JP2003057113A - 光電変換装置、測光センサ及び撮像装置 - Google Patents
光電変換装置、測光センサ及び撮像装置Info
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Abstract
低下させないようにする。 【解決手段】 被写界を複数の測光領域に分割し光強度
に比例した電荷を発生し蓄積する光電変換素子1と、光
電変換素子2で蓄積している電荷を転送する転送手段2
と、転送手段2から転送された電荷を保持し電圧に変換
する電荷電圧変換手段5,21と、電荷電圧変換手段
5,21を基準レベルにリセットするリセット手段6
と、光電変換素子1で蓄積している電荷を電荷電圧変換
手段5,21に転送しないようにするための転送手段3
と、転送手段3で転送された電荷を排出する電荷排出手
段7,8とを備える。
Description
光センサ及び撮像装置に関し、特に、デジタルカメラ、
デジタルスチルカメラなどの光電変換装置、測光センサ
及び撮像装置に関するものである。
いる測光センサは、フォトダイオードで所定時間、光信
号を電荷に変換すると共に変換した電荷を蓄積し、その
電荷の蓄積量に基づいて露出を決定するために明るさを
計測していた。
間の説明図である。図8において、502は高輝度時に
おける電荷の蓄積タイミングを示すパルスであり、ハイ
レベル時に電荷を蓄積するようにしている。503は低
輝度時における電荷の蓄積タイミングを示すパルスであ
り、ハイレベル時に電荷を蓄積するようにしている。
輝度に応じてフォトダイオードで変換された電荷の蓄積
時間を変えている。具体的には、低輝度時の電荷の蓄積
時間T2を例えば10mSとし、高輝度時の電荷の蓄積
時間T1を例えば10μSとしている。
変えるのは、明るすぎて電荷が多いときにフォトダイオ
ードの電荷が飽和することで明るさの計測ができなくな
るのを防止するためである。
例示であり、実際には、蓄積時間T1は前回の測光で得
られた輝度情報に基づいて、次回の測光の際の電荷の蓄
積時間を決定していることが多い。蓄積時間T2は蛍光
灯の発光波形の周期である10mSとすることが多い。
は、以下説明するような問題がある。
を示すパルスと蛍光灯の光量波形とを示す図である。図
9において、501は蛍光灯の光量波形、504はB点
で測光を行った場合の蛍光灯の光量、505はA点で測
光を行った場合の蛍光灯の光量、506は蛍光灯の光量
の平均値である。
間T1は、蛍光灯の光量波形の周期と同じ10mSとす
ることが多いので、どのようなタイミングで測光を行っ
ても、蛍光灯の光量変化によって測光精度は変わらな
い。
T2は、例えば10μSとしているので、A点で測光を
行った場合とB点でタイミングで測光を行った場合とで
は、蛍光灯の発光光量が異なることになり、蛍光灯の光
量変化によって測光精度が低下する。
するためには、高輝度時に、複数回の測光を行って平均
値506を求めておいたり、予め最適な電荷の蓄積時間
を決定しておく必要が生じる。
を平均化するための演算処理が必要になるし、予め最適
な電荷の蓄積時間を決定するための複雑な演算が必要に
なり、いずれの手法を採用しても、測光時間が増加す
る。
の輝度状態と次回の測光の際の輝度状態が急激に変化し
た場合には、前回の測光の際の輝度情報からは、次回の
測光の際の最適な蓄積時間を決定することができず、こ
の決定までに多大な時間を必要とする。この結果例えば
閃光手段の発光時のように急激に被写界の輝度が変化し
た場合には正確な測光を行うことができない。
となく、測光精度を低下させないようにすることを課題
とする。また急激に被写界の輝度情報が変化した場合に
おいても正確な測光を行うことを目的としている。
に、本発明の光電変換装置は、蓄積期間内に光電変換素
子で変換された電荷を選択的に複数回抽出する抽出手段
と、前記抽出手段で抽出された電荷を加算する加算手段
と、前記蓄積期間内に光電変換素子で変換された電荷を
選択的に複数回排出する排出手段とを備える。
素を有する光電変換装置であって、各々の前記画素は、
光電変換素子と、前記光電変換素子で変換された電荷を
転送する第1,第2転送手段と、前記第1転送手段で転
送された電荷を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の入
力部をリセットするリセット手段と、を含む。
れかの光電変換装置と、前記光電変換装置で加算された
電荷に基づいて前記光電変換素子への入射光の明るさを
計測する演算手段とを備える。
を有する光電変換装置であって、前記複数の画素は、蓄
