JP2001168316A - 超高速撮影用撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で超高速連続撮影が可能な撮像素
子を提供する。 【解決手段】 撮像素子は、フレームトランスファー型
である。遮断膜１１４の窓部１１５に対応する各電荷転
送路１２３の要素１２３ｂに入射線の強度に応じた電荷
が発生する。発生した電荷は電荷転送電極１１６〜１１
８から印加される電圧により電荷転送路１２３上を移送
される。各電荷転送電極１１６〜１１８の窓部１１５に
対応する部分１１６ａ〜１１８ａの電荷移送方向の寸法
が、遮断膜１１４で覆われている部分１１６ｂ〜１１８
ｂの電荷移送方向の寸法よりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、材料の破壊や爆発、高
速流等の高速運動の連続撮影に適した超高速撮影用撮像
素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常の固体撮像素子による撮影速度は、
撮像素子から撮像素子外に画像情報を読み出す読み出し
線の情報転送能力で制限される。正確に言えば、画像情
報読み出しの前段階の処理を行うアウトプット回路と、
後の段階の処理を行うＡＤコンバータの情報処理能力、
すなわちサンプリング・レートで制限される。現在使用
されている撮像素子の標準的な最大サンプリング・レー
トは、８ビット変換で２５メガヘルツ（２５，０００，
０００画素／秒）程度である。例えば撮像面の上に配置
された１０万もしくは１００万の画素の画像条報を１本
の読み出し線を通して読み出すとき、撮影速度の上限は
２５０枚／秒（２５，０００，０００／１，０００，０
００）もしくは２５枚／秒（２５，０００，０００／
１，０００，０００）となる。

【０００３】撮像素子の高速化を図るために、以下の２
つの方法が使われてきた。一つは、読み出し回路、読み
出し線、ＡＤコンバータの組の数をできる限り増やす方
法である。この方式の撮像素子は、並列読み出し型撮像
素子と呼ばれている。本発明者は、１６本の読み出し線
を持つ並列読み出し型撮像素子を備えたビデオカメラを
既に提供している。このビデオカメラでは、２５６×２
５６の画素数に対して撮影速度は４，５００枚／秒であ
る（例えば、江藤剛治:４５００枚／秒の高速度ビデオ
カメラ，テレビジョン学会誌，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．
５，５４３−５４９頁，１９９２年，参照）。

【０００４】他の一つは、各画素ごとに画素周辺に多数
の画像情報が蓄積できる領域を設け、撮影中は画像情報
を撮像素子外に読み出すことなく、撮像素子内に連続的
に蓄積し、撮影終了後にゆっくり撮像素子外に読み出す
方式である。この方式の撮像素子を、本発明者は画素周
辺記録型撮像素子（ISIS: In-situ Storage Image Sens
or）と呼んでいる。このＩＳＩＳでは全画素並列で画像
情報を記録するので、究極の超高速連続撮影が可能にな
る。例えば２５６×２５６画素の場合は６５，５３６
（２５６×２５６）並列処理で画像情報を記録すること
になり、１６並列読み出し等と比べて桁違いに高速の撮
影が可能になる。

【０００５】このＩＳＩＳ型の撮像素子についても、本
発明者らにより既にいくつかの撮像素子が開発もしくは
提案されている。（例えば、Takeharu ETOH et al.: Im
proved design of an ISIS for a video camera of 1,0
00,000 pps, Proceedings ofHigh-Speed Imaging and S
equence Analysis, SPIE Vol. 3642, p127-132, 1999,
参照)

【０００６】これらのＩＳＩＳ型の撮像素子の多くは、
画像情報蓄積手段としてＣＣＤ（電荷結合素子）を使用
している。

【０００７】通常のＣＣＤ型撮像素子は、図１７に示す
インターライントランスファーＣＣＤ型撮像素子１０
（ＩＴ―ＣＣＤ型撮像素子という。）と、図１８に示す
フレームトランスファーＣＣＤ型撮像素子１１（ＦＴ―
ＣＣＤ型撮像素子という。）に大別される。

【０００８】上記ＩＴ-ＣＣＤ型撮像素子では、光を電
荷に変換する光電変換部１２（通常フォトダイオードが
使用される。）と、ＣＣＤで構成される電荷転送路１３
（蓄積部）とを別々に水平面上に配置している。電荷転
送路１３は、図示しない遮断膜により光が当たらないよ
うにしている。また、光電変換部１２と電荷転送路１３
の間にインプットゲート１４を設けている。入射光強度
に応じて光電変換部１２で発生した電荷は、このインプ
ットゲート１４を介して電荷転送路１３に移送される。
遮断膜を設けている分だけ開口率（受光部全体に対する
遮光されていない窓部の面積比）が小さくなるので、窓
部の上部にマイクロレンズを付けて実質開口率を大きく
している。

【０００９】一方、上記ＦＴ―ＣＣＤ型撮像素子の撮像
面１５上では、電荷転送路１３が光電変換部を兼ねてい
る。また、電荷転送路１３の上部に図示しない透明電極
を付け、この透明電極を通過して入射した光により発生
した電荷を、透明電極に印加する電圧を変化させること
により転送する。ただし、電荷転送中も光が入射し電荷
が発生し続けるので、撮像面１５の下部に１フレーム分
の遮光されたＣＣＤからなる画像情報保存領域１６を設
けてある。撮影時には、ある時間露光した後は、非常に
早い速度で１フレーム分の画像情報を撮像面１５から画
像情報保存領域１６に移送し、次の露光中にゆっくり撮
像素子外に読み出す構造としている。このＦＴ−ＣＣＤ
型撮像素子では、全ての構造を単純なＣＣＤで構成する
ことができる。また電荷転送路１３上にも光が入射する
ので開口率は大きく、マイクロレンズを取付ける必要が
ない。

