DE60104000T2 - Schnelle abbildungsvorrichtung und schnelle fotografische vorrichtung - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochgeschwindigkeitsbildsensor und eine Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung, die geeignet sind zum Einfangen von Bildern von Hochgeschwindigkeitsphänomenen, wie zum Beispiel Abbrucharbeiten, Explosionen, Hochgeschwindigkeitsabläufen, Kollisionen und ähnlichem.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein Parallelauslesehochgeschwindigkeitsbildsensor, der simultan Ladungssignale von einer Vielzahl von Ausleseleitungen ausliest, wird verwendet, um Hochgeschwindigkeitsbilder einzufangen. Jedoch ist ein In-Situ-Speicherbildsensor geeignet für fernere Anhebung der Bildeinfanggeschwindigkeit. Wenn der In-Situ-Speicherbildsensor Ladungssignale seriell überschreibt in Bildsignalspeicher, die in der Peripherie jedes Bildpunktes bzw. Pixels vorgesehen sind zum Aufzeichnen während des Bildeinfangens ohne Auslesen der Ladungssignale. Der In-Situ-Speicherbildsensor zeichnet Ladungssignale parallel simultan in allen Pixeln als Analogsignale auf, hierdurch eine große Erhöhung der Bildeinfanggeschwindigkeit erreichend.
  • Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat früher einen In-Situ-Speicherbildsensor (abgeschrägter CCD-Bildsensor) vorgeschlagen mit aus linear-ladungsgekoppelten Einrichtungen erstellten Ladungssignalspeichern, welche Einrichtungen sich abgeschrägt von jeder der Photodioden mit vergleichsweise großen Bereichen erstreckt (siehe japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung 2000-165750).
  • 11 zeigt das Prinzip dieses abgeschrägten CCD-Bildsensors. In 11 sind Photodioden durch 1 gekennzeichnet, jeweils mit einer Vielzahl von Elementen 2a versehene CCD-Ladungsspeicher sind durch 2 gekennzeichnet und Ableitungs-Gates (Drain-Gates) sind durch 4 gekennzeichnet. In jeder Photodiode 1 erzeugte Ladungssignale werden in Elementen 2a des entsprechenden CCD-Ladungsakkumulators 2 in Übereinstimmung mit der Reihenfolge des Erzeugens (der Bildeinfangreihenfolge) gespeichert, wie durch an den Elementen 2a in 11 angebrachte Ziffern 1 bis 5 gezeigt.
  • Die Schrägung der CCD-Ladungsspeicher 2 in Bezug auf die Mittelachsenlinie L1 der Photodioden 1 ist ein signifikantes Merkmal.
  • Wenn die CCD-Ladungsspeicher 2 sich parallel zu der Mittelachsenlinie L2 der Photodioden 1 erstrecken würden, müssten die CCD-Ladungsspeicher 2, die sich von einer Photodiode 1 aus erstrecken, nach rechts in der Figur durch die Breite eines CCD-Ladungsspeichers 2 versetzt sein zum Verhindern von Interferenzen bzw. Störungen mit der Photodiode 1, die sich direkt unterhalb dieser Photodiode 1 befindet. Als ein Ergebnis sind in dem Fall der 12 die Zeilenrichtungen und die Spaltenrichtungen der Photodioden 1 nicht senkrecht zueinander, so dass die Anordnung der Photodioden 1 verzerrt ist. Demgegenüber können in dem Fall der 11, da die CCD-Ladungsspeicher 2 wie oben beschrieben in Bezug auf die Mittelachsenlinie L1 abgeschrägt sind, Photodioden 1 so angeordnet werden, dass sowohl Zeilen, als auch Spalten konstante Intervalle haben und die Zeilenrichtung (Richtung der X-Achse) und die Spaltenrichtung (Richtung der Y-Achse) sind senkrecht zueinander. Mit anderen Worten, Photodioden 1 können in einem rechtwinkligen Gittermuster angeordnet werden.
  • 13 zeigt ein Beispiel des oben beschriebenen abgeschrägten CCD-Bildsensors. Jeder CCD-Ladungsakkumulator 2 erstreckt sich vom oberen Rand zum unteren Rand des Photoempfangsbereichs in einer graduell meandierenden Weise und verläuft durch Zonen 8 in Zwischenräumen zischen zwei in Spaltenrichtung zueinander benachbarten Photodioden 1. Ferner ist jeder CCD-Ladungsakkumulator 2 aufgeteilt in Segmente entsprechend der Anzahl von Zonen 8 zwischen Photodioden 1, die jeder CCD-Ladungsakkumulator 2 durchläuft. Jedes der Segmente hat Eingangs-Gates 3 an dem oberen Ende und ein Ableitungs-Gate 4 an seinem unteren Ende. Zudem ist der unterste Rand jeder der CCD-Ladungsspeicher 2 mit einer Horizontalauslese-CCD 6 verbunden, die außerhalb des Photoempfangsbereichs vorgesehen ist.
  • Zur Zeit des Bildeinfangens werden in jeder Photodiode 1 erzeugte Ladungssignale durch den entsprechenden CCD-Ladungsspeicher 2 übertragen und von dem Ableitungs-Gate 4 aus dem Sensor entladen. Ferner werden zur Zeit des Auslesens das Eingangs-Gate 3 und das Ausgangs-Gate 4 geschlossen, so dass Ladungssignale in jedem CCD-Ladungsspeicher 2 übertragen werden zu der Horizontalauslese-CDD 6. Danach werden die Ladungssignale von dem Sensor durch die Horizontalauslese-CCD 6 über einen Verstärker 7 ausgelesen.
  • Dann werden Treiberspannungen zur Ladungssignalübertragung durch einen CCD-Ladungsübertragungspfad beschrieben.
  • 14 bis 18 zeigen jeweils typische Muster der Treiberspannungen. Wie in 14A bis 18A gezeigt, sind gewöhnlich aus Polysilizium hergestellte Elektroden 11a, 11b, 11c und 11d in dem Photoempfangsbereich vorgesehen und Treiberspannungen werden zu diesen Elektroden 11a bis 11d über Metallverdrahtungen 12a, 12b, 12c und 12d zugeführt, welche auf dem Photoempfangsbereich vorgesehen sind. 14b bis 18b zeigen im Zusammenhang zwischen der Position der CCD-Ladungsübertragungspfade 10 in der Ausdehnungsrichtung und dem Potential und 14c bis 18c zeigen den Zusammenhang zwischen Zeit und Variation der Treiberspannung.
  • 14 zeigt den Fall einer Treiberspannung mit drei Pegeln und drei Phasen und 15 zeigt den Fall einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und drei Phasen. In diesen Fällen werden drei Arten von Elektroden 11a bis 11c jeweils entsprechend den Phasen φ1, φ2, und φ3 benötigt. In dem Fall der 15 wird eine Spannungsvariation von sechs Stufen benötigt, wie in Schritt S0 bis S6 gezeigt, um ein Ladungssignal von einem Element 10a zum nächsten Element 10a zu übertragen. 16 zeigt den Fall einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und vier Phasen, wobei vier Arten von Elektroden 11a bis 11d entsprechend zu den Phasen φ1, φ2, φ3 und φ4 benötigt werden. In diesen Fällen der 14 bis 16 ist es nicht erforderlich, die Störstellendotierungsprofile in dem CCD-Ladungsübertragungspfad 10 in der Richtung der Ladungsübertragung zu ändern und die nur durch N-Bereiche gebildeten CCD-Ladungsübertragungspfade 10 sind in einem Substrat eines P-Bereichs vorgesehen. Gemäß diesen Systemen der 14 bis 16 ist die Ladungsmenge, die übertragen werden kann, groß, so dass ein großer Dynamikbereich sichergestellt werden kann, aber sie sind nicht geeignet für Hochgeschwindigkeitsübertragung.
  • Andererseits zeigt die 17 den Fall einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und zwei Phasen, während 18 den Fall einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und einer Phase zeigt. In diesen Fällen sind Abschnitte mit niedrigen Pegeln von Störstellendotiersubstanz und Abschnitte mit hohen Pegeln von Störstellendotiersubstanz abwechselnd in der Oberfläche des CCD-Ladungsübertragungspfades 10 ausgebildet, daher vorläufig eine Unebenheit des Potentialgradienten in der Richtung der Übertragung von Ladungssignalen bildend. Wenn demnach eine Treiberspannung an Elektroden 11a und 11b angelegt wird, wird ein Potentialprofil in einer Stufenform derart ausgebildet, dass die Ladungen zu der stromabwärtige Seite übertragen werden bedingt durch die Neigung dieses Potentialprofils. Gemäß diesen Systemen der 17 und 18 sind die Ladungsmengen, die übertragen werden können, gering, aber sie sind für Hochgeschwindigkeitsübertragung geeignet Es ist erforderlich, viele Ladungssignale in kleinen Pixeln bzw. Bildpunkten innerhalb eines Photoempfangsbereichs eines Bildsensors zu erzeugen, und demnach wird vorgezogen, für den CCD-Ladungsspeicher im Stande zu sein, eine große Anzahl an Ladungen zu übertragen. Andererseits ist Hochgeschwindigkeit in der Horizontalauslese-CCD, die außerhalb des Photoempfangsbereichs angeordnet ist, erforderlich. Zusätzlich kann, da die Horizontalauslese-CCD außerhalb des Photoempfangsbereichs angeordnet ist, die Menge an übertragenen Ladungen erhöht werden durch Erhöhen der Breite bedingt durch das Vorhandensein von zusätzlichem Raum.
