JP2003521837A - 時間遅延／積分チャージカップルド・デバイスのダイナミックレンジを拡げる方法及び装置 - Google Patents
時間遅延／積分チャージカップルド・デバイスのダイナミックレンジを拡げる方法及び装置Info
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Abstract
(57)【要約】
時間遅延／積分チャージカップルド・デバイスイメージャの内部シーンのダイナミックレンジを拡げることができる新規の方法と装置である。電荷は複数の感光デバイスから集められ蓄積されるが、収集され蓄積された電荷が感光デバイスから除去されるステージ１０１−１０５や１０６−１０７や１０８のバリアレベルを調整することによって制限される（図４）。収集され蓄積された電荷量を制限することによって、高輝度イメージによる感光デバイスのオーバフローや飽和を防ぐことができる。従って、イメージの明るいレベルに含まれる情報は失われない。何故ならば、感光デバイスをクリップすることによって飽和を避けることができるからである。コーティングするバリアレベルを階段状線形の態様に調整することができ、初期の収集段階では既知の電荷量が保持されるが、収集段階が進むにつれて段階的に多くの電荷量が保持される。
Description
【０００１】
本出願は、１９９９年３月２２日に出願された「拡張されたダイナミックレンジ
を備える時間遅延／積分ＣＣＤ」というタイトルであって、同じ譲受人に譲渡さ
れた援用文献である仮出願Ｎｏ．６０／１２５，６７０に関する。出願人は、３
５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．の１１９（ｅ）（ｌ）節に準拠する１９９９年３月２２日の優
先出願日の恩恵を請求するものである。
を備える時間遅延／積分ＣＣＤ」というタイトルであって、同じ譲受人に譲渡さ
れた援用文献である仮出願Ｎｏ．６０／１２５，６７０に関する。出願人は、３
５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．の１１９（ｅ）（ｌ）節に準拠する１９９９年３月２２日の優
先出願日の恩恵を請求するものである。
【０００２】
本発明は、撮像デバイスの分野に関する。特に時間遅延／積分（ＴＤＩ）イメ
ージャのダイナミックレンジを拡張する方法に関する。
ージャのダイナミックレンジを拡張する方法に関する。
【０００３】
一般的な単線式イメージャ、例えば、チャージカップルドデバイス（ＣＣＤ）
イメージャは、光検出器等の一行の感光電気デバイスを備えており、光チャージ
を集めることができる。光検出器は、集められた光チャージを、集められた光チ
ャージ量に関係した電気的チャージ量に変換する。移動対象を撮像する際は、対
象イメージが撮像デバイスやスキャナを通過可能な時間によって検出器の積分時
間が制限される。その結果、対象イメージがイメージャを通過する速度が上がる
につれて、光チャージを収集可能な時間が短くなる。ＣＣＤイメージャを動作さ
せる時間遅延／積分（ＴＤＩ）方法では、撮像アレイ内に複数行のＣＣＤスキャ
ナを備える。対象イメージとイメージャが互いに相対的に移動するとき、限られ
た時間内にアレイの各行ではイメージデータを収集する。通常、対象イメージが
イメージャを通過する場合と同じ速度で、一つの行から次の行へ収集電荷が移動
することによって、ぶれを防ぐ。ＴＣＩ−ＣＣＤスキャナは、単線式スキャナよ
りも優れたメリットがある。すなわち、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスでは、対象イメ
ージから光チャージを集めて積分するための長い時間が提供される。収集時間が
長ければイメージャの感度も上がる。
イメージャは、光検出器等の一行の感光電気デバイスを備えており、光チャージ
を集めることができる。光検出器は、集められた光チャージを、集められた光チ
ャージ量に関係した電気的チャージ量に変換する。移動対象を撮像する際は、対
象イメージが撮像デバイスやスキャナを通過可能な時間によって検出器の積分時
間が制限される。その結果、対象イメージがイメージャを通過する速度が上がる
につれて、光チャージを収集可能な時間が短くなる。ＣＣＤイメージャを動作さ
せる時間遅延／積分（ＴＤＩ）方法では、撮像アレイ内に複数行のＣＣＤスキャ
ナを備える。対象イメージとイメージャが互いに相対的に移動するとき、限られ
た時間内にアレイの各行ではイメージデータを収集する。通常、対象イメージが
イメージャを通過する場合と同じ速度で、一つの行から次の行へ収集電荷が移動
することによって、ぶれを防ぐ。ＴＣＩ−ＣＣＤスキャナは、単線式スキャナよ
りも優れたメリットがある。すなわち、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスでは、対象イメ
ージから光チャージを集めて積分するための長い時間が提供される。収集時間が
長ければイメージャの感度も上がる。
【０００４】
しかしながら、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスを用いて高輝度のイメージを集めると
きに積分時間が長いと、蓄積電荷量が感光デバイスの容量を超える。一般に、過
剰電荷が隣接した感光デバイスに影響を与えることを防ぐために、過剰電荷は流
出する。この流出によってイメージの詳細部分が失われる。この詳細部分の損失
を避ける一つの方法は、過剰電荷と見なされるレベルを上げること、つまり電荷
の流出を開始させるためのしきい値を上げることである。しかしながら、この方
法では、感光デバイスの飽和レベルによって最大流出しきい値レベルが設定され
るというデメリットがある。この場合は、過剰電荷の流出ではなく、セルがそれ
以上の電荷を集めることができないために情報が失われる。過剰電荷の蓄積問題
を防ぐ別の方法は、イメージの収集時間を短縮することである。しかしながら、
この方法では、撮像デバイスの感度が下がるというデメリットがある。つまり、
暗いイメージは、相対的に暗いままである。従って、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの
ダイナミックレンジを拡げる必要がある。これによって、比較的明るいイメージ
からのデータを失わずに、暗いイメージを見るのに十分なイメージデータを集め
ることが可能となる。
きに積分時間が長いと、蓄積電荷量が感光デバイスの容量を超える。一般に、過
剰電荷が隣接した感光デバイスに影響を与えることを防ぐために、過剰電荷は流
出する。この流出によってイメージの詳細部分が失われる。この詳細部分の損失
を避ける一つの方法は、過剰電荷と見なされるレベルを上げること、つまり電荷
の流出を開始させるためのしきい値を上げることである。しかしながら、この方
法では、感光デバイスの飽和レベルによって最大流出しきい値レベルが設定され
るというデメリットがある。この場合は、過剰電荷の流出ではなく、セルがそれ
以上の電荷を集めることができないために情報が失われる。過剰電荷の蓄積問題
を防ぐ別の方法は、イメージの収集時間を短縮することである。しかしながら、
この方法では、撮像デバイスの感度が下がるというデメリットがある。つまり、
暗いイメージは、相対的に暗いままである。従って、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの
ダイナミックレンジを拡げる必要がある。これによって、比較的明るいイメージ
からのデータを失わずに、暗いイメージを見るのに十分なイメージデータを集め
ることが可能となる。
【０００５】
本発明の原理に基づいて開示される方法は、コーティングするバリアレベルを
選択的に設定することによって各ステージで収集される電荷を選択的に制限する
ことによって、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの内部シーンのダイナミックレンジを拡
げるものである。バリアレベルを選択的に設定することによって、各セルで収集
された最大蓄積電荷量は、電荷が一セルから次のセルへ移動するときにさらに増
加する。第１の実施形態では、バリアレベルを階段状に増すように設定すること
によって各ステージで収集される電荷を制限するが、その後のセルでは、収集電
荷量を段階的に多く蓄積することができる。本実施形態では、バリアレベルを階
段状に増すことによって、セル内に電荷を蓄積するための基準点が変更される。
基準レベルを変更することによって、撮像デバイスの応答特性がシフトするので
、高輝度イメージに対する光蓄積チャージは圧縮されるが、低輝度のイメージに
対する応答には実質的な影響はない。
選択的に設定することによって各ステージで収集される電荷を選択的に制限する
