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JP2010041404A - High-speed photography device - Google Patents

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JP2010041404A
JP2010041404A JP2008202055A JP2008202055A JP2010041404A JP 2010041404 A JP2010041404 A JP 2010041404A JP 2008202055 A JP2008202055 A JP 2008202055A JP 2008202055 A JP2008202055 A JP 2008202055A JP 2010041404 A JP2010041404 A JP 2010041404A
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JP
Japan
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ccd
charge signal
recording
drain
drive voltage
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Pending
Application number
JP2008202055A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koji Eto
剛治 江藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kindai University
Original Assignee
Kindai University
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate digital noise of a high-speed photographing device. <P>SOLUTION: A high-speed imaging element 31 comprises: a CCD 36 for recording which obliquely extends from a photodiode 33; and a CCD 37 for vertical reading where the other end of the CCD 36 for recording is converged. At continuous overwriting-photographing, the digital drive voltage supply part 30a supplies the sine wave drive voltage to the CCD 36 for recording and the CCD 37 for vertical reading. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高速撮影装置に関する。   The present invention relates to a high-speed imaging device.

CCD型であってもCOMS型であっても、通常の撮像素子は矩形パルス波形電圧でデジタル制御される。一方、CCDは正弦波形電圧のみで駆動することもできる。ただし、通常の撮像素子は電荷信号を取り込みながら、電荷信号を素子外に読み出す。読み出し操作はデジタル制御せざるを得ないので、これまでの撮像素子は全てデジタル制御されてきた。   Regardless of the CCD type or the COMS type, a normal image sensor is digitally controlled by a rectangular pulse waveform voltage. On the other hand, the CCD can be driven only by a sinusoidal waveform voltage. However, a normal image sensor reads out a charge signal from the element while capturing the charge signal. Since the reading operation must be digitally controlled, all of the image pickup devices so far have been digitally controlled.

本発明者は、斜行線形CCD型メモリーを持つ画素周辺記録撮像素子(In-situ Storage Image Sensor with slanted linear CCD storage、以下「ISIS」と呼ぶ)及びそれを備える高速撮影装置を開発した(例えば特許文献1参照)。ISISでは、各画素が100個以上のCCD型のメモリーを備えており、撮影中は全ての画素の並列処理で一斉に電荷信号を記録するので究極の超高速度連続撮影(例えば100万枚/秒で連続100枚以上)が可能であり、撮影中は電荷信号の読み出しは実行しない。   The present inventor has developed a pixel peripheral recording imaging device having an oblique linear CCD type memory (In-situ Storage Image Sensor with slanted linear CCD storage, hereinafter referred to as “ISIS”) and a high-speed imaging device including the same (for example, Patent Document 1). In ISIS, each pixel is equipped with 100 or more CCD-type memories, and during shooting, the charge signal is recorded simultaneously by parallel processing of all the pixels, so the ultimate ultra high-speed continuous shooting (for example, 1 million images / 100 or more images per second) is possible, and charge signal readout is not performed during imaging.

デジタル制御ではいわゆるデジタルノイズが発生する。主要な原因の一つは正確に時間を刻むためのクロックノイズである。またデジタル制御においては多くの矩形パルス電圧を使ってシステムを制御する。パルス電圧の立ち上がり、立下り時には基本周波数よりもはるかに高い周波数の揺れ(以下「リンギング」と呼ぶ)が生じる。パルス状の立ち上がり、立下りやリンギングに伴う急激な電流変化は、電磁波を発生する。この電磁波がシステムの中を飛び回り、デジタルノイズの発生源となる。   In digital control, so-called digital noise is generated. One of the main causes is clock noise for accurately ticking time. In digital control, the system is controlled using many rectangular pulse voltages. When the pulse voltage rises and falls, a fluctuation of a frequency much higher than the fundamental frequency (hereinafter referred to as “ringing”) occurs. An abrupt change in current accompanying pulsed rise, fall, or ringing generates electromagnetic waves. This electromagnetic wave flies around the system and becomes a source of digital noise.

デジタル制御は電圧や電流値のある値を閾値にし、それ以上か、以下かの2値判断を行うので、制御電圧や電流に多少のノイズが乗っても、閾値のオーダーより十分小さければ、間違った制御を起こすことはない。この安定性がデジタル制御が良く使われる理由である。   Digital control uses a certain value of voltage or current as a threshold value, and performs binary judgment of whether it is higher or lower, so even if some noise is added to the control voltage or current, it is wrong if it is sufficiently smaller than the threshold value order. It does not cause any control. This stability is why digital control is often used.

ところが通常の撮像素子で扱う電荷信号は、撮像素子内にある間はアナログ信号である。電荷信号を撮像素子外に読み出すときにアナログ・デジタル変換器(ADコンバータ)でデジタル信号に変換される。すなわち撮像素子はアナログ・デジタル混載電子機器であり、しかも扱う信号が、光子等から変換された数個〜数万個の電子であるという、極めて精密な信号の取り扱いを必要とするデバイスである。   However, the charge signal handled by a normal image sensor is an analog signal while in the image sensor. When the charge signal is read out of the image sensor, it is converted into a digital signal by an analog / digital converter (AD converter). In other words, the image sensor is a mixed analog / digital electronic device, and is a device that requires extremely precise signal handling such that the signal to be handled is several to tens of thousands of electrons converted from photons and the like.

撮影速度を上げていくと、信号処理速度が上がり、電流の変化速度が上がるので、それに比例してデジタルノイズが大きくなる。これは読み出し回路で必要な安定電圧を揺らし、読み出しノイズの増大を招く。超高速度撮影が使われるような科学技術計測では、超高速度と同時に、非常に高精密な測定が要求されることも多い。この場合、撮影速度の増大と、測定精度の向上が競合する。   As the shooting speed is increased, the signal processing speed is increased and the current changing speed is increased, so that the digital noise increases in proportion thereto. This fluctuates the stable voltage necessary for the readout circuit, and causes an increase in readout noise. In science and technology measurement where ultra-high-speed photography is used, very high-precision measurement is often required simultaneously with ultra-high speed. In this case, an increase in shooting speed and an improvement in measurement accuracy compete.

科学技術計測では、ビデオカメラに加えて、いくつかの精密計測機器を使って計測するのが普通である。この場合、超高速ビデオカメラで発生するデジタルノイズが計測精度を下げる大きな原因となることもある。例えば、100KeV以下の比較的低いエネルギーを持つ電子流を使う電子顕微鏡に、電子直入型の超高速度ビデオカメラ用撮像素子を取り付けると、撮像素子で発生するノイズが電子流を揺らし、解像度を著しく下げる。   In science and technology measurement, it is common to use several precision measuring instruments in addition to video cameras. In this case, digital noise generated in the ultra high-speed video camera may be a major cause of reducing measurement accuracy. For example, when an electron microscope that uses an electron flow with a relatively low energy of 100 KeV or less and an electron direct-input ultra high-speed video camera image sensor is attached, the noise generated by the image sensor shakes the electron flow, and the resolution is significantly increased. Lower.

特許第3704052号明細書Japanese Patent No. 3770452

本発明は、高速撮影装置において撮影時のデジタルノイズをなくすことを課題とする。   An object of the present invention is to eliminate digital noise during shooting in a high-speed shooting apparatus.

前述のように、本発明者が開発したISISは全ての画素の各々にCCD型の多数の電荷信号メモリーを持っている。本発明は、撮像素子としてISISを採用した高速撮影装置が有する、撮影中に電荷信号を読み出す必要がないとこと等の特徴を活用し、撮影中は正弦波の電圧のみでCCDを駆動することでデジタルノイズレス超高速度撮影を実現したものである。   As described above, the ISIS developed by the present inventor has a large number of CCD type charge signal memories in each of all pixels. The present invention utilizes a feature of a high-speed imaging device that employs ISIS as an imaging device, such as no need to read out a charge signal during imaging, and drives a CCD only with a sine wave voltage during imaging. This realizes digital noiseless ultra high-speed shooting.

