JP3704052B2 - 高速撮像素子及び高速撮影装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、破壊、爆発、高速流、衝突等の高速現象の撮影に適した高速撮像素子及び高速撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速撮影に使用される高速撮像素子には、複数の読み出し線から一斉に電荷信号を読み出すようにした並列読み出し型がある。しかし、撮影速度をより高速化するには、画素周辺記録型の撮像素子が適している。この画素周辺記録型の撮像素子では、撮影中は電荷信号を素子外に読み出すことなく、各画素の周辺に設けた画像信号蓄積部に連続的に上書きして記録する。この画素周辺記憶型の撮像素子では、電荷信号をアナログ信号のままで全画素一斉に並列記録するので、撮影速度の大幅な高速化を達成することができる。
【０００３】
本発明者は、比較的面積の大きい個々のフォトダイオードから斜めに直線的に延びる電荷結合素子からなる電荷信号蓄積部を備える画素周辺記録型の撮像素子（斜行ＣＣＤ型撮像素子）を先に提案している（特開２０００−１６５７５０号参照）。
【０００４】
図１１は、この斜行ＣＣＤ型撮像素子の原理を示している。この図１１において、１はフォトダイオード、２はそれぞれ複数のエレメント２aを備えるＣＣＤ電荷蓄積部、４はドレーンゲートを示している。各フォトダイオード１で発生した電荷信号は発生した順序（撮影順序）に従って、図１１において１〜５の番号を付して示すように、対応するＣＣＤ電荷蓄積部２のエレメント２ａに記憶される。
【０００５】
フォトダイオード１の中心軸線Ｌ１に対して、ＣＣＤ電荷蓄積部２が傾斜していることが重要な特徴である。仮に、図１２で示すように、フォトダイオード１の中心軸線Ｌ２に対してＣＣＤ電荷蓄積部２が平行に延びる構造であると、一つのフォトダイオード１から延びるＣＣＤ電荷蓄積部２が、そのフォトダイオード１に対して図において一つ下側に位置するフォトダイオード１と干渉するのを防止するために、下側のフォトダイオード１を１本のＣＣＤ電荷蓄積部２の幅だけ図において右にずらせる必要がある。その結果、図１２の場合、フォトダイオード１の行の方向と列の方向が直交せず、フォトダイオード１の配置が歪む。これに対して、図１１の場合、上記のようにＣＣＤ電荷蓄積部２が中心軸線Ｌ１に傾斜しているため、フォトダイオード１は一定間隔の行及び一定間隔の列を構成し、かつ、行方向（Ｘ軸方向）と列方向（Ｙ軸方向）が互いに直交するように配置することができる。すなわち、フォトダイオード１を直方配列で配置することができる。
【０００６】
図１３は、上記斜行ＣＣＤ型撮像素子の一例を示している。各ＣＣＤ電荷蓄積部２は、緩やかに蛇行しながら受光面の上端から下端まで延び、列方向に隣接するフォトダイオード１の隙間の領域８を通過する。また、各ＣＣＤ電荷蓄積部２は通過するフォトダイオード１間の領域８の数に対応するセグメントに分割され、各セグメントの上端にインプットゲート３、下端にドレーンゲート４が設けられている。さらに、各ＣＣＤ電荷蓄積部２の下端は、受光面外に設けられた水平読み出しＣＣＤ６に接続されている。
【０００７】
撮影時には、各フォトダイオード１で発生した電荷信号が対応するＣＣＤ電荷蓄積部２により移送され、ドレーンゲート４から素子外に排出される。また、読み出し時には、インプットゲート３及びアウトプットゲート４は閉じられ、各ＣＣＤ電荷蓄積部２の電荷信号は、水平読み出しＣＣＤ６に移送される。その後、電荷信号は水平読み出しＣＣＤ６により増幅器７を経て素子外に読み出される。
【０００８】
次に、ＣＣＤ電荷転送路で電荷信号を移送するための駆動電圧について説明する。
図１４から図１８は、それぞれ代表的な駆動電圧のパターンを示している。図１４（Ａ）から図１８（Ａ）に示すように、通常はポリシリコン製である電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが受光面に設けられ、これらの電極１１ａ〜１１ｄに対して受光面に設けられた金属線１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを介して駆動電圧が供給される。図１４（Ｂ）から図１８（Ｂ）はＣＣＤ電荷転送路１０の延在方向の位置と電位の関係を示し、図１４（Ｃ）から図１８（Ｃ）は時間と駆動電圧の変化の関係を示している。
【０００９】
図１４は３レベル３相の駆動電圧の場合を示し、図１５は２レベル３相の駆動電圧の場合を示している。これらの場合には、それぞれφ１相、φ２相及びφ３相に対応する３種類の電極１１ａ〜１１ｃが必要となる。図１５の場合には、ステップＳ０からＳ６に示すように、一つのエレメント１０ａから次のエレメント１０ａに電荷信号を移送するために、６ステップの電圧変化が必要となる。図１６は２レベル４相の駆動電圧の場合を示し、φ１相、φ２相、φ３相、及びφ４層に対応する４種類の電極１１ａ〜１１ｄが必要となる。これら図１４から図１６の場合には、ＣＣＤ電荷転送路１０に電荷転送方向に不純物ドーピングプロファイルを変化させる必要はなく、Ｐ領域の基板にＮ領域のみからなるＣＣＤ電荷転送路１０が設けられている。これら図１４から図１６の方式では、転送可能な電荷量が多く、大きなダイナミックレンジを確保することができるが、高速転送には適さない。
【００１０】
一方、図１７は２レベル２相の駆動電圧の場合を示し、図１８は２レベル１相の駆動電圧の場合を示している。これらの場合にはＣＣＤ電荷転送路１０の表面に不純物ドーピングが薄い部分と濃い部分とを交互に形成し、電荷信号の転送方向に予め電位勾配の凹凸を形成している。従って、電極１１ａ，１１ｂに駆動電圧を印加すると、階段状の電位プロファイルが形成され、この電位プロファイルの傾斜により電荷が下流側に転送される。これら図１７及び図１８の方式では、転送可能な電荷量は少ないが、高速転送に適している。
【００１１】
撮像素子の受光面内では、小さい画素で多くの電荷信号を発生させることが必要であり、そのためにはＣＣＤ電荷蓄積部はより多くの電荷を転送できることが好ましい。一方、受光面外の水平読み出し用ＣＣＤでは高速性が要求される。また、受光面外にある水平読み出し用ＣＣＤの場合、スペースに余裕があるため、幅を大きくすることにより電荷移送量を増大することができる。
【００１２】
従って、一般に受光面内のＣＣＤ電荷蓄積部２では図１７及び図８の方式が採用され、水平読み出しＣＣＤ６では、図１４から図１６の方式が採用される。
【００１３】
ＣＣＤ電荷転送路に駆動電圧を供給するための金属線は、駆動電圧の相数と同数の種類が必要である。また、同一種類の金属線は同一層に配線する必要があるため、異なる種類の金属線を交差させる場合には互いに絶縁された２層に配線する必要がある。また、撮像素子の場合、インプットゲートやドレーンゲートに制御電圧を供給するための金属線を配線する必要がある。
【００１４】
図１９（Ａ）〜（Ｅ）は、撮像素子のＣＣＤ電荷蓄積部に駆動電圧を供給するための電極１１ａ〜１１ｃ及び金属線１２ａ〜１２ｃを同一の金属層に配線した例を示している。図１９（Ａ）は駆動電圧が１相の場合、図１９（Ｂ）は駆動電圧が２相の場合、図１９（Ｃ）は駆動電圧が３相の場合をそれぞれ示している。また、図１９（Ｄ）は、駆動電圧が３相で制御電圧を供給するための１種類の金属線１３ａを金属線１１ａ〜１１ｃと同一層に配線した場合を示している。さらに、図１９（Ｅ）は駆動電圧が３層で制御電圧を供給するための２種類の金属線１３ａ，１３ｂを金属線１１ａ〜１１ｃと同一層に配線した場合を示している。これらの図において１７はコンタクトポイントを示している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記図１３に示す斜行ＣＣＤ型撮像素子には、以下の問題がある。
第１に、感度を高めるためにフォトダイオード１の面積を大きく設定すると、列方向に隣接する２個のフォトダイオード１間の領域８を非常に狭く設定する必要がある。しかし、狭い隙間８を通過するようにＣＣＤ電荷蓄積部２を設けるのは製造上困難である。また、ＣＣＤ電荷蓄積部２により電荷信号が移送され際に、この狭い領域８の部分でノイズが発生する。
【００１６】
第２に、図１３の斜行ＣＣＤ型撮像素子では、受光面の図において左下にＣＣＤ電荷蓄積部２のみが存在しフォトダイオード１が存在しない三角形領域１４がある。この三角形領域１４があると、撮像素子が大型化する。また、受光面の面積が同一であれば、三角形領域１４がある分だけフォトダイオード１４の数が少なくなり、解像度が低下する。
【００１７】
第３に、駆動電圧及び制御電圧を供給するための金属線の種類が増加するとフレームレートが低下する。以下、この点について説明する。
図１９（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、同位相の金属線間の距離１５は、金属線の種類の増加とともに大きくなる。例えば、図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）に示すように、駆動電圧を供給するための金属線１２ａ〜１２ｃのみが配線されている場合、１相、２相、及び３相の駆動電圧に対して距離１５はチャネルピッチ（ＣＣＤ電荷蓄積部の幅とチャネルストップの幅の和）のそれぞれ１倍、２倍、及び３倍であり、電圧転送距離は距離１５の１／２である。また、図１９（Ｄ）及び図１９（Ｅ）に示すように、制御電圧を供給するための金属線１３ａ，１３ｂが配線されている場合、距離１５はさらに大きくなる。一方、電極１１ａ〜１１ｃ上を電圧が転送されるときの時間遅れは、電極１１ａ〜１１ｃの電気抵抗Ｒと電極１１ａ〜１１ｃの下側に位置する層の電気容量Ｃとの積ＲＣに比例する。また、電気抵抗Ｒ及び電気容量Ｃは距離に比例する。従って、電極１１ａ〜１１ｃにおける電圧転送の時間遅れは、距離１５の２乗に比例する。以上より、金属線の種類が増加すると電圧転送の時間遅れが増大し、フレームレートの低下を招く。上記時間遅れのフレームレートに対する影響は、フレームレートが１００万枚／秒のオーダーに達すると特に顕著になる。
【００１８】
金属線を配線する金属層の層数を増加すれば、距離１５を短縮して電圧転送の時間遅れを低減することができる。しかし、層数が増加するとノイズの増大等の製品品質低下や、歩留の低下を招くため、金属層は最大３層程度である。さらに、最上層に金属製の遮光層を設ける必要があるため、金属線を配置可能な金属層の層は最大で２層程度となる。また、斜行ＣＣＤ型撮像素子では、通常の撮像素子と比較して、層数の増加が歩留に与える影響が大きい。すなわち、撮像素子の歩留は面積の２乗に比例する。また、通常の撮像素子は数ミリメートル角程度であるのに対して、画素毎に多数のエレメントを備える斜行ＣＣＤ型撮像素子は約２センチメートル角程度であり通常の撮像素子と比較して面積が大きい。従って、斜行ＣＣＤ型撮像素子では、層数の増加が歩留に大きく影響する。
【００１９】
そこで、本発明は、斜行ＣＣＤ型撮像素子におけるノイズ低減、解像度の向上、フレームレートの向上、及び歩留の向上を図ることを課題としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明は、一定間隔の行及び一定間隔の列を構成し、かつ、行方向と列方向が互いに直交するように受光面上に配置され、それぞれ入射線の強度に応じた電荷信号を発生する複数の電荷信号変換部と、個々の上記電荷信号変換部に対して１本ずつ設けられ、一端が対応する上記電荷信号変換部に対して接続され、列方向に隣接する上記電荷信号変換部を結ぶ線に対して傾斜して線状に延び、上記対応する電荷信号変換部で発生した電荷信号を上記一端から他端に向けてそれぞれ移送する複数の電荷信号蓄積部と、上記電荷信号変換部の個々の列に対して１本ずつ設けられ、対応する列を構成する上記電荷信号変換部に上記一端が接続されている上記電荷信号蓄積部の上記他端が複数合流し、上記電荷信号蓄積部の上記他端から移送された電荷信号を受光面外に移送する、複数の電荷信号輸送部とを備える、高速撮像素子を提供する。
