特許 7567655 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H04N 25/71 20230101AFI20241008BHJP

   H04N 25/711 20230101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H04N25/71

H04N25/711

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021085923

(22)【出願日】2021-05-21

(65)【公開番号】P2022178838

(43)【公開日】2022-12-02

【審査請求日】2023-10-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮井 孝志

【審査官】越河 勉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１４５５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２３８７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１３５７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４２８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２０７３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７２２９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ ２５／７１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射光を検知するＴＤＩ方式の第１のリニアイメージセンサと、
前記第１のリニアイメージセンサに対して前記入射光の進行方向に積層され、前記第１のリニアイメージセンサを透過した前記入射光を検知するＴＤＩ方式の第２のリニアイメージセンサと、
駆動パルス制御部とを備え、
前記第１及び第２のリニアイメージセンサは、垂直方向と水平方向に２次元アレイ状に配置され前記入射光を光電変換する画素と、前記画素が発生した電荷を時間遅延積分して垂直転送する垂直転送部と、時間遅延積分された電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から電荷を読み出すアンプとを有し、
前記駆動パルス制御部は、前記第２のリニアイメージセンサの前記アンプの読み出し動作におけるリセットクロックパルスを前記水平転送部の転送クロックパルスに対して間欠的に制御し、
前記第１のリニアイメージセンサの前記水平方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２以上の整数倍であり、
前記第１のリニアイメージセンサの前記水平方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２倍であり、
前記第２のリニアイメージセンサの水平方向に隣接する２つの画素が前記第１のリニアイメージセンサの１つの画素と重なり、
前記第２のリニアイメージセンサの出力信号を前記第１のリニアイメージセンサの出力信号に対して１／２ピッチずらして読み出すことを特徴とする撮像装置。

【請求項2】

入射光を検知するＴＤＩ方式の第１のリニアイメージセンサと、
前記第１のリニアイメージセンサに対して前記入射光の進行方向に積層され、前記第１のリニアイメージセンサを透過した前記入射光を検知するＴＤＩ方式の第２のリニアイメージセンサと、
駆動パルス制御部とを備え、
前記第１及び第２のリニアイメージセンサは、垂直方向と水平方向に２次元アレイ状に配置され前記入射光を光電変換する画素と、前記画素が発生した電荷を時間遅延積分して垂直転送する垂直転送部と、時間遅延積分された電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から電荷を読み出すアンプとを有し、
前記駆動パルス制御部は、前記第２のリニアイメージセンサの前記アンプの読み出し動作におけるリセットクロックパルスを前記水平転送部の転送クロックパルスに対して間欠的に制御し、
前記第１のリニアイメージセンサの前記水平方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２以上の整数倍であり、
前記第１のリニアイメージセンサの前記水平方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２倍であり、
前記第２のリニアイメージセンサの水平方向に隣接する２つの画素が前記第１のリニアイメージセンサの１つの画素と重なり、
前記第１及び第２のリニアイメージセンサの出力信号を同期させて読み出すことを特徴とする撮像装置。

【請求項3】

入射光を検知するＴＤＩ方式の第１のリニアイメージセンサと、
前記第１のリニアイメージセンサに対して前記入射光の進行方向に積層され、前記第１のリニアイメージセンサを透過した前記入射光を検知するＴＤＩ方式の第２のリニアイメージセンサと、
駆動パルス制御部とを備え、
前記第１及び第２のリニアイメージセンサは、垂直方向と水平方向に２次元アレイ状に配置され前記入射光を光電変換する画素と、前記画素が発生した電荷を時間遅延積分して垂直転送する垂直転送部と、時間遅延積分された電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から電荷を読み出すアンプとを有し、
前記駆動パルス制御部は、前記第２のリニアイメージセンサの前記アンプの読み出し動作におけるリセットクロックパルスを前記水平転送部の転送クロックパルスに対して間欠的に制御し、
前記第１のリニアイメージセンサの前記水平方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２以上の整数倍であり、
前記第１のリニアイメージセンサの前記水平方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２倍であり、
前記第２のリニアイメージセンサの水平方向に隣接する２つの画素が前記第１のリニアイメージセンサの１つの画素と重なり、
前記第２のリニアイメージセンサの出力信号を前記第１のリニアイメージセンサの出力信号に対して１／２ピッチずらして読み出すか、又は、前記第１及び第２のリニアイメージセンサの出力信号を同期させて読み出すかを選択的に実施することを特徴とする撮像装置。

【請求項4】

前記第２のリニアイメージセンサの前記水平転送部の駆動周波数は前記第１のリニアイメージセンサの前記整数倍であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項5】

前記第１及び第２のリニアイメージセンサは、前記第１又は第２のリニアイメージセンサを貫通する貫通電極を介して電気的に接続され、
前記第１及び第２のリニアイメージセンサは、前記貫通電極を介して同一の駆動パルス信号により同期して駆動することを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項6】

前記第１のリニアイメージセンサの基板厚は前記第２のリニアイメージセンサの基板厚より薄いことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項7】

前記第１及び第２のリニアイメージセンサの出力信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器を備えることを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項8】