具体的には、本発明は、受光面上に配置されて入射線の強度に応じた電荷信号を発生する複数の変換部と、個々の前記変換部に一端が接続されて他端に向けて線状に延びる複数の記録用CCDと、前記記録用CCDの他端側に設けられたドレーンゲートと、前記ドレーンゲートに接続されたドレーンとを有する撮像素子と、撮影時に、前記撮像素子の前記記録用CCDに正弦波の駆動電圧を供給し、前記変換部で発生した電荷信号を前記記録用CCDの前記一端から前記他端に向けて移送させ、前記ドレーンゲートを介して前記電荷信号を前記ドレーンへ排出して連続上書きを実行させる、アナログ駆動電圧供給部と、前記連続上書きにより前記記録用CCDの蓄積された前記電荷信号を前記撮像素子外に読み出すための電荷信号読み出し部と、撮影終了後に矩形波の駆動電圧を供給して前記電荷信号読み出し部を介して電荷信号を前記撮像素子外に読み出すためのデジタル駆動電圧供給部とを備える、高速撮影装置を提供する。   Specifically, the present invention includes a plurality of conversion units that are arranged on the light receiving surface and generate a charge signal corresponding to the intensity of the incident line, and one end is connected to each of the conversion units toward the other end. An image sensor comprising a plurality of linearly extending recording CCDs, a drain gate provided on the other end of the recording CCD, and a drain connected to the drain gate; A sinusoidal drive voltage is supplied to the recording CCD, the charge signal generated in the conversion unit is transferred from the one end to the other end of the recording CCD, and the charge signal is transferred to the recording CCD via the drain gate. An analog drive voltage supply unit for discharging to the drain and executing continuous overwriting, and a charge signal reading unit for reading out the charge signal accumulated in the recording CCD by the continuous overwriting to the outside of the imaging device , And a digital driving voltage supply unit for reading out the charge signal via the charge signal readout unit supplies a driving voltage having a rectangular wave after the shooting out of the imaging device, to provide a high-speed imaging device.

撮影中は、アナログ駆動電圧供給部からの正弦波形の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないで記録用CCD上で電荷信号を転送するので、デジタルノイズレスの高精度で超高速撮影が可能である。また、記録用CCD上を移送された電荷信号はドレーンゲートを介してドレーンへ排出されるので、連続上書き撮影が可能である。連続上書き停止後には、デジタル駆動電圧供給部が矩形波の駆動電圧を供給し、デジタル制御により電荷信号を撮像素子外に読み出すことができる。   During shooting, only the sinusoidal drive voltage from the analog drive voltage supply unit is used, and the charge signal is transferred on the recording CCD without using any digital signal, enabling high-speed shooting with high accuracy without digital noise. It is. Further, since the charge signal transferred on the recording CCD is discharged to the drain via the drain gate, continuous overwriting can be performed. After the continuous overwriting is stopped, the digital drive voltage supply unit supplies a rectangular wave drive voltage, and the charge signal can be read out of the image sensor by digital control.

例えば、前記電荷信号読み出し部は、前記記録用CCDの他端が合流する複数の垂直読み出し用CCDと、前記複数の垂直読み出し用CCDが接続された単一の水平読み出し用CCDとを備える。   For example, the charge signal readout unit includes a plurality of vertical readout CCDs where the other ends of the recording CCDs merge and a single horizontal readout CCD to which the plurality of vertical readout CCDs are connected.

代案としては、前記ドレーン及びドレーンゲートが前記電荷信号読み出し部として機能する。   As an alternative, the drain and drain gate function as the charge signal readout unit.

本発明の高速撮影装置では、撮影時にはデジタル駆動電圧供給部が正弦波の駆動電圧を記録用CCDに供給することで連続上書きを実行する。すなわち、連続上書き撮影中は、正弦波形の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないでCCD上で電荷信号を転送するので、デジタルノイズレスの高精度で超高速撮影が可能である。一方、連続上書き停止後には、デジタル駆動電圧供給部が矩形波の駆動電圧を供給し、デジタル制御により電荷信号を撮像素子外に読み出すことができる。   In the high-speed photographing apparatus of the present invention, the continuous overwriting is executed by the digital drive voltage supply unit supplying a sinusoidal drive voltage to the recording CCD during photographing. That is, during continuous overwriting, the charge signal is transferred on the CCD using only the sinusoidal drive voltage and not using any digital signal, so that digital noiseless high-accuracy and ultra-high-speed photography is possible. On the other hand, after the continuous overwriting is stopped, the digital drive voltage supply unit supplies a rectangular wave drive voltage, and the charge signal can be read out of the image sensor by digital control.

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(第1実施形態)
図1は高速撮影装置全体の構成を示している。レンズ21に入射した光は外部シャッター22を通過してISIS型の高速撮像素子31(以下単に撮像素子という。)の受光面32上に結像する。撮影中は入射した光の強度に応じて電荷が生じるが、過剰な入射光により生じた過剰電荷は、ドレーン線23を介して排出される。撮影後は読み出し線24を通じ撮像素子内に蓄積された電荷信号(画像信号)が、ADコンバータ25によりデジタル情報に変換され、バッファメモリー26に蓄積される。バッファメモリー26に蓄積された画像情報は画像情報処理装置27により連続する1枚1枚の画像情報に変換された後、高速撮影装置外に出力される。この画像情報はモニタ28により画像として目で見ることができる。また、高速撮影装置は、装置全体を制御するためのタイミングコントローラ29を備えている。さらに、高速撮影装置は、撮像素子31を駆動する駆動電圧を発生するアナログ駆動電圧供給部30aとデジタル駆動電圧供給部30bを備えている。これらの駆動電圧供給部30a,30bについては後に詳述する。タイミングコントローラ29には、トリガー信号発生部100が接続されている。トリガー信号発生部100は、例えば撮影対象の輝度変化を監視し、一定の条件が充足されると連続上書きの停止を命令するトリガー信号をタイミングコントローラ29に出力する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the configuration of the entire high-speed photographing apparatus. The light incident on the lens 21 passes through the external shutter 22 and forms an image on a light receiving surface 32 of an ISIS type high-speed image sensor 31 (hereinafter simply referred to as an image sensor). During imaging, charges are generated according to the intensity of incident light, but excess charges generated by excessive incident light are discharged through the drain line 23. After shooting, the charge signal (image signal) stored in the image sensor through the readout line 24 is converted into digital information by the AD converter 25 and stored in the buffer memory 26. The image information stored in the buffer memory 26 is converted into continuous image information one by one by the image information processing device 27 and then output to the outside of the high-speed photographing device. This image information can be visually observed as an image on the monitor 28. Further, the high-speed photographing apparatus includes a timing controller 29 for controlling the entire apparatus. Further, the high-speed imaging device includes an analog drive voltage supply unit 30 a and a digital drive voltage supply unit 30 b that generate a drive voltage for driving the image sensor 31. These drive voltage supply units 30a and 30b will be described in detail later. A trigger signal generator 100 is connected to the timing controller 29. For example, the trigger signal generation unit 100 monitors a change in luminance of a subject to be imaged, and outputs a trigger signal that instructs the stop of continuous overwriting to the timing controller 29 when a certain condition is satisfied.

