WO2010018677A1 - 画素、画素の製造方法、撮像装置および画像形成方法 - Google Patents

画素、画素の製造方法、撮像装置および画像形成方法 Download PDF

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WO2010018677A1
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青山千秋
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a pixel having a short charge transfer time, a method for manufacturing the pixel, an imaging apparatus capable of forming an image with a wide dynamic range, and an image forming method.
  • Patent Document 1 A conventional pixel is described in Patent Document 1, for example.
  • a pixel according to the present invention is a pixel including a photodiode region including a photoelectric conversion unit that receives light and generates electrons, and a charge storage unit that stores charges.
  • the diameter of the circle having the maximum diameter is defined as the width of the electron passage region in the photodiode region, and the photodiode region
  • An electron exclusion region is provided therein, and the width of the electron passage region is configured to be smaller than when the electron exclusion region is not provided.
  • the width of the electron passage region in the photodiode region can be further reduced, and an appropriate charge transfer time can be realized.
  • a method for manufacturing a pixel according to the present invention includes a photodiode region including a photoelectric conversion unit that generates light by receiving light, and a charge storage unit that accumulates charges, and an electron exclusion region is provided in the photodiode region.
  • the pixel manufacturing method the diameter of a circle having the maximum diameter among the circles that can exist on the surface of the region through which electrons in the photodiode region can pass is defined as the width of the electron passage region in the photodiode region.
  • the shape of the photodiode region and the electron exclusion region is adjusted to obtain the charge transfer time of the element in which the width value of the electron passage region is changed, and the minimum charge transfer time is obtained.
  • An image pickup apparatus includes a pixel including a photosensitive unit including a photoelectric conversion unit, a plurality of charge storage units, and a plurality of gates that supply charges to each of the plurality of charge storage units, and each pixel.
  • An imaging control unit that controls the plurality of gates so as to repeat the operation of sequentially storing charges in each of the plurality of charge storage units in each exposure time.
  • the imaging control unit controls the plurality of gates so that at least two of the plurality of charge storage units of each pixel have different outputs due to charges accumulated for the same imaging target.
  • the image forming method according to the present invention is an image forming method using an imaging unit including a pixel including a photoelectric conversion unit and a plurality of charge storage units that function independently.
  • the charge is sequentially stored so that the output by the charge stored by the same imaging target is different, and the operation of sequentially storing the charge is repeated. Thereafter, an image is formed based on the outputs of the plurality of charge storage portions of the respective pixels.
  • an image with a wide dynamic range is formed by using the output by the charges accumulated in the plurality of charge accumulation units of each pixel so that the output by the charges is different for the same imaging target. be able to.
  • the output by the charge is obtained by repeating the operation of sequentially accumulating the charge in each of the plurality of charge accumulation units of each pixel at the respective exposure times. It can be formed with accuracy.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating general processing of an imaging control unit of the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • 6 is a time chart showing first to fourth exposure processes (steps S5030 to S5060 in FIG. 5) according to a first example.
  • Step S5090 of FIG. 5 It is a flowchart which shows the output process (step S5090 of FIG. 5) by a 1st example.
  • 6 is a time chart showing first to fourth exposure processes (steps S5030 to S5060 in FIG. 5) according to a second example. It is a flowchart which shows the output process (step S5090 of FIG. 5) by a 2nd example. It is a time chart which shows the 1st thru
  • FIG. 5 It is a time chart which shows the 1st thru
  • FIG. 18 is a time chart showing first to second exposure processing (steps S17020 to S17030 in FIG. 17) and output processing (steps S17060 to S17090 in FIG. 17) according to an example.
  • FIG. 4 is a diagram for further explaining the pixel shown in FIG. 3. It is a figure for demonstrating in detail the structure of the pixel shown in FIG. It is a figure which shows the structure of the pixel which used the P-type well layer as the electron exclusion area
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a pixel having a minimum charge transfer time.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the imaging apparatus includes a pixel unit 100 including a photosensitive unit 101, a difference output unit 103, an imaging control unit 105, and an illumination unit 107.
  • the imaging control unit 105 controls the photosensitive unit 101 and the illumination unit 107 of the pixel unit 100 so that the photosensitive unit 101 of the pixel unit 100 forms a plurality of outputs under different illumination conditions.
  • the photosensitive unit 101 of the pixel unit 100 forms a plurality of outputs under different illumination conditions
  • the difference output unit 103 forms an image with a wide dynamic range from the difference between the plurality of outputs. Details of the configuration and function of each element of the imaging apparatus will be described later.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the array of pixel units 100 according to the present embodiment. Similar to the conventional pixel array, the output of the array of the pixel unit 100 is scanned by the vertical scanning circuit 111 and the horizontal scanning circuit 113 and sequentially read by the reading circuit 115. The difference output unit 103 is included in the readout circuit 115, and forms an image with a wide dynamic range from the difference between a plurality of outputs of each pixel unit 100.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the photosensitive portion 101 of the pixel unit 100 according to the present embodiment.
  • the photosensitive unit 101 includes a drain electrode DE, a drain gate unit DX, a photoelectric conversion unit 1011, a charge transfer unit 1013, four distribution gate units TX 1, TX 2, TX 3, and TX 4, and four charge storage units 10151. 10152, 10153, and 10154, four reset gate portions RX1, RX2, RX3, and RX4, and four reset electrodes RE1, RE2, RE3, and RE4.
  • Charge generated by the photoelectric conversion unit 1011 is accumulated in the charge transfer unit 1013.
  • the charges accumulated in the charge transfer unit 1013 are distributed to one of the four charge storage units 10151, 10152, 10153, and 10154, respectively, by the four distribution gate units TX1, TX2, TX3, and TX4.
  • the imaging control unit 105 (not shown in FIG. 3) has four charge storage units each configured to store charges accumulated in the charge transfer unit 1013 under different conditions (exposure time, illumination conditions, etc.) for the same imaging target.
  • the operations of the illumination means 107 and the four sorting gates TX1, TX2, TX3, and TX4 are controlled so as to be assigned to any one of 10151, 10152, 10153, and 10154.
  • the difference between the charges stored in the four charge storage units 10151, 10152, 10153, and 10154 is read out by the difference output unit 103 of the reading circuit 115.
  • the four reset gate portions RX1, RX2, RX3, and RX4 and the four reset electrodes RE1, RE2, RE3, and RE4 respectively store charges accumulated in the four charge accumulation portions 10151, 10152, 10153, and 10154. Used to reset.
  • the imaging control unit 105 (not shown in FIG. 3) resets the charges accumulated in the four charge storage units 10151, 10152, 10153, and 10154, respectively, and the four reset gate units RX1, RX2, RX3, and RX4. To work.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating functions of the photosensitive portion 101 of the pixel unit 100 according to the present embodiment.
  • the four charge storage units 10151, 10152, 10153, and 10154 are expressed as capacitors C1, C2, C3, and C4, respectively.
  • the imaging control unit 105 distributes charges so that charges are accumulated in the charge transfer unit 1013 under different conditions (exposure time, illumination conditions, etc.) and accumulated in the capacitors C1, C2, C3, and C4, respectively.
  • the operation of the gate portions TX1, TX2, TX3, and TX4 is controlled and this operation is repeated. Therefore, charges accumulated under different conditions (exposure time, illumination conditions, etc.) are integrated in capacitors C1, C2, C3 and C4 by repetition.
  • FIG. 5 is a flowchart showing general processing of the imaging control unit 105 of the imaging apparatus according to the present embodiment.
  • step S5010 in FIG. 5 the imaging control unit 105 operates the four reset gate units RX1, RX2, RX3, and RX4 to thereby store the charges accumulated in the four charge accumulation units 10151, 10152, 10153, and 10154. To reset.
  • step S5020 of FIG. 5 the imaging control unit 105 sets a counter for counting the number of repetitive operations to 0.
  • the imaging control unit 105 controls the photosensitive unit 101 so that the photosensitive unit 101 performs first to fourth exposure processes, respectively. Details of the first to fourth exposure processes will be described later.
  • the charges accumulated in the charge transfer unit 1013 by the first to fourth exposure processes are accumulated in the capacitors C1, C2, C3, and C4 by the distribution gate units TX1, TX2, TX3, and TX, respectively.
  • step S5070 of FIG. 5 the imaging control unit 105 increases the number of counters by one.
  • step S5080 of FIG. 5 the imaging control unit 105 determines whether the number of counters is less than n. If the number of counters is less than n, the process returns to step S5030, and the first to fourth exposure processes are repeated. If the number of counters is n or more, the process proceeds to step S5090.
  • step S5090 of FIG. 5 the imaging control unit 105 controls the photosensitive unit 101 and the difference output unit 103 to perform output processing.
  • FIG. 6 is a time chart showing the first to fourth exposure processes (steps S5030 to S5060 in FIG. 5) according to the first example.
  • the exposure times of the first and second exposure processes are relatively long, and the exposure times of the third and fourth exposure processes are relatively short.
  • the illumination unit 107 illuminates the imaging target.
  • the charges accumulated in the relatively long exposure time for the illuminated imaging target are accumulated in the capacitor C1 by the sorting gate unit TX1.
  • the charges accumulated for a relatively long exposure time with respect to the imaging target that is not illuminated are accumulated in the capacitor C2 by the sorting gate unit TX2.
  • the charges accumulated in the relatively short exposure time with respect to the illuminated imaging target are accumulated in the capacitor C3 by the sorting gate unit TX3.
  • the charges accumulated in a relatively short exposure time for the imaging target that is not illuminated are accumulated in the capacitor C4 by the sorting gate unit TX4.
  • the charges accumulated under different conditions are accumulated in the capacitors C1 to C4 by the first to fourth exposure processes.
  • the first to fourth exposure processes are repeated n times.
  • the exposure time of the first and second exposure processes is 30 microseconds, and the exposure time of the third and fourth exposure processes is 10 microseconds.
  • the number of repetitions is 1000 times.
  • the cycle of the first to fourth exposure processes is 80 microseconds.
  • the total exposure time of the first and second exposure processes is 30 milliseconds, and the total exposure time of the third and fourth exposure processes is 10 milliseconds. Accordingly, when the exposure process is performed without repeating the process, the cycle of the first to fourth exposure processes is 80 milliseconds. If the repetition process is not performed, the time difference between the respective exposure processes is large, so that it is easily affected by the movement of the imaging target.
  • the first to fourth exposure processes are repeated in a short cycle and the charges are integrated by the capacitors C1 to C4, so that even a moving imaging target is not affected by the movement. An image with a wide dynamic range can be formed.
  • the exposure time of the first to fourth exposure processes is 10 to 100 microseconds and the number of repetitions is 100 to 1000 times from a practical viewpoint. Is preferred.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the output process (step S5090 in FIG. 5) according to the first example.
  • the difference output unit 103 obtains the difference between the first exposure value and the second exposure value and sets it as difference 1.
  • the first to fourth exposure values are integrated values of charges accumulated in the capacitors C1 to C4, respectively, by the first to fourth exposure processes.
  • the difference output unit 103 obtains the difference between the third exposure value and the fourth exposure value as difference 2 in step S7020 of FIG.
  • step S7030 in FIG. 7 the difference output unit 103 compares the saturation value of the photosensitive unit 101 with the first exposure value. If the first exposure value is greater than the saturation value, the process proceeds to step S7060. If the first exposure value is less than or equal to the saturation value, the process proceeds to step S7040.
  • step S7040 of FIG. 7 the difference output unit 103 compares the saturation value of the photosensitive unit 101 with the second exposure value. If the second exposure value is greater than the saturation value, the process proceeds to step S7060. If the second exposure value is less than or equal to the saturation value, the process proceeds to step S7050.
  • the difference output unit 103 reads the difference 1 as the output of the pixel unit 100 in step S7050 of FIG.
  • step S7060 in FIG. 7 the difference output unit 103 reads the difference 2 as the output of the pixel unit 100.
  • an image having a wide dynamic range can be formed by changing the output of the pixel unit 100 according to the magnitudes of the first to fourth exposure values.
  • FIG. 8 is a time chart showing the first to fourth exposure processes (steps S5030 to S5060 in FIG. 5) according to the second example.
  • the exposure times of the first and third exposure processes are relatively long, and the exposure times of the second and fourth exposure processes are relatively short.
  • the illumination unit 107 illuminates the imaging target.
  • the charges accumulated in the relatively long exposure time for the illuminated imaging target are accumulated in the capacitor C1 by the sorting gate unit TX1.
  • the charges accumulated in the relatively short exposure time for the illuminated imaging target are accumulated in the capacitor C2 by the sorting gate unit TX2.
  • the charges accumulated for a relatively long exposure time with respect to the imaging object that is not illuminated are accumulated in the capacitor C3 by the sorting gate unit TX3.
  • the charges accumulated in a relatively short exposure time for the imaging target that is not illuminated are accumulated in the capacitor C4 by the sorting gate unit TX4.
  • the charges accumulated under different conditions are accumulated in the capacitors C1 to C4 by the first to fourth exposure processes.
  • the first to fourth exposure processes are repeated n times.
  • the exposure time of the first and third exposure processes is 30 microseconds, and the exposure time of the second and fourth exposure processes is 10 microseconds.
