JPH11275466A - 撮像装置 - Google Patents

撮像装置

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JPH11275466A
JPH11275466A JP10070453A JP7045398A JPH11275466A JP H11275466 A JPH11275466 A JP H11275466A JP 10070453 A JP10070453 A JP 10070453A JP 7045398 A JP7045398 A JP 7045398A JP H11275466 A JPH11275466 A JP H11275466A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、電子カメラなどに利用される撮像
装置において、撮影とほぼ同時に撮像面に入射する光量
の検出を可能にするとともに、撮像面上の複数の領域の
それぞれについて光量の検出を実現することを主な目的
とする。 【解決手段】 光電変換部と増幅部とリセット部とを有
する画素を1つの半導体基板上に複数並べて二次元に配
置した撮像装置において、リセット部に測光用の開口部
を有する第1の画素PBと前記リセット部が遮光された
第2の画素PBとを設け、水平走査方向の各ラインを複
数の第1の画素PBと複数の第2の画素PAとで構成
し、各ラインにおける第1の画素PBと第2の画素PA
との配列パターンを複数種類備えて、垂直走査方向の互
いに隣接するラインでは、互いに異なる配列パターンで
第1の画素PBと第2の画素PAとを並べた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子カメラなどに
利用される撮像装置に関し、特に露光条件決定のための
光量検出に関する。
【0002】
【従来の技術】電子カメラなどにおいては、被写体の像
を電気信号に変換するために、多数の光電変換セル(画
素)が二次元に配列された撮像装置を用いる。撮像装置
の各光電変換セルには、入射光の強度と露光時間(電荷
蓄積時間)とに応じた電荷が生成され蓄積される。
【0003】この種の撮像装置には、光電変換セルにC
CD素子を用いたCCD撮像装置や、光電変換セルに増
幅素子を用いた増幅型撮像装置がある。増幅型撮像装置
の従来技術としては、例えば特開平8−293591号
公報が知られている。この従来技術においては、増幅素
子として接合型電界効果トランジスタ(J−FET)を
用いている。
【0004】撮像装置の各光電変換セルには、光電変換
部,リセット部,電荷転送部,増幅部などが設けられ
る。リセット部は、蓄積電荷の初期化に利用される。電
荷転送部は、光電変換部に蓄積された電荷を増幅部に転
送する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この種の撮像装置にお
いては、各光電変換セルの蓄積電荷量が入射光の強度と
露光時間とに応じて定まるので、被写体の明るさ等に応
じて撮影条件が変化する。例えば、被写体の照度が非常
に低い場合には光電変換セルの蓄積電荷量が小さいの
で、暗電流などのノイズ成分の影響が大きくなり、画像
品質が劣化する。
【0006】また、被写体の照度が非常に大きい場合に
は、高輝度画素から隣接画素への電荷の流出によって、
撮影した画像にブルーミング(にじみ)やスミアなどの
悪影響が現れる。被写体の照度が低い場合には、露光時
間を長くすれば、蓄積電荷量が増えるのでノイズの影響
が低減される。また被写体の照度が非常に大きい場合に
は、露光時間を短くすれば、蓄積電荷量が抑制されるの
で高輝度画素から隣接画素への電荷の流出は防止され
る。
【0007】このような露光時間の制御を実施するため
には、露光状況の把握が不可欠である。しかしながら、
電荷蓄積型の一般的な固体撮像装置においては、実際の
露光が完了するまでは各光電変換セルの電荷を読み出す
ことができない。従って、撮影条件を検出するために
は、特別な露出計を用意しなければならない。但し、固
体撮像装置においては検出面での散乱反射光が少ないの
で、銀塩フィルムを使用するカメラのようなTTL測光
は利用できない。
【0008】このため、撮像装置の検出面に入射する光
の強度や露光量を正確に測定するのは困難である。つま
り、実際に撮影を実施して撮影された画像の状況を調べ
ない限り、撮影条件の正確な把握は難しい。また、様々
な被写体に対して適切な露出で撮影をするためには、撮
像装置の受光面上の複数の領域についてそれぞれ光量を
検出する必要がある。
【0009】本発明は、電子カメラなどに利用される撮
像装置において、撮影とほぼ同時に撮像面に入射する光
量の検出を可能にするとともに、撮像面上の複数の領域
のそれぞれについて光量の検出を実現することを主な目
的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1の撮像装置は、
光電変換部と、該光電変換部で生成された信号を増幅す
る増幅部と、前記光電変換部で生成された信号をリセッ
トするリセット部とを有する画素を1つの半導体基板上
に複数並べて二次元に配置した撮像装置において、前記
画素として、前記リセット部に測光用の開口部を有する
第1の画素と前記リセット部が遮光された第2の画素と
を設け、水平走査方向の各ラインを複数の第1の画素と
複数の第2の画素とで構成し、前記各ラインにおける第
1の画素と第2の画素との配列パターンを複数種類備え
て、垂直走査方向の互いに隣接するラインでは、互いに
異なる配列パターンで第1の画素と第2の画素とを並べ
たことを特徴とする。
【0011】請求項2は、請求項1記載の撮像装置にお
いて、水平走査方向の第1の領域に第1の画素が配置さ
れた第1の配置パターンと、水平走査方向の第2の領域
に第1の画素が配置された第2の配置パターンとを垂直
走査方向の1ラインおきに交互に配置したことを特徴と
する。請求項3は、請求項1記載の撮像装置において、
水平走査方向の第1の領域に第1の画素が配置された第
1の配置パターンと、水平走査方向の第2の領域に第1
の画素が配置された第2の配置パターンと、水平走査方
向の第3の領域に第1の画素が配置された第3の配置パ
ターンと、水平走査方向の第4の領域に第1の画素が配
置された第4の配置パターンとを備えて、垂直走査方向
の1ラインもしくは複数ラインおきに前記第1の配置パ
ターンと第2の配置パターンとが交互に割り当てられた
第1の測光領域と、垂直走査方向の1ラインもしくは複
