JP4375084B2

JP4375084B2 - 撮像素子

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Publication number: JP4375084B2
Application number: JP2004099657A
Authority: JP
Inventors: 秀樹冨永
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005286814A

Description

この発明は、撮像素子に係り、特に、高速現象の撮影に使用される高速撮影用撮像素子の技術に関する。

従来、一般的な撮像素子は、図示を省略するが、入射する光を受光して電荷を発生する受光部と、発生した電気信号（電荷）を転送する転送部と、転送された電荷を電圧に変換して増幅する増幅部等を備える。受光部は、半導体基板上に配列されたフォトダイオード等の光電変換素子によって形成される。転送部は、発生した電気信号を表面に沿って移動させることができるＣＣＤ（Charge Coupled Device）によって形成される。

撮像素子の撮影速度は、通常、１秒間に３０フレーム程度である。しかし、高速現象を撮影する高速撮影では、例えば、撮影速度は１００万フレーム／秒となる。

図８は、従来の高速撮影用の撮像素子の概略構成図である。図８に示すように、撮像素子は、受光部５１と蓄積部５３と垂直転送部５５と水平転送部５７と増幅部５９とを有する。受光部５１はフォトダイオードによって形成され、蓄積部５３は、ＣＣＤによって形成された複数のセルを直列に接続して構成されている。ここで、１画素分の電気信号は、１個の受光部５１と1個の蓄積部５３とで取得／蓄積される（図８において、点線で囲まれた部分で明示する）。よって、例えば８万画素の撮像素子では、受光部５１と蓄積部５３との対が８万個、２次元状に配列されている。

露光時間の間、受光部５１は入射した光を電気信号に変換し、露光時間が終了すると、図示省略の読出ゲートを通じて、変換した電気信号を蓄積部５３の先頭のセルＣｈに掃きだす。このとき、受光部５１と読出ゲートと先頭のセルＣｈとに渡って電位勾配を形成して電気信号を移動させている。掃き出しが終了すると、露光時間が始まり、受光部５１は再び電気信号を発生する。蓄積部５３は、各セルに蓄積される電気信号を上述の掃き出しのタイミングと同期して隣のセルに転送する。この一連の撮影動作を終了すると、垂直転送部５５、及び水平転送部５７が蓄積部５３に蓄積された電気信号を取り出す。

このように、高速撮影用の撮像素子は、蓄積部５３を有することで、比較的時間のかかる電気信号の取出しを撮影後にまとめてすることができる。よって、撮影速度は、蓄積部５３の電気信号の転送速度に応じた撮影速度まで引き上げることが可能となる。

また、高速撮影用の撮像素子は、受光部５１の面積が蓄積部５３の各セルに比べて大きい。これは、短い撮影時間（露光時間）に受光部５１に入射する光量を確保できるよう、開口率を高くするためである。実際の撮像素子では、蓄積部を斜行させる等の工夫が施されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１６９１８９号公報

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。すなわち、受光部５１から蓄積部５３の先頭のセルＣｈへの電気信号の読出し（掃き出し）が完全に行うことができない。これにより、受光部５１には、次の露光時間にも前回の露光時間で発生した電気信号が残り、残像の原因となる。これは、受光部の面積がセルに比べて大きいので、受光部からセルへの電位勾配が適切につけられないためと考えられる。また、受光部が大面積であるため、電荷が一定速度で移動しても単に時間がかかってしまうためである。

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、高速撮影においても残像の発生を抑制できる撮像素子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、入射光の光強度に応じて電気信号を発生する光電変換手段と、光電変換手段ごとに設けられ、各光電変換手段から電気信号をそれぞれ読み出す読出手段とを備える撮像素子において、複数個の読出手段から電気信号を受け取り、各電気信号を集合した画素信号を生成する集合手段と、集合手段から画素信号を受け取る分配手段と、この分配手段から画素信号をそれぞれ受け取る複数個の蓄積転送手段と、を備え、前記蓄積転送手段は画素信号を蓄積するセルが直列に複数個接続されて、画素信号をセル単位で転送し、前記分配手段は画素信号を一つずつ順次、蓄積転送手段の先頭のセルに送り出し、複数個の光電変換手段と複数個の読出手段と１個の集合手段と１個の分配手段と複数個の蓄積転送手段とで１画素分の画素信号を取得することを特徴とする。

