JPS5815375A - 固体撮像装置 - 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】 １よ この発−〇固体撮像装置の改良に関する。

近年、イメージセンナとして、旧来の撮像管にかわって
固体撮像素子が利用される機会が多くなってきて埴る。

■体撮倖素子ａ一般に、ＩＣ化された半導体光電変換セ
ルのマトリクスによシ榊成される。このため、固体撮像
素子は、小製軽量で丈夫であシ、耐振性も高く、低消費
電力で信頼性も高いという特徴を有している。

また、光電変換セルの配列すなわち受光面の画素の配列
は同定ｇｎでおり、各セルの出力を取シ出すクロックパ
ルスも正確に規定されているＯこのため、光学系で生じ
るひずみを除いて考えると、得られる画像の図形ひずみ
も非常に少ない０ 固体撮像素子がたとえばテレビカメラに利用される場合
を考えてみると、１画面についての画像情報読出し周期
は１／３０秒に固定されるＯそして、撮ｆａ素子に対す
る照射光量は、通常、光電変換セルの飽和レベルと暗電
流レベルとの中間の所定値に調整さｎる。ｉｉｋ像悄−
験出し周期が、比較的短かくかつ一定しているときは、
実用上これで差支えはない。しかし、篇光時間変史によ
って露出り整を行なう場合などのように画像情報読出し
周期が不特定に変化するときは、この変化に応じて前記
照射光量の所定値を変災しなけれはならないと−う問題
が生じる。ｉｔ！ｉ倫情報読出し周期が非常に長−場合
は、撮像素子の飽和を避けるために、撮像素子に対する
照射光の強さを極単に少なくせねはならない。このよう
な場合、ｉｉｉ像情報読出し中に露光量すなわち照射光
束の時間積分値が変化してゆ〈０このため、その１画面
について、最初に読出されるセルの光電変換セルと最後
に読出されるセルの光電変換セルとが太−に変ってしま
うｏし危がって、撮像素子の受光面全域にわたって均一
な感度を得ることができなくなる。

この発ＴＩＡは上記事情にかんがみなδれたもので、情
報の貌出し周期にかかわらず撮曹面の全域にわ九って均
一な感度を得ることのできる固体撮像装置を提供するこ
とを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明に係る固体撮像装
置におりては、使用される撮像素子の受光面をｉＩｈ成
する光電変換セルのうち、少なくとも１つのセル出力を
利用して、光電変換セルが飽和する前に前記受光面をし
辛党している。

そして、しや九しながら全ての光を変換セルから画像情
味を読出している。

このようにすれは、ｊｌｉ像情報読出し周期が長くても
、各光電変換セル内の画像情報量が、読出し中に変化す
ることはない。したがって、画面の全域にわたって均一
な感度を有する固体撮像装置が得られる０また、光電変
換セルが飽和する前にし辛党が行なわｎるため、露出オ
ーバにより画像のプントラストがくずれる恐れもない０
この発明によｔば、最も充電変換感度の為−飽和レベル
寸前のところで撮像素子を動作させることができる。す
なわち、光電変換セルの入力光量対出力レベｋｑ／！Ｉ
性が飽和しカー範囲であって最大出力レベルの得らｊる
ところで前記し辛党を行なうことによシ、高島度な固体
撮像素置を得ることができる。

前記しゃ光を行なうために利用する光％変換セルとして
は、通常、撮像素子の受光面中央部分に配置された複数
のセルを用いることが好ましい。一般的にいって、受光
面の中央領域にくる被写体が最も明るいからである。ｔ
ｆＣ，上記複数セルの各出力の平均レベルにもとづいて
前記し辛党のタイミングを決定すｆ′Ｌは、受光面中央
領域の平均照射光量を、光電変換セルが飽橢する寸前に
設定できる。

前記し辛党を行なう期間は、１画面分の画像情報読出し
に徴する期間より長くてもよい。しかし、連続的な撮像
を行なう場合は、前記しゃ光は、実質的に−って画像情
報読出し中にだけ行なわれた方が好ましい０ 次に図面を参照してこの発明の一実施例を説明する・被
写体１０の光学書は、レンズ系１１およびシャッタ機構
１４を介して、固体撮像素子１−の受光面上に結ＩＩｇ
れるＯ撮會素子１＃は、規則正しくマ）ＩＪクス状に配
列された複数の光１！灸換セルＥ１ｊ　と、行（１）方
向の電荷転送を行なうＣＣＤＩｋｆｆｉシフトレジスタ
Ｃｊと、垂直シフトレジスタＣｊによｐＷｔ出された電
荷を列（ｊ）方向に転送するＣＣＤ水平シフトレジス／
Ｒとを備えている。セルＥｌｊ　　のｉは用途に応じて
適宜決定される０高解像度が賛求されない用途の場合は
、たとえはセル（１１数２００Ｘ２０Ｇ＜らいのＣＣＤ
イメージセンサが、撮像素子Ｉｇとして使用される６ｗ
Ｊ１図におりては、わかりやすくするために、８×８セ
ルのイメージセンサを示しである。