数ラインおきに前記第3の配置パターンと第4の配置パ
ターンとが交互に割り当てられた第2の測光領域とを垂
直走査方向の互いに異なる位置に設けたことを特徴とす
る。
【0012】請求項4は、請求項1記載の撮像装置にお
いて、前記リセット部の基準電圧印加端子に接続され、
電流レベルを電圧レベルに変換する電流電圧変換器を設
けたことを特徴とする。
【0013】請求項5は、請求項1記載の撮像装置にお
いて、前記リセット部の基準電圧印加端子に接続され、
基準電圧の印加と測光信号の取り出しとを切り替えるス
イッチング手段を設けたことを特徴とする。請求項6
は、請求項1記載の撮像装置において、前記増幅部を接
合形の電界効果トランジスタで構成したことを特徴とす
る。
【0014】(作用) (請求項1)前記第1の画素においては、光電変換部以
外に、測光用の開口部の領域にもホトダイオードなどの
受光素子が形成される。便宜上、ここでは光電変換部の
受光素子を「撮影素子」と呼び、測光用の開口部に形成
される受光素子を「測光素子」と呼ぶ。
【0015】撮影素子においては、受光強度に応じた電
荷が蓄積される。撮影素子に蓄積された電荷は、所定の
蓄積時間を経過した後で読み取られる。測光素子は撮影
素子とほぼ同じ位置における受光強度に応じた電荷を生
成する。測光素子が生成する電荷は、撮影素子が電荷の
蓄積を継続している間も、その電荷とは分離して取り出
すことができる。従って、測光素子が出力する電荷(以
下、測光信号と呼ぶ)を調べることにより、測光素子の
露光状態をリアルタイムで検出することが可能である。
【0016】第2の画素においては、リセット部が遮光
されているので、前記測光素子は存在しない。撮像装置
の構造上、各々の画素から測光信号を取り出すための信
号線は、共通信号線に接続される。この共通信号線は、
撮像装置の水平方向の1ラインを構成する多数の画素を
互いに接続する。
【0017】従って、水平方向の1ライン上に第1の画
素を多数配置する場合には、各画素から出力される測光
信号は、多数の画素に共通な共通信号線上で互いに加算
される。すなわち、測光信号は水平方向に並ぶ多数の第
1の画素の平均的な受光レベルとして撮像装置から出力
される。このため、第1の画素を設けるだけでは、撮像
面上の水平方向の測光対象領域が一箇所のみに固定され
る。
【0018】電子カメラなどにおいては、被写体の種類
や撮影条件の変化に応じて測光対象領域を切り替え可能
であるのが望ましい。本発明の撮像装置においては、水
平走査方向の1ラインは、複数の第1の画素と複数の第
2の画素とで構成される。また、前記各ラインにおける
第1の画素と第2の画素との配列パターンを複数種類備
える。更に、垂直走査方向の互いに隣接するラインで
は、互いに異なる配列パターンで第1の画素と第2の画
素とが並ぶ。
【0019】測光信号を取り出すための信号線は、水平
方向については多数の画素が互いに接続される。しか
し、垂直方向の各ラインについては、それぞれ独立した
測光信号を取り出すことができる。従って、例えば垂直
方向のi番目のラインには所定の第1の配列パターンで
第1の画素と第2の画素とが並び、隣接する(i+1)
番目のラインには所定の第2の配列パターンで第1の画
素と第2の画素とが並ぶ。
【0020】この場合、i番目のラインにおける第1の
画素と(i+1)番目のラインにおける第1の画素とは
水平方向の配置位置が互いに異なる。従って、i番目の
ラインから取り出される測光信号と、(i+1)番目の
ラインから取り出される測光信号とは測光対象となる水
平方向の位置が互いに異なる。このため、測光信号を取
り出すラインの位置を垂直方向の隣接ラインの位置に切
り替えることによって、水平走査方向の測光対象位置を
切り替えることができる。つまり、水平走査方向の複数
の領域について、測光信号の取り出しが可能である。
【0021】(請求項2)この発明では、第1の画素の
配置パターンが、第1の配置パターンと第2の配置パタ
ーンとに垂直走査方向の1ライン毎に交互に切り替わ
る。例えば、垂直方向並び順の番号が奇数のラインには
第1の配置パターンが割り当てられ、垂直方向並び順の
番号が偶数のラインには第2の配置パターンが割り当て
られる。
【0022】この場合、番号が奇数のラインと偶数のラ
インとを切り替えることによって、測光対象領域の水平
方向位置が切り替わる。この切替によって、測光対象領
域の垂直方向位置は1画素ピッチだけしか変化しない。
また、1ラインおきの複数ラインの測光信号を加算すれ
ば、レベルの大きな測光信号が得られるので、測光感度
が上がる。
【0023】(請求項3)この発明では、撮像装置上の
第1の測光領域には、垂直走査方向の1ラインもしくは
複数ラインおきに第1の配置パターンと第2の配置パタ
ーンとが交互に割り当てられ、撮像装置上の第2の測光
領域には、垂直走査方向の1ラインもしくは複数ライン
おきに第3の配置パターンと第4の配置パターンとが交
互に割り当てられる。
【0024】第1の測光領域においては、測光信号を取
り出すライン位置を切り替えることによって、水平方向
の測光対象位置が第1の領域と第2の領域の何れかに切
り替わる。また第2の測光領域においては、測光信号を
取り出すライン位置を切り替えることによって、水平方
向の測光対象位置が第3の領域と第4の領域の何れかに
切り替わる。
【0025】従って、第1の測光領域と第2の測光領域
との切替に応じて、水平方向の測光対象範囲を切り替え
ることができる。例えば、撮影画面の中央の領域と上下
の領域とで、水平方向の測光範囲(幅及び位置)を切り
替えることができる。 (請求項4)各画素の測光信号は、前記リセット部の基
準電圧印加端子から取り出される。この基準電圧印加端
子に接続された電流電圧変換器は、測光信号の電流レベ
ルを電圧レベルに変換して出力する。
【0026】この電流電圧変換器は、前記基準電圧印加
端子の電位には実質的に影響を及ぼさない。従って、測
光信号を生成する第1の画素と測光信号を生成しない第
2の画素との違いは、撮影素子の電荷蓄積動作及び電荷
読み出し動作に影響を及ぼさない。また、測光信号の電
流から露光状態を示す電圧が生成されるので、時間遅れ
を生じる積分などの動作が不要である。つまり、リアル
タイムで露光状態を検出できる。
【0027】(請求項5)前記リセット部の基準電圧印
加端子に接続されたスイッチング手段は、基準電圧印加
端子への基準電圧の印加と、基準電圧印加端子からの測
光信号の取り出しとを切り替える。リセット動作を実施
するために基準電圧印加端子に基準電圧を印加するとき
