JP2720478B2 - 縦型オーバーフロードレインを備える固体撮像素子を用いた測光装置 - Google Patents

縦型オーバーフロードレインを備える固体撮像素子を用いた測光装置

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JP2720478B2 JP63262367A JP26236788A JP2720478B2 JP 2720478 B2 JP2720478 B2 JP 2720478B2 JP 63262367 A JP63262367 A JP 63262367A JP 26236788 A JP26236788 A JP 26236788A JP 2720478 B2 JP2720478 B2 JP 2720478B2
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    • H04N25/622—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming by controlling anti-blooming drains

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、縦型オーバーフロードレインを備える固体
撮像素子を使用した測光装置に関する。
［従来の技術］ 従来、銀塩フィルムを使用して静止画を記録する銀塩
スチルカメラや、銀塩フィルムを使用して動画を記録す
る銀塩ムービーカメラや、撮像素子と磁気フロッピーデ
ィスク等の電子的メモリーを使用して静止画を記録する
電子スチルカメラや、撮像素子と磁気テープを使用して
動画を記録するビデオカメラ等種々のカメラがある。こ
れらカメラのフィルムや撮像素子への露光量を最適に調
節するために測光装置が備えられる。今、電子スチルカ
メラの撮像用CCDを測光用の素子として兼用する場合を
例にとって説明すると、撮影操作に伴う測光タイミング
でCCDを駆動状態とし、更にダイナミックレンジ不足を
補うために動画撮影のためのビデオカメラ同様、絞り制
御をしながら測光している。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来技術では測光タイミン
グにおいても露光制御等と同様にCCD駆動や絞り制御を
連続して行なわなければならず、１回の撮影動作におけ
るCCDの駆動時間が長くなり、消費電力が増加して電池
電源による使用可能期間が短くなってしまう問題があっ
た。
電子スチルカメラ以外でも又撮像素子と測光素子とを
兼用しない場合であっても従来の測光方式では測光のた
めに電力を消費することに変わりが無いので上記同様の
問題があった。
更に、画面を複数に分割してそれぞれに測光し、それ
ぞれの出力を選択、組み合わせ、重みづけ、演算等の処
理をして適正な露光量を決定するような露光量決定方式
（以下、マルチパターン測光方式と称する）に用いるた
めにCCDの受光面を複数に分割した場合は、分割された
各受光部の測光出力を高速で出力するための信号処理回
路が必要で、この信号処理回路が回路を複雑にしてい
た。
第７図は従来一般的に使用されている横型オーバーフ
ロードレインを備えたCCDで、受光面を複数に分割する
場合の構造を示す模式図である。
71,72,73,74はそれぞれ分割されたオーバーフロード
レインの電極であり、それぞれa,b,c,dの画素感光部の
測光に使用されるものである。このような構造の場合、
素子表面にオーバーフロードレインを分割してつくり込
まなければないばかりでなく画素の感光部をよけながら
分割された各オーバーフロードレインを接続しなければ
ならず、微細な加工技術を必要とし、素子の歩どまりを
悪くしたり、性能を悪化させたりするという問題点があ
った。
本発明は、このような従来の問題点を鑑みてなされた
もので、消費電力を増加させずに露光量を決定できる測
光装置を提供することを目的とする。
更に、マルチパターン測光を回路を複雑にして微細加
工を必要とすることなく実現するために好適な測光装置
を提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため請求項１の発明は、素子のサ
ブストレートを使用した縦型オーバーフロードレインを
備える固体撮像素子に於いて、 前記素子に蓄積された電荷を固体撮像素子外部に転送
