JPH04275785A - 固体撮像装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、再生画像の画質を向上
せしめた固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ等の固体撮像素子は撮像管に比べ
小型化、軽量化が容易なのでホームビデオ等の民生用の
撮像機器に多く用いられている。更に近年のＩＣ製造技
術の発展に伴いその高精細化、低雑音化も進んでいる。 図１７はこのような固体撮像素子を用いた撮像機器の自
動絞り機構の原理を示す図である。

【０００３】固体撮像素子５１に入射した光はそこで電
気信号５３に変換され、この電気信号５３は外部のマイ
クロプロセッサ５５に送られる。このマイクロプロセッ
サ５５は、画素面の一部、例えば、画素面の中央部の輝
度を計算することで基準輝度を求め、この基準輝度に対
応した制御信号５７を固体撮像素子５１に送る。そして
固体撮像素子５１は制御信号５７に従い絞りを調整する
。例えば、固体撮像素子５１がＣＣＤ撮像素子の場合に
は、制御信号５７は基板バイアス信号として与えられ、
この基板バイアス信号に応じた量の電荷を各画素から一
様に基板を通して引きぬくことで絞り調整を行っている
。

【０００４】しかしながら、従来の固体撮像装置には次
のような問題があった。即ち、従来の固体撮像装置の自
動絞り機構では、基準輝度の対象となる部分である中央
部の画素には適正な絞り機構が働くが、その周辺部で基
準輝度と大幅に異なる輝度の画素には適正な絞りが働か
ないので再生画像の画質が低下するという問題があった
。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く従来の固体
撮像装置では、その自動絞り機構が画素面の一部領域に
おける輝度を基準輝度として用いているので、基準輝度
と異なる輝度を有する画素には適正な絞りが働かなかっ
た。その結果、再生画像の画質が低下するいという問題
があった。本発明は、上記事情を考慮してなされたもの
で、その目的とするところは、画素面全体に有効に働く
絞り機構を有する固体撮像装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の固体撮像装置は、マトリクス配列された
信号電荷蓄積部が複数ブロックに分けられ、各ブロック
にはその中の一点の輝度を検出してその輝度に応じた制
御信号を出力する画素信号処理部が設けられている。一
方、各信号電荷蓄積部にはそれぞれ信号電荷引き抜き部
が設けられ、この信号電荷引き抜き部がブロック毎に画
素信号処理部から得られる制御信号により制御されて各
ブロック内の輝度に応じて過剰な信号電荷が引き抜かれ
る。また、隣接した画素信号処理部は、結合素子を介し
て接続されていることが望ましい場合がある。

【０００７】

【作用】本発明の固体撮像装置によれば、画素面が複数
ブロックに分割されて各ブロック毎に検出された輝度に
応じた量の信号電荷がそれぞれブロック内の信号電荷蓄
積部から引き抜かれるので従来に比べてより適正な絞り
調整が行われる。

【０００８】また、隣接した画素信号処理部が結合素子
を介して接続されると、各ブロック内の信号電荷引き抜
き部には、各ブロックの近傍箇所の平均輝度も考慮した
制御信号が導入される。その結果、画素信号処理部の平
均輝度が不連続に変化しても制御信号は滑らかに変化す
るので再生画面の画質を劣化を防止できる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明する
。図１には本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の
概略構成図が示されている。

【００１０】この固体撮像装置の画素面は、複数の画素
部５がマトリクス配列されてなり、各画素部５は、それ
ぞれ、例えば、光電変換して信号電荷を蓄積するフォト
ダイオ−ドと、このフォトダイオ−ドの信号電荷を転送
して読出すＣＣＤを含む。

【００１１】画素面は、複数のブロックに分けられてお
り、各ブロックに一つずつ、画素信号処理部３が設けら
れている。画素信号処理部３は、その点の輝度を検出し
て、各ブロック内の画素部５の信号電荷の過剰分を引抜
く制御を行う。したがって、各画素部５には、後述のよ
うに信号電荷引き抜き部が設けられている。