ことによって、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの内部シーンのダイナミックレンジを拡
げるものである。バリアレベルを選択的に設定することによって、各セルで収集
された最大蓄積電荷量は、電荷が一セルから次のセルへ移動するときにさらに増
加する。第１の実施形態では、バリアレベルを階段状に増すように設定すること
によって各ステージで収集される電荷を制限するが、その後のセルでは、収集電
荷量を段階的に多く蓄積することができる。本実施形態では、バリアレベルを階
段状に増すことによって、セル内に電荷を蓄積するための基準点が変更される。
基準レベルを変更することによって、撮像デバイスの応答特性がシフトするので
、高輝度イメージに対する光蓄積チャージは圧縮されるが、低輝度のイメージに
対する応答には実質的な影響はない。
【０００６】
添付の図面で詳細に説明される図示された実施形態を検討することによって、
本発明のメリットと性質と様々な特徴がより完全になる。
本発明のメリットと性質と様々な特徴がより完全になる。
【０００７】
これらの図面は本発明の新しいコンセプトを示すためのものであることを理解
されたい。
されたい。
【０００８】
［発明の詳細な説明］
開示された本発明の原理がＴＤＩ−ＣＣＤアレイイメージャに関するものであ
ることを理解して頂いたと思う。しかしながら、本発明の原理は、その他の固体
ＴＤＩ撮像デバイス、例えば、ＣＭＯＳ ＴＤＩ−ＡＰＳデバイス等にも適用す
ることができる。
ることを理解して頂いたと思う。しかしながら、本発明の原理は、その他の固体
ＴＤＩ撮像デバイス、例えば、ＣＭＯＳ ＴＤＩ−ＡＰＳデバイス等にも適用す
ることができる。
【０００９】
図１は、８ステージＴＤＩ−ＣＣＤデバイス１００の模範的な概略図である。
各ステージの複数のセルのうち、４つの感光デバイス（画素セル）１１５のみを
図示して、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの動作について説明する。動作中、対象イメ
ージからの光チャージは、第１のステージ、つまりステージ１０１に関する画素
セル１１５から集められる。対象イメージやイメージャが移動するとき、イメー
ジは、次のステージ（１０２）の画素セルを通過する。このステージのセルは、
対象イメージから光チャージを集める。さらに、前のセルに集められた電荷は、
現在の撮像セルに集められた電荷に加算される。従って、例えば、イメージがス
テージ１０２を通過するときに、ステージ１０１の画素セル１１５に集められた
電荷は、ステージ１０２の画素セル１１５に加算される、即ち、伝送される。同
様に、イメージがステージ１０３を通過するときに、ステージ１０２の画素セル
１１５に蓄積された電荷は、ステージ１０３の画素セル１１５に集められた電荷
に加算される。蓄積された光チャージは一つのステージのセルから次のステージ
のセルへ伝送され、１回に１ステージごとに最後のステージ、この場合はステー
ジ１０８に到達するまでそれが続けられる。イメージから集められた光チャージ
は、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの深さ、つまり、ステージ１０１から１０８に蓄積
され積分される。ステージ１１０では、蓄積された電荷がＴＤＩ−ＣＣＤデバイ
スから読み出される。
各ステージの複数のセルのうち、４つの感光デバイス（画素セル）１１５のみを
図示して、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの動作について説明する。動作中、対象イメ
ージからの光チャージは、第１のステージ、つまりステージ１０１に関する画素
セル１１５から集められる。対象イメージやイメージャが移動するとき、イメー
ジは、次のステージ（１０２）の画素セルを通過する。このステージのセルは、
対象イメージから光チャージを集める。さらに、前のセルに集められた電荷は、
現在の撮像セルに集められた電荷に加算される。従って、例えば、イメージがス
テージ１０２を通過するときに、ステージ１０１の画素セル１１５に集められた
電荷は、ステージ１０２の画素セル１１５に加算される、即ち、伝送される。同
様に、イメージがステージ１０３を通過するときに、ステージ１０２の画素セル
１１５に蓄積された電荷は、ステージ１０３の画素セル１１５に集められた電荷
に加算される。蓄積された光チャージは一つのステージのセルから次のステージ
のセルへ伝送され、１回に１ステージごとに最後のステージ、この場合はステー
ジ１０８に到達するまでそれが続けられる。イメージから集められた光チャージ
は、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの深さ、つまり、ステージ１０１から１０８に蓄積
され積分される。ステージ１１０では、蓄積された電荷がＴＤＩ−ＣＣＤデバイ
スから読み出される。
【００１０】
各画素セル１１５に集められた電荷を次の画素セル１１５に伝送するとき、電
荷は、伝送チャネルとして周知の画素セル１１５用チャネルに沿って伝送される
が、その伝送チャネルは複数の画素セル用の一チャネル１２０として図示されて
いる。通常、一つのセル１１５で集められたエネルギーがセルの最大容量を超え
ると、過剰のエネルギーがセルからあふれ出て、隣接したセルに「広がる」。ド
レイン１２５とバリア１３０にコーティングを施すことによって、複数のチャネ
ルが互いに分離される。これは、伝送チャネル１２１等の隣接したチャネルの複
数のセルに蓄積された電荷に、一伝送チャネルの複数のセルに蓄積された電荷の
影響が及ぶのを防ぐためである。蓄積された電荷が過剰であると見なされるレベ
ルは、例えば、伝送チャネル１２０とドレイン１２５の間に存在するバリア１３
０によって決定される。バリア１３０のレベル、即ち、電位が高いほど、各セル
１１５に集められ蓄積される電荷の量も多くなる。一般に、画素セルの最大蓄積
電荷量、つまり飽和レベルに達するようにバリア１３０のレベルが設定される。
図示されているように、バリア１３０はチャネル１２０と１２１に隣接して水平
に配置されている。本分野では周知のことであるが、バリア１３０はチャネル１
２０と１２１に隣接して垂直にも配置され、画素セル１１５の電荷容量を制限す
る。
荷は、伝送チャネルとして周知の画素セル１１５用チャネルに沿って伝送される
が、その伝送チャネルは複数の画素セル用の一チャネル１２０として図示されて
いる。通常、一つのセル１１５で集められたエネルギーがセルの最大容量を超え
ると、過剰のエネルギーがセルからあふれ出て、隣接したセルに「広がる」。ド
レイン１２５とバリア１３０にコーティングを施すことによって、複数のチャネ
ルが互いに分離される。これは、伝送チャネル１２１等の隣接したチャネルの複
数のセルに蓄積された電荷に、一伝送チャネルの複数のセルに蓄積された電荷の
影響が及ぶのを防ぐためである。蓄積された電荷が過剰であると見なされるレベ
ルは、例えば、伝送チャネル１２０とドレイン１２５の間に存在するバリア１３
０によって決定される。バリア１３０のレベル、即ち、電位が高いほど、各セル
１１５に集められ蓄積される電荷の量も多くなる。一般に、画素セルの最大蓄積
電荷量、つまり飽和レベルに達するようにバリア１３０のレベルが設定される。
図示されているように、バリア１３０はチャネル１２０と１２１に隣接して水平
に配置されている。本分野では周知のことであるが、バリア１３０はチャネル１
２０と１２１に隣接して垂直にも配置され、画素セル１１５の電荷容量を制限す
る。
【００１１】
図２は、過剰電荷を制御するときのバリア１３０の作用を示す。図に示すよう
に、画素セル１１５は、バリア１３０によって設定された値まで満たされている
。電荷１４０によって表されているように、蓄積された電荷がバリア１３０のレ
ベルを超えると、この超過分はドレイン１２５に向かう。この例では、最大電荷
量が得られると、それ以上の電荷が集められてもそれらは単純に廃棄される。従
って、バリア１３０の最大レベルによって、蓄積される電荷が制限される。
に、画素セル１１５は、バリア１３０によって設定された値まで満たされている
。電荷１４０によって表されているように、蓄積された電荷がバリア１３０のレ
ベルを超えると、この超過分はドレイン１２５に向かう。この例では、最大電荷
量が得られると、それ以上の電荷が集められてもそれらは単純に廃棄される。従
って、バリア１３０の最大レベルによって、蓄積される電荷が制限される。
【００１２】
図３は、図１のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な性能特性を示し、輝度レベ
ルの異なる３つのイメージについて示している。第１の例では、応答特性４００
