JP2011146924A - イメージセンサおよびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被写体像の移動方向が画素アレイの垂直方向に一致しない場合でも、高い画像解像度を得ることが可能なイメージセンサを提供する。
【解決手段】このTDI方式イメージセンサでは、複数の画素ブロックBKを垂直方向に配列し、各画素ブロックBKの各画素2が次段の画素ブロックBKの2つの画素2に対向するように、各隣接する2つの画素ブロックBKを画素ピッチの2分の1だけ水平方向に互いにずらせて配置し、各隣接する2つの画素ブロックBKの間に電荷振り分け部CSを設け、前段の画素ブロックBKの各画素2からの信号電荷を次段の画素ブロックBKの2つの画素のうちのいずれか一方の画素2に選択的に伝達させる。したがって、信号電荷の転送方向を被写体像の移動方向に一致させることができる。
【選択図】図1

Description

この発明は、イメージセンサおよびそれを用いた撮像装置に関し、特に、リモートセンシングなどの分野で用いられるイメージセンサと、それを用いた撮像装置に関する。
近年、半導体基板上に多数の画素(光検出器)をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路や出力アンプを備えたイメージセンサが多数開発されている。リモートセンシングにおいては、画素を1次元アレイ状に配置したイメージセンサを人工衛星などに搭載し、画素アレイと垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって地表の2次元画像を撮影する。画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましい。しかし、画素ピッチを小さくすると、画素の面積が縮小する分だけ画素への入射光量が減少し、S/Nが劣化する。
S/Nを改善するための巧妙な手段としてTDI方式(Time Delay and Integration)のイメージセンサが開発されている。TDI方式は、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでS/Nを改善するCCD(Charge Coupled Devices)イメージセンサの読出し方式である。CCDとしては、2次元イメージセンサであるFFT(Full Frame Transfer)型CCDなどが用いられる。リモートセンシングの場合、CCDの垂直方向への電荷転送速度を衛星の移動速度に合わせることでTDI動作を実現できる。垂直CCDでM段のTDI動作を行なうと、蓄積時間が実効的にM倍となるため、感度がM倍向上し、S/Nは√M倍に改善される。
また、TDI方式のイメージセンサにおいて、電荷転送方向を順方向と逆方向に切換える、いわゆる双方向TDIが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。このイメージセンサでは、外部から印加する垂直転送クロックによって電荷転送方向の順方向と逆方向との切り換わり位置を制御することで、TDI段数を切換えることを可能にしている。
特開平11−298805号公報
しかし、リモートセンシングにおいて、高速で移動しながら複数の地点を順次撮影しようとすると、被写体像の移動方向と画素アレイの垂直方向を一致させることは難しくなる。両者の方向に角度ずれが生じると、画像解像度が著しく劣化する。そのため、従来は、衛星の姿勢を制御して両者の方向を一致させてから撮像を行なう必要があり、撮影できる地点の数が限定されていた。
また、特許文献1のTDI方式イメージセンサは、電荷転送の方向を2通りに切換えるものであるが、その電荷転送方向は順方向と逆方向だけに限られている。したがって、このイメージセンサでは、被写体像の移動方向と画素アレイの垂直方向との角度ずれを補償することはできず、撮像地点を大幅に増加させることはできない。
それゆえに、この発明の主たる目的は、被写体像の移動方向が画素アレイの垂直方向に一致しない場合でも、高い画像解像度を得ることが可能なイメージセンサを提供することである。
この発明に係るイメージセンサは、垂直方向に配列された複数の画素ブロックを含む画素アレイを備えたものである。各画素ブロックは、水平方向に配置された複数の画素を含む。各画素ブロックの各画素が次段の画素ブロックの2つの画素に対向するように、奇数番の画素ブロックと偶数番の画素ブロックは予め定められた距離だけ水平方向にずらせて配置されている。このイメージセンサは、さらに、各隣接する2つの画素ブロックの間に設けられ、前段の画素ブロックの各画素からの信号電荷を該画素に対向する次段の画素ブロックの2つの画素のうちのいずれか一方の画素に選択的に伝達する電荷振り分け部を備える。
