JPH084127B2 - 光電変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光電変換素子からの信号を蓄積する蓄積手段
を有する光電変換装置に係り、特に暗信号のバラツキや
駆動ノイズ等の不要成分を除去することを企図した光電
変換装置に関する。

［従来技術］ 第10図は、従来の光電変換装置の一例を示す概略的構
成図である。

同図において、光センサS₁〜Snからの読出し信号は蓄
積用コンデンサC₁〜Cnに一旦蓄積される。そして走査回
路101の動作タイミングに従ってトランジスタQs₁〜Qsn
が順次ON状態になることで、各読出し信号は順次出力ラ
イン102に現われ、アンプ103を通して外部へ出力され
る。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような従来例では、光センサの暗
信号や駆動ノイズ等の不要成分が読出し信号に含まれて
出力されるという問題点を有していた。

ここで駆動ノイズとは、光センサを駆動して信号を読
出す時に発生するノイズであり、素子形状等の製造上の
バラツキに起因するノイズや素子分離等に起因し光照射
量に依存するスミア等をいう。

また、暗信号とは光センサの暗電流であるが、そのバ
ラツキは光センサの蓄積時間および温度に大きく依存し
ている。

このような駆動ノイズや暗信号等の不要信号は、特に
低照度撮像時に問題となる。低照度撮像時においては撮
像による情報信号レベルが低くなるために、結果的にSN
比が低下し、画質を劣化させるからである。したがっ
て、画質を改善するためには、上記不要信号を低減させ
ることが必要となる。

しかしながら、上述したように、暗信号は温度や蓄積
時間の依存性が大きく、駆動ノイズはその依存性が小さ
いために、これら不要信号を除去しようとすれば、両信
号を分離して補正係数を定めることが必要となり、その
ためには多大のメモリを必要とする。その結果、信号処
理の複雑化、コストの上昇、撮像装置の大型化という問
題を生じさせていた。

［問題点を解決するための手段］ 本発明による光電変換装置は、 光電変換素子からの信号を蓄積する蓄積手段を有する
光電変換装置において、 前記光電変換素子について該光電変換素子の読み出し
信号を蓄積する第１の蓄積手段と、 当該光電変換素子をリフレッシュ動作した後の残存信
号を蓄積する第２の蓄積手段と、 前記光電変換素子の出力を前記第１、第２の蓄積手段
に対して選択的に順次導くために前記光電変換素子に対
して接続されると共に、互いに並列に接続された第１、
第２のスイッチ手段と、 該第１、第２のスイッチ手段を介して前記第１、第２
の蓄積手段に蓄積された読み出し信号及び残存信号の差
分処理を行う差分処理手段と、 を有することを特徴とする。

［作用］ このように読出し信号からリフレッシュ後の残存信号
を差し引くことによって、光電変換素子の暗信号や駆動
ノイズ等の不要成分を読出し信号から除去することがで
きる。

光電変換素子としては、MOS型、静電誘導型、ベース
蓄積型等の各種光センサを用いることができる。

また、光電変換素子のリフレッシュとは、光電変換素
子の光情報の消去を意味する。光センサの種類によっ
て、読出しと同時に光情報が消去されるもの、読出しに
よっては光情報が消去されず繰返し読出し可能なものが
ある。

［実施例］ まず、本実施例で使用される光電変換素子について説
明する。

第11図（Ａ）は、特開昭60−12759号公報〜特開昭60
−12765号公報に記載されている光電変換セルの概略的
断面図、第11図（Ｂ）は、その等価回路図である。

両図において、n⁺シリコン基板１上に光電変換セルが
形成され配列されており、各光電変換セルはSiO₂、Si₃N
₄、又はポリシリコン等より成る素子分離領域２によっ
て隣接する光電変換セルから電気的に絶縁されている。

各光電変換セルは次のような構成を有する。

エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低い
n^-領域３上にはｐタイプの不純物をドーピングすること
でｐ領域４が形成され、ｐ領域４には不純物拡散技術又
はイオン注入技術等によってn⁺領域５が形成されてい
る。ｐ領域４およびn⁺領域５は、各々バイポーラトラン
ジスタのベースおよびエミッタである。

このように各領域が形成されたn^-領域３上には酸化膜
６が形成され、酸化膜６上に所定の面積を有するキャパ
シタ電極７が形成されている。キャパシタ電極７は酸化
膜６を挟んでｐ領域４と対向し、キャパシタ電極７にパ
ルス電圧を印加することで浮遊状態にされたｐ領域４の
電位を制御する。

