JP2000059688A - 光電変換装置 - Google Patents
光電変換装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 広ダイナミックレンジ、画素の縮小化に適す
る構成とする。 【解決手段】 光電変換素子ＰＤと、光電変換素子から
の信号電荷を転送する転送手段と、転送手段により転送
された信号電荷を保持する半導体領域ＦＤと、半導体領
域と接続される増幅手段と、を有する光電変換装置にお
いて、半導体領域ＦＤに光電変換素子ＰＤに入射する光
と略同一の光を入射させ、半導体領域で光電変換させ
る。
る構成とする。 【解決手段】 光電変換素子ＰＤと、光電変換素子から
の信号電荷を転送する転送手段と、転送手段により転送
された信号電荷を保持する半導体領域ＦＤと、半導体領
域と接続される増幅手段と、を有する光電変換装置にお
いて、半導体領域ＦＤに光電変換素子ＰＤに入射する光
と略同一の光を入射させ、半導体領域で光電変換させ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光電変換装置に係わ
り、特に、光電変換素子と、該光電変換素子からの信号
電荷を転送する転送手段と、該転送手段により転送され
た信号電荷を保持する半導体領域と、該半導体領域と接
続される増幅手段と、を有する光電変換装置に関する。
本発明は、アクティブピクセルセンサ“ＡＰＳ”である
ＣＭＯＳセンサ、特に転送ゲートと浮遊状態にある半導
体領域（フローティングディフュージョン；以下、ＦＤ
という。）とを有するＣＭＯＳセンサに好適に用いられ
るものである。
り、特に、光電変換素子と、該光電変換素子からの信号
電荷を転送する転送手段と、該転送手段により転送され
た信号電荷を保持する半導体領域と、該半導体領域と接
続される増幅手段と、を有する光電変換装置に関する。
本発明は、アクティブピクセルセンサ“ＡＰＳ”である
ＣＭＯＳセンサ、特に転送ゲートと浮遊状態にある半導
体領域（フローティングディフュージョン；以下、ＦＤ
という。）とを有するＣＭＯＳセンサに好適に用いられ
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のＣＭＯＳセンサには、例えばIEEE
TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.41,NO.3,MARC
H 1994 pp452-453 「CMOS Active Pixel Image Senso
r」がある。
TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.41,NO.3,MARC
H 1994 pp452-453 「CMOS Active Pixel Image Senso
r」がある。
【０００３】前記文献に紹介されているＣＭＯＳセンサ
においては、光電変換素子であるホトゲート、それから
ＦＤに信号電荷を転送するための転送ゲートを有してい
る。ＣＭＯＳセンサの非破壊読出特性を利用して、ＦＤ
は一時メモリとして使用される場合がある。また入射光
から各種回路を保護するために、遮光膜が前記光電変換
素子以外の部分を覆っているのが通例である。
においては、光電変換素子であるホトゲート、それから
ＦＤに信号電荷を転送するための転送ゲートを有してい
る。ＣＭＯＳセンサの非破壊読出特性を利用して、ＦＤ
は一時メモリとして使用される場合がある。また入射光
から各種回路を保護するために、遮光膜が前記光電変換
素子以外の部分を覆っているのが通例である。
【０００４】ＣＭＯＳセンサの一例として、光電変換素
子にホトダイオードを用いた場合の平面図および断面図
を図１１（ａ），（ｂ）に示す。図１１（ｂ）は図１１
（ａ）のＡ−Ａ′断面を示す。
子にホトダイオードを用いた場合の平面図および断面図
を図１１（ａ），（ｂ）に示す。図１１（ｂ）は図１１
（ａ）のＡ−Ａ′断面を示す。
【０００５】図１１（ａ），（ｂ）において、１０１は
画素、１０２は光電変換素子となるホトダイオードの拡
散領域、１０３は転送用のＭＯＳトランジスタのゲート
電極、１０４はＦＤ、１０５はＦＤ１０４と接続される
ＭＯＳアンプのゲート電極、１０６は画素を選択する選
択用ＭＯＳトランジスタのゲート電極、１０７は画素か
らの出力を転送するための垂直信号出力線、１０８はＦ
Ｄ１０４をリセットするためのリセット用ＭＯＳトラン
ジスタのゲート電極、１０９は電源線、１１０は転送制
御線、１１１は選択信号線、１１２はリセット制御線、
１１３はホトダイオード上の開口部以外を遮光する遮光
膜である。なお、理解の容易化のために、ホトダイオー
ドの拡散領域１０２、ＦＤ１０４の周囲を太線で囲って
いる。
画素、１０２は光電変換素子となるホトダイオードの拡
散領域、１０３は転送用のＭＯＳトランジスタのゲート
電極、１０４はＦＤ、１０５はＦＤ１０４と接続される
ＭＯＳアンプのゲート電極、１０６は画素を選択する選
択用ＭＯＳトランジスタのゲート電極、１０７は画素か
らの出力を転送するための垂直信号出力線、１０８はＦ
Ｄ１０４をリセットするためのリセット用ＭＯＳトラン
ジスタのゲート電極、１０９は電源線、１１０は転送制
御線、１１１は選択信号線、１１２はリセット制御線、
１１３はホトダイオード上の開口部以外を遮光する遮光
膜である。なお、理解の容易化のために、ホトダイオー
ドの拡散領域１０２、ＦＤ１０４の周囲を太線で囲って
いる。
【０００６】またＣＭＯＳセンサは通常の画像検出用セ
ンサとしてだけではなく、画像検出以外の他の機能も持
たせることが可能である。
ンサとしてだけではなく、画像検出以外の他の機能も持
たせることが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記ＣＭＯＳ
センサにはＣＣＤ型撮像装置に比べると次に説明する課
題を有している。
センサにはＣＣＤ型撮像装置に比べると次に説明する課
題を有している。
【０００８】一つは、ＣＭＯＳセンサの信号読出しは、
ｘ−ｙのシーケンシャル読出し（時分割）であるため
に、各画素における信号電荷蓄積のタイミングにわずか
づつのずれが有ることである。これは動く物体に対して
は問題となり、例えば静止画では像が流れてしまう。ま
た電子シャッターとの相性もよいとは言えない。動画の
場合にはずれはさほど目立たないものの、動画において
は撮像装置の明るさ（感度）が求められるため、それに
秀でたＣＣＤセンサに後塵を拝しているのが実状であ
る。
ｘ−ｙのシーケンシャル読出し（時分割）であるため
に、各画素における信号電荷蓄積のタイミングにわずか
づつのずれが有ることである。これは動く物体に対して
は問題となり、例えば静止画では像が流れてしまう。ま
た電子シャッターとの相性もよいとは言えない。動画の
場合にはずれはさほど目立たないものの、動画において
は撮像装置の明るさ（感度）が求められるため、それに
秀でたＣＣＤセンサに後塵を拝しているのが実状であ
る。
【０００９】またＣＭＯＳセンサは、そのノイズレベル
がＣＣＤセンサよりも高いため、ダイナミックレンジが
