JPH11274466A - 固体撮像装置及びこれを備えたカメラ - Google Patents

固体撮像装置及びこれを備えたカメラ

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JPH11274466A
JPH11274466A JP10090695A JP9069598A JPH11274466A JP H11274466 A JPH11274466 A JP H11274466A JP 10090695 A JP10090695 A JP 10090695A JP 9069598 A JP9069598 A JP 9069598A JP H11274466 A JPH11274466 A JP H11274466A
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JP
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light
semiconductor region
charge transfer
signal
signal charges
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JP10090695A
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Tomohisa Ishida
知久 石田
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Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 入射光量の予測が困難な場合や入射光量が想
定した値から急激に変化した場合にも、受光部に直接入
射する光量の変化をリアルタイムで検出して最適な露光
量で光情報を読み出すことが可能な固体撮像装置及びこ
れを備えたカメラを提供する。 【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、入射光に応じ
た信号電荷を生成して蓄積し、その信号電荷を転送する
電荷転送部９と、該電荷転送部９から転送された該信号
電荷を電気信号として出力する出力部と、入射光量に応
じた光電流を生成する半導体領域４と、該半導体領域４
の上に形成された、開口部１６を有する遮光膜１５と、
該開口部１６を通って該半導体領域４に入射した光によ
り生成される光電流を該半導体領域４の外部に読み出す
ための読み出し部と、を具備するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置及び
これを備えたカメラに関し、特に、入射光量をモニタす
ることができる固体撮像装置及びこれを備えたカメラに
関する。
【０００２】
【従来の技術】図１３（ａ）は、従来の固体撮像装置に
おける単位画素の構造を模式的に示す平面図であり、図
１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す１３ｂ−１３ｂ線に
沿った断面図であり、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）に
示す１３ｃ−１３ｃ線に沿った断面図である。
【０００３】この固体撮像装置は、ラテラルオーバーフ
ロードレイン構造（以下、「ＬＯＤ」とも呼ぶ）を備え
たフレームトランスファー型ＣＣＤイメージセンサ（以
下、単に「ＣＣＤ」とも呼ぶ）である。
【０００４】図１３（ｂ）に示すように、Ｐ型半導体基
板１の表面上にはＮ型半導体領域２，３が形成されてい
る。Ｎ型半導体領域２と３は、図１３（ａ）に示すよう
に図の縦方向に向けて交互に形成されている。不純物濃
度は、Ｎ型半導体領域２よりＮ型半導体領域３の方が高
い。また、図１３（ｃ）に示すように、Ｐ型半導体基板
１の表面上にはＮ型半導体領域（ＬＯＤ拡散領域）４及
びＰ型半導体領域５，６が形成されており、Ｎ型半導体
領域４はＰ型半導体領域５と６の間に位置している。
【０００５】Ｎ型半導体領域２，３，４及びＰ型半導体
領域５，６の上には酸化膜７が形成されており、この酸
化膜７の上には透明性の例えばポリシリコンからなる垂
直転送ゲート電極８ａ，８ｂが形成されている。ゲート
電極８ａと８ｂは、図１３（ａ）に示すように水平方向
に延び、縦方向に向けて交互に配線されている。
【０００６】垂直転送部９はＮ型半導体領域２と３によ
り構成される。この垂直転送部９は、受光部としても機
能し、ＣＣＤへの入射光により発生した光信号電荷Ｑs
（この場合は電子）が蓄積・転送される領域となる。ま
た、Ｐ型半導体領域５はアンチブルーミングバリアとし
て作用し、垂直転送部９に蓄積しきれない過剰な電荷Ｑ
exがこの領域５を乗り越えてＮ型半導体領域であるＬＯ
Ｄ拡散領域４に排出される。また、Ｐ型半導体領域６は
画素分離領域として作用する。単位画素サイズは通常５
乃至２０μm 程度である。このような固体撮像装置で
は、画素部には入射光を遮光する遮光膜が形成されてな
いので、画素部全面に光が入射することとなる。
【０００７】図１４は、図１３に示す固体撮像装置の単
位画素を２次元マトリックスに配列したＣＣＤを示す構
成図である。このＣＣＤは、図１３の垂直転送部９によ
って構成される受光部１０と水平転送部１１を備えてい
る。また、水平転送部１１には出力アンプ１２が接続さ
れている。
【０００８】図１５は、図１３に示す垂直転送部９の終
端部及びその近傍を模式的に示す平面図である。水平転
送部１１と反対側の垂直転送部９の終端部のＮ型領域９
ａにはコンタクト領域９ｂを介してアルミ配線１３が接
続されている。このアルミ配線１３には、Ｐ型半導体基
板１に対して垂直転送部９が逆バイアスとなる電位Ｖr
が印加されている。また、アルミ配線１３とゲート電極
８ｂとの間にはゲート電極８ｃが形成されており、この
ゲート電極８ｃには一定電位Ｖc が印加されている。ま
た、ＬＯＤ拡散領域４の終端部にはコンタクト領域４ａ
を介してオーバーフロー用配線１４が接続されており、
ＬＯＤ拡散領域４にはこの配線１４を介して一定電位Ｖ
f が端子１８から印加されている。この電位Ｖf はＰ型