【００１２】画素信号処理部３は、図２に示されるよう
に、一端が高電位の電源電位ＶＤＤに接続されたＭＯＳ
トランジスタＴｒ１ａ，Ｔｒ１ｂ，Ｔｒ１ｃが直列接続
してなる負荷用トランジスタＴｒ１と、コレクタが負荷
用トランジスタＴｒ１の他端に接続されエミッタが低電
位の電源電位ＶＳＳに接続されているフォトトランジス
タＴｒ２と、このフォトトランジスタＴｒ２のエミッタ
とコレクタとの間に直列接続された抵抗素子Ｒとキャパ
シタＣとからなる。なお、ＭＯＳトランジスタＴｒ１ａ
，Ｔｒ１ｂ，Ｔｒ１ｃはダイオ−ド接続されている。

【００１３】このように構成された画素信号処理部３に
光が照射されると、フォトトランジスタＴｒ２の光電変
換でもってそのコレクタ−エミッタ間に電流Ｉが流れる
。この場合、電流Ｉは小さいのでＭＯＳトランジスタＴ
ｒ１ａ，Ｔｒ１ｂ，Ｔｒ１ｃはサブスレッシュホ−ルド
領域で動作することになる。したがって、エミッタとソ
−スとの接続ノ−ドＮｏの電圧は近似的に式（１）のよ
うに表すことができる。 　　　　　　　　　　Ｖｏ＝ＶＤＤ−ＫｌｏｇＩ　　　
　　　　　　　　　・・・・・・・・・・（１）ここで
Ｋは比例係数である。この電圧Ｖｏは抵抗素子Ｒとキャ
パシタＣとからなる積分回路により時間的に平均化され
た後、制御電圧として画素部５に導入される。図３は画
素部５の平面図、図４は同画素部５のＡ−Ａ´断面図で
ある。

【００１４】画素部５は半導体基板のｐ型ウェル７内に
形成されている。光電変換部兼信号電荷蓄積部は、ｎ＋
　層からなるフォトダイオ−ド１３で構成されている。 信号電荷読出し部は、ＣＣＤチャネル１６と、フォトダ
イオ−ド１３の信号電荷をＣＣＤチャネル１６に転送す
る第１の転送ゲ−ト１５とで構成されている、そして信
号電荷引き抜き部は、各フォトダイオ−ド１３のＣＣＤ
チャネル１６の反対側に隣接して設けられた所定の電圧
が印加されている高濃度のｎ＋　層からなるバイアスノ
−ド９と、このバイアスノ−ド９とフォトダイオ−ド１
３の間に設けられて画素信号処理部３からの制御信号電
圧Ｖｏにより制御される第２の転送ゲ−ト１１とで構成
されている。

【００１５】図５，図６はこのように構成された固体撮
像装置に光が照射されているときに、第１の転送ゲ−ト
１５を転送状態（オン）にした場合の画素部５内のポテ
ンシャル分布を示す図である。

【００１６】図中、ＥＳＳ，ＥＤＤは、それぞれＶｏ＝
ＶＳＳ，Ｖｏ＝ＶＤＤにおける第２の転送ゲ−ト１１の
下のポテンシャルレベルを示している。また、斜線部Ｄ
は、フォトダイオ−ド１３で発生した電荷を示している
。なお、第２の転送ゲ−ト１１の下のポテンシャルレベ
ルからＥＳＳを引いた値は、第２の転送ゲ−ト１１に画
素信号処理部３の出力電圧Ｖｏが印加されているため、
画素信号処理部３の出力電圧に比例した値、即ち、ｌｏ
ｇＩに比例した値になる。

【００１７】図５は、フォトダイオ−ド１３に照射され
るが光量Ｑが少ない場合を示している。即ち、光量Ｑ１
　を第２の転送ゲ−ト１１下のポテンシャルより低いエ
ネルギ−の電子がフォトダイオ−ド１３で発生する光量
とすると、Ｑ≦Ｑ１　の場合には、斜線部Ｄの電荷は全
て第１の転送ゲ−ト１５を通ってＣＣＤチャネル１６に
転送される。その結果、図７に示されるように光量Ｑ（
Ｑ≦Ｑ１　）に線形的な信号電荷ＬＣＴＬ　がフォトダ
イオ−ド１３から得られる。

