JP2005064304A - 高感度高速撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 衝突電離増幅ＣＣＤ（ＣＣＭ）を、ＣＣＤ型高速撮影用撮像素子に効果的に適用できるようにし、実用的な高感度高速撮像素子を実現する。
【解決手段と効果】 高速化のための多線並列読み出しＣＣＤにおいて、ＶＣＣＤ１４０と多数のＨＣＣＤ１５１の間に、多段３０８、３０９の往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）１４２を挿入する。これにより、衝突電離増幅衝突ＣＣＤをスペース的に無駄なく配置できる。また高い電圧の振り幅で駆動するＣＣＭを、高速駆動する必要のあるＨＣＣＤの駆動周波数に比べてはるかに低い周波数で駆動できる。また高速電子を発生するＣＣＭを出力アンプから離して配置できる。これらにより、ＣＣＭの駆動を容易にでき、またノイズを低減することができる。ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子にＢＣＣＭを導入すると、これらの効果がより顕著になり、超高速超高感度撮像素子が実現できる。
【選択図】 図９

Description

高速度高感度撮影を必要とするあらゆる産業分野。

ハイネセックはＣＣＤ内で信号電荷を転送するとき、電荷が転送経路上にある原子に高速で衝突することにより電離が生じるような大きな電界を与えることにより、電荷の数を増やし、このプロセスを多数回繰り返すことにより信号電荷を増幅する手段を発明した。以下に関連特許および文献を示す。

Ｈｙｎｅｃｅｋ， Ｕ．Ｓ． Ｐａｔ． Ｎｏ．５，３３７，３４０， Ｃｈａｒｇｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ （ＣＭＤ） Ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ Ｓｍａｌｌ Ｐｉｘｅｌ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ

Ｊａｒｏｓｌａｖ Ｈｙｎｅｃｅｋ， ＣＣＭ−Ａ Ｎｅｗ Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ Ｃｈａｒｇｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ ｉｎ Ｓｍａｌｌ Ｐｉｘｅｌ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｖｏｌ． ３９， Ｎｏ．８， ｐｐ．１９７２−１９７５， １９９２

ジャロスラフ ハイネセック、特願平０４−１８４０９２、イメージセンサー

Ｊａｒｏｓｌａｖ Ｈｙｎｅｃｅｋ ａｎｄ Ｔａｋａｈｉｒｏ Ｎｉｓｈｉｗａｋｉ， Ｅｘｃｅｓｓ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｏｗ ｌｉｇｈｔ ｌｅｖｅｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ＣＣＤｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｖｏｌ．５０， Ｎｏ．１， ｐｐ．２３９−２４５， ２００３

このような衝突電離増幅機能を持つＣＣＤ要素を、「衝突電離増幅ＣＣＤ」と呼ぶことにする。ハイネセックは上述の１９９２年のＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓの論文のタイトルでも使っているように、これをＣｈａｒｇｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ、または略してＣＣＭと呼んでいる。以下この技術について簡単に説明する。

図１に示すように、第１位相の電極４０１の下の転送路の電位２０１を、電子が前後のＣＣＤ要素に移動しないような低い値に保ち、かつ第３位相の電極４０３の電位２０３をそれよりはやや高い値（図中下方が電位Ｖの正方向なので第１位相の電位よりやや低く示されている）に保ち、第２位相の電極４０２下に蓄積した電荷を、第２位相の電位２０２を下げることにより第２位相の電極の位置から第４位相の電極４０４の方、すなわち転送方向Ｘの正方向にあふれさせる。このとき、第３電極と第４電極の大きな電位差で生じる大きな電界のために電子が加速される。この電位差が十分大きいとき、電子が転送経路上の原子に衝突して衝突電離による電子−正孔対が発生する。正孔は撮像素子内のｐ領域を通って撮像素子外に排出され電子のみが残るので、電子が増加した分だけ信号電荷が増幅される。

ハイネセックの報告によれば、衝突電離増幅を有効に機能させるには、図１の第３電極４０３と第４電極４０４の電圧の差を１４Ｖから２０Ｖ程度の大きな値にしなければならない。またＣＣＭの段数は、少なくとも１５０段程度以上が必要である。

ハイネセックが実際に実現したのは４相駆動ＣＣＤではないが、増幅の基本原理は図１の４相駆動で説明したものと同じである。

ハイネセックは、多数のＣＣＭを直線状に並べると、衝突電離により発生する電子数のランダム性に起因するノイズ成分に比べて、信号電荷を十分大きく増幅することができることを示した。このようなデバイスを「線形衝突電離増幅ＣＣＤ」と呼ぶことにする。英語ではＬｉｎｅａｒ ＣＣＭ−ＣＣＤ、もしくは略してＬＣＣＭと呼ぶことにする。

ハイネセックらは、通常のＣＣＤ型撮像素子の、水平読み出しＣＣＤと、末端の出力アンプの間に、長い線形衝突電離増幅ＣＣＤを付加した撮像素子を開発した。

ハイネセックはさらに、２００３年に新たに、ＨＣＣＤの端に接続した長いＬＣＣＭを、撮像素子の受光面に沿って折り曲げて配置することにより、撮像素子面積が大きくなることを防ぎ、コンパクトにした撮像素子を発明している（Ｊａｌｏｓｌａｖ Ｈｙｎｅｃｅｋ、 Ｃｏｍｐａｃｔ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｌａｙｏｕｔ ｗｉｔｈ ｃｈａｒｇｅ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｒｅｇｉｓｔｅｒ、 Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ２００３００４２４００）。

ハイネセックは、ＣＣＭを直線状に並べる方法の他に、ＣＣＭ上を電荷を往復させることによっても繰り返し衝突電離増幅を起こすことができることを指摘している。

すなわち、図１で示した転送方向、すなわちＸの正方向に電荷を転送したのち、第２電極４０２の電位２０２を高くし、第４電極４０４の電位２０４を低くすれば、逆方向、すなわちＸの負の方向に電荷が転送され、第３電極と第２電極の間の大きな電位差で衝突電離増幅を起こすことができる。

このようなデバイスを「往復衝突電離増幅ＣＣＤ」と呼ぶことにする。英語ではＢｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＣＣＭ−ＣＣＤ、あるいは略してＢＣＣＭと呼ぶことにする。

一方、本発明の発明者らは高いフレームレートで撮影できる高速ビデオカメラ用の撮像素子の開発を続けている（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、ｐｐ．５４３−５４５、１９９２、 江藤剛治他、斜行直線ＣＣＤ型画素周辺記録領域を持つ１００万枚／秒の撮像素子、 Ｔ．Ｇ．Ｅｔｏｈ ｅｔ ａｌ．， Ａｎ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｈｉｃｈ Ｃａｐｔｕｒｅｓ １００ Ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ Ｆｒａｍｅｓ ａｔ １００００００ Ｆｒａｍｅｓ／ｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｖｏｌ．５０， Ｎｏ．１， ｐｐ．１４４−１５１， ２００３）。

高速ビデオ撮影では、画像１枚当りの入射光量が小さくなるので、撮像素子を、高速であると同時にできる限り高感度にする必要がある。

撮像素子の撮影速度の高速化のための標準技術の一つは並列読み出し方式である。すなわち、１個の撮像素子に、複数の出力アンプと、その外側に同数の出力端子を付けて、アンプの数がＮ個であればＮ並列読み出しにより、撮影速度を約Ｎ倍にする方法である。

撮像管では1本の撮像管の中に複数の電子銃を備えて並列読み出しすることは難しい。したがって並列読み出しによる高速化には固体撮像素子を用いる。固体撮像素子の高感度化のための方法としては以下のような方法がある。