前記デジタルデータを保存する撮像データ格納メモリを備えることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。

【請求項9】

前記第１及び第２のリニアイメージセンサの少なくとも一方は裏面入射型センサであることを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項10】

前記第１のリニアイメージセンサの垂直方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２倍であり、
前記第２のリニアイメージセンサの前記垂直転送部の駆動周波数は前記第１のリニアイメージセンサの２倍であることを特徴とする請求項１～９の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項11】

前記第２のリニアイメージセンサは、平行に配置された２つの前記水平転送部を有することを特徴とする請求項１～１０の何れか１項に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、リモートセンシング等の分野で用いられる撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

人工衛星に代表される飛翔体に搭載されて上空から地表面を観測することを目的としたリニアイメージセンサが開発されている。地表のリモートセンシングでは、リニアイメージセンサを人工衛星に搭載して、リニアイメージセンサの垂直走査方向（Along Track：ＡＴ方向）を人工衛星の進行方向に一致させて撮像する。垂直走査方向に直行する方向を水平転送方向（Cross Track：ＣＴ方向）と呼ぶ。

【0003】

高解像度の撮像データを得るには、リニアイメージセンサの画素ピッチを小さくすることが望ましい。しかし、画素の面積が縮小すると画素への入射光量が減少し、その結果、信号対雑音比（S/N: Signal to Noise ratio）が劣化するという課題がある。Ｓ／Ｎを改善する対策として、ＴＤＩ（Time Delay Integration）方式のイメージセンサが開発されている。ＴＤＩ方式のイメージセンサは、２次元イメージセンサであるＦＦＴ（Full Frame Transfer）型ＣＣＤ（Charge Coupled Devise）を使用し、電荷の転送を被写体像の移動に同期させることでＳ／Ｎを改善する。リモートセンシングの場合、垂直方向の電荷転送を人工衛星の移動速度に合わせることでＴＤＩ動作を実現できる。垂直ＣＣＤでＭ段のＴＤＩ動作を行うと、蓄積時間が実効的にＭ倍となるので、感度がＭ倍に向上し、Ｓ／Ｎは√Ｍ倍に改善される。

【0004】

また、画素ピッチを縮小せずに画像解像度を向上させるため、画素ピッチの等しい２本のリニアイメージセンサを互いに１／２画素ピッチだけずらして配置してオーバーサンプリングを行う撮像装置が開発されている。２本のイメージセンサから得られた出力信号を画像処理することによって、解像度の高い画像が得られる。画素の面積が維持されるため、感度の低下が生じない。

【0005】

２本のＴＤＩ方式リニアイメージセンサを用いてオーバーサンプリングを行う画像読み取り装置を、水平方向に複数備えた従来の撮像装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、ＴＤＩ方式リニアイメージセンサの観測幅を拡大させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】国際公開第２０１８／２１１６２２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、従来の撮像装置では、水平方向に複数配置された２本のＴＤＩ方式リニアイメージセンサのうち、垂直方向上側のリニアイメージセンサの出力信号配線は、下側のリニアイメージセンサを迂回してパッドまで引き回す必要がある。配線長が長くなると配線容量が増大し、信号に混入するノイズも増大するという問題がある。また、撮像中の振動などにより人工衛星の進行方向とリニアイメージセンサの垂直方向にズレが生じると、各リニアイメージセンサの撮像データにズレが生じる。その結果、オーバーサンプリング処理が困難になるという問題もある。

【0008】

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はＳ／Ｎの劣化と撮像データのズレを防止できる撮像装置を得るものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示に係る撮像装置は、入射光を検知するＴＤＩ方式の第１のリニアイメージセンサと、前記第１のリニアイメージセンサに対して前記入射光の進行方向に積層され、前記第１のリニアイメージセンサを透過した前記入射光を検知するＴＤＩ方式の第２のリニアイメージセンサと、駆動パルス制御部とを備え、前記第１及び第２のリニアイメージセンサは、垂直方向と水平方向に２次元アレイ状に配置され前記入射光を光電変換する画素と、前記画素が発生した電荷を時間遅延積分して垂直転送する垂直転送部と、時間遅延積分された電荷を水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から電荷を読み出すアンプとを有し、前記駆動パルス制御部は、前記第２のリニアイメージセンサの前記アンプの読み出し動作におけるリセットクロックパルスを前記水平転送部の転送クロックパルスに対して間欠的に制御し、前記第１のリニアイメージセンサの前記水平方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２以上の整数倍であり、前記第１のリニアイメージセンサの前記水平方向の画素ピッチは前記第２のリニアイメージセンサの２倍であり、前記第２のリニアイメージセンサの水平方向に隣接する２つの画素が前記第１のリニアイメージセンサの１つの画素と重なり、前記第２のリニアイメージセンサの出力信号を前記第１のリニアイメージセンサの出力信号に対して１／２ピッチずらして読み出すことを特徴とすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本開示では、ＴＤＩ方式の２つのリニアイメージセンサを入射光の進行方向に積層している。従って、各リニアイメージセンサから引き出す信号配線を短くできるため、Ｓ／Ｎの劣化を防ぐことができる。また、２つのリニアイメージセンサを積層することで撮像データのズレを防止することもできる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１に係る撮像装置を示すブロック図である。