［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、複数個の光電変換手段によって発生された電気信号は、それぞれ読出手段によって読み出される。読み出された各電気信号は集合手段によって集合され、１画素分の画素信号となる。このように、１画素分の画素信号を取得するために、複数個の光電変換手段から電気信号を読み出すので、各光電変換手段の面積を小さくできる。よって、各光電変換手段から電気信号をより短時間の間に、高速に読み出すことができ、電気信号が残留することを防止できる。よって、残像の発生を抑制できる。また、各光電変換手段の面積を小さくできることで、オンチップマイクロレンズを搭載することを可能とし、開口率の向上を図ることができる。

また、分配手段によって、画素信号が複数個の蓄積転送手段に順次、送り出されて、先頭の各セルに蓄積される。また、各蓄積転送手段によって、各セルに蓄積された画素信号が、セル単位で転送される。そして、複数個の光電変換手段と複数個の読出手段と１個の集合手段とに加えて、１個の分配手段と複数個の蓄積転送手段とで１画素分の画素信号を取得する。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像素子において、前記分配手段は、ＣＣＤで形成されたセルで構成され、前記分配手段を構成する各セルは、転送方向に隣接する２個のセルのいずれかに選択的に画素信号を転送できるように接続され、前記分配手段は経路を選択して画素信号を送り出すことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、前記集合手段はＣＣＤで形成された複数個のセルで構成され、これらのセルを転送するに連れて電気信号を集合して画素信号を得ることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の撮像素子において、前記集合手段を構成する複数のセルのうち、各読出手段から電気信号を直接、受け取るセルが最も大きく、後続のセルの大きさは徐々に小さくなることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像素子において、分配手段から各蓄積転送手段に送り出される画素信号によって、全ての先頭のセルに画素信号が蓄積されるごとに、各蓄積転送手段の全てのセルに蓄積された画素信号を一斉に転送することを特徴とする。

［作用・効果］請求項５に記載の発明によれば、画素信号が、全ての先頭のセルに画素信号が蓄積されるごとに、各蓄積転送手段の全てのセルに蓄積された画素信号が一斉に転送される。全ての先頭のセルに蓄積された画素信号は、隣接される２番目のセルに転送されるので、各先頭のセルは、画素信号をいつでも蓄積できる状態になる。よって、分配手段による画素信号の送り出しに伴って、各蓄積転送手段により画素信号を転送する必要はなく、再び全ての先頭のセルに画素信号が蓄積されたときに、転送すればよいことになる。このように、蓄積手段の転送の周期は、分配手段の送り出しの周期に、分配手段に接続される蓄積転送手段の個数（２個以上）を乗じたものとなる。ここで、分配手段の送り出しの周期は、結局、撮影速度の周期である。したがって、蓄積転送手段の転送の周期は、撮影速度に比べて（少なくとも２倍以上）長くすることができる。よって、高速撮影においても蓄積転送手段の転送に伴う発熱等によるロスを低減することができる。また、１画素分の画素信号を複数個の蓄積転送手段によって取得するので、配列の自由度が増し、スペース効率、ひいては開口率を増すことができる。

また、請求項６に記載の発明は、入射光の光強度に応じて電気信号を発生する光電変換手段と、光電変換手段ごとに設けられ、各光電変換手段から電気信号をそれぞれ読み出す読出手段とを備える撮像素子において、複数個の読出手段から電気信号を受け取り、各電気信号を集合した画素信号を生成する集合分配手段と、この集合分配手段から画素信号をそれぞれ受け取る複数個の蓄積転送手段と、を備え、前記蓄積転送手段は画素信号を蓄積するセルが直列に複数個接続されて、画素信号をセル単位で転送し、前記集合分配手段は画素信号を一つずつ順次、蓄積転送手段の先頭のセルに送り出し、複数個の光電変換手段と複数個の読出手段と１個の集合分配手段と複数個の蓄積転送手段とで１画素分の画素信号を取得することを特徴とする。

［作用・効果］請求項６に記載の発明によれば、集合分配手段は、各読出手段から受け取った電気信号を集合して画素信号を生成することができ、かつ、生成した画素信号を順次、各蓄積転送手段の先頭のセルに送り出すことができる。すなわち、請求項１に記載の集合手段と分配手段との機能を実現する。よって、かかる集合分配手段を備えることで、構造を簡略化しつつ、請求項１に記載の作用、効果を実現することができる。