が、イメージャによって集められた電荷を示す。この例では、イメージャと対象
イメージとが動いて互いに通り過ぎるときに、一つのステージの各画素セル１１
５には、次のステージの画素セル１１５とほぼ同量の電荷が加えられる。集めら
れ蓄積された電荷の量はイメージャのステージ数に比例して増加する。この模範
的な第１のイメージの場合、８つのステージから集められた総電荷量はバリア１
３０によって設定されたバリアレベル４６５より低い状態である。第２の例では
、イメージは第１のイメージよりも明るく、集められた電荷は応答特性４２０に
よって示されている。この例では、イメージャと対象イメージとが動いて互いに
通り過ぎるときに、（応答特性４００に基づいて集められた電荷）より多い電荷
が各画素セル１１５に集められる。通常、蓄積された電荷がステージ１１０から
読み出されるまで、応答特性４２０の破線部分４２５に沿って収集されたエネル
ギーの蓄積が続く。しかしながら、集められた電荷がバリアレベル４６５を超え
ると（この例では、第６のＣＣＤステージの最後の部分付近で起こる）過剰電荷
はドレイン１２５に流出する。従って、応答特性４３０によって示されるように
、蓄積される電荷はバリアレベル４６５に制限される、即ちクリップされる。応
答特性４２０の破線部分で取り込まれるイメージの詳細部分は処理されないため
失われる。
ルの異なる３つのイメージについて示している。第１の例では、応答特性４００
が、イメージャによって集められた電荷を示す。この例では、イメージャと対象
イメージとが動いて互いに通り過ぎるときに、一つのステージの各画素セル１１
５には、次のステージの画素セル１１５とほぼ同量の電荷が加えられる。集めら
れ蓄積された電荷の量はイメージャのステージ数に比例して増加する。この模範
的な第１のイメージの場合、８つのステージから集められた総電荷量はバリア１
３０によって設定されたバリアレベル４６５より低い状態である。第２の例では
、イメージは第１のイメージよりも明るく、集められた電荷は応答特性４２０に
よって示されている。この例では、イメージャと対象イメージとが動いて互いに
通り過ぎるときに、（応答特性４００に基づいて集められた電荷）より多い電荷
が各画素セル１１５に集められる。通常、蓄積された電荷がステージ１１０から
読み出されるまで、応答特性４２０の破線部分４２５に沿って収集されたエネル
ギーの蓄積が続く。しかしながら、集められた電荷がバリアレベル４６５を超え
ると（この例では、第６のＣＣＤステージの最後の部分付近で起こる）過剰電荷
はドレイン１２５に流出する。従って、応答特性４３０によって示されるように
、蓄積される電荷はバリアレベル４６５に制限される、即ちクリップされる。応
答特性４２０の破線部分で取り込まれるイメージの詳細部分は処理されないため
失われる。
【００１３】
第３の例では、より明るいイメージの電荷が集められる。この明るいイメージ
に対する応答は応答特性４４０によって示される。この例では、ＣＣＤステージ
のうちの２つのステージだけ行われたイメージのスキャニング後に、そのイメー
ジの輝度が原因で、蓄積電荷はバリア１３０によって設定された最大レベル（レ
ベル４６５）を超えている。その蓄積電荷を連続するＣＣＤステージで蓄積でき
る場合は、その電荷は応答特性４４０の破線部分４４５によって示されるものと
なるが、その電荷はバリアレベル４６５によって制限される。従って、バリアレ
ベル４６５はイメージャの応答特性を制限する。バリアレベル４６５を超える量
の電荷は簡単にドレイン１２５に廃棄され、この模範的な第３のイメージに基づ
いて蓄積された電荷は応答特性４６０で示されるように、レベル４６５に制限さ
れる。
に対する応答は応答特性４４０によって示される。この例では、ＣＣＤステージ
のうちの２つのステージだけ行われたイメージのスキャニング後に、そのイメー
ジの輝度が原因で、蓄積電荷はバリア１３０によって設定された最大レベル（レ
ベル４６５）を超えている。その蓄積電荷を連続するＣＣＤステージで蓄積でき
る場合は、その電荷は応答特性４４０の破線部分４４５によって示されるものと
なるが、その電荷はバリアレベル４６５によって制限される。従って、バリアレ
ベル４６５はイメージャの応答特性を制限する。バリアレベル４６５を超える量
の電荷は簡単にドレイン１２５に廃棄され、この模範的な第３のイメージに基づ
いて蓄積された電荷は応答特性４６０で示されるように、レベル４６５に制限さ
れる。
【００１４】
図４は、本発明の原理に基づく８ステージＴＤＩ−ＣＣＤである。図示されて
いるように、バリア１３０は、電荷容量曲線５１０に基づいて選択的に設定され
る。従って、各ステージで蓄積され保持される電荷の量はさらに増加する。模範
的な一実施形態のイメージャのステージ１０１−１０５では、最大バリアレベル
４６５の２５パーセント（０．２５）に、また、ステージ１０６と１０７では最
大バリアレベルの５０パーセントに蓄積電荷を制限するようにバリア１３０が設
定される。ステージ１０８では、バリア１３０のレベルは最大バリアレベル４６
５に設定される。最大バリアレベルは、画素セル１１５の最大容量とは無関係に
設定されるが、通常、画素セルの最大容量とほぼ等しく設定される。
いるように、バリア１３０は、電荷容量曲線５１０に基づいて選択的に設定され
る。従って、各ステージで蓄積され保持される電荷の量はさらに増加する。模範
的な一実施形態のイメージャのステージ１０１−１０５では、最大バリアレベル
４６５の２５パーセント（０．２５）に、また、ステージ１０６と１０７では最
大バリアレベルの５０パーセントに蓄積電荷を制限するようにバリア１３０が設
定される。ステージ１０８では、バリア１３０のレベルは最大バリアレベル４６
５に設定される。最大バリアレベルは、画素セル１１５の最大容量とは無関係に
設定されるが、通常、画素セルの最大容量とほぼ等しく設定される。
【００１５】
この例では、バリア１３０を階段状のパターンに選択的に設定し、これによっ
て、前のステージで集められるデータ量は制限されるが、後のステージほどより
多くの電荷を集めることができる。従って、ステージ１０１−１０５には、収集
可能な電荷の２５パーセントが蓄積される。ステージ１０６と１０７には、収集
可能な電荷の５０パーセントが蓄積され、ステージ１０８には、最大電荷量を蓄
積することができる。図示された構成によって、画素セル１１５を飽和させるこ
となく、最大電荷量を集めることができる。
て、前のステージで集められるデータ量は制限されるが、後のステージほどより
多くの電荷を集めることができる。従って、ステージ１０１−１０５には、収集
可能な電荷の２５パーセントが蓄積される。ステージ１０６と１０７には、収集
可能な電荷の５０パーセントが蓄積され、ステージ１０８には、最大電荷量を蓄
積することができる。図示された構成によって、画素セル１１５を飽和させるこ
となく、最大電荷量を集めることができる。
【００１６】
図５は、図３で議論された模範的な３イメージの場合での図４に示された模範
的特性に基づいて選択的に設定されたバリア特性を有するＴＤＩ−ＣＣＤデバイ
スの応答特性を示す。（最低の明るさの）模範的な第１のイメージの場合では、
集められた電荷は応答特性６００によって示される。応答特性６００は図３の応
答特性４００と同様であり、その蓄積電荷は、ステージ１０１−１０５や１０６
−１０７や１０８に選択的に設定されたバリアレベルを超えることはない。従っ
て、応答特性は変わらず、蓄積電荷も制限されない。
的特性に基づいて選択的に設定されたバリア特性を有するＴＤＩ−ＣＣＤデバイ
スの応答特性を示す。（最低の明るさの）模範的な第１のイメージの場合では、
集められた電荷は応答特性６００によって示される。応答特性６００は図３の応
答特性４００と同様であり、その蓄積電荷は、ステージ１０１−１０５や１０６
−１０７や１０８に選択的に設定されたバリアレベルを超えることはない。従っ
て、応答特性は変わらず、蓄積電荷も制限されない。
【００１７】
模範的な第２のイメージの場合では、ステージ１０２で電荷を集めるときに蓄
積電荷は第１のバリアレベルを超えることを応答特性６１０が示している。即ち
、ステージ１０１で集められる電荷とステージ１０２で集められる電荷の累積量
は、ステージ１０１から１０５に選択的に設定されたバリアレベルを超える。従
って、さらにステージ１０３−１０５で集められた電荷によって蓄積電荷がバリ
ア１３０のレベルを超えて流出する。応答特性６２０によって示されるように、
ステージ１０３−１０５で蓄積された電荷は収集可能な電荷の２５パーセントに
制限される。ステージ１０６では、バリア１３０のレベルは最大バリアレベルの
５０パーセントにまで引き上げられ、集められる電荷がさらに増加する。ステー
ジ１０６が動いて対象イメージを通り過ぎるとき、ステージ１０６の画素セル１