  • the number of repetitions is 1000 times.
  • the cycle of the first to fourth exposure processes is 80 microseconds.
  • the total exposure time of the first and second exposure processes is 30 milliseconds, and the total exposure time of the third and fourth exposure processes is 10 milliseconds. Accordingly, when the exposure process is performed without repeating the process, the cycle of the first to fourth exposure processes is 80 milliseconds. If the repetition process is not performed, the time difference between the respective exposure processes is large, so that it is easily affected by the movement of the imaging target.
  • the first to fourth exposure processes are repeated in a short cycle and the charges are integrated by the capacitors C1 to C4, so that even a moving imaging target is not affected by the movement. An image with a wide dynamic range can be formed.
  • the number of times the lighting means 107 blinks can be reduced.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the output process (step S5090 in FIG. 5) according to the second example.
  • step S9010 of FIG. 9 the difference output unit 103 obtains the difference between the first exposure value and the third exposure value as difference 1.
  • the first to fourth exposure values are integrated values of charges accumulated in the capacitors C1 to C4, respectively, by the first to fourth exposure processes.
  • step S9020 of FIG. 9 the difference output unit 103 obtains the difference between the second exposure value and the fourth exposure value as difference 2.
  • step S9030 of FIG. 9 the difference output unit 103 compares the saturation value of the photosensitive unit 101 with the first exposure value. If the first exposure value is larger than the saturation value, the process proceeds to step S9060. If the first exposure value is less than or equal to the saturation value, the process proceeds to step S9040.
  • step S9040 in FIG. 9 the difference output unit 103 compares the saturation value of the photosensitive unit 101 with the third exposure value. If the third exposure value is larger than the saturation value, the process proceeds to step S9060. If the third exposure value is less than or equal to the saturation value, the process proceeds to step S9050.
  • the difference output unit 103 reads the difference 1 as the output of the pixel unit 100 in step S9050 of FIG.
  • the difference output unit 103 reads the difference 2 as the output of the pixel unit 100 in step S9060 of FIG.
  • an image having a wide dynamic range can be formed by changing the output of the pixel unit 100 according to the magnitudes of the first to fourth exposure values.
  • FIG. 10 is a time chart showing the first to fourth exposure processes (steps S5030 to S5060 in FIG. 5) according to the third example.
  • the exposure times of the first to fourth exposure processes are the same, but the illumination conditions for the exposure times of the first to fourth exposure processes are different.
  • the imaging control unit 105 controls the illumination unit 107 so as to change the illumination intensity.
  • the illumination target 107 illuminates the imaging target.
  • the illumination intensity at the exposure time of the second exposure process is the largest, then the illumination intensity at the exposure time of the third exposure process is large, and the illumination intensity at the exposure time of the fourth exposure process is the exposure of the second and third exposure processes. Less than the illumination intensity in time.
  • the imaging target is not illuminated during the exposure time of the first exposure process. That is, the illumination intensity at the exposure time of the first exposure process is zero.
  • the charges accumulated under the different illumination conditions are accumulated in the capacitors C1 to C4 by the first to fourth exposure processes.
  • the first to fourth exposure processes are repeated n times.
  • FIG. 11 is a time chart showing the first to fourth exposure processes (steps S5030 to S5060 in FIG. 5) according to the fourth example.
  • the exposure times of the first to fourth exposure processes are the same, but the illumination conditions for the exposure times of the first to fourth exposure processes are different.
  • the imaging control unit 105 controls the illumination unit 107 so as to change the pulse width that determines the illumination time while the illumination intensity is constant.
  • the illumination target 107 illuminates the imaging target.
  • the illumination time (pulse width defining the illumination time) in the exposure time of the second exposure process is the largest, then the illumination time in the exposure time of the third exposure process is large, and the illumination time in the exposure time of the fourth exposure process is It is shorter than the illumination time in the exposure time of the second and third exposure processes.
  • the imaging target is not illuminated during the exposure time of the first exposure process. That is, the illumination time in the exposure time of the first exposure process is zero.
  • the charges accumulated under the different illumination conditions are accumulated in the capacitors C1 to C4 by the first to fourth exposure processes.
  • the first to fourth exposure processes are repeated n times.
  • FIG. 12 is a time chart showing the first to fourth exposure processes (steps S5030 to S5060 in FIG. 5) according to the fifth example.
  • the exposure times of the first to fourth exposure processes are the same, but the illumination conditions for the exposure times of the first to fourth exposure processes are different.
  • the imaging control unit 105 controls the illumination unit 107 to change the number of pulses while keeping the pulse width that determines the illumination intensity and the illumination time constant.
  • the illumination target 107 illuminates the imaging target.
  • the illumination time (the number of pulses defining the illumination time) in the exposure time of the second exposure process is the largest, then the illumination time in the exposure time of the third exposure process is large, and the illumination time in the exposure time of the fourth exposure process is It is shorter than the illumination time in the exposure time of the second and third exposure processes.
  • the imaging target is not illuminated during the exposure time of the first exposure process. That is, the illumination time in the exposure time of the first exposure process is zero.
  • the charges accumulated under the different illumination conditions are accumulated in the capacitors C1 to C4 by the first to fourth exposure processes.
  • the first to fourth exposure processes are repeated n times.
  • the exposure time of the first to second exposure processes is 30 microseconds.
  • the number of repetitions is 1000 times.
  • the cycle of the first to fourth exposure processes is 120 microseconds. Accordingly, when the exposure process is performed without repeating the process, the cycle of the first to fourth exposure processes is 120 milliseconds. If the repetition process is not performed, the time difference between the respective exposure processes is large, so that it is easily affected by the movement of the imaging target.
  • the first to fourth exposure processes are repeated in a short cycle and the charges are integrated by the capacitors C1 to C4, so that even a moving imaging target is not affected by the movement. An image with a wide dynamic range can be formed.
  • FIG. 13 is a flowchart showing output processing (step S5090 in FIG. 5) according to the third to fifth examples.
  • step S13010 of FIG. 13 the difference output unit 103 obtains the difference between the second exposure value and the first exposure value as difference 1.
  • the first to fourth exposure values are integrated values of charges accumulated in the capacitors C1 to C4, respectively, by the first to fourth exposure processes.
  • step S13020 of FIG. 13 the difference output unit 103 obtains the difference between the third exposure value and the first exposure value as difference 2.
  • step S13030 of FIG. 13 the difference output unit 103 obtains the difference between the fourth exposure value and the first exposure value as difference 3.
  • step S13040 of FIG. 13 the difference output unit 103 compares the saturation value of the photosensitive unit 101 with the second exposure value. If the second exposure value is smaller than the saturation value, the process proceeds to step S13080. If the second exposure value is greater than or equal to the saturation value, the process proceeds to step S13050.
  • step S13050 of FIG. 13 the difference output unit 103 compares the saturation value of the photosensitive unit 101 with the third exposure value. If the third exposure value is smaller than the saturation value, the process proceeds to step S13070. If the second exposure value is greater than or equal to the saturation value, the process proceeds to step S13060.
  • step S13060 of FIG. 13 the difference output unit 103 reads the difference 3 as the output of the pixel unit 100.
  • step S13070 in FIG. 13 the difference output unit 103 reads the difference 2 as the output of the pixel unit 100.
  • step S13080 in FIG. 13 the difference output unit 103 reads the difference 1 as the output of the pixel unit 100.
  • an image having a wide dynamic range can be formed by changing the output of the pixel unit 100 according to the magnitudes of the first to fourth exposure values.
  • the exposure value (capacitor voltage value) is changed by changing the exposure time and illumination intensity, but the capacitor voltage value (output) is changed by changing the charge storage capacity of the capacitor. May be changed.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration of an imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the imaging apparatus includes a pixel unit 200 including a photosensitive unit 201, a synthesis unit 203, and an imaging control unit 205.
  • the imaging control unit 205 controls the photosensitive unit 201 of the pixel unit 200 so that the photosensitive unit 201 of the pixel unit 200 forms a plurality of outputs under different conditions.
  • the photosensitive unit 201 of the pixel unit 200 forms a plurality of outputs under different conditions, and the combining unit 203 selects an appropriate output of the pixel unit 200 from the plurality of outputs and forms a combined image. In this way, an image with a wide dynamic range is formed from the output of the pixel unit 200. Details of the configuration and function of each element of the imaging apparatus will be described later.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an array of pixel units 200 according to the present embodiment. Similar to the conventional pixel array, the output of the array of the pixel unit 100 is scanned by the vertical scanning circuit 111 and the horizontal scanning circuit 113 and sequentially read by the reading circuit 115.
  • the combining unit 203 is included in the readout circuit 115, selects a plurality of outputs from each pixel unit 100, combines them, and forms an image with a wide dynamic range.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration of the photosensitive portion 201 of the pixel unit 200 according to the present embodiment.
  • the photosensitive unit 201 includes a photoelectric conversion unit 2011, a charge accumulation unit 2013, two distribution gate units Tx1 and Tx2, two charge accumulation units 20151 and 20152, and two read transfer gate units Tx3 and Tx4.
  • the read charge storage unit 2017, the reset gate unit RX, and the electrode RE are provided.
  • FIG. 15 also shows a cross-sectional view of A-A ′.
  • the charges generated by the photoelectric conversion unit 2011 are accumulated in the charge accumulation unit 2013 and distributed to the two charge storage units 20151 or 20152 by the two distribution gate units Tx1 or Tx2.
  • the imaging control unit 205 (not shown in FIG. 15) accumulates charges in the charge accumulation unit 2013 under different conditions (such as exposure time) for the same imaging target, and distributes the charges to the two charge accumulation units 20151 and 20152.
  • the operation of the two sorting gate portions Tx1 and Tx2 is controlled. Details of the above processing will be described later.
  • the charges accumulated in the two charge accumulation units 20151 and 20152 are accumulated in the read charge accumulation unit 2017 by the two read transfer gate units Tx3 and Tx4, respectively.
  • the charges accumulated in the read charge accumulation unit 2017 are read by the read gate T.
  • the reset gate part RX and the electrode RE are used for resetting the charges accumulated in the read charge accumulation part 2017.
  • the imaging control unit 105 (not shown in FIG. 15) operates the reset gate unit RX when resetting the charges accumulated in the readout charge accumulation unit 2017. In this embodiment, by using a common readout unit, it is not necessary to correct the difference in performance of the amplifier.
  • FIG. 16 is a circuit diagram showing functions of the photosensitive portion 201 of the pixel unit 200 according to the present embodiment.
  • the two charge storage units 20151 and 20152 are expressed as capacitors C1 and C2, respectively.
  • the imaging control unit 205 operates the distribution gate units Tx1 and Tx2 so that charges are accumulated in the charge accumulation unit 2013 under different conditions (such as exposure time) and accumulated in the capacitors C1 and C2, respectively. And this operation is repeated. Therefore, the charges accumulated under different conditions (such as exposure time) are integrated in the capacitors C1 and C2 by repetition.
  • the charges accumulated in the capacitors C1 and C2 are read by the read transfer gate unit Tx3 and the read gate T or the read transfer gate unit Tx4 and the read gate T.
  • FIG. 17 is a flowchart showing general processing of the imaging control unit 205 of the imaging apparatus according to the present embodiment.
  • step S17010 in FIG. 17 the imaging control unit 205 sets a counter that counts the number of repetitive operations to 0.
  • the imaging control unit 205 controls the photosensitive unit 201 to perform the first and second exposure processes, respectively. Details of the first and second exposure processes will be described later.
  • the charges accumulated in the charge accumulation unit 2013 by the first and second exposure processes are accumulated in the capacitors C1 and C1 by the distribution gate units Tx1 and Tx2.
  • step S17040 in FIG. 17 the imaging control unit 205 increments the number of counters by one.
  • step S17050 in FIG. 17 the imaging control unit 205 determines whether the number of counters is less than n. If the number of counters is less than n, the process returns to step S17020, and the first and second exposure processes are repeated. If the number of counters is n or more, the process proceeds to step S17060.
  • step S17060 in FIG. 17 the imaging control unit 205 resets the charges accumulated in the read charge accumulation unit 2017 by operating the reset gate unit RX.
  • step S17070 in FIG. 17 the imaging control unit 205 causes the read charge storage unit 2017 to store the charge stored in the charge storage unit 20151 by the read transfer gate unit Tx3.
  • the charges accumulated in the read charge accumulation unit 2017 are read by the read gate T.
  • step S17080 in FIG. 17 the imaging control unit 205 resets the charge accumulated in the read charge accumulation unit 2017 by operating the reset gate unit RX.
  • step S17090 in FIG. 17 the imaging control unit 205 causes the read charge accumulation unit 2017 to accumulate the charge accumulated in the charge accumulation unit 20151 by the read transfer gate unit Tx4.
  • the charges accumulated in the read charge accumulation unit 2017 are read by the read gate T.
  • FIG. 18 is a time chart showing first to second exposure processing (steps S17020 to S17030 in FIG. 17) and output processing (steps S17060 to S17090 in FIG. 17) according to an example.
  • the exposure time of the first exposure process is relatively long, and the exposure time of the second exposure process is relatively short.
  • the first exposure process the charges accumulated in a relatively long exposure time are accumulated in the capacitor C1 by the sorting gate unit Tx1.