積期間内に光電変換素子で変換された電荷を複数回選択
的に抽出し、該抽出された電荷を加算する第1の画素
と、前記光電変換素子の電荷を抽出されるまでの時間
が、第1の画素よりも長い第2の画素とを含み、前記各
光電変換素子で変換された電荷に基づいて当該各光電変
換素子への入射光の明るさを計測する演算手段とを備え
ることを特徴とする。
の測光センサを備える。
サの動作原理の説明図である。図1において、100は
蛍光灯の光量波形である。
積タイミングを示すパルスであり、ハイレベル時に電荷
を蓄積するようにしている。ここで、ハイレベルの期間
T2は、フリッカの影響を受けないように例えば蛍光灯
の周期である10mSとしている。
積タイミングを示すパルスであり、ハイレベル時に電荷
を蓄積するようにしている。ここで、ハイレベルの期間
t1,t2,…t10は、例えば1μSとしており、例
えば10mS内に10回ハイ/ローを切り替えるように
している。なお、高輝度時とは低輝度時のタイミングで
電荷を蓄積しようとした場合に、蓄積している電荷が飽
和する時を云う。
と低輝度時とで電荷の蓄積時間の比が1:1000にな
る。ちなみに、高輝度時に蓄積した電荷は加算の後に、
測光のための演算処理を行う。
に要求される測光可能範囲は、EV0〜EV20、すな
わちダイナミックレンジにして20EV程度であるとさ
れている。しかし、撮像素子のほとんどのダイナミック
レンジは10EV程度である。
光可能範囲を、主要被写体を含む最適レベルに調節する
必要が生じる。
EV20であると、標準的な撮影レンズを装着した場合
での光電変換素子の受光面上での照度はおよそ0.01
Lx〜10000Lxとなる。
・S、飽和出力を約2Vとすると、電荷の蓄積時間が1
0μSである時には測光可能範囲は約EV10〜EV2
0であり、電荷の蓄積時間が10mSである時には測光
可能範囲はEV0〜EV10となる。
μS〜10mSの範囲で調節することにより、初めてカ
メラの測光装置に要求される測光可能範囲であるEV0
〜EV20のダイナミックレンジが実現可能になる。
実現する測光センサの等価回路図である。図2におい
て、1は光を電荷に変換すると共に変換した電荷を蓄積
する光電変換素子であるフォトダイオード、2,3はフ
ォトダイオード1に蓄積されている電荷を選択的に転送
する転送スイッチ、4,7は転送スイッチ2,3による
電荷の転送先の電位を基準電位にリセットするリセット
スイッチ、5は転送スイッチ2によって転送された電荷
に基づく増幅信号を生成するためのソースフォロア、6
は増幅信号の読み出しを選択する選択スイッチ、10は
ソースフォロア5と共に増幅信号の読み出しを行う負荷
電流源、9は読み出された増幅信号を出力線22に送る
スイッチ、8は転送スイッチ3によって転送された電荷
を蓄積する容量、21は転送スイッチ2によって電荷が
転送されるフローティングディフュージョン(以下、
「FD」と称する。)である。
積されている電荷がフォトダイオード1に蓄積されてい
る電荷に影響を与えなければ、必ずしも作動させなくて
もよい。
の基準電圧に転送スイッチ3を接続するようにしてもよ
い。
イッチ4,7、選択スイッチ6、転送スイッチ2,3及
びスイッチ9の各ゲートに印加するパルス信号の高輝度
時の様子を示す図である。なお、図3には、図1に示す
蓄積時間t1〜t10も付している。以下、図3を用い
つつ、図2の測光センサの動作について説明する。
リセットスイッチ4のゲートに印加されているローレベ
ルのパルス信号φR1が一時的にハイレベルに切り替え
られ、FD21の電位がリセットされる。FD21の電
位はダークレベルとなる。
され、入射光が電荷に変換される。変換された電荷はフ
ォトダイオード1の内部に蓄積される。
チ2,3はそれぞれオフしており、フォトダイオード1
とFD21及び容量7とは電気的に接続されていないの
で、FD21及び容量8にはフォトダイオード1で変換
された電荷は転送されない。
れているローレベルのパルス信号φSELがハイレベル
とされ、負荷電流源10とソースフォロア5とが作動さ
れる。
に印加されているパルス信号φTX1,φTX2が連続
して交互にハイ/ローと切り替えられ、フォトダイオー
ド1に蓄積された電荷がFD21又は容量8に転送され
る。
ンされる毎に、リセットスイッチ7に印加しているパル
ス信号φR2がローレベルからハイレベルに切り替えら
れ、容量8の電位がリセットされる。
スイッチ2,3がローレベルに切り替えられた瞬間から
電荷の蓄積が開始され、ハイレベルに切り替えられた瞬
間から蓄積している電荷の転送を開始する。換言する
