JP2003209750A

JP2003209750A - 固体撮像素子及びその駆動方法

Info

Publication number: JP2003209750A
Application number: JP2002006230A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Azuma; 俊明東
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2003-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】固体撮像素子のダイナミックレンジを有効に
伸ばす。【解決手段】固体撮像素子チップ１０内に画像取り込
み用のＣＣＤセンサ１１とは別に、測光用としてモニタ
ーセンサ（ｐｎフォトダイオードセンサ）をオンチップ
化する。このモニターセンサ１２は、ＣＣＤセンサ１１
の動作とは別にリアルタイムで出力レベルを検出するこ
とができる。そこで、この検出出力をＣＣＤ駆動系３０
で取り込み、受光量に応じて電荷蓄積時間やＯＦＤ閾値
を最適化する。例えば、入射光強度に反比例するように
電荷蓄積時間の制御を行い、入射光強度の大小に関わら
ず、常に一定の光電変換出力が得られるようにする。ま
た、固体撮像素子による１画像分毎の撮像の蓄積時間の
途中において、蓄積時間の推移とともにＯＦＤ閾値を低
値から高値へと切り替え変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種イメージセン
サ等に用いられる固体撮像素子及びその駆動方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像素子は様々な分野に利用
されている。例えばカムコーダーやＤＳＣ等に用いられ
るエリアセンサ、あるいは、スキャナやファクシミリ等
に用いられるリニアセンサ等がある。これらのシステム
においては、デジタル処理の広がりにより、殆どが固体
撮像素子の出力をＡ／Ｄ変換器によりデジタル符号化し
て信号処理するシステムになっており、必要な画像情報
の階調を得るためには、Ａ／Ｄ変換器の入力レンジにセ
ンサ出力を最適に合わせる必要がある。

【０００３】また、固体撮像素子は、写真フィルムに比
較して輝度に対するダイナミックレンジが非常に狭いこ
とが知られている。また、通常の固体撮像素子では入射
光量と発生電荷はリニアな関係である。そのためダイナ
ミックレンジが狭く、明るさのレベルの上下で各々クリ
ップが発生してしまう。これは「白飛び」「黒つぶれ」
と呼ばれる現象で極端に明るい部分、暗い部分の階調が
表現できないものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、固体撮像素子
のダイナミックレンジを制限しているのは、まず、固体
撮像素子が取り扱い得る最大信号量の制約が大きいこと
である。たとえば、ＣＣＤ構造の固体撮像素子が取り扱
える最大信号量は、１画素を構成するフォトダイオード
領域、垂直転送ＣＣＤ、水平転送ＣＣＤの各部のうち最
も容量の小さい部分の信号電荷許容量で決まる。そし
て、垂直、水平転送ＣＣＤが飽和すると、再生画面上で
縦方向あるいは横方向の白の尾引きが生じてしまうた
め、通常はフォトダイオード領域が最初に飽和するよう
に設計される。

【０００５】しかし、フォトダイオード領域が飽和する
と、信号電荷がその周辺画素に溢れ出し、ブルーミング
を起こすため、基板方向にオーバードレイン（以下、Ｏ
ＦＤと略称する）構造を設け、飽和しないよう過剰電荷
をＯＦＤに逃すようにしている。このことにより、固体
撮像素子の最大信号量はＯＦＤの閾値で決まると言え
る。しかし、固体撮像素子の最大信号量が制約を受ける
根本要因は、前述した各部の信号電荷許容量であり、こ
れは素子構造の寸法によって大きく支配されている。そ
のため、固体撮像素子の小型化が進む現状では最大信号
量を大きくすることは厳しくなっている。

【０００６】次に、もう１つのダイナミックレンジの制
約要因は、固体撮像素子では定格信号レベルをあまり低
くできないことである。固体撮像素子では、信号電流の
大きさの平方根に比例したショットノイズが画面の暗い
部分を除いた大部分の領域のＳ／Ｎを支配する。従っ
て、所望のＳ／Ｎを確保するには、所定の信号電流を得
るように、相応量の入射光量を与える必要がある。以上
のように、固体撮像素子のダイナミックレンジは撮像管
のそれに比べて劣っているのが現状であり、撮像素子の
小型化が進む現状では、今後一層厳しい方向に向かって
いくことになる。