その他に、n⁺領域５に接続されたエミッタ電極８、基
板１の裏面に不純物濃度の高いn⁺領域11、およびバイポ
ーラトランジスタのコレクタに電位を与えるためのコレ
クタ電極12がそれぞれ形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。まず、バイポーラト
ランジスタのベースであるｐ領域４は負電位の初期状態
にあるとする。このｐ領域４側から光13が入射し、入射
光によって発生した電子・正孔対のうちの正孔がｐ領域
４に蓄積され、蓄積された正孔によってｐ領域４の電位
が正方向に上昇する（蓄積動作）。

続いて、キャパシタ電極７に読出し用の正電圧パルス
が印加され、蓄積動作時のベース電位変化分に対応した
読出し信号が浮遊状態にしたエミッタ電極８から出力さ
れる（読出し動作）。ただし、ベースであるｐ領域４の
蓄積電荷量はほとんど減少しないために、読出し動作の
繰出しが可能である。

また、ｐ領域４に蓄積された正孔を除去するには、エ
ミッタ電極８を接地し、キャパシタ電極８に正電圧のリ
フレッシュパルスを印加する。このパルスを印加するこ
とでｐ領域４はn⁺領域５に対して順方向にバイアスさ
れ、蓄積された正孔が除去される。そして、リフレッシ
ュパルスが立下がった時点でｐ領域４は負電位の初期状
態に復帰する（リフレッシュ動作）。以後、同様に蓄
積、読出し、リフレッシュという各動作が繰り返され
る。

しかしながら、リフレッシュ動作によってｐ領域４の
電位を初期状態に復帰させるには、十分長いパルス幅の
リフレッシュパルスを必要とする。このために高速動作
を達成するには、リフレッシュパルス幅を短かくするこ
とが必要である。しかし、リフレッシュパルス幅を短か
くすると、完全なリフレッシュ動作が行われないため
に、残像に暗信号や駆動ノイズ等の不要成分も加わって
くる。

第12図は、上記光電変換セルに印加するリフレッシュ
パルス幅ｔとリフレッシュ後の光電変換セル出力との関
係を示すグラフである。

同グラフにおいて、ｔ＝０の時の出力は蓄積動作後の
読出し信号であり、入射光の照度に対応したレベルの読
出し信号が示されている。

このような光電変換セルの出力レベルはリフレッシュ
動作によって低下するが、その低下の様子も、またリフ
レッシュ後の残存信号のレベルも入射光の照度によって
異なっている。

すなわち、同一リフレッシュ動作を行った場合に、残
存信号レベルが一定値とはならず、高照度側ほど残存信
号レベルが高くなっている。すなわち、残像があること
を示している。

また、高照度の場合では、残存信号レベルは低照度の
場合より高いが、初期の読出し信号に比べて大幅に低下
しており、実質的には読出し信号に含まれる不要成分の
割合が低いことを示している。それに対して低照度の場
合は、残存信号レベルは低くなっているが、初期の読出
し信号レベルに比べると低下の幅は小さいために、読出
し信号に含まれる不要成分の割合が高くなっている。

このような特性を有する上記光電変換セルであって
も、次に詳述するように、初期の読出し信号からリフレ
ッシュ後の残存信号を差し引くことによって、上記特有
の残像成分だけではなく、前述した暗信号や駆動ノイズ
等の不要成分をも同時に除去することができる。以下、
本発明の実施例を説明する。

第１図は、本発明による光電変換装置の一実施例の基
本構成を説明するための回路図である。

第１図において、光電変換セルＳのエミッタ電極８は
垂直ラインVLに接続され、トランジスタQrを介して接地
されている。また垂直ラインVLはトランジスタQt₁およ
びQt₂を介して蓄積用コンデンサCt₁およびCt₂にそれぞ
れ接続され、コンデンサCt₁およびCt₂はトランジスタQs
₁およびQs₂を介して出力ライン21および22に各々接続さ
れている。出力ライン21および22は、差動アンプ23の入
力端子に接続されている。

また、トランジスタQs₁およびQs₂のゲート電極には走
査回路からパルスφが印加され、トランジスタQt₁およ
びQt₂のゲート電極にはパルスφt₁およびφt₂が各々印
加されている。さらに、トランジスタQrのゲート電極に
はパルスφvcが印加され、光電変換セルＳのキャパシタ
電極７には読出し又はリフレッシュパルスφrcが印加さ
れている。

