JP5291287B2 - 利得計測構造体 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤデバイス、特にチャージ・ドメイン内で利得を与えるＣＣＤに関する。

典型的なＣＣＤイメージャにおいては、入射光を表す信号電荷が画像領域のピクセル・アレイに蓄えられる。積分期間の後に、適切なクロッキング・パルス又は駆動パルスを制御電極に適用することによって、信号電荷が保管領域に転送され、そして出力レジスタに転送される。次いで、信号電荷が出力レジスタから読み出され、電荷検出回路に適用されて、信号電荷の量を表す電圧を生成する。こうしたデバイスの感度は、後続の映像回路電子装置によって持ち込まれる電荷−電圧変換過程のノイズによって制限される。
図１に示されるような本発明者らの以前に公開された英国特許出願ＧＢ−Ａ−２，３７１，４０３号において開示される電子増倍ＣＣＤは、この制限を克服する。ＣＣＤイメージャ１は、画像領域２と、保管領域３と、出力又は読み出しレジスタ４とを備え、これらの構成要素の各々は、従来のＣＣＤイメージャにおいて見られる。出力レジスタ４は、直列に延びて増倍レジスタ５を与え、その出力は電荷検出回路６に結合される。

デバイスの作動中に、入射光が画像領域２において信号電荷に変換され、信号電荷は、画像アレイを構成するピクセル・アレイ上に当たる光の強度を表す。画像取得期間の後に、駆動パルスが制御電極７に適用されて、画像領域２のピクセルに蓄えられた電荷が保管領域３に転送される。これと同時に、駆動信号がまた保管領域３における制御電極８に適用されて、電荷が矢印によって示されるように列から列へと転送され、列３の要素に保持される最後の電荷列が出力レジスタ４に並列に転送される。
信号電荷列が出力レジスタ４に転送されているときに、適切な駆動パルスが電極９に適用されて、電荷が出力レジスタの要素から増倍レジスタ５の要素に順次転送される。この実施形態においては、増倍レジスタは、ドーピングが増倍のための電極の付加に関係する限り、出力レジスタと同様のアーキテクチャである。

増倍レジスタ５の要素の各々における電荷の増倍を達成するために、十分に大きな振幅の駆動パルスが制御電極１０に適用されて、信号電荷が１つの要素から次の隣接する要素に矢印によって示される方向に転送されるとともに、駆動パルスの振幅によって決まる量だけ衝撃イオン化に起因する信号電荷レベルが増加する。したがって、各電荷パケットが増倍レジスタの中で１つの要素から次の要素に転送されるのに伴って、信号電荷が増加する。したがって、回路６において検出された電荷は、出力レジスタ４に集められた信号電荷の増倍バージョンである。増倍レジスタの各段において信号電荷が増加される。出力レジスタ４に保管された各信号電荷パケットは、各々が増倍レジスタ５の全ての要素を通って移動する際に同一の増倍過程を経験する。

電荷検出回路６の出力はまた自動利得制御回路１１に適用され、該回路は、利得を制御するために増倍レジスタ５に印加される電圧を調整する。他の実施形態においては、このフィードバック装置は省略される。利得は、所望であれば手動で制御してもよい。
利得制御回路は、増倍レジスタに印加される電圧の変化によって与えられる利得を変化させることができるが、本発明者らは、こうしたＣＣＤ電荷増倍装置によって与えられる利得の実際のレベルを求める必要性を認識している。利得を計測する１つの方法は、既知の量の信号を増倍レジスタに注入し、出力を監視することである。この手法に伴う難しさは、入力信号がどのようなものであるかを知ることである。通常、この信号は、増倍利得が適用されない場合、映像回路のノイズ・フロアを下回るであろう。したがって、利得を伴う及び伴わない信号の計測は、実用的な提案ではない。

利得を計測するために通常取られる手法は、デバイスを照射し、増倍利得を伴わない出力を計測することである。光レベルが既知の分だけ低下される（例えば光学系の開口を減少させるか又はニュートラル・デンシティ・フィルタを用いることにより）。光レベルの減少は、計測される利得と同じオーダーとなるであろう。次いで、増倍利得を適用し、出力信号を計測する。出力信号と光レベルの減少とを知ることで増倍利得を計算することができる。この方法は、正確な結果を与えることができるが、煩雑であり、カメラ・システム内での自動計測に特に適しているわけではない。