【００２１】
本発明の高速撮像素子では、列方向に隣接する電荷信号変換部間の領域を電荷信号蓄積部が通過しないため、電荷信号蓄積部により電荷信号が移送される際に発生するノイズを低減することができる。また、撮影終了後は電荷信号輸送部によりノイズを発生することなく電荷信号を素子外に読み出すことができる。
【００２２】
具体的には、上記電荷信号輸送部は、上記電荷信号変換部の列方向に延びることが好ましい。
【００２３】
受光面はその隅部に三角形領域がない矩形形状になり、素子の小型化を図ることができる。また、面積が同一であれば、この三角形領域がなくなる分だけ電荷信号変換部の数が増加し、解像度が向上する。
【００２４】
また、上記電荷信号輸送部に対する上記電荷信号蓄積部の合流点において、上記電荷信号蓄積部の電荷の移送方向と、上記電荷信号輸送部における電荷の移送方向とが略同一であることが好ましい。
さらに、上記電荷信号蓄積部は第１の電荷結合素子からなり、上記電荷信号輸送部は第２の電荷結合素子からなり、上記第１の電荷結合素子に駆動電圧を供給する少なくとも２種類の複数の電極と、上記第２の電荷結合素子に駆動電圧を供給する少なくとも２種類の複数の電極とを備え、上記第２の電荷結合素子に駆動電圧を供給する電極のうちの少なくとも１種類の電極は、上記第１の電荷結合素子に駆動電圧を供給する電極のうちの少なくとも１種類の電極と同一種類の電極であることが好ましい。
【００２５】
電荷信号輸送部に対する電荷信号蓄積部の合流点において電荷信号を異なる２方向に移送する必要がない。そのため、電荷結合素子に駆動電圧に供給するための金属線の本数を低減して、同一種類の金属線間の距離を短縮することができる。この金属線間の距離短縮により、駆動電圧の転送の時間遅れを低減してフレームレートを向上することができる。また、金属線の本数低減によりノイズを低減することができる。さらに、金属線の本数低減により金属層の層数を低減することができる。この金属層の層数の低減によりノイズが低減され、歩留が向上する。さらにまた、電荷信号蓄積部と電荷輸送部に駆動電圧を供給する電極うち少なくとも１種類の電極を共用することによっても駆動電圧供給用の金属線の本数を低減することができる。
【００２６】
それぞれ個々の電荷信号変換部に対応する複数の窓部が設けられ、各窓部は上記電荷信号変換部へ入射線を透過させ、窓部以外の部分は入射線を遮断する遮光層と、各電荷信号蓄積部に対応して１個ずつ設けられ、対応する電荷信号蓄積部により移送される電荷信号を素子外に排出するための複数の電荷信号排出制御部と、上記遮光層を介して上記複数の電荷信号排出制御部に対して制御電圧を供給する制御電圧供給部とをさらに備えることが好ましい。
【００２７】
電荷信号排出制御部は電荷信号蓄積部のように高速で制御する必要がない。従って、電気容量の大きい遮光層を介して制御電圧を供給することができる。被覆層を介して電荷信号排出部に制御電圧が供給されるため、制御電圧を供給するための金属線を設ける必要がなく、金属線の本数を低減することができる。そのため、同一種類の金属線間の距離の短縮により、駆動電圧の転送の時間遅れを低減し、フレームレートを向上することができる。また、金属線の本数低減によりノイズを低減することができる。さらに、金属線の本数低減により金属層の層数を低減することができる。この金属層の層数の低減により歩留が向上する。
【００２８】
上記電荷信号蓄積部は電荷結合素子からなり、これらの電荷結合素子に駆動電圧を供給するための複数の金属線と、これらの金属線を介して２相の駆動電圧を供給する駆動電圧供給部とをさらに備えることが好ましい。
【００２９】
電荷信号蓄積部を構成する電荷結合素子は、２相の駆動電圧で動作するため、フレームレートを向上することができる。すなわち、３相以上の駆動電圧であれば３〜８ステップの電圧変化で電荷信号が１個のエレメントから次のエレメントに移送されるが、２相の駆動電圧であれば２ステップの電圧変化により電荷信号は１個のエレメントから次のエレメントに移送されるため、電荷の移送速度が増加しフレームレートが向上する。
【００３０】
第２の発明は、上記高速撮像素子を備える撮影装置を提供する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示す本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は高速撮影装置全体の構成を示している。レンズ２１に入射した光は外部シャッター２２を通過して高速撮像素子３１の受光面３２上に結像する。撮影中は入射した光の強度に応じて電荷が生じるが、過剰な入射光により生じた過剰電荷は、ドレーン線２３を通じてアースに排出される。撮影後は読み出し線２４を通じ撮像素子内に蓄積された電荷信号（画像情報）が、ＡＤコンバータ２５によりデジタル情報に変換され、バッファメモリー２６に蓄積される。バッファメモリー２６に蓄積された画像情報は画像情報処理装置２７により連続する１枚１枚の画像情報に変換されたのち、高速撮影装置外に出力される。この画像情報はモ二夕ー２８により画像として目で見ることができる。また、高速撮影装置は、装置全体を制御するためのタイミングコントローラー２９を備えている。さらに、高速撮影装置は、高速撮像素子を制御するために後述する駆動電圧及び制御電圧を含む必要な数種の電圧を発生する電圧供給部３０を備えている。タイミングコントローラ２９には、トリガー信号発生部１００が接続されている。トリガー信号発生部１００は、例えば撮影対象の輝度変化を監視し、一定の条件が充足されると連続上書きの停止を命令するトリガー信号をタイミングコントローラ２９に出力する。
【００３２】
次に、高速撮像素子３１について説明する。
図２に示すように、受光面３２には複数のフォトダイオード（電荷信号変換部）３３が配置されている。これらのフォトダイオード３３は、行方向（Ｘ軸方向）の間隔Ｓ１及び列方向（Ｙ軸方向）の間隔Ｓ２がそれぞれ一定となるように配置されている。また、これらのフォトダイオード３３は、行方向と列方向が互いに直交するように配置されている。すなわち、フォトダイオード３３は直方配列（正方配列を含む。）で受光面３２に配置されている。また、それぞれ１個のフォトダイオード３３を含む画素３４も直方配列で配置されている。図２では、行方向に３個、列方向に４個の合計１２個のフォトダイオード３３が図示されている。
【００３３】
各フォトダイオード３３に対して１本ずつ線状の記録用ＣＣＤ（電荷信号蓄積部）３６が設けられている。また、各フォトダイオード３３の列に対して１本ずつ、線状の垂直読み出し用ＣＣＤ（電荷信号輸送部）３７が設けられている。
【００３４】
記録用ＣＣＤ３６の一端は、インプットゲート３８を介して対応するフォトダイオード３３に接続されている。また、記録用ＣＣＤ３６は、列方向に隣接するフォトダイオード３３を結ぶ線Ｌ２に対して傾斜する方向に延びている。さらに、記録用ＣＣＤ３６の他端は垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流している。同一の列を構成するフォトダイオード３３に一端が接続されている記録用ＣＣＤ３６の他端は、その列に対応する垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流している。換言すると、同一の列を構成するフォトダイオード３３に接続されたすべての記録用ＣＣＤ３６が同一の垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流している。
【００３５】
垂直読み出し用ＣＣＤ３７は、フォトダイオード３３の列方向（垂直方向）に延びている。また、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の図において下端は受光面３２外まで延びて水平読み出し用ＣＣＤ３９に接続されている。水平読み出し用ＣＣＤ３９は増幅器４１を介して信号読み出し線２４（図１参照）に接続されている。
【００３６】
図３において、番号５〜１６で示すように、記録用ＣＣＤ３６は１７個のエレメント３６ａを有し、インプットゲート３８から数えて１８個のエレメント３６ａだけ進むと、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流する。図３では、インプットゲート３８が合流する部分の垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに番号「４」が付されている。図３において矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に対する記録用ＣＣＤ３６の合流点、すなわち番号「４」が付されたエレメント３７ａの近傍において、記録用ＣＣＤ３６の電荷信号の移送方向と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の電荷信号の移送方法は略同一方向である。
【００３７】
図２に示すように、各画素３４には行方向に４個、列方向に４個の合計１６個の記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａが含まれている。フォトダイオード３３から図において左下向きに延びる記録用ＣＣＤ３６は列方向に細長いメモリ領域４２を構成している。このメモリ領域４２の図において左側に垂直読み出し用ＣＣＤ３７が設けられている
【００３８】
垂直読み出し用ＣＣＤ３７の図において左側には、垂直読み出し用ＣＣＤ３７と平行に延びるドレーン４３が設けられている。垂直読み出し用ＣＣＤ３７と同様に、ドレーン４３もフォトダイオード３３の列毎に設けられている。ドレーン４３は受光面３２外まで延び、水平方向に延びるドレーン線４４に接続されている。このドレーン線４４は上記アースに接続されたドレーン線２３（図１参照）に接続されている。
【００３９】
図３に示すように、ドレーン４３は、記録用ＣＣＤ３６の合流点である番号「４」が付された垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに対して、矢印Ｆ２で示す電荷信号の移送方向に対して１個上流側のエレメント３７ａ、すなわち番号「１」が付されたエレメント３７ａに接続されている。ドレーン４３と垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａの間にはドレンゲート４５が設けられている。
【００４０】
次に、図４から図７を参照して受光面３２の構造を詳細に説明する。これらの図のうち、図４は基板（最下層）を示している。図５は最下層の上に形成されたポリシリコン電極層を示している。図６はポリシリコン電極層の上に形成された金属層を示している。図７は最上層である遮光層４６を示している。基板とポリシリコン電極層との間、ポリシリコン電極層と金属層との間、及び金属層と遮光層４６との間には、それぞれ透明な絶縁層（図示せず。）が設けられている。
【００４１】
図２及び図４に示すように、基板にはフォトダイオード３３、記録用ＣＣＤ３６、インプットゲート３８、ドレーンゲート４４、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７が設けられている。記録用ＣＣＤ３６はＮ領域４７ａとＮ−領域４７ｂとを交互に設けることにより構成されている。連続する４個のＮ領域４７ａ及びＮ−領域４７ｂが１個のエレメント３６ａを構成している。垂直読み出し用ＣＣＤ３７もＮ領域４７ａとＮ−領域４７ｂとを交互に設けることにより構成され、連続する４個のＮ領域４７ａ及びＮ−領域４７ｂが１個のエレメント３７ａを構成している。また、一対のＮ領域４７ａ及びＮ−領域４７ｂが１個のインプットゲート３８を構成している。フォトダイオード３３、記録用ＣＣＤ３６、インプットゲート３８、ドレーンゲート４５、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７を除いた基板の残りの部分はＰ領域からなるチャネルストップ４８を構成している。
【００４２】
