JPH08149376A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH08149376A
JPH08149376A JP6308435A JP30843594A JPH08149376A JP H08149376 A JPH08149376 A JP H08149376A JP 6308435 A JP6308435 A JP 6308435A JP 30843594 A JP30843594 A JP 30843594A JP H08149376 A JPH08149376 A JP H08149376A
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JP
Japan
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solid
imaging device
switch
state imaging
unit cell
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JP6308435A
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English (en)
Inventor
Masayuki Uno
正幸 宇野
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Priority to US08/552,477 priority patent/US5619262A/en
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/53—Control of the integration time
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/72—Combination of two or more compensation controls
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
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    • H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters

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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 センサ部と同一チップ上に集積可能で、且つ
センサと同じ電源電圧内で動作可能なセンサ部上の明る
さを検出する手段を備えた固体撮像装置を提供する。 【構成】 フォトダイオード１と該フォトダイオード１
に一端を接続した第１及び第２のスイッチングトランジ
スタ２，３とで単位セル４を構成し、該単位セル４を一
次元又は二次元状に配列し、第１のスイッチングトラン
ジスタ２の他端はフォトダイオード１の電荷積分値を検
出する積分器５に接続し、第２のスイッチングトランジ
スタ３の他端は全ての単位セルで共通に接続し、単位セ
ルに入射した光電荷を電流値として検出する電流検出器
９に接続して固体撮像装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、フォトダイオードを
含む単位セルを一次元状に配列したラインセンサ及び二
次元状に配列したエリアセンサ等の固体撮像装置に関
し、特に様々な明るさの被写体に対して最適な出力が得
られるようにした固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体撮像装置は様々な分野に利用
されている。例えば、ビデオムービーやスチルビデオ等
に用いられるエリアセンサや、コピーマシン，ファクシ
ミリ，スキャナ等に用いられるラインセンサがあり、ま
たカメラのオートフォーカス等にもラインセンサ等が用
いられている。
【０００３】近年デジタル処理の拡がりにより、これら
のシステムにおいては、殆どが固体撮像装置の出力をＡ
／Ｄ変換器によりデジタル符号化して、信号処理するシ
ステムになっており、Ａ／Ｄ変換器の主流は８ビットタ
イプである。これは画像情報を扱う上で最小限の諧調で
あるが、この諧調を得るためには、Ａ／Ｄ変換器入力レ
ンジにセンサ出力を最適に合わせる必要がある。
【０００４】上記利用分野のうち、コピーマシン，ファ