【００１０】このようにインプット・ゲートやマイクロ
レンズが無いだけＦＴ-ＣＣＤ型撮像素子の方がＩＴ―
ＣＣＤ型撮像素子より構造が簡単である。そのため、初
期のＣＣＤ型撮像素子は、ＦＴ−ＣＣＤ型であった。

【００１１】しかし、ＦＴ―ＣＣＤ型撮像素子では、透
明電極を介して入射する光をとらえるので、透明電極に
吸収されやすい波長帯の光に対する感度が低い。通常、
透明電極はポリシリコン製であり、いかに薄くしても、
波長の短い青色光の吸収が大きくなる。また電荷転送中
も光が入射するので、明るい光の部分が縦の線状に伸び
て写る、いわゆるスミアが大きくなる。このスミアを防
止するには、転送中の光の入射を遮断するための機械的
もしくは電気的な高速シャッターを撮像素子の前面に設
ける等の工夫が必要となる。ＩＴ−ＣＣＤ型撮像素子で
はこれらの問題点が大きく改善されるので、最近のＣＣ
Ｄ型撮像素子の多くはＩＴ―ＣＣＤ型か、さらにそれを
改善したタイプである。

【００１２】ＩＳＩＳについても、図１９に示すＫｏｓ
ｏｎｏｃｋｙらが開発したＣＣＤ型撮像素子（F. W. Ko
sonocky et al.: 360×360-element very-high frame-r
ateburst-image sensor, Digest of Technical Papers,
ISSC 96, p182-183, 1996,参照）も、図２０及び図２
１に示す本発明者が既に提案した撮像素子（例えば、江
藤剛治他３名の上記の文献参照）も全てＩＴ―ＣＣＤ型
を基本としている。すなわち、これらの撮像素子では、
各画素が大型のフォトダイオード１１５を持ち、その横
に小さな多数の電荷蓄積要素を持つＣＣＤ型の記録部１
３５を持ち、その間をインプットゲート１１４で接続し
ている。

【００１３】一方、図２２のように基本構造としてＦＴ
―ＣＣＤ型を使用することもできる。図２２に示すＦＴ
−ＣＣＤ型撮像素子では、図１８のＦＴ―ＣＣＤ型撮像
素子の受光面全面を遮断膜１７で覆い、この遮断膜１７
に互いに位置をずらして光が通る窓部１８を開けてい
る。窓部１８より下部の１５個のＣＣＤ要素１９ａ〜１
９ｄは遮断膜で覆われているので画像情報蓄積部として
使用することができる。すなわち、窓部１８に対応する
ＣＣＤ要素１９ａで発生した第１の画像の画像情報（電
荷）は、まず窓部１８の直下のＣＣＤ要素１９ｂに蓄積
される。次に、この第１の画情報が１段下のＣＣＤ要素
１９ｃに転送されるのと同時に、窓部１８に対応するＣ
ＣＤ要素１９ａで発生した第２の画像の画像情報が各窓
１８の直下のＣＣＤ要素１９ｂに蓄積される。同様の処
理を繰り返すことにより、ＣＣＤ要素１９ｂからＣＣＤ
要素１９ｄに連続１５枚分の画像情報が蓄積される。撮
像素子前面に設けたシャッターを閉じた後、通常のＦＴ
-ＣＣＤ型撮像素子と同様に画像情報を逐次垂直方向に
転送し、さらに受光面外に設けられた水平ＣＣＤを通し
て読み出し回路から蓄積された画像情報を逐次ゆっくり
読み出すことができる。この図２２に示すＦＴ-ＣＣＤ
型撮像素子を基本構造とする場合、図１９から図２１に
示すＩＴ―ＣＣＤ型撮像素子を基本構造にする場合に比
べて十分簡単な構造になり、製造コストを低減し、ノイ
ズ発生を抑制することができる。

【００１４】図２２では窓部１８の配置は正方ます目状
になっていない。これに対して、図２３に示すように窓
部１８を設けると共に、撮像面を４:１の勾配で斜めに
し配置すると、窓部１８は正方配置となる。この場合Ｃ
ＣＤを設計する基本軸３６と、窓部１８の中心を結ぶ画
素配置の直交軸３７が４:１の勾配で斜めに交差してい
る。この図２３の構成により、直交画素配置のＩＳＩＳ
を容易に実現できる（特開２０００−２６８０１０号参
照）。

【００１５】高速撮影では現象の生起と撮影のタイミン
グを合わせることが難しい。例えば、上記図２２の撮像
素子では連続１５枚の画像を撮影することができるが、
この撮像素子で１／１００万秒間隔で撮影を行うと、撮
影は１５／１００万秒で終了する。従って、１５／１０
０万秒タイミングがずれただけで撮影したい現象を全く
撮影できない。

【００１６】この問題を解決する手段の一つとして、連
続上書き撮影がある。これは対象とする現象が生起する
前に連続上書き撮影を開始し、現象が生起したことを確
認した直後に連続上書き撮影を終了し、過去に遡って記
録されている画像情報を読み出す方法である。現象の生
起を予測して、その直前に撮影を開始することと、現象
の生起を確認した後撮影を終了することを比べると、後
者の方が格段に容易である。

【００１７】これを実現するには、例えば図２３に示す
ように各窓部１８の直上のＣＣＤ要素にドレーン３８を
設ければよい。ただし、このドレーン３８は撮影中は機
能するようにし、撮影終了後の読み出し時には機能しな
いようにする。