１５で電荷が集められる。蓄積電荷の増加は、応答特性６３０によって示される
。図示されているように、ステージ１０７で電荷を集めている間に蓄積された電
荷はバリア１３０のレベルを超え、過剰の電荷が流出する。応答特性６４０によ
って示されるように、蓄積電荷は５０パーセントに制限される。ステージ１０８
では、バリア１３０レベルが引き上げられ、集められる電荷もさらに増加する。
応答特性６５０によって示されるように、ステージ１０８が対象イメージを通過
するときに電荷が蓄積される。集められた電荷がステージ１１０から読み出され
るまで、電荷レベルの蓄積は続く。
積電荷は第１のバリアレベルを超えることを応答特性６１０が示している。即ち
、ステージ１０１で集められる電荷とステージ１０２で集められる電荷の累積量
は、ステージ１０１から１０５に選択的に設定されたバリアレベルを超える。従
って、さらにステージ１０３−１０５で集められた電荷によって蓄積電荷がバリ
ア１３０のレベルを超えて流出する。応答特性６２０によって示されるように、
ステージ１０３−１０５で蓄積された電荷は収集可能な電荷の２５パーセントに
制限される。ステージ１０６では、バリア１３０のレベルは最大バリアレベルの
５０パーセントにまで引き上げられ、集められる電荷がさらに増加する。ステー
ジ１０６が動いて対象イメージを通り過ぎるとき、ステージ１０６の画素セル１
１５で電荷が集められる。蓄積電荷の増加は、応答特性６３０によって示される
。図示されているように、ステージ１０７で電荷を集めている間に蓄積された電
荷はバリア１３０のレベルを超え、過剰の電荷が流出する。応答特性６４０によ
って示されるように、蓄積電荷は５０パーセントに制限される。ステージ１０８
では、バリア１３０レベルが引き上げられ、集められる電荷もさらに増加する。
応答特性６５０によって示されるように、ステージ１０８が対象イメージを通過
するときに電荷が蓄積される。集められた電荷がステージ１１０から読み出され
るまで、電荷レベルの蓄積は続く。
【００１８】
この模範的なケースでは、蓄積電荷レベルは実質的に最大レベルよりも低い。
従って、最も明るいイメージデータは失われない。なぜならば、イメージデータ
は圧縮されているからである。図示されているように、バリア１３０レベルが階
段状に増加するイメージャでは、次に続く電荷蓄積セルで使われる基準点の変更
、即ち、シフトが起こる。基準点の変更によって、明るいイメージからより多く
のデータを集めることが可能となる。
従って、最も明るいイメージデータは失われない。なぜならば、イメージデータ
は圧縮されているからである。図示されているように、バリア１３０レベルが階
段状に増加するイメージャでは、次に続く電荷蓄積セルで使われる基準点の変更
、即ち、シフトが起こる。基準点の変更によって、明るいイメージからより多く
のデータを集めることが可能となる。
【００１９】
図４で議論された最も明るいイメージに似た模範的な第３のイメージでは、そ
のイメージの明るさが原因で、ステージ１０１の収集段階で集められた電荷がバ
リア１３０の第１のレベルを超える。そのため、対象イメージがステージ１０１
−１０５を通り過ぎるときに集められた電荷は流出する。応答特性６２０によっ
て示されるように、蓄積電荷レベルはバリアレベルに固定されている。ステージ
１０６から始まるバリア１３０レベルは上がる。応答特性６７０によって示され
るように、ステージ１０６が対象イメージを通り過ぎるとき、ステージ１０６の
画素セル１１５に電荷が再び蓄積される。図示されているように、イメージの明
るさが原因で、蓄積電荷は上げられたバリアレベルをすぐに超えてしまう。従っ
て、この上げられたバリアレベルを超えた後に集められた電荷は流出する。この
ため、応答特性６４０によって示されるように、ステージ１０６から１０７の間
で蓄積された電荷レベルは制限される。ステージ１０８では、応答特性６８０に
よって示されるように、バリア１３０レベルがさらに上がり、再度電荷が蓄積さ
れる。本実施形態では、イメージの最も明るい部分が集められるので、イメージ
の最も明るい部分は失われない。基準点の変更によってイメージデータが圧縮さ
れるので、複数の画素セルは電荷を蓄積できるが、そうでなかった場合は、その
最大容量を超えた電荷となってしまっているだろう。基準点の変更によって、明
るいイメージのイメージデータを集めることができるが、もしそうでなかったな
らば、低光源レベル特性に影響を与えることなく、イメージデータは失われてし
まっただろう。
のイメージの明るさが原因で、ステージ１０１の収集段階で集められた電荷がバ
リア１３０の第１のレベルを超える。そのため、対象イメージがステージ１０１
−１０５を通り過ぎるときに集められた電荷は流出する。応答特性６２０によっ
て示されるように、蓄積電荷レベルはバリアレベルに固定されている。ステージ
１０６から始まるバリア１３０レベルは上がる。応答特性６７０によって示され
るように、ステージ１０６が対象イメージを通り過ぎるとき、ステージ１０６の
画素セル１１５に電荷が再び蓄積される。図示されているように、イメージの明
るさが原因で、蓄積電荷は上げられたバリアレベルをすぐに超えてしまう。従っ
て、この上げられたバリアレベルを超えた後に集められた電荷は流出する。この
ため、応答特性６４０によって示されるように、ステージ１０６から１０７の間
で蓄積された電荷レベルは制限される。ステージ１０８では、応答特性６８０に
よって示されるように、バリア１３０レベルがさらに上がり、再度電荷が蓄積さ
れる。本実施形態では、イメージの最も明るい部分が集められるので、イメージ
の最も明るい部分は失われない。基準点の変更によってイメージデータが圧縮さ
れるので、複数の画素セルは電荷を蓄積できるが、そうでなかった場合は、その
最大容量を超えた電荷となってしまっているだろう。基準点の変更によって、明
るいイメージのイメージデータを集めることができるが、もしそうでなかったな
らば、低光源レベル特性に影響を与えることなく、イメージデータは失われてし
まっただろう。
【００２０】
本発明の原理に基づいて、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスのダイナミックレンジは、
選択的に設定されるバリアレベルによって拡張されるが、そのバリアによって電
荷収集容量が制限される。選択的に設定されたバリアレベルによって、蓄積電荷
の基準点がシフトする。基準点の変更、即ち、シフトによって、イメージャはイ
メージの明るい部分を圧縮することができ、このとき、同じイメージの低輝度の
部分に影響を与えることはない。
選択的に設定されるバリアレベルによって拡張されるが、そのバリアによって電
荷収集容量が制限される。選択的に設定されたバリアレベルによって、蓄積電荷
の基準点がシフトする。基準点の変更、即ち、シフトによって、イメージャはイ
メージの明るい部分を圧縮することができ、このとき、同じイメージの低輝度の
部分に影響を与えることはない。
【００２１】
既に理解されていることであるが、本発明の範囲は、図示された模範的な８ス
テージＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの電荷容量を階段状に増加させることに制限され
ない。むしろ、例えば、指数関数や逆対数関数や幾何学、即ち、多項式関数を用
いて、バリアレベルを累進的に設定して、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスが電荷を累進
的に蓄積する方法を決定することができる。さらに、バリアレベル数は、ＴＤＩ
−ＣＣＤデバイスのステージ数に比例して増加する。従って、様々なバリアレベ
ル数は、ステージ数にほぼ等しく設定される。
テージＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの電荷容量を階段状に増加させることに制限され
ない。むしろ、例えば、指数関数や逆対数関数や幾何学、即ち、多項式関数を用
いて、バリアレベルを累進的に設定して、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスが電荷を累進
的に蓄積する方法を決定することができる。さらに、バリアレベル数は、ＴＤＩ
−ＣＣＤデバイスのステージ数に比例して増加する。従って、様々なバリアレベ
ル数は、ステージ数にほぼ等しく設定される。
【００２２】
図６ａは、図４に示された電荷容量を有するＴＤＩ−ＣＣＤイメージャを製造
する第１の実施形態である。この実施形態では、バリアレベル１３０を設定する
ことによって収集電荷量が制限される。例えば、バリアレベルを設定することに
よって、ステージ１０１−１０５の画素セル１１５は、画素セル１１５の全容量
、つまり、最大レベル４６５のうちの２５パーセントのみを集めるように制限さ
