JP2010178196A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】増倍レジスタ部の増倍率の制御を適切に行うことが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置１は、電荷増倍型の固体撮像装置において、入射光量に応じた電荷を生成する撮像領域１０と、撮像領域１０からの電荷を受ける出力レジスタ部２０と、出力レジスタ部２０からの電荷を増倍する増倍レジスタ部２８とを備え、撮像領域１０からの電荷量に応じて、増倍レジスタ部２８の増倍率のフィードフォワード制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＭ−ＣＣＤ等の電荷増倍型の固体撮像装置に関するものである。
入射する光の像を撮像するための固体撮像装置としてＣＣＤ（Charge Coupled Device）が広く知られているが、ＣＣＤの中でも、微弱な光の像を撮像することを可能とするＥＭ−ＣＣＤ（Electron Multiplying −ＣＣＤ）が知られている。この種の固体撮像装置は、複数のフォトダイオード等を備えて入射光量に応じた電荷を生成する撮像領域と、撮像領域の電荷を読み出す出力レジスタ部とに加えて、読み出した電荷を増倍する増倍レジスタ部を備え、増倍レジスタ部の電荷増倍作用を用いることによって微弱な光の像の撮像を可能とする。この種の固体撮像装置が特許文献１及び２に開示されている。
特許文献１及び２に記載の固体撮像装置は、増倍レジスタ部の出力に基づいて当該増倍レジスタ部の増倍率（利得）の制御を行う、すなわち、増倍レジスタ部の増倍率のフィードバック制御を行う。
特許第３８６２８５０号公報 特開２００７−１２４６７５号公報
ところで、この種の固体撮像装置を分光スペクトル測定等に用いる分光器等に適用する場合、撮像領域に入射する光に強度分布が存在し、入射光の強度分布が固体撮像装置のダイナミックレンジを超えることがある。そこで、固体撮像装置のダイナミックレンジを入射光の強度分布に適応させるために、特許文献１及び２に記載の固体撮像装置のように増倍レジスタ部の増倍率を制御することが考えられる。
しかしながら、特許文献１及び２に記載の固体撮像装置では、増倍レジスタ部の増倍率のフィードバック制御を行うので、前のタイミングで得られた増倍レジスタ部の出力に基づいて、現在のタイミングの増倍レジスタ部の増倍率の制御を行うこととなる。すなわち、撮像領域における前のタイミングの読み出し位置の入射光量に基づいて、現在の読み出し位置の入射光量に対する増倍レジスタ部の増倍率の制御を行うこととなる。したがって、現在の読み出し位置の入射光量に対して増倍レジスタ部の増倍率の制御を適切に行うことができず、固体撮像装置のダイナミックレンジを入射光の強度分布に適切に適応させることができない。
そこで、本発明は、増倍レジスタ部の増倍率の制御を適切に行うことが可能な固体撮像装置を提供することを目的としている。
本発明の固体撮像装置は、電荷増倍型の固体撮像装置において、入射光量に応じた電荷を生成する撮像領域と、撮像領域からの電荷を受ける出力レジスタ部と、出力レジスタ部からの電荷を増倍する増倍レジスタ部とを備え、撮像領域からの電荷量に応じて、増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御を行う。
この固体撮像装置によれば、撮像領域からの電荷量に応じて増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御を行うので、すなわち、増倍レジスタ部の増倍率をリアルタイムに制御するので、撮像領域における現在の読み出し位置の入射光量に対して増倍レジスタ部の増倍率の制御を適切に行うことができる。したがって、固体撮像装置のダイナミックレンジを入射光の強度分布に適切に適応させることができる。
上記した固体撮像装置は、増倍レジスタ部に入力される電荷量を検出する検出部と、検出部によって検出された電荷量に応じて、増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御を行う制御部とを更に備えてもよい。
また、上記した固体撮像装置は、撮像領域からの電荷を受ける検出レジスタ部と、検出レジスタ部から出力される電荷量に応じて、増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御を行う制御部とを更に備えてもよい。この構成によれば、検出レジスタ部は、出力レジスタ部と同様に撮像領域からの電荷を受けるので、検出レジスタ部から出力される電荷量は、出力レジスタ部から出力される電荷量と同一であり、増倍レジスタ部に入力される電荷量と同一である。
また、上記した固体撮像装置は、出力レジスタ部と増倍レジスタ部との間に配置され、出力レジスタ部から増倍レジスタ部への電荷の転送を遅延させる遅延レジスタ部を更に備えることが好ましい。或いは、上記した固体撮像装置は、検出部と増倍レジスタ部との間に配置され、検出部から増倍レジスタ部への電荷の転送を遅延させる遅延レジスタ部を更に備えることが好ましい。
この構成によれば、遅延レジスタ部が増倍レジスタ部への電荷の転送を遅延させるので、制御部の制御速度が遅い場合であっても、現在の読み出し電荷が入力される前に、この電荷量に応じて増倍レジスタ部の増倍率の制御を適切に行うことができる。
また、上記した制御部は、検出部によって検出された電荷量の最大値、最小値及び平均値のうちの何れかに応じて、増倍レジスタ部の増倍率の制御を行ってもよい。或いは、上記した制御部は、検出レジスタ部から出力される電荷量の最大値、最小値及び平均値のうちの何れかに応じて、増倍レジスタ部の増倍率の制御を行ってもよい。
また、上記した検出部はフローティング・ゲート・アンプを含んでもよい。
本発明の別の固体撮像装置は、電荷増倍型の固体撮像装置において、入射光量に応じた電荷を生成する撮像領域と、撮像領域からの電荷を受ける複数の出力レジスタ部と、複数の出力レジスタ部からの電荷をそれぞれ増倍する複数の増倍レジスタ部とを備え、複数の増倍レジスタ部にそれぞれ入力される電荷量に応じて、前記複数の増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御をそれぞれ行う。
