JPH06501824A - イメージセンサ - 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】 イメージセンサ この発明はイメージセンサに、更に詳細にはカラーイメージセンサに関係してい る。

電荷結合素子（ＣＣＤ）のようなイメージセンサにおいては露光量を制御するこ とが望ましい。イメージセンサが多過ぎる露光量を受けると、結果として生じる 飽和及び／又は「ブルーミング」のためにビデオ信号の空間的情報及び直線性が 破壊される。露光量が低過ぎると、信号対雑音比及びダイナミックレンジが悪く なる。理想的には、最大露光量は素子の飽和のすぐ下の点に制御される。露光量 は源照明（放射輝度）、集光光学系（対向立体角）、又は集光の持続時間（積分 時間）を調整することによって制御されることができる。

ＣＣＤの積分時間は電子的に制御されることができる。°一般的には、線時間、 すなわち、光検出器からシフトレジスタへの電荷の連続した転送の間の時間、及 び積分時間は同しである。しかしながら、線時間の最初の部分の開光検出器電荷 を基板へ電子的にそらしく従って電荷が集められない）、そして次に線時間の残 りの部分の開光検出器を分離する（従って電荷が集められる）センサがある。そ れは電子的露光制御又は電子的ンヤソタリングと呼ばれる。

電子的露光制御は以前単色線形ＣＣＤセンサにおいて使用された。しかしながら 、カラーイメージセンサに対して電子的露光制御を用いる際には問題がある。

集積化カラー線形ＣＣＤセンサは二つの形式をとっている。一つの形式において は、固形式色フィルタ（例えば繰返し赤−緑一青図形）が単一の線形ＣＣＤ上に 配置されている。もう一つの形式においては、個別のフィルタが単一の基板上に 製造された三つの線形ＣＣＤ上に配置されている。画形式のこれらのセンサにお いて露光量を制御する際の問題は異なった色が異なった積分時間を受けるべきで あることである。異なった積分時間が必要とされる一つの理由は赤、緑及び青フ ィルタがそれぞれ赤、緑及び青に対する通過帯域において同じ光子束を透過しな いことである。別の理由は走査器のための光源がスペクトル的に平衡していない ことである。例えば、タングステン光源は赤において重く重み付けされている。

カラーイメージセンサにおける色のそれぞれに対して適当な露光を与えるという 問題を解決する一つの試みはスズキ（ＳＩｌ＋ｕｋｉ）に対する米国特許第４７ ０９２５９号に開示されている。この特許はそれぞれ赤、緑又は青の光を検出す るように構成されたホトダイオードのマトリックスを宵するカラーイメージセン サを開示している。ホトダイオードに記憶された電荷信号はＭＯＳスイ、ソチに よって、原色のそれぞれに対して−・つずつの、三つの水平シフトレジスタに転 送される。各色に対するＭＯＳスイッチをオンにするために三つの垂直シフトレ ジスタが準備されており、各色に対する電荷蓄積時間は三つの垂直ンフトＩノジ スタの動作時間を変えることによって変えられる。スズキ特許に示された構成に ついての主な問題の一つは、三つの色が並列にクロックアウトされることができ ず、従って、信号を処理するために複雑なタイミング装置が必要であることであ る。

」二連の従来技術における諸問題を克服し且つ改良形カラーイメージセンサを提 供することがこの発明の目的である。

この発明に従って、イメージセンサ素子の配列の配列を備えていて、素子のそれ ぞれがカラー画像の一部分のカラー表現を生成するように構成されており、素子 のあるものが素子の他のものとは異なった色を検出するように構成されており、 且っ又素子が検出するように構成されている色に従ってセンサ素子のそれぞれの 積分時間を制御Ｉ］するための装置を備えているイメージセンサが準備されてい る。