本発明者らは、利得を計測するための改善された装置及び方法が必要とされていると認識している。

本発明は、ここで参照がなされる特許請求の範囲の請求項において定義される。本発明は、複数の増倍要素が電荷増倍を与えるＣＣＤデバイスを提供する。各要素又は要素グループの利得は、利得の計測がなされるように個別に制御することができる。本発明の実施形態は、この個別制御及び利得の計測方法に関する。

本発明の好ましい実施形態は、電荷増倍のための付加的なレジスタを有するＣＣＤイメージャである。付加的なレジスタ（増倍レジスタ）内で各要素（増倍要素）は、一連の電極を有し、使用中にそれらの電極間に電圧が印加され、それにより要素を通る電荷がクロック調整され、利得が適用される。電極の少なくとも１つは、信号電子によって経験される電界が衝撃イオン化をもたらすように、前のＤＣ電極に比べて十分に高く印加された電圧を有する高電圧電極である。電荷増倍の大きさは、高電圧電極と前のＤＣ電極との間の電位差に依存する。増倍レジスタ内で、各要素の利得の独立制御が与えられる。

増倍要素の利得を制御するための好ましい構成は、２つの要素グループを与えることである。これらのグループは、１つの要素グループが別の要素グループの後になるように、又はグループの要素が互いに交互配置となるように配置することができる。１つのグループの利得は、一定期間にわたって実質的に１つの利得に設定することができる（すなわちこれらの要素によって利得は与えられない）。各要素及び増倍レジスタによって全体として与えられる利得は、要素グループの１つに適用される利得を伴う及び伴わない信号の比に基づいて求めることができる。
利得計測を与えるだけでなく、利得制御のための装置及び方法を用いることもできる。

本発明の実施形態は、公知のタイプの、しかし増倍レジスタの増倍要素によって与えられる利得の独立制御を可能にするように修正された、ＣＣＤイメージャのようなＣＣＤデバイスを含む。独立制御は各要素に対するものとすることができるが、要素が２つ又はそれ以上のグループとして配置され、各要素グループの利得が独立して制御可能であることが好ましい。図１に関連して公知のデバイスが示され、説明される。本発明は、こうしたデバイスにおいて、及び、こうしたデバイスを含むイメージャ又はカメラにおいて具体化することができる。本発明に係る増倍レジスタの構成及び増倍レジスタ内の要素を、図１から図３を参照しながら最初に説明する。

図１に示されるように、画像領域２は、ＣＣＤ要素に電荷を蓄え、電極７、８に対するクロック調整された駆動パルスの制御の下で電荷を保管領域３に転送し、保管領域から出力レジスタ４に転送し、その後、増倍レジスタ５に転送する。本発明が具体化するのは増倍レジスタであるが、他の増倍要素の構成を用いることもできると認識される。増倍レジスタは、出力レジスタ４の直線延長部として示されているが、現実には、パッケージ化の目的のためにイメージャの周りに屈曲されることもあろう。

公知のタイプの増倍要素が図２に示されている。要素は、ｐ型シリコンのベース２０と、ｎ型層２２と、例えばＳｉＯ₂上にＳｉ₃Ｎ₄の層又はＳｉＯ₂のみの層を含むことができるゲート誘電体層２４とを含む。ゲート誘電体層においては、各要素は、標準クロック調整電極φ１ ２６及びφ３ ２８、ＤＣ電極φＤＣ３０及び高電圧電極φ２ＨＶ３２として示される。要素は、電極における電圧をクロック調整して電極φＨＶ３２における比較的高い電圧が電荷の衝撃イオン化をもたらすようにすることによって、利得を与える。図に示されるような形式「Ｒφ１」の電極の命名規則は周知であり、ここでは略して「φ１」と呼ばれる。同様に、高電圧電極「φ２ＨＶ」は、略して「φ２」と呼ばれる。

