JPH05167848A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】自然対数型の固体撮像装置において、画素ごと
の出力のばらつきを画素の感度によるばらつきととも
に、トランジスタや電圧−電荷変換素子等によるばらつ
きも補正し、それによって画素ごとのばらつきの極めて
少ない撮像出力を得るようにする。 【構成】光電変換特性が自然対数である固体撮像素子Ｃ
ＣＤと、この固体撮像素子に均一な第１の光量の光が照
射されたときの出力信号を記憶する手段ＭＥＭ１と、固
体撮像素子に均一な第２の光量の光が照射されたときの
出力信号を記憶する手段ＭＥＭ２と、前記第１の光量の
光が照射されたときの出力信号と第２の光量の光が照射
されたときの出力信号の差を各画素ごとにとる第１減算
手段ＤＩＦ１と、被写体撮影時の画像出力信号と前記第
２の光量の光が照射されたときの出力信号の差を各画素
ごとにとる第２減算手段ＤＩＦ２と、前記第１、第２減
算手段の出力の比をとる除算手段ＣＯＲと、から成って
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像装置に関するも
のであり、特にその光電変換特性が自然対数である固体
撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置は、小型・軽量で低消費電
力であるのみならず、画像歪や焼き付きがなく、振動や
磁界などの環境条件に強い。また、ＬＳＩと共通或いは
類似の工程で製造できることから、信頼性が高く、量産
にも適している。このため現在、１次元カラー固体撮像
装置はカラーファクシミリやディジタルカラーコピア・
カラーイメージスキャナーなどに、２次元固体撮像装置
はビデオカメラなどに幅広く用いられている。

【０００３】この固体撮像装置の１つの問題点として、
その出力に各画素ごとのばらつきが生じるということが
挙げられる。特開昭５８−１７７０７１号や特開昭６０
−２４１３７０号では、従来から使用されているリニア
な光電変換特性を有する固体撮像装置に対して、このば
らつきを補正する技術が提案されている。前者は乗除算
を用いて画素ごとの感度のばらつきを補正することを提
案し、後者は前者による補正に加えて、さらに均一な光
を照射したときのデ−タとダ−ク時（光を照射しないと
き）のデ−タとを用いて暗電流のばらつきを補正するこ
とを提案している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この２
つの方法は、自然対数型の光電変換特性を有する固体撮
像装置に対しては有効でない。

【０００５】本件出願人は、既に出願した特願平３−１
７８１７０号において、光電変換特性が自然対数型であ
る固体撮像装置の画素感度ばらつきを補正する技術を提
案している。この技術を用いることによって感度のばら
つきのほせいを行なうことは可能であるが、対数圧縮用
電界効果トランジスタの対数特性の不均一性や積分コン
デンサの容量の不均一性等の周辺回路のばらつきまで補
正することはできなかった。

【０００６】本発明は自然対数型の光電変換特性を有す
る固体撮像装置において、画素ごとの感度のばらつきを
補正するとともに、対数圧縮用電界効果トランジスタの
対数特性の不均一性や積分コンデンサの容量不均一性等
の周辺回路のばらつきまで補正することが可能な固体撮
像装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明の固体撮像装置は、光電変換特性が自然対数で
ある固体撮像素子と、この固体撮像素子に均一な第１の
光量の光が照射されたときの出力信号を記憶する手段
と、固体撮像素子に均一な第２の光量の光が照射された
ときの出力信号を記憶する手段と、前記第１の光量の光
が照射されたときの出力信号と第２の光量の光が照射さ
れたときの出力信号の差を各画素ごとにとる第１減算手
段と、被写体撮影時の画像出力信号と前記第２の光量の
光が照射されたときの出力信号の差を各画素ごとにとる
第２減算手段と、前記第１、第２減算手段の出力の比を
とる除算手段と、から成っている。

【０００８】

【作用】このような構成によると、第１減算手段で減算
を行なうことによりフォトダイオ−ド等の感度のばらつ
きに関する係数は除去され、同様に第２減算手段でも感
度のばらつきに関する係数は除去される。これらの第
１、第２減算手段の出力には傾きの原因となる係数は残
っているが、除算手段で比をとることにより、その傾き
の原因となる係数は除去される。従って、最終的には画
素ごとのばらつきの原因となる係数は存在しないことに
なり、除算手段の出力は画素ごとのばらつきのない優れ
た画像信号となる。