半導体基板１に対して逆バイアスとなっている。
【０００９】図１４のＣＣＤにおいて、垂直転送部９に
光が入射されることによって垂直転送部９の各画素に光
信号電荷Ｑs が生成され蓄積される。次に、この光信号
電荷Ｑs は水平転送部１１に転送され、更に、水平転送
部１１から出力アンプ１２に転送され、その電荷Ｑs は
出力アンプ１２を介して信号Ｖout として素子外部へ出
力される。ここで、垂直転送部９に入射した光によって
発生した光信号電荷Ｑs のうち、垂直転送部９に蓄積し
きれない過剰電荷Ｑexは、ＬＯＤ拡散領域４にオーバー
フローする。このオーバーフローしたＬＯＤ拡散領域４
における過剰電荷Ｑexは、一定電位Ｖf が印加されてい
るオーバーフロー用配線１４を介して排出される。
【００１０】次に、図１６に示す駆動タイミングチャー
トを使い、上述したＣＣＤとシャッタとを組み合わせて
静止画を撮影する場合の動作について説明する。
【００１１】まず、期間Ｔｐ１において、シャッタが閉
じた状態で露光前の初期化を行う。即ち、図１４の水平
転送部１１に蓄積していた電荷をリセットするために、
水平転送部１１にクロック（図示せず）を印加して順次
水平転送部１１の電荷を出力アンプ１２に転送する。そ
の後、垂直転送ゲート電極８ａ，８ｂにクロックφＶ
１，φＶ２を印加して垂直転送部９に蓄積されている電
荷を順次、水平転送部１１に転送する。このように水平
転送部１１に転送された電荷は水平転送部１１内を転送
された後、この電荷が出力アンプ１２を介して出力され
リセットされる。この一連の転送動作により垂直転送部
９及び水平転送部１１がリセットされる。
【００１２】この後、期間Ｔｐ２において、垂直ゲート
電極８ａ，８ｂに印加されるクロックφＶ１，φＶ２を
「Ｌ（ロー）」レベルに保持した後、シャッタを開いて
ＣＣＤを露光状態にする。Ｎ型半導体領域３の不純物濃
度はＮ型半導体領域２のそれより高く設定されているの
で、この期間Ｔｐ２ではＮ型半導体領域３に光信号電荷
Ｑs が蓄積される。
【００１３】次に、期間Ｔｐ３において、シャッタが閉
じられ、垂直転送部９及び水平転送部１１にクロックを
印加して光信号電荷Ｑs が転送され、順次出力アンプ１
２から画像信号を素子外部へ出力される。
【００１４】すなわち、期間Ｔｐ２の露光状態で垂直ゲ
ート電極８ａ，８ｂの下のＮ型半導体領域３に蓄積され
た光信号電荷Ｑs は、φＶ１が「Ｈ（ハイ）」レベルに
なると、クロックφＶ１が印加されるゲート電極８ａ下
のＮ型半導体領域３に集められる。その後、このＮ型半
導体領域３の光信号電荷Ｑs は、φＶ２が「Ｈ」レベル
になると、隣の画素のクロックφＶ２が印加されるゲー
ト電極８ｂ下のＮ型半導体領域３に転送される。図１３
（ａ）では信号電荷は上の方向に転送される。つまり、
クロックφＶ２が「Ｈ」レベルに立ち上がった時に垂直
転送部９から水平転送部１１に光信号電荷Ｑs が転送さ
れ、その後、クロックφＶ２が「Ｈ」レベルに立ち上が
る前に水平転送部１１の光信号電荷Ｑs は出力アンプ１
２へ転送され、素子外部へ画像信号が出力される。この
ようにして１画面分の光信号電荷Ｑs が順次読み出され
る。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
固体撮像装置では、予め決められた露光時間（図１６の
期間Ｔｐ２）で撮像するため、この露光時間の間に入射
光量が想定していた値から急激に増加等して変化する
と、最適な露光量で光情報を読み出すことができなくな
る。これを解決するための方式としては次の第１〜第３
の方式が考えられる。
【００１６】第１の方式としては、固体撮像装置の光学
系（受光部）とは別の位置に露出制御センサを配置し、
被写体からの光強度を該センサによってモニタして、露
出を調整する方式が考えられる。第２の方式としては、
固体撮像装置の光学系の中にハーフミラー等を備えた露
出制御センサを配置し、光学系への入射光（レンズを通
る光）の一部を該ハーフミラー等によって取り出し、こ
の取り出した光を該センサによってモニタして、露出を
調整する方式が考えられる。第３の方式としては、固体
撮像装置の受光部の近傍に露出制御センサを配置し、光
学系に入射された光が受光部で反射し、その反射光を該
センサによってモニタして、露出を調整する方式が考え
られる。
【００１７】しかしながら、第１の方式には、固体撮像
装置の受光部に直接入射する光の強度をモニタしていな
いので、露出制御の精度が悪いという問題がある。ま
た、第２の方式には、固体撮像装置に入射する光の一部
がハーフミラー等によって取り出されるため、入射光の
一部が損失し感度の点で不利という問題がある。また、
第３の方式には、固体撮像装置に入射した光は銀塩フィ
ルムの場合のように乱反射（散乱）されないため、反射
光の強度が非常に小さく精度良く入射光をモニタできな
いという問題がある。
【００１８】本発明は上記のような事情を考慮してなさ
れたものであり、その目的は、入射光量の予測が困難な
場合や入射光量が想定した値から急激に変化した場合に
も、受光部に直接入射する光量の変化をリアルタイムで
検出して最適な露光量で光情報を読み出すことが可能な
固体撮像装置及びこれを備えたカメラを提供することに
ある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１態様に係る固体撮像装置は、入射光に
応じた信号電荷を生成して蓄積し、その信号電荷を転送
する電荷転送部と、 該電荷転送部から転送された該信
号電荷を電気信号として出力する出力部と、 入射光量
に応じた信号電荷を生成する半導体領域と、 該半導体
領域の上に形成された、開口部を有する遮光膜と、 を
具備することを特徴とする。
【００２０】第１態様に係る固体撮像装置では、入射光
量に応じた信号電荷を生成する半導体領域を有するた
め、この半導体領域が開口部を通って入射された光量に
応じた信号電荷を電荷転送部とは別個に生成することが
できる。これにより、この固体撮像装置に入射される光
量に応じた電気信号が露光状態中にリアルタイムで該半
導体領域に生ずることとなる。したがって、入射光量の
予測が困難な場合や入射光量が想定した値から急激に変
化した場合にも、受光部に直接入射する光量の変化をリ