  • Demgemäss werden Systeme der 17 und 18 gewöhnlich für den CCD-Ladungsspeicher 2 innerhalb eines Photoempfangsbereichs eingesetzt, während Systeme der 14 bis 16 gewöhnlich für die Horizontalauslese-CCD 6 eingesetzt werden.
  • Dieselbe Anzahl an Arten von Metallverdrahtungen zum Zuführen einer Treiberspannung zu CCD-Ladungsübertragungspfaden ist erforderlich, wie die Anzahl von Phasen der Treiberspannung. Da derselbe Metallverdrahtungstyp benötigt wird zum Anordnen in derselben Schicht, erfordert ferner eine Überkreuzanordnung unterschiedlicher Arten von Metallverdrahtungen eine Anordnung der unterschiedlichen Arten von Metallverdrahtungen in zwei unterschiedlichen, zueinander isolierten Lagen. Ferner ist es in dem Fall eines Bildsensors erforderlich, Metallverdrahtungen zum Zuführen einer Steuerspannung zu einem Eingangs-Gate und einem Ableitungs-Gate anzuordnen.
  • 19A bis 19E zeigen Beispiele, wobei Elektroden 11a bis 11c und Metallverdrahtungen 12a bis 12c zum Zuführen von Treiberspannungen zu CCD-Ladungsspeichern des Bildsensors in derselben Metalllage angeordnet sind. 19a zeigt den Fall, in welchem eine Treiberspannung eine Phase hat, 19B zeigt den Fall, wobei eine Treiberspannung zwei Phasen hat und 19C zeigt den Fall, wobei eine Treiberspannung drei Phasen hat. Ferner zeigt 19D den Fall, wobei die Treiberspannung drei Phasen hat und eine Art von Metallverdrahtung 13a zum Zuführen einer Steuerspannung in derselben Lage, wie die Metallverdrahtungen 11a bis 11c angeordnet ist. Zudem zeigt 19E den Fall, in welchem eine Treiberspannung drei Phasen hat und zwei Arten von Metallverdrahtungen 13a und 13b zum Zuführen einer Steuerspannung in derselben Lage angeordnet sind, wie Metallverdrahtungen 11a bis 11c. In diesen Figuren sind Kontaktpunkte durch 17 gekennzeichnet.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Der oben beschriebene, in 14 gezeigte Diagonal-CCD-Bildsensor hat folgende Probleme.
  • Erstens lassen große Bereiche der Photodioden 1 zum Verbessern der Empfindlichkeit den Bedarf aufkommen, Zonen 8 zwischen zwei zueinander benachbarten Photodioden 1 in Spaltenrichtung sehr schmal zu machen. Jedoch ist es schwierig, CCD-Ladungsspeicher 2 derart bereitzustellen, dass sie durch schmale Zwischenräume 8 verlaufen in Hinblick auf die Herstellung. Zusätzlich tritt zur Zeit, wenn Ladungssignale in den CCD-Ladungsspeicher 2 verschoben werden, Rauschen an diesen schmalen Zonen 8 auf.
  • Zweitens hat der abgeschrägte CCD-Bildsensor der 13 eine Dreieckszone 14 im unteren linken Photoempfangsbereich der Figur, wobei nur CCD-Ladungsspeicher 2 vorliegen und keine Photodioden 1 vorliegen. Wegen des Vorliegens dieser Dreieckszone 14 erhält der Bildsensor eine große Baugröße. Zusätzlich erhöht in dem Fall, dass derselbe Bereich vorgesehen ist für den Photoempfangsbereich, das Vorliegen der Dreieckzone 14 die Anzahl an Photodioden 14, demnach die Auflösung reduzierend.
  • Drittens reduziert eine zunehmende Zahl von Arten von Metallverdrahtungen für das Zuführen von Treiberspannungen und Steuerspannungen die Rahmenrate. Dieser Punkt wird nachstehend beschrieben.
  • Wie in 19A bis 19E gezeigt, nimmt der Abstand 15 zwischen Metallverdrahtungen derselben Phase zu, wenn die Anzahl von Arten von Metallverdrahtungen zunimmt.
  • Beispielsweise, wie in 19A bis 19C gezeigt, sind in dem Fall, dass nur Metallverdrahtungen 12a bis 12c zum Zuführen einer Treiberspannung vorgesehen sind, Abstände 15 für die Treiberspannungen von Einerphasen, Zweierphasen und Dreierphasen jeweils einmal, zweimal und dreimal der Kanalabstand (die Summe der Breite des CCD-Ladungsspeichers und der Breite eines Kanalstoppers). Der Spannungsübertragungsabstand wird ½ der Abstände 15. Ferner, wie in 19C und 19E gezeigt, wird der Abstand 15 in dem Fall, dass Metallverdrahtungen 13a und 13b zum Zuführen der Steuerspannung vorgesehen sind, größer. Andererseits ist die Zeitverzögerung, wenn eine Spannung über Elektroden 11a bis 11c übertragen wird, proportional dem Produkt RC des elektrischen Widerstandes R der Elektroden 11a bis 11c und der elektrischen Kapazität C der auf der Unterseite der Elektroden 11c angeordneten Schicht. Ferner sind der elektrische Widerstand R und die elektrische Kapazität C proportional zu diesem Abstand. Demgemäss ist die Verzögerungszeit der Spannungsübertragung über Elektroden 11a bis 11c proportional zum Quadrat des Abstandes 15. Wie oben beschrieben, nimmt, wenn die Anzahl der Arten von Metallverdrahtungen zunimmt, die Zeitverzögerung der Spannungsübertragung zu, was eine Reduzierung der Rahmenrate verursacht. Die Wirkungen der oben beschriebenen Zeitverzögerung auf die Rahmenrate werden spürbar, wenn die Rahmenrate die Größenordnung von einer Million Rahmen pro Sekunde erreicht.
  • Wenn die Anzahl von Metalllagen bzw. Schichten zum Bereitstellen von Metallverdrahtungen erhöht würde, könnte die Zeitverzögerung der Spannungsübertragung reduziert werden durch Reduzieren des Abstandes 15. Jedoch verursacht ein Erhöhen der Anzahl der Lagen das Verringern der Produktqualität, wie zum Beispiel ein Erhöhen des Rauschens und eine Reduzierung der Ausbeute. Demnach ist die maximale Anzahl von Metalllagen näherungsweise drei. Ferner ist es erforderlich, eine Abdeckung bzw. lichtsperrende Schicht aus Metall als obere Lage vorzusehen und demnach wird die Anzahl von Metalllagen, die Metallverdrahtungen bereitstellen können, maximal zwei. Zusätzlich hat in dem abgeschrägten CCD-Bildsensor das Erhöhen der Anzahl der Lagen eine große Auswirkung auf die Ausbeute, verglichen mit dem normalen Bildsensor. Speziell ist die Ausbeute des Bildsensors proportional zum Quadrat der Fläche. Zusätzlich, im Gegensatz zum normalen Bildsensor mit viereckiger Form mit Seiten von näherungsweise einigen Millimetern, hat der abgeschrägte CCD-Bildsensor, der mit einer großen Anzahl von Elementen für jedes Pixel versehen ist, eine viereckige Form mit Seiten von näherungsweise zwei Zentimetern. Demnach hat der abgeschrägte CCD-Bildsensor einen großen Bereich, verglichen mit dem gewöhnlichen Bildsensor. Demgemäss hat ein Erhöhen der Anzahl der Lagen eine große Auswirkung auf die Ausbeute in dem abgeschrägten CCD-Bildsensor.