【０００９】

【実施例】まず、本発明の具体例を説明する前に、本発
明が対象としている自然対数型光電変換特性をもつ固体
撮像装置の対数圧縮変換の原理について述べる。ＭＯＳ
トランジスタでは、ゲート電圧が閾値電圧以下のときサ
ブスレッショールド電流 （sub-threshold current）と
呼ばれる微少電流が流れる。これはゲート酸化膜直下の
シリコン表面が弱反転（weak inversion）状態になるこ
とに起因しており、サブスレッショールド電流は、一般
にＭＯＳトランジスタの好ましくない特性の１つと考え
られてきた。本発明の固体撮像装置では、このサブスレ
ッショールド電流を逆に利用して光電変換特性を制御す
るようにしている。

【００１０】サブスレッショールド電流は以下のように
表わされる（参考文献；R.M.Swanson and J.D.Meindl,
"Ion-implanted complementary MOS transistorsin lo
w-voltage circuits," IEEE Journal of Solid-State C
ircuits, vol. SC-7, No.2,pp.146-153, Apr. 1972）。
即ち、ＭＯＳトランジスタのドレイン電流ＩDは、ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタの場合、ＶG−ＶS≦ＶT＋
ｎ（ｋＴ／ｑ）のとき、 ＩD=（Ｚ／Ｌ）μｎＣｏ（１／ｍ）（ｎｋＴ／ｑ）² exp 〔（ｑ／ｎｋＴ）（ＶG−ＶS−ＶT−ｎｋＴ／ｑ）〕 ・｛１− exp〔（−ｍｑ／ｎｋＴ）（ＶD−ＶS）〕｝ ・・・・・・（１） ここで、ＶG；ゲート電圧 ＶD；ドレイン電圧 ＶS；ソース電圧 ＶT；閾値電圧 Ｚ；トランジスタチャンネル幅 Ｌ；トランジスタチャンネル長 μｎ；電子移動度 ｑ；電子電荷量 ｋ；ボルツマン定数 Ｔ；絶対温度 Ｃｏ；ゲート絶縁膜容量

【００１１】また、ｍ=（Ｃｏ＋Ｃｄ）／Ｃｏ ｎ=（Ｃｏ＋Ｃｄ＋Ｃｆｓ）／Ｃｏ Ｃｆｓ=ｑＮｆｓ であり、Ｃｄ；空乏層容量 Ｎｆｓ；表面準位密度であ
る。Ｎｆｓ＝０のときにはｍ＝ｎであり、このとき
（１）式より、 ＶD−ＶS＞＞ｋＴ／ｑならば ＩD=ＩDO exp〔（ｑ／ｎｋＴ）（ＶG−ＶS−ＶT）〕 ・・・・・・（２） ＩDO=（Ｚ／Ｌ）μｎＣｏ（１／ｎ）（ｎｋＴ／ｑ）² exp〔−１〕・・・（３） を得る。（２）式は、ＶG−ＶS≦ＶT＋ｎ（ｋＴ／
ｑ）、ＶD−ＶS＞＞ｋＴ／ｑのときドレイン電流がゲー
ト・ソース間電圧の指数函数であることを示している。

【００１２】本発明では、以下に示すように、ＭＯＳト
ランジスタの前記微少電流特性を積極的に利用する。図
１は、本発明に係る固体撮像装置内の１画素の構成例を
示したものである。ここで、ｐｎ接合フォトダイオード
１が感光部を形成し、そのアノードがｎチャネルＭＯＳ
トランジスタ２ａのドレインＤとゲートＧに接続されて
いる。また、フォトダイオード１のカソードにはＤＣ
（直流）電圧ＶDDが、ＭＯＳトランジスタ２ａのソース
ＳにはＤＣ電圧ＶSSが、ＭＯＳトランジスタ２ａのバッ
クゲート（基板）にはＤＣ電圧ＶSUBが印加されてい
る。尚、ここでＶDD＞ＶSS≧ＶSUBであり、フォトダイ
オード１には逆バイアスが、ＭＯＳトランジスタ２ａの
ソースＳ及びドレインＤと基板にも逆バイアスが印加さ
れている。