次に、撮像素子31について説明する。図2に示すように、受光面32には複数のフォトダイオード(変換部)33が配置されている。これらのフォトダイオード33は、行方向(X軸方向)の間隔S1及び列方向(Y軸方向)の間隔S2がそれぞれ一定となるように配置されている。また、これらのフォトダイオード33は、行方向と列方向が互いに直交するように配置されている。すなわち、フォトダイオード33は直方配列(正方配列を含む。)で受光面32に配置されている。また、それぞれ1個のフォトダイオード33を含む画素34も直方配列で配置されている。図2では、合計12個(4行3列)のフォトダイオード33が図示されている。   Next, the image sensor 31 will be described. As shown in FIG. 2, a plurality of photodiodes (conversion units) 33 are arranged on the light receiving surface 32. These photodiodes 33 are arranged such that the interval S1 in the row direction (X-axis direction) and the interval S2 in the column direction (Y-axis direction) are constant. The photodiodes 33 are arranged so that the row direction and the column direction are orthogonal to each other. That is, the photodiodes 33 are arranged on the light receiving surface 32 in a rectangular array (including a square array). The pixels 34 each including one photodiode 33 are also arranged in a rectangular array. In FIG. 2, a total of 12 (4 rows and 3 columns) photodiodes 33 are shown.

各フォトダイオード33に対して1本ずつ線状の記録用CCD36が設けられている。また、各フォトダイオード33の列に対して1本ずつ、線状の垂直読み出し用CCD37が設けられている。   One linear recording CCD 36 is provided for each photodiode 33. Further, one linear vertical readout CCD 37 is provided for each row of photodiodes 33.

記録用CCD36の一端は、インプットゲート38を介して対応するフォトダイオード33に接続されている。また、記録用CCD36は、列方向に隣接するフォトダイオード33を結ぶ線L2に対して傾斜する方向に延びている。さらに、記録用CCD36の他端は垂直読み出し用CCD37に合流している。同一の列を構成するフォトダイオード33に接続されたすべての記録用CCD36が同一の垂直読み出し用CCD37に合流している。   One end of the recording CCD 36 is connected to a corresponding photodiode 33 via an input gate 38. The recording CCD 36 extends in a direction inclined with respect to the line L2 connecting the photodiodes 33 adjacent in the column direction. Further, the other end of the recording CCD 36 is joined to the vertical readout CCD 37. All the recording CCDs 36 connected to the photodiodes 33 constituting the same column are joined to the same vertical readout CCD 37.

垂直読み出し用CCD37は、フォトダイオード33の列方向(垂直方向)に延びている。また、垂直読み出し用CCD37の図において下端は受光面32外まで延びて水平読み出し用CCD39に接続されている。水平読み出し用CCD39は増幅器41及び信号読み出し線24を介してADコンバータ25に接続されている(図1参照)。   The vertical readout CCD 37 extends in the column direction (vertical direction) of the photodiodes 33. Further, in the figure of the vertical readout CCD 37, the lower end extends to the outside of the light receiving surface 32 and is connected to the horizontal readout CCD 39. The horizontal readout CCD 39 is connected to the AD converter 25 via an amplifier 41 and a signal readout line 24 (see FIG. 1).

図3において、番号5〜16で示すように、記録用CCD36は17個のエレメント36aを有し、インプットゲート38から数えて18個のエレメント36aだけ進むと、垂直読み出し用CCD37に合流する。図3では、インプットゲート38が合流する部分の垂直読み出し用CCD37のエレメント37aに番号「4」が付されている。図3において矢印F1,F2で示すように、垂直読み出し用CCD37に対する記録用CCD36の合流点、すなわち番号「4」が付されたエレメント37aの近傍において、記録用CCD36の電荷信号の移送方向と、垂直読み出し用CCD37の電荷信号の移送方法は略同一方向である。   In FIG. 3, the recording CCD 36 has 17 elements 36 a as indicated by numbers 5 to 16. When the recording CCD 36 advances from the input gate 38 by 18 elements 36 a, it merges with the vertical readout CCD 37. In FIG. 3, the number “4” is assigned to the element 37 a of the vertical readout CCD 37 where the input gate 38 joins. As indicated by arrows F1 and F2 in FIG. 3, in the vicinity of the confluence of the recording CCD 36 with respect to the vertical readout CCD 37, that is, in the vicinity of the element 37a numbered “4”, The charge signal transfer method of the vertical readout CCD 37 is substantially the same direction.

垂直読み出し用CCD37の図2において左側には、垂直読み出し用CCD37と平行に延びるドレーン43が設けられている。垂直読み出し用CCD37と同様に、ドレーン43もフォトダイオード33の列毎に設けられている。ドレーン43は受光面32外まで延び、水平方向に延びるドレーン線44に接続されている。このドレーン線44は上記アースに接続されたドレーン線23(図1参照)に接続されている。図3に示すように、ドレーン43は、記録用CCD36の合流点である番号「4」が付された垂直読み出し用CCD37のエレメント37aに対して、矢印F2で示す電荷信号の移送方向に対して1個上流側のエレメント37a、すなわち番号「1」が付されたエレメント37aに接続されている。ドレーン43と垂直読み出し用CCD37のエレメント37aの間にはドレーンゲート45が設けられている。   A drain 43 extending in parallel with the vertical readout CCD 37 is provided on the left side of the vertical readout CCD 37 in FIG. Similar to the vertical readout CCD 37, a drain 43 is also provided for each column of photodiodes 33. The drain 43 extends to the outside of the light receiving surface 32 and is connected to a drain line 44 extending in the horizontal direction. The drain line 44 is connected to the drain line 23 (see FIG. 1) connected to the ground. As shown in FIG. 3, the drain 43 has a charge signal transfer direction indicated by an arrow F <b> 2 with respect to the element 37 a of the vertical readout CCD 37 assigned with the number “4”, which is the junction of the recording CCD 36. One upstream element 37a, that is, the element 37a numbered “1” is connected. A drain gate 45 is provided between the drain 43 and the element 37 a of the vertical readout CCD 37.

次に、図4から図7を参照して撮像素子31の構造を説明する。これらの図のうち、図4は基板(最下層)を示している。図5は最下層の上に形成されたポリシリコン電極層を示している。図6はポリシリコン電極層の上に形成された金属層を示している。図7は最上層である遮光層46を示している。基板とポリシリコン電極層との間、ポリシリコン電極層と金属層との間、及び金属層と遮光層46との間には、SiO2/Si3N4等の絶縁層101(図8参照)が設けられている。 Next, the structure of the image sensor 31 will be described with reference to FIGS. Of these figures, FIG. 4 shows a substrate (lowermost layer). FIG. 5 shows a polysilicon electrode layer formed on the lowermost layer. FIG. 6 shows a metal layer formed on the polysilicon electrode layer. FIG. 7 shows the light shielding layer 46 which is the uppermost layer. Between the substrate and the polysilicon electrode layer, between the polysilicon electrode layer and the metal layer, and between the metal layer and the light shielding layer 46, an insulating layer 101 such as SiO 2 / Si 3 N 4 (see FIG. 8) is provided. Is provided.

図4に示すように、基板にはフォトダイオード33、記録用CCD36、インプットゲート38、ドレーンゲート44、及び垂直読み出し用CCD37が設けられている。記録用CCD36はN領域47aとN領域47bとを交互に設けることにより構成されている。連続する4個のN領域47a及びN領域47bが1個のエレメント36aを構成している。垂直読み出し用CCD37もN領域47aとN領域47bとを交互に設けることにより構成され、連続する4個のN領域47a及びN領域47bが1個のエレメント37aを構成している。また、一対のN領域47a及びN領域47bが1個のインプットゲート38を構成している。フォトダイオード33、記録用CCD36、インプットゲート38、ドレーンゲート45、及び垂直読み出し用CCD37を除いた基板の残りの部分はP領域からなるチャネルストップ48を構成している。 As shown in FIG. 4, a photodiode 33, a recording CCD 36, an input gate 38, a drain gate 44, and a vertical readout CCD 37 are provided on the substrate. The recording CCD 36 is configured by alternately providing N regions 47a and N + regions 47b. Four consecutive N regions 47a and N + regions 47b constitute one element 36a. For vertical read CCD37 also configured by providing an N region 47a and the N + region 47b alternately, four N regions 47a and N + region 47b consecutive constitutes one element 37a. The pair of N region 47a and N + region 47b constitutes one input gate 38. The remaining part of the substrate excluding the photodiode 33, the recording CCD 36, the input gate 38, the drain gate 45, and the vertical readout CCD 37 constitutes a channel stop 48 formed of a P region.