  • the charges accumulated in a relatively long exposure time are accumulated in the capacitor C2 by the sorting gate unit Tx2.
  • the charges accumulated under different conditions are accumulated in the capacitors C1 and C2 by the first and second exposure processes.
  • the first to second exposure processes are repeated n times.
  • the exposure time of the first exposure process is 30 microseconds, and the exposure time of the second exposure process is 10 microseconds.
  • the number of repetitions is 1000 times.
  • the period of the first and second exposure processes is 40 microseconds.
  • the total exposure time of the first exposure process is 30 milliseconds, and the total exposure time of the second exposure process is 10 milliseconds. Therefore, when the exposure process is performed without repeating the process, the cycle of the first and second exposure processes is 40 milliseconds. If the repetition process is not performed, the time difference between the respective exposure processes is large, so that it is easily affected by the movement of the imaging target.
  • the first and second exposure processes are repeated in a short cycle and the charges are integrated by the capacitors C1 and C2, so that even a moving imaging target is not affected by the movement. An image with a wide dynamic range can be formed.
  • the imaging control unit 205 resets the charge accumulated in the read charge accumulation unit 2017 by sending a reset pulse to the reset gate unit RX and operating the reset gate unit RX.
  • the imaging control unit 205 transmits a charge transfer pulse to the read transfer gate unit Tx3, and operates the read transfer gate unit Tx3 to transfer the charge accumulated in the charge accumulation unit 20151 to the read charge accumulation unit 2017, thereby reading the read gate. Read by T.
  • the imaging control unit 205 resets the charge accumulated in the read charge accumulation unit 2017 by sending a reset pulse to the reset gate unit RX and operating the reset gate unit RX.
  • the imaging control unit 205 sends a charge transfer pulse to the read transfer gate unit Tx4 and operates the read transfer gate unit Tx4 to transfer the charges accumulated in the charge accumulation unit 20152 to the read charge accumulation unit 2017, thereby reading the read gate. Read by T.
  • the synthesizing unit 203 selects an output with an appropriate exposure condition from the output value of the first exposure process and the output value of the second exposure process read by the read gate T, and forms a synthesized image.
  • FIG. 19 is a diagram for further explaining the pixel shown in FIG.
  • the photosensitive portion of the pixel includes four microlens lenses 151 for the four photoelectric conversion units 1011.
  • the photosensitive portion of the pixel is simply referred to as a pixel.
  • FIG. 19A is a view showing a cross section taken along line A-A ′ in FIGS. 19B and 19C. A region other than the photoelectric conversion portion 1011 in the pixel surface is covered with a light shielding film 153.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the configuration of the pixel shown in FIG. 3 in detail.
  • FIG. 20B is a view showing a cross section A-A ′ in FIG. The length of one side of the pixel is 12 micrometers.
  • the pixel includes a drain electrode DE, a drain gate portion DX, four photoelectric conversion portions 1011, a charge transfer portion 1013, four distribution gate portions TX1, TX2, TX3, and TX4, and four charge storage portions. 10151, 10152, 10153, and 10154, four reset gate portions RX1, RX2, RX3, and RX4, and four reset electrodes RE1, RE2, RE3, and RE4.
  • a drain electrode DE a drain gate portion DX
  • photoelectric conversion portions 1011 for a charge transfer portion 1013
  • TX1, TX2, TX3, and TX4 and four charge storage portions.
  • 10151, 10152, 10153, and 10154 four reset gate portions RX1, RX2, RX3, and RX4, and four reset electrodes RE1, RE2, RE3, and RE4.
  • FIG. 20 only parts corresponding to the cross-sectional view are denoted by reference numerals.
  • the photoelectric conversion unit 1011 and the charge transfer unit 1013 are photodiode regions.
  • a region other than the photoelectric conversion portion 1011 is covered with a light shielding film 153.
  • a pair of free electrons and free holes is generated.
  • a conventional pixel including a photoelectric conversion unit and a charge transfer unit is described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-304974.
  • Free electrons generated by the photoelectric conversion unit 1011 that is, charges are accumulated in the charge transfer unit 1013.
  • the charges accumulated in the charge transfer unit 1013 are distributed to one of the four charge storage units 10151, 10152, 10153, and 10154, respectively, by the four distribution gate units TX1, TX2, TX3, and TX4.
  • the four reset gate portions RX1, RX2, RX3, and RX4 and the four reset electrodes RE1, RE2, RE3, and RE4 respectively store charges accumulated in the four charge accumulation portions 10151, 10152, 10153, and 10154. Used to reset.
  • a drain gate portion DX and a drain electrode DE are provided inside the charge transfer portion 1013. Therefore, free electrons move from the photoelectric conversion unit 1011 to, for example, the charge storage unit 10152 through the photodiode region around the drain gate unit DX.
  • the diameter of the circle having the largest diameter among the circles that can exist on the surface of the region through which free electrons in the photodiode region can pass is defined as the width of the free electron passage region in the photodiode region.
  • the width of the free electron passage region in the photodiode region is about 1.9 micrometers.
  • the width of the free electron passage region in the photodiode region is about 5.0 micrometers.
  • the charge transfer time from the photoelectric conversion unit 1011 to the charge storage unit 10152 will be considered.
  • E the amount of charge stored in the charge storage portion 10152 when the sorting gate TX2 is opened for a sufficiently long time (for example, 400 microseconds) after irradiation with pulsed light.
  • FIG. 29 is a diagram showing the relationship between the charge non-transfer rate and time when the drain gate portion DX and the drain electrode DE are provided inside the charge transfer portion 1013 and when they are not provided.
  • the horizontal axis of FIG. 29 shows time on a logarithmic scale.
  • the vertical axis in FIG. 29 indicates the non-transfer rate on a logarithmic scale.
  • the solid line indicates the case where the drain gate portion DX and the drain electrode DE are not provided inside the charge transfer portion 1013
  • the dotted line is the case where the drain gate portion DX and the drain electrode DE are provided inside the charge transfer portion 1013. Show the case.
  • the charge transfer time required to reach the untransfer rate of 1% is 600 microseconds, whereas when the drain gate portion DX and the drain electrode DE are provided. In addition, the charge transfer time required to reach an untransfer rate of 1% is 6 microseconds. Thus, when compared with the charge transfer time required to reach an untransfer rate of 1%, the charge transfer time when the drain gate portion DX and the drain electrode DE are provided does not include the drain gate portion DX and the drain electrode DE. In this case, the transfer time is 1/100.
  • the charge transfer time is a function of the width of the free electron passage region, and the charge transfer time is shortened when the width of the free electron passage region is reduced.
  • the width of the free electron passing region is too small, the potential of the passing region becomes high, it becomes difficult for the free electrons to pass, and the charge transfer time becomes long.
  • the charge transfer time can be minimized by changing the shape of the photodiode region and the electron exclusion region to change the width of the free electron passage region.
  • the width of the free electron passage region is preferably determined in the range of 0.5 to 5 micrometers. In particular, the range of 1 micrometer to 2 micrometers is preferable.
  • the charge transfer time of the prior art pixel of the same type is several hundred microseconds. In the pixel of the embodiment of the present invention, by setting the width of the free electron passage region to an appropriate value within the above range, the charge transfer time can be reduced to 10 microseconds or less.
  • FIG. 30 is a flowchart showing a method of manufacturing a pixel having the minimum charge transfer time.
  • step S010 in FIG. 30 a plurality of target values for the width of the free electron passage region are provisionally determined.
  • step S020 of FIG. 30 the shapes of the photodiode regions and the electron exclusion regions of the plurality of pixels are determined so as to realize a plurality of target values of the width of the free electron passage region.
  • step S030 in FIG. 30 the plurality of pixels are created and the charge transfer time is measured.
  • the charge transfer times of the plurality of pixels may be estimated by simulation.
  • step S040 in FIG. 30 a pixel having the minimum charge transfer time is selected from the plurality of pixels.
  • step S050 of FIG. 30 it is determined whether the charge transfer time can be further reduced from the relationship between the plurality of values of the width of the free electron passage region and the corresponding plurality of charge transfer times. For example, in the data of the plurality of pixels, if the charge transfer time monotonously increases or decreases as the width of the free electron passage region increases, the width of the free electron passage region is further reduced or further increased. It can be determined that the charge transfer time can be further reduced by increasing the charge transfer time. If it is determined that the charge transfer time can be further reduced, the process proceeds to step S060. If it is determined that the charge transfer time cannot be further reduced, the process is terminated.
  • step S060 of FIG. 30 a plurality of target values are determined in the vicinity of the width value of the free electron passage region of the pixel having the minimum charge transfer time, and the process returns to step S020.
  • the above steps S010 to S060 may be executed by fixing any one of the shape and size of the photodiode region and the position, shape and size of the electron exclusion region, for example.
  • n photoelectric conversion units or charge storage units are arranged at the positions of apexes of a regular n-gon
  • the shape of the photodiode region may be determined so that the connection is made in the photodiode region. Further, if n is an even number, XY orthogonal coordinates may be defined on the surface, and the shape of the photodiode region may be a line symmetric figure with respect to the X axis and the Y axis.
  • the shape of the electron exclusion region may be a circle centered on the center of the regular n-gon or the origin of the XY rectangular coordinates.
  • a plurality of target values for the width of the free electron passage region may be realized by changing the diameter of the circle (step S020).
  • the shape of the electron exclusion region may be a regular polygon.
  • the electron exclusion region is a region other than the photodiode and a photodiode region in which the ion concentration is lowered to make it difficult for electrons to exist.
  • the electron exclusion region is a region other than the photodiode and a photodiode region in which the ion concentration is lowered to make it difficult for electrons to exist.
  • FIG. 21 is a diagram showing a configuration of a pixel in which a P-type well layer is an electron exclusion region.
  • FIG. 21B is a diagram showing a cross section taken along line A-A ′ in FIG.
  • the configuration other than the electron exclusion region HP is the same as the configuration of FIG.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating a pixel configuration in which the charge accumulation unit 10155 and the sorting gate unit TX5 are used as an electron exclusion region.
  • FIG. 22B is a view showing a cross section A-A ′ in FIG. The configuration other than the electron exclusion region is the same as the configuration of FIG.
  • the pixel in FIG. 22 includes five charge storage units 10151 to 10155.
  • FIG. 23 is a diagram showing a configuration of a pixel in which a photodiode region LC in which electrons are less likely to exist by lowering the ion concentration is used as an electron exclusion region.
  • FIG. 23B is a view showing the A-A ′ cross section in FIG. The configuration other than the electron exclusion region LC is the same as the configuration of FIG.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating a configuration of a pixel that does not include a charge transfer unit.
  • FIG. 24B is a diagram showing a cross section taken along line A-A ′ in FIG. The length of one side of the pixel is 12 micrometers.
  • the pixel includes a photoelectric conversion unit 3011, four distribution gate units TX1, TX2, TX3, and TX4, four charge storage units 30151, 30152, 30153, and 30154, and four reset gate units RX1, RX2, and RX3. And RX4, and four reset electrodes RE1, RE2, RE3 and RE4.
  • TX1, TX2, TX3, and TX4 four distribution gate units TX1, TX2, TX3, and TX4, four charge storage units 30151, 30152, 30153, and 30154, and four reset gate units RX1, RX2, and RX3. And RX4, and four reset electrodes RE1, RE2, RE3 and RE4.
  • FIG. 24 only the portions corresponding to the cross-sectional view are denoted by reference numerals.
  • the photoelectric conversion unit 3011 is a photodiode region. When light enters the photoelectric conversion unit 3011, a pair of free electrons and free holes is generated.
  • Free electrons generated by the photoelectric conversion unit 3011 that is, charges are transferred to any one of the four charge storage units 30151, 30152, 30153, and 30154 by the four distribution gate units TX 1, TX 2, TX 3, and TX 4, respectively. Sorted.
  • the four reset gate portions RX1, RX2, RX3, and RX4 and the four reset electrodes RE1, RE2, RE3, and RE4 respectively store the charges accumulated in the four charge accumulation portions 30151, 30152, 30153, and 30154. Used to reset.
  • a photodiode region LC in which an ion concentration is lowered and electrons are hardly present, that is, an electron exclusion region LC is provided inside the photoelectric conversion unit 3011. . Therefore, the free electrons move from the photoelectric conversion unit 3011 to, for example, the charge storage unit 30152 through the photodiode region around the electron exclusion region LC.
  • the electron exclusion region LC when the electron exclusion region LC is provided, the circle having the maximum diameter among the circles that can exist on the surface of the region through which free electrons in the photodiode region can pass is B, and the free electrons in the photodiode region are The width of the passing region is about 1.9 micrometers.
  • the circle having the maximum diameter among the circles that can exist on the surface of the region through which free electrons can pass in the photodiode region is C, and the free electron passing region in the photodiode region
  • the width is about 5 micrometers.
  • FIG. 25 is a diagram conceptually illustrating the potential of a pixel that does not include a charge transfer unit.
  • FIG. 25 (a1) is a plan view of a pixel that does not include an electron exclusion region.
  • the pixel includes a photoelectric conversion unit PH and four sorting gates TX.
