JP2005294399A - 撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄積部に蓄積する電気信号の量を簡易に調整して、かつ蓄積部よりも下流側に電気信号を円滑に転送することができる撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 ＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）１において、ゲート電極３で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造Ｄ₁を、複数個の蓄積用ＣＣＤセル４のうちでゲート電極３に隣接した蓄積用ＣＣＤセル４（隣接セル４₁）に隣接して設ける。このような構造を設けることで、蓄積用ＣＣＤセル４よりも下流側に電気信号を円滑に転送することができる。また、第１ドレイン構造Ｄ₁がかかる余剰分を排出するので、蓄積用ＣＣＤセル４に蓄積する電気信号の量を簡易に調整することができる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部やその受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部などを備えた撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置に関する。

この種の撮像素子として、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)型固体撮像素子がある。かかるＣＣＤ型固体撮像素子（以下、『ＣＣＤ』と略記する）は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部に相当するフォトダイオードと、そのフォトダイオードから得られた電気信号を読み出す読み出し部に相当するゲート電極とを備えて構成されている。

フォトダイオードでは入射された光、すなわち露光された光の量に比例した電気信号が発生する。一般に、ＣＣＤを用いたディジタルカメラなどでは、メカニカルシャッタや電子シャッタによりフォトダイオードで露光される光の量や露光時間を調整する。

しかしながら、ＣＣＤを高速撮像装置に用いた場合には、次のような問題がある。

メカニカルシャッタの場合には、入射される光を物理的に遮光して露光時間を調整する。具体的には、遮光板などを動かして遮光を行う。高速撮像の場合には露光時間が短くなるので、メカニカルシャッタによる遮光では間に合わない。遮光板を動かして完全に遮光するのにｍｓオーダの時間がかかるので、例えば、露光時間が１．０×１０^-4秒（１００μｓ）の場合には、実際の露光時間よりも長い時間にわたって完全に遮光されるまで露光されてしまう。

一方、電子シャッタの場合には、ゲート電極に印加するゲート電圧を調整することで、露光時間を調整することができ、露光時間が１００μｓのように短くても所望の露光時間に設定することができる。なお、露光時間内に過露光となった場合、すなわち露光時間内にフォトダイオードの蓄積可能信号量を超える電気信号が発生した場合には、フォトダイオードにおける電気信号の余剰分が読み出し部に流れ、いわゆる『ブルーミング(blooming)』と呼ばれる現象が起こる。ブルーミングが起こると、垂直方向（縦方向）に信号がもれて、撮像して得られた画像に縦長のラインが入ってしまう。ブルーミングを防止するためには、下記の特許文献１のようにドレイン構造を設ける。

図５は、ドレイン構造を設けたＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示すブロック図である。なお、図５では、蓄積用ＣＣＤセルを設けたＣＣＤである。ＣＣＤ５１は、上述したようにフォトダイオード５２とゲート電極５３とを備えるとともに、ゲート電極５３で読み出された電気信号を蓄積する蓄積用ＣＣＤセル５４を複数個（図５では４個）備えている。かかるフォトダイオード５２、ゲート電極５３および複数個の蓄積用ＣＣＤセル５４が２次元配列ラインに沿って縦横マトリックス状に配設されている。図５（ａ）または図５（ｂ）に示すような位置に、フォトダイオード５２に隣接してドレイン構造Ｄを設けている。

かかるドレイン構造Ｄを設けることで、フォトダイオード５２における電気信号の余剰分を排出することができる。また、フォトダイオード５２とドレイン構造Ｄとの間に配設されたゲート電極（図示省略）に印加するゲート電圧を調整することで、ドレイン構造により排出される電気信号の量も調整することができる。そして、露光時間以外ではフォトダイオード５２で発生した電気信号をドレイン構造に全て排出することで、電子シャッタはメカニカルシャッタと同様の機能を実現することができる。
特開２００１−１２７２７７号公報（第５−７頁、図１、図２、図５、図６）

しかしながら、かかる蓄積用ＣＣＤセルを設けたＣＣＤの場合には、次のような問題がある。

上述したように、高速撮像の場合には露光時間が短くなる。したがって、露光時間に取り込まれる露光量が少なくなって、それに伴ってフォトダイオードで発生する電気信号の量も少なくなってしまう。そこで、強い照明でフォトダイオードに向けて光を入射させるあるいはフォトダイオードの面積を大きくして、露光量を多くすることが考えられる。一方で、高速撮像に対応するために、図５に示すように、蓄積用ＣＣＤセル５４を設けて、短い露光時間の間に各々の蓄積用ＣＣＤセル５４に電気信号を逐次に蓄積して、隣接する蓄積用ＣＣＤセル５４に順に転送する。この場合には、蓄積個数（メモリ）を多く確保するために、１つの蓄積用ＣＣＤセル５４の面積をできるだけ小さくする必要がある。