この発明の一実施例においては、イメージセンサは、原色のそれぞれに対して一 つのチャネルの、三つのチャネルを備えている。各チャネルはイメージセンサ素 子に重なるフィルタの色を除いては同じである。各チャネルは１線のホトダイ刊 　−ド及び近接したＣＣＤン７トレジスタからなっている。ホトダイオードに蓄 積された電荷キャリヤはホトダイオードとシフトレジスタとの間に配置された転 送ゲートを通してＣＣＤンフシフトスタに転送さ第１る。シフ１−レジスタにお ける１線の電荷バケ・Ｉトは次に出力回路へ順次読み出される。露光ドｌノーン がホトダイオードのそれぞれに近接して配置されており、ホトダイオードとこの トレーンとの間の露光制御ゲートがホトダイオードからトＬノ・−う・への電荷 キャリヤの流れを制御する。露光制御ケー刊・における電位はホトダイオードの 有効積分時間を制御するために制御されることができる。チャネルのそれぞれに 対する積分時間は異なることができ、そのチャネルにより検出されている色に従 って制御される。

しかしながら、チャネルのそれぞれに対する線続出し時間は同じであり、従って 、チャネルのすべては並列に読み出されることができる。

この発明の主な利点の一つはカラーＣＣＤイメージセンサにおける色のそれぞれ に対して最適の露光時間が得られることである。更なる利点は共通の線時間がそ のようなセンサにおいて三つすべてのチャネルに対して維持されることである。

この発明のなお更なる利点はブルーミングも又そのようなセンサにおいて防止さ れ得ることである。

この発明の実施例が今度は、例のつもりで、添付の諸図面を参照して説明される が、この諸図面中、 図１はこの発明のイメージセンサの概略的平面図であり、図２はこのイメージセ ンサの一つのチャネルの平面図であり、図３は一つのチャネル一部分の拡大上部 平面図であり、図４は図３の線４−４に沿ってとられた断面図であり、図５及び ６はこの発明の動作を図解した時間図であり、図７はこの発明の例証的例におけ る各色に対する積分時間を示した時間図であり、又 図８はイメージセンサに対するタイミング信号を発生するための回路部の概略図 である。

この発明はここでは、画像素子のそれぞれがホトダイオード、ＣＣＤ、ドｌノー ンを含んでいる複数の画像素子、及び適当な転送ゲートを備えているイメージセ ンサに関して説明される。この発明は又、例えば、素子が蓄積領域を含んでいて 、電荷キャリヤが光検出器から蓄積領域にそして次にＣＣＤに転送されるように なっているイメージセンサのような、他の形式のイメージセンサについても使用 されることができる。更に、このイメージセンサは個別の色フィルタが三つの線 形配列上に配置されている三線形センサとして説明されているが、シ、かじ、こ の発明は、各セルに対して別個の転送ゲートが利用可能である図形式色フィルタ を備えた単一の線形配列にも等］７く適用可能である。

図ｔ　ｌ；鋸ｇ、すると、この発明に従−りてＩＩＩ成されたイメージセンサ１ ０の環略図か示されている。イメージセンサ１０は赤ギーヤネル１１、緑チャネ ル１５、及び青千ヤネル１′７からなっている１以１醗こおいて更に詳細に説明 されるように、独立した信＝−ｔｔ′、ｔ５′及び１′７′が露先制御のために 諸トネルに供給され、ｎつ独立１．たクロック信１１Ｌ’、＋５’及び１７′が センサの読出しのために諸［ヤｉ１１に供給される。共通の検出器　シフトレジ スタのクロｔり信号か、矢印：２〕によｉ】示されたよう１ご、センサ１０に供 給される。イメージセンサ１０はフィルム走査器のような装置において使用され て、カラー画像を表現している電気信号を記録することかできる。

チャネルｉ、１．１５及び」−７のそれぞれは図２に概略的に且つ図３及び４に 更に詳細に示されたように構成されている。チャネル１１．１５及び１７のそれ ぞ第１は、そのヂ〜ヤネルに使用された色フィルタ（図示されていない）を除い て、同してあり、従つＣ羊ヤネル１１だけか詳細に説明される。チャネル１１は 主要（上部）而１４を有する基板１２を備えている。基板１２はｐ形単結晶質シ リコンのような半導体材料から作られることができる。−線の光検出器】６が基 板１２において主要面１４に沿って配置されでいる。各線の光検出器１６に近接 して延びているのはＣＣＩ）ｚフトＬジスタ１８である。各光検出器１６とシフ トレフ・スタ１８どの間には転送ゲート２６がある。光検出器１６の反対側には 露光ドレーン２２が一線の光検出器１６に沿って且つこれに実質上平行に延びて いる。