図５に示すように、ポリシリコン層には３種類のポリシリコン電極５１，５２，５３が設けられている。
これらのうち第１ポリシリコン電極５１は、記録用ＣＣＤ３６を駆動するためのものであり、φ１相の駆動電圧が印加される。次に、第２ポリシリコン電極５２は、記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方の駆動に使用され、φ２相の駆動電圧が印加される。さらに、第３ポリシリコン電極５３は、垂直読み出し用ＣＣＤ３７を駆動するための電極であり、φ１相の駆動電圧が印加される。
【００４３】
これらのポリシリコン電極５１〜５３は受光面３２内においてフォトダイオード３３の行方向（水平方向）に延びており、各ポリシリコン電極５１〜５３の下側には一対のＮ領域４７ａとＮ−領域４７ｂが位置している。第１ポリシリコン電極５１と第２ポリシリコン電極５２は行方向（水平方向）に一列に並んで設けられている。しかし、第１ポリシリコン電極５１と第３ポリシリコン電極５３との間には隙間５４が設けられており、この隙間５４によって、第１ポリシリコン電極５１と第３ポリシリコン電極５３は、電気的に互いに絶縁されている。第１及び第３ポリシリコン電極５１，５３と、第２ポリシリコン電極５２が列方向に交互に設けられている。記録用ＣＣＤ３６の１個のエレメント３６ａには第１ポリシリコン電極５１と第２ポリシリコン電極５２の対が対応し、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の１個のエレメント３７ａには第１ポリシリコン電極５１と第３ポリシリコン電極５３の対が対応している。
【００４４】
図６に示すように、金属層は第１金属線５７、第２金属線５８、第３金属線５９、及びドレーン４３を含む。金属線５７〜５９は、上記電圧供給部３０が出力する駆動電圧をポリシリコン電極５１〜５３に供給する。金属線５７〜５９のうち、第１金属線５７は第１ポリシリコン電極５１にφ１相の駆動電圧を供給する。また、第２金属線５８は第２ポリシリコン電極５２にφ２相の駆動電圧を供給する。さらに、第３金属線５９は第３ポリシリコン電極５３にφ１相の駆動電圧を供給する。
【００４５】
第１金属線５７は、列方向（垂直方向）に延びる１本の本線５７ａと、この本線５７ａから分岐して行方向（水平方向）に延びる複数の分岐線５７ｂとからなる。第１金属線５７の各分岐線５７ｂは、コンタクトポイント６１ａにより第１ポリシリコン電極５１に接続されている。従って、φ１相の駆動電圧は、電圧供給部３０から第１金属線５７及びコンタクトポイント６１ａを介して記録ＣＣＤ３６のエレメント３６ａに供給される。
【００４６】
第２金属線５８も、列方向に延びる１本の本線５８ａと、この本線５８ａから分岐して列方向延びる複数の第２分岐線５８ｂとからなる。各第２分岐線５８ｂは、コンタクトポイント６１ｂにより第２ポリシリコン電極５２に接続されている。従って、φ２相の駆動電圧は、電圧供給部３０から第２金属線５８及びコンタクトポイント６１ｂを介して記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａ及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに供給される。
【００４７】
第３金属線５９は、上記第１金属線５７及び第２金属線５８と同様に列方向に延び、コンタクトポイント６１ｃにより第３ポリシリコン電極５３に接続されている。従って、φ１相の駆動電圧は、電圧供給部３０から第３金属線５９及びコンタクトポイント６１ｃを介して垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに供給される。
【００４８】
ドレーンゲート４５はコンタクトポイント６１ｄを介して遮光層４６に接続されている。従って、ドレ−ンゲート４５を開閉するための制御電圧は、遮光層４６及びコンタクトポイント６１ｄを介してドレーンゲート４５に供給される。ドレーンゲート４５は記録用ＣＣＤ３６や垂直読み出し用ＣＣＤ３７のように高速で制御する必要がないため、比較的電気容量の大きい遮光層４６を介して制御電圧を供給することが可能である。
【００４９】
図７に示すように、遮光層４６にはそれぞれフォトダイオード３３と対応する複数の窓部４６ａが設けられている。この窓部４６ａはフォトダイオード３３に光を入射させる。遮光層４６の窓部４６ａ以外の部分は、受光面３２を覆い入射光を遮断する。遮光層４６は導電性金属からなる。この導電性金属には例えばアルミニウムがある。
【００５０】
本実施形態の高速撮像素子３１は、上記のようにフォトダイオード３３の列毎に設けられ、かつ列方向に延びる垂直読み出し用ＣＣＤ３７により、記録用ＣＣＤに蓄積された電荷信号を受光面３２外に読み出す構成としている。従って、受光面３２内は矩形状であり、記録用ＣＣＤ３６のみが存在しフォトダイオード３３が存在しない三角形領域１４（図１３参照）がない。これによって素子の小型化を図ることができる。また、受光面の面積が同一であれば三角形領域がなくなる分だけフォトダイオードの数が増加し、解像度が向上する。
【００５１】
次に、高速撮像素子３１の動作を説明する。
まず、連続上書き撮影について説明する。
電圧供給部３０から遮光層４６及びコンタクトポイント６１ｄを介して、ドレーンゲート４５にドレーン線４３と同電位を維持するように制御電圧が印加される。この状態では、ドレーンゲート４５に接続された垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａ、すなわち図３におい番号「１」を付したエレメント３７ａからドレーンゲート４５、ドレーン線４３，２３を経て電荷信号が素子外に排出される。
【００５２】
また、連続上書き撮影時には、電圧供給部３０から記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に、図８（Ｃ）に示すように２レベル２相の駆動電圧が印加される。詳細には、記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａには、電圧供給部３０から第１金属線５７、コンタクトポイント６１ａ、及び第１ポリシリコン電極５１を介してφ１相の駆動電圧が供給される。また、記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａには、電圧供給部３０から第２金属線５８、コンタクトポイント６１ｂ、及び第２ポリシリコン電極５２を介してφ２相の駆動電圧が印加される。一方、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａには、電圧供給部３０から第３金属線５９、コンタクトポイント６１ｃ、及び第３ポリシリコン電極５３を介してφ１相の駆動電圧が印加される。また、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａには、電圧供給部３０から第２金属線５８、コンタクトポイント６１ｂを介してφ２相の駆動電圧が供給される。
【００５３】
上記記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に対して印加される駆動電圧により図８（Ｂ）に示すように電荷信号が移送される。詳細には、図３においてエレメント３６ａに付した番号「５」〜「２１」及び矢印Ｆ１で示すように、フォトダイオード３３で発生した電荷信号は、記録用ＣＣＤ３６により垂直読み出し用ＣＣＤ３７との合流点に向けて移送される。また、図３においてエレメント３７ａに付した番号「１」〜「４」及び矢印Ｆ２で示すように、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に移送された電荷信号は列方向（垂直方向）に移送される。垂直読み出し用ＣＣＤ３７により移送される電荷信号は、下流側の合流点、すなわち図３におい番号「４」が付されたエレメント３７ａに到達する前に、番号「１」が付されたエレメント３７ａからドレーンゲート４５を経てドレーン４３に排出される。
【００５４】
以上の動作により、図３において番号「１」〜「２１」示すように、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３６ａ，３７ａに多数の最新の電荷信号が更新されつつ記録される。また、ドレーンゲート４５から電荷信号が排出されるので、一つのフォトダイオード３３で発生した電荷信号が列方向に隣接する他のフォトダイオード３３が発生した電荷信号と混合されない。
【００５５】
トリガー信号発生部１００からタイミングコントローラ２９にトリガー信号が入力されると、上記駆動電圧の印加停止によって連続上書き撮影が終了し、外部シャッター２２が閉じられる。
【００５６】
次に、連続上書き撮影停止後の電荷信号の読み出しを説明する。
ドレーンゲート４５には遮光層４６を介してドレーンゲート４５を閉鎖するための制御電圧（例えば０Ｖ）が印加される。また、電荷信号の読み出しは、垂直読み出し用ＣＣＤ３７から水平読み出し用ＣＣＤ３９へ電荷信号を移送する第１処理と、記録用ＣＣＤ３６から垂直読み出し用ＣＣＤ３７へ電荷信号を移送する第２処理とを繰り返すことにより実行される。
【００５７】
第１処理では、記録用ＣＣＤ３６では電荷信号の移送は行われず、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のみで電荷信号の移送を行う。具体的には、記録用ＣＣＤ３６にφ１相の駆動電圧を供給するための第１金属線５７に供給する電圧を一定とする一方、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にφ２相の駆動電圧を供給するための第２金属線５８と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７にφ１相の駆動電圧を供給するための第３金属線５９にのみ２レベルの駆動電圧を印加する。その結果、記録用ＣＣＤ３６では、図９（Ｂ），（Ｃ）に示すように電荷信号は移送されることなく、蓄積されているエレメント３６ａに留まる。一方、垂直読み出し用ＣＣＤ３７では、図８（Ｂ），（Ｃ）及び図３において矢印Ｆ２で示すように、電荷信号は列方向（鉛直方向）に移送される。水平読み出し用ＣＣＤ３９に移送された電荷信号は、増幅器４１、読み出し線２４及びＡ／Ｄコンバータ２５を介してバッファメモリー２６に送られる。垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに蓄積されたすべての電荷信号が水平読み出し用ＣＣＤ３９に移送されると、１回の第１処理が終了して第２処理が実行される。
【００５８】
第２処理では、記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方で電荷信号の移送が実行される。具体的には、記録用ＣＣＤ３６にφ１相の駆動電圧を供給するための第１金属線５７、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にφ２相の駆動電圧を供給するための第２金属線５８、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にφ１相の駆動電圧を供給するための第３金属線５９のすべてに２レベルの駆動電圧を印加する。その結果、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方において、図８（Ｂ），（Ｃ）及び図３において矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように電荷信号が移送される。その結果、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａのうち、図３において番号「１」〜「４」を付したエレメント３７ａに対して記録用ＣＣＤ３６から電荷信号が供給される。垂直読み出し用ＣＣＤ３７のすべのエレメント３７ａに電荷信号が蓄積されたとき、すなわち図３において番号「１」〜「４」を付したエレメント３７ａに電荷信号が蓄積されると、１回の第２処理が終了し、再び第１処理が実行される。上記第１処理と第２処理の繰り返しにより、記録用ＣＣＤ３６、垂直読み出し用ＣＣＤ３７、及び水平読み出し用ＣＣＤ３９からすべての電荷信号が素子外に移送されると、読み出しが終了する。
