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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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A) GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
und, genauer gesagt, eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einem breiten optischen Dynamikbereich.
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B) BESCHREIBUNG DES ZUGEHÖRIGEN STANDES
DER TECHNIK
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Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen,
wie typischerweise CCD-Bildsensoren, sind bislang durch Richten
des Hauptaugenmerks auf eine hohe Integration und eine hohe Empfindlichkeit
eines Bestandteilelements, eines Pixels, entwickelt worden. Eine
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einer Millionen Pixel oder darüber ist heutzutage nicht selten.
Auch eine hohe Empfindlichkeit macht aufgrund der Entwicklung verschiedener
Techniken beachtliche Fortschritte. Eine Anwendung auf digitale
Kameras hat die Leistungsfähigkeit
einer Auflösung
und einer Empfindlichkeit erreicht, die derjenigen eines herkömmlichen
Silbersalzfilms überlegen
ist.
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Jedoch
ist eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
bezüglich
des Dynamikbereichs (des optischen Dynamikbereichs) einer Belichtungsmenge einem
herkömmlichen
Silbersalzfilm weit unterlegen. Ein schmaler optischer Dynamikbereich
verursacht verschiedene Phänomene,
einschließlich
sogenannter weißer
Austastbereiche: ein Bereich, der in den Details eines weißen Hochzeitskleids,
das mit einem Kamerablitz fotografiert ist, einheitlich ganz weiß gefärbt ist,
und ein Bereich, der in den hervorgehobenen Bereichen der Spitze
einer Nase und von Wangen unnatürlich
ganz weiß gefärbt ist;
und eine Unfähigkeit
dafür,
eine Hintergrundszene außerhalb
eines Fensters in einer fotografierten Innenraumszene wiederzugeben.
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In
einer Fotodiode einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
werden elektrische Ladungen optisch erregt und proportional zu einer
Belichtungsmenge akkumuliert. Es gibt einen maximalen Wert von Ladungen,
die in jeder Fotodiode akkumuliert werden können. Wenn die Ladungsmenge
den maximalen Wert erreicht, werden keine weiteren Ladungen mehr
akkumuliert werden. Die Kennlinien einer Fotodiode zeigen einen
linearen Bereich, wo die Menge an Ladung proportional zu der Belichtungsmenge
ist, und einen gesättigten
Bereich, wo sich die Menge an Ladung nicht auf mehr als den maximalen Wert
erhöhen
wird. Je höher
die Empfindlichkeit ist, umso mehr ist die Ausgangsspannung bei
der niedrigeren Belichtungsmenge gesättigt. Um einen breiten optischen
Dynamikbereich zu erreichen, ist es umso bessert, je niedriger die
Empfindlichkeit ist. Wenn jedoch die Empfindlichkeit erniedrigt
wird, wird es schwierig, ein relativ dunkles Subjekt zu fotografieren.
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5 ist
eine Kurve, die die Kennlinien einer fotoelektrischen Umwandlung
einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
zeigt. Die Abszisse stellt eine Belichtungsmenge von Einfallslicht
auf eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
dar (nicht auf jedes fotoelektrische Umwandlungselement). Die Ordinate stellt
eine Ausgangsspannung dar, die durch die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
gemäß elektrischen
Ladungen erzeugt wird, die in fotoelektrischen Umwandlungselementen
akkumuliert sind. Eine gesättigte
Ausgangsspannung ist eine Spannung, bei welcher die Ausgangsspannung
selbst dann gesättigt
ist, wenn die Belichtungsmenge erhöht wird. Bei der gesättigten
Ausgangsspannung wird die maximale Menge an elektrischer Ladung
in fotoelektrischen Umwandlungselementen akkumuliert. Eine gesättigte Belichtungsmenge
ist eine Menge zu der Zeit, zu welcher die Ausgangsspannung die
gesättigte
Ausgangsspannung annimmt.
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Zwei
Empfindlichkeitskennlinien HS und LS sind derart gezeigt, dass sie
dieselbe gesättigte
Ausgangsspannung Vsat haben.
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Eine
Kurve LS stellt eine niedrige Empfindlichkeit mit einer geringen
Erhöhung
bezüglich
einer Ausgangsspannung relativ zu einer Belichtungsmenge von Eins
dar. Eine Belichtungsmenge, die die gesättigte Ausgangsspannung Vsat
erreicht, d.h. eine gesättigte
Belichtungsmenge SEL, ist groß,
was in einem breiten optischen Dynamikbereich DL resultiert.
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Eine
Kurve HS zeigt eine große
Erhöhung bezüglich einer
Ausgangsspannung (Empfindlichkeit) relativ zu einer Belichtungsmenge
von Eins an, was eine hohe Empfindlichkeit darstellt. Eine gesättigte Belichtungsmenge
SEH, die die gesättigte
Ausgangsspannung Vsat erreicht, ist niedrig, was in einem schmalen
optischen Dynamikbereich DH resultiert. Wie es aus 5 zu
sehen ist, verschmälert eine
hohe Empfindlichkeit den optischen Dynamikbereich.
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6 ist
eine Draufsicht, die ein Beispiel herkömmlicher Techniken darstellt,
die einen breiten optischen Dynamikbereich realisieren. Auf einem Halbleiterchip
ist eine Vielzahl von Fotodioden 51, 52 in einer
quadratischen oder tetragonalen Matrixform angeordnet. Entlang jeder
Fotodiodenspalte ist eine vertikale Ladungs-Transfervorrichtung (VCCD) 55 angeordnet.