以外は、前記スイッチング素子を介して測光信号を取り
出すことができる。
【0028】(請求項6)各画素の増幅部が接合形の電
界効果トランジスタで構成される。電界効果トランジス
タを用いることにより、蓄積された電荷が外乱の影響を
受けにくくなり、ノイズの発生が抑圧される。
【0029】
【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)この形態の
撮像装置の構成と動作を図1〜図19に示す。この形態
は、請求項1,請求項2,請求項4,請求項5及び請求
項6に対応する。
【0030】図1は撮像装置の1つの画素(測光機能付
き)の構成を示す平面図である。図2は図1のII-II線
から見た断面図である。図3は図1のIII-III線から見
た断面図である。図4は図1のIV-IV線から見た断面図
である。図5は図1の画素を構成する特定の層を示す平
面図である。図6は図1の画素を構成する特定の層を示
す平面図である。図7は図1の画素を構成する特定の層
を示す平面図である。
【0031】図8は撮像装置の1つの画素(測光機能な
し)の構成を示す平面図である。図9は図8のIX−IX線
から見た断面図である。図10は図8の画素を構成する
特定の層を示す平面図である。図11は図8の画素の等
価回路を示す電気回路図である。図12は図1の画素の
等価回路を示す電気回路図である。図13は撮像装置全
体の基本構成を示すブロック図である。
【0032】図14は図13の光電変換素子アレイ10
0の内部の一部分を示すブロック図である。図15は図
13のリセット制御回路200の内部構成を示すブロッ
ク図である。図16は図13の出力回路300の内部構
成を示すブロック図である。図17は図13の光電変換
素子アレイ100における2種類の画素の配列パターン
を示す平面図である。図18は図13の撮像装置の動作
を示すタイムチャートである。図19は図13の撮像装
置の動作を示すタイムチャートである。
【0033】この形態では、請求項1の光電変換部,増
幅部,リセット部,半導体基板,測光用の開口部,第1
の画素及び第2の画素は、それぞれ第1ホトダイオード
PD1,トランジスタQ1,トランジスタQ3,P型半
導体基板58,開口部11b,測光画素PB及び非測光
画素PAとして具体化されている。また、請求項4の電
流電圧変換器は、電流電圧変換器401,402として
具体化されている。請求項5のスイッチング手段は、切
替回路201として具体化されている。
【0034】この形態の撮像装置は、図13に示すよう
に構成されている。この撮像装置の光電変換素子アレイ
100は、図17に示すようにX方向及びY方向に等間
隔で規則的に並べられた多数の光電変換セル(画素)1
0で構成されている。図17に示すように、光電変換素
子アレイ100には、光電変換セル10として非測光画
素PA及び測光画素PBが含まれている。測光画素PB
は、1つの画素の中に撮影のための光電変換機能と、露
光状態検出のための測光機能とを備えている。非測光画
素PAは、撮影のための光電変換機能を備えるが、測光
機能は備えていない。
【0035】まず、図1〜図7及び図12に示される測
光画素PBについて説明する。なお、立体的に構成され
る測光画素PBの各構成要素の位置関係を明示するため
に、図1においては実際に見えない部分も示してあるの
で注意されたい。機能的に見ると、図12に示すよう
に、測光画素PBは第1ホトダイオードPD1,第2ホ
トダイオードPD2及びトランジスタQ1〜Q3で構成
されている。トランジスタQ1は接合型の電界効果トラ
ンジスタ(J−FET)である。またトランジスタQ
2,Q3はMOS型のトランジスタである。
【0036】第1ホトダイオードPD1は画像撮影のた
めに利用され、第2ホトダイオードPD2は露光状態の
測定のために利用される。第1ホトダイオードPD1
は、入射光を光電変換し、入射光に応じた電荷を生成す
る。生成された電荷は蓄積される。第1ホトダイオード
PD1が生成した蓄積電荷は、トランジスタQ2を介し
てトランジスタQ1の入力(ゲート端子)に転送され
る。トランジスタQ1は、入力される信号を増幅して出
力端子T25に出力する。トランジスタQ3は、トラン
ジスタQ1の入力の電荷を排出する。すなわち、トラン
ジスタQ3はトランジスタQ1の入力レベルを初期化す
るためのリセット動作を行う。
【0037】第2ホトダイオードPD2が生成した電荷
は、端子T23から取り出すことができる。但し、トラ
ンジスタQ1の入力レベルを初期化する際には、所定の
基準電圧が外部から端子T23に印加される。
【0038】図2〜図4を参照すると、測光画素PBは
リセット電位供給電極11,信号出力電極12,接続電
極13,リセットゲート制御電極14,転送ゲート制御
電極15,透明絶縁部16,N+型不純物拡散領域5
1,N+型不純物拡散領域53,N型不純物拡散領域5
4,P型不純物拡散領域55,P型不純物拡散領域5
6,N型半導体層57,P型半導体基板58,P型不純
物拡散領域59及びN型不純物拡散領域60で構成され
ている。
【0039】P型半導体基板58上には、多数の測光画
素PB及び非測光画素PAが所定の半導体製造プロセス
で形成されている。測光画素PBを構成する第1ホトダ
イオードPD1,第2ホトダイオードPD2,トランジ
スタQ1,Q2,Q3は、光電変換セル10毎に図6に
示す高濃度のN+型不純物拡散領域51によって囲まれ
ている。
【0040】第1ホトダイオードPD1は、図3に示す
ように、N型半導体層57に形成されたP型不純物拡散
領域59と、高濃度のN型不純物拡散領域60とで構成
されている。露光によって第1ホトダイオードPD1が
生成する電荷は、P型不純物拡散領域59に蓄積され
る。撮像装置の表面には、図3及び図7に示すようなリ
セット電位供給電極11が形成されている。このリセッ
ト電位供給電極11は、金属膜(この例ではアルミニウ
ム)であるため遮光性を有する。
【0041】しかし、第1ホトダイオードPD1と対向
する領域では、リセット電位供給電極11に開口部11
aが形成されている。第1ホトダイオードPD1と開口
部11aとの間の空間に存在する透明絶縁部(SiO2
等)16は光を透過する。従って、図2の上方から到来
する入射光は、開口部11a及び透明絶縁部16を介し
て第1ホトダイオードPD1に入射する。
【0042】第2ホトダイオードPD2は、図2及び図
3に示すようにP型不純物拡散領域56及びN型半導体
層57によって形成される。撮像装置の表面に形成され
た遮光性のリセット電位供給電極11には、第2ホトダ