  • the distribution gate TX further includes a charge storage unit, a reset gate, and a reset electrode, which are omitted in FIG.
  • FIG. 25A2 is a diagram conceptually showing the potential on the A-A ′ section of FIG. 25A1 when the sorting gate TX is closed.
  • FIG. 25 (a3) is a diagram conceptually showing the potential of the A-A ′ section of FIG. 25 (a1) when the sorting gate TX is open.
  • FIG. 25 (b1) is a plan view of a pixel provided with an electron exclusion region HP.
  • the pixel includes a photoelectric conversion unit PH, an electron exclusion region PH in the photoelectric conversion unit PH, and four distribution gates TX.
  • the distribution gate TX further includes a charge storage unit, a reset gate, and a reset electrode, which are omitted in FIG.
  • FIG. 25 (b2) is a diagram conceptually showing the potential of the A-A ′ section of FIG. 25 (b1) when the sorting gate TX is closed.
  • FIG. 25 (b3) is a diagram conceptually showing the potential of the A-A ′ section of FIG. 25 (b1) when the sorting gate TX is open.
  • the electron passage region is limited by a region having a high potential corresponding to the electron exclusion region PH in FIG.
  • FIG. 26 is a diagram illustrating a configuration of a pixel including a charge storage unit at the center.
  • the length of one side of the pixel is 12 micrometers.
  • the pixel includes four photoelectric conversion units 4011, a charge transfer unit 4013, one transfer gate unit TX, one charge storage unit 4015, one reset gate unit RX, and one reset electrode. And RE. Since this pixel does not have a plurality of sorting gates and a plurality of charge storage units, it cannot be used for the purpose of expanding the dynamic range by sorting.
  • Free electrons generated by the photoelectric conversion unit 4011 that is, electric charges are accumulated in the charge accumulation unit 4015 by TX.
  • the reset gate unit RX and the reset electrode RE are used for resetting the charges accumulated in the charge accumulation unit 4015.
  • a transfer gate portion TX and a charge storage portion 4015 are provided inside the charge transfer portion 4013. Accordingly, free electrons move from the photoelectric conversion unit 4011 to the charge storage unit 4015 through the photodiode region around the transfer gate unit TX and the charge storage unit 4015.
  • the circle having the maximum diameter among the circles that can exist on the surface of the region where the free electrons of the photodiode region can pass is B, and the photodiode
  • the width of the free electron passage region in the region is about 1.8 micrometers.
  • the circle having the maximum diameter among the circles that can exist on the surface of the region through which free electrons can pass in the photodiode region is C, and the free electron passing region in the photodiode region
  • the width is about 5 micrometers.
  • FIG. 27 is a diagram illustrating a configuration of a pixel including three photoelectric conversion units and three charge storage units.
  • the three photoelectric conversion units are arranged so that the center positions thereof are the positions of the apexes of an equilateral triangle.
  • the gap can be made smaller when the three microlenses are arranged as shown in FIG. 27 than when the four microlenses are arranged as shown in FIG.
  • the amount of light collected per unit area is improved by 3%.
  • the pixel includes three photoelectric conversion units 5011, a charge transfer unit 5013, three distribution gate units TX1, TX2, and TX3, three charge storage units 50151, 50152, and 50153, and three reset gates.
  • the units RX1, RX2, and RX3, and three reset electrodes RE1, RE2, and RE3 are provided.
  • Free electrons generated by the photoelectric conversion unit 5011 that is, electric charges, are distributed to any of the three charge storage units 50151, 50152, and 50153 by the three distribution gate units TX1, TX2, and TX3, respectively.
  • the three reset gate portions RX1, RX2, and RX3 and the three reset electrodes RE1, RE2, and RE3 are used to reset the charges accumulated in the three charge accumulation portions 50151, 50152, and 50153, respectively.
  • a drain gate portion DX and a drain electrode DE are provided inside the charge transfer portion 5013. Accordingly, free electrons move from the photoelectric conversion unit 5011 to, for example, the charge storage unit 50151 through the photodiode region around the drain gate unit DX and the drain electrode DE.
  • FIG. 28 is a diagram showing a plurality of the pixels of FIG. 27 arranged on the surface.
  • the pixel shown in FIGS. 19 to 27 includes a plurality of photoelectric conversion units inside the periphery of the photodiode region and / or a plurality of charge storage units outside the periphery of the photodiode region.
  • An electron exclusion area is provided at the center.
  • the present invention can be applied to other configurations.
  • the present invention can be applied by replacing the electron exclusion region with a hole exclusion region.
  • the width of the passing region is determined so that the transfer time of the charge from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit is minimized.
  • a pixel having a minimum charge transfer time can be obtained.
  • the width of the passage region is determined so that the charge transfer time from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit is 10 microseconds or less.
  • a pixel having a charge transfer time of 10 microseconds or less can be obtained.
  • the electron exclusion region is a region other than the photodiode or a photodiode region with a low ion concentration.
  • the region other than the photodiode functions as an electron exclusion region.
  • the photodiode region having a low ion concentration has a high potential, electrons move around the region. Therefore, the photodiode region having a low ion concentration functions as an electron exclusion region.
  • At least one of the photoelectric conversion unit and the charge storage unit is plural.
  • a pixel having a plurality of photoelectric conversion units or a plurality of charge storage units and having a short charge transfer time can be obtained.
  • the photodiode region further includes a charge transfer unit that transfers electrons generated in the photoelectric conversion unit to the charge storage unit.
  • the width of the electron passage region in the photodiode region can be set to a value that realizes an appropriate charge transfer time.
  • the imaging control unit is configured to accumulate charges with different exposure times for the same imaging target in at least two of the plurality of charge accumulation units of each pixel. Has been.
  • the dynamic range of the dynamic range can be obtained by using, for at least two of the plurality of charge storage units of each pixel, outputs based on charges accumulated for different exposure times for the same imaging target.
  • a wide image can be formed.
  • the imaging apparatus further includes an illumination unit that is connected to the imaging control unit and illuminates the imaging target.
  • the imaging control unit controls the illuminating unit so that charges are accumulated under different illumination conditions for the same imaging target in at least two of the plurality of charge accumulation units of each pixel.
  • the imaging apparatus of the present embodiment it is possible to form an image with a wide dynamic range by using the outputs of a plurality of charge storage units stored under different illumination conditions for the same imaging target.
  • At least two charge storage capacities of the plurality of charge storage units of each pixel are different.
  • the output values (voltage values) of the plurality of charge storage units are different even when the exposure time and illumination conditions are the same for the same imaging target.
  • an image with a wide dynamic range can be formed.
  • the imaging apparatus further includes a difference output unit that reads out the difference between the outputs of the plurality of charge storage units of each pixel.
  • an image having a wide dynamic range can be formed by using the difference between the outputs of the plurality of charge storage units of each pixel.
  • charges are accumulated in different exposure times for the same imaging target in at least two of the plurality of charge accumulating portions of each pixel.