アルタイムで検出して最適な露光量で光情報を読み出す
ことができる。
【００２１】また、本発明の第２態様に係る固体撮像装
置は、入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積し、その
信号電荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から
転送された該信号電荷を電気信号として出力する出力部
と、 該電荷転送部に隣接して形成された半導体領域で
あって、該電荷転送部で過剰に生成された信号電荷が流
れ込むと共に入射光量に応じた信号電荷を生成する半導
体領域と、 該半導体領域の上に形成された、開口部を
有する遮光膜と、 を具備することを特徴とする。
【００２２】第２態様に係る固体撮像装置では、電荷転
送部で過剰に生成された信号電荷が流れ込むと共に入射
光量に応じた信号電荷を生成する半導体領域を有するた
め、この半導体領域をオーバーフロードレイン領域とし
て機能させることができると共に、開口部を通って入射
された光量に応じた信号電荷を電荷転送部とは別個に生
成することができる。
【００２３】また、上記開口部を通って該半導体領域に
入射した光により生成される信号電荷を該半導体領域の
外部に読み出すための読み出し部をさらに含むことが好
ましい。
【００２４】また、本発明の第３態様に係る固体撮像装
置は、入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積し、その
信号電荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から
転送された該信号電荷を電気信号として出力する出力部
と、 入射光量に応じた信号電荷を生成する複数の半導
体領域と、 該半導体領域それぞれの上に形成された、
開口部を有する遮光膜と、 を具備する固体撮像装置で
あって、 上記開口部のうちの複数の開口部が集まって
形成される開口エリアが複数形成されていることを特徴
とする。
【００２５】第３態様に係る固体撮像装置では、開口部
のうちの複数の開口部が集まって形成される開口エリア
が複数形成されているため、各開口エリアに入射された
光量に応じた信号電荷を半導体領域が生成することにな
る。つまり、この開口エリアに入射される光量に応じた
電気信号が露出中にリアルタイムで該半導体領域に生ず
ることとなる。
【００２６】また、本発明の第４態様に係る固体撮像装
置は、入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積し、その
信号電荷を転送する複数の電荷転送部と、 該電荷転送
部から転送された該信号電荷を電気信号として出力する
出力部と、 該電荷転送部それぞれに隣接して形成され
た半導体領域であって、該電荷転送部で過剰に生成され
た信号電荷が流れ込むと共に入射光量に応じた信号電荷
を生成する半導体領域と、 該半導体領域それぞれの上
に形成された、開口部を有する遮光膜と、 を具備する
固体撮像装置であって、 上記開口部のうちの複数の開
口部が集まって形成される開口エリアが複数形成されて
いることを特徴とする。
【００２７】また、上記開口部を通って該半導体領域に
入射した光により生成された信号電荷を該半導体領域の
外部に読み出すための読み出し部が、上記各々の開口エ
リア毎に形成されていることが好ましい。
【００２８】また、本発明の第５態様に係るカメラは、
入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積し、その信号電
荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から転送さ
れた該信号電荷を電気信号として出力する出力部と、
入射光量に応じた光電流を生成する半導体領域と、 該
半導体領域の上に形成された、開口部を有する遮光膜
と、 該開口部を通って該半導体領域に入射した光によ
り生成される光電流を該半導体領域の外部に読み出すた
めの読み出し部と、 を具備する固体撮像装置を備え、
該固体撮像装置に入射される光を遮断するシャッタ
と、 該読み出し部から読み出された光電流を電圧に変
換する光電流積分回路と、 該光電流積分回路により変
換された電圧を参照電圧と比較するコンパレータと、
該コンパレータにより比較した結果により該シャッタを
閉じるタイミングを決定するコントローラと、 を具備
することを特徴とする。
【００２９】また、本発明の第６態様に係るカメラは、
入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積し、その信号電
荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から転送さ
れた該信号電荷を電気信号として出力する出力部と、
該電荷転送部に隣接して形成された半導体領域であっ
て、該電荷転送部で過剰に生成された信号電荷が流れ込
むと共に入射光量に応じた光電流を生成する半導体領域
と、 該半導体領域の上に形成された、開口部を有する
遮光膜と、 該開口部を通って該半導体領域に入射した
光により生成される光電流を該半導体領域の外部に読み
出すための読み出し部と、 を具備する固体撮像装置を
備え、 該固体撮像装置に入射される光を遮断するシャ
ッタと、 該読み出し部から読み出された光電流を電圧
に変換する光電流積分回路と、 該光電流積分回路によ
り変換された電圧を参照電圧と比較するコンパレータ
と、 該コンパレータにより比較した結果により該シャ
ッタを閉じるタイミングを決定するコントローラと、
を具備することを特徴とする。
【００３０】また、上記カメラは被写体に光を照射する
ストロボを有し、上記コントローラは該ストロボの発光
を停止させるタイミングをさらに決定することが好まし
い。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１、図３、図５、図７、図９、
図１０及び図１２は、本発明の第１の実施の形態による
固体撮像装置を説明するための図である。
【００３２】図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態