  • EP-A-1 041 637, welches Stand der Technik gemäß Artikel 54(3)EPC bildet, offenbart einen Hochgeschwindigkeitsbildsensor, der umfasst: eine Vielzahl von Ladungssignalumsetzern, die in konstanten Intervallen Zeilen bilden, und in konstanten Intervallen Spalten bilden, angeordnet in einem Photoempfangsbereich derart, dass die Zeilenrichtung und die Spaltenrichtung lotrecht zueinander sind und jeweils ein Ladungssignal in Übereinstimmung mit der Intensität einfallenden Lichts erzeugen; eine Vielzahl von Ladungssignalspeichern, die sich linear erstrecken, um abgeschrägt zu sein in Bezug auf eine Linie, die benachbarte Ladungssignalumsetzer in Spaltenrichtung verbindet und mit zwei Enden; welche jeweils für jeden der Ladungssignalumsetzer vorgesehen sind, wobei ein Ende an dem entsprechenden Ladungssignalumsetzer angeschlossen ist; wobei die Ladungssignalspeicher jeweils durch die entsprechenden Ladungssignalumsetzer erzeugte Ladungssignale von einem Ende zum anderen Ende übertragen; eine Vielzahl von Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates und Ableitungen (Drains), wobei ein Ende des Ladungssignalspeichers mit einem aus der Vielzahl von Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates und Ableitungen verschmolzen ist, und wobei die Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates und Ableitungen jeweils Ladungssignale aus dem Photoempfangsbereich heraus übertragen, welche Ladungssignale von den mit den jeweiligen Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates und Ableitungen verbundenen Ladungssignalspeichern übertragen worden sind. Die Ladungsübertragungs-Ableitungs-Gates und Ableitungen sind jeweils für jeden der Ladungssignalumsetzer und Ladungssignalspeicher vorgesehen.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Reduzieren des Rauschens, ein Anheben der Auflösung, ein Anheben der Rahmenrate und ein Anheben der Ausbeute in einem abgeschrägten CCD-Bildsensor zu erreichen.
  • Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, stellt ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Hochgeschwindigkeitsbildsensor bereit, umfassend: eine Vielzahl von Ladungssignalumsetzern, die in konstanten Intervallen Zeilen bilden und in konstanten Intervallen Spalten bilden, angeordnet in einem Photoempfangsbereich derart, dass die Zeilenrichtung und die Spaltenrichtung senkrecht zueinander sind und jeweils ein Ladungssignal in Übereinstimmung mit der Intensität einfallenden Lichts erzeugen; eine Vielzahl von Ladungssignalspeichereinrichtungen, die nachstehend als "Ladungssignalspeicher" bezeichnet werden und sich linear erstrecken, um abgeschrägt zu sein in Bezug auf eine Linie, die benachbarte Ladungssignalumsetzer in Zeilenrichtung verbindet und mit zwei Enden; wobei jeweilige der Ladungssignalspeicher für jeweilige der Ladungssignalumsetzer vorgesehen sind, wobei ein Ende mit einem entsprechenden Ladungssignalumsetzer verbunden ist; wobei die Ladungssignalspeicher jeweils von den entsprechenden Ladungssignalumsetzers erzeugten Ladungssignale von einem Ende zu dem anderen Ende übertragen; und eine Vielzahl von Ladungsübertragungseinrichtungen, nachstehend als "Ladungssignalübertrager" bezeichnet, wobei jeder Ladungssignalübertrager jeweils für eine jeweilige Spalte der Ladungssignalübertrager vorgesehen ist, wobei die jeweiligen anderen Enden der Ladungssignalspeicher, der an einem Ende mit spaltenbildenden Ladungssignalumsetzern verbunden sind, verschmolzen sind zu einem der Ladungssignalübertrager und wobei die Ladungssignalübertrager jeweils nach außerhalb des Photoempfangsbereichs übertragen.
  • In dem Hochgeschwindigkeitsbildsensor der vorliegenden Erfindung verlaufen Ladungssignalspeicher nicht durch Zonen zwischen zueinander in Spaltenrichtung benachbarten Ladungssignalumsetzern. Demnach kann zur Zeit der Ladungssignalübertragung auftretendes Rauschen in den Ladungssignalspeichern reduziert werden. Ferner können die Ladungssignale von dem Sensor ohne das Auftreten von Rauschen durch die Ladungssignalübertragung nach dem Abschluss des Bildeinfangens ausgelesen werden.
  • Speziell wird für die Ladungssignalübertrager vorgezogen, dass sie sich in Spaltenrichtung der Ladungssignalumsetzer erstrecken.
  • Der Photoempfangsbereich erhält eine rechteckige Form ohne eine Dreieckszone an seinen Ecken, so dass eine Miniaturisierung des Sensor erzielt werden kann. Ferner nimmt in dem Fall, dass derselbe Bereich vorgesehen ist, die Anzahl an Ladungssignalumsetzern zu wegen des Fehlens dieser Dreiecksbereich, hierdurch die Auflösung erhöhend.
  • Ferner wird vorgezogen, dass die Ladungsübertragungsrichtung durch die Ladungssignalspeicher und die Ladungsübertragungsrichtung durch die Ladungssignalübertrager im Grunde dieselben sind an Punkten, an welchen die Ladungssignalspeicher mit den Ladungssignalübertragern verschmelzen.
  • Zudem wird vorgezogen, dass die Ladungssignalspeicher aus ersten ladungsgekoppelten Einrichtungen gebildet sind, die Ladungssignalübertrager aus zweiten ladungsgekoppelten Einrichtungen gebildet sind, der Hochgeschwindigkeitsbildsensor mit einer Vielzahl von Elektroden einschließlich mindestens zweier Arten zum Zuführen einer Treiberspannung zu den ersten ladungsgekoppelten Einrichtungen und eine Vielzahl von Elektroden einschließlich mindestens zweier Arten zum Zuführen einer Treiberspannung zu den zweiten ladungsgekoppelten Einrichtungen versehen ist, und dass mindestens eine Art von Elektroden unter den Elektroden zum Zuführen der Treiberspanrung zu den zweiten ladungsgekoppelten Einrichtungen dieselbe Elektrode ist, wie die mindestens eine Art von Elektroden unter den Elektroden zum Zuführen der Treiberspannung zu den ersten ladungsgekoppelten Einrichtungen.
  • Es ist nicht erforderlich, die Ladungssignale in zwei unterschiedlichen Richtungen an den Punkt zu übertragen, an dem die Ladungssignalspeicher mit den Ladungssignalübertragern verschmelzen. Demnach kann die Anzahl von Metallverdrahtungen zum Zuführen einer Treiberspannung zu den ladungsgekoppelten Einrichtungen reduziert werden, hierdurch ein Reduzieren des Abstandes zwischen Metallverdrahtungen derselben Art erreichend. Durch Reduzieren des Abstandes zwischen den Metallverdrahtungen auf solche Weise, kann die Zeitverzögerung der Übertragung der Treiberspannung reduziert werden, so dass die Rahmenrate erhöht wird. Zusätzlich kann Rauschen bedingt durch das Reduzieren der Anzahl der Metallverdrahtungen reduziert werden. Zudem kann die Anzahl an Metallschichten reduziert werden bedingt durch das Reduzieren der Anzahl von Metallverdrahtungen. Das Reduzieren der Anzahl von Metallverdrahtungen ermöglicht das Reduzieren des Rauschens, so dass die Ausbeute erhöht wird. Zudem kann durch das Verwenden mindestens einer Art von Elektroden als Elektrode für das Zuführen von Treiberspannungen sowohl zu dem Ladungssignalspeicher, als auch dem Ladungssignalübertrager die Anzahl an Metallverdrahtungen zum Zuführen der Treiberspannungen reduziert werden.
  • Es wird vorgezogen, dass der Hochgeschwindigkeitsbildsensor ferner umfasst: eine Abdeckungsschicht bzw. lichtblockierende Schicht mit einer Vielzahl von Fenstern jeweils entsprechend den individuellen Ladungssignalübertragern, wobei jedes der Fenster es einem einfallenden Strahl erlaubt, zu dem Ladungssignalübertrager geleitet zu werden, und der Abschnitt der Abdeckungsschicht, der von den Fenstern abweicht, den einfallenden Strahl blockiert; eine jeweils für jeden der Ladungssignalspeicher vorgesehene Ladungssignalentladungssteuerung bzw. ein Ladungssignalentladungskontroller, der durch entsprechende Ladungssignalspeicher übertragene Ladungssignale vom Sensor nach außen entlädt; und eine Steuerspannungszufuhr zum Zuführen einer Steuerspannung zu den Ladungssignalentladungskontrollern über die Abdeckungsschicht.
  • Es ist nicht erforderlich, die Ladungssignalentladungskontoller mit einer so hohen Geschwindigkeit zu entladen, wie das Steuern der Ladungssignalspeicher. Demgemäss kann die Steuerspannung zu den Ladungssignalentladungskontroller über die Abdeckungsschicht mit einer großen elektrischen Kapazität durchgeführt werden. Durch Zuführen der Steuerspannung zu den Ladungssignalentladungskontrollern über die Abdeckungsschicht ist es nicht erforderlich, Metallverdrahtungen zum Zuführen der Steuerspannung vorzusehen, was dazu führt, dass die Anzahl der Metallverdrahtungen reduziert wird. Demnach kann durch Reduzieren des Abstandes zwischen den Metallverdrahtungen desselben Typs die Zeitverzögerung des Übertragens einer Treiberspannung derart reduziert werden, dass die Rahmenrate erhöht werden kann. Zudem kann durch das Reduzieren der Anzahl der Metallverdrahtungen bedingt Rauschen reduziert werden. Außerdem kann die Anzahl der Metallschichten reduziert werden bedingt durch das Reduzieren der Anzahl von Metallverdrahtungen. Ein solches Reduzieren der Anzahl der Metallschichten ermöglicht ein Anheben der Ausbeute.