クシミリ，スキャナ等においては、被写体を置く位置が
決まっている上、一定の光源で照らすため、Ａ／Ｄ変換
器入力レンジに合わせた最適なセンサ出力を得ることが
比較的容易である。
【０００５】しかしながら、ビデオムービー，スチルビ
デオあるいはカメラのオートフォーカス用センサ等にお
いては、被写体の明るさの範囲は非常に広範囲であり、
その広範囲な明るさに対応するため、絞りの制御や電子
シャッタ等による露光時間（積分時間）の制御、又はセ
ンサ出力とＡ／Ｄ変換器入力の間にゲインコントロール
増幅器を設けて、そのゲインを制御する等の方法がとら
れている。
【０００６】これらの制御を行うためには、被写体の明
るさを正確に検出することが必要であり、このための方
法として、特開平４−２５５１８４号公報には、次に述
べるような固体撮像装置が開示されている。この公報開
示のものは、要約すると、固体撮像素子に光が入射して
発生した電子・正孔対のうち、画素に蓄積するキャリア
と反対の極性のキャリアを電流として検出し、その電流
を露出情報とする内容のものであり、図10にＣＣＤ型固
体撮像装置に適用した構成例を示す。
【０００７】図10において、101 はｐ型基板、102 は画
素用フォトダイオードを形成するためのｎ型拡散層，10
3 は画素間分離用のｐ型チャネル・ストップ拡散層，10
4 は転送ＣＣＤ，105 は転送ＣＣＤ104 の制御電極であ
る。転送ＣＣＤ104 の表面には遮光膜106 が施されてお
り、ｐｎ接合型のフォトダイオード部のみに光が入射す
るようになっている。
【０００８】そしてこのようなＣＣＤ型固体撮像装置に
おいて、基板101 の電位をとるため基板裏面に形成した
基板電極107 は、撮像素子のパッケージのチップ搭載面
と電気的に導通がとられており、パッケージの出力ピン
の一つの端子に接続されている。この端子は、通常、基
板電位を与えるため電源又はグランドに接続されている
が、この構成例においては、電流値を検出するために、
電流−電圧変換アンプ108 に接続されており、この電流
−電圧変換アンプ108 が露出検出手段を構成している。
この電流−電圧変換アンプ108 において、基板電極107
は−側端子に接続されており、この−側端子は仮想接地
により＋側端子と同電位が与えられる。そのため出力端
子109 には、次の（１）式で示す出力電圧ＶOUT が現れ
る。 ＶOUT ＝ＶSUB −（ＩP ＋ＩOF）・ＲL ・・・・・（１） ここで、ＶSUB は基板電圧、ＩP は入射した光の量に対
応する光電流、ＩOFは暗時でも流れるオフセット電流、
ＲL は電流−電圧変換アンプ108 の帰還抵抗である。上
記（１）式からわかるように、出力電圧ＶOUT には入射
光量の情報があらわれる。オフセット電流ＩOFが光電流
ＩP に比べて十分小さなときは、次式（２）で近似され
る。 ＶOUT ≒ＶSUB −ＩP ・ＲL ・・・・・（２）
【０００９】このように、光電流ＩP に対して変化する
出力電圧ＶOUT に基づいて、絞り、積分時間、ゲインコ
ントロール増幅器等を制御すればよい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報開示の固体撮像装置においては、次のような問題点が
ある。第１点は、図10に示した電流−電圧変換アンプ
は、通常のプロセスのセンサではセンサ上にオンチップ
化できない点である。この理由は、図10に示した固体撮
像装置における基板電圧ＶSUB は、チップ上で扱う信号
電位に対して最低の電位をとらなければならないが、出
力電圧ＶOUT の出力は、電流がはき出し方向のため、基
板電圧ＶSUB よりも低い電圧となり、必然的にセンサチ
ップ上では扱えない電位となるためである。
【００１１】第２点は、システムの電源電圧範囲が大き
くなることである。例えば、図10に示した固体撮像装置
の動作には基板電位に対して正の電源が必要なのに対
し、電流−電圧変換アンプは負の電源が必要となる。こ
のため、トータルの電源電圧範囲は広くなり、通常のシ
ステムの有する電源範囲では、図10に示した構成は用い
られない場合が多くなる。
【００１２】第３点目は、センサ上の任意のブロックに
分けた出力を得にくいことである。上記公報には、図11
に示すように、基板電極を複数に分けて出力をとる実施
例が示されている。なお図11において、111 は複数に分
けたブロック間に形成されるチャネル・ストップ拡散領
域で、112 は撮像面を示している。
【００１３】しかしながら、これを実現するには、オフ
セット電圧が全く存在しない電流−電圧変換アンプでな
ければならない。すなわち、もし電流−電圧変換アンプ