各セルＥ１ｊ　には、解射光量に対ｚした電荷が蓄１に
すれる。すなわち、セルＥ１ｊ　全体に祉、前記複写体
１０の光学俸に対応した電荷が分布する。これらの電荷
（ｉｉＩ俸情軸情報、一定のクロック・タイ電ングでも
って、垂直シフトレジスタＣｊおよび水平シフトレジス
タＲを介して取出される。すなわち、シフトレジスタＲ
に水平／ＩＩ直電荷転送用のクロックツ（ルスＣＫが与
えらｎ為と、シフトレジスタＲから、ｈｆｅ悄−ＶＩが
時系列に沿ったシリアルデータとして読出される。

上述したｒｌｉｌＩ像情報ＶＩの読出しに先立って、撮
像素子１６の中央部分のセルに蓄積され丸亀荷量が抽出
さｎる。すなわち、セルＥｓ＊　Ｉ　ＥＭｓＥ箇、、Ｅ
４４およびＥ４６の出力（１［荷量）は、図示しないバ
ッファー回路を介してアナログ加算器１８に与えられる
。加算器１８の出力信号８１８６積分回路２０に入力さ
れる。株分回路２０からは、加算器１８に接続され念５
つのセルの平均電荷量に対応した積分出力信号８７０が
出力される。この信号Ｓｏｏは、撮像素子１６の受光面
中央領域における平均光量を示して−る。信号Ｓｚｏは
比較回路２２に入力される・比較回路２２には、所定基
準レベルＶｒ＠ｆが与えられている。信号Ｓｘｏのレベ
ルが基準レベルＶｒ＠ｆ　　を超えると、比較１路２ｚ
はタイミング信号８２２を発生する・ ｈ＊ｖベルＶｒ＠ｆ　　は、セｋＥ１ｊ　　の出力が飽
和する寸前のレベルに対応するように、実験的に決定ｇ
ｎる０すなわち、Ｖｒｅｆ　Ｆｉ、セ／ｌ／　Ｅ　ｉ　
Ｊの入力光量対出力レベル（蓄積電荷量）特性が飽和し
ない範Ｈにおける最大レベルに相轟するＯ構成蚤索ＩＩ
１．；１０および２２は、撮像素子Ｊｆｔのうちの少な
くとも１つの光電変換セルＥｌｊ　　に結合され、この
光１１ｔ′換セルの出力レベルが所定のレベルＶｒｅｆ
　　に和尚したときにタイ建ンダ信号５ｚｚｔ発生する
第１手段を構成している０ タイミング信号ＢｚｚＦｉ、シャッタ駆動回路ｚ４およ
びゲート回路２８に与えられるＯ駆動回路５ａｉｄ、シ
ャッター開放信号８２８に応答して前記シャッタ機構Ｊ
４ｔ−開放させ、タイ建ン／ｍ１）８ｚｚに応答してシ
ャッタ機構１４を閉成させる０また、ゲート回路ｚ６は
、タイミング信号Ｂｘｘが与えられてから撮像素子１６
の全セルＥ１ｊ　の電ｉＲ読出しが終了するまで開いテ
、Ｉｌｉ：ｉ！ｓクロックパルスＣＫをタフトレジスタ
ＣＬ　Ｈに与えるＯ 構ｒｌＬｊ８８１４ｍ　Ｊ　４．　ｊ　ｇ、　ｃ　ｊお
よびＲは、前記彫１手＄＜１８．ｚｏ。ｚｚ）に結合ｇ
ｔｔ。