イオードPD2と対向する位置に開口部11bが形成さ
れている。従って、図2の上方から到来する入射光は、
開口部11b及び透明絶縁部16を介して第2ホトダイ
オードPD2に入射する。第2ホトダイオードPD2は
入射光を光電変換し、入射光の強度に応じた電荷を生成
する。
【0043】電荷転送に利用されるトランジスタQ2
は、図4に示すように、ソース領域を形成するN型不純
物拡散領域60と、ドレイン領域を形成するN+型不純
物拡散領域53と、ゲート領域を形成する転送ゲート制
御電極15とで構成されている。転送ゲート制御電極1
5はポリシリコンで形成されている。第1ホトダイオー
ドPD1に蓄積される電荷は、トランジスタQ2を介し
てトランジスタQ1のゲート領域に転送される。転送ゲ
ート制御電極15に印加する電圧により、トランジスタ
Q2をオン/オフ制御できる。
【0044】増幅に利用されるトランジスタQ1は、図
2に示すように、ゲート領域を形成するP型不純物拡散
領域55と、ソース領域を形成するN+型不純物拡散領
域53と、チャネル領域を形成するN型不純物拡散領域
54と、ドレイン領域を形成するN+型不純物拡散領域
51とで構成されている。N+型不純物拡散領域53及
びN型不純物拡散領域54は、P型不純物拡散領域55
の内側に形成されている。トランジスタQ1のソース領
域を形成するN+型不純物拡散領域53は、信号出力電
極12と電気的に接続されている。信号出力電極12は
金属(この例ではアルミニウム)で形成されている。
【0045】トランジスタQ1によって増幅された信号
(第1ホトダイオードPD1の蓄積電荷)は、信号出力
電極12から取り出される。リセット制御に利用される
トランジスタQ3は、図2に示すように、ソース領域を
形成するP型不純物拡散領域55と、ドレイン領域を形
成するP型不純物拡散領域56と、ゲート領域を形成す
るリセットゲート制御電極14とで構成されている。
【0046】リセットゲート制御電極14は、ポリシリ
コンで形成されている。トランジスタQ3のドレイン領
域を形成するP型不純物拡散領域56には、接続電極1
3を介してリセット電位供給電極11が電気的に接続さ
れている。接続電極13は金属(この例ではアルミニウ
ム)で形成されている。リセットゲート制御電極14に
印加する電圧により、トランジスタQ3をオン/オフ制
御できる。トランジスタQ3をオン状態にすると、所定
の基準電圧をリセット電位供給電極11を介して、トラ
ンジスタQ1の入力端子(ゲート領域)に印加すること
ができる。これによって、トランジスタQ1の入力レベ
ルが初期化されるので、暗信号レベルが決定される。
【0047】また、第2ホトダイオードPD2で生成さ
れる電荷がリセット電位供給電極11に出力される。ト
ランジスタQ3がオフの場合には、第2ホトダイオード
PD2の出力する信号(測光画素PBの露光状態を示す
測光信号)をリセット電位供給電極11から取り出すこ
とができる。上記測光画素PBと非測光画素PAとの構
成上の違いは僅かである。図7に示すように、測光画素
PBのリセット電位供給電極11には開口部11a及び
11bが存在する。一方、図10に示すように、非測光
画素PAのリセット電位供給電極21には開口部21a
だけが存在する。
【0048】このため、測光画素PBの第2ホトダイオ
ードPD2に相当する構成要素は、非測光画素PAには
存在しない。つまり、光電変換セル10の露光状態を示
す測光信号は測光画素PBだけが出力する。非測光画素
PAの第1ホトダイオードPD1と測光画素PBの第1
ホトダイオードPD1とは、実質的に同じ光電変換特性
を有している。
【0049】図17に示すように、光電変換素子アレイ
100を構成する多数の光電変換セル10には、非測光
画素PAと測光画素PBとが含まれている。なお、図1
7には実際に光電変換素子アレイ100に含まれる多数
の光電変換セル10の一部分のみが示されている。撮影
を実施するときには、光電変換素子アレイ100に含ま
れる多数の光電変換セル10は、X軸に沿った方向に水
平走査され、Y軸に沿った方向に垂直走査される。此処
では、X軸方向に沿った光電変換セル10の1行の並び
を走査ラインと呼ぶ。
【0050】図17を参照すると、Y軸方向のy1,y
3,y5,y7の各位置の走査ラインでは、X軸方向の
x2〜x8の範囲XLに測光画素PBが配置され、それ
以外の位置には非測光画素PAが配置されている。ま
た、Y軸方向のy2,y4,y6,y8の各位置の走査
ラインでは、X軸方向のx9〜x15の範囲XRに測光
画素PBが配置され、それ以外の位置には非測光画素P
Aが配置されている。
【0051】Y軸方向のy1,y3,y5,y7の各走
査ラインでは、互いに同じ第1の配置パターンで非測光
画素PAと測光画素PBとがX軸方向に並んでいる。ま
た、Y軸方向のy2,y4,y6,y8の各走査ライン
では、互いに同じ第2の配置パターンで非測光画素PA
と測光画素PBとがX軸方向に並んでいる。つまり、光
電変換素子アレイ100においては、1走査ラインおき
に第1の配置パターンと第2の配置パターンとが交互に
並ぶように、非測光画素PAと測光画素PBとが二次元
配列されている。
【0052】Y軸方向のy1,y3,y5,y7の各位
置の走査ラインでは、範囲XLに測光画素PBが配置さ
れているので、X軸方向の範囲XLの領域における入射
光強度を測光信号として検出できる。また、Y軸方向の
y2,y4,y6,y8の各位置の走査ラインでは、範
囲XRに測光画素PBが配置されているので、X軸方向
の範囲XRの領域における入射光強度を測光信号として
検出できる。
【0053】測光画素PBから出力される測光信号は、
各走査ライン毎に独立して取り出すことができる。従っ
て、測光信号を取り出す走査ラインを隣接する走査ライ
ンに切り替えると、測光対象となるX軸方向の領域が範
囲XL又は範囲XRに変更される。光電変換素子アレイ
100の電気回路は、図14に示すように構成されてい
る。図14を参照すると、y(i)で示される位置の走査ラ
インにおいては、多数の光電変換セル10の各端子T2
1(T11),T22(T12),T23(T13)及びT2
4(T14)が、それぞれ水平接続線151,152,1
53及び150に共通に接続されている。
【0054】図14に示すように、測光画素PBの測光
信号が取り出される端子T23が1つの走査ライン全体
に共通な水平接続線153に接続されているので、個々
の測光画素PBから独立した測光信号を取り出すことは
できない。各測光画素PBが出力する測光信号は、水平