Die Fotodioden 51 und 52 haben denselben Bereich
und dieselbe gesättigte
Ausgangsspannung. Ein Ende jeder vertikalen Ladungs-Transfervorrichtung 55 ist
mit einer horizontalen Ladungs-Transfervorrichtung
(HCCD) 56 gekoppelt. Eine Ausgabe der horizontalen Ladungs-Transfervorrichtung 56 wird
zu einer Ausgangsschaltung 57 zugeführt.
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Ein
Lichtabschirmfilm ist über
den Fotodioden ausgebildet, um eine Öffnung für jede Fotodiode zu definieren.
Eine Öffnung 53 über der
Fotodiode 51 in einer ungeraden Zeile ist breit, während eine Öffnung 54 über der
Fotodiode 52 in einer geraden Zeile schmal ist. Eine Menge
an Licht, das durch die Öffnung
verläuft, ändert sich
mit dem Bereich der Öffnung.
Bei derselben Belichtungsmenge ist die Lichtmenge, die von der Fotodiode 52 mit
der schmalen Öffnung 54 empfangen
wird, geringer als diejenige, die von der Fotodiode 51 mit
der breiten Öffnung 53 empfangen
wird.
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Die
Empfindlichkeit der Fotodiode 52 mit der schmalen Öffnung 54 ist
daher niedriger als diejenige der Fotodiode 51 mit der
breiten Öffnung 53.
Die Fotodiode 51 hat die Kennlinie hoher Empfindlichkeit HS,
die in 5 gezeigt ist, und die Fotodiode 52 hat die
Kennlinie niedriger Empfindlichkeit LS, die in 5 gezeigt
ist.
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Die
Empfindlichkeit der Fotodiode hoher Empfindlichkeit 51 ist
durch R1 dargestellt, und diejenige der Fotodiode niedriger Empfindlichkeit 52 ist durch
R2 dargestellt. Da beide Fotodioden dieselbe gesättigte Ausgangsspannung haben,
ist die gesättigte
Belichtungsmenge der Fotodiode niedriger Empfindlichkeit 52 das
R1/R2-fache der gesättigten Belichtungsmenge
der Fotodiode hoher Empfindlichkeit.
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Bildsignale
werden zu einer externen Vorrichtung von der Fotodiode hoher Empfindlichkeit 51 und
der Fotodiode niedriger Empfindlichkeit 52 gelesen und
danach synthetisiert. Ein Bild eines dunklen Bereichs mit einer
geringen Menge an Licht in einer fotografierten Szene kann hauptsächlich aus
einem Signal von der Fotodiode hoher Empfindlichkeit 51 erzeugt
werden, während
ein Bild eines hellen Bereichs mit einer großen Menge an Licht in der fotografierten
Szene hauptsächlich
aus einem Signal von der Fotodiode niedriger Empfindlichkeit 52 erzeugt werden
kann. Mit dieser Struktur kann eine Bildaufnahmevorrichtung erhalten
werden, die eine hohe Empfindlichkeit und einen breiten optischen
Dynamikbereich hat.
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Die
in 6 gezeigte Struktur bildet ein Pixel durch eine
Fotodiode hoher Empfindlichkeit 51 und eine Fotodiode niedriger
Empfindlichkeit 52 aus. Da ein Pixel aus zwei Fotodioden
gebildet wird, wird die Anzahl von effektiven Pixeln auf die Hälfte reduziert und
wird die Auflösung
auf die Hälfte
erniedrigt.
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Ein
anderer Ansatz zum Erhalten eines breiten Dynamikbereichs besteht
darin, dieselbe Szene zweimal mit denselben Fotodioden zu fotografieren. Ein
Fotografieren hoher Empfindlichkeit und eine Fotografieren niedriger
Empfindlichkeit werden während
unterschiedlicher Signalakkumulations-Zeitdauern, einer langen Belichtungszeit
bzw. einer kurzen Belichtungszeit, durchgeführt. Zwei Bilder, die während unterschiedlicher
Zeitdauern fotografiert sind, werden synthetisiert, so dass eine
hohe Empfindlichkeit und ein breiter optischer Dynamikbereich erhalten
werden kann, gleich der in 6 gezeigten
Struktur. Obwohl dieser Ansatz für
ein stillstehendes Subjekt effektiv ist, wird ein reproduziertes
Bild eines sich bewegenden Subjekts zerstört, weil zwei unterschiedliche
Fotografierzeiten enthalten sind. Diese Techniken, die oben beschrieben
sind, sind beispielsweise in den offengelegten japanischen Patentveröffentlichungen
Nr. HEI-09116815 und HEI-09-252107 offenbart.
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EP 05175471 offenbart eine
Festkörper-Bilderfassungsvorrichtung
mit einem Lichtabschirmungsfilm, der auf einen fotoempfindlichen
Hilfsabschnitt direkt einfallendes Licht abschirmt.
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US 5,174,753 offenbart eine
Bildgabevorrichtung mit einer ersten Fotodiode und einer zweiten Fotodiode,
wobei die zweite Fotodiode eine niedrigere Fotoempfindlichkeit als
die erste Fotodiode hat.