狭く使いづらい。狭いダイナミックレンジを広げる方法
としては、例えば、特開平８−３４０４８６号公報にあ
るように異なる感度を有する光電変換素子を画素内に複
数設ける方法も公知であるが、この方法は画素内に余分
なスペースを必要とするために、画素を縮小化する際に
は障害となる。
がＣＣＤセンサよりも高いため、ダイナミックレンジが
狭く使いづらい。狭いダイナミックレンジを広げる方法
としては、例えば、特開平８−３４０４８６号公報にあ
るように異なる感度を有する光電変換素子を画素内に複
数設ける方法も公知であるが、この方法は画素内に余分
なスペースを必要とするために、画素を縮小化する際に
は障害となる。
【００１０】またＣＭＯＳセンサは、撮像機能以外の他
の機能を持たせることができるが、このようなＣＭＯＳ
センサの特性を生かし切れていない。
の機能を持たせることができるが、このようなＣＭＯＳ
センサの特性を生かし切れていない。
【００１１】本発明は対ＣＣＤセンサに対する優位性を
発揮できる光電変換装置を提供するものであり、ＣＣＤ
に負けないダイナミックレンジを確保し、画素の縮小化
に適し、また更なる新規機能を持ったスマートセンサを
実現することを目的とする。
発揮できる光電変換装置を提供するものであり、ＣＣＤ
に負けないダイナミックレンジを確保し、画素の縮小化
に適し、また更なる新規機能を持ったスマートセンサを
実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の光電変換装置
は、光電変換素子と、該光電変換素子からの信号電荷を
転送する転送手段と、該転送手段により転送された信号
電荷を保持する半導体領域と、を有する光電変換装置に
おいて、前記半導体領域に前記光電変換素子に入射する
光と略同一の光を入射させ、該半導体領域で光電変換さ
せてなることを特徴とする。
は、光電変換素子と、該光電変換素子からの信号電荷を
転送する転送手段と、該転送手段により転送された信号
電荷を保持する半導体領域と、を有する光電変換装置に
おいて、前記半導体領域に前記光電変換素子に入射する
光と略同一の光を入射させ、該半導体領域で光電変換さ
せてなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明について実施形態に
基づいて説明する。
基づいて説明する。
【００１４】図１は本発明の撮像装置の一実施形態の単
位セルの断面図である。また、図２は本発明の撮像装置
の一実施形態の単位セルの構成を示す回路図である。
位セルの断面図である。また、図２は本発明の撮像装置
の一実施形態の単位セルの構成を示す回路図である。
【００１５】図２において、ＰＤは光電変換素子である
ホトダイオード、ＭTXはホトダイオードＰＤに蓄積され
た信号電荷を転送する転送用ＭＯＳトランジスタ、ＦＤ
は転送された信号電荷を保持する浮遊状態にある半導体
拡散領域であり、ここでは光電変換素子を構成してい
る。また、ＭSFはＦＤとゲート電極が接続される増幅手
段となるＭＯＳアンプ、ＭSELは各単位セルを選択する
ための選択手段となる選択用ＭＯＳトランジスタ、ＭRE
SはＦＤおよびＭＯＳアンプのゲートをリセットするリ
セット手段となるリセット用ＭＯＳトランジスタであ
る。
ホトダイオード、ＭTXはホトダイオードＰＤに蓄積され
た信号電荷を転送する転送用ＭＯＳトランジスタ、ＦＤ
は転送された信号電荷を保持する浮遊状態にある半導体
拡散領域であり、ここでは光電変換素子を構成してい
る。また、ＭSFはＦＤとゲート電極が接続される増幅手
段となるＭＯＳアンプ、ＭSELは各単位セルを選択する
ための選択手段となる選択用ＭＯＳトランジスタ、ＭRE
SはＦＤおよびＭＯＳアンプのゲートをリセットするリ
セット手段となるリセット用ＭＯＳトランジスタであ
る。
【００１６】図１は図２の単位セルのＰＤ部、ＦＤ部、
ＭRES（リセット用ＭＯＳトランジスタ）部の断面構成
を示している。
ＭRES（リセット用ＭＯＳトランジスタ）部の断面構成
を示している。
【００１７】図１において、１２は光電変換素子となる
ホトダイオード（ＰＤ）の拡散領域、１３は転送用のＭ
ＯＳトランジスタのゲート電極、１４はＦＤ（半導体拡
散領域）、１５はＰＤ上の遮光膜の開口部、１６はＦＤ
上の遮光膜の開口部、１７は画素からの出力を転送する
ための垂直信号出力線、１８は遮光膜、１９は電源線で
ある。
ホトダイオード（ＰＤ）の拡散領域、１３は転送用のＭ
ＯＳトランジスタのゲート電極、１４はＦＤ（半導体拡
散領域）、１５はＰＤ上の遮光膜の開口部、１６はＦＤ
上の遮光膜の開口部、１７は画素からの出力を転送する
ための垂直信号出力線、１８は遮光膜、１９は電源線で
ある。
【００１８】図１の断面図は図１１（ｂ）の断面図に対
応しているが、図１の構成、すなわち本発明では、ＦＤ
部上の遮光膜１８に開口部１６を設け、ＦＤ部にも入射
光が照射するようにした。ＦＤ部は通常の光電変換素子
であるホトダイオードＰＤと同様に拡散領域１４から成
るので、拡散領域１４上を開口して光が入射した場合に
は光信号電荷である電子とホール対が発生する。従って
ＦＤ部は等価的に光電変換素子として働く。図２に示す
ように、ＦＤ（拡散領域１４）と増幅手段であるＭＯＳ
アンプＭSFのゲート電極とは接続されており、従ってＦ
Ｄ部の信号電荷蓄積による電位変化はＭＯＳアンプＭSF
を流れる電流によってモニタすることができる。これは
信号電荷量、即ち入射する光の強さがリアルタイム検出
できることを意味する。
応しているが、図１の構成、すなわち本発明では、ＦＤ
部上の遮光膜１８に開口部１６を設け、ＦＤ部にも入射
光が照射するようにした。ＦＤ部は通常の光電変換素子
であるホトダイオードＰＤと同様に拡散領域１４から成
るので、拡散領域１４上を開口して光が入射した場合に
は光信号電荷である電子とホール対が発生する。従って
ＦＤ部は等価的に光電変換素子として働く。図２に示す
ように、ＦＤ（拡散領域１４）と増幅手段であるＭＯＳ
アンプＭSFのゲート電極とは接続されており、従ってＦ
Ｄ部の信号電荷蓄積による電位変化はＭＯＳアンプＭSF
を流れる電流によってモニタすることができる。これは
信号電荷量、即ち入射する光の強さがリアルタイム検出
できることを意味する。
【００１９】今、等価的に光電変換素子として機能する
ＦＤの容量値をＣ［Ｆ］、入射する光の強さをＩ［ｌ
ｘ］、光電変換の効率をｋ［Ａ／ｌｘ］、露光時間をｔ
［ｓｅｃ］、電位変化をΔＶ［Ｖ］とすると、 ΔＶ＝Ｉ・ｋ・ｔ／Ｃ ・・・（１） と表わすことができる。
ＦＤの容量値をＣ［Ｆ］、入射する光の強さをＩ［ｌ
ｘ］、光電変換の効率をｋ［Ａ／ｌｘ］、露光時間をｔ
［ｓｅｃ］、電位変化をΔＶ［Ｖ］とすると、 ΔＶ＝Ｉ・ｋ・ｔ／Ｃ ・・・（１） と表わすことができる。
【００２０】入射する光の強度がリアルタイムでモニタ
することが可能であるならば、撮像装置の最適な露光条
件、露出時間を決定選択することができる。
することが可能であるならば、撮像装置の最適な露光条
件、露出時間を決定選択することができる。
【００２１】また、ＦＤ部が開口されたＣＭＯＳセンサ