【００１８】通常のＣＣＤ型撮像素子のドレーンには大
別して２種の目的がある。一つは過剰な入射光に対して
発生した過剰電荷が周囲の画素にあふれ出るブルーミン
グ現象を防ぐために、過剰電荷が自動的に素子外にあふ
れ出るようにするオーバーフロードレーン機能である。
他の一つは、電荷転送１段ごとに一旦たまった電荷を一
斉に撮像素子外に排出する電荷一斉排出機能であり、フ
ォトダイオードからＣＣＤ転送路への電荷の不完全転送
が原因のスミアの防止等に使われる。

【００１９】ＩＳＩＳではさらにこれらに連続上書き用
ドレーンを追加すればよい。連続上書き用ドレーンは構
造的には電荷一斉排出ドレーンの一種である。ただし、
電子シャッターやスミア防止のためのドレーンの場合は
電荷転送１ステップごとに機能させるのに対し、ＩＳＩ
Ｓにおける連続上書き用ドレーンでは撮影開始直前にオ
ンし、撮影中はオン状態を維持し、撮影終了直後にオフ
させる。

【００２０】ＩＳＩＳではこれらのドレーン機能も非常
に重要であるので、ドレーンに関する既存の技術につい
て具体的に説明する。ドレーンの構造には鉛直ドレーン
構造と水平ドレーン構造がある。

【００２１】ＦＴ―ＣＣＤ型撮像素子の鉛直ドレーンで
は、遮光された画像保存領域１６の最上段のＣＣＤ要素
（図１８の３９）の上部に電極を設け、この電極に強い
電圧を印加して電荷をＣＣＤ転送路の鉛直下方に送り、
撮像素子のチップ裏面から排出する。１フレーム分を単
に撮像面内で垂直下方に一斉に転送するために必要な時
間は、電荷蓄積時間すなわち１フレーム全部の読み出し
時間に比べて十分短い。読み出し時間が長いのは、フレ
ーム転送後、蓄積部分から１画素づつ読み出すからであ
る。したがって、受光面の下辺に１行のドレーンを設け
ておけば、ほぼ一斉に電荷を排出することができる。

【００２２】ＩＴ―ＣＣＤ型撮像素子の鉛直ドレーンで
は、チップ裏面に強い負の電圧をかけ、各フォトダイオ
ードの下面に作った電位障壁の弱い部分からチップ裏面
に電荷を排出する。

【００２３】一方、上記水平ドレーンでは、電荷転送路
やフォトダイオードに隣接してドレーンを設け、その間
に電位障壁を設けて通常はドレーンの方に電荷が流出し
ないようにしておく。電位障壁の上部に設けた電極に電
圧をかけると、電位障壁が下がり、電荷が電荷転送路や
フォトダイオードから側方のドレーンに排出される。ド
レーンに排出された電荷は、ドレーンの上部に配線した
電線を介して素子外に排出される。あるいは、ドレーン
直下の電位障壁の弱い部分を通じてチップ裏面から素子
外に電荷を排出する。

【００２４】なお、ドレーン用の電極にかける強い電圧
を適当なタイミングでオン・オフすると、電子シャッタ
ーとして使用することができる。

【００２５】図２３に示すように各窓部１８の直上のＣ
ＣＤ要素４０にドレーン３８を設けると、撮影中は常時
１６ステップ前に撮影された画像情報がドレーン３８か
ら連続的に撮像素子外に排出され、常に最新の１５枚分
の画像情報がＣＣＤ蓄積要素に記録されることになる。

【００２６】撮影終了後は撮像素子の前面に設けたシャ
ッターを閉じ、ドレーン電圧を解除し、ドレーン機能が
働かないようにしてから、通常のＣＣＤ操作で素子内に
保存されている画像情報を撮像素子の外部に読み出す。

【００２７】ここで注意することは、連続上書き撮影用
のドレーンについては、撮影中はドレーンが機能する状
態を維持し、撮影終了後はドレーンが機能しない状態に
維持されることである。すなわちドレーン機能をオン・
オフするための電極と、オン・オフするための電圧を送
るための送電手段が新たに必要になるが、オン・オフ操
作は撮影中には行われず、その直前と直後にのみ行われ
る。

【００２８】通常は電極に送る電圧操作のために、撮像
素子表面に一層の金属線もしくはポリシリコン線を配置
することが必要になる。この線によりドレーン電極に電
圧を印加すると、電荷はドレーンを通じて、撮像素子の
裏面から排出される。撮像素子上に電極を作るための導
電膜の数は少ないほど設計、製造が容易であるので、一
層の線を追加することは大きな負担となる。

【００２９】鉛直ドレーンでは通常チップ裏面から電圧
をかけるので、チップ表面上に新たな配線を必要としな
い。しかし電子シヤッター用の電荷一斉排出、オーバー
フロー、連続上書きの３目的のドレーンは、それぞれの
操作や設置位置が異なるので、３機能全てをチップ裏面
にかける電庄のオン・オフや電圧レベルの制御だけで実
現するのは困難である。チップ裏面からだけでなく、上
面からも鉛直ドレーン制御電圧を送ることができれば、
これらの組み合わせ制御が格段に容易になる。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】図２２の撮像素子の最
大の問題点は、開口率が小さくなることである。図２２
の場合の開口率は１／１６すなわち６．２５％しかな
い。さらに例えば図２２の構造で連続画像枚数を１００
枚にすると、開口率はわずかに１％（１／１００）とな
る。