図5に示すように、ポリシリコン層には3種類のポリシリコン電極51,52,53が設けられている。これらのうち第1ポリシリコン電極51は、記録用CCD36を駆動するためのものであり、A1相の駆動電圧が印加される。次に、第2ポリシリコン電極52は、記録用CCD36と垂直読み出し用CCD37の両方の駆動に使用され、A2相の駆動電圧が印加される。さらに、第3ポリシリコン電極53は、垂直読み出し用CCD37を駆動するための電極であり、A1相の駆動電圧が印加される。   As shown in FIG. 5, the polysilicon layer is provided with three types of polysilicon electrodes 51, 52, and 53. Of these, the first polysilicon electrode 51 is for driving the recording CCD 36 and is applied with an A1 phase driving voltage. Next, the second polysilicon electrode 52 is used to drive both the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37, and an A2-phase driving voltage is applied thereto. Further, the third polysilicon electrode 53 is an electrode for driving the vertical readout CCD 37, and is applied with an A1 phase driving voltage.

これらのポリシリコン電極51〜53は受光面32内においてフォトダイオード33の行方向(水平方向)に延びており、各ポリシリコン電極51〜53の下側には一対のN領域47aとN領域47bが位置している。第1ポリシリコン電極51と第2ポリシリコン電極52は行方向(水平方向)に一列に並んで設けられ、その間に両者を電気的に絶縁する隙間54が設けられている。第1及び第3ポリシリコン電極51,53と、第2ポリシリコン電極52が列方向に交互に設けられている。記録用CCD36の1個のエレメント36aには第1ポリシリコン電極51と第2ポリシリコン電極52の対が対応し、垂直読み出し用CCD37の1個のエレメント37aには第1ポリシリコン電極51と第3ポリシリコン電極53の対が対応している。 These polysilicon electrodes 51 to 53 extend in the row direction (horizontal direction) of the photodiode 33 in the light receiving surface 32, and a pair of N region 47 a and N + region are located below the polysilicon electrodes 51 to 53. 47b is located. The first polysilicon electrode 51 and the second polysilicon electrode 52 are provided in a row in the row direction (horizontal direction), and a gap 54 is provided between them to electrically insulate them. First and third polysilicon electrodes 51 and 53 and second polysilicon electrodes 52 are alternately provided in the column direction. A pair of the first polysilicon electrode 51 and the second polysilicon electrode 52 corresponds to one element 36 a of the recording CCD 36, and one element 37 a of the vertical readout CCD 37 corresponds to the first polysilicon electrode 51 and the first polysilicon electrode 51. A pair of 3 polysilicon electrodes 53 corresponds.

図6に示すように、金属層は第1金属線57、第2金属線58、第3金属線59、及びドレーン43を含む。金属線57〜59は、電圧供給部30a,30bが出力する駆動電圧をポリシリコン電極51〜53に供給する。金属線57〜59のうち、第1金属線57は第1ポリシリコン電極51にA1相の駆動電圧を供給する。また、第2金属線58は第2ポリシリコン電極52にA2相の駆動電圧を供給する。さらに、第3金属線59は第3ポリシリコン電極53にA1相の駆動電圧を供給する。個々の金属線57〜59はコンタクトポイン61a〜61cを介して対応するポリシリコン電極51〜53に電気的に接続されている。   As shown in FIG. 6, the metal layer includes a first metal line 57, a second metal line 58, a third metal line 59, and a drain 43. The metal lines 57 to 59 supply the drive voltage output from the voltage supply units 30a and 30b to the polysilicon electrodes 51 to 53. Among the metal lines 57 to 59, the first metal line 57 supplies an A1 phase driving voltage to the first polysilicon electrode 51. The second metal line 58 supplies an A2 phase driving voltage to the second polysilicon electrode 52. Further, the third metal line 59 supplies the A1 phase driving voltage to the third polysilicon electrode 53. The individual metal wires 57 to 59 are electrically connected to the corresponding polysilicon electrodes 51 to 53 through contact points 61a to 61c.

ドレーンゲート45はコンタクトポイント61dを介して遮光層46に接続されている。従って、ドレ−ンゲート45を開閉するための制御電圧は、遮光層46及びコンタクトポイント61dを介してドレーンゲート45に供給される。   The drain gate 45 is connected to the light shielding layer 46 through the contact point 61d. Therefore, the control voltage for opening and closing the drain gate 45 is supplied to the drain gate 45 through the light shielding layer 46 and the contact point 61d.

図7に示すように、アルミニウム等の導電性金属からなる遮光層46には、それぞれフォトダイオード33と対応する複数の窓部46aが設けられている。この窓部46aはフォトダイオード33に光を入射させる。遮光層46の窓部46a以外の部分は、受光面32を覆い入射光を遮断する。   As shown in FIG. 7, the light shielding layer 46 made of a conductive metal such as aluminum is provided with a plurality of window portions 46a corresponding to the photodiodes 33, respectively. The window portion 46 a allows light to enter the photodiode 33. The portions other than the window portion 46a of the light shielding layer 46 cover the light receiving surface 32 and block incident light.

ポリシリコン電極51〜53は、コンタクトポイン61a〜61d及び金属製57〜59を含む導電経路を介して図8に示すように駆動電圧供給部30a,30bに電気的に接続されている。アナログ駆動電圧供給部30aは連続上書き撮影時に記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37に正弦波の駆動電圧(アナログ)を供給し、デジタル駆動電圧供給部30bは連続上書き撮影停止後に記録用CCD36、垂直読み出し用CCD37、及び水平読み出し用CCD39に矩形波の駆動電圧(デジタル)を供給する。アナログ駆動電圧供給部30aは、アナログ回路のみで構成してもよいし、デジタル回路とその出力をアナログ信号に変換するDAコンバータにより構成してもよい。後者の場合には、デジタル回路の発生するノイズを十分に遮蔽する必要がある。   The polysilicon electrodes 51 to 53 are electrically connected to the drive voltage supply units 30a and 30b as shown in FIG. 8 through conductive paths including contact points 61a to 61d and metal 57 to 59. The analog drive voltage supply unit 30a supplies a sinusoidal drive voltage (analog) to the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37 during continuous overwriting, and the digital drive voltage supply unit 30b reads out the recording CCD 36 from the vertical readout after continuous overwriting. A rectangular wave drive voltage (digital) is supplied to the CCD 37 and the horizontal readout CCD 39. The analog drive voltage supply unit 30a may be configured with only an analog circuit, or may be configured with a digital circuit and a DA converter that converts an output thereof into an analog signal. In the latter case, it is necessary to sufficiently shield the noise generated by the digital circuit.

次に、高速撮影装置の動作を説明する。   Next, the operation of the high-speed imaging device will be described.

まず、連続上書き撮影について説明する。連続上書き撮影時には、ドレーンゲート45はドレーン線43と同電位に維持され、ドレーンゲート45に接続された垂直読み出し用CCD37のエレメント37a、すなわち図3におい番号「1」を付したエレメント37aからドレーンゲート45、ドレーン線44,23を経て電荷信号が素子外に排出される。   First, continuous overwriting will be described. At the time of continuous overwriting, the drain gate 45 is maintained at the same potential as the drain line 43, and the drain gate starts from the element 37a of the vertical readout CCD 37 connected to the drain gate 45, that is, the element 37a numbered "1" in FIG. 45, the charge signal is discharged out of the device through the drain lines 44 and 23.