（１）撮像素子の各画素の前面に光子を受けたとき電子雪崩（アバランシュ）によって多数の電子を発生する層を付ける方法

（２）多数のマイクロ・チャンネルを開けたガラス板を内蔵し、マイクロ・チャンネルの内面に電子が入射すると電子雪崩によって多数の電子を発生するマイクロ・チャンネル・プレート型イメージ・インテンシファイヤを撮像素子の前面につける方法

（３）ＣＣＤ型撮像素子を十分冷却することにより、熱雑音の発生を抑えるとともに、素子内の電荷の拡散を防ぐことによって、信号読み出しのための時間をかせぎ、ゆっくり読み出す。これによって出力アンプで発生するノイズを減らし、信号電荷の数は同じであっても、ノイズレベルを下げることにより、少ない入射光量でも撮影できるようにする方法

アバランシュ現象を利用するものは、一旦アバランシュが起こったのちの回復に時間がかかるため、１，０００枚／秒以上の高速撮影では残像が出るものが多い。これは高速連続撮影にとっては致命的な欠点である。

マイクロ・チャンネル・プレート型イメージ・インテンシファイヤは１，０００倍以上の増幅率を持ち、かつ数ナノ秒の開放時間でシャッタリングできる。したがって１枚の画像の短時間撮影には極めて強力な手段である。しかし高速連続撮影に適用する場合には以下のような問題点が生じる。

やや強い光に対してアバランシュを起こした後の回復に１ミリ秒程度の時間がかかる。また連続的にやや強い光を受けると劣化する。とくに強い入射光量に対しては急激に劣化して増幅率が落ちる。またマイクロ・チャンネル・プレートに与える高い電圧の発生装置を必要とし、高価となる上に、装置のコンパクト化が難しい。さらに高い増幅率で使用すると雑音レベルが高く、ＳＮ比が落ちる。

ＣＣＤを冷却し、ゆっくり読み出してアンプの読み出しノイズを下げる方法では、液体窒素や液体ヘリウムで十分冷却してゆっくり読み出せば、熱雑音の発生をほぼ完全に防げるとともに、読み出しノイズを１エレクトロン程度のレベルにまで下げることができる。すなわち量子効率（入射するフォトンの数に対して発生するエレクトロンの数の比）が１に近いときはフォトン・カウンティングに近い高い感度を実現することができる。しかし、ゆっくり読み出すのでそもそも高速連続撮影には向かない。

したがって、並列読み出しによる高速化と、高速化に伴って必要性が増す高感度化をうまくマッチングさせることは難しい。それだけに、これまで高速度撮影に適用されていない高感度化の方法を高速連続撮影技術に適用し、実用性を検討することは非常に重要である。

以下ではまず、高速化のための並列読み出しＣＣＤ型撮像素子と、これまで高速度撮影技術に適用されていない線形衝突電離増幅ＣＣＤ（ＬＣＣＭ）による高感度化とを組み合わせたデバイスの実用性を検討する。

図２は２５６行×２５６列（図では縦横各１／１６の、１６行×１６列で示している）の画素１４８と１個の出力アンプ１４９を持つインターラインＣＣＤ型撮像素子の水平読み出しＨＣＣＤ１５１と出力アンプ１４９の間に、線形衝突電離増幅ＣＣD（ＬＣＣＭ）１４７を付加したものである。ＬＣＣＭはハイネセックの発明（Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ２００３００４２４００）に従って、受光面の周囲に折り曲げて配置している。この場合、衝突電離増幅を有効に機能させるために、ＬＣＣＭの段数は２８８段となっている（図では１／１６の１８段で示している）。

これを高速連続撮影のために並列読み出しにしたものが図３である。図３では４並列読み出しである。すなわち、出力アンプ１４９および出力端子１４６の数がそれぞれ４個になっている。それぞれの出力アンプ１４９は受光面の１／４から出力される画像信号を1個づつ増幅して出力する。出力アンプとＬＣＣＭ１４７での増幅を合わせた合成増幅率が十分大きくなるように、４本のＬＣＣＭの段数は全て２２４段となっている（図では１／１６の各１４段で示している）。すなわち、並列読み出しになってもＬＣＣＭの長さは短くならない。

各々２２４段の４本のＬＣＣＭ１４７を配置するために、図３の例ではＬＣＣＭを受光面の下方に伸ばして直線状に配置している。図２のように折り曲げて配置することも可能ではあるが、読み出し線の数が増えると配置が困難になる。実際の高速撮影素子では８並列読み出し以上の読み出し線数を持っているのが普通であるから、折り曲げて配置するのは難しい。とくに高速駆動のための金属線の配置が複雑になり、金属線間のショートにより歩留まり率が急激に低下する可能性が高い。

図３の例では各々のＬＣＣＭ１４７とＬＣＣＭ１４７の間に大きな無駄なスペースが生じる。とくに十分な増幅率を確保するために１５０段以上のＬＣＣＭを入れるときは、受光面サイズとこの無駄なスペースとが同程度の面積になる。ＩＣを製造するときのステッパーやウェーファのサイズは一定なので、無駄なスペースが大きいと製造コストが単純に増倍する。またチップを乗せるパッケージの大きさも２倍となり、撮影装置（カメラの設計にも大きな無駄が生じる）。

高速撮影用並列読み出しＣＣＤに線形衝突電離増幅ＣＣＤを付加することが不利となるもう一つの大きな理由がある。

受光面内の数１００行の垂直ＣＣＤ（以下ＶＣＣＤと書く）１４０から受光面外の読み出し水平ＣＣＤ（以下ＨＣＣＤと書く）１５１には、数１００の画像信号が同時に転送される。ＨＣＣＤから出力アンプへは画像信号が１個づつ転送されるため、ＨＣＣＤ上の転送速度はできるかぎり大きくする必要がある。すなわち撮像素子から１画面分の画像信号を読み出す速度、すなわちフレームレートを決める最大の要因の一つがＨＣＣＤの駆動周波数となる。最近の通常の撮像素子のＨＣＣＤの駆動周波数は２５ＭＨｚかそれ以上である。

後述の本発明の実施例ではＨＣＣＤの駆動周波数は３２ＭＨｚである。ＨＣＣＤの駆動周波数が２５ＭＨｚであるか、３２ＭＨｚであるかは、本発明の機能の説明においては本質的な差異を生じない。したがって以下の説明ではＨＣＣＤの駆動周波数は３２ＭＨｚとする。

高速転送のため、ＨＣＣＤの駆動電圧の振り幅は、通常できる限り小さくする。大きくても５Ｖ程度である。ところがＣＣＭでは衝突電離を起こす程度の電界を作るために、１４Ｖから２０Ｖの大きな振り幅で駆動電圧を上下させる必要がある。振り幅が大きいほど、また駆動周波数が高いほど、正確に駆動するＣＣＤ、およびその駆動回路を作ることは難しくなる。また高い駆動周波数ほど、周囲に大きなノイズ電流を発生させる可能性が高くなる。本発明では高速撮影を目的としているのでＨＣＣＤの駆動周波数を下げることはできない。むしろより速くしたい。

図３に示すように、ＬＣＣＭ１４７をＨＣＣＤ１５１と出力アンプ１４９の間に付けると、ＬＣＣＭの駆動周波数はＨＣＣＤの駆動周波数と同じにしなければならない。したがって、３２ＭＨｚ程度の高い周波数で１４Ｖから２０Ｖの大きな電圧の振り幅でＬＣＣＭを駆動する必要が生じる。

またＬＣＣＭ１４７の末端に出力アンプ１４９が備えられる。出力アンプでは大きな増幅を行うので、周辺にはできるかぎりノイズ源を置かないようにしなければならない。したがって大きな駆動電圧の振り幅で、高速読み出しのために高速駆動するＬＣＣＭを出力アンプに直結することはできれば避けたい。その理由の一つを以下に説明する。

