JP4442608B2 - 固体撮像装置、撮像装置並びに撮像素子 - Google Patents

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Description

この発明は、被写体像の投影面において２次元アレイ配置された複数の光電変換手段を備えた固体撮像装置および撮像装置並びに撮像素子に関する。
近年、撮像装置で常用される固体撮像素子であるＣＣＤ撮像素子は、電子カメラ等に用いられている。従来のＣＣＤ撮像素子は、例えば、図１４に示すように、画像部エリアとしての被写体像の投影面において２次元アレイ配置された多数の光電変換部１９１と、ＣＣＤセル１９２，１９３と、出力レジスタ１９４と、電荷電圧変換部１９５とを備えている。光電変換部１９１により光電変換されて検出された１画面分の信号電荷をＣＣＤセル１９２によって隣接する蓄積エリアのＣＣＤセル１９３へ全て転送して一旦蓄積する。そして、信号電荷を所定個数ずつ蓄積エリアのＣＣＤセル１９３によって電荷取り出しエリアに配置された出力レジスタ１９４へ転送する。その後、出力レジスタ１９４によって電荷電圧変換部１９５へ順次に再び転送して電圧信号に変換して撮像信号として出力する（例えば、特許文献１参照）。
（ｉ）そして、近年、ＣＣＤ撮像素子においては、ノイズの増大を抑えて信号電荷を増倍させることで検出感度を上げる、すなわち高感度化する提案が２つなされている。これら２つの提案は、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により信号電荷を増倍する電荷増倍部（図示省略）を配設することで検出感度を向上させるという点で共通している。
最初の提案について、より具体的に説明すれば、蓄積エリアのＣＣＤセル１９３の一部に電荷増倍用の高電界領域を生成させて、信号電荷を転送する際に電荷増倍用の高電界領域を通過させて信号電荷を増倍させることで高感度化を図っている。つまり先の提案では、蓄積エリアのＣＣＤセル１９３の中に電荷増倍部を組み込んで感度を上げている（例えば、特許文献２および非特許文献１参照）。
もう１つの提案をより具体的に言えば、出力レジスタ１９４と電荷電圧変換部１９５との間に、電荷増倍用の高電界領域を生成させて、信号電荷を転送する際に電荷増倍用の高電界領域を通過させて信号電荷を増倍させる増倍レジスタを増設することで高感度化を図っている。つまり後の提案では、出力レジスタ１９４と電荷電圧変換部１９５との間に、電荷増倍部を追加配備して感度を上げている（例えば、特許文献１および非特許文献２参照）。
（ｉｉ）図１４のＣＣＤ撮像素子の場合、（ｉ）でも述べたように、出力レジスタ１９４と電荷電圧変換部１９５との間に電荷増倍部（図示省略）をさらに配設している。出力レジスタ１９４から送り出される信号電荷は電荷増倍部で増倍されてから電圧信号に変換されるので、被写体の光学像に対する検出感度は高いが、１万画面／秒（＝１万フレーム／秒）を越える高速度撮影では、信号電荷の取り出しスピードが追いつかない。
一方、１万画面／秒を越える高速度撮影も行うことができる高速撮像素子が既に開発されている。従来の高速撮像素子では、図１５（ａ）ないし図１５（ｂ）に示すように、各光電変換部２０１で光電変換されて検出される信号電荷を１画面分ずつ複数画面分取り込んで取り込み画面ごとに蓄積する信号電荷蓄積部２０２が各光電変換部２０１にそれぞれ付設されている。なお、図１５（ａ）や図１５（ｂ）では、光電変換部２０１のうち縦方向に並んでいるものの一部だけを示しており、実際は縦方向にも横方向にも多数の光電変換部２０１が並んでいる。
各信号電荷蓄積部２０２は、複数のＣＣＤセル２０２Ａが直列に接続されて構成されている。撮影実行中、画面取り込みの度に各光電変換部２０１から信号電荷が最初のＣＣＤセル２０２Ａに送り込まれ、先の画面取り込みで既に蓄積されている信号電荷が一斉にＣＣＤセル２０２Ａひとつ分ずつ先へ転送される。したがって、各信号電荷蓄積部２０２のＣＣＤセル２０２Ａでは信号電荷が１画面分ずつＣＣＤセル２０２Ａの個数と同じ画面枚数分だけ取り込み画面ごとに取り込み順で蓄積される。そして、信号電荷蓄積部２０２のＣＣＤセル２０２Ａに蓄積された信号電荷は、撮影終了後に読み出され、電圧信号に変換されてから映像信号として出力される（例えば、特許文献３参照）。
このように図１５（ａ）や図１５（ｂ）の高速撮像素子の場合、光電変換部２０１から送り込まれた信号電荷をＣＣＤセル２０２Ａの間で極めて短時間で転送しＣＣＤセル２０２Ａの個数と同じ画面枚数分だけ蓄積する信号電荷蓄積部２０２が光電変換部２０１に付設されていて、各信号電荷蓄積部２０２はＣＣＤセル２０２Ａの個数と同じ画面枚数分の信号電荷をまとめて蓄積する。したがって、１万画面／秒を越える高速度撮影に用いることができる。
なお、図１５（ａ）の高速撮像素子の場合、光電変換部２０１の２次元アレイ配置は正方マトリックスにならない。縦方向に並んでいる光電変換部２０１の間では、上段の信号電荷蓄積部２０２と重ならないように、下段の光電変換部２０１が上段の光電変換部２０１の斜め左下寄りに配置されているからである。これに対し、図１５（ｂ）の高速撮像素子の場合は、信号電荷蓄積部２０２のＣＣＤセル２０２Ａの配列方向が斜めに傾いていて、下段の光電変換部２０１が上段の光電変換部２０１の真下に配置されているので、光電変換部２０１の２次元アレイ配置が正方マトリックスになっている。
特開平１０−３０４２５６号公報 特開平７−１７６７２１号公報（第３−７頁、図１−１１） 特開２００１−３４５４４１号公報（第２頁、図１１，１２） J.Hynecek,"Impactron-A New Solid State Image Intensifier,"IEEE Trans.on Elec.Dev.,vol.48,No.10,2001 (p.2238-2241, Fig1) M.S.Rpbbins,B.J.Hadwen, "The Noise Performance of Electron Multiplying Charge-Coupled Devices,"IEEE Trans.on Elec.Dev.,vol.50,No.5,2003 (p.1227-1229, Fig2-3)
しかしながら、下記のような（ｉ）、（ｉｉ）の課題がある。
（ｉ）の課題について
上記従来のＣＣＤ撮像素子は、素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑えるのが容易でないという問題がある。
すなわち、上記従来のＣＣＤ撮像素子の場合、信号電荷を増倍するために配設した電荷増倍部の電荷増倍利得（電荷増倍ゲイン）は、固体撮像素子の素子温度が変化するのに伴って変化する（非特許文献１のp.2240のFig2(b)、ないし非特許文献２のp.1228のFig4を参照）ので、固体撮像素子の素子温度の変化を放置したままであれば、固体撮像素子の素子温度の変化に因って撮像信号の信号強度が変動してしまう。この撮像信号の信号強度の変動は、撮影画像の再現性やプロファイルの再現性を悪くする。
そこで、上記従来のＣＣＤ撮像素子を用いる際には、固体撮像素子の素子温度を一定に保つ温度制御を行って固体撮像素子の素子温度の変化そのものを抑えている。つまり上記従来のＣＣＤ撮像素子の場合、電荷増倍部の電荷増倍利得を熱的に制御して安定させている。
しかし、固体撮像素子の素子温度は環境温度によって簡単に変化し、さらに温度変化の時定数は熱の性質上から長くなるので、固体撮像素子の素子温度を温度制御で一定に保つという熱的な制御により電荷増倍部の電荷増倍利得の安定化を実現するのは、実際には困難である。
（ｉｉ）の課題について
上記従来の高速撮像素子の場合、被写体の光学像を光電変換する光電変換部２０１の受光面の面積が広いという問題がある。１万画面／秒を越えるような高速度撮影の場合、光電変換部２０１の受光面に被写体の光学像が投影される時間は極めて短く、光電変換部２０１の受光面に入射する光の量は微量なので、光電変換部２０１の受光面の面積を広くして検出感度を稼がなければならない。その結果、光電変換部２０１の受光面の面積が広くなる。
