JP2000513887A - High-speed CCD imaging, image processing, and camera system - Google Patents

High-speed CCD imaging, image processing, and camera system

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JP2000513887A
JP2000513887A JP09542434A JP54243497A JP2000513887A JP 2000513887 A JP2000513887 A JP 2000513887A JP 09542434 A JP09542434 A JP 09542434A JP 54243497 A JP54243497 A JP 54243497A JP 2000513887 A JP2000513887 A JP 2000513887A
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マーリック,ジェイムズ,ジェイ.
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Abstract

(57)【要約】 ソリッドステート撮像アレイは、線形的に連続して動作する複数のアナログ・メモリセルを有し、撮像感光部(202)のアレイにより構成され、各々の感光部から連続して撮像した画像電荷信号を記憶する。 (57) [Summary] A solid state imaging array has a plurality of analog memory cells that operate linearly and continuously, and is constituted by an array of imaging photosensitive units (202). The captured image charge signal is stored.

Description

【発明の詳細な説明】 高速CCD撮像、画像処理、及びカメラ・システム 関連出願の相互参照 本出願は1996年5月3日付で保留中の米国予備出願第60/017,03 5号の利益及び優先権を請求するものである。 政府の権利 本発明は国防総省から受託した契約第F08630−96−C−0066号に よる政府支援で行なわれた。政府は本発明に関する権利を有する。 発明の背景 本発明は一般に超高速イメージャ、光プロセッサ、及び電子カメラ・システム に関する。さらに詳しくは、本発明はたとえば毎秒百万画像フレームまで又はそ れ以上の画像フレーム・レートで電子画像の撮像が可能な電子撮像・システム、 並びに撮影した画像についてさらにコンパクトなアナログ記憶能力および/また は処理能力を有するカメラシステムに関する。 科学的、商業的、軍事的な各種用途において経済的で、超高速な電子撮像が必 要とされている。毎秒百万フレーム又はそれ以上の記録速度を備える超高速電子 撮像・センサーが分子物理学、高速物理化学、工業的プロセス制御、医学生物学 用途、高解像度遠距離撮像望遠鏡、燃焼フローの各分野で基本的に応用を可能に するために望まれている。残念ながら、現在の電子検出器は充分な感度がなく、 比較的低速であったり、又は高価である。たとえば、シリコンで製造された市販 のCCDイメージ・センサ等の現在利用可能な高解像度電子イメージャは中程度 から大型のフレーム・サイズ(たとえば少なくとも512×512画素)では中 程度の出力チャンネル数(たとえば32チャンネルまで)を用いると毎秒数千フ レーム程度が実用的速度限界である。高速半導体デバイス、たとえばバンプGa As出力回路等の高速半導体デバイスで幾らかは電子イメージャ・フレーム・レ ート速度の向上が見込まれるが、大きなフレーム・レートの向上には新型のイメ ージャ設計及びジオメトリが必要であろう。 従来、高い有効フレーム・レートを提供するには一般に多重化アセンブリした 複数のイメージャを用いるか高速フィルム・システムを用いている。この点に関 して、各種超高速カメラは回転プリズム/ミラー・アセンブリに基づくもので、 起動及び同期で本質的な機械的遅延時間がある。これらのシステムは大型で、柔 軟性がなく、高価であり、各種の欠点を有している。 たとえば、ミラー/プリズム・アセンブリの高回転速度を実現するためにはカ メラ筐体をヘリウムでパージしてドラッグを減少させ、またプリズムを比較的脆 弱なベリリウムで製造する必要があり、これは健康面で有害なことがある。関係 のある機械的な慣性のため、このようなカメラ・システムは撮像しようとするイ ベントをトリガするように(イベントでトリガされるのではなく)制限されてし まい、一定のフレーム間期間だけを提供するのが代表的である。カメラが安定状 態に達するのに必要とされる機械的な「スピンアップ」時間は、撮像しようとす るイベントに基づいてカメラを非同期的にトリガするのを困難にしている。これ はまたステレオ画像撮影のために複数台のカメラを同時にトリガするのが難しい 。ユーザが選択可能なフレーム間の期間を非同期トリガ及び高速ゲート制御と組 み合わせると高い時間解像度で画像データの取り込みが行なえ、また複数台カメ ラの共通した精密トリガの使用でステレオ写真を提供できる。撮像フレーム・レ ートとは独立した電子画像露光の制御を提供して、特定撮像用途での撮像の必要 性にカメラ性能を一層柔軟に合わせることができる。しかし、超高速撮像速度で は、シャッター及びフレーム・レートの独立制御が高画質で両立するのは困難で ある。 超高速イメージャからの画像出力データの管理及び記憶も現時点での問題であ る。たとえば、1K×1K画素のカメラを毎秒百万フレームで動作させる場合の 画像データ撮影及びメモリ要求は莫大なものになる。毎秒百万フレームで動作す る1K×1K画素イメージャの画像データ・デジタル出力レートは毎秒1テラバ イトであり、現在利用可能なデジタル記憶システムの容量を越えている。 発明の要約 本発明の主たる目的は高フレーム・レートが可能な、たとえば毎秒百万フレー ムまで又はそれ以上の撮像フレーム・レートの高速電子イメージャを提供するこ とである。さらなる目的は新規かつ有効なジオメトリを有し、効率的な撮像が行 なえるようなイメージャ及びカメラ・システムを提供することである。さらに、 本発明の目的はこのような超高フレーム・レートでのフレーム・レートと露出時 間の独立した選択を提供することである。本発明のさらに別の目的は超高速イメ ージ撮影のためのコンパクトなイメージ記憶能力を提供することである。 一般に、本発明は極めて高速な画像撮像が可能で、撮影した複数の連続画像に ついて画像を記憶するため高速イメージャの撮像画素に部分的に線形に結び付い た高速アナログ・メモリを含む電子画像・センサ及び電子カメラ・システムに関 する。 図面の簡単な説明 本発明の上記及びその他の目的は後述の詳細な説明と添付の図面から明らかに なろう。図面において、 図1は各々の光検出部と直接線形に関連した複数のアナログメモリ部を有する 超高フレーム速度低フィルファクターCCDイメージャを使用するCCD撮像・ システムの実施例の模式的ブロック図である。 図2は図1のシステム等の撮像・システムで使用できる超高フレーム速度CC Dイメージャの実施例の一つの模式的平面図である。 図3Aは図2のイメージャの一部の模式的上面図で、部分的に線形に結び付い たメモリ記憶セルに対するアクティブな感光部の間隔(spacing)を示す。 図3Bは図2のイメージャの別の感光部及び部分的・メモリ・ジオメトリの模 式的平面図である。 図4は図2の撮像・アレイの感光部の一つの拡大平面図である。 図5は図2の水平列方向に沿った図4のアクティブ感光部の断面図である。 図6は縦の転送方向に沿った図4のアクティブ感光部の断面図である。 図7は各々の撮像感光部に直接関係する大幅に拡張したアナログ・メモリを備 える超高速イメージャの3D積層CCDセンサの模式的上面図である。 図8はコンパクトな2Dイメージャと3Dアナログ・メモリシステムを形成す る1KバッファCCDチャンネルのある図7のエッジ・撮像CCDセンサの3D 積層アレイである。 図9は3Dメモリおよび/または処理能力を拡張したバンプマウント型高速C CD撮像・システムである。 図10は図9に図示した種類のCCDウエハ・スタックにバンプマウントした 多重SOSイメージャの断面側面図である。 図11は図8又は図9のアセンブリ等の3Dイメージセンサ及びメモリ・アセ ンブリ用の「ピラー-凹部」z軸及びy軸位置決めシステムの模式的断面側面図 である。 図12は本発明の複数の同時トリガされる超高速カメラを用いた超高速ステレ オ写真撮影システムである。 図13は超高速撮像に適したフル・フレーム・アーキテクチャの大型フォーマ ット4096×4096記憶セル/画素CCDイメージャの模式的上面図である 。 図14は4相高電導度並列転送電極バス・システムを備える超高速CCDイメ ージャの上面図である。 図15はカラー・撮像に適した図3Aのイメージャと同様の超高速イメージャ の一部の模式的平面図である。 本発明の詳細な説明 一般に、本発明は撮像感光部のアレイを含み、これと部分的に関連して各々の 感光部から連続的に撮影した画像電荷信号を記憶するため、複数の線形に連続的 に動作する複数のアナログ・メモリセルを備える電子撮像・システムに関する。 一般に、感光部アレイは2次元アレイで規則的に配列した1000個のアクティ ブ感光部の2次元アレイとするのが望ましく、少なくとも200,000個のア クティブ感光部の規則的な2次元アレイとして構成するのがさらに望ましい。 前述のように、感光部は各々が部分的に結び付いた連続的に動作する複数のア ナログ・メモリセルを有する。「部分的に結び付いた」とは、規則的に配列され た撮像アレイの各々の感光部であり、たとえば、CCD電荷転送・チャンネルを 用いて少なくとも4個、望ましくは少なくとも10個、又望ましくは少なくとも 64個の、線形的に隣接して接続され連続的に転送可能な各々の感光部用のアナ ログ・メモリセルを意味するものである。さらに、隣接する感光部と線形的に部 分的に結び付いているアナログ・メモリセルは、電荷転送・チャンネルに沿って 隣接配置するのが望ましく、線形に隣接する感光部と部分的に結び付いたアナロ グ・メモリセルのグループも連続的に転送また読み出すことができるようにする 。高速動作で望ましくは、少なくとも毎秒約100,000画像サンプルのレー トで、望ましくは少なくとも毎秒200,000サンプルのレートで、もっとも 望ましくは少なくとも毎秒1,000,000画像サンプルのレートで感光部に よって生成された連続的電荷信号サンプルを受信記憶できる少なくとも16個の 連続的動作アナログ・メモリセルに各々の感光部を直接接続する。 好適実施例において、各々の感光部と部分的に結び付いたアナログ画像信号記 憶セルのグループは連続CCD電荷転送・チャンネルに沿って線形かつ連続的に 配置する。線形して隣接した感光部のアナログ画像信号記憶セルの各々のグルー プは転送チャンネルに沿って規則的に連続して配置され、隣接する感光部に部分 的に線形的に結び付いた画像信号のグループが同じ相対順位で転送チャンネルか ら読み出せるようになる。望ましくは、アナログ画像記憶セルの全部を共通の転 送電極アレイで並列にシフトし、アレイは3又は4相電極転送・クロック・シス テムとするのが望ましい。 ソリッドステートCCDイメージャは、従来露光した時に電荷を発生しこれを 収集する光検出部の規則的に配置されたアレイを使用している。光検出部で電荷 パケットとして収集された電荷量は、画像の強度と各々の感光部位置での積分時 間に対応する。これらの電荷パケットは、デジタル化及びさらなる処理のために イメージャから定期的に転送される。電子イメージャ感光部は、表面チャンネル 又は埋め込みチャンネル電荷結合素子(CCD)又はその他の電荷転送素子(C TD)、電荷注入素子(CID)又はその他の光センサーアレイ等の、詳細に後 述するようにアナログ・メモリを部分的に関連できるような各種光センサ・シス テムで使用される。可視光スペクトル(たとえば波長400〜700ナノメート ル)に合わせて設計された撮像感光部、たとえばシリコン・フォトダイオード・ イメージャが特に望ましいが、本発明の方法及び装置は、シリコンやその他の半 導体たとえばIII−V族及びII−VI族材料を用いて、赤外線(たとえば0 .7〜15μm)、遠赤外線(たとえば15〜25μm、又は15〜100μm 波長)、紫外線(たとえば100〜400ナノメートル波長)スペクトル範囲で の撮像にも有用である。各種のイメージャのタイプがこれまでに知られており各 種波長範囲で使用されているが、このようなイメージャは本発明による当該波長 でのアクティブ感光部検出器を提供するために使用できる。埋め込み電荷転送チ ャンネルを有する電荷結合素子は本開示のセンサ・ジオメトリで用いた場合に高 速動作とコンパクトで連続的なメモリ記憶能力の理由から特に好適である。本開 示のイメージャ・ジオメトリ及び動作方法で使用した場合に非常に大きなフレー ム・レート、良好な画素均一性、低雑音が可能なCCD及び関連カメラ装置と出 力電子回路を提供する。 高速電荷注入装置(CID)とCMOS感光部も電子イメージャ、特に、後述 する撮像メモリチップの3Dスタックのためのエッジ感度感光部として使用する こともできる。このような装置はチップのエッジに光感受性キャパシタ素子の線 形アレイを含む。イメージ読み出しは、一方の電極に画素画像電荷を記憶し、連 続して結び付いた拡張CCDメモリへの転送のために他方の電極へ電荷パケット を転送する時に当該他方電極に発生した電位を測定することによって行う (CIDイメージャの説明についてはZarnowski et al.,SPIE vol.1447(1991 )Charge Coupled Devices and Solid State Optical Sensors II,pp.191-201 ;Carbone et al.,same SPIE vol.1447,pp.229-237を参照)。CTDおよびC IDも各画素の電荷モードによる部分的画素レベルでの画像減算及びその他の部 分的な隣接演算を実行してサンプリングした画像入力を提供する。感光部アレイ は凸レンズ・アレイ又はレンズレット・アレイ(たとえば回折光学系又は回折格 子)を設けた場合に少なくとも有効フィルファクター75%を有するのが望まし い。 光学レンズシステムや電子イメージャシステムの設計を解像度とエイリアシン グ(aliasing)の適当なバランスが提供できるように最適化するのが望ましい( C.S.Bell,Lens Evaluation for Electronic photography,SPIE vol.1448( 1991)pp.59-67)。この点で、イメージセンサの制限解像度と固有のエイリア ス特性は、レンズ系の特性に対応するように最も良く設計すべきである。エイリ アシングおよび/またはボケの結果として、最適条件下でも従来の撮像システム では大量の画像情報が失われている。画像の変調コントラスト検出には最低2画 素が必要とされ(ただし個別の格子画素各々が本発明による画像格子位置で画像 の画像エッジ拡張値を発生できることに注意すべきである)、センサアレイのナ イキスト周波数限界は画素反復距離の2倍にほぼ逆比例することになる。干渉効 果であるエイリアシングは、ナイキスト限界より高い周波数(空間解像度)の画 像情報でイメージャに発生することがある。光学的ボケはレンズの空間周波数解 像度を撮像システムのそれに減少させる(又は一致させる)ため、単一フレーム ・イメージャで従来使用されて来た。カラーサンプリングを行なうシステムでは 、異なる色で異なる量のボケ又はスメア(smear)を提供する光学プレフィルタ は、従来の方法による各波長感度での画像にレンズ系を最適化させている。 解像度向上を提供するためには、従来、イメージャは画像走査モードにおいて 使用され、画像フィールド内で画素幅だけイメージャをずらした後で連続画像が 作られる(「ステップ・アンド・リピート」又は「ファイン・スキャン」動作) 。この方法で画像解像度を向上するために用いられるイメージャは、また低いフ ィルファクターを有するように意図的に設計される(J.Milch,“High Resolution Digitization of Photographic Images With An Area Charge-Coupl ed Device(CCD)Imager”,Applications of Digital Image Processing,Proc .SPIE 697,pp.96-104(1986);Kontron Commercial Camera)。したがって、本 開示の方法並びに装置では、超高速イメージャの光センサ部の出力フレームを高 速でシフトして高い解像度の合成画像を形成するようにしたシステムを使用する 。 図1に図示してあるのは超高速電子カメラ・システム100であり、特化した フォトマスクを用いて感光部アーキテクチャに変更を加えてある比較的大きな従 来のフレーム転送又はフルフレームCCDイメージャの全体的な高密度設計を使 用しており、高速撮像動作が行なえる。図1のシステムで使用されているような 画素数の大きなCCDセンサは、代表的には毎秒約1から約60の画像フレーム まで等の比較的遅いフレーム・レート用途に向けて設計されている。画像データ のカラム全部が従来は高速で並列シフトされていたが(たとえば縦方向転送レジ スタに沿って毎秒百万シフト)、少数の出力回路を介した並列データ・ストリー ムからシリアル出力への変換(たとえば特化システムでは32又はそれ以上のチ ャンネルを使用できるが代表的には1から4の出力チャンネル)が当該イメージ ャのフレーム・撮像速度を制限している。5K×5K又はそれ以上の画素のCC Dイメージャ(たとえば2500〜6000万画素)は、従来フルフレーム・ア ーキテクチャで可能である。 図1に模式的に示すように、超高速撮像・システム100は、レンズ102と 、光電シャッター及びレンズレット系104と、高速CCDイメージセンサ10 6と、CCDイメージセンサ106と、光電系104用電子駆動制御システム1 08とを含む。レンズ102はコヒーレント又はインコヒーレントな画像又は光 学的変換をイメージャ106の焦点面に効果的に合焦するための何らかの適当な カメラレンズである。オプションの光電システム104は、カー(Kerr)・セル 等の高速光電シャッター、および/またはレンズレット/アレイを含み、高速C CDイメージセンサ106の有効フィルファクタを増加させるが、これについて は、図2〜図11を参照して詳細に後述する。電子駆動制御システム108も実 質的に従来の設計として、イメージャ106に駆動及び出力信号処理を供給 し、さらに図2〜図6を参照して後述するようなイメージャの変更と組み合わせ て使用した場合に連続フレーム・シーケンスで毎秒百万フレームの桁での画像フ レーム・レートを提供する。CCD駆動制御システム108は、一般に縦方向( 並列)シフトレジスタ駆動回路、水平シフトレジスタ駆動回路、データ出力A/ D変換及びメモリ回路、CCDバイアス回路、特定のCCDイメージャ(たとえ ばCCDイメージャとその接続個人識別情報、レジスタ駆動及び読み出し電圧と タイミング図、CCDカメラ/駆動系キットについての1996年Thomson-CSF Semiconducteurs Specifiquesの製品販売カタログ「CCD製品1996」を参 照。これは本明細書で参照に含まれる)を制御するのに適当なその他の回路を含 む。 図2に示すは、ラージフォーマット・フレーム転送1024×1024CCD イメージャ106で、これは駆動し出力データを収集するのが簡単な並列アーキ テクチャを特徴としている。イメージャ106は、セル寸法14μm×14μm の感光性画素を1024×1024個密接してパックしてある。1024×10 24画素の撮像領域は、光シールド・フレーム転送メモリ領域に隣接した従来の 縦方向シフトレジスタに沿って配置される。この従来設計では、1024×10 24画素画像フレーム全体がシールドされたフレーム転送領域へ約1.3MHz の並列フレーム転送レート又は装置の縦方向転送カラムに沿った画像領域から画 像1024ラインを転送するのに0.001秒以下で高速に転送される。シール ドされたフレーム転送メモリ領域は各々最大データ・レート20MHzで動作す る4並列出力を有し、10〜12ビット・グレースケール解像度で60Hz(1 024×1024メモリセルで作られる)までのフルチップ出力レートを提供す る。その他の特有のオンチップ能力としては、アンチブルーミング(blooming) 及び露光時間制御を含む。図示した装置106はトムソンCSF半導体社の市販 しているTHX7887A型CCDイメージャであり、従来毎秒60フレームま でで動作しているが、専用の光シールド及び動作方法で変更されて毎秒百万フレ ームを越えるフレーム・レートでの超高速撮像を行なうための構造を提供してい る。 図2に示すように、CCDイメージャ106は256×255画素画像フレー ムサイズでおよそ毎秒1.3メガフレームまでのフレームレートで16画像まで を撮影するように特別に設計された正方形のフレーム転送領域アレイCCDイメ ージャである。特別な変更としては、画素開口部の精密配列パターン以外では、 不透明な撮像部分上の金属マスクを含み、イメージャの超高速動作を可能にする 。イメージャ106それ自体は、縦方向CCDシフトレジスタ(矢印の方向)に 沿って構成された1024×1024正方形画素(14μm×14μm)で形成 されたおよそ百万画素の撮像領域202と、同一の記憶容量を有するメモリ領域 204を含み、メモリ領域アナログデータの同時制御読み出しができる。画像領 域202は1044水平ライン(列)からなり、1024画素ラインとアレイ2 02上部の5本の暗基準ラインと底部の5本の暗基準ラインとを含む。暗基準完 全性のために分離ラインとして補助ラインが使用される。光学的に不活性のメモ リ領域204は撮像領域と同数のラインを有する。 メモリ領域204の出力レートを増加させるために、イメージャは4個の出力 部206,208,210,212を有し、各々が1024CCD転送カラムの 1/4(256カラム)からアナログ電荷パケットを受信する。したがって撮像 及び高速フレーム記憶領域202とメモリ領域204は、それぞれ256本のC CD転送チャンネル4つに機能的に分割されていると見なすことができる。撮像 及び高速フレーム記憶領域202それ自体は、イメージャのCCD転送チャンネ ルの高速転送クロックと合わせて、イメージャの他の実際の撮像領域の特殊マス キングにより、画像サイズ256×255画素の16フレームの高速撮像ができ るように特別に設計されている。 CCDイメージャ106の撮像及び高速フレーム・部分的・アナログメモリ記 憶領域202の一部300の平面図が図3Aに拡大した形で模式的に図示してあ る。図3Aに示すように、アクティブな画素セル302,304は、矢印方向の フレーム転送イメージャ106のメモリ領域204(図示していない)へ向かう 従来の縦方向CCD転送チャンネルに構成される。セル302,304の各々は 従来の方法によれば(図4〜図6参照)イメージャ106の4相縦方向転送・レ ジスタ電極各々を介して撮像のためのアクティブ感光部であるのが普通である。 しかし、他の従来のCCDイメージャ106は、感光部304の大半を被覆する 暗い格子上パターンで図示してある特殊な不透明金属マスク306によって変更 される。 図示した実施例300において、セルの1/16だけが不透明アルミニウム層 でマスクされていない。マスク層306の画素開口部はアクティブ感光部302 を形成し、イメージャの表面上に等間隔に配置される(縦方向と水平方向におよ そ4セル離れている)が、縦方向転送レジスタ310の長手方向に対して角度を つけてずらされ、感光部302に回収された電荷が別のアクティブな感光部30 2に達する前に、「不透明」記憶セル304を介して転送・チャンネル310に 沿って縦方向に15回線形にシリアルにシフトされるようにする。 図3A及び図3Bに示すように、アクティブな感光部302は2軸に沿って各 々所定の間隔で等間隔に配置されており、少なくとも一方の軸はCCD106の 縦方向(並列)転送レジスタ310の長手方向に対して回転して配置されている 。これにより、各々の感光部からの画像データの線形シフトが行なわれて、別の アクティブな感光部302に到達する前に一般に転送・チャンネル方向に沿って アクティブな感光部302の間の所定間隔の倍数だけ前進する。所定間隔は、一 般に各々の軸の方向における画素/メモリセル302,304の総数に対応し、 感光部アレイの各々の軸で異なることがある。 図3A及び図3Bに図示してあるように、転送チャンネル方向に沿った間隔の 倍数が感光部アレイの他方の軸に沿った整数セル間隔の関数である。したがって 、図3Aに図示してある感光部及び記憶セル構造は16画像の撮像及び記憶が可 能である。各々のアレイ軸に沿って感光部が8セル単位だけ離れている場合、イ メージャは64画像を撮像して記憶することができるようになるが、イメージャ のアクティブ画素の個数は4セル間隔の場合の1/4となる。 電荷パケットが転送・チャンネルに沿って非常に高速で伝送される(たとえば THX7887A型CCDイメージャ及びカメラ装置回路の従来のフレーム転送 動作による1MHz以上の4相クロック速度で)ため、イメージャ設計300は 画像電荷を転送しながら極端に高速な撮像を実現できる。連続16枚の画像が図 3に図示したようにインタリーブ化され、セル16が第1の画像、セル15が 第2の画像、セル1へ戻るほど最新の画像となる。撮像されて撮像及び高速フレ ーム記憶領域202に記憶された16枚の画像は、トムソン7887A型CCD イメージャ・チップの従来の電子カメラCCD駆動出力回路を用いて後続の読み 出しのためにメモリ領域204へクロックされる。 動作において、超高速カメラ・システム100は、電子駆動制御系108の制 御下で、最初にシャッター104が閉じた位置にあり、4相転送電極は停止状態 の、撮像を受け入れられる非転送モードになる。4電極のうち少なくとも2つ望 ましくは3つが電子欠乏電位におかれて感光部の画像信号電荷記憶容量を最大に する。望ましくは、撮像前に、アンチブルーミング・ゲート及びドレインを動作 させて望ましくない画像信号を除去する。 比較的単純な動作モードで高速に画像を撮像するには、システム108がシャ ッター104を開くおよび/または撮像しようとするイベントの照明を動作させ て、少なくとも毎秒50,000フレーム(又は縦方向シフト)から毎秒百万又 はそれ以上のフレームまでの所望の撮像レートに対応する縦方向シフト・レート で撮像領域202の縦方向レジスタ310に沿って並列縦方向転送16サイクル まで縦方向レジスタの4相転送電極を駆動する。