半導体中で高電界中を電子が走行すると、加速されて高エネルギーの電子が発生する。これを一般にホットエレクトロンと呼んでいる。ホットエレクトロンが発生すると、離れた電位の井戸に電子が入り込んだり、ゲート酸化膜を通って絶縁体中の浮遊電極や欠陥に飛び込んだりする。したがって水平ＣＣＤで高電界を作って電子を加速すると、ホットエレクトロンが隣接する電位井戸に入り込んで偽信号を生じる可能性がある。

一般にＨＣＣＤは、出力アンプが存在するために完全空乏化していないＰ−ｗｅｌｌ内にある。一方、後述の図４、図５、図９、図１２に示す例のように、ＶＣＣＤとＨＣＣＤの間に往復衝突電離増幅ＣＣＤを設けた場合は、完全空乏化した Ｐ−ｗｅｌｌ内で電離増幅ができる。後者の場合は、ホットエレクトロンの多くが隣接する電位井戸に入る前に基板に流出することが期待できるので、これにより、偽信号が抑制されることが期待される。

以上より、高速連続撮影のための並列読み出し型撮像素子を高感度化するために、各ＨＣＣＤ１５１と出力アンプ１４９の間に線形衝突電離増幅ＣＣＤ（ＬＣＣＭ）１４７を組み入れるには以下の２点の大きな問題点があることがわかる。

（１）並列読み出しの読み出し線の数と同じ数のＬＣＣＭを組み入れることにより、スペース上大きな無駄が生じる。

（２）これらを折り曲げ配置することも難しい。とくに高速駆動のための金属線配置が困難になる。

（３）駆動電圧の振り幅が１４Ｖから２０ＶもあるＬＣＣＭを３２ＭＨｚ程度の高い周波数で駆動する必要がある。このこととＬＣＣＭが出力アンプと近接することによるノイズの発生などの点で不利である。とくに並列読み出しの場合はこの問題がより大きくなる。

図４はＶＣＣＤ１４０とＨＣＣＤ１５１の間に１行の往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）１４２を並列に入れた例である。ＨＣＣＤ上の信号電荷を１つづつ読み出す間に、電荷を多数回往復させて増幅することが可能である。２５６行×２５６列の画素を備えているので、ＨＣＣＤの段数も２５６である（図では１６段で示している）。ＨＣＣＤ上の画像信号を読み出すには、ＨＣＣＤ上を２５６ステップ画像信号を転送する必要がある。この間、ＨＣＣＤとＢＣＣＭの駆動周波数がともに３２ＭＨｚであれば、ＢＣＣＭ上の画像信号は２５６回往復することになる。図１より明らかなように１往復中に、２度衝突電離増幅を起こす。したがってＢＣＣＭ上の信号電荷は５１２回の衝突電離増幅を受けることになる。この場合は衝突電離増幅により十分大きな増幅作用を受けることになる。

図５は並列読み出しの場合である。この場合は４並列読み出しであるので、ＨＣＣＤ１５１は４本に分かれており、それぞれ６４段のＣＣＤ要素からなる（図では６４段の１／１６の４段で表している）。

受光面も縦に４つのブロック１３９に分かれている。その各々は２５６行×６４列（図では１６行×４列で表している）の画素と、６４列のＶＣＣＤ（図では４列で表している）、および６４段の要素を持つＨＣＣＤ（図では４段で表している）を１本備えている。したがって各ブロックのＶＣＣＤとＨＣＣＤの間には６４個のＢＣＣＭ１４２（図では４個で表している）が並列に並んでおり、これが４組ある。

したがって、ＢＣＣＭ１４２とＨＣＣＤ１５１の駆動周波数が同じであれば、ＨＣＣＤ上の画像信号を読み出す間に、ＢＣＣＭ上の画像信号はＢＣＣＭ上を６４往復し、１２８回の往復衝突電離増幅を受けることになる。往復衝突電離増幅の回数は１５０回程度以上であることが望ましい。したがって往復衝突電離増幅の回数は不足する。したがって並列読み出し線数がこれ以上増えると往復衝突電離増幅ＣＣＤによる十分な増幅機能は期待できない。例えば読み出し線数が２倍の８並列読み出しの場合は、往復衝突電離増幅の回数はさらに１／２となって６４回に減少する。通常、高速撮像素子では８並列以上の読み出しが使われる。

このように、高速読み出しのための並列読み出し型撮像素子の、ＶＣＣＤとＨＣＣＤの間にＢＣＣＭを挿入する場合、ＢＣＣＭの駆動周波数がＨＣＣＤのそれと同じ高い周波数であっても、往復電離増幅の回数が不足する。

図６は本発明の発明者らが発明した「斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子（Ｉｎ−ｓｉｔｕ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｓｌａｎｔｅｄ Ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ Ｓｔｏｒａｇｅ）」の概念的説明図である。この撮像素子は、英語の名称の頭文字を連ねてＩＳＩＳと呼ばれている。

ＩＳＩＳの撮像素子３２の受光面１０内にフォトダイオード３３が並んでいる。各フォトダイオード列の中心線がＬ５０である。したがって各画素３４の横（列）ピッチと縦（行）ピッチはそれぞれＳ１とＳ２である。フォトダイオード列とフォトダイオード列の間に画像信号電荷を蓄える信号蓄積領域（メモリー領域）４２がある。

各フォトダイオード３３から斜め下方に向けてＣＣＤ３６が１本づつ伸びている。各フォトダイオードで発生した信号電荷はインプットゲート３８から、接続するこのＣＣＤに転送される。このＣＣＤ部分は遮光されており、画像信号のメモリー領域４２として働く。全てのフォトダイオードの各々がＣＣＤ型の画素周辺記録領域を持っているので、ある瞬間に撮影された画像信号は、全画素一斉にメモリー領域に移される。次の瞬間には、全フォトダイオード内に次の画像の画像信号が蓄積されている。これを繰り返すことにより、全画素一斉の究極の並列記録操作により、超高速連続撮影を実現することができた。

図６のＩＳＩＳは、受光面１０では、記録部（メモリー部）４２が斜行直線ＣＣＤメモリー３６で埋め尽くされているが、受光面より下では、下方に向かうに従って、斜行直線ＣＣＤメモリー３６の本数が徐々に減って、最後は読み出しＶＣＣＤ３７が１本になってからＨＣＣＤ３９に接続する。この部分ではＶＣＣＤの左右に大きな無駄なスペース１１７が生じる。限られたチップ面積はできるだけ有効に使う方が良い。

画素周辺記録型撮像素子（ＩＳＩＳ）にＣＣＭを導入する場合、ＩＳＩＳでは撮影後にゆっくり画像信号を撮像素子外に読み出すので、並列読み出し型高速撮像素子の場合と違って、ＣＣＭの駆動周波数を低く抑えることができる。ただしＩＳＩＳの読み出しＨＣＣＤを複数のＨＣＣＤに区分して、それぞれに出力アンプと出力端子を付けて、並列読み出し型高速撮像素子として使うこともできるようにする場合は、通常の並列読み出し型高速撮像素子の場合と同じく、ＣＣＭの駆動周波数を低く抑えつつ、かつ高速読み出しするための工夫を加える必要がある。

次に往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）の問題点を説明する。

ＢＣＣＭの各段上で多数回電荷を往復させると電荷パケットが大きくなる。大きな電荷パケットでも保持できるようにするために、図１において電荷を保持する第２電極４０２および第４電極４０４の幅を広くしている。このようにＢＣＣＭの各段で電荷を保持する領域を「電荷保持領域」と呼ぶことにする。電荷保持領域の面積を大にすることにより、ダイナミック・レンジを大きくすることができ、暗い被写体から明るい被写体までを同時に撮影することができる。