このように、光電変換部２０１の受光面の面積が広い場合には、光電変換部２０１の高密度化が難しくなるだけでなく、光電変換部２０１から信号電荷を取り出し難くなる。図１６に示すように、光電変換部２０１の受光面の上に転送電極２０３Ａ，２０３Ｂを設けると、信号電荷は速やかに取り出せる。すなわち、信号電荷蓄積部２０２側に転送できる。しかし、転送電極２０３Ａ，２０３Ｂの追加形成工程が必要になるうえに、転送電極２０３Ａ，２０３Ｂの光吸収作用によって特定波長の光に対する検出感度が低下するという別の不都合が生じる。
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、（ｉ）固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を容易に抑えることができる、（ｉｉ）被写体の光学像を光電変換する光電変換手段の受光面の面積縮小を図ることができる固体撮像装置、撮像装置並びに撮像素子を提供することを目的とする。
上記（ｉ）の問題を解決するために創作されたこの発明の固体撮像装置は、撮像を行う固体撮像装置において、固体撮像素子と電荷増倍手段と撮像信号温度変動抑止手段とを備えるとともに、前記固体撮像素子は、被写体像の投影面において２次元アレイ配置された複数の光電変換手段と、各光電変換手段により光電変換されて検出された信号電荷を転送する電荷転送手段と、電荷転送手段から転送された信号電荷を電圧信号に変換し撮像信号として出力する電荷電圧変換手段と、固体撮像素子の素子温度を検出する温度センサとを備え、前記電荷増倍手段は信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により信号電荷を増倍し、その電荷増倍手段を前記電荷電圧変換手段の前段側に配設し、前記撮像信号温度変動抑止手段は、前記温度センサによって検出された固体撮像素子の素子温度の変化に応じて電荷電圧変換手段の変換利得を電気的に調整して固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる電荷増倍手段の電荷増倍利得の変動を抑えるとともに、抵抗値が変更可能な抵抗値制御型抵抗素子を有し、固体撮像素子の素子温度の結果に基づいて抵抗値制御型抵抗素子の抵抗値を変化させて、撮像信号温度変動抑止手段の増幅機能の増幅率を調整することで電荷電圧変換手段の変換利得を電気的に調整して、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる電荷増倍手段の電荷増倍利得の変動を抑え、前記温度センサを、前記抵抗値制御型抵抗素子を備えた撮像信号温度変動抑止手段よりも電荷増倍手段の近くに配設して、前記抵抗値制御型抵抗素子を備えた撮像信号温度変動抑止手段を電荷増倍手段から距離を離して配設し、前記抵抗値制御型抵抗素子を備えた撮像信号温度変動抑止手段、前記温度センサ、電荷増倍手段の順に配設し、前記温度センサの出力が前記抵抗値制御型抵抗素子の抵抗値を制御するように両者を接続し、前記撮像信号温度変動抑止手段と前記電荷増倍手段とを前記電荷電圧変換手段とを介して接続することを特徴とするものである。
この発明の固体撮像装置によれば、この固体撮像装置を用いて撮影が行われる場合、被写体像は、被写体像の投影面において２次元アレイ配置された複数の光電変換手段による光電検出により信号電荷に変換された後、電荷転送手段によって電荷電圧変換手段の側へ転送されて、電荷電圧変換手段の前段側に設けられた電荷増倍手段による信号電荷の増倍が行われる。その後、電荷電圧変換手段で撮像信号としての電圧信号に変換されてから出力される。そして、電荷電圧変換手段の前段側に設けられた電荷増倍手段は、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により信号電荷を増倍するので、２次元アレイ配置された複数の光電変換手段で信号電荷に変換された被写体像は、電荷増倍手段の増倍機能によって、ノイズの増大を抑えて増幅されて撮像信号としての電圧信号に変換される。結果、被写体像に対する検出感度が向上する。
さらに、撮像信号温度変動抑止手段が、温度センサによって検出された固体撮像素子の素子温度の変化に応じて電荷電圧変換手段の変換利得を電気的に調整して固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる電荷増倍手段の電荷増倍利得の変動を抑える場合には、以下のようになる。すなわち、高精度制御の非常に困難な熱的な制御に頼らずとも、固体撮像素子の素子温度の変化に応じて撮像信号温度変動抑止手段が行う高精度制御の非常に容易な電気的な調整で電荷増倍手段の電荷増倍利得をコントロールすることにより、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑えることができる。
さらに、撮像信号温度変動抑止手段は、抵抗値が変更可能な抵抗値制御型抵抗素子を有し、固体撮像素子の素子温度の結果に基づいて抵抗値制御型抵抗素子の抵抗値を変化させて、撮像信号温度変動抑止手段の増幅機能の増幅率を調整することで電荷電圧変換手段の変換利得を電気的に調整する。
また、抵抗値制御型抵抗素子を備えた撮像信号温度変動抑止手段よりも電荷増倍手段の近くに配設されている温度センサにより固体撮像素子の素子温度が的確に検出されるので、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を的確に抑えることができる。
上記（ｉ）の問題を解決するために創作されたこの発明の一例は、前記電荷増倍手段は、信号電荷を順次に転送する複数段の増倍レジスタからなり、各増倍レジスタは、駆動電圧の印加に伴って増倍レジスタの要素内に電荷増倍用の高電界領域を生成し、信号電荷を転送する際に電荷増倍用の高電界領域を通過させて、印加される駆動電圧の電圧値の変化により電荷増倍用の高電界領域の電界強度が変化するように構成されており、固体撮像素子の素子温度の変化に応じて駆動電圧の電圧値を変化させることで電荷増倍手段の電荷増倍利得を電気的に制御することである。
この発明の一例の場合、撮像信号温度変動抑止手段が固体撮像素子の素子温度の変化に応じて増倍レジスタに印加する駆動電圧の電圧値を変化させることによって電荷増倍手段の電荷増倍利得の電気的な制御が行われるので、撮像信号温度変動抑止手段の電気的な制御による電荷増倍手段の電荷増倍利得のコントロールが非常に容易に行える。
上記（ｉ）の問題を解決するために創作されたこれらの発明の一例は、前記固体撮像素子と前記電荷増倍手段とを別体で配設することである。
この発明の一例の場合、電荷増倍手段が別体で配設されているので、他の部分の構成を変更せずに、電荷増倍手段を配設することができる。
上記（ｉ）の問題を解決するために創作されたこれらの発明の一例は、上述の温度センサを固体撮像素子自体に配設し、この温度センサで検出された固体撮像素子の素子温度にしたがって撮像信号温度変動抑止手段を作動させることである。
この発明の一例の場合、固体撮像素子自体に配設されている温度センサにより固体撮像素子の素子温度が的確に検出されるので、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を的確に抑えることができる。
上述した温度センサの一例は、サーミスタである。また、温度センサの他の一例は、金属細線を用いた測温体である。
上記（ｉ）の問題を解決するために創作されたこれらの発明の一例は、前記各光電変換手段ごとに、各光電変換手段により光電変換されて検出される信号電荷を蓄積する複数の信号電荷蓄積手段をそれぞれ付設することである。
この発明の一例の場合、光電変換手段で光電変換されて検出される信号電荷を光電変換手段で付設された信号電荷蓄積手段に転送・蓄積する。したがって、高速撮像用の固体撮像素子にも適用することができる。
また、上記（ｉ）の問題を解決するために創作されたこの発明の撮像装置は、上記（ｉ）の問題を解決するために創作されたこの発明の固体撮像装置を備える撮像装置である。
この発明の撮像装置の場合、上記（ｉ）の問題を解決するために創作されたこの発明の固体撮像装置を備えているので、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を容易に抑えることができる。