は画素中に容量の小さな光電変換素子（ＦＤ）と容量の
大きな光電変換素子（ＰＤ）を有することになる。また
本発明によれば画素面積の増大は一切生じない。
は画素中に容量の小さな光電変換素子（ＦＤ）と容量の
大きな光電変換素子（ＰＤ）を有することになる。また
本発明によれば画素面積の増大は一切生じない。
【００２２】ＦＤがＰＤと同様な拡散領域から成るとす
れば、ＦＤの容量値Ｃは拡散領域１４の面積Ａに比例す
る。
れば、ＦＤの容量値Ｃは拡散領域１４の面積Ａに比例す
る。
【００２３】 Ｃ∝Ａ ・・・（２） また光電変換効率ｋは入射する光の面積（通常は遮光膜
の開口面積Ｂ）に比例する。
の開口面積Ｂ）に比例する。
【００２４】 ｋ∝Ｂ ・・・（３） ここで拡散領域１４の面積Ａに対する開口の面積Ｂの割
合（開口率）ａ＝Ｂ／Ａで、（１）式を表わすと、 ΔＶ∝ａ・Ｉ・ｔ ・・・（４） となって、電位の変化ΔＶは開口率ａに比例することが
わかる。ただし、オンチップレンズ等を使用する場合に
はこの限りではない。
合（開口率）ａ＝Ｂ／Ａで、（１）式を表わすと、 ΔＶ∝ａ・Ｉ・ｔ ・・・（４） となって、電位の変化ΔＶは開口率ａに比例することが
わかる。ただし、オンチップレンズ等を使用する場合に
はこの限りではない。
【００２５】そこで本発明においては、容量値Ｃと開口
率ａをＦＤとＰＤにおいて適宜設定することによって、
低感度の光電変換素子と、高感度の光電変換素子を得る
ことができる。例えば、ＦＤの開口率ａをＰＤの開口率
ａ′よりも小さく設定すればＦＤの電位変化ΔＶは相対
的に小さくなり、低感度の光電変換素子となる。これは
高照度時の光電変換素子として使用することができる。
率ａをＦＤとＰＤにおいて適宜設定することによって、
低感度の光電変換素子と、高感度の光電変換素子を得る
ことができる。例えば、ＦＤの開口率ａをＰＤの開口率
ａ′よりも小さく設定すればＦＤの電位変化ΔＶは相対
的に小さくなり、低感度の光電変換素子となる。これは
高照度時の光電変換素子として使用することができる。
【００２６】すなわち、開口率の小さな光電変換素子
（開口率ａ）を高照度用とし、開口率の大きな光電変換
素子（開口率ａ′）を低照度用とし、高照度となって開
口率の大きな光電変換素子からの信号が飽和した場合
に、開口率の小さな光電変換素子からの飽和していない
信号を増幅して（ＰＤの開口面積／ＦＤの開口面積）置
き換えて合成すれば、広ダイナミックレンジな撮像装置
を提供することができる。
（開口率ａ）を高照度用とし、開口率の大きな光電変換
素子（開口率ａ′）を低照度用とし、高照度となって開
口率の大きな光電変換素子からの信号が飽和した場合
に、開口率の小さな光電変換素子からの飽和していない
信号を増幅して（ＰＤの開口面積／ＦＤの開口面積）置
き換えて合成すれば、広ダイナミックレンジな撮像装置
を提供することができる。
【００２７】ただし、ＦＤには例えばＭＯＳアンプＭSF
のゲート容量等の拡散領域容量以外の付加的な容量が付
き、しかもその値は大きくなりがちである。これは開口
率ａの値を実質的に低下させることになる。通常の製法
ではＦＤの開口率ａはＰＤの開口率ａ′よりも小さくな
りがちである。
のゲート容量等の拡散領域容量以外の付加的な容量が付
き、しかもその値は大きくなりがちである。これは開口
率ａの値を実質的に低下させることになる。通常の製法
ではＦＤの開口率ａはＰＤの開口率ａ′よりも小さくな
りがちである。
【００２８】大きな開口率ａ′を有するＰＤは、上述し
たように、高照度時にはＦＤよりも先に飽和電圧に達
し、周囲に余剰電荷を排出し、ブルーミングを発生させ
る恐れがある。本発明においては、ＰＤに公知のオーバ
ーフロードレインを設けることによってＦＤ等に余剰の
電荷を混入させないようにする。
たように、高照度時にはＦＤよりも先に飽和電圧に達
し、周囲に余剰電荷を排出し、ブルーミングを発生させ
る恐れがある。本発明においては、ＰＤに公知のオーバ
ーフロードレインを設けることによってＦＤ等に余剰の
電荷を混入させないようにする。
【００２９】また、ＰＤからＦＤへの信号電荷の転送の
際に、両者の容量値Ｃの値が異なることから、ＰＤとＦ
Ｄとでは電位変化の値ΔＶは変化する。その変化の割合
は、ＰＤからＦＤへ信号電荷が完全転送された場合に
は、 ΔＶFD＝（ＣPD／ＣFD）・ΔＶPD ・・・（５） と表わされる（ΔＶFDはＦＤの電位変化の値、ΔＶPDは
ＰＤの電位変化の値、Ｃ FDはＦＤの容量、ＣPDはＰＤの
容量）。ここでＣFDの値には拡散領域容量以外の前述の
付加的な容量を追加して考慮する必要がある。
際に、両者の容量値Ｃの値が異なることから、ＰＤとＦ
Ｄとでは電位変化の値ΔＶは変化する。その変化の割合
は、ＰＤからＦＤへ信号電荷が完全転送された場合に
は、 ΔＶFD＝（ＣPD／ＣFD）・ΔＶPD ・・・（５） と表わされる（ΔＶFDはＦＤの電位変化の値、ΔＶPDは
ＰＤの電位変化の値、Ｃ FDはＦＤの容量、ＣPDはＰＤの
容量）。ここでＣFDの値には拡散領域容量以外の前述の
付加的な容量を追加して考慮する必要がある。
【００３０】一般にはＣPD＞ＣFDであるため、（５）式
から判るように、ＰＤの信号電圧はＦＤに転送されると
増大する。従って、ＰＤの電位が飽和電圧に達していな
くてもＦＤに転送後に飽和電圧に達し、ＦＤから信号電
荷があふれ出ることも想定される。
から判るように、ＰＤの信号電圧はＦＤに転送されると
増大する。従って、ＰＤの電位が飽和電圧に達していな
くてもＦＤに転送後に飽和電圧に達し、ＦＤから信号電
荷があふれ出ることも想定される。
【００３１】本発明においてはまず先にＦＤの信号を先
読みし、入射する光の強度を予め知ることによって、Ｐ
Ｄからの信号が転送されてＦＤが飽和電圧に達する可能
性をも予知することができる。
読みし、入射する光の強度を予め知ることによって、Ｐ
Ｄからの信号が転送されてＦＤが飽和電圧に達する可能
性をも予知することができる。
【００３２】ＦＤ及びＰＤに入射した光の強度を比較、
換算する場合には、前述したように、１）両者の開口
率、２）転送による電圧変化、を考慮する必要がある。
同じ光量が入射した際の両者の信号出力Ｓの値の間には ＳFD＝（ａFD／ａPD）・（ｔFD／ｔPD）・（ＣFD／ＣPD）・ＳPD ・・・（６） （ＳFD，ＳPDはＦＤ，ＰＤの信号出力、ａFD，ａPDはＦ
Ｄ，ＰＤの開口率、ｔFD，ｔPDはＦＤ，ＰＤの露光時
間、ＣFD，ＣPDはＦＤ，ＰＤの容量）のような関係があ
るが、より精密な比例関係は各撮像装置において実測す
る必要がある。
換算する場合には、前述したように、１）両者の開口
率、２）転送による電圧変化、を考慮する必要がある。
同じ光量が入射した際の両者の信号出力Ｓの値の間には ＳFD＝（ａFD／ａPD）・（ｔFD／ｔPD）・（ＣFD／ＣPD）・ＳPD ・・・（６） （ＳFD，ＳPDはＦＤ，ＰＤの信号出力、ａFD，ａPDはＦ
Ｄ，ＰＤの開口率、ｔFD，ｔPDはＦＤ，ＰＤの露光時
間、ＣFD，ＣPDはＦＤ，ＰＤの容量）のような関係があ
るが、より精密な比例関係は各撮像装置において実測す
