KR920000579B1 - Solid-state image device - Google Patents

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Abstract

The apparatus for a video camera, feed-back controls substrate voltage acting as bias in response to light or signals to charge threshold level. The apparatus comprises an opticmeans (3) for optically controlling incident light, an image pickup device (1) for changing the light to charged signal, circuit (4) for detecting the level of output-signal from the device (1), a voltage-converting control circuit (5) for supplying the substrate voltage to the device (1) according to the output-signal level of the device (1) detected from the circuit (4).

Description

고체촬상장치Solid state imaging device

제1도는 촬상소자, 특히 인터라인형 CCD촬상소자의 구성을 보인 개략 횡단면도.1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an image pickup device, particularly an interline CCD image pickup device.

제2도는 종래의 촬상장치의 구성을 보이는 블록도.2 is a block diagram showing the structure of a conventional imaging device.

제3도는 본 발명에 따른 촬상장치의 구성을 보이는 블록도이다.3 is a block diagram showing the configuration of an image pickup apparatus according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

1 : 촬상소자 2 : 입사광1 imaging device 2 incident light

3 : 광학수단 4 : 신호레벨 검출회로3: optical means 4: signal level detection circuit

5 : 전압변환 제어회로5: voltage conversion control circuit

본 발명은 촬상장치에 관한 것도, 특히 고체(古體)촬상소자를 이용한 촬상장치에 관한 것이다.The present invention also relates to an image pickup apparatus, and more particularly, to an image pickup apparatus using a solid state image pickup device.

휴대용 비디오 카메라 전자식 스틸카메라, 또는 화상입력장치의 촬상소자로 사용되고 있는 고체촬상소자는 종래의 촬상관등에 비해 작고 가볍기 때문에 이를 사용한 기기이 소형경량화가 가능하여 점차 그 응용 범위가 넓어지고 있다.Since the solid state image pickup device used as a portable video camera electronic still camera or an image pickup device of an image input device is smaller and lighter than a conventional image pickup tube or the like, a device using the same has a small and light weight, and its application range is gradually widening.

이러한 고체 촬상소자의 하나로써 전하 결합 디바이스(Charge Coupled Device; 이하 CCD라 약칭함)의 광전변환 기능과 신호전하축적 및 신호전하 전송기능을 이용한 CCD형 고체 촬상소자가 널리 쓰이고 있는데 그 개략적인 구성을 제1도에 보였다.As one of the solid-state imaging devices, CCD type solid-state imaging devices using a photoelectric conversion function, a signal charge accumulation and a signal charge transfer function of a charge coupled device (abbreviated as CCD) are widely used. It is shown in FIG.

이 촬상소자(1)는 소위 인터라인(inter line)방식의 CCD형 고체 촬상소자인데, 기판(10)상에 반도체 집적기술로 각각 형성된, 입사광(2)을 신호전하로 변환시키는 광전 변환소자(11)와, 이 신호전하를 수직전송부(13)로 전송시키는 전송게이트(12)와, 도시되지 않은 수평전송부로 신호 전하를 전송시키는 수직전송부(13)를 구비하고 있다.The imaging device 1 is a so-called interline CCD solid-state imaging device, which is formed on the substrate 10 by semiconductor integrated technology, and converts incident light 2 into signal charges. 11), a transfer gate 12 for transferring this signal charge to the vertical transfer section 13, and a vertical transfer section 13 for transferring signal charge to a horizontal transfer section (not shown).

한편 입사광(2)이 지나치게 큰 경우 광전변환소자(11)에서 축적된 신호전하가 인접채널이나 수직전송부(13)로 흘러 넘쳐 발생되는 소위 블루밍(blooming)현상을 방지하기 위해 각 채널간에는 오버 플로우 드레인(14)이 형성되어 있으며, 기판(10)은 기판은 웰영역(10b)와 얕은 웰영역(10a)으로 형성되는데 얕은 웰영역(10a)은 채널스토퍼 역할을 하게 되어 스미어링(smering)현상을 방지하게 된다(미설명 부호 15는 전송전극, 16은 드레인전극임).On the other hand, when the incident light 2 is too large, the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 11 overflows between the channels in order to prevent a so-called blooming phenomenon caused by overflowing the adjacent channel or the vertical transfer unit 13. The drain 14 is formed, and the substrate 10 is formed of a well region 10b and a shallow well region 10a. The shallow well region 10a serves as a channel stopper and thus smears. (15 is a transfer electrode and 16 is a drain electrode).