この固体撮像装置によれば、マルチポート型の固体撮像装置において上記した増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御を各ポートで個々に行うので、すなわち、増倍レジスタ部の増倍率のリアルタイム制御を各ポートで個々に行うので、撮像領域における現在の読み出し位置の入射光量に対して増倍レジスタ部の増倍率の制御を適切に行うことができる。したがって、固体撮像装置のダイナミックレンジを入射光の強度分布に適切に適応させることができる。
本発明によれば、現在の読み出し位置の入射光量に対して増倍レジスタ部の増倍率の制御を適切に行うことができる。その結果、固体撮像装置のダイナミックレンジを入射光の強度分布に適切に適応させることができる。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。 図１に示す増倍レジスタ部の断面構造、及び、増倍作用時のエネルギーポテンシャルを示す図である。 図１に示すフローティング・ゲート・アンプの断面構造を示す図である。 図１に示す固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。 ライン型の固体撮像装置の例１の一部構成を示す図である。 図６に示すライン型の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。 ライン型の固体撮像装置の例２の一部構成を示す図である。 図８に示すライン型の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。 インターライン型の固体撮像装置の一部構成を示す図である。 図１０に示すインターライン型の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。 フルフレームトランスファ型の固体撮像装置の一部構成を示す図である。 図１２に示すフルフレームトランスファ型の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図１に示す固体撮像装置１は、電荷増倍型の固体撮像装置であり、撮像領域（ＩＡ）１０と、第１の水平レジスタ部（ＨＲ１）２０と、第１のコーナレジスタ部（ＣＲ１）２２と、第２の水平レジスタ部（ＨＲ２）２４と、第２のコーナレジスタ部（ＣＲ２）２６と、増倍レジスタ部（ＥＭＲ）２８と、アンプ３０と、出力ポート３５と、検出部４０と、制御部５０とを備える。ここで、第１の水平レジスタ部２０が特許請求の範囲に記載の出力レジスタに相当し、第２の水平レジスタ部２４が特許請求の範囲に記載の遅延レジスタに相当する。
撮像領域１０は、入射する光の像を撮像するためのものであり、複数の画素部を有している。各画素部は、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、該電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有している。各画素部は、周期的なパルス電圧を有するクロックに応じて、フォトダイオードから電荷蓄積部への電荷の画素内転送や、電荷蓄積部から第１の水平レジスタ部２０への電荷の転送などを行う。
第１の水平レジスタ部２０は、撮像領域１０の垂直ラインごとに対応して水平方向に配列された複数の水平レジスタを備えており、周期的なパルス電圧を有するクロックに応じて、各水平レジスタの電荷を順次に、検出部４０を介して第１のコーナレジスタ部２２へ転送する。
第１のコーナレジスタ部２２は、第１の水平レジスタ部２０と同様に、直列に接続された複数のレジスタを備え、周期的なパルス電圧を有するクロックに応じて、第１の水平レジスタ部２０から順次に転送される電荷を第２の水平レジスタ部２４へ順次に転送する。
同様に、第２の水平レジスタ部２４は、直列に接続された複数の水平レジスタを備え、周期的なパルス電圧を有するクロックに応じて、第１のコーナレジスタ部２２から順次に転送される電荷を第２のコーナレジスタ部２６へ順次に転送する。
同様に、第２のコーナレジスタ部２６は、直列に接続された複数のレジスタを備え、周期的なパルス電圧を有するクロックに応じて、第２の水平レジスタ部２４から順次に転送される電荷を増倍レジスタ部２８へ順次に転送する。本実施形態では、第１及び第２のコーナレジスタ部２２，２６は、小実装スペース化を目的として電荷転送方向を折り返すために設けられているが、第１の水平レジスタ部２０に対する第２の水平レジスタ部２４の電荷転送方向を折り返さない場合には省略可能である。
増倍レジスタ部２８は、複数の増倍レジスタを備えており、第２のコーナレジスタ部２６から順次に転送される電荷を増倍して、アンプ３０へ出力する。図２に、増倍レジスタ部の断面構造、及び、増倍作用時のエネルギーポテンシャルを示す。図２（ａ）に示すように、各増倍レジスタは、Ｐ型基板１０１上にＰ型エピタキシャル層１０２、Ｎ型チャネル層１０３及び酸化膜１０４が順次に積層された積層体上に、４つの電極Ｐ１ＨＢ、ＤＣＢ、Ｐ２ＨＢ、Ｐ３ＨＢが順次に配列されてなり、これらの増倍レジスタが複数配列されて増倍レジスタ部２８が構成される。電極Ｐ１ＨＢ、Ｐ２ＨＢ、Ｐ３ＨＢには、周期的なパルス電圧を有するクロックが順次に印加される。また、電極ＤＣＢには、直流電圧が印加される。なお、図２（ａ）における矢印は電荷転送方向を表す。
まず、電極Ｐ１ＨＢに電極ＤＣＢの直流電圧値より大きい値のパルス電圧（クロック）が印加されると、電極Ｐ１ＨＢ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルが電極ＤＣＢ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルより高くなり（図２（ｂ）における下向き）、電極Ｐ１ＨＢ下のチャネル層部分にポテンシャルウエルが生じて電極Ｐ１ＨＢの電荷転送方向と反対側の電極Ｐ３ＨＢ下のチャネル層部分から電荷が転送され、保持される。