る必要がある。
【００３３】また、従来のように蓄積した電荷によって
その光の強度を知るのではなく、ＦＤが一定の電位にな
るまでの時間によって、光の強度を知ることもできる。
その光の強度を知るのではなく、ＦＤが一定の電位にな
るまでの時間によって、光の強度を知ることもできる。
【００３４】以上の説明は光電変換素子としてＰＤを挙
げ本発明の作用を説明したが、本発明は他の光電変換素
子、例えばホトゲートに容易に拡張することができる。
げ本発明の作用を説明したが、本発明は他の光電変換素
子、例えばホトゲートに容易に拡張することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を用いて詳細に説明する。 （第１の実施例）図３に本発明の実施例である、撮像装
置の単位画素のレイアウト概略図を示す。この撮像装置
はＣＭＯＳセンサであり、レイアウトルール０．４μｍ
のＣＭＯＳプロセスで製造されている。
面を用いて詳細に説明する。 （第１の実施例）図３に本発明の実施例である、撮像装
置の単位画素のレイアウト概略図を示す。この撮像装置
はＣＭＯＳセンサであり、レイアウトルール０．４μｍ
のＣＭＯＳプロセスで製造されている。
【００３６】図３において、２１はＣＭＯＳセンサの単
位画素であり、大きさは８μｍ角である。２２は光電変
換素子であるホトダイオード（ＰＤ）であり、深さ０．
３μｍのＮ+ 拡散領域がＰウェル中に形成されている。
ＰＤ２２の上方には遮光膜の開口２５が開口率９２．８
％で形成されている。２４はＦＤであり、同様にＦＤ２
４上に遮光膜の開口２６が開口率２２．２％で形成され
ている。ＦＤ２４は図２及び図１１（ａ）に示したのと
同様に増幅手段であるソースフォロワのＭＯＳアンプＭ
SFのゲート電極に接続されている。またＰＤ２２、ＦＤ
２４間には転送ゲートが存在する。ＰＤ２２及びＦＤ２
４は、光蓄積を行う前に、両者に正の電圧を印加し、ｐ
−ｎ接合を逆バイアスとするリセット動作が行われる。
ＰＤ２２及びＦＤ２４に光が入射するにつれて両者のＮ
+ 拡散領域には発生した光キャリヤである電子が蓄積さ
れる。ＰＤ２２の電位変化ΔＶPDは、ＦＤ２４の電位変
化ΔＶFDに対して、 ΔＶPD＝（９２．８／２２．２）・ΔＶFD ・・・（７） と表わすことができる。
位画素であり、大きさは８μｍ角である。２２は光電変
換素子であるホトダイオード（ＰＤ）であり、深さ０．
３μｍのＮ+ 拡散領域がＰウェル中に形成されている。
ＰＤ２２の上方には遮光膜の開口２５が開口率９２．８
％で形成されている。２４はＦＤであり、同様にＦＤ２
４上に遮光膜の開口２６が開口率２２．２％で形成され
ている。ＦＤ２４は図２及び図１１（ａ）に示したのと
同様に増幅手段であるソースフォロワのＭＯＳアンプＭ
SFのゲート電極に接続されている。またＰＤ２２、ＦＤ
２４間には転送ゲートが存在する。ＰＤ２２及びＦＤ２
４は、光蓄積を行う前に、両者に正の電圧を印加し、ｐ
−ｎ接合を逆バイアスとするリセット動作が行われる。
ＰＤ２２及びＦＤ２４に光が入射するにつれて両者のＮ
+ 拡散領域には発生した光キャリヤである電子が蓄積さ
れる。ＰＤ２２の電位変化ΔＶPDは、ＦＤ２４の電位変
化ΔＶFDに対して、 ΔＶPD＝（９２．８／２２．２）・ΔＶFD ・・・（７） と表わすことができる。
【００３７】よって、ＦＤ２４の電位変化をモニタすれ
ば、ＰＤ２２の電位変化をリアルタイムでモニタできる
ことから、入射光の強度、及び最適な露光時間を知るこ
とができる。
ば、ＰＤ２２の電位変化をリアルタイムでモニタできる
ことから、入射光の強度、及び最適な露光時間を知るこ
とができる。
【００３８】ＰＤ２２の飽和電圧Ｖsat は３．５Ｖ程度
であり、従ってΔＶPDを３．０Ｖ程度で使用すれば、Ｐ
Ｄ２２から読出す光信号のＳ／Ｎを良好に保つことがで
きる。
であり、従ってΔＶPDを３．０Ｖ程度で使用すれば、Ｐ
Ｄ２２から読出す光信号のＳ／Ｎを良好に保つことがで
きる。
【００３９】従って、ＦＤ２４の電位変化ΔＶFDが ΔＶFD＝（２２．２／９２．８）×３．０≒０．７２Ｖ になった時点で信号電荷の蓄積時間を終了させれば良
い。信号電荷の蓄積時間が終了したならば、ＦＤ２４及
びＭＯＳアンプＭSFのゲート電極を正の電位にリセット
し、次いでＰＤ２２とＦＤ２４との間の転送ゲートを開
いて、ＰＤ２２中の信号蓄積電荷をＦＤ２４に転送して
光信号を読出す。
い。信号電荷の蓄積時間が終了したならば、ＦＤ２４及
びＭＯＳアンプＭSFのゲート電極を正の電位にリセット
し、次いでＰＤ２２とＦＤ２４との間の転送ゲートを開
いて、ＰＤ２２中の信号蓄積電荷をＦＤ２４に転送して
光信号を読出す。
【００４０】図４に本実施例の撮像装置の回路ブロック
図を示す。画像アレー部３１の画素はフレーム周波数３
０Ｈｚで全画素同時に蓄積が始まる。各画素のＦＤの電
位変化はフレーム周波数１ｋＨｚで、ＦＤ先読み回路３
４によって電圧の形で読み出される。読出されたＦＤ電
圧は最大値検出回路３５の記憶する値と比較される。最
大値検出回路３５の記憶する値よりもＦＤ電圧が大きな
場合には、記憶する値の代わりにＦＤ電圧が記憶され
る。フレームの全画素のＦＤ電圧が比較された後に、最
大値検出回路３５が記憶する値が判定回路３６によって
メモリ３７が記憶する設定値０．７２Ｖと比較される。
最大値検出回路３５の記憶する値が大きい場合にのみ電
子シャッター回路３８にトリガー信号が入力される。最
大値検出回路３５の記憶する値が小さい場合には、ＦＤ
電位変化の先読みが１ｋＨｚで繰返されるのみである。
図を示す。画像アレー部３１の画素はフレーム周波数３
０Ｈｚで全画素同時に蓄積が始まる。各画素のＦＤの電
位変化はフレーム周波数１ｋＨｚで、ＦＤ先読み回路３
４によって電圧の形で読み出される。読出されたＦＤ電
圧は最大値検出回路３５の記憶する値と比較される。最
大値検出回路３５の記憶する値よりもＦＤ電圧が大きな
場合には、記憶する値の代わりにＦＤ電圧が記憶され
る。フレームの全画素のＦＤ電圧が比較された後に、最
大値検出回路３５が記憶する値が判定回路３６によって
メモリ３７が記憶する設定値０．７２Ｖと比較される。
最大値検出回路３５の記憶する値が大きい場合にのみ電
子シャッター回路３８にトリガー信号が入力される。最
大値検出回路３５の記憶する値が小さい場合には、ＦＤ
電位変化の先読みが１ｋＨｚで繰返されるのみである。
【００４１】フレーム数カウンタを内蔵する電子シャッ
ター回路３８にトリガー信号が入力されると、繰返され
たフレーム数が露光時間出力端子から出力される。これ
により露光に要した時間を知ることができる。また、電
子シャッター回路３８はトリガー信号の入力により、各
画素に付属するリセットＭＯＳトランジスタを用いて全
画素同時にＦＤを正の電位にリセットする。次いで、Ｐ
Ｄの信号電荷をＦＤへと転送する（電子シャッター動
作）。
ター回路３８にトリガー信号が入力されると、繰返され
たフレーム数が露光時間出力端子から出力される。これ
により露光に要した時間を知ることができる。また、電
子シャッター回路３８はトリガー信号の入力により、各