【００３１】これに対する一つの解決法として、図２４
に示すように窓部５５を縦長にすることが考えられる。
しかし、この場合、以下の２つの問題が生じる。

【００３２】図２４の例では、ＣＣＤ要素５６ａ〜５６
ｄが窓部５５に対応しているが、露光時間内にこの４つ
の要素で発生した電荷を、遮光された画像情報蓄積部の
ＣＣＤ要素５６ｅ〜５６ｆに送ってはじめて、画像情報
が保存される。すなわち１回の保存にＣＣＤ要素５６の
４個分を転送する必要があり、１個の画像情報を蓄積す
るには４個のＣＣＤ要素５６が必要とする。すなわち、
第１に転送速度が図２２の場合に比べて１／４に低下す
る。また蓄積可能な画像の枚数が１／４に減少する。

【００３３】以上の課題を解決するために、図２５に示
すように細長い窓部５５に対して細長い１個のＣＣＤ要
素７２を設け、大きなピッチで画像情報を転送する方法
が考えられる。しかし、ＣＣＤ要素の長さをあまり大き
くすると、電荷の転送に問題が生じる。すなわち、図２
６に示すように通常のＣＣＤでは、隣り合う電極７３、
７４、７５に３段階の電圧をかけても、ＣＣＤ転送路内
の電位分布は理想的な階段状の電位分布７６とはなら
ず、階段の角の部分が緩やかに曲がった電位分布７７と
なる。この緩やかに曲がる効果を電界フリンジ効果と呼
んでいる。これにより転送方向に電位勾配が生じるの
で、フラットな部分が長い理想的な階段状の電位分布７
６に比べて、はるかに転送速度が大きくなる。

【００３４】図２５のように極端に長いＣＣＤ要素７２
では電位勾配の中に長いフラットな部分ができ、その中
を電荷が移動するための時間が大きくなり、転送速度が
低下する。設計条件や製作条件によっては、電荷の転送
方向に向かって負の電位勾配が生じて電荷がトラップさ
れる場所、すなわち電位のポケットが生じる可能性もあ
る。図２５の場合には何らかの原因で小さな電位のポケ
ットが生じても電界フリンジ効果で解消される。しか
し、ＣＣＤピッチがあまり大きくなると電界フリンジが
機能する長さが相対的に短くなり、このような効果が期
待できなくなる。

【００３５】最後に、通常のドレーンに加えて、連続上
書きのためのドレーンをいかに簡単な構造で新たに追加
するかという課題がある。連続上書き用のドレーンをオ
ン・オフするには、チップ裏面電圧だけでなく、チップ
上面からもドレーン制御電圧を送ることができれば、ド
レーンの設計と操作が容易になる。

【００３６】本発明は、以上のような従来の撮像素子に
おける問題に鑑み、ＦＴ−ＣＣＤ型撮像素子を基本と
し、簡単な構造で超高速連続撮影が可能な撮像素子を提
供することを課題としている。

【００３７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に第１の発明は、それぞれ複数の要素を備える電荷結合
素子からなり、互いに並設された複数の電荷転送路と、
これらの電荷転送路と交差し、かつ、電荷転送路の各要
素対して複数設けられた電荷転送電極と、上記電荷転送
路及び電荷転送電極を覆って入射線を遮断する遮断膜
と、この遮断膜に設けられた入射線を通過させる複数の
窓部と、上記窓部に対応する各電荷転送路の要素に入射
線の強度に応じた電荷が発生し、この発生した電荷は上
記電荷転送電極から印加される電圧により電荷転送路上
を移送され、かつ、各電荷転送電極の窓部に対応する部
分の電荷移送方向の寸法が、各電荷転送電極の上記遮断
膜で覆われている部分の電荷移送方向の寸法よりも大き
い、超高速撮影用撮像素子を提供するものである。

【００３８】この超高速撮影用撮像素子は、フレームト
ランスファー型であるため、インターライントランスフ
ァー型に比べて基本構造が簡単になる。また、各電荷転
送電極の窓部に対応する部分の電荷移送方向の寸法が、
各電荷転送電極の上記遮断膜で覆われている部分の電荷
移送方向の寸法よりも大きいので、開口率が大きくな
る。さらに、大きなピッチで電荷を転送することがで
き、窓部での電荷の転送速度すなわち撮影速度が大きく
なる。さらにまた、窓部での要素の数は電荷転送電極の
幅の比に逆比例して減少し、１つの画像を蓄積するため
に必要な要素の数が小さくなると共に、素子内に蓄積可
能な画像の枚数が増加する。このように第１の発明の超
高速撮影用撮像素子は、基本構造が簡単で、開口率が比
較的大きく、より高速で撮影でき、かつ連続撮影枚数が
大きい。

【００３９】各電荷転送電極の上記窓部に対応する部分
は、上記電荷移送方向の上流側及び／又は下流側が電荷
転送路の延在方向に対して直角でない角度で交差するこ
とが好ましい。

【００４０】この場合、上部及び／又は下部の長さが長
くなり、それだけ電界フリンジ効果が生じる面積が大き
くなるので、転送速度を上げると同時に、転送路内に電
位のポケットが生じることを防ぐことができる。これら
上部及び／又は下部がくさび形、波形、櫛の歯形等であ
れば、辺長は非常に大きくなり、電界フリンジ効果が生
じる面積をより大きくすることができる。

【００４１】また、上記遮断膜は導電性材料からなり、
上記各電荷転送路毎に、その電荷転送路を通過する窓部
と同数設けられた電荷排出手段と、上記遮断膜を介して
上記電荷排出手段に駆動電圧を供給する電圧源とを備
え、撮像中は上記電圧源から上記電荷排出手段に駆動電
圧を供給して電荷排出手段を作動状態で維持し、非撮像
時には上記電圧印加手段から電荷排出手段への駆動電圧
供給を停止して電荷排出手段を非作動状態で維持するこ
とが好ましい。