【００１３】感光部に光が入射すると光の強度に比例し
た光電流Ｉpがフォトダイオード１のカソードからアノ
ードへ流れる。一方、ＭＯＳトランジスタ２ａを流れる
電流ＩDは、 ＶD＝ＶGだから （ｋＴ／ｑ）＜＜ＶG−ＶSS≦ＶT＋ｎｋＴ／ｑ ・・・・・・（４） のとき（２）式より ＩD=ＩDO exp〔（ｑ／ｎｋＴ）（ＶG−ＶSS−ＶT）〕 ・・・・・・（５） となる。定常状態では ＩD＝Ｉp だから、 Ｉp=ＩDO exp〔（ｑ／ｎｋＴ）（ＶG−ＶSS−ＶT）〕 ・・・・・・（６） を得る。これより ＶG=ＶSS＋ＶT＋（ｎｋＴ／ｑ）ｌｎ（Ｉp／ＩDO） ・・・・・・（７） となり、（４）式が満たされていれば、光電流が対数変
換されて電圧ＶGとなることが分かる。

【００１４】（４）式は以下に示すように、電圧を調整
することにより満足させることができる。（２）式より
ＩDはＶTの函数であり、一方ＶTは次のようにあらわさ
れる。 ＶT=ΦMS−ｑＮｆｓ／Ｃｏ＋２Φｆ＋√｛２εｓｉεｏｑＮB（｜２Φｆ｜ ＋ＶS−ＶSUB）｝／Ｃｏ ・・・・・・（８） ここで、ΦMS；ゲート電極とシリコン基板の仕事函数差 Φｆ；シリコン基板フェルミレベル εｓｉ；シリコン比誘電率 εｏ；真空誘電率 ＮB；シリコン基板不純物濃度 即ち、（８）式よりＶSSーＶSUB（＝ＶS−ＶSUB）によ
ってＶTが変化し、これによってＩDも変化することか
ら、ＶSUBを適切に設定することによって（４）式を満
たす動作状態とすることができるのである。

【００１５】以下、実施例を挙げて説明する。ここで、
次の定数を用いる。 ＮB＝１×１０¹⁵／ｃｍ³ Ｚ／Ｌ＝１ μｎ＝１０００ｃｍ²／Ｖ・ｓｅｃ Ｔ＝３００Ｋ Ｃｏ＝３．５×１０^-8Ｆ／ｃｍ² ゲート電極をアルミニウムとすれば上記基板濃度のと
き、 ΦMS＝−０．９Ｖ となる。また、簡単のために Ｃｄ＝Ｃｆｓ＝０、Ｎｆｓ＝０ とすれば、 ｍ＝ｎ＝１ となる。このとき、 ＩDO=１０００×３．５×１０^-8×（０．０２６）²×０．３６８ =８．７０×１０^-9

【００１６】一方、閾値電圧はＶS−ＶSUB＝０Ｖのとき ＶT（０）＝−０．９＋０．５８ ＋√（２×１１．７×８．８５×１０^-14×１．６×１０^-19 ×１０¹⁵×０．５８）／（３．５×１０^-8）＝０．０８ ＶS−ＶSUB＝５Ｖのとき ＶT（５）＝０．９１ 素子面照度として、以下の範囲を対象とする。 ０．１ルクス〜１０^-44ルクス このときフォトダイオードの面積を１００μｍ²とすれ
ば、光電流Ｉpは大略以下のようになる。 １０^-4〜１０^-9Ａ 上記光電流と（７）式よりＶG−ＶSSは下記範囲とな
る。 ＶT−０．０６〜ＶT−０．３６ 即ち、 ＶS−ＶSUB＝０Ｖのとき ０．０２〜−０．２８ ＶS−ＶSUB＝５Ｖのとき ０．８５〜０．５５ となり、ＶS−ＶSUB＝０Ｖのときには（４）式は満足し
ないが、ＶS−ＶSUB＝５Ｖとすれば（４）式が満足され
ることが分かる。以上のように、ＶSUBを適切な電圧と
することによって、光電流を対数圧縮した電圧に変換す
ることができる。