連続上書き撮影時には、アナログ駆動電圧供給部30aから記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37に、図9に示すように2相の正弦波の駆動電圧が供給される。詳細には、記録用CCD36のエレメント36aには、アナログ駆動電圧供給部30aから第1金属線57、コンタクトポイント61a、及び第1ポリシリコン電極51を介してA1相の正弦波の駆動電圧が供給される。また、記録用CCD36のエレメント36aには、アナログ駆動電圧供給部30aから第2金属線58、コンタクトポイント61b、及び第2ポリシリコン電極52を介してA2相の正弦波の駆動電圧が印加される。一方、垂直読み出し用CCD37のエレメント37aには、アナログ駆動電圧供給部30aから第3金属線59、コンタクトポイント61c、及び第3ポリシリコン電極53を介してA1相の駆動電圧が印加される。また、垂直読み出し用CCD37のエレメント37aには、アナログ駆動電圧供給部30aから第2金属線58、コンタクトポイント61bを介してA2相の駆動電圧が供給される。   At the time of continuous overwriting, a two-phase sinusoidal drive voltage is supplied from the analog drive voltage supply unit 30a to the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37 as shown in FIG. More specifically, a drive voltage of an A1 phase sine wave is supplied to the element 36 a of the recording CCD 36 from the analog drive voltage supply unit 30 a through the first metal line 57, the contact point 61 a, and the first polysilicon electrode 51. Is done. Further, an A2 phase sine wave driving voltage is applied to the element 36 a of the recording CCD 36 from the analog driving voltage supply unit 30 a via the second metal line 58, the contact point 61 b, and the second polysilicon electrode 52. . On the other hand, the A1 phase drive voltage is applied to the element 37 a of the vertical readout CCD 37 from the analog drive voltage supply unit 30 a via the third metal line 59, the contact point 61 c, and the third polysilicon electrode 53. The element 37a of the vertical readout CCD 37 is supplied with an A2 phase drive voltage from the analog drive voltage supply unit 30a through the second metal line 58 and the contact point 61b.

A1相とA2相の正弦波の駆動電圧は、振幅及び周期が同一であり、A2相はA1相に対して1/2πだけ位相がずれている。これらA1,A2相の正弦波の駆動電圧により、図10A,10Bに模式的に示すように、記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37において電荷信号102が移送される。詳細には、図3においてエレメント36aに付した番号「5」〜「21」及び矢印F1で示すように、フォトダイオード33で発生した電荷信号は、記録用CCD36により垂直読み出し用CCD37との合流点に向けて移送される。また、図3においてエレメント37aに付した番号「1」〜「4」及び矢印F2で示すように、垂直読み出し用CCD37に移送された電荷信号は列方向(垂直方向)に移送される。垂直読み出し用CCD37により移送される電荷信号は、下流側の合流点、すなわち図3におい番号「4」が付されたエレメント37aに到達する前に、番号「1」が付されたエレメント37aからドレーンゲート45を経てドレーン43に排出される。   The A1 phase and A2 phase sinusoidal drive voltages have the same amplitude and period, and the A2 phase is shifted from the A1 phase by 1 / 2π. With these A1 and A2 phase sinusoidal drive voltages, the charge signal 102 is transferred in the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37 as schematically shown in FIGS. 10A and 10B. Specifically, as indicated by the numbers “5” to “21” attached to the element 36a in FIG. 3 and the arrow F1, the charge signal generated by the photodiode 33 is merged with the vertical readout CCD 37 by the recording CCD 36. It is transported toward. In addition, as indicated by the numbers “1” to “4” assigned to the element 37a and the arrow F2 in FIG. 3, the charge signal transferred to the vertical readout CCD 37 is transferred in the column direction (vertical direction). The charge signal transferred by the vertical readout CCD 37 is drained from the element 37a having the number “1” before reaching the downstream junction point, that is, the element 37a having the number “4” in FIG. It is discharged to the drain 43 through the gate 45.

以上の動作により、図3において番号「1」〜「21」示すように、記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37のエレメント36a,37aに多数の最新の電荷信号が更新されつつ記録される。   By the above operation, as shown by numbers “1” to “21” in FIG. 3, a large number of latest charge signals are recorded on the elements 36 a and 37 a of the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37 while being updated.

このように連続上書き撮影中は、正弦波の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないでCCD上で電荷信号を転送することにより、デジタル制御の場合には不可避のノイズ(パルス状の立ち上がり、立下りやリンギングに伴う急激な電流変化により発生するノイズ)が発生しない、すなわちデジタルノイズレスの高精度な超高速度撮影が実現できる。   In this way, during continuous overwriting, only the sinusoidal drive voltage is used, and the charge signal is transferred on the CCD without using any digital signal. Therefore, it is possible to realize high-accuracy ultra-high-speed shooting without generating noise (that is, noise generated by a sudden current change accompanying falling or ringing).

トリガー信号発生部100からタイミングコントローラ29にトリガー信号が入力されると、上記駆動電圧の印加停止によって連続上書き撮影が終了し、外部シャッター22が閉じられる。   When a trigger signal is input from the trigger signal generation unit 100 to the timing controller 29, the continuous overwriting is finished by stopping the application of the driving voltage, and the external shutter 22 is closed.

次に、連続上書き撮影停止後の電荷信号の読み出しを説明する。遮光層46を介してドレーンゲート45を閉鎖するための制御電圧(例えば0V)が印加される。また、電荷信号の読み出しは、垂直読み出し用CCD37から水平読み出し用CCD39へ電荷信号を移送する第1処理と、記録用CCD36から垂直読み出し用CCD37へ電荷信号を移送する第2処理とを繰り返すことにより実行される。   Next, reading of the charge signal after stopping the continuous overwriting will be described. A control voltage (for example, 0 V) for closing the drain gate 45 is applied through the light shielding layer 46. The charge signal is read by repeating a first process for transferring the charge signal from the vertical readout CCD 37 to the horizontal readout CCD 39 and a second process for transferring the charge signal from the recording CCD 36 to the vertical readout CCD 37. Executed.

第1処理では、記録用CCD36では電荷信号の移送は行われず、垂直読み出し用CCD37のみで電荷信号の移送を行う。具体的には、記録用CCD36にA1相の駆動電圧を供給するための第1金属線57に供給する電圧を一定とする一方、記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37にA2相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極52と、垂直読み出し用CCD37にA1相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極53にはデジタル駆動電圧供給部30bが2レベルの矩形波形の駆動電圧を印加する。その結果、記録用CCD36では電荷信号は移送されることなく、蓄積されているエレメント36aに留まる。一方、垂直読み出し用CCD37では、図3において矢印F2で示すように、電荷信号は列方向(鉛直方向)に移送される。水平読み出し用CCD39に移送された電荷信号は、増幅器41、読み出し線24及びA/Dコンバータ25を介してバッファメモリー26に送られる。水平読み出し用CCD39もデジタル駆動電圧供給部30bからの矩形波形の駆動電圧により駆動される。垂直読み出し用CCD37のエレメント37aに蓄積されたすべての電荷信号が水平読み出し用CCD39に移送されると、1回の第1処理が終了して第2処理が実行される。増幅器41、A/Dコンバータ25を含む撮像素子31の周辺回路は、デジタル駆動電圧供給部30bからの矩形波形の駆動電圧によりデジタル制御される。   In the first process, the charge signal is not transferred by the recording CCD 36, and the charge signal is transferred only by the vertical readout CCD 37. Specifically, the voltage supplied to the first metal line 57 for supplying the A1 phase drive voltage to the recording CCD 36 is kept constant, while the A2 phase drive voltage is supplied to the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37. The digital driving voltage supply unit 30b applies a driving voltage having a two-level rectangular waveform to the polysilicon electrode 52 for performing the above and the polysilicon electrode 53 for supplying the A1 phase driving voltage to the vertical readout CCD 37. As a result, in the recording CCD 36, the charge signal is not transferred and remains in the accumulated element 36a. On the other hand, in the vertical readout CCD 37, as indicated by an arrow F2 in FIG. 3, the charge signal is transferred in the column direction (vertical direction). The charge signal transferred to the horizontal readout CCD 39 is sent to the buffer memory 26 via the amplifier 41, the readout line 24 and the A / D converter 25. The horizontal readout CCD 39 is also driven by a rectangular waveform drive voltage from the digital drive voltage supply unit 30b. When all the charge signals accumulated in the element 37a of the vertical readout CCD 37 are transferred to the horizontal readout CCD 39, one first process is completed and the second process is executed. The peripheral circuits of the image sensor 31 including the amplifier 41 and the A / D converter 25 are digitally controlled by a rectangular waveform driving voltage from the digital driving voltage supply unit 30b.