【００４２】この場合、遮断膜をドレーン電圧制御用導
電膜として利用することができ、新たな導電膜の導入を
避けることができる。すなわち、遮断膜の面積は非常に
大きく、電気容量が大きいのでこれに電子シャッター用
のように急激に変化する電圧をかけることは難しい。ま
た、遮断膜は撮像面のほぼ全面を覆っているので、撮影
中に転送１ステップごとに急激に変化する電圧をかける
と、画質に影響を与える可能性があるため、通常は送電
膜としては使わない。しかし、連続上書き用ドレーンに
ついては、撮影中は常にオンであり、撮影終了直後に読
み出しのためにオフとする。このオン・オフ操作は、撮
影中の電荷転送電極の操作に比べてはるかに遅くて良
い。また、撮影中はオンのままなので、オン・オフ時の
電圧変化による画質への影響はない。したがって遮断膜
を連続上書きのためのドレーン電圧送電用導電膜として
利用でき、新たな導電膜を追加する必要がないので、よ
り簡単な構造で３種のドレーンの組み合わせを実現でき
る。

【００４３】第２の発明は、上記特徴を持つ超高速撮影
用撮像素子を１個又は複数個備える撮影装置を提供する
ものである。この撮影装置により、超高速で高機能の連
続撮影が可能となる。

【００４４】

【発明の実施の形態】次に、図面に示す本発明の実施形
態を詳細に説明する。 （第１実施形態）図１は撮影装置全体の構成を示す。レ
ンズ１０１に入射した光は外部シャッター１０２を通過
して超高速撮影用撮像素子１０３上のチップ１０４上の
撮像面１０５上に結像する。撮影中は入射した光の強度
に応じて電荷が生じるが、過剰な入射光により生じた過
剰電荷は、ドレーン線１０６を通じてアースに排出され
る。撮影後は読み出し線１０７を通じて撮像素子内に蓄
積された画像情報（この場合は電荷）は、ＡＤコンバー
タ１０８によりデジタル情報に変換された後、バッファ
メモリー１０９に蓄えられる。さらに画像情報処理装置
１１０により連続する１枚１枚の画像情報に変換された
のち、撮影装置外に出力される。この画像情報はモ二夕
ー１１１により画像として目で見ることができる。

【００４５】また、撮影装置は、全体的に制御するため
のタイミング・コントローラー１１２を備えている。さ
らに、撮影装置は、ＣＣＤ型撮像素子を制御するために
必要な数種の電圧を発生するための定電圧発生装置１１
３を備えている。

【００４６】図２には、撮像素子の撮像面１０５の一部
を拡大して表示している。図３は転送路部分の電荷転送
方向の断面図、すなわち図２０におけるIII−III断面を
示している。III―III断面は窓部の部分を通過する断面
である。ただし、タングステン線１２４は実際には同一
平面内にある。図４は転送方向とは直角方向の断面図、
すなわち図２におけるIV―IV断面を示している。

【００４７】撮像面はアルミニウム製の遮断膜１１４で
覆われていて、光を通す窓部１１５が開いている。

【００４８】図５は細長い窓部１１５と、ポリシリコン
電極からなる電荷転送電極１１６，１１７，１１８を概
念的に示したものである。電荷転送電極１１６，１１
７，１１８は、窓部１１５に対応する部分１１６ａ，１
１７ｂ，１１７ｃの幅（電荷移送方向の寸法）が、遮断
膜１１４で覆われている部分１１６ｂ，１１７ｂ，１１
８ｂの幅よりも広くなっている。本実施形態では、窓部
１１５に対応する部分１１６ａ，１１７ｂ，１１７ｃの
幅が遮断膜１１４で覆われている部分１１６ｂ，１１７
ｂ，１１８ｂの幅の４倍となっている。

【００４９】図６から図１０は、撮像素子の積層構造を
具体的に示したのである。図６は電極や遮断膜を取り除
いた状態の基板を示している。基板にはドナー・イオン
やアクセプター・イオンを拡散もしくはインプラント
（打ち込み）することにより、電荷転送路１２２（ｎ領
域からなる。）、チャネル・ストップ１２３（ｐ＋領域
からなる。）を設けている。

【００５０】図７、図８、図９は１層目、２層目、３層
目の各電荷転送電極１１６、１１７、１１８を、絶縁膜
を介して順次重ねた状態を示している。図１０は電荷転
送電極１１６、１１７、１１８に電荷転送のための電圧
を送るタングステン線１２４をさらに設けた状態を示し
ている。上層のタングステン線１２４と下層の電荷転送
電極１１６、１１７、１１８は、コンタクト・ポイント
１２５により鉛直方向に電気的に接続されている。上記
図２は、タングステン線１２４の上にさらに遮断膜１１
４を設けた状態である。

【００５１】窓部１１５から入射する光の強度に応じた
電荷が電荷転送路１２３の窓部１１５に対応する要素１
２３ａ（図５及び図６参照）に発生する。そして、電荷
転送電極１１６、１１７、１１８に印加する電圧を変化
させると、この電荷は遮光部分のＣＣＤ要素１２３ｂ
（図５及び図６参照）に転送され、画像情報として保存
される。この操作を繰り返すと、最初の画像情報が窓部
の直下の窓部の直上のＣＣＤ要素に達した時点で、連続
１２枚の画像が保存される。このとき外部シャッター１
０２を閉じる。これにより新たな電荷は生じない。