次に、電極Ｐ１ＨＢのパルス電圧が低下すると共に、電極Ｐ２ＨＢに高電圧値のパルス電圧（クロック）が印加されると、図２（ｂ）に示すように、電極Ｐ１ＨＢ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルが電極ＤＣＢ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルより低くなり（上向き）、電極Ｐ２ＨＢ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルが電極ＤＣＢ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルより大きく高くなる（下向き）、すなわち、通常の転送のためのエネルギーポテンシャル（図２（ｂ）における点線）に比べて高くなる。すると、電極ＤＣＢ下のチャネル層部分に電荷が転送され、その後、電極Ｐ２ＨＢ下のチャネル層部分に電荷が転送される。この際、インパクトイオナイゼーション効果により電荷増倍が行われる。
次に、電極Ｐ２ＨＢのパルス電圧が低下すると共に、電極Ｐ３ＨＢにパルス電圧（クロック）が印加されると、電極Ｐ２ＨＢ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルが電極Ｐ３ＨＢ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルより低くなり（上向き）、電極Ｐ３ＨＢ下のチャネル層部分に電荷が転送される。
このようにして、各増倍レジスタでは、電荷の転送過程において電荷増倍が行われることとなる。増倍レジスタ１段あたりのインパクトイオナイゼーション効果による電荷増倍効果は小さいので、例えば、増倍レジスタ部２８は数百段程度の増倍レジスタを有する。
また、各増倍レジスタでは、電極ＤＣＢに印加する直流電圧値、及び、電極Ｐ２ＨＢに印加するパルス電圧値を変更することによって、インパクトイオナイゼーション効果による増倍率を変更することができる。
図１に戻り、アンプ３０は、増倍レジスタ部２８から転送される電荷を電圧信号に変換すると共に増幅して、出力ポート３５へ出力する。
検出部４０は、第１の水平レジスタ部２０から出力される電荷量を検出することによって、増倍レジスタ部２８に入力される電荷量を検出する。本実施形態では、検出部４０としてフローティング・ゲート・アンプ（Ｆloating Ｇate Ａmplifier：以下、ＦＧＡという。）が用いられる。図３は、ＦＧＡの断面構造を示す図である。なお、図３には、ＦＧＡと共に前段の第１の水平レジスタ部（ＨＲ１）２０の一部と後段の第１のコーナレジスタ部（ＣＲ１）２２の一部とが示されている。また、図３における矢印は電荷転送方向を表す。
ＦＧＡ４０は、第１の水平レジスタ部２０及び第１のコーナレジスタ部２２と同様に、Ｐ型基板１０１上にＰ型エピタキシャル層１０２、Ｎ型チャネル層１０３及び酸化膜１０４が順次に積層された積層体上に、フローティングゲート電極ＦＧが配置されてなる。本実施形態では、第１のコーナレジスタ部２２における電極Ｐ１Ｈの１つをフローティングゲート電極ＦＧとして用いる。また、ＦＧＡ４０は、フローティングゲート電極ＦＧ上に配置された制御電極ＯＧを有している。更に、ＦＧＡ４０は、フローティングゲート電極ＦＧに発生する電圧を受けて制御部５０へ供給するアンプＡＭＰを有している。
このＦＧＡ４０では、制御電極ＯＧに周期的なパルス電圧を有するクロックが印加されると、制御電極ＯＧ下のチャネル層部分のエネルギーポテンシャルが高くなり、電荷が転送される。すると、この電荷に応じた電圧がフローティングゲート電極ＦＧに発生し、この電圧がアンプＡＭＰを介して出力される。
ここで、ＦＧＡと同様に電荷検出を行うフローティング・ディフュージョン・アンプ（Ｆloating Ｄiffusion Ａmplifier：以下、ＦＤＡという。）が知られている。ＦＤＡでは、検出電圧に変換された転送電荷はリセットドレインに捨てられて消滅してしまう。すなわち、ＦＤＡは、転送電荷に対して破壊的に検出を行うこととなる。これに対して、ＦＧＡは、転送電荷を保持したまま検出を行う、すなわち、転送電荷に対して非破壊的に検出を行うことから、非破壊方式と称される。
図１に戻り、この制御部５０は、信号処理部５１と駆動部５２とを備える。信号処理部５１は、撮像領域１０、第１の水平レジスタ部２０、検出部４０、第１のコーナレジスタ部２２、第２の水平レジスタ部２４、第２のコーナレジスタ部２６及び増倍レジスタ部２８に供給するための上記したクロックの転送タイミングを決定する。駆動部５２は、この転送タイミングに応じてこれらのクロックを生成し、各部へ供給する。
また、信号処理部５１は、検出部４０から順次に供給される電圧値に基づいて、増倍レジスタ部２８に供給するクロック及び直流電圧の電圧値を決定する。例えば、信号処理部５１は、水平１ライン分の電荷量に応じた検出電圧の最大値、最小値及び平均値のうちの何れかを求める。そして、信号処理部５１は、検出電圧の値が大きい場合には増倍レジスタ部２８の増倍率を小さくするように、検出電圧の値が小さい場合には増倍レジスタ部２８の増倍率を大きくするように、増倍レジスタ部２８の電極Ｐ２ＨＢに印加するクロックのパルス電圧値及び電極ＤＣＢに印加する直流電圧値を決定する。
駆動部５２は、信号処理部５１の決定値に応じたパルス電圧を有する電極Ｐ２ＨＢ用クロック、及び、信号処理部５１の決定値に応じた電圧を有する電極ＤＣＢ用直流電圧を生成し、増倍レジスタ部２８へ供給する。
このようにして、制御部５０は、固体撮像装置１のダイナミックレンジを入射光の強度分布に適応させることができるように、第１の水平レジスタ部２０から出力される電荷量に応じて、すなわち、増倍レジスタ部２８に入力される電荷量に応じて、増倍レジスタ部２８の増倍率のフィードフォワード制御を行う。
次に、本実施形態の固体撮像装置１の動作を説明する。図４は、本実施形態の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。
まず、時刻ｔ１〜ｔ２において、撮像領域１０に垂直転送クロックが入力されると（ａ）、撮像領域１０における水平１ラインの電荷が第１の水平レジスタ部２０へ転送される。次に、時刻ｔ２〜ｔ４において、第１の水平レジスタ部２０、検出部４０及び第１のコーナレジスタ部２２にクロックが入力されると共に（ｂ）、第２の水平レジスタ部２４及び第２のコーナレジスタ部２６にクロックが入力されると（ｃ）、第１の水平レジスタ部２０における各水平レジスタの電荷が第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタに順次に転送される。