通常、ＣＣＤ転送路としては埋め込み型が使われる。図７はその説明図である。シリコン基盤９００の上部９６０には絶縁層８９９をはさんでポリシリコン電極９０１，９０２、９０３、９０４が乗っている。シリコン基盤の表面８９８では結晶欠陥等が多く、そこに信号電荷がトラップされたり、ノイズの発生源となったりする。したがって実際に信号を転送するのは表面から少しシリコン基盤側に入った埋め込み転送路１１４上である。

図７は４相駆動ＣＣＤである。電極９０２、９０３、９０４の下に保持された電荷９１０を電極９０３、９０４の下に転送し始めた瞬間の転送路中央１１４の電位分布１１５を示している。

電極９０１の電圧９５１を低く保ち、電極９０３と電極９０４の電圧９５３と９５４は高く保ったままで、電極９０２の電圧９５２を高い状態から低い状態に下げている。これにより、電極９０２の下にあった信号電荷９１０がＸの正方向（転送方向）に転送される。

各電極に与える電圧は離散的な飛び飛びの値であるが、電極と転送路の間には距離があるため、転送路での電位分布１１５はやや平滑化される。この効果を電界フリンジ効果という。

これにより電界が最小になるところ１０９でも、電界（電位の勾配）は完全にはゼロにはならない。このことはＣＣＤ上を電荷を転送する上で有利である。ＣＣＤ転送路１１４が表面から深いほど電界フリンジ効果が大きい。

一方、衝突電離増幅を起こすにはできるだけ大きな電界を作る必要がある。このためにはＣＣＤ転送路の深さをできるだけ浅くして電界フリンジ効果を小さくすることが望ましい。

したがってＢＣＣＭの各段で、電界フリンジ効果を小さくして大きな電界を作り、かつ電荷保持領域の面積を確保するために、電荷保持領域の電極の幅を大きくすると、各電荷保持領域の中央付近で電界がほとんどゼロになり、電荷の高速転送、すなわちＢＣＣＭの場合は、高い駆動周波数での往復衝突電離増幅ができなくなる。

高速撮影では、画面１枚当たりの入射光量が少なくなるので、同時に高感度化することが重要になる。

電子雪崩による信号増幅や、撮像素子の冷却を伴う低速読み出しによる読み出しノイズ低減などによる高感度化は、固体撮像素子の高速化（高いフレームレートによる撮影）には適さない。

衝突電離増幅ＣＣＤの増幅機能は高感度を要求される高速撮像素子にとって魅力的な機構である。しかし、衝突電離増幅ＣＣＤを直列多段に接続した線形衝突電離増幅ＣＣＤ（ＬＣＣＭ）を、標準的な高速撮像素子で使われる並列読み出し型撮像素子に導入すると以下の２つの問題が生じる。

（１）ＬＣＣＭはＨＣＣＤの末端と出力アンプとの間に挿入することになる。この場合、並列読み出しによりＨＣＣＤのＣＣＤ要素の段数は減る。例えばＮ並列読み出しではＨＣＣＤの段数は１／Ｎとなる。しかし増幅機能を維持するためにはＬＣＣＭのＣＣＤの段数を減らすことができない。したがってＮ倍の本数の長いＬＣＣＭを出力アンプ側に作りこむ必要がある。このためには、大きなスペースを取るか、もしくはＬＣＣＭを折り曲げて多重に配置するなどの工夫が必要になる。

（２）また高速読み出しのため、ＨＣＣＤと同じ高い周波数で、非常に大きな電圧の振り幅で駆動されるＬＣＣＭを出力アンプ周辺に配置することは、出力信号に加わるノイズの発生などの点で不利である。

線形衝突電離増幅ＣＣＤ（ＬＣＣＭ）のかわりに、ＣＣＤ要素の上を電荷を多数回往復させてその度に衝突電離増幅を起こさせる往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）を導入する場合を考える。

ＢＣＣＭは、受光面内の各列のＶＣＣＤの末端と水平読み出しＨＣＣＤの間に組み入れることができる。すなわちＶＣＣＤの本数と同じ数だけのＢＣＣＭを並列に組み入れることになる。

この場合、ＨＣＣＤ上に転送された画像信号を順次読み出す間に、ＨＣＣＤと同じ周波数でＢＣＣＭを駆動し、その上を電荷を往復させることで十分な回数の衝突電離増幅を繰り返すことができる。

ただし、高速化のために並列読み出し方式にしたＣＣＤ型撮像素子にＢＣＣＭを導入する場合は以下のような問題が生じる。

（１）出力端子数がＮ倍になると、ＨＣＣＤの段数は１／Ｎになる。ＢＣＣＭの駆動周波数がＨＣＣＤと同じであれば、ＢＣＣＭ上の電荷の往復回数は１／Ｎとなる。したがって高速化のために出力端子数を増やすと、十分増幅するに必要なだけの電荷往復回数を実現することができなくなる。ＢＣＣＭの駆動電圧の振り幅は非常に大きいので、ＨＣＣＤの駆動周波数以上の周波数で駆動することも実際上できない。

（２）ＢＣＣＭを非常に大きな振り幅の駆動電圧で、かつ高い周波数で駆動するとノイズの発生の可能性が高くなる。ノイズ低減のために駆動周波数を下げると、電荷の往復回数がより小さくなる。

多数回の往復電離衝突増幅を行うと電荷パケットが大きくなる。これを保持するために、電荷保持領域の電極の幅を大きくすると、電荷保持領域の中央付近で電界が小さくなる。とくにＢＣＣＭでは衝突電離のための高い電界を作るために、ＣＣＤ転送路をできるだけ浅くして電界フリンジ効果をできるだけ小さくする必要がある。この二つの効果の相乗効果により、電荷保持領域の中央付近で電界がほとんどゼロになる。これによりＢＣＣＭ内で高い繰り返し周波数で高速に衝突電離増幅することが困難になる。

電荷を進行方向と逆方向の双方向に転送でき、かつ少なくともどちらか一つの方向に転送するとき、電荷の衝突電離によって電荷の数を増加させる手段を有するＣＣＤを「往復衝突電離増幅ＣＣＤ」と呼ぶとき、複数の画像信号出力端子を備えるとともに、複数の並列に配置した垂直ＣＣＤの各々と受光面外に配置した水平ＣＣＤの間に、複数段の直列に接合した往復衝突電離増幅ＣＣＤを、該垂直ＣＣＤの数だけ並列に備えることを特徴とする撮像素子と撮影装置により、複数の画像信号出力端子からの並列読み出しによる高いフレームレートによる高速撮影ができるとともに、各垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの間に、往復衝突電離増幅ＣＣＤを挿入することにより、出力端子の数が多い場合でも、各々の出力端子近傍に衝突電離増幅ＣＣＤを備える場合に比べて、衝突電離増幅ＣＣＤを挿入することによって生じる配置上の困難を格段に軽減することができ、また、該往復衝突電離増幅ＣＣＤが出力アンプから十分離れていることにより、各々の出力端子近傍に衝突電離増幅ＣＣＤを備える場合に比べて、出力アンプと衝突電離増幅ＣＣＤが近接して配置されることによってノイズが出力信号に重畳する可能性を低減することができ、かつ往復衝突電離増幅ＣＣＤが複数段であることにより、大きな振り幅の駆動電圧で駆動される往復衝突電離増幅ＣＣＤの駆動周波数を下げることができ、これにより往復衝突電離増幅ＣＣＤの駆動を容易にするとともに、大きな振り幅の高い周波数による往復衝突電離増幅ＣＣＤの駆動に伴うノイズの発生を軽減することができることにより、高速度高感度低ノイズ撮影を可能にする撮影装置を提供する。