この発明に係るイメージセンサでは、複数の画素ブロックを垂直方向に配列し、各画素ブロックの各画素が次段の画素ブロックの2つの画素に対向するように、奇数番の画素ブロックと偶数番の画素ブロックを所定距離だけ水平方向にずらせて配置し、各隣接する2つの画素ブロックの間に電荷振り分け部を設け、前段の画素ブロックの各画素からの信号電荷を次段の画素ブロックの2つの画素のうちのいずれか一方の画素に選択的に伝達させる。したがって、被写体像の移動方向が画素アレイの垂直方向に一致しない場合でも、信号電荷の転送方向を被写体像の移動方向に一致させることができ、高い画像解像度を得ることができる。
本発明の実施の形態1によるTDI方式イメージセンサの構成を示すブロック図である。 図1に示したTDI方式イメージセンサの要部を示す図である。 図2に示した電荷振り分け部の動作を示すタイムチャートである。 図2に示した電荷振り分け部の動作を示す図である。 図2に示した電荷振り分け部の動作を示す他の図である。 図2に示した電荷振り分け部の動作を示すさらに他の図である。 図2に示した電荷振り分け部の動作を示すさらに他の図である。 本発明の実施の形態2による撮像装置の構成を示すブロック図である。
[実施の形態1]
本願の実施の形態1によるTDI方式イメージセンサは、シリコン基板の表面に形成されており、図1に示すように画素アレイ1を備える。画素アレイ1は、垂直方向(図1中の上下方向)に配列されたn個(ただし、nは2以上の整数である)の画素ブロックBK1〜BKnを含む。各画素ブロックBKは、複数行(図1では3行)、複数列に配置された複数の画素2を含む。各画素行の複数の画素2は、所定の画素ピッチで水平方向(図1中の左右方向)に配列されている。各画素列の複数の画素2は、所定の画素ピッチで垂直方向(図1中の上下方向)に配列されている。各画素2は、入射光強度に応じた量の電荷を発生する。各画素2で発生した信号電荷は、列方向の下流側(図1では下側)の画素2に順次転送される。
奇数番の画素ブロックBK1,BK3,…の画素2と偶数番の画素ブロックBK2,BK4,…の画素2とは、画素ピッチの2分の1のピッチだけ水平方向に互いにずれて配置されている。このため、各画素ブロックBKの最終段の画素行の各画素2は、次段(図1では下側)の画素ブロックBKの初段の画素行の2つの画素2に対向している。
また、画素ブロックBK1〜BKnの間には、それぞれ電荷振り分け部CS1〜CSn−1が設けられている。各電荷振り分け部CSは、前段の画素ブロックBKの最終行の各画素2からの信号電荷を、次段の画素ブロックBKの初段の画素行の対応する2つの画素2のうちのいずれか一方の画素2に選択的に転送する。
さらに、最終段の画素ブロックBKnに隣接して電荷蓄積部3、水平CCD4、および出力アンプ5が設けられている。画素2に光が入射すると、その画素2で入射光強度に応じた量の電荷が発生する。画素2で発生した信号電荷は、画素ブロックBKと電荷振り分け部CSとを交互に通り、電荷蓄積部3に向かって垂直方向(図1中の下方)に転送され、次に電荷蓄積部3から水平CCD4に転送され、さらに水平CCD4によって水平方向(図1中の右方向)に転送され、出力アンプ5から出力される。
図2は、図1に示したTDI方式イメージセンサの要部を示す図である。図2では、図面の簡単化のため、7個の画素ブロックBK1〜BK7と、6個の電荷振り分け部CS1〜CS6とが示されている。また、各画素ブロックBKでは、1つの画素行のみが示されている。図2において、太枠線で囲まれた四角形の領域が1つの画素2に相当し、太枠線で囲まれた横長の帯状の領域が1つの電荷振り分け部CSに相当する。
各画素ブロックBKの画素行には、複数本(図2では3本)の垂直転送電極(ポリシリコンゲート)6が共通に設けられている。各垂直転送電極6は水平方向に延在しており、3本の垂直転送電極6は垂直方向に隣接して配置されている。また、各電荷振り分け部CSには、各画素2に対応して2つの振り分け電極(ポリシリコンゲート)7が設けられている。すなわち、各電荷振り分け部CSには、1画素行に属する画素2の2倍の数の振り分け電極7が設けられている。各電荷振り分け部CSの複数の振り分け電極7は、水平方向に画素ピッチの2分の1のピッチで配列されている。