第2処理では、記録用CCD36と垂直読み出し用CCD37の両方で電荷信号の移送が実行される。具体的には、記録用CCD36にA1相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極51、記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37にA2相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極52、及び垂直読み出し用CCD37にA1相の駆動電圧を供給するためのポリシリコン電極53のすべてにデジタル駆動電圧供給部30bが2レベルの矩形波の駆動電圧を印加する。その結果、記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37の両方において、図3において矢印F1,F2で示すように電荷信号が移送される。その結果、垂直読み出し用CCD37のエレメント37aのうち、図3において番号「1」〜「4」を付したエレメント37aに対して記録用CCD36から電荷信号が供給される。垂直読み出し用CCD37のすべのエレメント37aに電荷信号が蓄積されたとき、すなわち図3において番号「1」〜「4」を付したエレメント37aに電荷信号が蓄積されると、1回の第2処理が終了し、再び第1処理が実行される。第1処理と第2処理の繰り返しにより、記録用CCD36、垂直読み出し用CCD37、及び水平読み出し用CCD39からすべての電荷信号が素子外に移送されると、読み出しが終了する。   In the second process, the charge signal is transferred by both the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37. Specifically, a polysilicon electrode 51 for supplying an A1 phase drive voltage to the recording CCD 36, a polysilicon electrode 52 for supplying an A2 phase drive voltage to the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37, and a vertical The digital driving voltage supply unit 30b applies a two-level rectangular wave driving voltage to all of the polysilicon electrodes 53 for supplying the A1 phase driving voltage to the reading CCD 37. As a result, in both the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37, charge signals are transferred as indicated by arrows F1 and F2 in FIG. As a result, the charge signal is supplied from the recording CCD 36 to the elements 37a indicated by the numbers “1” to “4” in FIG. When charge signals are accumulated in all the elements 37a of the vertical readout CCD 37, that is, when charge signals are accumulated in the elements 37a numbered "1" to "4" in FIG. 3, one second process is performed. And the first process is executed again. When all the charge signals are transferred from the recording CCD 36, the vertical readout CCD 37, and the horizontal readout CCD 39 by repeating the first process and the second process, the reading is completed.

前述のように連続上書き撮影中は、正弦波形の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないでCCD上で電荷信号を転送することにより、デジタル制御の場合には不可避のノイズ(パルス状の立ち上がり、立下りやリンギングに伴う急激な電流変化により発生するノイズ)の発生を防止したが、撮影対象現象の生起による連続上書き撮影停止には、デジタル制御により、ゆっくり電荷信号を撮像素子外部のバッファメモリー26に読み出し、連続画像として構成し、再生する。電荷信号の読み出し時には連続上書き撮影時と比較すると大幅に遅い速度でCCD及び周辺回路を駆動することができるので、デジタル制御であってもパルス状の立ち上がり、立下りやリンギングに起因するノイズを実用上殆ど無視できる程度に抑制できる。また、電荷信号の読み出し時には、CCD及び周辺回路の駆動速度を大幅に低減することに加え、撮像素子31を冷却すること容易であり、それによってもノイズを低減できる。   As described above, during continuous overwriting, only the sinusoidal drive voltage is used, and the charge signal is transferred on the CCD without using any digital signal. (Noise generated by sudden current change due to rising, falling, or ringing) was prevented, but when overwriting was stopped due to the occurrence of a phenomenon to be photographed, a charge signal was slowly buffered outside the image sensor by digital control. The data is read into the memory 26, configured as a continuous image, and reproduced. When reading a charge signal, the CCD and peripheral circuits can be driven at a significantly slower speed than during continuous overwriting, so that noise caused by pulse rise, fall, and ringing is practical even with digital control. It can be suppressed to a level that can be almost ignored. Further, when reading out the charge signal, in addition to greatly reducing the drive speed of the CCD and the peripheral circuit, it is easy to cool the image pickup device 31, and noise can be reduced accordingly.

本実施形態の高速撮影装置では前述のように撮影時に正弦波(アナログ)で撮像素子31を駆動することでデジタルレスを実現しているが、これは撮像素子31がISIS型であって、以下の2つの条件を満たしていることからこそ可能である。第1の条件としては、撮像素子31が受光面32内に電荷信号の蓄積要素、すなわち記録用CCD36と垂直読み出し用CCD37を備えるので、撮影中に電荷信号の読み出しの必要がない。第2の条件としては、連続上書き撮影時に駆動される記録用CCD36と垂直読み出し用CCD37とがいずれも「線状」であって、記録用CCD36が垂直読み出し用CCD37に合流する位置(図3の番号「4」が付されたエレメント37a)を含め、電荷信号の移送方法が略同一方向である。たとえ画素周辺に電荷信号の記録要素を備えて撮影中に電荷信号の読み出しが不要であるとしても、電荷信号の移送方向の変換(電荷信号の搬送方向の屈曲)が必要な場合、アナログの駆動電圧では電荷信号の移送方向の変換は実現できない。従って、例えば米国特許第5355165号に開示されているような、画素内に電荷信号の蓄積手段としてのCCDを有するが受光面内で電荷信号の移送方向が水平方向から垂直方向に屈曲している撮像素子では、アナログ制御による連続上書き撮影は実現できない。   In the high-speed imaging device of the present embodiment, as described above, digital imaging is realized by driving the imaging device 31 with a sine wave (analog) at the time of imaging. This is because the imaging device 31 is an ISIS type, and This is possible because the two conditions are satisfied. As a first condition, since the image pickup device 31 includes the charge signal storage elements in the light receiving surface 32, that is, the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37, it is not necessary to read out the charge signal during photographing. The second condition is that the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37 that are driven during continuous overwriting are both “linear”, and the recording CCD 36 joins the vertical readout CCD 37 (see FIG. 3). Including the element 37a) with the number “4”, the charge signal transfer method is in substantially the same direction. Even if a charge signal recording element is provided around the pixel and it is not necessary to read out the charge signal during shooting, if the change of the charge signal transport direction (bending in the charge signal transport direction) is necessary, the analog drive The voltage cannot transfer the charge signal in the transfer direction. Therefore, for example, as disclosed in US Pat. No. 5,355,165, a CCD as a charge signal storage means is provided in a pixel, but the charge signal transfer direction is bent from the horizontal direction to the vertical direction in the light receiving surface. With the image sensor, continuous overwriting by analog control cannot be realized.

(第2実施形態)
撮像素子31の記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37は4相駆動であってもよい。この場合、記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37の電荷転送方向に不純物ドーピングプロファイルの変化(図3,図8参照)を設ける必要はない。
(Second Embodiment)
The recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37 of the image sensor 31 may be driven by four phases. In this case, it is not necessary to change the impurity doping profile (see FIGS. 3 and 8) in the charge transfer direction of the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37.