【００５９】
本実施形態の高速撮像素子３２によりフレームレートの向上、ノイズ低減、及び歩留の向上を図ることができる。
【００６０】
フレームレートの向上について説明する。
まず、本実施形態の高速撮像素子３２では、図３及び図１０（Ａ）において矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に対する記録用ＣＣＤ３６の合流点において、記録用ＣＣＤ３６の電荷信号の移送方向と、垂直読み出し用ＣＣＤの電荷信号の移送方向が同一である。そのため、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤに駆動電圧に供給に必要な金属線の本数を低減することができる。例えば、図１０（Ｂ）において矢印Ｆ１’，Ｆ２’で示すように、合流点において記録用ＣＣＤ３６’の電荷信号の移送方向と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の電荷信号の移送方向が直交する場合には、電荷信号の移送方向を転換するために２種類の金属線が必要となり、受光面上に無駄な空間が生じる。また、図１０（Ｃ）に示すように、記録用ＣＣＤ３６’’から他の記録用ＣＣＤ３６’’へ順次電荷信号を移送する構成とした場合も、矢印Ｆ１’’，Ｆ２’’で示すように電荷信号の移送方向を転換するために２種類の金属線が必要となる。これに対して、本実施形態は合流点における電荷信号の移送方向が１種類であるので、移送方向転換のために余分に金属線を設ける必要がない。この点で本実施形態の高速撮像素子３２では、金属線の本数を低減することができる。
【００６１】
また、上記のようにドレーンゲート４５に遮光層４６を介して制御電圧を供給しているため、制御電圧を供給するための金属線を別途設ける必要がない。この点でも本実施形態の高速撮像素子３２では、金属線の本数を低減することができる。
【００６２】
さらに、記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａへのφ２相の駆動電圧の供給と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａへのφ２相の駆動電圧の供給を同一の金属線、すなわち第２金属線５８により行っている。この記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７の駆動電圧供給用金属線の共用によっても金属線の本数が低減される。
【００６３】
以上のような金属線の本数低減により、駆動電圧供給用の第１から第３金属線５７，５８，５９間の距離が縮小し、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７における駆動電圧転送の時間遅れを低減することができる。その結果、フレームレートが向上する。
【００６４】
また、本実施形態の高速撮像素子３２では、記録用ＣＣＤ３６を、２相の駆動電圧で駆動するため、この点でもフレームレートが向上する。すなわち、３相以上の駆動電圧であれば、３〜８ステップの電圧変化で電荷信号が１個のエレメントから次のエレメントに移送されるが、２相の駆動電圧であれば、図８においてステップＳ０〜Ｓ２に示すように、２ステップの電圧変化で電荷信号が１個のエレメントから次のエレメントに移送される。そのため、電荷信号の移送速度が増加し、フレームレートが向上する。
【００６５】
具体的には、上記本実施形態の特徴を具備することにより、１００万枚／秒のオーダーのフレームレートが実現可能となる。
【００６６】
次に、ノイズ低減及び歩留の向上について説明する。
まず、フォトダイオード３３ないしは画素３４の列に対して１本ずつ設けられた垂直読み出し用ＣＣＤ３７に、対応する列を構成するフォトダイオード３３に接続された記録用ＣＣＤ３６が合流している。この配置により、図７に示すように列方向に隣接するフォトダイオード間の狭い隙間１４８を記録用ＣＣＤ３６が通過しない。よって、記録用ＣＣＤ３６により電荷信号が移送される際に発生するノイズを低減することができる。また、撮影終了後は垂直読み出し用ＣＣＤ３７によりノイズを発生することなく電荷信号を素子外に読み出すことができる。
【００６７】
さらに、上記のように金属線は第１から第３金属線５７〜５９の３種類のみであり、金属線の種類の数が少ない。この点でも金属線の本数が低減されるため、ノイズを低減することができる。
【００６８】
さらに、上記のように金属線の種類ないしは本数が低減されるため、金属層の層数が低減される。具体的には、金属層の層数は第１から第３金属線５７〜５９を配線するための一層に遮光層４６を加えた合計２層である。この金属層の層数低減によっても、ノイズが低減する。
【００６９】
以上のようにノイズが低減されることにより、歩留が向上する。
【００７０】
本発明は、上記実施形態に限定されず種々の変形が可能である。
例えば、フォトダイオードに代えて、感光部表層が透明電極で覆われたフォトゲート等の他の光電変換手段を使用することができる。また、電荷信号変換部は、紫外線、赤外線、Ｘ線及びガンマ線を含む電磁波、あるいは中性子流及びイオン流を含む粒子流である入射線に応じて電荷信号を発生するものであってもよい。
【００７１】
２個から４個程度の水平読み出しＣＣＤを設け、並列読み出し構造としてもよい。
【００７２】
ドレーンゲートから基板を経て不要な電荷信号を排出してもよい。
【００７３】
金属層の層数が遮光層を含めて３層以上の場合にも本発明を適用することができる。
【００７４】
また、上記実施形態は２相駆動であるが、駆動電圧が３相以上の場合にも本発明を適用することができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の高速撮像素子は、各電荷信号変換部に対して１本ずつ設けられた電荷信号蓄積部と、各電荷信号変換部の列に対して１本ずつ設けられ、電荷信号蓄積部から移送された電荷信号を受光面外に移送する電荷信号輸送部とを備えている。よって、列方向に隣接する電荷信号変換部間の領域を電荷信号蓄積部が通過しないため、電荷信号蓄積部により電荷信号が移送される際に発生するノイズを低減することができる。また、撮影終了後は電荷信号輸送部によりノイズを発生することなく電荷信号を素子外に読み出すことができる。
【００７６】
また、電荷信号輸送部に対する上記電荷信号蓄積部の合流点において、電荷信号蓄積部の電荷の移送方向と、電荷信号輸送部における電荷の移送方向とを略同一とした場合、電荷信号輸送部に対する電荷信号蓄積部の合流点において電荷信号を異なる２方向に移送する必要がない。そのため、電荷結合素子に駆動電圧に供給するための金属線の本数を低減して、同一種類の金属線間の距離を短縮することができる。この金属線間の距離短縮により、駆動電圧の転送の時間遅れを低減してフレームレートを向上することができる。また、金属線の本数低減によりノイズを低減することができる。さらに、金属線の本数低減により金属層の層数を低減することができる。この金属層の層数の低減により歩留が向上する。
【００７７】
さらに、被覆層を介して電荷信号排出部に制御電圧が供給した場合には、制御電圧を供給するための金属線を設ける必要がなく、金属線の本数を低減することができる。そのため、同一種類の金属線間の距離短縮により、駆動電圧の転送の時間遅れを低減し、フレームレートを向上することができる。また、金属線の本数低減によりノイズを低減することができる。さらに、金属線の本数低減により金属層の層数を低減することができる。この金属層の層数の低減によりノイズが低減され、歩留が向上する。
【００７８】
以上の特徴を有する本発明により１００万枚／秒を大きく上回るフレームレートでの高速撮影が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の高速撮像素子を備える高速撮影装置を示す概略構成図である。
【図２】 高速撮像素子の受光面を示す部分正面図である。
【図３】 フォトダイオード、記録用ＣＣＤ、及び垂直読み出し用ＣＣＤを示す部分拡大図である。
【図４】 基板（最下層）を示す部分拡大正面図である。
【図５】 ポリシリコン層を示す部分拡大正面図である。
【図６】 金属層を示す部分拡大正面図である。
【図７】 遮光層（最上層）を示す部分拡大正面図である。
【図８】 連続上書きを説明するための図であり、（Ａ）ＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図９】 読み出し動作を説明するための図であり、（Ａ）はＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１０】 （Ａ）は本発明における電荷信号の移送示す概略図、（Ｂ）及び（Ｃ）は電荷信号の移送の他の例を示す概略図である。
【図１１】 従来の斜行ＣＣＤ型撮像素子の原理を説明するための概略図である。
【図１２】 斜行のＣＣＤ型撮像素子を示す概略図である。
【図１３】 従来の斜行ＣＣＤ型撮像素子の構造を示す概略図である。
【図１４】 （Ａ）は３レベル３相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１５】 （Ａ）は２レベル３相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１６】 （Ａ）は２レベル４相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１７】 （Ａ）は２レベル２相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１８】 （Ａ）は２レベル１相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１９】 駆動電極と駆動電圧供給用の電線を示す概略構成図であり、（Ａ）は１相の場合、（Ｂ）は２相の場合、（Ｃ），（Ｄ）（Ｅ）は３相の場合である。
【符号の説明】
３１ 高速撮像素子
３２ 受光面
３３ フォトダイオード
３４ 画素
３６ 記録用ＣＣＤ
３６ａ エレメント
３７ 垂直読み出し用ＣＣＤ
３７ａ エレメント
３８ インプットゲート
３９ 水平読み出し用ＣＣＤ
４１ 増幅器
４２ メモリ領域
４３ ドレーン
４４ ドレーン線
４５ ドレーンゲート
４６ 遮光層
４６ａ 窓部
４７ａ Ｎ領域
４７ｂ Ｎ−領域
４８ チャネルストップ
５１，５２，５３ ポリシリコン電極
５４ 隙間
５７，５８，５９ 金属線
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ
【発明の属する技術分野】
本発明は、破壊、爆発、高速流、衝突等の高速現象の撮影に適した高速撮像素子及び高速撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速撮影に使用される高速撮像素子には、複数の読み出し線から一斉に電荷信号を読み出すようにした並列読み出し型がある。しかし、撮影速度をより高速化するには、画素周辺記録型の撮像素子が適している。この画素周辺記録型の撮像素子では、撮影中は電荷信号を素子外に読み出すことなく、各画素の周辺に設けた画像信号蓄積部に連続的に上書きして記録する。この画素周辺記憶型の撮像素子では、電荷信号をアナログ信号のままで全画素一斉に並列記録するので、撮影速度の大幅な高速化を達成することができる。
【０００３】
本発明者は、比較的面積の大きい個々のフォトダイオードから斜めに直線的に延びる電荷結合素子からなる電荷信号蓄積部を備える画素周辺記録型の撮像素子（斜行ＣＣＤ型撮像素子）を先に提案している（特開２０００−１６５７５０号参照）。
【０００４】