次に、動作を説明する。

第２図は、第１図に示す回路の動作を説明するための
タイミングチャートである。

まず、パルスφt₁、φt₂およびφvcによってトランジ
スタQt₁、Qt₂およびQrをON状態にして、コンデンサCt₁
およびCt₂をクリアする（期間T₁）。

続いて、トランジスタQt₁をONにしたままで、パルス
φrcをキャパシタ電極７に印加することで、光電変換セ
ルＳの読出し信号がコンデンサCt₁に蓄積される（期間T
₂）。

続いて、パルスφrcを印加したままで、トランジスタ
Qt₁をOFFにした後、パルスφvcによってトランジスタQr
をONにする。このパルスφvcのパルス幅によって光電変
換セルＳのリフレッシュ動作が行われる（期間T₃）。

リフレッシュ動作が終了すると、パルスφrcを印加し
たままで、パルスφt₂によりトランジスタQt₂をONとす
る。これによって、光電変換セルＳの残存信号がコンデ
ンサCt₂に蓄積される（期間T₄）。

こうしてコンデンサCt₁およびCt₂に読出し信号および
残存信号が蓄積されると、パルスφによってトランジス
タQs₁およびQs₂をONにし、読出し信号および残存信号を
出力ライン21および22を通して差動アンプ23に入力す
る。そして、差動アンプ23からは、読出し信号と残存信
号との差に比例した信号Soutが出力される（期間T₅）。

すでに述べたように、信号Soutは暗信号や駆動ノイズ
等の不要成分および残像成分が除去された信号であり、
入射光の照度に正確に対応したものとなっている。特
に、低照度側での不要成分除去が効果的であり、S/N向
上に寄与している。

第３図は、本実施例の回路図である。

本実施例は、第１図に示す回路がｎ個配列された構成
となっている。

同図において、光電変換セルS₁〜Snのエミッタ電極８
は垂直ラインVL₁〜VLnに各々接続され、各垂直ラインに
は第１図と同様の回路が接続されている。各垂直ライン
のトランジスタQrのゲート電極は共通に接続され、パル
スφvcが印加される。また、各トランジスタQt₁のゲー
ト電極および各トランジスタQt₂のゲート電極も共通に
接続され、それぞれパルスφt₁およびφt₂が印加され
る。

各光電変換セルに対応するトランジスタQs₁およびQs₂
のゲート電極は共に走査回路24の並列出力端子に接続さ
れ、それぞれパルスφ_１〜φｎが印加される。また各ト
ランジスタQs₁は出力ライン21に、各トランジスタQs₂は
出力ライン22に各々接続され、両出力ラインは各々トラ
ンジスタQrhを介して接地されている。トランジスタQrh
のゲート電極には共にリセットパルスφrhが印加され
る。

このような構成を有する本実施例の動作を第４図を参
照して簡単に説明する。

第４図は、本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。

すでに説明したように、期間T₁において各光電変換セ
ルに対応するコンデンサCt₁およびCt₂をクリアし、期間
T₂において各コンデンサCt₁に各光電変換セルの読出し
信号を蓄積する。続いて、期間T₃において各光電変換セ
ルをリフレッシュし、期間T₄においてリフレッシュ後の
各光電変換セルの残存信号を各コンデンサCt₂に蓄積す
る。

こうして各光電変換セルの読出し信号および残存信号
を蓄積した後、走査回路24からパルスφ_１がトランジス
タQs₁およびQs₂のゲート電極に印加され、コンデンサCt
₁およびCt₂に蓄積された光電変換セルS₁の読出し信号お
よび残存信号が出力ライン21および22に各々現われ、差
動アンプ23で差分処理されて出力される。出力ライン21
に現われた読出し信号には不要成分が含まれているが、
差動アンプ23によって不要成分が除去され、出力信号So
utを得る。

光電変換セルS₁の信号が出力されると、パルスφrhに
よってトランジスタQrhがONとなり、出力ライン21およ
び22に残留している電荷が除去される。

以下同様にして、パルスφ_２〜φｎにより、光電変換
セルS₂〜Snの読出し信号および残存信号が各々コンデン
サCt₁およびCt₂から出力ライン21および22に取り出さ
れ、差動アンプ23を通して信号Soutとして順次出力され
る。