転送サイクルの開始はサイクル 時間の1/4以内で、従来のイメージャ駆動方法により正確にトリガする。アン チブルーミング及びドレインゲートは撮像中は停止する。 THX 7887A型イメージャ106は毎秒130万サイクル(縦方向シフト) までの縦方向シフトレートで動作するように設計されている。高速で撮像できる 画像の最大数は各々のアクティブな感光部に部分的に関連しているメモリセルの 個数、ここでは16個に制限される。 縦方向クロック・シフトサイクルが停止し、その間に各々の記憶セルに画像デ ータを保持する。シャッター又は被写界照明をオフにして、複合画像をフレーム 記憶領域204へ記録し、ここから従来の方法による高精度で読み出される。個 々の画像は複合画像において正確にロケーションが分かっており、何らかの適当 な方法でデジタル・メモリヘ簡単に「ソート」又は分離できる。撮像は前述した ように露光時間がフレーム・レートの逆数となるような均一なフレーム・レート を発生するように行なわれるが、他の撮像モードを用いることもできる。 たとえば、所望すれば各画像の露光時間を別々にプログラムして循環すること ができる。この点で、図3Aを参照すると、第1の転送サイクル時間は1μ秒、 第2から第5のサイクル時間は5μ秒、また残りの第6から第16までのサイク ル時間は10μ秒でこれに対応する露光時間となっている。 同様に、フレームレートと露光時間の独立制御を提供するようにカメラを動作 させ、これにより画像露光時間がフレームレートの逆数より小さくすることがで きる。たとえば、第1の画像を第1のレート(たとえば1μ秒)でシフトし、画 像を再度1μ秒でシフトする前に、第2の画像を所定の露光時間(たとえば9μ 秒)保持し、続いて第3の画像を第1の(1μ秒)レートでシフトさせ、第4の 画像では9μ秒の露光時間で、というようにCCD縦方向転送のクロック動作を 行う。第1の露光時間の画像と第2の露光時間の画像とを交互にすることで、交 互に画像を破棄して所望の露光制御を提供することができる。開示した実施例に おいて、1μ秒又は9μ秒のどちらかの露出で毎秒100,000フレームの撮 像の効果が完全にプログラム可能かつユーザ選択可能な方法で提供される。ペナ ルティは、画像の半分が破棄され、イメージャのこれに対応する記憶領域が直接 利用されないことである。 しかし、これは本開示の非常に強力な特徴であり、イメージャのクロック制御 を介してプログラム可能で、たとえば独立ゲート感光部を備えた非常に大きなイ ンターライン転送CCD等のイメージャ・カスタムチップを必要としない。 図3Aのアクティブ感光部配列は、アクティブ感光部に部分的に結び付いた線 形メモリセルへの電荷パケットの線形シフトが拡張されるように配列した感光部 の列を有しているが、この配列は方形画素アレイではない。図3Bに示すものは 方形アクティブ画素アレイを示すアクティブ感光部分布であるが、アレイの両方 の軸が縦方向電荷転送・チャンネル310に対して回転している。この配列では 、連続したアクティブな感光部302がおよそ4セル分離されているがCCD転 送・チャンネルと整列した正方形のグリッドに対して水平方向および縦方向方向 で回転した位置にあり(図3Aの構造ではアクティブ感光部は一つの方向にだけ 回転的にずらされる)、イメージャは16枚の画像ではなく17枚の高速連続画 像を記憶できることに注意すべきである。 同様のパターンを提供してアクティブ感光部に部分的に隣接したアナログ・メ モリセルに連続して撮像記憶することができる連続画像の枚数をさらに増加する ことができる。たとえば、図3Aと同様だがアクティブな部分が8セルだけ離れ ている規則的で並べた感光部のアレイでは、アナログ電荷が別のアクティブ感光 部にぶつかる前に64回シフトされるようなアレイを提供でき、したがってシス テムは超高速画像フレーム・レートで連続64枚の画像を撮像できる。 アクティブ感光部が水平と垂直両方向に配置されおよそ8セル単位離れており 、これにより図3Bのアレイと同様の方形アレイは連続画像フレーム枚数を65 まで増加する。これは前述したように同数のセル単位だと各画像フレームの解像 度がほぼ1/4になる。これにより、所望の画像解像度を維持しつつ画像フレー ム数の拡張を提供するために、たとえば2024×2024又は4048×40 48セル・イメージャ等さらに大きなイメージャを使用する。 イメージャ106は、このチップの従来の方法で、毎秒60フレームまでのレ ート(fps)でフレーム・メモリ出力領域204に記憶された16枚(図3A )又は17枚(図3B)の画像フレームを出力するために使用される。このフレ ーム・レートは各々が自分自身のシリアルCCD読み出しレジスタ206,20 8,210,212で終止する各々256(縦)×1204(横)画素の4つの 並列領域アレイを介して得られる。4つの並列出力増幅器は、20MHz(アレ イ全体では20MHz×4)の最大データ・レートで、制御ユニット208へデ ータ信号を供給する。出力データはデジタル化されて制御ユニット108のデジ タル・メモリに記憶され、ここで個別の画像を分離する。 毎秒百万フレームの動作ではマスクされていない感光領域に入射する光子束の 電子画像が非常に短い時間間隔の間に画素アレイによってサンプリングされる。 チップ上の電子シャッターを利用できるが、この期間中は必要とされない。しか し、もっと遅いフレーム・レートでチップを動作するのが望ましい場合、アンチ ブルーミング・ゲートをシャッター・レベル電圧でクロック動作させ、アンチブ ルーミング・ドレインに向かって望ましくない光学的に生成された電荷をダンピ ングする。連続した均一のレートで、又はプログラムされた可変レートで、16 フレームを撮像した後で、合成電子画像は撮像領域からメモリ領域に向かって超 高速で迅速にシフトする。この期間中、光電シャッタ104をオフにする、照明 をオフにする、又はチップ上の電子シャッタを利用できる場合には使用する。こ のようにすると、各々が高速連続撮影した16枚の画像のうちの1枚の露光画像 の画素を表わす電荷パケットは同じ順序で全てメモリ領域204へ転送される。 メモリ領域204は、イメージャ領域とは独立して、走査線単位で、各々が出 力ノード(フローティング・ダイオード)により終端とされる4つのシリアルC CDレジスタへシフトできる。これらの出力ノードは、次のCCDシリアル・シ フトレジスタ・ステージからの電荷パケット受信前に基準電圧レベルVDRに同 時リセットされる。これらの電位はダブルステージ・ソースフォロワNMOS増 幅器で永続的に検出され、CCDレジスタでサンプリングされた電荷パケットが ステージ毎に、これらのノードに向かって連続クロックされる。したがって、各 々の出力増幅器は、フレーム内に記憶された16枚のインタリーブ化超高速画 ティング・ダイオード信号の代表的なシリアル波形で供給する。 図4に示すように、感光部と記憶セル302,304の単位セル・ピッチは1 4μm×14μmであり、アンチブルーミング構造とマスク開口部で感光部とし て用いる感受性領域とを含む。このフレーム転送アーキテクチャにおいて、感受 性領域302はアクティブ感光部では部分的に結び付いたアナログ・メモリとし て、マスクされたセルではアクティブでない記憶セルユニット304として、 計は画素の「フィルファクタ」(FF)とその光応答性、飽和電荷、積分時間制 御(電子シャッタ)のためのダンプ・ドレインとしても機能するアンチブルーミ ング・ドレインの効率、及び高速での転送効率を最適化すべきである。個別のア クティブ感光部のフィルファクタは、高速動作できるように用いられているマス キングのため、撮像領域202の面積に比較して相対的に未だ小さい。有効なア クティブ光センサ面積は、たとえば図1の光学部材104に含まれるような、凸 面マイクロレンズおよび/または反射レンズレット・アレイで増加できる。たと えば、アクティブ感光部302の面積のおよそ10倍から15倍の面積で、各々 が各々垂直に上部におかれてアクティブ感光部の各々に合焦する個別レンズから なる反射マイクロレンズ・アレイを提供することで、有効フィルファクターは少 なくとも80%まで増加できる。有効フィルファクターと、これに対応して画像 に対する有効光効率を増大することは、収集した充分な光が何らかのイベントで 有用な画像を記録できるようにするのに、大きな光強度を必要とする傾向にある 超高速撮像速度では特に重要である。 画素の断面図を図5に示す。図5において、画素は、前述のようにイメージャ の高速動作で使用される側方オーバフロー・ドレイン構造を有している。アンチ ブルーミング構造は2つの隣接画素の間で共有され、水平方向の画素側面両方で の画素分離として機能する。この構造は画素の各側面でドレインの半分と一方の ゲートからなり(アンチブルーミング・ドレインとアンチブルーミング・ゲート )画素ピッチあたり1個のドレインと2個のゲートからなる。アンチブルーミン グ・ゲートにより制御される電位バリアは、アンチブルーミング電位レベルにセ ットされ、隣接画素に反射する代わりに、CCDチャンネルでの余分な電荷が最 初にアンチブルーミングドレインへ流れる。 感光性及び転送領域は、セルユニットのCCD部分に位置している。これは図 6に図示したように4個一組のオーバラップしたゲートからなる。これにより、 4相転送動作がメモリ領域に向かって画像シフト中に行なえる。この転送モード は、3相又は2相モードより大幅に大きく良好な電荷処理及び電荷容量のために 使用される。一例として、この4相画素セルユニットの飽和レベルは、3相モー ドで140,000e−にしかならない場合に210,000e−である。さら に、4相構造では、3ゲート・アーキテクチャを使用した場合、3ゲー の長さ−センサの光学変調伝達関数を改善する。 各々が14×14μm平方の撮像画素は、エピタキシャルp/p+シリコン基 盤の埋め込みチャンネル燐インプランテーション上で、3レベル・ポリシリコン MOSゲート構造を使用している。アンチブルーミング・オーバフロー・ドレイ ンは、燐インプラントであり、2つの制御ゲートに自己整列する。1.5μm設 計ルールCCD技術により、このアンチブルーミング構造レイアウトは、僅かに 約5.5μm幅である。Si/SiO2界面レベルにおける画素開口は、10. 3/14と推定され、アクティブ・セルでのフィルファクター0.74を提供す る。この値は、青色光光子が界面下の初めの100ナノメートルで吸収されるこ とから、青波長でのこの画素の最少フィルファクターである。赤色光では、フィ ルファクターはもっと大きくなり、シリコン内部での内部画素分離はSi/Si O2界面におけるよりも薄く、内部電場はアンチブルーミング・ゲート下で拡大 し、これにより、これらの波長でのフィルファクタを増加させる。 メモリ領域では、アンチブルーミング装置の代わりに、p+ボロン・インプラ ント上の厚膜酸化物で画素間の縦方向分離を行なう。回路のこの部分は2レベル だけのポリシリコンCCDゲート構造を使用する。アンチブルーミング構造で使 用されない領域は、画像領域の14μmに対してCCDステージ長を13.2μ mまで減少できる。これは、この領域での飽和限界を無くすために、撮像画素よ りも大きな電荷処理能力も実現する。この領域は、読み出しレジスタへの電荷転 送を制御する特定のゲートで終端する。 高速電荷転送を提供するため、相互接続を用いて画素ゲートとアルミニウム・ レールを接触させ、アルミニウム・バスをアレイの最上部から走らせることで、 画像領域にあるアンチブルーミング構造とメモリ領域の肉厚の酸化物領域で、画 像領域及びメモリ領域両方を駆動する。 アレイ全体が比較的大きな容量を有しているため、イメージャ106全体の感 光性アレイ(Pi)の各クロックでは、0026シリーズ等の古典的なクロック 駆動回路を介して駆動するのが困難な範囲にある。したがって、アレイを256 カラムの4つのサブアレイに分割し、各々が従来のクロック駆動回路で容易に高 速駆動できるようにする。これにより2MHzまでの代表的フレーム転送周波数 が得られ、これは超高速撮像動作に匹敵する速度である。 メモリ領域には256×1024画素のサブアレイ4個の各々に一つのCCD 読み出しレジスタを設ける。各々の読み出しレジスタは、結び付いた画素サブア レイから到着する信号電荷を並列に受信するための256ステージと、出力増幅 器に向けて電荷を駆動するのに必要で電気的基準画素としても使用できる15個 のエクストラ・ステージで構成する。メモリ領域の最後の1024画素線に沿っ てこの構造を4回反復する。 4個のCCD読み出しレジスタは、埋め込みチャンネルのある2つのポリシリ コン2相構造を使用し、撮像及び高速フレーム記憶領域202と同じ14μmの ピッチとする。これらは4つとも2クロック(L)で並列に駆動され、各々9X ゲートVGSを終端とし、出力フローティング・ダイオードで止まる。チャンネ ル・ターンを使用して、タップ構造を14μm・ピッチで遮断することなく動作 できる。読み出し設計構造は古典的な「フローティング・ダイオード読み出し」 (FDRO)であり、クロック(R)経由で基準プラス電圧(VDR)へリセッ ト後に電荷検出器として出力n+/pダイオードを使用する。出力レジスタから 到着する電荷パケットは、最後のクロック(2L)で一つづつフローティング・ ダイオード井戸型領域に落し込まれ、出力ゲートBGS上でそのダイオードのフ ローティング電位を下げる。この電圧は各々の出力増幅器によって検出される。 4個の出力増幅器を回路で使用して、4個の出力レジスタから到着するビデオ信 号を供給する。バンド幅95MHzの低雑音動作で設計されている。出力増幅器 の各々はダブルステージ・ソースフォロワNMOS増幅器である。 出力CCDレジスタは20.8MHzで駆動され、デバイスは非常に高いダイ ナミックレンジ(暗黒雑音レベル80dBw.r.t.まで)のプログレッシブ 走査モードで読み出される。積分時間は0から15.9ミリ秒までセットでき、 16.6ミリ秒あたりで16連続的な部分画像からなる一つのメモリ・ブロック のメモリ出力レートとなる。イメージャ領域フレーム転送は1.3MHzまでで 動作し、印加電圧は公称値にセットされる。高速専用マスキングと撮像処理以外 のイメージャのさらなる特徴としては、「THX7887A:新型高フレーム・ レート1024×1024画素CCDセンサー」ブシャラほか著("THX 7887A:A New High-Frame-Rate 1024 x 1024 Pixel CCD Sensor,"G.Boucharlat et al. ,SPIE vol.2273,pp.255-2763)に説明されており、J.A.コーチウラ著「 THX7897M:天文用2048×2048CCDセンサー」(J.A.Cortiul a,"THX 7897M:Capteur CCD 2048 x 2048 Pour Applications Astronomiques,"O PTO 93,Paris,May II-13,1993)も参照のこと。 図2から図6のシステムは、新規のマスクを作成する設計費用およびその他の 資本投資を最小限にするために、既存のフレーム転送イメージャの変換に基づい ているが、これは、追加の金属又はその他の不透明マスクを追加して所望の制限 されたアクティブ画素パターンを製造することによって、既存の設計を使用でき ることによるものである。同様に、マスクを適用することで他の既存のイメージ ャを変更して超高速イメージャの最もコスト効率の良い初期製造を行なうことが できる。たとえば、インターライン転送イメージャ、フルフレーム・イメージャ 、フレーム転送イメージャを使用できる。市販の2024×2024画素ト ムソンCSF7899型フルフレーム・イメージャは、画素セルが多数あるため 有用であり、散在して分布したアクティブ画素のマスク画素設計を行うことがで きる。このようなアレイは、アレイとしてこれまで説明されていたものであり、 アクティブ画素がカラムと列方向の双方で8画素ずつ公称的に離れているか又は ずらしてあり、64又は65超高速連続的画像を記憶することのできるイメージ ャを作成する。ゲートされたフォトダイオードは、インターライン転送型のイメ ージャ等多くのイメージャで使用されており、電荷転送チャンネルにはなく、最 も効率的な電子シャッターができ、撮像の超高速シーケンス中に撮像を開始でき るが、イメージャ読み出し中には撮像を停止する。超高速CCDイメージャは、 アクティブ感光部(電荷転送/メモリセル・チャンネルにないのが望ましく電子 シャッターの対象となる)が撮像アレイの面積の非常に少ない比率を占めるよう に、アーキテクチャの全ての利点をもたらすように設計することもでき、これに 結び付いたアナログ・メモリセルは撮像アレイの主要部分を占める。一例として 、本明細書で参照に含めている高速CCDイメージャについての1995年4月 17日付米国特許出願第08/423,654号に説明されている高速システム がある。 図12に示すように、共通の高精度トリガ1201を使用することにより、2 つ又はそれ以上の超高速カメラ1201,1202,1203をステレオ写真撮 影システムに組み込むことができる。カメラは、共通フレーム・ゲートおよび露 光プログラムと組み合わせて、共通トリガ信号を受信するのに適しており、複数 台のカメラから同期ステレオ撮像を提供する。カメラ1201,1202,12 03は実質的にフィルム画質の撮像ができる高速フレーミング・ソリッドステー ト・カメラで、100μ秒から100ナノ秒の可変インターフレーム期間を提供 するのに適しており、時間ゲート能力は1〜10ナノ秒に下がる。パルス式レー ザー照明だと、カメラは、オンチップ画像記憶において少なくとも4、好ましく は、少なくとも16フレームの10〜12ビット・グレースケール画像を提供で きる。 図13は、図12のカメラ・システムの超高速撮像に適したフルフレーム・ア ーキテクチャのラージフォーマット2048×2048、好ましくは、 4096×4096記憶セル/画素CCDイメージャ1206を模式的に示す上 面図である。フルフレームCCDイメージャ1206は、少なくとも2048× 2048記憶セル/画素サイズのラージフォーマット、さらに好ましくは、少な くとも4096×4096記憶セル/画素サイズを有しており、高データ・スル ープットのため4ポート並列出力アーキテクチャを特徴とする。これはトムソン CSF半導体(フランス国オルセー)(Thomson CSF Semiconducteurs Specifiq ues,Orsay,France)で商業的に製造されるTHX7899Mフルフィールド・ イメージセンサに実質的にしたがって設計製造される。 CCDイメージャの電気的な印加を図13に示し、これは次のようなものであ る: Φ1,2,3,4 P(n) 縦方向画像シフト(クロック・レート=1〜1 0MHz)で使用される低速4相クロック Φab アンチブルーミング・ゲート・クロック Vab アンチブルーミング・シンクバイアス電圧 Φ1,2L 高速2相水平画像シフトクロック(クロック・レート=20MHz) Vdd オンチップ増幅器バイアス Vssa オンチップ増幅器接地戻り Vos(n) ビデオ出力 好適なイメージャそれ自体は、縦方向CCDシフトレジスタに沿って(矢印の 方向)配列された4096×4096正方形画素(たとえば各々の画素又は記憶 セルが14μm×14μmの寸法でおよそ10μm×10μmのアクティブ感光 体面積となる)で形成された約160万画素撮像領域を含み、画像領域アナログ ・データの同時かつ制御された読み出しができる。 装置の出力レートを増加させるために、イメージャは4つの出力部を有し、そ の各々が4096CCD縦方向転送カラムの1/4から図12に図示してあるよ うにアナログ電荷パケットを受信する。通常動作中にイメージャは所定の時間間 隔にわたってカメラ制御システムの制御下で画像領域の画素セルの各々に対して 光学画像を積分する。イメージャは、外部的にシャッターを切る。次に画像全体 が各々の出力増幅器に向けられるまで、画像を縦方向に一度に1列ずつシフトダ ウンする。 空間光シールドの変更は、正確に位置合わせされた画素開口部1024×10 24パターン以外は不透明な撮像部分の上の図3A又は図3Bに図示してある種 類の金属マスクを含む。カスタム化したCCDクロック・シーケンスと組み合わ せると、この特別製光シールド・マスクによって大きな4096×4096アレ イ内部の1024×1024部分画像の超高速撮像が行なえる。特別製マスクを 撮像領域の他のアクティブな画素に適用することで、部分的な画像記憶領域が作 成され、次の画像を撮影する前にアレイのうちの画像全体(4096列)をクロ ックする必要性が排除される。実際に、金属マスクを適切に設計すると、102 4×1024部分画像がメモリ領域へデータをシフトし、1回のみの縦方向シフ トサイクルの後で次の画像撮影を準備できる。 縦方向シフトは100ナノ秒の短い時間間隔で行なうことができるため、10 24×1024サブイメージャは、部分的に作成されたメモリ領域が使い果され るまで10MFPSのレートで新規画像を撮像できる。4096×4096画像 アレイのうちの1024×1024部分画像では、およそ16回の超高速連続的 な部分画像を撮像して高精度低速読み出しのために記憶できる。 したがって、図3Aに図示した感光部及び記憶セルの構造は、およそ1K×1 K画像サイズの画像16枚を撮像して記憶することができる。電荷パケットはト ランスポート・チャンネルに沿って非常に高速で転送される(たとえば10MH zまでの4相クロック速度で)ため、サブイメージャは実際に毎秒1000万フ レームのレートまで新規画像を撮像する。16枚の連続画像は図3に図示してあ るようにインタリーブ化され、セル16が第1の画像、セル15が第2の画像、 セル1に戻るほど最新の画像となる。従来の動作では、4096×4096イメ ージャは画像フレームを読み出すために連続した4096回の縦方向シフトを必 要とする。 高速(毎秒1000万フレーム)動作モードにおいて、このクロック・パター ンはトリガ信号により開始されるまで静止している。従来の4相クロック・パタ ーンを開始して、部分的に線形に各々の感光部に結び付いた記憶セルの個数(こ こでは感光部を含めて16個)を越えない所定数の縦方向並列シフトを提供 する。1サイクル以内にクロック・パターンを急停止させ、隣接感光部からの画 像信号からのオーバラップなしに部分画像を記憶したままにする。カメラは、効 果的にシャッターされ、読み出しが開始されるまでアイドル状態にある。 ある環境においては、前述したように、毎秒1000万フレームで画像バース トを撮像し、長時間停止して百万FPSバーストを撮像し、停止し、500KF PS撮像する等が望ましい場合がある。たとえば、ユーザは、1000万FPS で6フレーム撮像し、1ミリ秒停止し、毎秒100万フレームで6枚の別のバー ストを撮像し、10ミリ秒停止して残りのメモリ・バッファを500KFPSで 埋めることを希望することがある。この動作モードは、本発明の高速ソリッドス テート・カメラシステムのプログラマブル機能として提供できる。 このような大型画像センサーのトランスポート電極は、比較的細長く、イメー ジャの大面積に起因する大容量負荷に加えて比較的抵抗が大きな負荷になる。こ のような大きな画像センサーを、電荷転送の非効率やその他の問題なしに、毎秒 100万並列(縦方向シフトセル)転送を大幅に越える高いフレーム・レートで 駆動するのは難しい。毎秒500〜1000万フレームを越えるフレーム・レー トでの超高速撮像のためのイメージャ構造を提供するには、カスタム光シールド を適用し、特別なクロック方式を使用し、又光シールドの上部に大型のストラッ プ又はバス型電極を追加することによって、イメージャ・アーキテクチャを変更 し、これにより高速動作が行なえるようになる。ストラップ型電極は、光シール ドとイメージャ動作のために可能になるが、イメージャの高い比率が感光部とし て使用された場合にはストラップ型電極は感光部での撮像と干渉することになる ためである。 図14に示すように、大型のストラップ電極はイメージャに適用した金属マス クの上部に設けてあり、マスクとは絶縁されている。広いバスは、従来の集積回 路製造技術にしたがってバイアス(vias)により、各々の同相トランスポート駆 動電極の各々に周期的に接続されている。大幅に小さい抵抗しかなく、また、大 幅に小さな縦横比のため、幅が約2.5μmしかなく貫通して画素セルでの撮像 が行なえる程充分に薄い4相ポリシリコン転送電極単独で行うよりも高い転送レ ートで超高速動作が可能である。 図14に示すように、アクティブ画素部間の領域は、追加の比較的広く高電導 度トランスポート電極バスに有利に使用でき、このバスは規則的で(vias)下側 の転送電極へ転送・クロック信号を印加するために使用できる。これらの電極は 金属製であり、ポリシリコン又は硅素化合物画素転送電極(図1及び図13のシ ステムで使用しているような4相転送電極構造において各画素部位へ4つある) より10倍又はそれ以上まで広く、また、少なくとも10倍導電性が大きいため 、抵抗性駆動負荷は大幅に減少し、転送・クロック周波数は毎秒500〜100 0万フレームに増加でき、同時に実質的な画素の均一性と電荷転送効率を保持で きる。 最終カメラへの光感度を増加するには(アクティブ画素面積の大半が光から遮 蔽されたため)レンズレット・アレイをマスク付きCCDアレイ上に取り付けて 少なくとも60%まで又望ましくは85%までフィルファクターを引き上げる。 たとえば、図3Aの画素パターンでは、光学活性開口は4画素ごとに1回しか存 在していない。基本画素ピッチを14μmと仮定すると、フィルファクターは約 1/16又は6%となる。感受性開口の各々にレンズレットを適用して合焦する ことで、直径約55.5μmとなり(製造目的でレンズレット間隔を1μmとす る)、有効フィルファクターは90%以上にまで引き上げられる。 このソリッドステート・アーキテクチャの有意な利点は、毎秒1000万フレ ームまでで16枚の画像を撮像した後、撮像したフレームの「記憶」が比較的低 速なデータ・レートで読み出され、非常に大きなダイナミックレンジが得られる 点である。読み出しデータ・レートはたとえば20メガピクセル/毎秒程度の比 較的低いレートに保持できるため、高価な超高速データ取り込みシステムではな く、アナログーデジタル・コンバータとフレーム・グラバを含む標準(市販の) 高性能読み出し回路をデータ取り込みに使用できる。 フレーム・レートとは独立している高速時間ゲートはパルス式レーザー照明お よび/または高速ゲート・インテンシファイア(光電子倍増管)によって実現さ れる。1ナノ秒程度のゲートのパルス持続時間の銅蒸気レーザーが存在する。こ の「ゲート」持続時間は大半の高速撮像に充分だが、パルス式レーザー光源の反 復レートは代表的に数十キロヘルツに制限されている。ゲート式インテンシファ イアは時間ゲートだけではなく画像増幅(高速撮像用途での有意な利点)を提供 する別のパスを提供する。 641p/mmまでの高解像度インテンシファイアは10MHzを越える反復 レートと1〜15ナノ秒程度のゲート解像度を提供する18mmインテンシファ イア・セルで実現できる。 