【００１８】また、図６は、フォトダイオ−ド１３に照
射される光の量が中程度の場合である。画素信号処理部
３からの制御信号電圧Ｖｏが低下して第２の転送ゲ−ト
１１下のポテンシャルがＱ≦Ｑ１　の場合より低下して
いる（バリアが高くなっている）とき、斜線部Ｄ２　の
電荷は、第２の転送ゲ−ト１１下のポテンシャルバリア
を越えて第２の転送ゲ−ト１１を介してバイアスノ−ド
９に流れ込む。残りの斜線部Ｄ１　の電荷は第１の転送
ゲ−ト１５を介して信号電荷としてＣＣＤチャネル１６
に流れ込む。

【００１９】第２の転送ゲ−ト１１により読出される電
荷の量は、第２の転送ゲ−ト１１の下のポテンシャルレ
ベルからＥｓｓを引いた値がｌｏｇＩに比例するため、
フォトダイオ−ド１３に照射される光量の対数に比例す
ることになる。したがって、図７に示されるように光量
Ｑ（Ｑ１　＜Ｑ＜Ｑ２　）に対数的な信号電荷ＬＣＴＬ
　がフォトダイオ−ド１３から引き抜かれる。

【００２０】また、フォトダイオ−ド１３に照射される
光の量が更に多い場合、即ち、飽和状態の場合は、図７
に示されるように光量Ｑ（Ｑ≧Ｑ２　）によらず一定量
の信号電荷ＬＣＴＬ　がフォトダイオ−ド１３からＣＣ
Ｄチャネル１６に読出される。

【００２１】このように各画素信号処理部３に照射され
る光の量に応じて各ブロック単位での絞り調整が行われ
るので画質が良い再生画像が得られる。更に、本実施例
では上述したように信号電荷ＬＣＴＬ　のレベルを光量
に応じて線形的，対数的に変化させて輝度信号圧縮を行
ったので、従来のように線形的に変化させただけに比べ
て絞り調整ができる範囲が広くなる。

【００２２】かくして本実施例では、各画素信号処理部
３に照射された光の量に応じた制御電圧Ｖｏを画素部５
に送り、この制御Ｖｏに応じた量の信号電荷を各ブロッ
クの画素部５のフォトダイオ−ド１３から引き抜きぬく
ことで絞り調整を行うので全画素上で輝度が異なる部分
があっても画質の低下を招かない小型で安価な固体撮像
装置を得ることができる。

【００２３】図８には本発明の第２の実施例に係る固体
撮像装置の概略構成が示されている。なお、図１と対応
する部分には図１と同一符号を付して詳細な説明は省略
する。

【００２４】この固体撮像装置が第１の実施例で説明し
た固体撮像装置と異なる点は、隣接する画素信号処理部
３を結合素子、例えば、抵抗素子１７を介して接続し、
複数の画素信号処理部３の制御電圧Ｖｏにより画素部５
の信号電荷の引き抜き量を決めたことにある。

【００２５】画素信号処理部３は、図９中、一点鎖線で
囲まれて示されるように、一端（ドレイン）が高電位の
電源電位ＶＤＤに接続された３つのＭＯＳトランジスタ
Ｔｒ１ａ，Ｔｒ１ｂ，Ｔｒ１ｃが直列接続してなる負荷
用トランジスタＴｒ１と、コレクタがこのトランジスタ
Ｔｒ１の他端（ソ−ス）に接続されエミッタが低電位の
電源電位ＶＳＳに接続されているフォトトランジスタＴ
ｒ２と、このフォトトランジスタＴｒ２のコレクタとト
ランジスタＴｒ１ｃのソ−スとの接続ノ−ドＮｏに接続
されたバッファアンプ１９と、このバッファアンプ１９
に抵抗素子２１を介して接続されたバッファアンプ２３
とからなる。そして抵抗素子２１とバッファアンプ２３
との接続ノ−ドＮｐ　は抵抗素子１７を介して隣接した
画素信号処理部３に接続されている。

【００２６】このように構成された画素信号処理部３で
は、制御電圧信号はバッファアンプ１９，抵抗素子２１
，バッファアンプ２３を介して画素部５に導入されるの
みならず、バッファアンプ１９，抵抗素子２１，抵抗素
子１７を介して隣接した画素の画素部にも導入される。