【００５２】この状態で通常のＣＣＤ転送路１２３の電
荷移送操作を行えば、保存された電荷（画像情報）は逐
次下方に転送され、撮像面外の下方に設けられた水平Ｃ
ＣＤ（図示せず。）を通じて１つづつアウトプット回路
（図示せず。）に送られる。画像情報は、さらに撮像素
子外のＡＤコンバータ１０８でデジタル情報に交換され
た後、バッファ・メモリー１０９に蓄積され、画像情報
処理装置１１０により処理される。

【００５３】この超高速撮影用撮像素子は、フレームト
ランスファー型であるため、インターライントランスフ
ァー型に比べて基本構造が簡単になる。また、各電荷転
送電極１１６，１１７，１１８の窓部１１５に対応する
部分１１６ａ，１１７ａ，１１８ａの電荷移送方向の寸
法が、各電荷転送電極１１６，１１７，１１８の遮断膜
１１４で覆われている部分１１６ｂ，１１７ｂ，１１８
ｂの電荷移送方向の寸法よりも大きいので、開口率が大
きくなる。さらに、大きなピッチで電荷を転送すること
ができ、窓部１１５での電荷の転送速度すなわち撮影速
度が大きくなる。さらにまた、窓部１１５におけるＣＣ
ＣＤ転送路１２３の要素１２３ａの数は１個であるの
で、１つの画像に対応する電荷を蓄積するために必要な
要素１２３ｂの数は１個であり、撮像素子内に多数枚数
の画像を蓄積可能である。このように本実施形態の超高
速撮影用撮像素子は、基本構造が簡単で、開口率が比較
的大きく、より高速で撮影でき、かつ連続撮影枚数が大
きい。

【００５４】（第２実施形態）図１１及び図１２に示す
本発明の第２実施形態の超高速撮影用撮像素子では、窓
部１１５の部分で電荷転送路１２３の電荷移送方向と直
交する方向の寸法を広げている。また、これに対応して
電荷転送路１２３にゆるやかな曲線部分１２３ｃを設け
ている。さらに、窓部１１５の直上の電荷転送路１２３
の右側方に連続上書きのためのドレーン１２８を設けて
いる。

【００５５】また、窓部１１５の周囲をアルミニウム製
の遮断膜１１４の１層下にあるタングステン層１３２で
縁取りしている。これは窓部１１５から周辺の電荷転送
路１２３に光や光電子が入り、スミア現象を起こすこと
を軽減するためである。

【００５６】本実施形態の撮像素子は、第１実施形態と
比較して開口率が大きくなり、光感度が飛躍的に向上す
るとともに、連続上書きが可能になるので、超高速撮影
において、現象生起と撮影停止のタイミングを合わせる
ことが極めて容易になる。

【００５７】また、上記曲線部分１２３ｃを利用して、
上書き読み出しのためのドレーン１２８を設けるための
スペースを十分確保することができる。したがってドレ
ーン領域の左側の窓部との間に十分長い広さのチャネル
ストップ領域１２９を作ることができ、ドレーン電極１
３２に高電圧をかけても、それが図において左側の窓部
１１５の部分での電荷の転送効率に悪影響を及ぼすこと
を避けることができる。

【００５８】開口率が大きいということ以外で、第１実
施形態との基本的な違いは連続上書き用のドレ一ン１２
８を設けていることである。したがってこれについてま
ず説明する。

【００５９】この連続上書き用のドレ一ン１２８以外
に、窓部１１５の下面に通常の鉛直ドレーンを設け、チ
ップ裏面にかける電圧が低いときにはオーバーフロード
レーンとして、高い電圧をかけると電荷一斉排出ドレー
ンとして機能するようにしている。これは通常良く用い
られるドレーン構造であるので説明を省略する。

【００６０】以下、連続上書き用のドレーン１２８につ
いて詳細に説明する。図１２に示すように、基板内にｐ
領域１３０を設け、その電位障壁により電荷が裏面に逃
げないようにしている。ドレーン１２８の下部にはｎ領
域からなる電荷の流出経路、いわば穴１３１があいてお
り、ドレーン１２８に入った電荷は全て自動的にチップ
裏面から撮像素子外に排出される。

【００６１】なお、オーバーフロードレーンでは完全に
穴をあけるかわりに弱いｐ領域としておき、電荷が過剰
に蓄積するとそのために電位障壁が下がって（いわば穴
があいて）電荷が裏面から排出されるようになってい
る。また、裏面から強い電圧をかけた場合も電位障壁に
穴が開いて電荷が一斉に排出される。

【００６２】図１２に示すよう、連続上書き用のドレー
ン１２８ではドレーン上面にドレーン電極１３２が設け
られている。連続上書き時には、電圧源１００によりド
レーン電極１３２に高電圧を印加し、電荷転送路１２３
との間のチャネルストップ領域１２９の電位障壁を下げ
て電荷をドレーン１２８側に移す。このときドレーン１
２８の部分にも大きな電圧がかかるので、電荷排出用ド
レーンについても底部に弱いｐ領域があってもよい。こ
の場合でもドレーン電極１３２に印加される電圧により
底部の電位障壁に穴が開く。具体的には、コンタクトポ
イント１３３において，最上面のアルミニウム製の遮断
膜１１４からその下層のタングステン清掃の遮光層１３
４を通じてドレーン電極１３２に電圧が印加される。

【００６３】第２実施形態のその他の機能および操作は
第１実施形態と同じである。すなわち、窓部１１５で発
生した電荷は電荷転送路１２３に送られ、ドレーン１２
８まで達すると自動的に素子外に排出される。従って、
図１１において太線で示すように、電荷転送路１２３が
画像情報蓄積領域となり、ここに常に連続４０枚の最新
の画像が蓄積される。