Ｎ≧２、Ｍ≧２とするとき、Ｎ行×Ｍ列の正方形、もしくは長方形の格子上に中心を持ち、入射した光もしくは荷電粒子を、その強度にしたがって電気信号に変換する手段と、該電気信号への変換手段の各々から発し、該電気信号への変換手段の中心点を結ぶ直交格子に対して平行でない方向に線状に伸びるＣＣＤと、該電気信号への変換手段の列ごとに、列に平行な１本の垂直ＣＣＤとを備える撮像素子を「斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子」と呼ぶとき、該電気信号への変換手段の列に平行な垂直ＣＣＤの各々の末端に接続された衝突電離増幅ＣＣＤを備えることを特徴とする撮像素子、および該撮像素子を備える撮影装置により、斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子に特有の、各垂直ＣＣＤの末端部の両側に存在する広いスペースに、スペース的に十分な余裕を持って単数または複数段の往復衝突電離増幅ＣＣＤを備えることができることにより、１０万枚／秒以上のフレームレートの超高速連続撮影を、高感度低ノイズで行うことのできる撮影手段を提供する。

Ｌ≧５とするとき、Ｌ相駆動の往復衝突電離増幅ＣＣＤを備える撮像素子、および該撮像素子を備える撮影装置により、広い電荷保持領域上に複数の電極を乗せ、その電圧を変えることにより電位差を生じさせ、電荷の転送を高速化することにより、多数回の増幅により電荷パケットが大きくなっても電荷の溢れを生じさせず、大きなダイナミック・レンジを確保しつつ、高い周波数で駆動可能なＢＣＣＭを備えた撮像素子を提供する。これにより、高ダイナミック・レンジ、高感度、高速度撮影装置を提供する。

図８は本発明の第１実施例の撮影装置のシステム構成図である。図９はその撮像素子の概要説明図である。

レンズ２１から入った光はシャッター２２を通り、撮像素子３２の受光面１０上に結像する。

撮像素子３２から撮像素子外に読み出された画像信号は、撮像素子外のプリアンプ２４でさらに増幅された後、ＡＤコンバーター２５によるデジタル化を経て、バッファメモリー２６に蓄えられる。

ＣＣＤの駆動のために、電圧供給部３０とタイミングコントローラ２９が備えられている。これらは撮影タイミングと、ＶＣＣＤ、ＢＣＣＭ、ＨＣＣＤの駆動をコントロールする。また撮影対象現象の発生と撮影タイミングを合わせるためのトリガー信号発生部１００を備えている。

バッファメモリー２６に保存されたデジタル化された画像信号を、画像情報処理装置２７により、連続画像として再構成し、モニター２８上に３０枚／秒以下のフレームレートで再生する。

図９に示す撮像素子３２は受光面１０上に２５６行×２５６列の画素３０３を備えている（図では行列ともに１／１６の１６行×１６列で示している）。画素サイズは２０ミクロン×２０ミクロンである。したがって受光面面積は５．１２ｍｍ×５．１２ｍｍである。

本撮像素子は高速撮影のために、出力アンプ１４９と出力端子１４６を各４個備えている。すなわち４並列読み出し撮像素子である。すなわち各出力端子から２５６行×６４列の画像信号を読み出す。

各画素はフォトダイオード１４８と、信号電荷の下方への転送のためのＶＣＣＤ１４０を備えている。ＶＣＣＤの数は画素列の数、すなわち２５６本である（図では１６本で示している）。

ＨＣＣＤの要素の数は６４個である（図では４個で示している）。

各画素へ光が入射すると、入射光量に対応した数の電子−正孔対を発生し、そのうち正孔は撮像素子外に排出され、残った電子が各フォトダイオード１４８内に蓄積される。これが、ＶＣＣＤ１４０に一斉に転送される。

次に、ＶＣＣＤ上に転送された画像信号（電子）は、一斉に１段だけ下方に転送される。したがって最下段、すなわち２５６行目の画像信号は一斉に、下方の２５６個の並列に並んだ往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）１４２に転送される。

各段のＢＣＣＭは、３２段の往復衝突電離増幅ＣＣＤ３０８、３０９を備えている（図では１／１６の２段で示している）。

ＢＣＣＭの増幅原理と、駆動電圧パターンはすでに図１に示した。信号電荷は３２段のＢＣＣＭで増幅されたのち、さらに下方のＨＣＣＤ１５１に転送され、さらに出力アンプ１４９、出力端子１４６を経て撮像素子の外部に読み出される。

受光面の構造は普通のインターラインＣＣＤである（一般的であるので図示していない）。フォトダイオード部が１５ミクロン×２０ミクロン、ＣＣＤの部分が５ミクロン×２０ミクロンである。ただしこれらの値にはチャンネル・ストップの面積が含まれている。例えばＣＣＤ部分ではチャンネル部分の幅が４ミクロン、両側のチャンネル・ストップ部分の幅が各１ミクロンである。

各画素のＣＣＤ部分の電極の幅は全て５ミクロンである。４相駆動ＣＣＤでは、交互に２つもしくは３つの連続する電極下で電荷を保持する。したがって電荷パケットを保持する面積は小さい場合で２電極分、すなわち４ミクロン×（２×５ミクロン）＝４０平方ミクロンである。

一方、図１０に示す本実施例のＢＣＣＭは１要素（１段）８５０の上に乗っている電極の数が６枚の６相駆動ＣＣＤである。１段のＢＣＣＭのサイズは幅２０ミクロン×縦４０ミクロンである。ただしＢＣＣＭ部分にはフォトダイオードは入っていない。２０ミクロン×４０ミクロンの全面積がＣＣＤである。幅２０ミクロンのうちＣＣＤチャンネル８５１の幅は１９ミクロン、チャンネルストップ８５２の幅は１ミクロンである。

図１０に示すように、第１電極７０１と第４電極７０４の幅は狭く、第２電極７０２、第３電極７０３と、第５電極７０５、第６電極７０６の幅は広い。

第１電極の役割は、往復中に電荷が隣接するＣＣＤ要素に移動することを防ぐための電位バリアを作ることである。第４電極の役割は、往復衝突電離増幅を起こすための電位バリアを作ることである。これらの目的のためには電極幅は２ミクロンあれば十分である。

往復衝突電離増幅モードでは、第１電極の電圧は０Ｖである。第４電極の電圧は５Ｖである。

一方、第２電極、第３電極と第５電極、第６電極の役割は基本的に信号電荷を蓄積することと、信号電荷を往復させることである。第２、第３電極を合わせた面積、もしくは第５、第６電極を合わせた面積の下に電荷パケットが蓄積される。往復衝突電離増幅により信号電荷の数が増大する。したがって、第２、第３電極、および第５、第６電極の幅はできる限り広い方がよい。したがってこれらの電極の幅は９ミクロンである。したがって一つの電荷保持領域８００の長さはその２倍で１８ミクロンである。チャンネル幅は１９ミクロンであるから、電荷パケットは１８ミクロン×１９ミクロン＝３４２平方ミクロンの面積に保持される。これは受光部のＣＣＤの電荷保持領域の面積４０平方ミクロンに比べて約８．５５倍である。したがって増幅率が８．５５倍までであれば、電荷パケットが溢れ、ブルーミングを起こすことはない。

実際には信号電荷パケットが大きくなると、図１１（ｂ）に示すように蓄積された電荷パケットにより、ＢＣＣＭ内の実質の電位差８６０が小さくなり、これにより電界も小さくなって増幅作用が小さくなる。したがってＢＣＣＭの増幅作用によるブルーミングが起こる確率は低い。

