[发明专利]摄像器件,半导体装置及摄像方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于得到平面图像的摄像器件和摄像方法。另外，本发明还涉及具备CCD(电荷耦合器件)的半导体装置。

背景技术

作为将利用成像光学系统成像的光的平面图像转换为电信号后输出的摄像器件，已知的有被广泛使用于半导体的CCD摄像传感器和CMOS(互补型金属氧化物半导体)摄像传感器。CCD摄像传感器用多个像素得到图像信号，并通过CCD(电荷耦合器件)将这些像素依次传输而向外部读出。而CMOS则将图像信号通过用CMOS开关依次扫描像素而向外部读出。这些摄像传感器，用于通用的动画时，大多以例如约30帧/秒的帧速率动作。另一方面，一些现象的持续时间极短，为了拍摄这些现象，则有时需要达到例如约100万帧/秒的帧速率的超高速摄像。但是，想要用CCD或CMOS开关向外部读出来自多个像素的图像信号，需要一定的时间，因此难以使这些摄像传感器实行如此高速的动作。为此，本技术领域的技术人员在这些摄像器件自身的结构方面进行了深入研究，并已开发出能够完成该超高速摄像的技术。

作为用于CCD摄像传感器的方式，有所谓并行/部分读出方式的方式。在该方式中，通过设置多个用于读出的路径，并通过弃用高速读出时使用的像素，缩短用于读出图像信号的时间，实行高速摄像。就该方式而言，市售有可实行像素数约为30万、帧速率为1万帧/秒的摄像的CCD摄像传感器。

作为其它的方式，有所谓像素原位存储(in situ storage)的方式。就该方式而言，在各个像素的光电转换部的周围，对应该该像素而形成多个图像信号记录元件。将用该光电转换部得到的图像信号暂时存储于该图像信号记录元件。在此，能够将在一次的极短的积分时间用一个的光电转换部得到的图像信号存储于图像信号记录元件的一个。因此，能够将在各次短暂的积分时间用光电转换部得到的图像信号存储于依次不同的图像信号记录元件。然后，复数帧的图像的摄像一结束(一个像素的所有图像信号记录元件均存储有图像信号后)，就能够向外部读出该图像信号。即使该读出需要时间，只要图像信号记录元 件预先存储有图像信号，就能够恰当地读出该图像信号。另外，虽然因积分时间短暂而使图像信号强度降低，但是通过增大光电转换部(光电二极管)的面积，能够确保图像信号强度。如果使用该方式，则可实行100万帧/秒的高速摄像。

使用也可用于图像信号的传输的CCD，能够将CCD的各个传输段作为该图像信号记录元件使用。即，在该种情况下，将CCD作为存储器(CCD存储器)使用。图9为用于显示该摄像器件400的结构的附图。利用该图，说明2×2像素的情形。在各个像素，除了形成有光电转换部401以外，还形成有由八个传输段构成的CCD存储器402。就CCD存储器402而言，只要采用将在光电转换部401发生的信号电荷、向图中所示的箭头的方向依次传输的结构，该CCD存储器402就能够暂时存储8个信号电荷。在将信号电荷于所有的传输段中后，将该信号电荷用垂直CCD403从最初的信号电荷依次读出。然后，在将该信号电荷用垂直CCD403向下地传输至水平CCD404、并用水平CCD404向左侧传输后，用输出部405将该信号电荷转换为电信号后输出。在图9的例子中，每个像素均具有8个图像信号记录元件。

在该例中，为了确保图像信号记录元件的个数，将CCD存储器402呈曲线形地配置并包含于一个像素内。CCD存储器402能够与垂直CCD403、水平CCD404同样地制得。但是，在呈曲线形地配置CCD的情况下，在其传输方向改变的点，需要采用复杂的电极结构。

非专利文献1中记载有下述结构，为了改善该点，采用不使用呈曲线形地配置CCD存储器的方式，确保图像信号记录元件的个数。图10为用于显示该摄像器件500的结构的附图。如果采用该结构，则将用光电转换部501得到的信号电荷，通过输入门502向水平CCD503依次传输，从水平CCD503中向朝右的方向传输。在水平CCD503的各个传输段，连接有垂直CCD504。在将这些信号电荷积蓄于水平CCD503具有的所有的5个传输段中后，将该信号电荷同时向各个垂直CCD504传输。通过反复实行该动作，水平CCD503和垂直CCD504均作为CCD存储器发挥作用。图10的例子中，具有5个传输段的水平CCD配置有1个，且具有5个传输段的垂直CCD配置有5个，因此各个像素的图像信号记录元件共计30个。另外，通过从垂直CCD504中传输各个信号电荷至在图中的下侧图示的范围外，读出该信号电荷。

在该例中，图像信号记录元件仅由水平CCD503和垂直CCD504构成，因此其结构 与上述的例子相比简单。