にオフセット電圧があり、複数個のアンプ間でオフセッ
ト電圧がばらつくと、それぞれのブロック毎に、基板電
極にかかる電圧が異なることになる。それにより、ブロ
ック間で電流が流れ、これが誤差成分となってしまうた
め、正確にブロックに分けることができない。したがっ
て、実際にはブロック分けは困難である。
【００１４】本発明は、従来の固体撮像装置における上
記問題点を解消するためになされたもので、第１の目的
は、センサ部と同一チップ上に集積可能で、しかもセン
サ部と同じ電源電圧内で動作可能なセンサ部上の明るさ
を検出する手段を備え、センサ部を任意のブロックに分
割可能な固体撮像装置を提供することであり、これは全
ての請求項記載の発明の目的である。また第２の目的
は、得られた明るさ情報によりセンサ部の出力を最適に
するための積分時間及びゲイン等の制御手段を備えた固
体撮像装置を提供することであり、これは請求項４，
５，８，９，11記載の各発明の目的である。また第３の
目的は、センサ部を構成するフォトダイオードが光電流
により飽和することを防ぐようにした固体撮像装置を提
供することであり、これは請求項２，10，11記載の各発
明の目的である。
【００１５】
【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、本発明は、フォトダイオードと該フォトダ
イオードに一端を接続した第１及び第２のスイッチとを
有する単位セルを、一次元又は二次元状に配列し、第１
のスイッチの他端は前記フォトダイオードに入射した光
により発生した電荷の積分値を検出する積分器又は電荷
検出器に接続し、第２のスイッチの他端は、全ての単位
セル又は複数個の一部の単位セル単位で共通に接続し、
共通に接続された単位セルに入射した光電荷を電流値と
して検出する電流検出器に接続して固体撮像装置を構成
するものである。
【００１６】このように構成した固体撮像装置において
は、単位セル毎の積分値を検出する単位セル群と共に、
該単位セル群上の平均的な明るさを検出する電流検出器
を同一チップ上に集積化できると共に、積分器又は電荷
検出器と電流検出器は同じ極性の電荷を扱うため、両者
は同一の電源で動作させることができる。また単位セル
群を複数のブロックに分ける場合も、第２のスイッチの
他端をブロック別に接続することにより、任意に分ける
ことが可能となる。
【００１７】
【実施例】次に実施例について説明する。図１は、本発
明をフォトダイオードを一次元に配列したラインセンサ
に適用した第１実施例を示す回路構成図である。図１に
おいて、１はフォトダイオードで、２，３は該フォトダ
イオード１にそれぞれ一端を接続し、それぞれ制御信号
ΦT ，／ΦT （ΦT の反転信号）でＯＮ，ＯＦＦされる
スイッチングトランジスタであり、これらで単位セル４
を構成している。そして単位セル４は一次元状に配列さ
れている。各単位セル４のスイッチングトランジスタ２
の他端は、それぞれ光電荷を蓄積するための積分器５の
入力端に接続され、該積分器５の出力端は選択スイッチ
６を介して出力信号線７に接続されている。各積分器５
の出力は、シフトレジスタ10を走査することより選択ス
イッチ６を駆動して、出力信号線７の出力端子７ａより
読み出すことができるようになっている。一方、スイッ
チングトランジスタ３の他端は、電流読み出し用の信号
線８に共通に接続され、電流検出器９に入力されるよう
になっている。
【００１８】次に、このように構成された第１実施例の
動作について説明する。まず制御信号／ΦT を“Ｈ”，
ΦT を“Ｌ”として、電流検出器９により一次元状に配
列された単位セル群の面上の平均照度が検出され、これ
により積分時間が設定される。次に、制御信号ΦT を
“Ｈ”，／ΦT を“Ｌ”として光積分を行い、電流検出
器９により設定された積分時間経過後に、制御信号ΦT
を“Ｌ”にして積分を終了する。その後、シフトレジス
タ10を走査して、各単位セル４の出力ＳOUT を出力端子
７ａより読み出す。このような構成においては、電流検
出器９で単位セル４に入射された光の総和が検出できる
ため、単位セル群を形成しているチップ上に演算回路を
形成することにより、オンチップ上で積分制御が可能と
なる。
【００１９】次に、図１に示した積分器５及び電流検出
器９の具体的な構成例を、図２に基づいて説明する。図
２において、積分器は、ソースが接地されたｎＭＯＳト
ランジスタ11と定電流源として動作するｐＭＯＳトラン
ジスタ14とで構成されるソース接地型の反転増幅器と、
その入力端（ｎＭＯＳトランジスタ11のゲート）と出力
端（ｎＭＯＳトランジスタ11のドレイン）の間に設けら