上記（ｉｉ）の問題を解決するために創作されたこの発明の撮像素子は、被写体像の投影面において２次元アレイ配置された複数の光電変換手段と、各光電変換手段にそれぞれ付設されていて、各光電変換手段により光電変換されて検出される信号電荷を１画面分ずつ複数画面分取り込んで取り込み画面ごとに蓄積する複数の信号電荷蓄積手段と、各信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を取り込み画面との対応付けを維持しながら転送して読み出す信号電荷読み出し手段と、信号電荷読み出し手段で読み出された信号電荷を、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により増倍する電荷増倍手段とを備えていることを特徴とするものである。
この発明の撮像素子によれば、この発明の撮像素子を用いて撮影が行われる場合、撮影実行中、被写体の光学像の投影面において２次元アレイ配置された複数の光電変換手段により、投影面に映る被写体の光学像が電荷信号に変換されて１画面分ずつ取り込まれて各光電変換手段それぞれに付設されている信号電荷蓄積手段へ続けて送り込まれる。信号電荷蓄積手段では光電変換手段から１画面分ずつ次々と信号電荷が複数回にわたって取り込まれて複数画面分の信号電荷が取り込み画面ごとに蓄積される。そして、撮影終了後、各信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷は、信号電荷読み出し手段によって取り込み画面との対応付けを維持されながら転送されて読み出される。さらに読み出された信号電荷は、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により増倍する電荷増倍手段によって増倍される。
すなわち、この発明の撮像素子の場合、被写体の光学像を光電変換して検出する光電変換手段から送り込まれる被写体の光学像の撮影画面に相応する信号電荷を１画面分ずつ順に取り込んで複数画面にわたってまとめて蓄積する信号電荷蓄積手段が、各光電変換手段にそれぞれ付設されている。したがって、被写体の光学像の撮影画面に対応する信号電荷を複数枚の撮影画面分、高速で検出して蓄積できる。また、信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷が信号電荷読み出し手段によって取り込み画面との対応付けが維持されながら転送されて読み出されるので、読み出された信号電荷から取り込み画面毎の高速度撮影画像が再生できる。
さらに、この発明の撮像素子の場合、被写体の光学像の撮影画面に相応する信号電荷が、信号電荷読み出し手段によって読み出された後に、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により増倍する電荷増倍手段によって信号電荷をノイズの増大を伴わずに増倍するので、光電変換手段の受光面の面積を電荷増倍手段による信号電荷の増倍分に対応して狭くできる。このように光電変換手段の受光面の面積が狭くできれば、光電変換手段が小さくなるので、光電変換手段の高密度化を実現できるし、信号電荷を速やかに取り出せるので、撮影速度の高速化も実現できる。
また、上記（ｉｉ）の問題を解決するために創作されたこの発明の一例は、前記電荷増倍手段は、信号電荷を順次に転送する複数段の増倍レジスタからなり、各増倍レジスタは、駆動電圧の印加に伴って増倍レジスタの要素内に電荷増倍用の高電界領域を生成し、信号電荷を転送する際に電荷増倍用の高電界領域を通過させることである。
この発明の一例の場合、電荷増倍手段が、信号電荷を順次に転送する複数段の増倍レジスタからなるので、個々の増倍レジスタの増倍率を合計した増倍率で信号電荷が増倍される。
上記（ｉｉ）の問題を解決するために創作されたこれらの発明の一例は、前記光電変換手段が、光電変換された信号電荷を信号電荷蓄積手段側に転送する転送電極を受光面に有さない電極レスタイプであることである。
この発明の一例の場合、光電変換手段が電極レスタイプであるので、光電変換手段の受光面に転送電極を追加形成する工程が不要であり、転送電極の光吸収作用による特定波長の光に対する検出感度の低下を防止することができる。
上記（ｉｉ）の問題を解決するために創作されたこれらの発明の一例は、前記電荷増倍手段の後段に、電荷増倍手段から送り出された信号電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換手段を備えていることである。
この発明の一例の場合、被写体の光学像の撮影画面に相応する信号電荷は電荷電圧変換手段により電圧信号に変換されるので、被写体の光学像の撮影画面に相応する撮像信号が電圧信号の状態で出力される。
上記（ｉｉ）の問題を解決するために創作されたこれらの発明の一例は、前記各光電変換手段の前面側に、検出対象の光を集めるマイクロレンズを配設することである。
この発明の一例の場合、各光電変換手段の前面側に配設されたマイクロレンズにより、各光電変換手段の受光面に検出対象の光が集められるので、マイクロレンズの設置で光電変換手段の受光面に入射する光の量が増して、その分だけ被写体の光学像に対する検出感度が向上する。
上記（ｉｉ）の問題を解決するために創作されたこれらの発明の一例は、前記光電変換手段の２次元アレイ配置が正方マトリックスであり、前記信号電荷蓄積手段は、信号電荷が画面取り込みの度にひとつ先のＣＣＤセルへ転送される複数個のＣＣＤセルを直列に接続した１次元ＣＣＤセルアレイであって、１次元ＣＣＤセルアレイにおけるＣＣＤセルの配列方向が光電変換手段の配列方向に対し斜め向きである。
この発明の一例の場合、光電変換手段の２次元アレイ配置が正方マトリックスであるので、撮像素子の検出画素も縦と横へ一直線で規則正しく並ぶ正方マトリックスの２次元配置となる。また、信号電荷蓄積手段が１次元ＣＣＤセルアレイであるので、信号電荷蓄積手段の構成が簡潔となる。さらに、信号電荷蓄積手段としての１次元ＣＣＤセルアレイにおけるＣＣＤセルの配列方向が光電変換手段の配列方向に対し斜め向きであるので、ＣＣＤセルの個数を多くして１次元ＣＣＤセルアレイを長く延ばしても縦および横に隣接する光電変換手段に突き当たらない。したがって、信号電荷蓄積手段としての１次元ＣＣＤセルアレイのＣＣＤセルの個数を多くすることにより、信号電荷蓄積手段で蓄積できる信号電荷の数を増やし、連続撮影できる画像の枚数を多くすることが可能となる。
この発明に係る固体撮像装置では、２次元アレイ配置された光電変換手段で信号電荷に変換された被写体像を撮像信号としての電圧信号に変換する電荷電圧変換手段の前段側に配設された電荷増倍手段により、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により信号電荷を増倍する。光電変換手段で信号電荷に変換された被写体像は、電荷増倍手段の増倍機能により、ノイズの増大を抑えて増幅されて撮像信号としての電圧信号に変換されるので、被写体像に対する検出感度が向上する。
さらに、撮像信号温度変動抑止手段が、固体撮像素子の素子温度の変化に応じて電荷増倍手段の電荷増倍利得を電気的に制御して固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑える場合、高精度制御の非常に困難な熱的な制御に頼らずとも、固体撮像素子の素子温度の変化に応じて撮像信号温度変動抑止手段が行う高精度制御の非常に容易な電気的な制御で電荷増倍手段の電荷増倍利得をコントロールすることにより、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑えられる。
さらに、撮像信号温度変動抑止手段が、固体撮像素子の素子温度の変化に応じて撮像信号自体の信号強度を電気的に調整して固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑える場合、高精度制御の非常に困難な熱的な制御に頼らずとも、固体撮像素子の素子温度の変化に応じて撮像信号温度変動抑止手段が行う高精度制御の非常に容易な電気的な調整で撮像信号自体の信号強度をコントロールすることにより、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑えられる。
よって、この発明の固体撮像装置によれば、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を容易に抑えることができる。
また、この発明に係る撮像素子の場合、被写体の光学像を光電変換して検出する光電変換手段から送り込まれる被写体の光学像の撮影画面に相応する信号電荷を１画面分ずつ順に取り込んで複数画面にわたってまとめて蓄積する信号電荷蓄積手段が、各光電変換手段にそれぞれ付設されている。したがって、被写体の光学像の撮影画面に対応する信号電荷を複数枚の撮影画面分、高速で検出して蓄積できる。また、信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷が信号電荷読み出し手段によって取り込み画面との対応付けが維持されながら転送されて読み出されるので、読み出された信号電荷から取り込み画面毎の高速度撮影画像が再生できる。
さらに、この発明の撮像素子の場合、被写体の光学像の撮影画面に相応する信号電荷が、信号電荷読み出し手段によって読み出された後に、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により増倍する電荷増倍手段によって信号電荷をノイズの増大を伴わずに増倍するので、光電変換手段の受光面の面積を電荷増倍手段による信号電荷の増倍分に対応して狭くできる。
よって、この発明の撮像素子によれば、被写体の光学像を光電変換する光電変換手段の受光面の面積縮小を図ることができる。このように光電変換手段の受光面の面積が狭くできれば、光電変換手段が小さくなるので、光電変換手段の高密度化を実現できるし、信号電荷を速やかに取り出せるので、撮影速度の高速化も実現できる。
実施例１の撮像装置の要部構成を示すブロック図である。 実施例１の撮像装置が備えている固体撮像装置の構成を中心に示す詳細ブロック図である。 実施例１の撮像装置における電荷増倍部に印加される駆動電圧の経時的変化を示すグラフである。 実施例１の撮像装置における電荷増倍部の各増倍レジスタに対する駆動電圧の印加状況を示す部分ブロック図である。 実施例１の撮像装置の電荷増倍部への駆動電圧の印加に伴う増倍レジスタの要素内のポテンシャル変化を示す模式図である。 実施例１の撮像装置におけるＣＣＤ撮像素子の素子温度と駆動電圧の電圧値との対応関係を示すグラフである。 実施例１の撮像装置における温度センサの配置形態の変形例を示す部分ブロック図である。 実施例２の撮像装置が備えている固体撮像装置の構成を中心に示す詳細ブロック図である。 実施例３に係る高速撮像素子の要部構成を示すブロック図である。 実施例３の高速撮像素子が組み込まれている高速撮像装置の要部構成を示すブロック図である。 実施例３の高速撮像素子の光電変換部の前面側に設けるマイクロレンズの配置状況を示す平面図である。 実施例３の高速撮像素子が組み込まれている高速撮像装置の変形態様を示す部分ブロック図である。 （ｉ）の問題を解決するために創作された発明が適用される固体撮像素子の他の一例を示すブロック図である。 従来の撮像装置に用いられるＣＣＤ撮像素子の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、従来の高速撮像素子の要部構成例を示すブロック図であり、（ｂ）は、従来の高速撮像素子の他の要部構成例を示すブロック図である。 従来の高速撮像素子の光電変換部の上に設けられた転送電極を示す平面図である。
符号の説明
１，１６ … ＣＣＤ撮像素子
１Ａ … （被写体像の）投影面
８ … 光電変換部
９ … ＣＣＤセル
１０ … ＣＣＤセル
１１ … 出力レジスタ
１２ … 電荷電圧変換部
１３ … 電荷増倍部
１３Ａ … 増倍レジスタ
１４，１７ … 撮像信号温度変動抑止部
１５ … 温度センサ
φ３ … 駆動電圧
固体撮像素子の素子温度の変化に応じて電荷増倍手段の電荷増倍利得を電気的に制御して固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑える、あるいは固体撮像素子の素子温度の変化に応じて撮像信号自体の信号強度を電気的に調整して固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑える撮像信号温度変動抑止手段を備えることで、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を容易に抑えるという目的を実現した。
この発明の固体撮像装置の一例が組み込まれた実施例１の撮像装置について、図面を参照して説明する。図１は実施例１の撮像装置の要部構成を示すブロック図、図２は実施例１の撮像装置に備えられている固体撮像装置の構成を中心に示すブロック図である。
実施例１の撮像装置は、図１に示すように、被写体像を検出するＣＣＤ撮像素子１と、ＣＣＤ撮像素子１における被写体像の投影面１Ａへ被写体像を結像させる光学レンズ２と、ＣＣＤ撮像素子１を駆動する撮像素子駆動部３と、ＣＣＤ撮像素子１から出力される撮像信号を処理して撮影画像を取得する撮像信号処理部４と、撮像信号処理部４で取得された撮影画像を記憶する画像メモリ５と、撮像信号処理部４で取得された撮影画像を表示する画像表示部６と、撮影装置の作動に必要な電力を供給する電源部７とを備えている。ＣＣＤ撮像素子１は、この発明における固体撮像素子に相当する。
実施例１の撮像装置により撮影が行われる場合は、ＣＣＤ撮像素子１における投影面１Ａに光学レンズ２で取り込まれた被写体像が投影され、ＣＣＤ撮像素子１が撮像素子駆動部３の駆動にしたがって被写体像を検出して撮像信号に変換してから撮像信号処理部４へ出力する。撮像信号処理部４はＣＣＤ撮像素子１から出力された撮像信号を処理して撮影画像を取得するとともに、撮像信号処理部４で取得された撮影画像は、画像メモリ５によって記憶され、また画像表示部６によって表示される。
なお、実施例１の撮像装置には、上記の他に撮影条件の設定やシャッタリング等を行うための操作部（図示省略）なども設けられている。また、ＣＣＤ撮像素子１の取り付けは、ＣＣＤ撮像素子１を配線基板１Ｂにハンダ付けすることでなされている。
ＣＣＤ撮像素子１の場合、図２に示すように、被写体像の投影面１Ａには縦横正方マトリックスの２次元アレイ状態で配置された多数の光電変換部８と、各光電変換部８により光電変換されて検出された信号電荷を後段の蓄積領域へ転送する光電変換部８と同様の２次元アレイ配置のＣＣＤセル９と、ＣＣＤセル９から転送されてくる信号電荷の一時的蓄積および再転送を行うＣＣＤセル１０と、ＣＣＤセル１０に蓄積されている信号電荷を所定個数ずつ出力するＣＣＤタイプの出力レジスタ１１と、ＣＣＤセル９から出力レジスタ１１経由で転送された信号電荷を電圧信号に変換し撮像信号として出力する電荷電圧変換部１２などを備えている。光電変換部８は、この発明における光電変換手段に相当し、ＣＣＤセル９，１０および出力レジスタ１１は、この発明における電荷転送手段に相当し、電荷電圧変換部１２は、この発明における電荷電圧変換手段に相当する。
撮影実行中のＣＣＤ撮像素子１では、撮像素子駆動部３の読み出し電荷増倍電圧印加機構３Ａからシャッタリング動作と同期して駆動電圧がＣＣＤ撮像素子１に出力される。最初のシャッタリング時に光電変換部８で光電変換されて検出された被写体像１枚分の信号電荷が、次のシャッタリング時にＣＣＤセル９からＣＣＤセル１０へ転送されて一時的に保持される。その後、次のシャッタリング時に出力レジスタ１１経由で電荷電圧変換部１２に送り込まれて撮像信号に変換される。