여기서 광전변환소자(11)와 얕은 웰영역(10a) 및 그 하부의 기판(10)은 일종의 MOS트랜지스터를 형성하게 되는데 입사광이 지나치게 강한 경우에는 펀치 드로우 현상을 발생시켜 과도한 전류를 바이패스시킴으로써 블루밍현상을 억제하는 구실을 하게 된다. 그런데 이러한 종래의 촬상소자에 있어서는 기판(10)에 인가되는 기판전압(Vb)이 특정의 전압으로 고정되어 있기 때문에 넓은 범위의 입사광에 대해 블루밍을 제어하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.Here, the photoelectric conversion element 11, the shallow well region 10a, and the lower substrate 10 form a kind of MOS transistor. If the incident light is too strong, a punch draw phenomenon is generated to bypass the excessive current, thereby blooming. It will serve as a restraint. However, in the conventional imaging device, since the substrate voltage Vb applied to the substrate 10 is fixed at a specific voltage, there is a problem that it is impossible to control blooming for a wide range of incident light.

이에 따라 종래에는 별도의 조리개 기구를 이용하여 조절된 광량의 입사광을 촬상소자에 공급하는 방식이 주로 사용되었는데, 상술한 촬상소자(1)를 이용한 종래의 촬상장치, 특히 비디오 카메라의 일례를 제2도에 보였다.Accordingly, in the related art, a method of supplying incident light of an adjusted amount of light by using a separate aperture mechanism to the image pickup device has been mainly used. A second example of a conventional image pickup device, in particular, a video camera using the image pickup device 1 is described. Shown in the figure.

이것은 입사광(2)을 포커싱 및 분광(分光)시키는 렌즈 및 프리즘 또는 거울, 필터등으로 구성되는 광학수단(3)와, 이 광학수단(3)에 의해 제어된 빛을 받아 이를 전자적인 출력 신호로 변환시켜 도시되지 않은 영상회로로 인가시키는 촬상소자-예를들어 제1도에 도시된 것과 같은 CCD형 고체촬상소자(1)-와, 도시되지는 않았으나 이 촬상소자(1)를 소정의 주기로 구동시키기 위한 구동펄스 발생회로를 구비하여 구성된다.This is an optical means (3) consisting of a lens, a prism or a mirror, a filter, etc. for focusing and spectrosing the incident light (2), and receives the light controlled by the optical means (3) as an electronic output signal. An image pickup device for converting and applying it to an image circuit (not shown), for example, a CCD solid-state image pickup device 1 as shown in FIG. 1, and the image pickup device 1 (not shown) is driven at a predetermined cycle. And a driving pulse generating circuit for making it work.

여기서 CCD등의 고체 촬상소자는 입사광의 광량에 민감하여 광량이 부족한 경우에도 감도, 즉 해상도가 불충분하고 광량이 과다한 경우에는 전술한 불루밍(blooming)현상등이 발생하여 화질을 열화시키게 되므로 촬상소자로 입사되는 입사광의 광량을 적절히 조절하여야 할 필요가 있음은 전술한 바와 같다.Here, a solid-state image sensor such as a CCD is sensitive to the amount of incident light and thus, even if the amount of light is insufficient, if the sensitivity, that is, the resolution is insufficient and the amount of light is excessive, the above-mentioned blooming phenomenon occurs and the image quality is deteriorated. As described above, it is necessary to appropriately adjust the light amount of incident light incident on the light source.

따라서 종래의 촬상장치는 제2도에 보인 바와 같이 촬상소자(1)에서 인가되는 출력신호의 일부를 신호레벨 검출회로(4)가 받아 그 레벨을 검출하고, 조리개 조절(autoiris)회로(6)가 이 출력신호의 평균레벨이 항상 일정하도록 모우터 또는 솔레노이드 등으로 된 조리개 구동부(7)를 제어하고 이 조리개 구동부(7)가 조리개 기구(8)를 구동시킴으로써 촬상소자(1)에 입사되는 입사광의 광량을 조절하도록 구성되었다.Therefore, in the conventional imaging device, as shown in FIG. 2, the signal level detecting circuit 4 receives a part of the output signal applied from the imaging device 1, detects the level thereof, and then adjusts the aperture control circuit 6; The incident light incident on the imaging device 1 is controlled by controlling the aperture driver 7 made of a motor or solenoid or the like so that the average level of the output signal is always constant, and the aperture driver 7 driving the aperture mechanism 8. It was configured to adjust the amount of light.