接続線153上で加算される。また、全ての走査ライン
において、X軸方向の各位置x6,X7,X8,X9及
びX10の光電変換セル10の出力端子T25(T15)
は、それぞれ垂直接続線161,162,163,16
4及び165に接続されている。
【0055】従って、各光電変換セル10が備える第1
ホトダイオードPD1が生成する信号は、垂直接続線1
61,162,163,164及び165を介して、個
々の光電変換セル10から独立して取り出すことができ
る。また、y(i+1)で示される位置の走査ラインにおいて
は、多数の光電変換セル10の各端子T21(T11),
T22(T12),T23(T13)及びT24(T14)
が、それぞれ水平接続線154,155,156及び1
50と共通に接続されている。
【0056】測光画素PBの端子T23が接続される水
平接続線153,156,・・・は、走査ライン毎に独
立している。従って、測光信号は走査ライン毎に個別に
取り出すことができる。光電変換素子アレイ100の水
平接続線151,152,153,154,155,1
56,・・・は、図13に示すリセット制御回路200
と接続されている。リセット制御回路200の電気回路
は、図15のように構成されている。
【0057】図15を参照すると、リセット制御回路2
00は多数の切替回路201で構成されている。図15
においては、複数の切替回路201を区別するために、
切替回路201の符号に走査ラインの番号(1〜n)を
括弧と共に付加して示してある。同様に各信号の記号に
ついても、走査ラインの番号(1〜n)を付加して区別
してある。
【0058】以下の説明においては、特に必要がある場
合を除いて、走査ラインの番号は省略して各要素の符号
を記載する。各々の切替回路201は、トランジスタ2
11,212及びインバータ213で構成されている。
一方のトランジスタ211のゲート端子には、制御信号
SSが印加される。他方のトランジスタ212のゲート
端子には、制御信号SSがインバータ213を介して印
加される。
【0059】制御信号SSが高レベルHの場合には、ト
ランジスタ211がオンし、トランジスタ212がオフ
する。制御信号SSが低レベルLの場合には、トランジ
スタ211がオフし、トランジスタ212がオンする。
トランジスタ211のソース端子には、垂直走査回路4
11からリセット電圧信号φRSDが印加される。トラ
ンジスタ211のドレイン端子は、信号線220と接続
されている。信号線220は、光電変換素子アレイ10
0の各光電変換セル10の端子T23(T13)と水平
接続線(153,156,・・・)を介して接続され
る。
【0060】トランジスタ212のソース端子は、信号
線220と接続されている。トランジスタ212のドレ
イン端子は、共通線221及び222の何れか一方と接
続されている。走査ラインの番号が奇数の切替回路20
1(1),201(3),201(5),・・・においては、ト
ランジスタ212のドレイン端子が共通線221と接続
されている。また、走査ラインの番号が偶数の切替回路
201(2),201(4),201(6),・・・において
は、トランジスタ212のドレイン端子が共通線222
と接続されている。
【0061】トランジスタ211がオンしトランジスタ
212がオフするときには、リセット電圧信号φRSD
が信号RSDとして光電変換セル10(PA,PB)に
印加される。トランジスタ212がオンしトランジスタ
211がオフするときには、測光画素PBから出力され
る測光信号(RSD)がトランジスタ212を介して共
通線221又は222に出力される。
【0062】番号が奇数の走査ライン(y1,y3,y5,・・・)
に含まれる測光画素PBから出力される測光信号は、共
通線221に現れる。共通線221において、番号が奇
数の複数の走査ラインの測光信号が加算される。番号が
奇数の走査ライン(y1,y3,y5,・・・)においては、図17
に示すようにX軸方向のXLの範囲に測光画素PBが配
置されている。従って、共通線221に現れる測光信号
のレベル(電流)は、X軸方向のXLの範囲における平
均的な入射光強度に相当する。
【0063】また、番号が偶数の走査ライン(y2,y4,y
6,・・・)に含まれる測光画素PBから出力される測光信
号は、共通線222に現れる。共通線222において、
番号が偶数の複数の走査ラインの測光信号が加算され
る。番号が偶数の走査ライン(y2,y4,y6,・・・)において
は、図17に示すようにX軸方向のXRの範囲に測光画
素PBが配置されている。従って、共通線222に現れ
る測光信号のレベル(電流)は、X軸方向のXRの範囲
における平均的な入射光強度に相当する。
【0064】図13に示すように、リセット制御回路2
00の共通線221及び222には、それぞれ電流電圧
変換器401及び402が接続されている。電流電圧変
換器401は、共通線221に流れる電流に比例する信
号電圧VDLを生成する。電流電圧変換器402は、共
通線222に流れる電流に比例する信号電圧VDRを生
成する。
【0065】電流電圧変換器401が出力する信号電圧
VDLは、X軸方向のXLの範囲における平均的な入射
光強度に相当する。また、電流電圧変換器402が出力
する信号電圧VDRは、X軸方向のXRの範囲における
平均的な入射光強度に相当する。電流電圧変換器40
1,402は入力インピーダンスが非常に小さい。従っ
て、共通線221,222に現れる測光信号の電流レベ
ルが変動しても、共通線221,222の電圧はほとん
ど変化しない。
【0066】このため、各光電変換セル10の端子T2
3(T13)の電位は、測光画素PBの第2ホトダイオ
ードPD2の影響を受けない。従って、この撮像装置は
測光動作とは無関係に被写体の撮影動作を行うことがで
きる。図14に示す光電変換素子アレイ100の垂直接
続線161,162,163,・・・は、出力回路30
0と接続されている。出力回路300の具体的な構成を
図16に示す。
【0067】図16を参照すると、出力回路300は多
数の信号読み出し回路301と、増幅器351及びトラ
ンジスタ352で構成されている。図16においては、
複数の信号読み出し回路301を区別するために、信号
読み出し回路301の符号に走査列の番号(1〜m)を
括弧と共に付加して示してある。同様に各信号の記号に
ついても、走査列の番号(1〜m)を付加して区別して
ある。
【0068】以下の説明においては、特に必要がある場
合を除いて、走査列の番号は省略して各要素の符号を記
載する。各々の信号読み出し回路301は、トランジス