による固体撮像装置における単位画素の構造を模式的に
示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す１
ｂ−１ｂ線に沿った断面図であり、図１（ｃ）は、図１
（ａ）に示す１ｃ−１ｃ線に沿った断面図である。この
固体撮像装置は、露出センサを備えたフレームトランス
ファー型ＣＣＤイメージセンサである。
【００３３】図１（ｂ）に示すように、Ｐ型半導体基板
１の表面上にはＮ型半導体領域２，３が形成されてい
る。Ｎ型半導体領域２と３は、図１（ａ）に示すように
図の縦方向に向けて交互に形成されている。不純物濃度
は、Ｎ型半導体領域２よりＮ型半導体領域３の方が高
い。また、図１（ｃ）に示すように、Ｐ型半導体基板１
の表面上にはＮ型半導体領域４及びＰ型半導体領域６が
形成されている。Ｎ型半導体領域４は露出センサとして
作用する。尚、Ｐ型半導体領域６は画素分離領域として
作用する。単位画素サイズは通常５乃至２０μm 程度で
ある。
【００３４】Ｎ型半導体領域２，３，４及びＰ型半導体
領域６の上には酸化膜７が形成されており、この酸化膜
７の上には透明性の例えばポリシリコンからなる垂直転
送ゲート電極８ａ，８ｂが形成されている。ゲート電極
８ａと８ｂは、図１（ａ）に示すように水平方向に延
び、縦方向に向けて交互に配線されている。
【００３５】垂直転送部９は、図１（ａ）に示すように
Ｎ型半導体領域２と３により構成される。この垂直転送
部９は、受光部としても機能し、ＣＣＤへの入射光によ
り発生した光信号電荷Ｑs （この場合は電子）が蓄積・
転送される領域となる。ゲート電極８ａ，８ｂの上に
は、Ｎ型半導体領域４の上方を覆うように遮光膜１５が
形成されている。この遮光膜１５には開口部１６が形成
されている。このような固体撮像装置では、入射光は垂
直転送部９と開口部１６に入射され、入射光に応じた光
信号電荷が開口部１６の直下に位置するＮ型半導体領域
４及び垂直転送部９それぞれに集められる。
【００３６】図３は、図１に示す固体撮像装置の単位画
素を２次元マトリックスに配列したＣＣＤを示す構成図
である。このＣＣＤは、図１の垂直転送部９が複数配置
された受光部１０と水平転送部１１を備えている。受光
部１０の中央部には一つの四角形の開口エリア１７ａが
設けられており、この開口エリア１７ａには図１に示す
Ｎ型半導体領域４の上方に位置する開口部１６が配置さ
れている。このため、Ｎ型半導体領域４から出力される
光電流の大きさは、開口エリア１７ａに入射した光強度
に対応することとなる。また、水平転送部１１には出力
アンプ１２が接続されている。よって、垂直転送部９に
集められた光信号電荷Ｑs は、水平転送部１１に転送さ
れ、出力アンプ１２から映像信号として素子外部へ出力
される。
【００３７】但し、本実施の形態では、開口エリア１７
ａの下方に位置する全てのＮ型半導体領域４に開口部１
６を設けているわけではなく、開口部１６は間引いて形
成されている。従って、開口部１６を間引く割合を変え
たり、画素毎に開口部を設けたりすることにより、開口
エリア１７ａにおける開口部１６の面積密度（開口率）
を任意に設定することが可能となる。尚、図３では、Ｎ
型半導体領域４を模式的に破線で示しており、単位画素
構造と遮光膜１５の細部については省略してある。
【００３８】図５は、図３の水平転送部とは反対側に位
置する垂直転送部の終端部及びその近傍を模式的に示す
平面図である。垂直転送部９の終端部のＮ型領域９ａに
はコンタクト領域９ｂを介してアルミ配線１３が接続さ
れている。このアルミ配線１３には、Ｐ型半導体基板１
に対して垂直転送部９が逆バイアスとなる電位Ｖr が印
加されている。また、アルミ配線１３とゲート電極８ｂ
との間にはポリシリコンゲート電極８ｃが形成されてお
り、このゲート電極８ｃには一定電位Ｖc が印加されて
いる。
【００３９】また、Ｎ型半導体領域４の終端部にはコン
タクト領域４ａを介して開口エリア１７ａに対応するア
ルミ配線からなる信号読み出し線１４ａが接続されてお
り、この信号読み出し線１４ａはアルミ配線１３と平行
に配置されている。従って、開口部１６の下方の露出セ
ンサとしてのＮ型半導体領域４に発生する信号電荷Ｑm
は、光電流Ｉm として信号読み出し線１４ａを介して図
３の端子１８ａから素子外部に出力される。また、アル
ミ配線１３と信号読み出し線１４ａとの間にはアルミ配
線１４が形成されている。このアルミ配線１４は、図３
の開口部１７ａの下方に配置されていないＮ型半導体領
域４に電気的に接続されている。
【００４０】図７は、図３に示す固体撮像装置を用いた
デジタルカメラの一例を示す構成図である。このカメラ
は固体撮像装置（ＣＣＤ）２１を有し、このＣＣＤ２１
は暗箱２０の中に配置されている。この暗箱２０にはシ
ャッタ１９が取り付けられており、このシャッタ１９及
びＣＣＤ２１はコントローラ２２によって制御されてい
る。光電流Ｉm が出力される端子１８ａは、光電流処理
回路２３ａに接続されている。光電流処理回路２３ａに
は、光電流積分回路２４ａ、コンパレータ２４ｂが含ま
れている。光電流積分回路２４ａで光電流Ｉm を電圧Ｖ
imに変換し、コンパレータ２４ｂで参照電圧Ｖref と比
較する。ここで、電圧Ｖimが参照電圧Ｖref を越えた時
に、制御信号１９１ａがコントローラ２２へ出力され
る。コントローラ２２ではその制御信号１９１ａを受け
た後、シャッタ１９を閉じるタイミングを決定する。
【００４１】図９は、図７に示すカメラで静止画を撮像
する場合のＣＣＤ２１とシャッタ１９の駆動タイミング
チャートを示す図である。まず、期間Ｔ１において、シ
ャッタ１９が閉じた状態で露光前のＣＣＤ２１の初期化
を行う。ＣＣＤ２１の初期化は、従来の場合と同様な動
作で垂直転送部９と水平転送部１１に蓄積していた電荷
をリセットすることにより行う。
【００４２】即ち、図３の水平転送部１１に蓄積してい
た電荷をリセットするために、水平転送部１１にクロッ
ク（図示せず）を印加して水平転送部１１に蓄積してい
た電荷を順次出力アンプ１２に転送し排出する。その
後、垂直転送ゲート電極８ａ，８ｂにクロックφＶ１，
Ｖ２を印加して垂直転送部９に蓄積されている電荷を順