  • At least two of the plurality of charge storage portions of each pixel use the output by the charges stored for the same imaging target with different exposure times, thereby obtaining a dynamic range. Wide images can be formed.
  • At least two of the plurality of charge accumulation units of each pixel accumulate charges under the different illumination conditions for the same imaging target, and the plurality of each pixel
  • the difference in the outputs of the charge storage units is obtained, and an image is formed based on the difference between the pixels.
  • the image forming method of the present embodiment it is possible to form an image with a wide dynamic range by using the difference in the outputs of a plurality of charge storage units stored under different illumination conditions for the same imaging target. it can.
  • At least four of the plurality of charge storage portions of each pixel are charged with two or more illumination conditions and two or more exposure times for the same imaging target.
  • the difference between the outputs of the plurality of charge storage units of each pixel is obtained, and an image is formed based on the difference of each pixel.
  • an image with a wide dynamic range can be obtained by using the difference in the outputs of a plurality of charge storage units accumulated under the different illumination conditions and different exposure times for the same imaging target. Can be formed.
  • the time for accumulating charges in each of the plurality of charge accumulating units of each pixel is 100 microseconds or less, and the number of repetitions of the accumulation operation is 100 times or more. is there.
  • an image with a wide dynamic range of a moving object can be formed with sufficient accuracy from a practical viewpoint.

Abstract

　本発明による画素は、光を受けて電子を発生させる光電変換部を含むフォトダイオード領域と、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備えた画素である。該画素において、前記フォトダイオード領域の電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち、最大径を有する円の直径を前記フォトダイオード領域における電子の通過領域の幅として、前記フォトダイオード領域内に電子排除領域を設け、前記電子の通過領域の幅が、前記電子排除領域を設けない場合より小さくなるように構成している。

Description

画素、画素の製造方法、撮像装置および画像形成方法
　本発明は、電荷転送時間の短い画素、その画素の製造方法、ダイナミックレンジの広い画像を形成することのできる撮像装置および画像形成方法に関する。
　従来、画素のフォトダイオード領域の形状と電荷転送時間との関係は明らかではなかった。従来の画素は、たとえば、特許文献１に記載されている。
　また、従来、ダイナミックレンジの広い画像を形成する方法としては、半導体素子の非線形性を利用する方法（たとえば、特許文献２）や露光時間の異なる画像を合成する方法があった（たとえば、非特許文献１）。しかし、半導体素子の非線形性を利用する方法においては、上記の非線形性が温度の影響を受け、その補正が容易でない場合があった。また、露光時間の異なる画像を合成する方法においては、異なった時点において採取した画像を合成するため、動きのある対象の画像を高精度で形成するのが困難であった。
　このように従来において、電荷転送時間を短くするようにフォトダイオード領域の形状を定めた画素は開発されていなかった。また、動きのある対象のダイナミックレンジの広い画像を高精度で形成することのできる撮像装置および画像形成方法は開発されていなかった。
特開平２－３０４９７４号公報 特開２００７－１５８５４７号公報
Mitsuhito Mase et. Al.,"A Wide Dynamic Range CMOS Image Sensor With Multiple Exposure-Time Signal Outputs and 12-bit Column-Parallel Cyclic A/D Converters", IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 40, NO. 12, pp. 2787-2795, DECEMBER 2005
　したがって、電荷転送時間を短くするようにフォトダイオード領域の形状を定めた画素に対するニーズがある。また、動きのある対象のダイナミックレンジの広い画像を高精度で形成することのできる撮像装置および画像形成方法に対するニーズがある。
　本発明による画素は、光を受けて電子を発生させる光電変換部を含むフォトダイオード領域と、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備えた画素である。該画素において、前記フォトダイオード領域の電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち、最大径を有する円の直径を前記フォトダイオード領域における電子の通過領域の幅として、前記フォトダイオード領域内に電子排除領域を設け、前記電子の通過領域の幅が、前記電子排除領域を設けない場合より小さくなるように構成している。
　本発明による画素においては、フォトダイオード領域に電子排除領域を設けることにより、フォトダイオード領域における電子の通過領域の幅をより小さくし、適切な電荷転送時間を実現することができる。
　本発明による画素の製造方法は、光を受けて電子を発生させる光電変換部を含むフォトダイオード領域と、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備え、前記フォトダイオード領域内に電子排除領域を設けた、画素の製造方法である。本発明による画素の製造方法は、前記フォトダイオード領域の電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち、最大径を有する円の直径を前記フォトダイオード領域における電子の通過領域の幅として、電子の通過領域の幅の複数の値を定めるステップと、フォトダイオード領域及び電子排除領域の形状を調整して、電子の通過領域の幅の前記複数の値を有する複数の画素の形状を定めるステップと、前記複数の値を有する前記複数の画素の電荷転送時間を測定または推定するステップと、前記複数の画素のうち、最小の転送時間を示す画素を選択するステップと、含む。
　本発明による画素の製造方法においては、フォトダイオード領域及び電子排除領域の形状を調整して、電子の通過領域の幅の値を変化させた素子の電荷転送時間を求め、最小の電荷転送時間を有する画素を選択することにより、最小の電荷転送時間を有する画素を製造することができる。
　本発明による撮像装置は、光電変換部と、複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部のそれぞれに電荷を供給する複数のゲートと、を備えた感光部を含む画素と、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部のそれぞれにそれぞれの露光時間で順次電荷を蓄積する動作を繰り返すように、前記複数のゲートを制御する撮像制御部と、を備える。前記撮像制御部は、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個に、同じ撮像対象に対して蓄積された電荷による出力が異なるように、前記複数のゲートを制御する。
　本発明による画像形成方法は、光電変換部と、独立に機能する複数の電荷蓄積部と、を備えた画素からなる撮像手段による画像形成方法である。本方法において、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の少なくとも２個に対して、同じ撮像対象によって蓄積される電荷による出力が異なるように順次電荷を蓄積し、順次電荷を蓄積する動作を繰り返した後、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力に基づいて画像を形成する。
　本発明によれば、同じ撮像対象に対して電荷による出力が異なるように、それぞれの画素の複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷による出力を利用することにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。また、本発明によれば、それぞれの画素の複数の電荷蓄積部のそれぞれにそれぞれの露光時間で順次電荷を蓄積する動作を繰り返すことによって電荷による出力を求めるので、動きのある対象の画像を高精度で形成することができる。
本発明の第１の実施形態による撮像装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態による画素ユニットのアレイの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態による画素ユニットの感光部の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態による画素ユニットの感光部の機能を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態による撮像装置の撮像制御部の一般的な処理を示す流れ図である。 第１例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。 第１例による出力処理（図５のステップＳ５０９０）を示す流れ図である。 第２例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。 第２例による出力処理（図５のステップＳ５０９０）を示す流れ図である。 第３例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。 第４例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。 第５例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。 第３乃至第５例による出力処理（図５のステップＳ５０９０）を示す流れ図である。 本発明の第２の実施形態による撮像装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態による画素ユニットの感光部の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態による画素ユニットの感光部の機能を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態による撮像装置の撮像制御部の一般的な処理を示す流れ図である。 一例による第１乃至第２露光処理（図１７のステップＳ１７０２０乃至Ｓ１７０３０）および出力処理（図１７のステップＳ１７０６０乃至Ｓ１７０９０）を示すタイムチャートである。 図３に示した画素をさらに説明するための図である。 図３に示した画素の構成を詳細に説明するための図である。 Ｐ型ウェル層を電子排除領域とした画素の構成を示す図である。 電荷蓄積部及び振り分けゲート部を電子排除領域とした画素の構成を示す図である。 イオン濃度を低くして電子が存在しにくくしたフォトダイオード領域を電子排除領域とした画素の構成を示す図である。 電荷転送部を備えていない画素の構成を示す図である。 電荷転送部を備えていない画素のポテンシャルを概念的に示す図である。 中央に電荷蓄積部を備えた画素の構成を示す図である。 ３個の光電変換部と３個の電荷蓄積部を備えた画素の構成を示す図である。 面上に配置した、複数個の図２７の画素を示す図である。 電荷転送部の内部にドレインゲート部及びドレイン電極を設けた場合と設けない場合について、電荷の未転送率と時間との関係を示す図である。 最小の電荷転送時間を有する画素の製造方法を示す流れ図である。
　図１は、本発明の第１の実施形態による撮像装置の構成を示す図である。撮像装置は、感光部１０１を含む画素ユニット１００と、差出力部１０３と、撮像制御部１０５と、照明手段１０７と、を含む。撮像制御部１０５は、画素ユニット１００の感光部１０１が異なる照明条件で複数の出力を形成するように画素ユニット１００の感光部１０１および照明手段１０７を制御する。画素ユニット１００の感光部１０１は、異なる照明条件で複数の出力を形成し、差出力部１０３は、上記の複数の出力の差からダイナミックレンジの広い画像を形成する。撮像装置の各要素の構成および機能の詳細については後で説明する。
　図２は、本実施形態による画素ユニット１００のアレイの構成を示す図である。従来の画素アレイと同様に、画素ユニット１００のアレイの出力は、垂直走査回路１１１および水平走査回路１１３によって走査され、読み出し回路１１５によって順次読み出される。差出力部１０３は、読み出し回路１１５に含まれ、それぞれの画素ユニット１００の複数の出力の差からダイナミックレンジの広い画像を形成する。
　図３は、本実施形態による画素ユニット１００の感光部１０１の構成を示す図である。感光部１０１は、ドレイン電極ＤＥと、ドレインゲート部ＤＸと、光電変換部１０１１と、電荷転送部１０１３と、４個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４と、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４と、４個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３およびＲＸ４と、４個のリセット電極ＲＥ１、ＲＥ２、ＲＥ３およびＲＥ４とを備える。
　光電変換部１０１１によって発生された電荷は、電荷転送部１０１３に集積される。電荷転送部１０１３に集積された電荷は、４個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４によって、それぞれ、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４のいずれかに振り分けられる。ここで、図３に図示しない撮像制御部１０５は、同じ撮像対象に対して異なる条件（露光時間、照明条件など）で電荷転送部１０１３に集積された電荷が、それぞれ、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４のいずれかに振り分けられるように、図３に図示しない照明手段１０７および４個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４の動作を制御する。上記の処理の詳細については後で説明する。４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４に蓄積された電荷の差が、読み出し回路１１５の差出力部１０３によって読み出される。４個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３およびＲＸ４と、４個のリセット電極ＲＥ１、ＲＥ２、ＲＥ３およびＲＥ４は、それぞれ、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４に蓄積された電荷をリセットするために使用される。図３に図示しない撮像制御部１０５は、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４に蓄積された電荷をリセットする際に、それぞれ、４個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３およびＲＸ４を動作させる。
　図４は、本実施形態による画素ユニット１００の感光部１０１の機能を示す回路図である。４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４は、それぞれ、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４として表現される。本実施形態において、撮像制御部１０５は、異なる条件（露光時間、照明条件など）で電荷が電荷転送部１０１３に集積され、それぞれ、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４に蓄積されるように、振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４の動作を制御すると共に、この動作を繰り返す。したがって、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４には、異なる条件（露光時間、照明条件など）で集積された電荷が繰り返しによって積分される。