露光制御ゲート３０が一線のｆｆ１Ｋ出器１６と近接の露光ドレーン２２との間 の空間に沿って延びている。

図１に示されたように、各光検出器】６は基板１２の主要面１４に（ｎとして示 されｔＪｎ、Ｗ３導電性領域３４１を備えた形式のホトダイオードである。典型 的には領域３４の導電率は約１０１７不純物／’Ｃｌ９３である。基板１２は、 典型的には］０１５不純物／””　ｅ　＋１３のｐ形溝電性のもの（ｐ−として 示されている）であることが望ましく、又はホトダイオードが形成されているｎ 形導電性基板の面１４におけるｐ形井戸を持つことかできる。典型的には１０１ ８不純物／’ｅ１ｍ３の、第２の高導電性のｐ形溝電性領域３６（ｐ　として示 されている）が基板面１４における第１領域３，４の一部分内に存在する。領域 １２．３４及び３６はピン形又は埋込み形ダイオードを形成している。しかしな がら、図示されたホトダイオード１６の代わりに、他の任意の既知の形式の光検 出器、例えばンヨ・ソトキーＩくリヤホトダイオード又は単純なｐｎ接合ダイオ ードを使用するこ七ができる。

ＣＣＤシフト１ノシスタ１８は任意の周知の構成のものでよい。埋込み形チャネ ル形態が図４に示されている。シフトレジスタ１８は基板１２の面１４における 約１０１７不純物／Ｃ−の不純物濃度−一形導電性チャネル領域３８（ｎ−とし て示されている）を含んでいる。チャネル領域３８は面１４に沿って一線のホト ダイオード１６から隔置されて且つこれに平行に延びている。チャネル領域３８ のｔ方にはこれに沿って隔置された複数の導電性ゲート４０及び４１（図２）が ある。ゲート４０及び４１は、金属又は導電性多結晶質シリコンで作られること がてき、誘電体、典型的には酸化けい素の層４３によって基板面１４から絶縁さ れている。ゲート４０及び４１は、これに電位を選択的に加えてンフトｌノジス タ１８を動作させるために母ｍｄｉ及びｄ２（図２）によって電位源に接続され ている。

露光ドレーン２２は、基板１２において（ｎ　として示された）ｎ　形溝電性で 約１０１９不純物／”’　Ｃｆｆｉ　３の導電率の領域によって形成され且つ面 １４に達している。領域４６は一線の光検出器１６の全長に沿って延びており且 つ光検出器から隔置されている。ドレーン領域４６は導電性接点４８を通して電 位の源（図示されていない）に接続されている。

ゲート２６及び３０のそれぞれは導電材料、例えば金属又は導電性多結晶質シリ コンの条片であって、これは酸化けい素層４３上にある。

転送ゲート２６はシフトレジスタ１８と一線の光検出器３０との間の空間上に広 がっていてシフトレジスタゲート４０に重なり合っている。転送ゲート２６はシ フトレジスタゲート４０を覆う酸化けい素の層５４によってシフトレジスタゲー ト４０から絶縁されている。露光制御ゲート３０は露光ドレーン領域４６と一線 の光検出器１６との間の空間を横切ってそれの全長に沿って延びている。露光制 御ゲート３０は露光ドレーン領域４６に重なり合っている。

ここで説明された形式のイメージセンサの通常の動作においては、電荷キャリヤ は光検出器１６に蓄積することを許される。転送ゲート２６の電位を上げ下げす ると、光検出器１６に蓄積した電荷は技術上周知の方法でシフトレジスタ１８へ 転送される。シフトレジスタ１８における一線の電荷パケットは次に順次読ろ出 される。一つの線についての読出しの終了時に、次の線の電荷が再びホトダイオ ード１６からシフトレジスタ１８へ転送される。積分時間（すなわち、電荷が蓄 積することを許される時間）はそれゆえ線続出し時間（電荷の連続した転送間の 時間）に等しい。