画素に付属するリセットＭＯＳトランジスタを用いて全
画素同時にＦＤを正の電位にリセットする。次いで、Ｐ
Ｄの信号電荷をＦＤへと転送する（電子シャッター動
作）。
【００４２】ＦＤへ転送された信号電荷は、前述のよう
にソースフォロワアンプを用いて順次電圧の形でアナロ
グ信号処理回路３２へと出力される。アナログ信号処理
回路３２の回路中では公知のノイズ補正処理等が行わ
れ、固定パターンノイズ、ランダムノイズ等が除去され
る。その後、Ａ／Ｄ変換回路３３によってＡ／Ｄ変換さ
れ、３０Ｈｚのフレーム信号が画像出力端子から出力さ
れる。
にソースフォロワアンプを用いて順次電圧の形でアナロ
グ信号処理回路３２へと出力される。アナログ信号処理
回路３２の回路中では公知のノイズ補正処理等が行わ
れ、固定パターンノイズ、ランダムノイズ等が除去され
る。その後、Ａ／Ｄ変換回路３３によってＡ／Ｄ変換さ
れ、３０Ｈｚのフレーム信号が画像出力端子から出力さ
れる。
【００４３】この画像出力端子から出力される輝度信号
と露光時間出力端子から出力される信号により検知され
る露光時間とを用いることによって被写体の明るさ（照
度）を知ることができる。
と露光時間出力端子から出力される信号により検知され
る露光時間とを用いることによって被写体の明るさ（照
度）を知ることができる。
【００４４】本実施例を用いれば適正なコントラストを
有する画像をリアルタイムで得ることができる。
有する画像をリアルタイムで得ることができる。
【００４５】また本発明の他の実施例として、１ｋＨｚ
のＦＤ電位の先読みを、間引いたり領域を指定すること
で、１ｋＨｚと高いフレーム周波数を更に実現容易とす
ることができる。即ち、各画素のＦＤの先読みに要する
周波数は、１つの検出器で全画素を先読みする場合に
は、１ｋＨｚ×画素数であるが、前述のように読む画素
数を減らすことで、より検出器の負荷が軽減される。
のＦＤ電位の先読みを、間引いたり領域を指定すること
で、１ｋＨｚと高いフレーム周波数を更に実現容易とす
ることができる。即ち、各画素のＦＤの先読みに要する
周波数は、１つの検出器で全画素を先読みする場合に
は、１ｋＨｚ×画素数であるが、前述のように読む画素
数を減らすことで、より検出器の負荷が軽減される。
【００４６】また本発明はＡＥ機能だけでなく、他の機
能も持たせることができる。すなわち、従来のセンサー
（例えばＣＣＤ等）では、撮像のみの機能であるが、Ｃ
ＭＯＳセンサでは撮像機能の他に圧縮機能等の他の機能
をセンサ内に盛り込むことができる。
能も持たせることができる。すなわち、従来のセンサー
（例えばＣＣＤ等）では、撮像のみの機能であるが、Ｃ
ＭＯＳセンサでは撮像機能の他に圧縮機能等の他の機能
をセンサ内に盛り込むことができる。
【００４７】図５に本発明の他の実施例である撮像装置
の単位画素のレイアウト図を示す。
の単位画素のレイアウト図を示す。
【００４８】この撮像装置はＣＭＯＳセンサであり、画
素大きさは同様に８μｍ角である。本実施例は光電変換
素子であるＰＤ４２に接続する、Ｌ＝０．４μｍ、Ｗ＝
１．０μｍの負荷型ＭＯＳトランジスタＭLを有する。
素大きさは同様に８μｍ角である。本実施例は光電変換
素子であるＰＤ４２に接続する、Ｌ＝０．４μｍ、Ｗ＝
１．０μｍの負荷型ＭＯＳトランジスタＭLを有する。
【００４９】図５において、４１は画素、４２は光電変
換素子となるホトダイオードの拡散領域、４３は転送用
のＭＯＳトランジスタのゲート電極、４４はＦＤ、４５
はＦＤ４４と接続されるＭＯＳアンプのゲート電極、４
６は画素を選択する選択用ＭＯＳトランジスタのゲート
電極、４７は画素からの出力を転送するための垂直信号
出力線、４８はＦＤ４４をリセットするためのリセット
用ＭＯＳトランジスタのゲート電極、４９は電源線、５
０は転送制御線、５１は選択信号線、５２はリセット制
御線、５３，５４はホトダイオード上の遮光膜の開口
部、ＦＤ上の遮光膜の開口部である。なお、理解の容易
化のために、ホトダイオードの遮光膜の開口部５３、Ｆ
Ｄ上の遮光膜の開口部５４の周囲を太線で囲っている。
換素子となるホトダイオードの拡散領域、４３は転送用
のＭＯＳトランジスタのゲート電極、４４はＦＤ、４５
はＦＤ４４と接続されるＭＯＳアンプのゲート電極、４
６は画素を選択する選択用ＭＯＳトランジスタのゲート
電極、４７は画素からの出力を転送するための垂直信号
出力線、４８はＦＤ４４をリセットするためのリセット
用ＭＯＳトランジスタのゲート電極、４９は電源線、５
０は転送制御線、５１は選択信号線、５２はリセット制
御線、５３，５４はホトダイオード上の遮光膜の開口
部、ＦＤ上の遮光膜の開口部である。なお、理解の容易
化のために、ホトダイオードの遮光膜の開口部５３、Ｆ
Ｄ上の遮光膜の開口部５４の周囲を太線で囲っている。
【００５０】負荷型ＭＯＳトランジスタＭLのソースは
ＰＤ４２に接続されており、ゲート及びドレインはＶDD
端子４９に接続されている。
ＰＤ４２に接続されており、ゲート及びドレインはＶDD
端子４９に接続されている。
【００５１】ＭＯＳトランジスタＭLのスレッショルド
電圧ＶT は、ＰＤ４２が蓄積期間中にサブスレッショル
ド特性電流がほとんど流れないＶT ＝４．０Ｖの値に設
定されている。
電圧ＶT は、ＰＤ４２が蓄積期間中にサブスレッショル
ド特性電流がほとんど流れないＶT ＝４．０Ｖの値に設
定されている。
【００５２】負荷型ＭＯＳトランジスタＭLは一般には
光信号を対数圧縮するのに用いられるが、ＰＤ４２の電
位が光信号電荷の蓄積によって低下し、ＭＯＳトランジ
スタＭLに印加される電圧が増大するにつれて、ＭＯＳ
トランジスタＭLを貫通する電流が増大するため、優れ
たオーバーフロードレインとしての働きをも有する。本
実施例ではこの働きを応用する。
光信号を対数圧縮するのに用いられるが、ＰＤ４２の電
位が光信号電荷の蓄積によって低下し、ＭＯＳトランジ
スタＭLに印加される電圧が増大するにつれて、ＭＯＳ
トランジスタＭLを貫通する電流が増大するため、優れ
たオーバーフロードレインとしての働きをも有する。本
実施例ではこの働きを応用する。
【００５３】また本実施例は開口率９５．１％の容量２
５ｆＦであるＰＤと２２．２％の容量１．２ｆＦである
ＦＤを有する。またＦＤの付加容量は５．８ｆＦであ
る。
５ｆＦであるＰＤと２２．２％の容量１．２ｆＦである
ＦＤを有する。またＦＤの付加容量は５．８ｆＦであ
る。
【００５４】本実施例の撮像装置の回路ブロック図を図
６に示す。ＰＤ４２及びＦＤ４４には前述のリセット動
作によって約３．５Ｖの逆バイアス電圧が印加される。
ＰＤ４２及びＦＤ４４に光が入射すると逆バイアス電圧
は緩和される方向に動くが、開口率が大きなＰＤ４２の
方が、その動きは大きい。両者はほぼ同じ飽和電圧を有
することから、ＦＤ４４は高照度用光電変換素子とし
て、ＰＤ４２は低照度用光電変換素子として使用する。
６に示す。ＰＤ４２及びＦＤ４４には前述のリセット動
作によって約３．５Ｖの逆バイアス電圧が印加される。
ＰＤ４２及びＦＤ４４に光が入射すると逆バイアス電圧
は緩和される方向に動くが、開口率が大きなＰＤ４２の