図１１は、この斜行ＣＣＤ型撮像素子の原理を示している。この図１１において、１はフォトダイオード、２はそれぞれ複数のエレメント２aを備えるＣＣＤ電荷蓄積部、４はドレーンゲートを示している。各フォトダイオード１で発生した電荷信号は発生した順序（撮影順序）に従って、図１１において１〜５の番号を付して示すように、対応するＣＣＤ電荷蓄積部２のエレメント２ａに記憶される。
【０００５】
フォトダイオード１の中心軸線Ｌ１に対して、ＣＣＤ電荷蓄積部２が傾斜していることが重要な特徴である。仮に、図１２で示すように、フォトダイオード１の中心軸線Ｌ２に対してＣＣＤ電荷蓄積部２が平行に延びる構造であると、一つのフォトダイオード１から延びるＣＣＤ電荷蓄積部２が、そのフォトダイオード１に対して図において一つ下側に位置するフォトダイオード１と干渉するのを防止するために、下側のフォトダイオード１を１本のＣＣＤ電荷蓄積部２の幅だけ図において右にずらせる必要がある。その結果、図１２の場合、フォトダイオード１の行の方向と列の方向が直交せず、フォトダイオード１の配置が歪む。これに対して、図１１の場合、上記のようにＣＣＤ電荷蓄積部２が中心軸線Ｌ１に傾斜しているため、フォトダイオード１は一定間隔の行及び一定間隔の列を構成し、かつ、行方向（Ｘ軸方向）と列方向（Ｙ軸方向）が互いに直交するように配置することができる。すなわち、フォトダイオード１を直方配列で配置することができる。
【０００６】
図１３は、上記斜行ＣＣＤ型撮像素子の一例を示している。各ＣＣＤ電荷蓄積部２は、緩やかに蛇行しながら受光面の上端から下端まで延び、列方向に隣接するフォトダイオード１の隙間の領域８を通過する。また、各ＣＣＤ電荷蓄積部２は通過するフォトダイオード１間の領域８の数に対応するセグメントに分割され、各セグメントの上端にインプットゲート３、下端にドレーンゲート４が設けられている。さらに、各ＣＣＤ電荷蓄積部２の下端は、受光面外に設けられた水平読み出しＣＣＤ６に接続されている。
【０００７】
撮影時には、各フォトダイオード１で発生した電荷信号が対応するＣＣＤ電荷蓄積部２により移送され、ドレーンゲート４から素子外に排出される。また、読み出し時には、インプットゲート３及びアウトプットゲート４は閉じられ、各ＣＣＤ電荷蓄積部２の電荷信号は、水平読み出しＣＣＤ６に移送される。その後、電荷信号は水平読み出しＣＣＤ６により増幅器７を経て素子外に読み出される。
【０００８】
次に、ＣＣＤ電荷転送路で電荷信号を移送するための駆動電圧について説明する。
図１４から図１８は、それぞれ代表的な駆動電圧のパターンを示している。図１４（Ａ）から図１８（Ａ）に示すように、通常はポリシリコン製である電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが受光面に設けられ、これらの電極１１ａ〜１１ｄに対して受光面に設けられた金属線１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを介して駆動電圧が供給される。図１４（Ｂ）から図１８（Ｂ）はＣＣＤ電荷転送路１０の延在方向の位置と電位の関係を示し、図１４（Ｃ）から図１８（Ｃ）は時間と駆動電圧の変化の関係を示している。
【０００９】
図１４は３レベル３相の駆動電圧の場合を示し、図１５は２レベル３相の駆動電圧の場合を示している。これらの場合には、それぞれφ１相、φ２相及びφ３相に対応する３種類の電極１１ａ〜１１ｃが必要となる。図１５の場合には、ステップＳ０からＳ６に示すように、一つのエレメント１０ａから次のエレメント１０ａに電荷信号を移送するために、６ステップの電圧変化が必要となる。図１６は２レベル４相の駆動電圧の場合を示し、φ１相、φ２相、φ３相、及びφ４層に対応する４種類の電極１１ａ〜１１ｄが必要となる。これら図１４から図１６の場合には、ＣＣＤ電荷転送路１０に電荷転送方向に不純物ドーピングプロファイルを変化させる必要はなく、Ｐ領域の基板にＮ領域のみからなるＣＣＤ電荷転送路１０が設けられている。これら図１４から図１６の方式では、転送可能な電荷量が多く、大きなダイナミックレンジを確保することができるが、高速転送には適さない。
【００１０】
一方、図１７は２レベル２相の駆動電圧の場合を示し、図１８は２レベル１相の駆動電圧の場合を示している。これらの場合にはＣＣＤ電荷転送路１０の表面に不純物ドーピングが薄い部分と濃い部分とを交互に形成し、電荷信号の転送方向に予め電位勾配の凹凸を形成している。従って、電極１１ａ，１１ｂに駆動電圧を印加すると、階段状の電位プロファイルが形成され、この電位プロファイルの傾斜により電荷が下流側に転送される。これら図１７及び図１８の方式では、転送可能な電荷量は少ないが、高速転送に適している。
【００１１】
撮像素子の受光面内では、小さい画素で多くの電荷信号を発生させることが必要であり、そのためにはＣＣＤ電荷蓄積部はより多くの電荷を転送できることが好ましい。一方、受光面外の水平読み出し用ＣＣＤでは高速性が要求される。また、受光面外にある水平読み出し用ＣＣＤの場合、スペースに余裕があるため、幅を大きくすることにより電荷移送量を増大することができる。
【００１２】
従って、一般に受光面内のＣＣＤ電荷蓄積部２では図１７及び図８の方式が採用され、水平読み出しＣＣＤ６では、図１４から図１６の方式が採用される。
【００１３】
ＣＣＤ電荷転送路に駆動電圧を供給するための金属線は、駆動電圧の相数と同数の種類が必要である。また、同一種類の金属線は同一層に配線する必要があるため、異なる種類の金属線を交差させる場合には互いに絶縁された２層に配線する必要がある。また、撮像素子の場合、インプットゲートやドレーンゲートに制御電圧を供給するための金属線を配線する必要がある。
【００１４】
図１９（Ａ）〜（Ｅ）は、撮像素子のＣＣＤ電荷蓄積部に駆動電圧を供給するための電極１１ａ〜１１ｃ及び金属線１２ａ〜１２ｃを同一の金属層に配線した例を示している。図１９（Ａ）は駆動電圧が１相の場合、図１９（Ｂ）は駆動電圧が２相の場合、図１９（Ｃ）は駆動電圧が３相の場合をそれぞれ示している。また、図１９（Ｄ）は、駆動電圧が３相で制御電圧を供給するための１種類の金属線１３ａを金属線１１ａ〜１１ｃと同一層に配線した場合を示している。さらに、図１９（Ｅ）は駆動電圧が３層で制御電圧を供給するための２種類の金属線１３ａ，１３ｂを金属線１１ａ〜１１ｃと同一層に配線した場合を示している。これらの図において１７はコンタクトポイントを示している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記図１３に示す斜行ＣＣＤ型撮像素子には、以下の問題がある。
第１に、感度を高めるためにフォトダイオード１の面積を大きく設定すると、列方向に隣接する２個のフォトダイオード１間の領域８を非常に狭く設定する必要がある。しかし、狭い隙間８を通過するようにＣＣＤ電荷蓄積部２を設けるのは製造上困難である。また、ＣＣＤ電荷蓄積部２により電荷信号が移送され際に、この狭い領域８の部分でノイズが発生する。
【００１６】
第２に、図１３の斜行ＣＣＤ型撮像素子では、受光面の図において左下にＣＣＤ電荷蓄積部２のみが存在しフォトダイオード１が存在しない三角形領域１４がある。この三角形領域１４があると、撮像素子が大型化する。また、受光面の面積が同一であれば、三角形領域１４がある分だけフォトダイオード１４の数が少なくなり、解像度が低下する。
【００１７】
第３に、駆動電圧及び制御電圧を供給するための金属線の種類が増加するとフレームレートが低下する。以下、この点について説明する。
図１９（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、同位相の金属線間の距離１５は、金属線の種類の増加とともに大きくなる。例えば、図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）に示すように、駆動電圧を供給するための金属線１２ａ〜１２ｃのみが配線されている場合、１相、２相、及び３相の駆動電圧に対して距離１５はチャネルピッチ（ＣＣＤ電荷蓄積部の幅とチャネルストップの幅の和）のそれぞれ１倍、２倍、及び３倍であり、電圧転送距離は距離１５の１／２である。また、図１９（Ｄ）及び図１９（Ｅ）に示すように、制御電圧を供給するための金属線１３ａ，１３ｂが配線されている場合、距離１５はさらに大きくなる。一方、電極１１ａ〜１１ｃ上を電圧が転送されるときの時間遅れは、電極１１ａ〜１１ｃの電気抵抗Ｒと電極１１ａ〜１１ｃの下側に位置する層の電気容量Ｃとの積ＲＣに比例する。また、電気抵抗Ｒ及び電気容量Ｃは距離に比例する。従って、電極１１ａ〜１１ｃにおける電圧転送の時間遅れは、距離１５の２乗に比例する。以上より、金属線の種類が増加すると電圧転送の時間遅れが増大し、フレームレートの低下を招く。上記時間遅れのフレームレートに対する影響は、フレームレートが１００万枚／秒のオーダーに達すると特に顕著になる。
【００１８】
金属線を配線する金属層の層数を増加すれば、距離１５を短縮して電圧転送の時間遅れを低減することができる。しかし、層数が増加するとノイズの増大等の製品品質低下や、歩留の低下を招くため、金属層は最大３層程度である。さらに、最上層に金属製の遮光層を設ける必要があるため、金属線を配置可能な金属層の層は最大で２層程度となる。また、斜行ＣＣＤ型撮像素子では、通常の撮像素子と比較して、層数の増加が歩留に与える影響が大きい。すなわち、撮像素子の歩留は面積の２乗に比例する。また、通常の撮像素子は数ミリメートル角程度であるのに対して、画素毎に多数のエレメントを備える斜行ＣＣＤ型撮像素子は約２センチメートル角程度であり通常の撮像素子と比較して面積が大きい。従って、斜行ＣＣＤ型撮像素子では、層数の増加が歩留に大きく影響する。
【００１９】
そこで、本発明は、斜行ＣＣＤ型撮像素子におけるノイズ低減、解像度の向上、フレームレートの向上、及び歩留の向上を図ることを課題としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明は、一定間隔の行及び一定間隔の列を構成し、かつ、行方向と列方向が互いに直交するように受光面上に配置され、それぞれ入射線の強度に応じた電荷信号を発生する複数の電荷信号変換部と、個々の上記電荷信号変換部に対して１本ずつ設けられ、一端が対応する上記電荷信号変換部に対して接続され、列方向に隣接する上記電荷信号変換部を結ぶ線に対して傾斜して線状に延び、上記対応する電荷信号変換部で発生した電荷信号を上記一端から他端に向けてそれぞれ移送する複数の電荷信号蓄積部と、上記電荷信号変換部の個々の列に対して１本ずつ設けられ、対応する列を構成する上記電荷信号変換部に上記一端が接続されている上記電荷信号蓄積部の上記他端が複数合流し、上記電荷信号蓄積部の上記他端から移送された電荷信号を受光面外に移送する、複数の電荷信号輸送部とを備える、高速撮像素子を提供する。
【００２１】
本発明の高速撮像素子では、列方向に隣接する電荷信号変換部間の領域を電荷信号蓄積部が通過しないため、電荷信号蓄積部により電荷信号が移送される際に発生するノイズを低減することができる。また、撮影終了後は電荷信号輸送部によりノイズを発生することなく電荷信号を素子外に読み出すことができる。
【００２２】
具体的には、上記電荷信号輸送部は、上記電荷信号変換部の列方向に延びることが好ましい。
【００２３】
受光面はその隅部に三角形領域がない矩形形状になり、素子の小型化を図ることができる。また、面積が同一であれば、この三角形領域がなくなる分だけ電荷信号変換部の数が増加し、解像度が向上する。
【００２４】
また、上記電荷信号輸送部に対する上記電荷信号蓄積部の合流点において、上記電荷信号蓄積部の電荷の移送方向と、上記電荷信号輸送部における電荷の移送方向とが略同一であることが好ましい。
さらに、上記電荷信号蓄積部は第１の電荷結合素子からなり、上記電荷信号輸送部は第２の電荷結合素子からなり、上記第１の電荷結合素子に駆動電圧を供給する少なくとも２種類の複数の電極と、上記第２の電荷結合素子に駆動電圧を供給する少なくとも２種類の複数の電極とを備え、上記第２の電荷結合素子に駆動電圧を供給する電極のうちの少なくとも１種類の電極は、上記第１の電荷結合素子に駆動電圧を供給する電極のうちの少なくとも１種類の電極と同一種類の電極であることが好ましい。