  • Es wird vorgezogen, dass die Ladungssignalspeicher aus ladungsgekoppelten Einrichtungen ausgebildet werden und der Hochgeschwindigkeitsbildsensor ferner umfasst: eine Vielzahl von Metallverdrahtungen zum Zuführen von Treiberspannungen zu den ladungsgekoppelten Einrichtungen; und eine Treiberspannung, die zum Zuführen von Treiberspannungen zweier Phasen über diese Metallverdrahtungen zugeführt wird.
  • Da die die Ladungssignalspeicher bildenden ladungsgekoppelten Einrichtungen von der Treiberspannung mit zwei Phasen betrieben werden, kann die Rahmenrate erhöht werden. Speziell verglichen mit der Treiberspannung von drei Phasen oder mehr Phasen, welche das Ändern der Spannung von drei bis acht Stufen zum Übertragen des Ladungssignals von einem Element zum nächsten Element erfordern, erfordert die Treiberspannung von zwei Phasen das Ändern der Spannung in nur zwei Stufen zum Übertragen des Ladungssignals von einem Element zum nächsten Element. Demnach wird die Geschwindigkeit der Übertragung von Ladungen derart erhöht, dass die Rahmenrate erhöht wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung mit den obigen Eigenschaften wird des möglich, Bilder einzufangen bei einer hohen Rahmenrate, die viel größer ist als eine Million Rahmen pro Sekunde.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt eine Bildeinfangeinrichtung bereit, die mit dem oben beschriebenen Hochgeschwindigkeitsbildsensor versehen ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigt:
  • 1 ein schematisches Aufbaudiagramm einer Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung, versehen mit einem Hochgeschwindigkeitsbildsensor nach der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Teilvorderansicht eines Photoempfangsbereichs des Hochgeschwindigkeitsbildsensors;
  • 3 eine teilweise vergrößerte Ansicht einer Photodiode, einer Aufzeichnungs-CCD zum Aufzeichnen und einer Vertikalauslese-CCD zum vertikalen Auslesen;
  • 4 eine vertikal vergrößerte Frontansicht eines Substrats (unterste Schicht);
  • 5 eine teilweise vergrößerte Frontansicht einer Polysiliziumschicht;
  • 6 eine teilweise vergrößerte Frontansicht einer Metallschicht;
  • 7 eine teilweise vergrößerte Frontansicht einer Abdeckungsschicht bzw. lichtblockierenden Schicht (oberste Schicht);
  • 8 Ansichten zum Beschreiben seriellen Überschreibens, wobei 8A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades ist, 8B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position und Potential, und 8C ein Schwingungsformdiagramm von Treiberspannungen;
  • 9 Ansichten zum Beschreiben des Auslesebetriebs, wobei 9A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades ist, 9B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position und Potential, und 9C ein Schwingungsformdiagramm von Treiberspannungen;
  • 10A eine schematische Ansicht der Übertragung von Ladungssignalen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, und 10B und 10C schematische Ansichten anderer Beispiele der Übertragung von Ladungssignalen;
  • 11 eine schematische Ansicht zum Erläutern des Prinzips eines abgeschrägten CCD-Sensors gemäß einer konventionellen Art;
  • 12 eine schematische Ansicht eines abgeschrägten CCD-Bildsensors;
  • 13 eine schematische Ansicht des Aufbaus des abgeschrägten CCD-Bildsensors gemäß der konventionellen Art;
  • 14A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades, angetrieben gemäß einer Treiberspannung mit drei Pegeln und drei Phasen, 14B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position und Potential und 14C ein Schwingungsdiagramm der Treiberspannung;
  • 15A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades, angetrieben gemäß einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und drei Phasen, 15B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position und Potential und 15C ein Schwingungsdiagramm der Treiberspannung;
  • 16A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades, angetrieben gemäß einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und vier Phasen, 16B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position und Potential und 16C ein Schwingungsdiagramm der Treiberspannung;
  • 17A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades, angetrieben gemäß einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und zwei Phasen, 17B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position und Potential und 17C ein Schwingungsdiagramm der Treiberspannung;
  • 18A eine schematische Ansicht eines CCD-Ladungsübertragungspfades, angetrieben gemäß einer Treiberspannung mit zwei Pegeln und einer Phase, 18B eine Graphik des Zusammenhangs zwischen Position und Potential und 18C ein Schwingungsdiagramm der Treiberspannung; und
  • 19 schematische Aufbauansichten von Treiberelektroden und Verdrahtungen zum Zuführen von Treiberspannungen, wobei 19A einen Fall einer Phase zeigt, 19B einen Fall von zwei Phasen und 19C, 19D und 19E Fälle von drei Phasen.
  • BESTE ART DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
  • Als nächstes werden in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben.
  • 1 zeigt den Gesamtaufbau einer Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung. Licht, das in eine Objektiv 21 eingetreten ist, verläuft durch einen externen Verschluss 22 und bildet ein Bild auf einem Photoempfangsbereich 32 eines Hochgeschwindigkeitsbildsensors 31 ab. Ladungen werden in Übereinstimmung mit der Intensität des einfallenden Lichtes erzeugt während des Bildeinfangens und durch übermäßig einfallendes Licht erzeugte übermäßige Ladungen werden durch eine Ableitungs-Leitung 23 gegen Masse entladen. Nach dem Bildeinfangen werden Ladungssignale (Bildinformation), die über eine Ausleseleitung 24 gespeichert worden sind, innerhalb des Bildsensors umgesetzt in Digitalinformation durch einen Analog-Digital-Umsetzer bzw. A/D-Umsetzer 25 und dann in einem Pufferspeicher 26 gespeichert. Die in dem Pufferspeicher 26 gespeicherte Bildinformation wird umgesetzt in sequentielle Teile von Bildinformation durch eine Bildinformationsverarbeitungs-Einheit 27 und dann ausgegeben nach außen in Bezug auf die Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung. Diese Bildinformation kann visuell als Bilder auf einem Monitor 28 beobachtet werden. Ferner ist die Hochgeschwindigkeitsbildeinfangeinrichtung mit einer nachstehend als Timing-Kontroller bezeichneten Zeitabstimmungssteuerung 29 zum Steuern ihrer Gesamtheit versehen. Zudem ist die Hochgeschwindigkeits-Bildeinfangeinrichtung mit einer Spannungsversorgung 30 zum Erzeugen einiger Arten von Spannungen zum Steuern des Hochgeschwindigkeitsbildsensors einschließlich der nachstehend beschriebenen Treiberspannungen und Steuerspannungen versehen. Ein Auslöse- bzw. Trigger-Signalgenerator 10 ist mit dem Timing-Kontroller 29 verbunden. Der Trigger-Signalgenerator 10 überwacht eine Änderung in der Helligkeit eines Objektes und gibt ein Trigger-Signal aus, um das Anhalten des seriellen Überschreibens anzuweisen, wenn eine spezifische Bedingung erfüllt ist.
  • Dann wird der Hochgeschwindigkeitsbildsensor 31 beschrieben.
  • Wie in 2 gezeigt, ist eine Vielzahl von Photodioden (Ladungssignalumsetzer) 33 auf dem Photoempfangsbereich 32 angeordnet. Diese Photodioden 33 sind derart angeordnet, dass die Intervalle S1 in Zeilenrichtung (X-Achsenrichtung) und die Intervalle S2 in Spaltenrichtung (Y-Achsenrichtung) jeweils konstant werden. Ferner sind Photodioden 33 auf dem Photoempfangsbereich 32 in einem rechteckigen Gittermuster (einschließlich einem quadratischen Gittermuster) angeordnet. Bildpunkte 34, von denen jeder eine Photodiode 33 einschließt, sind auch in einem rechteckigen Gittermuster angeordnet. In 2 dargestellt sind drei Photodioden in der Zeilenrichtung und vier Photodioden in der Spaltenrichtung, was eine Gesamtzahl von zwölf Photodioden 33 ausmacht.
  • Eine Linear-Aufzeichnungs-CCD (Ladungssignalspeicher, nachstehend Aufzeichnungs-CCD genannt) 36 ist für jede der Photodioden 33 vorgesehen. Ferner ist für jede der Spalten von Photodioden 33 eine Linear-CCD zum vertikalen Auslesen (Ladungssignalübertrager, nachstehend Vertikalauslese-CCD genannt) 37 vorgesehen.
  • Ein Ende der Aufzeichnungs-CCD 36 ist mit der jeweiligen Photodiode 33 über ein Eingangs-Gate 38 verbunden. Ferner erstreckt sich die Aufzeichnungs-CCD 36 in eine Richtung abgeschrägt in Bezug auf eine Linie L2, die einander benachbarte Photodioden 33 in Zeilenrichtung verbindet. Zudem verschmilzt das andere Ende der Aufzeichnungs-CCD 36 mit der Vertikalauslese-CCD 37. Die CCD 36, von welchen die einen Enden jeweils mit einer Photodiode 33 verbunden sind, verschmelzen in derselben Spalte an ihren anderen Enden mit der dieser Spalte entsprechenden Vertikalauslese-CCD 37. Mit anderen Worten, alle CCD 36 zum Aufzeichnen, die mit Photodioden 33 in derselben Spalte verbunden sind, verschmelzen mit derselben Vertikalauslese-CCD 37.