する転送レジスタと、 前記転送レジスタに対するパルス駆動を停止するとと
もに、前記縦型オーバーフロードレインに対するバイア
スを零とする駆動停止手段と、 前記駆動手段による前記固体撮像素子の駆動停止状態
で前記オーバーフロードレインへ流入する光電流を測定
する測定手段とを設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、前記固体撮像素子のサブストレー
トに対応して形成された縦型オーバーフロードレイン電
極を、撮影画面に分割設定した測光領域に対応して複数
の電極領域に分割し、該電極分割領域毎に前記測定手段
を設けたことを特徴とする。
［作用］ このような構成を備えた測光装置では測光タイミング
においては、バイアスも掛けないような状態に完全にCC
Dを停止させ、この停止状態で受光部からオーバーフロ
ードレインに流入する光電流を測定しているため、消費
電力を増加させずに測光を行うことができる また撮影画面の中央部分のみを測光する中央重点測
光、画面全体を測光する平均測光等の各種測光モードに
ついては、CCDのサブストレート電極を画面に設定する
測光領域に対応して絶縁分割することによって、各分割
電極領域毎にオーバフロードレインに流入する光電流を
測定し、この測定結果の選択、組合せ、重みづけ、演算
等により最適の撮影条件を決定するマルチパターン測光
方式が可能である。
［実施例］ 第１図は本発明による測光装置の原理説明図であり、
固体撮像素子としてインタライン型CCDの撮像部断面と
測光回路部を示している。
第１図において、まずインタライン型CCDの撮像部を
説明すると、１はｎ型シリコン基板（ｎ型サブストレー
ト）であり、ｎ型シリコン基板１の表面側に電極1Aが形
成されている。ｎ型シリコン基板１上にはｐ型領域２が
形成され、このｐ型領域２の中のｐレイヤー2aの上部に
は、光電変換用の受光画素を構成する光電荷蓄積層３が
作られ、またｐウェル2bの上部には垂直CCD転送レジス
タ４が作られ、光電荷蓄積層３と垂直CCD転送レジスタ
４との間には転送ゲート８が作られる。光電荷蓄積層３
と転送ゲート８の上部にうすいｐ型層30が作られる。
また、光電荷蓄積層３及び垂直CCD転送レジスタ４の
表面側にはSiO2でなる絶縁層が形成され、垂直CCD転送
レジスタ４上のSiO2絶縁層内には転送レジスタ電極５が
設けられ、更に垂直CCD転送レジスタ４及び転送ゲート
８を覆って遮光層９を形成している。
このようなインタラインCCDの撮像部構造に対する本
発明の測光回路部として電流電圧変換アンプ７が設けら
れ、ｐ型領域２を電流電圧変換アンプ７の一方に入力接
続すると共に、ｎ型シリコン基板１の電極1Aを切換スイ
ッチ６を介して電流電圧変換アンプ７又はバイアス電源
ＶSUBに切換接続できるようにしている。
ここで、第１図に示したインタラインCCDでなる固体
撮像素子の駆動状態にあっては、切換スイッチ６をバイ
アス電源ＶSUB側に切換えることでバイアス電圧ＶSUBを
かけ、一方、垂直CCD転送レジスタ４の電極５には転送
用の駆動パルスが印加されている。
このように第１図のインタライン型CCDの駆動状態に
おけるポテンシャル分布（電位分布）を第２図に示す。
第２図に示すインタラインCCDの駆動状態における電
位分布にあっては、外部からの光を受けて光電荷蓄積層
３で生成された信号電荷がｐ型領域２のｐレイヤー2aを
越えるとｎ型シリコン基板１の電極1Aに印加したバイア
ス電位ＶSUBに流れ、垂直CCD転送レジスタ４には電荷が
混入しないため、所謂ブレーミング現象は起きない。
この第２図に示すようなポテンシャル分布をもつ構造
のｎ型シリコン基板１を縦型オーバーフロードレイン
（OFD）という。
このようなｎ型シリコン基板１、即ちサブストレート
を縦型オーバーフロードレインとしたインタライン型CC
Dを駆動した状態にあっては、光電荷蓄積層３による最
大蓄積電荷は限られ、光電荷蓄積層３の発生電荷を垂直
CCD転送レジスタ４により外部に読み出して露光量を決
定するためのダイナミックレンジは限られる。
これに対し光電荷蓄積層３からあふれ出してｎ型シリ
コン基板１、即ちオーバーフロードレインに流出する光
電流は垂直CCD転送レジスタ４への読み出しを行なわな
ければ全ての受光画素、即ち光電荷蓄積層３でオーバー
フローがおこり、その結果、オーバーフロードレインに
流出する電流はそのときの受光量に比例することにな
る。
しかしながら、ｎ型シリコン基板１にバイアス電圧Ｖ