図1及び図12のカメラは、外部カラーフィルタ又は光源付きで、ワイドバン ド・パンクロマチック・モードで、又は、モノクロマチック・モードで動作する ように設計されている。図15に示すものは、カラー版の超高速イメージャでの マスキングである。 図15のイメージャ1500では、微小な赤色カラーフィルタ・ドット150 1,微小緑色カラーフィルタ・ドット1502,微小青色カラーフィルタ・ドッ ト1503のモザイクが、図示のような光シールド・マスクを適用する前に、イ メージャ・アレイ上部に製造される。図15に示すように、3カラムは、RGB 画素アレイ各々の画像データを記憶するために使用する。画素は長方形(たとえ ば、縦横比を3:1までとして)RGB画素領域全体を正方形に近くする。各画 素上に大きなマイクロレンズは、円形領域からの光をRGB画素パターン上に合 焦させるように使用する。 たとえば、図2に示すように、2次元アレイ等の超高速撮像・システムで撮像 した画像データのレートは、2次元アレイで実現できるフレーム数と画像解像度 を制限する。 各々のアクティブ感光部と部分的に結び付いた追加の画像メモリを提供するた め、本発明は図7に図示したエッジ感受性CCD702等の並列エッジ入力CC D撮像アレイの三次元積層を使用するCCDイメージャ・システムに関し、図8 に示すシステム802等の一体型イメージャ、メモリ、出力又は処理システムを 形成する。このような積層アレイはもっと多数の画像フレームを記憶でき、高速 で撮像した連続的な画像を処理してシステムのデータ出力条件を圧縮又は選択的 に簡略化することができる。このようなチップで形成される通常以上にコンパク トなイメージャ/メモリ積層に基づいた積層イメージャ及びカメラ・システムは 、有意な性能の拡張を提供できる。イメージャ/メモリ積層は、個々の CCDメモリ・チップを積層して組み立て、撮像面と出力面とを形成する(図8 参照)。個々のメモリ・チップは各々1〜10MHzで駆動され、CCDメモリ 動作に取っては比較的低速だが、完全並列処理設計のため超高速撮像動作を提供 する。チップはエッジ感受性入力画素の線形アレイを有し、その各々は1,00 0又は2,000メモリセル又はそれ以上の長さになる自分自身のCCDメモリ ・チャンネルにクロックされる。メモリ・チャンネルは多重化されて、図7に示 すように、1つまたはそれ以上の従来の高速出力増幅器にクロックされ、画像デ ータ・オフ・チップをクロックする。 図7のエッジ感受性CCDメモリ・チップが縦方向に積層される場合、各チッ プのエッジでの線形感光部がイメージャ面に2次元画素アレイを形成する。さら に、関連するCCDメモリ・チャンネルはコンパクトで超高密度の3−Dメモリ を形成し、完全並列に動作することにより、各々の対応するエッジ感光部から1 〜10MHzでクロックされるデータを受信する。図示してあるように、撮像面 は各チップのエッジ感受性線形画素アレイによって形成され、これには光学導波 器とレンズレットを含むことができ、光応答を改善する。画素のx間隔(図8参 照)は各チップ上に直接製造される。画素のy間隔はチップ・ウエハの厚みに左 右され、超薄型ウエハでの10μmから「標準」ウエハでの300μm又はそれ 以上の範囲にわたる。軸外レンズレットのあるレンズレット・アレイを用いてy 軸画素間隔を効率的に減少できる(一方でx軸間隔を増加できる)。 これ以外に、バックサイド薄型又はシリコン・オン・サファイア型イメージャ 等のパレート・イメージャは、積層3−DCCDメモリ・キューブのエッジ感受 性CCD入力領域へ直接インジウム・バンプできる。CID画像センサは積層メ モリ・チップ上の各々の電荷モード検出器へ容易にバンプでき、したがってこの ような3−Dバンプ・イメージャ・アレイ用のセンサとして望ましいものである 。感光部はこれに対応するCCDメモリ・チャンネルと並列に直接クロックされ るので、バンプ・マウントしたイメージャはメモリCCDチャンネルの1〜10 MHzレートに対応する超高フレーム・レートで動作できる。 シリコン・オン・サファイア型イメージャの3−DCCDメモリ積層へのバン プ・マウントにより、「厚型」ウエハを積層した場合に近接したy画素間隔が得 られる。たとえば、バンプ・マウント型イメージャの8画素を200μm厚CC Dメモリチップの「積層」の各々のCCDメモリチャンネルに多重化することに より、25μm画素間隔が作られる。長さ1KのCCDメモリ・チャンネルでは 、125フルフレーム画像のメモリ記憶を提供し、長さ2KのCCDメモリチャ ンネルでは250フルフレーム画像を3Dアレイに記憶でき、64積層チップに 多重化した512×512撮像アレイでは65メガバイト以上のメモリ容量が構 成される。 図9に示すように、バンプ・マウントはイメージャ/メモリ・キューブの出力 面での相互接続にも使用できる。これにより高速イメージャ駆動回路、高速CC Dメモリ・チャンネル駆動回路、及び低速出力駆動回路の独立した制御が行なえ る。コンパクトな積層ジオメトリは、トリガ・バーストモードでの動作に適して おり、トリガ・イベントが「z」軸に沿ったアナログCCDメモリへの1,00 0又はそれ以上の画像フレームの高速撮像及び記憶を開始する。1,000又は それ以上のフレームの画像データは、第2の低速データ・レートで処理するため にクロック動作する又は「読み出す」ことができる。 本開示の積層z軸CCDメモリチップ・ジオメトリは、芯の並列動作での完全 な設計効率、独立したイメージャ、メモリ、出力駆動回路接続機能、強大な機能 的コンパクトさと演算回路の3−D密度、小型サイズ、軽量、イメージ・インテ ンシファイアとの互換性、無欠陥大型アレイの組み立てのための「良質」チップ のレンズレット・アレイ選択性を拡張するフィルファクター、一つの線形・イメ ージャ・アレイによる単純CCDメモリチップの高い製造歩留まりという利点を 有している。 x軸画素分離はオンチップで製造される。しかしy軸許容誤差はウエハ厚みと 積層の均一性に依存し、他方でz軸許容誤差はウエハのダイ・カッティング及び アライメント許容誤差に依存する。たとえば「黒シリコン」縦方向エッチング技 術等の正確なディープエッチング技術をウエハ−ソー技術に対向して使用するこ とにより、積層のためのCCDダイスを分離し、過剰な暗電流を生じるシリコン 格子の損傷を回避することができる(H.ジャンセンら、「黒シリコン法」"The Black Silicon Method",H.Jansen et al.,J.Micromech.Microeng. 5,pp.115-120(1995))。図10に図示した「ピラー−凹面」積層や光学的平坦 組み立てを含む各種の整列方法をz軸アライメントに使用できる。 均等に深く溝を作ったシリコンウエハのボンディングは、フォトレジスト、又 はフォトレジスタの薄層によるシリコン・ウエハのアノード・ボンディング、又 は450℃以下の温度でのR.F.スパッタガラスを使用して容易に実現できる 。約1ボルトの処理電位は、100ナノメートル以下のガラス層を有するアノー ド・ボンディング・シリコンウエハで十分である(V.スピーリングら、「大深 度エッチング後に平坦化するための電気防食ウエハ・ボンディング」V.Spierin g,et al.,"Sacrificial Wafer Bonding for Planarization After Very Deep Etching,"Journal of Microelectromechanical Systems,vol.4,pp.151-157 (1995))。 適切に整列した鏡面研磨シリコン表面も、表面シラノール基デハイドレートと 残余酸素原子が高温で消失するウエハボンディング技術により溶接できる。低温 ボンディング法は400℃以下の温度でSi/Siボンディングを行なうために 最近開発された好適な方法(トング、「低温ウエハ直接ボンディング」Q.Tong ,"Low Temperature Wafer Direct Bonding,"Journal of Microelectromechanic al Systems,vol.3,pp.29−35(1994))であり、図7に示すように正面取り 付けポストをウエハ裏面にボンディングするために試みることができる。 低抵抗性アルミニウム・クロック電極を使用して1MHzのクロック・レート で動作する単一CCDメモリチップの熱放散量は代表的に約2ワットなので、当 該チップ512個の3−D「積層」は2センチメートル立方体で約1000ワッ トの熱を生成することになる。この熱出力は(a)イメージャが機能している時 だけ動作するように駆動回路を設計する(たとえば1メガフレーム/秒での1, 000フレームでの総熱量は0.001×1Kワット=10ワット以下である) ことにより、また(b)3D内部冷媒ネットワークを使用して熱を除去すること により制御される。回路の大容積密度は相当以上の熱を発生し、パッシブ一体型 ヒートパイプ又は強制冷媒循環により除去できる。図10に示すように、ピラー 配置チップ・スタックはy−z面を通る冷媒循環システムで冷却できる。同様に 、CCDメモリ・チャンネルはイメージャ画素より狭いので、微小機械装置 の製造やチップ分離で使用されるディープ・エッチング平行壁技術によりチップ 上にエッチングされたチップ貫通冷媒穴に適応できる。 マイクロヒートパイプ・アレイは、正面熱源と熱シンクの間の熱経路を減少さ せることにより、効率的な裏面熱放散装置又は熱除去装置として使用することが できる(マリク、「半導体装置の一体化部分として蒸着したマイクロヒートパイ プ・アレイの製造」A.Mallik,"Fabrication of Vapor-Deposited Micro Heat P ipe Arrays as an Integral Part of Semiconductor Devices,"Journal of Micr oelectromechanical Systems,vol.4,pp.119-131(1995))。封止したマイ クロヒートパイプ・アレイは、断面液圧直径10〜50μm、長さ2センチメー トルまでの無芯非円環チャンネルとして肉厚チップ・ウエハの裏側に製造できる 。2%程度に少ない表面被覆が熱除去の40%増加を発生する。チップ積層を通 る強制液体循環によりさらに大きな熱除去を実現できる。 コンパクトな3−D積層設計は、従来のイメージ・インテンシファイアで使用 でき、レンズレットを使用することにより、80%又はそれ以上のフィルファク ターを提供できる。設計はまた、電子吸収性エッジ感受性入力「画素」を使用す ることにより、直接電子出力を発生するイメージ・インテンシファイアと完全に 互換性がある。この電子直撃検出モードの応用は、従来のCCDイメージャに対 して約5000:1の実行光学利得を提供できる。 本発明の各種態様を特定の実施例に関連して説明したが、代替及び変更が本開 示から明らかであり、後述の請求項に記載された通り本発明の趣旨及び範囲内に 含まれるものであることが理解される。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Cross Reference of High Speed CCD Imaging, Image Processing, and Camera System Related Applications This application describes the benefits and benefits of US Provisional Application No. 60 / 017,035, pending May 3, 1996. Claim priority. GOVERNMENT RIGHTS This invention was made with government support under Contract F08630-96-C-0066 commissioned by the Department of Defense. The government has rights in the invention. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates generally to ultrafast imagers, optical processors, and electronic camera systems. More particularly, the invention relates to an electronic imaging system capable of capturing electronic images at an image frame rate of, for example, up to one million image frames per second or more, and a more compact analog storage capability and / or processing of captured images. The present invention relates to a camera system having capability. There is a need for economical, ultra-fast electronic imaging in a variety of scientific, commercial, and military applications. Ultrafast electronic imaging and sensors with recording speeds of one million frames per second or more can be used in the fields of molecular physics, high-speed physical chemistry, industrial process control, medical biology, high-resolution long-distance imaging telescopes, and combustion flows. It is basically desired to enable applications. Unfortunately, current electronic detectors are not sensitive enough and are relatively slow or expensive. For example, currently available high resolution electronic imagers, such as commercially available CCD image sensors made of silicon, have a medium to large number of output channels (eg, at least 512 × 512 pixels) with a medium number of output channels (eg, 32). ), The practical speed limit is on the order of thousands of frames per second. High speed semiconductor devices, such as high speed semiconductor devices such as bump GaAs output circuits, are expected to have some improvement in electronic imager frame rate speeds, but higher frame rates require newer imager designs and geometries. There will be. In the past, providing a high effective frame rate has typically employed multiple imagers in a multiplexed assembly or using a high speed film system. In this regard, various ultrafast cameras are based on rotating prism / mirror assemblies and have inherent mechanical delays in starting and synchronizing. These systems are large, inflexible, expensive, and have various disadvantages. For example, achieving high rotational speeds of the mirror / prism assembly requires purging the camera housing with helium to reduce drag, and manufacturing the prism from relatively fragile beryllium, which is a health aspect. May be harmful. Due to the mechanical inertia involved, such a camera system would be limited (rather than triggered by an event) to trigger the event being imaged, providing only a fixed inter-frame period It is typical to do it. The mechanical "spin-up" time required for the camera to reach steady state makes it difficult to trigger the camera asynchronously based on the event being imaged. This also makes it difficult to trigger multiple cameras simultaneously for stereo image capture. Combining the user selectable period between frames with asynchronous triggering and fast gating allows acquisition of image data with high temporal resolution, and provides stereo photography using a common precision trigger of multiple cameras. Providing control of electronic image exposure independent of the imaging frame rate provides more flexibility in tailoring camera performance to imaging needs in specific imaging applications. However, at an ultra-high imaging speed, it is difficult to achieve independent control of shutter and frame rate with high image quality. Management and storage of image output data from ultra-high speed imagers is also a problem at this time. For example, when a camera of 1K × 1K pixels is operated at one million frames per second, image data shooting and memory requirements become enormous. The image data digital output rate of a 1K × 1K pixel imager operating at one million frames per second is one terabyte per second, exceeding the capacity of currently available digital storage systems. SUMMARY OF THE INVENTION It is a primary object of the present invention to provide a high speed electronic imager capable of high frame rates, for example, imaging frame rates up to one million frames per second or more. A further object is to provide an imager and camera system having a new and effective geometry and capable of efficient imaging. It is a further object of the present invention to provide an independent choice of frame rate and exposure time at such very high frame rates. It is yet another object of the present invention to provide compact image storage for ultra-high speed image capture. In general, the present invention is capable of very fast image capture, and includes an electronic image sensor including a high speed analog memory partially linearly tied to the imaging pixels of the high speed imager for storing images of a plurality of captured continuous images, and It relates to an electronic camera system. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings. In the drawings, FIG. 1 is a schematic block diagram of an embodiment of a CCD imaging system using an ultra-high frame rate low fill factor CCD imager having a plurality of analog memory sections directly linearly associated with each photodetector. . FIG. 2 is a schematic plan view of one embodiment of an ultra-high frame rate CCD imager that can be used in an imaging system such as the system of FIG. FIG. 3A is a schematic top view of a portion of the imager of FIG. 2, showing the spacing of active photoreceptors for partially linearly associated memory storage cells. FIG. 3B is a schematic plan view of another photoreceptor and partial memory geometry of the imager of FIG. FIG. 4 is an enlarged plan view of one of the photosensitive units of the imaging / array of FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the active photosensitive section of FIG. 4 along the horizontal column direction of FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the active photosensitive section of FIG. 4 along the vertical transfer direction. FIG. 7 is a schematic top view of a 3D stacked CCD sensor for an ultra-high speed imager with greatly expanded analog memory directly related to each imaging photoreceptor. FIG. 8 is a 3D stacked array of the edge and imaging CCD sensors of FIG. 7 with 1K buffered CCD channels forming a compact 2D imager and 3D analog memory system. FIG. 9 is a bump-mounted high-speed CCD imaging system with expanded 3D memory and / or processing capability. FIG. 10 is a cross-sectional side view of a multiple SOS imager bump mounted on a CCD wafer stack of the type shown in FIG. FIG. 11 is a schematic cross-sectional side view of a "pillar-recess" z-axis and y-axis positioning system for a 3D image sensor and memory assembly, such as the assembly of FIG. 8 or FIG. FIG. 12 is an ultra-high-speed stereo photography system using a plurality of simultaneously-triggered ultra-high-speed cameras of the present invention. FIG. 13 is a schematic top view of a large format 4096 × 4096 storage cell / pixel CCD imager with full frame architecture suitable for ultra-high speed imaging. FIG. 14 is a top view of an ultra-high speed CCD imager with a 4-phase high conductivity parallel transfer electrode bus system. FIG. 15 is a schematic plan view of a portion of an ultrafast imager similar to the imager of FIG. 3A suitable for color imaging. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In general, the present invention includes an array of imaging sensitizers, in part related thereto, a plurality of linearly-contiguous serially-stored image charge signals for storing successively captured image charge signals from each sensitizer. The present invention relates to an electronic imaging system including a plurality of analog memory cells that operate in a dynamic manner. In general, the photoreceptor array is preferably a two-dimensional array of 1000 active photoreceptors regularly arranged in a two-dimensional array, and is configured as a regular two-dimensional array of at least 200,000 active photoreceptors. Is more desirable. As mentioned above, the photoreceptor has a plurality of continuously operating analog memory cells, each partially connected. "Partially tied" is the photosensitive portion of each of the regularly arranged imaging arrays, e.g., at least four, preferably at least ten, and preferably at least ten using CCD charge transfer channels. It means 64 analog memory cells for each photosensitive section which are connected linearly adjacently and can be transferred continuously. Furthermore, analog memory cells that are linearly associated with adjacent photoreceptors are preferably located adjacent along the charge transfer channel, and analog memory cells that are partially associated with linearly adjacent photoreceptors. A group of memory cells can also be transferred and read continuously. High speed operation is preferably generated by the photoreceptor at a rate of at least about 100,000 image samples per second, preferably at a rate of at least 200,000 image samples per second, and most preferably at a rate of at least 1,000,000 image samples per second. Each photosensitive section is directly connected to at least 16 consecutively operated analog memory cells capable of receiving and storing successive charge signal samples. In a preferred embodiment, groups of analog image signal storage cells partially associated with each photoreceptor are linearly and continuously arranged along a continuous CCD charge transfer channel. Each group of linearly adjacent photosensitive area analog image signal storage cells is regularly and continuously arranged along the transfer channel such that a group of image signals partially linearly associated with adjacent photosensitive sections. The data can be read from the transfer channel in the same relative order. Preferably, all of the analog image storage cells are shifted in parallel on a common transfer electrode array, and the array is a three or four phase electrode transfer clock system. Solid state CCD imagers conventionally use a regularly arranged array of photodetectors to generate and collect charge upon exposure. The amount of charge collected as a charge packet by the light detection unit corresponds to the intensity of the image and the integration time at each photosensitive unit position. These charge packets are periodically transferred from the imager for digitization and further processing. The electronic imager sensitizer may be an analog, such as a surface channel or buried channel charge coupled device (CCD) or other charge transfer device (CTD), a charge injection device (CID), or other optical sensor array, as described in detail below. Used in various optical sensor systems that can partially relate memory. While imaging sensitizers designed for the visible light spectrum (e.g., wavelengths of 400-700 nanometers), such as silicon photodiode imagers, are particularly desirable, the method and apparatus of the present invention is directed to silicon and other semiconductors, e.g. Using Group V and II-VI materials, infrared (e.g., 0. It is also useful for imaging in the far-infrared (eg, 15-25 μm, or 15-100 μm wavelength), ultraviolet (eg, 100-400 nanometer wavelength) spectral range. Although various imager types are known and used in various wavelength ranges, such imagers can be used to provide an active photoreceptor detector at that wavelength according to the present invention. Charge coupled devices with buried charge transfer channels are particularly preferred when used in the sensor geometry of the present disclosure because of their high speed operation and compact, continuous memory storage capability. Provided are CCD and associated camera devices and output electronics capable of very high frame rates, good pixel uniformity, and low noise when used with the imager geometry and method of operation of the present disclosure. A fast charge injection device (CID) and a CMOS photoreceptor can also be used as an edge sensitive photoreceptor for an electronic imager, particularly a 3D stack of imaging memory chips described below. Such devices include a linear array of photosensitive capacitor elements at the edge of the chip. Image readout involves storing the pixel image charge on one electrode and measuring the potential generated on the other electrode when transferring a charge packet to the other electrode for transfer to a continuously linked extended CCD memory. (For a description of the CID imager, see Zarnowski et al. , SPIE vol. 1447 (1991) Charge Coupled Devices and Solid State Optical Sensors II, pp. 191-201; Carbone et al. , Same SPIE vol. 1447, pp. 229-237). CTD and CID also perform sampled image input by performing partial pixel level image subtraction and other partial neighborhood operations according to the charge mode of each pixel. The photosensitive section array desirably has at least an effective fill factor of 75% when a convex lens array or lenslet array (for example, a diffractive optical system or a diffraction grating) is provided. It is desirable to optimize the design of optical lens systems and electronic imager systems to provide a suitable balance between resolution and aliasing (C. S. Bell, Lens Evaluation for Electronic photography, SPIE vol. 1448 (1991) pp. 59-67). In this regard, the limiting resolution and the inherent alias characteristics of the image sensor should be best designed to correspond to the characteristics of the lens system. As a result of aliasing and / or blurring, large amounts of image information are lost in conventional imaging systems even under optimal conditions. A minimum of two pixels are required for detecting the modulation contrast of the image (note that each individual grid pixel can generate an image edge extension value of the image at the image grid location according to the present invention) and the Nyquist of the sensor array The frequency limit will be approximately inversely proportional to twice the pixel repeat distance. Aliasing, an interference effect, can occur in imagers with image information at frequencies (spatial resolution) higher than the Nyquist limit. Optical blur has traditionally been used in single frame imagers to reduce (or match) the spatial frequency resolution of the lens to that of the imaging system. In systems that perform color sampling, optical pre-filters that provide different amounts of blur or smear with different colors optimize the lens system for images at each wavelength sensitivity in a conventional manner. To provide resolution enhancement, imagers are conventionally used in an image scanning mode in which a continuous image is created after shifting the imager by a pixel width within the image field ("step and repeat" or "fine"). "Scan" operation). Imagers used to increase image resolution in this manner are also intentionally designed to have a low fill factor (J. Milch, “High Resolution Digitization of Photographic Images With An Area Charge-Coupled Device (CCD) Imager”, Applications of Digital Image Processing, Proc. SPIE 697, pp. 96-104 (1986); Kontron Commercial Camera). Therefore, the method and apparatus of the present disclosure use a system that shifts the output frame of the photosensor portion of the ultrafast imager at high speed to form a high resolution composite image. Illustrated in FIG. 1 is an ultra-high speed electronic camera system 100 that incorporates a relatively large conventional frame transfer or full frame CCD imager with specialized photomask and modifications to the photoreceptor architecture. And high-speed imaging operation can be performed. Large pixel count CCD sensors such as those used in the system of FIG. 1 are typically designed for relatively slow frame rate applications, such as from about 1 to about 60 image frames per second. While all columns of image data were conventionally shifted in parallel at high speed (eg, a million shifts per second along a vertical transfer register), the conversion of a parallel data stream to a serial output via a small number of output circuits (eg, In specialized systems, 32 or more channels can be used, but typically 1 to 4 output channels) limit the framer / imaging speed of the imager. 5K × 5K or larger CCD imagers (eg, 2500 to 60 million pixels) are conventionally possible with full frame architectures. As schematically shown in FIG. 1, the ultra-high-speed imaging system 100 includes a lens 102, a photoelectric shutter and lenslet system 104, a high-speed CCD image sensor 106, a CCD image sensor 106, and an electronic device for the photoelectric system 104. And a drive control system 108. Lens 102 is any suitable camera lens for effectively focusing a coherent or incoherent image or optical transform on the focal plane of imager 106. Optional photoelectric system 104 includes a high speed photoelectric shutter, such as a Kerr cell, and / or a lenslet / array to increase the effective fill factor of high speed CCD image sensor 106, as shown in FIG. It will be described later in detail with reference to FIG. The electronic drive control system 108 also provides a substantially conventional design to provide drive and output signal processing to the imager 106, and when used in combination with imager modifications as described below with reference to FIGS. Provides image frame rates in the order of one million frames per second in a continuous frame sequence. The CCD drive control system 108 generally includes a vertical (parallel) shift register drive circuit, a horizontal shift register drive circuit, a data output A / D conversion and memory circuit, a CCD bias circuit, a specific CCD imager (for example, a CCD imager and its connected individual). (See Thomson-CSF Semiconducteurs Specifiques 1996 Product Sales Catalog "CCD Product 1996" for identification information, register drive and readout voltage and timing diagrams, CCD camera / drive kits, which are incorporated herein by reference.) And other circuits suitable for controlling the Shown in FIG. 2 is a large format frame transfer 1024 × 1024 CCD imager 106, which features a parallel architecture that is easy to drive and collect output data. The imager 106 is packed closely with 1024 × 1024 photosensitive pixels having a cell size of 14 μm × 14 μm. The 1024 × 1024 pixel imaging area is located along a conventional vertical shift register adjacent to the light-shielded frame transfer memory area. In this conventional design, the entire 1024 × 1024 pixel image frame is placed about 1. 