方が、その動きは大きい。両者はほぼ同じ飽和電圧を有
することから、ＦＤ４４は高照度用光電変換素子とし
て、ＰＤ４２は低照度用光電変換素子として使用する。
【００５５】ＰＤ４２が先に飽和電圧に達しても、余剰
な電荷は負荷型ＭＯＳトランジスタＭLを通して、ＶDD
端子４９に流出する。従ってＰＤ４２とＦＤ４４間に存
在する転送ゲート４３を通してＦＤ４４の拡散領域に光
電荷である電子は混入することはない（オーバーフロー
ドレイン効果）。
な電荷は負荷型ＭＯＳトランジスタＭLを通して、ＶDD
端子４９に流出する。従ってＰＤ４２とＦＤ４４間に存
在する転送ゲート４３を通してＦＤ４４の拡散領域に光
電荷である電子は混入することはない（オーバーフロー
ドレイン効果）。
【００５６】３０ｍｓｅｃの蓄積時間後に画素アレー部
６１中の各画素のＦＤ４４の電位変化をソースフォロワ
４５を通してＦＤ信号処理回路６４に順次読出す。その
後リセットＭＯＳトランジスタ４８を開いてＦＤ４４及
びソースフォロワ４５のゲート電極をリセットし、次い
で転送ゲート４３を開いてＰＤ４２の信号電荷をＦＤ４
４に転送する。その後同様にしてソースフォロワ４５を
用いて、各画素のＰＤ４２の電位変化をＰＤ信号処理回
路６２に順次読出す。
６１中の各画素のＦＤ４４の電位変化をソースフォロワ
４５を通してＦＤ信号処理回路６４に順次読出す。その
後リセットＭＯＳトランジスタ４８を開いてＦＤ４４及
びソースフォロワ４５のゲート電極をリセットし、次い
で転送ゲート４３を開いてＰＤ４２の信号電荷をＦＤ４
４に転送する。その後同様にしてソースフォロワ４５を
用いて、各画素のＰＤ４２の電位変化をＰＤ信号処理回
路６２に順次読出す。
【００５７】６５は信号合成回路であり、ＦＤ信号処理
回路６４及びＰＤ信号処理回路６２に蓄えられた各画素
の信号を以下の手順で処理を行う。
回路６４及びＰＤ信号処理回路６２に蓄えられた各画素
の信号を以下の手順で処理を行う。
【００５８】まず、ＦＤ信号処理回路６４に蓄えられた
信号の値が、ＰＤ４２の入射光量を正確に示す値以下で
あるならば、信号合成回路６５は、ＰＤ信号処理回路６
２の信号をそのまま後段のＡ／Ｄ変換回路６３へと渡
す。ＦＤ信号処理回路６４に蓄えられた信号の値がそれ
以上であるならば、ＦＤ信号処理回路６４に蓄えられた
信号の値に、補正係数（９５．１／２２．２）×（２５
／７）×（１／１）≒１５．３を掛けてＡ／Ｄ変換回路
６３へと渡す。
信号の値が、ＰＤ４２の入射光量を正確に示す値以下で
あるならば、信号合成回路６５は、ＰＤ信号処理回路６
２の信号をそのまま後段のＡ／Ｄ変換回路６３へと渡
す。ＦＤ信号処理回路６４に蓄えられた信号の値がそれ
以上であるならば、ＦＤ信号処理回路６４に蓄えられた
信号の値に、補正係数（９５．１／２２．２）×（２５
／７）×（１／１）≒１５．３を掛けてＡ／Ｄ変換回路
６３へと渡す。
【００５９】アナログ信号はＡ／Ｄ変換回路６３によっ
てＡ／Ｄ変換された後に画像出力端子からデジタル信号
として出力される。
てＡ／Ｄ変換された後に画像出力端子からデジタル信号
として出力される。
【００６０】本実施例によれば高照度側ではＦＤを用
い、低照度側ではＰＤを用いることによって、ダイナミ
ックレンジの広いＳ／Ｎの良好な画像信号を得ることが
できる。
い、低照度側ではＰＤを用いることによって、ダイナミ
ックレンジの広いＳ／Ｎの良好な画像信号を得ることが
できる。
【００６１】またＦＤ信号処理回路及びＰＤ信号処理回
路においては公知のノイズ補正を行うことが可能であ
る。即ち、例えば既に説明した、IEEE TRANSACTIONS ON
ELECTRON DEVICES,VOL.41,NO.3,MARCH 1994 pp452-453
「CMOS Active Pixel Image Sensor」にはリセット動
作後にソースフォロワ４５の電圧を読取りノイズ（Ｎ）
信号とし、その後信号電荷を転送し、その時のソースフ
ォロワ４５の電圧をシグナル（Ｓ）信号として、両者の
信号の差分Ｓ−Ｎを取ることによって、固定パターンノ
イズやランダムノイズを除去できたと記載されている。
この方式は本発明の構成においても容易に応用すること
ができる。
路においては公知のノイズ補正を行うことが可能であ
る。即ち、例えば既に説明した、IEEE TRANSACTIONS ON
ELECTRON DEVICES,VOL.41,NO.3,MARCH 1994 pp452-453
「CMOS Active Pixel Image Sensor」にはリセット動
作後にソースフォロワ４５の電圧を読取りノイズ（Ｎ）
信号とし、その後信号電荷を転送し、その時のソースフ
ォロワ４５の電圧をシグナル（Ｓ）信号として、両者の
信号の差分Ｓ−Ｎを取ることによって、固定パターンノ
イズやランダムノイズを除去できたと記載されている。
この方式は本発明の構成においても容易に応用すること
ができる。
【００６２】またＦＤ信号及びＰＤ信号を読出すタイミ
ングを工夫することによって、ＦＤ信号処理回路６４お
よびＰＤ信号処理回路６２の規模を小さくすることがで
きる。
ングを工夫することによって、ＦＤ信号処理回路６４お
よびＰＤ信号処理回路６２の規模を小さくすることがで
きる。
【００６３】図７に更なる実施例である撮像装置のＦＤ
及びＰＤ信号の読出しタイムチャートを示す。また図８
は図７を説明するための模式図である。
及びＰＤ信号の読出しタイムチャートを示す。また図８
は図７を説明するための模式図である。
【００６４】画素アレー部はｎ行ｍ列の２次元マトリク
スで構成されている。また各画素７１は水平走査線７０
（ｙ1〜ｙn）と垂直信号出力線７７（ｘ1〜ｘm）によっ
てアクセスされる。垂直信号出力線７７は選択スイッチ
７８によって、ＦＤ信号処理回路７４かＰＤ信号処理回
路７２のいずれかに接続される。ＦＤ信号処理回路７
４，ＰＤ信号処理回路７２中には各々信号蓄積用の容量
が垂直信号出力線７７の本数分（ｍ個）だけ形成されて
いる。
スで構成されている。また各画素７１は水平走査線７０
（ｙ1〜ｙn）と垂直信号出力線７７（ｘ1〜ｘm）によっ
てアクセスされる。垂直信号出力線７７は選択スイッチ
７８によって、ＦＤ信号処理回路７４かＰＤ信号処理回
路７２のいずれかに接続される。ＦＤ信号処理回路７
４，ＰＤ信号処理回路７２中には各々信号蓄積用の容量
が垂直信号出力線７７の本数分（ｍ個）だけ形成されて
いる。
【００６５】ｊ番目の行が水平走査線７０によって選択
されると、左端の１番目の垂直信号出力線から信号が順
次読出される。その際、選択スイッチ７８の制御信号φ
はφ 1 から順次ハイレベルとなり、ＦＤ信号処理回路７
４に垂直信号出力線ｘ1 が接続される。同様にしてφi
もハイレベルとなり、ｉ列目の垂直信号出力線ｘi もＦ
Ｄ信号処理回路７４に接続される。その後、垂直信号出
力線ｘi にＦＤの信号が出力され、この信号はＦＤ信号
処理回路７４へと出力される。その後、（ｉ，ｊ）番目
の画素はリセットされ、ＰＤの信号電荷がＦＤへと転送
される。
されると、左端の１番目の垂直信号出力線から信号が順
次読出される。その際、選択スイッチ７８の制御信号φ