　図５は、本実施形態による撮像装置の撮像制御部１０５の一般的な処理を示す流れ図である。
　図５のステップＳ５０１０において、撮像制御部１０５は、４個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３およびＲＸ４を動作させることによって、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４に蓄積された電荷をリセットする。
　図５のステップＳ５０２０において、撮像制御部１０５は、繰り返し動作の数をカウントするカウンターを０に設定する。
　図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０において、撮像制御部１０５は、感光部１０１が、それぞれ、第１乃至第４露光処理を行うように感光部１０１を制御する。第１乃至第４露光処理の詳細は後で説明する。第１乃至第４露光処理によって電荷転送部１０１３に集積された電荷は、それぞれ、振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸによって、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４に蓄積される。
　図５のステップＳ５０７０において、撮像制御部１０５は、カウンターの数を１増加させる。
　図５のステップＳ５０８０において、撮像制御部１０５は、カウンターの数がｎ未満であるかどうか判断する。カウンターの数がｎ未満であれば、ステップＳ５０３０に戻り、第１乃至第４露光処理が繰り返される。カウンターの数がｎ以上であれば、ステップＳ５０９０に進む。
　図５のステップＳ５０９０において、撮像制御部１０５は、感光部１０１および差出力部１０３が出力処理を行うように制御する。
　露光処理および出力処理の詳細を、第１乃至第５例として以下に説明する。
　図６は、第１例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。第１および第２露光処理の露光時間は比較的長く、第３および第４露光処理の露光時間は比較的短い。また、第１および第３露光処理の露光時間においては、照明手段１０７により撮像対象の照明が行われる。第１露光処理により、照明された撮像対象に対して比較的長い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部ＴＸ１によってキャパシタＣ１に蓄積される。第２露光処理により、照明されていな撮像対象に対して比較的長い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部ＴＸ２によってキャパシタＣ２に蓄積される。第３露光処理により、照明された撮像対象に対して比較的短い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部ＴＸ３によってキャパシタＣ３に蓄積される。第４露光処理により、照明されていない撮像対象に対して比較的短い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部ＴＸ４によってキャパシタＣ４に蓄積される。このように、第１乃至第４露光処理により、異なる条件で集積された電荷が、キャパシタＣ１乃至Ｃ４に蓄積される。第１乃至第４露光処理は、ｎ回繰り返される。
　一例として、第１および第２露光処理の露光時間は３０マイクロ秒であり、第３および第４露光処理の露光時間は１０マイクロ秒である。また、繰り返し回数は１０００回である。この場合に、第１乃至第４露光処理の周期は、８０マイクロ秒である。一方、第１および第２露光処理の全露光時間は３０ミリ秒であり、第３および第４露光処理の全露光時間は１０ミリ秒である。したがって、繰り返し処理を行わずに露光処理を行う場合には、第１乃至第４露光処理の周期は、８０ミリ秒である。繰り返し処理を行わないと、それぞれの露光処理を行う時点の時間差が大きいので、撮像対象の動きの影響を受けやすい。しかし、本実施形態によれば、短い周期で第１乃至第４露光処理を繰り返し、キャパシタＣ１乃至Ｃ４によって電荷を積分することにより、動きのある撮像対象であっても動きの影響を受けずにダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　動きのある撮像対象のダイナミックレンジの広い画像を形成するには、実用的な観点から、第１乃至第４露光処理の露光時間は１０乃至１００マイクロ秒であり、繰り返し回数は１００回乃至１０００回であるのが好ましい。
　図７は、第１例による出力処理（図５のステップＳ５０９０）を示す流れ図である。
　図７のステップＳ７０１０において、差出力部１０３が、第１露光値と第２露光値との差を求め差１とする。ここで、第１乃至第４露光値とは、第１乃至第４露光処理により、それぞれ、キャパシタＣ１乃至Ｃ４に蓄積された電荷の積分値である。
　図７のステップＳ７０２０において、差出力部１０３が、第３露光値と第４露光値との差を求め差２とする。
　図７のステップＳ７０３０において、差出力部１０３が、感光部１０１の飽和値と第１露光値とを比較する。第１露光値が飽和値よりも大きければ、ステップＳ７０６０に進む。第１露光値が飽和値以下であれば、ステップＳ７０４０に進む。
　図７のステップＳ７０４０において、差出力部１０３が、感光部１０１の飽和値と第２露光値とを比較する。第２露光値が飽和値よりも大きければ、ステップＳ７０６０に進む。第２露光値が飽和値以下であれば、ステップＳ７０５０に進む。
　図７のステップＳ７０５０において、差出力部１０３が、差１を画素ユニット１００の出力として読み出す。
　図７のステップＳ７０６０において、差出力部１０３が、差２を画素ユニット１００の出力として読み出す。
　上記のように、第１乃至第４露光値の大きさによって画素ユニット１００の出力を変えることにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　図８は、第２例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。第１および第３露光処理の露光時間は比較的長く、第２および第４露光処理の露光時間は比較的短い。また、第１および第２露光処理の露光時間においては、照明手段１０７により撮像対象の照明が行われる。第１露光処理により、照明された撮像対象に対して比較的長い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部ＴＸ１によってキャパシタＣ１に蓄積される。第２露光処理により、照明された撮像対象に対して比較的短い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部ＴＸ２によってキャパシタＣ２に蓄積される。第３露光処理により、照明されていない撮像対象に対して比較的長い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部ＴＸ３によってキャパシタＣ３に蓄積される。第４露光処理により、照明されていない撮像対象に対して比較的短い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部ＴＸ４によってキャパシタＣ４に蓄積される。このように、第１乃至第４露光処理により、異なる条件で集積された電荷が、キャパシタＣ１乃至Ｃ４に蓄積される。第１乃至第４露光処理は、ｎ回繰り返される。
　一例として、第１および第３露光処理の露光時間は３０マイクロ秒であり、第２および第４露光処理の露光時間は１０マイクロ秒である。また、繰り返し回数は１０００回である。この場合に、第１乃至第４露光処理の周期は、８０マイクロ秒である。一方、第１および第２露光処理の全露光時間は３０ミリ秒であり、第３および第４露光処理の全露光時間は１０ミリ秒である。したがって、繰り返し処理を行わずに露光処理を行う場合には、第１乃至第４露光処理の周期は、８０ミリ秒である。繰り返し処理を行わないと、それぞれの露光処理を行う時点の時間差が大きいので、撮像対象の動きの影響を受けやすい。しかし、本実施形態によれば、短い周期で第１乃至第４露光処理を繰り返し、キャパシタＣ１乃至Ｃ４によって電荷を積分することにより、動きのある撮像対象であっても動きの影響を受けずにダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　図６に示した第１例のタイムチャートと比較すると、本例においては、照明手段１０７の点滅回数を減らすことができる。
　図９は、第２例による出力処理（図５のステップＳ５０９０）を示す流れ図である。
　図９のステップＳ９０１０において、差出力部１０３が、第１露光値と第３露光値との差を求め差１とする。ここで、第１乃至第４露光値とは、第１乃至第４露光処理により、それぞれ、キャパシタＣ１乃至Ｃ４に蓄積された電荷の積分値である。
　図９のステップＳ９０２０において、差出力部１０３が、第２露光値と第４露光値との差を求め差２とする。
　図９のステップＳ９０３０において、差出力部１０３が、感光部１０１の飽和値と第１露光値とを比較する。第１露光値が飽和値よりも大きければ、ステップＳ９０６０に進む。第１露光値が飽和値以下であれば、ステップＳ９０４０に進む。
　図９のステップＳ９０４０において、差出力部１０３が、感光部１０１の飽和値と第３露光値とを比較する。第３露光値が飽和値よりも大きければ、ステップＳ９０６０に進む。第３露光値が飽和値以下であれば、ステップＳ９０５０に進む。
　図９のステップＳ９０５０において、差出力部１０３が、差１を画素ユニット１００の出力として読み出す。
　図９のステップＳ９０６０において、差出力部１０３が、差２を画素ユニット１００の出力として読み出す。
　上記のように、第１乃至第４露光値の大きさによって画素ユニット１００の出力を変えることにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　図１０は、第３例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。本例において、第１乃至第４露光処理の露光時間は等しいが、第１乃至第４露光処理の露光時間における照明条件が異なる。具体的には、撮像制御部１０５が、照明強度を変えるように照明手段１０７を制御する。第２乃至第４露光処理の露光時間においては、照明手段１０７により撮像対象の照明が行われる。第２露光処理の露光時間における照明強度が最も大きく、つぎに第３露光処理の露光時間における照明強度が大きく、第４露光処理の露光時間における照明強度は、第２および第３露光処理の露光時間における照明強度よりも小さい。第１露光処理の露光時間において撮像対象は照明されない。すなわち、第１露光処理の露光時間における照明強度は０である。このように、第１乃至第４露光処理により、異なる照明条件で集積された電荷が、キャパシタＣ１乃至Ｃ４に蓄積される。第１乃至第４露光処理は、ｎ回繰り返される。
　図１１は、第４例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。本例において、第１乃至第４露光処理の露光時間は等しいが、第１乃至第４露光処理の露光時間における照明条件が異なる。具体的には、撮像制御部１０５が、照明強度を一定として照明時間を定めるパルス幅を変えるように照明手段１０７を制御する。第２乃至第４露光処理の露光時間においては、照明手段１０７により撮像対象の照明が行われる。第２露光処理の露光時間における照明時間（照明時間を定めるパルス幅）が最も大きく、つぎに第３露光処理の露光時間における照明時間が大きく、第４露光処理の露光時間における照明時間は、第２および第３露光処理の露光時間における照明時間よりも小さい。第１露光処理の露光時間において撮像対象は照明されない。すなわち、第１露光処理の露光時間における照明時間は０である。このように、第１乃至第４露光処理により、異なる照明条件で集積された電荷が、キャパシタＣ１乃至Ｃ４に蓄積される。第１乃至第４露光処理は、ｎ回繰り返される。
　図１２は、第５例による第１乃至第４露光処理（図５のステップＳ５０３０乃至Ｓ５０６０）を示すタイムチャートである。本例において、第１乃至第４露光処理の露光時間は等しいが、第１乃至第４露光処理の露光時間における照明条件が異なる。具体的には、撮像制御部１０５が、照明強度および照明時間を定めるパルス幅を一定として該パルス数を変えるように照明手段１０７を制御する。第２乃至第４露光処理の露光時間においては、照明手段１０７により撮像対象の照明が行われる。第２露光処理の露光時間における照明時間（照明時間を定めるパルスの数）が最も大きく、つぎに第３露光処理の露光時間における照明時間が大きく、第４露光処理の露光時間における照明時間は、第２および第３露光処理の露光時間における照明時間よりも小さい。第１露光処理の露光時間において撮像対象は照明されない。すなわち、第１露光処理の露光時間における照明時間は０である。このように、第１乃至第４露光処理により、異なる照明条件で集積された電荷が、キャパシタＣ１乃至Ｃ４に蓄積される。第１乃至第４露光処理は、ｎ回繰り返される。
　第３乃至第５例において、一例として、第１乃至第２露光処理の露光時間は３０マイクロ秒である。また、繰り返し回数は１０００回である。この場合に、第１乃至第４露光処理の周期は、１２０マイクロ秒である。したがって、繰り返し処理を行わずに露光処理を行う場合には、第１乃至第４露光処理の周期は、１２０ミリ秒である。繰り返し処理を行わないと、それぞれの露光処理を行う時点の時間差が大きいので、撮像対象の動きの影響を受けやすい。しかし、本実施形態によれば、短い周期で第１乃至第４露光処理を繰り返し、キャパシタＣ１乃至Ｃ４によって電荷を積分することにより、動きのある撮像対象であっても動きの影響を受けずにダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　図１３は、第３乃至第５例による出力処理（図５のステップＳ５０９０）を示す流れ図である。
　図１３のステップＳ１３０１０において、差出力部１０３が、第２露光値と第１露光値との差を求め差１とする。ここで、第１乃至第４露光値とは、第１乃至第４露光処理により、それぞれ、キャパシタＣ１乃至Ｃ４に蓄積された電荷の積分値である。
　図１３のステップＳ１３０２０において、差出力部１０３が、第３露光値と第１露光値との差を求め差２とする。
　図１３のステップＳ１３０３０において、差出力部１０３が、第４露光値と第１露光値との差を求め差３とする。
　図１３のステップＳ１３０４０において、差出力部１０３が、感光部１０１の飽和値と第２露光値を比較する。第２露光値が飽和値よりも小さければ、ステップＳ１３０８０に進む。第２露光値が飽和値以上であれば、ステップＳ１３０５０に進む。
　図１３のステップＳ１３０５０において、差出力部１０３が、感光部１０１の飽和値と第３露光値とを比較する。第３露光値が飽和値よりも小さければ、ステップＳ１３０７０に進む。第２露光値が飽和値以上であれば、ステップＳ１３０６０に進む。
　図１３のステップＳ１３０６０において、差出力部１０３が、差３を画素ユニット１００の出力として読み出す。
　図１３のステップＳ１３０７０において、差出力部１０３が、差２を画素ユニット１００の出力として読み出す。
　図１３のステップＳ１３０８０において、差出力部１０３が、差１を画素ユニット１００の出力として読み出す。
　上記のように、第１乃至第４露光値の大きさによって画素ユニット１００の出力を変えることにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　上記の第１乃至第５例においては、露光時間や照明強度を変えることによって露光値（キャパシタの電圧値）を変えているが、キャパシタの電荷蓄積容量を変えることによってキャパシタの電圧値（出力）を変えてもよい。
　図１４は、本発明の第２の実施形態による撮像装置の構成を示す図である。撮像装置は、感光部２０１を含む画素ユニット２００と、合成部２０３と、撮像制御部２０５と、を含む。撮像制御部２０５は、画素ユニット２００の感光部２０１が異なる条件で複数の出力を形成するように画素ユニット２００の感光部２０１を制御する。画素ユニット２００の感光部２０１は、異なる条件で複数の出力を形成し、合成部２０３は、上記の複数の出力から画素ユニット２００の適正な出力を選択し合成画像を形成する。このようにして、画素ユニット２００の出力からダイナミックレンジの広い画像が形成される。撮像装置の各要素の構成および機能の詳細については後で説明する。
　図２は、本実施形態による画素ユニット２００のアレイの構成を示す図である。従来の画素アレイと同様に、画素ユニット１００のアレイの出力は、垂直走査回路１１１および水平走査回路１１３によって走査され、読み出し回路１１５によって順次読み出される。合成部２０３は、読み出し回路１１５に含まれ、それぞれの画素ユニット１００の複数の出力を選択し、合成してダイナミックレンジの広い画像を形成する。
　図１５は、本実施形態による画素ユニット２００の感光部２０１の構成を示す図である。感光部２０１は、光電変換部２０１１と、電荷集積部２０１３と、２個の振り分けゲート部Ｔｘ１およびＴｘ２と、２個の電荷蓄積部２０１５１および２０１５２と、２個の読み出し転送ゲート部Ｔｘ３およびＴｘ４と、読み出し電荷蓄積部２０１７と、リセットゲート部ＲＸと、電極ＲＥとを備える。図１５は、Ａ－Ａ’の断面図も示している。
　光電変換部２０１１によって発生された電荷は、電荷集積部２０１３に集積され、２個の振り分けゲート部Ｔｘ１またはＴｘ２によって、２個の電荷蓄積部２０１５１または２０１５２に振り分けられる。ここで、図１５に図示しない撮像制御部２０５は、同じ撮像対象に対して異なる条件（露光時間など）で電荷が電荷集積部２０１３に集積され、２個の電荷蓄積部２０１５１および２０１５２に振り分けられるように、２個の振り分けゲート部Ｔｘ１およびＴｘ２の動作を制御する。上記の処理の詳細については後で説明する。２個の電荷蓄積部２０１５１および２０１５２に蓄積された電荷は、それぞれ、２個の読み出し転送ゲート部Ｔｘ３およびＴｘ４によって読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積される。読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷は、読み出しゲートＴによって読み出される。リセットゲート部ＲＸと、電極ＲＥは、読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷をリセットするために使用される。図１５に図示しない撮像制御部１０５は、読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷をリセットする際に、リセットゲート部ＲＸを動作させる。本実施形態において、読み出し部を共通にすることで、アンプの性能差の補正が不要となる。
　図１６は、本実施形態による画素ユニット２００の感光部２０１の機能を示す回路図である。２個の電荷蓄積部２０１５１および２０１５２は、それぞれ、キャパシタＣ１およびＣ２として表現される。本実施形態において、撮像制御部２０５は、異なる条件（露光時間など）で電荷が電荷集積部２０１３に集積され、それぞれ、キャパシタＣ１およびＣ２に蓄積されるように、振り分けゲート部Ｔｘ１およびＴｘ２の動作を制御すると共に、この動作を繰り返す。したがって、キャパシタＣ１およびＣ２には、異なる条件（露光時間など）で蓄積された電荷が繰り返しによって積分される。キャパシタＣ１およびＣ２に蓄積された電荷は、読み出し転送ゲート部Ｔｘ３および読み出しゲートＴまたは読み出し転送ゲート部Ｔｘ４および読み出しゲートＴによって読み出される。