この発明においては、露光制御ゲート３０における電位は有効積分時間を線読出 し時間以下に調整するために制御される。露光制御ゲート３０における電位を上 げると、ホトダイオード１６に通常蓄積している光誘起電荷は露光ドレーン２２ へ転送されて、ここで外部印加バイアスによって除去される。露光制御ゲート３ ０における電位を下げるとホトダイオード１６が分離されて光誘起電荷は通常の 方法で蓄積することが可能である。露光制御ゲート３０及び転送ゲート２０のタ イミングを調整することによって積分時間が線読出し時間の端数に調整され得る ことは理解されるであろう。この過程は電子的シャッタリングとして知られてい る。

１チヤネルに対する積分時間を制御するためにイメージセンサ１０を動作させる のに必要とされるタイミングが図５及び６に示されている。図５に示されたよう に、露光制御ゲート３０における電位は転送ゲート２６における電位の立下り綾 部で上昇させられ、そして線周期ｔｌｉｎｅの中間における（６０で示された） 所望の点で下降させられる。従って、積分時間ｔ　は露光制御ゲート３０におけ ξ！ｐ る電位の立下り縁部から転送ゲート２６における電位の次の立下り縁部までの期 間である。チャネルのそれぞれに対して独立した露光制御ゲート線が準備されて おり、従って積分時間ｔ　は一定の線時間ｔｌｉｎｅを維持しなから各色に対し てＸｐ 独立に変化させることができる。

ホトダイオード−ＣＣＤシフトレジスタのタイミングが図６に示されている。

われる。期間Ｊ、は転送ゲート２６の下の電荷キャリヤがシフトレジスタ１８へ とクリアされることを可能にするために必要とされる。注目されることであろう が、露光制御ゲート３０における電位の立下り縁部も又シフトレジスタクロック 信号φ２の立上り縁部と一致するように示されている。一致したタイミングは、 画像信号をひずませるかもしれないようなセンサ出力におけるスイッチングアー ティファクトを最小化するために好ましい。

この発明に従ってイメージセンサ１０を動作させるために必要な信号は任意の適 当な市販で入手可能な論理装置によって供給されることができる。この発明の例 証的な一例においては、赤、緑、及び青チャネルに対する相対的積分時間はそれ ぞれ１／４．　１／２．及び１でよいであろう。図７は赤、緑、及び前露光制御 ゲートに対するタイミングパルスｌｌ’、１５’、１７’を示している。有効積 分時間ｔ　も又示されている。信号１１’、１５’、及び１７′並びに転送ゲＸ ｐ −トタイミングパルスＴＧ２６’　を発生するために必要とされる制御論理回路 の一例が図８に示されている。主クロック７１は所望のＣＣＤ続出しレートで循 環する。１１ビツト計数器７３はブロック７４に示された１１ビット復号器に供 給を行う。復号器は適当な計数でＲ／Ｓフリップフロップ７５をセット又はリセ ットする。図８に示された構成の実現は通常の論理装置において行われることが でき、又はプログラム可能な論理回路にはめ込まれることができる。