はφ 1 から順次ハイレベルとなり、ＦＤ信号処理回路７
４に垂直信号出力線ｘ1 が接続される。同様にしてφi
もハイレベルとなり、ｉ列目の垂直信号出力線ｘi もＦ
Ｄ信号処理回路７４に接続される。その後、垂直信号出
力線ｘi にＦＤの信号が出力され、この信号はＦＤ信号
処理回路７４へと出力される。その後、（ｉ，ｊ）番目
の画素はリセットされ、ＰＤの信号電荷がＦＤへと転送
される。
【００６６】その後、ｉ列目の垂直信号出力線ｘi が元
のＰＤ信号処理回路７２へ接続されるのと同時に、ｉ＋
１列目の垂直信号出力線ｘi+1 が代わりにＦＤ信号処理
回路７４へと接続される。次いでｉ列目の画素（ｉ，
ｊ）からＰＤの信号がＰＤ信号処理回路７２へと読出さ
れるのと同時にｉ＋１列目のＦＤの信号が垂直信号出力
線ｘi+1 を通ってＦＤ信号処理回路７４へと出力され
る。
のＰＤ信号処理回路７２へ接続されるのと同時に、ｉ＋
１列目の垂直信号出力線ｘi+1 が代わりにＦＤ信号処理
回路７４へと接続される。次いでｉ列目の画素（ｉ，
ｊ）からＰＤの信号がＰＤ信号処理回路７２へと読出さ
れるのと同時にｉ＋１列目のＦＤの信号が垂直信号出力
線ｘi+1 を通ってＦＤ信号処理回路７４へと出力され
る。
【００６７】以下、順次ｍ列まで繰返してｊ列目の読出
しを終了する。ｍ個のＦＤ及びＰＤ信号はＦＤ信号処理
回路７４，ＰＤ信号処理回路７２中のｍ個の容量中に蓄
積される。両信号は前述のように後段の信号合成回路６
５（図６）によって合成される。
しを終了する。ｍ個のＦＤ及びＰＤ信号はＦＤ信号処理
回路７４，ＰＤ信号処理回路７２中のｍ個の容量中に蓄
積される。両信号は前述のように後段の信号合成回路６
５（図６）によって合成される。
【００６８】本実施例はＦＤ信号処理回路７４，ＰＤ信
号処理回路７２中に含まれる信号蓄積用のメモリの個数
を小さくすることができる（メモリを１ライン分のみに
することができる。）。また読出すスピードは、ＦＤ、
ＰＤを別々のタイミングで２本同時に読出すので、読出
に必要なスピードはＰＤのみを読み出す場合と同じであ
り、特に高速な回路は必要としない。
号処理回路７２中に含まれる信号蓄積用のメモリの個数
を小さくすることができる（メモリを１ライン分のみに
することができる。）。また読出すスピードは、ＦＤ、
ＰＤを別々のタイミングで２本同時に読出すので、読出
に必要なスピードはＰＤのみを読み出す場合と同じであ
り、特に高速な回路は必要としない。
【００６９】また必要であるならば、差分ノイズ補正の
機能を容易にＦＤ信号処理回路７４，ＰＤ信号処理回路
７２中に取込むことができる。
機能を容易にＦＤ信号処理回路７４，ＰＤ信号処理回路
７２中に取込むことができる。
【００７０】図９に本発明の更なる実施例である撮像装
置の信号処理回路を示す。
置の信号処理回路を示す。
【００７１】画素８１から出力されたＦＤ８４の信号
は、垂直信号出力線８７を通って信号蓄積用容量ＣTF９
３1に蓄積される。その後、ＦＤ８４とソースフォロワ
８５のゲート及び垂直信号出力線８７をリセットし、リ
セット後のソースフォロワ８５のゲート電位（ノイズ信
号）を同様にして信号蓄積用容量ＣTN９３2に読出す。
その後転送ゲート８３を開いてＰＤ８２の信号電荷をＦ
Ｄ８４に転送し、同様にして信号蓄積用容量ＣTP９３3
にＰＤ信号を読出す。
は、垂直信号出力線８７を通って信号蓄積用容量ＣTF９
３1に蓄積される。その後、ＦＤ８４とソースフォロワ
８５のゲート及び垂直信号出力線８７をリセットし、リ
セット後のソースフォロワ８５のゲート電位（ノイズ信
号）を同様にして信号蓄積用容量ＣTN９３2に読出す。
その後転送ゲート８３を開いてＰＤ８２の信号電荷をＦ
Ｄ８４に転送し、同様にして信号蓄積用容量ＣTP９３3
にＰＤ信号を読出す。
【００７２】その後容量ＣTF９３1に蓄えられたＦＤ信
号から容量ＣTN９３2に蓄えられたノイズ信号を差動ア
ンプ９７1により減算し、Ｆ信号とする。
号から容量ＣTN９３2に蓄えられたノイズ信号を差動ア
ンプ９７1により減算し、Ｆ信号とする。
【００７３】同時に容量ＣTP９３3に蓄えられたＰＤ信
号から容量ＣTN９３2に蓄えられたノイズ信号を減算
し、Ｐ信号とする。
号から容量ＣTN９３2に蓄えられたノイズ信号を減算
し、Ｐ信号とする。
【００７４】両者の信号は図示しない後段の信号合成回
路によって１つの画像信号に合成される。
路によって１つの画像信号に合成される。
【００７５】本実施例によれば、低照度側で使用するＰ
Ｄの信号成分からＣＭＯＳセンサに固有の大きな固定パ
ターンノイズと、ランダムノイズの一部を除去すること
ができ、より低照度側のノイズ特性が改善される。また
高照度側で使用するＦＤの信号成分からは固定パターン
ノイズを除去することができる。ランダムノイズに関し
ては、除去効果が期待できないが、そもそも高照度側で
はランダムノイズは重要ではないので特に問題とはなら
ない。本実施例によればより高感度でダイナミックレン
ジの広い撮像装置を提供することができる。
Ｄの信号成分からＣＭＯＳセンサに固有の大きな固定パ
ターンノイズと、ランダムノイズの一部を除去すること
ができ、より低照度側のノイズ特性が改善される。また
高照度側で使用するＦＤの信号成分からは固定パターン
ノイズを除去することができる。ランダムノイズに関し
ては、除去効果が期待できないが、そもそも高照度側で
はランダムノイズは重要ではないので特に問題とはなら
ない。本実施例によればより高感度でダイナミックレン
ジの広い撮像装置を提供することができる。
【００７６】また本発明においてはＰＤの開口率をＦＤ
の開口率よりも小さくした例も考えられる。
の開口率よりも小さくした例も考えられる。
【００７７】図１０に本発明の更なる実施例である撮像
装置の単位画素の概略レイアウト図を示す。
装置の単位画素の概略レイアウト図を示す。
【００７８】図１０において、ＰＤ１２２の開口１２５
は開口率３．８％であり、ＦＤの開口１２６の開口率２
２．２％よりも小さい。したがって、ＦＤはＰＤよりも
より速く電位変化を生じるので、前述のＦＤ先読みがよ
り短い時間で実現することができる。またＰＤはより強
い光が照射してもその電位変化が小さいのでより高照度
側にダイナミックレンジがシフトする。また有効なラン
ダムノイズ対策を施すことによって低照度側へのダイナ
ミックレンジのシフト、ダイナミックレンジの拡大も期
待できる。現状のセンサは固定パターンノイズよりもラ
ンダムノイズが大きくなりつつあるので今後のランダム
ノイズ改善技術、それによるダイナミックレンジ拡大が
期待できる。
は開口率３．８％であり、ＦＤの開口１２６の開口率２
２．２％よりも小さい。したがって、ＦＤはＰＤよりも
より速く電位変化を生じるので、前述のＦＤ先読みがよ
り短い時間で実現することができる。またＰＤはより強
い光が照射してもその電位変化が小さいのでより高照度
側にダイナミックレンジがシフトする。また有効なラン
ダムノイズ対策を施すことによって低照度側へのダイナ
ミックレンジのシフト、ダイナミックレンジの拡大も期
待できる。現状のセンサは固定パターンノイズよりもラ