さらに、ＣＣＤ撮像素子１は、図２に示すように、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により信号電荷を増倍する電荷増倍部１３を配設している。電荷増倍部１３は、出力レジスタ１１と電荷電圧変換部１２の間に介在して信号電荷を順次に転送する複数段の増倍レジスタ１３Ａからなる。この増倍レジスタ１３Ａは駆動電圧の印加に伴って増倍レジスタ１３Ａの要素内に電荷増倍用の高電界領域を生成し、信号電荷を転送する際に電荷増倍用の高電界領域を通過させることで信号電荷を増倍する。図２では増倍レジスタ１３Ａを便宜上６段分だけ示しているが、電荷増倍部１３は、通常、数十個〜数百個の範囲の増倍レジスタ１３Ａを直列に接続した多段構成とされており、信号電荷は電荷増倍部１３によって例えば１０００倍に増倍される。電荷増倍部１３は、この発明における電荷増倍手段に相当する。
また電荷増倍部１３の各増倍レジスタには、撮像素子駆動部３の電荷増倍電圧印加機構３Ｂから駆動電圧が印加される。電荷増倍電圧印加機構３Ｂは、図３に示すように、経時的に電圧値がパルス的に変化する駆動電圧φ１〜φ３と経時的に電圧値が変化しない定電圧の駆動電圧φｅが出力され、駆動電圧φ１〜φ３，φｅは、図４に示すように、各増倍レジスタ１３Ａ毎に印加される。そして、増倍レジスタ１３Ａに印加された駆動電圧φ１〜φ３，φｅの変化に伴って、信号電荷が増倍レジスタ１３Ａの間を電荷電圧変換部１２の方へ転送されながら段階的に増倍される。実施例１の場合、主として信号電荷の転送を担う駆動電圧φ１，φ２は、約１０ボルトの電圧値であり、主として信号電荷の増倍を担う駆動電圧φ３は、約４０ボルトの電圧値である。
より具体的に説明すると、１個の増倍レジスタ１３Ａについてみれば、図５（ａ）〜図５（ｄ）に模式的に示すように、駆動電圧φ１〜φ３の変化に伴って、増倍レジスタ１３Ａの各要素内で変化が起こる。特に、駆動電圧φ３が印加された時に、図５（ｃ）に示すようにレジスタ１３Ａの要素内に電荷増倍用の高電界領域が生成される。その結果、信号電荷が高電界領域を通過する際に衝突電離現象が起こり、ノイズの増大を抑えて信号電荷が増倍され、被写体像に対する検出感度が向上する。
さらに、実施例１の撮像装置に組み込まれた固体撮像装置は、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に応じて電荷増倍部１３の電荷増倍利得を電気的に制御してＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑える撮像信号温度変動抑止部１４を配設することを構成上の特徴としている。さらに、実施例１の撮像装置の場合、図１に示すように、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度を検出する温度センサ１５をＣＣＤ撮像素子自体に一体的に取り付け、温度センサ１５によって検出されるＣＣＤ撮像素子１の素子温度にしたがって撮像信号温度変動抑止部１４を作動させる。温度センサ１５としては、例えばサーミスタなどが挙げられるが、温度センサ１５は特定の種類の温度センサに限られるものではない。撮像信号温度変動抑止部１４は、この発明における撮像信号温度変動抑止手段に相当する。
すなわち、電荷増倍部１３の増倍レジスタ１３Ａは、印加される駆動電圧φ３の電圧値が変わると電荷増倍用の高電界領域の電界強度が変わり、信号電荷の増倍利得が変化する。したがって実施例１の場合、この変化を利用しており、撮像信号温度変動抑止部１４はＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に応じて増倍レジスタ１３Ａに印加する駆動電圧φ３の電圧値を変化させることによって電荷増倍部１３の電荷増倍利得を電気的に制御する。
より具体的には、撮像信号温度変動抑止部１４が、図６に示すＣＣＤ撮像素子１の素子温度（Ｋ）と駆動電圧φ３の電圧値（ボルト）との対応関係にしたがって、増倍レジスタ１３Ａに印加する駆動電圧φ３の電圧値を変化させて、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に伴って電荷増倍部１３の電荷増倍利得が変動するのを阻止する。撮像信号温度変動抑止部１４による駆動電圧φ３の電圧値の変化はアナログ回路方式でもディジタル回路方式のいずれで行ってもよい。
さらに、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度と電荷増倍部１３の電荷増倍利得とは反比例の関係にあるので、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度が高くなると、駆動電圧φ３の電圧値を高くして電荷増倍用の高電界領域を強くして、素子温度の上昇による電荷増倍利得の減少を抑制する。逆に、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度が低くなると、駆動電圧φ３の電圧値を低くして電荷増倍用の高電界領域を弱くして、素子温度の下降による電荷増倍利得の増加を抑制する。
以上に述べたように、実施例１の場合、撮像信号温度変動抑止部１４がＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に応じて増倍レジスタ１３Ａの駆動電圧の電圧値を変化させることにより電荷増倍部１３の電荷増倍利得が電気的に制御されてＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動が抑えられる。その結果、高精度制御が非常に困難な熱的な制御に頼らずとも、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に応じて撮像信号温度変動抑止部１４が行う高精度制御の非常に容易な電気的な制御で電荷増倍部１３の電荷増倍利得をコントロールすることにより、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動が抑えられる。
よって、実施例１に係る撮像装置および固体撮像装置によれば、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を容易に抑えることができる。
また、実施例１の場合、撮像信号温度変動抑止部１４がＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に応じて増倍レジスタ１３Ａに印加する駆動電圧φ３の電圧値を変化させることによって電荷増倍部１３の電荷増倍利得の電気的な制御が行われるので、撮像信号温度変動抑止部１４の電気的な制御による電荷増倍部１３の電荷増倍利得のコントロールが非常に容易に行える。
さらに、実施例１の場合、電荷増倍部１３が別体に配設されているので、他の部分の構成を変更せずに、電荷増倍部１３を配設することができる。
さらに、実施例１の場合、ＣＣＤ撮像素子自体に配設されている温度センサ１５によりＣＣＤ撮像素子１の素子温度が的確に検出されるので、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動が的確に抑えられる。
なお、ＣＣＤ撮像素子１の素子温度を検出する温度センサ１５は、図７に示すように、電荷増倍部１３の近傍に設置されていてもよい。図７のように電荷増倍部１３の傍に設置される温度センサとしては、例えば銅ないしアルミニウムなどの金属細線を用いた測温体などが用いられる。この場合、温度センサで検出されるＣＣＤ撮像素子１の素子温度に電荷増倍部１３の近傍の温度が十分に反映されるので、電荷増倍部１３の近傍の温度変化に伴う撮像信号の信号強度の変動が十分に抑えられる。
次に、この発明の固体撮像装置の他の一例が組み込まれた実施例２の撮像装置について、図面を参照して説明する。図８は実施例２の撮像装置に備えられている固体撮像装置を中心に示すブロック図である。実施例２の撮像装置の場合、実施例１の撮像信号温度変動抑止部１４の代わりに、ＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に応じて撮像信号自体の信号強度を電気的に調整してＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑える撮像信号温度変動抑止部１７を備えている他は、実質的に実施例１と同様であるので、共通点の説明は省略し、相違点だけを説明する。ＣＣＤ撮像素子１６は、この発明における固体撮像素子に相当し、撮像信号温度変動抑止部１７は、この発明における撮像信号温度変動抑止手段に相当する。