【００２７】図１０にはこのように構成された固体撮像
装置の等価回路網が示されている。この回路網は空間的
な低域通過フィルタとして知られているものである。こ
のような空間的な低域通過フィルタを１次元の場合につ
いて図１１，図１２を用いて説明する。

【００２８】図中、電圧源Ｓ１〜Ｓ８は第１の実施例で
説明した画素信号処理部３に対応し、その出力電圧ｖ１
〜ｖ８は図２の接続ノ−ドＮｏの制御電圧Ｖｏに対応す
る。この回路網の各接続ノ−ドＮ１〜Ｎ８には、それぞ
れの接続ノ−ドに抵抗素子２１を介して接続された電圧
源の電圧と、他の接続ノ−ドに接続された電圧源の電圧
とが印加される。

【００２９】したがって、図１２に示すように出力電圧
ｖ１　，ｖ２　，ｖ３　，ｖ４　が低レベル、出力電圧
ｖ５　，ｖ６　，ｖ７　，ｖ８　が高レベルの場合には
、接続ノ−ドＮ１，Ｎ２，Ｎ３の電圧ｕ１　，ｕ２　，
ｕ３　は出力電圧ｖ１　，ｖ２　，ｖ３　と同様に低レ
ベルになり、接続ノ−ドＮ６，Ｎ７，Ｎ８の電圧ｕ６　
，ｕ７　，ｕ８　は出力電圧ｖ６　，ｖ７　，ｖ８　と
同様に高レベルになり、そして接続ノ−ドＮ４，Ｎ５の
電圧ｕ４，ｕ５は、接続ノ−ドＮ４，Ｎ５の両端の電圧
源の出力電圧が異なるので中程度のレベルとなる。この
ように出力電圧が不連続に変化しても接続ノ−ドの電圧
は滑らかに変化する。

【００３０】このことを図１０に示された２次元回路網
の破線で囲まれた領域で考えると、ブロック１ａの画素
部３ａには、ブロック１ｂの画素部３ｂの制御電圧，ブ
ロック１ｃの画素部３ｃの制御電圧，ブロック１ｄの画
素部３ｄの制御電圧，ブロック１ｅの画素部３ｅの制御
電圧が導入されて、画素部ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの輝度
も考慮した量の信号電荷が画素部３ａのフォトダイオ−
ドから引き抜かれることを意味する。その結果、逆光な
どの影響で照射光が不連続に変化する領域が画素面上に
あっても、それが再生画像のムラとして現われるという
ことはない。

【００３１】かくして本実施例では、抵抗素子１７を介
して接続された画素部３をマトリクス状に配列している
ので、第１の実施例と同様な効果が得られるのは勿論の
こと、フォトダイオ−ドから引き抜く信号電荷の量はそ
の近傍の画素信号処理部に照射される光も考慮したもの
となるので、照射光が不連続に変化する領域があっても
再生画像の画質が劣化するという問題は低減される。図
１３には本発明の第３の実施例に係る固体撮像装置の概
略構成が示されている。これが第２の実施例で説明した
固体撮像装置と異なる点は、画素信号処理部３と画素部
５とをそれぞれ別のウェル内２５，２７で形成したこと
にある。

【００３２】このように構成された固体撮像装置でも、
第２の実施例と同様な効果が得られるのは勿論のこと、
画素信号処理部３のアナログ回路系と画素部５のＣＣＤ
系とのバイアスを別々に設定できるという利点がある。 また、画素信号処理部３の信号が画素部５に漏れ込んだ
り、逆に画素部５の信号が画素信号処理部３に漏れだ込
んだするという不都合も防止できる。図１４には本発明
の第４の実施例に係る固体撮像装置の概略構成が示され
ている。

【００３３】この実施例が先に説明した第２の実施例と
異なる点は、画素信号処理部３と画素部５とを別のチッ
プ上に形成したことにある。このように構成された固体
撮像装置では、画素信号処理部３の接続ノ−ド数が少な
い場合、制御電圧信号が少なくてすむので容易に形成す
ることができるという利点がある。なお、この場合、図
１５に示すように先に説明にした実施例と同様に、画素
信号処理部３と画素部５との両方に光を照射する構成に
しても良い。