最初の信号電荷パケット９９３（これがＢＣＣＭの「入力信号レベル」である）が非常に小さいときは、最も大きな増幅効果を受ける。このような入力信号９９３の大きさと、増幅後の電荷パケットの大きさ９９４（これがＢＣＣＭの「出力信号レベル」である）の関係９９０を図１１（ｃ）に示す。すなわち入力信号９９３が小さいほど増幅効果は大きい。このときは入出力関係はほぼ比例関係になる。この領域が線形増幅領域９９１である。入力信号９９３が大きくなるにしたがって増幅効果は徐々に小さくなり、出力信号９９４の大きさはある上限値に漸近する。このような指数関数的増幅率の増大（逆関数では対数関数）は、暗い部分と明るい部分の共存する高ダイナミックレンジ撮影において効果的である。このような増幅関係を示す領域を対数増幅領域９９２と呼ぶ。

一つの電荷保持領域８００に乗る電極を２つの電極に分けているのは、電荷の転送をスムーズに行うためである。

通常のＣＣＤでは埋め込み型ＣＣＤ構造を採用する。すなわち電荷をシリコン基盤の表面から０．２〜１ミクロン程度内側に入ったところを転送する。これにより電荷の表面トラップを防ぐとともに、図７に示すように電位プロファイルが滑らかになり、電荷がスムーズに転送されるようになる。この効果を電界フリンジ効果と呼ぶ。

一方、ＢＣＣＭではできるだけ大きな電界を作るために、電荷は表面トラップが起きない範囲で、できる限り表面に近いところを転送する。したがって電界フリンジ効果が小さくなる。電界フリンジ効果が小さいときに長さ１８ミクロンもの距離を転送することになる。このため、各電荷保持領域８００の中央付近では電界がほぼゼロになる。したがって１つの電荷保持領域を２つの部分に分け、それぞれの上に別の電極を乗せて、これらの電極間の電圧に差をつけることにより電位勾配を作り、電荷の転送をスムーズにし、高速転送を可能にしている。

図１０で、電荷の保持時には第２電極７０２、第３電極７０３、もしくは第５電極７０５、第６電極７０６の電圧は２０Ｖである。一方、第２、第３電極から第５、第６電極に電荷を転送するときは、第５、第６電極の電圧は２０Ｖに保ったままで、第２電極の電圧は４Ｖに、第３電極の電圧は５Ｖに下げる。これにより、電荷の転送方向に図１０に示すような電位分布が生じ、電荷がスムーズに第５、第６電極に転送される。逆方向の転送の場合も同様である。

ＢＣＣＭの高速転送のために各電極にはアルミニウムによる金属配線で駆動電圧が送られている。各ＢＣＣＭの４０ミクロンの区間に６電極を乗せるので、電極のピッチは平均すると約６．７ミクロンである。したがって金属配線のピッチも約６．７ミクロンである。現在のＩＣチップの製造技術を用いれば５ミクロンピッチ以上であれば金属線間のショートを起こすことはない。

本実施例では、６４段のＨＣＣＤ上の信号電荷を１回読み出す度に、ＢＣＣＭの各段では、画像信号が４往復する。すなわち各段で８回の衝突電離増幅を受ける。すなわち３２段で合計２５６回の衝突電離増幅を受ける。これによりもとの画像信号は十分な増幅を受ける。

１行の画像信号は、最上段（列）のＢＣＣＭ上で４往復したのち、２段目のＢＣＣＭに転送され、そこでまた４往復する。各段で４往復し、下の段に転送される間に、ＶＣＣＤ上では１列だけ画像信号が下方に転送される。その間にＨＣＣＤ上にある画像信号は全て素子外に読み出される。

すなわちこの撮像素子から画像１枚分の画像信号を読み出すのに必要な時間は、２５６段のＶＣＣＤに加えて、ＢＣＣＭ上の３２行分画像信号を垂直方向に転送するために必要な時間の分だけ長くかかる。すなわち単純な並列読み出しの場合に比べて（２５６＋３２）／２５６＝１．１２５倍となる。これは高感度を実現できることを考慮すれば十分許容できる範囲である。

また３２段のＢＣＣＭを挿入するための面積は、単純な並列読み出しの場合に比べて（２５６列×２０ミクロン＋３２行×４０ミクロン）／（２５６列×２０ミクロン）＝１．２５倍となる。これも高感度を実現できることを考慮すれば許容できる水準である。

以上の過程が繰り返されることにより、１枚の画面分の画像信号が読み出される。さらにこれが繰り返されることにより、撮影された画像が連続的に読み出される。

４個の各出力端子から読み出される画像信号の数は１画面あたり２５６行×６４列＝１６，３８４個である。ＨＣＣＤの駆動周波数は３２ＭＨｚである。３２ＭＨｚで１６，３８４個の画像信号を読み出すために必要な時間は、全く無駄のない理想的な読み出し方をした場合で（１／３２，０００，０００）秒／個×１６，３８４個、すなわち０．０００５１２秒である。フレームレートはその逆数で１，９５３．１２５枚／秒となる。

実際にはブランキング時間や上述のＢＣＣＭの導入による１２．５％の時間増なども加わるので、本実施例の撮像素子の撮影速度（フレームレート）は１，０００枚／秒である。フレームインタバルは０．００１秒である。

信号読み出しに要する時間は０．０００５１２×１．１２５秒＝０．０００５７６秒である。すなわち（０．０００１−０．０００５７６）秒＝０．０００４２４秒＝４２４マイクロ秒がブランキング時間などに使われる。

ＨＣＣＤを１行分読み出した直後から次の１行分を読み出す直前までの時間を水平ブランキング時間という。本実施例では水平ブランキング時間は０．０００００１２秒＝１．２マイクロ秒である。

１画面分の画像信号を読み出す間に、受光面内の画素の行数２５６行分、およびＢＣＣＭの行数３２行分の合計２８８回の水平ブランキングがある。したがって、１画面分の画像信号を読み出す間に水平ブランキングのために使う時間は０．０００００１２×２８８秒＝３４５．６マイクロ秒である。残りの（４２４−３４５．６）マイクロ秒＝７８．４マイクロ秒を１画面と１画面の間のブランキング期間として使っている。

ＢＣＣＭの駆動周波数は２．５MHｚである。すなわち信号電荷は０．４秒間ごとに１度ＢＣＣＭ上を往復する。１．２マイクロ秒の水平ブランキング期間に２往復する。これに０．８マイクロ秒かかる。次の０．４マイクロ秒間で１段下のＢＣＣＭに転送される。１往復するごとに２度衝突電離増幅を受けるので、往復中に４回衝突電離増幅を受ける。１段転送されるごとに２度衝突電離増幅を受ける。したがって１．２マイクロ秒の間に合計６回の衝突電離増幅を受ける。ＢＣＣＭは３２段であるので、各信号電荷はＨＣＣＤに到達するまでに３２×６＝１９２回の衝突電離増幅を受ける。

水平ブランキング期間中にはＨＣＣＤは停止しているので画像信号の読み出しも行われていない。したがってその間にＢＣＣＭを駆動しても、ＢＣＣＭの駆動によるノイズが出力信号に加わることはない。

本実施例ではＢＣＣＭの第２電極７０２と第６電極７０６は４Ｖから２０Ｖの間の１６Ｖの振り幅で、第３電極７０３と第５電極７０５は５Ｖから２０Ｖの間の１５Ｖの振り幅で、２．５MHｚで駆動される。この程度の大きな電圧の振り幅であっても２．５MHｚ程度であれば、現在のＣＣＤ駆動技術で無理なく駆動することができる。