【図2】実施の形態１に係る焦点面検出器を示す斜視図である。

【図3】図２のＩ－ＩＩに沿った断面図である。

【図4】図２のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。

【図5】実施の形態１に係る第１及び第２のリニアイメージセンサのＴＤＩ動作を示す概略図である。

【図6】実施の形態１に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの水平転送部に蓄積された電荷が撮像データ格納メモリに保存されるまでを示す概略図である。

【図7】実施の形態１に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの各動作のクロックを示す概略図である。

【図8】実施の形態１に係る第１のリニアイメージセンサの転送クロックの駆動と、それに伴う電荷の転送を時系列で示した説明図である。

【図9】実施の形態１に係る第２のリニアイメージセンサの転送クロックの駆動と、それに伴う電荷の転送を時系列で示した説明図である。

【図10】実施の形態２に係る第１及び第２のリニアイメージセンサのＴＤＩ動作を示す概略図である。

【図11】実施の形態２に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの水平転送部に蓄積された電荷が撮像データ格納メモリに保存されるまでを示す概略図である。

【図12】実施の形態２に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの各動作のクロックを示す概略図である。

【図13】実施の形態２に係る第２のリニアイメージセンサの転送クロックの駆動と、それに伴う電荷の転送を時系列で示した説明図である。

【図14】実施の形態３に係る焦点面検出器を示す斜視図である。

【図15】図１４のＩ－ＩＩに沿った断面図である。

【図16】図１４のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。

【図17】実施の形態３に係る第１及び第２のリニアイメージセンサのＴＤＩ動作を示す概略図である。

【図18】実施の形態４に係る焦点面検出器を示す斜視図である。

【図19】図１８のＩ－ＩＩに沿った断面図である。

【図20】実施の形態４に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの水平転送部に蓄積された電荷が撮像データ格納メモリに保存されるまでを示す概略図である。

【図21】実施の形態４に係る第２のリニアイメージセンサの転送クロックの駆動と、それに伴う電荷の転送を時系列で示した説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

実施の形態に係る撮像装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

【0013】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る撮像装置を示すブロック図である。撮像装置１００は、人工衛星に代表される飛翔体に搭載される。撮像装置１００は、光学系１１０と、焦点面検出器１２０と、姿勢検知部１３０と、姿勢制御部１４０と、駆動パルス制御部１５０とを備えている。

【0014】

光学系１１０は、入射された光を焦点面に結像するものであり、例えばレンズ、ミラー等の光学要素からなる望遠鏡である。焦点面検出器１２０は、光学系１１０によって焦点面に結像された画像を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサである。ここでは、焦点面検出器１２０はＴＤＩ方式リニアイメージセンサを有する。

【0015】

姿勢検知部１３０は、飛翔体に搭載された撮像装置１００の姿勢を検知する。姿勢検知部１３０にて検知した姿勢情報は姿勢制御部１４０に伝達される。姿勢制御部１４０は、姿勢検知部１３０にて検知した姿勢情報を駆動パルス制御部１５０に伝達する。地上局２００より送信された姿勢情報に従って撮像装置１００の姿勢を変動させる。

【0016】

駆動パルス制御部１５０は、姿勢制御部１４０より伝達された撮像装置１００の姿勢情報に応じて、焦点面検出器１２０のＴＤＩ方式リニアイメージセンサのＴＤＩ積分段数を制御する。送受信処理部１６０は、地上局２００より送信された姿勢制御信号を受信し、姿勢制御部１４０に伝達するとともに、撮像装置１００の姿勢状態を地上局２００へ送信する。地上局２００は、撮像装置１００との間で各種の制御信号、及び撮像装置１００の状態信号を送受信する地上の局である。

【0017】

図２は、実施の形態１に係る焦点面検出器を示す斜視図である。焦点面検出器１２０は、ＴＤＩ方式の第１のリニアイメージセンサ１と、第１のリニアイメージセンサ１に対して入射光の進行方向に積層されたＴＤＩ方式の第２のリニアイメージセンサ２とを有する。

【0018】

第１のリニアイメージセンサ１の基板厚は第２のリニアイメージセンサ２の基板厚より薄い。これにより、第１のリニアイメージセンサ１では薄い基板で受光できる短波長帯の画像を得ることができ、第２のリニアイメージセンサ２では薄い基板を透過する長波長帯の画像を得ることができる。例えば、可視光のうち赤色光から近赤外光を透過するように第１のリニアイメージセンサ１の基板厚を５０ｕｍより薄くする。一方、第２のリニアイメージセンサ２の基板厚は、赤色光から近赤外光を検知できる厚さとする。

【0019】

光学系１１０によって導かれた入射光は、焦点面検出器１２０の第１のリニアイメージセンサ１に入射する。第１のリニアイメージセンサ１は赤色光より短い波長の入射光を検知する。第２のリニアイメージセンサ２は第１のリニアイメージセンサ１を透過した赤色光より波長の長い入射光を検知する。