また、図2において、網掛けが施された領域は、シリコン基板内に形成された垂直転送チャネル8である。垂直転送チャネル8は、各画素ブロックBKにおいては、各画素2に対応して3本の垂直転送電極6の下に形成されている。各画素2に対応する垂直転送チャネル8は、水平方向に隣接する画素2に対応する垂直転送チャネル8と離間している。また、垂直転送チャネル8は、各電荷振り分け部CSにおいては、各振り分け電極7に対応して振り分け電極7の下に形成されている。各振り分け電極7に対応する垂直転送チャネル8は、前段および後段の画素2に対応する垂直転送チャネル8につながっている。
また、画素ブロックBK1〜BK7に共通に入力ピンP1〜P3が設けられている。各画素ブロックBKの1番目(図2中の1番上)の垂直転送電極6は、コンタクトホール10および金属配線11を介して入力ピンP1に接続されている。各画素ブロックBKの2番目の垂直転送電極6は、コンタクトホール10および金属配線11を介して入力ピンP2に接続されている。また、各画素ブロックBKの3番目の垂直転送電極6は、コンタクトホール10および金属配線11を介して入力ピンP3に接続されている。入力ピンP1〜P3には、それぞれクロック信号φT1〜φT3が外部から与えられる。
また、電荷振り分け部CS1〜CS6の奇数番目の振り分け電極7に対応してそれぞれ入力ピンP11a〜P16aが設けられ、電荷振り分け部CS1〜CS6の偶数番目の振り分け電極7に対応してそれぞれ入力ピンP11b〜P16bが設けられている。各電荷振り分け部(たとえばCS1)の奇数番目の振り分け電極7は、コンタクトホール12および金属配線13を介して対応の入力ピン(この場合P11a)に接続されている。各電荷振り分け部(たとえばCS1)の偶数番目の振り分け電極7は、コンタクトホール12および金属配線13を介して対応の入力ピン(この場合P11b)に接続されている。入力ピンP11a〜16aには、それぞれクロック信号φL1〜φL6が外部から与えられえる。入力ピンP11b〜16bには、それぞれクロック信号φR1〜φR6が外部から与えられる。
図3(a)は電荷を右に振り分ける場合におけるクロック信号φT1〜φT3,φR,φLの波形を示すタイムチャートであり、図3(b)は電荷を左に振り分ける場合におけるクロック信号φT1〜φT3,φR,φLの波形を示すタイムチャートである。クロック信号φT1〜φT3,φR(またはφL)は、4相駆動CCDに供給する垂直転送クロック信号と同様であるが、電荷振り分け部CSによって左右のどちらに電荷を転送するかによってクロック信号の与え方が異なっている。すなわち、電荷を図2中の右に振り分ける場合は、クロック信号φRを活性化させるとともにクロック信号φLを「L」レベルに固定し、電荷を図2中の左に振り分ける場合は、クロック信号φLを活性化させるとともにクロック信号φRを「L」レベルに固定する。
次に、このイメージセンサの電荷転送動作について説明する。CCDでは、「H」レベルの信号が与えられた転送電極の下の転送チャネルにポテンシャル井戸が形成され、そのポテンシャル井戸に信号電荷が蓄積される。図3(a)において、クロック信号φT1,φT2がともに「H」レベルにされると、各画素ブロックBKの1番目と2番目の垂直転送電極6の下の垂直転送チャネル8にポテンシャル井戸が形成され、そのポテンシャル井戸に信号電荷が蓄積される。
次に、クロック信号φT2,φT3がともに「H」レベルにされると、各画素ブロックBKの2番目と3番目の垂直転送電極6の下の垂直転送チャネル8にポテンシャル井戸が形成され、ポテンシャル井戸の移動に伴って信号電荷が移動する。次に、クロック信号φT3,φRがともに「H」レベルにされると、各画素ブロックBKの3番目の垂直転送電極6と電荷振り分け部CSの各偶数番の振り分け電極7の下の垂直転送チャネル8にポテンシャル井戸が形成される。このとき、クロック信号φLが「L」レベルに固定されるので、電荷振り分け部CSの各奇数番の振り分け電極7の下にはポテンシャル井戸は形成されない。したがって、信号電荷は、各画素ブロックBKの3番目の垂直転送電極6と電荷振り分け部CSの各偶数番の振り分け電極7の下に移動する。
次に、クロック信号φR,φT1がともに「H」レベルにされると、電荷振り分け部CSの各偶数番の振り分け電極7と各画素ブロックBKの1番目の垂直転送電極6の下の垂直転送チャネル8にポテンシャル井戸が形成され、ポテンシャル井戸の移動に伴って信号電荷が移動する。以上の一連の転送動作により、図3(a)の駆動クロックを与えた場合は、画素2で発生した信号電荷は電荷振り分け部CSを介して右下の画素2に転送される。