以上よりわかるように、本実施例では、高速撮影のための並列読み出し素子であるにもかかわらず、ＢＣＣＭの駆動周波数が２．５ＭＨｚであるので、大きな駆動電圧の振り幅であっても無理なく駆動され、必要な衝突電離増幅が行われ、かつＢＣＣＭの駆動による出力画像信号に対するノイズの重畳がない。

ＨＣＣＤは６４のＣＣＤ要素を持っており、３２ＭＨｚで駆動されるので、水平ブランキング期間と次の水平ブランキング期間の間の画像信号読み出し時間は２マイクロ秒である。したがって、この間にもＢＣＣＭを２．５ＭＨｚで往復駆動させると画像信号は５往復し、１０回の衝突電離増幅を受ける。水平ブランキング中の駆動と合わせると１６回の衝突電離増幅を受ける。３２段では３２×１６＝５１２回の衝突電離増幅により、より大きな増幅効果を得ることができる。

ただしこの場合は、素子全体の電位レベルなどが信号読み出し中に微妙に変わることにより、出力アンプの増幅率が周期的に変動する。これにより出力信号に周期的な縦縞が生じる。これは固定パターン雑音（ＦＰＮ、 Ｆｉｘｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｎｏｉｓｅ）であるので、撮影後の画像信号のポスト・デジタル処理などにより軽減することができる。したがって非常に高い増幅率による超高感度高速撮影が要求される場合にはこの方法を使うことができる。

とくにフォトンが１個１個の粒子であることによる光のショットノイズが無視できないような超高感度撮影では、ＢＣＣＭの駆動によるＦＰＮの発生よりもショットノイズの影響の方が大きくなるので、信号読み出し中のＢＣＣＭの駆動が有利になる場合もある。

また非常に短時間であれば、ＢＣＣＭをＨＣＣＤと同じ３２ＭＨｚで駆動することもできる。このときはＢＣＣＭの駆動による縦縞状のＦＰＮは生じない。ただし、撮像素子の発熱のために熱雑音が生じ、ＢＣＣＭは熱雑音も含めて増幅することになる。したがってこの駆動方法は非常に短時間の撮影の場合に使うことができる。実際、高速度撮影では１秒以上撮影時間が継続することは少ない。０．１秒、０．０１秒、あるいはそれ以下の時間で撮影が終了することも多い。

各列のＶＣＣＤに３２段のＢＣＣＭが付加されていることにより別の大きなメリットがある。

本実施例では各列ごとに２５６個のＢＣＣＭが備えられている。当然これらのＢＣＣＭの増幅率は異なる。これにより、ＨＣＣＤ上を転送され、出力アンプから出力される信号電荷に対する増幅率は、信号１個ごとに異なる。このため、再生画像上で縦縞が見える。

各段のＢＣＣＭの増幅率には差異があるが、これらが３２段直列につながっていることにより、各段の増幅率のバラツキは平均化される。バラツキは段数の平方根に逆比例するので、この平均化によりバラツキは１／５．６６に小さくなる。これにより縦縞は緩和される。

縦縞を完全に消すには、さらに撮影後にデジタル化された画像信号にポスト・デジタル処理を加えれば良い。ＡＤコンバータの前のプリアンプの増幅率をアナログ補正により１画素ごとに変えても良い。

本実施例は並列読み出し素子であるので、各出力アンプの増幅率が微妙に異なる。したがってＢＣＣＭの付加とは別に、再生画面上に必ず縦筋が生じる。これを軽減するためのポスト・デジタル信号処理もしくはオンラインアナログ信号処理による補正は必要である。この補正手段をＢＣＣＭによる増幅率の違いの補正手段と共用しても良い。この場合は、ＨＣＣＤを駆動して信号を出力中に、ＨＣＣＤより遅い駆動周波数でＢＣＣＭを駆動しても良い。

以上まとめると、本第１実施例の撮影装置は、衝突電離増幅機能を持つＣＣＤにより、高速化に伴う画像１枚あたりの光量不足を補う、高感度高速撮影手段を提供するものである。このとき複数段の往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）を受光面内のＶＣＣＤと受光面外のＨＣＣＤの間に配置することにより、大きな振り幅の駆動電圧で駆動されるＢＣＣＭの駆動周波数を低く抑えて駆動を容易にし、ノイズの発生を低減し、さらに各ＢＣＭＤの増幅率の違いによる再生画像上に見える縦縞を低減し、撮像素子チップ内の配線を複雑化させることなく、高感度で並列読み出しによる高速連続撮影を可能にした。

本発明の第２実施例を図１２に示す。これは斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子にＢＣＣＭを導入したものである。この場合は読み出しＶＣＣＤ３７と読み出しＨＣＣＤ３９の間にＢＣＣＭ１４２を挿入する。

斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子の一つの欠点は、受光面と読み出しＨＣＣＤの間に大きなスペース１１７があることである。すなわち受光面と読み出しＨＣＣＤの間で、画像信号蓄積部の幅は徐々に狭くなり、読み出しＶＣＣＤ３７の最下段、すなわちＨＣＣＤと接合する部分では、画像信号蓄積部は無くなって、ＶＣＣＤの左右に使われていない広い空間１１７が残る。

したがって、読み出しＶＣＣＤと読み出しＨＣＣＤの間に、空間的に十分な余裕をもってＢＣＣＭを挿入することができる。これにより、第１実施例の効果に加えて、さらに以下のような効果が生じる。

（１）ＢＣＣＭの幅を十分広く取ることができるので、ＢＣＣＭによる増幅により信号電荷パケットが大きくなっても、ＢＣＣＭの各段の長さを大きくする必要がない。ＢＣＣＭの各段の長さが大きいと、大きな電界を得るための表面に近い埋め込みＣＣＤ構造のために電界フリンジ効果が小さくなり、ＢＣＣＭの各電荷保持部に２以上の電極を乗せて電荷の転送をスムーズにする必要がある。ＢＣＣＭの各段の長さが短いときは、ＢＣＣＭの各段の電荷保持部に乗せる電極は１個で良い。したがってＢＣＣＭは６相あるいはそれ以上の駆動ではなく、４相駆動のＣＣＤで構成できる。４相駆動ＣＣＤは６相駆動ＣＣＤに比べてはるかに駆動が容易である。

（２）ＢＣＣＭの段数が少ないとき、高い電圧の振り幅で高い周波数でＢＣＣＭを駆動する必要がある。これにより、近接して他の電気回路がある場合は、周囲の回路におけるノイズの発生源となる可能性がある。本第２実施例では、ＢＣＣＭの周囲には広い空間があるのでこの問題は生じない。

（３）逆にこの空間にＢＣＣＭをサポートするための回路を組み入れることができる。例えば、ＢＣＣＭにおける増幅のために信号電荷パケットが大きくなりすぎた場合に対するオーバーフロードレーンや、さらにオーバーフローした電荷に種々の処理を加える回路などを組み入れることができる。

その他の実施例

本発明の実施例は上記の例に限らない。往復衝突電離増幅ＣＣＤを適用するＣＣＤ型の高速撮像素子としては以下のような実施例がある。

図１０では、第２電極と第３電極の電位差に差をつけて長い電荷保持領域上の電荷の転送を容易にしている。このかわりに、電荷の転送方向に向かってＣＣＤ転送路の幅を広げたり、転送路のｎドープの濃度を下流に行くにしたがって少し上げても良い。これらの方法によって、電荷保持領域上に電極を２枚乗せるかわりに１枚の電極を乗せて、下流側に向かって転送路の電位を少しづつ大きくし、電荷の転送を容易にすることができる。

このようにしておくと、往復衝突電離増幅時のみならず、信号電荷を下の段のＣＣＭ要素に転送する場合も電子の転送速度が上がる。これは図１０の第２電極と第３電極で作られる電荷保持領域の転送方向が、往復衝突電離増幅時も、下段への転送時も同じ方向であるからである。