  • Die Vertikalauslese-CCD 37 erstreckt sich in Spaltenrichtung (Vertikalrichtung) der Photodioden 33. Zudem erstreckt sich das untere Ende in der Figur der Vertikalauslese-CCD 37 nach außerhalb des Photoempfangsbereichs 32 derart, dass es verbunden ist mit einer CCD 39 zum horizontalen Auslesen. Die CCD 39 zum horizontalen Auslesen ist mit einer Signalausleseleitung 24 (siehe 1) über einen Verstärker 41 verbunden. Wie durch Ziffern 5 bis 21 in 3 gekennzeichnet, schließt die Aufzeichnungs-CCD 36 siebzehn Elemente 36a ein und verschmilzt mit der Vertikalauslese-CCD 37 an der Stelle, die sich nach dem achtzehnten Element 36a gezählt vom Eingangs-Gate 38 befindet. In 3 ist eine Ziffer "4" an jedem Element 37a der Vertikalauslese-CCD 37 angebracht, angeordnet an einem Abschnitt, mit welchem die CCD 37 verschmilzt. Wie durch Pfeile F1 und F2 in 3 gezeigt, sind an dem Punkt, an welchem die Aufzeichnungs-CCD 36 mit der Vertikalauslese-CCD 37 verschmilzt, nämlich in der Nähe der Elemente 37a, bei welchen die Ziffer "4" angebracht ist, die Richtung der Übertragung der Ladungssignale in der Aufzeichnungs-CCD 36 und die Richtung der Übertragung der Ladungssignale in der Vertikalauslese-CCD 37 im wesentlichen dieselben Richtungen.
  • Wie in 2 gezeigt, schließt jedes Pixel 34 vier Elemente 36a in Zeilenrichtung und vier Elemente 36a in Spaltenrichtung ein, hierdurch eine Gesamtzahl von sechzehn Elementen 36a der Aufzeichnungs-CCD 36 ausmachend. Die CCD 36 zum Aufzeichnen, welche sich in der Richtung nach unten links in der Figur von den Photodioden 33 erstrecken, bilden einen in Spaltenrichtung schmal ausgedehnten Speicherbereich 42. Auf der linken Seite des Speicherbereichs 42 in der Figur ist die Vertikalauslese-CCD 37 vorgesehen.
  • Auf der linken Seite der Vertikalauslese-CCD 37 in der Figur ist eine sich parallel zu der Vertikalauslese-CCD 37 erstreckende Ableitung (Drain) 43 vorgesehen. Eine Ableitung 43 ist für jede der Spalten der Photodioden 33 auf dieselbe Weise, wie die Vertikalauslese-CCD 37 vorgesehen. Die Ableitungen 43 erstrecken sich außerhalb des Photoempfangsbereichs 33 und sind mit einer Ableitungs-Leitung 44 verbunden, die sich in Horizontalrichtung erstreckt. Die Ableitungs-Leitung 44 ist an die oben erwähnte Ableitungs-Leitung 23 angeschlossen (siehe 1), welche gegen Masse verbunden ist.
  • Wie in 3 gezeigt, ist die Ableitung 43 mit dem Element 37a verbunden, das um ein Element stromaufwärtsseitig in der durch den Pfeil F2 gezeigten Übertragungsrichtung der Ladungssignale in Bezug auf das Element 37a angeordnet ist, an welches die Ziffer "4" angebracht ist. Die Ableitung 43 ist nämlich mit den Elementen 37a verbunden, an welchen die Ziffer "1" angebracht ist. Ein Ableitungs-Gate 45 ist zwischen der Ableitung 43 und dem Element 37a der Vertikalauslese-CCD 37 vorgesehen.
  • Als Nächstes wird der Aufbau des Photoempfangsbereichs 3 detailliert unter Bezugnahme auf 4 bis 7 beschrieben.
  • Von diesen Figuren zeigt 4 das Substrat (unterste Schicht). 5 zeigt eine Polysilizium-Elektrodenschicht, die auf der untersten Schicht ausgebildet ist. 6 zeige eine oberhalb der Polysilizium-Elektrodenschicht ausgebildete Metallschicht. 7 zeigt eine lichtblockierende Schicht 46, welches die oberste Schicht ist. Transparente Isolationsschichten (nicht dargestellt) sind jeweils zwischen dem Substrat und der Polysilizium-Elektrodenschicht, zwischen der Polysilizium-Elektrodenschicht und der Metallschicht und zwischen der Metallschicht und der lichtblockierenden bzw. Abdeckschicht 46 vorgesehen.
  • Wie in 2 und 4 gezeigt, ist das Substrat mit den Photodioden 33, den Aufzeichnungs-CCDs 36, den Eingangs-Gates 38, den Ableitungs-Gates 45 und den Vertikalauslese-CCDs 37 versehen. Die Aufzeichnungs-CCDs 35 werden durch abwechselndes Bereitstellen von N-Zonen 47a und N-Zonen 47b ausgebildet. Vier aufeinanderfolgende N-Zonen 47a und N-Zonen 47b bilden ein Element 36a. Die Vertikalauslese-CCD 37 wird auch ausgebildet durch abwechselndes Bereitstellen von N-Zonen 47a und N-Zonen 47b und vier aufeinanderfolgende N-Zonen 47a und N-Zonen 47b bilden ein Element 37a. Ferner bilden ein Paar von N-Zonen 47a und N-Zonen 47b ein Eingangs-Gate 38. Der verbleibende Abschnitt des Substrats, abweichend von den Photodioden 33, Aufzeichnungs-CCDs 36, Eingabe-Gates 38, Ableitungs-Gates 45 und Vertikalauslese-CCDs 37 bildet ein Kanalstopper 48 einer P-Zone.
  • Wie in 5 gezeigt, sind drei Arten von Polysilizium-Elektroden 51. 52 und 53 in der Polysilizium-Schicht vorgesehen.
  • Von diesen Elektroden sind die ersten Polysilizium-Elektroden 51 zum Antreiben von Aufzeichnungs-CCDs 36 und eine Treiberspannung der Phase φ1 wird daran angelegt. Ferner sind die zweiten Polysilizium-Elektroden 52 zum Antreiben sowohl der Aufzeichnungs-CCDs 36, als auch der Vertikalauslese-CCDs 37 und eine Treiberspannung der Phase φ2 wird daran angelegt. Zudem sind die dritten Polysilizium-Elektroden 53 zum Antreiben der Vertikalauslese-CCDs 37 und eine Treiberspannung der Phase φ1 wird daran angelegt.
  • Diese Polysilizium-Elektroden 51 bis 53 erstrecken sich in Zeilenrichtung (Horizontalrichtung) der Photodioden 33 in dem Photoempfangsbereich 32. Unter jeder der Polysilizium-Elektroden 51 bis 53 befindet sich ein Paar von N-Zonen 47a und N-Zonen 47b. Die erste Polysilizium-Elektrode und die dritte Polysilizium-Elektrode 53 sind in Zeilenrichtung (Horizontalrichtung) in einer Linie angeordnet. Jedoch ist ein Zwischenraum 54 zwischen der ersten Polysilizium-Elektrode 51 und der dritten Polysilizium-Elektrode derart vorgesehen, dass die erste Polysilizium-Elektrode 51 und die dritte Polysilizium-Elektrode 53 elektrisch voneinander isoliert sind durch den Abstand 54. Die ersten und dritten Polysilizium-Elektroden 51 und 53 und die zweite Polysilizium-Elektrode 52 sind in abwechselnder Weise in Spaltenrichtung vorgesehen. Jedes Paar erster Polysilizium-Elektroden 51 und zweiter Polysilizium-Elektroden 52 entspricht einem Element 36a der CCD 36 zum Aufzeichnen, während jedes Paar von ersten Polysilizium-Elektroden 51 und dritten Polysilizium-Elektroden 53 einem Element 37a der Vertikalauslese-CCD 37 entspricht.
  • Wie in 6 gezeigt, schließt die Metallschicht erste Metallverdrahtungen 57, zweite Metallverdrahtungen 58, dritte Metallverdrahtungen 59 und Ableitungen (Drains) ein. Die Metallverdrahtungen 57 bis 59 führen Treiberspannungen, die von der oben beschriebenen Spannungsversorgung 30 ausgegeben werden, an die Polysilizium-Elektroden 51 bis 53. Von den Metallverdrahtungen 57 bis 59 stellt die erste Metallverdrahtung 57 eine Treiberspannung der Phase φ1 an den ersten Polysilizium-Elektroden 51 bereit. Ferner stellt die zweite Metallverdrahtung 58 eine Treiberspannung der Phase φ2 an den zweiten Polysilizium-Elektroden 52 bereit. Zudem stellt die dritte Metallverdrahtung 59 eine Treiberspannung der Phase φ1 an den dritten Polysilizium-Elektroden 53 bereit.