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EP 1331670 offenbart eine
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einem fotoempfindlichen Hauptfeld mit einem relativ großen Bereich
und einem fotoempfindlichen Nebenfeld mit einem relativ kleinen
Bereich.
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EP 1351311 offenbart einen
Bildsensor mit einem fotoempfindlichen Bereich mit einer ersten Empfindlichkeit
gegenüber
Licht und einer ladungsgekoppelten Vorrichtung mit einer zweiten,
niedrigeren Empfindlichkeit gegenüber Licht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung besteht im Bereitstellen einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einer hohen Empfindlichkeit und einem breiten optischen Dynamikbereich.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht im Bereitstellen einer
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einer hohen Auflösung,
einer hohen Empfindlichkeit und einem breiten optischen Dynamikbereich.
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Eine
noch weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht im Bereitstellen von
Techniken zum Erweitern eines optischen Dynamikbereichs, um eine
Snychronizität
beizubehalten, ohne dafür
die Auflösung zu
opfern.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
zur Verfügung
gestellt, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
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die
oben beschrieben sind, sind beispielsweise in den offengelegten
japanischen Patentveröffentlichungen
Nr. HEI-09116815 und HEI-09-252107 offenbart.
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EP 05175471 offenbart eine
Festkörper-Bilderfassungsvorrichtung
mit einem Lichtabschirmungsfilm, der auf einen fotoempfindlichen
Hilfsabschnitt direkt einfallendes Licht abschirmt.
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US 5,174,753 offenbart eine
Bildgabevorrichtung mit einer ersten Fotodiode und einer zweiten Fotodiode,
wobei die zweite Fotodiode eine niedrigere Fotoempfindlichkeit als
die erste Fotodiode hat.
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EP 1331670 offenbart eine
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einem fotoempfindlichen Hauptfeld mit einem relativ großen Bereich
und einem fotoempfindlichen Nebenfeld mit einem relativ kleinen
Bereich.
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EP 1351311 offenbart einen
Bildsensor mit einem fotoempfindlichen Bereich mit einer ersten Empfindlichkeit
gegenüber
Licht und einer ladungsgekoppelten Vorrichtung mit einer zweiten,
niedrigeren Empfindlichkeit gegenüber Licht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung besteht im Bereitstellen einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einer hohen Empfindlichkeit und einem breiten optischen Dynamikbereich.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht im Bereitstellen einer
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einer hohen Auflösung,
einer hohen Empfindlichkeit und einem breiten optischen Dynamikbereich.
-
Eine
noch weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht im Bereitstellen von
Techniken zum Erweitern eines optischen Dynamikbereichs, um eine
Snychronizität
beizubehalten, ohne dafür
die Auflösung zu
opfern.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
zur Verfügung
gestellt, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
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Wie
oben kann der optische Dynamikbereich einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
erweitert werden. Eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung kann
zur Verfügung
gestellt werden, die eine hohe Empfindlichkeit und einen breiten
optischen Dynamikbereich hat.
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Es
ist auch möglich,
eine Synchronizität
beizubehalten, ohne eine Auflösung
zu opfern.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
werden nun nur anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A bis 1C sind
Draufsichten und eine Querschnittsansicht einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 ist
eine Kurve, die ein Erweitern eines optischen Dynamikbereichs gemäß dem Ausführungsbeispiel
erklärt.
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3A und 3B sind
Draufsichten einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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4A bis 4C sind
Draufsichten, die Modifikationen der Pixelstruktur zeigen.
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5 ist
eine Kurve, die die Kennlinien einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem Stand
der Technik zeigt.
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6 ist
eine Draufsicht auf eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einem erweiterten optischen Dynamikbereich gemäß dem Stand
der Technik.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden.
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Die 1A, 1B und 1C sind
Draufsichten und eine Querschnittsansicht einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. 1A ist eine schematische Draufsicht
auf die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einer Vielzahl von Pixeln, 1B ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Fotodiodenbereichs eines Pixels und 1C ist
eine Querschnittsansicht eines Pixels.
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Wie
es in 1A gezeigt ist, ist eine Vielzahl von
Pixeln 8 auf einem Siliziumsubstrat in einer quadratischen
oder tetragonalen Matrixkonfiguration angeordnet und definiert ein über dem
Siliziumsubstrat ausgebildeter Lichtabschirmfilm eine Öffnung 9 für jedes
Pixel. Eine vertikale Ladungs-Transfervorrichtung (VCCD) 10 als
Ladungs-Leseeinrichtung
ist entlang jeder Pixelspalte auf ihrer rechten Seite zum Transferieren
elektrischer Ladungen, die von den Pixeln gelesen sind, in einer
vertikalen Richtung angeordnet. Eine horizontale Ladungs-Transfervorrichtung
(HCCD) 11 ist koppelnd mit Ausgangsanschlüssen einer
Vielzahl von VCCDs angeordnet. Die horizontale Ladungs-Transfervorrichtung
(HCCD) 11 empfängt
Signalladungen einer Zeile von VCCDs und transferiert sie mit hoher
Geschwindigkeit zu einer Ausgangsschaltung 12.