タイミング信号Ｂｘｘが発生されたときに撮像素子Ｊ６
の受光面をしや光して、この受光面にある光電変換セル
Ｅｉｊ　内の剛健情報を取り出す第２手段を構成してい
るＯ ｍ１図の装置は次のように動作する。ここでは、スチー
ル撮影が行なわれる場合を説明すも第２図の時間ｔｌＯ
以前では、撮像素子ＩＣのセルＥｉＪ　の電荷は全てゼ
ロとする。時間ｔｌＯにおいてシャッタ開放信号Ｓ２ｊ
がシャッタ駆動回ｊ！！＋！４に与えられると、シャッ
タ機構１４は開く０すると、撮像素子１６の各セルＥｌ
ｊ　には、被写体１０の光学曽の明るさ分布に応じ友亀
荷が蓄積され、各セルの出力（蓄積電荷量）はやがて飽
和することになるＯ通常は、撮像素子１６の受光面中央
部分が最も明るいので、この中央部分のセルが一瞥早く
飽和する。したがって、中央セルの積分出力８２０を飽
和レベルの寸前に制限すれば、傭のセルが飽和されるこ
とは、はとんどない。仁の制限レベルハ、基準レベルＶ
ｒ・ｆ　にもとづいて決定される。すなわち、基準レベ
ルＶｒＩｆは、積分出力８ｚａの飽和レベルよシもわず
かに低いレベルに設定される。

時間ｔｌｌにお−て積分出力８２０が基準レベルＶｒ＠
ｆ　　を超えると、タイミング信号Ｓ２２の信号レベル
がｐシック１０“からｐシック１１′に変化する０この
■シックレベル変化が７ヤツタ駆動回路ｚ４に与えられ
ると、シャッタ機構１４は閉じる０すると、撮像素子Ｊ
４内の光電変換セルＥ１ｊ　に対する電荷の蓄積は停止
される。タイ建ング信号ｇｘｚが四シック＊’　１　＃
になるとゲート回路２１１が−くｏすると１シフトレジ
スタＣｊ、ｔｔこりｐツクバルメが送られ、シフ）レジ
スタＲから画曽情１１１ＶＩが出力される。シャッタ機
＄１４は、１ｉｌｉｉｉ面分の画像情報ＶＩの読出しが
行なわｎている間は閉じてφる０このため、情報ＶＩの
読出し中に各光電変換セルＥ１ｊ　の電荷量が変化して
しまうことはない・画像情味ＶＩの読出しが完了すると
、時間ｔ１０以前の状態にもどる。

上記動作の反復によシ、連続スチール撮影または動画の
撮影も可能となる。この撮影反復周期が２ンダムであっ
ても、画像情報ＶＩの読出しは、常に光電変換セルＥ１
ｊ　が飽和レベル寸前まで膝元された後に行なわれる。

このため、高感度でＳ／Ｎの良い固体撮像装置が得られ
る０また、この高感度を維持しながらｉ［ｊ＊情＠ＶＸ
の読出し周期を任意に設定できることから、従来になり
長所が生まれる。たとえば、読出した情１１ＶＩを−１
ＩＣメモリに記憶させる場合を考えてみると、このＩＣ
メモリの７クセ・スタイムを遅くさせることができるの
で、装置の像コスト化が可能になる０ なお、明細書で詳述さｆ′ＬＩ！１面に図示された実施
例は、この発明を何ら限定するものではなりｈにの発−
の趣旨および特許請求の範囲内にお−て種々の蜜Ｊｌ！
等が可能である０たとえは、撮像素子１６＃′ｉ、必ず
しもマトリクス状に配置され九光電変換セルを有するも
のに限定ざｎなφ。

被与体１０が一次元的表ものであれに、撮像素子１１と
して一次元イメージセンサアレイを用−てもよＩ／％６ ＣＣＤイメージセンナのほかに、たとえは、ＭＯＳ）ｊ
ンジスメおよびフォトダイオードからなる光電変換セル
を含んだＭＯＳイメージセンサあるりはＢＢＤイメージ
竜ンサを、撮像素子１６と、して用いてもよい。

撮像素子１＃の受光面に光学像を与える光学系は、必ず
しもレンズ系１１に限定さｆＬない０この光学系は、所
望の光学像を撮像素子１σに与える系であｆｔｒｄ　ｓ
どのような構成を有していてもよ−０ タイ建ンダ信号Ｓｚ２を弗化させるため暑こ選択ｇｔす
る光電変換セルＥｌｊ　け、必ずしも撮像素子１ｇの受
光面中央にあるセルでなく、でもよい）撮像素子１＃の
受光面全体が大体均一の明るざになるような被写体を撮
影する場合は、受光向のｉａ４隅近・傍のセルを選択し
てもよいＯ選択されるセルの数も任意である。たとえば
、１つの中央セルｇｓｗだけからタインング伽号Ｓｉｘ
を作ることもで舞るし、全てのセルＥ１１〜Ｅｓｓを用
いてタインング信号８ｘｘを作ることもで診る。