1. To transfer 1024 lines of image from a parallel frame transfer rate of 3 MHz or an image area along the vertical transfer column of the device, a 0. It is transferred at a high speed within 001 seconds. The shielded frame transfer memory area has 4 parallel outputs, each operating at a maximum data rate of 20 MHz, and a full chip output rate up to 60 Hz (made of 1024 x 1024 memory cells) at 10-12 bit gray scale resolution. I will provide a. Other unique on-chip capabilities include anti-blooming and exposure time control. The illustrated device 106 is a THX7887A type CCD imager, commercially available from Thomson CSF Semiconductors, which conventionally operates at up to 60 frames per second, but is modified with dedicated light shielding and operating methods to exceed one million frames per second. It provides a structure for performing ultra-high-speed imaging at a frame rate. As shown in FIG. 2, the CCD imager 106 has a 256 × 255 pixel image frame size of approximately 1.times. A square frame transfer area array CCD imager specially designed to capture up to 16 images at frame rates up to 3 megaframes. Special modifications include metal masks on opaque imaging areas other than the precise array pattern of pixel apertures, allowing ultra-high speed operation of the imager. The imager 106 itself has the same storage capacity as an imaging area 202 of approximately one million pixels formed of 1024 × 1024 square pixels (14 μm × 14 μm) formed along a vertical CCD shift register (in the direction of the arrow). , And can perform simultaneous control reading of analog data in the memory area. Image area 202 consists of 1044 horizontal lines (columns) and includes 1024 pixel lines, five dark reference lines at the top of array 202 and five dark reference lines at the bottom. An auxiliary line is used as a separation line for dark reference integrity. The optically inactive memory area 204 has the same number of lines as the imaging area. To increase the output rate of memory area 204, the imager has four outputs 206, 208, 210, 212, each receiving an analog charge packet from one quarter (256 columns) of the 1024 CCD transfer columns. . Therefore, the imaging and high-speed frame storage area 202 and the memory area 204 can be considered to be functionally divided into 256 CCD transfer channels, respectively. The imaging and high-speed frame storage area 202 itself, together with the high-speed transfer clock of the CCD transfer channel of the imager, performs high-speed imaging of 16 frames of an image size of 256 × 255 pixels by special masking of another actual imaging area of the imager. Specially designed to allow. A plan view of a portion 300 of the imaging and high speed frame / partial / analog memory storage area 202 of the CCD imager 106 is schematically illustrated in an enlarged form in FIG. 3A. As shown in FIG. 3A, the active pixel cells 302, 304 are configured in a conventional vertical CCD transfer channel toward the memory area 204 (not shown) of the frame transfer imager 106 in the direction of the arrow. Each of the cells 302, 304, according to conventional methods (see FIGS. 4-6), is typically an active photoreceptor for imaging via each of the four phase vertical transfer and register electrodes of the imager 106. . However, other conventional CCD imagers 106 are modified by a special opaque metal mask 306, shown with a dark grid pattern covering most of the photosensitive area 304. In the illustrated embodiment 300, only 1/16 of the cells are not masked with the opaque aluminum layer. The pixel openings in the mask layer 306 form the active photosensitive areas 302 and are evenly spaced on the surface of the imager (approximately 4 cells apart in the vertical and horizontal directions). Displaced at an angle to the direction, the charge collected on photoreceptor 302 travels vertically along transfer channel 310 via “opaque” storage cell 304 before reaching another active photoreceptor 302. To be serially shifted in the direction of 15 lines. As shown in FIGS. 3A and 3B, the active photosensitive units 302 are arranged at equal intervals along the two axes at predetermined intervals, and at least one of the axes is provided in the vertical (parallel) transfer register 310 of the CCD 106. It is arranged to rotate with respect to the longitudinal direction. This results in a linear shift of the image data from each photo-sensitive section, generally at a predetermined spacing between the active photo-sensitive sections 302 along the transfer / channel direction before reaching another active photo-sensitive section 302. Move forward by multiples. The predetermined spacing generally corresponds to the total number of pixels / memory cells 302, 304 in the direction of each axis, and may be different for each axis of the photosensitive array. As shown in FIGS. 3A and 3B, the multiple of the spacing along the transfer channel direction is a function of the integer cell spacing along the other axis of the photoreceptor array. Therefore, the photosensitive unit and the storage cell structure shown in FIG. 3A can capture and store 16 images. If the photosensitive units are separated by 8 cell units along each array axis, the imager will be able to capture and store 64 images, but the number of active pixels in the imager will be 4 pixels apart. It becomes 1/4. Because the charge packets are transmitted at very high speed along the transfer channel (eg, at a four-phase clock rate of 1 MHz or more due to the conventional frame transfer operation of a THX7887A CCD imager and camera device circuit), the imager design 300 requires the Extremely high-speed imaging can be realized while transferring images. As shown in FIG. 3, the continuous 16 images are interleaved, and the more recent the cell 16 becomes the first image, the more the cell 15 becomes the second image and the more the cell 1 becomes, the more recent the image becomes. The 16 images captured and stored in the high-speed frame storage area 202 are clocked into the memory area 204 for subsequent reading using a conventional electronic camera CCD drive output circuit of a Thomson 7887A CCD imager chip. Is done. In operation, under control of the electronic drive control system 108, the ultra-high speed camera system 100 is initially in the closed position with the shutter 104 closed, and the four-phase transfer electrode is in a non-transfer mode, in a stopped state, ready to accept imaging. . At least two, and preferably three, of the four electrodes are at an electron deficient potential to maximize the image signal charge storage capacity of the photoreceptor. Preferably, prior to imaging, the anti-blooming gate and drain are activated to remove unwanted image signals. To capture images at high speed in a relatively simple mode of operation, the system 108 opens the shutter 104 and / or activates the illumination of the event to be captured to at least 50,000 frames per second (or vertical shift). Up to 16 cycles of parallel vertical transfer along the vertical register 310 of the imaging area 202 at a vertical shift rate corresponding to the desired imaging rate from 1 to one million or more frames per second. Drive. The start of the transfer cycle is within one-fourth of the cycle time and is accurately triggered by conventional imager driving methods. Anti-blooming and drain gate stop during imaging. The THX 7887A imager 106 is designed to operate at vertical shift rates up to 1.3 million cycles per second (vertical shift). The maximum number of images that can be picked up at high speed is limited to the number of memory cells that are partially associated with each active photoreceptor, here sixteen. The vertical clock shift cycle stops, during which the image data is held in each storage cell. With the shutter or field illumination turned off, the composite image is recorded in the frame storage area 204, from which it is read with high accuracy by conventional methods. The individual images are precisely located in the composite image and can be easily "sorted" or separated into digital memory in any suitable way. Imaging is performed so as to generate a uniform frame rate such that the exposure time is the reciprocal of the frame rate as described above, but other imaging modes can be used. For example, if desired, the exposure time for each image can be separately programmed and cycled. In this regard, referring to FIG. 3A, the first transfer cycle time is 1 μs, the second through fifth cycle times are 5 μs, and the remaining sixth through sixteenth cycle times are 10 μs. The corresponding exposure time has been reached. Similarly, the camera can be operated to provide independent control of the frame rate and the exposure time, so that the image exposure time can be less than the reciprocal of the frame rate. For example, a first image may be shifted at a first rate (eg, 1 μsec) and a second image may be held for a predetermined exposure time (eg, 9 μsec) before shifting the image again at 1 μsec, followed by The third image is shifted at the first (1 μs) rate, and the fourth image is clocked by the CCD vertical transfer with an exposure time of 9 μs, and so on. By alternating the image of the first exposure time and the image of the second exposure time, it is possible to alternately discard the images and provide desired exposure control. In the disclosed embodiment, the effects of imaging 100,000 frames per second with either 1 μs or 9 μs exposures are provided in a fully programmable and user-selectable manner. The penalty is that half of the image is discarded and the corresponding storage area of the imager is not used directly. However, this is a very powerful feature of the present disclosure and requires an imager custom chip that can be programmed via the imager's clock control, such as a very large interline transfer CCD with independent gate sensitization. do not do. The active photoreceptor array of FIG. 3A has a row of photoreceptors arranged such that the linear shift of charge packets to linear memory cells partially tied to the active photoreceptor is extended. It is not a square pixel array. FIG. 3B is an active photoreceptor distribution showing a square active pixel array, but both axes of the array are rotated with respect to the vertical charge transfer channel 310. In this arrangement, the continuous active photoreceptor 302 is separated by approximately 4 cells, but is rotated horizontally and vertically relative to a square grid aligned with the CCD transfer channel (the structure of FIG. 3A). It should be noted that the active photoreceptor is rotationally shifted in one direction only) and that the imager can store 17 high-speed continuous images instead of 16 images. A similar pattern can be provided to further increase the number of consecutive images that can be continuously captured and stored in an analog memory cell partially adjacent to the active photoreceptor. For example, an array of regularly arranged photoreceptors similar to FIG. 3A but with active portions separated by 8 cells provides an array in which the analog charge is shifted 64 times before hitting another active photoreceptor. Yes, so the system can capture 64 consecutive images at a very fast image frame rate. The active photoreceptors are located in both the horizontal and vertical directions and are separated by approximately eight cells, thereby increasing a square array similar to the array of FIG. 3B to 65 consecutive image frames. As described above, the resolution of each image frame becomes approximately 1/4 if the same number of cells are used. This uses a larger imager, such as, for example, a 2024 × 2024 or 4048 × 4048 cell imager, to provide an expanded number of image frames while maintaining the desired image resolution. The imager 106 outputs 16 (FIG. 3A) or 17 (FIG. 