れた蓄積容量素子12及びリセット用スイッチングトラン
ジスタ13とで構成されている。この積分器の入力は、こ
れらのフィードバック系により低インピーダンスとなっ
ており、入力電位はソース接地型ｎＭＯＳトランジスタ
11のゲート・ソース間電圧Ｖgs1 である。このように構
成された積分器は、各単位セル毎に設けられており、シ
フトレジスタ10を走査させることにより、選択スイッチ
ングトランジスタ15を順次ＯＮしながら、出力信号線７
より各単位セルに対応した出力が得られるようになって
いる。
【００２０】一方、各単位セル４のスイッチングトラン
ジスタ３の他端は共通にして共通信号線８に接続されて
おり、該共通信号線８は光電荷を転送する転送用トラン
ジスタ22を介して、対数圧縮用ダイオード24に接続され
ている。そして転送用トランジスタ22のゲートは、ソー
ス接地型のｎＭＯＳトランジスタ21と定電流源として動
作するｐＭＯＳトランジスタ23とからなる反転増幅器の
出力端（ｎＭＯＳトランジスタ21のドレイン）に接続さ
れ、ソースは反転増幅器の入力端（ｎＭＯＳトランジス
タ21のゲート）に接続されている。このため、反転増幅
器の入力、すなわち共通信号線８は、反転増幅器の出力
からのフィードバックがかかっているため、低インピー
ダンスとなっており、その電位はソース接地型ｎＭＯＳ
トランジスタ21のゲート・ソース間電圧Ｖgs2 となって
いる。
【００２１】また、転送用トランジスタ22のドレインは
対数圧縮用ダイオード24に接続されており、電流検出用
の共通信号線８を介して流れる光電流はダイオード24で
圧縮される。このダイオード24の出力は、レベルシフト
機能を有する差動アンプ25によって、後段の入力レンジ
に合わせた信号レベルで、端子25ａより出力信号ＭOUT
として出力される。したがって、この後段にＡ／Ｄ変換
器及び制御回路等を設けることにより、積分時間を演算
し、タイミングを制御することが可能となる。
【００２２】次に、図２に示した積分器及び電流検出器
の動作を、図３に示すタイミングチャートに基づいて説
明する。基本的な動作モードは、リセット，積分，読み
出し，待機の４つのモードである。図３のタイミングチ
ャートにおける期間Ｔ0 は待機モードであり、このとき
制御信号ΦT は“Ｌ”，／ΦT は“Ｈ”となっており、
光電流は電流検出器９に流れ、端子25ａより入射光に対
応した出力信号ＭOUTが出力される。この出力により積
分時間が設定可能となる。次に、期間Ｔ1 のリセットモ
ードではΦT ＝“Ｈ”，／ΦT ＝“Ｌ”となり、各フォ
トダイオード１は積分器側に接続され、またΦRS＝
“Ｈ”となっているため、積分容量素子12はリセット状
態となっている。期間Ｔ2 の積分モードで、ΦRS＝
“Ｌ”とすると、各フォトダイオード１に入射した光電
荷は積分容量素子12に蓄積され、積分器出力ＶS1の電位
は上昇する。この期間Ｔ2 の積分時間は、期間Ｔ0 での
出力信号ＭOUT により決定され、その積分時間が経過し
た後に、ΦT ＝“Ｌ”，／ΦT ＝“Ｈ”となり、積分が
終了する。期間Ｔ3 の読み出し及び待機モードにおい
て、シフトレジスタ10を走査して各積分器出力を出力端
子７ａより得ると同時に、光電流は電流検出器９に流れ
るため、次のサイクルの積分時間を決定できる。
【００２３】図２に示した構成の動作方式には、次のよ
うな特徴がある。すなわち、積分器及び電流検出器とも
にソース接地型の反転増幅器で構成されているため、両
者の回路は同一電流で動作が可能であり、なお且つ低電
圧動作に適した構成になっており、当然のことながら同
一チップに集積可能である。また周期的な動作でなく、
１ショット動作の場合でも、期間Ｔ0 において明るさを
検知できるため、最適な積分時間が設定できることも、
カメラのオートフォーカス用センサなど、１回の積分で
距離情報を得たい用途には適している。
【００２４】更に、読み出し期間中（期間Ｔ3 ）におい
て、フォトダイオードに電荷が蓄積しないため、強い光
が入射したときに電荷が積分器にあふれ出して、結果的
に雑音となるという現象が防ぐことができる。それと同
時に積分器の入力電位Ｖgs1と電流検出器の入力電位Ｖ
gs2 を、Ｖgs1 ＝Ｖgs2 となるように、ｎＭＯＳトラン
ジスタ11、21のトランジスタ寸法とバイアス電流を定め
ておけば、フォトダイオードに印加される電位は常に一
定であるため、積分器のバイアス電流が小さくても、期
間Ｔ1 のリセット時間を短くできるという特徴も備えて
いる。実際には素子間のばらつき等で、完全にＶgs1 ＝
Ｖgs2 とはならないが、0.1 Ｖ程度の差なら大きな問題
はない。