　図１７は、本実施形態による撮像装置の撮像制御部２０５の一般的な処理を示す流れ図である。
　図１７のステップＳ１７０１０において、撮像制御部２０５は、繰り返し動作の数をカウントするカウンターを０に設定する。
　図１７のステップＳ１７０２０乃至Ｓ１７０３０において、撮像制御部２０５は、感光部２０１が、それぞれ、第１乃至第２露光処理を行うように制御する。第１乃至第２露光処理の詳細は後で説明する。第１乃至第２露光処理によって電荷集積部２０１３に集積された電荷は、振り分けゲート部Ｔｘ１およびＴｘ２によって、キャパシタＣ１およびＣ１に蓄積される。
　図１７のステップＳ１７０４０において、撮像制御部２０５は、カウンターの数を１増加させる。
　図１７のステップＳ１７０５０において、撮像制御部２０５は、カウンターの数がｎ未満であるかどうか判断する。カウンターの数がｎ未満であれば、ステップＳ１７０２０に戻り、第１乃至第２露光処理が繰り返される。カウンターの数がｎ以上であれば、ステップＳ１７０６０に進む。
　図１７のステップＳ１７０６０において、撮像制御部２０５は、リセットゲート部ＲＸを動作させることによって、読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷をリセットする。
　図１７のステップＳ１７０７０において、撮像制御部２０５は、電荷蓄積部２０１５１に蓄積された電荷を、読み出し転送ゲート部Ｔｘ３によって読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積させる。読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷は、読み出しゲートＴによって読み出される。
　図１７のステップＳ１７０８０において、撮像制御部２０５は、リセットゲート部ＲＸを動作させることによって、読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷をリセットする。
　図１７のステップＳ１７０９０において、撮像制御部２０５は、電荷蓄積部２０１５１に蓄積された電荷を、読み出し転送ゲート部Ｔｘ４によって読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積させる。読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷は、読み出しゲートＴによって読み出される。
　露光処理および出力処理の詳細を、例として以下に説明する。
　図１８は、一例による第１乃至第２露光処理（図１７のステップＳ１７０２０乃至Ｓ１７０３０）および出力処理（図１７のステップＳ１７０６０乃至Ｓ１７０９０）を示すタイムチャートである。第１露光処理の露光時間は比較的長く、第２露光処理の露光時間は比較的短い。第１露光処理により、比較的長い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部Ｔｘ１によってキャパシタＣ１に蓄積される。第２露光処理により、比較的長い露光時間で集積された電荷が、振り分けゲート部Ｔｘ２によってキャパシタＣ２に蓄積される。このように、第１乃至第２露光処理により、異なる条件で集積された電荷が、キャパシタＣ１乃至Ｃ２に蓄積される。第１乃至第２露光処理は、ｎ回繰り返される。
　一例として、第１露光処理の露光時間は３０マイクロ秒であり、第２露光処理の露光時間は１０マイクロ秒である。また、繰り返し回数は１０００回である。この場合に、第１乃至第２露光処理の周期は、４０マイクロ秒である。一方、第１露光処理の全露光時間は３０ミリ秒であり、第２露光処理の全露光時間は１０ミリ秒である。したがって、繰り返し処理を行わずに露光処理を行う場合には、第１乃至第２露光処理の周期は、４０ミリ秒である。繰り返し処理を行わないと、それぞれの露光処理を行う時点の時間差が大きいので、撮像対象の動きの影響を受けやすい。しかし、本実施形態によれば、短い周期で第１乃至第２露光処理を繰り返し、キャパシタＣ１乃至Ｃ２によって電荷を積分することにより、動きのある撮像対象であっても動きの影響を受けずにダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　撮像制御部２０５は、リセットゲート部ＲＸにリセットパルスを送り、リセットゲート部ＲＸを動作させることによって、読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷をリセットする。
　撮像制御部２０５は、読み出し転送ゲート部Ｔｘ３に電荷転送パルスを送り、読み出し転送ゲート部Ｔｘ３を動作させることによって電荷蓄積部２０１５１に蓄積された電荷を、読み出し電荷蓄積部２０１７に転送し、読み出しゲートＴによって読み出させる。
　撮像制御部２０５は、リセットゲート部ＲＸにリセットパルスを送り、リセットゲート部ＲＸを動作させることによって、読み出し電荷蓄積部２０１７に蓄積された電荷をリセットする。
　撮像制御部２０５は、読み出し転送ゲート部Ｔｘ４に電荷転送パルスを送り、読み出し転送ゲート部Ｔｘ４を動作させることによって電荷蓄積部２０１５２に蓄積された電荷を、読み出し電荷蓄積部２０１７に転送し、読み出しゲートＴによって読み出させる。
　合成部２０３は、読み出しゲートＴによって読み出された第１露光処理の出力値と第２露光処理の出力値から適正な露光条件の出力を選択し、合成画像を形成する。
　ここで、画素についてさらに詳細に説明する。
　図１９は、図３に示した画素をさらに説明するための図である。図１９（ｂ）及び（ｃ）に示すように、画素の感光部は、４個の光電変換部１０１１用に４個のマイクロレンズレンズ１５１を備える。なお、以下において画素の感光部を単に画素と呼称する。図１９（ａ）は、図１９（ｂ）及び（ｃ）におけるＡ－Ａ’断面を示す図である。画素の面の内、光電変換部１０１１以外の領域は、遮光膜１５３で覆われている。
　図２０は、図３に示した画素の構成を詳細に説明するための図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）におけるＡ－Ａ’断面を示す図である。画素の一辺の長さは１２マイクロメータである。
　画素は、ドレイン電極ＤＥと、ドレインゲート部ＤＸと、４個の光電変換部１０１１と、電荷転送部１０１３と、４個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４と、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４と、４個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３およびＲＸ４と、４個のリセット電極ＲＥ１、ＲＥ２、ＲＥ３およびＲＥ４と、を備える。図２０においては、断面図に対応する部分にのみ符号を付した。
　図２０（ｂ）に示すように、光電変換部１０１１及び電荷転送部１０１３は、フォトダイオード領域である。光電変換部１０１１以外の領域は、遮光膜１５３によって覆われている。光電変換部１０１１に光が入射すると、自由電子及び自由ホールのペアが発生する。光電変換部及び電荷転送部を備えた従来の画素は、たとえば、特開平２－３０４９７４号公報に記載されている。
　光電変換部１０１１によって発生された自由電子、すなわち、電荷は、電荷転送部１０１３に集積される。電荷転送部１０１３に集積された電荷は、４個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４によって、それぞれ、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４のいずれかに振り分けられる。４個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３およびＲＸ４と、４個のリセット電極ＲＥ１、ＲＥ２、ＲＥ３およびＲＥ４は、それぞれ、４個の電荷蓄積部１０１５１、１０１５２、１０１５３および１０１５４に蓄積された電荷をリセットするために使用される。
　図２０（ａ）に示すように、電荷転送部１０１３の内部にはドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥが設けられている。したがって、自由電子は、ドレインゲート部ＤＸの周囲のフォトダイオード領域を通過して光電変換部１０１１から、たとえば、電荷蓄積部１０１５２まで移動する。
　ここで、フォトダイオード領域の自由電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち最大径を有する円の直径をフォトダイオード領域における自由電子の通過領域の幅と定義する。図２０（ａ）に示すドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを設けた画素の、フォトダイオード領域の自由電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち最大径を有する円はＢであり、フォトダイオード領域における自由電子の通過領域の幅は、約１．９マイクロメータである。図２０（ａ）に示す画素からドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを取り除いた画素の、フォトダイオード領域の自由電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち最大径を有する円はＣであり、フォトダイオード領域における自由電子の通過領域の幅は、約５．０マイクロメータである。
　ここで、光電変換部１０１１から電荷蓄積部１０１５２までの電荷転送時間について考察する。パルス光を照射した後、振り分けゲートＴＸ２を十分長い時間（たとえば、４００マイクロ秒）開いたときに電荷蓄積部１０１５２に蓄積される電荷量をＥとする。振り分けゲートＴＸ２を開く時間を短くした場合に電荷蓄積部１０１５２に蓄積される電荷量をｅｔとして、電荷の未転送率を
　未転送率=（（Ｅ－ｅｔ）／Ｅ）ｘ１００（％）
によって定義する。
　図２９は、電荷転送部１０１３の内部にドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを設けた場合と設けない場合について、電荷の未転送率と時間との関係を示す図である。図２９の横軸は、時間を対数目盛で示す。図２９の縦軸は、未転送率を対数目盛で示す。図２９において、実線は、電荷転送部１０１３の内部にドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを設けない場合を示し、点線は、電荷転送部１０１３の内部にドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを設けた場合を示す。ドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを設けない場合に、未転送率１％に達するのに要する電荷転送時間は、６００マイクロ秒であるのに対し、ドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを設けた場合に、未転送率１％に達するのに要する電荷転送時間は、６マイクロ秒である。このように、未転送率１％に達するのに要する電荷転送時間で比較すると、ドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを設けた場合の電荷転送時間は、ドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを設けない場合の転送時間の１００分の１となる。
　ドレインゲート部ＤＸ及びドレイン電極ＤＥを、電子が存在しにくいか存在することができない領域に置き換えても同様の効果が得られる。このような電子が存在しにくいか存在することができない領域を、本明細書及び請求の範囲において電子排除領域と呼称する。
　上記のように、電荷転送時間は、自由電子の通過領域の幅の関数となり、自由電子の通過領域の幅を小さくすると電荷転送時間は短くなる。しかし、自由電子の通過領域の幅が小さすぎると、通過領域のポテンシャルが高くなり、自由電子が通過しにくくなり、電荷の転送時間が長くなる。
　したがって、フォトダイオード領域および電子排除領域の形状を変えて自由電子通過領域の幅を変えることにより、電荷転送時間を最小とすることができる。一般的に、画素のサイズを考慮すると、自由電子通過領域の幅は、０．５マイクロメータから５マイクロメータの範囲で定めるのが好ましい。特に、１マイクロメータから２マイクロメータの範囲が好ましい。従来技術の同タイプの画素の電荷転送時間は、数百マイクロ秒である。本発明の実施形態の画素において、自由電子通過領域の幅を上記の範囲の適切な値とすることにより、電荷転送時間を１０マイクロ秒以下にすることができる。
　ここで留意すべき点は、従来、フォトダイオード領域に電子排除領域のような電子の障害物を設けることは電子の転送時間を長くすると考えられていたことである。したがって、フォトダイオード領域に電子排除領域を設け、フォトダイオード領域および電子排除領域の形状を変えて自由電子通過領域の幅を変えることにより、電荷転送時間を最小とすることができること及び自由電子通過領域の幅をこのような範囲の適切な値とすることにより、電荷転送時間を１０マイクロ秒以下にすることができることは、本願発明者によって見出された全く新しい知見である。
　図３０は、最小の電荷転送時間を有する画素の製造方法を示す流れ図である。
　図３０のステップＳ０１０において、自由電子通過領域の幅の複数の目標値を仮に定める。
　図３０のステップＳ０２０において、自由電子通過領域の幅の複数の目標値を実現するように、複数の画素のフォトダイオード領域および電子排除領域の形状を定める。
　図３０のステップＳ０３０において、上記の複数の画素を作成し電荷転送時間を測定する。あるいは、シミュレーションによって上記の複数の画素の電荷転送時間を推定してもよい。
　図３０のステップＳ０４０において、上記の複数の画素のうち、最小の電荷転送時間を有する画素を選択する。
　図３０のステップＳ０５０において、自由電子通過領域の幅の複数の値と対応する複数の電荷転送時間との関係から、さらに電荷転送時間を小さくすることができるかどうか判断する。たとえば、上記の複数の画素のデータにおいて、自由電子通過領域の幅が増加するにしたがって、電荷転送時間が単調に増加または減少していれば、自由電子通過領域の幅をさらに小さくするかまたはさらに大きくすることによりさらに電荷転送時間を小さくすることができると判断することができる。さらに電荷転送時間を小さくすることができると判断すれば、ステップＳ０６０に進む。さらに電荷転送時間を小さくすることができないと判断すれば処理を終了する。
　図３０のステップＳ０６０において、最小の電荷転送時間を有する画素の自由電子通過領域の幅の値の付近で複数の目標値を定め、ステップＳ０２０に戻る。
　上記のステップＳ０１０乃至Ｓ０６０は、たとえば、フォトダイオード領域の形状、サイズ、電子排除領域の位置、形状、サイズのうちのいずれかを固定して実行してもよい。
　具体的に、光電変換部又は電荷蓄積部の数をｎ（ｎは、ｎ≧３である整数）として、ｎ個の光電変換部又は電荷蓄積部が正ｎ角形の頂点の位置に配置され、その間がフォトダイオード領域で接続されるようにフォトダイオード領域の形状を定めてもよい。さらに、ｎが偶数であれば、面上にＸＹ直交座標を定め、フォトダイオード領域の形状をＸ軸及びＹ軸に関して線対称な図形としてもよい。電子排除領域の形状は、上記の正ｎ角形の中心又は上記のＸＹ直交座標の原点を中心とする円としてもよい。該円の直径を変化させて自由電子通過領域の幅の複数の目標値を実現するようにしてもよい（ステップＳ０２０）。電子排除領域の形状は、正多角形であってもよい。
　電子排除領域は、具体的に、フォトダイオード以外の領域及びイオン濃度を低くして電子が存在しにくくしたフォトダイオード領域などである。以下に種々の電子排除領域を備えた画素の実施形態について説明する。
　図２１は、Ｐ型ウェル層を電子排除領域とした画素の構成を示す図である。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）におけるＡ－Ａ’断面を示す図である。電子排除領域ＨＰ以外の構成は、図２０の構成と同様である。
　図２２は、電荷蓄積部１０１５５及び振り分けゲート部ＴＸ５を電子排除領域とした画素の構成を示す図である。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）におけるＡ－Ａ’断面を示す図である。電子排除領域以外の構成は、図２の構成と同様である。図２２の画素は、５個の電荷蓄積部１０１５１乃至１０１５５を備える。
　図２３は、イオン濃度を低くして電子が存在しにくくしたフォトダイオード領域ＬＣを電子排除領域とした画素の構成を示す図である。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）におけるＡ－Ａ’断面を示す図である。電子排除領域ＬＣ以外の構成は、図２０の構成と同様である。
　図２４は、電荷転送部を備えていない画素の構成を示す図である。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）におけるＡ－Ａ’断面を示す図である。画素の一辺の長さは１２マイクロメータである。
　画素は、光電変換部３０１１と、４個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４と、４個の電荷蓄積部３０１５１、３０１５２、３０１５３および３０１５４と、４個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３およびＲＸ４と、４個のリセット電極ＲＥ１、ＲＥ２、ＲＥ３およびＲＥ４と、を備える。図２４においては、断面図に対応する部分にのみ符号を付した。
　図２４（ｂ）に示すように、光電変換部３０１１は、フォトダイオード領域である。光電変換部３０１１に光が入射すると、自由電子及び自由ホールのペアが発生される。
　光電変換部３０１１によって発生された自由電子、すなわち、電荷は、４個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４によって、それぞれ、４個の電荷蓄積部３０１５１、３０１５２、３０１５３および３０１５４のいずれかに振り分けられる。４個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＸ３およびＲＸ４と、４個のリセット電極ＲＥ１、ＲＥ２、ＲＥ３およびＲＥ４は、それぞれ、４個の電荷蓄積部３０１５１、３０１５２、３０１５３および３０１５４に蓄積された電荷をリセットするために使用される。