次、水平転送部１１に転送する。このように水平転送部
１１に転送された電荷は水平転送部１１内を転送された
後、この電荷が出力アンプ１２を介して出力されリセッ
トされる。この一連の転送動作により垂直転送部９及び
水平転送部１１がリセットされる。
【００４３】次に、期間Ｔ２において、垂直ゲート電極
８ａ，８ｂに印加されるクロックφＶ１，Ｖ２を「Ｌ」
レベルに保持した後、図７のシャッタ１９を開いてＣＣ
Ｄ２１を露光状態にする。この時、図１のＮ型半導体領
域２に光信号電荷Ｑs が蓄積される。シャッタ１９が開
くとＣＣＤ２１の受光部に配置された開口エリア１７ａ
で発生した光電流Ｉm が光電流処理回路２３ａに流れ、
光電流積分回路２４ａの出力Ｖimは図９に示すように変
化（上昇）する。出力ＶimはＣＣＤ２１への入射光によ
る露光量に比例するので、出力Ｖimをモニタすることに
より所望の露光量を露光中にリアルタイムで求めること
ができる。即ち、図９で光電流積分回路２４ａの出力Ｖ
imが参照電圧Ｖref を越えた時点で、光電流処理回路２
３ａから制御信号１９１ａをコントローラ２２に送り、
コントローラ２２によってシャッタ１９を閉じる。尚、
参照電圧Ｖref とは、最適な露光量が得られた場合の出
力電圧である。
【００４４】この後、期間Ｔ３において、垂直転送部９
及び水平転送部１１にクロックを印加して光信号電荷Ｑ
s が転送され、順次出力アンプ１２から画像信号が素子
外部へ出力される。
【００４５】すなわち、期間Ｔｐ２の露光状態で垂直ゲ
ート電極８ａ，８ｂの下のＮ型半導体領域３に蓄積され
た光信号電荷Ｑs は、φＶ１が「Ｈ」レベルになると、
クロックφＶ１が印加されるゲート電極８ａ下のＮ型半
導体領域３に集められる。その後、このＮ型半導体領域
３の光信号電荷Ｑs は、φＶ２が「Ｈ」レベルになる
と、隣の画素のクロックφＶ２が印加されるゲート電極
８ｂ下のＮ型半導体領域２に転送される。図１（ａ）で
は信号電荷は上の方向に転送される。つまり、クロック
φＶ２が「Ｈ」レベルに立ち上がった時に垂直転送部９
から水平転送部１１に光信号電荷Ｑs が転送され、その
後、クロックφＶ２が「Ｈ」レベルに立ち上がる前に水
平転送部１１の光信号電荷Ｑs は出力アンプ１２へ転送
され、素子外部へ画像信号が出力される。このようにし
て１画面分の光信号電荷Ｑs が順次読み出される。
【００４６】上記第１の実施の形態によれば、図９に示
す期間Ｔ１〜Ｔ３の一連の動作で図７のＣＣＤ２１を駆
動させることにより、露出中に入射光量をリアルタイム
でモニタすることができる。このため、入射光量が急激
に変化しても常に最適な露出時間で撮像することができ
る。
【００４７】図１０は、図３に示す固体撮像装置を用い
たカメラの他の例を示す構成図であり、図７と同一部分
については同一符号を付し、異なる部分についてのみ説
明する。
【００４８】図１０のカメラは、図７のカメラと露出制
御の方法が異なる。暗箱２０の外部には補助発光装置
（以下、「ストロボ」という）２５が取り付けられてお
り、このストロボ２５はコントローラ２２ａにより制御
されている。このカメラでは、ストロボ２５を使って被
写体に光を照射し、ＣＣＤ２１に入射する露光量が最適
になった時点で、ストロボ２５の発光を停止して露出制
御する方式を採用している。
【００４９】図１２は、図１０に示すカメラで静止画を
撮像する場合のＣＣＤ２１とシャッタ１９とストロボ２
５を駆動するタイミングチャートを示す図であり、図７
と同一の説明については可能な限り省略する。
【００５０】まず、期間Ｔ１において、シャッタ１９が
閉じた状態で露光前のＣＣＤ２１の初期化を行う。
【００５１】次に、期間Ｔ２ａにおいて、垂直ゲート電
極８ａ，８ｂに印加されるクロックφＶ１，φＶ２を
「Ｌ」レベルに保持した後、図１０のシャッタ１９を開
き、ストロボ２５を発光させてＣＣＤ２１を露光状態に
する。この時、図１のＮ型半導体領域３に光信号電荷Ｑ
s が蓄積される。シャッタ１９が開きストロボ２５を発
光させると、ＣＣＤ２１の受光部に配置された開口エリ
ア１７ａで発生した光電流Ｉm が光電流処理回路２３ａ
に流れ、光電流積分回路２４ａの出力Ｖimは図１２に示
すように変化（上昇）する。出力Ｖimの傾きがＣＣＤ２
１への入射光強度に比例するので、出力Ｖimをモニタす
ることにより所望の露光量を露光中にリアルタイムで求
めることができる。即ち、図１０の光電流積分回路２４
ａの出力Ｖimが参照電圧Ｖref を越えた時点（図１２参
照）で、光電流処理回路２３ａから制御信号１９１ａを
コントローラ２２ａに送り、コントローラ２２ａによっ
てストロボ２５の発光を停止させ、続いてシャッタ１９
を閉じる。
【００５２】上述した図１０に示すカメラの場合におい
ても図７に示すカメラの場合と同様の効果を得ることが
できる。また、図１０のカメラのようにストロボ２５を
使用する場合は、被写体によって反射光量（即ちＣＣＤ
２１に入射してくる光量）が異なる。このため、露出中
に入射光量をリアルタイムでモニタすることにより、被
写体によらず常に最適な露光量で撮像できることは、非
常に大きなメリットとなる。
【００５３】図２、図４、図６、図８、図９、図１１及
び図１２は、本発明の第２の実施の形態による固体撮像
装置を説明するための図である。
【００５４】図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態
による固体撮像装置における単位画素の構造を模式的に
示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す２
ｂ−２ｂ線に沿った断面図であり、図２（ｃ）は、図２
（ａ）に示す２ｃ−２ｃ線に沿った断面図である。図２
（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）〜（ｃ）と同一部分につ
いては同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明す
る。
【００５５】図２（ｃ）に示すように、Ｐ型半導体基板
１の表面上にはＮ型半導体領域（ＬＯＤ拡散領域）４及
びＰ型半導体領域５，６が形成されており、ＬＯＤ拡散
領域４はＰ型半導体領域５と６の間に位置している。不