【００２５】以上の特徴の他に、図１及び図２に示した
構成の固体撮像装置は、単位セル（画素）群を任意のブ
ロックに分けやすいという特徴も備えている。図１及び
図２に示した実施例では、スイッチングトランジスタ３
の他端は全単位セル共通となり、電流検出器９に接続さ
れているが、これを数ブロックに分け、ブロック毎に電
流検出器を設けることにより、簡単に任意のブロックに
分けられる。図４に、２つのブロックに分けたときの構
成例を示す。図４においては、積分器等は省略されてい
るが、図１及び図２に示したものと同様に、各フォトダ
イオード毎に設けられている。
【００２６】上記第１実施例では、対数圧縮された出力
により、積分時間の制御をするように構成されている
が、実際のシステムでは、積分時間の制御だけで最適出
力を得るには、積分時間範囲を非常に広範囲としなけれ
ばならないので、ゲインの制御を同時に行うのが一般的
である。次に、このゲイン制御を行うようにした第２実
施例を、図５に基づいて説明する。
【００２７】この実施例における積分器は、図５に示す
ように、図２に示した第１実施例における積分器を構成
している反転増幅器の入出力間に、スイッチングトラン
ジスタ17と容量素子16の直列接続回路を、蓄積容量素子
12と並列に接続した構成となっている。そして、スイッ
チングトランジスタ17のゲートに印加されるΦGCを
“Ｈ”とすると、容量素子16が蓄積容量素子12と並列に
接続されて、積分容量が大きくなって感度が低くなり、
一方、ΦGCを“Ｌ”とすると、積分容量は小さくなって
感度は高くなる。
【００２８】この構成の積分器は、出力信号線７にゲイ
ンコントロールアンプを設けるのと作用は同じである
が、各単位セル毎に感度を切り換える方が、ｎＭＯＳト
ランジスタ11のＶgs1 の単位セル間のばらつきの影響を
小さくできる。このように構成した感度切り換え可能な
積分器を各単位セルに設ける。
【００２９】この実施例における電流検出器の構成は、
入力段は図２に示した第１実施例と同じ構成とし、対数
圧縮ダイオードの代わりに、基準電流Ｉref と光電流Ｉ
P を比較する電流コンパレータを接続している。この電
流コンパレータは、光電流ＩP に対応した電流を折り返
すｐＭＯＳトランジスタ26，27からなるカレントミラー
と、基準電流Ｉref を流す基準電流源30と、基準電流Ｉ
ref に対応した電流を折り返すｎＭＯＳトランジスタ2
8，29からなるカレントミラーと、インバータ31と、ラ
ッチ動作をするＤ型フリップフロップ32とで構成されて
いる。
【００３０】このように構成された電流コンパレータに
おいて、ｐＭＯＳトランジスタ26と27及びｎＭＯＳトラ
ンジスタ28と29が同じ寸法とすると、ＩP ＜Ｉref のと
きはインバータ入力は“Ｌ”，ＩP ＞Ｉref のときはイ
ンバータ入力は“Ｈ”となる。したがって、ＩP ＜Ｉ
ref すなわち被写体が暗いときは、ΦGC＝“Ｌ”とし、
ＩP ＞Ｉref すなわち被写体が明るいときは、ΦGC＝
“Ｈ”とすると、ダイナミックレンジを広げることがで
きる。また、この実施例においては、積分期間中に明る
さが変わってΦGCが切り換わることを防ぐために、ΦRS
の立ち上がりに同期してΦGCをラッチするＤ型フリップ
フロップ32を挿入している。このような構成により、明
るさに対応してオンチップ上で自動的に感度切り換えを
行うことができる。
【００３１】次に、図２に示した第１実施例における対
数圧縮出力による積分制御と、図５に示した第２実施例
における感度切り換えを同時に行うようにした第３実施
例について説明する。図６は第３実施例における光電流
検出器を示す図である。この光電流検出器は、図２に示
した対数圧縮型の光電流検出器に図５に示した電流コン
パレータを追加した構成であるが、その特徴とするとこ
ろは、共通信号線８に流れる光電流ＩP を、転送トラン
ジスタ22を介して圧縮用ダイオード24に流し込むと同時
に、それに対応した電流ＩP ′を電流コンパレータに流
すようにした点である。
【００３２】図６において、ゲート・ドレインが短絡さ
れたｎＭＯＳトランジスタ33には、ｐＭＯＳトランジス
タ35によりバイアス電流が与えられているが、そのバイ
アス電流は、ｐＭＯＳトランジスタ35のゲートがｐＭＯ
Ｓトランジスタ23のゲートに接続されているため、ｎＭ
ＯＳトランジスタ21に流れる電流ＩBIASに対応し、ｐＭ
ＯＳトランジスタ23と35、及びｎＭＯＳトランジスタ21
と33が、それぞれ同一寸法ならば、ＩBIAS＋ＩP ′がｎ
ＭＯＳトランジスタ33に流れる。したがって、ＩP ′に
比べてバイアス電流を十分大きくしておけば、Ｖgs2 ＝