【０００７】そこで本発明の目的は、ダイナミックレン
ジを有効に伸ばすことが可能な固体撮像素子及びその駆
動方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、画像信号を撮像する画素センサとは別に受光
量を検出するモニターセンサと、前記モニターセンサの
出力レベルをリアルタイムで判定する判定手段と、前記
判定手段の判定結果に応じて前記画素センサの電荷蓄積
時間を制御する蓄積時間制御手段とを有することを特徴
とする。また本発明は、画像信号を撮像する画素センサ
とは別に受光量を検出するモニターセンサと、前記モニ
ターセンサの出力レベルをリアルタイムで判定する判定
手段と、前記判定手段の判定結果に応じて前記画素セン
サのオーバーフロードレインの閾値を制御する閾値制御
手段とを有することを特徴とする。

【０００９】また本発明は、画像信号を撮像する画素セ
ンサとは別に受光量を検出するモニターセンサを設け、
前記モニターセンサの出力レベルをリアルタイムで判定
し、この判定結果に応じて前記画素センサの電荷蓄積時
間を制御することを特徴とする。また本発明は、画像信
号を撮像する画素センサとは別に受光量を検出するモニ
ターセンサを設け、前記モニターセンサの出力レベルを
リアルタイムで判定し、この判定結果に応じて前記画素
センサのオーバーフロードレインの閾値を制御すること
を特徴とする。

【００１０】本発明の固体撮像素子及びその駆動方法で
は、画像信号を撮像する画素センサとは別に設けたモニ
ターセンサによって固体撮像素子の受光量を検出し、こ
のモニターセンサの出力レベルをリアルタイムで判定
し、この判定結果に応じて画素センサの電荷蓄積時間や
画素センサのオーバーフロードレインの閾値を制御する
ことにより、撮像環境等の変化に応じて最適な電荷蓄積
時間やオーバーフロードレイン閾値を用いて撮像を行う
ことができ、ダイナミックレンジを有効に伸ばすことが
可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明す
る実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的
に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲
は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記
載がない限り、これらの態様に限定されないものとす
る。本発明の実施の形態は、固体撮像素子内に画像取り
込み用のエリアセンサ（以下、ＣＣＤセンサと略称す
る）とは別に、測光用としてモニターセンサ（ｐｎフォ
トダイオードセンサ）をオンチップ化する。このモニタ
ーセンサは、ＣＣＤセンサの動作とは別にリアルタイム
で出力レベルを検出することができるため、この検出出
力を利用して電荷蓄積時間やＯＦＤ閾値をその時の光量
に最適化した値に制御できるようにしたものである。以
下、具体的な実施例について説明する。

【００１２】図１は本発明の第１実施例による固体撮像
素子を示すブロック図であり、図２は、モニターセンサ
による電荷蓄積時間制御を示す説明図である。図１に示
すように、本例の固体撮像素子は、撮像素子チップ１０
と、出力信号処理系２０と、ＣＣＤ駆動系３０とを１つ
のパッケージ内に収納して構成したものである。撮像素
子チップ１０には、中央にＣＣＤセンサ１１が設けら
れ、その周囲にモニターセンサ１２を設けたものであ
る。モニターセンサ１２は、撮像素子チップ１０の上面
に設けられたｐｎフォトダイオードセンサよりなり、上
層のｐ層に入射した光を下層のｎ層で信号電荷に変換
し、その信号電荷をリアルタイムで電圧信号（モニター
センサ出力信号）として出力するものである。

【００１３】また、ＣＣＤセンサ１１の出力信号（映像
信号）は、出力信号処理系２０に出力され、ノイズ除去
やゲインコントロール等の処理を施され、デジタル映像
信号として出力される。また、ＣＣＤ駆動系３０は、Ｃ
ＣＤセンサ１１及びモニターセンサ１２を駆動するもの
であり、特に本例においては、モニターセンサ１２から
のモニターセンサ出力信号を受信し、そのレベルに応じ
てＣＣＤセンサ１１における電荷蓄積時間を制御する蓄
積時間制御信号を出力するものである。なお、本例で
は、モニターセンサ出力信号の受信部には出力レベルを
判定するコンパレータを接続し、ある基準電位と比較し
てセンサ１２の出力レベルがその基準電位以上になった
時に、コンパレータの出力が反転する。この信号を利用
してＣＣＤセンサ１１の電荷蓄積時間を制御する。ま
た、このＣＣＤセンサ１１の電荷蓄積時間を示す情報
（蓄積時間情報）は、出力信号処理系２０にも出力され
る。