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Wie
es in 1B gezeigt ist, enthält jedes Pixel 8 fotoelektrische
Umwandlungselemente, eine Haupt-Fotodiode 1 und eine untergeordnete
Fotodiode 2, die durch einen Isolationsbereich 14 getrennt sind.
Um diese Struktur einfach verständlich
zu machen, sind Bereiche der Fotodioden gestrichelt gezeigt. Die
Haupt-Fotodiode 1 und die untergeordnete Fotodiode 2 sind
auf ihrer rechten Seite jeweils mit Transferbereichen 15 und 16 versehen.
Die Haupt-Fotodiode 1 und die untergeordnete Fotodiode 2 haben
allgemein dieselbe vertikale Höhe
in den Bereichen in Kontakt mit den Transferbereichen 15 und 16 und
liegen Transferstufen der VCCD 10 über die Transferbereiche 15 und 16 gegenüber. Elektrische
Ladungen, die in der Haupt-Fotodiode 1 und der untergeordneten
Fotodiode 2 akkumuliert sind, werden jeweils über die
Transferbereiche 15 und 16 zu der VCCD 10 gelesen,
wie es durch Pfeile angezeigt ist.
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In
Bereichen, die entfernt von den Transferbereichen 15 und 16 sind,
ist die vertikale Höhe
der Haupt-Fotodiode 1 erhöht, während die vertikale Höhe der untergeordneten
Fotodiode 2 entsprechend erniedrigt ist. Daher ist der
Bereich der Haupt-Fotodiode 1 breit und ist derjenige der
untergeordneten Fotodiode 2 schmal. Die gesättigte Ausgangsspannung
unterscheidet sich gemäß dem Fotodiodenbereich.
Eine relativ hohe gesättigte
Ausgangsspannung der Haupt-Fotodiode ist durch Vsat1 dargestellt
und eine relativ niedrige gesättigte
Ausgangsspannung der untergeordneten Fotodiode ist durch Vsat2 dargestellt.
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Die Öffnung 9 des
Lichtabschirmfilms ist über
jedem Pixel vorgesehen und legt Teilbereiche der Haupt-Fotodiode 1 und
der untergeordneten Fotodiode 2 frei. Obwohl das Meiste
des Bereichs der Haupt-Fotodiode 1 in der Öffnung 9 freigelegt
ist, ist nur ein begrenzter Bereich der untergeordneten Fotodiode 2 in
der Öffnung 9 freigelegt.
Wenigstens eine Hälfte
des Bereichs der untergeordneten Fotodiode 2 ist mit dem
Lichtabschirmfilm bedeckt. In Abhängigkeit von einer Differenz
zwischen Verhältnissen
(Öffnungs-
oder Aperturverhältnissen)
des freigelegten Bereichs in der Öffnung zu dem Fotodiodenbereich
hat die Haupt-Fotodiode 1 eine hohe Empfindlichkeit R1
und hat die untergeordnete Fotodiode 2 eine niedrige Empfindlichkeit
R2 (R1 > R2).
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Die
gesättigte
Belichtungsmenge SE ist umgekehrt proportional zu der Empfindlichkeit
R und proportional zu einer gesättigten
Ausgangsspannung Vsat entsprechend der maximalen akkumulierten Ladungsmenge.
Diese Beziehung wird einfach durch SE = Vsat/R durch Weglassen von
Koeffizienten ausgedrückt.
Die gesättigte
Belichtungsmenge SE1 der Haupt-Fotodiode 1 ist SE1 = Vsat1/R1
und die gesättigte
Belichtungsmenge SE2 der untergeordneten Fotodiode 2 ist
SE2 = Vsat2/R2.
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1C zeigt
die Querschnittstruktur eines Pixels. Ein n-Typ-Siliziumsubstrat 20 hat
eine p-Typ-Schicht 21, die in einem Oberflächenteil
des Substrats ausgebildet ist. Auf der Oberfläche der p-Typ-Schicht 21 sind
n-Typ-Bereiche angeordnet, um die Haupt-Fotodiode 1 und die untergeordnete Fotodiode 2 auszubilden.
Zwischen diesen Fotodioden ist ein p-Typ-Isolationsbereich 14 ausgebildet. Auf
der rechten Seite der untergeordneten Fotodiode 2 ist ein
n-Typ-Kanalbereich 22 der VCCD ausgebildet, wobei der Transferbereich 16 dazwischen
angeordnet ist. Auf der linken Seite der Haupt-Fotodiode 1 ist
ein p-Typ-Isolationsbereich 13 zwischen der benachbarten
Spalten-VCCD und der Fotodiode ausgebildet.
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Über dem
Kanalbereich 22 der VCCD und des Transferbereichs 16 ist
eine Transferelektrode 23 sowohl für die Steuerung zum Transferieren
von Ladungen, die aus der Fotodiode gelesen sind, als auch für den Transfer
von Ladungen in der VCCD aus gebildet. Die Transferelektrode kann
aus bekannten zweischichtigen Polysiliziumelektroden hergestellt sein,
oder sie kann auch aus einschichtigen oder dreischichtigen Polysiliziumelektroden
hergestellt sein. Ein Lichtabschirmfilm 19 aus W oder ähnlichem ist
die VCCD 10 und die HCCD 11 abdeckend ausgebildet
und hat dort hindurch ausgebildete Öffnungen 9.