撮４ａ索子１６のしや光電も、シャッタ機構１４に限定
されない。囲動できる鏡などを用１て、被写体１０の光
学像の光路全撮像素子Ｉｆの受光面からそらせてもよ−
。ある−は、被写体１０が暗所にある場合、被写体１０
に対する照明を停止してもよい。Ｋ倫素子ＩＣの感光動
作が電気的にコン）０−ルできるのならは、シャッタ駆
動回路２４の出力信号でもってこのような撮像素子１６
の感光動作（１衝薔積など）ｔ−禁止させてもよい。

また、撮゛像素子１６の各セルＥＩＪ　　かもの情報読
出しも、第１図に示しえよすな信号電荷転送方式のかわ
夛に、Ｘ−Ｙアドレス方式を用−で行なうことができる
。たとえは、ＭＯＳイメージセンサ・マトリクスの列お
よび行にそれぞｆｌＸ　（水平）走査用シフトレジスタ
とＹ（垂直）走査用シフトレジスタとを配電する。そし
て、ＸレジスタおよびＹレジスタ曇こよりて各セルのア
ドレスｆ：側久指定しながら、１ｌｉｉ像情報を翫出す
こともできる。

ＯＩの簡単な説明 第１図は、この発明の一実施例に係る固体撮像素子を示
す構成図、第２鮪は第１図に示ざｎる装置の動作を説明
するタイミングチャートである・ １０・・・被写体；１ｚ・・・レンズ系（光学系）：１
４・・・シャッタ機構；１６・・・固体撮像素子（ＣＯ
Ｄイメージセンサ）；Ｅｉｊ　　・・・光電変換セル；
Ｃｊ・・・ＣＣＤＩ！直シフトレジスタ；Ｒ・・・ＣＯ
Ｄ水平シフトレジスタ；ＣＫ・・・クロックパルス；Ｖ
Ｉ・・・画ｇＩＩ屑報；１８・・・アナログ加算口；２
０・・・積分回路’、ｓｚｏ・・・積分出力信号；２２
・・・比１１Ｎ　１４１　ｊｌｌ　：　Ｖｒｄ・・・基
準Ｖペル（ｒ９Ｔ定レベル）；。

Ｓｚｊ・・・タイセンダ信号；２４・・・シャッタ駆動
回路：２６・・・ゲート回路Ｈｓｘｓ・・・シャッタ開
放信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）複数の光電変換セルが配列された受光面を有する
   一体素子と１ 前記撮像素子のうちの少なくとも１つの光電変換セルに
   結合さｔｌこの光４ＩＩＬ変換セルに与えられる光量に
   対応するところの光電変換セルの出力レベルが所定のレ
   ベルに和尚したときにタイミング信号を発生する諏１手
   段と；前記第１手段に結合され、前記タイずング信号が
   発生さｊたときｌこ前配撮ｉｌｌ素子の受光面をし中光
   してこの受光向暑こおる光電変換セル内のｍ會情報を取
   シ出す第２手段とを備え１！ｌ た勧体操像装置。 （２）前記第１手段の前記所定レベルは、前記光−変換
   セルの入力光量対出力レベル巷性が飽和しな一範鮪にお
   ける最大出力レベルに対応する特許請求の範囲第（１）
   項に記載の向体撮健装置。 （３）前記ＩＮ１手段に結合さｎる光を変換セルは、前
   記撮＊＊子の受光面の中央部分に制置された光−換セル
   を含む特許請求の範囲館（１）項オたＦｉ第臼）項に記
   載の固体撮會装置◇（４）　　前記第１手段に結合され
   る光１１変換セルは複数であシ、前記第１手ＲＦ；ｉ、
   この複数光電変換セルの平均出力レベルと所定の基準レ
   ベルとを比較し、この平均出力レベルが仁の基準レベル
   に対応したときに前記タイ２ング信号を発生する特許請
   求の範囲第（１）項ないし第（３）項のいずれかに記載
   の固体撮健装置。 （５）　　前記第２手段は前記タイミング信号に応答し
   て前記撮像素子の受光面をし辛党するシャッタ一手段を
   含み、このシャッター中段は前記１曽情報が塊夛出され
   てφる関に前記受光面のし辛党を維持する特許請求の範
   ｉ！ｌ第（１）項ないしＭ　（４）　、ＩＩのいずれか
   に記載の一体操像装置Ｏ