【0020】

第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２において、入射光を光電変換する画素３が垂直方向と水平方向に２次元アレイ状に配置されている。垂直転送部４が、画素３が発生した電荷を時間遅延積分して垂直転送する。垂直転送部４は、垂直転送ゲート電極４ａ，４ｂと蓄積ゲート電極４ｃを有するＣＣＤ（Charge Coupled Devise）である。水平転送部５が、時間遅延積分された電荷を水平転送する。ＦＤＡ６（フローティング・ディフュージョン・アンプ）が、水平転送された信号を水平転送部５から読み出す。駆動パルス発生部７は、駆動パルス制御部１５０から入力した駆動パルス信号に同期して各動作のクロックを発生させる。

【0021】

第１のリニアイメージセンサ１の水平方向画素ピッチは第２のリニアイメージセンサ２の水平方向画素ピッチの２倍に設計する。第１のリニアイメージセンサ１の水平転送部５のピッチも第２のリニアイメージセンサ２の水平転送部５のピッチの２倍に設計する。第２のリニアイメージセンサ２の水平方向に隣接する２つの画素が第１のリニアイメージセンサ１の１つの画素と正確に重なるように、第１のリニアイメージセンサ１と第２のリニアイメージセンサ２を積層する。

【0022】

第１のリニアイメージセンサ１が受光して発生させた電荷は、駆動パルス発生部７が発生させた垂直転送クロックで垂直方向に転送され、水平転送部５に送られる。水平転送部５は水平転送クロックで水平方向に電荷を転送する。水平転送部５の最終段まで転送された電荷はＦＤＡ６により出力信号として読み出される。出力信号はＡ／Ｄ変換器８によりデジタルデータに変換される。デジタルデータは撮像データ格納メモリ９に保存される。第２のリニアイメージセンサ２も第１のリニアイメージセンサ１と同様の手段により転送動作、読み出し動作を行う。第２のリニアイメージセンサ２の出力信号もＡ／Ｄ変換を経て撮像データ格納メモリ９に保存される。

【0023】

なお、第１のリニアイメージセンサ１の水平方向画素ピッチは第２のリニアイメージセンサ２の水平方向画素ピッチの２倍に限らず、２以上の整数倍としてもよい。第１のリニアイメージセンサ１の水平転送部５のピッチも第２のリニアイメージセンサ２の水平転送部５のピッチの２倍に限らず、２以上の整数倍としてもよい。ただし、第１のリニアイメージセンサ１と第２のリニアイメージセンサ２の水平方向画素ピッチ及び水平転送部５のピッチの倍数比は同数とする。即ち、水平方向画素ピッチの倍数が３倍であれば、水平転送部５のピッチの倍数も３倍とする。

【0024】

図３は図２のＩ－ＩＩに沿った断面図である。この断面は第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の水平転送部５に相当する。水平転送部５は、水平転送ゲート電極５ａ，５ｂを有するＣＣＤである。センサを駆動する駆動パルス信号は、第２のリニアイメージセンサ２の下面から与えられ、貫通電極１０を介して第１のリニアイメージセンサ１に伝達される。画素３から垂直転送された電荷は、埋込チャネル１１内において図面の右から左へと転送され、ＦＤＡ６により貫通電極１２を介してセンサ外部に出力される。第１のリニアイメージセンサ１の１個のＣＣＤの真下に第２のリニアイメージセンサ２の２個のＣＣＤが配置されている。これにより、第２のリニアイメージセンサ２の画像は第１のリニアイメージセンサ１の２倍の解像度を持つことができる。

【0025】

図４は図２のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。この断面は第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の画素部に相当する。各画素３にフォトダイード１３が設けられている。フォトダイード１３が入射光により発生した電荷は、埋込チャネル１１内において図面の右から左へと転送され、水平転送部５に送られる。第１のリニアイメージセンサ１の１個の画素３の真下に第２のリニアイメージセンサ２の１個の画素３が配置されている。

【0026】

図５は、実施の形態１に係る第１及び第２のリニアイメージセンサのＴＤＩ動作を示す概略図である。第１のリニアイメージセンサ１の着目画素に対し、第２のリニアイメージセンサ２の着目画素は第１のリニアイメージセンサ１の真下右側の画素と、その右側に隣接する画素が相当する。第１のリニアイメージセンサ１の着目画素と第２のリニアイメージセンサ２の着目画素は半ピッチだけずれた位置関係にある。

【0027】

図６は、実施の形態１に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの水平転送部に蓄積された電荷が撮像データ格納メモリに保存されるまでを示す概略図である。第１のリニアイメージセンサ１の水平転送部５には＜１＞～＜５＞の電荷が蓄積されている。これが水平転送されてＦＤＡ６で読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に撮像データ格納メモリ９の指定された番地に保存される。一方、第２のリニアイメージセンサ２の水平転送部５には（１）～（１０）の電荷が蓄積されている。これが水平転送されてＦＤＡ６で読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に撮像データ格納メモリ９の指定された番地に保存される。

