JP2005294398A - Image pickup element and image pickup element device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部やその受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部などを備えた撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置に関する。 The present invention relates to an image pickup device including a light receiving portion that receives incident light by converting incident light into an electric signal, a reading portion that reads out an electric signal obtained from the light receiving portion, and an image pickup device using the same. Relates to the device.
この種の撮像素子として、例えばCCD(Charge Coupled Device)型固体撮像素子がある。かかるCCD型固体撮像素子(以下、『CCD』と略記する)は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部に相当するフォトダイオードと、そのフォトダイオードから得られた電気信号を読み出す読み出し部に相当するゲート電極とを備えて構成されている。(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、CCDを高速撮像装置に用いた場合には、次のような問題がある。 However, when a CCD is used in a high-speed imaging device, there are the following problems.
高速撮像の場合には露光時間が短くなる。したがって、露光量が少なくなって、それに伴ってフォトダイオードで発生する電気信号の量も少なくなってしまう。そこで、強い照明でフォトダイオードに向けて光を入射させるあるいはフォトダイオードの面積を大きくして、露光量を多くすることが考えられる。しかし、フォトダイオードの面積を大きくして露光量を多くする場合には、フォトダイオードからゲート電極までの距離が長くなってしまい、フォトダイオードからゲート電極までに転送する時間が長くなってしまう。その結果、フォトダイオードからゲート電極を介して転送する時間も長くなってしまい、高速に転送することが難しくなる。このように、高速撮像を行うと露光量が少なくなってしまい、その露光量を多くするためにフォトダイオードの面積を大きくすると高速撮像が行えないという問題がある。 In the case of high-speed imaging, the exposure time is shortened. Therefore, the amount of exposure is reduced, and the amount of electric signal generated by the photodiode is also reduced accordingly. Therefore, it is conceivable to increase the exposure amount by making light incident on the photodiode with strong illumination or increasing the area of the photodiode. However, when the exposure area is increased by increasing the area of the photodiode, the distance from the photodiode to the gate electrode becomes longer, and the transfer time from the photodiode to the gate electrode becomes longer. As a result, the transfer time from the photodiode through the gate electrode also becomes long, and it becomes difficult to transfer at high speed. As described above, when high-speed imaging is performed, the exposure amount is reduced, and there is a problem that high-speed imaging cannot be performed if the area of the photodiode is increased in order to increase the exposure amount.
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides an imaging device capable of transferring an electrical signal from a light receiving unit to a reading unit at high speed, and an imaging device device using the imaging device. Objective.
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。 In order to achieve such an object, the present invention has the following configuration.
すなわち、請求項1に記載の発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部とを備えた撮像素子であって、受光部から前記読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることを特徴とするものである。
That is, the invention according to
[作用・効果]請求項1に記載の発明によれば、受光部は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光して、読み出し部は、その受光部から得られた電気信号を読み出す。このとき、受光部から読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることで、受光部から読み出し部までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配に沿って電気信号が円滑に転送される。その結果、受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる。
[Operation / Effect] According to the invention described in
また、請求項4に記載の発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部とを備えた撮像素子を用いた撮像素子用装置であって、受光部から前記読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an imaging device comprising: a light receiving unit that receives incident light by converting incident light into an electric signal; and a reading unit that reads out an electric signal obtained from the light receiving unit. An image sensor device using the above-described device is characterized in that a potential gradient in which a potential related to an electric signal sequentially changes from a light receiving portion toward the reading portion is provided.
[作用・効果]請求項4に記載の発明によれば、受光部から読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることで、受光部から読み出し部までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配に沿って電気信号が円滑に転送され、受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる。 [Operation / Effect] According to the invention described in claim 4, by providing a potential gradient in which the potential relating to the electric signal sequentially changes from the light receiving unit to the reading unit, electric power is generated between the light receiving unit and the reading unit. The electric signal is smoothly transferred along the potential gradient without delaying the signal, and the electric signal can be transferred from the light receiving unit to the reading unit at a high speed.