れる。ステージ１０６、１０７の場合は、ステージ１０６、１０７の画素セル１
１５が収集して保持する蓄積電荷を全容量の５０パーセントに相当する量に制限
するようにバリアレベルが設定される。ステージ１０８の場合は、全容量とほぼ
等しい量の蓄積電荷が収集され保持されるように、画素セル１１５の全幅に対し
てバリアレベルが設定される。図６ｂは、図４に示された電荷容量を有するＴＤ
Ｉ−ＣＣＤイメージャを製造する第２の実施形態である。この実施形態では、バ
リアレベル、即ち、電位は一定であるが、画素セル１１５の幅を調整するよう配
置されて、収集される電荷が制限される。この場合、収集電荷量は画素セルのサ
イズによって制限される。さらに、バリアレベル１３０の幅は、ほぼ一定となる
。
する第１の実施形態である。この実施形態では、バリアレベル１３０を設定する
ことによって収集電荷量が制限される。例えば、バリアレベルを設定することに
よって、ステージ１０１−１０５の画素セル１１５は、画素セル１１５の全容量
、つまり、最大レベル４６５のうちの２５パーセントのみを集めるように制限さ
れる。ステージ１０６、１０７の場合は、ステージ１０６、１０７の画素セル１
１５が収集して保持する蓄積電荷を全容量の５０パーセントに相当する量に制限
するようにバリアレベルが設定される。ステージ１０８の場合は、全容量とほぼ
等しい量の蓄積電荷が収集され保持されるように、画素セル１１５の全幅に対し
てバリアレベルが設定される。図６ｂは、図４に示された電荷容量を有するＴＤ
Ｉ−ＣＣＤイメージャを製造する第２の実施形態である。この実施形態では、バ
リアレベル、即ち、電位は一定であるが、画素セル１１５の幅を調整するよう配
置されて、収集される電荷が制限される。この場合、収集電荷量は画素セルのサ
イズによって制限される。さらに、バリアレベル１３０の幅は、ほぼ一定となる
。
【００２３】
図７ａは、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスを製造するための第２の実施形態であり、
これによって図４に示された模範的な階段状蓄積電荷特性が得られる。この実施
形態では、画素セルの電荷容量を所定のステージで設定することによって、蓄積
電荷が制限される。図示されているように、ステージ１０１−１０４の画素１１
５幅は最大レベル４６５、つまり、全収集容量に設定されている。ステージ１０
５では、画素１１５の幅は最大レベル４６５の２５パーセントに狭められる。ス
テージ１０６では、画素１１５の幅は再び最大レベル４６５まで広げられ、ステ
ージ１０７では、画素１１５の幅は最大レベル４６５の５０パーセントに狭めら
れる。最後に、ステージ１０８では、画素１１５の幅は再び最大レベル４６５ま
で広げられる。ステージ１０５や１０７の狭いチャネル領域は、電荷クリッパと
して作用する。図７ｂは別の実施形態であり、図７ａに関して説明されたものと
同様にバリア１３０の幅はほぼ一定である。本実施形態では、画素１１５のサイ
ズが小さくなると、それにあわせてドレイン１２５の幅が広がるという利点があ
る。ドレイン１２５が広がることによって、過剰に蓄積された電荷を流出するこ
とが可能となる。
これによって図４に示された模範的な階段状蓄積電荷特性が得られる。この実施
形態では、画素セルの電荷容量を所定のステージで設定することによって、蓄積
電荷が制限される。図示されているように、ステージ１０１−１０４の画素１１
５幅は最大レベル４６５、つまり、全収集容量に設定されている。ステージ１０
５では、画素１１５の幅は最大レベル４６５の２５パーセントに狭められる。ス
テージ１０６では、画素１１５の幅は再び最大レベル４６５まで広げられ、ステ
ージ１０７では、画素１１５の幅は最大レベル４６５の５０パーセントに狭めら
れる。最後に、ステージ１０８では、画素１１５の幅は再び最大レベル４６５ま
で広げられる。ステージ１０５や１０７の狭いチャネル領域は、電荷クリッパと
して作用する。図７ｂは別の実施形態であり、図７ａに関して説明されたものと
同様にバリア１３０の幅はほぼ一定である。本実施形態では、画素１１５のサイ
ズが小さくなると、それにあわせてドレイン１２５の幅が広がるという利点があ
る。ドレイン１２５が広がることによって、過剰に蓄積された電荷を流出するこ
とが可能となる。
【００２４】
図示されていない別の実施形態では、図２に示すように、画素セル１１５の深
さを利用することによって画素の電荷容量が制御される。ここで説明されている
８ステージＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの場合、全電荷容量の２５パーセントを収集
するようにステージ１０１−１０５の画素セル１１５の深さが設定される。同様
に、全電荷容量の５０パーセントを集めるように、ステージ１０６−１０７の画
素セル１１５の深さが設定され、全電荷を蓄積するようにステージ１０８の画素
セル１１５の深さが設定される。
さを利用することによって画素の電荷容量が制御される。ここで説明されている
８ステージＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの場合、全電荷容量の２５パーセントを収集
するようにステージ１０１−１０５の画素セル１１５の深さが設定される。同様
に、全電荷容量の５０パーセントを集めるように、ステージ１０６−１０７の画
素セル１１５の深さが設定され、全電荷を蓄積するようにステージ１０８の画素
セル１１５の深さが設定される。
【００２５】
図８は、図３と図５に関して説明された模範的な３つのイメージに対する本発
明の本実施形態の応答特性を示す。模範的な第１のイメージでの応答特性は、応
答特性８００によって示される。前述したように、ステージ１０１から１０８に
蓄積された電荷はそれに関係するバリアレベルよりも低い。従って、選択的に設
定されたレベルは、この模範的な第１のイメージの場合のＴＤＩ−ＣＣＤデバイ
スの応答特性に影響を与えない。図３で説明したように、模範的な第２のイメー
ジの場合は、応答特性８１０で示されるように、ステージ１０１−１０４の蓄積
電荷は最大レベル４６５まで増加する。しかしながら、ステージ１０５では、画
素セル１１５の電荷容量は最大レベル４６５の２５パーセントに設定される。従
って、対象イメージがステージ１０５を通り過ぎるとき、応答特性８２０によっ
て示されるように、この２５パーセントレベルを上回る量の蓄積された電荷は流
出する。さらに、ステージ１０５でさらに集められた電荷も流出する。従って、
応答特性８３０によって示されるように、蓄積電荷には制限がある。ステージ１
０６では、応答特性８４０によって示されるように、画素セル１１５の電荷容量
は再び最大レベル４６５まで増加して、電荷が再び蓄積される。ステージ１０７
では、画素セル１１５に関する電荷容量は５０パーセントまで削減される。従っ
て、応答特性８５０によって示されるように、この５０パーセントレベルを上回
る量の電荷が集められると、それらは流出するので、蓄積電荷レベルは一定であ
る。応答特性８６０によって示されるように、ステージ１０８の初めの部分では
、画素セル１１５の電荷容量は最大レベル４６５まで増加するので、電荷が再び
蓄積される。従って、図５に示されたものと同様の撮像デバイスに、イメージャ
の明るい部分が再び取り込まれる。
明の本実施形態の応答特性を示す。模範的な第１のイメージでの応答特性は、応
答特性８００によって示される。前述したように、ステージ１０１から１０８に
蓄積された電荷はそれに関係するバリアレベルよりも低い。従って、選択的に設
定されたレベルは、この模範的な第１のイメージの場合のＴＤＩ−ＣＣＤデバイ
スの応答特性に影響を与えない。図３で説明したように、模範的な第２のイメー
ジの場合は、応答特性８１０で示されるように、ステージ１０１−１０４の蓄積
電荷は最大レベル４６５まで増加する。しかしながら、ステージ１０５では、画
素セル１１５の電荷容量は最大レベル４６５の２５パーセントに設定される。従
って、対象イメージがステージ１０５を通り過ぎるとき、応答特性８２０によっ
て示されるように、この２５パーセントレベルを上回る量の蓄積された電荷は流
出する。さらに、ステージ１０５でさらに集められた電荷も流出する。従って、
応答特性８３０によって示されるように、蓄積電荷には制限がある。ステージ１
０６では、応答特性８４０によって示されるように、画素セル１１５の電荷容量
は再び最大レベル４６５まで増加して、電荷が再び蓄積される。ステージ１０７
では、画素セル１１５に関する電荷容量は５０パーセントまで削減される。従っ
て、応答特性８５０によって示されるように、この５０パーセントレベルを上回
る量の電荷が集められると、それらは流出するので、蓄積電荷レベルは一定であ