フォトダイオードの面積を大きくして露光量を多くする場合には、フォトダイオードに蓄積できる信号量が蓄積用ＣＣＤセルに蓄積できる信号量よりもはるかに多くなる。この信号量の大きな差により上述したドレイン構造だけで蓄積用ＣＣＤセルに蓄積できる信号量に調整することが難しくなる。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、蓄積部に蓄積する電気信号の量を簡易に調整して、かつ蓄積部よりも下流側に電気信号を円滑に転送することができる撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置を提供することを目的とする。

発明者は、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。

すなわち、上述した特許文献１に着目してみた。特許文献１では、ブルーミング防止のために垂直方向のみならず水平方向にもドレイン構造を設けている。特許文献１では蓄積用ＣＣＤセルなどに代表される蓄積部を有したＣＣＤ型固体撮像素子でないが、蓄積部を有した撮像素子に応用することについて考えてみた。つまり、水平方向、蓄積ＣＣＤセルを有する場合には蓄積ＣＣＤセルの配列方向に少なくともドレイン構造を設けることで、ゲート電極などに代表される読み出し部で読み出された電気信号の余剰分を排出することに想到した。さらに、下流側よりも、できるかぎり上流側にドレイン構造を設けると、この発明の課題を解決することができることに想到した。つまり、フォトダイオードなどに代表される受光部に相当する大面積部分と、読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に相当する小面積部分との境界で、余剰分の電気信号に起因して、その蓄積部よりも下流側に電気信号を円滑に転送することができないことがわかった。そこで、本来、ブルーミング防止のために用いられるドレイン構造を、上流側に相当した部分、すなわち読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に隣接して設ければ、余剰分の電気信号に起因した電気信号の転送の滞りを低減させることができるという知見を得た。

このような知見に基づくこの発明は、次のような構成をとる。

すなわち、請求項1に記載の発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部と、その読み出し部で読み出された電気信号を蓄積する複数の蓄積部とを備えた撮像素子であって、前記読み出し部で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造を、読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に隣接して設けることを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項1に記載の発明によれば、受光部は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光して、読み出し部は、その受光部から得られた電気信号を読み出す。そして、各々の蓄積部は、その読み出し部で読み出された電気信号をそれぞれ蓄積する。このとき、読み出し部で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造を、読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に隣接して設けることで、蓄積部よりも下流側に電気信号を円滑に転送することができる。また、第１ドレイン構造がかかる余剰分を排出するので、蓄積部に蓄積する電気信号の量を簡易に調整することができる。

また、請求項３に記載の発明は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部と、その読み出し部で読み出された電気信号を蓄積する複数の蓄積部とを備えた撮像素子を用いた撮像素子用装置であって、前記読み出し部で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造を、読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に隣接して設けることを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項３に記載の発明によれば、読み出し部で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造を、読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に隣接して設けることで、蓄積部に蓄積する電気信号の量を簡易に調整して、かつ蓄積部よりも下流側に電気信号を円滑に転送することができる。

上述したこれらの請求項１、３に記載の発明において、上述した撮像素子は、さらに、受光部における電気信号の余剰分を排出する第２ドレイン構造を受光部に隣接して設けるのが好ましい（請求項２、請求項４に記載の発明）。かかる第２ドレイン構造をさらに設けることで、受光部における電気信号の余剰分が読み出し部に流れて起こるブルーミングを防止することができる。

また、請求項３または請求項４に記載の発明（撮像素子用装置）において、装置を、撮像素子で得られた電気信号のデータを用いて分析を行う分析装置や、データのみを記憶して記憶したデータを外部装置に転送する転送装置として用いてもよいし、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を受光部が電気信号に変換して被写体を撮像する撮像装置として用いてもよい。撮像装置の場合には、上述した被写体の光学像を取り込む水晶体を備えている（請求項５に記載の発明）。また、撮像装置が、例えば撮影速度が１．０×１０⁶フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）の高速撮像装置のように、電気信号を高速に転送する場合には、この発明は特に有用である。本明細書中では、撮影速度が１００，０００フレーム／秒以上を『高速撮影』とする。

この発明に係る撮像素子およびそれを用いた撮像素子用装置によれば、読み出し部で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造を、読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に隣接して設けることで、蓄積部に蓄積する電気信号の量を簡易に調整して、かつ蓄積部よりも下流側に電気信号を円滑に転送することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。