Ｖgs3 となる。なお、Ｖgs3 はｎＭＯＳトランジスタ33
のゲート・ソース間電圧である。
【００３３】また、ｎＭＯＳトランジスタ34のゲートは
ｎＭＯＳトランジスタ22のゲートと同じノードに接続さ
れているため、ｎＭＯＳトランジスタ22とｎＭＯＳトラ
ンジスタ34のソース・ゲート間電圧はほぼ等しくなる。
したがって、ｎＭＯＳトランジスタ34に流れる電流
ＩP ′は、ＩP ′＝ＩP となり、このＩP ′を利用して
電流比較を行うことができる。
【００３４】この図６に示した第３実施例の電流検出器
を用いることにより、積分時間の決定及び感度切り換え
が同時に可能となるため、積分時間の設定可能な範囲が
小さくても、広範囲な明るさに対応することが可能とな
る。
【００３５】上記各実施例は、一次元センサに関するも
のであるが、一次元センサの場合は、フォトダイオード
に接続される２つのスイッチングトランジスタの制御信
号を反転信号とすることにより、光電流でフォトダイオ
ード及び積分器を飽和させないという特徴をもたせるこ
とが可能である。
【００３６】次に、単位セルを二次元に配列したエリア
センサに本発明を適用した第４実施例を、図７に基づい
て説明する。図７に示すように、単位セル４は、図１に
示した第１実施例と同様に、フォトダイオード１と並列
に接続される２つのスイッチングトランジスタ２，３に
より構成されている。このような構成の単位セル４を二
次元のアレイ状に配列し、スイッチングトランジスタ２
の一端は各列毎に共通に垂直信号線41に接続し、各垂直
信号線41毎に図１に示した第１実施例と同様な構成の積
分器５を設け、各積分器５の出力は水平シフトレジスタ
42を走査することにより、バッファ43を介して出力端子
44より出力ＳOUT として読み出せるようになっている。
積分器５自体の構成は、図１，２又は５に示したものと
同様でよいが、ラインセンサの場合と異なる点は、光電
荷の積分は各フォトダイオード自体で行い、その積分さ
れた電荷を積分器５で検出する点である。この点でこの
実施例の積分器５は、電荷検出器として動作していると
いえる。
【００３７】一方、スイッチングトランジスタ３の一端
は、全単位セル共通にして共通信号線８に接続されてお
り、該共通信号線８は光電流検出器９に接続されてい
る。そして２つのスイッチングトランジスタ２，３は、
垂直シフトレジスタ45で走査されるパルスΦRi，Φ
Ti（ｉ＝１，２，・・・ｍ）により、行毎に制御される
ようになっている。なお、光電流検出器９は、図２，
５，６に示したと同様な構成のものを用いることができ
る。
【００３８】次に、このように構成された第４実施例の
動作を、図８に示すタイミングチャートを参照しながら
説明する。なお各スイッチングトランジスタ２，３は、
いずれも“Ｈ”レベルが制御電極に印加されたときＯ
Ｎ、“Ｌ”レベルが印加されたときはＯＦＦするものと
する。１行目の単位セル（画素）の読み出しを行うに
は、まず積分器５のリセットを行うためΦRS＝“Ｈ”と
する。次にΦRS＝“Ｌ”とした後にΦT1＝“Ｈ”とし
て、１行目の各単位セルに蓄積された光電荷を積分器５
に転送する。これにより各積分器５の出力端には、各単
位セルに蓄積された電荷に対応した出力が保持される。
その後、ΦT1＝“Ｌ”として、水平シフトレジスタ42を
走査して各積分器５の出力を読み出す。この読み出し期
間中、ΦR1＝“Ｈ”としておくと、効率よく光電流を読
み出すことができる。
【００３９】以上の動作を１水平走査期間で行うが、テ
レビ信号として扱うには、ΦRS＝“Ｈ”及びΦT1＝
“Ｈ”とする動作を水平ブランキング期間で行えばよ
い。この動作を垂直シフトレジスタ45を走査しながら、
全行について行うわけであるが、１行目の単位セルの蓄
積時間は、ΦR1が“Ｈ”から“Ｌ”となった時点からΦ
T1＝“Ｈ”となるまでの時間であり、この蓄積時間を変
えるには、ΦR1の立ち下がりのタイミングを変えればよ
い。図８に示したタイミングチャートのΦR1の波形にお
いて、破線で示すように動作させることにより、積分
（蓄積）時間を短くすることができる。
【００４０】図７に示した第４実施例においては、各単
位セル４を構成するスイッチングトランジスタ３の一端
は全単位セル共通に接続されており、電流検出器９は全
体で１個設けられているが、単位セルアレイを複数個の
ブロックに分割し、各分割ブロック毎に電流検出器を設
けるように構成することもできる。図９に、各行毎に電
流検出器を設けるようにした第５実施例の構成を示す。
このように各行毎に電流検出器９を設けることにより、
複数行の光電流を検出する場合でも、その行毎の明るさ
