JPH02192277A

JPH02192277A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH02192277A
Application number: JP63245132A
Authority: JP
Inventors: Jun Hasegawa; 潤長谷川
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1988-08-01
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1990-07-30

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】皇呈上東机里允！本発明は光電変換部とＣ　Ｃ　Ｄ　（ｃｈａｒｇｅ　ｃ
ｏｕｐｌｅｄｄｅｖ　ｉｃｅ）等で構成される固体撮像
装置に間するものである。

送沸ｍ避ＣＯＤを用いた固体撮像装置は、画素数が増えても出力
部分は１カ所なので増幅回路も一系統で済むという利点
があるが、一般にダイナミックレンジが狭いため光計測
等の如き広いダイナミックレンジを要する用途には不向
きであった。ＣＯＤ固体撮像装置を広いダイナミックレ
ンジで動作させる１つの方法は特開昭６３−６３９２８
号に教示されているように電荷の蓄積（積分）時間を切
り換えることである。

｛゜シよ゛と　る音しかしながら、この従来の方法では制御が？ｊｔ雑にな
るだけでなく、瞬間的に変化する光には対応できないと
いう欠点がある。

本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、簡
単な制御で広いダイナミックレンジを得ることができる
と共に瞬間的に変化する光にも対応できるようにした新
規な固体撮像装置を提供することを目的とする。

蕾　　　”るための上記の目的を達成する本発明の固体撮像素子は、各段−
の電荷を順次転送し出力するアナログ転送レジスタと、
前記アナログ転送レジスタの両側に設けられた互いに感
度の異なる光電変換部列と、前記各光電変換部列と前記
アナログ転送レジスタとの間にあって前記光電変換部列
で発生し蓄積された各画素の電荷をそれぞれ前記アナロ
グ転送レジスタの異なる段へ移送する電荷移送手段と、
を有する構成となっている。

尚、その場合に、前記電荷移送手段が一方の光電変換部
列の各画素で発生した電荷を前記アナログ転送レジスタ
の奇数番目の段に移送し他方の光電変換部列の各画素で
発生した電荷を前記アナログ転送レジスタの偶数番目の
段に移送するように構成するとよい。

作−■ 本発明の構成によると、同一の入射波長の光に対し、そ
れぞれ感度の高い撮像素子の出力電荷と感度の低い撮像
素子の出力電荷が一系統のアナログ転送レジスタの異な
る段に与えられ、これらの出力電荷が前記転送レジスタ
から順次独立に出力されるので、この出力を更に出力選
択回路によって選択するという構成を採ることができ、
これによってダイナミックレンジの拡大化が図れる。し
、かも、その制御は簡単なもので済む。また、上記構成
によれば、瞬間的に変化する光にも対応できる。

スー施−医以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。尚、
以下の説明では固体撮像装置を分光計測に使用する場合
を例に挙げて説明していくことにする。第１図は本実施
例の固体撮像装置に関する分光センサの概念図を示す。

同図において、分光フィルタ（１）はＸ方向に沿ってそ
の分光透過主波長が連続的に変化するようにＸ方向の厚
みがＸ方向に沿って漸次大きくなされており、またＹ方
向に沿っては、その分光透過主波長が一様であるように
前記厚みが一定に形成されている。この分光フィルタ（
１）の下方には、受光部にＸ方向に分割された複数の画
素をもつリニア出力のＣＣＤ固体撮像素子（２）が配さ
れている。分光センサにＸ方向から入射した光（３）は
分光フィルタ（１）により分光された後、ＣＣＤ固体撮
像素子（２）に到達し、該ＣＣＤ固体撮像素子（２）の
各画素で光電変換される。