純物濃度は、Ｐ型半導体領域６よりＰ型半導体領域５の
方が低い。Ｐ型半導体領域５はアンチブルーミングバリ
アとして作用し、垂直転送部９に蓄積しきれない過剰な
電荷Ｑexがこの領域５を乗り越えてＮ型半導体領域であ
るＬＯＤ拡散領域４に排出される。このようにオーバー
フローしてＬＯＤ拡散領域４に集められた信号電荷Ｑex
は、後述するＬＯＤ拡散領域４の終端部から光電流とし
て素子外部へ出力される。また、開口部１６に入射され
た光に応じた光信号電荷Ｑm は開口部１６の直下に位置
するＬＯＤ拡散領域４に集められる。このようにしてＬ
ＯＤ拡散領域４に集められた電荷Ｑm も、ＬＯＤ拡散領
域４の終端部から光電流として素子外部へ出力される。
【００５６】図４は、図２に示す固体撮像装置の単位画
素を２次元マトリックスに配列したＣＣＤを示す構成図
であり、図３と同一部分には同一符号を付し、異なる部
分についてのみ説明する。尚、図４においても、Ｎ型半
導体領域４を模式的に破線で示しており、単位画素構造
と遮光膜１５の細部については省略してある。
【００５７】受光部１０の中央部には四角形の第１の開
口エリア１７ａが設けられており、この開口エリア１７
ａの周囲にはＬ字形の第２〜第５の開口エリア１７ｂ〜
１７ｅが設けられている。第１〜第５の開口エリア１７
ａ〜１７ｅには図２に示すＬＯＤ拡散領域４の上方に位
置する開口部１６が配置されている。垂直方向に延びた
一つの遮光膜１５に形成された開口部１６は、開口エリ
ア１７ａ〜１７ｅのどれか一つに属するように配置され
ている。このため、一つのＬＯＤ拡散領域４から出力さ
れる光電流の大きさは、そのＬＯＤ拡散領域４上に設け
られた開口部１６が属する開口エリアに入射した光強度
に対応することとなる。
【００５８】また、矢印で示すように、第１〜第３の開
口エリア１７ａ〜１７ｃが互いにオーバーラップしてい
る場合がある。このような場合は、ＬＯＤ拡散領域４上
の開口部１６を順番に各々の開口エリア１７ａ，１７
ｂ，１７ｃに割り当てて形成している。従って、水平方
向に開口エリア１７ａ〜１７ｃがオーバーラップしてい
る領域では、各開口エリアの開口部１６は間引いて形成
されることとなる。また、水平方向に開口エリアがオー
バーラップしない場合でも、開口部１６を間引いて形成
したり、画素毎に開口部１６を設けたりすることによっ
て、開口エリア１７ａ〜１７ｅにおける開口部１６の面
積密度（開口率）を任意に設定することが可能となる。
【００５９】図６は、図４の水平転送部とは反対側に位
置する垂直転送部の終端部及びその近傍を模式的に示す
平面図であり、図５と同一部分については同一符号を付
し、異なる部分についてのみ説明する。
【００６０】ＬＯＤ拡散領域４の終端部にはコンタクト
領域４ａを介して開口エリア１７ａに対応するアルミ配
線からなる信号読み出し線１４ａが接続されている。ま
た、他のＬＯＤ拡散領域４の終端部にはコンタクト領域
４ａを介して開口エリア１７ｂに対応するアルミ配線か
らなる信号読み出し線１４ｂが接続されている。また、
他のＬＯＤ拡散領域４の終端部にはコンタクト領域４ａ
を介して開口エリア１７ｃに対応するアルミ配線からな
る信号読み出し線１４ｃが接続されている。また、他の
ＬＯＤ拡散領域（図示せず）の終端部にはコンタクト領
域（図示せず）を介して開口エリア１７ｄに対応するア
ルミ配線からなる信号読み出し線（図示せず）が接続さ
れている。また、他のＬＯＤ拡散領域（図示せず）の終
端部にはコンタクト領域（図示せず）を介して開口エリ
ア１７ｅに対応するアルミ配線からなる信号読み出し線
（図示せず）が接続されている。また、アルミ配線１３
と信号読み出し線１４ａとの間に位置するアルミ配線１
４は、図４の開口部１７ａ〜１７ｅの下方に配置されて
いない図示せぬＮ型半導体領域に電気的に接続されてい
る。
【００６１】開口部１６下のＬＯＤ拡散領域４に集めら
れた信号電荷Ｑm は、光電流Ｉm として信号読み出し線
１４ａ〜１４ｅ（１４ｄ，１４ｅは図示せず）を介して
図４の端子１８ａ〜１８ｅから素子外部へ出力される。
また、ＬＯＤ拡散領域４はＬＯＤとしても機能する。こ
のため、垂直転送部９に入射した光によって発生した光
信号電荷Ｑs のうち垂直転送部９に蓄積しきれない過剰
電荷Ｑexは、ＬＯＤ拡散領域４にオーバーフローし、信
号読み出し線１４、１４ａ〜１４ｅを通り、図４の端子
１８、１８ａ〜１８ｅを介して素子外部へ排出される。
【００６２】図８は、図４に示す固体撮像装置を用いた
カメラの一例を示す構成図であり、図７と同一部分につ
いては同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明す
る。
【００６３】光電流Ｉm が出力される端子１８ａ〜１８
ｅは、光電流処理回路２３ａ〜２３ｅに接続されてい
る。但し、図８では、端子１８ｂ〜１８ｄ及び対応する
光電流処理回路２３ｂ〜２３ｄと制御信号１９１ｂ〜１
９１ｄの図示を省略している。光電流処理回路２３ｂ〜
２３ｄそれぞれには、光電流積分回路とコンパレータが
含まれている。
【００６４】図９は、図８に示すカメラで静止画を撮像
する場合のＣＣＤ２１とシャッタ１９の駆動タイミング
を説明するための図であり、図７に示すカメラで静止画
を撮像する場合と異なる部分についてのみ説明する。
【００６５】第１〜第５の開口エリア１７ａ〜１７ｅそ
れぞれからの信号についても、図７に示すカメラで静止
画を撮像する場合に説明した受光部の中央部の開口エリ
ア１７ａからの信号と同様に扱うものとする。
【００６６】上記第２の実施の形態においても第１の実
施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６７】図１１は、図４に示す固体撮像装置を用い
たカメラの他の例を示す構成図であり、図８と同一部分
については同一符号を付し、異なる部分についてのみ説
明する。
【００６８】図１１のカメラは、図８のカメラと露出制
御の方法が異なる。暗箱２０の外部にはストロボ２５が
取り付けられており、このストロボ２５はコントローラ
２２ａにより制御されている。このカメラでは、ストロ
ボ２５を使って被写体に光を照射し、ＣＣＤ２１に入射
する露光量が最適になった時点で、ストロボ２５の発光