上述したこれらの請求項1、4に記載の発明において、ポテンシャル勾配の例として以下のようなものがある。例えば、受光部を構成する不純物の幅を、受光部から読み出し部に向かって逐次に広げることでポテンシャル勾配を設けるのが挙げられる(請求項2、5に記載の発明)。また、受光部を構成する不純物の濃度を、受光部から読み出し部に向かって逐次に高くすることでポテンシャル勾配を設けるのが挙げられる(請求項3、6に記載の発明)。
In the above-described inventions according to
また、請求項4から請求項6のいずれかに記載の発明(撮像素子用装置)において、装置を、撮像素子で得られた電気信号のデータを用いて分析を行う分析装置や、データのみを記憶して記憶したデータを外部装置に転送する転送装置として用いてもよいし、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を受光部が電気信号に変換して被写体を撮像する撮像装置として用いてもよい。撮像装置の場合には、上述した被写体の光学像を取り込む水晶体を備えている(請求項7に記載の発明)。また、撮像装置が、例えば撮影速度が1.0×106フレーム/秒(1,000,000フレーム/秒)の高速撮像装置のように、電気信号を高速に転送する場合には、この発明は特に有用である。本明細書中では、撮影速度が100,000フレーム/秒以上を『高速撮影』とする。 Further, in the invention according to any one of claims 4 to 6 (apparatus for image pickup device), the apparatus is an analysis device for performing analysis using data of electric signals obtained by the image pickup device, or only data. It may be used as a transfer device for transferring stored and stored data to an external device, or as an imaging device that captures an optical image of a subject, and a light receiving unit converts the captured optical image into an electrical signal to image the subject. It may be used. In the case of the imaging apparatus, the above-described crystal body that captures the optical image of the subject is provided (the invention according to claim 7). In addition, when the imaging device transfers an electrical signal at a high speed, such as a high-speed imaging device having a shooting speed of 1.0 × 10 6 frames / second (1,000,000 frames / second), the present invention is used. Is particularly useful. In the present specification, “high-speed shooting” means that the shooting speed is 100,000 frames / second or more.
この発明に係る撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置によれば、受光部から読み出し部に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配を設けることで、受光部から読み出し部までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配に沿って電気信号が円滑に転送され、受光部から読み出し部に電気信号を高速に転送することができる。 According to the imaging device and the imaging device device using the imaging device according to the present invention, by providing a potential gradient in which the potential related to the electrical signal sequentially changes from the light receiving unit to the reading unit, the light receiving unit to the reading unit can be provided. The electric signal is smoothly transferred along the potential gradient without any delay in the electric signal, and the electric signal can be transferred from the light receiving unit to the reading unit at a high speed.
以下、図面を参照してこの発明の実施例1を説明する。
図1は、実施例1に係るCCD型固体撮像素子(CCD)の構成を示すブロック図であり、図2(a)は、CCDを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−B断面のポテンシャル形状の模式図であり、図3は、図2との比較のための従来のCCDの説明図であって、図3(a)は、CCDを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図であり、図3(b)は、図3(a)のA−B断面のポテンシャル形状の模式図であり、図4は、実施例1に係るCCDを用いた高速撮像装置の概略を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a CCD solid-state imaging device (CCD) according to the first embodiment, and FIG. 2A is a plan view illustrating a configuration of each photodiode included in the CCD. 2B is a schematic diagram of the potential shape of the A-B cross section of FIG. 2A, and FIG. 3 is an explanatory diagram of a conventional CCD for comparison with FIG. 3 (a) is a plan view showing the structure of each photodiode constituting the CCD, and FIG. 3 (b) is a schematic diagram of the potential shape of the A-B cross section of FIG. 3 (a). FIG. 4 is a block diagram illustrating an outline of a high-speed imaging device using the CCD according to the first embodiment.
CCD1は、図1に示すように、入射された光を電気信号に変換することで光を受光するフォトダイオード2と、そのフォトダイオード2から得られた電気信号を読み出すゲート電極3とを備えるとともに、ゲート電極3で読み出された電気信号を蓄積する蓄積用CCDセル4を複数個(図1では4個)備えている。かかるフォトダイオード2、ゲート電極3および複数個の蓄積用CCDセル4が2次元配列ラインに沿って縦横マトリックス状に配設されている。CCD1は、この発明における撮像素子に相当し、フォトダイオード2は、この発明における受光部に相当し、ゲート電極3は、この発明における読み出し部に相当する。
As shown in FIG. 1, the
縦横マトリックス状に配設された各蓄積用CCDセル4のうち、もっとも下流側の各蓄積用CCDセル4は、垂直転送ゲート5に接続されており、各垂直転送ゲート5は水平転送ゲート6に接続されている。ゲート電極3で読み出された電気信号を各々の蓄積用CCDセル4に逐次に蓄積して、電子シャッタリング動作と同期した電荷転送信号をゲート電圧としてゲート電極3に印加するたびに、隣接する蓄積用CCDセル4に、図1中の矢印に示す方向(水平方向)に順に転送する。水平方向に配列された蓄積用CCDセル4に電気信号として電荷を全て蓄積したら、垂直転送ゲート5に垂直方向に転送して、水平転送ゲート6に水平方向に転送する。
Of the storage CCD cells 4 arranged in a vertical and horizontal matrix, each storage CCD cell 4 on the most downstream side is connected to a
このように転送された電気信号をCCD1の外部(高速撮像装置のADコンバータや画像処理演算部)に転送して、各種の処理が行われて画像が出力される。 The electric signal thus transferred is transferred to the outside of the CCD 1 (AD converter or image processing arithmetic unit of the high-speed imaging device), and various processes are performed to output an image.