図１は、実施例に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）の構成を示すブロック図であり、図２は、ＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示すブロック図であり、図３は、実施例に係るＣＣＤを用いた高速撮像装置の概略を示すブロック図である。

ＣＣＤ１は、図１に示すように、入射された光を電気信号に変換することで光を受光するフォトダイオード２と、そのフォトダイオード２から得られた電気信号を読み出すゲート電極３とを備えるとともに、ゲート電極３で読み出された電気信号を蓄積する蓄積用ＣＣＤセル４を複数個（図１では４個）備えている。かかるフォトダイオード２、ゲート電極３および複数個の蓄積用ＣＣＤセル４が２次元配列ラインに沿って縦横マトリックス状に配設されている。ＣＣＤ１は、この発明における撮像素子に相当し、フォトダイオード２は、この発明における受光部に相当し、蓄積用ＣＣＤセル４は、この発明における蓄積部に相当し、ゲート電極３の直下のチャネル部分（図示省略）およびゲート電極３に隣接した蓄積ＣＣＤセル４で、この発明における読み出し部を構成する。

縦横マトリックス状に配設された各蓄積用ＣＣＤセル４のうち、もっとも下流側の各蓄積用ＣＣＤセル４は、垂直転送ゲート５に接続されており、各垂直転送ゲート５は水平転送ゲート６に接続されている。ゲート電極３で読み出された電気信号を各々の蓄積用ＣＣＤセル４に逐次に蓄積して、電子シャッタリング動作と同期した電荷転送信号をゲート電圧としてゲート電極３に印加するたびに、隣接する蓄積用ＣＣＤセル４に、図１中の矢印に示す方向（水平方向）に順に転送する。水平方向に配列された蓄積用ＣＣＤセル４に電気信号として電荷を全て蓄積したら、垂直転送ゲート５に垂直方向に転送して、水平転送ゲート６に水平方向に転送する。

このように転送された電気信号をＣＣＤ１の外部（高速撮像装置のＡＤコンバータや画像処理演算部）に転送して、各種の処理が行われて画像が出力される。

ゲート電極３で読み出された電気信号の余剰分を排出するために、図２に示すように第１ドレイン構造Ｄ₁を、ゲート電極３に隣接した蓄積用ＣＣＤセル４に垂直方向に隣接して設けている。ゲート電極３に隣接した蓄積用ＣＣＤセル４と他の蓄積用ＣＣＤセル４とを区別するために、ゲート電極３に隣接した蓄積用ＣＣＤセル４を特別に『隣接セル４₁』として以下を説明する。第１ドレイン構造Ｄ₁は、この発明における第１ドレイン構造に相当する。

また、ブルーミングを防止すべくフォトダイオード２における電気信号の余剰分を排出するために、図２に示すように第２ドレイン構造Ｄ₂を、ゲート電極３側とは反対側にフォトダイオード２に隣接して設けている。第２ドレイン構造Ｄ₂は、この発明における第２ドレイン構造に相当する。

図１、図２に示すＣＣＤ１を、本実施例では図３に示す高速撮像装置に用いている。なお、本実施例では、撮影速度が１．０×１０⁶フレーム／秒（１，０００，０００フレーム／秒）の高速撮像装置１０を用いている。高速撮像装置１０は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像をフォトダイオード２が電気信号に変換して被写体を撮像するように構成されている。すなわち、高速撮像装置は、光学系２０とＣＣＤ１とＡＤコンバータ３０と画像処理演算部４０と画像記憶部５０とモニタ６０と操作部７０と制御部８０を備えている。高速撮像装置１０は、この発明における撮像素子用装置に相当する。

光学系２０は、被写体の光学像を取り込むレンズ２１や、イメージインテンシファイア等の光増倍機構（図示省略）やメカニカルシャッタリング機構（図示省略）などを備えている。ＡＤコンバータ３０は、ＣＣＤ２から出力された電気信号をディジタル信号に変換する。画像処理演算部４０は、ＡＤコンバータ３０でディジタル化された電気信号に基づいて被写体の２次元画像を作成するために各種の演算処理を行う。画像記憶部５０は、画像処理演算部４０で作成された２次元画像を記憶する。モニタ６０は、画像記憶部５０に記憶された２次元画像を画面に出力する。操作部７０は、高速撮像の実行に必要な種々の操作を行う。制御部８０は、操作部７０により設定された撮影条件などの操作にしたがって装置全体を統括制御する。レンズ２１は、この発明における水晶体に相当する。