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Eine
Isolierschicht 24 mit einer flachen Oberfläche ist
den Lichtabschirmfilm 19 bedeckend ausgebildet und Farbfilter
CF sind auf der Isolierschicht 24 angeordnet. Eine Mikrolinse
MC ist auf dem Farbfilter CF ausgebildet. Ein Farbfilter CF und
eine Mikrolinse MC sind entsprechend jeder Öffnung vorgesehen. Ein mechanischer
Verschluss S ist über
der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
vorgesehen. Nicht alle Bestandteilselemente sind nötig. Das
Farbfilter ist für
eine Schwarzweiß-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
nicht erforderlich. Der mechanische Verschluss kann durch Verwenden
von nur einem elektronischen Verschluss weggelassen werden. Die Mikrolinsen
können
in Abhängigkeit
von Anwendungsgebieten weggelassen werden.
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Die
in den 1A, 1B und 1C gezeigte
Struktur ist gleich derjenigen einer bekannten CCD-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit quadratischem Layout, mit der Ausnahme, dass ein Pixel zwei
Fotodioden hat, die durch den Isolationsbereich 14 getrennt
sind, und dass die VCCD elektrische Ladungen von den zwei Fotodioden
lesen kann. Sonst ist diese Struktur äquivalent zu der Struktur,
dass jede Fotodiode einer bekannten CCD-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
in eine Vielzahl von Fotodioden aufgeteilt ist und die VCCD derart
angeordnet ist, dass sie mit den aufgeteilten Fotodioden fertig wird.
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Nun
soll eine Fotodiode betrachtet werden, die die Haupt-Fotodiode 1 und
die untergeordnete Fotodiode 2 integriert ausgebildet hat.
Das bedeutet, dass diese Fotodiode äquivalent zu einer herkömmlichen
nicht aufgeteilten Fotodiode mit der Struktur ist, dass der Isolationsbereich 14 entfernt
ist und die Haupt-Fotodiode 1 und die untergeordnete Fotodiode 2 integriert
und kontinuierlich hergestellt sind. Eine Empfindlichkeit dieser
nicht aufgeteilten Fotodiode ist durch R0 dargestellt, eine gesättigte Ausgangsspannung
davon ist durch Vsat0 dargestellt und eine gesättigte Belichtungsmenge davon
ist durch SE0 dargestellt.
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Da
die Empfindlichkeit einer Menge an elektrischer Ladung entspricht,
die proportional zu einer Belichtungsmenge erzeugt ist, wird folgende
Gleichung gebildet: R0
= R1 + R2 (1)
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Da
die gesättigte
Ausgangsspannung proportional zu der maximalen akkumulierten Ladungsmenge
ist, wird die folgende Gleichung erfüllt: Vsat0 = Vsat1 + Vsat2 (2)
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Die
gesättigte
Belichtungsmenge ist daher gegeben durch: SE0 = Vsat0/R0
= (Vsat1 + Vsat2)/(R1 + R2) (3)
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Durch
Einsetzen von Vsat1/Vsat2 = x und R1/R2 = y ergibt sich dann folgendes: Vsat1 + Vsat2 = (x + 1) Vsat2, R1
+ R2 = (y + 1)R2
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Die
gesättigte
Belichtungsmenge einer nicht aufgeteilten Fotodiode ist daher gegeben
durch: SE0 = (x +
1) Vsat2/(y + 1)R2 = SE2·(x
+ 1)/(y + 2) (4)
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Ein
Umschreiben der Gleichung (4) resultiert in: SE2/SE0 = (y + 1)/(x + 1) (5)
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Wenn
der Wert der Gleichung (5) größer als "1" gemacht wird, kann der optische Dynamikbereich nicht
erweitert werden. Es kann aus der Gleichung (5) gesehen werden,
dass die gesättigte
Belichtungsmenge SE2 einer untergeordneten Fotodiode einer Fotodiode
vom Aufteilungstyp umso größer als
die gesättigte
Belichtungsmenge SE0 einer nicht aufgeteilten Fotodiode gemacht
werden kann, je größer der
Wert von y ist und/oder je kleiner der Wert von x ist. Durch Aufteilen
der Fotodiode und durch Erhöhen der
gesättigten
Belichtungsmenge der untergeordneten Fotodiode kann der optische
Dynamikbereich stark erweitert werden.
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In
diesem Zustand kann deshalb, weil die Empfindlichkeit der Haupt-Fotodiode
hoch gemacht werden kann, ein Bildsignal mit hoher Empfindlichkeit und
in einem weiten optischen Dynamikbereich durch Synthetisieren von
Bildsignalen erhalten werden, die von den Haupt- und den untergeordneten Fotodioden
gelesen sind. Unter der Annahme, dass y = 15 und x = 3, gilt SE2/SE0
= 16/4 = 4. Der optische Dynamikbereich kann viermal breiter als
derjenige einer nicht aufgeteilten Fotodiode sein.
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Je
kleiner der Wert x ist, umso weiter kann der optische Dynamikbereich
gemacht werden. Jedoch entspricht der Wert x dem Verhältnis eines
Bereichs der Haupt-Fotodiode
zu einem zugehörigen Bereich
der untergeordneten Fotodiode. Den Wert x klein zu machen, bedeutet
ein Erhöhen
des Verhältnisses
des Bereichs der Hilfs-Fotodiode.