【００１７】図２は、図１に示した実施例に積分回路を
付加した固体撮像装置の１画素の構成例を示したもので
ある。ここで、ｐｎ接合フォトダイオード１が感光部形
成し、このアノードが第１のｎチャネルＭＯＳトランジ
スタ２ａのドレインとゲート及び第２のｎチャネルＭＯ
Ｓトランジスタ２ｂのゲートに接続されている。また、
フォトダイオード１のカソードにはＤＣ電圧ＶDDが第１
ＭＯＳトランジスタ２ａのソースにはＤＣ電圧ＶSS1
が、第２ＭＯＳトランジスタ２ｂのドレインにはＤＣ電
圧ＶDD2が印加されている。更に、第２ＭＯＳトランジ
スタ２ｂのソースは容量Ｃのコンデンサ３を介してＤＣ
電圧ＶSS2に接続されている。一方、第１ＭＯＳトラン
ジスタ２ａの基板にはＤＣ電圧ＶSUB1が印加され、第２
ＭＯＳトランジスタ２ｂの基板には、第２ＭＯＳトラン
ジスタ２ｂが第１ＭＯＳトランジスタ２ａと同一の基板
上叉はウェル内に形成される場合にはＤＣ電圧ＶSUB1が
印加され、第２ＭＯＳトランジスタ２ｂが第１ＭＯＳト
ランジスタ２ａと異なる基板上叉はウェル内に形成され
る場合にはＤＣ電圧ＶSUB2が印加又は第２ＭＯＳトラン
ジスタ２ｂのソースに接続されている。

【００１８】この実施例では、以下に示すように、光電
流Ｉpの積分値が対数圧縮されて、第２ＭＯＳトランジ
スタ２ｂのソースとコンデンサ３の接続点の電圧Ｖ0と
なる。以下の説明では、第１ＭＯＳトランジスタ２ａと
第２ＭＯＳトランジスタ２ｂの特性を同一と仮定し、ま
た第２ＭＯＳトランジスタ２ｂの基板が第２ＭＯＳトラ
ンジスタ２ｂのソースに接続されている場合について行
う。

【００１９】第１及び第２ＭＯＳトランジスタ２ａ、２
ｂのゲート電圧をＶGとすれば（７）式より ＶG=ＶSS1＋ＶT＋（ｎｋＴ／ｑ）ｌｎ（Ｉp／ＩDO） ・・・・・・（９） となり、第２ＭＯＳトランジスタ２ｂを流れる電流Ｉz
は Ｉz=ＩDO exp〔（ｑ／ｎｋＴ）（ＶG−ＶO−ＶT）〕 ・・・・・・（１０） を得る。

【００２０】また、次の関係が成り立つ。 Ｉz=Ｃ（ｄＶO／ｄｔ） ・・・・・・（１１） （９）、（１０）、（１１）式より次式を得る。 Ｃ（ｄＶO／ｄｔ）=Ｉp exp〔（ｑ／ｎｋＴ）（ＶSS1−ＶO）〕 即ち、 exp〔（ｑ／ｎｋＴ）（ＶO−ＶSS1）〕ｄＶO=（Ｉp／Ｃ）ｄｔ ・・・・・・（１２） ｔ＝０のときＶO＝ＶO1として（１２）式を積分する
と、 ＶO=ＶSS1＋（ｎｋＴ／ｑ）ｌｎ〔（ｑ／ｎｋＴＣ）∫Ｉpｄｔ ＋ exp｛（ｑ／ｎｋＴ）（ＶO1−ＶSS1）｝〕 ・・・・・・（１３） を得る。

【００２１】（１３）式は、光電流Ｉpの積分値とＶO1
−ＶSS1で決まる一定値との和が電圧ＶOに対数変換され
ることを示している。この一定値は、ＶO1−ＶSS1が小
さいほど小さくなることから、第１ＭＯＳトランジスタ
２ａのソース電圧に対してＶOの初期値ＶO1を低く設定
すればより正確に対数変換できることになる。

【００２２】以上述べた回路により得られた出力電圧
は、例えば電位平衡法（武石、香山監訳”電荷転送デバ
イス”P.43を参照）などによってＣＣＤに電荷入力する
ことができる。このとき、ＣＣＤへ送られる電荷量Ｑo
は（１３）式より Ｑo=ＣＶO=ＣＶSS1＋（ｎｋＴ／ｑ）ｌｎ〔（ｑ／ｎｋＴＣ）∫Ｉpｄｔ ＋ exp｛（ｑ／ｎｋＴ）（ＶO1−ＶSS1）｝〕 ・・・・・・（１４） となる。

【００２３】更に、ＣＣＤの出力段より得られる出力電
圧ＶO’は（１４）式より ＶO'=Ｑo／ＣO=（Ｃ／ＣO）ＶSS1＋（ｎｋＴＣ／ｑＣO）ｌｎ 〔（ｑ／ｎｋＴＣ）∫Ｉpｄｔ＋ exp｛（ｑ／ｎｋＴ） （ＶO1−ＶSS1）｝〕 ・・・・・・（１５） となる。