単一の増倍要素の概略的断面が図３に与えられる。増倍レジスタの増倍要素は、４つの相からなるが、他の構成も可能である。φ１及びφ３は、標準読み出しレジスタ相としてクロック調整される。φＤＣは、φ１とφ２を分離するＤＣ相である。高電圧電極φ２の増倍相は、クロック調整された相であるが、φ１及びφ３よりかなり大きい振幅を用いる。φ１の高から低への遷移（図３の矢印の方向のポテンシャルの増加）において、元はφ１の下にある信号がφ２にドリフトすることになる。φ２におけるポテンシャルは、電極信号によって経験される電界が衝撃イオン化を起こさせるのに十分なだけ高く設定される。信号電子及び衝撃イオン化によって生成された電子がφ２の下に集められ、次いで、φ２低及びφ高を切り換えることによって全増幅信号がφに転送される。増倍レジスタの全ての利得（増倍）要素を通してプロセスは繰り返される。例えば、デバイスは５９１の利得要素を有することができる。衝撃イオン化が各要素において信号を１％だけ増加させる場合には、ＣＣＤの増倍レジスタの組み合わされた利得は、１．０１５９１＝３５８となる。
図示されたように、φ２（ＨＶ）における電圧の印加によって各（増倍）要素の電荷が増加し、それが衝撃イオン化プロセスから電子を生成させる。疑いを避けるために、図示された電圧はクロック調整され、そのため振幅が変化することに注意されたい。電圧は、所与の瞬間で示されている。

各増倍要素の利得は、図４に示されるように高電圧電極（φ２）と前のＤＣ相（φｄｃ）との間に適用されたポテンシャルに依存する。
いかなる数のこうした要素も、電荷が１つの要素を去ったときに次の要素に入るように順に用いることができる。普通は、各々の増倍要素についての信号増加分は同じである（統計的変化を無視する）。この場合、信号に適用される全増倍利得は次式のようになり、
Ｇ＝（１＋α）^N （式１）
ここで、αは、段当たりの信号増加分であり、Ｎは段の数である。典型的には、Ｎは４００から６００までの間となる。Ｎが６００、αが１．２％のとき、全利得は１２８３である。

理想的には、センサからの利得は、センサの特性を知ることによって推定することができる（図４に示されるように）。クロック振幅及びＤＣバイアスを知ることにより、利得を計算することができる。しかしながら、利得特性は温度と共に変化し、それらは作動時間と共に変化することができる。また、それらはデバイス間で変化する。したがって、利得特性は、妥当に想定することができず、利得の値が要求される場合には計測される必要がある。
本発明の実施形態の方法は利得の便利な計測を可能にし、それはシステム内で容易に実行することができる。普通は、段当たりの増倍利得は全ての増倍要素にわたって一定であり、段間に共通の電気接続が形成される。本発明の実施形態においては、各要素又は要素グループの利得は、個別の接続によって個別に制御することができる。

２つの増倍要素グループを示すフレーム転送装置の概略図が図５に示されている。同様の構造体の番号付けは図１と同じである。この実装においては、デバイス１は、画像領域２と、保管領域３と、読み出しレジスタ４と、２つの連続する増倍レジスタ１０５、２０５に論理的に分割された増倍レジスタ５と、電荷−電圧変換増幅器６とからなる。
この例においては、２つの連続する増倍要素グループが用いられる。各グループの利得は、個別に制御することができる。グループ１における要素の数をＮ１にし、グループ２における要素の数をＮ２にする。グループ１における段当たりの信号増加分はα１であり、グループ２における段当たりの信号増加分はα２である。図５は、２つの連続するグループを示しているが、この概念及び後の計算は、交互配置された増倍要素グループにも適用することができる。