と、パルス信号φTX2がローレベルに切り替えられた
後、フォトダイオード1の電荷をFD21上に転送し、
パルス信号TX1がオフするまでの時間が蓄積時間t
1,t2,…となる。
R2,φTX1及びφTX2を各スイッチ7,2及び3
に印加すると、FD21には図1に示すパルス102に
同期したタイミングで電荷が転送される。
された電荷によってFD21の電圧は保持、加算され
る。その後、スイッチ9のゲートに印加しているφT1
をオンすると、FD21で加算された電荷に基づく増幅
信号が出力線22に送られる。
れているパルス信号φSELがローレベルに戻され、図
3に示す動作が終了する。
る。低輝度時には、転送スイッチ3のゲートに印加して
いるパルス信号φTX2をローレベルのままにし、転送
スイッチ3をオフした状態で、転送スイッチ2のゲート
に印加しているパルス信号φTX1のハイ/ローを切り
替えて、転送スイッチ2を例えば10mSオンする。他
のパルス信号φR1,φR2、φSEL、φT1は図3
と同様である。
01に同期したタイミングで電荷が転送され、その後、
スイッチ9のゲートに印加しているφT1をオンする
と、FD21に転送された電荷に基づく増幅信号が出力
線22に送られる。
例えば図2に等価回路で示したフォトダイオード1等を
マトリクス状、デルタ状、ハニカム状のように2次元的
に配列し、奇数行で低輝度用の電荷の蓄積を行い、偶数
行で高輝度用の電荷の蓄積を行うようにしている。
310の平面図である。図4における矩形は、それぞれ
図2の等価回路図で示すフォトダイオード1等を示して
いる。なお、図4には、各行301〜308における電
荷の蓄積時間を付しており、奇数行301,303等の
蓄積時間は図1のパルス101に相当し、偶数行30
2,304等の蓄積時間は図1のパルス102に相当す
る。
電荷蓄積を行えるようにすると、広いダイナミックレン
ジを確保することができるようになると共に、被写界の
輝度状態が急に変化しても測光精度が低下しなくなる。
ぞれ低輝度用と高輝度用との電荷の蓄積を行う場合を例
に説明したが、例えばこれらの中間に値する中輝度用の
電荷の蓄積を行うようにしてもよい。また奇数列と偶数
列とで電荷の蓄積時間を変えたり、斜め格子状に電荷の
蓄積時間を変えてもよい。
センサは、図2に示す測光センサに、各スイッチ2〜5
等のスイッチング時に発生するノイズを除去するノイズ
除去手段を備えたものである。
3の測光センサの等価回路図である。図5において、1
2はスイッチ9によって伝送された増幅信号に基づく信
号を出力するMOSトランジスタ、11はノイズ信号電
荷及びこれを含む光信号電荷を蓄積する蓄積容量、14
は電源電圧VDDに接続されたMOSトランジスタ、13
はMOSトランジスタ12からの信号を取り出す負荷電
源、16はノイズ信号電荷を読み出すための読出用MO
Sトランジスタ、18はノイズ信号電荷を読み出すため
の容量、15はノイズ成分を含む光信号電荷を読み出す
ための読出用MOSトランジスタ、17はノイズ成分を
含む光信号電荷を読み出すための容量、19は容量1
7,18の電位をリセットするリセットMOSトランジ
スタ、20は光信号電荷からノイズ信号電荷を差分する
差動アンプである。
負荷電源13と、ノイズ蓄積蓄積容量11とによってノ
イズ成分除去手段を構成している。また、図5において
図2と同様の部分には同一符号を付している。
イッチ4,7、選択スイッチ6、転送スイッチ2,3、
スイッチ9、読出用MOSトランジスタ15,16及び
リセットMOSトランジスタ19の各ゲートに印加する
パルス信号の高輝度時の様子を示す図である。以下、図
6を用いつつ、図5の測光センサの動作について説明す
る。
リセットスイッチ4及びリセットMOSトランジスタ1
9のゲートに印加されているパルス信号φR1,φCR
がローレベルの状態から一時的にハイレベルに切り替え
られ、FD21の電位、容量17,18がリセットされ
る。FD21の電位はダークレベルとなる。
され、入射光が電荷に変換される。変換された電荷はフ
ォトダイオード1の内部に蓄積される。なお、実施形態
1と同様に、電荷の蓄積開始時には、転送スイッチ2,
3はそれぞれオフしている。
れているローレベルのパルス信号がハイレベルに切り替
えられ、負荷電流源10とソースフォロア5とが作動さ
れる。
いるパルス信号φT1がハイレベルとされ、FD21の
リセット時に発生したノイズ成分が蓄積容量11に蓄積
される。
印加されているパルス信号φTX1,φTX2が連続し
て交互にハイ/ローとされ、フォトダイオード1に蓄積
された電荷がFD21又は容量8に転送される。