3B) image frames stored in the frame memory output area 204 at a rate (fps) of up to 60 frames per second in the conventional manner of this chip. Used to This frame rate is obtained through four parallel area arrays of 256 (vertical) by 1204 (horizontal) pixels each ending at its own serial CCD readout register 206, 208, 210, 212. The four parallel output amplifiers provide data signals to the control unit 208 at a maximum data rate of 20 MHz (20 MHz × 4 for the entire array). The output data is digitized and stored in the digital memory of the control unit 108, where the individual images are separated. At one million frames per second operation, an electronic image of the photon flux incident on the unmasked photosensitive area is sampled by the pixel array during a very short time interval. An electronic shutter on the chip is available but not required during this period. However, if it is desired to operate the chip at a slower frame rate, the anti-blooming gate is clocked at the shutter level voltage, damping unwanted optically generated charge towards the anti-blooming drain. . After capturing 16 frames at a continuous uniform rate or at a programmed variable rate, the composite electronic image shifts very rapidly from the imaging area to the memory area. During this period, the photoelectric shutter 104 is turned off, the illumination is turned off, or the electronic shutter on the chip is used if available. In this way, all the charge packets representing the pixels of one exposure image out of the 16 images shot at high speed consecutively are all transferred to the memory area 204 in the same order. The memory area 204 can be shifted, independently of the imager area, on a scan line basis to four serial CCD registers, each terminated by an output node (floating diode). These output nodes are simultaneously reset to the reference voltage level VDR before receiving a charge packet from the next CCD serial shift register stage. These potentials are permanently detected by a double-stage source-follower NMOS amplifier, and the charge packets sampled by the CCD registers are continuously clocked toward these nodes for each stage. Therefore, each output amplifier has 16 interleaved ultra-high-speed images stored in the frame. Supplied with a typical serial waveform of the switching diode signal. As shown in FIG. 4, the unit cell pitch of the photosensitive section and the storage cells 302 and 304 is 14 μm × 14 μm, and includes an anti-blooming structure and a sensitive area used as a photosensitive section at the mask opening. In this frame transfer architecture, the sensitive region 302 is a partially associated analog memory at the active photoreceptor, and a storage cell unit 304 that is not active at the masked cell. The meter is a pixel "fill factor" (FF) and its light response, saturation charge, the efficiency of the anti-blooming drain that also functions as a dump drain for integration time control (electronic shutter), and the transfer efficiency at high speed Should be optimized. The fill factor of each active photosensitive portion is still relatively small compared to the area of the imaging region 202 because of masking used for high-speed operation. The effective active light sensor area can be increased with convex microlenses and / or reflective lenslet arrays, such as those included in optical member 104 of FIG. For example, provide a reflective microlens array of individual lenses, each positioned vertically above and each focusing on each of the active photoreceptors, with an area approximately 10 to 15 times the area of the active photoreceptor 302. Thus, the effective fill factor can be increased by at least 80%. Increasing the effective fill factor and, correspondingly, the effective light efficiency for an image, tends to require large light intensities to allow enough collected light to record a useful image in some event This is especially important at ultra-high imaging speeds. FIG. 5 is a cross-sectional view of the pixel. In FIG. 5, the pixel has a side overflow drain structure used in the high-speed operation of the imager as described above. The anti-blooming structure is shared between two adjacent pixels and functions as a pixel separation on both horizontal pixel sides. This structure consists of one half of the drain and one gate on each side of the pixel (anti-blooming drain and anti-blooming gate), one drain and two gates per pixel pitch. The potential barrier controlled by the anti-blooming gate is set to the anti-blooming potential level and extra charge in the CCD channel first flows to the anti-blooming drain instead of reflecting off adjacent pixels. The photosensitive and transfer areas are located in the CCD part of the cell unit. It consists of a set of four overlapping gates as shown in FIG. Thus, the four-phase transfer operation can be performed during the image shift toward the memory area. This transfer mode is much larger than the three-phase or two-phase mode and is used for better charge handling and charge capacity. As an example, the saturation level of this four-phase pixel cell unit is 210,000 e- if only 140,000 e- in the three-phase mode. In addition, in a four-phase structure, when using a three-gate architecture, three Length—improves the optical modulation transfer function of the sensor. Each 14.times.14 .mu.m square imaging pixel uses a three-level polysilicon MOS gate structure on an epitaxial p / p + silicon-based buried channel phosphorus implant. The anti-blooming overflow drain is a phosphorus implant and self-aligns with the two control gates. With 1.5 μm design rule CCD technology, this anti-blooming structure layout is only about 5.5 μm wide. Si / SiO Two The pixel aperture at the interface level is 10. It is estimated to be 3/14, providing a fill factor of 0.74 in the active cell. This value is the minimum fill factor for this pixel at the blue wavelength because blue photons are absorbed in the first 100 nanometers below the interface. For red light, the fill factor is much larger and the internal pixel separation inside silicon is Si / Si 2 O 3 Two Thinner than at the interface, the internal electric field expands under the anti-blooming gate, thereby increasing the fill factor at these wavelengths. In the memory area, instead of an anti-blooming device, vertical isolation between pixels is provided by thick oxide on a p + boron implant. This part of the circuit uses a polysilicon CCD gate structure with only two levels. The area not used in the anti-blooming structure has a CCD stage length of 13.mu.m for the image area of 14.mu.m. It can be reduced to 2 μm. This also achieves a greater charge handling capability than the imaging pixels to eliminate the saturation limit in this region. This region terminates at a specific gate that controls charge transfer to the read register. To provide high-speed charge transfer, interconnects are used to contact the pixel gates with the aluminum rails, and the aluminum bus runs from the top of the array, thus providing the anti-blooming structure in the image area and the thickness of the memory area. Drives both the image and memory regions. Because the entire array has a relatively large capacity, each clock of the photosensitive array (Pi) of the entire imager 106 is in a range that is difficult to drive through a classic clock drive circuit such as the 0026 series. is there. Therefore, the array is divided into four sub-arrays of 256 columns, each of which can be easily driven at high speed by a conventional clock driving circuit. This gives a typical frame transfer frequency up to 2 MHz, which is comparable to ultra-high speed imaging operations. In the memory area, one CCD readout register is provided for each of four subarrays of 256 × 1024 pixels. Each readout register has 256 stages for receiving the signal charge arriving from the associated pixel sub-array in parallel, and 15 readout registers that are needed to drive the charge toward the output amplifier and can also be used as electrical reference pixels. Consists of an extra stage. This structure is repeated four times along the last 1024 pixel lines of the memory area. The four CCD readout registers use a two polysilicon two-phase structure with buried channels and have the same 14 μm pitch as the imaging and high-speed frame storage area 202. All four are driven in parallel with two clocks (L), each terminating at a 9X gate VGS and stopping at an output floating diode. Using the channel turns, the tap structure can be operated without interruption at a 14 μm pitch. The readout design structure is the classic "floating diode readout" (FDRO), which uses an output n + / p diode as a charge detector after resetting to a reference plus voltage (VDR) via a clock (R). Charge packets arriving from the output register are dropped one by one into the floating diode well region at the last clock (2L), lowering the floating potential of that diode on the output gate BGS. This voltage is detected by each output amplifier. Four output amplifiers are used in the circuit to supply video signals arriving from the four output registers. It is designed for low noise operation with a bandwidth of 95 MHz. Each of the output amplifiers is a double stage source follower NMOS amplifier. The output CCD register is 20. Driven at 8 MHz, the device has a very high dynamic range (dark noise level 80 dBw. r. t. ) In the progressive scanning mode. Integration time from 0 to 15. 15. Can be set up to 9 milliseconds. The memory output rate of one memory block composed of 16 continuous partial images per 6 milliseconds is obtained. Imager area frame transfer is 1. Operating up to 3 MHz, the applied voltage is set to a nominal value. Additional features of the imager other than high-speed dedicated masking and imaging processing include “THX7887A: New high frame rate 1024 × 1024 pixel CCD sensor” by Buchala et al. (“THX7887A: A New High-Frame-Rate 1024 x 1024 Pixel CCD” Sensor, "G. Boucharlat et al. , SPIE vol. 2273 pp. 255-2763); A. "THX7897M: 2048x2048 CCD sensor for astronomy" by Kochiura (J. A. See also Cortiul a, "THX 7897M: Capteur CCD 2048 x 2048 Pour Applications Astronomiques," OPTO 93, Paris, May II-13, 1993). The system of FIGS. 2-6 is based on the conversion of an existing frame transfer imager to minimize design costs and other capital investments to create new masks, but without additional metal or Existing designs can be used by adding other opaque masks to produce the desired limited active pixel pattern. Similarly, applying a mask can modify other existing imagers to provide the most cost-effective initial fabrication of ultra-high speed imagers. For example, an interline transfer imager, a full frame imager, a frame transfer imager can be used. The commercially available 2024 × 2024 pixel Thomson CSF 7899 full frame imager is useful due to the large number of pixel cells and allows for mask pixel design of scattered and distributed active pixels. Such an array is what has previously been described as an array in which the active pixels are nominally separated or staggered by 8 pixels in both the column and column directions, resulting in a 64 or 65 ultra-fast continuous image. Create an imager that can store. Gated photodiodes are used in many imagers, such as interline transfer imagers, and are not on the charge transfer channel, provide the most efficient electronic shutter, and can initiate imaging during the ultra-high-speed sequence of imaging However, imaging is stopped during reading of the imager. Ultra-high speed CCD imagers take advantage of all the benefits of the architecture so that the active photosensitive area (preferably not in the charge transfer / memory cell channel and subject to electronic shuttering) takes up a very small percentage of the area of the imaging array. It can also