  • Die erste Metallverdrahtung 57 ist aus einer Hauptleitung 57a ausgebildet, die sich in Spaltenrichtung erstreckt (Vertikalrichtung) und einer Vielzahl von Zweigleitungen 57b, die von der Hauptleitung 57a abzweigen, um sich in Zeilenrichtung (Horizontalrichtung) zu erstrecken. Jede der Zweigleitungen 57b der ersten Metallverdrahtung 57 ist mit der ersten Polysilizium-Elektrode 51 über Kontaktpunkte 61a verbunden. Demgemäss wird die Treiberspannung der Phase φ1 an die Elemente 36a der Aufzeichnungs-CCD 36 über die erste Metallverdrahtung 57 und den Kontaktpunkt 61a von der Spannungsversorgung 30 zugeführt.
  • Die zweite Metallverdrahtung 58 ist auch aus einer Hauptleitung 58a ausgebildet, die sich in Spaltenrichtung erstreckt (Vertikalrichtung) und einer Vielzahl von zweiten Zweigleitungen 58b, die von der Hauptleitung 58a abzweigen, um sich in Spaltenrichtung zu erstrecken. Jede zweite Zweigleitung 58b ist mit der zweiten Polysilizium-Elektrode 52 über Kontaktpunkte 61b verbunden. Demgemäss wird die Treiberspannung der Phase φ2 den Elementen 36a der Aufzeichnungs-CCD 36 und den Elementen 37a der Vertikalauslese-CCD 37 über die zweite Metallverdrahtung 58 und Kontaktpunkte 61b von der Spannungsversorgung 30 zugeführt.
  • Die dritte Metallverdrahtung 59 erstreckt sich in Spaltenrichtung auf dieselbe Weise, wie die oben beschriebene erste Metallverdrahtung 57 und die zweite Metallverdrahtung 58 und ist mit einer dritten Polysilizium-Elektrode 53 über Kontaktpunkte 61c verbunden. Demgemäss wird eine Treiberspannung der Phase φ1 einem Element 37a einer Vertikalauslese-CCD 37 über die dritte Metallverdrahtung 59 und den Kontaktpunkt 61c von der Spannungsversorgung 30 zugeführt.
  • Die Ableitungs-Gates 45 sind mit einer lichtblockierenden bzw. Abdeckschicht 46 über Kontaktpunkte 61d verbunden. Demgemäss wird eine Steuerspannung zum Öffnen oder Schließen der Ableitungs-Gates 45 an die Ableitungs-Gates 45 über die lichtblockierende Schicht 46 und die Kontaktpunkte 61d zugeführt. Die Ableitungs-Gates 45 brauchen nicht mit hoher Geschwindigkeit gesteuert zu werden, wie die Aufzeichnungs-CCDs 36 und die Vertikalauslese-CCDs 37. Daher ist es möglich, eine Steuerspannung über die Abdeckungsschicht 46 mit relativ großer elektrischer Kapazität zuzuführen.
  • Wie in 7 gezeigt, sind eine Vielzahl von Fenstern 46a in der Abdeckungsschicht 46 derart vorgesehen, dass jedes von ihnen der Photodiode 33 entspricht. Diese Fenster 46a ermöglichen es Licht, in die Photodioden 33 einzutreten. Der verbleibende Abschnitt der Abdeckungsschicht 46, abweichend von den Fenstern 46a, deckt den Photoempfangsbereich 32 derart ab, dass er einfallendes Licht blockiert Die Abdeckungsschicht 46 ist aus einem leitfähigen Metall hergestellt. Das leitfähige Metall schließt Metalle, wie zum Beispiel Aluminium ein.
  • Wie oben beschrieben, werden in dem Hochgeschwindigkeits-Bildsensor 31 der vorliegenden Erfindung die in den CCDs zum Aufzeichnen gespeicherten Ladungssignale durch die Vertikalauslese-CCDs 37, die jeweils für jede Spalte von Photodioden 33 vorgesehen sind und sich in Spaltenrichtung erstrecken, ausgelesen. Demgemäss hat ein Photoempfangsbereich 32 eine rechteckige Form, die keine Dreieckzone 14 (siehe 13) hat, in welcher Aufzeichnungs-CCDs 36 existieren, aber keine Photodioden 33. Demnach kann eine Miniaturisierung des Sensors erzielt werden. Ferner nimmt in dem Fall, dass derselbe Bereich für den Photoempfangsbereich vorgesehen ist, die Anzahl an Photodioden aufgrund des Fehlens einer Dreieckzone zu, was zu einer Verbesserung der Auflösung führt.
  • Als nächstes wird der Betrieb eines Hochgeschwindigkeitsbildsensors 31 beschrieben.
  • Zuerst wird das seriell überschreibende Bildeinfangen beschrieben.
  • Eine Steuerspannung wird an ein Ableitungs-Gate 45 über die Abdeckschicht 46 und einen Kontaktpunkt 61d von der Spannungsversorgung 30 derart angelegt, dass das Ableitungs-Gate 45 dasselbe Potential beibehält, wie die Ableitungs-Leitung 43. Unter dieser Bedingung wird ein Ladungssignal nach außen von dem Sensor entladen von dem Element 37a der Vertikal-CCD 37, die ist mit dem Ableitungs-Gate 45 verbunden, d. h. dem Element 37a, an welches die Ziffer "1" in 3 angebracht ist, durch das Ableitungs-Gate 45, die Ableitungs-Leitungen 43 und 23.
  • Ferner wird beim seriell überschreibenden Bildeinfangen, wie in 8C gezeigt, die Treiberspannung mit zwei Pegeln und zwei Phasen an eine Aufzeichnungs-CCD 36 und eine Vertikalauslese-CCD 37 von der Spannungsversorgung 30 angelegt. Speziell wird die Treiberspannung der Phase φ1 von der Spannungsversorgung 30 zu den Elementen 36a der CCDs zum Aufzeichnen 36 über die ersten Metallverdrahtungen 57, Kontaktpunkte 61a und erste Polysilizium-Elektroden 51 zugeführt. Ferner wird die Treiberspannung der Phase φ2 von der Spannungsversorgung 30 zu den Elementen 36a der CCDs zum Aufzeichnen 36 über die erste Metallverdrahtung 58, Kontaktpunkte 61b und zweite Polysilizium-Elektroden 52 zugeführt. Andererseits wird die Treiberspannung der Phase φ1 an die Elemente 37a der Vertikalauslese-CCDs 37 über die dritten Metallverdrahtungen 59, Kontaktpunkte 61c und die dritten Polysilizium-Elektroden 53 zugeführt. Ferner wird die Treiberspannung der Phase φ2 von der Spannungsversorgung 30 zu den Elementen 37a der CCDs zum vertikalen Auslesen 37 über die zweiten Metallverdrahtungen 58 und den Kontaktpunkt 61b zugeführt.
  • Durch Anlegen der Treiberspannungen an die Aufzeichnungs-CCDs 36 und die Vertikalauslese-CCDs 37, werden die Ladungssignale übertragen, wie in 8B gezeigt. Speziell, wie durch die Ziffern "5" bis "21" gezeigt, die an Elementen 36a angebracht sind, und durch den Pfeil F in 3 gezeigt, werden die in den Photodioden 33 erzeugten Ladungssignale von den Aufzeichnungs-CCDs 36 in Richtung des Punktes übertragen, wo sie verschmelzen mit den Vertikalauslese-CCDs 37. Ferner, wie durch die Ziffern "1" bis "4" gezeigt, die an Elementen 37a angebracht sind und durch den Pfeil F2 in 3, werden Ladungssignale, die zu den Vertikalauslese-CCDs 37 übertragen worden sind, in Spaltenrichtung (Vertikalrichtung) übertragen. Die durch die Vertikalauslese-CCDs 37 übertragenen Ladungssignale werden zu den Ableitungen 43 durch die Ableitungs-Gates 45 von den Elementen 37a entladen, zu welchen die Ziffer "1" angeordnet ist, bevor sie den stromabwärtsseitigen Verschmelzungspunkt erreichen, d. h. die Elemente 37a, bei welchen die Ziffer "4" in 3 angebracht worden ist.
  • Gemäß dem oben beschriebenen Betrieb, wie durch die Ziffern "1" bis "21" in 3 gezeigt, wird eine große Zahl von jüngsten Ladungssignalen in den Elementen 36a und 37a der Aufzeichnungs-CCDs 36 und der Vertikalauslese-CCDs 37 aufgezeichnet, während sie aktualisiert werden. Zusätzlich, da die Ladungssignale von den Ableitungs-Gates 45 entladen werden, werden die in einer Photodiode 33 erzeugten Ladungssignale nicht vermischt mit den in einer anderen Photodiode 33 benachbart zu dieser einen Photodiode in Spaltenrichtung erzeugten Ladungssignalen.
  • Wenn ein Auslöse- bzw. Triggersignal in den Timing-Kontroller 29 von dem Trigger-Signalgenerator 100 eingegeben wird, ist das seriell überschreibende Bildeinfangen als ein Ergebnis des Anhaltens des Anlegens der Treiberspannungen abgeschlossen und der externe Verschluss 22 wird geschlossen.
