JP2008235991A - 撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号電荷の読み出し時間を低減させることができる撮像素子およびそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】垂直転送用ＣＣＤ１３の下流側の端部１３ａを屈曲させて水平転送用ＣＣＤ１５で転送セルの５個分隣接させて各転送用ＣＣＤ１３，１５をそれぞれ構成している。したがって、垂直転送用ＣＣＤ１３から水平転送用ＣＣＤ１５へ信号電荷を転送する際に、上述した５個分の信号電荷を一括して転送することができ、一括した分だけ信号電荷の読み出し時間を１／５に低減させることができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させて撮像を行う撮像素子およびそれを用いた撮像装置に関する。

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。近年、かかるＣＣＤ型固体撮像素子（以下、『ＣＣＤ』と略記する）において、高速撮像を可能にするために、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる光電変換部（例えばフォトダイオード）の傍らに、光電変換部から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積部（例えば蓄積用ＣＣＤ）を備える素子がある（例えば、特許文献１−３参照）。この撮像素子では光電変換部や電荷蓄積部をチップ上に配設している。

特許文献１，２では、『画素周辺記録型撮像素子』と呼ばれるＣＣＤを採用している。このＣＣＤについて、図５を参照して説明する。図５に示すように、ＣＣＤ５０は、上述したフォトダイオード５１と蓄積用ＣＣＤ５２とを複数個備えるとともに、これら蓄積用ＣＣＤ５２内の信号電荷を図５に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤ５３とを備えている。そして、フォトダイオード５１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤ５２へ信号電荷を読み出す読み出しゲート５４を各フォトダイオード５１の傍らにそれぞれ配設している。その他に、垂直転送用ＣＣＤ５３から転送された信号電荷を図５に示す水平方向に転送する水平転送用ＣＣＤ５５を備えている。

この『画素周辺記録型撮像素子』では、ライン状の蓄積用ＣＣＤ５２は斜め方向に延びている。このように斜め方向にすることでチップ上に無駄な空地が生じないようにＣＣＤセルを詰め込むことができる。
特開２００１−３４５４４１号公報（第２，５−９頁、図２−４，１０−１２） 特開２０００−１６５７５０号公報（第３，６−１４頁、図１，４，５） 米国特許第５３５５１６５号明細書

このように構成された撮像素子は、撮影中に蓄積された信号電荷を撮影後に順次読み出して転送するという構成になっている。しかしながら、蓄積用ＣＣＤにある信号電荷を、垂直転送用ＣＣＤを経由して、水平転送用ＣＣＤに順次転送するので、読み出すまでの総時間がかかるという問題がある。

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、信号電荷の読み出し時間を低減させることができる撮像素子およびそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

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。
すなわち、請求項１に記載の発明は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる複数の光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段と、これら複数の電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する第１電荷転送手段と、その第１電荷転送手段に対して下流に接続され垂直方向に延在した第２電荷転送手段とを備えた撮像素子であって、前記第１電荷転送手段の下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて前記第２電荷転送手段に複数箇所に隣接させて各電荷転送手段をそれぞれ構成することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、複数の電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する第１電荷転送手段と、その第１電荷転送手段に対して下流に接続され垂直方向に延在した第２電荷転送手段とを備えている。電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を、第１電荷転送手段を経由して、第２電荷転送手段に順次転送する。第１電荷転送手段の下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて第２電荷転送手段に複数箇所に隣接させて各電荷転送手段をそれぞれ構成しているので、第１電荷転送手段から第２電荷転送手段へ信号電荷を転送する際に、上述した複数箇所で信号電荷を一括して転送することができ、一括した分だけ信号電荷の読み出し時間を低減させることができる。

また、請求項２に記載の発明は、撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる複数の光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段と、これら複数の電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する第１電荷転送手段と、その第１電荷転送手段に対して下流に接続され垂直方向に延在した第２電荷転送手段とを備え、前記第１電荷転送手段の下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて前記第２電荷転送手段に複数箇所に隣接させて各電荷転送手段をそれぞれ構成し、前記装置は、撮像素子を駆動する駆動回路を備えることを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項２に記載の発明によれば、第１電荷転送手段の下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて第２電荷転送手段に複数箇所に隣接させて各電荷転送手段をそれぞれ構成しているので、第１電荷転送手段から第２電荷転送手段へ信号電荷を転送する際に、上述した複数箇所で信号電荷を一括して転送することができ、一括した分だけ信号電荷の読み出し時間を低減させることができる。