Um die Kennlinien der Haupt-Fotodiode nicht zu verschlechtern, ist
es vorzuziehen, eine Verkleinerung bezüglich des Bereichs der Haupt-Fotodiode
zu unterdrücken, ohne
den Bereich der untergeordneten Fotodiode zu breit zu machen.
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Der
Wert y entspricht einem Empfindlichkeitsverhältnis und kann durch den Bereich
der Fotodiode eingestellt werden, der in der Öffnung freigelegt ist. Der
Wert y kann durch Erweitern des Bereichs der Haupt-Fotodiode groß gemacht
werden, der in der Öffnung
freigelegt ist, und durch Verengen des Bereichs der untergeordneten
Fotodiode, der in der Öffnung
freigelegt ist.
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Der
optische Dynamikbereich kann theoretisch unendlich erweitert werden.
Gemäß dem Wissen
des gegenwärtigen
Erfinders beträgt
der adäquate
Bereich eines Erweiterns des optischen Dynamikbereichs ein 2- bis
10-faches, in welchem Bereich die Erweiterungseffekte explizit sind
und die Bildqualität
nicht unnatürlich
ist. Ein Dreifaches bis Sechsfaches sind insbesondere als das Erweiterungsverhältnis effizient.
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Bei
einem tatsächlichen
Betrieb wird zuerst der erste Transferbereich 15 gesteuert,
um Signalladungen aus der Haupt-Fotodiode 1 zu lesen und
sie zu einer externen Vorrichtung auszugeben. Danach wird der zweite
Transferbereich 16 gesteuert, um Signalladungen aus der
untergeordneten Fotodiode 2 zu lesen. Danach werden beide
Bildsignale in der externen Vorrichtung synthetisiert.
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Ein
Bildsignal kann aus den Signalladungen hauptsächlich aus der Haupt-Fotodiode
hoher Empfindlichkeit erzeugt werden, bis die Haupt-Fotodiode gesättigt ist.
Da ein Signal entsprechend einer Belichtungsmenge erhalten werden
kann, bis die untergeordnete Fotodiode gesättigt ist, selbst wenn die Haupt-Fotodiode
gesättigt
ist, kann ein Bildsignal in einem weiten optischen Dynamikbereich
durch Synthetisieren der Bildsignale erzeugt werden, die aus Signalladungen
erhalten sind.
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2 ist
eine Kurve, die das Prinzip eines Erweiterns eines optischen Dynamikbereichs
erklärt. Die
Abszisse stellt eine Belichtungsmenge dar und die Ordinate stellt
eine Ausgangsspannung dar. Der Einfachheit halber ist angenommen,
dass die Haupt- und die untergeordnete Fotodiode dieselbe gesättigte Ausgangsspannung
(x = 1) haben und das Empfindlichkeitsverhältnis y 10 ist.
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Eine
Kurve v1 zeigt die Kennlinie der Haupt-Fotodiode und eine Kurve
v2 zeigt die Kennlinie der untergeordneten Fotodiode. Da die Haupt-Fotodiode
eine hohe Empfindlichkeit hat, erreicht sie die gesättigte Haupt-Belichtungsmenge
bei einer niedrigen Belichtungsmenge SE1. Da die untergeordnete Fotodiode
eine niedrige Empfindlichkeit hat, erreicht sie die gesättigte untergeordnete
Belichtungsmenge bei einer hohen Belichtungsmenge SE2. Die synthetisierte
Kennlinie von den beiden Kennlinien ist durch eine Kurve c angezeigt.
Die Kennlinie hoher Empfindlichkeit in dem ansteigenden Teil ändert sich
zu der Kennlinie niedriger Empfindlichkeit bei der Biegestelle K.
Ein Bildsignal entsprechend der Belichtungsmenge kann erhalten werden,
bis die Belichtungsmenge die gesättigte
Belichtungsmenge der untergeordneten Fotodiode erreicht.
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Eine
Kurve p zeigt die Kennlinie einer Fotodiode vom nicht aufgeteilten
Typ an, die für
Vergleichszwecke angegeben ist. Die gesamte Menge an einfallendem
Licht zu der Fotodiode ist dieselbe wie diejenige der Fotodiode
vom Aufteilungstyp. Obwohl die Kennlinie im ansteigenden Teil dieselbe
wie die Synthetisierungskennlinie c ist, hat die Kennlinie der Fotodiode
vom nicht aufgeteilten Typ keinen Knickpunkt. Die Belichtungsmenge
erreicht die gesättigte Belichtungsmenge
bei der Belichtungsmenge SE0 (Sättigungspunkt
L), die weit niedriger als diejenige der Kurve c ist, und danach
wird eine konstante Ausgangsspannung ungeachtet einer Erhöhung bezüglich der
Belichtungsmenge erzeugt. Obwohl der Bereich der Belichtungsmenge
hoher Empfindlichkeit breiter als die Kurve c ist, ist der optische
Dynamikbereich schmal. Anders ausgedrückt sind gemäß dem Ausführungsbeispiel
die Kennlinien der optischen Antwort mit dem Knickpunkt K versehen
und kann der optische Dynamikbereich durch Aufteilen der Fotodiode
und durch Erniedrigen der Empfindlichkeit der Wie es in 3B gezeigt
ist, hat jedes Pixel eine Haupt-Fotodiode 1 und eine untergeordnete Fotodiode 2,
die durch einen Isolationsbereich 14 elektrisch getrennt
sind. Ein Lichtabschirmfilm, der über den Pixeln angeordnet ist,
hat Öffnungen 9,
um die Haupt-Fotodioden 1 und die untergeordneten Fotodioden 2 teilweise
freizulegen. Die Haupt-Fotodiode 1 ist etwa entlang von
drei Seiten des Rhomboidbereichs des Pixels angeordnet und die untergeordnete
Fotodiode 2 ist entlang der übrigen Seite angeordnet. Gleich
dem ersten Ausführungsbeispiel
ist der Bereich der Haupt-Fotodiode, der in der Öffnung freigelegt ist, breit,
was ein großes Öffnungs-
oder Aperturverhältnis
zur Verfügung
stellt, während
der Bereich der untergeordneten Fotodiode schmal ist, was ein kleines Öffnungsverhältnis zur
Verfügung stellt.