【００２４】ここで、今、トランジスタ２ａ、２ｂ及び
ＣＣＤの入力部の駆動条件を選ぶことでＶO1−ＶSS1≦
０とすることは可能であるからこの場合、 exp｛（ｑ
／ｎｋＴ）（ＶO1−ＶSS1）｝の項はｑ／ｎｋＴＣ）∫
Ｉpｄｔの項に比べて無視できるほど小さくすることが
でき、（１５）式は ＶO'≒（Ｃ／ＣO）ＶSS1＋（ｎｋＴＣ／ｑＣO）ｌｎ ｛（ｑ／ｎｋＴＣ）∫Ｉpｄｔ｝ ・・・・・・（１６） と簡単化することができる。

【００２５】更に、（１６）式を変形すると、 ＶO'≒（Ｃ／ＣO）ＶSS1＋（ｎｋＴＣ／ｑＣO）ｌｎ（ｑ／ｎｋＴＣ） ＋（ｎｋＴＣ／ｑＣO）ｌｎ∫Ｉpｄｔ｝ ・・・・・・（１７） となる。

【００２６】（１７）式においてＣは図２に示すように
画素単位に設けられた電荷蓄積用の容量であり、ＣOは
ＣＣＤの出力段の容量で電荷を電圧に変換するためのも
のである。また、ｎは各画素のＭＯＳトランジスタの組
成、構造によって決まる値である。よって、画素ごとの
値が異なるのはＣ、ｎ、ＩpのみでＣO、ｋ、Ｔ、ｑ、Ｖ
SS1は共通である。

【００２７】これらのことから光量の多少にかかわらず
（Ｃ／ＣO）ＶSS1と（ｎｋＴＣ／ｑＣO）ｌｎ（ｑ／ｎ
ｋＴＣ）の項はｎ、Ｃが決まれば一意的に決まる。これ
を簡単のため（Ｃ／ＣO）ＶSS1＋（ｎｋＴＣ／ｑＣO）
ｌｎ（ｑ／ｎｋＴＣ）＝Ａとおくと、（１７）式は ＶO'≒Ａ＋（ｎｋＴＣ／ｑＣO）ｌｎ∫Ｉpｄｔ ・・・・・・（１８） 更に、ｎｋＴＣ／ｑＣOの項もｎ、Ｃの値によって一意
的に決まるからｎｋＴＣ／ｑＣO＝Ｂとおくと、（１
８）式は ＶO'≒Ａ＋Ｂｌｎ∫Ｉpｄｔ ・・・・・・（１９）

【００２８】ここで、フォトダイオードの感度について
考える。ある画素のフォトダイオードの感度がαで与え
られるとき、光量Ｌとすれば、 Ｉp=αＬ ・・・・・・（２０） となる。（２０）式を（１９）式に代入し、 ＶO'≒Ａ＋Ｂｌｎ∫αＬｄｔ ・・・・・・（２１） 更に、感度αは時間的に不変であるから、Ｌ≠０のと
き、（２１）式は ＶO'≒Ａ＋Ｂｌｎα＋Ｂｌｎ∫Ｌｄｔ ・・・・・・（２２） とおくことができる。

【００２９】これより実際の画素間ばらつき補正の方法
について説明する。一般に、出力電圧は（２２）式であ
らわされるが、定数Ａ、Ｂ、αは画素ごとに異なる定数
であるため、ｉ番目画素の出力電圧Ｖｉは Ｖｉ=Ａｉ＋Ｂｉｌｎαｉ＋Ｂｉｌｎ∫Ｌｉｄｔ ・・・・・・（２３） ｉ=１、２、３… と表される。

【００３０】即ち、図３に示したように、受光量と出力
電圧の関係をグラフで表すと、Ａｉ・Ｂｉ・αｉが画素
ごとに異なるため、傾きとある受光量におけるオフセッ
トが画素ごとに異なってしまう。これを、図３に示した
ように、基準出力線に一致するよう補正するのが本発明
の目的である。

【００３１】次に、補正の具体的方法を説明する。ま
ず、均一光Ｌが与えられたときの出力電圧Ｖｉ（Ｌ）は Ｖｉ（Ｌ）=Ａｉ＋Ｂｉｌｎαｉ＋Ｂｉｌｎ∫Ｌｉｄｔ ・・・・・・（２４） と表される。また、別の均一光Ｌ’が与えられたときの
出力電圧Ｖｉ（Ｌ’）は Ｖｉ（Ｌ'）=Ａｉ＋Ｂｉｌｎαｉ＋Ｂｉｌｎ∫Ｌ'ｉｄｔ ・・・・・・（２５） ｉ=１、２、３…