　図２４（ａ）及び（ｂ）に示すように、光電変換部３０１１の内部にはイオン濃度を低くして電子が存在しにくくしたフォトダイオード領域ＬＣ、すなわち、電子排除領域ＬＣが設けられている。したがって、自由電子は、電子排除領域ＬＣの周囲のフォトダイオード領域を通過して光電変換部３０１１から、たとえば、電荷蓄積部３０１５２まで移動する。ここで、電子排除領域ＬＣを設けた場合に、フォトダイオード領域の自由電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち最大径を有する円はＢであり、フォトダイオード領域における自由電子の通過領域の幅は、約１．９マイクロメータである。電子排除領域ＬＣを設けない場合に、フォトダイオード領域の自由電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち最大径を有する円はＣであり、フォトダイオード領域における自由電子の通過領域の幅は、約５マイクロメータである。
　図２５は、電荷転送部を備えていない画素のポテンシャルを概念的に示す図である。
　図２５（ａ１）は、電子排除領域を備えない画素の平面図である。画素は、光電変換部ＰＨと４個の振り分けゲートＴＸとを備える。振り分けゲートＴＸには、電荷蓄積部、リセットゲート及びリセット電極がさらに備わるが、図２５（ａ１）では省略している。図２５（ａ２）は、振り分けゲートＴＸが閉じている場合の、図２５（ａ１）のＡ－Ａ’断面のポテンシャルを概念的に示す図である。図２５（ａ３）は、振り分けゲートＴＸが開いている場合の、図２５（ａ１）のＡ－Ａ’断面のポテンシャルを概念的に示す図である。
　図２５（ｂ１）は、電子排除領域ＨＰを備えた画素の平面図である。画素は、光電変換部ＰＨと、光電変換部ＰＨ内の電子排除領域ＰＨと、４個の振り分けゲートＴＸとを備える。振り分けゲートＴＸには、電荷蓄積部、リセットゲート及びリセット電極がさらに備わるが、図２５（ｂ１）では省略している。図２５（ｂ２）は、振り分けゲートＴＸが閉じている場合の、図２５（ｂ１）のＡ－Ａ’断面のポテンシャルを概念的に示す図である。図２５（ｂ３）は、振り分けゲートＴＸが開いている場合の、図２５（ｂ１）のＡ－Ａ’断面のポテンシャルを概念的に示す図である。電子の通過領域は、図２５（ｂ３）の、電子排除領域ＰＨに対応するポテンシャルの高い領域によって制限される。
　図２６は、中央に電荷蓄積部を備えた画素の構成を示す図である。画素の一辺の長さは１２マイクロメータである。
　画素は、４個の光電変換部４０１１と、電荷転送部４０１３と、１個の転送ゲート部ＴＸと、１個の電荷蓄積部４０１５と、１個のリセットゲート部ＲＸと、１個のリセット電極ＲＥと、を備える。本画素は、複数の振り分けゲート及び複数の電荷蓄積部を有さないので、振り分けによりダイナミックレンジを広げる目的に使用することはできない。
　光電変換部４０１１によって発生された自由電子、すなわち、電荷は、ＴＸによって、電荷蓄積部４０１５に蓄積される。リセットゲート部ＲＸと、リセット電極ＲＥは、電荷蓄積部４０１５に蓄積された電荷をリセットするために使用される。
　図２６に示すように、電荷転送部４０１３の内部には転送ゲート部ＴＸ及び電荷蓄積部４０１５が設けられている。したがって、自由電子は、転送ゲート部ＴＸ及び電荷蓄積部４０１５の周囲のフォトダイオード領域を通過して光電変換部４０１１から、電荷蓄積部４０１５まで移動する。ここで、転送ゲート部ＴＸ及び電荷蓄積部４０１５を設けた場合に、フォトダイオード領域の自由電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち最大径を有する円はＢであり、フォトダイオード領域における自由電子の通過領域の幅は、約１．８マイクロメータである。電子排除領域ＬＣを設けない場合に、フォトダイオード領域の自由電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち最大径を有する円はＣであり、フォトダイオード領域における自由電子の通過領域の幅は、約５マイクロメータである。
　図２７は、３個の光電変換部と３個の電荷蓄積部を備えた画素の構成を示す図である。３個の光電変換部の中心位置が正三角形の頂点位置となるように配置される。円形のマイクロレンズ５１３を使用する場合に、３個のマイクロレンズを図２７のように配置する方が、４個のマイクロレンズを図１９のように配置するよりも隙間を小さくすることができるので単位面積当たりの集光量は３％向上する。
　画素は、３個の光電変換部５０１１と、電荷転送部５０１３と、３個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、およびＴＸ３と、３個の電荷蓄積部５０１５１、５０１５２および５０１５３と、３個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２およびＲＸ３と、３個のリセット電極ＲＥ１、ＲＥ２およびＲＥ３と、を備える。
　光電変換部５０１１によって発生された自由電子、すなわち、電荷は、３個の振り分けゲート部ＴＸ１、ＴＸ２、およびＴＸ３によって、それぞれ、３個の電荷蓄積部５０１５１、５０１５２および５０１５３のいずれかに振り分けられる。３個のリセットゲート部ＲＸ１、ＲＸ２およびＲＸ３と、３個のリセット電極ＲＥ１、ＲＥ２およびＲＥ３は、それぞれ、３個の電荷蓄積部５０１５１、５０１５２および５０１５３に蓄積された電荷をリセットするために使用される。
　図２７に示すように、電荷転送部５０１３の内部にはドレインゲート部ＤＸおよびドレイン電極ＤＥが設けられている。したがって、自由電子は、ドレインゲート部ＤＸおよびドレイン電極ＤＥの周囲のフォトダイオード領域を通過して光電変換部５０１１から、たとえば、電荷蓄積部５０１５１まで移動する。
　図２８は、面上に配置した、複数個の図２７の画素を示す図である。
　図１９乃至図２７に示した画素は、フォトダイオード領域の周縁部の内側の複数の光電変換部及び／又はフォトダイオード領域の周縁部の外側の複数の電荷蓄積部を備え、周辺フォトダイオード領域の中央部に電子排除領域を備えている。しかし、その他の構成であっても本発明を適用することができる。
　上記の実施形態においては、自由電子が電荷キャリアとなる画素について説明した。自由電子の代わりにホールが電荷キャリアとなる画素の場合にも、電子排除領域をホール排除領域に置き換えることによって本発明を適用することができる。
　本発明による実施形態の特徴は以下のとおりである。
　本発明の実施形態の画素においては、前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送時間が最小となるように、前記通過領域の幅を定めている。
　したがって、本実施形態によれば、電荷転送時間が最小の画素が得られる。
　本発明の実施形態の画素においては、前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送時間が１０マイクロ秒以下となるように、前記通過領域の幅を定めている。
　したがって、本実施形態によれば、電荷転送時間が１０マイクロ秒以下の画素が得られる。
　本発明の実施形態の画素においては、前記電子排除領域がフォトダイオード以外の領域又はイオン濃度を低くしたフォトダイオード領域である。
　フォトダイオード以外の領域に電子は存在することができないので、フォトダイオード以外の領域は、電子排除領域として機能する。また、イオン濃度を低くしたフォトダイオード領域は、ポテンシャルが高いので、電子は、該領域を避けて移動する。したがって、イオン濃度を低くしたフォトダイオード領域は、電子排除領域として機能する。
　本発明の実施形態の画素においては、前記光電変換部または前記電荷蓄積部の少なくとも一方の数が複数である。
　本実施形態によれば、複数の光電変換部または複数の電荷蓄積部を備え、電荷転送時間の短い画素が得られる。
　本発明の実施形態の画素においては、前記フォトダイオード領域が、前記光電変換部で発生させた電子を前記電荷蓄積部に転送する電荷転送部をさらに含む。
　光電変換部の他に電荷転送部を含む画素であっても、フォトダイオード領域における電子の通過領域の幅を、適切な電荷転送時間を実現する値とすることができる。
　本発明の実施形態の撮像装置によれば、前記撮像制御部が、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の少なくとも２個に同じ撮像対象に対して異なる露光時間で電荷を蓄積するように構成されている。
　本実施形態の撮像装置によれば、それぞれの画素の複数の電荷蓄積部の少なくとも２個に、同じ撮像対象に対して異なる露光時間で蓄積された電荷による出力を利用することにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　本発明の実施形態の撮像装置は、前記撮像制御部に接続され、撮像対象を照明する照明手段をさらに備える。前記撮像制御部は、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個に同じ撮像対象に対して異なる照明条件で電荷を蓄積するように、前記照明手段を制御する。
　本実施形態の撮像装置によれば、同じ撮像対象に対して異なる照明条件で蓄積された、複数の電荷蓄積部の出力を利用することにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　本発明の実施形態の撮像装置によれば、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個の電荷蓄積容量が異なる。
　本実施形態の撮像装置によれば、同じ撮像対象に対して露光時間および照明条件が同じであっても、複数の電荷蓄積部の出力値（電圧値）が異なる。これらの出力値を利用することにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　本発明の実施形態の撮像装置は、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力の差を読み出す差出力部をさらに備えている。
　本実施形態の撮像装置によれば、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力の差を利用することにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　本発明の実施形態の画像形成方法によれば、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の少なくとも２個に同じ撮像対象に対して異なる露光時間で電荷を蓄積する。
　本実施形態の画像形成方法によれば、それぞれの画素の複数の電荷蓄積部の少なくとも２個に、同じ撮像対象に対して異なる露光時間で蓄積された電荷による出力を利用することにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　本発明の実施形態の画像形成方法によれば、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個に同じ撮像対象に対して異なる照明条件で電荷を蓄積し、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力の差を求め、それぞれの画素の前記差に基づいて画像を形成する。
　本実施形態の画像形成方法によれば、同じ撮像対象に対して異なる照明条件で蓄積された、複数の電荷蓄積部の出力の差を利用することにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　本発明の実施形態の画像形成方法によれば、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも４個に同じ撮像対象に対して２種類以上の照明条件および２種類以上の露光時間で電荷を蓄積し、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力の差を求め、それぞれの画素の前記差に基づいて画像を形成する。
　本実施形態の画像形成方法によれば、同じ撮像対象に対して異なる照明条件および異なる露光時間で蓄積された、複数の電荷蓄積部の出力の差を利用することにより、ダイナミックレンジの広い画像を形成することができる。
　本発明の実施形態の画像形成方法によれば、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積する時間が１００マイクロ秒以下であり、蓄積する動作の繰り返し回数が１００回以上である。
　本実施形態の画像形成方法によれば、動きのある対象のダイナミックレンジの広い画像を実用的な観点から十分な精度で形成することができる。
　　１０１、２０１…感光部
　　１０３…差出力部
　　１０５、２０５…撮像制御部
　　２０３…合成部

Claims (17)

  1. 　光を受けて電子を発生させる光電変換部を含むフォトダイオード領域と、
    　電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備えた画素であって、
    　前記フォトダイオード領域の電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち、最大径を有する円の直径を前記フォトダイオード領域における電子の通過領域の幅として、前記フォトダイオード領域内に電子排除領域を設け、前記電子の通過領域の幅が、前記電子排除領域を設けない場合より小さくなるように構成した画素。
  2. 　前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送時間が最小となるように、前記通過領域の幅を定めた請求項１に記載の画素。
  3. 　前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の転送時間が１０マイクロ秒以下となるように、前記通過領域の幅を定めた請求項１に記載の画素。
  4. 　前記光電変換部または前記電荷蓄積部の少なくとも一方の数が複数である、請求項１から３のいずれかに記載の画素。
  5. 　前記電子排除領域が、フォトダイオード以外の領域又はイオン濃度を低くしたフォトダイオード領域である請求項１から３のいずれかに記載の画素。
  6. 　前記フォトダイオード領域が、前記光電変換部で発生させた電子を前記電荷蓄積部に転送する電荷転送部をさらに含む請求項１から５のいずれかに記載の画素。
  7. 　光を受けて電子を発生させる光電変換部を含むフォトダイオード領域と、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備え、前記フォトダイオード領域内に電子排除領域を設けた、画素の製造方法であって、
    　前記フォトダイオード領域の電子が通過しうる領域の面に存在しうる円のうち、最大径を有する円の直径を前記フォトダイオード領域における電子の通過領域の幅として、電子の通過領域の幅の複数の値を定めるステップと、
    　フォトダイオード領域及び電子排除領域の形状を調整して、電子の通過領域の幅の前記複数の値を有する複数の画素の形状を定めるステップと、
    　前記複数の値を有する前記複数の画素の電荷転送時間を測定または推定するステップと、
    　前記複数の画素のうち、最小の転送時間を示す画素を選択するステップと、含む画素の製造方法。
  8. 　光電変換部と、複数の電荷蓄積部と、前記複数の電荷蓄積部のそれぞれに電荷を供給する複数のゲートと、を備えた感光部を含む画素と、
    　それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部のそれぞれにそれぞれの露光時間で順次電荷を蓄積する動作を繰り返すように、前記複数のゲートを制御する撮像制御部と、を備え、
    　前記撮像制御部が、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個に、同じ撮像対象に対して蓄積された電荷による出力が異なるように、前記複数のゲートを制御する撮像装置。
  9. 　前記撮像制御部が、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個に同じ撮像対象に対して異なる露光時間で電荷を蓄積するように構成された請求項８に記載の撮像装置。
  10. 　前記撮像制御部に接続され、撮像対象を照明する照明手段をさらに備え、
    　前記撮像制御部が、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個に同じ撮像対象に対して異なる照明条件で電荷を蓄積するように、前記照明手段を制御する請求項８に記載の撮像装置。
  11. 　それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個の電荷蓄積容量が異なる請求項８に記載の撮像装置。
  12. 　それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力の差を読み出す差出力部をさらに備えた請求項８に記載の撮像装置。
  13. 　光電変換部と、独立に機能する複数の電荷蓄積部と、を備えた画素からなる撮像手段による画像形成方法であって、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の少なくとも２個に対して、同じ撮像対象によって蓄積される電荷による出力が異なるように順次電荷を蓄積し、順次電荷を蓄積する動作を繰り返した後、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力に基づいて画像を形成する画像形成方法。
  14. 　それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の少なくとも２個に同じ撮像対象に対して異なる露光時間で電荷を蓄積する請求項１３に記載された画像形成方法。
  15. 　それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも２個に同じ撮像対象に対して異なる照明条件で電荷を蓄積し、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力の差を求め、それぞれの画素の前記差に基づいて画像を形成する請求項１３に記載された画像形成方法。
  16. 　それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の、少なくとも４個に同じ撮像対象に対して２種類以上の照明条件および２種類以上の露光時間で電荷を蓄積し、それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部の出力の差を求め、それぞれの画素の前記差に基づいて画像を形成する請求項１５に記載された画像形成方法。
  17. 　それぞれの画素の前記複数の電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積する時間が１００マイクロ秒以下であり、蓄積する動作の繰り返し回数が１００回以上である請求項１４に記載された画像形成方法。
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