のばらつきに対する情報を得ることができる。
【００４１】図７又は図９に示した第４又は第５実施例
においても、ラインセンサの場合と同様に積分時間の制
御ができ、また垂直信号線に接続された積分器５を、図
５に示した構成のように、感度切り換えが可能な形式に
しておくことよって、感度切り換えを併用して、より広
いダイナミックレンジを得ることができる。
【００４２】上記図７，図９に示した第４又は第５実施
例では、垂直走査回路45により周期的に走査する通常用
いられている方式を用いたものを示したが、図７，図９
における垂直シフトレジスタ45をデコーダに置き換える
ことにより、垂直方向の撮像範囲を可変できるラインセ
ンサとして用いることができる。
【００４３】このようにデコーダを用いる場合には、Φ
R1，ΦT1のいずれか一方のみが“Ｈ”、他方が“Ｌ”と
なるように設定を行い、垂直方向の特定部分のみ列毎に
積分を行い、他の部分は電流検出器９に光電流を掃き出
して、明るさの情報が得られると同時に、スメア、プル
ーミング等を防ぐことができる。
【００４４】このような用い方においては、図９に示し
た実施例のように、行毎の明るさを検出できるようにし
た方が、より有効な情報を得ることができる。例えば、
まず最初に各行毎の電流を検出して積分を行う範囲を決
定する等を行うことができる。
【００４５】また、デコーダを用いて積分領域を選択す
る方式においても、上記各実施例のように電流検出器に
よる情報をもとに、積分時間、感度等を決定すればよい
が、このようなデコーダを用いた構成の場合には、上記
のような制御の他に、積分器で積分する行の数を明るさ
に応じて変化させるという制御が可能である。例えば、
明るいときには１行分のみを積分器で積分し、暗さに応
じて加算する行を多くすればよい。このように構成する
ことによって、更に広範囲な明るさに対応可能となる。
【００４６】
【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、単位セル毎の積分値を検出する単位セ
ル群と共に、該単位セル群上の平均的な明るさを検出す
る電流検出器を同一チップ上に集積化できると共に、積
分器又は電荷検出器と電流検出器を同一の電源で動作さ
せることができ、また単位セル群を複数のブロックに任
意に分けることが可能である。またラインセンサを構成
した場合には、単位セルを構成するフォトダイオードの
飽和を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の第１実施例を示す
回路構成図である。
【図２】図１に示した実施例における積分器及び電流検
出器の具体的な構成例を示す図である。
【図３】図２に示した積分器及び電流検出器の動作を説
明するためのタイミングチャートである。
【図４】図１に示した第１実施例の変形例を示す図であ
る。
【図５】本発明の第２実施例を示す回路構成図である。
【図６】本発明の第３実施例の要部を示す回路構成図で
ある。
【図７】本発明の第４実施例を示す回路構成図である。
【図８】図７に示した第４実施例の動作を説明するため
のタイミングチャートである。
【図９】本発明の第５実施例を示す回路構成図である。
【図10】従来のＣＣＤ固体撮像装置の構成例を示す図で
ある。
【図11】従来のＣＣＤ固体撮像装置においてブロック単
位の情報を得る場合の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード ２，３ スイッチングトランジスタ ４ 単位セル ５ 積分器 ６ 選択スイッチ ７ 出力信号線 ８ 信号線 ９ 電流検出器 10 シフトレジスタ 11 ｎＭＯＳトランジスタ 12 蓄積容量素子 13 リセット用スイッチングトランジスタ 14 ｐＭＯＳトランジスタ 15 選択スイッチングトランジスタ 16 容量素子 17 スイッチングトランジスタ 21 ソース接地型ｎＭＯＳトランジスタ 22 転送用トランジスタ 23 ｐＭＯＳトランジスタ 24 対数圧縮用ダイオード 25 差動アンプ 26，27 ｐＭＯＳトランジスタ 28，29 ｎＭＯＳトランジスタ 30 基準電流源 31 インバータ 32 Ｄ型フリップフロップ 33，34 ｎＭＯＳトランジスタ 35 ｐＭＯＳトランジスタ 41 垂直信号線 42 水平シフトレジスタ 43 バッファ 44 出力端子 45 垂直シフトレジスタ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フォトダイオードと該フォトダイオード
    に一端を接続した第１及び第２のスイッチとを有する単