SUBをかけた状態にあっては、オーバーフロードレイン
へ流出する電流はｐ型領域２の深部で発生する暗電流の
割合が大きく、光電荷蓄積層３から流出する微小な光電
流を測定することは事実上困難である。
ところが、オーバーフロードレインに流出する暗電流
は、ｎ型シリコン基板１にバイアス電圧をかけていない
状態では発生せず、無バイアス状態では光電荷蓄積層３
から流出した光電流４の測定が可能である。
そこで垂直CCD転送レジスタ４に対するパルス駆動を
停止すると同時にｎ型シリコン基板１上のｐ型領域２に
対するバイアスの全て零とした状態を考える。
第３図は固体撮像素子、即ちインラタイン型CCDの駆
動を停止し、且つバイアスを零としたときの光電荷蓄積
層３の直下における深さ方向のコンダクションバンドの
ポテンシャル分布を示す。
第３図において、Efは外部からの光が入らない平衡状
態でのフェルミレベルであり、遮光状態においては光電
荷蓄積層３は空となっており、図中のポテンシャルＩの
状態にある。
この状態で光電荷蓄積層３に外部より光が入射する
と、光電荷は光電荷蓄積層３内のポテンシャルレベルII
まで蓄積され、その後、ｐ型領域２を越えて破線で示す
ようにｎ型シリコン基板１、即ちサブストレートまであ
ふれ出す。
この状態でｐ型領域２とｎ型シリコン基板１をショー
トさせれば、受光量に比例した光電流が流れるはずであ
る。勿論、光電荷蓄積層３に発生した光電荷は垂直CCD
転送レジスタ４方向へもあふれ出すことが予想される
が、この場合、垂直CCD転送レジスタ４の転送駆動も同
時に停止されているため、垂直CCD転送レジスタ４側に
あふれ出した電荷も結局はｎ型シリコン基板１へあふれ
出すことになる。
第４図は第３図に示したインタランイ型CCDの完全停
止状態、即ち垂直CCD転送レジスタの駆動停止及び無バ
イアス状態でｎ型シリコン基板１にあふれ出してくる光
電流を検出する第１図に示した電流電圧変換アンプ７の
原理説明図である。
第４図において、10は低入力電流バイアスのオペアン
プであり、オペアンプ10の開放電圧利得が非常に大きい
ときには出力電圧V0は、 V0＝−Ip・Rf （但し、Ipは光電流 Rfはフィードバック抵抗） で表される。また、入力インピーダンスはフィードバッ
ク抵抗11の抵抗値Rfを開放電圧利得で割った値となり、
入力インピーダンスは非常に小さい値となるため、近似
的にｐ型領域２とｎ型シリコン基板１とのショート電流
を測定していると見倣すことができる。
一方、第１図の素子構造に示したように、通常のイン
タライン型CCDにおける縦型オーバーフロードレインを
バイアスするための電極1Aは、素子裏側となるｎ型シリ
コン基板１の全面を覆って設けられ、撮像面全体に均一
なバイアスがかかるようにしている。
そこで、ｎ型シリコン基板１の電極1Aを分割し、各分
割電極毎に第４図の電流電圧変換アンプ７を使用して光
電流の測定を行なった場合を考える。このとき第４図に
示したように、電流電圧変換アンプ７の入力インピーダ
ンスが充分に小さければ１画素、即ち単一の光電荷蓄積
層３で発生した光電荷はその直下のオーバーフロードレ
イン電極へ大部分が流れ、横方向への拡散が比較的少な
いといえる。
従って、ｎ型シリコン基板１の全面に形成されている
電極1Aを分割した場合には、各分割電極で決まるオーバ
ーフロードレインに流れる光電流は素子撮像面に入射す
る光の２次元パターンをそのまま反映したものとなる。
従って、素子の裏面側のｎ型シリコン基板１上に形成
された電極1Aの電極分割形状を適宜の形状に定め、かつ
それらの出力に重みづけを行なったり、演算することに
より、中央重点測光、周辺重点測光、平均測光、マルチ
パターン測光（画面を複数の領域に分割し、それぞれの
領域の出力を演算して最適露出を算出するもの）等各種
方式の測光モードを簡単に設定することができる。
第５図は第１〜第４図に示した測光原理に基づく本発
明の一実施例を示した回路ブロック図である。
第５図において、12は固体撮像素子であり、固体撮像
素子12に対しては撮影レンズ21及びシャッター19を介し
て被写体像が結像される。固体撮像素子12は駆動パルス
発生器14及びパルスドライバ15により駆動され、光電荷
蓄積層、即ち受光画素にシャッター19の開放時間で決ま
る露光時間に亘って蓄積された光電荷をパルスドライバ
15による垂直転送駆動及び水平転送駆動によって発生光
電荷に応じた信号として出力する。