【００３２】ここで、各画素ごとに（２４）式より（２
５）式を差し引くと、 Ｖｉ（Ｌ）−Ｖｉ（Ｌ'）=Ｂｉｌｎ∫Ｌｉｄｔ−Ｂｉｌｎ∫Ｌ'ｉｄｔ =Ｂｉｌｎ（∫Ｌｉｄｔ／∫Ｌ'ｉｄｔ） ・・・・・・（２６） ｉ=１、２、３… 基準画素を仮にｉ＝０として同様の計算を行うと、 Ｖ0（Ｌ）−Ｖ0（Ｌ'）=Ｂ0ｌｎ（∫Ｌｉｄｔ／∫Ｌ'ｉｄｔ） ・・・・・・（２７）

【００３３】（２７）式を（２６）式で辺々除算を行う
と、 ｛Ｖ0（Ｌ）−Ｖ0（Ｌ'）｝／｛Ｖｉ（Ｌ）−Ｖｉ（Ｌ'）｝ =｛Ｂ0ｌｎ（∫Ｌｉｄｔ／∫Ｌ'ｉｄｔ）｝ ／｛Ｂｉｌｎ（∫Ｌｉｄｔ／∫Ｌ'ｉｄｔ）｝=Ｂ0／Ｂｉ ・・・・・・（２８）

【００３４】ところで、今画像信号Ｌｉが与えられたと
き、その出力電圧は Ｖｉ（Ｌｉ）=Ａｉ＋Ｂｉｌｎαｉ＋Ｂｉｌｎ∫Ｌｉｄｔ ・・・・・・（２９） （２９）式から（２５）式を引いて Ｖｉ（Ｌｉ）−Ｖｉ（Ｌ'）=Ｂｉｌｎ（∫Ｌｉｄｔ／∫Ｌ'ｉｄｔ） ・・・・・・（３０）

【００３５】（３０）式に（２８）式を辺々乗じると、 ｛Ｖ0（Ｌ）−Ｖ0（Ｌ'）｝／｛Ｖｉ（Ｌ）−Ｖｉ（Ｌ'）｝ ×｛Ｖｉ（Ｌｉ）−Ｖｉ（Ｌ'）｝ =｛Ｂ0ｌｎ（∫Ｌｉｄｔ／∫Ｌ'ｉｄｔ）｝ =｛Ｂ0ｌｎ∫Ｌｉｄｔ−Ｂ0ｌｎ∫Ｌ'ｉｄｔ ・・・・・・（３１）

【００３６】（３１）式において右辺には画素ごとのば
らつきの要因となる係数は存在しない。よって、光量Ｌ
ｉによってのみ画素ごとの出力差が生じるため、画素ご
とのフォトダイオードの感度、電荷蓄積容量、ＭＯＳト
ランジスタのばらつきに起因する出力差はこの補正方法
でゼロとなる。

【００３７】ところで、先に述べた従来例（特開昭６０
−２４１３７０号）では受光量と出力電圧とがリニアな
特性を持つ固定撮像素子の場合に似たような方法で補正
を行っている。具体的には、ある明るい均一光Ｌを照射
し、出力をサンプリングし、次に光量ゼロＬ’＝０の状
態でサンプリングをし、その２つのデータを元に上記方
法で画素間ばらつきの補正を行っている。しかし、この
方法で対数圧縮回路付き固体撮像素子の補正を行うと、
均一光Ｌ照射時は（２４）式と同じで Ｖｉ（Ｌ）=Ａｉ＋Ｂｉｌｎｉ＋Ｂｉｌｎ∫Ｌｄｔ ・・・・・・（３２）

【００３８】また、Ｌ’＝０のときには（１５）式から Ｖｉ（Ｌ'）=（Ｃｉ／Ｃｏ）ＶO1 ・・・・・・・・・・・・（３３） （但し、Ｌ'＝０、Ｃｉはｉ番目画素の電荷蓄積容量）
（３２）式と（３３）式より本発明と同様の計算を行う
と、 Ｖｉ（Ｌ）−Ｖｉ（Ｌ'）=Ａｉ＋Ｂｉｌｎαｉ＋Ｂｉ∫Ｌｄｔ −（Ｃｉ／ＣO）ＶO1 ・・・・・・（３４）