タ302,303,出力キャパシタ304及び定電流回
路305で構成されている。各信号読み出し回路301
の列走査端子311は、水平走査回路412と接続され
ている。また、各信号読み出し回路301の列接続端子
321は、光電変換素子アレイ100の垂直接続線16
1,162,163,・・・と接続されている。
【0069】出力回路300の端子331に印加する制
御信号CPにより、トランジスタ303がオン/オフ制
御される。トランジスタ303がオンすると、電極30
7が接続線363を介して接地される。これにより、出
力キャパシタ304の状態が初期化される。すなわち、
画素の黒レベルが決定される。各信号読み出し回路30
1の列走査端子311に印加される信号H(j)によっ
て、トランジスタ302がオン/オフ制御される。トラ
ンジスタ302がオンすると、出力キャパシタ304に
充電された電荷が出力線361に転送される。
【0070】出力線361の電荷は、増幅器351で増
幅され、出力端子360に電圧として出力される。トラ
ンジスタ352は、端子341に印加される信号Hrst
によってオン/オフ制御される。トランジスタ352が
オンすると、出力線361が接地されるので、増幅器3
51の入力レベルが初期化される。垂直走査回路411
からリセット制御回路200に印加される各種制御信号
と、水平走査回路412から出力回路300に印加され
る各種制御信号のタイミングを図18及び図19に示
す。
【0071】図18に示す時刻t1においては、i番目
の走査ラインの信号SS(i)が高レベルHになるので、
図15に示す切替回路201(i)のトランジスタ211
がオンし、トランジスタ212がオフする。従って、信
号φRSDがRSD(i)として光電変換素子アレイ10
0に印加される。また、共通線221は信号線220か
ら切り離される。信号RSG(i)によって光電変換セル
10のトランジスタQ3がオンするので、信号RSD
(i)のリセット電位(Vref)がトランジスタQ1のゲー
ト端子に印加される。
【0072】一方、i番目以外の全ての走査ラインにお
いては、信号SS(i+1),SS(i+2),・・・が低レベルL
であるため、図15に示す切替回路201のトランジス
タ211がオフし、トランジスタ212がオンする。従
って、信号線220に対する信号φRSDの印加は解除
される。また信号線220は、トランジスタ212を介
して共通線221又は222に接続される。従って、i
番目以外の各走査ラインの測光画素PBから出力される
測光信号の電流が、共通線221,222に現れる。つ
まり、測光信号を信号電圧VDL,VDRとして電流電
圧変換器401,402から得ることができる。
【0073】i番目以外の全ての走査ラインにおいて
は、信号線220,221,222の電位がリセット電
位(Vref)に固定される。図18に示す時刻t1から
t2の間で、信号RSD(i)のレベルが所定の読み出し
電位に切り替わる。時刻t2では、信号RSG(i)によ
って光電変換セル10のトランジスタQ3がオフするの
で、トランジスタQ1のゲート端子に対する信号RSD
(i)の印加が解除される。このとき、トランジスタQ1
は黒レベル(露光されない状態のレベル)を端子T25
(T15)に出力する。
【0074】図18に示す時刻t3では、信号CPが高
レベルHになるので、図16に示す各信号読み出し回路
301のトランジスタ303がオンする。従って、電極
307が接地されるので、出力キャパシタ304の一方
の電極の電位が黒レベルにクランプされる。図18に示
す時刻t4では、信号TG(i)が低レベルLになる。信
号TG(i)は各光電変換セル10の端子T21(T1
1)に印加される。従って、図11,図12に示すトラ
ンジスタQ2がオンする。その結果、第1ホトダイオー
ドPD1の光電変換により生成され蓄積された電荷が、
トランジスタQ2を介してトランジスタQ1のゲート端
子に転送される。
【0075】信号TG(i)は、i番目の走査ラインの全
ての光電変換セル10に共通に印加される。従って、X
軸方向に並ぶ多数の光電変換セル10のそれぞれにおい
て、第1ホトダイオードPD1の蓄積電荷が、一括して
トランジスタQ1のゲート端子に転送される。
【0076】転送された電荷のレベルに応じた信号が、
トランジスタQ1によって増幅され、端子T25(T1
5)から出力回路300に印加される。この信号によっ
て、図16に示す各信号読み出し回路301の出力キャ
パシタ304が充電される。従って、信号読み出し回路
301の電極307には、トランジスタQ1の出力レベ
ルに応じた電圧が現れる。
【0077】蓄積電荷の転送が完了すると、信号TG
(i)が高レベルHに戻るので、トランジスタQ2がオフ
する。従って、第1ホトダイオードPD1の電荷蓄積動
作が再開される。図18に示す時刻t1からt5の間
で、i番目の走査ラインに対する信号読取が行われる。
上記と同様の制御手順により、時刻t5の後で、(i+1)
番目,(i+2)番目,(i+3)番目,・・・の各走査ラインに対
する信号読取が順次に行われる。
【0078】図19に示す時刻t9では、信号Hrstが
高レベルになる。この信号Hrstは、図16に示す端子
341を介してトランジスタ352に印加される。信号
Hrstが高レベルになると、トランジスタ352がオン
するので、増幅器351の入力レベルが初期化される。
初期化の後、信号Hrstは低レベルに戻る。図19に示
す時刻t10では、X軸方向のj番目の列の列走査端子
311(j)に印加される信号H(j)が高レベルになる
(図16参照)。その他の列に印加される信号H(j+
1),H(j+2),H(j+3),・・・は低レベルに
保持される。
【0079】この場合、j番目の列における信号読み出
し回路301(j)のトランジスタ302がオンするの
で、電極307の電位が信号線361に転送される。転
送が完了すると、信号H(j)が低レベルに戻るのでト
ランジスタ302はオフする。同様に、図19に示す時
刻t11,t12,t13,・・・では、(j+1)番
目,(j+2)番目,(j+3)番目,・・・の各列におけ
る信号読み出し回路301(j)の電極307の電位が信
号線361に順次に転送される。
【0080】従って、増幅器351の入力には、各列の
光電変換セル10で得られた蓄積された電荷に対応する
信号が、画素周期TAの間隔で順次に現れる。 (第2の実施の形態)この形態における撮像装置の構成
を図20に示す。この形態は、請求項3に対応する。
【0081】この形態は、上記第1の実施の形態の変形