【0028】

第２のリニアイメージセンサ２では、隣接する２つの水平転送部５の電荷をＦＤにて積分して読み出し動作を行う。この積分動作については後述する。読み出された第２のリニアイメージセンサ２の出力信号は、積分動作によって第１のリニアイメージセンサ１の出力信号と比較して半ピッチだけずれている。なお、第２のリニアイメージセンサ２の出力信号を撮像データ格納メモリ９に保存する番地指定方法として、図面では半ピッチずれたデータであることを判別しやすくするために番地をずらしているが、番地指定方法はこれに限らない。

【0029】

図７は、実施の形態１に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの各動作のクロックを示す概略図である。第１のリニアイメージセンサ１の水平転送部５に蓄積された電荷は、転送クロックＣＬＫ１に応じて、ＦＤに向けて転送される。ＦＤに転送された電荷はＦＤＡ６により電圧に変換されて読出される。この読出し動作は、サンプルホールドクロックＣＬＫ２をトリガにして行う。読出し動作の後、次の電荷が転送されてくる前にＦＤの電位をリセットする。この動作はリセットクロックＣＬＫ３をトリガにして行われる。なお、第１のリニアイメージセンサ１の水平転送部５の読出しからリセットの動作は一般的なＣＣＤの動作である。

【0030】

第２のリニアイメージセンサ２の水平転送部５に蓄積された電荷は、転送クロックＣＬＫ４に応じて、ＦＤに向けて転送される。ＦＤに転送された電荷はＦＤＡ６により電圧に変換されて読出される。この読出し動作は、サンプルホールドクロックＣＬＫ５をトリガにして行う。読出し動作の後、次の電荷が転送されてくる前にＦＤの電位をリセットする。この動作はリセットクロックＣＬＫ６をトリガにして行われる。

【0031】

第２のリニアイメージセンサ２の読出し及びリセット動作において、サンプルホールドクロックＣＬＫ５及びリセットクロックＣＬＫ６は転送クロックＣＬＫ４の２クロック毎にパルスが発生する駆動を行う。この動作によれば、転送クロックＣＬＫ４にて転送された電荷（２）及び（３）がＦＤにて合算される。

【0032】

図８は、実施の形態１に係る第１のリニアイメージセンサの転送クロックの駆動と、それに伴う電荷の転送を時系列で示した説明図である。時刻ｔ１ではリセットクロックφＲによりＦＤの電位がリセット電位ＶＲと等電位になる。次に、時刻ｔ２では転送クロックφＨ１，クロックφＨ２動作により、蓄積電荷が右隣の電荷ポケットへ転送される。次に、時刻ｔ３の転送クロック動作により、蓄積電荷は更に右隣の電荷ポケットへと転送され、ＦＤへと電荷が運ばれる。ＦＤＡ６が電荷の読出しを実施する。

【0033】

次に、時刻ｔ４ではリセット動作によってＦＤの電位がリセット電位ＶＲと等電位にリセットされる。次に、時刻ｔ５では時刻ｔ２と同様、転送クロックφＨ１，クロックφＨ２動作により、蓄積電荷が右隣の電荷ポケットへ転送される。時刻ｔ６以降は時刻ｔ３以降の電荷転送と読み出し動作へと続いていく。以上のように第１のリニアイメージセンサ１は水平転送部５の蓄積電荷の転送・読出しを順番に行う。

【0034】

図９は、実施の形態１に係る第２のリニアイメージセンサの転送クロックの駆動と、それに伴う電荷の転送を時系列で示した説明図である。時刻ｔ１ではリセットクロックφＲによりＦＤの電位をリセット電位ＶＲと等電位にする。次に、時刻ｔ２では転送クロックφＨ１，クロックφＨ２動作により、蓄積電荷が右隣の電荷ポケットへ転送される。次に、時刻ｔ３の転送クロック動作により、蓄積電荷は更に右隣の電荷ポケットへと転送され、ＦＤへと電荷が運ばれる。ＦＤＡ６が電荷の読出しを実施する。

【0035】

次に、時刻ｔ４ではリセット動作によってＦＤの電位がリセット電位ＶＲと等電位にリセットされる。次に、時刻ｔ５では時刻ｔ２と同様、転送クロックφＨ１，クロックφＨ２動作により、蓄積電荷が右隣の電荷ポケットへ転送される。次に、時刻ｔ６では時刻ｔ３と同様に電荷転送が行われるが、ＦＤにおいて電荷の読出しは行わない。次に、時刻ｔ７では、リセットクロックφＲのパルスを発生させることなく、転送クロックφＨ１，クロックφＨ２動作により、蓄積電荷が右隣の電荷ポケットへ転送される。従って、ＦＤの電位はリセット電位ＶＲにリセットされない。次に、時刻ｔ８での転送動作により蓄積電荷がＦＤに運ばれ、ＦＤが電荷の読出しを実施する。この動作により、時刻ｔ８では隣接する２つの蓄積電荷の合算値を読み出すことができる。次に、時刻ｔ９ではＦＤの電位がリセットされる。時刻ｔ１０以降は時刻ｔ２以降と同様の動作が繰り返される。