その際、時刻ｔ２〜ｔ３において、検出部４０によって転送電荷に応じた電圧が検出され、制御部５０に供給される（ｄ）。すると、信号処理部５１によって、検出部４０から順次に供給される電圧値に基づいて、増倍レジスタ部２８に供給するクロック及び直流電圧の電圧値が決定され、この電圧値を表す制御信号が時刻ｔ５に出力される（ｅ）。具体的には、信号処理部５１は、検出電圧の値が大きい場合には増倍レジスタ部２８の増倍率を小さくするように、検出電圧の値が小さい場合には増倍レジスタ部２８の増倍率を大きくするように、増倍レジスタ部２８の電極Ｐ２ＨＢに印加するクロックのパルス電圧値及び電極ＤＣＢに印加する直流電圧値を決定する。その後、駆動部５２によって、決定値に応じたパルス電圧を有する電極Ｐ２ＨＢ用クロック、及び、信号処理部５１の決定値に応じた電圧を有する電極ＤＣＢ用直流電圧が生成される。
すると、時刻ｔ６〜ｔ９において、駆動部５２から増倍レジスタ部２８にクロック及び直流電圧が供給されると共に（ｆ）、時刻ｔ６〜ｔ７において、第２の水平レジスタ部２４にクロックが入力される。すると、時刻ｔ６〜ｔ７において、第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタの電荷が増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタに順次に転送される。その後、時刻ｔ７〜ｔ８において、増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタの電荷がアンプ３０に順次に出力され、出力ポートから出力される（ｇ）。なお、図４（ｆ）に示す増倍レジスタ部２８のクロックにおける時刻ｔ８〜ｔ９の期間はオーバークロック期間である。
ここで、制御部５０は、電荷が第２の水平レジスタ部２４に保持されている間に（図４（ｃ）、時刻ｔ２〜ｔ４）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定する（図４（ｅ）、時刻ｔ５）。すなわち、制御部５０は、電荷が増倍レジスタ部２８に入力される前に（図４（ｆ）、時刻ｔ６）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定することとなる（図４（ｅ）、時刻ｔ５）。
なお、時刻ｔ７では、撮像領域１０における次の水平１ラインの電荷の第１の水平レジスタ部２０への転送が開始され、上記した動作が繰り返される。
このように、第１の実施形態の固体撮像装置１によれば、増倍レジスタ部２８に入力される電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率のフィードフォワード制御を行うので、すなわち、増倍レジスタ部２８の増倍率をリアルタイムに制御するので、撮像領域１０における現在の読み出し位置の入射光量に対して増倍レジスタ部２８の増倍率の制御を適切に行うことができる。したがって、固体撮像装置１のダイナミックレンジを入射光の強度分布に適切に適応させることができる。
また、第１の実施形態の固体撮像装置１によれば、第２の水平レジスタ部２４が増倍レジスタ部２８への電荷の転送を遅延させるので、制御部５０の制御速度が遅い場合であっても、現在の読み出し電荷が入力される前に、この電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率の制御を適切に行うことができる。
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図５に示す固体撮像装置１Ａは、固体撮像装置１において検出部４０に代えて第３の水平レジスタ部（ＨＲ３）４１とアンプ４２とを備える。ここで、第３の水平レジスタ部４１が特許請求の範囲に記載の検出レジスタに相当する。
この第２の実施形態では、撮像領域１０における各画素部は、クロックに応じて、第１の水平レジスタ部２０への電荷の転送に加えて（Ｂ方向）、第３の水平レジスタ部４１への電荷の転送も行うことができる（Ａ方向）。すなわち、撮像領域１０は、双方向の電荷転送が可能である。
第３の水平レジスタ部４１は、第１の水平レジスタ部２０と同一であり、撮像領域１０の垂直ラインごとに対応して水平方向に配列された複数の水平レジスタを備えており、周期的なパルス電圧を有するクロックに応じて、各水平レジスタの電荷を順次に、アンプ４２へ転送する。
アンプ４２は、第３の水平レジスタ部４１から転送される電荷を電圧信号に変換すると共に増幅して、制御部５０へ出力する。
制御部５０における信号処理部５１は、検出部４０からの検出電圧に代えて、第３の水平レジスタ部４１及びアンプ４２から順次に供給される電圧値に基づいて、増倍レジスタ部２８に供給するクロック及び直流電圧の電圧値を決定する。
この第２の実施形態の固体撮像装置１Ａによれば、第３の水平レジスタ部４１が、第１の水平レジスタ部２０と同一の電荷を受けてその電荷量を出力し、制御部５０が、この電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を制御するので、第１の実施形態の固体撮像装置１と同一の利点を得ることができる。
以下では、様々な画像領域形態に対する第２の実施形態の固体撮像装置１Ａの動作の一例を示す。
（ライン型の固体撮像装置の例１）
図６は、ライン型の固体撮像装置の例１の一部構成を示す図であり、図７は、このライン型の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。
図６に示すライン型の固体撮像装置では、撮像領域１０は、水平方向に配列された複数の画素部Ｐを有しており、各画素部Ｐは、第１の水平レジスタ部２０へのＢ方向及び第３の水平レジスタ部４１へのＡ方向の双方向の電荷転送が可能である。
図７を参照して、このライン型の固体撮像装置の動作を説明する。