例である。図20において、第1の実施の形態と同一の
要素には、同一の符号を付けて示してある。また、説明
しない部分については、第1の実施の形態と同一であ
る。第1の実施の形態に対する変更部分は、主として光
電変換素子アレイ100Bにおける非測光画素PA及び
測光画素PBの配置パターンと、測光領域の区分であ
る。
【0082】また、測光領域の変更に伴って、リセット
制御回路200Bの内部配線が変更されている。更に、
各測光領域の測光信号を取り出すために7つの電流電圧
変換器403a〜403gを内蔵する電流電圧変換ユニ
ット403を設けてある。図20を参照して、光電変換
素子アレイ100Bにおける非測光画素PAと測光画素
PBの配置パターンについて以下に説明する。
【0083】y1,y3,y13及びy15で示される
位置の各走査ラインにおいては、X軸方向のXAで示す
範囲に測光画素PBが配置され、XBで示す範囲に非測
光画素PAが配置されている。y1,y3,y13及び
y15で示される位置の各走査ラインでは、互いに同じ
配置パターンで非測光画素PAと測光画素PBが配置さ
れている。
【0084】y2,y4,y14及びy16で示される
位置の各走査ラインにおいては、X軸方向のXAで示す
範囲に非測光画素PAが配置され、XBで示す範囲に測
光画素PBが配置されている。y2,y4,y14及び
y16で示される位置の各走査ラインでは、互いに同じ
配置パターンで非測光画素PAと測光画素PBが配置さ
れている。
【0085】y5,y7,y9及びy11で示される位
置の各走査ラインにおいては、X軸方向のXDで示す範
囲に測光画素PBが配置され、XCで示す範囲及びXE
で示す範囲には非測光画素PAが配置されている。y
5,y7,y9及びy11で示される位置の各走査ライ
ンでは、互いに同じ配置パターンで非測光画素PAと測
光画素PBが配置されている。
【0086】y6及びy10で示される位置の各走査ラ
インにおいては、X軸方向のXCで示す範囲に測光画素
PBが配置され、XD及びXEで示す範囲に非測光画素
PAが配置されている。y6及びy10で示される位置
の各走査ラインでは、互いに同じ配置パターンで非測光
画素PAと測光画素PBが配置されている。y8及びy
12で示される位置の各走査ラインにおいては、X軸方
向のXEで示す範囲に測光画素PBが配置され、XC及
びXDで示す範囲に非測光画素PAが配置されている。
y8及びy12で示される位置の各走査ラインでは、互
いに同じ配置パターンで非測光画素PAと測光画素PB
が配置されている。
【0087】y1及びy3で示す走査ラインについて
は、測光信号を取り出すための信号線が、リセット制御
回路200B内部で共通に接続されている。この信号線
は、電流電圧変換器403aに接続されている。従っ
て、X軸方向の範囲がXAでY軸方向の範囲がYAの領
域における測光信号が、電流電圧変換器403aの出力
に得られる。
【0088】y2及びy4で示す走査ラインについて
は、測光信号を取り出すための信号線が、リセット制御
回路200B内部で共通に接続されている。この信号線
は、電流電圧変換器403bに接続されている。
【0089】従って、X軸方向の範囲がXBでY軸方向
の範囲がYAの領域における測光信号が、電流電圧変換
器403bの出力に得られる。y5,y7,y9及びy
11で示す走査ラインについては、測光信号を取り出す
ための信号線が、リセット制御回路200B内部で共通
に接続されている。この信号線は、電流電圧変換器40
3cに接続されている。
【0090】従って、X軸方向の範囲がXDでY軸方向
の範囲がYBの領域における測光信号が、電流電圧変換
器403cの出力に得られる。y6及びy10で示す走
査ラインについては、測光信号を取り出すための信号線
が、リセット制御回路200B内部で共通に接続されて
いる。この信号線は、電流電圧変換器403dに接続さ
れている。
【0091】従って、X軸方向の範囲がXCでY軸方向
の範囲がYBの領域における測光信号が、電流電圧変換
器403dの出力に得られる。y8及びy12で示す走
査ラインについては、測光信号を取り出すための信号線
が、リセット制御回路200B内部で共通に接続されて
いる。この信号線は、電流電圧変換器403eに接続さ
れている。
【0092】従って、X軸方向の範囲がXEでY軸方向
の範囲がYBの領域における測光信号が、電流電圧変換
器403eの出力に得られる。y13及びy15で示す
走査ラインについては、測光信号を取り出すための信号
線が、リセット制御回路200B内部で共通に接続され
ている。この信号線は、電流電圧変換器403fに接続
されている。
【0093】従って、X軸方向の範囲がXAでY軸方向
の範囲がYCの領域における測光信号が、電流電圧変換
器403fの出力に得られる。y14及びy16で示す
走査ラインについては、測光信号を取り出すための信号
線が、リセット制御回路200B内部で共通に接続され
ている。この信号線は、電流電圧変換器403gに接続
されている。
【0094】従って、X軸方向の範囲がXBでY軸方向
の範囲がYCの領域における測光信号が、電流電圧変換
器403gの出力に得られる。この形態では、上記のよ
うに7種類に区分された各領域の測光信号を、電流電圧
変換器403a〜403gの出力から個別に取り出すこ
とができる。
【0095】
【発明の効果】(請求項1)撮影動作と実質的に同時
に、露光状態を示す測光信号が得られる。しかも、水平
走査方向の複数の領域について測光信号の取り出しが可
能である。
【0096】(請求項2)水平走査方向の測光対象領域
を切り替えても、垂直方向の位置はほとんど変化しな
い。また、1ラインおきの複数ラインの測光信号を加算
すれば、レベルの大きな測光信号が得られるので、測光
感度が上がる。 (請求項3)第1の測光領域と第2の測光領域との切替
に応じて、水平方向の測光対象範囲を切り替えることが
できる。例えば、撮影画面の中央の領域と上下の領域と
で、水平方向の測光範囲(幅及び位置)を切り替えるこ
とができる。
【0097】(請求項4)電流電圧変換器は、前記基準
電圧印加端子の電位には実質的に影響を及ぼさない。従
って、測光信号を生成する第1の画素と測光信号を生成
しない第2の画素との違いは、撮影素子の電荷蓄積動作
及び電荷読み出し動作にほとんど影響を及ぼさない。
【0098】また、測光信号の電流から露光状態を示す
電圧が生成されるので、時間遅れを生じる積分などの動
作が不要である。つまり、リアルタイムで露光状態を検
出できる。