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Wie
es in 3A gezeigt ist, erstrecken sich VCCDs 27 und 28 entlang
der Pixel in Spalten und in der vertikalen Richtung auf eine Zickzack-Weise
und liegen den Haupt-Fotodioden 1 und den untergeordneten
Fotodioden 2 über
Transferbereiche 15 und 16 gegenüber. Vier
Transferelektroden 29, 30, 31 und 32 pro
einem Pixel sind über
den VCCDs 27 und 28 angeordnet. Die VCCDs 27 und 28 sind
bilateral symmetrisch und jede zweite VCCDs hat dieselbe Form.
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Die
Transferelektroden 29 bis 32 können aus Siliziumelektroden
einer zweischichtigen Polysiliziumstruktur hergestellt sein. Der
Rand der Transferelektrode ist nicht senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung
der VCCD, sondern ist schräg
angeordnet. Der Querschnittsbereich der Transferelektrode, durch welchen
Ladungen von einer Transferstufe zu einer anderen transferiert werden,
kann daher erweitert sein und die Transfereffizienz kann verbessert
sein. Schmalkanaleffekte werden durch eine Änderung bezüglich der Breite einer Transferelektrode
erzeugt, so dass elektrische Ladungen auch durch Drift transferiert
werden können.
Daher ist, obwohl sich die VCCD auf eine Zickzack-Weise erstreckt,
die Ladungstransfereffizienz hoch. Die Transferelektrode hat kaum
irgendeinen Teil, der als einfache Verdrahtung funktioniert, so
dass die Bereichsverwendungseffizienz hoch ist.
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Durch
Anlegen von Transfer-Steuersignalen an die Transferelektroden können Signalladungen, die
in der Haupt-Fotodiode 1 und der untergeordneten Fotodiode 2 jedes
Pixels akkumuliert sind, separat über die Transferbereiche 15 und 16 in
der Richtung, die durch Pfeile angezeigt ist, zu den VCCDs 27 und 28 gelesen
werden. Gele sene Ladungen werden in jeder VCCD abwärts transferiert,
wie es durch einen Pfeil angezeigt ist.
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Gleich
dem ersten Ausführungsbeispiel
können
eine hohe Empfindlichkeit und ein breiter optischer Dynamikbereich
durch Aufteilen jedes Pixels in die Haupt-Fotodiode und die untergeordnete
Fotodiode erhalten werden, ohne eine Auflösung zu opfern.
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Die
Länge,
entlang welcher jedes Pixel und die VCCD einander gegenüberliegen,
ist lang, und jede einzelne Transferelektrode ist derart angeordnet,
dass sie jeweils der Haupt-Fotodiode 1 und der untergeordneten
Fotodiode 2 gegenüberliegt.
Es ist einfach, Ladungen aus der Haupt-Fotodiode 1 und der
untergeordneten Fotodiode 2 unabhängig und ruhig zu der VCCD
zu lesen. Ein Isolationsbereich 25 ist rechts von jeder
VCCD angeordnet, um benachbarte Spalten elektrisch zu trennen.
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Vier
Transferelektroden pro einem Pixel sind über der VCCD angeordnet. Es
ist daher möglich,
Signalladungen von allen Haupt-Fotodioden zu der VCCD gleichzeitig
zu lesen und alle Signalladungen durch ein bekanntes vierphasiges
Antreiben gleichzeitig zu transferieren, um sie zu einer externen
Vorrichtung zu lesen. Gleichermaßen ist es möglich, Signalladungen
von allen untergeordneten Fotodioden zu der VCCD gleichzeitig zu
lesen und alle Signalladungen gleichzeitig zu transferieren, um
sie zu der externen Vorrichtung zu lesen. Es ist vorzuziehen, Licht
von dem Bildaufnahmebereich durch einen mechanischen Verschluss
oder ähnliches
nach einer vorbestimmten Bildaufnahmezeit abzuschirmen und danach
eine Ablauffolge von Transferoperationen durchzuführen.
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Bei
dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist der Bereich der untergeordneten Fotodiode auf kleiner als derjenige
der Haupt-Fotodiode eingestellt. Wenn die Kennlinien in den Bereichen
einer hohen Belichtungsmenge signifikant sind, kann der Bereich
der untergeordneten Fotodiode breit gemacht werden.