be designed to provide an associated analog memory cell that is a major part of the imaging array. One example is the high speed system described in U.S. patent application Ser. No. 08 / 423,654, filed Apr. 17, 1995, for a high speed CCD imager, which is incorporated herein by reference. As shown in FIG. 12, by using a common high precision trigger 1201, two or more ultra-high speed cameras 1201, 1202, 1203 can be incorporated into a stereo photography system. The camera is suitable for receiving a common trigger signal in combination with a common frame gate and exposure program, and provides synchronized stereo imaging from multiple cameras. The cameras 1201, 1202, and 1203 are high-speed framing solid-state cameras capable of capturing substantially film-quality images, and are suitable for providing a variable interframe period of 100 μs to 100 nanoseconds, and have a time gating capability. Down to 1-10 nanoseconds. With pulsed laser illumination, the camera can provide at least 4, and preferably at least 16 frames of 10- to 12-bit grayscale images in on-chip image storage. FIG. 13 is a top view schematically illustrating a large format 2048 × 2048, preferably 4096 × 4096 storage cell / pixel CCD imager 1206 of a full frame architecture suitable for ultra high speed imaging of the camera system of FIG. . The full frame CCD imager 1206 has a large format of at least 2048 × 2048 storage cells / pixel size, more preferably at least 4096 × 4096 storage cells / pixel size, and a 4-port parallel output architecture for high data throughput. It is characterized by. It is designed and manufactured substantially in accordance with the THX7899M full field image sensor manufactured commercially by Thomson CSF Semiconductors (Orsay, France) (Thomson CSF Semiconducteurs Specifiques, Orsay, France). The electrical application of the CCD imager is shown in FIG. 13 and is as follows: Φ1,2,3,4 P (n) Used with vertical image shift (clock rate = 1-10 MHz) Low-speed four-phase clock Φab anti-blooming gate clock Vab anti-blooming sync bias voltage Φ1,2L high-speed two-phase horizontal image shift clock (clock rate = 20 MHz) Vdd on-chip amplifier bias Vssa on-chip amplifier ground return Vos ( n) Video output The preferred imager itself is a 4096 x 4096 square pixel (e.g., each pixel or storage cell is approximately 10 [mu] m x 14 [mu] m x 14 [mu] m in size, arranged along a vertical CCD shift register (in the direction of the arrow). 1.6 million images formed with an active photoreceptor area of 10 μm) It includes an imaging region, simultaneous and control of the image area analog data has been so read. To increase the output rate of the device, the imager has four outputs, each of which receives an analog charge packet from a quarter of a 4096 CCD vertical transfer column as shown in FIG. During normal operation, the imager integrates the optical image for each of the pixel cells in the image area under control of the camera control system over a predetermined time interval. The imager releases the shutter externally. The image is then shifted down vertically one column at a time until the entire image is directed to each output amplifier. Modifications of the spatial light shield include a metal mask of the type shown in FIG. 3A or 3B above the opaque imaging portion except for a correctly aligned pixel aperture 1024 × 1024 pattern. When combined with a customized CCD clock sequence, this special light shield mask allows ultra-high speed imaging of 1024 x 1024 partial images inside a large 4096 x 4096 array. Applying a custom mask to the other active pixels in the imaging area creates a partial image storage area and requires that the entire image (4096 columns) of the array be clocked before taking the next image. Sex is eliminated. Indeed, with proper design of the metal mask, a 1024 × 1024 partial image shifts the data into the memory area, ready for the next image capture after only one vertical shift cycle. Because the vertical shift can be performed at short time intervals of 100 nanoseconds, the 1024 × 1024 sub-imager can capture new images at a rate of 10 MFPS until the partially created memory area is exhausted. For a 1024 × 1024 sub-image of the 4096 × 4096 image array, approximately 16 ultra-high-speed continuous sub-images can be captured and stored for high precision low speed readout. Therefore, the structure of the photosensitive unit and the storage cell illustrated in FIG. 3A can capture and store 16 images of approximately 1K × 1K image size. Because the charge packets are transferred at very high speed along the transport channel (eg, at a four-phase clock rate up to 10 MHz), the sub-imager actually captures new images up to a rate of 10 million frames per second. The 16 continuous images are interleaved as shown in FIG. 3, and the more recent the cell 16 becomes the first image, the more the cell 15 becomes the second image, and the more the cell 1 becomes, the more recent the image becomes. In conventional operation, a 4096x4096 imager requires 4096 consecutive vertical shifts to read an image frame. In the high speed (10 million frames per second) mode of operation, this clock pattern is stationary until triggered by a trigger signal. Starting a conventional four-phase clock pattern, a predetermined number of vertical parallel shifts that do not exceed the number of storage cells (here, 16 including the photosensitive section) partially linearly associated with each photosensitive section are performed. provide. The clock pattern is abruptly stopped within one cycle, and the partial image is kept stored without any overlap from the image signal from the adjacent photosensitive section. The camera is effectively shuttered and idle until readout begins. In some environments, as described above, it may be desirable to capture image bursts at 10 million frames per second, stop for a long time to capture a million FPS bursts, stop, capture 500 KFPS, and so on. For example, the user captures 6 frames at 10 million FPS, pauses for 1 millisecond, captures another 6 bursts at 1 million frames per second, pauses for 10 milliseconds, and fills the remaining memory buffer with 500 KFPS. You may want to do that. This mode of operation can be provided as a programmable function of the high speed solid state camera system of the present invention. The transport electrode of such a large-sized image sensor is relatively elongated, and has a relatively large resistance in addition to a large-capacity load caused by a large area of the imager. It is difficult to drive such a large image sensor at high frame rates, well over one million parallel (vertical shift cell) transfers per second, without charge transfer inefficiencies and other problems. To provide an imager structure for ultra-high speed imaging at frame rates in excess of 5-10 million frames per second, a custom light shield is applied, a special clock scheme is used, and a large The addition of straps or bus-type electrodes changes the imager architecture, which allows for high speed operation. Strap-type electrodes are enabled for light shielding and imager operation, because if a high percentage of the imager is used as a photosensitive part, the strap-type electrodes will interfere with imaging at the photosensitive part. . As shown in FIG. 14, a large strap electrode is provided above a metal mask applied to an imager, and is insulated from the mask. A wide bus is periodically connected to each of the respective common mode transport drive electrodes by vias according to conventional integrated circuit manufacturing techniques. Due to the significantly smaller resistance and the significantly smaller aspect ratio, the width is about 2. Ultra-high-speed operation is possible at a higher transfer rate than when using only a four-phase polysilicon transfer electrode that is only 5 μm and penetrates and is thin enough to allow imaging in a pixel cell. As shown in FIG. 14, the area between the active pixel portions can be advantageously used for an additional relatively wide high-conductivity transport electrode bus, which is regularly (vias) transferred to the lower transfer electrode. Can be used to apply a clock signal. These electrodes are made of metal and are 10 times or more than the polysilicon or silicide pixel transfer electrodes (four at each pixel site in a four phase transfer electrode structure as used in the systems of FIGS. 1 and 13). Beyond that, and at least 10 times more conductive, the resistive drive load is greatly reduced, the transfer / clock frequency can be increased to 500-100,000 frames per second, while at the same time substantial pixel uniformity And the charge transfer efficiency can be maintained. To increase the light sensitivity to the final camera (since most of the active pixel area is shielded from light), mount the lenslet array on a masked CCD array and fill factor up to at least 60% and preferably up to 85%. Pull up. For example, in the pixel pattern of FIG. 3A, the optically active aperture exists only once every four pixels. Assuming a basic pixel pitch of 14 μm, the fill factor is about 1/16 or 6%. Applying and focusing a lenslet on each of the sensitive apertures results in a diameter of about 55.5 mm. It becomes 5 μm (the lenslet interval is set to 1 μm for manufacturing purposes), and the effective fill factor is raised to 90% or more. A significant advantage of this solid-state architecture is that after capturing 16 images at up to 10 million frames per second, the "memory" of the captured frames is read out at a relatively slow data rate, resulting in a very large dynamic The point is that you get a range. Standard (commercial) high performance including analog-to-digital converters and frame grabbers, rather than expensive ultra-fast data acquisition systems, because the read data rate can be maintained at a relatively low rate, eg, 20 megapixels per second. Readout circuitry can be used for data capture. Fast time gating independent of the frame rate is achieved by pulsed laser illumination and / or fast gate intensifiers (photomultiplier tubes). There are copper vapor lasers with gate pulse durations on the order of 1 nanosecond. While this "gate" duration is sufficient for most high speed imaging, the repetition rate of pulsed laser sources is typically limited to tens of kilohertz. Gated intensifiers provide another path that provides not only time gating but also image amplification (a significant advantage in high speed imaging applications). High resolution intensifiers up to 641 p / mm can be realized with 18 mm intensifier cells providing repetition rates in excess of 10 MHz and gate resolutions on the order of 1-15 nanoseconds. 