同様に、図3(b)において、クロック信号φT1,φT2がともに「H」レベルにされると、各画素ブロックBKの1番目と2番目の垂直転送電極6の下の垂直転送チャネル8にポテンシャル井戸が形成され、そのポテンシャル井戸に信号電荷が蓄積される。
次に、クロック信号φT2,φT3がともに「H」レベルにされると、各画素ブロックBKの2番目と3番目の垂直転送電極6の下の垂直転送チャネル8にポテンシャル井戸が形成され、ポテンシャル井戸の移動に伴って信号電荷が移動する。次に、クロック信号φT3,φLがともに「H」レベルにされると、各画素ブロックBKの3番目の垂直転送電極6と電荷振り分け部CSの各奇数番の振り分け電極7の下の垂直転送チャネル8にポテンシャル井戸が形成される。このとき、クロック信号φRが「L」レベルに固定されるので、電荷振り分け部CSの各偶数番の振り分け電極7の下にはポテンシャル井戸は形成されない。したがって、信号電荷は、各画素ブロックBKの3番目の垂直転送電極6と電荷振り分け部CSの各奇数番の振り分け電極7の下に移動する。
次に、クロック信号φL,φT1がともに「H」レベルにされると、電荷振り分け部CSの各奇数番の振り分け電極7と各画素ブロックBKの1番目の垂直転送電極6の下の垂直転送チャネル8にポテンシャル井戸が形成され、ポテンシャル井戸の移動に伴って信号電荷が移動する。以上の一連の転送動作により、図3(b)の駆動クロックを与えた場合は、画素2で発生した信号電荷は電荷振り分け部CSを介して左下の画素2に転送される。
クロック信号φR,φLは、各電荷振り分け部CS毎に独立に設定される。クロック信号φR1〜φR6,φL1〜φL6の組み合わせ方によって、TDI転送を行なう際の電荷転送方向(角度)を変えることができる。
図4〜図7は、図1〜図3で示したTDI方式イメージセンサの電荷転送方法を示す図である。図4〜図7では、図面の簡単化のため、9個の画素ブロックBK1〜BK9と、8個の電荷振り分け部CS1〜CS8とが示されている。また、各画素ブロックBKでは、2つの画素行のみが示されている。
図4では、電荷振り分け部CS1〜CS8にそれぞれクロック信号φR1,φL2,φR3,φL4,φR5,φL6,φR7,φL8が入力される。クロック信号φL1,φR2,φL3,φR4,φL5,φR6,φL7,φR8は、ともに「L」レベルに固定される。この場合、電荷振り分け部CS1〜CS8は、前段の画素ブロックBK1〜BK8からの信号電荷をそれぞれ右、左、右、左、右、左、右、左に振り分ける。このため、信号電荷は、図4中の矢印で示した経路を通って蛇行しながら移動し、全体として信号電荷の転送方向は画素アレイ1の垂直方向(図4中の下方向)になる。
図5では、電荷振り分け部CS1〜CS8にそれぞれクロック信号φR1,φR2,φL3,φR4,φR5,φL6,φR7,φR8が入力される。クロック信号φL1,φL2,φR3,φL4,φL5,φR6,φL7,φL8は、ともに「L」レベルに固定される。この場合、電荷振り分け部CS1〜CS8は、前段の画素ブロックBK1〜BK8からの信号電荷をそれぞれ右、右、左、右、右、左、右、右に振り分ける。この場合は、右に2回、左に1回の振り分けを繰り返し行なうので、右方向への振り分け頻度が多い分だけ信号電荷の転送方向は全体として図5中の斜め右下方向になる。
図6では、電荷振り分け部CS1〜CS8にそれぞれクロック信号φR1〜φR3,φL4,φR5〜φR7,φL8が入力される。クロック信号φL1〜φL3,φR4,φL5〜φL7,φR8は、ともに「L」レベルに固定される。この場合、電荷振り分け部CS1〜CS8は、前段の画素ブロックBK1〜BK8からの信号電荷をそれぞれ右、右、右、左、右、右、右、左に振り分ける。この場合は、右に3回、左に1回の振り分けを繰り返し行なうので、右方向への振り分け頻度が多い分だけ信号電荷の転送方向は全体として図6中の斜め右下方向になる。
図7では、電荷振り分け部CS1〜CS8にそれぞれクロック信号φR1〜φR8が入力される。クロック信号φL1〜φL8は、ともに「L」レベルに固定される。この場合、電荷振り分け部CS1〜CS8は、ともに前段の画素ブロックBK1〜BK8からの信号電荷を右に振り分ける。この場合は、右への振り分けを繰り返し行なうので、信号電荷の転送方向は全体として図7中の斜め右下方向になる。図4〜図7中の矢印は電荷の移動経路を表しており、図4から図7の順に転送方向が曲げられる角度が増大する。図4〜図7では、転送方向を右に曲げる場合について示したが、クロック信号を示す符号のRとLを入れ替えれば、転送方向は左に曲げられる。