第５図は、本実施例を用いた撮像装置の概略的ブロッ
ク図である。

同図において、ライン状又はエリア状の撮像素子501
が第３図に示す本実施例に相当する。撮像素子501の出
力信号SoutはAGC等の信号処理を行う信号処理回路502を
通してNTSC信号等の標準テレビジョン信号として出力さ
れる。

また、撮像素子501を駆動するための上記各種パルス
はドライバ503から供給され、ドライバ503は制御部504
からの制御信号に従ってパルスを出力する。また、制御
部504は露出制御手段505を制御して撮像素子501に入射
する光量を定める。

上述したように、本実施例である撮像素子501は、読
出し信号から残存信号を差し引くことによって入射光の
照度に正確に対応した出力信号Soutを得ることができる
ために、信号処理回路502によって適切なゲインが設定
されるとともに、ノイズ成分がすでに除去されているこ
とで信号処理も簡単となる。

なお、上記実施例では第７図に示す方式の光センサの
場合を説明したが、本発明は光センサの特定の方式に限
定されるものではない。

また、本発明は複数水平ライン信号処理方式のカラー
撮像装置にも応用することができる。

第６図は、本発明の他の実施例の回路図、第７図は、
本実施例における読出し回路Riの具体的回路図である。
なお、本実施例では２水平ライン信号処理方式の場合を
説明するが、３水平ライン以上の信号処理方式であって
も本質的には同じである。

第６図において、光センサＳはｍ×ｎ個エリア状に配
列され、センサ表面にはモザイク状のRGB色フィルタが
配置されている。

光センサの出力は、列ごとに垂直ラインVL₁〜VLnを通
して読出し回路R₁〜Rnへ入力する。

第７図に示すように、任意の読出し回路Ri（ｉ＝1,2,
・・・,n）において、垂直ラインVLiはトランジスタQt₁
〜Qt₄を介して蓄積用コンデンサCt₁〜Ct₄に接続され、
コンデンサCt₁〜Ct₄はトランジスタQs₁〜Qs₄を介して出
力ライン601〜604に各々接続されている。本実施例では
２水平ライン信号処理方式であるために、読出し信号を
蓄積するコンデンサと残存信号を蓄積するコンデンサと
が各々２個ずつ設けられている。

トランジスタQt₁〜Qt₄の各ゲート電極は、読出し回路
R₁〜Rnを通して各々共通に接続され、各ゲート電極には
パルスφt₁〜φt₄が印加される。

また、読出し回路RiのトランジスタQs₁〜Qs₄のゲート
電極には、水平走査回路24からパルスφｉが印加され、
トランジスタQs₁〜Qs₄は同時にON/OFF動作を行う。

出力ライン601および602と出力ライン603および604
は、各々差動アンプ605と差動アンプ606の入力端子に接
続され、各差動アンプから信号OUT1とOUT2が各々出力さ
れる。

また、垂直走査回路607およびインタレース回路608に
よってフィールドが選択されるとともに、そのフィール
ドにおける２水平ラインが順次選択され、選択された２
水平ラインに光センサを駆動するためのパルスがインタ
レース回路608に入力するパルスVr₁およびVr₂のタイミ
ングで順次印加される。

次に、本実施例の動作を第８図を参照しながら説明す
る。

第８図は、本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。

本実施例では、２水平ラインにおける各光センサの読
出し信号および残存信号を水平ブランキング（HBLK）期
間に各読出し回路R₁〜Rnの蓄積コンデンサに転送する。
２水平ラインのうち第１水平ラインについての転送は期
間TaにパルスVr₁のタイミングで、第２水平ラインにつ
いての転送は期間TbにパルスVr₂のタイミングで各々行
われる。

転送動作は第３図に示す実施例の場合とほぼ同様であ
るが、HBLK期間内に転送を行うために、１水平ライン方
式の場合に比べて転送時間が短かくなる。そこで、残存
信号を蓄積するコンデンサのクリアと残存信号の蓄積と
をほぼ同一の期間T₃′およびT₃″で行っている。また、
信号転送時に発生するスミアは転送時間に比例するため
に、T₂（T₂′）、T₃′（T₃″）を短かくすることでスミ
アを抑制することもできる。