  • Daraufhin wird das Auslesen der Ladungssignale nach dem Anhalten des seriell überschreibenden Bildeinfangens beschrieben.
  • Eine Steuerspannung (beispielsweise 0 V) zum Schließen der Ableitungs-Gates 45 wird an die Ableitungs-Gate 45 über die Abdeckungsschicht 46 angelegt. Zusätzlich wird ein Auslesen der Ladungssignale durch Wiederholen eines ersten Prozesses zum Übertragen der Ladungssignale von den Vertikalauslese-CCDs 37 zu dem Horizontalauslese-CCD 39 zum horizontalen Auslesen ausgeführt und ein zweiter Prozess zum Übertragen von Ladungssignalen von den Aufzeichnungs-CCDs 36 zu den Vertikalauslese-CCDs 37.
  • Im ersten Prozess wird in den Aufzeichnungs-CCDs 36 keine Übertragung der Ladungssignale ausgeführt, wohingegen eine Übertragung der Signale in den Vertikalauslese-CCDs 37 ausgeführt wird. Speziell wird eine der ersten Metallverdrahtungen 57 zum Anlegen der Treiberspannung der Phase φ1 an die Aufzeichnungs-CCDs 36 zugeführte Spannung konstant gehalten. Andererseits wird eine Treiberspannung mit zwei Pegeln nur an die zweiten Metallverdrahtungen 58 angelegt zum Zuführen der Treiberspannung der Phase φ2 an die Aufzeichnungs-CCDs 36 und die Vertikalauslese-CCDs 37, sowie an die dritten Metallverdrahtungen 59 zum Zuführen der Treiberspannung der Phase φ1 zu den Vertikalauslese-CCDs 37. Als ein Ergebnis, wie in 9B und 9C gezeigt, werden die in den Aufzeichnungs-CCDs 36 gespeicherten Ladungssignale nicht übertragen und verbleichen in Elementen 36a. Andererseits, wie in 8B und 8C und durch den Pfeil F2 in 2 gezeigt, werden die in den Vertikalauslese-CCDs 37 gespeicherten Ladungssignale in Spaltenrichtung (Vertikalrichtung) übertragen. Die Ladungssignale, die zu der Horizontalauslese-CCD 39 übertragen worden sind, werden zum Pufferspeicher 26 über den Verstärker 41, die Ausleseleitung 24 und den A/D-Umsetzer 25 übertragen. Wenn alle Ladungssignale, die in den Elementen 37a der Vertikalauslese-CCDs 37 gespeichert wurden, zu der Horizontalauslese-CCD 39 übertragen worden sind, ist ein Zyklus des ersten Prozesses abgeschlossen und der zweite Prozess wird ausgeführt.
  • Im zweiten Prozess wird die Übertragung der Ladungssignale sowohl in den Aufzeichnungs-CCDs 36, als auch in den Vertikalauslese-CCDs 37 ausgeführt. Speziell wird eine Treiberspannung mit zwei Pegeln an alle ersten Metallverdrahtungen 57 angelegt zum Zuführen der Treiberspannung der Phase φ1 zu den Aufzeichnungs-CCDs 36, die zweiten Metallverdrahtungen 58 zum Zuführen der Treiberspannung der Phase φ2 zu den Aufzeichnungs-CCDs 36 und den Vertikalauslese-CCDs 37, und die dritten Metallverdrahtungen 59 zum Zuführen der Treiberspannung der Phase φ1 zu den Vertikalauslese-CCDs 37. Als ein Ergebnis, werden Ladungssignale sowohl in den Aufzeichnungs-CCDs 36, als auch in den Vertikalauslese-CCDs 37 übertragen, wie durch die Pfeile F1 und F2 in 8B, 8C und 3 gezeigt. Demgemäss werden Ladungssignale von den Aufzeichnungs-CCDs 36 zu den Elementen 37a der Vertikalauslese-CCDs 37 zugeführt, zu welchen die Ziffern "1" bis "4" in 3 angebracht sind. Wenn die Ladungssignale in allen der Elemente 37a der Vertikalauslese-CCDs 37 gespeichert sind, das heißt, die Ladungssignale in den Elementen 37a gespeichert sind, zu welchen die Ziffern "1" bis "4" in 3 hinzugefügt sind, ist ein Zyklus des zweiten Prozesses abgeschlossen und der erste Prozess wird wieder ausgeführt. Wenn alle in den Aufzeichnungs-CCDs 36, Vertikalauslese-CCDs 37 und der Horizontalauslese-CCDs 39 gespeicherten Ladungssignale nach außen von dem Sensor bedingt durch Wiederholen der ersten und zweiten Prozesse übertragen worden sind, ist das Auslesen der Signale abgeschlossen.
  • Der Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht das Erlangen einer Verbesserung der Rahmenrate, einer Reduzierung des Rauschens und einer Anhebung der Ausbeute.
  • Die Verbesserung der Rahmenrate wird nachstehend beschrieben.
  • Erstens sind in dem Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der vorliegenden Ausführungsform, wie durch die Pfeile F1 und F2 in 3 und 10A gezeigt, die Richtungen der Übertragung der Ladungssignale in den Aufzeichnungs-CCDs 36 und in den Vertikalauslese-CCDs 37 dieselben an dem Punkt, an welchem die Aufzeichnungs-CCDs 36 mit den Vertikalauslese-CCDs 37 verschmelzen. Demnach kann die Anzahl von für das Zuführen der Treiberspannungen zu den Aufzeichnungs-CCDs 36 und zu den Vertikalauslese-CCDs erforderlicher Metallverdrahtungen reduziert werden. Beispielsweise in dem Fall, dass wie durch Pfeile F1' und F2' in 10B gezeigt, die Richtungen der Übertragung der Ladungssignale in den Aufzeichnungs-CCDs 36' und den Vertikalauslese-CCDs 37' senkrecht zueinander sind an den Punkten des Verschmelzens, werden zwei Arten von Metallverdrahtungen erforderlich, um die Richtung der Übertragung der Ladungssignale zu ändern, was das Erstellen eines unnötigen Raums im Photoempfangsbereich verursacht. Ferner sind in dem Fall, dass wie in 10C gezeigt, der Sensor einen Aufbau hat, wobei Ladungssignale aufeinanderfolgend von einer Aufzeichnungs-CCD 36'' zu einer anderen CCD 36'' übertragen werden, zwei Arten von Metallverdrahtungen erforderlich, um die Richtung der Übertragung der Ladungssignale zu ändern, wie durch die Pfeile F1'' und F2'' gezeigt. Demgegenüber ist es, da die vorliegende Ausführungsform eine Richtung der Übertragung der Ladungssignale an dem Punkt des Verschmelzens zulässt, nicht erforderlich, zusätzliche Metallverdrahtungen vorzusehen zum Ändern der Richtung der Übertragung. Aus diesem Grund kann die Anzahl von Metallverdrahtungen in einem Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der vorliegenden Ausführungsform reduziert werden.
  • Ferner ist es, da die Steuerspannung zu den Ableitungs-Gates 45, wie oben beschrieben über die Abdeckungsschicht 46 zugeführt wird, nicht erforderlich, eine zusätzliche Metallverdrahtung zum Zuführen der Steuerspannung zu den Ableitungs-Gates vorzusehen. Aus diesem Grund kann die Anzahl von Metallverdrahtungen in einem Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der vorliegenden Ausführungsform reduziert werden.
  • Zudem wird die Zufuhr der Treiberspannung der Phase φ2 zu den Elementen 36a der Aufzeichnungs-CCD 36 und die Zufuhr der Treiberspannung der Phase φ2 zu den Elementen 37a der Vertikalauslese-CCD 37 unter Verwendung derselben Metallverdrahtung ausgeführt werden, d. h., der zweiten Metallverdrahtung 58. Bedingt durch das Teilen der Metallverdrahtung für die Zufuhr der Treiberspannung für die Aufzeichnungs-CCD 36 und für die Vertikalauslese-CCD 37 kann die Anzahl von Metallverdrahtungen reduziert werden.
  • Als ein Ergebnis des Reduzierens der Anzahl von Metallverdrahtungen, wie oben beschrieben, kann der Abstand zwischen ersten bis dritten Metallverdrahtungen 57, 58 und 59 zum Zuführen der Treiberspannungen reduziert werden, so dass die Zeitverzögerung bei der Übertragung der Treiberspannungen in den Aufzeichnungs-CCDs 36 und den Vertikalauslese-CCDs 37 reduziert werden kann. Als ein Ergebnis wird die Rahmenrate erhöht.