を停止して露出制御する方式を採用している。
【００６９】図１２は、図１１に示すカメラで静止画を
撮像する場合のＣＣＤ２１とシャッタ１９とストロボ２
５を駆動するタイミングチャートを示す図であり、図８
と同一の説明については可能な限り省略する。
【００７０】まず、期間Ｔ１において、シャッタ１９が
閉じた状態で露光前のＣＣＤ２１の初期化を行う。
【００７１】次に、期間Ｔ２ａにおいて、垂直ゲート電
極８ａ，８ｂに印加されるクロックφＶ１，φＶ２を
「Ｌ」レベルに保持した後、図１１のシャッタ１９を開
き、ストロボ２５を発光させてＣＣＤ２１を露光状態に
する。この時、図２のＮ型半導体領域２に光信号電荷Ｑ
s が蓄積される。シャッタ１９が開きストロボ２５を発
光させると、ＣＣＤ２１の受光部に配置された開口エリ
ア１７ａで発生した光電流Ｉm が光電流処理回路２３ａ
に流れ、光電流積分回路２４ａの出力Ｖimは図１２に示
すように変化（上昇）する。出力Ｖimの傾きがＣＣＤ２
１への入射光強度に比例するので、出力Ｖimをモニタす
ることにより所望の露光量を露光中にリアルタイムで求
めることができる。即ち、図１１の光電流積分回路２４
ａの出力Ｖimが参照電圧Ｖref を越えた時点（図１２参
照）で、光電流処理回路２３ａから制御信号１９１ａを
コントローラ２２ａに送り、コントローラ２２ａによっ
てストロボ２５の発光を停止させ、続いてシャッタ１９
を閉じる。
【００７２】上述した図１１に示すカメラの場合におい
ても図８に示すカメラの場合と同様の効果を得ることが
できる。また、図１１のカメラのようにストロボ２５を
使用する場合は、被写体によって反射光量（即ちＣＣＤ
２１に入射してくる光量）が異なる。このため、露出中
に入射光量をリアルタイムでモニタすることにより、ス
トロボ２５のような補助光の光量を制御し、被写体によ
らず常に最適な露光量で撮像できることは、非常に大き
なメリットとなる。
【００７３】上記第１の実施の形態による固体撮像装置
では、露出センサとしてのＮ型半導体領域４のみを有
し、ＬＯＤ拡散領域を全く有しておらず、上記第２の実
施の形態による固体撮像装置では、露出センサ及びＬＯ
Ｄの両方の機能を備えたＮ型半導体領域４を有してい
る。しかし、これらに限定されることなく、例えば、開
口エリアに露出センサとしてのＮ型半導体領域を形成
し、それ以外の領域にＬＯＤ拡散領域を形成する等、適
宜変更可能である。このように開口エリア以外の領域に
ＬＯＤ拡散領域を形成することにより、その領域のみに
強い光が当たった場合に露出センサが働かなくてもその
部分の像がにじんだりすることを抑制できるという利点
がある。
【００７４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、入
射光量の予測が困難な場合や入射光量が想定した値から
急激に変化した場合にも、受光部に直接入射する光量の
変化をリアルタイムで検出して最適な露光量で光情報を
読み出すことが可能な固体撮像装置及びこれを備えたカ
メラを提供することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態によ
る固体撮像装置における単位画素の構造を模式的に示す
平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す１ｂ−
１ｂ線に沿った断面図であり、図１（ｃ）は、図１
（ａ）に示す１ｃ−１ｃ線に沿った断面図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態によ
る固体撮像装置における単位画素の構造を模式的に示す
平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す２ｂ−
２ｂ線に沿った断面図であり、図２（ｃ）は、図２
（ａ）に示す２ｃ−２ｃ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示す固体撮像装置の単位画素を２次元マ
トリックスに配列したＣＣＤを示す構成図である。
【図４】図２に示す固体撮像装置の単位画素を２次元マ
トリックスに配列したＣＣＤを示す構成図である。
【図５】図３の水平転送部とは反対側に位置する垂直転
送部の終端部及びその近傍を模式的に示す平面図であ
る。
【図６】図４の水平転送部とは反対側に位置する垂直転
送部の終端部及びその近傍を模式的に示す平面図であ
る。
【図７】図３に示す固体撮像装置を用いたカメラの一例
を示す構成図である。
【図８】図４に示す固体撮像装置を用いたカメラの一例
を示す構成図である。
【図９】図７に示すカメラで静止画を撮像する場合のＣ
ＣＤとシャッタの駆動タイミングチャートを示す図であ
る。
【図１０】図３に示す固体撮像装置を用いたカメラの他
の例を示す構成図である。
【図１１】図４に示す固体撮像装置を用いたカメラの他
の例を示す構成図である。
【図１２】図１０に示すカメラで静止画を撮像する場合
のＣＣＤとシャッタとストロボを駆動するタイミングチ
ャートを示す図である。
【図１３】図１３（ａ）は、従来の固体撮像装置におけ
る単位画素の構造を模式的に示す平面図であり、図１３
（ｂ）は、図１３（ａ）に示す１３ｂ−１３ｂ線に沿っ
た断面図であり、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）に示す
１３ｃ−１３ｃ線に沿った断面図である。
【図１４】図１３に示す固体撮像装置の単位画素を２次
元マトリックスに配列したＣＣＤを示す構成図である。
【図１５】図１３に示す垂直転送部９の終端部及びその
近傍を模式的に示す平面図である。
【図１６】図１４に示すＣＣＤで静止画を撮像する場合
のＣＣＤとシャッタを駆動するタイミングチャートを示
す図である。
【符号の説明】
１…Ｐ型半導体基板 ２，３…Ｎ型半
導体領域 ４…Ｎ型半導体領域（ＬＯＤ拡散領域） ５，６…Ｐ型半導体領域 ７…酸化膜 ８ａ，８ｂ…垂直転送ゲート電極 ８ｃ…ゲート電
極 ９…垂直転送部 １０…受光部 １１…水平転送部 １２…出力アン
プ １３…アルミ配線 １４，１４ａ〜１４ｅ…信号読み出し線 １５…遮光膜 １６…開口部 １７ａ〜１７ｅ…開口エリア １８，１８ａ〜