通常動作において、クロック振幅、ｄｃレベル及びクロック・タイミングは、α１＝α２＝αとなり、増倍要素の総数がＮ＝Ｎ１＋Ｎ２となるように設定される。全利得は、式（１）によって与えられる。この利得Ｇを測定するために、増倍レジスタへの入力信号がＳｉｎとなるようにデバイスが照射され、出力信号Ｓ₁が計測される。グループの１つ、例えばグループ１の段当たりの信号増加分が減少される（すなわちα１が減少される）。これは、例えば、φｄｃレベルを増加させ、φ２振幅を減少させることにより、又はφ２クロックの位相を変化させることにより、達成することができる。出力信号が減少され、この新しいレベルＳ₂が注目される。

グループ２の段当たりの利得が変化しない（すなわちα２＝α）とみなし、Ｎ₂＝Ｎ−Ｎ₁であることに注目すると、
となり、したがって信号低下分は次式によって与えられる。
第１グループからの段当たりの信号増加分がゼロに減少された場合には、次式のようになり、
したがって、信号低下分を知ることにより、利得を容易に計算することができる。デバイスを設計するときにＮ₁の適切な値を選択することにより、非常に小さい信号を測定する必要なく良好な利得測定を達成することができる。例えば、デバイスは、全部で６００の増倍要素を有することができ、それらは２つのグループに分けられ、その一方は６０の要素を有し、他方は５４０の要素を有する。６０の要素グループの段当たりの利得が１つに減少する（利得が与えられない）ときに、出力信号が２分の１に減少する場合には、全利得Ｇは１０２４と計算される。こうしたデバイスのＳ₂／Ｓ₁の関数としての利得が図６に示されている。

説明されたデバイス・アーキテクチャ及び計測方法は、増倍利得の容易な計測を可能にする。この技術は、カメラ・システム内の利得計測の自動実行に理想的に適している。この例はフレーム転送アーキテクチャを説明するものであるが、例えばフル・フレーム又はインター・ライン・アーキテクチャといった、いずれのＣＣＤアーキテクチャをも使用することができ、或いは直線デバイスを本発明に利用することができることに注意されたい。実際は、増倍レジスタの概念を用いるいずれのデバイスも本発明からの恩恵を得ることができる。
説明された実施形態は、２つの個別のレジスタに分けられ１つのレジスタが他のレジスタの後に連続して配置された増倍レジスタを提供することによって、増倍レジスタの要素グループの独立制御を実行する。要素のグループは、１つのグループの要素を他の要素と交互配置することにより、単一の増倍レジスタ内に等しく配置することができる。例えば、全ての１０番目の要素は第１グループに属し、残りは別に属することができる。この配置は、レジスタに対するいずれかの温度勾配に起因する利得のいずれかの不一致を最小にする利点を有する。２つより多いグループに利得の独立制御を与えることができる。極端な場合には、全ての単一の要素は独立して制御可能であるが、これは要素に電圧を与えるために要求される接続の複雑さを増すことになる。

適切な接続を与えて要素グループを制御するために、１つのグループのφ２（高電圧）への接続部を互いに接続することができ、別のグループのφ２（高電圧）への接続部を互いに接続することができる。これは、各グループによって与えられる利得が、φ２相又は各グループに印加される電圧を独立して変化させることによって変化されることを可能にする。同様に、φＤＣへの接続部は、φＤＣ上の電圧が各グループについて独立して変化されるように互いにグループ化することができる。どちらにせよ、φ２及びφＤＣ間の電圧差は各グループについて選択的に減少され、それによりそのグループの要素によって与えられる利得が１つに減少される。

普通は、利得測定なしのデバイスにおいては、全てのφ１電極が互いに接続され、全てのＤＣ電極が接続され、全てのφＨＶ電極が接続され、全てのφ３電極が互いに接続される。これは便宜のためである。本発明の実施形態においては、接続部は２つのグループに分けられる。しかしながら、便宜のために、チップ上で（可能な限り）又はパッケージ内のいずれかで、できるだけ多くの電極を接続することが望ましい。φ１及びφ３電極は、これらが利得に影響しないので、グループ間で共通とすることができる。各グループのφＨＶ及びφＤＣについては、個別の接続部を作成することができる。しかしながら、これは、利得を制御するためにこれらの１つのみが要求されるときには、必ずしもそうする必要はない。したがって、φＨＶ接続部のいずれも各グループ間で共通とすることができ、利得は各グループのφＤＣレベルを独立して調節することによって制御され、或いは、φＤＣは各グループ間で共通とすることができ、φＨＶへの別の接続部を作成することができる。
電圧差φ２−φＤＣは、普通は４０ｖに等しく、選択された要素又は要素グループによって与えられた利得が１つに減少されるように、選択的に減少させることができる。