まず、時刻ｔ１〜ｔ２において、撮像領域１０にＢ方向転送のための垂直転送クロックが入力されると（ａ）、撮像領域１０における水平１ラインの電荷が第１の水平レジスタ部２０へ転送される。次に、時刻ｔ２〜ｔ６において、第１の水平レジスタ部２０及び第１のコーナレジスタ部２２にクロックが入力されると共に（ｂ）、第２の水平レジスタ部２４及び第２のコーナレジスタ部２６にクロックが入力されると（ｃ）、第１の水平レジスタ部２０における各水平レジスタの電荷が第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタに順次に転送される。
その際、時刻ｔ３〜ｔ４において、撮像領域１０にＡ方向転送のための垂直転送クロックが入力されると（ｄ）、撮像領域１０における同じ水平１ラインの電荷が第３の水平レジスタ部４１へ転送される。次に、時刻ｔ４〜ｔ５において、第３の水平レジスタ部４１にクロックが入力されると（ｅ）、第３の水平レジスタ部４１における各水平レジスタの電荷がアンプ４２を介して制御部５０へ順次に出力される（ｆ）。なお、第３の水平レジスタ部４１の電荷転送は、第１の水平レジスタ部２０の電荷転送より高速に行われる。
すると、上記したように、信号処理部５１によって、第３の水平レジスタ部４１及びアンプ４２から順次に供給される電圧値に基づいて、増倍レジスタ部２８の電極Ｐ２ＨＢに印加するクロックのパルス電圧値及び電極ＤＣＢに印加する直流電圧値が決定され、この電圧値を表す制御信号が時刻ｔ７に出力される（ｇ）。その後、駆動部５２によって、決定値に応じたパルス電圧を有する電極Ｐ２ＨＢ用クロック、及び、信号処理部５１の決定値に応じた電圧を有する電極ＤＣＢ用直流電圧が生成される。
すると、時刻ｔ８〜ｔ１１において、駆動部５２から増倍レジスタ部２８にクロック及び直流電圧が供給されると共に（ｈ）、時刻ｔ８〜ｔ９において、第２の水平レジスタ部２４にクロックが入力される。すると、時刻ｔ８〜ｔ９において、第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタの電荷が増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタに順次に転送される。その後、時刻ｔ９〜ｔ１０において、増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタの電荷がアンプ３０に順次に出力され、出力ポートから出力される（ｉ）。なお、図７（ｈ）に示す増倍レジスタ部２８のクロックにおける時刻ｔ１０〜ｔ１１の期間はオーバークロック期間である。
ここで、制御部５０は、電荷が第２の水平レジスタ部２４に保持されている間に（図７（ｃ）、時刻ｔ２〜ｔ６）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定する（図７（ｇ）、時刻ｔ７）。すなわち、制御部５０は、電荷が増倍レジスタ部２８に入力される前に（図７（ｈ）、時刻ｔ８）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定することとなる（図７（ｇ）、時刻ｔ７）。
なお、時刻ｔ９では、撮像領域１０における次の水平１ラインの電荷の第１の水平レジスタ部２０への転送が開始され、上記した動作が繰り返される。
（ライン型の固体撮像装置の例２）
図８は、ライン型の固体撮像装置の例２の一部構成を示す図であり、図９は、このライン型の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。
図８に示すライン型の固体撮像装置では、撮像領域１０は、水平方向に配列された複数の画素部Ｐを有しており、各画素部Ｐは、水平方向に分割された出力用画素Ｐｏと検出用画素Ｐｄとを有する。出力用画素Ｐｏは第１の水平レジスタ部２０のＢ方向への電荷転送を行い、検出用画素Ｐｄは第３の水平レジスタ部４１のＡ方向への電荷転送を行う。このようにして、各画素部Ｐは、第１の水平レジスタ部２０へのＢ方向及び第３の水平レジスタ部４１へのＡ方向の双方向の電荷転送が可能である。
図９を参照して、このライン型の固体撮像装置の動作を説明する。
まず、時刻ｔ１〜ｔ２において、撮像領域１０に垂直転送クロックが入力されると（ａ）、撮像領域１０における水平１ラインの出力用画素Ｐｏの電荷がＢ方向、すなわち、第１の水平レジスタ部２０へ転送されると同時に、撮像領域１０における水平１ラインの検出用画素Ｐｄの電荷がＡ方向、すなわち、第３の水平レジスタ部４１へ転送される。次に、時刻ｔ２〜ｔ４において、第１の水平レジスタ部２０及び第１のコーナレジスタ部２２にクロックが入力されると共に（ｂ）、第２の水平レジスタ部２４及び第２のコーナレジスタ部２６にクロックが入力されると（ｃ）、第１の水平レジスタ部２０における各水平レジスタの電荷が第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタに順次に転送される。
その際、時刻ｔ２〜ｔ３において、第３の水平レジスタ部４１にクロックが入力されると（ｄ）、第３の水平レジスタ部４１における各水平レジスタの電荷がアンプ４２を介して制御部５０へ順次に出力される（ｅ）。すると、上記したように、信号処理部５１によって、第３の水平レジスタ部４１及びアンプ４２から順次に供給される電圧値に基づいて、増倍レジスタ部２８の電極Ｐ２ＨＢに印加するクロックのパルス電圧値及び電極ＤＣＢに印加する直流電圧値が決定され、この電圧値を表す制御信号が時刻ｔ５に出力される（ｇ）。その後、駆動部５２によって、決定値に応じたパルス電圧を有する電極Ｐ２ＨＢ用クロック、及び、信号処理部５１の決定値に応じた電圧を有する電極ＤＣＢ用直流電圧が生成される。
すると、時刻ｔ６〜ｔ９において、駆動部５２から増倍レジスタ部２８にクロック及び直流電圧が供給されると共に（ｇ）、時刻ｔ６〜ｔ７において、第２の水平レジスタ部２４にクロックが入力される。すると、時刻ｔ６〜ｔ７において、第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタの電荷が増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタに順次に転送される。その後、時刻ｔ７〜ｔ８において、増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタの電荷がアンプ３０に順次に出力され、出力ポートから出力される（ｈ）。なお、図９（ｇ）に示す増倍レジスタ部２８のクロックにおける時刻ｔ８〜ｔ９の期間はオーバークロック期間である。