すなわち、実施例２の撮像装置の固体撮像装置の場合、電荷増倍部１３の電荷増倍利得を変化させずに、ＣＣＤ撮像素子１６の電荷電圧変換部１２の出力側に、増幅率可変タイプの増幅機能を有する撮像信号温度変動抑止部１７を直列に接続する。そして、ＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に応じて撮像信号温度変動抑止部１７の増幅機能の増幅率を調整することで撮像信号自体の信号強度を電気的に増減させてＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑える。
さらに、ＣＣＤ撮像素子１６の素子温度と電荷電圧変換部１２の出力電圧とは反比例の関係にある。したがって、ＣＣＤ撮像素子１６の素子温度が高くなると、電荷電圧変換部１２の出力電圧が減少するので、撮像信号温度変動抑止部１７の増幅機能の増幅率を上げて電荷電圧変換部１２の出力電圧を増大させ、素子温度の上昇による電荷電圧変換部１２の出力電圧の減少を抑制する。逆に、ＣＣＤ撮像素子１６の素子温度が低くなると、電荷電圧変換部１２の出力電圧が増大するので、撮像信号温度変動抑止部１７の増幅機能の増幅率を下げて電荷電圧変換部１２の出力電圧を減少させ、素子温度の下降による電荷電圧変換部１２の出力電圧の増大を抑制する。
なお、撮像信号温度変動抑止部１７は、例えば、外部信号（温度センサ１５の温度結果に関する信号）により抵抗値が変更可能な抵抗値制御型抵抗素子（例えばトランジスタ素子）１７Ａを帰還抵抗として有する。そして、温度センサ１５の温度結果に関する信号を抵抗値制御型抵抗素子（例えばトランジスタ素子）１７Ａに印加することにより抵抗値制御型抵抗素子１７Ａの抵抗値を変化させて撮像信号温度変動抑止部１７の増幅機能の増幅率を変化させる。
以上に述べたように、実施例２の場合、撮像信号温度変動抑止部１７がＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に応じて撮像信号を増減させることにより撮像信号自体の信号強度が電気的に調整されてＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動が抑えられる。その結果、高精度制御が非常に困難な熱的な制御に頼らずとも、ＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に応じて撮像信号温度変動抑止部１７が行う高精度制御の非常に容易な電気的な調整で撮像信号自体の信号強度をコントロールすることにより、ＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑えられる。
よって、実施例２の撮像装置および固体撮像装置によれば、ＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を容易に抑えることができる。
この発明の高速撮像素子の実施例３について図面を参照して説明する。図９は、実施例３に係る高速撮像素子の要部構成を示すブロック図、図１０は、実施例３の高速撮像素子が組み込まれた高速撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
なお、実施例３の高速撮像装置は、高速撮像用の撮像装置として用いられる点を除けば、実施例１の撮像装置（図１を参照）とほぼ同じであるが、実施例１と区別するために、実施例３では高速撮像用の撮像素子（高速撮像素子）の符号を「５１」とするとともに、光学レンズ２の符号を「５２」とし、撮像素子駆動部３の符号を「５３」とし、撮像信号用処理部の符号を「５４」とし、画像メモリの符号を「５５」とし、画像表示部の符号を「５６」とし、電源部の符号を「５７」とする。なお、実施例３の撮像素子は、高速撮像素子用として用いられており、実施例１の撮像素子の構造（図２を参照）と相違して、図９に示す構造となる。
図１０の高速撮像装置は、１万画面／秒を越える高速度撮影でも被写体の光学像を検出し撮像信号（映像信号）にして出力できる高速撮像素子５１と、実施例１と同様の光学レンズ５２と撮像素子駆動部５３と撮像信号処理部５４と画像メモリ５５と画像表示部５６と電源部５７などを備えている。この他に、シャッターＳＴと撮影制御部ＣＰＵなどを備え、撮影対象である被写体を光学像として高速撮像素子５１における投影面５１ＡにシャッターＳＴを間にして光学レンズ５２は結像させ、撮影制御部ＣＰＵは装置各部の動作を統括的に司ることにより撮影を円滑に進行させる。
図１０の高速撮像装置により高速度撮影が行われる場合も、実施例１の図１の撮像装置による撮影と同じ手順で行われるので説明を省略する。なお、撮影実行中は、シャッターＳＴが開かれる。
なお、図１０の高速撮像５１と光学レンズ５２との間に配置されているシャッターＳＴは、撮影画像の検出・取り込み期間のみ開かれ、それ以外の期間は検出電荷のオーバーフローが起きないように閉じられる。シャッターＳＴは、機械式シャッタリング機構でも電子式シャッタリング機構のいずれであってもよく、シャッターＳＴの開閉は撮影制御部ＣＰＵによりコントロールされる。
高速撮像素子５１の場合、図９に示すように、被写体の光学像の投影面５１Ａに２次元アレイ配置された多数のフォトダイオード等の光電変換部５８と、多数の信号電荷蓄積部５９と、信号電荷読み出し部６０と、電荷電圧変換部６１等を備えている。信号電荷蓄積部５９は、各光電変換部５８にそれぞれ付設されていて、各光電変換部５８により光電変換されて検出される信号電荷を１画面分ずつ複数画面分取り込んで取り込み画面ごとに各信号電荷蓄積部５９（ＣＣＤセル５９Ａ）に順次に蓄積する。信号電荷読み出し部６０は、各信号電荷蓄積部５９に蓄積された信号電荷を取り込み画面との対応付けを維持しながら転送して読み出す。信号電荷読み出し部６０を経由して送り込まれる信号電荷を、電荷電圧変換部６１は電圧信号に変換して撮像信号として出力する。なお、図９には、光電変換部５８および信号電荷蓄積部５９の一部が示されているだけであるが、実際は縦方向にも横方向にも多数の光電変換部５８および信号電荷蓄積部５９が配置されている。
実施例３の高速撮像素子５１では、図１１に示すように、各光電変換部５８の前面側に検出対象の光を集めるマイクロレンズ５１ａが配設されている。その結果、マイクロレンズ５１ａによって各光電変換部５８の受光面に検出対象の光が集められ、マイクロレンズ５１ａの設置で光電変換部５８の受光面に入射する光の量が増して、その分だけ被写体の光学像に対する検出感度が向上する。
光電変換部５８の２次元アレイ配置は、図９に示すように、正方マトリックスであるので、高速撮像素子５１の検出画素も縦と横に一直線に規則正しく並ぶ正方マトリックスの２次元配置となる。また、光電変換部５８は、受光面に転送電極を有しない電極レスタイプであるので、光電変換部５８の受光面に転送電極を追加形成する工程が不要であり、転送電極の光吸収作用による特定波長の光に対する検出感度の低下を防止することができる。
信号電荷蓄積部５９は、図９に示すように、信号電荷が１画面分ずつ取り込まれる度にひとつ先のＣＣＤセルへ転送される２４個のＣＣＤセル５９Ａを直列に接続した１次元ＣＣＤセルアレイであるので、信号電荷蓄積部５９の構成が簡潔となる。なお、画面取り込みに伴うＣＣＤセル間の信号電荷の転送は、上方に配置された転送電極（図示省略）と、撮像素子駆動部５３から出力される画面取り込み用転送信号（駆動パルス）とによって行われる。
さらに、信号電荷蓄積部５９としての１次元ＣＣＤセルアレイにおけるＣＣＤセル５９Ａの配列方向が光電変換部５８の配列方向に対し斜め向きとなっているので、ＣＣＤセル５９Ａの個数を多くして１次元ＣＣＤセルアレイを長く延ばしても縦および横に隣接する光電変換部５８に突き当たらない。したがって、信号電荷蓄積部５９としての１次元ＣＣＤセルアレイのＣＣＤセル５９Ａの個数を多くすることにより、信号電荷蓄積部５９で蓄積できる信号電荷の数を増やし、連続撮影できる画像の枚数を多くすることができる。