第２図（ａ）に上記分光センサをＸ方向に沿って断面し
た断面構成図を示し、同図（ｂ）に各画素の出力特性を
示す。第２図（ａ）において入射光（３）は分光フィル
タ（１）に入射する。ＣＣＤ固体撮像素子の画素（４ａ
）に入射する光はその上方に位置する分光フィルタ（１
）により分光された主波長λ１の波長の光であり、また
画素（４ｂ）に入射する光は前記分光フィルタ（１）に
より分光された主波長λ２の波長の光である。各画素の
出力は第２図（ｂ）に示され、画素（４ａ）に対する出
力（５ａ）は主波長λ１の光の分光出力に対応し、画素
（４ｂ）に対する出力（５ｂ）は主波長λ２の光の分光
出力に対応する。

次に本実施例に於けるダイナミックレンジ拡大の原理に
ついて述べる。第３図（ａ）は従来のＣＣＤ固体撮像素
子による入射光量と出力の関係を示しており、領域Ｉは
光量が掻く小さい場合に相当し、出力は暗時出力分だけ
が現われ、一定の出力となっている。この領域は光の強
弱に対応する出力が得られないため分光センサとして使
用できない領域である。一方領域■は光量が極く大きい
場合に相当し、画素に蓄積し得る最大の電荷量まで電荷
が蓄積されて飽和しているためやはり一定の出力となっ
ていて領域■に同様に分光センサとして使用できない領
域である。そのため、結局、分光センサとして使用でき
る領域は■だけであり、この幅がダイナミックレンジで
あるが、通常この幅は２〜３桁程度であり分光計測に必
要とされるスペックを満足しない場合が多い。

本実施例においては、第３図（ｂ）のように感度の異な
る画素を並用することによってダイナミックレンジの拡
大を図っている。第３図（ｂ）に於いてグラフ（６ａ）
は高感度の画素の出力を表わし、グラフ（６ｂ）は低感
度の画素の出力を表わしている。

この場合、領域ｒは高感度画素も低感度画素も暗時出力
の領域であり使用不能な領域である＊　ｆ’Ｉ域１１−
ａは低感度画素については暗時出力の領域であるが、高
感度画素については入射光の強弱に対応した出力の得ら
れる使用可能領域となっている。

領域ｎ−ｂは低感度画素、高感度画素のどちらも入射光
の強弱に対応した出力の得られる使用可能領域となって
いる。

ここで、低感度画素と高感度画素の双方で使用できるよ
うに２つの画素の使用可能領域をオーバーラツプさせて
いるのはプロセス上のバラツキによって飽和出力のレベ
ルが変動しても使用可能領域を確保するためである。領
域１１−ｃは高感度画素については飽和出力の領域であ
るが、低感度画素は入射光の強弱に対応した出力の得ら
れる使用可能領域となっている。領域■は高感度画素も
低感度画素も飽和出力の領域であり使用不能な領域であ
る。第３図（ａ）と（ｂ）を比較して明らかなように高
感度画素と低感度画素を並用することによって分光セン
サとして使用できる領域の拡大が可能となり精度の高い
分光計測にも使用できる分光センサが得られる。

次に高感度画素と低感度画素を並用する本実施例の固体
撮像装置の構成について述べる。

第４図において、分光フィルタ（１）は第１図と同じく
Ｘ方向に連続的に分光透過主波長が変化するようになさ
れ、かつＹ方向は一様であるようになされている。この
分光フィルタ（１）に対し、高感度画素を有するＣＣＤ
固体撮像素子（３１）と、低感度画素を有するＣＣＤ固
体撮像素子（３２）が転送レジスタ（２５）を共有する
形で配設されている。ここで、（２２）、　（２８）は
それぞれオーバーフロードレインであり、フォトダイオ
ード（２３）、　（２７）で発生して蓄積しきれなくな
った過剰電荷を排出する機能をもつ、　（２４）、　（
２６）はそれぞれ移送ゲートであり、フォトダイオード
（２３）、　（２７）で発生し蓄積された電荷をアナロ
グ用の転送レジスタ（２５）へ移送する機能を持つ、転
送レジスタ（２５）は移送された各フォトダイオードの
出力電荷を転送し順次出力する。同図から明らかなよう
に分光フィルタ（１）の成る場所Ｘ・を通過した分光透
過主波長λ０の光はフォトダイオード（２３）とフォト
ダイオード（２７）の両方に入射する０本実施例ではフ
ォトダイオード（２３）の面積をフォトダイオード（２
７）の面積より大きくすることによりＣＣＤ固体撮像素
子（３１）の画素を高感度にし、ＣＣＤ固体撮像素子（
３２）の画素を低感度にしている。この第４図の実施例
のＣＣＤ固体撮像素子部分の詳細図を第５図に示す。