이와 같은 종래의 촬상장치의 광량 조절수단은 기계식의 조리개 조절기구를 사용하도록 구성되었으므로 그 구성이 복잡하여 제조원가가 높고 소형 경량화가 어려운 문제점이 있었다. 또한 피사체가 빠른 속도가 이동하는 경우에 그 응답속도가 느린 문제점이 있는 바, 특히 그 피사체의 광도가 아주 높거나 낮은 경우에는 그 인식이 거의 불가능하였다.Since the light amount adjusting means of the conventional imaging device is configured to use a mechanical aperture adjusting mechanism, its configuration is complicated, and thus there is a problem in that manufacturing cost is high and compact weight is difficult. In addition, there is a problem in that the response speed is slow when the subject moves at a high speed. In particular, when the brightness of the subject is very high or low, the recognition is almost impossible.

또한 이 기계식의 광량조절 수단은 그 소비전력이 커서 통상 전지를 전원으로 하는 휴대용 비디오 카메라나 전자식 스틸카메라의 작동가능시간을 제한시키는 한 원인이 되었다.In addition, the mechanical light amount adjusting means has a large power consumption, which causes a limitation in the operating time of a portable video camera or an electronic still camera, which is usually powered by a battery.

이와 같은 종래 촬상장치의 문제점을 감안하여 본 발명의 목적은 구조가 매우 간단하고 응답속도가 빠르며 소비전력도 매우 작은 광량 조절수단은 구비한 촬상장치를 제공하는 것이다.In view of the problems of the conventional imaging device, an object of the present invention is to provide an imaging device having a light amount adjusting means having a very simple structure, a fast response speed, and a very small power consumption.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 촬상장치는 입사광을 광학적으로 제어하는 광학수단, 이 광학수단을 통해 입사된 빛을 신호전하로 변화시켜 출력하는 촬상소자와, 이 촬상소자의 출력신호의 레벨을 검출하는 신호레벨 검출회로를 구비하는 고체 촬상소자에 있어서, 상기 신호레벨 검출회로에서 검출된 촬상소자의 출력신호의 레벨을 따라 이에 대응하는 기판전압을 상기 촬상소자의 공급하는 전압변환 제어회로가 더 구비되어 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an imaging apparatus according to the present invention includes optical means for optically controlling incident light, an imaging device for converting and outputting light incident through the optical means into signal charge, and an output signal of the imaging device. A solid-state imaging device having a signal level detection circuit for detecting a level, comprising: a voltage conversion control circuit for supplying a substrate voltage corresponding thereto according to a level of an output signal of the imaging device detected by the signal level detection circuit; It is characterized in that the configuration is further provided.

이하에 본 발명에 따라 구성된 촬상장치의 바람직한 한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of an imaging device constructed in accordance with the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

제3도에 보인 본 발명에 따라 구성된 촬상장치는 예를들어 비디오 카메라로서, 입사광(2)를 촬상소자(1)에 대해 포커싱하고 필요에 따라 필터링 및 분광시키는 광학수단(3)와, 이 광학수단(3)에 의해 제어된 빛을 받아 신호전하로 변환시켜 그 출력신호를 도시되지 않은 영상회로로 인가시키는 촬상소자(1)와, 촬상소자(1)의 출력신호의 일부를 인가받아 그 레벨을 검출하여 이에 해당하는 전압을 출력하는 신호레벨 검출회로(4)와, 이 신호레벨 검출회로(4)에서 공급된 전압레벨에 따라 이에 대응하는 전압을 출력하여 촬상소자(1)의 기판(10)에 인가되는 기판전압(Vb)을 제어하는 전압변환 제어회로(5)를 구비하여 구성된다.An imaging device constructed in accordance with the invention shown in FIG. 3 is, for example, a video camera comprising: optical means (3) for focusing incident light (2) with respect to imaging device (1), filtering and spectroscopy as necessary; An image pickup device 1 which receives light controlled by the means 3, converts it into signal charge, and applies the output signal to an image circuit (not shown), and a part of the output signal of the image pickup device 1 receives the level Signal level detection circuit 4 which detects and outputs a corresponding voltage, and outputs a voltage corresponding thereto according to the voltage level supplied from the signal level detection circuit 4, thereby providing a substrate 10 of the imaging device 1 Is provided with a voltage conversion control circuit 5 for controlling the substrate voltage Vb to be applied.