ここで、制御部５０は、電荷が第２の水平レジスタ部２４に保持されている間に（図９（ｃ）、時刻ｔ２〜ｔ４）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定する（図９（ｆ）、時刻ｔ５）。すなわち、制御部５０は、電荷が増倍レジスタ部２８に入力される前に（図９（ｇ）、時刻ｔ６）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定することとなる（図９（ｆ）、時刻ｔ５）。
なお、時刻ｔ７では、撮像領域１０における次の水平１ラインの電荷の第１の水平レジスタ部２０への転送が開始され、上記した動作が繰り返される。
（インターライン型の固体撮像装置）
図１０は、インターライン型の固体撮像装置の一部構成を示す図であり、図１１は、このインターライン型の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。
図１０に示すインターライン型の固体撮像装置では、撮像領域１０は、複数の画素部Ｐと、複数の画素部Ｐの垂直１ラインごとに配置され、電荷転送を行う垂直電荷転送路Ｌとを有する。垂直電荷転送路Ｌは、第１の水平レジスタ部２０へのＢ方向及び第３の水平レジスタ部４１へのＡ方向の双方向の電荷転送が可能であり、それぞれの電荷転送を交互に行う。
図１１を参照して、このインターライン型の固体撮像装置の動作を説明する。
まず、時刻ｔ１〜ｔ２において、撮像領域１０に読出転送クロックが入力されると（ａ）、撮像領域１０における水平１ラインの電荷がそれぞれ隣接する垂直電荷転送路Ｌに転送される。次に、時刻ｔ２〜ｔ３において、撮像領域１０にＢ方向転送のための垂直転送クロックが入力されると（ｂ）、撮像領域１０における垂直電荷転送路Ｌの電荷が第１の水平レジスタ部２０へ転送される。次に、時刻ｔ３〜ｔ８において、第１の水平レジスタ部２０及び第１のコーナレジスタ部２２にクロックが入力されると共に（ｃ）、第２の水平レジスタ部２４及び第２のコーナレジスタ部２６にクロックが入力されると（ｄ）、第１の水平レジスタ部２０における各水平レジスタの電荷が第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタに順次に転送される。
その際、時刻ｔ４〜ｔ５において、撮像領域１０に読出転送クロックが入力されると（ａ）、撮像領域１０における同じ水平１ラインの電荷がそれぞれ隣接する垂直電荷転送路Ｌに転送される。次に、時刻ｔ５〜ｔ６において、撮像領域１０にＡ方向転送のための垂直転送クロックが入力されると（ｅ）、撮像領域１０における垂直電荷転送路Ｌの電荷が第３の水平レジスタ部４１へ転送される。次に、時刻ｔ６〜ｔ７において、第３の水平レジスタ部４１にクロックが入力されると（ｆ）、第３の水平レジスタ部４１における各水平レジスタの電荷がアンプ４２に順次に出力され、制御部５０へ順次に出力される（ｇ）。なお、第３の水平レジスタ部４１の電荷転送は、第１の水平レジスタ部２０の電荷転送より高速に行われる。
すると、上記したように、信号処理部５１によって、第３の水平レジスタ部４１及びアンプ４２から順次に供給される電圧値に基づいて、増倍レジスタ部２８の電極Ｐ２ＨＢに印加するクロックのパルス電圧値及び電極ＤＣＢに印加する直流電圧値が決定され、この電圧値を表す制御信号が時刻ｔ９に出力される（ｈ）。その後、駆動部５２によって、決定値に応じたパルス電圧を有する電極Ｐ２ＨＢ用クロック、及び、信号処理部５１の決定値に応じた電圧を有する電極ＤＣＢ用直流電圧が生成される。
すると、時刻ｔ１０〜ｔ１４において、駆動部５２から増倍レジスタ部２８にクロック及び直流電圧が供給されると共に（ｉ）、時刻ｔ１０〜ｔ１２において、第２の水平レジスタ部２４にクロックが入力される。すると、時刻ｔ１０〜ｔ１２において、第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタの電荷が増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタに順次に転送される。その後、時刻ｔ１２〜ｔ１３において、増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタの電荷がアンプ３０に順次に出力され、出力ポートから出力される（ｊ）。なお、図１１（ｉ）に示す増倍レジスタ部２８のクロックにおける時刻ｔ１３〜ｔ１４の期間はオーバークロック期間である。
ここで、制御部５０は、電荷が第２の水平レジスタ部２４に保持されている間に（図１１（ｄ）、時刻ｔ３〜ｔ８）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定する（図１１（ｈ）、時刻ｔ９）。すなわち、制御部５０は、電荷が増倍レジスタ部２８に入力される前に（図１１（ｉ）、時刻ｔ１０）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定することとなる（図１１（ｈ）、時刻ｔ９）。
なお、時刻ｔ１１では、撮像領域１０における次の水平１ラインの電荷の第１の水平レジスタ部２０への転送が開始され、上記した動作が繰り返される。
（フルフレームトランスファ型の固体撮像装置）
図１２は、フルフレームトランスファ型の固体撮像装置の一部構成を示す図であり、図１３は、このフルフレームトランスファ型の固体撮像装置の各部波形を示すタイミングチャートである。
図１２に示すフルフレームトランスファ型の固体撮像装置では、撮像領域１０は、垂直方向及び水平方向に２次元的に配列された複数の画素部Ｐを有する。各画素部Ｐは、第１の水平レジスタ部２０のＢ方向及び第３の水平レジスタ部４１のＡ方向への双方向の電荷転送が可能であり、これらの電荷転送を交互に行う。
図１３を参照して、このフルフレームトランスファ型の固体撮像装置をビニングでラインセンサとして使用するときの動作を説明する。
まず、時刻ｔ１〜ｔ２において、撮像領域１０にＢ方向転送のための垂直転送クロックが入力されると（ａ）、撮像領域１０における各垂直列ごとの電荷が第１の水平レジスタ部２０へ転送される。次に、時刻ｔ２〜ｔ６において、第１の水平レジスタ部２０及び第１のコーナレジスタ部２２にクロックが入力されると共に（ｂ）、第２の水平レジスタ部２４及び第２のコーナレジスタ部２６にクロックが入力されると（ｃ）、第１の水平レジスタ部２０における各水平レジスタの電荷が第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタに順次に転送される。