【００３９】ここで、（Ｃｉ／ＣO）ＶO1の項も画素ご
とに異なる定数であるから（Ｃｉ／ＣO）ＶO1＝Ｄｉと
おくと、（３４）式は Ｖｉ（Ｌ）−Ｖｉ（Ｌ'）=Ａｉ＋Ｂｉｌｎαｉ−Ｄｉ＋Ｂｉ∫Ｌｄｔ ・・・・・・（３５） となり、画素間のばらつきとなるＡｉ、Ｂｉｌｎαｉの
項を消去することができないだけでなく、更に−Ｄｉと
いう新たなばらつきの項が発生するため、ばらつき補正
が不可能となる。

【００４０】図４は、本発明を適用した固体撮像装置の
ブロック図である。ＣＣＤは、受光量に対してその出力
電圧が自然対数体に変化する特性を持つ固体撮像素子で
ある。Ａ／Ｄは、前述の固体撮像素子ＣＣＤより出力さ
れた電圧をディジタル値に変換するためのＡ／Ｄ変換器
である。ＭＥＭ１及びＭＥＭ２は、前記Ａ／Ｄ変換器に
より変換されたディジタル値を記憶するためのメモリー
で、ＲＡＭ叉はＰＲＯＭ等によりなる。ＤＩＦ１及びＤ
ＩＦ２はディジタル減算回路、ＣＯＲはディジタル補正
回路である。ＤＥＶは、記憶装置及びプリンター等の出
力装置を表す。

【００４１】照度Ｌの均一光照射時の固体撮像素子ＣＣ
Ｄの各画素の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器Ａ／Ｄにてディ
ジタル値である均一光データ１に変換され、メモリーＭ
ＥＭ１に記憶される。次に、照度Ｌ’の均一光が照射さ
れ、そのときのＣＣＤ各画素の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換
後、均一光データ２としてＭＥＭ２に記憶される。メモ
リーＭＥＭ１、ＭＥＭ２へのデ−タ記憶は一度記憶して
おくだけでよい。従って、固体撮像装置の製造段階で記
憶しておくことも可能である。ただし、その場合にはメ
モリーとしてＥＰＲＯＭやＥ²ＰＲＯＭの如くバックア
ップ電源を要しないメモリーが必要である。

【００４２】そして、画像撮像時には、各画素ごとのＣ
ＣＤの出力電圧がＡ／Ｄ変換器にてディジタル値である
画像データに変換される。そのとき、ＭＥＭ１とＭＥＭ
２から各画素に対応する均一光データ１と均一光データ
２が読み出され、ディジタル減算回路ＤＩＦ１にて両者
の差が取られ、均一光データ３として出力される。併せ
て、各画素ごとの画像データと均一光データ２との差
が、ディジタル減算回路ＤＩＦ２にて取られ、画像デー
タ１として出力される。この均一光データ３と画像デー
タ１はディジタル補正回路ＣＯＲに送られ、ここで両者
の比が計算され、同時に基準電圧（即ちＶO（Ｌ）−ＶO
（Ｌ’））が乗算される。このようにして、各画素ごと
の補正データが求められ、出力装置ＤＥＶに送られる。

【００４３】さて、これまでは第１ＭＯＳトランジスタ
と第２ＭＯＳトランジスタの特性と同一と仮定してきた
が、同一でない場合について以下に述べる。この場
合、、閾値電圧ＶTとｎの値が異なってくるので、第１
ＭＯＳトランジスタに対してＶT1・ｎ1、第２ＭＯＳト
ランジスタに対してＶT2・ｎ2とおくと、（９）、（１
０）式は次のようになる。

【００４４】 ＶG=ＶSS1＋ＶT＋（ｎ1ｋＴ／ｑ）ｌｎ（Ｉp／ＩDO） ・・・・・・（３６） Ｉz=ＩDO exp〔（ｑ／ｎ2ｋＴ）（ＶG−ＶO−ＶT2）〕 ・・・・・・（３７） これと（１１）式より、ＶOを求めると、数１の（３
８）式となる。