図2に示すように、フォトダイオード2からゲート電極3に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配Pを設けている。なお、図2との比較のために図3の従来のCCDを用いて、併せて説明する。また、図2、図3のフォトダイオードの部分は、不純物の拡散領域からなるので、不純物の領域にも相当する。
As shown in FIG. 2, a potential gradient P in which a potential related to an electric signal sequentially changes from the
図3(a)に示すように、従来のCCD51は、矩形状のフォトダイオード52を有している。図3(a)のA−B線は、フォトダイオード52からゲート電極53を含んでおり、A−B断面のポテンシャル形状は、図3(b)に示すようになる。すなわち、フォトダイオード52の周縁部分から中心付近までポテンシャルが高くなった後は、その中心付近からゲート電極53にわたって同じレベルのポテンシャルを保ったままとなる。したがって、図3(a)の電気信号の流れFは中心付近に向かい、フォトダイオード52の中心付近(図3(a)の中心付近Cを参照)で電気信号が滞る。
As shown in FIG. 3A, the
一方、図2(a)に示すように、本実施例1のCCD1は、『X』字状のフォトダイオード2を有している。フォトダイオード2を構成する不純物の幅を、図2(a)に示すように『L』とする。『X』字状のフォトダイオード2は、不純物の幅Lがフォトダイオード2からゲート電極3に向かって逐次に広がって構成されている。図3(a)と同様に、図2(a)のA−B線は、フォトダイオード2からゲート電極3を含んでおり、A−B断面のポテンシャル形状は、図2(b)に示すようになる。すなわち、図2(b)に示すように、フォトダイオード2の周縁部分から中心付近までポテンシャルが緩やかに高くなった後も、その中心付近からゲート電極にわたってポテンシャルは逐次に変化する。したがって、図2(b)の電気信号の流れFは中心付近に向かった後もデータ電極3に向かい、フォトダイオード2からゲート電極3までの間に電気信号が滞らない。
On the other hand, as shown in FIG. 2A, the
なお、CCDの製造過程において、図2(a)に示すような『X』字状に不純物を拡散(ドープ)してフォトダイオード2を構成すればよい。このようにフォトダイオード2を構成することで、フォトダイオード2からゲート電極3に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配Pが形成される。
In the process of manufacturing the CCD, the
図1、図2に示すCCD1を、本実施例1では図4に示す高速撮像装置10に用いている。なお、本実施例1では、撮影速度が1.0×106フレーム/秒(1,000,000フレーム/秒)の高速撮像装置10を用いている。高速撮像装置10は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像をフォトダイオード2が電気信号に変換して被写体を撮像するように構成されている。すなわち、高速撮像装置は、光学系20とCCD1とADコンバータ30と画像処理演算部40と画像記憶部50とモニタ60と操作部70と制御部80を備えている。高速撮像装置10は、この発明における撮像素子用装置に相当する。
The
光学系20は、被写体の光学像を取り込むレンズ21や、イメージインテンシファイア等の光増倍機構(図示省略)やメカニカルシャッタリング機構(図示省略)などを備えている。ADコンバータ30は、CCD2から出力された電気信号をディジタル信号に変換する。画像処理演算部40は、ADコンバータ30でディジタル化された電気信号に基づいて被写体の2次元画像を作成するために各種の演算処理を行う。画像記憶部50は、画像処理演算部40で作成された2次元画像を記憶する。モニタ60は、画像記憶部50に記憶された2次元画像を画面に出力する。操作部70は、高速撮像の実行に必要な種々の操作を行う。制御部80は、操作部70により設定された撮影条件などの操作にしたがって装置全体を統括制御する。レンズ21は、この発明における水晶体に相当する。
The
上述したCCD1およびそれを用いた高速撮像装置10によれば、フォトダイオード2は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光して、ゲート電極3は、そのフォトダイオード2から得られた電気信号を読み出す。このとき、フォトダイオード2からゲート電極3に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配Pを設けることで、フォトダイオード2からゲート電極3までの間に電気信号が滞ることなく、ポテンシャル勾配Pに沿って電気信号が円滑に転送される。その結果、フォトダイオード2からゲート電極3に電気信号を高速に転送することができる。
According to the
また、本実施例1では、フォトダイオード10を構成する不純物の幅Lを、フォトダイオード2からゲート電極3に向かって逐次に広げることでポテンシャル勾配Pを設けている。
In the first embodiment, the potential gradient P is provided by sequentially increasing the width L of the impurities constituting the
また、本実施例1の高速撮像装置10のように、電気信号を高速に転送する場合には、この発明は特に有用である。
In addition, the present invention is particularly useful when an electrical signal is transferred at high speed as in the high-
次に、図面を参照してこの発明の実施例2を説明する。
Next,
図5は、実施例2に係るCCDを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示す平面図である。 FIG. 5 is a plan view showing the configuration of each photodiode constituting the CCD according to the second embodiment.