一方、第５電極と第６電極で作られる電荷保持領域については、往復衝突電離増幅時には上流方向、下段への転送時には下流方向へと電荷の転送方向が変わる。この場合は、例えば下流に向かって転送路の幅を狭くする、あるいはｎドーピングの濃度を薄くするなどの方法で、往復衝突電離増幅時の上流方向への電荷の転送を容易にすると、電荷の下段への転送時に逆勾配となる。

したがって、第５電極と第６電極で作られる電荷保持領域が長い場合は、転送路の幅を変えたり、ドーピング濃度を変える等の方法を適用することができない。したがって、第５、第６電極の場合は、復路と、往路の転送を容易にするには２枚の電極を乗せることが効果的となる。したがって、図１０で第２電極と第３電極を１つの電極にし、第５、第６電極は２枚の電極として５相駆動としても、請求項３の効果を発揮することができる。

電極を転送路に対して直角ではなく、斜めに置くことでも同様の効果が生じる。この場合は、各電荷保持領域上の電極を１枚にすることもできる。ただし設計がやや複雑になり、同じ転送路幅と転送路長に対して、電荷の転送容量（保持容量）が小さくなる。

フレームトランスファＣＣＤ、フレームトランスファ・インターラインＣＣＤの信号蓄積ＶＣＣＤの最下行の要素と、ＨＣＣＤの間に多段ＢＣＣＭを挿入しても良い。また多段ＢＣＣＭを裏面照射ＣＣＤに適用してもよい。

また純ＣＣＤ型撮像素子である必要もない。衝突電離増幅ＣＣＤを付加すると、信号電荷が十分大きくなるので、ＭＯＳ型やその他の逐次読み出し方式を用いても、高いＳＮ比を実現することができる。とくに斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子の場合は、ＶＣＣＤの下端に十分広いスペースがあるので、ここにＢＣＣＭやＬＣＣＭだけでなく、さらにプリアンプやＡＤコンバータを組み入れることもできる。

これらの場合も、複数の読み出し端子を持つ並列読み出し高速撮像素子に本発明が好適に適用できる。

また往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）の各段で複数回の往復衝突電離増幅をしたのち、下段のＢＣＣＭに転送するという方法のかわりに、数段にわたって下段に転送した後、上段に転送することで往復衝突電離増幅させることもできる。

衝突電離増幅ＣＣＤ（ＣＣＭ）の原理説明図 線形衝突電離増幅ＣＣＤ（ＬＣＣＭ）を備えるＣＣＤ型撮像素子 並列読み出しで、線形衝突電離増幅ＣＣＤ（ＬＣＣＭ）を備えるＣＣＤ型撮像素子 １段の往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）を備えるＣＣＤ型撮像素子 並列読み出しで、１段の往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）を備えるＣＣＤ型撮像素子 斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子（ＩＳＩＳ） 電界フリンジの説明図 第１実施例の説明図 第１実施例の撮像素子（並列読み出しで、３２段の往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）を備えるＣＣＤ型撮像素子） 第１実施例の往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ） 往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）の対数増幅性（信号電荷が大きいほど増幅率が小さくなる性質）の説明図 第２実施例の撮像素子（往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）を備える斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子（ＩＳＩＳ））

符号の説明

１０ 受光面
２１ レンズ
２２ シャッター
２４ プリアンプ
２５ ＡＤコンバータ
２６ バッファメモリー
２７ 画像信号処理装置
２８ モニター
２９ タイミング・コントローラ
３０ 電圧供給部
３２ 撮像素子
３３ ＩＳＩＳのフォトダイオード
３４ ＩＳＩＳの画素
３６ ＩＳＩＳのＣＣＤメモリー
３７ ＩＳＩＳの読み出しＶＣＣＤ
３８ ＩＳＩＳのフォトダイオードとＣＣＤメモリー間のインプットゲート
３９ ＩＳＩＳの読み出しＨＣＣＤ
４２ ＩＳＩＳのメモリー領域
５０ ＩＳＩＳのフォトダイオードの中心線Ｌ
１００ トリガー信号発生部
１０９ 転送方向の電位プロファイルで電界が最小になる点
１１４ ＣＣＤの埋め込み型転送路
１１５ ＣＣＤの電位分布
１１７ ＩＳＩＳの読み出しＶＣＣＤ間の大きなスペース
１３９ 並列読み出しＣＣＤにおける、各出力アンプがカバーする受光面のブロック
１４０ ＶＣＣＤ
１４２ 往復衝突電離増幅ＣＣＤ（ＢＣＣＭ）
１４６ 出力端子
１４７ 線形衝突電離増幅ＣＣＤ（ＬＣＣＭ）
１４８ インターラインＣＣＤの画素
１４９ 出力アンプ
１５１ ＨＣＣＤ
２０１〜２０４ ＣＣＭの第１〜第４位相の電極の下の電位
４０１〜４０４ ＣＣＭの第１〜第４位相の電極
７０１〜７０６ 第１実施例のＢＣＣＭの第１〜第６電極
８００ 第１実施例のＢＣＣＭの電荷保存領域
８５０ 第１実施例のＢＣＣＭの１要素
８５１ 第１実施例のＢＣＣＭのチャンネル（転送路）
８５２ 第１実施例のＢＣＣＭのチャンネルストップ
８６０ ＢＣＣＭにおける衝突電離に必要な電位差
８９８ ＣＣＤのシリコン基盤の表面
８９９ ＣＣＤのシリコン基盤上の絶縁層
９００ ＣＣＤのシリコン基盤
９０１〜９０４ ４相駆動ＣＣＤの電極
９１０ ＣＣＤで転送される電荷
９５１〜９５４ ＣＣＤの電極９０１〜９０４の電圧
９６０ ＣＣＤのシリコン基盤表面より上の領域
９９０ ＢＣＣＭの入力信号電荷と出力信号電荷の関係
９９１ ＢＣＣＭの線形増幅領域
９９２ ＢＣＣＭの対数増幅領域
９９３ ＢＣＣＭの入力信号レベル
９９４ ＢＣＣＭの出力信号レベル

Claims (3)

1. 電荷を進行方向と逆方向の双方向に転送でき、かつ少なくともどちらか一つの方向に転送するとき、電荷の衝突電離によって電荷の数を増加させる手段を有するＣＣＤを「往復衝突電離増幅ＣＣＤ」と呼ぶとき、複数の画像信号出力端子を備えるとともに、複数の並列に配置した垂直ＣＣＤの各々と受光面外に配置した水平ＣＣＤの間に、複数段の直列に接合した往復衝突電離増幅ＣＣＤを、該垂直ＣＣＤの数だけ並列に備えることを特徴とする撮像素子、および該撮像素子を備える撮影装置。
2. Ｎ≧２、Ｍ≧２とするとき、Ｎ行×Ｍ列の正方形、もしくは長方形の格子上に中心を持ち、入射した光もしくは荷電粒子を、その強度にしたがって電気信号に変換する手段と、該電気信号への変換手段の各々から発し、該電気信号への変換手段の中心点を結ぶ直交格子に対して平行でない方向に線状に伸びるＣＣＤと、該電気信号への変換手段の列ごとに、列に平行な１本の垂直ＣＣＤとを備える撮像素子であって、該電気信号への変換手段の列に平行な垂直ＣＣＤの各々の末端に接続された衝突電離増幅ＣＣＤを備えることを特徴とする撮像素子、および該撮像素子を備える撮影装置。
3. Ｌ≧５とするとき、Ｌ相駆動の往復衝突電離増幅ＣＣＤを備える撮像素子、および該撮像素子を備える撮影装置。

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