【００４５】従って、ＣＣＤの出力段より得られる出力
電圧ＶO’は、数２の（３９）式となる。

【００４６】ここで、駆動条件を選べば、ＶO1−ＶSS1
−ＶT1＋ＶT2＜＜０とすることができるので、（３９）
式は、数３の（４０）式の如く簡単化できる。

【００４７】更に、変形すると数４の（４１）式とな
る。ここで、右辺第１項〜第３項は画素ごとに決まる定
数であるから、数５の（４２）式と書くことができる。

【００４８】従って、（２０）式を代入して数６の（４
３）式を得る。更に、感度αは時間的に不変であるか
ら、数７の（４４）式となり、これより、ｉ番目の画素
の出力電圧Ｖｉは、数８の（４５）式と表わされる。

【００４９】次に、補正の具体的方法を説明する。ま
ず、均一光Ｌが与えられたときの出力電圧は、数９の
（４６）式となる。

【００５０】Ｌ’が与えられたときは、数１０の（４
７）式となる。（４６）式より（４７）式を引くと、数
１１の（４８）式となる。

【００５１】基準画素を仮にｉ＝０として同様の計算を
行うと、数１２の４９式となり、（４９）式と（４８）
式で辺々割算を行うと、数１３の（５０）式となる。

【００５２】ｎ10／ｎ20＝ｎ1ｉ／ｎ2ｉ、即ちｎ1とｎ2
の比が各画素で等しい場合、（５０）式は、数１４の
（５１）式となり、（２８）式と等しくなり、第１ＭＯ
Ｓトランジスタと第２ＭＯＳトランジスタの特性が同一
の場合と同じ結果となるので、同様の方法で補正が完全
に行える。

【００５３】

【数１】

【００５４】

【数２】

【００５５】

【数３】

【００５６】

【数４】

【００５７】

【数５】

【００５８】

【数６】

【００５９】

【数７】

【００６０】

【数８】

【００６１】

【数９】

【００６２】

【数１０】

【００６３】

【数１１】

【００６４】

【数１２】

【００６５】

【数１３】

【００６６】

【数１４】

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、第
１減算手段で減算を行なうことによりフォトダイオード
等の感度のばらつきに関する係数は除去され、同様に第
２減算手段でも感度のばらつきに関する係数は除去され
る。そして、これらの第１、第２減算手段の出力には傾
きの原因となる係数は残っているが、除算手段で比をと
ることにより、その傾きの原因となる係数は除去され
る。このようにして最終的には画素ごとのばらつきの原
因となる係数は存在しないことになり、除算手段の出力
は画素ごとのばらつきのない優れた画像信号となる。

【００６８】このような効果以外に、本発明によれば回
路構成に関する効果も期待できる。即ち、画素の感度ば
らつきの補正に関し前述した特開昭５８−１７７０７１
号では乗除算を行なう構成となっているが、乗除算を行
なう回路は一般に複雑な構成となり、ソフト的に乗除算
を行なう場合は計算のスピ−ドが遅くなるという欠点が
ある。これに対し本発明では減算により感度のばらつき
を補正するようになっているので、それを実現する回路
は構成が簡単となり、ソフト的に行なう場合は処理スピ
−ドが早くなる。勿論、本発明でも除算手段を設ける必
要があるが、それは感度のばらつき補正ではなく、光電
変換特性の傾き補正用であり、特開昭５８−１７７０７
１号の装置に存しない補正機能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施に係る固体撮像装置の一部を示
す図。

【図２】 本発明の固体撮像装置の他の実施例の一部を
示す図

【図３】 その固体撮像装置の出力ばらつきの補正に関
して説明する図。

【図４】 本発明の固体撮像装置の全体の構成を示すブ
ロック回路図。

【符号の説明】

１ フォトダイオ−ド ２ａ、２ｂ ＭＯＳトランジスタ ３ 電荷蓄積用コンデンサ ＭＥＭ１、ＭＥＭ２ メモリー ＤＩＦＩ、ＤＩＦ２ ディジタル減算回路 ＣＯＲ ディジタル補正回路 ＤＥＶ 出力装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光電変換特性が自然対数である固体撮像素
   子と、 前記固体撮像素子に均一な第１の光量の光が照射された
   ときの出力信号を記憶する手段と、 前記固体撮像素子に均一な第２の光量の光が照射された
   ときの出力信号を記憶する手段と、 前記第１の光量の光が照射されたときの出力信号と第２
   の光量が照射されたときの出力信号の差を各画素ごとに
   とる第１減算手段と、 被写体撮影時の画像出力信号と前記第２の光量の光が照
   射されたときの出力信号の差を各画素ごとにとる第２減
   算手段と、 前記第１、第２減算手段の出力の比をとる除算手段と、 から成る固体撮像装置。