この実施の形態1では、画素アレイ1を複数の画素ブロックBKに分割し、各隣接する2つの画素ブロックBKの間に電荷振り分け部CSを設け、前段の画素ブロックBKの画素2からの信号電荷を次段の画素ブロックBKの2つの画素2のうちのいずれか一方の画素2に選択的に伝達させる。したがって、被写体像の移動方向が画素アレイ1の列方向に一致しない場合でも、信号電荷の転送方向を被写体像の移動方向に一致させることができ、高い画像解像度を得ることができる。
なお、一般に可視イメージセンサには、被写体からの光を素子の表面側から入射させて用いる表面入射型のセンサと、素子の裏面側から光を入射させる裏面入射型のセンサがある。本発明の実施の形態1によるTDI方式イメージセンサは、表面入射型と裏面入射型のいずれのセンサにも適用が可能である。ただし、電荷振り分け部CSへの金属配線が多数必要になる場合は、裏面入射型にした方が大きな画素開口率を得ることができる。
[実施の形態2]
図8は、本発明の実施の形態2による撮像装置の構成を示すブロック図である。図8において、この撮像装置は、TDI方式イメージセンサ20、制御回路21、および検知装置22を備える。TDI方式イメージセンサ20は、図1〜図7で示したTDI方式イメージセンサと同じものである。検知装置22は、TDI方式イメージセンサ20の画素アレイ1上に投影される被写体像の移動方向を検知する。被写体像の移動方向を検知する方法としては、ジャイロセンサなどから得られた衛星の移動方向と撮像システムの向きに関する情報から割り出す方法や、撮像システムの焦点面上に設置した別の2次元イメージセンサの画像情報を利用する方法などがある。
制御回路21は、検知装置22の検知結果に基づいてクロック信号φT1〜φT3,φR,φLを生成し、画素アレイ1上に投影される被写体像の移動方向と電荷転送方向(角度)とを一致させる。また、制御回路21は、電荷を斜め下方向に転送する場合において転送方向の曲がりが大きいときは(図5〜図7参照)、クロック信号φT1〜φT3の周期を微調整して垂直方向の画像解像度の劣化を抑制する。この場合は、電荷を垂直方向に転送する場合(図4参照)の垂直転送周期をTとし、転送方向の曲がり角度をθとしたとき、転送周期をT/cosθに設定すればよい。
この実施の形態2では、衛星の進行にともなう被写体像の移動方向が画素アレイ1の列方向に一致しない場合でも、信号電荷の転送方向を被写体像の移動方向に合わせることができ、画像解像度の劣化を防止することができる。その結果、複数の地点を順次撮影しようとする場合、被写体像の移動方向を画素アレイ1の垂直方向と完全に一致させる必要がなくなるため、衛星の姿勢制御に対する要求精度が緩和され、撮影できる地点の数が大幅に増加する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 画素アレイ、2 画素、3 電荷蓄積部、4 水平CCD、5 出力アンプ、6 垂直転送電極、7 振り分け電極、8 垂直転送チャネル、10,12 コンタクトホール、11,13 金属配線、20 TDI方式イメージセンサ、21 制御回路、22 検知装置、BK 画素ブロック、CS 電荷振り分け部、P 入力ピン。

Claims (4)

  1. 垂直方向に配列された複数の画素ブロックを含む画素アレイを備え、
    各画素ブロックは水平方向に配置された複数の画素を含み、
    各画素ブロックの各画素が次段の画素ブロックの2つの画素に対向するように、奇数番の画素ブロックと偶数番の画素ブロックは予め定められた距離だけ水平方向にずらせて配置され、
    さらに、各隣接する2つの画素ブロックの間に設けられ、前段の画素ブロックの各画素からの信号電荷を該画素に対向する次段の画素ブロックの2つの画素のうちのいずれか一方の画素に選択的に伝達する電荷振り分け部を備える、イメージセンサ。
  2. 複数の電荷振り分け部を備え、
    各電荷振り分け部は他の電荷振り分け部と独立に動作する、請求項1に記載のイメージセンサ。
  3. 請求項2に記載のイメージセンサと、
    前記画素アレイに投影される被写体像の移動方向を検知する検知装置と、
    前記検知装置の検知結果に基づいて、前記被写体像の移動方向と前記画素アレイにおける信号電荷の転送方向とが一致するように各電荷振り分け部を制御する制御回路とを備える、撮像装置。
  4. 前記制御回路は、前記信号電荷の転送方向に応じて前記信号電荷の転送速度を制御する、請求項3に記載の撮像装置。
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