【0099】(請求項5)リセット動作を実施するため
に基準電圧印加端子に基準電圧を印加するとき以外は、
前記スイッチング素子を介して測光信号を取り出すこと
ができる。 (請求項6)電界効果トランジスタを用いることによ
り、蓄積された電荷が外乱の影響を受けにくくなりノイ
ズの発生が抑圧される。
【図面の簡単な説明】
【図1】撮像装置の1つの画素(測光機能付き)の構成
を示す平面図である。
【図2】図1のII-II線から見た断面図である。
【図3】図1のIII-III線から見た断面図である。
【図4】図1のIV-IV線から見た断面図である。
【図5】図1の画素を構成する特定の層を示す平面図で
ある。
【図6】図1の画素を構成する特定の層を示す平面図で
ある。
【図7】図1の画素を構成する特定の層を示す平面図で
ある。
【図8】撮像装置の1つの画素(測光機能なし)の構成
を示す平面図である。
【図9】図8のIX−IX線から見た断面図である。
【図10】図8の画素を構成する特定の層を示す平面図
である。
【図11】図8の画素の等価回路を示す電気回路図であ
る。
【図12】図1の画素の等価回路を示す電気回路図であ
る。
【図13】第1の実施の形態における撮像装置全体の基
本構成を示すブロック図である。
【図14】図13の光電変換素子アレイ100の内部の
一部分を示すブロック図である。
【図15】図13のリセット制御回路200の内部構成
を示すブロック図である。
【図16】図13の出力回路300の内部構成を示すブ
ロック図である。
【図17】図13の光電変換素子アレイ100における
2種類の画素の配列パターンを示す平面図である。
【図18】図13の撮像装置の動作を示すタイムチャー
トである。
【図19】図13の撮像装置の動作を示すタイムチャー
トである。
【図20】第2の実施の形態における撮像装置全体の基
本構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
10 光電変換セル 11,21 リセット電位供給電極 11a,11b 開口部 12 信号出力電極 13 接続電極 14 リセットゲート制御電極 15 転送ゲート制御電極 16 透明絶縁部 51 N+型不純物拡散領域 53 N+型不純物拡散領域 54 N型不純物拡散領域 55 P型不純物拡散領域 56 P型不純物拡散領域 57 N型半導体層 58 P型半導体基板 59 P型不純物拡散領域 60 N型不純物拡散領域 100 光電変換素子アレイ 150,151,152,153,154,155,1
56 水平接続線 161,162,163,164,165 垂直接続線 200 リセット制御回路 201 切替回路 211,212 トランジスタ 213 インバータ 300 出力回路 301 信号読み出し回路 302,303 トランジスタ 304 出力キャパシタ 305 定電流回路 311 列走査端子 321 列接続端子 331,341 制御端子 351 増幅器 352 トランジスタ 360 出力端子 401,402 電流電圧変換器 411 垂直走査回路 412 水平走査回路 Q1,Q2,Q3 トランジスタ PA 非測光画素 PB 測光画素 PD1 第1ホトダイオード PD2 第2ホトダイオード

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光電変換部と、該光電変換部で生成され
    た信号を増幅する増幅部と、前記光電変換部で生成され
    た信号をリセットするリセット部とを有する画素を1つ
    の半導体基板上に複数並べて二次元に配置した撮像装置
    において、 前記画素として、前記リセット部に測光用の開口部を有
    する第1の画素と前記リセット部が遮光された第2の画
    素とを設け、 水平走査方向の各ラインを複数の第1の画素と複数の第
    2の画素とで構成し、 前記各ラインにおける第1の画素と第2の画素との配列
    パターンを複数種類備えて、 垂直走査方向の互いに隣接するラインでは、互いに異な
    る配列パターンで第1の画素と第2の画素とを並べたこ
    とを特徴とする撮像装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の撮像装置において、水平
    走査方向の第1の領域に第1の画素が配置された第1の
    配置パターンと、水平走査方向の第2の領域に第1の画
    素が配置された第2の配置パターンとを垂直走査方向の
    1ラインおきに交互に配置したことを特徴とする撮像装
    置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の撮像装置において、水平
    走査方向の第1の領域に第1の画素が配置された第1の
    配置パターンと、水平走査方向の第2の領域に第1の画
    素が配置された第2の配置パターンと、水平走査方向の
    第3の領域に第1の画素が配置された第3の配置パター
    ンと、水平走査方向の第4の領域に第1の画素が配置さ
    れた第4の配置パターンとを備えて、垂直走査方向の1
    ラインもしくは複数ラインおきに前記第1の配置パター
    ンと第2の配置パターンとが交互に割り当てられた第1
    の測光領域と、垂直走査方向の1ラインもしくは複数ラ
    インおきに前記第3の配置パターンと第4の配置パター
    ンとが交互に割り当てられた第2の測光領域とを垂直走
    査方向の互いに異なる位置に設けたことを特徴とする撮
    像装置。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の撮像装置において、前記
    リセット部の基準電圧印加端子に接続され、電流レベル
    を電圧レベルに変換する電流電圧変換器を設けたことを
    特徴とする撮像装置。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の撮像装置において、前記
    リセット部の基準電圧印加端子に接続され、基準電圧の
    印加と測光信号の取り出しとを切り替えるスイッチング
    手段を設けたことを特徴とする撮像装置。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の撮像装置において、前記
    増幅部を接合形の電界効果トランジスタで構成したこと
    を特徴とする撮像装置。
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