【００６４】撮影対象現象が生起すると、この連続上書
き操作を停止し、外部シャッターを閉じるとともに、ド
レーン電圧を解除して電荷が電荷転送路１２３側を流れ
るようにしてから、蓄積された画像情報をゆっくり撮像
素子外に読み出す。

【００６５】このように連続上書き用ドレーンは、撮影
直前にオンし、撮影直後にオフするだけなので、撮影中
に急激にオン・オフする必要がない。したがって電気容
量の大きい遮断膜１１４を通じて電圧を送っても、電圧
の転送時間遅れは問題にならない。また撮影中の急激な
電圧変化がないので、画質にも影響をおよぼさない。こ
のように遮断膜を通電用の層の一つとして使うことがで
き、連続上書きという重要な機能を追加したにもかかわ
らず、撮像面上部に新たに通電用の配線を追加する必要
がない。

【００６６】（第３実施形態）図１３は本発明の第３実
施形態を示している。この第３実施形態は電荷転送電極
の窓部１１５に対応する部分１３６、１３７、１３８が
電荷転送方向に対して直角ではなく斜行し、くさび形に
なっている。そのため、これらの部分１３６、１３７、
１３８の電界フリンジの生じる辺長、すなわちこれらの
上下（電荷移送方向上流側及び下流側）にある電極の重
複部分１３９、１４０の長さが非常に長くなる。その結
果、窓部１１５の面積に対する、図中斜線で示す電界フ
リンジ発生領域１４１の面積の割合が大きくなってい
る。

【００６７】図１４は、本実施形態におけるポテンシャ
ル１５０と電荷の転送方向１５１を示している。この図
１４から明らかなように、本実施形態では、電荷転送路
の窓部１１５に対応する部分電位のフラット部分の長さ
が縮小され、電荷の転送速度が大きくなるとともに、局
所的な電位のポケットによる電荷の不完全転送の確率が
大幅に減少する。

【００６８】（第４実施形態）図１５に示す本発明の第
４実施形態は、電荷移送電極の窓部１１５に対応する部
分１５６、１５７、１５８の形状が第２実施形態と異な
る。すなわち、電荷移送方向上流側及び下流側にある電
極の重複部分１３９、１４０がそれぞれＭ字状及びＷ字
状となっている。そのため、電荷移送電極の重複部分が
直線状である第２実施形態と比較して、重複部分１３
９，１４０の長さが非常に大きく、窓部１１５の面積に
対する、電界フリンジ発生領域１４１の面積の割合が非
常に大きく、電界フリンジ効果が有効に作用する。

【００６９】図１６は、本実施形態におけるポテンシャ
ル１５０と電荷の転送方向１５１を示している。この図
１６から明らかなように、電荷はＸ字状に広がったり接
近したりしながら転送される。

【００７０】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はなく、種々の変形が可能である。例えば、オーバーフ
ロードレーンや電荷の一斉排出による電子シャッター機
能を付けてもよい。むしろ撮像素子ではそれが一般的で
ある。

【００７１】電界フリンジ効果を補助するために、窓部
分の転送路にはじめからわずかに電位勾配を付けておい
ても良い。このため、窓部分で不純物濃度を転送方向に
向けてわずかに増大させても良い。

【００７２】カラー化するときはカラーフィルターアレ
ーを乗せ、実質開口率を上げるときは各窓部にマイク口
・シリンドリカル・レンズを乗せてもよい。オンチップ
・マイクロレンズは実質開口率の向上だけでなく、光を
窓部の中心部に集める効果があり、窓部の周辺部分から
窓部に隣接する転送路に光または光電子が拡散するのを
防ぐ効果もある。

【００７３】入射光は可視光とは限らない。紫外線、近
赤外線、弱いＸ線等の他の電磁波でもよいし、電子波の
ような粒子線でもよい。ただし弱いＸ線や電子流等の場
合は別途これらを遮断する材料からなる遮断膜（図示し
ていない）を重ねる必要がある。紫外線はポリシリコン
に吸収されるので、ポリシリコン電極を非常に薄くする
か、紫外線を通す材料で電荷駆動電極を作る必要があ
る。

【００７４】金属層はアルミニウムやタングステンであ
る必要はない。また遮光層をタングステン、電荷転送駆
動電圧送付をアルミニウム線としてもよし、両者を同一
材料で構成してもよい。

【００７５】電界フリンジ効果を高めるための電極形状
は、第３実施形態及び第４実施形態のものに限定されな
い。すなわち、電荷転送電極の窓部に対応する部分の電
荷移送方向の上流側及び／又は下流側が、電荷転送路の
延在方向に対して直角でない角度で交差すればよい。具
体的には、電極形状をくさび形、波形、櫛の歯形等と
し、電極の重複部分が逆位相又は同位相の折れ線や曲線
とすればよい。

【００７６】窓部周辺を取り巻くチャネル・ストップ領
域の中に、細いｎ領域の帯を設け、窓部周辺から外部に
拡散した光や光電子を集め、ドレーンから排出してもよ
い。

【００７７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の超高速撮影用撮像素子は、フレームトランスファー型
であるため、インターライントランスファー型に比べて
基本構造が簡単になる。また、各電荷転送電極の窓部に
対応する部分の電荷移送方向の寸法が、各電荷転送電極
の上記遮断膜で覆われている部分の電荷移送方向の寸法
よりも大きいので、開口率が大きくなる。さらに、大き
なピッチで電荷を転送することができ、窓部での電荷の
転送速度すなわち撮影速度が大きくなる。さらにまた、
窓部での要素の数は電荷転送電極の幅の比に逆比例して
減少し、１つの画像を蓄積するために必要な要素の数が
小さくなると共に、素子内に蓄積可能な画像の枚数が増
加する。このように第１の発明の超高速撮影用撮像素子
は、基本構造が簡単で、開口率が比較的大きく、より高
速で撮影でき、かつ連続撮影枚数が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態の撮像素子を備える撮影装置を
示す概略図である。