連続上書き撮影時には、アナログ駆動電圧供給部30aは記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37に、図12及び図13に示すように、4相(A1相、A2相、A3相、A4相)の正弦波の駆動が供給される。A1〜A2相の駆動電圧は振幅及び周期が同一であり、1/2πずつ位相がずれている。これらA1〜A3相の正弦波の駆動電圧により、図14に模式的に示すように、記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37において電荷信号102が移送される。このように連続上書き撮影中は、正弦波形の駆動電圧のみを使い、デジタル信号を一切使わないでCCD上で電荷信号を転送することにより、デジタルノイズレスの高精度で、超高速度撮影ができる。   At the time of continuous overwriting, the analog drive voltage supply unit 30a applies a four-phase (A1, A2, A3, A4) sine wave to the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37 as shown in FIGS. Is supplied. The A1 and A2 phase drive voltages have the same amplitude and period, and are out of phase by 1 / 2π. With these A1 to A3 phase sinusoidal drive voltages, the charge signal 102 is transferred in the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37 as schematically shown in FIG. As described above, during continuous overwriting, only a sinusoidal drive voltage is used, and a charge signal is transferred on the CCD without using any digital signal, so that digital noiseless high-accuracy and super-high-speed photography can be performed.

連続上書き撮影停止後の電荷信号読み出し時には、デジタル駆動電供給部30bから図12及び図13の正弦波)を矩形波に変更した波形の駆動電圧が記録用CCD36及び垂直読み出し用CCD37に供給され、それによって前述の第1処理及び第2処理の繰り返しで電荷信号が撮像素子31から読み出されてバッファメモリー26に蓄積される。   When the charge signal is read after the continuous overwriting is stopped, the drive voltage having a waveform obtained by changing the sine wave of FIGS. 12 and 13 to a rectangular wave from the digital drive power supply unit 30b is supplied to the recording CCD 36 and the vertical readout CCD 37. Accordingly, the charge signal is read from the image sensor 31 and accumulated in the buffer memory 26 by repeating the first process and the second process described above.

第2実施形態のその他の構成及び作用は第1実施形態と同様である。   Other configurations and operations of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.

(第3実施形態)
図15に示す本発明の第3実施形態は、高速撮影装置としての全体的な構造は第1実施形態と同様であるが(図1参照)、撮像素子31の構造が第1実施形態と異なる。フォトダイオード33の図において左下側には電気収集井戸201及びインプットゲート202を介して記録用CCD203の一端(上端)が接続されている。記録用CCD203は受光面上を斜め下向きに延びており、他端は列方向に6個下側で行方向に1個左側のフォトダイオード33の下側に達している。つまり、記録用CCD203は6画素分の距離を斜め下向きに延びている。なお、記録用CCD203の個々のエレメントの図示は省略している。フォトダイオード33の他端(下端)にはMOS型のドレーンゲート204を介してドレーン205に接続されている。このドレーン205は図示しないドレーン線(読み出し線と兼用されている。)に接続されている。ドレーン線は増幅器及びA/Dコンバータを経てバッファメモリー(図1及び図2の符号41,25,26参照)に接続されている。ドレーン205と前述のインプットゲート202の間にはMOS型のオーバーフローゲート206が介在している。
(Third embodiment)
The overall structure of the third embodiment of the present invention shown in FIG. 15 is the same as that of the first embodiment (see FIG. 1), but the structure of the image sensor 31 is different from that of the first embodiment. . One end (upper end) of the recording CCD 203 is connected to the lower left side of the photodiode 33 through an electricity collecting well 201 and an input gate 202. The recording CCD 203 extends obliquely downward on the light receiving surface, and the other end reaches the lower side of the photodiode 33 on the left side by six in the column direction and one on the left side in the row direction. That is, the recording CCD 203 extends diagonally downward by a distance of 6 pixels. Note that illustration of individual elements of the recording CCD 203 is omitted. The other end (lower end) of the photodiode 33 is connected to a drain 205 via a MOS drain gate 204. The drain 205 is connected to a drain line (not shown) (also used as a readout line). The drain line is connected to a buffer memory (see reference numerals 41, 25 and 26 in FIGS. 1 and 2) through an amplifier and an A / D converter. A MOS type overflow gate 206 is interposed between the drain 205 and the input gate 202 described above.

連続上書き撮影時には、ドレーンゲート204が開放され、オーバーフローゲート206は閉鎖されている。アナログ駆動電圧供給部30a(図8,図11参照)から供給される正弦波の駆動電圧により記録用CCD203が駆動される。フォトダイオード33で発生した電荷信号は図15中に矢印で示すように記録用CCD203上を一端から他端に向けて順に移送され、ドレーンゲート204及びドレーン205を介して撮像素子31外に排出される。   During continuous overwriting, the drain gate 204 is opened and the overflow gate 206 is closed. The recording CCD 203 is driven by a sinusoidal drive voltage supplied from the analog drive voltage supply unit 30a (see FIGS. 8 and 11). The charge signal generated by the photodiode 33 is sequentially transferred from one end to the other end on the recording CCD 203 as indicated by an arrow in FIG. 15, and is discharged out of the image sensor 31 through the drain gate 204 and the drain 205. The

記録用CCDへの駆動電圧の印加停止による連続上書き撮影終了後、いずれかのフォトダイオード33に接続された記録用CCD203のドレーンゲート204を選択して開放し、デジタル駆動電圧供給部30b(図8,図11参照)から供給される矩形波の駆動電圧により選択した記録用CCD203を駆動し、ドレーンゲート204、ドレーン205、及びドレーン線等を介してバッファメモリー(図1の符号41参照)へ記録用CCD203に蓄積された電荷信号を順に移送する。このように本実施形態では、連続上書き撮影終了後にフォトダイオード33(画素)をランダムに選択して電荷信号の読み出しを実行することができる。   After completion of continuous overwriting by stopping the application of drive voltage to the recording CCD, the drain gate 204 of the recording CCD 203 connected to one of the photodiodes 33 is selected and opened, and the digital drive voltage supply unit 30b (FIG. 8) is opened. 11)), the selected recording CCD 203 is driven by a rectangular wave driving voltage supplied to the buffer memory (see reference numeral 41 in FIG. 1) via the drain gate 204, the drain 205, the drain line, and the like. The charge signals stored in the CCD 203 are transferred in order. As described above, in this embodiment, it is possible to read out the charge signal by randomly selecting the photodiode 33 (pixel) after completion of continuous overwriting.

なお、撮影条件設定等のために連続上書き撮影時よりも大幅に低い撮影速度での撮影を実行する場合には、オーバーフローゲート206を開放した状態とする。これによりフォトダイオード33で発生した電荷信号を、記録用CCD203を介することなく直接電荷信号を撮像素子31外に読み出すことができる。具体的には、フォトダイオード33で発生した電荷信号は電気収集井戸201から開放状態のオーバーフローゲート206、開放状態のドレーンゲート204、ドレーン205、及びドレーン線等を経てバッファメモリ(図1の符号41参照)へ送られる。   Note that the overflow gate 206 is opened when shooting at a shooting speed significantly lower than that during continuous overwriting for setting shooting conditions and the like. As a result, the charge signal generated by the photodiode 33 can be directly read out of the image sensor 31 without going through the recording CCD 203. Specifically, the charge signal generated by the photodiode 33 passes from the electricity collection well 201 to the open overflow gate 206, the open drain gate 204, the drain 205, the drain line, and the like to the buffer memory (reference numeral 41 in FIG. 1). See).

本実施形態においても連続上書き撮影時には正弦波の駆動電圧(アナログ)で記録用CCD203を駆動することでデジタルノイズレスの高精度で超高速撮影が可能である一方、連続上書き撮影停止後には矩形波の駆動電圧(デジタル)で電荷信号を撮像素子31外にゆっくりと読み出すことができる。   Also in this embodiment, at the time of continuous overwriting, the recording CCD 203 is driven with a sinusoidal driving voltage (analog) so that digital noiseless high-accuracy and ultrahigh-speed shooting is possible. The charge signal can be slowly read out of the image sensor 31 with the drive voltage (digital).

可視光線を電荷信号に変換する撮像素子を備える高速撮影装置を例に本発明を説明したが、撮像素子は、紫外線、赤外線、X線及びガンマ線を含む電磁波、中性子流及びイオン流を含む粒子流等の可視光線以外の入射線を電荷信号に変換するものでもよい。   The present invention has been described by way of an example of a high-speed imaging device including an imaging device that converts visible light into a charge signal. It is also possible to convert an incident line other than visible light such as a charge signal.