【００１４】次に、図２を用いて本例における電荷蓄積
時間制御について説明する。なお、図２の縦軸はＣＣＤ
センサ出力信号の電位（ｖ）、横軸は電荷蓄積時間
（ｓ）である。本例では、入射光強度に反比例するよう
に電荷蓄積時間の制御を行い、入射光強度の大小に関わ
らず、常に一定の光電変換出力が得られるようにする。
すなわち、入射光強度が小さい場合（図２（ｂ））には
電荷蓄積時間は長くなり（Ｔ２）、入射光強度が大きい
場合（図２（ａ））には電荷蓄積時間は短くなる（Ｔ
１）。そのため露光量（入射光強度と電荷蓄積時間の
積）はほぼ一定となり、光電変換出力も一定となる。つ
まり、入射光強度（ダイナミックレンジ）を圧縮したよ
うな状態である。これを後段の信号処理系２０によっ
て、光電変換出力と電荷蓄積時間とを基に演算処理を行
い、本来のダイナミックレンジに戻すことにより、固体
撮像素子のダイナミックレンジ以上の出力が得られる。

【００１５】図３は本発明の第２実施例による固体撮像
素子を示すブロック図であり、図４は、モニターセンサ
によるＯＦＤ閾値制御を示す説明図である。なお、図１
と共通の構成については同一符号を用いて説明する。図
３に示す本例の固体撮像素子は、基本的に図１に示す構
成と同様に、撮像素子チップ１０と、出力信号処理系２
０と、ＣＣＤ駆動系３０とを有し、撮像素子チップ１０
にＣＣＤセンサ１１とモニターセンサ１２を設けたもの
であるが、ＣＣＤ駆動系３０は、モニターセンサ１２か
らのモニターセンサ出力信号を受信し、そのレベルに応
じてＣＣＤセンサ１１におけるＯＦＤ閾値を制御するＯ
ＦＤ閾値制御信号を出力するものである。なお、このＣ
ＣＤセンサ１１のＯＦＤ閾値を示す情報（ＯＦＤ閾値情
報）は、出力信号処理系２０にも出力される。

【００１６】次に、図４を用いて本例におけるＯＦＤ閾
値制御について説明する。なお、図２の縦軸はＣＣＤセ
ンサのＯＦＤ閾値（ｖ）信号の電位、横軸は電荷蓄積時
間（ｓ）である。本例では、固体撮像素子による１画像
分毎の撮像の蓄積時間の途中において、蓄積時間の推移
とともにＯＦＤ閾値を低値から高値へと切り替え変更す
る。すなわち、上述したコンパレータに与える基準電位
を、信号電荷の蓄積途中でコンパレータ出力が反転した
時に、さらに高い基準電位を加える。このことを繰り返
し行う。そして、コンパレータ出力の反転するタイミン
グでＯＦＤ閾値を切り替える。図４では、簡単のためＯ
ＦＤ閾値の切り替えが１回の場合の例を示しており、以
下に説明する。

【００１７】まず、１画像分毎の蓄積時間がＴ（ｓ）
で、蓄積開始からＴ１（ｓ）までの第１期間のＯＦＤ閾
値がＶ１、Ｔ１からＴまでの第２期間のＯＦＤ閾値がＶ
１より高いＶ２であるとする。撮像素子のフォトダイオ
ードで光電変換されて発生する信号電荷は、フォトダイ
オード領域に蓄積され、１画像分毎の撮像の蓄積時間の
推移とともに増加していく。入射光があまり強くなくて
蓄積電荷がＴ１までの第１期間においてＶ１に達しない
場合には、第１期間でＯＦＤは作用せず、全蓄積期間Ｔ
にわたって従来と同様の信号電荷蓄積が行われる（図４
（ａ））。

【００１８】また、入射光が強くて、蓄積電荷がＴ１ま
での第１期間においてＶ１に達した場合は、Ｖ１に達し
た時点からＴ１までの間に、フォトダイオードで発生す
る信号電荷は過剰電荷としてＯＦＤに逃される。その結
果、蓄積電荷は一定値Ｖ１となる。時刻Ｔ１においてＯ
ＦＤ閾値がＶ１よりＶ２に切り替わると、信号電荷の蓄
積が再開され、第２期間の推移とともに信号電荷はＶ１
より増加していく。この時、最終的に蓄積される電荷量
は第１期間での蓄積量Ｖ１に第２期間（Ｔ−Ｔ１）に蓄
積された電荷量を加えたものになる。これは入射光量に
比例した成分を含んでいる。これにより、ダイナミック
レンジの拡大（圧縮）された信号が得られる（図４
（ｂ））。