この発明に係る撮像素子およびそれを用いた撮像装置によれば、第１電荷転送手段の下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて第２電荷転送手段に複数箇所に隣接させて各電荷転送手段をそれぞれ構成しているので、第１電荷転送手段から第２電荷転送手段へ信号電荷を転送する際に、上述した複数箇所で信号電荷を一括して転送することができ、一括した分だけ信号電荷の読み出し時間を低減させることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図であり、図２は、ＣＣＤの構成を示すブロック図である。

実施例に係る撮像装置は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を信号電荷に変換するとともに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、撮像装置は、図１に示すように、固体撮像素子（ＣＣＤ）１を備えるとともに、レンズ２と相関二重サンプリング部３とＡＤコンバータ４と画像処理演算部５とモニタ６と操作部７と制御部８とを備えている。さらに、撮像装置は、電源部９ａとタイミングジェネレータ９ｂとを備えている。固体撮像素子（ＣＣＤ）１は、この発明における撮像素子に相当し、電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂは、この発明における駆動回路に相当する。

レンズ２は、被写体の光学像を取り込む。相関二重サンプリング部３は、ＣＣＤ１からの信号電荷を低雑音に増幅して電気信号に変換して取り出す。ＡＤコンバータ４は、その電気信号をディジタル信号に変換する。画像処理演算部５は、ＡＤコンバータ４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。モニタ６は、その２次元画像を画面に出力する。操作部７は、撮像の実行に必要な種々の操作を行う。制御部８は、操作部７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。

電源部９ａは、ＣＣＤ１内の信号電荷を転送する転送電極などに電圧を印加する。タイミングジェネレータ９ｂは、電圧の印加のタイミングや撮像のタイミングやクロックなどを生成する。このように、タイミングジェネレータ９ｂがタイミングやクロックなどを生成して、電源部９ａが転送電極などに電圧を印加することで、電源部９ａおよびタイミングジェネレータ９ｂはＣＣＤ１を駆動する。

次に、ＣＣＤ１の具体的な構成について、従来のＣＣＤの構成を示すブロック図である図５と比較しながら図２を参照して説明するとともに、一括転送について図３を参照して説明する。図３は、信号電荷の一括転送を併せて図示したＣＣＤの構成を示すブロック図である。

ＣＣＤ１は、図２（ａ）に示すように、入射光（被写体の光学像）を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させるフォトダイオード１１と、そのフォトダイオード１１から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の蓄積用ＣＣＤ１２と、これら蓄積用ＣＣＤ１２内の信号電荷を図２に示す垂直方向に転送する垂直転送用ＣＣＤ１３とを備えている。フォトダイオード１１は、この発明における光電変換手段に相当し、蓄積用ＣＣＤ１２は、この発明における電荷蓄積手段に相当し、垂直転送用ＣＣＤ１３は、この発明における第１電荷転送手段に相当する。

各フォトダイオード１１の傍らには読み出しゲート１４をそれぞれ配設しており、このフォトダイオード１１からそれに隣接した蓄積用ＣＣＤ１２へ各読み出しゲート１４は信号電荷を読み出す。

各蓄積用ＣＣＤ１２についてはそれぞれをライン状に接続して構成しており、ライン状の蓄積用ＣＣＤ１２を複数本分配設している。フォトダイオード１１から発生した信号電荷を、隣接する蓄積用ＣＣＤ１２に順次に転送しながら各蓄積用ＣＣＤ１２に蓄積する。そして、蓄積用ＣＣＤ１２から順次に転送された信号電荷を垂直転送用ＣＣＤ１３に合流させる。垂直転送用ＣＣＤ１３から転送されたこの信号電荷を水平転送用ＣＣＤ１５に転送する。なお、水平転送用ＣＣＤ１５は、垂直転送用ＣＣＤ１３に対して下流に接続され垂直方向に延在している。水平転送用ＣＣＤ１５は、この発明における第２電荷転送手段に相当する。

フォトダイオード１１を２次元状に配置しており、水平および垂直方向に平行して各フォトダイオード１１を並べて配設する関係上、ライン状の蓄積用ＣＣＤ１２は斜め方向に延びている。本実施例に係るＣＣＤ１は、いわゆる『画素周辺記録型撮像素子』と呼ばれているものである。