なお、本明細書は、次のような構成をとる発明も開示している。

（１）入射光の光強度に応じて電気信号を発生する光電変換手段と、光電変換手段ごとに設けられ、各光電変換手段から電気信号をそれぞれ読み出す読出手段とを備える撮像素子において、複数個の読出手段から電気信号を受け取り、各電気信号を集合した画素信号を生成する集合分配手段と、この集合分配手段から画素信号をそれぞれ受け取る複数個の蓄積転送手段とを備え、蓄積転送手段は画素信号を蓄積するセルが直列に複数個接続されて、画素信号をセル単位で転送し、集合分配手段は画素信号を順次、各蓄積転送手段の先頭のセルに送り出すものであって、複数個の光電変換手段と複数個の読出手段と１個の集合分配手段と複数個の蓄積転送手段とで１画素分の画素信号を取得し、集合分配手段から各蓄積転送手段に送り出される画素信号によって、全ての先頭のセルに画素信号が蓄積されるごとに、各蓄積転送手段の全てのセルに蓄積された画素信号を一斉に転送することを特徴とする撮像素子。

（作用・効果）上記に記載の発明によれば、集合分配手段は、各読出手段から受け取った電気信号を集合して画素信号を生成することができ、かつ、生成した画素信号を順次、各蓄積転送手段の先頭のセルに送り出すことができる。すなわち、請求項１に記載の集合手段と、請求項５に記載の分配手段との機能を実現する。よって、かかる集合分配手段を備えることで、構造を簡略化しつつ、請求項１、５に記載の作用、効果を実現することができる。

この発明に係る撮像素子によれば、１画素分の画素信号を取得するために、複数個の光電変換手段から電気信号を読出すので、各光電変換手段の面積を小さくできる。よって、各光電変換手段から電気信号をより短時間の間に読み出すことができ、電気信号が残留することを防止できる。したがって、残像の発生を抑制できる。よって、高速現象の撮影にも好適である。

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に係る撮像素子の概略構成を示す図であり、図２は、画素信号取得部の構成を示す図である。

実施例１に係る撮像素子は、大きく分けて、１画素分の画素信号を取得する画素信号取得部１と、画素信号を増幅する増幅部７と、画素信号取得部１と増幅部７の間に配置され、取得した画素信号を取り出して増幅部７に転送する取出部５とを有する。画素信号取得部１は、２次元マトリクス状に配置され、１個の撮像素子は、複数個、例えば８万個の画素信号取得部１を有する。取出部５は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）により形成され、撮影後に画素信号取得部１が有する画素信号を取り出して転送する。増幅部７は、画素信号を検出して信号電圧に変換・増幅して外部に出力する。出力された信号電圧は、２次元画像の生成等に用いられる。ここで、１画素分の画素信号とは、生成される２次元画像を構成する１個の画素のデータのもとになる電気信号である。

図１においては、画素信号取得部１は、複数個の光電変換部１１と複数個の蓄積転送部１７と、その間に配置される集合部１３と分配部１５とを有する。かかる画素信号取得部１を、図２を参照して詳細に説明する。

図２に示すように、画素信号取得部１は、８個の光電変換部１１と、光電変換部１１ごとに設けられる８個の読出ゲート２１と、各読出ゲート２１に接続される１個の集合部１３と、集合部１３に接続される分配部１５と、分配部１５に接続される８個の蓄積転送部１７とを有する。さらに、８個の光電変換部１１には、共通のドレイン２３が設けられている。

光電変換部１１は、入射する光を光電変換し、入射光の光強度に応じた電気信号（電荷）を発生する。光電変換部１１としては、フォトダイオード等の光電変換素子が例示される。各光電変換部１１は、従来の高速撮影用の撮像素子に用いられる大面積の光電変換部を８分割したものに相当するので、従来に比べて各光電変換部１１の面積は小さい。このため、オンチップマイクロレンズを搭載することが可能となり、開口率の向上を図ることができる。光電変換部１１は、この発明における光電変換手段に相当する。