【0036】

以上説明したように、本実施の形態では、ＴＤＩ方式の第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２を入射光の進行方向に積層している。従って、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２から引き出す信号配線を短くできるため、Ｓ／Ｎの劣化を防ぐことができる。また、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２を積層することで撮像データのズレを防止することもできる。

【0037】

また、第１のリニアイメージセンサ１の水平方向の画素ピッチは第２のリニアイメージセンサ２の２以上の整数倍である。そして、第２のリニアイメージセンサ２のＦＤＡ６の読み出し動作におけるリセットクロックパルスを水平転送部５の転送クロックパルスに対して間欠的に制御する。これにより、１つの被写体画像に対し、基準となる撮像データと、その１／整数倍の画素ピッチの撮像データとを得ることができる。

【0038】

また、第２のリニアイメージセンサ２の水平転送部５の駆動周波数は第１のリニアイメージセンサ１の２倍である。これにより、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の出力信号を同期させて取得することができる。

【0039】

また、第２のリニアイメージセンサ２の出力信号を第１のリニアイメージセンサ１の出力信号に対して１／２ピッチずらして読み出す。読み出した第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の出力信号をオーバーサンプリング処理することにより、画素ピッチを小さくしてＳ／Ｎを低下させることなく、高解像度の画像を得ることができる。

【0040】

また、積層した第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２を正確に同期して駆動させるために、同一の駆動信号を入力することが求められる。このためには、積層した第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２を短い配線で電気的に接合する必要がある。そこで、第１のリニアイメージセンサ１又は第２のリニアイメージセンサ２を貫通する貫通電極１０，１２を介して第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２を電気的に接続している。第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２は、貫通電極１０を介して同一の駆動パルス信号により同期して駆動する。また、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の駆動パルス信号の入力端子を共通化できるため、端子数を減らすことができる。また、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の駆動クロックパルス信号を供給する駆動パルス制御部１５０の簡素化が可能となる。

【0041】

また、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２は、基板の裏面から光を入射する裏面入射型センサであることが好ましい。基板裏面には光を妨げる電極などが無いため、裏面入射型センサは受光面に入射する光を漏れなく受光することができる。ただし、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の一方のみが裏面入射型センサでもよい。また、裏面入射型センサは、例えば可視光の短波長帯のようにシリコン基板のごく浅い部分で光電変換する光を受光する場合に最も効果が高い。一方、近赤外光などはシリコン基板の深くまで浸透して光電変換する。このため、第１のリニアイメージセンサ１を裏面入射型で薄くし、第２のリニアイメージセンサ２を表面入射型にすることが好ましい。これにより、第１のリニアイメージセンサ１で短波長帯の光を漏れなく受光しつつ、第１のリニアイメージセンサ１を透過した光を第２のリニアイメージセンサ２を受光することで、幅広い波長帯の光を漏れなく受光できる。

【0042】

実施の形態２．
図１０は、実施の形態２に係る第１及び第２のリニアイメージセンサのＴＤＩ動作を示す概略図である。第１のリニアイメージセンサ１の着目画素に対し、第２のリニアイメージセンサ２の着目画素は第１のリニアイメージセンサ１の真下左側と真下右側に隣接する２画素が相当する。そのため、第２のリニアイメージセンサ２の着目画素と第１のリニアイメージセンサ１の着目画素は上下に重なる位置関係にある。

【0043】

図１１は、実施の形態２に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの水平転送部に蓄積された電荷が撮像データ格納メモリに保存されるまでを示す概略図である。第１のリニアイメージセンサ１の水平転送部５には＜１＞～＜５＞の電荷が蓄積されている。これが水平転送されてＦＤＡ６で読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に撮像データ格納メモリ９の指定された番地に保存される。一方、第２のリニアイメージセンサ２の水平転送部５には（１）～（１０）の電荷が蓄積されている。これが水平転送されてＦＤＡ６で読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に撮像データ格納メモリ９の指定された番地に保存される。

【0044】

第２のリニアイメージセンサ２では、隣接する２つの水平転送部５の電荷をＦＤにて積分して読み出し動作を行う。読み出された第２のリニアイメージセンサ２の出力信号は、積分動作によって第１のリニアイメージセンサ１の出力信号とのズレが生じない。なお、第２のリニアイメージセンサ２の出力信号を撮像データ格納メモリ９に保存する番地指定方法として、図面では第１のリニアイメージセンサ１のデータとズレがないことを判別しやすくするために番地が一致しているが、番地指定方法はこれに限らない。

【0045】

図１２は、実施の形態２に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの各動作のクロックを示す概略図である。第１のリニアイメージセンサ１の転送クロックＣＬＫ１、サンプルホールドクロックＣＬＫ２、及びリセットクロックＣＬＫ３は図７と同一であるため説明を割愛する。

【0046】

第２のリニアイメージセンサ２の水平転送部５に蓄積された電荷は、転送クロックＣＬＫ４に応じて、ＦＤに向けて転送される。ＦＤに転送された電荷はＦＤＡ６により電圧に変換されて読出される。この読出し動作は、サンプルホールドクロックＣＬＫ５をトリガにして行う。読出し動作の後、次の電荷が転送されてくる前にＦＤの電位をリセットする。この動作はリセットクロックＣＬＫ６をトリガにして行われる。

