass die Zeitverzögerung bei
der Übertragung
der Treiberspannungen in den Aufzeichnungs-CCDs 36 und
den Vertikalauslese-CCDs 37 reduziert werden kann. Als
ein Ergebnis wird die Rahmenrate erhöht.
-
Ferner
wird, da in dem Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der vorliegenden
Ausführungsform
die Aufzeichnungs-CCDs 36 durch die Treiberspannung von
zwei Phasen angetrieben werden, die Rahmenrate erhöht werden.
Speziell in dem Fall einer Treiberspannung von drei oder mehr Phasen werden
Ladungssignale von einem Element zu dem nächsten Element durch eine Änderung
in der Treiberspannung von drei bis acht Schritten übertragen. Demgegenüber werden
in dem Fall von Treiberspannungen von zwei Phasen Ladungssignale
von einem Element zum nächsten
Element durch eine Änderung
in der Treiberspannung von zwei Schritten übertragen, wie in den Schritten
S0 bis S2 in 8 gezeigt. Demnach wird
die Übertragungsgeschwindigkeit
der Ladungssignale erhöht,
was zu einer Erhöhung
der Rahmenrate führt.
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Konkret
kann durch Vorsehen der oben beschriebenen Eigenschaften in der
oben beschriebenen Ausführungsform
eine Rahmenrate in der Größenordnung
von einer Million Rahmen pro Sekunde erzielt werden.
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Dann
wird das Reduzieren des Rauschens und Erhöhens der Ausbeute beschrieben
werden.
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Erst
werden für
jede Spalte von Photodioden 33 oder Pixel bzw. Bildpunkten 34 die
an die Photodioden 33 angeschlossenen, die entsprechende
Spalte bildenden CCDs 36 verschmolzen. In dieser Anordnung,
wie in 7 gezeigt, verläuft die Aufzeichnungs-CCD 6 nicht
durch den schmalen Spalt 148 zwischen den einander benachbarten
Photodioden in Spaltenrichtung. Demgemäss kann zur Zeit der Übertragung
von Ladungssignalen in den Aufzeichnungs-CCD 36 auftretendes
Rauschen reduziert werden. Zusätzlich
können
Ladungssignale aus dem Sensor durch die Vertikalauslese-CCDs 37 ausgelesen
werden, ohne Rauschen zu verursachen nach dem Abschluss des Bildempfangens.
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Ferner,
wie oben beschrieben, schließen
die Metallverdrahtungen nur drei Arten ein, d. h., erste bis dritte
Metallverdrahtungen 57 bis 59, und demnach ist
die Anzahl von Metallverdrahtungstypen gering. Die geringe Anzahl
von Typen von Metallverdrahtungen reduziert die Gesamtzahl von Metallverdrahtungen,
hierdurch das Rauschen reduzierend.
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Auch
kann, da die Anzahl von Arten und die Anzahl von Metallverdrahtungen,
wie oben beschrieben, reduziert werden kann, die Anzahl der Metallschichten
reduziert werden. Speziell ist die Anzahl von Metallschichten insgesamt
zwei, bestehend aus einer Schicht zum Anordnen der ersten bis dritten Metallverdrahtungen 57 bis 59 und
der lichtblockierenden bzw. Abdeckungsschicht 46. Dieses
Reduzieren der Anzahl von Metallschichten ermöglicht ein Reduzieren des Rauschens.
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Das
Reduzieren des Rauschens erhöht
die Ausbeute.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die oben beschriebene
Ausführungsform
und verschiedenartige Modifikationen sind möglich.
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Beispielsweise
können
statt der Photodiode andere photoelektrische Umsetzvorrichtungen
verwendet werden, wie zum Beispiel ein Photo-Gate, von dem die Oberflächenschicht
des photoempfindlichen Teils mit einer transparenten Elektrode abgedeckt
ist. Zudem können
Ladungssignalumsetzer Ladungssignale in Übereinstimmung mit Funkwellen
erzeugen, wie zum Beispiel ultravioletten Strahlen, Infrarotstrahlen,
Röntgenstrahlen
und Gammastrahlen oder einfallenden Strahlen von Partikelströmen, wie zum
Beispiel Neutronenströme
oder Ionenströme.
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Der
Sensor kann eine parallele Auslesestruktur haben, wobei näherungsweise
zwei bis vier Horizontalauslese-CCDs vorgesehen sind.
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Unnötige Ladungssignale
können
von den Ableitungs-Gates durch das Substrat entladen werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann angewendet werden auf den Fall, in welchem
die Anzahl von Metallschichten einschließlich der lichtblockierenden Schicht
drei oder mehr sind.
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Zusätzlich kann
die vorliegende Erfindung, obschon die oben beschriebene Ausführungsform Zwei-Phasen-Antreiben
verwendet, angewendet werden auf den Fall, in welchem eine Treiberspannung
drei oder mehr Phasen hat.