高速撮像素子５１の場合、撮影実行中は、１画面分ずつ取り込まれる毎に光電変換部５８と信号電荷蓄積部５９との間に設けられた電極ゲート（図示省略）が開き、光電変換部５８から信号電荷が各信号電荷蓄積部５９毎に最初の２４番目のＣＣＤセル５９Ａへ送り込まれて蓄積される。以下、１画面分ずつ取り込まれる度に新たな信号電荷が２４番目のＣＣＤセル５９Ａに送り込まれ、それと同期して先に蓄積されている信号電荷が一斉にひとつ先のＣＣＤセル５９Ａへ転送されて蓄積される動作が繰り返される。したがって、信号電荷蓄積部５９にはＣＣＤセル５９Ａの個数と同じ２４枚という画面枚数分の信号電荷を一度に蓄積することが可能である。
一方、高速撮像素子５１は、図９に示すように、各信号電荷蓄積部５９の出口側に配設された連続上書き用ドレインゲート６２と、連続上書き用ドレイン６２から送り出される信号電荷を排出する連続上書き用ドレイン６３とを備えている。したがって、連続上書き用ドレインゲート６２を開いておけば、信号電荷蓄積部５９の１番目のＣＣＤセル５９Ａへ送り込まれて蓄積されている信号電荷が、次の画面取り込みの際には連続上書き用ドレイン６３を経由して外部へ排出されるので、連続上書き用ドレインゲート６２を開放しておくことにより、連続上書き動作を行うことができる。
他方、高速撮像素子５１の信号電荷読み出し部６０は、図９に示すように、信号電荷蓄積部５９の１番目〜５番目の５個のＣＣＤセル５９Ａが縦方向で接続されることで構成されている垂直読み出しＣＣＤセルアレイ６０Ａと、ＣＣＤセルアレイ６０Ａの末端が接続されている水平読み出しＣＣＤセルアレイ６０Ｂとからなる。
信号電荷読み出し部６０により信号電荷の読み出しが行われる場合、シャッターＳＴおよび連続上書き用ドレインゲート６２が閉じられ、先ず最下段の信号電荷蓄積部５９に蓄積された信号電荷が垂直読み出しＣＣＤセルアレイ６０Ａを経て水平読み出しＣＣＤセルアレイ６０Ｂから読み出される。続いて、直ぐ上の段の信号電荷蓄積部５９に蓄積された信号電荷が同様に読み出される動作が繰り返されることで、全ての信号電荷蓄積部５９に蓄積された信号電荷が読み出される。
信号電荷読み出しに伴う信号電荷読み出し部６０のＣＣＤセル間の信号電荷の転送は、上方に配置された転送電極（図示省略）と、撮像素子駆動部５３から出力される信号読み出し用転送信号（駆動パルス）とによって行われる。信号電荷読み出し部６０による信号電荷の読み出しは、取り込み画面との対応付けを維持しながら行われるが、読み出し信号電荷と取り込み画面との対応付けは、信号読み出し用転送信号を信号電荷蓄積部５９のＣＣＤセル５９Ａの順番と予め１対１に関連付けておくことで行うことができる。
なお、信号電荷蓄積部５９に蓄積された２４個の信号電荷は全て連続で読み出す必要はない。例えば２４個の信号電荷を５個ずつに区切って読み出すようにしてもよい。こうすると水平読み出しＣＣＤセルアレイ６０ＢのＣＣＤセルの個数が少なくてすむ。
このように、高速撮像素子５１の場合、被写体の光学像の撮影画面に相応する信号電荷は信号電荷読み出し部６０から取り込み画面との対応付けが維持されながら転送されて読み出されるので、後段の撮像信号処理部４は読み出された信号電荷から取り込み画面毎の高速度撮影画像を再生することができる。
さらに、高速撮像素子５１は、実施例１の撮像素子１と同様に、図９に示すように、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により信号電荷を増倍する電荷増倍部６４を、信号電荷読み出し部６０と電荷電圧変換部６１との間に備えている。電荷増倍部６４は、図４に示す実施例１の電荷増倍部１３と同様の構成となっているので、その説明を省略する。なお、後述する図１２の増倍レジスタ６４Ａは、図４に示す増倍レジスタ１３Ａに対応する。
また、電荷増倍部６４に印加される駆動電圧φ１〜φ３，φｅの経時的変化や、電荷増倍部６４における増倍レジスタ６４Ａへの駆動電圧印加に伴う要素内のポテンシャル変化についても、実施例１の図３、図５と同じなので、その説明を省略する。
続いて、以上に詳述した構成を有する高速撮像装置による撮影動作を具体的に説明する。図１０の高速撮像装置は、１万画面／秒を越える高速度撮影と高速度撮影より遅い低速度撮影（例えば３０画面／秒）が選択的に行える構成となっている。例えば、普段は連続上書き用ドレインゲート６２を開放して低速度で上書き撮影を行い、必要時に連続上書き用ドレインゲート６２を閉じて、高速度で非上書き撮影を行うことができる構成となっている。
普段は、光電変換部５８から信号電荷が各信号電荷蓄積部５９に３０画面／秒の低速度で１画面ずつ取り込まれる度に、その信号電荷が各信号電荷蓄積部５９の２４個のＣＣＤセル５９Ａの間を３０画面／秒の低速度で転送されながら蓄積される。１番目のＣＣＤセル５９Ａにも信号電荷が蓄積された後は、次の画面取り込みが行われる毎に１番目のＣＣＤセル５９Ａに蓄積された信号電荷は連続上書き用ドレインゲート６２を通り連続上書き用ドレイン６３から排出され、低速度の連続上書きが継続される。
そして、高速撮影対象の到来（例えば爆発現象の生起）により高速度撮影に切り換えられると、光電変換部５８から信号電荷が信号電荷蓄積部５９に１万画面／秒の高速度で１画面ずつ取り込まれる度に、その信号電荷が信号電荷蓄積部５９の２４個のＣＣＤセル５９Ａの間を１万画面／秒の高速度で転送されながら蓄積される。連続上書き用ドレインゲート６２は、低速度撮影の間に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部５９に残存している間は開放されているが、低速度撮影で蓄積された全信号電荷が連続上書き用ドレインゲート６２から排出されたら即時に連続上書き用ドレインゲート６２が閉じられて、高速度撮影は停止される。その結果、信号電荷蓄積部５９の２４個のＣＣＤセル５９Ａには高速度撮影の間に光電変換部５８から送り込まれた信号電荷ばかりが蓄積されている状態となる。換言すれば、高速度撮影に切り換わってから２４回の画像取り込みが繰り返されると高速度撮影は終わり、２４個のＣＣＤセル５９Ａに２４枚分の高速度撮影画像用の信号電荷が蓄積されている状態になる。
さらに、撮影終了に伴って、シャッターＳＴは閉じられ、信号電荷蓄積部５９に蓄積された信号電荷は、信号電荷読み出し部６０によって順次読み出された後、電荷増倍部６４で増倍され、電荷電圧変換部６１で電圧信号に変換されてから撮像信号として撮像信号処理部５４に出力される。撮像信号処理部５４では撮像信号を処理して２４枚の高速度撮影画像を編集取得し、取得された高速度撮影画像は、必要に応じて画像メモリ５５に記憶され、画像表示部５６で表示される。
以上に述べたように、実施例３の高速撮像素子５１の場合、被写体の光学像を光電変換して検出する光電変換部５８から送り込まれる被写体の光学像の撮影画面に相応する信号電荷を１画面分ずつ順に取り込んで複数画面分まとめて蓄積する信号電荷蓄積部５９が、各光電変換部５８にそれぞれ付設されている。したがって、被写体の光学像の撮影画面に対応する信号電荷を複数枚の撮影画面分、高速で検出して蓄積できる。また信号電荷読み出し部６０によって信号電荷蓄積部５９に蓄積された信号電荷が取り込み画面との対応付けが維持されながら転送されて読み出されるので、読み出された信号電荷から取り込み画面毎の高速度撮影画像が再生できる。
さらに、実施例３の高速撮像素子５１の場合、被写体の光学像の撮影画面に相応する信号電荷が、信号電荷読み出し部６０によって読み出された後に、信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により増倍する電荷増倍部６４によって信号電荷をノイズの増大を伴わずに増倍するので、光電変換部８の受光面の面積を電荷増倍部６４による信号電荷の増倍分に対応して狭くできる。
よって、実施例３の高速撮像素子５１によれば、被写体の光学像を光電変換する光電変換部５８の受光面の面積縮小を図ることができる。このように光電変換部５８の受光面の面積が狭くできれば、光電変換部５８が小さくなるので、光電変換部５８の高密度化を実現できるし、信号電荷を速やかに取り出せるので、撮影速度の高速化も実現できる。