【0047】

第２のリニアイメージセンサ２の読出し及びリセット動作において、サンプルホールドクロックＣＬＫ５及びリセットクロックＣＬＫ６は転送クロックＣＬＫ４の２クロック毎にパルスが発生する駆動を行う。この動作によれば、転送クロックＣＬＫ４にて転送された電荷（１）及び（２）が、ＦＤにて合算される。

【0048】

図１３は、実施の形態２に係る第２のリニアイメージセンサの転送クロックの駆動と、それに伴う電荷の転送を時系列で示した説明図である。時刻ｔ１ではリセットクロックφＲによりＦＤの電位をリセット電位ＶＲと等電位にする。次に、時刻ｔ２では転送クロックφＨ１，クロックφＨ２動作により、蓄積電荷が右隣の電荷ポケットへ転送される。次に、時刻ｔ３の転送クロック動作により、蓄積電荷は更に右隣の電荷ポケットへと転送され、ＦＤへと電荷が運ばれる。ここでＦＤにおいて電荷の読出しを実施しない。

【0049】

次に、時刻ｔ４ではリセットクロックφＲのパルスを発生させることなく、転送クロックφＨ１，クロックφＨ２動作により、蓄積電荷が右隣の電荷ポケットへ転送される。時刻ｔ５では時刻ｔ３と同様、転送クロックφＨ１，クロックφＨ２動作により蓄積電荷がＦＤへと運ばれる。ここでＦＤＡ６が読出し動作を実行する。この動作により、時刻ｔ５では隣接する２つの蓄積電荷の合算値を読み出すことができる。次に、時刻ｔ６ではＦＤの電位がリセットされる。時刻ｔ７以降は時刻ｔ２以降と同様の動作が繰り返される。

【0050】

本実施の形態では、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の読み出し回路のリセットクロックパルスを同期するようクロック発生を制御して、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の出力信号をずらさずに同期させて読み出す。読み出した信号を合算することにより、ダイナミックレンジを拡大して高感度の画像を得ることができる。

【0051】

また、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の読み出し回路であるＦＤＡ６のリセットクロックパルスを切り替えることで、第２のリニアイメージセンサ２の出力信号を第１のリニアイメージセンサ１の出力信号に対して１／２ピッチずらして読み出すか、又は、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の出力信号を同期させて読み出すかを選択的に実施してもよい。これにより、実施の形態１のオーバーサンプリングによる高精細画像と、実施の形態２の出力信号合算によるダイナミックレンジの広い画像を１つの撮像装置で選択的に取得することができる。

【0052】

実施の形態３．
図１４は、実施の形態３に係る焦点面検出器を示す斜視図である。本実施の形態では、第１のリニアイメージセンサ１の水平方向画素ピッチだけでなく垂直方向画素ピッチも第２のリニアイメージセンサ２の２倍に設計する。第２のリニアイメージセンサ２の水平方向２画素×垂直方向２画素が、第１のリニアイメージセンサ１の１画素と正確に重なるように第１のリニアイメージセンサ１と第２のリニアイメージセンサ２を積層する。その他の構成は実施の形態１と同様である。

【0053】

なお、第１のリニアイメージセンサ１の水平方向画素ピッチは第２のリニアイメージセンサ２の水平方向画素ピッチの２倍に限らず、２以上の整数倍としてもよい。また、第１のリニアイメージセンサ１の垂直方向画素ピッチは第２のリニアイメージセンサ２の垂直方向画素ピッチの２倍に限らず、２以上の整数倍としてもよい。第１のリニアイメージセンサ１の水平転送部５のピッチも第２のリニアイメージセンサ２の水平転送部５のピッチの２倍に限らず、２以上の整数倍としてもよい。ただし、第１のリニアイメージセンサ１と第２のリニアイメージセンサ２の水平方向画素ピッチ、第１のリニアイメージセンサ１と第２のリニアイメージセンサ２の垂直方向画素ピッチ、及び水平転送部５のピッチの倍数比は同数とする。即ち、水平方向画素ピッチの倍数が３倍であれば、垂直方向画素ピッチ及び水平転送部５のピッチの倍数も３倍とする。

【0054】

図１５は図１４のＩ－ＩＩに沿った断面図である。この断面は第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の水平転送部５に相当する。第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の間に光導波路１４と光反射層１５が横並びに交互に形成されている。第１のリニアイメージセンサ１の１個のＣＣＤの真下に第２のリニアイメージセンサ２の２個のＣＣＤが配置されている。これにより、第２のリニアイメージセンサ２の画像は第１のリニアイメージセンサ１の２倍の解像度を持つことができる。

【0055】

図１６は図１４のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。この断面は第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の画素部に相当する。第１のリニアイメージセンサ１の１個の画素３の真下に第２のリニアイメージセンサ２の２個の画素３が配置されている。