【００３４】また、図１６に示すように画素部５のみに
光を照射させ、この画素部５で得られた輝度信号ＩＬＵ
Ｍ　を画素信号処理部３に送り、この画素信号処理部３
で得られた帰還信号ＩＣＴＬ　を元に画素部５のフォト
ダイオ−ドの引き抜き電荷量を決める構成にしても良い
。

【００３５】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。上記実施例では１個の画素信号処理部
で２４個の画素部を制御したが、１個の画素信号処理部
で１個の画素部を制御する構成にしてもよい。この場合
、更に適正な絞り調整を行うことができる。

【００３６】また、実施例では光量が中程度の場合には
光量と対数的な関係を持つように制御電圧のレベルを変
化させたが、輝度信号圧縮ができるなら他の関係でもっ
て制御電圧のレベルを変化させてもよい。

【００３７】更にまた、抵抗素子の代わりにそれと同様
な機能を持つ回路で画素信号処理部間を接続して良い。 なお、光電変換素子としてフォトダイオ−ド以外のもの
を用いても良いことはいうまでもない。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように本発明の固体撮像装置
によれば、各ブロックの輝度に対応した量の信号電荷を
そのブロック内の信号電荷蓄積部から引き抜くことで絞
り調節を行っているので、画素面上で輝度が大きく異な
る領域があっても適正な絞り調整が行われて画質の良い
再生画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の概
略構成図。

【図２】本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の制
御電圧生成部を説明するための図。

【図３】本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の制
御電流生成部の平面図。

【図４】本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の制
御電流生成部のＡ−Ａ´断面図。

【図５】画素部のポテンシャル分布を示す図。

【図６】画素部のポテンシャル分布を示す図。

【図７】光量と信号電荷との関係を示す図。

【図８】本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の概
略構成図。

【図９】本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の画
素信号処理部。

【図１０】本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の
画素信号処理部の等価回路網。

【図１１】１次元の低域通過フィルタを示す図。

【図１２】１次元の低域通過フィルタの機能を説明する
図。

【図１３】本発明の第３の実施例に係る固体撮像装置の
概略構成図。

【図１４】本発明の第４の実施例に係る固体撮像装置の
概略構成図。

【図１５】本発明の第４の実施例に係る固体撮像装置に
おける画素部の一つの制御方法を示す図。

【図１６】本発明の第４の実施例に係る固体撮像装置に
おける画素部の他の制御方法を示す図。

【図１７】従来の固体撮像装置の自動絞り機構の原理を
示す図。

【符号の説明】

Ｃ…キャパシタ、Ｒ…抵抗素子、Ｓ１〜Ｓ８…電圧源、
Ｔｒ１ａ，Ｔｒ１ｂ，Ｔｒ１ｃ…ＭＯＳトランジスタ、
Ｔｒ１…負荷用トランジスタ，Ｔｒ２…フォトトランジ
スタ、１…ブロック、３…画素信号処理部、５…画素部
、７…Ｐウェル、９…バイアスノ−ド、１１…第１の転
送ゲ−ト、１３…フォトダイオ−ド、１５…第２の転送
ゲ−ト、１６…ＣＣＤチャネル、１７…抵抗素子、１９
…バッファアンプ、２１…抵抗素子、２３…バッファア
ンプ、２５…画素信号処理部用ウェル、２７…画素部用
ウェル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に形成されて光電変換して発
   生した信号電荷を蓄積するマトリクス配列された信号電
   荷蓄積部と、前記信号電荷蓄積部の信号電荷を読出す信
   号電荷読出し部と、前記信号電荷蓄積部の配列の複数個
   に分けられたブロック内にそれぞれ設けられ、輝度を検
   出してその輝度に応じた制御信号を出力する画素信号処
   理部と、前記各信号電荷蓄積部に接して設けられ、前記
   各ブロック毎にそのブロック内で得られる前記制御信号
   により制御されて前記信号電荷蓄積部から過剰な信号電
   荷を引き抜く信号電荷引き抜き部と、を有することを特
   徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】前記各画素信号処理部は、互いに隣接する
   もの同士が結合素子を介して接続されていることを特徴
   とする請求項１に記載の固体撮像装置。