    位セルを、一次元又は二次元状に配列し、第１のスイッ
    チの他端は前記フォトダイオードに入射した光により発
    生した電荷の積分値を検出する積分器又は電荷検出器に
    接続し、第２のスイッチの他端は、全ての単位セル又は
    複数個の一部の単位セル単位で共通に接続して、共通に
    接続された単位セルに入射した光電荷を電流値として検
    出する電流検出器に接続したことを特徴とする固体撮像
    装置。
  2. 【請求項２】 一次元又は二次元状に配列された単位セ
    ルを複数ブロックに分割し、前記第２のスイッチの他端
    は前記分割ブロック毎に共通に接続され、該分割ブロッ
    ク毎に前記電流検出器を備えていることを特徴とする請
    求項１記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 前記単位セルは一次元のライン状に配列
    され、各単位セルの第１及び第２のスイッチの制御端子
    はそれぞれ共通に接続されて、第１のスイッチの制御端
    子には第２のスイッチの制御端子に印加される制御信号
    の反転信号が印加されるように構成されており、第１の
    スイッチに接続される積分器と第２のスイッチに接続さ
    れる電流検出器は、それぞれ入力が低インピーダンスと
    なり且つ入力電位がほぼ等しくなる帰還型の回路で構成
    されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体
    撮像装置。
  4. 【請求項４】 前記積分器又は電荷検出器は、感度切り
    換え用の制御信号により感度切り換えが可能に構成され
    ており、該感度切り換え用制御信号は、前記電流検出器
    で検出された電流値に基づいて設定されるように構成さ
    れていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
    に記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項５】 前記電流検出器は、対数圧縮型に構成さ
    れており、該電流検出器の出力により積分器の積分時間
    を制御するように構成されていることを特徴とする請求
    項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 【請求項６】 前記単位セルは二次元状に配列され、垂
    直方向に配列された各単位セルの第１のスイッチの他端
    は共通にして、一端がそれぞれ個別の電荷検出回路に接
    続された各垂直信号線に接続され、水平方向に配列され
    た各単位セルの第２のスイッチの他端は共通にして、一
    端が単一の電流検出器に接続された共通信号線にそれぞ
    れ接続されていることを特徴とする請求項１記載の固体
    撮像装置。
  7. 【請求項７】 前記水平方向に配列された各単位セルの
    第１及び第２のスイッチの制御端子は、それぞれ共通に
    して垂直方向に走査されるシフトレジスタに接続されて
    いることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
  8. 【請求項８】 前記各単位セルの第１のスイッチをオフ
    してから第２のスイッチをオンするまでの積分時間は、
    前記電流検出器の出力により設定されるように構成され
    ていることを特徴とする請求項６又は７記載の固体撮像
    装置。
  9. 【請求項９】 前記各垂直信号線に設けられた電荷検出
    器は、前記電流検出器の出力に基づいて、感度の切り換
    えが可能に構成されていることを特徴とする請求項６〜
    ８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 【請求項10】 前記水平方向に配列された各単位セルの
    第１及び第２のスイッチの制御端子は、それぞれ共通に
    してテコーダに接続されていることを特徴とする請求項
    ６記載の固体撮像装置。
  11. 【請求項11】 前記単位セルの第２のスイッチは、水平
    方向に配列された複数の行の各単位セル毎に制御できる
    ように構成され、前記複数の行は前記電流検出器の出力
    により設定されるように構成されていることを特徴とす
    る請求項６又は10記載の固体撮像装置。
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