第５図において、転送レジスタ（２５）のピッチはフォ
トダイオード（２３）　（２７）のピッチの２であり段
数は高感度フォトダイオードの数と低感度フォトダイオ
ードの数の和になっている。（Ａ１）〜（Ａｓ）は高感
度フォトダイオードを示し、（Ｂｌ）〜（Ｂ、）は低感
度フォトダイオードを示している。（３３）は遮光用の
アルミニウム膜であり、転送レジスタ（２５）。

移送ゲート（２４）　（２６）及び各フォトダイオード
の一部を覆っている。移送ゲート（２４）　（２６）に
バイアスを印加するとフォトダイオード（ＡＩ）で発生
蓄積された電荷は転送レジスタ（２５）の１つの奇数番
目の段（Ｃ１）に移送される。またフォトダイオード（
Ｂ、）で発生し、蓄積された電荷は転送レジスタ（２５
）の他の１つの偶数番目の段（Ｃ１°）に移送される。

フォトダイオード（Ａ８）〜（八、）及び（Ｂｚ）〜（
ＢＳ）についても同様である０以上のようにして各フォ
トダイオードの電荷は全て転送レジスタ（２５）へ移送
される。その後、転送レジスタ（２５）は各段の電荷を
転送し順次出力する。更に、その後は出力選択回路（２
９）で各フォトダイオードの出力データの選択及び規格
化を行ない出力端子（３０）へ選択された出力のみを導
出する。この出力選択回路（２９）は例えばマイ゛クロ
コンピユータの如き演算機能を有する要素を備えている
ものとする。第６図は転送レジスタ（２５）の出力を示
した図であって、高感度ＣＣＤ固体撮像素子（３１）の
出力ＶｉＨおよび低感度ＣＣＤ固体撮像素子（３２）の
出力ＶｉＬが交互に出力される。

ここで、■、は高感度ＣＣＤ固体撮像素子（３１）のｉ
番画素出力を表わしている。同様にＶｔｔは低感度ＣＣ
Ｄ固体撮像素子（３２）のｉ番画素出力を表わしている
。

今、各ＣＣＤ固体撮像素子（３１）　（３２）のｉ番画
素に第３図に示した領域ｎ−ｂの光が入射しくｉ＋１）
番画素に第３図に示した領域１１−ｃの光が入射しくｉ
＋２）番画素に第３図に示した領域１１−ａの光が入射
したものとして出力選択回路（２ｇ）によるデータの選
択の方法について第７図のフローチャートを参照して説
明する。まず、ステップ（雲１）で画素番号としてｉ−
１を設定する。次にステップ（１１１）で低感度画素の
出力ｖ！Ｌを読込み、ステップ（１１１２）で高感度画
素の出力■１を読込む。次にステップ（Ｉ２）で高感度
画素の出力ＶｉＮと飽和出力値■□、の比較を行なう。

この飽和出力値Ｖ、□は前もって測定してストックして
おくものとする。

第６図の出力の場合ｖ　ｉＮ＜　ｖ　ｓａｔであるから
ステップ（嘗４）へ進む、ステップ（１４）では高感度
画素出力Ｖ　ｉ　Ｈをその高感度画素の感度Ｒ４Ｎで割
りでデータの規格化を行っている。この時■ム、は暗時
出力■４．□以上の出力となっているがＶｉＨ＞ＶｉＬ
であるのでノイズ等の影響を受は難いＶｉＭの方を選択
している。次に、ステップ（１１５）へ進み全画素につ
いて上記選択が完了したか否かをチエツクする。