【００２５】
電荷信号輸送部に対する電荷信号蓄積部の合流点において電荷信号を異なる２方向に移送する必要がない。そのため、電荷結合素子に駆動電圧に供給するための金属線の本数を低減して、同一種類の金属線間の距離を短縮することができる。この金属線間の距離短縮により、駆動電圧の転送の時間遅れを低減してフレームレートを向上することができる。また、金属線の本数低減によりノイズを低減することができる。さらに、金属線の本数低減により金属層の層数を低減することができる。この金属層の層数の低減によりノイズが低減され、歩留が向上する。さらにまた、電荷信号蓄積部と電荷輸送部に駆動電圧を供給する電極うち少なくとも１種類の電極を共用することによっても駆動電圧供給用の金属線の本数を低減することができる。
【００２６】
それぞれ個々の電荷信号変換部に対応する複数の窓部が設けられ、各窓部は上記電荷信号変換部へ入射線を透過させ、窓部以外の部分は入射線を遮断する遮光層と、各電荷信号蓄積部に対応して１個ずつ設けられ、対応する電荷信号蓄積部により移送される電荷信号を素子外に排出するための複数の電荷信号排出制御部と、上記遮光層を介して上記複数の電荷信号排出制御部に対して制御電圧を供給する制御電圧供給部とをさらに備えることが好ましい。
【００２７】
電荷信号排出制御部は電荷信号蓄積部のように高速で制御する必要がない。従って、電気容量の大きい遮光層を介して制御電圧を供給することができる。被覆層を介して電荷信号排出部に制御電圧が供給されるため、制御電圧を供給するための金属線を設ける必要がなく、金属線の本数を低減することができる。そのため、同一種類の金属線間の距離の短縮により、駆動電圧の転送の時間遅れを低減し、フレームレートを向上することができる。また、金属線の本数低減によりノイズを低減することができる。さらに、金属線の本数低減により金属層の層数を低減することができる。この金属層の層数の低減により歩留が向上する。
【００２８】
上記電荷信号蓄積部は電荷結合素子からなり、これらの電荷結合素子に駆動電圧を供給するための複数の金属線と、これらの金属線を介して２相の駆動電圧を供給する駆動電圧供給部とをさらに備えることが好ましい。
【００２９】
電荷信号蓄積部を構成する電荷結合素子は、２相の駆動電圧で動作するため、フレームレートを向上することができる。すなわち、３相以上の駆動電圧であれば３〜８ステップの電圧変化で電荷信号が１個のエレメントから次のエレメントに移送されるが、２相の駆動電圧であれば２ステップの電圧変化により電荷信号は１個のエレメントから次のエレメントに移送されるため、電荷の移送速度が増加しフレームレートが向上する。
【００３０】
第２の発明は、上記高速撮像素子を備える撮影装置を提供する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示す本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は高速撮影装置全体の構成を示している。レンズ２１に入射した光は外部シャッター２２を通過して高速撮像素子３１の受光面３２上に結像する。撮影中は入射した光の強度に応じて電荷が生じるが、過剰な入射光により生じた過剰電荷は、ドレーン線２３を通じてアースに排出される。撮影後は読み出し線２４を通じ撮像素子内に蓄積された電荷信号（画像情報）が、ＡＤコンバータ２５によりデジタル情報に変換され、バッファメモリー２６に蓄積される。バッファメモリー２６に蓄積された画像情報は画像情報処理装置２７により連続する１枚１枚の画像情報に変換されたのち、高速撮影装置外に出力される。この画像情報はモ二夕ー２８により画像として目で見ることができる。また、高速撮影装置は、装置全体を制御するためのタイミングコントローラー２９を備えている。さらに、高速撮影装置は、高速撮像素子を制御するために後述する駆動電圧及び制御電圧を含む必要な数種の電圧を発生する電圧供給部３０を備えている。タイミングコントローラ２９には、トリガー信号発生部１００が接続されている。トリガー信号発生部１００は、例えば撮影対象の輝度変化を監視し、一定の条件が充足されると連続上書きの停止を命令するトリガー信号をタイミングコントローラ２９に出力する。
【００３２】
次に、高速撮像素子３１について説明する。
図２に示すように、受光面３２には複数のフォトダイオード（電荷信号変換部）３３が配置されている。これらのフォトダイオード３３は、行方向（Ｘ軸方向）の間隔Ｓ１及び列方向（Ｙ軸方向）の間隔Ｓ２がそれぞれ一定となるように配置されている。また、これらのフォトダイオード３３は、行方向と列方向が互いに直交するように配置されている。すなわち、フォトダイオード３３は直方配列（正方配列を含む。）で受光面３２に配置されている。また、それぞれ１個のフォトダイオード３３を含む画素３４も直方配列で配置されている。図２では、行方向に３個、列方向に４個の合計１２個のフォトダイオード３３が図示されている。
【００３３】
各フォトダイオード３３に対して１本ずつ線状の記録用ＣＣＤ（電荷信号蓄積部）３６が設けられている。また、各フォトダイオード３３の列に対して１本ずつ、線状の垂直読み出し用ＣＣＤ（電荷信号輸送部）３７が設けられている。
【００３４】
記録用ＣＣＤ３６の一端は、インプットゲート３８を介して対応するフォトダイオード３３に接続されている。また、記録用ＣＣＤ３６は、列方向に隣接するフォトダイオード３３を結ぶ線Ｌ２に対して傾斜する方向に延びている。さらに、記録用ＣＣＤ３６の他端は垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流している。同一の列を構成するフォトダイオード３３に一端が接続されている記録用ＣＣＤ３６の他端は、その列に対応する垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流している。換言すると、同一の列を構成するフォトダイオード３３に接続されたすべての記録用ＣＣＤ３６が同一の垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流している。
【００３５】
垂直読み出し用ＣＣＤ３７は、フォトダイオード３３の列方向（垂直方向）に延びている。また、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の図において下端は受光面３２外まで延びて水平読み出し用ＣＣＤ３９に接続されている。水平読み出し用ＣＣＤ３９は増幅器４１を介して信号読み出し線２４（図１参照）に接続されている。
【００３６】
図３において、番号５〜１６で示すように、記録用ＣＣＤ３６は１７個のエレメント３６ａを有し、インプットゲート３８から数えて１８個のエレメント３６ａだけ進むと、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に合流する。図３では、インプットゲート３８が合流する部分の垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに番号「４」が付されている。図３において矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に対する記録用ＣＣＤ３６の合流点、すなわち番号「４」が付されたエレメント３７ａの近傍において、記録用ＣＣＤ３６の電荷信号の移送方向と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の電荷信号の移送方法は略同一方向である。
【００３７】
図２に示すように、各画素３４には行方向に４個、列方向に４個の合計１６個の記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａが含まれている。フォトダイオード３３から図において左下向きに延びる記録用ＣＣＤ３６は列方向に細長いメモリ領域４２を構成している。このメモリ領域４２の図において左側に垂直読み出し用ＣＣＤ３７が設けられている
【００３８】
垂直読み出し用ＣＣＤ３７の図において左側には、垂直読み出し用ＣＣＤ３７と平行に延びるドレーン４３が設けられている。垂直読み出し用ＣＣＤ３７と同様に、ドレーン４３もフォトダイオード３３の列毎に設けられている。ドレーン４３は受光面３２外まで延び、水平方向に延びるドレーン線４４に接続されている。このドレーン線４４は上記アースに接続されたドレーン線２３（図１参照）に接続されている。
【００３９】
図３に示すように、ドレーン４３は、記録用ＣＣＤ３６の合流点である番号「４」が付された垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに対して、矢印Ｆ２で示す電荷信号の移送方向に対して１個上流側のエレメント３７ａ、すなわち番号「１」が付されたエレメント３７ａに接続されている。ドレーン４３と垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａの間にはドレンゲート４５が設けられている。
【００４０】
次に、図４から図７を参照して受光面３２の構造を詳細に説明する。これらの図のうち、図４は基板（最下層）を示している。図５は最下層の上に形成されたポリシリコン電極層を示している。図６はポリシリコン電極層の上に形成された金属層を示している。図７は最上層である遮光層４６を示している。基板とポリシリコン電極層との間、ポリシリコン電極層と金属層との間、及び金属層と遮光層４６との間には、それぞれ透明な絶縁層（図示せず。）が設けられている。
【００４１】
図２及び図４に示すように、基板にはフォトダイオード３３、記録用ＣＣＤ３６、インプットゲート３８、ドレーンゲート４４、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７が設けられている。記録用ＣＣＤ３６はＮ領域４７ａとＮ−領域４７ｂとを交互に設けることにより構成されている。連続する４個のＮ領域４７ａ及びＮ−領域４７ｂが１個のエレメント３６ａを構成している。垂直読み出し用ＣＣＤ３７もＮ領域４７ａとＮ−領域４７ｂとを交互に設けることにより構成され、連続する４個のＮ領域４７ａ及びＮ−領域４７ｂが１個のエレメント３７ａを構成している。また、一対のＮ領域４７ａ及びＮ−領域４７ｂが１個のインプットゲート３８を構成している。フォトダイオード３３、記録用ＣＣＤ３６、インプットゲート３８、ドレーンゲート４５、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７を除いた基板の残りの部分はＰ領域からなるチャネルストップ４８を構成している。
【００４２】
図５に示すように、ポリシリコン層には３種類のポリシリコン電極５１，５２，５３が設けられている。
これらのうち第１ポリシリコン電極５１は、記録用ＣＣＤ３６を駆動するためのものであり、φ１相の駆動電圧が印加される。次に、第２ポリシリコン電極５２は、記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方の駆動に使用され、φ２相の駆動電圧が印加される。さらに、第３ポリシリコン電極５３は、垂直読み出し用ＣＣＤ３７を駆動するための電極であり、φ１相の駆動電圧が印加される。
【００４３】
これらのポリシリコン電極５１〜５３は受光面３２内においてフォトダイオード３３の行方向（水平方向）に延びており、各ポリシリコン電極５１〜５３の下側には一対のＮ領域４７ａとＮ−領域４７ｂが位置している。第１ポリシリコン電極５１と第２ポリシリコン電極５２は行方向（水平方向）に一列に並んで設けられている。しかし、第１ポリシリコン電極５１と第３ポリシリコン電極５３との間には隙間５４が設けられており、この隙間５４によって、第１ポリシリコン電極５１と第３ポリシリコン電極５３は、電気的に互いに絶縁されている。第１及び第３ポリシリコン電極５１，５３と、第２ポリシリコン電極５２が列方向に交互に設けられている。記録用ＣＣＤ３６の１個のエレメント３６ａには第１ポリシリコン電極５１と第２ポリシリコン電極５２の対が対応し、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の１個のエレメント３７ａには第１ポリシリコン電極５１と第３ポリシリコン電極５３の対が対応している。