ＦＩＧ２ ＦＩＧ、　４ Φ１ ＦＩＧ　６ Φ１ｍクロックサイクツ ＦＩＧ、　７ 国際調査報告 １ｍ−＠Ｉｌｅ＋ｍＡｍｌｅｍｔ＋ｍ＋、　ＰＣＴ／ＵＳ　９１１０６９０６国 際調査報告 ρＣＴ／ＵＳ　９１１０６９０６ Ｓ＾　５２６１５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数のチャネル（１１，１５，１７）のそれぞれが、カラー画像の一部分の 色表現を生成するように構成されたイメージセンサ素子（１６，２２，３０，４ ０，４１）を備えており、且つ他のチャネルとは異なった色を検出するように構 成されている前記の複数のチャネル、前記のセンサ素子のそれぞれの積分時間を その各素子が検出するように構成されている色に従って制御するための装置（７ １，７３，７４，７５）、及び前記のチャネルのそれぞれから並列に信号電荷を 読み出すための装置（φ１，φ２）、 を備えているイメージセンサ。 ２．前記イメージセンサが三つのチャネル（１１，１５，１７）を含んでいて、 前記のチャネルのそれぞれがイメージセンサ素子の線形配列を備えている、請求 項１に記載のイメージセンサ。 ３．前記の線形配列のそれぞれが一線の光検出器（１６）及びその光検出器（１ ６）のそれぞれと関連したドレーン（２２）を備えている、請求項２に記載のイ メージセンサ。 ４．転送ゲート（３０）が前記の光検出器の前記のそれぞれとこれに関連したド レーンとの間に配置されている、請求項３に記載のイメージセンサ。 ５．前記の制御装置（７１，７３，７４，７５）が、前記の転送ゲート（３０） における電位を制御するための装置を備えている、請求項４に記載のイメージセ ンサ。 ６．前記の線形配列のそれぞれが、前記の光検出器（１６）に対して概して並列 に配列されたＣＣＤシフトレジスタ（１８）を備えている、請求項５に記載のイ メージセンサ。 ７．カラー画像を検出するためのイメージセンサであって、整数の画素高的より 互いに隔置された複数のチャネル（１１，１５，１７）であって、前記のチャネ ル（１１，１５，１７）のそれぞれが、一線のイメージセンサ素子（１６，２２ ，３８，４０，４１）を収容しており、且つ画像における異なった色を検出する ように構成されている、前記の複数のチャネル、前記のチャネルにおけるセンサ 素子（１６）の積分時間を、前記のチャネルの一つにおけるセンサ素子の積分時 間が前記のチャネルの別のものにおけるセンサ素子の積分時間腕は異なるように 制御するための装置（７１，７３，７４，７５）、及び 前記のチャネルから並列に信号電荷を読み取るための装置（φ１，φ２）、を備 えている前記のイメージセンサ。 ８．前記のイメージセンサ素子のそれぞれが、光検出器（１６）及びこの光検出 器（１６）に近接して配置されたドレーン（２２）を備えている、請求項７に記 載のイメージセンサ。 ９．前記の制御装置が、電荷キャリヤの前記のドレーン（２２）への流れを制御 するための露光制御ゲート（３０）を構えている、請求項８に記載のイメージセ ンサ。 １０．前記のイメージセンサ素子のそれぞれが、ＣＣＤ（３８，４０，４１）及 び前記の光検出器（１６）と前記のＣＣＤとの間の転送ゲート（２６）を含んで いる、請求項８に記載のイメージセンサ。 １１．前記のチャネルから信号電荷を読み取るための前記の装置が前記のＣＣＤ のためのクロック装置（φ１，φ２）を備えている、請求項１０的記載のイメー ジセンサ。 １２．カラー画像を検出する方法であって、前記の画像を光源で露光させる段階 、 前記の画像からの光を、複数のイメージセンサ素子を備えていてこのイメージセ ンサのそれぞれが原色の一つを検出するように構成されているイメージセンサへ 導く段階、及び 前記のイメージセンサ素子のそれぞれの有効積分時間をその各素子により検出さ れている色に従って制御する段階、 を含んでいる前記の方法。 １３，前記のイメージセンサ素子のそれぞれが光検出器及びＣＣＤを備えており 、且つ前記の光検出器の有効積分時間が制御される、請求項１２に記載の方法。 １４．前記の素子のそれぞれがドレーン及び前記のドレーンと光検出器との間の 露光制御ゲートを備えており、且つ前記の制御する段階が、光検出器の積分時間 の一部分の間前記の露光制御ゲートに所定の大きさの電位を加えることを含んで いる、請求項１３項記載の方法。 １５．前記のイメージセンサが、イメージセンサの線形配列を有する複数のチャ ネルを含んでおり、且つ前記のチャネルのそれぞれが原色の一つを検出するよう に構成されている、請求項１２に記載の方法。 １６．前記のチャネルにおいてＣＣＤを並列にクロックアウトする段階を更に含 んでいる、請求項１５に記載の方法。