여기서 광학수단(3)는 포커싱용의 렌즈군(郡)과 분광용의 프리즘 또는 거울이나 필터링용의 필터등을 적절히 조합하여 구성하는 것이 바람직하다.In this case, the optical means 3 is preferably configured by appropriately combining a lens group for focusing with a prism for spectroscopy or a mirror or a filter for filtering.

촬상소자(1)는 고체 촬상소자로서 예를들어 제1도를 통해 설명된 바와 같은 통상적인 CCD형 고체 촬상소자인 것이 바람직하며, 도시되어 있지 않은 것은 인터라인(interline)형이나 프레임형등 어떠한 형식이 것이라도 본 발명 구성에는 지장이 없다.The imaging device 1 is preferably a solid-state imaging device, for example, a conventional CCD solid-state imaging device as described with reference to FIG. 1, which is not shown in the drawings such as an interline type or a frame type. Even if it is a form, the structure of this invention does not interfere.

제3도에 도시되지는 않았으나 이 촬상소자(1)에 배열된 전송전극(15)과 드레이전극(16)에 전송펄스와 드레인 펄스등을 인가시키는 구동펄스 발생회로 및 그 주변회로가 구비되는 것이 바람직하다.Although not shown in FIG. 3, a driving pulse generating circuit and a peripheral circuit for applying a transfer pulse and a drain pulse to the transfer electrode 15 and the drain electrode 16 arranged in the imaging device 1 are provided. desirable.

신호레벨 검출회로(4)는 촬상소자(1)의 출력신호의 일부를 인가받아 이를 증폭 및 필요에 따라 변환시켜 그 레벨을 대응하는 직류전압을 출력시키는 형식의 것이며, 전압변환 제어회로(50)는 이 신호레벨 검출신호(4)의 출력전압에 따라 촬상소자(1)이 기판(10)에 적절한 기판전압(Vb)을 공급하는 것으로서 예를들어 앰프등과 같은 회로이다.The signal level detecting circuit 4 receives a part of the output signal of the image pickup device 1, amplifies and converts it as necessary, and outputs a DC voltage corresponding to the level. The voltage conversion control circuit 50 Is a circuit in which the image pickup device 1 supplies the appropriate substrate voltage Vb to the substrate 10 in accordance with the output voltage of the signal level detection signal 4, for example, an amplifier or the like.

이와 같은 구성을 지닌 본 발명에 따라 구성된 촬상 장치의 구동을 상세히 설명한다.The driving of the imaging device constructed in accordance with the present invention having such a configuration will be described in detail.

먼저 제3도에서, 입사광(2)는 광학수단(3)에 의해 제어되어 촬상소자(1)로 입사되고, 촬상소자(1)에서 신호전하로 변환되어 도시되지 않은 영상신호와 신호레벨 검출회로(4)로 출력된다. 신호레벨 검출회로(4)는 촬상소자(1)의 출력신호를 적절히 증폭 및/또는 필요에 따라 변환시켜 그 레벨을 대응하는 직류전압을 전압변환 제어회로(5)에 인가시킨다. 전압변환 제어회로(5)는 신호레벨 검출회로(4)에서 인가된 입력전압에 따라 이에 대응하는 전압을 촬상소자(1)의 기판에 기판전압(Vb)으로 공급하게 된다.First, in FIG. 3, the incident light 2 is controlled by the optical means 3 and enters the image pickup device 1, and is converted into signal charge in the image pickup device 1 to convert an image signal and a signal level detection circuit (not shown). Is outputted as (4). The signal level detection circuit 4 appropriately amplifies and / or converts the output signal of the image pickup device 1 and applies a DC voltage corresponding to the level to the voltage conversion control circuit 5. The voltage conversion control circuit 5 supplies the corresponding voltage to the substrate of the imaging device 1 as the substrate voltage Vb according to the input voltage applied from the signal level detection circuit 4.