まず、期間Taにおける期間T₁でコンデンサCt₁およびC
t₂がクリアされた後、期間T₂でパルスVr₁によってパル
スφrc₁が第１水平ラインに印加され、第１水平ライン
の各光センサの読出し信号が読出し回路R₁〜Rnの各コン
デンサCt₁に蓄積される。続いて、期間T₃′において、
第１水平ラインの光センサがリフレッシュされ、リフレ
ッシュ終了後の残存信号がコンデンサCt₂に蓄積され
る。

続いて期間Tbにおいて、第２水平ラインについての転
送がパルスVr₂によるパルスφrc₂の出力によって第１水
平ラインと同様に行われ、第２水平ラインの各光センサ
の読出し信号および残存信号が各々コンデンサCt₃およ
びCt₄に蓄積される。

こうして第１および第２水平ラインの読出し信号およ
び残存信号が読出し回路R₁〜Rnの各コンデンサCt₁〜Ct₄
に蓄積されると、水平走査回路24からパルスφ_１〜φｎ
が読出し回路R₁〜Rnに順次出力され、差動アンプ605か
らR,Gの点順次信号OUT1が、差動アンプ606からG,Bの点
順次信号OUT2がそれぞれ不要成分が除去されて出力され
る。ただし、次のフィールドではOUT1がG,Bの点順次信
号、OUT2がR,Gの点順次信号となる。

第９図は、本実施例を用いた撮像装置の概略的ブロッ
ク図である。

同図において、撮像素子901は第６図及び第７図に示
す光電変換装置である。撮像素子901の出力信号OUT1お
よびOUT2は、サンプルホールド回路902を経て信号処理
回路903によってNTSC信号が形成され出力される。

撮像素子901を駆動する各パルスはドライバ904から供
給され、ドライバ904は制御部905によって制御されてい
る。また、制御部905は露出制御手段906を制御して撮像
素子501に入射する光量を定める。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように本発明による光電変換装置
は、光電変換セルの読出し信号からリフレッシュ後の残
存信号を差し引くことによって、光電変換素子の暗信号
や駆動ノイズ等の不要成分を読出し信号から除去すると
いう簡単な方法で、高SN比の映像信号を得ることができ
るようになったために、光電変換装置を低コストかつコ
ンパクトに製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光電変換装置の一実施例の基本
構成を説明するための回路図、 第２図は、第１図に示す回路の動作を説明するためのタ
イミングチャート、 第３図は、本実施例の回路図、 第４図は、本実施例の動作を説明するためのタイミング
チャート、 第５図は、本実施例を用いた撮像装置の概略的ブロック
図、 第６図は、本発明の他の実施例の回路図、 第７図は、本実施例における読出し回路Riの具体的回路
図、 第８図は、本実施例の動作を説明するためのタイミング
チャート、 第９図は、本実施例を用いた撮像装置の概略的ブロック
図、 第10図は、従来の光電変換装置の一例を示す概略的構成
図、 第11図（Ａ）は、特開昭60−12759号公報〜特開昭60−1
2765号公報に記載されている光電変換セルの概略的断面
図、第11図（Ｂ）は、その等価回路図、 第12図は、上記光電変換セルに印加するリフレッシュパ
ルス幅ｔとリフレッシュ後の光電変換セル出力との関係
を示すグラフである。 １……基板 ３……n^-エピタキシャル層 ４……ｐベース領域 ５……n⁺エミッタ領域 ７……キャパシタ電極 ８……エミッタ電極 12……コレクタ電極 21、22……出力ライン 23……差動アンプ S₁〜Sn……光電変換セル Ct₁、Ct₂……蓄積用コンデンサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光電変換素子からの信号を蓄積する蓄積手
   段を有する光電変換装置において、 前記光電変換素子について該光電変換素子の読み出し信
   号を蓄積する第１の蓄積手段と、 当該光電変換素子をリフレッシュ動作した後の残存信号
   を蓄積する第２の蓄積手段と、 前記光電変換素子の出力を前記第１、第２の蓄積手段に
   対して選択的に順次導くために前記光電変換素子に対し
   て接続されると共に、互いに並列に接続された第１、第
   ２のスイッチ手段と、 該第１、第２のスイッチ手段を介して前記第１、第２の
   蓄積手段に蓄積された読み出し信号及び残存信号の差分
   処理を行う差分処理手段と、 を有することを特徴とする光電変換装置。
2. 【請求項２】上記差分処理手段は差動アンプであり、上
   記読み出し信号及び残存信号を入力し、これらの信号の
   差に対応した信号を出力することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の光電変換装置。