1 and 12 are designed to operate in wideband panchromatic mode or in monochrome mode with an external color filter or light source. What is shown in FIG. 15 is masking with a color plate super-high-speed imager. In the imager 1500 of FIG. 15, a mosaic of the minute red color filter dots 1501, the minute green color filter dots 1502, and the minute blue color filter dots 1503 is formed before applying the light shield mask as shown. Manufactured on top of an imager array. As shown in FIG. 15, three columns are used to store image data of each of the RGB pixel arrays. The pixels make the entire RGB pixel area closer to a square (eg, with an aspect ratio up to 3: 1). A large microlens on each pixel is used to focus light from the circular area onto the RGB pixel pattern. For example, as shown in FIG. 2, the rate of image data captured by an ultra-high-speed imaging system such as a two-dimensional array limits the number of frames and image resolution that can be realized with a two-dimensional array. To provide additional image memory partially associated with each active photoreceptor, the present invention provides a CCD imager that uses a three-dimensional stack of parallel edge-input CCD imaging arrays, such as the edge-sensitive CCD 702 illustrated in FIG. With respect to the system, it forms an integrated imager, memory, output or processing system, such as the system 802 shown in FIG. Such a stacked array can store a larger number of image frames and process high-speed captured continuous images to compress or selectively simplify the data output requirements of the system. Stacked imagers and camera systems based on unusually compact imager / memory stacks formed with such chips can provide significant performance enhancements. In the imager / memory stack, individual CCD memory chips are stacked and assembled to form an imaging surface and an output surface (see FIG. 8). The individual memory chips are each driven at 1 to 10 MHz and are relatively slow for CCD memory operation, but provide ultra-high speed imaging operation due to the fully parallel processing design. The chip has a linear array of edge-sensitive input pixels, each of which is clocked into its own CCD memory channel, which can be 1,000 or 2,000 memory cells or longer. The memory channels are multiplexed and clocked to one or more conventional high speed output amplifiers to clock the image data off chip, as shown in FIG. When the edge sensitive CCD memory chips of FIG. 7 are stacked vertically, the linear photoreceptor at the edge of each chip forms a two-dimensional pixel array on the imager surface. In addition, the associated CCD memory channels form a compact, ultra-dense 3-D memory, operating in full parallel, receiving data clocked at 1-10 MHz from each corresponding edge sensitizer. . As shown, the imaging surface is formed by an edge-sensitive linear pixel array on each chip, which can include optical directors and lenslets to improve light response. The pixel x spacing (see FIG. 8) is fabricated directly on each chip. The pixel y-spacing depends on the thickness of the chip wafer and ranges from 10 μm for ultra-thin wafers to 300 μm or more for “standard” wafers. Using a lenslet array with off-axis lenslets can effectively reduce the y-axis pixel spacing (while increasing the x-axis spacing). Alternatively, a Pareto imager, such as a backside thin or silicon-on-sapphire type imager, can indium bump directly into the edge sensitive CCD input area of a stacked 3-DCCD memory cube. CID image sensors can be easily bumped to each charge mode detector on a stacked memory chip, and are therefore desirable as sensors for such 3-D bump imager arrays. Since the photoreceptor is directly clocked in parallel with its corresponding CCD memory channel, the bump mounted imager can operate at an ultra-high frame rate corresponding to the memory CCD channel's 1-10 MHz rate. Bump mounting of the silicon-on-sapphire imager to the 3-DCCD memory stack provides close y pixel spacing when stacking "thick" wafers. For example, by multiplexing the eight pixels of a bump mounted imager to each CCD memory channel of a "stack" of 200 μm thick CCD memory chips, a 25 μm pixel spacing is created. A 1K length CCD memory channel provides 125 full frame image memory storage, while a 2K length CCD memory channel allows 250 full frame images to be stored in a 3D array and is 512 × 512 multiplexed into 64 stacked chips. The imaging array has a memory capacity of 65 megabytes or more. As shown in FIG. 9, the bump mount can also be used for interconnection at the output side of the imager / memory cube. This allows independent control of the high-speed imager drive circuit, high-speed CCD memory channel drive circuit, and low-speed output drive circuit. The compact stacked geometry is suitable for operation in triggered burst mode, where the trigger event allows for fast imaging and storage of 1,000 or more image frames in analog CCD memory along the "z" axis. Start. 1,000 or more frames of image data can be clocked or "read out" for processing at a second, lower data rate. The stacked z-axis CCD memory chip geometry of the present disclosure provides complete design efficiency with parallel operation of the cores, independent imager, memory, output driver connectivity, powerful functional compactness and 3-D density of arithmetic circuits, Small size, light weight, compatibility with image intensifiers, fill factors to extend lenslet array selectivity of "good" chips for assembly of defect-free large arrays, simplicity with one linear imager array It has the advantage of high production yield of CCD memory chips. The x-axis pixel separation is manufactured on-chip. However, the y-axis tolerance depends on wafer thickness and stack uniformity, while the z-axis tolerance depends on wafer die cutting and alignment tolerances. The use of precise deep etching techniques, such as "black silicon" vertical etching techniques, as opposed to wafer-saw technology, isolates the CCD dice for stacking and damages the silicon grid resulting in excessive dark current. Can be avoided (H. Jansen et al., "The Black Silicon Method", H.S. Jansen et al. , J. et al. Micromech. Microeng. 5, pp. 115-120 (1995)). Various alignment methods can be used for z-axis alignment, including "pillar-concave" stacking and optical flat assembly as illustrated in FIG. Bonding of silicon wafers with evenly deep grooves can be achieved by anodic bonding of silicon wafers with a thin layer of photoresist or photoresistor, or by R.O. F. It can be easily realized using sputtered glass. A processing potential of about 1 volt is sufficient for an anode bonded silicon wafer with a glass layer of 100 nanometers or less (V. Spearing et al., "Electrocorrosion-proof wafer bonding for planarization after deep etching" Spiering, et al. , "Sacrificial Wafer Bonding for Planarization After Very Deep Etching," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 4, pp. 151-157 (1995)). A properly aligned mirror polished silicon surface can also be welded by a wafer bonding technique where surface silanol group dehydrate and residual oxygen atoms disappear at high temperatures. The low-temperature bonding method is a preferred method recently developed for performing Si / Si bonding at a temperature of 400 ° C. or less (Tong, “Low-temperature wafer direct bonding” Tong, "Low Temperature Wafer Direct Bonding," Journal of Microelectromechanic al Systems, vol. 3, pp. 29-35 (1994)) and an attempt can be made to bond the front mounting post to the backside of the wafer as shown in FIG. Since a single CCD memory chip operating at a clock rate of 1 MHz using a low-resistance aluminum clock electrode typically dissipates about 2 watts, the 3-D "stack" of 512 such chips is 2 A centimeter cube will generate about 1000 watts of heat. This heat output is (a) designed by the drive circuit to operate only when the imager is functioning (e.g., the total heat in 1,000 frames at 1 megaframe / sec is 0,0). 001 × 1K watts = 10 watts or less) and (b) removing heat using a 3D internal refrigerant network. The large bulk density of the circuit generates considerable heat and can be removed by passive integrated heat pipes or forced refrigerant circulation. As shown in FIG. 10, the pillar arrangement chip stack can be cooled by a refrigerant circulation system passing through the yz plane. Similarly, since the CCD memory channel is smaller than the imager pixels, it can accommodate through-chip coolant holes etched on the chip by deep-etched parallel wall technology used in micromechanical device fabrication and chip separation. Micro heat pipe arrays can be used as efficient backside heat dissipation or heat removal devices by reducing the heat path between the frontal heat source and the heat sink (Malik, “Integration of Semiconductor Devices”). Manufacture of micro heat pipe array deposited as `` A. Mallik, "Fabrication of Vapor-Deposited Micro Heat Pipe Arrays as an Integral Part of Semiconductor Devices," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 4, pp. 119-131 (1995)). The sealed microheatpipe array can be fabricated on the backside of a thick chip wafer as a coreless non-annular channel with a hydraulic cross section of 10-50 μm and a length of up to 2 cm. Surface coating as low as 2% produces a 40% increase in heat removal. Greater heat removal can be achieved by forced liquid circulation through the chip stack. The compact 3-D stack design can be used with conventional image intensifiers and can provide a fill factor of 80% or more by using lenslets. The design is also fully compatible with image intensifiers that generate direct electronic output by using an electro-absorbing edge-sensitive input “pixel”. This application of the electronic direct hit detection mode can provide about 5000: 1 effective optical gain for a conventional CCD imager. Although various aspects of the invention have been described with respect to particular embodiments, alternatives and modifications are apparent from the disclosure and are intended to be within the spirit and scope of the invention as set forth in the following claims. It is understood that there is.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S D,SZ,UG),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU ,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH, CN,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,G B,GE,GH,HU,IL,IS,JP,KE,KG ,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT, LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,N O,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG ,SI,SK,TJ,TM,TR,TT,UA,UG, US,UZ,VN,YU (72)発明者 マーリック,ジェイムズ,ジェイ. アメリカ合衆国 60022 イリノイ州 グ レンコエ グリーンウッド アヴェニュ 748────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF) , CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, KE, LS, MW, S D, SZ, UG), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ , MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU , AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, G B, GE, GH, HU, IL, IS, JP, KE, KG , KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, N O, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG , SI, SK, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU (72) Inventor Marrick, James, Jay.             United States 60022 Illinois             Lencoe Greenwood Avenue             748

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1.部分的に結び付いた連続的動作を行う複数のアナログ・メモリセルを有し、 高速連続撮像が可能な光検出器のアレイを具えたことを特徴とするソリッドステ ート撮像アレイ。 2.前記部分的に結び付いたメモリセルは、CCD電荷転送チャンネルに沿って 各感光部に線形に結び付いていることを特徴とする請求項1記載のソリッドステ ート撮像アレイ。 3.前記光検出器は、2次元撮像領域に配列され、これを構成する前記アナログ ・メモリセルのうちの幾つかは前記2次元撮像領域に直交する方向性部材により 配向され、3次元撮像部及び記憶部を形成することを特徴とする請求項1記載の ソリッドステート撮像アレイ。 4.部分的に結び付いたメモリを有する光検出器のアレイを有し、当該アレイは 露光制御により、第1のレートと第2のレートで走査され、実効的な第1のフレ ーム・レートと実効的な第2のフレーム・レートを提供するソリッドステート撮 像アレイ。[Claims] 1. A plurality of analog memory cells that perform a continuous operation that is partially connected, A solid state camera comprising an array of photodetectors capable of high-speed continuous imaging. Remote imaging array. 2. The partially tied memory cells are aligned along a CCD charge transfer channel. 2. The solid stay according to claim 1, wherein the solid stay is linearly connected to each photosensitive portion. Remote imaging array. 3. The photodetectors are arranged in a two-dimensional imaging area, and the analog -Some of the memory cells are provided by a directional member orthogonal to the two-dimensional imaging region. 2. A three-dimensional imaging unit and a storage unit are oriented to form a three-dimensional imaging unit. Solid state imaging array. 4. An array of photodetectors having partially associated memories, the array comprising Under the exposure control, scanning is performed at the first rate and the second rate, and the effective first frame is scanned. -State imaging that provides a frame rate and an effective second frame rate Image array.
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