る。応答特性８６０によって示されるように、ステージ１０８の初めの部分では
、画素セル１１５の電荷容量は最大レベル４６５まで増加するので、電荷が再び
蓄積される。従って、図５に示されたものと同様の撮像デバイスに、イメージャ
の明るい部分が再び取り込まれる。
【００２６】
図３で議論したように、第３の模範的なイメージについては、応答特性８６５
によって示されるように、蓄積電荷はすぐに最大レベル４６５まで増加する。応
答特性８７０によって示されるように、ステージ１０２−１０４でさらに電荷が
集められても、それらは流出する。ステージ１０５では、応答特性８７５によっ
て示されるように、画素セル１１５の電荷容量は２５パーセントであり、このレ
ベルを上回る量の電荷が蓄積されても、それらは流出する。さらに、応答特性８
３０によって示されるようにさらに電荷が集められても、それらは同様に流出し
、蓄積電荷レベルは一定である。ステージ１０６では、画素セル１１５の電荷容
量は再び最大レベル４６５まで増加する。応答特性８８０によって示されるよう
に、電荷が再び蓄積される。応答特性８８５によって示されるように、ステージ
１０７の初めの部分の画素セル１１５の電荷容量は再び５０パーセントまで削減
され、この削減されたレベルを上回る量の電荷が蓄積されても、それらは再び流
出する。応答特性８５０によって示されるように、蓄積電荷はこのレベルに固定
され、さらに電荷が集められてもそれらは流出する。ステージ１０８では、応答
特性８９０によって示されるように、画素セル１１５の電荷容量が再び増加し、
蓄積電荷は再び増加する。従って、この第３の模範的なイメージの最も明るい部
分は、図５に示された部分と同様に取り込まれる。
によって示されるように、蓄積電荷はすぐに最大レベル４６５まで増加する。応
答特性８７０によって示されるように、ステージ１０２−１０４でさらに電荷が
集められても、それらは流出する。ステージ１０５では、応答特性８７５によっ
て示されるように、画素セル１１５の電荷容量は２５パーセントであり、このレ
ベルを上回る量の電荷が蓄積されても、それらは流出する。さらに、応答特性８
３０によって示されるようにさらに電荷が集められても、それらは同様に流出し
、蓄積電荷レベルは一定である。ステージ１０６では、画素セル１１５の電荷容
量は再び最大レベル４６５まで増加する。応答特性８８０によって示されるよう
に、電荷が再び蓄積される。応答特性８８５によって示されるように、ステージ
１０７の初めの部分の画素セル１１５の電荷容量は再び５０パーセントまで削減
され、この削減されたレベルを上回る量の電荷が蓄積されても、それらは再び流
出する。応答特性８５０によって示されるように、蓄積電荷はこのレベルに固定
され、さらに電荷が集められてもそれらは流出する。ステージ１０８では、応答
特性８９０によって示されるように、画素セル１１５の電荷容量が再び増加し、
蓄積電荷は再び増加する。従って、この第３の模範的なイメージの最も明るい部
分は、図５に示された部分と同様に取り込まれる。
【００２７】
サイズが変わる伝送チャネルの表現は、バリアレベルが変化する模範的なモデ
ルを得る様々な方法を示すだけのものであることを理解されたい。また、同様に
蓄積電荷を増加させるためにその他の方法を用いてもよい。
ルを得る様々な方法を示すだけのものであることを理解されたい。また、同様に
蓄積電荷を増加させるためにその他の方法を用いてもよい。
【００２８】
ダイナミックレンジを拡張するさらに別の手段は、ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの
少なくとも一ステージ上にフィルタリングエレメントを配置することによって達
成される。複数の収集ステージでイメージが移動するときにフィルタリングエレ
メントを用いてイメージの輝度を下げることによって、ダイナミックレンジをさ
らに拡張することができる。図４は、ステージ１０８上のフィルタ５００の配置
を示す。本実施形態では、複数のバリアレベルを選択的に設定することに加えて
、フィルタ５００を用いることによって、イメージがステージ１０８を通り過ぎ
るときのイメージの輝度を下げることができる。例えば、フィルタ５００は中間
密度フィルタ、即ち、溝切（ｓｌｏｔｔｅｄ）金属フィルタである。フィルタリ
ングは本技術分野では周知のものであるため、ここで詳しく説明する必要はない
であろう。
少なくとも一ステージ上にフィルタリングエレメントを配置することによって達
成される。複数の収集ステージでイメージが移動するときにフィルタリングエレ
メントを用いてイメージの輝度を下げることによって、ダイナミックレンジをさ
らに拡張することができる。図４は、ステージ１０８上のフィルタ５００の配置
を示す。本実施形態では、複数のバリアレベルを選択的に設定することに加えて
、フィルタ５００を用いることによって、イメージがステージ１０８を通り過ぎ
るときのイメージの輝度を下げることができる。例えば、フィルタ５００は中間
密度フィルタ、即ち、溝切（ｓｌｏｔｔｅｄ）金属フィルタである。フィルタリ
ングは本技術分野では周知のものであるため、ここで詳しく説明する必要はない
であろう。
【００２９】
図９は、図４に示されるステージ１０８上にフィルタ５００が配置されたＴＤ
Ｉ−ＣＣＤイメージャの応答特性を示す。この場合、模範的な３つのイメージに
対する応答は、フィルタリングされたステージでの応答を除いて、図５に示され
た応答と同様である。つまり、模範的な第１のイメージに対する本実施形態の応
答は、図５の応答特性６００と同様である。しかしながら、フィルタ５００を配
置することによって、ステージ１０８で電荷を集める際にイメージの輝度が下が
ってしまう。従って、収集電荷量は減少し、蓄積電荷の減少は応答特性９１０に
よって示される。同様に、図９に示すように、模範的な第２と第３のイメージに
対する応答は、ステージ１０８の応答を除いて、図５に示される対応する応答と
同じである。応答特性９６０、９９０のそれぞれによって示されるように、ステ
ージ１０８上にフィルタ５００を配置することによって収集される電荷は減少す
る。従って、本発明の原理に基づいて少なくとも一つの収集ステージ上のフィル
タを選択的に用いて高輝度のイメージを集めることによって、ＴＤＩ−ＣＣＤの
ダイナミックレンジはさらに拡がる。
Ｉ−ＣＣＤイメージャの応答特性を示す。この場合、模範的な３つのイメージに
対する応答は、フィルタリングされたステージでの応答を除いて、図５に示され
た応答と同様である。つまり、模範的な第１のイメージに対する本実施形態の応
答は、図５の応答特性６００と同様である。しかしながら、フィルタ５００を配
置することによって、ステージ１０８で電荷を集める際にイメージの輝度が下が
ってしまう。従って、収集電荷量は減少し、蓄積電荷の減少は応答特性９１０に
よって示される。同様に、図９に示すように、模範的な第２と第３のイメージに
対する応答は、ステージ１０８の応答を除いて、図５に示される対応する応答と
同じである。応答特性９６０、９９０のそれぞれによって示されるように、ステ
ージ１０８上にフィルタ５００を配置することによって収集される電荷は減少す
る。従って、本発明の原理に基づいて少なくとも一つの収集ステージ上のフィル
タを選択的に用いて高輝度のイメージを集めることによって、ＴＤＩ−ＣＣＤの
ダイナミックレンジはさらに拡がる。
【００３０】
図１０ａは、一ステージ（ステージ１０８）上にフィルタを組み込んだ背面照
明型８ステージＴＤＩ−ＣＣＤイメージャの模範的な実施形態の断面図である。
図１０ｂは、１つのステージ（ステージ１０８）上にフィルタが組み込まれた８
ステージ／背面照明型ＴＤＩ−ＣＣＤイメージャの第２の模範的な実施形態の断
面図である。理解されていることであるが、本発明の原理は前面照明型ＴＤＩ−
ＣＣＤイメージャにも同様に適用することができる。図１０ｃは、１つのステー
ジ（ステージ１０８）上にフィルタを組み込んだ前面照明型８ステージＴＤＩ−
ＣＣＤイメージャの模範的な実施形態の断面図である。
明型８ステージＴＤＩ−ＣＣＤイメージャの模範的な実施形態の断面図である。
図１０ｂは、１つのステージ（ステージ１０８）上にフィルタが組み込まれた８
ステージ／背面照明型ＴＤＩ−ＣＣＤイメージャの第２の模範的な実施形態の断
面図である。理解されていることであるが、本発明の原理は前面照明型ＴＤＩ−
ＣＣＤイメージャにも同様に適用することができる。図１０ｃは、１つのステー
ジ（ステージ１０８）上にフィルタを組み込んだ前面照明型８ステージＴＤＩ−
ＣＣＤイメージャの模範的な実施形態の断面図である。
【００３１】
本発明の原理に基づいて構成されたＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの例として図１０
ａを用いると、イメージャ１０１０が１０５０の方向で対象イメージを通り過ぎ