本実施例では、従来のＣＣＤ（図５を参照）との相違点は、図２、図３に示すように、垂直転送用ＣＣＤ１３の下流側の端部１３ａを屈曲あるいは湾曲（本実施例では屈曲）させて水平転送用ＣＣＤ１５に複数箇所（本実施例では転送セルは５個）に隣接させて各転送用ＣＣＤ１３，１５をそれぞれ構成している点にある。なお、図２（ｂ）の拡大図に示すように、屈曲しやすいように端部１３ａよりも手前（上流）の箇所１３ｂで垂直転送用ＣＣＤ１３を屈曲方向に傾斜させている。

このように屈曲させることで垂直転送用ＣＣＤ１３の下流側の端部１３ａは垂直転送用ＣＣＤ１３に対して直角に方向を変え、水平転送用ＣＣＤ１５に平行になり隣接させることができる。このように隣接させることで、図３に示すように複数箇所で（ここでは５個分の）信号電荷を一括して転送することができる。なお、垂直転送用ＣＣＤ１３の下流側の端部１３ａが、隣接する垂直転送用ＣＣＤ１３に転送されないようにチャンネルストップ１６を設けている。もちろん、後述する変形例（４）のように、端部１３ａの最下流のセルのみ短くして、隣接する垂直転送用ＣＣＤ１３に接触させないようにしてもよい（図４を参照）。隣接させる転送セルは５個に限定されず、５個未満や６個以上でもよく、複数であれば特に限定されない。

上述したＣＣＤ１およびそれを用いた撮像装置によれば、複数の蓄積用ＣＣＤ１２の信号電荷を読み出して転送する垂直転送用ＣＣＤ１３と、その垂直転送用ＣＣＤ１３に対して下流に接続され垂直方向に延在した水平転送用ＣＣＤ１５とを備えている。蓄積用ＣＣＤ１２に蓄積された信号電荷を、垂直転送用ＣＣＤ１３を経由して、水平転送用ＣＣＤ１５に順次転送する。垂直転送用ＣＣＤ１３の下流側の端部１３ａを屈曲あるいは湾曲（本実施例では屈曲）させて水平転送用ＣＣＤ１５に複数箇所（本実施例では転送セルは５個）に隣接させて各転送用ＣＣＤ１３，１５をそれぞれ構成しているので、垂直転送用ＣＣＤ１３から水平転送用ＣＣＤ１５へ信号電荷を転送する際に、上述した複数箇所で（ここでは５個分の）信号電荷を一括して転送することができ、一括した分だけ信号電荷の読み出し時間を低減させることができる。

また、一括に転送する転送セルが複数個（本実施例では５個）であるので、信号電荷の読み出し時間を複数分の一（本実施例では１／５）に短縮することができる。例えば、一括に転送する転送セルを１０個にした場合には、信号電荷の読み出し時間を１／１０に短縮することができる。通常、蓄積用ＣＣＤ１２や転送用ＣＣＤ１３，１５などのＣＣＤに滞在する時間が長くなると、時間に比例してＣＣＤセルに発生する暗電流が増加するので、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。本実施例では、信号電荷の読み出し時間が短縮することで滞在時間も短くなり、暗電流の発生を少なくすることができるので、Ｓ／Ｎ比が向上するという効果をも奏する。

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。

（１）この発明は、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上の高速撮像に適しているが、撮影速度が１００，０００フレーム／秒未満の通常の撮像に適用してもよい。

（２）上述した実施例では、光電変換手段としてフォトダイオードを例に採って説明したが、フォトゲートを替わりに用いてもよい。

（３）上述した実施例では、斜行ＣＣＤによる『画素周辺記録型撮像素子』を例に採って説明したが、ライン状の蓄積用ＣＣＤを垂直方向に延在するように構成した撮像素子、またはマトリクス状の蓄積用ＣＣＤで構成した蓄積素子にもこの発明は適用することができる。