固体撮像素子12の出力は信号処理回路13により所定の
映像信号に変換され、記録系25に送られて１画面のスチ
ル画像データとしてディスクやメモリ等に記録される。
固体撮像素子12は第１図に示した構造を有し、ｐ型領
域２は所定の電位Vssに固定されているものとする。ま
た、第１図に示したｎ型シリコン基板１の電極1A、即ち
オーバーフロードレイン電極はｎ個に分割されており、
各分割電極毎に測光回路16に設けた測光アンプ16−１〜
16−ｎに接続されている。この測光アンプ16−１〜16−
ｎは電流電圧変換とともに対数圧縮もほどこしている。
測光アンプ16−１〜16−ｎの出力Vp1〜Vpnはインタフェ
ース回路17を介してマイクロプロセッサ（MPU）18に入
力され、マイクロプロセッサ18のプラグラム制御のもと
に撮影操作に伴う測光から露出制御及び撮像データの記
録に関する一連の処理動作を行なう。
更に、固体撮像素子12に対しては電源ＶDDと所定電位
Vssを切換える切換スイッチ22が設けられ、信号処理回
路13に対しては電源Vccと所定電位Vssを切換えるスイッ
チ23が設けられ、更に測光回路16の測光アンプ16−１〜
16−ｎに対してはバイアス電源ＶSUBと所定電位Vssを切
換える切換スイッチ24が設けられている。更に、マイク
ロプロセッサ18に対してはシャッターレリーズ釦の押込
操作に伴うレリーズ信号が与えられ、またインタフェー
ス回路20を介して撮影レンズ21に対する絞り制御、シャ
ッター19の制御ができるようにしている。
次に、愛５図を参照して測光制御を含む一連の撮影動
作を説明する。
まず露出制御に先立って測光動作を行なうため、スイ
ッチ22及び23をVss側に切換えて固体撮像素子12の駆動
を停止し、同時にスイッチ24をVss側に切換えて固体撮
像素子12を無バイアスとする。
このような固体撮像素子12の駆動を完全に停止した状
態で、固体撮像素子12の分割されたオーバーフロードレ
イン電極のそれぞれから流出する電流を測光回路16に設
けた測光アンプ16−１〜16−ｎで測定し、その測定出力
電圧Vp1〜Vpnをインタフェース回路17を介してマイクロ
プロセッサ18が順次取り込み、マイクロプロセッサ18上
のRAM等に格納する。勿論、この測光動作時においては
シャッター19はマイクロプロセッサ18による制御のもと
にインタフェース回路20を介して開放状態におかれてい
る。
続いて、レリーズ釦の深押し操作によりマイクロプロ
セッサ18に対しレリーズ信号が与えられると、マイクロ
プロセッサ18はシャッター19を一旦閉じ、このシャッタ
ー19の閉成状態でスイッチ22をＶDD側、スイッチ23をVc
c側、更にスイッチ24をバイアス電源ＶSUB側に切換え、
固体撮像素子12、信号処理回路13、更に記録系25を動作
状態とする。
続いて、マイクロプロセッサ18は既に得られている測
光回路16による測光値によって決定された露出量を得る
ための絞り値及びシャッター時間に従って撮影レンズ21
の絞り制御及びシャッター19の駆動を行って露光し、シ
ャッター19を閉じた後に固体撮像素子12から撮影被写体
に対応した光電荷蓄積量に対応した信号出力を読み出し
て信号処理回路13で所定の信号処理を施して映像信号に
変換し、記録系25に出力して１画面分のスチル画像デー
タを記録する。
第６図は第５図の固体撮像素子12のオーバーフロード
レイン電極、即ち第１図に示したｎ型基板１を覆って設
けた電極1AをP1〜P5の５つの電極に分割した場合を示
す。
このような縦型オーバーフロードレイン電極の分割数
及び分割形状は任意に定めることができる。
例えば第６図にあっては、中央の電極P1を略丸型、周
囲の４つの電極P2〜P5を略矩形としており、例えば中央
重点測光を行ないたい場合には中央の電極P1の測光結果
により露出量を決めれば良い、また、平均測光にあって
は、全ての電極P1〜P5の測光出力を用いれば良い。
ここで縦型オーバーフロー電極の分割数及び分割パタ
ーンは任意に定めることができるが、電極分割状態にあ
っても必ず素子の縦型オーバーフロードレイン全面を覆
うように電極を形成しなければならない。
即ち、撮像面の測光パターンに対応して特定の部分に
のみ電極パターンを形成した場合には、電極が存在する
部分と電極が存在しない部分とで電位勾配がおき、個体
撮像素子を動作させたときに充分なオーバーフロードレ
インの効果が得られなくなるので、オーバーフロードレ
イン電極は素子全面に設けた状態で分割しなければなら