【００１９】また、蓄積時間の最終時刻Ｔ以前に蓄積電
荷がＶ２を越える場合でも、Ｖ２に達する入射光量が従
来より高い領域に移り、やはりダイナミックレンジ拡大
の効果がある（図４（ｃ））。このダイナミックレンジ
が圧縮された信号を、後段の信号処理系２０によって光
電変換出力と電荷蓄積時間とＯＦＤ閾値とを基に演算処
理を行い、本来のダイナミックレンジに戻すことによ
り、固体撮像素子のダイナミックレンジ以上の出力が得
られる。この時、モニターセンサの測光結果によって最
適なＯＦＤの閾値Ｖ１を設定すれば、より効果的にダイ
ナミックレンジの拡大ができる。

【００２０】さらに、第１実施例で説明した蓄積時間制
御と組合せ、第１期間（閾値Ｖ１）、第２期間（閾値Ｖ
２）でともに閾値を越えてしまうような強い入射光の場
合、蓄積時間を短くし、入射光量に比例した成分をより
多く含むよう設定すれば、さらに効果的にダイナミック
レンジの拡大が行える。なお、以上は最終蓄積時間Ｔを
２つに分け、ＯＦＤの閾値の切り替えを１回としたが、
これらを多数に分けても基本的動作は同様であり、より
細かい制御を行うことが可能となる。

【００２１】図５及び図６は、モニターセンサ１２の配
置例を示す正面図である。モニターセンサ１２は、１画
像分全面の入射光強度を測光できるよう、例えば図５よ
りも図６のように複数個配置させる方が望ましい。その
場合、たとえば、複数個のモニターセンサ１２のうち、
入射光強度が一番強いモニターセンサ（すなわち出力が
一番大きい）の出力を上記制御用に使えばよい。

【００２２】以上のように本発明の実施の形態では、固
体撮像素子にオンチップされた測光用のモニターセンサ
のリアルタイムな出力を用いて入射光強度に反比例する
ように電荷蓄積時間を制御することにより、一定の光電
変換出力を得ることができ、後段の信号処理回路に対す
る適正な出力レベルを保つことで信号処理回路を簡単に
できかつダイナミックレンジが拡大される。また、固体
撮像素子の１画像分毎の撮像の蓄積時間の途中におい
て、蓄積時間の推移とともに固体撮像素子のＯＦＤ閾値
を低値から高値へと切り替え変更することにより、強入
射光量領域まで入射光量に比例した成分を含む信号を撮
像素子から取り出すことが可能となり、固体撮像素子の
ダイナミックレンジが拡大される。また、測光用にＣＣ
Ｄセンサ１１ではなく別途設けたリアルタイムな出力が
可能なモニターセンサ１２を用いることにより、自動露
光（ＡＥ）にかかる時間を短縮できる効果がある。

【００２３】なお、本発明にかかる固体撮像素子及びそ
の駆動方法は、上記実施例に示す構成及び動作のものに
限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変
形が可能である。たとえば上記実施例では、ＣＣＤ固体
撮像素子を例に説明したが、本発明はこれに限定され
ず、たとえばＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像素子等に
ついても同様に適用することが可能である。また、モニ
ターセンサ１２の出力レベルに応じて電荷蓄積時間やＯ
ＦＤ閾値を制御する具体的な方法は図３や図４の例に限
らず、種々採用できるものであり、モニターセンサ１２
の出力レベルに応じて固体撮像素子の特性や用途に基づ
き、電荷蓄積時間やＯＦＤ閾値を最適化する方法であれ
ばよい。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明の固体撮像素子に
よれば、画像信号を撮像する画素センサとは別に設けた
モニターセンサによって固体撮像素子の受光量を検出
し、このモニターセンサの出力レベルをリアルタイムで
判定し、この判定結果に応じて画素センサの電荷蓄積時
間や画素センサのオーバーフロードレインの閾値を制御
することにより、撮像環境等の変化に応じて最適な電荷
蓄積時間やオーバーフロードレイン閾値を用いて撮像を
行うことができ、ダイナミックレンジの大きい固体撮像
素子を提供できる。

【００２５】また、本発明の固体撮像素子の駆動方法に
よれば、画像信号を撮像する画素センサとは別に設けた
モニターセンサによって固体撮像素子の受光量を検出
し、このモニターセンサの出力レベルをリアルタイムで
判定し、この判定結果に応じて画素センサの電荷蓄積時
間や画素センサのオーバーフロードレインの閾値を制御
することにより、撮像環境等の変化に応じて最適な電荷
蓄積時間やオーバーフロードレイン閾値を用いて撮像を
行うことができ、固体撮像素子のダイナミックレンジを
拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による固体撮像素子を示す
ブロック図である。