読出ゲート２１は、光電変換部１１ごとに設けられ、各光電変換部１１から電気信号をそれぞれ読み出す。各読出ゲート２１上には、図示省略の電極が配置されており、電極に電圧を印加することで電位勾配を形成して、光電変換部１１から電気信号を読み出す。読出ゲート２１は、この発明における読出手段に相当する。

集合部１３は、８個の読出ゲート２１から電気信号を受け取り、各電気信号を集合する。集合された電気信号は、上述の画素信号である。集合部１３は、ＣＣＤで形成された３個のセルＭ１〜Ｍ３で構成されている。図２に示すように、各読出ゲート２１から電気信号を直接、受け取るセルＭ１が最も大きい。そして、セルＭ２、Ｍ３の大きさを、蓄積転送部１７を構成する各セルに近い大きさまで徐々に小さくする。このように構成することで、転送するに連れて電気信号を集合して画素信号を得ることができる。そして、集合部１３の各セルの空間的な広がりを徐序に小さくすることで、画素信号の転送速度が低下することを防止することができる。集合部１３は、この発明における集合手段に相当する。

分配部１５は、集合部１３と接続されて、集合部１３から受け取った画素信号を順次、後述する各蓄積転送部１７の先頭のセルに送り出す。分配部１５も、ＣＣＤで形成された６個のセルＤ１〜Ｄ６で構成されている。ただし、各セルＤ１〜Ｄ６は、転送方向に隣接する２個のセルのいずれかに、選択的に画素信号を転送できるように接続されている。すなわち、分配部１５は、１×８のマトリックス型スイッチのような構造になっており、経路を選択して画素信号を転送できる。

具体的には、各セルＤ１〜Ｄ６上に配置される図示省略の電極に印加される電圧を制御して行う。セルに電圧を印加し、画素信号を受け取るように電位勾配が形成されたセルをオン状態とし、反対に、セルに電圧を印加せず画素信号を受け取らないように電位勾配が形成されたセルをオフ状態とする。そして、例えば、セルＤ２をオン状態にし、かつセルＤ３をオフ状態にすると、セルＤ１に蓄積された画素信号は、セルＤ２に転送される。このように、隣接する２個のセルに電位勾配を形成することで、画素信号を経路選択的に転送することができる。

このようにして、分配部１５は、８個の蓄積転送部１７に対して、順番に画素信号を送り出す。分配部１５は、この発明の分配手段に相当する。

蓄積転送部１７は、ＣＣＤで形成されたセルＣが直列に複数個（実施例１では８個）接続されて構成される。１個の画素信号取得部１は、このような蓄積転送部１７を複数個（実施例１では８個）備えて、各蓄積転送部１７は並列に分配部１５に接続されている。以下では必要に応じて各蓄積転送部１７を上段から「１７ａ、１７ｂ、・・・」のように区別して呼ぶと共に、各蓄積転送部１７ａ、１７ｂ、・・・にあるセルＣを「Ｃ１ａ〜Ｃ８ａ、Ｃ１ｂ〜Ｃ８ｂ、・・・」と区別して呼ぶことにする。なお、図２では、各セルに「Ｃ」抜きの符号を付している。このように、複数個の蓄積転送部１７を有することで、配列の自由度が増し、スペース効率、ひいては開口率を増すことができる。

分配部１５から経路選択的に送り出される画素信号は、先ず、各蓄積転送部１７の先頭のセルＣ１ａ、Ｃ１ｂ、…に蓄積される。そして、先頭のセルＣ１ａ、Ｃ１ｂ、…の全てに画素信号が蓄積されるごとに、各蓄積転送部１７の全てのセルＣに蓄積された画素信号を一斉に転送する。

実施例１では、画素信号取得部１は、８個のセルＣを有する蓄積転送部１７を８個有しているので、合計６４個の画素信号を蓄積することができる。そして、蓄積された画素信号を、各蓄積転送部１７の最後尾のセルＣ８ａ、Ｃ８ｂ、…から取出部５に、まとめて転送する。すなわち、６４回分の撮影を行っている間は、画素信号を蓄積転送部１７に蓄積し、撮影後にまとめて画素信号を取り出すことができるので、蓄積転送部１７の転送速度に応じた高速撮影を行うことができる。蓄積転送部１７は、この発明における蓄積転送手段に相当する。