１８ｅ…端子、１９…シャッタ
２０…暗箱 ２１…ＣＣＤ ２２…コントロ
ーラ ２３ａ，２３ｅ…光電流処理回路 ２４ａ…光電流
積分回路 ２４ｂ…コンパレータ ２５…補助発光
装置（ストロボ） １９１ａ，１９１ｅ…制御信号

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積
    し、その信号電荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から転送された該信号電荷を電気信号とし
    て出力する出力部と、 入射光量に応じた信号電荷を生成する半導体領域と、 該半導体領域の上に形成された、開口部を有する遮光膜
    と、 を具備することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積
    し、その信号電荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から転送された該信号電荷を電気信号とし
    て出力する出力部と、 該電荷転送部に隣接して形成された半導体領域であっ
    て、該電荷転送部で過剰に生成された信号電荷が流れ込
    むと共に入射光量に応じた信号電荷を生成する半導体領
    域と、 該半導体領域の上に形成された、開口部を有する遮光膜
    と、 を具備することを特徴とする固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 上記開口部を通って該半導体領域に入射
    した光により生成される信号電荷を該半導体領域の外部
    に読み出すための読み出し部をさらに含むことを特徴と
    する請求項１又は２記載の固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積
    し、その信号電荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から転送された該信号電荷を電気信号とし
    て出力する出力部と、 入射光量に応じた信号電荷を生成する複数の半導体領域
    と、 該半導体領域それぞれの上に形成された、開口部を有す
    る遮光膜と、 を具備する固体撮像装置であって、 上記開口部のうちの複数の開口部が集まって形成される
    開口エリアが複数形成されていることを特徴とする固体
    撮像装置。
  5. 【請求項５】 入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積
    し、その信号電荷を転送する複数の電荷転送部と、 該電荷転送部から転送された該信号電荷を電気信号とし
    て出力する出力部と、 該電荷転送部それぞれに隣接して形成された半導体領域
    であって、該電荷転送部で過剰に生成された信号電荷が
    流れ込むと共に入射光量に応じた信号電荷を生成する半
    導体領域と、 該半導体領域それぞれの上に形成された、開口部を有す
    る遮光膜と、 を具備する固体撮像装置であって、 上記開口部のうちの複数の開口部が集まって形成される
    開口エリアが複数形成されていることを特徴とする固体
    撮像装置。
  6. 【請求項６】 上記開口部を通って該半導体領域に入射
    した光により生成された信号電荷を該半導体領域の外部
    に読み出すための読み出し部が、上記各々の開口エリア
    毎に形成されていることを特徴とする請求項４又は５記
    載の固体撮像装置。
  7. 【請求項７】 入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積
    し、その信号電荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から転送された該信号電荷を電気信号とし
    て出力する出力部と、 入射光量に応じた光電流を生成する半導体領域と、 該半導体領域の上に形成された、開口部を有する遮光膜
    と、 該開口部を通って該半導体領域に入射した光により生成
    される光電流を該半導体領域の外部に読み出すための読
    み出し部と、 を具備する固体撮像装置を備え、 該固体撮像装置に入射される光を遮断するシャッタと、 該読み出し部から読み出された光電流を電圧に変換する
    光電流積分回路と、 該光電流積分回路により変換された電圧を参照電圧と比
    較するコンパレータと、 該コンパレータにより比較した結果により該シャッタを
    閉じるタイミングを決定するコントローラと、 を具備することを特徴とするカメラ。
  8. 【請求項８】 入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積
    し、その信号電荷を転送する電荷転送部と、 該電荷転送部から転送された該信号電荷を電気信号とし
    て出力する出力部と、 該電荷転送部に隣接して形成された半導体領域であっ
    て、該電荷転送部で過剰に生成された信号電荷が流れ込
    むと共に入射光量に応じた光電流を生成する半導体領域
    と、 該半導体領域の上に形成された、開口部を有する遮光膜
    と、 該開口部を通って該半導体領域に入射した光により生成
    される光電流を該半導体領域の外部に読み出すための読
    み出し部と、 を具備する固体撮像装置を備え、 該固体撮像装置に入射される光を遮断するシャッタと、 該読み出し部から読み出された光電流を電圧に変換する
    光電流積分回路と、 該光電流積分回路により変換された電圧を参照電圧と比
    較するコンパレータと、 該コンパレータにより比較した結果により該シャッタを
    閉じるタイミングを決定するコントローラと、 を具備することを特徴とするカメラ。
  9. 【請求項９】 上記カメラは被写体に光を照射するスト
    ロボを有し、上記コントローラは該ストロボの発光を停
    止させるタイミングをさらに決定することを特徴とする
    請求項７又は８記載のカメラ。
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