（４）上述した実施例では、垂直転送用ＣＣＤ１３の下流側の端部１３ａを屈曲させて水平転送用ＣＣＤ１５に複数箇所に隣接させて各転送用ＣＣＤ１３，１５をそれぞれ構成したが、図４に示すように垂直転送用ＣＣＤ１３の下流側の端部１３ａを湾曲させて水平転送用ＣＣＤ１５に複数箇所（図４では転送セルは４個）に隣接させて各転送用ＣＣＤ１３，１５をそれぞれ構成してもよい。また、実施例では屈曲しやすいように端部１３ａよりも手前（上流）の箇所１３ｂで垂直転送用ＣＣＤ１３を屈曲方向に傾斜させていたが、図４（ｂ）の拡大図に示すように、変形例（４）では箇所１３ｂで垂直転送用ＣＣＤ１３を湾曲方向に傾斜させなくても湾曲しやすいので傾斜させていない。また、実施例のようなチャンネルストップ１６（図２、図３を参照）を設けなくてもよい。端部１３ａの最下流のセルのみ短くして、隣接する垂直転送用ＣＣＤ１３に接触させないようにしてもよい。もちろん、実施例のようなチャンネルストップ１６を図４に設けてもよい。

（５）上述した実施例では、第１電荷転送手段（実施例では垂直転送用ＣＣＤ）と、その第１電荷転送手段（垂直転送用ＣＣＤ）に対して下流に接続され垂直方向に延在した第２電荷転送手段（実施例では水平転送用ＣＣＤ）とを備えた撮像素子で、第１電荷転送手段（垂直転送用ＣＣＤ）の下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて第２電荷転送手段（水平転送用ＣＣＤ）に複数箇所に隣接させて各電荷転送手段（転送用ＣＣＤ）をそれぞれ構成したが、これに限定されない。例えば、第１電荷転送手段として水平転送用ＣＣＤを採用するとともに第２電荷転送手段として垂直転送用ＣＣＤを採用することで、水平転送用ＣＣＤと、その水平転送用ＣＣＤに対して下流に接続され垂直方向に延在した垂直転送用ＣＣＤとを備えた撮像素子で、水平転送用ＣＣＤの下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて垂直転送用ＣＣＤに複数箇所に隣接させて各転送用ＣＣＤをそれぞれ構成してもよい。

（６）この発明では、いずれの撮像方式においても適用することができる。撮像方式としては、主にＩＬ(Interline)方式、ＦＴ(Frame Transfer)方式、ＦＦＴ(Full Frame Transfer)方式、ＦＩＴ(Frame Interline Transfer)方式などがある。これらの方式に合わせて撮像素子の構造も変化する。第１電荷転送手段（実施例では垂直転送用ＣＣＤ）と、その第１電荷転送手段（垂直転送用ＣＣＤ）に対して下流に接続され垂直方向に延在した第２電荷転送手段（実施例では垂直転送用ＣＣＤ）とを備えた撮像素子であれば、適用することができる。

実施例に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）を用いた撮像装置の概略を示すブロック図である。 実施例に係るＣＣＤの構成を示すブロック図である。 信号電荷の一括転送を併せて図示した実施例に係るＣＣＤの構成を示すブロック図である。 変形例に係るＣＣＤの構成を示すブロック図である。 従来のＣＣＤの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ … ＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）
１２ … 蓄積用ＣＣＤ
１３ … 垂直転送用ＣＣＤ
１３ａ … 端部
１５ … 水平転送用ＣＣＤ

Claims (2)

1. 入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる複数の光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段と、これら複数の電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する第１電荷転送手段と、その第１電荷転送手段に対して下流に接続され垂直方向に延在した第２電荷転送手段とを備えた撮像素子であって、前記第１電荷転送手段の下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて前記第２電荷転送手段に複数箇所に隣接させて各電荷転送手段をそれぞれ構成することを特徴とする撮像素子。
2. 撮像素子を用いた撮像装置であって、その撮像素子は、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる複数の光電変換手段と、その光電変換手段から発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数の電荷蓄積手段と、これら複数の電荷蓄積手段の信号電荷を読み出して転送する第１電荷転送手段と、その第１電荷転送手段に対して下流に接続され垂直方向に延在した第２電荷転送手段とを備え、前記第１電荷転送手段の下流側の端部を屈曲あるいは湾曲させて前記第２電荷転送手段に複数箇所に隣接させて各電荷転送手段をそれぞれ構成し、前記装置は、撮像素子を駆動する駆動回路を備えることを特徴とする撮像装置。

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