  • Ferner wird, da in dem Hochgeschwindigkeitsbildsensor 32 der vorliegenden Ausführungsform die Aufzeichnungs-CCDs 36 durch die Treiberspannung von zwei Phasen angetrieben werden, die Rahmenrate erhöht werden. Speziell in dem Fall einer Treiberspannung von drei oder mehr Phasen werden Ladungssignale von einem Element zu dem nächsten Element durch eine Änderung in der Treiberspannung von drei bis acht Schritten übertragen. Demgegenüber werden in dem Fall von Treiberspannungen von zwei Phasen Ladungssignale von einem Element zum nächsten Element durch eine Änderung in der Treiberspannung von zwei Schritten übertragen, wie in den Schritten S0 bis S2 in 8 gezeigt. Demnach wird die Übertragungsgeschwindigkeit der Ladungssignale erhöht, was zu einer Erhöhung der Rahmenrate führt.
  • Konkret kann durch Vorsehen der oben beschriebenen Eigenschaften in der oben beschriebenen Ausführungsform eine Rahmenrate in der Größenordnung von einer Million Rahmen pro Sekunde erzielt werden.
  • Dann wird das Reduzieren des Rauschens und Erhöhens der Ausbeute beschrieben werden.
  • Erst werden für jede Spalte von Photodioden 33 oder Pixel bzw. Bildpunkten 34 die an die Photodioden 33 angeschlossenen, die entsprechende Spalte bildenden CCDs 36 verschmolzen. In dieser Anordnung, wie in 7 gezeigt, verläuft die Aufzeichnungs-CCD 6 nicht durch den schmalen Spalt 148 zwischen den einander benachbarten Photodioden in Spaltenrichtung. Demgemäss kann zur Zeit der Übertragung von Ladungssignalen in den Aufzeichnungs-CCD 36 auftretendes Rauschen reduziert werden. Zusätzlich können Ladungssignale aus dem Sensor durch die Vertikalauslese-CCDs 37 ausgelesen werden, ohne Rauschen zu verursachen nach dem Abschluss des Bildempfangens.
  • Ferner, wie oben beschrieben, schließen die Metallverdrahtungen nur drei Arten ein, d. h., erste bis dritte Metallverdrahtungen 57 bis 59, und demnach ist die Anzahl von Metallverdrahtungstypen gering. Die geringe Anzahl von Typen von Metallverdrahtungen reduziert die Gesamtzahl von Metallverdrahtungen, hierdurch das Rauschen reduzierend.
  • Auch kann, da die Anzahl von Arten und die Anzahl von Metallverdrahtungen, wie oben beschrieben, reduziert werden kann, die Anzahl der Metallschichten reduziert werden. Speziell ist die Anzahl von Metallschichten insgesamt zwei, bestehend aus einer Schicht zum Anordnen der ersten bis dritten Metallverdrahtungen 57 bis 59 und der lichtblockierenden bzw. Abdeckungsschicht 46. Dieses Reduzieren der Anzahl von Metallschichten ermöglicht ein Reduzieren des Rauschens.
  • Das Reduzieren des Rauschens erhöht die Ausbeute.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die oben beschriebene Ausführungsform und verschiedenartige Modifikationen sind möglich.
  • Beispielsweise können statt der Photodiode andere photoelektrische Umsetzvorrichtungen verwendet werden, wie zum Beispiel ein Photo-Gate, von dem die Oberflächenschicht des photoempfindlichen Teils mit einer transparenten Elektrode abgedeckt ist. Zudem können Ladungssignalumsetzer Ladungssignale in Übereinstimmung mit Funkwellen erzeugen, wie zum Beispiel ultravioletten Strahlen, Infrarotstrahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen oder einfallenden Strahlen von Partikelströmen, wie zum Beispiel Neutronenströme oder Ionenströme.
  • Der Sensor kann eine parallele Auslesestruktur haben, wobei näherungsweise zwei bis vier Horizontalauslese-CCDs vorgesehen sind.
  • Unnötige Ladungssignale können von den Ableitungs-Gates durch das Substrat entladen werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann angewendet werden auf den Fall, in welchem die Anzahl von Metallschichten einschließlich der lichtblockierenden Schicht drei oder mehr sind.
  • Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung, obschon die oben beschriebene Ausführungsform Zwei-Phasen-Antreiben verwendet, angewendet werden auf den Fall, in welchem eine Treiberspannung drei oder mehr Phasen hat.

Claims (7)

  1. Hochgeschwindigkeitsbildsensor, umfassend: eine Vielzahl von Ladungssignalumsetzern (33), die in konstanten Intervallen Zeilen bilden und in konstanten Intervallen Spalten bilden, angeordnet in einem Photoempfangsbereich (32) derart, dass die Zeilenrichtung und die Spaltenrichtung lotrecht zueinander sind und jeweils ein Ladungssignal in Übereinstimmung mit der Intensität einfallenden Lichts generierend; eine Ladungssignalspeichereinrichtung (36) für jeden der Ladungssignalumsetzer (33), sich linear erstreckend, um abgeschrägt zu sein in Bezug auf eine Linie (L2), die benachbarte Ladungssignalumsetzer (33) in Spaltenrichtung verbindet und mit zwei Enden; wobei ein Ende mit einem entsprechenden Ladungssignalumsetzer (33) verbunden ist; wobei die Ladungssignalspeichereinrichtungen (36) jeweils durch die entsprechenden Ladungssignalumsetzer (33) generierte Ladungssignale von einem Ende zum anderen Ende übertragen; und eine Ladungssignalübertragungseinrichtung (37) für jede Spalte von Ladungssignalumsetzern (33), wobei die jeweiligen anderen Enden der Ladungssignalspeichereinrichtungen (36), deren eine Enden mit den die entsprechenden Spalten bildenden Ladungssignalumsetzern (33) verbunden sind, vereinigt sind zu einer der Ladungssignalübertragungseinrichtungen (37), und wobei die Ladungssignalübertragungseinrichtungen (37) jeweils die Ladungssignale zu der Außenseite des Photoempfangsbereichs (32) übertragen.
  2. Hochgeschwindigkeitsbildsensor nach Anspruch 1, wobei die Ladungssignalübertragungseinrichtungen sich in der Spaltenrichtung von den Ladungssignalumsetzern erstrecken.
  3. Hochgeschwindigkeitsbildsensor nach Anspruch 1, wobei die Übertragungsrichtung von Ladungen durch die Ladungssignalspeichereinrichtungen und die Übertragungsrichtung von Ladungen durch die Ladungssignalübertragungseinrichtungen im wesentlichen dieselben sind an Punkten, an welchen die Ladungssignalspeichereinrichtungen sich vereinigen mit den Ladungssignalübertragungseinrichtungen.
  4. Hochgeschwindigkeitsbildsensor nach Anspruch 3, wobei die Ladungssignalspeichereinrichtungen aus ersten ladungsgekoppelten Einrichtungen gebildet sind, wobei die Ladungssignalübertragungseinrichtungen aus zweiten ladungsgekoppelten Einrichtungen gebildet sind, wobei der Hochgeschwindigkeitsbildsensor mit einer Vielzahl von Elektroden einschließlich mindestens zweier Arten zum Zuführen einer Treiberspannung zu den ersten ladungsgekoppelten Einrichtungen und einer Vielzahl von Elektroden einschließlich mindestens zweier Arten zum Zuführen einer Treiberspannung zu den zweiten ladungsgekoppelten Einrichtungen versehen ist, und wobei mindestens eine Art der Elektroden unter den Elektroden zum Zuführen der Treiberspannung zu den zweiten ladungsgekoppelten Einrichtungen dieselbe Elektrode ist wie die mindestens eine Art von Elektroden unter den Elektroden zum Zuführen der Treiberspannung zu den ersten ladungsgekoppelten Einrichtungen.
  5. Hochgeschwindigkeitsbildsensor nach Anspruch 1, außerdem umfassend: eine Lichtblockierschicht mit einer Vielzahl von jeweils den individuellen Ladungssignalumsetzern entsprechenden Fenstern, wobei jedes der Fenster das Übertragen eines einfallenden Strahls zu dem Ladungssignalumsetzer ermöglicht und der von den Fenstern verschiedene Abschnitt der Lichtblockierschicht den einfallenden Strahl blockiert; einen Ladungssignalentladungscontroller, jeweils vorgesehen an jeder der Ladungssignalspeichereinrichtungen und durch die Ladungssignalspeichereinrichtung übertragene Ladungssignale zur Außenseite des Sensors entladend; und eine Steuerspannungszufuhr zum Zuführen einer Steuerspannung zu den Ladungssignalentladungscontrollern über die Lichtblockierschicht.
  6. Hochgeschwindigkeitsbildsensor nach Anspruch 1, wobei die Ladungssignalspeichereinrichtungen aus ladungsgekoppelten Einrichtungen gebildet sind; und wobei der Hochgeschwindigkeitsbildsensor außerdem umfasst: eine Vielzahl von Metallverdrahtungen zum Zuführen von Treiberspannungen zu den ladungsgekoppelten Einrichtungen; und eine Treiberspannungszufuhr zum Zuführen von Treiberspannungen zweier Phasen über diese Metallverdrahtungen.
  7. Bildeinfangeinrichtung, den Hochgeschwindigkeitsbildsensor nach Anspruch 1 umfassend.
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