上述したＣＣＤ１およびそれを用いた高速撮像装置１０によれば、フォトダイオード２は、入射された光を電気信号に変換することで光を受光して、ゲート電極３は、そのフォトダイオード２から得られた電気信号を読み出す。そして、各々の蓄積用ＣＣＤセル４は、そのゲート電極３で読み出された電気信号をそれぞれ蓄積する。このとき、ゲート電極３で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造Ｄ₁を、ゲート電極３に隣接した隣接セル４₁、すなわち蓄積用ＣＣＤセル４のうちでもっとも上流側にあるセル４₁に隣接して設けることで、蓄積用ＣＣＤセル４よりも下流側に電気信号を円滑に転送することができる。また、第１ドレイン構造Ｄ₁がかかる余剰分を排出するので、蓄積用ＣＣＤセル４に蓄積する電気信号の量を簡易に調整することができる。

また、本実施例では、ブルーミング防止のために、フォトダイオード２における電気信号の余剰分を排出する第２ドレイン構造Ｄ₂を、ゲート電極３側とは反対側にフォトダイオード２に隣接して設けている。かかる第２ドレイン構造Ｄ₂をさらに設けることで、フォトダイオード２における電気信号の余剰分が読み出し部に流れて起こるブルーミングを防止することができる。

また、本実施例の高速撮像装置１０のように、電気信号を高速に転送する場合には、この発明は特に有用である。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、高速撮像装置を例に採って説明したが、撮影速度が１００，０００フレーム／秒未満の通常の撮像装置であってもよい。

（２）上述した実施例では、ＣＣＤなどに代表される撮像素子を用いた撮像素子用装置として高速撮像装置などに代表される撮像装置を例に採って説明したが、撮像素子を用いた装置であれば、特に限定されない。例えば、撮像素子で得られた電気信号のデータを用いて分析を行う分析装置や、データのみを記憶して記憶したデータを外部装置に転送する転送装置として用いてもよい。

（３）上述した実施例では、受光部としてフォトダイオードを例に採って説明したが、これに限定されない。例えば、フォトゲートを受光部と用いてもよい。

（４）上述した実施例では、第２ドレイン構造をさらに設けたが、ブルーミングが起こらない、あるいはブルーミングを考慮しない場合には、必ずしも第２ドレイン構造を設ける必要はない。

（５）上述した実施例では、図２に示すように、第２ドレイン構造Ｄ₂を、ゲート電極３側とは反対側にフォトダイオード２に隣接して設けたが、図４に示すような位置にフォトダイオード２に隣接して設けてもよい。

実施例に係るＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）の構成を示すブロック図である。 ＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示すブロック図である。 実施例に係るＣＣＤを用いた高速撮像装置の概略を示すブロック図である。 変形例に係るＣＣＤを構成する各々のフォトダイオードごとの構成を示すブロック図である。 （ａ），（ｂ）は、従来のＣＣＤ型固体撮像素子（ＣＣＤ）の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ … ＣＣＤ
２ … フォトダイオード
３ … ゲート電極
４ … 蓄積用ＣＣＤセル
４₁ … 隣接セル
Ｄ₁ … 第１ドレイン構造
Ｄ₂ … 第２ドレイン構造
１０ … 高速撮像装置
２１ … レンズ

Claims (5)

1. 入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部と、その読み出し部で読み出された電気信号を蓄積する複数の蓄積部とを備えた撮像素子であって、前記読み出し部で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造を、読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に隣接して設けることを特徴とする撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子において、前記素子は、さらに、前記受光部における前記電気信号の余剰分を排出する第２ドレイン構造を受光部に隣接して設けることを特徴とする撮像素子。
3. 入射された光を電気信号に変換することで光を受光する受光部と、その受光部から得られた電気信号を読み出す読み出し部と、その読み出し部で読み出された電気信号を蓄積する複数の蓄積部とを備えた撮像素子を用いた撮像素子用装置であって、前記読み出し部で読み出された電気信号の余剰分を排出する第１ドレイン構造を、読み出し部に隣接した蓄積部あるいは読み出し部に隣接して設けることを特徴とする撮像素子用装置。
4. 請求項３に記載の撮像素子用装置において、前記素子は、さらに、前記受光部における前記電気信号の余剰分を排出する第２ドレイン構造を受光部に隣接して設けることを特徴とする撮像素子用装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の撮像素子用装置において、前記装置は、被写体の光学像を取り込み、取り込まれた光学像を前記受光部が電気信号に変換して被写体を撮像する撮像装置として用いられ、前記被写体の光学像を取り込む水晶体を備えることを特徴とする撮像素子用装置。
   

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