이들 제1도를 참조하여 좀더 상세히 설명하면, 광전변화소자(11)와 얕은 웰영역(10a)과 그 하부의 기판(10)은 MOS트랜지스터로서 기능하는 바, 기판전압(Vb)은 얕은 웰영역(10a)과 기판(10)사이에 바이어스된 바이어스전압의 역할을 하게 된다. 따라서 촬상소자(1)의 신호전하 출력 레벨에 따라 기판전압(Vb)을 변화시킨다는 것은 상술한 MOS트랜지스터에서 펀치드루우 현상이 발생되는 임계레벨(threshold level)을 변화시키게 되는 것이다.In more detail with reference to these drawings, the photovoltaic element 11 and the shallow well region 10a and the substrate 10 underneath function as a MOS transistor, and the substrate voltage Vb is a shallow well region. It serves as a bias voltage biased between 10a and the substrate 10. Therefore, changing the substrate voltage Vb according to the signal charge output level of the imaging device 1 changes the threshold level at which the punch draw phenomenon occurs in the above-described MOS transistor.

예컨대 촬상소자(1)에 입력되는 입사광량이 많은 경우에는 그 출력레벨 및 신호레벨 검출회로(4)의 출력레벨이 높은 레벨이 될 것이며, 이에 따라 전압변환 제어회로(5)는 높은 레벨의 기판전압(Vb)을 공급함으로써 상술한 MOS트랜지스터에 펀치드루우가 발생하는 임계레벨을 낮춰 주게 된다. 이에 따라 펀치드루우 전류가 증가하여 광전 변환 소자(11)에서 전송게이트(12)을 통해 전송되는 신호전하의 양이 감소된다.For example, when the amount of incident light input to the imaging device 1 is large, the output level and the output level of the signal level detection circuit 4 will be at a high level, so that the voltage conversion control circuit 5 is a high level substrate. By supplying the voltage Vb, the threshold level at which punch draw occurs in the above-described MOS transistor is lowered. As a result, the punch draw current increases to reduce the amount of signal charge transmitted from the photoelectric conversion element 11 through the transfer gate 12.

반대로 입사되는 광량이 적은 경우에는 상술한 작동과 역으로 작동함으로써 펀치드루우 전류가 감소되어 전송되는 신호전하의 양이 증가된다.On the contrary, when the amount of incident light is small, the reverse operation of the above-described operation reduces the punch draw current and increases the amount of signal charge transmitted.

이와 같은 작동에 의해 전성되는 신호전하는 항상 일정레벨을 유지하게 되며, 이에 따라 별도의 광량 조절 수단이 불필요하게 된다.The signal charges generated by such an operation are always maintained at a constant level, so that a separate light amount adjusting means is unnecessary.

이와 같이 본 발명에 따른 구성된 촬상장치는 별도의 기계적 조리개 조절기구를 사용하지 않으므로 그 구조가 간단하여 제작이 용이하고 소형 경량화가 가능하며, 응답속도가 빨라 인식도도 우수하고, 소비전력도 종래에 비해 무시할 수 있을 만큼이나 작은 여러 가지 이점이 있어서, 특히 휴대용 비디오장치로서 적합한 촬상장치를 제공할 수 있다.As described above, the imaging device configured according to the present invention does not use a separate mechanical aperture adjusting mechanism, and thus, its structure is simple, making it easy to manufacture, compact and lightweight, and having a fast response speed. There are a number of advantages that are negligibly small, and it is possible to provide an imaging device that is particularly suitable as a portable video device.

Claims (1)

입사광을 광학적으로 제어하는 광학수단(3)와, 이 광학수단(3)을 통해 입사된 빛을 신호전하로 변환시켜 출력하는 촬상소자(1)와, 이 촬상소자(1)의 출력신호의 레벨을 검출하는 신호레벨 검출회로(4)를 구비하는 고체촬상소자에 있어서, 상기 신호레벨 검출회로(4)에서 검출된 출력신호의 레벨에 따라 이에 대응하는 기판전압을 상기 촬상소자(1)에 공급하는 전압변환 제어회로(5)가 더 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.Optical means (3) for optically controlling incident light, an imaging device (1) for converting light incident through the optical means (3) into signal charges, and an output signal level of the imaging device (1) In a solid state image pickup device having a signal level detection circuit 4 for detecting a signal, a substrate voltage corresponding to the level of an output signal detected by the signal level detection circuit 4 is supplied to the image pickup device 1. And a voltage conversion control circuit (5).
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