なお、図１０の高速撮像装置の場合、さらに高速撮像素子５１から出力される撮像信号が適当な範囲の電圧値となるように制御を行う構成としてもよい。例えば、図１２に示すように、増倍レジスタ６４Ａに印加する駆動電圧φ３の電圧値を電荷電圧変換部６１の出力信号に応じて制御することで、撮像信号を適当な範囲の電圧値とする自動利得制御部６５を設ければよい。この場合、自動利得制御部６５は高速撮像素子６１に内蔵させる構成としてもよい。
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）上記（ｉ）の問題を解決するために創作された発明は、図１３に示す高速撮像用のＣＣＤ撮像素子１８にも適用することができる。ＣＣＤ撮像素子１８は、光電変換部１９毎に２４個の転送・蓄積用のＣＣＤセル２０Ａが直列に接続された蓄積部２０を付設している。高速撮影中はシャッタリング毎に光電変換部１９で光電変換されて検出される信号電荷を光電変換部１９に付設された蓄積部２０のＣＣＤセルに転送・蓄積する。撮影後に蓄積部２０から蓄積された信号電荷を出力レジスタ２１で読み出す。電荷増倍部１３は、実施例１の場合と同様に出力レジスタ２１と電荷電圧変換部１２との間に介在される。
このＣＣＤ撮像素子１８は、上記（ｉｉ）の問題を解決するために創作された発明の実施例３の高速撮像素子５１に対応し、光電変換部１９は、実施例３の光電変換部５８に対応し、蓄積部２０は、実施例３の信号電荷蓄積部５９に対応し、電荷電圧変換部１２は、実施例３の電荷電圧変換部６１に対応する。
また、実施例３で述べたように、ＣＣＤ撮像素子１８の場合、蓄積部２０のＣＣＤセルが近接する光電変換部１９の中心線を結ぶ直線に対して斜め向きに線状に延びるように接続されているので、光電変換部１９の配列が正方配列となる利点も有している。
（２）実施例１では、増倍レジスタ１３Ａに印加する駆動電圧φ３の電圧値を変化させて電荷増倍部１３の電荷増倍利得が変動するのを阻止する構成であったが、直列に接続される増倍レジスタ１３Ａの段数を切り換えて電荷増倍部１３全体の電荷増倍利得が変動するのを阻止する構成としてもよい。この場合も電荷増倍部１３は蓄積部２０を共用してもよい。
（３）実施例１，２では、固体撮像素子がＣＣＤタイプであったが、この発明は固体撮像素子がＭＯＳタイプであっても適用することができる。
（４）実施例１，２では、電荷増倍部１３が出力レジスタ１１の後段に別体で配設されている構成であったが、電荷増倍部１３はＣＣＤセル１０を共用してＣＣＤセル１０と一体化した状態で配設されている構成であってもよい。
（５）実施例１，２では、温度センサがＣＣＤ撮像素子自体に配設される構成であったが、温度センサはＣＣＤ撮像素子には配設されずに別体で配設されている構成であってもよい。
（６）実施例１では、撮像信号温度変動抑止部１４がＣＣＤ撮像素子１とは別体で配設されている構成であったが、撮像信号温度変動抑止部１４はＣＣＤ撮像素子１に内蔵されて一体化された構成であってもよい。実施例２でも、撮像信号温度変動抑止部１７はＣＣＤ撮像素子１６とは別体であってもよいし、一体化された構成であってもよい。
（７）実施例１の場合、撮像信号温度変動抑止部１４が撮像素子駆動部３の外側に配置されている構成であったが、撮像信号温度変動抑止部１４は撮像素子駆動部３の内側に組み込まれている構成であってもよい。
（８）実施例２の場合、撮像信号温度変動抑止部１７が電荷電圧変換部１２の後段に追加されている構成であったが、撮像信号温度変動抑止部１７を電荷電圧変換部１２に組み込んで電荷電圧変換部１２の増幅率を変化させてＣＣＤ撮像素子１６の素子温度の変化に起因して生じる撮像信号の信号強度の変動を抑える構成としてもよい。
（９）上記（ｉｉ）の問題を解決するために創作された発明の実施例３の高速撮像素子５１の場合、各信号電荷蓄積部５９ではＣＣＤセル５９Ａの数が２４個であったが、ＣＣＤセル５９Ａの数は２４個に限られるものではなく、各信号電荷蓄積部５９のＣＣＤセル５９Ａの数は、例えば１００個であってもよい。
（１０）実施例３の高速撮像素子５１の場合、光電変換部５８の２次元アレイ配置が正方マトリックスであったが、光電変換部５８の２次元アレイ配置は正方マトリックスに限られるものではない。
（１１）実施例３の高速撮像素子５１において、撮像素子駆動部５３が内蔵されている他は実施例３と同じ構成の高速撮像素子が、変形例として挙げられる。
以上のように、この発明は、素子温度が即座に変化する固体撮像素子に適している。

Claims (8)

  1. 撮像を行う固体撮像装置において、固体撮像素子と電荷増倍手段と撮像信号温度変動抑止手段とを備えるとともに、前記固体撮像素子は、被写体像の投影面において２次元アレイ配置された複数の光電変換手段と、各光電変換手段により光電変換されて検出された信号電荷を転送する電荷転送手段と、電荷転送手段から転送された信号電荷を電圧信号に変換し撮像信号として出力する電荷電圧変換手段と、固体撮像素子の素子温度を検出する温度センサとを備え、前記電荷増倍手段は信号電荷が高電界領域を通過する間に起こす衝突電離現象により信号電荷を増倍し、その電荷増倍手段を前記電荷電圧変換手段の前段側に配設し、前記撮像信号温度変動抑止手段は、前記温度センサによって検出された固体撮像素子の素子温度の変化に応じて電荷電圧変換手段の変換利得を電気的に調整して固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる電荷増倍手段の電荷増倍利得の変動を抑えるとともに、抵抗値が変更可能な抵抗値制御型抵抗素子を有し、固体撮像素子の素子温度の結果に基づいて抵抗値制御型抵抗素子の抵抗値を変化させて、撮像信号温度変動抑止手段の増幅機能の増幅率を調整することで電荷電圧変換手段の変換利得を電気的に調整して、固体撮像素子の素子温度の変化に起因して生じる電荷増倍手段の電荷増倍利得の変動を抑え、前記温度センサを、前記抵抗値制御型抵抗素子を備えた撮像信号温度変動抑止手段よりも電荷増倍手段の近くに配設して、前記抵抗値制御型抵抗素子を備えた撮像信号温度変動抑止手段を電荷増倍手段から距離を離して配設し、前記抵抗値制御型抵抗素子を備えた撮像信号温度変動抑止手段、前記温度センサ、電荷増倍手段の順に配設し、前記温度センサの出力が前記抵抗値制御型抵抗素子の抵抗値を制御するように両者を接続し、前記撮像信号温度変動抑止手段と前記電荷増倍手段とを前記電荷電圧変換手段とを介して接続することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、前記電荷増倍手段は、信号電荷を順次に転送する複数段の増倍レジスタからなり、各増倍レジスタは、駆動電圧の印加に伴って増倍レジスタの要素内に電荷増倍用の高電界領域を生成し、信号電荷を転送する際に電荷増倍用の高電界領域を通過させて、印加される駆動電圧の電圧値の変化により電荷増倍用の高電界領域の電界強度が変化するように構成されており、固体撮像素子の素子温度の変化に応じて駆動電圧の電圧値を変化させることで電荷増倍手段の電荷増倍利得を電気的に制御することを特徴とする固体撮像装置。
  3. 請求項１〜２に記載の固体撮像装置において、前記固体撮像素子と前記電荷増倍手段とを別体で配設することを特徴とする固体撮像装置。
  4. 請求項１〜３に記載の固体撮像装置において、前記温度センサを固体撮像素子自体に配設し、前記温度センサで検出された固体撮像素子の素子温度にしたがって撮像信号温度変動抑止手段を作動させることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 請求項１〜４に記載の固体撮像装置において、前記温度センサは、サーミスタであることを特徴とする固体撮像装置。
  6. 請求項１〜４に記載の固体撮像装置において、前記温度センサは、金属細線を用いた測温体であることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 請求項１〜６に記載の固体撮像装置において、前記各光電変換手段ごとに、各光電変換手段により光電変換されて検出される信号電荷を蓄積する複数の信号電荷蓄積手段をそれぞれ付設することを特徴とする固体撮像装置。
  8. 請求項１〜７に記載の固体撮像装置を備える撮像装置。
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