本発明の第1実施形態の高速撮影装置を示す模式図。The schematic diagram which shows the high-speed imaging device of 1st Embodiment of this invention. 高速撮像素子の受光面を示す部分正面図。The partial front view which shows the light-receiving surface of a high-speed image sensor. フォトダイオード、記録用CCD、及び垂直読み出し用CCDを示す部分拡大図。The elements on larger scale which show a photodiode, CCD for recording, and CCD for vertical reading. 基板(最下層)を示す部分拡大正面図。The partial enlarged front view which shows a board | substrate (lowermost layer). ポリシリコン層を示す部分拡大正面図。The partial enlarged front view which shows a polysilicon layer. 金属層を示す部分拡大正面図。The partial enlarged front view which shows a metal layer. 遮光層(最上層)を示す部分拡大正面図。The partial enlarged front view which shows the light shielding layer (uppermost layer). 第1実施形態における記録用CCD及び垂直読み出し用CCDの電荷信号搬送方向での模式断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the recording CCD and the vertical readout CCD in the first embodiment in the charge signal carrying direction. 第1実施形態における連続上書き撮影時に記録用CCD及び垂直読み出し用CCDに供給される正弦波の駆動電圧(2相)を示す波形図。FIG. 4 is a waveform diagram showing sinusoidal drive voltages (two phases) supplied to a recording CCD and a vertical readout CCD during continuous overwriting in the first embodiment. 連続上書き撮影時の記録用CCD及び垂直読み出し用CCDにおける信号電荷の搬送状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the conveyance state of the signal charge in CCD for recording and CCD for vertical readout at the time of continuous overwrite photography. 連続上書き撮影時の記録用CCD及び垂直読み出し用CCDにおける信号電荷の搬送状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the conveyance state of the signal charge in CCD for recording and CCD for vertical readout at the time of continuous overwrite photography. 第2実施形態における記録用CCD及び垂直読み出し用CCDの電荷信号搬送方向での模式断面図。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view in the charge signal carrying direction of a recording CCD and a vertical readout CCD in a second embodiment. 第2実施形態における連続上書き撮影時に記録用CCD及び垂直読み出し用CCDに供給される正弦波の駆動電圧(4相)を示す波形図。FIG. 9 is a waveform diagram showing sinusoidal drive voltages (four phases) supplied to a recording CCD and a vertical readout CCD during continuous overwriting in the second embodiment. 第2実施形態における連続上書き撮影時に記録用CCD及び垂直読み出し用CCDに供給される正弦波の駆動電圧(4相)を重畳して示す波形図。FIG. 9 is a waveform diagram showing superimposed sinusoidal drive voltages (four phases) supplied to a recording CCD and a vertical readout CCD during continuous overwriting in the second embodiment. 連続上書き撮影時の記録用CCD及び垂直読み出し用CCDにおける信号電荷の搬送状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the conveyance state of the signal charge in CCD for recording and CCD for vertical readout at the time of continuous overwrite photography. 本発明の第3実施形態の高速撮影装置が備える撮像素子を示す部分正面図。The partial front view which shows the image pick-up element with which the high-speed imaging device of 3rd Embodiment of this invention is provided.

符号の説明Explanation of symbols

21 レンズ
22 外部シャッター
23 ドレーン線
24 読み出し線
25 A/Dコンバータ
26 バッファメモリー
27 画像情報処理装置
28 モニタ
29 タイミングコントローラ
30a アナログ駆動電圧供給部
30b デジタル駆動電圧供給部
31 高速撮像素子
32 受光面
33 フォトダイオード
36 記録用CCD
37 垂直読み出し用CCD
38 インプットゲート
39 水平読み出し用CCD
43 ドレーン
44 ドレーン線
45 ドレーンゲート
46 遮光層
47a N領域
47b N領域
51,52,53 ポリシリコン電極
57,58,59 金属線
61a,61b,61c コンタクトポイント
100 トリガー信号発生部
101 絶縁層
102 電荷信号
201 電荷収集井戸
202 インプットゲート
203 記録用CCD
204 ドレーンゲート
205 ドレーン
206 オーバーフローゲート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Lens 22 External shutter 23 Drain line 24 Read-out line 25 A / D converter 26 Buffer memory 27 Image information processing apparatus 28 Monitor 29 Timing controller 30a Analog drive voltage supply part 30b Digital drive voltage supply part 31 High-speed image sensor 32 Light-receiving surface 33 Photo Diode 36 CCD for recording
37 CCD for vertical readout
38 Input gate 39 Horizontal readout CCD
43 Drain 44 Drain line 45 Drain gate 46 Light shielding layer 47a N region 47b N + region 51, 52, 53 Polysilicon electrode 57, 58, 59 Metal line 61a, 61b, 61c Contact point 100 Trigger signal generating unit 101 Insulating layer 102 Charge Signal 201 Charge collection well 202 Input gate 203 CCD for recording
204 Drain gate 205 Drain 206 Overflow gate

Claims (3)

受光面上に配置されて入射線の強度に応じた電荷信号を発生する複数の変換部と、
個々の前記変換部に一端が接続されて他端に向けて線状に延びる複数の記録用CCDと、
前記記録用CCDの他端側に設けられたドレーンゲートと、
前記ドレーンゲートに接続されたドレーンと
を有する撮像素子と、
撮影時に、前記撮像素子の前記記録用CCDに正弦波の駆動電圧を供給し、前記変換部で発生した電荷信号を前記記録用CCDの前記一端から前記他端に向けて移送させ、前記ドレーンゲートを介して前記電荷信号を前記ドレーンへ排出して連続上書きを実行させる、アナログ駆動電圧供給部と、
前記連続上書きにより前記記録用CCDの蓄積された前記電荷信号を前記撮像素子外に読み出すための電荷信号読み出し部と、
撮影終了後に矩形波の駆動電圧を供給して前記電荷信号読み出し部を介して電荷信号を前記撮像素子外に読み出すためのデジタル駆動電圧供給部と
を備える、
高速撮影装置。
A plurality of converters that are arranged on the light receiving surface and generate a charge signal according to the intensity of the incident line;
A plurality of recording CCDs, one end of which is connected to each of the conversion units and extending linearly toward the other end;
A drain gate provided on the other end of the recording CCD;
An imaging device having a drain connected to the drain gate;
At the time of shooting, a sinusoidal drive voltage is supplied to the recording CCD of the image sensor, and a charge signal generated by the conversion unit is transferred from the one end to the other end of the recording CCD. An analog driving voltage supply unit that discharges the charge signal to the drain via the line and performs continuous overwriting;
A charge signal reading unit for reading out the charge signal accumulated in the recording CCD by the continuous overwriting to the outside of the imaging device;
A digital drive voltage supply unit for supplying a rectangular-wave drive voltage after imaging and reading out a charge signal to the outside of the image sensor via the charge signal readout unit;
High-speed photography device.
前記電荷信号読み出し部は、前記記録用CCDの他端が合流する複数の垂直読み出し用CCDと、
前記複数の垂直読み出し用CCDが接続された単一の水平読み出し用CCDと
を備える、請求項1に記載の高速撮影装置。
The charge signal readout unit includes a plurality of vertical readout CCDs joined at the other ends of the recording CCDs,
The high-speed imaging device according to claim 1, further comprising: a single horizontal readout CCD to which the plurality of vertical readout CCDs are connected.
前記ドレーン及びドレーンゲートが前記電荷信号読み出し部として機能する、請求項1に記載の高速撮影装置。   The high-speed imaging device according to claim 1, wherein the drain and the drain gate function as the charge signal readout unit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112995526A (en) * 2021-02-23 2021-06-18 浙江光珀智能科技有限公司 Interline transfer type CCD sensor and image acquisition method thereof

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