ンされる毎に、リセットスイッチ7に印加しているパル
ス信号φR2がローレベルからハイレベルに切り替えら
れ、容量8の電位がリセットされる。
スイッチ2,3がオフされた瞬間から電荷の蓄積が開始
され、オンされた瞬間から蓄積している電荷の転送を開
始する。
された電荷によってFD21の電圧は保持、加算され
る。
読出用MOSトランジスタ16のゲートに印加している
パルス信号φTNをローレベルからハイレベルに切り替
え、MOSトランジスタ14のゲートに印加しているパ
ルス信号をローレベルからハイレベルに切り替えると、
蓄積容量11に蓄積されていたノイズ成分が容量18に
転送される。
るφT1をオンすると、FD21で加算された電荷に基
づく増幅信号が出力線22に送られ、蓄積容量11に転
送される。
のゲートに印加しているパルス信号φTNをローレベル
からハイレベルに切り替えると、蓄積容量11に蓄積さ
れていたノイズ成分を含む光信号電荷が容量17に転送
される。
に印加しているパルス信号をローレベルに戻し、容量1
7,18と差動アンプ20との間に設けられているMO
Sトランジスタのゲートに印加されているパルス信号が
ローレベルからハイレベル切り替えられると、容量1
7,18にそれぞれ保持された信号成分が差動アンプ2
0に送られ、ノイズ除去が行われる。
れているパルス信号がローレベルに戻され、図6に示す
動作が終了する。
る。低輝度時には、転送スイッチ3のゲートに印加して
いるパルス信号φTX2をローレベルのままにし、転送
スイッチ3をオフした状態で、転送スイッチ2のゲート
に印加しているパルス信号φTX1のハイ/ローを切り
替えて、転送スイッチ2を例えば10mSオンする。他
のパルス信号φR1,φR2、φT1、φTS、φT
N、φCRは図6と同様である。
01に同期したタイミングで電荷が転送され、ノイズ成
分が除去された光信号電荷が差動アンプ20から出力さ
れる。
4の撮像装置の構成的な構成を示すブロック図である。
図7において、51はレンズのプロテクトとメインスイ
ッチを兼ねるバリア、52は被写体の光学像を固体撮像
素子54に結像させるレンズ、53はレンズ52を通っ
た光量を可変するための絞り、54はレンズ52で結像
された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像
素子、55は固体撮像素子54から出力される画像信号
に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処理回
路、56は固体撮像素子54より出力される画像信号の
アナログ−ディジタル変換を行うA/D変換器、57は
A/D変換器56より出力された画像データに各種の補
正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、58は固体
撮像素子54,撮像信号処理回路55,A/D変換器5
6,信号処理部57,測光センサ64に各種タイミング
信号を出力するタイミング発生部、59は各種演算とス
チルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、6
0は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、6
1は記録媒体に記録又は読み出しを行うための記録媒体
制御インターフェース部、62は画像データの記録又は
読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録
媒体、63は外部コンピュータ等と通信するための外部
インターフェース(I/F)部、64は実施形態1〜3
で説明した測光センサである。
ルビデオカメラの動作について、説明する。バリア51
がオープンされるとメイン電源がオンされ、つぎにコン
トロール系の電源がオンし、さらに、A/D変換器56
などの撮像系回路の電源がオンされる。
制御・演算部59は絞り53を開放にし、測光センサ6
4に被写界からの光が入射される。測光センサ64は、
実施形態1〜3で説明したような手順で駆動され、全体
制御・演算部59に電荷に基づく信号を出力する。
基づいて被写界の明るさを判断し、その結果に応じて絞
り53を制御する。
光が固体撮像素子54に入力され、固体撮像素子54か
ら出力される電荷に基づく信号をもとに、高周波成分を
取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部5
9で行う。
を判断し、合焦していないと判断したときは、再びレン