ンダムノイズが大きくなりつつあるので今後のランダム
ノイズ改善技術、それによるダイナミックレンジ拡大が
期待できる。
【００７９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ダイナミックレンジが広く新規機能を有するＣＭＯＳセ
ンサを安価に提供することができる。
ダイナミックレンジが広く新規機能を有するＣＭＯＳセ
ンサを安価に提供することができる。
【図１】本発明の撮像装置の一実施形態の単位セルの断
面図である。
面図である。
【図２】本発明の撮像装置の一実施形態の単位セルの構
成を示す回路図である。
成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施例である撮像装置の単位画素のレ
イアウト概略図である。
イアウト概略図である。
【図４】本実施例の撮像装置の回路ブロック図である。
【図５】本発明の他の実施例である撮像装置の単位画素
のレイアウト図である。
のレイアウト図である。
【図６】本実施例の撮像装置の回路ブロック図である。
【図７】更なる実施例である撮像装置のＦＤ及びＰＤ信
号の読出しタイムチャートである。
号の読出しタイムチャートである。
【図８】図７を説明するための模式図である。
【図９】本発明の更なる実施例である撮像装置の信号処
理回路である。
理回路である。
【図１０】本発明の更なる実施例である撮像装置の単位
画素の概略レイアウト図である。
画素の概略レイアウト図である。
【図１１】ＣＭＯＳセンサの一例として、光電変換素子
にホトダイオードを用いた場合の平面図および断面図で
ある。
にホトダイオードを用いた場合の平面図および断面図で
ある。
１２ ホトダイオード（ＰＤ）の拡散領域 １３ 転送用のＭＯＳトランジスタのゲート電極 １４ 拡散領域 １５ 開口部 １６ 開口部 １７ 垂直信号出力線 １８ 遮光膜 １９ 電源線 ＰＤ ホトダイオード ＭTX 転送用ＭＯＳトランジスタ ＦＤ 浮遊状態にある半導体拡散領域（光電変換素子） ＭSF ＭＯＳアンプ（増幅手段） ＭSEL 選択用ＭＯＳトランジスタ（選択手段）
フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA05 AA10 AB10 BA14 CA03 CA17 CA22 DD04 DD09 DD10 DD12 FA06 FA14 FA42 GB06 5C024 AA01 CA06 CA15 CA17 FA01 GA01 GA23 GA51 HA10 HA17 JA04
Claims (15)
- 【請求項１】 光電変換素子と、該光電変換素子からの
信号電荷を転送する転送手段と、該転送手段により転送
された信号電荷を保持する半導体領域と、を有する光電
変換装置において、 前記半導体領域に前記光電変換素子に入射する光と略同
一の光を入射させ、該半導体領域で光電変換させてなる
ことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の光電変換装置におい
て、前記半導体領域と接続される増幅手段を有すること
を特徴とする光電変換装置。 - 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の光電変換
装置において、前記略同一の光は、前記半導体領域上の
遮光膜の開口部から入射することを特徴とする光電変換
装置。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかの請求項に記載
の光電変換装置において、前記光電変換素子と前記半導
体領域を光検知に使用し、前記光電変換素子と前記半導
体領域とから得られる信号をそれぞれ異なる用途に用い
ることを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の光電変換装置におい
て、前記半導体領域から得られる信号を、光の強度及び
適正露出時間をリアルタイムに得るために用いることを
特徴とする光電変換装置。 - 【請求項６】 請求項１又は請求項２に記載の光電変換
装置において、前記半導体領域から得られる信号と前記
光電変換素子から得られる信号とを合成し、画像信号を
得ることを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項７】 請求項４に記載の光電変換装置におい
て、前記光電変換素子と前記半導体領域との感度を異な
らせたことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項８】 請求項７に記載の光電変換装置におい
て、前記光電変換素子と前記半導体領域とから出力され
る、異なる感度の信号を合成することで、画像信号のダ
イナミックレンジを拡大することを特徴とする光電変換
装置。 - 【請求項９】 請求項１又は請求項２に記載の光電変換
装置において、前記光電変換素子と前記半導体領域に
は、遮光膜の各開口部からの光が入射することを特徴と
する光電変換装置。 - 【請求項１０】 請求項９に記載の光電変換装置におい
て、前記半導体領域上の遮光膜の開口部の開口率は、前
記光電変換素子上の遮光膜の開口部の開口率よりも小さ
いことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項１１】 請求項１又は請求項２に記載の光電変
換装置を一画素として、該画素をマトリクス状に配列
し、一配列方向に配列された画素をそれぞれ共通の出力
線に接続し、各出力線に半導体領域信号用蓄積容量と光
電変換素子信号用蓄積容量とを接続したことを特徴とす
る光電変換装置。 - 【請求項１２】 請求項１１に記載の光電変換装置にお
いて、一の画素の半導体領域からの信号の読出しと、他
の画素からの光電変換素子からの信号の読出しを、異な
る共通の出力線において同時に行うことを特徴とする光
電変換装置。 - 【請求項１３】 請求項１又は請求項２に記載の光電変
換装置において、前記半導体領域及び前記光電変換素子
からの信号を補正するための補正回路を有することを特
徴とする光電変換装置。 - 【請求項１４】 請求項１３に記載の光電変換装置にお
いて、前記補正回路は、前記半導体領域からの信号にお
いては少なくとも固定パターンノイズを、前記光電変換
素子からの信号においては少なくとも固定パターンノイ
ズ及びランダムノイズの一部を除去することを特徴とす
る光電変換装置。 - 【請求項１５】 少なくとも、請求項１又は請求項２に
記載の光電変換装置を一画素として構成される画素アレ
ー、該画素アレーからの光電変換素子信号出力に先だっ
て、該画素アレーからの半導体領域信号が入力される先
読み手段、該先読み手段からの信号の最大値を検出する
最大値検出手段、該最大値検出手段により検知される最
大値と基準値との大小関係を判定する判定手段、該判定
手段による判定結果に基づいて制御される電子シャッタ
ー、を備えた光電変換装置。
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