ドレイン２３は、光電変換部１１に過剰な電気信号が発生したときに、電気信号を光電変換部１１から排出する。これによりブルーミング現象が起こらないようにしている。

続いて、実施例１の撮像素子の撮影時の動作について説明する。図３は、撮影時の画素信号取得部１の動作を模式的に示す図であり、発生する電気信号や、各所を転送される画素信号を模式的に示している。なお、以下の説明では、便宜上、１回の撮影を大きく露光時間と読出時間とに分けて説明する。

＜読出ゲート２１と集合部１３の動作＞
露光時間の間、８個の光電変換部１１は、入射する光を光電変換し、入射光の光強度に応じた電気信号（図３において、符号「ｑ」で示す（以下単に、符号のみ示す））をそれぞれ発生する。露光時間が終了し読出時間に移ると、８個の読出ゲート２１は、発生した電気信号を読み出す。読み出された電気信号は、集合部１３のセルＭ１が受け取る。

このとき、各光電変換部１１の面積は、従来に比べて小さいので、各光電変換部１１から読出ゲート２１及び集合部１３のセルＭ１へと電位勾配を容易につけることができる。また、読み出されるときの電気信号の移動距離も従来のように長くなることはない。したがって、各光電変換部１１から電気信号を高速に読み出すことができ、電気信号が残留することを防止できる。また、図３では、セルＭ１で、８個の読出ゲート２１から受け取った各電気信号が集合され、１個の画素信号となる様子を示している（「ｐ１」）。

読出時間の終了後は、２回目の露光時間が始まり、各光電変換部１１では再び電気信号を発生する（「ｑ」）。このとき、セルＭ１に蓄積された画素信号は、セルＭ２に転送される（「ｐ２」）。

そして、２回目の読出時間が開始すると、２回目の露光時間に発生した電気信号が読出ゲート２１によって読み出され、セルＭ１に受け取られ、画素信号となる（「ｐ１」）。

３回目の露光時間が始まると、セルＭ１とセルＭ２にそれぞれ蓄積された画素信号が、セルＭ２とセルＭ３に転送される（「ｐ２」、「ｐ３」）。

ここで、セルＭ１からセルＭ３に転送するにつれて、その面積が徐々に小さくなり、その空間的な広がりも徐々に小さくなっているので、画素信号の転送速度が低下することを防止できる。

＜分配部１５の動作＞
以上のように、露光時間と読出時間を繰り返す撮影のタイミングに同期して、電気信号が繰り返し発生し、順次、画素信号に集合されて、セル単位で転送される。以下では、セルＭ３に蓄積された画素信号が撮影のタイミングごとに転送されて、蓄積転送部１７ａに送り出される様子のみを図３（ａ）を参照して説明する。

最初のタイミングでは、分配部１５のセルＤ１をオン状態とし、セルＤ２をオフ状態とすることにより、集合部１３のセルＭ３から分配部１５のセルＤ１への電位勾配を形成する。これにより、セルＭ３にある画素信号をセルＤ１に転送する（「ｐ４」）。

次のタイミングでは、分配部１５のセルＤ３をオン状態とし、セルＤ４をオフ状態とすることにより、セルＤ１からセルＤ３への電位勾配を形成する。これにより、セルＤ１からセルＤ３に画素信号を転送する（「ｐ５」）。

さらに次のタイミングでは、蓄積転送部１７ａのセルＣ１ａと蓄積転送部１７ｂのセルＣ１ｂとの電極の印加電圧を制御して、セルＤ３からセルＣ１ａへの電位勾配を形成する。これにより、セルＤ３からＣ１ａに画素信号を転送する（「ｐ６」）。

このようにして、分配部１５は、蓄積転送部１７ａの先頭のセルＣ１ａに画素信号を送りだす。それとともに、次に転送されてくる画素信号を蓄積転送部１７ｂの先頭のセルＣ１ｂに送り出すようにする。これを繰り返して、図３（ｂ）では、分配部１５が蓄積転送部１７ｈの先頭のセルＣ１ｈに送り出すときの画素信号の転送経路を模式的に示している。