【図２】 撮像面を示す部分正面図である。

【図３】 図２のIII−III線での断面図である。

【図４】 図２のIV−IV線での断面図である。

【図５】 電荷移送電極の配置を示す概略図である。

【図６】 基板表面の部分拡大正面図である。

【図７】 第１層の電荷移送電極を示す部分拡大正面図
である。

【図８】 第１層及び第２層の電荷移送電極を示す部分
拡大正面図である。

【図９】 第１層、第２層及び第３層の電荷移送電極を
示す部分拡大正面図である。

【図１０】 第１層、第２層及び第３層の電荷移送電極
並びにタングステン線を示す部分拡大正面図である。

【図１１】 第２実施形態の撮像素子の撮像面を示す部
分拡大正面図である。

【図１２】 図１１のXII−XII線での断面図である。

【図１３】 第３実施形態の撮像素子の撮像面を示す部
分拡大正面図である。

【図１４】 第３実施形態におけるポテンシャル及び電
荷転送経路を示す部分拡大正面図である。

【図１５】 第４実施形態の撮像素子の撮像面を示す部
分拡大正面図である。

【図１６】 第４実施形態におけるポテンシャル及び電
荷転送経路を示す部分拡大正面図である。

【図１７】 インターライントランスファーＣＣＤ型撮
像素子を示す概略図である。

【図１８】 フレームトランスファＣＣＤ型撮像素子を
示す概略図である。

【図１９】 画素周辺記録型撮像素子を示す概略図であ
る。

【図２０】 他の画素周辺記録型撮像素子を示す概略図
である。

【図２１】 画素ごとにＣＣＤ型画像情報蓄積部とＭＯ
Ｓ型増幅読み出し回路を備えるＩＳＩＳを示す概略図で
ある。

【図２２】 フレームトランスファＣＣＤ型のＩＳＩＳ
を示す概略図である。

【図２３】 フレームトランスファＣＣＤ型のＩＳＩＳ
を示す概略図である。

【図２４】 フレームトランスファＣＣＤ型のＩＳＩＳ
を示す概略図である。

【図２５】 フレームトランスファＣＣＤ型のＩＳＩＳ
を示す概略図である。

【図２６】 ３相駆動ＣＣＤの構造及び原理を示す概略
図である。

【符号の説明】

１０１ レンズ １０２ 外部シャッター １０３ 撮像素子 １０４ チップ １０５ 撮像面 １０６ ドレーン線 １０７ 読み出し線 １０８ ＡＤコンバータ １０９ バッファメモリー １１０ 画像処理装置 １１１ モ二ター １１２ タイミングコントローラ １１３ 定電圧発生装置 １１４ アルミニウム遮断膜 １１５ 窓部 １１６、１１７、１１８、１３６、１３７、１３８、１
５６、１５７、１５８電荷移送電極 １２２ 転送路 １２３ チャネル・ストップ １２４ タングステン線 １２５ コンタクト・ポイント １２８ ドレーン １２９ チャネル・ストップ １３０ ｐ領域 １３１ ｐ領域中のｎ領域の穴 １３２ ドレーン電極 １３３ コンタクトポイント １３４ 遮光枠 １３９、１４０ 電極重複部分 １４１ 電界フリンジ発生領域

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｌ 31/10

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ複数の要素を備える電荷結合素
   子からなり、互いに並設された複数の電荷転送路と、 これらの電荷転送路と交差し、かつ、電荷転送路の各要
   素対して複数設けられた電荷転送電極と、 上記電荷転送路及び電荷転送電極を覆って入射線を遮断
   する遮断膜と、 この遮断膜に設けられた入射線を通過させる複数の窓部
   と、 上記窓部に対応する各電荷転送路の要素に入射線の強度
   に応じた電荷が発生し、この発生した電荷は上記電荷転
   送電極から印加される電圧により電荷転送路上を移送さ
   れ、かつ、 各電荷転送電極の窓部に対応する部分の電荷移送方向の
   寸法が、各電荷転送電極の上記遮断膜で覆われている部
   分の電荷移送方向の寸法よりも大きい、超高速撮影用撮
   像素子。
2. 【請求項２】 各電荷転送電極の上記窓部に対応する部
   分は、上記電荷移送方向の上流側及び／又は下流側が電
   荷転送路の延在方向に対して直角でない角度で交差す
   る、請求項１に記載の超高速撮影用撮像素子。
3. 【請求項３】 上記遮断膜は導電性材料からなり、 上記各電荷転送路毎に、その電荷転送路を通過する窓部
   と同数設けられた電荷排出手段と、 上記遮断膜を介して上記電荷排出手段に駆動電圧を供給
   する電圧源とを備え、撮像中は上記電圧源から上記電荷
   排出手段に駆動電圧を供給して電荷排出手段を作動状態
   で維持し、非撮像時には上記電圧印加手段から電荷排出
   手段への駆動電圧供給を停止して電荷排出手段を非作動
   状態で維持する、請求項１又は請求項２に記載の超高速
   撮影用撮像素子。
4. 【請求項４】 上記請求項１から請求項３のいずれか１
   項に記載の超高速撮影用撮像素子を備える撮影装置。