【0056】

図１７は、実施の形態３に係る第１及び第２のリニアイメージセンサのＴＤＩ動作を示す概略図である。第１のリニアイメージセンサ１の着目画素に対し、第２のリニアイメージセンサ２の着目画素は第１のリニアイメージセンサ１の真下に位置する４画素が相当する。そのため、第２のリニアイメージセンサ２の着目画素と第１のリニアイメージセンサ１の着目画素は上下に重なる位置関係にある。

【0057】

垂直転送部４はＴＤＩ動作によって電荷を積分する。しかし、非常に明るい被写体を撮像した場合、ＴＤＩ動作による蓄積電荷量が多くなり過ぎてブルーミング又はスミアといった過剰電荷の溢れ出しが生じる可能性もある。そこで、本実施の形態では、第１のリニアイメージセンサ１の垂直方向の画素ピッチを第２のリニアイメージセンサ２の２倍にすることで画素単体の蓄積電荷量を小さくしている。そして、第２のリニアイメージセンサ２の垂直転送部４の駆動周波数は第１のリニアイメージセンサ１の２倍である。これにより、過剰な電荷の蓄積を防止することができる。

【0058】

実施の形態４．
図１８は、実施の形態４に係る焦点面検出器を示す斜視図である。図１９は図１８のＩ－ＩＩに沿った断面図である。第２のリニアイメージセンサ２において、２つの水平転送部５－１，５－２が平行に配置されている。蓄積ゲート電極４ｃから転送された電荷は、水平転送部５－１に転送された後、水平ＣＣＤ間転送電極５－３を介して水平転送部５－２に転送される。第１のリニアイメージセンサ１の端部は遮光膜１６で覆われている。その他の構成は実施の形態３と同様である。

【0059】

図２０は、実施の形態４に係る第１及び第２のリニアイメージセンサの水平転送部に蓄積された電荷が撮像データ格納メモリに保存されるまでを示す概略図である。第２のリニアイメージセンサ２の２つの水平転送部５－１，５－２には（１）～（１０）の電荷が蓄積されている。これが水平転送されてＦＤＡ６で読み出され、Ａ／Ｄ変換された後に撮像データ格納メモリ９の指定された番地に保存される。読み出された第２のリニアイメージセンサ２の出力信号は、積分動作によって第１のリニアイメージセンサ１の出力信号と半ピッチだけずれている。なお、第２のリニアイメージセンサ２の出力信号を撮像データ格納メモリ９に保存する番地指定方法として、図面では半ピッチずれたデータであることを判別しやすくするために番地をずらしているが、番地指定方法はこれに限らない。

【0060】

図２１は、実施の形態４に係る第２のリニアイメージセンサの転送クロックの駆動と、それに伴う電荷の転送を時系列で示した説明図である。時刻ｔ１～ｔ４の動作によって画素３に蓄積された電荷を蓄積ゲート電極４ｃ下まで転送する。時刻ｔ５では転送クロックφＨ１をＨにし、蓄積電荷を水平転送部５－１へと転送する。時刻ｔ６ではクロックφＳＣをＬにし、水平転送部５－１への電荷転送が完了する。時刻ｔ７では画素３に蓄積された電荷を蓄積ゲート電極４ｃ直前まで転送する。このとき、水平転送部５－１に蓄積した電荷を水平方向へ順次転送し、水平転送部５－１の電荷を全て払い出す。時刻ｔ８ではクロックφＳＣをＨにし、蓄積ゲート電極４ｃ下まで電荷を転送する。時刻ｔ９ではクロックφＶ２をＬにし、蓄積ゲート電極４ｃ下への電荷転送が完了する。時刻ｔ１０では転送クロックφＨ１をＨにし、蓄積電荷を水平転送部５－１へと転送する。時刻ｔ１１ではクロックφＳＣをＬにし、水平転送部５－１への電荷転送が完了する。時刻ｔ１２では水平ＣＣＤ間転送電極５－３の電位φＴｒをＨにし、水平ＣＣＤ間転送電極５－３下へ電荷を転送する。時刻ｔ１３では水平ＣＣＤ間転送電極５－３の電位φＴｒをＬにし、水平ＣＣＤ間転送電極５－３下への電荷転送が完了する。時刻ｔ１４ではクロックφＨ２をＨにし、蓄積電荷を水平転送部５－２へと転送する。時刻ｔ１４ではクロックφＨ２をＬにし、水平転送部５－２への電荷転送が完了する。

【0061】

なお、実施の形態１～３において、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の２次元アレイ状に配置され画素３のうち左端に位置する画素３の蓄積電荷量をＡ／Ｄ変換してメモリに格納し、両者を後段の処理にて比較判定してもよい。これにより、第１及び第２のリニアイメージセンサ１，２の撮像データのズレの有無を検出することができる。

【符号の説明】

【0062】

１ 第１のリニアイメージセンサ、２ 第２のリニアイメージセンサ、３ 画素、４ 垂直転送部、５ 水平転送部、６ ＦＤＡ、８ Ａ／Ｄ変換器、９ 撮像データ格納メモリ、１０，１２ 貫通電極、１５０ 駆動パルス制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】