＜蓄積転送部１７の動作＞
上述したように、分配部１５は、撮影のタイミングと同期して、画素信号を経路選択的に転送している。一方、分配部１５が蓄積転送部１７の先頭のセルＣ１ａ、Ｃ１ｂ、…に画素信号を送り出す間、蓄積転送部１７は、一切、画素信号を転送しない。そして、画素信号がセルＣ１ｈに転送されて蓄積されたタイミングで、各蓄積転送部１７の全てのセルＣに蓄積される画素信号を一斉に隣接するセルに転送する。この様子を図３（ｃ）に示す。

したがって、蓄積転送部１７の動作は、撮影のタイミングの８倍の周期で動作すればよい。よって、撮影速度が高速となっても、蓄積転送部１７の各セルＣ上の電極に電圧を印加する動作速度は抑えられるので、電力損により発生する発熱を抑えることができる。

次に、この発明の実施例２を説明する。なお、実施例１と同じ構成については同符号を付すことで詳細な説明を省略する。

図４は、実施例２に係る画素信号取得部１の構成を示す図であり、図５は、撮影時の画素信号取得部１の動作を模式的に示す図であり、図６は、集合分配部の電位分布の模式図である。

図４に示す集合分配部３１は、実施例１において説明した集合部１３と分配部１５との機能を兼ね備えている。すなわち、集合分配部３１は、ＣＣＤによって形成された複数個（実施例２では８個）のセルＧ１〜Ｇ８で構成されている。そして、複数個（実施例２では８個）の読出ゲート２１と、複数個（実施例２では８個）の蓄積転送部１７とに接続される。そして、集合分配部３１は、複数個の読出ゲート２１から電気信号を受け取り、各電気信号を集合して画素信号を生成するとともに、順次、各蓄積転送部１７の先頭のセルに画素信号を送り出す。

図５を参照して、集合分配部３１の動作を説明する。８個の読出ゲート２１から読み出された電気信号は、分配集合部に受け取られる。このとき、８個の電気信号は集合され、１個の画素信号ｒ１となる。このときの集合分配部３１の電位分布の様子を図６（ａ）に示す。このように、セルＧ１からセルＧ８に渡って形成された、いわゆる電位の井戸に、各電気信号が集合して生成された画素信号ｒ１が蓄積されている。

画素信号ｒ１を、上から５段目の蓄積転送部１７の先頭のセルに送り出す場合は、以下のようになる。まず、セルＧ１をオフ状態として、セルＧ１からセルＧ２に電位勾配を形成して、画素信号をセルＧ２〜Ｇ８の間に蓄積させる（図６（ｂ）参照）。次に、セルＧ２とセルＧ８をオフ状態として、セルＧ３〜Ｇ７の間に画素信号ｒ３を蓄積させる（図５（ｂ）、及び図６（ｃ）参照）。する。この動作を繰り返すことで、図５（ｃ）に示すように、集合分配部３１は、セルＧ５にのみに画素信号ｒ５を蓄積させることができる。このときの電位分布は、図６（ｅ）に示すようになる。

このように、集合分配部３１は、各読出ゲート２１から受け取り、各電気信号を集合した画素信号を生成することができる。また、集合分配部３１のセルＧ１〜Ｇ８のいずれかのセル（図６ではセルＧ５）に、遠いセル（図６ではセルＧ１）から順次、オフ状態とすることにより、画素信号を集約することができる。これにより、任意の蓄積転送部１７を選択して、画素信号を送り出すことができる。

このような集合分配部３１を備えることで、実施例１に比べて簡易な構造とすることができる。もちろん、複数の光電変換部１１と複数の蓄積転送部１７とを備えることができるので、各光電変換部１１から電気信号を確実かつ迅速に読み出すことができ、電気信号が残留することがない撮像素子とすることができる。また、蓄積転送部１７の各セル上の電極に電圧を印加する際に、電力損により発生する発熱を抑えることができる撮像素子とすることができる。

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）上述した各実施例では、画素信号取得部１は、８個の光電変換部１１と８個の蓄積転送部１７とを備え、また、蓄積転送部１７は８個のセルから構成されていたが、これらの個数は適宜変更されるものであり、また、互いに同数でなくてもよい。また、集合部１３、または分配部１５を構成するセルの個数も、同様に適宜変更されるものである。

（２）上述した各実施例では、光電変換部１１として、フォトダイオードを用いていたが、これに限られず、フォトゲートでもよい。フォトゲートによれば、受光部に印加電極を備えるので、強制的に電位勾配を形成することができ、発生した電気信号を強制的に掃き出すことができる。