ズ52を駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された
後に本露光が始まる。
出力された画像信号は、撮像信号処理回路55において
補正等がされ、さらにA/D変換器56でA/D変換さ
れ、信号処理部57を通り全体制御・演算59によりメ
モリ部60に蓄積される。
は、全体制御・演算部59の制御により記録媒体制御I
/F部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体62
に記録される。また外部I/F部63を通り直接コンピ
ュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
光電変換素子で変換され選択的に一定周期で抽出された
電荷を加算することが可能なので、面倒な演算等を行う
ことなく、測光精度を低下させないようにすることがで
きる。
説明図である。
路図である。
6、転送スイッチ2,3及びスイッチ9の各ゲートに印
加するパルス信号の高輝度時の様子を示す図である。
図である。
である。
6、転送スイッチ2,3、スイッチ9、読出用MOSト
ランジスタ15,16及びリセットMOSトランジスタ
19の各ゲートに印加するパルス信号の高輝度時の様子
を示す図である。
を示すブロック図である。
ある。
と蛍光灯の発光波形とを示す図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 蓄積期間内に光電変換素子で変換された
電荷を選択的に複数回抽出する抽出手段と、前記抽出手
段で抽出された電荷を加算する加算手段と、前記蓄積期
間内に光電変換素子で変換された電荷を選択的に複数回
排出する排出手段とを備えることを特徴とする光電変換
装置。 - 【請求項2】 前記抽出手段は、前記光電変換素子に並
列に接続されたスイッチ素子を備えており、当該各スイ
ッチ素子のオン/オフを交互に切り替えることによって
前記電荷の抽出を行うことを特徴とする請求項1記載の
光電変換装置。 - 【請求項3】 前記加算手段は、前記抽出手段で抽出さ
れた電荷を保持する保持手段と、前記保持手段で保持さ
れた電荷を電圧に変換する変換手段とを備えることを特
徴とする請求項1又は2記載の光電変換装置。 - 【請求項4】 前記保持手段は、フローティングディフ
ュージョン領域であることを特徴とする請求項3記載の
光電変換装置。 - 【請求項5】 複数の画素を有し、各々の前記画素は、
前記光電変換素子、前記抽出手段、前記排出手段、及び
加算手段を有することを特徴とする請求項1から4のい
ずれか1項記載の光電変換装置。 - 【請求項6】 複数の画素を有する光電変換装置であっ
て、各々の前記画素は、光電変換素子と、前記光電変換
素子で変換された電荷を転送する第1,第2転送手段
と、前記第1転送手段で転送された電荷を増幅する増幅
手段と、前記増幅手段の入力部をリセットするリセット
手段と、を含むことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項7】 さらに、前記抽出手段又は前記第1,第
2転送手段によって生じるノイズを除去する除去手段を
備えることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項
記載の光電変換装置。 - 【請求項8】 請求項1から7のいずれか1項記載の光
電変換装置と、前記光電変換装置で加算された電荷に基
づいて前記光電変換素子への入射光の明るさを計測する
演算手段とを備えることを特徴とする測光センサ。 - 【請求項9】 複数の画素を有する測光センサであっ
て、前記複数の画素は、蓄積期間内に光電変換素子で変
換された電荷を複数回選択的に抽出し、該抽出された電
荷を加算する第1の画素と、前記光電変換素子の電荷を
抽出されるまでの時間が、第1の画素よりも長い第2の
画素とを含み、前記各光電変換素子で変換された電荷に
基づいて当該各光電変換素子への入射光の明るさを計測
する演算手段とを備えることを特徴とする測光センサ。 - 【請求項10】 請求項8又は9記載の測光センサを備
えることを特徴とする撮像装置。
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JP2001245540A JP2003057113A (ja) | 2001-08-13 | 2001-08-13 | 光電変換装置、測光センサ及び撮像装置 |
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