理想的には、要素のサブセットの利得は、行われる利得測定のために１つに設定されるべきである。しかしながら、本発明は、例えば、φＨＶに適用されるクロックレベル又はφＤＣに適用されるｄｃレベルを、既知の量だけ例えば１ボルトだけ変化させることによってサブセットに対する利得が変化される場合に機能する。これは、１つの利得を用いるよりも正確さが劣り、利得曲線（すなわち図４）の形状に基づいて計算が行われることが必要となる。これは、形状は温度に対してデバイス間で適度に一定のままとなるが、曲線の位置が横座標に沿ってシフトするため、そう考えられる。曲線のシフトは、利得計測に影響を及ぼさない。

上記の式によって示されるように、（選択された要素に適用される利得あり又はなしで）第１及び第２信号の計測が行われるあいだ、入力信号Ｓ_inは一定のまま保たれることが重要である。これを達成する簡単な方法は、カメラにおいて実行されるときには、カメラで一定の場面を見ることである。全てのフレームについての平均信号をとり、次いで、レジスタの一部の利得が減少された別のフレームについての平均信号をとることができる。これは、２つの平均信号を与え、その信号から上記に説明されたように利得を計算することができる。
フレーム・アレイ・イメージャの２つの信号を得る別の方法は、フレームから読み出された各ラインについて、全利得（使用される全ての要素）及び部分利得（１つの利得に設定される幾つかの要素）を交互に適用することである。平均すると、画像の隣接するラインからの信号は同様のものとなる可能性が高い。全フレームにわたって平均されたときに、これは一定の平均Ｓ_in入力信号を効果的に与える。それに全利得又は部分利得が適用される。利得は、既に説明された２つの信号の比として求められる。

与えられた利得を求めるために本発明を具体化するＣＣＤデバイスを作動させる方法が図７に示されている。第１ステップにおいて、ライン又はフレームについての出力信号が、増倍レジスタの全ての要素に適用される利得を伴って測定される。第２ステップにおいて、ライン又はフレームについての出力信号が、レジスタの要素の一部に適用される利得を伴って計測される。次いで、レジスタの利得が２つの信号の比によって求められる。
図８は、画像の交互のラインを用いて利得を計測するプロセスを示す。第１ステップにおいて、ラインについての出力信号が、増倍レジスタの全ての要素に適用される利得を伴って計測される。第２ステップにおいて、次のラインについての出力信号が、レジスタ要素の一部に適用される利得を伴って計測される。このプロセスは、画像の全てのラインが読み出されるまで続く。次いで、奇数ラインから生成された信号が合計されて第１信号が生成され、偶数ラインから生成された信号が合計されて第２信号が生成される。レジスタの利得が２つの信号の比によって求められる。

本発明を具体化する公知のタイプのＣＣＤイメージャの概略図である。 増倍レジスタの１つの要素の物理的断面の概略図である。 １つの時点において電極に印加された電圧を示す単一の増倍要素の概略的断面図である。 要素の電極間の電圧差と信号増加分との間の関係を示すチャートである。 本発明を具体化するフレーム転送装置の概略図である。 ２つの信号の比の関数としての利得を示す図である。 本発明を用いて利得を求めるためのプロセスの流れ図である。 本発明の交互ラインを用いて利得を求めるためのプロセスの流れ図である。

符号の説明

１：ＣＣＤイメージャ
２：画像領域
３：保管領域
４：出力レジスタ
５：増倍レジスタ
６：電荷検出回路
７、８、９、１０：制御電極
１１：利得制御回路

Claims (18)