【図２】図１に示す固体撮像素子のモニターセンサによ
る電荷蓄積時間制御を示す説明図である。

【図３】本発明の第２実施例による固体撮像素子を示す
ブロック図である。

【図４】図３に示す固体撮像素子のモニターセンサによ
るＯＦＤ閾値制御を示す説明図である。

【図５】図１及び図３に示す固体撮像素子のモニターセ
ンサの配置例を示す正面図である。

【図６】図１及び図３に示す固体撮像素子のモニターセ
ンサの配置例を示す正面図である。

【符号の説明】

１０……撮像素子チップ、１１……ＣＣＤセンサ、１２
……モニターセンサ、２０……出力信号処理系、３０…
…ＣＣＤ駆動系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA02 AA09 AB01 BA10 FA06 FA12 5C022 AA11 AA13 AB18 AC42 5C024 CX45 CX68 EX12 GY01 GZ02 5C051 AA01 BA03 DA06 DB01 DB07 DC02 DC03 DC07 DE05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画像信号を撮像する画素センサとは別に
受光量を検出するモニターセンサと、前記モニターセンサの出力レベルをリアルタイムで判定
する判定手段と、前記判定手段の判定結果に応じて前記画素センサの電荷
蓄積時間を制御する蓄積時間制御手段と、を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】前記蓄積時間制御手段は、前記モニター
センサの出力レベルが大きいときには電荷蓄積時間を短
くし、前記モニターセンサの出力レベルが小さいときに
は電荷蓄積時間を長くするように制御することを特徴と
する請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】前記モニターセンサは素子チップ上に設
けられたフォトダイオードよりなるオンチップセンサで
あることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】前記モニターセンサは素子チップ上に複
数設けられていることを特徴とする請求項３記載の固体
撮像素子。
【請求項５】前記判定手段は、複数のモニターセンサ
のうち最も大きい出力レベルを用いて判定を行うことを
特徴とする請求項４記載の固体撮像素子。
【請求項６】画像信号を撮像する画素センサとは別に
受光量を検出するモニターセンサと、前記モニターセンサの出力レベルをリアルタイムで判定
する判定手段と、前記判定手段の判定結果に応じて前記画素センサのオー
バーフロードレインの閾値を制御する閾値制御手段と、を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】前記判定手段は、１画像分の電荷蓄積時
間の途中において、前記モニターセンサの出力レベルの
変化を逐次判定し、前記閾値制御手段は、１画像分の電
荷蓄積時間の途中において、前記判定手段における判定
状態に応じて前記オーバーフロードレインの閾値を低値
から高値へと切り替え変更することを特徴とする請求項
６記載の固体撮像素子。
【請求項８】前記モニターセンサは素子チップ上に設
けられたフォトダイオードよりなるオンチップセンサで
あることを特徴とする請求項６記載の固体撮像素子。
【請求項９】前記モニターセンサは素子チップ上に複
数設けられていることを特徴とする請求項８記載の固体
撮像素子。
【請求項１０】前記判定手段は、複数のモニターセン
サのうち最も大きい出力レベルを用いて判定を行うこと
を特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
【請求項１１】画像信号を撮像する画素センサとは別
に受光量を検出するモニターセンサを設け、前記モニターセンサの出力レベルをリアルタイムで判定
し、この判定結果に応じて前記画素センサの電荷蓄積時
間を制御する、ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１２】前記モニターセンサの出力レベルが大
きいときには電荷蓄積時間を短くし、前記モニターセン
サの出力レベルが小さいときには電荷蓄積時間を長くす
るように制御することを特徴とする請求項１１記載の固
体撮像素子の駆動方法。
【請求項１３】画像信号を撮像する画素センサとは別
に受光量を検出するモニターセンサを設け、前記モニターセンサの出力レベルをリアルタイムで判定
し、この判定結果に応じて前記画素センサのオーバーフ
ロードレインの閾値を制御する、ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１４】１画像分の電荷蓄積時間の途中におい
て、前記モニターセンサの出力レベルの変化を逐次判定
し、その判定状態に応じて前記オーバーフロードレイン
の閾値を低値から高値へと切り替え変更することを特徴
とする請求項１３記載の固体撮像素子の駆動方法。