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4A zeigt
eine Modifikation der Pixelstruktur. Diese Struktur ist zur Verwendung
mit einer CCD-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung
mit einem Honigwaben-Layout des zweiten Ausführungsbeispiels geeignet. Eine
erste Fotodiode 41 und eine zweite Fotodiode 42 sind
durch einen Isolationsbereich 14 elektrisch getrennt. Die
erste Fotodiode 41 und die zweite Fotodiode 42 werden
in einer Öffnung 9 eines
Lichtabschirmfilms teilweise freigelegt.
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Das
Meiste der Öffnung 9 ist
durch die erste Fotodiode 41 belegt, so dass ihre Empfindlichkeit hoch
ist. Nur ein kleiner Bereich der Öffnung 9 ist durch
die zweite Fotodiode 42 belegt, so dass ihre Empfindlichkeit
niedrig ist. Die zweite Fotodiode 42 belegt einen breiten
Bereich unter dem Lichtabschirmfilm. Der Bereich der zweiten Fotodiode 42 ist gleich
dem Bereich der ersten Fotodiode 41 oder breiter als dieser.
Die zweite Fotodiode 42 erzeugt daher eine hohe gesättigte Ausgangsspannung.
Der Wert y in der Gleichung (5) kann groß gemacht werden und der Wert
x kann klein gemacht werden, so dass der optische Dynamikbereich
auf einfache Weise erweitert werden kann.
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Da
die freigelegten Bereiche der zweiten Fotodiode 42 in den
zwei Eckbereichen der rhomboidförmigen Öffnung entlang
einer diagonalen Linie angeordnet sind, kann eine Änderung
bezüglich
der Menge an einfallendem Licht, verursacht durch eine Neigung des
einfallenden Lichts, unterdrückt
werden. Da Licht unter dem Lichtabschirmfilm kriecht, kann das Layout
der zweiten Fotodiode entlang von drei Seiten des Rhomboids weiterhin
unterdrücken,
dass eine Änderung
bezüglich
der Einfallslichtmenge durch eine Neigung des Einfallslichts verursacht wird.
Die in 4A gezeigte Struktur stellt
die Effekte zum Reduzieren der Empfindlichkeitsänderung um so viel wie möglich zur
Verfügung,
welche Änderung durch
geneigtes Einfallslicht verursacht wird.
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4B zeigt
eine weitere Modifikation. Gleich dem in 4A gezeigten
Pixel sind eine erste Fotodiode 41 und eine zweite Fotodiode 42 durch
einen Isolationsbereich 14 elektrisch getrennt. Obwohl die
zweite Fotodiode 42 einen schmalen Bereich in der Öffnung und
einen niedrige Empfindlichkeit hat, ist ihre gesättigte Ausgangsspannung auf
hoch eingestellt, weil der Bereich der unter dem Lichtabschirmfilm
angeordnet ist, breit ist. Die Formen des Pixels und der Öffnung sind
eine Rhomboidform, deren Scheitelbereiche abgestumpft sind. Die
erste und die zweite Fotodiode 41 und 42 sind
mit MOS-Transistorschaltungen Q1 und Q2 verbunden, die Signalladungen
lesen
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4C zeigt
die Struktur, dass ein Pixel in drei Fotodioden 41, 42 und 43 aufgeteilt
ist. Ein breiter Bereich einer ersten Fotodiode 41 ist
in einer Öffnung 9 freigelegt,
ein schmaler Bereich einer zweiten Fotodiode 42 ist in
der Öffnung
freigelegt und ein sehr schmaler Bereich einer dritten Fotodiode 43 ist in
der Öffnung
freigelegt. Ob wohl die erste Fotodiode 41 eine hohe Empfindlichkeit
hat, ist ihr optischer Dynamikbereich am schmalsten. Die zweite
Fotodiode 42 hat eine dazwischenliegende Empfindlichkeit
und einen dazwischenliegenden optischen Dynamikbereich. Die dritte
Fotodiode 43 hat die niedrigste Empfindlichkeit und den
breitesten optischen Dynamikbereich.
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Wie
es bislang beschrieben ist, ist der fotoempfindliche Bereich jedes
Pixels so aufgeteilt, dass der optische Dynamikbereich erweitert
werden kann. Da ein Pixel aufgeteilt ist, kann veranlasst werden, dass
ein Abtastbild mit der räumlich
selben Phase zu der Haupt- und der untergeordneten Fotodiode verteilt
wird und darauf einfällt.
Das aus der Haupt-Fotodiode erhaltene Bild und das aus der untergeordneten
Fotodiode erhaltene nicht gesättigte
Bild können zu
demselben gemacht werden, außer
einer Differenz von Signalladungsmengen.
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Die
vorliegende Erfindung ist in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben worden. Die Erfindung ist nicht nur auf die obigen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Beispielsweise kann eine Schwarzweiß-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung durch ein Weglassen
von Farbfiltern hergestellt werden. Eine Farbbildaufnahmevorrichtung
vom Dreiplattentyp kann verwendet werden. Ebenso kann in diesen
Fällen
der Effekt eines Erweiterns eines optischen Dynamikbereichs erhalten
werden. Die Anzahl von Aufteilungen einer Fotodiode jedes Pixels
kann geändert
werden, wie es erwünscht ist.