1. 衝撃イオン化により電荷利得を与えるタイプのＣＣＤデバイスであって、
   電荷利得を生成するための複数の要素を有する増倍レジスタと、
   前記利得は前記増倍レジスタの要素の残りとは独立して制御可能である前記複数の要素のサブセットによって与えられ、全ての前記要素に同じ利得が適用された状態で前記増倍レジスタから導出された第１信号（Ｓ１）と前記要素のサブセットが異なる利得を与えるように制御された状態で前記増倍レジスタから導出された第２信号（Ｓ２）とを生成するように配置された出力部と、
   を備え、それにより、前記増倍レジスタの利得（Ｇ）が、全ての前記要素の数をＮとし、前記要素のサブセットにおける要素の数をＮ１とする数式Ｓ２／Ｓ１＝Ｇ^-N1/Nに基づいて、前記第１及び第２信号から導き出せる、ＣＣＤデバイス。
2. 前記要素のサブセットの要素が、前記要素の残りと連続して配置されたことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤデバイス。
3. 前記要素のサブセットの要素が、前記要素の残りと交互配置になるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤデバイス。
4. 前記要素の各々が、高電圧電極を含む一連の電極を備え、前記サブセットにおける前記要素の前記高電圧電極は、互いに結合されているが前記要素の残りには結合されていないことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載のＣＣＤデバイス。
5. 前記要素の各々が、ＤＣ電極を含む一連の電極を備え、前記サブセットにおける前記要素の前記ＤＣ電極は、互いに結合されているが前記要素の残りには結合されていないことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＣＣＤデバイス。
6. 前記第２信号が、前記要素のサブセットが実質的に１つの利得を与えるように制御された状態で前記増倍レジスタから導出されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＣＣＤデバイス。
7. 前記増倍レジスタに電荷を与えるように配置された光感応性ＣＣＤ要素のアレイをさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のＣＣＤデバイス。
8. 前記出力部が、それぞれの第１及び第２取り込み画像から導出された電荷から前記第１及び第２信号を生成するように配置されたことを特徴とする請求項７に記載のＣＣＤデバイス。
9. 前記出力部が、取り込み画像内の交互のそれぞれのラインから導出された電荷から前記第１及び第２信号を生成するように配置されたことを特徴とする請求項７に記載のＣＣＤデバイス。
10. 複数の要素を有する増倍レジスタによって与えられる利得を導き出す方法であって、
    全ての要素に利得が適用された状態で増倍レジスタから第１信号（Ｓ１）を導出し、
    要素のサブセットが前記要素の残りとは異なる利得を与えるように、前記要素の残りから独立に制御された状態で前記増倍レジスタから第２信号（Ｓ２）を導出し、
    前記増倍レジスタの利得（Ｇ）を、全ての前記要素の数をＮとし、前記要素のサブセットにおける要素の数をＮ１とする数式Ｓ２／Ｓ１＝Ｇ^-N1/Nに基づいて、前記第１及び第２信号から求める、
    ことを含む方法。
11. 前記第２信号が、前記要素のサブセットが実質的に１つの利得を与えるように制御された状態で前記増倍レジスタから導出されたことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１及び第２信号が、それぞれ第１及び第２取り込み画像から導出された電荷から導出されることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１及び第２信号が、取り込み画像内の交互のそれぞれのラインから導出された電荷から導出されたことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
14. 前記要素のサブセットが、前記各要素内の高電圧電極に印加されるクロック・ハイ・レベルの電位を変えることによって前記要素の残りとは異なる利得を与えるように制御されることを特徴とする請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載の方法。
15. 前記要素のサブセットが、前記各要素内のＤＣ電極に印加される電圧を変えることによって前記要素の残りとは異なる利得を与えるように制御されることを特徴とする請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載の方法。
16. 前記要素のサブセットが、前記各要素内の高電圧電極に印加されるクロック波形と他のクロック波形との間の位相関係を変えることによって前記要素の残りとは異なる利得を与えるように制御されることを特徴とする請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載の方法。
17. 請求項１から９のいずれか１項に記載の光感応性要素の領域アレイ及びＣＣＤデバイスを備えるＣＣＤ画像形成デバイス。
18. 請求項１７に記載のＣＣＤデバイスを含むカメラ。