その際、時刻ｔ３〜ｔ４において、撮像領域１０にＡ方向転送のための垂直転送クロックが入力されると（ｄ）、撮像領域１０における各垂直列ごとの電荷が第３の水平レジスタ部４１へ転送される。次に、時刻ｔ４〜ｔ５において、第３の水平レジスタ部４１にクロックが入力されると（ｅ）、第３の水平レジスタ部４１における各水平レジスタの電荷がアンプ４２に順次に出力され、制御部５０へ順次に出力される（ｆ）。なお、第３の水平レジスタ部４１の電荷転送は、第１の水平レジスタ部２０の電荷転送より高速に行われる。
すると、上記したように、信号処理部５１によって、第３の水平レジスタ部４１及びアンプ４２から順次に供給される電圧値に基づいて、増倍レジスタ部２８の電極Ｐ２ＨＢに印加するクロックのパルス電圧値及び電極ＤＣＢに印加する直流電圧値が決定され、この電圧値を表す制御信号が時刻ｔ７に出力される（ｇ）。その後、駆動部５２によって、決定値に応じたパルス電圧を有する電極Ｐ２ＨＢ用クロック、及び、信号処理部５１の決定値に応じた電圧を有する電極ＤＣＢ用直流電圧が生成される。
すると、時刻ｔ８〜ｔ１１において、駆動部５２から増倍レジスタ部２８にクロック及び直流電圧が供給されると共に（ｈ）、時刻ｔ８〜ｔ９において、第２の水平レジスタ部２４にクロックが入力される。すると、時刻ｔ８〜ｔ９において、第２の水平レジスタ部２４における各水平レジスタの電荷が増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタに順次に転送される。その後、時刻ｔ９〜ｔ１０において、増倍レジスタ部２８における各増倍レジスタの電荷がアンプ３０に順次に出力され、出力ポートから出力される（ｉ）。なお、図１３（ｈ）に示す増倍レジスタ部２８のクロックにおける時刻ｔ１０〜ｔ１１の期間はオーバークロック期間である。
ここで、制御部５０は、電荷が第２の水平レジスタ部２４に保持されている間に（図１３（ｃ）、時刻ｔ２〜ｔ６）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定する（図１３（ｇ）、時刻ｔ７）。すなわち、制御部５０は、電荷が増倍レジスタ部２８に入力される前に（図１３（ｈ）、時刻ｔ８）、その電荷量に応じて増倍レジスタ部２８の増倍率を決定することとなる（図１３（ｇ）、時刻ｔ７）。
なお、時刻ｔ９では、撮像領域１０における各垂直列ごとの電荷の第１の水平レジスタ部２０への転送が開始され、上記した動作が繰り返される。
［第３の実施形態］
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図１４に示す固体撮像装置１Ｂは、マルチポート型の固体撮像装置であり、固体撮像装置１において、第１の水平レジスタ部（ＨＲ１）２０と、第１のコーナレジスタ部（ＣＲ１）２２と、第２の水平レジスタ部（ＨＲ２）２４と、第２のコーナレジスタ部（ＣＲ２）２６と、増倍レジスタ部（ＥＭＲ）２８と、アンプ３０と、出力ポート３５と、検出部４０と、制御部５０とをそれぞれ４個ずつ備える構成で、第１の実施形態と異なっている。
すなわち、固体撮像装置１Ｂは、撮像領域１０における部分撮像領域１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからの電荷をそれぞれ受ける第１の水平レジスタ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄと、第１の水平レジスタ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄからの電荷転送方向をそれぞれ折り返す第１のコーナレジスタ部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと、第１のコーナレジスタ部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄからの電荷をそれぞれ受ける第２の水平レジスタ部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄと、第２の水平レジスタ部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄからの電荷転送方向をそれぞれ折り返す第２のコーナレジスタ部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄと、第２のコーナレジスタ部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄからの電荷をそれぞれ増倍する増倍レジスタ部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと、増倍レジスタ部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄから受ける電荷量に応じた電圧を出力ポート３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄへそれぞれ出力するアンプ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄと、第１の水平レジスタ部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄからの電荷量をそれぞれ検出する検出部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄと、検出部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄによって検出された電荷量に基づいて増倍レジスタ部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの増倍率をそれぞれ制御する制御部５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄとを備える。