本実施例2では、CCD1は、従来のCCD51のフォトダイオード52(図3を参照)と同じ形状である矩形状のフォトダイオード2を有している。フォトダイオード2を構成する不純物の濃度が、フォトダイオード2からゲート電極3に向かって逐次に高くなるように拡散(ドープ)されている。例えば、フォトダイオード2の部分を、図5に示すように領域a1、a2、a3、a4と区画すると、領域a1、a2、a3、a4の順にドーピングされる不純物の濃度が高くなるようにする。このようにフォトダイオード2を構成することで、フォトダイオード2からゲート電極3に向かって電気信号に関するポテンシャルが逐次に変化するポテンシャル勾配Pが形成される。
In the second embodiment, the
本実施例2によれば、フォトダイオード2を構成する不純物の濃度を、フォトダイオード2からゲート電極3に向かって逐次に高くすることでポテンシャル勾配Pを設けている。
According to the second embodiment, the potential gradient P is provided by sequentially increasing the concentration of impurities constituting the
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as follows.
(1)上述した実施例1,2では、高速撮像装置を例に採って説明したが、撮影速度が100,000フレーム/秒未満の通常の撮像装置であってもよい。 (1) In the first and second embodiments described above, the high-speed imaging device has been described as an example. However, a normal imaging device having a shooting speed of less than 100,000 frames / second may be used.
(2)上述した実施例1,2では、CCDなどに代表される撮像素子を用いた撮像素子用装置として高速撮像装置などに代表される撮像装置を例に採って説明したが、撮像素子を用いた装置であれば、特に限定されない。例えば、撮像素子で得られた電気信号のデータを用いて分析を行う分析装置や、データのみを記憶して記憶したデータを外部装置に転送する転送装置として用いてもよい。 (2) In the first and second embodiments described above, an image pickup device represented by a high-speed image pickup device or the like has been described as an example of an image pickup device device using an image pickup device represented by a CCD or the like. If it is an apparatus used, it will not specifically limit. For example, it may be used as an analyzer that performs analysis using electrical signal data obtained by an imaging device, or a transfer device that stores only data and transfers the stored data to an external device.
(3)上述した実施例1,2では、受光部としてフォトダイオードを例に採って説明したが、これに限定されない。例えば、フォトゲートを受光部と用いてもよい。 (3) In the first and second embodiments, the photodiode is described as an example of the light receiving unit, but the present invention is not limited to this. For example, a photogate may be used as the light receiving unit.
フォトゲートを受光部として用いる場合には、フォトゲートの上部にあるゲート電極の形状によってポテンシャル勾配を設ければよい。例えば、図6に示すように、フォトゲート2´の上部にあるゲート電極3´を『Y』字状にする。そして、ゲート電極3´の幅L´を、フォトゲート2´からゲート電極3´に向かって逐次に広げることでポテンシャル勾配Pを設けてもよい。また、フォトゲートの場合でもフォトゲート2´を構成する不純物の濃度や形状を実施例のようにしてもよい。また、不純物によってポテンシャル勾配を設けるとともに、ゲート電極3´の形状によってもポテンシャル勾配を設けてもよい。
When a photogate is used as the light receiving portion, a potential gradient may be provided depending on the shape of the gate electrode above the photogate. For example, as shown in FIG. 6, the
(4)上述した実施例1では、図2に示すように、フォトダイオード2を『X』字状にして、不純物の幅Lをフォトダイオード2からゲート電極3に向かって逐次に広げたが、フォトダイオード2の形状は限定されない。
(4) In Example 1 described above, as shown in FIG. 2, the
(5)上述した実施例1と実施例2とを組み合わせてもよい。すなわち、不純物の幅Lをフォトダイオード2からゲート電極3に向かって逐次に広げて、かつ、不純物の濃度をフォトダイオード2からゲート電極3に向かって逐次に高くしてもよい。
(5) You may combine Example 1 and Example 2 which were mentioned above. That is, the impurity width L may be increased gradually from the
1 … CCD
2 … フォトダイオード
3 … ゲート電極
10 … 高速撮像装置
21 … レンズ
P … ポテンシャル勾配
L … 不純物の幅
F … 電気信号の流れ
1 ... CCD
2 ...
Claims (7)
7. The image sensor device according to claim 4, wherein the device captures an optical image of a subject, and the light receiving unit converts the captured optical image into an electric signal to capture an image of the subject. An image sensor device, comprising: a crystal body that is used as an image pickup device and captures an optical image of the subject.
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