ここでＮＯの場合、ステップ（＋１６）で画素番号を１
つインクリメントし、ステップ（Ｉ２）へ戻る。ステッ
プ（Ｉ１２）で続いてｖｏ＋ｌ）、ｌとＶ。ｔの比較を
行なう。第６図の出力の場合Ｖ　（ｉ＊ＩＩ　Ｈ−Ｖ　
ｓａｔであるからステップ（目３）へ進む、このステ・
ンプ（霧３）では低感度画素出力Ｖ（ｉ、ｌ）Ｌをその
低感度画素の感度Ｒｆ！ｌ）Ｌで割り、データの規格化
を行っている。

以上の処理を繰り返すことによりＣＣＤ固体撮像素子（
３１）　（３２）の全画素についてデータが得られる。

各データは第３図の領域ｎ−ａ、　　Ｕ　−す、　　ｎ
−ｃに対応するため極めてダイナミックレンジの広いデ
ータが得られ高精度計測用の分光センサとして有効とな
る。

上述した本実施例で転送レジスタは２相又は４相で駆動
されるが、それ以外の何相駆動でも構わない、また本実
施例ではフォトダイオードから直接電荷を読み出してい
るが、フォトダイオードと移送ゲートの間にＭＯ３容量
で形成した電荷蓄積部を設けたり、或いはその他の構成
要件を付加してもよい。

光里坐四来以上の通り本発明によれば、感度の異なる光電変換部列
を配しているので、それらの出力を選択することによっ
てダイナミックレンジを拡大することができる。その場
合、従来のような電荷の蓄積時間を制御するものに比べ
て制御方法が簡単で、瞬間的に変化する光にも対応でき
る。

また、本発明によれば前記感度の異なる光電変換部列の
出力を一系統の転送レジスタで共通に出力するようにし
ているので、チップサイズの縮小。

歩留りの向上、外付は回路の削減を図ることができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像装置に関する分光センサの概
念図であり、第２図はその原理説明図である。第３図は
本発明によるダイナミックレンジの拡大方法を従来例と
対比して説明するための図である。第４図は本発明を実
施した固体撮像装置を分光計測装置に適用した場合の構
成図であり、第５図はその固体撮像素子部の構成図であ
る。第６図はその各固体撮像素子の出力例を示す図、第
７図は出力選択回路の動作フローを示すフローチャート
である。（１）・−・分光フィルタ。（２３）・・・高感度フォトダイオード。（２４）　（２６）・・−移送ゲート、　（２５）・・
・転送レジスタ。（２７）・−・低感度フォトダイオード。（３１）　（３２）−・−ＣＣＤ固体撮像素子。（Ｃ＋）〜（Ｃｓ）−転送レジスタの奇数段。（Ｃ＋°）〜（Ｃｓ’）・・・転送レジスタの偶数段。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）各段の電荷を順次転送し出力するアナログ転送レ
ジスタと、前記アナログ転送レジスタの両側に設けられ
た互いに感度の異なる光電変換部列と、前記各光電変換
部列と前記アナログ転送レジスタとの間にあって前記光
電変換部列で発生し蓄積された各画素の電荷をそれぞれ
前記アナログ転送レジスタの異なる段へ移送する電荷移
送手段と、を有する固体撮像装置。
（２）前記電荷移送手段が、一方の光電変換部列の各画
素で発生した電荷を前記アナログ転送レジスタの奇数番
目の段に移送し他方の光電変換部列の各画素で発生した
電荷を前記アナログ転送レジスタの偶数番目の段に移送
することを特徴とする第１請求項に記載の固体撮像装置
。