ない。
更に、第５図の実施例にあってはメカニカルシャッタ
ーを使用しているが、純電子的にシャッター効果が得ら
れる個体撮像素子を使用すれば、シャッター19及び撮影
シーケンスにおけるシャッター制御を省略することがで
きる。
［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、撮像用の個
体撮像素子自体を使用して測光しているため、測光セン
サや光学系を別途必要とすることがなく、更に撮像用の
個体撮像素子を測光に使用していても測光時にあって
は、個体撮像素子自体の駆動は完全に停止し、また信号
処理回路自体も動作していないので極く僅かな電力消費
をもって測光を行なうことができ、撮像用の個体撮像素
子を測光に使用しても電池寿命を縮めてしまうことはな
い。
また、縦型オーバーフロードレイン電極を分割するこ
とにより簡単な構造で微細加工することなしにマルチパ
ターン測光を簡単に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の測光原理説明図； 第２図は第１図のCCD駆動状態のポテンシャル分布図； 第３図は第１図のCCDの駆動を停止すると共に無バイア
スとした時のポテンシャル説明図； 第４図は本発明に用いる測光回路の原理説明図； 第５図は本発明の一実施例を示した回路ブロック図； 第６図は本発明の測光装置に用いるCCDのオーバーフロ
ードレイン電極の分割状態を示した説明図、 第７図は横型オーバーフロードレインを備えるCCDの受
光面を多分割する場合の模式図である。 1:n型シリコン基板（ｎ型サブストレート） 1A:電極（縦型オーバーフロードレイン電極） 2:p型領域 2a:pレイヤー 2b:pウェル 3:光電荷蓄積層 4:垂直CCD転送レジスタ 5:転送レジスタ電極 6:切換スイッチ 7:電流電圧変換アンプ 8:転送ゲート 9:遮光部 10:オペアンプ 11:フィードバック抵抗（Rf） 12:個体撮像素子（インタライン型CCD） 13:信号処理回路 14:駆動パルス発生器 15:パルスドライバ 16:測光回路 16−１〜16−n:測光アンプ 17,20:インタフェース回路 18:マイクロプロセッサ（MPU） 19:シャッター 21:撮影レンズ 22,23,24:スイッチ 25:記録系

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】素子のサブストレートを使用した縦型オー
    バーフロードレインを備える固体撮像素子に於いて、 前記素子に蓄積された電荷を固体撮像素子外部に転送す
    る転送レジスタと、 前記転送レジスタに対するパルス駆動を停止するととも
    に、前記縦型オーバーフロードレインに対するバイアス
    を零とする駆動停止手段と、 前記駆動手段による前記固体撮像素子の駆動停止状態で
    前記オーバーフロードレインへ流入する光電流を測定す
    る測定手段とを設けたことを特徴とする縦型オーバーフ
    ロードレインを備える固体撮像素子を用いた測光装置。
  2. 【請求項２】前記固体撮像素子のサブストレートに対応
    して形成された縦型オーバーフロードレイン電極を、撮
    影画面に分割設定した測光領域に対応して複数の電極領
    域に分割し、該電極分割領域毎に前記測定手段を設けた
    ことを特徴とする請求項１記載の縦型オーバーフロード
    レインを備える固体撮像素子を用いた測光装置。
JP63262367A 1988-10-18 1988-10-18 縦型オーバーフロードレインを備える固体撮像素子を用いた測光装置 Expired - Lifetime JP2720478B2 (ja)

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EP89310677A EP0365294B1 (en) 1988-10-18 1989-10-18 Photometric apparatus employing solid-state imaging device
DE68926990T DE68926990T2 (de) 1988-10-18 1989-10-18 Photometrisches Gerät mit einem Festkörperbildsensor

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