（３）上述した各実施例では、集合部１３または、集合分配部３１は、各読出ゲート２１から受け取った電気信号を集合する構成であったが、特定の読出しゲートから受け取った電気信号のみを集合する構成としてもよい。このとき、図７に示すように、画素信号取得部１は、特定集合部４１を備える構成とすればよい。この特定集合部４１は、実施例１に示す分配部１５を、集合部に適用したものである。このような構成とすることで、特定の電気信号の足し算をして出力することができる。たとえば、図７において、光電変換部１１ａ、１１ｂにおいて発生する電子信号のみを集合して、蓄積転送部１７ａの先頭のセルＣ１ａに転送させることもできる。これによって、単板カラーカメラの信号処理においては、特定のカラー信号を予め足し算しておいた方が後の処理が簡便化される等の効果を得ることができる。

実施例１に係る撮像素子の概略構成を示す図である。画素信号取得部の構成を示す図である。撮影時の画素信号取得部の動作を模式的に示す図である。実施例２に係る画素信号取得部の構成を示す図である。撮影時の画素信号取得部の動作を模式的に示す図である。集合分配部の電位分布の模式図である。変形例に係る画素信号取得部の動作を模式的に示す図である。従来の高速撮影用の撮像素子の概略構成図である。

１ …画素信号取得部
５ …取出部
１１ …光電変換部
１３ …集合部
１５ …分配部
１７ …蓄積転送部
２１ …読出ゲート
３１ …集合分配部
４１ …特定集合部

Claims

入射光の光強度に応じて電気信号を発生する光電変換手段と、光電変換手段ごとに設けられ、各光電変換手段から電気信号をそれぞれ読み出す読出手段とを備える撮像素子において、複数個の読出手段から電気信号を受け取り、各電気信号を集合した画素信号を生成する集合手段と、集合手段から画素信号を受け取る分配手段と、この分配手段から画素信号をそれぞれ受け取る複数個の蓄積転送手段と、を備え、前記蓄積転送手段は画素信号を蓄積するセルが直列に複数個接続されて、画素信号をセル単位で転送し、前記分配手段は画素信号を一つずつ順次、蓄積転送手段の先頭のセルに送り出し、複数個の光電変換手段と複数個の読出手段と１個の集合手段と１個の分配手段と複数個の蓄積転送手段とで１画素分の画素信号を取得することを特徴とする撮像素子。
請求項１に記載の撮像素子において、前記分配手段は、ＣＣＤで形成されたセルで構成され、前記分配手段を構成する各セルは、転送方向に隣接する２個のセルのいずれかに選択的に画素信号を転送できるように接続され、前記分配手段は経路を選択して画素信号を送り出すことを特徴とする撮像素子。
請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、前記集合手段はＣＣＤで形成された複数個のセルで構成され、これらのセルを転送するに連れて電気信号を集合して画素信号を得ることを特徴とする撮像素子。
請求項３に記載の撮像素子において、前記集合手段を構成する複数のセルのうち、各読出手段から電気信号を直接、受け取るセルが最も大きく、後続のセルの大きさは徐々に小さくなることを特徴とする撮像素子。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像素子において、分配手段から各蓄積転送手段に送り出される画素信号によって、全ての先頭のセルに画素信号が蓄積されるごとに、各蓄積転送手段の全てのセルに蓄積された画素信号を一斉に転送することを特徴とする撮像素子。
入射光の光強度に応じて電気信号を発生する光電変換手段と、光電変換手段ごとに設けられ、各光電変換手段から電気信号をそれぞれ読み出す読出手段とを備える撮像素子において、複数個の読出手段から電気信号を受け取り、各電気信号を集合した画素信号を生成する集合分配手段と、この集合分配手段から画素信号をそれぞれ受け取る複数個の蓄積転送手段と、を備え、前記蓄積転送手段は画素信号を蓄積するセルが直列に複数個接続されて、画素信号をセル単位で転送し、前記集合分配手段は画素信号を一つずつ順次、蓄積転送手段の先頭のセルに送り出し、複数個の光電変換手段と複数個の読出手段と１個の集合分配手段と複数個の蓄積転送手段とで１画素分の画素信号を取得することを特徴とする撮像素子。