【００４４】
図６に示すように、金属層は第１金属線５７、第２金属線５８、第３金属線５９、及びドレーン４３を含む。金属線５７〜５９は、上記電圧供給部３０が出力する駆動電圧をポリシリコン電極５１〜５３に供給する。金属線５７〜５９のうち、第１金属線５７は第１ポリシリコン電極５１にφ１相の駆動電圧を供給する。また、第２金属線５８は第２ポリシリコン電極５２にφ２相の駆動電圧を供給する。さらに、第３金属線５９は第３ポリシリコン電極５３にφ１相の駆動電圧を供給する。
【００４５】
第１金属線５７は、列方向（垂直方向）に延びる１本の本線５７ａと、この本線５７ａから分岐して行方向（水平方向）に延びる複数の分岐線５７ｂとからなる。第１金属線５７の各分岐線５７ｂは、コンタクトポイント６１ａにより第１ポリシリコン電極５１に接続されている。従って、φ１相の駆動電圧は、電圧供給部３０から第１金属線５７及びコンタクトポイント６１ａを介して記録ＣＣＤ３６のエレメント３６ａに供給される。
【００４６】
第２金属線５８も、列方向に延びる１本の本線５８ａと、この本線５８ａから分岐して列方向延びる複数の第２分岐線５８ｂとからなる。各第２分岐線５８ｂは、コンタクトポイント６１ｂにより第２ポリシリコン電極５２に接続されている。従って、φ２相の駆動電圧は、電圧供給部３０から第２金属線５８及びコンタクトポイント６１ｂを介して記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａ及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに供給される。
【００４７】
第３金属線５９は、上記第１金属線５７及び第２金属線５８と同様に列方向に延び、コンタクトポイント６１ｃにより第３ポリシリコン電極５３に接続されている。従って、φ１相の駆動電圧は、電圧供給部３０から第３金属線５９及びコンタクトポイント６１ｃを介して垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに供給される。
【００４８】
ドレーンゲート４５はコンタクトポイント６１ｄを介して遮光層４６に接続されている。従って、ドレ−ンゲート４５を開閉するための制御電圧は、遮光層４６及びコンタクトポイント６１ｄを介してドレーンゲート４５に供給される。ドレーンゲート４５は記録用ＣＣＤ３６や垂直読み出し用ＣＣＤ３７のように高速で制御する必要がないため、比較的電気容量の大きい遮光層４６を介して制御電圧を供給することが可能である。
【００４９】
図７に示すように、遮光層４６にはそれぞれフォトダイオード３３と対応する複数の窓部４６ａが設けられている。この窓部４６ａはフォトダイオード３３に光を入射させる。遮光層４６の窓部４６ａ以外の部分は、受光面３２を覆い入射光を遮断する。遮光層４６は導電性金属からなる。この導電性金属には例えばアルミニウムがある。
【００５０】
本実施形態の高速撮像素子３１は、上記のようにフォトダイオード３３の列毎に設けられ、かつ列方向に延びる垂直読み出し用ＣＣＤ３７により、記録用ＣＣＤに蓄積された電荷信号を受光面３２外に読み出す構成としている。従って、受光面３２内は矩形状であり、記録用ＣＣＤ３６のみが存在しフォトダイオード３３が存在しない三角形領域１４（図１３参照）がない。これによって素子の小型化を図ることができる。また、受光面の面積が同一であれば三角形領域がなくなる分だけフォトダイオードの数が増加し、解像度が向上する。
【００５１】
次に、高速撮像素子３１の動作を説明する。
まず、連続上書き撮影について説明する。
電圧供給部３０から遮光層４６及びコンタクトポイント６１ｄを介して、ドレーンゲート４５にドレーン線４３と同電位を維持するように制御電圧が印加される。この状態では、ドレーンゲート４５に接続された垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａ、すなわち図３におい番号「１」を付したエレメント３７ａからドレーンゲート４５、ドレーン線４３，２３を経て電荷信号が素子外に排出される。
【００５２】
また、連続上書き撮影時には、電圧供給部３０から記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に、図８（Ｃ）に示すように２レベル２相の駆動電圧が印加される。詳細には、記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａには、電圧供給部３０から第１金属線５７、コンタクトポイント６１ａ、及び第１ポリシリコン電極５１を介してφ１相の駆動電圧が供給される。また、記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａには、電圧供給部３０から第２金属線５８、コンタクトポイント６１ｂ、及び第２ポリシリコン電極５２を介してφ２相の駆動電圧が印加される。一方、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａには、電圧供給部３０から第３金属線５９、コンタクトポイント６１ｃ、及び第３ポリシリコン電極５３を介してφ１相の駆動電圧が印加される。また、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａには、電圧供給部３０から第２金属線５８、コンタクトポイント６１ｂを介してφ２相の駆動電圧が供給される。
【００５３】
上記記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７に対して印加される駆動電圧により図８（Ｂ）に示すように電荷信号が移送される。詳細には、図３においてエレメント３６ａに付した番号「５」〜「２１」及び矢印Ｆ１で示すように、フォトダイオード３３で発生した電荷信号は、記録用ＣＣＤ３６により垂直読み出し用ＣＣＤ３７との合流点に向けて移送される。また、図３においてエレメント３７ａに付した番号「１」〜「４」及び矢印Ｆ２で示すように、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に移送された電荷信号は列方向（垂直方向）に移送される。垂直読み出し用ＣＣＤ３７により移送される電荷信号は、下流側の合流点、すなわち図３におい番号「４」が付されたエレメント３７ａに到達する前に、番号「１」が付されたエレメント３７ａからドレーンゲート４５を経てドレーン４３に排出される。
【００５４】
以上の動作により、図３において番号「１」〜「２１」示すように、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３６ａ，３７ａに多数の最新の電荷信号が更新されつつ記録される。また、ドレーンゲート４５から電荷信号が排出されるので、一つのフォトダイオード３３で発生した電荷信号が列方向に隣接する他のフォトダイオード３３が発生した電荷信号と混合されない。
【００５５】
トリガー信号発生部１００からタイミングコントローラ２９にトリガー信号が入力されると、上記駆動電圧の印加停止によって連続上書き撮影が終了し、外部シャッター２２が閉じられる。
【００５６】
次に、連続上書き撮影停止後の電荷信号の読み出しを説明する。
ドレーンゲート４５には遮光層４６を介してドレーンゲート４５を閉鎖するための制御電圧（例えば０Ｖ）が印加される。また、電荷信号の読み出しは、垂直読み出し用ＣＣＤ３７から水平読み出し用ＣＣＤ３９へ電荷信号を移送する第１処理と、記録用ＣＣＤ３６から垂直読み出し用ＣＣＤ３７へ電荷信号を移送する第２処理とを繰り返すことにより実行される。
【００５７】
第１処理では、記録用ＣＣＤ３６では電荷信号の移送は行われず、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のみで電荷信号の移送を行う。具体的には、記録用ＣＣＤ３６にφ１相の駆動電圧を供給するための第１金属線５７に供給する電圧を一定とする一方、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にφ２相の駆動電圧を供給するための第２金属線５８と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７にφ１相の駆動電圧を供給するための第３金属線５９にのみ２レベルの駆動電圧を印加する。その結果、記録用ＣＣＤ３６では、図９（Ｂ），（Ｃ）に示すように電荷信号は移送されることなく、蓄積されているエレメント３６ａに留まる。一方、垂直読み出し用ＣＣＤ３７では、図８（Ｂ），（Ｃ）及び図３において矢印Ｆ２で示すように、電荷信号は列方向（鉛直方向）に移送される。水平読み出し用ＣＣＤ３９に移送された電荷信号は、増幅器４１、読み出し線２４及びＡ／Ｄコンバータ２５を介してバッファメモリー２６に送られる。垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａに蓄積されたすべての電荷信号が水平読み出し用ＣＣＤ３９に移送されると、１回の第１処理が終了して第２処理が実行される。
【００５８】
第２処理では、記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方で電荷信号の移送が実行される。具体的には、記録用ＣＣＤ３６にφ１相の駆動電圧を供給するための第１金属線５７、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にφ２相の駆動電圧を供給するための第２金属線５８、及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７にφ１相の駆動電圧を供給するための第３金属線５９のすべてに２レベルの駆動電圧を印加する。その結果、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７の両方において、図８（Ｂ），（Ｃ）及び図３において矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように電荷信号が移送される。その結果、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａのうち、図３において番号「１」〜「４」を付したエレメント３７ａに対して記録用ＣＣＤ３６から電荷信号が供給される。垂直読み出し用ＣＣＤ３７のすべのエレメント３７ａに電荷信号が蓄積されたとき、すなわち図３において番号「１」〜「４」を付したエレメント３７ａに電荷信号が蓄積されると、１回の第２処理が終了し、再び第１処理が実行される。上記第１処理と第２処理の繰り返しにより、記録用ＣＣＤ３６、垂直読み出し用ＣＣＤ３７、及び水平読み出し用ＣＣＤ３９からすべての電荷信号が素子外に移送されると、読み出しが終了する。
【００５９】
本実施形態の高速撮像素子３２によりフレームレートの向上、ノイズ低減、及び歩留の向上を図ることができる。
【００６０】
フレームレートの向上について説明する。
まず、本実施形態の高速撮像素子３２では、図３及び図１０（Ａ）において矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように、垂直読み出し用ＣＣＤ３７に対する記録用ＣＣＤ３６の合流点において、記録用ＣＣＤ３６の電荷信号の移送方向と、垂直読み出し用ＣＣＤの電荷信号の移送方向が同一である。そのため、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤに駆動電圧に供給に必要な金属線の本数を低減することができる。例えば、図１０（Ｂ）において矢印Ｆ１’，Ｆ２’で示すように、合流点において記録用ＣＣＤ３６’の電荷信号の移送方向と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７の電荷信号の移送方向が直交する場合には、電荷信号の移送方向を転換するために２種類の金属線が必要となり、受光面上に無駄な空間が生じる。また、図１０（Ｃ）に示すように、記録用ＣＣＤ３６’’から他の記録用ＣＣＤ３６’’へ順次電荷信号を移送する構成とした場合も、矢印Ｆ１’’，Ｆ２’’で示すように電荷信号の移送方向を転換するために２種類の金属線が必要となる。これに対して、本実施形態は合流点における電荷信号の移送方向が１種類であるので、移送方向転換のために余分に金属線を設ける必要がない。この点で本実施形態の高速撮像素子３２では、金属線の本数を低減することができる。