るときに、対象イメージからの光エネルギー１０４０は各収集ステージで順次集
められる。図示されているように、ＴＤＩ−ＣＣＤイメージャ１０１０は、８つ
のステージ、即ち、ステージ１０１−１０８から構成される。ステージ１０１−
１０８はウェハー１０００内に形成され、ウェハーは、一般にシリコンやＧａＡ
ｓ等の半導体材料から形成される。
ａを用いると、イメージャ１０１０が１０５０の方向で対象イメージを通り過ぎ
るときに、対象イメージからの光エネルギー１０４０は各収集ステージで順次集
められる。図示されているように、ＴＤＩ−ＣＣＤイメージャ１０１０は、８つ
のステージ、即ち、ステージ１０１−１０８から構成される。ステージ１０１−
１０８はウェハー１０００内に形成され、ウェハーは、一般にシリコンやＧａＡ
ｓ等の半導体材料から形成される。
【００３２】
ウェハー１０００にはブロック１０２０が取り付けられている。ブロック１０
２０は、ウェハー１０１０を支持し保護する。通常、ブロック１０２０は光学的
に透明な材料である。例えば、可視光領域で用いられるイメージャの場合は、ブ
ロック１０２０はガラスやプラスティックやアクリルやポリマー等の材料から構
成されるが、これらは、重大な劣化や損失を引き起こすことなく光１０４０が通
過できるものである。ＩＲ領域で動作するイメージャの場合、ブロック１０２０
はシリコン等の材料から構成される。ＵＶ領域で動作するイメージャの場合、ブ
ロック１０２０は石英や塩化カルシウム等の材料から構成される。
２０は、ウェハー１０１０を支持し保護する。通常、ブロック１０２０は光学的
に透明な材料である。例えば、可視光領域で用いられるイメージャの場合は、ブ
ロック１０２０はガラスやプラスティックやアクリルやポリマー等の材料から構
成されるが、これらは、重大な劣化や損失を引き起こすことなく光１０４０が通
過できるものである。ＩＲ領域で動作するイメージャの場合、ブロック１０２０
はシリコン等の材料から構成される。ＵＶ領域で動作するイメージャの場合、ブ
ロック１０２０は石英や塩化カルシウム等の材料から構成される。
【００３３】
フィルタ１０３０は、ブロック１０２０とウェハー１０１０間の面１０７０上
に配置される。前述したフィルタ５００と同様にフィルタ１０３０をステージ１
０８上に配置することによって、このステージで集められる電荷が削減される。
理解されていることであるが、フィルタ１０３０の配置は、図示されているよう
に面１０７０に限定されない。むしろ、例えば、面１０６０上にフィルタ１０３
０を配置することもできるし、ブロック１０２０内に組み込んでイメージの輝度
を下げることもできる。例えば、ブロック１０２０の材料の反射率を変えること
によってフィルタをブロック１０２０内に組み込むことができる。反射率を変え
ることによって、ブロック１０２０を横断してウェハー１０００内のステージ１
０１−１０８で集められる光の輝度が下がる。さらに、フィルタ１０３０は、ウ
ェハー１０１０上に組み込むこともできる。しかしながら、フィルタ１０３０を
ウェハー１０１０上に組み込むにはデメリットもある。つまり、フィルタの交換
が必要な場合は、ウェハー１０１０に影響が及ぶことである。従って、フィルタ
１０３０をブロック１０２０に組み込めば、ウェハー１０１０に影響を及ぼさず
にフィルタを交換することが可能となる。
に配置される。前述したフィルタ５００と同様にフィルタ１０３０をステージ１
０８上に配置することによって、このステージで集められる電荷が削減される。
理解されていることであるが、フィルタ１０３０の配置は、図示されているよう
に面１０７０に限定されない。むしろ、例えば、面１０６０上にフィルタ１０３
０を配置することもできるし、ブロック１０２０内に組み込んでイメージの輝度
を下げることもできる。例えば、ブロック１０２０の材料の反射率を変えること
によってフィルタをブロック１０２０内に組み込むことができる。反射率を変え
ることによって、ブロック１０２０を横断してウェハー１０００内のステージ１
０１−１０８で集められる光の輝度が下がる。さらに、フィルタ１０３０は、ウ
ェハー１０１０上に組み込むこともできる。しかしながら、フィルタ１０３０を
ウェハー１０１０上に組み込むにはデメリットもある。つまり、フィルタの交換
が必要な場合は、ウェハー１０１０に影響が及ぶことである。従って、フィルタ
１０３０をブロック１０２０に組み込めば、ウェハー１０１０に影響を及ぼさず
にフィルタを交換することが可能となる。
【００３４】
フィルタは複数のステージ上で用いられるが、各フィルタがイメージの輝度を
同様に低下させる必要はない。例えば、前の収集ステージではフィルタリングを
行わなくとも後の収集ステージでは輝度が大きく低下するように、ＴＤＩ−ＣＣ
Ｄの深さに沿って複数のフィルタに段階を付けることができる。従って、図９に
示すように、段階付けたフィルタリングを行っても、イメージの低輝度部分は影
響を受けないが、明るい部分には影響を及ぼすことがある。
同様に低下させる必要はない。例えば、前の収集ステージではフィルタリングを
行わなくとも後の収集ステージでは輝度が大きく低下するように、ＴＤＩ−ＣＣ
Ｄの深さに沿って複数のフィルタに段階を付けることができる。従って、図９に
示すように、段階付けたフィルタリングを行っても、イメージの低輝度部分は影
響を受けないが、明るい部分には影響を及ぼすことがある。
【００３５】
ここで示された複数の例は、当業者が本発明を明確に理解して実行できるよう
に提示されている。これらの一例は本発明の範囲に限定されず、単に本発明を図
示して表現したものであると考えていただきたい。上記に鑑み、本発明に関する
様々な修正やそれに代わる様々な実施形態は当業者にとって明らかなことである
。従って、本説明は単なる一例と考えるべきであって、また、それは本発明を実
行するためのベストモードを当業者に教唆することが目的であって、可能な全て
の形態を示すものではない。また、用いた複数の用語は限定するためではなく、
説明のための用語であり、本発明の精神を逸脱しない範囲でその構成の詳細部を
変更することができ、また、添付の特許請求の範囲内で行われる全修正事項の独
占的使用権が確保されることを理解されたい。
に提示されている。これらの一例は本発明の範囲に限定されず、単に本発明を図
示して表現したものであると考えていただきたい。上記に鑑み、本発明に関する
様々な修正やそれに代わる様々な実施形態は当業者にとって明らかなことである
。従って、本説明は単なる一例と考えるべきであって、また、それは本発明を実
行するためのベストモードを当業者に教唆することが目的であって、可能な全て
の形態を示すものではない。また、用いた複数の用語は限定するためではなく、
説明のための用語であり、本発明の精神を逸脱しない範囲でその構成の詳細部を
変更することができ、また、添付の特許請求の範囲内で行われる全修正事項の独
占的使用権が確保されることを理解されたい。
【図１】
模範的なＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの概略図である。
【図２】
ＣＣＤを構成する画素セルとバリアの断面図を表す。
【図３】
ＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの一般的な応答特性を示す。
【図４】
本発明の原理に基づくＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの概略図である。
【図５】
本発明の原理に基づく、図４に示されたＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの応答特性を
示す。
示す。
【図６ａ】
本発明の原理に基づいて電荷容量を制限する模範的な第１の実施形態である。
【図６ｂ】
本発明の原理に基づいて電荷容量を制限する模範的な第２の実施形態である。
【図７ａ】
本発明の原理に基づいて電荷容量を制限する模範的な第３の実施形態である。
【図７ｂ】
本発明の原理に基づいて電荷容量を制限する模範的な第４の実施形態である。
【図８】
本発明の第２の実施形態のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な応答特性を示す
。
。
【図９】
本発明の別の実施形態のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範的な応答特性を示す。
【図１０ａ】
図８に示される応答特性を有する背面照明型のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範
的な実施形態の断面図である。
的な実施形態の断面図である。
【図１０ｂ】