この第３の実施形態の固体撮像装置１Ｂでは、ポートごとに、上記した増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御、すなわち、増倍レジスタ部の増倍率のリアルタイム制御を行うので、第１の実施形態の固体撮像装置１と同様の利点を得ることができる。
更に、第３の実施形態の固体撮像装置１Ｂによれば、ポートごとに並列処理が行われるので、高速化を実現することができる。
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
本実施形態では、増倍レジスタ部の電極の制御電圧調整による増倍率の制御を行ったが、増倍レジスタ部の増倍段数を制御することにより増倍率の制御を行ってもよい。具体的には、増倍レジスタ部の複数の増倍レジスタのうちの電荷増倍作用を有する増倍レジスタの段数を制御する。なお、増倍レジスタのうちの電荷増倍作用を有さない増倍レジスタには、上記したように、通常の転送を行う程度の制御電圧を供給すればよい（図２（ｂ）における点線）。
また、第３の実施形態では、４個の出力ポートを備えるマルチポート型の固体撮像装置を例示したが、本発明の思想は、２個以上の出力ポートを備えるマルチポート型の固体撮像装置に適用可能である。また、第２の実施形態も２個以上の出力ポートを備えるマルチポート型の固体撮像装置に適用可能である。
また、本発明の思想は、第２の実施形態でも一部記載したように、様々な形態、例えば、ライン型、インターライン型、フレームトランスファ型、フルフレームトランスファ型等の固体撮像装置に適用可能である。
１，１Ａ，１Ｂ…固体撮像装置、１０…撮像領域、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…部分撮像領域、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…第１の水平レジスタ部（出力レジスタ部）、２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…第１のコーナレジスタ部、２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…第２の水平レジスタ部（遅延レジスタ部）、２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ…第２のコーナレジスタ部、２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ…増倍レジスタ部、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ…アンプ、３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ…出力ポート、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…検出部、４１…第３の水平レジスタ部、４２…アンプ、５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ…制御部、５１…信号処理部、５２…駆動部。

Claims (9)

  1. 電荷増倍型の固体撮像装置において、
    入射光量に応じた電荷を生成する撮像領域と、
    前記撮像領域からの電荷を受ける出力レジスタ部と、
    前記出力レジスタ部からの電荷を増倍する増倍レジスタ部と、
    を備え、
    前記撮像領域からの電荷量に応じて、前記増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御を行う、
    固体撮像装置。
  2. 前記増倍レジスタ部に入力される電荷量を検出する検出部と、
    前記検出部によって検出された電荷量に応じて、前記増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御を行う制御部と、
    を更に備える、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記撮像領域からの電荷を受ける検出レジスタ部と、
    前記検出レジスタ部から出力される電荷量に応じて、前記増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御を行う制御部と、
    を更に備える、請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 前記出力レジスタ部と前記増倍レジスタ部との間に配置され、前記出力レジスタ部から前記増倍レジスタ部への電荷の転送を遅延させる遅延レジスタ部を更に備える、請求項１又は３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記検出部と前記増倍レジスタ部との間に配置され、前記検出部から前記増倍レジスタ部への電荷の転送を遅延させる遅延レジスタ部を更に備える、請求項２に記載の固体撮像装置。
  6. 前記制御部は、前記検出部によって検出された電荷量の最大値、最小値及び平均値のうちの何れかに応じて、前記増倍レジスタ部の増倍率の制御を行う、請求項２に記載の固体撮像装置。
  7. 前記制御部は、前記検出レジスタ部から出力される電荷量の最大値、最小値及び平均値のうちの何れかに応じて、前記増倍レジスタ部の増倍率の制御を行う、請求項３に記載の固体撮像装置。
  8. 前記検出部はフローティング・ゲート・アンプを含む、請求項２に記載の固体撮像装置。
  9. 電荷増倍型の固体撮像装置において、
    入射光量に応じた電荷を生成する撮像領域と、
    前記撮像領域からの電荷を受ける複数の出力レジスタ部と、
    前記複数の出力レジスタ部からの電荷をそれぞれ増倍する複数の増倍レジスタ部と、
    を備え、
    前記複数の増倍レジスタ部にそれぞれ入力される電荷量に応じて、前記複数の増倍レジスタ部の増倍率のフィードフォワード制御をそれぞれ行う、
    固体撮像装置。
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