【００６１】
また、上記のようにドレーンゲート４５に遮光層４６を介して制御電圧を供給しているため、制御電圧を供給するための金属線を別途設ける必要がない。この点でも本実施形態の高速撮像素子３２では、金属線の本数を低減することができる。
【００６２】
さらに、記録用ＣＣＤ３６のエレメント３６ａへのφ２相の駆動電圧の供給と、垂直読み出し用ＣＣＤ３７のエレメント３７ａへのφ２相の駆動電圧の供給を同一の金属線、すなわち第２金属線５８により行っている。この記録用ＣＣＤ３６と垂直読み出し用ＣＣＤ３７の駆動電圧供給用金属線の共用によっても金属線の本数が低減される。
【００６３】
以上のような金属線の本数低減により、駆動電圧供給用の第１から第３金属線５７，５８，５９間の距離が縮小し、記録用ＣＣＤ３６及び垂直読み出し用ＣＣＤ３７における駆動電圧転送の時間遅れを低減することができる。その結果、フレームレートが向上する。
【００６４】
また、本実施形態の高速撮像素子３２では、記録用ＣＣＤ３６を、２相の駆動電圧で駆動するため、この点でもフレームレートが向上する。すなわち、３相以上の駆動電圧であれば、３〜８ステップの電圧変化で電荷信号が１個のエレメントから次のエレメントに移送されるが、２相の駆動電圧であれば、図８においてステップＳ０〜Ｓ２に示すように、２ステップの電圧変化で電荷信号が１個のエレメントから次のエレメントに移送される。そのため、電荷信号の移送速度が増加し、フレームレートが向上する。
【００６５】
具体的には、上記本実施形態の特徴を具備することにより、１００万枚／秒のオーダーのフレームレートが実現可能となる。
【００６６】
次に、ノイズ低減及び歩留の向上について説明する。
まず、フォトダイオード３３ないしは画素３４の列に対して１本ずつ設けられた垂直読み出し用ＣＣＤ３７に、対応する列を構成するフォトダイオード３３に接続された記録用ＣＣＤ３６が合流している。この配置により、図７に示すように列方向に隣接するフォトダイオード間の狭い隙間１４８を記録用ＣＣＤ３６が通過しない。よって、記録用ＣＣＤ３６により電荷信号が移送される際に発生するノイズを低減することができる。また、撮影終了後は垂直読み出し用ＣＣＤ３７によりノイズを発生することなく電荷信号を素子外に読み出すことができる。
【００６７】
さらに、上記のように金属線は第１から第３金属線５７〜５９の３種類のみであり、金属線の種類の数が少ない。この点でも金属線の本数が低減されるため、ノイズを低減することができる。
【００６８】
さらに、上記のように金属線の種類ないしは本数が低減されるため、金属層の層数が低減される。具体的には、金属層の層数は第１から第３金属線５７〜５９を配線するための一層に遮光層４６を加えた合計２層である。この金属層の層数低減によっても、ノイズが低減する。
【００６９】
以上のようにノイズが低減されることにより、歩留が向上する。
【００７０】
本発明は、上記実施形態に限定されず種々の変形が可能である。
例えば、フォトダイオードに代えて、感光部表層が透明電極で覆われたフォトゲート等の他の光電変換手段を使用することができる。また、電荷信号変換部は、紫外線、赤外線、Ｘ線及びガンマ線を含む電磁波、あるいは中性子流及びイオン流を含む粒子流である入射線に応じて電荷信号を発生するものであってもよい。
【００７１】
２個から４個程度の水平読み出しＣＣＤを設け、並列読み出し構造としてもよい。
【００７２】
ドレーンゲートから基板を経て不要な電荷信号を排出してもよい。
【００７３】
金属層の層数が遮光層を含めて３層以上の場合にも本発明を適用することができる。
【００７４】
また、上記実施形態は２相駆動であるが、駆動電圧が３相以上の場合にも本発明を適用することができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の高速撮像素子は、各電荷信号変換部に対して１本ずつ設けられた電荷信号蓄積部と、各電荷信号変換部の列に対して１本ずつ設けられ、電荷信号蓄積部から移送された電荷信号を受光面外に移送する電荷信号輸送部とを備えている。よって、列方向に隣接する電荷信号変換部間の領域を電荷信号蓄積部が通過しないため、電荷信号蓄積部により電荷信号が移送される際に発生するノイズを低減することができる。また、撮影終了後は電荷信号輸送部によりノイズを発生することなく電荷信号を素子外に読み出すことができる。
【００７６】
また、電荷信号輸送部に対する上記電荷信号蓄積部の合流点において、電荷信号蓄積部の電荷の移送方向と、電荷信号輸送部における電荷の移送方向とを略同一とした場合、電荷信号輸送部に対する電荷信号蓄積部の合流点において電荷信号を異なる２方向に移送する必要がない。そのため、電荷結合素子に駆動電圧に供給するための金属線の本数を低減して、同一種類の金属線間の距離を短縮することができる。この金属線間の距離短縮により、駆動電圧の転送の時間遅れを低減してフレームレートを向上することができる。また、金属線の本数低減によりノイズを低減することができる。さらに、金属線の本数低減により金属層の層数を低減することができる。この金属層の層数の低減により歩留が向上する。
【００７７】
さらに、被覆層を介して電荷信号排出部に制御電圧が供給した場合には、制御電圧を供給するための金属線を設ける必要がなく、金属線の本数を低減することができる。そのため、同一種類の金属線間の距離短縮により、駆動電圧の転送の時間遅れを低減し、フレームレートを向上することができる。また、金属線の本数低減によりノイズを低減することができる。さらに、金属線の本数低減により金属層の層数を低減することができる。この金属層の層数の低減によりノイズが低減され、歩留が向上する。
【００７８】
以上の特徴を有する本発明により１００万枚／秒を大きく上回るフレームレートでの高速撮影が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の高速撮像素子を備える高速撮影装置を示す概略構成図である。
【図２】 高速撮像素子の受光面を示す部分正面図である。
【図３】 フォトダイオード、記録用ＣＣＤ、及び垂直読み出し用ＣＣＤを示す部分拡大図である。
【図４】 基板（最下層）を示す部分拡大正面図である。
【図５】 ポリシリコン層を示す部分拡大正面図である。
【図６】 金属層を示す部分拡大正面図である。
【図７】 遮光層（最上層）を示す部分拡大正面図である。
【図８】 連続上書きを説明するための図であり、（Ａ）ＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図９】 読み出し動作を説明するための図であり、（Ａ）はＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１０】 （Ａ）は本発明における電荷信号の移送示す概略図、（Ｂ）及び（Ｃ）は電荷信号の移送の他の例を示す概略図である。
【図１１】 従来の斜行ＣＣＤ型撮像素子の原理を説明するための概略図である。
【図１２】 斜行のＣＣＤ型撮像素子を示す概略図である。
【図１３】 従来の斜行ＣＣＤ型撮像素子の構造を示す概略図である。
【図１４】 （Ａ）は３レベル３相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１５】 （Ａ）は２レベル３相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１６】 （Ａ）は２レベル４相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１７】 （Ａ）は２レベル２相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１８】 （Ａ）は２レベル１相の駆動電圧で駆動されるＣＣＤ電荷転送路を示す概略図、（Ｂ）は位置と電位の関係を示す線図、（Ｃ）は駆動電圧の波形図である。
【図１９】 駆動電極と駆動電圧供給用の電線を示す概略構成図であり、（Ａ）は１相の場合、（Ｂ）は２相の場合、（Ｃ），（Ｄ）（Ｅ）は３相の場合である。
【符号の説明】
３１ 高速撮像素子
３２ 受光面
３３ フォトダイオード
３４ 画素
３６ 記録用ＣＣＤ
３６ａ エレメント
３７ 垂直読み出し用ＣＣＤ
３７ａ エレメント
３８ インプットゲート
３９ 水平読み出し用ＣＣＤ
４１ 増幅器
４２ メモリ領域
４３ ドレーン
４４ ドレーン線
４５ ドレーンゲート
４６ 遮光層
４６ａ 窓部
４７ａ Ｎ領域
４７ｂ Ｎ−領域
４８ チャネルストップ
５１，５２，５３ ポリシリコン電極
５４ 隙間
５７，５８，５９ 金属線
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ
Claims (7)
- 一定間隔の行及び一定間隔の列を構成し、かつ、行方向と列方向が互いに直交するように受光面上に配置され、それぞれ入射線の強度に応じた電荷信号を発生する複数の電荷信号変換部と、
個々の上記電荷信号変換部に対して１本ずつ設けられ、一端が対応する上記電荷信号変換部に対して接続され、列方向に隣接する上記電荷信号変換部を結ぶ線に対して傾斜して線状に延び、上記対応する電荷信号変換部で発生した電荷信号を上記一端から他端に向けてそれぞれ移送する複数の電荷信号蓄積部と、
上記電荷信号変換部の個々の列に対して１本ずつ設けられ、対応する列を構成する上記電荷信号変換部に上記一端が接続されている上記電荷信号蓄積部の上記他端が複数合流し、上記電荷信号蓄積部の上記他端から移送された電荷信号を受光面外に移送する、複数の電荷信号輸送部と
を備える、高速撮像素子。 - 上記電荷信号輸送部は、上記電荷信号変換部の列方向に延びる請求項１に記載の高速撮像素子。
- 上記電荷信号輸送部に対する上記電荷信号蓄積部の合流点において、上記電荷信号蓄積部の電荷の移送方向と、上記電荷信号輸送部における電荷の移送方向とが略同一である、請求項１に記載の高速撮像素子。
- 上記電荷信号蓄積部は第１の電荷結合素子からなり、
上記電荷信号輸送部は第２の電荷結合素子からなり、
上記第１の電荷結合素子に駆動電圧を供給する少なくとも２種類の複数の電極と、上記第２の電荷結合素子に駆動電圧を供給する少なくとも２種類の複数の電極とを備え、
上記第２の電荷結合素子に駆動電圧を供給する電極のうちの少なくとも１種類の電極は、上記第１の電荷結合素子に駆動電圧を供給する電極のうちの少なくとも１種類の電極と同一種類の電極である、請求項３に記載の高速撮像素子。 - それぞれ個々の電荷信号変換部に対応する複数の窓部が設けられ、各窓部は上記電荷信号変換部へ入射線を透過させ、窓部以外の部分は入射線を遮断する遮光層と、各電荷信号蓄積部に対応して１個ずつ設けられ、対応する電荷信号蓄積部により移送される電荷信号を素子外に排出するための複数の電荷信号排出制御部と、上記遮光層を介して上記複数の電荷信号排出制御部に対して制御電圧を供給する制御電圧供給部とをさらに備える、請求項１に記載の高速撮像素子。
- 上記電荷信号蓄積部は電荷結合素子からなり、これらの電荷結合素子に駆動電圧を供給するための複数の金属線と、これらの金属線を介して２相の駆動電圧を供給する駆動電圧供給部とをさらに備える、請求項１に記載の高速撮像素子。
- 請求項１に記載の高速撮像素子を備える撮影装置。
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