図８に示される応答特性を有する背面照明型のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範
的な第２の実施形態の断面図である。
的な第２の実施形態の断面図である。
【図１０ｃ】
図８に示される応答特性を有する前面照明型のＴＤＩ−ＣＣＤデバイスの模範
的な実施形態の断面図である。
的な実施形態の断面図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ
，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，
ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ
Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ
)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，
ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，
ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ
Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ
，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，
ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ
Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ
，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，
ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ
Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ
，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ
(72)発明者 ヒューズ， ギャリー， ウィリアム
アメリカ合衆国， カリフォルニア州，
ウェストレイクス ヴィレッジ， カース
トン リー ドライヴ 1794
(72)発明者 パテル， ヴィプルクマール， カンティ
ラル
アメリカ合衆国， ニュー ジャージー
州， サウス ブランズウィック， ファ
ルコンゲイト ドライヴ 607
Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AB01 BA14 CA08 CB02
GC02 GC15 GC20
5C024 CX43 EX55 GY01
5C051 AA01 BA02 DA06 DB01 DB23
DC03 DC07
Claims (12)
- 【請求項１】 複数の行に配列された複数の感光セルを有する撮像装置であ
って、前記複数のセルは蓄積電荷の単位を表す出力を供給する、前記撮像装置は
： 複数の感光セルの少なくとも一つのチャネルであって、前記チャネルは、前
記複数の行の各々から少なくとも一つの感光デバイスを有し、前記複数のセルの
うちの一つのセルに蓄積された電荷は前記チャネル内の前記複数のセルのうちの
次の一セルに有効である、前記チャネルと； 前記少なくとも一つのチャネルの各々に隣接する少なくとも一つのバリアレ
ベルであって、前記バリアは前記複数の感光セルに収集される前記蓄積された電
荷の量を制限し、前記バリアは前記複数の感光セルの電荷容量の変化を引き起こ
して前記蓄積された電荷を徐々に増加させる、前記バリアレベルと； 過剰に蓄積された電荷を除去する手段と、 を備える撮像装置。 - 【請求項２】 少なくとも一つのフィルタをさらに備え、前記少なくとも一
つのフィルタは、前記フィルタに対応する前記セルで収集される前記電荷を削減
する、請求項１の撮像装置。 - 【請求項３】 光学的に透明なブロックをさらに備え、前記フィルタは前記
ブロックに取り付けられる、請求項２の撮像装置。 - 【請求項４】 前記複数の感光セルはチャージカップルド・デバイスである
、請求項１の撮像装置。 - 【請求項５】 前記バリアレベルは電位として設定される、請求項１の撮像
装置。 - 【請求項６】 前記バリアレベルは、前記チャネル内に前記バリアを配置す
ることによって設定される、請求項１の撮像装置。 - 【請求項７】 前記バリアレベルを設定することによって、前記蓄積した電
荷の階段状線形増加を可能とする、請求項１の撮像装置。 - 【請求項８】 前記複数の行のうちの指定されたものに蓄積された電荷が削
減されるように前記バリアレベルを設定する、請求項１の撮像装置。 - 【請求項９】 前記撮像装置の応答特性を徐々に向上させる既知の関係に基
づいて、前記複数の行の各々の前記バリアレベルが設定される、請求項１の撮像
装置。 - 【請求項１０】 複数の行に配列された複数の感光セルを含むイメージ検出
デバイスを操作する方法であって、前記複数のセルは、チャネルにさらに配置さ
れ、前記複数のセルのうちの一つのセル内で集められた電荷は、前記チャネル内
の前記複数のセルのうちのその次の一つのセルに伝送可能である、前記方法は： 前記チャネルに隣接した少なくとも一つのバリアを作成するステップと； 前記電荷が前記複数のセルに蓄積されるように、前記少なくとも一つのバリ
アレベルの各々を設定するステップであって、前記複数のセルのうちの一つのセ
ルから前記複数のセルのうちのその次の一つのセルに伝送された電荷の量を徐々
に増やす、前記設定ステップと、 を備える方法。 - 【請求項１１】 前記イメージ検出デバイスに選択的にフィルタリングを適
用し、イメージ検出能力を下げるステップをさらに備える、請求項１０の方法。 - 【請求項１２】 前記バリアレベルを設定するステップは、蓄積電荷を階段
状に増やすことができるように前記バリアレベルを設定するステップを含む、請
求項１０の方法。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US12567099P | 1999-03-22 | 1999-03-22 | |
| US60/125,670 | 1999-03-22 | ||
| US09/528,818 US6472653B1 (en) | 1999-03-22 | 2000-03-20 | Method and apparatus to extend dynamic range of time delay and integrate charge coupled devices |
| US09/528,818 | 2000-03-20 | ||
| PCT/US2000/007523 WO2000057633A1 (en) | 1999-03-22 | 2000-03-21 | Method and apparatus to extend dynamic range of time delay and integrate charge coupled devices |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003521837A true JP2003521837A (ja) | 2003-07-15 |
| JP2003521837A5 JP2003521837A5 (ja) | 2009-08-27 |
| JP4393715B2 JP4393715B2 (ja) | 2010-01-06 |
Family
ID=26823811
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000607404A Expired - Fee Related JP4393715B2 (ja) | 1999-03-22 | 2000-03-21 | 時間遅延／積分チャージカップルド・デバイスのダイナミックレンジを拡げる方法及び装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6472653B1 (ja) |
| EP (1) | EP1171994B1 (ja) |
| JP (1) | JP4393715B2 (ja) |
| AU (1) | AU3907600A (ja) |
| DE (1) | DE60023482D1 (ja) |
| WO (1) | WO2000057633A1 (ja) |
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-
2000
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